JP2009184005A

JP2009184005A - Ｍｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス及びそれを用いた溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP2009184005A
Application number: JP2008029439A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ido; 秀和井戸; Kazumi Yanagisawa; 佳寿美柳澤; Seiji Sasabe; 誠二笹部; Takeshi Matsumoto; 松本　　剛
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP5202979B2

Abstract

【課題】Ｍｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいはＭｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接を行うにあたり、良好なビードを安定して形成することができ、これにより所要の継手強度を有する良好な溶接接合体を得ることができるようにした、Ｍｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス及びそれを用いた溶接用フラックス入りワイヤを提供すること。
【解決手段】Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に用いられる溶接用フラックス入りワイヤであって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる外皮の内側に、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であるフラックスが充填されてなる溶接用フラックス入りワイヤである。
【選択図】図１

Description

自動車の各種構成部品などを製作する際には、Ｍｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材とをミグブレージング溶接によって接合したり、Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士をアーク溶接によって接合したりすることが必要とされる。本発明は、前記溶接に使用されるＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス及びそれを用いた溶接用フラックス入りワイヤに関するものである。

金属材の表面は通常、酸化皮膜で覆われている。金属材同士を接合するためにはその酸化皮膜を除去し、金属材同士を接触させる必要がある。アルミニウムは一般に鋼より耐食性に優れており、アルミニウム表面には緻密な酸化皮膜が存在する。そして、この酸化皮膜を除去するため、酸洗浄やアルカリ洗浄を行うことが考えられる。しかし、アルミニウムは酸化されやすいため、洗浄後すぐに酸化皮膜が再生される。なお、鋼においても、厚い酸化皮膜は溶接性を低下させる。

このため、アルミニウム合金材の溶接にあたり、その表面の酸化皮膜の除去と酸化防止とを目的に、溶接用フラックスが使用される。溶接用フラックスは、溶接時に融解して、酸化皮膜を溶解するとともに、溶接されるアルミニウム合金材の新生面を覆って再酸化を防止する。

溶接用フラックスとしては、塩化物系フラックス、フッ化物系フラックス、酸化物系フラックスなどが用いられる。塩化物系フラックスは、接合後に残存した場合に耐食性を劣化させることがある。また、酸化物系フラックスは、酸化皮膜を溶解する溶解性が高くない。そこで、溶接用フラックスとして、フッ化物系フラックスが推奨されている。このフッ化物系フラックスには、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスや、ＫＦ−ＡｌＦ_３系フラックスが知られている。

ところで、特開２００３−２１１２７０号公報には、溶接用フラックス入りワイヤを用い、Ｍｇ含有アルミニウム合金部材（ＪＩＳＡ５０５２相当，板厚２ｍｍ）と軟鋼部材（ＪＩＳＳＰＣＣ相当，板厚２ｍｍ）とを交流パルスＭＩＧ溶接によって接合する技術が開示されている。

前記従来の溶接用フラックス入りワイヤは、フッ化セシウム（ＣｓＦ）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３）、フッ化カリウム（ＫＦ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を少なくとも成分として含むフラックスを芯材とし、これをアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆材（外皮）で被覆して形成されるものである。

しかしながら、１．０質量％以上のＭｇを含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材とをミグブレージング溶接する場合、あるいは、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士をアーク溶接する場合、ＡｌＦ_３を含有する前述した従来の溶接用フラックス入りワイヤを使用すると、フラックス中のＡｌが還元されることでフラックスが分解されるためと推定される理由により、溶接金属の濡れ性が悪いため、ビード幅がほぼ一定で、接合線に沿って連続する良好なビードを形成することがむずかしかった。このように、ＡｌＦ_３を含有する前述した従来の溶接用フラックス入りワイヤでは、良好なビードを形成することがむずかしく、そのため、所要の継手強度を有する良好な溶接接合体が得られないという問題があった。なお、フッ化セシウムは潮解性が極めて強いものであるため、前記従来の溶接用フラックス入りワイヤでは、その製造に際し、被覆材へのフラックスの充填が困難となったり、フッ化セシウムの潮解によって保管中のワイヤに腐食が発生したりするという不具合もある。
特開２００３−２１１２７０号公報特開２００７−２１６２７６号公報

そこで、本発明の課題は、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有し、構造材として使用されるＭｇ含有アルミニウム合金材について、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接を行うにあたり、良好なビードを安定して形成することができ、これにより所要の継手強度を有する良好な溶接接合体を得ることができるようにした、Ｍｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス及びそれを用いた溶接用フラックス入りワイヤを提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に用いられるＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックスであって、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であることを特徴とするＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックスである。

請求項２の発明は、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に用いられる溶接用フラックス入りワイヤであって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる外皮の内側に、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であるフラックスが充填されてなることを特徴とする溶接用フラックス入りワイヤである。

本発明のＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス（以下、単に溶接用フラックスともいう。）は、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であって、Ａｌを含有せず、Ｍｇより卑な金属であるＬａのフッ化物を含有するものである。また、本発明の溶接用フラックス入りワイヤは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる外皮の内側に、前記化学組成の溶接用フラックスが充填されてなるものである。これにより、本発明のＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス、又は溶接用フラックス入りワイヤによれば、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に際し、フラックス入りワイヤからの溶滴がスムースに接合部へ移行することや、溶接金属の濡れ性が良いことにより、ビードが断続するようなことがなく、ビード幅がほぼ一定で、接合線に沿って連続する良好なビードを形成することができる。

前述したように、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材とをミグブレージング溶接する場合、あるいは、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士をアーク溶接する場合、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスや、ＫＦ−ＡｌＦ_３系フラックスのようにＡｌＦ_３を含有する従来の溶接用フラックス入りワイヤを使用すると、ビードが断続し、ビード幅がほぼ一定で、接合線に沿って連続するビードを形成することがむずかしかった。

これは、ＡｌがＭｇより貴な金属であるため、溶接時に被溶接材であるＭｇ含有アルミニウム合金材中のＭｇによって、溶接用フラックス中のＡｌが還元されることで、溶接用フラックスが分解されるためと推定される。この溶接用フラックスが分解されるため、溶接金属の濡れ性が悪化して、良好なビードが得られにくいのであると推定される。

そこで、本発明者らは、Ｍｇより卑な金属であるＬａのフッ化物を含有するフラックス組成について検討した。その結果、Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材とのミグブレージング溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士のアーク溶接に際し、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）である溶接用フラックスを用いることにより、良好なビードが形成できることを見出したものである。ここで、（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）という化学組成は、フラックス全体の組成を表している。本発明の溶接用フラックスの形態は、均一な固溶体であってもよいし、あるいは、ＮａＦ、ＫＦ、ＬａＦ_３、ＮａＬａＦ_４、ＫＬａＦ_４などを、前記化学組成をなすように混合してなる混合物であってもよい。

本発明の溶接用フラックスは、Ｍｇより貴な金属元素を一切含まないため、Ｍｇ含有アルミニウム合金材中のＭｇとの酸化還元反応が起こらない。このため、従来の溶接用フラックスとは違って、フラックスの分解が起こらない。また、本発明の溶接用フラックスは、Ｍｇ、Ａｌより卑な金属元素であるＮａ、Ｋ及びＬａのみを含むため、従来の溶接用フラックスとは違って、溶接時にＭｇ、Ａｌと置換めっき反応を起こしたり、アルミナが溶接部に生成したりすることがない。

このように、本発明の溶接用フラックスは、フラックスの分解が起こらず、溶接部への置換めっきやアルミナの生成が起こらないことから、溶接金属の濡れ性が良好である。また、Ｌａのフッ化物を含有しているので、フラックス入りワイヤからの溶滴がスムースに接合部へ移行する。したがって、本発明の溶接用フラックス、又は本発明溶接用フラックス入りワイヤによれば、良好なビードを安定して形成することができ、これにより所要の継手強度を有する良好な溶接接合体を得ることができる。

ここで、本発明の溶接用フラックスにおいて、前記ｘが０の場合、すなわち、Ｌａのフッ化物のみの場合、フラックスの融点が１４００℃以上と高くなるため、短時間でのフラックスの溶融が困難となって、溶接に適用できない。また、ｘが２０を超える場合、溶融フラックス中のフッ化物イオン濃度が高くなるため、酸化皮膜のみならず被溶接金属を侵食して正常な接合を妨げることになる。したがって、ｘは０＜ｘ≦２０の範囲がよい。

なお、Ｍｇより卑な金属としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属もあるが、これらは、Ｌａほどの前記したビードを形成に安定する効果がない。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属は、Ｌａと比べてフッ化物イオンと錯体を形成する能力が低い。このため、これらの金属を採用した場合、溶融フラックス中の遊離フッ化物イオン濃度が高くなり、遊離フッ化物イオンが過剰に被溶接材表面を溶解して、継手強度の低下を招く厚い金属間化合物層が形成されることになる。

本発明の溶接用フラックスの使用形態については、被溶接材に散布して使用したり、塗布して使用したりすることができる。また、溶接用フラックス入りワイヤや、電弧棒のフラックスとして使用することができる。

本発明の溶接用フラックス入りワイヤは、交流ＭＩＧ溶接機と組み合わせて用いることがよい。適正な溶接条件範囲は、溶接電流：３０〜８０Ａ、溶接電圧：７〜１８Ｖ、溶接速度：１５〜６０ｃｍ／ｍｉｎである。シールドガスはアルゴンガスを用いる。

本発明の溶接用フラックス及び溶接用フラックス入りワイヤは、前述したミグブレージング溶接やアーク溶接の他に、エレクトロスラグ溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、ガス溶接、拡散接合、超音波溶接、レーザー溶接などに用いることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

表１及び表２に示される化学組成の溶接用フラックスを含有する溶接用フラックス入りワイヤを作製した。この溶接用フラックス入りワイヤは、次のようにして作製した。まず、本実施例で用いた粉状の溶接用フラックスは、いずれも混合物の形態であり、乳鉢に各化合物を所定の割合で入れて、これらを均一になるように混合することによって作製した。そして、フラックスワイヤの外皮となる帯状材を、この帯状材上に粉状の前記フラックスを供給しながら丸めて管状に成形加工することにより、フラックスが充填された管状体に成形した。引き続き、この管状体を線引き加工することにより、外径（直径）が１．２ｍｍの溶接用フラックス入りワイヤを作製した。外皮には、ＪＩＳＨ４１４０に規定される合金番号４０４３相当品を使用した。なお、Ｎｏ．９の比較例のワイヤは、フラックスなしである。

ここで、表２において、ＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスの成分割合は、ＣｓＦ：６９．２質量部、ＡｌＦ_３：３０．８質量部である。また、ＫＦ−ＡｌＦ３系フラックスは、森田化学工業株式会社製の「ＦＬ−７」を使用した。ＫＦ−ＺｎＦ_２系フラックスの成分割合は、ＫＦ：５０質量部、ＺｎＦ_２：５０質量部である。また、ＣｓＦ−ＫＦ−ＡｌＦ_３−ＡｌＯ_３系フラックスの成分割合は、ＣｓＦ：２１質量部、ＫＦ：３５質量部、ＡｌＦ_３：４１．９質量部、ＡｌＯ_３：２．１質量部である。

そして、前記作製したこれらの溶接用フラックス入りワイヤを使用して、図１に示すように、重ねすみ肉溶接試験を行って、そのビード形成の安定性と継手強度とを評価した。図１において、１はアルミニウム合金板、２は鋼板（溶融亜鉛めっき鋼板）、３は溶接トーチ先端部、４は溶接用フラックス入りワイヤ、５は溶接金属である。

すなわち、厚み１．２ｍｍ，幅１００ｍｍ，長さ３００ｍｍの鋼板上に、厚み１．６ｍｍ，幅１００ｍｍ，長さ３００ｍｍのアルミニウム合金板の一部を重ねて、必要な数の重ねすみ肉溶接用試験片を作製した。また、アルミニウム合金板同士による重ねすみ肉溶接用試験片を作製した。

前記重ねすみ肉溶接用試験片を構成するアルミニウム合金板と鋼板との組み合わせについては、表１及び表２に示してある。表１及び表２において、記号ＡＬ６は、ＪＩＳＨ４１４０に規定される合金番号６０６１に相当するアルミニウム合金板であって、０．８質量％のＭｇを含有している。記号ＡＬ５２は、ＪＩＳＨ４１４０に規定される合金番号５０５２に相当するアルミニウム合金板であって、２．２質量％のＭｇを含有している。記号ＡＬ５６は、ＪＩＳＨ４１４０に規定される合金番号５０５６に相当するアルミニウム合金板であって、５．６質量％のＭｇを含有している。

また、記号ＡＬ７はアルミニウム合金板であり、その化学成分は、Ｓｉ：０．３０質量％、Ｆｅ：０．４０質量％、Ｃｕ：０．１０質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．２０質量％、Ｍｇ：６．０質量％、Ｚｎ：０．０５〜０．２０質量％、残部：Ａｌである。また、記号Ｆｅは、溶融亜鉛めっき鋼板であり、ＪＩＳＧ３３０２に規定されるＳＧＣＣに相当するものである。

そして、これらの重ねすみ肉溶接用試験片について、交流ＭＩＧ溶接機を用いて、アルミニウム合金板と鋼板とのミグブレージング溶接を行い、また、アルミニウム合金板同士のアーク溶接を行った。シールドガスは、アルゴンガスを用いた。溶接条件は、溶接電流：４０Ａ、溶接電圧：１０Ｖ、溶接速度：４０ｃｍ／ｍｉｎ、とした。

そして、表１及び表２に示す発明例及び比較例について、得られたこれらの重ねすみ肉溶接継手のビードの形状を目視観察することにより、ビード形成の安定性の評価を行った。断続するビードが形成されたときは、不良（×）とし、ビード幅がほぼ一定で、接合線に沿って連続するビードが形成されたときは、良（○）とした（図２参照）。

また、表１及び表２に示す発明例及び比較例について、得られたこれらの重ねすみ肉溶接継手から板幅３０ｍｍの継手強度評価用試験片を採取した。そして、これらの継手強度評価用試験片の引張試験（引張り速度：２５ｍｍ／ｍｉｎ）を行うことにより、重ねすみ肉溶接継手の継手強度（単位接合長あたりの強度）を評価した。

評価の結果を表１及び表２に示す。本発明例（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１）では、Ｍｇを２．２〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材について、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材とのミグブレージング溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士のアーク溶接を行うに際し、良好なビードを安定して形成することができ、これにより、所要の継手強度（７０Ｎ／ｍｍ以上）を十分に満たす良好な溶接接合体を得ることができた。

なお、本発明の溶接用フラックス入りワイヤは、Ｍｇ含有量が１質量％未満のアルミニウム合金板についても適用可能である（Ｎｏ．１２及びＮｏ．１３の参考例参照）。

一方、Ｎｏ．７の比較例では、フラックスの化学組成が本発明で規定する組成から外れているため、良好なビードが形成されず、Ｍｇを２．２質量％含有するＭｇ含有アルミニウム合金板と溶融亜鉛めっき鋼板との重ねすみ肉溶接継手を得ることができなかった。また、Ｎｏ．９の比較例では、フラックスを有しないワイヤのため、良好なビードが形成されず、重ねすみ肉溶接継手を得ることができなかった。また、Ｎｏ．１４の比較例では、アルミニウム合金板のＭｇ含有量が本発明で規定する上限値を超えているため、良好なビードが形成されず、重ねすみ肉溶接継手を得ることができなかった。

また、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２２の比較例では、Ｍｇ含有量が１質量％未満のアルミニウム合金板については（Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２２では、Ｍｇ含有量：０．８質量％）、フラックスの化学組成が本発明の規定から外れているものの、前記アルミニウム合金板と溶融亜鉛めっき鋼板との重ねすみ肉溶接継手を得ることができた。

しかしながら、Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１８の比較例では、Ｍｇ含有量が１質量％以上のアルミニウム合金板については（Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１８の場合、Ｍｇ含有量：２．２質量％）、フラックスの化学組成が本発明の規定から外れているため、良好なビードが形成されず、重ねすみ肉溶接継手を得ることができなかった。また、Ｎｏ．２３の比較例では、良好なビードを形成できなかった。これは、ＫはＭｇより卑な金属であるものの、Ｆと錯体をつくらないためと推定される。

本発明の実施例における溶接試験を説明するための断面図である。本発明の実施例における溶接継手のビード形状を模式的に示す平面図であって、その（ａ）は不良ビードを模式的に示す平面図、その（ｂ）は良好なビードを模式的に示す平面図である。

符号の説明

１…アルミニウム合金板
２…鋼板（溶融亜鉛めっき鋼板）
３…溶接トーチ先端部
４…溶接用フラックス入りワイヤ
５…溶接金属

Claims

Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に用いられるＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックスであって、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であることを特徴とするＭｇ含有アルミニウム合金材溶接用フラックス。
Ｍｇを１．０〜５．６質量％の範囲内で含有するＭｇ含有アルミニウム合金材と鉄系材との溶接、あるいは前記Ｍｇ含有アルミニウム合金材同士の溶接に用いられる溶接用フラックス入りワイヤであって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる外皮の内側に、化学組成が（Ｎａ，Ｋ）_ｘＬａＦ_ｙ（ただし、０＜ｘ≦２０、ｙ＝ｘ＋３）であるフラックスが充填されてなることを特徴とする溶接用フラックス入りワイヤ。