溶接ガス：知っておくべきこと

溶接ガスとは、主にガス・シールド溶接（炭酸ガス・シールド溶接、不活性ガス・シールド溶接）に使用される保護ガス、およびガス溶接・切断に使用されるガスを指し、炭酸ガス（CO₂)、アルゴンガス(Ar)、ヘリウムガス(He)、酸素ガス(O₂)、可燃性ガス、混合ガスなど。

溶接中、保護ガスは溶接領域の保護媒体であるだけでなく、アークを発生させるためのガス媒体でもある。

ガス溶接と切断は主に、ガス燃焼によって生じる高温の炎に熱を集中させてプロセスを完了させる。

したがって、ガスの特性（物理的、化学的特性など）は、保護効果に影響するだけでなく、アークの点火や溶接・切断プロセスの安定性にも影響する。

1. 溶接ガスの分類

作業プロセスにおける様々なガスの役割による、 溶接ガス は主に保護ガスとガス溶接や切断に使用されるガスに分けられる。

1.1 保護ガス

保護ガスには主に二酸化炭素（CO₂)、アルゴンガス(Ar)、ヘリウムガス(He)、酸素ガス(O₂)、水素ガス(H2)を含む。

国際溶接協会は、保護ガスはその酸化ポテンシャルによって分類されると指摘し、分類指数を決定するための簡単な計算式は、分類指数＝O₂% + 1/2 CO₂%.

この式に基づき、保護ガスは酸化力によって5つに分類される。I類は不活性ガスまたは還元性ガス、M1類は弱酸化性ガス、M2類は中酸化性ガス、M3類とC類は強酸化性ガスである。各保護ガスの酸化電位指数を表1に示す。

黒色金属溶接用保護ガスの分類を表2に示す。

表1：各種保護ガスの酸化電位指数

表2：黒色金属溶接用保護ガスの分類

1.2 ガス溶接・切断用ガス

気体の性質によれば、以下のような用途に使用される。 ガス溶接 と切断は、酸化性ガス（O₂)と可燃性ガスが発生する。

可燃性ガスが酸素と混合して燃焼すると、大量の熱が放出され、熱が集中した高温の炎が形成され（炎の最高温度は一般に2000～3000℃に達する）、金属を加熱して溶かすことができる。

ガス溶接・切断用の可燃性ガスとしてはアセチレンが一般的である。その他の可燃性ガスとしては、プロパン、プロピレン、液化石油ガス（主にプロパン）、天然ガス（主にメタン）などがある。

よく使われる可燃性ガスの物理的・化学的特性を表3に示す。

表3 一般的に使用されるいくつかの可燃性ガスの物理的および化学的特性。

2.溶接用ガスの特徴

溶接や切断の工程によってガスの役割は異なり、ガスの選択は溶接される材料にも関係する。

したがって、特定の物理的または化学的特性を持つガスを選択する必要があり、異なる状況では複数のガスの混合物であってもよい。

溶接や切断によく使われるガスの主な性質と用途を表4に示す。 溶接工程 を表5に示す。

表4 溶接によく使用されるガスの主な特徴と用途。

表5 溶接プロセスにおける各種ガスの特性。

2.1 二酸化炭素ガス（CO₂)

(1) COの特性₂ ガス

CO₂ ガスは酸化性の保護ガスで、固体、液体、気体の3つの状態で存在する。純粋なCO₂ ガスは無色無臭である。0℃、1気圧(101325 Pa)におけるCO₂ は1.9768g/Lで、空気の1.5倍である。CO₂ は水に溶けやすく、溶けた後はわずかに酸味がある。

CO₂ ガスを高温に加熱するとCOとOに分解し、-283.24kJのエネルギーを放出する。分解過程で原子状酸素が放出されるため、アーク雰囲気は強いガス特性を持つ。

高温アークゾーンでは、3つのガス（CO₂CO、CO、O2）が共存することが多い。₂ ガスである。CO₂ ガスの分解は、溶接プロセス中のアーク温度に関係する。

温度が高くなるにつれて、分解反応の度合いは激しくなる。温度が5000Kを超えると、ほとんどすべてのCO₂ ガスが分解する。CO₂ ガスの分解と温度を図1に示す。

液体CO₂ は無色の液体で、温度によって密度が変化する。11℃以下では水よりも密度が大きく、-11℃以上では水よりも密度が小さくなる。飽和CO₂ ガスを表6に示す。

COの沸点₂ は極低温（-78℃）で液体から気体に変化するため、工業用CO₂ は通常、室温で気化する液体の状態で使用される。0℃、1気圧では、1kgの液体CO₂ に気化させることができる。₂ ガスだ。

表6 飽和CO₂ ガス圧

(2) CO₂ ガス

CO₂ 溶接用ガスは、多くの場合、液体CO₂ これは経済的で便利である。CO₂ ボンベは黒く塗られ、"Liquefied Carbon Dioxide（液化炭酸ガス）"と書かれた黄色の文字でラベルが貼られている。一般的に使用される溶接ガス入りボンベのカラー・コードを表7に示す。

表7 一般的に使用される溶接ガス入りシリンダーのカラーコード

使用圧力が19.6MPaの場合はカラーバンドを1本、29.4MPaの場合はカラーバンドを2本追加する。

標準的なCO₂ ガスの容量は通常40kgで、25kgの液体CO₂.

25kgの液体CO₂ がシリンダー容積の約80%を占め、残りの20%の空間は気体CO₂.

シリンダー圧力計に表示される圧力値は、この部分のガスの飽和圧力です。この圧力は周囲温度に依存します。温度が上昇すると飽和圧力は上昇し、温度が低下すると飽和圧力は低下します。

液体CO₂ が消費され、シリンダー内のガスの圧力が徐々に低下する。₂ ガスだ。

液体CO₂ 標準的なスチール製ボンベに含まれるCO₂ ガスである。の選択による。₂ 溶接中のガス流量(表8参照)は、平均CO₂ 溶接中のガスは10 L/min、液体CO₂ シリンダーは約24時間連続使用可能。

表8：CO₂ 溶接中のガス流量

標準的なCO₂ スチール製ボンベの満タン時の圧力は5.0～7.0MPaである。使用中にボンベ内の圧力が低下すると、液体CO₂ も増える。

の含水量とCO₂ ガスとシリンダー内の圧力を図6.2に示す。

経験的データによると、シリンダー内のガス圧が 0.98 MPa より低い場合（20℃の場合）、CO₂ は、液体CO₂ は基本的に蒸発した。

使い続けるのであれば、 溶接欠陥 溶接金属に気孔が生じ、CO2ガスを補充しなければならない。

(3) CO₂ 溶接用ガス

液体COに溶解する水の質量分率₂ は0.05%であり、余分な水は自由状態でシリンダーの底に沈殿する。

これらの水分子はCO₂ 溶接プロセス中にCO₂ ガスが直接溶接エリアに入る。

したがって、水分は CO₂ ガスである。溶接金属の水素含有量は、CO₂ ガスは、表9に示す通りである。

の間の関係₂ 露点と溶接金属の水素含有量を図3に示す。

表9：異なる湿度レベルにおける溶接金属の水素含有量 CO₂ ガスだ。

に含まれる水分が、CO₂ ガスが増加するにつれて（すなわち、露点温 度が上昇するにつれて）、溶接金属中の水素含有 量が徐々に増加し、塑性が低下し、気孔などの欠陥が 発生することさえある。

したがって、CO₂ 溶接に使用されるガスは、高純度でなければならない。液体CO₂ 溶接に使用したものを表10に示す。

中国では、CO₂ > 99%、O₂ < 0.1%、H₂O < 0.05%であるが、外国ではCO₂ > 99.8%、H₂O < 0.0066%、露点-40℃以下（GBのクラスIに相当）も要求される。

表10：液体CO₂ 溶接に使用される（GB 6052-85）。

市販のCO₂ 生産現場で使用されるガスは水分が多く純度が低いため、精製する必要がある。一般的に用いられる精製方法は以下の通り：

a.新しいCO₂ ガスボンベに水を入れ、1～2時間静置し、底に水を沈殿させる。その後、倒立したボンベのバルブを開け、30分程度の間隔をあけて2～3回水を抜く。水抜き後、スチールボンベを立てた状態に戻す。

b.水抜き処理後の鋼製ボンベを使用する前に、2～3分間連続してガスを抜く。

c.高圧ドライヤと低圧ドライヤをCO₂ 供給パイプライン。乾燥剤には、シリカゲル、無水酸化カルシウム、脱水硫酸銅などがあり、 CO₂ ガスを使用する。使用済みの乾燥剤は乾燥させて再利用できる。

d.を使用しないでください。₂ シリンダー内のガス圧が0.98MPaまで下がったとき。

CO₂ として使用される。 シールドガス 風通しの悪い場所や狭い場所での溶接では、CO₂ 溶接作業者の健康に影響を及ぼすような、国内規制で指定された許容濃度（30kg/m2）を超えないようにすること。

2.2 アルゴン（Ar）

(1) アルゴンの性質

アルゴンは、窒素、酸素に次いで空気中に最も多く存在する希ガスで、その体積分率は約0.935%である。

アルゴンは無色無臭である。0℃、1気圧（101325Pa）での密度は1.78g/Lで、空気の約1.25倍である。沸点は-186℃で、酸素（-183℃）と窒素（-196℃）の中間である。液体空気の分別蒸留により、酸素を製造しながら同時にアルゴンを得ることができる。

アルゴンは不活性ガスで、溶接中に金属と化学反応せず、液体金属にも溶解しない。

そのため、溶接部の金属元素の焼損やその他の溶接欠陥を回避することができ、溶接冶金反応を単純かつ容易に制御し、高品質の溶接部を得るための好条件を提供することができる。

Ar、He、Hの熱伝導率と温度の関係₂とN₂ を図4に示す。アルゴンが最も熱伝導率が低く、単原子ガスに属し、高温での分解による熱の吸収がないことがわかる。

そのため、アルゴンガス中で発生するアークの熱損失は比較的小さい。アルゴンは密度が高く、保護中に失われにくいため、保護効果が高い。ワイヤメタルは、安定した軸方向のジェット流に容易に移行でき、スパッタは最小限に抑えられる。

(2) アルゴンの貯蔵

アルゴンは-184℃以下であれば液体のまま貯蔵・輸送が可能だが、溶接用にはアルゴンガスを充填したスチールシリンダーが一般的である。アルゴンガスのボンベは銀灰色に塗装され、緑色（Ar）で表示されている。

現在、中国で一般的に使用されているアルゴンボンベの容量は33L、40L、44Lである。ボンベを満タンにして20℃の下に置いた場合、ボンベ内の圧力は15MPaになる。

使用中、アルゴンガス・ボンベを叩いたりぶつけたりすることは厳禁である。バルブが凍結した場合、火を使って解凍しないこと。アルゴンガス・ボンベの運搬に電磁重量挙げ機を使用しないこと。夏場は日光に当てないこと。ボンベ内のガスを完全に排出しないこと。アルゴンガス・ボンベは基本的に立てて保管すること。

注：気体の含有量は体積分率で表し、水分の含有量は質量分率で表す。

表12 さまざまな材料の溶接に使用されるアルゴン純度

溶接中にアルゴンガスの不純物含有量が規定基準を超えると、溶融金属の保護に影響を及ぼすだけでなく、溶接部にポロシティやスラグ巻き込みなどの欠陥が発生しやすくなり、溶接継手の品質に影響を及ぼすとともに、タングステン電極の焼損が増加する。

2.3 ヘリウム（He）

(1) ヘリウムガスの性質

ヘリウムガスも無色無臭の不活性ガスで、アルゴンガスのように他の元素と化合物を形成することはない。単原子ガスであり、他の金属には溶けにくい。沸点は-269℃。

ヘリウム・ガスはイオン化ポテンシャルが高く、 アーク溶接が難しい。アルゴン・ガスに比べ、ヘリウム・ガスは熱伝導 率が高いため、同じ溶接電流およびアーク強度で も、電圧およびアーク温度が高くなる。

その結果、母材への入熱は高くなり 溶接速度 はより速く、アーク柱はより細く集中し、 溶接溶け込みはより大きくなる。これが、アーク溶接にヘリウム・ガスを使用す る主な利点であるが、アークの安定性はアルゴン・ アーク溶接より若干劣る。

ヘリウムガスは原子レベルの軽さで密度が小さいため、溶接部位を効果的に保護するには、はるかに大きな流量のヘリウムガスが必要である。

高価なため、原子炉の冷却棒のような主要部品の溶接や、厚肉の溶接など、特殊な用途でのみ使用されている。 アルミニウム合金.溶接中のアルゴンガスとヘリウムガスの特性を表13に比較する。

表13 溶接中のアルゴンガスとヘリウムガスの特性の比較

ヘリウムガスのアークは不安定で、カソードのクリーニング効果が明らかでないため、タングステンヘリウムアーク溶接では一般的に直流プラス接続を使用します。アルミニウムの溶接でも ヘリウム、マグネシウム、およびそれらの合金では、交流電源は使用しない。ヘリウムアークは発熱量が大きく集中し、アークの浸透力が強く、アークが短い場合は直流プラス接続でも酸化皮膜を除去する効果がある。

アルミニウム合金の直流プラス接続ヘリウムアーク溶接では、シングルパス 溶接厚さ は12mmに達することができ、表裏溶接は20mmに達することができる。ACアルゴンアーク溶接と比較すると、溶融深さが深く、幅が狭い。 溶接ビード変形が小さく、軟化領域が小さ く、金属の過燃焼が少ない。熱処理された強化アルミニウム合金の場合、接合部の室温および低温機械的特性は、交流アルゴン・アーク溶接よりも優れている。

(2) 溶接に使用するヘリウムガスの純度

溶接に使用される保護ガスとして、ヘリウム・ガ スの純度は一般に99.9%～99.999%が 要求される。さらに、溶接される母材の種類、組成、性能、および溶接に要求される品質にも左右される。 溶接継手.

一般に、金属が酸化するのを防いだり 窒化 活性金属の溶接中に、また溶接継手の品質を向 上させるために、高純度ヘリウム・ガスを選択す べきである。溶接にヘリウム・ガスを使用するための 技術的要件を表14に示す。

表14 溶接にヘリウム・ガスを使用する場合の技術的要件

注：表中のガス含有量は体積分率、水分含有量は質量分率で表す。

2.4 酸素ガスの性質

(1) 酸素ガスの性質：

酸素ガスは、常温・常圧では無色・無臭・無味・無毒の気体である。0℃、1気圧（101325Pa）での密度は1.43kg/m3と空気より大きい。酸素の液化温度は-182.96℃で、液体酸素は水色である。常温では、酸素は空気中や水中に化合物や遊離状態で大量に存在する。

酸素ガス自体は燃焼しないが、非常に活性の高い燃焼支援ガスであり、多くの元素と反応して酸化物を生成することができる。一般に、激しい酸化反応は燃焼と呼ばれる。ガス溶接と切断は、可燃性ガスと酸素の燃焼から放出される熱を熱源として利用する。

(2) 酸素ガスの生成：

酸素ガスを製造する方法には、化学的方法、水の電気分解、空気の液化など多くの方法がある。

しかし、工業生産では空気の液化法が広く使われている。空気を圧縮し、-196℃以下に冷却して液体にする。そして、-196℃まで温度が上がると、液体空気中の窒素が蒸発して気体になる。

温度が-183℃まで上昇し続けると、酸素は気化し始める。気化した酸素はコンプレッサーで120～150気圧に圧縮され、専用の酸素ボンベに貯蔵されて使用・保管される。

(3) 酸素ガスの貯蔵：

酸素ガスは通常、専用の酸素ボンベで貯蔵・輸送され、酸素ボンベの外側は空色に塗られ、黒いペンキで「酸素」と表示されていなければならない。

酸素ボンベは、使用中3～5年ごとにインフレーション工場で点検し、ボンベの容量と品質をチェックし、腐食やひび割れがないか点検する必要がある。一般的に使用されている酸素ボンベの寸法と充填容量を表15に示す。

運転中の酸素ガスの供給は、主にボンベの減圧器によって調節される。酸素ボンベ用減圧器の主な技術パラメータを表16に、減圧器の一般的な故障と予防策を表17に示す。

表15 一般的に使用される酸素ボンベの寸法と充填容量

表 16 ガスシリンダー用圧力調整器の主な技術パラメーター

表 17 圧力調整器の一般的な故障と予防措置。

液体酸素は、気体酸素に比べてエネルギー消費量が少なく、供給される酸素の純度が高い（99.9%以上）、輸送効率が高いなどの利点があります。そのため、工業用酸素は液体で供給されることもあります。液体酸素をユーザーや現場に供給する方法は以下の通りです：

a.ユーザー部門に気体酸素貯蔵タンクを設置し、気化圧縮装置を備えた液体輸送タンクから気体酸素をタンクに充填する。

b.ユーザー部門に液体貯蔵タンクと気化装置を設置し、液体酸素輸送タンクから液体酸素をタンクに充填する。

c.c.小型の液体酸素容器とそれに対応する気化器を台車に設置し、現場で構成し、使用ニーズに応じていつでも移動できるようにする。この方法は、酸素消費量の少ない工場や現場にのみ適している。

液体酸素貯蔵タンクには、移動式と固定式の2種類がある。移動式液体酸素容器の仕様と主な技術パラメータを表18に、固定式液体酸素容器の仕様と主な技術パラメータを表19に示す。

表18：移動式液体酸素容器の仕様と主な技術的パラメータ。

表 19：固定式液体酸素容器の仕様と主な技術的パラメータ。

酸素は極めて活性な性質を持つ燃焼支援ガスであるため、ガスボンベが満タンになると、圧力は150気圧に達することがあります。酸素の使用時および輸送時には、取り扱いに注意しないと爆発の危険性があります。

したがって、以下の点に特に注意を払う必要がある：

a) 耐油性。酸素ボンベおよびその付属機器を、油で汚れた手袋で触ることは禁止されている。輸送中、酸素ボンベを可燃性物質や油と一緒に置いてはならない。

b) 耐衝撃性。酸素爆発の原因となる振動を防ぐため、酸素ボンベは確実に設置しなければならない。直立させる場合は鉄製フープやチェーンで固定し、横倒しにする場合は木製のパッドで転がらないようにし、ボンベ本体にはゴム製のショックアブソーバーを2個取り付ける。輸送時は専用車両を使用する。

c) 耐熱性。酸素ボンベは、保管中であろうと輸送中であろうと、熱源から少なくとも10mは離しておく。夏、日光の当たる屋外での作業中は、爆発を防ぐために帆布で覆わなければならない。

d) 凍結防止剤冬期に酸素ボンベを使用する際、酸素ボンベのバルブが凍結した場合は、お湯に浸した布で覆って解凍してください。爆発事故を避けるため、いかなる場合でも火気による加熱・解凍は行わないこと。

e) 酸素ボンベのバルブを開ける前に、圧力ナットが締まっているか確認してください。ハンドホイールを回転させるときは、無理な力をかけずにスムーズに行い、人が酸素排出口の側に立つようにしてください。酸素を使用する際は、ボンベ内の酸素を使い切らず、少なくとも1～3気圧の酸素を残してください。

f) 酸素ボンベを使用しないときは、損傷を防ぐために保護カバーをバルブにかぶせる。

g) 酸素ボンベバルブの修理中は、酸素ボンベの爆発を防ぐため、安全性に特別な注意を払うこと。

(4) 溶接用酸素の純度

工業用酸素は通常、液化と空気分離によって製造 されるため、窒素を含むことが多い。溶接や切断中に窒素が存在すると、火炎温度が低下して生産効率に影響するだけでなく、溶けた鉄と反応して窒化鉄を形成し、溶接部の強度を低下させる。

したがって、酸素の純度はガス溶接と切断の効率と品質に大きな影響を与える。ガス溶接や切断に使用する酸素の純度、特に切断時の酸素の純度は、高ければ高いほどよい。

酸素はまた、溶滴を微細化し、アーク・カソ ードのスポット・ドリフトを克服し、母材への入 熱を高め、溶接速度を向上させるために、不活 性ガス・シールド溶接の追加ガスとしても一般的 に使用される。

表20：気体状態の溶接用酸素の技術的要件。高品質のガス溶接および切断には、必要な熱伝導 率を得るために、高純度クラスIまたはII の1級酸素を使用すべきである。

2.5 可燃性ガス

溶接に使用される可燃性ガスには多くの種類があるが、現在ガス溶接や切断で最も広く使用されているのはアセチレンガス（C₂H₂次いでプロパンガス）。

水素ガス、天然ガス、石炭ガスも、地域の条件や溶 接・切断される材料によっては、可燃性ガスと して使用できる。可燃性ガスを選ぶ際には、以下の要素を考慮す る必要がある：

a) 発生する熱量が大きいこと。つまり、単位体積当たりの可燃性ガスの完全燃焼によって放出される熱量が大きいこと。

b) 炎の温度が高いこと。一般的には、酸素中で燃焼する炎の最高温度を指す。

c) 可燃性ガスの燃焼に必要な酸素の量は、経済性を高めるために少量であるべきである。

d) 爆発限界範囲は小さくすべきである。

e) 交通が比較的便利であること。

(1) アセチレン (C₂H₂)

1) アセチレンの性質

アセチレンは不飽和炭化水素（C₂H₂常温、1気圧（101325Pa）では無色の気体である。）一般にアセチレンで溶接すると、不純物（H₂SとPH₃.

純酸素中で燃焼するアセチレンの火炎温度は約3150℃に達し、熱は比較的集中する。現在、ガス溶接や切断で最も広く使用されている可燃性ガスです。

アセチレンの密度は1.17kg/m3である。アセチレンの沸点は-82.4℃で、-83.6℃で液体になる。85℃以下では固体になる。気体のアセチレンは水、アセトンなどに溶解する。温度15℃、圧力1気圧の場合、アセトン1Lでアセチレン23Lを溶かすことができる。圧力を1.42MPaに上げると、アセトン1Lで約400Lのアセチレンを溶かすことができる。

アセチレンは爆発性ガスであり、その爆発特性は以下の通りである：

a) 純アセチレンの圧力が0.15MPaに達し、温度が580〜600℃に達すると、火にさらされると爆発する。発生器及び配管内のアセチレンの圧力は0.13MPaを超えないこと。

b) アセチレンを空気または酸素と混合すると、爆発性が著しく増大する。アセチレンが空気と混合される場合、体積で計算するとアセチレンが2.2%-81%、アセチレンが酸素と混合される場合、体積で計算するとアセチレンが2.8%～93%の場合、混合ガスは常圧でも自然発火（アセチレン-空気混合ガスの自然発火温度は305℃、アセチレン-酸素混合ガスの自然発火温度は300℃）するか、火花に触れて爆発する。

塩素ガスや次亜塩素酸塩などと混合したアセチレンは、日光や熱にさらされると爆発する。窒素、一酸化炭素、水蒸気と混合したアセチレンは爆発の危険性が減少する。

c) アセチレンは、銅や銀などと長時間接触すると、アセチレン銅やアセチレン銀などの爆発性物質を生成することもある。

d) アセチレンを液体に溶かすと、爆発性が大幅に低下する。

e.アセチレンの爆発性は、貯蔵に使用する容器の形状と大きさに関係する。容器の直径が小さいほど爆発しにくい。アセチレンは毛細管形状の容器に貯蔵すれば、圧力が2.65MPaまで上昇しても爆発しない。

2工業用アセチレンは、主にカーバイドをアセチレン発生装置で分解して製造される。

アセチレンの製造に一般的に使用されるアセチレン発生装置には多くの種類があり、発生する圧力によって中圧アセチレン発生装置（ゲージ圧0.0069〜0.127MPaのアセチレンガスを発生）と低圧アセチレン発生装置（ゲージ圧0.0069MPaより低いアセチレンガスを発生）に分類されます。

また、カーバイドと水との接触方法の違いによっても分類され、ドレイン方式、カーバイドインウォーター方式、複合ドレイン方式などがある。さらに、その位置形態により、移動式と固定式に分類される。中圧アセチレン発生装置の種類と技術仕様を表21に示す。

高品質のガス溶接には、精製・乾燥したアセチレンを使 用すべきである。工業用超硬合金は、生石灰とコークスを電気炉で溶融して作られる。アセチレン・ガス溶接および切断に使用する超硬合金の品質レベルおよび性能は、表22に規定する要件を満たす必要がある。

表21.中圧アセチレン発生器の種類と技術仕様

表22：アセチレンガス溶接・切断用超硬合金の品質等級と性能。

3) アセチレンガスの貯蔵

加圧すると爆発の危険性があるため、アセチレンの貯蔵には直接加圧ボトル詰めは使用できない。工業的にはアセトンへの溶解性の高さを利用し、アセトンや多孔質物質を入れた容器にアセチレンを充填し、一般に溶解アセチレンやボトルアセチレンと呼ばれている。

アセチレンボンベは通常、白地に赤ペンキで「アセチレン」の文字が描かれている。ボンベの中にはアセトンを染み込ませた多孔質材料が充填されており、これによりボンベ内の圧力1.5MPaで安全にアセチレンを貯蔵することができる。

使用時には、アセチレンレギュレーターで圧力を0.103MPa以下に下げてから使用しなければならない。多孔質材料は通常、軽量で多孔質の活性炭、おがくず、軽石、珪藻土の混合物である。

溶接用アセチレンは、一般に98%以上の純度が要求される。充填条件は、充填圧力1.55MPa以下、15℃と規定されている。ボトル入りアセチレンは、安全性、利便性、経済性から、現在広く普及・応用されている。

(2) 石油ガス

石油ガスは、石油加工から生じる製品または副産物である。切断に使用されるガスには、プロパンやエチレンのような元素ガスや、通常プロパン、ブタン、ペンタン、ブテンで構成される精製からの混合多成分ガスのような副産物が含まれる。

1) プロパン (C3H8)

プロパンは切削加工でよく使われる燃料ガスで、相対分子量は44.094である。総発熱量はアセチレンより高いが、単位質量分子の燃焼熱はアセチレンより低い。その結果、火炎温度は低くなり、火炎熱はより分散する。純酸素中でのプロパンの完全燃焼の化学反応式は、C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (1)

上記の式から、1体積のプロパンが完全燃焼した場合の理論上の酸素消費量は5体積であることがわかる。プロパンを空気中で燃焼させた場合、実際の酸素消費量は3.5体積で、温度2520℃の中性火炎を形成する。酸化炎の最高温度は約2700℃である。酸素-プロパン中性炎の燃焼速度は3.9m/sで、テンパリングの危険性は小さく、爆発範囲は酸素中で23%から95%と狭い。しかし、酸素消費量はアセチレンより多く、発火点が高く、着火しにくい。

2）プロピレン（C3H6）

プロピレンの相対分子量は42.078で、総発熱量はプロパンより低いが、火炎温度は高い。純酸素中でのプロピレンの完全燃焼の化学反応式は以下の通りである：

C3H6 + 4.5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O (2)

1容積のプロピレンを完全燃焼させた場合の理論上の酸素消費量は4.5容積である。空気中で燃焼させた場合、実際の酸素消費量は2.6体積で、2870℃の中性火炎を形成する。プロピレンと酸素の比率が1:3.6の場合、酸化炎が形成され、炎温度が高くなる。

プロパンよりも酸素消費量が少なく、火炎温度が高いため、プロピレンは一部の国では切断用ガスとして使用されていた。

3）ブタン（C4H10）

ブタンの相対分子量は58.12で、総発熱量はプロパンより高い。純酸素中でブタンが完全燃焼する化学反応式は以下の通りである：

C₄H₁₀ + 6.5O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

ブタン1容積を完全燃焼させた場合の理論上の酸素消費量は6.5容積。空気中で燃焼させた場合の実際の酸素消費量は4.5体積で、プロパンより多い。酸素や空気と混合したブタンは爆発範囲が狭く（体積分率1.5%～8.5%）、逆火になりにくい。しかし、火炎温度が低いため、切断用燃料として単独で使用することはできない。

4）液化石油ガス

液化石油ガスは、主にプロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)、プロピレン(C3H6)、ブテン(C4H8)などの炭化水素と、少量のアセチレン(C₂H₂)、エチレン(C₂H₂)、ペンタン(C₅H₁₂)などがある。これらの炭化水素は常温・常圧では気相で存在するが、貯蔵・輸送のために0.8～1.5MPa程度の圧力で液化することができる。

産業界では、一般に気体の石油ガスが使用されている。石油ガスはわずかに臭いのある無色の気体で、標準状態での密度は空気より大きく、約1.8～2.5kg/mである。³.液化石油ガスの主成分は空気や酸素と爆発性混合物を形成することがあるが、爆発範囲はアセチレンに比べて比較的小さい。液化石油ガスはアセチレンよりも安価で安全であり、逆火のリスクも小さい。

しかし、安全な燃焼にはより多くの酸素を必要とし、火炎温度も低く、燃焼速度も遅い。そのため、液化石油ガスを使用する切断トーチには改良が必要で、流量を減らして良好な燃焼を確保するために、ガスの出口面積を大きくする必要がある。

液化石油ガスを切断に使用する場合、ガス供給圧力の調整に注意を払わなければならないが、これは一般に液化石油ガスのガス供給装置によって実現される。液化石油ガスのガス供給装置には、主にガスボンベ、気化器、調整器などがある。

ガスボンベ

ガスボンベの容量は、ユーザーの使用量や用途によって異なる。工業用では容量30kgのガスボンベが一般的で、液化石油ガスを大量に使用する場合は1.5tや3.5tの大型貯蔵タンクも製造できる。

ガスシリンダーの製造材料は 16Mn 鋼鉄、クラス A の鋼鉄を採用できます Q235または高級炭素鋼No.20。ガスボンベの最高使用圧力は1.6MPa、静水圧試験圧力は3MPaである。液化石油ガスボンベは、外面が銀灰色に塗装され、「液化石油ガス」と表示されている。

一般的に使用される液化石油ガスボンベの仕様を表 23 に示す。ガスボンベの試験・確認後、ボンベ本体に固定された金属板には、製造者、番号、品質、容量、製造年月日、検査年月日、使用圧力、試験圧力が表示され、製造者の検査部門のスチールスタンプも押される。

表23：一般的に使用されている液化石油ガス・シリンダーの仕様

気化器

サーペンチューブ式熱交換器とも呼ばれ、その構造を図5に示す。液化石油ガスは内管を流れ、外管には40～50℃の温水が満たされ、液化石油ガスの蒸発に必要な熱を供給する。

外管を流れる温水は、外部から供給することも、液化石油ガスそのものを燃焼させて加熱することもできる。水を加熱するために消費される燃料は、石油ガスのガス化量全体の約2.5%に過ぎない。気化器は通常、利用者が多く、液化石油ガス中のブタン含有量が多く、飽和蒸気圧が低く、冬季の屋外運転が可能な場合にのみ使用が検討される。

レギュレーター

その構造を図6に示す。レギュレーターには、ガスシリンダー内の圧力を必要な使用圧力まで下げる機能と、出力圧力を安定させ、ガスの供給を均一にする機能の2つがある。

レギュレーターの最大の利点は、出力ガスの圧力を一定の範囲で調整できることである。一般的に家庭用レギュレーターは、一般的な厚さの鋼板を切断するために使用され、出力圧力は2〜3MPaです。スプリングを交換することで、家庭用レギュレーターの出力圧力を25MPa程度まで上げることができる。

ただし、改造の際には、安全弁のスプリングから空気が漏れないようにする必要がある。具体的な方法は、安全弁のスプリングを締めることである。液化石油ガスの使用量が多い場合は、大型のレギュレーターを使用する。液化石油ガスをアセチレンボンベに貯蔵している場合は、アセチレンレギュレーターを使用することができる。

一般的な厚さの鋼板を切断する場合、レギュレーターの出力圧力は手動切断で約2.5MPa、自動切断で10～30MPaである。着火は直火で行い、着火後は酸素とプロパンガスの流量を、炎が最も短くなり、青色を呈し、ヒューヒューと音がするまで増加させる。炎の温度が最も高くなった時点で、予熱と切断を行うことができる。

(3) 天然ガス

天然ガスは油田やガス田から産出されるもので、その組成は産地によって異なる。主成分はメタン（CH4）で、これも炭化水素に属する。メタンは無色の気体で、常温ではわずかに臭いがある。液化温度は-162℃。空気や酸素と混ざると爆発することもある。

メタン-酸素混合気の爆発範囲は5.4%から59.2%（体積分率）である。酸素中のメタンの燃焼速度は5.5m/sである。メタンが純酸素中で完全燃焼するときの化学式は次の通りである：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O (4)

上記の式から、理論上の酸素消費比は1：2であることがわかる。実際に空気中で燃焼させて中性火炎を形成する場合の酸素消費比は1：1.5であり、火炎温度はアセチレンよりはるかに低い約2540℃である。

そのため、切断にはより長い予熱時間が必要となる。通常、天然ガスが豊富な地域で切断用燃料として使用される。

(4) 水素 (H₂)

水素は無色、無臭の可燃性ガスである。水素は相対原子質量が最も小さく、水に溶ける。水素ガスは最も拡散率が高く、熱伝導率が高い。その熱伝導率は空気の7倍である。

非常に漏れやすく、着火エネルギーが低く、最も危険な可燃性・爆発性ガスのひとつである。空気中での自然発火点は560℃、酸素中では450℃。水素と酸素の火炎温度は2660℃（中性火炎）に達する。水素ガスには強い還元性がある。高温では金属酸化物から金属を還元することができる。

水素ガスを製造する一般的な方法には、粗ガソリンの分解、アンモニア水の分解、水の電気分解などがある。水素ガスはスチールシリンダーに圧入することができる。21℃での充填圧力は14MPa（ゲージ圧）である。

水素ガスは、プラズマ・アーク切断や溶接で一般的に使用され、鉛溶接で使用されることもある。₂ 溶融電極ガス・シールド溶接中にArに水素を添加す ることで、母材の入熱を増加させ、溶接速度と効率を向 上させることができる。ガス溶接または切断時に水素ガスを使用する ための技術要件を表24に示す。

表24：ガス溶接または切断時に水素ガスを使用するための技術要件

注：超高純度水素および高純度水素の酸素含有量は、酸素とアルゴンの合計量であり、超高純度水素はボトル水素を除くパイプライン水素を指す。

2.6 窒素₂)

窒素は常温で空気の体積の約78%を占める。沸点は-196℃。アルゴンよりイオン化ポテンシャルが低く、相対原子質量が小さい。窒素は分解時に多量の熱を吸収する。

窒素は溶接用シールド・ガスとして使用できる。熱伝導率と熱容量の良さから、窒素はプラズマ・アーク切断の作業ガスとしてもよく使われる。アーク柱が長く、分子複合熱エネルギーを持つため、厚い金属板も切断できる。

しかし、窒素の相対原子質量はアルゴンに比べて小さいため、プラズマアーク切断に使用する場合、電源の無負荷電圧を高くする必要がある。

窒素は高温で金属と反応する可能性があり、特にガス圧が高い場合、プラズマアーク切断時に電極を強く侵食する。

そのため、アルゴンや水素を加える必要がある。また、窒素を加工ガスとして使用すると、切削面が窒化し、切削時に窒素酸化物が多く発生する。

溶接またはプラズマ・アーク切断に使用する窒素の純度は、表25に示すように、GB 3864-83に規定されたグレード1のクラスIまたはクラスIIの技術要件を満たす必要がある。

表25：工業用窒素の技術要件

3.溶接ガスの選択

にはさまざまなガスが使用される。₂ ガス・シールド溶接、不活性ガス・シールド溶接、混合ガス・シールド溶接、プラズマ・アーク溶接、 ろう付け 保護雰囲気下での酸素アセチレンガス溶接および切断。

溶接ガスの選択は、主に溶接と切断の方法、および母材 の特性、溶接ガスの品質要求などの要因に左右される。 溶接継手ワークの厚みと位置、溶接プロセス。

3.1 溶接方法に応じたガスの選択

溶接、切断、ガス・シールド溶接に使用するガ スは、溶接工程で使用する溶接方法によって異 なる。溶接方法と溶接ガスの選択を表26に示す。

保護雰囲気でのろう付けによく使用されるガスの選択を表27に示す。プラズマアーク切断における各種ガスの適用性を表28に示す。

表26：溶接ガスの選択 溶接方法

表27 保護雰囲気下でのろう付けに使用される一般的なガスの選択

表28 プラズマ・アーク切断における各種ガスの適合性

3.2 溶接材料に応じたガスの選択

ガス・シールド溶接では、ソリッド・ワイヤやフラックス入りワイヤに関係なく、シールド・ガス（媒体）との適切な組み合わせが常に問題となる。シールド・ガスは不活性ガスと活性ガスの2種類に分類されるため、この組み合わせの影響は比較的明確で、ワイヤーとフラックスの組み合わせほど複雑ではない。

不活性ガス(Ar)保護溶接の場合、フィラー・ワ イヤーの組成は溶着金属の組成に近く、合金元素は 大幅に失われない。一方、活性ガス保護溶接では、CO₂ ガス中では、フィラーワイヤー合金の遷移係数が低下し、堆積した 金属組成 とフィラーワイヤの組成を決定する。

の割合が高いほど、CO₂ ガスが保護雰囲気に含まれているほど酸化が強くなり、合金遷移係数が低くなる。

したがって、CO₂ をシールド・ガスとして使用する場合、フィラー・ワイヤーは十分な量の脱酸剤を含んでいなければならない。 合金元素 MnとSiの複合脱酸の要求を満たし、溶接金属中の適切な酸素含有量を保護し、溶接部の構造と特性を改善する。

シールド・ガスは、被溶接材 の特性、接合部の品質要求、溶接プロセス方法 などの要因に基づいて選択すべきである。低炭素鋼、低合金鋼 高張力鋼板やステンレス鋼、耐熱鋼、活性ガス（CO₂Ar+CO₂またはAr+O₂)は、トランジション・ドロップレットを微細化し、アーク・カソード・スポット・ドリフトとエッジ・かじり欠陥を克服するための保護に推奨される。場合によっては、不活性ガスも使用できる。

ただし、酸化性の強い保護ガスには高マンガン・高シリコン溶接ワイヤを、Arリッチな混合ガスには低シリコン溶接ワイヤを合わせる必要がある。

シールドガスはフィラーワイヤーに適合していなければならない。CO₂ MnおよびSi含有量の高い溶接ワイヤをリッチ・アルゴン条件下で使用すると、析出金属中の合金含有量が高くなり、強度が向上する。

逆に、リッチアルゴンの条件下で使用されるワイヤーがCO₂ ガスは、合金元素の酸化と燃焼のため、合金遷移係数が低くなり、溶接性能が低下する。

アルミニウムおよびその合金、チタンおよびその合 金、銅およびその合金、ニッケルおよびその合 金、高温合金のような酸化しやすい金属や溶融性の 悪い金属は、高品質の溶接金属を得るために、シ ールド・ガスとして不活性ガス（ArまたはAr+He混 合ガスなど）を使用すべきである。

シールド・ガスのイオン化ポテンシャル（電離電位）は、アーク柱電界強度と母材の入熱に若干の影響を与える。保護特性には、熱伝導率、比熱容量、熱分解などがある。

溶融を使用する場合 極性溶接シールド・ガスがアークを冷却す る効果が大きいほど、母材の入熱は大きくなる。溶接中のさまざまな材料に対するシールド・ガス の適用範囲を表29に示す。

表30に、溶融極性不活性ガス保護溶接時の被溶接 材別の適用シールド・ガスを示す。大電流 プラズマアーク溶接 を表31に、小電流プラズマ・アーク溶接の選 択肢を表32に示す。

表29 溶接時の材料別シールドガス適用範囲

表30 溶融極性イナートガス保護溶接時の被溶接材別の適用シールドガス

表31 大電流プラズマ・アーク溶接用シールド・ガスの選択

表32 小電流プラズマ・アーク溶接用シールド・ガスの選択

3.3 混合ガスの特性と選択

ベース・ガスに一定の割合のガスを添加することで、混合ガスが形成され、アーク形態の変化、アーク・エネルギーの増加、溶接の形成と機械的特性の向上、溶接生産性の向上など、溶接および切断プロセスにおいていくつかの利点がある。

(1) 混合気体の性質

純粋なCO₂ を溶接用シールド・ガスとして使用す ると、アークの安定性が悪く、溶滴が非軸方向に遷移 し、スパッタが大きく、溶接部の形成が悪い。低合金鋼を純Arで溶接する場合、カソード・ス ポットのドリフトが大きく、これもアーク不安定性の 原因となる。

Oなどの酸化性ガスを少量加える。₂ とCO₂ をArに変換することで、アーク安定性を大幅に改善し、ドロッ プレットを微細化し、移行効率を高め、溶接部の形成と耐ポロシティ 性を向上させることができる。

ガス・シールド溶接によく使用される混合ガス の成分と特性を表33に示す。可燃性混合ガスの物理的および化学的特性の一 部を表34に示す。

表33 ガス・シールド溶接によく使用される混合ガスの成分と特性

表34 可燃性混合物の物理的および化学的性質

(2) 混合ガスの選択

混合ガスの選択は一般に、溶接方法、被溶接材、およ び混合比率が溶接プロセスに及ぼす影響に基づいて行 われる。

例えば、低合金高張力鋼を溶接する場合、溶接部 の酸化物系介在物や酸素含有量を低減するために、シ ールド・ガスとして純Arが好まれる。しかし、安定したアークと溶接部形成の観点から、Arに酸化性ガスを添加する。

したがって、酸化力の弱いガスが適している。不活性ガス・アルゴン・アーク溶接ジェット遷移では、Ar+(1%-2%)O₂ の混合が推奨される。₂+80%Arは、短絡移行を伴う活性ガス保護溶接に最適です。

生産効率の観点から、He、N₂, H₂CO₂またはO₂ をArに変換することで、タングステンイナートガス（TIG）溶接時の母材入熱を増加させ、溶接速度を向上させることができる。

例えば、厚い溶接の場合 アルミ板低炭素鋼や低合金鋼を溶接する場合は、一定量の O₂ をCO₂ ガスを添加するか、一定量のCO₂ またはO₂ をArガスに変えると、大きな影響が出る。

さらに、保護用に混合ガスを使用すること で、溶け込み深さを増し、溶け込み不足、亀裂、気孔な どの欠陥をなくすこともできる。表35に、溶接中のさまざまな材料に対する混合ガ スの適用範囲を示す。

表 35 異なる材料の溶接における混合ガスの適用範囲

近年、粗いAr混合ガスも普及・応用されている。その組成は、Ar = 96%、O₂ ≤ 4%, H₂o≦0.0057%、n2≦0.1%である。粗いAr混合ガスは、溶接形成を改善し、スパッタ を低減し、溶接効率を向上させるだけでなく、引張強 さ500-800MPaの低合金高強度鋼の溶接に使用した場 合、溶接金属の機械的特性は高純度Arを使用した場 合と同等である。粗製Ar混合ガスは安価であり、経済的な利点もある。