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Jul 13, 2023

冷間圧接の背後にある科学: 熱を使わずに金属を接合する

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溶接手順について考えるとき、最初に思い浮かぶのはおそらく熱の使用でしょう。 アーク溶接、摩擦溶接、超音波溶接、レーザー溶接などの技術はすべて、何らかの形で熱を伴います。 実際、熱は溶接と同義とみなされ、上記の例では、2 つの金属を接合するために重要です。

ただし、これらが唯一の方法ではありません。 信じられないかもしれませんが、実際には、冷間圧接と呼ばれるプロセスで金属を融合させることができます。

航空工学や電気工学で一般的に使用されており、金属 (およびその他の材料) を接合する最良の方法の 1 つとして広く考えられています。

不可能に聞こえるかもしれませんが、実際には最も一般的な溶接法の 1 つです。 それについてもう少し詳しく見てみましょう。

熱ベースの溶接は、2 つのワークピース間または中間に異なる媒体を使用して原子の拡散が起こるように、部品を効果的に十分にプラスチックにすることによって機能します。 これは伝統的に熱を加えることによって行われますが、原子を拡散させる他の方法もあります。

米国政府軍空軍/ウィキメディア・コモンズ

冷間溶接 (冷間圧力溶接や接触溶接とも呼ばれる) では、熱の代わりに真空条件下で圧力を使用し、固相拡散と呼ばれるプロセスを通じて 2 つの材料を接合します。

プラスチックなどの他の材料を接着するのにも使用できます。

結局のところ、そうです。

プロセスが完了すると、得られる結合は通常、母材の結合と同じくらい強力になります。

このプロセス中、金属は液化せず、通常、材料は顕著な程度に加熱されません。 ただし、このプロセスでは、最初に対象の金属から酸化物層を除去する必要があります。

これは主に、金属には通常、材料の表面に薄い障壁として機能する表面酸化層が含まれており、金属片間の金属原子の拡散を防ぐという事実によるものです。

ほとんどの金属は、通常の状態では、たとえ肉眼では見えなくても、露出した表面にある種の酸化物層を持っています。 また、グリースやほこりなどの他の汚染物質の層も付着する可能性があります。

冷間溶接では、溶接前に金属を準備することでこの問題を解決します。 準備プロセスには、上部の酸化物層またはバリア層が除去される程度まで金属を洗浄またはブラッシングすることが含まれます。

人文科学/ウィキメディア・コモンズ

これには通常、化学的方法と機械的方法を組み合わせて使用​​します。 脱脂、ワイヤーブラシ仕上げ。 などの技術を使用して、金属表面に可能な限り酸化層が存在しないようにします。

前述したように、冷間溶接の対象となる金属には、まず酸化層が存在しない必要があります。

望ましい表面の清浄度が得られたら、適切な量の力を使用して両方の材料を機械的に押し付けます。 一部の材料は高圧でのみ溶接できるため、この力の量は材料自体に依存します。

ただし、他の要件もあります。

冷間圧接に必要な条件の 1 つは、少なくとも 1 つの材料が延性を備えていなければならず、激しい硬化を受けてはいけないということです。 これにより、冷間圧接の候補となる材料のリストが明らかに絞り込まれます。

通常、冷間溶接にはアルミニウムや銅などの柔らかい金属が最適です。

mti溶接

冷間圧接で可能な最も一般的な接合は次のとおりです。

バットジョイントでは、接合プロセス中に発生する塑性変形によってバリアが自動的に破壊されるため、金属のバリア層を除去する必要はほとんどありません。 この種のジョイントは、直径 0.02 インチ (0.5 mm) ～ 0.4 インチ (10 mm) のアルミニウム線や銅線などの金属に最も一般的に適用されます。

一方、重ね継ぎ目では、材料が互いに接着しないため、特別な処理が必要です。 重ね接合は、シートを溶接したり、シートをロッドに溶接したりするときによく使用されます。

冷間溶接は、アルミニウム、銅、亜鉛、70/30 真鍮、ニッケル、銀、銀合金、金などのワイヤでも一般的に使用されます。

冷間圧接が初めて正式に認められたのは 1940 年代ですが、その起源はさらに古い可能性があるという証拠がいくつかあります。

たとえば、1724 年に、J.T. デサグリエ牧師は、冷間溶接技術を使用して 2 つの金属を冷間溶接することに成功したようです。 彼は、同じ直径の 2 つの鉛の球を押してねじると、それらが互いにくっつくことを示しました。 関節は多少不安定でしたが、親の鉛ボールと同じくらい強かったようです。

冷間圧接は便利ですが、他の溶接と同様に、制限がないわけではありません。

ニュージーランド国防軍/Flickr

完璧な冷間溶接を達成するのは非常に困難です。 これには、大気条件下で金属の表面に形成される酸化層、表面の凹凸、表面の汚染など、いくつかの理由が考えられます。 特に大規模な溶接プロジェクトの場合、完璧な状態を達成するのは難しく、コストがかかる場合があります。

最適な冷間圧接は、押し付けられる 2 つの表面が清潔で、いかなる汚染物質も含まれていない場合にのみ行われます。 これには追加の準備手順が必要であり、完了までに時間がかかる場合があります。

また、表面が平坦で規則的であればあるほど、溶接がより容易かつ均一になります。 完璧な平らで滑らかな表面は、特にマイクロスケールやナノスケールでは常に可能であるとは限りません。

もう 1 つの制限は、冷間溶接できる金属の種類です。 少なくとも 1 つは延性を備えている必要があり、冷間溶接に適した唯一の候補は非鉄軟金属です。 銅とアルミニウムは、最も一般的に冷間溶接される 2 つの金属です。

炭素を含む金属は通常、冷間溶接の可能性から除外されます。

冷間圧接の最も注目すべき利点は、得られる溶接部の接合強度が母材の接合強度と同じか、それに非常に近いことです。 この偉業は、完全に溶解して再鋳造することなく、他の形態の金属加工で再現するのは非常に困難です。

冷間加工は、2xxx および 7xxx シリーズのアルミニウム合金の溶接にも使用できます。これらの合金は、高温割れが発生しやすいため溶融溶接できず、他の形式の溶接では接合が非常に困難です。

PWM冷間圧接機/YouTube

業界では、冷間溶接は、他の溶接技術では溶接が難しいアルミニウムと銅を溶接できることで知られています。 ただし、冷間圧接によって 2 つの材料の間に形成される結合は非常に強力です。

冷間溶接では、脆い金属間化合物を形成することなく、きれいで強力な溶接が得られます。

冷間圧接は主にワイヤの溶接に適用されます。 熱を必要とせず、プロセスを迅速に行うことができるため、冷間溶接では、主にアルミニウム、銅、70/30 真鍮、亜鉛、銀および銀合金、ニッケル、金を使用したワイヤを完全に溶接できます。

ワイヤーの冷間溶接に使用できる手持ちツールもあり、非常に持ち運びやすく、使いやすくなっています。もちろん、金属表面が十分に洗浄されていればです。

冷間溶接は、例えば銅とアルミニウムの間のように、異なる金属を接合する必要がある場合にも使用されます。

冷間溶接は、親金属のような結合を作成するための最も強固な溶接の 1 つです。 熱エネルギーも特別な工具も必要ありません。 最も一般的な溶接技術の中でも、冷間溶接は、特定の種類の材料を接合する場合に熱が必要ないことを示しています。