アルミニウム合金は、密度が低く、比強度や比剛性が高く、耐食性に優れていることから、近年急速に台頭している工学用金属材料として、航空宇宙、自動車、船舶などの分野で広く使用されています。 。
しかし、溶接性の悪さや溶接時の形成層の性能の低下などの一連の問題により、アルミニウム合金構造部品の開発が制限されています。 したがって、アルミニウム合金の溶接技術は、国内外の多くの学者の主要な研究方向の1つとなっています。
アルミニウム合金の性能概要
アルミニウムは非常に軽い金属材料で、密度はわずか 2.7g/cm3 で、これは鋼鉄の密度の約 36% です。 機械部品の製造にはアルミニウム合金が使用されており、大幅な軽量化が可能であり、軽量化、省エネ、排出ガス削減の効果が得られます。
アルミニウム合金の比強度と比剛性は、45鋼やABS樹脂よりも優れています。 アルミニウム合金材料の使用は、高い剛性が要求される一体型コンポーネントの製造に役立ちます。
アルミニウム合金は熱伝導性、導電性、耐食性に優れています。 A380 アルミニウム合金およびその他の材料の性能パラメータを表 1 に示します。
アルミニウム合金は切削性が良く、リサイクル性にも優れています。 最も切れやすいマグネシウム合金の切削抵抗係数を1とした場合、その他の金属の切削抵抗は表2に示すとおりです。アルミニウム合金の切削抵抗は、銅、鉄に比べて低いことがわかります。などの材質に対応しており、切断加工も比較的容易です。
アルミニウム合金の溶接特性
アルミニウム合金の物理的および化学的特性の影響を受けるため、溶接プロセスには特定の困難が伴います。 現在のアルミニウム合金溶接には、主に熱応力、アブレーション蒸発、固体介在物、気孔崩壊などの問題があります。
熱応力
アルミニウム合金は、熱膨張係数が高く、弾性率が小さいです。 溶接プロセス中、アルミニウム合金の大きな変形と大きな線膨張係数により、凝固時の体積収縮率は約6パーセントであり、冷却速度と溶融池の初晶化速度が速いため、溶接部の内部応力と溶接継手の剛性。 大きくなると、アルミニウム合金継手の内部応力が大きくなりやすく、溶接応力や変形が大きくなり、亀裂やうねり変形などの欠陥が発生します。
アブレーション蒸発
アルミニウムの融点は660度、沸点は2647度で、銅や鉄などの他の金属元素よりも低くなります。 溶接プロセス中、溶接温度が高すぎると、図 1 に示すように、特に高エネルギービーム溶接で爆発が発生し、スパッタが発生しやすくなります。また、アルミニウム合金に添加される合金元素の一部は、沸点が低いため、溶接時の瞬間的な高温で蒸発して燃焼しやすく、爆発によって発生する飛沫によって液滴の一部も奪われ、必然的に溶接面積が変化します。 化学組成は溶接継手の性能規制には適していません。 したがって、高温アブレーションを補償するために、溶接時には、母材よりも沸点元素の含有量が高い溶接ワイヤまたはその他の溶接材料が使用されることがよくあります。
固体包有物
アルミニウムの化学的性質は非常に活性が高く、酸化しやすいです。 溶接プロセス中に、アルミニウム合金の表面は酸化されて、高融点（約 2050 ℃）の Al2O3 が形成されます。一方、アルミニウムの融点は 660 ℃であり、これは非常に異なります。 酸化物は緻密で硬度が高く、溶融池領域の低密度の溶融合金液に混合されるため、微細な固体スラグが形成されやすく排出されにくく、溶接部の構造に影響を与えるだけでなく、しかし、電気化学的腐食も容易に発生し、溶接継手の機械的特性が低下し、Al2O3 が溶融池と溝を覆い、合金の溶接に深刻な影響を及ぼし、溶接継手の微細構造と特性を低下させます。
気孔崩壊
アルミニウム合金の融点は酸化物に比べて非常に低く、その性質は活発で酸化しやすい性質を持っています。 溶接プロセス中、アルミニウム合金は高温で溶解するため溶融池が形成されます。 溶融池表面のアルミニウムが酸化されて酸化膜が形成され、固体の状態で溶融池を覆う。 溶解後の酸化皮膜の色はアルミニウム合金溶湯の色とあまり変わらず、酸化皮膜に覆われているため、溶接中にアルミニウム合金溶融池の溶け具合を観察することは困難です。そのため、温度が高くなりすぎて溶接熱の影響が発生しやすく、大部分が崩壊し、溶接金属の形状や性質が破壊されます。
溶接熱源の瞬間的な高出力の作用により、合金液中に多量の水素ガスが溶解します。 溶接完了後、溶融池の温度が低下するにつれてガスの溶解度も徐々に低下し、これが溶接工程におけるポアの主な原因となります。 理由。 アルミニウム合金の凝固速度は速すぎて密度が低いため、溶接部の急速凝固中にさまざまなサイズの水素細孔が形成されます。 これらの気孔は溶接プロセス中に蓄積および拡大し続け、最終的には目に見える大きな気孔が形成され、接合部の構造特性が低下します。 もちろん、気孔は溶接プロセス中に必ずしも形成されるわけではありません。 鋳造加工技術の影響により、鋳造加工中に母材自体にも気孔が発生します。 溶接中、入熱や内圧は常に変化しており、母材本来の気孔が拡大したり、気孔同士が結合して溶接気孔を形成します。 溶接入熱が増加すると、気孔も増加します。 したがって、水素の発生源を管理するために、溶接材料は使用前に厳密に乾燥される必要があります。 溶接中は、電流を適度に増加させて溶融池の存在時間を長くし、水素が析出するのに十分な時間を与え、気孔の発生を抑制する。
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図2 気孔の形成と収束
アルミニウム合金溶接技術の分類
アルミニウム合金の適用範囲の拡大に伴い、ますます多くの問題が浮き彫りになっています。 研究の進歩に伴い、アルミニウム合金の溶接技術は大きく発展してきました。 現在、主にタングステン・アルゴンアーク溶接（TIG）、溶融不活性ガス溶接（MIG）、レーザー溶接（LBW）、摩擦撹拌溶接（FSW）が待機しています。
ガスタングステンアーク溶接
タングステン不活性ガス溶接 (TIG) は、代表的な不活性ガスシールド溶接であり、最も一般的に使用される溶接方法です。 溶接時はタングステン電極と溶接面を電極とし、両電極間に保護ガスとしてヘリウムやアルゴンガスを流しアークを保護し、瞬間的な高電圧放電によりワイヤと母材を溶かします。アルミニウム合金部品の溶接および成形、溶接および鋳造欠陥の修復。
主に次の技術的特徴があります。
操作が簡単で、柔軟で制御可能で、さまざまな作業条件や環境に適応でき、低コストです。
熱影響部が狭く、十分なワイヤ送給条件下での溶接継手の変形が小さく、継手の総合性能が高い。
溶接プロセスのパフォーマンスは良好で安定しており、溶接シームは緻密で美しいです。
ミグ溶接
MIG (GMA-ガスメタルアーク溶接) と TIG はどちらも不活性ガスシールド溶接です。 違いは、TIG溶接がタングステン電極を固定電極として使用するのに対し、MIG溶接は充填ワイヤ材料自体を電極として使用することです。
アルミニウム合金の金属不活性ガスシールド溶接では、溶接ワイヤの電極先端に電圧と電流が作用し、電極と母材の間に瞬間的に高い圧力が発生し、母材と母材が溶解します。溝に沿って進むと、ワイヤーの端の液滴が落ちて母材に垂直に移行します。 材料の溶融池には溶接部が形成されます。
しかし、アルミニウム合金のミグ溶接は、アルミニウムワイヤが柔らかいためワイヤ送給性が悪く、溶接中に溶融したアルミニウムが「垂れ下がるが垂れない」現象が発生しやすく、溶接が容易であるため、適用プロセスは比較的限られています。飛沫が飛散する原因となります。 MIG溶接はTIG溶接に比べて溶接が早く、大きなワークを溶接する際の溶接移動範囲が小さいという利点があります。 ワイヤの送給速度を調整することで、溶接効率は毎分数メートルに達する可能性があります。
レーザー溶接
レーザー ビーム溶接 (レーザー ビーム溶接 LBW) では、高エネルギーのレーザー パルスを使用して、狭い領域の材料を局所的に加熱します。 レーザー照射のエネルギーは熱伝導によって材料の内部に拡散し、材料が溶融して特定の溶融池が形成されます。 固化後、材料は一つに接続されます。
レーザー溶接の利点は、溶接作用点が小さく、高出力の熱源が集中しているため、厚板の溶接が可能であり、熱影響部が狭く、溶接変形が小さいことです。 しかし同時に、レーザー溶接には溶接の位置決め、高価な溶接機器、および高い溶接コストに対する高い要件があります。 アルミニウムやマグネシウムなどの金属材料はレーザーの反射率が高く、直接溶接が困難です。
異なるパワー密度のレーザーを材料に照射すると、ワーク上のパワー密度が 107W/cm2 以上に達すると、加熱ゾーンの金属が非常に短時間でガス化し、そのガスがワークピース内の小さな穴に収束することがわかります。小さな穴が熱伝達の中心となり、小さな穴の近くに溶融池が形成されます。これがレーザー深溶け込み溶接の「キーホール」効果です。 この現象による溶融池の凹凸を回避するには、レーザーエネルギーを下げる、溶接速度を上げる、またはナゲット部の再溶解を制御して溶融部の気泡を除去し、ポアの発生を低減することが考えられます。 。
摩擦撹拌溶接
摩擦撹拌接合 (Friction Stir Welding、FSW) は、伝統的な摩擦接合技術に基づいた新しいタイプの固相接合技術です。 溶接界面では、撹拌ヘッドが溶接シームに沿って前進すると、溶接材料の温度が上昇し、機械的撹拌と据え込みの作用により可塑化金属が強い塑性変形を起こし、緻密な固相接合を形成します。拡散および再結晶化後。
従来の溶接方法と比較して、FSW テクノロジーには次の利点があります。
溶接温度が低く、溶接変形が小さい。
溶接部の良好な機械的特性。
溶接プロセスは簡単で経済的で環境に優しいです。
主な問題と研究の焦点
アルミニウム合金がますます多くの産業に応用されるにつれ、その修理接続の問題もますます多くの学者の注目を集めるようになりました。 アルミニウム合金のさまざまな溶接試験を通じて、修理技術の成熟度が業界の開発ニーズをまだ満たしておらず、まださまざまな問題が残っていることがわかりました。
現在、ガスタングステンアーク溶接と金属イナートガスシールド溶接が最も広く使用されている2つの溶接方法ですが、これら2つの技術は熱影響部が広く、溶接金属を溶かしてから凝固させる必要があるため、溶接に影響を与えます。構造。 大きくなると残留応力が大きくなり、接合部の機械的性質に重大な影響を及ぼします。 レーザー溶接のエネルギービーム密度は高く、溶接部の深さと幅の比は大きいですが、気孔が非常に形成されやすく、コストが高いため、用途の普及も制限されています。 摩擦撹拌接合は、熱の問題を解決する方法であるが、比較的大きな据え込み圧力と前進駆動力が必要であり、一般に装置が複雑かつ大型であるため、その開発には限界がある。
関連トピックに関する今後の研究の焦点は、次の側面にあるはずです。
溶融溶接の基本から始めて、溶接ワイヤの配合を調整し、希土類元素を追加するか、適切な量の溶接活性剤を選択して、溶接変形を制御し、応力を軽減し、気孔の形成を減らします。
合金の範囲と用途の拡大により、通常、合金は異種材料と組み合わせて使用されるため、高品質の継手を得るには異種金属間の重ね溶接実験を実行する必要があります。
最適な溶接性能を得るために、TIGレーザーハイブリッド溶接やレーザー複合摩擦撹拌溶接などの複合熱源の溶接性を研究します。
