Welding and Soldering.docx
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Welding and Soldering.docx
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WeldingandSoldering
OutlineofWelding
KindsoftheWeldings
Weldingisprocessingwhichmeltsthemetalmaterialswithhotheat,anditheyarejoined.Therearevariouskindsoftheweldingdependingonhowtogiveheat.Anarcweldingisusedmostoftenasaweldingprocessofsteelmaterial.Forweldingofacomparativelythinplates,itiseasytotreatagaswelding.ATIGweldingisusedforweldingofstainlesssteeloranaluminiumalloy.
Asolderingisthejoiningmethodsimilartotheweldings,withoutmeltingthematerialitself,itmeltsonlyasolder.Anditjoinstometalmaterials.Thesoldering.hasalowtemperatureattheprocessingcomparedwiththeweldings,thenitiseasyprocessing.
Fig.1,ArcWelding
Fig.2,GasWelding
Fig.3,TIGWelding
Fig.4,Soldering
DifficultiesofWeldings
Generally,theweldingsaremoredifficultthancuttingprocesses.Themetalmaterialsarechangedbygivingheat,anditbecomesdifficulttomakeanaccuratesize.Moreover,itcannotjudgewhethertheweldingiswell,becauseaprocessingportionishardtoseeduringwelding.Furthermore,abeginnercannotunderstandwhetherithasmeltedtosufficientdepth.Itseemsthattherefore,sufficientexperienceoftheprocedure(turnofaweldingpart),setupofaweldingequipment,isrequiredinordertoperformsuitablewelding.
ArcWelding
OutlineofArcWelding
Thearcweldingmakesarcsbetweenamaterialandaweldingrod.Anditisawellusedweldingmethod.Inthearcwelding,weuseatorchwithaweldingrodasshowninFigure1.Andbothofthematerialandtheweldingrodarementinthearc.Thearcweldingisveryhighspeed,andiftheweldingisverywell,thestrengthisveryhigh.Butthearcisverylight,thenwecannotseetheweldingprocesses.Abeginnermaybeoftenfailedthewelding.
Allweldings,includingthearcwelding,needhighertechniquethancuttingprocessings,becausewedonothavethesameconditions.
Fig.1,HandTorchforArcWelding
ActualArcWelding
AsshowninFigure2,Anarcweldingmachineisconnectedtoelectriccablestotheelectricsource,thetorchandthematerial(earth).Afterswitchonthemachine,theweldingrodistouchedtothematerial,andthearcoccures.Thebasichandlingofthearcweldingisinfollows.
Fig.2,ArcWeldingSystem
AngleofWeldingRod
Inthearcwelding,itisimportanttosettheangleofaweldingrod(coatedelectrode).
Asthemostfundamentalwelding,thecasewheretwogriddles(mothermaterial)areweldedintheshapeof[ofatransversedirection]astraightlineisconsidered.Itweldslayingdownabout45degreesofweddingrodsinthedirectionoftheright(inthecaseofaright-handedperson)fromtheleft,asshowninFig.3(a).Anditisthefoundationswhicharemaintainedatthesameangle(90degrees)totwogriddles.
最も基本的な溶接作業として,2枚の鉄板(母材)を横方向の直線状に溶接する場合を考える。
図3(a)に示すように,左から右の方向(右利きの場合)に,溶接棒を45°程度寝かしながら溶接する。
そして,2枚の鉄板に対して同一の角度(90°)に保つのが基本である。
AsshowninFig.3(b),whenaweddingrodisleaned,amaterialoppositetotheleanedsidebecomeseasytomelt.Weldingisadvancedcheckingthatbothofmaterialmeltsuniformlyusingthis.
図3(b)のように溶接棒を傾けた場合,傾けた側と反対の材料が溶けやすくなる。
これを利用して,両方の材料が均一に溶けることを確認しながら溶接を進める。
Fig.3,AngleofWeldingRod
DistancebetweentheWeldingRodandMaterial
Youhavetokeepconstanttheintervalofaweddingrodtipandmothermaterialduringwelding.Asastandard,thedistanceisabout3-5mm.Ifanintervalapproachestoomuchandaweddingrodandmothermaterialcontact,anarcstopsoccurringandaweddingrodandmothermaterialwilladheredependingonthecase.Moreover,ifanintervalseparatestoomuch,anarcwillbedistributedandsuitableweldingcannotbeperformed.Sinceaweddingrodbecomesshortasitadvanceswelding,itwarnstokeeptheintervalofaweddingrodandmothermaterialsuitable.
溶接中,溶接棒先端と母材との間隔を一定に保たなければならない。
目安として,その距離は3~5mm程度である。
間隔が近づきすぎて溶接棒と母材とが接触すると,アークが発生しなくなり,場合によっては溶接棒と母材とがくっついてしまう。
また,間隔が離れすぎるとアークが分散され,適切な溶接ができない。
溶接棒は溶接を進めるに従って短くなるので,溶接棒と母材との間隔を適切に保つように注意する。
Fig.4,DistancebetweentheWeldingRodandMaterial
MovementsofWeldingRod
Whatisnecessaryisgenerally,justnottonecessarilymoveaweddingrodstraightly.Theweddingrodisburiedinthemeantime,checkingthattwomothermaterialhasmeltedfirmly.Therhythmwhichleans
(1)weddingrodandmeltsthematerialofonesideasanimageandwhichmelts
(2)anothermaterialofpushingin(3)weddingrodwillberepeated.
一般に,溶接棒をまっすぐに動かせばよいわけではない。
2つの母材がしっかりと溶けていることを確認しながら,その間に溶接棒を埋めていく。
イメージとして,①溶接棒を傾けて片側の材料を溶かす,②もう一方の材料を溶かす,③溶接棒を押し込む,といったリズムを繰り返すこととなる。
Fig.5,ImagineofArcWelding
AdjustmentofElectricCurrent
Inthearcwelding,theadjustmentofanelectriccurrentisveryimportant.Iftheelectriccurrentistoolow,thematerialsarenotmeltedenough.Alsothearcdoesnotoftenbirth,andtheweldingrodfixestothematerialeasily.Oppositely,iftheelectriccurrentistoohigh,thematerialsaremeltedexcessively,andaholeisoftenmadeattheweldingpoint.
ExamplesofArcWelding
Whenanequipmentismadebyconstructedchannelmaterials,wecanmakeitwithboltsandnuts.Howeverifwecanhandlethearcwelding,theprocessinghasmoreshortertimeandeasybuilding.Figure6showsanexampleoftheexperimentalequipmentusingthearcwelding.
(a)Cuttingofthematerials
(b)CompletedWavingTable
Fig.6,WavingTableforModelWheelchairs
Oxy-AcetyleneWelding
OutlineofOxy-AcetyleneWelding
Inthecaseoftheoxy-acetylenewelding,acombustiongasmeltsmaterials,andtheyarejoined.Acetylenegasandoxygenareusedforthewelding.Weldingspeedoftheweldingisslow,anditsweldingprocessislegible.Therefore,thereislittlefailure,suchaspoorwelding.Moreover,thereisthefeatureofbeingeasytocarryoutweldingofthinplates.However,comparedwitharcwelding,weldingspeedisremarkablyslow.Itisnotefficientweldingmethod.
Fig.1,TorchforOxy-AcetylenWelding
Fig.2,OxygenandAcetylene
TIGWelding
OutlineofTIGWelding
TheTIGwelding(tungsteninertgaswelding)
TIG溶接は,熱に強いタングステン電極(T)を持ち,その周囲に不活性ガス(イナートガス,I)を流して溶接する方法である。
溶接箇所に酸素(空気)がなく,材料が酸化されないため,ステンレス鋼やアルミニウム合金の溶接ができるのが最大の特徴である。
なお,不活性ガスにはアルゴンを使用することが多いため,アルゴン溶接とも呼ばれる。
直流と交流
TIG溶接は,アーク溶接と同様,直流と交流がある。
ステンレス鋼や鉄系材料を溶接する場合は直流,アルミニウム合金を溶接する場合は交流とする。
Fig.1,TIGWeldingSystem
EquipmentsforTIGWelding
FollowsaretheequipmentsfortheTIGwelding.
Fig.2,TIGWeldingMachine
TIG溶接をするためには専用の溶接機が必要である。
Fig.3,TorchforTIGWelding
TIG溶接用のトーチである。
アーク溶接のように溶接棒が短くならす,一定の高さで溶接できるので扱いやすい。
Fig.4,ThePointoftheTorch
中央がタングステン電極,その周囲に不活性ガス(アルゴン)用のカバーが付いている。
Fig.5,OperatingPanel
写真はTIG溶接機の操作パネルである。
多くの機能があり,設定次第で高度な溶接が可能である(筆者は全く使いこなしていない)。
Fig.6,手元におく操作パネル
手元で電流を調整できる。
しかし,適切な電流は実際に溶接をしてみないとわからない。
Fig.7,ShadingMaskforTIGWelding
TIG溶接の際に発生する光はかなり強い。
TIG溶接に対応した遮光面が必要である。
ExamplesofTIGWelding
TIG溶接を利用してステンレス鋼を溶接した例を紹介する。
なお,アルミニウム合金の溶接を試みたこともあるが,一度も成功したことはない。
HeaterofaStirlingEngine
50W級スターリングエンジンMini-Ecoboyのヒータを製作する際,旋盤で製作した2つの部品(SUS304)を溶接した。
円周箇所の溶接であったため,トーチを一定位置に固定して,ヒータが一定位置で回転できるようなジグに取り付けた。
溶接後,約1MPaの圧力でエンジンを運転したが,溶接部に問題はなく,適切に機能している。
(1)ヒータとトーチの固定ジグ
(2)TIGWelding
(3)完成したヒータ
(4)エンジンへの組み付け
Fig.8,HeaterofaStirlingEnginewithTIGWelding
CoolerofaStirlingEngine
全く同じ方法で,同エンジンのクーラを製作した。
溶接することで,クーラを2重構造とし,その内部を冷却水が流れる。
Fig.9,CoolerofaStirlingEnginewithTIGWelding
Soldering
PreparationsforSoldering
ロウ付けとは,部品と部品の間に溶解した「ロウ」を流し込み,部品と部品を固定する加工である。
部品を熔かすことなく接合するのが溶接と異なる点である。
ロウ付けには様々な種類があるようだが,ここでは最も基本的な銀ロウを使ったロウ付けを紹介する。
ロウ付けをするために,ガストーチ(アセチレン・酸素が最適,なければ小型ガストーチでも小さな部品のロウ付けは可能),銀ロウ,フラックス,ライタ,革手袋,レンガ(あると便利),アセトン(アルコールでも可?
)を準備する。
Fig.1,Preparations
ロウ付けを「しやすい材料」と「しにくい材料」
ステンレス鋼や鉄鋼はロウ付けしやすい。
これらは融点が高く,若干加熱しすぎても材料が溶けないからである。
また,黄銅や銅はロウとの相性がよいため,かなり簡単にロウ付けできる。
熱がかからず,それほど高い強度を必要としない場所であれば,銀ロウでなく「はんだ」でも簡単に固定できる。
一方,アルミニウム合金はロウ付けしにくい(筆者は一度もうまくできたことがない)。
ロウとの相性が悪いばかりでなく,融点が低いため少しでも加熱しすぎると材料が溶けてしまうためである。
ProcedureofSoldering
魚ロボットUPF-2001に使用する配管部品の製作手順を紹介する。
図2に示すように,この配管部品は2つの部品から構成されており,材質はステンレス鋼(SUS304)である。
使用時の圧力は低いが,水中で使用するため,水漏れがあってはいけない部品である。
Fig.2,PipingCompornent
Fig.3,PreparingofParts
Thepartsforthesolderingarecompletedusingalatheandamillingmachine.Theconnectionmustbehardclearance.Thewaxcanflowinlittleclearance.
Fig.4,.Cleaning
Acleaningisveryimportantforsoldering. アセトンで部品を洗浄する。
切削油などで汚れているとロウがつかないので,穴の奥まで念入りに洗浄する。
もちろん,さびがあってもロウ付けはできない。
ロウ付けを成功させる一つのポイントは,丁寧な洗浄である。
Fig.5,Flux
Afluxispastedonthepartofthesoldering.Thewaxflowsontheflux.Thefluxisveryimportantforthesoldering.
Fig.6,GasTorch
Thisisagastorch.Inthiscase,weusedthegastorchforoxy-acetylenewelding.Inthecaseofsmallparts,agastorchforprppanecanbeusedforthesoldering.
Fig.7,Heating
部品全体が均一な温度になるようにゆっくりと加熱する。
均一に加熱するためには,大きい部品(熱容量が大きい部品)を強くあぶるようにする。
また,部品の形状によっては,熱伝導による熱の逃げを考えながら加熱することも重要である。
Fig.8,Soldering
フラックスが一度白くなり,その後,透明な水あめ状になったら,銀ロウをつける。
銀ロウは暖かい方に流れていく性質があるらしい。
Fig.9,Finishing
ロウ付けが終了したら,ゆっくりと冷やす。
急冷すると,ひびが入ることもある。
Fig.10,CompletedPart
完成した魚ロボット用の配管部品である。
あまり上手なロウ付けではないが,水漏れはなく,機能上の問題はなさそうである。
WxamplesofSoldering
ロウ付けができると機械加工の範囲が広がる。
ロウ付けは,比較的簡単に気体や液体の漏れを止めることができるので,配管部品に利用しやすい。
以下,いくつかの使用例を紹介する。
ModelStilringEngine
模型スターリングエンジンの連結管をロウ付けで固定した。
部品が小さいので,ロウ付けはそれほど難しくない。
強度・耐熱性にも十分である。
連結管には直径3mmのステンレス管を使用しており,シリンダ側の部品もステンレス鋼製である。
Fig.11,ModeelStirl
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