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アーク溶接棒の出荷量はフラックス入りワイヤの適用拡大に伴い，減少傾向にある．フラックス入りワイヤが製はじめに造現場の高能率・高品質化ニーズに一致したことに加え，アークは1801年に発見され，その 100 年後の1900年初溶接技量に左右され難い点が適用拡大に繋がっているも頭には被覆アーク溶接棒が開発されて既に 100 年の歳月のと推測される．サブマージアーク溶接材料は，過去10が経っている．一方，この被覆アーク溶接棒の心線と被年を見ても国内総出荷量に占める割合は 12％ 前後と大き覆剤からなる構成を元に開発されたのがサブマージアーな変化は見られない．他の施工法に比べれば高溶着性とク溶接法であり，1935年にリンデ社が米国で特許を取得

いう特長から，主要な継手で適用が定着はしているものし1936年に実用化されている．なお，当時はサブマージの，装置が大型である事や，溶接姿勢が限定されることアーク溶接法は「ユニオンメルト法」と呼ばれている．などの理由から適用の拡大が進んでいないものと推測さこれはリンデ社の親会社であるユニオン・カーバイト・れる．

アンド・カーボンの社名からとったもので，現在の溶接現場で「ユニオン」と呼ばれる由縁はここにある1，2)．
近年の溶接材料の出荷動向は図１に示す通りで，被覆

図１46

本稿では，この被覆アーク溶接法と被覆アーク溶接材料から派生したサブマージアーク溶接法の原理や溶接材料の特徴，施工方法について歴史を交えながら述べてい溶接材料の国内品種別出荷量推移（日本溶接棒工業会統計）

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

幸村：被覆アーク溶接・サブマージアーク溶接

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付け溶接や現地施工，狭隘箇所の溶接などで適用されてきたい．

いる．

被 覆 ア ー ク 溶 接 （ Shielded MetalArc Welding）

2.2

被覆剤の特徴JIS Z 3211 : 2008 では被覆剤の系統と溶接姿勢から溶接棒は16種類に分類されている．被覆系別の一般的な特2.1

原理と特徴

徴を表１に示すが，ここでは，代表的な被覆剤について

被覆アーク溶接は，心線に被覆剤（フラックス）を塗解説したい3)．

装した棒状の溶接棒を，被覆剤のない端部に給電部とな(1)るホルダーを挟み込み，棒の先端と母材間でアークを発

イルミナイト鉱石，砂鉄などを被覆剤の主成分とした生させ，そのアーク熱で心線および被覆剤が溶融し，溶溶接棒である．全姿勢溶接が可能で，アーク力はやや強滴となって溶融地へ移行する（図２）．

く，溶込みが深い特徴がある．また，スラグは流動性に給電部のホルダーを人の手で保持し，運棒させてなる溶接方法から，手溶接とも言われている．
溶けた心線は溶着金属に，被覆剤の多くはスラグとなり，溶融金属と大気との遮断や脱酸精錬すると共に，ビイルミナイト系富みビード表面の波目が細かく仕上がり美麗である．
昭和29年（1954年）では，溶接の約 80％ にこのイルミナイト系溶接棒が適用されていた．
(2)

ライムチタニア系ード形状を安定化させる役割もある．また一部はシール

酸化チタンを約 30％ 以上，塩基性酸化物を約 20％ 含有

ドガスを発生させ，アーク全体を大気から遮断し，大気したスラグシールド型の日本で発達した独特のタイプの中の窒素や酸素の混入を防止して，健全な溶着金属の形溶接棒である．交流，直流の両極で使用でき，イルミナ成の役割を果たす．

イト系に比べアークはやや弱く，溶込みが浅い特徴があ

溶接作業性や継手性能が被覆剤に大きく影響されるこる．全姿勢溶接が可能であるが，中でも立向上進,下向,水とから，被覆種類によっていくつかの系統に区分されて平の各姿勢におけるすみ肉溶接などで特に良好な溶接作いる．

業性が得られる．また，独特な使用方法として，棒を真給電部が簡素であるためハンドリング性が良好で，仮っ直ぐの状態で使用できない箇所に対して溶接棒を曲げて使用できる特徴もある．溶着金属の機械的性質は，低水素系の溶接棒についで良好である．
表２に示す通り，現在の国内出荷量の No 1 は，このライムチタニア系である．
(3)

低水素系

その名の通り，他の被覆系統に比べ溶着金属中の水素含有量が極めて少ないことを特徴とする溶接棒である（表３）．
他の被覆系統では結晶水を有する原料や有機物を多く含有しているのに対して，この系では鉱物原料と炭酸ガス発生原料などを主に使用している．被覆自体の水分量が少なく，さらに被覆から発生する炭酸ガスが溶融プー
ル周辺の水素分圧を低下させ大気からの水素の侵入を抑制している．また，炭酸ガスは大気からの窒素や酸素の侵入も防止する役割がある．なお，炭酸ガスの効果は，
図２

被覆アーク溶接の原理

表１

被覆系別一般的特徴

後述するサブマージアーク溶接用ボンドフラックスでも

表２

被覆剤別の出荷量（溶接棒工業会統計）

表３

溶接学会誌

水素レベルの一例

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図３

図４

被覆剤原料および水ガラスの吸湿特性の一例（30℃×80%）

写真１

グラビティー溶接機

写真２

グラビティー適用例

難吸湿棒の吸湿特性活用されている技術である．
水素を嫌う極厚板の多層溶接や高強度鋼などに広く適用され，割れの防止に役立っている．
(4)

鉄粉酸化鉄系

被覆剤中に鉄粉を含有した酸化鉄系溶接棒で，鉄粉を含有しない酸化鉄系に比べ溶着速度が大きく，ビード外観も美麗である．特に造船業界では，ロンジのすみ肉溶接などで適用され，能率向上の観点から，より太径・長尺の溶接棒がグラビティー溶接機と共に適用されていた．
近年は，フラックス入りワイヤに取って代わり，残念な使用前の乾燥が重要である．また，各被覆系統で適切ながらグラビティー溶接を目にする機会は少なくなってい温度範囲があるため，誤った乾燥では溶接作業性を劣化る．グラビティー溶接機については 2-4 項で紹介する．

させたり，被覆剤の水分を十分除去できなかったりする

2.3

吸湿特性ので，乾燥条件の管理も重要である．

被覆剤の単体原料は，粒子が細かく比表面積が大きいた

2.4

溶接施工法

め水分は急速に吸着するが，その絶対量は少なく，かつ短被覆アーク溶接棒における特徴的な溶接施工法である

時間で平衡状態に達する．また，単体原料同士を結合させグラビティー溶接法と裏波溶接について以下に説明する．

るバインダーとして一般的に使用されている水ガラスは，(1)

その種類によっても異なるが，長時間に渡って吸湿が進行

グラビティー（Gravity：重力式）溶接法は，造船所がし，その量も単体原料に比較しても多く，被覆剤の吸湿性開発実用化し1960年代後半には国内造船所において広くに対する影響が大きいことが分かる4)（図３）．

適用され生産性向上に大きく貢献した溶接方法である．

グラビティー溶接法

逆に，吸湿し難い原料とバインダーを組み合わせるこ

グラビティー溶接機の外観を写真１に示す．溶接棒がとで難吸湿の特性が得られ，図４に示す通り，一般の低消耗するにしたがってスライドバーに取り付けられたホ

水素棒では高温多湿雰囲気で約８時間放置（実労働時間

ルダーが自重で滑降し，一定の速度で溶接が進行する．

内）が溶接作業性の観点から限界であるのに対し，難吸溶接棒長がある限度（50 mm 程度）以下になると，ホル湿棒は24時間経過してもその領域まで到達しない．

ダーがスライドバーに沿って回転し，溶接棒の先端が溶難吸湿特性を有する棒は，溶接作業性の観点からは長接線から離れ自動的にアークが切断される．

時間放置しても問題ないが，被覆剤の吸湿に伴い溶接金

アークスタート後は自動的に溶接が完了できることか属中の水素量は確実に増加するため，乾燥不要というこら，写真２の様に１台が溶接中に他の１台以上を設置しとではないので注意が必要である．て溶接でき，複数台による溶接が進行する．聞くところ

吸湿はいかなる被覆系統でも大なり小なり進むので，
48

溶接接合教室−基礎を学ぶ−によれば，１人で最大８台のグラビティー溶接機が運用

幸村：被覆アーク溶接・サブマージアーク溶接

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写真３ SMAWによる裏波溶接ビード外観および断面マクロ組織の一例

図６

各種溶接法の溶着速度の一例

粒状フラックスの中に，電極ワイヤを自動供給し，ワイヤ先端と母材との間に連続的にアークを点じ，母材，ワイヤ，フラックスを溶融して接合する方法である
図５

サブマージアーク溶接の原理（図５）．
フラックス中でアークを発生させるため潜弧溶接とも言われる．

されていたようである．
溶接材料は，高溶着性が求められるため，多量に鉄粉を含有した，太径・長尺のすみ肉棒が適用されている．
耐気孔性に優れている溶接棒の特徴と，グラビティー

SAW の長所は，① 高電流・多電極化による高溶着・高速化が可能② 有害光線，ヒューム，スパッタがほとんど出ない③ 溶込みが深く開先断面積を小さくすることが可能

溶接機のような壊れ難い機器で，かつ溶接品質が安定し④ 窒素，酸素や風などの影響を受けないていることなどから，現在も根強い人気がある．

⑤ 溶接条件（電流・電圧・速度）が一定となるため再難点は，溶接継部で必ずと言ってよい程形状修正の手直しが必要となることである．
(2)

裏波溶接

現性の高い高品質の継手が得られ易いなどが挙げられるが，最大の利点は高溶着性が得られることにある．図６に SMAW，フラックス入りワイヤとの突合せ溶接は，両側あるいは片側から溶接する２通り比較で溶着速度の一例を示しているが，太径ワイヤと高の場合があり，片側から溶接する場合は，①金属裏当て電流の組合せで高溶着性が得られ，多量の鉄粉を含有し金を用いる②セラミックス製の裏当て材や銅裏当てなどたフラックスとの組合せで，さらに 1.2 倍〜1.3 倍能率をを用いる ③裏当てを用いないの内いずれかの方法を採用向上させることができる．

することになる．国内における裏当てを用いない片面溶

一方の短所は，

接では，ティグ溶接（以下，GTAW）による裏波溶接が小径パイプなどの円周溶接などで一般的に適用されてい① アークが見えないため，溶接が完了するまで結果が分かり難いる．一方，海外ではラインパイプの円周溶接や海洋構造② 開先精度の影響を受け易い物の格点部などで専用の被覆アーク溶接棒による裏波溶③ 他の施工法に比べ装置が大型であり，セッティング接が適用されている．裏波溶接棒は，スラグの流動性を調整した組成となっており，適度なスラグが均等に裏波の溶接ビード表面を被包するため，美麗な裏波が得られる特徴がある（写真３）．なお，この裏波溶接では，一般の溶接に比べ，高い溶接技量が求められる．に時間を要する④ 溶接姿勢が下向，横向に限定される．
⑤ スラグ発生量が多いなどである．
3.2

フラックスの種類と特徴6)

フラックスは製造方法の違いから，①原料を溶解・サブマージアーク溶接（SubmergedArc Welding）

粉砕したガラス状の溶融フラックス②原料を粘結剤で造粒し 400℃〜600℃ で焼成したボンドフラックス③

原料を粘結剤で造粒し 700℃〜1000℃ で焼成した焼結フ3.1

原理と特徴5)

サブマージアーク溶接は，あらかじめ散布された粉ラックスの３種類に大別される．さらに溶融フラックス
は，原料溶解後の処理の仕方で３種類に分類される （図溶接学会誌

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図８

図７

フラックスの製造方法

表４

各種フラックスの特徴

各種フラックスの放置時間と吸湿量の関係に 700℃〜1000℃ の高温で焼成するため合金成分や７）．
それぞれのフラックスの特徴を表４に示す．

ガス発生剤が添加できず，適用条件も小〜中電流域（1）溶融フラックスは，原料を完全に溶融させるため，で溶融フラックスの特徴と共通点が多い．国内では合金成分やガス発生剤などは添加できず，また，組あまり適用されていないが，欧米などでは一般的な成も容易に溶融可能で，かつガラス化できる成分にタイプである．

限定される．フラックスの水分量が少ないため溶接（3）ボンドフラックスは，400℃〜600℃ の低温で焼成す

金属の拡散性水素量は比較的低く，さらに耐吸湿特るため他のフラックスでは添加できない合金成分や性は他のフラックスに比べ最良である．一般的な使鉄粉，ガス発生剤などを含有させることができる．

用用途は，小〜中電流域で極厚板の多層溶接や薄板また，耐吸湿性は劣る（図８）が，溶接金属の拡散の高速溶接，パイプの円周溶接などである．

性水素量は最も低く抑えることができ，軟鋼・（2）焼結フラックスは，原料をバインダーで造粒した後490 MPa 鋼のみならず，950 MPa 級高張力鋼や低温50

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図９

溶接金属酸素･窒素量におよぼすフラックス散布高さの影響
図 10

溶融フラックスのポテンシャル水素量と拡散性水素量用鋼，耐熱鋼などの溶接に幅広く適用されている．
適用条件範囲は中〜大電流域であり，大入熱施工法などの日本独自の施工法などに広く適用されている．
3.3

フラックス散布高さの影響7)

フラックス内でアークを発生させるので，フラックスそのものが溶融金属を大気中の窒素や酸素からシールドする役割をもつ．そのため散布高さがシールド効果に影響をおよぼす．図９には，フラックス散布高さと溶接金属中の酸素量，窒素量の関係を示すが，極端に散布高さが低い場合は，適正散布時に比べ２倍近い酸素･窒素量となり，溶接金属の機械的性質も劣化する．一方，散布高さが過大では，フラックスの重さでビード形状が不良となったり，溶接中に発生したガスが抜け難くポックマー

図 11 ボンドフラックス中の CO2 量と拡散性水素量クなどのガス欠陥につながる場合がある．
良好な溶接金属性能と欠陥の無い安定したビード形状を確保するためには散布高さも重要な因子となる．
3.48)

低水素化技術また，鉄粉を含有しないボンドフラックスでは，比較的焼成温度を高く設定できるため，フラックス水分量が溶接金属の水素源は，フラックスの水分と大気中の水低く，高強度鋼でも適用できる極低水素化が達成できる．

分が主である．図10に示す通り，フラックスポテンシャ繰り返しとなるが，ボンドフラックスは吸湿し易いとル水素量の増加に伴い溶接金属の拡散性水素量も比例しいう難点があるため，使用前の乾燥や保管が重要となる．て増加する．つまりフラックスの水分量を低く抑える事

管理を怠れば遅れ割れなど致命的な欠陥の原因になる．

が低水素化に効果があり，使用前の乾燥は被覆アーク溶

3.5

接棒と同様に重要である．

サブマージアーク溶接法の最大の特徴である高溶着性溶接施工法

また，溶融フラックスや焼結フラックスはフラックスを活用し，各業界で高能率化に大きく貢献している片面の水分量の更なる低減は困難であり，溶接金属の水素レ溶接，大入熱溶接，横向溶接について以下に紹介する．

ベルの低減には限界があるとも言える．

(1)

片面サブマージアーク溶接法

ボンドフラックスは，短時間で吸湿しやすいため，上片面サブマージアーク溶接法は造船業界で育てられ，述のフラックスポテンシャル水素量は高くなりやすい難造船業界発展の原動力になった施工法のひとつとして挙点があるが，これを解消するのがガス発生剤である．ガげられる．

ス発生剤は，アーク熱で分解して炭酸ガスを発生し，大1960年代はタンカーで代表されるように船舶数の増加

気から溶融金属をシールドする役割を果たすとともに，と船体の大型化が進み，建造能率の向上とりわけ溶接工溶融プール上の水素分圧を低下させ溶接金属への水素の数の大幅な削減が大きな課題として取り上げられていた．

侵入を抑制する効果がある．

当時の溶接方法は鋼板の両側から行なわれており，大型図11に示すとおり，ボンドフラックス中の CO2 量の増パネルの反転作業が必要であった．船体構造の大型化に加に伴い溶接金属中の拡散性水素量が低下することがわともない建屋の高さやクレーン能力などの制限から片側かる．

からの一層溶接の開発ニーズが増加していた．このニー
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図 12 片面 SAW施工法の概略図

写真４横向 SAWの断面マクロ組織の一例

写真５

BOX 角溶接の断面マクロ組織例(板厚 60㎜)ズに対応し1964年開発され，翌1965年に実用化されたのボックス柱角継手の施工例では，２電極を用いた板厚がフラックス銅バッキング法やフラックスバッキング法

60 mm の１層１パス溶接で溶接入熱が約 50 kJ/mm と他である9)（図12）．の施工法に比較して超大入熱施工法となる．なお，溶接

フラックス銅バッキング法は，銅板上に裏ビードを安定形成させる裏当てフラックスを均一な厚みで散布し，入熱が極めて高いため，大入熱溶接性に優れた鋼材が必須である．

銅板裏面からエアー圧力で裏当てフラックスを鋼板裏面

近年は，SA440 や YP385 などの高強度鋼や溶接継手のと密着させて片側から一層で溶接を完了する施工方法で高靭化（0℃≧70 J）に対応した溶接材料が開発され実用ある．

化されている．

銅板が裏ビードの形状を整えるため，大電流の溶接す

(3)

横向溶接法

なわち厚板での品質が安定し易い特長がある．1990年代

主に円筒タンクの溶接に適用されている．には，４電極による高速溶接が実用化され，さらなる高吊り下げ式の専用装置が用いられ，回転ベルトでフラックスを受け横向姿勢で多層溶接が行なわれる．

能率化を実現している ．
10)

フラックスバッキング法は，下敷きフラックスの上に溶接は現地施工となるため一般的には耐吸湿特性が良

裏当てフラックスを均一な厚みで散布する点がフラック

好な溶融フラックスが適用されるが，高じん性あるいはス銅バッキングと異なり，またフラックスのみでバッキ耐欠陥性が要求されるタンクではボンドフラックスが使ングするため定電圧特性の直流電源が適用される．本法用されている．

は，板厚違いや差厚鋼板などの鋼板裏面に段差がある継手や溶接歪が大きい薄板で密着性を確保し易い特徴があなお，ワイヤ狙い位置によってビード形状が変化する
ので 1.6 mmφ〜3.2 mmφの細径ワイヤが用いられる．

る．
両施工方法は，ボンドフラックスとの組合せで軟鋼・490 MPa 級高張力鋼に加え，低温用鋼の溶接にも適用されており，船舶建造の中心的な役割を現在も果たしていBOX 柱角継手ー層溶接法

要である．また，施工法や溶接材料の特性を把握するこ

建築構造物の高層化や大空間構造の採用に伴いボック
ス柱の肉厚は増大し，高能率な施工法として太径ワイヤを用いた多電極サブマージアーク溶接法が採用されていとが，健全な溶接部を確保すると共に更なる高能率化の達成に必要と考える．
本稿では，各溶接法の主要な特徴について概説した．
紙数の都合で欠陥等については多くを述べていないが，る．
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実施工に適用する溶接の施工法や材料は，要求される継手性能や鋼種，溶接長などを勘案し選択することが重る．
(2)

おわりに溶接接合教室−基礎を学ぶ−

幸村：被覆アーク溶接・サブマージアーク溶接

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施工法や溶接材料の選定あるいは施工管理とその考え方の一助になれば幸いである．

参考文献
1) 荒田，西口：溶接法の基礎，産報出版（1979）9−10．
2) 藍田：サブマージアーク溶接の基礎と応用 I，溶接技術（1996年６月号）136−137．
3) 神戸製鋼：溶接棒各論 167−186．

4) 社団法人 日本溶接協会 溶接棒部会技術委員会：溶接の研究 No.15 (1975) 12−14.
5) 溶接学会編：新版 溶接・接合技術特論（2007）50−52．
6) 藍田：サブマージアーク溶接の基礎と応用 II，溶接技術（1996年７月号）139．
7) K. AKAO et al.: Trans, ISIJ, vol26 (1986) 382.
8) 神戸製鋼：溶接だより，技術ガイド（1994）．
9) 神戸製鋼：神戸製鋼技報，vol50，N0.3 70.
10) 宮崎ほか：日立造船技報，第54巻，第１号（1993）．

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