「異種金属溶接」という言葉をご存知でしょうか。これは、ふたつの異なる種類の金属を接合させる高度な技術のことです。
この技術を活用すれば、コストパフォーマンスと強度を両立した部品の製造が可能となり、工場だけでなく発注元にとっても大きなメリットとなります。
しかし、この技術は金属の材質によっては接合が非常に難しい場合もあります。たとえば鉄とアルミの場合、熱伝導率などに大きな差があるため、現代の技術では接合が困難とされているのです。
この記事では、異種金属溶接の定義や特徴だけでなく、その難しさや問題点、活用法などについて、専門家の視点から解説していきます。
異種金属溶接とは
本来溶接というのは、同じ種類の金属同士を接合するのが基本となっています。鉄でできた部品の場合、同じく鉄素材のものを接合させるというのが一般的です。
しかし、異種金属溶接はそれと異なり、たとえば、チタンとステンレスといった別種の金属同士を溶かしつなぎ合わせるために行う手法です。
異種金属を接合するための方法としては、ふたつの金属を電極で挟み、高圧電流によって溶接する「スポット溶接」や、タングステンに電気を流して発生させるアークを用いた「TIG溶接」があります。
その他、レーザー光によって金属を溶かす「レーザー溶接」や、電子を加速させ発生させたビームによる「電子ビーム溶接」。融点の低い銀や真鍮などをろう材として利用し接着する「ろう付け」など、方法はさまざまです。
異種金属溶接の難しさについて
現在の溶接業界において、異種金属溶接は高いスキルが求められる手法として知られています。
その大きな理由は、「電蝕」の発生です。錆びにくい「貴金属」と、錆びやすい「卑金属」を接合したものが、水などに接触することで電気が発生し、腐食劣化の原因となります。
ガルバニック腐食はふたつの金属間の電位差が大きいほど発生しやすく、たとえばアルミとステンレスを接触させておいた場合、腐食の危険性がかなり大きいと言えます。
もうひとつの理由として、「熱伝導率」や「融点」の差も問題です。
熱伝導率および融点が高い金属と、それとは逆の性質を持つ金属を接合しようとしても、そう簡単にはいきません。一方の金属はなかなか溶解しないにも関わらず、もう一方は反対に溶けすぎてしまうといったことが発生すれば、適切な状態で繋ぎ合わせることができなくなります。
溶接にあたっては、つなぎ合わせるものをそれぞれ互いに溶融させることが重要ですが、一方の溶け具合が不十分な場合、しっかり接合しているとは言えません。
このような問題点を考慮せず、無理やり溶接を行おうとするのは危険です。
見た目としてはしっかりくっついているように見えても、継ぎ目の部分では腐食や金属ごとの強度差によって非常に脆い状態となっており、溶接割れなどさまざまなトラブルの原因となります。
異種金属溶接が求められる場面とは
異種金属溶接が必要となるのは、ふたつの金属の特徴を併せ持った素材を作る場合です。
例えば、銅とアルミを接合すると、アルミ本来の弱点である脆さをカバーしつつも軽量といった、両金属のいいとこどりの素材を生み出すことができます。
こうした素材が自動車などに導入された場合、重い金属を使わなくとも耐久性を補うことができ、車体の軽量化が実現しやすくなります。
これはメーカーや工場だけでなく、消費者にとってもメリットのあることです。異種金属溶接によって複数の長所を持った素材が普及すれば、より低コストで、なおかつ耐久性に優れ扱いやすい商品を購入することができ、ライフスタイルの向上にもつながるでしょう。
しかし、先の項目で述べた通り、ふたつの異なる金属を溶接するのは簡単なことではありません。電位差のみならず、熱伝導率などの要素を考慮に入れた上で、適切な接合を行わなければならないからです。
異なる性質を持つ異種の金属を結合するにあたっては、双方の金属と相性のよいものを溶接素材として選ぶなどの対策が求められるでしょう。
たとえば銅と鉄を異種金属溶接しようとする場合、本来は鉄が過剰に溶けてしまって適度な接合を行うことが難しいとされています。
この問題を解決するため、銅や鉄との合金に用いられるニッケルを溶接素材として使用します。その結果、安定した強度を保った状態で接合できるようになるのです。
こうした手法を実践するには、金属や溶接に関する豊富な知識に加え、ろうやレーザーなどを用いたさまざまな手法をこなせる熟練したスキルが必要です。
そのため、異種金属が求められる場面では、専門的な技術を持った人材の存在が必要不可欠と言えるでしょう。
アルミと鉄はくっつかない？
さて、タイトルにもなっているアルミと鉄についてですが、これらふたつの金属を溶接できるかというと、かなり難しいと言わざるを得ません。
そのもっとも大きな理由は、これらふたつの金属の融点や熱伝導率には大きな差があるためです。
アルミの融点は約600℃に対し、鉄は1500℃とかなりの開きがあるため、均一に熱を加えても溶け出すタイミングを合わせることができません。
そのため、うまく溶融させることができず、接合界面には不安定な金属間化合物が形成されてしまいます。これによって、わずかな衝撃でも簡単に割れてしまうような不十分な接合結果となります。
加えて、鉄とは逆に熱伝導率の高いアルミは、熱が逃げやすい上に一度熱がこもると今度は一気に溶けだしてしまう特性があり、溶接の難易度が高めということもマイナスです。
いわば、水と油のような関係とも言えるかもしれません。
そのため、アルミと鉄をつなげ合わせる必要のある場面では、ボルトなど結合部品を利用した方法が一般的には用いられています。
とは言え、鉄とアルミの溶接自体が決して不可能かというと、必ずしもそうとは言いきれません。
特殊なツールを激しく回転させることによって接合部を摩擦し、その熱で金属を溶かしながら撹拌して軟化させつなぎ合わせるという「摩擦撹拌溶接(まさつかくはん、FSW)」という方法があります。この方法ならば、曲線部分の溶接が難しいこと、コストがかさむことなどの問題点はありますが、溶接自体は可能です。
この技術自体は1991年にイギリスの学会にて発表されたものですが、現在でも自動車や鉄道車両の部品を製造する際、一部企業の工場にてこの技術が用いられています。
まとめ
異種金属溶接は部品のコストや軽量化、利便性の向上などさまざまなメリットをもたらしてくれますが、同時にガルバニック腐食や金属ごとの融点の差による強度の問題など、クリアすべき課題も少なくありません。
鉄とアルミの溶接に関しては、一部の企業にて摩擦攪拌による溶接が実施されているものの、コストや需要の問題などから用いられている現場が少なく、今後これらの技術が発展する可能性は低いと言えます。
