被覆アーク溶接とは？フラックスの役割と溶極式アーク溶接の種類
今回は、アーク溶接の種類のうち、フラックスを使用する溶極式アーク溶接について説明します。
代表的な方法である被覆アーク溶接、セルフシールドアーク溶接、サブマージアーク溶接を比較しながら、各溶接法の特徴とフラックスの役割をわかりやすく解説します。
１．溶極式アーク溶接
アーク溶接の基本原理については、前回のコラム「非溶極式アーク溶接の基本（TIG溶接とプラズマ溶接）」の中で解説しました。アーク溶接法は、溶接のなかの「融接」に該当するもので、溶接しようとする部分を加熱し、母材のみ、または母材と溶加材（溶接棒など）を溶融させて溶融金属を作り、これを凝固させ接合する方法です。
アーク溶接は、電極自身が溶加材となって溶融・消耗する「溶極式」と、電極がほとんど消耗しない「非溶極式」に分類できます。今回は溶極式アーク溶接のうち、外部からシールドガスを供給せず、フラックスによって溶接部を大気から保護する溶接方法について説明します。
【図1 溶接の種類（溶極式）】
２．被覆アーク溶接とフラックスの役割
（1）被覆アーク溶接とは？
金属の心線に「フラックス」という被覆剤を塗り固めた溶接棒（溶加材）を使ってアーク放電を発生させる溶接法を「被覆アーク溶接」といいます。100年近く前に発明された技術です。
アークの出す高温で母材が溶け金属の溶融池ができ、さらに溶けた溶接棒の心線が溶滴となって母材と融合します。電極自身が溶加材となり、溶融して溶滴となり消耗する「溶極式」のひとつです。
被覆剤（フラックス）がアーク熱で分解・溶融することでガスやスラグが発生し、溶融池や溶接金属を大気中の酸素・窒素から保護します。
（2）被覆アーク溶接の特徴
被覆アーク溶接は、溶接の過程で溶接棒が溶融して短くなり、溶接棒を下げて溶接位置を保つことが必要になる手溶接であり、熟練を要する溶接法です。溶接機本体は比較的安価なものも多く、ホームセンターなどでも入手できます。
外部からシールドガスを供給しないため風の影響を受けにくく、屋外作業にも適用しやすい溶接法です。一方で、スパッタやヒュームが発生しやすく、溶接棒の角度、アーク長、運棒などの操作によって、ビード外観や溶接品質に差が出やすい溶接法といえます。
これに対し、非溶極式のTIG溶接では、不活性シールドガスと非消耗式のタングステン電極を用いるため、スラグが発生せず、スパッタも少ない傾向があります。そのため、被覆アーク溶接に比べて美しいビードを得やすく、精密な溶接に適しています。
［※関連記事：TIG溶接が精密溶接に向く理由｜被覆アーク溶接との違いと材料別ポイント］
【図2 被覆アーク溶接の仕組み】
（3）フラックスの役割
被覆アーク溶接棒のフラックスは高温のアーク熱（5000℃～20000℃）によって分解され、フラックス内に含まれる様々な成分より以下の働きを行います。
① アーク安定剤（酸化チタン、カリ長石など）
アークの発生を容易にし、アークを安定化させます。
② ガス発生によるシールド（石灰石、澱粉）
ガスとなってアークと溶融池を大気（酸素や窒素）から保護します。大気中の酸素や窒素が溶接金属に侵入するとブローホールなどの不良の原因になるため、ガスで保護する必要があります。
フラックスの中に含まれている石灰石（CaCO3）などが、アークの熱分解で反応し炭酸ガスが発生します。
CaCO3 ⇒ CaO（スラグ) + CO2（発生ガス）
③ スラグの形成（石灰石、ルチール、珪石、Fe-Si、Fe-Mnなど）
溶融したガラス状のスラグが溶接金属の表面を覆い、大気による酸化や窒化から保護します。
スラグはフラックスに含まれる様々な酸化物から形成され、上記のCaOもその一つです。
④ 還元剤（Fe-Si、Fe-Mn）
溶接金属の脱酸及び清浄化⇒被覆剤中にマンガン（Fe-Mn）、シリコン（Fe-Si）などを含有させ、酸素をスラグとして強制的に除去します。
さらには溶接金属の清浄作用もあり、母材表面に付着する不純物を除去します。
具体的な脱酸のメカニズムは以下です。
フラックスから発生したCO2ガスは、高温下でCOと酸素に分解し、この酸素が溶融金属中の鉄と反応してFeOを生成する場合があります。
CO2 ⇒ CO＋O
Fe＋O ⇒ FeO
フラックスの中に含まれるMn、Siなどの脱酸剤は、Feより酸素と結びつきやすいため、以下の反応により鉄から酸素を除去します。
Mn＋FeO ⇒ MnO+Fe
Si+2FeO ⇒ SiO2+2Fe
ここで、酸素を取り込んだMnOおよびSiO2は、溶融金属の表面に浮上しスラグを形成します。
⑤ 合金剤（Fe-Cr、鉄粉、ニッケルなど）
溶接金属に適当な合金元素を添加し、機械的性能を満足させるための元素を溶接金属中に取り込みます。
⑥ 融点や粘性等の調節（酸化チタン）
スラグの融点や粘性等を適切に調節し、様々な姿勢（下向、立向、上向姿勢）での溶接を容易にします。
３．セルフシールドアーク溶接
（1）セルフシールドアーク溶接とは？
「セルフシールドアーク溶接」は、フラックス入りワイヤを電極としてアークを発生させ、ワイヤ内部のフラックスから発生するガスやスラグによって溶接部を保護する溶接法です。外部からシールドガスを供給しないことから、「ノンガス」などとも呼ばれています。
被覆アーク溶接との類似点は、電極自身が溶加材となり、溶融して溶滴となり消耗する「溶極式」であるという点です。
一方、被覆アーク溶接との大きな相違点は、フラックス入りワイヤ（溶加材）がローラで自動搬送されることです。ワイヤは自動搬送ですが、溶接自体の作業は手作業のため「半自動方式の溶接」とも呼ばれます。
【図3 セルフシールドアーク溶接】
セルフシールドアーク溶接におけるフラックスの役割は、被覆アーク溶接と同じであり、このフラックスによりシールドガスを使用しなくても、溶接部（溶滴、溶融池、溶接金属）が空気中の酸素、窒素から保護されます。
ただし、フラックスは被覆アーク溶接のように心線の外側に塗り固めた方式ではなく、ワイヤの中に内包された構造となっています。
【図4 セルフシールドアーク溶接とフラックス】
（2）セルフシールドアーク溶接の特徴
被覆アーク溶接と同様に、外部シールドガスを使用しないため風の影響を受けにくく、屋外作業に適しています。一方で、スパッタやヒュームが発生しやすく、溶接後にはスラグ除去などの後処理が必要です。溶け込みやビード外観は、ワイヤの種類や溶接条件の影響を受けます。
ワイヤが自動搬送のため、被覆アーク溶接より操作性は良いですが、その分コスト的には高くなります。
セルフシールドアーク溶接は現場溶接作業に適した溶接法であるため、建築鉄骨、鉄塔、海洋構造物などの現地溶接に適用されています。
４．サブマージアーク溶接
（1）サブマージアーク溶接とは？
「サブマージアーク溶接」（submerged arc welding）は、セルフシールドアーク溶接と同様に、連続的に送給されるワイヤ電極を用いる溶極式アーク溶接です。ただし、セルフシールドアーク溶接ではフラックスがワイヤ内部に含まれるのに対し、サブマージアーク溶接では粉粒状のフラックスを母材上に散布して使用します。
サブマージアーク溶接は、以下の図に示すように、母材上にあらかじめ散布した粉粒状のフラックス中に電極ワイヤを送り込み、この先端と母材との間にアークを発生させて、ワイヤを自動搬送する自動溶接方式です。
サブマージアークの名前の由来は、覆い隠すという意味の”Submerge”から来ています。
【図5 サブマージアーク溶接の仕組み】
（2）サブマージアーク溶接の特徴
溶接部が粒状フラックスに覆い隠されているため、アーク光が外部から見えにくく、風の影響を受けにくい利点があり、スパッタやヒュームが比較的少なく、自動化により安定したビード形状と均質な溶接品質が得やすい溶接法です。
高能率な溶接法として、主に造船、橋梁、建築分野や大径鋼管の製造に適用されています。
今回のコラムでは、フラックスを使用する溶極式アーク溶接として、被覆アーク溶接、セルフシールドアーク溶接、サブマージアーク溶接の3種類を解説しました。
次回はシールドガスを用いた溶極式アーク溶接であるMAG溶接・MIG溶接などを解説します。
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