アーク溶接は、溶融溶接の中でも最も広く普及している工法であり、高温アークによる溶融・凝固を利用して金属同士を強固に接合する技術です。近年ではロボット溶接・パルス制御・デジタルインバータ化など高度化が進み、材料特性・溶接電源特性・熱影響部（HAZ）の管理がより重要になっています。
今日は、アークの電気的特性から溶接金属の冶金学的変化、主要プロセスの比較まで、専門的な視点で詳細に解説します。
アーク溶接の基礎：アーク現象の電気・物理特性
アークの定義
アークとは、電極と母材間で発生する自己持続性の高温放電現象です。アーク柱は約 4,000～20,000℃ に達し、以下の領域で構成されます。
- カソードスポット（陰極点）：電子放出が起こる領域
- アノードスポット（陽極点）：電子衝突により熱が集中
- アーク柱領域：電離したプラズマが流れる導電路
アークの温度分布と安定性は、溶接ビード形状・溶融深さ・スパッタ量に直接影響します。
溶接電源の特性：直流（DC）・交流（AC）と極性の関係
アーク溶接では電源の出力特性（外特性カーブ）が重要です。
直流（DC）
- DCEN（電極マイナス）：母材への熱集中が大きい → 深い溶け込み
- DCEP（電極プラス）：電極側に熱が集中 → アルミの酸化膜除去に有効（TIG）
交流（AC）
正負が交互に切り替わるため、
- 熱集中の平均化
- アークの安定化（高周波HFが必要）
- アルミ酸化膜の掃除作用（EP時）
が得られます。
TIG溶接のアルミでは ヘッドバランス（EP比率） の最適化が仕上げ品質を大きく左右します。
溶接冶金（Metallurgy）｜溶融・凝固・熱影響部の変態を理解
アーク溶接では、金属組織が熱履歴により大きく変化します。
溶接金属（Weld Metal）
溶融→凝固する領域。
凝固様式は以下の順に変化します。
- セル状凝固
- デンドライト凝固
- 柱状晶の成長
溶融池の冷却速度が速すぎると偏析や微小気孔が発生しやすい。
熱影響部（HAZ：Heat Affected Zone）
母材の組織が熱のみで影響を受ける領域で、機械的性質変化の要因になります。
鋼材では以下の変態が起こり得ます。
- 粗粒化域：強度が低下し靱性が悪化
- 細粒化域：じん性の高い結晶粒
- 変態域：ベイナイト・マルテンサイト化
- 焼戻し域：軟化の可能性
特に高張力鋼では HAZ 脆化が品質トラブルになりやすく、予熱・後熱が欠かせません。
アーク溶接の主要プロセスと専門的比較
被覆アーク溶接（SMAW）
電極被覆材がガスとスラグを生成し、溶融池を保護します。
メリット
- スラグによる高いシールド効果
- 屋外施工に強い
- 材料の汎用性が広い（SS鋼〜耐熱鋼）
専門ポイント
- アーク長が長いとスパッタ増加・溶け込み不足
- 被覆材成分が溶接金属の組成を大きく左右する
- 吸湿した溶接棒は水素割れの原因 → 乾燥炉管理必須
MIG/MAG溶接（GMAW）
ワイヤ送給とシールドガスで量産に適した工法。
ガス別特性
- MIG（Ar/He）：非鉄金属向け（アルミ・ステンレス）
- MAG（CO₂/Ar混合）：鉄鋼向け、高コストパフォーマンス
波形制御のポイント
- ショートアーク：薄板向け、スパッタ多い
- スプレー移行：高電流域、溶け込み深い
- パルスモード：薄板でもスパッタ少なく高品質
TIG溶接（GTAW）
不溶性電極（タングステン）＋不活性ガス（Ar）で高品質な溶接を実現。
特徴
- 極めて安定したアーク（低スパッタ）
- アーク範囲が細く精密制御可能
- アルミでは AC の EP で酸化膜除去が必須
専門ポイント
- ルートフェイスが薄すぎると焼け落ちのリスク
- 流量が少ないと黒ずみ、過剰だと乱流で不安定
- タングステン電極の形状（先端角度）がビード形状を左右
アーク溶接特有の欠陥と発生メカニズム
気孔（Porosity）
原因
- 母材表面の油・水分
- シールドガス乱流
- 溶接棒の吸湿
- アーク長の不安定
割れ（Cracking）
- 冷却割れ（水素割れ） → 含水・低温・拘束による
- 高温割れ（溶融割れ） → 偏析元素（S,P）と溶融金属の収縮応力
アンダーカット
過大電流・高速走行・不適切なトーチ角が原因。
溶け込み不足
低電流・低電圧・走行速度過多。
欠陥の多くは「熱入力（kJ/mm）」の管理」で防止可能です。
まとめ｜アーク溶接は電気・熱・冶金の総合技術
アーク溶接は、単なる「金属を溶かす作業」ではなく、
- アークの電気特性
- 熱入力と冷却速度
- シールドガス特性
- 母材の冶金学的変態
- 電源波形制御
- 作業者の技能
これら複数の要素が複雑に絡み合う高度な技術です。
材料・溶接姿勢・板厚・強度要求に応じ、
SMAW / MIG / MAG / TIG を適切に選定することで、生産性と溶接品質の最適化が可能になります。
