プロセス要因に加えて、溝のサイズやギャップのサイズ、電極とワークピースの傾斜角度、接合部の空間的位置などの他の溶接プロセス要因も、溶接形状や溶接サイズに影響を与える可能性があります。
溶接電流が溶接形成に及ぼす影響
特定の条件下では、アーク溶接電流が増加すると、溶接部の溶け込み深さと補強が増し、溶接幅もわずかに増加する。その理由は以下のとおりである。
1) アーク溶接の溶接電流が増加すると、溶接物に作用するアーク力が増加し、アークから溶接物への入熱量が増加し、熱源の位置が下方に移動するため、溶融池の深さ方向への熱伝導が促進され、溶け込み深さが増加します。溶け込み深さは溶接電流にほぼ比例します。溶接溶け込み深さ H は、Km × I にほぼ等しくなります。この式において、Km は溶け込み係数（溶接電流が 100 A 増加したときに溶け込み深さが増加するミリメートル数）であり、表 1-1 に示すように、アーク溶接方法、ワイヤ径、電流の種類などに関連しています。
| アーク溶接方法 | 電極直径/mm | 溶接電流/A | 電圧/V | 溶接速度/mh-1 | 浸透係数/m m-100A-1 |
| | 3.2 | 100～350 | 10～16 | 6～18 | 0.8～1.8 |
| | 1.6ノズル開口部 | 50～100 | 20～26 | 10～60 | 1.2～2 |
| 3.4ノズル開口部 | 220～300 | 28～36 | 18～30歳 | 1.5～2.4 |
| | 2 | 200～700 | 32～40 | 15～100 | 1.0～1.7 |
| 5 | 450～1200 | 34〜44 | 30～60 | 0.7～1.3 |
| | 1.2～2.4 | 210～550 | 24～42 | 40～120 | 1.5～1.8 |
| CO2溶接 | 0.8～1.6 | 70～300 | 16～23 | 30～150 | 0.8～1.2 |
| 2〜4 | 500～900 | 35～45 | 40～80 | |
表1-1 各種アーク溶接方法およびパラメータにおける溶融深さ係数Km（溶接鋼材）
2) アーク溶接における溶接芯または溶接ワイヤの溶融速度は、溶接電流に比例します。アーク溶接では、溶接電流の増加により溶接ワイヤの溶融速度が増加するため、溶融する溶接ワイヤの量がほぼ比例して増加し、溶接幅の増加は小さくなるため、溶接部の強化が図られます。
3) 溶接電流が増加すると、アーク柱の直径は増加します。しかし、アークがワークピースに浸透する深さが増加するため、アークスポットの移動範囲が制限されます。したがって、溶接幅の増加は比較的小さいです。
ガスシールド溶接（MIG溶接）では、溶接電流が増加すると、溶接部の溶け込み深さも増加します。溶接電流が大きすぎたり、電流密度が高すぎたりすると、特にアルミニウム溶接時に、指状の溶け込みが発生しやすくなります。
アーク電圧が溶接形成に及ぼす影響
特定の条件下では、アーク電圧を上げるとアーク出力が増加し、溶接対象物への入熱量も増加します。しかし、アーク電圧の上昇はアーク長を長くすることによって実現されます。アーク長が長くなると、アーク熱源の半径が大きくなり、アークの放熱量が増加します。その結果、溶接対象物へのエネルギー密度入力が減少し、溶け込み深さはわずかに減少する一方で、溶接ビードの幅は増加します。同時に、溶接電流は変化せず、溶接ワイヤの溶融量も変化しないため、溶接ビードの強化効果は低下します。
様々なアーク溶接方法において、適切な溶接形状、すなわち適切な溶接形状係数φを維持するためには、溶接電流を増加させる際に、アーク電圧も適切に増加させる必要がある。アーク電圧と溶接電流の間には適切な整合関係が求められる。これは消耗電極アーク溶接において最も一般的である。
溶接速度が溶接部の形成に及ぼす影響
特定の条件下では、溶接速度を上げると溶接熱入力が減少し、その結果、溶接ビードの幅と溶け込み深さの両方が減少します。溶接単位長さあたりの溶着ワイヤ金属量は溶接速度に反比例するため、溶接ビードの補強も減少します。
溶接速度は、溶接生産性を評価する上で重要な指標です。溶接生産性を向上させるには、溶接速度を上げる必要があります。しかし、構造設計で要求される溶接サイズを確保するためには、溶接速度を上げると同時に、溶接電流とアーク電圧もそれに合わせて上げる必要があります。これら3つの量は相互に関連しています。同時に、溶接電流、アーク電圧、溶接速度を上げる（つまり、高出力アーク溶接と高速溶接を行う）と、溶融池の形成および凝固過程において、アンダーカットや割れなどの溶接欠陥が発生する可能性があることも考慮する必要があります。したがって、溶接速度の向上には限界があります。
溶接電流の種類と極性、および電極サイズが溶接形成に及ぼす影響
1. 溶接電流の種類と極性
溶接電流の種類は、直流と交流に分けられます。直流アーク溶接は、電流にパルスがあるかどうかによって定常直流とパルス直流に、極性によって正極接続（溶接対象を正極に接続）と逆極接続（溶接対象を負極に接続）に分けられます。交流アーク溶接は、電流波形の違いによって正弦波交流と方形波交流に分けられます。溶接電流の種類と極性は、アークから溶接対象への入熱量に影響を与えるため、溶接形状に影響を及ぼします。同時に、溶滴の移動プロセスや母材表面の酸化膜の除去にも影響を及ぼします。
タングステン不活性ガスアーク溶接で鋼やチタンなどの金属材料を溶接する場合、直流を正方向に接続すると溶接深さが最も深くなり、直流を逆方向に接続すると最も浅くなり、交流はその中間になります。直流を正方向に接続すると溶接深さが最も深くなり、タングステン電極の燃焼損失が最小になるため、タングステン不活性ガスアーク溶接で鋼やチタンなどの金属材料を溶接する場合は、直流を正方向に接続する必要があります。タングステン不活性ガスアーク溶接でパルス直流溶接を使用する場合、パルスパラメータを調整できるため、必要に応じて溶接形成サイズを制御できます。タングステン不活性ガスアーク溶接でアルミニウム、マグネシウム、およびそれらの合金を溶接する場合は、アークの陰極洗浄効果を使用して母材表面の酸化皮膜を洗浄する必要があります。交流の方が適しています。方形波交流の波形パラメータは調整可能であるため、溶接効果が優れている。
ガス金属アーク溶接では、直流を逆接続すると、溶接深さと溶接幅は直流を正接続した場合よりも大きくなります。交流溶接の溶接深さと溶接幅はその中間です。したがって、サブマージアーク溶接では、一般的に直流を逆接続してより深い溶接深さを得ますが、サブマージアーク肉盛溶接では、直流を正接続して溶接深さを小さくします。シールドガスを用いたガス金属アーク溶接では、直流を逆接続すると、深い溶接深さが得られるだけでなく、直流を正接続した場合や交流の場合よりも溶接アークと溶滴移行プロセスが安定し、陰極洗浄効果もあるため、広く用いられています。直流を正接続した場合や交流の場合は、一般的には使用されません。
2. タングステン電極先端形状、溶接ワイヤ径、延長長さの影響
溶接棒の先端の角度と形状は、アークの集中度とアーク圧力に大きな影響を与えます。これらは溶接電流とワークピースの厚さに応じて選択する必要があります。一般的に、アークの集中度が高く、アーク圧力が高いほど、形成される溶け込み深さは大きくなりますが、溶接幅はそれに応じて減少します。
ガス金属アーク溶接では、溶接電流が一定の場合、溶接ワイヤが細いほどアーク加熱が集中し、溶け込み深さが増し、溶接幅が狭くなります。しかし、実際の溶接作業で溶接ワイヤの直径を選択する際には、不良溶接を避けるために、電流値と溶融池の形状も考慮する必要があります。
ガス金属アーク溶接においてワイヤ延長部の長さが増加すると、延長部を通過する溶接電流によって発生する抵抗熱が増加し、ワイヤの溶融速度が速くなります。そのため、溶接部の強化が進み、溶け込み深さはやや減少します。鋼溶接ワイヤは抵抗率が比較的大きいため、ワイヤ延長部の長さが溶接部の形成に及ぼす影響は、鋼線や細線を用いた溶接では比較的顕著です。アルミニウム溶接ワイヤは抵抗率が比較的小さいため、その影響はそれほど大きくありません。ワイヤ延長部の長さを長くすることでワイヤ溶融係数を向上させることができますが、ワイヤ溶融の安定性や溶接部の形成といった側面を総合的に考慮すると、ワイヤ延長部の長さには許容範囲があります。
溶接形成因子に対するその他のプロセス因子の影響
上記のプロセス要因に加えて、溝のサイズやギャップのサイズ、電極とワークピースの傾斜角、接合部の空間的位置などの他の溶接プロセス要因も、溶接形状や溶接サイズに影響を与える可能性があります。
1. 溝と隙間
電気アーク溶接で突合せ継手を溶接する場合、通常は溶接板の厚さに応じて、ギャップを残すかどうか、ギャップのサイズ、および開く溝の形状を決定します。他の特定の条件下では、溝またはギャップのサイズが大きいほど、溶接部の補強が小さくなり、溶接位置が下がるのと同等になります。このとき、溶融比は低下します。したがって、ギャップを残すか溝を開くことで、補強のサイズを制御し、溶融比を調整することができます。ギャップを残す場合と残さない場合と溝を開く場合を比較すると、2つの放熱条件は多少異なります。一般的に、溝を開く場合の結晶化条件の方が有利です。
2. 電極（溶接ワイヤ）の傾斜
アーク溶接では、電極の傾斜方向と溶接方向の関係によって、電極前傾と電極後傾の2種類に分けられます。溶接ワイヤが傾斜すると、アーク軸もそれに合わせて傾斜します。溶接ワイヤが前傾すると、溶融池の金属を後方へ排出するアーク力の効果が弱まります。溶融池底部の溶融金属層が厚くなり、溶け込み深さが減少し、アークが溶接部に浸透する深さが減少し、アークスポットの移動範囲が広がり、溶接幅が広がり、補強が減少します。溶接ワイヤの前傾角αが小さいほど、この影響は顕著になります。溶接ワイヤが後傾すると、状況は逆になります。被覆アーク溶接では、電極後傾法が主に採用され、傾斜角αは65°～80°が比較的適切です。
3. 溶接片の傾斜
溶接部の傾斜は実際の生産現場でよく見られ、上向き溶接と下向き溶接に分類できます。このとき、重力の影響で溶融金属は斜面に沿って下向きに流れる傾向があります。上向き溶接では、重力によって溶融金属が溶融プールの末端に排出されるため、溶け込みが深く、溶接幅が狭く、補強が高くなります。上向きの角度αが6°～12°の場合、補強が大きすぎるため、両側にアンダーカットが発生しやすくなります。下向き溶接では、この効果により溶融金属が溶融プールの末端に排出されなくなります。アークは溶融プールの底部の金属を深く加熱できないため、溶け込みが減り、アークスポットの移動範囲が広がり、溶接幅が大きくなり、補強が減少します。溶接部の傾斜角度が大きすぎると、溶け込み不足や溶融金属の溢れにつながります。
4. 溶接材料と厚さ
溶接の溶け込み深さは、溶接電流だけでなく、材料の熱伝導率と体積熱容量にも関係します。材料の熱伝導率が高く、体積熱容量が大きいほど、単位体積の金属を溶融させ、同じ量だけ温度を上昇させるのに必要な熱量が多くなります。したがって、溶接電流などの特定の条件下では、溶け込み深さと溶接幅は減少します。材料の密度または液体の粘度が高いほど、アークが溶融プールの金属を押し出すのが難しくなり、溶け込み深さは浅くなります。溶接部の厚さは、溶接部内部の熱伝導に影響を与えます。他の条件が同じ場合、溶接部の厚さが増加すると放熱量が増加し、溶接幅と溶け込み深さの両方が減少します。
5. フラックス、電極被覆材、シールドガス
フラックスや電極被覆の組成が異なると、アークの電極領域における電圧降下やアーク柱の電位勾配が異なり、溶接形状に必然的に影響を与えます。フラックスの密度が低い、粒子径が大きい、または積層高さが小さい場合、アーク周囲の圧力が低くなり、アーク柱が膨張し、アークスポットの移動範囲が大きくなります。そのため、溶け込みが浅くなり、溶接幅が広くなり、補強が弱くなります。高出力アーク溶接で厚板を溶接する場合、軽石状フラックスを使用すると、アーク圧力が低減し、溶け込みが浅くなり、溶接幅が広くなります。また、溶接スラグは適切な粘度と融点を持つ必要があります。粘度が高すぎたり、融点が高すぎたりすると、スラグの通気性が悪くなり、溶接面に多くの凹みができやすくなり、溶接面の形成不良につながります。
アーク溶接用シールドガス（Ar、He、N2、CO2など）の組成はそれぞれ異なり、熱伝導率などの物理的特性も異なります。そのため、アークの極域電圧降下、アーク柱の電位勾配、アーク柱の導電断面積、プラズマ流速、比熱流束分布などが異なります。これらの要因すべてが溶接シームの形成に影響を与えます。
要するに、溶接部の形成には多くの要因が影響します。良好な溶接部を形成するためには、溶接対象物の材質と厚さ、溶接位置、継手形状、作業条件、継手性能の要求、溶接サイズなどに応じて、適切な溶接方法と溶接条件を選択する必要があります。同時に、最も重要なのは溶接工の溶接に対する姿勢です。そうでなければ、溶接部の形成や性能が要求を満たさず、様々な溶接欠陥が生じる可能性があります。
