溶接

溶接は、主に高温を使用して部品を溶かし、冷却して融合させることにより、通常は金属または熱可塑性プラスチックなどの材料を接合する製造プロセスです。一般的な代替方法には、化学物質を使用して熱なしで結合する材料を溶かす溶剤溶接（熱可塑性プラスチックの場合）や、圧力溶接、冷間圧接、拡散接合などの溶融せずに結合する固体溶接プロセスがあります。

金属溶接は、母材金属（親金属）を溶かさずに、代わりに接合を固めるために フィラー金属を流す必要がある、ろう付けやはんだ付けなどの低温接合技術とは異なります。

溶接では母材を溶かすだけでなく、通常は接合部にフィラー材を追加して溶融材料のプール（溶接プール）を形成し、それが冷却されて母材よりも強度の高い接合部を形成します。溶接では、フィラー材や溶融金属が汚染されたり酸化されたりしないように保護するためのシールドも必要です。

溶接には、ガス炎（化学）、電気アーク（電気）、レーザー、電子ビーム、摩擦、超音波など、さまざまなエネルギー源を使用できます。溶接は工業プロセスであることが多いですが、屋外、水中、宇宙など、さまざまな環境で実行される場合があります。溶接は危険な作業であり、火傷、感電、視力障害、有毒ガスや煙の吸入、強力な紫外線への曝露を避けるための予防措置が必要です。

19 世紀末まで、溶接法は鍛冶屋が何千年もの間、加熱とハンマーで鉄と鋼を接合するために使用してきた鍛造溶接のみでした。アーク溶接と酸素燃料溶接は、世紀後半に最初に開発された方法の 1 つであり、その後すぐに電気抵抗溶接が続きました。世界大戦により信頼性が高く安価な接合方法が求められたため、溶接技術は 20 世紀初頭に急速に進歩しました。戦争後、現在最も人気のある溶接法の 1 つであるシールドメタルアーク溶接などの手動方法や、ガスメタルアーク溶接、サブマージアーク溶接、フラックス入りアーク溶接、エレクトロスラグ溶接などの半自動および自動プロセスなど、いくつかの現代的な溶接技術が開発されました。世紀後半には、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接、磁気パルス溶接、摩擦攪拌溶接が発明され、開発が続きました。今日、科学が進歩し続けるにつれて、ロボット溶接は産業界の現場で一般的になり、研究者は新しい溶接法を開発し、溶接品質に対する理解を深め続けています。^[1]

溶接（weld）という用語は、中英語の動詞well ( wæll、複数形/現在形：wælle ) またはwelling ( wællen ) に由来し、「熱する」（可能な限り最高温度に）、「沸騰させる」という意味です。現代の単語は、おそらく過去形分詞 welled ( wællende ) から派生したもので、この目的のためにdを追加することは、アングル人やサクソン人のゲルマン語で一般的でした。英語で初めて記録されたのは 1590 年です。14 世紀にジョン ウィクリフが英語に翻訳したキリスト教聖書では、イザヤ書 2 章 4 節を「...thei shul bete togidere their swerdes into shares...」（彼らは剣を打ち合わせて鋤にする）と訳しています。 1590年版では、これは「...thei shullen welle togidere her swerdes in-to scharris...」（彼らは剣を鋤に溶接する）に変更されており、この単語のこの特定の用法は、おそらくこれらの期間の間に英語で普及したことを示唆しています。^[2]

鉄を溶接する古英語はsamod（「一緒にする」）またはsamodwellung（「熱く一緒にする」）でした。^[3]

この単語は、古スウェーデン語の「沸騰する」を意味する「valla 」に由来しており、金属を接合することを意味する場合もある。例えば、 valla järn（文字通り「鉄を沸騰させる」）などである。スウェーデンは中世に鉄の主要輸出国であったため、この単語はスウェーデンの鉄貿易から英語に入ってきたか、ヴァイキング時代以前およびヴァイキング時代にイングランドに到着した数千のヴァイキング集落とともに輸入された可能性がある。日常的に使用される最も一般的な英語の単語の半分以上はスカンジナビア語に由来している。^{[4] [5]}

金属接合の歴史は数千年前に遡る。その最も古い例は、ヨーロッパと中東の青銅器時代と鉄器時代に遡る。古代ギリシャの歴史家ヘロドトスは、紀元前5世紀の『歴史』の中で、キオスのグラウコスが「鉄の溶接を独力で発明した人物」であると述べた。 ^{[6]インドの}デリーに西暦310年頃 に建てられた、重さ5.4トンのデリーの鉄柱の建設には、鍛造溶接が使用された。^[7]

中世には鍛冶職人が熱した金属を接合するまで繰り返し叩く鍛造溶接の技術が進歩した。1540年、ヴァノッチョ・ビリンゴッチオは『鍛造技術について』を出版し、鍛造作業の​​記述が含まれている。^[8] ルネサンスの職人たちはこの工程に熟練しており、この産業はその後数世紀にわたって成長を続けた。^[8]

1800年、ハンフリー・デービー卿は短パルス電気アークを発見し、1801年にその結果を発表しました。^{[9] [10] [11]} 1802年、ロシアの科学者ワシリー・ペトロフは連続電気アークを作成し、^{[11] [12] [13]}その後、1803年に「ガルバニック-ボルタ実験ニュース」を出版し、1802年に行われた実験について説明しました。この研究で非常に重要なのは、安定したアーク放電の説明と、金属の溶解など、多くの用途でのその可能性の示唆でした。^[14] 1808年、ペトロフの研究を知らなかったデービーは、連続電気アークを再発見しました。^{[10] [11]} 1881年から1882年にかけて、発明家のニコライ・ベナルドス（ロシア人）とスタニスワフ・オルシェフスキ（ポーランド人）^{[15]が、炭素電極を使用した}炭素アーク溶接と呼ばれる最初の電気アーク溶接法を発明しました。アーク溶接の進歩は、1800年代後半にロシア人のニコライ・スラビャノフ（1888年）とアメリカ人のCLコフィン（1890年）による金属電極の発明とともに続きました。1900年頃、APストロメンガーはイギリスでコーティングされた金属電極を発売し、より安定したアークを生み出しました。1905年、ロシアの科学者ウラジミール・ミトケビッチは、溶接に三相電気アークを使用することを提案しました。交流溶接は1919年にCJホルスラグによって発明されましたが、普及するまでにはさらに10年かかりました。^[16]

抵抗溶接も19世紀最後の数十年間に開発され、1885年にエリヒュー・トムソンが最初の特許を取得し、彼はその後15年間でさらなる進歩を遂げました。テルミット溶接は1893年に発明され、その頃には別のプロセスである酸素燃料溶接が定着しました。アセチレンは1836年にエドモンド・デービーによって発見されましたが、適切なトーチが開発される1900年頃まで溶接での使用は実用的ではありませんでした。 ^[17]当初、酸素燃料溶接は携帯性と比較的低コストのため、最も人気のある溶接方法の1つでした。しかし、20世紀が進むにつれて、産業用途では人気がなくなりました。金属被覆（フラックスとして知られる）の進歩により、酸素燃料溶接は主にアーク溶接に置き換えられました。^[18]電極を覆うフラックスは主に母材を不純物から保護しますが、アークを安定させ、溶接金属に合金成分を追加することもできます。^[19]

第一次世界大戦では、溶接の使用が急増し、さまざまな軍事勢力がいくつかの新しい溶接方法のうちどれが最適かを判断しようとした。イギリスは主にアーク溶接を使用し、船体全体を溶接した「フルラガール」を建造した。^{[20] [21] : 142}アーク溶接は、戦争中に初めて航空機にも適用され、ドイツの航空機の胴体の一部がこの方法で製造された。^[22]また、世界初の溶接道路橋であるポーランドのマウジツェ橋（1928年）も注目に値する。^[23]

1920年代には、電極ワイヤが連続的に供給される自動溶接の導入など、溶接技術が大きく進歩しました。科学者が大気中の酸素と窒素の影響から溶接部を保護しようとしたため、シールドガスが大きな注目を集めるようになりました。多孔性と脆さが主な問題であり、開発された解決策には、溶接雰囲気として水素、アルゴン、ヘリウムの使用が含まれていました。 ^[24]次の10年間で、さらなる進歩により、アルミニウムやマグネシウムなどの反応性金属の溶接が可能になりました。これは、自動溶接、交流、フラックスの開発と相まって、1930年代、そして第二次世界大戦中にアーク溶接の大きな拡大をもたらしました。^[25] 1930年に、最初の全溶接商船であるM/S Carolinianが進水しました。

世紀の半ばには、多くの新しい溶接方法が発明されました。1930年、カイル・テイラーはスタッド溶接の発表に貢献し、これはすぐに造船業や建設業で人気となりました。サブマージアーク溶接は同じ年に発明され、今日でも人気を博しています。1932年、ロシア人のコンスタンチン・クレノフがついに初の水中電気アーク溶接を実装しました。ガスタングステンアーク溶接は、数十年の開発を経て、1941年にようやく完成し、ガスメタルアーク溶接は1948年に続き、非鉄金属の高速溶接を可能にしましたが、高価なシールドガスが必要でした。シールドメタルアーク溶接は、フラックスを塗布した消耗電極を使用して1950年代に開発され、すぐに最も人気のある金属アーク溶接プロセスになりました。 1957年、フラックス入りアーク溶接法がデビューしました。この溶接法では、自動装置で自己シールドワイヤ電極を使用できるようになり、溶接速度が大幅に向上しました。また、同じ年にロバート・ゲージによってプラズマアーク溶接が発明されました。エレクトロスラグ溶接は1958年に導入され、その類似のエレクトロガス溶接が1961年に続きました。^{[26] 1953年、ソビエトの科学者NFカザコフは}拡散接合法を提案しました。^[27]

溶接におけるその他の最近の進歩としては、1958年の電子ビーム溶接の画期的な進歩があり、集中した熱源によって深く狭い溶接が可能になりました。1960年のレーザーの発明に続いて、数十年後にレーザービーム溶接が登場し、特に高速の自動溶接に有用であることが証明されました。磁気パルス溶接（MPW）は1967年から産業的に使用されています。摩擦撹拌溶接は1991年に溶接研究所（TWI、英国）のウェイン・トーマスによって発明され、世界中で高品質のアプリケーションが見つかりました。^[28]これら4つの新しいプロセスはすべて、必要な機器のコストが高いため、依然として非常に高価であり、これがそれらのアプリケーションを制限しています。^[29]

最も一般的なガス溶接法は酸素溶接であり^[18] 、酸素アセチレン溶接としても知られています。これは最も古く、最も用途の広い溶接法の1つですが、近年では工業用途ではあまり人気がなくなりました。パイプやチューブの溶接や修理作業にはまだ広く使用されています。^[18]

この装置は比較的安価で単純で、一般的には酸素中のアセチレンの燃焼を利用して約3100℃（5600℉）の溶接炎温度を生成する。^[18]炎は電気アークよりも集中度が低いため、溶接部の冷却が遅くなり、残留応力が大きくなり溶接部が変形する可能性があるが、高合金鋼の溶接は容易になる。同様のプロセスは一般に酸素燃料切断と呼ばれ、金属の切断にも使用される。^[18]

これらのプロセスでは、溶接電源を使用して電極と母材の間に電気アークを発生させ、維持し、溶接点で金属を溶かします。直流（DC）または交流（AC）のいずれか、消耗電極または非消耗電極を使用できます。溶接領域は、シールドガスと呼ばれる不活性ガスまたは半不活性ガスで保護される場合があり、フィラー材が使用されることもあります。^[30]

最も一般的なアーク溶接の1つは、シールドメタルアーク溶接（SMAW）です。^[31]これは、手動メタルアーク溶接（MMAW）またはスティック溶接とも呼ばれます。電流を使用して、母材と消耗電極棒の間にアークを発生させます。消耗電極棒はフィラー材（通常は鋼）でできており、溶接プロセス中に二酸化炭素（CO ₂ ）ガスを生成することで溶接部分を酸化や汚染から保護するフラックスで覆われています。電極コア自体がフィラー材として機能するため、別のフィラーは不要です。^[31]

この方法は汎用性が高く、比較的安価な設備で実行できるため、工場での作業や現場での作業に適しています。^{[31] [32]}作業者は適度な訓練で十分に熟練でき、経験を積めば熟練度も上がります。消耗電極を頻繁に交換する必要があり、溶接後にフラックスの残留物であるスラグを削り取る必要があるため、溶接時間はかなり長くなります。^{[31]さらに、この方法は一般に鉄鋼材料の溶接に限定されていますが、特殊な電極を使用することで}鋳鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、その他の金属の溶接も可能になりました。 ^[32]

ガスメタルアーク溶接（GMAW）は、金属不活性ガス溶接またはMIG溶接とも呼ばれ、連続ワイヤ供給を電極として使用し、不活性または半不活性ガス混合物を使用して溶接部を汚染から保護する半自動または自動プロセスです。電極が連続しているため、溶接速度はSMAWよりもGMAWの方が速くなります。^[33]

関連するプロセスであるフラックス入りアーク溶接（FCAW）は、同様の装置を使用しますが、粉末充填材を囲む鋼電極からなるワイヤを使用します。この芯入りワイヤは標準的なソリッドワイヤよりも高価で、煙やスラグが発生する可能性がありますが、溶接速度がさらに速く、金属の浸透が大きくなります。^[34]

ガスタングステンアーク溶接（GTAW）またはタングステン不活性ガス（TIG）溶接は、非消耗性タングステン電極、不活性または半不活性ガス混合物、および別のフィラー材料を使用する手動溶接プロセスです。^[35]この方法は、特に薄い材料の溶接に適しており、安定したアークと高品質の溶接が特徴ですが、オペレーターの高度なスキルが必要であり、比較的低速でしか実行できません。^[35]

GTAW はほぼすべての溶接可能な金属に使用できますが、ステンレス鋼と軽金属に最もよく適用されます。自転車、航空機、海軍の用途など、高品質の溶接が極めて重要な場合によく使用されます。^[35]関連するプロセスであるプラズマアーク溶接もタングステン電極を使用しますが、アークを生成するためにプラズマガスを使用します。アークは GTAW アークよりも集中しているため、横方向の制御がより重要になり、そのため一般にこの技術は機械化されたプロセスに限定されます。電流が安定しているため、この方法は GTAW プロセスよりも広い範囲の材料の厚さに使用でき、はるかに高速です。マグネシウムを除く GTAW と同じすべての材料に適用でき、ステンレス鋼の自動溶接はこのプロセスの重要な用途の 1 つです。このプロセスのバリエーションは、効率的な鋼切断プロセスであるプラズマ切断です。^[36]

サブマージアーク溶接（SAW）は、フラックスの被覆層の下でアークを発生させる生産性の高い溶接法です。大気中の汚染物質がフラックスによってブロックされるため、アークの品質が向上します。溶接部に形成されるスラグは通常自然に剥がれ落ち、連続ワイヤ供給の使用と相まって、溶接部の堆積速度が速くなります。フラックスがアークを隠し、煙がほとんど発生しないため、作業条件は他のアーク溶接法に比べて大幅に改善されます。この方法は産業界で広く使用されており、特に大型製品や溶接圧力容器の製造に使用されています。^[37]他のアーク溶接法には、原子水素溶接、エレクトロスラグ溶接（ESW）、エレクトロガス溶接、スタッドアーク溶接などがあります。^[38] ESWは、1インチ（25 mm）から12インチ（300 mm）の厚い材料を垂直または垂直に近い位置で溶接する、生産性の高いシングルパス溶接法です。

アーク溶接プロセスに必要な電力を供給するために、さまざまな電源を使用できます。最も一般的な溶接電源は、定電流電源と定電圧電源です。アーク溶接では、アークの長さは電圧に直接関連し、熱入力の量は電流に関連しています。定電流電源は、電圧が変化しても比較的一定の電流を維持するため、ガスタングステンアーク溶接やシールドメタルアーク溶接などの手動溶接プロセスで最もよく使用されます。手動溶接では、電極を完全に安定させることが困難な場合があり、その結果、アークの長さと電圧が変動する傾向があるため、これは重要です。定電圧電源は、電圧を一定に保ち、電流を変化させるため、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りアーク溶接、サブマージアーク溶接などの自動溶接プロセスで最もよく使用されます。これらのプロセスでは、ワイヤと母材の間の距離の変動は、電流の大きな変化によってすぐに修正されるため、アークの長さは一定に保たれます。例えば、電線と基材が近づきすぎると、電流が急激に増加し、熱が増加して電線の先端が溶けて、元の分離距離に戻ります。^[39]

アーク溶接では、使用する電流の種類が重要な役割を果たします。シールドメタルアーク溶接やガスメタルアーク溶接などの消耗電極プロセスでは、通常直流を使用しますが、電極は正または負に帯電できます。溶接では、正に帯電した陽極の熱集中が大きくなるため、電極の極性を変更すると溶接特性に影響します。電極が正に帯電すると、母材の温度が上昇し、溶接の溶け込みと溶接速度が向上します。一方、電極が負に帯電すると、溶接が浅くなります。^[40]ガスタングステンアーク溶接などの非消耗電極プロセスでは、どちらのタイプの直流も交流も使用できます。ただし、直流では、電極はアークを生成するだけでフィラー材料は提供しないため、正に帯電した電極では溶接が浅くなり、負に帯電した電極では溶接が深くなります。^[41]交流はこれら2つの間を急速に行き来するため、中程度の溶け込みの溶接になります。 ACの欠点の1つは、ゼロ交差のたびにアークを再点火する必要があることですが、通常の正弦波ではなく方形波パターンを生成する特別な電源ユニットが発明され、急速なゼロ交差が可能になり、問題の影響を最小限に抑えることができるようになりました。^[42]

抵抗溶接は、2つ以上の金属表面の接触によって生じる抵抗に電流を流すことで熱を発生させる。高電流（1,000～100,000 A）が金属に流れると、溶接部分に小さな溶融金属のプールが形成される。^[43]一般的に、抵抗溶接法は効率的で汚染もほとんど発生しないが、その用途は限られており、設備コストが高くなる可能性がある。^[43]

スポット溶接は、厚さ3mmまでの金属板を重ね合わせて接合する一般的な抵抗溶接法である。^[43] 2つの電極を同時に使用して金属板を固定し、金属板に電流を流す。この方法の利点は、エネルギーの効率的な使用、ワークピースの変形の制限、生産速度の高さ、自動化の容易さ、充填材が不要であることなどである。溶接強度は他の溶接法に比べて大幅に低いため、この方法は特定の用途にしか適していない。自動車業界では広く使用されており、普通の車には産業用ロボットによって数千のスポット溶接が施されている。ショット溶接と呼ばれる特殊なプロセスを使用して、ステンレス鋼をスポット溶接することができる。^[43]

スポット溶接と同様に、シーム溶接は2つの電極を使用して圧力と電流をかけて金属板を接合します。ただし、尖った電極の代わりに、ホイール状の電極が転がり、ワークピースに送り込まれることが多いため、長い連続溶接が可能です。過去には、このプロセスは飲料缶の製造に使用されていましたが、現在ではその用途はより限定されています。^[43]その他の抵抗溶接法には、突合せ溶接、^[44] フラッシュ溶接、プロジェクション溶接、およびアプセット溶接があります。^[43]

エネルギービーム溶接法、すなわちレーザービーム溶接と電子ビーム溶接は、比較的新しいプロセスであり、大量生産用途で非常に人気が高まっています。この 2 つのプロセスは非常に似ていますが、最も顕著な違いは電源にあります。レーザービーム溶接は高度に焦点を絞ったレーザービームを使用し、電子ビーム溶接は真空中で電子ビームを使用します。どちらもエネルギー密度が非常に高いため、深い溶接溶け込みが可能になり、溶接領域のサイズを最小限に抑えることができます。どちらのプロセスも非常に高速で、簡単に自動化できるため、生産性が高くなります。主な欠点は、非常に高い設備コスト (ただし、これは減少しています) と熱割れの影響を受けやすいことです。この分野での開発には、レーザービーム溶接とアーク溶接の両方の原理を使用してさらに優れた溶接特性を実現するレーザーハイブリッド溶接、レーザークラッディング、X 線溶接などがあります。^[45]

鍛造溶接（発見された最も古い溶接法）と同様に、現代の溶接法の中には接合する材料を溶かすことのない方法もあります。最も一般的な溶接法の1つである超音波溶接は、金属または熱可塑性プラスチックの薄い板やワイヤーを高周波かつ高圧で振動させて接合するために使用されます。^[47]使用される装置と方法は抵抗溶接と似ていますが、電流の代わりに振動がエネルギー入力を提供します。金属を溶接する場合、振動は水平に導入され、材料は溶けません。同様の融点を持つはずのプラスチックの場合は、垂直に導入されます。超音波溶接は、アルミニウムや銅の電気接続によく使用され、非常に一般的なポリマー溶接法でもあります。^[47]

もう一つの一般的なプロセスである爆発溶接は、非常に高い圧力下で材料を押し付けて接合するものである。衝撃のエネルギーによって材料が可塑化され、生成される熱量は限られているにもかかわらず、溶接部が形成される。このプロセスは、船体におけるアルミニウムと炭素鋼の接合、石油化学圧力容器におけるステンレス鋼またはチタンと炭素鋼の接合など、異種材料の溶接によく使用される。^[47]

その他の固体溶接法としては、摩擦溶接（摩擦撹拌溶接、摩擦撹拌スポット溶接を含む）^[48] 、磁気パルス溶接^[49] 、共押し出し溶接、冷間溶接、拡散接合、発熱溶接、高周波溶接、熱間圧接、誘導溶接、ロール接合などがある。^[47]

溶接は、さまざまな方法で幾何学的に準備することができます。溶接ジョイントの 5 つの基本的なタイプは、突合せジョイント、重ねジョイント、コーナージョイント、エッジジョイント、および T ジョイント (最後のバリエーションとして十字ジョイントがあります) です。他のバリエーションも存在します。たとえば、ダブル V 準備ジョイントは、2 つの材料片がそれぞれ高さの半分の 1 つの中心点に向かって先細りになっているのが特徴です。シングル U 準備ジョイントとダブル U 準備ジョイントもかなり一般的です。シングル V 準備ジョイントとダブル V 準備ジョイントのような直線エッジではなく、湾曲していて U の形を形成します。重ねジョイントは通常、2 ピース以上の厚さです。使用するプロセスと材料の厚さに応じて、多くのピースを重ねジョイント形状で溶接することができます。^[50]

多くの溶接プロセスでは、特定のジョイント設計を使用する必要があります。たとえば、抵抗スポット溶接、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接は、重ね継ぎで最も頻繁に行われます。シールドメタルアーク溶接などの他の溶接方法は非常に汎用性が高く、事実上あらゆる種類のジョイントを溶接できます。一部のプロセスでは、1つの溶接を冷却してから、その上に別の溶接を行うマルチパス溶接を行うこともできます。これにより、たとえば、単一のV準備ジョイントに配置された厚いセクションの溶接が可能になります。^[51]

溶接後、溶接部にはいくつかの異なる領域が識別されます。溶接部自体は溶融部と呼ばれ、より具体的には、溶接プロセス中にフィラー金属が敷かれた場所です。溶融部の特性は、主に使用されたフィラー金属と母材との適合性に依存します。溶融部は、溶接によって微細構造と特性が変化する領域である熱影響部に囲まれています。これらの特性は、熱にさらされたときの母材の挙動に依存します。この領域の金属は、母材と溶融部の両方よりも弱いことが多く、残留応力も見られます。^[52]

溶接部とその周囲の材料の強度には、溶接方法、エネルギー入力の量と集中、母材、充填材、フラックス材の溶接性、接合部の設計、そしてこれらすべての要因間の相互作用など、多くの異なる要因が影響します。^[53]

たとえば、溶接位置の要因は溶接品質に影響するため、溶接コードと仕様では、指定された溶接位置（1G（平面）、2G（水平）、3G（垂直）、4G（頭上）、5G（水平固定パイプ）、または6G（傾斜固定パイプ））を使用して、溶接手順と溶接機の両方をテストすることが要求される場合があります。

溶接の品質をテストするには、一般的に破壊的または非破壊的なテスト方法を使用して、溶接に欠陥がないこと、残留応力と歪みのレベルが許容範囲内であること、および熱影響部 (HAZ) の特性が許容範囲内であることを確認します。溶接欠陥の種類には、亀裂、歪み、ガスの混入 (多孔性)、非金属介在物、融合不足、不完全な溶け込み、ラメラの裂け目、アンダーカットなどがあります。

金属加工業界では、溶接工、溶接検査員、技術者、管理者、土地所有者に適切な溶接技術、溶接の設計、溶接手順仕様の品質の判断方法、溶接を行う人のスキルの判断方法、溶接作業の品質の確保方法を指導するための規格や仕様が制定されています。^[53]目視検査、放射線検査、超音波検査、フェーズドアレイ超音波検査、浸透探傷検査、磁性粒子検査、工業用コンピューター断層撮影などの方法は、特定の欠陥の検出と分析に役立ちます。

熱影響部 (HAZ) は溶接部を囲むリングで、溶接プロセスの温度と不均一な加熱および冷却の応力が組み合わさって、合金の熱処理特性が変化します。溶接が溶接部周辺の材料に与える影響は有害となる可能性があり、使用される材料と溶接プロセスの入熱量に応じて、HAZ のサイズと強度が変化する可能性があります。母材の熱拡散率は大きな役割を果たします。拡散率が高い場合、材料の冷却速度は速く、HAZ は比較的小さくなります。逆に、拡散率が低いと冷却が遅くなり、HAZ が大きくなります。溶接プロセスによって注入される熱量も重要な役割を果たします。酸素アセチレン溶接などのプロセスでは入熱が集中せず、HAZ のサイズが大きくなります。レーザー ビーム溶接などのプロセスでは、熱が非常に集中して限られた量しか与えられないため、HAZ は小さくなります。アーク溶接はこれら 2 つの極端な例の中間に位置し、個々のプロセスでは入熱量が多少異なります。^{[54] [55]}アーク溶接手順における熱入力を計算するには、次の式を使用することができます。

${\displaystyle Q=\left({\frac {V\times I\times 60}{S\times 1000}}\right)\times {\mathit {効率}}}$

ここで、Q = 入熱量 ( kJ /mm)、V = 電圧 ( V )、I = 電流 (A)、S = 溶接速度 (mm/分) です。効率は使用する溶接プロセスに依存し、シールドメタルアーク溶接では0.75、ガスメタルアーク溶接とサブマージアーク溶接では0.9、ガスタングステンアーク溶接では0.8です。^[56] HAZで発生する応力と脆さを軽減する方法には、応力緩和と焼き戻しがあります。^[57]

HAZに関する大きな欠陥の1つは、つま先部分の割れです。急速な膨張（加熱）と収縮（冷却）により、材料が応力に耐えられなくなり、割れが発生する可能性があります。これらの応力を制御する1つの方法は、予熱と後加熱などの加熱と冷却の速度を制御することです^[58]

動的荷重を受ける溶接鋼構造の耐久性と寿命は、多くの場合、溶接、特に溶接遷移部によって決まります。研削（研磨切断）、ショットピーニング、高周波衝撃処理、超音波衝撃処理などによる遷移部の選択的処理により、多くの設計の耐久性が大幅に向上します。

使用される固体のほとんどは、原子またはイオンが格子構造として知られる繰り返しの幾何学的パターンで配列された結晶固体からなる工学材料である。唯一の例外は、過冷却液体と大きな有機分子の集合体であるポリマーの組み合わせであるガラスから作られた材料である。^[59]

結晶固体の凝集力は、構成原子間に形成される金属結合または化学結合によって得られる。化学結合は、イオン結合と共有結合の2種類に分類できる。イオン結合を形成するには、原子価電子または結合電子が1つの原子から分離し、別の原子に結合して反対に帯電したイオンを形成する。静的位置での結合は、イオンが平衡位置を占め、イオン間に生じる力がゼロになる場合である。イオンに張力が加わると、イオン間の間隔が広がり、静電引力が生じるが、原子核間の圧縮力の下では反発力が優勢となる。 ^[59]

共有結合は、構成原子の1つが1つ以上の電子を失い、他の原子が電子を獲得したときに発生し、分子全体で共有される電子雲が形成されます。イオン結合と共有結合の両方において、イオンと電子の位置は互いに対して制約されているため、結合は特徴的に脆くなります。^[59]

金属結合は、構成原子が同じ種類で、互いに結合して化学結合を形成することのない共有結合の一種として分類できます。原子は電子を失い、陽イオンの配列を形成します。これらの電子は格子によって共有され、電子クラスターは可動性を持ちます。電子はイオンと同様に自由に移動できるからです。このため、金属は比較的高い熱伝導性と電気伝導性を持ち、特徴的に延性があります。^[59]

金属で最も一般的に使用される結晶格子構造は、体心立方、面心立方、最密六方格子の3つです。フェライト鋼は体心立方構造を持ち、オーステナイト鋼、アルミニウム、銅、ニッケルなどの非鉄金属は面心立方構造を持ちます。^[59]

延性は、構造物が破壊されることなく局所的な応力集中に耐えられるようにすることで、構造物の完全性を確保する上で重要な要素です。さらに、構造物は許容できる強度を備えている必要があり、これは材料の降伏強度に関連しています。一般に、材料の降伏強度が増加すると、破壊靭性はそれに応じて低下します。^[59]

破壊靭性の低下は、不純物の脆化効果、または体心立方金属の場合は温度低下に起因する可能性もあります。金属、特に鋼には遷移温度範囲があり、この範囲を超えると金属は許容できる切欠き延性を示しますが、この範囲を下回ると材料は脆くなります。この範囲内では、材料の挙動は予測できません。破壊靭性の低下は、破壊の外観の変化を伴います。遷移温度を超えると、破壊は主にミクロボイドの合体によるもので、その結果、破壊は繊維状になります。温度が下がると、破壊は劈開面の兆候を示します。これら 2 つの外観は肉眼で確認できます。鋼板の脆性破壊は、顕微鏡で見ると V 字型のマークとして現れることがあります。亀裂表面のこれらの矢印のような隆起は、破壊の発生源を示しています。^[59]

破壊靭性は、ノッチと予め亀裂を入れた長方形の試験片を使用して測定されます。その寸法は、例えばASTM E23などの規格で指定されています。破壊靭性を推定または測定する他の方法としては、ASTM A370によるシャルピー衝撃試験、BS 7448–1による亀裂先端開口変位（CTOD）試験、ASTM E1820によるJ積分試験、ASTM E208によるペリニ落重試験などがあります。^[59]

多くの溶接は工場や修理工場などの管理された環境で行われますが、一部の溶接プロセスは、屋外、水中、真空(宇宙など) などのさまざまな条件で一般的に使用されています。建設や屋外修理などの屋外アプリケーションでは、シールドメタルアーク溶接が最も一般的なプロセスです。不活性ガスを使用して溶接を保護するプロセスは、予測できない大気の動きによって溶接が不良になる可能性があるため、このような状況では使用できません。シールドメタルアーク溶接は、船舶、海洋プラットフォーム、パイプラインの建設と修理における水中溶接でもよく使用されますが、フラックス入りアーク溶接やガスタングステンアーク溶接などの他の溶接も一般的です。宇宙での溶接も可能です。1969年にロシアの宇宙飛行士がソユーズ6号ミッション中に初めて試み、シールドメタルアーク溶接、プラズマアーク溶接、電子ビーム溶接を減圧環境でテストする実験を行いました。これらの方法のさらなるテストはその後数十年にわたって行われ、今日では研究者らはレーザービーム溶接、抵抗溶接、摩擦溶接など、宇宙で他の溶接プロセスを使用する方法の開発を続けています。これらの分野の進歩は、地球上で製造された部品を宇宙で溶接して接合する可能性のある国際宇宙ステーションの建設に似た将来の取り組みに役立つ可能性があります。^[60]

適切な予防措置を講じなければ、溶接は危険で不健康な作業となる可能性があります。しかし、新しい技術と適切な保護具を使用することで、溶接に伴う怪我や死亡のリスクは大幅に軽減されます。^[61]

一般的な溶接手順の多くは、開いた電気アークまたは炎を伴うため、火傷や火災のリスクが重大です。このため、溶接は高温作業プロセスに分類されています。怪我を防​​ぐために、溶接工は極度の熱や炎への曝露を避けるために、厚手の革手袋と保護用の長袖ジャケットという形の個人用保護具を着用します。ポリエステルなどの合成繊維の衣類は、燃えて怪我をする可能性があるため、着用しないでください。 ^{[62]さらに、溶接エリアの明るさにより、}アークアイまたはフラッシュバーンと呼ばれる状態が発生し、紫外線が角膜に炎症を引き起こし、目の網膜を焼く可能性があります。この曝露を防ぐために、暗い紫外線フィルターのフェースプレートを備えたゴーグルと溶接ヘルメットを着用します。 ^[63] 2000年代以降、一部のヘルメットには、強力な紫外線にさらされると瞬時に暗くなるフェースプレートが含まれています。傍観者を保護するために、溶接エリアは半透明の溶接カーテンで囲まれることがよくあります。これらのカーテンはポリ塩化ビニルプラスチックフィルムで作られており、溶接エリアの外にいる人々を電気アークの紫外線から保護しますが、ヘルメットに使用されているフィルターガラスの代わりにはなりません。 ^[64]材料の種類、溶接の種類、その他の要因に応じて、溶接は100 dB(A)を超える騒音を発生する可能性があります。^[65]長期間または継続的に高デシベルにさらされると、騒音性難聴につながる可能性があります。^[66]

溶接工は危険なガスや粒子状物質にさらされることが多い。フラックス入りアーク溶接やシールドメタルアーク溶接などの工程では、さまざまな種類の酸化物の粒子を含む煙が発生する。問題の粒子のサイズは煙の毒性に影響を与える傾向があり、粒子が小さいほど危険が増す。これは、粒子が小さいほど血液脳関門を通過する能力があるためである。二酸化炭素、オゾン、重金属を含む煙などの煙やガスは、適切な換気と訓練を受けていない溶接工にとって危険である可能性がある。^[67]例えば、マンガン溶接煙への曝露は、低レベル（<0.2 mg/m ³）であっても、神経系の問題や、肺、肝臓、腎臓、または中枢神経系の損傷につながる可能性がある。^[68]ナノ粒子は肺胞マクロファージに捕捉され、肺線維症を引き起こす可能性がある。^[69]多くの溶接工程で圧縮ガスや炎を使用すると、爆発や火災の危険があります。一般的な予防策としては、空気中の酸素量を制限したり、可燃物を作業場から遠ざけたりすることなどが挙げられます。^[67]

工業プロセスとして、溶接のコストは製造の決定において重要な役割を果たします。設備コスト、労働コスト、材料コスト、エネルギーコストなど、さまざまな変数が総コストに影響します。^[70]プロセスに応じて、設備コストは、シールドメタルアーク溶接や酸素燃料溶接などの方法では安価ですが、レーザービーム溶接や電子ビーム溶接などの方法では非常に高価になります。コストが高いため、これらは高生産オペレーションでのみ使用されます。同様に、自動化とロボットは設備コストを増加させるため、高生産が必要な場合にのみ導入されます。労働コストは、堆積速度（溶接速度）、時給、および部品の取り付け、溶接、取り扱いに費やされた時間を含む総操作時間によって異なります。材料コストには、ベースとフィラー材料のコストとシールドガスのコストが含まれます。最後に、エネルギーコストはアーク時間と溶接電力需要によって異なります。^[70]

手作業による溶接方法では、一般的に人件費が総コストの大部分を占めます。そのため、多くのコスト削減策は作業時間の短縮に重点が置かれています。そのためには、溶着率の高い溶接手順を選択し、溶接パラメータを微調整して溶接速度を上げることができます。人件費を削減するために機械化や自動化が実施されることが多いのですが、これにより設備費が増加し、セットアップ時間も余分に必要になります。特殊な特性が必要な場合は材料費が増加する傾向があり、エネルギーコストは通常​​、溶接総コストの数パーセントを超えることはありません。^[70]

近年、大量生産の製造における労働コストを最小限に抑えるために、工業溶接はますます自動化され、特に抵抗スポット溶接（特に自動車産業）とアーク溶接におけるロボットの使用が顕著になっています。ロボット溶接では、機械化された装置が材料を保持して溶接を実行します^[71]。最初はスポット溶接が最も一般的な用途でしたが、技術の進歩に伴いロボットアーク溶接の人気が高まっています。その他の重要な研究開発分野には、異種材料（たとえば鋼とアルミニウムなど）の溶接や、摩擦攪拌、磁気パルス、伝導熱シーム、レーザーハイブリッド溶接などの新しい溶接プロセスがあります。さらに、レーザービーム溶接などのより特殊な方法を、航空宇宙産業や自動車産業などのより多くの用途で実用化するための進歩が望まれています。研究者はまた、溶接の予測できない特性、特に微細構造、残留応力、および溶接の亀裂や変形の傾向をよりよく理解したいと考えています。^[72]

鉄骨建設業界で溶接を行う速度を加速させる傾向は、接合部の完全性に対するリスクを伴います。溶接部の十分なアーク時間によって母材に適切に融合しなければ、プロジェクト検査官はパドル溶接の有効直径を確保できず、したがって実際の設置を目撃しない限り、公表されている荷重容量を保証することはできません。^[73]このパドル溶接法は、米国とカナダで鋼板をバージョイストと構造用鋼部材に取り付けるために一般的に使用されています。地方機関は、鉄骨建設現場でパドル溶接が適切に設置されるようにする責任があります。現在、目撃者のいない接合部の公表されている保持容量を保証できる標準または溶接手順はありませんが、これはアメリカ溶接協会によって検討されています。

ガラスや特定の種類のプラスチックは、一般的に溶接される材料です。特定の融点を持つ金属とは異なり、ガラスとプラスチックにはガラス転移と呼ばれる融解範囲があります。固体材料をガラス転移温度 (T _g )を超えてこの範囲に加熱すると、一般的には柔らかくなり、しなやかになります。範囲を超えてガラス融点 (T _m ) を超えると、非常に濃厚で動きの遅い粘性のある液体になり、温度が上昇するにつれて粘度がゆっくりと低下します。通常、この粘性のある液体は金属に比べて表面張力が非常に小さく、粘着性のあるタフィーから蜂蜜のような粘稠度になるため、通常は 2 つの溶融表面を押し合わせるだけで溶接できます。2 つの液体は通常、最初の接触で混ざり合って結合します。ガラス転移温度を超えて冷却すると、溶接片は非晶質材料の 1 つの固体片として固まります。

ガラス溶接は、吹きガラスの一般的な手法です。照明、ネオンサイン、閃光管、科学機器、皿やその他のガラス製品の製造に非常によく使用されます。また、ガラス鋳造中にガラス型の半分を接合してボトルやジャーなどのアイテムを作成するためにも使用されます。ガラスの溶接は、ガラスをガラス転移まで加熱し、厚く成形可能な液体の塊に変えることで実現します。加熱は通常、ガスまたは酸素ガストーチ、または炉で行われます。これは、ガラスを溶かす温度がしばしば非常に高いためです。この温度は、ガラスの種類によって異なる場合があります。たとえば、鉛ガラスは約 1,600 °F (870 °C) で溶接可能な液体になり、単純なプロパントーチで溶接できます。一方、石英ガラス (溶融シリカ) は 3,000 °F (1,650 °C) 以上に加熱する必要がありますが、過熱するとすぐに粘度と成形性が失われるため、酸水素トーチを使用する必要があります。ガラスにチューブを取り付けると、電球、ボトル、チューブなど、さまざまな形状に吹き付けることができます。2 つの液体ガラスを押し合わせると、通常は非常に簡単に溶接されます。ピッチャーにハンドルを溶接するのは通常、比較的簡単に行うことができます。ただし、チューブを別のチューブに溶接する場合は、吹き付けと吸引、および押し付けと引っ張りを組み合わせて、良好な密閉を確保し、ガラスを形作り、表面張力でチューブが閉じないようにします。フィラーロッドが使用される場合もありますが、通常は使用されません。

ガラスは固体状態では非常に脆いため、加熱や冷却が不均一な場合は特に、加熱や冷却によって割れる傾向があります。これは、ガラスの脆さにより、不均一な熱膨張が許容されないためです。溶接されたガラスは通常、アニーリングと呼ばれるプロセスで、ガラス転移を通じて非常にゆっくりと均一に冷却し、温度勾配によって生じた内部応力を緩和する必要があります。

ガラスには多くの種類がありますが、溶接には同じ種類のガラスを使用するのが一般的です。ガラスの種類によって熱膨張率が異なる場合が多く、収縮率が異なると冷却時に割れることがあります。たとえば、石英ガラスの熱膨張率は非常に低く、ソーダ石灰ガラスの熱膨張率は非常に高くなります。異なるガラスを溶接する場合、割れが生じないように熱膨張率を厳密に一致させることが重要です。また、ガラスによっては他のガラスと混ざらないものもあるため、特定の種類同士の溶接は不可能な場合があります。

ガラスは金属やセラミックスにも溶接できるが、金属の場合、通常は 2 つの材料を混ぜ合わせるのではなく、金属の表面への接着が優先される。ただし、特定のガラスは通常、特定の金属としか接着しない。たとえば、鉛ガラスは銅やモリブデンとは容易に接着するが、アルミニウムとは接着しない。タングステン電極は照明によく使用されるが、石英ガラスとは接着しないため、タングステンは溶融ホウケイ酸ガラスで濡らされることが多く、このガラスはタングステンと石英の両方と接着する。ただし、物体が冷えるときと再び加熱されるときにひび割れが生じないように、すべての材料の熱膨張係数が同様になるように注意する必要がある。この目的では、膨張係数が一致するように特殊な合金が使用されることが多く、金属に薄い金属コーティングを施してガラスとの接着を良くすることもある。^{[74] [75] [検証失敗]}

プラスチックは一般に、「熱硬化性」と「熱可塑性」の 2 つのカテゴリに分けられます。熱硬化性は、最初にプラスチックを形成した後、化学反応によって分子結合が確立され、その後、プラスチックを劣化させることなく結合を再び切断することができないプラスチックです。熱硬化性は溶解できないため、いったん硬化すると溶接することはできません。熱硬化性の例には、エポキシ、シリコン、加硫ゴム、ポリエステル、ポリウレタンなどがあります。

対照的に、熱可塑性プラスチックは長い分子鎖を形成し、多くの場合コイル状または絡み合って、長距離の結晶秩序のない非晶質構造を形成します。熱可塑性プラスチックには完全に非晶質のものもあれば、部分結晶/部分非晶質構造のものもあります。非晶質および半結晶性の熱可塑性プラスチックはどちらもガラス転移点があり、これを超えると溶接が可能ですが、半結晶性プラスチックにはガラス転移点を超える特定の融点もあります。この融点を超えると、粘性液体は自由に流れる液体になります (熱可塑性プラスチックのレオロジー溶接性を参照)。熱可塑性プラスチックの例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル(PVC)、テフロンやスペクトラロンなどのフッ素樹脂があります。

熱による熱可塑性プラスチックの溶接は、ガラスの溶接と非常によく似ています。プラスチックは、まず洗浄し、ガラス転移点まで加熱して、溶接界面を濃厚で粘性のある液体にする必要があります。次に、2 つの加熱された界面を押し付け、分子間拡散によって分子が混ざり合って 1 つに結合されます。次に、プラスチックはガラス転移点まで冷却され、溶接が固まります。特定の種類の接合部には、フィラー ロッドがよく使用されます。ガラスとプラスチックの溶接の主な違いは、加熱方法の種類、はるかに低い融点、およびプラスチックは過熱すると燃えるという事実です。プラスチックを溶接可能な温度まで加熱しながらも燃えないように、さまざまな方法が考案されています。オーブンまたは電気加熱ツールを使用してプラスチックを溶かすことができます。超音波、レーザー、または摩擦加熱も、他の方法です。誘導加熱に反応する抵抗性金属をプラスチックに埋め込むことができます。プラスチックの中にはガラス転移温度よりも低い温度で燃え始めるものもあるため、加熱した不活性ガスをプラスチックに吹き付けて溶かし、同時に酸素から遮断することで溶接を行うことができる。^[76]

多くの熱可塑性プラスチックは、化学溶剤を使用して溶接することもできます。溶剤をプラスチックに接触させると、溶剤がプラスチックを柔らかくし始め、表面が濃い液体溶液になります。2つの溶融表面を押し合わせると、溶液内の分子が混ざり合って1つに結合されます。溶剤はプラスチックに浸透できるため、溶剤はプラスチックの表面から蒸発し、溶接部分が溶液から落ちて固まります。溶剤溶接の一般的な用途は、配管工事中にPVC（ポリ塩化ビニル）またはABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）パイプを接合する場合、またはモデルの構築時にスチレンとポリスチレンプラスチックを溶接する場合です。溶剤溶接は、ガラス転移温度以下で燃焼するPVCなどのプラスチックに特に効果的ですが、化学分解に耐性のあるテフロンやポリエチレンなどのプラスチックには効果がない場合があります。^[77]

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