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酸素燃料溶接（米国では一般的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）と酸素燃料切断は、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、エドモン・フーシェとシャルル・ピカールは、1903年に酸素アセチレン溶接を初めて開発しました。[ 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材料（鋼など）を局所的に溶融させます。
一般的なプロパン/空気炎は約2,250 K (1,980 °C; 3,590 °F)で燃焼し、[ 2 ]プロパン/酸素炎は約2,526 K (2,253 °C; 4,087 °F)で燃焼し、[ 3 ]酸素水素炎は3,073 K (2,800 °C; 5,072 °F)で燃焼し、アセチレン/酸素炎は約3,773 K (3,500 °C; 6,332 °F)で燃焼します。[ 4 ]
20世紀初頭、1920年代後半に鋼材に健全な溶接が可能な被覆アーク溶接電極が開発・普及する以前は、酸素アセチレン溶接が、当時商業的に使用されていたほぼすべての金属において、非常に高品質な溶接が可能な唯一の方法でした。これには、炭素鋼だけでなく、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム、マグネシウムなども含まれます。近年では、より高速な溶接が可能な様々なアーク溶接法が、ほぼすべての産業用途において酸素アセチレン溶接に取って代わり、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の溶接も可能になりました。
酸素アセチレン溶接は、金属工芸品や小規模な家庭工房、延長コードやポータブル発電機などによる電力供給が困難な状況において、現在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、手動ろう付け、金属成形、下地処理、局所熱処理において、依然として主要な熱源となっています。さらに、酸素燃料切断は、重工業、軽工業、修理作業など、幅広い分野で今もなお広く使用されています。
酸素燃料溶接では、溶接トーチを用いて金属を溶接します。金属の溶接は、2つの金属片を加熱して溶融金属のプールを形成することで行われます。この溶融プールには、通常、溶加材と呼ばれる追加の金属が供給されます。溶加材の選択は、溶接する金属の種類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着火温度まで加熱します。次に、酸素の流れを金属に当て、金属を金属酸化物に燃焼させ、それがドロスとして切断溝から流れ出します。[ 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使用するトーチ）は、酸素燃料トーチとはみなされず、通常は単一のタンクで識別できます（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）。単一タンクのトーチでは、ほとんどの金属を溶かすことができません。したがって、単一タンクのトーチは、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、以下の用途に使用されている、または使用されてきた。
要するに、酸素燃料装置は非常に汎用性が高く、鉄や鋼の溶接に好まれるだけでなく、ろう付け、ろう付け溶接、金属加熱（焼きなましや焼き戻し、曲げ加工や成形）、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、鉄系金属の切断にも広く用いられている。
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（通常はボンベに充填されている）、2つの圧力調整器、2本のフレキシブルホース（各ボンベに1本ずつ）、そしてトーチから構成される。このタイプのトーチは、はんだ付けやろう付けにも使用できる。ボンベは、専用の車輪付き台車で運搬されることが多い。
救助活動などのために、小型（スキューバダイビング用サイズ）のガスボンベをバックパックハーネスに装着して使用者の背中に背負う、酸素水素切断セットの例もある。
また、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（ガソリン）を使用します。これらは、気体燃料システムよりも切断能力が高く、また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使用されています。
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圧力と一致するようにします。流量は、作業者がトーチに取り付けられたニードルバルブを使用して調整します。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段階式です。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圧力が低下しても、一定の中間圧力でガスを放出します。これはスキューバダイビング用レギュレーターの第1段階と同様です。調整可能な第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つの圧力計があり、1つはシリンダー圧力、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合わせて大まかに目盛りが付けられている場合もありますが、正確な設定には圧力計の目盛りを確認する必要があります。
より簡素な、あるいは安価な酸素燃料レギュレーターの中には、単段式レギュレーター、あるいはゲージが1つしかないものもあります。単段式レギュレーターは、シリンダーが空になるにつれて出口圧力が低下する傾向があるため、手動での再調整が必要になります。少量使用の場合は、この簡略化は許容範囲内です。溶接用レギュレーターは、より簡素なLPG暖房用レギュレーターとは異なり、出口（ホース）圧力ゲージを保持しており、調整ノブの校正に依存しません。安価な単段式レギュレーターでは、シリンダー内容量ゲージが省略されている場合や、正確なダイヤルゲージの代わりに、より安価で精度が低い「昇降ボタン式」ゲージが使用されている場合があります。
これらのホースは、金属の溶接および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が接続された二重ホースまたはツインホース構造を使用できます。別々のホースを使用する場合は、約1メートル間隔でクリップで接続する必要がありますが、切断用途では推奨されません。切断作業で発生する溶融金属のビーズが、接続部分のホース間に挟まり、焼き切れて内部の加圧ガスが放出され、燃料ガスの場合は通常引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、酸素ホースは緑色、燃料ホースは赤色です。[ 6 ]英国やその他の国では、酸素ホースは青色（古い機器では黒色のホースがまだ見られる場合があります）、アセチレン（燃料）ホースは赤色です。[ 7 ]プロパンなどの液化石油ガス（LPG）燃料を使用する場合は、燃料ホースはオレンジ色でなければなりません。これは、LPGと互換性があることを示しています。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。
ホースのねじ込みコネクタは、誤って接続し直すことを防ぐために左右が分かれています。酸素ホースのねじは（通常通り）右ねじですが、燃料ガスホースのねじは左ねじです。[ 6 ]左ねじのナットには識別用の溝も刻まれています。
フレキシブルホースとリジッド継手間の気密接続は、バーブ付きスピゴットの上に圧着ホースクリップまたはフェルール（しばしば「O」クリップと呼ばれる）を使用して行われます。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であるだけでなく、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。爆轟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。通常逆流を防ぐ通常の逆止弁は、爆轟波がゲートを通過する前に閉じることができないため、爆轟波を止めることはできません。そのため、逆火防止器が必要です。これは、爆轟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。
酸素ラインと燃料ラインの両方において、レギュレーターとホースの間、そして理想的には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、炎や酸素・燃料混合気がいずれかのシリンダーに逆流して機器を損傷したり、シリンダーが爆発したりするのを防ぐ必要があります。
ヨーロッパでは、逆火防止器をレギュレーターに、逆止弁をトーチに取り付けるのが一般的である。アメリカでは、両方ともレギュレーターに取り付けるのが一般的である。
逆火防止装置は、下流からの衝撃波がホースを伝ってシリンダー内に逆流し、シリンダーが破裂するのを防ぎます。これは、装置内部（特にミキサーとブローパイプ／ノズル）には燃料／酸素混合物が大量に存在し、装置が正しく停止されないと爆発する可能性があるためです。また、アセチレンは過度の圧力や温度で分解します。圧力波によって逆火防止装置の下流で漏れが発生した場合、誰かがリセットするまで逆火防止装置は停止したままになります。
逆止弁は、ガスの流れを一方向にのみ制御します。通常は、バネによって片端に押し付けられたボールが入ったチャンバーで構成されています。ガスが一方向に流れるとボールが押し出され、流れが止まるか逆流するとバネがボールを入口に押し込み、入口を塞ぎます。逆火防止器と混同しないように注意が必要です。逆止弁は衝撃波を遮断するようには設計されていません。衝撃波は、ボールが入口から非常に遠い位置にあるときに発生する可能性があり、その場合、衝撃波はボールがオフ位置に到達する前にボールを通過してしまうからです。
トーチは、溶接作業を行う際に溶接工が手に持って操作する工具です。燃料ガス用の接続部とバルブ、酸素用の接続部とバルブ、溶接工が握るためのハンドル、燃料ガスと酸素が混合される混合室（傾斜した位置に設置）、そして炎が発生する先端部を備えています。トーチには、正圧式と低圧式（またはインジェクター式）の2つの基本的な種類があります。
溶接トーチヘッドは金属の溶接に使用されます。ノズルまで伸びるパイプが1本または2本のみであること、酸素噴射トリガーがないこと、そしてハンドル下部に酸素と燃料の流量をそれぞれ調整できる2つのバルブノブがあ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、酸素噴射のトリガーまたはレバーによって識別できます。
切断作業では、まず金属を炎で真っ赤になるまで加熱します。この温度に達したら、酸素噴射トリガーを押して加熱された部分に酸素を供給します。この酸素が金属と反応してさらに熱を発生させ、酸化物を形成します。この酸化物は切断箇所から吹き飛ばされます。切断作業を継続させるのは、この熱です。切断トーチは、切断作業を開始するための加熱を行うだけであり、その後の熱は燃焼中の金属によって供給されます。
酸化鉄の融点は、切断される金属の融点の約半分です。金属が燃焼すると、すぐに液状の酸化鉄となり、切断箇所から流れ出ます。しかし、一部の酸化鉄は加工物上に残り、硬い「スラグ」を形成します。このスラグは、軽く叩いたり、研磨したりすることで除去できます。
バラのつぼみ型トーチは、金属を曲げたり、まっすぐにしたりするなど、広い範囲を加熱する必要がある場合に使用されます。先端の炎がバラのつぼみのように見えることから、この名前が付けられました。溶接トーチは、錆びたナットやボルトなどの小さな部分を加熱するのにも使用できます。
一般的な酸素燃料トーチ（等圧トーチと呼ばれる）は、単に2種類のガスを混合するだけです。一方、インジェクタートーチでは、高圧の酸素がトーチヘッド内部の小さなノズルから噴射され、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。
酸素燃焼プロセスでは、さまざまな燃料ガス（または可燃性液体）が使用されるが、最も一般的なのはアセチレンである。その他に使用できるガスとしては、プロピレン、液化石油ガス（LPG）、プロパン、天然ガス、水素、MAPPガスなどがある。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を使用する。
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・溶接作業にも最適な燃料です。アセチレンガスは、ガスを溶解状態に保つように設計された特殊なボンベに入れて輸送されます。ボンベには多孔質材料（カポック繊維、珪藻土、または（以前は）アスベストなど）が詰められ、アセチレンはアセトンに溶解するため、容量の約50%までアセトンが充填されます。この方法は、 207キロパスカル（30ポンド/平方インチ）（絶対圧力）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必要です。
タンクが満タンのときの圧力は約1,700 kPa (247 psi)です。アセチレンは酸素と混合すると、 3,200～3,500 ℃ (5,790～6,330 °F )で燃焼し、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。燃料としてのアセチレンの主な欠点は、他の燃料と比較して価格が高いことです。
アセチレンは水深約10メートル（33フィート）に相当する圧力下では不安定であるため、水中での切断や溶接にはアセチレンではなく水素が用いられる。
試験の結果、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わかった。厚さが0.5インチ (13 mm)を超えると、切断速度は酸素アセチレンよりも速く、4.5インチ (110 mm)では3 倍速かった。[ 10 ]さらに、液体燃料蒸気は気体燃料の約 4 倍の密度である。液体が蒸気に変化する際の大きな体積膨張により高速の切断炎が生成され、切断炎は空隙 (板の間の空気の隙間) を横切って切断することができる。
酸素ガソリンバーナーは、古い鋼材に付着した塗料、汚れ、錆、その他の汚染物質も切断できます。このシステムは切断時にほぼ100%の酸化を実現し、溶融鋼がスラグ中にほとんど残らないため、切断された材料同士がくっつくのを防ぎます。ガソリンバーナーの運転コストは、プロパンやアセチレンを使用する場合に比べて、通常75～90%低くなります。
ガソリンは加圧タンク（手動ポンプまたはガスボンベから供給可能）または非加圧タンクから供給でき、加圧された酸素の流れによって生じるベンチュリ効果により燃料がトーチに吸い込まれる。[ 10 ]アジアの宝石職人がよく使う別の低コストな方法は、足踏み式エアポンプでガソリン容器に空気を送り込み、その燃料と空気の混合物を特殊な溶接トーチで燃焼させることである。
水素はクリーンな炎を持ち、アルミニウムへの使用に適しています。アセチレンよりも高い圧力で使用できるため、水中溶接や切断に便利です。大量の材料を加熱する際に使用するのに適した炎です。炎の温度は高く、 大気圧下で空気中の水素ガスでは約2,000℃、[ 11 ]純酸素と2:1の比率で事前に混合した場合（オキシ水素）は最大2,800 ℃になります。
酸素水素トーチの中には、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を生成するものがあります。この種のトーチの種類は以下のとおりです。
メチルアセチレンプロパジエン（MAPP）ガスとLPGガスは、LPGガスがMPSと混合された液化石油ガスであるため、類似した燃料です。貯蔵および輸送特性はLPGと同様で、発熱量はアセチレンよりわずかに低くなっています。小売店で販売するために小型容器で輸送できるため、趣味家や大手産業企業、造船所などで使用されています。これは、 アセチレンのように15psi以上の高圧下でも重合しないため、アセチレンよりもはるかに危険性が低いからです。
さらに、圧縮性が高いため、タンクに多くのガスを一度に貯蔵できるため、一箇所に保管できる量も増えます。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300mm厚の鋼材を切断できる大容量酸素燃料切断トーチでは、40～50psiもの高圧で使用できる場合もあります。同程度の温度に達する他の溶接ガスは、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、溶接用途よりも切断用途に特に推奨されます。
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／プロパジエン分解装置を閉鎖しました。同工場は北米で唯一のMAPPガス製造工場であったため、ダウ社とヴァレンヌ社の製品を再パッケージ化した多くの企業が代替品を導入しました。これらの代替品のほとんどはプロピレンです（下記参照）。
プロピレンは、製造現場における溶接や切断に使用されます。切断特性はプロパンとよく似ています。プロピレンを使用する場合、トーチの先端を洗浄する必要はほとんどありません。プロピレンを使用する際には、等圧トーチよりもインジェクタートーチ（プロパンの項を参照）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といった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しないため、よく混合されます。ブタンの沸点は0.6 ℃（33.1 °F）です。プロパンはより揮発性が高く、沸点は-42 ℃（-44 °F）です。沸点以上の温度では気化が速くなります。両者の発熱量はほぼ同じです。そのため、エンドユーザーが必要とする蒸気圧を得るために、また周囲の環境条件に応じて、両者を混合します。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。
プロパンは内側の円錐部ではアセチレンほど高温にならないため、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は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に切断でき、加熱や曲げ加工にはアセチレンよりもはるかに有用です。
酸素中のプロパンの最大中性炎温度は2,822 °C (5,112 °F)です。[ 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）の板を切断する際の運転コストの比較です。コストは、2012年5月の酸素と各種燃料の平均コストに基づいています。ガソリンを使用した場合の運転コストは、プロパンを使用した場合の25%、アセチレンを使用した場合の10%でした。数値は、酸素や燃料の供給源、切断の種類、切断環境や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に必要な熱を発生させます。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われる用語は「燃焼」です。水素の場合、燃焼生成物は水です。他の炭化水素燃料の場合は、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、熱が発生します。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「焼き切る」のに必要な熱のほぼすべてが発生します。
酸素は通常、液化空気の蒸留によって別の場所で製造され、約21,000 kPa（3,000 lbf/in² = 200気圧）の高圧容器（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、デュワー瓶型容器（大型の魔法瓶 のようなもの）に入れて液体として輸送されることもあります。
空気を加圧し、窒素を選択的に吸着して酸素（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可能です。これにより、約93%の純度の酸素が得られます。この方法はろう付けには適していますが、切断時にスラグのないきれいな切断面を得るには、より高純度の酸素が必要です。
溶接工は、酸素アセチレン炎を浸炭（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で行います。中性炎は、溶接や切断時に最も一般的に使用される炎です。中性炎は定義が非常に容易であるため、溶接工は他のすべての炎調整の出発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けて、最初に2つの炎の領域だけが見え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中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、淡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、鋼鉄を容易に溶かすのに十分な熱を提供します。[ 5 ]内側の円錐では、アセチレンが分解され、部分的に燃焼して水素と一酸化炭素になり、外側の円錐で周囲の空気からさらに酸素と結合して燃焼します。
アセチレンが過剰になると、還元炎（炭化炎とも呼ばれる）が発生します。この炎は、高温の内側コーン、白熱した「アセチレンフェザー」、青色の外側コーンという3つの炎ゾーンによって特徴づけられます。これは、燃焼中のアセチレンに酸素を初めて加えたときに観察される炎の種類です。フェザーは、炎に酸素を徐々に加えることで調整され、小さくなっていきます。溶接フェザーは、内側の炎コーンの長さをXとした場合、2Xまたは3Xで測定されます。
未燃焼の炭素が炎を断熱し、温度を約5,000 °F (2,760 °C)まで下げます。還元炎は通常、肉盛り溶接や裏側からのパイプ溶接に使用されます。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生じることで発生します。この炭素の一部は溶融金属に溶解して炭化します。炭化炎は存在する可能性のある酸化鉄から酸素を除去する傾向があり、この事実からこの炎は「還元炎」として知られています。[ 5 ]
酸化炎は、3 番目に可能な炎の調整です。これは、中性炎に必要な酸素とアセチレンの比率を変更して酸素を過剰に供給した場合に発生します。このタイプの炎は、溶接工が中性炎に酸素を追加したときに観察されます。この炎は、可燃性ガスが必要な量の酸素を探すために遠くまで行く必要がなく、熱的に不活性な炭素をそれほど加熱しないため、他の 2 つの炎よりも高温になります。[ 5 ]金属への影響から、酸化炎と呼ばれています。この炎の調整は、一般的には好まれません。酸化炎は、ほとんどの金属の構造的および機械的に有害な望ましくない酸化物を生成します。酸化炎では、内側の円錐が紫色を帯び、先端が縮んで小さくなり、炎の音が荒くなります。わずかに酸化する炎は、ろう付け溶接や青銅表面処理に使用され、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、トーチのバルブや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、基本的には先端部の開口部の大きさに依存します。実際には、まず作業内容に合わせて先端部を選び、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。
母材に炎を当て、溶融金属の小さなプールが形成されるまで加熱を続けます。プールは、溶接ビードを形成したい経路に沿って移動されます。通常、移動中のプールには、溶接棒または溶加棒から金属を浸して追加します。溶融金属のプールは、金属が最も高温になっている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によって実現されます。
金属に加わる熱量は、溶接チップのサイズ、溶接速度、および溶接姿勢によって決まります。炎の大きさ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。
酸素アセチレン溶接におけるガス圧は、メーカーの推奨に従って設定されます。溶接工は、溶接ビードの幅を均一に保つために、溶接移動速度を調整します。均一性は、優れた仕上がりを示す品質特性です。熟練した溶接工は、溶接の開始時と終了時でビードのサイズを同じに保つように指導されます。ビードが広すぎる場合は、溶接移動速度を上げます。ビードが狭すぎる場合、または溶融池が消失した場合は、溶接移動速度を落とします。垂直または頭上位置での溶接は、通常、水平または平面位置での溶接よりも時間がかかります。
溶接工は溶融池に溶加棒を加えなければなりません。溶加棒を溶融池に加えていないときは、溶加棒を高温の外側の炎のゾーンに留めて、溶加棒の酸化を防ぐ必要があります。溶接炎で溶加棒が燃え尽きないようにしてください。溶加棒が母材に溶け込まず、母材上に冷たい点がいくつも残ってしまいます。冷たい溶接では強度がほとんど得られません。溶加棒が溶融池に適切に加えられると、溶接部は元の母材よりも強度が高くなります。
鉛の溶接、または「鉛の焼き付け」は、19 世紀にはパイプの接続やタンクを作るためにずっと一般的でした。高度な技術が必要ですが、すぐに習得できます。[ 16 ]今日の建築では、鉛のフラッシングを溶接することもあります。しかし、アメリカでは銅のフラッシングをはんだ付けする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、反りや過剰な熱が副産物として発生するため、酸素アセチレンガストーチ溶接は板金の溶接にはほとんど使用されませんでした。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結果が生じていました。1970 年代以降、高強度鋼が自動車製造の標準になると、電気溶接が好ましい方法になりました。1980 年代以降、工業化された世界では、酸素アセチレントーチ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供給します。単一の炎ではなく複数の予熱炎を使用することで、ノズルの位置やトーチが切断方向となす角度を変更することなく、切断方向を希望どおりに変更できるだけでなく、予熱バランスも向上します。[ 5 ]メーカーは、MAPP、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。
炎の目的は金属を溶かすことではなく、発火温度まで上げることである。
トーチのトリガーを引くと、中央の噴射口から3本目のチューブを通して高圧の酸素がワークピースに噴射され、金属が燃焼し、溶融した酸化物が反対側に吹き出されます。理想的な切断幅は、ワークピースの両側に鋭いエッジを持つ狭い隙間です。ワークピースを過熱して溶かしてしまうと、エッジが丸みを帯びてしまいます。
切断は、鋼材のエッジまたは先端面（丸棒などの形状を切断する場合）を予熱ジェットのみを使用して発火温度（ほぼ鮮やかな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て鉄を急速に酸化して溶融酸化鉄を生成し、切断を行います。ワークピースの中央で切断を開始することは、ピアシングとして知られています。
ここでいくつか注目すべき点がある。
基本的な酸素アセチレン装置の場合、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。大きな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くて小さく、静かで、使用にほとんど労力を必要としませんが、アングルグラインダーは重くてうるさく、オペレーターにかなりの労力が必要で、激しく振動して手がこわばり、長期的に振動による白指症を引き起こす可能性があります。酸素アセチレントーチは、 200 mm (7.9インチ)を超える鉄材料を容易に切断できます。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。
ロボット式酸素燃料切断機は、高速拡散ノズルを使用することがある。これは、酸素ジェットが噴射経路に沿ってわずかに広がる構造になっている。これにより、圧縮された酸素が噴射時に膨張し、平行ボアノズルよりも広がりの少ない高速ジェットが形成されるため、よりきれいな切断が可能となる。これらの切断機は、ワークピース上への非常に正確な位置決めが必要となるため、手作業による切断には使用されない。大型鋼板からほぼあらゆる形状の切断が可能なため、造船業をはじめとする多くの産業において、将来性は確固たるものとなっている。
酸素プロパンバーナーは、コスト削減のためにスクラップの切断によく使用されます。LPGはアセチレンよりもジュールあ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非常にきれいな切断面は得られません。また、プロパンは製造現場で、非常に大きな部材の切断にも使用されます。
酸素アセチレンは、低炭素鋼から中炭素鋼、および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、切断時に発生するスラグが火花として飛び散らず、切断箇所付近のきれいな溶融金属と混ざり合うため、切断が困難です。これにより、酸素がきれいな金属に到達して燃焼するのを防ぎます。鋳鉄の場合、結晶粒間の黒鉛と結晶粒自体の形状がトーチの切断作用を妨げます。ステンレス鋼も、材料が容易に燃焼しないため、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くないと考えられていますが、以下のような多くの注意すべき安全上のポイントがあります。
溶接作業中は、眩しさや飛び散る火花から目を守るため、溶接用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。溶接作業者を保護するとともに、白熱したフラックスから発せられる黄橙色の閃光を通して視界を確保するため、特別な安全眼鏡を使用しなければなりません。1940年代には、コバルト溶解作業用の眼鏡が製鉄所から借り受けられ、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だったため、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ジミウム眼鏡も、過剰な赤外線、青色光、不十分な遮光による眼の問題を多くの人が訴えるまで、使用されていました。今日では、特にアルミニウムのガス溶接用に設計された非常に優れた眼の保護具が見つかります。これは、ナトリウムのオレンジ色のフレアを完全に遮断し、ANSI Z87-1989 特殊用途レンズの安全基準に従って、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、または移動式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、満タン時にガスが21 MPa (3,000 psi ; 210 atm )の圧力で貯蔵されているため、特に危険です。タンクが倒れてバルブが損傷すると、圧縮された酸素がシリンダーから高速で噴出し、タンクが飛び散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可能性があります。[ 19 ] このため、酸素タンクはバルブキャップをねじ込んで固定せずに移動させてはいけません。
酸素アセチレントーチシステムには、タンクバルブ、レギュレーターバルブ、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備わっています。レギュレーターは、タンク内の高圧ガスを溶接に適した低圧の流れに変換します。アセチレンボンベは、内部のアセトンとアセチレンが充填材中で分離するのを防ぐため、直立した状態で維持する必要があります。[ 20 ]
溶接作業におけるあまり知られていない危険の一つに、有害化学物質への曝露があります。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被害を引き起こす可能性があります。有害な化学物質は、燃料、加工対象物、または加工対象物の保護コーティングから発生する可能性があります。溶接環境周辺の換気を強化することで、あらゆる発生源からの有害化学物質への曝露を大幅に低減できます。
溶接で最も一般的に使用される燃料はアセチレンであり、これは2段階の反応を起こします。最初の化学反応では、アセチレンが酸素の存在下で解離し、熱、一酸化炭素、水素ガスを生成します。C₂H₂ + O₂ → 2CO + H₂ 。続いて、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を生成する二次反応が起こります。二次反応で最初の反応の反応物がすべて燃焼しない場合、溶接プロセスでは大量の一酸化炭素が発生することがよくあります。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。
ほぼすべての金属は、何らかの合金でできています。銅、アルミニウム、その他の卑金属は、毒性の強いベリリウムと合金化されることがあります。このような金属を溶接したり切断したりすると、高濃度の有毒なベリリウムガスが発生します。ベリリウムに長期間曝露すると、息切れ、慢性的な咳、著しい体重減少に加え、疲労感や全身倦怠感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他の合金元素も、曝露した人に健康被害をもたら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ている防錆コーティングです。亜鉛、カドミウム、フッ化物は、鉄や鋼の酸化を防ぐためによく使用されます。亜鉛メッキされた金属は、非常に厚い亜鉛コーティングが施されています。酸化亜鉛の蒸気にさらされると、「金属ヒューム熱」と呼ばれる病気を引き起こす可能性があります。この症状は24時間以上続くことはまれですが、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同様に、高濃度の酸化亜鉛にさらされると、発熱、悪寒、吐き気、咳、倦怠感などの症状が現れます。
逆火とは、酸素燃料溶接および切断システムのホース内で炎が逆流する状態のことです。このような状況を防ぐために、通常は逆火防止器が使用されます。[ 22 ]炎がホース内で逆方向に燃え、ポンポンという音やキーキーという音が発生します。ホース内で爆発が起こり、作業者に怪我を負わせたり、死亡させたりする可能性もあります。推奨圧力よりも低い圧力を使用すると、逆火が発生する可能性があります。