溶接スパッタとは｜発生原因と対策について解説

スパッタとスラグは溶接作業において異なる性質を持つ副産物です。スパッタは製品表面に影響を与え、スラグは溶接工程に影響を与えるため、それぞれの特性を理解し、適切な対策を講じることが重要です。

スパッタは、溶接中に溶融金属の小さな滴が周囲に飛び散る現象です。電弧溶接やガス溶接の際に、溶融金属がアークの影響で飛び散ることで発生します。飛び散った金属の粒子は冷却され、溶接部位やその周辺に付着します。スパッタは外観に影響を与えるだけでなく、後処理が必要になることもあります。また、周囲の設備や作業者に対する火傷や損傷のリスクも伴います。

スラグは、溶接後に溶接ビードの表面に形成される非金属の固形物質です。主に被覆アーク溶接やサブマージアーク溶接などで、フラックスが溶融して形成されます。スラグは冷却後に硬化し、溶接ビードの表面に覆いを形成することで、溶接金属が酸化や他の不純物から保護されます。スラグは通常、溶接完了後に除去される必要があります。取り除かないと、次の溶接工程に影響を及ぼすことがあります。

発生プロセス
スパッタは溶接中に発生し、スラグは溶接後に形成されます。

形態
スパッタは飛び散った金属の粒子であり、スラグは溶接ビードの表面に形成される固形物質です。

処理方法
スパッタは周囲から除去する必要があるのに対し、スラグは溶接ビードから剥がす必要があります。

溶接スパッタの発生原因は、溶接条件の不適切な設定や材料の品質、溶接技術の未熟さに起因します。これらの要因が重なることで、溶融金属が飛び散り、スパッタが発生します。

溶接スパッタの主な発生原因は以下の通りです。

電流強度の不適切な設定
過剰な電流や不足した電流設定により、溶融金属が不安定になり、飛び散ることが多くなります。

不安定なアーク
アークが不安定になると、溶接プール内の金属が不規則に飛び散ります。

溶接材料の不純物
溶接材料に含まれる不純物や油分、酸化物などがスパッタの発生を促進します。そのため、高品質な材料を使用することがスパッタの発生を抑える要因のひとつになります。

溶接技術の熟練度の低さ
熟練度の低い溶接作業は、適切な溶接速度や角度を維持できず、スパッタが発生しやすくなります。

溶接スパッタは、製品品質の低下、作業効率の悪化、さらには作業者の安全性を脅かす要因となります。適切な対策が講じられない場合、コストの増加や健康被害を引き起こす可能性も否定できません。

外観不良：
溶接ビードにスパッタが付着すると、外観が損なわれます。特に、目立つ部分にスパッタが付着すると、外観品質や後工程に影響する場合があります。

強度低下：
スパッタは、溶接ビードの肉厚を減少させ、強度や信頼性に影響する場合があります。特に、ビードの付け根部分にスパッタが付着すると、亀裂発生の原因となる可能性があります。

腐食促進：
スパッタは、溶接ビードに不純物を混入させ、腐食リスクにつながる場合があります。特に、ステンレス鋼などの耐食合金を溶接する場合、スパッタによる腐食は深刻な問題となります。

火災の危険性：
スパッタは、可燃物に飛散すると火災の原因となる可能性があります。

有害ガスの発生：
スパッタ発生時には、ヒュームやガスも同時に発生する場合があります。これらの有害ガスを吸い込むと、頭痛、めまい、吐き気などの症状を引き起こす可能性があります。

溶接スパッタの対策方法は、適切な溶接条件の設定、スパッタ防止製品の使用、作業環境の改善、そして作業者の技術向上にあります。これらの対策を講じることで、スパッタの発生を最小限に抑え、溶接品質の向上と作業効率の改善が図れます。

溶接スパッタの対策方法は多岐にわたりますが、適切な溶接条件の設定、スパッタ防止製品の使用、作業環境の改善、そして作業者の技術向上が鍵となります。

溶接スパッタは、発生量だけでなく、いつ発生し、どの方向へ飛散し、どの範囲に付着するのかを把握することが重要です。肉眼では一瞬の飛散として見えても、実際にはレーザー出力、電流・電圧、焦点位置、シールドガス、アシストガス、ワーク材質などの条件によって発生タイミングや飛散方向が変化します。

溶接スパッタを可視化することで、発生タイミング、飛散方向、飛散量、付着範囲、条件変更前後の違いを確認できます。さらに、動画画像処理によってスパッタを抽出・カウントすることで、発生量の時系列変化や、条件ごとの比較を数値として整理できます。

これにより、経験則だけに頼らず、溶接条件、ガス条件、焦点位置、出力条件の見直しに活用できます。スパッタ低減、再溶接率の低減、後処理工数の削減、外観品質の改善を検討する際に有効です。

発生した溶接スパッタをレーザーシート光源で可視化して、ハイスピードカメラ撮影。撮影された画像からPIV計測による速度ベクトルの算出まで行った事例です。

使用した主な構成
・PIV Laser KLD series
・ハイスピードカメラk5
・PIVソフトFlow ExpertⅡ2D2C

カトウ光研では溶接スパッタを可視化し、画像処理による飛散するスパッタのカウントを実現する技術を提案しています。溶接中に発生するスパッタをリアルタイムで可視化することで、発生量や発生タイミングを詳細に分析できます。

「溶接プロセス可視化システムShieldView」を用いて、溶接中のスパッタをリアルタイムに可視化します。取得した動画データを「動画画像処理ソフトKM2.0」に取り込み、スパッタを自動ラベリングし、個数をカウントします。時系列変化するスパッタ数をグラフ化し、スパッタ飛散映像とあわせて出力します。溶接条件を変えて飛散量を比較することで、スパッタ（ドロス）最小化に向けた対策を効率的に検討可能です。

使用した主な構成
・溶接プロセス可視化システムShield View
・動画画像処理ソフトKM2.0

溶接スパッタの発生量や飛散方向を確認したい方へ
Shield Viewでは、溶接中に発生するスパッタ、ヒューム、シールドガスなどの挙動を可視化できます。さらにKM2.0を組み合わせることで、スパッタを画像処理で抽出し、発生数や時系列変化を整理できます。

溶接条件、出力条件、ガス条件、焦点位置の違いによるスパッタ発生量を比較したい場合は、お問い合わせフォームより、対象とする溶接方法や確認したい現象をお知らせください。

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溶接条件を変えたときのスパッタ発生を比較したい方へ
レーザー出力、焦点位置、アシストガス流量、シールドガス条件を変えた際のスパッタ発生量や飛散方向を可視化できます。条件変更前後の違いを映像とカウント結果で確認したい場合は、デモについてご相談ください。

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