ガスタングステンアーク溶接

タングステンアーク溶接

ガスタングステンアーク溶接( GTAW 、タングステン不活性ガス溶接またはTIGとも呼ばれ、ヘリウムを使用する場合はヘリアーク溶接とも呼ばれる) は、非消耗タングステン電極を使用して溶接を行うアーク溶接プロセスです。溶接領域と電極は、不活性シールドガス(アルゴンまたはヘリウム)によって酸化やその他の大気汚染から保護されます。通常はフィラーメタルが使用されますが、「自溶溶接」または「融合溶接」と呼ばれる一部の溶接では、フィラーメタルは必要ありません。定電流溶接電源によって供給される電気エネルギーは、プラズマと呼ばれる高度にイオン化されたガスと金属蒸気の柱を介してアーク全体に伝導されます。

このプロセスは、シールドメタルアーク溶接やガスメタルアーク溶接などの競合プロセスよりも溶接部を細かく制御できるため、より強固で高品質な溶接が可能になります。しかし、TIG溶接は比較的複雑で習得が難しく、さらに他のほとんどの溶接技術よりも大幅に時間がかかります。

TIG 溶接は、ステンレス鋼やアルミニウム、マグネシウム、銅合金などの非鉄金属の薄い部分を溶接するのに最も一般的に使用されます。

関連するプロセスであるプラズマアーク溶接では、わずかに異なる溶接トーチを使用してより集中した溶接アークを作成するため、自動化されることが多い。[ 1 ]

発達

1801年にハンフリー・デイビーが短パルス電気アークを発見[ 2 ] [ 3 ]、1802年にワシリー・ペトロフが連続電気アークを発見[ 3 ] [ 4 ]した後、アーク溶接はゆっくりと発展しました。CLコフィンは1890年に不活性ガス雰囲気中での溶接を思いつきましたが、20世紀初頭になっても、アルミニウムやマグネシウムなどの非鉄金属の溶接は困難なままでした。これらの金属は空気と急速に反応し、ドロスが充満した多孔質の溶接部になってしまうからです。[ 5 ]フラックス被覆電極を使用するプロセスでは、溶接部を汚染から十分に保護できませんでした。この問題を解決するために、1930年代初頭にボトル入りの不活性ガスが使用されました。数年後、航空機産業でマグネシウムの溶接に直流のガスシールド溶接プロセスが登場しました。 [ 6 ]

1940年代初頭、ノースロップ・エアクラフト社はマグネシウム製の実験機XP-56 を開発していましたが、この開発のためにウラジミール・パヴレツカ、トム・パイパー、ラッセル・メレディスの3人が、タングステン電極アークとシールドガスとしてヘリウムを使用する溶接法「ヘリアーク」を開発した（このトーチの設計はメレディスが1941年に特許を取得）。[ 7 ]現在では特にヨーロッパではタングステン不活性ガス溶接（TIG）と呼ばれることが多いですが、アメリカ溶接協会の正式名称はガスタングステンアーク溶接（GTAW）です。リンデ・エア・プロダクツ社は、この溶接法の利用を増やすため、幅広い種類の空冷式および水冷式のトーチ、シールドを向上させるガスレンズ、その他の付属品を開発しました。当初は、電極がすぐに過熱し、タングステンの融点が高いにもかかわらず、タングステンの粒子が溶接部に移行しました。[ 6 ]この問題に対処するため、電極の極性が正極から負極に変更されましたが、この変更により多くの非鉄金属の溶接には適さなくなりました。最終的に、交流ユニットの開発により、アークを安定化させ、高品質のアルミニウムおよびマグネシウム溶接を実現することが可能になりました。[ 6 ] [ 8 ]

その後の数十年にわたって開発は続けられた。リンデは、高電流で溶接する際の過熱を防ぐのに役立つ水冷トーチを開発した。[ 9 ] 1950年代、このプロセスの人気が高まるにつれて、一部のユーザーは、アルゴンとヘリウムからなるより高価な溶接雰囲気の代替として二酸化炭素に目を向けたが、これは溶接品質を低下させるためアルミニウムとマグネシウムの溶接には受け入れられないことが判明し、今日ではGTAWではほとんど使用されていない。[ 10 ] 二酸化炭素などの酸素化合物を含むシールドガスを使用すると、タングステン電極がすぐに汚染され、TIGプロセスに適さなくなる。[ 11 ] 1953年、GTAWに基づくプラズマアーク溶接と呼ばれる新しいプロセスが開発された。ノズルを使用して電気アークを集中させることにより、より優れた制御が可能になり、溶接品質が向上したが、主に自動化システムに限定されているのに対し、GTAWは主に手動の手持ち式方法のままである。[ 10 ] GTAWプロセスの開発も継続しており、今日では様々なバリエーションが存在します。最も人気のあるものには、パルス電流法、手動プログラム法、ホットワイヤ法、ダッバー法、浸透増加法などがあります。[ 12 ]

手術

GTAW溶接部

手動ガスタングステンアーク溶接は、溶接工の協調作業が求められるため、比較的難しい溶接方法です。トーチ溶接と同様に、GTAWは通常両手を必要とします。これは、ほとんどの用途において、溶接工が片手で溶接部にフィラーメタルを手動で供給し、もう片方の手で溶接トーチを操作する必要があるためです。タングステン電極とワークピースの接触を防ぎながら、アーク長を短く保つことも重要です。[ 13 ]

溶接アークを発生させるために、高周波発生器（テスラコイルに類似）が電気火花を発生させます。この火花は、シールドガスを通る溶接電流の伝導経路となり、電極とワークピースが通常約1.5～3mm（0.06～0.12インチ）離れた状態でアークを発生させます。[ 14 ]

アークが点弧すると、溶接工はトーチを小さな円を描くように動かし、溶接プールを形成します。溶接プールの大きさは、電極のサイズと電流量によって異なります。電極とワークピースの距離を一定に保ちながら、作業者はトーチをわずかに後退させ、垂直から約10～15度後方に傾けます。必要に応じて、溶接プールの前端にフィラーメタルを手動で追加します。[ 14 ]

溶接工は、トーチを前進させて溶接池を前進させると同時に、溶加材を追加するという作業を素早く交互に行う技術をしばしば開発する。溶加材は電極が前進するたびに溶接池から引き出されるが、表面の酸化や溶接部の汚染を防ぐため、常にガスシールド内に保持される。アルミニウムなどの融点の低い金属で作られた溶加材を使用する場合、作業者はガスシールド内に留まりつつ、アークからある程度の距離を保つ必要がある。アークに近づけすぎると、溶加材は溶接池に接触する前に溶けてしまう可能性がある。溶接が完了に近づくと、溶接クレーターを固化させ、溶接端部のクレーター割れを防止するため、アーク電流は徐々に減少することが多い。[ 15 ] [ 16 ]

GTAWの物理学には、熱力学、プラズマ物理学、流体力学など、いくつかの複雑なプロセスが関わっています。非消耗性のタングステン電極は、陰極または陽極として動作し、電極とワークピースの間に電気アークを発生させるために使用されます。最初にアークを生成するために、溶接エリアは不活性ガスで満たされ、溶接機によって高いストライク電圧（通常1 mmあたり1 kV）が生成され、溶接エリア周辺の大気の電気抵抗を克服します。アークが確立されると、電圧が低下し、ワークピースと電極の間に電流が流れます。この電気アークは高温ですが、GTAWにおける主な熱伝達メカニズムは、この電流の流れによって生じるジュール熱です。[ 17 ]

安全性

溶接中に近くの人を紫外線曝露から保護するための赤色の半透明溶接カーテン 2 枚。

溶接工は、強い紫外線への曝露を避けるため、軽くて薄い革手袋、襟の高い長袖の保護シャツなどの保護服を着用します。GTAW では煙が出ないため、スティック溶接や被覆金属アーク溶接のように電気アーク光が煙や粒子状物質で覆われることがなく、そのため非常に明るくなり、作業員が強い紫外線にさらされます。溶接アークの紫外線波長の範囲と強度は太陽光とは異なりますが、溶接工は光源に非常に近いため、光の強度は非常に強くなります。アーク光による潜在的な損傷には、目への偶発的な閃光や、ひどい日焼けに似たアークによる目や皮膚の損傷などがあります。作業者は、この紫外線への曝露を防ぐため、黒色の眼レンズを備え、頭と首を完全に覆う不透明なヘルメットを着用します。現代のヘルメットには、アーク放電の明るい光に曝露すると自動的に暗くなる液晶タイプのフェース プレートが付いているものが多くあります。半透明の溶接カーテンは、濃い色のポリ塩化ビニルプラスチックフィルムで作られており、近くの作業員や傍観者を電気アークからの紫外線への曝露から保護するためによく使用されます。[ 18 ]

溶接工は危険なガスや粒子状物質にしばしばさらされる。溶接工程では煙は発生しないものの、ガス溶接（GTAW）におけるアークの輝度は周囲の空気を分解し、オゾンと一酸化窒素を生成する。オゾンと一酸化窒素は肺組織や水分と反応して硝酸とオゾン熱傷を引き起こす。オゾンと一酸化窒素の濃度は中程度であるが、曝露時間、反復曝露、ヒューム抽出の質と量、そして室内の換気を監視する必要がある。安全な作業を行わない溶接工は肺気腫や肺浮腫を発症し、早期死亡につながる可能性がある。同様に、アークの熱は洗浄剤や脱脂剤から有毒なヒュームを生成する可能性がある。これらの薬剤を用いた洗浄作業は溶接現場の近くで行ってはならず、溶接工の安全を守るために適切な換気が不可欠である。[ 18 ]

アプリケーション

航空宇宙産業はガスタングステンアーク溶接の主なユーザーの一つですが、このプロセスは他の多くの分野でも利用されています。多くの産業で、特に非鉄金属などの薄いワークピースの溶接にGTAWが使用されています。宇宙船の製造に広く使用されているほか、自転車産業で使用されるような小径・薄肉チューブの溶接にも頻繁に採用されています。さらに、GTAWは様々なサイズの配管のルート溶接や初回パス溶接にも使用されます。保守・修理作業では、工具や金型、特にアルミニウムやマグネシウム製の部品の修理に広く使用されています。[ 19 ]ほとんどのオープンアーク溶接プロセスとは異なり、溶接金属は電気アークを介して直接移動しないため、溶接技術者は多種多様な溶接フィラーメタルを利用できます。実際、これほど多くの合金をこれほど多くの製品構成で溶接できる溶接プロセスは他にありません。元素アルミニウムやクロムなどのフィラーメタル合金は、電気アークによって揮発して失われる可能性があります。 GTAWプロセスでは、このような損失は発生しません。GTAW溶接部は元の母材と同等の化学的完全性、あるいはより母材に近い状態を保つため、長期間にわたり腐食や割れに対する耐性が非常に高く、使用済み核燃料容器を埋設前に密封するといった重要な作業に最適な溶接方法となっています。[ 20 ]

品質

GTAWすみ肉溶接

ガスタングステンアーク溶接は、他の溶接プロセスよりも溶接領域をより細かく制御できるため、熟練した作業者が行えば高品質の溶接を実現できます。最高の溶接品質は、清浄度を維持することで確保されます。使用するすべての機器および材料には、油、水分、汚れ、その他の不純物が含まれていてはなりません。これらは溶接の気孔の原因となり、結果として溶接強度と品質を低下させます。油やグリースを除去するには、アルコールまたは同様の市販の溶剤を使用できます。また、ステンレス鋼のワイヤブラシまたは化学処理により、アルミニウムなどの金属表面から酸化物を除去できます。鋼鉄の錆は、まず表面をグリットブラストし、次にワイヤブラシを使用して埋め込まれたグリットを除去することで除去できます。これらの手順は、負極性の直流電流を使用する場合に特に重要です。負極性直流電流を使用する場合、正極性直流電流や交流電流とは異なり、溶接プロセス中にクリーニングが行われないためです。[ 21 ]溶接中にクリーンな溶接プールを維持するためには、シールドガスの流量が十分かつ一定で、溶接部を覆い、大気中の不純物を遮断する必要があります。風の強い環境や隙間風の強い環境でのGTAWでは、溶接部を保護するために必要なシールドガスの量が増加し、コストが増加し、屋外での使用は推奨されません。[ 22 ]

入熱レベルも溶接品質に影響を与えます。溶接電流が低い、または溶接速度が速いなどの入熱不足は、溶け込みを制限し、溶接ビードが溶接面から浮き上がる原因となります。一方、入熱が多すぎると、溶接ビードの幅が広くなる一方で、過剰な溶け込みやスパッタ（溶融金属の小さな不要な液滴の放出）の可能性が高まります。さらに、溶接トーチがワークピースから離れすぎると、シールドガスの効果が低下し、溶接部に気孔が発生します。その結果、ピンホールが発生し、通常の溶接よりも強度が低下します。[ 22 ]

使用される電流量が電極の能力を超えると、溶接部にタングステン介在物が発生する可能性があります。これはタングステンスピッティングと呼ばれ、X線透視検査で確認でき、電極の種類を変更するか電極径を大きくすることで防止できます。さらに、電極がガスシールドによって十分に保護されていない場合、または作業者が誤って溶融金属に接触させた場合、電極が汚れたり、汚染されたりする可能性があります。これにより溶接アークが不安定になることが多く、不純物を取り除くためにダイヤモンド研磨剤で電極を研磨する必要があります。[ 22 ]

装置

各種電極、カップ、コレット、ガス拡散器を備えたGTAWトーチ
GTAWトーチ（分解）

ガスタングステンアーク溶接作業に必要な機器には、以下に詳述するように、非消耗タングステン電極を使用する溶接トーチ、定電流溶接電源、およびシールドガス源が含まれます。

溶接トーチ

GTAW溶接トーチは、自動または手動操作用に設計されており、空気または水を使用した冷却システムを備えています。自動トーチと手動トーチの構造は似ていますが、手動トーチにはハンドルがあり、自動トーチには通常取り付けラックが付属しています。ハンドルの中心線とタングステン電極の中心線の間の角度（ヘッド角度）は、一部の手動トーチでは、オペレーターの好みに応じて変更できます。空冷システムは、低電流作業（約200  Aまで）で最もよく使用され、高電流溶接（約600 Aまで）には水冷が必要です。トーチは、電源にケーブルで接続され、シールドガス源と、使用される場合は給水にホースで接続されます。[ 23 ]

トーチの内部金属部品は、電流と熱を効率的に伝達できるように、銅または真鍮の硬質合金で作られています。タングステン電極は適切なサイズのコレットでトーチの中央にしっかりと保持され、電極周囲のポートはシールドガスを一定に供給します。コレットのサイズは、保持するタングステン電極の直径に合わせて決定されます。トーチ本体は耐熱性と絶縁性を備えたプラスチックで作られており、金属部品を覆って熱と電気を遮断し、溶接作業者を保護します。[ 23 ]

溶接トーチノズルのサイズは、必要なシールド面積の大きさによって決まります。ガスノズルのサイズは、電極の直径、接合部の構成、および溶接工が接合部にアクセスできるかどうかによって決まります。ノズルの内径は電極の直径の3倍以上が望ましいですが、厳格な規定はありません。溶接工はシールドの有効性を判断し、必要に応じてノズルのサイズを大きくすることで、外部ガスシールドによって保護される面積を拡大します。ノズルは耐熱性が必要であるため、通常はアルミナまたはセラミック材料で作られていますが、高純度ガラスである溶融石英ガラスを使用すると、視認性が向上します。ノズルには、シールドガスの流れを制御し、乱流やシールド領域への汚染された大気の流入を低減するためのガスレンズやバルブなどの特殊な用途のための装置を取り付けることができます。手動GTAWトーチには、溶接電流を制御するためのハンドスイッチを追加できます。[ 23 ]

電源

ガスタングステンアーク溶接では定電流電源を使用します。つまり、アーク距離と電圧が変化しても、電流（ひいては熱流束）は比較的一定に保たれます。GTAWのほとんどの用途は手動または半自動であり、作業者がトーチを保持する必要があるため、この点は重要です。定電圧電源を使用すると、アーク距離を適切に一定に保つことが困難になります。なぜなら、定電圧電源は劇的な熱変動を引き起こし、溶接を困難にする可能性があるからです。[ 24 ]

GTAW電源

GTAW システムの好ましい極性は、溶接する金属の種類によって大きく異なります。負に帯電した電極による直流電流 (DCEN) は、鋼、ニッケル、チタンなどの金属の溶接によく使用されます。また、ヘリウムをシールドガスとして使用すると、アルミニウムやマグネシウムの自動 GTAW にも使用できます。[ 25 ]負に帯電した電極は、電子を放出して熱を発生し、電子はアークを横切って移動し、シールドガスの熱イオン化を引き起こして母材の温度を上昇させます。イオン化されたシールドガスは母材ではなく電極に向かって流れるため、溶接部の表面に酸化物が蓄積される可能性があります。[ 25 ]正に帯電した電極による直流電流 (DCEP) はあまり一般的ではなく、母材で発生する熱が少ないため、主に浅い溶接に使用されます。DCEN のように電子が電極から母材へ流れるのではなく、電子が逆方向に移動し、電極が非常に高温になります。[ 25 ]溶接部の形状を維持し、軟化を防ぐために、より大きな電極が使用されることが多い。電子が電極に向かって流れると、イオン化されたシールドガスが母材に向かって逆流し、酸化物やその他の不純物を除去して溶接部を洗浄し、品質と外観を向上させる。[ 25 ]

アルミニウムやマグネシウムを手動または半自動で溶接する際によく使用される交流は、電極と母材の正と負の電荷を交互に変化させることによって 2 つの直流を組み合わせます。これにより、電子の流れの方向が常に切り替わり、母材の熱を維持しながらタングステン電極の過熱を防ぎます。[ 25 ]表面酸化物はサイクルの電極が正の部分で除去され、母材はサイクルの電極が負の部分でより深く加熱されます。一部の電源装置では、電流が各極性の状態に費やす時間の正確な割合を変更することにより、不平衡交流波を使用できるため、電源によって供給される熱量とクリーニング アクションをより細かく制御できます。[ 25 ]また、作業者は、アークが正極性（負極）から逆極性（正極）に移行する際に再点火に失敗する整流にも注意する必要があります。この問題を解決するには、アークの安定性を高めるために高周波電源や矩形波電源を使用することができます。 [ 25 ]

電極

ISOクラス ISOカラー AWSクラス AWSカラー 合金[ 26 ]
WP緑EWP緑なし
WC20グレーEWCe-2オレンジ約2%のCeO2
WL10黒EWLa-1黒約1 % La2O3​
WL15金EWLa-1.5金約1.5 % La2O3
WL20スカイブルーEWLa-2青約2 % La2O3
WT10黄色EWTh-1黄色約1% ThO2
WT20赤EWTh-2赤約2% ThO2
WT30バイオレット約3% ThO2
WT40オレンジ約4% ThO2
WY20青約2% Y 2 O 3
WZ3茶色EWZr-1茶色約0.3 % ZrO2
WZ8白約0.8% ZrO2

GTAWで使用される電極は、タングステンまたはタングステン合金で作られています。これは、タングステンの融点が純金属の中で最も高い3,422 °C（6,192 °F）であるためです。そのため、溶接中に電極が消耗することはありませんが、多少の侵食（バーンオフと呼ばれる）が発生することがあります。電極には、クリーン仕上げと研磨仕上げがあります。クリーン仕上げ電極は化学的に洗浄されており、研磨仕上げ電極は均一なサイズに研磨され、表面が研磨されているため、熱伝導が最適化されています。電極の直径は0.5～6.4ミリメートル（0.02～0.25インチ）、長さは75～610ミリメートル（3.0～24.0インチ）です。

多数のタングステン合金が、 GTAW 電極で使用するために、国際標準化機構 ( ISO)およびアメリカ溶接協会(AWS A5.12) によってそれぞれ ISO 6848 および AWS A5.12 で標準化されており、隣の表にまとめられています。

  • 純タングステン電極（WPまたはEWPに分類される）は汎用性が高く、低コストの電極である。耐熱性と電子放出性が低いため、マグネシウムやアルミニウムなどの交流溶接には限定的にしか使用されない。[ 27 ]
  • 酸化トリウム（またはトリア）合金電極は、優れたアーク性能と始動性を備えているため、汎用電極として広く使用されています。しかし、トリウムはある程度放射性であるため、蒸気や粉塵を吸入すると健康リスクとなり、廃棄時には環境リスクとなります。[ 28 ]
  • 合金元素としての酸化セリウム（またはセリア）は、アークの安定性と始動性を向上させ、同時に焼損を減少させます。セリウムの添加はトリウムほど効果的ではありませんが、効果は良好です。[ 29 ]また、セリウムは放射性ではありません。[ 28 ]
  • 酸化ランタン（ランタナ）の合金はセリウムと同様の作用を持ち、放射性ではない。[ 28 ]
  • 酸化ジルコニウム（またはジルコニア）を含む電極は、電流容量を増加させ、アーク安定性と始動性を向上させ、電極寿命も延ばします。[ 28 ]

フィラーメタルはGTAWのほぼすべての用途で使用されますが、主な例外は薄板の溶接です。フィラーメタルは様々な直径のものがあり、様々な材料で作られています。ほとんどの場合、棒状のフィラーメタルを手動で溶接プールに投入しますが、一部の用途では自動供給式のフィラーメタルが求められ、多くの場合、スプールまたはコイルに保管されます。[ 30 ]

シールドガス

GTAWシステムのセットアップ

ガスメタルアーク溶接などの他の溶接プロセスと同様に、GTAWでは、窒素や酸素などの大気中のガスから溶接部を保護するためにシールドガスが必要です。これらのガスは、電極、アーク、または溶接金属に接触すると、溶融欠陥、気孔、溶接金属の脆化を引き起こす可能性があります。また、シールドガスはタングステン電極から金属への熱伝達にも役立ち、安定したアークの始動と維持に役立ちます。[ 31 ]

シールドガスの選択は、溶接対象材料の種類、継手の設計、そして望ましい最終的な溶接外観など、いくつかの要因によって決まります。アルゴンは、アーク長の変動による欠陥を防ぐのに役立つため、GTAWで最も一般的に使用されるシールドガスです。交流電流と併用すると、アルゴンシールドは高い溶接品質と良好な外観をもたらします。もう一つの一般的なシールドガスであるヘリウムは、継手における溶接の溶け込みを増やし、溶接速度を上げ、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属を溶接するために最もよく使用されます。ヘリウムガスの大きな欠点は、アークを点弧するのが難しく、アーク長の変動に伴い溶接品質が低下することです。[ 31 ]

アルゴン・ヘリウム混合ガスもGTAWで頻繁に利用されます。これは、アルゴンを使用する利点を維持しながら入熱制御を向上できるためです。通常、この混合物は主にヘリウム（多くの場合約75%以上）と残余のアルゴンで作られます。これらの混合物は、アルミニウムのAC溶接の速度と品質を向上させ、アークの発生を容易にします。別のシールドガス混合物であるアルゴン・水素は、薄鋼板の機械溶接に使用されますが、水素は気孔を引き起こす可能性があるため、その用途は限られています。[ 31 ]同様に、オーステナイト系ステンレス鋼のオーステナイトを安定化させ、銅の溶接時の溶け込みを向上させるために、アルゴンに窒素が添加されることがあります。しかし、フェライト鋼における気孔の問題と利点の限界のため、窒素はシールドガス添加剤としてはあまり普及していません。[ 32 ]

材料

ガスタングステンアーク溶接は、ステンレス鋼やアルミニウム、マグネシウムなどの非鉄金属の溶接に最も一般的に用いられますが、亜鉛とその合金を除くほぼすべての金属に適用できます。炭素鋼への適用が制限されているのは、プロセスの制約ではなく、ガスメタルアーク溶接やシールドメタルアーク溶接といったより経済的な鋼材溶接技術が存在するためです。さらに、GTAWは、溶接工の技能と溶接対象材料に応じて、平らな姿勢以外の様々な姿勢で溶接を行うことができます。[ 33 ]

アルミニウムとマグネシウム

TIG溶接では、ACエッチングゾーンが強調されている
アルミニウムTIG溶接ACエッチングゾーンのクローズアップビュー

アルミニウムとマグネシウムの溶接には交流溶接が最も一般的ですが、求められる特性によっては直流溶接も可能です[ 34 ]。溶接前に作業場を清掃し、アルミニウムの場合は175～200℃（347～392°F）、厚いマグネシウムの場合は最大150℃（302°F）まで予熱することで、溶け込みを改善し、溶接速度を上げることができます[ 35 ] 。交流溶接には自己洗浄効果があり、アルミニウムが空気にさらされて数分以内に形成される薄い難溶性酸化アルミニウム層を除去します。溶接を行うには、この酸化層を除去する必要があります[ 35 ] 。交流溶接を使用する場合は、トリウム入り電極よりも純タングステン電極またはジルコニウム入りタングステン電極が適しています。後者は溶接アークを横切って溶接部に電極粒子を「吐き出す」可能性が高いためです。鈍い電極先端が望ましく、薄いワークピースには純アルゴンシールドガスを使用する必要があります。ヘリウムを導入すると、厚いワークピースへの浸透性が向上しますが、アークの始動が困難になる可能性があります。[ 35 ]

直流電流は、正負どちらの極性でも、アルミニウムやマグネシウムの溶接に使用できます。負に帯電した電極を使用した直流電流 (DCEN) では、高い溶け込みが得られます。[ 35 ]アルミニウムの DCEN 溶接では、シールドガスとしてアルゴンが一般的に使用されます。厚い材料で高い溶け込みを得るためには、ヘリウム含有量の多いシールドガスがよく使用されます。アルミニウムの DCEN 溶接には、トリウム入り電極が適しています。正に帯電した電極を使用した直流電流 (DCEP) は、主に浅い溶接、特に接合部の厚さが 1.6 mm (0.063 インチ) 未満の溶接に使用されます。トリウム入りタングステン電極は、純粋なアルゴンシールドガスとともに一般的に使用されます。[ 35 ]

スチール

炭素鋼およびステンレス鋼のGTAWでは、過度の気孔率を防ぐためにフィラー材の選択が重要です。汚染を防ぐため、溶接前にフィラー材およびワークピース上の酸化物を除去し、溶接直前にアルコールまたはアセトンを使用して表面を洗浄する必要があります。[ 36 ]厚さ1インチ未満の軟鋼では予熱は一般的に不要ですが、低合金鋼では冷却プロセスを遅らせ、熱影響部におけるマルテンサイトの生成を防ぐために予熱が必要な場合があります。 工具鋼も熱影響部における割れを防ぐために予熱する必要があります。オーステナイト系ステンレス鋼は予熱を必要としませんが、マルテンサイト系およびフェライト系クロムステンレス鋼は予熱が必要です。通常はDCEN電源を使用し、先端が尖ったトリウム入り電極が推奨されます。薄いワークピースには純アルゴンが使用されますが、厚さが増すにつれてヘリウムを導入することができます。[ 36 ]

異種金属

異種金属の溶接は、多くの材料が容易に融合して強固な接合部を形成しないため、GTAW溶接に新たな困難をもたらすことがよくあります。しかしながら、異種材料の溶接は、製造、修理作業、腐食および酸化の防止など、様々な用途に用いられます。[ 37 ]接合部によっては、接合部の形成を助けるために適合性のあるフィラーメタルが選択されます。このフィラーメタルは、母材のいずれかと同じもの（例えば、ステンレス鋼と炭素鋼を母材としてステンレス鋼フィラーメタルを使用する）または異なる金属（例えば、鋼と鋳鉄の接合にニッケルフィラーメタルを使用する）です。非常に異なる材料を、特定のフィラーメタルと適合性のある材料でコーティング（バター塗布）してから溶接することも可能です。さらに、GTAWは異種材料のクラッディングやオーバーレイにも使用できます。[ 37 ]

異種金属を溶接する場合、接合部は正確な嵌合、適切なギャップ寸法、およびベベル角度でなければなりません。母材の過剰な溶融を避けるように注意する必要があります。パルス電流は入熱量を抑制するため、このような用途に特に有効です。フィラーメタルは素早く添加し、母材の希釈を防ぐため、大きな溶接プールは避けるべきです。[ 37 ]

プロセスの変動

パルス電流

パルス電流モードでは、溶接電流は2つのレベル間を高速で切り替わります。高電流状態はパルス電流と呼ばれ、低電流レベルは背景電流と呼ばれます。パルス電流の期間中、溶接部は加熱され、溶融が起こります。背景電流まで低下すると、溶接部は冷却され、凝固します。パルス電流GTAWには、入熱量が少なく、薄いワークピースの歪みや反りが低減するなど、多くの利点があります。さらに、溶融池の制御性が向上し、溶接の溶け込み、溶接速度、品質を向上させることができます。同様の方法である手動プログラムGTAWでは、オペレーターが特定の電流変化率と大きさをプログラムできるため、特殊な用途に便利です。[ 38 ]

ダバー

ダッバー型は、薄いエッジに溶接金属を正確に配置するために使用されます。この自動プロセスは、冷間または熱間のフィラーワイヤを溶接領域に送り込み、溶接アークにダッビング（または振動）させることで、手溶接の動作を再現します。パルス電流と組み合わせて使用​​することができ、チタン、ニッケル、工具鋼など、様々な合金の溶接に使用されます。一般的な用途としては、ジェットエンジンのシールの再生、のこぎりの刃、フライスカッター、ドリルビット、芝刈り機の刃の積層などがあります。[ 39 ]

参照

参考文献

  1. ^ウィーマン 2003、31、37–38 ページ
  2. ^ヘルタ・エアトン『電気アーク』20～ 94ページ。D.ヴァン・ノストランド社、ニューヨーク、1902年。
  3. ^ a b Anders, A. (2003). 「アークプラズマ科学の起源を探る-II. 初期の連続放電」 . IEEE Transactions on Plasma Science . 31 (5): 1060–9 . Bibcode : 2003ITPS...31.1060A . doi : 10.1109/TPS.2003.815477 . OSTI  823202. S2CID  11047670 .
  4. ^ソビエト大百科事典、記事「Дуговой разряд」 (eng. electric arc )
  5. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、5～8ページ
  6. ^ a b cリンカーン・エレクトリック 1994年、pp. 1.1-7–1.1-8
  7. ^米国特許 2,274,631
  8. ^ Uttrachi, Gerald (2012). Advanced Automotive Welding . North Branch, Minnesota: CarTech. p. 32. ISBN 1934709964
  9. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、8ページ
  10. ^ a bリンカーン・エレクトリック 1994年、1.1～8ページ
  11. ^ミラーエレクトリックマニュファクチャリングカンパニー 2013年、14、19ページ
  12. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、75ページ
  13. ^ミラーエレクトリックマニュファクチャリングカンパニー 2013年、5、17ページ
  14. ^ a bリンカーン・エレクトリック 1994年、pp. 5.4-7–5.4-8
  15. ^ジェファス 2002、378ページ
  16. ^リンカーン・エレクトリック 1994年、9.4～7ページ
  17. ^ Vel´azquez-S´anchez, Alberto (2021年6月26日). 「GTAWプラズマアーク柱における主要な伝熱メカニズム」 .プラズマ化学およびプラズマ処理. 41 (5): 1497– 1515. Bibcode : 2021PCPP...41.1497V . doi : 10.1007/s11090-021-10192-5 . S2CID 235638525. 2023年4月9日閲覧。 
  18. ^ a bキャリー＆ヘルツァー 2005、42、75ページ
  19. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、77ページ
  20. ^ワトキンス＆ミジア 2003、424–426ページ
  21. ^ミンニック 1996、120～121ページ
  22. ^ a b cキャリー＆ヘルツァー 2005、74～75ページ
  23. ^ a b cキャリー＆ヘルツァー 2005、71–72ページ
  24. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、71ページ
  25. ^ a b c d e f gミニック、1996 年、14–16 ページ
  26. ^ ISO 6848 ; AWS A5.12。
  27. ^ジェファス 1997、332ページ
  28. ^ a b c d Arc-Zone.com 2009、p. 2
  29. ^ AWS D10.11M/D10.11 - 米国国家規格 - 裏当てなしパイプのルートパス溶接ガイド。アメリカ溶接協会。2007年。
  30. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、72～73ページ
  31. ^ a b cミニック 1996、71–73 ページ
  32. ^ジェファス 2002、361ページ
  33. ^ウィーマン 2003、31ページ
  34. ^ Kapustka, Nick. 「アルミニウムとマグネシウムのアーク溶接」（PDF） EWI. 2019年8月12日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2022年8月10日閲覧。
  35. ^ a b c d eミニック 1996、135–149 ページ
  36. ^ a bミニック、1996 年、156–169 ページ
  37. ^ a b cミニック、1996 年、197–206 ページ
  38. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、75～76ページ
  39. ^キャリー＆ヘルツァー 2005、76～77ページ

参考文献

ウィキメディア コモンズには、ガス タングステン アーク溶接に関連するメディアがあります。
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