溶接炎の理解：中性・カーバライジング・酸化炎の種類と使い分け

今回はガス溶接で使用される溶接炎の種類について学びます。前回はガス溶接について説明しました。この溶接プロセスではガス燃料を燃焼させて高温炎を生成し、それを溶接継手の作成に使用します。

炎は溶接継手の形成において主役を果たし、溶接特性は炎に大きく依存します。炎には3種類あり、中性炎、カーバライジング炎、酸化炎です。中性炎は燃料と酸素の同期した混合、カーバライジング炎は燃料過剰、酸化炎は酸素過剰です。材料によって溶接条件に応じて異なる炎を使用します。

溶接炎とは？

溶接炎は金属や熱可塑性プラスチックを加熱し、冷却時に融合させるために使用されます。ほとんどのガス溶接プロセスは酸素燃料溶接を使用します。これは最も古い溶接プロセスの一つで、1903年に最初に開発されました。酸素燃料溶接（酸素アセチレン溶接とも呼ばれる）では、アセチレンなどの液体燃料またはガスが必要です。ガスを酸素と組み合わせて炎の温度を上昇させます。

トーチにはガスタンクに接続するホースがあります。溶接開始準備ができたらバルブを開き、トーチから出るガスに着火します。その後バルブを調整して各ガスの流量を変え、ガス比率を変更します。

各炎にはコーンと呼ばれるいくつかのゾーンがあります。内側のコーンが炎の最も高温部分です。ここでアセチレンと酸素が結合します。外側のコーンは周囲の空気からより多くの酸素を得るため低温です。外側のエンベロープまたはシースとも呼ばれます。

溶接炎の種類

炎には中性炎、カーバライジング炎、酸化炎の3種類があります。

• 中性炎は体積比で燃料と酸素の同期した混合を持ち、
• カーバライジング炎は燃料過剰で、
• 酸化炎は酸素過剰です。

ご存知の通り、基本的な溶接炎はこの3つです。それぞれ以下の通りです。

1. 中性炎

名前の通り、この炎は体積比で酸素と燃料ガスが同量です。この炎は燃料を完全燃焼させ、溶接対象金属に化学的影響を与えません。主に軟鋼、ステンレス鋼、鋳鉄などの溶接に使用されます。煙はほとんど出ません。

この炎には2つのゾーンがあります。内側ゾーンは白色で温度は約3100℃、外側ゾーンは青色で温度は約1275℃です。

2. カーバライジング炎

この炎は燃料ガス過剰です。この炎は金属と化学反応し、金属炭化物を形成します。このため、炭素を吸収する金属には使用しません。煙が多く静かな炎です。この炎には3つの領域があります。

内側ゾーンは白色、中間ゾーンは赤色、外側コーンは青色です。内側コーン温度は約2900℃です。この炎は中炭素鋼、ニッケルなどの溶接に使用されます。

3. 酸化炎

中性炎からアセチレン量を減らすか酸素量を増やすと、内側コーンが消えかけ、得られる炎を酸化炎と呼びます。中性炎より高温で、明確に定義された2つのゾーンを持ちます。

内側ゾーンは非常に明るい白色で温度は約3300℃です。外側炎は青色です。この炎は黄銅、青銅などの無酸素銅合金の溶接に使用されます。

理想的な炎のためにどのガスを使用すべきか？

アセチレンは議論したガス溶接炎の生成に最も使用されるガスですが、唯一の選択肢ではありません。MAPPガスと水素がアセチレンの代替としてよく挙げられます。アセチレンは炭素原子を独自に結合する「三重結合」を持っています。

他のガスが着火温度に達すると結合が切れ、ガスはエネルギーを吸収します。アセチレンで結合が切れるとエネルギーが放出されます。これによりアセチレンはより高温を達成できます。

他のガスと比較して、アセチレンは酸化特性も少ないです。しかし、着火しやすいという特徴もあります。MAPPはより安全な選択肢として作られました。MAPPガスはプロパンとアセチレンを組み合わせた液化石油ガスです。標準的なアセチレンより小型容器で輸送可能、より高い着火温度、より高圧力で作業可能です。

MAPPの欠点は温度です。MAPPで生成される炎はアセチレン炎より低温です。ほとんどの鋼には不向きですが、アルミニウムには適している場合があります。水素もアルミニウムの溶接に容易です。MAPPと同様、水素炎は低温で高圧力で作業します。

アルミニウム溶接を計画していない限り、アセチレンを使用してください。低温と流出率の低さにより、MAPPと水素は硬い金属の適切な溶融を妨げます。MAPPと水素はガス溶接には最適ではありませんが、ガス切断の一般的な選択肢となっています。高圧トーチと併用すると、MAPPと水素はよりクリーンな切断を提供します。

低温のため、MAPPと水素は加熱、曲げ、ブレージングの一般的な選択肢でもあります。

酸素アセチレン炎生成の一般的な比率

中性ガス溶接炎は酸素とガスの等量混合です。カーバライジング炎は酸素が少なく、酸化炎は酸素過剰です。では比率をどう決めるのでしょうか？

プロジェクトに関わらず、中性炎から始めます。カーバライジング炎と酸化炎は、中性炎達成後にアセチレンまたは酸素の放出を増やすことで作成されます。

以下に各炎の酸素対アセチレンの典型的な比率をまとめました：

• カーバライジング炎：0.8〜1.0
• 中性炎：1.0
• 酸化炎：1.0〜2.5

アセチレン流量を増やすと、内側コーンから明確なフェザーが延び始めます。フェザーは内側コーン長さの約2〜3倍まで達するべきです。ガスを完全燃焼させないことで温度も低下します。

酸化炎が必要な場合は、アセチレンではなく酸素流量を増やします。余分な酸素が酸化効果を生み、ガスをより速く燃焼させ、より高温になります。

ガス溶接で中性炎を作る方法

中性炎は他の炎を作る出発点なので、最初に習得すべき炎です。レギュレーターを調整することから始めます。酸素ボンベとアセチレンボンベそれぞれに2つのゲージを持つレギュレーターがあります。1つは残圧を、もう1つは作業圧力を示します。

レギュレーターのネジを調整して作業圧力を変え、酸素またはガスの流量を増減させます。トーチに着火する前に、レギュレーターの前面から離れ、ゆっくりと酸素ボンベを開け、次にアセチレンボンベを開けます。レギュレーターのネジを回して圧力設定を調整します。

レギュレーターの圧力設定が完了したら、トーチに着火して調整します。アセチレンバルブを1/4回転開けてトーチに着火。ゆっくり酸素バルブを開け、3つの明確なゾーンが見えるまで続けます。内側コーン、フェザー状のアセチレンコーン、外側エンベロープが見えるはずです。フェザーが内側コーンに消えるまでゆっくり酸素バルブを開け続けます。これで中性炎が完成です。

カーバライジング炎を作るには、アセチレンボンベのバルブをゆっくり開け、フェザーが内側コーン長さの2〜3倍になるまで続けます。酸化炎を作るには、内側コーンが元の約1/4サイズになるまで酸素流量を増やします。独特のヒシング音も聞こえるはずです。