厚肉アルミニウム溶接のひずみを抑制する方法

航空宇宙、造船、鉄道輸送、特殊車両、および大型機器の分野では、高強度、長寿命、耐食性を兼ね備えた軽量構造体がますます求められています。アルミニウム合金は、高強度、軽量、優れた延性、および優れた耐食性を兼ね備えているため、重要な構造材料となっています。

米国における高強度アルミニウムの研究は1940年代に始まった。1956年には、ひずみ硬化処理を施した5083 Al-Mg-Mn鋼板が試作された。 しかし、一部の高強度用途において総合的な性能に制限があったため、1960年代初頭には熱処理可能な7039 Al-Zn-Mg合金がこれに続いた。しかし、この合金は応力腐食割れを起こしやすいため、海水や塩水噴霧への長期暴露には不向きであった。 1980年代には、米国や旧ソ連などが新世代の高強度合金を開発した。米国で開発された2519-T87アルミニウム-銅合金は、高い強度、バランスのとれた機械的特性、耐応力腐食性、および溶接性を備えている。.

新世代の高強度合金、特にAl-Cu 2xxx系合金は、過酷な環境下にある大型構造物に対して、より高い構造強度と優れた応力腐食耐性を提供します。しかし、溶接を行うと依然として接合部の軟化が生じ、接合部の強度係数が低くなります。 さらに、大型の精密構造物においては、溶接による歪みを、従来の溶接で生じる歪みの3分の1以下に抑えることが求められます。.

製品およびプロセスにおける課題

主な課題としては、接合部の著しい軟化と強度係数の低さ、融点2,060°CのAl₂O₃からなる耐火性表面膜、厚肉で高強度の材料に必要な高いエネルギー投入、熱割れや気孔の発生しやすさ、そして高い熱伝導率と大きな線膨張係数に起因する歪みなどが挙げられる。 特に厚さが20 mmを超えると歪みの制御が極めて困難になるため、対策は技術的に妥当であると同時に、現場での生産において実用的なものでなければならない。.

歪み抑制対策

1. 溶接方法を選択する

厚いアルミニウム板は熱を素早く伝導するため、高出力密度の加工に適しています。単線および二線式MIG溶接、電子ビーム溶接、摩擦撹拌溶接、およびレーザー・MIGハイブリッド溶接の試験を行った結果、二線式溶接が量産プロセスとして採用されました。.

単線MIG溶接では、低周波複合パルスを用いた。溶融池の振動により撹拌が促進され、凝固過程における不均一核生成が促進されたほか、電磁撹拌によって溶接組織が微細化され、強度と延性が向上した。接合部の引張強度は目標値を満たすか、それを上回った。試験の結果、送給速度、電流、および低周波変調パルスの最適な組み合わせが明らかになった。.

高速ツインワイヤ溶接により、高強度の接合部が得られた。高電流の2パス溶接と低電流の4パス溶接におけるツインワイヤMIG溶接を比較した結果、それぞれの利点を兼ね備えた高電流のマルチパス溶接パラメータが導き出された。 接合部の引張強度は296 MPa（母材の62%に相当）であり、衝撃靭性は13 J/cm²（母材の42%に相当）であった。.

Y溝を用いた従来の溶接、X溝を用いた溶接、およびX溝を用いた振動溶接の3つの手法を比較した。X溝を用いることで、歪みは従来の5分の1に低減され、振動溶接ではさらにその値を下回った。.

2. 溶接順序の算出と最適化

継ぎ目が多数ある大規模な構造物については、各溶接部に番号を付け、構造上の特徴に基づいて初期の溶接順序を定義します。 例えば、16箇所の主要な溶接部を持つ構造物では、当初、1、3、4、2、5、6、7、……、16という順序が使用されていました。有限要素解析により、候補となる順序を比較し、歪みが小さく、応力分布がより良好な順序を特定することができます。.

まず、個々のマルチパス溶接部におけるパス順序を分析します。これは、残留応力の大きさや分布の両方に影響を与えるためです。工場での溶接前に低応力のパス順序を確立しておくことで、最終的な残留応力を抑制することができます。.

次に、継ぎ目の全体的な順序を最適化します。開口順序を「1、3、4、2」から「1、3、2、4」に変更したところ、応力分布が大幅に変化しました。2番目の順序では、300 MPaを超える領域が減少したため、応力腐食割れに対する耐性が向上する可能性があります。.

3. 振動応力緩和法を用いて、応力と寸法を安定させる

動的応力は、振動応力緩和における重要なパラメータです。エキサイターは、周期的な交互荷重に相当する動的応力を印加します。この応力が元の残留応力と組み合わさり、局所的または全体的な塑性変形を引き起こすことで、残留応力は緩和され、より均一になり、減少する一方で、金属マトリックスの変形抵抗性は高まります。.

一般的な基準は σ です。_動的 + σ_残留 ≥ σ_s, ここで σ_s 塑性変形が伝播し、巨視的な変形を引き起こすために必要な降伏応力；σ_動的/σ_残留 = 0.1～0.3であり、動的応力の振幅は、部材の使用応力の3分の1から3分の2の範囲にあるべきである。適切な範囲内であれば、動的応力が大きければ大きいほど、より多くのひずみが解放され、より効果的に応力が緩和される。過度の動的応力は、被加工物を損傷させたり、疲労寿命を低下させたりする恐れがある。.

試験には、Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. 製の WZ-86A 振動応力除去装置が使用された。この処理により、溶接残留応力は 0.3σ 以内に抑えられた。_s.

これらの試験を通じて、製品ごとに最適な振動応力緩和パラメータが確立され、適用された。.

制御結果

量産に適した溶接プロセス、溝形状・溶接パラメータ・溶接順序の比較試験、および振動応力除去により、機械的性能や耐食性を損なうことなく、残留応力と歪みを低減することができた。最適化されたプロセスにより、歪みは従来の溶接結果の3分の1以内に抑えられ、大型の高強度構造物に対する設計および製造要件を満たした。.

この手法は、航空宇宙、船舶、鉄道車両、大型機械に加え、特定の特殊車両、軽量防護構造物、その他の高強度アルミニウム部品にも適用可能です。.