2012keikinzoku kikuta

The 122th Conference of japan institute of light metals

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

Seikei university material mechanics laboratory

目次

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

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

研究背景

レーザ切断の特徴
アルミニウムの需要

▷ 微細加工
▷ 軽量化
▷ 自由曲線加工
▷ 省エネルギー
▷ 非接触加工
▷ リサイクル性

☑ レーザ切断加工ではアルミニウム合金の適用が増大
The No. 3

研究目的

レーザ切断の問題

ND
■熱影響層の形成
　　　　　　 ▷ 金属組織　　
RD 　　　　　　 ▷ 粒界構造
　　　　　　 ▷ 結晶方位
TD
　　　　　　 ▷ 析出物
　　　　　　 ▷ 転位密度
　　　　　　 ▷ 残留応力
▶ Laser processing material
　　　　　　 ▷ 蓄積エネルギー

☑ EBSD解析を用いて熱影響層の組織因子を調査
The No. 4

前大会の報告①

ND
Grain boundaries

RD

10µm

　　　　　

As-received
Laser processed
As-received
Laser processed

▶ A1050-H18
▶ A6022-H18

☑　レーザ切断の熱的影響によって再結晶粒が生成・成長

The No. 5

前大会の報告②
30 30
Brass　{011}<211> Brass　{011}<211>
25 Copper　{112}<111> 25 Copper　{112}<111>

Area fraction ,%

Area fraction ,%

Cube　{001}<100> Cube　{001}<100>
20 20

15 15

10 10

5 5

0 0
As-
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 As-
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
received
received

Laser force, kW
Laser force, kW

▶ A1050-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

The No. 6

供試材

■対象材料
　 ▷A1050-H18　　　▷A6022-H18

■合金成分（mass%）

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.

■製造方法
　 ▷冷間圧延（90％）を施し，厚さ1.2mmの薄板材を作製

The No. 7

レーザ切断法

■炭酸ガスレーザ加工機
■レーザ加工条件

▷ 切断　　　　▷溶接
Force, F Speed, S Laser
N2 Gas
pressure
(kW)
(m/min)
type
(MPa)

▷ 穴あけ　　 ▷表面改質
2.0

2.5

▷ マーキング
3.0
6.0

3.5

ND 4.0

1.2mm
CO2
0.8

2.0

TD 4.0

50mm
3.0
6.0

RD　100mm
8.0

▶ 切断寸法 10.0

The No. 8

EBSD解析

■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

The No. 9

レーザ切断されたA1050-H18の熱影響層

ND
Grain boundaries

RD

10µm

　　　　　

As-received
S=2.0m/min
S=6.0m/min
S=10.0m/min

☑　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

The No. 10

レーザ切断されたA6022-H18の熱影響層

ND
▶：Secondary phase particles
Grain boundaries
▶
RD

▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶
▶

10µm

　　　　　

As-received
S=2.0m/min
S=6.0m/min
S=10.0m/min

☑　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

The No. 11

代表的な主要方位の面積率
30 30
Brass　{011}<211> Brass　{011}<211>
25 25 Copper　{112}<111>
Copper　{112}<111>

Area fraction ,%

Area fraction ,%

Cube　{001}<100> Cube　{001}<100>
20 20

15 15

10 10

5 5

0 0
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 As-
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 As-

received
received

Cutting speed, m/min

▶ A1050-H18 by different cutting speed

☑　切削速度の低下にともなってCube方位が発達

The No. 12

熱的影響の評価方法

■KAM : Kernel average misorientation

2.4°
2.6°

1.1°
35.6°

1.3°
41.2°

10µm

▶ Calculation of KAM map
▶ KAM map of A1050-H18 by
KAM = ( 2.6°+ 2.4°+ 1.1°+ 1.3°） / 4 = 1.85° 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

The No. 13

結晶粒内の平均KAM値

1.6

Kernel average misorientation ,°
A1050-H18
1.2
A6022-H18

0.8

0.4

0
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 As-

received


☑　レーザ切断の熱的影響によって塑性ひずみが軽減

The No. 14

蓄積エネルギーの算出方法

■局所的な微小方位差による算出
　　▷転位密度

ρ≈2 𝛼𝜃/𝑏𝑑 
ρ:　 Dislocation density
E：　Stored energy
α：　Grain boundary character
　　▷蓄積エネルギー θ：　Kernel average misorientation
G:　Shear modulus

E= 𝛼 𝜃𝐺𝑏/2 𝑑 
b：　Burgers vector
d:　 Step size

文献) Y. Takayama and J. A. Szpunar :
Mater., Trans,. 45(2004), 2316-2325
The No. 15

蓄積エネルギーと硬さの関係

80 90 80 90
Stored energy Hardness 80 70 Stored energy Hardness 80
70
Stored energy E, kJ/m3

70

Vickers hardness, Hv

60 70 60
60 60
50 50
50 50
40 40
40 40
30 30
30 30
20 20 20
20
10 10 10 10
0 0 0 0
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 As-
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 As-

received
received



☑　切削速度の低下にともなって蓄積エネルギーが減少

The No. 16

結言

•  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．

The No. 17

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

付録1
粗大第二相粒子の成分構成

ND
(a) SEM
(b) Si

RD

50µm

(c) Al
(d) Mg

10µm

S=2.0m/min
▶ 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

The No. 19

付録2
結晶粒内・粒界の平均KAM値

1.6

Kernel average misorientation, °
A1050-H18
1.2 A6022-H18

0.8

0.4

0
As-
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
received

Laser force, kW

☑　レーザ切断の熱的影響によって塑性ひずみが軽減

The No. 20

付録3
蓄積エネルギーと硬さの関係

80 90 80 90

70 Stored energy hardness 80 70 Stored energy hardness 80


60 70 60 70
60 60
50 50
50 50
40 40
40 40
30 30
30 30
20 20 20 20
10 10 10 10
0 0 0 0
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 As-
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 As-

received
received

Laser force ,kW
Laser force ,kW


☑　F=2.5kW ~ 4.0kWにおいて蓄積エネルギーは不規則な分布

The No. 21

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