Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

あなたは、2枚の金属を接着剤でつける代わりに、回転する道具を使ってこすり合わせ、熱して柔らかくすることで融合させる方法を想像してみてください。これは摩擦攪拌接合（FSW）と呼ばれ、飛行機やソーダの缶に使われる軽量金属であるアルミニウムを接合するための、お気に入りのテクニックです。問題は、このプロセスが金属を非常に熱くしてしまうため、アルミニウムを強くしている目に見えないほど小さな結晶を台無しにしてしまうことです。それは、完璧に整理された本棚を、本がすべてバラバラの山になるまで揺さぶるようなものです。これを解決するために、科学者たちはしばしば、熱の「お風呂」と呼ばれる「溶接後熱処理（PWHT）」を金属に与えます。これは、結晶を再び整理し、金属の強度を回復させようとする「リセットボタン」のようなものです。しかし、落とし穴があります。リセットボタンを押したとき、結晶がただ整頓されるだけでなく、巨大な結晶へと成長してしまい、実際に金属を弱くしたり脆くしたりすることがあるのです。この論文では、この巨大な結晶を制御するために、ツールの回転速度を変えたり、水やオイルなどの異なる液体に熱い金属を浸けて素早く冷却したりすることで、特定のアルミニウム合金（AA7075）を調査しています。

ポーランドの軍事技術大学の研究者たちは、このアルミニウムを使って「もし〜だったら」というゲームをすることに決めました。彼らはAA7075のシートを取り、600 rpm（回転/分）という低速から1400 rpmという高速までの異なる速度で回転するツールを使用して、それらを溶接しました。冷却速度が重要かどうかを確認するために、彼らは単に金属を空気中に放置したのではなく、水中に、あるいはクエンチングオイルの中に、あるいは特殊な冷却液の中に溶接部を沈めた状態で溶接を試みました。溶接が終わった後、彼らはすべての継ぎ目に対して特定の熱処理を行いました。つまり、470℃で2時間焼き、その後120℃で24時間時効処理を行うというものです。これが「リセットボタン」を押す瞬間でした。

結果は、朗報と、手強い驚きの混在でした。まず、熱処理は金属を硬く強くする上で素晴らしい効果を発揮しました。最初から穴や亀裂がなかった継ぎ目については、熱処理によって金属の耐屈曲性（降伏強度）が70%以上、破断前の強度（引張強さ）が約35%向上しました。実際、修理された最も強い継ぎ目は、溶接されていない元のアルミニウムシートよりも強固でした。空気中で溶接され、その後に熱処理された金属はスーパースターであり、強くなっただけでなく、溶接部の中央で壊れるのではなく、溶接部の外側で破断するほど、ほぼ2倍も伸びるようになりました。

しかし、研究者たちは、彼らの最善の計画である「巨大な結晶モンスター」（異常粒成長、またはAGGと呼ばれる現象）を止めるための試みが、うまくいかなかったことを発見しました。ツールの回転速度をどれほど速くしても、あるいは水、オイル、空気のどれを使って冷却しても、巨大な結晶は溶接の上部（ショルダー駆動領域）に現れました。多くの場合、それらは溶接の下部（ピン駆動領域）にも侵入しました。結局のところ、単に金属をより速く冷却したり、ツールをより速く回転させたりするだけでは、熱処理中にこれらの結晶が野生的に成長するのを止めるには不十分だったのです。

実験には暗い側面もありました。研究者がクエンチングオイルを使用した際、オイルが金属の層の中に閉じ込められてしまいました。その後、金属を焼いたとき、閉じ込められたオイルが逃げ出そうとし、継ぎ目を台無しにする気泡や亀裂を作り出しました。これらの欠陥のある継ぎ目は、熱処理がどれほど強くしようとしても、弱く脆いものでした。同様に、ツールを回す速度が速すぎた場合（1200または1400 rpm）、金属に穴や空隙が生じ、これもまた最終製品を弱くしました。

金属がどのように壊れたかを観察すると、混沌とした物語が見えてきました。金属は単に綺麗にパチンと折れるのではなく、結晶粒界に沿った破壊（粒界破壊）と、結晶自体を突き破る破壊（ディンプル破断）が混在していました。時には、金属内部の微細な粒子が小さなアンカーのように機能し、穴の形成を助けて破断につながりました。この研究は、熱処理が金属を強くはするものの、これらの巨大な結晶が成長するという根本的な問題を解決するわけではなく、溶接プロセス中に生じた穴や亀裂を魔法のように治癒するわけでもないことを示唆しています。結論として、アルミニウムを非常に強くすることはできますが、巨大な結晶が溶接の上部を支配するのを止める単純な方法はまだ見つかっておらず、完璧な継理を得たいのであれば、冷却にオイルを使うことは決してできないということです。