アルミニウム合金における電子ビームワイヤ堆積法は、どのように機能するのでしょうか？

電子ビームワイヤ堆積法は、アルミニウム合金の3Dプリントプロセスとして用いられています。アルミニウム合金は、軽量かつ高強度に加え、優れた延性、電気伝導性、熱伝導性、耐食性を兼ね備えています。 こうした物理的、化学的、機械的特性により、航空宇宙、自動車製造、鉄道輸送、兵器、貯蔵タンク、家電製品、建設、建築資材などの分野での応用が可能となっている。1960年代以降、アルミニウム合金は鉄道車両や自動車の大量生産において広く使用されてきた。.

アルミニウム合金は、いくつかの方法で分類することができる。基本的な加工方法による分類では、鋳造用合金と鍛造用合金に分けられる。用途による分類では、純アルミニウム、耐食性アルミニウム、ジュラルミン、スーパージュラルミン、および特殊用途アルミニウムが含まれる。熱処理応答性による分類では、熱処理可能合金と熱処理不可能合金に分けられる。 主たる合金元素による分類では、8つのシリーズに分けられます。. 8つのアルミニウム合金シリーズについては、別の資料で解説しています。.

材料特性と溶接性

電子ビーム堆積は、材料をワイヤとして付加するものであるため、そのプロセス挙動は溶接、特に溶加材を用いた溶接に似ています。したがって、堆積を行う前に溶接性を評価する必要があります。アルミニウム合金は概して溶接が可能ですが、いくつかの特性が溶接やワイヤ堆積を不安定にさせる可能性があります。.

強力な酸化作用

アルミニウムは、空気中の酸素や溶接中に酸素と容易に反応してAlを形成する。₂O₃ 皮膜。アルミナは融点が高く、化学的・物理的に安定しており、除去が困難で、水分を強く吸収する性質がある。この表面皮膜により母材の溶融が妨げられ、スラグ混入、溶着不良、溶込み不足を引き起こす可能性がある。吸収された水分は溶接部に侵入し、気孔の原因となる。.

溶接を行う前に、機械的な研削または化学的方法により表面を徹底的に洗浄し、Alを除去しなければならない。₂O₃. 溶接部についても、効果的な保護が必要です。TIG溶接では通常、交流電流が使用されるため、陰極洗浄によって酸化膜が除去されます。.

熱物理的挙動

アルミニウム合金は、鋼に比べて熱伝導率と比熱容量が高い。熱が母材に急速に伝わり、溶接部から素早く逃げてしまうため、予熱が必要になる場合がある。また、線膨張係数が高いため、熱割れや歪みが生じやすくなる。熱割れを抑えるにはワイヤの組成を調整し、歪みを抑制するには予熱を行うことが有効である。.

気孔率

液体のアルミニウムは、固体のアルミニウムよりもはるかに多くの水素を溶解させることができます。液体状態と固体状態では、水素の溶解度の差は17.5倍にも及びます。アルミニウムは融点が低く、熱伝導率が高いため、溶融池が急速に凝固し、水素が逃げる時間が十分に確保できず、水素孔の発生を招きます。Al₂O₃ フィルムは洗浄後、ほぼ瞬時に再結晶し、吸着された水分が主要な水素源となる。したがって、水素源は厳格に管理しなければならない。.

溶接ビードの形成

ビード形成が困難な理由は2つある。アルミニウムは溶融する前に明らかな色の変化が見られないため、成形条件の判断が難しく、また高温強度が低いため溶融金属を支える力が弱く、焼き抜けのリスクが高まる。.

接合部の特性の変化

1. 溶接温度下でのMn、Mg、Znの蒸発および燃焼により、強化相を形成するために利用可能な元素が減少して、溶接部の機械的特性が低下する。.
2. 熱影響部における再結晶は、ひずみ硬化または溶体化処理を施した合金の強度を低下させる。.
3. アルミニウムは面心立方格子構造を呈し、同素体を持たないため、熱サイクルによって結晶粒を微細化させるような相変態は生じない。したがって、溶接部の結晶粒は比較的粗いままとなる。.

電子ビーム溶接は真空中で行われるため、溶接中にアルミニウムと空気との接触が排除されます。溶接前の徹底的な洗浄により、Alを除去し、₂O₃ 依然として不可欠であり、堆積前のアルミニウムワイヤーの洗浄は特に重要です。ワイヤーの組成を適切に選択することも、熱割れやそれに関連する欠陥を防ぐことができます。合金2219の溶接ワイヤーは、電子ビームワイヤー堆積法において広く使用されています。.