スプレー溶接完全解説：プロセス、技術、安全性

スプレー溶接とは？

スプレー溶接は、サーマルスプレーの形をとる複数の溶接プロセスを指します。粉末またはワイヤを圧縮ガスで高速アトマイズし、金属表面に噴霧する産業活動です。

スプレー溶接には産業用プラズマ、フレーム、デトネーションガン、アークスプレー、高速酸素燃料が使用されます。スパッタ溶接で生成される顕著な熱のため、人と環境への危害を避けるため手順と規制を慎重かつ一貫して遵守する必要があります。

スプレー溶接の仕組み

サーマルスプレーは複数の被膜プロセスを表す一般用語です。溶接全体は、ロッド、粉末、ワイヤなどの被膜材料を様々なエネルギー源で溶融することを含みます。

簡単に言えば、熱源と溶融液滴となった被膜材料を高速で噴霧する産業被膜プロセスと定義できます。噴霧はアトマイゼーションジェットまたはガスによって基材に向かって推進されます。

サーマルスプレーは非常に汎用性が高く、高効率なプロセスとして知られています。熱処理や窒化処理、クロムめっき、ニッケルめっき、アルマイト処理など、いくつかの表面処理の良い代替案となり得ます。

被膜厚は個人の好みによって異なります。被膜は摩耗したコンポーネントと基本機械部品を修復します。また、要素の性能と耐久性向上にも適用可能です。適切に処理されれば最大70％長持ちします。

スプレー溶接技術の種類

1. スプレーアーク溶接

スプレーアーク溶接は、電極またはワイヤから溶接部へ金属を移行させるプロセスの一つです。微細な溶融金属滴がアークを通って母材や作業中の継手に移動します。

スプレートランスファーは、厚肉材料の突合せ継手やフィレット継手に最適です。飛散する金属滴と重力が溶接工や溶接作業にとって理想的な状況を作らないため、姿勢溶接作業には適しません。

技術的には、スプレーアーク溶接はアークを横切って溶融金属がスプレー移行するもので、絞られたオリフィスのあるホースから水が噴出するのに似ています。スプレーアーク溶接は溶接スパッタを低減し、より微細な溶接ビードを作ります。

プロセス

高電流と高電圧レベルが関与します。ワイヤが母材に近づくと、接触前に電流が発生します。電流がワイヤを非常に速く加熱し溶融させます。溶融金属は生成されたアークを横切って微細な液滴形で移動し、スプレーアーク溶接の名の由来となっています。

スプレーアーク溶接は、シールドガス、金属、ワイヤゲージ、チップツーワーク距離の理想的な組み合わせで装備されている場合、高い金属堆積率を達成できます。完璧な組み合わせでは非常に高い過渡電流を生成できます。このプロセスは軸方向スプレーとも呼ばれます。

このプロセスで使用される電流レベルは過渡電流より高くなければなりません。のみ金属が液滴形で移行し、単に溶融するだけではないためです。スパッタフリー溶接を確保するには、十分な電圧レベルでの高電流レベルが必要です。

利点

スプレーアーク溶接は非常に効率的なプロセスです。このプロセスが提供する主なメリットには以下が含まれます：

• 高い金属堆積率
• 良好な金属融合と溶け込み
• 優れた溶接ビード外観
• 大径電極ワイヤの使用可能
• 非常に少ないスパッタ発生

このような広範なメリットがあるにもかかわらず、スプレーアークトランスファー法には実質的な制限があります。

制限事項

スプレーアークトランスファーの制限には以下が含まれますが、これらに限定されません：

• 厚肉材料（約1/8インチ＝3mm以上）にのみ適する
• 平坦および水平フィレット溶接姿勢に限定
• オープンルート機能がない

2. フレームスプレー プロセス

フレームスプレーは、酸素/アセチレン燃焼スプレーとも呼ばれ、約100年前に開発されたオリジナルのサーマルスプレーテクニックです。溶接トーチの基本原理に高速気流を加えて溶融粒子を基材に飛ばします。

被膜材料はワイヤまたは粉末形のいずれかです。フレームスプレー被膜は、密着性と被膜密度向上のため施工後に溶融させることがよくあります。

利点

• 高い堆積率
• 低基材加熱
• 汎用性が高い
• プロセスがシンプルでユーザーフレンドリー

欠点

• 比較的低い密着性
• 加熱効率の向上
• 融点2,800℃を超える金属と非互換

3. 高速酸素燃料（HVOF）

HVOF（高速酸素燃料）プロセスは、酸素とプロパン、プロピレン、水素などの選択された可燃性ガスを燃焼させます。HVOFシステムは燃焼の基本原理を使用しますが、スプレーガンは標準的な酸素燃料スプレーガンとは異なる設計です。

HVOFガンの違いにより、より高い炎温度とより高い速度が生み出されます。結果はより完全に溶融した粉末と、被膜材料の溶融粒子を「平坦化」するためにより多くの運動エネルギーが利用可能になります。HVOFプロセスは優れた結合強度と被膜密度を生み出します。

HVOFプロセスは、タングステンカーバイド、クロムカーバイドなどの高融点金属と金属合金の堆積に最も一般的に使用されます。

利点

• 厚膜堆積を強力にサポート
• 低多孔率レベル
• 高密着レベル
• フレームスプレーやプラズマより多くのカーバイド保持

欠点

• 騒音レベル最大130dBで比較的うるさい
• 低堆積率
• やや高コスト

4. プラズマスプレー プロセス（PTA）

プラズマスプレープロセス（非移行アーク）は、電極を通過させた不活性ガスでガスの「プラズマ」状態を誘起します。ガスがガン装置のノズルから出て通常状態に戻るとき、莫大な熱が放出されます。

粉末被膜材料がプラズマ「炎」に注入され、基材に推進されます。

セラミック被膜は高融点のためプラズマスプレーで最もよく適用されます（しばしば>3500°F）。複数種類のセラミック被膜をプラズマスプレーで適用可能です。

利点

• 適用が容易
• サーメット粒子がより大きい
• 耐摩耗性
• 非常に低いまたはゼロ多孔率
• 厚膜
• GTAW比で低基材加熱

欠点

• 噴霧材料への高酸化
• 1mm以下の薄層取得が困難

5. デトネーションスプレー

デトネーションスプレーは、材料の表面特性を変えるために超音速で保護被膜を適用する多くのサーマルスプレー技術の一つです。主にコンポーネントの耐久性向上を目的とします。

1955年にH.B.サージェント、R.M.プアマン、H.ランプレーによって発明され、特別に設計されたデトネーションガン（D-gun）でコンポーネントに適用されます。スプレー対象コンポーネントは、表面油、グリース、ゴミをすべて除去し、表面を粗面化して強力に結合したデトネーションスプレー被膜を得るために正しく準備する必要があります。

このプロセスは、すべてのサーマルスプレー技術の中で最高速度（≈3500m/sの衝撃波で被膜材料を推進）と最高温度（≈4000℃）の被膜材料を伴います。

これにより、デトネーションスプレーは低多孔率（1%未満）と低酸素含有量（0.1〜0.5%の間）の保護被膜を適用でき、低荷重下での腐食、摩耗、付着を防止します。

このプロセスでは非常に硬く高密度な表面被膜の適用が可能で、耐摩耗被膜として有用です。このため、デトネーションスプレーは航空機エンジン、プラグ・リングゲージ、切削刃（スキビングナイフ）、チューブラードリル、ロータ・ステータブレード、ガイドレール、または高摩耗・摩耗を受けるその他の金属材料の保護被膜に一般的に使用されます。

デトネーションスプレー時にコンポーネントに噴霧される一般的材料は、金属、金属合金、サーメットの粉末、およびそれらの酸化物（アルミニウム、銅、鉄など）です。

デトネーションスプレーは、正しく安全な環境で実施されない場合危険な産業プロセスです。したがって、このサーマルスプレー技術使用時には多くの安全予防措置を遵守する必要があります。

6. コールドスプレー プロセス

コールドスプレー（CS）は被膜堆積法です。固体粉末（直径1〜50マイクロメートル）が超音速ガスジェットで最大約1200m/sの速度まで加速されます。基材との衝突時に粒子は塑性変形を起こし、表面に付着します。

均一な厚さを得るため、スプレーノズルを基材に沿ってスキャンします。金属、ポリマー、セラミックス、複合材料、ナノ結晶粉末をコールドスプレーで堆積可能です。

ガス膨張により供給される粒子の運動エネルギーは、結合時に塑性変形エネルギーに変換されます。プラズマスプレー、アークスプレー、フレームスプレー、高速酸素燃料（HVOF）などのサーマルスプレー技術とは異なり、粉末はスプレー工程で溶融されません。

スプレー溶接の利点

• 滑らかな溶接ビード
• 高溶け込み（3/16インチ＝約5mm以上の金属に使用）
• 高溶接堆積率
• 最小スパッタ
• コスト削減：スプレーで低コスト材料を強化
• 低熱入力：被膜は基材に浸透しない
• 汎用性：ほとんどの金属、プラスチック、セラミックスをスプレー可能
• 幅広い厚さ範囲：0.001〜0.1インチ、1インチ以上も可能
• 高速処理：使用プロセスにより3〜60lb/hrでスプレー可能

スプレー溶接の欠点

• 溶接技術者の訓練が必要
• ガスコストが高くなる可能性（アルゴン>85%）
• 平坦姿勢と水平フィレットのみ推奨
• 高熱で溶接工の不快感の原因に
• アンダーカット発生の可能性、特に溶接上端
• 被膜結合は機械的、冶金的ではない
• ライン・オブ・サイト プロセス
• ピンポイント荷重に対する被膜耐性が劣る

FAQ

スプレー溶接とは？

スプレー溶接は、サーマルスプレーの形でいくつかの溶接手順を分類する用語です。圧縮ガスで高速で粉末またはワイヤをアトマイズし、金属表面に噴霧する産業活動です。

スプレーアーク溶接とは？

スプレーアーク溶接は、電極またはワイヤから溶接部へ金属を移行させるプロセスの一つです。微細な溶融金属滴がアークを通り、母材または作業中の継手に移動します。スプレートランスファーは厚肉材料の突合せまたはフィレット継手に最適です。

スプレーアークのセットアップ方法は？

より高い生産速度にはスプレートランスファーを使用。80%以上のアルゴン混合で電圧を23-4ボルトに設定。ワイヤ送り速度約300-400インチ/分でアンペア数を設定。再度ワイヤ送り速度を増減し150アンペアに到達するまで調整。

スプレー溶接でどのくらいの厚さまで可能？

サーマルスプレーは厚い被膜を提供可能（概ね厚さ範囲は20ミクロン〜数mm、プロセスとフィードストックによる）、電気めっき、物理・化学気相成長など他の被膜プロセスと比較して広い面積に高堆積率で。

スプレー溶接は強い？

高速酸素燃料スプレー溶接。ガスが超音速を達成しながら同時に粉末が炎に注入されます。プロセスは1%未満の多孔率で高密度サーマルスプレー被膜を提供。結果は高結合強度と優れた噴霧直後の表面仕上げを持ちます。