航空宇宙、建設、海洋、自動車などの分野は、アルミニウムの溶接に依存している多くの分野の一部にすぎません。しかし、アルミニウムは熱伝導率が高く、融点が低く、変形しやすいため、溶接が難しい素材です。この記事では、さまざまなアルミニウム溶接技術、遭遇する困難、講じる予防措置、この分野で達成された技術の進歩について検討します。この記事では、アルミニウムの溶接が今日の製造業で非常に重要である理由について説明します。
アルミニウムを使用する利点
アルミニウムの溶接には困難が伴うため、なぜこの材料が使用されるのか疑問に思うかもしれません。
アルミニウムを建築材料として使用するのは比較的新しい現象です。アルミニウムは非常に希少な金属と考えられていたため、1884 年に完成したワシントン記念塔の頂上には 100 オンスのピラミッドが設置されました。当時、アルミニウムの用途は比較的限られていました。
1886 年、酸化アルミニウムから純粋なアルミニウムを抽出する電解法が発見され、アルミニウムが初めて商業的に利用可能になりました。それ以来、世界中の溶接工がアルミニウムのユニークな利点を認識し、自動車、航空宇宙、海洋などのさまざまな業界で活用してきました。
アルミニウムは扱いにくいかもしれませんが、いくつかの便利な特性があります。
- アルミニウムの強度対重量比は鋼鉄を上回り、鋼鉄とは異なり、冷えると強度が向上します。そのため、扱いにくく頑丈さが求められる作業に非常に役立ちます。
- アルミニウムは電気と熱の伝導性において銅とほぼ同等です。
- アルミニウムの非腐食性は、特に溶接時に酸化が引き起こす困難を考慮すると、プラスになります。
- アルミニウムの人気が高まっている理由の一つは、金属がリサイクル可能で安価であるという事実にある。
- アルミニウムは塗料やシーラーを容易に吸収する性質があり、装飾効果が高いため人気があります。
溶接性に影響を与えるアルミニウムの特性
アルミニウムを扱う場合、これらの特性が溶接性にどのように影響するかを理解することが重要です。欠陥を生じさせずに金属を溶接する能力が「溶接性」の意味です。溶接性は、欠陥を生じさせずに金属を溶接する能力と定義されます。アルミニウムの物理的特性に精通していれば、問題を見つけて解決策を開発するのは簡単です。それでは、これ以上前置きせずに、これら 4 つの側面の詳細を見ていきましょう。
熱伝導性が高い
アルミニウムの優れた熱伝導性は、熱を素早く放出できることを意味します。これが、アルミニウムがラジエーター材料として非常に優れた性能を発揮する理由です。残念ながら、溶接中にいくつかの問題が発生する可能性があります。確実に融合するには溶接電流を増やす必要があり、より堅牢な溶接装置が必要になります。厚いアルミニウムを GTAW で溶接したことがあるなら、溶接パドルが充填材を追加できるほど冷えるのにどれくらいの時間がかかるかご存知でしょう。これは、溶接領域から熱が急速に放散されるためです。コンポーネントが目的の動作温度に達したら、空隙を埋め始めることができます。
アルミニウムの GMAW 溶接では、溶接開始時に高い熱伝導率も明らかです。その結果、溶接部が不安定になり、冷え込みや融合不足などの症状が現れます。これは GMAW アルミニウム溶接の問題であり、溶接装置にホット スタート機能を追加することでのみ解消されます。
高い熱膨張係数
アルミニウムは鋼鉄よりも熱膨張係数がはるかに大きいため、凝固すると約 2 倍収縮します。これにより、歪みが大きくなり、溶接部周辺の残留応力が上昇するという 2 つの問題が発生します。この極端な凝固により、クレーター クラックが発生します。したがって、溶接を終了する際には注意が必要です。アルミニウム溶接の先端にクレーターが形成されると、縦方向のクラックが発生する可能性があります。よくある誤解は、2 回目の溶接パスで問題が解決するということです。これはより効果的です。
GMAW では、クレーター破損は主に 2 つの方法のいずれかで修復できます。1 つ目はバック ステップ テクニックで、溶接機が溶接の端に到達した後、さらに 1 ～ 2 インチ進路を逆方向に進めます。もう 1 つの方法は、溶接機にクレーター機能がある場合はそれを使用することです。
オペレーターは溶接端をフェザー加工してクレーター亀裂の範囲を減らすことができるため、GTAW は特にこの問題の影響を受けにくいです。
水素への高い溶解性
溶融アルミニウムの水素溶解度は非常に高いです。油、グリース、炭化水素、フィラー金属上の凝縮、フィラー金属上の伸線潤滑剤の残留物、風、高湿度、シールドガス、溶接装置からの水漏れ、水和酸化物、その他多くのものによって、ベース材料が水素で汚染される可能性があります。
AWS D1.2 では、RT (X 線) の AWS D1.1 許容基準よりも大幅に高い気孔が許容されます。気孔のない溶接を実現することは不可能ではありませんが、非常に困難です。気孔は主に表面下にあります。
酸化物コーティング
アルミニウムは空気にさらされると酸素と反応し始め、薄くて弾力性のある酸化皮膜を形成します。この酸化皮膜の望ましい副作用は耐腐食性ですが、溶接が難しくなることがあります。このアルミニウムの酸化皮膜は特に多孔質であるため、汚れ、ほこり、その他の粒子を容易に吸収して保持します。
厚い酸化皮膜は、溶接する前に剥がす必要があります。この作業は、機械的な手段 (ステンレス ブラシやワイヤー ホイールなど) で行うことができます。また、油、汚れ、その他のゴミを表面から取り除く必要があります。効果的な方法の 1 つは、アセトンを使用することです。酸化皮膜が十分に薄い場合は、アーク エネルギーで除去できる場合があります。
アルミニウムの溶接はなぜ難しいのでしょうか?
アルミニウムは溶接に関しては特殊な素材です。アルミニウムは特殊な組成のため、いくつかの難点があります。その中でも特に大きな難点として、多孔性と熱伝導性があります。
気孔率
アルミニウムの溶接は、水素が溶融アルミニウムに溶けるため、多孔性によって複雑になります。アルミニウムとフィラー材料は溶接中に溶け、結果として水素を吸収します。溶液には水素が含まれることがありますが、2 つの金属は固まるまで存在し続けることができません。閉じ込められた気泡が形成されるため、金属は多孔性になります。
高温割れ
アルミニウムの溶接は、鋼の溶接とは異なり、水素の影響を受けません。ただし、高温割れが発生する可能性はあります。この問題を克服するには、適切な充填材を選択することが最も効果的な戦略です。
熱伝導率
アルミニウムの熱伝導率は非常に高いです。その結果、金属の冷たい部分は常に溶接部から熱を奪おうとします。このため、溶接部の貫通は困難です。使用する熱量を増やすと、溶接部の貫通に必要な温度に達しやすくなります。
アルミニウムにはどのような溶接が使用されますか?
アルミニウムは以下の技術を使用して溶接できます。
まず、溶接部分を冷たく保ちます。これにより、溶接部の貫通が難しくなります。使用する熱量を増やすと、溶接部の貫通に必要な温度に達しやすくなります。
ガス溶接/TIG溶接
GTAW ではワイヤの機械的な供給がないため、他の溶接方法では供給能力に問題が生じるアルミニウムの溶接には最適な方法です。代わりに、溶接工が溶接液溜まりに手を入れて、そこにフィラー材料を供給します。GTAW 法では、アルミニウムが大気に汚染されるリスクも排除されます。
これにより、溶接される材料に浸透するために必要な熱を実現できます。
TIG溶接のアドバイス:
- アルミニウムと一緒に使用する場合は、タングステン電極またはタングステン棒（できれば純タングステン）を使用する必要があります。
- アルミニウムは使用前に洗浄し、予熱する必要があります。
- トーチでのアルゴン流量が高すぎるとアークが不安定になる可能性があるため、流量を制限してください。
- ヒートシンクを取り付けると反りを防ぐことができます。
- 安定した溶接パドルを維持するには、清潔なアルミニウム フィラー電極またはロッドを使用し、それを母材に溶かし込みます。
GMAW/ミグ
MIG 溶接では、ワイヤ電極は溶接部の下部から常に供給されます。その結果、ワイヤは不活性ガス、または場合によってはガス混合物によって水素吸収から保護されます。残念ながら、スプレー トランスファー法は、小さな金属ビーズの残留物が残るため、非常に扱いにくいことで有名です。
このプロセスにより、熟練した溶接工であれば、最終製品の精度と清潔さが向上します。ただし、ほとんどの場合、溶接部分を磨くために時間を確保する必要があります。
MIG溶接のアドバイス:
- 給電線を押したり引いたりできるように準備します。
- アルミニウムから酸化物を除去し、接合エッジをやすりで削ります。
- 溶接工は引っ張るのではなく、10 ～ 15 度の角度で押す必要があります。
- より見栄えの良い溶接とより少ない欠陥を望む場合は、まっすぐなビードを使用してパスを多く実行します。
- もっとゆっくり溶接したい場合は、ヒートシンクが必要です。
電子ビーム溶接とレーザービーム溶接
ビーム溶接法は、通常、アルミニウムの接合には十分すぎるほどです。さらに、ビーム溶接技術は、高出力密度のため、コールドスタートについてそれほど心配する必要がありません。ただし、材料の反射率が高い場合は、レーザー溶接で問題が発生する可能性があります。さらに、シールドガスを最適化することは、多孔性を防ぐために不可欠です。電子ビーム溶接は、真空中で行われ、光をエネルギーチャネルとして使用しないため、通常、これらの問題を回避できます。
抵抗溶接
アルミニウムの溶接は抵抗溶接で行うことができます。ただし、アルミニウムは熱伝導性と電気伝導性が高いため、問題が発生します。これらの障害を克服するには、パラメータの開発に時間を費やし、特殊なチップや抵抗溶接装置に投資する必要があるかもしれません。
アーク溶接
アーク溶接は、この種の溶接法として最初に開発されたものです。この方法では、アルミニウム板を電流で溶かして接合します。ただし、これはアルミニウムを溶接する最も安価な方法であるため、熟練した専門家だけが行う必要があります。
アルミニウム溶接で避けるべきミス
アルミニウムの溶接に関するさまざまな技術について説明してきたので、次は最も一般的な落とし穴について説明します。
- 「万能」戦略の採用: 溶接工は、鋼の溶接とはまったく異なる方法でアルミニウムの溶接に取り組まなければなりません。アルミニウムは他の金属や素材とは異なります。したがって、溶接工は、アルミニウムを不適切に扱うことで生じる潜在的な危険を回避するために、独自の溶接方法を開発する必要があります。PPE の重要性を無視する: アルミニウムであれ、他の素材であれ、溶接は本質的に危険を伴います。溶接工は、自分自身と周囲の人々を守るために常に注意を払う必要があります。この分野で長く働きたいのであれば、これは必須です。
- 準備ができていない: 溶接機と溶接される材料は適切に準備されている必要があります。アルミニウムを徹底的に洗浄して保管してからでないと、溶接を開始しないでください。また、アルミニウム溶接についてできるだけ多くのことを学んで作業に備えます。まず準備ができていることを確認してから、急いで作業に取り掛かってください。
- 細かいことは気にしないでください。プロの溶接工なら誰でも言うように、溶接で成功する秘訣は細部への注意です。アルミニウムの溶接は、ごくわずかなミスにも特に敏感です。細部にまで注意を払い続ける能力は、会社の成長と専門家としての地位にとって非常に重要です。
- 忍耐力がない: アルミニウムの溶接は習得しなければならない技術です。粘り強さが報われます。
結論
アルミニウムの溶接は、熱伝導率が高く、融点が低く、変形しやすいため、難しい素材です。この記事では、アルミニウムの溶接技術の多く、また、この分野で直面した困難、講じた予防措置、およびこれまでに達成された技術の進歩について検討します。アルミニウムを使用する利点には、強度対重量比、導電性、非腐食性、リサイクル可能で安価、塗料やシーラーを吸収する能力などがあります。溶接性は、欠陥を生じさせることなく金属を融合する能力と定義されます。融合を確実にするためには溶接電流を増やす必要があり、より堅牢な溶接装置が必要になります。
アルミニウムは鋼鉄よりも熱膨張率が大きいため、歪みやクレーター割れが多くなります。GMAW では、バックステップ法またはクレーター機能のいずれかの方法でクレーター割れを修復できます。溶融アルミニウムの水素溶解度は非常に高く、AWS D1.2 では RT (X 線) の AWS D1.1 許容基準よりも大幅に高い多孔性が許容されます。空気にさらされると酸素でコーティングされ、薄くて弾力性のある酸化コーティングが形成されます。アルミニウムの酸化層の耐腐食性は望ましい副作用ですが、その多孔性により溶接が困難になることがあります。
これを避けるには、溶接を試みる前に厚い酸化皮膜を剥がし、表面の油、汚れ、その他の破片をアセトンで洗浄する必要があります。アルミニウムの溶接には、多孔性、高温割れ、熱伝導性など、いくつかの難点があります。アルミニウムの溶接技術には、大気汚染のリスクを排除する GTAW/TIG 溶接や、タングステン電極またはロッド (できれば純タングステン) を使用する TIG 溶接などがあります。
最も重要な点は、トーチでのアルゴン流量が高すぎるとアークが不安定になる可能性があること、および GMAW/MIG 溶接では最終製品の精度とクリーン度が向上することです。電子ビーム溶接とレーザー ビーム溶接はアルミニウムの接合に使用できますが、材料が反射性である場合は問題が発生する可能性があります。
抵抗溶接も使用できますが、アルミニウムの熱伝導率と電気伝導率が高いため、問題が発生します。アーク溶接はアルミニウムを溶接する最も安価な方法ですが、熟練した専門家だけが行う必要があります。アルミニウム溶接で避けるべき間違いには、「万能」戦略を採用すること、PPE の重要性を無視すること、準備ができていないこと、細かい文字を読み飛ばすこと、忍耐がないことなどがあります。溶接工は、不適切な作業による潜在的な危険を回避するために、溶接に対する独自のアプローチを開発する必要があります。
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