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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