アルミニウム溶接不良の防止：表面処理から仕上げまで

溶接ノズルの表面をコーティングし、スパッタの付着やノズルの詰まりを防ぐスプレー アプリケーターが入手可能になりました。 これにより、シールドガスが自由に流れ、ワイヤが均一に供給され、金属の溶接不良が防止されます。 一般的なゲルベースの製品と比較して、これらの用途は寿命が長く、ノズルの交換、処理コスト、スパッタ除去の人件費を削減できることがわかっています。

すべての素材と同様に、「翼のある金属」であるアルミニウムにも長所と短所があります。

アルミニウムは強度と重量の比が高く、主に軽量で耐食性があるため、長い間自動車および航空宇宙分野で当然の選択肢となってきました。 アルミニウムは金属の中で最も強いわけではありませんが、銅、マグネシウム、錫、亜鉛などの他の金属と合金にすることで、強度、耐久性、質量の増加に役立ちます。

アルミニウム合金は加工が容易ですが、他の製造材料と同様に長所と短所があります。 一方で、アルミニウムの融点が低いため、鋳造アルミニウム製品は比較的低コストです。 一方で、引張強度は低くなります。 さらに、アルミニウム合金は高温で変形します。 アルミニウム合金は鋼よりも疲労限界が低く、繰り返し応力によって弱くなるため、建築構造や鉄道の桁などの高い疲労耐性の用途にはアルミニウム合金がほとんど使用されません。

アルミニウムの産業上の利点は印象的ですが（上記の利点に加えて、リサイクル可能で、軍事グレードの耐久性があり、エネルギー効率が高い）、金属加工業者にとっては独特の課題を引き起こす可能性があります。

溶接前後の問題に関しては、アルミニウムは鋼とある程度の共通点を持っていますが、必ずしもそうとは限りません。 アルミニウムは鋼よりも 6 倍速く熱を伝え、融点が低いため、反りや焼き付きが非常に起こりやすくなります。 アルミニウム ワイヤは引張強度が比較的低いため、適切な装置を使用しないとワイヤ送給の問題が発生したり、溶接欠陥が発生したりする可能性があります。 一般的なアルミニウムの溶接欠陥には、スパッタ、気孔、亀裂、および溶融の欠如があります。

気孔は、水素が溶融中に溶接池に入り、凝固中に溶接内に閉じ込められると発生します。 シールドガスは、溶接部を汚染する可能性がある周囲の大気から溶融溶接池を保護しますが、正しいガス流量やパージサイクルなど、他のベストプラクティスに従う必要があります。 低露点ガスの使用も考慮する必要があります。

溶接スパッタ、またはスラグは、溶接プロセス中に飛び散る溶融金属または非金属材料の液滴です。 これらの熱い材料の小さな破片は、基材や周囲の金属材料に付着する可能性があります。 これらの欠陥の主な原因は通常、不十分な表面処理と不適切な機器設定です。 金属労働者にとって、スパッタ（一般に溶接池の乱れによって引き起こされる）は、不必要でコストのかかる迷惑です。

一連のベストプラクティスに従わない場合、アルミニウムを溶接する場合、特にガスタングステンアーク溶接 (GTAW) 中にスマットが発生することはほぼ避けられません。 GTAW またはガスメタル アーク溶接 (GMAW) のどちらで製造されたかに関係なく、すべての溶接部は明るく光沢がある必要があります。 スマットは黒色であるため、多くの溶接工はそれが炭素またはすす状の汚染物質であると考えています。 実際、X 線分析により、溶接スマットはアルミニウムとマグネシウムの組み合わせであることが証明されています。

アルミニウムやマグネシウムの酸化物が母材に付着して溶着すると、変色やスマットが発生します。 アルミニウムとマグネシウムの沸点は溶接アークの温度より低いため、シールドガスで適切に保護されていない場合、溶接フィラー金属中のアルミニウムとマグネシウムは溶接中に実際に蒸発し、冷たい母材上で凝縮します。

アルミニウムの溶接部に亀裂が入るのはなぜですか?

アルミニウムの洗浄に関しては、従来のワイヤー ブラシや刺激の強い化学洗浄液から離れる傾向にあります。 現在、効率的で環境に優しい電気化学技術を使用することが可能です。 これらのデバイスはステンレス鋼の表面に損傷を与えず、一部のデバイスは洗浄対象の表面に直接ポンプで注入される pH 中性の電解液を使用し、動的電流制御により溶接表面のマイクロピッチングを防止します。

「高温割れ」は化学の問題です。 応力または「低温亀裂」は、機械的応力の結果として発生します。 小さくても大きくても、亀裂は溶接検査の不合格につながる可能性のある欠陥です。亀裂は時間の経過とともに溶接不良を引き起こす可能性があるためです。 高温割れの防止は、割れ感受性の低い高品質の溶加材を使用することで可能になります。 低温割れ（溶接部の冷却中）は、通常、溶接池を介して溶接部に閉じ込められた水素が原因で、溶接後 1 日以内に発生することがあります。 凹状のビード形状、遅すぎる移動速度、または溶接端の窪み (クレーター亀裂) によって凝固中に過度の収縮応力が存在すると、応力亀裂が発生します。

焼き付きは、アルミニウムに過度の熱を加えて隙間を焼き付けることで発生します。 溶接には金属を適切に溶融させるのに十分な熱が必要であるため、溶接機が熱と速度のバランスを取れないと焼き付きが発生します。 アルミニウム GTAW の焼き付きを防ぐために、オペレーターは電極上の長い先端を使用して低アンペア数で溶接する必要があります。 GMAW では、溶接工は脈動するガンを使用する必要があります (これは 1/8 インチ以下のアルミニウムの場合に推奨されます)。 電気パルスは適切な間隔で十分な加熱と冷却を提供し、焼き付きを防ぎます。 厚いアルミニウムを溶接する場合、アンペア数は溶接接合部に十分に浸透するのに十分な高さに設定する必要があります。たとえば、1/4 インチを溶接するには 250 アンペアです。 厚さ 1/2 インチの材料を溶接するには、厚い材料と 350 アンペアを使用します。 ヘリウムをシールドガス混合物に追加すると、厚い部分でより熱く、より貫通性の高いアークが得られるためです。

溶融の欠如、または「コールド ラッピング」はアルミニウム溶接でよく見られる欠陥であり、多くの場合、溶接表面に酸化アルミニウム (溶融アルミニウムに不溶) が存在することが原因で発生します。 溶接技術が不十分な場合も融着が妨げられる可能性があります。 これは、電圧やワイヤ送給速度が低すぎる場合、または溶接機の移動速度が速すぎる場合に発生します。 アルミニウムは鋼よりも熱の伝導が速いため、溶接部に十分なエネルギーが投入されるまで、溶接の開始時に融解が不足する傾向があります。 一部の溶接装置は、溶接の開始時に電流を増やし、その後熱の蓄積を避けるために電流を下げることで、この問題に自動的に対処します。 溶接継手の幅が広すぎると溶融が妨げられることがありますが、継手を狭めるか、溶接アークをベース プレートの側壁に向けることによって解決できます。

セラミック コーティング技術は、アルミニウム金属加工者の武器の最新ツールの 1 つです。 鋼の場合と同様、アルミニウムの溶接でも溶接スパッタが問題となる可能性があります。 高温のスパッタが溶接ノズルや溶接チップに溶融すると、目詰まりによってシールド ガスの自由な流れが妨げられます。 ガスの流れが不十分だと、気孔が発生したり、溶接部が不均一になったり、完全な再加工が必要になったりする可能性があります。

溶接ノズルの表面をコーティングし、スパッタの付着やノズルの詰まりを防ぐスプレー アプリケーターが入手可能になりました。 これにより、シールドガスが自由に流れ、ワイヤが均一に送られるようになります。 一般的なゲルベースの製品と比較して、これらの用途は寿命が長く、ノズルの交換、処理コスト、スパッタ除去の人件費を削減できることがわかっています。

トーチ ノズル以外にも、ワークピースをスパッタから保護して、きれいな溶接を確保するだけでなく、コストのかかるやり直し作業を排除することもできます。 スパッタ防止エマルションはワークピースをスパッタから保護します。 このようなエマルションの 1 つは、アルミニウム、ステンレス鋼、鋼と互換性があり、溶接工が気孔のない溶接を達成し、溶接の亀裂を防ぐのに役立つように設計されています。 VOC、溶剤、シリコンを含まず、生分解性です。 重要なのは、エマルジョンは熱の存在下で収縮し、溶接領域に液体が残らないことです。

セラミックコーティング技術とスパッタ防止エマルションは非常に効果的ですが、アルミニウムの金属加工条件を最適化するための手段は他にもあります。 溶接前のアルミニウム洗浄の価値は、どれだけ誇張してもしすぎることはありません。 不適切なシールドガスや不適切なワイヤによって気孔が発生する可能性がありますが、溶接前の洗浄が不足している可能性もあります。 2 つのステップが必要になります。まず、アルミニウム溶接領域の母材からすべてのオイル、グリース、潤滑剤、溶剤、その他の炭化水素を除去することが重要です。 これらの汚染物質には水素が含まれています。 それらが溶接アークに入ると、溶接の気孔が発生します。

プレミアム脱脂剤は溶接領域から汚染物質を除去し、その一部はアルミニウムやその他の傷つきやすい合金用に特別に設計されています。 一部は生分解性であるため、廃棄に追加のコストがかかりません。

次に、溶接可能な表面から酸化物を除去することが重要です。 これは、細い毛のステンレススチール製パワーブラシを使用して行うことができますが、軽いタッチで行う必要があります。過剰な圧力は実際に酸化物を磨き、アルミニウムの表面に押し込みます。

熱影響部の変色、溶接スマット、熱による色合いなどの溶接後の問題にも対処する必要があります。

アルミニウムの洗浄に関しては、従来のワイヤー ブラシや刺激の強い化学洗浄液から離れる傾向にあります。 ワイヤーブラシは速いですが、アルミニウムに傷を付けたり、仕上げを変えたりする可能性があります。 強力な化学薬品（酸洗いペースト）は溶接部をきれいにすることができますが、種類によっては表面に損傷を与える可能性があります。 健康被害や高価な廃棄の問題も関係します。

現在、効率的で環境に優しい電気化学技術を使用することが可能です。 これらの装置はアルミニウムやステンレス鋼の表面に損傷を与えず、一部の装置では洗浄対象の表面に直接ポンプで注入される pH 中性の電解質溶液が使用され、動的電流制御により溶接表面のマイクロピッチングが防止されます。 用途に応じて、毎分約 3 ～ 5 フィートで金属を処理できます。

比較すると、酸洗いには硝酸とフッ化水素酸の強酸性溶液が必要です。 溶接工はペーストを塗布し、効果が得られるまで 1 時間待ってから、金属からペーストを洗い流す必要があります。 特殊な廃水処理技術（通常は有毒な酸を使用する）が必要な場合は、費用のかかる環境コンプライアンス対策が必要となります。 製造業者によっては、ピクルスペーストと関連液体の処分に 1 リットルあたり 8 ドルも支払うところもあります。

アルミニウム合金の配合や仕上げに関しては、工場は生産性と安全性を念頭に置く必要があります。

アルミニウムの研削または切断では、作業に不必要な手順を追加しない高性能の機器を使用することが重要です。 工場では、アルミニウムやその他の非鉄金属を扱う場合、目詰まりや光沢のない研削砥石や切断砥石を使用したいと考えています。 また、繰り返し使用してもホイールが長持ちすることを保証したいと考えています。

アルミニウム合金を扱う場合、溶接前でも溶接後でも、製造現場ではあらゆる種類の課題が発生する可能性があります。 溶接欠陥を防止したいと考えている製造業者は、革新的なツールを利用できます。 GMAW、GTAW、スポット溶接の熱による色合いや変色を除去する安全かつ効率的な方法を求める金属加工業者にとって、電気化学的洗浄および研磨技術は、環境に優しい方法で溶接欠陥を修正するための優れたアプローチを提供します。

アルミニウム合金の切断、配合、研磨の技術は年々進歩し続けています。 製造業者は、適切なツールを使用して工場をより効率的にする方法についてサプライヤーに相談する必要があります。

Jonathan Douville 氏、工学部、PMP は、Walter Surface Technologies の R&D インターナショナルのシニア プロダクト マネージャーです。住所 5977 TransCanada Highway West, Pointe-Claire, Que., H9R 1C1, 514-630-2800、www.walter.com /en。 画像は Walter Surface Technologies の提供による。