ティグ溶接機（TIG）｜不活性ガスで低入熱・高品位溶接

2025.09.20

ティグ溶接機（TIG）

ティグ溶接機（TIG）は、タングステン非消耗電極と不活性ガスでアークを安定保持し、必要に応じてフィラワイヤを手送りまたは自動で供給して高品質な溶接継手を得る装置である。英語ではGTAW（Gas Tungsten Arc Welding）とも呼ばれ、薄板から高合金、非鉄金属まで対応範囲が広く、低スパッタ・低希釈・優れた外観を特徴とする。電源は一定電流特性のインバータ式が主流で、プリフロー/ポストフロー、ソフトスタート、スロープダウン、クレータフィル、パルス制御などの機能を備える。

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原理とプロセスの特徴

TIGは非消耗電極である純タングステンまたは希土類酸化物を含むタングステン電極先端と母材間でアークを形成し、アルゴンを中心とした不活性ガスで溶融池と電極周囲をシールドする。フィラ金属は必要に応じて溶融池へ添加するため希釈を制御しやすく、熱入力と溶け込みの独立制御が可能である。電極は溶けないため溶融池への電極成分混入を最小化でき、チタンやニッケル合金などの高反応性材でも高品位な継手が得られる。

装置構成

  • 電源部：CC（一定電流）特性のインバータ電源。AC/DC切替、パルス、HFスタート、2T/4T、リモート電流制御（フットペダル/トーチダイヤル）を備える。
  • トーチ：コレット・コレットボディ・セラミックノズル・バックキャップで構成。水冷式は高電流や長時間溶接に適する。
  • ガス系：アルゴンを基本に、条件によってヘリウムや混合ガスを併用。レギュレータとフローメータで流量を管理する。
  • アクセサリ：アースクランプ、ワークリード、フィラワイヤ、バックシールド用治具、オービタル機構など。

極性と電源設定

鋼・ステンレス・チタンではDCEN（直流正極性、電極マイナス）を用い、集中したアークと深い溶け込みが得られる。アルミニウム・マグネシウムではACを用い、EP側で酸化皮膜を除去しながら溶接する。近年のインバータACはバランス（EP/EN比）、周波数、波形を可変とし、ビード幅や浸透を最適化可能である。パルスTIGはベース電流で冷却・形状安定を図り、ピークで溶け込みを確保する。

始弧とガスシールド

HFスタートは高周波で非接触始弧が可能でタングステン先端の損耗を抑える。高周波が使えない環境ではリフトスタートを用いる。アルゴンのプリフローはシールド空間の置換、ポストフローは溶融池と電極先端の酸化防止に有効である。典型的な流量は8〜15 L/min、ノズル径とスタンドオフに応じて調整する。

適用材料と用途

薄板の精密溶接、配管のルートパス、圧力容器や化学装置、航空宇宙部品、金型補修、医療機器などで用いられる。自動化ではオービタルTIGが配管の全周溶接に普及し、クリーンな裏波形成のためのバックシールド（チタンやステンレスの裏面保護）も一般的である。自溶接（フィラなし）により極めて小さな熱影響での接合も実現する。

タングステン電極の選定

  • 材質：純タングステン、ランタン、セリウム、ジルコニウム酸化物添加など。放射性のトリア入りは取り扱いに注意する。
  • 径：1.0/1.6/2.4/3.2 mmが一般的。想定電流域に合わせて選定する。
  • 先端形状：DCでは尖鋭（半頂角60〜90°）でアーク集中を高め、ACでは先端に微小ボール形成を許容する。

継手品質と欠陥対策

ポロシティは脱脂不足やガス流の乱れで発生しやすいため、溶接前の油分・水分除去、適正流量、ドラフト対策が重要である。タングステン混入は先端の接触や過電流が原因で、電極径と先端角、アーク長の適正化で抑制できる。アンダーカットや余盛り不良はトーチ角度（5〜15°）とトラベルスピード、パルス条件の見直しで改善する。

代表的パラメータの目安

  • 溶接電流：板厚1 mmあたり30〜50 A（材質・開先・熱伝導で補正）。
  • アーク長：電極径の約1〜1.5倍。
  • トーチ角度：進行方向へ5〜15°の前傾。
  • ガス流量：ノズル径#6〜#8で8〜15 L/min、風のある環境では多少増やす。
  • ポストフロー：電流と電極径に応じて3〜10 s。

安全と環境

強い紫外線による眼炎や皮膚障害を防ぐため遮光面と防護具を着用する。アルゴンは不活性であるが置換による窒息危険があるため換気と漏えい対策が必要である。金属ヒュームやオゾンの管理、感電・火傷防止、HFの電磁干渉対策にも留意する。タングステン研磨粉じんは集塵し、適切に廃棄する。

自動化と品質管理

ロボットTIGやオービタル装置は電流波形・トーチ姿勢・ワイヤ供給を同期制御し、再現性を高める。ビジョンセンサやアークセンサでトーチ追従を行い、電流・電圧・ガス流量・温度履歴をデータロギングして溶接手順書（WPS）と紐づけたトレーサビリティを確保する。治具剛性と熱歪管理は寸法精度を左右する重要要素である。

運用上のコツ

表面酸化皮膜の除去と脱脂を徹底し、バックシールドやトレーリングシールドで裏面とビード後方を保護する。フィラワイヤ端面は清浄に保ち、溶融池前縁に静かに差し入れる。リモート制御では開始電流を低めに、移行部や板厚変化点で逐次補正することでビード均一性を向上できる。

よくある機能名称

  • 2T/4T：トーチスイッチの保持動作。
  • HF/Lift：始弧方式。
  • Pre/Post Flow：シールド開始前後のガス供給。
  • Upslope/Downslope：電流立上げ/立下げ。
  • Pulse：ピーク/ベース電流の周期制御。

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