アルミニウム合金の溶接が難しいのはなぜでしょうか？

溶接性は、材料の割れに対する耐性、溶接構造物の安全性、および製品の用途における経済性を総合的に評価した指標である。材料の化学的、冶金学的、物理的特性が溶接プロセスに適しており、かつ接合部が要求される強度パラメータを満たしている場合、その材料は溶接可能であるとみなされる。

アルミニウムおよびその合金は独特の物理化学的性質を持つため、これらを溶接する際には次のような困難が伴います。

1. 急速酸化

アルミニウムは、空気中や溶接中に容易に酸化します。その結果生じる酸化アルミニウム（Al₂O₃）は安定しており、除去が困難です。その融点は約2,500°Cで、アルミニウム合金の融点である約660°Cをはるかに上回っています。 溶接中、この酸化皮膜は母材の溶融と溶着を妨げます。その密度はアルミニウムの約1.4倍であるため、溶融池から容易に浮上せず、溶着不良やスラグの混入を引き起こす可能性があります。また、水分を吸収するため、溶接部の気孔の原因となることもあります。

したがって、溶接を行う前には、厳格な化学的または機械的な表面洗浄によって酸化膜を除去し、溶接中に新たな酸化が生じないようにしなければならない。

2. 多孔性に対する感受性

気孔形成の原因となり得るガスには、水素、一酸化炭素、窒素などが挙げられる。窒素は液状アルミニウムに不溶であり、一方、アルミニウム合金には一酸化炭素気孔を生成する炭素が含まれていない。したがって、懸念される気孔形成ガスは水素である。 水素の溶解度は、液体アルミニウム中では7 mL/kgであるが、660°Cの凝固温度ではわずか0.4 mL/kgとなる。溶接部が凝固するにつれて、当初液体金属に溶解していた水素の大部分が析出し、気泡を形成する。純アルミニウムおよび耐食性アルミニウム合金は、特にこの現象の影響を受けやすい。

母材および溶加材への水素の混入は最小限に抑え、高純度のシールドガスを使用する必要があります。溶接前には、被溶接物、溶接ワイヤ、および電極から酸化物、水分、油分を徹底的に除去しなければなりません。溶接の中断は最小限に抑える必要があります。 強力な溶接パラメータの使用が推奨される。TIG溶接では、比較的速い溶接速度で高電流を使用するのに対し、MIG溶接では、溶融池をより長く液相に保ち、過飽和固溶体から水素が逃げるようにするため、低速の溶接速度で高電流を使用する。

3. 溶け落ちのリスク

アルミニウムは固体から液体に変化する際、目立った色の変化が見られないため、プールの温度を判断するのが困難です。また、その機械的強度も温度とともに低下し、370°Cではわずか10 MPaとなります。そのため、この材料では溶融金属を支えきれず、ビード形状の不良、崩壊、あるいは焼き抜けを引き起こす可能性があります。

一般的にバッキングバーが使用されます。また、加熱は慎重に制御する必要があり、可能な限り水平姿勢での溶接を行うべきであり、アークの点火および消弧は、溶接開始部および終了部のタブで行う必要があります。

4. 高温割れ傾向

アルミニウムの線膨張係数は鋼のほぼ2倍であり、凝固収縮率も約2倍であるため、大きな溶接応力が生じます。合金組成も大きな影響を及ぼします。規定の限度を超える不純物が含まれると、溶融池内で低融点の共晶成分がより多く生成されます。これらの要因が相まって、熱割れを促進します。

ひび割れは、アークの開始部、終了部、アークの急激な中断箇所、仮付け溶接部、および補修溶接部に発生しやすい。したがって、これを防止するには、溶接応力の低減、溶接金属の組成調整、溶融池の凝固条件の改善、適切な溶接プロセス、およびパラメータの制御が必要である。

5. 接合部の強度が母材の強度を下回る

溶接熱により熱影響部が軟化し、強度が低下し、機械的特性が損なわれます。その結果、接合部の強度は母材の強度に見合わなくなる可能性があります。同等の強度を持つ突合せ継手を得るためには、溶接部の肉厚を増やす必要があります。

6. 溶接後の耐食性の低下

デュラリュミンなどの熱処理可能なアルミニウム合金の接合部では、耐食性が著しく低下する可能性がある。 微細組織の不均一性が大きくなるほど、その低下幅も大きくなります。溶接金属の純度や密度も重要な要素です。不純物の多さ、粗大結晶粒、FeAl₃などの脆性相の析出は、耐食性を著しく低下させ、局所的な表面腐食や粒界腐食を引き起こす可能性があります。溶接応力もまた、重要な要因の一つです。

耐食性は、以下の方法によって向上させることができます：

1. 適切な溶加材を用いて溶接部に合金化を行い、結晶粒を微細化させ、欠陥の発生を防止するとともに、熱影響部や過熱を最小限に抑えるよう工程を調整し、さらに溶接後熱処理を施すことで、成分および微細組織の不均一性を低減する。
2. 溶接応力の緩和。例えば、局所的な表面引張応力は、その箇所をハンマーで叩くことで低減することができる。
3. 陽極酸化処理やコーティングなどの保護処理を施す。