アーク溶接

アーク溶接は、電気を使用して金属を溶かすのに十分な熱を発生させ、金属同士を接合する溶接プロセスです。溶けた金属は冷えると金属同士が結合します。これは、溶接電源を使用して金属棒 (「電極」) と母材の間に電気アークを発生させ、接触点で金属を溶かすタイプの溶接です。アーク溶接電源は、消耗電極または非消耗電極を使用し、直流(DC) または交流(AC) のいずれかを作業に供給できます。

溶接エリアは通常、何らかのシールドガス(不活性ガスなど)、蒸気、またはスラグによって保護されます。アーク溶接プロセスは、手動、半自動、また​​は全自動で行うことができます。アーク溶接は 19 世紀後半に初めて開発され、第二次世界大戦中に造船業で商業的に重要になりました。今日でも、アーク溶接は鉄骨構造物や車両の製造において重要なプロセスです。

アーク溶接プロセスに必要な電気エネルギーを供給するために、さまざまな電源を使用できます。最も一般的な分類は、定電流電源と定電圧電源です。アーク溶接では、電圧はアークの長さに直接関係し、電流は熱入力の量に関係します。定電流電源は、電圧が変化しても比較的一定の電流を維持するため、ガスタングステンアーク溶接やシールドメタルアーク溶接などの手動溶接プロセスで最もよく使用されます。手動溶接では電極を完全に安定させることが難しく、その結果、アークの長さと電圧が変動する傾向があるため、これは重要です。定電圧電源は電圧を一定に保ち、電流を変化させるため、ガスメタルアーク溶接、フラックス入りアーク溶接、サブマージアーク溶接などの自動溶接プロセスで最もよく使用されます。これらのプロセスでは、ワイヤと母材の間の距離の変動は電流の大きな変化によってすぐに修正されるため、アークの長さは一定に保たれます。例えば、ワイヤと母材が近づきすぎると、電流が急激に増加し、熱が増加してワイヤの先端が溶けて元の距離に戻ります。^[1]通常のアーク長の条件下では、棒電極を備えた定電流電源は約20ボルトで動作します。^[2]

アーク溶接で使用される電流の方向も、溶接において重要な役割を果たします。シールドメタルアーク溶接やガスメタルアーク溶接などの消耗電極プロセスでは、通常直流が使用されますが、電極は正または負に帯電できます。一般に、正に帯電した陽極は、より高い熱集中（約 60%）を持ちます。^[3]「スティック溶接では、一般的に DC+ 極性が最も一般的に使用されることに注意してください。これにより、高いレベルの浸透で良好なビードプロファイルが生成されます。DC- 極性では、浸透が少なくなり、電極の溶解速度が速くなります。これは、たとえば、薄いシートメタルで溶け落ちを防ぐために使用されることがあります。」^[4]「いくつかの例外を除き、電極が正（逆極性）の場合、より深い浸透が得られます。電極が負（正極性）の場合、電極の溶解が速くなり、したがって、堆積速度が速くなります。」^[5]ガスタングステンアーク溶接などの非消耗電極プロセスでは、直流（DC）と交流（AC）の両方を使用できます。ただし、直流では電極はアークを生成するだけでフィラー材料を提供しないため、正に帯電した電極では溶接が浅くなり、負に帯電した電極では溶接が深くなります。^[6]交流はこれら2つの間を急速に移動するため、中程度の溶け込みの溶接になります。ACの欠点の1つである、ゼロクロスのたびにアークを再点火する必要があるという事実は、通常の正弦波ではなく方形波パターンを生成する特別な電源装置の発明によって解決され、ゼロクロス後の低電圧時間がなくなり、問題の影響が最小限に抑えられました。^[7]

デューティ サイクルとは、10 分間のうちに、特定のアーク溶接機を安全に使用できる時間を定義する溶接機器の仕様です。たとえば、デューティ サイクルが 60% の 80 A 溶接機は、6 分間の連続溶接の後、少なくとも 4 分間「休ませる」必要があります。^[8]デューティ サイクルの制限を遵守しないと、溶接機が損傷する可能性があります。商用またはプロ仕様の溶接機は、通常、デューティ サイクルが 100% です。

最も一般的なアーク溶接の 1 つは、シールド メタル アーク溶接(SMAW) で、手動メタル アーク溶接 (MMAW) またはスティック溶接とも呼ばれます。電流を使用して、母材と消耗電極棒またはスティックの間にアークを発生させます。電極棒は、溶接される母材と互換性のある材料で作られており、フラックスで覆われています。フラックスから発生する蒸気はシールド ガスとして機能し、スラグ層を形成します。この 2 つの機能により、溶接領域が大気汚染から保護されます。電極コア自体がフィラー材料として機能するため、別のフィラーは不要です。このプロセスは非常に汎用性が高く、オペレーターのトレーニングはほとんど必要なく、安価な機器で済みます。ただし、消耗電極を頻繁に交換する必要があり、溶接後にフラックスの残留物であるスラグを削り取る必要があるため、溶接時間はかなり長くなります。^{[9]さらに、このプロセスは一般に鉄鋼材料の溶接に限定されていますが、特殊な電極を使用することで、}鋳鉄、ニッケル、アルミニウム、銅、その他の金属の溶接も可能になりました。この方法は汎用性が高いため、修理作業や建設作業を含む多くの用途で人気があります。^[10]

ガスメタルアーク溶接（GMAW）は、一般にMIG（メタル/不活性ガス）と呼ばれ、電極とフィラーメタルの両方として機能する連続的に供給される消耗ワイヤと、ワイヤの周囲を流れる不活性または半不活性シールドガスを使用して溶接部位を汚染から保護する半自動または自動溶接プロセスです。 GMAWでは、定電圧の直流電源が最も一般的に使用されますが、定電流の交流も使用されます。 フィラー電極が連続的に供給されるため、GMAWは比較的高い溶接速度を実現しますが、機器が複雑になるため、SMAWプロセスと比較すると利便性と汎用性が低下します。 GMAWは、1940年代にアルミニウムやその他の非鉄材料の溶接用に開発されましたが、すぐに経済的に鋼鉄に適用されました。 今日、GMAWはその品質、汎用性、速度から、自動車産業などの業界で一般的に使用されています。溶接箇所の周囲に安定したシールドガスの覆いを維持する必要があるため、屋外などの空気の流れが激しい場所でGMAWプロセスを使用することは問題となる可能性があります。^[11]

フラックス入りアーク溶接(FCAW) は、GMAW 技術のバリエーションです。FCAW ワイヤは、実際には粉末状のフラックス材料が充填された細い金属管です。外部から供給されるシールド ガスが使用される場合もありますが、多くの場合、フラックス自体が大気からの必要な保護を生成します。このプロセスは、溶接速度が速く、持ち運びが簡単なため、建設業界で広く使用されています。

サブマージアーク溶接（SAW）は、アークが粒状フラックスの被覆層の下で発生する高生産性の高い溶接プロセスです。大気中の汚染物質がフラックスによってブロックされるため、アークの品質が向上します。溶接部に形成されるスラグは通常自然に剥がれ落ち、連続ワイヤ供給の使用と相まって、溶接堆積速度が速くなります。フラックスがアークを隠し、煙が発生しないため、作業条件は他のアーク溶接プロセスよりも大幅に改善されます。このプロセスは業界で広く使用されており、特に大型製品に使用されています。^[12]アークは目に見えないため、通常は自動化されています。SAWは、1F（フラットフィレット）、2F（水平フィレット）、および1G（フラットグルーブ）の位置でのみ可能です。

ガスタングステンアーク溶接（GTAW）またはタングステン/不活性ガス（TIG）溶接は、タングステン、不活性または半不活性ガス混合物、および別のフィラー材料で作られた非消耗電極を使用する手動溶接プロセスです。この方法は特に薄い材料の溶接に役立ち、安定したアークと高品質の溶接が特徴ですが、オペレーターの高度なスキルが必要であり、比較的低速でしか実行できません。ほぼすべての溶接可能な金属に使用できますが、ステンレス鋼と軽金属に最もよく適用されます。自転車、航空機、海洋用途など、高品質の溶接が非常に重要な場合によく使用されます。 ^[13]

関連するプロセスであるプラズマアーク溶接もタングステン電極を使用するが、アークを作るためにプラズマガスを使用する。アークはGTAWアークよりも集中しているため、横方向の制御がより重要になり、そのためこの技術は一般に機械化されたプロセスに限定される。電流が安定しているため、この方法はGTAWプロセスよりも幅広い材料の厚さに使用でき、はるかに高速である。マグネシウムを除くGTAWと同じすべての材料に適用でき、ステンレス鋼の自動溶接はこのプロセスの重要な用途の1つである。このプロセスのバリエーションはプラズマ切断であり、効率的な鋼切断プロセスである。^[14]

その他のアーク溶接プロセスには、原子水素溶接、炭素アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、エレクトロガス溶接、スタッドアーク溶接などがあります。

一部の材料、特に高張力鋼、アルミニウム、チタン合金は水素脆化の影響を受けやすい。溶接に使用した電極に微量の水分が含まれていると、アーク熱で水が分解し、放出された水素が材料の格子に入り込み、脆くなる。このような材料用の棒状電極は、特殊な低水素コーティングが施され、密封された防湿包装で提供される。新しい電極は缶から出してすぐに使用できるが、吸湿が疑われる場合は、乾燥炉で焼いて乾燥させる（通常 450 ～ 550 °C または 840 ～ 1,020 °F）必要がある。使用するフラックスも乾燥した状態に保たなければならない。^[15]

一部のオーステナイト系 ステンレス鋼およびニッケルベースの合金は、粒界腐食を起こしやすい傾向があります。 700 °C (1,300 °F) 程度の温度に長時間さらされると、クロムが材料中の炭素と反応して炭化クロムを形成し、クロムの結晶端を消耗し、鋭敏化と呼ばれるプロセスで耐食性が低下します。 このように鋭敏化された鋼は、炭化物の形成に適した温度と時間であった溶接部付近の領域で腐食を起こします。 この種の腐食は、溶接腐食と呼ばれることがよくあります。

ナイフライン腐食（KLA）は溶接部に影響を及ぼす別の種類の腐食で、ニオブで安定化された鋼に影響を及ぼします。ニオブとニオブ炭化物は、非常に高い温度で鋼に溶解します。冷却条件によっては、ニオブ炭化物が沈殿せず、鋼は不安定な鋼のように振る舞い、代わりにクロム炭化物を形成します。これは、溶接部のごく近傍の数ミリメートル幅の薄い領域にのみ影響するため、発見が困難で、腐食速度が速くなります。このような鋼で作られた構造物は、クロム炭化物が溶解してニオブ炭化物が形成されるまで、全体を約1,000 °C（1,830 °F）まで加熱する必要があります。この処理後の冷却速度は重要ではありません。^[16]

環境条件に対して不適切に選択されたフィラーメタル（電極材料）も、腐食に敏感になる可能性があります。電極の組成が溶接材料と十分に異なる場合、または材料自体が異なる場合は、ガルバニック腐食の問題もあります。異なるグレードのニッケルベースのステンレス鋼間でも、機械的に接合された場合にはガルバニック腐食はほとんど発生しないにもかかわらず、溶接継手の腐食が深刻になる可能性があります。^[17]

適切な予防措置を講じなければ、溶接は危険で不健康な作業になる可能性があります。しかし、新しい技術と適切な保護策を講じることで、溶接に伴う怪我や死亡のリスクを大幅に軽減できます。

一般的な溶接手順の多くは、オープンアークまたは炎を伴うため、熱や火花による火傷のリスクは大きい。これを防ぐために、溶接工は厚手の革手袋と長袖の保護ジャケットなどの防護服を着用し、極度の熱、炎、火花への曝露を避けている。多くの溶接プロセスで圧縮ガスと炎が使用されるため、爆発や火災のリスクもある。一般的な予防策としては、空気中の酸素量を制限し、可燃物を作業場から遠ざけることなどがある。^[18]

溶接部の明るさにさらされると、アークアイと呼ばれる症状を引き起こします。これは、紫外線が角膜に炎症を起こし、目の網膜を焼く可能性がある状態です。この曝露を防ぐために、サングラスや酸素燃料ゴーグルよりもはるかに暗いフェイスプレートを備えた溶接ゴーグルとヘルメットを着用します。近年、自動的に電子的に暗くなるフェイスプレートを備えた新しいヘルメットモデルが生産されています。^{[19]傍観者を保護するために、透明な溶接カーテンが溶接エリアを囲むことがよくあります。}ポリ塩化ビニルプラスチックフィルムで作られたこれらのカーテンは、近くの作業員が電気アークからの紫外線にさらされるのを防ぎます。^[20]

溶接工は危険なガスや粒子状物質にさらされることも少なくありません。フラックス入りアーク溶接やシールドメタルアーク溶接などのプロセスでは、さまざまな種類の酸化物の粒子を含む煙が発生します。問題の粒子のサイズは煙の毒性に影響を与える傾向があり、粒子が小さいほど危険が増します。さらに、多くのプロセスではさまざまなガス（最も一般的なのは二酸化炭素とオゾンですが、他のガスもあります）が発生し、換気が不十分な場合は危険となる可能性があります。

アーク溶接機の開回路電圧は数十ボルトから最大約 120 ボルトですが、このような低電圧でも作業者に感電の危険があります。船体、貯蔵タンク、金属構造用鋼、または湿った場所などの場所は通常、アース電位にあり、電気アークの動作中に作業者はこれらの表面に立ったり休んだりすることがあります。交流配電システムで動作する溶接機は、機械の絶縁不良によって作業者が高電圧にさらされるのを防ぐために、アーク回路をアースから分離する必要があります。溶接機のリターン クランプは作業エリアの近くに配置されています。これは、迷走電流が長距離を移動して加熱の危険や感電の危険を引き起こしたり、敏感な電子機器を損傷したりするリスクを軽減するためです。^[21]溶接作業者は、溶接電流が電気モーターのベアリング、コンベア ローラー、またはその他の回転部品を通過してベアリングが損傷しないように、リターン クランプを慎重に取り付けます。変圧器に接続された電気バスワークでの溶接では、低い溶接電圧がはるかに高い電圧に「昇圧」される危険があるため、追加の接地ケーブルが必要になる場合があります。

高周波交流部品を使用する特定の溶接機は、電源ユニットから2メートル以内、溶接現場から1メートル以内にある場合、ペースメーカーの動作に影響を及ぼすことが判明している。^[22]

鍛造溶接の例は青銅器時代と鉄器時代にまで遡りますが、アーク溶接はずっと後になってから実用化されました。

1800年、ハンフリー・デービーは短パルスの電気アークを発見した。^{[ 23] [24]}これとは独立して、ロシアの物理学者ヴァシリー・ペトロフは1802年に連続電気アークを発見し[24] ^{[25] [26] [27]}、その後、溶接を含むその実用的な応用の可能性を提案した。^[28]アーク溶接は、ニコライ・ベナルドが1881年にパリで開催された国際電気博覧会で炭素電極を使用した金属のアーク溶接を発表したときに初めて開発され、 1887年にスタニスワフ・オルシェフスキと共同で特許を取得しました。 ^[29]同年、フランスの電気発明家オーギュスト・ド・メリタンスも炭素アーク溶接法を発明し、1881年に特許を取得し、鉛蓄電池の製造における鉛の溶接にうまく使用されました。^[30]アーク溶接の進歩は、19世紀後半にロシアのニコライ・スラビャノフ（1888）とアメリカのCLコフィンによって金属電極が発明されたことで続きました。1900年頃、APストロメンガーはより安定したアークを生み出すコーティングされた金属電極をイギリスで発売しました。1905年、ロシアの科学者ウラジミール・ミトケビッチは、溶接に三相電気アークを使用することを提案しました。1919年、CJホルスラグによって交流溶接が発明されましたが、普及するまでにはさらに10年かかりました。^[31]

抵抗溶接や酸素溶接などの競合する溶接法もこの時期に開発されましたが^[32]、特に後者は、アークを安定させ、母材を不純物から保護するための電極用の金属カバー（フラックスと呼ばれる）が開発されて以降、アーク溶接との激しい競争に直面しました^{[33] 。}

第一次世界大戦中、イギリスでは造船業でリベット留めの鋼板の代わりに溶接が使われるようになった。戦争初期にニューヨーク港でドイツ軍の攻撃を受けた後、溶接によって船を素早く修理できたため、アメリカ人もこの新技術を受け入れるようになった。 ^[34]アーク溶接は戦争中に初めて航空機にも適用され、ドイツの飛行機の胴体の一部はこの方法で作られた。^[35] 1919年、イギリスの造船業者カメル・レアードは船体全体を溶接した商船フラーガーの建造を開始した。^[36]同船は1921年に進水した。^[37]

1920年代には、電極線が連続的に供給される自動溶接の1920年の導入など、溶接技術に大きな進歩がありました。科学者が大気中の酸素と窒素の影響から溶接部を保護しようとしたため、シールドガスが大きな注目を集めるようになりました。多孔性と脆さが主な問題であり、開発された解決策には、溶接雰囲気として水素、アルゴン、ヘリウムの使用が含まれていました。 ^{[38]次の10年間で、さらなる進歩により、}アルミニウムやマグネシウムなどの反応性金属の溶接が可能になりました。これは、自動溶接、交流、フラックスの発達と相まって、1930年代、そして第二次世界大戦中にアーク溶接の大きな拡大につながりました。^[39]

世紀の半ばには、多くの新しい溶接方法が発明されました。サブマージアーク溶接は1930 年に発明され、今日まで人気を博しています。1932 年、ロシア人のコンスタンチン・クレノフが初の水中電気アーク溶接に成功しました。数十年にわたる開発の後、ガスタングステンアーク溶接は1941 年にようやく完成し、ガスメタルアーク溶接は1948 年に続き、非鉄金属の高速溶接を可能にしましたが、高価なシールドガスが必要になりました。消耗電極とシールドガスとして二酸化炭素雰囲気を使用するこの方法は、すぐに最も人気のあるメタルアーク溶接法になりました。1957 年には、フラックス入りアーク溶接法がデビューしました。この方法では、自動装置でセルフシールドワイヤ電極を使用できるため、溶接速度が大幅に向上しました。同じ年に、プラズマアーク溶接が発明されました。エレクトロスラグ溶接は1958年に発表され、その類似技術であるエレクトロガス溶接が1961年に発表されました。^[40]

• 溶接工程一覧
• ガスメタルアーク（「MIG」/「MAG」）溶接
• 酸素燃料溶接
• タングステン不活性ガス（「TIG」）溶接
• ロボット溶接 – 溶接と部品の取り扱いの両方で溶接プロセスを完全に自動化する、機械化されたプログラム可能なツールの使用フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• アーク溶接用センサー
• 溶接品質保証

• ケアリー、ハワード B.; ヘルツァー、スコット C. (2005)、現代の溶接技術、アッパーサドルリバー、ニュージャージー：ピアソンエデュケーション、ISBN 978-0-13-113029-6
• カルパクジャン、セロペ; シュミッド、スティーブン R. (2001)、製造エンジニアリングとテクノロジー、プレンティスホール、ISBN 978-0-201-36131-5
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• ウィーマン、クラス（2003）、溶接プロセスハンドブック、ニューヨーク：CRCプレス、ISBN 978-0-8493-1773-6

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• Hicks , John (1999)。溶接ジョイント設計。ニューヨーク：インダストリアルプレス。ISBN 0-8311-3130-6。 

• 米国国立労働安全衛生研究所のアークフラッシュに関する注意喚起ビデオ (25:39)