アルミニウム合金レーザー溶接における一般的な欠陥

一般的な欠陥アルミニウム合金レーザー溶接

レーザー自溶溶接またはレーザーアークハイブリッド溶接アルミニウム合金に使用される場合、いくつかの一般的な技術的問題があります。たとえば、プロセスパラメータと溶接条件が冶金学的である場合、欠陥が発生する可能性があります。不適切。アルミニウム合金接合部の欠陥は、主に溶接気孔と溶接熱割れの2種類に分類されます。気孔と熱割れの他に、アルミニウム合金のレーザー溶接では、アンダーカットや裏面形成不良などの欠陥も発生します。溶接気孔に比べ、溶接割れ（肉眼または低倍率で確認できる）の発生確率は高くありません。しかし、割れはより危険なため、JIS Z 3105では、溶接部に割れが発見された場合、溶接部はクラスIVと判定されると規定されています。アンダーカット、裏面形成不良などの欠陥は、主に不適切な速度制御やプロセスパラメータの不一致によって引き起こされる深刻な欠陥です。このような欠陥は、一般的にプロセスの探索とデバッグの段階で発生し、通常の実際の生産作業ではめったに発生しません。したがって、気孔はアルミニウム合金のレーザー溶接および溶接構造物の使用においてより有害な欠陥であり、根本的に除去することは困難です。

1. 多孔性

多孔性は、アルミニウム合金のレーザー溶接数百ミクロンから数ミリメートルまでの大きさの気孔が存在する。その形成メカニズムはまだ完全には解明されていない。気孔は溶接部の有効作業部を弱めるだけでなく、応力集中を引き起こし、溶接継手の動的強度と疲労性能を低下させる。

アルミニウム合金が水素を含む環境で溶融すると、内部の水素含有量は 0.69 ml/100g を超えることがありますが、合金が凝固した後、平衡状態での水素溶解度は最大でも 0.036 ml/100g です。一般的に、レーザー溶接の冷却プロセス中に水素の溶解度が急激に低下し、過飽和水素の析出によって水素気孔が形成されると考えられています。低融点かつ高蒸気圧の合金元素の蒸発によっても気孔が生じる可能性があり、これは冶金気孔と呼ばれます。さらに、レーザービームの乱れやキーホールの不安定性によっても気孔が形成される可能性がありますが、このような気孔は不規則な形状をしており、プロセス誘起気孔と呼ばれます。アルミニウム合金は化学活性が高いため、表面に酸化皮膜が容易に形成されます。溶接中、アルミニウム合金表面の酸化皮膜から分解した結晶水と結合水は、空気中の水分や保護ガスとともに、レーザーの作用により高温領域で直接分解して水素を生成します。これらの水素ガスは、溶融池の冷却・凝固中に析出して気泡を形成するか、または不完全に溶融した酸化皮膜上に直接気泡を生成する可能性があります。アルミニウム合金は比重が低いため、溶融池内の気泡の上昇速度は遅くなります。さらに、アルミニウム合金は熱伝導率が高く、溶融池の冷却・凝固速度は非常に速いため、一部の気泡は時間内に排出されずに溶接部に残り、冶金学的気孔を形成します。研究によると、アルミニウム合金溶接部の気孔の主なガスは水素であるため、アルミニウム合金溶接部の気孔は水素気孔と呼ばれることもあります。走査型電子顕微鏡で気孔の破断面を観察すると、気孔は主に球状の形態を示し、樹枝状結晶の樹枝状端部が密に配列しており、内壁は滑らかで清浄であり、酸化痕跡は見られない。気孔の存在は、溶接部の緻密性や接合部の耐荷重能力を低下させるだけでなく、接合部の強度や塑性も様々な程度で低下させる。

2. 高温の亀裂

溶融金属の凝固過程で発生する高温割れ（凝固割れと液化割れを含む）は、アルミニウム合金のレーザー溶接における一般的な欠陥の一つです。凝固割れの破面形態の最も顕著な特徴は、破面が滑らかではあるものの不均一な粒状の敷石状またはジャガイモ状の構造で構成されている点であり、破面には粒界の低融点共晶や液膜の折り目、樹枝状結晶の脆性破壊の痕跡がしばしば残っています。液化割れの破面形態は凝固割れに似ていますが、高温粒界破壊または凝固破壊の特徴を備えています。疲労荷重下での溶融溶接継手の疲労破壊においても、このような高温割れによる疲労割れ源はよく見られます。アルミニウム合金のレーザー溶接における高温割れの原因は、主に合金自体の特性と溶接プロセスに関連しています。アルミニウム合金は凝固時に大きな収縮率（最大5%）を示すため、大きな溶接応力と変形が生じます。さらに、溶接金属の凝固中に粒界に沿って低融点共晶組織が形成され、粒界の結合力が弱まるため、引張応力によって高温割れが発生します。また、アルミニウム合金のレーザー溶接における割れの形態は、溶接中心割れ、溶接融合線割れ、溶接部の粒界割れ、熱影響部液化割れ、酸化膜による割れ、粒界微小割れの4種類に分類できます。

さらに、溶接中の保護が不十分だと、溶接金属が空気中のガスと反応し、形成された介在物も潜在的な亀裂源となります。合金元素の種類と量は、アルミニウム合金溶接時の高温割れ傾向に大きな影響を与えます。一般的に、Al-Si系およびAl-Mn系アルミニウム合金は溶接性が良好で、高温割れが発生しにくい一方、Al-Mg系、Al-Cu系、Al-Zn系アルミニウム合金は比較的高温割れ傾向が高くなります。加熱および冷却速度を制御するために溶接プロセスパラメータを調整することで、高温割れ傾向を低減できます。一般的に、レーザーアークハイブリッド溶接の高温割れ傾向はレーザーフィラーワイヤ溶接よりも優れており、レーザーフィラーワイヤ溶接の高温割れ傾向はレーザー自溶溶接よりも優れています。

3. アンダーカットとバーンスルー

アルミニウム合金はイオン化エネルギーが低く、溶接中に光誘起プラズマが過熱・膨張しやすく、溶接プロセスが不安定になる。また、溶融アルミニウム合金は流動性が高く表面張力が低い。溶け込みを改善するには、保護ガス流量とレーザー出力を大きくする必要があることが多く、その結果、溶接プロセスの安定性が低下し、溶融池が圧力下で激しく変動し、アンダーカットや焼き抜けなどの欠陥が発生しやすくなる。レーザー溶接されたアルミニウム合金板の裏面成形性は、溶接部の裏面に水冷式の銅板を設置することで効果的に改善できる。

4. スラグ介在物

自動車ボディ溶接でよく発生するもう一つの欠陥は、溶接スラグの混入です。研究によると、スラグ混入は主に溶接部や溶接ワイヤ表面の酸化物、およびアルミニウム合金材料の局所的な不安定なプロセスに起因します。したがって、アルミニウム合金材料メーカーは、原材料中の不純物や水素の含有量を最小限に抑え、製品の品質安定性を高めるために、技術革新を強化し、鋳造プロセスを改善する必要があります。