JP2012041565A

JP2012041565A - アルミニウム溶接構造体

Info

Publication number: JP2012041565A
Application number: JP2010180780A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sasabe; 誠二笹部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-12
Also published as: JP5484253B2

Abstract

【課題】溶接割れを防止できると共に、強度及び曲げ等の高い継手性能を有するアルミニウム溶接構造体を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金材同士を溶加材を使用しないで溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、前記アルミニウム合金材の組成が、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる。また、Ａｌ−Ｃｕ系合金材同士を溶加材を使用して溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、溶接ビードが、上記組成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接後の強度及び曲げ性能等の継手特性が優れ、溶接特性が優れたアルミニウム溶接構造体に関する。

自動車等の分野においては、軽量化のためにアルミニウム材料を構造体に適用することが進められている。特に、電気自動車（ＥＶ）及びハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の電池ケースの筐体と、自動車フレーム等の自動車構造材に、アルミニウム材料の適用が注目されている。

このようなアルミニウム材（アルミニウム又はアルミニウム合金）は、一般的に、材料単体で使用されることは少なく、プレス等の所定の加工を経て溶接接合される場合は多い。このような高強度のアルミニウム溶接構造体として、特許文献１には、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、及びＭｎ等の元素を含有するアルミニウム合金が開示されている。

特開２０００−３１３９３３

しかしながら、特許文献１に開示されたアルミニウム合金材は、必ずしも、近時のアルミニウム溶接構造体に要求される強度及び曲げ特性を満足できるものではなく、また、溶接により割れが発生する等の問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接割れを防止できると共に、強度及び曲げ等の高い継手性能を有するアルミニウム溶接構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアルミニウム溶接構造体は、アルミニウム合金材同士を溶加材を使用しないで溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、前記アルミニウム合金材は、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

このアルミニウム溶接構造体において、前記溶融溶接は、例えば、ＴＩＧ溶接又はレーザ溶接である。

本発明に係る他のアルミニウム溶接構造体は、Ａｌ−Ｃｕ系合金材同士を溶加材を使用して溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、溶接ビードの組成が、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５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。

このアルミニウム溶接構造体において、前記溶融溶接は、例えば、ＭＩＧ溶接である。

本発明によれば、強度及び曲げ性能が優れた継手が得られ、溶接後の割れの発生も抑制される。

レーザ溶接方法を示す図である。ＭＩＧ溶接方法を示す図である。フィッシュボーン（Fish-bone）溶接割れ試験の試験片の形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。先ず、本願請求項１に係る発明のアルミニウム溶接構造体について説明する。このアルミニウム溶接構造体は、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金材同士を、溶加材を使用しない溶融溶接により接合したものである。従って、アルミニウム合金材同士が溶接された溶接部の溶接ビードの組成は、母材の組成とほぼ一致している。以下、この母材の組成、ひいては溶接ビードの組成を上述のように規定した理由について説明する。

「Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％」
Ｓｉは溶接部の融点を低下させる作用を有するが、溶接部のＳｉ量が少ないと、溶接割れが生じ易くなる。一方、Ｓｉ量が多すぎると、継手強度が低くなり、曲げ特性が劣化する。よって、溶接ビードのＳｉの含有量は４．０乃至５．０質量とすることが必要である。

「Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％」
Ｃｕもアルミニウム合金材の融点を低下させるが、Ｃｕ含有量が少ないと、溶接割れが発生しやすい。一方、Ｃｕ量が多すぎると、継手強度が低下する。このため、溶接ビードのＣｕ量は、０．６乃至１．１０質量％であることが必要である。

「Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％」
Ｍｇはその含有量が少なすぎると、溶接ビードの強度が不足すると共に、溶接ビードで割れが発生しやすくなり、継手強度が不足する。一方、Ｍｇ含有量が多すぎると、継手強度は高くなるが、含有量が少ない場合と同様に、割れが発生しやすくなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．５乃至１．５質量％である。

「Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％」
ＭｎもＭｇと同様の作用効果を奏する。このため、Ｍｎの含有量は、０．３乃至０．５質量％とする。

「溶接ビードの不可避的不純物」
溶接ビードにおける不可避的不純物として、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｔｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｖ等があるが、これらは、Ｃｒ≦０．１０質量％、Ｚｒ≦０．２５質量％、Ｔｉ≦０．１０質量％、Ｆｅ≦０．５質量％、Ｚｎ≦０．２５質量％、Ｖ≦０．１５質量％程度であれば、含まれていても許容される。

本発明のアルミニウム溶接構造体は、アルミニウム合金材同士を溶融溶接したときの溶接ビードの組成が、上記所定の組成を満足するものであり、これにより、高強度で曲げ特性が優れた継手が得られる。前記アルミニウム合金材自体は、所謂アルミニウム合金展伸材であり、通常の圧延により製造される板材及び通常の押出によって製造される押出材である。

溶接構造体の母材として、溶接ビードと同様の組成を有することにより、上述の各元素の添加理由及び組成限定理由に記載したように、母材自体が、強度が高く、曲げ特性が優れたものとなる。従って、溶接構造体としても、母材及び継手の双方について、強度及び曲げ特性が優れたものとなる。

この本発明のアルミニウム溶接構造体は、適宜、製造工程において、溶体化焼入れ処理後、時効硬化の熱処理を施しても良い。

本発明のアルミニウム溶接構造体は、溶加材を使用しないで溶融溶接する場合は、ＴＩＧ溶接又はレーザ溶接により溶融溶接することができる。

次に、本願請求項３に係る発明のアルミニウム溶接構造体について説明する。このアルミニウム溶接構造体は、Ａｌ−Ｃｕ系合金材同士を、溶加材を使用して溶融溶接したものであり、この場合は、例えば、ＭＩＧ溶接により溶融溶接することができる。溶加材としては、例えば、Ｓｉ：４．７乃至５．５５質量％、Ｃｕ：０．０２乃至０．２６質量％、Ｍｇ：０．５９乃至１．６６質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５２質量％、残部Ａｌ及び不可避的不純物のアルミニウム合金からなるソリッドワイヤを使用することができる。

このアルミニウム溶接構造体の溶接ビードは、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有する。この各成分の添加理由及び組成限定理由は、前述のとおりである。従って、この溶接ビードは、高強度であり、曲げ特性が優れたものとなる。このアルミニウム合金溶接構造体は、母材としては、例えば，ＪＩＳ２２１９合金又はＪＩＳ２０２４合金を使用することができる。この母材に対し、溶加材として、上記アルミニウム合金を使用してＭＩＧ溶接すると、その溶加材の供給速度等を適宜調節することにより、上記組成の溶接ビードを得ることができる。

次に、溶接方法について説明する。図１は溶加材を使用しないレーザ溶接による重ね合わせ溶接方法を示す図である。アルミニウム合金材２及び３が突き合わされ、この突合せ部６にレーザ光が照射され、そのレーザ光により、母材のアルミニウム合金材２，３が加熱されてアルミニウム合金材２、３が溶融溶接される。これにより、突合せ継手が得られる。

図２は溶加材を使用するＭＩＧ溶接による突合せ溶接方法を示す図である。アルミニウム合金材２，３が突合せられ、ＭＩＧ溶接の場合は、この突合せ部６に、フラックス入りワイヤ又はソリッドワイヤ等の溶接ワイヤ１がトーチ７を介して送給される。そして、この突合せ部６とワイヤ１との間にアークが形成されて、突合せ部６が溶融溶接される。これにより、突合せ継手が得られる。このＭＩＧ溶接による溶加材は、溶接ワイヤ１である。

上記図１及び図２のいずれの場合も、得られた溶接ビードは前述のごとく、強度及び曲げ特性が優れたものであり、溶接割れの発生が防止される。

次に、本発明の溶加材を使用しない第１の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１の組成のアルミニウム合金からなる板厚が４ｍｍの板材で、調質がＴ８５１の供試材を突合せ、ＴＩＧ溶接により突合せ溶接し、継手を作製した。

溶接方法は交流ＴＩＧ溶接である。なお、本実施例のＴＩＧ溶接は溶加材を使用しないで、素材のみを溶融させるメルトラン方式を採用した。溶接条件は、電流が１５０Ａの交流電流であり、溶接速度は３０ｃｍ／分、シールドガスとしてＡｒガスを使用し、シールドガス流量は１０リットル／分であった。

その後、溶接余盛を研削により除去し、ＪＩＳＺ３１２１の１号試験片により引張試験を実施し、溶接金属部で破断させ、溶接金属部の特性を評価した。この評価結果を表２に示す。

また、曲げ試験として、同じく継手から余盛を研削除去して、曲率半径が８ｍｍのＵ字曲げを実施した。この曲率半径は、試験片の厚さ方向の中央の位置の曲率半径である。

更に、溶接金属部についてフィッシュボーン試験を実施し、割れ率＝割れ長さ／溶接長×１００により割れ率（％）を算出して、溶接割れを評価した。図３はフィッシュボーン試験片を示す図である。

その結果を下記表２に合わせて示す。フィッシュボーン割れ率は２０％を超える場合を×、２０％以下の場合を○とした。溶接熱影響部（ＨＡＺ）割れの欄は、溶接熱影響部の断面を観察した。継手特性強度の欄は、余盛高さが無い状態で、３００ＭＰａ未満の場合を×、３００ＭＰａ以上の場合を○とした。継手特性の曲げ欄においては、継手の曲げ試験に際して、割れが発生した場合を×、割れが発生しなかった場合を○とした。総合評価欄は、フィッシュボーン割れ率、溶接熱影響部割れ、継手強度、継手曲げ試験割れのいずれの場合も○のときに○、いずれかが×の場合に×とした。

この表２に示すように、本発明の実施例１〜１２は、フィッシュボーン割れ率、溶接熱影響部割れ、継手部の強度及び曲げ加工性の結果が全て○であった。これに対し、比較例１は溶接ビードのＣｕ量が低いため、溶接割れ（フィッシュボーン割れ率）が発生した。比較例２は溶接ビードのＣｕが高く、溶接割れは発生しなかったものの、継手強度が低下した。比較例３は溶接ビードのＳｉ量が低いために、割れが発生すると共に、継手強度が低いものであった。比較例４はＳｉ量が高く継手強度が低いと共に、曲げ強度も低いものであった。比較例５はＭｇが低いために、割れが発生し、継手強度も低かった。比較例６はＭｇが高いために、溶接部に割れが発生し、溶接熱影響部にも割れが発生した。比較例７はＭｎが低いために、継手強度が低下した。比較例８はＭｎが高いために、割れが発生した。

次に、本発明の溶加材を使用した第２の実施例の効果について、その比較例と比較して説明する。ＪＩＳ２２１９合金（Ｃｕ：５．８４％、Ｓｉ：０．０８％、Ｍｇ：０．０１％、Ｍｎ：０．３％、残部Ａｌ及び不可避的不純物）と、ＪＩＳ２０２４合金（Ｃｕ：４．７％、Ｓｉ：０．１２％、Ｍｇ：１．４４％、Ｍｎ：０．６％、残部Ａｌ及び不可避的不純物）の２種類のアルミニウム合金板（板厚４ｍｍ）を突き合わせして、下記表３に記載の組成（残部はＡｌ及び不可避的不純物）を有する溶加材（直径１．６ｍｍ）を添加しつつ、ＭＩＧ溶接を行った。突き合わせ部は９０°の開先角度を設けた。また、溶接条件は電流が１９５Ａ、電圧が２３Ｖ、溶接速度が５０ｃｍ／分であり、シールドガスとしてＡｒガスを使用し、シールドガス流量は１０リットル／分であった。なお、規格上、ＪＩＳ２２１９合金は、Ｃｕ：５．８乃至６．８質量％、Ｓｉ：０．２０質量％未満であり、ＪＩＳ２０２４合金は、Ｃｕ：３．８乃至４．９質量％、Ｓｉ；０．５質量％未満であり、いずれもＣｕ含有量が高いＡｌ−Ｃｕ系合金である。

なお、溶加材を添加する場合の溶融ビードの成分調整は、母材の成分を元に溶加材の成分調整と開先形状（Ｉ型、Ｖ型等）から希釈率を算出することより行うことができる。このようにして得られた継手について、第１実施例と同じ条件で、引張試験及びフィッシュボーン試験を行った。その結果を、下記表４に示す。なお、ＦＢはフィッシュボーン割れのことであり、ＨＡＺとは溶接熱影響部割れのことである。

この表４に示すように、比較例２１は溶融ビードのＣｕ成分量が高いため、継手強度が低下した。比較例２２は溶融ビードのＣｕ成分量が低いため溶接割れが発生した。比較例２３は、溶融ビードのＳｉが高いため、継手強度及び曲げ特性が低下した。比較例２４はＳｉが低いため、溶接割れが発生するとともに、継手強度と曲げ性が共に低下した。比較例２５はＭｇが高いため、溶接割れが発生し熱影響部（ＨＡＺ）での割れも観察された。比較例２６はＭｇが低いため、溶接割れが発生し、継手強度及び曲げ特性が低下した。比較例２７はＭｎが高いため、溶接割れが発生した。比較例２８はＭｎが低いため、継手強度が低下した。

一方、本発明の実施例２１〜３３はいずれも溶接割れは発生せず、継手強度及び曲げ特性が良好であり、高い継手性能を示した。

１：溶接ワイヤ
２，３：アルミニウム合金材
６：突合せ部

Claims

アルミニウム合金材同士を溶加材を使用しないで溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、前記アルミニウム合金材は、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするアルミニウム溶接構造体。
前記溶融溶接は、ＴＩＧ溶接又はレーザ溶接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溶接構造体。
Ａｌ−Ｃｕ系合金材同士を溶加材を使用して溶融溶接することにより得られたアルミニウム溶接構造体において、溶接ビードの組成が、Ｓｉ：４．０乃至５．０質量％、Ｃｕ：０．６乃至１．１０質量％、Ｍｇ：０．５乃至１．５質量％、Ｍｎ：０．３乃至０．５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溶接構造体。
前記溶融溶接は、ＭＩＧ溶接であることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム溶接構造体。