高温ガス溶接

熱ガス溶接は、熱可塑性材料を接合するための手動プラスチック溶接プロセスです。熱ガストーチを使用して、接合面と溶接棒の両方に熱風を当て、材料を軟化温度まで加熱します。加熱された溶接棒に接合面への圧力を加えると、材料が結合して完全な溶接が形成されます。この技術は簡単に自動化できず、主に修理や小型または複雑な部品の個別の製造ニーズに使用されます。

高温ガス溶接で使用される一般的な溶接技術には、手溶接と高速溶接の 2 種類があります。実際の溶接プロセスを実行するために部品を所定の位置に配置するために、タック溶接が使用される場合があります。

手溶接は、溶接棒を溶接工が直接接合部に当てる技術です。これはフリーハンド溶接またはファン溶接とも呼ばれます。^[1]片手で高温ガストーチを操作して、溶接棒と接合部の表面の両方を振り子のように素早く連続して加熱します。圧力は溶接棒に加えられ、ノズルの助けを借りずに手で制御されます。この技術はほとんどの構成に適しており、溶接棒の適用が達成可能な溶接位置に限定されるため、狭くて制約のある領域や複雑な接合部設計の溶接に役立ちます。

スピード溶接では、特別に設計されたノズルを採用し、高温ガストーチと溶接棒を 1 つの結合システムにします。ノズルにより、溶接棒をフィーダー チューブを通してジョイントに適用できます。ノズルは溶接棒材料を均等に加熱し、制御された圧力の適用を可能にします。ノズルの底部は、ジョイント表面を加熱し、溶接棒を溝に導くように設計されています。ノズルは、特定の溶接棒の形状と寸法に対応するようにフィーダー チューブ用に製造されており、一般的なサイズの丸棒または三角形の棒に使用できます。ノズルのサイズとシステムの操作性のため、スピード溶接の使用は、単純なジョイント設計と方向のアプリケーションに限定されます。^[1]

ガス温度、適用圧力、溶接移動速度、ガス流量、トーチの向きはすべて、完成した溶接の完全性と機械的特性に影響します。ガス温度と流量は、システム入力に基づいて制御可能なパラメータです。適用圧力、溶接移動速度、トーチの向きはすべて、溶接を実行するオペレータに依存します。これらのパラメータは相互に関連しており、すべてが溶接の最終的な品質に大きな影響を与えます。

ガス温度は、溶接プロセスを開始する前に精度を監視する必要がある制御入力です。高温ガス温度は、材料の融点またはガラス転移温度を超える値に選択されます。材料の活性化エネルギーを克服するには十分な温度が必要であり、その結果、粘度が低下し、流動性が増加して溶接界面全体の拡散が促進されます。材料メーカーの推奨を超える高温に長時間さらされると、酸化、歪み、または分子劣化が発生し、接合部の破損につながる可能性があります。^[2]出力の校正と検証は、溶接ガン内のガス温度が安定した後に行う必要があります。スピードチップノズルは、特定の領域の接合部に直接熱を集中させ、溶接面への効果的な熱伝達を実現します。十分な溶接移動速度が維持されない場合、これらの溶接領域で材料のガラスまたは融点を超える推奨溶接温度を超え、欠陥につながる可能性があります。^[1]

溶接工程での熱膨張により、部品が適切に固定されていない場合、歪みが生じたり、溶接欠陥が生じたりする可能性があります。接合面の加熱が不十分なために溶け込み不足や融合不足が生じる可能性がある熱損失を避けるために、作業面の材質も考慮する必要があります。^{[1] [2]}

溶接棒と接合面を十分かつ均一に加熱するには、十分な高温ガス流量が必要です。流量は、送風機またはエアコンプレッサーを使用して制御できます。溶接部の汚染を防ぐには、供給される高温ガスに水分や不純物が含まれていてはなりません。個々の溶接ガンに内蔵されていない場合は、適切なサイズの送風機またはコンプレッサーを複数の高温ガストーチに使用できます。^[1]

高温ガス溶接中に溶接面に与えられる溶接エネルギーは、完成した接合部の全体的な強度を予測するために使用できます。溶接エネルギー ( E _w ) は、ガス温度と流量を使用して次の関係で決定されます。

${\displaystyle E_{w}={\frac {c_{p}{\bigl (}T_{2}-T_{1}{\bigr )}q_{v}\rho }{S_{w}}}}$

ここで、高温ガスパラメータには、比熱 ( c _p )、初期温度と最終温度 (それぞれT ₁とT ₂ )、体積流量 ( q _v )、密度 ( ) が含まれます。これらの特性は、溶接移動速度 ( S _w ) で割られます。^[2]半結晶性材料に関する研究では、表面への溶接エネルギー入力が高いほど、接合強度が高くなるという結論が出ています。^[2]溶接エネルギーが高いと、溶接表面の粘度が低くなります。表面の粘性が低いと、溶接界面全体で拡散が増加し、溶接が強くなりますが、粘度が高いと拡散がサポートされにくくなり、接合強度が低下する可能性があります。^[3]${\displaystyle \rho }$

高温ガスの特性は、溶接に使用される媒体の種類によって異なります。ほとんどの用途では空気が使用されます。場合によっては、他の溶接条件下では健康や安全上のリスクが生じる可能性がある場合、材料メーカーが二酸化炭素や窒素などの他の種類の高温ガスの使用を推奨することがあります。^[1]

適用圧力は、溶接の全体的な溶け込みと接合部の品質に影響を与えます。圧力は、溶接棒を介して直接、またはスピードチップノズルを介して手動で適用されます。^[3]溶接技術と接合部の設計はどちらも、溶接部に変換される圧力の量に影響を与えます。

圧力が不十分だと、溶接界面に多孔性が生じ、濡れ性が低下し、融合欠陥が欠如する可能性があります。高温のガスが溶接棒と接合面の間に閉じ込められ、気孔が形成される可能性があります。気孔の存在を減らす1つの方法は、高温のガスが逃げることができるルートギャップを接合設計の一部として確立することです。^[2]溶接の未融合領域と気孔の存在は、接合部の全体的な強度を大幅に低下させる可能性があります。

圧力の適用は、スピードチップを使用する場合に比べて手溶接では効果が低くなる可能性がありますが、どちらもオペレーターのスキルに依存します。ダブルVジョイント設計は、シングルVジョイントと比較して、より高い有効溶接圧力をかけるのに適しており、融合欠陥が発生しにくくなります。^[2]

溶接される部品の材料特性、高温ガス温度、溶接棒のサイズ、および使用される技術はすべて、溶接移動速度に影響します。高温ガス溶接は手作業であるため、このプロセスは通常、他の熱可塑性プラスチック溶接方法よりも遅くなります。スピードチップを使用すると、溶接移動速度を上げることができます。高温ガスを溶接表面に局在させることで、熱可塑性プラスチックの加熱が速くなり、流れやすくなるため、溶接速度を上げることができます。^[2]溶接速度が速すぎると、溶接棒が伸びて接合部が不均一になり、全体的な溶接強度が損なわれる可能性があります。速度が遅すぎると、長時間の高温暴露による溶接部の損傷が発生する可能性があります。

溶接トーチと溶接棒の向きの角度は、溶接技術、棒の材質、および接合部の設計によって異なります。

スピードチップ溶接中にジョイント溝に適切な位置合わせを維持しながら一定の圧力をかけるには、溶接者がグリップを高温ガスガンの下に配置することが推奨されます。十分な溶け込みと溶接品質は、溶接棒がフィーダーチューブを通して送られるときにわずかに圧力がかかり、同時に下向きの引っ張り運動が溶接パス全体にわたって一定の移動速度で維持されることで達成されます。^[1]

手溶接の場合、溶接棒の溝に対する向きは材料によって異なります。推奨される溶接棒の角度は、接合部に欠陥や余分な応力を生じさせずに適切な溶け込みを達成することに基づいて材料ごとに設定されています。正確な位置決めにより、ルートに目に見える「弓状波」効果が現れ、溶接界面全体に拡散が起こったことを示します。角度が適切でないと、加熱が不均一になり、溶接欠陥が発生したり、圧力が不十分になって強力な接合部を形成できなかったりする可能性があります。^[1]

工業用途では、高温ガス溶接プロセスは、EN 13067またはAWS B2.4に詳述されているプロセスの認定を受けた、訓練を受けた資格のあるオペレータによって正常に実行されます。^[3] EN 13067は、高温ガス溶接技術とプロセスを含む熱可塑性プラスチック溶接アセンブリの溶接者の資格に関する国際規格です。米国溶接協会（AWS）は、熱可塑性プラスチック溶接の手順とパフォーマンスの資格に関する米国規格としてAWS B2.4を発行しました。これらの規格は、さまざまな溶接状況で採用される適切な技術とジョイント設計を詳述しています。