「金属を溶接で接合したいけど歪むと困るなぁ…」

溶接歪みの発生は金属の接合を難しくしている要因であるため、製品に満足できなかったり、作りたいものがあっても一歩踏み出せない人もいるのではないでしょうか？

確かに溶接歪みは金属を溶接すると必ず起こる現象で、製品の精度や見た目に大きく影響します。金属の種類によっては少しの溶接箇所で大きく歪んでしまうこともあるでしょう。

しかし溶接歪みは正しい対処法があり、熟練した作業や適切な溶接方法を用いれば最小限に抑えることができます。

そこでこの記事では、溶接歪みのメカニズムや対処方法、溶接歪みを発生させないファイバーレーザー溶接についてご紹介します。

※溶接の基本についてはこちらの記事で詳しく紹介しています。

溶接歪みとは？

そもそも溶接歪みとはどのような状態なのでしょうか？

金属を熱で溶かして接合する溶接は、母材の金属が非常に高温になります。高温になった金属は一旦は膨張しますが、反対に冷却されると縮小していきます。

もちろん均一に戻れば歪みは発生しませんが、溶接は接合部を溶融するため、局部的に金属を熱する必要があります。そのため現代の溶接方法では対策をしなければほとんどの確率で溶接歪みが発生します。

製品の中には精度が求められたり、外見上の出来栄えも求められる製品もあります。そのため溶接歪みによって製品の品質基準を満たせなくなることも少なくありません。

これが溶接作業の難しい点でもあります。溶接作業は母材をきちんと接合するだけでなく、溶接歪みを小さくして出来上がりの変形を少なくするための工夫も求められるのです。

溶接歪みと言っても製品の形状により「収縮」が起こったり、「反り返り」が発生したりと様々な種類があります。さらにいくつもの歪みが重なり、複雑に変形することもあるため、製品作りの前には溶接歪みの原因を知り、どういう形状になるか把握しておく必要があります。

溶接歪みの主な原因は「母材に対して必要以上に熱を与えること」とも言えるでしょう。もちろん金属の接合のためには、母材を溶かしこむだけの熱量が必要ですが、必要以上に熱を与え続けることで製品自体が大きく歪む原因にもなります。

溶接のメカニズムをもう少し詳しくご説明すると、溶接によって金属に与えられた熱は周囲の金属に熱伝導していきます。

例えば様々な溶接作業で用いられる「TIG溶接」ではアーク部分の温度は約4000～5000℃にもなるとも言われています。

また金属自体の熱伝導率も非常に高いため、溶接作業を行うと製品全体があっという間に高温になり、高温になった金属は膨張を始めます。

膨張した原子が冷却されると、伸びた原子の結合が元に戻ろうとします。均一に熱することができれば膨張も均等に起こるため、冷却後は元の形に戻ります。

しかし溶接によって局部的に高温になると一部の膨張率が大きくなるものの、反対に他の部分の膨張率は小さくなります。均等に広がらず片方に力が集中すると、やがて製品に歪みが発生します。

歪みは変形しやすい方向に集中するため、母材の長さや幅方向では発生しづらく、面外方向への変形が多い傾向があります。

板厚の薄い母材では座屈変形が発生するため、歪み対策をしていなければ極端に変形することもあるでしょう。

母材に対してどれだけ溶接熱量をコントロールできるかが歪みを抑える基本となりますので、必要最低限の溶接時間となるようにするのが理想的です。

しかし熱量を下げすぎると、しっかり溶融できずに溶着不良にも繋がるため、コントロールするのは容易ではありません。

そのため実際の溶接現場では以下のような対策が実施されています。