溶接加工業界におけるアルミニウムの普及と、多くの用途における鋼鉄の優れた代替材料としての認知に伴い、アルミニウム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求められています。アルミニウムを完全に理解するには、まずアルミニウムの識別・呼称システム、利用可能な様々なアルミニウム合金、そしてそれぞれの特性を理解す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調質および指定システム北米では、アルミニウム協会（The Aluminum 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200種類以上の鋳物およびインゴットの形態のアルミニウム合金が登録されています。これらの登録合金の化学組成制限は、アルミニウム協会の規則（Aluminum Association’s Regulations）に記載されています。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名称および化学組成限度」と題する文書およびそのピンクブック「鋳物およびインゴット形態のアルミニウム合金の名称および化学組成限度」と題された出版物。これらの出版物は、溶接手順を開発する際、また化学組成と割れ感受性との関連性を考慮することが重要な場合、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、熱処理や機械加工への対応力、添加される主要合金元素など、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用いられる番号／識別システムを考慮すると、上記の特性が明確に分かります。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桁の番号体系で、鋳造アルミニウムは3桁の番号体系と小数点1桁の番号体系です。

鍛造合金の呼称システムまず、4桁の鍛造アルミニウム合金識別システムについて考えてみましょう。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、アルミニウム合金シリーズ、つまり 1000 シリーズ、2000 シリーズ、3000 シリーズ、最大 8000 シリーズを表すために使用されることが多いです (表 1 を参照)。

2番目の一桁目（xXxx）が0と異なる場合は、特定の合金の修正を示し、3桁目と4桁目（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の場合、番号5はマグネシウム合金シリーズに属していることを示し、1は1番目の合金であることを示します。^stこれはオリジナルの合金 5083 に対する改良であり、83 は 5xxx シリーズ内での識別番号です。

この合金番号体系の唯一の例外は、1xxxシリーズのアルミニウム合金（純アルミニウム）の場合で、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（例：合金13）。（50）（アルミニウム含有量99.50%以上）。

鍛造アルミニウム合金の呼称システム

表1

鋳造合金の指定- 鋳造合金の指定システムは、3桁の小数点以下の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呼称システム

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付与される任意の番号です。小数点以下の数字は、合金が鋳造（.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の改良を示す。3の数字（A3xx.x）は、シリコンと銅および/またはマグネシウムの系列であることを示します。（Ax）の56は、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品であることを示します。

アルミニウムの焼き入れ度指定システム -アルミニウム合金の様々なシリーズを見てみると、その特性と用途には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。これらは、熱処理可能アルミニウム合金（加熱によって強度を増すことができる合金）と非熱処理可能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種類の材料に与える影響を考える上で特に重要です。

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不可で、加工硬化のみ可能です。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あり、4xxxシリーズは熱処理可能な合金と加工硬化不可能な合金の両方で構成されています。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。鋳物には一般的に加工硬化は施されません。

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、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。その後、通常は水中で急冷し、室温で過飽和溶液を生成します。溶体化熱処理の後には、通常、時効処理が行われます。時効処理とは、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。

熱処理不要の合金は、ひずみ硬化によって最適な機械的特性を獲得します。ひずみ硬化とは、冷間加工を施すことで強度を高める方法です。T6, 6063-T4、5052-H32、5083-H112.

基本的な気質の指定

表3

基本的な焼き戻し指定に加えて、2 つの細分カテゴリがあります。1 つは「H」焼き戻し - ひずみ硬化を扱い、もう 1 つは「T」焼き戻し - 熱処理指定を扱います。

H質別の分類 - ひずみ硬化

H の後の最初の数字は基本演算を示します。
H1– 歪み硬化のみ。
H2– 歪み硬化および部分的な焼きなまし。
H3– 歪み硬化と安定化。
H4– 歪み硬化され、ラッカー塗装またはペイント塗装されています。

H の後の 2 番目の数字は、ひずみ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– 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 – 熱処理

T1- 押し出しなどの高温成形プロセスから冷却後、自然に熟成されます。
T2- 高温成形工程から冷却後、冷間加工し、その後自然に熟成させたもの。
T3- 溶解熱処理、冷間加工、自然老化処理済み。
T4- 溶解熱処理され、自然に熟成されています。
T5- 高温成形工程後の冷却後に人工的にエイジング処理を施します。
T6- 溶解熱処理し、人工的に老化処理しました。
T7- 溶体化処理され安定化（過時効処理）されています。
T8- 溶体化処理、冷間加工、人工的に時効処理されています。
T9- 溶体化処理、人工時効処理、冷間加工が施されています。
T10- 高温成形工程から冷却後、冷間加工し、その後人工的に時効処理を施します。

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を軽減します。

アルミニウム合金とその特性- 7 つのシリーズの鍛造アルミニウム合金を考慮すると、それぞれの違いを理解し、用途と特性を理解できます。

1xxxシリーズ合金– (熱処理不可 – 引張強度 10～27 ksi) このシリーズは、最低でも 99.0% のアルミニウムを含む必要があるため、純アルミニウム シリーズと呼ばれることがよくあります。溶接可能です。ただし、融点範囲が狭いため、許容される溶接手順を実現するには特定の考慮が必要です。製造用途として検討する場合、これらの合金は、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 バー用途のような優れた導電性を主な理由として選択されます。これらの合金は機械的特性が比較的低く、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、一致するフィラー マテリアルまたは 4xxx フィラー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、極限引張強度 27～62 ksi) これらはアルミニウム/銅合金 (銅添加量 0.7～6.8%) であり、航空宇宙および航空機の用途でよく使用される高強度、高性能合金です。 広い温度範囲で優れた強度を備えています。 これらの合金の一部は、高温割れや応力腐食割れが発生しやすいため、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が、正しい溶接手順を使用すれば非常にうまくアーク溶接できるものもあります。 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 シリーズのフィラー合金で溶接されることがよくありますが、用途やサービス要件に応じて、シリコンまたはシリコンと銅を含む 4xxx シリーズのフィラーで溶接できる場合もあります。

3xxxシリーズ合金– (熱処理不可 – 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、優れた成形性を備え、高温での使用に適しています。初期の用途の一つは鍋やフライパンでしたが、現在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。しかし、強度が中程度であるため、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、熱処理可能合金と非熱処理可能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フィラー材料に適しています。したがって、このシリーズの合金は主にフィラー材料として使用されています。アルミニウム内のシリコンは単独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や銅が添加されるように設計されており、溶体化熱処理に好ましい反応を示すようになっています。通常、これらの熱処理可能なフィラー合金は、溶接部品を溶接後に熱処理する場合にのみ使用されます。

5xxxシリーズ合金– (熱処理不可、極限引張強度 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、熱処理不可合金の中では最高の強度を持っています。 また、この合金シリーズは溶接が容易なため、造船、輸送、圧力容器、橋梁、建物など、さまざまな用途に使用されています。 マグネシウムベース合金は、多くの場合、フィラー合金を使用して溶接されます。フィラー合金は、ベース材料のマグネシウム含有量、溶接部品の用途と使用条件を考慮して選択されます。 このシリーズのマグネシウム含有量が 3.0% を超える合金は、鋭敏化の可能性があり、その結果、応力腐食割れが発生しやすくなるため、150 度 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を使用して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可能なマグネシウム含有量が最大のベース合金として一般的に認識されています。共晶溶融に関連する問題とそれに伴う溶接後の機械的特性の劣化のため、マグネシウム含有量が多いこの合金シリーズの材料を4xxxシリーズのフィラーで溶接することは推奨されません。マグネシウム含有量が多いベース合金は、ベース合金の組成と一般的に一致する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 – 引張極限強度 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が約 1.0%) であり、溶接加工業界で広く使用されており、主に押し出し成形で使用され、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の化合物が生成され、この材料に溶体化熱処理を施して強度を向上させる能力が与えられます。これらの合金は元来凝固割れを起こしやすいため、自溶性アーク溶接 (充填材なし) は行わないでください。母材を希釈して高温割れの問題を防ぐために、アーク溶接プロセス中に適切な量の充填材を追加することが不可欠です。これらは、用途とサービス要件に応じて、4xxx と 5xxx の両方の充填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、最高強度のアルミニウム合金の一つです。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、アーク溶接に適さないとされる合金と、アーク溶接で良好な結果を示す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、様々な焼き戻し処理を施した、幅広く多様な製造材料で構成されています。最適な製品設計と溶接工法の開発を成功させるには、利用可能な様々な合金の違い、そしてそれぞれの性能と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工法を開発する際には、溶接対象となる合金の種類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くなく、「単に異なるだけ」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。