アルミニウムガス溶接完全ガイド：技術・コツ・安全対策

アルミニウムおよびアルミニウム合金のガス溶接には、酸素アセチレン溶接と酸素水素溶接が最も一般的に用いられます。水素はアセチレンと同じチップで酸素と燃焼可能ですが、温度は低く、より大きなチップサイズが必要です。

アセチレンと酸素を適切な割合で混合し着火すると、炎温度は6,300°F（3,482°C）に達します。この高温はすべての商業用金属を完全に溶かし、機械的圧力やハンマー作業なしで接合金属が実際に流れ合い、完全な結合を形成するのに十分です。

極薄材を除き、溶融池にワイヤロッド形状の追加金属を供給して継手をわずかに強化するのが一般的です。正しく溶接されれば、接合部は母材と同等の強度を持ちます。

酸素アセチレン炎で溶接可能な金属には、鉄、鋼、鋳鉄、銅、真鍮、アルミニウム、青銅、および多くの合金が含まれます。酸素アセチレン炎は金属切断、浸炭焼入れ、焼鈍にも使用されます。

溶接準備と処理

溶接前の母材清掃

アルミニウム溶接では適切な清掃習慣が常に重要です。必要な清浄度と母材準備のレベルは、求められる溶接品質レベルによって異なります。AWS D1.2などの製造規格で要求される溶接品質を満たす製作物では、溶接前の適切な準備が不可欠です。

高品質な溶接をアルミニウムで達成するのは、鋼材よりもはるかに困難です。アルミニウムは鋼材よりも、不溶融、不完全溶け込み、気孔などの品質問題を発生させるポテンシャルが高いためです。

アルミニウムの頑強な酸化皮膜は不溶融問題を引き起こすため、制御が必須です。高い熱伝導率は不完全溶け込みの原因となります。溶融アルミニウム中の水素の高い溶解度は気孔を生じさせるため、溶接前にすべての水分と炭化水素を除去する必要があります。

アルミニウムの酸化皮膜厚は制御し、過剰な水分による水和を防止しなければなりません。

金属保管と継手準備：やるべきこと・やってはいけないこと

保管

• すべての溶接ワイヤと母材は、温度変動が最小限の乾燥した場所に保管する。
• 溶接ワイヤは乾燥した暖房の効いた部屋やキャビネットに保管するのが望ましい。
• 金属を垂直に保管し、層間の水分凝縮と水分汚染の吸収を最小限に抑える。
• すべてのフィラー材と母材を溶接エリアに溶接の24時間前までに搬入し、室温に順応させる。
• 溶接ワイヤは常に覆っておく。

継手準備

• 研磨跡やスミア（塗りつぶし）面を残す方法は避ける。例：丸鋸切断面は溶接可能だが、帯鋸切断面はスミア面を残し不溶融の原因となるため、溶接前にヤスリでスミア金属を除去する。粗目ディスクグラインダーはホイールグラインダーより好ましいが、可能ならグラインダーの使用自体を避ける。
• 継手準備の金属加工工程では、潤滑剤を使用しない。
• 溶接エリアで塩素系溶剤を使用しない。アーク溶接のアーク存在下で有毒ガスを生成する恐れがある。
• 酸素燃料ガス切断、カーボンアーク切断/ゴウジング、酸素燃料炎による予熱は行わない。これらのプロセスは熱影響部を損傷し、表面に存在する酸化皮膜の成長と水和を促進する。
• プラズマアーク切断・ゴウジング、レーザー切断を使用する。
• 2xxx、6xxx、7xxx系合金のプラズマアーク切断面とレーザー切断端面は機械的に除去する。これらの合金の溶融端部には有害な凝固クラックと熱影響部状態が含まれる。切断端から最低1/8インチ（約3.2mm）の金属を除去する。切削してチップを除去する機械的金属除去法を用いる。
• 組立前に継手を準備し清掃する。溶剤で脱脂する。
• チーズクロスやペーパータオルなどの清潔な布で溶剤清掃し、溶接継手を乾燥させる。
• ウエスで溶接継手を清掃せず、圧縮エアで吹き飛ばさない。圧縮エアには水分と油分が含まれる。
• ステンレス鋼ワイヤブラシでブラッシングするのは溶剤清掃の後のみ。清掃前にブラッシングすると炭化水素やその他の汚染物質が金属表面に埋め込まれる。
• エッチング処理されたすべての金属をステンレス鋼ワイヤブラシでブラッシングする。エッチングの残留生成物は溶接前に除去しなければならない。
• すべてのワイヤブラシと切削工具を頻繁に清掃する。

溶接バッキング（裏当て材）

一時的なバッキングストリップは通常、銅、アルマイト処理アルミニウム、ステンレス鋼、または各種セラミック材料で作られます。溶け込みを制御するために使用され、溶接後に除去されます。バッキング材が溶融池に溶け込まないよう注意が必要です。

永久バッキングストリップは常に母材と同一合金で作られます。AWS D1.2のバッキングストリップ除去要件を参照してください。通常、一時的バッキング材使用時はルート開きなし、永久バッキング材使用時はルート開きありとします。

予熱と層間温度

予熱は、異なる板厚の母材を溶接する際の板厚による熱的影響を軽減するために使用できます。調質型母材と3%以上のMgを含む5xxx系母材は、250°F（121°C）を超える予熱および層間温度に15分以上さらさないでください。AWS D1.2を参照してください。

溶接後熱処理と時効処理

調質型アルミニウム合金を溶接すると、熱影響部で機械的特性の大幅な低下が生じます。母材が-T4テンパーの場合、溶接後の時効処理で元の強度の多くを回復できます。

母材が-T6テンパーで溶接される場合、溶接後に固溶化熱処理と時効処理を行えば-T6テンパーに復元可能です。使用するフィラーメタルによっては、溶接後熱処理と時効処理で問題が生じる場合があります。

フィラーメタルが母材と異なる反応を示すと、溶接継手の機械的特性が母材を下回る可能性があります。溶接部自体の応力集中を考慮すると、これは望ましくない状態です。

したがって、溶接後熱処理と時効処理を行う場合、フィラーメタルの選定が極めて重要です。ホバートに問い合わせ、用途に最適なフィラーメタルについて冶金的アドバイスを受けてください。

アルミニウムガス溶接プロセス

溶接材料が適切に準備、フラックス塗布、予熱された後、開始点でフラックスが溶けるまで小さな円を描くように炎を動かします。フィラーロッドを3〜4秒間隔でトウの表面をこするように当て、そのたびに炎から離します。

このこする動作により、アルミニウムを過熱せずに溶接開始タイミングがわかります。フィラーロッドを当てる前に母材が溶融している必要があります。フォアハンド溶接（トーチを進行方向に傾ける）は、炎が溶接予定領域を予熱するため、アルミニウム溶接に一般的に最適とされます。薄板アルミニウム溶接では、トーチを進行させる以外の動きはほぼ不要です。

厚さ3/16インチ（4.8mm）以上の材料では、トーチに滑らかな横方向の動きを与えるべきです。これにより溶接金属が溶接幅全体に分布します。穏やかな前後運動はフラックスの酸化皮膜除去を助けます。

溶接ロッドを定期的に溶融池に浸し、前方への動きで引き抜きます。このストリッピング動作により溶融池が閉じられ、気孔を防ぎ、フラックスの酸化皮膜除去を助けます。

溶接ルール

注：以下の手順は、水素の技術的性質と入手性の違いにより、酸素アセチレン溶接向けです。

ルールはシンプルです。守るか、失敗するかです！

• 酸素ボンベを完全に開いて上部パッキンをシートさせ、アセチレンをわずかに開く。レギュレーターを同圧（2〜5ポンド）に設定し、小径チップほど低圧にする。
• 鋼材用よりワンサイズ大きいチップを選ぶ。例：0.040インチ鋼板に00（ダブルオウ）チップなら、同厚アルミニウムには0チップを使用。
• 油分がある場合は溶剤、ラッカーシンナー、アルコールで清掃。溶接直前に両面をステンレスブラシで磨く。
• ロッド（またはワイヤ）または部材、極端な場合は両方にフラックスを塗布。フラックスは白色粉末で、水またはアルコールで1/3フラックス：2/3液体の割合で混合。
• 眼の保護、十分な換気、煙を吸わないよう頭を離すなどの安全対策を講じる。
• 溶接する合金に適したフィラーメタルを選定。一般的な溶接可能航空機用合金板材を参照。

中空フラックス入りロッドがかつて販売されていたが、合金の信頼性が疑わしい上に、継手のエッジだけを盛り上げて接合しないという悪癖があった。