溶接とは？アーク溶接・ガス溶接などの種類と基本・安全対策

電気アークを利用する溶接はすべてアーク溶接と呼ばれる。アーク溶接の一般的な形態としては、以下のようなものがある。

• シールドメタルアーク溶接（SMAW）。SMAWは「棒」溶接とも呼ばれる。
• ガスメタルアーク溶接（GMAW）。GMAWはMIG（メタル／イナートガス溶接）とも呼ばれる。
• ガスタングステンアーク溶接（GTAW）。GTAWは、TIG（タングステンイナートガス溶接）とも呼ばれる。

アーク溶接は、接合する金属片と電極の間に高電流のアークを発生させ、金属を加熱するものである。

電極の使用方法は、溶接プロセスの種類によって異なります。SMAW、GMAWおよび関連する溶接工程では、電極は消費され、溶接物の一部となる。電極は通常、溶接される金属と同じ種類で作られています。電極は溶接によって消費されるため、常に溶接部に電極を送り込む必要がある。SMAW溶接の特徴は、フラックスと呼ばれる溶接促進剤を含浸させた「棒状」電極を先端に固定することである。

GMAW溶接は、回転するスプールに巻かれた細いワイヤーを連続電極として使用する溶接法である。この電極の大きさは、約0.635ミリメートルから約4ミリメートルまでさまざまです。溶接機の内部にはモーター駆動のスプールがあり、ワイヤー電極を溶接部へ送り込む。

TIG溶接（GTAW）の特徴は、溶接部を構成する金属に電気が流れないため、電極が消費されないことです。電極はタングステンでできており、アークに浸かっていても溶けないので使われます。棒状の溶加棒は、溶接部に金属を追加するために使用することができます。

ほとんどの溶接では、金属片のわずかな隙間を埋めるために溶加材を使用します。余分な金属は、溶接の強度を高めるのに役立ちます。しかし、時には溶加棒を使わないで溶接を行うこともある。溶加棒を使用しない溶接を自生溶接という。

アーク溶接におけるシールド

あらゆる種類の溶接には、溶融金属を保護することが必要です。汚れ、錆、グリース、そして溶接プロセスでの金属の酸化は、適切な溶接継手を妨げる可能性があります。そのため、すべての溶接工程では、フラックスとシールドガスの2つの保護方法のいずれかが使用されます。

溶接用フラックスは、固体、液体、ペースト状で使用されることがあります。溶接中、フラックスは溶け、その一部は蒸発します。これにより、溶接部の周囲に小さなガスポケットが形成されます。このガスのポケットが、溶接中の金属の酸化を防ぐのです。溶融したフラックスは、腐食反応により、溶接を阻害する汚染物質を洗浄します。溶接後、フラックスは凝固します。この固形フラックスの層はスラグと呼ばれ、溶接部から除去する必要があります。SMAW溶接工程では、最も一般的にフラックスを使用し、鉄鋼に最も多く使用されている。

シールドガスは、溶接部の周囲にガスのポケットとなり、溶接部を保護します。このガスの目的は、通常の空気、特に酸素を遮断することである。フラックスと異なるのは、溶接部に液体が存在しないことです。溶接部の周りにはガスがあるだけです。液体がないので、金属についた汚れなどをきれいにすることはできません。つまり、溶接する前に金属がきれいでなければならないのです。そうでないと、汚れなどが原因で問題が起こる可能性があります。通常使用されるガスは、アルゴン、ヘリウム、そしてアルゴン3に対して二酸化炭素1の混合ガスである。その他、窒素や水素、あるいは酸素が少し入っている混合ガスもあります。シールドガスを使う溶接のひとつに、ガスメタルアーク溶接がある。工場でモノを作るときに使うのが一般的です。

フラックスを使用する溶接は、風の強い屋外の方がやりやすい。液体フラックスが高温の金属を保護しているので、吹き飛ばされることがないからだ。また、フラックスは常にガスのポケットを作っているので、電気アークが消えないようになっている。シールドガスを使う溶接は、風があるとガスが飛んでしまうので、通常、屋外ではできない。

溶接の種類によっては、電気アークを使用しないものもあります。炎やアークを使わない電気、エネルギービーム、物理的な力を使うこともある。アークを使わない溶接で最も一般的なのは、ガス溶接と呼ばれるものです。ガス溶接は、可燃性（燃えるという意味）ガスと酸素を混ぜ合わせ、トーチの先で燃やす。ガス溶接は、正しく調整された炎には余分な酸素が含まれていないため、特別なシールドを必要としない。ただし、金属をきれいにすることは重要です。炎が金属を熱し、溶かします。このとき、端の部分が溶けると、液状の金属が一体になる。

もう一つのアークを使わない溶接は、やはり電気を使う。それは抵抗溶接と呼ばれるものです。これは、2枚の薄い金属を挟み込んで、そこに電気を流すものです。そうすると、金属がすごく熱くなって、挟んだところが溶けるんです。その部分で2つの金属が溶け合ってしまうのです。一度に一カ所しか溶接できないので、スポット溶接と呼ばれることもあります。

鍛接（たんせつ）とは、初めて使われた溶接の一種である。鍛接は、2つの金属片を溶かしそうなほど高温にする必要がある。その後、ハンマーで叩いて一体化させる。

アークを使わない他の種類の溶接は、難しいし、たいてい新品です。値段も高い。この種の溶接のほとんどは、特別に必要な場所にのみ行われます。電子ビームやレーザー、超音波を使うこともある。

あらゆる溶接にはエネルギーが必要です。このエネルギーは通常、熱ですが、溶接を行うために力を使うこともあります。熱を利用する場合、電気や火によるものがある。

アーク溶接用電源

アーク溶接には多くの電気が使われています。溶接の種類によっては、ビルで使われている電気のように交流を使うものもある。また、自動車や電池を搭載しているほとんどのものに使われているような直流を使うものもあります。ほとんどの溶接は、発電所から送られてくる電気よりも低い電圧で行われる。アーク溶接は、発電所の電気を溶接に使えるようにするための特別な電源が必要です。電源は電圧を下げ、電流量をコントロールする。電源には通常、これらを変更するための制御装置がある。交流電流を使うアーク溶接の場合、電源が特別なことをして、電気を別の方法で交互に流すことができる場合もあります。電源の中には、電源プラグに差し込まず、自分で電気を発生させるものもあります。この種の電源にはエンジンがあり、発電機のヘッドを回して電気を作ります。エンジンは、ガソリン、ディーゼル燃料、プロパンなどで作動する場合があります。

その他の溶接用エネルギー

OFWは、燃料ガスと酸素を燃やした炎で金属を加熱する。この燃料ガスは、ほとんどの場合アセチレンです。アセチレンは可燃性のガスで、他のどのガスよりも非常に高温で燃焼する。そのため、ほとんどの場合、これが使われている。プロパンガス、天然ガス、工業用ガスなど、他のガスも使用できる。

溶接の種類によっては、熱を使って溶接をしないものもあります。この種の溶接は熱くなることはあっても、金属を溶かすことはないのです。例えば、鍛接（たんせつ）がこれにあたります。摩擦攪拌接合は、熱を使わない特殊な溶接です。非常に強力なモーターと回転する特殊なビットを使って、端の方で金属を混ぜ合わせるのです。金属は固体ですから、これは不思議なことです。このため、溶接には大きな力が必要で、非常に硬いのです。この種の溶接のエネルギーは、回転するビットからの機械的エネルギーです。