JP2004001085A - アルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用したアルミニウム合金材の溶接方法 - Google Patents
アルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用したアルミニウム合金材の溶接方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】使用する溶接ワイヤが１本である通常のミグ溶接においてスマットがほとんど付着せず、継手強度が高く溶着部の靭性が高い溶接部が得られるアルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用したアルミニウム合金材の溶接方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金溶接用溶加材が、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更に、必要に応じて、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる。
【選択図】 図１
【解決手段】アルミニウム合金溶接用溶加材が、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更に、必要に応じて、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金（本明細書において、アルミニウム合金という場合は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む）材料、特にＭｇを含有したアルミニウム合金材料の溶接に使用されるアルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用した溶接方法に関し、特に、溶接時に生成する溶接部表面及びその近傍周辺部への粉末状付着物が少なく溶接外観が良好で継手強度が高いアルミニウム材料の溶接用溶加材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、自動車、鉄道車両及び船舶の輸送機等においては、燃費の向上及び高速化の要求から、より軽量な構造が採用されるようになった。そして、これらの構造材料として、軽量であることから、鉄鋼に替えて、アルミニウム合金材が使用されるようになった。これらは、概ねアルミニウム合金の板材がアウター及びインナー等の外板として、アルミニウム合金の押出形材は骨格構造、所謂フレーム構造及び衝突時の安全性を向上させるための衝撃吸収材として、またアルミニウム合金の鋳物材は押出形材による骨格構造を継手で連結するための節部としての適用が期待されている。
【０００３】
板材では、主に５０００系及び６０００系のアルミニウム合金が使用されているが、リサイクル性及びコストメリットを考慮した場合、６０００系アルミニウム合金材の方がやや優位にある。一方、押出形材は６０００系アルミニウム合金材、鋳物材は４０００系アルミニウム合金材が広く一般的に使用されている。この５０００系及び６０００系アルミニウム合金材のようなＭｇを含有したＡｌ−Ｍｇ系合金材は機械的性質が優れ、耐食性及び溶接性も良好で船舶及び鉄道車両をはじめ一般の溶接構造物に広く適用されている。
【０００４】
これらのアルミニウム合金材は、従来、主として、アーク溶接等による溶融溶接方法が適用されているが、通常、余盛による継手強度確保を主目的として、溶加材が用いられている。アルミニウム合金用の溶加材としては、純Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等、種々の溶接材料がＪＩＳに規定されているが，Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金用の溶加材としてはＡｌ−Ｍｇ系合金の溶接材料が推奨されている。その理由は、純Ａｌ（１０００系）の溶加材では溶接金属部の強度が弱く、Ａｌ−Ｃｕ系合金の溶加材では溶接割れ感受性が高く、溶接部の耐食性が悪く、Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶加材では溶接部の強度及び靭性が低く、一般的に強度やじん性を要求される溶接部にはあまり実用的ではないからであるとされている。このため、Ｍｇを含有し溶接部の強度を高めることができるＡｌ−Ｍｇ系合金の溶接材料が推奨されている。
【０００５】
しかしながら、Ａｌ−Ｍｇ系合金材を、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材を使用してミグ溶接すると、溶接部表面及びその近傍周辺部に黒い粉末状の着色生成物（以下、スマットという）が付着する場合がある。このスマットはＡｌ及びＭｇ等を含む酸化物であると考えられている。スマットは溶接の継手性能に対しては殆ど悪影響を及ぼすことはないが、黒色を呈しているため，溶接後の外観に美観性が求められる部材にあってはその美観性が損なわれるという問題点があり、また、その溶接部表面に塗装が施される場合には、塗料の付着を妨げる要因になるといった問題点がある。従って、溶接後にスマットを十分に除去する必要がある。
【０００６】
従来、スマットを除去する方法として、溶接部の表面をウエス又はワイヤブラシ等で払拭するといった機械的な除去方法が知られている。また、アルミニウム合金材の溶接部を、適切な濃度の硫酸溶媒又はこれに更に界面活性剤等の薬剤を適宜添加した硫酸溶媒で洗浄処理して、スマットを化学的に除去する方法も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。更に、消耗電極として純Ａｌ又はＭｇ含有量が少ないＡｌ合金からなる電極を使用し、この消耗電極とは別にＭｇ等の合金成分の含有量が多い合金材料を溶融池に添加するミグ溶接方法が開示されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−４４０６８号公報
【特許文献２】
特開平５−２８５６６３号公報
【特許文献３】
特開平６−２３８４５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。溶接ビードには通常数ｍｍ程度の微細な凹凸が形成されているので、特に溶接ビードの表面及びビード際の止端部に生成付着したスマットを、上述のような機械的な除去方法で完全に除去することは困難である。また、機械的除去又は薬品等による化学的除去等の著しく手間を要する工程を溶接後に設けることは、コスト的にも不利益である。
【０００９】
また、消耗電極とは別に合金材料を溶融池に添加するミグ溶接方法は、少なくとも２本以上の溶接ワイヤを必要とするため、溶接装置が複雑となるばかりではなく、溶融池に添加するワイヤを溶かすために、通常のミグ溶接よりも溶接電流が高くなり、溶け落ち等の溶接欠陥が発生しやすくなる。このため、例えば板厚が１０ｍｍ以下の比較的薄いアルミニウム合金板材の溶接には実用的ではない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、使用する溶接ワイヤが１本である通常のミグ溶接においてスマットがほとんど付着せず、継手強度が高く溶着部の靭性が高い溶接部が得られるアルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用したアルミニウム合金材の溶接方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
本願第２発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
本願第３発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
本願第４発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１５】
本願第５発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１６】
本願第６発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１７】
本願第７発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１８】
本願第８発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１９】
本願第９発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２０】
本願第１０発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２１】
本願第１１発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２２】
本願第１２発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる請求項２に記載のアルミニウム合金溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、上述の課題を解決するために、ミグ溶接用の溶加材成分とスマットの生成及び継手強度との関係を詳細に調査した結果、従来、Ｍｇを含有したＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金用には推奨されていないＡｌ−Ｓｉ系合金の溶加材であって、既存のＡｌ−Ｓｉ系溶加材用合金よりもＳｉ量を低減した溶加材を使用してＡｌ−Ｍｇ系合金を溶接すれば、溶接時にスマットがほとんど付着せず、母材（Ａｌ−Ｍｇ系合金）から希釈されてＭｇが溶着金属部に混入することにより、溶着金属部の強度が高くなり、また、溶加材（Ａｌ−Ｓｉ系合金）のＳｉ量が既存のＡｌ−Ｓｉ系溶加材よりも少ないことから溶着金属部の靭性も高くなることを見いだした。
【００２４】
以下、本発明に係るアルミニウム合金溶加材において、その成分理由及び組成限定理由について説明する
【００２５】
Ｓｉ：１乃至４質量％
Ｓｉは、合金中でＭｇと結合し、Ｍｇ２Ｓｉ化合物を形成し、強度を向上させる最も重要な元素である。かつ、単Ｓｉでも析出によって硬さを向上させ、継手性能向上に寄与する。含有量が、１質量％未満では十分な強度が得られず、４質量％を超えると過剰析出により延性及び靭性が低下する。
【００２６】
Ｍｇ：２．０質量％以下
Ｍｇは合金中でＳｉと結合し、Ｍｇ２Ｓｉ化合物を形成する。Ｍｇ含有量が２．０質量％を超えると、スマットの発生が顕著となり溶接部外観が黒色化する。従って、Ｍｇ含有量は２．０質量％以下であることが好ましい。また、Ｍｇ含有量が０．５質量％未満では硬さが不足し強度低下となるため、Ｍｇ含有量は０．５質量％以上であることが好ましい。但し、溶加材のＭｇの含有量が０．５質量％未満であっても、溶接対象となる母材にＭｇが十分に含有されていれば、Ｍｇが母材から溶着金属部に溶け込むため、溶接部の強度低下が抑えられる。このような場合は、溶加材のＭｇの含有量は０．５質量％未満でも構わない。
【００２７】
Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％
Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％
Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４質量％、但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％
Ｚｒ：０．０５乃至２質量％
Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒは単独で、Ｔｉ及びＢは複合添加により、材料に添加した場合、結晶粒を微細化させる効果を有する。また、これらの元素は、引張強度及び伸びを向上させる効果を有する。
【００２８】
また、Ｍｎ：０．０５質量％未満、Ｃｒ：０．０５質量％未満、（Ｔｉ＋Ｂ）：０．０２質量％未満、Ｔｉ：０．０１質量％未満、Ｂ：０．０１質量％未満、及びＺｒ：０．０５質量％未満では、いずれも結晶粒微細化の効果は少なく、添加効果が得られない。
【００２９】
一方、Ｍｎ：０．５質量％を超えた場合、Ｃｒ：０．５質量％を超えた場合、（Ｔｉ＋Ｂ）：０．４質量％を超えた場合、及びＺｒ：２質量％を超えた場合は、脆化の危険性がある。
【００３０】
このため、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４質量％（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された少なくとも１種以上を含有することが好ましい。これにより、溶接部の延性が向上する。
【００３１】
しかし、更に厳しい変形を受ける部位を溶接する場合には、下記元素を添加することが望ましい。
【００３２】
Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃを総量で０．１乃至１．０質量％
Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ及びＳｃはいずれも結晶粒を微細化させる効果を有する。更に、Ｃｅ，Ｙ，Ｌａ，Ｓｃは水素と化合して水素化合物を作りやすく、ポロシティ及びブローホールの発生を防止するのに効果的である。これらの元素が総量で０．１質量％未満では、その効果が少なく、１．０質量％を超えると、脆化を引き起こすことがある。このため、これらの元素を添加する場合は、総量で０．１乃至１．０質量％とする。これらの元素を添加した溶加材を用いることで、溶接金属内の結晶粒微細化を更に一層促進することができる。このため、本発明の溶加材を著しい変形を受ける部位の溶接に使用することができる。
【００３３】
なお、この他の成分としては、ＪＩＳ ４０４３に示されているＦｅ：０．８質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｚｎ：０．１０質量％以下等が本発明の不可避的不純物に相当する。また、０．０５質量％未満のＭｎ、０．０５質量％未満のＣｒ、０．０１質量％未満のＴｉ、０．０１質量％未満のＢ、０．０５質量％未満のＺｒ、合計で０．１質量％未満のＣｅ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃも本発明の不可避的不純物に相当する。
【００３４】
アルミニウム合金材の溶接に適用する溶接方法は、溶融溶接であれば、ＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザ又は電子ビーム等いずれの溶接方法を使用しても良い。また、その溶接条件、例えば、出力又は電流、溶接速度等の溶接条件は使用する加工機の種類、被加工部材の厚さ及び形状などに従って選定すればよい。より効果的な結晶粒微細化のためには、本発明による溶加材を使用して１０４Ｗ／ｃｍ２以上の高パワー密度が得られるレーザ溶接又は電子ビーム溶接方法を使用することが望ましい。更に、溶接態様は、突き合わせ溶接及び重ね溶接等、接合する部位に応じて適切な溶接態様を選定すればよく、本発明はいずれの継手にも適用できる。
【００３５】
本発明の溶加材を使用して溶接するアルミニウム合金材としては、一般にＪＩＳ ４０４３及びＪＩＳ ４０４７の溶加材の適用が推奨されている組合せであれば良く、その他のアルミニウム合金材も溶接することができる。また、アルミニウム合金材の形態としては、板材、押出形材及び鋳鍛材のいずれの組合せでも良い。
【００３６】
【実施例】
以下、添付の図面を参照し、本発明の実施例についてその特性を比較例と比較して説明する。
【００３７】
試験例１
溶接条件としては、溶接方法：ＭＩＧ溶接、供試材：ＪＩＳ Ａ５４５４板材、板厚：３ｍｍ、シールドガスの種類：アルゴン、その流量：毎分２５リットル、溶接方法：Ｉ型開先による突合せ溶接ならびに重ねすみ肉溶接、溶接長：３００ｍｍとした。
【００３８】
ＭＩＧ溶接条件は、溶接電流：１３０乃至１６０Ａ、溶接電圧：２０乃至２３Ｖ、溶接速度：８０ｃｐｍとした。
【００３９】
第１のケースとして、供試材を２枚一組で突合せ態様で組み合わせた後、下記表１に示す組成を有する溶加材を使用して、前述の溶接条件で両者を突合せ溶接により接合した。なお、表１に示す「−」は、含有量が検出限界以下であったことを示す。また、「残」は組成の残部であることを示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
次いで、得られた継手の溶接金属部に対して、外観観察、伸び、曲げ性能を評価した。これらの評価結果を下記表２に示す。なお、引張強さは、ＪＩＳ Ｚ２２０１５号試験片で、引張方向と直角になる方向の中心線に溶接線の配置し、その引張強さを測定した。また、伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２０１ ５号試験片で、引張方向と直角になる方向の中心線に溶接線の配置し、標点距離を５０ｍｍとしてその伸びを測定した。更に、曲げ性能は、幅４０ｍｍの試験片にて、曲げに対して垂直方向の中心線に溶接線を配置して、曲げ部の頂点に溶接線が曲げ方向と垂直に位置するようにして、曲げＲ１２ｍｍにて１８０度曲げ試験を実施し、溶接金属部表面の亀裂発生限界を測定した。
【００４２】
【表２】
【００４３】
第２のケースとして、供試材を２枚一組で重ね代２０ｍｍで重ね合わせた後、前記表１に示す組成を有する溶加材を使用して、前述の溶接条件で両者を重ねすみ肉溶接により接合した。
【００４４】
次いで、得られた継手の溶接金属部に対して、外観観察、引張強さを評価した。これらの評価結果を下記表３に示す。なお、評価方法は前述のケース１と同様である。
【００４５】
【表３】
【００４６】
なお、評価について、同材料をＪＩＳ４０４３、４０４７、５３５６、５５５４を用いてＭＩＧ溶接した継手で、各特性値が優れていた方の値を基準として設定し、その値より劣っているものは×、同等のものは△、優れているものは○、著しく優れているものは◎で示した。なお、伸び及び曲げについては、ＪＩＳ５３５６及びＪＩＳ５５５４に規定する材料よりも劣るものの、ＪＩＳ４０４３に規定する材料よりも優れており、使用に支障のないものを「△−」とした。引張強さについては、突合せ溶接の場合、引張強さが２２５ＭＰａを超えたものを「◎」とし、２２５ＭＰａ以下で２１５ＭＰａを超えたものを「○」とし、２１５ＭＰａ以下だったものを「△」とした。また、重ねすみ肉溶接の場合、引張強さが１７０ＭＰａを超えたものを「◎」とし、１７０ＭＰａ以下で１２０ＭＰａを超えたものを「○」とし、１２０ＭＰａ以下で１００ＭＰａを超えたものを「△」とし、１００ＭＰａ以下だったものを「×」とした。
【００４７】
表１乃至表３に示すＮｏ．１乃至１６は本願請求項４、５、１０、１１に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．１７乃至２０は本願請求項４、６、１０、１２に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２１は本願請求項１、７に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２２は本願請求項２、８に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２５は本願請求項２、４、８、１０に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２７、２９、３１、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５は本願請求項２、８に係る発明の実施例である。表１乃至表３に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至２２、２５、２７、２９、３１、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５においては、溶加材の組成が本発明の範囲内にあり、第１ケースの突合せ溶接及び第２ケースの重ねすみ肉溶接共に、全ての評価が優れたものとなった。これに対し、Ｎｏ．２３、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６は、本発明の範囲から外れる比較例であり、外観、伸び、曲げ及び引張強さのうち、少なくとも１つの項目で評価が「×」となり、特性が劣るものであった。
【００４８】
試験例２
先ず、下記表４に示す化学成分を有するアルミニウム合金を鋳造し、直径が１．２ｍｍである溶接ワイヤを試作した。次に、この溶接ワイヤを使用して溶着金属の機械的性質が継手強度に与える影響が比較的大きい重ねすみ肉継手をミグ溶接により作製した。その後、この重ねすみ肉継手に対して引張試験を行い、継手強度を評価した。また、スマットの発生の有無を調査した。結果を表４に示す。本試験例２においては、被溶接材（母材）として板厚が４．０ｍｍのＪＩＳ ５４５４により規定される合金のＯ材を使用した。溶接条件を以下に示す。
【００４９】
溶接方法：ＭＩＧ自動溶接
溶接電流：１５０〜２１０ｋＡ
溶接電圧：２４〜３０Ｖ
溶接速度：７５ｃｍ／分
シールドガス：１００％アルゴン
シールドガス流量：２７リットル／分
【００５０】
【表４】
【００５１】
また、図１は横軸にＳｉ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図であり、図２は横軸にＭｇ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図であり、図３は横軸にＭｎ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図である。
【００５２】
表４に示すＮｏ．４７は、本願請求項３、９に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．４８は、本願請求項４、１０に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．４９乃至５２は、本願請求項４、５、１０、１１に係る発明の実施例である。実施例Ｎｏ．４７乃至５２は、溶加材の成分が本発明の範囲を満たしているため、スマットの発生が無く、継手強度が１２４Ｎ／ｍｍ２以上と高かった。
【００５３】
これに対して、表４に示すＮｏ．５３乃至６０は比較例である。比較例Ｎｏ．５３は、Ｓｉの含有量が０．１質量％と少なかったため、ミグ重ねすみ肉継手の引張強さが実施例と比べて低かった。比較例Ｎｏ．５４乃至５９は、Ｓｉの含有量が５．３乃至１２質量％と多かったため、ミグ重ねすみ肉継手の引張強さが実施例と比べて低かった。比較例Ｎｏ．６０は、Ｓｉ含有量が６．１質量％と多く、Ｍｇ含有量も２．７質量％と多かったため、継手強度が低く、また、スマットが発生し溶接ビード外観が悪かった。
【００５４】
前述の如く、実施例Ｎｏ．４７乃至５２は、溶加材の成分が本発明の範囲を満たしているため、本発明の範囲を満たしていない比較例Ｎｏ．５３乃至６０と比べて、継手強度が高かった。即ち、図１に示すように、溶加材のＳｉ含有量が１質量％未満又は４質量％を超える場合は、継手強度が低下した。また、図２に示すように、０乃至２．７質量％の範囲でＭｇ添加量は継手強度に影響を与えないが、Ｍｇ添加量が２．５質量％よりも多くなると、スマットが生成し始めた。更に、図３に示すように、０乃至０．３質量％の範囲でＭｎ添加量は継手強度に影響を及ぼさないことを確認した。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材によれば、延性及び靱性が優れたアルミニウム合金の溶接部を得ることができ、スマットが少なく、高品位な溶接部を形成することができると共に、構造全体の機械的性能を向上させることができ、このため、本発明によりアルミニウム合金材の適用範囲を拡大でき、アルミニウム合金材による軽量化のメリットを広範囲の技術分野に適用していくことができる。このため、本発明は、軽量化が要求される分野に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】横軸にＳｉ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
【図２】横軸にＭｇ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
【図３】横軸にＭｎ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金（本明細書において、アルミニウム合金という場合は、アルミニウム及びアルミニウム合金の双方を含む）材料、特にＭｇを含有したアルミニウム合金材料の溶接に使用されるアルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用した溶接方法に関し、特に、溶接時に生成する溶接部表面及びその近傍周辺部への粉末状付着物が少なく溶接外観が良好で継手強度が高いアルミニウム材料の溶接用溶加材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、自動車、鉄道車両及び船舶の輸送機等においては、燃費の向上及び高速化の要求から、より軽量な構造が採用されるようになった。そして、これらの構造材料として、軽量であることから、鉄鋼に替えて、アルミニウム合金材が使用されるようになった。これらは、概ねアルミニウム合金の板材がアウター及びインナー等の外板として、アルミニウム合金の押出形材は骨格構造、所謂フレーム構造及び衝突時の安全性を向上させるための衝撃吸収材として、またアルミニウム合金の鋳物材は押出形材による骨格構造を継手で連結するための節部としての適用が期待されている。
【０００３】
板材では、主に５０００系及び６０００系のアルミニウム合金が使用されているが、リサイクル性及びコストメリットを考慮した場合、６０００系アルミニウム合金材の方がやや優位にある。一方、押出形材は６０００系アルミニウム合金材、鋳物材は４０００系アルミニウム合金材が広く一般的に使用されている。この５０００系及び６０００系アルミニウム合金材のようなＭｇを含有したＡｌ−Ｍｇ系合金材は機械的性質が優れ、耐食性及び溶接性も良好で船舶及び鉄道車両をはじめ一般の溶接構造物に広く適用されている。
【０００４】
これらのアルミニウム合金材は、従来、主として、アーク溶接等による溶融溶接方法が適用されているが、通常、余盛による継手強度確保を主目的として、溶加材が用いられている。アルミニウム合金用の溶加材としては、純Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等、種々の溶接材料がＪＩＳに規定されているが，Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金用の溶加材としてはＡｌ−Ｍｇ系合金の溶接材料が推奨されている。その理由は、純Ａｌ（１０００系）の溶加材では溶接金属部の強度が弱く、Ａｌ−Ｃｕ系合金の溶加材では溶接割れ感受性が高く、溶接部の耐食性が悪く、Ａｌ−Ｓｉ系合金の溶加材では溶接部の強度及び靭性が低く、一般的に強度やじん性を要求される溶接部にはあまり実用的ではないからであるとされている。このため、Ｍｇを含有し溶接部の強度を高めることができるＡｌ−Ｍｇ系合金の溶接材料が推奨されている。
【０００５】
しかしながら、Ａｌ−Ｍｇ系合金材を、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材を使用してミグ溶接すると、溶接部表面及びその近傍周辺部に黒い粉末状の着色生成物（以下、スマットという）が付着する場合がある。このスマットはＡｌ及びＭｇ等を含む酸化物であると考えられている。スマットは溶接の継手性能に対しては殆ど悪影響を及ぼすことはないが、黒色を呈しているため，溶接後の外観に美観性が求められる部材にあってはその美観性が損なわれるという問題点があり、また、その溶接部表面に塗装が施される場合には、塗料の付着を妨げる要因になるといった問題点がある。従って、溶接後にスマットを十分に除去する必要がある。
【０００６】
従来、スマットを除去する方法として、溶接部の表面をウエス又はワイヤブラシ等で払拭するといった機械的な除去方法が知られている。また、アルミニウム合金材の溶接部を、適切な濃度の硫酸溶媒又はこれに更に界面活性剤等の薬剤を適宜添加した硫酸溶媒で洗浄処理して、スマットを化学的に除去する方法も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。更に、消耗電極として純Ａｌ又はＭｇ含有量が少ないＡｌ合金からなる電極を使用し、この消耗電極とは別にＭｇ等の合金成分の含有量が多い合金材料を溶融池に添加するミグ溶接方法が開示されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−４４０６８号公報
【特許文献２】
特開平５−２８５６６３号公報
【特許文献３】
特開平６−２３８４５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。溶接ビードには通常数ｍｍ程度の微細な凹凸が形成されているので、特に溶接ビードの表面及びビード際の止端部に生成付着したスマットを、上述のような機械的な除去方法で完全に除去することは困難である。また、機械的除去又は薬品等による化学的除去等の著しく手間を要する工程を溶接後に設けることは、コスト的にも不利益である。
【０００９】
また、消耗電極とは別に合金材料を溶融池に添加するミグ溶接方法は、少なくとも２本以上の溶接ワイヤを必要とするため、溶接装置が複雑となるばかりではなく、溶融池に添加するワイヤを溶かすために、通常のミグ溶接よりも溶接電流が高くなり、溶け落ち等の溶接欠陥が発生しやすくなる。このため、例えば板厚が１０ｍｍ以下の比較的薄いアルミニウム合金板材の溶接には実用的ではない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、使用する溶接ワイヤが１本である通常のミグ溶接においてスマットがほとんど付着せず、継手強度が高く溶着部の靭性が高い溶接部が得られるアルミニウム合金溶接用溶加材及びそれを使用したアルミニウム合金材の溶接方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
本願第２発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
本願第３発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
本願第４発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１５】
本願第５発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１６】
本願第６発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１７】
本願第７発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１８】
本願第８発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１９】
本願第９発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２０】
本願第１０発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２１】
本願第１１発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２２】
本願第１２発明に係るアルミニウム合金材の溶接方法は、Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる請求項２に記載のアルミニウム合金溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、上述の課題を解決するために、ミグ溶接用の溶加材成分とスマットの生成及び継手強度との関係を詳細に調査した結果、従来、Ｍｇを含有したＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金用には推奨されていないＡｌ−Ｓｉ系合金の溶加材であって、既存のＡｌ−Ｓｉ系溶加材用合金よりもＳｉ量を低減した溶加材を使用してＡｌ−Ｍｇ系合金を溶接すれば、溶接時にスマットがほとんど付着せず、母材（Ａｌ−Ｍｇ系合金）から希釈されてＭｇが溶着金属部に混入することにより、溶着金属部の強度が高くなり、また、溶加材（Ａｌ−Ｓｉ系合金）のＳｉ量が既存のＡｌ−Ｓｉ系溶加材よりも少ないことから溶着金属部の靭性も高くなることを見いだした。
【００２４】
以下、本発明に係るアルミニウム合金溶加材において、その成分理由及び組成限定理由について説明する
【００２５】
Ｓｉ：１乃至４質量％
Ｓｉは、合金中でＭｇと結合し、Ｍｇ２Ｓｉ化合物を形成し、強度を向上させる最も重要な元素である。かつ、単Ｓｉでも析出によって硬さを向上させ、継手性能向上に寄与する。含有量が、１質量％未満では十分な強度が得られず、４質量％を超えると過剰析出により延性及び靭性が低下する。
【００２６】
Ｍｇ：２．０質量％以下
Ｍｇは合金中でＳｉと結合し、Ｍｇ２Ｓｉ化合物を形成する。Ｍｇ含有量が２．０質量％を超えると、スマットの発生が顕著となり溶接部外観が黒色化する。従って、Ｍｇ含有量は２．０質量％以下であることが好ましい。また、Ｍｇ含有量が０．５質量％未満では硬さが不足し強度低下となるため、Ｍｇ含有量は０．５質量％以上であることが好ましい。但し、溶加材のＭｇの含有量が０．５質量％未満であっても、溶接対象となる母材にＭｇが十分に含有されていれば、Ｍｇが母材から溶着金属部に溶け込むため、溶接部の強度低下が抑えられる。このような場合は、溶加材のＭｇの含有量は０．５質量％未満でも構わない。
【００２７】
Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％
Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％
Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４質量％、但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％
Ｚｒ：０．０５乃至２質量％
Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒは単独で、Ｔｉ及びＢは複合添加により、材料に添加した場合、結晶粒を微細化させる効果を有する。また、これらの元素は、引張強度及び伸びを向上させる効果を有する。
【００２８】
また、Ｍｎ：０．０５質量％未満、Ｃｒ：０．０５質量％未満、（Ｔｉ＋Ｂ）：０．０２質量％未満、Ｔｉ：０．０１質量％未満、Ｂ：０．０１質量％未満、及びＺｒ：０．０５質量％未満では、いずれも結晶粒微細化の効果は少なく、添加効果が得られない。
【００２９】
一方、Ｍｎ：０．５質量％を超えた場合、Ｃｒ：０．５質量％を超えた場合、（Ｔｉ＋Ｂ）：０．４質量％を超えた場合、及びＺｒ：２質量％を超えた場合は、脆化の危険性がある。
【００３０】
このため、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４質量％（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された少なくとも１種以上を含有することが好ましい。これにより、溶接部の延性が向上する。
【００３１】
しかし、更に厳しい変形を受ける部位を溶接する場合には、下記元素を添加することが望ましい。
【００３２】
Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃを総量で０．１乃至１．０質量％
Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ及びＳｃはいずれも結晶粒を微細化させる効果を有する。更に、Ｃｅ，Ｙ，Ｌａ，Ｓｃは水素と化合して水素化合物を作りやすく、ポロシティ及びブローホールの発生を防止するのに効果的である。これらの元素が総量で０．１質量％未満では、その効果が少なく、１．０質量％を超えると、脆化を引き起こすことがある。このため、これらの元素を添加する場合は、総量で０．１乃至１．０質量％とする。これらの元素を添加した溶加材を用いることで、溶接金属内の結晶粒微細化を更に一層促進することができる。このため、本発明の溶加材を著しい変形を受ける部位の溶接に使用することができる。
【００３３】
なお、この他の成分としては、ＪＩＳ ４０４３に示されているＦｅ：０．８質量％以下、Ｍｎ：０．０５質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｚｎ：０．１０質量％以下等が本発明の不可避的不純物に相当する。また、０．０５質量％未満のＭｎ、０．０５質量％未満のＣｒ、０．０１質量％未満のＴｉ、０．０１質量％未満のＢ、０．０５質量％未満のＺｒ、合計で０．１質量％未満のＣｅ、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃも本発明の不可避的不純物に相当する。
【００３４】
アルミニウム合金材の溶接に適用する溶接方法は、溶融溶接であれば、ＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザ又は電子ビーム等いずれの溶接方法を使用しても良い。また、その溶接条件、例えば、出力又は電流、溶接速度等の溶接条件は使用する加工機の種類、被加工部材の厚さ及び形状などに従って選定すればよい。より効果的な結晶粒微細化のためには、本発明による溶加材を使用して１０４Ｗ／ｃｍ２以上の高パワー密度が得られるレーザ溶接又は電子ビーム溶接方法を使用することが望ましい。更に、溶接態様は、突き合わせ溶接及び重ね溶接等、接合する部位に応じて適切な溶接態様を選定すればよく、本発明はいずれの継手にも適用できる。
【００３５】
本発明の溶加材を使用して溶接するアルミニウム合金材としては、一般にＪＩＳ ４０４３及びＪＩＳ ４０４７の溶加材の適用が推奨されている組合せであれば良く、その他のアルミニウム合金材も溶接することができる。また、アルミニウム合金材の形態としては、板材、押出形材及び鋳鍛材のいずれの組合せでも良い。
【００３６】
【実施例】
以下、添付の図面を参照し、本発明の実施例についてその特性を比較例と比較して説明する。
【００３７】
試験例１
溶接条件としては、溶接方法：ＭＩＧ溶接、供試材：ＪＩＳ Ａ５４５４板材、板厚：３ｍｍ、シールドガスの種類：アルゴン、その流量：毎分２５リットル、溶接方法：Ｉ型開先による突合せ溶接ならびに重ねすみ肉溶接、溶接長：３００ｍｍとした。
【００３８】
ＭＩＧ溶接条件は、溶接電流：１３０乃至１６０Ａ、溶接電圧：２０乃至２３Ｖ、溶接速度：８０ｃｐｍとした。
【００３９】
第１のケースとして、供試材を２枚一組で突合せ態様で組み合わせた後、下記表１に示す組成を有する溶加材を使用して、前述の溶接条件で両者を突合せ溶接により接合した。なお、表１に示す「−」は、含有量が検出限界以下であったことを示す。また、「残」は組成の残部であることを示す。
【００４０】
【表１】
次いで、得られた継手の溶接金属部に対して、外観観察、伸び、曲げ性能を評価した。これらの評価結果を下記表２に示す。なお、引張強さは、ＪＩＳ Ｚ２２０１５号試験片で、引張方向と直角になる方向の中心線に溶接線の配置し、その引張強さを測定した。また、伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２０１ ５号試験片で、引張方向と直角になる方向の中心線に溶接線の配置し、標点距離を５０ｍｍとしてその伸びを測定した。更に、曲げ性能は、幅４０ｍｍの試験片にて、曲げに対して垂直方向の中心線に溶接線を配置して、曲げ部の頂点に溶接線が曲げ方向と垂直に位置するようにして、曲げＲ１２ｍｍにて１８０度曲げ試験を実施し、溶接金属部表面の亀裂発生限界を測定した。
【００４２】
【表２】
第２のケースとして、供試材を２枚一組で重ね代２０ｍｍで重ね合わせた後、前記表１に示す組成を有する溶加材を使用して、前述の溶接条件で両者を重ねすみ肉溶接により接合した。
【００４４】
次いで、得られた継手の溶接金属部に対して、外観観察、引張強さを評価した。これらの評価結果を下記表３に示す。なお、評価方法は前述のケース１と同様である。
【００４５】
【表３】
なお、評価について、同材料をＪＩＳ４０４３、４０４７、５３５６、５５５４を用いてＭＩＧ溶接した継手で、各特性値が優れていた方の値を基準として設定し、その値より劣っているものは×、同等のものは△、優れているものは○、著しく優れているものは◎で示した。なお、伸び及び曲げについては、ＪＩＳ５３５６及びＪＩＳ５５５４に規定する材料よりも劣るものの、ＪＩＳ４０４３に規定する材料よりも優れており、使用に支障のないものを「△−」とした。引張強さについては、突合せ溶接の場合、引張強さが２２５ＭＰａを超えたものを「◎」とし、２２５ＭＰａ以下で２１５ＭＰａを超えたものを「○」とし、２１５ＭＰａ以下だったものを「△」とした。また、重ねすみ肉溶接の場合、引張強さが１７０ＭＰａを超えたものを「◎」とし、１７０ＭＰａ以下で１２０ＭＰａを超えたものを「○」とし、１２０ＭＰａ以下で１００ＭＰａを超えたものを「△」とし、１００ＭＰａ以下だったものを「×」とした。
【００４７】
表１乃至表３に示すＮｏ．１乃至１６は本願請求項４、５、１０、１１に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．１７乃至２０は本願請求項４、６、１０、１２に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２１は本願請求項１、７に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２２は本願請求項２、８に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２５は本願請求項２、４、８、１０に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．２７、２９、３１、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５は本願請求項２、８に係る発明の実施例である。表１乃至表３に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至２２、２５、２７、２９、３１、３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５においては、溶加材の組成が本発明の範囲内にあり、第１ケースの突合せ溶接及び第２ケースの重ねすみ肉溶接共に、全ての評価が優れたものとなった。これに対し、Ｎｏ．２３、２４、２６、２８、３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６は、本発明の範囲から外れる比較例であり、外観、伸び、曲げ及び引張強さのうち、少なくとも１つの項目で評価が「×」となり、特性が劣るものであった。
【００４８】
試験例２
先ず、下記表４に示す化学成分を有するアルミニウム合金を鋳造し、直径が１．２ｍｍである溶接ワイヤを試作した。次に、この溶接ワイヤを使用して溶着金属の機械的性質が継手強度に与える影響が比較的大きい重ねすみ肉継手をミグ溶接により作製した。その後、この重ねすみ肉継手に対して引張試験を行い、継手強度を評価した。また、スマットの発生の有無を調査した。結果を表４に示す。本試験例２においては、被溶接材（母材）として板厚が４．０ｍｍのＪＩＳ ５４５４により規定される合金のＯ材を使用した。溶接条件を以下に示す。
【００４９】
溶接方法：ＭＩＧ自動溶接
溶接電流：１５０〜２１０ｋＡ
溶接電圧：２４〜３０Ｖ
溶接速度：７５ｃｍ／分
シールドガス：１００％アルゴン
シールドガス流量：２７リットル／分
【００５０】
【表４】
また、図１は横軸にＳｉ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図であり、図２は横軸にＭｇ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図であり、図３は横軸にＭｎ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、本試験例の試験結果を示すグラフ図である。
【００５２】
表４に示すＮｏ．４７は、本願請求項３、９に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．４８は、本願請求項４、１０に係る発明の実施例であり、Ｎｏ．４９乃至５２は、本願請求項４、５、１０、１１に係る発明の実施例である。実施例Ｎｏ．４７乃至５２は、溶加材の成分が本発明の範囲を満たしているため、スマットの発生が無く、継手強度が１２４Ｎ／ｍｍ２以上と高かった。
【００５３】
これに対して、表４に示すＮｏ．５３乃至６０は比較例である。比較例Ｎｏ．５３は、Ｓｉの含有量が０．１質量％と少なかったため、ミグ重ねすみ肉継手の引張強さが実施例と比べて低かった。比較例Ｎｏ．５４乃至５９は、Ｓｉの含有量が５．３乃至１２質量％と多かったため、ミグ重ねすみ肉継手の引張強さが実施例と比べて低かった。比較例Ｎｏ．６０は、Ｓｉ含有量が６．１質量％と多く、Ｍｇ含有量も２．７質量％と多かったため、継手強度が低く、また、スマットが発生し溶接ビード外観が悪かった。
【００５４】
前述の如く、実施例Ｎｏ．４７乃至５２は、溶加材の成分が本発明の範囲を満たしているため、本発明の範囲を満たしていない比較例Ｎｏ．５３乃至６０と比べて、継手強度が高かった。即ち、図１に示すように、溶加材のＳｉ含有量が１質量％未満又は４質量％を超える場合は、継手強度が低下した。また、図２に示すように、０乃至２．７質量％の範囲でＭｇ添加量は継手強度に影響を与えないが、Ｍｇ添加量が２．５質量％よりも多くなると、スマットが生成し始めた。更に、図３に示すように、０乃至０．３質量％の範囲でＭｎ添加量は継手強度に影響を及ぼさないことを確認した。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明に係るアルミニウム合金溶接用溶加材によれば、延性及び靱性が優れたアルミニウム合金の溶接部を得ることができ、スマットが少なく、高品位な溶接部を形成することができると共に、構造全体の機械的性能を向上させることができ、このため、本発明によりアルミニウム合金材の適用範囲を拡大でき、アルミニウム合金材による軽量化のメリットを広範囲の技術分野に適用していくことができる。このため、本発明は、軽量化が要求される分野に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】横軸にＳｉ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
【図２】横軸にＭｇ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
【図３】横軸にＭｎ含有量をとり縦軸に継手強度をとって、試験例２の試験結果を示すグラフ図である。
Claims (12)
- Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金溶接用溶加材。
- Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
- Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
- Ｓｉ：１乃至４質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
- Ｓｉ：１乃至４質量％、Ｍｇ：２．０質量％以下を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）、Ｚｒ：０．０５乃至２質量％、Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃ（Ｃｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃは合計で０．１乃至１．０質量％）からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
- Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
- Ｓｉ：１乃至４質量％かつＭｇ：０．５乃至２．０質量％を含有し、更に、Ｍｎ：０．０５乃至０．５質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．５質量％、Ｔｉ＋Ｂ：０．０２乃至０．４（但し、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．０１乃至０．２質量％）及びＺｒ：０．０５乃至２質量％からなる群から選択された１種類以上を含有し、更にＣｅ、Ｙ、Ｌａ、及びＳｃからなる群から選択された１種以上の元素を総量で０．１乃至１．０質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる請求項２に記載のアルミニウム合金溶加材を使用して溶接することを特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。
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