固相溶接の原理、種類、用途、メリット・デメリットを徹底解説

固相溶接プロセスとは

固相溶接プロセスとは、外部熱を加えず、工作物の接合が固体状態で行われる溶接プロセスの総称です。これらの溶接プロセスではフィラーメタルを使用せず、母材やフィラーメタルの溶融状態を伴いません。接合は、適用圧力により工作物の界面分子が高濃度領域から低濃度領域へ拡散する分子間拡散現象によって生じます。一部の工法では、接合面での拡散プロセスを加速するために熱を発生させる方法を用います。このタイプの溶接プロセスは母材の機械的・物理的特性に影響を与えないため、産業用途で広く採用されています。熱に敏感な材料の接合に最適なプロセスです。

原理

金属接合プロセスは主に2種類に大別されます。第1は液相溶接プロセスで、工作物を溶融温度まで加熱し、溶融した工作物が共に凝固することで金属接合を形成します。場合によってはフィラーメタルを母材と共に溶融・凝固させて永続的な強力な接合を作ります。第2が固相溶接プロセスで、溶融・液相を伴わず、固体状態で高圧力を適用することで金属接合を行います。界面における分子間拡散プロセスによって金属接合が形成されます。これが固相溶接の基本原理です。

固相溶接の種類

固相溶接プロセスの主要原理について説明しました。すべての固相溶接プロセスは同一原理で動作しますが、圧力と熱の適用方法は各プロセスで異なります。適用エネルギーの種類により、以下のタイプに分類されます：

鍛接（フォージ溶接）

鍛造の基本原理で動作します。この溶接プロセスでは、両溶接板を溶融温度よりかなり低い温度まで同時に加熱します。この加熱で工作物が塑性変形します。続いて、これらの板を合わせて繰り返しハンマリング（打撃）を加えます。このハンマリングで板間の拡散プロセスが開始され、接合全体が形成されるまで継続されます。古代では鉄や鋼の工作物接合に用いられました。

摩擦溶接

名前の通り、摩擦熱を利用して拡散プロセスを加速させます。この溶接では、回転する工作物を静止工作物に接触させます。接触面での高い摩擦力により大量の熱が発生します。接触面で塑性状態が達成されるまで摩擦を継続します。この加熱工程後、均一に増大する圧力をこれら工作物に適用し、接合全体が形成されるまで継続します。この溶接は主に鋼棒、チューブ等の接合に用いられます。摩擦溶接の最も重要なタイプの一つに「摩擦攪拌溶接（FSW）」があり、非消耗性回転工具を用いて溶接板に摩擦を適用します。

超音波溶接

固相溶接プロセスの一種で、超音波のエネルギーを用いて2つの工作物を接合します。このプロセスでは、超音波振動が界面間で動的せん断を生成し、局所的な塑性変形と板間摩擦を生じさせ、界面部分に接合を形成します。

爆発溶接

爆発エネルギーを用いて2枚の板を接合します。両溶接板を互いに接触するよう重ね、上部板の表面に緩衝板を配置して爆発の高衝撃力から溶接板を保護します。緩衝板上に爆薬を配置し、爆発により高圧波を発生させます。この圧力波で溶接板の界面が塑性変形し、板間に冶金学的結合が形成されます。この接合は母材より強力です。主に大面積溶接に用いられます。

拡散接合

拡散とは、物質が高濃度領域から低濃度領域へ移動する現象です。これが拡散接合の基本原理です。この溶接法では、両溶接板を高圧力・高温下で長時間、互いに接触させた状態で保持します。高圧力で溶接板界面間の拡散が開始され、溶融温度よりはるかに低い高温によってこの拡散が加速されます。溶融状態を伴わず、純粋な固体状態で溶接接合が形成されます。

用途

固相溶接は機械産業のあらゆる場面で使用されています。航空宇宙および海洋産業の構造用途で広く採用されています。自動車産業でも大半の製作作業で広く使用されています。アーク溶接やガス溶接では不可能または非経済的な大面積板の接合には爆発溶接が用いられます。摩擦溶接はチューブ、シャフト等の接合に使用されます。これらのプロセスは、様々な産業で使用される異種材料の接合にもさらに活用されています。油圧ピストン、コンロッド、ドライブライン、トラックローラーブッシュ、ポンプシャフト、ギアレバー、ドリルビット等が摩擦溶接されています。

メリットとデメリット

メリット

• 固相溶接は容易に自動化可能
• 外部熱を加えずに高強度接合を形成
• 同種・異種材料の両方に溶接可能
• 良好な表面仕上げが得られる
• アーク溶接で使用されるフィラーメタルやフラックスを使用しない
• 母材特性に影響を与えないことが多い

デメリット

• 装置コストまたはセットアップコストが高い
• 溶接準備がより重要かつ厳密
• プロセスごとに複雑で特殊な治具が必要
• 溶接速度が遅いため、大量生産には不向きなことが多い

以上が固相溶接プロセスの原理、作動、種類、用途、メリット・デメリットについての解説です。ご質問がありましたらコメントでお知らせください。この記事がお役に立てば幸いです。ぜひソーシャルネットワークで共有し、当サイトを購読してさらなる興味深い記事をお楽しみください。