アーク溶接技術発展の系統化調査

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A Systemized Exploration of the Development of Arc Welding Technology

三田 常夫 Tsuneo Mita
■ 要旨
金属を接合する溶接は、今日の工業製品にとって欠くことのできない重要な加工技術となっている。その溶接では、接合部を局部的な高温に高めるために、電気的なエネルギーを利用した種々な手法が開発されているが、とりわけ、アーク熱を利用して母材を溶融するアーク溶接があらゆる産業分野で大きな役割を果たしている。
アーク溶接に用いられるアークは 1807 年に発見され、発電機が出現した 1860 年頃以降アークを用いる溶接法の適用が本格化し、現在の主要なアーク溶接法のほとんどは 1950 年前後に開発された。1914（大正 3）年にアー
ク溶接が導入されたわが国では、その後の 100 年間でアーク溶接技術は大きく発展し、近年では、世界の溶接界をリードする主要国としての立場を確立している。
本報告は、このようなアーク溶接技術のわが国における発展経過を中心にまとめたもので、その構成は次のようである。第 1 章では、本報告のテーマである溶接技術の概要と加工技術としての位置付けを述べるとともに、その中でアーク溶接法の占める役割を説明した。第 2 章では、アーク溶接法の概要を説明するために、溶接アー
クの性質ならびに主なアーク溶接法の原理と特徴を述べた。
第 3 章からは本報告の本題であり、第 3 章ではアーク溶接プロセスの発展経過をアーク溶接法ごとにまとめた。取り上げたアーク溶接法は、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、ティグ溶接、ミグ溶接、マグ溶接、
パルスマグ・ミグ溶接およびその他のアーク溶接である。その他のアーク溶接としては、プラズマアーク溶接、
セルフシールドアーク溶接、エレクトロガスアーク溶接、アークスタッド溶接ならびに狭開先溶接を取り上げている。第 4 章ではアーク溶接に用いられる溶接機・溶接電源の発展経過について、時期を 1900 年代前期の萌芽期、1900 年代中期の開拓期、1900 年代後期の発展期および近代 (1969 年以降 ) に分け、それぞれの時期ごとにアーク溶接機および電源の発展経過を記述した。第 5 章では、溶接棒、溶接ワイヤなどのアーク溶接材料と、アーク溶接に用いられるシールドガスの発展経過について述べた。
第 6 章は本報告のまとめであり、第 3 章～第 5 章で述べたアーク溶接技術の発展経過を整理し、溶接プロセ
ス、溶接電源および溶接材料それぞれの発展経過の概要をフロー図としてまとめた。また、アーク溶接技術の今後の課題についても概説した。

■ Abstract
Welding, the fusing together of metals, has become a processing technology indispensable for the industrial productsof today. Many methods using electric energy have been developed to raise the localized temperature at the joint for
welding. Arc welding, in particular—using heat from an electric arc to fuse the base material—plays a major role invarious industrial fields. The electric arc used in arc welding was discovered in 1807. The application of welding
methods using this arc became full-fledged since electricity generators appeared in 1860, and most major arc welding
methods in use today were developed around 1950. Arc welding was introduced to Japan in 1914. In the 100 years
since, its arc welding technology has developed greatly, and Japan has established itself in recent years as a majorcountry leading the welding world globally.
This report outlines such arc welding technology, focusing on the course of its development in Japan, and isorganized as described below. Chapter 1 gives an overview of the theme of the report—welding technology—and where
it stands as processing technology, as well as the role played in it by arc welding. Chapter 2 is an overview of the arc
welding method, describing the characteristics of the welding arc and the principles and features of the major methods.
The main subject of this report starts in Chapter 3, laying out the course of development of processes in arc welding,categorized by arc welding method. The arc welding methods featured include shielded metal arc welding, submerged
arc welding, Tungsten Inert Gas (TIG) welding, Metal Inert Gas (MIG) welding, Metal Active Gas (MAG) welding, andpulsed MAG/MIG welding. Other arc welding featured are plasma arc welding, self-shielded arc welding, electrogas arc
welding, arc stud welding, as well as narrow-gap welding. Chapter 4 documents the course of development of welding
equipment and welding power supply used in arc welding, classified by period: the embryonic phase of the early
1900's, the pioneering phase of the mid-1900's, the progressive phase of the late 1900's, and the modern phase (since1969). Chapter 5 describes the course of development of arc welding materials such as welding rods and welding wire,and shield gases used in arc welding.
Chapter 6 is the conclusion of this report, and reiterates the course of development of arc welding technology
described in Chapters 3 to 5. The course of development of welding processes, welding power supplies, and welding
materials are each summarized in a flow chart. Issues currently facing arc welding technology are also outlined.

■ Profile三田常夫 Tsuneo Mita

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
1972年 大阪大学工学部溶接工学科卒業
1991年 大阪大学 博士（工学）1972年 （株）宮地鐵工所 入社
1975年 同社 退社
1975年 日立精工（株）（現ビアメカニクス（株）） 入社
2005年 同社退社
2006年 ダイヘン溶接メカトロシステム（株） 入社
2015年 同社 退職
2015年 大阪大学接合科学研究所招聘教授■ Contents
1. はじめに… …………………………………………… 391
2. アーク溶接の概要… ………………………………… 394
3. アーク溶接プロセスの発展経過… ………………… 405
4. 溶接機・電源の発展経過… ………………………… 479
5. 溶接材料の発展経過… ……………………………… 500
6. おわりに… …………………………………………… 520
付表……………………………………………………… 523

1 はじめに人類が金属を利用し始めたのは紀元前の青銅器時代ある。

であるが、それ以来金属を切断したり接合したりし

母材より低融点のろう材を利用して接合する“ろうて、生活に役立つ様々な品物や道具を製作してきた。

接”は、高温を作り出すことが極めて困難であった古現在使用されている金属の種類や製作される品物・道代でも利用されており、メソポタミア地方で発見され具は、当時とは比べものにならないほど高機能化し、た銅製のレリーフの一部に使用されていたことが知らその適用も広範囲にわたり、金属の切断・接合は今日れている。また、熱した金属を重ねてたたく（鍛える）の工業製品にとって欠くことのできない重要な加工技と、重ね合わせた金属を接合・一体化することができ術となっている。

る。このような接合方法は“鍛接”と呼ばれ、“圧接”

金属の接合方法を、接合機構と接合エネルギーで分に分類される。鍛接の歴史も古く、青銅器や鉄器の接類すると、リベットやボルトなどを用いて力学的なエ合に多用されていたことが知られている。特に、延性ネルギーで部材を接合する“機械的接合”、接着剤やが良好な鉄には適した接合方法であることから、紀元樹脂などを用いて化学的なエネルギーで部材を面で接前 15 世紀頃に鉄が発明された小アジアから、鍛接は合する“化学的接合”、および種々なエネルギーを利鉄とともに世界各地へ広まったようである。わが国へ用して冶金的に接合する「溶接」に大別される。

も紀元前 3 世紀頃に伝わり、後の日本刀は鍛接の代表

溶接は、「2 個以上の部材の接合部に熱、圧力もし例となっている。

くはその両者を加え、さらに必要であれば適当な溶加

もう一つの古い金属接合法として、接合母材間に溶材も加えて、連続性を持つ一体化された 1 つの部材と融させた金属を流し込んで接合する“鋳掛け”と呼ばする操作」である。そしてその接合機構面から、液相れる方法がある。鋳掛けでは、母材の縁が溶けるまで（溶融）接合である“融接”、固相または液相接合であ溶融金属を流し込むため、その接合機構は“融接”にる“圧接”、および液相 - 固相反応接合である“ろう極めて近いといえる。鋳掛けの代表例には鎌倉の大仏接”に細分される。これら溶接の 3 形態を図示するとがあり、注意して観察すれば、溶接ビードの余盛りの表 1.1 のようであり、“融接”、は被溶接材（母材）のような鋳掛け部が認められる。鋳掛けは金属製品のひ接合部を加熱、溶融して、母材の溶融金属あるいは母び割れや穴明きを補修する方法として、比較的近年

材と溶加材を融合させた溶融金属を生成し、その溶融（昭和 30 年代頃）まで、わが国でも使われていた。

金属を凝固させることによって機械的圧力を付加せず

しかし本格的な“融接”を行うためには、比較的狭に接合する方法である。
“圧接”は接合部へ摩擦熱・い部分を集中して加熱することが必要であり、そのた

電気抵抗によるジュール熱などの熱エネルギーを加えめにはかなりの高温が要求される。したがって、近代た後に、機械的圧力を付加して接合する方法、“ろう的な“融接”が行われるのは、電気やガスを利用して接”は母材より低融点の溶加材（ろう材）を溶融し、母材を集中的に加熱することができるようになる産業

その毛管現象を利用して接合面の隙間にろう材を充填革命以降であり、金属を溶融させて接合することが可することによって、母材を溶融せずに接合する方法で能となったのは 19 世紀に入ってからである。

表 1.1

溶接における接合形態

アーク溶接技術発展の系統化調査

391

今日では、溶接部を局部的な高温に高めるために、

一般に、アーク溶接実用化の第 1 歩はベナードス

圧力や摩擦力などの力学的なエネルギー、化学反応に（N. V. Benerdos）による炭素アーク溶接の発明とさよって生じる発熱などの化学的なエネルギー、アーク

れており、1885 年にはその特許が成立している。そ

熱や抵抗発熱などの電気的なエネルギーあるいはレーの後、1892 年にスラビアノフ（N. Slavyanv）が消耗

ザに代表される光エネルギーを利用した種々な手法が電極溶接法の元祖となる金属アーク溶接法を発見し、開発されている。溶接部に加えられるエネルギーと接1907 年にチェルベルヒ（O. Kjellberg）が裸棒に被覆合形態で主な溶接方法を分類すると表 1.2 のようであ剤を塗布した被覆アーク溶接棒を発明することによっり、化学的エネルギーと電気的エネルギーはいずれのて、アーク溶接が本当の意味で実用化されることと接合形態にも利用されている。

なった。なお、現在のアーク溶接の主流であるガス

これらのうちのユニークな溶接法としては、接触面

シ ー ル ド ア ー ク 溶 接 は、1926 年 の ウ ェ バ ー（L. J.

を相対運動させることによって発生する摩擦熱で接合

Weber）によるヘリウムシールド裸金属棒溶接法が起部を加熱して溶接する摩擦圧接、超音波振動を利用し源である。

て母材表面を加熱・加圧して溶接する超音波圧接、酸実用化されている主なアーク溶接法が開発された時

化鉄とアルミニウム粉末の化学反応で発生する熱を利期は図 1.1 のようであり、ティグ溶接・ミグ溶接・マ

用するテルミット溶接、火薬を爆発させることによっグ溶接など、現在の主要なアーク溶接法のほとんどはて発生する母材とクラッド材の間の衝撃圧力を利用す

1950 年前後に開発されている。またこの時期には、る爆発圧接などがある。

くしくも、近年のアーク溶接には欠かせない溶接ロ

現在の溶接法の主流は、比較的簡便な機器と操作でボットの原型とも言うべき産業用ロボットの開発も行溶接を行うことができるアーク溶接と抵抗溶接である

われている。すなわち 20 世紀の中期は、溶接技術のが、これら 2 つの溶接法のうちでも、アーク熱を利用黎明期に携わった先人の知恵と工夫が一挙に花開いた

して母材を溶融するアーク溶接があらゆる産業分野で時期であるといえる。

大きな役割を果たしている。近年レーザ溶接など新し

わ が 国 に ア ー ク 溶 接 が 導 入 さ れ た の は 1914（ 大い溶接法の適用・実用化も進んでいるが、適用性・経正 3） 年 で あ り、1922 年 に は 交 流 ア ー ク 溶 接 機 が、済性・操作性などを考えると、アーク溶接に大きく

1925 年には直流アーク溶接機が国産化された。その取って代わることは当分の間なさそうである。

後の 80 年でアーク溶接機は大きく変貌し、主要なアークは、産業革命発祥の地英国で 1807 年に発見

アーク溶接法が発明されてから約 50 年後の 20 世紀末された。しかし、比較的大電流を必要とする溶接アーには、デジタル制御技術の進歩を背景に、溶接電源のクを長時間持続させるためには電力容量の大きい電源

デジタル制御化が本格的に始まった。制御回路の大部が必要である。しかし当時としてはそのような電源は分をアナログ制御からデジタル制御へと変更すること存在せず、溶接アークに関心がもたれることはほとんによって、溶接条件の再現性向上、個体差・個人差のどなかった。アークを用いた溶接が本格化するのは、排除、操作性・機能の向上などを目指した開発が進め1860 年頃に開発された発電機が出現してからである。

られた。そして近年では、高速制御素子を用いた出力

表 1.2

392

国立科学博物館技術の系統化調査報告

金属の接合方法とそのエネルギー

Vol.23 2016. March図 1.1

主なアーク溶接法の開発時期

制御の高速化が積極的に推進され、溶接現象やアークの改良・品質の改良・能率の向上・生産性の向上・作現象を高速で制御することができる高性能なデジタル

業環境の改善など、現在も地道な開発・改良が続けら

制御溶接電源も市販されるようになっている。

れている。本報告では、このようなアーク溶接の特徴

アーク溶接は成熟技術であるとよく言われるが、開について概説するとともに、わが国における溶接プロ

発されてからわずか 100 年も経過しておらず、必ずし

セス、溶接電源・機器および溶接材料・シールドガスも完成された技術となっているわけではない。作業性の発展経過について報告する。

アーク溶接技術発展の系統化調査393

2 アーク溶接の概要
2.1 アーク溶接とその分類
アーク溶接はアーク熱を利用して被溶接材（母材）

量は溶接電流に強く依存し、電極の溶融量と溶接電流とをそれぞれを独立に制御することができない。そのため溶接条件選定の自由度は制限され、適切な溶接条
件の設定には熟練が要求される。

の接合部を加熱、溶融することによって、母材の溶融
金属あるいは母材と溶加材を融合させた溶融金属を生成し、それらの溶融金属を凝固させて接合する手法である。アーク溶接は、連続的に一体化された継手部を形成できるため、以下のような長所を持つ。
①継手効率（継手強度）が高い。
②継手構造を簡素化することができる。
③優れた気密性や水密性を持つ。
④厚さに対する制約をほとんど受けない。
⑤材料を節減でき、経済的である。
一方、継手部の加熱あるいは溶加材添加などの影響

図 2.1

を受けるため、以下のような短所も併せもつ。
①溶接金属という新しい異質な材料が生成される。

溶極式溶接と非溶極式溶接

溶融金属中に大気（空気）が混入すると、図 2.2（a）に示すように、ポロシティ（プローホールおよびピッ②溶接熱によって、母材の性質が局所的に変質する。

ト）発生の大きい要因となる。すなわち母材を溶融して溶接するアーク溶接では、大気中の窒素や酸素から③局部的な加熱と冷却によって、溶接変形が発生する。

溶融金属を保護することが重要である。溶融金属を大気から保護する手法には、図 2.2（b）に示す、「フラッ④残留応力が発生し、継手強度に悪影響を及ぼすことがある。

クスを利用する方法」と「シールドガスを利用する方法」がある。

⑤溶接品質に対する外観での良否確認が困難である。
このようなアーク溶接は、アークを発生する電極の特性によって大別され、電極の溶融をほとんど生じな
い非溶極式（非消耗電極式）溶接と、電極が連続的に溶融、消耗する溶極式（消耗電極式）溶接の 2 種類に分類される。非溶極式溶接での電極はアークを発生させるためにのみ用いられ、それ自体はほとんど溶融しない。したがって図 2.1（a）に示すように、溶着金属の添加が必要な場合には溶加材を別途加えなければならない。しかし、溶接電流と溶加材（棒またはワイヤ）

図 2.2

溶融金属（溶接金属）の大気からの保護の添加量はそれぞれ独立に変化させることができ、溶394

接条件選定の自由度は大きい。ただし溶加材の溶融

フラックスを利用する方法では、被覆剤（フラックは、一般に、アークおよび溶融池からの熱伝導によっス）の溶融によって発生するガスで溶融池金属を大気て行うため、非溶極式溶接の作業能率は比較的低い。

から保護する。この場合、ビード表面は凝固スラグで一方、溶極式溶接での電極は、アークを発生させる

覆われるため、溶接後にその除去が必要である。シーと同時に、それ自体が溶融して溶着金属を形成するたルドガスを利用する方法では、アルゴン、炭酸ガスあめ、高能率な溶接作業を行うことが可能である。とこるいはそれらの混合ガスなどを溶接部近傍に吹き付ろが図 2.1（b）に示すように、電極（ワイヤ）の溶融

け、溶融池金属を大気から保護する。フラックスを用

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchいないためスラグの剥離はほぼ必要なく、自動化やシ抑制する。

ステム化などにも比較的容易に対応することができ、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、ニッケル（Ni）、チ

広範囲な産業分野で適用されている。なお、シールド

タン（Ti）およびそれらの合金には O2 や CO2 を含むガスを利用して溶融金属を大気から保護するアーク溶

ガスは使用できないため、100％ Ar あるいは Ar+He

接法は、“ガスシールドアーク溶接”と総称される。

混合ガスをシールドガスとするミグ溶接が用いられ

ガスシールドアーク溶接に用いられるシールドガス

る。これらの非鉄金属の場合、母材表面には十分な酸には表 2.1 に示すようなものがあり、適用できるガス化物が存在し陰極点は安定して形成され続けるため、の種類や組成は溶接法および母材の材質によって異なシールドガスに O2 や CO2 を添加しなくてもアークやる。タングステンを電極に用いるティグ溶接やプラズ

ビード形状が乱れることはない。

マアーク溶接で使用するシールドガスは、アルゴン

アーク溶接を細分化すると図 2.3 のように分類さ（Ar）、ヘリウム（He）または Ar+He 混合ガスなど

れ、非溶極式溶接には“ティグ溶接”と“プラズマアーの不活性ガス、あるいはアルゴンと水素の混合ガス

ク溶接”があり、いずれの溶接法もシールドガスを利（Ar+H2）などに限定され、酸素（O2）を含むガスは用して溶融金属を大気から保護する。溶極式溶接に使用できない。タングステンは、融点が三千数百℃のは、フラックスを利用して溶融金属を大気から保護す

高融点金属であるが、酸化すると融点が千数百℃までる“被覆アーク溶接”、“サブマージアーク溶接”およ

急激に低下するためである。また Ar+H2 混合ガスがび“セルフシールドアーク溶接”と、シールドガスを使用でできるのは、ステンレス鋼（SUS）とニッケル利用して溶融金属を大気から保護する“ミグ溶接”、（Ni）およびその合金に限られる。

“マグ溶接”および“エレクトロガスアーク溶接”がある。なお“アークスタッド溶接”はフラックスも

表 2.1

シールドガス組成と母材材質の組合せ

シールドガスも用いない溶接法であり、溶融金属を外周部に排出することによって健全な溶接継手を形成する。

消耗ワイヤを電極とするマグ溶接では、軟鋼・低合
金 鋼 の 場 合、100 ％ 炭 酸 ガ ス（CO2） あ る い は

図 2.3

アーク溶接の分類

Ar+20%CO2 の混合ガス（いわゆるマグガス）が多用される。またステンレス鋼では、ソリッドワイヤの場
合は Ar+2～5%O2 あるいは Ar+5～10%CO2 の混合ガ
スが、フラックス入りワイヤの場合は主に 100％ CO2
あるいは Ar+20%CO2 の混合ガスが使用される。ステ2.2 溶接アークの性質
2.2.1

アークの特性

ンレス鋼や軟鋼・低合金鋼には、シールドガスに不活

アークは、図 2.4 に示すように、2 つの電極を接触性ガスを用いるミグ溶接を適用することはできない。

（短絡）させて通電し、そのままの状態で引き離すとシールドガスに 100％ Ar を用いると、アークの著し

電極間に発生する。溶接棒、溶接ワイヤあるいはタン

いふらつきや偏向現象が生じ、多量のスパッタが発生

グステン電極棒などの比較的細径電極と母材との間にし、ビード外観も不均一なものとなるためである。こ発生するアークは、一般に電極から母材に向かって拡のような不安定現象には陰極点を形成する酸化物が大がりベル形の形状となる。アークは高温の気体であきく関与しており、Ar に数 % の O2 あるいは CO2 をり、例えばティグアークの場合、中心部で 1 万数千℃、添加して母材表面での酸化物生成を助長することに外周部でも 1 万℃程度の高温を示す。アークは、原子よって陰極点の形成を安定化し、アークの偏向現象をや分子などの中性粒子と、その一部が電離して生じるアーク溶接技術発展の系統化調査395

図 2.4アークの性質

イオンや電子のような荷電粒子とで構成された導電性

図 2.6

溶接電流とアーク電圧の関係を持つ電離気体（プラズマ）である。その電流はほとんど電子によって運ばれ、電流と電圧との積で表されに必要なエネルギーは、ガスの種類によって異なるたるエネルギー（電力）によって維持される。

めである。たとえば熱損失の大きい He をシールドガ

アーク電圧は図 2.5 に示すように、陰極（マイナススに用いると、図 2.7 に示すように、アーク電圧は極）および陽極（プラス極）近傍の電圧降下と、そのAr を用いた場合の 2 倍近い値となり、母材への入熱間のアーク柱電圧降下とで構成される。アーク柱電圧が増加して深い溶込みが得られる。ただし、アークのはアーク長に応じて変化するが、陰極降下電圧および電圧増加はアーク切れを生じやすいことにつながるた

陽極降下電圧はアーク長が変化してもほとんど変わらめ、He 使用時には十分な出力電圧が得られる溶接電ない。このためアーク長を極端に短くしても、アーク源を用いなければならない。

が発生している限り、アーク電圧が数Ⅴ（陰極降下電25

圧と陽極降下電圧の和）以下になることはない。

シールドガス：He

20

15

10

シールドガス：Ar
ティグアーク：溶接電流・200A
5

0

2

4

6

アーク長（mm）

図 2.5

396

アーク電圧の構造

図 2.7

シールドガスの影響

溶接電流とアーク電圧の関係（アークの電流 - 電圧

アークで発生した熱は、電子流とガス気流からの熱特性）は図 2.6 のようであり、大電流域では電流の増伝達とによってアーク柱を介して母材へ運ばれる。そ加にともなって電圧が緩やかに増大する“上昇特性”の一部は熱放射によって失われるが、大部分の熱は母を示すが、小電流域では電流の減少にともなって電圧材に持込まれ、母材を溶融して溶融池を形成する。母が急激に増加する。またアーク長が変化すると、この材に投入された熱のほとんどは溶融池内を移動し、溶特性曲線は電圧（縦）軸に沿って上下方向にほぼ平行

融池と母材との境界（固液界面）を通過して母材へ流移動する。すなわちアーク長とアーク電圧はほぼ比例れ、熱伝導によって散逸する。また溶融池金属の蒸発

し、アーク長を短くするとアーク電圧は減少し、長くが発生する場合には、その表面からも熱の散逸があするとアーク電圧は増大する。

る。

アーク長が同じであっても、シールドガスの種類に平行な導体に同一方向の電流が通電されると、導体

よってアーク電圧は変化する。アークを維持するため間には電磁力による引力が発生する。アークは気体で

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

構成された平行導体の集合体とみなせるから、平行導プラズマ気流の流速は 300m/ 秒を超えることもあ

体間に発生する引力はアークの断面を収縮させる力とり、溶滴移行や溶込みの形成に大きく関与する。上向して作用する。このような作用を“電磁的ピンチ効

溶接や横向溶接などにおいて、重力が作用するにもか果”といい、その力を“電磁ピンチ力”という。

かわらず溶滴が溶融池へスムーズに移行するのは、プ

電磁的ピンチ効果は、溶接ワイヤにおいても同様に

ラズマ気流が存在するためである。またアークは電極作用する。図 2.8 に示すように、固体部分は電磁ピンと母材との最短距離で発生するとは限らず、トーチをチ力を受けても変形することはないが、液体となった

傾けてもプラズマ気流の作用で軸方向に発生しようと先端部の溶滴は電磁ピンチ力の作用で断面が減少し、する傾向がある。このようなアークの直進性を“アー

溶滴にはくびれが発生してワイヤ端から離脱する。な

クの硬直性”という。なお電磁ピンチ力は電流値に大おアークには、冷却作用を受けると断面を収縮させ、きく依存し、電流値が小さくなるとその力は低下して表面積を減少させることによって熱損失を抑制しよう

プラズマ気流も弱くなるため、小電流域でのアークはとする作用もあり、この作用は“熱的ピンチ効果”と硬直性が弱まり不安定でふらつきやすくなる。

呼ばれる。

溶接電流によって発生した磁界や母材の残留磁気がアーク柱を流れる電流に対して著しく非対称に作用す
ると、その電磁力によってアークは偏向する。このようなアークの偏向現象を“アークの磁気吹き”といい、典型的な例を図 2.10 に示す。
（a）は母材の中央部と端部とで磁界の形成形態が異なることによって生じる現象である。磁界を形成する磁束は鋼板中に比べて大気中の方が通りにくいため、アークが母材端部に近づ
くと非対称な磁界が形成されてアークが偏向する。
（b）は溶接線近傍に断面積の大きい鋼ブロックなどが存在する場合に発生しやすい現象で、鋼ブロック側に磁束が吸い寄せられて非対称な磁界が形成されるこ
図 2.8

電磁ピンチ力とが原因で発生する。（c）は母材側ケーブルの接続位置に起因したもので、溶接電流の通電によって形成さアーク溶接では、その周囲に溶接電流による磁界がれる電流ループの影響によって生じる現象である。溶形成され、図 2.9 に示すように、フレミング左手の法

接電流のループによって形成される磁界の強さ（磁則に従う電磁力が発生する。またアークの電流路は電場）は、ループの外側より内側の方で強くなるため、極から母材に向かって拡がるため、電流密度の大きい

磁場の弱い方すなわち電流ループの外側へアークが偏電極近傍での電磁ピンチ力は、電流密度が小さい母材向する。

近傍でのそれよりも大きく、アーク柱内部の圧力は母

磁気吹きは磁性材料の直流溶接で発生しやすい現象

材表面より電極近傍の方が高くなる。このような電磁であり、極性が頻繁に変化する交流溶接や非磁性材料

力と圧力の差は、シールドガスの一部をアーク柱内にの直流溶接などで発生することは比較的少ない。磁気

引き込み、“プラズマ気流”と呼ばれる電極から母材吹きの防止対策としては、母材へのケーブル接続位置に向かう高速のガス気流を発生させる。

図 2.9

プラズマ気流とアークの硬直性

図 2.10磁気吹き

アーク溶接技術発展の系統化調査

397

や接続方法を工夫する、母材やジグの脱磁処理を実施

融することができなくなる。また溶接電流とアーク電するなどが基本的な対処方法であるが、現実的には試圧を一定にして溶接速度を速くすると、単位長さ当た

行錯誤の繰返しとなることが多い。

りの入熱量が減少するためビード幅と溶込み深さはともに減少する。

2.2.2

母材の溶融

アーク溶接の溶融池には、図 2.11 に示すような力が作用して溶融池金属の流れを支配する。すなわち溶融池内には、プラズマ気流によって生じる対流、溶融
池表面上の温度勾配に起因した表面張力対流、溶融池内を流れる電流によって生じる電磁対流および溶融池
内の温度差によって生じる熱対流の 4 種類がある。な
お表面張力対流は、母材中に含まれる微量元素の影響を受けてその流れの方向が逆転することが知られている。表面張力は、通常（不純物濃度が低い場合）、温度が高くなるほど低下するため、表面張力によって生じる溶融池金属の対流は高温の溶融池中央部から低温の 周 辺 部 へ 向 かう方向に形成される。しか し 酸 素

図 2.12

 込みにおよぼす溶接条件の影響（ティグ溶
溶
接の場合）（O）や硫黄（S）などの不純物濃度が高くなると、温溶接ビードの形成におよぼす溶接電流と溶接速度の度が高くなるほど表面張力が増大して、対流の方向は

関係は、一般に図 2.13 のようである。溶接電流が小溶融池周辺部から中央部に向かう方向へと変化する。

さく溶接速度が速い小電流 / 高速域では、入熱が不足

これら 4 種類の対流が複合され、中央部から周辺部

して母材に十分な入熱が付与されないため溶込み不足

へ向かう溶融金属の流れが形成されると、溶込みは幅が生じる。反対に溶接電流が大きく溶接速度が遅い大が広く浅いものとなる。反対に周辺部から中央部に向電流 / 低速域では、母材に過大な熱が加えられて溶接

かう方向の流れが形成されると、幅が狭く深い溶込み

金属の溶落ちや薄板では母材の穴あきが発生する。まとなる。

た溶接電流が大きく溶接速度も速い大電流 / 高速域では、アークによる母材の掘り下げ作用が強くなるため、母材の溶融幅がビード幅より広くなって、アンダーカットやハンピングが発生しやすくなる。溶融池
金属は一旦溶融池の後方へ押しやられた後、逆流して溶融池前方に戻される。しかし溶接速度が速くなると、溶融池は後方へ長く伸びて形成され、十分な溶融池金属が前方まで戻りきる前に後方で凝固して、溶融池前方でのビードを形成する溶融金属量が不足するためである。
図 2.11

母材の溶融形態

溶接ビード形成におよぼす溶接条件（溶接電流、アーク電圧および溶接速度）の影響を、溶加材を添加しないティグ溶接の例で示すと図 2.12 のようである。
アーク電圧（アーク長）と溶接速度を一定にして、溶接電流を増加させると母材への入熱が増加して、ビード幅と溶込み深さが増大する。溶接電流と溶接速度を一定にして、アーク電圧を高くするとビード幅が広くなって溶込み深さは減少する。しかし所定値以上にアーク電圧を高くすると、母材への入熱が過度に分散してビード幅と溶込み深さはともに減少し、母材を溶

398

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

図 2.13ビード形成におよぼす溶接条件の影響

アーク溶接は図 2.14 に示すような種々の溶接姿勢

に適用されるが、そのビード形成や溶接作業性は溶接

2.2.3

溶滴の移行形態

姿勢によって大きく異なる。下向溶接では重力による溶極式溶接では溶滴が電極先端部から離脱して溶融

溶融池金属の垂れ落ちを考慮する必要がないため、大池へ移行するが、その形態は溶接法、溶接条件あるいきい溶融池が形成される高能率な溶接も可能である。

はシールドガスの種類などによって異なる。例えば

立向上進溶接では、重力の影響を受けて溶融池金属がIIW（国際溶接学会）では、溶滴の移行形態をその大溶融池後方に垂れ下がり、溶込みは深くビードは凸ときさ、形状および形態によって図 2.16 のように分類なりやすい。立向下進溶接では、溶融池金属の垂れ下している。

がりを防ぎ、溶融池金属の垂れ落ちが生じないようにしなければならない。ビードは扁平で溶込みが浅く、
裏波ビードの表面は凹形になりやすい。上向溶接では、表面張力で溶融池金属を保持してビードを形成しなければならない。溶融池が大きくなり過ぎると重力が表面張力より大きくなって溶融池金属の落下が生じる。溶込みは浅くビードはやや凸形で、裏波ビードは
立向下進溶接と同様に凹形となりやすい。横向溶接では溶融池金属の上部が垂れ下がり、ビードの上端部が凹、下端部が凸のビード形状（ハンギングビード）と

図 2.16

なりやすいため、下向溶接のように大きい溶融池を形成することはできない。

溶滴移行モードのＩＩＷ分類

ドロップ移行はワイヤ径より大きい径の溶滴がワイ
ヤ端から離脱する移行形態、反発移行は大塊となった溶滴がワイヤ方向へ押し上げられて不規則な挙動を呈しながらワイヤ端から離脱する移行形態であり、両者を包含してグロビュール移行という。
プロジェクト移行はワイヤ径とほぼ等しい径の溶滴がワイヤ端から離脱する移行形態、ストリーミング移行は先鋭化したワイヤ端からワイヤ径より小さい径の溶滴が離脱する移行形態、そしてローテーティングス
プレー移行は比較的長く伸びたワイヤ先端部の溶融金属が回転しながら小粒の溶滴を離脱する移行形態で、

図 2.14

溶接姿勢の影響

これらを包含してスプレー移行という。
また、爆発移行は内包されたガスが膨張して溶滴をなお下向き溶接であっても溶接線が傾斜している場破裂させる被覆アーク溶接で生じやすい移行形態、短合には、アーク力および重力の影響を受けて、図 2.15

絡移行は 1 秒間に数十回以上の短絡とアークを交互にに示すように、上り坂溶接では立向上進溶接に近い特繰り返す移行形態、壁面移行は溶融したフラックスで性となって凸ビードになりやすく、下り坂溶接では立形成される空洞壁面に沿って移行するサブマージアー

向下進溶接に近い特性となって溶融池の先行が生じやク溶接での移行形態の 1 つである。

すくなる。

溶極式ガスシールドアーク溶接でのアークおよび溶滴の挙動は、シールドガスの種類によって大きく異なる。その詳細については、後述する 3.6.2 項で述べる。

2.3 主なアーク溶接法の原理と特徴
2.3.1

被覆アーク溶接

被覆アーク溶接は、図 2.17 に示すように、金属心線に被覆剤（フラックス）を塗布した被覆アーク溶接
図 2.15傾斜のある溶接

棒を電極としてアークを発生させる溶接法である。溶アーク溶接技術発展の系統化調査399

接棒と被溶接材（母材）との間に発生させたアークは、である。すなわち、被覆アーク溶接棒の心線とフラッ

その熱で溶接棒と母材を溶融する。溶接棒に塗布されクスを分離させて、自動溶接を可能にした溶接法といたフラックスは、溶融されてガスを発生し、溶融金属える。ワイヤには、通常、直径 3.2~6.4mm 程度の太を大気から保護する。また同時に溶融スラグを形成

径ワイヤを用い、数百 ~ 千数百 A 程度の大電流を通し、その溶融スラグは溶融金属との間で冶金反応を行電することによって、高溶着・高能率な溶接を行うこうとともに凝固時のビード形状を整形する。

とができ、溶込みの深い溶接ビードが得られる。

図 2.18
図 2.17被覆アーク溶接

被覆アーク溶接は簡便な溶接法で適用範囲も広いこ

サブマージアーク溶接には次のような長所がある。
①太径ワイヤによる大電流溶接が可能で、溶着速度が極めて大きい。

とから、炭素鋼や合金鋼などの鉄鋼材料を始めとして、ニッケル合金や銅合金などの非鉄金属材料の溶接②小断面開先で溶込みの深い溶接ができ、能率的である。

にも広く適用されている。溶接は、一般に、溶接作業
者が溶接棒ホルダを手動で運棒操作して溶接を行う③アークはフラックス中で発生するため、アーク
光に対する遮光は不要である。

が、傾斜したスライドバーに取り付けられた溶接棒ホ
ルダが、溶接棒の溶融につれて自重で下降して自動溶④スパッタや溶接ヒューム（気化した金属が急冷
却凝縮して生成する 0.1～数 μm の固体粒子）

接する“グラビティ溶接”と呼ばれる方法もある。

の発生が少ない。

被覆アーク溶接には次のような長所がある。
①簡便な機器で信頼度の高い溶接が手軽に行え⑤風の影響をほとんど受けない。
⑥作業者の技量によらず、安定したビード形状とる。

均質な継手品質が得られる。

②溶接設備費は安価である。
③グラビティ溶接機などの簡易溶接装置を 1 人で数台使用すれば、溶接能率の向上が可能であ

一方、短所としては次のようなものがある。
①溶接姿勢は下向、水平および横向きに限られる。

る。
一方、短所としては次のようなものがある。

②継手形状は直線またはそれに近い形状あるいは曲率の大きい曲線などに限定される。

①溶接の出来栄えが溶接作業者の技量によって大③フラックスの供給・回収やスラグの剥離が必要

きく左右される。

となる。

②マグ溶接に比べ溶着速度が遅く、溶接能率が劣④溶接入熱が過大になると、熱影響部の軟化やぜる。

い化を生じることがある。

③溶接棒交換による溶接の中断が多く、長尺の連

サブマージアーク溶接は 1950 年頃わが国に導入さ続溶接ができない。
わが国での被覆アーク溶接の適用比率は、マグ溶

400

サブマージアーク溶接れ、高能率な溶接法として、主に造船、橋梁、建築分

接・ミグ溶接の普及に伴い減少している。

野や大径鋼管の製造に適用されている。

2.3.2

2.3.3

サブマージアーク溶接

ティグ（Tungsten Inert Gas）溶接

サブマージアーク溶接は、図 2.18 に示すように、

ティグ溶接は、図 2.19 に示すように、高融点金属

散布した粒状フラックス中にワイヤを自動送給し、ワであるタングステンまたはタングステン合金を非溶極

イヤと母材との間にアークを発生させて溶接する方法

式電極として、母材との間にアークを発生させて溶接

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する方法である。炭素鋼・低合金鋼・ステンレス鋼・には適さない。

ニッケル合金・銅合金・アルミニウム合金・チタン合③手動溶接での溶加棒添加が必要な場合、トーチ

金・マグネシウム合金など、ほとんどの金属に幅広く

操作と溶加棒添加動作を左右それぞれの手で、適用できる。また他の溶接法に比べ溶接金属の清浄度

個別に行わなければならず、作業者にはかなりが高く、じん性・延性・耐食性に優れるなどの特長をの熟練と技量が要求される。

もつ。

④風の影響を受けやすいため、状況に応じた防風対策が必要になる。
⑤アルゴンやタングステン電極は比較的高価で、溶接経費がやや高くなる。
2.3.4‌マ グ（Metal Active Gas）・ ミ グ（Metal
Inert Gas）溶接

マグ溶接およびミグ溶接は、図 2.20 に示すように、自動送給される細径ワイヤ（直径 0.8～1.6mm 程度）と母材との間にアークを発生させて溶接する方法である。ワイヤはアークを発生する電極としての役割を果
図 2.19ティグ（TIG）溶接

たすとともに、それ自体が溶融して母材の溶融部とともに溶融池を形成する。アークと溶融池はシールドガ

適 用 で き る シ ー ル ド ガ ス は、Ar、He ま た はスによって大気から保護される。

Ar+He などの不活性ガスあるいは Ar と H2 の混合ガスなどに限定され、酸化性ガス（活性ガス）は使用できない。タングステンは融点が三千数百℃の高融点金属であるが、酸化すると千数百℃程度まで融点（昇華点）が急激に低下するためである。
溶着金属が必要な場合には、溶加材（棒またはワイヤ）を別途添加しなければならない。しかしこのこと
は、溶接入熱と溶着量をそれぞれ独立に制御できることを意味し、全姿勢溶接や初層裏波溶接などを比較的容易に行うことができる。
ティグ溶接には次のような長所がある。

図 2.20

マグ・ミグ溶接①酸化のない美麗なビード外観および高品質・高性能の溶接継手が得られる。
②小電流から大電流までの広範囲な電流域で安定なアーク状態が得られる。

マグ溶接とミグ溶接はシールドガスの種類で区別され、CO2 あるいは Ar+CO2 混合ガスなどの活性ガス（酸素を含む酸化性ガス）をシールドガスとして用い③母材への入熱と溶着量をそれぞれ独立に設定・るものを“マグ溶接”、Ar などの不活性ガスをシール制御でき、溶接姿勢や継手形状の制約が少な

ドガスとするものを“ミグ溶接”という。なお CO2い。

のみをシールドガスに用いる溶接法は“炭酸ガスアー④溶融池の挙動は穏やかで安定しているため、その挙動を明瞭に観察できる。
⑤溶接ヒュームの発生が少なく、作業環境が良好である。
⑥スパッタやスラグの発生はほとんどなく、溶接後の仕上げ作業が不要である。
一方、短所としては次のようなものがある。
①溶接速度が一般に遅く、作業能率が劣る。
②溶込みは比較的浅く、深い溶込みが必要な溶接

ク溶接”と呼ばれ、マグ溶接とは区別されることもあるが、炭酸ガスアーク溶接はマグ溶接の一種である。
また Ar に微量の O2 または CO2 を添加した混合ガス（Ar+ 数 %O2・Ar+ 数 %CO2）を用いる場合、慣例的にミグ溶接として取り扱われることもあるが、これらのガスも活性ガスであるため、マグ溶接に分類される。
マグ溶接およびミグ溶接には次のような長所がある。

アーク溶接技術発展の系統化調査

401

①細径ワイヤに比較的大電流を通電する高電流密るベル形の形状を呈するが、プラズマアークは集中性度の溶接法であるため、溶着速度が速く、深いが向上して拡がりが少ないくさび形の形状となる。

溶込みを得ることができる高能率な溶接法である。
②ワイヤが機械的に連続送給されるため、連続溶接が可能である。
③簡便な装置で半自動・自動溶接が行え、ロボッ
ト溶接にも適する。
④ソリッドワイヤを用いると、溶接金属中の拡散性水素量が少なく、低温割れ感受性が低い。
⑤アークや溶融池の状況を目視観察できる。
⑥溶接姿勢の制約を受けることが少なく、種々の溶接姿勢に適用できる。
一方、短所としては次のようなものがある。
① CO2 のみをシールドガスに用いると、中・大電流域でのスパッタが多くなる。
②横風によるシールド性劣化があるため、屋外作業などでは防風対策が必要である。
③ 被覆アーク溶接に比べトーチが重く長さの制約もあるため、作業範囲が制約される。
④アーク光の強度は被覆アーク溶接より強く、作業者に与える負荷が大きい。
⑤磁気吹き現象が生じやすく、アークが乱れる場

図 2.21

ティグ溶接とプラズマ溶接の比較

プラズマアークの発生方式には図 2.22 に示す 2 つの方式がある。（a）は“移行式プラズマ”と呼ばれ、タングステン電極とノズル電極との間に高周波高電圧
で小電流のパイロットアークを起動し、このパイロッ
トアークを介して、タングステン電極と母材との間にプラズマアークを発生させる。溶接では通常この移行式プラズマを用いる。
（b）は“非移行式プラズマ”と呼ばれ、タングステン電極とノズル電極との間にプラズマアークを発生させる方式である。母材への通電合がある。
マグ溶接では、溶滴が短絡移行やグロビュール移行が不要で、非導電材料への適用も可能であるが、熱効する条件で溶接を行うことが多く、ワイヤ先端に形成率が悪くノズル電極の熱負担も大きいため、溶接に用された溶滴が頻繁に溶融池へ短絡する。短絡を解放しいることは少ない。表面改質などを行う溶射にはこのてアークを再生するためには大電流の通電が必要であ

非移行式プラズマが用いられ、プラズマジェットと呼り、ヒューズの溶断と同様に、その通電によって溶滴ばれることもある。

や溶融池金属の一部が周囲に飛散してスパッタとなる。スパッタは母材やトーチのノズルなどへ比較的強固に付着して作業性やビード外観を損ねるため、その抑制や低減がマグ溶接では重要な課題となる。
2.3.5

その他のアーク溶接（1）プラズマアーク溶接
プラズマアーク溶接は、ノズル電極による熱的ピンチ効果を利用して得られる細く絞られたプラズマアー
クを熱源とする溶接法である。その原理をティグ溶接

図 2.22

プラズマアークの発生機構と比較して図 2.21 に示す。プラズマアーク溶接では、ノズル電極に設けた直径 1～3mm 程度の小径穴を通402（2）セルフシールドアーク溶接

して、タングステン電極と母材との間にアークを発生

セルフシールドアーク溶接は、図 2.23 に示すようさせる。一般に、プラズマアークを発生させるためのに、自動送給されるフラックス入りワイヤを電極とし作動（プラズマ）ガスには Ar を、溶融金属を大気かて、シールドガスを流さずに大気中で自動または半自ら保護するシールドガスには Ar または Ar+H2 の混動溶接する方法である。ワイヤに内包されたフラック

合ガスを用いる。ティグアークは母材に向かって拡がスはアーク熱で溶融され、ガスを発生してアークおよ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

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強力に脱酸および脱窒する。

銅当て金で挟み、ワイヤと溶融池との間にアークを発生させ、トーチとは別系統でシールドガスを供給して溶接する。溶融池を銅当て金で保持して凝固させ、溶接の進行とともに銅当て金を移動させて溶接ビードを形成する。

図 2.23

セルフシールドアーク溶接
図 2.24

エレクトロガスアーク溶接

シールドガスによる大気からの遮蔽がないため、ワ
イヤ先端に形成される溶滴は直接大気にさらされるこ

シールドガスには CO2 を用いることが多いが、場とが多く、大気中の酸素や窒素を多量に吸収しやす合によっては Ar+CO2、Ar+O2、Ar あるいは Ar+He

い。そのためフラックスには合金剤、アーク安定剤なも用いられる。溶接ワイヤには細径のフラックス入り

らびにスラグ形成剤などの他に、大気の侵入軽減を目

ワイヤまたはソリッドワイヤを用いるが、通常はスラ的としたガス発生剤、侵入した酸素や窒素を除去・固グを形成して優れたビード外観が得られるフラックス定するための脱酸および脱窒剤が含まれている。

入りワイヤを使用することが多い。溶接電源には直流

セルフシールドアーク溶接には独特の施工要領があり、ワイヤ突出し長さは長め（30～50mm 程度）にし、アーク長は極力短くしてシールド性を十分確保する。
また後戻りスタート法によってアーク起動部で発生しやすい溶接欠陥を再溶融するなどの操作も行う。
セルフシールドアーク溶接には次のような長所がある。

定電圧特性電源が多用されているが、直流定電流（垂下）特性電源が用いられることもある。
エレクトロガスアーク溶接には次のような長所がある。
①大電流を使用するため溶着速度が大きく、高能率な溶接ができる。
② 1 パス溶接施工が基本であり、角変形が小さ①シールドガスを必要としない。
②風の影響を受けにくい。
③トーチは軽量で操作性が良い。
一方、短所としては次のようなものがある。
①溶接ヒュームの発生量が多い。
②溶込みが浅い。
③継手の機械的性質や耐気孔性は他の溶接法に比べて多少劣る。

い。
③開先精度に対する裕度が比較的大きい。
一方、短所としては次のようなものがある。
①溶接姿勢は立向に限られる。
②溶接入熱が大きく継手の軟化やぜい化を生じやすい。
③溶接を中断すると修復に時間を要する。
エレクトロガスアーク溶接は 1 パス溶接が基本で、セルフシールドアーク溶接は現場溶接作業に適した

その適用板厚は通常 10～35mm 程度である。しかし、溶接法であるため、建築鉄骨、鉄塔、海洋構造物ある

固定式の銅または固形フラックスを裏面の当て板に用いは鋼管杭などの現地溶接に適用されている。

い、電極（トーチ）揺動や 2 電極溶接を採用して、より厚板にも適用できる手法が開発され、船の側外板・（3）エレクトロガスアーク溶接
エレクトロガスアーク溶接は、立向姿勢で厚板を 1

貯槽タンク・圧力容器・橋梁などの立向突合せ継手の溶接に適用されている。

パス溶接する高能率な自動ガスシールドアーク溶接でアーク溶接技術発展の系統化調査403

（4）アークスタッド溶接た後、特殊な溶接ガン（スタッド溶接ガン）を使用しアークスタッド溶接は、図 2.25 に示すように、ボて、スタッドと母材との間でアークを発生させる。

ルト、丸棒、鉄筋またはそれと同様な部品（スタッド）

アーク発生から所定の時間が経過して、スタッドの先そのものを電極として、母材との間にアークを発生さ端部が十分に加熱された状態になると、その先端部をせ、電極としたスタッドを母材上に植えつけるように

電磁力やスプリング力などを利用して母材に押し付けして溶接する方法である。

て溶接部を形成する。
フェルールの内部にはシールド補助剤も兼ねる導電性物質が充填されており、これを介して通電することによってスタッドの端面全体にアークが発生する。その結果、溶接部はスタッドの全端面にわたって形成され、周辺部にはフラッシュと呼ばれるバリが発生する。
アークスタッド溶接は、建築鉄骨の梁や床板、橋梁の床板、海洋構造物など広範囲な産業分野で適用されている。なお、船舶の断熱材・防水材、車両のバン
パー・計器・内装材あるいは配電盤・家電製品フレー

図 2.25

アークスタッド溶接

ムなどで使用される細径の取付けボルトの溶接には、コンデンサ放電式（CD 式）スタッド溶接が用いられ、耐熱性磁器で外周部を覆われた補助材（フェルール
またはカートリッジ）をスタッドの先端部に取り付け

404

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Vol.23 2016. March

このスタッド溶接の加熱方式はアークスタッド溶接とは異なる。

3 アーク溶接プロセスの発展経過
1807 年に英国のデービー（H. Davy）が 2,000 個のて続々と開発された（前述図 1.1 参照）。ここでは各

ボルタ電池を用い、水銀を浸した木炭片を電極にしアーク溶接法について、その溶接プロセスの発展経過て、電極間に放電火花を発生させる実験を公開で行っを述べる。

た。電池容量の関係で放電の持続時間は極めて短いものであったが、弓形に曲がった放電光が発生し、この放電光を“Electric Arc（弧状の放電光）”と名付け

3.1 開発初期のアーク溶接た。これがアークの発見とされている。しかし、この

ベナードスとオルゼウスキーが発明した“炭素アー

頃の電源は容量の少ない電池のみであったため、持続ク溶接”は、図 3.1 に示すようである。今日の被覆

時間の短いアークが利用されることはほとんどなかっ

アーク溶接で使用されているものと同様の絶縁された

た。

ホルダに炭素棒を挟み、それを電極として母材との間

1832 年に発電機が発明され、大容量の電源が得らに電池を電源としたアークを発生させる。そして横かれるようになると、アークはアーク灯として照明に利ら溶加材を挿入しながら、ホルダを移動させて溶接を用されるようになり、1850 年頃には灯台や街路灯に行う。この溶接方法は 1885 年にベルギー、英国、ド使用されるようになった。わが国でも 1882（明治 15）

イツおよびスウェーデンで、1886 年にはロシアで、年に、初めてのアーク灯が銀座に設置されている。

1887 年には米国で特許を取得している。

その一方で、光としてではなく、アークの高温を利

ベナードスはキエフ大学で教育を受け、生涯で 200

用した金属の溶解という発想が出現し、溶接への適用

件近くの特許・実用新案を出願し、アーク溶接の実用が検討され始めた。実験段階での溶接に成功したとい化で表彰されている。しかし当時は鉛を溶接することう話はいくつかあるようであるが、正式な記録としてが多かったためか、鉛中毒で死亡している。なお共同

残 さ れ て い る 最 初 の 利 用 は、 イ ギ リ ス の ベ ル デ

発明者のオルゼウスキーについては、明らかな経歴が（Welde）が 1865 年に取得した特許である。固定した残されていない。

電極間のアークに、金属棒を挿入して溶融金属を形成する方法が特許として認められた。
しかし、一般に、アーク溶接実用化の始まりは、ロ
シアのベナードス（N. V. Benerdos）とオルゼウス
キー（S. Olszewski）による“炭素アーク溶接”の発明とされている。ホルダで挟んだ炭素棒を電極として母材との間にアークを発生させ、横から溶加材を添加しながらアークを移動する方法で、1885（明治 18）
年 に そ の 特 許 が 成 立 し て い る。 そ の 後、1890（ 明治 23）年にロシアのスラビアノフ（N. Slavyanov）

図 3.1

炭素アーク溶接 1）

が裸棒（棒状の単体金属棒）を電極として、消耗電極
溶接法の元祖となる“金属アーク溶接法”を発明した。

こ の 炭 素 ア ー ク 溶 接 で は、 ツ ェ ル ナ ー（C.

1907（明治 40）年にはスウェーデンのチェルベルヒ

Zerener）の発明した図 3.2 に示すような装置を用い（O. Kjellberg）が裸棒に被覆剤を塗布した被覆アーク

た溶接（インダイレクトアーク溶接）も行われていた

溶接棒を発明した。これによって、アーク溶接が本当ようである。この溶接装置では、2 本の炭素棒電極間の意味で実用化されることとなった。現在のアーク溶に発生させたアークを、電磁石の作用で母材方向に偏接の主流であるガスシールドアーク溶接は、1926（大向させる。そしてスタンドにつり下げた装置全体を、

正 15）年のウェバー（L. J. Weber）によるヘリウム

足踏み調整で母材に接近させるなどの方法で溶接を行

シールド裸金属棒溶接法が起源である。

う。炭素アーク溶接には、電極から炭素が侵入して溶以来、アーク溶接技術は工業的に急速に浸透し、接継ぎ手部の硬化やぜい化を生じるといった問題が種々な産業分野で広く利用され、現在実用に供されてあった。そのため、アークを母材へ直接発生させずいるアーク溶接法の原型が 19 世紀から 20 世紀にかけに、偏向させたアークの一部で母材を溶融して、炭素アーク溶接技術発展の系統化調査405

による硬化を防ぐように工夫したようである。1）

発明した“金属アーク溶接”である。金属アーク溶接
は、図 3.4 に示すように、炭素棒の替わりに溶着金属となる裸棒（棒状の単体金属棒）をホルダで保持し、これを電極として母材との間にアークを発生させる溶接法である。金属アーク溶接法は、1890（明治 23）
年にフランス、英国およびドイツで、1891 年にロシ
アで、1897 年には米国で特許が成立している。なおスラビアノフとは別に、1889 年に米国のコフィン（C.
A. Coffin：後のゼネラル・エレクトリック社社長）が独自の米国特許を取得していたとの話もある。1）

裸棒

アーク

溶
溶接金属

図 3.2

インダイレクトアーク溶接装置 1）

溶( ) 金属アーク溶接

わが国に炭素アーク溶接が導入されたのは 1904（明治 37）年で、三菱合資会社三菱造船所（長崎）が英

裸棒国のパーソン・マリン・スチーム社からタービンエン
ル

ジンの製造権を買い取り、鋳造設備一式を輸入した際に、鋳造品の巣埋め用具として入っていた。また、鋳造で水道鉄管を量産していた東京小石川の陸軍造兵廠( ) 溶接用

図 3.4

ル

金属アーク溶接 2）4）

東京工廠が、多発する鋳巣対策として炭素アーク溶接機を輸入し、鋳鋼品の補修に使用し始めている。しか金 属 ア ー ク 溶 接 で は、 図 3.5 の よ う に、 長 さし、この日時は明確でなく、1906（明治 39）年頃と500mm 程度の直線棒を電極として用いる手溶接が一なっている。当時はガス溶接がすでに導入されていた般的であった。溶接ビードは直接大気にさらされるたため、炭素アーク溶接の適用は、ガス溶接の適用が困

め、外観は美麗といえず、スパッタの付着も多かった。

難であった厚物の補修作業が主な対象であったのではないかと思われる。炭素アーク溶接状況の一例を図3.3 に示す。

溶接

ー

2）

裸棒
ル

ホルダ

溶接状
炭素棒
溶加棒
溶加棒

図 3.3

406

図 3.5

炭素アーク溶接例 3）金属アーク溶接例 3）1925（大正 14）年頃になると、図 3.6 に示すような

上述した炭素電極による溶接継手部の硬化・ぜい化

金属アーク溶接の半自動溶接装置が開発されている。

の抑制を目的として開発された手法が、溶極式（消耗

コイル状に丸めた裸棒ワイヤを、電気的または機械的

電極式）溶接法の元祖とされている、スラビアノフがに定速送給してアークを連続的に発生させながら、台国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

車に取り付けた車輪を利用し、アークの発生点を手動で移動させて溶接を行ったようである。

属アーク溶接も行われていたと推察される。2）

3.2 被覆アーク溶接
3.2.1

被覆アーク溶接棒の開発

金属アーク溶接は、炭素アーク溶接に替わる溶接法
コイル状ワイヤとしてしばらくの間一般化したが、この溶接法の問題
点は溶接継手の信頼性に欠けることであった。大気による溶融金属の酸化・窒化に起因した溶接継手のぜい化がその大きい要因である。
このような問題点を解決したのがチェルベルヒであり、1907 年に「溶接熱で加熱された対象物から溶接
継手の化学的・機械的性能を著しく劣化させる酸素を除去する」とした特許が登録された。また 1910 年に

トーチ

台車

は、裸棒の表面に硅砂や炭酸カルシウムなどの被覆剤車輪を塗布した被覆アーク溶接棒を開発した。すなわち被

車輪

図 3.6

金属アークの半自動溶接機

2）

覆剤の溶融によって生じるガスで溶融金属を被包し、大気中からの酸素や窒素の溶接金属への混入を防い

わが国における金属アーク溶接の適用に関する記だ。これが被覆アーク溶接の始まりであるが、被覆剤

述・記録はほとんど見当たらず、大正初期は炭素アー

はフラックスの塗布によって形成されていたため、溶ク溶接が主流であったことから判断すると、金属アー

接棒の被覆は薄く、アークは不安定で清浄な溶接金属

ク溶接の適用は昭和初期頃からではないかと推測されを得ることはかなり困難であった。そのため金属アーる。この頃になると後述する被覆アーク溶接棒も出現

ク溶接と溶接結果にそれほど大きい差異はなく、溶接するが、その価格は裸棒の数倍であったため、1935

棒の価格も高価であったため、開発当初の被覆アーク（昭和 10）年頃までは金属アーク溶接が使用されてい溶接はほとんど普及しなかった。

たようである。1925（大正 14）年の溶接専門誌には、
図 3.7 に示すような広告が掲載されている。

その後、被覆剤として塗布するフラックスとアーク
安定剤に関する種々な研究・開発が行われ、1912（大正 1）年に英国のストロメンジャー（Strohmenger）
社が、チェルベルヒとは原理の異なる被覆アーク溶接棒を開発・実用化し、米国で特許を取得した。この溶
接棒は裸棒の表面にアスベストを巻き付けたもので、アーク熱によって溶融・蒸発した被覆剤（アスベスト）は溶融スラグを生成して、溶融金属を大気から保護する。
前述したチェルベルヒの溶接棒はフラックスを塗布して被覆を形成するため“Coated electrode”と呼ばれ、上記ストロメンジャーの溶接棒はアスベストを巻き付けて被覆を形成するため“Covered electrode”

図 3.7

 属アーク溶接用裸棒の広告（1925（大正金14）年）3）と呼ばれる。なおストロメンジャーの溶接棒を使用して発生させたアークは、裸棒を用いて発生させたアー
クとは多少感じが異なっていたため、疑似アークとい

半自動金属アーク溶接についての資料はほとんど残う意味で“クアシィアーク（Quasi-Arc）”と呼ばれた。

されていないが、1932（昭和 7）年に撮影された横須第 1 次世界大戦（1914（大正 3）年～1918（大正 7）

賀海軍工廠での航空母艦「龍驤」甲板上での溶接作業年）が勃発すると、溶接は船舶・鉄道などのあらゆるには、輸入機と思われる半自動溶接装置が写ってい産業分野で補修用として多用されるようになった。米る。この例から判断すると、ごく一部では半自動の金

国では、ドイツ潜水艦による船舶への攻撃の影響を受アーク溶接技術発展の系統化調査407

けて、英国からのクアシィアーク溶接棒の輸入が途絶

アスベストを裸棒に巻き付ける方式のもので、当時英えた。そのため独自の溶接棒開発が必須となり、1918

国と米国で多用されていたものである。導入後、日本（大正 7）年に米国のスミス（Smith）社が、裸棒に紙製鎖は被覆棒の販売と並行して、出張工事をする溶接

テープを巻き付けた後に薬品を塗布したセルロース系請負業としても活動していたが、程なく経営上の問題

溶接棒の原型となる被覆アーク溶接棒を開発した。こで溶接事業からは撤退している。

の 溶 接 棒 は 非 常に優れた性能を持ち、溶接 継 手 で米国やドイツなどからの輸入被覆アーク棒は高価で20％もの伸びが得られたため、種々な分野での適用・あったが、大正期後半にはその需要も増大した。特に実用化が進んだ。

1928（昭和 3）年から輸入されたベルギー・アーコス

わが国に被覆アーク溶接が導入されたのは、造船関社のスタビレンド棒は、国産品の 20 倍といわれるほ連 2 社の欧州からの技術導入によってである。両社とど高価であったにも拘わらず、当時の陸・海軍工廠でもに視察旅行の主目的ではなかったが、事前に溶接技

は作業性と継手性能を高く評価し、採用していた。

術についての相当な調査をしていたものと思われる。

これに対し国産の被覆アーク棒専業メーカも、軟鋼

その 1 社は現在の三菱重工業長崎造船所で、スウェー用で角丸工業、鋳物用で新宮鉄工所などが 1925（大デンのチェルベルヒ社（後のエサブ：ESAB 社）から

正 14）年頃から製造を始め、1945（昭和 20）年頃に1914 年（大正 3 年）に特許権を購入し、被覆アーク

は製造メーカの数は推定で 80 社程度にまで達してい溶接棒の製造法や使用方法を習得するために 3 名の技

たようである。しかしそのほとんどは零細企業で、裸師をスウェーデンに派遣した。そしてその翌年には、棒を独自に調合した被覆剤の液に浸した後、それを持輸入した直流多人数型溶接機を使って、鋳鋼品の補修

ち上げて天日乾燥させることによって溶接棒を製造し（巣埋め）作業を始めている。被覆アーク溶接棒の製ていた。また一部では紙巻棒も製造されていたようで

法は造船所内でも極秘事項とされ、担当技師が毎日のあり、提灯用として知られている厚手の水戸・西の内

消費分だけ調合した被覆剤を、女子工員が裸棒に塗布紙を使用すると、ガスの発生が多く使いやすいといっしていたようである。被覆剤の主成分は石灰、ホウた話が残っている。図 3.9 は当時の被覆材塗布状況を

酸、二酸化マンガンおよび重炭酸ソーダであったが、示したもので、（a）は溶剤への 1 本ごとの浸漬、（b）

この配合が公開されたのは戦後のことである。図 3.8は溶剤への多本同時浸漬、（c）は溶剤を浸み込ませたに溶接作業の一例を示す。カンカン帽をかぶり、ハン紙の巻付けである。

ドシールドは木製である。

(a)
図 3.9

(b)

(c)

被覆材の塗布方法（1937（昭和 12）年）3）

その他、造船所などの大工場の一部では、自前の被覆棒製造場を持っていたところもあった。しかし第 2次大戦後（1945（昭和 20）年以降）になると、機械
図 3.8

408

アーク溶接状況（1920（大正 9）年）3）

塗装の普及や溶接棒の種別と系統の整備が進み、1952（昭和 27）年頃には大工場の自前での製造は姿を消し、もう 1 社は日本製鎖であり、1918（大正 7）年に英全て専業メーカからの購入に切り替わった。そして、国のクアシィ社からアーク溶接装置の製造販売権を購

溶接棒メーカとしての規模が安定してくると、大手製入した。この時の被覆アーク棒は薬品をしみ込ませた

鋼所の系列下での製造販売が増え、今日に至ってい

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchる。これらの詳細については、後述する第 5 章 5.1 節

わないで連続した溶接が自動的に行える。

で述べる。
3.2.2

グラビティ溶接（重力式溶接）

被覆アーク溶接の普及に伴い、各造船所では溶接の高速度化・高能率化についての検討が実施され、心線の直径が 8～12mm の大径溶接棒の適用と、これに使用する半自動溶接装置に重点を置いた開発が行われた。この溶接法の特長は、溶接速度が速く熟練を必要としないことであり、各造船所で広く採用された。しかし、このような大径捧は溶接用として特別に製作されたものがなかったため、間に合わせとしてリベッ
ト・バーの細いものが流用された。リベット・バーが不足すると、鋼板を圧延機で延ばして大径棒を作り、

図 3.11呉船式溶接装置 3）

それを溶接棒として使用した工場もあったようである。また大径棒の不足を補うために、通常の溶接に用

横船式溶接装置は、図 3.12 に示すように、ホルダいられていた直径 3mm、4mm、5mm などの細径棒を一点で固定して、ばねの力で溶接棒の先端を母材にを 2 本合体させて 1 本とし、双子棒・親子棒などと称

押し付け、溶接棒の溶融によって溶接棒が短くなる

して大径棒の代わりに用いる方法も考案されている。

と、ホルダの角度が変化して溶接を継続する。図 3.13

細径棒を 2 本合体させて 1.5 倍の溶接電流で溶接したは横船式装置による大径棒溶接の一例を示したもので場合のビード外観の一例を図 3.10 の上段に、下段にあり、直径 13mm ×長さ 1m の大径溶接棒を使用し通常の溶接ビード外観を示す。

た溶接の状況である。

図 3.12
図 3.10横船式溶接装置 3）

ビード外観の比較 3）

大径溶接棒を用いた溶接の普及に伴って、大径溶接
棒を手で保持する代わりに、機械的に溶接棒を支えて自動溶接する溶接法が種々考案され、呉船式（呉海軍工廠）、横船式（三菱横浜造船所）など今日のグラビ
ティ溶接の原型が作られた。図 3.11 は呉船式溶接装置の原理を示したもので、垂直柱にピンで留められたホルダに被覆棒を挟み、アークを発生させると溶接棒は先端部から溶融して溶接棒は次第に短くなる。アー
クによって溶融された溶接棒の長さに応じてホルダが自重で自動的に落下するため、制御装置もモータも使図 3.13横船式溶接装置による大径棒溶接 5）アーク溶接技術発展の系統化調査

409

この間、わが国経済は 1950（昭和 25）年に勃発し角度を大きくすると（θ 1）、1 本の溶接棒で溶接するた朝鮮事変による特需や 1960 年代初頭の国民所得倍

距離が長くなって単位長さあたりの溶着量は少なくな増計画などにより高度成長の道を突き進んでゆく。そる。反対に、その角度を小さくすると（θ 2）、1 本のの中で大量生産大量消費の機運が高まり、橋梁・高層

溶接棒で溶接する距離が短くなって単位長さあたりのビル・発電設備などの大型構造物が次々と製作され、溶着量は多くなる。

重厚長大型産業がわが国の経済をけん引した。例えば造船分野では、スケールによる経済効果を追求して船体構造はますます巨大化した。1948（昭和 23）年に戦後初めての全溶接小型タンカー「新和丸：1,200 総トン」を建造した後、1962（昭和 37）年には当時世界最大の 13 万トンタンカー「日章丸」を、1966（昭和 41）年には 20 万トンタンカー「出光丸」を、1971（昭和 46）年には 37 万トンタンカー「日石丸」を、
そして 1975（昭和 50）年には 48 万トンタンカー「日精丸」を建造した。
このような構造物の大型化に伴って溶接の高速化・

図 3.15

グラビティ溶接の原理

効率化が強く求められるようになり、手動操作の被覆
アーク溶接が主流であった昭和 41 年頃に、呉船式溶

グラビティ溶接に少し遅れて、横船式溶接装置を改

接装置を改良した“グラビティ溶接装置”が開発・実良した低角度溶接装置も開発されている。この溶接装用化された。図 3.14 に示すように、溶接装置には傾

置は、図 3.16 に示すように、ばねを使って溶接棒を斜させた溶接ホルダのスライドバーと 2 本の支柱を組溶接線に押し付けるようにしたものである。グラビ

み合わせた、安定性の良い三脚方式が採用された。こティ溶接装置に比べて場所を取らないこと、狭隘な場の溶接装置は、1957（昭和 32）年から、米国 NBC 社

所にも適用できること、装置の移動が便利なことなど（National Bulk Carriers Co.: 旧日本海軍呉工廠の造船が特徴である。しかし溶接棒の角度は一定で変更でき設備を運営していた世界的な海運会社）の管理下にないため、運棒比（溶接棒長に対する溶接長の比率）あった呉造船部で多用され、わが国の造船分野全体ではほぼ 1：1 で、その比率を変えることはできない。

の適用が急速に拡大した。グラビティ溶接の普及拡大

グラビティ溶接装置と低角度溶接装置の特徴比較を表に伴い、1959（昭和 34）年には水平すみ肉専用長尺

3.1 に示す。

溶接棒も開発された。この溶接棒は、棒長を従来の約ばね2 倍の 900mm とすることによって溶接棒交換の頻度

溶接ケーブル

ホルダーを少なくし、溶接作業能率の向上を図ったものであ

溶接棒
始動レバー

る。5）

マグネット

溶接棒

ホルダー
溶接ケーブル

マグネット
始動レバー

図 3.16装置

図 3.14410

低角度溶接機 3）

溶接

グラビティ溶接 3）

グラビティ溶接装置や低角度溶接装置によるすみ肉溶接の高能率化は、昭和 40 年代の大型船舶の短工

グラビティ溶接では、図 3.15 に示すように、傾斜期・大量建造の切り札とされた。外板と骨材で構成さしたスライドバーに取り付けられた溶接棒ホルダが、れる平板パネルの溶接にグラビティ溶接装置を一度に溶接棒の溶融につれて自重で自動的に下降して溶接を数十台投入し、図 3.17 に示すように、パネルの水平継続する。また、溶接棒ホルダの取付け角度は任意にすみ肉溶接を一斉に消化する工法が広く用いられた。

調整することができるため、スライドバーと溶接棒の1 人で何台のグラビティ溶接装置を操作できるか、1

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March表 3.1

この溶接では溶接施工時にレールを加圧・圧縮する溶接装置の比較

グ

溶接

低角度溶接

必要がないため、レールを軌道上に敷設した状態での溶接が可能であるが、作業者には高い技能が要求される。しかし、溶接によって生じる長さの変化は極めて少なく、機材が簡便で機動性に優れている。

溶接

被覆アーク溶接によるエンクローズ溶接は、1950
.

ー
棒
溶接

1

年代後半にオランダで鉄道用レールおよび太径丸棒を.

対象として開発され、わが国では 1963（昭和 38）年

ー
.
棒

棒

から東海道新幹線レールの現場溶接に使用された。東海道新幹線の建設は 1959（昭和 34）年 4 月 20 日に着工し、東京オリンピック開会直前の 1964（昭和 39）

人で何ヶ所同時にアークを出せるかが競われた。これ

年 10 月 1 日に開業した。これに使用された長尺レーらの自動溶接法はわが国造船界の生産性向上に大きくルの接合では、継目 8 万ヶ所のうち、5 万ヶ所がガス貢献し、1974（昭和 49）年の第 1 次石油ショックま

圧接で、1.5 万ヶ所がテルミット溶接で施工され、エ4）で溶接技術の主流として急速に増え続けた 。しかしンクローズ溶接は途中から新たに加えられた。鉄道

近年では、マグ溶接の普及・拡大に伴って、これらのレールのエンクローズ溶接の一例を図 3.19 に示す 8）。

適用は大きく減少している。

またエンクローズ溶接は、図 3.20 に示すように、異形鉄筋の溶接にも適用されている 9）。

図 3.173.2.3

造船におけるグラビティ溶接 6）

エンクローズ溶接

図 3.19エンクローズ溶接による鉄道レールの溶接 7）

エンクローズ溶接は、図 3.18 に示すように、レー
ルに一定の間隔（約 17mm）を設けて I 型開先の状態に突き合せた後、低水素系被覆アーク溶接棒を用いて下向姿勢で手動溶接する方法である。溶接施工はレール足部の初層裏波溶接および多層溶接工程、レール柱部から頭部への連続溶接工程およびレール頭頂部の多層溶接工程の 3 つの工程で構成される。レール足部の溶接は底部銅当金のみを使用した通常の溶接であるが、レール柱部から頭頂部にかけての溶接は、銅当金で取り囲まれたレール端面の狭い空間での溶接となることからエンクローズ溶接と呼ばれている 7）。
図 3.20異形鉄筋のエンクローズ溶接 9）しかし近年では、被覆アーク溶接に代わり、連続送給可能な溶接ワイヤを使用して炭酸ガス雰囲気中で溶接を行うマグ溶接によるエンクローズ溶接が多用されるようになっている。マグ溶接を用いると、普通レールの場合、1 継手の溶接にかかる時間は約 30 分に短縮され、被覆アーク溶接の場合の約半分となる。
図 3.18

鉄道レールのエンクローズ溶接

7）

アーク溶接技術発展の系統化調査

411

3.3
3.3.1

発生するガスで溶融金属を保護する溶接法。

サブマージアーク溶接（図 3.24）
これらの溶接法は、1931（昭和 6）年にはわが国に黎明期の自動アーク溶接

アーク溶接作業を自動化しようとする試みは古くかも輸入されているが、良好な溶接部は熟練溶接工、上記 自 動 溶 接、 未 熟 練 溶 接 工 の 順 と い う 評 価 であ っ

らなされていた。1930 年代の初めには、裸の電極ワイヤを電動の送給装置で送給する方式の自動アーク溶接機が製作されている。しかし、前述したように、こ通電部

れにはアーク近傍の溶融金属を大気の影響から防護す

ワイヤるための配慮がなされていなかったため、満足できる

フラックス

溶接金属の性能は得られなかった。そのため、被覆剤【拡大図】を塗布した長尺の溶接ワイヤ（電極ワイヤ）を、自動ワイヤ溶接機に用いようとする研究が活発になされた。被覆剤は電気の絶縁物であるため、これを避けていかに溶接ワイヤに給電するかが最大の問題点で、その解決のフラックス

ために、次のような方式が考案された。
（1）ヒューズアーク溶接法：英国フューザーク社が開発した溶接法で、溶接ワイヤの外周に細線をフラックス

図 3.22

カバーチェイン溶接 1）

スパイラル状に巻き付け、細線の隙間に被覆剤を塗り込めて、ワイヤ外周の細線から給電して

被覆ワイヤ
支持
アーム

アークを発生させる溶接法。
（図 3.21）

ワイヤ送給ローラ

裸ワイヤ

通電用鋼線 フラックス

被覆カッター
通電
ケーブル
通電ブラシ

溶接ケーブル

母材

図 3.21

ヒューズアーク溶接ワイヤ 9）

図 3.23

スリッティングヘッド溶接機 1）（2）カバーチェイン溶接法：裸ワイヤ（ソリッドワイヤ）を用い、通電（給電）点通過後、鎖状に

磁力線
炭素棒

連結した半円筒状の被覆剤細片を両側から溶接
ワイヤを覆うように押し付けてアークを発生させる溶接法。
（図 3.22）

オートゲナイザ（3）スリッティングヘッド溶接法：フラックスを塗コイル布したワイヤ（被覆ワイヤ）のフラックスを、被覆カッターで部分的に除去し、この部分から溶加ワイヤ通電してアークを発生させる溶接法。
（図 3.23）アーク（4）トルネード溶接法：米国リンカーン社が開発した溶接法で、炭素棒で発生させたアークを磁力溶接ビード

で母材に集中させ、紙に薬品を浸み込ませた
オートゲナイザを供給し、オートゲナイザから

412

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

図 3.24

母材

トルネード溶接法 1）た 1）。海外でも、構造が複雑で操作も煩雑なことから器（現ダイヘン）はリンデ社と技術提携し、1952（昭広く普及するには至らず、一部の用途に採用されるに

和 27）年にユニオンメルト溶接機を国産化した。同止まった。そして、後述するサブマージアーク溶接法

社は、海軍艦政本部からの要請を受けて、1943（昭が出現すると、これらの溶接法はほとんど姿を消すこ和 18）年からサブマージアーク溶接の研究を続けてととなった。

いた。そして 1949（昭和 24）年に、図 3.25 に示すサ
ブマージアーク溶接機の試作品（SW-1）を完成させ

3.3.2

サブマージアーク溶接の開発と普及た。ところが、ユニオンカーバイト＆カーボン社がわ

米 国 の ケ ネ デ ィ（H. E. Kennedy） は、1935（ 昭が国に出願したサブマージアーク溶接法に関する広範

和 10）年に、母材上に散布した砂状のフラックス中

囲な基本特許（特許 119705 号）が 1943（昭和 18）年に通電した裸の溶接ワイヤを送給して、フラックス中に成立し、戦時中の一時中断の後 1949（昭和 24）年

でアークを発生させることによって、電流の給電と大に復活して、それ以降の 10 年間有効であることが判

気からの保護という 2 つの問題点を同時に解決したサ

明した。そこで同社は、ユニオンメルト溶接機、フブマージアーク（潜孤）溶接を開発した。ケネディは

ラックスおよびワイヤの日本総代理店契約をユニオン

ウェスタンパイプ＆スチール社との共同研究でサブカーバイト＆カーボン社と結び、その後の技術導入を

マージアーク溶接法を発明したが、同社はこの溶接法目指した。サブマージアーク溶接（ユニオンメルト）の価値を認めなかったため、改めてリンデ（Linde）の技術導入に関しては多数の競争者があったようであ社と契約している。リンデ社の親会社はユニオンカー

るが、独自に開発したサブマージアーク溶接機の技術

バイト＆カーボン社であったため、リンデ社はサブレベルと実績が評価され、1951（昭和 26）年にユニ

マージアーク溶接機を“ユニオンメルト”の商標で市

オンカーバイト＆カーボン社と同社の間で技術援助契販を開始した。また同社の販売権を持っていたドイツ約が成立した。この契約に基づき、1952（昭和 27）のリンデ・アイスマシーネン社は、この溶接法をエリ

年に、図 3.26 に示す国産初のサブマージアーク溶接

ラ溶接と名付けて市販した。ユニオンメルトのフラッ機（SW-3 および SW-3A）が市販されるようになった。

クスは溶融型であっため、米国のリンカーン社はボン

なお、サブマージアーク溶接用ワイヤが国産化される

ド型のフラックスを開発して“リンカーンウェルド”のは 1955（昭和 30）年から、国産フラックスが市販と名付けた。しかしリンカーン社は、ユニオンカーバ

されるのは 1960（昭和 35）年以降になってからであ

イト＆カーボン社との特許裁判で敗訴している。

る。これらのワイヤとフラックスについての詳細は、ケネディの特許では、サブマージアーク溶接は溶け

後述する第 5 章 5.2 節で述べる。

たスラグの抵抗発熱によって溶接を行う抵抗溶接であるとしていたが、その後この溶接法ではアークが発生していることが明らかにされ、アーク溶接の代表的な溶接法の 1 つとなっている。
翌 1936（昭和 11）年には、18,500 トンの大型タンカー建造にサブマージアーク溶接法が全面的に採用され、全溶接船“J・W・バン・ダイク号”の完成が溶
接関係者を驚かせた。また太平洋戦争が始まると、米国は大量の輸送船を必要としたが、サブマージアーク
溶接はこの要求に応える大活躍をした。この溶接法は下向姿勢の突合せ溶接とすみ肉溶接にしか適用できな
いため、船の建造方法は大きく変化し、下向溶接だけで船の建造が可能なブロック建造法が採用されることとなった。戦争中には、5,000 トン級のリバティ型お図 3.25

サブマージアーク溶接機の試作品 10)

よびビクトリヤ型の戦時標準船や T-2 タンカーが、この溶接方法を用いて約 5,000 隻も建造されている。

この新しい溶接法は、造船業界が生産性向上のため

わが国では、戦後の 1950（昭和 25）年に、ヒューに久しく待ち望んでいた画期的なものであった。しかズアーク溶接機 1 台とともに、ユニオンメルト溶接機

し当時のわが国では鋼材の原料にスクラップを多用し

9 台の輸入が初めて許可されている。また、大阪変圧ていたため、鋼板には硫黄分が多く含まれており、溶アーク溶接技術発展の系統化調査413

ワイヤの先端と母材との間にアークを発生させて溶接を行う。フラックスは、通常、フラックス散布ホースから溶接トーチの少し前方に自動供給され、アークお
よび溶融金属を覆って、アークを安定させるとともに溶接金属を大気から保護する。また、アーク熱によって溶融されたフラックスはスラグとなって溶融金属と反応し、健全な溶接金属の生成に寄与するとともに、美麗かつ均一な溶接ビードの形成に大きく貢献する。
この溶接法が開発された当初は、溶融スラグを介して電流が流れ、溶接金属は抵抗発熱によって形成されると信じられていた。しかし、その後に実施されたオ
シログラフによる電流・電圧波形の挙動解析によって、溶接電流のスラグへの分流はほとんど生じておらず、電圧波形は矩形波であることから、サブマージ
アーク溶接は完全なアーク溶接であることが確認され
図 3.26

 産初のサブマージアーク溶接機（SW-3A）
国とその使用状況 10)

ている。
溶接方向

接時に硫黄割れ（サルファクラック）を生じることが多かった。また米国船級協会（ABS）はわが国の溶

溶接トーチ
フラックス
散布ホース

接機の性能を容易に認めなかった。そのため、サブフラックス

マージアーク溶接法の普及はほとんど進展しなかっ船部が米国製サブマージアーク溶接機 20 台の修理を

溶滴

空洞

た。
そのような状況の 1953（昭和 28）年頃、NBC 呉造

ワイヤ

溶融金属

フラックス
倣い
ローラ

大阪変圧器に依頼し、修理後のサブマージアーク溶接(a)溶接状況

機を新造船の建造に全面的に使用した。この実績を見

図 3.27母材
溶接方向(b)放射線透過写真による溶接現象観察例

サブマージアーク溶接の状況 11）て、採用に消極的だったわが国の造船所もこれに倣
い、サブマージアーク溶接法が普及するきっかけとアークは散布されたフラックスの内部で発生するたなった。そしてひとたび普及が始まると、造船業界だ

め、溶接状況を直接観察することはできない。そのたけにとどまらず、溶接の自動化・高能率化を目指し

め、溶接現象の観察には放射線（Ｘ線）による透過写て、1955（昭和 30）年頃には貯槽・圧力容器分野、

真撮影が利用される。図 3.27（b）はその代表例を示

重電機分野、車両分野および自動車分野で、1960 年したもので、アークの周辺には空洞が形成されている

代には建築鉄骨や橋梁などの分野でも幅広く採用されことが分かる。この空洞は常に激しく変動しており、

5）

るようになった 。

アーク電圧が高い（アーク長が長い）ほど、溶接速度

サブマージアーク溶接は欧米を始祖とするが、片面が遅いほど大きい空洞が形成され、その変動も大きい

裏波溶接法、高能率多電極溶接法あるいは帯状電極肉ことが知られている。また、アーク電圧が低い（アー盛溶接法（バンドアーク溶接法）などの研究や小型溶

ク長が短い）場合あるいは溶接速度が速い場合には、接機器の開発・適用など、わが国独自の研究・開発がワイヤの直前まで未溶融のフラックスが残り、空洞は

積極的に行われ、これらの技術は世界的に注目を浴び

ワイヤの後方に形成されることが観察されている。な

るものとなった。

お空洞の大きさは極性によっても変化し、電極プラス（EP：Electrode Positive）極性の場合より、電極マ

3.3.3

サブマージアーク溶接の実際

サブマージアーク溶接では、図 3.27（a）に示すよ

414

イナス（EN：Electrode Negative）極性の場合に空洞は大きくなる。

うに、溶接線に沿ってあらかじめ散布された粒状のフ

放射線透過写真撮影を利用した溶接状況の観察でラックス中にソリッドの電極ワイヤを送り込み、電極

は、アークの形状を観察することはできないが、ワイ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

ヤの溶融状態は観察することができる。その観察結果

サブマージアーク溶接に用いられるフラックスは、から判断すると、電極マイナス極性でのアークはワイ

表 3.2 に示すような、溶融フラックスとボンドフラッ

ヤの上方まではいあがっているようである。溶滴のワクスに大別される。溶融フラックスは、混合した鉱物

イヤ端から溶融池への移行形態は、溶接速度が遅い場

原料を電気炉などで溶融してから粉砕し、ふるい分け

合には前面のスラグ壁面に沿って移行する壁面移行によって粒度を整えたガラス質のフラックスである。

（前掲図 2.16 参照）が多く、溶接速度が速くなるとワ溶解工程を含むため、炭酸塩などのガス成分やケイ素

イヤの後方に移行するものが多くなる。溶滴の移行回（Si）・マンガン（Mn）などの脱酸剤および合金の添数は、電極マイナス極性で 10 回 / 秒程度、電極プラ

加は不可能である。フラックスの主成分は酸化物やス極性では数十回 / 秒程度である。移行溶滴の大きさ

フッ化物などであり、冷却や粉砕方法によって異なっは、いずれの極性においても比較的小さく、溶滴の直た性状のフラックスが製造され、均一な組成で耐吸湿

径はワイヤ径とほぼ同じ大きさとなっている。電磁ピ性に優れる。

ンチ力の作用、溶融スラグとの接触などがその理由であろうと思われる。なお、溶滴の大きさや移行回数

表 3.2 サブマージアーク溶接用フラックスの特性比較

は、スラグの化学成分および物理的性質によって大き溶い影響を受ける 11）。

合溶

溶接ワイヤには、図 3.28 に示すように、直径 3.2～
6.4mm 程度の太径ワイヤが用いられる。ワイヤ径によって異なるが、溶接電流として数百～千数百Ａ程度

合

ク

ク
合
の
)

(

の
の

の大電流を通電して溶接するため、高溶着・高能率な溶接を行うことができ、溶込みの深い溶接ビードが得られる。ただし、母材に加えられる溶接入熱も大きくなるため、熱影響部の軟化あるいはぜい化に対する注

溶接
溶接
ク

意が必要である。図 3.29 に断面マクロの一例を示す。
ボンドフラックスは、粉末原料に粘結剤（水ガラス）を混合して練り合わせ、キルンなどを使用して造粒および乾燥を行った後、ふるい分けによって粒度を整え

12
マグ溶接

たフラックスで、その乾燥温度が 400～600℃のボン

10

ドフラックスと 700～1,000℃の焼結フラックスに分類される。ボンドフラックスは乾燥温度が低温のため、

8

6

4

炭酸塩、合金成分および鉄粉などの添加が可能であ

φ1.2mmり、溶接金属の低水素化・低酸素化や機械的性能・能φ1.6mmサブマージアーク溶接
φ4.0mm率の向上が図れる。焼結フラックスは乾燥温度が比較

φ4.8mm的高温であるため、炭酸塩・合金成分・鉄粉などの添

2
φ3.2mm

0

200

400

φ6.4mm

600

800

1,000

1,200

1,400

溶接電流（A）

図 3.28

加に制限を受け、ボンドフラックスと同様な特性が得られない場合がある。しかし、粘結剤などの吸湿性は低下するため、フラックスの耐吸湿性は溶融フラック

ワイヤ溶融速度の比較

スに近くなる。
2 mm

標準的なサブマージアーク溶接機の一例を示すと、
図 3.30 のようである。レール走行する自走台車上に、溶接トーチ、ワイヤ送給装置・モータ、溶接ワイヤ、ワイヤ送給速度や溶接条件などを制御する制御盤およびフラックスを収納・搬送するフラックスホッパーなどを搭載している。コイル状に巻かれた溶接ワイヤは

30mm

溶接

ワイヤリールに装着され、ワイヤ送給装置に引き出さ

サブマージアーク溶接の断面マクロ

れて、アークを発生させる電極として溶接トーチに供溶接

図 3.29給される。フラックスはホッパーに充填され、散布

アーク溶接技術発展の系統化調査415

ホース内を自由落下してアーク発生点の前方に散布さると、スチールウールは溶断して（④）
、ワイヤと母れ、アークおよび溶融金属を覆って大気から保護す

材の間に空隙ができアークが発生する（⑤）。スチー

る。

ルウールの加圧には多少の熟練が必要であり、強く加圧し過ぎるとワイヤが母材に溶着してアークを起動で溶接ワイヤ

フラックスホッパー

きない。また加圧が弱過ぎると、スチールウールのみ
溶断してアークは発生しない。

ワイヤリール

サブマージアーク溶接の溶接電源には垂下特性の可動鉄心形交流電源を用いることが多く、可動鉄心をワイヤ送給装置

モータ駆動して出力を調整する。しかし垂下特性電源にはアーク長を一定に保つ作用（アーク長の自己制御

制御盤
溶接トーチ

作用：後述 3.6 節参照）がないため、アーク長の制御にはアーク電圧のフィードバック制御を用い、アーク

走行レール

図 3.30

電圧が所定の値となるようにワイヤの送給速度を増減

走行台車してアーク長を一定に保つ。サブマージアーク溶接に

サブマージアーク溶接機用いるワイヤは太径であり、ワイヤの溶融（送給）速度は遅い。そのため、外乱などによってアーク長が変サブマージアーク溶接では電極として太径ワイヤを動した場合、ワイヤ溶融速度を変化させて対処するよ用いるため、その先端を溶断してアークを発生させる

りも、ワイヤ送給速度を制御して対処する方が、アーには 1,000A をはるかに超える大電流を供給しなけれ

ク長をより速く所定の値に近づけることができる。すばならず実用的ではない。そのため、図 3.31 に示す

なわち、図 3.32 に示すように、アーク電圧の検出値

ような、スチールウールを利用したアーク起動方法がと そ の 設 定 値 と の 差 を 操 作 量 と し て、 ア ー ク電 圧用いられる。母材上に丸めたスチールウールを置き（アーク長）が所定の値より高く（長く）なるとワイ（①）、ワイヤで軽く加圧したのち（②）
、その上にフ

ヤ送給速度を速くし、所定の値より低くなるとワイヤラックスを散布する（③）
。その状態で通電を開始す

送給速度を遅くして、アーク電圧が適切な値となるよ

図 3.31

図 3.32416

国立科学博物館技術の系統化調査報告

サブマージアーク溶接のアーク起動

サブマージアーク溶接の定アーク長制御

Vol.23 2016. Marchうにワイヤ送給速度を増減制御する。

接である。サブマージアーク溶接は 1960 年以降に広なお可搬性や操作性の向上を目的として、図 3.33

範囲な産業分野で適用され始めたが、ピーク時に比べに示すような、細径ワイヤ（直径 1.2～1.6mm 程度）ると近年の使用比率は減少しており、アーク溶接全体を用いるサブマージアーク溶接機も開発され、一部でに占める割合は 10～15% 程度となっている。

適用されている。その場合には、定電圧特性の溶接電源を用い、ワイヤは一定速度で送給する。前掲図 3.28

3.3.4

片面裏波溶接に示したように、電流密度の高い細径ワイヤの溶融速厚板の突合せ溶接では、通常、両面から下向姿勢で度は速く、ワイヤ送給速度の増減でアーク長を一定に溶接する施工方法が用いられ、片側の溶接が完了する

保つことが困難なためである。定電圧電源の定アークと継手部材を反転させて、裏面側の溶接を裏はつり後長制御については後述する第 3 章 3.5 節 3.5.2 項で述に実施する。また部材の反転ができない場合には、上べる。

向姿勢で裏面の溶接を行う。しかし、部材の反転や上向姿勢での溶接は作業能率の低下を招く大きな要因であり、片側からの下向溶接のみとすることができれば溶接能率の向上・作業時間の短縮・設備費の節減など
生産性向上に大きく貢献する。
薄板の溶接では、比較的古くから、銅またはステン
レス鋼製の裏当金を用いて初層裏波ビードを保持し溶接機て、溶接継手を完成する片面溶接が行われていた。しかし、厚板の高能率溶接法としての片面溶接が注目されるようになったのは、1965（昭和 40）年頃から開(a)溶接機外観図 3.33(b)造船部材への適用状況

細径ワイヤサブマージアーク溶接

11）発が始まった、造船分野における片面サブマージアー
ク溶接の実用化からである。
1950 年代後半（昭和 30 年代）になると、タンカー

サブマージアーク溶接の主な適用例を示すと図 3.34の大型化に伴ってブロック建造法が確立され、能率向のようである。（a）は H 形鋼を製作するための下向

上と生産性増大を図るために、船体の主要部分はコン

きすみ肉溶接、（b）は造船部材の板継を行う下向突

ベア上で組立て溶接されるようになった。しかし鋼板

合せ溶接、（c）は橋梁鋼床板の現地突合せ溶接、（d）の表裏面からそれぞれ溶接しなければならない板継ぎは重電部品である大型シャフトの円周突合せ溶接、そ溶接では、作業の途中で鋼板の表裏を反転させる作業

して（e）は造管工場における鋼管縦継手の突合せ溶が必要となる。この反転作業には天井クレーンが必ず(a)H 形鋼の下向すみ肉溶接(c)鋼床板の現場溶接(b)突合せ継手の下向肉溶接(d)大型シャフトの円周溶接

図 3.34(e)鋼管縦継手の溶接

サブマージアーク溶接の適用例 11）アーク溶接技術発展の系統化調査417

必要となるため、クレーン待ちなどによる作業の一時

これらの問題を解決するために、三菱長崎造船所で中断など、コンベア上の一連の作業工程を乱す最も大は溶接施工条件を熱解析および実験の両面から検討

きい要因となることが多かった。

し、板厚を種々変化させた実用化実験を重ねた。その三菱重工業長崎造船所では、板継ぎ溶接における鋼結果、適切な溶接条件を確立するとともに、図 3.35

板の反転作業を排除するために、片面からの溶接のみに示すような自動溶接装置と裏当金を考案した。母材で良好な裏波ビードを形成する手法の開発に取り組ん

を電磁石で固定し、冷却水管を内蔵した銅当金を裏面だ。工場面積、地形的な問題および既存工場建屋の低から水圧を利用して母材へ強く押し付ける。銅当金い天井などの制約事項があるにもかかわらず、建造船

は、比較的自由な動作が可能となるように工夫されての大型化に伴う平板ブロック比率の増大に伴って、溶いる。この溶接装置による最初の実施工は 1963（昭接組立て工場における平板ブロック製作のコンベア化

和 38） 年 9 月 で あ り、 大 型 タ ン カ ー（90,000 ト ン ）を実現するためには、片面裏波溶接の実現は必要にせの外板の突合せ溶接継手（板厚 32mm、継手長さ 16

まられた課題であったようである。

ｍ）に対し、母材の反転なしで溶接継手を完成させる

片面サブマージアーク溶接法に関係する研究の歴史

片面裏波溶接が行われた。片面裏波溶接法はそれまで

は意外に古く、Berkeley mill 法と呼ばれる銅バッキの不可能を可能にし、非常識を常識に変えてしまっング法などが、第 2 次世界大戦中の米国で一部の溶接た。そして造船所にとってはなくてはならないものとに適用されていた。 しかし、このバッキング法ではなり、新鋭造船所も含め、わが国のほとんどの造船所

裏波ビード形成の均一性・安定性に問題があり、実用で片面裏波溶接が採用され、作業の合理化と生産の向化には至らず、その後の発展はなかったようである。

上に大きく寄与した 12）。

片面裏波溶接では、裏面から裏当材を当てて溶融金

その後、各種のバッキング方法や裏当材に関する改属が落下しないように保持するが、裏当材と母材との良がおこなわれ、図 3.36 に示すような、フラックス

密着度が悪いと、裏当材による裏波ビードの保持が不を利用した裏当方法が考案された。（a）はフラック完全となって溶融金属は溶け落ちてしまう。すなわち

ス・銅バッキング（FCB: Flux Copper Backing）法

片面裏波溶接の最も大きい課題は、溶接継手の裏面にと呼ばれる方法で、銅板上に裏当フラックスを散布生じる板厚差や、溶接中に生じる溶接変形に起因した

し、銅板の裏面からエアー圧力を加えることによっ当金の密着度低下であり、溶接中の裏当材と母材とのて、裏当フラックスを母材裏面に密着させる方法であ密着度をいかにして確保するかである。また溶接欠陥

る。銅板を使用しているため、比較的大電流の適用がを作ることなく、適切な幅と高さを持つ美麗な裏波可能であり、極厚板も一層で溶接が可能である。しかビードを均一かつ安定に形成することも重要である。

し母材の板厚が異なり、裏面に板厚差がある継手では

図 3.35418

国立科学博物館技術の系統化調査報告

開発当初の片面自動溶接 12）Vol.23 2016. March表面フラックス
スラグ

表面フラックス
溶接ワイヤ
裏当フラックス

溶接ワイヤ
スラグ

裏当フラックス

銅パッキング
耐火フラックス

エアホース
エアホース

(a) フラックス・銅バッキング法
図 3.36(b) フラックスバッキング法

片面サブマージアーク溶接の裏当方法 11）

密着性を確保することが難しく、銅板からの冷却で裏波形成に不均一な影響が加えられると、裏波に横割れが発生することがある。
（b）はフラックスバッキン
グ（RF: Resin Flux）法と呼ばれる方法で、フラック
スのみをエアー圧力によって母材裏面に密着させる施工法である。極厚板への適用性に若干の難点はあるが、鋼板裏面の目違いやひずみに対する追随性に優れている。両面溶接と片面裏波溶接の断面マクロ写真の比較例を図 3.37 に示す。

図 3.383.3.5

簡易裏当 (FAB) 法

多電極サブマージアーク溶接

溶接電流を増大すれば、溶着量が増加して能率は向上する。しかし溶接電流をむやみに増大させると、アークや溶融池は乱れ適切な溶接が行えない。また放(a)両面溶接

射熱も多くなり、作業性の面からの制約も増加する。
したがって、溶接電流を増大することによって能率を向上させるには、1 本の電極で通電電流を増加させるのではなく、複数の電極に電流を分割して通電すれば
RF 法

FCB 法
【FCB 法の場合】

図 3.37【RF 法の場合】

作業性を低下させずに高能率な溶接が可能となる。
多電極溶接は、複数のトーチそれぞれの電極から同(b)片面溶接時にアークを発生させて、ワイヤ溶融（溶着）速度を

断面マクロの比較 13）向上させる溶接法である。サブマージアーク溶接やマグ溶接での適用が多く、2 本またはそれ以上のトーチ

また 1972（昭和 47）年には、図 3.38 に示すような、（電極）を溶接線方向に直列（タンデム）、あるいは並簡易裏当（FAB）法と呼ばれる方法も開発されてい列（トランスバース）などの配置にして溶接する。タる。ガラステープや固形フラックスなどから構成されンデム配置の標準的な 2 電極サブマージアーク溶接機

た固形裏当材を、マグネットなどを用いて母材裏面にの一例を示すと図 3.39 のようであり、2 組のワイヤ送密着させる施工法である。固形裏当材は持ち運びが容給機構とトーチが 1 つの走行台車上に搭載された構成

易で、曲げることも可能であり、裏当材を取り付けるとなっている。また制御盤には、2 本のワイヤから発ための専用の装置は不要である。固形フラックスは、生するアークをそれぞれ個別に制御するために、2 組

100～150 ℃で溶融固化する熱硬化性樹脂と組成・粒の調整ボリューム類や電流・電圧計が設けられてい度・密度を適正化したフラックスとで構成され、溶接る。

前は粉末状であるが溶接時に加えられる熱で固形状になる。

複数の電極から同時にアークを発生させると、それぞれのアーク間には電磁力による作用（磁気吹き）が発生し、電極と母材とを流れる電流が複雑に作用してアーク溶接技術発展の系統化調査419

入力の適切な結線方式を選定しなければならない。
2 電極溶接の場合における電源の結線方法の一例を示すと図 3.40 のようである。
（a）はスコット結線と呼ばれる結線方法で、電源への入力Ｕ・Ｖ・Ｗ相の位相はそれぞれ 120°ずれてバランスしているが、2 本の電極を流れる電流の位相は 90°ずれる。
（b）はＶ結線と呼ばれる結線方法で、Ｕ相とＶ相との位相差は 60°、
それらとＷ相との位相差は 150°であり、その位相差が 2 本の電極を流れる電流の位相差となる。（c）は逆Ｖ結線と呼ばれる結線方法で、入力の位相差はＶ結線の場合と同様であるが、2 本の電極を流れる電流の位
図 3.39相差は 120°となる。したがって、薄板の高速溶接に

2 電極サブマージアーク溶接機

は位相差が小さいスコット結線（a）およびＶ結線（b）
が適しており、厚板の大電流溶接には位相差が大きアークの偏向現象が生じる。この偏向現象はビード形

く、アーク・溶融池ともに安定し深い溶込みが得られ成に大きい影響を及ぼし、極端な場合にはアークが不る逆Ｖ結線（c）が適している。

安定となって、アンダカットやオーバラップなどの

2 電極および 3 電極サブマージアーク溶接の適用例

ビード形状不良、スラグの巻込みあるいはブローホーを図 3.41 に示す。3 電極溶接の場合も、入力電源の結ルなどの内部欠陥発生の原因となる。すなわち多電極

線方法によってアークの挙動が変わるため、2 電極溶

サブマージアーク溶接では、使用目的に応じた適正な接の場合と同様に、高速溶接と大電流低速溶接では異溶接条件（溶接電流、溶接電圧および溶接速度）の選なった位相の出力が得られる結線方法を用いる。また

定とともに、交流電源への入力の結線方式を最適化す

厚板の溶接では、後行 2 電極は交流とするが、先行電ることも重要となる。

極には直流を用いて深い溶込みを得るようにしたもの

交流電源を使用したアーク溶接では、2 本のワイヤもある。近年では 4 電極以上の溶接法も開発されてお間で生じる電流位相のずれは、結線方法によって 0～

り、4 電極サブマージアーク溶接では、図 3.42 に示す

l80°の間で変化する。2 つのアークが同時に発生してように、先行する 2 つの電極（①および②）で母材をいる場合、それらの極性が同じであれば互いに引き合

裏面まで溶融して裏波を形成し、後行 2 電極（③およい、逆の極性になった場合には互いに反発し合う。こび④）でビード形状および外観を整形する。

のようなアークの挙動はビード形状や溶接結果に大きサブマージアーク溶接の高能率化については 1960

く影響し、位相差が小さいほど溶込みは浅くなって、

年代後半から様々な検討がなされ、種々な産業分野でビード幅は広くなる傾向がある。したがって、各電極

多電極サブマージアーク溶接法が適用されている。図

に過大な電磁力が作用しないよう、また後行電極には3.43 は UOE 大径鋼管の溶接装置を示したもので、鋼溶接進行方向に適切な電磁力が作用するように、電源

管の縦継手を内面および外面から突合せ溶接して、内

図 3.40420

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

2 電極溶接機の結線方法 14）

(a)２電極溶接(b)３電極溶接

図 3.41多電極サブマージアーク溶接

電極

面

溶接

電極

溶接

図 3.44 造船における多電極サブマージアーク溶接装置 6）面マク

図 3.424 電極サブマージアーク溶接

a
①

面マク

溶接

溶接装置

b

溶接装置

図 3.45 ボックス柱の多電極サブマージアーク溶接 16）17）

②

溶接

3.3.6

帯状電極サブマージアーク溶接（バンドアー
ク溶接）

耐食肉盛溶接は、炭素鋼や低合金鋼の耐食性向上をマク

図 3.43UOE 鋼管の多電極サブマージアーク溶接 15）目的として腐食性物質と接する面に施工される。各種プラントの反応容器（リアクター）に多用されているが、火力発電所の煙突、石炭を細粉化する微粉炭機お外面をそれぞれ 1 パスで継手を形成する。製造時の生

よびごみ焼却施設などにも適用されている。肉盛溶接

産性は縦継手の溶接速度に大きく左右されるため、では、希釈率（母材溶融断面積 / 溶接金属の断面積）

1981（昭和 56）年頃から 5～6 電極の高速サブマージの低減と溶着速度の増大が重要な事項である。

アーク溶接が採用されている。またスパイラル鋼管のサブマージアーク溶接は溶込みが深い溶接法である製造ラインでも、1982（昭和 57）年頃から 3 電極以ため、肉盛溶接に適用するには希釈率を低減できる溶上の多電極サブマージアーク溶接が採用されている。

接方法を工夫しなければならない。図 3.46 は、肉盛造船分野においても 1965（昭和 40）年以降に多電溶接へ適用するために開発された帯状電極サブマージ

極サブマージアーク溶接が取り入れられており、そのアーク（バンドアーク）溶接方法を示したものである。

一例を示すと図 3.44 のようである。
（a）は板継突合

電極には肉厚 0.4mm ×幅 25～75mm の帯状ワイヤをせ溶接を行う FCB 法（前述 3.3.4 項参照）を用いた 4

用い、アークを電極の幅方向に分散して発生させるこ

電極の片面裏波溶接装置、（b）は片側 2 電極の対向とによって、希釈率の小さい高溶着溶接を実現する。

式タンデムでロンジ（縦通材）の水平すみ肉溶接を行

また溶接機には、帯状ワイヤの送給が可能な専用の溶う 4 電極の自動溶接装置（ラインウェルダー）である。

接機を用いる。図 3.47 に溶接状況および溶接部の断また図 3.45 は建築鉄骨部材への適用例で、（a）はボッ

面マクロの一例を示す。

クス柱の両端 2ヶ所の角継手をそれぞれ 1 電極で同時

帯状電極サブマージアーク溶接が実用化されたのはに溶接するツイン溶接装置、（b）は 2 電極サブマー

1966（昭和 41）年であり、日本製鋼所が溶込みの浅

ジアーク溶接機 2 台を使用してボックス柱の両端 2ヶいことが要求される肉盛溶接に適用したことが始まり

所の角継手を同時に溶接するツインタンデム溶接装置

である 5）。圧延ローラの肉盛溶接への適用例を図 3.48

である。

に示す。

アーク溶接技術発展の系統化調査

421

た。ただしアルゴンやヘリウムは高価なため、実用化は困難と判断して会社は機器の開発を中断した。この
溶 接 法 が 実 用 化 さ れ る の は、 戦 時 色 が 強 く なっ た
1940（昭和 15）年頃からである。
1940 年になって、ノースロップ航空機会社の溶接技師メレディス（R. Meredith）は、マグネシウム合金の溶接を手掛けた。マグネシウム合金は空気中の酸素と反応して燃えやすく、その溶接は困難を窮めた。
そこで彼は、アルゴンは“怠け者”いう意味の不活性
図 3.46

 状電極サブマージアーク（バンドアーク）
帯
溶接

ガスであり、このガスで溶接部をシールドすればうまく溶接できるのではないかと考えた。最初は、溶接部をアルゴンでシールドし、マグネシウムの棒と母材との間でアークを発生させて、溶接部へそのマグネシウ
ム棒を手で添加する方法を試みた。しかし、アーク長
を一定の長さに保つことは極めて困難であったため、この方法で溶接することをすぐにあきらめた。そして、図 3.49 に示すような、被覆アーク溶接棒用ホル（a）溶接

図 3.47（b）溶接の断面マクロ

バンドアーク溶接とその断面マクロ

ダにタングステン電極とシールドガス用ノズルを取り付けた溶接トーチを考案し、この溶接トーチを用いて溶接実験を行った。この方法では極めて良好な溶接結果が得られ、翌年には“ヘリアーク溶接”という名称で特許を取得している。これがティグ溶接の始まりであり、図 3.50 に示す、全マグネシウム合金製の航空機 XP-56 の製作にこの溶接方法を適用した。なお、
この XP-56 は極めて変則的な航空機で、後部に二段のプロペラを持った尾翼のない前翼のみの構造で、安定性不良などの問題が多く試作 2 機のみで開発中止となっている 1）。

図 3.48

圧延ローラの肉盛溶接 18）

3.4 ティグ溶接
3.4.1

ティグ溶接の開発とわが国への導入

図 3.49メレディスが考案したティグ溶接トーチ 1）

図 3.50 めてのティグ溶接航空機（マグネシウム製
初XP-56）1）

不活性ガス中での初めての溶接は、1927（昭和 2）年に米国の実験物理学者コンプトン（A. H. Compton）
が、被覆アーク溶接における空気中の酸素の効果を調べるために、アルゴンやヘリウム中で行った溶接である。しかし本当に不活性ガス溶接といえる溶接は、
1930（昭和 5）年に、米国ゼネラルエレクトリック（GE）社のホバート（H. M. Hobart）とデバース（P. K.
Devers）が行っている。従来の溶接法では難しかっ
たアルミニウム合金などの溶接を目的に実用化が進められ、不活性ガス中でのアーク溶接の特許を取得し422

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchわが国では、1948（昭和 23）年に初めてティグ溶

でのアルミニウム溶接の適用開始（1958 年）、原子力接法が公開実演されたが、アルゴンガスの入手が極め研究所のドイツ・グリスハイム社からのティグ溶接機て困難であったことなどの理由によって、普及するこ購入（1960 年）など、ティグ溶接の適用分野は拡大とはなかった。1951（昭和 26）年になると、運輸省していった 5）。また、わが国初の深海調査船・しんか

運輸技術研究所が不活性アーク（へリアーク）溶接機

い 2000 の三菱・神戸造船所での建造（1981 年）、三を輸入し研究を始めた。また、日本アルミが丸紅を通菱・名古屋製作所での宇宙開発事業団・H-2 ロケット

じて米国に発注していた溶接用アルゴンのボンベ 48の 1～2 段タンクの製作（1994 年）にもティグ溶接が本が神戸港に届いた。翌年からは連続輸入され、アル適用された。

ゴンの常備が可能となったが、そのアルゴンは高価であったため、ティグ溶接の実用化は当分の間期待でき

3.4.2

ティグ溶接の基礎事項ないとされていた。

（1）ティグアークの特性

ティグ溶接が実用化されたのは 1952（昭和 27）年

タングステン電極と母材との間にアークを発生させ以後で、この年に東亜精機が、図 3.51 に示すような、るティグ溶接では、電極の極性によってアークの挙動

国産初のアルゴンアーク溶接機（ティグ溶接機）を製や母材の溶融現象などが異なる。電極が陰極となる棒造した。また、朝鮮戦争が始まりアルミニウム製の航マイナス（EN: Electrode Negative）極性では、図 3.52

空機用落下タンクの多量発注が始まったため、電元社に示すように、電極直下の母材に集中した指向性の強製作所と大阪変圧器もティグ溶接機の製造販売を開始

いアークが発生する。その結果、幅が狭く溶込みの深した。その後、ステンレス鋼、銅とその合金およびチ

い溶融部が得られ、電極の消耗も少ないため溶接に適タンとその合金などの溶接にも適用されるようになした特性が得られる。

り、ティグ溶接は急速に普及した。

棒マイナス（EN）
電極

電 極 径：φ3.2mm
溶接電流： 20A
シールドガス： Ar

棒プラス（EP）
電極

アーク

アーク

陽極点

陰極点

電極消耗

クリーニング
作用

棒マイナス

良好

深い

狭い

少ない

なし

一般的な使用方法

棒プラス

不良

浅い

広い

多い

あり

ほとんど使用せず

極

アークの集中性 溶込み深さ ビード幅性

図 3.52用途

ティグアークにおける極性の影響

一方、電極が陽極となる棒プラス（EP: Electrode
Positive）極性では、陰極点（電子放出の起点）が母材表面上を激しく動き回る。棒プラス極性では陰極点が母材表面に形成され、この陰極点は酸化物が存在す
図 3.51

アルゴンアーク溶接機 5）る箇所に発生しやすい傾向がある。酸化物があると比較的少ないエネルギーで電子を放出できるためであ1953（昭和 28）年には三菱重工業・下関造船所が、る。陰極点では局所的に著しいエネルギー集中が生じ

わが国初の全アルミ合金船である、海上保安庁の巡視るため、図 3.53 に示すように、電子放出時に生じる艇「あさかぜ」の建造にティグ溶接を使用した。1955

一種の爆発的な現象によって陰極点近傍の酸化皮膜は（昭和 30）年には、溶接ビードの美麗さに着目して、破壊される。酸化皮膜が破壊・消滅すると、陰極点は自動車製造ラインでフェンダーの溶接などに使われ始新しい酸化物を求めて移動し、他の酸化物が存在する

めた。またボデーの床や柱には、ティグ・アークス

箇所に新たな陰極点を形成するが、その酸化物も電子

ポット溶接が適用された。ティグ・アークスポット溶

放出時の爆発的な現象によって再び破壊されて消滅す

接は片側のみの溶接で、溶接部の信頼性も高いことがる。その結果、母材表面の酸化皮膜は次々に破壊・除評価されたようである。

去され、アーク直下（溶融池）周辺には酸化皮膜のな

その後、上部構造とハッチカバーに 180 トンのアル

い清浄な母材表面が現れる。この現象をクリーニングミを使ったボーキサイト船・サンウォーカーの浦賀船（清浄）作用という。陰極点のこのような移動はアー渠での建造（1957 年）、旧国鉄・大宮および小倉工場

クの集中性を著しく劣化させ、溶融部は幅が広く溶込

アーク溶接技術発展の系統化調査423

みの浅いものとなる。さらに、電極は過熱されて電極

表 3.3（JIS Z3233 2001）

消耗も極めて多くなる。

図 3.53

クリーニング（清浄）作用ティグ溶接用タングステン電極

種類

記号

成分

識別色

純タングステン

YWP

W

緑

1％トリアタングステン

YWTh-1

W+1%ThO 2

黄2％トリアタングステン

YWTh-2

W+2%ThO 2

赤1％酸化ランタンタングステン

YWLa-1

W+1%La 2 O 3

黒2％酸化ランタンタングステン

YWLa-2

W+2%La 2 O 3

黄緑

1％酸化セリウムタングステン

YWCe-1

W+1%Ce 2 O 3

桃色

2％酸化セリウムタングステン

YWCe-2

W+2%Ce 2 O 3

灰色ある。そのため酸化物入りタングステン電極を用いると電極の負荷は軽減され、純タングステンの場合より（2）タングステン電極

良好な電極消耗特性が得られる。その一例を示すと表

ティグ溶接の電極として用いられるタングステン電

3.4 のようであり、同一条件での溶接にも拘らず、2％極の JIS 規格は 1963（昭和 38）年に制定されたが、酸化ランタンタングステンや 2％酸化セリウムタング

当時の電極の種類は純タングステンと 1 および 2％酸

ステンでの電極の消耗や変形は極めて少ない。また酸化トリウム（ThO2）入りタングステンの 3 種類であっ

化物入りタングステンは、純タングステンに比べてた。しかし、1985（昭和 65）年頃に、酸化ランタン

アークの起動性にも優れる。

（La2O3）・酸化セリウム（Ce2O3）
・酸化イットリウム（Y2O3）を 1～2％程度含むタングステン電極の研究が

表 3.4

電極消耗状況の比較行われた。そして、これらの新しい酸化物入りタング
ステンは、従来の酸化トリウム（ThO2）入りタング
ステンより良好な電極消耗特性およびアーク起動特性を示すことが明らかにされた。
この結果を受けて JIS 規格が改正され、1990（平成 2）年に「JIS Z 3233：ティグ溶接用タングステン
電極棒」が制定された。従来の 3 種類に、1 および 2％
酸化ランタン入りタングステンと 1 および 2％酸化セ
リウム入りタングステンの 4 種類が新たに加えられ、タングステン電極の種類は合計 7 種類となった。なお、酸化イットリウム（Y2O3）入りタングステンは、市場での使用量が少なかったため JIS 化は見送られタングステン電極の先端形状はアークの集中性・溶

た。

424

（3）電極の先端形状

2001（平成 13）年になると、この JIS は ISO6848：

込み形状・ビード外観などに大きく影響するが、その1984 に基づいて再び改正され、「JIS Z 3233：イナー

適切な形状は溶接電流や極性によって異なる。直流棒

トガスアーク溶接並びにプラズマ切断及び溶接用タン

マイナス極性の場合の標準的な電極先端角は一般にグステン電極」として制定された。この新しい JIS 規

45～60°であるが、この角度は電流値によって多少変

格は、1990（平成 2）年に制定された旧 JIS 分類（Ａ化する。タングステンには電極温度が高くなるほど電系列）と ISO 分類（Ｂ系列）を併記した二重規定と子放出が容易となって安定なアーク状態が得られやすなっている。しかし、一般に、わが国では表 3.3 に示

くなる性質があるため、溶接電流 100 Ａ以下の電流域

すＡ系列が用いられ、Ｂ系列が用いられることは極め

では電流が小さくなるほど先端角を小さくして、電極て少ない。

の先端温度を速く上昇させることが必要となる。250

タングステン電極に添加される酸化物には、電子放～500 Ａの電流域では、先端部を尖らせたとしても出に必要なエネルギー（仕事関数）を低減する作用がアーク発生とほぼ同時に先端部が溶損するため、先端

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Vol.23 2016. March

部を少し扁平に加工した円錐台形状のものを使用すなどで構成される。高周波発生装置、シーケンス制御

る。

回路およびシールドガス制御回路などの制御装置は、

この形状は 200 Ａ以下の交流溶接にも適用される

通常、溶接電源に内蔵されたものが大半である。小電が、交流溶接ではアークの集中性が比較的乏しく電極

流溶接には作業性を考慮して空冷トーチが多用される

消耗も多いため、直流溶接の場合ほど先端形状に注意

が、トーチ部での発熱量が大きく十分な冷却が必要とする必要はない。棒プラス極性の 500 Ａ以上の直流溶なる大電流溶接には水冷トーチが用いられる。その場

接および 200 Ａを超える交流溶接では電極消耗が極め合には、トーチに冷却水を供給する冷却水循環装置をて多いため、電極先端部を半球形に加工して用いるこ

用いることが多い。

とが多い。各電流域における標準的なタングステン電極の先端加工形状を図 3.54 に示す。電極先端形状の加工には卓上グラインダが多用されているが、均一な先端形状を得るには専用の電極研磨機を用いる。電極
研磨機では、電極の先端部を専用の砥石側面に押し付
けて、回転する砥石でその先端部を所定の均一な形状に研磨する。タングステン電極研磨機の一例を図 3.55に示す。

図 3.56ティグ溶接機の構成

ティグ溶接の導入当初は、可飽和リアクトル式電源
や可動鉄心形電源（後述第 4 章参照）と、図 3.57 に
図 3.54タングステン電極の先端加工形状

タングステン

タングステン電極

示すような、ティグ溶接制御装置とを組み合わせて使用していた。ティグ溶接制御装置は、アークの起動・停止制御回路、シールドガスの流出・停止機構および高周波高電圧発生装置などで構成されたものである。
しかし、1966（昭和 41）年にティグ溶接の専用溶接

回転方向
電極ガイド

回転

電源が市販されると、この制御装置の機能は溶接電源に内蔵されるようになった。それ以降は、いずれの砥石

ティグ溶接電源にもそれらの制御機能が内蔵されることとなったため、近年でのティグ溶接制御装置の使用は皆無に近い。

図 3.553.4.3

タングステン電極研磨機の一例

ティグ溶接機（1）ティグ溶接機の構成の

図 3.57ティグ溶接制御装置

19）

ティグ溶接機の一般的な構成は図 3.56 のようであり、溶接電源、溶接トーチ、遠隔制御箱（リモコンボッ（2）溶接電源クス）、ケーブルホース類（母材側ケーブル・ガスホー

ティグ溶接に用いる溶接電源の外部特性（電流と電ス類）および付属品（ガス調整器・冷却水循環装置）

圧の静的な関係）には、図 3.58 に示すような、アーアーク溶接技術発展の系統化調査425

ク長変化に伴う溶接電流の変動を抑制する垂下特性あるいは定電流特性が用いられる。垂下特性電源では、アーク長が L0 から L1 に伸びると、アーク電圧は大きく増加（⊿ V）するが、溶接電流の減少（⊿ I）は少ない。反対にアーク長が短くなった場合も、アーク電圧は大きく減少するが、溶接電流の増加は少ない。すなわち、アーク長の変化によってアーク電圧は大きく変化するが、溶接電流の変化は少なく、溶接電流の変化に起因する溶込み深さの変動や作業性の変化などを抑制できる。

の外部

図 3.59の外部ティグ溶接トーチ

きる“高周波高電圧方式”が多用されている。“高周波高電圧方式”のアーク起動では、図 3.60（a）に示すような高周波発生回路を用い、（b）のような高周波
放電電圧を発生させる。そして、この高周波電圧で電極と母材間の絶縁を破壊し、電極を母材へ接触させな（a）

図 3.58（b）

ティグ溶接電源の外部特性と動作点

いでアークを起動する。高周波の基本周波数はラジオやテレビ放送の周波数帯域を避けているが、火花放電方式であるためその周波数帯域は広く、強い電磁ノイ定電流特性電源の場合も、垂下特性電源の場合と同ズに起因した電波障害を発生することがある。

様に、アーク長変化に対すると溶接電流の変化は少な
く、その変化幅は垂下特性電源の場合よりさらに小さ

表 3.5

ティグアーク起動方法とその比較

いものとなる。そのため近年では垂下特性電源の採用は減少し、アーク長変動による電流変化がより少ない
定電流特性電源がティグ溶接電源の主流となっている。
（3）溶接トーチ
ティグ溶接トーチは、保持したタングステン電極に溶接電流を通電してアークを発生させるとともに、溶接部を大気から遮蔽するシールドガスを供給するものである。トーチの一例を示すと図 3.59 のようであり、冷却方法によって空冷式と水冷式に大別される。空冷
トーチは小型・軽量で作業性も良好であり、その構造は比較的簡素である。しかし使用電流は低い値に制限され、定格電流は通常 200 Ａ程度以下となっている。
水冷トーチは構造が複雑でやや重くなるが、溶接ケー
ブルおよびノズル部分を水冷することによってトーチ

図 3.60高周波発生回路の耐熱性を向上させており、大電流・高使用率の溶接“電極接触方式”は、図 3.61 に示すように、タングにも対応できるようになっている。

ステン電極を母材へ接触させてから通電を開始し、通電開始後に電極を引き上げることによってアークを起（4）アークの起動

426

動する方法である。このアーク起動方式を用いると、ティグアークの起動方法は表 3.5 のような 3 種類に電磁ノイズに関する問題はほとんど生じない。しか大別され、一般には、母材と非接触でアークを起動でし、比較的大きい電流でアークを起動すると電極先端

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

部の損傷が生じ、傷損したタングステンが溶接部に巻き込まれて溶接欠陥となる恐れがある。そのため、必要最小限の電流値でアークを起動した後に本溶接電流へ移行させる「スタート電流制御」が適用されている。
スタート電流はできるだけ小さく設定することが望ましいが、設定値があまりに小さ過ぎると、アーク起動
は不安定になって良好なアーク起動性能が得られない
ため、通常 20～30 Ａ程度の電流を用いる。

図 3.63ティグ溶接のシーケンス制御“自己保持あり”の動作モードは厚板の溶接や溶接
線の長い場合に使用され、トーチスイッチを ON するとシールドガスが流れ始め、所定のプリフロー時間
図 3.61

電極接触方式によるアーク起動（Tpr）が経過すると高周波高電圧が印加され、それに導かれてアークが点弧する。アークが発生すると高“直流高電圧方式”では、図 3.62 に示すように、タ周波高電圧の印加は停止し、スタート電流・Is によ

ングステン電極と母材との間に数千Ⅴ程度の直流高電る溶接が開始される。次に、トーチスイッチを OFF

圧を加えて両者間の絶縁を破壊してアークを起動し、にすると電流は徐々に増加し、アップスロープ時間

アークが発生すると高電圧の付加を停止して本溶接で（Tu）が経過すると、所定の本溶接電流（Iw）に到達のアーク電圧へ移行する。直流電圧による電磁ノイズして本溶接へ移行する。再びトーチスイッチを ON

は比較的小さいため、強い電磁ノイズに起因した高周

すると Iw の通電は終了し、電流は徐々に減少してダ

波高電圧方式のような電波障害を発生することはほと

ウンスロープ時間（Td）が終了するとクレータ電流

んどない。この方式を搭載した溶接電源には高電圧か（Ic）が通電される。この状態でトーチスイッチをら保護するための回路を別途設けることが必要となる

OFF にすると、Ic の通電が停止して溶接を終了する

ため、価格は比較的高価なものとなる。また使用するが、シールドガスは流れ続け、アフターフロー時間

トーチの絶縁対策などについての制約も受けるため、（Taf）の経過後にガスの流出を停止して一連の動作

その用途はティグ溶接ロボットや特殊目的の自動溶接が完了する。

システムなど一部の特殊なものに限定されている。

“自己保持なし”の動作モードは薄板の溶接や短い溶接線に適用され、トーチスイッチを ON すると、初め か ら Iw が 通 電 さ れ る。 ま た ト ー チ ス イ ッ チ をOFF すると Iw の通電を停止する。シールドガスの流出・停止や高周波高電圧の印加は、自己保持ありの場合とほぼ同様であるが、スタート電流制御やクレー
タ電流制御などは行われず、通電される電流は一定である。

図 3.62直流高電圧方式アーク起動

3.4.4

直流ティグ溶接

前述したように（3.4.2 項（1）参照）、ティグ溶接（5） 動作シーケンス

では電極マイナス（EN）の極性の場合に、集中した

ティグ溶接の一般的な動作は図 3.63 のようであり、指向性の強いアークが得られる。そのため、一般に、

トーチスイッチを ON している間のみ溶接が行える

直流ティグ溶接ではアークの集中性に優れ、電極の消“自己保持なし”の動作モードと、溶接の開始時と終耗も少ない直流電極マイナス（DCEN）極性を採用す

了時にそれぞれトーチスイッチを操作する“自己保持る。直流電極プラス（DCEP）極性は、溶接に適したあり”の動作モードがある。

特性が得られず電極消耗も極めて多いため、この極性

アーク溶接技術発展の系統化調査

427

が単独で使用されることはほとんどない。

加材の添加が安定して行われるため、均一なビード外直流電極マイナス（DCEN）極性のアークは極めて観が得られるといった長所も得られる。なお溶融池へ安定で、アーク音もほとんど発生しない。また、溶融のワイヤ添加位置を調整するためのワイヤ添加機構

池は静かで変動も少ないため、アークの状態や溶融池（ワイヤガイド）は、標準ティグ溶接トーチの先端部の挙動を明瞭に観察することができる。この溶接法はへ容易に装着できるように工夫されている。

炭素鋼、低合金鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、ニッケル・
ニッケル合金、銅・銅合金、チタン・チタン合金、金

3.4.5

および銀など、アルミニウム・マグネシウムおよびそ（1）交流ティグ溶接の特徴

れらの合金を除く、ほとんどの金属に幅広く適用することができる。

交流ティグ溶接

アルミニウムの融点は約 660℃であるが、その表面には融点が 2,000℃を超える高融点（2,049℃）の酸化

ティグ溶接では、直流ティグ溶接に限らず全ての皮膜（Al2O3）が存在する。この酸化皮膜を除去する

ティグ溶接に共通するが、溶着金属の添加が必要な場

ことなく表面からアークで加熱しても、酸化皮膜が邪合には溶加棒または溶加ワイヤを供給・添加しなけれ魔をして健全な溶接部を得ることができない。アルミばならない。手動ティグ溶接では、図 3.64 に示すよ

ニウムの溶接に直流ティグ溶接が使用されることもあ

うに、一方の手で溶接トーチの操作を行いながら、他

るが、クリーニング作用（前述 3.4.2 節（1）参照）を方の手で溶加棒の添加操作を行う。溶加棒は親指と人利用して酸化皮膜を除去するには、電極プラス（EP）

差指で持ち、中指と薬指の間を通した状態で保持すの極性を用いなければならない。しかし電極プラス極る。そして溶加棒を添加する際には、中指と薬指をガ性では、電極に電子が流入して過大なエネルギーが電イドにして親指のみあるいは親指と人差指で少しずつ極に加えられるため、電極は著しく加熱され消耗が極送り出して溶融池へ添加する。作業者にはかなりの熟めて多くなる。そこでアルミニウムの溶接では、電極練が要求される操作である。

マイナス（EN）極性での集中した指向性の強いアー
クと、電極プラス極性でのクリーニング作用の両者を利用できる交流ティグ溶接の適用が検討された。しかし交流溶接では、極性の反転時に電流は一時的に零となり、アークは消滅するため交流溶接の適用は不可能であった。このような問題を解決するために、1946（昭和 21）年に、アークの起動に用いる高周波高電圧をアークが起動しても停止させず、高周波高電圧を交流電流に常時重畳しながら溶接する方法が考案され

図 3.64

溶加棒の添加操作た。極性反転時に電流が一時的に零となってアークが消滅しても、極性反転後には高周波高電圧によって自動ティグ溶接や半自動ティグ溶接では、図 3.65に示すような溶加ワイヤ自動供給システムなどを用い

アークは再点弧し、アークは見かけ上連続して発生する。

て、溶加ワイヤを溶融池へ自動的に添加する。溶加ワ

なお、交流ティグ溶接には次のような問題もある。

イヤは、ワイヤ送給装置によって自動送給されるた

図 3.66 に 示 す よ う に、 母 材 が 陰 極 と な る 棒 プ ラ ス

め、溶加材添加に対する熟練度は不要となる。また溶（EP）極性の半波では、アークの発生（電子の放出）に比較的大きいエネルギーを必要とするため、アーク
電圧が高く、溶接電流は小さくなる傾向がある。反対に、タングステン電極が陰極となる棒マイナス（EN）
極性の半波では、電子放出に必要なエネルギーが比較的小さく、アークの発生が容易であるため、アーク電圧は低く、溶接電流は大きくなる。その結果、溶接電
源の出力電流は非対称な交流波形となり、直流成分（IDC）を含んだ不平衡電流が通電されることとなる。
この傾向は、アルミニウムおよびその合金の溶接で特

図 3.65428

溶加ワイヤ自動供給システム

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchに著しく、場合によっては直流成分が交流成分の 1/3

に達することもある。また、電極プラス極性の半波電が推奨されていた。トリアタングステンが消耗すると流が部分的に消滅して、アークが不安定になることも先端部が多数の空孔を持つ軽石状になって欠けやすある。

く、その一部が溶融池へ落下すると溶接欠陥になるためである。しかし酸化物入りタングステンであってEPも、前述 3.4.2 項（2）で述べたように、2％酸化セリ
ウムタングステンは先端部が軽石状に変形することはなく、純タングステンに比べて電極消耗もはるかに少ないため、近年では交流ティグ溶接用電極として 2％0酸化セリウムタングステンの使用が増加している。

ENEP

なお、母材表面に 2,800℃の酸化皮膜を持つマグネ

0

シウムやその合金の場合も、クリーニング作用を利用して酸化被膜を除去するために交流ティグ溶接が適用

直流成分( I DC )EN

図 3.66される。

交流アークの整流作用 19）（2）極性時間比率制御

このような直流成分が発生すると、電源の変圧器鉄

近年の交流ティグ溶接電源には、電極プラス（EP）

心は一方向に磁化されて飽和し、電源の入力側には著の極性時間と電極マイナス（EN）の極性時間との比

しい磁化電流が流れて電源を焼損することがある。そ率（EP 極性時間比率 : 棒プラス極性時間 / 交流周期）のため交流ティグ溶接電源では、直流成分の存在を考を任意に変化させることができる機能が付加されてい慮して定格出力電流や定格使用率を規定している。まる。EP 極性時間比率を変化させるとクリーニング作

た直流成分を打ち消すために、溶接電源の出力回路に用の効果も変化し、図 3.68 に示すように、EP 極性時

抵抗やコンデンサを挿入するなどの対策も行ってい間比率が小さくなるとクリーニング幅およびビード幅る。

は減少し溶込み深さが増加する。また、EP 極性時間

交流ティグ溶接が導入される以前は、アルミニウム

比率は電極消耗にも大きく関与し、その比率が大きくの溶接にガス溶接が適用されており、事前に溶接部へなるほど電極消耗量が増加する。EP 極性時間比率がフラックスを塗布することが必要であったとともに、30％を超えると電極の消耗は特に著しくなり、電極先

そのフラックスが溶接後も残留して溶接部を腐食する

端形状は大きく変化する。

という問題もあった。しかし交流ティグ溶接ではフラックスの事前塗布が不要となり、非常に美麗な溶接

溶接ビード

A

B

クリーニング領域

ビートが得られ、腐食の問題もないとの評価を得た。
交流ティグ溶接によるビード外観の一例を図 3.67 に示す。溶接ビード周辺の白くなった部分が、クリーニ

A’

B’

ング作用で酸化被膜が除去されたクリーニング領域である。

EP 比率：小A - A’ 断面

EP 比率：大B - B’ 断面

図 3.68 ビード形状におよぼす EP 極性時間比率の影響(a)溶加材添加なし：自動溶接

図 3.67(b)溶加材添加あり：手溶接

アルミニウムの交流ティグ溶接

溶接結果におよぼす極性時間比率の影響は表 3.6 のよ う で あ り、EP 極 性 時 間 の 比 率 を 増 加 さ せ る と、
ビード幅およびクリーニング幅が増加し溶込み深さは減少する。また EP 極性時間が長くなるほど、電極へ

交流ティグ溶接では、電極プラス極性期間中の電極の負担が大きくなって電極の消耗・変形が多くなる。

加熱によって、酸化物がなくても比較的安定にアーク

このような極性時間比率の制御が可能となったのを維持できるため、従来は純タングステン電極の使用

は、1970 年代前半に開発されたサイリスタ制御電源

アーク溶接技術発展の系統化調査

429

の出現によってであり、それ以前の可動鉄心形電源で（3）交流周波数制御は不可能な制御であった。しかし極性の極端なアンバ

従来の交流ティグ溶接電源の交流周波数は、溶接電ランスが生じると、サイリスタ制御電源では偏磁によ源の構成上、商用周波数（関東以北で 50Hz/ 中部・る変圧器への負荷が増加して、変圧器を焼損すること

関西以西で 60Hz）に限定されていた。しかし近年のもある。そのためサイリスタ制御電源の EP 極性時間

交流ティグ溶接電源では、交流周波数を任意に変化さ

比率の変化幅は、せいぜい 5％程度とせざるをえなせることが可能である。交流周波数を増加させるとかった。

アーク圧力は図 3.69 のように上昇し、交流アークで表 3.6あるにも拘らず、そのアーク圧力分布は直流アークのEP 極性時間比率制御の効果

アーク圧力分布に近づく。すなわち交流周波数を増加させると、交流アークの指向性・集中性が向上し、交流溶接においても直流溶接に類似したアーク特性が得られるようになる。交流周波数とビード形状の関係は
表 3.8 の よ う で あ り、 交 流 周 波 数 の 増 加 と と も に、
ビード幅および溶込み深さが増加して、クリーニング
幅は減少する。交流周波数が 200Hz を超えるとその3効果は特に著しく、溶込み深さは大幅に増加し、ビー

溶接
ニ

ド止端部が明瞭に区別できるようになる。

グ

交流

材：

3.

6

6

ところが、1987（昭和 62）年に出現した出力と極性とをそれぞれ独立に制御する交流インバータ制御電源では、極性に極端なアンバランスがあっても変圧器への負荷が増加することはない。すなわち、EP 極性
時間比率を 0～100％の広範囲で制御することができ、EP 極性時間比率は通常 25～30％程度に設定されている。サイリスタ制御電源とインバータ制御電源の極性
時間比率制御の比較を表 3.7 に示す。溶接電源の構成や特徴などの詳細については後述の第 4 章 4.4.3 項で
述べる。
表 3.7
EP極性時間比率

極性時間比率制御の比較
ン

リ

ー

E

小

EP

EP：

EP：

E

EP

：

.

：

E

大

EP

：

：
A

430

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

図 3.69アーク圧力分布の比較

表 3.8

交流周波数制御の効果このような交流周波数制御は、1989（平成 1）年にルス周波数によって 20Hz 程度以下の“低周波パルス

わが国で開発されたが、その後はしばらくの間適用さ

溶接”、20～500Hz 程度の“中周波パルス溶接”およれることはほとんどなかった。しかし 2004（平成 16）

び 1kHz 程度以上の“高周波パルス溶接”に大別され年頃になると、国内の電源メーカ各社が採用を始め、る。ただし、これら各パルス溶接の周波数域は厳密に

近年では市販交流ティグ溶接電源の標準的な仕様と区別されているわけではない。

なっている。
交流周波数制御の効果の一例を示すと、図 3.70 の（1）低周波パルス溶接ようである。アルミニウムおよびその合金のティグ溶

低 周 波 パ ル ス（ ロ ー パ ル ス ） 溶 接 は、1962（ 昭接では、熱伝導の影響で、溶接の進行に伴ってビード

和 37）年にペトロフ（A. V. Petrov）らが、1963（昭幅が広くなりやすい。しかし、交流周波数 200Hz の和 38）年にブライン（A. G. Brain）らが提案した溶溶接では、溶接の進行に伴うビード幅の増加はほとん

接法である。初層溶接で生じやすい溶落ちを防止したど認められない。また角溶接では、交流周波数 50Hz

り、立向溶接や横向溶接などでのビードの垂れ下りをの場合にはアークの集中性に乏しいため、肩垂れを生抑制したりするために、数 Hz 以下の周波数で溶接電

じ て ビ ー ド 幅 が 広 く な る。 し か し 交 流 周 波 数 が流を大小交互にかつ周期的に変化させて、母材への入200Hz の場合には、集中性に富むアーク状態が得ら

熱を制御する。

れ、肩垂れをほとんど生じない美麗なビード外観が得られている。

低周波パルス溶接では、大電流が通電されるパルス
期間中に母材を溶融して溶融池を形成し、小電流が通電されるベース期間中に溶融池の凝固を促進するといった動作を周期的に繰り返して溶接が進行する。
ビード外観におよぼすパルス周波数の影響は表 3.9 のようであり、極端な場合（表 3.9 ではパルス周波数
1Hz の場合）には、スポット溶接ビードを重ね合わせて溶接が進行することとなる。溶融池の形成時間がパルス期間に、凝固時間がベース期間にそれぞれ対応す

図 3.70交流周波数制御の効果

るため、パルス周波数にはおのずから限界があり、通常、その上限は 20Hz 程度に制限される。溶接電流は

3.4.6

パルスティグ溶接

溶接電流を周期的に変化させてティグ溶接する方法
をパルスティグ溶接といい、図 3.71 に示すように、
パルス電流、ベース電流、パルス期間およびベース期
間などのパルスパラメータを変化させることによって種々な特性や効果が得られる。パルスティグ溶接は、
一般に、直流ティグ溶接で使用されることが多く、パ極めて速い速度で応答できるが、溶融池の応答はそれほど速くないためである。
表 3.9

ビード外観におよぼすパルス周波数の影響

パルス周波数

ビード外観

1 Hz

2.5 Hz

5 Hz

10 Hz

25 Hz

Iav = 100A（Ip = 150A・Ib = 50A・パルスデューティ= 50%），
アーク長=3mm ，溶接速度=200mm/min ，母材：SPCC・2.3mmt

溶接ビードはパルス周期に同期して形成されるた図 3.71

パルスティグ溶接の原理

め、波目が均一にそろったビード外観を得ることがで

アーク溶接技術発展の系統化調査

431

き、パルス電流の作用でビード幅も広くなる。しかク状態とはならない。しかしパルス周波数を 250Hz

し、溶込み深さは溶接電流の変化に応じて変動する

程度以上にすると、表 3.10 に示すように、アークの（パルス期間で深くベース期間では浅くなる）ため高指向性や集中性が大幅に向上して作業性の良好なアー

速溶接などには適さない。

ク状態が得られるようになる。

ステンレス鋼と低炭素鋼などとの異種材料継手や板厚が異なる部材で構成された継手（差厚継手）などの表 3.10 アークの硬直性におよぼすパルス周波数の影響

溶接では、それぞれの部材の熱伝導特性が異なるた

パルス周波数

め、電流値が一定の直流溶接で良好な溶接結果を得る

アーク形態

ビード外観

パルスなし
（直流）

には溶接作業者に相当の熟練が要求される。しかしこのような継手に低周波パルス溶接を適用すると、パルス電流で母材が集中的に溶融されるため熱伝導の影響

50Hzを受けにくく、熟練度に関係なく良好な溶接結果が得られやすい。また低周波パルス溶接では、パルスパラ
メータをそれぞれ独立かつ任意に設定することができ250Hz

るため、母材の溶融と凝固をきめ細かく制御することが可能となり、裏波ビードの形成やビードの垂下り防平均溶接電流：10A , パルス電流：50A ，ベース電流：5A ,パルスデューティ：50% , 母材：SUS304（0.4mmt）, 母材-電極間距離：7.5mm

止に効果がある。低周波パルスティグ溶接の適用例を
図 3.72 に示す。

パルス周波数を増加させると溶込み深さはやや減少する傾向を示すが、溶加材を添加しても溶融池の乱れは少ないため通常より太径の溶加材を使用することがSUS304・1.5mmt

できる。また仮付け溶接ビードなどの影響を受けにく

A

表面ビード

9mmt
1.2mmtい、大電流溶接時のアーク圧力の増加が抑制されて溶融池の凹みが比較的少なくなるなどの効果も得られ
る。

裏波ビード

パルス周波数が 15～25Hz の領域では溶融池の振動（a）水平固定管の全姿勢溶接

図 3.72【A 部拡大】とパルス周期とが同期して、極めて均一かつ美麗な（b）差厚継手の溶接

ビード外観が得られることもあるが、電流変化にとも低周波パルス溶接の適用例

なうアーク光のちらつき（フリッカー）が非常に目障りとなる。また、パルスパラメータや溶接速度の設定（2）中周波パルス溶接

を誤るとアンダカットなどの欠陥を発生しやすいた

中周波パルス（ミドルパルス）溶接は、1986（昭め、この範囲の周波数が採用されることは少ない。中和 61）年に坂部らが提案した溶接法であり、出力を周 波 パ ル ス 溶 接 の 効 果 は、 通 常、 パ ル ス 周 波 数 が高速で制御できるインバータ制御溶接電源の開発に200Hz を超えた領域で最も得られる。

よって可能となったティグ溶接法である。中周波パル
ス溶接では、小電流溶接や高速溶接での作業性を改善するために、溶接電流を数十～数百 Hz の周波数で大アークの指向性・集中性をより一層高めるととも

小規則的に変化させて、アークの指向性や集中性を向に、溶融池へ高周波振動を付加することを目的とし上させる。パルス周波数が高いため、電流変化に溶融て、パルス周波数をさらに増加させたものが“高周波池の挙動が追随できず、低周波パルス溶接のような明パルス（ハイパルス）溶接”である。この溶接法は、

瞭なビード波が形成されず、母材への入熱を制御する

1976（昭和 51）年に後藤らによって提案された。パ

効果もほとんどない。

ルス周波数としては、通常、10k～25kHz が用いられ

溶接電流 10A 程度の直流（パルスなし）溶接を行うと、アークのふらつきが頻繁に発生して、集中した

432（3）高周波パルス溶接

るが、パルス周波数 17kHz 以下の領域では高音程の耳障りなアーク音が発生する。

指向性の良いアーク状態は得られない。パルス周波数

溶接電流が高い周波数で変化するため、溶融池にはを 50Hz 程度まで増加させると、アークの指向性や集高周波による振動が加えられ、溶融池金属の攪拌作用

中性は多少改善されるが、必ずしも作業性の良いアーや脱気泡作用が生じて、金属組織の微細化やブロー

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ホール抑制などの効果が得られる。また小電流での波数に同期した規則的なビード波が形成され、母材へアークの安定性や集中性に優れ、平均溶接電流 1A 程の入熱制御が必要な水平固定管の全姿勢溶接などに有度 で も 安 定 な ア ー ク 状 態 が 得 ら れ る た め、 板 厚

効である。交流中周波パルス溶接では、交流アークの0.05mm 程度の極薄板の溶接も可能である。しかし高集中性が改善されるため、小電流域での作業性が向上

周波パルス溶接の電源・装置は極めて高価であり、溶し、板厚 0.4mm のアルミニウム合金の突合せ溶接に接ケーブル長さの影響を受けやすく、耳障りなアーク

おいても均一な裏波ビードを比較的容易に形成するこ音が発生するなどの問題点も多いため、その適用は一とができる。交流低周波パルス溶接および交流中周波部の特殊な用途に限られている。高周波パルスティグ

パルス溶接の主な適用例を図 3.75 に示す。

溶接の適用例を、中周波パルスティグ溶接の適用例と合わせて、図 3.73 に示す。

母材：A5083・4mmt

母材：A5083【 平板の突合せ溶接 】【ソケット継手と配管の重ねすみ肉溶接】（a）交流低周波パルス溶接【表面ビード】Iav：40A・パルス周波数：500Hz【裏波ビード】, 母材：A5052・0.4mmt・突合せ溶接（b）交流中周波パルス溶接

図 3.75
図 3.73

中・高周波パルス溶接の適用例（4）交流パルス溶接

3.4.7

交流パルスティグ溶接の適用例

ホットワイヤ・ティグ溶接

ティグ溶接は取扱いが比較的容易で、高品質な溶接

交流ティグ溶接においてもパルス溶接は存在し、図継手が得られる、母材への入熱と溶着量をそれぞれ独

3.74 に示すように、“交流低周波パルス溶接”ではパ立に制御することができる、溶接条件の適正範囲が広ルス期間およびベース期間それぞれに対応して溶接電いなど多くの長所を持つ。しかしマグ溶接などに比べ流の振幅が大小に変化する。
“交流中周波パルス溶接”

ると溶着速度が遅く、高能率な溶接ができないというでは、出力レベルを制御する 1 次側（入力側）イン

短所がある。
“ホットワイヤ・ティグ溶接”はティグバータで作った直流中周波パルスを、極性を制御する

溶接の短所である溶着速度の向上を目的として、図

2 次側（出力側）インバータで交流に変換する。なお

3.76 に示すように、溶接電源とは別に設けた電源で溶

交流中周波パルス溶接は、1989（平成 1）年にダブル・加ワイヤに通電して、抵抗発熱による加熱を利用してインバータ制御方式の交流溶接電源が開発されて可能

溶着速度を増大させる溶接方法である。通電加熱されとなった溶接法である。

た溶加ワイヤは半溶融状態で溶融池に添加されるため、通常のティグ溶接（コールドワイヤティグ溶接）に比べ、図 3.77 のように溶着速度を 3 倍程度まで増EN

加させることが可能となり、厚板溶接の能率向上や薄100

板溶接の高速化などに効果を発揮する。ホットワイヤ

0の効果は通電による抵抗発熱（I2R：電流 2 ×固有抵

100
200ms

4ms

抗値）で決まるため、固有抵抗値が大きいオーステナ
イト系ステンレス鋼やニッケル合金などでは特に大きEP(a) 低周波パルス

図 3.74(b) 中周波パルス

交流パルスティグ溶接の電流波形

い効果が得られる。しかし固有抵抗値が小さいアルミ
ニウムやその合金などでは、得られる抵抗発熱量が比較的少ないため、それほど大きい効果は期待できな

交流パルス溶接の効果は、直流パルス溶接の場合とほぼ同様であり、交流低周波パルス溶接ではパルス周い。
ホットワイヤ・ティグ溶接のアイデアは 1970 年代

アーク溶接技術発展の系統化調査

433

に考案されたが、上述図 3.76 のような構成でワイヤ

表 3.11

磁気吹きにおよぼすワイヤ加熱電流の影響に直流電流を通電すると、ティグアークと溶加ワイヤ

ス

スに同一方向の電流が通電されるため、両者間にはお互
いに引き合う力が作用してアークはワイヤ側に大きくス

溶接

偏向し、いわゆる磁気吹きが発生する。このような磁気吹きによる作業性劣化を軽減するために、通電電流を交流として、半サイクルごとにアークの偏向方向を

ワイヤ
ース変化させて溶接作業への悪影響を緩和する方法などもス検討されたが、実用化までは至らなかった。

の

溶接

（

の

の

）

（

ース

ワイヤ

）

（

）

の

（

）

パルス通電加熱方式のホットワイヤ・ティグ溶接
は、比較的広範囲な産業分野で実用化されており、その一例を図 3.78 に示す。

図 3.76

ホットワイヤ・ティグ溶接（a）ボイラチューブの自動溶接（b）ステンレス部品の肉盛溶接

120
ワイヤ：SUS308（φ1.6mm）

100

80

ホットワイヤ（c）鋼管の半自動ティグ溶接60

図 3.78

ホットワイヤ・ティグ溶接の適用例 20）40

20

3.5 ミグ溶接

コールドワイヤ0100

図 3.77

200

300

400

500

3.5.1

ミグ溶接の発展経過

溶接電流（A）

ミネソタ大学のウェバー（L. J. Weber）は 1926（大最大溶着量の比較

正 15）年に、ヘリウムをシールドガスに用いること
によって鉄の溶接金属部の特性が極めて改良されるこ

434

1990（平成 2）年になると、パルス電流を用いてワとを実験によって示した。しかし、電位傾度（単位長イヤを通電加熱することによって、磁気吹きの影響をさのアークを維持するために必要な電圧）が高いヘリ軽減する方法が開発された。パルス電流の通電方法にウム気中でのアークの維持はかなり困難であったた

は、溶接電流を直流としてパルス通電加熱と組み合わめ、この方法が実用化されることはなかった。電位傾せる方法と、溶接電流をパルス電流として、そのベー度が比較的低い（ヘリウムの約 1/2）アルゴンをシース期間中にのみパルス通電加熱を行う方法の 2 種類がル ド ガ ス に 用 い る 溶 極 式 ア ー ク 溶 接 法 は、 リ ン デある。溶接作業性に及ぼす磁気吹きの影響を比較する（Linde） 社 と バ ッ テ ル 記 念 研 究 所（Battelleと表 3.11 のようであり、溶接電流および通電加熱電

Memorial Institute）の共同研究によって、1947（昭流をそれぞれパルス状にして、ワイヤへの通電をベー

和 22）年に開発された。溶接ビードはティグ溶接にス期間中のみに限定すると磁気吹きの影響は大幅に抑比べてやや劣るが、溶接品質は良好で溶接速度が速い

制され、極めて良好な溶接作業性が得られる。

ことが特長であった。また 1948（昭和 23）年には、

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部の溶接、海底清水タンク、ガンの方向支持台、アルS. Sohn）によって、コイル状消耗式電極を用いてアミ合金三脚マスト、アルミ合金製魚雷巡視艇などであルゴンシールド雰囲気中でアーク溶接する方法についる。魚雷搭載巡視艇では、全てのロンジフレームとトての報告がなされている。そして 1951（昭和 26）年

ランスフレームとの交差部がミグ溶接されている。

には、リンデ社が“シグマ溶接”の商品名で、エア・ミグ溶接は米国の産業分野で積極的に導入され、リダクション社が“エアコマテック溶接”の商品名で、種々なタイプのコンテナ・べッセル・タンクなど、初5）それぞれミグ溶接機の市販を開始した 。

期の頃は主に化学産業分野を主体に適用された。その溶接機の概略構成は図 3.79（a）のようであり、リー後、輸送産業分野でも軽車両の製作でミグ溶接の利用

ルから引っ張り出されたワイヤは送給機構によって溶価値を見いだし、アルミニウム合金製ダンプカー車体

接ヘッドへ挿入される。不活性ガスはガスボンベからの溶接やディーゼルエンジンのピストン摩耗補修など

溶接ガンへ供給され、溶接電流は直流発電機から得に適用した。また多種類のアルミニウム・アルミニウる。制御回路に起動信号を入力すると、溶接回路の接ム合金構造物の製造によって、様々な溶接条件や溶接点が閉じてガスバルブが開き、不活性ガスの流出が始姿勢に対応できること、銅・マグネシウム・ニッケル

まる。ワイヤへの通電を開始しアークが発生すると、およびそれらの合金などにもミグ溶接は十分適用可能

ワイヤ送給モータへ電圧が加えられワイヤの送給が開であることが短期の間に明らかにされた。

始し、アークが維持されている限りワイヤ送給速度にわが国へは、1950（昭和 25）年頃にミグ溶接機が応じた溶接金属が形成される。起動信号を停止すると輸入され、一部でアルミニウム合金やステンレス鋼に溶接回路の接点が開き、アークは消弧してガスの流出利用されたようである。しかし本格的に普及するのも停止する。（b）はワイヤ送給モータユニツトを示は、1954（昭和 29）年に大阪変圧器が国産のミグ溶したものであり、リールからワイヤを引っ張る送給機

接機を“シグマ溶接機”の商品名で市販するように

構と、それを送給ローラへガイドする機構で構成されなってからである。そのシグマ溶接機の外観を図 3.80ている。ワイヤ送給モータが励起され、送給ローラがに示す。

回転を開始すると、リールから引張り出されたワイヤは溶接ヘッドの中へと導かれる。送給モータには、速ガス調整器

度調整用のノブが付加されている。この装置はフィラ
デルフィア（Philadelphia）海軍造船所の設計技師が設計し、“半自動不活性ガスシールドメタルアーク溶

ワイヤ
アルゴンガスボンベ
直流溶接電源トーチ
制御装置

接装置”と呼ばれて、1952（昭和 27）年時点ではリンデ社とエア・リダクション社の二社が生産・販売していた 21）22）。

図 3.80シグマ溶接機 5）

同年には、播磨造船所がアルミ合金製のホルマリン
図 3.79

開発当初のミグ溶接機

21）22）

タンク（50 トン）を全溶接で製作した。これがわが国での始めてのミグ溶接の本格的な採用とされてい1949 年には、米国海軍が長さ 30.5m のアルミニウ

る。また 1957（昭和 32）年には、浦賀船渠がミグ溶

ム構造船の建造にミグ溶接を採用し、極めて良好な溶接とティグ溶接を多用して、上部構造とハッチカバー

接結果が得られたことを報告した。そして米国海軍

で 180 トンのアルミを使った 9,000 トンのボーキサイ

は、この溶接法を多くのアルミニウム合金構造物の製ト船「サンウォーカー」を建造した。その後、1966（昭作に適用した。エンジンルーム内の縦骨材と横骨交差

和 41）年には 301 型全アルミ国鉄通勤電車が全てミアーク溶接技術発展の系統化調査

435

グ溶接で施工され、1977（昭和 52）年にはアルミ球

ス）には電流および電圧をそれぞれ設定するためのダ形タンク構造によるわが国初の LNG 船が川崎重工業

イヤルが設けられている。電流設定ダイヤルはワイヤで建造された。1981（昭和 56）年には、大型押出形

送給モータの回転速度を指令するダイヤルであり、こ材と溶接を組み合わせたアルミ合金製車両が山陽電鉄の設定値によって溶接部へ供給されるワイヤの送給量で採用され、以後通勤用・地下鉄用でアルミ合金製のが決まる。電圧設定ダイヤルは溶接電源の出力レベル

車体（構体）構造が増えることとなった。これらの溶（図中の V0、V1、V2）を指令するダイヤルであるが、5）接にはミグ溶接が大きい役割を果たしている 。

通電される溶接電流値（図中の I0、I1、I2）をアーク

比較的初期のミグ溶接の適用例を図 3.81 に示す。

特性との関係で等価的に決定する。すなわちアーク状（a）はアルミニウム製タンクの溶接、（b）はアルミ

態は、電流設定つまみに応じた速度で定速送給されるニウム製車両の溶接、（c）はアルミニウム製高速艇のワイヤ送給量（WF）と、電圧設定つまみに応じて間溶接そして（d）はアルミニウム製プールの溶接であ接的に決まる溶接電流（I）で支配されるワイヤの溶る。なおアルミニウムワイヤには剛性が小さく座屈し融量（MR）のバランスで決まり、WF と MR が等しやすいなどの問題があるため、1962（昭和 37）年には、

い場合にアーク長は一定に維持されて安定なアーク状

図 3.82 に示すような小型プルトーチも開発されてい態が得られる。

る。このトーチは、ワイヤ送給機構と数百 g のワイヤを巻いたスプールとが一体化したスプール・オン・
トーチとなっており、狭隘な場所でも良好な作業性が得られる 11）。

（a）アルミニウムタンクの溶接（b）アルミニウム製車両の溶接

図 3.83（c）アルミニウム製プールの溶接（c）アルミニウム製船舶の溶接

図 3.81ミグ溶接のアルミニウムへの適用 11）ワイヤ送給量と溶融量のバランス

MR は、下式のように、アーク発熱による溶融量（aI）と、ワイヤ突き出し部で発生する抵抗発熱による溶融量（bI2）との和として与えられる。そしてこれら 2 つの溶融量は、いずれも I によって支配される。
ワイヤ溶融量（MR）= アーク発熱による溶融量（aI）+ 抵抗発熱による溶融量（bI2）

（a、b：定数、I：溶接電流）すなわちミグ溶接における適切なアーク状態の選定
は、ワイヤの送給量とその溶融量が等しくなるよう
図 3.823.5.2

小型プルトーチ 18）19）

ミグ溶接の基礎事項ことを意味する。しかしワイヤ溶融量を支配する溶接
電流は出力電圧によって間接的に決まり、このことが（1）アークを安定に保つ仕組み
ミグ溶接はアークを発生する電極（ワイヤ）自身が436に、電流設定ダイヤルと電圧設定ダイヤルを操作する

適切なアーク状態が得られる溶接条件の選定に熟練を必要とする大きい要因の 1 つとなっている。

溶融する溶極式溶接法であるため、ワイヤの供給量と太径ワイヤ（直径 3.2～6.4mm）を用いるサブマー

溶融量とのバランスを保つことが、アークを安定に維

ジアーク溶接では、電流変化の少ない垂下特性電源を持するための重要なポイントである。図 3.83 はその用いる。その場合、ワイヤの送給（供給）速度は比較

仕組みを示したもので、遠隔操作箱（リモコンボック

的遅い（毎分 1～3m 程度）ため、アーク長（アーク

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電圧）の変化に応じたワイヤ送給速度の増減制御で細径ワイヤを所定の速度で定速送給する溶極式アー

アーク長を一定に保っている（前述 3.3.3 節 / 図 3.32

ク溶接では、定電圧特性電源を用いることによって、参照）。

アーク長の変動に応じた溶接電流の変化が自動的に発

一方ミグ溶接は、細径ワイヤ（φ 0.8～1.6mm）に生し、特別なアーク長制御を付加しなくてもアーク長大電流を通電する高電流密度の溶接方法であるため、を元の長さに復元・維持することができる。定電圧特溶接ワイヤを毎分 3～15m の比較的高速で送給（供性の溶接電源が持つこのようなアーク長の制御作用を給）しなければならない。しかし、このような高速で“電源の自己制御作用”という。

送給されるワイヤの送給速度を瞬時に増減して、アー
ク長の変化に対応することは極めて困難である。その（2）溶滴の移行形態

ためミグ溶接では、一定の速度でワイヤを送給（定速ミグ溶接などの溶極式アーク溶接では、極性によっ送給）し、それに見合った電流でワイヤを溶融するこて溶滴の移行形態は大きく異なる。図 3.85 はその一とによって、ワイヤの供給量と溶融量とをバランスさ例を示したもので、電極プラス（EP）の場合（a）は、せて安定なアーク状態を維持する。溶接電源に定電圧

アークの陽極点がワイヤ端の溶滴下部に形成され、こ特性電源を用いると、アーク長変動に伴う電圧の変化

こに電流が集中する。そのため、電極ピンチ力はワイ

は少ないが、電流は比較的大きく変化し、その変化は

ヤ先端の溶滴を離脱させる力として有効に作用し、比アーク長を一定に保つことに大きく寄与する。

較的小粒の溶滴がワイヤ端からスムーズに離脱して、

図 3.84 はその作用を示したもので、アーク長が L0で維持されている状態ではワイヤの送給速度 WF と溶融地（母材）へ移行する。また、母材表面ではクリーニング作用も行われる。

その溶融速度 MR0 は等しく、両者がバランスを保つためアーク長は変化しない。しかし何らかの原因でアーク長が L1 に伸びると、電流が I0 から I1 まで減少

ワイヤ
アーク

アーク

アーク

溶滴
溶滴

するため、ワイヤ溶融速度も低下して MR1 となる。
その結果 WF が MR1 より速くなり、アーク長を減少

ワイヤ

ワイヤ

溶滴

【溶滴離脱前】【溶滴離脱後】させようとする作用、すなわち長くなったアーク長を（a）電極プラス（EP）の場合

元の長さに戻そうとする作用が生じる。そして、アー

図 3.85（b）電極マイナス（EN）の場合

溶滴移行形態におよぼす極性の影響 23）

ク長の減少に伴って電流は増加するため、アーク長が元の長さ L0 に戻ると電流も元の値 I0 となり、送給速

反対に電極マイナス（EN）の場合（b）は、ワイヤ度（WF）と溶融速度（MR0）が再びバランスして、側にクリーニング作用が生じ、アークの陰極点は溶滴

アーク長は L0 に維持される。反対にアーク長が減少

上部のワイヤ表面まではいあがり、その表面を激しくして L2 となった場合には、電流が I2 まで増加するた

移動して電流は一点に集中しない。その結果、電磁ピ

め、ワイヤの溶融速度は MR2 まで増加する。その結ンチ力は分散し、溶滴の離脱に必要な力が減少する。

果 MR2 は WF より大きくなり、アーク長を増加させ

そして、大きく成長した溶滴が大きな塊となってワイようとする作用が発生して、アーク長は元の長さ L0

ヤ端にぶら下がり、重力の助けを得て離脱する。またに戻されてその長さが維持される。

アーク長は、ワイヤ側で生じるクリーニング作用の影響を受けて、電極プラス極性の場合より長くなる。これらの現象は溶接電流が変化しても同様であり、大粒の溶滴が不規則な挙動を示し、アークは不安定で、溶込みも浅く実用的ではない。したがって溶極式アーク溶接では、通常、電極プラスの極性を採用する。
電極プラス極性のミグ溶接では、図 3.86 に示すよ
うに、電流域によって溶滴の移行形態が変化する。溶接電流が比較的小さい電流域では、（a）のような“短絡移行”となる。ワイヤ端に形成された小粒の溶滴が溶融池へ接触（短絡）する短絡期間と、それが解放さ

図 3.84

アーク長の自己制御作用

れてアークが発生する期間とを、比較的短い周期（80～120 回 / 秒程度）で交互に繰り返す。中間的な電流

アーク溶接技術発展の系統化調査

437

域では、
（b）のような“ドロップ移行”となる。ドロップ移行はグロビュール移行に大別され、ワイヤ端にはワイヤ径より大きい溶滴が形成されるが、その移行は比較的スムーズで、スパッタの発生も少ない。比較的大きい電流域になると、電磁ピンチ力が強力に作用してワイヤ端を先鋭化するため、（c）のような“スプレー移行”となる。ワイヤ先端に形成された溶滴は、溶融池と短絡することなく溶融池へ移行する。な
おスプレー移行は、ワイヤ径とほぼ等しい径で溶滴がワイヤ端から離脱する“プロジェクト移行”と、先鋭

図 3.87

化されたワイヤ端からワイヤ径より小さい径の溶滴がミグ溶接機の構成離脱する“ストリーミング移行”に細分される。溶滴の移行形態がグロビュール移行からスプレー移行へ推は、シールドガスのプリフロー時間・アフターフロー

移する電流値は「臨界電流」と呼ばれ、その値はワイ

時間の有無、ワイヤスローダウン制御およびクレータ

ヤ径、材質、シールドガス組成によって異なる。

制御の有無など、種々な制御モードを組み合せて用いるが、代表例を図 3.88 に示す。“自己保持なし”の動作モード（a）では、トーチスイッチを ON するとシールドガスが流れ始め、同時に無負荷電圧の出力およびワイヤの送給を開始する。ワイヤが母材に短絡すると溶接電流が流れ始め、電圧は無負荷電圧からアーク電圧に変化する。トーチスイッチを ON している間は、所定の溶接が行われ、トーチスイッチを OFF すると
ワイヤ送給の停止指令が出され、ワイヤ送給モータは回転を停止しようとするが、モータは慣性で少しの間回転を続け、その速度および溶接電流は徐々に低下する。その時ワイヤが溶融池へスティックするのを防ぐために、アーク電圧もワイヤ送給に合わせて徐々に減

図 3.86

溶滴の主な移行形態

少させてワイヤ先端に球滴を形成し、アークが消滅す
ると電圧は再び無負荷電圧へ移行する。無負荷電圧が

3.5.3

ミグ溶接機

発生してから所定の時間が経過すると電圧の出力を停（1）ミグ溶接機の構成

止し、同時にシールドガスの供給も終了する。

ミグ溶接機の代表的な構成は図 3.87 のようである。
溶接電源には、一般に、直流定電圧特性電源が用いられる。アーク長は、定電圧特性電源のアーク長自己制

アフタフロー

アーク電圧

は、ワイヤ送給装置を介して溶接電源のプラス（＋）

溶接電流

ルに内蔵されたライナーに案内されて、トーチ先端部

438

E0：無負荷電圧

め、特別なアーク長制御は必要としない。溶接トーチ

よって定速送給され、溶接トーチのコンジットケーブ

OＦＦ

OＦＦ

プリフロー

OＦＦ
アフタフロー

シールドガス

御作用（上述 3.5.2 項参照）で自動的に制御されるた端子に接続される。溶接ワイヤは、ワイヤ送給装置に

ON

ON

ON

トーチ SW球滴制御

E0

E0：無負荷電圧
球滴制御

電圧遅延

E0

電圧遅延
ワイヤスローダウン

クレータ処理ワイヤ送給（ａ）自己保持なし

図 3.88（ｂ）自己保持あり

ミグ溶接機の動作シーケンスへ導かれる。そして、その先端部に設けられたコンタ“自己保持あり”の動作モード（b）では、トーチ

クトチップから給電されて、母材との間にアークを発スイッチを ON するとシールドガスが流れ始め、所定生させる。

のプリフロー時間（Tpr）が経過すると、無負荷電圧

ミグ溶接においても、ティグ溶接の場合と同様に、の出力ならびにワイヤのスローダウン速度での送給を“自己保持なし”の動作モードと“自己保持あり”の開始する。ワイヤが母材に短絡して溶接電流が流れ始動作モードがある（前述 3.4.3 項参照）
。ミグ溶接でめると、ワイヤ送給速度は所定の速度に切り替わり、

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March電圧も無負荷電圧からアーク電圧に変化する。この時上下に配したそれぞれ 1 個の送給ローラと加圧ローラ

トーチスイッチを OFF しても溶接は続行し、次に再でワイヤを上下から加圧し、その摩擦力を利用して送びトーチスイッチを ON すると溶接電流、ワイヤ送給給する 2 ローラ駆動機構が一般的である。しかし近速度およびアーク電圧がクレータ制御条件へ切り替わ年、同図（b）に示すような 4 ローラ駆動機構の採用

る。トーチスイッチを ON している間はクレータ制が増加している。4 ローラ駆動機構では、モータ軸に御条件での溶接が継続し、OFF すると上記自己保持

取り付けられたドライブギアが、その前後に設けられなしの場合と同様の経過をたどって溶接を終了する。

た送給ローラを、ギアを介して同期駆動する。上下それぞれ 2 点（合計 4 点）でワイヤを加圧する 4 ローラ（2）ワイヤ送給装置

駆動方式では、図 3.91 に示すように、大きいワイヤ

溶接ワイヤの送給方式は図 3.89 に示す 3 種類に大押出し力が得られ、ワイヤ送給の安定性が大幅に向上別される。溶接トーチとの接続部に設けたワイヤ送給する。また、2 ローラ駆動方式よりワイヤの加圧力を装置から、コンジットケーブル（トーチケーブル）を減少させることができるため、ワイヤの変形抑制・切介して、ワイヤを押し出すようにして送給する方式

り粉発生量の低減などの効果も得られる。

（b）は“プッシュ（Push）式ワイヤ送給”と呼ばれ、広範な分野で多用されている標準的なワイヤ送給方式である。溶接トーチとワイヤ送給装置を一体化し、ワイヤを引っ張り込むようにして送給する方式（a）は“プル（Pull）式ワイヤ送給”と呼ばれ、コンジット
ケーブルを介さずにワイヤ送給装置と溶接トーチが直結 さ れ る た め、 軟質のアルミニウムワイヤや 直 径
1.0mm 以下の細径ワイヤなどでも良好なワイヤ送給性能を得ることができる。なお市販のプル式ワイヤ送給装置では、数百ｇ巻の専用ワイヤスプールを使用することによって操作性の向上を図るなどの工夫がなさ

図 3.90

ワイヤの送給機構れている。プッシュ式ワイヤ送給とプル式ワイヤ送給を組み合せた方式（c）は“プッシュ／プル式ワイヤ送給”と呼ばれ、プル式ワイヤ送給よりさらに良好な送給特性が得られる送給方式である。近年、溶接ロボットの先端（手首）部へ取り付け可能な小型・軽量（質量数 kg 程度）のプル式ワイヤ送給装置が開発され、プッシュ/ プル式ワイヤ送給採用に対する問題点が大幅に改善され、ロボット溶接などでのワイヤ送給トラブルに対する有効な対策として適用が拡大している。
ワイヤガイド
送給機構
カバー
トーチ
ワイヤ

グリップ
（送給モータ内蔵）（a）プル式ワイヤ送給

ワイヤ送給装置（b）プッシュ式ワイヤ送給図 3.91

ワイヤ送給機構とワイヤ押出し力

送給制御装置トーチ

アルミニウムワイヤ仕様の送給機構部の一例を示す

プル側ワイヤ送給機構
トーチ
プッシュ側
ワイヤ
送給機構

送給
モータ

送給モータ

（c）プッシュ/プル式ワイヤ送給図 3.89ワイヤ送給方式と装置外観

ワイヤの送給機構は、図 3.90（a）に示すように、と 図 3.92 の よ う で あ り、 鋼・ ス テ ン レ ス 鋼（SUS）
ワイヤ用の加圧ローラはギアなしである。しかし軟質で剛性の低いアルミワイヤ用では、送給ローラ、加圧
ローラともにギア付きとして、少ない加圧力でもローラ部でのスリップを抑制するなどの工夫がなされていアーク溶接技術発展の系統化調査

439

る。また、送給ローラの溝形状も U 溝としてワイヤ給も行う。その構成は図 3.94 のようであり、比較的との接触面積を多くする、ワイヤ矯正機構を設けて送小型・軽量でかつ安価な器具であるにも関わらず、そ給抵抗を少なくするなど、ワイヤ送給のより一層の安の構造は複雑である。溶接ワイヤは、コンジットケー

定性向上を図っている。

ブルの内部に装着されるライナーを介して 3m 先のトーチ先端部まで導かれ、その先端部のチップで給電されて、アークを発生させる電極となる。なおアルミ
ニウムやその合金のミグ溶接では、一般に樹脂ライナーが用いられる。鋼ワイヤなどの場合に使用されるステンレスあるいは鋼のスプリングライナーでは良好なワイヤ送給性能が得られない。そのため、純アルミ
ニウムワイヤにはテフロンライナーが、アルミニウム
合金ワイヤには硬質樹脂（ジュラコン）ライナーが多用されてきた。しかし近年では、鋼スプリングの表面

図 3.92

ワイヤ送給機構の比較

従来のワイヤ送給制御では、図 3.93（a）に示すよ
うに、送給速度指令電圧と送給モータの再起電圧が一を潤滑剤である二硫化モリブデン（MoS2）でコーティ
ングしたライナーが出現し、アルミニウムワイヤ用のライナーとして用いられている。ライナー材質とその送給性を比較した一例を図 3.95 に示す。

致するように、送給モータの駆動電圧をアナログ回路
でフィードバック制御していた。しかしこの方法では、必ずしもモータの回転数を制御していることにはならず、場合によっては送給速度の変動を生じることがある。20 世紀末に始まった溶接電源のデジタル化とともに、ワイヤ送給制御にもデジタル制御が適用されるようになった。ワイヤ送給のデジタル制御は、（ｂ）に示すように、送給モータに付加したエンコー
ダで検出した回転数と、送給速度指令に基づいて演算した回転数が一致するように、デジタル制御回路で送給モータのサーボ制御あるいはフィードバック制御を行う。ワイヤ送給制御のデジタル化によってもたらさ

図 3.94れる送給速度変動の抑制は、アークの安定性向上に大ミグ溶接トーチの構造きく寄与している。

図 3.93

ワイヤ送給速度制御方式の比較（3）溶接トーチ
ミグ溶接トーチは、ワイヤ送給装置によって供給さ

図 3.95

ワイヤ送給性におよぼすライナー材質の影響れる溶接ワイヤを溶接部へ導くとともに、電源から供440給される溶接電流（電圧）を溶接ワイヤに印加して、ミグ溶接トーチの一例を示すと図 3.96 のようであアークを発生させる役割を持つ。また健全な溶接部をり、標準的なトーチとして広範囲な分野で多用されて形成するために、アークによって溶融された液体金属

いるカーブド形と、アルミニウム合金の比較的大電流（溶融池金属）を大気から保護するシールドガスの供溶接などに用いられるピストル形とがある。ピストル

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形トーチは、トーチ内のワイヤ経路を直線にして送給したがってアルミニウム溶接用ミグトーチでは、わず抵抗を極力少なくするとともに、ワイヤガイドケーブ

かに（3～5°程度）テーパーを付けたノズル形状を採ルとコンジットケーブルとを分離して、ワイヤの送給用するとともに、ノズル長さをできるだけ長くするな性 向 上 を 図 っ た ト ー チ で あ る。 ま た、 コ ン タ ク ト

どの工夫がなされている。

チューブを用いて、ワイヤへの給電部を長くすること
表 3.12によってアークの安定性を向上させている。その他、シールドガスの流出形状

シールドガスの流出経路を長くして層流域を拡大す
る、あるいはコンジット内にもパージガスを供給するなど、アルミニウムの溶接に対する特別な配慮がなされている。なお、小電流用トーチは操作性を重視して空冷であるが、大電流用トーチは水冷式で、グリップ部には遮熱カバーが設けられている。

3.5.4

ステンレス鋼のミグ溶接

ア ル ミ ニ ウ ム の ミ グ 溶 接 で は、 シ ー ル ド ガ ス に100％ Ar を用いて安定な溶接が行える。しかしステンレス鋼などの溶接のシールドガスを 100％ Ar とす
図 3.96

ミグ溶接トーチ

ると、図 3.98 に示すように、アークには著しいふらつきや偏向現象が生じる。また多量のスパッタが発生

合金元素としてマグネシウム（Mg）を含む 5000 系

し、ビード外観は不均一なものとなる。このような不アルミニウム合金などのミグ溶接では、トーチのシー

安定現象は、陰極点を形成する酸化物と大きく関与しルド性が極めて重要である。溶接部の適切なシールドている。母材表面に多量の酸化物が存在するアルミニ

が行えないと、図 3.97（b）に示すように、ワイヤやウムでは、陰極点からの電子放出によって酸化物が多母 材 か ら 蒸 発 し た Mg が 大 気 中 の O2 と 反 応 し て少破壊されても、酸化物は十分に残存する。そのためMgO を生成し、溶接ビードやその周辺に付着する。

陰極点はアーク直下に形成され続け、安定したアーク

この付着物はスマットと呼ばれ、ビード外観を著しく状態を維持できる。

阻害する。そのためミグ溶接トーチでは、良好なシー
ルド性の確保が重要な課題である。表 3.12 は、ノズ
ル形状とガス流量を変化させて、シールドガスの流出形態をシュリーレン観察した一例である。適切なシールド効果が得られる層流域の長さは、いずれのノズル形状においても、ガス流量を増加させると減少する
が、その減少度合いはテーパーノズルが最も少ない。

図 3.98

陰極点の安定生成

しかしステンレス鋼などでは、母材表面の酸化物は少なく、電子放出によって酸化物が破壊されると、母材表面に残存する酸化物は欠乏する。その結果、陰極
図 3.97

シールド性の影響

点は酸化物を求めて母材表面上を広範囲に動き回り、アーク溶接技術発展の系統化調査

441

アークには不安定な偏向現象が生じることとなる。したがってステンレス鋼や低合金鋼などのミグ溶接では、Ar に数 % の O2 あるいは CO2 を添加したガスをシールドガスに用いる。シールドガスに添加されたO2 あるいは CO2 が、母材表面での酸化物生成を助長するため、陰極点はアーク直下に安定的に形成されて、アークの偏向現象は抑制される。
なお、Ar に微量の O2 あるいは CO2 を添加した混合ガスを用いる場合、従来は慣例的にミグ溶接の一種

図 3.100

として取り扱われていたが、完全な意味では不活性ガ

大電流ミグ溶接装置 24）

スではないため、近年はマグ溶接として扱われるように 示 す。 大 電 流 ミ グ 溶 接 は、 主 に LNG 船 な ど のになっている。

A5083 材の溶接に適用されている。また、ブスバーなどに用いる純アルミニウムの 1100 材や、構造用ア3.5.5

大電流ミグ溶接

ルミニウム材としての 7N01 材などにも利用されていアルミニウムおよびその合金のミグ溶接で溶接電流る。

を大きくし過ぎると、図 3.99 に示すように、光沢がなく象の肌に似た不均一な不良ビードが形成される。

表 3.13大電流ミグ溶接

このビードは“パッカリングビード”と呼ばれ、陰極
点が溶融池内部に入り込み、陰極点によるクリーニン
グ作用が消滅するとともに、アーク力が溶融池底部に集中して溶融金属を激しく揺動させることによって生じるものである。パッカリングを生じない電流の上限
値は 500A 程度であるため、アルミニウムの高能率な大電流溶接は困難と考えられていた。

図 3.99パッカリングビード 24）

このような問題を解決するために提案されたアルミ

3.6.1

マグ溶接の発展経過

ニウム合金の大電流溶接法が、1978（昭和 53）年にシールドガスに炭酸ガス（CO2）のみを用いるアー開発された“大電流ミグ溶接”である。図 3.100 はそ

ク溶接は、従来「炭酸ガス溶接」として、アルゴンとの溶接装置を示したもので、溶接電源には定格電流

炭酸ガスとの混合ガスを用いる「マグ（MAG: Metal

1,000A 程度の大容量定電流特性電源を用い、トーチ

Active Gas）溶接」とは区別されていた。しかし、にはシールド性に優れた大口径二重シールドノズルをISO 規格との整合性を考慮して 2003（平成 15）年に装着した大容量ミグ溶接トーチを、溶接ワイヤには直改正された、溶接用シールドガスの JIS 規格（JIS Z

径 3.2㎜以上の太径ワイヤを適用する。そしてシール

3253：2003）では、炭酸ガスは活性ガスの一種としてドガスに Ar または Ar+He 混合ガスを用いて、大電取り扱われるようになった。そのため近年では、炭酸流溶接における過大なアーク力の発生を抑制する。

ガス溶接はマグ溶接に含まれるとされるようになっ

この溶接法では、最大 45mm 程度の極めて深い溶た。すなわち、炭酸ガス溶接は“100%CO2 をシール込みを得ることが可能であり、表裏両面からのそれぞ

ドガスに用いるマグ溶接”などと表記することが必要

れ 1 パス溶接によって、板厚 80mm 程度の厚板突合となった。しかしそれでは記述が複雑となるため、本せ継手の完全溶込み溶接が可能である

稿では従来の“炭酸ガス溶接”を用いることとする。

24）

。大電流ミ

グ溶接の溶接条件および断面マクロの一例を表 3.13442

3.6 マグ溶接

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（1）炭酸ガス溶接の進展（昭和 30）年には、バーナード社の溶接機が米 O.A. ス

1920～1930 年 代 に 米 国 で 溶 接 の 自 動 化 機 運 が 高

ミス社の軟鋼構造物の溶接に本格的に採用され、これまった折り、ワイヤを消耗電極としてフラックスやガを契機に炭酸ガス溶接の適用は次第に増加することとスをその周辺に供給する溶接法が種々考案された。アなった。

ルミニウムやステンレス鋼などの溶接にはミグ溶接

なお、ユニオンメルト法を開発したリンデ社のケネ（前述 3.5 節参照）が適用されたが、軟鋼への適用は

ディ（前述 3.3.2 項参照）は、バーナードより 1～2 年対象外とされた。アルゴンは極めて高価（1950 年当遅れたが、図 3.101 に示すように磁性フラックスをワ

時で約 2 万円 / ボンベ）で、コスト高となるためでイヤに付着させて、炭酸ガスシールド中で溶接するあった。このため、軟鋼には比較的安価（アルゴンのCO2 フラックス溶接法（ユニオンアーク溶接）を開発

1/8～1/10 程度）な炭酸ガスを用いるアイデアが生ました。そして、美麗なビード外観とスパッタの少ない

れ、1926（ 大 正 15） 年 に は リ ン カ ー ン（J. C.

ことをセールスポイントとして、上記炭酸ガス溶接法

Lincoln）が米国特許を取得した。

に対抗した。

しかし、同年に行われたゼネラル・エレクトリック社のアレクサンダー（P. Alexander）が行った炭酸ガ
ス溶接の実験では、溶着金属の酸化が著しく、溶接としては使用できなかった。炭酸ガス（CO2）は高温のアークによって一酸化炭素（CO）と酸素（O）に解離し、この時生じた酸素が溶融金属を著しく酸化するためである。これに対して、金属アーク溶接（前述 3.1
節参照）では、溶接箇所に松のおがくずを散布して溶接すると、おがくずの燃焼で発生した炭酸ガスが溶接

図 3.101

部をシールドすることになる。この方法で溶接するとユニオンアーク溶接 1）5）

溶接継手性能は向上するため、炭酸ガス溶接は一概に

一方リンカーン社は、1954（昭和 29）年にソリッ

不適切な溶接法とは言えないとの見解も出された。しドワイヤによるノンガス（セルフシールド）アーク溶

かし当時は、サブマージアーク溶接（前述 3.3 節参照）

接法を、その後フラックス入りワイヤによるノンガスが急成長していたこと、ミグ溶接の研究・実用化が進アーク溶接法を開発し、炭酸ガスを使用しない方向にんでいたことなどから、炭酸ガス溶接の研究は一時中進んだ。セルフシールド溶接の詳細については後述す

断状態となった。

る第 3 章 3.8 節で述べる。

1953（ 昭 和 28） 年 に な る と、 リ ュ ー バ フ ス キ ー

炭酸ガス溶接は高能率で適用範囲も広いため、広範（Lyubavskii）とノボシロフ（Novoshilov）が、適切

囲な産業分野での適用が進んだが、ミグ溶接と同様な脱酸成分を含んだワイヤを用いて溶接すれば満足すに、薄板溶接への適用が困難であった。この問題点をべき溶着金属が得られるとの論文を発表した。その結解決したのが短絡移行アーク溶接法（ショートアーク

果、炭酸ガス溶接は見直されることとなった。オラン溶接法）であり、1957（昭和 32）年に米国で開発さダのフィリップス（Philips）社は、溶接ワイヤ中にれた。この溶接法は、溶接条件を小電流・低電圧とし

Mn および Si などの脱酸剤を 0.3％以上添加して酸素て、溶滴の母材への短絡移行現象を利用する溶接方法を除去する方法を開発した。この手法は、1956（昭で、短絡とアークとを 1 秒間に数十回以上交互に繰り和 31）年にわが国での特許が成立している。この頃、返しながら溶接が進行する（前掲図 3.86（a）参照）。

ロシアでも炭酸ガスをシールドガスに利用することが短絡時に電流は増加するが、アーク期間では電流が減試みられているが、良い結果は得られなかったようで少するため、平均溶接電流は比較的小さく、薄板の低ある。

入熱溶接が可能となる。リンデ社は“ショートアー

米国では 1954（昭和 29）年に、バーナード社のバーク（Short Arc）溶接”、エアコ（Airco）社はディッナード（A. Bernard）がフラックス入りワイヤを用

プトランスファ（Dip Transfer）溶接と呼んでいた。

いる軟鋼用炭酸ガス自動溶接機を開発し、市販を始め

なお、この時期には英国やロシアでも同様の研究がなた。なお後になるが、ベルギーのアーコス（Arcos）

されていたようであるが、その成果などは報告されて社も断面形状が異なるフラックス入りワイヤを用いいない。

て、炭酸ガス中で溶接する方法を提案している。1955

わが国では 1950 年代前半に、名古屋大学の関口教

アーク溶接技術発展の系統化調査

443

授が炭酸ガスと酸素の混合ガスでシールドする
CO2-O2 アーク溶接法を開発している。フィリップス
社特許の回避も念頭にあったと思われるが、CO2 に
O2 を添加したガスをシールドガスに用いればアークが安定し、スバッタが減少して溶接ビードも美麗になると考えた。そしてそのためには、より脱酸作用の大きいワイヤが必要であり、Mn および Si を通常より多く含む低炭素ワイヤ（いわゆる関口心線）を開発した。関口博士は、1946（昭和 21）年頃、Mn およびSi を多く含む裸棒を心線とした被覆アーク溶接棒を考案し、大同製鋼がその溶接棒を製品化して販売していた。この実績が関口心線の開発につながったと思われる。CO2-O2 混合ガスと関口心線を用いるアーク溶

図 3.103

半自動炭酸ガス溶接機 5）

接法は、1959（昭和 34）年に特許として認められ、
炭関（炭酸ガス関口心線）アーク溶接と呼ばれた。しかし名称のイメージが悪く、短期間のうちにその名称は使用されなくなった。
1956（昭和 31）年には、関口線材を使用する炭関
半自動アーク溶接機を東亜精機が市販した。図 3.102はその溶接機を示したもので、電源には直流モータ発電機（MG）が用いられている。これが、わが国初の炭酸ガス溶接機である。そして 1960（昭和 35）年には、松下電器がオランダのフィリップス社と技術提携して、図 3.103 に示すような半自動炭酸ガス溶接機の販売を始めた。1965（昭和 40）年頃には、国内の主なアーク溶接機メーカ各社が、図 3.104 に示すような半自動溶接機をそれぞれ市販している。溶接電源には、松下電器と大阪変圧器がセレン整流方式の直流定

図 3.104

市販半自動溶接機（昭和 40 年頃）25）

電圧特性電源、日立製作所と大阪電気が垂下特性の交流 / 直流両用電源を用いている。なお東亜精機も、こわが国で炭酸ガス溶接が普及するのは 1960 年以降の頃には電源をセレン整流方式の直流定電圧特性電源であるが、当初は、炭酸ガス溶接のビードは被覆アーとしている。

ク溶接のビードより数段見劣りするため、グラインダ
仕上げを行う箇所にしか使えないといわれていた。しかし 1960（昭和 35）年には、自動車部品の溶接に炭酸ガス溶接が使われ始めた。この溶接ではビードの仕上げ研削作業が必要とされており、ビード外観は問題とされなかった。むしろ安価なコストで、早く手軽に溶接が行えることが評価されたようである。
1961（昭和 36）年には、炭酸ガス溶接用フラック
ス入りワイヤが国産化され、市販が始まった。また1971（昭和 46）年には、フィリップス社が持っていた炭酸ガス溶接用ワイヤに関する日本特許が失効し、以後国産溶接材料メーカが競ってこの分野に参入した。ワイヤの成分改良やフラックス入りワイヤの進歩などによって、溶接ワイヤを多量に消費する造船や建図 3.102444

わが国初の炭酸ガス溶接機

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Vol.23 2016. March

築分野などで、1970 年代後半から炭酸ガス溶接の採用が目立って増加した 5）。そして 1984（昭和 59）年

接 ” は、1961（ 昭 和 36） 年 に、 ド イ ツ の ウ ォ ル フになると、図 3.105 に示すように、マグ溶接ワイヤの（Wolff）とコンマース（Kommers）によって開発され国内年間生産量が、それまで首位であった被覆アークた。この溶接法では、炭酸ガス溶接に比べ、スパッタ

溶接棒を追い抜くまでに成長した

26）の発生が少なく美麗なビードが得られた。

。

わが国では、昭和 40 年代後半頃から Ar-CO2 混合ガスの使用が始まった。アルゴンの価格が、ボンベ 1
本（7m3）3,000～4,000 円程度と比較的安価になったためである。しかしそのガス混合比は一様でなく、
Ar+10～20％ CO2 や場合によっては Ar+50％ CO2 なども使用されており、スパッタの低減や美麗なビード
外観の形成の他、小電流域でのアーク安定性向上なども主要な使用目的であった。
Ar+20％ CO2 の混合ガスは、1976（昭和 51）年に、帝国酸素が“アタールガス”の商品名で販売を始めた。
以来この組成のプレミックスガスは“マグガス”と呼図 3.105

溶接材料年間生産量の構成比率

ばれ、マグ溶接に用いる代表的な混合ガスとなっている 27）。また 1979（昭和 54）年には、共同酸素が“粗炭酸ガス溶接は、被覆アーク溶接より高能率かつ経アルゴン”を用いた低価格タイプのマグ溶接用混合ガ

済的な溶接方法で、半自動および全自動で使用可能でスを発売した。アルゴンは純度 99.9％以上の不活性ガあり、溶接姿勢に対する制約もほとんど受けない。そスであるが、粗アルゴンは精製工程の一部を省略しての適用は広範囲な分野に拡大し、造船・橋梁・建築鉄

アルゴンの純度を 96％以上（4％以下の O2 を含む）

骨・鉄道車両・自動車などの産業分野で、薄板からとしたものである 28）。

中・厚板まで幅広い板厚に利用されるようになった。

1982（昭和 57）年には、カナダ・ウェルドプロセ

1970 年代後半頃の主な産業分野における炭酸ガス溶

ス社のチャーチ（J. Church）が Ar-He-CO2-O2 の 4 元接の適用状況の例を図 3.106 に示す。

ガスを用いてローテーティング・スプレー移行を安定化する大電流マグ溶接法を開発し、特許を取得した。

（2）マグ（MAG）溶接の進展

この溶接法は“タイム・プロセス”と名付けられ、わアルゴン（Ar）と炭酸ガス（CO2）との混合ガスをが国ではライセンス契約した愛知産業がその機器を販

シールドガスに用いるアーク溶接いわゆる“マグ溶

売した 29）。大電流を用いた厚板の高能率溶接を目的

図 3.106

炭酸ガス溶接の適用例 11）アーク溶接技術発展の系統化調査

445

とした溶接法であったが、ワイヤの高速送給（送給速

溶滴の下端部に集中して発生すこととなる。その結度：20～30m/ 分）が必要でワイヤの送給が不安定に果、溶滴はアークによる強い反力を受けてワイヤ方向なりやすいこと、強烈な放射熱が生じることなどの理に押し上げられ、溶滴をワイヤ端から離脱させるよう

由で、わが国では数年でほとんど姿を消した。その後に働く電磁ピンチ力の効果は、その押上げ作用によっ

国内のガスメーカ各社も、種々な特徴を持った三元系て弱められる。このような現象は溶接電流が大きくな

ガス（Ar-CO2-O2・Ar-He-CO2）や四元系ガスを開発るほど著しく、中・大電流域での溶滴は大塊となってし、その適用は徐々に拡大しつつある。

ワイヤ端から離脱し、大粒で多量のスパッタが発生しやすい。一方、不活性ガスの Ar では解離などの変化

3.6.2

スパッタの発生現象

は全く生じないため、アーク柱からの熱放散は比較的

マグ溶接においても、アークを安定に保つ仕組みや少なく、アークは熱的ピンチ作用をほとんど受けずに溶接機器・装置の構成などは前節（3.5 節）のミグ溶

溶滴全体を包み込むように発生する。すなわち、溶滴接と同様であるため、本節での説明は省略する。またに加えられるアークの反力は分散し、溶滴の押上げ作

以下に述べるスパッタは、ミグ溶接においても問題と用はほとんど生じないため、溶滴には電磁ピンチ力がなる事項であるが、その度合いは炭酸ガス溶接に比べ有効に作用してワイヤ端から溶滴がスムーズに離脱す

ると比較的小さい。

る。また溶滴は溶融池方向に伸びて形成されるため、炭酸ガス溶接法は開発から約 60 年が経過し、これまでの溶接電源および溶接材料の改良 ･ 開発によっプラズマ気流による摩擦力も溶滴表面へ有効に作用し、溶滴のワイヤ端からの離脱を助ける。

て、近年ではアーク溶接法の主流を占めるまでに発展してきた。しかし炭酸ガス溶接の最も大きい問題点

表 3.14

溶滴移行におよぼすシールドガスの影響

は、多量かつ大粒のスパッタの発生である。図 3.107に示すように、溶接時に発生したスパッタは周辺に飛散して、ビード近傍に付着する。粒径が大きいスパッ
タほどビードの近くに付着し、溶接部の外観を阻害する。また、このような大粒のスパッタは母材へ強固に付着するため、その剥離にはかなりの工数が必要となる。そのため、スパッタの低減による溶接作業性の改善は炭酸ガス溶接の最重要課題とされている。
マグ溶接の溶滴移行形態は、シールドガス組成と溶接電流値によって図 3.108 のように変化する。小電
流・低電圧域ではシールドガス組成に関係なく短絡移行となり、ワイヤの先端部に形成された小粒の溶滴が溶融池へ接触（短絡）する短絡期間と、それが解放されてアークが発生するアーク期間とを比較的短い周期（60～120 回 / 秒程度）で交互に繰り返す。中電流・中電圧域では、シールドガスに CO2 混合比率が 28%
以下の Ar+CO2 混合ガスを用いると、溶滴移行形態
図 3.107446

スパッタの発生と付着はドロップ移行となる。ワイヤ端にはワイヤ径より大きい径の溶滴が形成されるが、その移行は比較的ス

炭酸ガス溶接における多量かつ大粒のスパッタの発ムーズでスパッタの発生も少ない。しかし CO2 混合

生には、溶滴の移行形態が大きく関係している。マグ比率が 28% を超えると溶滴移行形態は反発移行とな

溶接でのアークおよび溶滴の挙動は、表 3.14 に示すり、大隗の溶滴がワイヤ端に形成され、アーク反力にように、シールドガスの種類によって大きく変化すよる強い押上げ作用の影響を受けて不規則で不安定なる。CO2 は高温になると CO と O に解離し、その時挙動を示す。大電流・高電圧域では、電磁ピンチ力がアーク雰囲気から多量の熱量（283kJ）を奪う。アー

強力に作用してワイヤ先端部の溶融金属を先鋭化させクは強い冷却作用（熱的ピンチ作用）を受けて収縮し、るため、溶滴移行形態はスプレー移行となる。グロ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchビュール（ドロップ）移行からスプレー移行へ推移す

絡時間が短く、短絡回数が多くなり、スパッタ発生量

る電流値は臨界電流と呼ばれ、その値は Ar への CO2は減少する傾向を示す。

混合比率が多くなるほど大きくなる。ただし大電流・マグ溶接におけるスパッタの発生には、ワイヤ先端

高電圧域であっても、CO2 混合比率が 28% を超えるに形成された溶滴の溶融池への短絡が大きく関与すシールドガスを用いると溶滴のスプレー移行化は実現

る。炭酸ガス溶接の等価回路は図 3.110（a）のようにせず、移行形態はグロビュール（反発）移行のままで表され、アーク長などによって多少変化するが、アー臨界電流は存在しない。

クの抵抗値は 0.4～0.7 Ω程度、短絡時の抵抗値は 0.03
～0.08 Ω程度である。そのため、ワイヤ先端に形成された溶滴が溶融池へ短絡すると、抵抗値が減少するた
め溶接電流は増加し、短絡が解放されてアークになると抵抗値が増加して、溶接電流は減少する。溶融池と短絡（接触）した溶滴は、表面張力や電磁ピンチ力の作用で溶融池へ移行し、溶滴と溶融池の橋絡部にはくびれが発生する。断面積が減少したくびれ部では電流密度が増加するため、橋絡部のくびれの進展は一層促進され、過電流状態となったくびれ部は溶断されてアークが発生（再生）する。この時、ヒューズの溶断時にその一部が周辺に飛び散るのと同様に、溶滴や溶図 3.108

マグ溶接の溶滴移行形態

融池の一部が周囲に飛散しスパッタとなる。

ワイヤ径 1.2mm のソリッドワイヤを用いた炭酸ガ
ス溶接におけるスパッタ発生量の一例を図 3.109 に示す。溶接電流 200A 未満の電流域では、ワイヤ先端に形成される小径の溶滴が移行する短絡移行となるため、スパッタの発生量は比較的少ない。しかし溶接電
流が 200A を超えると、溶滴の移行形態はグロビュー
ル移行（反発移行）となり、ワイヤ先端に形成される
溶滴は大隗となって溶融池へ移行する。そのため多量のスパッタが発生するようになり、その傾向は溶接電流の増加と共に著しくなるが、溶接電流が 300A を超図 3.110

スパッタの発生原理

え る と ス パ ッ タの発生はやや減少する。溶接 電 流

炭酸ガス溶接で発生するスパッタの発生形態は、一300A 以上の電流域になると、電磁ピンチ力の増大が般に、図 3.111 のように分類されている。（a）、（b）

溶滴の大径化をやや抑制するようになり、比較的小粒

および（c）はアーク再生時のヒューズ作用によっての溶滴が不規則に移行するようになる。その結果、短発 生 す る 現 象 で、
（a） は 上 述 し た ア ー ク 再 生 時 のヒューズ作用によって発生するもの、（b）は極めて短時間の短絡（瞬間的短絡）の解放時に通電される大電流に起因したアーク力によって発生するもの、（c）
は埋もれアークの短絡時に溶融池が大きい盛り上がりを生じて発生するものである。
（d）および（e）は溶滴・溶融池からの気泡放出によって発生する現象で、（d）は溶融池あるいは溶滴からの気泡の放出にともなって生じる柱状隆起から発生するもの、（e）は溶滴中に含まれたガスが膨張・爆発して発生するものである。（f）および（g）はアーク力そのものによって溶滴が飛散する現象で、（f）はアークの押し上げ作用を

図 3.109

溶接電流とスパッタ発生

受けて大塊となった溶滴から発生するもの、（g）はアーク溶接技術発展の系統化調査447

電極 - 溶滴 - 母材間に直列アークが形成されて発生す

解放時のスパッタの他に、瞬間的短絡によって発生するものである。

るスパッタの比率がかなり高くなる。溶滴内のガス爆発に起因したスパッタは電流値が変化してもほとんど変わらないが、溶融池のガス放出に伴うスパッタは電流値によって異なる。これはワイヤの種類によるもの
で、YGW11 ワイヤに添加されているチタン（Ti）の効果である。

図 3.111

スパッタの発生形態 30）

炭酸ガス溶接の導入当時は、これらのスパッタのうちの（c）、（f）および（g）によるスバッタの発生が著しいとされていた。しかし、その後の溶接電源やワイヤなどの改良・改善によってスパッタの発生は大幅に抑制され、近年では図 3.112 に示す 4 種類が主な発生形態となっている。
（a）は短絡の解放に伴って発生するスパッタ、（b）はアーク期間中の溶滴が極めて

図 3.1133.6.3

マグ溶接におけるスパッタの発生頻度

電流波形制御によるスパッタの低減

短い時間（1～2ms 以下）溶融池へ接触する瞬間的短マグ溶接で発生するスパッタは直流リアクタのイン絡によって生じるスパッタ、（c）は溶滴中に生成したダクタンスと密接に関係し、図 3.114 に示すように、ガスの急激な膨張によって、あたかも風船の破裂のよサイリスタ制御などの電源では、電源回路のインダク

うに、溶滴内でのガス爆発が生じ、その一部がスパッ

タンスが大きいものほどスパッタの発生量は減少すタとなるもの、（d）は溶融池からのガス放出に伴っる。この傾向は溶接電流値が異なっても同様である。

て発生するスパッタを示している。なお従来問題視さ一方、溶接電流波形とインダクタンスの関係は表 3.15

れていた、アークの押し上げ作用を受けて大塊となっのようであり、インダクタンスが小さい場合は電流変た溶滴から発生するスパッタ（前掲図 3.111（f））や、化が大きく、短絡解放時のピーク電流が高くなる。こ電極 - 溶滴 - 母材間に直列アークが形成されて発生す

れがスパッタ増大の主要因である。反対に、インダク

るスパッタ（前掲図 3.111（g））は、ほとんど認めらタンスが大きい場合は電流変化が抑制され、短絡解放れなくなっている。

時のピーク電流も低くなるため、短絡の解放に起因したスパッタは減少する。短絡回数が比較的少ない大電
流域の溶接では、このような電流変動の少ない直流に近い電流波形の方が良好な溶接結果が得られる。しかし短絡回数が多くなる小電流域では、短絡解放に長い

図 3.112マグ溶接のスパッタの発生形態

図 3.112 に示した 4 種類のスパッタの発生頻度は図3.113 のようであり、小電流域では短絡の解放に起因したスパッタが大部分を占めるが、中電流域では短絡448

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Vol.23 2016. March

図 3.114

 パッタ損失におよぼすインダクタンスのス
影響 30）

時間を必要とするため、溶融池の温度低下などが生じ

式（a）はあらかじめ定められた基準波形と一致するてアークの安定性は損なわれ、良好な溶接結果は得ら

ように電流をトレースして短絡電流を制御する方法でれない。

ある 31）。電流値微分方式（b）では、溶接電流の検出
表 3.15インダクタンスの影響

値（i）を短絡期間とアーク期間それぞれに対応する微分回路へ入力し、微分回路を通して得られた電流の変化量（di/dt）が基準値と一致するように、短絡期間およびアーク期間の出力をそれぞれフィードバック
制御する 32）。またリアクタ電圧利用方式（c）は、直流 リ ア ク タ の 2 次 巻 線 の 端 子 電 圧（e2= － L2（di/dt）：L2 は 2 次巻線のインダクタンス）を利用して、等価的な電流変化速度（di/dt）を検出し、その値を用いて電流の増減速度を制御する方法である。
電流変化速度制御の作用は図 3.116 のようであり、溶接電源の前面パネル上に設けられた電流波形制御ダ

すなわちサイリスタ制御などの従来制御電源では、イヤルの操作で電流増減速度を任意に設定して、アー

スパッタの低減およびアークの安定性確保それぞれのク状態、スパッタ発生量およびビード形状などを広範立場からすれば不十分であるが、両者ともにほぼ満足

囲に選定することができる。また電流変化速度制御をできる中間的なインダクタンスを微妙に選定し、小電採用したマグ溶接電源では、表 3.16 に示すように、流から大電流に至る全溶接電流範囲に対して、多少の溶滴の移行形態が異なる電流域に対応して、電流変化

不満足さを含みながらも使用に耐えられる特性を実現

速度（di/dt）が自動的に最適値へ切り換わるようにしていた。

設計されている。電子制御による di/dt の最適化に

わが国におけるインバータ制御電源（後述 4.4 節参

よって得られるスパッタの低減効果は図 3.117 のよう照）は、1982（昭和 57）年にティグ溶接電源としてであり、スパッタ発生量はサイリスタ制御電源の 1/3

初めて開発された。そして、その翌年にはインバータ～1/2 程度に低減され、特に溶滴がグロビュール移行制御を採用したマグ溶接電源も出現した。インバータする中・大電流域での効果が顕著である。

制御電源では、サイリスタ制御電源（後述 4.3 節参照）の百倍以上の速度で出力を制御することが可能である
ため、電子回路で電流の変化速度（di/dt）を任意にコントロールすることが可能である。そこでインバー
タ制御マグ電源では、スパッタと密接に関係する電流の変化速度を電子回路で任意に制御する“電流変化速度の電子制御方法”が採用された。
図 3.115 はその代表例を示したもので、トレース方

図 3.116電流変化速度 (di/dt) 制御の作用

表 3.16

図 3.115電流変化速度の電子制御

電流変化速度の制御方法

アーク溶接技術発展の系統化調査

449

れた電流の制御方法とその溶接電流およびアーク電圧
波形は図 3.119 のようであり、それぞれのタイミング
で次の 7 種類の電流制御を行う 33）。

図 3.117出力制御方法とスパッタ発生量

上述のように、インバータ制御の高速制御性を活用した電流変化速度の電子制御によって、炭酸ガス溶接のスパッタは大幅に低減された。しかし、さらにス

図 3.119“ センサーク ” の電流波形制御 33）

パッタの発生を抑制する手法が、1985（昭和 60）年に提案され“センサーク”という商品名で市販された。

①短絡初期電流低下制御：短絡開始時の電流を低短絡とアークは、アーク電圧と判定電圧（Vj:10～15V

下させて、瞬間的短絡の発生を抑制する。

程度）との大小を比較することによって容易に判別できる。ところがセンサークで採用された手法は、短絡からアークへ移行する直前のタイミングを出力制御に用いるというものであった。短絡からアークへ移行する現象の詳細は図 3.118 のようであり、短絡時間の経過に伴って溶滴の溶融池への移行が進行する。そし②溶融池との橋絡促進制御：小電流を保持して、溶滴と溶融池との短絡を強固にする。
③短絡解放電流供給制御：短絡を解放するための電流を供給する。
④短絡電流の制限：短絡時間が長くなると、短絡電流の上限値を抑制する。

て、溶滴が溶融地へ完全に橋絡（ブリッジ）した後も⑤くびれ検出による電流低下制御：くびれを検出

溶滴の溶融池への移行は進行するため、溶滴には「くして電流値を低減させ、小電流でアークを点弧びれ」が発生し、このくびれが進展し続けて細くなっする。

た橋絡部が溶断してアークが再生する。

⑥アーク再生電流抑制制御：アーク再生後の電流値を、所定値以下に制限する。
⑦大粒スパッタ抑制制御：電流減少速度の適正化
で、瞬間的短絡による大粒スパッタの発生を抑制する。
インバータ制御電源の登場によって、直流リアクタの特性で支配されていたスパッタの発生現象を、電子回路で制御する手法が開発された。しかし、図 3.120の上段に示すように、この方法も直流リアクタの作用に基づいた出力制御方法であり、溶接電流の増減速度適正化を課題としたものであった。ところが上記セン

図 3.118450

溶滴の短絡移行詳細

サークの出現によって、溶接電流の制御方法は溶接現象そのものに密着したものとなり、マグ溶接そのもの

溶滴と溶融池の橋絡部にくびれが発生すると、そのの特性改良を目的とした種々な出力制御方法が、他の断面は減少するため抵抗値は増大し、直線的に増加し溶接電源メーカでも開発された。図 3.120 の下段は、ていた電圧波形は丸みを帯びるようになり、電圧の変各社で開発された電流波形の制御方法をまとめたもの

化量（dv/dt）が変化する。すなわち、短絡期間中のである。

dv/dt 変化点を検出することによって、橋絡部にくび“短絡電流増加遅延制御”は、短絡初期の所定時間れが発生したことを検出できる。センサークに用いら

中は電流の増加を抑制して溶滴と溶融池の接触を確実

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Vol.23 2016. Marchマグ溶接のスパッタ低減を目的とした出力制御溶接法の開発は、他国の追随を許さないわが国電源メーカの優位技術であったが、2005（平成 17）年になると、オーストリアのフローニアス（Fronius）社が出力制御とワイヤ送給制御を組み合わせた新しいマグ溶接プ
ロセスを開発した。この新プロセスは“CMT（Cold
Metal Transfer）溶接”と呼ばれ、図 3.122 に示すよ
うに、短絡の発生を検出して溶接電流を小電流まで低減すると同時に、溶接ワイヤを引き戻す（後退送給する）。短絡は機械的に解放されるため、小電流での再アークが可能となり、スパッタの発生は大幅に抑制さ
図 3.120マグ溶接における電流波形制御

れる 34）。この溶接に用いられるワイヤ送給装置の応答性は、一般的なワイヤ送給装置より 1 桁以上速い数
十 Hz とされており、その応答性向上が溶接プロセスにし、主に瞬間的短絡の発生を防止する制御である。

の特性に大きく寄与している。

“電流増加速度制御および短絡電流増加抑制制御”は、短絡時に通電される電流を必要最小値に抑えるための制御、“アーク再生電流制御”は、短絡解放直前の電流値を低下させるための制御であり、それぞれアーク
再生に伴うスパッタの抑制が目的の制御である。また“短絡強制解放制御”は、異常短絡発生時に最大エネ

図 3.122

CMT（Cold Metal Transfer）プロセス

ルギーを供給して、アーク切れなどの不安定現象を防しかし、上述した電流波形制御溶接や CMT 溶接プ

止するための制御、“電流減少速度制御および短絡促

ロセスは、主に溶滴が短絡移行する小電流域での溶接進制御”は、異常な溶滴の形成・成長を阻止するため（ 直 径 1.2mm 鋼 ソ リ ッ ド ワ イ ヤ の 場 合、 溶 接 電 流の制御である。

200A 程度以下／あるいはワイヤ送給速度 7m/min 程

この種の電流波形制御溶接では、溶接条件や制御パ

度以下での溶接）を対象としたものであり、溶滴移行

ラメータの設定はかなり複雑なものとなるが、目的にがグロビュール移行、特に反発移行となる中電流域の応じた適切な制御パラメータの選定・設定を行うこと

炭酸ガス溶接に対しては十分な効果が得られるとは言によって、スパッタ発生量の大幅な低減や、溶接速度えない。この問題に対しては 2010（平成 22）年に、が 3m/ 分を越える高速溶接の実現も可能となる。電図 3.123 に示すような新しい電流波形制御溶接方法が流波形制御電源におけるスパッタ発生量は、図 3.121

提案されている。この溶接法では、従来の短絡電流立のようであり、従来制御電源と比較すると、サイリス

ち上がり遅延制御、アーク再生電流制御など（前掲図タ制御電源の 1/10 以下、インバータ制御電源の 1/5

3.120 参照）の他に、溶滴の押上作用を抑制する制御程度まで減少する。

を付加している。アーク再生直後の溶滴が形成される期間では、溶滴がアークによる強い押し上げ作用を受けて不規則な挙動を示して、スパッタ発生の大きい要図 3.121出力制御方法とスパッタ発生量

図 3.123新電流波形制御

アーク溶接技術発展の系統化調査

451

因となる。その不規則な溶滴挙動を規則化することを

イヤ送給量を減少させる（溶接電流を小さくする）。

目的として、アーク再生直後の電流を規則的に増減さ

その際、微調整によって生じる溶着量や溶込み深さのせ、アークによる押し上げ作用を分散させながら溶滴変動が、溶接継手の強度に悪影響を及ぼさないようにを形成する。このような出力制御は、溶接電源のデジしなければならない。すなわち、微調整量をどの程度タル化（後述 4.4.4 項参照）に伴う出力制御の高速化にするかは極めて重要な事項であるが、多くの場合はによって可能となったものである。新しい電流波形制溶接作業者の経験や勘に頼っている。

御の効果の一例を示すと図 3.124 のようであり、上述

このような溶接作業者の経験や勘に頼っていた溶接

した電子リアクタ制御電源に比べると、スパッタ発生

条件の微調整に、図 3.125 に示すようなファジィ制御

量は 1/5 程度まで減少し、特に大粒のスパッタ発生量が適用された。Ext が長くなれば溶接電流は小さくなが激減していることが分かる。

り、その状態でワイヤ送給量を多くすると溶接電流が大きくなることは定性的に分かっている。しかし溶接
電 流 値 に よ っ て 溶 滴 移 行 形 態 が 異 な る た め、3 者（Ext、溶接電流およびワイヤ送給量）の関係を定量化することは極めて困難である。ファジィ推論はこれら 3 者の関係を定量化するために適用された。溶接条
件の設定は遠隔制御器などを使って、電流指令値や電圧指令値を変更することで行われるが、電流指令値（ワイヤ送給速度指令値）が変更されるごとに、ファジィ推論Ｉで基準 Ext を推定し、最新の値を記憶する。それと同時に基準 Ext を基にしてこの時の脚長を表す脚長係数を推定し、以降の制御の基準となる値

図 3.124

スパッタ発生量の比較を決定する。溶接中はファジィ推論 I で推定した Extと先に求めた基準 Ext とを比較し、両者の値が異なっ

3.6.4

ファジィ制御による溶接条件の適正化ていると、脚長係数に基づいて脚長を一定にするため

わが国産業界における労働力不足は 1986（昭和 61）に必要なワイヤ送給量をファジィ推論 II で決定する。

年以来深刻な問題となったが、溶接業界では特にこの

また、その状況に応じた適正電圧も決定して同時に出傾向が強く、1990（平成 2）年の労働省職業能力開発

力電圧を制御する。以上のようなファジィ推論と制御

局調査では、在職する溶接作業者約 21 万人に対してとを溶接中は常時繰り返して実行することによって、

約 6 万人の不足が報告されている。とりわけ高度技能

適切な脚長の制御を行うことができる 35）。

を持った熟練溶接作業者の不足は深刻で、在職者 38.5
千人に対して、その 46.5% に当たる 17.9 千人が不足しているという状況であった。また、溶接作業者の高齢化という問題もあった。このような状況に対応する
ために、1990（平成 2）年頃には、経験の浅い溶接作業者でも熟練作業者と同レベルの溶接が行えるように、溶接電源の知能化による脱技能化が積極的に推進された。そのために採用された手法がファジィ制御であり、そこで用いられたファジィ推論は「定性的な理解は比較的容易であるが、定量的な理解は相当困難である」事象・現象を取り扱うには便利な手段である。
電極 - 母材間距離（Ext）は、特別な場合を除き、

図 3.125

ファジィ制御による溶接電流補償 35）

一定に保って溶接を行うことが原則であるが、実溶接

452

施工ではワーク形状の複雑さなどが原因で一定に保て

マグ溶接では、溶接電流に応じた適正アーク電圧のないことも多い。そのような場合、溶接作業者は溶接設定を一元的に行う機能（一元制御）を持った溶接電

条件の微調整を行う。Ext が伸びるとワイヤ送給量を源の採用が大部分を占めている。しかし一元制御と増加させ（溶接電流を大きくし）、逆に短くなるとワ

いっても、ワイヤ突出長さ、溶接速度あるいは溶接

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ケーブル長などが変化すると、実際の施工条件に応じ

s[Ts] および s[Ta] を演算し、これらをパラメータとたアーク電圧の微調整が必要となる。また、溶接の進したファジィ推論によって出力電圧の増減操作量（⊿

行に伴う溶接部材状況の変化などによって、溶接条件V）を求めることによって、適正アーク電圧を自動設を再設定しなければならない事態も発生する。このよ定する。ファジィ推論による適正アーク電圧の自動設

うな問題に対して開発された手法が、図 3.126 に示す、

定結果の一例を示すと図 3.128 のようであり、初期設

短絡時間率によるアーク電圧の自動設定である。短絡定値がどのような値であっても、1～3 回の推論によっ

移行マグ溶接では、ワイヤを溶融して溶滴を形成するて適正値の± 0.5V 以内に収束している。

アーク期間と、これを溶融池へ移行させる短絡期間が所定の周期（短絡周期）で繰り返される。そして、この短絡時間比率（短絡時間 / 短絡周期）は、適正アー
ク電圧が変化してもほとんど変化しない。したがって、溶滴移行形態が異なる溶接電流に応じてこの短絡
時間比率が適正な値となるように、ファジィ推論を利用して電源の出力電圧を自動的に調整する。このようなファジィ制御の採用によって出力電圧は適正値に自動調整され、常に良好な溶接条件を維持できる。また、溶接速度の変化に応じて、常に適正なアーク状態となるように出力電圧が自動調整され、溶接速度が速くなっても良好なビード外観が得られるなど、溶接品
質の向上・ 安定化に著しい効果が得られる 36）。

図 3.128

3.6.5

 正アーク電圧の自動設定結果（溶接電流
適180A）

低周波交流マグ溶接

自動車ボデーなどの溶接には抵抗スポット溶接が多用されているが、抵抗スポット溶接ではワークを両面
図 3.126

短絡時間率によるアーク電圧の自動設定

36）から挟み込むことが必要であり、部位によっては電極を挿入するための作業穴を設けるなどの対策を講じる

図 3.127 も、ファジィ制御を用いて適正アーク電圧ことが必要となる。一方、マグ溶接は片面作業で作業を自動設定する方法である。溶接時のアーク電圧波形

穴などの設置を必要としないが、近年の車体の軽量化

から、短絡周期ごとの短絡時間（Ts）およびアークを目的とした鋼板の薄肉化に伴い、相対的な入熱過大時間（Ta）を検出する。そして、それらの標準偏差に起因した溶接金属の溶落ち（穴明き）を生じやすいといった問題がある。したがって、自動車ボデーなど
板厚 1mm 以下の極薄鋼板にアーク溶接を適用するた
めには、溶接金属の溶落ちや穴明きを生じない溶接方法を開発することが必要である。このような課題に対して開発された手法が、1999（平成 11）年に開発された“低周波交流マグ溶接”である。極薄鋼板（板厚1mm 以下）のアーク溶接では継手の熱容量が小さい
ため、表 3.17 に示すように穴明きや溶落ちが極めて生じやすい。特にギャップが大きくなるほどその傾向が著しく、一般に、溶落ちや穴明きを生じない限界
ギャップは板厚の 1/2 以下とされている。
表 3.18 は極薄亜鉛めっき鋼板に対するアーク溶接

図 3.127

適正アーク電圧の自動設定方法の適用性を比較した一例で、直流パルスマグ溶接、交アーク溶接技術発展の系統化調査453

表 3.17

極薄板の直流マグ溶接し、母材への入熱を低減できるため、極薄板の溶接では溶落ちや穴明きを生じにくく、最も良好な溶接結果が得られる。

表 3.18

 薄 Zn めっき鋼板のマグ溶接に関する検討
極結果

図 3.129

ワイヤ溶融速度におよぼす極性の影響

電流波形を交流にすると、穴明きの防止・ギャップ
に対する橋絡（ブリッジ）性の向上などの効果が得られることの他に、EP/EN 極性時間比率を変化させる
ことによって、溶込み深さやビード形状を制御することが可能となる。表 3.19 は 2mm のルートギャップを有する板厚 0.6mm の亜鉛めっき鋼板重ねすみ肉継手の溶接結果を示す一例で、直流マグ溶接では溶接開始
直後に溶落ちが発生して良好な溶接結果は得られない
が、低周波交流マグ溶接では過大なルートギャップが存在するにもかかわらず、良好な溶接ビードを形成で流パルスマグ溶接、交流／直流複合バルスマグ溶接

きる。断面マクロを比較すると、直流マグ溶接では溶（これらの溶接方法については後述の 3.7 節で詳述す

接金属の大部分が裏波として裏面に垂れ下がっている）および低周波交流マグ溶接など 6 種類の電流波形る。しかし低周波交流マグ溶接では、溶接金属の一部が、穴明きなどにおよぼす影響をまとめたものであが裏波として裏面に出ているのみで、溶落ちや穴明きる。比較的長時間の短絡など溶融池に強い圧力や振動を生じる気配はほとんどない。

が加わると、シャボン玉の破裂と同様に、溶接ビードの溶落ちや穴明きが発生しやすい。そのため、溶接電

表 3.19

極薄板の重ねすみ肉溶接

流の急激な変化に起因して生じるアーク圧力の変化が比較的大きい直流パルス溶接や交流パルス溶接より、その変化が比較的小さい直流マグ（パルスなし）溶接の方が溶落ち・穴明きの抑制に対して効果がある。ワ
イヤの溶融速度は、図 3.129 に示すように、極性によって異なる。例えば、ワイヤ径 0.6mm のソリッドワイヤを用いて溶接電流 50A の溶接を行う場合、ワイヤをプラス（DCEP）とする通常の直流マグ溶接でのワイヤ溶融速度は約 7.8m/min である。それに対して、ワイヤをマイナス（DCEN）とした直流マグ溶接
でのワイヤ溶融速度は約 9.5m/min まで増加する。したがって、EP 極性と EN 極性を数 Hz で交互に繰り返す低周波交流マグ溶接では、ワイヤ溶融量が増加

454

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

低周波交流マグ溶接電源の構成は図 3.130 のようで

あり、EP 極性時と EN 極性時でのワイヤ溶融速度のアンバランスによって生じるアーク長の変動を防止するために、EN 極性時の出力設定を EP 極性時より低くする調整機能が設けられている。また交流周波数、

3.7 パルスマグ・ミグ溶接
3.7.1

パルスマグ・ミグ溶接の開発経過

EN 極性時間比率も任意に設定できるようになっていパルスマグ・ミグ溶接法は、臨界電流以上の大電流る。低周波交流マグ溶接の自動車ボデーへの適用結果を通電する期間とアークを維持するために通電する小の一例を図 3.131 に、介護ベッド部品への適用状況を電流の期間とを、それぞれ所定の周期で交互に繰り返

図 3.132 に示す。

して溶接する溶極式のガスシールドアーク溶接法である。ワイヤ先端に形成された溶滴は、溶融池へ短絡することなくワイヤ端から離脱して母材（溶融池）へ移行するため、スパッタをほとんど発生させない溶接が可能となる。
このような溶極式パルスアーク溶接法は、英国溶接研究所（TWI）のニーダム（J. C. Needham）が、小電流域でのアルミニウム溶接で溶滴移行を安定化する手法として 1962（昭和 37）年に発表したことに始まる 37）。そして 1965（昭和 40）年には、パルス電流波
形によって溶滴の移行特性が変化することを報告している 38）。当時使用された溶接電源は、商用交流を半波整流したパルス波形を出力するセレン整流式電源で

図 3.130低周波交流マグ溶接電源の構成ある。パルス電流のピーク値のみを変化させることが可能で、パルス幅およびパルス周波数は一定値に固定されていた。また、米国・エアコ（Airco）社のアンダーソン（Anderson）も、小電流に周期的なパルス
電流を重畳することによって、ワイヤ端に形成された融滴を 1 個ずつ溶融池へ移行させるパルスミグ溶接法を開発し、1963（昭和 38）年に特許を取得している。
1965（昭和 40）年頃には、このようなパルスアーク
溶接についての研究が活発に行われ、溶滴移行に関するいくつかの基礎的な報告が精力的になされた 39）。
ところが、この溶極式パルスアーク溶接法については、彼らより早い 1962（昭和 37）年に大阪変圧器が

図 3.131 低 周波交流マグ溶接の適用箇所（81ヶ所・
約 1,900mm）

すでに特許を取得していた 5）。当時のパルス電流発生装置の一例を図 3.133 に示す。小電流（ベース電流）を通電する直流定電圧電源と、パルス電流を付加する
単相直流電源（パルス電流発生装置）とが並列に接続された構成となっている 19）。
その後、パワーエレクトロニクス技術の発展にともない、1960 年代後半には出力をサイリスタで制御する溶接電源の開発が行われ、サイリスタによる点弧位相制御を採用した定電圧特性電源が市販されるようになった。そして 1975（昭和 50）年頃には、サイリス
タ制御のパルスマグ・ミグ溶接電源も市販品として製品化され、広範囲な産業分野でパルスマグ・ミグ溶接が使用される基礎を築いた。サイリスタ制御の導入に

図 3.132

カールボトムの溶接よって、パルス電流のピーク値とパルス幅を変化させアーク溶接技術発展の系統化調査455

電源が、1980（昭和 55）年にわが国で世界に先駆けて開発され、市販されるようになった。この種のトラ
ンジスタ制御パルスマグ溶接電源には、パルスに同期した溶滴移行（1 パルス 1 溶滴移行）の安定化を目的
として、電流を正確に制御できる定電流特性が採用された。しかし定電流特性電源では、定電圧特性電源のようなアーク長自己制御作用は得られない。そのためアーク電圧をフィードバックして、パルス幅あるいはパルス周期（ベース時間）などを増減させることによって、アーク長を所定の長さに保つ定アーク長制御方式が導入された。この定アーク長制御については後
図 3.133

述 3.7.4 項で詳述する。

パルス電流発生装置 19）

しかし当時のパワーエレクトロニクス技術の進展はることが可能となった。しかし､ その変化はパルス変目覚ましく、トランジスタ・チョッパ制御電源はわず

圧器の出力特性に依存した点弧位相制御であり､ パル

か数年で姿を消すこととなった。そして、新しく登場

ス電流のピーク値と幅は連動して正弦波上を移動すしたインバータ制御電源がパルスマグ・ミグ溶接電源る。そのため、それぞれの因子を独立に変化させるこに お い て も 主 流 を 占 め る よ う に な っ た。1987（ 昭とはできなかった。また電源の構成上、パルス周波数

和 62）年に開発されたインバータ制御パルスマグ・は商用周波数またはその倍数に限定され、適切なパル

ミグ溶接電源では、アーク長自己制御作用を活用でき

ス溶接条件の選定・設定には相当な熟練を必要としる定電圧特性が採用され、従来の定アーク長制御を省た。

略するとともに、ベース期間などで発生する短絡にもトランジスタを出力制御に用いた溶接電源は 1975

スムーズに対応できるようになった。さらに 1989（平（昭和 50）年に開発され､ 高速かつ精密な出力制御が成 1）年には、定電流特性のパルスマグ・ミグ溶接電可能なシリーズ・レギュレータ方式のユニバーサル電源で最も問題となっていたベース期間中に発生した短源 と し て、 主 に 研 究・ 開 発 分 野 で 大 い に 活 用 さ れ

絡に対応するために、短絡を検出してその短絡解放電

た40）。このトランジスタ制御電源の出現により、パ流を供給する短絡補償制御が開発された。

ルス電流のピーク値、パルス幅およびパルス周波数な

パルスマグ・ミグ溶接電源のインバータ制御化以

どのパルスパラメータは、それぞれ独立かつ任意に設

降、パワーエレクトロニクス技術・電子制御技術・デ定・変化させることが初めて可能となった。そしてワジタル制御技術の著しい進展を背景にして、その高性

イヤの材質、径およびシールドガス組成などに応じ能化・高機能化が次々に推進され、2 種類のパルス波て、適切なパルスパラメータ（パルス電流、パルス幅形を所定の周期で切り替える低周波パルス重畳制御、ならびにベース電流）を選定し､ ワイヤ送給量に応じベース期間を EN 極性とする交流パルスマグ・ミグ溶てパルス周波数（ベース時間）のみを変化させるパル

接、直流パルスと交流パルスを所定の周期で交互に切スアーク溶接法が、TWI のアミン（M. Amin）らにり替える交流 / 直流複合パルスマグ・ミグ溶接、微小よって提案された。このパルスアーク溶接法では､ い短絡を検出してアーク電圧を適正値に自動設定する機

ずれの電流域においてもパルス周期に同期した溶滴移能を持つパルスマグ溶接電源などが次々に開発され

行いわゆる 1 パルス 1 溶滴移行を実現できることが報た。そして近年では、出力をより高速・精密に制御す告され､ このパルス溶接方法は“シナージックパルス

ることが可能なデジタル制御を採用して、ワイヤの材（Synergic Pulse）溶接”と名付けられた

41）。

上記シリーズ・レギュレータ方式のトランジスタ制

質に応じて異なったパルス電流波形を出力するパルス
マグ・ミグ溶接電源も出現している。

御電源は高機能・高性能な溶接電源として重宝されたが､ 汎用溶接電源として広い範囲で使用するには高価

456

3.7.2

パルスマグ・ミグ溶接の原理

過ぎるという問題があった。しかしトランジスタ制御

マグ溶接およびミグ溶接で発生するスパッタの大部

電源の低価格化という課題は、大容量トランジスタの分は、ワイヤ先端に形成された溶滴と溶融池との短絡開発とチョッパ制御方式の導入によって解決された。

に起因したものである。したがって溶滴を短絡させず

低価格のトランジスタ・チョッパ制御パルスマグ溶接にワイヤ端から離脱させて、溶融池へ移行させること

国立科学博物館技術の系統化調査報告

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ができれば、スパッタの発生を大幅に低減できる。こ

平均溶接電流（Iav）=のような観点から開発された溶接法がパルスマグ・ミ（Ip × Tp ＋ Ib × Tb）/（Tp ＋ Tb）

グ溶接であり、溶滴のスプレー移行（前述 2.2.3 項参溶滴の移行形態を大きく左右する電流波形パラメー

照）現象を利用するために、電流波形を図 3.134 のよタは、パルスの高さ（Ip）とその幅（Tp）である。

うに制御する。臨界電流以上の大電流を通電する期間

パルス電流に同期してワイヤ端から 1 個の溶滴を離脱（パルス期間）では、ワイヤを溶融してその先端部にさせるための適正パルス条件（パルス電流とパルス期溶滴を形成し、電磁ピンチ力を利用して、その溶滴を間の適切な組合せ）は、一般に図 3.135 に示すようなワイヤ端から離脱させる。ワイヤ端から離脱した溶滴

右下がりの領域となる。すなわちパルス電流が大きい

は、パルス期間後半から小電流が通電されるベース期

場合にはパルス期間を狭く、パルス電流が小さい場合

間前半にかけて溶融池へ移行する。ベース期間中はにはパルス期間を広くすることによって、パルス電流

アークを維持するために必要な最小限の電流を通電すに同期して 1 個の溶滴がワイヤ端から規則的に離脱するが、通常、この期間中にワイヤの溶融はほとんど生る溶滴移行形態である“1 パルス 1 溶滴移行”を実現じない。溶滴は溶融池と短絡（接触）することなくワできる。適正パルス領域より左下の領域では、溶滴のイヤ端から離脱して母材（溶融池）へ移行するため、形成・離脱に必要なパルスエネルギーが不足するた

短絡の解放に伴うスパッタの発生はほとんどなく、スめ、パルスに同期した溶滴移行は得られず、数回のパパッタ発生量が極めて少ない溶接が可能となる。

ルスで 1 個の溶滴がワイヤ端から離脱する“ｎパルス1 溶滴移行”あるいは溶滴が溶融池と接触して移行する短絡移行となる。適正パルス領域より右上の領域では過大なパルスエネルギーが加えられ、1 回のパルスで数個の溶滴がワイヤ端から離脱する“1 パルスｎ溶
滴移行”となる。この領域での溶滴は溶融池との短絡を生じないため実用性があるように思われるが、溶滴
離脱後のワイヤ端に残存する溶融金属量は必ずしも一定せず、各パルス周期で移行する溶滴の大きさや個数が変動してアークは安定性・規則性に欠ける。

図 3.134

パルスマグ溶接・パルスミグ溶接

パルス電流波形を設定するには少なくとも 4 種類の波形パラメータの設定が必要であり、通常、パルス電流（Ip）、ベース電流（Ib）、パルス時間（またはパルス幅：Tp）およびベース時間（Tb）の 4 種類が用いられる。ベース電流およびその時間は、それぞれバッ
クグラウンド電流、バックグラウンド時間と呼ばれることもある。また、時間に関するパラメータとしてパルス周波数も頻繁に使用されるが、パルス周波数はパルス周期（T：パルス時間とベース時間の和）の逆数（1/T）であり、1 秒間に発生するパルスの個数を表す値である。

図 3.135

適正パルス条件

パルス溶接における溶接電流の表示には平均溶接電

溶接電流、アーク電圧を変化させた場合の適正パル流（Iav）を用いるが、これはパルス電流（Ip）とパス領域は図 3.136 のようであり、溶接電流が変化してルス時間（Tp）の積（Ip × Tp）とベース電流（Ib）

も適正パルス領域はほとんど変化しない。アーク電圧とベース時間（Tb）との積（Ib × Tb）の和を、パが変化すると適正パルス領域も変化するが、その変化

ルス周期（T）で除したものであり、下式で算出され、は高エネルギー側（適正パルス領域の右上側）の上限

1 パルス周期中に通電される電流の平均値を示す。

値のみであり、低エネルギー側（適正パルス領域の左アーク溶接技術発展の系統化調査

457

れるベース時間（パルス周波数）を WF に応じて変化させる。すなわち、小電流が通電されるベース期間
中にはワイヤの溶融がほとんど生じないとすれば、図3.137 に示すように、所定長さのワイヤが送給されるごとに 1 個のパルスを発生させて、そのパルスで所定
長さのワイヤの溶融と溶滴の形成および 1 個の溶滴のワイヤ端からの離脱を行うようにする。溶接電流の設
定値を増 / 減させるとワイヤ送給量（WF）も増 / 減
するが、その変化に応じてベース期間の減 / 増（パル図 3.136

適正パルス条件領域の比較

ス周波数の増 / 減）を行い、所定長さのワイヤが送給されるごとに 1 つのパルスを発生させるようにする。

下側）の下限値は変化しない。高エネルギー側ではパ

そうすると、1 つのパルスで形成・離脱させる溶滴のルスによるワイヤ溶融量が増加して、ワイヤ先端に形

大きさは電流値（ワイヤ送給量）に関係なく一定とな成される溶滴が大きくなる。そのため、アーク電圧がり、いずれの電流域においても均一かつ規則的な溶滴低く（アーク長が短く）なって溶滴端と溶融池表面と移行を実現できることとなる。ワイヤ径、材質およびの間隔が小さい場合には、溶滴がワイヤ端から離脱すシールドガス組成などに応じた適正なパルス電流、る前に溶融池と短絡して溶滴移行の安定性を乱すこと

ベース電流およびパルス幅を選定すると、ワイヤ送給となる。したがって、平均アーク電圧（Vav）が低く、量が変化してもこれらの値を変化させる必要はない。

アーク長が短い場合には、適正パルス領域の上限は制

ベース時間（パルス周波数）のみを変化させることに約され、むやみに大きくすることはできない。しかしよって、全ての電流域でパルスに同期した 1 パルス 1

アーク電圧が高く（アーク長が長く）なると、ワイヤ

溶滴移行を実現することができる。

端と溶融池の間には十分な間隔が生じるため、大きい溶滴が形成されても溶滴は溶融池と短絡する前にワイ
ヤ端から離脱することができようになるため、アーク電圧を高く（アーク長を長く）するほど適正パルス領域の上限値は拡大することとなる。
ワイヤ径、材質およびシールドガス組成などに応じて適切なパルス電流（Ip）、ベース電流（Ib）およびパルス期間（Tp）を設定すると、溶接電流すなわち
ワイヤ送給速度が変化してもこれらの値を変化させる必要はない。ベース期間（Tb）のみを変化させるこ

図 3.137とによって、溶接電流（ワイヤ送給速度）とともにパ ナージックパルスの原理（1 パルス 1 溶
シ
滴移行の原理）ル ス 周 波 数（f：1/（Tp ＋ Tb）） が 50～500Hz 程 度

458の範囲で変化する。その結果、小電流から大電流に至以上のように、安定した 1 パルス 1 溶滴移行を実現

る全ての電流域で安定したスプレー移行（プロジェク

するためには、パルス電流（電圧）およびパルス幅のト移行）を実現でき、薄板から厚板までの広範囲な継適切な選定が極めて重要であるが、これらの値はワイ手への適用が可能となる。このようにパルス周期と溶ヤの溶融特性、溶滴のワイヤ端からの離脱特性と密接

滴移行が同期した溶接法を“シナージック（同期した）に関係するため、ワイヤの材質や径などに応じてパル

パルス溶接”という。

ス波形の適正値は異なる。図 3.138 は、主なワイヤに

パルス期間中に形成された溶滴を、パルス周期に同対する適正パルス電流波形の一例を示したものであ期してワイヤ端から離脱させ、溶融池へ移行させるシる。ワイヤの材質が同じであっても、その径が太いもナ ー ジ ッ ク パ ルス溶接においても、ワイヤ 送 給 量のほど大きいパルス電流、広いパルス幅が必要であ（WF）とワイヤ溶融量（MR）の関係は同様である。

る。またワイヤ径が同一であっても、その材質が異な

ただし 1 つのパルスで 1 個の溶滴の形成とその離脱をると融点・電気伝導度・熱伝導度・粘性などの影響に確実に行うために、パルス電流、ベース電流およびパ

よって、適切なパルス電流波形は異なったものとな

ルス幅は一定として、出力電圧設定ダイヤルで設定さる。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March図 3.140

パルスミグ溶接の溶滴移行現象

端に形成される溶融金属量（1 コマ目）は、Tb 期間
図 3.138

主なパルス溶接電流波形

前半（7 コマ目）よりやや多くなる。
シナージックパルス溶接では、パルス電流、ベース

3.7.3

パルスマグ・ミグ溶接の溶滴移行特性

電 流 お よ び パ ル ス 幅 を 一 定 と し て、 パ ル ス 周 波数

パルスマグ溶接における溶滴移行現象は図 3.139 の（ベース時間）を変化させてワイヤ送給速度の変化にようであり、Tb 期間（1 コマ目）から Tp 期間に入対応する。溶接電流すなわちワイヤ送給速度が増加す

るとワイヤ先端部での溶融が始まり（2 コマ目）
、そるにつれて、ベース時間が減少し、パルス周波数が増の溶融が十分進行した Tp 期間の中盤になると電磁ピ大する。ワイヤ送給速度とパルス周波数の値に基づいンチ力による溶滴のくびれが発生する（3 コマ目）。

て、パルス周期に同期して溶融池へ移行する溶滴 1 個

Tp 期間の後半では溶滴のくびれが加速度的に進行しの径を算出すると表 3.20 のようである。ワイヤ送給（4 コマ目）、ワイヤ端から離脱した溶滴は溶融池へ移速度をパルス周波数で除して 1 パルス当たりのワイヤ

行する（5 コマ目）
。Tb 期間に入るとワイヤはほとん

溶融長さを求め、その溶融長さとワイヤ径から 1 パル

ど溶融されないため、溶滴離脱後のワイヤ端に残存しス当たりのワイヤ溶融体積を計算する。そして溶滴をた溶融金属（6 コマ目）は、表面張力の作用でワイヤ球形と仮定し、その溶融体積から溶滴径を算出する。

側に引き戻され、ワイヤの先端形状をほぼ半球状に整平均溶接電流の変化に伴ってワイヤ送給速度とパルス

形して次のパルスに備える（7 コマ目）。Tb 期間の初

周波数はそれぞれ変化するが、パルスに同期して溶融期に整形されたワイヤ端は、その後もほぼ同一の形状池へ移行する溶滴径は、いずれの電流値においても直を維持して（1 コマ目）
、上述の現象を繰り返す。

径 1.0 ｍｍ程度のほぼ一定値を示している。すなわ
ち、平均溶接電流の増加にほぼ比例してワイヤ送給速度とパルス周波数は増大するが、移行溶滴径は変化せずほぼ一定の値となる。なお、ここでの移行溶滴径はワイヤ径（直径 1.2 ｍｍ）より小さい直径 1.0 ｍｍ程度となっているが、これは高温粘性が比較的低いワイ
ヤ（JIS YGW17）を用いたためである。一般的なマグ溶接ワイヤ（JIS YGW15 あるいは JIS YGW16 ワイヤなど）での移行溶滴径は、ワイヤ径にほぼ等しい
値となることが知られている。

図 3.139

パルスマグ溶接の溶滴移行現象

表 3.20パルスマグ溶接の溶滴移行特性

アルミニウムワイヤを用いたパルスミグ溶接においても、図 3.140 に示すように、溶滴はパルスマグ溶接とほぼ同様の挙動を示すが、融点は軟鋼などに比べて低いため、小電流しか通電されない Tb 期間中にも少量のワイヤ溶融が発生し、Tb 期間終了時のワイヤ先アーク溶接技術発展の系統化調査459

3.7.4

パルスマグ・ミグ溶接電源の出力特性値に制御されるため、溶滴移行の安定性に優れたアー

パルス電流の挙動が溶滴移行の安定性などと密接にク状態が得られやすい。しかし、定電流特性電源には関係するパルスマグ・ミグ溶接では、通常、電流値をアーク長の自己制御作用がないため、アーク電圧は正確に制御することができる定電流特性電源が用いら

アーク長の変化などの外乱によって変動することとなれる。しかし定電流特性電源にはアーク長を一定に保り、その変動を抑制するための定アーク長制御を付加

つ自己制御作用（前述 3.5.2 項参照）がない。そのたすることが必要となる。一方、定電圧特性電源の場

め定電流特性のパルスマグ・ミグ溶接電源では、アー合、パルス電圧（Vp）およびベース電圧（Vb）の値

ク電圧を検出し、その値に基づいて平均溶接電流を増すなわち平均アーク電圧（アーク長）はほぼ一定に保減させることによって生じるワイヤ溶融速度の変化をたれるが、パルス電流（Ip）およびベース電流（Ib）

利用してアーク長を所定の長さに保つ制御が行われは外乱などによって変動する。しかし、この変動は電る。平均溶接電流を増減させる方法を大別すると図源のアーク長自己制御作用に基づく現象で、アーク長

3.141 のようである。
“パルス幅（Tp）変調”は、アーを所定の長さに維持するために不可欠な変動である。

ク長が伸びて平均アーク電圧（Vav）が高くなると、

このような Ip と Ib の変動、特に Ip の変動は特別なパルス周期（T）は変化させずに、Tp を Tp1 に狭め

定アーク長制御の付加を不要としている重要な要素でて平均溶接電流を低下させることによって、ワイヤのあるが、溶滴移行に直接影響するため、Ip の値を決定

溶融を抑制してアーク長を元に戻す制御である。反対するパルス電圧（Vp）の設定は大きい制約を受ける。

に、アーク長が短くなって Vav が低くなると Tp を広くして平均溶接電流を増加させ、ワイヤの溶融を促

表 3.21

パルス溶接電源の出力制御特性の比較

進してアーク長を元に戻す。
“パルス周波数（T）変調”では、アーク長が伸びると、Tp は変化させずに、T を T1 に狭めることによって平均溶接電流を低下させる。またアーク長が短くなると、T を広くすることによって平均溶接電流を増加させる。
“パルス電流（Ip）変調”は、アーク長が伸びると、T および Tp
はそのままで、Ip を Ip1 まで低下させて平均溶接電流を減少させ、アーク長が短くなると Ip を増大させる
ことによって平均溶接電流を増加させる。なお、パル
スマグ・ミグ溶接には定電圧特性電源も用いられており、その場合には電源のアーク長自己制御作用によって、パルス電流変調とほぼ同様の挙動を示す。

パルスマグ・ミグ溶接では、何らかの原因でパルス期間中に適切な溶滴移行が行われなかった場合に、ベース期間中に溶滴が溶融池へ短絡する。ワイヤ端に比較的大量の溶融金属が取り残された場合、あるいはアーク長を短くすることによってワイヤ端から溶滴が離脱するために必要な距離が得られなかった場合などである。ベース期間中には数十Ａの電流が通電されているが、定電流特性電源の場合は短絡が生じても電流の増加はほとんどなく、この程度の電流値では短絡の解放に必要なエネルギーは得られない。短絡の解放
は、次のパルス期間で供給される数百Ａの大電流で行

図 3.141

定アーク長制御

われることとなる。急峻かつ大電流のパルス電流で短絡を解放すると、アーク再生時に爆発的な現象が発生

460

定電流特性電源と定電圧特性電源のパルスマグ・ミ

して溶融池へ激しい振動を与え、大粒のスパッタが大グ溶接における特性を比較すると、表 3.21 のようであ量に発生する。このような問題を解決するために、図る。定電流特性電源では、溶滴移行と密接に関係する

3.142（a）に示すような短絡電流の補償制御が開発さ

パルス電流（Ip）およびベース電流（Ib）の値が所定れている。ベース期間中に短絡が発生したことを検出

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Vol.23 2016. March

すると、溶滴と溶融池が確実に接触するための遅延時

傍の値に設定したベース電流に、ピーク値が比較的低間が経過するのを待って適切な増加速度の電流を通電く幅も狭いパルス電流を重畳することによって、そのし、その電流で短絡を解放する。短絡電流補償制御の溶滴移行特性をさらに改善することができる。このよ効果の一例を示すと（b）のようであり、短絡電流補うなパルスマグ溶接法（大電流パルスマグ溶接）は、償制御なしの場合に比べ、スパッタの発生量は 1/5 程1970 年代前半に米国のエアコ（Airco）社によって開度に低減され、その効果はアーク電圧が低くなるほど発された。大電流パルスマグ溶接の効果は図 3.143 の

顕著である

42）

ようである。（a）はパルスなしの場合の溶滴のスプ。

レー移行であるが、粘性の大きいステンレス鋼ワイヤ（SUS308）を用いたこともあって、ワイヤ端の溶滴が溶融池方向に長く引き伸ばされ、アーク長を比較的長くしなければ短絡を抑制することができない。一方、（b）の大電流パルス溶接では、ワイヤ端の溶融金属は長く引き伸ばされる前に溶滴となってワイヤ端から離脱し、短いアーク長でも短絡を生じないアーク状態を実現している。
図 3.142

短絡補償制御 42）

なお定電圧特性のパルスマグ・ミグ溶接電源では、その自己制御作用によって短絡の解放に必要な電流がおのずと供給され、必要最小限の電流値で短絡の解放が行われる。そのため、短絡電流補償制御の付加は不要である。しかしパルス電流の立ち上がり時には、電流を所定の Ip までできるだけ速く増加させたいが、
パルス電流によるワイヤの溶融が急速に進み、アーク

図 3.143

溶滴移行におよぼすパルス電流の影響

長は増加し続けている。そのため、電源の自己制御作

大電流パルス溶接と上述したシナージックパルス溶用による電流減少作用が生じ、パルス電流の立ち上が接（前述 3.7.2 項参照）との溶滴移行を比較すると表り速度を抑制するように作用する。この電流増加抑制

3.22 のようである。大電流パルス溶接ではパルスに同作用はアーク長によって異なり、ワイヤ先端の溶滴形

期した 1 パルス 1 溶滴移行は行われず、パルス周波数

成状況や溶融池の挙動によって大きく左右されるたと溶滴移行回数が同期しない“ｎパルスｍ溶滴移行”

め、定電圧電源で均一なパルス電流を供給することはとなる。しかしベース電流期間中にも大電流が通電さ極めて困難なこととなる。またベース期間においてれ、重畳されるパルス電流の勢力もそれほど強くないも、アーク長増加にともなう電流減少が限界値を超えため、パルス期間とベース期間によるアーク形態の差

ると、アークの維持が不可能となってアーク切れを生異はわずかである。またそれらの溶接の特性を比較すじることとなる。したがって定電圧特性のパルスマ

ると表 3.23 のようである。シナージックパルス溶接

グ・ミグ溶接電源では、このような問題点を解消してではアーク電圧（アーク長）の調整をパルス周波数でアークの安定性を向上させることが必要となり、パル

行うが、大電流パルス溶接ではパルス周波数を固定

ス電流波形の均一化を図るパルス電流立ち上がり制御

し、ベース電圧（ベース電流）の増減でアーク電圧

およびベース期間中のアーク切れを抑制する最小電流（アーク長）を調整する。すなわちシナージックパル

補償制御が付加されている。

ス溶接は小電流から大電流まで広範囲な電流域で適用でき、そのアーク状態はパルス電流によって支配され

3.7.5

パルスマグ・ミグ溶接の電流波形制御（1）大電流パルスマグ溶接る。しかし、大電流パルス溶接の場合は臨界溶接電流よりやや低い電流値が下限電流となり、そのアーク状

パルスなしのマグ・ミグ溶接においても、溶接電流

態はベース電流によって支配され、ベース電流によるを臨海電流値以上に設定すると、安定した溶滴のスプ

溶滴のスプレー移行化が困難な小電流域での使用は不レー移行を実現することができる。しかし臨界電流近適切である。

アーク溶接技術発展の系統化調査461

表 3.22

溶滴移行形態の比較

源の構成は図 3.144 のようであり、パルス電流を出力するパルス電源回路、ベース電流を出力するベース電源回路およびパルス電流の供給を制御するスイッチン
グ素子（IGBT：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などから構成される。

表 3.23

パルスモードの特性比較

図 3.144

矩形波パルス溶接電源の構成

通常の溶接電源に用いられる直流リアクタの形状は
図 3.145（a）のようであり、I 形断面の棒状コアが用いられる。しかし矩形波パルス溶接電源では、（b）に示すような外鉄形コアを採用し、直流リアクタ Lpと Lb の結合が良好となるようにしている。Lp と Lbとの結合が極めて良好であると、パルス期間からベース期間へ移行する際には、Lp に蓄えられた全てのエ
ネルギーが Lb へ変換される。またベース期間からパルス期間へ移行する際にも、Lb に蓄えられたエネル
ギーは全て Lp へ変換される。そして、いずれのリア
大電流パルス溶接ではパルスに同期した規則的な溶滴移行は得られないが、アーク長を短くしても短絡をクタにおいてもアンペア・ターン（電流×コイルの巻数）は等しくなる。

生じにくいアーク状態が得られるため、狭開先溶接や厚板の深溶込み溶接などに適用されている。しかし、溶融金属の粘性が低いアルミニウムの溶接に大電流パルス溶接を適用するとアーク圧力が強過ぎるため、微小なスパッタが多発してビード周辺部に付着しやす
く、アルミニウムやその合金の溶接への適用は好ましくない。また大電流パルス溶接のワイヤ溶融量はシナージックパルス溶接に比べて少なく、得られる溶込みは深く、ワイヤの種類や銘柄などによってパルスパ

図 3.145

直流リアクタの形状比較

ラメータが受ける影響も少ない。
よって、パルス電源回路のリアクタ Lp のコイル巻（2）矩形波パルス溶接

き数を Np、ベース電源回路のリアクタ Lb のコイル

溶接電源へのインバータ制御方式の導入によってパルス電流波形は急峻化され、アーク特性の改善に大きの移行直後の電流 Ip' は、ベース電流 Ib からく寄与してきた。しかしインバータ制御溶接電源のパ

Ip'=（Nb/Np）× Ib

ルス電流波形は基本的に台形波で、パルス電流の増まで急激に増加し、その後は緩やかに増大して所定

加・減少時に多少の傾斜を持つ。このようなパルス電のパルス電流 Ip に到達する。またパルス期間から流の傾斜をなくし、ほぼ矩形波状のパルス電流波形がベース期間へ移行直後の電流 Ib’ は、パルス電流・Ip得られるようにした溶接電源（矩形波パルス溶接電から源）が 1998（平成 10）年に開発されている。溶接電462

巻き数を Nb とすれば、ベース期間からパルス期間へ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

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Ib'=（Np/Nb）× Ip

まで急激に低下し、その後は緩やかに減少して所定発生する短絡の継続時間の平均値（平均短絡時間）ののベース電流・Ib に到達する。以上のようにして得間には図 3.146 に示すような関係があり、平均アーク

られるパルス電流波形は表 3.24 のようであり、ほぼ電圧の低下に伴って平均短絡時間は増加する。ワイヤ

矩形波状のパルス波形を示す。パルス電流波形が台形

送給速度が変化すると短絡の発生が認められなくなる状となる標準パルス溶接の場合と比較して、矩形波パ

平均アーク電圧は変化するが、上記の傾向は同様で、ルス溶接電源で得られるパルス電流の変化は極めて急

平均アーク電圧の低下とともに平均短絡時間はほぼ一峻である。

定の比率で増加する。そこで、常時ごく短時間の短絡（微小短絡）が規則的に発生するようなアーク状態で
表 3.24パルス電流波形の比較得られる平均短絡時間を目標値として、図 3.147 に示すように出力電圧の設定を制御する。すなわち、アー
ク電圧が低く平均短絡時間が目標値より長い場合には出力電圧の設定値を増加させ、アーク電圧が高く短絡が発生しない、あるいは平均短絡時間が目標値より短い場合には出力電圧の設定値を減少させる。このように出力電圧の設定を変化させれば、アーク電圧がどのような値に設定されていたとしても、その値を自動的に適切な値に補正することができる。すなわち短絡の発生状況をセンサとして、アーク電圧の自動設定制御を行うことができる。このような出力電圧の制御方法

アークスポット溶接を用いて、マグ（パルスなし）

は 1996（平成 8）年に開発された。

溶接、標準パルスマグ溶接および矩形波パルスマグ溶
接の溶込みを比較すると表 3.25 のようである。溶込
みはマグ溶接の場合に最も少なく、標準パルスマグ溶
接では比較的深い溶込みを得ることができる。しかし、溶接時間 1.5 秒の結果に着目すると、矩形波パル
スマグ溶接では母材に貫通孔が形成されるが、標準パ
ルスマグ溶接では溶融池金属の半分程度が残存している。急峻なパルス電流波形を用いる矩形波パルスマグ
溶接では、その急激な電流変化に伴うアーク圧力の増加が著しく、その圧力増加が深い溶込みを形成する要因となっているものと推察される。
表 3.25 アークスポット溶接における溶込み深さの比較

図 3.146

アーク電圧と平均短絡時間の関係

図 3.147

適正アーク電圧の自動設定方法

上記アーク電圧の自動設定制御方法をブロック図で示すと図 3.148 のようであり、まずパルス周期ごとに発生する短絡時間を移動平均して求めた平均短絡時間（3）適正アーク電圧の自動設定制御
パルスマグ溶接における平均アーク電圧とその時に（Ts）と所定の基準短絡時間（Tj）を比較する。そして Ts の値が Tj より小さい場合にはアーク電圧が高アーク溶接技術発展の系統化調査463

いと判定して、所定量増加させたベース時間（Tb）（4）低周波パルス重畳制御を新しい Tb として出力制御回路へ指令する。反対

パルスマグ・ミグ溶接の溶接作業性の向上などを目に、Ts の値が Tj より大きい場合はアーク電圧が低い

的として、2 種類のパルス波形を数 Hz 程度で交互にと判定して、所定量減少させた Tb を出力制御回路へ切り替える低周波パルス重畳制御が 1990（平成 2）年指令する。ただし、強い外乱などによって短絡の開放に 開 発 さ れ て い る。 低 周 波 パ ル ス 重 畳 制 御 は、 図に長い時間を必要とする異常短絡などが発生すると、3.150 に示すように、溶融池を形成して所定のビード

Ts の値は一挙に増大して極めて大きい操作量が必要

幅と溶け込みを確保するために供給される大きいパルとなり、制御の安定性を阻害することとなる。そのたス電流（パルスⅠ）を通電する期間と、溶融池の冷却め Ts の値には上限値（TsMAX）を設け、異常に大を促進するために供給される比較的小さいパルス電流

きい Ts の値が入力されたとしても、TsMAX 以上の（パルスⅡ）を通電する期間とを、所定の周期で交互

値は出力しないようにして制御の安定化を図っていに繰り返す溶接法である。

る。

図 3.148

適正アーク電圧の自動設定制御

アーク電圧自動設定制御の効果を示すと図 3.149 の図 3.150 低周波パルス重畳パルスによる溶融池の制御ようである。初期アーク電圧が適正アーク電圧± 3V

アルミニウム合金に対する低周波パルス重畳制御の程度の範囲内に設定されていれば、初期設定がいずれ効果の一例を示すと表 3.26 のようである。一般に溶の値であっても、自動設定制御によってアーク電圧は液中に存在するガスの浮上速度は、飲料中に含まれた

自動的に適正値へ補正されている。また、溶接電流や炭酸ガスの気泡のように、溶液に適度な振動を加える

ワイヤ径が変化してもこの制御は有効であり、ワイヤ

ことによって速くなる。すなわち 2 種類のパルス電流

径 1.2mm ワイヤにおいても、ワイヤ径 1.6mm ワイヤの切替え動作によって、溶融池内の溶融金属には振動においても、アーク電圧は広範囲な溶接電流域で適正が発生し、溶融金属中に内包された気泡の浮上速度を値へ自動的かつ比較的短時間で収束している。

増加させることができる。パルスミグ溶接では、溶融
池金属の振動が少なく、大径かつ多数のブローホールが発生している。しかし低周波パルス重畳パルスミグ
溶接では、溶融池金属の活発な振動が内包ガスの浮上を促進し、ブローホールの発生は激減する。なお、低周波パルス重畳パルスミグ溶接でもブローホールが少し発生しているが、これはブローホールに大きく影響する水素（H2）をシールドガスに微量添加したためである。このような低周波パルス重畳パルスミグ溶接で生じる溶融池金属の振動は、表 3.27 に示すように、結晶粒の微細化にも効果があり、低周波パルスの周波

図 3.149

適正アーク電圧の自動設定結果

数を増加させるほど微細な結晶粒が得られる。アルミ
ニウムやその合金の溶接では、一般に、結晶粒が微細化するほど耐割れ性が向上する。その他、低周波パル

464

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchス重畳パルスミグ溶接には母材への入熱制御効果や

亜 鉛 め っ き 鋼 板 の 重 ね す み 肉 溶 接 な ど で は、 図

ビード波の明瞭化効果がある。その一例を示すと図3.152 に示すような気孔を発生することが多い。アー3.151 のようであり、（a）は板厚差が大きく、穴あき

ク熱によって溶融、気化したルート部近傍の亜鉛は大が生じやすいバンパー部品への適用、（b）は美麗な気中への逃げ道を失うと、侵入が比較的容易な溶融池

ビード外観が要求されるオートバイ・フレームへの適金属に入り、溶融池金属の凝固時までにその表面まで

用例である

43）

浮上できなかった亜鉛ガスが取り残されて気孔とな。

る。この場合にも、低周波パルス重畳制御による溶融
表 3.26 低周波パルス重畳によるブローホールの低減

43）

池振動によって生じる、溶融金属中の気泡の浮上速度増加作用を利用することができる。図 3.153 はその効果の一例を示したもので、母材へ機械的な振動を与えながら溶接した場合の結果と比較している。母材振動を加えないで溶接した場合には、溶接長 100mm 当た
り 30 個程度のブローホールが発生する。しかし母材を振動させると、ブローホールはその振動周波数の増加とともに減少する。振動周波数が 30Hz を超えるとブローホールの発生は完全に抑制され、振動による溶
融池金属中の気泡の浮上速度増加作用の効果は顕著である。しかし実ワークの溶接では、母材を振動させる
ことはほぼ不可能である。そのため低周波パルス重畳制御によるアーク圧力の変化を利用して溶融池に振動を加えると、低周波パルス重畳周波数が 20～50Hz の

表 3.27低周波パルス重畳による結晶粒の微細化

43）

範囲でブローホールの発生は抑制され、その周波数が50Hz を超えるとブローホールは再び増加する傾向を示す。母材振動および低周波パルス重畳制御いずれにおいても、周波数が 30～40Hz 程度の領域で顕著なブ
ローホール抑制効果が認められる。この周波数帯域は
溶融池金属の共振周波数に近く、溶融池金属に加えられる振動が大きくなるためである 44）。

図 3.152

図 3.151

低周波パルス重畳パルスミグ溶接の適用例

図 3.153

重ねすみ肉溶接における気孔

低周波パルス重畳パルスマグ溶接の効果 44）

アーク溶接技術発展の系統化調査465

3.7.6交流パルスミグ溶接の一例を示すと表 3.28 のようである。一般にアルミ（1）交流パルス溶接

ニウムやその合金の溶接では、溶接性を考慮してシー

交流パルス溶接は 1991（平成 3）年に開発された、ルド性良好な専用のミグ溶接トーチを用いる。しかDCEN 極性におけるワイヤ溶融量増加を活用した溶

し、この溶接では汎用マグ溶接トーチを用いたため、接方法である。図 3.154 に示すように、直流パルス溶

直流パルスミグ溶接ではビード表面に多量のスマット

接におけるベース期間中に、ベース電流（Ib）と同一（母材に含まれた Mg に起因して発生する黒い粉末状の値で極性のみを DCEN とした電流（IEN）を通電の物質）が付着して、美麗な外観は得られない。とこす る。DCEP 極 性 の パ ル ス 電 流（Ip） と そ の 期 間ろが交流パルスミグ溶接では、いずれのパルス条件に（Tp）は、それぞれ直流パルス溶接におけるパルス電

おいても、金属光沢のある美麗なビード外観が得ら流（Ip）およびパルス期間（Tp）と同様の値である。

れ、ビード近傍へのスマットの付着は全く認められない。また交流パルスミグ溶接のビード断面形状は、パルス条件によって多少変化するが、直流パルスミグ溶
接に比べ、いずれの場合も溶込みが浅く、ビード幅が狭く、余盛の高い形状を呈する。交流パルスミグ溶接の溶接金属組織を観察すると、直流パルスミグ溶接に比べて結晶粒が微細化されている。上記表 3.28 の結果と合わせて考えると、交流パルスミグ溶接における母材への入熱は直流パルスミグ溶接より相当低減され

図 3.154

交流パルス溶接の電流波形

交流パルスミグ溶接の溶滴移行形態は図 3.155 のよたものになっていると推察される。
表 3.28

ビード外観および断面マクロの比較うであり、EP 極性の大電流によってワイヤ端に形成された溶滴には電磁ピンチ力によるくびれが発生し（②コマ目）、溶滴は大電流の通電が終了する時点でワイヤ端から離脱する（③コマ目）。EP 極性から EN 極性への移行時にいったん消弧したアークは、EN 極性への移行とともに再点弧し、EN 極性の小電流によってアークは維持される（④コマ目）。そして時間の経過に伴って、ワイヤ先端に形成される溶滴径は大きくなり（⑤、⑥コマ目）、次の EP 極性の大電流が通電される期間へ移行する（①コマ目）。すなわち交流パ
ルスミグ溶接では、EP 極性のパルス電流に同期して1 個の溶滴がワイヤ端から離脱して溶融池へ移行する、“1 サイクル 1 溶滴移行”を規則的に繰り返す。
交流パルスミグ溶接のビード外観および断面マクロ（2）交流 / 直流複合パルス溶接
交流パルス溶接の適正パルス条件（パルス電流 Ip
およびその幅 Tp）は図 3.156 のようである。
“1 サイ
クル 1 溶滴移行”を実現できる適正パルス条件領域
は、細部については多少異なるものの、規則的な 1 パ
ルス 1 溶滴移行が得られる直流パルス溶接の適正パル
ス条件領域（図中破線で示す）と大部分が一致する。
したがって、図 3.157 に示すように、パルス波形（Ipおよび Tp）を同一とし、溶接期間中に直流パルスと交流パルスを交互に切り替える交流 / 直流複合パルス
溶接においても、規則的な溶滴移行を安定して行うことができる。直流パルス期間ではパルス周期に同期し

図 3.155466

交流パルスミグ溶接の溶滴移行現象

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た 1 パルス 1 溶滴移行が、交流パルス期間では交流周期に同期した 1 サイクル 1 溶滴移行が規則的に行われるにしたがってビード幅と溶込み深さが減少し、余盛る。ただし EN 極性電流の作用で、交流パルス期間で高さが増加する。なお交流時間比率 25～75％の縦断のアーク長はやや長くなり、移行溶滴径も直流パルス

面マクロで生じている溶込み深さの変動は、交流 / 直の場合より多少大きくなる。

流切り替え周波数に起因したものである。
本節（3.7 節）で述べた主なパルスマグ・ミグ溶接の電流波形とその特徴を整理すると表 3.30 のようである。標準直流パルス溶接はパルス電流で溶滴移行を制御することが主目的で、パルス周期に同期した規則的な 1 パルス 1 溶滴移行が行われ、広範囲な電流域でスパッタの発生がほとんどない溶接を行うことができる。標準交流パルス溶接は、主にアルミニウムおよびその合金のミグ溶接に適用され、標準直流パルス溶接と同様に、溶滴移行を制御して交流周期に同期した規則的な 1 サイクル 1 溶滴移行を実現する。また EN 極性電流の効果で、ワイヤ溶融速度を増加させて母材へ

図 3.156

適正パルス波形条件の比較の入熱量を低減する作用もある。
表 3.30

図 3.157

 なパルスマグ・ミグ溶接の電流波形とその主
特徴・効果

交流 / 直流複合パルスミグ溶接

交流 / 直流複合パルス溶接では、交流パルス期間の比率（交流時間比率 = 交流パルス期間 /〔交流パルス
期間 + 直流パルス期間〕）を変化させることによって、ビード形状を制御することが可能となる。その一例を

低周波パルス重畳制御は、直流パルス溶接および交示すと表 3.29 のようであり、交流時間比率が増加す

流パルス溶接のいずれにも用いられる。低周波パルス

表 3.29

溶込み形状におよぼす交流時間比率の影響

重畳直流パルス溶接では溶滴移行と溶融池の制御を同時に行い、溶接欠陥の抑制あるいは明瞭なビード波の形成などに効果がある。低周波パルス重畳交流パルス
溶接も溶滴移行と溶融池の制御に有効であるが、その他に、母材への入熱を制御して溶接ビードの溶落ちを防止するといった効果もある。交流 / 直流複合パルス
溶接は、溶滴移行の制御はもちろんのこと、溶融池や母材への入熱の制御に重点を置いた出力制御方法である。交流パルスと直流パルスの通電時間比率を変化させることによって、ビード形状や溶込み深さを広範囲に制御することが可能で、より明瞭なビード波の形成にも極めて有効な手法である。低周波パルス重畳交流
パルスミグ溶接の一例を図 3.158（a）に、交流 / 直流
複合パルスミグ溶接のアルミニウム合金部材の突合せ

アーク溶接技術発展の系統化調査467

継手への適用例を同図（b）に示す。
（a）は比較的

入ってからであり、日立製作所やオリジン電気などがギャップが生じやすいアルミニウム合金の角パイプとプラズマ溶接機を製品化した 5）。

丸パイプとのすみ肉溶接であるが、溶落ちなどの発生はなく、明瞭なビード波を持つ美麗なビード外観が得（1）プラズマアーク溶接の特性られている。また（b）では、ミグ溶接であるにも拘プラズマアークは、ノズル電極およびプラズマガス

らず、ティグ溶接のビード外観に近いビード波が得らの冷却作用（熱的ピンチまたはサーマルピンチ効果）れている。

によって細く絞られ、表 3.31 に示すように、その拡がりが少ないくさび形の形状となる。そのため電流密度は著しく高められ、極めて高温で集中性・直進性に富むアーク状態が得られる。ティグ溶接に比べ、幅が狭く溶け込みの深い溶接部が得られ、アーク長（スタンドオフ : ノズル電極 ‐ 母材間距離）が変化しても溶け込み深さはそれほど変化しない。
表 3.31

図 3.158

ティグとプラズマの特性比較

交流パルスミグ溶接の適用例

3.8 その他のアーク溶接
3.8.1

プラズマアーク溶接

プラズマアークは、ノズル電極内部で発生させたアークによって加熱・膨張した周囲の高温ガスを、小口径ノズルから高速で噴出させて得られるもので、中心部の温度が 30,000K 程度に達する超高温の現象であプラズマを発生させるためのプラズマガス（作動ガる。プラズマアークに関する研究は 1950 年代半ばかス）には、一般にアルゴン（Ar）を用いる。しかし、ら行われ、1955（昭和 30）年にはプラズマ切断が開その外周部を覆うシールドガスには、表 3.32 に示す

発 さ れ て い る。 そ の 後 も 研 究 を 続 け た 米・ リ ン デ

ように、材質に応じて異なった組成のガスが用いられ（Linde）社では、1957（昭和 32）年にジュアンニニ

る。シールドガスに水素（H2）などの 2 原子ガスをがプラズマアーク溶接を発明した。なお、このプラズ

少量添加すると、その分子が高温のアークによって原

マアーク溶接法がわが国に紹介されたのは 1963（昭子に解離する際にアーク柱から熱を奪い、その熱的ピ

和 38）年になってからであった

ンチ効果によってアークは収縮する。ステンレス鋼な

わが国では、大阪大学・岡田実教授の指導で開発を

ど水素の添加が可能な材料では、Ar+5～10%H2 混合

始めた大阪電気が、1958（昭和 33）年に図 3.159 に示ガスをシールドガスとして使用することによって、よすようなプラズマジェット（非移行式プラズマ）装置を製品化し、切断に適用している。しかし、プラズマ
アークの溶接への適用が始まったのは 1970 年代に

図 3.159468

プラズマジェット装置 5）

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Vol.23 2016. March

表 3.32

プラズマ溶接のシールドガス

り集中性に優れたアーク状態が得られ、プラズマ溶接

テン電極とノズル電極との間に発生したアークと、ノの特徴を最大限に活用できる。しかしチタン（Ti）やズル電極と母材との間に発生したアークが直列に発生銅（Cu）などでは、水素がわずかに混入しても溶接する。シリーズアークが発生すると、アークの集中性部に悪影響を与えるため、水素が添加されたガスを使は損なわれ、極端な場合にはノズルが焼損する。

用することはできない。このような材質の場合には
Ar の み と す る か、 ヘ リ ウ ム（He） を 添 加 し た
Ar+He 混合ガスを用いる。ヘリウムの添加によってアークの集中性は向上するが、その効果は水素より弱いため、ヘリウムを用いる場合にはその添加量を多くすることが必要となる。
比較的大電流のプラズマアーク溶接では、細く絞られたプラズマアークが母材を局部的に加熱するとともに、細径ノズルから高速で噴出するプラズマガスが溶
融池金属を強く押し下げる。そのため、溶融池先端部
図 3.161には図 3.160 に示すような小さい丸穴（キーホール）

シリーズアークが形成される。キーホールの先端は溶接の進行にともプラズマアーク溶接の主な適用例を図 3.162 に示なって母材を溶融しながら進むが、溶融金属は溶融池す。近年では薄板部材への適用が多く、ステンレス鋼

壁面に沿って後方へ移動してキーホールの後方をふさ製の日用品や自動車・二輪部品などの溶接に多用され

ぐため、キーホールの形状はほぼ一定に保たれる。こている。

のような溶接方法を“キーホール溶接”と呼び、裏波ビードを安定して形成できるプラズマ溶接の最も特徴的な手法となっている。キーホール溶接を用いると、軟鋼・低合金鋼では板厚 3～7mmt、ステンレス鋼では 3～10mmt の鋼板の突合わせ継手を、開先加工なしで裏波溶接することができる。

図 3.162

プラズマ溶接の適用例（2）プラズマ溶接機
プラズマ溶接機は、一般に溶接電源、溶接トーチ、
手元操作箱、冷却水循環装置などから構成され、図3.163 のように接続される。溶接電源の構成は直流電
図 3.160

キーホール溶接源部と制御回路部に大別され、制御回路部には高周波高電圧発生回路、パイロットアーク発生回路、シーケ

プラズマアークはノズル電極の穴径を小さくするほンス制御回路、プラズマおよびシールドガス制御回路

ど細く絞られ、アークの硬直性・集中性は増加する。

などが含まれる。直流電源の出力特性は、ティグ溶接

しかし、その穴径をむやみに小さくすることはできな電源などと同様に、定電流特性であり、棒マイナス

い。ノズル電極の穴径に対して溶接電流が過大になる（EN）極性のアークを発生させる。しかしその定格負と、図 3.161 に示すように、“シリーズアーク（ダブ

荷電圧は高く、ティグ溶接電源の 1.5～2 倍の電圧がルアーク）”が発生する。シリーズアークは、大電流得られるように設計されている。なお、従来のプラズによって過熱されたノズル電極の外周部に酸化皮膜がマ溶接機では直流電源部と制御回路部が分離され、そ形成されることが原因で発生する現象である。シリー

れぞれ別のケースにまとめられていたが、最近では両ズアークが生じるとメインアークは消失し、タングス

者を一体化したものがほとんどである。また出力の制アーク溶接技術発展の系統化調査469

御方式も、ほとんどがインバータ制御（後述 4.5 節参がって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接照）となっている。溶接トーチには通電、プラズマおや薄板の高速溶接などに使用されている。

よびシールドガスの流出、冷却水の流入・流出などが（b）ホットワイヤ・プラズマ溶接要求されるため、その構造はかなり複雑なものとなる。

溶加材（ワイヤ）添加量の増大を目的として、1975（昭和 50）年にわが国で開発された溶接法である。図3.165 に示すように、通電加熱したワイヤをプラズマ
アーク中に自動送給し、溶融したワイヤを溶融池へ添加する。溶加ワイヤは通電加熱とプラズマアークによって溶融され、流れるように溶融池へ移行する。通電加熱しない場合（コールドワイヤ）に比べ、溶着速
度は 2～3 倍になる 46）。

図 3.163

プラズマ溶接機の構成（3）プラズマアーク溶接の展開（a）プラズマ・ミグ溶接
プラズマ溶接とミグ溶接が一体化された溶接法で、1972（昭和 47）年にオランダのフィリップス社が開発した比較的古い溶接法である 45）。しかしトーチが受ける過大な熱負荷など、実用上の諸問題によって長い間実用化されることはなかった。その後、諸問題に

図 3.165

ホットワイヤ・プラズマ溶接 46）（c）逆極性（DCEP）プラズマ溶接

対する種々な工夫がなされ、近年では再び注目される

逆極性プラズマ溶接は、1978（昭和 53）年にわがようになってきた。図 3.164 は溶接装置の構成を示す

国で開発された溶接法である。図 3.166 に示すよう一例で、通常のプラズマアーク溶接と同様にタングスに、タングステン電極の代わりに水冷銅電極を用い、テン電極と母材との間に発生させたプラズマアーク中

その電極をプラス（EP）極性とする。またクリーニに、ワイヤを供給してミグアークも同時に発生させング幅の制御を目的として、シールドガスに微量の酸る。すなわちミグアークは、プラズマアークに包まれ素（O2）を添加した Ar+O2 混合ガスを用いる。電極た状態で発生し、純アルゴン（100%Ar）シールドでプラス（EP）極性の効果で、母材はクリーニング作も安定したアーク状態を実現できる。ワイヤはミグ用を受けるが、溶込みは浅いため、肉盛溶接などに適アークを発生させる電極として機能するとともに、そ用される 47）。

の先端が溶融して溶着金属の形成に寄与する。した

図 3.166

逆極性（DCEP）プラズマ溶接 47）（d）パルス・プラズマ溶接
図 3.164470

プラズマ・ミグ溶接

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

プラズマ溶接は溶接条件パラメータに対して敏感で、適正な溶接結果が得られる条件範囲は比較的狭と極性を制御する 2 次側インバータの 2 つのインバーい。特にキーホール溶接では、プラズマアークの圧タ回路を持つ構成となっている 49）。

力、溶融池の重力および表面張力などの力のバランス（f）セミ・プラズマ溶接

を一定に保ちながら溶接が進行するため、その傾向はプラズマ溶接では、一般に、プラズマガスに Ar を、より一層顕著となる。このような問題を解決するため

シールドガスに Ar+H2 を用いる。しかし、1995（平に、わが国で 1983（昭和 58）年に開発された溶接法

成 7）年に開発されたセミ・プラズマ溶接では、図がパルス・プラズマ溶接である。図 3.167 に示すよう3.169 に示すように、プラズマガスに Ar+H2 を、シーに、大電流期間と小電流期間とを所定の周期で交互にルドガスに Ar を用い、プラズマガス中の H2 の解離

繰り返すパルス・プラズマ溶接では、母材（溶融池）

熱を利用してアークを狭窄する。セミ・プラズマ溶接に対する入熱制御作用などを利用することによって、でのアークは、プラズマ溶接の場合ほど細くは絞られ

適正キーホール領域を拡大することができる。なおパ

ないが、ティグアークとプラズマアークの中間的なく

ルス周波数が 20～50Hz の領域では、溶融池の共振現

さび形の形状となる。亜鉛めっき鋼板の溶接に通常の象の影響を受け、適正キーホール領域は狭くなる。パプラズマアーク溶接を適用すると、アーク熱によってルス周波数が 10Hz 程度以下の低周波パルス溶接で気化した亜鉛蒸気がノズル電極やタングステン電極には、パルス期間中にキーホールを形成し、ベース期間付着する。そしてノズル電極やタングスタン電極の異中にその凝固を促進する“1 パルス 1 キーホール溶接”

常消耗、あるいはアーク起動不良などを発生しやすくとすることによって、水平固定管の全姿勢キーホールなる。しかしセミ・プラズマ溶接では、インナーノズ

溶接を行うことも可能となる

48）

ル内を流れる高速のプラズマガスがセラミックノズル。

内への亜鉛蒸気の侵入を阻止し、亜鉛めっき鋼板の溶接を長時間実施しても、インナーノズルやタングステ
ン電極の損傷、アーク起動不良などの不具合をほとん
ど生じない。その他セミ・プラズマ溶接は、変圧器の鉄心として用いられるケイ素鋼板の溶接、モータ用ス
テータコアの溶接などにも効果がある 50）。

図 3.167

パルス・プラズマ溶接 48）（e）交流プラズマ溶接
アルミニウムなどのキーホール溶接を目的として、
1987（昭和 62）年にわが国で開発された溶接法である。図 3.168 に示すように、電流波形を交流として、EP 極性期間でのクリーニング作用と EN 極性期間での深溶込みの両者を活用する。溶接電源はインバータ制御方式で、出力レベルを制御する 1 次側インバータ

図 3.169

3.8.2

セミプラズマ溶接

セルフシールドアーク溶接

セルフシールドアーク溶接は、1954（昭和 29）年に米国・リンカーン社が開発した溶接法で、ノーガス
アーク溶接またはインナーシールドアーク溶接と呼ばれることもある。この溶接法では、シールド効果を持った専用のフラックス入りワイヤを使用するため、シールドガスの使用は不要となる。ワイヤに充填されたフラックス中のアルミニウムなどの強脱酸剤や窒化
物形成元素および各種添加成分から発生するガスと、
図 3.168

交流プラズマ溶接49）

溶接ビード上に形成されるスラグに覆われて、溶接金

アーク溶接技術発展の系統化調査471

属 は 大 気 か ら 保 護 さ れ る。 ガ ス 発 生 剤 と し て は、
CaF2 などのフッ化物、CaCO3 などの炭酸塩、Mg な
どの低沸点金属が用いられる。また、これらのシールド作用を突破して溶滴や溶融池へ侵入する窒素（N2）や酸素（O2）に対しては、それらとの親和力の強い
Al・Ti・Si・Mn・Zr などの元素を添加して、N2 やO2 を窒化物や酸化物として固定することによって、窒素や酸素の悪影響を低減できるように工夫されている。
この溶接法が国内で実用化され始めたのは、1960年代初期である。当初は、被覆アーク溶接に用いられる交流垂下特性電源と太径ワイヤ（直径 2.4mm また

図 3.170

3.8.3

セルフシールドアーク溶接機の一例 51）

エレクトロガスアーク溶接

は 3.2㎜）の組合せで、土木・建築・造船分野での溶

米国のホプキンス（R. K. Hopkins）は、1940（昭接に適用された。近年でもこの方法は土木分野などで

和 15）年にエレクトロスラグ溶接を開発した。その適用されているが、適用産業分野は比較的狭い分野に後、ウクライナのパトン研究所とチェコスロバキヤの限定されている。また、直流定電圧特性の電源（通常溶接研究所で改良が加えられ、旧ソ連では 1951（昭のマグ溶接用電源）と細径ワイヤ（直径 1.2mm また

和 26）年以来実施工にエレクトロスラグ溶接が使用

は 1.6mm）を組み合せて使用する方法も開発されてされていた。この溶接法では、図 3.171 に示すように、いる。

溶融したスラグ浴の中に溶接ワイヤを連続的に供給

マグ溶接では、溶接部近傍の風速が 1.2m/sec 程度

し、通電電流によって生じる溶融スラグの抵抗発熱をであっても気孔（ブローホール・ピット）が発生する

利用して母材を溶融する。溶融金属は、表裏面から水恐れがある。しかしセルフシールドアーク溶接では、冷銅当て金で保持して凝固させ、溶接ビードは、溶接

シールドガスで溶接部を被包する必要がないため、風の進行とともに銅当て金を移動させて形成する。わがによる溶接作業への影響は比較的軽微である。また近国へは 1960（昭和 35）年に導入され、主に重電機や年では、風速 8～10m/sec 程度の強風が吹いていて圧力容器などの厚肉円筒構造物の溶接に使用された。

も、健全な溶接継手が得られるワイヤが開発されていエレクトロスラグ溶接は熱効率が極めて高く、厚板をる。そのため本溶接法は屋外作業での使用に適してお立向き姿勢で能率よく 1 パスで溶接できる溶接法であり、建築鉄骨、橋梁、鋼管杭、煙突および海洋構造物る。しかし溶接入熱が大きいため、溶接金属や熱影響などの溶接などに適用されることが多いが、対象鋼種部のじん性劣化を生じやすく、板厚が薄くなると適用

は軟鋼および高張力鋼に限られる。なお、ワイヤに充できないという短所がある。

填されたフラックスの主成分はフッ化物系であるため、他のアーク溶接法に比べて溶接ヒュームの発生量は多い。
セルフシールドアーク溶接機は、図 3.170 に示すよ
うに、溶接電源、ワイヤ送給装置および溶接トーチで構成される。マグ溶接機とほぼ同様の構成であるが、シールドガスボンベやその圧力調整器などは不要である。屋外の現場溶接に用いられることが多いため、近年では、溶接電源にエンジン発電式電源を用いることも多い。一般に、溶込み深さは比較的浅いため、溶接継手の開先には被覆アーク溶接とほぼ同様の形状が用いられる。

図 3.171472

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

エレクトロスラグ溶接

そこでベルギーのアーコス（Arcos）社は、エレク
トロスラグ溶接装置を改良して、1961（昭和 36）年にエレクトロガスアーク溶接を開発した。溶接継手の表面と裏面とを水冷銅板で囲み、立向姿勢で 1 パス溶
接することはエレクトロスラグ溶接と同様であるが、シールドガスを供給してアークを発生させる。すなわ
ち、エレクトロスラグ溶接では抵抗発熱によって母材を溶融するが、エレクトロガスアーク溶接ではアークで母材を溶融する。エレクトロスラグ溶接より溶接入熱を低減できるエレクトロガスアーク溶接は、薄板にも適用できるとともに、溶接金属や熱影響部のじん性劣化を抑制することができる。わが国でも、同年にエレクトロガスアーク溶接装置が開発され、船の側外図 3.172

簡易エレクトロガスアーク溶接装置 52）

図 3.173

厚鋼板のエレクトロガスアーク溶接 53）

板・貯槽タンク・圧力容器などの立向き溶接に適用された 5）。
エレクトロガスアーク溶接は立向き姿勢での溶接が極めて高能率に行えるが、溶接装置の設置には時間を要するため、能率よく適用できる溶接線の長さとしては最も短い場合でも 2m 程度は必要である。また 1 パ
ス溶接が基本であるため、適用板厚は通常 10～35mm程度である。そのため、短尺の溶接線が多い鉄骨・橋梁分野の立向き溶接は、被覆アーク溶接またはマグ溶接に頼っていた。しかし溶接工数低減の要望に対処するために、溶接線が短い（200～500mm）継手用として、図 3.172 に示すような簡易エレクトロガスアーク
溶接装置が開発された。この装置は可搬性が良好で、
セッティングも容易な装置となっている。また専用のフラックス入りワイヤも開発され、橋梁の箱桁ウェブ
や鋼製脚ウェブの現場継手などに適用されている 52）。
なお近年では、厚鋼板へのエレクトロガスアーク溶接の適用に対する要望が強まり、それに対応した溶接装置も開発されている。通常のエレクトロガスアーク溶接が適用できる最大の板厚は 35mm 程度であり、それ以上の板厚になると、溶融金属が継手全体に拡がらず、融合不良などの溶接欠陥が発生する。しかし、
図 3.173 に示すように、溶接トーチをウィービング（搖動）させる機能がある溶接装置を用いると、溶融金属の幅を拡大することができる。市販されているこ

図 3.174の方式の溶接装置には、1 電極タイプと 2 電極タイプ

 レクトロガスアーク溶接による船体外板
エの溶接 53）があり、後者を用いると最大 70mm 程度の板厚まで適用することができる。図 3.174 はその適用を示す一例であり、高剛性が要求されるコンテナ船の上部垂直
外板や縁材の立向き溶接の状況を示している。

3.8.4

アークスタッド溶接

ス タ ッ ド 溶 接 が 実 際 に 使 用 さ れ た の は 1918（ 大正 7）年で、英・ポーツマスの造船所での適用が最初であるといわれている。先端にスタッド（棒状の金属）を挿入し、これを引き上げる電磁コイルを備えた
軽量な溶接工具が使用されたようである。その後、スアーク溶接技術発展の系統化調査473

ティール（L. J. Steel）とマーティン（H. Martin）が、る。接合部はスタッドの全端面にわたって形成され、鉄板にスタッドを溶接する自動溶接機を開発した。一加圧によってスタッドの周囲へ押し出された金属はフ方、米国では 1939（昭和 14）年に、海軍工廠でネルラッシュと呼ばれる。アークスタッド溶接機は、図ソン（T. Nelson）が、航空母艦のメタルデッキに木

3.176 に示すようなスタッド溶接ガン（a）と溶接電源

甲板を留めるために、鋼の丸棒やねじボルトからアー（b）とで構成される。溶融金属はフラッシュとしてクを発生させてスタッド溶接した。これがアークス外周部へ押し出されるため、溶接部を大気から遮蔽す

タッド溶接の最初である。以来、グレゴリ－・インダるシールドガスは不要である。スタッド（c）の先端

スー（Gregory Industry: 現 Nelson Stud部には、適切な溶接金属を得るための種々な脱酸精錬

Welding）社によって研究・開発が進められ、アーク材が塗布・付着されている。フェルール（d）は、主

スタッド溶接は急速に進歩した。

に溶融金属に対する鋳型の役割を果たし、その内部にトリ

わが国では、1956（昭和 31）年に大阪変圧器が、はスタッドの端面全体にアークが発生するようにシー

英国のクロムトン・パーキンソン社と技術提携し、ネ

ルド補助剤も兼ねる導電性物質が充填されている。

ルソン型アークスタッド溶接機を国産化した。また

アークスタッド溶接は、建築鉄骨・橋梁・海洋構造物

1959（昭和 34）年には、松下電器産業がオランダのなどの広範囲な産業分野で適用されており、その一例

フィリップ社と技術提携し、フィリップ型のスタッドを示すと図 3.177 のようである。

溶接機の市販を開始した。このような背景のもと、
1957（昭和 32）年に着工した国立国会図書館の現場

3.8.5

狭開先溶接

工事では、建築として初めてアークスタッド溶接が適開先角度を小さくして開先断面積が少なくなれば、用されている。また 1960（昭和 35）年には、橋梁の溶接時間が短縮されて能率向上や溶接材料の節約が図

鋼桁とコンクリート床板とを合成するジベルへのアーれ、板厚が厚くなるほどその効果は大きくなる。このクスタッド溶接の適用試験が行われ、翌（昭和 35）

ような観点から採用される施工法が狭開先溶接であ

5）

年には豊川橋（東京都）に採用されている 。

る。図 3.178 に示すように、通常、ルート間隔を狭く

アークスタッド溶接は、図 3.175 に示すように、専した I 開先またはそれに近い形状の開先を採用して、用の溶接ガン（スタッド溶接ガン）を使用し、アーク厚板を 1 層 1～2 パス程度で多層アーク溶接する。し熱を利用してスタッドを母材上に溶接する方法であ

かし、垂直に近い開先の壁面および前層ビードの止端

図 3.175

アーク・スタッド溶接
図 3.176

図 3.177474

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

アーク・スタッド溶接

アーク・スタッド溶接機と溶接材料

部を確実に溶融して溶接欠陥を防止することが重要でが重要であるため、溶接法に応じた融合不良防止に対あり、融合不良などを防止するための工夫が必要となする種々な工夫がなされている。

る。
（1）狭開先マグ溶接
1970 年代中頃から数年の間に、種々な狭開先溶接法がファブリケータや溶接機器メーカなどによって次々に開発された。そして、圧力容器・ボイラ・大型
産業機械などの極厚構造物に適用され、狭開先溶接は一大ブームとなった。溶接法としてはマグ溶接、ティグ溶接およびサブマージアーク溶接の 3 種が適用されたが、適用実績は高能率で自動化も容易なマグ溶接が
図 3.178

積層方法の比較

圧倒的に多かった（約 80% を占める）。
マグ溶接を用いた狭開先溶接では、開先側壁の均一

狭開先溶接は、米国のパイプラインの自動溶接で初な融合を確保するために、狭い開先内でアークを効果めて適用された。米国のパイプライン溶接は、それま的に揺動させるための種々な方法が開発されおり、主でハイセルロース系溶接棒による下進溶接で行われてな方法とその概要は次のようである 55）。

いた。しかし短絡移行式マグ溶接の開発が契機となっ①ループナップ法：一定曲率の曲げ癖を付加するて、1959（昭和 34）年にエアコ（Airco）社がエッソことによって、ワイヤを捻転させてアークを揺（Esso）社とバッテル（Battell）記念研究所との共同動させる方法。

研究で、矩形状狭開先を用いる円周自動マグ溶接装置を開発した。しかし、この装置は小径管には適したが、大径管には適さず普及することはなかった。その後 バ ッ テ ル 記 念 研 究 所 は、 シ ー ル ド ガ ス に 50～②回転アーク法：ワイヤに緩いらせん状の曲げ癖を付加してアークを回転させる方法。
③ツイストワイヤ法：より合わせた 2 本のワイヤを用いてアークを回転させる方法。

70%Ar+50～30%CO2 の混合ガスを、ワイヤに直径 0.9④屈曲ワイヤ法：屈曲整形する歯車によってワイ～1.0mm の細径ワイヤを用いる全姿勢狭開先溶接法

ヤを屈曲させてアークを揺動させる方法。

を開発した。この溶接法は 1963（昭和 38）年に、わ⑤波形ワイヤ法：開先の幅方向に連続的な波状のが国へも紹介されている。なお米国のパイプライン溶

曲げ癖をワイヤに付加してアークを揺動させる

接では、その後に CRC 社やプライス（H. C. Price）

方法。

社などによって円周狭開先溶接法が確立され、今日に至るまで主流の溶接法として定着している。
わが国では 1966（昭和 41）年に、三菱重工業長崎⑥高速回転アーク法：偏心させた通電チップの孔を通してワイヤを送給し、トーチを高速回転させてアークに回転動作を与える方法。

造船所が直径 3.2mm の太径ソリッドワイヤを用いて、これらの方法のうち最も多用されたのは、図 3.179

比較的高電流を使用する狭開先マグ溶接法を開発し、に示す、波形ワイヤ法（⑤）と高速回転アーク法（⑥）

ボイラとその配管の下向溶接に適用した。これがわがである。波形ワイヤ法（a）では、ワイヤ送給ローラ

国の狭開先溶接の始まりである。その後 NH・PAWに入る前のワイヤを溶接線直角に塑性変形させ、その法や NOW 法など、鉄骨の現場横向き溶接を対象としワイヤをそのまま溶接トーチに供給する。その結果、た狭開先溶接法が開発されたが、その適用は一部の分

ワイヤの溶融に伴ってアークは左右に搖動し、開先壁野に限られていた。狭開先溶接の研究・開発・実用化の十分な溶融が可能となる。使用する特殊トーチの厚が本格化したのは、1970 年代後半に入ってからであさは 5mm 程度であり、幅約 10mm の開先内にも余裕り、採用された溶接法のほとんどがマグ溶接であっを持って挿入することができる。また、溶接には前述た。サブマージアーク溶接を用いた狭開先溶接が実用した大電流パルスマグ溶接（3.7.5 節（1）参照）を用化されるようになったのは、その数年後（昭和 50 年

い、短いアーク長でも短絡を生じないアーク状態が得。なお狭開先溶接は、マグられるようにしている。そのため、狭い開先内でも溶接、ティグ溶接およびサブマージアーク溶接で採用

アークが開先壁に向かって発生することはなく、溶融されているが、垂直に近い開先の壁面および前層ビー池上に確実に発生する。高速回転アーク法（b）は、ドの止端部を確実に溶融して溶接欠陥を防止すること

高速回転（～120Hz）する電極ノズル先端に設けた通代後半）のことである

54）

アーク溶接技術発展の系統化調査

475

電チップ位置を偏心させることによって、アークは開捻じることによって開先内で揺動する。その結果、タ先内で高速回転し、その回転運動によって開先壁の十ングステン電極の動作に伴って、アークも開先内で左分な溶融を確保する。アークの回転は高速であるた右に揺動し、開先壁の十分な溶融が得られる。

め、開先の左右端で移動速度の差が生じることはな

図 3.181 はパイプの円周継手への適用を示す一例

く、安定した溶け込みが得られる。これら狭開先マグで、（a）には開先形状の例を、（b）には溶接装置に溶接の適用例を図 3.180 に示す。
（a）は波形ワイヤ法用いられる溶接ヘッドを、（c）には狭開先ティグ溶接による板厚 300mm の円筒ボイラ部品の長手突合せ溶による溶接継手の断面マクロを示す 8）。

接、（b）は高速回転アーク法による板厚 235mm のプ
レス部品の円周突合せ溶接である。

図 3.181
図 3.179

主な狭開先マグ溶接法 54）

狭開先ティグ溶接 8）（3）狭開先サブマージアーク溶接
サブマージアーク溶接を用いた狭開先溶接が実用化されるようになったのは、1980 年代前半（昭和 50 年
代後半）のことである。マグ溶接ではアークの搖動（ウィービング）を利用して、開先壁面および前層のビード止端部を確実に溶融させ、溶接欠陥の発生を防止している。しかしサブマージアーク溶接では、太径ワイヤならびにそれに見合った溶接トーチを用いるため、アークを搖動させることが極めて困難である。その た め、 Ｉ 開 先 の ル ー ト 間 隔（ 開 先 間 隔 ） を 12～15mm 程度とし、溶接電流を 600 Ａ程度の大電流として、開先壁面への健全な溶込みを確保する。なお、Ｉ開先では健全な溶込みの確保が困難な場合には、開先

図 3.180

狭開先マグ溶接の適用例

54）

角度が 2～5°程度のＶ開先を用いることもある。
サブマージアーク溶接で発生したスラグが開先壁面（2）狭開先ティグ溶接へ多量に付着・残存すると、次層の溶接で残存したス

狭開先ティグ溶接は、1994（平成 6）年頃に開発さラグを再溶融することができず、スラグ巻込みや融合れた非溶極式アークによる狭開先溶接法である。開先不良などの溶接欠陥が発生する。スラグの剥離は開先

幅 8～15mm 程度の厚板 I 形開先継手を、ティグ溶接

幅が狭くなるほど困難になるため、狭開先溶接ではスを用いて 1 層 1 パス（または 2 パス）で多層溶接する。

ラグの剥離性が極めて大きい問題となる。そのため狭溶接法はティグ溶接であるため、不活性ガス中での溶開先溶接用として、狭い開先角度・狭い開先幅におい接となり、適用材質や溶接姿勢に対する制限がなく、てもスラグの剥離性が良好なフラックスが開発されて高品質な溶接継手が得られる。しかしティグ溶接ではいる。狭開先サブマージアーク溶接の例を図 3.182 に溶加材の添加が必要なため、溶接装置はやや複雑にな示す。開先角度、板厚、継手の重要度および溶接能率

るが、マグ溶接と同様に、開先内でアークを搖動させなどに応じて、1 層 1～3 パスの積層方法が選択される方式が採用されている。少し傾斜させてトーチに取る。

り付けられたタングステン電極は、トーチ軸を左右に

476

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March（2008.8 月），PP.27-30
18）鈴木：最新溶接ハンドブック（増補版），山海堂（1962）
19）安藤他：新版電気溶接機器（上），産報（1967）20）堀他：ワイヤ加熱にパルス電流を用いたホットワイヤ TIG 溶接法の開発，溶接学会論文集 Vol.3（2003），PP. 362-373
21）杉谷：溶接自動化の歴史（8），溶接技術 2005 年
8 月号 , PP. 126-127, 産報出版
図 3.182

狭開先サブマージアーク溶接

22）杉谷：溶接自動化の歴史（9），溶接技術 2005 年
9 月号，PP. 110-111，産報出版

参考文献：1） 浜崎：溶接の歴史と特徴，溶接技術 1994 年 4 月号，PP. 50-56，産報出版
2） 中村：溶接ことはじめ，溶接技術 2000 年 2 月号，
PP. 98-104，産報出版
3） 中 村 春 雄 記 念 ラ イ ブ ラ リ ー： 溶 接 文 献 資 料，
SANPO WEB，産報出版
4） 杉谷：溶接自動化の歴史（2），溶接技術 2005 年
2 月号，PP. 116-117，産報出版
5）溶接五十年史編集委員会：溶接五十年史，産報（1962）
6） 豊原：造船の溶接，溶接技術 2000 年 2 月号，PP.
83-91，産報出版
7） 山本：レールの溶接技術，溶接学会誌 2012 年第8 号，PP. 11-19

23）杉谷：溶接自動化の歴史（11），溶接技術 2005 年
11 月号，PP. 112-114，産報出版24）脇野：大電流 MIG 溶接法の厚板への適用，溶接技術 1978 年 6 月号，PP. 57-69，産報出版25）鈴木：炭酸ガスアーク溶接法，溶接技術 1965 年
5 月号，PP. 49-52，産報出版26）西川：溶接材料に見る 20 世紀，溶接技術 2000 年
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アーク溶接技術発展の系統化調査

477

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Vol.23 2016. March

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4 溶接機・電源の発展経過
前述したように（3.1 節参照）
、わが国でのアーク溶接機が製作し、これが国産溶接機の初めとされてい接の始まりは、1904（明治 37）年の三菱・長崎造船る。そして 1925（大正 14）年には、専業メーカとし所での炭素アークによる鋳鋼品の補修である。その時て大阪電気などが登場して、本格的な溶接機の国産化

は自家発電した直流を、水抵抗を使って溶接用に調整時代が始まった。この当時、欧米ではアークの安定性

し、特別な溶接機は使用していなかったようであるに優れ、電撃の危険性も少ない直流溶接機が多用され（図 4.1 参照）。その後、1915（大正 4）年に長崎造船ていた。しかしわが国では、作業者の器用さと価格面

所がスウェーデンのチェルベルヒ社から、1 台で数人の有利さで交流溶接機が主流であった。

の溶接工が使用できる多人数形の電動発電機式直流溶

その後 1935（昭和 10）年頃には可動コイル形の交接機（出力 40kW）を初めて輸入した（図 4.2 参照）。

流溶接機も開発されているが、溶接電流の粗調整はこれより 4 年遅れて大阪製鎖も、英国のコーシー社か

タップ切替で、微調整はハンドル回転の可動コイルでら無負荷電圧 60V の直流溶接機と 100-110V の交流溶行う複合タイプの交流溶接機であったようである。そ接機を輸入している。この二社に限らず、1917（大して 1953（昭和 28）年頃から、変圧器の絶縁塗料に

正 6）年には川崎造船所が米・リンカーン社製溶接機

シリコン・ワニスが使われるようになり、溶接変圧器を 6 台購入している。また 1919（大正 8）年には伊藤の耐熱性が向上した。その結果、それまでは常識で忠商事が米国のエレクトリックアーク・カッティン

あった溶接電源背面の冷却扇は姿を消し、溶接電源のグ・ ア ン ド・ ウ ェ ル デ ィ ン グ 社（Electric Arc

容量も大容量タイプ（定格出力電流 500A）が一般化

Cutting & Welding Co.）から可動コア形交流溶接機した。その間、遠隔操作で電流調整が可能な操作子を輸入し、それを京都大学でテストした。さらに旧国（1952 年頃）や、感電事故を防止する電撃防止装置

鉄小倉工場では米・ゼネラル・エレクトリック社の直（1956 年頃）なども溶接機の機能を高める付属装置と流溶接機（出力 33kW）を使い、機関車部品の肉盛補して開発されている。マグ溶接の普及に従って、1970

修を行っている。

（昭和 45）年頃より交流溶接機は溶接機の生産量トップの座から後退したが、汎用溶接機としての一定の地
位は保っている。
一 方、 初 期 の 直 流 溶 接 に は、 電 動 発 電 機（MG：Motor Generator）式の溶接電源が多く用いられた。
しかし 1955（昭和 30）年頃に、小型で安価なセレン
整流形溶接電源が市販されるようになると、電動発電
機形溶接電源は姿を消すこととなった。次いで 1959
（昭和 34）年頃より、過負荷に弱いセレン整流形溶接

図 4.1

水抵抗器を用いた溶接施工

電源に替わって、シリコン整流形溶接電源が登場した。その後、1969（昭和 44）年にサイリスタ制御の溶接電源が開発され、マグ溶接の普及に伴ってサイリスタ制御電源の適用は拡大したが、1985（昭和 60）
年頃からはインバータ制御溶接電源に主役の座が移っている。以下に、わが国の主なアーク溶接機の発展経過について述べる。

4.1 萌芽期（1900 年代前期）の溶接機
図 4.2

多人数形溶接機

1917（大正 6）年頃のわが国の交流アーク溶接は、
商用交流電源の出力を抵抗またはリアクタンスを介しこのような輸入機時代の 1922（大正 11）年に、米て調整し、それを溶接電流として供給することによっ

国製をモデルした単式交流アーク溶接機を日本電気熔

て行われていた。また、一般電力用変圧器と同様に、アーク溶接技術発展の系統化調査

479

出力電圧を 80V 程度とした変圧器を用い、これに溶続タップや電圧計・電流計が取り付けられていた。溶接作業者の人数分の直列可変リアクトルを並列に接続

接電流の粗調整はタップ切換でコイルの巻数を変化さ

して溶接電流を得る方法も採用されていた。しかし後せることによって行い、微調整は可動コアによる漏洩者の多人数形方式は共通導線中の電圧降下が大きく、磁束の変化を利用して行う。その後、可動コアのハン

1 つのアークが起動するとすでに起動している他の

ドルの位置が電源の上部蓋から前面下部へ、移動用ハ

アークに影響を与えるため、良好な溶接作業は行えな

ンドルが車輪に、大きさ・重量の軽減、冷却扇の省略、

かったようである。

および無負荷電圧の低減と効率の上昇など多少の変更

第 1 次世界大戦が終了した 1919（大正 8）年頃、ホが行われた。しかし基本的な構成は、1940 年代後半

ルスラグ（C. J. Holslag）が可動コア形交流アーク溶（昭和 20 年代前半）頃までは各社とも全く同じであっ接機を開発した。この溶接機は、伊藤忠によってエレた。

クトリックアーク・カッティング・アンド・ウェル
ディング社からわが国へ輸入され、当時溶接機の研究を進めていた京都大学・岡本赳教授がその溶接機の試
験・調査を行った。また浜野兵次はこの溶接機を参考にして新たに設計し、1922（大正 11）年にわが国初の国産交流アーク溶接電源である“浜野式溶接機”を開発した。浜野に電気溶接の重要性・将来性について教示したのは、久保山少言である。久保山は早くから電気溶接に興味を持ち、容易に入手できなかった文献

図 4.3

初期の国産交流アーク溶接電源 1）を収集し、抵抗溶接機などの設計を試みていた。浜野

当初の直流アーク溶接は、上述した三菱・長崎造船

は久保山からから電気溶接機の興味と将来性を説かれ所を初めとして、直流定電圧電源を用いた多人数形溶るとともに、その設計を譲り受けた。これによって浜接電源を用いて行われていた。その後、輸入機である野の溶接機製作が始められ、わが国のアーク溶接電源

溶接専用の電動発電機駆動の直流定電圧電源へと移っ

国産化の第 1 歩となった。なお浜野は、3～4 名の設ていった。そして 1926（大正 15）年に、日立製作所

計事務所的な形ではあったが、1922（大正 11）年にが国産初の直流アーク溶接電源として、図 4.4 に示す

日本電気熔接機を設立している。しかし日本電気熔接

ような、電動発電機（MG）式の溶接電源を開発した。

機は比較的短期間で消滅し、その後の浜野および久保こ れ は 定 格 出 力 電 流 300A の 垂 下 特 性 電 源 で、 幅山の消息は伝えられていない。

600mm × 奥 行 1,200mm × 高 さ 1,200mm で 質 量 が本格的な溶接機メーカの誕生は、1925（大正 14）

900㎏と極めて大型で重い溶接電源であった。また

年に創立された大阪電気が最初である。続いて、1926

1929（昭和 4）年には、三相誘導電動機、溶接用発電（大正 15）年に日立製作所および東洋電気熔接機が電機、励磁機、調整装置およびリアクタで構成された動発電機（MG）式の直流アーク溶接電源を製作し、ポータブルでコンパクトな多励磁発電機式溶接電源

1927（昭和 2）年には佐藤電気工業所（後の東京電熔（定格出力 200、300、400A）が開発された。この電機）が交流アーク溶接機の生産を開始するなど、アー源では、励磁機回路の可変抵抗を調整して、励磁機か

ク溶接機の国産化が次々に進められた。交流アーク溶らの電流で励磁された溶接用発電機の無負荷電圧を調接機はこれらの専門メーカによって製作・市販され、整する。大阪電気は 1930（昭和 5）年に、この種の直被覆アーク溶接棒の国産化と相まって、わが国の溶接界発展の大きな契機となった。しかし、当時は溶接そのものの啓発がまだ不十分な時代であり、かつアーク
溶接は直流の方が優れているということが通説となっていたため、交流アーク溶接機の普及・拡大には相当苦労したようである。
当時の交流アーク溶接電源の一例を示すと図 4.3 のようである。出力の調整はタップ切替式で、木製の電源ケース（木箱）内には、溶接変圧器、出力調整用タッ
プ、冷却扇が内蔵されていた。また電源正面には、接480

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

図 4.4

国産初の直流アーク溶接電源 1）

流アーク溶接電源としては当時の世界最大容量といわ

うな、電流計付き可動コア形強制空冷交流アーク溶接れた定格出力 600A の電源を製作した。また同年、芝電源の生産を開始した。また 1934（昭和 9）年には、

浦製作所も 7.5kW-300A の電源および 60kW-1000A の電流計なしの汎用電源の市販を開始した。さらに大阪

電動発電機式定電圧溶接電源を自家用として製作して変圧器と三葉製作所も交流アーク溶接電源の生産を開いる。その他、ドイツ・ジーメンス社と提携した富士始した。いずれの溶接電源も漏洩変圧器形のもので、電機製造および米・ウェスティングハウス社と提携し溶接電流の調整は 2～5 段のタップ切換で粗調整を行た三菱電機などが直流アーク溶接機の生産準備を始め

い、可動コアによって微調整を行うものであった。溶るなど、1930（昭和 5）年前後には総合電機メーカの接電源の構造・機能は、全般的に、実用的な汎用機へ

1）アーク溶接機製作への進出が目立った 。

の傾向を示し、計器その他の付属品をなくして、軽量・小型・頑丈でかつ廉価なものとなっていった。な

4.2

お帝国酸素は、タップ切換の組合せのみで溶接電流を開拓期（1900 年代中期）の溶接機調整する方式の電源を販売している。

1931（昭和 6）年の満州事変勃発を契機として、わが国の機械工業は長く続いた恐慌から脱出し、再び急速な発展を開始した。上海事変（1932（昭和 7）年）、
日華事変（1937（昭和 12）年）から第 2 次世界大戦へと進む準備段階的な時代であったが、機械工業のあらゆる分野に需要層を持つアーク溶接機メーカにとっては、発展と普及のための好条件がそろっていた。
アーク溶接の需要増加に伴い、国産アーク溶接機メー
カが次々と誕生した。1933（昭和 8）年の主なアーク溶接機メーカは、日本電気熔接機、大阪電気、東洋電
気熔接機、日立製作所、東京電熔機、芝浦製作所、三

図 4.6

可 動 コ ア 形 強 制 空 冷 交 流 ア ー ク 溶 接 電 源（1931 年）1）

菱電機、富士電機製造、帝国酸素株式会社などの 9 社に達し、翌年には大阪変圧器と三葉製作所も加わっ

この頃の交流アーク溶接電源の無負荷電圧は一般にた。この年大阪電気は、わが国の溶接機生産量の約130～180V で、薄板用の電源では 230V にも及ぶもの

80％を占め、当時の溶接機専門工場としては世界的ながあった。1932（昭和 7）年頃、呉海軍工廠から人命

規 模 と い わ れ た 新 工 場 を 建 設 し た。 ま た 1935（ 昭尊重のために無負荷電圧を下げる電撃防止器開発の指和 10）年には電元社が、1937（昭和 12）年には日本示が出された。それに応えて大阪電気は、図 4.7 に示熔接機材が新たに参入している。1935（昭和 10）年

すような、電撃防止器内蔵の交流アーク溶接電源を開に大阪変圧器が開発した交流アーク溶接電源は図 4.5

発し、今日の電撃防止装置の始まりとなった。なおのようであり、研究用として京都大学・岡本赳教授の1935（昭和 10）年の旧海軍規格では、感電死原因調

実験室に納入された。

査結果に基づいて、交流アーク溶接電源の無負荷電圧を 80V 以下にするという決定がなされている。

図 4.5 研
 究用に納入された交流アーク溶接電源（1935 年）2）

1931（昭和 6）年に日立製作所は、図 4.6 に示すよ

図 4.7

電撃防止装置付き交流アーク溶接電源 1）アーク溶接技術発展の系統化調査

481

1933（昭和 8）年頃から、大阪電気に続いて電元社、1937（昭和 12）年に勃発した日華事変から 1941（昭三葉製作所、日立製作所などの各社が高周波付交流

和 16）～1945（昭和 20）年の第 2 次世界大戦へと続

アーク溶接電源の製作を開始した。この電源は、直流

くこの間のアーク溶接機メーカは、他の産業と同様に比べてアークの安定性に欠ける交流の欠点を補うもに、軍需をいかに消化するかのみの対応に追われていのとして開発され、板厚 1mm 以下の軟鋼の小電流交た。兵器の大量生産が至上命令として各産業に下さ流アーク溶接を可能にした。すなわち高周波電圧を重れ、全ての能力をこれに集中したにも拘らず、未消化畳することによって、交流アークの極性反転時の再点

受注高は生産能力の 4～5 倍にも達した。このアンバ

弧性を向上させ、小電流溶接においてもアークの安定

ランスを埋めるために、大量生産方式と近代的な合理性が向上した。いずれの溶接電源においても、高周波化が要求された。そのため電気溶接機器の需要は飛躍

発生装置は全て溶接電源に内蔵されていた。また三菱

的に伸び、各メーカとも増産と拡充が相次いだ。既存

電機は、ウェスティングハウス社の電源を参考にしたメーカは工場・人員の急激な拡充を図り、アーク溶接

高周波付交流アーク溶接電源を製作した。この電源は機メーカであった日立製作所、大阪変圧器、電元社、

抵抗によって垂下特性を与える方式であったが、高周

三葉製作所および芝浦製作所などは抵抗溶接機の分野

波発生装置の性能が良好で、交流アークの安定性が極にも積極的な進出を見せた。また 1937（昭和 12）年

めて優れていたようである。

には、日本熔接機材が設立された。

黄銅のスタッド溶接は 1933（昭和 8）頃に造船分野

軍需生産期 9 年間の電気溶接機器の需要は、陸軍兵で採用され始めたが、溶接電源には直流電源が採用さ器本部からの工具製造用の溶接機、弾頭用フラッシュれていた。当初は、直流定電圧電源に直流抵抗を付加

溶接機、自動車エンジン・バルブ用アプセット溶接機

した輸入装置がそのまま用いられ、断続的な瞬間負荷など、ほとんどが兵器部品の生産に用いる溶接機器でに耐えられるように、溶接電源には極めて大きい誘導あった。また海軍の艦政本部からは、造船用のアーク電動機駆動電源が用いられていた。この誘導電動機

溶接機器が求められた。しかしその後期になると、陸は、起動してから全速に達するまでに 5 分以上の時間

海軍ともに航空本部が主力となり、航空機製造用の溶を必要としたようである。後日この溶接電源は、京都

接機器に重点が置かれた。ところがこの頃になると、大学・岡本赳教授の研究で、通常の垂下特性アーク溶資材の入手難や人員・設備不足などが徐々に表面化

接電源に置き換えられた。そして 1935（昭和 10）年し、十分な成果が得られなくなっていた。

には、大阪電気によって交流アークスタッド溶接機が製作されている。1937（昭和 12）年になると、大阪変圧器が図 4.8 に示すような全交流アークスタッド溶

4.3 発展期（1900 年代後期）の溶接機

接機（サイクアーク）を開発した。高周波発生装置を1945（昭和 20）年の終戦によって戦時経済は崩壊

含む制御装置は、溶接電源と別箱となっている。さらし、溶接機器工業も再出発しなければならなくなっに 1939（昭和 14）年には、三葉製作所も交流アーク

た。全産業が戦争遂行のための軍需機械の生産に集中

スタッド溶接機の製作を開始し、交流アークスタッドしていたため、各産業分野とも遊休溶接機が多く、戦溶接機は海軍工廠や造船工場向けに多数製作された。

災によって工場設備が破壊された溶接機メーカも少な

その他、芝浦製作所は 1935（昭和 10）年に、わがくなかった。このような情勢下で、やむを得ず農機具

国初の可動コイル形交流アーク溶接電源を開発し、高や電熱器具などを製作して時期を待つという溶接機

能率アーク溶接電源の口火を切っているが、その当時メーカも出現している。戦前は世界最大の生産規模をは普及しなかった。

持っていた大阪電気は、1943（昭和 18）年“会社乗っ取り”の策動に遭遇した。その解決手段として出された軍当局の命令によって、大阪電気は一時預託の形で日本冶金に合併され、日本冶金・住吉工場となったが、1949（昭和 24）には不況のため閉鎖・解散に至った。その一部は、1944（昭和 19）年に設立されていた新しい大阪電気に受け継がれ、溶接機の生産が再開された。また下請工場によって命脈が保たれていた他の部門は、東亜精機として後 1952（昭和 27）年に再

図 4.8 全交流アークスタッド溶接装置（サイクアーク）

1）

482

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

出発することとなる。

1949（昭和 24）年には、日本電気熔接機、東京電熔機および三葉製作所などが、アーク溶接機の本格的な生産を始めた。また電元社も回転形アーク溶接機を製作するなど、各メーカとも再建への活動が進められた。しかし、戦時中の経済的な混乱と停滞の中で、溶接機器の発展は停滞していた。そのため、欧米各国の戦中・戦後を通した急速な発展に比べ、相対的に、わが国の溶接機器の技術水準は大きく遅れることとなった。アメリカ溶接協会・副会長のピアース（H. W.
Pierce）が、キャンベル（R. S. Campbell）賠償調査団の一員として 1947（昭和 22）年に来日し、欧米における最新の溶接状況や新知識（船体のぜい性破壊・

図 4.10可動鉄心形交流アーク溶接電源 1）3）

イナートガスアーク溶接の活用・粉末ガス切断法な圧を低くして入力を低減させ、電源の設置（床）面積ど）について報告した。その時、わが国の溶接技術はも縮小させた。可動コイル形交流アーク溶接電源で欧米に比べて 30 年は遅れているとのコメントがなさは、図 4.11 に示すように、変圧器の二次巻線を固定れた。

して一次巻線を移動させ、一次巻線と二次巻線との間

上述のような混乱した時代であったが、日立製作所の距離を変化させることによって溶接電流を調整す

は 1947（昭和 22）年に、終戦間近に試作していた、る。両者が離れていればリアクタンスが大きくなって

二分割コイル方式の交流アーク溶接電源を製品化し

出力電流は小さくなり、近ければリアクタンスが小さた。1 次（入力側）および 2 次（出力側）コイルをそくなって出力電流は大きくなる。この交流アーク溶接

れぞれ二分割して主鉄心（コア）へ対称にはめ込み、電源は、当時はその理由は不明であったが、優れた

その中央部に回転軸に沿って移動する可動鉄心（コアークの安定性を示した。そこで、大阪大学の安藤弘ア）を設けた。電流調整は、図 4.9 に示すように、可平教授がこの電源についての研究を始め、アークの安動鉄心の移動のみで行うことができる。従来電源に比定と溶接機の標游負荷損との関連を明らかにした。そべ、溶接電流設定時の二重性（粗調整と微調整）を排の研究成果は、その後の溶接機の改善・改良に大きな除し、電力損失を少なくして効率を高め、外形寸法も影響を与えることとなった。なおこのタイプの溶接電小形化した。いわば、現在の可動鉄心形交流アーク溶

源は、他のメーカ数社でも製品化されている。

接電源の原型となった電源である。その外観と内部構造を図 4.10 に示す。
可 動 コ イ ル 形 交 流 ア ー ク 溶 接 電 源 は、1935（ 昭和 10）年に芝浦製作所によってすでに試作されていたが、1950（昭和 25）年に電元社がこれを改良した電源を開発した。電源の構造を外鉄形とし、漂游負荷損を低減させて効率の向上を図るとともに、無負荷電図 4.11可動コイル形交流アーク溶接電源 1）3）

1953（昭和 28）年に東芝は、同社で国産化したシリコン・ワニスを可動コイル形交流アーク溶接電源の絶縁に使用し、わが国初の H 種絶縁溶接電源を完成した。翌 1954（昭和 29）年から 1955（昭和 30）年にかけて、日立製作所および大阪電気も二分割コイル方式で H 種絶縁を採用し、空冷（自冷）方式とすることによって冷却扇の使用を廃止した。その一例を図
図 4.9

可動鉄心形アーク溶接電源の原理

4.12 に示す。これによって電源の大幅な小形化とコス

アーク溶接技術発展の系統化調査483

トダウンが実現し、その後この方式と構造は全メーカることが可能となる。造船などの大型構造物では、溶に及び、今日の交流アーク溶接電源の基礎となった。

接を行う場所と溶接電源の設置場所とは相当離れている。そのため電源の前面パネルに設けられた電流調整
ハンドルを操作して溶接電流の微調整を行うには、2人作業とするなど、極めて手間のかかる作業となっていた。遠隔操作装置はこのような問題を解決するために開発されたものである。溶接棒と母材との間に遠隔操作子を挿入すると、溶接電源に取り付けられたモータが可動鉄心の移動軸を駆動して、溶接電流を増減する。

図 4.12空冷式可動鉄心形交流アーク溶接電源 1）1949（昭和 24）年には、日本経済安定策としての
ドッジ - ラインが示され、戦後恐慌といわれた一時的な不景気をもたらした。しかし、1950（昭和 25）年に勃発した朝鮮動乱とそれに伴う特需の増大によって、溶接機器工業の本格的な進展が始まった。さらに
同年には外資導入法が公布施行され、外国技術の導入も開始できるようになった。また、科学技術者の自主

図 4.13可動鉄心形溶接電源の遠隔操作的な海外渡航も復活した。1952（昭和 27）年には企業合理化促進法が成立施行され、研究開発の援助・重戦後になって始められたセレン整流器の国産化が達

要産業近代化・機械設備などの特別償却・産業関連施成されると、そのアーク溶接電源への適用研究が始設の整備なども行われた。これらのてこ入れ策と海外まった。そして 1951（昭和 26）年には電元社が、図からの新技術導入によって、各産業分野の生産設備更4.14 に示すような、国産初の可動鉄心形整流器式直流

新と新増設が始まり、溶接機の市場も拡大して、復活

アーク溶接電源を完成させ、直流アーク溶接電源の先と発展のための好条件が整った。そして、交流アーク

駆的な役割を果たした。

溶接機の生産は、1950（昭和 25）年の年間 894 台に対し、1954（昭和 29）には約 5 倍の 4,625 台に急上昇した。この生産規模は、1954（昭和 29）のデフレになっても減少することはなかった。
1952（昭和 27）年には日本冶金の溶接機部門として東亜精機が設立され、国産化第 1 号のアルゴン・アーク溶接機（3.4.1 項図 3.51 参照）を発表した。電元社および大阪変圧器も、同年にアルゴン・アーク溶接機を完成させ、その後多数のメーカが加わってティ
グ溶接機は急速に普及した。
1954（昭和 29）には三芝電気商会が設立され、図4.13 に示すような、可動鉄心形交流アーク溶接電源用の遠隔操作装置が製作された。そして 1954（昭和 29）
年には、無線式遠隔操作装置（電子管式）を開発した。
これらの装置を用いると、溶接棒と母材との間に遠隔操作子を挿入することによって、溶接電流を増減させ484

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

図 4.14セレン整流式直流アーク溶接電源 4）

1955（昭和 30）年に始まった世界的な海運ブーム
は、わが国機械工業の発展を推進した。輸出船舶を中心にして、船舶、鉄鋼、耐久消費財（家庭電気器具・自動車）など、いずれの産業分野においても大規模な近代化投資が行われ、市場は画期的に拡大した。溶接機メーカの全ても創業以来の活況を呈し、生産・販売
実績は未曽有の高記録を樹立した。溶接機の需要はメーカの生産能力をはるかに超えていたため、各メー
カともに生産体制の充実と増強が図られ、軟弱であった企業体質は大幅に改善され、近代化と量産に即応し図 4.16

交流アークの電圧・電流波形

たユーザの急速な技術革新にも対応できるようになった。各溶接機メーカの生産・販売方針に特徴が表れた

定し、これが中小企業の大きな負担となっていた。進のもこの時期であり、大阪電気は標準アーク溶接機と相コンデンサを取り付けると力率を改善できるが、コ

抵抗溶接機の両者に、電元社および東京電熔機は抵抗

ンデンサの技術水準・コンデンサ付加による電源価格

溶接機に重点を置いた。そして日本電気熔接機は回転の上昇・電力会社との話合いなど、実施を妨げる要因

式アーク溶接機に、日立製作所は交流アーク溶接機のは多かった。松下電器産業は、ユーザの省電力に貢献

量産に、大阪変圧器はアーク溶接機と自動アーク溶接

するために、溶接機メーカに自社の進相用コンデンサ機に重点を置いた生産体制を敷いていた。

の売込みを図ったが、コストアップなどの理由で断ら

このような状況の 1957（昭和 32）年に松下電器産

れ、自社で溶接電源を製作することを決意したようで業が、図 4.15 に示すような、わが国初のコンデンサある。その後、1960（昭和 35）年には日立製作所お内蔵形交流アーク溶接電源を開発し、溶接機メーカとよび大阪変圧器もコンデンサ内蔵形交流アーク溶接電

しての名乗りを上げた。被覆アーク溶接棒を用いる交源を販売するようになった。

流アーク溶接では、図 4.16 に示すように、極性が半

また同年には日本熔接機材が、小型軽量を主目的

サイクルごとに変化し、電流は極性変化時に一瞬必ずに、使用率を低くするとともに冷却扇を使用して、現零となる。電流が零になるとアークはいったん消滅

場作業などに適する交流アーク溶接電源を製作した。

し、次の半サイクルで反対極性のアークを再点弧しな

このタイプの電源は現在でも市販されており、その一ければならない。そのため交流アーク溶接電源では、

例を図 4.17 に示す。その他、1953（昭和 28）年にユリアクタンスを利用して、アークの再点弧時に供給さニオンメルト溶接機を国産化した大阪変圧器は、1959

れる電圧が高くなるようにしている。すなわち、溶接（昭和 34）年に改良を加えた普及標準形のユニオンメ

電流の位相が無負荷電圧の位相より遅れた関係（低力率）となるように設計されており、低力率がアークを安定に維持するための必須条件である。電力会社は電源設備の減価償却的な意味を持つ基本料金を割高に設

図 4.15 コンデンサ内蔵可動鉄心形交流アーク溶接電源 6）

図 4.17小型交流アーク溶接電源

アーク溶接技術発展の系統化調査

485

ルト溶接機を開発した 1）。その溶接電源として、図端子とがそれぞれ個別に設けられていた。しかし近年

4.18 に示すような、大容量（定格出力～2,000A）の可の電源では、（b）に示すように、出力端子は 1 つと

動鉄心形交流アーク溶接電源の販売も開始した。電源なり、前面パネルに設けた切替レバーの操作で、電源内部に可動鉄心移動用のモータを内蔵し、前面パネル

内部に設けられた電磁接触器が作動して交流出力と直の電流増減スイッチを操作して溶接電流の調整を行

流出力とを切り替えられるようになっている。交流 /う。1963（昭和 38）年には、図 4.19 に示すような、直流両用電源の原理は図 4.21 のようであり、図中の電流調整ハンドルを電源の上蓋に設けた交流アーク溶

A-A’ 間では同一方向の電流が流れ、B-B’ 間では電源

接電源を日立製作所が発売した。しかしこの電源は極周波数に応じて電流の通電方向が変化する。したがっめて不評で、最大の交流アーク溶接機メーカであったて、A-A’ 間で出力を取り出せば直流が得られ、B-B’

同社のシェアを大きく低下させたようである。振動に間で出力を取り出せば交流が得られる。

よる可動鉄心位置の変化に起因した溶接電流の変動が生じること、当時の造船業界では一般化しつつあった
溶接電源の多段積への対応ができないことなどが不評の理由であった。

図 4.20

図 4.18可動鉄心形交流 / 直流両用アーク溶接電源

大容量可動鉄心形交流アーク溶接電源

図 4.21交流／直流両用電源の原理

なお、この後の可動鉄心形交流アーク溶接電源についての大きい進展は得られていない。現在、その使用台数は大きく減少しているが、可搬性・作業性に富む
安価な溶接電源として一定の割合（溶接電源全体の数％程度）は保っている。
上述 4.2 節で、1932（昭和 7）年頃に大阪電気が開発した電源内蔵の交流アーク溶接電源の電撃防止器に
図 4.19上ハンドル式可動鉄心形

ついて述べたが、この電撃防止機能を別箱にした装置
が 1955（昭和 30）年頃に開発された。吉村電機や宮486

1966（昭和 41）年に日立製作所は、図 4.20（a）に本電機などが最初に開発し、その後 1957（昭和 32）

示すような、可動鉄心形の交流 / 直流両用電源を世界

年には三芝熔接機器、松下電器産業および大阪電気がに先駆けて開発した。ティグ溶接への適用を念頭にし製作を開始した。さらに 1959（昭和 34）年には、大た開発で、特に交流ティグ溶接の性能に優れていたよ阪変圧器と日立製作所も製作を始めた 1）。交流アーク

うである。当時の溶接電源には、交流用端子と直流用溶接電源には起動スイッチがないため、アーク休止中

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も 80V 程度の無負荷電圧が常時出力されており、そアクトルによる電流調整方式を採用した直流アーク溶の電撃は死亡に至る危険性を持っている。電撃防止装

接電源を開発した。可飽和リアクトルは三脚形鉄心を置はその危険性を排除する装置で、アークが発生して持つリアクトルで、図 4.25 に示すように、その鉄心いない（無負荷電圧が出力されている）時、溶接棒ホには出力電流が流れるリアクトルと可変抵抗に接続さルダと母材との間の電圧を安全電圧（現在では 25V）

れた制御巻線が巻かれている。この制御巻線に制御電以下に低減する装置である。その構成と動作は図 4.22

流と呼ばれる直流電流を通電すると、交流リアクトルのようであり、アークが休止している場合の溶接電源としての実効リアクタンスが変化して出力電流を調整

からの出力電圧を、補助変圧器から出力される低い安することができる。1958（昭和 33）年には松下電器

全電圧へ切り替える。溶接棒を母材へ接触（短絡）さ産業、1960（昭和 35）年には日立製作所も同様の直せると、電磁接触器が作動して電撃防止装置への接続

流アーク溶接機の生産を開始している。しかし直流を遮断し、瞬時（0.06 秒以内）に溶接電源の無負荷電アーク溶接機の使用目的は、特殊合金の被覆アーク溶圧へ切り替わる。溶接が終了してアークが消滅すると接、ティグ溶接、ミグ溶接あるいはサブマージアーク

再び無負荷電圧が出力されることになるが、ただちに溶接など多岐にわたる。また作業性に関しても、遠隔安全電圧への切り替えは行わず、約 1 秒（1 ± 0.3 秒）

操作装置（リモコン）、クレータ処理、スタート制御、の遅動時間が経過した後に安全電圧へ切り替える。こ電撃防止装置、各種保護装置、電流・電圧計など種々のような遅動時間を溶接終了時に設けているのは、な機能・アクセサリーがある。そのため、直流アーク

タック溶接（仮付溶接）などの短い間隔での連続溶接

溶接機の仕様や機能は、各メーカがそれぞれ独自の仕における作業性を考慮してのことである。別箱式の電様を採用した溶接機を販売することとなった。

撃防止装置とその溶接電源への取り付け状況を図 4.23に示す。なお電撃防止装置は、導電体に囲まれた狭隘な場所あるいは 2m 以上の高所での使用を、昭和 47
年に施行された労働安全衛生規則で義務付けられている。

図 4.24図 4.22整流器式直流アーク溶接電源の回路構成例 2）

電撃防止装置

図 4.25可飽和リアクトルによる電流調整 2）

1959（昭和 34）年に大阪変圧器は、電源の外部特性の調整が可能な自己飽和リアクトルを用いた直流
図 4.23

別箱式電撃防止装置

1）

アーク溶接電源を開発した。自己飽和リアクトルは可飽和リアクトルの一種で、図 4.26 に示すように、三この時期（1900 年代後期）の直流アーク溶接電源

脚形鉄心の中央に可飽和リアクトルと同様の制御巻線の主流は、図 4.24 に示すようなセレン整流器式となが巻かれている。電流が通電されると、鉄心の磁束はり、回転式の電源は日本電気熔接機材などにおいて製飽和する方向に変化し、この磁束変化を利用して電源作される程度となった。大阪変圧器は 1955（昭和 30）の外部特性を定電圧特性としたり、定電流特性とした年に、大阪電気は翌 1956（昭和 31）年に、可飽和リりすることができる。その溶接電源の外観を図 4.27

アーク溶接技術発展の系統化調査487

に示す。松下電器産業は、同年以降に、ガウジング兼接機がある。この溶接機では、ガソリンまたはディー

用アーク溶接機・電撃防止装置・遠隔操作機能付交流ゼルエンジンに直結した直流発電機を駆動して溶接電

アーク溶接機など、種々な機能を備えたアーク溶接機

源に用い、日立製作所、電元社、東亜精機および日本を矢継ぎ早に市販している。

電気熔接機材などが製作していた。しかし 1955（昭和 30）年以降は、日本電気熔接機材以外のほとんどのメーカは生産を中止している。
アークスタッド溶接機は、交流式を大阪変圧器が、直流式を電元社が戦後に開発していた。しかしその後、前述の 3.8.4 項で述べたように、大阪変圧器が英国のクロムプトン・パーキンソン社と提携し、1956（昭和 31）年に、図 4.28 に示すようなネルソン・ス

図 4.26

タッド溶接機を国産化した。また 1959（昭和 34）年

自己飽和リアクトル 3）には、松下電器産業もフィリップス社と提携して、
アークスタッド溶接機の製作を開始している 1）。

図 4.27

自己飽和形直流アーク溶接電源 1）

また 1959（昭和 34）年には、過負荷に弱いセレン整流器に替わるシリコン整流器が国産化されたのを受けて、大阪電気はシリコン整流器式直流アーク溶接電源を開発した。そして日立製作所や三芝熔接機器なども同様の溶接電源の製作を始めた。

ネルソン・スタッド溶接機 1）

4.4 近年（1969 年以降）の溶接電源
近年のアーク溶接電源の発展経過を整理すると図戦後いち早く生産された溶接機の 1 つに、土木建築

4.29 のようである。サイリスタ制御電源は 1969（昭現場での作業用として使用される回転式直流アーク溶

和 44）年に出現し、一元制御、クレータ制御あるい

図 4.29488

図 4.28

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アーク溶接電源の開発経過

はパルス制御などが可能となったが、その制御は比較

線が多用されている。星形結線された 2 つの三相変圧的単純なものに限られていた。現在のパルスマグ・ミ

器の出力側コイルを相間トランスで結び、6 個のサイ

グ溶接の原形となるシナージックパルス（1 パルス 1

リスタを用いて三相全波整流する。出力の大 / 小はサ

溶滴移行）プロセスを搭載したトランジスタ制御電源

イリスタ点弧時間の長 / 短で決まり、サイリスタ回路

は 1980（昭和 55）年に開発され、世界初の汎用・低で制御された出力はリアクタで平滑して溶接に用い価格トランジスタ制御溶接電源として市販された。しる。なお二重星形結線の電源では、図 4.32（a）に示

かし 1982（昭和 57）年には、出力の高速制御性を活すように、リアクタに制御巻線（二次巻線）を付加し用したインバータ制御溶接電源の開発・実用化が本格て、その動特性を改善することによってアークの起動化し、トランジスタ制御溶接電源は短期間で姿を消す

性やスパッタ発生量の低減を図った電源も開発されてこととなった。

いる。（b）は他の回路構成を示す一例で、三相変圧

その後のアーク溶接電源の進歩は、全てインバータ

器の出力側コイルを単体の星形結線として相間トラン制御に基づくものであり、1990（平成 2）年にはマイスを省略した三相全波整流の電源である。この場合、コン制御と組み合わせた高機能・高性能溶接電源が、サイリスタ回路の出力リップル（脈動）はかなり大き1995（平成 7）年にはファジィ制御を搭載した知能化

くなるため、大容量（10,000μF 程度）の平滑コンデ

溶接電源も出現した。そして 20 世紀末には、デジタンサを付加してリップルの低減を図っている。

ル制御技術の進歩を背景に、溶接電源のデジタル制御化が本格化した。制御回路の大部分をアナログ制御からデジタル制御へと変更することによって、溶接条件の再現性向上を目指した開発が進められた。近年では、高速演算素子を用いた出力制御の高速化が積極的に推進され、溶滴移行現象やアーク現象を高速で制御することができる高性能な溶接電源が市販されるようになっている。
4.4.1

サイリスタ制御電源（1）マグ溶接電源

図 4.31

二重星形結線サイリスタ制御アーク溶接電源

サイリスタ（制御機能付きシリコン整流器）の点弧位相を制御して出力を変化させるサイリスタ制御のアーク溶接電源は、世界に先駆けて、1969（昭和 44）
年に日立製作所がマグ溶接電源として開発した。図4.30（a）はその外観を示したものであるが、（b）に示す近年のマグ溶接機に比べても、大きい差異はほとんど認められない。
図 4.32

高機能サイリスタ制御電源

また、図 4.33 に示すように、サイリスタ - ダイオード混合方式の電源も開発されている。（a）はサイリス
タ・スタックを用い、相間トランスを省略して回路を簡素化するとともに、電源の小型化・軽量化を図った電源である。
（b）も相間トランスを省略した電源であるが、ダイオードの整流回路で得られる所定の出力にサイリスタ回路で得られる調整可能な出力を重畳し図 4.30サイリスタ制御マグ溶接機 6）て電源の出力を制御する。この方式では電圧リップルが大きくなるため、ダイオード回路とサイリスタ回路

サイリスタ制御マグ溶接電源の回路構成としては、をそれぞれに設けリアクタの結合を利用してリップル

図 4.31 に示すような、相間トランス付の二重星形結を抑制している。上述した主な電源の溶接電流およびアーク溶接技術発展の系統化調査

489

アーク電圧の波形は図 4.34 のようである。
（a）は相間トランス付の二重星形結線電源（図 4.31 参照）の場合であり、これを基準にすると、（b）の平滑回路
付星形結線電源（図 4.32（b）参照）での電流・電圧
リップルは極めて少なく、（c）のサイリスタ - ダイ
オード混合方式電源でのリップルはやや大きくなっている。
図 4.35

単相サイリスタ制御溶接電源 8）制御ブロック構成は図 4.36 のようであり、当時のマイクロコンピュータの性能としては限界に近いサイリ
スタの点弧位相制御を実現した。その他、適正溶接条
図 4.33

サイリスタ - ダイオード混合方式 7）

件の記憶・再生機能、アーク休止中に使用可能な溶接条件の設定・確認機能、溶接電流に応じて適正電圧を自動設定する一元制御機能の精度向上、溶接条件や機器の異常モニタ表示機能など、従来電源になかった新
しい機能も追加された。

図 4.34

サイリスタ制御電源の溶接電流・電圧波形

炭酸ガス（CO2）をシールドガスに用いるマグ溶接
法は、1958（昭和 33）年に日本へ導入され、その優れた溶接性と高い経済性ならびに溶接機の性能向上などによって 1965（昭和 40）年以後急速に普及した。
しかし溶接機の設置台数で見ると、1978（昭和 53）
年時点での普及率は十数％程度にしか達しておらず、

図 4.36

マイコン搭載サイリスタ制御電源 9）被覆アーク溶接用の交流アーク溶接機が大部分を占めていた。交流アーク溶接機は単相入力で使用するよう（2）ティグ溶接電源になっており、工場全体としては三相で受電をしていティグ溶接に用いられるサイリスタ制御電源には、ても、交流アーク溶接機の設置場所には単相で配線さ直流溶接電源と交流 / 直流両用溶接電源とがある。直れていた。このような分野でのマグ溶接の適用拡大を

流溶接電源の構成は図 4.37 のようであり、その構成目的として、単相入力のサイリスタ制御電源が開発さは前述した整流式直流溶接電源（前掲図 4.27 参照）

れている。単相入力の整流波形は、図 4.35（a）に示とほぼ同様である。ただし、整流器をサイリスタと置すように、三相入力の整流波形（b）に比べ、電圧リッ

き換えることによって、交流回路のリアクタは省かれプルが大きく瞬間的には電圧が零となる期間も生じている。

る。そのため、単相入力のサイリスタ制御電源では、（c）に示すように、整流回路と並列に、コンデンサと飽和性リアクトルとで構成した平滑回路を付加して、出力（電圧）の安定化が図られている。
1981（昭和 56）年には、世界に先駆け、サイリス
タ制御マグ溶接機の全ての制御をマイクロコンピュータによって集中制御する溶接電源が開発された。 熟練オペレータ不足、溶接品質の管理あるいは自動溶接化への対応などがその主な目的であった。その外観と490

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図 4.37

サイリスタ制御直流ティグ溶接電源

交流 / 直流両用溶接電源の構成は図 4.38 のようで

なわち、図 4.40（a）に示すように、パルス電流波形あり、直流溶接電源の場合と同様に、可動鉄心形交流

はパルス変圧器の出力特性によって支配される。大電/ 直流両用溶接電源（前掲図 4.21 参照）の整流器をサ

流を通電するためには通電時間（パルス期間）を長く

イリスタと置き換えた構成となっている。

しなければならず、溶滴離脱に必要なパルス電流を得ようとするとパルス期間が長くなり、パルスエネル
ギーが過剰となって安定した溶滴移行が得られない。
高いピーク値や急峻な電流増加が要求される場合には、高出力のパルス変圧器を用い、正弦波の急峻な傾斜部のみを用いてパルス電流を制御するなどの工夫が必要となる。一方、溶接電流が臨界電流以上になると、パルス電流を加えなくても溶滴のスプレー移行を実現できる。しかし、パルス電流を付加することに

図 4.38 サイリスタ制御交流／直流両用ティグ溶接電源（3）パルスマグ・ミグ溶接電源

よって、アーク長を短くしても短絡を生じないアーク
状態が得られる（前述 3.7.5 項（1）参照）。開先幅の狭い狭開先溶接では、アーク長が長くなると開先底部

サイリスタ制御パルス電源は図 4.39（a）に示すよ

より開先壁にアークが発生しやすくなるため、アーク

うに、単相のパルス電源と三相のベース電源を組み合

長を極力短くすることが重要である。ベース電流を臨せた構成となっており、パルス電流とベース電流はそ

界電流近傍に設定した大電流パルス溶接では、アーク

れぞれ独立した電源回路から出力される電圧によって長を短くするために必要なパルス電流はベース電流の制御される。（b）はその溶接電流波形を模式的に示1/5 程度であり、小電流パルス溶接のように落差の大したものであり、三相全波整流によって発生する電流

きいパルス電流を必要としない。すなわちアーク状態の脈動がそのままベース期間の電流リップルとなる。

はベース電流によって支配されるため、ベース電源のパルス電流は単相パルス変圧器出力の点弧位相制御で特性によってアークの安定性や溶接結果が大きく左右

決まり、そのピーク値は正弦波上を移動する。そのたされる。そのため、電源のインピーダンスや電流リッ

め、パルス電流のピーク値が低い場合は幅が狭く、プルが大きいと、アーク長を短く保つことができず、ピーク値が高くなるとその幅も広くなる。すなわちパ融合不良などの溶接欠陥を生じやすいといった問題がルス電流のピーク値とパルス幅は連動して変化し、そ生じる。

れぞれを独立に設定することはできない。なおパルス電源回路に半波整流回路を用いると商用周波数と同一のパルス周波数（50/60Hz）が、全波整流回路を用いると商用周波数の 2 倍のパルス周波数（100/120Hz）が得られる。

図 4.40
図 4.39サイリスタ制御パルスマグ・ミグ溶接電源

パルス電流の特性

これらの問題点を解決した高機能なサイリスタ制御
パルスマグ溶接電源が 1979（昭和 54）年に開発されパルスマグ溶接では、パルス電流で溶滴の形成およている。この電源では、パルス電源の変圧器に最大出びワイヤ端からの離脱を行うため、臨界電流以上のパ

力 2,000A 程度のパルス変圧器を採用し、幅が狭く高ルス電流を通電することが必要である。しかし、サイ

さが高いパルス波形が得られるようにしている。しかリスタ制御電源のパルス電流の幅と高さは連動して変し、このようなパルス変圧器で数百Ａのパルス電流を化し、それぞれを独立に設定することはできない。す正確に出力するには、図 4.40（b）に示すように、サアーク溶接技術発展の系統化調査

491

イリスタの点弧位相を正弦波の急峻な傾斜部で微妙にまた 1970 年代後半には、図 4.42 に示すような、パ設定しなければならない。そのため、パルス電圧の設

ルスミグ・ブレーズ溶接機も開発されている。この溶定ダイヤルには 100 等分できるバーニア機構が用いら接機は、シリコン・ブロンズワイヤ（数％の Si を含れている。電源の構成は図 4.41 のようであり、ベー

む銅ワイヤ）を用いて、自動車ボデーなどの薄鋼板をス電源の変圧器をデルタ結線として相間トランスをなアークろう付けする溶接機である。それまでは自動車

くし、電源のインピーダンス低減を図っている。またボデーに多用されているせぎり継手の溝をはんだで充ベース電源の出力端に大容量（約 1 万 μF）のコンデ填していたが、鉛害が問題となってはんだを使用する

ンサを付加して、電流リップルの大幅低減を実現してことができなくなった。そのため、はんだに替わるせいる。なお小電流の安定化を目的として、ベース電流

ぎり継手の溝充填方法として、シリコン・ブロンズワ

は抵抗を介して通電するようにしているが、十分なイヤを用いたパルスミグ・ブレーズ溶接が採用されベース電流を確保する必要がある大電流パルス溶接時た。溶接電源は単相入力で、抵抗への通電によって安には、ベース電源回路の抵抗を短絡（Sw2 を OFF）

定化された小電流をベース電流とし、それにパルス電できるようにしている。

流を重畳する。ミグ・ブレーズ溶接の電流波形と溶接結果の一例を図 4.43 に示す。

図 4.42
図 4.41

パルスミグ・ブレーズ溶接機

高機能パルスマグ溶接電源

パルス電源回路のスイッチ（Sw1）と抵抗の短絡ス
イッチ（Sw2）の両者を OFF すると、低インピーダ
ンス・低電流リップルの定電圧特性電源として使用できる。したがって、このパルス電源では、
「パルスな
し溶接」
、
「小電流パルスマグ溶接」および「大電流パルスマグ溶接」の 3 溶接モードの選択が可能となる。
それぞれの電流・電圧波形およびアーク現象の代表例
を表 4.1 に示す。
図 4.43
表 4.1

溶接電流・アーク電圧波形とそのアーク現象

4.4.2

ミグ・ブレーズ溶接

トランジスタ制御電源

トランジスタ制御電源では、直流電源部と負荷との間にパワートランジスタを接続し、このトランジスタ
で溶接電流やアーク電圧を制御する。制御方式には、
図 4.44 に示すように、スイッチング制御とアナログ制御とがある。スイッチング制御では、トランジスタ
をスイッチとして用い、その開閉時間の比率を変化させることによって出力を制御する。そのためスイッチ
ング制御では、出力の複雑な波形制御はできない。一方、アナログ制御では、制御信号に比例する領域でト

492

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchランジスタの出力を制御することによって、トランジ
スタに可変抵抗と同様の役割を持たせる。すなわちアナログ制御でのトランジスタの出力は、いずれの瞬間においても制御信号に比例した出力となり、矩形波、台形波あるいは三角波などの形状も任意に実現することができる。

図 4.46

アナログ・トランジスタ制御電源 10）1980（昭和 55）年に三菱電機が、汎用溶接電源としては世界初となる、図 4.47 に示すようなトランジ
図 4.44ス タ 制 御 溶 接 電 源 を 開 発 し た。 こ の 電 源 は 出 力の制御方式の比較 10）

チョッパ（スイッチング）制御によってパルス電流を制御するもので、ワイヤの送給速度に同期してパルス

アナログ・トランジスタ制御電源の回路構成は図

周波数を変化させるシナージックパルス溶接プロセス

4.45 のようであり、電流および電圧に対応する 2 つの（前述 3.7.2 項参照）を実現するパルスマグ溶接電源とフィードバック制御系を持つ。そのため出力電流と出しても世界に先駆けたものであった。また少し遅れ

力電圧を任意に設定でき、出力波形、リアクトルの特て、大阪変圧器や松下産機も同様のパルスマグ溶接電性あるいは外部特性などを自由に作り出すことができ源を開発している。

る。また電流波形は、全くリップルのないものが得られる。この電源は英国の TWI で試作され、1976（昭和 51）に技術導入契約を締結した大阪変圧器が、その翌年に図 4.46 のような電源を開発して国内での販売を開始した。出力の制御装置はユニット化されており、各ユニット間の信号の受・送信は前面パネルのプ
ラグイン式コンセント間の接続によって行う。出力の外部特性を定電流から定電圧まで任意に設定できる万能直流電源で、1～800A までの任意な急峻パルスを
1/1,000 秒（1ms）で出力することが可能であった。
そのため、アーク現象の解明、溶接品質の改善あるいは溶接プロセスの研究・開発などに取り組んでいた大学、研究所、大手企業がこぞってこの電源を購入した。

図 4.47

トランジスタ・チョッパ制御電源 11）

その後この溶接電源を用いた研究・開発が積極的に推進され、今日のアーク溶接プロセスの進展に極めて大きく貢献した。

電源の構成は図 4.48 のようであり、サイリスタ制
御のパルス電源に比べると構成は簡素化され、パルス
出力、ベース出力ともに同一の溶接変圧器を使用する。しかし、出力制御回路はパルス出力、ベース出力
それぞれに対応したものが必要である。パルス出力を制御するトランジスタ（Tr2）で制御されたパルス出力は直流リアクタ DCL2 を介して、ベース出力を制御するトランジスタ（Tr1）で制御されたベース出力は直流リアクタ DCL1 および DCL2 を介して溶接アークへ供給される。なおダイオード D1 ならびに D2 は、それぞれ直流リアクタ DCL1、および DCL2 に対応す

図 4.45 アナログ・トランジスタ制御電源の回路構成

10）

るフライホイール・ダイオードである。トランジスタ

アーク溶接技術発展の系統化調査

493

は、電流値が目標値（パルス電流またはベース電流）

増減によって行う。なお、サイリスタ制御やトランジ

より所定量が小さく（‒α）なると導通を開始し、目スタ・チョッパ制御などでは変圧器の出力側で電源の標値より所定量が大きく（+α）なると導通を停止す

出力を制御するが、インバータ制御では変圧器の入力る。αは制御回路のヒステリシス（応答遅れ）である。

側で電源の出力を制御する。

図 4.484.4.3

 ランジスタ・チョッパ制御パルスマグ溶接
ト
電源インバータ制御電源

図 4.49インバータ制御溶接電源の構成

インバータ回路に用いられるパワースイッチング素

電力変換回路へのインバータ制御の適用は 1950 年

子には表 4.2 に示すようなものがあり、出力制御周波

代に考案され、当初は、1950 年代後半に出現したサ

数など、インバータ回路の制御特性はこれらの素子にイリスタを制御素子としたサイリスタ・インバータがよって大きく左右される。わが国では、当初バイポー

主流であった。その後、制御素子はパワートランジス

ラトランジスタが多く用いられた。しかしその後は、

タ や GTO（Gate Turn-off Thyristor） に 移 行 し、

比較的高耐圧で駆動特性に優れる IGBT（絶縁ゲート

1970 年代後半から 1980 年代前半にかけてインバータ型バイポーラトランジスタ）が主流となり、近年では制御技術は急速に進展した。この時期の欧州では、す高速制御性が良好な MOSFET（金属酸化物半導体構

でにインバータ制御アーク溶接電源が開発されている

造・電界効果トランジスタ）が多用されている。インが、制御素子はサイリスタで制御周波数もそれほど高バータ制御による出力の制御方法には、表 4.3 に示す

いものではなかった。わが国で最初にインバータ制御

ように、周波数（FM）制御とパルス幅（PWM）制アーク溶接電源が開発されたのは 1982（昭和 57）年
で、松下産機（元松下電器産業 / 現パナソニック溶接

表 4.2

パワー・スイッチング素子の特徴比較

システム）が直流ティグ溶接電源として発表した。また 1983（昭和 58）年には日立精工（日立製作所から分離）が、制御周波数 16kHz のインバータ制御電源を開発し、溶接電源の大幅な小型・軽量化を実現した。同年には、松下産機がインバータ制御のマグ溶接電源の販売を始めている。
インバータ制御電源の構成は図 4.49 のようである。
商用交流を整流して得た直流を、変圧器の入力側（1次側）に設けたインバータ回路に入力し、パワートランジスタで構成したインバータ回路でその直流を高周波交流に変換する。そして、得られた高周波交流を変圧器で所定の電圧に降圧した後、整流回器で再び直流に変換して溶接電源の出力とする。この時得られる直流は断続的なくし歯状のものであるため、リアクタで変動の少ない連続した直流に平滑して溶接に用いる。
出力の制御はインバータ回路を構成するトランジスタの導通時間の増減、またはインバータの制御周波数の494

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表 4.3

インバータの出力制御方法

御との 2 つがある。開発当初の電源では周波数制御が源への入力電流はサイリスタ制御電源の場合より小さ用いられていたが、電流値によってアーク音が変化すい。インバータ制御電源の特長をまとめると表 4.4 のるなどの問題があり、近年の電源には全てパルス幅制ようである。

御が採用されている。
インバータ制御電源は、サイリスタ制御電源に比べ、かなり複雑な回路構成となるが、出力を高速で制御できるという長所を持つ。例えばインバータ回路で40kHz の高周波交流を造ると、その出力制御回数は 4
万回 / 秒となり、サイリスタ制御の約百倍以上の速度で出力を制御できる。図 4.50 の溶接電流波形は、ティ
グアーク起動時の電流挙動を比較したものである。所
定の電流値（100A）へ到達するまでに、単相サイリ

図 4.51

溶接変圧器の比較

ス タ 制 御 で 90ms 以 上、 三 相 サ イ リ ス タ 制 御 で 約
35ms の時間が必要である。一方、インバータ制御ではほぼ瞬時に（数 μs で）設定値へ到達しており、出力の制御性は制御周波数に大きく依存することがよく分かる。すなわち、インバータ制御ではサイリスタ制
御の百～数百倍の速度で出力を制御できるため、ほぼ瞬時に設定された出力が得られ、このような出力の高速制御性はアーク起動性能の向上・電流波形制御によるスパッタの低減・抑制などに極めて有効となる。

図 4.52

図 4.50溶接電源の定格出力と質量の関係

アーク起動時の溶接電流挙動

溶接変圧器の出力には、下式で示すような関係がある。
変圧器出力 = 磁束密度 × 変圧器体積（：鉄心断面積×コイルの巻数）× 出力制御周波数
すなわち、溶接電源の出力制御周波数と変圧器の体積との間には、ほぼ反比例する関係がある。そのため、出力制御周波数が高いインバータ制御電源の変圧器は、図 4.51 に示すように、サイリスタ制御電源の変圧器に比べ大幅に小形・軽量化される。その結果溶接電源の質量は、図 4.52 に示すように、サイリスタ
制御電源の 1/4～1/2 程度まで軽減される。さらに、
インバータ制御では直流をパルス幅制御して出力を制

図 4.53溶接電流と入力電流の関係御するため、点弧位相制御で出力を制御するサイリス
タ制御より力率は向上する。またインバータ回路は変1986（昭和 61）年には、パルスマグ・ミグ溶接電圧器の入力側に設けられるため、休止中の変圧器への源にもインバータ制御が導入された。表 4.5 に示すよ

負荷は加わらず無負荷損失をカットできる。溶接電流

うに、サイリスタ制御電源ではパルス電流とパルス幅と溶接電源への入力電流との関係は図 4.53 のようでが連動し、それぞれを独立に制御することはできなあり、いずれの溶接法においても、インバータ制御電かった。またパルス周波数も、商用周波数またはそのアーク溶接技術発展の系統化調査495

表 4.4インバータ制御溶接電源の特長な再点弧を目的として、溶接中は高周波高電圧を常時重畳している。しかしインバータ制御電源では極めて短時間で極性を反転させることが可能となり、極性反転時にも高周波高電圧の重畳なしでアークを再点弧することができる。高周波高電圧は、前述 3.4.3 項（4）で述べたように、強い電磁ノイズに起因した電波障害を引き起こす恐れがある。インバータ制御交流溶接電源では、高周波高電圧をアーク起動時にのみ用い、溶接時には使用しないため、高周波高電圧の電磁ノイズによって生じる電波障害は大きく低減される。

表 4.5

パルスマグ・ミグ溶接電源の推移

図 4.54インバータ制御交流溶接電源の構成倍数に限定されていた。トランジスタ・チョッパ制御
電源の開発によって、パルス電流とパルス幅の独立設
定およびパルス周波数の任意設定が可能となり、パルス電流に同期した 1 パルス 1 溶滴移行がいずれの電流

図 4.55域においても実現できるようになった。そしてインバータ制御電源では、それまで別回路として設けられ

496

4.4.4

極性反転時の電流の挙動

デジタル制御電源ていたパルス出力部は姿を消し、制御信号のみでパル

デジタル制御技術の進歩を背景に、溶接電源のデジ

ス電流とベース電流とをそれぞれ制御できるように

タル制御化は 20 世紀末から本格化し、制御回路の大なった。また電流リップルは大幅に抑制され、パルス部分がアナログ制御からデジタル制御へと変更され波形の急峻化も実現した。

た。溶接電源デジタル化の当初の目的は、電源が持つ1986（昭和 61）年には、インバータ制御の交流溶

個体差の排除、個人差による設定誤差の抑制あるいは接電源が開発された。この電源は、図 4.54 に示すよ

操作性・再現性の向上などを目指した初期段階的なデ

うに、変圧器の入力側と出力側とにそれぞれインバージタル化にすぎなかったが、近年では高速演算素子にタ回路を持つ。十数～数十 kHz の高周波数で駆動さよる出力制御の高速化が積極的に推進され、溶接現象

れる入力側のインバータは出力を、数百 Hz 以下の比やアーク現象を高速で制御して溶接特性や作業性を大較的低い周波数で駆動される出力側のインバータは極幅に改善した高性能な溶接電源が市販されるように性を、それぞれ独立に制御する。極性による出力レベなった。

ル差や極性維持時間の大幅なアンバランスが存在してアーク溶接電源へのデジタル制御の適用は表 4.6 にも、サイリスタ制御電源などのように溶接変圧器を焼示すように推移してきた。シーケンス制御のデジタル損することはなく、極性時間比率を大きく変化させて化は比較的早くから取り組まれ、1970 年代後半にはビード形状を制御することも可能である。またサイリ

IC ロジック回路の適用が始まり、1980 年代に入ると

スタ制御電源では、図 4.55 に示すように、極性の反一部でマイクロコンピュータを用いたデジタル制御が転時に短時間（約 0.3ms）の電流休止時間が発生して採用され始めた。そして 1990 年代になると、溶接電アークの消弧が生じる。そのため、アークのスムーズ源の全てのシーケンス制御はデジタル化された。溶接

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プロセスに関わる電流波形制御は長い間アナログ制御

ングペンダント）とは CAN バスで結ばれている。まであったが、1990 年代後半になると一部にデジタル

た、A/D 変換器を用いることによって従来のアナロ制御が採用され、アナログとデジタルの混合制御とグリモコンも使用可能となり、デジタル式のリモコンなった。電流波形制御が全てデジタル制御化されたのあるいは溶接ロボットのティーチングペンダントを接は、高速演算処理が可能なマイクロプロセッサーが開続すると溶接モードや設定データを遠隔で変更するこ

発・市販されるようになった 2002 年以降である。なともできる。電源に搭載されたマイクロコンピュータ

お出力制御信号のデジタル化は 2000 年頃から行われは、 イ ン バ ー タ 回 路 を 駆 動 す る た め の 制 御 信 号るようになり、溶接電源もデジタル制御電源と呼ばれ（PWM 制御）、前面パネルの表示およびワイヤ送給装るようになった。またサイリスタ制御電源において置などを制御する。

も、表示・操作部を除き、デジタル化が進展している。
表 4.6

溶接電源デジタル化の推移

2000（平成 12）年に市販されたデジタル制御ティ

図 4.57

デジタル制御電源の構成

グ溶接電源では、図 4.56 に示すように、前面パネル

デジタル制御電源の制御部の概要は図 4.58 のようからボリューム類は全て排除され、“ジョグ・ダイヤであり、出力、ワイヤ送給、シールドガスおよび各種

ル”と呼ばれるロータリーエンコーダが設けられた。

シーケンスの制御の他、電源パネルの表示あるいは各

ロータリーエンコーダは、ダイヤルの回転によって設

種センサ信号に基づく動作などが全てデジタル信号で定される値を、その回転に応じて発生するパルス数の処理される。データベースの一部は、ユーザが自由にカウントによって読み込むデジタル入力器で、溶接条書込み・呼出しができるように、EEPROM を搭載す件や各種パラメータの設定は全てこのジョグ・ダイヤ

るなどの工夫もなされている。また通信機能を利用しルによって行われる。

て、外部の制御装置や IT 機器と接続することも可能
であり、ロボットのティーチングペンダントなどから

図 4.56

ジョグ・ダイヤル操作のティグ溶接電源

デジタル制御マグ溶接電源の構成の一例を示すと図4.57 のようであり、出力を制御する主回路の構成は従来のインバータ制御電源と全く同一である。デジタル
制御は電源の出力や種々な動作を制御するために用いられ、電源の前面パネルやワイヤ送給装置とは同期シ
リアル通信で、デジタルリモコン（あるいはティーチ

図 4.58

アーク溶接電源のデジタル制御

アーク溶接技術発展の系統化調査

497

の信号によって、溶接モードや設定データを変更するるシステムへの対応機能なども装備されている。

こともできる。
溶接電源と溶接ロボットとの間の信号の授受は、一般にインターフェイス（IF）を介して行われる。しかし IF を介することによって、信号のタイミングにわずかであるが遅れが発生し、場合によっては溶接結
果に悪影響を及ぼすこともある。このような問題を解決するために、溶接電源とロボット制御装置を一体化したものが開発されている。図 4.59 はその一例を示したもので、ロボット制御装置の下部に電源ユニットが内蔵されている。ハードウェア構成の概要は図 4.60のようであり、ロボット側から見ると、電源ユニット
やワイヤ送給ユニットは、ロボットの関節軸や外部軸と同様に取り扱われる。

図 4.61

デジタル制御溶接電源の品質管理機能

溶接電源のデジタル制御化はインバータ回路の制御
周波数増加にもつながり、表 4.7 に示すように、近年
では出力制御周波数 100kHz の溶接電源も出現し、電源の小形・軽量化がより一層進行している。また、デジタル制御を採用したサイリスタ制御溶接電源も開発されているが、そのデジタル化はインバータ制御溶接
電源のデジタル化と様相が少し異なり、出力制御の高速化より機能性・操作性の向上に主眼を置いたものとなっている。
表 4.7

図 4.59溶接電源の種類と特徴

溶接電源とロボット制御装置の一体化 14）

デジタル制御電源に用いられる演算素子は、マイク
ロコンピュータの高速処理化・メモリの大容量化にともなって表 4.8 に示すように推移してきた。当初は 16
表 4.8
図 4.60溶接電源一体化ロボット制御装置の構成 15）

なおデジタル制御溶接電源には、品質管理に対応するために、図 4.61 に示すような、溶接電流やアーク
電圧の出力結果、溶接時間、ワイヤ消費量などの各種データを記録・管理する機能（ウェルディングモニタ）、イーサネット（Ethernet）やインターネット（Internet）を利用して多数の溶接電源を一括管理す

498

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デジタル制御溶接電源の変遷

ビット・マイクロコンピュータや 32 ビット・マイク

2）（株）ダイヘン：ダイヘン八十年史，2001 年

ロコンピュータが採用されていた。しかし近年では、

3） 安藤 他：新版電気溶接機機（上），1957 年，産報

汎 用 的 な ゲ ー ト ア レ イ で あ る FPGA（Field4） 鈴木：最新溶接ハンドブック（増補版），山海堂

Programmable Gate Array）や、溶接電源の制御に特化した専用の LSI（Large Scale Integration）である ASIC（Application Specific Integrated Circuit）
を採用した電源も開発され、演算速度や情報の処理量は格段に向上している。
主なアーク溶接現象の動作時間は図 4.62 のようで

（1962）
5） 中 村 春 雄 記 念 ラ イ ブ ラ リ ー： 溶 接 文 献 資 料，
SANPO WEB，産報出版
6） 社史「産機のあゆみ」編集委員会：産機のあゆみ（ 産 業 機 器 事 業 50 年 & 松 下 産 業 機 器 20 年 ），1997 年ある。高い出力制御周波数を持つ近年のデジタル制御

7） 野田 他：炭酸ガス・アーク溶接機（NAS-AUTO

溶接電源は、大部分の溶接現象に十分対応できる制御シリーズ）、溶接技術 1975 年 10 月号，PP. 40～速度を持つようになり、最も高速な現象とされている

47，産報出版

陰極点の挙動も制御できるレベルに達しているといえる。しかし、それらの挙動をどのように制御するかはまだ十分に解明されているとはいえず、今後のさらなる研究・開発の課題となっている。

8） 奥 他：半自動アーク溶接機の進歩，溶接技術
1978 年 5 月号，PP. 25～31，産報出版
9） 麻生 他：マイクロコンピュータ制御・CO2 自動溶接機（日立マイコンオートについて）、溶接技
術 1981 年 5 月号，PP. 29～31，産報出版
10）山手：アナログ・トランジスタ式溶接電源について、溶接技術 1977 年 8 月号，PP. 71～76，産報
出版11）鵜飼 他：トランジスタパルスマグ半自動溶接機の 特 性、 溶 接 技 術 1981 年 7 月 号，PP. 31～40，
産報出版12）坂部 他：インバータ制御アーク溶接機、溶接学
会誌，Vol.55（1986），No.7，PP. 31～40

図 4.62 主な因子の動作時間と溶接電源の出力制御速度13）大崎 他：小型フルデジタル制御溶接機の開発，溶接技術 2000 年 8 月号，PP. 56～62，産報出版14）林：フルデジタル溶接電源一体型ロボットの開発，溶接技術 2003 年 1 月号，PP. 72～75，産報出版

参考文献
1） 溶接五十年史編集委員会：溶接五十年史，1962 年，
産報15）川本：溶接電源融合型ロボット「TAWERS」のアーク溶接制御、溶接技術 2005 年 12 月号，PP.
86～89，産報出版

アーク溶接技術発展の系統化調査499

5 溶接材料の発展経過
わが国のアーク溶接は、被覆アーク溶接法の発明か

骨業界におけるソリッドワイヤの需要が伸び、1988

ら遅れること 10 年、1914（大正 3）年に三菱長崎造（昭和 63）年には被覆アーク溶接棒とソリッドワイヤ

船所がスウェーデンから被覆アーク溶接棒を輸入し実の生産比率が逆転し、ソリッドワイヤが生産量の首位

用化検討を始めたことに始まる。そして、1925（大となった。また当時の造船業界は韓国の追い上げを受

正 14）年には被覆アーク溶接棒の国産化が始まり、け、大幅な効率化に取り組まざるを得なくなってい艦船を中心に圧力容器や橋梁などにも適用が拡大してた。その結果、被覆アーク溶接棒よりも効率の高いフいった。1950（昭和 25）年になるとサブマージアー

ラックス入りワイヤの需要が、この頃から急激に増加

ク溶接機が輸入され、造船所で使用が始まった。そのすることとなった。すなわち、造船を始めとした重厚

後 1960（昭和 35）年頃までに、ティグ溶接・ミグ溶

長大産業の国際競争力強化および自動車産業の急成長

接・マグ溶接（含炭酸ガス溶接）などのガスシールドに対応するために、溶接材料の開発は「ワイヤ」に主アーク溶接が導入された。

軸が移った。そして、細径（直径 1.2mm）を中心とアーク溶接に用いられる溶接材料その国内生産量

したマグ溶接用ソリッドワイヤや、全姿勢溶接用およは、図 5.1 に示すように推移してきた。1970 年代前半

びすみ肉溶接用のフラックス入りワイヤの開発が活発までの溶接材料の急激な進展は、ほとんどが被覆アーに展開された。また、高強度鋼・耐熱鋼・高合金鋼に

ク溶接棒によるものである。1950 年代から 1973（昭対応する溶接材料の開発も行われた。1985（昭和 60）

和 48）年の第 1 次石油ショックまでの、高度経済成

年に実用化された細径フラックス入りワイヤは、造船長に伴う重厚長大産業の発展期には、被覆アーク溶接業界などの強い要望を背景に数量を伸ばし、2009（平棒が溶接材料の主役であった。溶接構造物は大型化・成 21）年にはソリッドワイヤを抜き、溶接材料生産

高級化が進み、新しい鋼材が開発され、それに伴って量の首位となっている 1）。

溶接材料の低水素化・高強度化・高靭性化が進められ

ガスシールドアーク溶接には、アルゴン（Ar）
・炭

た。1973 年における被覆アーク溶接棒が溶接材料の酸 ガ ス（CO2）・ ヘ リ ウ ム（He） の 単 体 ガ ス の 他、生産量に占める比率は 73％に達し、被覆アーク溶接

Ar+CO2、Ar+O2 および Ar+H2 などの二元混合ガス、は最盛期を迎えていた。また高能率な溶接法も精力的

あるいは Ar+He+ CO2 や Ar+He+ O2 などの三元混に開発され、人と物を大量に投入して増産を図る技

合ガスなど、多種多様なガスがアーク溶接のシールド術、例えば、被覆アーク溶接棒を用いたグラビティ溶

ガスとして用いられている。しかし、業種によって接、片面サブマージアーク溶接あるいはフラックス入

シールドガスの種類および使用比率は異なり、近年でりワイヤを用いたエレクトロガスアーク溶接などが発の一例を示すと図 5.2 のようである。最も多く使用さ達した。

れているシールドガスは CO2 で、全業種平均で全体の 70％を占めている。特に、建築・鉄骨、造船、橋梁といった中・厚板を用いる産業分野での使用比率が圧倒的に高い。一方、輸送機（自動車や車両など）・

図 5.1

溶接材料生産量の推移 1）

石油ショック以降は重厚長大産業の成長も鈍化し、被覆アーク溶接棒から、より効率の高いソリッドワイ
ヤの使用量が増え始めた。特に自動車産業や建築・鉄500

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図 5.2

各業種のシールドガス使用比率 1）

パイプライン・圧力容器・産業機械・鉄鋼などの産業

第 1 次大戦後の 1922（大正 11）年、ワシントンで分野では、Ar、Ar+CO2 の混合ガスあるいは Ar+O2

世界列強による軍縮会議が開かれた。その結果、わがの混合ガスなどの Ar 系ガスが比較的多く用いられて国では戦力増強のために予定していた八八艦隊の建造いる。

が中止となり、以後の新造軍艦の重量も制限されるこ

5.1 被覆アーク溶接棒
5.1.1

黎明期の被覆アーク溶接ととなった。そのため、制限重量内でできるだけ装備の良い軍艦を作るために溶接の採用が重視され、軍艦の建造に溶接が広く採用されるようになった。一方、艦隊建造のために準備されたていた大量の鋼材は、民1914（大正 3）年に、三菱・長崎造船所の稲垣鉄郎

需産業に放出され、この時期を境にして民需産業でもと工員 2 名がスウェーデンのチェルべルヒ社に赴き、本格的に溶接が適用されるようになった。従来、造船

被覆アーク溶接棒の製造方法や使用方法などを学んで関連分野を中心に発展してきた溶接が民需産業にも普帰国した。また翌 1915（大正 4）年には、チェルベル

及し、陸上の重工業分野で溶接の採用が進んだ。そのヒ社から購入した多人数形の直流溶接機（前述第 4 章

結果、溶接だけでも企業として成り立つようになり、

図 4.2 参照）が届けられた。そして長崎造船所では、

日本鎔接工業（大正 11 年）や片山工業所（大正 14 年 :稲垣鉄郎の指導のもとに、チェルベルヒ社の被覆アー

後のアジア溶接工業）などの溶接専門業者が出現しク溶接棒を使用した溶接を開始し、汽缶部品の試作やた。

肉盛溶接に適用した。溶接棒の被覆剤の成分は、炭酸民間工事にも溶接が多用されるにつれ、溶接に関す

石灰：20％、重炭酸ソーダ：13％、黄血塩（フェロシる民間の統括機関が必要となったため、1926（昭和 1）

アン化カリウム）：5％、木炭粉末：10％、ホウ酸：

年に孕石元照を会長とする電気鎔接協会（後の溶接学

24％、二酸化マンガン：20％、酸化ケイ素：8％であっ会）が設立された。しかし当時は規模も小さく、大きた。しかしこの成分と比率は極秘扱いで、長い間公表な成果を挙げることはできなかった。その後、1931

されなかった。一方、大阪製鎖は 1920（大正 9）年に

（昭和 6）年に本部を大阪帝国大学に移し、基礎固め

英国のクアシィアーク溶接棒を輸入し、適用分野の開と会務の拡張がなされた。この頃になると、各大学を拓に尽力した。クアシィアーク溶接棒は、心線にアス始めとして各種研究所でも溶接の研究が総合的に行わ

ベストを巻き、その上に炭酸石灰を塗布したきわめてれるようになり、技術・経済の両面から広く一般にも簡単なものであったといわれている。

溶接が認識され、溶接を採用・適用する産業分野は一以上のように、わが国への被覆アーク溶接棒の導入

気に拡大した 2）。

は、チェルベルヒとクアシィアークとの二種類の溶接棒が先鞭をつけた。チェルべルヒの溶接棒はガスシー

5.1.2

被覆アーク溶接棒の国産化

ルドタイプ、クアシィアークの溶接棒はスラグシール

第 1 次世界大戦後、欧米を始めとする各国は深刻なドタイプであった。それぞれ様式の異なる代表的な被不景気に見舞われた。その例にもれずわが国も不景気

覆アーク溶接棒が、ほぼ時を同じくしてわが国に導入に見舞われ、政府は輸入抑制・国産奨励の措置を発動され、比較されながら普及した。

した。そしてこの措置を契機にして、ほとんどを輸入

1914～1919（ 大 正 3～8） 年 の 第 1 次 世 界 大 戦 中、に頼っていたアーク溶接棒の国産化が真剣に検討され諸外国で溶接の利用価値が認識され、溶接の適用範囲

ることとなり、溶接棒に用いる心線はもちろんのこは次々に拡大した。その成果はわが国へも伝えられ、と、被覆剤に関する種々な研究・開発が行われた。

造船に溶接を採用する機運が次第に高まった。そして国産の被覆アーク溶接棒を初めて製造したメーカは1920（大正 9）年には、排水量 421 トンの全溶接船諏

角丸工業と新宮鋳工所である。1925（大正 14）年に、訪丸が長崎造船所において建造された。また、ほぼ同

角丸工業は軟鋼用被覆アーク溶接棒を、新宮鋳工所は期 に、 英 国 で も 326 ト ン の 全 溶 接 船 フ ラ ガ ー

鋳物用被覆アーク溶接棒を試作した。1930（昭和 5）（Fu11ager）号が竣工した。東西で竣工された 2 隻の年の国際連盟脱退、1931（昭和 6）年の満州事変勃発

溶接船の建造に使われた溶接棒は、前者はチェルベルと続く不安定な政治情勢の下、溶接を取り巻く環境

ヒの溶接棒、後者はクアシィアークの溶接棒である。

は、外国依存主義を脱して、完全な自給体制を築くこ

それぞれタイプの異なる被覆アーク溶接棒が、いずれとが強く要請された。そのため溶接棒国産化の流れも良好な溶接結果を示したことは、溶接に対する信頼は、以前にもまして重要視されることとなった。この感をより一層高めることとなった。

頃被覆アーク溶接棒の製造を開始したメーカは、前述

アーク溶接技術発展の系統化調査

501

の角丸工業と新宮鋳工所の他、1929（昭和 4）年から

1930（昭和 5）年に、帝国海事協会、鉄道省および陸の帝国酸素および三葉電熔社（後の不二電極）、1931

軍工廠などは 1933（昭和 8）年に、それぞれ個別の溶（昭和 6）年からの日本油脂、1933（昭和 8）年からの接規格を公布した。

田村アークおよび特殊電極、1934（昭和 9）年からのこれらの溶接規格公布に対応するために、鎔接協会

東洋電極工業および日本電極工業などである。また井（後の溶接学会）が中心となって、1934（昭和 9）年

口庄之助、今城亀之助ならびに孕石元照などは、個人に当時の市販溶接棒 66 種の機械的性質についての調的に被覆アーク溶接棒の研究・開発を行っていた。当査が行われた。その結果、引張強さが 41kg/mm2 以時の主な溶接棒とその特徴は表 5.1 に示すようであ

上かつ伸びが 20％以上の良好な溶接継手は全体のる。イルミナイト系被覆剤はチタン鉄鉱（FeTiO3）

23％しかなく、国産被覆アーク溶接棒の品質性能は極を主成分とするスラグタイプの溶接棒、セルロース系

めて悪いことが判明した。そして溶接規格の公布は、被覆剤は有機物を被覆剤に含むガスシールドタイプの溶着金属の性能を向上させようという強い意欲を溶接

溶接棒である。これらの溶接棒のうち、ホウ酸系被覆棒製造メーカに与えることとなった。市販の被覆アー剤を塗布した帝国酸素の 16 番・17 番と呼ばれた溶接

ク溶接棒の中には機械的性質の良好なものもあった

棒が好評で、当時の代表的な被覆アーク溶接棒とされが、十分な信頼は得られていなかった。そのため重要ていた。

構造物の溶接には、アーコス社（ベルギー）のスタビ

表 5.1

 期の国産溶接棒メーカと主な被覆アーク溶
初接棒 2）

レンド溶接棒が使用されていた。特に海軍関係の溶接では、スタビレンド溶接棒の使用が必須事項となっていた。
1940（昭和 15）年になって、市販溶接棒 108 種についての調査が再び鎔接協会を中心に行われた。その結果は、引張強さが 41kg/mm2 以上で伸びが 20％以上のものは全体の 25％、引張強さが 30～39kg/mm2
で伸びが 10～14％で所定の性能を満足していないものが大多数であった。翌年には、鋼用被覆アーク溶接
棒の臨時日本標準規格（第 196 号）が、引張強さは41kg/mm2 以上、伸びは 1 級の場合に 32％以上、2 級の場合に 26％以上、シャルピー衝撃値が 1 級の場合上述した溶接棒メーカの他、日立製作所・石川島重に 12kg・m/cm2 以上、2 級の場合に 6kg・m/cm2 以工業・三菱長崎造船所・神戸製鋼所などの比較的大手上といった内容で公布された。しかし 1942（昭和 17）

造機・造船メーカは、自家消費用溶接棒の被覆剤につ

年に実施された市販被覆アーク溶接棒 50 種について

いての改良や研究を行った。そして、それぞれ独自に再々調査でも、引張強さが 40～44kg/mm2 のものが被覆アーク溶接棒を開発し、種々な構造物の溶接に積全体の 40％、伸びか 30～34％のものが全体の 28％、極的に使用した。日立製作所では、1928（昭和 3）年

シャルピー衝撃値が 10～14kg･m/cm2 のものが全体にガスシールドタイプとスラグシールドタイプの、特の 32％という結果で、必ずしも満足できる結果は得性が異なる二種類の被覆アーク溶接棒を開発していられなかった。なお当時の海軍が採用していた造船用る。また同社は 1933（昭和 8）年に、溶着金属の性能

被 覆 ア ー ク 溶 接 棒 の 規 格 値 は、 引 張 強 さ が 41kg/

向上を目的とした被覆の厚い溶接棒も実用化していmm2 以 上、 伸 び が 32 ％（ 当 時 の 暫 定 措 置 と し てる。鉄道技術研究所においても溶接および溶接棒の研28 ％） 以 上、 シ ャ ル ピ ー 衝 撃 値 が ノ ッ チ な し で究が行われ、特性の優れた被覆アーク溶接棒が開発さ30kg･m/cm2 以上となっており、臨時日本標準規格よれている。

り厳しい規格であった 2）。

以上のように続々と国産化された被覆アーク溶接棒
は、各産業分野のアーク溶接に幅広く活用されるよう

502

5.1.3

被覆アーク溶接棒の性能向上になったが、時折思わぬ事故も発生し、その事故の原被覆アーク溶接棒の国産化は国策として活発に行わ因は不十分な溶着金属性能ならびに不適切な溶接施工れたが、比較的良好な機械的性質を示す溶接棒も一部にあることが指摘された。そのため不慮の事故を未然存在したものの、国産溶接棒全体としての性能は不満に防止する措置として、海軍および各都市の水道局は足なものであった。そのため、重要構造物の溶接には

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Vol.23 2016. March依然として輸入品のアーコス社・スタビレンド溶接棒

1935（昭和 10）年以降に設立された被覆アーク溶が使用された。しかし、1936（昭和 11）年の日独伊 3

接棒メーカには、1936（昭和 11）年の東洋酸素・ア国同盟締結、1937（昭和 12）年の日華事変勃発など

ジレ社・三菱金属鉱業、1938（昭和 13）年の万興電極、による国際情勢の極度の悪化に伴って、わが国に対す

1939（昭和 14）年の東京化学・東亜製作所（後の北る海外列強の経済封鎖が進展した。そのため、重要構日本電極）、1940（昭和 15）年の日鋼熔材、1941（昭造物の溶接に用いられていた高性能溶接棒（スタビレ

和 16）年の神東電極・吉川金属工業、1943（昭和 18）

ンド溶接棒）の輸入も困難となり、国産化して自給自年の中山製鋼所・福島熔材などがある。

足しなければならない事態に直面した。軍部が主唱者となって、アーコス社のスタビレンド溶接棒より良好

5.1.4

戦前・戦中の被覆アーク溶接棒

な性能の被覆アーク溶接棒を作ることを目標に、各所1939（昭和 14）年以降、他の鉄鋼製品と同様に、

で高級被覆アーク溶接棒の研究・開発が精力的に行わ

民間に出回っていた手塗りの被覆アーク溶接棒も統制れた。そして大阪造兵廠の犬飼末雄は、アーコス溶接品となり、自由に売買することができなくなった。

2棒に匹敵する、引張強さが 52～53kg/mm で伸びがメーカの製造した被覆アーク溶接棒は、全て溶接棒組

27～28％の被覆アーク溶接棒を完成した。

合に納入され、この組合から民間需要家に配給されて一方、1938（昭和 13）年に東光社および日本油脂が、いた。このような統制は、当時としてはやむを得ない

1939（ 昭 和 14） 年 に 神 戸 製 鋼 所 が、 ま た 1941（ 昭措置であったかもしれないが、多くの溶接棒製造メー

和 16）年に富士鋼業などが海軍の依頼で、高性能なカの意欲を消失させた。統制によって各メーカは、溶被覆アーク溶接棒についての本格的な研究を開始し接棒を売り込む努力が不要となり、現状維持の状態にた。これらの会社では、専門技術者を溶接棒の開発担

甘んじてしまった。一方これらのメーカとは別に、軍当者とし、被覆アーク溶接棒の学術的な見地からの研部から特命を受けた特定メーカもあり、好むと好まざ究が行われた。その結果、従来の外国製品模倣の傾向

るとに関わらず、軍部からの厳しい要求で高性能な被は徐々に薄れ、国産原料を活用した日本独自の被覆

覆アーク溶接棒の開発を行わなければならなかった。

アーク溶接棒の開発へと進展していった。

しかし現状維持に甘んじた一般メーカと、常に溶接棒

また、それまでの溶接棒の被覆材塗布は手塗りで、の性能向上に取り組んだ特定メーカとの技術的な相違

生産は極めて非能率的であるとともに、被覆の厚さもは、後日（戦後）に大きな格差として現れることとな

不均一で品質管理の点からも不適切であった。そのたる。

め、生産の能率化・製品の均一化についての考慮がな

1941（昭和 16）年の太平洋戦争開始以来、夜を日され、解決策として機械塗装の導入が検討された。神についでの兵器・艦船の製造が行われた。このような

戸製鋼所は 1939（昭和 14）年に海軍から、国産原料

戦時体制下では能率向上が絶対の目標であり、溶接にを活用してアーコス・スタビレンド棒同等の品質性能

おいても能率の向上が強く求められ、自動アーク溶接を備えた被覆アーク溶接棒を機械塗装で作るように依の採用が検討された。しかし自動アーク溶接装置に不頼された。そして翌年の 1940（昭和 15）年には、溶可欠な電気部品は、ほとんど全てが電波兵器の製造に

接棒被覆剤の機械塗装装置の開発を終え、被覆剤の機

割り当てられており、装置の実用化には至らなかっ械塗装による被覆アーク溶接棒の生産を開始した。また。仮に必要な電気部品が入手でき、装置の開発に着た被覆剤の研究においても、海外に例のないイルミナ

手できたとしても、当時の技術水準では短期間で自動イト（チタン鉄鉱・FeTiO3）を主成分とする極めてアーク溶接を実用化することはできなかったように思性能の優れた被覆剤を開発した。さらに新しい品質良われる。

好な溶接棒心線も開発され、この心線とイルミナイト

戦争が激化するにつれて熟練溶接工も続々と応召さ系被覆剤を組み合せた被覆アーク溶接棒は、輸入溶接

れ、生産現場での熟練溶接工不足が大きな問題となっ棒に代わって海軍の重要構造物の溶接に本格的に使用た。特に造船・造機関係職場の熟練溶接工不足は深刻されるようになった。神戸製鋼所は 1943（昭和 18）であった。このような熟練溶接工不足に対応するため年に、わが国初の本格的な機械塗装装置を備えた被覆に、各事業所とも独自で“呉船式”、“日立式”、“横船アーク溶接棒製造工場（日高工場）を建設している。

式”、“長船式”、“赤崎式”などと呼ばれた被覆アーク

また東光社や富士鋼業なども、性能に優れた被覆アー

溶接の自動溶接方法を考案・実用化した。これらの溶

ク溶接棒を開発し、海軍関係の工事に使用されるよう接法では、被覆剤を塗布した太径（直径 8～12mm）になった。

心線の溶接棒を用い、溶接棒を人の代わりに機械で支アーク溶接技術発展の系統化調査

503

え、自動的に溶接を進行させるという手法が採用され1946（昭和 21）年の神東電極、1947（昭和 22）年のている。誰にでも容易に取り扱え、熟練を必要としな

日本電極工業、1948（昭和 23）年の大同製鋼と富士い高能率な溶接法であった（前述 3.2.2 項参照）。

溶接棒、1950（昭和 25）年の新報国製鉄と特殊電極

上記自動溶接法の採用は積極的に推進されたが、当時は太径溶接棒用に製造された心線がなかったため、などである。またその後、万興電極・中山製鋼も被覆
アーク溶接棒の生産を再開した。

最初のうちは細径のリベット・バーを流用していた。

しかし物資不足は深刻で、被覆アーク溶接棒の製造

しかし戦局が次第に不利になり、鋼材不足が目立つよに適した線材や被覆剤原料の流通量は少なかった。とうになるとリベット・バーも入手できなくなった。そりわけいまだ統制が解除されていなかった鉄鋼と有機こで、伸鉄材を利用して太径溶接棒を作ったり、直径物の不足は甚だしく、各溶接棒メーカは溶接棒に用い3～5mm の細径溶接棒心線を 2 本合体させてその上かる線材や有機物の獲得に苦慮し、溶接棒の生産は極め

ら被覆剤を塗布して 1 本の溶接棒としたりして、太径て困難な状態に陥った。そのため、戦災で焼け残った

溶接棒線材の不足を補った。後者の被覆アーク溶接棒

焼線を線引きして作った心線を用いたり、溶接棒用のは、双子棒・親子棒・ひょうたん棒などと呼ばれた。

心線材として不適切な雑線を使ったりした、粗雑な溶

この頃は、輸入の途絶と国産資源の不足から、一般鋼

接棒がかなり生産され市場に相当量が出回っていたよ

材はもとより特殊鋼材に至るまで極度に不足し、国策うである 2）。

として鋼材の節約が強く要求されていた。そのため、以前に増して、継手効率の高い溶接の採用がさらに重2）要視されるようになっていった 。

5.1.6

被覆アーク溶接棒の復活

戦後わが国の鉄鋼・造船などの重工業メーカのほとんどは、戦災にあって壊滅に近い状態となっていた。

5.1.5

504

戦後生産再開時の被覆アーク溶接棒

また戦災にあわなかったメーカも、原料不足・輸送の1945（昭和 20）年の太平洋戦争終結後、わが国の麻痺・深刻な食糧難などによって復活は思うように果あらゆる産業は麻痺状態に陥った。溶接棒メーカもこたせなかった。さらに賠償や企業の解体など、占領軍の例に漏れず、市場には戦時中の軍部や組合のストッの管理化での問題も山積していた。しかし 1947（昭ク品が大量に出回り、溶接棒の生産は一時休止同様の

和 22）年になると、米・ソの対立をめぐる微妙な変状態に陥った。終戦前までは製品の大部分が軍需関係化が現れ、これが対日政策の上にも反映されて、占領に使用され、軍需に頼る比率が極めて高かった。その軍の方針が“苛酷”から“融和”へ、“制限”より“緩ため他の軍需産業と同様に、軍の解体によって大きな和”へと切り替えられた。それに伴って、わが国重工

苦境を迎えることとなった。終戦前に存在した溶接棒

業メーカも復活の速度を速め、その年に始まった復興

メーカ（約 75 社）の大半は、この混乱した時期に直金融金庫の重工業に対する重点融資によって完全に復面して、将来展望の暗さから生産再開の努力を取りや活した。時を同じくして、政府の財政的な保護のもとめた。しかし、神戸製鋼所は将来の平和産業での発展に、わが国の海運復興を目的とした計画造船が実施さを期待して、溶接棒の量産化に踏み切った。上述したれた。この計画造船は回を重ねるにつれて建造量が増ように、神戸製鋼所は重要構造物の溶接に使用できる加したため、それに伴って被覆アーク溶接棒の固定しイルミナイト系被覆アーク溶接棒を 1942（昭和 17）た需要が確立された。そして建造量の増加にほぼ比例

年から機械塗装で生産し、終戦前には約 600 トン / 月

して、被覆アーク溶接棒の生産量も次第に増大するこの生産を行っていた。その他、東洋電極工業・富士興ととなった。

業・ツルヤ工場・永岡興業・日本油脂・吉川金属工業

造船業の復活に伴って、外国船の修理さらには将来も、生産量は極めて少なかったが生産を続けていた。

の外国船建造も予想されるようになり、溶接棒メーカ

戦後の復興期には戦時中のストック品が大量に出は被覆アーク溶接棒に対するアメリカ船級協会

回ってはいたものの、あらゆる物資が不足していた。

（ABS）やロイド船級協会の認定を取る必要にせまらそのため戦災からの復旧はもとより、その他の民間需れた。溶接棒メーカはこれらの認定取得のために競っ要も極めて旺盛で、被覆アーク溶接棒は羽が生えたよて受検した。1948（昭和 23）年には神戸製鋼所が、うによく売れ、被覆アーク溶接棒は全くの売手市場と1949（昭和 24）年には東洋電極工業がロイド船級協なった。1947（昭和 22）年以降には、生産の再開を会の認定を取得している。また 1950（昭和 25）年に見送っていたメーカも続々と被覆アーク溶接棒の生産

は、ツルヤ工場・東洋電極工業・神東電極・神戸製鋼

を 再 開 し て い る。1945（ 昭 和 20） 年 の 角 丸 工 業、所・白山鉄業・由基製作所がアメリカ船級協会の認定

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を取得し、神戸製鋼所・東洋電極工業・由基製作所は置されていた乾燥設備（乾燥炉）が、塗布装置と直結

日本海事協会（NK）の認定を取得した。また翌年のした流れ作業のラインの中に取り入れられるように

1951（昭和 26）年には神戸製鋼所・東洋電極工業・なった。被覆剤塗布装置と連続乾燥炉の一例を図 5.4

福知山溶接棒が、翌々年の 1952（昭和 27）年には日に示す。

本電極工業が日本工業規格（JIS）の認定を取得した。
わが国経済の自立と安定とのために実施された、均衡財政の実施・為替レートの 1 本化・補助金の削減な
どの財政金融引き締め政策（ドッジ・ライン）によって、戦後長い間続いたインフレに終止符が打たれ、経済界はようやく戦後の混乱期から抜け出した。そして、戦後の物資不足のために行われていた重要物資の統制も次々に解除され、わが国の経済は従来の統制経

図 5.3

被覆アーク溶接棒の被覆剤塗布作業 1）

済から自由経済に移行した。溶接棒業界においても、統制されていた溶接棒用線材の統制が解除され、公定価格も廃止されて完全な自由競争時代に突入した。
1951（昭和 26）年になると輸出船の建造が開始され、年を経るにしたがってその建造量は増加し、計画造船による建造量を合わせた全体の建造量は莫大な量に達した。そのため造船における溶接継手の採用は飛躍的に増加し、1948（昭和 23）年頃の採用率は継手

図 5.4

被覆アーク溶接棒の製造装置 1）

全体の 30～40％程度であったが、1951（昭和 26）年

1951（昭和 26）年になると被覆アーク溶接棒の需頃には 70～80％ に達し、1953（昭和 28）年以降はほ要は著しく伸長し、それまでの生産設備では需要を消ぼ限界に近い 90％以上に達した。このような造船分化できない状態となり、各メーカともに設備の増強や野の旺盛な需要を中心に、電源開発計画も加わって、新工場の建設に踏み切った。被覆剤塗布設備について

鉄鋼・機械・車両・化学・繊維など、溶接を取り巻くも、さらなる能率化を目指して、海外から高性能な被あらゆる産業分野の生産が活発化した。また設備の合覆剤塗布装置が輸入された。しかし、このような高性理化を目的として、外国の先進技術も続々と取り入れ能の被覆剤塗布設備を備えることができたのは比較的られた。

大手のメーカのみで、いまだに手塗り作業で溶接棒を被覆アーク溶接棒の需要量の急激な増加に伴って、生産していた中小メーカもかなり存在していた。

生産設備の合理化・工場の拡大や増設が行われ、各溶

1953（昭和 28）年にアメリカ船級協会が、認定を接棒メーカはいずれもそれぞれの工場の新設や増設を取得して被覆アーク溶接棒を製造していたメーカを対活発に行うこととなった。しかし当時の溶接棒の被覆

象に、抜打ち的な品質検査を行った。そして手塗りで剤塗布作業は、図 5.3 に示すように、旧態依然とした被覆アーク溶接棒を生産していたメーカに対し、被覆

手塗り塗装（a）を行っているメーカと、専用装置を剤の機械塗布装置を使用して製品を作らなければアメ用いた機械塗布（b）しているメーカとが混在していリカ船級協会の認定を取り消すとの声明を出した。品た。機械塗布設備で溶接棒を生産する方が合理的で生質管理の徹底と製品の統一化が目的である。当時は国産性も高いが、機械塗布装置を備えた工場は極めて少産の塗布装置も市場に出回り、高性能な輸入塗布装置

なく、戦後直後のメーカのほとんどは手塗り生産でも自由に購入できるようになっていた。これらの装置あった。1949（昭和 24）年頃になると被覆剤の機械を導入することによって問題は容易に解決できるが、塗布装置も国産化されるようになり、資金力のある

多くの中小メーカは装置の購入資金および工場改造資

メーカはこの装置を設置するようになった。しかし被金の調達に苦しみ、溶接棒の製造を断念した。

覆剤の塗布設備が完備されると、次に問題となるのは1953（昭和 28）年には川崎製鉄が溶接棒の生産を

溶接棒の乾燥設備である。機械化によって被覆材の塗開始し、これを契機として他の製鉄会社の被覆アーク

布速度が速くなっても、塗布能力に合った乾燥設備が溶接棒生産への進出が始まった。1955（昭和 30）年ないと円滑な溶接棒の生産はできない。そのため、には、八幡製鉄が福知山溶接棒と共同出資の形で日本

1950（昭和 25）年には、塗布装置と離れた場所に設

溶接棒を設立し、系列化の先鞭をつけた。翌 1956（昭アーク溶接技術発展の系統化調査505

和 31）年には溶接棒メーカの系列化がさらに促進さ剤塗布装置その他の増設を行った 2）。

れ、神戸製鋼所・川崎製鉄・富士製鉄・住友金属工業・住友電工といった製鉄・製鋼メーカは、自社工場

5.1.7

被覆アーク溶接棒の進展

あるいは傘下メーカに対する設備投資、原料供給およ

1950（昭和 25）年頃までのわが国の被覆アーク溶び役員派遣などを行ってその関係を強化した。そのた

接棒は、イルミナイト系溶接棒のみの生産であった。

め、大企業およびその傘下メーカと、この流れに取りしかし米国からの新しい情報で、数種の被覆剤が開発残されたその他の中小メーカとの企業格差は大きく拡され、用途によって溶接棒をそれぞれ使い分けている

大することとなった。1957（昭和 32）年になると製こ と が 分 か っ た。 そ の た め わ が 国 で も、1949（ 昭

鉄会社による系列化はさらに進み、富士鋼業と日鋼熔

和 24）年以降新しい被覆剤の研究・開発が開始され材の技術提携（住友系）、富士製鉄の東京化工への心た。当時のわが国と米国との被覆アーク溶接棒を比較

線供給、八幡製鉄系の東洋電極工業と日本溶接棒とのすると、わが国のイルミナイト系溶接棒は、被覆剤の合併検討など、系列内での体制固めがさらに進んだ。

資源面と溶着金属の機械的性質とにのみに重点が置か

そして 1958（昭和 33）年には、東洋電極工業と日本

れ、作業性は軽視されていた。それに反して、米国の溶接棒が合併した八幡溶接棒が発足した。これによっ被覆アーク溶接棒は作業性に重点を置き、それに若干て、神戸製鋼所と八幡溶接棒の二大主流が形成され、の機械的性質を加味した溶接棒が作られていた。溶接

川崎製鉄・住友金属工業・富士製鉄がそれに続くと棒の被覆は高セルロース系、高酸化チタン系および高いった製鉄・製鋼メーカによる系列化は表 5.2 に示す

酸化鉄系の 3 種類である。

ような組合わせでほぼ完了した。なおこの年には、従以上のような事情から、わが国のイルミナイト系溶来の極めて非能率的な天秤による被覆剤の秤量・配合

接棒も作業性の面から再び検討されるようになった。

に代わって、自動配合装置による被覆剤の自動秤量・

また、高セルロース系および高酸化鉄系の被覆剤の研自動配合が導入されている。

究も始められた。そして 1950（昭和 25）年に、従来のイルミナイト系溶接棒より作業性の良い改良型イル

表 5.2

鉄鋼メーカによる溶接棒メーカの系列化

2）

ミナイト系溶接棒、高セルロース系溶接棒および高酸化鉄系溶接棒が完成した。1950（昭和 25）年の貿易再開によって、高酸化チタン系被覆剤の原料であるル
チール（チタニヤ：TiO2）がオーストラリアから輸入できるようになり、酸化チタン系の被覆アーク溶接
棒の研究・開発が可能となった。また欧州で古くから使用されていた、石灰石（CaCO3）が主原料で有機物は全く含まない低水素系溶接棒の研究も本格的に実施されるようになった。
1951（昭和 26）年に完成した高酸化チタン系溶接
棒は、従来のイルミナイト系、セルロース系および酸506

鍋底景気にあえいだ 1958（昭和 33）年が過ぎ翌年

化鉄系などの溶接棒に比べ、スパッタの発生が少なくになると、産業界は再び活況を呈し始め、被覆アーク

溶込みも浅いため薄板の溶接に適した。またビード外溶 接 棒 の 需 要 も 急 激 に 伸 長 し た。 そ し て 1960（ 昭

観が美麗で作業性が良く、立向下進溶接も可能であっ和 35）年の被覆アーク溶接棒生産量は、10,000 トン /た。石灰石を主成分とする低水素系溶接棒も同年に完月を突破した。その後所得倍増計画が発表されたこと成し、従来の各種被覆アーク溶接棒と異なる特性を示もあり、各溶接棒メーカの設備更新・増強計画は他産した。溶接金属中の水素は極めて少なく、脱酸剤とし業と同様に一段と活気を帯び、生産設備の増強あるいてフェロシリコン（Fe-Si）を含有しているため、耐は新工場建設が急務となった。1960（昭和 35）年に割れ性や機械的性質、特にじん性に優れ、厚板や鋳鋼は神戸製鋼所が関東地方（藤沢）で新工場の建設を始品の溶接に極めて優れた性能を発揮した。また米国かめ、それに続いて八幡溶接棒や富士溶接棒なども新工ら紹介されて注目を集めていた、鋳物溶接用の共晶合場の建設に着手した。また川崎製鉄・富士鋼業・日本

金被覆アーク溶接棒についても国産化の研究が各所で電極工業、さらに特殊電極・日本油脂・日本ウェル行なわた。そして 1951（昭和 26）年に、アジア溶接

ディングロツドなど特殊溶接棒メーカも、次々と被覆工業所で国産化に成功し、輸入品の被覆アーク溶接棒

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と肩を並べて、鋳物の溶接に使用されるようになっ

庁は、国内溶接棒メーカに高張力鋼用被覆アーク溶接

た。

棒の提出を求めた。神戸製鋼所、福知山溶接棒および1952（昭和 27）年には、戦時中にわが国で開発さ東洋電極の高張力鋼用被覆アーク溶接棒が選定され、れた太径溶接棒が造船界で再認識され、酸化鉄系の被防衛庁での採用が決定した。さらに 1955（昭和 30）

覆剤を塗った太径溶接棒が大々的にすみ肉溶接に使用年になると、高張力鋼を用いた船舶・橋梁・車両・タされた。また、火力発電および船舶のボイラやタービ

ンクなどが続々と作られるようになり、これらの溶接

ンの高温・高圧化に伴って、これらの装置内のパイプに用いる高張力鋼用被覆アーク溶接棒は次第に普及しには耐熱鋼である Cr-Mo 鋼が使用されるようになった。

た。そのため、Cr-Mo 鋼用の被覆アーク溶接棒の研鉄粉酸化鉄系被覆アーク溶接棒は 1956（昭和 31）

究・開発が行われ、1951（昭和 26）年には数種類の年に完成したが、完成当初はそれほど注目されなかっCr-Mo 鋼用溶接棒が市販された。

た。しかし造船業界が活況になるにつれて、能率面で1953（昭和 28）年には、被覆剤の系統が全く新し認識され始め、その使用量は次第に拡大した。1950

いライムチタニヤ系の被覆アーク溶接棒が開発され（昭和 25）年頃から始まった諸外国企業との技術提携た。ライムチタニヤ系溶接棒は、戦後の欧州で開発さも年を経るにしたがって急激な増加を示し、火力発れた溶接棒で、溶着金属中の水素が比較的少なく、機電・航空機・応用化学・石油精製などの分野では続々械的強度が優れていた。またアンダカットは生じにくと生産設備の近代化が行われた。それに伴って特殊被く、溶込みはイルミナイト系溶接棒より浅いがスラグ

覆アーク溶接棒は、品種と品質の高度化が要求されるの包被性が良好で、美しいビード外観が得られた。こようになった。そのため被覆アーク溶接棒の研究は、の年には、前年（昭和 27 年）以来、造船分野で多く極めて広範囲におよび、あらゆる材料の溶接につい使われるようになった太径の酸化鉄系被覆アーク溶接て、あらゆる角度からの研究・開発が行われた。

棒の改良・深溶込み被覆アーク溶接棒・高張力鋼用被1957（昭和 32）年になると、化学工業の発達にと覆アーク溶接棒などの研究・開発も活発に行われた。

もない、冷凍機器・ガスの液化・石油精製・LPG タ

上述したように、この年（昭和 27 年）にはアメリンカーなど、低温で使用される圧力容器や装置の需要

カ船級協会が手塗り被覆アーク溶接棒の採用を拒否すが増加した。そのため低温で使用される低温用鋼材のる声明を出しているが、同時に、わが国独自のイルミ溶接も必要となり、2.5％および 3.5％の Ni を含む低ナイト系被覆アーク溶接棒もアメリカ船級協会では認

温鋼用被覆アーク溶接棒が開発された。その他、化学めないとの声明が出された。手塗り溶接棒の問題とは機器で使用される異種金属継手の溶接に適した各種被異なり、わが国の代表的な被覆アーク溶接棒であるイ

覆アーク溶接棒、および耐熱鋼用の 9Cr-1Mo 系被覆

ルミナイト系溶接棒が、海外で認められるか否かは極アーク溶接棒も開発された。

めて重大な問題である。溶接棒メーカと日本溶接協会

1955（昭和 30）年に米国から超高張力鋼“Cari1loy

は一丸となってこの措置に反対し、イルミナイト系溶T-1”が紹介され、実用化によって利点や優秀性など

接棒の優秀性を指摘した論文を作成して反駁した。論が認められた。そして 1958（昭和 33）年には、従来文提出後も再び認められないとの回答がなされるなどの 52kg/mm2 級高張力鋼に加えて、55 および 60kg/

幾多の屈折を経たが、1954（昭和 29）年にはわが国

mm2 級高張力鋼が続々と国産化されるようになった。

の主張が認められた。そしてアメリカ船級協会本部

それに伴い種々な高張力鋼用被覆アーク溶接棒も次々

は、特別証明書を発行してイルミナイト系溶接棒の使に開発され、大々的に使用されるようになった。

用を認めた。

裏側から溶接ができないパイプの溶接などでは、表1954（昭和 29）年になると、当時の造船分野で多面からの溶接で裏側まで完全に溶融することは困難

用され高能率を発揮していた太径の酸化鉄系被覆アー

で、裏面に未溶融部を残したまま実用に供されていク溶接棒のさらなる能率向上が提案された。そこで、た。しかし、溶接棒の被覆を低水素系の被覆剤で二重従来の酸化鉄系被覆剤に鉄粉を添加することが検討さ被覆とすることによって、裏側まで完全に溶融して完れ、すみ肉溶接用の鉄粉酸化鉄系被覆アーク溶接棒が全な裏波ビードを形成できることが判明した。そしてこの年に完成した。また数年来の懸案であった、深溶

二重被覆の裏波溶接棒が開発され、1959（昭和 34）

込み被覆アーク溶接棒と高張力鋼用被覆アーク溶接棒

年には広範囲な産業分野で実用化されようになった。

もこの年に完成し、市販されるようになった。そしまた、溶接棒メーカは一重被覆の裏波溶接棒の開発もて、高張力鋼を艦船に使用する検討を始めていた防衛

始め、この年には二重被覆の溶接棒に勝るとも劣らなアーク溶接技術発展の系統化調査

507

い、一重被覆の裏波溶接棒を完成した。その他、従来

らゆる構造物の溶接に広く使用されている。

の各種タイプの軟鋼用被覆アーク溶接棒については品

・セ ルロース系溶接棒：被覆剤に有機物を 20％以

質の向上、作業性の向上を目指して各メーカはさらな上含んだ溶接棒である。有機物の燃焼で多量のガる研究を継続するとともに、需要増加に伴って一層のスを発生して溶着金属を保護するガスシードタイ

品質の向上が望まれていたステンレス鋼溶接棒およびプの溶接棒で、アークは強く、溶込みは深い。

表面硬化溶接棒の品質向上や新しい溶接棒の開発に重・酸化鉄系溶接棒：酸化鉄を主成分とした被覆剤の溶接棒である。主に水平すみ肉溶接で使用され、点を置いた研究が推進された。
1960（昭和 35）年以降は、新しい被覆剤に関する

溶滴はスプレー移行するためスパッタは少ない。

開発研究は行われず、すでに開発された被覆アーク溶

スラグは完全に溶着金属を覆い、剥離性も良好で接棒の品質や作業性を向上させるための改良研究が行ある。ビード表面は滑らかで、等脚長に近い平ら

われるようになった。また、能率向上を目的として被なすみ肉形状を形成する。

覆剤に鉄粉を添加し、従来と同様の作業性・溶接性を・低水素系溶接棒：石灰石などの塩基性炭酸塩を主備えた被覆アーク溶接棒を作ることにも重点が置かれ成分とした被覆剤の溶接棒である。被覆剤中の水た。特殊被覆アーク溶接棒では、化学工業の設備増強

素源が少なく、炭酸塩が分解されて発生する炭酸に対処するために、品質の向上とともに作業性に重点ガスでアークをシールドする。溶接割れに影響を

2）

及ぼす水素量は極めて少なく（低水素系：4～を置いた開発が行われた 。
上述した溶接棒の被覆剤として用いられた主な物質と そ の 効 果 を ま と め る と 表 5.3 に 示 す よ う で あ り、

7ml/100g）、機械的性質に優れるため、厚鋼板の溶接などに適する。

アークの安定化・スラグの生成・シールドガスの発・チ タニア系溶接棒：被覆剤に酸化チタンを 35％

生・作業性の改善など、目的に応じて種々な物質を組程度含む溶接棒である。アークはおだやかで、ス

み合せて被覆剤としている。また軟鋼用被覆アーク溶

パッタの発生は少ない。スラグの粘性は大きく、接棒の主な種類と特徴は次のようである。

溶着金属の被包も良好で、全ての溶接姿勢に適用できる。溶込みは浅く、薄板の溶接に適し、軽構・イ ルミナイト系溶接棒：被覆剤にイルミナイト（チタン鉄鉱・FeTiO3）を 30％程度含んだ、わが・ライムチタニア系溶接棒：被覆剤に酸化チタンを

国独自の溶接棒である。スラグの流動性は比較的

約 30％、石灰石などの塩基性物質を約 20％程度

良好で、全ての溶接姿勢に適用が可能である。

含む溶接棒である。アークはおだやかで、全てのアークはやや強く、溶込みは深い。スラグの除去

溶接姿勢に適用が可能であるが、特に下向・立向が容易で、ビード波は細かく美麗であるため、あすみ肉溶接に適する。チタニア系溶接棒と同様に

表 5.3

508

造物の溶接に使用される。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

被覆剤に用いられる物質とその効果 2）

Vol.23 2016. March酸化チタンを多量に含むが、チタニア系溶接棒よ中の脱酸性原料の選択と適正化などが行われた 2）。

り機械的性質に優れる。
上述したようなわが国の被覆アーク溶接棒の技術は海外でも認められるようになり、1959（昭和 34）年には、八幡溶接棒がイルミナイト系溶接棒の製造技術

5.2 サブマージアーク溶接材料を ス イ ス の エ リ コ ン 社 へ 技 術 輸 出 し た。1960（ 昭

わが国のサブマージアーク溶接は、1951（昭和 26）

和 35）年には、神戸製鋼所が中国の銲条公司に対し

年に、大阪変圧器が米国のユニオンカーバイド社と自て技術輸出を行った。また同社は、わが国の被覆アー

動溶接に関する技術提携契約を締結し、ユニオンメル

ク溶接棒開発当初の目標であったスタビレンド溶接棒

ト溶接装置として製造販売を開始したことに始まる。

の開発国であるベルギーへ、被覆アーク溶接棒を輸出

当 初 は そ の 需 要 が ほ と ん ど な か っ た が、1954（ 昭するようにもなった。

和 29）年頃から徐々に需要が増加し始め、溶接の能1955（昭和 30）年頃を境にして電源開発や道路建率化が重視されだした 1955（昭和 30）年には、造船設が盛んになると、ブルドーザーその他建設機械がを始めとして造機関係などでも採用されるようになっ

続々と国産化された。それらの部品補修に、古くからた。サブマージアーク溶接の需要の増大に伴って、輸機械部品や鉱山機械の補修に使用されていた表面硬化入品に頼っていた溶接ワイヤの国産化も検討され、神肉盛溶接棒が盛んに使用されるようになった。また部

戸製鋼所および大同製鋼が国産のサブマージアーク溶品補修とは別に、新品への肉盛溶接も行われるように接用ワイヤを開発した。当初は炭素鋼の溶接を対象となり、年を経るにつれて表面硬化肉盛溶接棒の需要はした Si-Mn 系のワイヤのみであったが、その後、高増大した。さらに各工業での活発な設備増強によって張力鋼用の Ni 系および Ni-Cr-Mo 系ワイヤ、耐熱鋼工業用地が不足し、海岸を埋め立てた臨海工業地帯の用 の Mo 系 お よ び Cr-Mo 系 ワ イ ヤ、 耐 候 性 鋼 用 の造成が、千葉を皮切りに名古屋・堺・岡山など続々と

Cu-Cr 系および Cu-Cr-Ni 系ワイヤなどが次々に開発行われた。この埋め立て工事に使用されるサンドポンされた。

プ・ケーシングの内面およびカッターナイフの刃先溶接装置、溶接ワイヤの国産化に続いて、1959（昭は、砂礫と岩盤による摩耗が著しく、これらの補修に

和 34）年には、阪神溶接機材がフラックスの国産化

大量の表面硬化肉盛溶接棒が用いられた。そのため埋に成功した。翌 1960（昭和 35）年には、ユニオンメめ立て工事の増大とともに、溶接棒の需要も急激に増

ルト溶接法の特許が期限を過ぎて失効した。それまで加し、品質の改良や新しい表面硬化肉盛溶接棒の開発

は特許の関係で、溶接ワイヤ、フラックスともに限らが積極的に推進された。

れたメーカでしか製造できなかったが、特許の失効と極低温海域で使用される海洋構造物や低温用アルミ

同時に川崎製鉄や八幡溶接棒なども溶接ワイヤとフキルド鋼が用いられる LPG タンカーやタンクなど、

ラックスの生産・販売を開始した。この頃のフラック

低温度環境で使用される構造物用の溶接材料として、

スは溶融型で、原料鉱石を混合・溶解し、それを急冷

Ti-B 系および Ni-Ti-B 系の低温用鋼用被覆アーク溶凝固させた後に粉砕・整粒したものである。溶融型フ接棒も実用化された。海洋構造物の溶接には厳しい低ラックスには、ガラス状のものと軽石状のものとがあ

温靱性が要求され、靱性の向上には、低酸素化とともるが、いずれも表面はガラス状で耐吸湿性に優れる。

に、溶接金属組織の微細化が必須である。YP550MPa

また一般に、フラックスの融点が低いため、高速溶接

以下の鋼材用の溶接棒では被覆剤に Ti-B を複合添加に適する。

して、YP600MPa 以上の鋼材用の溶接棒では被覆剤

しかし溶融型フラックスには、得られる溶着金属のに Ni を添加することによって、組織の微細化が図ら

切欠きじん性が低いという欠点がある。この欠点改良れている。

についての研究が行われ、1961（昭和 36）年に、じ代表的な大型構造物の一つである水圧鉄管（ペンスん性に富む溶着金属が得られる焼結型のフラックスがトック）では、重量軽減や溶接工数低減を目的として開発された。焼結型フラックスはわが国独自の画期的

早くから高強度化への取組みが行われていた。近年でなフラックスで、海外にはこの種のフラックスはな

は、東京電力・神流川発電所の水圧鉄管に国内で初めい。焼結型フラックスは、石灰石（CaCO3）・ほたるて 950MPa 級の高張力鋼が採用されている。950MPa石（CaF2）・ 酸 化 マ グ ネ シ ウ ム（MgO）
・アルミナ

級高張力鋼用被覆アーク溶接棒では、脆性破壊の発生（Al2O3）などを主成分とする原料粉や金属粉・合金粉を防止するために高靭性化が必要であり、フラックスを混合し、それに水ガラスを添加して造粒した後、アーク溶接技術発展の系統化調査

509

600℃程度で焼成する。そのため脱酸成分や合金成分を任意に添加することが容易であり、炭酸塩・金属
粉・合金粉などの添加によって、溶接金属の低水素化・低酸素化ならびに溶着速度の向上などが可能とな

5.3.1

ソリッドワイヤる。またフラックスの耐熱性は高いため、大入熱溶接

炭酸ガスをシールドガスに用いるマグ溶接では、前などにも適用できる。しかし、溶融フラックスに比べ述（3.6.1 項（1）参照）したように、適切な脱酸成分

ると吸湿性が大きいため、通常は、使用前に 300℃でを含んだワイヤを用いることによって満足すべき溶着

1 時間程度の乾燥を行うことが必要である（溶融型フ金属を得られることが、1953（昭和 28）年にリューラックスと焼結型フラックスの主な特性の比較はバフスキーとノボシロフとによって見い出された。そ3.3.3 項・表 3.2 参照）。

してオランダのフィリップス社が、溶接ワイヤに Si

さらに高いじん性が要求される高張力鋼用のフラッおよび Mn などの脱酸剤を 0.3％以上添加して酸素をクスについての研究・開発も行われ、種々な高張力鋼

除去する方法を発明し、1956（昭和 31）年に日本で用の焼結フラックスが開発・市販された。近年では、の特許が成立している。またわが国では 1950 年代前

フラックス中の脱酸剤成分とその成分比率を適正化し半に、名古屋大学の関口教授が炭酸ガスと酸素の混合て高じん性を確保した、950MPa 級高張力鋼用のフガスでシールドする CO2-O2 アーク溶接法を提案し、ラックスも開発されている。

それに用いるワイヤとして Si および Mn を通常より発電プラント用ボイラの分野では、地球環境問題

多く含む低炭素のワイヤ（いわゆる関口心線）を開発（CO2 低減）の関係から、高い発電効率が求められ、した。1971（昭和 46）年には、フィリップス社が持っ蒸気条件の高温・高圧化が進められた。鋼材には、従ていた炭酸ガス溶接用ワイヤに関する日本特許が失効

来から使用されている Mod. 9Cr-1Mo 耐熱鋼の他、さし、それ以後国産溶接材料メーカが競ってこの分野にらに高温強度特性を改善した高 Cr-W 系の鋼材の適用参入し、ワイヤ成分の改良などによって種々なタイプが検討された。それに対応して開発されたサブマージのマグ溶接用ワイヤを開発した 2）。1970 年代後半にアーク溶接用の 12 Cr フェライト系耐熱鋼用フラック

は、溶接ワイヤを多量に消費する造船や建築分野など

スでは、Cr を増加させることによって耐酸化性を向でマグ溶接の採用が大幅に増加し、1984（昭和 59）

上させるとともに、W を添加して固溶強化や Nb・V

年になると国内のマグ溶接用ワイヤの年間生産量は、

2）の増加による析出硬化などが図られた 。
昭和 50 年代後半には、狭開先サブマージアーク溶

それまで首位であった被覆アーク溶接棒の生産量を追い抜くまでに増大した 1）。

接への適用を目的として、狭い開先角度・狭い開先幅

軟鋼・高張力鋼のマグ溶接に用いられる主なソリッにおいてもスラグの剥離性が良好なフラックスが開発

ドワイヤは表 5.4 に示すようであり、JIS 規格（JISされた。

Z 3312）では、ワイヤの化学成分および溶着金属の機

表 5.4

510

5.3 マグ・ミグ溶接ワイヤ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

軟鋼・高張力鋼用ソリッドワイヤ（JIS Z 3312：2009 抜粋）

Vol.23 2016. March械的性質が規定されている。YGW11 ワイヤは、シー

よって、ワイヤ先端に形成される溶滴の粘性は低下

ルドガスに 100％ CO2 を用いるマグ溶接の大電流域でし、溶滴のワイヤ端からの離脱が容易になる。その結使用するわが国独特のワイヤである。溶接金属中の酸

果、ワイヤ端から離脱する溶滴径は小粒となり、アー素を低減させるために、酸素（O2）との親和力が強

ク長を短くしても短絡が生じにくくなるため、溶接速

い Ti・Zr・Al が微量添加されている。酸素を低減さ度の高速化が可能になる。

せることによって溶接金属の粘性は増大するため、水YGW18 および YGW19 は、大入熱・高パス間温度

飛沫のように溶融池から飛び出すスパッタを抑制するに対応するために、1997（平成 9）年に開発されたワ効果が得られる。

イヤである。建築鉄骨の溶接施工では、近年、より厳シールドガスの種類によって、溶接に用いるワイヤ

格な溶接施工管理が要求されるようになってきた。日は 異 な る。 シ ー ル ド ガ ス に 100 ％ CO2 を 用 い る

本建築学会の鉄骨工事技術指針では、溶接部の健全性

YGW11 や YGW12 な ど ワ イ ヤ で は、Ar-CO2 混 合 ガ

確保のために、「溶接入熱 40kJ/cm 以下かつパス間温スを用いる YGW15 や YGW16 などに比べ、ワイヤ中

度 350℃以下」を溶接時の熱管理の目安としている。

の Si と Mn の量を多く規定している。CO2 の酸化力

建築鉄骨の柱−梁仕口溶接部の溶接長は、一般の溶接は Ar-CO2 混合ガスより強いため、溶接金属の脱酸に構造物に比べて短く、連続で溶接するとパス間温度がSi と Mn がより多く使用され、溶接金属中に残存す

300〜600℃まで上昇することがある。パス間温度が高るそれらの量が少なくなるのを避けるためである。表くなると、溶接部の冷却速度が遅くなり、溶接金属の5.5 は同一のソリッドワイヤ（YGW16）を用い、シー

引張強さもじん性も規格値を満たさなくなる。そのたルドガスの Ar 混合比を変えた場合の溶接金属の化学

め、Mo を添加した Ti-B 系（高じん性）のソリッド

成分の変化を示したものである。シールドガス中のワイヤが開発され、YGW18 および YGW19 としてCO2 の比率が増加するに従って溶融金属中の酸素量JIS 規格に追加された。これらのワイヤでは、従来ワも増加し、酸素との親和力が強い Si および Mn によイヤ（YGW11）の場合より溶接入熱を大きく、パスる脱酸が進行して、溶接金属中の Si および Mn の歩間温度を高くしても、良好な機械的性質の溶接金属が留まりは減少する。したがって 80％ Ar ＋ 20％ CO2得られる。すなわち入熱管理の煩わしさを軽減できる

混合ガス用ワイヤを、誤って 100％ CO2 のシールドガ

ばかりでなく、パス間温度の拡大による冷却待ち時間

スで使用すると、溶接金属中の Si と Mn が減少し過の短縮が可能となり、高品質・高能率な施工が可能とぎ、表 5.6 に示すように、溶接継手の強度は低下し、なる。

じん性は高くなる。反対に 100％ CO2 のシールドガス

ソリッドワイヤでは、一般に、通電性・送給性の向用ワイヤを、80％ Ar ＋ 20％ CO2 混合ガスで使用す上と防錆を目的として、ワイヤ表面には銅めっきが施ると、継手強度は高くなるが、じん性（吸収エネル

されている。従来常識とされていたこのような銅めっギー）は低下する。

き処理を行わない、銅めっきレスワイヤが 2000（平表 5.5

シールドガス組成と溶着金属の化学成分

成 12）年開発された。特殊な表面処理を施すことによって銅めっき処理を省き、優れたワイヤ送給性や通電性を確保して、良好なアークの安定性や低スパッタ化などを実現した。両者の通電抵抗の変化を比較すると図 5.5 のようであり、銅めっきワイヤではめっき被膜の微小クラックの影響でめっき部と地金露出部で通

表 5.6

シールドガス組成と溶着金属の機械的性質

電抵抗値が変化する。一方、銅めっきレスワイヤでの通電抵抗値はやや高い値となるが、その変動は少なく均一な通電状態が得られる 3）。
その他、耐候性鋼用ソリッドワイヤ（JIS Z 3315）、
モリブデン鋼およびクロムモリブデン鋼用ソリッドワ
イ ヤ（JIS Z 3317）、 鋳 鉄 用 ソ リ ッ ド ワ イ ヤ（JISZ 3252）、ニッケルおよびニッケル合金用ソリッドワ

YGW17 は、自動車部品のパルスマグ溶接の改善をイヤ（JIS Z 3334）、銅および銅合金用ソリッドワイ

目的として、1986（昭和 61）年に開発された低 Si 系

ヤ（JIS Z 3341）が開発され、規格化されている。まのワイヤである。ワイヤ中の Si を低減させることにたティグ溶接に用いる溶加材として、高張力鋼およびアーク溶接技術発展の系統化調査

511

整するために遠方の溶接機まで往復しなければならず、高能率化は一層阻害されることとなった。そこで強く望まれたのは、同一高電流で全姿勢溶接が可能な
新たなワイヤの開発であった。そしてこのニーズに応えるには、重力に逆らって溶融池を支えるスラグに頼るしかないと考え、新しいフラックス入りワイヤの開発が始められた。ソリッドワイヤの欠点としては、上記した溶接姿勢による能率低下の他、多発するスパッ
タの除去、少量の硬い付着スラグの除去、ビード外観
不良の手直しなどの後処理工数の増大も大きな問題で
図 5.5

銅めっきワイヤとノーめっきワイヤの比較 3）あった。
立向下進溶接で良好な作業性を示すチタニア系および低水素系被覆アーク溶接棒には、主要スラグ形成剤

低温用鋼用ワイヤ（JIS Z 3316）と 9% ニッケル鋼用として、アークを安性化しかつ溶融スラグの粘度を適ワイヤ（JIS Z 3332）が開発され、規格化されている。

正化する酸化チタン（チタニア：TiO2）が含まれてなお、ステンレス鋼およびアルミニウムのソリッドワいる。そこで、この TiO2 の作用と効果に着目した研イヤについては後述する。

究が行われ、チタニア系細径フラックス入りワイヤが1965（昭和 40）年に開発された。その頃ある造船所

5.3.2

フラックス入りワイヤ

で、溶接ビード表面の平滑度に厳しい基準を設定した

わが国初のフラックス入りワイヤは、日立製作所が船が連続して建造されることとなり、スパッタの除去開発した炭酸ガス溶接機（ハイアーク溶接機）に用いはもちろんのこと、溶接ビードの全長でグラインダ研

られるワイヤとして、1961（昭和 36）年に国産化さ削が必要とされた。新しいフラックス入りワイヤのれた。神戸製鋼所、八幡溶接棒および富士溶接棒が、ビード表面の平滑さに着目した溶接スタッフは、発注それぞれ異なった形式のフラックス入りワイヤを開発者にその溶接ビードを見せて説得し、フラックス入り

して市販している。しかし、いくつかの新技術も自社ワイヤを用いたマグ溶接のビードはグラインダ研削が開発されてはいるものの、依然として外国の技術に依不要であるとの見解を引き出した。そしてフラックス

2）

存する度合が極めて大きかった 。

512

入りワイヤを全面的に採用することによって、膨大な1973（昭和 48）年のオイルショック以降、造船分

後処理工数が不要となって、大幅な工数低減を達成し

野では船の建造量が激減し、1980（昭和 55）年にはた。その後、下向溶接などに限定して安価なソリッド

ピーク時の約 1/3 にまで落ち込んだ。そのため造船ワイヤを使用することも検討されたが、溶接作業者のメーカは生き残りを賭けて徹底したコストダウンに取反対が強く、部分的なソリッドワイヤの使用は取りやり組み、建造工数に占める比率の高い溶接作業の合理めとなった。それまでの被覆アーク溶接に比べて溶接化（生産性向上）が重点的に取り上げられた。被覆材料（ワイヤ）の価格は高くなるが、フラックス入り

アーク溶接やグラビティ溶接に替わる新しい溶接法にワイヤを用いたマグ溶接の溶着効率は極めて高いた

ついての検討がなされ、自動車分野や建築鉄骨分野でめ、高溶着率化と手直し工数の削減で、単位溶接長あ

先行していたソリッドワイヤによる半自動マグ溶接のたりのトータルコストは従来の 1/2 以下となった 4）。

適用が進められた。マグ溶接は多量のスパッタ発生やその後、伸線技術、潤滑技術、表面処理技術さらに操作性の悪さが問題となったが、それ以上の致命的なは低水素化技術などの実用化研究も短期間で集中的に問題点として、船殻の製作特有の全姿勢溶接に十分な行われた。造船溶接技術者の強い要望に応えて開発さ対応ができないことが判明した。

れた、高電流で上向溶接も立向溶接も可能な全姿勢溶

ソリッドワイヤを用いるマグ溶接では、下向や水平接用の細径フラックス入りワイヤは、瞬く間にわが国姿勢で高電流・高能率な溶接が可能であるが、立向やの造船業界へ驚異的に普及した。1980（昭和 55）年

上向姿勢では低電流・低能率の溶接に限定され、作業の生産量は約 2,000 トン / 年であったのが、5 年後の能率は大きく低下する。また船殻の溶接継手には、水1985（昭和 60）年には約 25,000 トン / 年に急増し、平、下向、立向および上向の溶接線がある。そのため1990（平成 2）年には 60,000 トン / 年を超え、20 年

溶接作業者は溶接姿勢が変わる度に、溶接条件を再調

後の 2000（平成 12）年には 100,000 トン / 年近くに国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

まで増大した 5）。

表 5.7

大脚長水平すみ肉溶接 5）フラックス入りワイヤは、一般に、連続的に供給される外皮帯鋼をＵ型に成形し、その中にフラックスを充填した後、外皮帯鋼を造管整形して製造される。そのため外皮金属の表面には、造管整形時の合わせ目（シーム）が残り、フラックスの吸湿に起因する溶接欠陥（例えばピットやガス溝など）が発生しやすい。
また銅めっきなどの湿式表面処理もできない。このような問題を解決するために、外皮金属に造管整形時の合わせ目が残らないフラックス入りシームレスワイヤ
が 1981（昭和 56）年に開発された。このワイヤの製造では、フラックス充填後の造管工程に溶接を採用
し、外皮金属の造管溶接によってフラックス充填管を作る。銅めっきを施すことができるフラックス入り
シームレスワイヤは、ワイヤとコンタクトチップ間の通電性を改善し、チップの耐摩耗性も向上させる。そのため、アークの安定性やワイヤの送給性を向上させる効果が得られ、フラックスの吸湿に起因した溶接欠陥の発生も抑制できる。
造船や橋梁などの部材ではすみ肉溶接継手が大きい
比率を占め、その大部分が水平すみ肉溶接として施工される。しかし水平すみ肉溶接で得られる最大の脚長は 8mm 程度で、それ以上の脚長を得ようとしても、

図 5.7

メタル系フラックス入りワイヤの効果

図 5.6 に示すようなアンダカットやオーバラップが発生し、良好なすみ肉溶接ビードは得られない。そこい。メタル系フラックス入りワイヤの効果の一例を示

で、フラックス中の鉄粉添加量を増加させるとともにすと図 5.7 のようであり、ソリッドワイヤを用いた溶フラックスの特性も改良した、大脚長すみ肉溶接用フ接に比べ、発生するスパッタは大幅に低減される。

ラックス入りワイヤが 1985（昭和 60）年に開発され1990 年代中頃になると、職場の環境改善への関心た。このワイヤを使用した溶接では、表 5.7 に示すよが高まり、溶接作業現場においても「脱 3K」への取うに、脚長 8mm を超える水平すみ肉溶接が可能とな組みが進められ、特に溶接ヒュームへの対策が強化さり、1 パス溶接で最大 10.5～11mm 程度の脚長を得る

れるようになった。フラックス入りワイヤを用いた溶こともできる。

接は、一般に高電流を使用した溶接となるため、単位

また、フラックス中にスラグ形成剤を含まない新し

時間当たりの溶接ヒューム発生量が多く、溶接作業者

いタイプのフラックス入りワイヤとして、メタル系フの健康管理のためにも低ヒューム化が大きな課題でラックス入りワイヤも開発されている。このワイヤのあった。このような市場ニーズを背景に、ヒューム発

フラックスは鉄粉、合金・脱酸剤およびアーク安定剤

生現象についての基礎研究が行われ、ワイヤの低炭素などで構成され、スラグ形成剤は全く含まれていな化やフラックスへのアルカリ金属の添加などが溶接
ヒュームの低減に有効であることが明らかにされた。
そして、フラックス入りワイヤの特性・特徴を保ちながら、ヒュームとスパッタの発生量を大幅に低減させた低ヒューム・低スパッタのフラックス入りワイヤが、1995（平成 7）年に開発・実用化された。このフラックス入りワイヤでは、従来のフラックス入りワイヤに比べ、ヒューム発生量とスパッタ発生量はいずれも約 40％減少し、作業環境の大幅な改善に寄与した。

図 5.6

大脚長水平すみ肉溶接で生じやすい溶接欠陥

その他、塩基性フラックスの使用が常識とされていたアーク溶接技術発展の系統化調査513

溶接金属の低酸素化をチタニア系フラックスで実現に応じて、それぞれ異なったワイヤが使用される。主し、低温じん性を向上させたフラックス入りワイヤ

なワイヤのフラックスの構成は図 5.10 のようであり、や、焼戻しぜい化を抑制するフラックス入りワイヤな

代表的なスラグ系ワイヤであるルチール系ワイヤのフ6）ども開発された 。

ラックスは、スラグ形成剤、合金・脱酸剤およびアー

フラックス入りワイヤの構造は図 5.8（a）のようで

ク安定剤などで構成されている。もう一つのスラグ系あり、チューブ状の外皮金属（シース）の内側にフワイヤであるすみ肉溶接用ワイヤのフラックス構成もラックスが充填されている。その代表的な断面形状はルチール系ワイヤと同様であるが、フラックスに添加（b）のようであり、①および②の形状は主に直径 1.2される鉄粉量は多い。メタル系ワイヤのフラックスは～1.6mm の細径ワイヤに適用され、外皮金属に合わ

多量の鉄粉と合金・脱酸剤およびアーク安定剤などでせ目（継目）がないシームレスタイプ（①）と合わせ構成され、スラグ形成剤はほとんど含まれていない。

目があるタイプ（②）に大別される。③および④の形

スラグ系ワイヤを用いた溶接では溶接後のビード表面状は主に直径 2.4～4.0mm の太径ワイヤに適用され、が凝固スラグで覆われるが、メタル系ワイヤを用いたアーク発生時に生じやすいフラックス柱（外皮金属に溶接のビード表面に付着するスラグは極めて微量であ比べて溶融しにくいフラックスが半溶融状態となってる。

ワイヤ中央部に残存する現象）の発生を抑制する効果がある。しかし、近年は太径ワイヤの使用量が大幅に減少し細径ワイヤの適用が拡大しているため、フラッ
クス入りワイヤの大部分は①または②の形状となっている。また、②の外皮金属に合わせ目（継目）があるタイプでも、造管時の工夫で合わせ目の間隔をより狭く整形できるようになっており、フラックスの耐吸湿

図 5.9

フラックス入りワイヤの種類

性はシームレスワイヤと遜色ないレベルに達している。

図 5.10
図 5.8

スラグ系ワイヤとメタル系ワイヤ 4）

ルチール系フラックス入りワイヤの溶滴移行は図

フラックス入りワイヤ 3）

5.11（a）のようであり、溶滴の移行形態はグロビュー
フラックス入りワイヤは図 5.9 のように分類され、ル移行となる。このワイヤが使用できる電流域は、中溶接法、フラックスの種類およびシールドガスの組成～大電流域（直径 1.2mm ワイヤでは 180～320A 程度）

図 5.11

514

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

溶滴移行形態の比較 4）

に限定される。ソリッドワイヤを用いる溶接では、小から、各種工業分野で幅広く適用され、その使用量は電流域（直径 1.2mm ワイヤでは 200A 以下の電流域）

年々増加している。ステンレス鋼の溶接には、炭素鋼での溶滴移行形態が（b）に示すような短絡移行となの場合と同様に、被覆アーク溶接、サブマージアーク

る。しかしルチール系フラックス入りワイヤを用いる

溶接、ティグ溶接など種々な溶接法が適用されてい溶接では、溶滴の短絡移行を実現できず、小電流域でる。最も多く適用されている溶接法はマグ溶接であるは安定なアーク状態が得られない。

が、炭素鋼の場合に比べ、ステンレス鋼のマグ溶接に

細径フラックス入りワイヤの適用は造船分野の半自おけるソリッドワイヤとフラックス入りワイヤの使用

動溶接から始まって、多電極自動すみ肉溶接、簡易車

比率は、フラックス入りワイヤの方がとりわけ高い比による自動すみ肉溶接ならびに溶接ロボットを用いた率となっている。ステンレス鋼用フラックス入りワイ

自動溶接にも適用を拡大していった。また造船分野のヤの生産量は 1985（昭和 60）年頃から飛躍的に増加

他、橋梁や建築鉄骨分野など、他の産業分野にも急速し、1991（平成 3）年にはステンレス鋼用被覆アークに普及していった。被覆アーク溶接棒で培った技術を

溶接棒の生産量を越え、近年では全ステンレス鋼溶接

背景に、溶接材料メーカが競って顧客の要求に対応し材料に占めるフラックス入りワイヤの比率は 50％近た各種のフラックス入りワイヤを開発していったこと

くにまで達している。比較的熟練を要せずに高能率なが、被覆アーク溶接の比率が比較的高い米国やソリッ

半自動溶接ができることおよび自動化に適したワイヤ

ドワイヤを使用したマグ溶接の比率が高い欧州とは異であることなどが、フラックス入りワイヤの適用増加

なるわが国独自の世界を創りあげた最大の理由であろの大きな要因であろうと思われる。

うと思われる。

ステンレス鋼用フラックス入りワイヤの規格は、1974（昭和 49）年に AWS（米国溶接協会）が“AWS

5.4 ステンレス鋼用ワイヤ

A 5.22 SPECIFICATION for FLUX CORED
CORROSION-RESISTING CHROMIUM and
CHROMIUM–NICKEL STEEL ELECTRODES” とステンレス鋼の溶接は 1935（昭和 10）年頃から検して制定した。わが国では 1983（昭和 58）年に、“JIS討され、日本油脂が 1938（昭和 13）年にステンレス

Z 3323：ステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイ

鋼用の被覆アーク溶接棒を開発した。当初、ステンレヤ”として 14 種類のフラックス入りワイヤの JIS 規

ス鋼の溶接は兵器産業で多用されたが、一般構造物で格が制定された。近年では JIS の規格以外のワイヤもも、鋳鋼バルブの弁や弁座の肉盛溶接、水車ランナの開発され、主要なステンレス鋼の溶接にはほぼ全てフ肉盛溶接、圧力容器の溶接、タービンの翼車と車軸のラックス入りワイヤが使えるまでに多品種化され、被溶接などに使用され始めた。また日本油脂は 1943（昭覆アーク溶接棒からの置換えが進んでいる。

和 18）年に、防弾鋼板などの特殊鋼溶接に必要なオー

初期のステンレス鋼用フラックス入りワイヤは、直ステナイト系ステンレス被覆アーク溶接棒を国産化し径 2.0mm 以上の太径ワイヤが主流であった。しかし、た。しかし日本油脂が製造した高級ステンレス溶接棒

その後の製造技術の進歩によってワイヤの細径化が推は、ほとんどが陸軍および海軍の軍需品製造に用いら進され、1979（昭和 54）年頃には直径 1.6mm、1981

れ民間には出回らなかった。民間では、他のメーカに（昭和 56）年頃には直径 1.2mm のワイヤが市販されよって作られた手塗りのステンレス溶接棒が使用されるようになった。その結果、汎用マグ溶接機の送給装ていたようである。

置をそのまま使用できるようになり、適正溶接条件範戦後の化学工業分野での設備増強・新設に伴って、囲が広いこともあって、フラックス入りワイヤの適用

ステンレス鋼被覆アーク溶接棒の需要は急激に増加しは一層拡大することとなった 7）。近年では、薄板用とた。それまでの化学プラントに用いられた装置や機器

して直径 0.9mm および 0.8mm の極細ワイヤも使用さは海外で製作され、わが国ではそれらの据付けのみがれるようになっている。初期のステンレス鋼フラック

行われていた。しかし 1957（昭和 32）年になるとス

ス入りワイヤには、前述した炭素鋼用フラックス入り

テンレス鋼用の被覆アーク溶接棒の JIS 規格が制定さ

ワイヤ（5.3.2 項参照）と同様に、複雑な断面形状がれ、国産ステンレス鋼材の品質も向上したため、従来用いられていた。しかし細径化に伴って、ワイヤの断輸入に頼っていた化学プラントの装置や機器は次第に

面形状は単純なものへと推移している 8）。

国産化されるようになった 2）。
ステンレス鋼は優れた耐食性や耐熱性を有すること

ワイヤの外皮金属（シース）には、通常、溶接金属の組成を安定化するためにステンレス鋼を用い、充填アーク溶接技術発展の系統化調査515

フラックスには溶接作業性改善のためのアーク安定剤

表 5.9

ステンレス鋼母材とワイヤの組合せやスラグ形成剤（炭酸塩・ケイ酸塩・フッ化物・金属
酸化物など）の他、合金成分の酸化消耗分補充や溶着量向上および合金元素添加を目的とした金属粉末が用いられる。フラックス入りワイヤを使用する場合のシールドガスとしては、通常、溶接金属の性能面を重視して CO2 を使用することが多い。しかし、スパッタの発生を抑制したい場合や母材からの希釈を抑えたい肉盛溶接などの場合には、Ar+20%CO2 混合ガスも使用される。特殊鋼種の溶接では、ワイヤメーカから専用のシールドガスが指定されていることも多い。
ステンレス鋼の溶接に用いられる主な溶接ワイヤには表 5.8 のようなものがあり、詳細は“JIS Z 3321：
溶接用ステンレス鋼溶加棒、ソリッドワイヤ及び鋼5.5 アルミニウム用溶接ワイヤ

帯”ならびに“JIS Z 3323：ステンレス鋼アーク溶接

アルミニウムは地球を構成する外殻地層の 7.5％をフラックス入りワイヤ及び溶加棒”に規定されてい占めるといわれており、ケイ素（25.8％）に次ぐ地球る。化学組成（鋼種）に応じて種々なタイプに分類さ上第 2 位の金属元素で、その量は鉄（4.7％）よりもれているが、ソリッドワイヤ・溶加棒は「YS+3 桁の多い。しかし、金属アルミニウムとして始めて出現し数字」で、フラックス入りワイヤ・溶加棒は「TS+3

た の は 1825 年 で、 デ ン マ ー ク の オ ル ス テ ッ ド桁の数字」でその種類を表す。また、ワイヤの種類は（Oersted）が実験室で製造したとされている。アル

母材の鋼種に応じて表 5.9 のように選定される。マルミニウムは主に酸化物として存在し、酸素との親和力

テンサイト系およびフェライト系ステンレス鋼の溶接が強固なため、鉄などに比べると極めて還元されにくでは、一般に、それぞれ SUS410（13％ Cr）、430（17％い。そのため、化学的方法に頼っていた当時の金属アCr） ま た は そ れ ら に Nb を 添 加 し た ワ イ ヤ

ルミニウム生成はすこぶる困難視されていた。1886（SUS410Nb お よ び SUS430Nb） が 用 い ら れ る。Nb

（明治 19）年に米国のホール（Hall）とフランスのエが添加されたワイヤでは組織が微細化し、延性やじん

ルー（Heroult）が、偶然同じ年に、溶融塩によるア性が向上する。また、じん性向上と低温割れ防止の観ルミニウムの電解製造法を工業的生産方式として始め点から、オーステナイト系の SUS309（23Cr-13Ni）やて確立した。この方法はホール・エルー法と呼ばれ、インコネル系（15Cr-65Ni-2Nb）のワイヤが用いられ発明以来 100 年以上経過した現在も、基本的にはこのることもある。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接製造方法が採用されている 9）。

では、基本的に母材と同一成分のワイヤを用いて溶接

わが国でのアルミニウム溶接は 1951（昭和 26）年するが、SUS304（18Cr-8Ni）の溶接には母材と多少のアルゴンの輸入に始まり、1953（昭和 28）年には異なる組成の SUS308（19Cr-9Ni）ワイヤなど、溶接

全アルミニウム船のティグ溶接が三菱・下関造船所で性を考慮してワイヤを選定することもある。

行われている（前述 3.4.1 項参照）
。また、ミグ溶接も同時期に適用が検討されている 2）。アルミニウムの溶

表 5.8

ステンレス鋼用マグ溶接ワイヤ接に用いられるアーク溶接はほとんどがティグ溶接お
よびミグ溶接で、溶加材としてはソリッドの溶加棒またはワイヤが用いられる。アルミニウムの特性上、フラックスを用いる被覆アーク溶接、サブマージアーク
溶接およびフラックス入りワイヤを用いたミグ（マグ）溶接が適用されることはない。
アルミニウムおよびその合金の溶接用ワイヤと溶加棒は、“JIS Z 3232：アルミニウム及びアルミニウム
合金溶加棒並びに溶接ワイヤ”に規定されている。化
学成分によって 33 種類に分類されているが、多用されている主なワイヤ・溶加棒は表 5.10 に示す 4 種類516

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchである。A1100 は純アルミニウムならびに Al-Mn 系である。Al-Mg 系合金や Al-Zn-Mg 系合金の溶接では合金の溶接に使用され、溶接性、耐食性および延性い

Al-Mg 系合金の A5356 が用いられることが多く、Al-

ずれも良好である。Al-Si 系合金である A4043 は、溶

Mg-Si 系合金や Al 鋳物の溶接には Al-Si 系合金であ接金属の高温（熱間）割れを抑制する効果が大きいた

る A4043 が多用される。Al-Si 系合金は融点が低く、め、溶接割れを生じやすい熱処理系のアルミニウム合

熱間ぜい性による割れに対する抵抗力が大きいためで金や鋳物などの溶接に用いられる。ただし溶着金属のある。

延性とじん性はやや劣り、アルマイト（陽極）処理を行った溶接部は母材と異なる灰色に変色する。AlMg-Mn 系合金の A5183 は、溶接性が極めて良好で、

5.6 シールドガス

溶着金属の延性やじん性に優れ、機械的性質や耐食性

溶接部を大気から保護するために用いられるシールも良好であるため、各種アルミニウム合金の溶接に最ドガスには、アルゴン（Ar）、ヘリウム（He）、炭酸も多用されている。Al-Mg 系合金の A5356 は、少量

ガ ス（CO2）、 酸 素（O2） お よ び 水 素（H2） が あ る。

のチタンの添加によって結晶粒の微細化を図ったワイ

アルゴン、ヘリウム、炭酸ガスは単体ガスとしても用ヤであり、溶接性および機械的性質ともに良好で、いられるが、酸素と水素は単体で用いられることはな

Al ‐ Mg 系合金および Al-Mg-Si 系合金の溶接などにく、アルゴンや炭酸ガスとの混合ガスとして用いられ適用される。

る。

表 5.10主な溶加材の特徴・特性

アルゴンは 1894（明治 27）年に、レイリー卿とラムゼーとが空気中から発見した。アルゴンという名称
は、ギリシャ語の“不活発・不活性”という意味の言葉が語源である。大気の中で 3 番目に多く含まれている 気 体 で、 そ の 容 量 濃 度 は 0.93 ％ と、 炭 酸 ガ ス（0.039％）より多い。アルゴンは、空気をマイナス
200℃近い極低温まで冷却し、空気の主成分である窒素や酸素との沸点の差を利用して取り出される。ただし、空気中に含まれる量はわずかであるため、一般的には、酸素や窒素を製造する際に併産されている。
ヘリウムは 1868（明治 1）年に、仏の天文学者ピエール・ジャンサンが皆既日食観察時に太陽光線のス

溶加材（溶加棒およびワイヤ）の種類は、溶接継手

ペクトルから発見し、ギリシャ語で「太陽」を表すの強度・延性・耐食性および溶接の難易度（耐溶接割

herios にちなんで命名された。無色、無臭、無味、無れ性）などを考慮して、母材の材質や要求される継手毒で最も軽い希ガス元素である。また、全ての元素のの特性に適したものを選定しなければならない。母材中で最も沸点が低く、加圧下でしか固体とはならなと溶加材との一般的な組合せは“JIS Z 3604：アルミい。空気に占める比率は極めて微量（0.0005％）であ

ニウムのイナートガスアーク溶接作業標準”に規定さるが、天然ガスと共に産出する。天然ガスの井戸かられており、その主な部分を抜粋すると表 5.11 のよう採取される成分は主にメタンであるが、時々0.5～1％

表 5.11

母材と溶加材の組合せ

程度のヘリウムを含むガスが出る井戸があり、このガスを分離してヘリウムを造る方法が商業ベースでは採用されている。わが国にはヘリウムを多く含む天然ガスの井戸はなく、米国・アルジェリア・ポーランド・
ロシアなどで生産されている。これらの国のうち最も生産量が多いのは米国で、カンザス州・テキサス州・
オクラホマ州などに多くのヘリウム生産工場がある。
従来、わが国のヘリウムは全て米国から輸入していたが、近年ではカタールからも輸入されている。
炭酸ガスは 1756 年に､ スコットランドの化学者
ジョセフ・ブラックが発見したとされている。また

アーク溶接技術発展の系統化調査

517

1577 年に、木炭の燃焼時に発生する捉えどころのな

よびプラズマアーク溶接に用いられる。弱酸化性ガス

い気体（実は炭酸ガス）の存在に気付いたベルギーのは、炭酸ガスや酸素の添加量が比較的少ないアルゴン

化学者ヘルモント（J. B. von Helmont）を発見者とすとの混合ガスである。強酸化性ガスは、炭酸ガスや酸る説もある。ブラックは自分が発見した気体を「固定素の添加量が比較的多いアルゴンとの混合ガス、炭酸

空気」と呼び、その後ラボアジエは同じ物質を「白亜ガスおよび炭酸ガスと酸素の混合ガスであり、マグ溶酸」と呼んだと記録されている。この時点ではまだ接に用いられる。アルゴンと水素の混合ガスである還「酸素」は発見されておらず、「二酸化炭素」と呼ばれ元性ガスは、オーステナイトステンレス鋼やニッケ

るようになったのは酸素の発見（1774 年）以降であル・ニッケル合金のティグ溶接およびプラズマアーク

り、水分の存在下で酸を生じる物質であることから溶接に用いられる。

「炭酸ガス」と呼ばれるようになった。
炭酸ガスは、空気中の二酸化炭素としてはごくわず

表 5.12

アーク溶接に用いられるシールドガスの種類かしか含まれていないため、通常、空気分離で製造されることはない。工業的には、アンモニア合成工業の副生ガス、製鉄所の副生ガスおよび重油脱硫用水素プラントなどの副生ガス（低純度の粗炭酸ガス）を精製して、高純度の炭酸ガスを製造する。炭酸ガスは無色・無臭 / 不燃性のガスで、液化炭酸ガスやドライア
イスとして使用される。
わが国でのアルゴンは、日本酸素（現大陽日酸）が1949（昭和 24）年に国内初のアルゴン分離装置を完成させ、翌年から市販を開始している。国内の溶接機メーカがマグ溶接機の市販を開始したのは 1965（昭和 40）年頃、フィリップス社が持っていた炭酸ガス
溶接用ワイヤに関する日本特許が失効し、国産溶接材料メーカが参入したのは 1971（昭和 46）年頃である（3.6.1 項（1）参照）。そのため炭酸ガスの本格的な市販は比較的遅く、1973（昭和 48）年頃からである。
また 1976（昭和 51）年には、俗にマグガスと呼ばれる 80％アルゴンと 20％炭酸ガスの混合ガスが、帝国酸 素（ 現 日 本 エ ア・ リ キ ー ド ） か ら 発 売 さ れ て いる 10）。
わが国の溶接用シールドガスに関する最初の規格とし て は、“JIS K 1106： 液 化 炭 酸 ガ ス ” が 1954（ 昭参考文献

和 29）年に、“JIS K 1105：溶接用アルゴンガス”が1） 西川：溶接材料に見る溶接の 20 世紀、溶接技術

1958（昭和 33）年に JIS 規格として制定されている。
また日本溶接協会規格として、“WES 5401：アーク
溶 接 用 ア ル ゴ ン - 炭 酸 ガ ス 混 合 ガ ス ” が 1986（ 昭2） 溶接五十年史編集委員会：溶接五十年史，1962 年，
産報和 61）年に制定されている。しかし、これらのシー

3） 伊藤 他：高性能銅めっきレスマグ溶接用ソリッ

ルドガス規格は数度の改正を経て、現在は ISO 規格

ドワイヤの開発と適用，溶接技術 2000 年 8 月号，に準拠した“JIS Z 3253：溶接及び熱切断用シールド

PP.68～72，産報出版

ガス”として新しい JIS 規格が制定されている。これ

4） 酒井：新しいフラックス入りワイヤの開発と普及、らのガスの中、アーク溶接に用いられるのは表 5.12

溶接技術 2002 年 5 月号，PP.92～94，産報出版に示す 24 種類であり、溶接時の反応挙動に基づいて、

5） 清水：アーク溶接の材料とプロセス、溶接学会誌

不活性、弱酸化性、強酸化性および還元性の 4 種類に大別される。アルゴンやヘリウムならびにそれらの混合ガスである不活性ガスは、ミグ溶接、ティグ溶接お

518

2000 年 2 月号，PP.105～110，産報出版

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

Vol.80（2011），No.8，PP.21～30
6） 菅： 溶 接 材 料 の 現 状 と 今 後、 神 戸 製 鋼 技 報
Vol.54，No.2（Aug.2004），PP.6～10

7） 相原：フラックス入りワイヤによるステンレス鋼

9） 軽金属溶接構造協会編：アルミニウム合金構造物

溶接の実際，溶接学会誌，Vol.61（1992），No.7，の溶接施工管理《第 4 版》，軽金属溶接構造協会

PP.18～21（2009）

8） 渡辺 他：ステンレス鋼フラックス入りワイヤの
開 発 動 向 , 神 戸 製 鋼 技 報 /Vol. 54, No. 2（Aug.

10）田中：溶接作業の改善にあたる“アタールガス”，
溶接技術 1976 年 2 月号，PP.45～46，産報出版

2004），PP.47～51

アーク溶接技術発展の系統化調査519

6 おわりに
産業革命発祥の地英国で 1807 年に発見されたアー

和 12）年）から第 2 次世界大戦（1941（昭和 16）～

クは、1885 年のベナードスによる炭素アーク溶接の1945（昭和 20）年）と続く軍事優先期の停滞によって、発明、1892 年のスラビアノフによる金属アーク溶接

戦後の 1947（昭和 22）当時、わが国の溶接技術は欧法の発明、1907 年のチェルベルヒによる被覆アーク

米諸国に比べ 30 年は遅れているといわれていた。し溶接棒の発明などを経て、金属を接合する溶接の重要かし、その後の継続的な研究・開発によって、わが国な熱源としての適用範囲を拡大してきた。そして現在が世界に先駆けて開発したグラビィティ溶接法・片面では、アークを熱源とする種々なアーク溶接法は、今

裏波溶接法・サイリスタ制御溶接電源・裏波溶接棒・日の工業製品の製造では欠くことのできない重要な加チタニア系細系フラックス入りワイヤなどのアーク溶工技術となっている。

接技術が、1960 年代後半頃から次々に登場するようわ が 国 に ア ー ク 溶 接 が 導 入 さ れ た の は 1914（ 大になった。そして 1980 年以降、電流波形制御による正 3）年であるが、製造メーカと溶接機器・溶接材料

新しいガスシールドアーク溶接プロセスの開発は、欧メーカとが一体化した研究・開発によって、その後の米諸国を圧倒するようになったといっても過言ではな

100 年間でわが国のアーク溶接技術は大きく発展し、い。このような技術開発には、高性能な国産パワー半

近年では、世界の溶接界をリードする主要国としての導体の存在と、わが国の商用電源電圧が欧米諸国（400

立場を確立している。このようなアーク溶接技術の進± 20V）より低い電圧（200V）であったことが大き

歩は、第 2 次世界大戦の終戦までは主に軍部がけん引く寄与したと思われる。すなわち、入力電圧が 400V

し、終戦後の約 30 年間は造船などの重厚長大産業が、級であれば耐圧 600V 程度以上のパワー半導体が必要

そしてその後は自動車などの薄板溶接分野が先駆的なとなるが、入力電圧が 200V であれば耐圧 400V 程度役割を果たしてきたと思われる。

のパワー半導体を用いることができる。

本報告では、このようなアーク溶接技術の発展経過

鋼材の進歩や市場ニーズの変化などに呼応して、新について述べてきた。その主な内容を溶接プロセス、

しいアーク溶接手法やプロセスが次々に開発され、そ

溶接電源および溶接材料に分けて整理すると、それぞれらの溶接技術は各産業分野の合理化・コストダウンれ 図 6.1～6.3 の よ う で あ る。 日 華 事 変（1937（ 昭に大きく貢献してきた。近年では、船舶・橋梁分野で

図 6.1

520

国立科学博物館技術の系統化調査報告

アーク溶接プロセスの発展経過

Vol.23 2016. March図 6.2

アーク溶接電源の発展経過

図 6.3

溶接材料の発展経過の半自動・自動溶接化や自動車・建築鉄骨分野でのロ欠の要素であり、今後その重要性はさらに増してくる

ボット溶接化の推進などに見られるように、消耗電極

ものと思われる。また一方では、自動化の究極である（溶接ワイヤ）を用いるマグ溶接がアーク溶接の主流

無人溶接に向けた技術開発や、これまで困難とされてとなっている。またその溶接機器開発では、溶接電源

きた溶接技術を具現化する取組みも盛んに行われてお単体の性能向上を目指した開発からワイヤ送給装置やり、溶接電源・機器、溶接ワイヤならびにシールドガ

溶接トーチを総合したシステムとしての性能向上へとスそれぞれの機能・特性・特長を生かした総合的な技開発目標が推移している。さらに、複数の溶接プロセ術開発がますます重要になるものと推察される。近スを複合したハイブリッド溶接システムの開発とその年、コンピュータの性能が格段に向上し、複雑なアー実用に向けた取組みも盛んに行われている。

ク溶接現象をモデル化してシミュレーションすること

しかしアーク溶接のさらなる進歩・発展には、アーによって、複雑に入り組んだ現象の理解を容易にする

ク現象を主体とした溶接現象のより一層の理解が不可

環境が整いつつある。また大学や研究所などでは、溶アーク溶接技術発展の系統化調査

521

接現象に関する様々なモデル化とシミュレーションのセスの解析・開発などの積極的な推進によって、全く研究・開発が盛んに行われており、これらの成果を活新しいプロセスおよび出力の制御手法・方法をどのよ用することによって次代を担うアーク溶接機器の開発

うにして作り込むかが今後の重要な課題である。

をより一層加速することも可能になるであろうと思わ522れる。一方では、電子制御技術の進歩に伴って溶接電

本報告を作成するに当たり、資料の収集や情報の提源・機器の特性や機能が著しく改善され、電源の制御供などで、西田順紀氏（元松下産業機器株式会社）、技術も大幅な進歩を遂げ、直流波形から交流波形ま後藤康宏氏（松下溶接システム株式会社）、三木昭彦

で、広範かつ複雑な電流・電圧波形制御も比較的容易

氏（株式会社神戸製鋼所）、菅哲男教授（大阪大学接に実現できるようになってきた。すなわち、従来は合科学研究所）、須田一師氏（日鐵住金溶接工業株式

m 秒オーダーで制御されていた出力を、μ 秒さらには会社）、神山誠宏氏（日本エア・リキード株式会社）、ｎ秒オーダーで制御できるようにすることも決して不佐藤豊幸氏（大陽日酸株式会社）、松下和憲氏（ダイ

可能ではなくなってきた。しかし、残念ながら、現状

ヘン溶接メカトロシステム株式会社）ならびに山内康では必ずしも従来の出力波形制御手法を根本から覆す義氏（産報出版株式会社）には、多大なご尽力をいた

までには至っていない。もう一歩踏み込んだ溶接プロ

だいた。深く感謝いたします。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. Marchアーク溶接技術発展の系統化調査

523

番
号

型

型式名

フルデジタル
直流
溶接機

型式名

トランジスタ・インバータ制御
溶接機

型式名

トランジスタ式
直流溶接電源

型式名

進相コンデンサを内蔵した高力率型
交流アーク溶接機

名称

年
年

年
年

年
年

年
年

製作 年

量産品

松下溶接
システム
株
量産品

松下産業機器量産品
株
溶接機事業部

大阪変圧器
株

保存
非公開

展示
公開

稼働中
非公開

展示
公開

資料 の 資料 の現況種類

松下電器産業
量産品
株

製作 者

ト ラ ン ジ ス タ・イ ン バ ー タ 制 御 を 採 用 し た わ が 国 初 のマ グ 溶 接 電 源 。従 来 直 流 リ ア ク タ の 特 性 に 頼 っ て い た
溶 接 電 流 の 挙 動 を 、電 子 回 路 で 高 速 か つ 任 意 に 制 御 す
る こ と に よ っ て 、マ グ 溶 接 の 特 性 を 大 幅 に 改 善 し 、イン バ ー タ 制 御 溶 接 電 源 の 普 及 に 大 き く 貢 献 し た 。今 日の高性能波形制御マグ溶接電源の端緒となった電源
でもある。

英国の
で 試 作 さ れ 、大 阪 変 圧 器 が 製 品 化 し た ア ナ
ロ グ・ト ラ ン ジ ス タ 制 御 の 直 流 溶 接 電 源 。出 力 の 外 部
特 性 を 任 意 に 設 定 で き る と と も に 、急 峻 な 電 流 変 化 が可 能 で あ る こ と か ら 、国 内 の 主 な 大 学・研 究 所 お よ び
大 手 企 業 に 導 入 さ れ 、電 流 波 形 制 御 や 溶 接 プ ロ セ ス の
解 析 な ど 、今 日 の ア ー ク 溶 接 技 術 発 展 に 大 き く 貢 献 した。

低 力 率 の 交 流 ア ー ク 溶 接 機 を 、進 相 コ ン デ ン サ を 用 いて 高 力 率 と し た 、わ が 国 初 の 高 力 率 可 動 鉄 心 形 交 流 アーク溶接機。松下電器産業 現パナソニック溶接シス
テム が溶接機の生産・販売を開始する契機となった溶接機でもある。展示品は、造船所で年間実稼働し て い た も の で 、操 作 子 を 用 い て 出 力 を 遠 隔 操 作 で きるように改造されている。

資料 の 概 要

溶接電源の制御に初めてデジタル制御を全面的に採用 し た 直 流 テ ィ グ 溶 接 電 源 。前 面 パ ネ ル か ら ボ リ ュ ー
パナソニックム 類 は 全 て 排 除 さ れ 、ジ ョ グ ダ イ ヤ ル と 呼 ば れ る ロ ー
溶接システムタリーエンコーダを用いて溶接モードや種々なパラ株
メ ー タ を 設 定 す る 方 式 が 採 用 さ れ た 。そ の 後 の 各 種 デ
大阪府豊中市ジ タ ル 制 御 電 源 で は 、こ の 操 作 方 法 が 踏 襲 さ れ る こ ととなった。

パナソニック
溶接システム株大阪府豊中市株 ダイヘン
六甲事業所
兵庫県神戸市

パナソニック
溶接システム株大阪府豊中市

所在 地

アーク溶接技術に関する産業技術史資料の所在確認調査結果

524

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

被 覆 ア ー ク 溶 接 （ 1907）

1900 日 露 戦 争 （ 1904～ 1905）

グラビティ溶接・
低 角 度 式 溶 接 （ 1940）

テ ィ グ 溶 接 （ 1940）

ア ー ク ス タ ッ ド 溶 接 （ 1939）

サ ブ マ ー ジ ア ー ク 溶 接 （ 1935）

不 活 性 ガ ス 溶 接 （ 1930）

重 力 式 溶 接 （ 1930）

ピ ア ー ス 調 査 団 来 日 （ 1947） ミ グ 溶 接 （ 1947）

満 州 事 変 （ 1931）

ロ ン ド ン 軍 縮 会 議 （ 1930）

分 割 コ イ ル 式 交 流 電 源 （ 1947）

可 動 コ イ ル 形 交 流 電 源 （ 1935）

高 周 波 発 生 装 置 内 蔵 電 源 （ 1933）

電 撃 防 止 装 置 内 蔵 電 源 （ 1932）

強制空冷
可 動 コ ア 形 交 流 電 源 （ 1931）

イ ル ミ ナ イ ト 系 溶 接 棒（ 1940）

スタビレンド溶接棒
輸 入 開 始 （ 1928）

世 界 恐 慌 （ 1929）

セ ル ロ ー ス 系 溶 接 棒 （ 1918）

ク ア シ ィ 溶 接 棒 （ 1912）

チェルベルヒ
被 覆 ア ー ク 溶 接 棒（ 1907）

溶接材料

溶 接 棒 の 国 産 化 （ 1925）

国 産 交 流 電 源 （ 1922）

可 動 コ ア 形 交 流 電 源 輸 入 （ 1919）

溶接電源

日本電気鎔接協会
ガ ス シ ー ル ド ア ー ク 溶 接 （ 1926） MG 式 国 産 直 流 電 源 （ 1926）（ 現 溶 接 学 会 ）創 立（ 1926）

第１次世界大戦（ 1914～ 1918）

金 属 ア ー ク 溶 接 （ 1890）

日 清 戦 争 （ 1894～ 1895）

ア ー ク 放 電 の 発 見 （ 1807）

溶接プロセス

炭 素 ア ー ク 溶 接 （ 1885）

ア ー ク 灯 の 開 発 （ 1808）
発 電 機 （ dynamo）の 発 明 （ 1832）

一般事項

アーク溶接技術開発のあゆみ

わが国でのアーク灯設置（ 1882）

1800

年代

付表

アーク溶接技術発展の系統化調査

525

日 本 溶 接 協 会 設 立 （ 1949）

ド ッ ジ ラ イ ン の 開 示 （ 1949）

一般事項

1960

東 名 高 速 道 路 開 通 （ 1969）

東 海 道 新 幹 線 開 通 （ 1964）
いざなぎ景気（ 1965～ 1970）

岩 戸 景 気 （ 1958～ 1961）

神 武 景 気 （ 1955～ 1957）

1950 朝 鮮 戦 争（ 1950～ 1953 休 戦 ）年代

CO 2 -O 2 溶 接 用 ワ イ ヤ （ 1959）

サ イ リ ス タ 制 御 直 流 電 源 （ 1969）

チタニア系細径
フラックス入りワイヤ（

サブマージアーク溶接用
焼 結 フ ラ ッ ク ス （ 1961）

サブマージアーク溶接用
溶 融 フ ラ ッ ク ス （ 1959）
サブマージアーク溶接用
大 容 量 交 流 電 源 （ 1959） 裏 波 溶 接 棒 （ 1959）
シ リ コ ン 整 流 式 直 流 電 源 （ 1959）

自己飽和リアクトル式
直 流 電 源 （ 1959）

高 張 力 鋼 用 溶 接 棒 （ 1958）

コ ン デ ン サ 内 蔵 交 流 電 源 （ 1957） 低 温 鋼 用 溶 接 棒 （ 1957）

可飽和リアクトル式
直 流 電 源 （ 1955）

サブマージアーク
溶 接 用 ワ イ ヤ （ 1955）

鉄 粉 酸 化 鉄 系 溶 接 棒 （ 1954）

リ モ コ ン 操 作 子 （ 1954）
外 付 電 撃 防 止 装 置 （ 1955）

ライムチタニア系
溶 接 棒 （ 1953）

高 チ タ ン 系 溶 接 棒 （ 1951）

高セルロース系・

ア ル ゴ ン 国 内 販 売 開 始（ 1949）

溶接材料

可 動 鉄 心 形 交 流 電 源 （ 1953）

セ レ ン 整 流 式 直 流 電 源 （ 1951）

溶接電源

帯状電極（バンドアーク）
可動鉄心形
溶 接 （ 1966）
交 流 /直 流 両 用 電 源 （ 1966）

多 電 極 溶 接 （ 1965）

片 面 裏 波 溶 接 （ 1963）

エ ン ク ロ ー ズ 溶 接 （ 1963）

マ グ （ 混 合 ガ ス ） 溶 接 （ 1961）

エレクトロガスア ー ク 溶 接 （ 1961）

プ ラ ズ マ 溶 接 （ 1957）

CO 2 -O 2 溶 接 （ 1955）

炭 酸 ガ ス 溶 接 （ 1953）

溶接プロセス

526

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.23 2016. March

成 田 国 際 空 港 開 港 （ 1978）

石 油 シ ョ ッ ク （ 1973）

ベ ル リ ン の 壁 崩 壊 （ 1989）

青 函 ト ン ネ ル 開 通 （ 1988）

チェルノブイリ
原 発 事 故 （ 1986）

1980 イ ラ ン ・ イ ラ ク 戦 争（ 1980～ 1988）

1970

一般事項

溶接電源

交 流 プ ラ ズ マ 溶 接 （ 1987）

電 流 波 形 制 御 溶 接 （ 1985）

パ ル ス プ ラ ズ マ 溶 接 （ 1983）

狭開先サブマージ
ア ー ク 溶 接 （ 1980）

逆 極 性 プ ラ ズ マ 溶 接 （ 1978）

シナージックパ ル ス マ グ 溶 接 （ 1975）

ホットワイヤプ ラ ズ マ 溶 接 （ 1975）

ホットワイヤテ ィ グ 溶 接 （ 197?）

狭 開 先 パ ル ス マ グ 溶 接 （ 1972）

プ ラ ズ マ ミ グ 溶 接 （ 1972）

Ar-CO 2 混 合 ガ ス
国 内 販 売 開 始 （ 1976）

炭 酸 ガ ス 国 内 販 売 開 始（ 1973）

国産・炭酸ガス溶接用

溶接材料

イ ン バ ー タ 制 御 交 流 電 源 （ 1986）
メタル系フラックス入り

インバータ制御
パルスマグ溶接用
直 流 パ ル ス 電 源 （ 1986）
低 Si ワ イ ヤ（ 1986）

大脚長すみ肉溶接用
フ ラ ッ ク ス 入 り ワ イ ヤ （ 1985）

イ ン バ ー タ 制 御 直 流 電 源 （ 1982） Ar-He-CO 2 -O 2
四元系混合ガス（

マイコン・サイリスタ制御
シームレス
直 流 パ ル ス 電 源 （ 1981） フ ラ ッ ク ス 入 り ワ イ ヤ （トランジスタチョッパ制御
直 流 パ ル ス 電 源 （ 1980）

サイリスタ制御
交 流 /直 流 両 用 電 源 （ 1972）

サイリスタ制御
直 流 パ ル ス 電 源 （ 1970）
大 電 流 パ ル ス マ グ 溶 接 （ 1970）

パ ル ス テ ィ グ 溶 接 （ 1970）

溶接プロセスアーク溶接技術発展の系統化調査

527

2000

1990

狭 開 先 テ ィ グ 溶 接 （ 1994）
セ ミ プ ラ ズ マ 溶 接 （ 1995）

関 西 国 際 空 港 開 港 （ 1994）

阪 神 淡 路 大 震 災 （ 1995）

明 石 海 峡 大 橋 開 通 （ 1997）

ア ク ア ラ イ ン 開 通 （ 1997）

新 電 流 波 形 制 御 溶 接 (2010)

CMT 溶 接 （ 2005）

多電極エレクトロガス
ア ー ク 溶 接 （ 2004）

低 周 波 交 流 マ グ 溶 接（ 1999）

交 流 /直 流
複 合 パ ル ス ミ グ 溶 接 （ 1992）

欧州単一通貨（ユーロ）の 発 足 （ 1995）

交 流 パ ル ス ミ グ 溶 接 （ 1991）

バ ブ ル 経 済 崩 壊 （ 1991）

低周波パルス
重 畳 制 御 （ 1990）

溶接プロセスソ ビ エ ト 連 邦 崩 壊 （ 1991）

一般事項
溶接材料

銅 め っ き レ ス ワ イ ヤ （ 2000）

FPGA： Field Programmable Gate Array
ASIC ： Application Speciﬁc Integrated Circuit

ASIC 搭 載デ ジ タ ル 制 御 電 源 （ 2010）

FPGA 搭 載デ ジ タ ル 制 御 電 源 （ 2008）

デ ジ タ ル 制 御 電 源 （ 1999）

インバータ制御矩 形 波 パ ル ス 電 源 （ 1998）

大 入 熱 溶 接 用 ワ イ ヤ （ 1997）

低ヒューム・低スパッタ
ファジィ制御付
イ ン バ ー タ 制 御 直 流 電 源 （ 1995） フ ラ ッ ク ス 入 り ワ イ ヤ （ 1995）

インバータ制御
交 流 パ ル ス 電 源 （ 1991）

低周波パルス重畳
直 流 パ ル ス 電 源 （ 1990）

マイコン・インバータ制御
直 流 電 源 （ 1990）

溶接電源

アーク溶接技術発展の系統化調査
ページ

段落

行

407

右

2

技術の系統化調査報告 第23集
2016年3月(誤）3.2 溶接被覆アーク溶接

正誤表
全文PDF版
2016年10月(正）3.2 被覆アーク溶接