JP2000313933A - 溶接構造用Al合金材とその溶接継手 - Google Patents

溶接構造用Al合金材とその溶接継手

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接特性の優れた溶接構造用Al合金材とそ
の溶接継手を開発すること。 【解決手段】 Si1.5 〜5wt%( 以下単に% と記す) 、Mg
0.2 〜1.5%、Zn0.2 〜1.5%、Cu0.2 〜2%、Fe0.1 〜1.5
%、を含有し、さらに、Mn0.01〜1.0%、Cr0.01〜0.2%、T
i0.01〜0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01 〜0.2%の内1種又
は2種以上を含み、残部がAlと不可避的不純物からなる
Al合金材であって、優れた溶接特性を有する溶接構造
用Al合金材であり、また、このAl合金母材をAl-Mg
系又はAl-Si系溶加材で溶接した溶接継手である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強度、曲げ加工性
等の一般的特性の他、特に溶接特性に優れた溶接構造用
Al合金材とその溶接継手に関するもので、軽量で高い
溶接継手が求められる自動車のフレーム用、ボデイ用、
その他の部品に用いられるものである。なお、本明細書
において、Al合金の組成はすべてwt%を意味する
が、これを単に%と記した。
【0002】
【従来の技術】従来、自動車には冷延鋼板が主に用いら
れていた。しかし、近年、車の燃費改善の上から、自動
車車体の軽量化の要求が高まり、鋼板に代えてAl合金
の板材や押出材を使用することが検討され、実際に一部
に採用されている。このようなAl合金板材には、自動
車用材料として、プレス加工性に優れること、強度が高
いこと、溶接強度が高いこと、耐食性に優れていること
等が求められる。また、Al合金押出材には、曲げ成形
性に優れること、強度が高いこと、溶接強度が高いこ
と、耐食性に優れていることが求められる。
【0003】このような要求に対応するAl合金材料
は、従来、板材として6061合金等のAl−Mg−S
i系合金(6000系合金)や5052合金等のAl−
Mg系合金(5000系合金)、押出材として606
1、6N01、6063合金等のAl−Mg−Si系合
金(6000系合金)が用いられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
6000系合金材や5000系合金材では十分な強度が
得られない、特にアーク溶接の際の溶接部(溶接継手
部)の強度が低い等の問題点がある。本発明の課題は、
自動車用材料に要求される強度及び曲げ加工性等の一般
的特性を確保しながら、特に溶接特性(溶接部の強度や
割れ性)の優れたAl合金材を提供することである。ま
た、本発明の他の課題は、このようなAl合金材を母材
として溶接する場合、溶接部の強度等に優れた溶接継手
を提供することである。なお、本発明の目的は、これら
の課題を解決することにより、自動車用部品の軽量化、
低コスト化を達成することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの請求項1の発明は、Si1.5〜5%、Mg0.2
〜1.5%、Zn0.2〜1.5%、Cu0.2〜2
%、Fe0.1〜1.5%を含有し、さらに、Mn0.
01〜1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti0.0
1〜0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01〜
0.2%の内1種又は2種以上を含み、残部がAlと不
可避的不純物からなるAl合金材であって、優れた溶接
特性を有することを特徴とする溶接構造用Al合金材で
ある。請求項2の発明は、前記Siが2.6〜5%であ
ることを特徴とする請求項1に記載の溶接構造用Al合
金材である。
【0006】請求項3の発明は、Si1.5〜5%、M
g0.2〜1.5%、Zn0.2〜1.5%、Cu0.
2〜2%、Fe0.1〜1.5%を含有し、さらに、M
n0.01〜1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti
0.01〜0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.
01〜0.2%の内1種又は2種以上を含み、残部がA
lと不可避的不純物からなるAl合金材を母材とて、該
母材をMg2〜6%を含有するAl合金溶加材でアーク
溶接して、強度の優れた溶接部を形成したことを特徴と
する溶接継手である。
【0007】請求項4の発明は、請求項3に記載の溶接
部の中央金属成分が、Si0.5〜4%、Mg1.0〜
5.5%、Cu0.05〜1.4%を含有することを特
徴とする請求項3に記載の溶接継手である。請求項5の
発明は、請求項3に記載の溶接部を、溶接後熱処理して
高強度の時効硬化溶接部を形成したことを特徴とする請
求項3又は請求項4に記載の溶接継手である。
【0008】請求項6の発明は、Si1.5〜5%、M
g0.2〜1.5%、Zn0.2〜1.5%、Cu0.
2〜2%、Fe0.1〜1.5%を含有し、さらに、M
n0.01〜1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti
0.01〜0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.
01〜0.2%の内1種又は2種以上を含み、残部がA
lと不可避的不純物からなるAl合金材を母材として、
該母材をSi3〜13%を含有するAl合金溶加材でア
ーク溶接して溶接割れ性に優れた溶接部を形成したこと
を特徴とする溶接継手である。請求項7の発明は、請求
項6に記載の溶接部の中央金属成分が、Si2.0〜1
1%、Mg0.05〜1.4%、Cu0.05〜1.8
%を含有することを特徴とする請求項6に記載の溶接継
手である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、各発明について、詳細に説
明する。 (1)請求項1及び請求項2の発明について 請求項1の発明は、溶接構造用Al合金材に関するもの
であり、この合金組成を前記のごとく限定した理由は、
以下のとおりである。Siは、材料の強度を高める一
方、必要な伸びを確保する効果がある。また、Siは、
このAl合金材を母材としてAl−Mg系溶加材でアー
ク溶接する際、溶接部の融点を下げ、溶接部の割れを防
止する効果がある。Siの含有量は、1.5〜5%とす
るが、好ましくは2.6〜5%である。その含有量が、
少なすぎると前記の効果(強度、溶接割れ)が不足し、
多すぎると材料の伸びが低下してプレス加工性、曲げ加
工性が悪くなる。
【0010】Mgは、上記のSiと金属間化合物を形成
し、Mg2Si の析出によって強度を向上させる。Mgの含
有量は、0.2〜1.5%とするが、好ましくは0.2
〜0.8%である。その含有量が、少なすぎるとその強
度が不足し、多すぎると伸びが低下する。Znは、Al
合金材の表面処理性を向上させ、これにより脱脂性、化
成処理性を向上させる。Znの含有量は、0.2〜1.
5%とするが、好ましくは0.2〜1.2%である。そ
の含有量が、少なすぎると化成処理性が劣り、多すぎる
と耐食性が悪化する。
【0011】Cuは、Al合金材の導電性及び融点を低
下させ、スポット溶接性を向上させる。また、Al合金
材の強度増大による衝撃吸収エネルギーの向上にも寄与
する。Cuの含有量は、0.2〜2%とするが、好まし
くは0.2〜1.2%である。その含有量が、少なすぎ
るとその作用が不足し、多すぎると伸びが低下し又溶接
でも割れが起こりやすくなる。
【0012】Feは、結晶粒微細化による靱性の向上、
衝撃吸収エネルギーの向上にも寄与する。Feの含有量
は、0.1〜1.5%とするが、好ましくは0.2〜
1.2%である。その含有量が、少なすぎるとその作用
が不足し、多すぎると粗大晶出相により、表面性状が悪
化する。
【0013】さらに、Mn、Cr、Ti、Zr、Vから
選ばれる元素は、結晶粒微細化によりAl合金材の伸び
及び靱性を向上させることにより、プレス成形性、曲げ
加工性、エネルギー吸収性を向上させる。また、結晶粒
が微細化されることによって、溶接時の割れを起こしに
くくする。Mnの含有量は0.01〜1.0%好ましく
は0.05〜0.6%、Crの含有量は0.01〜0.
2%好ましくは0.01〜0.1%とする。また、T
i、Zr、Vの含有量は、それぞれ0.01〜0.2%
好ましくは0.01〜0.1%とする。
【0014】本発明に係わるAl合金材は、Si、Zn
を多く含むため、その原料として各種の金属屑(アルミ
ニウム屑)をリサイクル利用することが可能であり、従
って低コスト化が可能である。利用できるリサイクル屑
としては、例えば、回収したアルミニウム缶屑、アルミ
ニウムサッシ屑、自動車のアルミニウム製エンジン屑や
部品屑等がある。
【0015】なお、本発明でいうAl合金材は、所謂A
l合金展伸材であり、通常の圧延によって製造される板
及び通常の押出によって製造される押出材を意味する。
また、材料の調質は、後に示す実施例でも明らかなごと
く、製造工程において溶体化焼入れ処理後、時効硬化の
熱処理を施して、使用される。
【0016】請求項2の発明は、請求項1の発明に係わ
る溶接構造用Al合金材の好ましい実施形態の発明であ
り、この合金組成のSi量を、特に2.6〜5%とした
ものである。このようにすることによって、このAl合
金材を母材としてAl−Mg系溶加材でアーク溶接する
際、Siが溶接部の融点を下げるため溶接部の溶接割れ
を減少させて、溶接継手強度を向上させることができ
る。
【0017】(2)請求項3〜5の発明につて 請求項3の発明は、前記の溶接構造用Al合金材を母材
として、この母材をMg2〜6%を含有するAl合金溶
加材でアーク溶接して強度の優れた溶接部を形成したこ
とを特徴とする溶接継手である。Mg2〜6%を含有す
るAl合金溶加材とは、例えばA5356( 代表例Al-5
%Mg-0.1%Mn-0.1%Cr-0.1%Ti合金) 、A5554( 代表例
Al-2.7%Mg-0.8%Mn-0.1%Cr-0.1%Ti合金) 、A5183(
代表例Al-4.8%Mg-0.8%Mn-0.15%Cr合金) 等のワイヤー又
は溶接棒である。前記の溶接構造用Al合金母材(板材
又は押出材)を、これらの溶加材でアーク溶接すること
によって、強度の優れた溶接部を有する溶接継手とする
ことができる。
【0018】強度の優れた溶接部を有する継手が得られ
る理由は、Mgを含む溶加材とSiを含む母材が、溶接
金属部(溶接部)で合金化し、この溶接金属部が自然時
効又は人工時効(高温時効)することによって、Mg2Si
が析出して、強度の高い溶接金属部となり、継手強度が
向上するからである。この溶接に使用する溶加材は、前
記のごとくMgを2〜6%を含有するAl合金ワイヤー
又は溶接棒を使用するが、Mgの含有量が、少なすぎる
とその効果が不足し、多すぎると溶接金属部の靱性が低
下する。また、溶加材(ワイヤー又は溶接棒)そのもの
の製造も困難となる。
【0019】次に、請求項4の発明は、請求項3に記載
の溶接部の中央金属成分が、Si0.5〜4%、Mg
1.0〜5.5%、Cu0.05〜1.4%を含有する
ことを特徴とする請求項3に記載の溶接継手である。即
ち、継手溶接部の中央部の金属成分を、Si0.5〜4
%、Mg1.0〜5.5%、Cu0.05〜1.4%の
範囲とすることによって、強度の優れた溶接継手とする
ことができる。ここで、SiとCuは母材から溶接部に
溶出し、Mgは大部分が溶加材から溶出する。SiとM
gは、溶接金属部でMg2Si として析出し、強度を高め
る。その量が、少なすぎるとその効果が不足し、多すぎ
ると靱性が低下する。また、Cuは、溶接金属部の強度
を向上させる。その量が少なすぎると強度が不足し、多
すぎると靱性が低下したり溶接割れが起こりやすくな
る。
【0020】なお、前記の溶接方法は、主として、母材
が本発明に係わる溶接構造用Al合金材同士を組み合わ
せて溶接した場合であるが、母材が本発明に係わる溶接
構造用Al合金材と他のAl合金材(例えば6N01、
6063、5052、5182等)と組み合わせて溶接
した場合でも、溶接部の中央金属成分が、前記の範囲内
であれば、同様の効果が得られる。
【0021】請求項5の発明は、請求項3に記載の溶接
部を、溶接後、熱処理して高強度の時効硬化溶接部を形
成したことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の
溶接継手である。即ち、溶接部は、溶接後室温に放置し
ても自然時効硬化するが、溶接後熱処理(高温時効又は
人工時効)することによってMg2Si を析出させて、より
高強度の時効硬化溶接部と溶接継手を得たものである。
この熱処理は、150〜220℃で20分〜24時間の
人工時効をする。150℃で20分未満では、この効果
が少なく、220℃で24時間を越えて熱処理すると軟
化する恐れがある。なお、この熱処理は、自動車の塗装
ライン等の工程での加熱を兼ねて行ってもよい。
【0022】(3)請求項6及び請求項7の発明につい
て 請求項6の発明は、前記の溶接構造用Al合金材を母材
として、この母材をSi3〜13%を含有するAl合金
溶加材でアーク溶接して、溶接割れ性の優れた溶接部を
形成したことを特徴とする溶接継手である。Si3〜1
3%を含有するAl合金溶加材とは、例えばA4043
( 代表例Al-4.3%Si 合金) 、A4047( 代表例Al-12%
Si合金) 等のワイヤー又は溶接棒である。前記の溶接構
造用Al合金母材(板材又は押出材)を、これらの溶加
材でアーク溶接することによって、溶接割れの少ない優
れた溶接部を有する溶接継手とすることができる。
【0023】溶接割れの少ない優れた溶接部を有する継
手が得られる理由は、溶加材のSiが溶接金属部の融点
を下げ、湯流れ性を良くし、Mgを主成分とする溶加材
よりも、より溶接割れを起こしにくくするためである。
なお、溶接時に、この溶加材のSiと本発明に係わるA
l合金材(母材)が混合することにより、母材中に含ま
れるSi、Zn、Cuとの共同作用で、更に溶接金属部
の融点を下げ、溶接割れを更に起こしにくくするもので
ある。
【0024】また、溶接の相手材の材質や構造上などの
理由で、溶接割れを起こしやすい場合でも、この溶加材
を使うことで溶接が可能となる効果もある。この溶接に
使用する溶加材は、前記のごとくSiを3〜13%を含
有するAl合金ワイヤー又は溶接棒を使用するが、Si
の含有量が、少なすぎるとその効果が不足し、多すぎる
と初晶Siが発生して溶接金属部の靱性が低下する他、
溶加材(ワイヤー又は溶接棒)そのものの製造も困難と
なる。
【0025】次に、請求項7の発明は、請求項6に記載
の溶接部の中央金属成分が、Si2.0〜11%、Mg
0.05〜1.4%、Cu0.05〜1.8%を含有す
ることを特徴とする請求項6に記載の溶接継手である。
即ち、継手溶接部の中央金属成分を、Si2.0〜11
%、Mg0.05〜1.4%、Cu0.05〜1.8%
の範囲とすることによって、溶接割れの少ない優れた溶
接継手とすることができる。ここで、MgとCuは母材
から溶接部に溶出し、Siは大部分が溶加材から溶出す
る。
【0026】Siは、前述のごとく溶接割れを改善する
が、その量が、少なすぎるとその効果が不足し、多すぎ
ると初晶Siが発生し溶接金属部の靱性が低下する。ま
た、Mgは、Siとともに溶接金属部でMg2Si として析
出し、強度を高める。その量が、少なすぎるとその効果
が不足し、多すぎると靱性が低下する。また、Cuは、
溶接金属部の強度を向上させる。その量が少なすぎると
その効果が不足し、多すぎると靱性が低下したり溶接割
れが起こりやすくなる。
【0027】なお、前記の溶接方法は、主として、母材
が本発明に係わる溶接構造用Al合金材同志を組み合わ
せて溶接した場合であるが、母材が本発明に係わる溶接
構造用Al合金材と他のAl合金材(例えば6N01、
6063、5052、5182等)と組み合わせて溶接
した場合でも、溶接部の中央金属成分が、前記の範囲内
であれば、同様の効果が得られる。
【0028】
【実施例】次に、本発明の実施例について、詳細に説明
する。板材の場合は、表1の成分で寸法300mmW×
1200mmL×120mmTの鋳塊を鋳造後、520
℃×1時間の均質化処理を行った。その後、熱間圧延開
始温度480℃、終了温度340℃で熱間圧延を行って
板厚4mmの板とし、次に冷間圧延を行って板厚2mm
の板とした。この冷間圧延板を530℃で最終焼鈍後、
3℃/秒で冷却し、さらに180℃×2時間の時効処理
をして、試験用のAl合金板を製造した。
【0029】押出材の場合は、表1の成分で鋳造した寸
法220mmφ×400mmLのビレットを、480℃
×4時間の均質化処理を行い、ビレット温度450℃で
100mmW×2mmTの平板に押出加工し、ファン冷
却した。その後180℃×2時間の時効処理を行い、板
厚2mmのAl合金押出材を製造した。これらの試験材
について、溶接強度と素材の曲げ加工性、溶接割れ試験
を実施し、その結果を表1に示した。
【0030】各特性の試験方法は、次の通りである。 1.溶接方法及び溶接継手の金属成分、引張試験 表1に示すAl合金材(板材、押出材)の溶接継手試験
材の作製は、MIG溶接機と1.2mmφの溶接ワイヤ
ーを用いて、本合金材同士を図1に示すように、1パス
で重ね隅肉溶接した。図において、(1)はAl合金材
(母材)、(2)は溶接部、(3)は溶接部の中央金属
部である。その時使用したワイヤーの種類、溶接部
(2)の中央金属部(3)の成分Si、Mg、Cuの量
の測定値を表1に示した。溶接部金属成分は、母材と溶
接部金属の境界の影響をできるだけ避けるため、溶接部
金属の中央付近を発光分光分析したものである。なお、
分析は、溶接金属部〔図1の(2)〕の中央付近〔図1
の(3)〕の長手方向に、10mm間隔で3点測定し、
その平均値を分析値として表1に記した。また、溶接継
手の引張試験は、その溶接継手試験材から、幅32mm
の短冊試験片を採取し、インストロン型引張試験機を用
いて、引張速度10mm/minで引張試験を行い、最
大荷重(kN)を求めた。 また、その溶接継手試験片
は、加熱をした後にも、引張試験を行った。
【0031】2.曲げ加工性 表1に示すAl合金材(板材、押出材)より、JIS3
号曲げ試験片を作製し、この試験片について、V字治具
(先端R1.5mm)を用いて、90°の曲げ試験を行
い、割れが発生しなければ良好、割れの発生したものは
不良と評価した。
【0032】3.溶接割れ試験 表1に示す合金成分の板材、押出材から、図2に示すよ
うな溶接割れ試験片(フィッシュボーン形割れ試験片)
(4)を加工した。この試験片の中央部において、表1
に示す1.2mmφの溶接ワイヤを用いて、右端から左
端までアーク溶接(MIG溶接)してビード(5)を形
成し、放冷後のビードの最大の溶接割れ(6)の長さを
測定した。試験は、繰り返し3回実施し、最大割れの長
さの平均値を表1に記した。
【0033】
【表1】
【0034】表1の結果から明らかなように、比較例の
試料12、13、15は、溶接部金属成分、溶接ワイヤ
の成分が、本発明とは異なっており、曲げ加工性は良い
が継手強度が不足する。また、加熱をしても継手強度が
上がらない。Al合金材(母材)の合金成分が、本発明
とは異なる試料12、14、15、16は、継手強度が
低いか、材料(母材)の曲げ加工性が不足する。これに
対し、本発明の試験材1〜9は、溶接継手強度が優れ、
母材の曲げ加工性も良好である。
【0035】更に、Mgを2〜6%含むワイヤ(溶加
材)を用いて溶接したものは、加熱によりさらに継手強
度が上昇する。また、Siを3〜13%含む溶接ワイヤ
(溶加材)を使って、溶接割れ試験した試験材10、1
1は、Mgを2〜6%含むワイヤを用いて溶接した試験
材1〜9に比べて、割れ長さが1/2以下であり、より
溶接で割れにくい。
【0036】
【発明の効果】以上詳述したごとく、本発明の溶接構造
用Al合金材は、自動車用材料に要求される強度及び曲
げ加工性等の一般的特性を確保しながら、優れた溶接特
性を有するものである。また、本発明は、このようなA
l合金材を母材として溶接した場合、溶接部の強度や割
れ性に優れた溶接継手を得ることができる。即ち、Mg
を主要組成とした溶加材を用いて溶接した場合は、継手
強度が高く、加熱することによって、さらに継手強度を
向上させることができる。また、Siを主要組成とした
溶加材を用いて溶接した場合は、溶接部の溶接割れを極
力抑え、安定した溶接継手を得ることができる。これら
の利点から、本発明は、自動車のフレーム等の各種部品
を軽量化、低コスト化できるという産業上顕著な効果を
有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶接方法の一例であり、本発明の実施例に用い
た溶接試験片の説明図である。
【図2】本発明の実施例に用いた溶接割れ試験片(フィ
ッシュボーン形割れ試験片)の説明図である。
【符号の説明】
1 Al合金材(母材) 2 溶接部(溶接金属部) 3 溶接部の中央金属部 4 溶接割れ試験片 5 ビード 6 溶接割れ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸次 洋一郎 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 林 登 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si1.5〜5wt%(以下wt%を単
    に%と記す)、Mg0.2〜1.5%、Zn0.2〜
    1.5%、Cu0.2〜2%、Fe0.1〜1.5%を
    含有し、さらに、Mn0.01〜1.0%、Cr0.0
    1〜0.2%、Ti0.01〜0.2%、Zr0.01
    〜0.2%、V0.01〜0.2%の内1種又は2種以
    上を含み、残部がAlと不可避的不純物からなるAl合
    金材であって、優れた溶接特性を有することを特徴とす
    る溶接構造用Al合金材
  2. 【請求項2】 前記Siが2.6〜5%であることを特
    徴とする請求項1に記載の溶接構造用Al合金材
  3. 【請求項3】 Si1.5〜5%、Mg0.2〜1.5
    %、Zn0.2〜1.5%、Cu0.2〜2%、Fe
    0.1〜1.5%を含有し、さらに、Mn0.01〜
    1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti0.01〜
    0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01〜0.
    2%の内1種又は2種以上を含み、残部がAlと不可避
    的不純物からなるAl合金材を母材とて、該母材をMg
    2〜6%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接して強
    度の優れた溶接部を形成したことを特徴とする溶接継
    手。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の溶接部の中央金属成分
    が、Si0.5〜4%、Mg1.0〜5.5%、Cu
    0.05〜1.4%を含有することを特徴とする請求項
    3に記載の溶接継手。
  5. 【請求項5】 請求項3に記載の溶接部を、溶接後、熱
    処理して高強度の時効硬化溶接部を形成したことを特徴
    とする請求項3又は請求項4に記載の溶接継手。
  6. 【請求項6】 Si1.5〜5%、Mg0.2〜1.5
    %、Zn0.2〜1.5%、Cu0.2〜2%、Fe
    0.1〜1.5%を含有し、さらに、Mn0.01〜
    1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti0.01〜
    0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01〜0.
    2%の内1種又は2種以上を含み、残部がAlと不可避
    的不純物からなるAl合金材を母材とて、該母材をSi
    3〜13%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接して
    溶接割れ性に優れた溶接部を形成したことを特徴とする
    溶接継手。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の溶接部の中央金属成分
    が、Si2.0〜11%、Mg0.05〜1.4%、C
    u0.05〜1.8%を含有することを特徴とする請求
    項6に記載の溶接継手。
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