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アルミニウム鋳物の接合技術—レビュー

この紹介論文は、「Joining Technologies for Aluminium Castings—A Review」という論文に基づいており、「Coatings」によって発行されました。 1. 概要: 2. 要旨: アルミニウム鋳物は、その軽量性、良好な電気・熱伝導性、電磁干渉/無線周波数干渉（EMI/RFI）遮蔽特性により、自動車、航空宇宙、電気通信、建設、消費者製品など多くの産業で広く使用されてきました。アルミニウム鋳物の主な用途は自動車産業です。軽量化を目的として、自動車の車両構造にアルミニウム鋳物の使用が増えており、重量を削減し、燃料効率を改善し、温室効果ガス排出量を削減しています。しかし、鋳造アルミニウムの特性である気孔、表面品質の悪さ、高温割れへの傾向、低い延性のため、これらの材料の接合は問題があります。本稿では、アルミニウム鋳物の接合技術と、主として割れと気孔に関連する問題についてレビューします。接合技術の現状をまとめ、今後の研究分野を推奨します。 3. 緒言: アルミニウム鋳物は、自動車、航空宇宙、電気通信、建設、消費者製品など、多くの産業分野で使用されてきました。例えば、良好なEMI/RFI遮蔽能力と放熱能力のため、広範囲のネットワーキング、電気通信、およびコンピューティング機器のハウジングとして使用されてきました。また、その耐久性、軽量性、EMI/RFI遮蔽能力のため、小型電子製品に使用されてきました。そして、軽量で良好な電気伝導性を持つため、電気コネクタに理想的です。アルミニウム鋳物の主な用途は自動車産業です。地球温暖化と政府の法律により、自動車は燃料効率を高め、温室効果ガス排出量を削減する必要があります。軽量化は、車両の電動化に加えて良い実践です。車両の総重量を削減するために、ますます多くの軽量アルミニウム鋳物がその構造に導入されています。鋳造アルミニウムは、1900年代初頭からエンジンブロック[1]、シリンダーヘッド、トランスミッションなどのパワートレイン用途に使用されており、合金ホイール、縦材、横材[2]、ピラー[2]、フロントステアリングナックル、ステアリングホイールコア、接続ノード、ショックタワーなど、構造部品への応用も大幅に増加しています（図1参照）。アルミニウムダイカストは、Audi A2およびA8のアルミニウムスペースフレーム[3]で示されているように、異なるアルミニウム合金押出形材を接合するための接続ノットとして使用されてきました。 自動車におけるアルミニウム鋳物の用途は、主に2つの状況があります。1. エンジンブロックなどの複雑な構造物。2. 部品統合。重量をさらに削減し、車両組立プロセスを簡素化するために、自動車に使用される鋳物は、以前は個々の部品であった多くの部品が統合されて大きくなっています。Teslaはこの分野の先駆者です。最近、TeslaはGigafactory Texasで巨大なIDRAギガプレス（長さ約19.5 m、幅7.3 m、高さ5.3 m）を使用して、いくつかのメガキャスティングを製造しました。Teslaは、フロントおよびリアのアンダーボディに2つの巨大な単一鋳物を使用し、それらをボディ構造の一部として機能するバッテリーパックに接続することを計画しています[4]。リアアンダーボディ鋳物は70の異なる部品の統合であり、この新しい3セクション組立戦略により、この構造の部品総数は370削減されます。 しかし、鋳造アルミニウムの特性である気孔、表面品質の悪さ、高温割れへの傾向、低い延性のため、これらの材料の接合は問題があります。材料の観点から見ると、溶融溶接によるアルミニウムの溶接性は、主にこれらの特性に影響されます。表面の酸化アルミニウム層の存在と鋳造からの離型剤残留物は、濡れ性を低下させ、溶接部にガスや介在物を導入します。高い熱伝導率は、溶接ゾーンから大量の熱を一貫して除去します。比較的高い熱膨張係数は、残留応力を増加させ、より大きな歪みを引き起こします。合金中の水素含有量は、溶接部に気孔を引き起こします。広い凝固範囲は、合金元素の偏析と高温割れを引き起こします[6]。これらの理由から、表面洗浄、高エネルギー源の使用、適切な溶接プロセスと治具設計が、アルミニウム鋳物の溶融溶接に不可欠です。凝固割れや液化割れを含む高温割れは、アルミニウム鋳物の溶融溶接中に発生する可能性があります。アルミニウム鋳物部品の溶融溶接は、一般的に低いガス含有量、特に低い水素含有量を必要とします。アルミニウム鋳物部品のエアポケットと水素含有量は、溶接ビードに気孔を引き起こします。ダイカストアルミニウムの典型的な溶接不良は、凝固割れや液化割れの形成、および冶金的およびプロセス関連の気孔によって引き起こされる可能性があります[7]。セルフピアスリベット（SPR）やクリンチングなどの機械的接合方法は、アルミニウム鋳物のガス含有量に対する感度は低いですが、材料の大きな塑性変形を必要とします。鋳物材料は通常、より脆く、伸びが低いため、SPRやクリンチングは接合プロセス中に割れを引き起こします。多くの異なる産業分野でアルミニウム鋳物の使用が広く増加しているにもかかわらず、現在、これらの材料の接合技術に関する包括的な科学的レビューはありません。アルミニウム鋳物のさらなる応用とその接合技術の開発を促進するために、本稿では、アルミニウム鋳造プロセスを簡単に紹介し、Al鋳物の接合技術をレビューします。さまざまな接合技術を紹介し、そのプロセスパラメータについて議論し、その応用を示し、最近の開発をまとめます。特に、アルミニウム鋳物の接合に関連する問題、特に高温割れと気孔、およびこれらの問題を改善するために使用された方法をレビューします。最後に、アルミニウム鋳物のすべての接合技術をまとめ、今後の研究分野を推奨します。 4. 研究の概要: 研究トピックの背景: アルミニウム鋳物は、その軽量性、良好な導電性、EMI/RFI遮蔽特性により、自動車、航空宇宙、電気通信などの産業でますます利用されています。自動車分野では、軽量化による燃費向上と排出ガス削減のために不可欠であり、パワートレインや構造部品に使用されています。しかし、アルミニウム鋳物は、気孔、表面品質の悪さ、高温割れ傾向、低い延性といった固有の材料特性のため、接合が困難です。これらの特徴は、溶融溶接を複雑にし、機械的接合プロセスでも欠陥を引き起こす可能性があります。 従来の研究状況: アルミニウム鋳物は広く使用されていますが、本論文は、これらの材料の接合技術に特化した包括的な科学的レビューが不足していると指摘しています。既存の研究は、個々の接合方法や特定の問題に対処してきましたが、様々な技術、それらのパラメータ、応用、最近の進展、そして特に高温割れや気孔といった持続的な問題を要約する全体的な概要が必要とされていました。 研究の目的: 本論文の目的は、アルミニウム鋳物のさらなる応用とその接合技術の開発を促進することです。これは以下の方法で達成されます。 核心研究: 本研究の核心は、アルミニウム鋳物に適用可能な接合技術に関する包括的な文献レビューです。まず、様々なアルミニウム鋳造プロセス（砂型、シェルモールド、ダイカストなど）と、それらの特性（ガス含有量、気孔、延性）が接合性にどのように影響するかを概説します。次に、以下の様々な接合方法を体系的にレビューします。 各技術について、本論文は、その原理、プロセスパラメータ、利点、欠点、応用、最近の進歩について議論し、特に高温割れや気孔といった課題への対処に重点を置いています。本研究は、現在の問題点の要約と、この分野における将来の研究の展望で締めくくられています。 5. 研究方法論 研究デザイン: 研究デザインは、包括的な文献レビューです。 データ収集と分析方法: データは、査読付き学術雑誌、会議議事録、特許、業界ハンドブック、技術報告書など、広範囲な既存の科学技術文献から収集されました。分析には、これらの情報を統合して、アルミニウム鋳造プロセス、様々な接合技術、それらのプロセスパラメータ、応用、最近の進展、および一般的に遭遇する問題（特に高温割れと気孔）に関する構造化された概要を提供することが含まれます。本研究は、異なる技術を比較し、接合関連の欠陥を軽減するために使用された方法を要約しています。 研究トピックと範囲: 主な研究トピックは、アルミニウム鋳物の接合技術です。範囲には以下が含まれます。 6. 主な結果: 主な結果: このレビューは、アルミニウム鋳物の接合技術における現状を要約し、主要な課題と進歩を強調しています。 図のリスト: 7. 結論: 自動車産業における軽量化と製造プロセス簡素化の要求により、アルミニウム鋳物の使用が増加しています。しかし、気孔、表面品質の悪さ、高温割れへの傾向、低い延性といった自然な特徴のため、これらの材料の接合は課題です。砂型鋳造、シェルモールド鋳造、圧力ダイカスト、ロストフォーム鋳造、永久鋳型鋳造、インベストメント鋳造、遠心鋳造、スクイズキャスティング、半溶融鋳造、連続鋳造など、鋳造アルミニウムには多くの異なる鋳造プロセスがあります。異なる鋳造プロセスからのアルミニウム鋳物は、ガス含有量、表面仕上げ、機械的特性が異なり、これらは溶融溶接および機械的接合による接合性に影響を与えます。したがって、鋳造アルミニウムの良好な接合を達成するためには、鋳造部品を製造するための正しい鋳造プロセスを選択することが、正しい接合方法と正しい接合プロセスパラメータを選択することと同じくらい重要です。異なるグレードのアルミニウム鋳物は、異なる機械的特性、異なる割れ感受性、および異なる接合部気孔の問題を抱えています。その結果、それらは異なる接合性を持ちます。高強度アルミニウム合金の中で、Al-Si合金は凝固割れに対して感度が低く、Al-Cu、Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mgなどは溶接中の凝固割れに対してより敏感です。一般に、高い凝固/凍結範囲は高温割れに対する高い感受性を引き起こし、微細構造中の共晶相の高い割合と十分な濡れ性を持つ共晶相は高温割れに対する感受性の低下をもたらします。同じグレードの鋳物であっても、異なる鋳造プロセスで作られた場合、ガス含有量と接合性が異なります。高品質HPDC、スクイズキャスティング、SSMキャスティングで作られた鋳物は、ガス含有量がはるかに低くなります。アルミニウム鋳物を接合するために使用できる多くの接合技術があります。例えば、摩擦攪拌接合、レーザー溶接、アーク溶接、電子ビーム溶接、レーザーアークハイブリッド溶接、セルフピアスリベット、クリンチング、フロウドリルスクリューなどです。摩擦攪拌接合（FSW）は、固相溶接プロセスであり、アルミニウム鋳物部品のガス含有量に対して他の溶接技術よりも感度が低いため、アルミニウム鋳物の溶接に適していることが証明されています。しかし、FSWは線形または円形などの単純な溶接ラインを持つ部品にのみ適しており、部品は剛固にクランプする必要があり、十分に剛性がない部品にはバッキングプレートが必要になります。一般的に言えば、溶融溶接用のアルミニウム鋳物は、ガス含有量が低く、特に水素含有量が低い必要があります。鋳造アルミニウム部品のエアポケットと水素含有量は、溶接ビードに気孔を引き起こします。溶接プールが大きく、溶接速度が遅いため、アーク溶接プロセスはガス含有量に対する感度が低く、この場合、脱ガス用のパラメータが非常に重要です。電子ビーム溶接は、真空の脱ガス効果によりガス含有量に対する感度が最も低い溶融溶接プロセスですが、溶接できる部品のサイズが制限される可能性があります。アウトガス、高い加熱および冷却速度、複雑な溶接流体フローのため、レーザー溶接はガス含有量に対して最も敏感であり、このため、レーザー溶接用のアルミニウム鋳物は、溶接接合部に高い気孔を避けるために非常に低いガス含有量を持つ必要があります。レーザービーム溶接とTIGまたはMIG溶接を組み合わせたハイブリッド溶接は、アルミニウム鋳物の溶接に有益です。電子ビーム溶接、多重プロセス技術の使用、またはハイブリッドレーザー溶接などのいくつかの革新的なプロセスバリアントは、溶融浴を構成して脱ガスを促進し、接合領域における不均一な気孔の望ましくない形成を最小限に抑えることができます。これらのプロセスにより、低気孔の接合部を達成することが期待されます。SPRやクリンチングなどの機械的接合方法は、溶融溶接プロセスほどガス含有量に敏感ではありませんが、アルミニウム鋳物は接合プロセス中に深刻な亀裂を発生させないように十分に延性である必要があります。時には、アルミニウム鋳物をより延性にするための熱処理が不可欠です。その間、プロセス最適化を使用して、生成される亀裂の数と重大度を減らすことができます。アルミニウム鋳物の溶融溶接および摩擦攪拌接合に関しては、鋳物が熱処理に適している場合、溶接後の熱処理または溶接前後の熱処理の組み合わせが、溶接前の熱処理よりも接合部の機械的特性を改善する上でより効率的です。溶接プロセスは、溶接前に行われた場合、熱処理の効果を打ち消す可能性があります。SPRやクリンチングなどの機械的接合プロセスの場合、深刻な亀裂を避けるためにアルミニウム鋳物から十分な延性が必要なため、延性を改善するための熱処理は接合前に行う必要があります。高温割れ感受性は、合金含有量、結晶粒構造、凝固速度、拘束など、多くの要因に依存します。適切な溶加材の使用、結晶粒微細化元素の添加、溶接速度の低減、残留応力を低減する方法、凝固速度を低減する方法など、溶融溶接中の高温割れを低減するためにさまざまな方法を使用できます。この種の亀裂の可能性を減らすために、過度の材料拘束は避けるべきです。亀裂に敏感な合金の場合、プロセスパラメータの慎重な選択と制御、および適切な溶加材の使用が、成功した溶接に不可欠です。アルミニウム合金を溶接する場合、亀裂感受性曲線のピークから離れた溶接金属組成を持つことが望ましいです。デュアルビームレーザー溶接、電子ビーム溶接、およびレーザーアークハイブリッド溶接は、凝固割れを低減するのに有益です。材料の溶接中に形成された気孔は、機械的強度、クリープ、疲労、および腐食破壊の損失をもたらす可能性があります。アルミニウム鋳物の溶融溶接中に気孔が形成される潜在的な原因は3つあります。1つは溶接中の周囲ガスの吸収とその後の捕捉、もう1つは母材中の既存のガス含有量、3つ目はキーホール溶接中のキーホールの不完全な崩壊による気泡の捕捉です。水素は、液体および固体アルミニウム中の水素の溶解度が著しく異なるため、気孔の主な原因であり、気孔中の主なガス含有物です。水素の供給源には、アルミニウム酸化物層、表面潤滑剤、表面汚染物質、水分などがあります。溶接前に部品の表面を洗浄すると、水素の供給源と結果として生じる気孔を減らすことができます。溶接パラメータを最適化すると、アルミニウム鋳物の接合部気孔を減らすことができますが、最も効率的な方法は、鋳造プロセスを改善して鋳造部品のガス含有量を減らすことです。アルミニウム鋳物の溶接気孔を減らすことができる方法としては、レーザーアークハイブリッド溶接、デュアルビームレーザー溶接、電子ビーム溶接、ビームオシレーション、電磁界脱ガスなどがあります。溶接プールのサイズを大きくし、凝固速度を遅くすると、ガス気泡が溶接プールから移動する時間が長くなり、溶接気孔を減らすのに有益です。Srを使用してアルミニウム鋳物の結晶粒構造を微細化する場合は注意が必要です。特定の組成のアルミニウム鋳物の場合、Srを添加すると気孔が増加する可能性があると報告されています。自動車分野におけるアルミニウム鋳物の用途が増加するにつれて、アルミニウム鋳物自体および他の材料への接合に関する研究が、亀裂および気孔の問題を改善するためにさらに行われると考えられます。その間、新しい接合技術が開発され、現在の接合プロセスは、自動化、プロセス監視、および新しい技術によってアップグレードされ、接合品質を改善し、これらの接合方法をより効率的、信頼性、費用対効果の高いものにするでしょう。さらに、機械学習や人工知能などのより多くのデジタル技術が、プロセスパラメータを予測および最適化し、プロセス効率と接合品質を改善し、プロセスモデリングを支援するために、接合技術に適用されるでしょう。 8. 参考文献: 9. 著作権: この資料は上記の論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用は禁止されています。Copyright

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