溶接は、圧力の適用の有無にかかわらず、またフィラー材料の使用の有無にかかわらず、適切な温度まで加熱することによって生成される金属の合体として定義できます。
融着では、熱源は必要なサイズの金属の溶融池を作成および維持するのに十分な熱を生成します。熱は電気またはガスの炎によって供給されます。電気抵抗溶接は溶融金属が形成されるため、溶融溶接と考えることができます。
固相プロセスでは、母材を溶かしたり、溶加材を追加したりすることなく溶接が行われます。常に圧力が加えられ、通常はある程度の熱が加えられます。超音波接合や摩擦接合では摩擦熱が発生し、拡散接合では通常炉加熱が使用されます。
溶接で使用される電気アークは、一般に 10 ～ 50 ボルトで 10 ～ 2,000 アンペアの範囲の高電流、低電圧の放電です。アーク柱は複雑ですが、大まかに言えば、電子を放出する陰極、電流伝導のためのガスプラズマ、および電子衝撃により陰極よりも比較的高温になる陽極領域で構成されます。通常は直流 (DC) アークが使用されますが、交流 (AC) アークも使用できます。
発生した熱をすべて有効利用できるわけではないため、すべての溶接プロセスで投入される総エネルギーは接合部の製造に必要なエネルギーを超えます。効率はプロセスに応じて 60 ～ 90 パーセントの範囲で変化します。一部の特殊なプロセスはこの図から大幅に逸脱します。熱は母材金属を通した伝導と周囲への放射によって失われます。
ほとんどの金属は加熱されると、大気または近くにある他の金属と反応します。これらの反応は、溶接継手の特性に非常に悪影響を与える可能性があります。たとえば、ほとんどの金属は溶融すると急速に酸化します。酸化物の層は金属の適切な結合を妨げる可能性があります。酸化物で覆われた溶融金属の液滴が溶接部に入り込み、接合部を脆化させます。特定の特性を得るために追加された一部の貴重な材料は、空気にさらされると非常に急速に反応するため、堆積された金属は最初と同じ組成を持たなくなります。これらの問題により、フラックスと不活性雰囲気が使用されるようになりました。
融接では、フラックスは金属の制御された反応を促進し、溶融材料の上にブランケットを形成することで酸化を防ぐ保護的な役割を果たします。フラックスは、活性化してプロセスに役立つこともあれば、不活性化して単に接合中に表面を保護することもできます。
不活性雰囲気は、フラックスと同様の保護的な役割を果たします。ガスシールドメタルアーク溶接およびガスシールドタングステンアーク溶接では、不活性ガス (通常はアルゴン) がトーチを囲む環状部から連続的な流れで流れ、アーク周囲の空気を追い出します。このガスは金属と化学反応せず、単に金属を空気中の酸素との接触から保護します。
金属接合の冶金は、接合部の機能にとって重要です。アーク溶接は、ジョイントの基本的な特徴をすべて示しています。溶接アークの通過により、(1) 溶接金属または溶融ゾーン、(2) 熱影響を受けるゾーン、および (3) 影響を受けないゾーンの 3 つのゾーンが生じます。溶接金属は、溶接中に溶けた接合部の部分です。熱影響部とは、溶接金属に隣接し、溶接はされていないが、溶接熱により微細構造や機械的性質が変化した領域です。影響を受けていない材料とは、特性が変化するほど十分に加熱されていない材料です。
溶接金属の組成とそれが凍結（凝固）する条件は、サービス要件を満たす継手の能力に大きく影響します。アーク溶接では、溶接金属は溶加材と溶けた母材で構成されます。アークが通過した後、溶接金属は急速に冷却されます。ワンパス溶接は、溶融池の端から溶接の中心まで伸びる柱状粒子を含む鋳造構造を持ちます。マルチパス溶接では、溶接される特定の金属に応じて、この鋳造構造が変更される場合があります。
溶接部または熱影響部に隣接する母材金属は、さまざまな温度サイクルにさらされ、その構造変化は、任意の点でのピーク温度、曝露時間、および冷却速度に直接関係します。母材の種類は多すぎてここでは説明できませんが、(1) 溶接熱の影響を受けない材料、(2) 組織変化によって硬化する材料、(3) 析出プロセスによって硬化する材料の 3 つのクラスに分類できます。
溶接により材料に応力が生じます。これらの力は、溶接金属の収縮と、熱影響部の膨張と収縮によって引き起こされます。加熱されていない金属は上記に拘束を加え、収縮が優勢になるため、溶接金属は自由に収縮できなくなり、接合部に応力が蓄積されます。これは一般に残留応力として知られており、一部の重要な用途では、製造全体の熱処理によって除去する必要があります。残留応力はあらゆる溶接構造において避けられず、これを制御しないと溶接部の曲がりや歪みが発生します。溶接技術、治具、製作手順、最終熱処理によって制御されます。
