JP2012011413A - アルミニウム材の溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のアルミニウム材の溶接方法は、第1のアルミニウム母材1上に、接合端2a、3aがV形の開先形状をなす第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3を、各接合端2a、3a同士を突合わせて重ね、第1のアルミニウム母材1と、第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3の各接合端2a、3aとをMIG溶接法によって接合するに際し、各アルミニウム母材1、2、3の厚さ、第2のアルミニウム母材2と第3のアルミニウム母材3との開先角度θおよびルート間隔aと、溶接に際する溶接速度Vおよび溶接入熱量Qを所定の範囲とする。
【選択図】図1
Description
構造材料の溶接方法としては多種の方法が提案されているが、アルミニウム材の場合には、MIG(Metal Inert Gas)溶接法やTIG(Tungsten Inert Gas)溶接法のような溶融溶接法が多く用いられている。このうちMIG溶接法は、溶加材を兼ねるワイヤ状の電極を用い、母材の溶接部をアルゴンやヘリウムなどの不活性ガス雰囲気に保ちつつ、母材と電極との間にアークを発生させる。これにより、アークの熱によって母材および溶加材が局所的に溶融し、この溶融金属によって母材同士が溶着接合する。MIG溶接法では、溶接部を不活性ガス雰囲気で保つことによって溶接部が大気から遮断され、大気中の酸素や窒素が溶融金属中へ溶け込むことが抑制される。このため、大気成分が溶接部に溶け込むことに起因する機械的特性劣化を抑えることができる。また、溶融金属が母材に深く溶け込むため、高い接合強度を得ることができる。
このような重ね溶接継手をMIG溶接法によって形成するには、図12に示すように、第1のアルミニウム母材101上に、第2のアルミニウム母材102および第3のアルミニウム母材103を、各接合端102a、103aどうしの間に間隙があくように重ね、溶接電極が突出するトーチノズルを、各アルミニウム母材102、103間の間隙104に沿って移動させる。これにより、トーチノズルが通過している部分では、各アルミニウム母材102、103と溶接電極との間にアークが発生し、このアークの熱によって各アルミニウム母材102、103と溶接電極とが溶融する。この溶融金属によって間隙内が連続的に埋まり、また、第1のアルミニウム母材の間隙に沿う領域に溶融金属が溶け込み、各アルミニウム母材101、102、103どうしが溶接金属105を介し接合される。
本発明のアルミニウム材の溶接方法は、第1のアルミニウム母材上に、接合端がV形の開先形状をなす第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合わせて重ね、前記第1のアルミニウム母材と、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各接合端とを溶融溶接法によって接合するに際し、前記第1のアルミニウム母材の厚さをt1とし、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各厚さをt2としたとき、下記の条件を用いることを特徴とするアルミニウム材の溶接方法。
アルミニウム母材の厚さ:t2=1.5〜5.5mm、
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θ:30〜40°、
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材とのルート間隔a:0.8t2〜2.25t2、アルミニウム母材の厚さの関係:t1≧t2、
溶接速度V:50〜150cm/min、
溶接入熱量Q:700〜4500J/cm、
また、本発明において、前記各アルミニウム母材の厚さt2が4.5〜5.5mmである場合、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材のルート間隔aを0.8t2〜1.0t2、溶接入熱量を2000〜4500J/cmとし、形成される前記重ね溶接継手のh0(%)が0≦h0(%)≦30、d0(%)が10≦d0(%)≦30であることを特徴とする。
図1〜図3は、本発明のアルミニウム母材の溶接方法を説明するための図であり、図1はアルミニウム母材の重ね合わせ工程を示す概略縦断面図、図2は溶接工程を示す概略縦断面図、図3は形成された重ね溶接継手の一例を示す概略縦断面図である。
本発明のアルミニウム材の溶接方法は、第1のアルミニウム母材上に、接合端がV形の開先形状をなす第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合せて重ねる工程と、第1のアルミニウム母材と、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウムの各接合端とを溶融溶接法によって溶接し、重ね溶接継手を形成する工程とを有しており、その際、各アルミニウム母材の厚さと、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θおよびルート間隔aと、溶接速度Vおよび溶接入熱量Qを所定の範囲とすることを特徴とする。以下、各工程について順次説明する。
図1に示すように、第1のアルミニウム母材1と、接合端2a、3aがV形の開先形状となるような第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3を用意し、第1のアルミニウム母材1上に、第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3を、各接合端2a、3aどうしを突合せて重ね合わせる。
各アルミニウム母材1、2、3は、板状であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている。アルミニウムまたはアルミニウム合金としては、JIS1000系の純アルミニウム、JIS3000系のAl−Mn系、JIS4000系のAl−Si系、JIS5000系のAl−Mg系、JIS6000系のAl−Mg−Si系、JIS7000系のAl−Zn−Mg系、Al−Zn−Mg−Cu系、JIS8000系のAl−Fe−Mn系等のいずれの組成のものを用いても良く、また、押出材、ダイカスト、鋳物合金等のいずれを用いても良い。
また、各アルミニウム母材1、2、3の平面形状は特に限定されず、適用される構造物の形態に応じて適宜選択される。
ここで、開先角度θは、第2のアルミニウム母材2の接合端2aと第3のアルミニウム母材3の接合端3aとのなす角θであり、ルート間隔aは、開先先端のギャップ長さaである。
次に、図2、図3(A)に示すように、第1のアルミニウム母材1と、第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3の各接合端2a、3aとを溶融溶接法によって溶接し、重ね溶接継手10を形成する。
溶融溶接法は、母材と溶加材とを同時に溶融させ、この溶融金属によって母材同士を溶着接合する方法であり、中でも、大気成分の溶融金属への溶け込みを抑制できることからMIG(Metal Inert Gas)溶接法やTIG(Tungsten Inert Gas)溶接法等のイナートガス溶接法を用いるのが好ましく、MIG溶接法を用いるのがより好ましい。MIG溶接法を用いることにより、溶融金属を第1のアルミニウム母材1に深く溶け込ませることができ、第1のアルミニウム母材1と、第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3とを強固に接合することができる。以下では、溶融溶接法としてMIG溶接法を用いる場合を例にして説明する。
MIG溶接機20は、不活性ガスを流出するトーチノズル21と、トーチノズル21から突出する溶接電極(電極ワイヤ)22とを備え、このトーチノズル21および溶接電極22に電力を供給する駆動電源と、トーチノズル21に溶接電極22を連続的に供給するワイヤ供給装置と、駆動電源と母材とを連結する給電ケーブルと、トーチノズル21に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置(いずれも図示は省略する)とを有している。
不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウムまたはこれらの混合ガス等が用いられ、炭酸ガスや酸素等の活性ガスが少量添加されていてもよい。
溶接速度Vが50cm/min未満の場合には、開先4周囲の各アルミニウム母材2、3への入熱量Qが大きくなり過ぎ、この影響によって各アルミニウム母材2、3に熱歪が生じる。その結果、得られる重ね溶接継手10は、継手効率ηが不十分なものとなる。また、溶接速度Vが小さいと溶接にかかる時間が長くなり、構造物の製造効率の低下を招いてしまう。また、溶接速度Vが150cm/minを超える場合には、各アルミニウム母材2、3および溶接電極(溶加材)22に十分な入熱量Qを与えるのが難しく、第1のアルミニウム母材1への溶融金属5aの溶け込み量が不十分となる。その結果、第1のアルミニウム母材1と、第2のアルミニウム母材2および第3のアルミニウム母材3との接合強度が小さくなる。
ここで、継手効率ηとは、母材の引張り強度F0に対する重ね溶接継手10の引張強度Fの比を百分率で表した値[(F/F0)×100(%)]である。この継手効率ηが60%未満であると、該重ね溶接継手10が適用される構造物によっては、継手として強度が不足し、構造物の信頼性が不十分となる可能性がある。
なお、重ね溶接継手10の引張強度Fとは、図3(B)に示す如く、幅25mm、長さ100mm、厚さ後述の値の第1のアルミニウム母材2及び第2のアルミニウム母材3と、幅25mm、長さ30mm、厚さ後述の値の第3のアルミニウム母材1を図1のようにルート間隔aと開先角度θを設定し、各母材の幅を合わせて重ねて配置し、図3(B)に示す如く溶接金属5を形成後、第3のアルミニウム母材1の両端側に突出するように延出されている第1のアルミニウム母材2の一端と第2のアルミニウム母材3の一端を互いに離間する方向(図3(B)の左右方向:各母材の長さ方向)に引張速度5mm/分で引張試験した場合の値を示す。なお、図3(B)に符号8で示す部材はアルミニウム母材2、3を引張試験する際に試験機のチャックで把持するために使用する金属スペーサである。
0≦h0(%)≦30
10≦d0(%)≦60
(実施例1)
第1のアルミニウム母材、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材として、アルミニウム合金板材を準備した。アルミニウム合金板材において厚さ2、3mmのものはJIS規定6063T5の板材、厚さ5mmのものはJIS規定5052合金の板材である。第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θは、30°とした。
次に、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材を、第1のアルミニウム母材上に、各接合端同士を突合わせて重ねた。ルート間隔aは4.5mmとした。
次に、MIG溶接機を用い、第1のアルミニウム母材と、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材の各接合端とを溶接し、重ね溶接継手を得た。溶接条件は、以下の通りである。
溶接速度V :100cm/min、
溶接入熱量Q:1300J/cm、
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θおよびルート間隔a、溶接速度Vおよび溶接入熱量Qを表2に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θおよびルート間隔a、溶接速度Vおよび入熱量Qを表2に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
図4〜図6に、実施例4および比較例1、11で作製した重ね溶接継手の金属組織写真を示す。また、各実施例および各比較例で作製した重ね溶接継手について、継手効率η、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材の各表面と開先内の溶接金属表面との段差h、第1のアルミニウム母材への溶接金属の溶け込み深さdを計測し、h0(%)およびd0(%)を求めた。その結果を表2に示す。
また、開先角度を40°より大きくした場合には、図6に代表して金属組織を示すように、開先内の溶接金属の表面が、第1のアルミニウム母材および第2のアルミニウム母材の各表面より大きく後退しており、いずれも継手効率ηが低いものであった。
(実施例1−1〜1−3)
各アルミニウム母材の厚さを2mm、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材の開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Qを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
各アルミニウム母材の厚さを2mm、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Qを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
各アルミニウム母材の厚さを3mm、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Qを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
各アルミニウム母材の厚さを3mm、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Qを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
各アルミニウム母材の厚さを5mm、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Qを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
各アルミニウム母材の厚さを5mm、第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θを40°とし、ルート間隔a、溶接速度V、溶接電流I、溶接電圧Eおよび溶接入熱量Eを表3に示すように設定した以外は、前記実施例1と同様にして重ね溶接継手を得た。
図7〜図10に、比較例1−2、比較例1−3、実施例3−1、比較例3−2で作製した重ね溶接継手の模式的な縦断面図を示す。また、各実施例および各比較例で作製した重ね溶接継手について、継手効率η、第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材の各表面と開先内の溶接金属表面との段差h、第1のアルミニウム母材への溶接金属の溶け込み深さdを計測し、h0(%)およびd0(%)を求めるとともに、引張り試験を行った際の破断位置を調べた。
その結果を表4に示す。なお、表4中、Wは溶接部で破断した場合、Bはボンド部で破断した場合、Hは熱影響部(溶接部Wの中心から約1cmの領域)で破断した場合をそれぞれ示す。なお、溶接部W、ボンド部Bおよび熱影響部Hの位置は、図11に示す通りである。
また、ルート間隔を2.25t2より大きくした場合には、開先内の溶接金属の表面が、第1のアルミニウム母材および第2のアルミニウム母材の各表面よりも大きく後退しており、継手効率ηが低いものであった。
また、さらに、ルート間隔aを、各アルミニウム母材の厚さが2mmの場合には1.75t2〜2.25t2、3mmの場合には1.5t2〜2.0t2、5mmの場合には0.8t2〜1.0t2とすることにより、継手効率により優れた重ね溶接継手が得られることがわかった。
Claims (7)
- 第1のアルミニウム母材上に、接合端がV形の開先形状をなす第2のアルミニウム母材および第3のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合わせて重ね、前記第1のアルミニウム母材と、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各接合端とを溶融溶接法によって接合するに際し、前記第1のアルミニウム母材の厚さをt1とし、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各厚さをt2としたとき、下記の条件を用いることを特徴とするアルミニウム材の溶接方法。
アルミニウム母材の厚さ:t2=1.5〜5.5mm、
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材との開先角度θ:30〜40°、
第2のアルミニウム母材と第3のアルミニウム母材とのルート間隔a:0.8t2〜2.25t2、アルミニウム母材の厚さの関係:t1≧t2、
溶接速度V:50〜150cm/min、
溶接入熱量Q:700〜4500J/cm、 - 形成される前記重ね溶接継手は、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各厚さをt2、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材の各表面に対する前記開先内の前記溶接金属表面の深さ方向での段差をhとし、厚さt2に対する段差hの比を百分率で表した値をh0(%)としたとき、h0(%)が0≦h0(%)≦30であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム材の溶接方法。
- 形成される前記重ね溶接継手は、前記第1のアルミニウム母材の厚さをt1、前記第1のアルミニウム母材に溶け込んだ溶接金属の深さをdとし、厚さt1に対する深さdの比を百分率で表した値をd0(%)としたとき、d0(%)が10≦d0(%)≦60であることを特徴とする請求項1または2に記載のアルミニウム材の溶接方法。
- 前記アルミニウム母材の厚さt2が1.5〜2.5mmである場合、前記第2のアルミニウム母材と前記第3のアルミニウム母材とのルート間隔aを1.75t2〜2.25t2、溶接入熱量を700〜2000J/cmとし、形成される前記重ね溶接継手のh0(%)が0≦h0(%)≦20、d0(%)が10≦d0(%)≦60であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
- 前記アルミニウム母材の厚さt2が2.5〜3.5mmである場合、前記第2のアルミニウム母材と前記第3のアルミニウム母材とのルート間隔aを1.5t2〜2.0t2、溶接入熱量を1700〜3000J/cmとし、形成される前記重ね溶接継手のh0(%)が0≦h0(%)≦20、d(%)が10≦d0(%)≦60であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
- 前記アルミニウム母材の厚さt2が3.5〜4.5mmである場合、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材のルート間隔aを1.0t2〜1.5t2、溶接入熱量を1800〜4000J/cmとし、形成される前記重ね溶接継手のh0(%)が0≦h0(%)≦30、d0(%)が10≦d0(%)≦30であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
- 前記アルミニウム母材の厚さt2が4.5〜5.5mmである場合、前記第2のアルミニウム母材および前記第3のアルミニウム母材のルート間隔aを0.8t2〜1.0t2、溶接入熱量を2000〜4500J/cmとし、形成される前記重ね溶接継手のh0(%)が0≦h0(%)≦30、d0(%)が10≦d0(%)≦30であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
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