11.4 アルミ合金の溶接
アルミ合金の接合法は、大別すると、融接、圧接、ろう接、機械的接合及び接着となり、目的、用途により使い分ける必要がある。
一般に溶接といえば、融接・圧接のことを指すが、アルミ合金の場合には、不活性ガスを用いたティグ・ミグ溶接法及び抵抗スポット溶接が広く用いられている。アルミ合金を溶接する場合、表11.2に示すように鉄及び銅とその熱的性質が異なることを十分考慮しなければならない。
アルミ合金を溶接する場合、特に注意すべき事項は次のような点である。
(1)溶融温度は鉄や銅に比べて低いが、比熱・溶融潜熱が大きく、熱伝導が良いため、多量の熱を急速に与える必要がある。
(2)鉄に比べ電気抵抗は約1/4と低く、抵抗溶接では大容量の電源が必要となる。
(3)材料の表面に存在する酸化膜は、溶接に悪影響を与えるので、除去する必要がある。
(4)熱による膨脹・収縮が銅の約2倍で、溶接による歪みが発生しやすい。
(5)溶接による熱影響で母材の機械的性質は劣化(低下)する(ただし一部例外あり)。
表11.1 各種金属の物理・化学特性とアルミニウムの溶接特性
性質 |
鉄 |
銅 |
アルミニウム |
アルミニウムの溶接の特徴 |
溶融温度(℃) |
1536 |
1083 |
660 |
赤熱温度以下で溶けるため、温度の判定が難しい。 |
比熱(J/kg・℃) |
456 |
386 |
917 |
溶接に要する熱量が多く、急速に与えなければならない。 |
熱伝導度(W/m・℃) |
78 |
397 |
238 |
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線膨脹係数(10−6/℃) |
12.1 |
17.0 |
23.5 |
変形が起きやすく、割れやすい。 |
電気伝導度(%)IACS |
16 |
98 |
62 |
特に抵抗溶接では、大容量の電源が必要となる。 |
酸化被膜 |
Fe2 O3 |
CuO Cu2 O |
Al2 O3 |
アルミニウムの酸化被膜は空気中で短期間で生成する。薄くて硬く、ガラスのように緻密で、融点が高く(2,050℃)、これを取除くにはフラックスか、又はアルゴン溶接の清浄作用によらなければならない。 |
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11.4.1 溶加材の選定
溶加材には手動ティグ溶接用の溶接棒と、自動又は半自動ミグ溶接用及び自動ティグ溶接用の溶接ワイヤとがある。溶加材は、作業性がよく、健全な溶接金属が得られるよう滑らかな表面で、裂け目、擦傷などの欠陥や、ねじれ、鋭い折目などのくせのないものでなければならない。特に溶接ワイヤは、支障なく送給されるための適当な硬さも必要である。更に溶加材の表面に油や汚れなどが付着したり、湿気を帯びたりすると、これがアーク熱で分解して水素ガスとなり、ブローホールを生じる原因の一つともなるので、表面仕上げの良否も極めて重要である。
溶接金属部の諸性質は、その成分が母材と溶加材との混合されたものとなるため、母材の選択と同様、目的、用途に応じた溶加材の選択が必要である。
溶加材の選定に当たって、特に注意すべき点は次のとおりである。
(1)母材との混合
母材と溶加材の混合される割合は、溶接条件などにより異なるが、継手形状で見るとおよそ図11.10のようになる。
図11.10 開先形状と混合比
(2)割れ感受性
溶加材の選定上最も重要な因子の一つである。主なる添加元素に対する割れ傾向を、リング鋳造割れ試験で求めた結果が図11.11である。通常、溶接割れに対しては母材より添加量の多い溶加材を用いる。
アルミニウム合金の溶接割れは高温割れで、鉄のように溶接後しばらくしてから割れることはなく、溶接金属が凝固するときに割れるため作業時に注意深くビードを観察する。このことによりほとんどがその場で発見処置できる。
溶接割れは溶接金属の成分のみに起因するのではなく、溶接条件、拘束力などにもよるが、絶対にあってはならない欠陥で、割れ防止には最大の注意を払うべきである。
図11.11 アルミニウム二元合金の溶接割れ傾向
11.4.2 ティグ溶接
ティグ(TIG)とは、Tungsten Inert Gas Arc溶接の頭文字をとったもので、不活性ガスとしてはアルゴンやヘリウムが用いられる。これらの不活性ガス雰囲気中でタングステン電極と母材との間にアークを発生させ、そのアーク熱により母材及び溶接棒を溶融して接合する方
法である。ティグ溶接の原理を図11.12に示す。
図11.12 ティグ溶接法の原理
ティグ溶接は使用する電極及び極性により表11.2のように分けられるが、アルミニウム合金の場合には通常交流が用いられる。
ティグ溶接は母材を溶融しながら溶接棒を加えて溶接するため厚板の溶接には不向きである。しかし小回りがきくため補修溶接、小物の溶接、薄板の溶接などでは高品質のものが得られる。
最近、溶接機器のエレクトロニクス化が進み、パワートランジスタを用いたインバータ制御形式のものが現れた。この機器は再点孤用高周波火花回路が不用で、溶込み深さ、ビード幅及びクリーニング幅の制御が細かくできる上、タングステン電極がプラスとなる比率を低く抑えて限りなくDCSP(直流正極性)に近づけ、電極の消耗を低減できるなどの利点もある。
表11.2 極性の比較
11.4.3 ミグ溶接
ミグ(MIG)溶接はMetal Inert Gas Arc溶接の頭文字をとったもので、ティグ溶接と同様にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で行われる。電極となるワイヤを連続的に溶接部に送り、その先端と母材との間にアークを発生させる方法である。
ミグ溶接に使用する電源は直流で、極性はティグ溶接と異なり逆極性である。
図11.13 ミグ溶接の原理
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