溶接・接合の基礎
ものづくり基礎講座（第40回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう第二弾 プロセス技術編第三回』

東北大学金属材料研究所
正橋直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp
2014. Oct. 31 14:05~14:35

クリエイション・コア東大阪 南館3階 技術交流室A

身の回りの接合

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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接合の歴史

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BC2500銀ろう付

BC2400

金はんだ付 メソポタミアウルに住むカルデア人は、金の延べ板の接合にはんだ付を使用。

BC1345金ろう付

ツタンカーメンの墓から、金粒を金の延板表面に加熱接合した装飾品が出土。

BC1000鉄の鍛接

中近東で鉄製武器の製作に鍛接を使用。

BC1000銅ろう付

スサ出土の銅製の壺に、雄牛の頭部の装飾品をろう付で固定。

BC1000青銅ろう付発掘されたケルト人の使っていた青銅器に、折れた柄をろう付で補修。

BC800

鉄の鍛接

メソポタミアのニムド出土の青銅製の椅子に、鉄のリングが鍛接により固定。

BC100

鉛はんだ付 ローマの水道管の鉛管継手がはんだ付けで固定。

ヘレス王妃の墳墓から出土した天蓋は、銅柱支持部を銀のろう付で固定。

http://www.sanpo-pub.co.jp/upload/imagesより抜粋

古代ギリシャ（BC300年頃）の王冠

エジプト第18王朝（BC1570-BC1293）の王冠

ローマ（BC1000年頃）の鉛製水道管

溶接・接合の分類
材料的接合
（溶接）

機械的接合
（締結）

溶融接合
（溶接）

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アーク溶接

リベット接合ねじ接合

被覆アーク溶接(shielded metal arc welding)
ティグ溶接(tungsten inert gas welding)
ガスシールド溶接(metal inert gas welding)
スタッド溶接(stud welding)エレクトロガス溶接(electrogas welding)

高エネルギービーム溶接
化学的接合（接着）接着
ウエルボンド法
溶着法「材料接合工学の基礎」 より

電子ビーム溶接(electron beam welding)
レーザー溶接(laser beam welding)

抵抗溶接
エレクトロスラグ溶接(electroslag welding)
ガス溶接(gas welding)
テルミット溶接(termit welding)
液相-固相接合法

ろう接(soldering, brazing)
液相拡散接合(transient liquid phase bonding)
反応接合(reaction bonding)

固相-固相接合法

拡散接合(diffusion bonding)
摩擦接合(friction bonding)
熱間圧接(hot pressure welding)
冷間圧接(cold pressure welding)
爆発圧接(explosive welding)
超音波接合(ultrasonic welding)

気相-固相接合法

物理吸着(physical vapor deposit, PVD)
化学吸着(chemical vapor deposit, CVD)

機械的接合ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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被加工材またはリベット等の結合補助材の変形を利用して接合する技術
長所 ① 簡便な工具で容易に組立解体ができ、信頼性の高い接合が可能② 破断か生じても接合部で進展が防げる
短所 ① 信頼性の高い接合を得るには多数の部品や加工が必要で、工数が多くなる② 継手が重ね継手となることや接合部品により製品重量が重くなる

パンチで材料をダイに押し付けて材料そのものを機械的に接合する
ため、複数の薄板をワンストロークで接合することが可能

リベット接合セルフピアスリベット

クリンチング化学的接合ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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材料表面の凹凸に接着剤や樹脂を流し、物理的に外れ難く（アンカー効果）した接合
長所① ほとんどの材料や異材の接合ができ、素材の性質や形状を変化させない② 気密・水密性が高く、製品の外観品質に優れ、電気的・熱的絶縁が得られる
短所① 固定をするのに時間がかかり、継手の耐熱性に限界がある② 継手の信頼性や耐用年数に関するデータが少ない

瞬間溶着材

高周波溶着

化学的相互作用

化学的接合力の向上手段
http://www.toray.jp/plastics/torelina/technical/tec_025.html

材質的接合ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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2つの金属を溶かして混ぜ合わせた接合が溶接だが、溶かすまで加熱せずに固相状態で接合部に圧力を加える接合や、2つの金属の間に溶けた金属（液相）を流しこむ接合、そして接合したい素材を気相から蒸着する方法がある。
長所① 継手形状が簡単で自由度が高く、短時間で接合できる② 継手効率、気密・水密性が高く、製品重量の低減、組立工数の減少が可能
短所① 歪みや残留応力が発生し、寸法精度維持が困難で欠陥が発生しやすい② 解体が難しく破断を止めることが難しく、機械的性質や形状の不連続が発生

アーク溶接

ろう溶接（液相-固相）

摩擦圧接（固相-固相） PVD/CVD（気相-固相）

溶接・接合の形態

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溶融

固相

拡散

固相

固相を突き合せ界面を局部的に加熱して溶融し接合させる。

固相

固相

溶融接合法

固相-固相接合法
蒸着 気相

液相

固相

温度を上げて、固相間で原子を相互に拡散させて接合させる。

固相

固相間に低融点物質を配置し、この物質を液相にして接合させる。

液相-固相接合法

固相

固体表面に所望の物質を気相にして蒸着する。基板となる固体は固相のままで変わらない。

気相-固相接合法

化合物生成熱

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マイナスの値が大きいほど結合しやすい「材料接合工学の基礎」 より

熱源エネルギーと密度ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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溶接とアークものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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溶接技術の流れものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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①1907年：チェルベルヒが被覆剤（フラックス）を塗布した溶接棒を使用し、アークの発生・継続を容易にした。

④②1930年：溶融金属を大気から遮蔽するために、不活性ガス中でアークを発生させる（ティグ溶接）。
③1935年：溶接部に沿ってフラックスを供給（弁を開くと自重で出る）し、その中にワイヤを供給して溶接する（サブマージアーク溶接）。

⑤④1948年：不活性ガス中に連続して送給したワイヤ電極からアークを発生させ、そのアーク熱で自ら溶融し溶接金属を形成（ミグ溶接）。
⑤1953年：電導性溶融スラグに電流を流して高温にし、連続的に溶接棒を供給し母材と共に溶融する溶接（エレクトロスラグ溶接）。
⑥1963年：アークをプラズマジェット中で緊縮することによって高密度の熱を発生させる（プラズマアーク溶接）。
⑦1991年：工具を加圧回転させて接合部に貫入し、摩擦熱発生のもと接合部周辺を塑性流動させ一体化する接合（摩擦撹拌接合）。

⑦

溶融金属の流動

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2014. Oct.31 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉溶融金属の凝固

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純金属の各相の自由エネルギーの温度依存性

GL S2LML  S ( T )
 T  C p (T ) TM2TM

GL-S：液相固相間の自由エネルギー変化
TM:融点、 LM:溶解潜熱、Cp：低圧比熱

一次相変態のTTT線図の模式図

除冷：高温相が低温まで凍結
急冷：液体状態が凍結

凝固中の溶質の分配

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液相で流動が無く溶質分布が拡散支配される時、凝固開始後短時間に定常状態となる

 1  k0
R  exp(  x )CL  C0 1 kD 0
凝固終端では界面に溶質の濃化された液が凝固するため固相濃度はC0より高い

組成的過冷ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第3回 溶接・接合』
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実際の液相の温度
固液界面では液相線温度とほぼ一致するが、界面前方の液中では熱拡散率が溶質の拡散率よりもはるかに大きいために青線のような直線形状になる。
液相中に実際の温度より低い部分（左図赤線ハッチング）、すなわち過冷却領域が発生し、組成的過冷却と称する。

組成的過冷却が発生すると、界面の微小な突起先端の発達を促進し、平滑な界面が不安定となる。

偏析

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① 液相が流動し溶質濃度が均一な時定常凝固では凝固の始端と終端以外でCS  k 0C0 (1  g) k0 1 シャイルの式

は初期濃度C0の均一な固相になるが、② 液中に流動があり界面から離れたところ凝固速度が定常でない場合には溶質のは濃度一定で界面近傍は拡散支配の時不均一な偏析が発生する。具体的には、③ 液相に流動が無く溶質分布は拡散に支配

凝固速度が速いと濃化域が、遅いと希薄される時：凝固開始後の短時間に定常状態域が出現する。

溶接金属の凝固組織

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凝固は溶融境界部から熱流方向と逆方向（赤矢印）に進み、母材結晶が結晶核の役割をし、溶接金属の結晶は母材結晶粒と同一方向に成長しようとする

母材に接する部分に柱状晶が晶出し、最後に凝固する領域が等軸晶になることが多い。

溶融金属の結晶粒の方位は、母材結晶粒の方位を引き継いで凝固する（bccの場合は<100>方位）溶接部の温度変化

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アーク溶接をしたときの各部温度の時間変化

アーク溶接をしたときのHAZ部の予熱の影響

溶接中心から離れるに従い最高到達温度

溶接入熱が大きいほど、予熱温度が高い低下し、最高温度到達に時間を要すこと、ほど、冷却速度が小さくなる。

加熱冷却速度が低くなる。

溶接熱影響部
熱影響部

溶接金属

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熱影響部

熱影響部（Heat-Affected Zone:HAZ）
溶接などによる熱で組織や機械的性質に変化を生じる部分で、溶接部では母材と溶接金属の中間部分に相当する。一般に、溶接金属に接する熱影響部は硬さが高く、切欠きじん性（衝撃値）が低い。

未影響部 熱影響部はオーステナイト化温度以

未影響部

硬度

硬化し靱性が低い上に加熱され、溶接前の組織が壊れ、冷却により生じる組織が性質を決める。溶接金属と熱影響部との溶融境界部は、融点以上に加熱され、母材側に遠ざかるにつれ溶接時に加熱さ距離
典型的な鋼材の溶接影響部の組織模式図と硬度分布れる最高到達温度が低くなり、その温度によって組織が変化する。

熱影響部の組織の特徴

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A4
A3

A1

① A3点以上のためγ変態を起こし、温度が高いため結晶粒は粗大になる② ①の領域同様γ変態を起こすが、温度が低いため結晶粒は混粒③ γ粒は成長できず微細で冷却条件によりパーライト変態が起こり易い④ A1点とA3点の間にありパーライトの一部がγになった後、冷却で球状パーライトになる⑤ 顕著な組織変化はないが靱性の劣化する脆化域に属する

溶接割れ

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溶接の熱応力や残留応力、変態応力などの応力が、溶接金属の変形能を上回った場合に発生。
(a) 熱間割れ：溶接金属内部か母材加熱部で発生し、大入熱溶接の場合に現れやすく、破壊は粒界割れを示す。粒界に低融点物質や介在物があると収縮応力を受け割れに至る。
(b) 冷間割れ：溶接金属内部と母材の溶接変質硬化部に発生し、圧縮応力の高い箇所に水素が濃縮し割れを引き起こす（遅れ破壊）。予熱や拘束の低減で防止が可能。

① 止端割れ② ビード下割れ③ ルート割れ
冷間割れの形態（硬化組織・応力・水素が三要因）

軽元素との反応

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① 水素の挙動
溶接金属に浸透した水素は気孔、銀点、割れ等の原因となる。
原子状・イオン状水素（拡散性水素）は冷却後も拡散し低温割れの原因となる。空孔や粒界等の空隙で分子状に存在し拡散が困難な場合（ 非拡散性水素）も割れを引き起こす。アーク雰囲気で水素は解離し原子状水素として浸透する（右図）。

② 窒素の挙動
溶接金属に浸透した多量の窒素は、水素と同様に気孔の原因となる。窒素は大気中から供給されるが、電極鋼線中の合金元素を選択することで（Ti, Al, Zr, Si等）、溶融金属中の含有窒素量を低減できる。

Br. Weld J. 10(1963)316

拡散接合

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拡散接合とは母材を密着させ、母材の融点以下で塑性変形を生じない程度に加圧し、接合面間に生じる原子拡散を利用して接合する方法。
拡散による溶質流れJは、溶質濃度cが低拡散による濃度cが時間tに関して変わるい方に起こり、その濃度勾配に比例する

時、濃度c の時間変化は次式となる。

（フックの第一法則 ）。

（フックの第二法則）

dcJ  D dx

1000℃で1h拡散接合したTiAl熱処理材（左）と組織制御材（右）c 2c
 D 2tx拡散接合でノズルベーンを一体化したジェットエンジン

拡散接合により製造した航空機部材

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