アルミニウム溶接: テクニック, パラメーター & アプリケーション

1. 導入

アルミニウム溶接は、現代の製造において極めて重要な役割を果たします, 航空宇宙から自動車までの産業を支えています.

メーカーが軽いとプッシュするとき, より効率的な構造, 彼らは、アルミニウムの高強度比率にますます依存しています.

しかし, アルミニウムのユニークな冶金特性 - 高熱伝導率, 低融点, そして粘り強い酸化物層 - 明確な溶接の課題になります.

この記事で, アルミニウムの溶接性の基礎を探ります, 重要なプロセスを調査します, 一般的な欠陥を分析します, 堅牢性を確保するベストプラクティスを共有します, 高品質のジョイント.

2. アルミニウム冶金の基礎

弧を描く前に, 溶接機は、アルミニウムを魅力的で挑戦的なものにする冶金基礎を把握する必要があります.

顔中心の立方格子 & 熱伝導率

アルミニウム aで結晶化します 顔中心の立方体 (FCC) 格子, これは、例外的な延性と靭性を付与します.

実際には, この構造により、アルミニウムはひび割れずに有意なプラスチック変形を受けることができます。これは、複雑な形を形成する際の貴重な特性です.

しかし, アルミニウム 熱伝導率 (〜237 w/m・k) 軟鋼のそれよりもほぼ4倍高く走る.

その結果, 溶接アルミニウムアークによって注入された熱は、素材に急速に広がります, オペレーターに強制的に:

• アンペアを増やします または、適切な融合を達成するための旅行速度が遅くなります
• 厚いセクションを予熱します (以上 10 mm) 均一な浸透を確保するため
• バッキングバーまたはチルプレートを使用します 燃焼スルーを防ぐために薄いゲージ材料を溶接するとき

酸化フィルム: 友達と敵

アルミニウムはa ネイティブ酸化物 層 (al₂o₃) 空気暴露のマイクロ秒以内.

この映画は、腐食に対する保護障壁として機能します, しかし、それは溶接中の手ごわい障害を提示します:

• 融点 格差: 酸化アルミニウムは上に溶けます 2,000 °C, 基礎となる金属液はで液化します 660 °C.
  適切な洗浄とアークエネルギーなし, 酸化物は適切な融合を防ぎます.
• クリーニングプロトコル: 溶接機は雇用しています アルカリ脱脂剤, に続く ステンレス製ブラッシング 溶接直前.
  いくつかのショップが使用しています 化学エッチング (例えば。, 希釈リン酸) 酸化物のない表面を確保する.

酸化物を熱心に除去し、プロセスを選択することにより、 パルス電流ティグ それは機械的に溶接ゾーンを精査します。.

3. アルミニウムの一般的な溶接プロセス

アルミニウムの特徴は、多様な溶接技術のセットを生み出しました, それぞれが特定の厚さに合わせて調整されました, 合金システム, 生産率, および共同要件.

ガスタングステンアーク溶接 (gtaw / ティグ)

ガスタングステンアーク溶接 (gtaw), 一般的にTigと呼ばれます, 正確な熱制御と最小限のスプラッタを提供します, 薄ゲージのアルミニウムに最適な方法にします (≤ 6 mm) および重要なジョイント:

• 動作原則: 不活性ガス - シールド, 消費性のないタングステン電極は、アルミニウム表面にアークを維持します.
  フィラーワイヤは、手動またはフィードメカニズムを介して水たまりに入ります.
• 典型的なパラメーター:

• • 現在: 50–200 a (酸化物を洗浄するためのAC極性)
  • 電圧: 10–15 v
  • 旅行速度: 200–400 mm/min
  • シールドガス: 100% 12〜18 l/minのアルゴン

• 利点:

• • 例外的な溶接ビーズの外観 (ra < 1 µm)
  • 狭い熱に影響を受けたゾーン (ハズ), 歪みを減らす
  • 熱入力の完全な制御 - 6xxxシリーズのような繊細な合金の必須

• 制限:

• • 堆積速度が低い (〜0.5 kg/h) 生産性を制限します
  • 一貫した結果には高い溶接機スキルが必要です

ゴーン / MIG - ガスメタルアーク溶接

ガスメタルアーク溶接, またはMIG溶接, 堆積速度を上げます, 中程度の厚さに理想的にします (3–12 mm) アルミニウム製造:

• 動作原則: 連続, ArgonまたはArgon -Heliumミックスがアークをシールドする間、消耗品のアルミニウムワイヤ電極は溶接銃を介して供給します.
• 典型的なパラメーター:

• • ワイヤーの直径: 0.9–1.2 mm
  • 現在: 150–400 a
  • 電圧: 18–25 v
  • ワイヤーフィード速度: 5–12 m/me (5〜8 kg/hの堆積をもたらします)
  • シールドガス: アルゴンまたはar/he (25% 彼) 15〜25 l/minで

• 利点:

• • 高い堆積と移動速度はスループットを増加させます
  • より簡単な機械化とロボット統合

• 制限:

• • より広いHAZは歪みを増幅する可能性があります
  • より高いスパッタと、より少ない正確​​なビーズ形状とティグ

プラズマアーク溶接 (足)

プラズマアーク溶接は、アークを狭いものに集中させます, 高エネルギーカラム, 深い浸透とコントロールをブレンドします:

• 動作原則: 狭窄したプラズマアークは、非消費電極とワークピースの間を移動します; 溶接を保護するためにプラズマを囲む二次シールドガスがプラズマを囲んでいます.
• 典型的なパラメーター:

• • ガスプラズマ (ARまたはAR/H₂): 2–10 l/min
  • シールドガス: 10〜20 l/minのアルゴン
  • 現在: 50–300 a

• 利点:

• • 浸透深度まで 10 単一のパスでmm
  • 狭い溶接のアーク形状の正確な制御

• 制限:

• • 複雑なトーチの設計とより高い機器コスト
  • 不安定性を回避するために熟練したセットアップが必要です

摩擦攪拌溶接 (FSW)

摩擦攪拌溶接 (FSW) 固体状態で完全に動作することにより、アルミニウムが結合することに革命をもたらす:

• 動作原則: 回転, 消費性のないツールは、隣接するフェイの表面に突入します, 金属を可塑化する摩擦熱を生成します.
  その後、ツールはジョイントを通過します, 軟化材料を機械的に混合して、統合された溶接を形成します.
• 典型的なパラメーター:

• • ツールの回転: 300–1,200 rpm
  • トラバース速度: 50–500 mm/min
  • ダウンフォース: 10–50 kN, 厚さに応じて

• 利点:

• • 多孔性と熱い亀裂を実質的に排除します
  • 5xxxおよび6xxx合金で95〜100％の共同効率を達成する
  • うまく生成されます, 溶接ナゲットの同等の穀物, 機械的特性の強化

• 制限:

• • 機器の投資は重要です
  • 線形または単純な関節に制限されています; 固定具合が必要です

新しい方法: レーザーおよび電子ビーム溶接

メーカーが高速と自動化を推進するとき, 彼らはエネルギー濃度のビームを採用しています:

• レーザービーム溶接 (LBW):

• • 原理: 高出力レーザー (繊維またはco₂) 小さな場所に焦点を当てています (< 0.5 mm), 鍵穴の浸透を作成します.
  • 利点: 非常に狭いハズ, 最小限の歪み, 溶接の速度 10 m/my.
  • 課題: 正確なジョイントの適合が必要です (< 0.1 mm) および高い初期資本.

• 電子ビーム溶接 (emb):

• • 原理: 真空中の高速電子ビームは、キーホールモードで金属を溶かします.
  • 利点: 深い浸透 (20–50 mm) 優れた溶接純度で.
  • 課題: 真空チャンバーは部品サイズを制限します, 機器にはかなりのコストが必要です.

4. 合金システムとその溶接性

アルミニウム合金は、1xxxの4つの主要ファミリに分類されます, 5xxx, 6xxx, 7xxx - その支配的な合金要素によって定義されます.

これらの化学的違いは、融解挙動を支配します, 固化特性, 溶接欠陥に対する感受性.

1xxxシリーズ (≥ 99% アルミニウム)

構成 & 特性

• 主要な要素: アルミニウム≥ 99.0% (例えば。, 1100: Fe≤ 0.15%, および≤ 0.10%)
• 機械的強度: o-temperのUTS 90〜110 MPa
• 熱伝導率: 〜 237 w/m・k

溶接性

• 評価: 素晴らしい
• 利点:

• • 最小限の不純物は、金属間の形成と熱い亀裂を防ぎます.
  • 高い延性 (伸長≥ 20%) 熱入力の変動を許容します.

• 課題:

• • 融合を維持するために、6xxx合金よりも約20〜30％の熱入力が必要です.

推奨されるプラクティス

• プロセス: gtaw (ティグ) 精度のため; ゴーン (自分) 薄いシートの上 (≤ 3 mm)
• ロッド: ER1100またはER4043 (より良い流動性のために) 基本金属腐食抵抗に一致する
• アプリケーション: 化学タンク, 食品グレードの機器, 熱交換フィン

5xxxシリーズ (Al – Mg合金)

構成 & 特性

• マグネシウム: 2.0–5.0 wt %; マンガン: 0.1–1.0 wt % 穀物制御用
• 一般的なグレード: 5052 (MG 2.2–2.8％), 5083 (MG 4.0–4.9％), 5456 (MG 4.5–5.5％)
• UTS: 280–340 MPa; 伸長: 12–18％

溶接性

• 評価: 良いから素晴らしい
• 利点:

• • 降水硬化せずにソリューションの強化, 一貫した溶接特性を生成します.
  • 優れた海水腐食抵抗 (< 0.03 MM/年損失).

• 課題:

• • 熱の影響を受けたゾーン (ハズ) 穀物の粗大化は、スロークーリングを行うと疲労強度を10〜15％減らすことができます.
  • 表面酸化物とMGOは、厳密なブラッシングと脱脂を必要とします.

推奨されるプラクティス

• プロセス: 酸化物洗浄用のAC-GTAW; セクション≥のFSW 6 全強化ジョイントのMM
• ロッド: MG含有量と腐食挙動を一致させるためのER5356
• アプリケーション: 船体 (5083-H111), 圧力容器 (5456), 燃料タンク

6xxxシリーズ (Al – Mg – Si合金)

構成 & 特性

• マグネシウム: 0.4–1.5 wt %; シリコン: 0.6–1.2 wt % (mg₂si沈殿物の形成)
• 典型的な合金: 6061 (一般的な), 6063 (押し出し), 6082 (高強度)
• ピークUTS (T6): 〜 310 MPA; O-Temperの曲げ能力: 1.5×厚さ

溶接性

• 評価: 適度
• 利点:

• • 降水硬化は、ポストウェルド老化後、良好なAS -Weld強度をもたらします.
  • 構造フレーミングと押し出しプロファイルに汎用性があります.

• 課題:

• • 融合溶接はmg₂siを溶解します, 柔らかくなることを引き起こします (降伏低下≈30〜50％).
  • シリコンが豊富なフィラーは、慎重に制御されていなければ、もろいフィルムを促進できます.

推奨されるプラクティス

• プロセス: 私はスピードのために; 融合ゾーンの軟化を避けるためのFSW
• ロッド: ER4043 (そして 5 %) 亀裂抵抗のため; 海洋サービス用のER5356
• ポストウェルド治療: T6老化 (530 °Cソリューション, 160 °C/8時間の老化) 復元〜 85% 元の強さの
• アプリケーション: 自転車フレーム (6061-T6), 建築の押し出し (6082-T6)

7xxxシリーズ (Al – Zn – Mg合金)

構成 & 特性

• 亜鉛: 5.0–7.0 wt %; マグネシウム: 2.0–3.0 wt %; 銅: 1.2–2.0 wt % (例えば。, 7075-T6)
• UTS (T6): > 500 MPA; 例外的な疲労制限 (〜 160 10サイクルのMPA)

溶接性

• 評価: 貧しいから中程度
• 利点:

• • 溶接可能なアルミニウムの中で最高の強度, 航空宇宙アプリケーションにとって重要です.

• 課題:

• • 低販売の共同映画からのホットクラッキング (Al – Zn – Mg) 融合中.
  • 重大なハズ軟化と残留ストレスの懸念.

推奨されるプラクティス

• プロセス: FSWまたはEBW (厚いセクション≥ 10 mm) 融解を避けるため; 薄い部品用のパルスDCENを備えたTIG
• ロッド: ER2319 (cu 6.5 %) 凝固範囲を広げ、亀裂を減らします
• 治療前/後の治療: 予熱します 120 °C; ストレス救済のベイク (200 °C/4時間) で残留応力を削減します 50%
• アプリケーション: 航空機の構造スパー (7075-T6), 航空宇宙継手 (7050), 高強度ファスナー

キー溶接性の比較

前の分析をまとめる, 以下の表は、各主要アルミニウムシリーズの相対的な溶接性を強調しています, 好みのプロセスと主要な課題に加えて.

5. 主要なプロセスパラメーターとアルミニウム溶接の制御

綿密なパラメーター制御には、欠陥のない溶接の達成が依存しています:

• 事前に溶けたクリーニング. アルカリクリーナーを備えた脱グリース, 次に、アルミニウム専用のステンレス鋼ブラシを使用して酸化物を機械的に除去します. 残留酸化物または油は気孔率を引き起こします.
• 熱入力, 旅行速度 & アンページ. バランスして熱入力 (KJ/mm) バーンスルーなしで完全な融合を確保するため.
  ティグのために, 1〜2 kJ/mmの熱入力を維持します; 私にとって, 3–6 kJ/mmは3〜6 mmのプレートに適しています.
• フィラー金属選択.

• • ER4043 (5% そして): 良い濡れと亀裂の減少を提供します; 6xxxシリーズに最適です.
  • ER5356 (5% mg): より高い強度と耐食性を提供します; 5xxxシリーズのベースメタルを好む.

• ガス組成のシールド & 流量. 使用 100% 薄いゲージのためのアルゴン; アルゴンヘリウム混合物 (例えば。, 75/25) 厚いジョブの浸透と溶接ビーズの流動性を改善します.
  流量を10〜20 l/minに維持し、ガスカップを中に保ちます 10 ワークピースのmm.

6. 溶接性の課題と欠陥メカニズム

アルミニウム溶接は、いくつかの欠陥モードに遭遇します:

• 気孔率. 溶融アルミニウムの水素溶解度 (まで 2 ml/100 gで 700 °C) 固化時にガス閉じ込めにつながります.
  フィラーワイヤーを焼くことで緩和します (65 °C, 4 h) 乾燥を維持します, きれいなベースメタル.
• ホットクラッキング. 6XXXと7xxx合金は、凝固中に穀物の境界に沿って液体フィルムを形成します.
  熱入力を下げることで亀裂を減らします, シリコンが豊富なフィラーの選択 (ER4043), または、感受性合金でFSWを使用します.
• 融合とバーンスルーの欠如. 不十分な熱または過度の移動速度は、未使用の領域を残します; 過度に遅い移動や高アンペアは、バーンスルーを引き起こします.
  ビーズプロファイルを検査し、パラメーターを調整して均一な溶接喉を実現します.
• 歪みと残留応力. アルミニウムの高い熱膨張係数 (23×10⁻⁶ /k) かなりの歪みを誘導します. フィクスチングで対抗します, バックステップ溶接, ヒートシンククランプ.

7. 微細構造の進化と機械的性能

溶けた微細構造は、関節の完全性を決定します:

• 柔らかいハズ & 穀物の成長. 沈殿する可能性のある合金で (6xxxシリーズ), 沈殿物が溶解すると、ハズは強さを失います.
  固体冷却または溶接後の老化 (例えば。, 160 °C for 8 Hイン 6061) 復元します 80% AS-Weldの強さの.
• 熱処理可能な合金の降水. 制御された再送信 - T4 (自然な老化) またはT6 (人工老化) サイクル - 機械的特性を再検討します.
  例えば, 6061-T6溶接は達成します 275 T6治療後のMPA収量.
• 引張, 倦怠感 & 腐食性能. 適切に実行されたtig溶接 5083 手を伸ばすことができます 95% 基本金属引張強度の. 疲労試験で, 5xxx合金のFSWジョイントは、の10℃を超えています 70% UTSの.
  腐食抵抗 - 海洋アプリケーションの原因 - マッチングフィラー合金と適切な溶接後の治療を使用する場合、高い責任.

8. 溶接後の治療と修復

共同パフォーマンスと寿命を最適化する, 製造業者は、いくつかの溶接後の手順を適用します:

• 溶接後の熱治療 (PWHT) & ストレス緩和. 6xxx合金で, ソリューション - 処理 530 °Cに続いて、クエンチとT6の老化が続きます. 5xxx合金用, 自然な老化 (T4) 硬さを安定させます.
• 機械的矯正 & コールドワーク. 歪み補正用, 室温で慎重に曲がるか、転がります. コールドワークはまた、ひずみ硬化を介して局所的な強度を高めます.
• 欠陥の修復と再溶接. 亀裂や毛穴を粉砕して金属を鳴らします, 次に、同じプロセスとフィラーを使用して再溶接しました. 欠陥の再発を防ぐために、常に表面を再クリーンします.

9. 検査, テスト, および品質管理

溶接品質を維持するには、体系的な検査が必要です:

• 目視検査 (ISO 5817 / AWS D1.2). 溶接の外観を評価します, ビーズ補強, そしてアンダーカット. グレードBレベルには、最小限の欠陥が必要です.
• 非破壊検査 (NDT).

• • 染料浸透剤: 非多孔質溶接で表面亀裂を検出します.
  • X線撮影 (X線): 内部多孔性と融合の欠如を明らかにします.
  • 超音波: 厚いプレートを調査します (>10 mm) 体積の欠陥の場合.

• 手順資格 & 溶接機の認定. 手順の資格記録を実行します (PQRS) パラメーターを検証します. AWS D1.2またはISOごとに溶接機を認証します 9606-2 一貫性を確保するため, 準拠したパフォーマンス.

10. アルミニウム溶接の産業用途

アルミニウムの並外れた強度と重量の比率と腐食抵抗は、厳しい産業全体でその使用を推進しています.

航空宇宙および高強度合金構造

航空宇宙, 節約されたすべてのキログラムは、燃料効率とペイロード容量に直接変換されます.

その結果, 製造業者は、高強度のアルミニウム合金を溶接します 2024, 6061, および7075—重要なコンポーネント用:

• 胴体と翼の皮: 自動化されたTIGおよびレーザー溶接結合が薄くなります (1–3 mm) 下の溶接幅のシート 1 mm, 空力の滑らかさを保存します.
• ストリンガーとフレーム: 摩擦攪拌溶接 (FSW) で 5 xxxと 7 XXXシリーズは、ほぼ基地の強度ジョイントを作成します, 軽量のモノコックデザインを有効にします.
  航空会社が報告します 5% FSWが搭載したアルミニウムパネルに切り替えることにより、新しい航空機の燃料節約.
• ランディングギアハウジング: 鋳造および偽造アルミニウム部品 (例えば。, 7075-T73) EBWを介して溶接してから、繰り返される衝撃負荷の下でクリープ抵抗を維持するためにストレス緩和ベーキングを受けます.

自動車と軽量の輸送

車両メーカーは、厳しい排出規制と電化の要求に直面しています. アルミニウム溶接は、これらの課題を満たすのに役立ちます:

• 電気自動車 (EV) バッテリーエンクロージャー: の溶接 5 XXXシリーズの押出は剛性があります, クラッシュに値するバッテリートレイ.
  スチールと比較して, アルミニウムトレイは質量を減らします 35–40％, EVの範囲をまで拡張します 10%.
• ボディインホワイト構造: ハイブリッドTIG-MIG細胞遷移フィラー金属を使用した混合アルミニウムスチールアセンブリ溶接, 縁石の重量を切断します 100–150 kg フルサイズのSUVで.
• トレーラーとレールカーのボディ: 5083-H116パネルは、ロボット溶接ラインで急速に溶接します,
  持続する腐食のないプラットフォームの配信 30–40％ 塩環境の下で鋼鉄のカウンターパートよりも長い.

海兵隊, 圧力容器, 建築ファサード

造船業者と建築家は、腐食抵抗と設計の柔軟性のためにアルミニウム溶接を活用します:

• 船体と上部構造を船: 5083 そして 5 XXX合金は、溶接後の歪みを最小限に抑えます, より大きなパネルサイズを有効にします (まで 10 メートル) アセンブリ時間を短縮します 20%.
• 圧力容器 & 極低温タンク: のような合金 5083 そして 6061 制御された雰囲気のTIGを介して溶接します, LNGアプリケーションで–196°Cサービスに耐える漏れ密集ジョイントの生産.
• 建築カーテンウォール: 装飾的なティグ溶接 6 XXXシリーズの押し出しは、シームレスなファサードを形成します.
  レーザー溶接はさらに関節を下に狭めます 0.5 mm, フラッシュを作成します, 陽極酸化可能な表面.

新興セクター: 電気自動車 & 再生可能エネルギー

産業が持続可能性にピボットするように, アルミニウム溶接は新しい技術をサポートしています:

• 風力タービンハブ: FSWは厚く結合します (まで 50 mm) 6 タービンブレードルートフィッティング用のXXXシリーズプレート - 近くの引張強度を達成する 300 MPA 疲労寿命を超えています 10⁷サイクル 循環荷重下.
• ソーラートラッカーフレーム: Mig-welded 5 XXX押出は、軽量のサポート構造を形成します, 材料コストの削減 25% 亜鉛メッキ鋼フレームと比較して.
• 水素貯蔵シリンダー: 電子ビームとレーザー溶接 6 XXX合金はシームレスにクラフトします, 高圧容器, 安全性を有効にします, 燃料細胞車両用のコンパクトな水素タンク.

11. アルミニウム溶接の利点と短所

アルミニウム溶接は大きな利点を提供しますが、製造業者が慎重にナビゲートしなければならないユニークな課題も提示します.

利点:

• 軽量構造: 溶接されたアルミニウムアセンブリの重量があります 50 % 同等の鋼構造よりも少ない, 車両の燃料効率の向上, 航空機, そして 海兵隊 船.
• 耐食性: 一致するフィラー合金を溶接した場合 (例えば。, 5xxxシリーズのER5356),
  アルミニウムジョイントは、海水および大気腐食に対する優れた耐性を維持します。海洋および屋外用途では重要です.
• 高い関節効率: 摩擦攪拌溶接などの最新のプロセスは、日常的に95〜100を達成します % 基本金属強度の, 妥協せずに負荷をかけるアプリケーションを有効にします.
• 良好な熱伝導率: 急速な熱放散により、局所的な過熱が減少します, パラメーターが適切に制御されている場合、薄いセクションの歪みを最小化する.
• リサイクル性と持続可能性: 溶接スパッターとオフカットからのアルミニウムスクラップは、溶けた鍋に簡単に再び入ります, 最大の循環製造をサポートします 95 % 一次生産に対する省エネ.

短所:

• 酸化物層管理: 粘り強いアル・オ・フィルムには、厳格な事前に溶けたクリーニングが必要です (化学的または機械的) そして, ティグで, 一貫した融合を確保するためのAC極性.
• 急速な熱損失: 高い導電率は、歪みの制御を支援します, 溶接機に熱入力を増やすことを強制します。薄いゲージでのバーンスルーのリスクを高め、厚いセクションでより広い熱に影響を受けるゾーン.
• 熱処理可能な合金でのハズ柔らかい: 6xxxと7xxxシリーズの融合溶接は、しばしば沈殿物の強化を溶解することがよくあります,
  その結果、FSWのようなポスト溶けた老化または代替の固体プロセスが必要な柔らかいゾーンが得られます.
• 歪みと残留応力: アルミニウムの高い熱膨張係数と低弾性弾性率が組み合わさって顕著な反りを生成する; 効果的な備品と熱制御戦略が不可欠になります.
• 機器とスキルの要件: 欠陥のないアルミニウム溶接を達成するには、正確なパラメーター制御が必要です, 特殊なフィラー,
  多くの場合、ハイエンド機器 (例えば。, パルス溶接電源, FSWリグ), 資本とトレーニングコストの増加.

12. 結論

アルミニウム溶接は、機会と課題を融合します. アルミニウムの冶金を習得することによって, 適切なプロセスの選択,

精度のためにティグ, 生産性のためのMIG, または欠陥のないFSW, 高強度の関節 - そして、厳密に制御するパラメーターと溶接後治療, 製造業者は信頼できるものを達成します, 高性能構造.