JP2010279982A - Ａｌ合金溶加材 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のＡｌ材料の溶融溶接によって得られる接合体において、その溶接割れ感受性を低減させると共に、強度特性に優れた溶接継手を実現することの出来るＡｌ合金溶加材を提供する。
【解決手段】Ａｌ材料の溶融溶接に用いられる溶加材を、質量基準にて、Ｍｇ：５．５〜８．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｔｉ：０．２５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、及びＺｎ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するＡｌ合金にて構成した。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ａｌ合金溶加材に係り、特に、高強度の７０００系アルミニウム（Ａｌ）合金からなるＡｌ材料の溶接に用いることで、高強度で且つ割れ感受性の低い継手が得られるＡｌ合金溶加材に関するものである。なお、ここで用いられる「７０００」等の四桁の数字は、何れも、ＡＡ乃至ＪＩＳ規格に規定されるＡｌ合金を示すものである。

従来から、産業用途を初め、建築、輸送、日用品、家庭用品等の各種の分野において、構造部材や装置、部品等の軽量化を図るために、それを構成する材料（部材）として、アルミニウム（Ａｌ）材質のものが、採用されてきている。そして、そのような用途において、引張強さで２５０ＭＰａ以上の高強度が必要とされる場合には、従来において、７００３や７Ｎ０１といった、上述のＡＡ乃至ＪＩＳ規格に規定されるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系の７０００系Ａｌ合金押出材が、用いられてきている。また、かかる用途における目的とする最終形状乃至は構造の少なくとも一部を与える部材は、その形状の複雑性等に応じて、複数のＡｌ材料にて構成されて、それら複数のＡｌ材料が、ＴＩＧやＭＩＧ等の溶接手法を用いて溶融溶接されて、一体的な構造の部材とされるのであるが、そのような溶融溶接に際して、４０４３や４０４７の如き、Ａｌ−Ｓｉ系の４０００系Ａｌ合金からなる、従来からの溶加材を用いた場合にあっては、溶接金属の強度が低いために、低強度の溶接金属部位で破断するという問題があった。

そこで、７０００系Ａｌ合金からなるＡｌ材料の溶融溶接において形成される溶接金属部位の強度を高めるべく、そのような溶融溶接に用いられる溶加材として、５５５４、５３５６、５１８３等の、Ａｌ−Ｍｇ系の５０００系Ａｌ合金からなる溶加材が、「軽金属溶接」、Ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．１０、第４６１〜４７０頁（２００７）（非特許文献１）において、提案されている。しかしながら、目的とする部材の更なる軽量化のために、その薄肉高強度化を図るべく、そのような部材を構成するＡｌ材料を与える７０００系Ａｌ合金のＭｇ量、Ｚｎ量、或いはＣｕ量を増加させたりすると、上述の如き５０００系Ａｌ合金からなる溶加材では、溶接割れ感受性を低減させるには不充分であり、母材熱影響部（ＨＡＺ）よりも溶接金属部位が低強度となってしまう問題が内在している。

また、７０００系Ａｌ合金は溶接割れ感受性に敏感であるところから、そのような溶接割れ感受性を低減させるために、例えば、特開平１−１４３７９１号公報（特許文献１）において、Ｍｇ：６〜１０ｗｔ％、Ｚｒ：０．２５〜１．５ｗｔ％を含有するＡｌ合金溶加材が、提案されている他、特開平５−１６９２９０号公報（特許文献２）においては、Ｚｎ：１〜６％、Ｍｇ：３〜６％（Ｚｎ≦Ｍｇ）、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％、Ｂ：０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜２％を含有するＡｌ合金溶加材が、また特開２０００−３１７６７６号公報（特許文献３）においては、Ｚｎ：５〜８％、Ｍｇ：１〜３％、Ｃｕ：２〜４％、Ｓｃ：０．０３〜３．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ａｇ：０．０３〜２％を含有するＡｌ合金溶加材が、更に特表２００１−５１９２３９号公報（特許文献４）においては、Ｍｇ：５．０〜６．５％、Ｍｎ：０．４〜１．２％、Ｚｎ：０．４〜＜２．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．３％以下、Ｔｉ：０．２％以下、Ｆｅ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．２５％以下を含有するＡｌ合金溶加材が、それぞれ、提案されている。そして、それらの溶加材では、Ｚｒを添加したり、Ｓｃを添加したりすることで、溶接割れ感受性が低減せしめられているのである。

しかしながら、それら提案のＡｌ合金溶加材にあっても、各種の問題を内在するものであった。例えば、それらの溶加材において、継手部（溶接金属）を高強度にするためにＭｇ含有量を５．５％以上としたり、またＺｒ含有量を多くしたり、或いはＳｃを含有せしめたりすると、金属組織中において巨大晶出物が形成されるようになるところから、１．６ｍｍや２．４ｍｍ等の線径を有する溶加材を作製するに際して、その線引加工に悪影響をもたらし、線引加工途中で切断等の問題を惹起して、その生産性が悪化する問題に加えて、溶接金属中においても、ＭｇやＺｒ、Ｓｃの存在により巨大晶出物を生じる恐れがあり、そのために、継手強度が低下したり、溶接継手の特性が安定しない恐れがある等という問題を内在する。このため、溶加材を与えるＡｌ合金中のＭｇ含有量を、５．５％以上として、継手部を高強度化した際において、溶加材としての有効な合金組成を得る必要があったのである。

特開平１−１４３７９１号公報 特開平５−１６９２９０号公報 特開２０００−３１７６７６号公報 特表２００１−５１９２３９号公報

「軽金属溶接」、Ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．１０、第４６１〜４７０頁（２００７）

ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、所定のＡｌ材料の溶融溶接によって得られる接合体において、その溶接割れ感受性を低減させると共に、強度特性に優れた溶接継手を実現することの出来るＡｌ合金溶加材を提供することにある。

そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、Ａｌ材料の溶融溶接に用いられる溶加材であって、質量基準にて、Ｍｇ：５．５〜８．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｔｉ：０．２５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、及びＺｎ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有することを特徴とするＡｌ合金溶加材を、その要旨とするものである。

なお、このような本発明に従うＡｌ合金溶加材の望ましい態様の一つによれば、前記溶加材は、更に、０．５〜１．０質量％のＭｎを含有しており、これによって、溶接金属部位の高靭性化が、有利に図られ得ることとなる。

また、本発明にあっては、前記Ａｌ材料が、質量基準にて、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｍｇ：０．５〜２．１％、並びにＺｎ：４．０〜８．５％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成の７０００系Ａｌ合金からなるものであることが、より望ましいのである。

このように、本発明に従うＡｌ合金溶加材にあっては、特定量のＭｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる合金組成のものを用いることとしたことによって、接合せしめられたＡｌ材料の連結部（溶接部位乃至は溶接金属部位）における強度や伸び等の特性を効果的に高め、また、溶接割れ感受性を有利に低減せしめ得て、高強度で健全な溶接継手を安定的に実現せしめ得ることとなったのである。

そして、Ａｌ材料を溶融溶接するに際して用いられる溶加材を、そのような成分組成とすることによって、母材の熱影響部と溶接金属との硬さのバランスが整い、母材の熱影響部から優先的に破断させることが可能となると共に、延性も有利に向上せしめ得ることとなったのである。

ところで、本発明において溶接対象とされるＡｌ材料としては、公知のＡｌ若しくはその合金からなる各種のＡｌ素材を挙げることが出来るが、特に、本発明においては、優れた特性を有する継手を得る上において、特定量のＣｕ、Ｍｇ及びＺｎを含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成の７０００系Ａｌ合金からなるＡｌ材料が、有利に用いられることとなる。

そのようなＡｌ材料を与える７０００系Ａｌ合金において、合金成分の一つであるＣｕ（銅）は、Ａｌ材料の強度の向上と耐応力腐食割れ性を改善する効果を有し、その含有量が０．０１％（質量基準、以下同じ）未満では、それらの効果が充分でないところから、少なくとも０．０１％以上の割合において、含有せしめられることとなる。また、Ｃｕの含有量が多くなると、Ａｌ材料の押出成形性を悪化せしめると共に、Ａｌ材料の焼入れ感受性が高くなり、押出直後の急冷であっても、焼入れに遅れが生じたりするため、Ｔ４調質やＴ６調質を行なっても充分な強度が得られなくなるところから、かかるＣｕ含有量の上限は、０．５０％とする必要がある。

また、Ｍｇ（マグネシウム）は、Ａｌ合金の強度を高める主要な元素であるため、それによる効果を充分に発揮させるには、０．５％以上の割合において含有せしめる必要がある。一方、このＭｇ含有量が多くなり過ぎると、強度は高くなるものの、伸びが低下し、加工性が悪化するようになると共に、Ａｌ材料の押出成形時において押出圧力が増大し、押出操作が困難となるところから、Ｍｇ含有量の上限は、２．１％とする必要がある。なお、そのようなＭｇの含有による優れた効果を有利に発揮させる上において、Ｍｇ含有量としては、好ましくは１．０〜２．１％、更に好ましくは１．２〜２．１％、特に１．３〜２．１％の割合が、有利に採用されることとなる。

さらに、Ｚｎ（亜鉛）は、Ｍｇと共存してＡｌ合金に時効性を与え、所定の時効処理により強度を向上させる作用を発揮する元素であって、その効果を充分に発揮させるべく、４．０％以上の含有量において用いられることとなる。尤も、このＺｎも、その含有量が多くなると、強度は高くなるものの、伸びが低下するようになり、加工性が悪化する問題を生じると共に、押出時の割れが発生し易くなるところから、Ｚｎ含有量は、８．５％以下に止める必要がある。なお、このＺｎ含有量は、好ましくは５．０〜８．５％であり、更に好ましくは６．０〜８．５％、特に７．５〜８．５％の範囲が、有利に採用されるのである。

そして、かくの如き合金組成の７０００系Ａｌ合金等からなる各種のＡｌ材料は、そのようなＡｌ合金を用いて得られたビレット等から、押出成形、鍛造成形、鋳造成形等の公知の成形手法によって、中実構造、中空構造や、形材、厚板等の形状の、公知の各種の形態において製造され、本発明で対象とされるＡｌ材料として、目的とする用途の部材の形成に用いられることとなる。

本発明にあっては、上記の如くして得られるＡｌ材料の複数を用いて、それらを、目的とする用途の部材を与えるように、溶融溶接により一体化せしめるに際して、特定の合金組成を有するＡｌ合金溶加材を用いた溶接操作が採用され、それによって生じた溶接継手にて、それら複数のＡｌ材料が一体化されることによって、目的とする構造の部材が、優れた特性を保持して形成されるのである。

ところで、この本発明で対象とされる特定の溶加材は、Ｍｇ：５．５〜８．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｔｉ：０．２５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、及びＺｎ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる合金組成を有するものであって、それら元素の規定量を外れた含有量においては、各種の問題が惹起されるようになる。

すなわち、Ｍｇ（マグネシウム）は、溶接金属の高強度化を図り、溶接割れ感受性の低減に寄与せしめる上において必須の添加元素であって、その有効な添加効果を得る上においては、５．５％以上の含有量とする必要があるが、その含有量が８．０％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中にＭｇ−Ｓｉ系脆化層が形成されるようになり、そのため、ワイヤに抽伸加工することが困難となって、目的とする線径の溶加材を得ることが出来なくなる。

また、Ｃｒ（クロム）は、溶接割れ感受性の低減に効果があり、そのために、０．０５％以上の割合において、含有せしめられることとなるが、その含有量が０．２５％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中に粗大なＡｌ−Ｃｒ系晶出物（金属間化合物）を生成して、溶加材としてのワイヤを得るための抽伸加工操作が困難となる問題を惹起する。

さらに、Ｔｉ（チタン）は、金属組織の微細化効果があり、そのために、０．２５％を超えない割合において、含有せしめられることとなる。なお、このＴｉ含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中にＡｌ−Ｔｉ系の粗大な晶出物（金属間化合物）を生成して、抽伸加工操作が困難となる問題を惹起する。

更にまた、Ｓｉ（ケイ素）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＺｎ（亜鉛）は、何れも、不純物元素であって、それぞれ、上記で規定される含有量以下となるように制御される必要がある。Ｓｉ含有量が多くなると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、Ｍｇ−Ｓｉ系脆化層を形成して、母材と溶接金属部との境界部位であるボンド部の強度が低下する問題が惹起されるからであり、また、Ｆｅ含有量が多くなると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｆｅ系晶出物（金属間化合物）を生成して、抽伸加工操作が困難となる問題を生じ、更に、Ｃｕ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部の溶接割れ感受性が高くなる問題が惹起されるからであり、Ｚｒ含有量が多くなり過ぎると、巨大晶出物を生成して、抽伸操作が困難となる問題を生じ、加えて、Ｚｎ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部にＭｇ−Ｚｎ系脆化層が形成され、これが、溶接継手部位の特性、中でも強度を低下せしめる問題が生じるからである。

また、本発明にあっては、上記の溶加材の合金組成に加えて、更に、Ｍｎ（マンガン）の０．０５〜１．０％が、有利に含有せしめられることとなる。この追加の合金成分たるＭｎは、溶接金属の高靭性化に寄与する成分であって、その添加効果を充分に発揮させるためには、０．０５％以上の割合で含有せしめる必要があるが、その含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｍｎ系晶出物（金属間化合物）を生成して、抽伸加工が困難となる等の問題を惹起するようになる。

そして、本発明に従う溶加材は、上記した合金成分を有するＡｌ合金を用いて、常法に従って作製されるものであって、一般的には、ＪＩＳ−Ｚ−３２３２に規定される径及び許容差の溶接棒や電極ワイヤとして、実現されることとなる。

また、かかる溶加材を用いた、前記Ａｌ材料の複数の溶接に際しては、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接や、レーザ溶接、電子ビーム溶接等の公知の溶融溶接手法が、適宜に採用されて、それら複数のＡｌ材料が、前記した溶加材によって形成される溶接継手を介して一体的に接合されて、目的とする形状乃至は構造の部材を与える接合体が形成されるのである。

そして、そのようにして得られた、Ａｌ材料の複数が接合されてなる接合体は、Ｔ４調質やＴ６調質が施されてなる状態において、目的とする用途の部材に仕上げられることとなる。ここで、かかるＴ４調質やＴ６調質は、溶体化処理と自然時効処理又は人工時効処理とを、従来と同様に施すことによって、実施され得るものであって、上記の溶接して得られた接合体が、所定の溶体化処理と自然時効処理又は人工時効処理の履歴を有するように、公知の各種の手法に従って行なわれることとなるが、一般に、溶接される前のＡｌ材料に対して、所定の溶体化処理を施し、次いで、そのようなＡｌ材料の複数を、前記した溶融溶接により形成される溶接継手にて一体的に接合せしめた後、その得られた接合体に対して、自然時効処理や人工時効処理を施し、全体としてＴ４調質やＴ６調質が施されるようにして、目的とする用途の部材を得ることが出来る。

なお、そのようなＴ４調質やＴ６調質において、溶体化処理条件としては、一般に、４５０〜５２０℃の温度において、０．５〜１０時間保持することからなる処理条件が採用され、また、Ｔ６調質における人工時効処理にあっても、一般に、９０〜２１０℃の温度において、３〜２４時間保持する処理条件が、採用されることとなる。

そして、このようにして得られたＡｌ材料の接合体にあっては、それを構成する複数のＡｌ材料が、特定の溶加材を用いて形成される溶接継手にて接合せしめられて、一体化されているところから、かかる溶接継手部分においても、優れた強度特性が発揮され、しかも、溶接割れ感受性も効果的に低減されたものとなっていると共に、特に、高強度の所定の７０００系Ａｌ合金にて形成されたＡｌ材料が用いられることによって、母材強度が２５０ＭＰａ以上にもなり、また、継手強度は２００ＭＰａ以上となり、更に、継手伸びも４％以上の、優れた特性を有する接合部材として得ることが出来るのであり、以て、各種用途の構造部材や部品、製品等の少なくとも一部を構成する部材として、有利に用いられ得るのである。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

先ず、下記表１〜表３に示される、各種合金組成の７０００系Ａｌ合金を溶製して、通常のＤＣ鋳造法により、各種ビレットを製造した。次いで、この得られたビレットを、均質化処理した後、それぞれ、常法に従って直接押出して、板厚が３ｍｍの平板状の各種Ａｌ材料を得た。また、それら各種のＡｌ材料には、それぞれ、４６０℃×１時間の溶体化処理を施して、後述する溶接試験のための各種供試母材を作製した。更に、それら溶体化処理して得られた各種母材の一部を用いて、それぞれ、１５０℃×８時間の時効処理を施すことにより、Ｔ６調質材としたものについて、それぞれ、引張強度を測定し、その結果を表１〜表３に併せて示した。

一方、溶加材についても、下記表４〜表６に示される、各種合金組成からなるＡｌ合金を溶製した後、上記と同様にしてビレットを作製し、次いで均質化処理を行ない、更に直接押出して、抽伸用素材を得た。その後、線径が１．６ｍｍである溶接ワイヤとして、従来と同様な抽伸加工にて、目的とする各種の溶加材を作製した。

次いで、上記表１〜表３に示される、各種Ａｌ材料からなる母材の各２つを用い、それぞれの押出方向の端部を突き合わせて、上記表４〜表６に示される溶加材の、同じ番号のものを用いて、ＭＩＧ溶接することからなる各種溶接試験を、下記表７〜表９に示される如く実施した。なお、ＭＩＧ溶接条件は、電流：２１０Ａ、溶接速度：８０ｃｍ／分、シールドガス：Ａｒ、シールドガス流量：１０〜１５Ｌ／分なる条件を採用した。

そして、それぞれの溶接試験において得られた接合体に対して、１５０℃×８時間の人工時効処理を実施することにより、Ｔ６調質された、目的とする部材の各種のものを製造した。

かくして得られた各種の接合部材について、その溶接継手部位に割れが発生しているか、どうか、当該溶接継手部位の断面を顕微鏡観察することにより評価する一方、それぞれの溶接継手部位について、引張試験を行ない、それぞれの継手の強度及び伸びについて測定すると共に、破断位置を調べた。なお、各継手の引張試験は、ＪＩＳ−Ｚ−２２０１に規定される５号引張試験片を、その長さ方向が母材の押出方向となるように、且つ試験片の中央部位に溶接金属部が位置するようにして、それぞれの溶接接合体から切り出し、余盛を付けたままにおいて、ＪＩＳ−Ｚ−２２４１に準拠して、引張試験を実施した。また、破断位置の評価においては、破断が、溶接金属部位において発生したか、或いは、溶接金属部位と母材部との境界部位（ボンド部）において発生したか、または、母材部の熱影響部（ＨＡＺ）において発生したか、の何れかにおいて、評価した。

そして、上記の試験・評価の結果を、下記表７〜表９に、併せて示した。

かかる表７〜表９の結果から明らかな如く、本発明に従う合金組成の溶加材（Ｎｏ．１〜２７及び５８〜６４）を用いて、Ａｌ材料をＭＩＧ溶接したものである、溶接試験１〜２７及び５８〜６４においては、低い割れ感受性と良好な引張破断特性を得ることが出来る結果が得られた。中でも、所定合金組成の７０００系Ａｌ合金からなるＡｌ材料である母材（Ｎｏ．１〜２７）を用い、それを、本発明に従う合金組成の溶加材（Ｎｏ．１〜２７）にてＭＩＧ溶接したものの溶接試験１〜２７においては、強度及び伸び等の物性に優れた溶接継手が得られると共に、割れ感受性にも優れており、しかも、破断位置が熱影響部（ＨＡＺ）となって、優れた破断特性を示す溶接継手構造体を得ることが出来ることが認められる。

これに対して、用いられる溶加材を与える合金組成が、本発明の範囲外となった（使用溶加材Ｎｏ．３１〜５７，６５〜７２）場合における、溶接試験３１〜５７，６５〜７２にあっては、伸びが低下したり、強度が不足したり、破断位置がボンド部や溶接金属部となったり、溶接時に割れが発生したり、溶加材の抽伸加工時に割れが発生する等の問題を惹起して、目的とする部材への使用に少なからぬ問題があることが、明らかとなった。

Claims (3)

1. Ａｌ材料の溶融溶接に用いられる溶加材であって、質量基準にて、Ｍｇ：５．５〜８．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｔｉ：０．２５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、及びＺｎ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有することを特徴とするＡｌ合金溶加材。
2. ０．５〜１．０質量％のＭｎを、更に含んでいることを特徴とする請求項１に記載のＡｌ合金溶加材。
3. 前記Ａｌ材料が、質量基準にて、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｍｇ：０．５〜２．１％、並びにＺｎ：４．０〜８．５％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成の７０００系Ａｌ合金からなるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＡｌ合金溶加材。