鋼とアルミニウムを接合する際、接合過程におけるFe原子とAl原子の反応により、脆い金属間化合物（IMC）が形成される。これらのIMCの存在は接合部の機械的強度を制限するため、これらの化合物の量を制御する必要がある。IMCが形成される理由は、Alに対するFeの溶解度が低いことにある。一定量を超えると、溶接部の機械的特性に影響を与える可能性がある。IMCは、硬度、限られた延性および靭性、形態的特徴など、独自の特性を持つ。研究によると、他のIMCと比較して、Fe2Al5 IMC層は最も脆いと広く考えられている（11.8± 1.8 GPa) IMC相であり、溶接不良による機械的特性の低下の主な原因でもある。本論文では、調整可能なリングモードレーザーを使用したIF鋼と1050アルミニウムのリモートレーザー溶接プロセスを調査し、レーザービーム形状が金属間化合物の形成と機械的特性に及ぼす影響を詳細に調査した。コア/リング出力比を調整することにより、伝導モードでは、コア/リング出力比が0.2の場合、溶接界面の接合表面積が良好になり、Fe2Al5 IMCの厚さが大幅に減少し、それによって接合部のせん断強度が向上することがわかった。
本稿では、IF鋼と1050アルミニウムの遠隔レーザー溶接における、調整可能なリングモードレーザーが金属間化合物の形成と機械的特性に及ぼす影響について紹介する。研究結果によると、伝導モードでは、コア/リング出力比が0.2の場合、溶接界面の接合面積が大きくなり、最大せん断強度97.6 N/mm2（接合効率71%）が得られた。さらに、出力比が1を超えるガウスビームと比較すると、Fe2Al5金属間化合物（IMC）の厚さが62%、総IMC厚が40%大幅に減少した。穿孔モードでは、伝導モードと比較して、亀裂とせん断強度の低下が観察された。コア/リング出力比が0.5の場合、溶接シームで顕著な結晶粒微細化が観察されたことは注目に値する。
r=0の場合、ループ電力のみが発生し、r=1の場合、コア電力のみが発生します。
ガウスビームと環状ビームの電力比rの概略図
（a）溶接装置；（b）溶接プロファイルの深さと幅；（c）サンプルと治具の設定を表示する概略図
MCテスト：ガウスビームの場合のみ、溶接シームは最初は浅い伝導モード（ID 1および2）で、その後部分的に浸透するロックホールモード（ID 3-5）に移行し、明らかな亀裂が現れます。リングパワーが0から1000Wに増加すると、ID 7では明らかな亀裂はなく、鉄濃縮の深さは比較的小さくなります。リングパワーが2000および2500W（ID 9および10）に増加すると、鉄濃縮ゾーンの深さが増加します。2500Wのリングパワー（ID 10）では、過剰な亀裂が発生します。
MRテスト：コア電力が500～1000W（ID 11および12）の場合、溶接シームは伝導モードになります。ID 12とID 7を比較すると、総電力（6000W）は同じですが、ID 7ではロックホールモードが実行されます。これは、支配的なループ特性（r=0.2）により、ID 12で電力密度が大幅に低下するためです。総電力が7500W（ID 15）に達すると、完全浸透モードが実現でき、ID 7で使用された6000Wと比較して、完全浸透モードの電力が大幅に増加します。
ICテスト：コア電力1500W、リング電力3000Wおよび3500Wで伝導モード（ID 16および17）が達成されました。コア電力が3000Wでリング電力が1500W～2500Wの場合（ID 19～20）、鉄リッチ層とアルミニウムリッチ層の界面に明らかな亀裂が現れ、局所的に貫通した小さな穴のパターンが形成されます。リング電力が3000Wおよび3500Wの場合（ID 21および22）、完全貫通キーホールモードが達成されます。
光学顕微鏡下で撮影した各溶接部の代表的な断面画像
図4. (a) 溶接試験における引張強度(UTS)と出力比の関係；(b) 全溶接試験の総出力
図5. (a) アスペクト比と引張強度の関係、(b) 伸びと溶け込み深さと引張強度の関係、(c) すべての溶接試験における電力密度
図6. (ac) ビッカース微小硬度圧痕等高線図、(df) 代表的な伝導モード溶接に対応するSEM-EDS化学スペクトル、(g) 鋼とアルミニウムの界面の模式図、(h) 伝導モード溶接のFe2Al5と全IMC厚さ
図7. (ac) ビッカース微小硬度圧痕等高線図；(df) 代表的な局所浸透穿孔モード溶接に対応するSEM-EDS化学スペクトル
図8. (ac) ビッカース微小硬度圧痕等高線図；(df) 代表的な完全溶け込み貫通モード溶接に対応するSEM-EDS化学スペクトル
図9は、完全貫通穿孔モード試験における鉄リッチ領域（上部プレート）の結晶粒径を示すEBSDプロットであり、結晶粒径分布を定量化している。
図10. 鉄リッチ相とアルミニウムリッチ相の界面のSEM-EDSスペクトル
本研究では、IF鋼と1050アルミニウム合金の異種重ね溶接継手における、ARMレーザーが金属間化合物（IMC）の形成、微細構造、および機械的特性に及ぼす影響を調査した。本研究では、3つの溶接モード（伝導モード、局所浸透モード、完全浸透モード）と3つのレーザービーム形状（ガウスビーム、環状ビーム、ガウス環状ビーム）を検討した。研究結果から、ガウスビームと環状ビームの適切な出力比を選択することが、内部モード炭素の形成と微細構造を制御し、溶接部の機械的特性を最大化するための重要なパラメータであることが示された。伝導モードでは、出力比0.2の円形ビームが最高の溶接強度（接合効率71%）を示した。穿孔モードでは、ガウスビームはより大きな溶接深さとより高いアスペクト比をもたらすが、溶接強度は大幅に低下する。出力比0.5の環状ビームは、溶接シームにおける鋼の側粒の微細化に大きな影響を与える。これは、環状ビームのピーク温度が低いため冷却速度が速くなること、および溶接シームの上部へのAl溶質移動による結晶粒構造の成長抑制効果によるものです。ビッカース微小硬度とThermo Calcによる相体積率の予測値の間には強い相関関係があります。Fe4Al13の体積率が大きいほど、微小硬度が高くなります。
投稿日時：2024年1月25日
