12種類の主要な溶接方法：それぞれの用途とは？

溶接とは、熱、圧力、またはその両方を用いて2つ以上の材料を強固で永続的な結合状態に接合する製造プロセスです。一般的に溶接される材料は金属や熱可塑性樹脂ですが、木材などの他の材料も溶接可能です。

これはほとんどの業界において重要なプロセスです。その仕組みと、それを支える基礎知識について見ていきましょう。

溶接はどのように行われるのですか？

溶接は、母材金属を溶融させる高温プロセスです。これが、ろう付けやはんだ付けとの決定的な違いです。ろう付けやはんだ付けは、溶加材のみを溶融させ、母材金属を融合させません。

溶接とは、2つ以上のワークピースを高温で接合する技術です。高温によって溶融プールが形成され、それが冷却・凝固して単一の固体となり、溶接部が形成されます。溶接部は、母材よりも強度が高くなる場合もあります。

溶接には多くの種類がありますが、いずれも熱または圧力を利用して金属を溶かし、溶接部を形成します。熱源や圧力源は、用途や使用する材料によって異なります。溶接の原理は単純で理解しやすいため、金属は最も一般的に溶接される材料と考えられています。プラスチック溶接もかなり一般的ですが、木材溶接は普及し始めたばかりです。

溶接プロセスは、特定の工具、シールドガス、電極、溶加材の必要性など、さまざまな要因によって影響を受けます。ここでは、最も一般的に使用されている溶接方法をいくつか詳しく見ていき、それぞれの特徴を明らかにしていきましょう。

さまざまな種類の溶接

溶接の基本的な概念は比較的単純ですが、使用するエネルギー源に基づいて分類することができます。これらのサブカテゴリーをさらに細分化することで、それぞれの方法の背後にある動作原理をより深く掘り下げることができます。

アーク溶接

アーク溶接とは、電極と被溶接物との間に発生するアーク熱を利用して、金属と溶加材（または溶加材なし）を局所的に溶融させ、材料を接合する溶接プロセスである。 アーク溶接電極 溶接には消耗品と非消耗品の2種類があります。交流（AC）と直流（DC）の両方を使用できます。

1. MIG/MAG溶接

ガス金属アーク溶接（GMAW）、別名MIG/MAG溶接（金属不活性ガス/金属活性ガス）は、溶接トーチを通して連続的に供給されるワイヤを使用する溶接方法です。アークによってワイヤが溶融すると、溶融池内で母材と融合します。

同時に、溶接部にシールドガスが供給され、大気汚染を防ぐための保護バリアが形成される。

この溶接技術は使い方が簡単です。そのため、工業溶接、製造業、建設業、自動車産業などで広く採用されています。安価な不活性ガスが入手可能になったことで、ガス金属アーク溶接（GMAW）は原子水素溶接（AHW）に取って代わりつつあります。

2. TIG溶接

タングステン不活性ガス溶接（TIG）は、消耗しないタングステン電極と不活性シールドガスを使用します。MIG/MAG溶接とは異なり、TIG溶接では、プロジェクトの要件に基づいて別個の溶加材を使用するかどうかを決定できます。ガスタングステンアーク溶接（GTAW）は、精密で高品質な溶接を実現します。優れた溶け込みが得られるため、航空宇宙や自動車など、多くの用途に最適です。同時に、TIG溶接機には多くの調整機能が備わっています。そのため、TIGは非常に汎用性の高い溶接プロセスと言えます。

3. アーク溶接

粘着金属アーク溶接（SMAW）は、手動金属アーク溶接（MMAW/MMA）またはスティック溶接とも呼ばれ、消耗性のフラックス被覆金属電極を使用して金属を接合する。

電極が母材に接触するとアークが発生し、溶融池内の材料が溶融します。フラックスはシールドガスを放出し、溶接金属を汚染から保護します。冷却後、スラグはワイヤーブラシなどの一般的な工具で除去できます。

4. フラックス入りアーク溶接

フラックス入りワイヤアーク溶接（FCAW）は、一般的に自動化または半自動化された溶接プロセスであり、従来の手動溶接と比較して溶接時間を最大40%短縮できる。

FCAWは、フラックス入り電極を使用して溶接部を保護します。さらに、二重シールドFCAWでは、フラックス入り電極の上にシールドガスを使用することで、汚染物質に対する保護を強化します。他の溶接方法と比較すると、FCAWは追加のガスシールド装置を必要としないため（特に二重シールド溶接の場合）、長期的には装置と材料のコストを大幅に削減できます。

5.ガス溶接

酸素溶接とも呼ばれるガス溶接は、酸素とアセチレンやプロパンなどの燃料ガスを組み合わせた、金属接合の最も伝統的な方法の一つです。このプロセスでは、接合部の金属を溶融させるほどの高温が発生し、金属同士が融合します。鉄系金属と非鉄金属の両方に広く用いられ、特に薄い材料の接合に効果的です。

ガス溶接の大きな利点の1つは、電気を必要としないため、電力供給が限られている地域でも持ち運びが容易な点です。装置の操作は比較的簡単で、他の溶接方法よりもコストが低いため、小規模なプロジェクトやDIYプロジェクトで人気があります。また、ガス溶接は酸素燃料切断にも使用できるため、同じ装置で幅広い用途に対応できます。

ガス溶接は古い方法ではありますが、多くの用途において依然として有効です。ガス流量を調整することで炎の形状を自在に制御できるため、ろう付けや薄板金属の溶接といった繊細な作業に適しています。様々な金属加工ニーズに対応できる、信頼性が高く使いやすい技術です。

6.プラズマ溶接

プラズマアーク溶接はTIG溶接と同様の原理で動作しますが、独自のトーチ設計により、不活性ガスをノズルからより高速で噴射し、より狭い経路に沿って流すことができます。ガスがアークに接触すると、プラズマが形成され、溶接ゾーンに入る際にイオン化され、極めて高い温度が発生します。これにより、溶接温度は約28,000℃に達し、ほぼすべての金属を溶かすのに十分な高温となります。

プラズマアークトーチは非常に高い動作温度を発生させることができるため、精密溶接だけでなく金属切断にも適しています。溶接プロセス中、プラズマアークは高度に集中した熱を供給するため、より微細な溶接と高速な溶接速度を実現し、高精度かつ複雑な構造が求められる金属加工に特に適しています。

7. サブマージアーク溶接

サブマージアーク溶接（SAW）は、溶接金属を保護するためにフラックスを使用するという点で、粘着金属アーク溶接（SMAW）と同様の原理で動作します。この自動または半自動の溶接プロセスでは、専用のフラックスホッパーを使用して、粒状の溶加材を溶接部に供給します。

この溶接技術は、従来のほとんどの手動溶接プロセスよりも優れた、均一でクリーンな溶接を実現します。ニッケル、鋼、ステンレス鋼などの金属に最適で、パイプ、圧力容器、ボイラーの製造に広く用いられています。

抵抗溶接

抵抗溶接、または圧力溶接とは、2つの金属表面に圧力と電流を加えて融合接合を行う方法です。ワークピースを高圧下で密着させ、接触点に電流を流します。金属内部の抵抗によって熱が発生し、金属表面が融合します。

1.スポット溶接

抵抗スポット溶接（RSW）は、2つの電極を用いて重なり合う金属同士を押し付けながら、同時に金属の抵抗を通して溶接電流を流す溶接方法です。溶接プロセス中に熱が発生し、金属表面が融合してボタン状またはナゲット状の溶接部が形成されます。

金属は高エネルギー下で短時間（約10～100ミリ秒）で融合し、ワークピースはほぼ瞬時に接合される。溶接部周辺は過度の熱による損傷を受けないため、スポット溶接では熱影響部（HAZ）が最小限に抑えられる。

スポット溶接は溶接ロボットを用いて自動化されることが多く、そのため組立ラインで使用される溶接方法の中で最も効率的な方法の一つとなっており、自動車、エレクトロニクス、製造業にとって魅力的な選択肢となっている。

2.シーム溶接

シーム溶接はスポット溶接の一種です。2つの電極ホイールを使用してワークピースに押し付け、同時に電流を流します。溶接機は2つの方法で電力を供給できます。ワークピースに個々の溶接を行うために断続的に電力を供給する方法と、プロジェクトのニーズに応じて連続的に電力を供給する方法です。

抵抗溶接は非常に密着性の高い接合部を形成し、溶接工程も極めて高速かつクリーンであるため、自動溶接に最適です。板金業界では、ブリキ缶、ラジエーター、スチールドラムなどの製造に抵抗溶接が用いられています。

レーザー溶接

レーザー溶接（LBW）は、その名の通り、レーザー光を集中熱源として金属を溶融させ、溶接部を形成する技術です。LBWは出力密度が高いため、熱影響部が小さくなります。レーザースポットサイズは0.2mmから13mmまで幅広く対応できるため、様々な厚さの材料の溶接に適しており、従来の溶接方法に比べて優れた結果が得られます。

レーザー溶接は、厳しい公差内で高品質な溶接を迅速に実現できる。このプロセスは自動化されることが多く、自動車、医療、宝飾品業界で広く利用されている。

レーザートーチは酸素燃料トーチやプラズマトーチのように切断と溶接の両方ができると考える人もいますが、これは通常誤りです。標準的なレーザー切断ヘッドは溶接には使用できませんし、レーザー溶接ヘッドはほとんどの産業用途における切断速度と品質の要件を満たすことができません。

電子ビーム溶接

電子ビーム溶接（EBW）は、高エネルギー電子の集束ビームを用いて金属表面を溶融・接合する高精度溶接技術です。電子は真空中で加速され、ワー​​クピースに照射されることで、溶接箇所に強い熱が発生します。このプロセスは真空環境下で行われるため、酸化や汚染を防ぐことができます。

電子ビーム溶接（EBW）の主な利点の1つは、熱による歪みを最小限に抑えながら、深く狭い溶接部を形成できることです。そのため、航空宇宙や医療機器製造といった高精度が求められる用途に最適です。また、異種金属の溶接も可能で、優れた溶接品質と最小限の溶接後処理で高強度接合部を実現できます。

摩擦溶接

摩擦溶接は、その名の通り、摩擦を利用して金属同士を接合する固相溶接法です。ほとんどの溶接法とは異なり、溶接ガン、溶接棒、シールドガスは使用しません。このプロセスでは、2つの清浄な金属片を高速回転、振動、または横方向の接触させることで発生する熱のみを利用して接合部を形成します。プロセス中に形成された金属残留物は、冷却後に除去されます。

摩擦溶接に使用される溶接装置は、有害な溶接ヒュームや毒素を排出しないため、他の方法よりも環境に優しい。操作が容易なため、ドリルビット、コネクティングロッド、シャフトチューブ、バルブなどの溶接に最適である。

溶接時の安全対策

LVMAの板金加工実習室で、エンジニアの方々と溶接について学んでいるうちに、溶接の安全性が溶接工程において非常に重要な側面であることを実感しました。

LVMAの板金工場で働く技術者たちは、溶接マスク、難燃性手袋、保護服、安全靴を着用しており、高温、紫外線、火花、有害ガスから効果的に身を守っています。特に溶接マスクのおかげで、アーク光の眩しさや有害な煙を吸い込むのを防ぐことができました。また、LVMAの工場管理者が、騒音による聴覚障害を軽減するために耳栓を提供していることも分かりました。

しかし、安全装備は溶接作業の安全対策の一部に過ぎません。溶接作業者の安全意識も同様に重要です。溶接工程の複雑さゆえに、溶接作業者には高い責任感とリスクに対する鋭い認識が求められます。作業環境、機器の状態、緊急時の手順を明確に理解しておく必要があります。また、有害ガスの蓄積を防ぐため、作業エリアの換気を常に適切に行い、機器の故障を防ぐために定期的に点検を行う必要があります。

まとめ

溶接技術は金属同士を接合することで、個々の金属部品では実現できない効果を生み出します。技術の絶え間ない進歩に伴い、溶接技術も革新と発展を続けています。将来的には、溶接プロセスはより高度化・高効率化し、自動化溶接やロボット溶接が主流となることで、生産効率の向上と人的ミスの削減が図られるでしょう。同時に、新たな溶接材料やプロセスの登場により、用途が拡大し、航空、自動車、エネルギーなどの産業分野に、より高品質で環境に優しい溶接ソリューションがもたらされるでしょう。