被覆アーク溶接(SMAW)の溶接原理

SMAW は、電極アーク溶接としてもよく知られており、電極によってアークが誘発され、溶接部分がアーク熱によって溶ける溶融溶接法です。現在最も広く使用されている一般的な溶接方法です。

アークは空気伝導現象です。溶接アークは、電極とワークピースの間のガス媒体内で発生する強力で持続的な放電現象です。溶接プロセス中、電極と溶接物はそれぞれ溶接電源の 2 つの電極に接続されます。電極の溶接芯が溶接面に接触すると回路がオンになり、同時に大きな短絡電流が発生します。接点には一定の抵抗があるため、Q=I2Rtより、そこで多量の熱が発生し、その熱により急速に発熱し接点が溶融します。電極が 2 ～ 4mm 持ち上げられると、電極と溶接部の間のガス媒体がイオン化され、伝導性の電子と陽イオンが生成されます。電場の作用により、電子はアノードに移動し、陽イオンはカソードに移動します。これらは継続的に衝突・再結合し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換することで強い光と高熱を発生し、電極端と溶接部の間にアークを形成します。

アークは電極の端と対応する溶接部を同時に溶かします。溶接金属が溶けて溶融池が形成され、電極金属が溶けて溶滴が形成されます。溶融液滴は重力とアーク吹出力の作用により溶融池に入り、溶接部の金属と融合し、凝固後に溶接部を形成します。溶接プロセス中に、コーティングが溶けてスラグが形成され、大量のガスが発生します。これにより、溶融池金属が保護され、冶金学的処理が行われます。

溶接アークは、陰極領域、陽極領域、アーク柱領域の 3 つの部分で構成されます。陰極領域は電子を放出し、温度は約 2400K と低くなります。アノード領域は電子を受け取り、温度は約 2600K と高温になります。アーク柱部分の中心温度は最も高く、約 6000 ～ 8000K です。

直流アーク溶接電源（アーク溶接整流器など）を使用して溶接を行う場合、プラス接続と逆接続の2つの接続方法があります。プラス接続とは、電極をマイナス極に接続し、ワークをプラス極に接続する接続方法です。プラス極が電子を受け取って発熱するため、溶接部が貫通しやすいため、厚いワークを溶接する場合によく使われる接続方法です。逆接続とは、電極をプラス極に接続し、ワークをマイナス極に接続する接続方法です。負極から放出される電子による発熱が少なく、溶接部が溶けにくいため、薄いワークの溶接によく使われる接続方法です。

溶接アークによって発生する熱は、アーク電圧と溶接電流の積に比例します (つまり、Q=IUt)。通常、アークが安定して燃焼するときの溶接部と電極間の電圧をアーク電圧といい、通常、アーク電圧は20～35Vの範囲にあります。アーク電圧はほとんど変化しないため、アーク熱の調整は主に製造時の溶接電流の調整によって行われます。

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