溶接のシールドガス｜役割と特徴・可視化手法を解説

シールドガスとは、アーク溶接の際に使用されるガスで、主な目的は溶接中の溶接金属を大気中の酸素や窒素などの有害な成分から保護することです。

アーク溶接は、高温の電気アークで金属を溶かして接合する技術です。高品質な溶接には、金属の酸化や不純物の混入を防ぐことが重要であり、シールドガスは重要な役割を果たします。シールドガスは、溶接部を覆い、大気中の酸素や窒素との接触を遮断することで、溶接金属の酸化や不純物の混入を防ぎます。

空気は、主に窒素と酸素で構成されており、窒素が約78％、酸素が約21％を占めます。これらのガスは、溶融金属と接触すると反応を起こす可能性があり、結果として溶接部の品質が低下する恐れがあります。

シールドガスは、このような反応を抑えるためにアークの周囲に供給され、溶融金属と空気との接触を遮断して酸化を防止します。

空気中の湿気は、溶接中に水素が溶融金属へ取り込まれる要因となり、気孔やクラックの発生につながることがあります。シールドガスは、湿気の影響を抑え、溶接部を保護する役割も果たします。

シールドガスがないと、溶融金属は空気中の成分と反応しやすくなります。たとえば、鋼板をシールドガスなしでアーク溶接すると、溶接ビードには、ブローホールやピットなどの欠陥が現れることがあります。さらに、溶接ビード周辺にはスパッタが多く観察されます。

これは、空気との反応によって溶融鋼に窒素や酸素が溶解し、冷却・凝固の過程でN₂ガスやCOガスなどが生成され、気孔が形成されるためです。

シールドガスの選択は、溶接する金属の種類、溶接方法、求める品質によって変わります。適切なガスを選ぶことで、アークの安定性、スパッタの低減、ビード外観や溶け込みなどに影響します。

特性：アルゴンは不活性ガスであり、金属との化学反応を起こしにくい特性を持っています。この性質により、溶接中に溶融金属が大気中の窒素や酸素と反応するのを防ぐ役割を果たします。

用途：アルゴンは、アルミニウムやチタンなどの非鉄金属の溶接に特に適しています。また、ステンレス鋼の溶接にも使用され、スパッタの低減やビード外観の向上を目的として選定されることもあります。

特性：ヘリウムは不活性ガスの一つで、アルゴンよりも熱伝導率が高い特性を持っています。このため、高い入熱を必要とする溶接に適しています。

用途：ヘリウムは、アルミニウムや銅のような熱伝導率の高い金属の溶接に多く使用されます。特に、酸素と容易に反応する金属の溶接には、ヘリウムやアルゴンのような不活性ガスが推奨されます。

特性：二酸化炭素は単独で使用されることもありますが、他のガスとの混合で使用されることも多くあります。CO₂を単独で使用するとアークが不安定になりやすい場合があり、用途によってはアルゴンとの混合ガスが使用されます。

用途：二酸化炭素は低コストであるため、一般的な鋼材の溶接によく使用されます。特に、炭酸ガスアーク溶接として知られる方法で使用されています。

特性：アルゴンと二酸化炭素の混合ガスは、鋼材のMAG溶接などで広く使用される代表的な混合ガスの一つです。この組み合わせは、アークの安定性と溶接性能を向上させる効果があります。

用途：混合ガスは、一般的な鋼やステンレス鋼の溶接に適しています。特に、MAG溶接で使用されています。

水素、酸素、窒素などのガスも、特定の溶接条件や金属材料に応じて使用されることがあります。これらのガスは、溶接する金属の種類、溶接方法、求める溶け込みやビード形状に応じて選定されます。

溶接欠陥とは、溶接中に生じる耐久性や機能性に影響を及ぼす不具合を指します。これらの欠陥は、使用する溶接手法や熱源の種類によって異なることがあります。アーク溶接やレーザー溶接のように、熱源やプロセスが異なる溶接手法では、発生しやすい欠陥の種類や特徴も変わります。

シールドガスの供給が不足すると、溶融金属が大気中の酸素や窒素、または水分由来の水素の影響を受け、酸化・窒化や気孔の発生につながることがあります。その結果、金属内部にブローホールと呼ばれる気孔が発生することがあります。これは、溶融金属内部にガスが残留し、そのまま凝固することで生じる欠陥です。

ブローホールを含む溶接欠陥は、製品の耐久性を低下させる主要な原因となります。また、溶接部に発生したガスが原因でポロシティと呼ばれる気孔やピットと呼ばれる表面の小さなくぼみが形成されることもあります。これらも同様に、製品の強度や寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。

溶接欠陥の発生を防ぐためには、適切なシールドガスの選択、供給量の確保、トーチまわりのシールド状態の確認が重要です。また、溶接条件や環境を最適化することで、欠陥の発生リスクを低減することができます。具体的には、溶接速度、電流、電圧、ガス流量、トーチとワークの距離などを適切に設定することが重要です。

ただし、シールドガスの流れは通常目に見えないため、実際にどのように溶接部を覆っているのかを確認するには、可視化技術による観察が有効です。

溶接中のシールドガスは通常目に見えません。さらに、溶接時には強いアーク光が発生するため、一般的な撮影ではシールドガスの流れや乱れを確認することが困難です。

溶接プロセス可視化システム Shield Viewでは、アーク光の影響を抑えながら、溶接中のシールドガス、スパッタ、ヒュームの挙動を観察できます。