アルミニウムのMIG溶接、TIG溶接、摩擦撹拌接合の比較

アルミニウム合金は非常に広く使用されているため、その溶接プロセスには現在、パルス式ガスメタルアーク溶接、交流ガスタングステンアーク溶接（TIG）、摩擦撹拌溶接などが含まれている。

アルミニウム合金は、一般的に熱間・冷間加工性および溶接性に優れており、従来の溶融接合プロセスによって接合することができます。一般的な方法としては、ガスシールドアーク溶接、アルゴンアーク溶接、プラズマアーク溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接などが挙げられます。特に、熱出力が高く、エネルギーが集中し、効果的なシールドが得られるプロセスが適しています。

現在、鉄道車両の製造において、溶接は主に自動化されたガスシールド溶接法によって行われている。レーザー・アークハイブリッド溶接などの先進的な手法については、依然としてプロセス開発の段階にあり、限られた範囲での適用試験が行われている。

MIG溶接

設備

MIG溶接システムは、主に電源、コントローラー、ワイヤフィーダー、溶接ガン、ケーブルアセンブリ、およびアースリードで構成されています。

特徴

MIG溶接は生産性が高く、特に大電流のMIG溶接は厚板に適しています。溶接後の歪みは多少大きくなり、品質は装置の性能にも左右されます。溶接部の気孔を抑制することが最大の課題です。水素はいくつかの経路から混入する可能性があります。

溶滴移行モード

3つの溶着モードは、ショートサーキット、スプレー、およびプロジェクテッドスプレーです。ショートサーキットは、パチパチという音を伴う短いアークを使用し、溶込みが浅いのが特徴です。主に、肉厚1～2 mmのフィレット接合や突合せ継手に、低電流および0.8 mmまたは1.0 mmのワイヤを使用して行われます。 スプレー転送は、笛のような音がする長いアークを伴い、狭く深い指状の溶け込みを生じます。側面の溶着不全、気孔、亀裂が生じる可能性があります。 プロジェクテッド・スプレー転送は、アークがやや長く、穏やかな「パチッ」という音がします。盆地状の溶込みプロファイルが形成され、浅い短絡転送の溶込みや指状のスプレー転送の溶込みに比べて、より優れた機械的特性を示します。

アルミニウムのMIG溶接には、一般にプロジェクテッド・スプレー転移が推奨されます。

品質に影響を与える要因

通常、シールドガスにはアルゴンが用いられます。Ar-He混合ガスを使用すると、効率が向上し、気孔率を低減できます。ワイヤ送給速度、ガンの角度、溶接速度、ノズルの高さは適切に制御する必要があります。金属製スプリングライナーの代わりにPTFEまたはナイロン製ライナーを使用し、鋸歯状のドライブロールは使用しないでください。

注： 1.L = 1回目の溶接パス；2.L = 2回目の溶接パス；溶加材は母材と一致；シールドガスはAr；G = 裏面溶接パス。

開先形状

接合部の形状は、材料の厚さと構造設計によって決まります。アルミニウムの溝角は、根元部に欠陥が生じやすいため、鋼の溝角よりも大きくする必要があります。開口部を大きくすることで、根元部の状態が改善されます。

水平位置では、銃身を進行方向に向けて、垂直から5°～20°の角度に保ち、ワイヤーは熱をより強く放散する側に向かって傾ける。

厚さが8 mmを超える材料の場合は、複数回の溶接パスが必要です。アルミニウム溶接の欠陥の多くは根元で発生するため、根元パスは極めて重要です。溶着金属が根元を覆って欠陥を閉じ込めないよう、レッグサイズを小さくして高速で溶接してください。

TIG溶接

設備

TIG溶接システムは、主に溶接電源、コントローラ、およびトーチで構成されています。

特徴

TIG溶接は薄板に適しており、歪みが少なく、気孔率が低く、要求の厳しい製品にも高品質な仕上がりをもたらします。裏面ガスシールドを併用したAC TIG溶接を使用してください。負の半周期で酸化膜を除去し、正の半周期でタングステンの過熱を抑えます。 気孔が発生する主な原因としては、純度の低いアルゴン、ワイヤや溝の汚れ、不十分なシールド、不適切なパラメータ設定、電極の突出過多、アークが長すぎる、あるいはアークが不安定であることが挙げられます。

操作手順

右利きの溶接工が通常用いる手法は、フォアハンド溶接です。右手にトーチ、左手にワイヤを持ち、トーチを右に20°傾け、ワークピースに対して15°の角度で溶接池に向かってワイヤを送ります。

まず、アークで溶融池を形成します。アークの下から、前後に繰り返し動かしながらワイヤを溶融池に送り込みます。ワイヤをアークの下にあまり深く入れすぎると、溶融池の温度が低下してしまうため、注意してください。ワイヤの先端を溶融池の前端に溶かし込み、ワイヤがシールドガスの被覆範囲内に収まるようにしてください。

摩擦撹拌接合

設備

この加工は、成形ピン、ホルダー、および円筒状の肩部から構成される回転工具によって行われる。

原理と特徴

回転する工具は、継ぎ目に沿って移動するにつれて、摩擦熱を継ぎ目に伝達し、材料を可塑化された熱可塑性状態に導きます。作業開始時、プロファイル加工されたピンが高速で回転しながら継ぎ目に入り込みます。ピンと金属との間の摩擦によって熱可塑性層が形成されると同時に、肩部との接触によってさらなる熱が供給されます。 可塑化された金属は、工具の前方から後方へと継続的に移動し、空隙を埋めていきます。溶接部では、圧縮、摩擦発熱、塑性変形、熱伝達、拡散、および再結晶が生じます。

メリットとしては、次のようなものがあります：

1. 固相接合。
2. 歪みがほとんどないか、まったくない。
3. 高強度アルミニウム、鋳物、複合材料などの加工が困難な材料を接合できる。
4. シールドガスは使用しません。
5. 優れた機械的特性、とりわけ疲労特性。
6. 有害な煙、赤外線、紫外線は発生しません。
7. 走行速度が速い。
8. 気孔や亀裂などの溶接欠陥がないこと。
9. 通常、接合部における溶接前の下処理は不要です。
10. 節理内に柱状結晶は見られず、塑性流動によって結晶粒が微細化している。

制限事項には以下のものがあります：

1. 溶接による補強は行わないこと。被加工物の端部は突合せ継手とし、隅肉溶接を行ってはならない。
2. 現在、3次元の曲面は溶接することができません。
3. 工具の突起部分により、接合部の端に出口穴が残ってしまうことがあります。
4. 支持部は摩擦力に耐えられなければならない。
5. 関節のずれや隙間は、厳密な管理が必要です。
6. 現在、実用化は軽金属に限定されています。