被覆アーク溶接は、被覆材で覆われた溶接棒を使い、アークの熱で金属を接合する方法です。設備を比較的シンプルに構成でき、通常は外部からシールドガスを供給しないため、屋外での施工や補修にも利用されています。
一方で、溶接棒の種類、保管状態、作業姿勢、溶接条件などによって仕上がりが変わりやすく、「設備がシンプルだから加工も簡単」とはいえません。部品を設計・発注する立場では、工法の原理だけでなく、どのような部品に向くのか、TIG溶接や半自動溶接とどう使い分けるのかを理解しておく必要があります。
この記事では、被覆アーク溶接のしくみを解説します。後半では、板金溶接加工部品をオンラインで見積もり・発注できるmeviy（メビー）についてもご紹介します。
※メビーで「アーク溶接」を選択した場合、TIG溶接または半自動溶接が用いられます。被覆アーク溶接を指定することはできません。
目次
被覆アーク溶接とは
「手溶接」「手棒」とも呼ばれるアーク溶接
被覆アーク溶接とは、被覆材で覆われた溶接棒を作業者が手で保持し、溶接棒と母材の間に発生させたアークの熱で、母材と溶接棒の心線を溶融させて接合する方法です。
溶接棒は、電極と溶加材の両方の役割を持ちます。溶加材とは、接合部に加わって溶接金属になる材料のことです。溶接が進むにつれて溶接棒が短くなるため、作業者はアークの長さを保ちながら、棒の角度や移動速度を調整します。
原則として人の手で溶接棒を操作することから「手溶接」と呼ばれ、製造現場では「手棒」「手棒溶接」と呼ばれることもあります。正式な工法名と現場での呼び方が異なるため、見積書や工程表を確認するときは、同じ溶接方法を指しているか確かめておくとよいでしょう。
被覆アーク溶接は、溶接棒自体が溶ける消耗電極式のアーク溶接に分類されます。アーク溶接全体の分類や基本的なしくみについては、関連記事もあわせてご覧ください。
被覆材が溶けた金属を空気から守る
被覆アーク溶接棒は、中心にある金属製の心線と、その周囲を覆う被覆材からできています。被覆材は、フラックスとも呼ばれます。
アークが発生すると、心線と母材の一部が溶融し、接合部に溶融池ができます。同時に被覆材がアークの熱によって分解・溶融し、シールドガスとスラグを形成します。
シールドガスは、主に溶接中のアーク周辺や溶融池を大気から保護します。スラグは、溶融金属から凝固中の溶接金属の表面を覆い、酸素や窒素の影響を抑えます。
被覆材には、このほかにも次のような役割があります。
- アークを安定させる
- 溶融金属中の酸素を減らす脱酸作用を補助する
- 溶接金属の成分や性質を調整する
- 溶融金属の流れやビード形状を調整する
- 溶接姿勢に適したスラグを形成する
高温で溶けた金属が空気に直接触れると、酸素や窒素の影響を受け、気孔などの欠陥や溶接金属の性質低下につながる場合があります。被覆材から生じるガスとスラグが溶接部を保護することが、「被覆アーク溶接」という名称の由来です。
TIG溶接や一般的なガスシールド式の半自動溶接では、トーチからアルゴンや炭酸ガスなどのシールドガスを供給します。これに対して被覆アーク溶接は、溶接棒の被覆材によって溶接部を保護するため、通常は外部のシールドガス設備を必要としません。
交流溶接機と直流溶接機の違い
被覆アーク溶接には、交流溶接機と直流溶接機が使われます。
従来型の交流溶接機は、構造が比較的単純で堅牢性が高く、国内の製造現場や建設現場で広く使用されてきました。交流では電流の向きが周期的に変わり、電流値がゼロになる瞬間があります。そのため、使用する溶接棒や電源の特性によっては、直流よりもアーク切れが起こりやすくなることがあります。
直流溶接機は、電流が一定の方向へ流れるため、一般にアークを維持しやすいことが特徴です。ただし、直流溶接では、溶接棒側をプラスまたはマイナスのどちらに接続するかという極性も重要です。極性は、溶け込み、溶着量、アークの状態などに影響します。
したがって、「交流は安価」「直流は薄板向き」と一律に分けることはできません。使用する溶接棒、母材、溶接姿勢、棒径、溶接機の特性を確認し、溶接棒メーカーが指定する電流の種類と極性に合わせることが基本です。
被覆アーク溶接棒の種類と選び方
被覆アーク溶接棒は、母材の名称だけで選ぶものではありません。母材の種類に加えて、要求強度、じん性、耐食性、溶接姿勢、使用電流、板厚、継手の拘束、施工環境などを考慮して選定します。
溶接棒は心線と被覆材でできている
被覆アーク溶接棒の中心にある心線は、溶接中に溶けて溶接金属の一部になります。心線を覆う被覆材は、シールドガスやスラグの形成、アークの安定、脱酸、合金成分の添加などを担います。
同じ軟鋼用の溶接棒でも、被覆材の系統が異なると、アークの状態、溶け込み、スラグの剥がれやすさ、適用できる溶接姿勢、溶接金属の機械的性質などが変わります。
| 被覆材の代表的な系統 | 一般的な特徴 | 選定時の注意点 |
|---|---|---|
| イルミナイト系 | アークの安定性、溶け込み、作業性のバランスを取りやすい | 一般構造用として用いられますが、適用姿勢や電流は銘柄ごとに確認します |
| ライムチタニヤ系 | アークが比較的安定し、ビード外観やスラグの剥離性を得やすい製品がある | 薄板を含む一般溶接に用いられますが、要求強度やじん性も確認します |
| 高セルロース系 | 溶け込みを得やすく、立向下進溶接に対応する製品がある | 配管などの特定用途で使用されます。国内の一般板金用途で常に標準的な選択肢とは限りません |
| 低水素系 | 溶着金属中の拡散性水素を低く抑え、低温割れの防止に有効 | 厚板、高張力鋼、拘束の大きい継手などに用いられます。吸湿防止と乾燥管理が重要です |
表は代表的な傾向を示したものです。実際の性能は、JISの分類、製品ごとの設計、棒径、使用電流、溶接姿勢、母材との組み合わせなどによって異なります。
被覆材の系統だけを見て、「作業しやすい」「強度が高い」と単純に順位付けすることはできません。必要な継手性能と施工条件に適合する溶接棒を選ぶ必要があります。
母材だけでなく、要求性能まで含めて選ぶ
溶接棒の選定では、母材と組み合わせたときに必要な性能が得られることが重要です。
例えば、軟鋼には軟鋼・高張力鋼用、ステンレス鋼にはステンレス鋼用、鋳鉄には鋳鉄用として設計された溶接材料が使用されます。ただし、「母材とまったく同じ成分の溶接棒を選べばよい」という意味ではありません。
実際の選定では、次の条件を確認します。
- 母材の材質、規格、強度区分
- 必要な引張強さ、じん性、耐食性
- 同種材の接合か、異種材の接合か
- 下向、立向、横向、上向などの溶接姿勢
- 交流・直流の別と、直流の場合の極性
- 棒径と適正電流
- 板厚、開先形状、ルート間隔
- 継手の拘束度
- 予熱、パス間温度管理、後熱の必要性
- 使用温度や腐食環境
- 適用される設計規格、施工規格、社内基準
特にステンレス鋼の溶接で軟鋼用の溶接棒を使用すると、要求する耐食性や溶接金属の性質を満たせない可能性があります。また、異種金属の接合では、母材のどちらか一方と同じ溶接棒ではなく、異材継手に対応した溶接材料を使用する場合があります。
材質名だけで判断せず、適用規格、溶接材料メーカーの仕様、溶接施工要領などを確認することが重要です。
JISの記号から確認できること
軟鋼、高張力鋼および低温用鋼用の被覆アーク溶接棒は、JIS Z 3211で分類されています。種類を表す記号からは、溶着金属の引張強さ、被覆剤の種類、適用できる溶接姿勢、電流の種類などを確認できます。
また、分類によっては、主要化学成分、衝撃試験温度、溶着金属の水素量などを表す記号が追加されます。
ただし、記号の一部だけを見て用途を決めることはできません。同じ強度区分でも、適用姿勢、棒径、推奨電流、衝撃特性、再乾燥条件などが異なる場合があります。
最終的には、使用する溶接棒の製品カタログ、検査証明書、試験成績書、施工要領書などを確認します。重要構造物や材料のトレーサビリティが求められる部品では、使用した溶接棒の銘柄やロットを記録することも必要です。
保管と乾燥が溶接品質を左右する
被覆アーク溶接棒は、種類や保管条件によっては、被覆材が大気中の水分を吸収します。被覆材が吸湿すると、溶着金属中の拡散性水素量が増加し、低温割れや遅れ割れのリスクが高まります。吸湿の程度や施工条件によっては、気孔などの欠陥につながることもあります。
特に低水素系溶接棒では、メーカーが指定する再乾燥条件、保温条件、大気中への放置時間を管理することが重要です。
再乾燥の温度や時間は、溶接棒の系統や銘柄によって異なります。異なる種類の溶接棒に同じ乾燥条件を適用すると、被覆材を傷め、溶接作業性や性能を損なう可能性があります。そのため、記事や一般的な目安だけで乾燥条件を決めず、必ずメーカーの指定に従います。
発注先の品質管理を確認するときは、次の点が参考になります。
- 未開封品と開封済みの溶接棒を区別して管理しているか
- 溶接棒を湿気の影響が少ない環境で保管しているか
- メーカー指定の条件で再乾燥しているか
- 乾燥後の保温方法と大気中への放置時間を管理しているか
- 要求品質に応じて、溶接棒の銘柄やロットを記録しているか
- 溶接施工要領に、溶接材料の管理方法が含まれているか
溶接棒の保管管理は、完成品の外観だけでは確認しにくい項目です。厚板、高張力鋼、拘束の大きい構造や重要部品を発注する場合は、溶接材料の管理方法も確認しておくとよいでしょう。
TIG溶接・半自動溶接との違い
被覆アーク溶接、TIG溶接、半自動溶接には、それぞれ得意な条件があります。仕上がりの美しさや施工速度だけで決めるのではなく、材質、板厚、数量、溶接長、外観要求、施工環境などを合わせて比較する必要があります。
| 比較項目 | 被覆アーク溶接 | TIG溶接 | 半自動溶接 |
|---|---|---|---|
| 電極 | 被覆された消耗式溶接棒 | 非消耗式のタングステン電極 | 連続供給される消耗式ワイヤ |
| 溶接部の保護 | 被覆材から生じるガスとスラグ | アルゴンなどのシールドガス | シールドガス、またはフラックス |
| 溶加材の供給 | 溶接棒の心線が溶加材になる | 必要に応じて溶加棒またはワイヤを別に供給する | ワイヤが連続的に供給される |
| 施工の連続性 | 溶接棒の交換による中断がある | 手動溶接では施工速度が遅くなりやすい | 長い溶接線を連続して施工しやすい |
| 溶接後の処理 | スラグの除去が必要 | 通常はスラグ除去を必要としない | 方式によってスパッタやスラグの処理が必要 |
| 屋外施工 | 比較的対応しやすいが、強風時は対策が必要 | シールドガスが乱れないよう防風対策が必要 | ガスシールド方式では防風対策が必要 |
| 主な用途 | 現地施工、補修、鉄鋼構造物など | 薄板、ステンレス、外観を重視する部品など | フレーム、架台、ブラケット、量産部品など |
表は一般的な傾向です。品質、施工速度、コストは、設備、材質、継手形状、溶接条件、作業者の技能、自動化の程度などによって変わります。
TIG溶接との違いは、電極と溶加材の扱い
TIG溶接では、タングステン電極を非消耗電極として使用します。必要に応じて、電極とは別に溶加棒またはワイヤを供給します。溶加材を使用せず、母材だけを溶融させて接合する共付けが行われる場合もあります。
加熱と溶加材の供給を分けて調整できるため、溶融池を細かく管理しやすく、薄板、ステンレス、アルミニウム、外観を重視する部品などに用いられます。
一方、被覆アーク溶接では、溶接棒が電極と溶加材を兼ねます。外部のシールドガス設備を必要とせず、設備を比較的簡素に構成できる反面、溶接棒の交換とスラグ除去が必要です。
ただし、「TIG溶接なら必ず外観がきれい」「被覆アーク溶接なら必ず安い」とは限りません。溶接長、板厚、数量、要求品質、仕上げ範囲、検査内容まで含めて、総合的に判断する必要があります。
TIG溶接のしくみや特徴については、以下の記事で詳しく解説しています。
半自動溶接との違いは、溶接材料の供給方法
半自動溶接では、コイル状に巻かれたワイヤが送給装置からトーチへ連続的に供給されます。トーチの移動は作業者が行いますが、溶接材料を一本ずつ交換する必要がないため、比較的長い溶接線や溶接箇所の多い部品に適しています。
被覆アーク溶接では、溶接棒が短くなるたびに交換が必要です。また、多層溶接では、スラグ巻込みを防ぐため、原則として各層のスラグを除去してから次の層を溶接します。そのため、長い溶接線や量産品では、半自動溶接より施工能率が低くなる場合があります。
一方、一般的なガスシールド式の半自動溶接は、風によってシールドガスが乱れると、気孔などの欠陥が生じる可能性があります。被覆アーク溶接は、外部からシールドガスを供給する方式より風の影響を受けにくい傾向がありますが、強風下で無条件に施工できるわけではありません。
いずれの工法でも、風の強さや施工条件に応じた防風対策と品質確認が必要です。
半自動溶接の種類や設計上の注意点については、以下の記事も参考にしてください。
被覆アーク溶接のメリット・デメリット
メリットは、設備のシンプルさと現場での取り回し
被覆アーク溶接の主なメリットは、外部のシールドガス設備を必要とせず、作業場所を移動しやすいことです。
外部のシールドガス設備を必要としない
一般的な被覆アーク溶接では、ガスボンベ、ガス調整器、ワイヤ送給装置を必要としません。溶接機、ケーブル、溶接棒ホルダー、母材側クランプ、溶接棒などで設備を構成できます。
ただし、設備がシンプルであることと、安全管理や施工管理が簡単であることは同じではありません。適切な電源、感電防止、換気、防火、保護具、作業スペースの確保が必要です。
屋外や作業場所が限られる現場で使いやすい
被覆材から生じるガスとスラグによって溶接部を保護するため、外部のシールドガスを使う工法よりも風の影響を受けにくい傾向があります。
設備の構成も比較的簡素であることから、屋外の鉄鋼構造物、架台、配管、機械設備の補修などで利用されています。溶接箇所の周囲に大型の装置を配置しにくい場合にも適用しやすい工法です。
デメリットは、後処理と作業者の技能への依存
スラグの除去が必要
溶接後のビード表面には、被覆材から生じたスラグが残ります。溶接部の外観を確認するには、チッピングハンマーやワイヤブラシなどでスラグを除去しなければなりません。
多層溶接では、スラグ巻込みを防ぐため、原則として各層のスラグを除去してから次の層を溶接します。外観を平滑に仕上げる場合は、さらにグラインダー加工などの工程が加わります。
溶接棒の交換で作業が中断する
溶接棒の長さには限りがあり、消耗するたびに交換します。溶接棒の終端部はホルダーで保持するため、全長を溶かして使用することもできません。
長い溶接線や溶接量の多い構造では、溶接棒の交換回数が増えます。そのため、連続ワイヤを使用する半自動溶接などと比較して、施工能率が低くなる場合があります。
作業者の技能が品質に影響しやすい
作業者は、短くなる溶接棒に合わせて手を進めながら、アーク長、棒の角度、移動速度、溶融池とスラグの状態を調整します。
アークが長すぎる、移動速度が速すぎる、または遅すぎる、溶接電流が適正でないといった場合には、ビード形状の乱れ、アンダカット、融合不良、スラグ巻込み、気孔などにつながる可能性があります。
被覆アーク溶接が向く部品・向かない部品
被覆アーク溶接は、次のような対象で選ばれることがあります。
- 屋外で施工する鉄骨や架台
- 大型の鉄鋼構造物
- 現地で行う機械設備や構造物の補修
- 少量の製缶構造物
- 設備の可搬性を重視する施工
- 厚板、高張力鋼、拘束の大きい継手で、低水素系溶接棒などを適切に管理して施工する構造物
一方、次のような部品では、TIG溶接、半自動溶接、レーザー溶接、スポット溶接など、ほかの工法が有利になる場合があります。
- 小型で薄い板金部品
- ビード外観を重視するカバーや意匠部品
- 長い溶接線を持つ量産品
- 熱による変形をできるだけ抑えたい部品
- スラグを十分に除去しにくい閉鎖形状
- 自動化による品質の均一化を重視する部品
被覆アーク溶接を採用できるかどうかだけでなく、完成品に求める強度、外観、寸法精度、数量、検査、後処理まで考慮して工法を選ぶことが重要です。
被覆アーク溶接の工程と安全上のポイント
準備から溶接完了までの流れ
被覆アーク溶接は、一般に次のような工程で行われます。
- 母材、継手形状、溶接棒、施工条件を確認する
- 母材表面のさび、油、塗膜、水分などを除去する
- 部材を位置決めし、必要に応じて仮付けする
- 溶接機、ケーブル、溶接棒ホルダー、母材側クランプの状態を確認する
- 溶接棒に適した電流と極性を設定する
- アークを発生させ、溶融池とスラグの状態を確認しながら溶接する
- スラグを除去し、溶接ビードの状態を確認する
- 必要に応じて追加層の溶接、ひずみ修正、仕上げ、検査を行う
設計者や購買担当者にとって重要なのは、溶接作業以外にも、前処理、位置決め、仮付け、溶接棒の交換、スラグ除去、仕上げ、検査、ひずみ修正といった工程があることです。
加工費は、図面に記載された溶接長だけで決まるわけではありません。部品点数、継手への接近性、溶接姿勢、仕上げ範囲、検査方法なども、工数とコストに影響します。
アークの発生方法と溶接棒が母材に付着する理由
アークを発生させる代表的な操作には、溶接棒の先端をマッチのように母材上で滑らせるブラッシング法と、母材へ軽く触れてすぐに離すタッピング法があります。
溶接棒の先端を母材に接触させたままにすると、心線と母材の間に大きな電流が流れ、溶接棒が母材へ付着することがあります。溶接電流が低すぎる場合や、アークを発生させる際に溶接棒を十分に離せなかった場合にも、付着しやすくなります。
付着した溶接棒への対処は、溶接機の取扱説明書、作業手順、安全管理者の指示に従います。通電状態のまま素手で触れたり、危険な姿勢で無理に引き離したりしてはいけません。
本記事は、溶接工程を設計者や発注者が理解するための概要であり、実作業の手順書ではありません。未経験者が記事だけを参考に作業することは避け、必要な教育を受けたうえで、事業者が定めた作業手順に従う必要があります。
スラグを除去して溶接部を確認する
溶接直後のビード表面は、凝固したスラグで覆われています。スラグを取り除かなければ、ビード表面の状態や欠陥を十分に確認できません。
多層溶接では、スラグ巻込みを防ぐため、原則として各層のスラグを除去してから次の層を溶接します。また、完成品で溶接ビードを平滑に仕上げる場合は、スラグ除去後にグラインダー加工などを行います。
図面で仕上げを要求するときは、「きれいに仕上げる」といった曖昧な表現を避けましょう。ビードを残すのか、グラインダーで平滑にするのか、外観面をどこまで仕上げるのか、表面処理前にどの状態まで整えるのかを明確にすることが大切です。
図面での溶接指示については、以下の記事も参考にしてください。
特別教育と安全衛生管理が必要
事業者が労働者を、アーク溶接機を用いて行う金属の溶接、溶断などの業務に就かせる場合は、労働安全衛生法に基づく「アーク溶接等の業務に係る特別教育」を実施する必要があります。
特別教育は、溶接技能の等級を認証する試験ではなく、安全に業務へ従事するための法定教育です。溶接技能者の資格とは、目的や位置付けが異なります。
被覆アーク溶接で注意すべき主な危険には、次のものがあります。
- 充電部、溶接棒、ケーブルなどによる感電
- アーク光による目や皮膚への障害
- 火花、スパッタ、高温の母材によるやけど
- 周囲の可燃物への着火による火災
- 溶接ヒュームの吸入
- 狭い場所や換気の不十分な場所での有害物質へのばく露
- 高所や不安定な姿勢での作業による転落や転倒
作業時には、適切な遮光度の溶接面、保護眼鏡、革手袋、難燃性の作業衣、安全靴、作業条件に適した呼吸用保護具などを使用します。また、換気、防火、感電防止、周囲へのアーク光の遮へいも必要です。
溶接ヒュームは、特定化学物質として規制されています。金属アーク溶接等作業では、作業場所や作業条件に応じて、有効な呼吸用保護具の使用、換気、健康診断、作業主任者の選任などが必要になります。
継続して金属アーク溶接等作業を行う屋内作業場では、溶接方法、母材、溶接材料、作業場所などを変更し、溶接ヒューム濃度に大きな影響を与える場合に、濃度測定が必要になることもあります。
必要な措置は、屋内・屋外の別、作業の継続性、作業方法などによって異なります。屋外作業であっても、溶接ヒュームへの対策が不要になるわけではありません。事業者は、厚生労働省の資料や最新の関係法令を確認したうえで、安全衛生管理を行う必要があります。
板金溶接加工の見積もりはメビーへ
メビーでは、3D CADデータをアップロードすると、板金溶接部品の溶接箇所が自動で判定され、価格と出荷日をオンラインで確認できます。ブラウザ上で、溶接箇所、溶接種類、仕上げ方法などを設定でき、鉄、ステンレス、アルミニウムの板金溶接部品に対応しています。
メビーで「アーク溶接」を選択した場合、TIG溶接または半自動溶接が用いられます。被覆アーク溶接を個別に指定するサービスではありません。
メビーの板金溶接加工の対応範囲については、こちらをご覧ください。
板金溶接加工サービス
溶接加工基準
まとめ
被覆アーク溶接は、被覆材で覆われた消耗式の溶接棒を使い、アークの熱で母材と溶接棒の心線を溶融させて接合する方法です。外部のシールドガス設備を通常必要とせず、設備を比較的シンプルに構成できるため、屋外施工、鉄鋼構造物、現地補修などで利用されています。
一方で、溶接棒の交換、スラグ除去、溶接棒の乾燥・保管管理が必要で、作業者の技能も品質に影響します。溶接棒は母材名だけで決めず、要求強度、じん性、耐食性、溶接姿勢、電流と極性、板厚、継手の拘束、施工環境まで含めて選定することが重要です。
小型の板金部品、外観を重視する部品、長い溶接線を持つ部品では、TIG溶接、半自動溶接、レーザー溶接などが適する場合があります。特定の工法を先に決めるのではなく、完成品に求める性能、品質、数量、コストから加工方法を検討しましょう。
