【徹底解説】アーク溶接とは？溶接の原理と種類、トラブルを紹介

　 　 　

金属と金属を接合する方法には、ボルト・ナットなどで接合する機械的接合、接着剤などを使う化学的接合、そして、溶接などで接合する材料的接合の3つの方式があります。
さらに材料的接合には接合する素材によって溶接やろう付けなどさまざまな方式があります。

今回のコラムでは金属どうしを溶接する「アーク溶接」について解説します。

アーク溶接とは

アーク溶接の基本である「溶接」と「アーク」について、イメージ図を交えながらご紹介します。
そしてアーク溶接とは何か、その方式について解説します

溶接とは

図1では、溶接の基本原理のイメージを紹介します

溶接の基本原理は、2つの金属の接続したいところに熱を加え、母材の接続部を溶解し、溶融金属A（母材A側）と溶融金属B（母材B側）を一緒にして、接続溶融金属とすることです。
接続溶融金属は、温度が下がって固体化した所で母材AとBがひとつの金属となっています。図1に接続溶融金属部の原子イメージ図を示していますが、母材AとBはまったく同じ原子構造です。
これを金属結合といい、イオン結合状態になっています。

アーク溶接の基本原理

図2は、アークについての解説です。

アークは放電現象のひとつで、多数ある放電現象の中でも低い電圧中で大きな電流が流れることが特徴です。
プラスとマイナスの電極が短絡している状態から電極を引き離すと、2つの電極の間に放電現象が生じます。これがアークです。
アークが発生すると低電圧で大きな電流が流れ、発生する温度は500℃～20000℃といわれています。 （ステンレス鋼の融点は1500℃、銅が1000℃、アルミで600℃です。）
図3は、アーク溶接のイメージを紹介した図です。

アーク放電により周囲の電離イオンは＋側と－側に引き込まれ、電圧と電流の大きな変化によって母材に高い熱が発生し、母材は溶融します。
2枚の母材間にアークによる熱が発生すると、2枚の母材間は溶融し溶け合い混合します。アークが収まって温度が低下すると、溶融金属は元の固体に戻り2つの母材は接合されます。
これがアーク溶接です。

アーク溶接の種類と具体例

アーク溶接にはさまざまな方式があります。
アーク溶接の体系図やそれぞれの方式の概要を示すとともに、アーク溶接の例として最も良く使用される「被覆アーク溶接」と「ティグ（TIG）溶接」について、その構成と溶接の仕組みをご紹介します。

アーク溶接の種類

アーク用溶接の方法にはいろいろな方式があり、状況によって使い分けられます。
図4では、アーク溶接の体系についてご紹介します。

アーク溶接には、大きく分けて、「非溶極式」と「溶極式」があります。
非溶極式は、放電電極が溶けない方式のアーク溶接です。
溶極式は、放電電極が溶融する方式のアーク溶接です。

非溶極式

ティグ溶接

電極にタングステン、シールドガスにAr（アルゴン）・He（ヘリウム）などを用い、溶加棒や溶接ワイヤを溶加材として使う方式です。

プラズマ溶接

ティグ溶接のアークを拘束ノズルにすることで、広がりのない高密度で高温のアークが得られ、ビード幅が狭く溶け込みが深い溶接部ができます。

溶極式

被覆アーク溶接

金属心線にフラックスを塗布した被覆アーク溶接棒を使って、アーク溶接を行います。

ガスシールドアーク溶接

ガスによって空気から溶接面を遮断するアーク溶接法です。シールドガスの種類で、MAGとMIGの溶接法に分けられます。

エレクトロガスアーク溶接

厚板を立て向かい姿勢で溶接する方式です。造船などで用いられます。

セルフシールドガスアーク溶接

溶接ワイヤを自動で送給して溶接する方式で、シールドガス供給は行わない方式です。
シールドガスはフラックスを用いてシールドガスを発生させます。

サブマージアーク溶接

はじめから溶接線上にフラックスを散布し、フラックス中にソリッドワイヤを入れて、アークを発生させて溶接する方式です。ワイヤに大口径ワイヤを使用して大電流を流し効率の良い溶接が可能です。
また溶接機を自動で移動させることで、自動式アーク溶接も可能です。

アーク溶接例

ここではアーク溶接の例として、被覆アーク溶接とTIG溶接についてご紹介します。

被覆アーク溶接

図5は被覆アーク溶接のイメージ図です。

母材を＋電極、溶接棒を－電極として溶接機と接続し、溶接棒と母材間でアークを発生させ、母材を溶接する溶極式の溶接方式です。 溶接棒には心線を被覆材で覆ったものを使用し、溶接層にフラックスを塗布して使用します。
溶接棒と母材間にアークを発生させ、母材を溶融して溶接金属を形成して溶接を行います。アーク熱によってフラックスが分解して発生したガスは、シールドガスとして大気から溶融金属を保護します。
母材や電極がアーク熱で溶融して液化した溶融金属の溜まりは、溶融池といいます。
被覆アーク溶接に限らず、溶接ではこの溶融池に溶加材の溶滴を垂らしながら溶接を進めます。溶融池の出来によっては溶接欠陥が発生します。
被覆アーク溶接において非金属の溶接は限られますが、鉄系の金属は全て一般的に適用されます。

ティグ（TIG）溶接

図6は、ティグ溶接のイメージ図です。

ティグ溶接は、放電用電極にタングステンを使い、シールドガスとしてアルゴン（Ar）やヘリウム（He）の不活性ガスを使用します。
タングステンと母材間にアークを発生させて、母材を溶融して溶接します。
溶融池には、溶加材として溶加棒や溶接ワイヤを添加します。

ティグ（TIG）溶接の特徴として、次のことがあげられます。

〈良い点〉

〈悪い点〉

TIG溶接は、非金属の溶接、ステンレス鋼の溶接、低合金鋼の溶接に一般的に適用されます。高張力鋼の溶接は、限られた用途で適用されます。

溶接と工具の関係

切削工具の中には溶接と関係のあるものもあります。

溶接を加える工具

工具の中には、製作時に溶接を加えるものがあり、図7のように溶接で接続がなされます。

本体とシャンクを溶接で接合する理由は、価格的な理由です。本体は高価な超硬やハイスが用いられますが、シャンクはSUS材を使うことで価格を抑えることができます。

溶接と切削加工

アーク溶接では溶接ビードという、溶接に使用する溶加材や溶接ワイヤなどが溶接時に溶け、溶けた金属中に含まれたものができます。
溶接ビードは魚のうろこのように波状に、盛り上がって整然と溶接個所に並んで配置されます。

溶接ビード自体には特に害もないため、そのままにされる場合もありますが、見た目が良くないことを気にする場合や衛生上問題となる場合には、溶接ビードの除去を行います。この溶接ビードの除去は、ビードカットといわれます。
ビードカットはフライスで除去する方式と、グラインダーで表面を研磨し、仕上げにバフ研磨を行う方法などがあります。

ビードカット時には、カットの仕方によって溶接自体の強度を弱めてしまう問題も起こり得るため、技能の長けた人が行う方が良いでしょう。

アーク溶接のトラブルとその対応

アーク溶接では表1のような問題（溶接欠陥）が起こることがあり、アーク溶接前に対策を講じる必要があります。
表1では、主な溶接欠陥名、欠陥の概略と原因、対策に分けて記載しています。