CO2、MIG、MAG、パルスMIG、パルスMAGの理解

ガス金属アーク溶接（GMAW）の概念と分類

溶接ワイヤの種類に基づいて、溶接は実心ワイヤ溶接とフラックス入りワイヤ溶接に分類される。不活性ガス（ArまたはHe）をシールドガスとして用いた実心ワイヤによるアーク溶接は、メタル・インナート・ガスアーク溶接、すなわちMIG溶接と呼ばれる。アルゴン含有量の多い混合ガスをシールドガスとして用いた実心ワイヤによるアーク溶接は、メタル・アクティブ・ガスアーク溶接、すなわちMAG溶接と呼ばれる。CO2ガスをシールドガスとして用いた実心ワイヤによるアーク溶接は、CO2溶接と呼ばれる。フラックス入りワイヤを使用する場合、CO2またはCO2+Ar混合ガスをシールドガスとして行うアーク溶接は、フラックス入りアーク溶接と呼ばれる。また、シールドガスを使わずに行う溶接も可能であり、この方法はセルフシールドアーク溶接と呼ばれる。

標準的なMIG／MAG溶接とCO2溶接の違い

CO2溶接の特徴は低コストで高い生産効率を持つことですが、スパッタが多く発生する、溶接ビードの形状が悪いなどの欠点があります。そのため、一部の溶接工程では従来のMIG/MAG溶接が用いられます。従来のMIG/MAG溶接は不活性ガスまたはアルゴンを主成分とする混合ガスによるシールドを行うアーク溶接法であり、一方CO2溶接は強い酸化性を持つため、この違いが両者の差異および特性を決定づけています。CO2溶接と比較して、MIG/MAG溶接の主な利点は以下の通りです。

1) スパッタ量が50%以上低減されます。アルゴンまたはアルゴンを主成分とする混合ガスのシールド下では溶接アークが安定しています。滴状移行やスプレー移行時のアークの安定性に加え、低電流MAG溶接におけるショート回路移行時にも、アークが溶融金属滴に及ぼす反発力が小さくなるため、MIG/MAG溶接のショート回路移行時におけるスパッタ量が50%以上低減されるとされています。

2) 溶接ビードは均一で外観が良好である。MIG／MAG溶接では、滴状移行が均一で微細かつ安定しているため、溶接ビードは均一で外観が良い。

3) 多くの反応性金属およびその合金を溶接できる。アーク雰囲気は非常に弱い酸化性、あるいは全く酸化性を持たない。MIG／MAG溶接は炭素鋼や高合金鋼だけでなく、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ステンレス鋼およびその合金、マグネシウムおよびマグネシウム合金など、多くの反応性金属およびその合金も溶接可能である。

4) 溶接作業性、溶接品質、生産効率を大幅に向上させる。

パルスMIG／MAG溶接と従来のMIG／MAG溶接の違い

従来のMIG/MAG溶接における主要な滴状移行モードは、高電流時のスプレー移行と低電流時のショートアーク移行です。そのため、低電流での溶接では依然としてスパッタが多く、溶接ビード形状が不良になるという欠点があります。特にアルミニウムおよびその合金やステンレス鋼など、低電流で溶接できない反応性金属ではこの問題が顕著です。このような背景から、各電流パルスごとに1つの滴が移行する特性を持つパルスMIG/MAG溶接が開発されました。これは本質的にスプレードロップレット移行です。

従来のMIG/MAG溶接と比較して、その主な特徴は以下の通りです。

1) パルスMIG/MAG溶接における最適な滴状移行モードは、1パルスにつき1滴の移行です。パルス周波数を調整することで、単位時間あたりに移行する滴の数、すなわち溶接ワイヤの溶融速度を変更できます。

2) 一パルス一滴のスプレー移行により、滴径が溶接ワイヤ径とほぼ等しくなるため、滴弧熱が低く、つまり滴温度が低い（スプレー移行や大滴移行と比較して）ことになります。これにより溶接ワイヤの溶融係数が向上し、結果として溶接ワイヤの溶融効率が高まります。

3) 滴温度が低いため、発生する溶接煙塵が少なくなります。これにより合金元素の焼損が減少し、作業環境が改善されます。

従来のMIG／MAG溶接と比較して、主な利点は以下の通りです。

1) 溶接飛散が非常に少なく、あるいは全くない。

2) アークの直進性が良好で、全姿勢溶接に適しています。

3) 溶接ビード形状が良好で、溶け込み幅が広く、指状浸透特性が低減され、ビード盛り上がりが小さい。

4) 低電流での反応性金属（アルミニウムおよびその合金など）の完全な溶接が可能。これにより、MIG/MAG溶接のスプレー移行で使用可能な電流範囲が広がる。パルス溶接では、スプレー移行の臨界電流付近から数十アンペアの比較的高い電流まで、広い電流範囲で安定したスプレー滴状移行を実現できる。

上記から、パルスMIG/MAG溶接の特徴と利点は明らかであるが、何も完璧ではない。

従来のMIG/MAG溶接と比較して、以下の欠点がある。

1) 溶接生産性がやや低いと一般的に認識されている。

2) 溶接作業者に高い技能レベルが要求される。

3) 現在、溶接装置がより高価である。パルスMIG/MAG溶接の選定は、主に溶接工程の要件によって決定される。

上記の比較に基づくと、パルスMIG/MAG溶接は他の溶接方法では達成できなかったり匹敵できなかったりする多くの利点があるものの、装置コストが高く、生産効率がやや低く、溶接作業者が習得しにくいという欠点もあります。したがって、パルスMIG/MAG溶接の選定は主に溶接工程の要求によって決まります。

現在の国内溶接工程基準によると、以下の溶接用途では基本的にパルスMIG/MAG溶接を使用する必要があります。

1) 炭素鋼。溶接品質および外観に対する要求が高い用途で、主に圧力容器産業において用いられます。例：ボイラー、化学プロセス用熱交換器、中央空調用熱交換器、水力タービン用タービン外殻など。

2) ステンレス鋼。小電流（200A以下、以下「小電流」という）を使用し、溶接品質および外観に対する要求が高い用途。例：鉄道車両および化学工業用の圧力容器。

3) アルミニウムおよびその合金。低電流（200A以下、以下「低電流」という）を使用し、高速鉄道車両、高圧スイッチ、空気分離装置など、高い溶接品質と外観が求められる用途。特に高速鉄道車両では、CSR四方機車、唐山機車車輌、長春鉄道車両などのほか、これらに外注加工を提供する中小メーカーも含まれる。業界関係者によると、2015年までに中国のすべての省都および人口50万人以上の都市が高速鉄道で結ばれる予定であり、高速列車に対する巨大な需要およびそれに伴う溶接作業と溶接設備への需要が見込まれている。

4) 銅およびその合金。現時点での知見に基づくと、銅およびその合金は基本的にパルスMIG／MAG溶接（ガス金属アーク溶接の範囲内）を使用している。