中国溶接

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中国の溶接　数日前、ある人が投稿で、ウクライナのバートン溶接研究所が広東で合弁企業を設立していると言っていました。ついでに、私が知っている中国の溶接の状況について簡単にお話しします。資料は古く、N年前に私の体がまだ第一線で働けていた頃のものです。また、特定の業種に限られており、国営の大規模製造業の状況についてのみで、民間企業や中小企業の状況は分かっておらず、一般性はありません。あくまで参考程度にしてください。 　　一般的に、溶接構造用鋼の使用量を、**産業の発展度や溶接技術の先進性を測る主要な指標**としています。現在、世界全体で平均して45％の鋼材は溶接を経て市場に出回る製品となっており、ドイツ、アメリカ、イギリス、日本などの国々では、溶接構造用鋼の使用量が自国の鋼材生産量の60％以上を占めています。我が国の工業の近代化が急速に進むにつれて、発電所のボイラーや圧力容器、船舶、建築工事、冶金装置、重機など、多くの大型構造物が大型化・規模化・高効率化している。その結果、溶接構造用の鋼材の需要も大幅に増加している。不完全な統計によると、2010年時点で我が国における溶接構造用鋼材の消費量は、同国の全鋼材消費量の45％を超え、世界平均を上回っていた。 　　現在、大手国有製造業において、大型工作機械やバルブ製造分野で、鋳造に代わって溶接を用いる技術や、鍛造・溶接に代わって鋳造を行う技術が広く採用されている。また、大型建築用鉄骨構造物、鉄道・道路橋梁、都市交通施設の建設においても、各種の高度な溶接技術が一般的に利用されている。 　　総じて、我が国の溶接技術は、ごく少数の工程や技術を除けば、全体的な技術水準は世界水準と大差なく、ドイツ、アメリカ、イギリス、日本に次ぐ第二グループに属しています。 　　溶接とは金属材料を接合することで、主に重機、電力設備、石油化学、交通運輸、建設工事、航空宇宙などの業界で利用されています。また、電子機器、家電製品、医療機器、通信工学などにも溶接に関する業務があります。 　　溶接学は、材料学、力学、熱処理学、冶金学、自動制御学、電子工学、検査学などを含んでいる。 　　一、我が国の溶接技術の発展の簡単な経緯　我が国の溶接技術は、ソ連からの156件の援助によって始まったもので、ソ連という「兄貴分」に直接指導を受けて発展してきたのです。ソ連が1960年に援助協定を破棄するまで、我が国には真の溶接技術や設備はなく、単にソ連の溶接技術や設備の利用者に過ぎなかった。 　　1972年になってようやく、我が国は独自にいくつかの溶接機製造工場を設立しました。現在、国内の大規模な一般用溶接機メーカーには、上海東昇、上海沪工、上海通用、ケルダ、山東山大奥太、榆次経緯などがある。 　　改革開放後、これらの大規模な溶接機械製造工場の技術者たちが引き抜かれ、江蘇や浙江地方に多くの中小規模の溶接機械製造工場が設立されました。しかし、彼らが主に生産するのは、単純な溶接操作機やローラーフレーム、変位機、反転機などで、自動化の度合いは比較的低いです。現在、中小規模の汎用溶接機器製造企業には、無錫漢神、上海ウェイトリー、上海華威、上海正特、南通富力、成都華遠、成都熊谷、成都焊研科技、重慶運達、唐山爍宝、広州烽火、深セン瑞凌実力、深セン瑞凌電器、深セン東山などがある。 　　80年代以降、西側諸国による我が国への技術封鎖が緩和され、一部の非軍用溶接機器の輸入が可能になった。我が国の一部の中央企業は技術革新プロジェクトの一環として、大量の溶接機器を導入した。これらの機器は自動化レベルが非常に高く（例えば、機械制御技術やPLC制御技術、数値制御システムが広く採用されており、本当に目を見張るものがあった）、精度も高い。これらの装置の導入により、我が国の自動溶接技術は大きく進歩しました。 　　1996年に我が国では溶接ロボットの大量輸入が始まり、2001年までに溶接ロボットの台数は1040台に達した。そのうちアーク溶接ロボットが49％、スポット溶接ロボットが47％を占める（現在、世界中で200万台未満のロボットが使用されており、その中で溶接ロボットが全ロボットの45％以上を占めている。我が国における溶接ロボットの割合も約50％に達している。2014年の中国のロボット保有台数は20万台で、そのうち10万台が溶接ロボットである――このデータは中国ロボット産業連盟のものだが、誇張されている可能性がある）。 　　現在、我が国の大規模な国有製造企業においては、稼働中の溶接機の多くが自動制御システム、知能化制御システム、ネットワーク制御システムなどを採用しており、操作ユニットとして溶接ロボットが広く使用され、溶接センターや溶接生産ライン、統合製造システムが構成されている。 　　現在、我が国の大規模な製造業において、溶接は単なる部品の接合や素材の加工から、製造業における精密加工手法の一つへと発展してきました。人の直接的な介入を必要としない溶接加工法や工程案、さらには溶接用機械装置や溶接システムの構造・配置も実現されており、溶接検査や組立検査の自動化も達成されています（つまり、人の直接的な関与がない自動溶接プロセスが実現されているのです）。 　　もちろん、中小企業や民間企業においては、手作業に頼った溶接が依然として広く見られる現象です。 　　現在、我が国の溶接技術は、単一の加工工程から、材料、構造設計、溶接工法、溶接設備及び工装具、溶接材料、溶接前処理、切断・下材加工、開先加工、溶接工程の策定及び関連規格、溶接生産、溶接プロセスの監視と管理、溶接後処理と塗装、検査、溶接環境保護、溶接継手の運用など、多岐にわたる技術プロセスを含む総合的な工学技術へと発展してきました。 　　二、我が国の大規模国有製造業における溶接技術の進歩
1、国有大規模製造業において溶接ロボットの導入とレーザー溶接技術の普及が一般的に実現

現在、我が国では中低端のアーク溶接ロボットがほぼ完全に国産化されている（センサー、数値制御システム、減速機、サーボモーターを含む）。また、産業用ネットワーク制御も実現しており、遠隔から溶接電流を精密かつインテリジェントに調整することが可能となっている。高級溶接ロボットにはまだ競争力がなく、主に数値制御システムの差が大きく、さらに製品の精度、寿命、信頼性にも大きな差がある。 　　現在、我が国で普及が進められているのは、レーザーおよびレーザー・アーク複合熱源溶接技術もです。 　　この工程は、高いエネルギー密度、高いエネルギー利用効率、高いアーク安定性、低い工具準備の精度、および低い溶接対象部品の表面品質を特徴とする。レーザーとアークという2つの独立した熱源の長所を組み合わせている。レーザー熱源は高いエネルギー密度、優れた指向性、および透明な媒体中での伝播特性を持つ。一方、アークプラズマは高い熱電変換効率、安価な設備コストと運用コスト、そして技術が成熟しているといった利点がある。これにより、金属材料がレーザーを強く反射してエネルギーが失われるという問題や、レーザー装置の高額なコスト、低い電気光変換効率といったレーザー熱源の欠点、また低いエネルギー密度や高速移動時の放電安定性の悪さといったアーク熱源の欠点も回避される。 　　現在、国内で複合加工に使用可能なレーザーには、CO2レーザー、YAGレーザー、半導体レーザーなどがあり、複合加工に使用可能な溶接アーク熱源には、TIG、MIG、MAG、プラズマアークなどがあり、これらはすべて完全に国産化されている。 　　しかし、アーク溶接機の中では交流アーク溶接機の割合が依然として高く、消費エネルギーの多い回転式直流溶接機も一定の割合を占めており、CO2溶接機の割合はさらに向上させる必要がある。 　　2、インバータ式溶接機は大規模な国営製造業で広く使用されている　インバータ式溶接機は20％～30％の省エネ効果があり、材料削減率は80％～90％に達し、多機能化や自動化、知能化を容易に実現できる。 　　インバータ式溶接機において、我が国の研究開発および生産技術は成熟しており、生産量や品種も急速に発展しており、現在では世界トップクラスに迫っています。その中で、インバータ溶接機における重要な部品であるインバータトランスは我が国の強みであり、現在、国内の高出力インバータ式溶接機ではほとんどがアモルファス鉄心を採用している。一方、海外では依然としてフェライト磁心が多く使われている。アモルファス鉄心はフェライトよりも材料コストや製造工程の面で優位性がある。 　　また、国有の大規模製造業では一般的に大電力インバータ技術が実用化され、1000Aまでのサブマージアーク溶接が可能になっている；アークガス切断や250A級のエアプラズマ切断などの技術が広く利用されている；インバータ式のCO2/MAG/MIG直流、パルス、交流方形波溶接装置は、出力の向上（最大630A）、波形制御、一元化調整、アーク発生・消弧制御などの技術を導入することでスパッタを減少させ、溶接品質を向上させ、高級な溶接構造物のニーズの一部を満たすことができる；我が国のインバータ式高性能溶接機では、DSPを代表とするデジタル制御技術がすでに広く採用されている。 　　高効率なアーク溶接技術が広く用いられており、例えばガスシールドアーク溶接（溶接部を保護するためにアルゴンガスを使用するアルゴンアーク溶接や、二酸化炭素を使用する二酸化炭素シールド溶接など）がある；タングステン極アルゴンアーク溶接（ステンレス鋼や高温合金の溶接によく使用される）； 　　プラズマアーク溶接など。 　　3. 国有大手製造業において、制御技術、知能化・自動化・半自動化溶接技術が基本的に普及している
現在、我が国では自動・半自動ガスシールド溶接機、サブマージアーク溶接機、抵抗溶接機などの製品を完全に国産化することができる。 　　工程上では主に二重ワイヤーサブマージアーク溶接が使用されており（国営の大規模製造業では50％～60％を占める）、この溶接法は溶接速度が高く、薄板の溶接時には3～6m/minという高速での溶接が可能で、通常の単重ワイヤー溶接法に比べて5～10倍の速さになる。厚板の場合はワイヤーの溶着率を向上させることができる；溶接品質が良く、例えばアルミニウム合金の溶接時には気孔の発生を大幅に減らすことができる；また、低炭素鋼、一般低炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムなどの金属材料の溶接にも使用できる。 　　また、プラズマ溶射技術も導入が進んでいる（プラズマ溶射とは、プラズマアークを熱源として金属表面に合金粉末を噴射し、スプレーガンとワークの相対的な移動に伴って液体の合金が徐々に固化し、合金溶射層が形成されるものである）。 　　ニアネットシェイプ溶接の新技術も普及しつつある（ニアネットシェイプ技術とは、部品が成形された後、ごくわずかな加工のみ、または加工なしで機械部品として使用できる成形技術を指す）。 　　4. 国有大手製造業において、高効率で省エネルギーかつ工程のデジタル化・自動化・知能化制御が可能なデジタル溶接機が普及しており、数値制御プラズマ切断機もすでに普及している（ただし、信頼性の高い切断用電源はまだ輸入に頼っている）。 　　例えば、現在の大規模な国営製造業で使用されているデジタル制御溶接機は、電流、電圧、アークポケット処理、ワイヤー径の選択など、90種類以上の設定パラメータを保存・再現する機能を備えており、産業用ネットワークを通じて溶接生産ラインを構築することも可能です。また、溶接専門家システムとのデータインターフェースも搭載されています。 　　5. 撹拌摩擦溶接技術の応用　　摩擦溶接とは、工作物の端面が互いに動き、摩擦することで生じる熱により端部を熱可塑性状態にし、その後迅速に押し付けて溶接を完了させる方法である。 　　摩擦溶接は、金属、一部の金属系複合材料、セラミックス、プラスチックを含む、同種または異種の材料を簡単に接合することができます。 　　初期の摩擦溶接法では、主に回転形状の部品が溶接対象でした。溶接対象となる部品の幾何学的形状に起因する制約を克服したり、生産性を向上させたりするために、位相摩擦溶接や放射状摩擦溶接、線形摩擦溶接など、他の形式の摩擦溶接技術も登場しましたが、実際の適用例はほとんどありません。 　　摩擦撹拌接合は、1991年にイギリスの溶接研究所によって発明された特許取得済みの溶接技術で、主にアルミニウム合金などの低融点材料の溶接に用いられます。 　　摩擦撹拌溶接もまた、摩擦熱と塑性変形熱を溶接の熱源として利用するもので、円筒形やその他の形状をした撹拌針が部品の接合部に挿入され、溶接ヘッドが高速で回転することによって部品の材料と摩擦が生じ、その結果接合部の材料が加熱されて軟化します。溶接中、撹拌針は回転しながら部品の接合部に深く入り込み、回転する溶接ヘッドと部品との間の摩擦熱によって溶接ヘッドの前方の材料が強く塑性変形します。そして溶接ヘッドが移動するにつれて、高度に塑性変形した材料が徐々に溶接ヘッドの後方に堆積し、これによって摩擦撹拌溶接の溶接部が形成され、同時に材料を撹拌・摩擦させることで溶接が完了します。 　　摩擦攪拌接合は、通常の摩擦接合技術の利点に加えて、さまざまな継手形状や異なる溶接位置での接合も可能である。 　　摩擦攪拌接合は装置への要求がそれほど高くなく、溶接ヘッドの回転運動とワークピースの相対運動だけでよいため、フライス盤一台でも小さな平板の突き合わせ溶接の要件を簡単に満たすことができる。しかし、溶接機器および治具の剛性は高い要求がされる。 　　摩擦撹拌溶接の過程では、ワイヤー、溶接フラックス、保護ガスなど、他の溶接に必要な消耗材は不要です。唯一に消耗するのは溶接撹拌頭です。 　　撹拌ヘッドの設計と材料は、撹拌摩擦溶接工程において重要です。撹拌ヘッドの硬度は、溶接対象材料の硬度よりもはるかに高くなければならず、これによって溶接時の撹拌ヘッドの摩耗を最小限に抑えることができる；撹拌頭の形状は、良好な機械的特性を持つ溶接部を得るための鍵である。 　　摩擦撹拌溶接時の温度が比較的低いため、溶接後の構造物の残留応力や変形は、溶融溶接に比べてはるかに小さい。特にアルミニウム合金の薄板を溶接する際、構造物の面外変形は非常に顕著であり、変形のない溶接技術を用いる場合でも、溶接後の冷却・加熱による形状修正技術を用いる場合でも、非常に手間がかかり、さらに構造物の製造コストも上昇する。 　　撹拌摩擦溶接は、主に溶接すると不良反応が生じる金属基複合材料、急速凝固材料、チタン、低炭素鋼、複合材料など、また亜鉛、アルミニウム、銅などの合金といった融点が比較的低い非鉄金属の溶接に用いられます。鋼材の場合、撹拌摩擦溶接を行うには事前に補助加熱が必要だが、このときの撹拌摩擦溶接のコストは従来の溶融溶接よりも高くなる。現在、摩擦攪拌接合はアルミニウム合金や銅合金への応用がますます広がっており、溶接可能な厚さの範囲は1mmから75mmに及びます。現在では、アルミニウム同士の複合材料の溶接、アルミニウムとマグネシウムの複合材料の溶接、銅とアルミニウムの複合材料の溶接などに広く利用されています；鋳造アルミニウム合金とカーボンシリコン複合材料の溶接。 　　摩擦攪拌接合では、平接ぎ、立接ぎ、上向き接ぎ、下向き接ぎなど、さまざまな位置での溶接が可能であり、突合せ継手、隅肉継手、重ね継手など多様な形態の溶接継手を形成できる。さらに、厚さが異なる構造物や多層材料の接合、さらには異種金属材料同士の溶接も行うことができる。 　　しかし、摩擦攪拌接合にはいくつかの欠点があります。例えば、被溶接物は剛性を持って固定される必要があり、裏面には支持板が必要なため、直線的な構造や円筒形構造といった単純な構造の部材の溶接にしか適用できません。また、溶接中には被溶接物をしっかりと支持したり、緩衝材を使用する必要もあります；腐食特性や残留応力、変形を考慮しなければならない一部の特殊分野においては、現時点では適用できない；板材を1回の接合で行う場合、効率は溶融溶接に比べて著しく低い；しかもコストが高く、撹拌ヘッドの摩耗が早すぎる。 　　ノルウェーは、世界で初めて商業的に摩擦撹拌接合技術を導入した国であり、厚さ3～15mm、サイズ6×16のアルミニウム合金製の船体板を溶接することができます。 　　1998年、アメリカのボーイング社の宇宙・防衛ラボでは、一部のロケット部品を溶接するために摩擦撹拌溶接技術が導入されました。この技術は、デルタ運搬ロケットの推進剤タンクを製造するために用いられています。 　　我が国の中国航空工業集団に属する北京航空製造工程研究所は、2002年にイギリスの溶接研究所から撹拌摩擦溶接の特許技術ライセンスを取得し、中国撹拌摩擦溶接センター（北京サイフォースト技術会社）を設立して撹拌摩擦溶接の実用化に取り組み、現在では実際に利用されている。 　　現在、サイフォスト社は60セット以上の摩擦攪拌接合装置を開発に成功し、縦継ぎ目溶接、円周継ぎ目溶接、キーホールレス溶接、変断面溶接、自己支持型両面溶接、空間3D曲線溶接、摩擦攪拌点溶接、リフィル点溶接、摩擦攪拌接合による表面改質処理、摩擦攪拌接合を用いた超塑性材料加工など、多様な接合加工方法および技術を確立している。 　　摩擦攪拌接合技術は現在、我が国の航空、宇宙、船舶、列車、自動車、電子、電力などの産業分野で広く応用されており、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、鋼などの金属材料の溶接にも一般的に使用されている。例えば、我が国の宇宙用円筒構造部品、航空機用薄肉構造部品、船舶用幅広いリブ付き板、高速鉄道車両の車体構造、厚板レーダーパネル、自動車用ホイール、コンテナ用型材壁板、各種構造用放熱器やヒートシンクなどに、摩擦攪拌接合技術が用いられている。 　　6、高精度かつ大厚板の切断技術は、大規模な国営製造業で広く利用されている。高精度かつ大厚板の切断には、主にレーザー切断とプラズマ切断がある。 　　レーザー切断では現在、CAD/CAPP/CAMや自動制御が広く利用されており、加工速度に応じてレーザー出力やレーザーモードを適応的に制御したり、工程データベースや専門家による適応制御システムを構築することで、レーザー切断機全体の性能を向上させることができる。 　　一部の大企業では、すでに多機能なレーザー加工センターを有しており、レーザー切断、レーザー溶接、レーザー熱処理などの各工程を一体化させ、レーザー加工の総合的な利点を最大限に活かしている。 　　我が国の大規模な国有製造業で現在使用されているレーザー切断装置は、主に三次元高精度の大型NCレーザー切断機であり、レーザー切断ユニットのFMC化、無人化、自動化が実現されている。 　　プラズマアーク切断とは、高温のプラズマアークの熱によって被削材の切断部の金属を局部的に溶融（および蒸発）させ、高速のプラズマの運動量によって溶融した金属を排出して切断面を形成する加工方法です。 　　プラズマ切断は、異なる作業ガスを使用することで（一般的に用いられるプラズマアークの作業ガスにはアルゴン、水素、窒素、酸素、空気、水蒸気などがある）、酸素切断では切断が困難なさまざまな金属を切断でき、特にステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン、ニッケルなどの切断効果はより優れている。厚みの薄い金属を切断する際、プラズマ切断は高速であり、例えば一般的な炭素鋼の薄板を切断する場合、その速度は酸素切断法の5～6倍に達し、かつ切断面は滑らかで熱変形も少ない。 　　7. 特殊な工事条件における特殊材料の溶接技術が突破を遂げる
高温・低温、石油化学、海洋環境、原子力、航空宇宙、酸アルカリ腐食など、特殊な工事条件の下で、超高強度鋼、アルミニウム合金、チタン合金といった特殊な工事用材料の溶接技術が大きく進歩し、基本的に国産の設備や溶接材料のみを使用して作業を完遂できるようになった。 　　8. 一式揃った専用溶接装置の量産が実現し、基本部品や補助部品においても技術的突破が達成された。汎用製品の分野では、すでに海外の先進水準に近づいているか、あるいはそれを超えている。

現在、我が国の大手企業が製造する溶接装置は、以下の用途に適している：
・超臨界および超々臨界火力発電機組向けの新種耐熱鋼の溶接
・各産業分野向けの超低炭素ベイナイト高強度鋼および超高強度鋼の溶接
・低温液化石油ガス（LPG）や液化天然ガス（LNG）貯蔵タンク向けの低温鋼の溶接
・X70、X80、X100といった高強度パイプライン鋼の溶接
・高層建築物の鉄骨構造や大スパンの鋼橋向けの高性能高強度鋼および高強度耐大気腐食鋼の溶接
・石油精製設備や水素化分解設備向けの新種高強度耐熱鋼の溶接； 　　および高性能フェライト系ステンレス鋼や二相ステンレス鋼の溶接など。 　　また、各種の高性能な溶接補助材料も製造できる。 　　9．溶接材料の生産水準が急速に向上し、製品構造に大きな変化がある　我が国のワイヤーの生産量は既に世界一であり、近年では製品構造が最適化され、付加価値の低いワイヤーの生産量は減少し、半自動・自動溶接用のワイヤーの生産量が増加している。現在、大規模な国営製造業で消費されている溶接材料のうち、溶接棒の割合は20％未満となっており、ガスシールドワイヤーの使用割合は50％を超えています。 　　我が国の溶接材料における現在の主な問題は、品質の安定性が世界水準に及ばないことであり、そのため一部の重要なプロジェクトや国防関連のプロジェクトでは国産の溶接材料を使用したがらず、高合金鋼、ニッケル基合金、その他の合金用のガスシールド式実心ワイヤーやサブマージアーク溶接用ワイヤー、さらには超高温圧力容器や超臨界火力発電所のボイラーに使用される溶接材料といった、高価な輸入品に頼らざるを得ない状況にある。 　　溶接材料の品質安定性は、溶接材料メーカーの生産設備、検査手法、および品質管理システムによって決まります。これは実際には技術的な問題ではなく、管理上の問題であり、設備や工程の問題でもありません。 　　現在、我が国の溶接材料の生産量と鋼材の生産量の比率は約0.9％で、既に先進国の水準に近づいています。 　　10、溶接工程の自動化および溶接生産の自動化が進展　我が国では現在、実験室段階にある溶接自動化システムが以下のことを実現できる：　（1）システムのコントローラーおよびソフトウェアシステムは非常に高い情報処理速度を持ち、電気機械装置は優れた制御精度を有する（ロボットや溶接操作機の移動機構の位置決め精度は0.1mm、移動速度の制御精度は0.1％に達する）。 　　（2）システムの構造はモジュール化された設計であり、異なるユーザーのシステム機能に対する要求に応じてモジュールを組み合わせ、さまざまな制御機能を提供することができる。 　　（3）このシステムは、センサ技術、コンピュータ技術、およびインテリジェント制御技術を活用することで、さまざまな複雑な環境や変動する溶接条件のもとでも、高品質かつ高効率な自動溶接を実現する。指示に従って自動溶接を行うだけでなく、溶接対象物の開先幅を連続的に測定することで、各層の溶接ビード数や関連するパラメータ、被覆層の位置などを決定できる。また、開先の底部から被覆層までのすべての溶接ビードは、溶接機が自動的に位置を調整し、溶接を完了させる。 　　（4）このシステムはフレキシブル製造システムとしても構成でき、設備の性能を十分に発揮させ、同種製品の異なる規格のワークの生産ニーズに応えることができる。 　　（5）本システムは産業用ネットワークを通じて制御の統合を実現し、生産管理と溶接プロセスの自動制御を一体化させることで、オフラインプログラミングや遠隔監視、診断、保守を可能にする。 　　（6）システム構造、ハードウェア回路チップ、インターフェースが標準化・汎用化されており、システムの拡張や周辺機器の互換性を実現できるだけでなく、システムのメンテナンスにも有利である。