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2020.03.26溶接topics

板金溶接とは?種類や代表的な溶接法を解説

目次

 

 

 

板金溶接とは?種類や代表的な溶接法を解説

私たちの身近には、実は大変多くの溶接構造体が存在します。身近なところでは、自転車にも多くの溶接技術が応用されています。
本記事では、身近な存在でありながら、普段はあまり目につかない技術である溶接の中でも、板金溶接と呼ばれる技術について解説します。

 

 

板金溶接とは?

板金溶接とは、複数の金属を熱で固着する技術の総称です。板金加工と聞くと、どうしても薄い板と薄い板を溶接するようなイメージを抱きがちですが、実際には厚みのある金属であったり、棒状の物であったりと対象となる形状は様々です。対象となる形状が様々であるため、使用する溶接の工法も多岐にわたっています。

 

 

板金溶接の3つの種類

板金溶接には、その溶接の方式によって大きく分けて3つの種類があります。一言に板金溶接といっても、扱う対象は非常に多岐にわたっています。
様々な製品の特性や用途によって溶接方法を選定します。

 

融解法

融解法とは、金属を熱を利用して溶かし、とけた状態のまま複数のパーツを溶着指せ、冷却凝固させる板金溶接の一つです。融解法は、板金溶接のうちもっとも一般的な方法です。
また、必要に応じて専用の溶接棒やワイヤーなどを一緒に加熱して溶かし固める場合もあります。ちなみに、この時使用する溶接棒や専用のワイヤーのことを専門用語では「溶加材」と言い、溶接される対象となる製品本体を「母材」と表現します。

 

ろう接法

ろう接法は、融解法と同じく、古くから用いられてきた板金溶接の手法の一つです。融解法との最大の違いは、融解法が母材自体を溶かして溶接していたのに対して、ろう接法は母材自体を融解(溶かす)せず、「ろう」と呼ばれる専用の「溶加材」だけを溶かして、製品同士を固着させる点にあります。
この時使用する「溶加材」は母材よりも融点の低い(低い温度で溶ける)ものを使用するため、母材の熱による変形や変異を少なく抑えることができると言うメリットがあります。もっとも身近なろう接法を使用した溶接は、電子基盤などに部品を固定する際に使用されている「はんだ溶接」です。

 

圧接法

圧接法とは、溶接の作業に圧力的観点を用いて行う溶接の総称です。原理や仕組みは他の溶接法の応用ですが、溶接時に圧力を加えることで更に強固な溶接をおこうことができるといったメリットがあります。
基本的には製品と製品を直接溶接するため、仲介材の役目を果たすろ「ろう」の様なものは用いられません。また、圧接法の中でもその手法の違いによって「摩擦圧接法」「ガス圧接法」「スポット溶接」という3つの種類に大分されます。

摩擦圧接法

摩擦圧接は、溶接する2つの部品をともに高速で回転させるなどして擦り合わせ、その際に生じる熱を利用した溶接法です。この溶接法の場合、製品と製品を直接融解して接合するため、溶接後の強度は非常に強固であり溶接前の素材の持つ強度を低下させることなく、二つの製品を接合することが可能です。
また、異材同士であっても直接的に融解・融合を行いますので強固に溶着させることができるといったメリットもあります。しかし、施工には専用の設備を必要としますので、簡便性にはかけるといえます。身近な製品では、鉄道車両の車輪の一部などにこの溶接工法が採用されています。

スポット溶接

スポット溶接は、特に薄い板などの接合に用いられる溶接法で、プラスとマイナスの電極を持った機械で、対象となる製品を挟み込み圧力をかけます。その状態のままで電極に電気を流すことで局所的に高温な部分を作り出し、製品と製品を溶接する工法です。
自動車のボディーなどでは非常に多くの箇所で採用されており、溶着時に圧力を加え密着度を高めていることで強固な溶接を行うことが可能な溶接法です。また、溶接時間も比較的短く自動車などの大量生産の現場で多く採用されています。
ただし、他の溶接法と違い溶接した面は、母材と母材に挟まれた状態で直接観察することができません。そのため、溶接の健全性を確認するために、溶接の破断試験(ナゲット試験)などを実施し、溶接機の設定やその他の諸条件が健全であることを確認する必要があります。

ガス圧接法

ガス圧接法は、摩擦圧接の簡易的な溶接法です。摩擦圧接が製品同士の摩擦によって熱を発生させていたのに対し、ガス圧接はその熱源をガスバーナーによって補う溶接法です。
摩擦圧接のように大掛かりな設備を必要とせず、溶接を行うことが可能なため建築の現場などでも利用される溶接法です。

 

 

その他の代表的な溶接の種類

ここまでは板金溶接の原理的な要素をもとに溶接の方式を分類してきました。しかし、溶接という行為そのものは、製品の特性や施工環境など様々な要因によって施工法案を決定する必要があります。
実際に同じ原理に基づく溶接であっても、対象となる製品の形状の違いなどによって、使用する溶接設備を変更することは珍しいことではありません。ここからは、そうした溶接の種類による違いについて個別に詳しくご紹介していきます。

 

アーク溶接

アーク溶接は、融接法を用いた溶接の代表的な手法です。対象となる母材と溶接機の電極との間に電位差を発生させ、その2点の間に発生する「アーク」(火花の様なもの)を熱源として使用する溶接法です。その際、母材側を電位的にマイナスとし、溶接機側(電極)をプラスとなるようにします。
アークは、非常に高温な火花でどの温度は20000℃近くまで上昇し、一気に母材や溶加材を溶かし溶接していきます。この「アーク」を利用した溶接法は、電極を消費しながら溶接を進めていく「溶極式」と、電極は消費されず熱源としてのみアークを使用する「非溶極式」に分けることができます。
それぞれに特徴があり、使用目的や使用環境によって使い分けられます。

 

被覆アーク溶接

もっとも一般的といえるアーク溶接(溶極式)の溶接法です。電極となる金属の周りに燃焼することで、空気(酸素)を遮断することのできる特殊な成分を含有した皮膜をつけたものを使用します。
溶接を開始すると電極と母材の間にアークが発生しその熱によって電極と共に被覆も溶解されていきます。溶解した被覆は、溶接の表面に浮き上がり、冷却と共に硬化します。この皮膜の役割は、溶接箇所が空気(酸素)にさらされることで、急激な酸化作用により溶接部に欠陥が生じるのを防ぐことが目的で、こうした酸化を防止する目的です。
被覆は、熱により融解した際に特殊なガス(ヒュームとも言う)が発生します(シールドガス)。溶接設備は、非常に簡素であるため、現場(屋外)などでも施工が可能です。その反面、アークをコントロールすることが難しく極端に薄い母材の場合などには利用することができません。

 

Co2溶接(半自動溶接)

Co2溶接は、先ほどの被覆アーク溶接と原理は同じ(溶極式)ですが、Co2溶接の場合は電極に被覆は塗布されておらず、代わりにCo2(二酸化炭素)をシールドガスとして電極のまわりに噴射しながら溶接を行います。
先ほどの被覆アーク溶接に使用する電極が1ミリを大きく超える太さであるのに対し、Co2溶接で使用する電極(ワイヤー形状)の線径は細いものでは0.4ミリ程度から存在します。そのため被覆アーク溶接と比較して少ない熱量で溶接を行うことが可能で、薄い母材などへも簡単に施工することが可能です。
しかし、専用の溶接機やシールドガスとして使用するCo2のボンベが必要であったり、設備が大掛かりになることが多く、被覆アーク溶接と比較して施工環境を気にする必要があります。

 

セルフシールド溶接(半自動溶接)

セルフシールド溶接は、Co2をシールドガスに用いるCo2溶接とのちがい、シールドガスを必要としない半自動溶接の一種です。シールドガスの代わりに溶接ワイヤーの中にフラックスとよばれるものを内包しており、溶接のアーク熱によってフラックスが溶け出しシールドの役目を果たします。被覆アーク溶接とCo2溶接を組み合わせたような方式です。
Co2溶接では、シールドガスが電極の周りに噴射されているため、風の強い屋外などの環境では使用できない可能性がありますが、セルフシールド溶接の場合はその心配がありません。この電極内にフラックスを内包したワイヤーを一般的に「フラックス入り」といい、反対にフラックスを含んでいないものを「ソリッドワイヤー」と呼びます。

 

TIG溶接

TIG溶接は、アークを利用した溶接法のうち「非溶極式」に分類される溶接法です。タングステンなどの非常に融点の高い電極を使用しアークを発生させ、その熱を利用して溶接を行います。
TIG溶接では、母材のみを融解して固着する方法と、溶接棒を同時に溶かしながら溶接を行う方法の2種類があります。また、使い方によってはロウ溶接法のように溶加材(溶接棒)のみを融解して母材を固着させるような溶接を行うことも可能です。
TIG溶接に使用するシールドガスは、一般的に酸化安定性の高いガスとして「アルゴンガス」を使用するのが一般的です。しかし、用途によっては溶接の深さや溶け込み量を確保するために「ヘリウムガス」などを使用する場合もあります。
TIG溶接の利点は、電極や電圧などを非常に細かく設定することが可能で、非常に薄い母材などにも施工できる点にあります。ただし、その反面、電極の形状などによって形成されるアークの形状が変わってしまうと、溶接の出来栄えや健全性に直結してしまうため注意が必要です。

 

レーザー溶接

レーザー溶接は、溶接に必要な熱源をレーザー光線によって得る溶接法です。これまで紹介した熱源にアークを利用する溶接の場合、アークを発生させる要件として母材と電極の間に電位差を必要としました。そのため、通電性のない母材には施工することができません。
しかし、レーザー溶接の場合は、熱源はレーザー光線ですので発生の要件に電位差は必要としません。そのため、通電性のない母材であっても溶接を行うことが可能です。レーザー溶接は、先ほどのTIG溶接と同様にシールドガスを使用し空気を止めながら溶接を行います。使用する主なシールドガスは「二酸化炭素(Co2)」「窒素」などです。
レーザー溶接は、他の溶接法と比較して非常に短時間に局所的な高温を得ることができるため、TIG溶接でも溶接の難しいような極めて薄い母材などにも施工できる溶接法です。また、レーザー溶接は使用するレーザー光線の集約(焦点)を調整することで、簡易に且つ均一性のある溶け込みを確保できる特徴があります。
また、真空下で溶接を行うことも可能であり、その場合には真空設備と組み合わせて施工することとなります。一般的にはレーザー溶接は専用の設備内で行います。これは、熱源に使用するレーザー光線が反射により周辺の環境に影響を及ぼすことを防ぐための措置です。そのため、溶接設備と大掛かりなものとある場合が多いという欠点があります。

 

ろう付

ろう付けは、「ろう溶接」一般的な施工方法の一つです。溶接に使用する熱源は、アセチレンガスやプロパンガスの炎を利用するのが一般的です。ろう付けでは、母材の材質によっていろいろな加溶材(この場合は「ろう」と呼ぶ)を使用します。これは、母材との融点の差を利用するろう溶接であること、母材との親和性を加味してのことです。
ろう付けで使用する主な加溶材には、「銀ろう」「銅ろう」「真鍮ろう」などがあります。また、ろう付けでは、母材と加溶材の密着度を向上させるためにフラックスを併用します。アーク溶接などの場合のフラックス酸化防止は主な目的でしたが、ろう付けの場合は加溶材と母材とのなじみの良さを向上させるための目的で使用します。

 

スタッド溶接

スタッドとは、直訳すれば「鋲」のことで、溶接の世界でスタッド溶接というと、もっぱらボルトを製品に溶接する場合に用いられる工法です。専用の溶接機に専用のボルト(スタッド)をセットし、高圧の電気と圧力を同時に加えることで一瞬にして製品にボルトを溶接することができます。この方法も自動車産業などでは非常に多くしようされています。

 

 

まとめ

一言で板金溶接といっても、その種類や工法は非常に多種多様に存在します。

溶接作業を行う場合には、数多くの溶接工法の中から目的にあった溶接法を適切に選択することが非常に重要です。

そのため、各溶接法の特徴をしっかりと把握して適切な溶接法を選択することが重要です。