JP2010275585A

JP2010275585A - 溶接構造物

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Publication number: JP2010275585A
Application number: JP2009128784A
Authority: JP
Inventors: Tsunehisa Hata; 恒久畑; Masaaki Fujimoto; 雅昭藤本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】溶接強度、すなわち、継手強度および伸びに優れた溶接構造物を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る溶接構造物１は、アルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３とを線材を用いて溶接した溶接構造物であって、前記アルミダイカスト製部材２がＡｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金で形成され、前記アルミ展伸材製部材３が５０００系合金または６０００系合金で形成され、前記線材が５０００系合金で形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、アルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材とを溶接した溶接構造物に関する。

従来、衝突入力が大きいアルミサブフレームなどのアルミニウム製の溶接（接合）構造物は、例えば、Ａｌ−１０Ｓｉ−Ｍｇ合金（主な成分として１０質量％程度のＳｉを含むとともにＭｇを所定量含むＡｌ合金をいう。以下、同様の記載のものはこれと同様に解するものとする。）を熱処理して延性を高めたものを用いたり、延性の高いＡｌ−５Ｍｇ−２Ｓｉ合金を用いたりして展伸材およびダイカスト材を作製し、これらをＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、或いはセルフピアスリベット（ＳＰＲ）で接合して製造されている。このようにして製造される溶接（接合）構造物は、溶接による継手の延性を高めたり、ＳＰＲとの結合信頼性を確保したりすることにより衝突性能を高めている。

ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などの溶接による場合、部材の溶接強度を向上させる手段として、溶接ビードの品質を改善することが挙げられる。例えば、ダイカスト材内部の含有ガス量を低減する高真空ダイカスト法によって製造したダイカスト材を用いて溶接を行うことにより溶接ビードの品質を改善することが可能である。

このような技術として例えば特許文献１がある。特許文献１には、Ａｌ−Ｓｉ系合金に含有されるＳｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＳｒの含有量の適正化を図ることにより、高真空ダイカストによって製造された製品の溶接性を向上させる旨、具体的には溶接強度に影響する溶接ビードののど厚および脚長を高めている旨が記載されている。

なお、例えば特許文献２には、サブフレーム用ダイカスト合金としてＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を用い、これに含有されるＭｎの含有量を適切化することにより鋳造時に晶出するスラッジ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｍｎ系の合金）の発生量を制御することでダイカスト材としての強度および伸びを高めることができる旨、および当該ダイカスト材を用いて溶接を行っても溶接により生じるブリスターの発生がわずかであり、溶接に問題がない旨が記載されている。

特開２００５−２８１８２９号公報特開２００２−１０５５７２号公報

しかしながら、従来技術においては、継手の材料特性に重点が置かれ、積極的に継手部材と溶接部の高強度化の両立がなされていない。そのため、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、高真空ダイカスト法によって製造されたアルミダイカスト製部材と、アルミ展伸材製部材とを用いて行った重ね隅肉溶接における継手強度試験では、必ず溶接ビードから破断する。従って、高い衝突入力があった場合でも溶接部が破断してしまうのを防止するため、接合する部材の厚さを上げたり、溶接ビード長を長くしたりする必要がある。その一方で、軽量化やコスト低減の観点から接合する部材の厚さを上げることは好ましくないため、溶接部のより一層の高強度化が望まれている。

本発明は、かかる要望を満たすため、溶接強度、すなわち、継手強度および伸びに優れた溶接構造物を提供することを課題とする。

本発明者らは、アルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材とを溶接した溶接構造物の溶接強度を高めるために鋭意研究した結果、溶接強度は溶接ビードにおけるＭｇ₂Ｓｉ量が大きく影響しており、これを特定の含有量以下となるようにすることで前記目的を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

前記課題を解決した本発明に係る溶接構造物は、アルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材とを線材を用いて溶接した溶接構造物であって、前記アルミダイカスト製部材がＡｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金で形成され、前記アルミ展伸材製部材が５０００系合金または６０００系合金で形成され、前記線材が５０００系合金で形成されていることを特徴としている。

このように、アルミダイカスト製部材、アルミ展伸材製部材、および線材のいずれもＳｉの含有量が少ないアルミニウム合金を用いることにより、溶接時に析出されるＭｇ₂Ｓｉ量を低減することができる。ここで、Ｍｇ₂Ｓｉは、展伸材で行われるような熱処理等により粒度や粒界などの組織制御がなされることによって複合強化により展伸材の強度向上に寄与する。しかし、溶接時に析出されるＭｇ₂Ｓｉは、そのような組織制御がなされていないため、Ｍｇ₂Ｓｉが存在することによりこれが割れの起点になるなどして溶接ビードを脆くしてしまう。そのため、本発明のように、アルミダイカスト製部材、アルミ展伸材製部材、および線材の材質の組み合わせを最適化し、溶接時に溶接ビードに析出するＭｇ₂Ｓｉ量を低減することによって溶接強度を高くすることができる。

本発明に係る溶接構造物は、前記アルミダイカスト製部材と前記アルミ展伸材製部材と前記線材とを溶接して形成される溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量が０．２５質量％以下であるのが好ましい。
このように、溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量を特定の含有量以下とすることで、高い溶接強度を確実に得ることができる。

本発明に係る溶接構造物は、前記Ａｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金が、Ｍｇを３．５〜４．５質量％、Ｍｎを０．８〜１．５質量％、Ｆｅを０．５質量％以下、Ｓｉを０．５質量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
このような合金組成でなるアルミダイカスト製部材を用いれば、Ｓｉの含有量が少ないので確実に溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量を低減させることができるため、高い溶接強度を得ることができる。

本発明によれば、溶接時に溶接ビード中に析出するＭｇ₂Ｓｉ量を低減することができるため、溶接強度、すなわち、継手強度および伸びに優れた溶接構造物を提供することができる。

破断した溶接試験片を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図であり、（ｃ）は（ｂ）で示される領域Ａの写真である。本発明の溶接構造物の一例であるフロントサイドフレームリアエンドの斜視図である。本発明の溶接構造物の一例であるダンパーハウジングの斜視図である。本発明の溶接構造物の一例である車体骨格の斜視図である。本発明の溶接構造物の一例であるサブフレームの平面図である。本発明の溶接構造物の一例であるサブフレームの斜視図である。本発明の溶接構造物として作製した溶接試験片を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）で示される領域Ｂの写真である。作製した溶接試験片を用いて溶接強度を測定する様子を示した平面図および側面図である。Ｎｏ．１〜４、７〜１４の溶接試験片を裁断した際に撮影した溶接ビードの断面における組織写真である。

本発明の要旨は、アルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材の溶接構造物において、溶接ビードに生成されるＭｇ₂Ｓｉ（脆い組織）を極力低減することにより、溶接継手部の延性を改善することにある。つまり、本発明の要旨は、溶接部材の組合せとして、Ａｌ−Ｍｇ系のダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材に溶接用線材として５０００系合金を用いて、非溶接部材の組成におけるＳｉ量の低減を図り、Ｍｇ₂Ｓｉの生成量を抑制することにある。

以下に、適宜図面を参照して本発明に係る溶接構造物について詳細に説明する。
図２に示すように、本発明に係る溶接構造物１は、アルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３とを図示しない線材を用いて溶接した溶接構造物である。
なお、図２に示す溶接構造物１は、フロントサイドフレームリアエンド１１であるが、本発明に係る溶接構造物１はこれに限定されるものではなく、例えば、図３に示すダンパーハウジング１２や図４に示す車体骨格１３、図５および図６に示すサブフレーム１４、１５などとすることができる。なお、図４に示す車体骨格１３においては、同図中丸印（「○」）で示す継手部でアルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３とを溶接している。

前記アルミダイカスト製部材２は、溶接時に析出するＭｇ₂Ｓｉ量を低減するため、Ｓｉの含有量が少ないダイカスト用Ａｌ合金で形成されたものを用いる必要がある。そのため、アルミダイカスト製部材２としては、例えばＡｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金（ＡＤＣ５）を用いて製造された部材を用いるとよい。Ａｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金としては、例えばＡｌ−４Ｍｇ合金などを用いることができる。なお、例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系ダイカスト合金（ＡＤＣ６）もＳｉの含有量が少ないためこれを用いて製造した部材を前記アルミダイカスト製部材２として用いることも可能である。

アルミダイカスト製部材２は、具体的には、Ｍｇを３．５〜４．５質量％、Ｍｎを０．８〜１．５質量％、Ｆｅを０．５質量％以下、Ｓｉを０．５質量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる合金を用いて製造されたものであるのが好ましい。Ｓｉの含有量が少ないので確実に溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量を低減させることができ、高い溶接強度を確実に得ることができるからである。

また、アルミダイカスト製部材２は、高真空ダイカスト法によって鋳造されたものであることが好ましい。高真空ダイカスト法によれば、鋳造時に空気がまき込まれて形成される鋳巣を低減することができるため、ダイカスト材内部の含有ガス量を通常のダイカスト材よりも低減することができる結果、溶接強度を向上させることができるからである。

なお、アルミダイカスト製部材２は、必要に応じて適宜の調質を行ったものであってもよい。例えば、製造のままのもの（ＪＩＳＨ０００１で規定される質別記号（以下、単に質別記号という）Ｆ）、焼鈍ししたもの（質別記号Ｏ）、溶体化処理したもの（質別記号Ｗ）、熱処理によってＦ，Ｏ以外の安定な質別にしたもの（質別記号Ｔ）などの調質を行ったものであってもよい。

前記アルミ展伸材製部材３は、アルミダイカスト製部材２と同様に、溶接時に析出するＭｇ₂Ｓｉ量を低減するため、Ｓｉの含有量が少ないＡｌ合金で形成されたものを用いる必要がある。そのため、アルミ展伸材製部材３としては、例えば５０００系合金で形成された部材を用いるのが好ましい。なお、本発明においてはアルミダイカスト製部材２および線材にＳｉの含有量が少ないものを用いるので、１質量％程度以下の含有量でＳｉを含有する６０００系合金で形成された部材も用いることもできる。また、１質量％程度以下の含有量でＳｉを含有するＡｌ合金で形成されたアルミ展伸材製部材であれば用いることが可能であるので、例えば、３０００系合金で形成されたアルミ展伸材製部材も用いることが可能である。

なお、前記５０００系合金としては、Ａ５００５、Ａ５０５２、Ａ５１５４、Ａ５４５４、Ａ５０８３、Ａ５０８６などを例示することができ、６０００系合金としては、Ａ６０６１、Ａ６Ｎ０１、Ａ６０６３、Ａ６１５１などを例示することができる。また、３０００系合金としては、Ａ３００３、Ａ３２０３などを例示することができる。

アルミ展伸材製部材３は、圧延、押出し、引出し、引抜き、鍛造などの通常行われる展伸加工によって製造されたものであればよく、その形状は、板材、条材および円板（これらを示すＪＩＳで規定される記号（以下、単に記号という）Ｐ）、合わせ板（記号ＰＣ）、押出形材（記号Ｓ）などの形材、押出継目無管（記号ＴＥ）、引抜継目無管（記号ＴＤ）溶接管（記号ＴＷ）、アーク溶接管（記号ＴＷＡ）および管導体（記号ＴＢ）などの管材、または、押出棒（記号ＢＥ）および引抜棒（記号ＢＤ）などの棒材とすることができる。そして、展伸して得られた展伸材を適宜必要な形状に成形等することにより、図２〜６に示すような各種の形状のアルミ展伸材製部材３とすることができる。

また、アルミ展伸材製部材３もアルミダイカスト製部材２と同様に、必要に応じて適宜の調質を行ったものであってもよい。例えば、製造のままのもの（ＪＩＳＨ０００１で規定される質別記号Ｆ）、焼鈍ししたもの（質別記号Ｏ）、加工硬化したもの（質別記号Ｈ）、溶体化処理したもの（質別記号Ｗ）、熱処理によってＦ，Ｏ，Ｈ以外の安定な質別にしたもの（質別記号Ｔ）などの調質を行ったものであってもよい。なお、熱処理によってＦ，Ｏ，Ｈ以外の安定な質別にしたもの（質別記号Ｔ）としては、高温加工により冷却後、冷間加工をほどこし、更に自然時効させたもの（ＪＩＳＨ０００１で規定される細分記号（以下、単に細分記号という）Ｔ２）、溶体化処理（焼入れ）後、冷間加工をほどこし、更に自然時効させたもの（細分記号Ｔ３）、溶体化処理後、自然時効させたもの（細分記号Ｔ４）、高温加工により冷却後、人工時効処理（焼戻し）したもの（細分記号Ｔ５）、溶体化処理後、人工時効させたもの（細分記号Ｔ６）、溶体化処理後、安定化処理をしたもの（細分記号Ｔ７）、溶体化処理後、冷間加工をほどこし更に人工時効処理したもの（細分記号Ｔ８）、溶体化処理後、人工時効処理し、更に冷間加工したもの（細分記号Ｔ９）、高温加工から冷却後冷間加工を行い、さらに人工時効効果処理したもの（細分記号Ｔ１０）などを例示することができる。

前記線材も、溶接時に析出するＭｇ₂Ｓｉ量を低減する観点から、Ｓｉの含有量が少ないＡｌ合金で形成されたものを用いる必要がある。例えば、５０００系合金で形成された線材を用いることができる。具体的にはＡ５３５６ＷＹ（ＢＹ）を用いることができるが、Ａ５１８３ＷＹ（ＢＹ）、Ａ５５５４ＷＹ（ＢＹ）、Ａ５６５４ＷＹ（ＢＹ）、Ａ５５５６ＷＹ（ＢＹ）なども用いることができる。

前記したアルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３と線材とを用いて溶接する手法としては、例えばＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザとアークの複合溶接（ハイブリッド溶接）などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。本発明においては、通常用いられる手法による溶接であればどのような手法の溶接であっても用いることができる。

以上に説明したアルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３と線材とを用いて溶接すれば、溶接した際に形成される溶接ビードに含まれるＭｇ₂Ｓｉ量を０．２５質量％以下とすることができる。溶接ビードに含まれるＭｇ₂Ｓｉ量を０．２５質量％以下とすることによって、溶接ビードが脆くなるのを防止し、高い溶接強度、すなわち、継手強度および伸びを得ることができるようになる。なお、溶接ビードに含まれるＭｇ₂Ｓｉ量は少ないほど継手強度や伸びが高くなるので０．２４質量％以下とするのが好ましく、測定装置による検出限界以下、すなわち０質量％とするのが最も好ましい。

なお、溶接ビードに含まれるＭｇ₂Ｓｉ量は、図７（ａ）に示すように、アルミダイカスト製部材２とアルミ展伸材製部材３の溶接部位について、溶接方向に対して垂直に切断した断面における略中央部Ｃの成分を分析するのが好ましい（図７（ｂ）参照）。当該部分であれば、アルミダイカスト製部材２およびアルミ展伸材製部材３から適度に離れているためこれらに含まれる金属元素が拡散してくることによる濃度分布の影響が少なく、また外気と直接接触しないため急激に冷却されることによる成分や組織に対する影響を少なくすることができる。そのため溶接ビードの成分が安定しており、Ｍｇ₂Ｓｉ量を定量的に測定し得る。Ｍｇ₂Ｓｉ量の分析は、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）によって行うことができる。

次に、本発明に係る溶接構造物の実施例について説明する。
下記表１に示すアルミダイカスト製部材と、アルミ展伸材製部材と、線材とを用いてそれぞれ溶接試験片を作製した。また、表１に示すアルミダイカスト製部材の機械的性質を表２に示す。

アルミダイカスト製部材は、高真空（キャビティ部：１０ｋＰａ以下）下で板状の部材を高真空ダイカスト法によって作製し、アルミ展伸材製部材は、一般的な条件で押出し或いは圧延を行うことにより押出形材または板材とした。いずれも寸法は１００ｍｍ×３００ｍｍ×４ｍｍの寸法とした。作製したアルミダイカスト製部材およびアルミ展伸材製部材は、必要に応じて調質を行った。作製した溶接試験片の組み合わせを、後記する方法によって分析した溶接ビードの組成（質量％）および溶接強度（継手強度（ｋＮ／３０ｍｍ）および伸び（ｍｍ））とともに下記表３に示す。

作製したアルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材を表３のＮｏ．１〜１４に示す組み合わせで重ね合わせ、溶接方向と垂直な方向の長さが図８に示すように１８０ｍｍとなるようにした後、表１に示す線材を用いてＭＩＧ溶接により重ね隅肉溶接を行って、Ｎｏ．１〜１４の溶接試験片を作製した。
そして、作製した溶接試験片の溶接方向と平行な方向の長さが図８に示すように３０ｍｍとなるように裁断した。

（１）溶接ビードの組成
溶接ビードの組成は、裁断した溶接試験片の溶接ビードの断面の略中央部となる位置（図７（ｂ）参照）の成分をエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）によって分析した。分析した成分のうちＳｉ、Ｍｇ、およびＭｇ₂Ｓｉの含有量（質量％）を表３に併せて記載した。

（２）溶接強度
溶接強度は、裁断して所定の寸法となった溶接試験片を、スペーサを咬まして引張試験機の把持部に把持させて図８に示すようにアルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材が溶接試験片の長手方向において離間するように引張って荷重をかけ、溶接ビードに破断が生じるまでの継手強度（ｋＮ／３０ｍｍ）と伸び（ｍｍ）を測定した。なお、継手強度は１３．００ｋＮ／３０ｍｍ以上を継手強度が高い（優れる）と評価し、伸びは４．００ｍｍ以上を伸びが高い（優れる）と評価した。

表３に示すように、アルミダイカスト製部材としてＡｌ−４Ｍｇ−Ｆを用い、アルミ展伸材製部材としてＡ６０６３−Ｔ５を用い、線材としてＡ５３５６ＷＹを用いたＮｏ．１２と、アルミダイカスト製部材としてＡｌ−４Ｍｇ−Ｆを用い、アルミ展伸材製部材としてＡ５０５２−Ｏを用い、線材としてＡ５３５６ＷＹを用いたＮｏ．１４は、Ｓｉの含有量が少ない材料を用いたので、溶接ビードに含有されるＭｇ₂Ｓｉ量が非常に少なくなった。そのため、継手強度および伸びが高くなり、溶接強度に優れる結果となった（いずれも実施例（表３の備考参照））。特に、Ｎｏ．１４は、Ｍｇ₂Ｓｉ量が検出限界以下（０質量％）であったため、継手強度および伸びが非常に高く、最も溶接強度に優れる結果となった。

一方、表３に示すように、Ｎｏ．１はアルミダイカスト製部材および線材のＭｇの含有量が少なかったために溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量が少なくなったが、継手強度および伸びが十分に高くならず、溶接強度に優れているとはいえなかった。

また、Ｎｏ．２〜１１、１３はアルミダイカスト製部材、アルミ展伸材製部材、および線材のうちの少なくとも１つにおいてＳｉの含有量が高いものを用いていたので溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量が多くなり、継手強度および伸びが十分に高くならず、溶接強度に優れているとはいえなかった。

図９に、Ｎｏ．１〜４、７〜１４の溶接試験片を裁断した際に撮影した溶接ビードの断面における組織写真を示す。かかる組織写真は光学顕微鏡によって５００倍の倍率で撮影したものである。図９に示すスケールバーは２５μｍであることを示す。なお、Ｎｏ．５はＮｏ．２と調質が異なるだけでアルミダイカスト製部材、アルミ展伸材製部材、および線材の金属組成が同じであり、Ｎｏ．６はＮｏ．４と調質が異なるだけでアルミダイカスト製部材、アルミ展伸材製部材、および線材の金属組成が同じである。調質の差は溶接によってリセットされてしまい、溶接ビードに析出するＭｇ₂Ｓｉは同様のものであったので図示を省略した。
各組織写真における色の濃い部分が溶接により析出したＭｇ₂Ｓｉである。Ｎｏ．１２，１４は、他のものより色の濃い部分が少ないことから、溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量が少ないことが分かる。

１溶接構造物
１１フロントサイドフレームリアエンド
１２ダンパーハウジング
１３車体骨格
１４サブフレーム
１５サブフレーム
２アルミダイカスト製部材
３アルミ展伸材製部材

Claims

アルミダイカスト製部材とアルミ展伸材製部材とを線材を用いて溶接した溶接構造物であって、
前記アルミダイカスト製部材がＡｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金で形成され、
前記アルミ展伸材製部材が５０００系合金または６０００系合金で形成され、
前記線材が５０００系合金で形成されていることを特徴とする溶接構造物。
前記アルミダイカスト製部材と前記アルミ展伸材製部材と前記線材とを溶接して形成される溶接ビードのＭｇ₂Ｓｉ量が０．２５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造物。
前記Ａｌ−Ｍｇ系ダイカスト合金が、Ｍｇを３．５〜４．５質量％、Ｍｎを０．８〜１．５質量％、Ｆｅを０．５質量％以下、Ｓｉを０．５質量％以下含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶接構造物。