6061アルミニウム合金のレーザークラッディング粉末溶接
アルミニウムシリコンとアルミニウムニッケルなどの2つの粉末を混合すると、これらの制限をある程度克服できます。 レーザークラッディング用に3つの粉末を混合すると、2つの粉末または1つの粉末を使用するよりも溶接効果が向上します。 極値の準備により、Al-Si-Ni粉末の最適な比率は0.73：0.185：0.078であると判断されます。 このような比率により、溶接の微細構造が均一になり、層間剥離が発生しなくなります。 機械的性能試験は、レーザークラッディング粉末の硬度が非クラッド粉末の硬度よりも優れており、溶接部の引張強度が母材の引張強度の83％であることを示しています。
1.はじめに
6061アルミニウム合金は、典型的な中強度のアルミニウム合金です。 6061アルミニウム合金は、その優れた溶接性能と耐食性により、高速鉄道、自動車、飛行機など、多くの軽量構造部品の製造に広く使用されています。
従来の溶接と比較して、アルミニウム合金レーザー溶接には、エネルギー密度が高く、溶接速度が速く、溶接変形が少ないという利点があります。 しかし、アルミニウム合金はレーザービームの吸収率が低く、熱伝導率が高く、流動性が高く、酸素に対する化学反応性が高いため、この溶接方法は多孔性と表面の崩壊によって制限されます。
アルミニウム合金のレーザー溶接における低吸収性の問題を解決するために、研究者らは、CO2レーザー溶接アルミニウム合金にフィラー粉末を添加する実験を行いました。試験結果は、金属粉末の添加が、イオン化レーザーの作用下で粉末材料が蒸発しやすいため、レーザー深部溶接プロセスにおけるエネルギー結合効率を改善し、出力密度しきい値を低下させることを示しています。
データは、粉末が充填された後、レーザー深溶け込み溶接の出力しきい値が約50％減少することを示しています。研究者は、金属粉末を使用して、さまざまな厚さの5A02アルミニウム合金プレートにCO2レーザー溶接を実行し、金属粉末を追加すると、エネルギー結合効率が向上し、溶接の外観とプロセスの安定性が向上することを発見しました。
研究者は、YLS-4000-CLファイバーレーザーを使用して二相鋼とアルミニウム合金を溶接し、レーザー溶け込み溶接継手の性能に対する金属粉末の添加の影響を研究しました。結果は、マンガンまたはシリコン粉末の添加により、溶接継手の熱影響部でのスパッタ、介在物、亀裂、軟化などの欠陥を回避できることを示しています。研究者は、希土類粉末がある場合とない場合の1mm 6061アルミニウム合金レーザー溶接継手の微細構造と機械的特性を研究し、希土類粉末溶接の平均微小硬度が母材の硬度の83.1％であることを発見しました。
上記の研究では、粉末を追加する2つの方法が使用されました。 1つ目は、粉末と溶剤を混合してから、その混合物を溶接部の表面に塗布することです。この方法は非常に簡単ですが、緩い粉末を追加すると、溶接プールの保護アルゴンガスとレーザー集束レンズの保護ガスによって干渉されます。溶接部の粉末は、強い気流によって簡単に吹き飛ばされます。
別の方法は、レーザー溶接プロセス中に同軸フィードシステムを介して溶接シームに粉末を同期的にスプレーすることです。この方法では、ほとんどの粉末が溶接プールに到達する前に溶融するため、粉末と溶接部の間の結合強度が向上します。ただし、2つの欠点があります。1つは、粉末の供給方向が溶接方向に対して特定の角度である必要があることです。そうしないと、一部の粉末が溶接プールに入ることができません。2つ目は、レーザーの強い気流によって粉末が吹き飛ばされる可能性があります。フォーカシングレンズ。
粉末を追加する上記の2つの方法の制限を克服するために、研究チームはレーザークラッディング粉末技術を採用しました。レーザークラッディングは、金属基板上に粉末を堆積させる方法であり、溶接材料の機械的特性を改善したり、耐食性を改善したりするためによく使用されます。レーザー溶接の前に、レーザークラッディングを使用して溶接部に粉末を堆積させます。この方法により、レーザー集束レンズのシールドガスが粉末を吹き飛ばす可能性を大幅に減らすことができます。この研究では、3つの粉末でレーザークラッディング実験を行いました。
2.試験材料と方法
研究者が選んだ母材は、初期T6状態の6061アルミニウム合金で、厚みは3mmです。素材は150mm×100mm×3mmにカットされています。母材の詳細な化学組成を表1に示します。
◆バランス
基板のレーザークラッディング前の表面処理には、表面酸化物を除去するための研磨と化学的洗浄が含まれます。化学的洗浄手順は次のとおりです。10％水酸化ナトリウム溶液に30分間浸し、水ですすぎ、次に30％硝酸溶液に浸して中和し、10分間洗浄し、さらに2〜3分間水ですすぎ、使用します。アセトン拭き取り、ヘアドライヤーの冷気で乾かし、密封して保管してください。
試験に使用したアルミニウム、シリコン、ニッケルの粉末の粒度は40μmから160μmの間です。溶接されたサンプルを切断、取り付け、研磨し、ケラー溶液（190ml H2O + 4ml HF + 10ml HNO3 + 6ml HCl）で15秒間エッチングします。オリンパスGX51光学顕微鏡を使用して、生成された溶接部の微細構造を分析しました。 HVS-1000デジタル微小硬度計を使用して、溶接ビードの断面のマイクロビッカース硬度を測定しました。 MTS-810電子制御試験システムで溶接試験片の引張特性を試験します。
シールドガスとしてそれぞれ10L / minと20L / minの流量の純アルゴン（99.999％）を使用して、レーザー溶接とレーザークラッディングを行います。実験に使用したレーザー装置は、最大出力4kW、波長1070nmのファイバーレーザー（IPG、YLR-4000）です。
レーザークラッディングに使用されるレーザービームは、発振器から直径0.6mmのファイバーによって導かれ、f = 125mmのコリメートレンズとf = 250mmの凝縮レンズを通してサンプルに照射されます。焦点でのスポットサイズは1.2mmです。レーザー溶接に使用されるレーザービームも、発振器から直径0.2mmの光ファイバーによって導かれ、f = 143mmのコリメートレンズを通過し、次にf = 300mmの凝縮レンズを通過して、テストサンプルを照射します。焦点でのスポットサイズは0.42mmです。
光フィードバックを防ぐため、溶接レーザーの入射角は6°です。溶接時には、15L / minと50L / minのアルゴンガスが、それぞれ直径8mmと16mmのサイドノズルからシールドガスとして供給されます。溶接時には、圧縮空気をクロスジェットに使用して、スパッタが集束光学システムに付着するのを防ぎます。三相スイングミキサーを使用して粉末を混合します。
3、テストプロセス
レーザー粉末被覆の原理を図1に示します。2枚の溶接アルミニウムプレートが、隙間や密接な接触なしに作業プラットフォームに固定されています。クラッド層の幅は2mm、高さは0.6mmに設定されています。これは、レーザー出力、クラッド速度、シールドガスフロー、およびキャリアガスフローを変更することによって実現されます。 3つの粉末レーザークラッディングパラメーターは同じです：レーザー出力1100W、クラッディング速度4mm / s、シールドガス流量12.5L / min、キャリアガス流量4L / min。
多くの潜在的な合金元素の中で、シリコンとニッケルはアルミニウム合金で最も一般的に使用される2つの元素です。シリコンをアルミニウムに溶解して過飽和固溶体を形成し、固溶体強化を実現できます。ニッケルとアルミニウムは二元相を形成し、アルミニウムベースの材料の強度を高めることができる、より丈夫でより延性のある材料を形成します。チタンはアルミニウム合金の硬度を高める効果的な元素でもありますが、酸化しやすく、ガスを吸着する可能性があるため、充填には適していません。
マトリックス材料は主にアルミニウムであるため、研究チームはレーザークラッディングの初期粉末としてアルミニウム、シリコン、ニッケルを選択しました。それらの粉末直径は40μm-160μmの間であり、良好な流動性を持っています。細かすぎる粉末は凝集しやすく、粉末供給チューブの内壁に付着し、粉末の品質に影響を与えます。一方、粗すぎる粉末はレーザーで溶けにくいです。
研究チームは、単一粉末、2粉末混合、および3粉末混合について多数の実験を実施しました。 3つの粉末の比率は不明です。アルミニウム、シリコン、ニッケルの3つの粉末の混合比を調整する必要があります。研究者らは、粉末を一定の割合で粉末混合物に配合し、三相スイングミキサーに入れ、機械的に3時間攪拌した後、乾燥オーブンで乾燥させます。
4.結果と考察
A.成形機能
単粉末レーザークラッディング後のアルミニウム合金プレートのレーザー溶接。 レーザー溶接パラメータは、溶接速度40mm / s、レーザー出力2700W、アルゴン流量14L / minです。 図2（a）は非レーザークラッディング粉末の溶接断面を示し、図2（b）はレーザークラッディング粉末の溶接断面を示しています。 画像比較から、アルミニウム粉末のレーザー溶接による表面崩壊現象が解消され、溶接シームが0.2mm強化されていることがわかります。
B.単一の粉末の役割
粉末レーザークラッディングは溶接冶金プロセスに影響を与え、粉末の添加は溶接継手の微細構造と性能を変化させます。 粉末が異なれば、溶接の凝固モードに及ぼす影響も異なります。異なる粉末をレーザークラッディングした後の溶接形態を図3に示します。
アルミニウム粉末をレーザークラッディングした後、溶接面は滑らかになり、わずかにつぶれ、溶接幅が広がります。 シリコン粉末をレーザークラッディングした後、溶接部の表面は凹凸がなく滑らかで、溶接部は金属光沢を示します。 ニッケル粉末のレーザークラッディング後、溶接部の表面に深刻なアンダーカットが現れ、溶接部の色は黒でした。これは、ニッケルが6061アルミニウム合金の他の元素と化学反応を示したことを示しています。 これらの溶接の裏側も同様です。
単一粉末レーザークラッディング後の溶接継手の微細構造。 アルミニウム粉末のレーザークラッディング後の溶接継手の微細構造はあまり変化していないことがわかります。短い針状のシリコン結晶と白いα固溶体が（α+ Si）共晶を形成し、黒い薄いフレームはMg2Si相。 アルミニウム粉末をレーザークラッディングした後、微細構造はより均一になりますが、α固溶体はより厚く、アルミニウム粉末のレーザークラッディングの強化効果はアルミニウム合金マトリックスほど良くないことを示しています。
シリコン粉末のレーザークラッディング後の溶接継手の微細構造は層間剥離を示した。 溶接継手の上部はシリコンであり、シリコンとアルミニウムの反応共晶であり、シリコンの密度は他の元素の密度よりも低くなっています。 溶接継手の底部は、短くて緻密な針状のシリコン相が追加されていることを除いて、6061アルミニウム合金のみと同様です。
ニッケル粉末のレーザークラッディング後の溶接継手の微細構造は、6061アルミニウム合金クラッディングのみの場合とは大幅に異なります。 溶接された微細構造は主に樹枝状の微細構造であり、これはニッケル粉末がレーザー溶接プロセス中に母材と反応し、溶接された接合部の微細構造が大幅に変化したことを示しています。
C.二元素粉末の役割
上記の3つの粉末は、溶接性能の向上に一定の効果がありますが、それぞれに、強い相の減少、他の相の生成、不均一性の生成などの制限があります。 これを基に、二元素粉末の主原料はアルミニウム、マトリックス材料を主原料とし、三相スイングミキサーを用いてアルミニウムシリコン粉末とアルミニウムニッケル粉末を5時間混合します。 溶接部の表面形態などの予備試験によれば、アルミニウム-シリコン粉末の最適な混合比は12：1であり、アルミニウム-ニッケル粉末の最適な混合比は20：1であると決定されています。 図5と図6は、粉末混合物を使用した溶接継手の微細構造を示しています。
限界頂点配合法を使用して、3つの粉末の最良の配合比を決定します。 3つの粉末の合計重量が100％であると仮定します。 各単一元素の粉末は、上限と下限によって制限されます。つまり、各成分の変化率は、常に0％〜100％であるとは限りません。
境界頂点マッチング法は、3つの粉のその混合比を決定しますを使用します。 ３粉末の総重量は１００％であるとありします。 粉末の各単一要素、上限と下限があります。 実、各成分の変化率は、順0％〜100％であるとはありません。
溶接継手の微小硬度を図8に示します。図8（a）から、シリコン粉末をドープした後、Mg2Si強化相の数が増加し、アルミニウム-シリコン粉末でレーザークラッディングした後の溶接部の微小硬度は、レーザークラッディング粉末なしで作成した溶接部よりも高いことがわかります。マイクロ硬度。さらに、溶接部の上部は6061アルミニウム合金とバルクアルミニウムシリコン粉末で構成されており、大量のMg2Siを生成します。溶接部の下部は6061アルミニウム合金でできており、アルミニウムシリコン粉末が少量で、Mg2Siの生成が非常に少ないため、上部の微小硬度は下部の微小硬度よりも大きくなります。
図8（b）から、Mg2Si強化相がないため、レーザークラッディングアルミニウムニッケル粉末の平均微小硬度は、非クラッディングアルミニウムニッケル粉末の平均微小硬度よりもわずかに高いことがわかります。ニッケルを添加した後、溶接部の微細構造が微細化され、溶接部の全体的な硬度は、レーザークラッディングなしの溶接部の硬度よりもわずかに高くなります。
図8（c）から、レーザークラッディングAl-Si-Ni粉末の微小硬度は、クラッディング粉末を含まない母材の微小硬度よりも大きく、溶接部の上部と下部の微小硬度が大きいことがわかります。非常に似ています。これは、レーザークラッディング中にシリコンとニッケルがドープされ、前者がMg2Si強化相を生成し、後者が微細構造を微細化するためです。図5-7に示すように、微小硬度の増加は微細構造にも関係しています。
図9は、最良の3要素複合材料の溶接継手のSEM画像であり、強化相の数が増加したという結論を確認しています。 強化段階をさらに研究するために、強化段階で（EDSエネルギー分散型X線分光法）試験を実施しました。 表3に示すように、ポイント1と2でのマンガン、シリコン、アルミニウムの重量パーセントと原子パーセントをそれぞれテストしました。 マンガンシリコンの重量パーセントと原子パーセントは2：1です。 この結果は、強化相がMg2Siであることを示しています。
MTS810サーボ制御試験システムでは、6061アルミニウムベースの材料とアルミニウム-シリコン-ニッケル粉末レーザークラッディングのレーザー溶接サンプルで引張試験を実施しました。 引張試験の速度は0.05mm /分で、標準距離は50mmです。 引張試験片の概略図を図10（a）に示します。
6061アルミニウム合金マトリックスの引張強度は約306MPaで、伸びは約18％です。アルミニウム-シリコン-ニッケル粉末をレーザークラッドした後、溶接継手の引張強度は約236.62 MPaで、伸びは約6％。レーザークラッディング粉末を使用せずにサンプルを直接レーザー溶接した後の引張強度は212.45MPaです。 3つの引張試験片の試験後に描かれた溶接継手の応力-ひずみ曲線を表4と図10（c）に示します。レーザークラッディング粉末は表面の崩壊を防ぐことができますが、溶接部の引張強度と伸びは母材よりも低くなります。これは、レーザークラッディング粉末層の含水率とコーティングガスである可能性があり、その結果、溶接気孔率が高くなります。将来の実験では、真空条件下で粉末を混合して乾燥させる必要があります。
V.結論
さまざまな粉末をレーザークラッディングすることによる6061アルミニウム合金のレーザー溶接、主な研究の結論は次のとおりです。
1.レーザークラッディングパウダーは、レーザー溶接アルミニウム合金の表面崩壊を大幅に減らすことができます。
2.レーザークラッディングアルミニウム粉末は、6061アルミニウム合金レーザー溶接の微細構造にほとんど影響を与えません。レーザークラッディングシリコン粉末は、層状のMg2Si強化相を生成します。レーザークラッディングニッケル粉末は6061アルミニウム合金と反応します。
3.アルミニウム-シリコンおよびアルミニウム-ニッケル粉末をレーザークラッディングした後の溶接微細構造は鋳造微細構造ですが、アルミニウム-ニッケルレーザークラッディング後の結晶粒はアルミニウム-シリコンレーザークラッディング後のものよりも細かく、柱状領域はより狭い微細構造を持っています;
4.極値複利法により、アルミニウム、シリコン、ニッケルの最適な比率を0.73：0.185：0.078に決定します。 3つの粉末をレーザークラッディングと混合した後、溶接微細構造は層間剥離なしで均一になり、溶接部の引張強度は母材の強度の83％になります。