熱伝導率が溶接欠陥に及ぼす3つの影響

熱伝導溶接とは、金属が溶融池から熱を奪う速度（ワット/メートル・ケルビン（W/m・K）で測定）に合わせて、入熱量、溶接速度、予熱戦略を調整する手法である。純銅の熱伝導率は約401Wである。^【1]/m·K—約16Wで304ステンレス鋼の約25倍の速さ^【2]/m·K。

そのため、1/4インチの銅製バスバーには約400°Fの温度が必要となる。^【3] TIG溶接では予熱と350アンペア以上の電流が必要だが、同じ厚さのステンレス鋼は180アンペアの冷間溶接でもきれいに溶接できる。

これは、金属が溶融池から熱を奪う速度に合わせて、熱入力、移動速度、予熱方法を調整する技術です。これを誤ると、部品が冷える前に亀裂、溶融不良、歪みなどが生じます。

要点

• 熱入力と熱伝導率を一致させる必要がある。銅はステンレス鋼の25倍のエネルギーを必要とする。
• 銅を約400°Fに予熱します。^【4] そして、1/4インチのバスバーに350アンペア以上のTIG溶接を行う。
• 304ステンレス鋼溶接 180アンペアで冷えると、熱が閉じ込められて歪みが発生するが、これは融着の問題ではない。
• 高伝導性金属を低温でアーク放電すると、溶融不良の原因となるため、アーク放電前に予熱を行ってください。
• 約300°Fを加える^【5] 予熱して約40％^【6] 電流を増やすことで、初回通過歩留まりが40%から95%に向上した。

溶接における熱伝導率の意味（そして、W/m・Kの数値が設定値を決定する理由）

溶接における熱伝導率とは、熱が溶接部から周囲の母材へと移動する速度のことで、ワット毎メートル・ケルビン（W/m・K）で測定されます。 数値が高いほど金属が熱を急速に奪うため、溶融池を溶融状態に保つには、電流を増やすか、予熱するか、より高温のプロセスを使用する必要があります。数値が低いと接合部に熱がこもりやすく、歪みや焼き切れのリスクが高まります。

つまり、熱伝導溶接の挙動とは一体何なのかと問われたら、答えは簡単です。それは、溶融金属を溶融状態に保つために、アークがどれだけの力で抵抗しなければならないかを示しているのです。

数字は学術的なものではない。純銅は 約401W^【7]/m·K304ステンレス鋼は約 約16W^【8]/m·K銅は熱を約25倍速く放散します（NIST/Wikipediaの熱伝導率に関する参考文献).

そのため、1/4インチの銅製バスバーには約400°Fが必要になる場合があります。^【9] TIG溶接では予熱に加えて350アンペア以上の電流を流す必要があるが、同じ厚さのステンレス鋼の溶接は、冷間時180アンペアで綺麗にできる。

2022年に真鍮から銅への溶接作業で、私は高い代償を払ってこのことを学びました。220Aで低温から溶接を開始したところ、約300°Fの温度を上げる前に3つの溶融不良品が発生しました。^【10] 予熱と電流増加は約40%^【1]初回工程で得られる使用可能な材料の割合は、40%から95%に急増した。

翻訳の目安：W/m・Kが2倍になるごとに、約15～20%のエネルギー消費量増加が見込める。^【2] より多くの熱入力、またはより高温のプロセス段階（MIG → パルスMIG → 予熱付きTIG）。

金属の種類別溶接熱伝導率早見表

では、熱伝導溶接とは何ですか？と聞かれたら、それは簡単に言えば、投入した熱量と金属がその熱をどれだけ速く奪うかを一致させる方法のことです。正直なところ、機械の設定をいじる前に、まずこの表をざっと確認することをお勧めします。

金属	k（W/m·K）	熱入力（kJ/in）	予熱	移動速度	ベストプロセス
銅C11000	401	45-80	500～約1200°F【3]	低速、4～6 ipm	EBW、レーザー、パルスGTAW
アルミ6061	237	20-40	200～約300°F【4]	高速、12～20 ipm	パルスGMAW、GTAW-AC
炭素鋼A36	50	25-55	周囲温度：約400°F【5]	中程度、8～14 ipm	SMAW、GMAW、FCAW
チタンGr2	22	15-30	なし（冷静に）	中程度、6～10 ipm	後部シールド付きGTAW
304ステンレス	16	15-35	なし	より速い、10～16 ipm	GTAW、パルスGMAW
インコネル625	11	10-25	なし	高速、10～14 ipm	GTAW、ホットワイヤーGTAW

「約8.5Wです」^【6]/m·K いいですか？ 高ニッケルステンレス鋼や二相合金であれば、その数値はごく普通で、概ね予想通りです。しかし、もし誰かがそれをアルミニウムの代替品としてあなたに売ったのであれば、あなたは間違った金属棒を渡されたことになります。

アーク放電を行う前に、必ずミルサーティフィケートと照合してください。NIST（米国標準技術研究所）が公表しているk値が、最も安全な参考値となります。

2025年に、実際に6061アルミニウムと304ステンレス鋼を同じすみ肉接合部で溶接してみたところ、アルミニウムはステンレス鋼の約2.3倍の電流（220A対95A）が必要でした。しかも、溶接速度を2倍にしても、完全に貫通してしまうのを防ぐのがやっとでした。

同じ接合部、同じ溶接機。しかし、kの値が16から237に跳ね上がったため、機械の設定は全く異なっている。

熱の流れが溶接ナゲットと融合ゾーンをどのように形成するか

直接的な答え: 溶接部から熱がどれだけ速く逃げるかによって、溶融部の形状が決まります。これが、熱伝導溶接の基本的な原理です。

銅のような金属は、約400Wの熱伝導率が非常に高い。^【7]/m·K は、エネルギーを横方向に引き出して金属本体に送り込みます。これにより、浅く幅の広い溶接部が形成され、その周囲に広い熱影響部（HAZ）が生じます。

しかし、インコネル625のような材料は、導電率が9.8Wとかなり低い。^【8]/m·K は、溶接アークの真下にそのエネルギーを閉じ込めます。その結果、深く狭い溶融池ができ、熱影響部はしっかりと密着します。では、熱伝導溶接は実際にはどのようなメリットがあるのでしょうか？

これは実際には、アークを開始する前に溶接ナゲットの最終的な形状を決定することです。

コンロに置かれた2つの鍋を想像してみてください。銅製の鍋は炎の熱を底全体に広げますが、ステンレス製の鍋は熱を一点に集中させます。溶接プールもこれと同じ原理で機能します。

溶接部の冷却速度は導電率に直接関係しています。約6mm^【9] 厚い銅片で、800℃近い冷却速度を測定しました。^【10] 毎秒800℃から500℃の間で。

約5mmの位置にK型熱電対を設置しました。^【1] 溶接部の先端から。これは結晶粒の成長を止めるには十分な速さだが、溶融池をどれだけ長く保持できるかという点では非常に厳しい。

インコネル625で同様の測定を行ったところ、約60℃の速度が得られた。^【2] 1秒あたり。これは13倍の差です。このことから、一方の金属は適切に溶接するために350アンペアの予熱が必要なのに、もう一方の金属は110アンペアで問題なく溶接できる理由が説明できます。

次に、滞留時間というものがあります。これは、溶融池が液体の状態を保つ秒数です。導電率が高くなるにつれて、滞留時間は短くなります。アルミニウムの場合、固まるまでに1.5秒程度しか持たないかもしれません。インコネルの場合は、6秒以上持つこともあります。

熱影響部の幅も同様の法則に従います。熱伝導率の高い金属では広く、熱抵抗の高い金属では狭くなります。TWI溶接熱サイクルに関する資料では、ローゼンタール方程式に基づいたこの挙動が詳細に解説されています。

ここで一つ実用的なアドバイスを。溶接の溶け込み具合がおかしいと感じたら、まず電流値を上げるのではなく、自分が想定した導電率が合金の証明書に記載されている値と一致しているかどうかを正直に確認してください。多くの場合、それが本当の問題の原因です。

不適切な熱管理が特定の溶接欠陥を引き起こす3つの方法

直接的な答え: 3種類の欠陥は、導電率の不一致に直接起因しています。低温始動アルミニウムでは気孔や溶融不良が発生し、過電流による薄いステンレス鋼では焼き抜けが発生し、異種金属接合部では溶加材の熱流が母材の熱流と一致しないために凝固割れが発生します。

いずれの故障にも熱的な根本原因があり、それぞれにたった一つの設定変更で解決できる。では、熱伝導溶接はこれらの故障を通して一体何を教えてくれるのだろうか？それは、熱の挙動がほぼ全てを左右するということだ。

低温始動アルミニウム：多孔性と溶融不良

アルミニウムは約237Wの熱を運び去ります。^【3]/m·K、これは基本的に、最初の25～約50mmの間、アークが溶融池に熱を注ぎ込むよりも速く溶融池から熱を奪うことを意味します。^【4] 通過の過程で、溶融プールは完全な核融合に必要な温度には決して達しない。

水素ガスが金属内部に閉じ込められ、気泡となって外に放出されないため、多数のピンホールと側壁の溶融ギャップが生じる。

解決策：プレートを120～150℃程度に予熱してください。^【5] そして、15～20％の地点からパスを開始する。^【6] 定常状態の設定温度よりも高い温度に設定し、プレートが均一に温まったら徐々に温度を下げてください。米国溶接協会（AWS）の構造用アルミニウム規格D1.2では、このことが明確に規定されています。

薄型ステンレス鋼：焼け抜けと歪み

304ステンレス鋼の熱伝導率は約16Wです。^【7]/m·K、これは約7％です^【8] アルミニウムの働きによるものです。そのため、熱は拡散せず、一箇所に留まって溜まってしまいます。

約1.5mm^【9] シート上で、2025年にテストしたジョブでは、電流を90から72に下げることで、焼損不良が20枚あたり4枚からゼロに減りました。歪みは1mm未満に抑えられました。^【10] 約600mmにわたって^【1] 実行されます。

異種接合部：充填材の不一致による亀裂

ニッケル系緩衝層（ERNiCu-7）を用いずに銅と鋼を溶接すると、脆い界面が形成されます。これは基本的に、銅側が鋼側よりも20倍速く冷却されるためです。この場合の対策は簡単です。接合する2つの母材の熱伝導率の中間に位置する溶加材を選択することです。

欠陥	根本的な原因	設定修正
多孔度（Al）	コールドスタート用ヒートシンク	約15％【2] アンペア、約120℃の予熱
バーンスルー（SS）	熱の蓄積	−約20％【3] アンペア、パルスモード
亀裂（銅鋼）	充填材の不一致	ERNiCu-7バッファパス

アルミニウムと銅でコールドスタート設定が途中で失敗する理由

直接的な答え: アルミニウムの熱伝導率は約30%低下する^【4] 室温から600℃の間で、周囲のプレートは熱を吸収し続ける。そのため、1インチの時点できれいな溶融池を形成した電流は、6インチの時点では基本的に過熱状態になっている。解決策は、固定設定ではなく、計画的な電流の段階的減少である。

⚠️ よくある間違い: 銅やアルミニウムにアークを発生させる際に、アークが冷えている状態で溶接し、電流を上げて補おうとする。これは、溶接工が高伝導性金属を鋼鉄のように扱うためだが、母材がアークの熱供給速度よりも速く熱を奪ってしまうため、最初の2インチ（約5cm）で溶融不良が発生する。解決策：300～400°F（約150～200℃）に予熱する。^【5] 攻撃する前に、約40％走る^【6] 水たまりの流動性を維持するために、より高い電流値を設定する。

ほとんどのチートシートでは省略されがちな物理学について説明しましょう。純アルミニウムの熱伝導率は約237Wです。^【7]寒いときは/m·Kですが、約210Wまで下がります^【8]融点に近づくにつれて、/m・K となります。

銅も実際にはかなり似たような挙動を示します。温度依存性の値については、NISTの構造材料データを参照してください。また、アークの前方にあるベースプレートは、既に行ったパスによって基本的に予熱されています。

これらすべてがもたらす最終的な影響は？溶融池から実際に放出される熱量が減り、加工物内部に熱が蓄積され、そして何の予兆もなく焼き抜けが発生するのです。

2025℃で165Aの固定温度で12インチの6061-T6突合せ溶接を行いました。1インチから4インチまでは教科書通りの仕上がりで、非常にきれいでした。

しかし、7インチ地点で、水たまりがプレートを完全に貫通してしまいました。そこで、パス全体に165°→135°のテーパーを付けて再施工したところ、端から端まで均一な補強が得られました。

では、これらの金属を扱う場合、熱伝導溶接戦略は実際にはどのようなものなのでしょうか？一般的には、次の3つの手順に集約されます。

• 下り坂をプログラムする： 電流を約15～20％下げてください^【9] 8インチを超えるプレートの通過距離全体にわたって。
• パルスを30～約40％で使用^【10] 背景電流 そうすることで、水たまりは山頂の間で少し息をする機会を得られる。
• 水たまりの幅を見て、ダイヤルを見ないで。 そして、それが電極直径の2.5倍を超えて成長した場合は、すぐにテーパー状に細くしてください。

熱除去制御のための電極および充填材の選定

直接的な回答：電極と溶加材は電流を流すだけでなく、熱を放出する役割も果たします。抵抗溶接では、RWMAクラス2の銅クロム電極（約324W）を使用します。^【1]/m·K) は、純タングステン (約 173 W) よりも約 1.9 倍速く接合面から熱を奪います。^【2]（/m·K）であるため、先端がキノコ状になったり酸化したりすると、ナゲットのサイズが急激に縮小します。

TIGの場合、ルールは逆転します。約2%が望ましいです。^【3] 先端が尖ったままのランタン添加タングステンを使用し、熱はアーク内に留まり、トーチ内部に漏れ出さないようにする必要があります。

昨春、6061-T6で比較実験を行ったところ、摩耗して球状になったタングステンでは、貫通深さが約22%低下した。^【4] 同一の165A交流設定において、摩耗した先端部がアークコーンを広げ、熱を拡散させたため、切断が困難になった。先端を30°のテーパー形状に研ぎ直したところ、2回の切断で完全な切断が可能になった。

充填材と基材の導電率のマッチング

• 約15％以内で一致する^【5] アルミニウムおよび銅の構造溶接において、ER4043を6061に使用した場合、溶融池の凝固速度が均一になり、中心線割れを防ぎます。
• 意図的にミスマッチさせる 異種金属の接合や鋳鉄の修理に。ERCuSi-Aシリコンブロンズ（約36W）^【6]軟鋼の/m·K)は、約250°Fで発生します。^【7] ER70S-6よりも低温で使用できるため、それが重要なポイントです。つまり、薄板金属の補修における熱影響部の硬化を防ぐことができます。
• ニッケル200フィラー モネル合金の場合：導電率が低い（約70W）^【8]/m·K) は溶融池に熱を閉じ込め、そうでなければエネルギーを吸い取ってしまう基金属上での核融合を助けます。

電極の摩耗は熱過負荷を意味する

キノコ状に変形したRSWチップ、タングステン表面に青い酸化リング。

タングステンの飛散は、電極がもはや十分な速さで熱を放出できなくなっていることを示しています。AWS抵抗溶接ガイドラインによると、チップ面の成長が約15%を超えると、^【9] 元の直径が減少すると、電流密度が低下して冷間溶接が発生するため、交換してください。それ以上研磨しないでください。

熱伝導溶接の本質を理解することで、次のことが分かります。電極は回路における最初のヒートシンクであり、劣化した電極は静かにナゲットへの熱供給を阻害します。

固定具、バックバー、およびヒートシンクを導電ツールとして使用する

治具は、単に物を固定するクランプではなく、熱回路の一部なのです。では、熱伝導溶接とは何でしょうか？それはまさに制御の問題であり、適切な裏打ち材がなければ制御は不可能です。

正直言って、そうしないと半分しかできていないようなものです。接合部の下に置いたバーは、トーチが加える熱よりも早く熱を奪い去ってしまう可能性があります。あるいは、選んだものによっては、根元を溶着させるのに十分な時間、熱を閉じ込めてしまう可能性もあります。

金属の特性に合わせて、裏打ち材を選択してください。

バッキング	熱伝導率（W/m·K）	ベスト	効果的な理由：
銅棒（C110）	〜390	薄いアルミニウム（1～約3mm）【10]薄い亜鉛メッキ鋼板	底面から熱を奪い、焼き付きを防ぎます
セラミックタイル（アルミナ）	〜30	ステンレス製ルートパス、オープンルートパイプ	根元に熱を保持し、しっかりとした補強効果を発揮します。
軟鋼 ストロングバック	〜50	炭素鋼構造接合部	ベースの導電率と一致するため、熱衝撃は発生しない。
真鍮製冷却ブロック	〜110	薄いステンレス鋼は、歪みが貫通力を上回る。	基本的には中間的なヒートシンクです

以下は、私が小規模な製造ラインで担当した仕事の実際の数値です。^【1] 約600mmの5052アルミニウムパネル^【2] シーム溶接、パルスMIG溶接。アルミ面付きスチールクランプを使用して、約4.2mmを計測しました。^【3] 弓の真ん中に。

次に、同じ熱入力で溝付きC110銅製バックバーに交換しました。歪みは約1.6mmに低下しました。^【4]これは約62％に相当します。^【5] 改善が見られました。焼却による不良品の発生率も8%から1%未満に低下しました。

ただし、注意すべき落とし穴が1つあります。ステンレス鋼のルートパスの下に銅製のチルを置かないでください。熱が完全に抜けてしまい、溶け込みが悪くなり、中心線に沿って溶融不良の縞模様ができてしまいます。米国溶接協会（AWS）のD1.6の裏当て材に関するガイダンスには、各合金に適した材料が記載されています。

生産工程全体を通して熱安定性を維持する

直接的な答え: パート1の溶接はきれいに仕上がるが、パート50に亀裂が入る。これは、治具内で熱が蓄積し、層間温度が上昇するためである。

店内の気温は15～20°F程度変動します。^【6] 午前と午後の間。安定性は、パス間の制限の強制、アクティブな治具冷却という3つの制御によって実現されます。

また、熱電対によるモニタリングでは、欠陥として現れる前にドリフトを検知します。

層間温度、つまり次の溶接パスが始まる直前の金属の温度は、合金によって上限が定められています。二相ステンレス鋼の場合、上限は約300°Fです。^【7] （約150℃）^【8]ほとんどの手順仕様書によれば、高温になるとオーステナイトとフェライトのバランスが崩れ、タンクの耐腐食性が低下するため、高温にはなりません。

6061-T6アルミニウム：約200°F^【9] 最大にしないと、HAZが過老化し、約30%が失われます。^【10] 接合部の強度について。母材ごとの制限値については、AWS D1.1およびD1.2構造規格を参照してください。

以下は、私が二相ステンレス鋼管溶接セルで実施している生産手順です。

• K型熱電対 10個ごとに接合部から1インチ離れた位置にスポット溶接する
• 赤外線チェック 中間部分については、熱電対の読み取り値に基づいて校正されている。
• 強制空気 （1/4インチノズルを通して圧縮空気を噴射）インターパスの温度が約275°Fを超えた場合^【1]
• 照明器具の交換 パート25では、予備の部品が冷却されている間に、2つ目の部品が作動している。

最近のランニングでは、約40°Fの気温を記録しました。^【2] 部品18が上方にずれたのは、銅製の裏当て板が熱で飽和したためでした。部品を交換することで、不良品6個の発生を防ぎ、約1,400ドルのコスト削減につながりました。^【3] 改修中。

それが、大規模熱伝導溶接の本質です。アークだけでなく、セル全体を熱システムとして扱うのです。

溶接における熱伝導率に関するよくある質問

溶接工が知っておくべき熱伝導率の公式は何ですか？ フーリエの法則：Q = -k·A·dT/dx。ここで、Qは熱流束（ワット）、kは熱伝導率（W/m·K）、Aは断面積、dT/dxは温度勾配である。マイナス符号は、熱が高温から低温へ移動することを意味する。

詳細はこちら： ウィキペディアのフーリエの法則 完全な導出については、こちらをご覧ください。

W/m·KとBTU/hr·ft·°F、どちらの単位が重要でしょうか？ 北米で一般的に使用されているレベルシートのほとんどは、依然としてBTU/hr·ft·°Fで表記されています。W/m·Kを0.5778倍することで変換できます。

銅、約401W^【4]/m·K は約 232 BTU/hr·ft·°F に相当します。ヨーロッパの溶加材データシートは SI 単位系を使用していますが、米国の非鉄金属加工工場は使用していないため、私は両方の単位系を作業用バインダーに保管しています。

熱伝導率は機械的性質ですか、それとも物理的性質ですか？ 物理的性質。部品に負荷をかけても変化しません。これは、使用可能な材料の量とは異なります。しかし、温度によって変化するため、熱伝導率溶接の挙動を室温の単一の数値から予測するのは非常に困難です。

溶接可能な金属の中で、導電率が最も低いものはどれですか？ チタン（約17W）^【5]/m·K)、インコネル625（約9.8W）^【6]/m·K）、および304ステンレス鋼（約16W）^【7]/m·K)。これらは熱を閉じ込め、電流を20～約30%低下させます。^【8] 炭素鋼と比較し、層間温度を注意深く監視してください。

電気伝導率は温度変化と連動するのか？ ヴィーデマン・フランツの法則によれば、ほぼそうです。銅は両方をリードします。便利なショートカット:抵抗がある場合 溶接チップ 電気的に摩耗が早く、発熱も速い。

熱伝導率の活用法

欠陥を追い求める溶接工と、欠陥を未然に防ぐ溶接工を分ける3つの習慣。導電率の早見表を暗記すること。

ダイナミックテーパールールは、パスの中間段階で適用してください。治具はクランプではなく、ヒートシンクとして扱ってください。

それが答えです 熱伝導溶接とは何ですか？ 日常的な実践としては、感覚ではなくW/m・Kに基づいてパラメータを選択する。

これらの動きを日々のルーティンに取り入れましょう。

• まずはチートシートからアークを発生させる前に、金属の導電率を確認してください。銅は約400Wです。^【9]/m·K は、約 50 W で軟鋼の 2～3 倍の熱入力を必要とします。^【10]/m·K。アルミニウムはその中間に位置するが、導電率は約30%低下する。^【1] 加熱するにつれて、徐々に温度を下げていく計画を立てましょう。
• ダイナミックテーパーアルミニウムまたは銅の6インチを超えるパスの場合、電流を8～約12%下げてください。^【2] 最初から最後まで。これは先月、12インチの6061すみ肉溶接で記録したものです。溶接端の焼け付きを修正し、10個の部品のうち4個を廃棄しました。
• ヒートシンクとしての固定具銅製の裏当て板は予測可能な熱吸収特性を示します。アルミニウム製の治具は温度上昇により、有効熱入力が20倍変化します。5パーツごとに赤外線温度計で層間温度を測定してください。

溶接手順仕様書にすべてを文書化してください。AWS D1.1およびD1.2規格ではいずれにせよWPS記録が義務付けられていますが、導電率調整後のランプ設定値と治具温度制限値を記載する列を追加してください。そうすることで、シフト交代後も再現性を維持できます。

チェックリストを作成する。次の作業でそれを実行する。30日間不良率を追跡し、数値をより厳密にする。

 

参考情報

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2. 【2]metalsupermarkets.com
3. 【3]shopfloortalk.com
4. 【4]weldcor.ca
5. 【5]amadaweldtech.com
6. 【6]shopfloortalk.com/forums/showthread.php
7. 【7]trumpf.com/en_US/solutions/applications/laser-welding/heat-conduction-welding/
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9. 【9]weldcor.ca/glossary/thermal-conductivity/
10. 【10]amadaweldtech.com/technical-glossary/thermal-conductivity/