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異種金属溶接における問題点 異種金属溶接には、その発展を妨げるいくつかの根本的な問題が存在する。例えば、異種金属の融合部の構造や特性であり、異種金属溶接構造の破壊はほとんどが融合部で起こる。また、融合部に近い各部分における溶接部の結晶特性が異なるため、性能が悪く、成分が変化した過渡層が容易に形成されてしまう。 また、高温状態に長く置かれるため、この領域の拡散層が広がり、それによって金属の不均一性がさらに増大する。また、異種金属の溶接時や溶接後の熱処理、あるいは高温での使用後には、低合金側の炭素が溶接部の境界を通じて高合金の溶接部内へ「移動」する現象がよく見られ、融合線の両側にそれぞれ脱炭層と増炭層が形成される。低合金側の母材には脱炭層が、高合金の溶接部側には増炭層が形成される。 異種金属構造の使用と発展を妨げ、阻害する要因は主に以下の点に表れる：1. 室温下では、異種金属の溶接部の機械的性質（引張り、衝撃、曲げなど）は一般的に溶接される母材の性質よりも優れているが、高温下や長時間高温で使用した後には、接合部の性質が母材よりも低下する。 2. オーステナイト溶接部とパーライトの母材との間にはマルテンサイト遷移帯が存在し、この領域は靭性が低く、高硬度で脆い層である。また、部材の破壊を引き起こす弱点となり、溶接構造物の信頼性を低下させる。 3. 溶接後の熱処理や高温での運転中における炭素の移動により、溶接部の両側にそれぞれ炭素濃度が高くなる層と低くなる層が形成される。一般的に、脱炭層は炭素の減少によりその領域の組織や性能が大きく変化（通常は劣化）し、その結果、使用中に早期に機能不全を起こしやすくなると考えられている。現役の高温配管や試験中の高温配管における多くの故障箇所は、脱炭層に集中している。 4. 故障は、時間、温度、交番応力などの条件に関連している。 5. 溶接後の熱処理では、接合部の残留応力分布を除去することはできない。 6. 化学成分の不均一性。 異種金属を溶接する際、溶接部の両側にある金属と溶接部の合金組成には明らかな違いがあります。溶接過程において、母材と溶接材料は共に溶融し互いに混ざり合いますが、その混合の均一さは溶接工程の変更によって変わります。また、溶接部の異なる位置では混合の均一さに大きな差が生じるため、溶接部の化学組成に不均一性が生じます。 7. 金属組織の不均一性。 溶接部の化学組成が不連続であるため、溶接熱サイクルを経た後、溶接部の各領域に異なる組織が生じ、特に一部の領域では極めて複雑な組織構造が現れることがある。 8. 性能の不連続性。 溶接部の化学組成と金属組織の違いが、溶接部の力学的性質の差をもたらす。溶接継手の各領域において、強度、硬度、塑性、靭性、衝撃特性、高温クリープ、耐久性に大きな差がある。この顕著な不均一性により、溶接継手の異なる領域は同じ条件下でも挙動に大きな差が生じ、弱化領域と強化領域が現れる。特に高温条件下では、異種金属の溶接継手は使用過程でしばしば早期に劣化する。 二 異種金属を溶接する際の各溶接方法の特徴 ほとんどの溶接方法は異種金属の溶接に使用できるが、溶接方法の選定や工程上の対策を立てる際には、異種金属の溶接時の特徴も考慮すべきである。母材と溶接部の異なる要求に応じて、異種金属の溶接には溶接、圧接、その他の溶接方法が用いられているが、それぞれに長所と短所がある。 1. 溶接 異種金属の溶接においてよく用いられるのが溶接法であり、一般的な溶接法には棒電極アーク溶接、サブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、電渣溶接、プラズマアーク溶接、電子ビーム溶接、レーザー溶接などがある。希釈を減らし、溶着率を下げるか、異なる金属の母材の溶融量を制御するために、通常は熱源のエネルギー密度が高い電子ビーム溶接、レーザー溶接、プラズマアーク溶接といった方法が用いられる。 溶け込み深さを小さくするために、間接アーク、ワイヤの振動、帯状電極、非通電ワイヤの追加などの工程上の対策を講じることができる。しかし、いずれにせよ溶接である限り、必ず母材の一部が溶接部に溶け込んで希釈が起こり、さらに金属間化合物や共晶なども生成される。このような悪影響を軽減するためには、液体状または高温の固体状態にある金属の滞留時間を制御し、短縮する必要がある。 しかし、溶接法や工程上の対策が絶えず改善・向上しているにもかかわらず、多種多様な金属が存在し、性能要件もさまざまで、接合形態も異なるため、異種金属を溶接する際の問題をすべて解決することは依然として難しい。多くの場合、特定の異種金属接合部の溶接問題を解決するためには、圧接やその他の溶接法を用いる必要がある。 2. 溶接圧着 ほとんどの溶接圧着法は、溶接対象の金属を塑性状態に加熱するか、あるいは加熱しないまま、一定の圧力を加えることを基本としている。溶接と比較して、異種金属の接合部を溶接する際、圧接には一定の優位性がある。接合形態が許容し、かつ溶接品質が要求を満たす場合、圧接を用いることは通常、より合理的な選択となる。 圧着溶接時、異種金属の接合面は溶融することもあれば、溶融しないこともあるが、圧力が作用するため、表面に溶融した金属が存在していても押し出されて除去される（例：フラッシュ溶接や摩擦溶接）。ごく一部の場合にのみ、圧着溶接後もかつて溶融した金属が残る（例：スポット溶接）。 圧着溶接は、加熱を行わないか加熱温度が低いため、熱サイクルによる母材の金属的性質への悪影響を軽減または回避し、もろい金属間化合物の生成を防ぐことができる。ある種の圧接では、既に生成された金属間化合物を接合部から押し出すことさえできる。また、圧着溶接時にも希釈による溶接部の金属的性質の変化という問題は生じません。 しかし、ほとんどの圧着溶接法は継手の形状に一定の要求があり、例えばスポット溶接、シーム溶接、超音波溶接では重ね継手を使用しなければならない；摩擦溶接時、少なくとも1つのワークは回転体の断面を有していなければならない；爆着溶接は、比較的大きな面積の接合などにのみ適用されます。圧着溶接装置も現在はまだ普及していません。これらは間違いなく、圧着接合の適用範囲を制限している。 3.その他の方法 熔接や圧接以外にも、異種金属の溶接に用いられる方法がいくつかある。例えば、ろう付けとはろう材と母材との間の異種金属溶接法ですが、ここで論じるのはより特殊なろう付け法です。 溶接と呼ばれる方法があり、それはろう付けで、異種金属の接合部において低融点の母材側を溶接し、高融点の母材側をろう付けするものです。また、通常は低融点の母材と同じ金属がはんだ材として用いられる。したがって、はんだ材と低融点の母材との間は同種金属の溶接プロセスであり、特別な困難は存在しない。 はんだ材と高融点の母材との間でははんだ付けプロセスが行われ、母材は溶融や結晶化しないため、多くの溶接性に関する問題を回避できるが、はんだ材が母材を十分に濡らすことが求められる。 もう一つの方法は、共晶ろう付けまたは共晶拡散ろう付けと呼ばれます。これは、異種金属の接合面を一定の温度まで加熱し、接合面で2つの金属が低融点の共晶を形成させるもので、この低融点の共晶はその温度では液体状態となり、実質的には外部からはんだ材を使用しないはんだ付け方法となります。 もちろん、これには2つの金属間で低融点の共晶が形成されることが求められる。異種金属の拡散溶接時に中間層材料を加え、非常に低い圧力下で加熱して中間層材料を溶融させるか、溶接対象の金属と接触して低融点の共晶を形成させる。このとき生成した薄い液体層は、一定時間保持することで中間層材料がすべて母材中に拡散し均一化され、中間層材料が含まれない異種金属の接合部が形成される。 この種の方法では、溶接過程で少量の液体金属が発生する。そのため、液相遷移溶接とも呼ばれ、これらの共通した特徴は、接合部に鋳造組織が存在しないことである。 三 異種金属の溶接における注意事項 1.溶接部の物理的・力学的性質および化学組成を考慮する (1)等強度の観点から、母材の力学的性質を満たす溶接棒を選択するか、あるいは母材の溶接性を考慮して、等強度ではないが溶接性の良い溶接棒に切り替える。ただし、溶接部の構造形態を考慮し、等強度および等剛性の要件を満たすようにする。 (2)その合金成分を母材に合致させるか、またはそれに近づける。 (3)母材にC、S、Pといった有害な不純物が多く含まれている場合は、割れに強く気孔にも強い溶接棒を選ぶべきである。チタン酸カルシウム系の溶接棒を使用することを推奨します。まだ解決できない場合は、低水素ナトリウム系の溶接棒を使用できます。 2. 焊接部の作業条件および使用性能を考慮する (1) 動的負荷や衝撃負荷がかかる場合、強度を確保するだけでなく、衝撃靭性や伸びにも高い要求があり、低水素型、チタンカルシウム型、酸化鉄型の溶接棒を選択すべきである。 (2)腐食性媒体に接する場合は、媒体の種類、濃度、作業温度、および一般腐食か粒界腐食かを区別し、適切なステンレス鋼用溶接棒を選定しなければならない。 (3)摩耗条件下で作業する際には、通常の摩耗か衝撃摩耗か、また常温か高温下での摩耗かを区別しなければならない。 (4)非常温条件下で作業する場合は、低温または高温における機械的性質を保証する適切な溶接棒を選択すべきである。 3. 溶接部の集合形状の複雑さ、剛性の大きさ、溶接割れの発生状況、および溶接位置を考慮する。 (1)形状が複雑であるか厚みが大きい溶接部では、溶接部の金属が冷却する際に収縮応力が大きくなり、ひび割れが生じやすい。そのため、低水素系ワイヤ、高靭性ワイヤ、または酸化鉄系ワイヤなど、ひび割れに強い性能を持つワイヤを使用しなければならない。 (2) 条件により反転できない溶接部には、全姿勢での溶接が可能なワイヤーを使用する必要がある。 (3)溶接部の清掃が困難な溶接部品には、酸化性が強く、酸化皮や油汚れに鈍感な酸性ワイヤーを使用し、気孔などの欠陥が発生するのを防ぐ。 4.溶接現場の機器を考慮する 直流溶接機がない場所では、直流電源専用の溶接棒は適しておらず、交流・直流両方の電源に対応した溶接棒を選ぶべきである。パーライト耐熱鋼などの一部の鋼材では、溶接後に熱応力を除去する必要があるが、設備の制約（または材料自体の構造上の制約）により熱処理ができない場合がある。母材でない金属材料のワイヤー（例えばオーステナイト系ステンレス鋼）を使用し、溶接後の熱処理は不要となる。 5. 溶接工程の改善と作業員の健康保護を考慮し、酸性ワイヤーとアルカリ性ワイヤーのどちらでも要件を満たせる場合は、できるだけ酸性ワイヤーを使用すべきである。 6. 労働生産性と経済的合理性を考慮する。性能が同じである場合は、可能な限り価格の低い酸性ワイヤを選び、アルカリ性ワイヤは使用しないべきである。酸性ワイヤの中でもチタン系やチタンカルシウム系は高価であるため、我が国の鉱物資源の状況を踏まえ、チタン鉄系被覆のワイヤの普及を積極的に推進すべきである。