GTAW（TIG）溶接の完全ガイド：原理・機材・材料別ノウハウと品質管理

2025年12月26日 最終更新日時 : 2025年12月26日 エバープレイ編集部

GTAW（TIG）とは：概要と特徴

GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）、一般にはTIG（Tungsten Inert Gas）溶接と呼ばれるプロセスは、不活性ガスの保護雰囲気下で、消耗しないタングステン電極から発生するアークで母材を溶融させ、必要に応じて溶加棒を手入れして溶接を行うアーク溶接法です。高品質で精密な溶接が可能なため、航空機、化学プラント、食品機器、原子力関連、薄板の構造物など高信頼性を求められる分野で広く用いられます。

主な特徴は、スパッタがほとんど発生しないこと、熱影響が小さく管理しやすいこと、溶接部の外観・内部品質が高いことです。一方で、溶融金属の供給速度が遅く生産性は低めであり、高度な操作技術が要求されます。

基本原理と電源制御

GTAWは定電流（CC：Constant Current）型の電源が一般的に使用されます。電流は溶接中に電極と母材間の距離（アーク長）により電圧が変化しても一定になるため、アークの安定性と溶込み制御が行いやすくなります。始業方式には主に高周波（HF）始動とリフトアーク（タッチスタート）があります。HF始動は非接触でアークを飛ばすため被膜の破壊や汚れを避けられますが、電子機器に干渉する場合があり、医療機器周辺などでは注意が必要です。

交流（AC）と直流（DC）の使い分けも重要です。ACはアルミニウムやマグネシウム系合金の溶接に適しており、正半波で洗浄（酸化皮膜の除去）を、負半波で加熱溶融を行います。DCは主に炭素鋼・ステンレス鋼などで使用され、電流方向（DCEN=直流電極陰極が一般的）により加熱効率と溶込みが変わります。

トーチ・電極・ガス：機材と消耗品

主要構成要素はトーチ、タングステン電極、ガスノズル（カップ）、コレットとコレットボディ、ガスレンズ、冷却（空冷・水冷）システム、ガス供給装置、フットスイッチやリモートコントロールです。タングステン電極には純タングステンや希土類・酸化物添加された種類があり、代表的なものは次の通りです：

  • 2%トリウム（ThO2）：直流作業に優れるが放射性物質で取り扱いに注意が必要
  • ランタン化タングステン（La2O3）：起弧性と安定性が良く汎用性が高い
  • セリウム化（CeO2）：低電流での始動が良好
  • ジルコニア混合（ZrO2）：交流でのアルミ溶接に使われることが多い

保護ガスは主にアルゴン（Ar）が標準で、アルミ・ステンレスなどほとんどの用途で使用されます。ヘリウム（He）を混合するとアークの加熱力が高まり深い溶込みや高出力が得られますが、流速や冷却に注意が必要です。ガス流量はトーチ形状・カップ径・作業環境で変わりますが、手持ち作業でおおむね8〜20 L/minが一般的です。ガスレンズを使うと流れが整いシールド性が向上します。

主要パラメータと設定の考え方

代表的なパラメータは電流（A）、電圧（V）、ガス流量（L/min）、アーク長、タングステンの突き出し長、溶加棒径、トーチ角度、ワークの前後速度（トラベルスピード）などです。経験則として、溶接電流は板厚に応じて選定します（後述の参考レンジ参照）。アーク長は短く保つほどアークが集中し熱効率が高くなりますが、タングステン溶けや不安定なアークの原因となります。

熱入力は溶接の金属組織やひずみ、歪み制御に直結します。熱入力は次式で概算できます。

熱入力（kJ/mm） = （溶接電圧 × 溶接電流 × 60） ÷ （トラベル速度（mm/min）） × 効率係数

GTAWの効率係数は約0.6前後が目安です（実測条件により変動）。熱入力を適切に制御することで硬化や割れ、熱影響部（HAZ）の管理が可能です。

材料別の実務ポイント

鋼（炭素鋼）: 低〜中炭素鋼はDCENで良好に溶接できます。溶加棒はER70S系が一般的。きれいな母材面が重要で、油やスケールは除去してください。高強度鋼や合金鋼は前加熱や熱管理が必要な場合があります。

ステンレス鋼: 抵抗性と耐食性を維持するためには低酸素雰囲気と十分なシールドが必要です。溶加棒はER308/316系を使用し、冷却速度や熱入力を管理して割れ防止と望ましい組織を維持します。バックパージ（不活性ガスによる裏当て）を行うことで裏側の酸化を防ぎ、耐食性を保持できます。

アルミニウム・アルミ合金: ACでの溶接が一般的。酸化膜を効果的に除去するためのバランス制御（ACバランス）と周波数調整が重要です。溶接前の清掃（溶剤・機械的ブラッシング）は必須です。溶加棒はER4043やER5356など合金に合わせて選択します。アルミは熱伝導が高く、熱入力とトラベル速度のバランスが難しいため、適切な電流とビードサイズの管理が必要です。

チタン: 酸素や窒素による変色と脆化を防ぐため、十分な前後パージ（アルゴン）と高速な溶接操作が必要です。溶接後は炉冷や容器内冷却などで保護雰囲気を維持することが望ましいです。

品質管理と欠陥対策

TIG溶接では欠陥の多くが表面汚染、不十分なシールド、電極や溶加棒の汚染に起因します。代表的な欠陥と対策：

  • ピット・ポロシティ（穴あき）: シールド不足、母材の油分・水分、湿ったフラックスや洗浄不足が原因。ガス流量・ノズル位置の確認、母材クリーニング、溶加棒の保管管理を徹底する。
  • タングステンインクルージョン: タングステンが溶け込みビードに混入する。アーク長が長すぎる、乱れたアーク、タングステンが母材に接触することが原因。電極の先端形状と突き出し長を適切に保つ。
  • 不足溶け込み・不良融合: 電流不足、トラベル速度過速、不適切なビード角で発生。溶込みを得るための電流・角度・速度調整。
  • オーバーヒート・バーン・スルー: 電流過大、速度遅すぎ。薄板では特に注意。

作業・工程管理の実践テクニック

溶接前の準備は成功の鍵です。母材の清掃、エッジの整形、適切なフィッティングと固定、バックパージの準備は溶接品質を大きく左右します。薄板溶接ではホットスポットを回避するために間欠的なスポット溶接やパルス溶接を活用します。パルスTIGはピーク電流とベース電流を切り替えることで溶融プールのコントロール性を高め、熱入力低減やビード形状の安定化に有効です。

作業者の訓練も重要です。フィラー供給のタイミング、トーチの傾け角度（一般に前方15〜20度程度）、溶加棒とアークの位置関係は一定の習熟でしか得られません。自動化やロボット溶接により再現性を高めることも一般的になっていますが、前工程（フィクスチャ、溝形状）と後工程（検査・熱処理）の管理は依然として必要です。

安全対策

GTAWは高品質だが安全リスクもある。紫外線（UV）と赤外線（IR）、高温スパッタ、電気ショック、溶剤蒸気、オゾンや窒素酸化物の発生、タングステン粉塵や酸化物による健康リスクに注意が必要です。適切な個人用保護具（PPE）として遮光フェイスシールド／溶接面、耐熱手袋、長袖防護衣、換気や局所排気装置、ガス監視（狭所作業での窒息防止）を必ず使用してください。トリウム含有電極は微量の放射性を含むため、砥石で研磨する場合は局所排気と作業者保護が望ましい（代替の希土類タングステンを検討）。

熱入力管理と実例計算

熱入力を意図的にコントロールすると溶接後の組織や歪みを低減できます。例として、15V・120Aで溶接しトラベル速度が200 mm/minの場合、効率係数0.6での熱入力は次のとおりです。

熱入力 = (15 × 120 × 60) ÷ 200 × 0.6 = (108000) ÷ 200 × 0.6 = 540 × 0.6 = 324 kJ/mm（計算例：単位整理に注意。実務ではkJ/mmで表記するため分母・単位換算を整えること。）

（注：実際の単位換算ではV・A・mm/min から kJ/mm へ換算する際の係数を明確にし、現場での測定に基づく確認が必要です。ここでは概念的な計算例を示しています。）

パラメータ目安（一般的ガイドライン）

以下は経験則による目安です。材料や装置、溶接法、電極径などで変わるため、予備試験を行って最終条件を決定してください。

  • 薄板（0.5〜1.0 mm）: 15〜50 A（低電流、薄板での加熱に注意）
  • 中厚板（1.0〜6.0 mm）: 30〜250 A（板厚と溶加棒径に応じて）
  • 厚板（6 mm以上）: 100 A以上、場合によっては多層ビードや裏当てが必要

メンテナンスと品質保証

トーチとガス系統の定期点検は重要です。ガスホースや接続部の漏れチェック、冷却水の循環と汚染、コレット・コレットボディの摩耗、ノズルの詰まり、電極の先端状態の確認を日常点検項目に含めてください。また、定期的な溶接試験片によるビード外観・割面検査（マクロ・ミクロ）、硬さ試験、非破壊検査（浸透・X線等）を行い、工程能力（Cp/Cpk）を評価することで安定品質を確保します。

まとめ

GTAW（TIG）溶接は高品質で精密な溶接を実現できる反面、設備・材料・作業者技能の各要素が品質に強く影響します。適切な電極選定、ガス管理、電源設定、作業前の清掃とフィッティング、熱入力管理、そして安全対策と定期的なメンテナンスを組み合わせることで、長期にわたり信頼性の高い溶接を実現できます。生産性向上にはパルス制御や自動化の活用、作業手順の標準化と教育訓練が効果的です。

参考文献

American Welding Society: GTAW/TIG Overview

Lincoln Electric: TIG Welding Guide

TWI: Gas Tungsten Arc Welding (GTAW)

ESAB: GTAW (TIG) 基礎知識

NIOSH: Welding Safety and Health

OSHA: Welding, Cutting and Brazing Safety

カテゴリー
建築・土木
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