酸素燃料溶接と切断

酸素燃料溶接トーチ（米国では一般に酸素アセチレン溶接、酸素溶接、またはガス溶接と呼ばれる）と酸素切断は、燃料ガス（またはガソリン、ディーゼル、バイオディーゼル、灯油などの液体燃料）と酸素を使用して金属を溶接または切断するプロセスです。フランスのエンジニアであるエドモンド・フーシェとシャルル・ピカールは、1903年に初めて酸素アセチレン溶接を開発しました。^[1]空気の代わりに純酸素を使用して炎の温度を上げ、室内環境でワークピースの材料（鋼など）を局所的に溶かします。

一般的なプロパン/空気の炎は約2,250 K (1,980 °C; 3,590 °F)で燃え、^[2]プロパン/酸素の炎は約2,526 K (2,253 °C; 4,087 °F)で燃え、^[3]酸水素の炎は3,073 K (2,800 °C; 5,072 °F)で燃え、アセチレン/酸素の炎は約3,773 K (3,500 °C; 6,332 °F)で燃えます。^[4]

20 世紀初頭、1920 年代後半に鋼鉄の健全な溶接を可能にする被覆アーク溶接電極が開発され、利用可能になるまで、酸素アセチレン溶接は、当時商業的に使用されていたほぼすべての金属で非常に高品質の溶接を行うことができる唯一の方法でした。これには、炭素鋼だけでなく、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム、マグネシウムも含まれます。ここ数十年で、ほぼすべての産業用途で、より高速で、ガスタングステンアーク溶接の場合はチタンなどの非常に反応性の高い金属を溶接できるさまざまなアーク溶接法に取って代わられました。

酸素アセチレン溶接は、金属を使った芸術作品や小規模な在宅作業、また電気へのアクセス（延長コードやポータブル発電機など）が難しい状況で今でも使用されています。酸素アセチレン（およびその他の酸素燃料ガス混合物）溶接トーチは、手作業によるろう付け、金属成形、準備、局所的な熱処理の主力熱源であり続けています。さらに、酸素燃料切断は、重工業、軽工業、修理作業 の両方で今でも広く使用されています。

酸素燃料溶接では、溶接トーチを使用して金属を溶接します。2 つの部品を加熱して共通の溶融金属プールを生成すると、金属が溶接されます。溶融プールには通常、フィラーと呼ばれる追加の金属が供給されます。フィラー材料の選択は、溶接する金属によって異なります。

酸素燃料切断では、トーチを使用して金属を燃焼温度まで加熱します。次に酸素の流れを金属に当てて金属を燃焼させ、金属酸化物に変えて切断面からドロスとして流れ出します。^[5]

燃料と酸素を混合しないトーチ (代わりに大気中の空気を混合する) は酸素燃料トーチとは見なされず、通常はタンクが 1 つであることで識別されます (酸素燃料切断には、燃料と酸素という 2 つの独立した供給源が必要です)。ほとんどの金属は、タンクが 1 つのトーチでは溶かすことができません。したがって、タンクが 1 つのトーチは、はんだ付けやろう付けには適していますが、溶接には適していません。

酸素燃料トーチは、以下の目的で使用されています。

• 金属の加熱: 自動車産業やその他の産業で固着した留め具を緩めるために使用されます。
• 中性炎は、真鍮を除くすべての鉄および非鉄金属の接合と切断に使用されます。
• ハードフェーシングのように、金属を堆積させて表面を構築すること。
• また、酸素水素炎も使用されます。
  • 石材加工では、石を熱して最上層をパチパチと音を立てて破壊する「炎加工」を行います。鋼鉄製の円形ブラシをアングルグラインダーに取り付けて最初の層を取り除き、叩いた青銅に似た凹凸のある表面を残します。
  • ガラス業界では「火磨き」に使用されます。
  • ジュエリー製造において、ウォータートーチ（水の電気分解により即座にガス供給が生成される酸水素トーチ）を使用した「水溶接」に使用されます。
  • 自動車の修理では、固着したボルトを取り外す。
  • かつては、劇場や光学（「魔法」）ランタンで、ライムライトと呼ばれる明るい白色光を得るために生石灰の塊を加熱していました。
  • かつて、プラチナ工場では、プラチナは酸水素炎^[要出典]と電気炉でのみ溶融可能でした。

つまり、酸素燃料装置は、ある種の鉄や鋼の溶接に適しているだけでなく、ろう付け、ろう付け溶接、金属の加熱（焼きなましや焼き戻し、曲げや成形）、錆やスケールの除去、腐食したナットやボルトの緩めにも適しており、鉄金属を切断するための一般的な手段であるため、非常に用途が広いのです。

ガス溶接に使用される装置は、基本的に酸素源と燃料ガス源（通常はボンベに入っています）、2 つの圧力調整器と 2 本のフレキシブル ホース（ボンベごとに 1 本）、およびトーチで構成されています。この種類のトーチは、はんだ付けやろう付けにも使用できます。ボンベは、多くの場合、特別な車輪付き台車に入れて運ばれます。

救助活動などで、バックパックハーネスに入れて背中に装着する 小型（スキューバダイビングサイズ）のガスシリンダーを備えた酸水素切断セットの例があります。

非加圧式と加圧式の両方の液体燃料切断トーチの例もあり、通常はガソリンを使用します。これらは、ガス燃料システムよりも切断力が高く、2 つの高圧タンクを必要とするシステムに比べて携帯性に優れているために使用されます。

レギュレーターは、タンクからのガスの圧力がホース内の必要な圧力と一致するようにします。流量は、トーチのニードル バルブを使用してオペレーターによって調整されます。ニードル バルブによる正確な流量制御は、一定の入口圧力に依存します。

ほとんどのレギュレーターは 2 段階になっています。第 1 段階は固定圧力レギュレーターで、シリンダー内のガスが消費されるにつれてシリンダー内の圧力が下がるにもかかわらず、一定の中間圧力でシリンダーからガスを放出します。これは、スキューバ ダイビング レギュレーターの第 1 段階に似ています。調整可能なレギュレーターの第 2 段階は、中間圧力から低い出口圧力までの圧力低下を制御します。レギュレーターには 2 つの圧力ゲージがあり、1 つはシリンダー圧力を示し、もう 1 つはホース圧力を示します。レギュレーターの調整ノブは圧力に対して大まかに調整されている場合もありますが、正確な設定にはゲージを観察する必要があります。

よりシンプルまたは安価な酸素燃料レギュレータには、シングル ステージ レギュレータまたは単一のゲージのみを備えたものがあります。シングル ステージ レギュレータでは、シリンダーが空になると出口圧力が低下する傾向があり、手動での再調整が必要になります。少量のユーザーにとっては、これは許容できる簡素化です。溶接レギュレータは、よりシンプルな LPG 加熱レギュレータとは異なり、出口 (ホース) 圧力ゲージを保持し、調整ノブの調整に依存しません。安価なシングル ステージ レギュレータでは、シリンダー内容ゲージが省略されていたり、正確なダイヤル ゲージが安価で精度の低い「上昇ボタン」ゲージに置き換えられている場合があります。

ホースは金属の溶接や切断に使用するために設計されています。酸素ホースと燃料ホースを結合した二重ホースまたはツイン設計を使用できます。別々のホースを使用する場合は、約 3 フィート (1 メートル) の間隔で一緒にクリップする必要がありますが、切断用途には推奨されません。プロセスによって放出される溶融金属のビーズが、一緒に保持されているホースの間に詰まり、燃え尽きて内部の加圧ガスが放出され、燃料ガスの場合は通常発火する可能性があるためです。

ホースは視覚的に識別できるように色分けされています。ホースの色は国によって異なります。米国では、酸素ホースは緑、燃料ホースは赤です。^[6]英国およびその他の国では、酸素ホースは青（古い機器では黒いホースがまだ使用されている場合があります）、アセチレン（燃料）ホースは赤です。^[7]プロパンなどの液化石油ガス（LPG）燃料を使用する場合、燃料ホースはオレンジ色で、LPGと互換性があることを示します。LPGは、ほとんどのアセチレンホースを含む、互換性のないホースを損傷します。

ホースのねじコネクタは、誤って接続することを防ぐために、ねじ山が付けられています。酸素ホースのねじ山は（通常通り）右ねじですが、燃料ガスホースのねじ山は左ねじです。^[6]左ねじには、ナットに識別溝も刻まれています。

フレキシブルホースと固定継手との間の気密接続は、かしめホースクリップまたはフェルール（「O」クリップとも呼ばれる）をバーブ付き栓に取り付けて行われます。ウォームドライブホースクリップまたはジュビリークリップの使用は、英国およびその他の国では特に禁止されています。^[8]

アセチレンは可燃性だけではなく、特定の条件下では爆発性もあります。空気中での可燃性の上限は81%ですが、^[9]アセチレンの爆発的な分解挙動によりこれは無関係になります。爆発波がアセチレンタンクに入ると、タンクは分解によって吹き飛ばされます。通常は逆流を防ぐ通常のチェックバルブは、爆発波がゲートを通過する前に閉じることができないため、爆発波を止めることができません。そのため、フラッシュバックアレスターが必要です。これは、爆発波がホース側から供給側に到達する前に作動するように設計されています。

レギュレータとホースの間、理想的には酸素と燃料の両方のラインのホースとトーチの間に、逆火防止器および/または逆止弁（チェックバルブ）を設置して、炎または酸素と燃料の混合物がどちらかのシリンダーに押し戻され、機器が損傷したりシリンダーが爆発したりするのを防ぐ必要があります。

ヨーロッパの慣例では、レギュレータに逆火防止装置を取り付け、トーチにチェックバルブを取り付けます。米国の慣例では、レギュレータに両方を取り付けます。

フラッシュバック アレスターは、下流からの衝撃波がホースを逆流してシリンダーに入り、シリンダーが破裂するのを防ぎます。これは、機器の内部 (特にミキサーとブローパイプ/ノズル内) には、機器が誤ってシャットダウンされた場合に爆発する可能性のある燃料/酸素混合物が大量に存在し、アセチレンが過剰な圧力または温度で分解するためです。圧力波によってフラッシュバック アレスターの下流に漏れが生じた場合、誰かがリセットするまで電源がオフのままになります。

チェック バルブは、ガスを一方向にのみ流します。通常、チェック バルブは、スプリングによって一方の端に押し付けられたボールを含むチャンバーです。ガスが一方向に流れるとボールが押し出され、流れが不足したり逆流したりすると、スプリングによってボールが入口に押し込まれ、入口が塞がれます。逆流防止装置と混同しないでください。チェック バルブは衝撃波をブロックするようには設計されていません。衝撃波は、ボールが入口から遠く離れているため、ボールがオフの位置に到達する前に衝撃波がボールを通り過ぎてしまうときに発生する可能性があります。

トーチは、溶接工が溶接を行うために保持して操作するツールです。トーチには、燃料ガス用の接続部とバルブ、酸素用の接続部とバルブ、溶接工が握るハンドル、燃料ガスと酸素が混合する混合室 (斜めに設置)、炎が形成される先端があります。トーチには、正圧タイプと低圧またはインジェクター タイプの 2 つの基本的なタイプがあります。

溶接トーチ ヘッドは金属の溶接に使用されます。ノズルにつながるパイプが 1 本または 2 本のみで、酸素噴射トリガーがなく、ハンドルの下部に 2 つのバルブ ノブがあり、オペレーターがそれぞれ酸素と燃料の流量を調整できることで識別できます。

切断トーチヘッドは材料を切断するために使用されます。溶接トーチに似ていますが、酸素噴射トリガーまたはレバーで識別できます。

切断の際、金属はまず炎で真っ赤になるまで加熱されます。この温度に達すると、酸素噴射トリガーを押すことで加熱された部分に酸素が供給されます。この酸素は金属と反応してさらに熱を発生し、酸化物を形成します。酸化物は切断部分から吹き飛ばされます。この熱によって切断プロセスが継続されます。切断トーチはプロセスを開始するために金属を加熱するだけで、それ以上の熱は燃えている金属によって供給されます。

酸化鉄の融点は、切断される金属の約半分です。金属が燃えると、すぐに液体の酸化鉄に変わり、切断領域から流れ出ます。ただし、酸化鉄の一部はワークピースに残り、硬い「スラグ」を形成しますが、軽くたたいたり、研磨したりすることで除去できます。

ローズバッドトーチは、金属を曲げたり、まっすぐにしたり、広い面積を加熱する必要がある場合に使用します。先端の炎がバラのつぼみのように見えるため、このように呼ばれています。溶接トーチは、錆びたナットやボルトなどの狭い範囲を加熱するのにも使用できます。

等圧トーチと呼ばれる典型的な酸素燃料トーチは、単に 2 つのガスを混合するだけです。インジェクター トーチでは、高圧酸素がトーチ ヘッド内の小さなノズルから噴出し、ベンチュリ効果を利用して燃料ガスを一緒に引き込みます。

酸素燃料プロセスでは、さまざまな燃料ガス（または可燃性液体）を使用できますが、最も一般的なのはアセチレンです。使用できるその他のガスには、プロピレン、液化石油ガス（LPG）、プロパン、天然ガス、水素、MAPPガスがあります。液体燃料切断システムでは、ガソリン、ディーゼル、灯油、場合によっては航空燃料などの燃料を使用します。

アセチレンは酸素燃料溶接の主燃料であり、修理作業や一般的な切断および溶接に最適な燃料です。アセチレンガスは、ガスを溶解したままにするように設計された特別なシリンダーで出荷されます。シリンダーには多孔質材料（カポック繊維、珪藻土、または（以前の）アスベストなど）が詰められ、その後アセトンで容量の約50％まで満たされます。アセチレンはアセトンに溶けるからです。この方法が必要なのは、207キロパスカル（30ポンド/平方インチ）（絶対圧）を超えるとアセチレンが不安定になり、爆発する可能性があるためです。

タンクが満杯のとき、タンク内の圧力は約 1,700 kPa (247 psi) です。酸素と混合すると、アセチレンは 3,200 ～ 3,500 ℃ (5,790 ～ 6,330 ℉ ) で燃焼します。これは、一般的に使用される気体燃料の中で最も高い温度です。燃料として、アセチレンが他の燃料と比較した場合の主な欠点は、価格が高いことです。

アセチレンは水中約 33 フィート (10 メートル) に相当する圧力では不安定になるため、水中での切断や溶接にはアセチレンではなく水素が使用されます。

テスト^[要出典]では、酸素ガソリントーチは、厚さ0.5インチ（13 mm）までの鋼板を酸素アセチレンと同じ速度で切断できることが示されています。厚さ0.5インチ（13 mm）を超える鋼板では、切断速度は酸素アセチレンよりも優れており、4.5インチ（110 mm）では3倍の速さでした。^[10]さらに、液体燃料の蒸気は、気体燃料の約4倍の密度です。液体が蒸気に変化する間に大きな体積膨張によって高速の切断炎が生成され、切断炎は空隙（鋼板間の空気層）を切断できます。

酸素ガソリン トーチは、古い鋼鉄を覆っている塗料、汚れ、錆、その他の汚染された表面材料も切断できます。このシステムでは、切断中にほぼ 100% の酸化が行われ、スラグ内に溶融鋼がほとんど残らないため、切断された材料が「くっつく」のを防止できます。ガソリン トーチの運用コストは、プロパンやアセチレンを使用する場合よりも通常 75 ～ 90% 低くなります。

ガソリンは加圧タンク（手動で圧力をかけるか、ガスボンベから供給する）または非加圧タンクから供給することができ、加圧された酸素の流れによって生じるベンチュリー作用によって燃料がトーチに引き込まれます。^[10]アジアのジュエリーメーカーが一般的に使用するもう1つの低コストのアプローチは、足踏み式エアポンプでガソリン容器に空気を吹き込み、燃料と空気の混合物を専用の溶接トーチで燃焼させるというものです。

ディーゼルは、液体燃料切断トーチ市場における新しい選択肢です。ディーゼル トーチは、ガス燃料やガソリンに比べていくつかの利点があると言われています。ディーゼルは、ガソリンやアセチレンやプロパンなどのガス燃料よりも本質的に安全で強力であり、これらのガスのいずれよりも速く、安価に鋼を切断します。さらに、液体燃料蒸気はガス燃料の約 5 倍の密度であるため、はるかに大きな「パンチ」を提供します。液体が蒸気に変化するときの大きな体積膨張によって高速切断炎が生成されるため、切断炎はプレート間の空気の隙間を簡単に切断します。ディーゼル/酸素トーチは、鋼の塗料、汚れ、錆、その他の表面汚染物質を切断できます。このシステムでは、切断中にほぼ 100% の酸化が行われるため、スラグに溶融鋼がほとんど残らず、切断された材料が「くっつく」のを防ぎます。ディーゼル トーチの運用コストは、通常、プロパンやアセチレンを使用する場合よりも 75 ～ 90% 低くなります。解体業界やスクラップ業界での使用が増えています。

水素は炎がきれいなので、アルミニウムに適しています。アセチレンよりも高圧で使用できるため、水中での溶接や切断に便利です。大量の材料を加熱する場合に適した炎です。炎の温度は高く、大気圧の空気中の水素ガスでは約2,000 °C、^{[11]純粋な酸素（酸水素）と2:1の比率で事前に混合すると最高2800 °Cになります。水素は}水素脆化を引き起こすため、鋼鉄やその他の鉄材料の溶接には使用されません。

一部の酸水素トーチでは、トーチに直接接続された装置内で水の 電気分解によって酸素と水素が生成されます。この種のトーチには次の種類があります。

• 酸素と水素は別々に電解セルから排出され、通常の酸素ガストーチの 2 つのガス接続部に供給されます。これは、ジュエリーや電子機器の製造に使用される小型トーチで使用されることがあるウォータートーチで発生します。
• 混合された酸素と水素は電気分解セルから引き出され、逆火を防ぐように設計された特別なトーチに導かれます。酸水素を参照してください。

メチルアセチレンプロパジエン(MAPP)ガスとLPG ガスは似た燃料です。LPG ガスは MPS を混合した液化石油ガスだからです。LPG ガスの貯蔵および輸送特性は LPG と同じですが、発熱量はアセチレンよりわずかに低くなります。小売店で販売するために小型容器で輸送できるため、愛好家や大手工業会社、造船所で使用されています。高圧 (約 15 psi 以上) で重合しないため (アセチレンの場合)、アセチレンより危険性がはるかに低いためです。

さらに、圧縮性が高まるとタンクに入れるガスの量が増えるため、一度に 1 か所に保管できるガスの量も増えます。MAPP ガスはアセチレンよりもはるかに高い圧力で使用でき、最大 12 インチ (300 mm) の厚さの鋼鉄を切断できる大容量酸素燃料切断トーチでは、最大 40 または 50 psi まで使用できます。同等の温度を発生するその他の溶接ガスは、安全な輸送と取り扱いのために特別な手順が必要です。MPS と MAPP は、溶接用途ではなく、特に切断用途に推奨されます。

2008 年 4 月 30 日、ペトロモン ヴァレンヌ工場はメチルアセチレン/プロパジエン クラッカーを閉鎖しました。この工場は北米で MAPP ガスを生産する唯一の工場であったため、ダウとヴァレンヌの製品を再パッケージした企業によって多くの代替品が導入されました。これらの代替品のほとんどはプロピレンです (以下を参照)。

プロピレンは、生産溶接および切断に使用されます。プロパンと同様に切断できます。プロピレンを使用すると、トーチの先端をクリーニングする必要はほとんどありません。プロピレンを使用する場合、等圧トーチではなくインジェクター トーチ (プロパンのセクションを参照) で切断する方が、多くの場合、大きな利点があります。北米の多くのサプライヤーが、FG2 や Fuel-Max などの独自の商標でプロピレンの販売を開始しています。

ブタンはプロパンと同様に飽和炭化水素です。ブタンとプロパンは互いに反応せず、通常は混合されます。ブタンの沸騰温度は 0.6 °C です。プロパンはより揮発性が高く、沸点は -42 °C です。沸点を超える温度では蒸発が速くなります。2 つの発熱量はほぼ等しいです。したがって、エンド ユーザーが必要とする蒸気圧と周囲の条件に応じて、両方を混合します。周囲温度が非常に低い場合は、所定の温度でより高い蒸気圧を得るためにプロパンが好まれます。^{[引用が必要]}

プロパンは内側の円錐部ではアセチレンほど高温に燃えないため、溶接にはほとんど使用されません。^[12]しかし、プロパンは外側の円錐部で1立方フィートあたりのBTU数が非常に高いため、適切なトーチ（インジェクター式）を使用すればアセチレンよりも速くきれいな切断ができ、加熱や曲げにもアセチレンよりはるかに便利です。

酸素中のプロパンの最大中性炎温度は2,822℃（5,112℉）である。^[13]

プロパンはアセチレンよりも安価で輸送も容易である。^[14]

以下は、 1 ⁄ 2 インチ (13 mm) のプレートを切断する際の運用コストの比較です。コストは、2012 年 5 月の酸素とさまざまな燃料の平均コストに基づいています。 ^{[古いソース]ガソリンの}運用コストは、プロパンの 25%、アセチレンの 10% でした。数値は、酸素または燃料のソース、切断の種類、切断環境または状況によって異なります。^[15]

酸素は燃料ではありません。酸素は酸化剤であり、燃料と化学的に結合して溶接の熱を生成します。これは「酸化」と呼ばれますが、この文脈ではより具体的で一般的に使用される用語は「燃焼」です。水素の場合、燃焼の生成物は単なる水です。他の炭化水素燃料の場合、水と二酸化炭素が生成されます。燃焼生成物の分子は燃料と酸素の分子よりもエネルギー状態が低いため、熱が放出されます。酸素燃料切断では、切断される金属 (通常は鉄) の酸化によって、ワークピースを「燃やす」ために必要な熱のほぼすべてが生成されます。

酸素は通常、液化空気の蒸留によって他の場所で生成され、約 21,000 kPa (3,000 lbf/in² = 200 気圧) の圧力で高圧容器 (一般に「タンク」または「シリンダー」と呼ばれる) に入れて溶接現場に輸送されます。また、大量の酸素を使用する場所には、 デュワー型容器 (大きな魔法瓶のような容器) に入れられた液体として輸送されます。

圧力をかけた空気を、窒素を選択的に吸着し、酸素 (およびアルゴン) を通過させるゼオライトふるいに通すことで、空気から酸素を分離することもできます。これにより、酸素の純度は約 93% になります。この方法はろう付けには適していますが、切断時にきれいでスラグのない切り口を作るには、より純度の高い酸素が必要です。

溶接工は、酸素アセチレン炎を炭化（別名還元）、中性、または酸化に調整できます。調整は、アセチレン炎に酸素を増減させることによって行われます。中性炎は、溶接または切断時に最も一般的に使用される炎です。中性炎は非常に簡単に定義できるため、溶接工は中性炎を他のすべての炎調整の開始点として使用します。この炎は、溶接工がトーチ本体の酸素バルブをゆっくりと開いたときに、最初に2つの炎ゾーンだけを確認したときに得られます。その時点で、アセチレンは溶接酸素と周囲の空気で完全に燃焼しています。^[5]炎は化学的に中性です。

この炎は、明るい青色の内側の円錐と、濃い青色から無色の外側の円錐の2つの部分から構成されています。内側の円錐は、アセチレンと酸素が結合する場所です。この内側の円錐の先端は、炎の中で最も高温の部分です。その温度は約6,000 °F (3,320 °C)で、鋼鉄を簡単に溶かすのに十分な熱を発します。^[5]内側の円錐では、アセチレンが分解して部分的に燃焼し、水素と一酸化炭素になります。外側の円錐では、これが周囲の空気中の酸素と結合して燃焼します。

アセチレンが多すぎると、還元炎 (炭化炎とも呼ばれる) が発生します。この炎は、高温の内側円錐、白熱した「アセチレン フェザー」、青色の外側円錐の 3 つの炎域で特徴付けられます。これは、燃焼中のアセチレンに最初に酸素を追加したときに見られる炎の種類です。炎に酸素を徐々に追加することで、フェザーを調整し、さらに小さくします。溶接フェザーは 2X または 3X で測定され、X は内側の炎円錐の長さです。

未燃焼の炭素は炎を断熱し、温度を約 5,000 °F (2,760 °C) まで下げます。還元炎は、通常、表面硬化作業やパイプの逆溶接技術に使用されます。フェザーは、アセチレンの不完全燃焼によって炎に過剰な炭素が発生することで発生します。この炭素の一部は溶融金属に溶解され、金属を炭化します。炭化炎は、存在する可能性のある鉄酸化物から酸素を取り除く傾向があるため、この炎は「還元炎」として知られています。^[5]

酸化炎は、3 つ目の可能な炎調整です。これは、中性炎に必要な酸素とアセチレンの比率が変更され、酸素が過剰になった場合に発生します。この炎の種類は、溶接工が中性炎に酸素を追加したときに見られます。この炎は、可燃性ガスが必要な量の酸素を見つけるために遠くまで探す必要がなく、熱的に不活性な炭素をそれほど加熱する必要がないため、他の 2 つの炎よりも高温です。^[5]金属への影響から、酸化炎と呼ばれます。この炎調整は一般に好まれません。酸化炎は、ほとんどの金属の構造的および機械的損傷を引き起こす望ましくない酸化物を生成します。酸化炎では、内側の円錐が紫がかった色になり、先端がつまんで小さくなり、炎の音が耳障りになります。わずかに酸化する炎はろう付け溶接や青銅の表面仕上げに使用され、より強い酸化炎は特定の真鍮や青銅の溶融溶接に使用されます^[5]

炎の大きさは、トーチのバルブとレギュレーターの設定によってある程度調整できますが、基本的には先端のオリフィスのサイズによって決まります。実際には、まず手元の作業に応じて先端を選択し、それに応じてレギュレーターを設定する必要があります。

炎を母材に当て、小さな溶融金属の溜まりができるまで保持します。この溜まりは、溶接ビードが必要な経路に沿って移動します。通常、溶接棒またはフィラー ロッドから溶融金属の溜まりに金属を浸すことで、溜まりの移動に合わせて金属が追加されます。金属の溜まりは、金属が最も熱い場所に向かって移動します。これは、溶接工がトーチを操作することで実現されます。

金属に加えられる熱量は、溶接チップのサイズ、移動速度、溶接位置によって決まります。炎のサイズは溶接チップのサイズによって決まります。適切なチップのサイズは、金属の厚さと接合部の設計によって決まります。

酸素アセチレンを使用した溶接ガス圧力は、製造元の推奨に従って設定されます。溶接工は、均一なビード幅を維持するために溶接移動速度を変更します。均一性は、優れた技量を示す品質特性です。訓練を受けた溶接工は、溶接の開始時と終了時のビードサイズを同じに保つように指導されます。ビードが広くなりすぎると、溶接工は溶接移動速度を上げます。ビードが狭くなりすぎるか、溶接パドルが失われると、溶接工は移動速度を遅くします。垂直または頭上位置での溶接は、通常、平らな位置または水平位置での溶接よりも遅くなります。

溶接工は、溶融池にフィラー ロッドを追加する必要があります。また、溶接工は、フィラー メタルを酸化から保護するために、フィラー メタルを池に追加していないときは、外側の熱い炎の領域に保持する必要があります。溶接炎でフィラー メタルを燃やさないでください。金属はベース メタルに浸透せず、ベース メタル上に冷たい点が連続しているように見えます。冷間溶接では強度がほとんどありません。フィラー メタルが溶融池に適切に追加されると、結果として得られる溶接は元のベース メタルよりも強くなります。

19世紀には、パイプの接続部やタンクを作るために、鉛の溶接や「鉛焼き」がはるかに一般的でした。高度な技術が必要ですが、すぐに習得できます。 ^[16]今日の建築工事では、鉛のフラッシングが溶接されていますが、アメリカでははんだ付けされた銅のフラッシングの方がはるかに一般的です。1980年代以前の自動車ボディ修理業界では、余分な熱だけでなく歪みも副産物であったため、板金の溶接に酸素アセチレンガストーチ溶接が使用されることはほとんどありませんでした。当時の自動車ボディ修理方法は粗雑で、MIG溶接が業界標準になるまで不適切なものがありました。1970年代に高強度鋼が自動車製造の標準となったため、電気溶接が好まれる方法になりました。1980年代以降、酸素アセチレントーチは工業化された世界では板金溶接に使用されなくなりました。

切断の場合、セットアップは少し異なります。切断トーチには、中央のジェットの周りにオリフィスが配置された 60 度または 90 度の角度のヘッドがあります。外側のジェットは、酸素とアセチレンの予熱炎用です。中央のジェットは、切断用の酸素のみを運びます。単一の炎ではなく複数の予熱炎を使用すると、ノズルの位置やトーチが切断方向に対して作る角度を変えずに、切断方向を必要に応じて変更でき、予熱バランスも向上します。^[5]メーカーは、マップ、プロパン、プロピレンガス用のカスタムチップを開発し、これらの代替燃料ガスからの炎を最適化しています。

炎は金属を溶かすためのものではなく、金属を発火温度まで上げるためのものです。

トーチのトリガーは、高圧の酸素を中央のジェットからトーチの 3 番目のチューブを通してワークピースに吹き込み、金属を燃焼させて、溶融酸化物を反対側に吹き飛ばします。理想的な切り口は、ワークピースの両側に鋭いエッジがある狭い隙間です。ワークピースが過熱して溶けてしまうと、丸いエッジが発生します。

切断は、予熱ジェットのみを使用して鋼のエッジまたは先端面（丸棒などの形状を切断する場合）を発火温度（ほぼ明るいチェリーレッドの熱）まで加熱し、次に別の切断酸素バルブを使用して中央のジェットから酸素を放出することによって開始されます。^[5]酸素は鉄材料中の鉄と化学的に結合し、鉄を急速に酸化させて溶融酸化鉄にし、切断を生成します。ワークピースの中央で切断を開始することをピアシングといいます。

この時点で注目すべき点がいくつかあります。

• 酸素流量は重要です。酸素流量が少なすぎると切断が遅くなり、多すぎると酸素が無駄になり、切断面が広く凹状になります。酸素ランスやその他の特注トーチには切断酸素用の圧力制御がないため、切断酸素圧力は酸素レギュレータを使用して制御する必要があります。酸素切断圧力は、切断チップの酸素オリフィスと一致する必要があります。特定の切断チップに適切な切断酸素圧力については、チップメーカーの機器データを確認してください。^[5]
• この方法による鉄の酸化は、発熱が極めて大きいです。いったん酸化が始まると、鋼鉄は驚くべき速度で切断できます。単に溶かす場合よりもはるかに速い速度です。この時点では、予熱ジェットはあくまで補助的な役割です。温度の上昇は、適切なゴーグルを通してでも、噴出する材料の強烈な輝きで明らかになります。熱ランスも、鉄の急速な酸化を利用してほぼすべての材料を切断するツールです。
• 溶けた金属はワークピースから流れ出るため、ワークピースの反対側にスプレーが排出されるスペースが必要です。可能であれば、溶けた金属が地面に自由に落ちるように、格子の上で金属片を切断します。トーチバルブの前のトーチ部分を交換することで、同じ装置を酸素アセチレントーチや溶接トーチに使用できます。

基本的な酸素アセチレントーチの場合、軽量鋼材の切断速度は通常、ガソリン駆動の切断グラインダーのほぼ 2 倍になります。大型断面を切断する場合の利点は明らかです。酸素燃料トーチは軽量、小型、静音で、ほとんど力を入れずに使用できます。一方、アングルグラインダーは重く、騒音が大きく、オペレーターにかなりの労力が必要で、激しく振動する可能性があり、手が固くなり、長時間の振動による白指症につながる可能性があります。酸素アセチレントーチは、200 mm (7.9 インチ) を超える鉄材を簡単に切断できます。酸素ランスはスクラップ作業で使用され、200 mm を超える厚さの断面を切断します。切断グラインダーは、このような用途には役に立ちません。

ロボット酸素燃料カッターは、高速のダイバージェントノズルを使用する場合があります。これは、通路に沿ってわずかに開く酸素ジェットを使用します。これにより、圧縮された酸素は放出時に膨張し、平行ボアノズルよりも広がりの少ない高速ジェットを形成し、よりきれいな切断が可能になります。これらは、作業物の上に非常に正確に位置決めする必要があるため、手作業での切断には使用されません。大型の鋼板からほぼあらゆる形状を製造できるため、造船業やその他の多くの業界で将来が確実です。

酸素プロパントーチは、通常、コスト削減のためにスクラップを切断するために使用されます。LPGはアセチレンよりもジュール当たりのコストがはるかに安いためです。ただし、プロパンではアセチレンのようなきれいな切断面は得られません。プロパンは、非常に大きなセクションを切断する生産にも​​使用されます。

酸素アセチレンは、低炭素から中炭素の鋼と錬鉄のみを切断できます。高炭素鋼は、スラグの融点が母材の融点に近いため切断が難しく、切断動作で生じたスラグは火花として飛び散らず、切断部近くのきれいな溶融物と混ざります。これにより、酸素がきれいな金属に到達して燃焼することが防止されます。鋳鉄の場合、粒子間の黒鉛と粒子自体の形状がトーチの切断動作を妨げます。ステンレス鋼も、材料が燃えにくいため切断できません。^[17]

酸素アセチレン溶接/切断は一般的に難しい作業ではないと考えられていますが、次のような安全上の注意点がいくつかあります。

• 1 時間あたりにシリンダー容量の 1/7 以上を使用しないでください。これにより、アセチレン シリンダー内のアセトンがシリンダーから出て、ホースやトーチを汚染する恐れがあります。
• アセチレンは 1 atm (15 psi) 以上の圧力では危険です。不安定で爆発的に分解します。
• 溶接時に適切な換気を行うことで、大量の化学物質への曝露を防ぐことができます。

まぶしさや飛び散る火花から目を保護するため、溶接ゴーグルなどの適切な保護具を常に着用する必要があります。溶接工を保護するため、また白熱するフラックスから発せられる黄橙色のフレアを通してはっきりと見えるようにするために、特別な安全眼鏡を使用する必要があります。1940 年代には、コバルト溶解工の眼鏡は鉄鋼鋳造所から借りられ、1980 年代まで入手可能でした。

しかし、衝撃、紫外線、赤外線、青色光からの保護が不十分なため、深刻な眼精疲労や眼の損傷を引き起こしました。 1960年代にガラス職人向けに開発されたジディミウム製アイウェアも借用されましたが、過剰な赤外線、青色光、不十分な遮光による眼の問題を訴える人が多くいました。今日では、ガス溶接アルミニウム用に特別に設計された非常に優れた眼保護具が見つかります。これは、オレンジナトリウムフレアを完全にカットし、特殊用途レンズのANSI Z87-1989安全基準に従って、紫外線、赤外線、青色光、衝撃から必要な保護を提供します。^[18]

燃料タンクと酸素タンクは、壁、柱、またはポータブルカートにしっかりと垂直に固定する必要があります。酸素タンクは、ガスが満タンの状態で21MPa（3,000psi、210気圧）の圧力で貯蔵されるため、特に危険です 。タンク が倒れ てバルブが損傷した場合、圧縮された酸素が高速でシリンダーから逃げてタンクが投げ出される可能性があります。この状態のタンクはレンガの壁を突き破ることができます。^[19] このため、酸素タンクはバルブキャップをねじ込まずに移動させないでください。

酸素アセチレントーチシステムには、タンクバルブ、レギュレータバルブ、トーチバルブの3種類のバルブがあります。システム内の各ガスには、これら3つのバルブがそれぞれあります。レギュレータは、タンク内の高圧ガスを溶接に適した低圧ストリームに変換します。アセチレンシリンダーは、内部のアセトンとアセチレンが充填材で分離するのを防ぐために、直立した状態で維持する必要があります。^[20]

溶接のあまり目立たない危険は、有害な化学物質への曝露です。特定の金属、金属酸化物、または一酸化炭素への曝露は、しばしば深刻な健康状態につながる可能性があります。有害な化学物質は、燃料、ワークピース、またはワークピースの保護コーティングから生成される可能性があります。溶接環境の周囲の換気を増やすことで、あらゆる発生源からの有害な化学物質への曝露を大幅に減らすことができます。

溶接に最もよく使われる燃料はアセチレンで、反応は 2 段階です。一次化学反応では、アセチレンが酸素の存在下で分解し、熱、一酸化炭素、水素ガスが発生します: C ₂ H ₂ + O ₂ → 2CO + H ₂。二次反応では、一酸化炭素と水素がさらに酸素と結合して二酸化炭素と水蒸気が発生します。二次反応で一次反応の反応物がすべて燃焼しない場合は、溶接プロセスで大量の一酸化炭素が発生することがあります。一酸化炭素は、他の多くの不完全な燃料反応の副産物でもあります。

ほとんどすべての金属は、何らかの合金です。銅、アルミニウム、その他の卑金属は、毒性の強い金属であるベリリウムと合金にされることがあります。このような金属を溶接または切断すると、高濃度の有毒なベリリウム煙が放出されます。ベリリウムに長期間さらされると、息切れ、慢性の咳、著しい体重減少、疲労感、全身の衰弱などの症状が現れることがあります。ヒ素、マンガン、銀、アルミニウムなどのその他の合金元素も、さらされると病気を引き起こす可能性があります。

より一般的なのは、多くの製造金属部品に施された防錆コーティングです。鉄や鋼を酸化から守るために、亜鉛、カドミウム、フッ化物がよく使用されます。亜鉛メッキされた金属には、非常に厚い亜鉛コーティングが施されています。酸化亜鉛の煙にさらされると、「金属煙熱」と呼ばれる病気を引き起こす可能性があります。この症状が24時間以上続くことはめったにありませんが、重症の場合は致命的となる可能性があります。^{[21]一般的な}インフルエンザと異なり、発熱、悪寒、吐き気、咳、疲労は、酸化亜鉛に高濃度にさらされた場合の一般的な影響です。

フラッシュバックとは、酸素燃料溶接および切断システムのホース内で炎が伝播する状態です。このような状況を防ぐために、通常はフラッシュバックアレスターが使用されます。^[22]炎がホース内で逆方向に燃え、弾けるような音やキーキーという音が発生します。ホース内で爆発を引き起こし、作業者が負傷したり死亡したりする恐れがあります。推奨圧力よりも低い圧力を使用すると、フラッシュバックが発生する可能性があります。

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• アルトハウス、ターンクイスト、ボウディッチ (1970)。現代の溶接。グッドハート - ウィルコックス。ISBN 9780870061097。
• 溶接百科事典（第 9 版）。溶接エンジニア スタッフ。1938 年。

• 「酸素アセチレンによる溶接と切断」ポピュラーメカニクス、1935年12月、948～953ページ
• 航空機用アルミニウム板への酸素燃料溶接の使用
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