溶接におけるポロシティ：原因、種類、欠陥、そしてその防止方法

溶接プロジェクトは、金属がより強固で信頼性の高い方法で接合されて初めて成功します。橋梁、建物、パイプラインなど、身の回りのあらゆる場所で溶接の強さを目にすることができます。溶接の品質が良ければ、構造物は長持ちします。だからこそ、溶接工は最高品質の溶接を実現するために努力するのです。

しかし、溶接を適切に行わないと、欠陥が生じ、最終的に溶接部の強度が低下する可能性があります。最も一般的な欠陥の1つは、 溶接欠陥 ポロシティ（気孔）です。これは溶融金属が冷えて内部にガスを閉じ込め、溶接部に小さな穴が開くことで発生します。これらの穴は目視でわかる場合もありますが、ほとんど目立たない場合もあります。

気孔は大した問題ではないように思えるかもしれませんが、溶接を弱める可能性があるため、真剣に取り組む必要があります。弱い溶接部は、ストレスによってすぐに割れてしまいます。気孔の原因と予防策についてご説明します。これにより、強度、信頼性、そしてクリーンな溶接を実現できるようになります。

溶接における気孔率とは何ですか?

溶接部の気孔

溶接の最大の目的は、接合部が長期間にわたって十分に強固であることを保証することです。しかし、溶接金属に小さな穴や気泡が発生する場合があります。これは、ポロシティ溶接と呼ばれます。これは、溶融金属が冷えてガスが閉じ込められることで発生します。

しかし、溶接品質への影響において、穴の大きさが小さいことを軽視してはいけません。表面レベルのポロシティ（気孔）は、肉眼で簡単に見つけることができます。これらは小さな穴や窪みとして現れます。ただし、すべてのポロシティが肉眼で確認できるわけではないことを覚えておいてください。

気孔は溶接部の奥深くに潜んでいる場合が多いため、X線や超音波検査装置などの適切な検査機器を用いて溶接部を検査する必要があります。気孔を早期に発見できなければ、溶接部は長期間の使用に耐えられなくなります。小さな気孔は強度を低下させ、強度を低下させるからです。

したがって、溶接が弱いと、いつでもひび割れが発生し、漏れにつながる可能性があります。 パイプライン建設機械や圧力容器など、溶接における気孔は安全性を損なう可能性があります。そのため、溶接における気孔を無視してはいけません。気孔は、コストのかかる手直しや危険な故障につながる可能性があります。

溶接欠陥の主な原因

気孔は多くの溶接工が遭遇する一般的な問題です。溶接部の強度、耐久性、外観に悪影響を及ぼします。 溶接プロセス溶融金属が冷えると、ガスが内部に閉じ込められることがあります。溶接が固まる前にガスが逃げられなかった場合、気孔と呼ばれる小さな空間が形成されます。

表面に現れるものもあれば、深部に潜むものもあります。そのため、溶接部は多孔質になります。これを防ぐには、多孔質の原因となり得るすべての要因を把握しておく必要があります。そうすることで、強固で信頼性の高い溶接継手を実現できます。

● 凝固中のガス閉じ込め

溶接部における気孔の主な原因は、凝固時にガスが閉じ込められることです。溶接中、金属は非常に高温になり、溶融します。酸素、窒素、水素などのガスは、通常、大気中に存在しており、溶融池に入り込む傾向があります。

しかし、冷却プロセスを急速に行うと、ガスが逃げる時間が足りなくなります。その結果、ガスは溶接部内に閉じ込められ、ポロシティが発生します。したがって、不適切な入熱と不適切な冷却速度は、溶接におけるポロシティ発生の重要な要因となります。

● シールドガスのカバー範囲が狭い

シールドガスの適用範囲 

MIG溶接などの特定の溶接技術では、シールドガスがプロセス中に使用されます。シールドガスは保護バリアとして機能し、溶接プールを大気中のガスから保護します。しかし、シールドガスの流量が低すぎると、溶接部を十分に保護できなくなります。

同様に、流量を高く保ちすぎると乱流が発生し、空気中の酸素や窒素が溶接部に引き込まれてしまいます。シールドガスの適用範囲は、機器、ホース、ノズルの角度にも左右されます。これらに問題があると、溶接部に不要なガスが混入することになります。

● 母材または充填材上の汚染物質

高品質な溶接を実現するには、表面を清潔に保つことが不可欠です。そのため、母材と溶接ワイヤに錆、油、グリース、塗料、水分などの汚染物質が付着していないか確認する必要があります。ごくわずかな不純物の除去を怠ると、溶接の熱で不純物が燃えてしまいます。この燃焼によって発生するガスが溶融池に閉じ込められてしまいます。

仮に水分除去に失敗したとしましょう。熱によって水分から水素が発生し、溶接部に気孔が生じます。したがって、不十分な洗浄、脱脂、乾燥は、溶接部の気孔発生の主な原因となります。.

● 不適切な溶接技術

溶接には適切な技術が必要です。そうでないと、気孔が発生する可能性があります。例えば、溶接工は、望ましい結果を得るために、トーチまたは電極を特定の角度で保持する必要があります。角度が急すぎたり、一定でなかったりすると、シールドガスが適切に分配されません。その結果、溶接プールに空気が入り込み、シールドガスの効果が低下します。

さらに、トーチや電極を接合部に沿って速く動かしすぎると、シールドガスの保護効果が十分に発揮されません。逆に、動きが遅すぎると金属ベースが過熱し、乱流が発生し、ガスが閉じ込められる可能性が高くなります。

もう一つの問題は、アーク長が適切ではないことです。アーク長が長すぎると、溶融池が大気中のガスにさらされる可能性が高くなります。一方、アーク長が短すぎると、乱流が発生し、内部にガスが閉じ込められる可能性があります。

● 環境要因

環境要因も溶接部の気孔形成に影響を及ぼします。風や湿度といった単純な要因でさえ、深刻な損傷を引き起こす可能性があります。例えば、強風下で溶接を行うと、シールドガスが吹き飛ばされやすく、溶融池が大気汚染の影響を受けやすくなります。

同様に、空気が湿っていると水素が発生し、溶接部に閉じ込められる可能性があります。屋外で溶接作業を行う際に、風防や予熱などの適切な保護対策を講じないと、このような状況に陥る可能性があります。

以下に、多孔性の考えられる原因を例とともにまとめました。

溶接における気孔の種類の説明

溶接を行う際には、プロセスや使用する材料が多岐にわたります。溶接部にガスが閉じ込められる原因もそれぞれ異なります。こうした違いにより、溶接プロセス中にさまざまな種類の気孔が発生する可能性があります。

溶接部の気孔の種類

ポロシティの種類ごとに、特定のパターンと気孔分布があります。これらの要因を特定することで、ポロシティの種類を特定できます。これは、欠陥を修正するのに役立つだけでなく、欠陥の原因となった根本的な問題に対処することにも役立ちます。以下では、溶接において最も一般的なポロシティの種類をいくつかご紹介します。

● 均一な多孔性

小さな気孔が溶接ビード全体に均一に広がっている場合、溶接部には均一または散在した気孔がある可能性があります。これは通常、溶接プロセス中に繰り返し発生する問題に遭遇した場合に発生します。例えば、プロセス中にシールドガスの適用範囲が不十分であったり、フィラーワイヤまたは母材から不純物を完全に除去していなかったりするなどです。

その結果、溶接部全体に気孔が形成されます。これが起こると、構造全体が弱くなります。溶接部は強固に見えても、均一な気孔によって密度が低下します。このような溶接部は応力に耐えられません。均一な気孔が見つかった場合は、適切なガスシールドや表面洗浄を行うよう溶接プロセスを改善してください。

● クラスター多孔性

溶接部の特定の領域に小さな気孔が集まっている場合は、クラスターポロシティです。このタイプのポロシティははるかに簡単に特定できます。これは突発的な汚染によって引き起こされます。例えば、溶接工程中に、溶接部の特定の領域が錆、油、グリース、水分などの不純物にさらされると、その特定の領域に気孔が形成されやすくなり、クラスターポロシティが発生します。

溶接においてクラスターポロシティが発生する箇所は、必ず弱点となります。高圧が加わると、その弱い箇所に亀裂や破損が生じる可能性が高くなります。航空宇宙産業やパイプラインなどの産業で溶接を行う場合、クラスターポロシティの小さな領域でも溶接全体が不良品となる可能性があります。

● 線形多孔性

線状ポロシティは、溶接ビード沿いまたは溶融境界に通常形成される別のタイプのポロシティです。このタイプでは、ガスポケットが連続した線状に配列します。溶接プロセス中に継続的な汚染が発生すると、線状ポロシティが発生する可能性があります。

接合部の準備に問題があったり、シールドガスが常に途切れている場合もあります。しかし、気孔の線に沿ってひび割れが発生しやすく、溶接部にとって非常に危険な状態です。ひび割れは溶接全体の強度を低下させ、破損につながる可能性があります。

● 表面多孔性

気孔のパターンは気孔の種類を区別するのに役立ちますが、気孔の位置も分類の重要な基準となります。溶接部の表面に気孔が見られる場合、それは表面気孔であることを示します。

これは小さな穴として形成され、溶接部の外観と強度の両方に影響を与えます。表面の気孔は簡単に特定できますが、水分やその他の不純物を閉じ込めやすいため、軽視すべきではありません。これは溶接部の劣化を加速させ、強度を低下させる可能性があります。

● 内部多孔性

表面に気孔が見られないからといって、溶接部にポロシティがないとは限りません。内部ポロシティは、溶接部の奥深くに潜んでいるタイプのポロシティです。そのため、超音波検査や放射線透過検査などの専門的な検査方法を用いて、溶接部を注意深く検査する必要があります。

内部の気孔を見逃すと、目に見える兆候もなく、最終的に溶接部の強度が低下する可能性があります。これは予期せぬ不具合につながるため、非常に危険です。

以下の表は、さまざまな多孔性タイプが溶接にどのような影響を与えるかを理解するのに役立ちます。

MIG溶接のポロシティ：よくある課題

MIG（金属不活性ガス）溶接は最も一般的に使用される溶接法の一つです。 溶接技術ガスメタルアーク溶接（GMAW）とも呼ばれます。溶接工は、そのスピードと効率性からこの簡便な技術を選択します。しかし、この技術は、ポロシティ（気孔）が発生しやすい技術の一つでもあります。

その理由は、MIG溶接を行う際、そのプロセスはシールドガスに完全に依存しているからです。シールドガスは溶融した溶接プールを大気汚染から守ります。

シールドガスを適切に使用しないと、溶接部にポーラスが生じる可能性があります。そのため、プロセスをスムーズに進め、最良の結果を得るには、適切なセットアップが不可欠です。MIG溶接の適切なセットアップを確実に行うために、克服すべき一般的な課題をいくつかご紹介します。

● ガス漏れや乱流の遮断

MIG溶接におけるポロシティの主な原因は、シールドガスの被覆不足です。ホースの漏れ、接続不良、あるいは継手の緩みなどによって、ポロシティが発生する可能性があります。これらの要因により、溶接部に到達するガスの量は最小限に抑えられます。

同様に、ガス流量を高く保ちすぎると乱流が発生し、大気中の空気が溶接部に引き込まれます。このような状況は溶融池を汚染し、溶接部に気孔を形成する可能性があります。

● ワイヤー汚染

溶接欠陥を防ぐには、高品質の溶接ワイヤを選択する必要があります。ワイヤが錆、汚れ、油、さらには水分などの不純物で覆われていると、加熱するとすぐにガスが発生し始めます。

溶接部にガスが閉じ込められると、ポロシティが発生します。そのため、MIG溶接を行う際は、ポロシティのリスクを低減するために、高品質で清潔なワイヤを使用し、適切に保管してください。

● ガス流量設定が不十分

MIG溶接では、適切なガス流量設定も重要です。流量が低すぎると溶接部の保護性能が低下する可能性があります。一方、流量が高すぎると乱流が発生してしまいます。.

適切なガス流量を得るには、適切なノズルサイズを選択してください。溶接姿勢と環境条件も適切である必要があります。適切なバランスを実現できれば、溶接部にポロシティが発生しない状態を維持できます。

溶接における気孔の予防方法（ステップバイステップ）

ポロシティは溶接欠陥としてよくあることをご存知でしょう。しかし、簡単に防ぐことができます。必要なのは、プロセス全体を通していくつかの予防策を講じることだけです。これらは、溶接金属におけるポロシティ形成のリスクを低減するための適切な手順です。

ポロシティの発生を防ぐことで、溶接部の強度が増すだけでなく、耐久性も向上し、見た目も向上します。以下は、溶接部のポロシティを防ぐために取るべき適切な対策です。

1. 準備は不可欠

高品質な溶接を実現するには、いくつかの準備が不可欠です。これには金属表面の洗浄も含まれます。油、グリース、錆、塗料、水分などの不純物を取り除く必要があります。不純物が残っていると、溶接の熱によってガスが発生し、このガスが溶接プールに閉じ込められ、溶接部に気孔が生じます。

この問題を防ぐには、グラインダー、ワイヤーブラシ、または化学洗浄剤を使用して表面を清掃してください。表面の不純物を取り除いた後、溶接プロセスを開始する前に金属を完全に乾燥させてください。

2. ガスの流れを最適化し、機器を維持する

ポロシティを防ぐもう一つの効果的な方法は、シールドガスを十分に塗布することです。これにより、溶接部を様々な環境汚染から保護することができます。シールドガスの最適な塗布量を得るには、ガス流量を正確に調整することが不可欠です。流量は高すぎても低すぎてもいけません。

さらに、使用するホース、レギュレーター、ノズルには、漏れ、汚れ、その他の損傷がないように注意する必要があります。適切にメンテナンスされた機器を使用することで、適切な量のシールドガスを供給し、気孔の発生リスクを最小限に抑えることができます。

3. 電極とフィラー金属の適切な保管

電極とフィラーワイヤーは適切に保管されていない場合、水分が問題となります。水分は水素誘起多孔症の最も一般的な原因です。これを防ぐには、電極とフィラーワイヤーを乾燥した密閉容器に適切に保管してください。

例えば、棒状電極を使用する場合は、加熱された保管庫に保管してください。同様に、使用する溶接金属には錆、汚れ、油脂などの付着がないようにしてください。溶接中にガスが発生する可能性があるため、不純物を含む溶接金属の使用は避けてください。

4. 環境をコントロールする

ポロシティの発生を防ぐには、風や湿度といった様々な外的要因を管理することが不可欠です。これらの要因はシールドガスの被覆率に影響を与えるだけでなく、溶接部に湿気を生じさせる原因にもなります。そのため、屋外で溶接を行う場合は、必ず適切な風防や防護壁を設置し、溶接プールを保護するようにしてください。

湿度の高い環境の場合は、金属ベースを予熱して結露を防ぐことを検討してください。これにより吸湿率が低下します。したがって、環境を制御できれば、より安定した気孔のない溶接を実現できます。

5. 熟練した技術と検査

適切な準備と適切な機器の使用は、ポロシティの防止に重要な役割を果たしますが、適切な技術も同様に重要です。適切なトーチ角度、アーク長、移動速度を維持しないと、溶接品質が低下する可能性があります。これらの要因は、シールドガスの適切な適用範囲に悪影響を及ぼす可能性があります。

さらに、動きが不安定だと、溶接部にガスが閉じ込められる可能性が高くなります。正しい技術を用いることに加え、溶接後は溶接ビードを注意深く検査することが不可欠です。超音波検査や放射線検査といった非破壊検査方法を用いることで、最も隠れた箇所であっても気孔を検出することができます。

以下は、効果的な溶接を実現するのに役立ついくつかの予防手順とその利点です。

溶接の気孔とその他の欠陥（ひび割れ、介在物）

溶接欠陥には様々な種類がありますが、いずれも溶接部の強度を著しく低下させる可能性があります。溶接欠陥は接合部を弱める傾向があるため、溶接品質が低下します。最も一般的な溶接欠陥には、多孔質溶接、ひび割れ、介在物などがあります。

これらは原因、外観、重症度がそれぞれ異なります。そのため、ポロシティが他の一般的な溶接欠陥とどのように異なるのかを理解することが大切です。これにより、強固で信頼性の高い接合部を確保することができます。

● 気孔率

ポロシティとは、溶接部内の小さなポケットや気孔のことです。溶融金属が凝固する際にガスが閉じ込められることで発生します。これらのガスは、通常、大気や水分から発生する酸素、窒素、水素などです。

溶接部の気孔

気孔は、線状、均一、密集、表面レベル、さらには内部など、様々な形で存在します。気孔の中には小さいように見えるものも存在しますが、溶接全体の強度を著しく低下させる可能性があります。

● ひび割れ

溶接部の亀裂

クラックとは、溶接部が凝固する途中、あるいはその後大きな応力を受けた際に発生する可能性のある破損と考えることができます。クラックは連続した開口部を形成するのに対し、多孔性は不連続な開口部を形成するという点で、多孔性とは異なります。

さらに荷重を加えると、開口部はさらに拡大する可能性があります。そのため、ひび割れは溶接部にとって非常に危険であり、予期せぬ事態で突然の溶接不良につながる可能性があります。

● 含まれるもの

溶接に含まれるもの

溶接欠陥のもう一つの種類は、固体不純物によって生じる介在物です。これには、スラグ、タングステン、酸化物などが含まれます。これらの不純物が溶接部に混入すると、金属の構造が破壊されます。その結果、応力が集中しやすい領域となります。これは気孔に似ていますが、気体ではなく固体が主な原因となります。.

結論

溶接における気孔は、一見すると小さな欠陥に過ぎません。しかし、それが引き起こす問題ははるかに深刻です。ガスを含んだ小さな気孔が互いに作用し合い、溶接部の強度を低下させます。つまり、溶接部の強度と耐久性が失われ、最終的に信頼性が失われると、これまでの努力がすべて無駄になってしまうのです。

どのような種類のポロシティであっても、最終的には時間の経過とともに溶接部に悪影響を及ぼします。したがって、溶接プロジェクトの信頼性が求められる場合は、溶接部のポロシティを防ぐために必要なすべての対策を講じる必要があります。そして、ポロシティは簡単に防ぐことができます。

適切な洗浄と材料の準備、適切なガス流量と機器の使用、適切な保管方法、環境管理、そして熟練した技術の活用により、溶接部のポロシティリスクを低減できます。溶接が完了したら、必ず徹底的に検査してください。これらの対策を講じることで、より強固でクリーンな溶接を実現できます。