アルミニウムとその合金は多くの重要な製品の溶接に使用されていますが、実際の溶接生産には困難がないわけではありません。主な問題は、溶接部の気孔、溶接熱割れ、および接合部の「均等強度」です。アルミニウムとその合金は化学活性が強いため、表面に酸化膜が形成されやすく、その多くは耐火性があります（たとえば、Al2O3の融点は2050度、MgOの融点は2500度です）。また、アルミニウムとその合金は熱伝導性が強いため、溶接中に不融化現象が発生しやすいです。酸化膜の密度はアルミニウムの密度に非常に近いため、溶接金属の介在物になりやすいです。同時に、酸化膜（特に密度がそれほど高くないMgOを含む酸化膜）はより多くの水分を吸収し、溶接気孔の重要な原因の1つになることがよくあります。
さらに、アルミニウムおよびその合金は線膨張係数が大きく、熱伝導性が強いため、溶接時に反り変形を起こしやすいという問題もあります。これらも溶接生産において非常に難しい問題です。以下では、テスト中に発生した比較的深刻な亀裂について詳細な分析を行います。
1. アルミニウム合金溶接継手における亀裂とその特性
アルミニウム合金の溶接プロセスでは、材料の種類、特性、溶接構造が異なるため、溶接継手にさまざまな亀裂が発生する可能性があります。亀裂の形状と分布特性は非常に複雑です。発生する部分に応じて、次の2種類の亀裂形態に分けられます。
（１）溶接金属の割れ：縦割れ、横割れ、クレーター割れ、ヘアー割れまたはアーク割れ、ルート割れ、マイクロクラック（特に多層溶接の場合）。
（2）熱影響部の割れ：溶接止端部割れ、層状割れ、溶融線付近の微細熱割れ。割れ発生温度範囲により、高温割れと低温割れに分けられます。高温割れは溶接時の高温時に発生し、主に結晶粒界での合金元素の偏析や低融点物質の存在により発生します。
溶接する金属の材質によって、高温割れの形状、温度範囲、発生原因も異なります。高温割れは、結晶化割れ、液化割れ、多角形割れの3つに分類できます。結晶化割れは主に高温割れで発生します。溶接部の結晶化プロセス中、固相線付近では、凝固した金属の収縮により、残留液体金属が時間内に充填されません。
粒界割れは凝固収縮応力または外力の作用により発生し、主に炭素鋼、低合金鋼溶接部、および不純物の多い一部のアルミニウム合金で発生します。液化割れは、熱影響部で加熱され、高温粒界凝固時の収縮応力の作用により生成されます。
試験中、溶接充填材の表面が十分に洗浄されていない場合、溶接後の溶接部にはまだ多くの介在物と少量の気孔が残っていることがわかりました。3セットの試験では、溶接充填材は鋳造構造であり、介在物は高融点物質であるため、溶接後の溶接部にもまだ存在します。
また、鋳造組織は比較的疎で、空孔が多く、結晶水や油質を含む成分を吸収しやすく、溶接プロセス中に気孔を生成する要因になります。溶接部に引張応力がかかると、これらの介在物や気孔がマイクロクラックを誘発する重要な部位になることがよくあります。
さらに顕微鏡で観察すると、これらの介在物と気孔に起因する微小亀裂が交差する傾向が明らかになりました。しかし、介在物の有害な影響が主に応力集中源として現れて亀裂を誘発するのか、それとも脆性相として現れて亀裂を誘発するのかを判断することは依然として困難です。
さらに、アルミニウム - マグネシウム合金溶接部の気孔は、溶接金属の引張強度に大きな影響を与えないと一般に考えられています。亀裂の現象。
多孔性によって引き起こされる微小亀裂の現象が単なる二次的現象なのか、それとも溶接部の引張強度の大幅な低下を引き起こす主な要因の 1 つなのかについては、今後さらに研究する必要がある。
2. 高温割れの発生過程
現在、溶接熱間割れの理論については、国内外でプロホロフの理論がより完成度が高いと考えられています。一般的に言えば、この理論では、結晶割れの発生は主に脆性温度範囲の大きさ、この温度範囲での合金の延性、および脆性温度範囲での金属の変形速度という3つの側面に依存すると考えられています。
通常、脆化温度域の大きさと、この温度域での延性値を高温溶接割れを生じる冶金学的因子と呼び、脆化温度域での金属の変形速度を機械的因子と呼びます。
溶接プロセスは、一連の不均衡なプロセスプロセスの合成です。 この特徴は、溶接継手の金属破壊の冶金学的および機械的要因に本質的に関係しています。 たとえば、溶接プロセスと冶金プロセスの生成物は、物理的および化学的です。 構造の不均一性、スラグと介在物、過飽和濃度のガス元素と空孔など。
これらはすべて、亀裂の発生と発達に密接に関係する冶金学的要因です。機械的要因の観点から見ると、溶接熱サイクルの特定の温度勾配と冷却速度は、一定の拘束条件下で溶接継手を複雑な応力-ひずみ状態に保ち、亀裂の発生と発達に必要な条件を提供します。
溶接プロセスでは、冶金因子と機械的因子の複合効果は、金属接合を強化するか、金属接合を弱めるかという2つの側面に起因します。冷却中に溶接継手の金属に強度接合が確立されている場合、一定の剛性拘束条件下で従順に歪むことができ、溶接部と溶接部付近の金属が適用された拘束応力と固有の残留応力の作用に耐えることができる場合、亀裂は発生しにくいです。溶接継手の金属亀裂感受性は低く、逆に、応力が許容できない場合、金属内の強度結合が容易に中断され、亀裂が発生します。この場合、溶接接合金属の亀裂感受性は高くなります。溶接接合金属は結晶化と凝固の温度から始まり、一定の速度で室温まで冷却され、その亀裂感受性は、変形容量と印加ひずみの比較、および変形抵抗と印加応力の比較によって決定されます。
しかし、冷却過程において、異なる温度段階では、粒界強度と粒度強度の伸びが異なるため、粒間および粒内の変形分布が異なり、ひずみによる拡散挙動が異なり、応力集中も異なります。金属脆化を引き起こす条件と要因が異なり、溶接継手の具体的な弱点とその弱化の要因と程度も異なります。
溶接接合金属に亀裂が生じる原因となる冶金学的要因と機械的要因は密接に関係しています。機械的要因のうち応力勾配は熱サイクル特性によって決まる温度勾配と関係しており、後者は金属の熱伝導率、例えば金属の熱可塑性変化と密接に関係しています。特性、熱膨張、微細組織変態などの冶金学的要因は、溶接接合金属の応力-ひずみ状態に大きく影響します。
また、温度が低下して冷却速度が変化すると、冶金学的および機械的要因も変化し、溶接接合部の金属の強度は温度範囲によって異なります。たとえば、結晶化温度範囲が大きい場合、固相線温度が低くなり、結晶粒間に残る低融点の液体金属に応力集中が発生しやすくなり、固相金属に亀裂が生じます。
同様に、温度が下がるにつれて収縮量が大きく、特に急冷の条件下では収縮ひずみ速度が高くなり、応力ひずみ状態がより厳しくなると、ひび割れなどが発生しやすくなります。
アルミニウム合金の溶接時に溶接金属が凝固・結晶化する後期段階では、結晶が出会う中心部で低融点の共晶が押し出され、いわゆる「液膜」を形成します。自由収縮によって大きな引張応力が生じると、このとき液膜は比較的弱い部分を形成し、引張応力の作用により弱い部分で割れて亀裂が生じることがあります。
3. 高温割れ発生のメカニズム
アルミニウム合金の溶接時に最も高温割れが発生しやすい時期を調べるために、アルミニウム合金の溶接時の溶融池の結晶化を3段階に分けます。
第一段階は液体-固体段階です。溶融池が高温冷却から結晶化し始めると、結晶核は少数しか存在しません。温度の低下と冷却時間の延長に伴い、結晶核は徐々に成長し、新しい結晶核が現れますが、この過程では、液相が常に大きな量を占め、隣接する結晶粒間の接触はありません。凝固していない液体アルミニウム合金の自由な流れは障害にはなりません。
この場合、引張応力があっても、開いた隙間は流れるアルミニウム合金の液体金属によって時間内に埋められるため、液体-固体段階での亀裂の可能性は非常に小さいです。
第二段階は固液段階です。溶接溶融池の結晶化が続くと、溶融池内の固相が増加し続け、以前に結晶化した核が成長し続けます。温度が一定の値まで下がると、固化したアルミニウム合金の金属結晶は互いに接触し、一緒に連続的に転がります。このとき、液体のアルミニウム合金の流れが妨げられ、つまり溶融池の結晶化が固液段階に入ったことになります。
この場合、液体アルミニウム合金金属の不足により、結晶自体の変形が強く発現し、結晶間に残留する液相が流動しにくく、引張応力の作用で発生する微細な隙間を埋めることができず、わずかな引張応力が存在する限り、亀裂が発生する可能性があります。そのため、この段階は「脆性温度帯」と呼ばれます。
3 番目の段階は完全凝固段階です。溶融池の金属が完全に凝固した後に形成された溶接部は、引張応力を受けたときに優れた強度と可塑性を示します。この段階では、亀裂が発生する可能性は比較的小さいです。
したがって、温度がab間の脆化温度域よりも高いか低い場合、溶接金属は結晶化割れに抵抗する能力が高くなり、割れ傾向が小さくなります。一般に、不純物の少ない金属（母材と溶接材料を含む）の場合、脆化温度域が狭いため、この範囲で引張応力が短時間作用し、溶接部の総ひずみが比較的小さくなります。
そのため、溶接時に割れが発生する傾向は少なくなります。溶接部に不純物が多いと脆化温度範囲が広くなり、この範囲での引張応力が長くなり、割れが発生する傾向が大きくなります。
4. アルミニウム合金溶接割れの防止対策
アルミニウム合金の溶接中に生じる高温割れのメカニズムによれば、冶金学的要因とプロセス要因の 2 つの側面から改善を行うことで、アルミニウム合金の溶接における高温割れの発生確率を低減できます。
冶金学的要因から見ると、溶接時の粒界熱割れを防止するには、主に溶接継ぎ目金属システムを調整するか、フィラー金属に改質剤を添加することで対応します。溶接継ぎ目システムを調整する際の重点は、耐割れ性の観点から、適切な量の溶融共晶を制御し、結晶化温度範囲を狭めることです。
アルミニウム合金は典型的な共晶合金であるため、最大の亀裂傾向は合金の「最大」凝固温度範囲に対応し、少量の共晶の存在は常に凝固亀裂傾向を高めます。元素含有量は、亀裂傾向が最大となる合金組成を超えるため、「治癒」効果が発生する可能性があります。
改質剤としてTi、Zr、V、Bなどの微量元素をフィラーメタルに添加し、結晶粒を微細化して塑性および靭性を向上させ、溶接高温割れを防止することを試み、成果を上げました。図3は、剛性重ねすみ肉溶接条件下での改質剤を添加したAl-4.5%Mg溶接ワイヤの耐割れ性試験結果を示しています。
試験で添加したZrは{{0}}.15%、Ti+Bは0.1%でした。TiとBを同時に添加すると、耐亀裂性が大幅に向上することがわかります。Ti、Zr、V、B、Taなどの元素の共通の特徴は、アルミニウムと一連の包晶反応を形成して耐火金属化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Taなど）を形成できることです。このような小さな耐火粒子は、液体金属が凝固するときに非自発的な凝固核になり、結晶粒微細化の効果を生み出します。
プロセス要因、主に溶接仕様、予熱、接合部形状、溶接順序の観点から見ると、これらの方法はすべて溶接応力に基づいて溶接亀裂を解決します。溶接プロセスパラメータは、凝固プロセスの不均衡と凝固プロセスの微細構造状態に影響を与え、凝固プロセス中のひずみ成長速度にも影響を与え、亀裂の発生に影響を与えます。
熱エネルギーを集中させた溶接方法は、迅速な溶接プロセスに役立ち、方向性の強い粗大な柱状結晶の形成を防ぎ、耐割れ性を向上させることができます。小さな溶接電流を使用し、溶接速度を遅くすると、溶融池の過熱を減らし、耐割れ性を向上させることができます。
溶接速度の増加は溶接継手のひずみ速度の増加を促進し、高温割れの傾向を高めます。溶接速度と溶接電流の増加は割れ傾向の増加を促進することがわかります。アルミニウム構造の組み立てと溶接中、溶接シームは大きな剛性を受けないため、分割溶接、予熱、または溶接速度の適切な低下などの対策をプロセス中に採用できます。
予熱により、試験片の相対膨張を小さくすることができ、それに応じて溶接応力を低減し、脆性温度域での応力を低減することができます。開先と小さな隙間のある突合せ溶接を使用するようにし、十字形の継手の使用や不適切な位置決めと溶接順序を避けてください。溶接が終了または中断された場合は、アーククレーターを適時に埋めてから熱源を取り除く必要があります。そうしないと、アーククレーターの亀裂が発生しやすくなります。5000シリーズ合金の多層溶接の溶接継手では、粒界の局所的な溶融によりマイクロクラックが発生することが多いため、次の層の溶接ビードの入熱を制御する必要があります。
本論文の試験によれば、アルミニウム合金の溶接では、母材と充填材の表面洗浄も非常に重要であり、溶接部への材料の混入は亀裂の原因となり、溶接性能を低下させる主な原因となる。
