AZ31 および AZ61 マグネシウム合金薄板溶接継手の成形性 日大生産工（院） 松 隆 一 日大生産工 朝比奈 敏 勝 茨城県工業技術センター 行 栄太郎 １．緒言 ○中 武 い .AZ61 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 は 成 形 性 で は マグネシウム合金は実用金属中で最も AZ31マ グ ネ シ ウ ム 合 金 に 劣 る も の の 1 ) ，強 比重が小さいため，比強度，比耐力が良 度 は AZ31マ グ ネ シ ウ ム 合 金 に 比 べ て 高 い 好で，寸法安定性，耐くぼみ性および減 という特徴があるので，今回の実験では 衰能などに優れる．さらに被削性および 主 に AZ61マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接 継 手 の 成 高温での加工性が良いという特性を有し 形性評価を行うことを目的とした. ている． ２．供試材および実験方法 特にマグネシウム合金薄板構造材は携 供 試 材 に は 板 厚 1.0mm の AZ31 マ グ ネ シ 帯型電子機器筐体に適している．マグネ ウ ム 合 金 お よ び 板 厚 0.6mm の AZ61 マ グ ネ シウム合金の用途を拡大するためには, シ ウ ム 合 金 を 幅 50mm， 長 さ 200mm に 機 械 異なる板厚および材質の板材を接合して 加工し，溶接直前に供試材の表面および 一体化した素材であるテーラードブラン 突合せ面を研磨後，ブタノンで脱脂洗浄 ク材の適用が考えられる． して実験に供した．供試材の機械的性質 レーザ溶接は高いエネルギー密度を容 Table 1 Mechanical properties of base metals. 易に制御することができることより，高 Materials Tensile strength (MPa) Elongation (%) Hardness (HK0.05) パ ル ス YAG レ ー ザ は 断 続 的 に 供 試 材 を 加 AZ31 267.2 25.2 78.4 熱することから，連続発振のレーザに比 AZ61 278.4 8.0 50.9 速 か つ 精 密 な 溶 接 が 可 能 で あ る ．さ ら に ， べて溶落ちが少なく薄板の接合に適して いる． マグネシウムは稠密六方晶であるため Table 2 Laser welding conditions. Laser output Q (W) 200,500 Pulse width PW (ms) 5.0 に ,常 温 に お け る す べ り 変 形 は 臨 界 せ ん Pulse frequency f (Hz) 20 断 応 力 の 低 い 底 面 (0001)に 頼 る こ と に な Welding speed V (mm/min) 420 り，常温において他の金属に比べ著しく 成形性が劣ることが知られている． そこで，本研究はマグネシウム合金薄 Gas Assist Ga (l/ min) 30 flow rate Backing Gb (l/ min) 20 Table 3 Plasma welding conditions. 板の突合せ溶接継手の成形性を検討した． Welding current I (A) 25 ま た ,マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 溶 接 お よ び 成 Welding speed V (mm/min) 1000 形 性 の 研 究 は 主 に AZ31マ グ ネ シ ウ ム 合 金 Plasma gas flow rate Shielding gas Surface flow rate Stand off Gp (l/min) 0.5 Gs (l/min) 10 L (mm) 1.2 に つ い て の 研 究 報 告 が 多 く ,AZ61 マ グ ネ シウム合金についての報告は少な Formability of Welded AZ31 and AZ61 Magnesium Alloy Sheet. Ryuichi NAKAMATSU, Toshikatsu ASAHINA and Eitarou YUKUTAKE を Table 1 に 示 す ． 溶 接 に は 最 大 平 均 出 力 550W（ 最 大 パ ル ス エ ネ ル ギ ー 70Ｊ ）の パ ル ス YAG レ ー ザ 装置および交流プラズマ溶接機を使用し， ルート間隔無しのＩ型突合せ溶接を圧延 方向に対して直角に行った．シールドガ ス に は Ar ガ ス を 用 い た ．予 備 実 験 に よ り 良好な継手を得ることができたパルス YAG レ ー ザ 溶 接 ,プ ラ ズ マ 溶 接 の 溶 接 条 件 を そ れ ぞ れ Table 2, Table 3 に 示 す ．た だ し ， AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の プ ラ ズ マ 溶 接継手はブローホールが多く発生して良 好な継手が得られなかったため，今回の Fig.1 Size and shape of tensile test specimen. Table 4 Results of drawing test of laser welded joints. 実 験 か ら は 除 い た ． AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 レ ー ザ 継 手 の 絞 り 試 験 は 直 径 55mm ∼ 65mm の 範 囲 で ブ ラ ン ク を 作 成 し た ． そ の 後 ， 溶 接 残 留 応 力 の 除 去 を 目 的 と し 623K で 1hr.の 焼 鈍 を 行 い ， 大 気 中 で 冷 却 を し △ : Cracked ×: Could not draw た試験片と溶接のままの試験片の絞り加 工を室温で行った．絞り加工はポンチ直 径 40mm ， ポ ン チ 速 度 は 7.5mm/min ， 15mm/min， 22.5mm/min の ３ 通 り と し た ． AZ61 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 は 直 径 70mm の ブ ラ ン ク を 作 成 し ,室 温 で 溶 接 の ま ま お よ び 焼 鈍 し た 試 験 片 の 試 験 を 行 い ,溶 接 の ま ま 材 の み ， 更 に 373K, 423K, 473K, 523K, 573K で 温 間 加 工 を 行 っ た .絞 り 加 Fig.2 Appearances of drawing test specimen of とした. laser welded joints. (AZ31) 引 張 試 験 は Fig.1 に 示 す JIS６ 号 試 験 片 30 300 た Type A お よ び 溶 接 部 を 引 張 方 向 と 直 角 に 平 行 と し た Type B の ２ 種 類 を 行 っ た ． ３．実験結果および考察 3.1 AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接 継 手 の 成形性 著 者 ら が 行 っ た パ ル ス 周 波 数 を 20Hz に 固定した実験において最も高い引張強さ Tensile strength / MPa を使用し，溶接部を引張方向と直角とし :Tensile strength :Elongation 20 200 10 100 0 0 Type A Type B Base metal を 示 し た 溶 接 条 件 (Q=500W)で 溶 接 し た 試 験 片 の 絞 り 試 験 結 果 を Table 4 に 示 す ．直 径 60mm，65mm の ブ ラ ン ク で は 全 て の ポ ン Fig.3 Results of tensile test of laser welded joints. (AZ31) Elongation / % 工 は ポ ン チ 直 径 50mm,ポ ン チ 速 度 6mm/min か ら 割 れ が 発 生 し た ．直 径 55mm の ブ ラ ン ク で も ポ ン チ 速 度 15mm/min， 22.5mm/min では同様に試験開始直後に割れが発生し た ．し か し ，Fig.2 に 示 し た ポ ン チ 速 度 7.5 mm/min の 条 件 で は 溶 融 凝 固 部 割 れ お よ び 肩部での割れが若干認められるものの十 分絞りが可能であった． 120 Hardness / HK0.05 チ速度で絞り試験開始直後に溶融凝固部 100 60 40 F.Z. 20 -4 Fig.3 に AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 継 手 の 引 張 試 験 結 果 を 示 す ． Type A で は ， 母 材 と 比 較 し て 引 張 強 さ ,伸 び と も に 大 き く B.M 80 -2 0 2 Distance from weld center / mm 4 Fig.4 Results of hardness test of laser welded 低 下 し た が ， Type B で は 伸 び は 減 少 し た joints. (AZ31) ものの引張強さはほぼ同程度の値となっ た. Fig.4 に AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 継 手 横断面板厚中央部のヌープ硬さ測定結果 を示す．熱影響部に比べて溶融凝固部は 若 干 硬 化 し た ． AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接継手の絞り加工性が悪いことは，溶接 欠陥であるアンダーフィルの発生ばかり でなく，伸びの低下および溶接部の硬化 も原因であると考える． 3.2 Fig.5 Appearance of bead. (AZ61) AZ61 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接 継 手 の 成形性 得 ら れ た ビ ー ド 外 観 を Fig.5 に 示 す .レ YAG laser welded joint 0.5mm ーザ溶接継手表面にはパルスの重なりを 溶接では表ビードに比べて裏ビードの幅 Plasma welded joint 0.5mm に差が認められた. 両溶接法による継手の横断面マクロ組 Fig.6 Macrostructures of welded joints. (AZ61) 織 を Fig.6 に 示 す ．ど ち ら の 溶 接 法 に よ る 300 Fig.7 に 引 張 試 験 結 果 を 示 す ． Type A, Type B と も に プ ラ ズ マ 溶 接 に 比 べ て レ ー ザ 溶 接 の 方 が 引 張 強 さ ,伸 び に お い て 高 い 値 を 示 し た ． 特 に レ ー ザ 溶 接 の Type B で は ,継 手 効 率 87%と 高 い 値 を 示 し た ． Fig.8 に AZ61 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 継 手 Tensile strength / MPa 継手でもブローホールが若干観察された． :Tensile strength :Elongation 200 8 6 4 100 2 0 0 を 示 す ．レ ー ザ 溶 接 継 手 ,プ ラ ズ マ 溶 接 継 Type A Type B Type A Type B Base metal Laser Plasma 手ともに溶融凝固部が硬化した．このこ Fig.7 Results of tensile test. (AZ61) 横断面板厚中央部のヌープ硬さ測定結果 10 Elongation / % 示 す リ ッ プ ル 線 が 観 察 さ れ た .プ ラ ズ マ Hardness / HK0.05 100 Laser Plasma 80 60 B.M 40 F.Z. (Plasma) 20 0 -6 F.Z. (Laser) -4 -2 0 2 4 Distance from weld center / mm 6 Fig.8 Results of hardness test. (AZ61) と は ， AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 に 比 較 し て溶接による急加熱および急冷却の影 響が大きいためと考える． パ ル ス YAG レ ー ザ 溶 接 継 手 を 用 い た 絞 り 試 験 後 の 試 験 片 外 観 を Fig.9 に 示 す .室 温 で は ， 溶 接 の ま ま 材 ,焼 鈍 材 と もに割れが発生して絞ることができな か っ た ．温 間 加 工 で は 373K で は 溶 融 凝 固部や母材肩部で割れが確認された． 423K で は 横 壁 で の 溶 融 凝 固 部 の 割 れ が 目 立 っ た .473K 以 降 で は 一 部 に 割 れ が 認められたものの良好な成形性を示し た ．図 に は 示 さ な い が ,プ ラ ズ マ 溶 接 継 手の絞り試験もほぼ同様の結果となった. ４．結言 AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接 継 手 の 室 温での成形性は焼鈍することによって, あ る 程 度 改 善 さ れ た . AZ31 マ グ ネ シ ウ ム合金溶接継手に比べて成形性に劣る と さ れ る AZ61 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 溶 接 継 手の室温での成形性は焼鈍を行っても あ ま り 改 善 さ れ な か っ た .し か し ,473K 以上での温間加工では成形性は飛躍的 に向上した． 参考文献 １) 古閑 伸裕, ラッチャニー パイサー ン, 石原 直剛, 渡利 久規, 羽賀 俊 雄 :双 ロ ー ル キ ャ ス タ に よ り 作 製 したマグネシウム合金板の深絞り成形 性 軽 金 属 , 57 pp.141-145 (2007) . Fig.9 Appearances of drawing test specimen of laser welded joint. (AZ61)
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