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こちらの記事では、スタッド溶接についてご紹介いたします。

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スタッド溶接とは

金属同士をつなぎ合わせる方法は、「機械的接合」と「冶金的接合」があります。それぞれ使用するエネルギーによってさまざまな接合方法があり、それぞれの特徴に応じて使い分けられています。

冶金的接合には「融接」や「圧接」、「ろう接」などがあり、スタッド溶接は融接の中の一つです。

スタッド溶接は、スタッド材と母材との間に電流を流すことで生じたアーク放電によって、スタッドと母材を溶融・接合させる溶接方法です。

幅広い分野で使用されており、建築や土木、自動車産業、板金加工などに欠かせない技術です。

スタッド溶接の原理

スタッド溶接は、以下の原理・手順によって金属同士を接続します。

まず、スタッドと金属板（母材）を接触させ、電流を流した専用のスタッド溶接用ガンを使って、スタッドと金属板の間に高温で強い光を発するアークを発生させます。それによって、スタッド先端と金属板が溶融するため、圧力を加えて接合させます。

さらに、溶着した金属を冷却して、フェルール（溶接部を保護するセラミック製治具）を除去して完成です。

スタッド溶接の特徴3つ

スタッド溶接工法は、古くからある優れた溶接工法です。しかし、全面的に普及することはなく、他の工法に代用される傾向にあります。理由は、後述するスタッド溶接のデメリットが要因であると考えられます。

しかし、別の方法が採用されたことにより、時間と手間がかかったり、多くのねじを必要としたり、小型・軽量化の障害となることもあります。

そんな優れた溶接方法であるスタッド溶接の特徴を見ていきましょう。

スタッド溶接の特徴1：母材への影響が少ない

スタッド溶接のメリットの一つは、母材である金属板に与える影響が少ないことが挙げられます。

「アーク溶接」の中の「消耗電極式」には、被覆アーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、エレクトロガスアーク溶接などがあります。

そのような同じ種類のアーク溶接と比較すると、溶接に要する時間が短く、母材に溶接痕が残りにくい特徴があり、これは大きなメリットとなります。

スタッド溶接の特徴2：短時間で溶接できる

スタッド溶接のメリットは、溶接に要する時間が非常に短く、作業者や材料への負担が少ないことです。

スタッド溶接の溶接時間は、軸径19mmで約1秒と非常に短いため、生産性も高くなります。火花や高温になるなど危険性が高いものの、作業時間が極めて短いことで作業者の負担が軽減されます。

スタッド溶接の特徴3：難しい操作が不要

スタッド溶接の溶接方法は、特に難しい操作が必要ありません。そのため、溶接品質が作業者の技術に大きく影響を受けることはなく、溶接機の条件設定さえ誤らなければ、作業者間の品質のバラツキが少ないと言えます。

特に技術者の育成に時間を要する産業においては、操作性の簡易さは工法を選ぶ際重要な要素となります。

スタッド溶接3つの方式

多くの工法があるアーク溶接ですが、スタッド溶接の中でも工法が分かれます。スタッド溶接の工法には、主にショートサイクル方式、電力アーク方式、CD（コンデンサ）方式の3つの方式があります。

いずれの方法も特殊な材料を必要とせず、溶接時間が極めて短いにもかかわらず一定の溶接強度が得られ、ボルトやピンをしっかりと溶接することが可能です。

ここからはそれぞれの溶接方法の特徴や活用例を見ていきましょう。

スタッド溶接方式1：ショートサイクル方式

ショートサイクル方式は、直流電流を流して融解する電力アーク方式と同様の原理ですが、電力アーク方式より短い時間でスタッド溶接を行う方法です。

ショートサイクル方式は、防錆のために外板に亜鉛メッキが施された材料を用いて、その亜鉛メッキを溶融させ溶接します。

ショートサイクル方式は、主に自動車産業で活用されています。

ショートサイクル方式の使用例

ショートサイクル方式は主に自動車産業で活用され、車体パネルなどの溶接に使用されます。一般的にガソリン車やディーゼル車を製造するには約3万点の部品が使われますが、多くのクランプやクリップなどの部品の装着・固定にもスタッド溶接が欠かせません。

また、短い溶接時間と操作性の簡便さというメリットを活かしたスタッド溶接のショートサイクル方式は、工場の流れ作業に適しています。

スタッド溶接方式2：電力アーク方式

電力アーク方式は、直流電源を使用してスタッドを融解・溶接する方法です。溶接時間は100～1000msと短いながらも、ショートサイクル方式に比べて強度な溶接が可能です。

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そのため、厚い金属板などの母材にスタッド径がM6からM25の太いボルトやナットを溶接できます。

そのような特徴を生かして、主に土木・建築現場などで活用されています。

電力アーク方式の使用例

スタッド溶接の電力アーク方式は、その強固な溶接力を利用して、マンションや企業ビルなど身近な建築物の基礎に使用されています。例えば、鉄筋建築物のアンカーベース、杭頭接合、合成梁、耐震補強梁などの接合部分です。

また、液化天然ガス貯蔵タンクなど各種プラントなどでも使用されており、多くの現場施工に最適です。

スタッド溶接方式3：CD（コンデンサ）方式

CD（コンデンサ）方式は、ショートサイクル方式や電力アーク方式と異なり、交流電源から充電したコンデンサを用いて融解・接合を行います。

溶接に要する時間が1～3msと極めて短く、母材が薄い金属板の場合でも変形やひずみ、裏やけなどが発生しにくいのがメリットです。さらに、非鉄材料にも対応できるため、主に精密部品の板金加工に活用されます。

CD（コンデンサ）方式の使用例

特に材料に影響が少ないスタッド溶接のCD方式は、薄板が使用されたり繊細な作業が必要な制御盤製造や板金化粧などの溶接に最適です。

また、CD方式は比較的細いスタッドを使って影響が少ないため、自動販売機や自動改札機、給油スタンドの器具など、精密機器に広く活用されています。

スタッド溶接のデメリット4つ

上記の通り、多くのメリットがあり、広く活用されているスタッド溶接ですが、他の工法に代用される事例も多く、全面的に普及しているわけではないことは前述した通りです。

その原因は、スタッド溶接の欠陥や不具合の発生でしょう。溶接の欠陥には内部欠陥と表面欠陥がありますが、スタッド溶接は両者とも発生するリスクがあります。さらに、その他のデメリットもあります。

スタッド溶接にはどんなデメリットがあるか確認しましょう。

スタッド溶接のデメリット1：スタッド溶接できない部分もある

金属部品の中にはスタッド溶接が可能な位置と不可能な位置が存在するため、制限があることがデメリットの一つです。

設計する際は、スタッド溶接ができない部分を別の溶接方法で代用するか、もしくはスタッド溶接をするために位置をずらす必要があります。

近年それを解消するための技術は開発されつつあり、スタッド溶接のさらなる普及が期待されているものの、そのような制限が依然として存在するのが現状です。

スタッド溶接のデメリット2：接合部が取れてしまうこともある

スタッド溶接の欠陥や不具合としてもっとも多いのが、溶接後ねじを締め付ける際に接合部が取れてしまう事例です。このような不具合がなくならないため、スタッド溶接の信頼性が低下し、別の工法に取って代わられることになります。

このような事例を防ぐには、しっかりとした条件管理と統一した検査方法の整備が必要になります。

スタッド溶接のデメリット3：明確な検査方法がない

スタッド溶接のデメリットの一つは、部品の明確な検査方法がないことです。

一般的に溶接後の検査には、溶接部表面の検査と溶接部内部の検査があり、それぞれ検査法が存在しますが、スタッド溶接に関しては、前者は目視で行う外観検査、後者は溶接されたスタッドをハンマーによる打撃で所定の傾きになるまで曲げる曲げ検査が主流です。

破壊検査ではない、科学的かつ非破壊性の明確な検査方法の整備が期待されています。

スタッド溶接のデメリット4：板金屋の溶接条件管理が難しい

板金工場などで働く作業者の多くは、溶接に関する科学的知識が乏しく、溶接条件の設定・遵守・管理などが難しいのが現状です。そのため、スタッド溶接においても条件管理のミスによる欠陥や不具合が起こる可能性があります。

また、日本のスタッド溶接技術はアメリカやヨーロ ッパなどで使われている、世界で標準的な技術と大きく差があることも、条件管理を難しくしている要因の1つと言われています。

スタッド溶接について理解しよう

スタッド溶接は古くからある優れた工法であり、幅広い分野で欠かせない技術となっています。

一方で、欠陥や不良などのケースが見られ、別の工法に置き換えられる事例もあります。また、メーカーによって独自の溶接技術や検査方法のノウハウを持ち、スタッド溶接の品質・精度に差が出る場合もあります。

スタッド溶接のメリット・デメリットをよく理解し、上手に取り入れていきましょう。

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