鍛造溶接

鍛造溶接（FOW）は火溶接とも呼ばれ、 2つの金属片を高温に加熱してからハンマーで叩き合わせて接合する固体溶接法^[1]です。^[2]また、プレス機やその他の手段で金属を加熱して押し付け、溶接面に塑性変形を引き起こすのに十分な圧力をかけることもあります。 ^[3]このプロセスは困難ではありますが、古代から使用されている金属接合法であり、伝統的な鍛冶屋の定番です。^[4]鍛造溶接は用途が広く、多くの同種および異種の金属を接合できます。産業革命中に電気溶接とガス溶接法が発明されたことで、手作業による鍛造溶接は大部分が置き換えられましたが、自動化された鍛造溶接は一般的な製造プロセスです。

鍛造溶接は、金属を一定の閾値以上に加熱し、十分な圧力を加えて溶接面を変形させ、金属原子間に金属結合を形成することで金属を接合するプロセスです。必要な圧力は、合金の温度、強度、硬度によって異なります。^[5]鍛造溶接は最も古い溶接技術であり、古代から使用されています。

溶接プロセスは、一般的に、溶融溶接と拡散溶接の2つのカテゴリに分類できます。溶融溶接では、溶接界面で金属が局所的に溶融し、電気溶接やガス溶接技術でよく使用されます。この溶接では、熱が溶接部から熱伝導する前に局所的に溶融するために、金属の融点よりもはるかに高い温度が必要であり、高い表面張力による溶接部の分離を防ぐためにフィラー金属が使用されることがよくあります。拡散溶接は、金属を溶融せずに接合し、固体状態のまま表面を溶接します。^[6]

拡散溶接では、熱源は金属の融点よりも低いことが多いため、熱がより均等に分散され、溶接部の熱応力が軽減されます。この方法では、通常、フィラー金属は使用されず、溶接は溶接界面の金属間で直接行われます。これには、冷間溶接、爆発溶接、鍛造溶接などの方法が含まれます。他の拡散方法とは異なり、鍛造溶接では、金属を一緒に押し付ける前に高温に加熱するため、通常、溶接面の可塑性が向上します。これにより、鍛造溶接は、銅やアルミニウムなどの柔らかい金属で通常実行される冷間拡散技術よりも汎用性があります。^[7]

鍛造溶接では、溶接部分全体が均一に加熱されます。鍛造溶接は、鋼鉄やチタンなど、より硬い金属や合金の幅広い範囲に使用できます。^[8]

金属接合の歴史は青銅器時代にまで遡り、硬度の異なる青銅は鋳込み接合で接合されることが多かった。この方法は、刀の刃を柄に、矢じりを矢尻に接合するなど、鋳型に入れた溶融金属に固体部品を入れ、両方の金属を実際に溶かすことなく凝固させるというものである。青銅器時代にはろう付けやはんだ付けも一般的であった。 ^[9]

溶接（拡散によって2つの固体部分を接合する）という行為は鉄から始まりました。最初の溶接プロセスは鍛造溶接で、人類が鉄鉱石から鉄を精錬することを学んだときに始まりました。おそらく紀元前1800年頃のアナトリア（トルコ）で始まりました。古代の人々は鉄を完全に溶かすのに十分な温度を作り出すことができなかったため、鉄の精錬に使用されたブルーム法では、少量のスラグやその他の不純物と一緒に焼結した鉄粒の塊（ブルーム）が生成され、その多孔性からスポンジ鉄と呼ばれていました。

精錬後、海綿鉄は溶接温度以上に加熱され、叩かれる、つまり「鍛造」される必要がありました。これにより、空気ポケットと溶融スラグが押し出され、鉄の粒子が密着して固体ブロック (ビレット) が形成されます。

考古学者は、紀元前1000年以前の鍛造溶接の証拠を示す錬鉄製の品々を多数発見している。鉄は通常少量で製造されていたため、デリー・ピラーのような大きな物体は、小さなビレットから鍛造溶接する必要があった。^{[10] [11]}

鍛造溶接は試行錯誤の手法から発展し、何世紀にもわたって改良されていった。^[12]古代の金属は質が悪かったため、変形には強いが壊れやすい高炭素鋼と、破損には強いが曲がりやすい低炭素鋼を接合して複合鋼を作る際によく使われ、単一の合金で作るよりも靭性と強度に優れた物体が作られた。このパターン溶接法は紀元前700年頃に初めて登場し、主に刀などの武器を作るために使われた。最もよく知られている例としては、ダマスカス、日本、メロヴィング朝のものがある。^{[13] [14]このプロセスは、鋼の刃を持つ錬鉄製の}鋤から鋼の切削面を持つ鉄製のノミまで、道具の製造にも一般的だった。^[13]

多くの金属は鍛造溶接が可能だが、最も一般的なのは高炭素鋼と低炭素鋼の両方である。鉄や一部の亜共晶鋳鉄も鍛造溶接できる。一部のアルミニウム合金も鍛造溶接できる。[15] 銅、青銅、真鍮など の金属は鍛造^溶接が容易ではない。銅ベースの合金も鍛造溶接は可能だが、銅は加熱中に酸素を吸収する傾向があるため、非常に困難になることが多い。^{[16]銅とその合金は通常、}冷間圧接、爆発圧接、またはその他の圧力圧接技術で接合する方がよい。鉄や鋼の場合、銅が少量でも存在すると合金の鍛造溶接能力が大幅に低下する。^{[17] [18]}

チタン合金は一般的に鍛造溶接される。チタンは溶融時に酸素を吸収する傾向があるため、鍛造溶接の固体拡散接合は、金属が液化する溶融溶接よりも強くなることが多い。^[19]

類似材料間の鍛接は固体拡散によって起こります。この結果、溶接部は充填材やブリッジ材のない溶接材料のみで構成されます。異種材料間の鍛接は、材料間の融点が低い共晶の形成によって起こります。このため、溶接部は個々の金属よりも強くなることがよくあります。

最もよく知られ、最も古い鍛造溶接法は、手打ちハンマー法です。手打ちハンマー法は、金属を適切な温度に加熱し、フラックスを塗布し、溶接面を重ね合わせ、手持ちハンマーで接合部を繰り返し叩くことによって行われます。接合部は、フラックスが流れ出るスペースを確保するために、表面をわずかに斜めにしたり丸めたりして形成されることが多く、フラックスを押し出すために外側に向かって連続的にハンマーで叩かれます。ハンマーの打撃は通常、成形に使用されるものほど強くなく、最初の打撃でフラックスが接合部から吹き飛ばされるのを防ぎます。

機械式ハンマーが開発されたとき、金属を加熱し、それを機械式ハンマーと金床の間に置くことで鍛造溶接を行うことができました。もともと水車で動かされていた現代の機械式ハンマーは、圧縮空気、電気、蒸気、ガスエンジンなど、さまざまな方法で作動します。別の方法は、金型を使用した鍛造溶接です。これは、金属片を加熱してから金型に押し込み、溶接に圧力をかけるとともに、接合部を完成した形状に保ちます。ロール溶接は別の鍛造溶接プロセスであり、加熱した金属を重ねて高圧のローラーに通して溶接します。^{[20] [21]}

現代の鍛造溶接は自動化されていることが多く、コンピューター、機械、高度な油圧プレスを使用して、さまざまな合金からさまざまな製品を生産しています。^[22]たとえば、鋼管は製造工程で鍛造溶接されることがよくあります。平らな材料を加熱し、特殊な形状のローラーに通して鋼を管状に成形すると同時に、エッジを連続した継ぎ目に溶接するための圧力をかけます。^[23]

拡散接合は航空宇宙産業におけるチタン合金の鍛造溶接の一般的な方法です。このプロセスでは、金属はプレス機または金型内で加熱されます。合金によって異なりますが、特定の臨界温度を超えると不純物が燃え尽き、表面が押し付けられます。^[24]

その他の方法としては、フラッシュ溶接やパーカッション溶接があります。これらは抵抗鍛造溶接技術で、プレス機や金型に電気を流し、合金に高電流を流して溶接用の熱を作ります。^{[25]シールド活性ガス鍛造溶接は、酸素と反応する環境で鍛造溶接を行い、}水素ガスと誘導加熱を使用して酸化物を焼き払うプロセスです。^[26]

鉄、異なる鋼、さらには鋳鉄でさえ、炭素含有量が溶接範囲が重なるように十分近い場合、互いに溶接することができます。純粋な鉄は、ほぼ白熱した2,500 °F（1,400 °C）から2,700 °F（1,500 °C）のときに溶接できます。炭素含有量が2.0％の鋼は、オレンジがかった黄色で、1,700 °F（900 °C）から2,000 °F（1,100 °C）のときに溶接できます。炭素含有量が0.2％から0.8％の一般的な鋼は、通常、明るい黄色の熱で溶接されます。^[27]

鍛造溶接の基本的な要件は、両方の溶接面を同じ温度に加熱し、冷えすぎる前に溶接することです。鋼鉄は適切な温度に達すると非常に容易に溶接を開始するため、同じ温度に加熱された細い棒や釘は最初の接触で固着する傾向があり、曲げたりねじったりして緩める必要があります。

金属が急速な酸化（燃焼）によって火花を散らすほど過熱しないように注意する必要があります。そうしないと、溶接が不十分になり脆くなります。^[28]

鋼がオーステナイト化温度まで加熱されると、炭素が鉄中に拡散し始めます。温度が高いほど、拡散率は高くなります。このような高温では、炭素は酸素と容易に結合して二酸化炭素を形成するため、炭素は鋼から周囲の空気中に容易に拡散します。鍛冶作業が終わる頃には、鋼の炭素含有量は加熱前よりも少なくなっています。そのため、ほとんどの鍛冶作業は脱炭を減らし、鋼が柔らかくなりすぎないようにするために、できるだけ素早く行われます。

最終製品に適切な硬度を与えるために、鍛冶屋は通常、炭素含有量が希望よりも高い鋼から始めます。古代では、鍛造は通常の使用には炭素含有量が高すぎる鋼から始めることが多かったです。ほとんどの古代の鍛造溶接は、炭素含有量が 1.0% をはるかに超えることもある過共析鋼から始まりました。過共析鋼は通常、完成品として使用するには脆すぎますが、鍛造の終わりまでに鋼の炭素含有量は通常 0.8% (共析工具鋼) から 0.5% (亜共析ばね鋼) の範囲になります。^[29]

鍛造溶接は、その歴史を通じて、鋼鉄製のほとんどあらゆる製品の製造に使用されてきました。工具、農具、調理器具の製造から、柵、門、独房の製造まで、あらゆるものに使用されてきました。産業革命初期には、溶融溶接が導入されるまで、ボイラーや圧力容器の製造によく使用されていました。中世を通じて、鎧や武器の製造によく使用されていました。

鍛造溶接の最も有名な用途の1つは、パターン溶接されたブレードの製造です。このプロセスでは、鍛冶屋は鋼のビレットを繰り返し引き出し、折り返して溶接します。^[30]別の用途は、散弾銃の銃身の製造です。金属線をマンドレルに巻き付け、薄く均一で強い銃身に鍛造します。場合によっては、鍛造溶接された物体に酸エッチングを施して、下にある金属のパターンを露出させます。これは各アイテムに固有であり、美的魅力をもたらします。

鍛造溶接は多様であるにもかかわらず、多くの制限がありました。主な制限は、鍛造溶接できる物体のサイズでした。物体が大きいほど、より大きな熱源が必要になり、サイズが大きいと、冷却しすぎる前に手作業で溶接する能力が低下しました。鋼板や桁などの大きな物体を溶接することは、溶融溶接が発明されるまでは、通常は不可能、または少なくとも非常に非実用的であり、代わりにリベット接合が必要でした。場合によっては、ボイラーの建設など、溶融溶接によってはるかに強力な溶接が実現されました。

鍛造溶接では、溶接面を非常にきれいにする必要があります。そうでないと、金属は適切に接合されないか、まったく接合されません。表面に酸化物が形成される傾向があり、リンや硫黄などの不純物が表面に移動する傾向があります。溶接面が酸化して溶接品質が低下するのを防ぎ、金属から他の不純物を取り除くために、フラックスが使用されることがよくあります。フラックスは形成された酸化物と混ざり、酸化物の融点と粘度を下げます。これにより、2 つのピースを叩き合わせると、酸化物が接合部から流れ出ます。単純なフラックスはホウ砂から作ることができ、粉末鉄粉が加えられることもあります。^[31]

鍛造溶接に使用された最も古いフラックスは、細かい珪砂であった。鉄または鋼は、鍛冶場の石炭内の還元環境で加熱される。酸素がないと、金属の表面にウスタイトと呼ばれる酸化鉄の層が形成される。金属が十分に熱くなり、溶接温度より低い場合、鍛冶屋は金属に砂を振りかける。砂の中のシリコンがウスタイトと反応して鉄鉱石を形成し、溶接温度よりわずかに低い温度で溶ける。これにより、強力な溶接を行うのに役立つ非常に効果的なフラックスが生成された。^[32]

初期のフラックスの例では、鉄充填剤、ホウ砂、塩化アンモニウム、コパイババルサム、シアン化カリウム、リン酸ソーダのさまざまな組み合わせとさまざまな量が使用されていました。1920 年版のScientific Americanの事実と公式の本には、銅、硝石、食塩、マンガン黒色酸化物、青酸カリ、および「良質の溶接砂」（ケイ酸塩）を使用するという、頻繁に提供される企業秘密が記載されています。

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