各種
各種
各種
各種アルミニウム
アルミニウム
アルミニウムの
アルミニウム
の
のミグ
の
ミグ 溶接時
ミグ
ミグ
溶接時
溶接時
溶接時に
に
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に発生
発生する
発生
発生
する
する
する スマット
スマット
スマット量
スマット
量の
量
量
の
の
の検討
検討
検討
検討
浜田 知明 ＊ 居村 篤志 ＊ 朝長 直也 ＊＊ 藤井 信之 ＊
Examination of the quantity of smut in various aluminum when MIG welding is used. Hamada Tomoaki* Imura Atushi* Tomonaga Naoya** Fujii Nobuyuki*
When MIG welding is used with aluminum alloy A5000, it is said that the smut occurs.
In this study, it is examined whether or not the smut occurs with the aluminum of other types. A5183, A4043 and A1100 were used to the wire, and A1100, A2017, A5052 and A5083 were used to the base metal. And we confirmed occurrence of the smut from the combination of the base metal and the wire.
Concerning the component analysis of the smut, the X-ray diffraction method and the fluorescent X-ray analysis were used. As a result, the followings are found.
The quantity of Magnesium in the wire greatly influences the occurrence of the smut more than that of the base metal. The main ingredient of the smut is MgO.
Keywords: MIG welding, smut, X- ray diffraction, Fluorescent X-ray analysis, MgO
1.
はじめに
アルミニウム合金は，その優れた性質から，車 両，船舶，航空機等の材料として様々な用途があ る．主な溶接法は，精密溶接に利点のあるティグ 溶接，幅広い用途で高能率な溶接が可能なミグ溶 接がある．アルミニウム合金のミグ溶接において， 5000 系ワイヤを用いると溶接ビード近傍にスマ ット（黒紛）が付着する 1)．スマットが溶接部に 付着すると，アルミ独特の光沢の外観をそこなっ てしまう．スマットは溶接ワイヤ及び母材の成分 （Al-Mg）に影響するとされている． また，スマットの発生量は溶接施工条件によって も変化する．主な要因として，溶接トーチ角度， トーチ母材間距離，シールドガス流量，溶接電流， アーク長がある．スマットの発生原因はワイヤか ら離脱した溶滴の一部がアークの熱により蒸発， シールド外に飛散し，酸化，凝固することにある． 生成されたものは微細な金属酸化物であり，溶接 強度に影響しないとされている 2)．本研究では成 分元素が異なるアルミニウムを使って, スマット 発生量の差異を検討し，X線回折法や蛍光X線分 析によりスマットの成分分析，元素分析を行い， スマットの成分元素について検討する． ＊ 職業能力開発総合大学校 Polytechnic University＊＊ 栃木職業訓練支援センター Tochigi Vocational Training Support Center
２．実験
2.1 材料及び機器 実験で使用する溶接ワイヤは, A5183-WY(Al-Mg 系),A4043-WY(Al-Si 系) そして A1100-WY(純 Al 系)である.母材は,A5083(Al-Mg 系),A5052(Al-Mg 系),A2017(Al-Cu 系)そして A1100(純 Al系)であ る. 母材寸法及び溶接箇所を図１に示す. 表１に溶 接ワイヤの化学成分を,表２に母材の化学成分を 示す 3) . 今回使用した溶接ワイヤ径はφ1.2mm,母材板厚 は 6mm である.溶接機及び走行装置には,㈱ダイヘ ン製DP350及びマツモト機械㈱MAKO-Z2型を使用 した． 2.2 実験条件 各種ワイヤと各種母材の組合せによるスマット の発生量を検討するために，以下の条件を用いミ グ溶接でビードオンプレートを実施した． 溶接電流 180A,電圧一元制御 26.4V(A1100-WY・ A4043-WY),23.0V(A5183-WY),溶接速度 250mm/min, 突出し長さ 15mm,シールドガス流量 Ar20ℓ/min, トーチ角度 25°(垂線に対して）,アーク長 約 5mm， 溶接長 200mm,後進法,水冷トーチ使用． 試験回数 3 回. 実 験 条 件 を 同 一 に す る た め 母 材 テ ー ブ ル 敷 板 (板厚 16mm)で温度測定を実施した.そのため赤外 線サーモメーター（Raytek 製）を使用した 4) ． 2.3 実験方法 ジグで固定した水冷トーチを走行台車に固定 し，250mm/min で走行させた.実験装置外観を図 ２に示す. 溶接進行方向 溶接進行方向 溶接進行方向 溶接進行方向(((( 図２ 実験装置外観 表１ 溶接ワイヤの化学成分(mass%) ワイヤ Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti AlA1100-WY Si+Fe≦1.0 0.05～0.20 MAX0.05 ― ― MAX0.1 ― MIN99
A4043-WY 4.5～6.0 MAX0.8 MAX0.3 MAX0.05 MAX0.05 ― 0.1 0.2 RE
A5183-WY MAX0.4 MAX0.4 MAX0.1 0.5～1.0 4.3～5.2 0.05～0.25 MAX0.25 0.15 RE
表２ 母材の化学成分(mass%) 母材 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Al A1100P-H 1.0 0.05～0.20 0.05 ― ― 0.1 ― ― MIN99 A2017P-O 0.2～0.8 0.7 3.5～4.5 0.4～1.0 0.4～0.8 0.1 0.25 0.2 RE A5052P-O 0.25 0.4 0.1 0.1 2.2～2.8 0.15～0.35 0.1 ― ― RE A5083P-O 0.1 0.19 0.05 0.65 4.62 0.1 0.04 0.01 ― RE 300 1 5 0 6 図１ 母材寸法及び溶接箇所 (mm) 200 52
30°
前進角
（前進法）
垂直
30°
15°
15°
後進角
（後進法）
アルミニウム合金は熱膨張係数が大きい為に 大きな溶接歪みが発生する.条件のバラつきを 低減させるために，母材 4 箇所をバイスプライ ヤーで固定した.また，溶接後母材テーブル敷板 の温度は平均 50℃に達した.そのため母材テー ブル敷板の加熱による条件の変動を防止する為， 溶接毎に母材テーブル敷板（板厚 16mm）を交換 し温度測定後，同一温度条件(25℃以下)で実験 を継続した.母材テーブル敷板設置の外観を図 ３に示す.３．実験結果・考察
本実験に先立ち，予備実験を行った．溶接進 行方向とトーチ角度の関係でスマット発生に違 いがあるのか実際に確認するためにビードオン プレートで溶接を行った．前進法よりも後進法， またトーチ角度が大きい方がスマットの発生が 多かった．溶接進行方向とトーチ角度における スマット発生の差異を図４に示す．この結果， 実作業の経験値から後 進法でトーチ角度 25° で実験条件を決定した． 後進法でスマットが多い理由について以下の ように考えている．ノズル-溶接金属間距離が前 進法よりも長くなるため溶接金属がシールドガ スから外れやすくスマットが生じ易い.ノズル-溶接金属間距離の概念図を図５に示す． 各種ワイヤと母材の組合せによるスマット発 ﾜｲﾔ ﾜｲﾔ ﾜｲﾔ ﾜｲﾔ 母材 母材 母材 母材 A5183 A5183 A5183A5183----WYWYWY WY A4043A4043----WYA4043A4043WY WYWY A1100A1100A1100A1100----WYWYWYWY
A5083 A5083 A5083 A5083 A5052 A5052 A5052 A5052 A2017 A2017 A2017 A2017 A1100 A1100 A1100 A1100 図５ ノズル－溶接金属間距離の概念図 敷板 敷板 敷板 敷板 図３ 母材テーブル敷板設置の外観 図４ 溶接進行方向とトーチ角度における スマット発生の差異 図６ 各種ワイヤと母材の組合せによる スマット発生量の差違 ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ 有有有有 ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ 有有有有 ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ 有有有有 ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ ｽﾏｯﾄ 有有有有 （後進法） （前進法） 53
各種ワイヤと母材の組合せによるスマット発 生 量 の 差 違 を 図 ６ に 示 す .5000 系 ワ イ ヤ (A5183-WY)においては，４種類の母材すべてに 同一傾向のスマットが発生した.A5183-WY ワイ ヤ の Mg 量 は 4.3 ～ 5.2% と 多 く 含 有 し て い る.4000 系ワイヤ(A4043-WY)は Mg 量が 0.05％で あり，5000 系の 1/100 程度と少ない.4000 系ワ イヤの使用では,母材の種類に関係なくスマッ ト の 発 生 は 確 認 さ れ な か っ た .1000 系 ワ イ ヤ （A1100-WY）のMg量は0%である. 実験結果で は,4000 系ワイヤ同様に，スマットの発生を確 認 で き な か っ た . 図 ６ の外 観結 果 か ら , A5183-WY(Al-Mg 系)ワイヤのみスマットが付着し ていることがわかる．母材よりもワイヤに含まれ る Mg 量がスマット生成に大きく起因すると考え られる．スマットが発生した試験材からMg量が 一番多いA5183-WYワイヤとA5083母材の組合 せによる試験材を選択し，X線回折法 5)で表面の 成分分析を行った．X線回折法による成分分析結 果を図7に示す．分析結果からAl，MgO，Al2O3 のピークが認められた．次に蛍光X線分析を行っ た．蛍光X線分析による元素分析結果を図8，図 9に示す．蛍光 X線分析により得られた結果から スマットが付着した表面とスマット無しの裏面の X 線強度(CPS)を調べることで，スマットの元素を 特定できると考えられる．図８，図９より Mg，O， C，Si においてその差を認めることができた．検 出したMg，Siはワイヤ中から，O は空気中から， C は母材脱脂に使用したアセトン(CH 3COCH3)から 発生したと考えられる．この結果からスマットの 主成分は MgO と考えられた． 図８ 蛍光X線分析による元素分析結果 実線 実線実線 実線 – スマットスマットスマットスマット表面表面表面表面 破線 破線破線 破線 – 裏面裏面裏面裏面
Ｍｇ
ｇ
ｇ
ｇ
16,000 16,000 16,000 16,000 2 222θθθ(deg)θ(deg)(deg)(deg)
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
2,100 2,100 2,100 2,100 2 222θθθ(deg)θ(deg)(deg)(deg) 図7 X線回折法による成分分析結果
４．まとめ
ミグ溶接を用いて各種ワイヤと母材の組合 せによるスマット発生量の差違を検討した結 果，以下のことが明らかになった． (1) 母材よりもワイヤの Mg 量がスマット 生成に大きく影響している． (2) 母材の Mg 量の影響は少ない． (3) スマットの主成分は MgO の可能性が高い．参考文献
参考文献
参考文献
参考文献
(1) JWES 接合・溶接技術 Q＆A1000 Q05-02-86 (2) スマットの有無による機械的強度の差違 の検討-第 19 回職業能力開発研究発表講 演会予稿集 (3) 溶接材料 JIS 規格(JIS Z3232-2000) アルミニウム及びアルミニウム合金溶接 棒並びにワイヤ (4) Raytex サーモメーター取扱い操作書 (5) 溶接・接合用語活用辞典 1989 P57 2,000 2,000 2,000 2,000Ｃ
Ｃ
Ｃ
Ｃ
2 222θθθ(deg)θ(deg)(deg)(deg)
2 2 2
2θθθ(deg)θ(deg)(deg) (deg)
500 500500 500
Si
Si
Si
Si
Ａｌ
Ａｌ
Ａｌ
Ａｌ
2 222θθθ(deg)θ(deg)(deg)(deg)
図９ 蛍光X線分析による元素分析結果
