溶接に最適なアルミニウム合金は？

どれ 溶接に最適なアルミニウム合金?アルミニウムは、その高い可搬性、風雨に対する強い耐性、加工のしやすさから、現代産業で使用される金属の中で最も人気のある素材となっている。その合金は、航空宇宙産業、自動車産業、海洋産業、住宅・建築産業で非常に重宝されています。しかし、アルミニウムの溶接によって生じる課題は、他の金属の溶接とは異なります。その理由のひとつは、アルミニウムの高い熱伝導性、酸化物の形成速度、溶接プロセスにおける歪みや割れの特性です。様々なアルミニウム合金の特性と特徴に関する知識は、特定の作業に適した材料を選択する上で重要です。

すべてのアルミニウム合金が同じように溶接できるわけではなく、従来の溶接によく適応するものもあれば、摩擦攪拌溶接のような特殊な溶接方法が必要なものもあります。合金の選択と溶接方法は、強度、耐食性、延性、熱処理能力などの要因によって決まります。高品質な接合を実現するには、表面の適切な処理、溶加材の適合性、溶接後の処理も考慮しなければならない。

この記事では、溶接に最適なアルミニウム合金の種類、その特性、その使用に伴う利点、従うべき推奨事項、およびこれらの種類のアルミニウム合金を溶接する際に予想される課題について、詳細な報告を行います。このような知識に基づいて、専門家は、多様な産業および構造用途にわたって、耐久性、信頼性、および優れた性能を備えた溶接構造を実現することができるようになります。

アルミニウム合金とは

アルミニウム合金は、強度、耐食性、機械加工性、溶接性などの品質を向上させるために、アルミニウムに他の金属を添加して使用される材料です。純粋なアルミニウムは弱く、軽量で柔らかく、耐食性に優れています。追加元素（銅（Cu）、マグネシウム（Mg）、シリコン（Si）、マンガン（Mn）、亜鉛（Zn）など）を混合することで、エンジニアは航空宇宙、自動車部品、海洋、建築構造物など、さまざまな種類の用途に適した合金を作ることができます。

アルミニウム合金のいくつかのポイント

• 強化された強さ： 合金化することで、そのままのアルミニウムに比べて高い強度が得られる。
• 耐食性： マグネシウムなど、環境条件による錆や腐食に強いとされる合金もある。
• 溶接性： 他のアルミニウム合金は溶接しやすいが、割れやすいものもある。
• カテゴリー
• 機械的に加工された錬合金： (例：1XXX、5XXX、6XXX シリーズ）。
• 鋳造合金： これは、複雑な型を作るために、溶けたアルミニウムの流れを鋳型に流し込んで作られる。

簡単に言えば、アルミニウム合金は、アルミニウムの軽量で耐食性に優れた特性に、工業用途のニーズに適合するために必要な、さらに有利な特性を加えたものです。

アルミニウム合金を知る

アルミニウム合金は展伸材と鋳造材に分けられます。機械的に加工された合金は、板、プレートまたは押出材に鍛造されますが、鋳造合金は溶融アルミニウムを鋳型に流し込む形です。展伸合金はさらに合金元素によってシリーズに分けられます：

• 1xxxシリーズ（純アルミニウム 純度99%以上のアルミニウムを主成分とする。このような合金は柔らかく、腐食性がなく、溶接しやすい。
• 2xxxシリーズ (Al-Cu系合金)強度は高いが、耐食性が低下し、割れやすいため溶接が難しくなる。
• 3xxxシリーズ (Al-Mn系合金)良好な耐食性、適度な強度、良好な溶接性。
• 4xxxシリーズ (Al-Si系合金)一般的に溶接性は中程度で、自動車や航空宇宙用途に使用される。
• 5xxxシリーズ (Al-Mg系合金) - 日本 良好な耐食性、高強度、良好な溶接性。
• 6xxxシリーズ (Al-Mg-Si系合金)強度と耐食性に優れ、溶接性は中程度。
• 7xxxシリーズ (Al-Zn-Mg-Cu系合金) - （英語超高強度だが溶接性は低く、割れやすい。
• 合金の選択は、溶接の能力と接合部の品質に大きな影響を与える。

溶接性に影響する条件

アルミニウム合金は、様々な要因によって溶接することができる：

• 合金元素： マグネシウム (Mg)、ケイ素 (Si)、銅 (Cu)、亜鉛 (Zn) などの元素が溶接性に影響する。銅: 2xxxシリーズ合金のように銅が多いと、 溶接しやすくなり、熱間亀裂が生じやすくなる。
• 熱伝導率と融点： アルミニウムは鋼鉄の約4倍の熱伝導率を持つため、熱が広がりやすく、溶接池を一定に保つのが難しい。アルミニウムの低融点がもたらすもう一つのリスクは、溶接中のバーンスルーである。
• 割れやすい： 2xxxと7xxxの合金は、冷却中に応力が集中するため、凝固時に割れる傾向がある。
• 表面の酸化： アルミニウムは、空気と接触すると容易に、そして自然に、非常に強靭な酸化皮膜を形成する。この酸化皮膜は、下地金属に比べて高い温度範囲で融解するため、注意が必要である。

溶接に最適なアルミニウム合金

5052 合金

Al-Mg(アルミニウム-マグネシウム)合金5052は、最も溶接に適した合金の一つであると多くの人に考えられています。これはマグネシウムの含有量が高いためで、特に海洋環境や化学処理の用途で優れた耐食性を発揮します。

アプリケーション 中～高強度、高延性、平均以上の耐食性。

メリット

• TIGまたはMIG技術による溶接性が非常に良い。
• 溶接中のひずみや熱間クラックには耐性がない。
• 優れた耐溶接腐食性を有する。

材料：海洋構造物、化学薬品タンク、自動車用パネル、屋根用シート、産業機器。

合金 5083

アルミニウム-マグネシウム合金5083は、低温で高い強度を持つため、海洋や極低温での使用に適しています。特に工業用水や海水中での腐食に強い。

特徴 超高強度、優れた耐食性、優れた耐疲労性。

メリット

• 最小限の溶接後準備で優れた溶接性を発揮。
• 応力割れや腐食に非常に強い。
• ヘビーデューティー用途など、高い構造的完全性が要求される用途に採用。

用途造船、圧力容器・タンク、自動車フレーム・機器、輸送機器。

5754 合金

もう一つのAl-Mg合金はA-Mg 5754で、高耐食性と高成形性を持つ中強度と言えます。また、構造強度と溶接性を達成し、そのため、構造強度と溶接性が鍵となる場合に一般的に使用されます。

特徴 適度な強度と高い延性を持ち、耐食性に優れている。

メリット

• 利用可能な溶接方法による優れた溶接。
• 海洋および工業環境において優れた耐食性を発揮。
• 成形性に優れ、溶接してもそれなりの強度がある。

アプリケーション 車体パネル、構造用パネル、建築用被覆材、船舶用。

6061 合金

組成6061のAl-Mg-Si合金は、構造および航空宇宙分野で広く使用されている。これは、靭性、耐食性、実用性の間の妥協点である。

物件の種類 中程度の高強度、非常に優れた耐食性、中程度の延性を持つ。

メリット

• TIGまたはMIGによる溶接が可能で、厚い部分は予熱が必要。
• 機械的特性は、溶接後の熱処理によって回復する。
• 優れた重量比強度を持ち、構造部品に適している。

アプリケーション 航空機構造、パイプライン、自動車部品、橋梁構造、構造製品。

6063アロイ

Al-Mg-Si系合金（6063）も建築・装飾用Al合金で、表面は滑らかな仕上がりで耐食性に優れている。

プロパティ 強靭または中程度の強度、良好な耐食性、良好な表面仕上げ。

メリット

• あらゆる板厚の溶接性に優れる。
• 屋外や建築物を含め、耐腐食性にも優れている。
• 滑らかな表面にはアルマイト加工を施し、装飾を施すことができる。

アプリケーション 建築構造、窓枠、ドア、カーテンウォール、エクストルージョン。

アロイ1100

アルミニウム合金1100は、ほとんど純アルミニウム合金に見えます（99%アルミニウムです）。柔らかく、延性があり、非常に溶接しやすいので、強度よりも抵抗率が問題となる場合に適しています。

高い延性： 耐食性に優れ、強度は低い。

メリット

• ほとんど準備することなく、非常に簡単に溶接できる。
• 厳しい化学薬品に対しても非常に優れた耐食性を示す。
• 曲げたり、形を整えたり、成形するのはとても簡単だ。
• アプリケーション 屋根、サイディング、化学装置、厨房機器、低強度用途。

1350アロイ

電気・化学産業で使用される高純度のアルミニウム合金は1350です。信じられないほどの強度を持ち、耐食性に優れているだけでなく、非常に溶接しやすく、特殊な環境で使用される場合には非常に頼りになる金属です。

メリット 腐食に強く、溶接性に優れ、軽量。

メリット

• 従来の方法で簡単に溶接できる。
• 軽量であるため、持ち運び可能な機械に適用できる。
• 腐食に強く、化学薬品や海水の環境でも長寿命。
• アプリケーション 処理装置、電線管、電気バスバー、化学薬品貯蔵タンク。

アルミニウム合金、およびその主要特性と溶接能力について

以下の技術表は、アルミニウム合金の完全な固有名詞のリストと、その主な特性および溶接能力を示しています：

これは、工学書や航空宇宙/工業用語で参照される適切な合金名を採用したバージョンである。

アルミニウム合金の種類

アルミニウム合金は、錬合金と合金鋳物の2つのグループに大別されます。どのタイプにも特定の属性、用途、溶接性があります。

1.アルミニウム合金、展伸材

機械的に加工された薄板、板、箔、棒、押出材は錬合金でできている。これらは、組成の観点から2つのシリーズに分類される：

非熱処理合金：

• これらの合金はこれらの熱処理によって強度を得ることはできないが、冷間加工によって強度を得ることができる。耐食性に優れ、溶接性が良いため、海洋構造物、屋根材、化学処理装置などに使用される。

熱処理可能な合金：

•  これらの合金の溶体化処理も強度を向上させる。2000、6000、7000シリーズがその例である。これらは強度が高いが、溶接が難しく、場合によっては特殊な方法を必要とする。用途は、航空宇宙、自動車、構造骨組などである。

2.アルミニウム合金鋳造

について アルミニウム鋳造 合金は、溶けた合金を鋳物に流し込むことで実現する。鍛造では難しい複雑な形状にも対応できます。鋳造合金は、熱処理が可能なものと不可能なものがあり、強度、耐食性、機械加工性の均等なバランスを提供します。代表的な用途としては、エンジンブロック、自動車部品、機械などがある。

溶接に使用する適切な材料を選択する際には、アルミニウム合金の性質を理解することが極めて重要である。なぜなら、機械的特性、耐食性、および接合部の品質に影響を及ぼす可能性が高いからである。

最も溶接しにくいアルミニウム合金

アロイ2024

高強度Al-Cu材で、航空宇宙産業や同様の高張力用途に使用される。

課題だ：

• 溶接時に熱割れを起こしやすい。
• 特殊な方法と金属フィラーが必要。
• 機械的特性を回復するには、溶接後に熱処理を施す必要がある。

2219 合金

特徴 高強度Al-Cu合金で、航空宇宙およびロケット部品に使用される。

課題だ：

• ひびが入ったり歪んだりする可能性があるため、溶接は非常に難しい。
• そして、加熱と完璧な溶接に熟練を要する。

7075 合金

特徴Al-Zn-Mg-Cu合金で、非常に高い強度を持ち、通常、航空宇宙および軍事製品に使用される。

課題だ：

• 溶接性が悪く、通常の溶接はできない。
• 応力腐食に非常に弱い。
• 通常、摩擦攪拌溶接やその他の特殊工程が用いられる。

アルミニウム溶接の技術

適切な合金を選択するのと同様に、適切な溶接方法を選択することが不可欠である。最も使用されるアルミニウム溶接方法は以下の通りです：

• TIG溶接（GTAW）： きめ細かくきれいな溶接ができるが、薄い材 料に適している。合金1XXX、5XXX、6XXXを扱う場合に一般的である。
• ミグ溶接（GMAW）： 溶着速度が速く、厚い部分にも使用でき、 5xxxおよび6xxxシリーズのアルミニウム合金を溶接する際 に、産業界でしばしば選択される溶接プロセスである。
• フィラーメタル： 適切な溶加材を選択することが重要である。そのため、5356フィラーは5xxx合 金に、4043は6xxx合金に適用できる。
• プレヒートとポスト： 処理：予熱は、特に厚い部品の熱衝撃や割れに関 連する問題を回避する。ある種の合金は、溶接後に強度を回復するために人為的な時効処理が必要である。

アルミニウム合金の溶接における実践的な提案

アルミニウム溶接の組成 アルミニウムは簡単に溶接できるかもしれないが、アルミニウムは熱伝導率が高く、酸化皮膜を成長させる傾向があり、変形や破断を起こしやすいため、この作業には特別な計画と技術が必要である。適切な合金と技術により、溶接の強度と品質を大幅に向上させることができます。以下は作業上の提案である：

1.用途に適した合金を選ぶ

• 海洋環境、化学環境、腐食しやすい環境： 5052、5083、5754が最適な選択である。
• 中程度の強さだ： 6061、6063は主に頑丈な作りに使われる。
• 装飾や低強度材料として使用する： 1100、1350が使える。
• 合金は避ける： 摩擦攪拌接合のような特殊な方法を用いない限り、2024、2219、7075など。

2.適切な溶接プロセスを選択する

• TIG（GTAW）： 精密でクリーンなプロセスであり、薄肉部の溶接によく使用される。5052、5083、6061、1100に最適。
• 金属不活性ガス（GMAW）： 業界標準のMIG（金属不活性ガス、またはガス・金属アーク）を使用。より厚い金属が必要な場合により早く適用され、工業用途で一般的。5052、6061、5754に適している。
• 摩擦攪拌接合（FSW）： この溶接技法は、7075や2219のような高強度 合金で最も生産性が高く、融接は推奨されない。

3.表面処理

• ねぐらに呼び寄せる前に、溶接前にステンレス・ブラシか化学クリーナーで酸化アルミニウムの表面を清掃する。
• 表面が油っぽかったり濡れていたりしないように注意すること。そうでないと、素材が多孔質でリンクが弱い可能性がある。

4.加熱入力を調整する

• アルミニウムは熱伝導が速すぎるため、過熱すると歪み、焼き付き、強度の低下を引き起こす。
• 長い溶接パスと不適切な電極サイズを最小限に 抑え、予熱（必要な場合）を使用して、均一な熱分布を 確保する。

5.適合するフィラーメタルを使用する。

• 強度を保ち、腐食を避けるために、フィラー合金を母材に合わせます。
• 一般的なフィラー合金には、アルミニウムの基盤に応じて、4045、5356、5556フィラー合金があります。

6.溶接後の処理

• 6061や2024のような熱処理が必要な合金の場合、機械的特性を回復するために溶接後熱処理を行う必要がある。
• 耐食性は、海洋やその他の腐食環境が関係する場合、陽極酸化処理やその他の保護コーティングによってさらに向上する可能性がある。

7.歪みの最小化

• 千鳥溶接、クランプ、タック溶接は、反りや応力を抑えるのに役立つ。
• 薄いシートの余分な熱を吸収するために、バッキングバーやチルプレートを使用することができる。
• これらの有用な提案は、アルミニウムの堅牢で強靭、耐腐食性の溶接均等材を保証し、亀裂、成形不良、クラッシュの可能性を最小限に抑えます。

結論

アルミニウム合金の溶接は、堅牢で安定した耐食性継手を得るために、材料の選択、手順、溶接後の熱処理の間にある種の均衡が必要です。多種多様なアルミニウム合金のうち、5052、5083、5754、6061、6063、1100、および1350は、溶接を成功させるために、耐食性、延性、および加工のしやすさの点で最高の特性を示します。この種の合金は、中程度から高強度で溶接性が良いため、海洋産業、自動車会社、航空宇宙産業、構造物産業などの産業で一般的である。逆に、合金スペクトルの高い方（2024、 2219、7075）の高強度合金は、熱間割れ、歪み、 強度特性の損失を起こしやすく、特殊な溶接方法 （摩擦攪拌溶接、制御熱処理）または特殊な熱処理 を必要とするため、溶接が特に難しい。

アルミニウム製の溶接構造物を最適に使用するためには、取り付け面の準備、温度、適切な充填剤の使用、溶接後の処理などの実用的な側面が重要です。各合金の特性、利点、欠点を知ることで、技術者や加工業者は十分な情報を得た上で、適切な構造強度と長寿命につながる決定を下すことができます。最後に、正しいアルミニウム合金を選択し、正しい溶接手順を遵守することで、溶接における高い品質と安全性を確保することができ、あらゆる工業および建築・技術製品・用途の安全性と効率を高めることができます。

よくある質問

1.最も溶接しやすいアルミ合金は何ですか？

5052、5083、5754、6061、6063、1100および 1350合金が最も溶接しやすい。これらの合金は耐食性に優れ、延性が高く、溶接中に割れる可能性がほとんどないため、工業用および構造用の大半の用途に適しています。

2.なぜある種のアルミニウム合金は溶接しにくいのですか？

2024、2219、7075のような合金は、高強度であるため溶接が難しく、熱処理が可能であるため、熱割れや歪みが発生する傾向があり、従来の融接工程で直面するリスクの一部である、機械的特性を失う可能性がある。摩擦攪拌接合などの特殊な接合プロセスも、通常、強度が高く欠陥のない接合部を製造するために必要である。

3.アルミニウム溶接のソースにおけるベストプラクティスはどれですか？

ベスト・プラクティスには、酸化被膜を除去するた めの適切な表面のクリーニング方法、入熱の注意深 い管理、適合する溶加金属の種類、歪みを最小限に 抑えるためのクランプまたはタック溶接、熱処理 や保護コーティングなどの溶接後処理が含まれる。これらの実践は、高強度、高耐久性、耐食性の溶接を効果的にもたらす。