シールドアーク溶接

シールドメタルアーク溶接（SMAW）は、手動メタルアーク溶接（MMAまたはMMAW）、フラックスシールドアーク溶接^[1] 、または非公式にはスティック溶接とも呼ばれ、フラックスで覆われた消耗電極を使用して溶接を行う 手動アーク溶接プロセスです。

溶接電源からの交流または直流の形の電流は、電極と接合する金属の間に電気アークを形成するために使用されます。ワークピースと電極は溶けて溶融金属のプール（溶接プール）を形成し、それが冷却されて接合部を形成します。溶接が行われると、電極のフラックスコーティングが分解して、シールドガスとして機能する蒸気を放出し、スラグ層を提供します。これらの両方が、大気汚染から溶接領域を保護します。

シールドメタルアーク溶接は、そのプロセスの汎用性と、その装置と操作の単純さから、世界初かつ最も人気のある溶接プロセスの1つです。保守・修理業界では他の溶接プロセスよりも主流であり、フラックス入りアーク溶接の人気が高まっていますが、SMAWは引き続き重鋼構造物の建設や工業製造で広く使用されています。このプロセスは主に鉄鋼（ステンレス鋼を含む）の溶接に使用されますが、アルミニウム、ニッケル、銅合金もこの方法で溶接できます。^[2]

1800年にハンフリー・デービー^{[3] [4]}が短パルス電気アークを発見し、1802年にヴァシリー・ペトロフ[4] [5]が連続電気アークを発見した後、オーギュスト・^ド・メリタンスが1881年に特許を取得したカーボンアークトーチを開発するまで、電気溶接はほとんど発展しませんでした。^[1]

1885年、ニコライ・ベナルドスとスタニスワフ・オルシェフスキが炭素アーク溶接を開発し、^[6] 1887年に原始的な電極ホルダーを示す米国特許を取得しました。1888年には、ニコライ・スラビャノフが消耗金属電極を発明しました。その後1890年に、CLコフィンが金属電極を使用するアーク溶接法で米国特許428,459を取得しました。このプロセスは、SMAWと同様に、溶融した電極金属を溶接部にフィラーとして堆積させます。^[7]

1900年頃、アーサー・パーシー・ストロメンガーとオスカー・ケルバーグが最初のコーティング電極を発売した。ストロメンガーは粘土と石灰のコーティングでアークを安定させ、ケルバーグは鉄線を炭酸塩とケイ酸塩の混合物に浸して電極をコーティングした。^[8] 1912年、ストロメンガーは厚くコーティングされた電極を発売したが、コストが高く製造方法が複雑だったため、これらの初期の電極は普及しなかった。1927年、押し出しプロセスの開発によりコーティング電極のコストが下がり、メーカーは特定の用途向けに設計されたより複雑なコーティング混合物を製造できるようになった。1950年代、メーカーはフラックスコーティングに鉄粉を導入し、溶接速度を上げることが可能になった。^[9]

1945年、カール・クリスティアン・マスデンは、現在重力溶接として知られる自動化されたSMAWのバリエーションを説明した。^{[10]これは、}日本の造船所での使用が宣伝され、1960年代に一時的に人気を博したが、今日ではその用途は限られている。このプロセスのもう1つのあまり使用されていないバリエーションである爆竹溶接は、オーストリアのジョージ・ハーファーグートによって同時期に開発された。^[11] 1964年、この技術を通信ツールとして使用することを目的として、ベル研究所でレーザー溶接が開発された。大きなエネルギーの力と小さな焦点領域の組み合わせにより、このレーザーは切断や工具加工用の強力な熱源となった。^[12]

電気アークを発生させるには、電極を母材に軽く触れさせて電極をワークピースに接触させます。次に、電極をわずかに引き戻します。これによりアークが発生し、ワークピースと消耗電極が溶けて、電極の液滴が電極から溶接プールに流れます。アークの発生は電極とワークピースの構成によって大きく異なり、初心者にとって最も難しいスキルになる可能性があります。ほとんどの人がつまずくのは、ワークピースに対する電極の向きです。電極をワークピースに対して垂直に保持すると、先端が金属にくっつき、電極がワークピースに溶けて、ワークピースが急速に加熱されます。電極の先端はワークピースに対してより低い角度にする必要があります。そうすることで、溶接プールがアークから流れ出ます。電極が溶けると、フラックスの被覆が崩壊し、溶接領域を酸素やその他の大気ガスから保護するシールドガスを放出します。さらに、フラックスは溶融スラグを生成し、これが電極から溶接プールに移動する間にフィラーを覆います。溶接プールの一部となったスラグは表面に浮かび、凝固する際に溶接部を汚染から保護します。固まったスラグは削り落とさなければならず、完成した溶接部を露出させることができません。溶接が進み電極が溶けると、溶接工は定期的に溶接を中止し、残った電極スタブを取り除き、新しい電極を電極ホルダーに挿入する必要があります。この作業とスラグの削り落としにより、溶接工が溶接を敷設する時間が短縮され、SMAW は最も効率の悪い溶接プロセスの 1 つとなっています。一般に、オペレーター係数、つまりオペレーターが溶接を敷設する時間の割合は、約 25% です。^[13]

実際に使用される溶接技術は、電極、ワークピースの構成、溶接される接合部の位置によって異なります。電極と溶接位置の選択によっても溶接速度が決まります。フラット溶接は、オペレーターのスキルをほとんど必要とせず、すぐに溶けてゆっくり固まる電極で行うことができます。これにより、より高速な溶接が可能になります。^{[引用が必要]}

傾斜溶接、垂直溶接、逆さ溶接には、より高度な作業技術が必要であり、溶融金属が溶接プールから流れ出るのを防ぐために、凝固が早い電極の使用が必要になることが多い。しかし、これは通常、電極の溶融速度が遅くなるため、溶接に必要な時間が長くなることを意味する。^[14]

SMAW に関連する最も一般的な品質問題には、溶接スパッタ、気孔、融合不良、浅い溶け込み、および割れなどがあります。^{[引用が必要]}

溶接スパッタは溶接の完全性には影響しないものの、外観を損ない、清掃コストを増加させます。溶融スプラッタの発生により美観が損なわれるため、二次仕上げサービスが必要になることがよくあります。^[15]これは、過度に高い電流、長いアーク、またはアーク吹きによって引き起こされる可能性があります。アーク吹きは、磁力によって電気アークが溶接プールから逸らされる直流に関連する状態です。アーク吹きは、特に低水素電極が使用されている場合、接合部の汚染、高い溶接速度、長い溶接アークと同様に、溶接部に多孔性を引き起こす可能性があります。^[16]

溶接強度に欠陥があると、溶接部に亀裂が生じやすくなります。溶接ビードの多孔性は深刻な弱化を引き起こす可能性があり、多くの場合、高度な非破壊検査方法でのみ検出できます。多孔性は、溶接フラックスによって生成されたガスが溶融溶接金属を十分に保護していない場合に発生します。露出しすぎた溶接ビードは、大気中の窒素、酸素、水素を吸収します。これらのガスは溶接ビード内に小さな空隙を形成し、溶接部が冷却される間に放出されます。融合不良も溶接部の強度に影響し、多くの場合簡単に目視できます。これは、低電流、接合面の汚染、または不適切な電極の使用によって引き起こされます。^{[出典が必要]} 浅い溶接は強度が弱いため、溶接速度を下げたり、電流を上げたり、より小さな電極を使用したりすることで軽減できます。

割れが発生しやすい他の要因としては、特に低水素電極と予熱が採用されていない場合、母材中の炭素、合金、硫黄の含有量が高いことが挙げられます。さらに、ワークピースは過度に拘束されるべきではありません。そうしないと、加熱と冷却によりワークピースが膨張したり収縮したりする際に、ワークピース（特に溶接部）に残留応力が生じます。溶接部が冷却して収縮すると、この残留応力によって溶接部に割れが生じる可能性があります。^[17]

SMAW 溶接は、他の溶接方法と同様に、適切な予防措置を講じなければ危険で不健康な作業になりかねません。このプロセスではオープン電気アークが使用されるため、火傷の危険がありますが、厚手の革手袋や長袖ジャケットなどの個人用保護具を着用することで防ぐことができます。さらに、溶接エリアの明るさにより、アークアイまたはフラッシュバーンと呼ばれる症状を引き起こす可能性があります。この症状では、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ります。この曝露を防ぐために、暗いフェイスプレートを備えた溶接ヘルメットを着用します。近年では、大量の紫外線に曝露すると自動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製造されています。特に産業環境では、傍観者を保護するために、半透明の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、近くの作業員を電気アークからの紫外線曝露から保護しますが、ヘルメットに使用されるフィルターガラスの代わりに使用しないでください。^[18]

さらに、気化する金属やフラックス材料は、溶接工を危険なガスや粒子状物質にさらします。発生する煙には、さまざまな種類の酸化物の粒子が含まれています。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です。さらに、二酸化炭素やオゾンなどのガスが形成される可能性があり、換気が不十分な場合は危険です。最新の溶接マスクには、有害な煙を拡散させるために電動ファンが取り付けられているものもあります。^[19]

シールドメタルアーク溶接は、世界で最も人気のある溶接方法の1つであり、一部の国では溶接全体の半分以上を占めています。その汎用性とシンプルさから、特に保守・修理業界で主流であり、鉄骨構造物の建設や工業製造で多用されています。近年では、建設業界でフラックス入りアーク溶接が普及し、産業環境ではガスメタルアーク溶接が普及したため、シールドメタルアーク溶接の使用は減少しています。しかし、機器コストが低く、適用範囲が広いため、この方法は、特に特殊な溶接方法が経済的でなく不要なアマチュアや中小企業の間では、今後も人気が続くと思われます。^[20]

SMAWは、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、ダクタイル鋳鉄の溶接によく使用されます。非鉄金属ではあまり一般的ではありませんが、ニッケル、銅、それらの合金、まれにアルミニウムにも使用できます。溶接される材料の厚さは、主に溶接工のスキルによって下限が制限されますが、1.5 mm (0.06 インチ) を下回ることはほとんどありません。上限はありません。適切な接合部の準備と複数のパスの使用により、事実上無制限の厚さの材料を接合できます。さらに、使用する電極と溶接工のスキルに応じて、SMAWはどの位置でも使用できます。^[21]

シールドメタルアーク溶接装置は、通常、定電流溶接電源と電極で構成され、電極ホルダー、アースクランプ、およびこれら2つを接続する溶接ケーブル（溶接リードとも呼ばれる）が付いています。^[22]

SMAW で使用される電源は定電流出力を備えており、アーク距離と電圧が変化しても電流 (したがって熱) が比較的一定に保たれます。これは、SMAW のほとんどのアプリケーションが手動で行われ、オペレーターがトーチを保持する必要があるため重要です。代わりに定電圧電源を使用すると、劇的な熱変動が発生し、溶接が困難になるため、適切に安定したアーク距離を維持することが困難になります。ただし、電流は完全に一定に維持されないため、熟練した溶接工は複雑な溶接を行う際にアーク長を変えて電流にわずかな変動を引き起こすことができます。^[23]

SMAW システムの好ましい極性は、主に使用される電極と溶接の望ましい特性によって決まります。負に帯電した電極 (DCEN) を使用した直流では、母材に熱が蓄積され、^[24]電極の溶融速度が上昇し、溶接の深さが減少します。極性を反転して電極が正に帯電し (DCEP)、ワークピースが負に帯電すると、溶接の溶け込みが増加します。交流では、極性が 1 秒間に 100 回以上変化し、均一な熱分布が生まれ、電極の溶融速度と溶け込みのバランスが保たれます。^[25]

通常、SMAW に使用される機器は、降圧トランスと、直流モデルの場合は交流を直流に変換する整流器で構成されています。溶接機に通常供給される電力は高電圧交流であるため、溶接トランスは電圧を下げて電流を増やすために使用されます。その結果、たとえば 220 Vで 50 Aではなく、トランスによって供給される電力は、最大 600 A の電流で約 17～45 V になります。この効果を生み出すために、複数のコイルやインバーター機など、さまざまなタイプのトランスを使用できます。それぞれが異なる方法で溶接電流を制御します。複数のコイルタイプは、コイルの巻き数を変える (タップ型トランスの場合) か、一次コイルと二次コイルの距離を変える (可動コイルまたは可動コアトランスの場合) ことで電流を調整します。より小型で持ち運びに便利なインバーターは、電子部品を使用して電流特性を変更します。^[26]

発電機やオルタネーターは、ポータブル溶接電源としてよく使用されますが、効率が低くコストが高いため、産業界ではあまり使用されていません。また、燃焼エンジンを電源として使用すると複雑なため、メンテナンスも難しくなる傾向があります。しかし、ある意味では、発電機やオルタネーターの方が簡単です。ACまたはDCのいずれかを供給できるため、別の整流器を使用する必要はありません。^[27]ただし、エンジン駆動ユニットは、溶接を屋外で行う必要があることが多い現場作業や、変換できる電源がないため変圧器タイプの溶接機が使用できない場所では最も実用的です。^[要出典]

一部のユニットでは、オルタネーターは基本的に主電源を供給するポータブル発電機で使用されているものと同じで、50 または 60 Hz のグリッド周波数のまま、より低い電圧でより高い電流を生成するように改造されています。高品質のユニットでは、より多くの極を持つオルタネーターが使用され、400 Hz などのより高い周波数で電流を供給します。高周波波形がゼロ付近に費やす時間が短いため、安価なグリッド周波数セットやグリッド周波数主電源ユニットよりも、安定したアークを点弧して維持することがはるかに容易になります。^{[引用が必要]}

SMAW の電極の選択は、溶接材料、溶接位置、および望ましい溶接特性など、いくつかの要因によって異なります。電極はフラックスと呼ばれる金属混合物でコーティングされており、フラックスは分解するとガスを放出して溶接部の汚染を防ぎ、脱酸素剤を導入して溶接部を浄化し、溶接保護スラグを形成し、アーク安定性を向上させ、合金元素を提供して溶接品質を向上させます。^[28]電極は 3 つのグループに分けられます。すばやく溶けるように設計されたものは「高速充填」電極、すばやく固まるように設計されたものは「高速凍結」電極、中間電極は「充填凍結」または「高速追従」電極と呼ばれます。高速充填電極は、溶接速度を最大化できるようにすばやく溶けるように設計されており、高速凍結電極は、すばやく固まるフィラー金属を供給し、固まる前に溶接プールが大きくずれるのを防ぐことで、さまざまな位置での溶接を可能にします。^[29]

電極コアの組成は、一般的には母材と似ており、時には同一の場合もあります。しかし、実現可能な選択肢は数多くありますが、合金組成のわずかな違いが、結果として得られる溶接部の特性に大きな影響を与える可能性があります。これは、HSLA鋼などの合金鋼の場合に特に当てはまります。同様に、母材と同様の組成の電極は、アルミニウムや銅などの非鉄材料の溶接によく使用されます。^[30]ただし、母材とは大幅に異なるコア材料の電極を使用することが望ましい場合もあります。たとえば、ステンレス鋼電極は、2つの炭素鋼を溶接するために使用されることがあり、ステンレス鋼ワークピースと炭素鋼ワークピースを溶接するためによく使用されます。^[31]

電極コーティングは、ルチル、フッ化カルシウム、セルロース、鉄粉など、さまざまな化合物で構成できます。25%～45%のTiO ₂でコーティングされたルチル電極は、使いやすさと溶接部の見栄えの良さが特徴です。しかし、水素含有量の高い溶接部を生成し、脆化や割れを招きます。フッ化カルシウム (CaF ₂ ) を含む電極は、塩基性電極または低水素電極とも呼ばれ、吸湿性があり、乾燥した状態で保管する必要があります。強力な溶接部を生成しますが、接合面は粗く凸状になります。セルロースでコーティングされた電極は、特にルチルと組み合わせると、溶接の溶け込みが深くなりますが、水分含有量が高いため、割れの過度のリスクを防ぐために特別な手順を使用する必要があります。最後に、鉄粉は一般的なコーティング添加剤であり、電極が溶接接合部を満たす速度を最大2倍まで上げます。^[32]

異なる電極を識別するために、アメリカ溶接協会は電極に4桁または5桁の番号を割り当てるシステムを確立しました。軟鋼または低合金鋼で作られた被覆電極には、接頭辞Eが付き、その後に番号が続きます。番号の最初の2桁または3桁は、溶接金属の引張強度を1平方インチ当たり千ポンド(ksi) で指定します。最後から2番目の桁は通常、電極で許容される溶接姿勢を示し、通常は値 1 (通常は急速凍結電極で全姿勢溶接を意味する) と 2 (通常は急速充填電極で水平溶接のみを意味する) を使用します。溶接電流と電極被覆の種類は、最後の2桁を合わせて指定します。該当する場合は、電極によって提供される合金元素を示す接尾辞が使用されます。^[33]

一般的な電極には、DCEPを使用して操作される、最小引張強度60 ksi（410  MPa）の高速凍結全姿勢電極であるE6010があり、ワークピースの軽い錆や酸化物を燃やすことができる強力なアークで深い溶接溶け込みを提供します。E6011は、フラックスコーティングによりDCEPに加えて交流で使用できることを除いて類似しています。E7024は高速充填電極で、主にAC、DCEN、またはDCEPを使用して平面または水平隅肉溶接を行うために使用されます。充填凍結電極の例には、E6012、E6013、およびE7014があり、いずれも高速溶接速度と全姿勢溶接の間の妥協点を提供します。^[34]

SMAW はほぼ完全に手動のアーク溶接プロセスですが、重力溶接または重力アーク溶接として知られる注目すべきプロセスのバリエーションが 1 つあります。これは、従来のシールドメタルアーク溶接プロセスの自動化バージョンとして機能し、溶接の長さに沿って傾斜したバーに取り付けられた電極ホルダーを使用します。プロセスは一度開始されると、電極がなくなるまで継続されるため、オペレーターは複数の重力溶接システムを管理できます。使用される電極 (多くの場合、E6027 または E7024) はフラックスで厚くコーティングされており、通常は長さ 71 cm (28 インチ)、厚さ約 6.35 mm (0.25 インチ) です。手動 SMAW と同様に、負極性の直流または交流のいずれかで、定電流溶接電源が使用されます。フラックス入りアーク溶接などの半自動溶接プロセスの使用が増加したため、重力溶接の人気は低下しています。これは、そのような方法に対する経済的な利点がほとんどないためです。 SMAW関連の方法としては、さらにあまり使用されていないが、突合せ溶接や隅肉溶接を自動で行う爆竹溶接や、1時間あたり最大27kg（60ポンド）の溶接金属を堆積できる大型部品や構造物を溶接するプロセスである大規模電極溶接などがある。^[11]

• 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
• ジェファス、ラリー（1999）、溶接：原理と応用（第4版）、アルバニー、ニューヨーク：トムソンデルマー、ISBN 978-0-8273-8240-4
• リンカーン・エレクトリック（1994年）『アーク溶接手順ハンドブック』、オハイオ州クリーブランド：リンカーン・エレクトリック、ISBN 978-99949-25-82-7
• Miller Electric Mfg Co (2013)。シールドメタルアーク溶接 (SMAW) のガイドライン(PDF)。ウィスコンシン州アップルトン: Miller Electric Mfg Co。2015 年 12 月 8 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 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

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

• シールドメタルアーク溶接のガイドライン (.pdf)