現場で働く人のための「溶接」の基礎知識。そして溶接技術の“いま”

「溶接」という言葉は、誰でも一度くらいは聞いたことがあるでしょう。船舶や橋梁、高層ビルなどの超大型構造物から、家電や情報機器などの小さな電子部品に至るまで、数え切れないほどの製品に採用されている代表的な金属加工の技術です。

溶接は金属をつなぐためのとても優れた方法で、現代のものづくりの基盤技術といえます。そういう意味からすれば、私たちの身のまわりは溶接であふれていますし、溶接にかかわる仕事も数多くあります。金属加工の仕事をめざすのであれば、溶接の正しい知識と基本的な技術を習得しておくことが求められます。そこで今回は、溶接に関するさまざまな情報をまとめてみました。

いろいろな金属の接合法と溶接のメカニズム

金属をつなぐ、すなわち接合する方法には、大きく分けて次の3つの方法があります。

●ボルトやリベットなどで締め付けて機械的に組み立てる「機械的接合法」

●接着剤で止める「接着剤接合法」

●金属の特性を活かして接合する「治金的接合法」

治金的接合法のことを一般的に「溶接」といい、溶接には、金属の接合部を局部的に加熱し、溶かして接合する方法（融接）、加熱した接合部に圧力をかけて接合する方法（圧接）、接合する金属自体は溶かさずに接合部の隙間に別な金属を溶かし入れて接合する方法（ろう接）があります。

日本工業規格（JIS Z 3001）による溶接の定義には、次のようにあります。

「2個以上の母材を、接合される母材間に連続性があるように、熱、圧力またはその両方によって一体にする操作。溶加材を用いても、用いなくてもよい」

つまり溶接は、複数の母材（溶接される材料）が、隙間なく一体化するように接合することなのです。

金属を接合する溶接のメカニズム

溶接は、以下のようなメカニズムで金属を接合します。

①接合する2つの母材の接合部を加熱し、液状にします。これによってそれぞれの材料の原子が自由に動きまわるようになり、混じり合います。

②原子が混じり合った液体の状態が冷却し始めると、原子間で引き合う力が戻り始めます。すると、母材内側にある原子と動きまわる原子とが結合するようになります。

③ここで結合した原子が核となり、混じり合った原子が引き合って新たな結晶を作り、接合状態が得られるようになります。

溶接は二つ以上の金属を加熱して溶かし、その後冷却して固めることで、この材料を一つの部材に接合することができます。溶接は、金属の原子同士が結合するために、高い強度を持った接合が可能になるのです。

溶接のメリットとデメリット

金属の接合法はいろいろあると説明しましたが、それぞれの接合法にメリットとデメリットがあります。ここでは治金的接合法、すなわち溶接の主なメリットとデメリットを紹介しましょう。

●溶接のメリット

・製品の重量を軽くできる

・接合時間が短く、製品の製作時間を短縮できる

・点ではなく線状につながるため、水密・機密性に優れ、強度が高い

・接合に失敗した場合でも補修が可能

●溶接のデメリット

・局部的に熱や圧力を加えるため、母材にダメージや変形を与える

・歪みなどが生じ、寸法精度の維持が難しい

・解体する場合には手間がかかる

溶接は比較的短い時間で材料を接合でき、しかも製品自体の軽量化を進めることができます。これは工業製品にとっては非常に大きなメリットとなるため、多くに採用されているわけです。

溶接の種類（融接・圧接・ろう接）とその特徴

溶接の種類は、大きく分けると3つの種類があります。ここで一つずつ説明していきましょう。

●融接

融接は、母材の接合部を高温で加熱して溶かし、冷却とともに凝固させて接合する方法であり、溶接の中では最もポピュラーな方法です。使用するエネルギーによってガス溶接、アーク溶接、レーザー溶接などがあります。最初に、代表的なアーク溶接について説明しましょう。

●アーク溶接／日本へ伝来した最初の溶接施工方法といわれています。火花が散る放電現象（アーク放電）を利用した溶接法で、私たちが一般的に溶接としてイメージするのがこのアーク溶接です。アーク放電は、電極に電流を流した状態で接触し、引き離すときに起こるもので、高温で強い光を発します。電化製品のプラグをコンセントから引き抜くときや、走行中の列車のパンタグラフが、時おりバチバチと青白く光るのを見たことがあるはず。この光がアークです。アークの温度は5000度〜2万度にもなるといわれています。

この放電現象を利用したアーク溶接も大きく二つに分類できます。一つは放電電極自体が溶ける方式を「消耗電極式」。もう一つは、電極はほとんど溶けない方式で「非消耗電極式」です。

消耗電極式は、電極に母材とほぼ同じ成分を持つ溶接棒（金属の棒）やワイヤを使用します。溶接棒は溶けると溶接金属の一部となるもので、これを溶加材といいます。消耗電極式の電極棒は、溶加材も兼ねることが特徴となっています。

一方、非消耗電極式では、アーク放電時に電極が溶けにくいタングステンが用いられます。タングステンは溶加材の役割を兼ねないので、溶加材が必要な場合は別に金属棒やワイヤを用意する必要があります。

消耗電極式には、被覆アーク溶接、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接（MAG溶接）、ミグ溶接（MIG溶接）、サブマージアーク溶接、セルフシールドアーク溶接、スタッド溶接などがあります。非消耗電極式には、ティグ溶接（TIG溶接）、プラズマアーク溶接などがあります。

●圧接

圧接は、接合部に熱を加え、さらに強い機械的圧力を加えて接合する方法です。通常は薄板によく使用される方法で、高い強度が求められる厚板の溶接には向いていません。圧接には、ガスの炎で溶接部を熱した後に圧力をかけて接合するガス圧接、接合部を密着させて一方を回転させて生まれる摩擦熱で、溶接部を発熱させた後に圧力を加えて接合する摩擦圧接などがあります。ここでは、電気の抵抗発熱を利用する抵抗溶接について説明しましょう。

●抵抗溶接／溶接は、接合部に電気を流し、そこに発生した抵抗発熱を利用して接合する方法です。自動車のボディの製造などによく使われる溶接方法で、代表的なものに抵抗スポット溶接があります。これは母材を上下に挟み込むようにして配置した「チップ」と呼ばれる電極を加圧し、電極間に電流を流した時の抵抗発熱を発生させて、母材を局部的に溶融させて接合します。電流を流し終えると自然に冷却されて再凝固し、二つの金属を接合することができます。

きちんと管理すれば、抵抗スポット溶接は火花が散ることがあまりないため、技術者にとっては安全な溶接方法です。また、熟練した溶接技術を必要としないので、初心者でも取り組むことができます。さらに短時間の発熱時間でできるため、母材を熱で歪ませるなどのダメージも低く抑えられます。こうした品質の安定を確保できる点から、自動車等の大量生産の現場に向いているのです。

●ろう接

ろう接は母材を溶かさず、母材よりも融点の低いろう材（金属の溶加材）を接合部の隙間に溶かし込み、充填させることによって接合する方法です。母材を溶かさずに接合できる点から、異なる材質の母材を溶接できる点が特徴とされます。その一方で高い強度を確保できないため、厚い材質の接合には向いていません。

ろう材にはいろいろな金属が用いられます。融点が450度以上のアルミ、銀、リン銅、黄銅などを用いる方法を硬ろう付け、融点が450度以下の亜鉛、鉛、スズや、スズ鉛合金などのを用いる方法を軟ろう付けといいます。

軟ろう付けは一般的に「はんだ付け」といわれます。つまり、はんだ付けも溶接の一種なのです。はんだは導電性が高く、また微細な接合にも向いているため、主に電子回路に用いられます。はんだ付けで生まれた電子回路はさまざまな家電製品をはじめ、航空機、化学製品など幅広い分野で活用されています。

溶接に関わる資格も数多くあり

溶接はここまで紹介した通り大きく3つに分類されますが、細分化していくと、その種類は60以上もあるといわれています。これだけ種類や技術が多岐にわたる溶接ですから、溶接関連の仕事に従事できる資格も、国家資格、民間資格問わず数多くあります。それだけ、すべての資格を取得するのはかなりハードルが高く、時間も費用もかかることになります。

金属加工の現場をめざすのであれば、最初は一般的なアーク溶接の技術を学び、アーク溶接作業者、ガス溶接技能者などの資格取得をめざすことから始めるのがよいでしょう。

まずは溶接の基礎を押さえ、基本的な技術を身に着けながら、一歩一歩着実にスキルをアップさせていくのが王道でしょう。何より優れた溶接技術の習得を通して、ものづくりのだいご味を実感できる点も大きな魅力の一つでしょう。

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