CN116829750A - 熔接用铝合金延展材、铝合金熔接接合体及其熔接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使在使用激光熔接等来实施高速熔接的情况下熔接裂纹也得到抑制的6000系铝合金延展材、包含所述铝合金延展材的熔接接合体、以及所述铝合金延展材的有效率的熔接方法。本发明涉及一种熔接用铝合金延展材，其特征在于，Si的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，Mg的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，含有使熔融铝的表面张力降低的界面活性元素，界面活性元素为Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种，界面活性元素的含量为0.04质量％以上且0.50质量％以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔接性优异的铝合金延展材、包含所述铝合金延展材的熔接接合体、以及所述铝合金延展材的熔接方法。
背景技术
铝为轻量且不易生锈，通过添加适当的元素，可实现高强度化，因此被广泛用于铁路车辆、船舶、桥梁及各种框体等结构物中。此处，铝虽然具有优异的加工性，但在结构体化中熔接必不可少。
然而，已知铝与铁等相比，一般而言熔接性差，会因凝固裂纹或液化裂纹而生成裂纹。之前降低熔接速度来进行熔接，但每年要求提高生产性，伴随于此，迫切希望提高铝的熔接速度。
相对于此，例如在专利文献1(日本专利特开2016-121385号公报)中，以提供可抑制由激光熔接引起的裂纹的壳体用铝合金板以及使用其而形成的壳体为目的，公开了一种壳体用铝合金板，其是激光熔接性优异的壳体用铝合金板，且特征在于，包含Si：2.0％以上且11.0％以下(质量％，以下相同)、Fe：超过0％且为2.0％以下，剩余部分具有包含Al及不可避免的杂质的化学成分，伸长率为8％以上，Al基体中存在包含Si或Fe的第二相粒子，所述第二相粒子的圆近似径为17μm以下。
在所述专利文献1的壳体用铝合金板中，壳体用铝合金板包含与之前的3000系铝合金等相比熔点低的Al-Si系合金，因此可使用较之前而言输出低的激光来进行熔接，可容易地减少激光照射时的铝合金构件的熔融量。另外，壳体用铝合金板包含Al-Si系合金，因此与3000系铝合金等相比，凝固时的收缩率小。这些的结果为，壳体用铝合金与3000系铝合金等相比，裂纹敏感性低，可抑制激光熔接后的裂纹。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2016-121385号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，所述专利文献1的壳体用铝合金板以3000系铝合金为主体，但3000系铝合金中也存在很多强度等不足的用途，迫切期望实现兼具优异的熔接性及高机械性质的铝合金材。更具体而言，期待对6000系铝合金赋予优异的熔接性。
另外，所述专利文献1中所示的熔接速度为2m/min，例如在激光熔接中也大多使用更快的熔接速度，就熔接的高速化的观点而言也难以说充分。
鉴于如以上那样的现有技术中的问题点，本发明的目的在于提供一种即使在使用激光熔接等来实施高速熔接的情况下熔接裂纹也得到抑制的6000系铝合金延展材、包含所述铝合金延展材的熔接接合体、以及所述铝合金延展材的有效率的熔接方法。
解决问题的技术手段
本发明者等人为了实现所述目的，对铝合金的组成及所述组成与熔接裂纹等的关系反复进行了努力研究，结果发现极为有效的是在铝合金中含有适量的界面活性元素(Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种)且使熔融铝合金的表面张力降低等，从而达到了本发明。
即，本发明提供一种熔接用铝合金延展材，其特征在于，
Si的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，
Mg的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，
含有使熔融铝的表面张力降低的界面活性元素，
所述界面活性元素为Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种，
所述界面活性元素的含量为0.04质量％以上且0.50质量％以下。
通过含有界面活性元素(Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种)，可降低熔融铝的表面张力，熔融区域中的铝的流动性提高，即使进行高速接合也可抑制熔接裂纹。此处，界面活性元素优选为设为Sr。通过添加Sr作为界面活性元素，较添加其他元素的情况而言可简单且有效率地降低熔融铝的表面张力。
另外，在熔接不含适量的界面活性元素的铝合金的情况下，焊道部的金属组织成为粗大的柱状晶组织，因此容易生成熔接裂纹。相对于此，若添加0.04质量％以上的界面活性元素，则焊道部的柱状组织微细化，可抑制熔接裂纹。即使添加0.5质量％以上的界面活性元素，所述效果也不会提高，由于界面活性元素的添加导致原料费用变高，因此将添加量设为0.5质量％以下。此处，更优选的界面活性元素的添加量范围为0.10质量％以上且0.20质量％以下。
另外，在本发明的熔接用铝合金延展材中，Si的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，Mg的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％。通过含有0.3质量％以上且小于2.0质量％的Si及0.3质量％以上且小于2.0质量％的Mg，可利用基于Mg2Si等的微细析出物等实现熔接用铝合金延展材的高强度化。
另外，在本发明的熔接用铝合金延展材中，优选为所述界面活性元素以外的组成为日本工业标准(Japanese Industrial Standard，JIS)规格规定的6000系铝合金(Al-Mg-Si系铝合金)的范围内。本发明的熔接用铝合金延展材的界面活性元素以外的元素一般而言只要是添加至6000系铝合金中的元素或其组成范围即可，只要杂质也为6000系铝合金的JIS规格的范围内则被允许。
另外，本发明也提供一种熔接接合体，其是将两个以上的构件熔接而成的熔接接合体，且特征在于，被熔接的至少一个以上的构件是本发明的熔接用铝合金延展材。通过熔接接合体的被熔接材的至少一个成为本发明的熔接用铝合金延展材，可利用高速熔接有效率地制造所述熔接接合体。另外，在利用高速熔接形成的熔接部中裂纹等缺陷的产生得到抑制，熔接接合体具有高强度及可靠性。
进而，本发明也提供一种铝合金材的熔接方法，其特征在于，对本发明的熔接用铝合金延展材实施熔接速度为3mm/min以上的熔接。在本发明的铝合金材的熔接方法中，在被熔接材中使用本发明的熔接用铝合金延展材，因此即使将熔接速度设为3mm/min以上，熔接部中的裂纹等缺陷形成也得到抑制。就生产性及抑制熔接部中的缺陷形成的观点而言，熔接速度优选为设为4mm/min以上，更优选为设为5mm/min以上。
另外，在本发明的铝合金材的熔接方法中，优选为在所述熔接中使用激光熔接。通过使用激光熔接，可容易地实现熔接速度的增加。另外，在进行5mm/min以上的高速熔接的情况下，例如可使用混合激光熔接。混合激光熔接是在通过先行的激光产生的阴极点引导电弧进行熔接的接合技术，可实现熔接的稳定性提高、缺陷形成的抑制、接合速度的增加以及焊透深度的增加等。
发明的效果
根据本发明，可提供一种即使在使用激光熔接等来实施高速熔接的情况下熔接裂纹也得到抑制的6000系铝合金延展材、包含所述铝合金延展材的熔接接合体、以及所述铝合金延展材的有效率的熔接方法。
附图说明
图1是本发明的铝合金熔接接合体的一形态中的熔接部附近的概略剖面图。
图2是熔接部4的微细组织的示意图。
图3是可调拘束裂纹试验(varestraint test)用夹具的外观照片。
图4是可调拘束裂纹试验的示意图。
图5是实施例3中获得的熔接部的纵剖面中的组织照片。
图6是实施例3中获得的熔接部的横剖面的宏观照片。
图7是比较例1中获得的熔接部的纵剖面中的组织照片。
图8是比较例1中获得的熔接部的横剖面的宏观照片。
图9是表示裂纹率与母材Sr量的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照图式对关于本发明的熔接用铝合金延展材、铝合金熔接接合体及其熔接方法的具代表性的实施形态进行详细说明，但本发明并不仅限定于这些。再者，在以下的说明中，有时对相同或相当部分标注相同的符号，并省略重复的说明。另外，图式是为了概念性地说明本发明，因此所表示的各结构要素的尺寸或这些的比也有时可与实际不同。
1.熔接用铝合金延展材
本发明的熔接用铝合金延展材的特征在于含有0.3质量％以上且小于2.0质量％的Si、0.3质量％以上且小于2.0质量％的Mg及0.04质量％以上且0.50质量％以下的界面活性元素。以下，对各成分进行详细说明。
(1)必须的添加元素
Si：0.3质量％以上且小于2.0质量％
Si与Mg一起形成Mg-Si系析出物，具有提高机械强度及疲劳强度的作用。在Si含量小于0.3质量％的情况下，固溶强化或时效硬化能力不足，无法获得铝合金所要求的机械强度及疲劳强度。另一方面，若Si含量为2.0质量％以上，则耐腐蚀性降低。另外，有时形成有粗大的结晶物或析出物，会降低延展性及加工性。
Mg：0.3质量％以上且小于2.0质量％
Mg与Si一起形成Mg-Si系析出物，具有提高机械强度及疲劳强度的作用。所述作用在0.3质量％以上时变得显著，但即使添加2.0质量％以上的Mg，也几乎无法期待对高度的贡献，另外，有可能形成成为破坏起点的粗大的金属间化合物而使机械强度等降低。
界面活性元素(Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种)：0.04质量％以上且0.50质量％以下
通过含有0.04质量％～0.50质量％的界面活性元素，可降低熔融铝的表面张力，熔融铝的流动性提高，即使进行如熔接速度超过3m/min那样的高速熔接，也可抑制熔接裂纹。界面活性元素优选为使用Sr。
另外，在熔接不含界面活性元素的铝合金的情况下，焊道部的金属组织成为粗大的柱状晶组织，因此容易生成熔接裂纹。相对于此，若添加0.04质量％以上的界面活性元素，则焊道部的柱状组织微细化，可抑制熔接裂纹。即使添加0.5质量％以上的界面活性元素，所述效果也不会提高，由于界面活性元素的添加导致原料费用变高，而且若大量地添加，则有可能形成粗大的化合物。另外，若大量地添加界面活性元素，则在高速的熔接时容易卷入空气，容易形成气孔。就这些的观点而言，界面活性元素的添加量设为0.5质量％以下。此处，更优选的界面活性元素的添加量范围为0.10质量％以上且0.20质量％以下。
(2)任意的添加元素
关于提高铝合金的机械性质的Si及Mg及提高熔接性的界面活性元素以外的添加元素，只要不损害本发明的效果，则并无特别限定，可设为JIS规格规定的6000系铝合金(Al-Mg-Si系铝合金)的范围内。即，任意的添加元素一般而言只要是添加至6000系铝合金中的元素或其组成范围即可，只要杂质也为6000系铝合金的JIS规格的范围内则被允许。
2.铝合金熔接接合体
本发明的铝合金熔接接合体是将两个以上的构件熔接而成的熔接接合体，其特征在于，被熔接的至少一个以上的构件是本发明的熔接用铝合金延展材。以下，对添加Sr作为界面活性元素的情况进行说明。将本发明的铝合金熔接接合体的一形态中的熔接部附近的概略剖面图示于图1中。
图1表示相对于熔接线垂直的横剖面，铝合金熔接接合体1成为铝合金材2彼此通过熔接部4接合而成的结构。此处，铝合金材2的至少任一者成为本发明的熔接用铝合金延展材。
熔接部4的形状及大小只要不损害本发明的效果，则并无特别限定，只要根据铝合金材2的形状及大小、或所期望的接合部特性来适宜调整即可。熔接部4优选为形成于被接合界面的整个区域，但在对接头的机械性质的要求不高的情况下也可局部地形成。
将图1中的熔接部4的微细组织示意性地示于图2中。自与未熔融的铝合金材2的边界起于凝固方向上形成有包含柱状晶的组织，伴随着凝固的进行，形成有包含等轴状的晶粒的组织。此处，通过Sr的添加，熔接部4的组织微细化，与未添加Sr的情况相比柱状晶及等轴晶均微细化。
3.铝合金材的熔接方法(铝合金熔接接合体的制造方法)
关于本发明的铝合金材的熔接方法，以制造铝合金熔接接合体1的情况为例进行说明。通过至少将被熔接的一个以上的构件(铝合金材2)设为本发明的熔接用铝合金延展材，可以3mm/min以上的熔接速度容易地制造铝合金熔接接合体1。
此处，抑制熔接部中的裂纹等缺陷形成的效果极其显著，即使增加熔接速度也可充分地获得所述效果。就生产性及抑制熔接部中的缺陷形成的观点而言，熔接速度优选为设为4mm/min以上，更优选为设为5mm/min以上。
熔接方法只要不损害本发明的效果，则并无特别限定，可使用现有公知的熔接方法，例如通过使用激光熔接，可简单地实施高速熔接，通过使用混合激光熔接，可更有效率地实施高速熔接。
另外，只要不损害本发明的效果，则可视需要使用适当的填充材料，熔接速度以外的熔接条件只要根据被接合材的板厚或形状等适宜调整即可。
以上，对本发明的具代表性的实施形态进行了说明，但本发明并不仅限定于这些，能够进行各种设计变更，这些设计变更全部包含在本发明的技术范围内。
[实施例]
《实施例》
于在6000系铝合金中熔接性差的JIS-6063铝合金中添加Sr，获得表1所示的组成(质量％)的熔接用铝合金延展材(实施例1～实施例3)。所述熔接用铝合金延展材的尺寸及形状设为长度200mm×宽度190mm×厚度3mm的板状。
[表1]
| Si | Fe | Mg | Sr | Al | |
| 实施例1 | 0.42 | 0.17 | 0.69 | 0.055 | bal. |
| 实施例2 | 0.38 | 0.17 | 0.67 | 0.094 | bal. |
| 实施例3 | 0.41 | 0.17 | 0.66 | 0.160 | bal. |
| 比较例1 | 0.40 | 0.17 | 0.66 | - | bal. |
| 比较例2 | 0.39 | 0.16 | 0.65 | 0.028 | bal. |
其次，为了评价熔接用铝合金延展材相对于熔接裂纹的特性，使用图3所示的试验夹具，进行基于可调拘束裂纹试验的熔接。将可调拘束裂纹试验的示意图示于图4中，在对被接合材施加外部应力的状态下进行熔接，通过施加至熔接部的拉伸应力促进熔接裂纹。可调拘束裂纹试验中的弯曲半径设为300mm。
激光熔接使用IPG制多模CW纤维激光，设为激光输出：2600W、前进角：10°、目标角：90°、熔接速度：5m/min，利用焊道接通实施激光熔接。再者，对各熔接用铝合金延展材进行三次可调拘束裂纹试验。
作为所获得的熔接用铝合金延展材的代表例，将作为实施例3获得的熔接用铝合金延展材的熔接部的纵剖面中的组织照片示于图5中。可知，纵剖面照片的上半部分为熔接部(焊道部)，柱状晶及等轴晶均形成有包含微细的组织的熔接部，而且柱状晶组织的发展受到抑制。
将作为实施例3获得的熔接用铝合金延展材的熔接部的具代表性的横剖面的宏观照片示于图6中，但完全未观察到熔接裂纹。
另外，对实施了固溶化处理(在540℃的电炉中保持2小时后进行水冷)与人工时效(175℃，8小时)的实施例3的熔接用铝合金延展材进行拉伸试验，结果拉伸强度为222MPa，0.2％耐力为178MPa，伸长率为17.5％。再者，拉伸试验片使用JIS Z 2241中记载的14号A试验片，拉伸速度依据JIS Z 2241，将至0.2％耐力为止设为2mm/min，将0.2％耐力以后设为5mm/min。
《比较例》
除了设为表1的作为比较例(比较例1及比较例2)所示的组成(质量％)以外，与实施例同样地进行基于可调拘束裂纹试验的熔接。将作为比较例1获得的熔接部的纵剖面中的组织照片示于图7中。纵剖面照片的上半部分为熔接部(焊道部)，较实施例的情况而言柱状晶及等轴晶均粗大化。此外，可知包含柱状晶的组织显著生长，成为对于熔接裂纹的抑制而言不利的组织。
将作为比较例1获得的熔接用铝合金延展材的熔接部的具代表性的横剖面的宏观照片示于图8中。在图8中，发现了粗大的熔接裂纹。
另外，与实施例同样地，对实施了固溶化处理(在540℃的电炉中保持2小时后进行水冷)与人工时效(175℃，8小时)的比较例1的熔接用铝合金延展材进行拉伸试验，结果拉伸强度为237MPa，0.2％耐力为189MPa，伸长率为18.8％。未发现与实施例3的熔接用铝合金延展材的拉伸试验大的差异，确认了Sr的添加对熔接用铝合金延展材的机械性质不会造成不良影响。
针对通过实施例及比较例的可调拘束裂纹试验而在熔接焊道的表面产生的熔接裂纹，利用颜色检查测定所述熔接裂纹的长度。将通过测定获得的熔接裂纹的长度以裂纹长度相对于熔接长度每100mm的比例(裂纹率)的形式示于表2中。另外，将裂纹率与母材Sr量的关系示于图9中。
[表2]
在未添加Sr的比较例1中，裂纹率的平均成为45.3％的高值。另外，在Sr的添加量不充分的比较例2中，由于Sr的添加，结果裂纹率增加。可知相对于这些，通过添加适量的Sr，裂纹率明显降低。尤其是，通过添加0.10质量％以上的Sr，裂纹率显著降低，在添加了0.17％的Sr的实施例3中，裂纹的产生得到完全抑制。
符号的说明
1：铝合金熔接接合体
2：铝合金材
4：熔接部。
Claims (7)
1.一种熔接用铝合金延展材，其特征在于，
Si的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，
Mg的含量为0.3质量％以上且小于2.0质量％，
含有使熔融铝的表面张力降低的界面活性元素，
所述界面活性元素为Sr、Ca、Sb、Li及Ba中的至少任一种，
所述界面活性元素的含量为0.04质量％以上且0.50质量％以下。
2.根据权利要求1所述的熔接用铝合金延展材，其特征在于，
所述界面活性元素为Sr。
3.根据权利要求1或2所述的熔接用铝合金延展材，其特征在于，
所述界面活性元素的含量为0.10质量％以上且0.20质量％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的熔接用铝合金延展材，其特征在于，
所述界面活性元素以外的组成为日本工业标准规格规定的6000系铝合金(Al-Mg-Si系铝合金)的范围内。
5.一种熔接接合体，是熔接两个以上的构件而成的熔接接合体，其特征在于，
被熔接的至少一个以上的构件是根据权利要求1至4中任一项所述的熔接用铝合金延展材。
6.一种铝合金材的熔接方法，其特征在于，
对根据权利要求1至4中任一项所述的熔接用铝合金延展材实施熔接速度为3mm/min以上的熔接。
7.根据权利要求6所述的高速接合用铝合金材的熔接方法，其特征在于，
在所述熔接中使用激光熔接。
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