建築・土木で使われる溶接の基礎と実務ガイド：種類・設計・品質管理・安全対策を詳解

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

はじめに

溶接は建築・土木分野における主要な接合技術であり、橋梁や建築鉄骨、配管、重機、補修工事など幅広い用途で用いられます。本稿では、現場設計や施工監理、品質管理、保守を担当する技術者・施工者向けに、溶接の基本原理から代表的な溶接法、材料特性、溶接欠陥と対策、品質保証（WPS/PQR、技能資格）、非破壊検査、現場施工上の注意点、安全対策、特殊溶接（アルミ、ステンレス、鋳鉄、潜水溶接）までを体系的に解説します。

溶接の基本概念と金属接合のメカニズム

溶接は局所的に母材を加熱して溶融あるいは塑性変形させ、溶加材（フィラー）を用いて一体化する接合法です。接合部は母材、溶接金属（WM）、溶融熱影響域（HAZ）に分かれ、それぞれの材料組成・組織が強度や靭性に影響します。溶接では熱入力、冷却速度、溶加材の化学成分、前熱・後熱処理などが最終的な機械的特性を決定します。

代表的な溶接法と特徴

  • 被覆アーク溶接（SMAW）: 一般土木で広く使われる。設備が簡便で携帯性が高い。屋外・現場作業に向くが、スパッタやスラグ除去が必要。
  • ガスシールドアーク溶接（MIG/MAG）: 自動化・半自動化が可能で生産性が高い。MAGは炭酸ガス等を使い鉄鋼に、MIGはアルゴン系でアルミに適する。
  • TIG溶接（GTAW）: アルミやステンレスなど高品質が要求される箇所で採用。溶接ビードがきれいで精密だが生産性は低い。
  • 埋弧溶接（SAW）: 高い溶接速度と深い溶込みが可能で、プレファブ（工場での製作）や大梁の継手に適するが屋外施工は制限される。
  • 抵抗溶接: スポット溶接やシーム溶接があり、自動車や薄板の工程で多用。建築では応用範囲が限定される。
  • アセチレン・酸素溶接（酸素燃焼）: 現在は減少傾向だが小修繕や加熱前処理で使用されることがある。
  • 特殊環境下の溶接: 潜水溶接（ウェット/ドライ）、真空中や極低温環境での溶接など特別な条件下で行われる。

材料別の留意点

主材料ごとに溶接時の注意点が異なります。

  • 一般構造用鋼: 炭素含有量や合金元素により溶接性が変わる。高強度鋼では割れやすさが増すため前熱や低水素電極、適切な熱入力管理が必要。
  • ステンレス鋼: 熱による沈殿物や感熱による脆化（熱影響でのクロム炭化）に注意。適切な溶接金属選定と冷却管理、必要なら溶接後の固溶化処理が有効。
  • アルミニウム: 高熱伝導率で溶けやすく、酸化被膜の除去が必要。TIGやMIG（アルゴンシールド）での施工が一般的。
  • 鋳鉄: 脆性や亀裂の発生に注意。プレヒート、低熱入力、適合するフィラー（ニッケル系など）を用いた段階的加熱・冷却が望ましい。
  • 鉄筋（補強材）: 建築基準により継手施工の方法が指定される。溶接式継手には専用の条件が必要で、ひび割れ抑制のための管理が重要。

溶接欠陥と発生原因・対策

主な欠陥は嚢熱割れ（冷割れ）、ピットや巣、未溶け込み、スラグ巻き込み、ポロシティ（気孔）、オーバラップなどです。原因と対策の例を挙げます。

  • 冷割れ（水素割れ）: 高い水素濃度、急冷、応力集中が原因。低水素電極、適切な前熱・後熱、溶接順序の工夫で対処。
  • 未溶け込み・未融合: 不適切なビード設計、低熱入力、誤った角度や不十分なグルーピング。適正な溶接パラメータとフィッティング精度が重要。
  • 気孔: 汚れ、油分、湿気、被覆電極の劣化が原因。前処理の徹底と電極管理、シールドガス品位向上。
  • スラグ巻き込み: スラグ除去不良や不適切な溶接法。各層間でのスラグ除去を徹底。

溶接設計と接合形式

継手形式は用途に応じて選択します。主なものは突合せ継手（ブット）、Ｔ字フィレット、コーナー継手、エッジ継手など。設計では必要強度、応力伝達、溶接量（肉盛量）、アクセス（溶接が届くか）を勘案し、溶接記号や段取りを定めます。

溶接記号と図面指示は正確に行い、溶接方向、根元ギャップ、面取り角度、溶接順序を明示します。曲げや引張が支配的な部位は完全溶け込み突合せで仕上げることが一般的です。

溶接手順と資格・規格（WPS/PQR、熟練資格）

溶接品質を確保するには溶接手順書（WPS）と手順試験（PQR）、技能者の資格（溶接士資格）に基づく管理が不可欠です。国際的にはISO 15614（溶接手順の検証）やISO 9606（溶接技能者の資格）が広く参照されます。各国・地域や構造物別には追加の規格や基準（例: AWS D1.1 鋼構造用溶接規格、各国土木・建築基準）が適用されます。日本国内では日本溶接協会や建築基準法、各種JIS規格が参照されます。

非破壊検査と受入れ試験

溶接部の検査は視覚検査（VT）、浸透探傷（PT）、磁粉探傷（MT）、超音波探傷（UT）、放射線透過検査（RT）などがあります。用途に応じて検査方法と頻度をWPSや設計仕様で規定します。橋梁や高荷重部材などはより厳格な検査が必要です。

熱管理・残留応力と変形対策

溶接は局所加熱により残留応力や変形（歪み）を生じます。対策として前熱、後熱処理（PWHT）、段取りによる溶接順序制御、対称溶接、締め付け治具の活用、焼鈍・応力除去熱処理、機械的矯正などが用いられます。大型部材では溶接による寸法変化を計算して治具設計を行うことが重要です。

現場施工と工場製作の使い分け

現場溶接はアクセス制限・天候・溶接環境の変動などのため品質管理が難しくなります。可能な限り工場でのプレファブ（高品質な環境下での溶接）を採用し、現場では結合作業や最終的な接合・補修に留めるのが望ましいです。現場溶接では防風・防雨対策、地面の接地や電源、シールドガス供給の安定化に留意します。

安全管理と作業環境

溶接は火花・スパッタ、紫外線、溶接ヒューム、シールドガス漏えい、電撃、作業高所事故など多くのリスクが伴います。主な対策は次のとおりです。

  • 個人防護具（PPE）: 溶接面、遮光フィルタ、耐炎服、耐熱手袋、防塵マスクまたは呼吸用保護具。
  • 局所排気・換気: ヒュームの発生源近傍での排気が最も有効。
  • 火災予防: 可燃物の遮蔽、消火器の配置、ホットワーク許可制度の運用。
  • 電気安全: 接地と絶縁、機器の定期点検。
  • 高所作業対策: 転落防止具、足場の確保。

溶接後処理と防食対策

溶接後にはスラグ除去、ビード整形、表面処理（グラインディング、パッシベーション）、必要に応じた熱処理（応力除去）を行います。防食対策としては溶接部の防錆塗装、亜鉛めっき（溶接後の補修めっき）、耐食クラッドや溶射などが用いられます。異種金属接合では電気化学的腐食（接触腐食）に留意し絶縁措置や材料選定を行います。

特殊領域のポイント

  • アルミニウム溶接: 酸化膜除去、適切なシールドガス、溶接順序で歪みとピットを抑制。
  • ステンレス溶接: 熱影響での脆化対策、固溶化処理の検討。
  • 鋳鉄の修理溶接: 予熱・段階冷却、適切なフィラー選定が肝要。
  • 潜水溶接: ウェット溶接は一時的修復向き、ドライ（ハイパーバリック）溶接は品質が高いがコスト高。

品質管理の実務的な進め方

実務では以下のフローを確実に運用します。設計段階で溶接仕様を確定 → WPSとPQRの作成・承認 → 溶接者の資格確認 → 材料・消耗品の入荷検査 → 施工中の工程内検査（VT等） → 所定の非破壊検査（UT/RT等） → 完成検査と修正 → 引渡し書類（検査記録、WPS/PQR、溶接者証明）の保管。記録とトレーサビリティは長期の維持管理で重要です。

自動化と今後の動向

溶接ロボットや半自動機器、溶接シミュレーション、熱入力管理システムの導入が進んでいます。これにより品質の均一化と生産性向上が期待できます。さらに、材料科学の進展により高強度鋼や耐候性鋼、複合材料の接合技術も発展しています。

まとめ

建築・土木における溶接は構造安全性と耐久性を左右する重要工程です。適切な溶接法の選択、溶接設計、熱管理、品質保証体制、検査・メンテナンス、現場安全管理を体系的に運用することが不可欠です。特に高荷重部材や耐久性が要求される部分では規格準拠の手順と記録の徹底が求められます。

参考文献

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建築・土木
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