溶融溶接と固相溶接の違いを徹底解説

2つ以上の部品を接合することは製造業において不可欠な要件です。多様な材料を様々な方法で組み立てるために、数多くの接合技術が存在します。これらのプロセスの中には永久接合を提供するものと、一時接合を提供するものがあります。リベット接合、カップリング、接着接合と同様に、溶接も永久接合プロセスの一つです。定義によれば、溶接とは、外部からの圧力、熱、溶加材の有無にかかわらず、凝集形成によって2つ以上の固体部品を永久的に接合するプロセスの一つです。したがって、溶接による接合には熱と圧力の両方が必須というわけではなく、これらは代替的に適用されます。一部の溶接プロセスでは外部熱が、他のプロセスでは外部圧力が適用されます。この観点から、溶接プロセスは大別して溶融溶接と固相溶接の2グループに分類されます。

溶融溶接とは

外部熱源から十分な熱を供給し、母材のフェイ面を融解・溶融させて溶接ビードを形成するすべての溶接プロセスを溶融溶接プロセスと呼びます。通常、これらのプロセスでは圧力は必要ありません。アーク溶接、ガス溶接、抵抗溶接のすべてが溶融溶接に分類されます。なお、母材のフェイ面が溶融するのは熱の直接作用によるものであり、圧力や摩擦の結果として生じるものではない点に注意が必要です。

固相溶接とは

一方、固相溶接プロセスでは熱を直接加えず、代わりにほとんどの場合で十分な圧力を加えます。圧力の結果として接触帯に熱が発生することはありますが、通常その温度は母材の融点を大きく下回ります。拡散溶接、鍛造溶接、爆発溶接、圧力溶接、摩擦溶接などがこのカテゴリーに属します。

溶融溶接と固相溶接の主な違い

溶融溶接	固相溶接
母材のフェイ面が溶融して溶接ビードを形成する	そのような溶融は起こらず、フェイ面温度は常に母材の融点以下に保たれる
外部から直接熱を供給する。圧力は通常不要	熱を直接加えて接合を助けることはせず、代わりにほとんどの場合で十分な圧力を加える
必要に応じて外部溶加材を容易に適用できる	固相溶接はほぼ自家溶接であり、溶加材を容易に適用できない
高熱入力により、溶接ビード周囲に広い熱影響部（HAZ）が存在する	溶融が起こらないためHAZは狭い。ほとんどの場合HAZは無視でき、溶接構造に問題を及ぼさない
激しい加熱と溶融により、様々な機械的・冶金的特性が影響を受ける	機械的・冶金的特性は深刻な影響を受けない
異種金属接合が比較的容易	異種金属接合は非常に困難
過大な熱入力により高い歪みが発生。適切な治具で防止が必要	歪みレベルは低く、通常は防止対策を必要としない
すべてのアーク溶接、ガス溶接、抵抗溶接、高エネルギービーム溶接が該当	拡散溶接、圧力溶接、ロール溶接、冷間溶接、摩擦溶接、鍛造溶接などが該当

詳細な比較

フェイ面の溶融

名称が示す通り、溶融溶接では母材のフェイ面を融解させて溶接ビードや凝集を形成します。溶加材を使用する場合も同様に溶融し、溶融母材と混合します。対照的に、固相溶接ではいかなる融解も起こらず、部品が固体状態のまま接合されます。圧力と摩擦の同時作用により母材温度が上昇することはありますが、常に母材の融点以下であり、融合は起こりません。これが両者の根本的な違いです。

熱と圧力の適用

溶融溶接では外部熱源からの熱供給が必須です。熱源はアーク溶接の電気アーク、ガス溶接の酸素燃料ガス燃焼、抵抗溶接のジュール熱、プラズマ・レーザー・電子ビームなどの高エネルギービーム（PAW、LBW、EBW）など多岐にわたります。一方、固相溶接では通常圧力の適用が必要です。熱を直接加えることはありませんが、圧力や摩擦の結果として熱が発生することはあります。

溶加材の適用

溶加材は母材間のルートギャップを埋めるために用いられます。溶加材の適用と組成に基づき、溶接は自家溶接、同質溶接、異質溶接の3種類に分類されます。ルートギャップが極めて小さい場合は溶加材不要で自家溶接となり、固相溶接は通常このモードで行われます。溶加材を用いてその組成が母材と類似なら同質溶接、異なれば異質溶接と呼ばれます。溶融溶接はすべてのモードで有利に実施可能ですが、異質溶接モードでは特別な注意と最適パラメータが必要です。

熱影響部（HAZ）の存在

熱影響部（HAZ）とは、溶接ビードを取り囲む狭い層で、材料は溶融していないものの、加熱と冷却により物理的・機械的特性が影響を受けた領域です。HAZは機械的・化学的破壊に対して感受性が高いため弱い領域と見なされます。溶融溶接では融点以上の極端な加熱により広いHAZが形成されるのに対し、固相溶接では発熱が少ないため狭い（時には無視できる）HAZのみが観察されます。

機械的・冶金的特性の変化

溶接中には結晶粒配向、結晶構造、原子欠陥などの冶金的特性や、強度、硬度、靭性などの機械的特性が変化します。これらの変化は加熱と冷却の程度に関連します。溶融溶接では高熱が加わり材料が溶融するため、特性変化が極めて大きくなります。一方、固相溶接では変化は微小で、ほぼ許容範囲内に収まります。

異種金属接合能力

すべての接合プロセスの中で、溶接の最大の利点の一つは異種材料の漏れのない確実な接合が可能なことです。しかし、すべての溶接プロセスが適しているわけではありません。異種金属接合は基本的に異質溶接であるため、一部の溶融溶接プロセスのみが対応可能です。それでも極めて慎重な管理と最適パラメータが必要です。固相溶接は異種金属接合には全く不向きです。

溶接構造の歪みレベル

溶接時の不均一な膨張収縮により、組立構造が別の平面に歪むことで溶接欠陥となります。歪みは寸法精度不良と不合格品の原因となります。歪み傾向は熱入力増大とともに増加するため、適切な治具や歪み低減技術（スキップ溶接、逆方向プリセットなど）を用いないと、熱入力の大きい溶融溶接部品の方がより大きな歪みを示します。

代表的なプロセス例

溶融溶接の例：すべてのアーク溶接（MMAW、GMAW、TIG、SAW、FCAW、ESW等）、ガス溶接（OAW、OHW、AAW、PGW等）、抵抗溶接（RSW、RSEW、PW、PEW、FW等）、高エネルギービーム溶接（PAW、LBM、EBW）。
固相溶接の例：拡散溶接（DFW）、圧力溶接（PW）、ロール溶接（ROW）、冷間溶接（CW）、摩擦溶接（FRW）、鍛造溶接（FOW）等。

本記事では溶融溶接と固相溶接の科学的比較を提示しました。より深い理解のために以下の参考文献もご参照ください。

1. Difference between fusion welding and solid state welding by difference.minaprem.com.
2. Welding Defects by M. Preto (1st edition, Aracne).
3. Physical Chemistry of Fusion Welding by G. F. Deyev and D. G. Deyev (1st edition, DGD Press).