ガスメタルアーク溶接

ガス金属アーク溶接( GMAW ) は、サブタイプの金属不活性ガス( MIG ) や金属活性ガス( MAG )とも呼ばれ、消耗する MIGワイヤ電極とワークピース金属の間に電気アークが形成され、ワー​​クピース金属が加熱されて融合(溶解して結合) する溶接プロセスです。ワイヤ電極とともにシールドガスが溶接ガンに供給され、大気汚染からプロセスを保護します。

このプロセスは半自動または自動で行うことができます。GMAWでは定電圧直流電源が最も一般的に使用されますが、定電流システムや交流も使用できます。GMAW には、球状、短絡、スプレー、パルススプレーと呼ばれる 4 つの主要な金属移動方法があり、それぞれに異なる特性と、それに応じた利点と制限があります。

GMAW は、もともと 1940 年代にアルミニウムやその他の非鉄金属の溶接用に開発されましたが、他の溶接プロセスに比べて溶接時間が短いため、すぐに鋼鉄にも適用されるようになりました。不活性ガスはコストがかかることから、鋼鉄での使用は制限されていましたが、数年後、二酸化炭素などの半不活性ガスの使用が一般的になりました。1950 年代と 1960 年代のさらなる開発により、プロセスの汎用性が高まり、その結果、広く使用される工業プロセスになりました。今日、GMAW は最も一般的な工業溶接プロセスであり、その汎用性、速度、およびロボット自動化へのプロセスの適応が比較的容易であることから好まれています。シールドメタルアーク溶接などのシールドガスを使用しない溶接プロセスとは異なり、屋外や空気が移動する他の領域で使用されることはほとんどありません。関連するプロセスであるフラックス入りアーク溶接では、シールドガスを使用しないことが多く、代わりに中空でフラックスが満たされた電極ワイヤが使用されます。

ガス金属アーク溶接の原理は、 1800年にハンフリー・デービーが短パルス電気アークを発見した後、19世紀初頭に理解され始めました。 ^[1] ワシリー・ペトロフは1802年に連続電気アークを独自に生成しました（1808年以降はデービーが追随しました）。^[1]この技術が産業利用を目的として開発されるようになったのは1880年代になってからでした。最初、炭素電極が炭素アーク溶接に使用されていました。1890年までには、金属電極がニコライ・スラビャノフとCLコフィンによって発明されました。1920年に、GMAWの前身となる技術がゼネラル・エレクトリックのP.O.ノーベルによって発明されました。これは裸の電極ワイヤに直流を使用し、アーク電圧を使用して送り速度を制御しました。溶接雰囲気の開発がその10年後半まで行われなかったため、溶接部を保護するためのシールドガスは使用しませんでした。 1926年にGMAWのもう一つの先駆者が発表されましたが、実用には適していませんでした。^[2]

1948 年、バテル記念研究所によって GMAW が開発されました。この溶接法は、HE ケネディが開発した小径電極と定電圧電源を使用していました。この溶接法は堆積速度が速かったものの、不活性ガスのコストが高いため、非鉄金属にしか使用できず、コスト削減が妨げられました。1953 年には、溶接雰囲気として二酸化炭素を使用する方法が開発され、鋼鉄の溶接がより経済的になったため、GMAW で急速に普及しました。1958 年と 1959 年には、GMAW のショートアーク バリエーションがリリースされ、溶接の汎用性が向上し、より小さな電極ワイヤとより高度な電源を使用しながら薄い材料の溶接が可能になりました。この方法は、すぐに最も人気のある GMAW バリエーションになりました。^[要出典]

スプレーアーク移行法は、1960年代初頭に実験者が不活性ガスに少量の酸素を加えたときに開発されました。最近では、パルス電流が適用され、パルススプレーアーク移行法と呼ばれる新しい方法が生まれました。^[3]

GMAWは、特に産業環境で最も人気のある溶接方法の1つです。^[4]板金業界や自動車業界で広く使用されています。これらの業界では、リベットや抵抗スポット溶接の代わりに、アークスポット溶接にこの方法がよく使用されています。また、ロボットがワークピースと溶接ガンを扱って製造を加速する自動溶接にも人気があります。 ^[5] GMAWは、ドラフトによってシールドガスが消散し、汚染物質が溶接部に入り込む可能性があるため、屋外ではうまく機能しない場合があります。^[6]フラックス入りアーク溶接は、建設などの屋外での使用に適しています。^{[7] [8]同様に、シールドガスを使用するGMAWは、}シールドメタルアーク溶接、フラックス入りアーク溶接、またはガスタングステンアーク溶接を介してより一般的に実行される水中溶接には適していません。^[9]

ガスメタルアーク溶接を行うには、溶接ガン、ワイヤ供給装置、溶接電源、溶接電極ワイヤ、シールドガス供給装置が基本的に必要な装置である。^[10]

一般的な GMAW 溶接ガンには、制御スイッチ、コンタクト チップ、電源ケーブル、ガス ノズル、電極コンジットとライナー、ガス ホースなど、いくつかの主要部品があります。オペレータが制御スイッチまたはトリガーを押すと、ワイヤの供給、電力、シールド ガスの流れが開始され、電気アークが発生します。コンタクト チップは通常銅製で、スパッタを減らすために化学処理されている場合もありますが、電源ケーブルを介して溶接電源に接続され、電気エネルギーを電極に伝達しながら溶接領域に導きます。電気的接触を維持しながら電極を通過させる必要があるため、コンタクト チップはしっかりと固定され、適切なサイズである必要があります。コンタクト チップまでの途中で、ワイヤは電極コンジットとライナーによって保護および誘導され、座屈を防ぎ、ワイヤの供給が中断されないようにします。ガス ノズルはシールド ガスを溶接ゾーンに均等に導きます。流れが一定でないと、溶接領域が適切に保護されない場合があります。ノズルが大きいほどシールドガスの流量が多くなり、大きな溶融池を形成する高電流溶接作業に有効です。シールドガスタンクからのガスホースがノズルにガスを供給します。場合によっては、溶接ガンに水ホースも組み込まれており、高熱作業時にガンを冷却します。^[11]

ワイヤ供給ユニットは電極をワークに供給し、導管を通して接触先端まで送ります。ほとんどのモデルは一定の送り速度でワイヤを供給しますが、より高度な機械ではアークの長さと電圧に応じて送り速度を変えることができます。一部のワイヤ供給装置は30m/分（1200インチ/分）という高速送り速度を実現できますが、^[12]半自動GMAWの送り速度は通常2～10m/分（75～400インチ/分）です。^[13]

最も一般的な電極ホルダーは、半自動空冷式ホルダーです。圧縮空気がホルダー内を循環し、適度な温度を維持します。低電流レベルで重ね継ぎや突合せ継ぎの溶接に使用されます。2番目に一般的な電極ホルダーは半自動水冷式で、唯一の違いは空気の代わりに水が使用されることです。T字継ぎやコーナー継ぎの溶接には高電流レベルを使用します。3番目に一般的なホルダータイプは水冷式自動電極ホルダーで、通常は自動化された装置で使用されます。^[14]

ガス金属アーク溶接のほとんどの用途では、定電圧電源が使用されています。その結果、アーク長（電圧に直接関係）が変化すると、熱入力と電流が大きく変化します。アーク長が短いと熱入力が大幅に大きくなり、ワイヤ電極がより速く溶けて元のアーク長に戻ります。これにより、手持ち式溶接ガンで手動で溶接する場合でも、オペレータはアーク長を一定に保つことができます。同様の効果を得るために、定電流電源をアーク電圧制御ワイヤ供給ユニットと組み合わせて使用​​することがあります。この場合、アーク長が変化すると、ワイヤ供給速度が調整され、比較的一定のアーク長が維持されます。まれに、定電流電源と定ワイヤ供給速度ユニットが結合されることがあります。特にアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属の溶接の場合です。これにより、オペレータは溶接部への熱入力をさらに制御できますが、うまく実行するにはかなりのスキルが必要です。^[15]

GMAWでは交流はほとんど使用されず、代わりに直流が使用され、電極は一般に正に帯電します。陽極は熱が集中する傾向があるため、これにより給電ワイヤの溶融が速くなり、溶接の溶け込みと溶接速度が向上します。極性を反転できるのは特殊な放射コーティングされた電極ワイヤを使用する場合のみですが、これは一般的ではないため、負に帯電した電極はほとんど使用されません。^[16]

電極は、MIG ワイヤと呼ばれる金属合金ワイヤで、その合金とサイズの選択は、主に溶接される金属の組成、使用されるプロセスの変化、ジョイントの設計、および材料の表面状態に基づいています。 電極の選択は、溶接の機械的特性に大きく影響し、溶接品質の重要な要因です。 一般に、完成した溶接金属は、不連続性、混入した汚染物質、または溶接内の気孔などの欠陥がなく、母材と同様の機械的特性を持っている必要があります。 これらの目標を達成するために、多種多様な電極が存在します。 市販されているすべての電極には、酸素気孔を防ぐために、シリコン、マンガン、チタン、アルミニウムなどの脱酸素金属が少量含まれています。 一部の電極には、窒素気孔を避けるために、チタンやジルコニウムなどの脱窒化金属が含まれています。^[17] GMAWで使用される電極の直径は、プロセスのバリエーションと溶接される母材によって異なりますが、通常は0.7～2.4mm（0.028～0.095インチ）の範囲ですが、最大4mm（0.16インチ）になることもあります。最も小さい電極は、一般的に最大1.14mm（0.045インチ）^[18]で、短絡金属移行プロセスに関連していますが、最も一般的なスプレー移行プロセスモードの電極は通常、少なくとも0.9mm（0.035インチ）です。^{[19] [20]}

シールドガスは、ガスメタルアーク溶接に必要であり、溶接部を窒素や酸素などの大気ガスから保護します。大気ガスが電極、アーク、溶接金属に接触すると、溶融欠陥、気孔、溶接金属の脆化を引き起こす可能性があります。この問題はすべてのアーク溶接プロセスに共通しています。たとえば、従来のシールドメタルアーク溶接プロセス (SMAW) では、電極は固体フラックスでコーティングされており、アークによって溶融すると二酸化炭素の保護雲が発生します。ただし、GMAW では、電極ワイヤにフラックスコーティングがなく、溶接部を保護するために別のシールドガスが使用されます。これにより、溶接後に蓄積し、完成した溶接を明らかにするために削り取らなければならないフラックスの硬い残留物であるスラグがなくなります。^[21]

シールドガスの選択は、いくつかの要因に依存しますが、最も重要なのは、溶接される材料の種類と使用されるプロセスの変化です。アルゴンやヘリウムなどの純粋な不活性ガスは、非鉄金属の溶接にのみ使用されます。鋼鉄の場合、十分な溶接溶け込みが得られない (アルゴン) か、不安定なアークを引き起こしてスパッタを生じさせます (ヘリウム)。一方、純粋な二酸化炭素は、深い溶け込み溶接を可能にしますが、酸化物の形成を促進し、溶接の機械的特性に悪影響を及ぼします。低コストであることから魅力的な選択肢ですが、アークプラズマの反応性のため、スパッタは避けられず、薄い材料の溶接は困難です。その結果、アルゴンと二酸化炭素は、75%/25% から 90%/10% の混合物で頻繁に混合されます。一般に、短絡 GMAW では、他のすべての溶接パラメータ (電圧、電流、電極の種類、直径) が同じであれば、二酸化炭素含有量が多いほど溶接熱とエネルギーが増加します。二酸化炭素含有量が20％を超えると、スプレー移行GMAWは、特に電極径が小さい場合に、ますます問題が大きくなります。^[22]

アルゴンは、酸素、ヘリウム、水素、窒素などの他のガスと混合されることもよくあります。最大 5% の酸素の添加 (上記の高濃度の二酸化炭素と同様) はステンレス鋼の溶接に役立ちますが、ほとんどの用途では二酸化炭素が好まれます。^[23]酸素が増加するとシールド ガスが電極を酸化するため、電極に十分な脱酸素剤が含まれていない場合は、堆積物に多孔性が生じる可能性があります。酸素が過剰になると、特に規定されていない用途で使用される場合、熱影響部が脆くなる可能性があります。アルゴンとヘリウムの混合物は非常に不活性で、非鉄金属に使用できます。ヘリウムの濃度が 50～75% の場合、ヘリウムのイオン化温度が高いため、必要な電圧が上がり、アークの熱が増加します。ニッケルや厚いステンレス鋼のワークピースを溶接するために、アルゴンに水素が少量 (最大約 5%) 添加されることがあります。高濃度（水素25%まで）では、銅などの導電性材料の溶接に使用できます。ただし、多孔性や水素脆化を引き起こす可能性があるため、鋼、アルミニウム、マグネシウムには使用しないでください。^[21]

3 種類以上のガスを混合したシールドガスも販売されています。アルゴン、二酸化炭素、酸素の混合物は、鋼の溶接用に販売されています。他の混合物では、アルゴンと酸素の組み合わせに少量のヘリウムが加えられています。これらの混合物は、より高いアーク電圧と溶接速度を可能にすると言われています。ヘリウムは、少量のアルゴンと二酸化炭素を加えたベースガスとしても使用されることがあります。しかし、ヘリウムは空気よりも密度が低いため、溶接部のシールド効果は、空気よりも密度が高いアルゴンよりも低くなります。また、アークプラズマのエネルギーがはるかに高いため、アークの安定性と浸透の問題、およびスパッタの増加につながる可能性があります。ヘリウムは、他のシールドガスよりも大幅に高価です。他の特殊な、多くの場合は独自のガス混合物は、特定の用途でさらに大きな利点があると主張しています。^[21]

一酸化窒素は有毒ですが、微量の一酸化窒素を使用することで、アーク内で さらに厄介なオゾンが形成されるのを防ぐことができます。

シールドガスの望ましい流量は、主に溶接形状、速度、電流、ガスの種類、および金属移行モードによって異なります。平坦な表面を溶接する場合は、溝のある材料を溶接する場合よりも高い流量が必要です。これは、ガスがより速く拡散するためです。一般に、溶接速度が速いということは、十分な被覆率を得るためにより多くのガスを供給する必要があることを意味します。さらに、電流が高いほど大きな流量が必要になり、一般に、十分な被覆率を得るためにアルゴンを使用する場合よりも多くのヘリウムが必要になります。おそらく最も重要なのは、GMAW の 4 つの主なバリエーションには異なるシールドガス流量要件があることです。短絡モードとパルススプレーモードの小さな溶接プールでは、約 10  L /分 (20 ft ³ / h ) が一般に適切ですが、球状移行では約 15 L/分 (30 ft ³ / h ) が推奨されます。スプレー移行バリエーションでは、熱入力が高く、したがって溶接プールが大きくなるため、通常、より多くのシールドガス流量が必要です。典型的なガス流量は約20～25L/分（40～50ft3 ^/時）である。^[13]

GMAWは、金属物体を3Dプリントするための低コストの方法として使用されてきました。^{[24] [25] [26]} GMAWを使用するために、さまざまなオープンソースの3Dプリンターが開発されました。^[27]アルミニウムで製造されたこのような部品は、機械的強度の点で、より伝統的な方法で製造された部品に匹敵します。^[28]最初の層に不良溶接を形成することにより、GMAW 3Dプリント部品はハンマーで基板から取り外すことができます。^{[29] [30]}

ガスメタルアーク溶接は、その用途のほとんどにおいて、習得するのが非常に簡単な溶接プロセスであり、基本的な溶接技術を習得するのに1～2週間しかかかりません。十分に訓練された作業者が溶接を行った場合でも、溶接品質はさまざまな外部要因に依存するため変動する可能性があります。すべてのGMAWは危険ですが、シールドメタルアーク溶接などの他の溶接方法ほど危険ではないかもしれません。^[31]

GMAW プロセスで溶接を成功させるために必要な技術は複雑ではなく、適切なトレーニングと十分な溶接練習の機会があれば、ほとんどの人が数週間で十分な熟練度に達することができます。他の多くの手作業のスキルと同様に、経験と練習によって溶接工 (オペレーター) は高度な熟練度を身に付けることができます。プロセスの大部分が自動化されているため、GMAW では、正確なアーク長を維持し、適切な速度で溶接プール (溶融ゾーン) にフィラー メタルを供給するという溶接工の負担が軽減されます。これらは、シールド メタル アーク (「スティック」溶接) などの他の手作業の溶接プロセスで必要な調整された操作です。

GMAW プロセスで溶接を成功させるには、溶接工が溶接するジョイント (溶接部)に対してガンの向きを正しく維持し、十分な溶け込みと溶接ビードの堆積が得られるようにジョイントに沿って均一な移動速度を維持する必要があります。ジョイントに沿った移動には、特に垂直方向または頭上で溶接する場合、健全な溶接を実現するために「ウィービング」コンポーネントも必要になることがあります。訓練中、見習い溶接工は、最適な速度でジョイントに沿って進んでいることを確認するために、アークではなく溶接パドルの後端を観察するように勧められます。

溶接部に対するガンの向きは重要です。アークのエネルギーが構成部品に向けられる方法に影響するからです。理想的な溶接では、100 パーセントの溶け込みが達成され、溶接ビードの蓄積と相まって、理論的には構成部品よりも強い溶接が実現されます。実際には、完全な溶け込みは達成されず、望ましくない場合もあります。ただし、ワイヤ電極が溶接面に対して正確に垂直である場合、溶け込みは最も深くなります。さらに、ワイヤ電極の溶融から生じるフィラー金属の堆積は、ワイヤが垂直である場合に均一になる傾向があります。

実際には、水平突合せ継手を溶接する場合を除いて、垂直性は必ずしも理想的ではなく、達成できるわけでもありません。したがって、ガンは通常、ワイヤが接合される 2 つの表面の間の角度を二等分するように向けられます。たとえば、90 度のすみ肉継手を溶接する場合、ワイヤ角度を 45 度にすると、最高の溶け込みとフィラーの堆積が得られます。一方、水平重ね継手の場合は、主にエッジが溶けるのを防ぐために、より鋭角でない角度でアーク エネルギーを下側のピースに向け、上側のピースのエッジに向けるエネルギーを少なくすると効果的です。

移動角度、またはリード角は、ジョイントに沿った移動方向に対するガンの角度であり、通常はほぼ垂直に保たれます。^[32]  ほとんどのガンは、グリップ（ハンドル）が作業面と平行になると適切なリード角が得られるように設計されています。ただし、シールドガスの種類とその拡散方法の違いにより、最適な角度は異なります。純粋な不活性ガス（例えば、ストレートアルゴン）の場合、トーチの下部は上部よりわずかに前方にあることがよくありますが、溶接雰囲気が二酸化炭素の場合はその逆になります。^[33]

比較的安定した接触チップから作業部までの距離 (突き出し距離) を維持することが重要です。突き出しが多すぎると、ワイヤ電極が溶接部から遠く離れた場所で溶け、スパッタリングアーク、浅い溶け込み、堆積不良の原因になります。また、突き出しが多すぎると、シールドガスが溶融ゾーンを十分に覆わず、大気汚染や多孔質で不完全な溶接につながる可能性があります。

対照的に、突き出しが不十分だと、ガンのノズル内部にスパッタが蓄積する速度が上昇し、極端な場合には、ワイヤがチップに「逆戻り」してガンの接触チップが損傷する可能性がある。逆戻りにより、ワイヤがチップに詰まって動かなくなり、溶接機のワイヤ供給機構で「バードネスティング」（ワイヤが束になる）が発生する可能性がある。正しい突き出し距離は、GMAWプロセスとアプリケーションによって異なり、垂直溶接とオーバーヘッド溶接では短い突き出し距離がよく使用される。^{[34] [35] [36] [37]}

姿勢溶接、つまり垂直または頭上ジョイントの溶接では、適切な溶接堆積と溶け込みを確保するためにウィービング技術の使用が必要になる場合があります。姿勢溶接は、溶融金属がパドルから流れ出る傾向（「溶接ドリップ」）によって複雑になり、特に頭上ジョイントで問題になります。溶接ドリップにより、ビードが母材金属に溶け込むべき場所にクレーターやアンダーカットが生じ、溶接が弱くなり、ビードの端に割れが生じるリスクがあります。ウィービングは、溶融ゾーンを常に動かして、1 点に堆積する金属の量を制限します。次に、表面張力により、溶融金属が固化するまでパドル内に保持されます。場合によっては、満足のいく溶接を実現するために、通常よりも高いシールド ガス流量が必要になることがあります。姿勢溶接スキルの開発には経験が必要ですが、通常、ほとんどの溶接見習いは熟練工の地位に達する前に習得します。

垂直溶接は、ジョイントの底部から始めて上方に進むことも、上から始めて下方に進むこともできます。ボトムアップ技術では、溶け込みが深くなり、理論的にはより強い溶接ができる傾向があります。ただし、溶接の垂れが発生しやすくなり、前述のクレーターやアンダーカットが発生しますが、適切なウィービング技術を使用すれば回避できます。スパッタが多少増えることも問題になる場合があります。一方、トップダウン手順では溶接の垂れが発生しにくく、一般的に滑らかで見た目の美しい溶接になりますが、溶け込みは少なくなります。ボトムアップは一般に重い断面の溶接に好まれる技術と考えられていますが、トップダウン技術で低炭素鋼や中炭素鋼を溶接する際に純粋な二酸化炭素を使用すると、外観を過度に劣化させることなく溶け込みを増やすことができます。

溶接工は、ガンの扱いに長けているだけでなく、溶接部の特性、使用するワイヤの種類とシールド ガス、場合によっては溶接するジョイントの方向に合わせて溶接機 (機械) を正しく構成する方法を知っていなければなりません。このような構成には、電圧、ワイヤの送り速度、ガスの流量の設定、および適切なガン ノズルを使用してシールド ガスを適切に拡散させることが含まれます。

溶接により、時間が経つにつれてノズル内にスパッタが蓄積します。スパッタが多量に蓄積すると、ガスの拡散に影響し、溶接が不完全になる可能性があります。したがって、溶接工はスパッタを除去するために、ノズルとチップを定期的に清掃する必要があります。ノズルとチップにスパッタ防止剤を使用すると、蓄積速度を遅くすることができます。スパッタ防止剤は、瓶入りのペースト（業界では「チップディップ」と呼ばれることが多い）とエアゾール缶入りのスプレーの両方で販売されています。溶接工は、後者の製品を使用して、溶接部自体だけでなく、溶接部コンポーネントを保持している治具にもスパッタが蓄積するのを防ぐことができます。

GMAW における最も一般的な品質問題のうち 2 つはドロスと多孔性です。これらを制御しないと、溶接部が弱くなり、延性が低下する可能性があります。ドロスはアルミニウムの GMAW 溶接で特によく見られる問題で、通常は電極または母材に含まれる酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムの粒子から発生します。電極とワークピースは、表面の酸化物を除去するためにワイヤー ブラシでブラッシングするか、化学処理する必要があります。大気からであろうとシールド ガスからであろうと、溶接プールと接触する酸素はすべてドロスの原因となります。そのため、不活性シールド ガスを十分に流す必要があり、空気が流れる中での溶接は避ける必要があります。^[38]

GMAW における気孔の主な原因は、溶接プールにガスが閉じ込められることです。これは、ガスが逃げる前に金属が凝固するときに発生します。ガスは、シールドガスやワークピース上の不純物、または過度に長いアークや激しいアークから発生する可能性があります。一般に、閉じ込められたガスの量は、溶接プールの冷却速度に直接関係しています。アルミニウム溶接は熱伝導率が高いため、特に冷却速度が速くなり、気孔が増えやすくなります。気孔を減らすには、ワークピースと電極を清潔にし、溶接速度を落とし、十分な熱入力と安定した金属移動が得られる程度に電流を高く設定し、アークが安定する程度に電流を低く設定する必要があります。予熱は、溶接領域と母材間の温度勾配を減らすことで、場合によっては冷却速度を下げるのに役立ちます。^[39]

アーク溶接はどのような形式でも、適切な予防措置を講じなければ危険を伴う。GMAW は電気アークを使用するため、溶接工は厚手の手袋や長袖の保護ジャケットなど、適切な防護服を着用して、アーク自体だけでなく、高熱、火花、熱い金属への曝露を最小限に抑える必要がある。アークの強力な紫外線は、露出した皮膚に日焼けのような損傷を引き起こす可能性があるほか、アークアイと呼ばれる角膜の炎症を引き起こす可能性があり、長時間曝露した場合は目の網膜に回復不能な損傷を与える可能性がある。従来の溶接ヘルメットには、この曝露を防ぐための暗いフェイスプレートが付いている。新しいヘルメットのデザインは、アークに曝露すると自動的に暗くなる液晶タイプのフェイスプレートを特徴としている。ポリ塩化ビニルプラスチックフィルムで作られた透明な溶接カーテンは、近くの作業員や傍観者をアークへの曝露から保護するためによく使用される。^[40]

溶接工は、有害なガスや空気中の粒子状物質にさらされることが多い。GMAWは、さまざまな種類の酸化物の粒子を含む煙を発生させ、粒子のサイズは煙の毒性に影響を与える傾向がある。粒子が小さいほど危険である。換気が不十分な場合、二酸化炭素とオゾンの濃度が危険となる可能性がある。その他の予防策としては、可燃物を作業場から遠ざけ、近くに消火器を置くことが挙げられる。^[41]

GMAWの3つの移行モードは、球状、短絡、スプレーである。これら3つの移行モードには、修正短絡やパルススプレーなど、いくつかのバリエーションが認められている。^[42]

球状金属移行を伴う GMAW は、高熱、溶接面の劣化、スパッタが発生しやすいため、3 つの主要な GMAW バリエーションの中で最も望ましくないと考えられています。この方法は、もともと GMAW を使用して鋼を溶接するコスト効率の高い方法として開発されました。このバリエーションでは、アルゴンよりも安価なシールド ガスである二酸化炭素が使用されるためです。経済的な利点に加えて、堆積速度が高く、最大 110 mm/s (250 in/min) の溶接速度が可能です。^[43]溶接が行われると、電極からの溶融金属のボールが電極の端に蓄積する傾向があり、多くの場合、電極自体よりも直径が大きい不規則な形状になります。最終的に、重力または短絡によって液滴が剥離すると、ワークピースに落下し、表面が不均一になり、スパッタが発生することがよくあります。^[44]溶融液滴が大きいため、このプロセスは一般に平らで水平な溶接位置に限定され、より厚いワークピースが必要になり、より大きな溶接プールになります。^{[45] [46]}

GMAW による鋼の溶接のさらなる開発により、ショート サーキット トランスファー (SCT) またはショート アーク GMAW と呼ばれるバリエーションが生まれました。このバリエーションでは、電流がグロビュラー法よりも低くなります。電流が低いため、ショート アーク バリエーションの熱入力が大幅に削減され、より薄い材料を溶接できると同時に、溶接領域の歪みと残留応力の量を減らすことができます。グロビュラー溶接と同様に、溶融液滴が電極の先端に形成されますが、ワイヤ送り速度が低いため、溶融液滴は溶接プールに落ちるのではなく、電極と溶接プールの間の隙間を橋渡しします。これにより短絡が発生し、アークが消えますが、溶接プールの表面張力によって溶融金属ビードが電極先端から引き離されると、すぐに再点火されます。このプロセスは 1 秒間に約 100 回繰り返されるため、人間の目にはアークが一定に見えます。このタイプの金属移行は、球状変形よりも溶接品質が良く、スパッタが少なく、あらゆる姿勢での溶接が可能ですが、溶接材料の堆積は遅くなります。溶接プロセスのパラメータ（ボルト、アンペア、ワイヤ供給速度）を比較的狭い範囲に設定することは、安定したアークを維持するために重要です。ほとんどのアプリケーションでは、通常、17〜22ボルトで100〜200アンペアです。また、ショートアーク移行を使用すると、アークエネルギーが低く、溶融池が急速に凍結するため、厚い材料を溶接するときに融合が不足し、浸透が不十分になる可能性があります。^[47]球状変形と同様に、鉄金属にのみ使用できます。^{[20] [48] [49]}

薄い材料の場合、短絡が検出されたときに電流を減らして 1 秒あたり多数の滴を生成する冷間金属転写(CMT) が使用されます。CMT はアルミニウムにも使用できます。 ^{[引用が必要]}

スプレー移行 GMAW は、GMAW で最初に使用された金属移行法であり、不活性シールドガスを使用しながらアルミニウムとステンレス鋼を溶接するのに適していました。この GMAW プロセスでは、溶接電極金属が安定した電気アークに沿って電極からワークピースに急速に移動し、本質的にスパッタがなくなり、高品質の溶接仕上がりになります。電流と電圧が短絡移行の範囲を超えて増加すると、溶接電極金属移行は、より大きな球状から小さな液滴を経て、最高エネルギーで蒸発した流れに移行します。^[50]この蒸発スプレー移行の GMAW 溶接プロセスでは、短絡移行よりも高い電圧と電流が必要であり、また、より高い熱入力とより大きな溶融池面積 (所定の溶接電極直径の場合) の結果として、通常は約 6.4 mm (0.25 インチ) を超える厚さのワークピースにのみ使用されます。^[51]

また、溶融池が大きいため、平らな水平溶接姿勢に限定されることが多く、垂直下向き溶接にも使用されることがあります。一般にルートパス溶接には実用的ではありません。^[52]より小さな電極を低い熱入力と組み合わせて使用​​すると、汎用性が向上します。スプレーアークGMAWの最大堆積速度は比較的高く、約600 mm / s（1500 in / min）です。^{[20] [43] [53]}

スプレー移行モードのバリエーションであるパルススプレーは、スプレー移行の原理に基づいていますが、パルス電流を使用してフィラーワイヤを溶かし、各パルスで 1 つの小さな溶融液滴を落下させます。パルスにより平均電流が低くなり、全体的な熱入力が減少するため、溶接プールと熱影響部のサイズが小さくなり、薄いワークピースの溶接が可能になります。パルスにより、短絡が発生しないため、安定したアークが得られ、スパッタが発生しません。これにより、このプロセスはほぼすべての金属に適しており、より太い電極ワイヤも使用できます。溶接プールが小さいため、バリエーションの汎用性が高くなり、あらゆる姿勢で溶接できます。ショートアーク GMAW と比較すると、この方法は最大速度がやや遅く (85 mm/秒または 200 インチ/分)、シールドガスは主に低二酸化炭素濃度のアルゴンである必要があります。さらに、1秒間に30～400パルスの電流パルスを供給できる特殊な電源が必要です。しかし、この方法は熱入力が少なく、薄いワークピースや非鉄金属の溶接にも使用できるため、人気が高まっています。^{[20] [54] [55] [56]}

フラックス入り、セルフシールド、またはガスレスワイヤ給電溶接は、簡便性と携帯性を考慮して開発されました。^[57]これは、従来の GMAW のガスシステムを回避し、固体フラックスを含む芯入りワイヤを使用します。このフラックスは溶接中に気化し、シールドガスの煙を生成します。「フラックス」と説明されていますが、この化合物はほとんど活性がなく、主に不活性シールドとして機能します。ワイヤの直径は、フラックスのためのスペースを確保するために、同等のガスシールド溶接よりもわずかに大きくなっています。最小の直径は 0.8 mm で、ソリッドワイヤの 0.6 mm と比較して小さくなっています。シールド蒸気は不活性ではなくわずかに活性であるため、プロセスは常に MAGS であり、MIG (不活性ガスシールド) ではありません。これにより、プロセスはアルミニウムではなく鋼に限定されます。^[要出典]

これらのガスレスマシンは、GMAWソリッドワイヤに通常使用されるDCEPではなく、DCENとして動作します。^[57] DCEP（DC Electrode Positive）は、溶接ワイヤを正に帯電した陽極（アークのより熱い側）にします。 [ ^58] DCENからDCEPに切り替え可能であれば、ガスシールドワイヤ供給機はフラックス入りワイヤにも使用できます。^[要出典]

フラックス入りワイヤは、従来のノズルからのシールドガスよりもシールドガスの煙が風で飛ばされにくいため、屋外の現場での溶接にいくつかの利点があると考えられています。^{[59] [60]}わずかな欠点は、SMAW（スティック）溶接と同様に、溶接ビード上にフラックスが堆積する可能性があるため、パス間のクリーニングプロセスが必要になることです。^[59]

フラックス入り溶接機は、機械が若干シンプルであることに加え、レンタルボンベや高価な使い捨てボンベによるシールドガス供給のコストを回避できるため、趣味レベルでは最も人気があります。^[59]

• フラックス入りアーク溶接
• 溶接工程一覧

• ブラント、ジェーン、バルチン、ナイジェル C. (2002)。溶接および関連プロセスにおける健康と安全。ケンブリッジ、イギリス: ウッドヘッド。ISBN 978-1-85573-538-5。
• ヒックス、ジョン（1999）。溶接ジョイント設計。インダストリアルプレス。ISBN 978-0-8311-3130-2。
• Minnick, William H. (2007).ガスメタルアーク溶接ハンドブック教科書. Tinley Park: Goodheart–Willcox . ISBN 978-1-59070-866-8。
• 溶接研究の動向。マテリアルズパーク、オハイオ州：ASMインターナショナル。2003年。ISBN 978-0-87170-780-2。

ウィキメディア・コモンズには、ガス金属アーク溶接に関連するメディアがあります。

• ESABプロセスハンドブック
• OSHA 安全衛生トピック - 溶接、切断、ろう付け
• ガスメタルアーク溶接における煙生成率 - 1999 年 Welding Journal の研究記事

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