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溶接の基礎講座
ものづくりにおける接合方法の1つに、「溶接」があります。
本連載では「溶接」について、金属が接合するメカニズムから溶接の種類、また溶接の仕方まで、現場で使える知識をご紹介していきます。
第2章 溶接方法と溶接材

2-3 TIG溶接と溶接装置の設定作業

ティグ(TIG)溶接は、融点の高いタングステン電極と母材との間にアークを発生させ、このアークで溶かした金属をアルゴンなどの不活性ガスで保護しながら溶接します。 したがって、この溶接では、(1)熱源としてのアークは母材のみを溶かすことができ、必要な溶け込みの得られる高品質の溶接が可能です(薄板溶接では必要以上に溶着金属をつけないナメ付け溶接で、 逆に開先内溶接やすみ肉溶接のように溶着金属が必要な溶接では、接合面を溶融させた後に溶接棒を添加する方法で図3-1のように必要最小限の溶け込みと溶着金属が確実に得られます)、 (2)不活性ガス中の穏やかなアークで溶接されることで、多くの金属材料の高品質な溶接が可能です、といった特徴の溶接法となります。

図3-1 TIG溶接による溶接例

図3-1 TIG溶接による溶接例

1)TIG溶接装置

TIG溶接装置は、図3-2に示すように溶接機、シールドガス送給などを行う制御装置、溶接トーチ、そしてシールドガス及びシールドガスを送るホース類で構成されます(水冷トーチ使用の場合は、別に冷却水回路が必要です)。 ただ、今日のTIG溶接機は制御装置が溶接機に組み込まれた一体型で、デジタル方式のものが主流になっています (デジタルTIG溶接機の特徴は、(1)各種機能の切り替えがスイッチではなくタッチパネル方式になっている、(2)電流などの設定、表示がデジタル値である、(3)電流の制御などが迅速で高精度である、(4)溶接条件の記憶機能を有している、などであり、基本的機能は従来機と同じです)。

図3-2 TIG溶接装置の構成

図3-2 TIG溶接装置の構成

2)溶接機の設定

一般的なTIG溶接機には、目的に合った溶接が行えるよういろいろの機能が用意されており、これらを適正に設定することで目的の溶接が高品質に行えるようになります。

それぞれの機能の設定の目安は、次のようになります。

(1)アルミニウム、マグネシウムを除く材料のTIG溶接は、基本的に直流(DC・TIG)に設定します。

*1:アルミニウム、マグネシウム材料の溶接
素材が溶ける温度の4〜5倍の溶ける温度となる材料表面の酸化膜を破るため、クリーニング作用が安定して得られる交流TIGが使用されます。

*2:交流TIGの場合
使用する電流波形を標準、薄板用、厚板用、交流と直流のミックスなどに選択できますが、特殊な目的の場合を除き標準交流を選べば良いでしょう。

*3:交流TIGの場合
溶接に不可欠となるクリーニング作用の作用範囲をクリーニング幅調整ダイアルで調整できます。このクリーニング幅調整位置を狭く設定すると、図3-3のようにクリーニングされる幅は狭く、電極先端の溶融が少なくなります。 ただ、特殊な目的を除く通常の設定は、ほぼ中間の標準位置で良いでしょう。

図3-3 クリーニング幅調整位置と溶接結果の関係

図3-3 クリーニング幅調整位置と溶接結果の関係

(2)使用するトーチの水冷、空冷の切り替えを設定します。

TIG溶接でアークを発生させるトーチヘッド部は、アーク熱などで加熱され高温となります。この温度上昇により、(1)トーチ部品の損傷、(2)作業者の火傷などの危険性を高めます。そのため、トーチを水冷、ないしは空冷で冷却します。

*1:空冷トーチ使用の場合
作業性や冷却水送給装置のメンテナンスの面から、200A以下の電流で使用するトーチは空冷式のものを使用することが多くなっています。 ただ、空冷式では、タングステン電極の交換の際にトーチキャップを絞めたり緩めたりすることで、特に高温状態のトーチボディ側のネジ山が磨耗し、タングステンの固定がきかなくなることがあり注意が必要です。 (こうした問題には、組み立て式のトーチを使用し、トーチヘッド部品のみの交換で対応すると良いでしょう)。また、高温状態のトーチヘッド部に手を触れるなどによる火傷にも注意です。

*2:水冷トーチ使用の場合
空冷トーチの問題点を回避するといった面から、基本的には水冷トーチの使用が推奨されます。 ただ、この場合、冷却装置とトーチ冷却水ホースのジョイント部などに錆びやごみの詰りが生じ、冷却水の流れが所定圧力に達し切れず制御回路が作動しないトラブルに遭遇することがあります。 こうした場合、各接続部を外して清掃することが基本です。ただ、急ぎで短時間の溶接に限る場合は、冷却装置は駆動させた状態で空冷に切り替えるとアークが発生できます (これは応急処置であり、長時間使用の場合は必ず清掃が必要で、おこたるとトーチパワーケーブルの破損につながります)。

(3)その他の機能を設定します

TIG溶接機には、溶接の開始、終了時の溶接品質を高めるため図3-4に示すシーケンスで溶接できます。

図3-4 TIG溶接でのシーケンスの概要

図3-4 TIG溶接でのシーケンスの概要

*1:シールドガス送給の設定
溶接開始前、溶接終了後の溶接部の酸化を防ぐため、それぞれの時点で図3-4のようにプリフロー、アフターフローの時間を設定します。

プリフロー時間は溶接開始位置に黒色酸化物の付着の無くなる時間が、アフターフロー時間は冷却後の電極先端部が酸化による変色の無い銀白色であることが、それぞれの設定の目安になります。

*2:アップスロープ条件の設定
図3-4の溶接開始直後の電流操作で、開始時点でただちに溶接電流が流れると溶接開始母材始端で溶け落ちを生じる危険があり、これを防ぐため初期電流を溶接電流より低く設定、その後アップスロープをかけて溶接電流まで上昇させます (特に初期溶け落ちが発生しやすい場合は必要ですが、通常は溶接電流の1/3程度で最低のアップスロープ時間の設定でも良いでしょう)。

*3:ダウンスロープ条件の設定
図3-4の溶接終了時点の電流操作で、終了時に一挙にアークを切るとクレータ中心に収縮孔などの欠陥を発生するようになるため、溶接電流の1/3程度のクレータ電流で、 できるだけ収縮孔の発生しない程度のダウンスロープ時間を設定すると良いでしょう(この設定では、処理なし、上述の処理1回のあり、処理を数回繰り返す反復の使い分けの設定も必要ですが、この処理を行う場合、処理とトーチスイッチ操作の関係をよく確認しておきましょう)。

執筆: 溶接道場 安田 克彦

『溶接の基礎講座』の目次

第1章 溶接の基礎

第2章 溶接方法と溶接材料

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