2012keikinzoku kikuta

レーザ切断加工されたAl合金板に形成される

熱影響層のEBSD解析EBSD analysis for Al alloy sheets with laser cutting

成蹊大（院）　　　　　○菊田　　進作

成蹊大　　　　　　　　　 酒井　　孝

(株)アマダ　　 　　　　　小山　　純一

The 122th Conference of japan institute of light metals

Seikei university material mechanics laboratory

1.　研究背景　　　レーザ切断の特徴，アルミニウムの需要

2.　研究目的　　　熱影響層の組織因子

3.　前大会の報告　　　各レーザ出力条件の熱的影響

4.　実験方法　　　供試材，レーザ切断法，EBSD解析

5.　実験結果　　　金属組織，結晶方位，局所方位差，蓄積エネルギー

6.　結言

 目次

2 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 2 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

▷ 微細加工

▷ 自由曲線加工

▷ 非接触加工

☑ レーザ切断加工ではアルミニウム合金の適用が増大

レーザ切断の特徴

 研究背景

▷ 軽量化

▷ 省エネルギー

▷ リサイクル性

アルミニウムの需要

3 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 3 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

■熱影響層の形成

☑ EBSD解析を用いて熱影響層の組織因子を調査

レーザ切断の問題

RD

TD

ND

▶ Laser processing material

　　　　　　 ▷ 金属組織　　

　　　　　　 ▷ 粒界構造

　　　　　　 ▷ 結晶方位

　　　　　　 ▷ 析出物

　　　　　　 ▷ 転位密度

　　　　　　 ▷ 残留応力

　　　　　　 ▷ 蓄積エネルギー

 研究目的

4 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 4 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

☑　レーザ切断の熱的影響によって再結晶粒が生成・成長

RD

ND

Laser processed As-received Laser processed

5 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 5 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 前大会の報告①

As-received

　　　　　 10µm

▶ A1050-H18 ▶ A6022-H18

Grain boundaries

0

5

10

15

20

25

30

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Are

a fr

actio

n ,%

Brass　{011}<211> Copper　{112}<111> Cube　{001}<100>

Laser force, kW

0

5

10

15

20

25

30

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Are

a fr

actio

n ,%

Brass　{011}<211> Copper　{112}<111> Cube　{001}<100>

6 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 6 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 前大会の報告②

▶ A1050-H18 by different laser force ▶ A6022-H18 by different laser force

☑　Cube方位の面積率はレーザ出力の増減に左右されない

As- received

As- received

Laser force, kW

■対象材料 　 ▷A1050-H18　　　▷A6022-H18

■合金成分 （mass%）

■製造方法 　 ▷冷間圧延（90％）を施し，厚さ1.2mmの薄板材を作製

Cu Si Fe Mg Mn Zn Al

A1050 0.04 0.20 0.25 0.03 0.03 0.04 Bal.

A6022 0.11 1.50 0.20 0.70 0.10 0.25 Bal.

7 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 7 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 供試材

TD 50mm

RD　100mm

ND 1.2mm

▶ 切断寸法

▷ 切断　　　　▷溶接

▷ 穴あけ　　 ▷表面改質

▷ マーキング

■炭酸ガスレーザ加工機   ■レーザ加工条件  

8 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 8 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 レーザ切断法

Force, F (kW)

Speed, S (m/min)

Laser type

N2 Gas pressure (MPa)

2.0

6.0

CO2 0.8

2.5 3.0 3.5 4.0

3.0

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

■測定装置 ▷ 走査型電子顕微鏡 (FE-SEM) ▷ 後方散乱電子線回折装置 (EBSD)

■測定条件　　

▷ 測定箇所 : レーザ切断面 (TD面) ▷ 測定領域 : 80µm×40µm ▷ 測定間隔 : 0.2µm

■解析条件　　 ▷ 結晶粒界 : 方位差5°以上（黒線） ▷ 結晶粒 : 最小粒径　2µm

▶ SEM-EBSD装置

9 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 9 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 EBSD解析

☑　伸長した繊維組織から等軸状の再結晶粒が生成・成長

☑　S=10.0m/minでは加工組織が部分的に残存

RD

ND

S=2.0m/min S=6.0m/min S=10.0m/min

10 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 10 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

レーザ切断されたA1050-H18の熱影響層

As-received

　　　　　 10µm

Grain boundaries

☑　熱影響層では伸長した繊維組織と等軸状の再結晶粒が混在

☑　S=2.0m/minでは粗大第二相粒子周辺で再結晶粒が粗大化

RD

ND

S=2.0m/min S=6.0m/min S=10.0m/min

11 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 11 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

レーザ切断されたA6022-H18の熱影響層

As-received

　　　　　 10µm

▶

▶

▶

▶

▶

▶ ▶

▶

▶

▶

▶ ▶

▶

▶

▶

▶：Secondary phase particles Grain boundaries

0

5

10

15

20

25

30

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Are

a fr

actio

n ,%

Brass　{011}<211> Copper　{112}<111> Cube　{001}<100>

0

5

10

15

20

25

30

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Are

a fr

actio

n ,%

Brass　{011}<211> Copper　{112}<111> Cube　{001}<100>

Cutting speed, m/min Cutting speed, m/min

12 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 12 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

代表的な主要方位の面積率

▶ A6022-H18 by different cutting speed

☑　切削速度の低下にともなってCube方位が発達

As- received

As- received

▶ A1050-H18 by different cutting speed

■KAM : Kernel average misorientation

KAM = ( 2.6°+ 2.4°+ 1.1°+ 1.3°） / 4 = 1.85°

2.6° 2.4°

1.1°

1.3°

35.6°

41.2°

10µm

▶ KAM map of A1050-H18 by

cutting speed at S=8.0m/min

☑ KAMは局所的な塑性ひずみや転位密度と対応

▶ Calculation of KAM map

13 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 13 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

熱的影響の評価方法

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Ker

nel a

vera

ge m

isor

ient

atio

n ,°

A1050-H18

A6022-H18

Cutting speed, m/min

☑　レーザ切断の熱的影響によって塑性ひずみが軽減  

14 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 14 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

結晶粒内の平均KAM値

As- received

■局所的な微小方位差による算出

　　▷転位密度

　　▷蓄積エネルギー

E= 𝛼𝜃𝐺𝑏/2𝑑 

ρ:　 Dislocation density

E：　Stored energy

α：　Grain boundary character

θ：　Kernel average misorientation

G:　Shear modulus

b：　Burgers vector

d:　 Step size

ρ≈2𝛼𝜃/𝑏𝑑 

蓄積エネルギーの算出方法

15 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 15 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

文献) Y. Takayama and J. A. Szpunar : Mater., Trans,. 45(2004), 2316-2325

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Stored energy Hardness

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Stored energy Hardness

16 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 16 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 蓄積エネルギーと硬さの関係

Cutting speed, m/min Cutting speed, m/min

Stor

ed e

nerg

y E,

kJ/

m3

Stor

ed e

nerg

y E,

kJ/

m3 V

ickers hardness, Hv

Vickers hardness, H

v

▶ A1050-H18 by different cutting speed ▶ A6022-H18 by different cutting speed

☑　切削速度の低下にともなって蓄積エネルギーが減少

As- received

As- received

•  A1050-H18はレーザ切断の熱的影響によって，等軸状の再結晶粒を呈し，切削速度の低下にしたがいCube方位が発達した．

•  A6022-H18は添加元素の固溶や析出によって，レーザ切断による再

結晶が抑制された．しかし，S=2.0m/minでは一部の再結晶粒がPSN機構によって粗大化した．

•  両材料で発達した再結晶集合組織であるCube方位の面積率は，切削速度の低下にしたがい増加した．

•  レーザ切断の熱的影響は局所的な塑性ひずみを軽減し，切削速度の低下にともなって蓄積エネルギーは減少した．

17 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 17 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 結言

ご清聴ありがとうございましたThank  you  for  your  attention

19 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 19 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 粗大第二相粒子の成分構成

10µm

RD

ND

50µm

(a) SEM

(c) Al

(b) Si

(d) Mg

▶ Second phase particles by EDS analysis

☑　第二相粒子はSi単体またはMg2Si金属間化合物で構成

S=2.0m/min

付録1

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Ker

nel a

vera

ge m

isor

ient

atio

n, °

Laser force, kW

A1050-H18

A6022-H18

☑　レーザ切断の熱的影響によって塑性ひずみが軽減  

20 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 20 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

結晶粒内・粒界の平均KAM値

As- received

付録2

☑　F=2.5kW ~ 4.0kWにおいて蓄積エネルギーは不規則な分布

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Stored energy hardness

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Stored energy hardness

21 　　 SEIKEI UNIVERSITY Material Mechanics Laboratory

No. 21 The 122th Conference of japan institute of light metals, 19-20/5, 2012, Hukuoka

 蓄積エネルギーと硬さの関係

Laser force ,kW Laser force ,kW

Stor

ed e

nerg

y E,

kJ/

m3

Stor

ed e

nerg

y E,

kJ/

m3 V

ickers hardness, Hv

Vickers hardness, H

v

▶ A1050-H18 by different laser force ▶ A6022-H18 by different laser force

As- received

As- received

付録3