溶接の基礎：定義、プロセス、種類を徹底解説

溶接とは

溶接とは、熱、圧力、またはその両方を用いて2つ以上の部品を融合接合し、冷却時に接合部（ジョイント）を形成する製造プロセスです。溶接は金属と熱可塑性樹脂に一般的に使用されますが、木材にも適用可能です。完成した溶接継手は「溶接部（ウェルドメント）」と呼ばれます。

材料によっては特殊なプロセスや技術が必要です。中には「非溶接性」とされる材料もあります。この用語は辞書には通常載っていませんが、工学分野では有用かつ説明的な用語として使われます。

接合される部品を「母材（ベースマテリアル）」と呼びます。接合のために添加される材料を「フィラー（充填材）」または「消耗材」と呼びます。これらの材料の形状に基づき、ベースメタル、チューブ、フラックスコアードワイヤー、消耗電極（アーク溶接用）などと呼ばれます。

消耗材は通常、母材と組成が類似するものが選ばれ、同質な溶接金属を形成しますが、脆い鋳鉄の溶接のように全く異なる組成のフィラーを使用するケースもあり、その場合は特性が大きく異なります。これらは「異種金属溶接」と呼ばれます。

完成した溶接継手は「溶接部（ウェルドメント）」と呼ばれることもあります。

溶接の定義

溶接とは、2つ以上の部品を熱、圧力、またはその両方によって融合接合し、冷却時に接合部を形成する製造プロセスです。溶接は通常、金属と熱可塑性樹脂に使用されますが、木材にも使用可能です。完成した溶接継手は溶接部（ウェルドメント）と呼ばれることがあります。

溶接の仕組み

溶接は、接着剤を使用せずに2つの材料を直接接合する方法です。低融点の接着剤を用いる半田付けやろう付けとは異なり、溶接は2つのワークピースを直接接合します。

現在行われている溶接の大半は、「アーク溶接」と「ガス溶接（トーチ溶接）」の2大カテゴリーに分類されます。

アーク溶接は電気アークを用いて母材とフィラー金属（溶接棒とも呼ばれる）を溶かして接合します。アーク溶接では、アース線を溶接材料や他の金属表面に接続します。

もう一本のワイヤー（電極リード）を被溶接材に配置します。このリードが材料から離れると電気アークが発生します。これは自動車のバッテリーからジャンパーケーブルを外すときに発生する火花に似ています。このアークで母材とフィラー材が溶融し、部品を接合するのに役立ちます。

溶接継手へのフィラー供給には、安定した手と細部への注意が必要です。溶接棒が溶けるにつれて、溶接者は小さな安定した前後運動で継続的にフィラーを継手に供給しなければなりません。これらの動きが溶接の独特な外観を生み出します。アークの移動が速すぎたり遅すぎたり、材料に近すぎたり遠すぎたりすると、不良溶接となります。

シールドメタルアーク溶接（SMAW、棒溶接）、ガスメタルアーク溶接（GMAW、一般的にMIG溶接）、ガスタングステンアーク溶接（GTAW、一般的にTIG溶接）はアーク溶接の例です。

これら3つの一般的な方法にはそれぞれ長所と短所があります。例えば、棒溶接は安価で習得が容易ですが、他の方法より遅く柔軟性に欠けます。逆にTIG溶接は習得が難しく複雑な装置が必要ですが、高品質な溶接が可能で、他では溶接できない材料にも対応できます。

トーチ溶接はもう一つの一般的な溶接方法です。このプロセスでは通常、酸素アセチレントーチを用いて母材と溶接棒を溶かします。溶接者はトーチと溶接棒を同時に操作するため、溶接をより精密に制御できます。トーチ溶接は産業界ではあまり一般的ではなくなりましたが、メンテナンス作業や彫刻製作などで今もよく使用されます。

溶接の種類

溶接には4つの主要なタイプがあります。MIG（ガスメタルアーク溶接/GMAW）、TIG（ガスタングステンアーク溶接/GTAW）、棒溶接（シールドメタルアーク溶接/SMAW）、フラックスコアードアーク溶接（FCAW）です。それぞれ詳細に解説します。

1. MIG溶接（GMAW）

MIG溶接は初心者が学ぶべき最も一般的な溶接タイプの一つです。自動車産業では排気系修理や、住宅・建築の建設に使用されます。連続ワイヤー（電極）を使用するアーク溶接で、シールドガスが溶接ガンを通って流れ、汚染から保護します。

MIG溶接は実際には2種類あります。前者はベアワイヤー、後者はフラックスコアワイヤーを使用します。MIGベアワイヤーは薄板金属の接合に使用できます。フラックスコアMIG溶接はフローメーターやガス源が不要なため屋外で使用可能です。MIG溶接は、高価な装置を購入できないDIYやアマチュア溶接者にとって第一選択肢となることが多いです。

2. TIG溶接（GTAW）

MIGと同様にアークを使用しますが、最も習得が難しい溶接技術の一つです。TIG溶接にはタングステン電極を使用します。タングステンは最も硬い金属材料の一つで、溶けず、燃えません。

TIG溶接は「融解溶接」と呼ばれるプロセスで、フィラー金属あり・なしの両方で実施可能です。また、アルゴンやヘリウムなどの外部ガス源も使用します。

TIG溶接は両手を使います。片手でTIGトーチを保持し、もう片方で溶接棒をガイドします。このトーチは熱とアークを発生させ、アルミニウム、鋼、ニッケル合金、銅合金、コバルト、チタンなど最も一般的な金属を溶接できます。

TIG溶接機は、鋼、ステンレス鋼、クロモリ、アルミニウム、ニッケル合金、マグネシウム、銅、真鍮、青銅、さらには金まで溶接可能です。TIGはバイクフレーム、芝刈り機、ドアハンドル、フェンダーなどに有用な溶接プロセスです。

航空宇宙および自動車産業は、他の産業市場と同様にTIG溶接を使用しています。また、農家がワゴンフレーム、フェンダー、その他の重要な機器を溶接するのにも非常に有用です。

3. 棒溶接（SMAW）

自宅で溶接を始めたいなら、棒溶接の主な利点は携帯性です。建設、メンテナンス・修理、水中パイプライン、産業生産で使用されます。このタイプではシールドメタルアーク溶接を使用し、一般的に棒溶接として知られています。

棒溶接（アーク溶接とも呼ばれる）は伝統的な方法で行われます。MIG溶接より少し習得が難しいですが、自宅で試すなら棒溶接装置は他の方法の数分の一のコストで購入できます。棒溶接には被覆溶接棒（電極）を使用します。

被覆電極（棒）を消耗材として使用します。棒が溶けると被覆も溶け、溶接部を大気中の酸素や他のガスから保護します。

4. フラックスコアードアーク溶接（FCAW）

この溶接タイプはMIG溶接に似ています。実際、MIG溶接機はFCAW溶接機の約2倍の価格であることが多いです。MIG溶接と同様に、電極兼フィラー金属となるワイヤーがトーチを通されます。ここからが違いです。FCAWではワイヤー内部にフラックスコアを持ち、溶接部周囲にガスシールドを形成します。これにより外部ガス源が不要になります。

FCAWは高温溶接の一種で、より厚く重い金属に適しています。このため重機修理によく使用されます。廃棄物が少なく効率的なプロセスで、外部ガス不要なため経済的です。ただし、スラグが残るため、良好な溶接を得るには少し清掃が必要です。

5. プラズマアーク溶接

プラズマアーク溶接は、厚さ0.015インチ（約0.38mm）までの金属に用いられる精密技術で、航空宇宙用途で一般的です。例としてエンジンブレードやエアシールがあります。プラズマアーク溶接は技術的にTIG溶接と非常に似ていますが、内蔵電極を持ち、アーク内でイオン化ガスを用いて熱を発生させます。

典型的なガス組み合わせは、プラズマガスとしてアルゴン、シールドガスとしてアルゴンと2〜5%水素の混合ガスです。ヘリウムもプラズマガスとして使用可能ですが、高温のためノズルのアンペア数が低下します。

プラズマ溶接について詳しく知りたい方は、関連記事をご覧ください。

6. レーザービーム溶接

この溶接タイプは金属や熱可塑性樹脂に使用可能です。名前の通り、レーザーを熱源として溶接を形成します。炭素鋼、ステンレス鋼、HSLA鋼、チタン、アルミニウムに対応。ロボットによる自動化が容易なため、自動車産業などの製造業で広く使用されています。

7. 電子ビーム溶接

高速電子ビームが運動エネルギーを用いて熱を発生させ、2つの材料を接合する溶接タイプです。機械的に行われ、主に真空中で実施される非常に高度な溶接方法です。

8. ガス溶接

ガス溶接は現在ほとんど使用されず、TIG溶接に置き換わっています。ガス溶接には酸素とアセチレンが必要で、非常に携帯性に優れています。時折、自動車の排気部品接合に使用されます。

9. アトミック水素溶接

アトミック水素溶接は超高温溶接の一種で、かつてはアトミックアーク溶接と呼ばれました。2本のタングステン電極を水素ガスで保護します。アセチレントーチより高温に達し、フィラー金属あり・なし両方で可能です。近年はMIG溶接に置き換わった古い溶接形式です。

10. エレクトロスラグ溶接

2枚の薄板の端面を垂直方向に接合する高度な溶接プロセスです。溶接は継手の外側ではなく、2枚のパネルの端面間で行われます。

銅電極ワイヤーが消耗金属ガイドチューブを通り、これがフィラー材として機能します。電流を流すとアークが発生し、継手の底部から溶接が開始され、徐々に上方へ移動しながら継手に代わって溶接ビードを形成します。自動化されたプロセスで機械によって行われます。

溶接継手の種類

1. フィレット溶接

フィレット溶接は、2つの金属部材を垂直または角度をつけて接合するプロセスです。これらは一般的にT継手（互いに垂直な2部材）やラップ継手（重ね合わせた2部材を端部で溶接）と呼ばれます。

溶接形状は三角形で、溶接者の技量により凹型、平坦、凸型となります。フランジとパイプの接合、下部構造の溶接セクション、ボルトでは強度不足や摩耗が懸念される場合にフィレット溶接が使用されます。

フィレット溶接は2つの面を垂直に接合し、ほぼ直角を形成します。この溶接スタイルは以下のサブグループに分類されます：

• 全フィレット溶接： 溶接サイズが接合される薄板部材の厚さと等しい。
• スタッガード間欠フィレット溶接： 継手の両側にオフセットされた2本の交互溶接ラインが形成される。
• チェーン間欠フィレット溶接： T継手の両側にほぼ対向する位置に2本の間欠フィレット溶接ラインが鎖状に形成される。

フィレット溶接の汎用性と低コストは、溶接業界で最も広く使用される継手の一つとなっています。典型的な用途：

• フランジとパイプの接合
• ブレース接合
• シアタブ
• カバープレート
• 柱脚
• シーム溶接とステッチ溶接

2. グルーブ溶接

グルーブ溶接は、2つの継手部材間の開先（グルーブ）に金属を充填するものと定義されます。フィレット溶接に次いで最も広く使用される溶接です。溶接の第2に一般的な方法はグルーブ溶接です。

グルーブ溶接は、接合する2部品間のグルーブに溶接ビードを配置します。使用する溶接タイプによって、継手や表面の準備方法が決まります。

グルーブ溶接では、部品間のグルーブに溶接ビードを配置することで、同一プレート上で部品を接合できます。主なグルーブ溶接タイプ：

• フレアベベル溶接
• フレアV溶接
• 片面ベベルグルーブ溶接
• 片面Jグルーブ溶接
• 片面Uグルーブ溶接
• 片面Vグルーブ溶接
• スクエアグルーブ溶接

グルーブ溶接プロセスは一般的に他の溶接形式より遅く困難で、通常片側または両側に特殊な面取りが必要です。しかし、検査が容易で優れたひずみ制御が可能な強力な溶接が得られます。グルーブ溶接の一般的な用途：

• モーメント接合
• 柱継手
• 中空構造用鋼（HSS）接合

3. 肉盛溶接

一つ以上のストリンガービードまたはウィーブビードを連続した表面に堆積させ、所望の特性や寸法を得る溶接です。

肉盛溶接は、摩耗した部品の表面やエッジに硬く耐摩耗性のある金属層を施す溶接プロセスです。建設機械、工具、設備の寿命を延ばし維持する最も経済的な方法の一つです。

肉盛溶接は一つ以上のストリンガービードまたはウィーブビードで構成されます。表面処理はハードフェーシングやオーバーレイとも呼ばれ、摩耗したシャフト、ギア、切れ刃の修復によく用いられます。

代表的な肉盛溶接タイプ：

• フラックスコアードアーク溶接（FCAW）肉盛
• 炉溶融
• ガスメタルアーク溶接（GMAW）肉盛
• ガスタングステンアーク溶接（GTAW）肉盛
• 酸素アセチレン表面溶接
• プラズマアーク肉盛
• サブマージアーク溶接（SAW）肉盛
• シールドメタルアーク溶接（SMAW）肉盛

表面溶接は、母材より耐摩耗性の高い金属を用いて物体の表面を強化または摩耗部を修復するために一般的に使用されます。この技術は、過酷で高摩耗用途で使用される設備・工具の保護と寿命延長において最もコスト効率の良い方法の一つです。表面溶接は突合せ継手と組み合わせて最終溶接の品質向上にも使用できます。

4. プラグ溶接

プラグ溶接（ロゼット溶接とも呼ばれる）は、小さな円形穴に溶接を施して2つの金属を接合する方法です。通常、2枚の金属を重ね合わせ、上側の金属に溶接用の穴を開けます。

プラグ溶接は、スポット溶接機にアクセスできない自動車メーカーがスポット溶接の代替として使用します。DIY自動車レストアで、元々スポット溶接されていたパネルフランジの置き換えに一般的に用いられます。

正しく施工されたプラグ溶接は、元のスポット溶接より強度が高いです。ラリーカー製造業者はよくこの技術を使用し、英国のMOT検査でも古い車の修理におけるスポット溶接の代替として認められています。

その他の用途：

• パイプ内部へのロッド溶接
• 厚みの異なる金属の接合
• 自動車ボディ製造と修理

5. スロット溶接

スロット溶接は、長穴を通じて一方の材料表面を他方に接合します。穴は片側が開いており、部分的または完全に溶接材で充填されます。

ラップ継手またはT継手の一方の部材にあるスロット穴を、穴を通して露出した他方の部材表面に接合する溶接です。この穴は片側が開いており、部分的または完全に溶接金属で充填されることがあります。

スロット溶接は長穴を通じて一方の面を他方に接合します。プラグ溶接とスロット溶接の違いは、プラグ溶接の形状が直径で決まるのに対し、スロット溶接は直径と長さで決まる点です。

部品仕様に応じて、穴は片側が開いているか、部分的または完全に溶接材で充填されます。

2つの面の重なりが部品設計で必要な場合にスロット溶接が有用です。スロット溶接の特殊用途：

• ラップ継手でのせん断力伝達
• 重ね合わせ部材の座屈防止

6. フラッシュ溶接

フラッシュ溶接はフィラー金属を必要としない抵抗溶接方法です。フラッシュ溶接プロセスでは、接合する2つの面の間に抵抗を生じさせるため電流を流します。2つの面が微小な接触状態になると電流が流れ、材料が溶融します。

溶融材料は溶融粒子の噴霧として継手から排出され、独特のフラッシング作用を生みます。酸化物やその他の汚染物質が界面から除去され、2つの面の端部に熱軟化領域が形成されます。

材料が十分に溶融したら、力を加えて面を接合します。これにより、継手に溶融材料を残さず突合せ溶接を形成できます。

フラッシュ溶接プロセスは高速、コスト効率が良く、異なる融点を持つ異種金属の接合も可能です。フラッシュ溶接はよく以下に使用されます：

• 鉄道建設における本線レールの接合
• チェーンやパイプなど厚肉ワークピースの接合
• 金属板、棒、バーの接合

7. シーム溶接

シーム溶接は、電流と圧力を用いて2つの同種または異種材料を継手で接合するプロセスです。2つの金属間の接触抵抗により可能となります。電流が金属間を流れると、微小な隙間で熱が発生します。

このプロセスは主に金属に使用されます。金属は電気を容易に伝導し、比較的高い圧力に耐えられるためです。電極が電流の流れを維持・制御します。

このタイプの溶接は2通りの方法で作成できます：

• 抵抗シーム溶接： スポット溶接を応用し、溶接電極の固定ロッドの代わりにモータ駆動ホイールを使用。一般的な用途は板金加工、燃料タンク・ラジエーター・鋼ドラムなど自動車部品製造。
• 摩擦シーム溶接： 電極の代わりに摩擦で熱を発生させる。これにより固相で面が融合し、拡散現象を排除。従来のアーク溶接では本質的に溶接困難な材料に好まれる。

シーム溶接の利点：

• 強靭で耐久性のある溶接が得られる
• 比較的容易に実施可能
• 液密・気密容器の製造に最適

8. スポット溶接

スポット溶接（抵抗スポット溶接とも呼ばれる）は抵抗溶接プロセスです。主に電流による圧力と熱を溶接部に加えて、2枚以上の金属板を接合するために使用されます。

銅合金電極を板材表面に当て、圧力と電流を加え、低炭素鋼などの抵抗材料を電流が通過する際に熱を発生させます。

スポット溶接は比較的容易で安価なため、自動車、航空宇宙、建設、電子機器、金属家具製造、鉄道など主要産業で人気の溶接選択肢となっています。

9. アップセット溶接

アップセット溶接（UW）/抵抗バット溶接は、接合面全域で同時に、または継手に沿って進行的に凝集を生じさせる溶接技術で、接触面領域を電流が通過する抵抗による熱を利用します。

加熱前に圧力を加え、加熱中も圧力を維持します。フラックス溶接装置と非常に似た装置を使用します。接合する部品の断面が等しい場合にのみ適用可能です。

隣接面は適切な加熱を確保するため慎重に準備する必要があります。フラッシュ溶接との違いは、部品が溶接機でクランプされ、強固な接続のために力が加えられる点です。大電流を継手に流し、継手面を加熱します。適切な鍛造温度に達したらアップセット力を加え、電流を遮断します。継手面の高温と圧力により溶融接合が起こります。冷却後、圧力を解除して溶接完了です。

アップセット溶接プロセスには以下の明確な利点があります：

• 溶融欠陥が少ない高品質溶接
• 標準的および難溶接材料の幅広い適合性
• 制御、操作、メンテナンスが容易な溶接装置

溶接の利点

• 溶接継手は強力で、母材より強い場合もある
• 異種材料を溶接可能
• 場所を選ばず溶接可能で、長距離移動不要
• 洗練された外観と設計のシンプルさ
• あらゆる形状、あらゆる方向で実施可能
• 自動化可能
• 完全な剛性継手を提供
• 既存構造への追加・変更が容易

溶接の欠点

• 不均一な加熱・冷却により部材が変形する可能性がある
• 永久接合のため、分離には切断が必要
• 初期投資が高い

溶接の用途

溶接は圧力容器、橋梁、建築、航空機・宇宙船、鉄道車両・造船、自動車、電気・電子・防衛産業、パイプライン・鉄道、原子力発電所の設置などで一般的に使用されます。

• 板金製造
• 自動車および航空宇宙産業
• 鉄系・非鉄系金属の接合
• 薄板金属の接合

よくある質問（FAQ）

溶接とは何ですか？

溶接は熱、圧力、またはその両方によって2つ以上の部品を融合接合し、冷却時に接合部を形成する製造プロセスです。溶接は通常、金属と熱可塑性樹脂に使用されますが、木材にも使用可能です。完成した溶接継手は溶接部（ウェルドメント）と呼ばれることがあります。

溶接はどのように機能しますか？

溶接は、別個のバインダー材料を用いずに2つの材料を直接接合します。低融点のバインダーを用いるろう付けや半田付けとは異なり、溶接は2つのワークピースを直接接合します。

溶接の4つのタイプは？

溶接には4つの主要なタイプがあります。MIG（ガスメタルアーク溶接/GMAW）、TIG（ガスタングステンアーク溶接/GTAW）、棒溶接（シールドメタルアーク溶接/SMAW）、フラックスコアードアーク溶接（FCAW）。

溶接工の年収は？

溶接工の年収は？溶接では年間29,000ドル〜117,000ドルの範囲で、中央値は58,000ドルです。経験と教育レベルが収入に影響します。優れた技術と経験はより高い報酬につながります。

溶接の7つの基本タイプは？

溶接の基本タイプ：
1. MIG溶接 - ガスメタルアーク溶接 (GMAW)
2. TIG溶接 - ガスタングステンアーク溶接 (GTAW)
3. 棒溶接 - シールドメタルアーク溶接 (SMAW)
4. フラックス溶接 - フラックスコアードアーク溶接 (FCAW)
5. エネルギービーム溶接 (EBW)
6. アトミック水素溶接 (AHW)
7. ガスタングステンアーク溶接
8. プラズマアーク溶接