1 プリアンブル
マグネシウム合金は、軽量、高強度、低価格であるだけでなく、制振性、鋳造性、導電性、電磁波シールド性、放熱性にも優れており、多くの工業製品に使用される金属材料となっています。 現在、マグネシウム合金は、航空業界のコックピットフレーム、機器ブラケット、ホイールハブなどの支持力の小さな部品に広く使用されています[1]。
最新の大規模製造装置の変革とアップグレードに伴い、軽量マグネシウム合金構造部品の需要が非常に高まっています。 しかし、マグネシウム合金の溶接には欠陥が多く、高い成形品質と高い総合性能を備えた溶接継手を得るのは困難です。 本論文は、マグネシウム合金の溶接欠陥の原因を分析し、その予防策を提案するものであり、マグネシウム合金材料の普及と応用に役立ち、製造装置の分野において実用的意義がある。
2 マグネシウム合金の溶接工程
マグネシウム合金の一般的な溶接プロセスには、溶融溶接と固相溶接が含まれます。 溶融溶接には主にタングステンアルゴンアーク溶接、金属アルゴンアーク溶接、電子ビーム溶接、レーザー溶接などが含まれ、固相溶接は主に摩擦撹拌溶接です。 中でも、摩擦攪拌溶接は、溶接前の準備作業が少なく、シールドガスや溶接材料が不要、全姿勢溶接、溶接部の機械的特性が良好、溶接後の応力が小さいなどの利点により、好ましい溶接方法となっています。変形。 しかし、摩擦撹拌溶接は、溶接部をしっかりと固定する必要がある、溶接速度が遅い、撹拌ヘッドの摩耗が早い、溶接端にキーホールができやすいなどの欠点があるため、溶融溶接が一般的な溶接方法となっています。 。
3 マグネシウム合金の溶接欠陥解析
マグネシウム合金は、蒸発しやすい、酸化しやすい、窒化しやすい、熱応力が大きいなどの欠点があり、溶接時にさまざまな溶接欠陥が発生することがよくあります。 気孔、熱亀裂、変形などの一般的な欠陥の原因と予防策を整理します。
3.1 気孔
(1) 発生原因 融接部の溶接部にはポアが発生することが多いです。 たとえば、図 1 は、通常のダイカスト AZ91D マグネシウム合金アルゴン タングステン アーク溶接継手の溶接シームの気孔形態を示しています。 水素ガスが支配的な微視的な細孔と、窒素が支配的な絡み合った巨視的な細孔の 2 種類があります [2]。
気孔の形成原因は主に 2 つあります。1 つは溶接池内の冶金反応により発生した不溶性ガスが凝固したデンドライト結晶の間に集まり、排出されにくく気孔が形成されることです。 もう1つは、溶融池が一部を吸収して溶解するためです。凝固段階では、溶融池温度の急激な低下に伴いガスの溶解度が急激に低下し、成長するデンドライトの先端にガスが集まりやすくなり、デンドライトに沿って気孔が形成されます。結晶層。
マグネシウム合金の溶融溶接中、気孔は主に溶存水素から生じますが、溶融池内の水素は主に母材、溶接ワイヤ、またはアーク柱雰囲気の周囲の水分から生じます。 マグネシウム合金は熱伝導率が高く、溶融池の凝固速度が非常に速いため、水素が抜けて気孔が形成されます。 同時に、マグネシウム合金の表面にはMgO皮膜が形成されやすくなります。 Mgの含有量が多いほどMgOの量が多くなり、MgOはAl2O3や他の酸化物よりも緩くなり、水を吸収しやすくなり、細孔が形成されやすくなります。
現在、溶融不活性ガスシールド溶接 (MIG) 溶接部の気孔率は最も高くなります。 これは、MIG 溶接が溶接ワイヤの継続的な溶解に依存しており、溶接ワイヤ内の酸化皮膜が付着水を溶滴中に強力に溶解し、その結果溶融池が水素化されるためです。 。 電子ビーム溶接とレーザー溶接も溶接部の気孔率が高くなります。これは、これら 2 つの方法では溶接入熱が少なく、溶融池の冷却速度が速く、溶融池内の水素が逃げる時間がないためです。
(2) 予防措置 溶接前処理：機械洗浄と化学洗浄を組み合わせて、母材および溶接ワイヤ表面の酸化皮膜や油汚れを可能な限り除去します。 乾燥方法を使用して、母材および溶接ワイヤの表面の水分を可能な限り除去します。 環境内での溶接は避けるようにしてください。
溶接パラメータの最適化: 溶接パラメータは、溶融池内でのガスの流出および溶融の状態に影響を与える可能性があります。 溶融条件よりもエスケープ条件が良好な場合には、気孔率を小さくすることができる。 図 2 に LF6 アルミニウム - マグネシウム合金の気孔率傾向と溶接パラメータの関係を示します [3]。 溶接電流と溶接速度を大きくすると、気孔率の低減につながります。
保護雰囲気には適度な酸化性があり、水素溶解防止の観点から、ArやHeなどの溶接保護用の不活性ガスに少量のCO2やO2を添加すると気孔率の低減に役立ちます。
3.2 熱亀裂
(1) 発生原因 熱亀裂の最も一般的なものは凝固亀裂と液状亀裂です。 凝固亀裂とは、凝固温度が固相線付近まで低下したときに、溶接金属間に残った液膜が剥離することによって発生する亀裂です。 液状化亀裂とは、スリット付近が過熱されると結晶間相が液相に溶け、液膜が剥離して亀裂が生じる現象です。 例えば、図 3 は ZK60 マグネシウム合金のレーザー溶接における溶接速度の違いに応じた溶接部の凝固亀裂の状態を示しています[4]。
溶接プロセス中、主な合金元素であるマグネシウムは、アルミニウム、銅、ニッケルなどの微量元素と容易に反応して、低融点の共晶化合物を形成します。 凝固中、脆性温度範囲では、これらの未凝固共晶が液膜の形で粒子間に分布し、粒子間の結合力が大幅に低下します。 マグネシウム合金は熱膨張係数が大きいため、溶接時の熱変形が大きく、凝固時に大きな収縮応力がかかります。 粒界液膜はこの収縮応力に抵抗しにくく、亀裂が入りやすく凝固亀裂が生じやすい。 同様に、マグネシウム合金の熱伝導率とひずみ速度は比較的大きく、溶接熱サイクルにより継ぎ目付近の粒界相が急速に溶解し、粒界の機械的特性が低下し、亀裂が発生しやすくなります。ストレス。
(2) 防止策 母材および溶接ワイヤ中の元素含有量の調整：母材および溶接ワイヤ中の偏析しやすい元素や有害な不純物の含有量を制限し、マクロ偏析や低融点第二相の発生を最小限に抑える溶接部で。
溶接パラメータの最適化: 適切な溶接速度を選択することにより、図 4 に溶融池の形状と溶接速度の関係を示します [3]。 低速溶接の場合、溶融池は楕円形であり、柱状結晶が溶接部の中央までヘリンボーン状に成長するため、偏析した脆弱表面が形成されにくく、熱亀裂の傾向が小さい。 しかし、高速で溶接すると、溶融池が涙滴状になり、柱状結晶が溶接軸に対して垂直に成長し、合わせ面に偏析弱面が形成されやすくなり、その傾向が見られます。熱亀裂が大きい。 また、溶接入熱を適切に低減することで結晶粒径を微細化し、粒界相を小さくすることや、冷却速度を低減することで溶接部の凝固ひずみや収縮を遅くすることにより、溶接部の溶損の発生を低減することができます。熱亀裂。
合理的な拘束制御：拘束を制御することで関節への負担を極力軽減します。 たとえば、適切な溶接順序を選択します。 溶接順序が不適切な場合、最後の数回の溶接は大きな拘束状態となり、自由収縮が困難になり、ひずみ量が大幅に増加し、亀裂が発生しやすくなります。
3.3 変形
(1) 形成原因 マグネシウム合金は熱伝導率が高く、熱膨張係数が大きいため、溶接シーム部の冷却速度が速く、収縮応力により溶接シーム付近や母材が変形しやすく、最終形状や母材が変形しやすくなります。サイズ変更。 たとえば、図 5 は、ノズルのすみ肉溶接がシリンダーのガース溶接に近すぎるため、アルミニウム - マグネシウム合金が凹状に変形していることを示しています [5]。
(2) 予防策 溶接構造を最適化します。溶接位置を合理的に配置し、各溶接に十分な放熱スペースを確保し、その領域に溶接が過度に集中しないようにします。 溶接の適切な形状とサイズを選択します [6]。
剛性と固定性の向上：マグネシウム合金板を溶接する場合、専用の治具、支持棒などの器具を使用してマグネシウム合金板を作業台に固定します。 溶接後室温まで冷却した後、ハンマリング法を用いて溶接応力の一部を解放し、その後、剛体固定を除去します。
溶接前の予熱：溶接前の予熱により母材の温度が上昇し、溶接時の溶接金属と周囲の母材との温度差が小さくなり、溶接収縮による内部応力が軽減されます。
合理的な溶接順序を選択します。構成部品をいくつかの小さなユニットに適切に分割し、それぞれの小さなユニットを個別に溶接してから、小さなユニットを全体として溶接します。これにより、非対称の溶接または大きな収縮を伴う溶接が収縮することなくより自由に収縮できます。 構造全体に影響を与えます [7]。
反変形制御: 溶接変形のサイズと方向を推定し、溶接組立中に反対方向と同じサイズの人工変形を設定します。これにより、溶接によって発生する変形は、事前に設定された反変形によって相殺されます。
3.4 その他の欠陥
(1) 穴 摩擦撹拌接合の溶接部には穴が発生することがよくあります。 たとえば、図 6 は、AZ31 マグネシウム合金の摩擦撹拌溶接シームのボイド欠陥を示しています [8]。 マグネシウム合金を溶接する場合、溶接入熱が不足すると溶着金属の塑性変形が不十分となり、材料の流動性が悪く、溶接部の内部が完全に閉じられずに穴が開いてしまいます。 溶接入熱が大きすぎると撹拌ヘッドが発生し、先端側の溶接材料が膨張して溢れ、裏込めが不足して穴が発生します。 ネジ山のない円柱状や円錐状の撹拌ヘッドを使用すると、溶接部の材料の塑性変形が不十分となり、穴が発生しやすくなります。 溶接速度と撹拌ヘッドの回転速度を合理的に制御して溶接入熱を調整したり、撹拌ヘッドの形状を適切に選択したりすることで、穴欠陥の発生を回避できます。
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図6 AZ31マグネシウム合金の摩擦撹拌接合部の気孔欠陥（ASが前側、RSが後側）[8]
(2) 溶け落ち 融着継手の溶接シーム部では、溶け落ちがよく発生します。 酸化マグネシウムの融点は高く、マグネシウム合金の融点は低いため、両者を貼り合わせると融合することが困難になります。 マグネシウム合金板を溶接する場合、溶接部の溶けを観察することは困難です。 入熱が異常な範囲まで増加すると、溶融池の色は大きく変化しませんが、このとき溶融池下の未溶解金属は受ける応力に耐えられず、溶け落ちが発生します。 溶接前にマグネシウム合金の表面を十分に洗浄し、溶け込み欠陥の発生を避けるために洗浄後はできるだけ早く溶接してください。 さらに、溶接パラメータを最適化して溶け込み深さを制限することにより、溶け込みを回避することもできます。
4 マグネシウム合金の溶接欠陥の典型的な事例分析
厚さ6mmのGW63Kマグネシウム合金をそれぞれレーザー溶接と電子ビーム溶接で溶接しました。溶接シームの巨視的外観をそれぞれ図7と図8に示します。 2 種類の融着溶接シームには、マグネシウム合金の融点が低く、熱膨張係数が大きく、溶接入熱が大きいため、スパッタやアンダーカットなどの明らかな欠陥が発生します。 後続の方法を使用して溶接入熱を減らすことができます。 プロセスの最適化。
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図7 GW63Kマグネシウム合金のレーザー溶接シームの肉眼的形態
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図8 GW63Kマグネシウム合金の電子ビーム溶接継目の肉眼的形態
