アーク溶接
上記の垂下特性電源に存在する欠点や電流値の変化が許容できない場合は、定電流特性電源が用いられる。定電流特性電源は、アーク長が変化しても出力電流がまったく変化しない構造をもつ電源装置で、被覆アーク溶接の直流電源として採用されている。アークが安定しやすく施工範囲も広くなるが、磁気吹きといわれる不具合が発生しやすく、構造が複雑で価格が高いという面を持つ。一部のティグ用溶接電源には、この機能が装備されている場合がある。
被覆アーク溶接は原理的に自動化ができずすべて手作業で行うので、手溶接、手棒溶接と言うことがあり、このように呼ぶ場合は被覆アーク溶接のことを指す。被覆アーク溶接で使用する溶接棒は、金属芯線を被覆材と呼ばれる数mm程度の厚さのある保護材で覆っている。溶接時に被覆材はアークの高温によりガス化するので、溶接部はシールドされ大気中の窒素や酸素が溶接部に混入するのを防止している。また、被覆材は溶接金属に対し脱酸作用があり、スラグとなってビードを保護することでビード形状の形成を整える働きもある。被覆アーク溶接での進行方向は、右利きなら左から右へ、左利きなら右から左へ、いずれの場合も進行方向に対して5度から10度傾けて傾けた方向に進む。
アーク溶接の主たる対象材料は鉄鋼である。
右図はFe-C状態図と言い、縦軸が温度、横軸が炭素量となっている。鉄鋼は温度と炭素量により相変化を起こし、物理的特性の違う組織に変化する。右図は十分に冷却時間を取った場合の鉄鋼の相変化を表している。溶接の場合は急激な温度変化を伴うため、右図に示される相変化を激しく遷移し、加熱と冷却の仕方によって様々な組織に変化する。
そのため一口に鉄鋼と言っても様々な種類があり、アーク溶接に適さない種類の鉄鋼もある。また、溶接可能な鉄鋼でも、溶接するにあたって特別な処理が必要となるものもある。このような溶接に対する材料の性質を溶接性と言う。一般的に硬い材料ほど溶接しにくい。
鉄をアーク溶接すると、溶融部は液相から急激に固相に移行し急激に冷却されることになる。また溶接周辺部も急激な加熱のあと急激な冷却を受けることになる。鉄はこれらの熱影響によって成分や結晶構造が変化し、鉄の種類によっては強度が不足したり、変形したり、亀裂が生じたりする。鋼材をある程度まで熱してから急激に冷却すると、いわゆる焼きの入った状態になって硬化を起こす。鋼材には炭素が含まれているためで、この炭素が鉄と化学反応を起こしたり、結晶構造を変化させるなど結果として硬化が起きる。鉄鋼が硬くなると脆くなるため機械的強度が低下することがある。そのため、一般に炭素が少ない鋼材のほうが溶接性が良いとされる。
鉄を硬化させる物質は炭素だけではなく、マンガンやシリコンなども硬化の原因となる。
炭素が0.25%以下の焼き入れ硬化が無視できる鋼材を軟鋼と言う。最も一般的な鋼材で引っ張り強度は400N/mm程度である。低炭素鋼、普通鋼などとも言う。
JIS規格では、一般構造用圧延鋼材のSS400という鉄鋼が軟鋼に相当するが、JIS規格ではリンと硫黄の成分のみが規定されており、炭素や他の成分は規定されていない。従ってメーカーやロットによっては同じSS400でも溶接に適さないものもある。
そのため溶接用に規定された軟鋼としてはSM材とSN材が規定されている。SN材は特に建築用として規定された材料で、大地震などで十分な強度が得られるように成分調整と検査が義務付けられた鋼材である。軟鋼は特に溶接性の悪い材料ではないが、比較的柔らかい鋼材のため、溶接量が多いと大きな歪みが生じる。そのため形状によっては縮み代や逆歪み、冷却などの対策が必要になる。
余談だが、日本では鉄と鋼は一緒くたにされているが、日本以外では全く違う物質として認識する地域もある。日本のSS400だと規格上、国によっては鋼として分類されずにクズ鉄同然の見方をされることがある。