JP2003136277A - アルミニウム合金の溶接用溶加材および溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓｉを含有する熱処理型アルミニウム合金の
溶接においても、高い強度を備えた溶接部を得ることが
できるアルミニウム合金の溶接用溶加材、およびこのよ
うな溶加材を用いたアルミニウム合金の溶接方法を提供
する。 【解決手段】 Ｓｉを含有するアルミニウム合金を溶接
するに際して、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金中に質量比で
４〜１０％または、さらに０．５〜１．５％のＺｒ、望
ましくは４〜７％のＮｉを含有する溶接用溶加材７を用
いて、溶接部１０のＮｉ含有量が１〜５％、望ましくは
２〜５％となるように溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
の溶接技術に係わり、特にＳｉを含有する熱処理型アル
ミニウム合金の溶接に際して、熱影響部よりも高い強度
を得ることができるアルミニウム合金の溶接用溶加材
と、このような溶加材を用いたアルミニウム合金の溶接
方法に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウム合金の溶
接に際しては、一般にＪＩＳ規格（Ｚ ３２３２)に定め
られた溶加材を用いて、ＭＩＧ（メタルイナートガスア
ーク）やレーザなどの熱源によって溶接が行われてい
る。

【０００３】Ｓｉを含有するアルミニウム合金、例えば
Ａｌ−Ｓｉ系あるいはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の溶接に
おいては、一般にＡｌ−Ｓｉ系溶加材の使用が推奨され
ており、Ｓｉを５〜１２％程度含有する溶加材（Ａ４０
４３，Ａ４０４７）が規格化されており、このような溶
加材を用いることによって溶接部に発生する割れを抑え
たり、溶接部の強度低下を可能な限り小さくしたりする
ことが行われている。また、このような割れの発生や強
度の低下は、溶接材料の組成だけでなく、溶接条件など
にも影響を受けるため、溶接方法に応じてプロセスの最
適化が図られている。

【０００４】しかしながら、上記のような溶加材や溶接
方法においては、最適と考えられる組み合わせを選択し
たとしても、必ずしも十分な溶接部強度を確保すること
ができず、溶接部が構造体の最弱部位となってしまうこ
とがあった。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の熱処理型合
金の溶接部については、溶接部近傍の熱影響部よび母材
よりも高い強度を売ることが望ましいが、ＪＩＳ規格で
定められた溶加材を用いるだけでは必ずしも高い強度を
得ることができず、溶接部の強度を確保するために多く
の余盛りを設けることによって対処していたが、余盛を
多くすることは、それだけ多量の溶加材を必要とするの
みならず、生産性を低下させる要因ともなり、可能な限
り少ない溶加材で十分な強度を得ることができる溶加材
および溶接施工方法が望まれており、このような要望に
答えることがアルミニウム合金、とりわけＳｉを含有す
る熱処理型アルミニウム合金の溶接に用いる溶加材、あ
るいは溶接方法における課題となっていた。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、従来のアルミニウム合金の溶
接における上記課題に着目してなされたものであって、
高い強度を備えた溶接部（溶接金属）を得ることができ
るアルミニウム合金の溶接用溶加材、およびこのような
溶加材を用いたアルミニウム合金の溶接方法を提供する
ことを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく、溶加材成分や溶接条件などについて鋭意
検討を重ねた結果、溶加材に所定量のＮｉまたは、Ｎｉ
に加え、さらに少量のＺｒを含有させて、溶接部（溶接
金属中）に適量のＮｉまたはＮｉ＋Ｚｒを添加すると共
に、凝固時における溶接部の冷却速度を制御することに
よって、溶接部の強度が向上することを見出し、本発明
を完成するに到った。本発明は、このような知見に基づ
くものであって、本発明に係わるアルミニウム合金の溶
接用溶加材は、Ｓｉを含有するアルミニウム合金の溶接
用溶加材であって、Ａｌ−Ｓｉ系合金中に質量比で４〜
１０％のＮｉ、またはさらに０．５〜１．５％のＺｒ、
望ましくは４〜７％のＮｉを含有する構成としたことを
特徴としており、アルミニウム合金の溶接用溶加材にお
けるこのような構成を前述した従来の課題を解決するた
めの手段としている。

【０００７】そして、本発明に係わるアルミニウム合金
の溶接用溶加材の好適形態としては、線状または帯状、
あるいは粉末状をなしている構成としたことを特徴と
し、他の好適形態としては、Ａｌ−Ｓｉ系および／また
はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の溶接用溶加材である構成と
したことを特徴としている。

【０００８】本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方
法は、Ｎｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系溶加材を用いて、ア
ルミニウム合金を溶接するに際し、溶接部のＮｉ含有量
を質量比で１〜５％、望ましくは２〜５％にする構成と
し、アルミニウム合金の溶接方法におけるこのような構
成を前述した従来の課題を解決するための手段としたこ
とを特徴としている。

【０００９】本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方
法の好適形態としては、溶接部の冷却速度が６００〜３
０００Ｋ／ｓの範囲である構成とし、他の好適形態とし
ては、溶接用熱源が、例えばレーザ光のような高エネル
ギービームである構成としたことを特徴としており、さ
らに他の好適形態として溶接部に溶加材を連続的に供給
しながら熱源を与えたり、あるいは溶接部にあらかじめ
溶加材を配置した上で熱源を与えたりすることができ
る。さらに別の好適形態としては、アルミニウム合金が
Ａｌ−Ｓｉ系および／またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金で
ある構成としたことを特徴としている。

【００１０】本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方
法のさらに他の好適形態としては、溶接を施した後、溶
接部を１５０〜２００℃にて１〜１０時間時効処理する
構成としたことを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に係わるアルミニウム合金
の溶接用溶加材は、Ｓｉを含有するアルミニウム合金、
例えばＡｌ−Ｓｉ系合金同士あるいはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系合金同士、さらにはＡｌ−Ｓｉ系合金とＡｌ−Ｓｉ−
Ｍｇ系合金の溶接に用いることができ、Ａｌ−Ｓｉ系合
金中に４〜１０％（質量比）のＮｉまたは、さらに０．
５〜１．５％のＺｒ、さらに望ましくは４〜７％のＮｉ
を含有しているので、強度の高い溶接部が形成されるこ
とになる。このとき、溶加材中のＮｉ含有量が４％未満
の場合には、このような強度向上効果が十分に発揮され
ず、逆に１０％を超えた場合には、溶接部に割れが発生
するなどの不都合が生じる。

【００１２】このようなアルミニウム合金の溶接用溶加
材は、線状（ワイヤ状）または帯状に形成することがで
き、溶接に際して、例えばスプルーなどに巻いた状態と
することによりワイヤ送給装置を介して溶接部に容易に
連続供給することができる。また、直線のまま、あるい
は適当な長さに切断した状態で、あらかじめ溶接部に載
置しておくこともできる。

【００１３】また、本発明のアルミニウム合金の溶接用
溶加材は、適当な粒度のを粉末状とすることもでき、溶
接に際して、粉末状溶加材をホッパーを介して溶接部に
容易に連続供給することができる。また、溶接に先立っ
て粉末状溶加材を溶接部に散布しておくこともできる。

【００１４】本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方
法においては、アルミニウム合金、例えばＡｌ−Ｓｉ系
合金同士、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金同士、さらにはＡｌ
−Ｓｉ系合金とＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を溶接するに際
し、上記のようなＮｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系溶加材を
用いて、溶接部のＮｉ含有量が１〜５％（質量比）、望
ましくは２〜５％となるようにしていることから、溶接
部の強度が向上することになる。このとき、溶接部のＮ
ｉ含有量が１％に満たない時には、Ｎｉによる強度向上
効果が十分に得られず、５％を超えた時には、溶接部に
割れなど溶接欠陥発生の可能性が高くなる。

【００１５】本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方
法においては、凝固時における溶接部の冷却速度が６０
０〜３０００Ｋ／ｓの範囲となるようにしているので、
溶接部の強度が向上することになる。なお、本発明にお
いて凝固時の冷却速度とは、７５０℃から５５０℃の温
度範囲における平均冷却速度を意味し、溶接部近傍に熱
電対を取り付けて測定したものである。そして、当該冷
却速度の望ましい範囲を上記数値範囲としたのは、冷却
速度が６００Ｋ／ｓより遅い場合には、溶接部の強度が
十分に向上せず、熱影響部の強度よりも低下しやすくな
る傾向が認められることによる。そして、冷却速度を３
０００Ｋ／ｓよりも速くすれば、組織の微細化が期待で
きる。ただ、一般に、冷却速度は溶接速度を大きくする
ことによって高めることができるが、反面溶接速度の増
大は溶け込み不足を招くこととなり、冷却速度の上限を
３０００Ｋ／ｓとすることが望ましい。

【００１６】また、本発明に係わるアルミニウム合金の
溶接方法においては、溶接用の熱源として、例えばレー
ザ光のような高エネルギービームを用いることができ、
これによって溶接能率が向上すると共に、冷却速度を上
記範囲に容易に制御することができ、高強度の溶接部が
得られることになる。さらに、本発明のアルミニウム合
金の溶接方法においては、溶接部に溶加材を連続的に供
給しながら、あるいはあらかじめ溶接部に溶加材を配置
した上で溶接することができ、いずれの場合も溶接部の
成分組成（特にＮｉ含有量）を所望の範囲に容易に制御
することができ、これによって溶接部の強度が向上する
ことになる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてさらに具
体的に説明する。

【００１８】まず、Ｓｉ含有量を質量比で１０％に固定
し、Ｎｉ含有量を種々に変化させたアルミニウム合金か
らなる直径１．２ｍｍの線状溶加材を作製し、これら溶
加材を用いて後述する要領により、ＪＩＳ Ｈ ４０００
に規定される板厚２．０ｍｍのＡ６Ｎ０１−Ｔ５合金の
突合せレーザ溶接を行い、溶接部（溶接金属）の強度を
熱影響部の強度と比較評価した。

【００１９】すなわち、図１は、上記突合せレーザ溶接
の要領を示す説明図であって、この図において、レーザ
発振器１としては、出力５ｋＷの連続発振型Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザ発振器を用い、当該発振器１からのレーザビー
ムを直径０．６ｍｍの伝送ファイバ２を介して集光光学
系３に導き、焦点距離２００ｍｍのコリメーションレン
ズおよび焦点距離１００ｍｍの集光レンズを用いて直径
０．３ｍｍのビームに結像した光４をそれぞれの速度で
移動させながら被溶接物８（Ａ６Ｎ０１−Ｔ５合金）の
突合せ部に照射し、同時に上記のように作製された１．
２ｍｍ径の線状溶加材７を溶加材供給装置５からワイヤ
供給ノズル６を介して溶接加工点９に所定の速度で連続
的に供給し、溶接ビード１０を形成した。

【００２０】図２は、溶接部の断面を示すものであっ
て、溶接ビード（溶接部）１０の近傍位置には溶接熱の
影響を受けた熱影響層１１が形成されている。当該実施
例において被溶接材として用いたＡ６Ｎ０１−Ｔ５合金
は、熱処理型の合金であるからして、溶接ビード１０の
強度が前記熱影響層１１の強度よりも高くなっているこ
とが望ましく、ここでは熱影響層１１に対する溶接ビー
ド１０の相対的な強度で評価した。その結果を溶加材の
成分や溶接条件と共に表１に示す。なお、溶接部強度に
ついては、各実施例および比較例で得られたレーザ溶接
の試験片より、溶接ビード部が中央となるように、溶接
ビードの長手方向にダンベル試験片を切り出し、引張強
度を測定し、予め測定した熱影響部の強度と比較し、溶
接ビード部１０の強度が熱影響層１１の強度（概ね１６
０ＭＰａ程度）を超えるものを○印、それ以下のものを
△印で示した。上記ダンベル試験片のサイズは、幅５ｍ
ｍ、長さ４０ｍｍで、溶接ビードを含む中央部の幅を３
ｍｍとした。

【００２１】

【表１】

【００２２】（実施例１）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で４．０％とし、当該溶加材の供
給量を５．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を５．０ｍ／ｍｉ
ｎ．とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で１．５
％、溶接部の冷却速度が８００Ｋ／ｓとなり、熱影響層
以上の強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２３】（実施例２）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で６．０％、当該溶加材の供給量
を５．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を５．０ｍ／ｍｉｎ．
とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で２．５％、
溶接部の冷却速度が８００Ｋ／ｓとなり、熱影響層以上
の強度を有する溶接部を得ることができた。なお、溶接
速度を５．０ｍ／ｍｉｎ．とする条件のうちでは、当該
実施例２の条件のときに最も高い強度が得られた。

【００２４】（実施例３）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で１０．０％とし、溶加材の供給
量を５．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を５．０ｍ／ｍｉ
ｎ．とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で４．０
％、溶接部の冷却速度が８００Ｋ／ｓとなり、熱影響層
以上の強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２５】（実施例４）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で６．０％、当該溶加材の供給量
を２．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を５．０ｍ／ｍｉｎ．
とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で１．０％、
溶接部の冷却速度が９００Ｋ／ｓとなり、熱影響層以上
の強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２６】（実施例５）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を６．０％とし、当該溶加材の供給量を
７．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を５．０ｍ／ｍｉｎ．と
した場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で５．０％、溶
接部の冷却速度が７００Ｋ／ｓとなり、熱影響層以上の
強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２７】（実施例６）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で６．０％、当該溶加材の供給量
を５．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を２．０ｍ／ｍｉｎ．
とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で２．０％、
溶接部の冷却速度が６００Ｋ／ｓとなり、熱影響層以上
の強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２８】（実施例７）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で６．０％とし、溶加材の供給量
を５．０ｍ／ｍｉｎ．、溶接速度を８．０ｍ／ｍｉｎ．
とした場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で３．０％、
溶接部の冷却速度が１３００Ｋ／ｓとなり、熱影響層以
上の強度を有する溶接部を得ることができた。

【００２９】（比較例１）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で２．０％とし、他の条件につい
ては上記実施例２と同じ条件で溶接した場合、溶接部の
Ｎｉ含有量が質量比で０．５％となり、溶接部の強度向
上がほとんど認められず、熱影響層並の強度しか得られ
なかった。

【００３０】（比較例２）Ａｌ−１０％Ｓｉ系溶加材中
のＮｉ含有量を質量比で３０．０％として、他の条件を
上記実施例２と同じとした場合、溶接部のＮｉ含有量が
質量比で１０．０％となり、溶接部に割れが発生して強
度評価ができない結果となった。

【００３１】（比較例３）溶加材の供給量を０．５ｍ／
ｍｉｎ．として、他の条件を上記実施例２と同じとした
場合、溶接部のＮｉ含有量が質量比で０．２％となり、
ほとんど強度向上が認められず、溶接部の強度は熱影響
層並であった。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明におい
ては、アルミニウム合金溶接用溶加材中に４〜１０％の
Ｎｉを含有するものとし、望ましくは６〜７％のＮｉを
含有するものとし、また、本発明に係わるアルミニウム
合金の溶接方法においては、このような溶加材を用いて
溶接するに際して、溶接部のＮｉ含有量を１〜５％、望
ましくは２〜３％とするようにしており、さらに望まし
くは、溶接部の冷却速度を６００〜１５００Ｋ／ｓの範
囲となるようにしているので、Ｓｉを含有するアルミニ
ウム合金、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系合金の溶接において、高い強度の溶接部を得ることが
できるという極めて優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例において溶接部の強度評価に用
いた突合せレーザ溶接の要領を説明する斜視図である。

【図２】図１に示した溶接によって得られた溶接部の断
面形状を示す該略図である。

【符号の説明】

７ アルミニウム合金の溶接用溶加材 １０ 溶接ビード（溶接部）

フロントページの続き (72)発明者 坂元 宏規 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 柴田 公博 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 CB01 DC01 DC03 EA10

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉを含有するアルミニウム合金の溶接
   用溶加材であって、Ａｌ−Ｓｉ系合金中に質量比で４〜
   １０％のＮｉまたは、さらに０．５〜１．５％のＺｒを
   含有することを特徴とするアルミニウム合金の溶接用溶
   加材。
2. 【請求項２】 Ｎｉ含有量が質量比で４〜７％であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の溶接
   用溶加材。
3. 【請求項３】 線状または帯状をなしていることを特徴
   とする請求項１または２記載のアルミニウム合金の溶接
   用溶加材。
4. 【請求項４】 粉末状をなしていることを特徴とする請
   求項１または２記載のアルミニウム合金の溶接用溶加
   材。
5. 【請求項５】 Ａｌ−Ｓｉ系および／またはＡｌ−Ｓｉ
   −Ｍｇ系合金の溶接用溶加材であることを特徴とする請
   求項１ないし４のいずれかに記載のアルミニウム合金の
   溶接用溶加材。
6. 【請求項６】 Ｎｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系溶加材を用
   いてアルミニウム合金を溶接するに際し、溶接部のＮｉ
   含有量を質量比で１〜５％にすることを特徴とするアル
   ミニウム合金の溶接方法。
7. 【請求項７】 溶接部のＮｉ含有量を質量比で２〜５％
   にすることを特徴とする請求項６記載のアルミニウム合
   金の溶接方法。
8. 【請求項８】 溶接部の冷却速度が６００〜３０００Ｋ
   ／ｓの範囲であることを特徴とする請求項６または７記
   載のアルミニウム合金の溶接方法。
9. 【請求項９】 溶接用熱源が高エネルギービームである
   ことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の
   アルミニウム合金の溶接方法。
10. 【請求項１０】 高エネルギービームとしてレーザ光を
    用いることを特徴とする請求項９記載のアルミニウム合
    金の溶接方法。
11. 【請求項１１】 溶接部に溶加材を連続的に供給しなが
    ら熱源を与えることを特徴とする請求項６ないし請求項
    １０のいずれかに記載のアルミニウム合金の溶接方法。
12. 【請求項１２】 溶接部にあらかじめ溶加材を配置した
    上で熱源を与えることを特徴とする請求項６ないし請求
    項１０のいずれかに記載のアルミニウム合金の溶接方
    法。
13. 【請求項１３】 アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ系およ
    び／またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であることを特徴と
    する請求項６ないし請求項１２のいずれかに記載のアル
    ミニウム合金の溶接方法。
14. 【請求項１４】 溶接を施した後、溶接部を１５０〜２
    ００℃にて１〜１０時間時効処理することを特徴とする
    請求項１３記載のアルミニウム合金の溶接方法。