建築・土木で使われるGMAW（ガス金属アーク溶接）徹底解説：原理・装置・素材選定・品質管理・現場応用とトラブル対策

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

はじめに — GMAWとは何か

GMAW（Gas Metal Arc Welding）は、一般にMIG（Metal Inert Gas）／MAG（Metal Active Gas）溶接とも呼ばれるアーク溶接法の一つで、連続的に供給される金属ワイヤを溶融させ、シールドガスで溶融池を保護しながら母材を溶接する工法です。建築・土木分野では鋼構造物、橋梁、パイプライン、補修・オーバーレイなど多様な用途に用いられ、作業効率と溶接ビードの品質のバランスから広く採用されています。

GMAWの基本原理と構成要素

GMAWは次の主要な要素で構成されます。

  • 溶接電源：直流（DC）を用いるのが一般的で、電圧・電流を制御して溶滴の移行モードや溶け込みを調整します。
  • ワイヤ供給装置（フィーダ）：ワイヤ棒の給送速度が電流と直結するため、安定した給送が重要です。
  • 溶接トーチ：ワイヤを先端から送り出し、シールドガスを供給します。
  • シールドガス：溶融池を大気から保護し、溶接金属の化学組成や溶滴特性に影響します。
  • ワイヤ（フィラー）：ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ（FCW）、金属コアワイヤなどがあり、母材や目的によって選択します。

金属転移モードとその特徴

GMAWでは溶接ワイヤの金属が母材へどのように移行するか（転移モード）が品質と生産性を左右します。主なモードは以下のとおりです。

  • 短絡（短絡移行、Short-circuiting）：ワイヤ先端が母材と接触して短絡を繰り返す方式。低電流・低熱入力で薄板溶接や端部溶接に向く。ポジション作業に適しはみ出しが少ない。
  • グロビュラー（Globular）：比較的大きな溶滴が飛散しやすく、スパッタが多い。中厚板で使われることがあるが、欠陥や外観の面で不利。
  • スプレー（スプレーアーク）：小さな溶滴が高速度で連続的に飛ぶ方式で、高入熱・高溶着効率。平・下向き溶接で高能率だがポジション性が悪い。
  • パルススプレー（Pulsed-spray）：パルス電流制御でスプレーの利点をポジション溶接や薄板に適用する方式。スパッタ低減、熱入力制御、深い溶け込みの両立が可能。

シールドガスの選び方と影響

シールドガスは溶接金属の化学的状態、アークの安定性、溶着効率に大きく影響します。代表的な組成と用途は次の通りです。

  • アルゴン（Ar）単独：非活性ガスとして薄板・アルミニウム溶接に適し、アークが安定。MIG（アルゴンMIG）で多用。
  • アルゴン＋二酸化炭素（Ar+CO2）：一般的なMAGガス。CO2を含むと溶着効率は上がるがスパッタが増える。構造用炭素鋼で広く使用。
  • アルゴン＋酸素（Ar+O2）：微量の酸素添加でアーク安定化と濡れ性向上。ただし酸化の影響で特定材料に注意。
  • 三元混合（Ar+CO2+O2など）：特性の最適化に用いる。パルスや高性能ワイヤと組合せて高能率化を図る。

現場ではコスト、溶接品質、スパッタ量、残留応力への影響を勘案して選択します。ISO 14175はガス分類の国際標準です。

ワイヤ種類と用途

ワイヤは母材材質や目的（強度、靭性、耐摩耗、耐食など）によって選びます。代表は次の通りです。

  • ソリッドワイヤ（固形）：シンプルでコスト効率が高い。薄板から中板の一般構造用に多い。
  • フラックス入りワイヤ（フラックスコア、FCW）：フラックスがスラグ形成を助け、深い溶け込みや屋外施工で有利。高い溶着効率が得られるものもある。
  • 金属コアワイヤ：高生産用途で高溶着速度や特性を狙う場合に使用。
  • 材料別規格：炭素鋼用、低合金鋼用、ステンレス用、アルミ用などがあり、JIS/AWS/ISOの規格に沿った選定が必須。

工程パラメータと設定の基本

溶接品質は主に電流・電圧・ワイヤ送り速度・ガス流量・トラベル速度で決まります。重要な注意点は次の通りです。

  • ワイヤ送り速度は溶接電流と直結。一定速度でアーク長が変わるため、電源の調整と組合せて最適値を決定する。
  • 短絡移行では低電流・低電圧でスパッタが少なくポジション作業に有利。スプレーでは高電流・高電圧で高能率。
  • 溶接姿勢（平、縦、上向き、下向き）により最適パラメータが変わる。WPS（溶接手順書）に基づく設定が現場品質を安定させる。
  • 溶接熱入力（kJ/mm）は材料の歪み、残留応力、靭性に影響するため管理が必要。溶接速度と電流から算出可能。

建築・土木での主な適用例

  • 鋼構造物：梁・柱の現場溶接および工場での組立溶接に広く用いられる。高い生産性と比較的容易なオートメーション化が利点。
  • 橋梁・大型構造：厚板溶接ではフラックスコアドワイヤやパルスGMAWを用いて深い溶け込み・高能率化を図る。
  • パイプライン・サイロ：内面外面の補修やライニングなど、アクセス条件に応じたプロセス選択が行われる。
  • 補修・オーバーレイ：耐摩耗層や耐食層の付与にGMAW（特に硬質ワイヤや特殊フィラー）が使われる。

品質管理と検査

構造物の安全に直結するため、GMAWによる溶接は厳格なWPSやPQR（Procedure Qualification Record）、技能者資格、検査が求められます。主な検査法は以下です。

  • 外観検査：ビード形状、スパッタ、アンダーカット、欠陥の有無を確認。
  • 寸法・溶け込み確認：断面切断による破壊試験（溶接性評価）や溶け込み深さの確認。
  • 非破壊検査（NDT）：目視（VT）、超音波探傷（UT）、浸透探傷（PT）、磁粉探傷（MT）などを用途に応じて実施。
  • 機械的試験：引張・曲げ・衝撃試験（シャルピー）などで接合部の性能を確認。

よく起きる欠陥と対策

現場で頻出する問題とその原因・対策を整理します。

  • ピット・穴あき（ポロシティ）：ガス被覆不良、汚れ（油、錆）、湿気、適切なガス種・流量不足。対策として前処理（脱脂・錆除去）、ガス流量の確保、ワイヤ管理。
  • スラグ巻き込み：フラックス系ワイヤや不適切な反転操作、溶接姿勢。溶接手順改善と適切なスラグ除去。
  • アンダーカット：電流過大、過速トラベル、不適切なビード幅。電流・速度調整とトーチ角の見直し。
  • クラック（凝固割れ、冷却割れ）：高残留応力、急冷、材料の含炭率・硫黄、窒素。前加熱・適切な溶接間温度管理、低水素ワイヤ選定が有効。

安全管理と環境対策

GMAWは光、溶接ヒューム、ガスなどのリスクがあります。主な対策は：

  • 個人防護具（PPE）：遮光マスク、防護服、耐熱手袋、安全靴。
  • 換気・局所排気：溶接ヒュームは発がん性物質を含む場合があるため、局所排気（LEV）や十分な換気を確保する。
  • 火花・飛散対策：周辺機材の防火・着火源管理。
  • 高所作業・落下防止：足場・ワークポジショニングの適正化。

生産性向上と自動化の潮流

GMAWはロボット化・半自動化が進んでおり、次のような技術が普及しています。

  • シナジック・コントローラ：ワイヤ速度と電圧を連動させ、オペレータの調整を簡素化。
  • パルス制御技術：スパッタ低減とポジション溶接での安定化を両立。
  • ロボット溶接・多軸ポジショナ：繰返し精度の向上と生産性アップ、溶接品質の均一化。
  • デジタル監視：溶接パラメータのログ収集によりトレーサビリティと品質管理を強化。

設計・施工上の留意点（建築・土木視点）

現場での採用にあたっては、以下の点を考慮してください。

  • 構造安全性：溶接接合部は設計上の感受点になるため、適切なWPSと検査を計画する。
  • 現場条件：屋外・風の影響、湿気、温度に対するガス種とワイヤ保管を検討。
  • 溶接後処理：歪み矯正、応力除去、塗装前の前処理などを含めた工期管理。
  • 資格と技能：溶接技能者の資格要件（国際・国内規格）と教育訓練を体系的に実施すること。

規格・標準とトレーサビリティ

主要な規格や文書は以下が参考になります。施工会社はこれらに基づくWPS/PQR、材料トレーサビリティ、検査記録を整備することが必須です。

  • AWS D1.1（構造用鋼の溶接規格）
  • ISO 14175（溶接用シールドガスの分類）
  • ISO 14341（GMAW用ソリッドワイヤの規格）
  • ISO 15614（溶接手順の認定試験に関する基準）

まとめ — 現場での実践チェックリスト

GMAWを建築・土木現場で安定運用するための簡易チェックリスト：

  • 用途に応じたワイヤ・ガスの選定（材料・板厚・姿勢を考慮）
  • WPSに基づく電流・電圧・ワイヤ速度・トラベル速度の設定
  • 前処理（脱脂・サビ落とし）と適切なワイヤ保管
  • 局所排気・換気の確保とPPEの徹底
  • 溶接後の検査計画（VT/UT/PT/MT）と記録の保管
  • 技能者教育と定期的な機器メンテナンス

GMAWは汎用性が高く、設備投資に対する生産性の伸びが大きいプロセスです。一方で、適切なパラメータ管理・材料選定・検査体制を確立しないと、構造安全性に関わる欠陥につながる可能性があります。設計段階から溶接工程を考慮し、WPS／PQR、技能者資格、環境対策を含む全体管理で品質を確保してください。

参考文献

American Welding Society (AWS)

ISO 14175 — Gases for arc welding and cutting

ISO 14341 — Welding consumables — Solid wire electrodes for GMAW

ISO 15614 — Specification and qualification of welding procedures

The Welding Institute (TWI) — 技術記事と事例

Lincoln Electric — GMAW技術資料

The Fabricator — 溶接プロセス解説・現場事例

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