JP2711957B2

JP2711957B2 - アプセットバット溶接用アルミニウム合金材

Info

Publication number: JP2711957B2
Application number: JP3358726A
Authority: JP
Inventors: 俊樹村松; 宗太郎関田; 康信宮崎; 昌弘小原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH05179389A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車用２ピースホ
イールのリムなど、アプセットバット溶接を施して用い
られる用途のアルミニウム合金材に関し、特にアプセッ
トバット溶接に際してその溶接部の接合性を向上させる
とともに、アプセットバット溶接部の耐応力腐食割れ性
を向上させたアルミニウム合金材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミニウム合金を用いて自動車
用２ピースホイールのリムを製造する工程においては、
フラッシュバット溶接を使用するのが通常であったが、
最近ではアプセットバット溶接を採用することが多くな
っている。

【０００３】前者のフラッシュバット溶接法は、被溶接
材の溶接面間に一定の間隔を置き、大電流を流すことに
より、放電によるフラッシュ（電気火花）を発生させて
そのフラッシュの熱によって溶接面を加熱し、溶接面表
面に薄い溶融層が形成された状態で大加圧力を加えて溶
接面を圧接させる方法である。

【０００４】これに対し後者のアプセットバット溶接法
は、前述のような放電によるフラッシュの熱を利用した
ものではない点でフラッシュバット溶接法とは異なる。
すなわちアプセットバット溶接法は、被溶接材を各々電
極でクランプし、被溶接材端面を突き合わせて、最初に
所定の圧力で加圧し、加圧力を加えたままの状態で両電
極間に電圧を印加して所定の電流を流し、突き合わせ面
の接触抵抗及び材料の固有抵抗によるジュール熱により
突き合わせ面を加熱軟化させ、軟化部を加圧力により板
厚方向に押し出して接合する溶接法である。

【０００５】このようなアプセットバット溶接法は、従
来用いられていたフラッシュバット溶接法と比較すれ
ば、フラッシュ代分（フラッシュにより飛散もしくはガ
ス化して消失する分）の材料が節約できるとともに、処
理時間が短縮化され、またフラッシュ発生がないため作
業が安全でしかも作業環境の汚染がなく、機器の点検も
容易になるなどの利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般にアルミニウム合
金を用いた溶接部品を製造するにあたっては、溶接後に
さらに加工を施すことが多く、アプセットバット溶接を
適用した場合もこの例に洩れない。

【０００７】例えばアプセットバット溶接を適用して自
動車用２ピースホイールのリムを製造する場合、短円筒
形に丸めたアルミニウム合金板の端部同士を突き合わせ
て、その突合せ部をアプセットバット溶接した後、その
アプセットバット溶接によって押し出されたバリ部を削
除し、さらにフレアー加工、ロール成形、サイズを決定
するエクスパンド加工を経て最終的な製品に仕上げられ
る。このようにアプセットバット溶接後に各種の加工が
施されるため、接合部は加工によって伸ばされたり湾曲
せしめられたりするから、接合部が健全でなければ加工
時に割れが発生して製品の歩留り低下の原因となる。そ
こでアプセットバット溶接に用いられるアルミニウム合
金材についても、その材料自体の特性として、アプセッ
トバット溶接における接合性が良好であって、接合部で
の割れの発生の少ない材料が望まれる。

【０００８】ところでアプセットバット溶接法は、従来
は主に熱延鋼板に適用されており、アルミニウム合金に
対して適用することは少なかった。そのためアルミニウ
ム合金のアプセットバット溶接における接合性に関して
も従来は充分に検討されておらず、特にアルミニウム合
金の成分組成とアプセットバット溶接における接合性と
の関係についても明確とはなっていなかったのが実情で
ある。したがって従来は、アルミニウム合金を用いてア
プセットバット溶接により溶接部品を製造しようとする
場合、接合部に割れが発生して製品歩留りの低下を招く
ような事態を、確実かつ充分に防止することは困難であ
った。

【０００９】一方、自動車ホイール用のリム材で代表さ
れる、車両や船舶等の溶接構造材料としては、強度、成
形性、溶接性、耐食性に優れるＡｌ−Ｍｇ系合金が広く
用いられている。ところで自動車用ホイール等について
は、近年は省エネルギ、省コスト等の観点から軽量化、
薄肉化の要請が強まっており、そのためより高強度を有
する材料の開発が望まれている。Ａｌ−Ｍｇ系合金にお
いてその高強度を図るためにはＭｇ含有量の増量を図る
ことが有効である。しかしながら、Ｍｇ含有量が３．０
％以上の高ＭｇのＡｌ−Ｍｇ系合金においては、長期間
の経年変化によってβ相が粒界に析出し、応力腐食割れ
を生じる危険があるとされていた。したがって自動車ホ
イール用のＡｌ−Ｍｇ系合金についても、Ｍｇを３．０
％以上含有させて高強度化を図ることと、優れた耐応力
腐食割れ性を得ることとを同時に両立させることは困難
とされていた。

【００１０】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、アプセットバット溶接における接合性が良好
であって、接合部に割れの発生するおそれが少なく、し
かも強度と接合部の耐応力腐食割れ性とが同時に優れ
た、３．０％以上のＭｇを含有するＡｌ−Ｍｇ系のアル
ミニウム合金材を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、３．０％
以上のＭｇを含有するＡｌ−Ｍｇ系合金について、アプ
セットバット溶接による溶接部に関し鋭意実験・検討を
重ねた結果、アルミニウム合金に通常含まれている不純
物元素であるＦｅ，Ｓｉの含有量を規制するとともに、
適量のＢｅを添加することによって、強度および成形性
を損なうことなく、アプセットバット溶接による接合部
の接合性を向上させることができ、さらに適量のＣｕを
添加することによって接合部の耐応力腐食割れ性を著し
く改善し得ることを見出し、この発明をなすに至った。

【００１２】すなわち、本願の請求項１の発明のアプセ
ットバット溶接用アルミニウム合金材は、Ｍｇ３．０〜
５．０％、Ｃｕ０．０５〜１．００％、Ｂｅ０．０００
１〜０．０１％を含有し、かつＦｅが０．２５％以下、
Ｓｉが０．２０％以下にそれぞれ規制され、残部がＡｌ
および不可避的不純物よりなることを特徴とするもので
ある。

【００１３】また請求項２の発明のアプセットバット溶
接用アルミニウム合金材は、Ｍｇ３．０〜５．０％、Ｃ
ｕ０．０５〜１．００％、Ｂｅ０．０００１〜０．０１
％を含有し、さらにＭｎ０．１０〜１．３％、Ｃｒ０．
０５〜０．２０％、Ｚｒ０．０５〜０．２５％、Ｖ０．
０２〜０．３０％、Ｂｉ０．０６〜０．９０％のうちの
１種または２種以上を含有し、かつＦｅが０．２５％以
下、Ｓｉが０．２０％以下にそれぞれ規制され、残部が
Ａｌおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするも
のである。

【００１４】さらに請求項３の発明のアプセットバット
溶接用アルミニウム合金材は、請求項１もしくは請求項
２の合金材において、さらに０．２５％以下のＴｉを単
独でもしくは０．０５％以下のＢと組合されて含有して
いることを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】先ずこの発明のアプセットバット溶接用アルミ
ニウム合金材の成分組成の限定理由を述べる。

【００１６】Ｍｇ：Ｍｇはこの発明で対象とするＡｌ−
Ｍｇ系合金の必須元素であって、強度向上のために添加
される。Ｍｇ量が３．０％未満では強度向上が不充分
で、自動車用ホイール等の充分な高強度化が達成されな
い。Ｍｇ量が３．０％以上となれば従来合金では応力腐
食割れが生じるおそれがあったが、この発明の合金材で
はＭｇ量５．０％までは充分な耐応力腐食割れ性を得る
ことができる。Ｍｇ量が５．０％を越えれば母材の耐応
力腐食割れ性が低下するとともに、加工性が低下する。
したがってＭｇは３．０〜５．０％の範囲内とした。

【００１７】Ｃｕ：Ｃｕの添加によって、母材および接
合部の耐応力腐食割れ性、特に接合部の耐応力腐食割れ
性が顕著に改善される。Ｃｕ量が０．０５％未満ではそ
の効果が充分に得られず、一方１．００％を越えれば、
圧延時の耳割れが大きくなり、また一般的な耐食性の低
下が著しくなる。なお母材部に関しては、Ｃｕ添加によ
る耐応力腐食割れ性の改善効果は、焼鈍時の焼入れ速度
が速いほど顕著となる。

【００１８】Ｂｅ：Ｂｅはアルミニウム表面の酸化皮膜
の厚みを減少させる効果がある。そしてこのように酸化
皮膜を薄くすることによって、アプセットバット溶接時
における圧接による接合が強固となり、溶接後の加工時
において接合部の接合境界面からの割れの発生が減少す
る。したがってＢｅの添加によってアプセットバット溶
接の接合性が向上される。このような効果はＢｅ量が
０．０００１％以上で顕著となる。また一般にＡｌ−Ｍ
ｇ系合金にＣｕが添加された場合、鋳造割れが発生しや
すくなるが、Ｂｅを０．０００１％以上添加することに
よって鋳造割れの発生を防止することができる。但し、
０．０１％を越えてＢｅを添加してもこれらの効果が飽
和し、コスト上昇を招くとともに、鋳造作業時の毒性の
点からも好ましくなくなる。したがってＢｅの添加量は
０．０００１〜０．０１％の範囲内とした。

【００１９】Ｆｅ，Ｓｉ：ＦｅおよびＳｉは通常のアル
ミニウム合金において不可避的に含有される不純物元素
であるが、この発明の場合Ｆｅ量、Ｓｉ量を規制するこ
とによってアプセットバット溶接における接合性を向上
させることができる。Ｆｅ量が０．２５％を越えれば、
アプセットバット溶接における接合性が低下するから、
Ｆｅ量は０．２５％以下に規制する。なお、より最適な
Ｆｅ量は０．１５％以下である。またＳｉ量が０．２０
％を越えてもアプセットバット溶接における接合性が低
下するから、Ｓｉ量は０．２０％以下に規制する。な
お、より最適なＳｉ量は０．１５％以下であり、さらに
好ましくは０．１０％未満である。

【００２０】Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｂｉ：これらの元
素はアルミニウム合金の強度をより一層向上させるとと
もに、母材の耐応力腐食割れ性をより一層向上させ、さ
らに再結晶粒の微細化を通じて成形性をさらに向上させ
る効果があるため、請求項２の発明の場合においていず
れか１種または２種以上が添加される。Ｍｎが０．１０
％未満、Ｃｒが０．０５％未満、Ｚｒが０．０５％未
満、Ｖが０．０２％未満、Ｂｉが０．０６％未満では上
述の効果が充分に得られず、一方Ｍｎが１．３％を、Ｃ
ｒが０．２０％を、Ｚｒが０．２５％を、Ｖが０．３０
％をそれぞれ越えれば、鋳造時に粗大金属間化合物が生
成されて、成形性、靱性、圧延性が低下する。またＢｉ
が０．９０％を越えても、耐応力腐食割れ性向上への寄
与は飽和して、コスト的に不利となり、また耐食性が低
下する。したがってＭｎは０．１０〜１．３％、Ｃｒは
０．０５〜０．２０％、Ｚｒは０．０５〜０．２５％、
Ｖは０．０２〜０．３０％、Ｂｉは０．０６〜０．９０
％の範囲内とした。

【００２１】Ｔｉ，Ｂ：Ｔｉは鋳塊結晶粒の微細化に有
効であり、またＢはＴｉとともに添加することによって
同じく鋳塊結晶粒の微細化に寄与する。Ｔｉが０．２５
％を越えれば、またＢが０．０５％を越えれば鋳造時に
粗大な金属間化合物が生成されて、成形性、圧延性が低
下するから、Ｔｉは０．２５％以下、Ｂは０．０５％以
下とした。

【００２２】以上のほか、アルミニウム合金の不可避的
不純物としてＺｎが含有されることがあるが、Ｚｎが
０．３０％を越えて含有されれば耐食性が低下するか
ら、Ｚｎは０．３０％以下に抑えることが望ましい。

【００２３】次にこの発明のアルミニウム合金材の製造
方法を説明する。

【００２４】先ず前述のような成分組成の合金を通常の
鋳造法、例えば半連続鋳造法によって鋳造して鋳塊と
し、次いで必要に応じて均質化処理を行う。この均質化
処理は、保持温度を４５０〜６００℃、保持時間を０．
５〜２０時間とすることが好ましい。均質化処理の保持
温度が４５０℃未満、保持時間が０．５時間未満では、
鋳塊が充分に均質化されない。また、均質化処理の保持
温度が６００℃を越えれば、表面酸化が激しくなって圧
延板の表面品質が著しく低下する。また均質化処理で２
０時間を越える保持を行っても、均質化の効果は飽和
し、エネルギー的に不経済となるだけである。

【００２５】均質化処理後の鋳塊に対しては、熱間圧延
を行なって所要の板厚とする。この熱間圧延は、４００
〜５５０℃の範囲内の温度で開始し、１５０〜３５０℃
の範囲内の温度で終了させることが好ましい。熱間圧延
開始温度が４００℃未満では熱間圧延の生産性が低下
し、一方５５０℃を越えれば粗大な再結晶粒が出現して
圧延板の表面性能が損なわれる。熱間圧延終了温度が１
５０℃未満では圧延機のトルクが過大になるとともに、
焼き付きを起こし易くなり、一方３５０℃を越えれば焼
鈍した時の再結晶粒が大きくなるおそれがある。

【００２６】熱間圧延後には、必要に応じて冷間圧延を
行なって最終板厚とし、さらにその後２８０〜５８０℃
で焼鈍して軟質材とするのが通常である。焼鈍温度が２
８０℃未満では再結晶が完全に起こらない場合があり、
一方５８０℃を越える高温で焼鈍すれば表面酸化が進む
ので好ましくない。焼鈍方法としては、一般に使用され
るバッチタイプの焼鈍炉（加熱速度：最大数十℃／hr、
冷却速度：数℃〜数十℃／hr）を用いた焼鈍、および連
続焼鈍炉（加熱速度：数℃〜数百℃／sec 、冷却速度：
数℃〜数百℃／sec ）を用いた焼鈍のいずれでもよい。
さらに、バッチタイプの炉の炉内温度を所定の温度に保
持しておき、その炉内に数枚ずつ板を押し込んで焼鈍し
ても良く、また所定の温度に保持されたソルトバス中に
板を浸漬して焼鈍してもよい。焼鈍後の焼き入れは、水
焼き入れ、ミスト焼き入れ、強制空冷（エアー吹き付
け）のいずれでもよい。

【００２７】以上のようにして得られた前記成分組成の
アルミニウム合金軟質材は、高強度を有するとともに成
形性が良好であるばかりでなく、特にアプセットバット
溶接接合部の接合性に優れ、アプセットバット溶接後に
各種の成形加工を行なっても溶接接合部に割れが発生す
るおそれが少なく、しかも母材とアプセットバット接合
部、特にアプセットバット接合部の耐応力腐食割れ性が
優れている。

【００２８】なお前述の製造方法では、板材（圧延材）
を製造する場合について示したが、板材に限らず、各種
形材、棒材、あるいは線材等としても良いことはもちろ
んである。

【００２９】

【実施例】表１に示す成分組成の合金鋳塊を半連続鋳造
により鋳造した。得られた厚さ４５０mmの鋳塊に対し５
３０℃で６時間均質化処理を行い、次いで熱間圧延を４
９０℃で開始し、２５０℃で終了させて、厚さ７．０mm
の熱延板を得た。次いで冷間圧延によって板厚５．０mm
とした。なお表１の合金No．４においては、熱間圧延上
りで板厚５．０mmとした。その後、一部の合金を除きバ
ッチ炉によって不活性雰囲気中において３５０℃で２時
間焼鈍して、軟質材とした。残りの合金（No．２，No．
４，No．１０）については、電磁加熱炉（加熱速度：数
十℃／sec ）で５００℃×０．５分の焼鈍を行ない、続
いてミスト焼入れ（冷却速度：数十℃／sec ）を行なっ
て軟質材とした。

【００３０】このようにして製造された各合金板（厚さ
５．０mm、幅２００mm）を、表２に示す一定の条件でア
プセットバット溶接し、接合部のバリを除去した後、曲
げ半径Ｒ＝７．０mmで接合部を中心に１８０°曲げ試験
を行った。そしてこの曲げ試験による接合部での割れ発
生状況を目視により観察し、割れ発生率を調べた。ま
た、各合金板の機械的性質を調べるとともに、成形性評
価としてＬＤＲ（限界絞り比）を調べるとともに、再結
晶粒径を調べた。これらの結果を表３に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】表３から明らかなように、Ｆｅ量が０．２
５％を越えかつＳｉ量が０．２０％を越えた比較合金
（No．１５）、Ｓｉ量が０．２０％を越えた比較合金
（No．１６，No．１９）、Ｆｅ量が０．２５％を越えた
比較合金（No．２０）、およびＦｅ量が０．２５％を越
えかつＢｅを添加しなかった比較合金（No．１７）で
は、アプセットバット溶接による接合部の曲げ試験によ
る割れ発生率が最低でも４．５％以上に達したのに対
し、Ｆｅ，Ｓｉを規制しかつＢｅを添加した発明合金
（No．１〜No．１３）および比較合金（No．１４）では
割れ発生率を１．７％以下に抑制することができた。し
たがってＦｅ量、Ｓｉ量の規制およびＢｅの添加がアプ
セットバット溶接における接合性の改善に有効であるこ
とが判る。なおNo．１８の比較合金では、Ｃｕを０．３
０％含有するにもかかわらず、Ｂｅを添加しなかったた
め、鋳造割れが発生してしまい、圧延が不可能となり、
その後の試験も実施できなかった。

【００３５】なおこの発明の成分組成範囲内の発明合金
（No．１〜No．１３）は、いずれも再結晶粒径、成形性
の点で、従来から自動車用ホイール材として使用されて
いるＡｌ−Ｍｇ系合金であるＪＩＳＡ５４５４合金と
比較してなんら遜色はなく、強度の面ではＪＩＳＡ５
４５４合金よりも優れていることが明らかである。

【００３６】次いで、各合金について前述のように表２
の条件でアプセットバット溶接した継ぎ手の接合部のバ
リを除去した後、成形加工に相当する圧延率３０％の冷
間圧延を行い、その後応力腐食割れ促進のために１２０
℃で１６８時間の増感処理を行った。この１２０℃、１
６８時間の増感処理は、常温での１５年間程度の年月に
相当すると言われている。このようにして得た母材およ
びアプセットバット接合部を応力腐食試験に供した。こ
の応力腐食試験は、３．５％ＮａＣｌ水溶液中で耐力の
８０％の応力を加えた状態で、５mA／cm²の陽極電流を
付加して実施した。この試験方法は、厳しい促進試験方
法であるが、実際の自然状態下での応力腐食割れ傾向を
良く反映するとされている試験方法である。この応力腐
食割れ試験の結果を表４に示す。

【００３７】

【表４】

【００３８】表４から明らかなように、Ｍｇを３．０％
以上含むが０．０５％以上のＣｕを添加しなかった比較
合金（No．１４〜No．１７）においては、母材に比べて
アプセットバット接合部の応力腐食割れ寿命が著しく低
下しているのに対し、Ｍｇを３．０％以上含有しかつ
０．０５％以上のＣｕを添加した発明合金（No．１〜N
o．１３）においては、アプセットバット接合部も母材
と同程度の応力腐食割れ寿命を有することが明らかであ
る。したがってＣｕの添加による応力腐食割れ性向上の
効果が大きいことが判る。

【００３９】なお、この発明のアルミニウム合金材をア
プセットバット溶接する際の溶接条件は、表２に記載さ
れた条件に限定されないことはもちろんであり、表２以
外の条件によるアプセットバット溶接の場合にも接合性
が良好であることはもちろんである。

【００４０】

【発明の効果】前述の実施例からも明らかなように、こ
の発明のアプセットバット溶接用アルミニウム合金材
は、高ＭｇのＡｌ−Ｍｇ系合金におけるＦｅ量およびＳ
ｉ量を規制するとともに適量のＢｅを添加することによ
って、アプセットバット溶接による接合部の接合性を向
上させることができ、そのためアプセットバット溶接後
に成形加工を行なう場合でも接合部に割れが発生するお
それが極めて少ないから、自動車用ホイール等の製品の
歩留りを著しく向上させることができ、しかも３．０％
以上のＭｇを含有しているにもかかわらず、アプセット
バット溶接部の耐応力腐食割れ性を充分に確保すること
ができ、さらには高Ｍｇのため高強度を有するから、耐
応力腐食割れを招くことなく、自動車用ホイール等の高
強度化、薄肉化を図ることができる。したがってこの発
明のアプセットバット溶接用アルミニウム合金材は、自
動車用２ピースホイールのリムで代表される溶接部品、
溶接構造材に最適であり、またそのほか各種機械部品や
電縫管などにも適用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮崎康信千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者小原昌弘千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (56)参考文献特開昭57−210944（ＪＰ，Ａ) 中村孝外２名著「現代溶接技術大系第８巻抵抗溶接」（昭55−１−23) 産報出版株式会社Ｐ．155〜158

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍｇ３．０〜５．０％（重量％、以下同
じ）、Ｃｕ０．０５〜１．００％、Ｂｅ０．０００１〜
０．０１％を含有し、かつＦｅが０．２５％以下、Ｓｉ
が０．２０％以下にそれぞれ規制され、残部がＡｌおよ
び不可避的不純物よりなることを特徴とする、アプセッ
トバット溶接部の接合性と耐応力腐食割れ性に優れたア
プセットバット溶接用アルミニウム合金材。
【請求項２】Ｍｇ３．０〜５．０％、Ｃｕ０．０５〜
１．００％、Ｂｅ０．０００１〜０．０１％を含有し、
さらにＭｎ０．１０〜１．３％、Ｃｒ０．０５〜０．２
０％、Ｚｒ０．０５〜０．２５％、Ｖ０．０２〜０．３
０％、Ｂｉ０．０６〜０．９０％のうちの１種または２
種以上を含有し、かつＦｅが０．２５％以下、Ｓｉが
０．２０％以下にそれぞれ規制され、残部がＡｌおよび
不可避的不純物よりなることを特徴とする、アプセット
バット溶接部の接合性と耐応力腐食割れ性に優れたアプ
セットバット溶接用アルミニウム合金材。
【請求項３】請求項１もしくは請求項２のアプセット
バット溶接用アルミニウム合金材において、さらに０．
２５％以下のＴｉを単独でもしくは０．０５％以下のＢ
と組合されて含有している、アプセットバット溶接部の
接合性と耐応力腐食割れ性に優れたアプセットバット溶
接用アルミニウム合金材。