溶接冶金

溶接、通常は加熱により金属部品を接合するために使用される技術。この技法は、鉄を有用な形状に操作する作業中に発見されました。溶接されたブレードは、第1ミレニアムCEで開発されました。最も有名なのは、シリアのダマスカスでアラブの甲冑師によって生産されたブレードです。鉄を浸炭して硬鋼を製造するプロセスは現時点では知られていましたが、得られた鋼は非常に脆いものでした。溶接技術-比較的柔らかく丈夫な鉄と高炭素材料との層間形成、その後のハンマー鍛造を含む-は、強くて丈夫なブレードを生み出しました。

現代では、製鉄技術の改善、特に鋳鉄の導入により、鍛冶屋と宝石商への溶接が制限されました。ボルトやリベットによる固定などの他の接合技術は、橋梁や鉄道エンジンから調理器具まで、新製品に広く適用されていました。

現代の溶融溶接プロセスは、大きな鋼板で連続的な接合を得る必要性から生まれました。リベッティングには、特にボイラーなどの密閉容器の場合に欠点があることがわかっています。ガス溶接、アーク溶接、抵抗溶接はすべて19世紀の終わりに登場しました。大規模な溶接プロセスを採用する最初の真の試みは、第一次世界大戦中に行われました。1916年までに、オキシアセチレンプロセスが十分に開発され、当時採用されていた溶接技術がまだ使用されています。それ以降の主な改善点は、機器と安全性です。消耗電極を使用したアーク溶接もこの時期に導入されましたが、最初に使用された裸線はもろい溶接を生成しました。裸線をアスベストと絡み合ったアルミ線で包むことで解決策が見つかりました。1907年に導入された最新の電極は、鉱物と金属の複雑なコーティングが施された裸線で構成されています。アーク溶接は、第二次世界大戦まで、普遍的に使用されていませんでした。海運、発電所、輸送、構造物を迅速に建設する必要があり、必要な開発作業に拍車がかかりました。

エリフトムソンによって1877年に発明された抵抗溶接は、シートのスポットおよびシーム接合用のアーク溶接のずっと前に受け入れられました。チェーン製造およびバーとロッドの接合のための突合せ溶接は、1920年代に開発されました。1940年代に、非消耗タングステン電極を使用して溶融溶接を実行するタングステン不活性ガスプロセスが導入されました。1948年に、新しいガスシールドプロセスは、溶接で消費されたワイヤー電極を利用しました。最近では、電子ビーム溶接、レーザー溶接、および拡散接合、摩擦圧接、超音波接合などのいくつかの固相プロセスが開発されています。

溶接の基本原理

溶接は、圧力を加えて、または加えずに、およびフィラー材料を使用して、または使用せずに、適切な温度に加熱することによって生成される金属の合体として定義できます。

溶融溶接では、熱源が必要なサイズの金属の溶融池を作成および維持するのに十分な熱を生成します。熱は、電気またはガス炎によって供給されます。電気抵抗溶接は、溶融金属が形成されるため、溶融溶接と見なすことができます。

固相プロセスは、母材を溶かすことなく、また溶加材を追加することなく溶接を生成します。圧力は常に使用され、一般にある程度の熱が提供されます。摩擦熱は、超音波接合と摩擦接合で発生し、拡散接合では通常、炉加熱が使用されます。

溶接で使用される電気アークは、一般に10〜50ボルトで10〜2,000アンペアの範囲の高電流、低電圧放電です。アークカラムは複雑ですが、大まかに言えば、電子を放出する陰極、電流伝導用のガスプラズマ、および電子衝撃により陰極よりも比較的高温になる陽極領域で構成されます。通常、直流（DC）アークが使用されますが、交流（AC）アークを使用することもできます。

発生した熱をすべて有効に利用できるわけではないため、すべての溶接プロセスでの総エネルギー入力は、ジョイントを作成するために必要なエネルギー入力を超えています。効率は、プロセスによって60〜90％です。一部の特別なプロセスは、この図から大きく逸脱しています。熱は、卑金属を介した伝導と周囲への放射によって失われます。

ほとんどの金属は、加熱されると、大気や他の近くの金属と反応します。これらの反応は、溶接継手の特性に非常に悪影響を及ぼす可能性があります。たとえば、ほとんどの金属は溶融すると急速に酸化します。酸化物の層は、金属の適切な結合を妨げる可能性があります。酸化物でコーティングされた溶融金属の液滴は、溶接部に閉じ込められ、接合部がもろくなります。特定の特性のために追加されたいくつかの貴重な材料は、大気にさらされると非常に速く反応するため、堆積した金属は最初と同じ組成ではありません。これらの問題は、フラックスと不活性雰囲気の使用につながっています。

溶融溶接では、フラックスは金属の制御された反応を促進し、次に溶融材料の上にブランケットを形成することにより酸化を防ぐという保護的な役割を果たします。フラックスは、アクティブでプロセスに役立つか、非アクティブで、接合中に表面を単に保護することができます。

不活性雰囲気は、フラックスと同様の保護的な役割を果たします。ガスシールドメタルアーク溶接とガスシールドタングステンアーク溶接では、不活性ガス（通常はアルゴン）がトーチを取り巻く環から連続的な流れで流れ、アークの周囲から空気を追い出します。ガスは金属と化学的に反応せず、空気中の酸素との接触から金属を保護するだけです。

金属接合の冶金学は、接合部の機能能力にとって重要です。アーク溶接は、ジョイントのすべての基本機能を示しています。3つのゾーンは、溶接アークの通過から生じます。（1）溶接金属または溶融ゾーン、（2）熱影響ゾーン、および（3）影響を受けないゾーン。溶接金属は、溶接中に溶けた継手の部分です。熱影響部とは、溶接されていないが溶接熱によりミクロ組織や機械的性質が変化した溶接金属に隣接する領域のことです。影響を受けない材料は、その特性を変更するために十分に加熱されなかった材料です。

溶接金属の組成と、それが凍結（凝固）する条件は、サービス要件を満たすジョイントの能力に大きく影響します。アーク溶接では、溶接金属は溶加材と溶融した母材から構成されます。アークが通過すると、溶接金属が急速に冷却されます。ワンパス溶接は、溶融池の端から溶接の中心まで柱状粒子が伸びる鋳造構造です。マルチパス溶接では、溶接される特定の金属に応じて、この鋳造構造が変更される場合があります。

溶接部または熱影響部に隣接する母材は、さまざまな温度サイクルにさらされ、その構造の変化は、任意の時点でのピーク温度、露出時間、および冷却速度に直接関係します。 。母材の種類は多すぎてここでは説明できませんが、3つのクラスに分類できます：（1）溶接熱の影響を受けない材料、（2）構造変化によって硬化する材料、（3）析出プロセスによって硬化する材料。

溶接は材料に応力を発生させます。これらの力は、溶接金属の収縮と、熱影響部の膨張と収縮によって引き起こされます。未加熱の金属は上記に拘束を課し、収縮が支配的であるため、溶接金属は自由に収縮できず、接合部に応力が蓄積されます。これは一般に残留応力と呼ばれ、一部の重要なアプリケーションでは、製造全体の熱処理によって除去する必要があります。残留応力はすべての溶接構造で不可避であり、それが制御されない場合、反りまたは溶接部の歪みが発生します。制御は、溶接技術、治具と治具、製造手順、および最終的な熱処理によって行われます。

溶接プロセスにはさまざまな種類があります。最も重要なもののいくつかを以下で説明します。