JP2012148335A

JP2012148335A - アルミニウム合金材の接合方法と該アルミニウム合金材の接合方法により製造されるアルミニウム合金製パネル

Info

Publication number: JP2012148335A
Application number: JP2011010850A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Fukuda; 敏彦福田; Yoshikazu Koseki; 好和小関
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】一体に接合したアルミニウム合金材の表面に形成される陽極酸化皮膜において、接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で色調差が発生することを防止する。
【解決手段】一体に接合する各々蓋材２及び側材３のアルミニウム合金材は、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であって、その端部による継手部５に対して、ツール８におけるショルダー１０の直径ｄを３≦ｄ≦８（ｍｍ）、ツール７の回転数ｒを６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ、接合長さ１ｍｍ当りのツールの回転数）として摩擦撹拌接合を行うことで、接合部とそれ以外の部分との間で第二相粒子の分布はほとんど相違せず、表面の陽極酸化皮膜における色調差の発生を防止できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、アルミニウム合金材の接合方法と、該アルミニウム合金材の接合方法により製造されるアルミニウム合金製パネル、特にその表面において陽極酸化処理による皮膜を形成するものに関するものである。

従来、局部的に蓋材を取り付けるアルミニウム合金製パネルの製造にあたっては、局部的に蓋材を取り付けるという構造上の特徴から側材と蓋材とを一体に成形することは困難である。そのため、アルミニウム合金材からなる側材と蓋材とは溶融接合やレーザー溶接によって一体に接合している。そして、一体に接合した側材と蓋材とは接合部も含めて表面を平滑に面削した上で、耐食性や耐摩耗性を向上させるために陽極酸化処理による皮膜を形成するものである。

しかしながら、一体に接合されたアルミニウム合金材からなる側材と蓋材との表面に形成される陽極酸化皮膜では、該接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で色調差が発生することがある。この色調差の原因は、接合部における第二相粒子が溶融溶接等による熱によって固溶化及び粗大化した結果、第二相粒子の分布密度が接合部に相当する部分とそれ以外の部分とで大きく相違し、陽極酸化皮膜に影響するためである。

そこで、接合に際しての熱による第二相粒子の固溶化あるいは粗大化に起因する陽極酸化皮膜の色調差の発生を防止するため、アルミニウム合金材からなる側材と蓋材とを接合する際に、接合部に対する熱影響を最小限にすることができる摩擦撹拌接合を利用することが提案されている（特許文献１参照）。

ところが、前記アルミニウム合金材からなる側材と蓋材とを摩擦撹拌接合によって接合部を形成しても、一体に接合された側材と蓋材の表面に形成される陽極酸化皮膜において、該接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で色調差が発生する場合がある。この色調差の原因は、接合部では摩擦撹拌接合による撹拌により側材及び蓋材中に含有される第二相粒子が分断されて微細な第二相粒子となり、接合部とそれ以外の部分とでは第二相粒子の分布状態が相違するものとなった結果、第二相粒子の分布密度が接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分とで大きく相違するためである。

特開２０００−２４８３９９号公報

解決しようとする課題は、摩擦撹拌接合により一体に接合されたアルミニウム合金材同士の表面上に形成される陽極酸化処理による皮膜において、接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で発生する色調差を解消することである。

本願発明は、アルミニウム合金材を一体に接合してアルミニウム合金製パネルを製造するにあたり、表面に形成される陽極酸化処理による皮膜において接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で発生する色調差を解消するために、アルミニウム合金材中の第二相粒子の分布密度、及びアルミニウム合金材の摩擦撹拌接合における接合条件を制限することを最も主要な特徴とする。

第１の特徴として、
互いに接合する各々のアルミニウム合金材は、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であって、
該アルミニウム合金材の端部によって継手部を構成し、
該継手部に対して、ツールにおけるショルダーの直径ｄを３≦ｄ≦８（ｍｍ）、及び摩擦撹拌接合時のツールの回転数ｒを６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ、接合長さ１ｍｍ当りのツールの回転数）として摩擦撹拌接合によって前記継手部を構成するアルミニウム合金材を一体とする接合部を形成するものである。

このように、互いに接合するアルミニウム合金材が、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であるので、摩擦撹拌接合による撹拌で発生する第二相粒子の分断を最小限にすることができる。
さらに、アルミニウム合金材の摩擦撹拌接合において、ツールにおけるショルダーの直径ｄを３≦ｄ≦８（ｍｍ）、及び摩擦撹拌接合時のツールの回転数ｒを６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ）とするので、接合による入熱が最適化され、被接合部材を確実に接合することができるとともに、微細な第二相粒子の析出を最小限とすることができる。
即ち、一体に接合されたアルミニウム合金材の接合部とそれ以外の部分との間では第二相粒子の分布に大きな相違が発生することを防止できる。

その結果、製品として互いに接合したアルミニウム合金材の表面に陽極酸化処理による皮膜を形成しても、接合部とそれ以外の部分との間で第二相粒子の分布において大きな相違はなくなり、接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との陽極酸化皮膜間で色調差が発生することを防止できる。

ここで、互いに接合するアルミニウム合金材中の第二相粒子の粒径が５μｍ超であると、接合部中で摩擦撹拌接合の撹拌によって第二相粒子が分断されやすく、接合部とそれ以外の部分との間で第二相粒子の分布が大きく相違してしまい、色調差の原因となる。そのため、アルミニウム合金材中の第二相粒子の粒径は、５μｍ以下とするものである。
また、アルミニウム合金材を摩擦撹拌接合するに際して、ツールにおけるショルダーの直径ｄを３ｍｍ未満とすると撹拌の範囲は不十分となり、十分な接合部を得ることができないことから両者を確実に接合することができず、また８ｍｍ超とすると接合部の範囲が過剰となり、広範囲にわたって第二相粒子が分断される結果、陽極酸化皮膜の色調差が発生しやすくなる。そのため、ツールにおけるショルダーの直径ｄは、３≦ｄ≦８（ｍｍ）とするものである。
さらに、摩擦撹拌接合時のツールの回転数ｒを６（回転／ｍｍ）以下とすると、入熱が不十分であり、且つ気泡を巻き込み易くなり、健全な接合部を得ることができず、また２０（回転／ｍｍ）超えであると、入熱が過多であり、撹拌部の結晶粒組織が母材よりも粗大になってしまい、陽極酸化皮膜の色調差が発生しやすくなる。そのため、摩擦撹拌接合時のツールの回転数ｒは、６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ）とするものである。より好ましい回転数ｒは、１０≦ｒ≦２０（回転／ｍｍ）である。
なお、ここでのｒは接合長さ１ｍｍ当りのツールの回転数のことであるが、１分間当りの回転数であるＡ（ｒｐｍ）を接合速度Ｂ（ｍｍ／分）で割ることで得ることができる。
また、回転方向については、例えば、接合進行方向に対して反時計回りとした場合、接合ビードの進行方向右端の組織が変化しやすく、陽極酸化処理後に筋模様が出やすい。そこで、図１や図２のようにエッジ部を右手に見ながら接合する場合、接合進行方向に対して反時計回りとする方が、筋模様が出やすい接合ビード右端がエッジ近傍となるため、筋が目立ちにくく有利となる。

第２の特徴として、具体的には、
互いに接合する板状のアルミニウム合金材の一方を蓋材、他方を側材とし、
該蓋材及び側材は、各々板厚ｔが１≦ｔ≦３（ｍｍ）及び、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であって、
該蓋材及び側材の端部により構成した継手部において、ツールにおけるショルダーの直径ｄが３≦ｄ≦８（ｍｍ）、及び回転数ｒが６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ）として摩擦撹拌接合によって蓋材及び側材を一体とする接合部を形成し、
一体に接合された蓋材及び側材の表面に陽極酸化処理による皮膜を形成するものである。ここで、蓋材及び側材各々の板厚が１ｍｍ未満の場合は、摩擦撹拌接合により筺体に組み立てた場合に、筺体としての十分な剛性を得ることが困難となる恐れがある。また、各々の板厚が３ｍｍ超えの場合は、筺体としての剛性は十分であるが、重量が大きくなり、アルミニウム材料を用いる効果の一つである軽量化が達成しにくくなる恐れがある。
なお、ここでの板厚は、摩擦撹拌接合によるビード表面の凹凸を削除し美麗な表面とするための面削、あるいは面削後のペーパー研磨及びバフ研磨等での表面仕上げをした後の板厚のことを意味する。但し、面削や表面仕上げを行わない場合は、圧延のままの板厚を意味する。

このように、一体に接合した蓋材及び側材の接合部とそれ以外の部分との間では第二相粒子の分布はほとんど相違しないので、一体に接合した蓋材及び側材の表面に形成した陽極酸化皮膜において、接合部に相当する部分とそれ以外の部分に相当する部分との間で色調差が発生することを防止できる。

本願発明のアルミニウム合金材の接合方法は、アルミニウム合金材中の第二相粒子の分布密度を制限し、さらに摩擦撹拌接合における条件をも制限したため、アルミニウム合金材同士により構成される接合部で第二相粒子は分断されることがなく、接合部とそれ以外の部分とでは第二相粒子の分布はほとんど相違なくなる。その結果、アルミニウム合金材の接合部とそれ以外の部分との間で、本願発明のアルミニウム合金材の接合方法により製造されるアルミニウム合金製パネルの表面に形成される陽極酸化皮膜では色調差が解消され、製品としての品質を向上させることができるという優れた効果を有する。

図１は本願発明のアルミニウム合金材の接合方法を適用したアルミニウム合金製パネルの要部拡大斜視図である。図２は本願発明のアルミニウム合金材の接合方法を示した模式図である。図３は本願発明のアルミニウム合金材の接合方法により一体に接合された蓋材と側材との接合部を示す要部拡大断面図である。

表面に形成した陽極酸化処理による皮膜において接合部とそれ以外の部分との間で色調差が発生することを防止するという目的を、アルミニウム合金材中の第二相粒子の分布密度を制限し、さらに摩擦撹拌接合における条件をも制限して実現した。

そこで、本願発明における効果を以下のようにして確認した。
まず、図１において示す１は本願発明のアルミニウム合金材の接合方法を適用したアルミニウム合金製パネルであり、２は板厚２ｍｍからなるアルミニウム合金材の蓋材、３は板厚２ｍｍからなるアルミニウム合金材の側材、及び４はアルミニウム合金材の蓋材２と側材３との継手部５における接合部である。そして、一体に接合したアルミニウム合金材の蓋材２とアルミニウム合金材の側材３との表面には、面削後の陽極酸化処理による陽極酸化皮膜６が形成されている。
ここで、本願発明の実施例では上記蓋材２及び側材３からなるアルミニウム合金材には、表１に示す化学成分を有し、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度が３６７０（個／ｍｍ^２）である５０００系合金の本発明材１及び粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度が８２１０（個／ｍｍ^２）である５０００系合金の本発明材２を使用し、比較例としては、表１に示す化学成分を有し、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度が１１３６０（個／ｍｍ^２）である５０００系合金の５０５２材を使用することとした。
第二相粒子の分布密度は、表層を０．５ｍｍ切削後の表面を、ペーパー研磨およびバフ研磨の後、５％フッ酸でエッチングした後、光学顕微鏡で４００倍に拡大し、画像解析により、１μｍピッチでの各粒径の、１ｍｍ^２当りの分布数を測定することで得た。

供試材は、半連続鋳造で鋳塊を製造した後、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延で２．５ｍｍの板厚にした後、最終焼鈍でＯ材調質（軟化材）とすることで得た。２５０ｍｍ幅×２５０ｍｍ長さの板を２枚準備して、蓋材と側材とした。

そして、アルミニウム合金製パネルを構成する蓋材２及び側材３をなす本願発明の実施例及び比較例のアルミニウム合金材を、図２に示すように突き合わせて本願発明のアルミニウム合金材の接合方法により一体に接合した。即ち、上記アルミニウム合金材からなる蓋材２と側材３とを突き合わせて継手部５を形成する。そして、該継手部５に対して裏面より裏当材７を当接しながら、回転するツール８のピン９を挿嵌するとともにショルダー１０により撹拌しつつ接合するものである。更に、一体に接合された蓋材２と側材３との表面に、接合による表面凹凸がなくなるまで０．５ｍｍ面削した後、陽極酸化処理による陽極酸化皮膜６を形成してなるものである（図２参照）。
そして、蓋材２と側材３を摩擦撹拌接合により一体に接合するにあたり、ツールの直径ｄは７（ｍｍ）、ピンの直径は３（ｍｍ）、１分間当たりの回転数を２７００(ｒｐｍ)、接合速度を１５０（ｍｍ／分）とすることで回転数ｒは１８（回転／ｍｍ）とし、接合後は蓋材２をフライス盤による面削によって表層を０．５ｍｍ削除した後にペーパー研磨及びバフ研磨により表面を平滑にし、硫酸による陽極酸化処理によって１０μｍ厚の陽極酸化皮膜６を形成するものである。
また参考として、本願発明の実施例及び比較例のアルミニウム合金材による蓋材２及び側材３をレーザ溶接及び溶融溶接（ＭＩＧ溶接）によって一体に接合し、前記陽極酸化処理によって陽極酸化皮膜６を形成した結果も併せて示す（表２参照）。

以上の結果、比較例である５０５２材では摩擦撹拌接合、レーザ溶接及び溶融溶接であっても陽極酸化皮膜６では接合部４に相当する部分で筋状の色調差が認められた。その反面、本願発明の実施例である本発明材１、２では摩擦撹拌接合によればアルミニウム合金製パネル１の表面に形成される陽極酸化皮膜６における接合部４に相当する部分では筋状の色調差は認められなかった。

さらに、前記蓋材２と前記側材３からなるアルミニウム合金材の表１に示す化学成分を有する本発明材２において、表３に示す種々のショルダー直径とツール回転数で摩擦撹拌接合を行い、接合後は蓋材２をフライス盤による面削によって表層を０．５ｍｍ削除した後にペーパー研磨及びバフ研磨により表面を平滑にし、硫酸による陽極酸化処理によって１０μｍ厚の陽極酸化皮膜６を形成し、筋状の色調差の有無を調べた。

そこで、上記試験の結果を表３に合わせて示す。本願発明のショルダー直径及びツール回転数による本発明例１〜５の場合は筋状の色調差は認められなかった。一方、ショルダー直径あるいはツール回転数が本願発明の範囲の上限を超える場合（比較例２、４）は筋が認められた。また、本願発明範囲の下限を下回る場合（比較例１、３）は接合が不十分で、所々に未接合部が発生したり、気泡が発生してしまうものである。

一体に接合した後、表面に陽極酸化処理による皮膜を形成するアルミニウム合金材による製品において適用することができる。

１アルミニウム合金製パネル
２蓋材
３側材
４接合部
５継手部
６陽極酸化皮膜
７裏当材
８ツール
９ピン
１０ショルダー

Claims

互いに接合する各々のアルミニウム合金材は、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であって、
該アルミニウム合金材の端部によって継手部を構成し、
該継手部に対して、ツールにおけるショルダーの直径ｄを３≦ｄ≦８（ｍｍ）、及び摩擦撹拌接合時のツールの回転数ｒを６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ、接合長さ１ｍｍ当りのツールの回転数）として摩擦撹拌接合によって前記継手部を構成するアルミニウム合金材を一体とする接合部を形成する
ことを特徴とするアルミニウム合金材の接合方法。
互いに接合する板状のアルミニウム合金材の一方を蓋材、他方を側材とし、
該蓋材及び側材は、各々板厚ｔが１≦ｔ≦３（ｍｍ）及び、粒径が５μｍ以下の第二相粒子の分布密度ｖが１００００≧ｖ（個／ｍｍ^２）としてなる５０００系合金であって、
該蓋材及び側材の端部により構成した継手部において、ツールにおけるショルダーの直径ｄが３≦ｄ≦８（ｍｍ）、及び回転数ｒが６＜ｒ≦２０（回転／ｍｍ）として摩擦撹拌接合によって蓋材及び側材を一体とする接合部を形成し、
一体に接合された蓋材及び側材の表面に陽極酸化処理による皮膜を形成する
ことを特徴とするアルミニウム合金製パネル。