熱影響による歪み（変形）の科学的説明と、冷却によ…

Question

熱影響による歪み（変形）の科学的説明と、冷却による効果について。

溶接によるひずみに悩まされているのですが、金属は、どうして熱によって歪むのでしょうか？
光熱によって、分子の結合が変化するということでしょうか？
科学的な説明をご存知の方、よろしくお願いいたします。

また、ガス切断機を使って歪み取りをしますが、
炎による熱し後、もしくは熱し中に、水による冷却を行っているのをみます。
あれは、どういった効果があるのですか？
冷やすことにより、熱し効果を大きくしてるのでしょうか？
それとも、急速冷却することでの、時間の短縮でしょうか？

Accepted Answer

冶金学的なことはあまり詳しくありませんが、一般的に溶接による歪についての説明であれば製缶技術的なコメントは出来ます。
まず素材の状態にもよりますが熱して冷えるときに縮む為に歪が発生します。これは溶接だけでなくガス切断でも同じです。切断の場合はある程度の板厚がある場合は目に付くような歪は無いが応力は残っています。ですから3.2ｍｍ位までの板厚の鋼板をガスで切った場合は周りの切断面が縮んでいるために平らな板が中央部分が盛り上がった状態になりますが、この場合は切断面を定盤上でハンマーでつぶすようにたたくと平らになります。要するに縮んだ部分を元に延ばして歪を取るのです。
溶接の場合は母材だけでなく溶着金属まで縮むために大きな歪が出ます。
骨物や箱物といった構造によって修正の方法も多少違いますが、歪が発生しにくいように冶具等で強制的に押さえ込んで溶接する方法が採れる構造もありますが、出てしまったら基本的には反対側に同じ程度の熱をかけますが、急冷のほうが効果が出やすいのですが、高炭素鋼の場合は割れる場合があるので冷やし方に限界があります。
SUS材の場合はSS400などより歪量が大きいため、熱量の少ない溶接方法を選択することと、必要以上の脚長にしない注意が必要でしょう。

Answer

熱を加えると金属原子の振動が激しくなり原子間距離が広がる。
＝体積膨張する。
溶接は溶接部分から離れるほど温度が低い。
＝温度分布が一様でない。
一様でない状態から、次第に温度が下がり始める安定する。
＝一様に収縮しない＝歪の原因。
歪が少なくなるようにするのが技術なんでしょうね。
早い話、熱を使わずに金属を接合できる技術があれば
歪で悩むことはない。

Answer

>熱によって歪む
正しいようで正しくない。
熱により寸法変化はあるが、歪むかどうかはやり方次第。
金属の性質を勉強してきた方がいいと思います。
今の理解では説明するにも切りがないでしょう。

Answer

＞金属は、どうして熱によって歪むのでしょうか？

熱によって膨張（収縮）することだけで説明出来ます。
長さ100ミリの鉄は１℃につき約0.001ミリ寸法変化します（熱膨張率）。
溶接では付ける付近と離れた所との温度差が生じることになり、その温度差分だけ寸法変化が違ってくる→歪みが生じた物を付けていく→冷えても元の形には戻れない→変形と内部応力が残っている。

同じ材質＝熱膨張率が同じで、温度差があるなら以上の議論。
ロウ付けで熱膨張率の違うものなら、均一加熱で温度差は無く、ロウが固まる時点では歪みが無いが、冷えると熱膨張率の違い分だけ歪みがでて、これも酷い変形を生じる。

＞光熱によって、分子の結合が変化するということでしょうか？

それも有りますが、前者より小さいでしょう。

Answer

以下を確認して下さい。
http://www-it.jwes.or.jp/qa/sitemap.jsp
計画・構造・設計の溶接残留応力と溶接変形
http://www.netushori.co.jp/story/index.html
熱処理も同じ様なものです。鋼の特性を確認下さい。

ガス切断機の件は、熱にる歪み防止

Answer

ひんと
金属は暖めるとやわらかくなります
金属は暖めると延びます

金属は冷やすと硬くなります
金属は冷やすとちじみます

物は一様に暖まったり、冷えたりできません

熱影響による歪みの科学的説明と冷却効果