本質的に、ヘリウムは溶接において、溶融溶融池を汚染から保護する真に不活性な雰囲気を生成するために使用されます。 ヘリウムは化学的に非反応性の「貴ガス」のファミリーに属します。この不活性シールドは非常に重要です。なぜなら、溶融金属は周囲の空気中の酸素、窒素、水素と反応しやすく、反応すると完成した溶接部に気孔や脆性などの深刻な欠陥を引き起こす可能性があるからです。
ヘリウム、アルゴン、または混合物であるかに関わらず、あらゆるシールドガスの中心的な目的は、溶接ゾーンから活性な大気ガスを排除することです。ヘリウムを特に使用する選択は、その不活性性だけでなく、その独自の熱特性を利用して溶接アークの熱、速度、溶け込みを制御することにあります。
シールドガスの基本的な役割
ヘリウムの具体的な役割を理解するためには、まず、ほとんどのアーク溶接プロセスにおいてシールドガスが不可欠である理由を確立する必要があります。私たちの周囲の大気は、溶融金属にとって根本的に敵対的です。
大気汚染の防止
私たちが呼吸する空気は、およそ78%が窒素、21%が酸素で、微量の水蒸気やその他のガスが含まれています。溶接アークの高温下では、これらのガスは溶融溶接金属と積極的に結合します。
この反応により酸化物や窒化物が生成され、応力下で破損する弱く、多孔質で脆い溶接部が生じます。シールドガスはアークと溶融池の周りに保護バブルを形成し、物理的に大気を押しやります。
溶接アークの安定化
シールドガスは単なる受動的な障壁ではありません。それは電気アークが流れる媒体です。ガスはアーク内でイオン化（プラズマ化）します。
ガスの化学的および物理的特性（イオン化のしやすさ、熱伝導性など）は、アークの安定性、形状、温度に直接影響します。これは最終的な溶接品質を決定します。
溶接における「不活性」の理解
この文脈における「不活性」という用語には特定の意味があります。一部のガスは真に不活性ですが、制御された、時には有益な反応性を持つガスも使用されます。
真に不活性なガス：ヘリウムとアルゴン
ヘリウム（He）とアルゴン（Ar）は貴ガスです。これらは、いかなる溶接条件下でも化学的に非反応性です。
これらは溶接アークや溶融金属と結合しないため、アルミニウム、マグネシウム、チタンなどの高反応性金属の溶接には唯一の選択肢となります。他の種類のガスを使用すると、これらの敏感な材料が汚染されます。
半不活性または「活性」ガス
二酸化炭素（CO2）のようなガスは、特に鋼の溶接に時々使用されます。参照が正しく指摘しているように、CO2は真に不活性ではなく、アークと反応する可能性があります。
アークの強い熱の中で、CO2は分解して少量の酸素を放出することがあります。炭素鋼の場合、このわずかな反応性は実際に有益であり、アークの安定性と溶融池の流動性を向上させ、より良好な形状の溶接ビードをもたらします。
ヘリウムのユニークな特性
アルゴンとヘリウムの両方が不活性である場合、ヘリウムを使用する決定は、主にその高い熱伝導率という明確な物理的特性に帰着します。
より高温で広いアークの生成
ヘリウムはアルゴンよりもはるかに効率的に熱を伝達します。これにより、より高温で広い溶接アークが生成されます。
この特性は、ワークピースに効率的により多くのエネルギーを投入する必要がある場合に大きな利点となります。
より深い溶け込みと高速化
ヘリウムによって生成される高温のアークは、母材へのより深い溶け込みを可能にします。また、金属がより速く溶融するため、より速い移動速度も可能になります。
このため、ヘリウムまたはヘリウム-アルゴン混合物は、特に熱を急速に放散するアルミニウムや銅のような高導電性材料の厚い金属の溶接に好ましい選択肢となります。
トレードオフの理解
ヘリウムの選択は、主にコストと取り扱いに関する重大なトレードオフを伴う工学的決定です。
ヘリウムの高コスト
ヘリウムは有限な資源であり、アルゴンよりも著しく高価です。その価格は主要な要因となり、その性能上の利点が絶対に必要とされる用途にその使用を限定します。
より高い流量が必要
ヘリウムは空気よりもはるかに軽く、アルゴンよりも軽いです。同じレベルのシールド範囲を提供するためには、より高いガス流量が必要です。
これは、ガス1立方フィートあたりの費用が高くなるだけでなく、より多くのガスを使用する必要があることを意味し、運用コストをさらに増加させます。
アークの開始と安定性
ヘリウムはイオン化電位が高いため、純粋なヘリウムでアークを開始することはアルゴンと比較してより困難な場合があります。結果として生じるアークは、特に低電流では安定性が低くなる可能性があり、非常に薄い材料の溶接にはあまり適していません。
目標に合った適切な選択をする
シールドガスの選択は、冶金要件、望ましい性能、および経済的現実の間のバランスです。
- アルミニウムやチタンのような反応性非鉄金属の溶接が主な焦点である場合： 安定したアークと優れた制御のために純粋なアルゴンから始めますが、厚い部分により大きな熱入力が必要な場合はヘリウムを混合に追加します。
- 厚い材料での高速または深溶け込み溶接が主な焦点である場合： 高ヘリウム含有混合物（例：ヘリウム75% / アルゴン25%）は、その熱性能のために優れた技術的選択肢です。
- 炭素鋼の費用対効果の高い溶接が主な焦点である場合： アルゴン/CO2混合物または純粋なCO2は、優れた結果をはるかに低いコストで提供するため、ほとんどの場合、適切な選択肢です。
最終的に、シールドガスの選択は、溶接作業の品質、速度、コストを直接制御する重要な変数です。
要約表：
| 特性 | ヘリウム | アルゴン |
|---|---|---|
| 化学的不活性 | 真に不活性（貴ガス） | 真に不活性（貴ガス） |
| 熱伝導率 | 高 | 低 |
| アーク特性 | より高温で広いアーク | より安定して狭いアーク |
| 主な利点 | 厚い材料での深い溶け込み、高速化 | 優れた制御、薄い材料に最適 |
| コスト | 高 | 低 |
適切なシールドガスで溶接プロセスを最適化する
適切なシールドガスを選択することは、溶接品質、速度、コスト効率にとって重要です。アルミニウムやチタンのような反応性金属を扱う場合でも、厚い部分に高い溶け込みが必要な場合でも、適切なガス混合物がすべてを変えます。
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