JP2860075B2 - アルミニウム合金溶加材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接構造材として使用
されるアルミニウム合金材を溶接する場合において、そ
の溶接に使用する溶加材として好適のアルミニウム合金
溶加材に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接構造材用アルミニウム合金には、Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金又はＡｌ−Ｍｇ系合金等がある。
これらのアルミニウム合金構造材を溶接する場合には、
Ａｌ−Ｍｇ系の５１８３合金、５３５６合金若しくは５
５５４合金又はＡｌ−Ｓｉ系の４０４３合金若しくは４
０４７合金等からなる溶加材が使用され、ミグ（ＭＩ
Ｇ）又はティグ（ＴＩＧ）溶接により前記構造材が溶接
されて組み立てられている。

【０００３】また、最近では溶接母材の種々の特性を向
上させるために、例えば微量のＺｎ又はＣｕ等を母材に
添加する場合がある。しかし、Ｚｎ又はＣｕ等が添加さ
れた母材を溶接すると、溶接性が低下する場合が多いと
いう難点がある。また、このようにＺｎ又はＣｕ等が添
加された母材の場合であっても、従来、微量元素が添加
されていない母材と同様の溶加材が使用されている。

【０００４】ところで、アルミニウム合金からなる母材
を溶接する場合には、特に溶接割れに留意する必要があ
る。アルミニウム合金材の溶接割れはすべて高温割れで
あり、ビード割れ及びクレータ割れ等に代表される溶接
金属割れと、溶接母材の熱影響部に発生する所謂溶接熱
影響割れとに大別される。

【０００５】従来、溶接熱影響部に発生する割れを抑制
するために、溶接母材の化学成分を制御したり、溶接条
件のうちの溶接入熱を抑制したりしている。これは、割
れの発生部位が基本的には母材部分であること、また母
材が高温に曝される時間を短縮することが割れの防止に
有効であるからである。

【０００６】しかし、母材の化学成分を制御したり、溶
接入熱を制御しても、溶接金属の割れ及び溶接熱影響割
れの発生を十分に抑制することはできない。これらの割
れ防止方法の他に割れの発生を抑制する方法として、Ａ
ｌ−Ｓｉ系の４０４３合金からなる溶加材を使用して溶
接することが有効であるといわれている。これは、４０
４３合金の凝固収縮量が他の合金のそれに比べて少ない
こと等によると考えられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、４０４
３合金を溶加材として使用する場合であっても、以下の
ような問題点がある。

【０００８】即ち、４０４３合金の溶加材を使用してア
ルミニウム合金からなる母材を溶接すると、溶接熱影響
割れの発生は少なくなるものの、完全に割れを防止する
ことはできない。また、母材に要求される割れ防止以外
の特性として、例えば成形性、ベーキング性（塗装焼き
付けの熱サイクルにより構造材の強度を向上させる）、
糸錆性及び強度等がある。更に、押出し材の場合にはそ
れらに加えてプレス焼入れ性等も要求される。そして、
これらの特性に関して、今後、より一層厳しい要求がな
されると考えられる。なお、母材の溶接性については、
前述した種々の特性と対峙することが多く、母材の成分
を適正化すると共に、溶接時に４０４３合金溶加材を使
用しても、全ての特性を満足できることはない。従っ
て、溶接熱影響部に発生する割れを防止するには不十分
である。

【０００９】また、４０４３合金自体の強度が低いた
め、溶加材の送給性が低く、溶加材が座屈しやすく、ま
たバーンバックに至りやすいという難点がある。このた
め、作業性が劣化してしまう。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、溶接熱影響部及び溶接金属の割れを防止で
き、特に溶接熱影響部における割れを十分に防止するこ
とができるアルミニウム合金溶加材を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム合金溶加材は、Ｓｉ：５乃至１３重量％、Ｍｇ：０．
５乃至２重量％及びＺｒ：０．０５乃至０．３０重量％
を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、水
素含有量が１．０ｃｃ／１００ｇ以下に規制されている
ことを特徴とする。また、前述の化学成分に加えてＴ
ｉ：０．０５乃至０．２重量％及びＢ：０．０１乃至
０．２重量％からなる群から選択された１種又は２種の
元素を含有してもよい。

【００１２】

【作用】本願発明者等は、母材の溶接熱影響割れを低減
することができるアルミニウム合金溶加材を開発すべ
く、種々の実験研究を行った。先ず、溶加材による割れ
の影響を究明するために、溶接熱影響部に発生した割れ
の近傍を光学顕微鏡で観察したり、ＥＰＭＡ分析装置等
によって分析した。その結果、溶加材の種類によって割
れ近傍部分の成分組織が異なること、及び前記割れ近傍
部が溶加材の成分に類似していることを知見した。この
ことから、本願発明者等は、溶接熱影響部に発生する溶
接ミクロ割れが、以下のメカニズムで発生すると考え
た。

【００１３】即ち、先ず、溶接熱により母材の溶接熱
影響部における結晶粒界が局部的に溶融する。次に、
溶接時の熱応力又は連続溶接時において既に凝固しよう
としている溶接金属による凝固収縮応力により、上述の
において溶融した結晶粒界が開口する。その後、溶
融している溶接金属（以下、「溶接金属融液」という）
が前記結晶粒界の開口部に流入又は吸入される。そし
て、前記開口部に溶接金属融液が充填されない場合に割
れが発生する。

【００１４】以上のようにして割れが発生すると考える
と、溶接熱影響部の割れを防止するためには、溶接金属
融液が熱影響部における結晶粒界の開口部へ充填される
ことが必要である。そして、これを実現させるために
は、溶接金属の固相線温度よりも、母材の固相線温度の
方が高いことが必要である。

【００１５】なお、溶加材に要求される特性には、上記
条件を満足すること以外に、一般的溶接性、即ち溶接金
属部の割れ及び強度並びに送給性等を満足する必要もあ
る。

【００１６】本発明は以上のような知見に基づいてなさ
れたものである。以下、本発明に係るアルミニウム合金
溶加材の成分添加理由及び組成限定理由について説明す
る。

【００１７】Ｓｉ（シリコン）：５乃至１３重量％ Ｓｉは、溶接金属融液の湯流れ性を向上させると共に、
溶接金属の液相線温度を低下させる元素である。Ｓｉを
溶加材に添加することにより、溶接金属融液が母材熱影
響部における結晶粒界の開口部に流入しやすくなり、溶
接金属割れの発生を抑制すると共に、熱影響部のミクロ
割れの発生も抑制する。Ｓｉの添加量が５重量％未満で
あると、前述の効果を十分に得ることができず、また１
３重量％を超えてＳｉが添加されると、溶接金属の液相
線温度は却って上昇し、溶接ビードの形成が不安定とな
る。従って、Ｓｉの添加量は５乃至１３重量％とする。

【００１８】Ｍｇ（マグネシウム）：０．５乃至２重量
％ Ｍｇは、溶接金属の強度を向上させると共に、溶接金属
の固相線温度を低下させて、熱影響部におけるミクロ割
れの発生を抑制する元素である。Ｍｇの添加量が０．５
重量％未満であると、前述の効果を十分に得ることがで
きず、また２重量％を超えてＭｇが添加されると、Ｓｉ
との共存下において加工性が低下し、製品として溶加材
を製造することができない。従って、Ｍｇの添加量は
０．５乃至２重量％とする。

【００１９】Ｚｒ（ジルコニウム）：０．０５乃至０．
３０重量％ Ｚｒは、溶接金属の結晶粒を微細化し溶接金属割れを抑
制すると共に、溶接金属の強度を向上させる元素であ
る。この溶接金属の強度が高くなることにより、継手強
度が高くなる。また、Ｚｒの添加により溶加材の強度も
向上し、送給性が向上する。Ｚｒの添加量が０．０５重
量％未満であると、前述の効果を十分に発揮することが
できず、また０．３０重量％を超えてＺｒが添加される
と、巨大晶出物が発生しやすくなり、加工性が低下し溶
加材の製造が困難となる。従って、Ｚｒの添加量は０．
０５乃至０．３０重量％とする。

【００２０】Ｔｉ（チタン）：０．０５乃至０．２重量
％ Ｔｉは、溶接金属の結晶粒を微細化することにより溶接
金属の割れを抑制する元素である。このため、Ｔｉを必
要に応じて添加することが好ましい。Ｔｉの添加量が
０．０５重量％未満であると、前述の効果を十分に発揮
することができず、また０．２重量％を超えてＴｉが添
加されると、アルミニウムとの化合物により溶接金属の
靱性が低下してしまう。従って、Ｔｉの添加量は０．０
５乃至０．２重量％とする。

【００２１】Ｂ（ボロン）：０．０１乃至０．２重量％ Ｂは、Ｔｉと同様に溶接金属の結晶粒を微細化し溶接金
属の割れを抑制する元素である。このため、Ｂを必要に
応じて添加することが好ましい。Ｂの添加量が０．０１
重量％未満であると、前述の効果を十分に発揮すること
ができず、また０．２重量％を超えてＢが添加される
と、溶接金属の靱性が低下したり、溶接金属融液の粘性
が増加することによりブローホールが増加してしまう。
このため、母材の熱影響部におけるミクロ割れの発生を
抑制することができない。従って、Ｂの添加量は０．０
１乃至０．２重量％とする。

【００２２】なお、不可避的不純物としてのＦｅは、
０．８重量％以下であれば、本発明の効果に影響を与え
ることはないため、許容される。

【００２３】水素含有量：１．０ｃｃ／１００ｇ アルミニウムの溶接においては、ブローホールの発生が
しばしば問題となる。これは、鋼に比べてアルミニウム
の固相−液相間の水素固溶量差が大きく、水素が溶接凝
固時にガスとして溶接金属内に残留発生しやすいからで
ある。これらのブローホールは、多数存在してもよほど
のことがない限り、継手強度を低下させてしまうことは
ないものの、余盛を削除することによりブローホールが
表面に現れると、疲労強度が著しく低下してしまう虞れ
がある。そこで、本願発明者等は鋭意研究を行った結
果、ブローホール量を工業的に問題とならない程度まで
に抑制するためには、溶加材における水素含有量を１．
０ｃｃ／１００ｇ以下に規制することが好ましいことを
知見した。なお、より好ましくは０．６ｃｃ／１００ｇ
である。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、本発明の特
許請求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。

【００２５】本実施例においては、下記表１に示す化学
成分からなる合金を使用し、溶加材として直径２ｍｍの
ティグ溶接棒を合計１６種類製造した。また、本実施例
において使用した母材は、溶接構造材の代表的なＡｌ−
Ｍｇ−Ｓｉ系合金からなるＡ６Ｎ０１合金板であり、そ
の板厚は２ｍｍである。なお、下記表１において、本発
明の特許請求の範囲から外れる元素の添加量について
は、その値に下線を付して示す。また、比較例Ｎｏ５の
溶加材は、４０４３合金相当材からなるものである。

【００２６】

【表１】

【００２７】また、上記表１に示す組成の各溶加材を使
用して溶接した場合の溶接金属における固相温度、液相
温度及び固相−液相間の温度範囲について、下記表２に
示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】上記表１に示す化学成分からなる溶接棒を
使用し、以下のようにして、溶接熱影響部の割れ試験及
び溶接金属の割れ試験を行った。

【００３０】溶接熱影響部の割れ試験 図１は、溶接熱影響部の割れ試験に使用した母材を示す
断面図である。この図１に示すように、母材１の表面に
ティグアークによるスポット溶接を施し、溶接金属２を
形成した。そして、母材１の裏面の熱影響部に発生する
割れをカラーチェックにて評価した。このときの割れ率
が５０％未満である場合、５０％以上〜６０％未満であ
る場合、６０％以上〜８０％未満である場合及び８０％
以上である場合を夫々優良、良好、やや不良及び不良と
して、下記表３に夫々「◎」、「○」、「△」及び
「×」により示す。

【００３１】溶接金属の割れ試験 図２は、フィッシュボーン式割れ試験に使用した試験片
を示す上面図である。溶接金属の割れを評価するため
に、図２に示すように、拘束力を可変的に変化させたフ
ィッシュボーン試験片４の表面において、溶接線５に沿
って矢印の方向にティグ溶接にてビードを形成した。な
お、この試験片は寸法がＬ＝１００〜１２０ｍｍ、Ｈ₁
＝６５ｍｍ、Ｈ₂＝５５ｍｍ、ｔ₁＝１２．７ｍｍ及びｔ
₂＝１．０ｍｍであるものを使用した。

【００３２】そして、ビード全長に対して、ビードに生
じた割れの長さの割合により溶接金属の割れを評価し
た。この溶接金属の割れ試験において、２種類の試験片
を使用し、下記表３に示す割れ率１及び２は夫々６Ｎ０
１合金及びＡｌ−５％Ｍｇ−１％Ｚｎ合金からなる試験
片を使用した場合の割れ率である。

【００３３】このときの割れ率が、０％〜２０％未満で
ある場合、２０％以上〜３０％未満である場合及び３０
％以上である場合を夫々良好、やや不良及び不良とし
て、下記表３の溶接金属割れの評価の欄に夫々「○」、
「△」及び「×」により示す。なお、この溶接金属割れ
の評価は、割れ率１と割れ率２との平均値（（［割れ率
１］＋［割れ率２］）÷２）によって評価したしたもの
である。

【００３４】また、溶接棒の送給性についても評価し
た。この送給性を評価するために、溶接棒の０．２％耐
力を測定した。このときの耐力が、１９．５ｋｇ／ｍｍ
²以上である場合、１８ｋｇ／ｍｍ²以上〜１９．５ｋｇ
／ｍｍ²未満である場合及び１８ｋｇ／ｍｍ²未満である
場合を夫々良好、やや不良及び不良として、下記表３に
夫々「○」、「△」及び「×」により示す。

【００３５】更に、熱影響割れ、溶接金属割れ及び送給
性を総合的に評価して、下記表３の総合評価の欄に示
す。この総合評価は、各評価の「◎」、「○」、「△」
及び「×」を夫々３、２、１及び０点として、３つの評
価点を乗じた結果、その値が５点以上、１〜４点及び０
点の場合を夫々優良、良好及び不良として、夫々
「◎」、「○」及び「×」で示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】上記表３に示すように、実施例Ｎｏ１〜９
については、熱影響割れ、溶接金属割れ又は送給性がや
や不良となるものがあるものの、総合的にいずれも良好
以上の結果が得られた。

【００３８】また、比較例Ｎｏ１については、溶接棒に
おけるＳｉの添加量が少ないため、熱影響割れ及び溶接
金属割れの割れ率がいずれも大きくなってしまった。一
方、比較例Ｎｏ２については、溶接金属割れが良好であ
るものの、溶接棒の加工性が悪く耐力を測定することが
できなかった。

【００３９】比較例Ｎｏ３については、溶接棒における
Ｍｇの添加量が少ないため、熱影響割れの発生率が大き
くなってしまった。比較例Ｎｏ４については、溶接棒に
おけるＺｒの添加量が少ないため、溶接金属割れの発生
率が大きくなってしまった。比較例Ｎｏ５及び７につい
ては、溶接棒にＭｇ及びＺｒが添加されておらず、いず
れも熱影響割れが大きくなり、比較例Ｎｏ５は更に耐力
も実施例に比べて低くなった。また、比較例Ｎｏ６につ
いては、溶接棒にＭｇが添加されていないため、熱影響
割れが大きくなってしまった。

【００４０】次に、第２の実施例として、溶加材の水素
含有量を変化させて溶接を行った場合について説明す
る。

【００４１】本実施例においては、厚さ２ｍｍのＡ６Ｎ
０１−Ｔ５合金板に、ミグ溶接によって横向き姿勢によ
る突合せ溶接を施した。このときの溶加材として、上述
の第１の実施例において使用した実施例Ｎｏ７の溶加材
（直径：１．２ｍｍ）と同一の組成からなり、種々の水
素量を含有したものを使用した。なお、溶接時の溶接電
流、溶接電圧及び溶接速度は、夫々９０Ａ、１７Ｖ及び
５５ｃｍ／分とした。その結果を、溶加材の水素含有量
と併せて下記表４に示す。

【００４２】なお、溶加材の水素含有量は、真空溶融抽
出法により調整した。また、Ｘ線判定結果は、ＪＩＳＺ
３１０５による判定方法に準拠し、ブローホール数は、
Ｘ線フィルム上の２００ｍｍ溶接長における全数をカウ
ントした結果を示す。

【００４３】

【表４】

【００４４】上記表４に示すように、実施例Ｎｏ１０〜
１２については、いずれもＸ線判定結果は２等級以上で
あり、またブローホール数も２５０以下に抑制すること
ができた。特に、溶加材の水素含有量が０．６ｃｃ／１
００ｇ以下である比較例Ｎｏ１１及び１２については、
いずれも等級が１であり、ブローホール数も１００個以
下と極めて優れていることがわかる。

【００４５】一方、比較例Ｎｏ８については、水素含有
量が所定量より大きいため、Ｘ線判定結果及びブローホ
ール数が実施例に比して劣った結果となった。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の化学成分からなる溶加材を使用してアルミニウム
合金等からなる溶接構造材を溶接するので、溶接金属割
れを防止できると共に、特に溶接熱影響部におけるミク
ロ割れの発生も低減することができ、耐割れ性が優れた
溶接部を得ることができる。また、溶加材の水素含有量
を所定量に規制することにより、ブローホールの発生を
抑制して優れた溶接部を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接熱影響部の割れ試験に使用した母材の割れ
を示す断面図である。

【図２】フィッシュボーン式割れ試験に使用した試験片
を示す上面図である。

【符号の説明】

１；母材 ２；溶接金属 ３；割れ ４；フィッシュボーン試験片 ５；溶接線

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−143792（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−280992（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−208296（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−105789（ＪＰ，Ａ) 特公 昭53−42533（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平５−57076（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭52−40893（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 35/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ：５乃至１３重量％、Ｍｇ：０．５
   乃至２重量％及びＺｒ：０．０５乃至０．３０重量％を
   含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、水素
   含有量が１．０ｃｃ／１００ｇ以下に規制されているこ
   とを特徴とするアルミニウム合金溶加材。
2. 【請求項２】 Ｓｉ：５乃至１３重量％、Ｍｇ：０．５
   乃至２重量％及びＺｒ：０．０５乃至０．３０重量％を
   含有し、更にＴｉ：０．０５乃至０．２重量％及びＢ：
   ０．０１乃至０．２重量％からなる群から選択された１
   種又は２種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不
   純物からなり、水素含有量が１．０ｃｃ／１００ｇ以下
   に規制されていることを特徴とするアルミニウム合金溶
   加材。