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溶接

ようせつ

二つ以上の部材を溶融させて一体化させる加工のこと。
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綴りについて

元は「鎔接」や「熔接」という綴りだったが、当用漢字に入れられなかった為「溶」の字が代用されている。

概要

母材(加工したい材料)の接合部分を熔融させ接合する。接着とは異なり、加工した材料は分子レベルで連続している。加工したい箇所のみ母材の融点まで温度を上げなければならないため、主な方法として、電気抵抗によるジュール熱、ガスの炎、レーザープラズマ電子線などで集中的に加熱をする。

金属の溶接

電気溶接

アーク溶接

母材と電弧を放つ電極に電源を接続し、接触させてから少し離すと放電による電弧が生ずる。電弧が生じている部分は電源から供給されている高いエネルギーでプラズマ化しており4,000℃~6,000℃にもなっている。そのため母材となる金属の融点を軽く超えており容易く加熱され熔融する。その溶融した箇所に、電極そのものや溶接材とよばれる金属を埋めて接合する。電極が溶接材を兼ねている場合はその周りにフラックスとよばれる物が盛ってあり、これが気化することによって溶接する周囲の空気との反応を防いでいる。他の方法(半自動溶接やTIG溶接)の場合はアルゴンガス等の不活性ガス(窒素では高温のため母材と反応してしまい不可。母材がの場合は二酸化炭素が使用可)で周りとの反応を防ぐ。

スポット溶接・シーム溶接

薄い金属板の溶接によく使われる。材料を電極で挟んで押し付け、そこに大電流を流すと赤熱し分子レベルで接合する。これを点で行うのがスポット溶接。線で行うのがシーム溶接。
身近なところでは乗用車の車体の主な接合方法にスポット溶接がよく使われ、缶コーヒーのスチールなどにシーム溶接がよく使われる。

ガス溶接

酸素と可燃性のガス(主にアセチレン)を混合した高温の炎を吹きつけ熔融させ、そこを溶接材で埋めて接合する。また、TIG溶接機でも可能だが、高温の炎によって金属を切断することもできる。
ただし、危険物(アセチレンガス)を扱う業務であるため、実技講習を受けなければならない。(要はガス溶接免許が必要)

テルミット溶接

アルミニウム粉末と酸化金属の粉末を混合し、火をつけると高温を発しながら酸化金属を還元する反応を用いたもの。このとき発する熱により融けて接合される。
複雑な機材や設備を必要としないため線路の敷設・改修・保守現場でよく使われる。

鍛接

二つの母材の表面を密着させ、熱と圧力を加えて接合する。
身近なところでは小径かつあまり強度を要さない鋼管の製造に使われている。
また、ダマスカス鋼や高級包丁や日本刀の材料である和鋼(わこう)、または玉鋼(たまはがね)の鍛錬にもこの原理は使われている。
余談だが、基本的に和鋼(玉鋼)は刀匠以外には販売していないが、ナイフ製作用鋼材として少量であれば購入が可能なたたら製鐵所もある。

高エネルギー溶接

レーザー溶接

溶接する部分に高出力のレーザーを当て、加熱して接合する。母材の酸化を防ぐため不活性ガスを充填した専用の装置内で行うか、またはTIG溶接のように不活性ガスを吹き付けて酸素を追い出す。ただ、散乱したレーザーでさえ周りの人や物が焼ける様な出力のレーザーになるため、特に手溶接やロボットアームによる作業では、部外者やレーザーに対する防護していない者の立ち入りを禁止するなどの措置をとっておかないと思わぬ事故を招くこととなる。

電子ビーム溶接

加速器で加速した電子線を対象物に当てて加熱し接合する。ただし、真空中でなければ電子線が散乱してしまうため、専用の部屋に入れて溶接する。また電子線が材料に当たった際に、制動放射によるX線が放射されるためX線防護も必要。その反面、普通の溶接では非常に難しいものや不可能な物の熔接ができる。ちなみに放射線(運動エネルギーの大きい電子線)を使うので放射線取扱主任者の免状を持つものがいなければこの溶接はできない。(これも放射線取り扱いの免許が必要)

圧接

広義の溶接に当たるが、母材を溶融させていないので、溶接とは別のものと一般的には考えられている。一般的な溶接とは異なり、物体の融点以下の温度でろう材を用いずに接合するために材料が熱で変化せず、物性に差のある金属の接合が可能。

常温圧接

母材に電気や熱を加えず、強い圧力をかけて接合する。

摩擦攪拌接合

回転する円筒状の工具を強い圧力で母材に押し当てて、その摩擦熱と攪拌力で接合する。1990年代に開発された新しい技法。

超音波溶接

溶接部に超音波で振動する工具を押し当てて、母材が互いに摩擦することにより接合を行なう。薄いものしか接合できない。

爆発圧接

爆発の圧力により二種類の金属を高速で衝突させて接合する。現在はプレス機を用いた圧延が一般的となり、限られた用途でしか使われていない。

プラスチックの溶接

ヒートガンとよばれる工業用熱風機をつかい、局所的に加熱して母材と溶接剤を軟化させて溶着させる。その名のとおりプラスチック(熱可塑性樹脂のみ)を融かして接合するのでプラスチック溶接という。
この加工に使う熱風機は高温の風(~600℃位)を出すため、銅管のロウ付けや表面実装タイプの電子部品(特にLSIのように大きいもの)の半田付けに使われることもある。

樹脂シートの溶着

高周波ミシンとよばれる機械を使い、熱可塑性の樹脂製シートをミシンで縫うように溶着する。
この高周波ミシンとよばれる機械は電極に溶着したい材料を挟み、電極に高周波を与え、電界作用による絶縁体の発熱を利用した機械。

(ホイホイ追記しちゃってください。また、上記の概要が間違っていたら修正願います)

余談

金属素材の開発の際、他の特性がいくら優れていても溶接ができない組成だと上司に「これじゃ溶接できないじゃないか!」と怒られることがよくあるので、材料開発に進む人はこの事を頭の片隅でもいいから留めておくとよい。

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