溶接加工業界におけるアルミニウムの普及と、多くの用途において鋼材の優れた代替材料として受け入れられるようになったことに伴い、アルミニウム関連プロジェクトの開発に携わる人々にとって、この材料群に関する知識を深めることがますます重要になっています。アルミニウムを十分に理解するためには、まずアルミニウムの識別・分類システム、利用可能な様々なアルミニウム合金とその特性について理解を深めることをお勧めします。

アルミニウム合金の焼き戻しおよび表示システム- 北米では、アルミニウム協会がアルミニウム合金の割り当てと登録を担当しています。現在、アルミニウム協会には400種類以上の鍛造アルミニウムおよび鍛造アルミニウム合金、そして鋳造品およびインゴットの形態の200種類以上のアルミニウム合金が登録されています。これらの登録合金すべての化学組成の制限は、アルミニウム協会のティールブック「鍛造アルミニウムおよび鍛造アルミニウム合金の国際合金指定および化学組成制限」と題された文書、およびピンクブック「鋳造品およびインゴット状のアルミニウム合金の規格および化学組成限界」と題されたこれらの出版物は、溶接手順を開発する際、また化学組成と亀裂感受性との関連性を考慮することが重要な場合に、溶接技術者にとって非常に役立ちます。

アルミニウム合金は、熱処理や機械的処理に対する反応性、添加される主要な合金元素など、材料の特性に基づいていくつかのグループに分類できます。アルミニウム合金に使用される番号付け／識別システムを考慮すると、上記の特性が特定されます。鍛造アルミニウムと鋳造アルミニウムでは、識別システムが異なります。鍛造アルミニウムは4桁のシステムであり、鋳造アルミニウムは3桁＋小数点以下1桁のシステムです。

鍛造合金表示システム- まず、4桁の鍛造アルミニウム合金識別システムについて検討します。最初の桁（Xxxx)は、アルミニウム合金に添加された主要な合金元素を示し、1000シリーズ、2000シリーズ、3000シリーズ、8000シリーズまでといったアルミニウム合金シリーズを表すためによく使用されます（表1を参照）。

2番目の1桁の数字（xXxx) が 0 と異なる場合は、特定の合金の変更を示し、3 番目と 4 番目の数字 (xxXX）は、シリーズ内の特定の合金を識別するために与えられた任意の番号です。例：合金5183では、番号5はマグネシウム合金シリーズであることを示し、1はそれが1であることを示します。^st元の合金5083を改良したもので、83は5xxxシリーズにおける識別番号である。

この合金番号付けシステムの唯一の例外は、1xxxシリーズのアルミニウム合金（純アルミニウム）で、この場合、最後の2桁は99%を超える最小アルミニウム含有率を示します。つまり、合金13です。（50）（アルミニウム含有率99.50%以上）

鍛造アルミニウム合金の指定システム

表1

鋳造合金の名称- 鋳造合金の指定システムは、3桁の数字と10進数の指定xxx.x（例：356.0）に基づいています。最初の桁（Xxx.x)は、アルミニウム合金に添加された主要な合金元素を示します（表2を参照）。

鋳造アルミニウム合金の指定システム

表2

2番目と3番目の数字（xXX.x) は、シリーズ内の特定の合金を識別するために付けられた任意の番号です。小数点以下の数字は、合金が鋳造品 (.0) かインゴット (.1 または .2) かを示します。大文字の接頭辞は、特定の合金に対する変更を示します。
例：合金 – A356.0 大文字のA（Axxx.x)は合金356.0の改良版を示します。番号3(A3xx.x) は、シリコン＋銅および／またはマグネシウム系列であることを示しています。56 in (Ax56.0) は 3xx.x シリーズ内の合金を識別し、.0 (Axxx) は0）は、それが最終形状の鋳造品であり、インゴットではないことを示しています。

アルミニウムの焼き戻し指定システム -アルミニウム合金の様々なシリーズを検討すると、その特性とそれに伴う用途にかなりの違いがあることがわかります。識別システムを理解した上でまず認識すべき点は、上記のシリーズには明確に異なる2種類のアルミニウムが存在するということです。それは、熱処理可能なアルミニウム合金（熱を加えることで強度を増すことができる合金）と、熱処理不可能なアルミニウム合金です。この区別は、アーク溶接がこれら2種類の材料に及ぼす影響を検討する際に特に重要となります。

1xxx、3xxx、および5xxxシリーズの鍛造アルミニウム合金は熱処理不可であり、加工硬化のみが可能です。2xxx、6xxx、および7xxxシリーズの鍛造アルミニウム合金は熱処理可能であり、4xxxシリーズは熱処理可能な合金と熱処理不可能な合金の両方を含みます。2xx.x、3xx.x、4xx.x、および7xx.xシリーズの鋳造合金は熱処理可能です。鋳造品には一般的に加工硬化は適用されません。

熱処理可能な合金は、熱処理プロセスによって最適な機械的特性を獲得します。最も一般的な熱処理は、固溶化熱処理と人工時効処理です。固溶化熱処理とは、合金を高温（約990°F）に加熱して、合金元素または化合物を溶液中に溶解させるプロセスです。その後、通常は水中で急冷して、室温で過飽和溶液を生成します。固溶化熱処理の後には、通常、時効処理が行われます。時効処理とは、過飽和溶液から元素または化合物の一部を析出させて、望ましい特性を得るプロセスです。

非熱処理合金は、加工硬化によって最適な機械的特性を獲得する。加工硬化とは、冷間加工を施すことによって強度を高める方法である。T6、6063-T4、5052-H32、5083-H112.

基本的な気質区分

表3

基本的な焼き戻し区分に加えて、さらに2つの細分化された区分があり、1つは「H」焼き戻し（加工硬化）に関するもので、もう1つは「T」焼き戻し（熱処理）に関するものです。

Hテンパーの細分化 – 加工硬化

H の後の最初の数字は、基本演算を示します。
H1－加工硬化処理のみ。
H2加工硬化処理および部分焼鈍処理済み。
H3－加工硬化および安定化処理済み。
H4－加工硬化処理後、ラッカー塗装または塗装仕上げ。

Hの後の2桁目の数字は、加工硬化の度合いを示します。
HX2– クォーターハードHX4– ハーフハード HX6– スリークォーターハード
HX8– フルハードHX9– 超ハード

Tテンパーの細分類 – 熱処理済み

T1・押出成形などの高温成形工程後の冷却によって自然に熟成されたものです。
T2高温成形工程後の冷却後に冷間加工を施し、その後自然熟成させた。
T3・溶体化熱処理、冷間加工、自然時効処理済み。
T4・溶液熱処理後、自然熟成。
T5高温成形工程後の冷却により、人工的に経年劣化させたもの。
T6・溶液熱処理および人工老化処理済み。
T7・溶体熱処理および安定化処理（過熟成）。
T8・溶体化熱処理、冷間加工、人工時効処理済み。
T9・溶体化熱処理、人工時効処理、冷間加工済み。
T10高温成形工程後の冷却後に冷間加工を行い、その後人工的に時効処理を施した。

追加の数字はストレス軽減を示します。
例：
TX51またはTXX51ストレッチでストレス解消。
TX52またはTXX52圧縮することでストレスが軽減される。

アルミニウム合金とその特性7種類の鍛造アルミニウム合金を検討することで、それぞれの違いを理解し、用途や特性を把握することができるでしょう。

1xxxシリーズ合金– (非熱処理可能 – 引張強度 10 ～ 27 ksi) このシリーズは、最低 99.0% のアルミニウムが必要とされるため、純アルミニウムシリーズと呼ばれることが多いです。溶接可能です。ただし、融点範囲が狭いため、適切な溶接手順を実行するには、特定の考慮事項が必要です。製造に検討される場合、これらの合金は、特殊な化学タンクや配管などの優れた耐食性、またはバスバー用途などの優れた電気伝導性のために主に選択されます。これらの合金は、機械的特性が比較的劣るため、一般的な構造用途にはほとんど考慮されません。これらのベース合金は、用途と性能要件に応じて、適合する溶加材または 4xxx 溶加合金で溶接されることがよくあります。

2xxxシリーズ合金（熱処理可能で、引張強度が 27 ～ 62 ksi の）これらはアルミニウム / 銅合金（銅の添加量は 0.7 ～ 6.8%）であり、航空宇宙および航空機用途によく使用される高強度、高性能合金です。幅広い温度範囲で優れた強度を発揮します。これらの合金の中には、高温割れや応力腐食割れを起こしやすいため、アーク溶接プロセスでは溶接できないとみなされるものもありますが、適切な溶接手順を用いれば、アーク溶接で非常に良好な結果が得られるものもあります。これらの母材は、その性能に合わせて設計された高強度 2xxx 系溶加材で溶接されることが多いですが、用途や使用条件によっては、シリコンまたはシリコンと銅を含む 4xxx 系溶加材で溶接される場合もあります。

3xxxシリーズ合金– (非熱処理可能 – 引張強度 16 ～ 41 ksi) これらはアルミニウム / マンガン合金 (マンガン添加量 0.05 ～ 1.8%) で、中程度の強度、優れた耐食性、優れた成形性を持ち、高温での使用に適しています。初期の用途の 1 つは鍋やフライパンで、今日では自動車や発電所の熱交換器の主要部品となっています。ただし、中程度の強度のため、構造用途には適さないことがよくあります。これらの基合金は、その特定の化学組成と特定の用途および使用条件に応じて、1xxx、4xxx、および 5xxx シリーズの溶加材で溶接されます。

4xxxシリーズ合金– (熱処理可能および熱処理不可 – 引張強度 25 ～ 55 ksi) これらはアルミニウム / シリコン合金 (シリコン添加量 0.6 ～ 21.5%) であり、熱処理可能な合金と熱処理不可の合金の両方を含む唯一のシリーズです。シリコンをアルミニウムに添加すると、融点が低下し、溶融時の流動性が向上します。これらの特性は、溶融溶接とろう付けの両方に使用される充填材にとって望ましいものです。したがって、このシリーズの合金は主に充填材として使用されています。アルミニウム中のシリコン単体では熱処理できませんが、これらのシリコン合金の多くはマグネシウムまたは銅を添加するように設計されており、これにより固溶化熱処理に良好に反応する能力が得られます。通常、これらの熱処理可能な充填材合金は、溶接部品が溶接後熱処理を受ける場合にのみ使用されます。

5xxxシリーズ合金– (非熱処理可能 – 引張強度 18 ～ 51 ksi) これらはアルミニウム / マグネシウム合金 (マグネシウム添加量 0.2 ～ 6.2%) であり、非熱処理合金の中で最高の強度を有します。さらに、この合金シリーズは溶接が容易であるため、造船、輸送、圧力容器、橋梁、建築物など、幅広い用途に使用されています。マグネシウム基合金は、基材のマグネシウム含有量、溶接部品の用途および使用条件を考慮して選択された溶加材を使用して溶接されることがよくあります。マグネシウム含有量が 3.0% を超えるこのシリーズの合金は、鋭敏化およびそれに伴う応力腐食割れの感受性のため、150 °F を超える高温での使用には推奨されません。マグネシウム含有量が約 2.5% 未満の基合金は、5xxx または 4xxx シリーズの溶加材を使用して溶接されることがよくあります。 5052合金は、一般的に4xxx系溶加材で溶接可能なマグネシウム含有量が最大となる合金として認識されています。共晶融解に伴う問題や、それに伴う溶接後の機械的特性の低下のため、マグネシウム含有量の多いこの合金系列の材料を4xxx系溶加材で溶接することは推奨されません。マグネシウム含有量の多い基材は、一般的に合金組成と一致する5xxx系溶加材でのみ溶接されます。

6XXXシリーズ合金– (熱処理可能 – 引張強度 18 ～ 58 ksi) これらはアルミニウム / マグネシウム – シリコン合金 (マグネシウムとシリコンの添加量は約 1.0%) であり、溶接加工業界で広く使用されており、主に押出成形品として、また多くの構造部品に組み込まれています。アルミニウムにマグネシウムとシリコンを添加すると、マグネシウムシリサイド化合物が生成され、この材料は溶体化熱処理によって強度を向上させることができます。これらの合金は自然に凝固割れを起こしやすいため、自己溶接 (溶加材なし) は避けるべきです。アーク溶接プロセス中に適切な量の溶加材を添加することで、母材を希釈し、高温割れの問題を防ぐことが不可欠です。用途や使用条件に応じて、4xxx 系および 5xxx 系の溶加材を使用して溶接されます。

7XXXシリーズ合金– (熱処理可能 – 引張強度 32 ～ 88 ksi) これらはアルミニウム / 亜鉛合金 (亜鉛添加量 0.8 ～ 12.0%) であり、最も強度の高いアルミニウム合金の一部です。これらの合金は、航空機、航空宇宙、競技用スポーツ用品などの高性能用途でよく使用されます。2xxx シリーズの合金と同様に、このシリーズにはアーク溶接に適さないと考えられる合金と、アーク溶接が成功することが多い合金が含まれています。このシリーズで一般的に溶接される合金 (7005 など) は、主に 5xxx シリーズの溶加材を使用して溶接されます。

まとめ今日のアルミニウム合金は、その多様な熱処理状態と相まって、幅広い用途に対応できる製造材料となっています。最適な製品設計と溶接手順の開発を成功させるためには、利用可能な多くの合金とその性能および溶接性特性の違いを理解することが重要です。これらの異なる合金のアーク溶接手順を開発する際には、溶接する特定の合金を考慮する必要があります。アルミニウムのアーク溶接は難しいのではなく、「ただ違うだけだ」とよく言われます。これらの違いを理解する上で重要なのは、様々な合金、その特性、そして識別システムに精通することだと私は考えています。