溶接製造業界内でアルミニウムが成長し、多くの用途で鋼の優れた代替品として受け入れられるようになったことで、アルミニウム プロジェクトの開発に携わる人々がこのグループの材料に精通する必要性が高まっています。アルミニウムを完全に理解するには、アルミニウムの識別/指定システム、利用可能な多くのアルミニウム合金とその特性について知ることから始めることをお勧めします。

アルミニウム合金の質別および指定制度- 北米では、The Aluminium Association Inc. 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登録されている鍛造アルミニウムおよび鍛造アルミニウム合金は 400 種類以上、鋳物やインゴットの形のアルミニウム合金は 200 種類以上あります。これらすべての登録合金の合金化学組成制限は、アルミニウム協会の規定に含まれています。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と化学組成制限」というタイトルのピンクの本「鋳物およびインゴットの形のアルミニウム合金の指定と化学組成の制限」と題された。これらの出版物は、溶接技術者が溶接手順を開発するとき、および化学および亀裂感受性との関連性を考慮することが重要である場合に非常に役立ちます。

アルミニウム合金は、熱的および機械的処理に応答する能力やアルミニウム合金に添加される主な合金元素などの特定の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、上記の特性が識別されます。鍛造アルミニウムと鋳造アルミニウムには異なる識別システムがあります。鍛造品は 4 桁システムで、鋳物は 3 桁と小数点以下 1 桁システムです。

展伸合金指定制度- 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ている主要な合金元素を示し、アルミニウム合金シリーズ (1000 シリーズ、2000 シリーズ、3000 シリーズ、最大 8000 シリーズ) を記述するのによく使用されます (表 1 を参照)。

2 番目の一桁 (xXxx) が 0 と異なる場合は、特定の合金の変更を示し、3 桁目と 4 桁目 (xx)XX) は、シリーズ内の特定の合金を識別するために与えられる任意の番号です。例: 合金 5183 では、数字の 5 はマグネシウム合金シリーズであることを示し、1 はマグネシウム合金シリーズであることを示します。^stオリジナルの合金 5083 に改良を加えたもので、83 はそれを 5xxx シリーズとして識別します。

この合金番号付けシステムの唯一の例外は、1xxx シリーズ アルミニウム合金 (純アルミニウム) であり、この場合、最後の 2 桁は 99% を超える最小アルミニウム パーセンテージ (合金 13) を示します。(50)(99.50% 以上のアルミニウム)。

展伸アルミニウム合金指定制度

表1

鋳造合金の指定- 鋳造合金の指定システムは、3 桁プラス 10 進数の指定 xxx.x (つまり 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指定システム

表2

2桁目と3桁目(xXX.x) は、シリーズ内の特定の合金を識別するために与えられる任意の番号です。小数点以下の数字は、合金が鋳物 (.0) であるか、インゴット (.1 または .2) であるかを示します。大文字の接頭辞は、特定の合金への変更を示します。
例: 合金 – A356.0 大文字の A (Axxx.x) は合金 356.0 の変更を示します。数字の 3 (A3xx.x) は、シリコンに銅および/またはマグネシウムを加えたシリーズであることを示します。 56 インチ (斧56.0）は 3xx.x シリーズ内の合金を識別し、.0（Axxx.0) は、インゴットではなく最終形状の鋳造であることを示します。

アルミニウム調質指定制度 -さまざまなシリーズのアルミニウム合金を検討すると、その特性とその結果としての用途に大きな違いがあることがわかります。識別システムを理解した後、最初に認識すべき点は、上記のシリーズ内に 2 つの明確に異なるタイプのアルミニウムがあるということです。これらは、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得ることができる合金) と非熱処理可能なアルミニウム合金です。この区別は、これら 2 種類の材料に対するアーク溶接の影響を考慮する場合に特に重要です。

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できず、ひずみ硬化のみ可能です。 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、4xxx シリーズは熱処理可能な合金と非熱処理可能な合金の両方で構成されます。 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。ひずみ硬化は通常、鋳物には適用されません。

熱処理可能な合金は、熱処理プロセスを通じ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、溶体化熱処理と人工時効です。溶体化熱処理は、合金元素または化合物を溶解させるために合金を高温 (約 990 °F) に加熱するプロセスです。続いて、通常は水中で急冷して、室温で過飽和溶液を生成します。通常、溶体化熱処理の後に時効処理が行われます。エージングとは、望ましい特性を得るために、過飽和溶液から元素または化合物の一部を析出させることです。

非熱処理合金は、ひずみ硬化によって最適な機械的特性を獲得します。ひずみ硬化は、冷間加工を適用して強度を高める方法です。T6、6063-T4、5052-H32、5083-H112.

基本的な平均律の指定

表3

基本的な調質指定に加えて、2 つの細分カテゴリがあり、1 つは「H」調質 – ひずみ硬化に対応し、もう 1 つは「T」調質 – 熱処理指定に対応します。

H 焼き戻しの細分 – ひずみ硬化

H の後の最初の数字は、基本的な操作を示します。
H1– ひずみ硬化のみ。
H2– ひずみ硬化および部分的に焼きなまし。
H3– ひずみ硬化と安定化。
H4– ひずみ硬化およびラッカー塗装または塗装。

H の後の 2 桁目はひずみ硬化の程度を示します。
HX2– クォーターハードHX4– ハーフハードHX6– 4分の3ハード
HX8・フルハードHX9– エクストラハード

T テンパーの細分化 - 熱処理

T1- 押出成形などの高温成形プロセスから冷却した後、自然に熟成させます。
T2- 高温成形プロセスから冷却した後に冷間加工され、その後自然時効されます。
T3- 溶体化熱処理、冷間加工、自然時効処理。
T4- 溶液熱処理および自然熟成。
T5- 高温成形プロセスから冷却した後、人工的に時効させます。
T6- 溶液熱処理および人工時効処理が施されています。
T7- 溶体化熱処理および安定化（過時効）。
T8- 溶体化熱処理、冷間加工、人工時効処理が施されています。
T9- 溶体化熱処理、人工時効、冷間加工。
T10- 高温成形プロセスから冷却した後に冷間加工され、その後人工的に時効されます。

追加の数字は応力緩和を示します。
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を軽減します。

アルミニウム合金とその特徴- 7 シリーズの展伸アルミニウム合金を検討すると、それらの違いを認識し、その用途と特性を理解できるようになります。

1xxx シリーズ合金– (非熱処理 – 極限引張強度 10 ～ 27 ksi) このシリーズは、最低 99.0% のアルミニウムが必要であるため、純アルミニウム シリーズと呼ばれることがあります。溶接可能です。ただし、溶融範囲が狭いため、許容可能な溶接手順を実現するには、特定の考慮事項が必要です。製造を検討する場合、これらの合金は主に、特殊な化学薬品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導電性を理由に選択されます。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、用途や性能要件に応じて、適合する溶加材または 4xxx 溶加合金を使用して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 – 極限引張強さ 27 ～ 62 ksi) これらはアルミニウム/銅合金 (銅添加量は 0.7 ～ 6.8% の範囲) 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。広い温度範囲にわたって優れた強度を持っています。これらの合金の一部は、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考えられています。ただし、他のものは正しい溶接手順で非常にうまくアーク溶接されます。これらの母材は、多くの場合、その性能に合わせて設計された高強度の 2xxx シリーズ フィラー合金で溶接されますが、用途やサービス要件によっては、シリコンまたはシリコンと銅を含む 4xxx シリーズ フィラーで溶接される場合もあります。

3xxx シリーズ合金– (熱処理不可 – 極限引張強さ 16 ～ 41 ksi) これらはアルミニウム/マンガン合金 (マンガン添加量は 0.05 ～ 1.8% の範囲) であり、適度な強度があり、良好な耐食性、良好な成形性を備えており、さまざまな用途に適しています。高温での使用に適しています。最初の用途の 1 つは鍋やフライパンでしたが、今日では車両や発電所の熱交換器の主要部品となっています。ただし、その適度な強度により、構造用途への考慮が妨げられることがよくあります。これらのベース合金は、特定の化学的性質、特定の用途およびサービス要件に応じて、1xxx、4xxx、および 5xxx シリーズのフィラー合金で溶接されます。

4xxx シリーズ合金– (熱処理可能および非熱処理可能 – 極限引張強さ 25 ～ 55 ksi) これらはアルミニウム / シリコン合金 (シリコン添加量は 0.6 ～ 21.5% の範囲) であり、熱処理可能および非熱処理の両方を含む唯一のシリーズです。熱処理可能な合金。アルミニウムにシリコンを添加すると、アルミニウムの融点が下がり、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溶加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ます。シリコンは、アルミニウムとは独立して熱処理できません。ただし、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、これにより溶体化熱処理に良好に応答する能力が得られます。通常、これらの熱処理可能な溶加合金は、溶接部品に溶接後の熱処理を施す場合にのみ使用されます。

5xxx シリーズ合金– (非熱処理 – 極限引張強さ 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は 0.2 ～ 6.2% の範囲) であり、非熱処理合金の中で最高の強度を持っています。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、建築物などの幅広い用途に使用されています。マグネシウム基合金は、多くの場合、溶加合金で溶接されます。溶加合金は、母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ます。 3.0% を超えるマグネシウムを含むこのシリーズの合金は、鋭敏化の可能性とその後の応力腐食割れの影響を受ける可能性があるため、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% 未満のベース合金は、多くの場合、5xxx または 4xxx シリーズのフィラー合金とうまく溶接されます。ベース合金 5052 は、4xxx シリーズのフィラー合金で溶接できるマグネシウム含有量が最大のベース合金として一般に認識されています。共晶融解に関連する問題と、それに伴う溶接後の機械的特性の低下のため、4xxx シリーズのフィラーを使用してマグネシウムを多量に含むこの合金シリーズの材料を溶接することはお勧めできません。高マグネシウムのベース材料は、一般にベース合金の組成と一致する 5xxx フィラー合金でのみ溶接されます。

6XXX シリーズ合金– (熱処理可能 – 極限引張強さ 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を約 1.0% 添加) で、溶接製造業界全体で広く使用されており、主に次のような形で使用されます。押し出し成形品であり、多くの構造コンポーネント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、ケイ化マグネシウムの化合物が生成され、この材料に溶体化熱処理して強度を向上させる能力が与えられます。これらの合金は本来、凝固亀裂に敏感であるため、自己発生的に (溶加材なしで) アーク溶接すべきではありません。アーク溶接プロセス中に適切な量の溶加材を追加することは、母材を希釈して高温割れの問題を防ぐために不可欠です。用途とサービス要件に応じて、4xxx と 5xxx の両方のフィラー材料を使用して溶接されます。

7XXX シリーズ合金– (熱処理可能 – 極限引張強さ 32 ～ 88 ksi) これらはアルミニウム/亜鉛合金 (亜鉛添加量は 0.8 ～ 12.0% の範囲) であり、最高強度のアルミニウム合金の一部を構成します。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によく使用されます。 2xxx シリーズの合金と同様に、このシリーズには、アーク溶接には不適切と考えられる合金や、多くの場合アーク溶接に成功するその他の合金が組み込まれています。 7005 など、このシリーズで一般的に溶接される合金は、主に 5xxx シリーズのフィラー合金で溶接されます。

まとめ- 今日のアルミニウム合金は、そのさまざまな質質とともに、広範囲かつ多用途の製造材料を構成しています。最適な製品設計と溶接手順の開発を成功させるには、利用可能な多くの合金の違いと、それらのさまざまな性能および溶接性特性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ときは、溶接される特定の合金を考慮する必要があります。アルミのアーク溶接は難しくない、「違うだけ」と言われることがあります。これらの違いを理解する上で重要なのは、さまざまな合金、その特性、識別システムに慣れることだと私は考えています。