アルミニウム TIG (タングステン不活性ガス) 溶接は、溶接職人技の最高峰とみなされます。このプロセスでは、技術的知識、正確な機器のセットアップ、そして研ぎ澄まされた手先の器用さの独自の組み合わせが要求されます。正しく実行されると、信じられないほど強力で漏れがないだけでなく、特徴的な光沢のある、10セント硬貨が積み重なったような外観で見た目にも美しい溶接が得られます。溶接鋼とは異なり、アルミニウムにはその独特の物理的および化学的特性により、一連の特有の課題があります。ただし、これらの課題を理解し、それを克服するテクニックを習得することで、自動車部品や航空宇宙部品からカスタム製作や芸術的な彫刻に至るまで、あらゆるものに完璧な溶接を作成する能力を解放することができます。
この決定的なガイドでは、プロセスの背後にある基礎科学から専門家が使用する高度なテクニックまで、知っておくべきすべてを説明します。これから始めようとしている初心者でも、スキルを磨きたい経験豊富な溶接工でも、アルミニウムについて詳しく説明します。 TIG溶接は 成功するために必要な知識を提供します。
アークを描く前に、アルミニウムが鋼とは異なる挙動を示す理由を理解することが重要です。この知識は、その後のすべてのテクニックと設定の基礎となります。
アルミニウムは、空気にさらされると、自然に非常に薄く、非常に硬い酸化アルミニウム (Al₂O₃) の層を形成します。この層の融点は約 3,700°F (2,037°C) で、その下の純アルミニウムの融点である約 1,220°F (660°C) よりも大幅に高くなります。この酸化層を除去しないと、酸化層が溶接溜まりに抵抗し、汚染、溶融不良、醜くてザラザラした溶接の原因となります。この問題を解決する鍵は、TIG プロセス自体にあります。
アルミニウムは優れたヒートシンクとして機能します。溶接部から非常に速く熱を奪います。これは、溶融水たまりを開始して維持するには、鋼鉄に比べてはるかに多くの入熱が必要であることを意味します。また、これは、ワークピース全体での熱の蓄積が早くなり、慎重に管理しないと反りや歪みが発生するリスクが高まることを意味します。
鋼は溶ける前に赤く輝き、明確な視覚的合図を提供します。アルミニウムはそうではありません。一瞬にして溶けた水たまりに変わる瞬間まで、銀色で明るいままです。これは初心者にとっては方向感覚を失う可能性があり、加熱する金属の表面を「読み取る」方法を学ぶ必要があります。
アルミニウムは熱膨張率と熱収縮率が大きいです。溶接溜まりが固まって冷えると、大幅に収縮します。溶接が不適切に終了されると、この収縮によって溶接ビードの端にクレーター、つまり凹みが残ることがあります。クレーターは凝固時の応力集中点となるため、割れ（高温割れ）が非常に発生しやすくなります。
適切な機器を使用し、正しく設定することが、アルミニウム TIG 溶接における勝負の 80% を占めます。
DCEN (直流電極マイナス) とヘリウム混合物を使用して薄いアルミニウムを溶接することは可能ですが、高品質のアルミニウム溶接に必要な標準的な方法は AC (交流) です。
なぜAC? AC 電流サイクルは、次の 2 つのフェーズの間で交互に行われます。
電極ポジティブ (EP) サイクル: これは「クリーニング」アクションです。サイクルのこの半分の間に、電子がワークピースからタングステン電極にジャンプし、頑固な酸化アルミニウム層を吹き飛ばします。これは、円弧の周囲にエッチングされた明確な円として表示されます。
電極陰性 (EN) サイクル: これは「浸透」または「加熱」アクションです。この半分の間、電流は電極からワークピースに流れ、熱の大部分が伝達され、溶接溜まりが形成されます。
最新のインバータベースの AC/DC TIG 溶接機は、AC バランス (または AC 波形制御) を正確に調整できるため、理想的です。
AC バランス (%EN vs. %EP): このコントロールは、浸透 (EN) フェーズと洗浄 (EP) フェーズで費やされる時間の比率を調整します。
%EN が高くなると (たとえば、70 ～ 80%)、より多くの熱と浸透、より狭いクリーニング バンド、およびより鋭く、より安定したアークが提供されます。ただし、EN が多すぎると、タングステンが過熱して過剰に球状になる可能性があります。
%EP (例: 30 ～ 40%) が高いほど幅広い洗浄作用が得られ、汚れた材料や酸化した材料、または不純物の処理に適しています。ただし、EP が多すぎると、タングステンが急速に丸くなり、溶接領域の外側の材料が過剰にエッチングされる可能性があります。
EN 70% / EP 30% 程度から始めるとよいでしょう。
AC 周波数 (Hz): このコントロールは、電流が EN と EP の間で 1 秒あたり何回切り替わるかを調整します。
周波数が低いと (60 ～ 80 Hz など)、より広く柔らかい円弧円錐とより広い溶接溜まりが作成されます。初心者にとってはより寛容です。
より高い周波数 (たとえば、120 ～ 200 Hz) では、非常に集中した、緊密で硬い円錐が作成されます。これにより、方向制御が向上し、より深い貫通力（円弧状の円錐が「食い込む」）が向上し、タイトなコーナーや細かい作業に最適です。また、熱の集中にも役立ち、全体的な熱影響部 (HAZ) が減少します。
電極は重要なコンポーネントです。アルミニウム AC TIG の場合、 純粋なタングステン (緑色) が歴史的な標準でしたが、ボールになりやすく、安定性に劣ります。現在では、 ランタン化 （ゴールド、1.5% または 2.0%）と セリア化 （グレー）が、AC と DC の両方でうまく機能し、簡単に始動し、安定したポイントを維持してよりタイトなアークを実現できるため、人気の選択肢となっています。 ジルコニア処理 (白) も、AC 溶接専用の優れた長期耐久性の選択肢です。
安定したアークを得るには電極を尖らせる必要がありますが（専用のタングステングラインダーを使用）、交流溶接では自然に先端にボールが形成されます。目標は、大きく垂れ下がったボールではなく、きれいで安定したボールです。
ガス: 厚さ約 1/2 インチまでのほとんどのアルミニウム溶接には 100% アルゴンを使用します。厚い部分には、 アルゴン/ヘリウムの混合物 (通常 75% He / 25% Ar) が使用されます。ヘリウムは、電気設定を変更せずにアークの入熱と貫通を増加させます。
ガスレンズ:アルミニウム溶接には ガスレンズを 強くお勧めします 。トーチの標準的なコレット ボディを置き換え、細かいメッシュ スクリーンを使用して、よりスムーズで層流のガス流を作り出します。これにより、優れたシールド範囲が提供され、タングステンをより遠くまで突き出すことができるため、視認性が向上し、緊密な接合部にアクセスできるようになり、隙間風の影響を受けにくくなります。
カップ サイズ: ガス レンズと一緒に使用されるより大きなセラミック カップ (#6、#7、または #8) は、より大きなアルミニウムの溶接溜まりの上にさらに優れたシールド ガス カバレッジを提供します。
アルミニウム フィラー ロッドは通常、溶接するベース合金に適合します。一般的な選択肢は次のとおりです。
4043： 流動性に優れ、耐クラック性にも優れた汎用合金です。溶接はスムーズですが、灰色がかった溶接ビードが生成され、母材の金属と一致するように陽極酸化されません。
5356: もう 1 つの最も一般的な選択肢。より明るく光沢のある溶接が得られ、母材の金属の色とより一致し、陽極酸化処理が可能です。 4043 よりも高い引張強度を持っていますが、流動性が低く、特定の状況では高温亀裂が発生しやすい可能性があります。
4943、5183、5556 などの他の合金は、特定の用途や高強度の要件に使用されます。
常にフィラーメタル選択チャートを参照して、特定のベースメタルと用途に適したロッドを選択してください。
マシンが正しくセットアップされていれば、あとはテクニック次第です。
クリーニング： これはいくら強調してもしすぎることはありません。酸化、油、グリース、汚れをすべて除去する必要があります。
機械的洗浄: 専用のステンレス鋼ワイヤー ブラシ (アルミニウムのみに使用) を使用して、接合部をこすります。あるいは、サンダーやフラップディスクを使用してください。常に前後ではなく一方向にブラッシングしてください。
化学洗浄: アセトンなどの溶剤または専用の脱脂剤を使用してその領域を拭き、炭化水素を除去します。これは機械的洗浄の行う必要があります 後に 。
フィットアップ: 部品が隙間を最小限に抑えてしっかりとフィットすることを確認します。アルミニウムは流動性が高いため、隙間が大きすぎると溶け出す可能性があります。
アークの開始: タングステン汚染を避けるために高周波始動を使用します。
「水たまり」を作成する: 弧の長さをしっかり保ち (約 1/16 インチから 1/8 インチ)、トーチを安定させます。酸化層が消えて金属が光沢が出てくるのがわかります。その後、突然「崩壊」して液体の水たまりになります。特に厚い素材の場合、これには数秒かかることがあります。 我慢して。
フィラーメタルを追加する: 直径約 1/4 インチの安定した液体の水たまりができたら、フィラーロッドの先端を水たまりの先端に浸します。水たまりに入る前に酸化を防ぐために、ロッドを非常に低い角度 (ワークピースとほぼ平行) でガスシールド内に保ちます。
アルミニウムの古典的なテクニックは「カップを歩く」方法ですが、フリーハンドも一般的です。
フリーハンド軽くたたく： これには、フィラーロッドを水たまりにリズミカルに軽くたたきながら、トーチを着実に前方に移動させることが含まれます。動きはスムーズで一貫している必要があります。
ウォーク・ザ・カップ: トーチのセラミック カップがワークピースまたはフィラー ロッドの上に置かれます。安定した動作でトーチを左右に振ることにより、溶接工は接合部に沿ってカップを「歩き」ます。これにより、特にパイプや長いジョイントにおいて、驚くべき一貫性、制御性、清潔さが実現します。これは多くの専門家に好まれる方法です。
単に停止してトーチを引き離さないでください。これによりクレータークラックが確実に発生します。
速度を下げる: 溶接の端に近づくと、移動速度をわずかに上げて、水たまりのサイズを小さくします。
追加のフィラーを追加する: 終了の直前に、フィラー メタルの最後の浸漬を 1 回または 2 回追加して、溶接の端を過剰に充填します。
クレーター フィル機能を使用する: 最新の溶接機のほとんどには、クレーター フィル設定があります。ペダルまたはトリガーを放すと、機械は設定時間 (たとえば 5 秒) にわたって自動的にアンペア数を減らし、水たまりがクレーターに縮むことなくゆっくりと固まります。 この機能の使い方を学びましょう。
シールドを維持する: 最終フィラーを追加した後、ポストフローガスが停止するまでトーチを所定の位置に保持し、高温で固化している金属を酸化から保護します。
薄い素材は反ったり溶けたりしやすいです。
より小さいタングステン (1/16') を使用してください。
より低いアンペア数と小さなカップ (ガスレンズ付きの #5 または #6) を使用してください。
パルス溶接は非常に有益です。パルスは、高いピーク電流 (金属を溶かすため) と低いバックグラウンド電流 (水たまりをわずかに冷却するため) を交互に行います。これにより、全体的な熱入力が減少し、反りが最小限に抑えられ、より詳細な制御が可能になります。適切な開始パルス設定は、ピーク/バックグラウンド比が 50% の 100 PPS (パルス/秒) です。
熱を放散しやすくするために、ジョイントの後ろに銅またはアルミニウムのバッキングバーを使用します。
厚い材料には大量の熱入力が必要です。
トーチを使用してワークピースを 150 ～ 200 °C (300 ～ 400 °F) に予熱します。これは多くの場合不可欠です。金属への熱衝撃を軽減し、湿気を追い出し、マシンの使用アンペア数を減らすことができます。
より大きなタングステン (3/32 インチまたは 1/8 インチ) を使用してください。
より深く浸透するには、ヘリウム/アルゴン混合ガスを使用します。
厚いエッジを面取りして「V」溝を作成し、完全に貫通できるようにします。複数のパスが必要になります。
タングステン汚染 (溶接部の黒い斑点): 電極が水たまりまたはフィラー ロッドに触れました。停止し、汚染された端を切り離し、タングステンを再研磨して、再起動します。
酸化 (黒いすす状の残留物): 洗浄作用が不十分 (%EP の増加)、ガス流量が低すぎる、ドラフト、または材料が十分に洗浄されていません。
多孔性 (溶接部の小さな穴): 汚染 (水分、油、グリース) またはシールド ガスの損失が原因で発生します。ガスライン、流量 (20-25 CFH) を確認し、作業が清潔で乾燥していることを確認してください。
核融合の欠如: 熱入力が不十分です。アンペア数を増やすか、移動速度を遅くするか、より集中したアーク (より高い周波数) を使用します。
溶接時は常に安全を優先してください。
呼吸器の保護: 溶接ヒュームは有害な場合があります。特に換気の悪い場所では、P100 フィルターを備えた承認済みマスクを使用してください。あ ヒューム抽出器 が最適です。
目の保護:
溶接用ヘルメット: TIG 溶接には、シェード #11 ～ 13 の自動暗色化ヘルメットを使用してください。
安全メガネ： 漂遊アークや破片から目を保護するために、常にヘルメットの下にUV保護安全メガネを着用してください。
皮膚の保護: 紫外線やスパッタから保護するために、難燃性の衣服 (革のジャケットまたは袖、溶接用手袋) を着用してください (ただし、TIG は他のプロセスに比べてスパッタが少ないです)。
電気的安全性: 機器のケーブルや接続が損傷していないか検査してください。作業場を乾燥した状態に保ってください。
アルミニウムの TIG 溶接は、やりがいはありますが、非常にやりがいのあるスキルです。これは芸術と科学の真の融合であり、冶金学、電気、ガス力学の理解が必要であり、これらはすべて溶接工の安定した手によって表現されます。練習に代わるものはありません。平らなプレート上の単純なビーズから始めて、ジョイントに進み、最終的には複雑なプロジェクトに進みます。完璧な洗浄、正確な機械のセットアップ、安定したリズミカルなテクニックの開発など、基本に重点を置きます。アルミニウムの独特の性質を尊重し、このガイドの知識を適用することで、あなたのスキルと献身的な努力の証である、きれいで強く美しい溶接を行うことができるようになります。
