JP3360764B2 - アルミニウム合金溶接構造物 - Google Patents

アルミニウム合金溶接構造物

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卓志 入江
裕一 古川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム合金構造物
におけるナゲット部の強度向上技術に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミニウム合金(含むアルミニウム)
は、軽く、耐食性がよく、加工性がよいことから航空
機、車両等に好んで採用される。アルミニウム合金同士
を溶接して大きな構造物を製造するが、このときの溶接
にはTIG、MIG、レーザ、スポット溶接、その他の
方法が採用される。前記TIG、MIG、又はレーザ法
では、溶接部での破断を防止するために余盛をすること
が多い。余盛によって接合部の断面積を増大し、切断に
対抗させるものである。しかし、このような余盛は、型
プレス工程で型を傷めることになるので用途が限定され
る。
【0003】そこで、抵抗溶接の一種であるスポット溶
接法が有利となる。しかし、アルミニウム合金の溶融接
合部(以下「ナゲット部」と言う)の強度は母材の強度
より低くなる傾向にあり、特にスポット溶接ではナゲッ
ト部の強度が母材の強度の60%以下に低下することは
珍しくない。それゆえにスポット溶接では、電流値を上
げて接合面積を増加させる、又は、スポット点の数を増
加させる等の対策を講じている。
【0004】しかし、電流値を上げるには設備を大型
化、高性能化する必要があってイニシャルコストを増す
という不都合があり、またスポット点の数を増すことは
工数の増加となってコストアップの要因となる。
【0005】そこで、アルミニウム合金同士の間に、亜
鉛薄膜を介在させる改良技術が特公昭54−41550
号で提案されている。即ち、アルミニウム板とアルミニ
ウム板の抵抗溶接部に予め亜鉛薄膜を介在させて抵抗溶
接時に亜鉛を瞬間的に溶融せしめて局部的な高抵抗部を
形成して電力を集中させ、ナゲット部をAl−Znの固
溶化、析出を図り、接合部の強度向上を図るというもの
である。上記亜鉛薄膜をTi薄層に変更したのものが特
公昭59−26392号、又亜鉛薄膜をステンレス鋼薄
板に変更したのものが特公昭59−26393号で提案
されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記亜鉛薄
板、Ti薄層、ステンレス鋼薄板はいずれも局部的に抵
抗を高める作用は発揮されるものの、ナゲット部の強度
を母材まで引き上げるに至ってない。これは、アルミニ
ウムに対して亜鉛は固溶するが格子定数差が小さいため
に固溶強化は小さい。また、アルミニウムに対してTi
の固溶限が0.15wt%、そしてFe(鉄)の固溶限
が0.05wt%と極めて小さいためにこれらによる固
溶化効果が小さいためである。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは種
々の溶接方法を研究し、マグネシウムがアルミニウムに
対する固溶限が高く、ナゲット部の強度向上に好適であ
ることを突き止めるに至った。具体的には、アルミニウ
ム合金間に、マグネシウムが40〜75wt%で残部が
アルミニウムの組成の混合粉末を介在させて、抵抗溶接
してなるアルミニウム合金溶接構造物において、抵抗溶
接で生成されたナゲット部に母材より多くのマグネシウ
ムを含有させることにより強いアルミニウム合金構造物
を得ることができる。
【0008】ナゲット部のマグネシウムの含有割合は5
〜17wt%であることが好ましい。更に前記ナゲット
部に0.05〜5wt%のクロムを含有させる、若しく
は0.1〜5wt%のマンガンを含有させた物も高強度
となる。
【0009】ナゲット部に、マグネシウムとともに母材
よりも多くの亜鉛を含有させても強度向上を図れる。
【0010】
【作用】ナゲット部にマグネシウム等を含有させるに
は、アルミニウム合金同士の間にマグネシウム粉末を主
体とした混合粉末を介在させ、この状態でスポット溶接
すればよい。
【0011】マグネシウムはアルミニウムに対して17
wt%まで固溶できるので、固溶効果は大きい。それゆ
えに、マグネシウムの含有量を母材よりも0.5wt%
以上大きくすればナゲット部は強化される。しかし、マ
グネシウムの含有量が17wt%を超えるとAl−Mg
系金属間化合物(Al3Mg2)の粒界晶出量が過大とな
るため脆化し強度低下を生じる。よって、マグネシウム
の含有量は好しくは5〜17wt%である。
【0012】また、ナゲット部にマグネシウムとともに
クロムを含有させると、クロムの粒界優先晶出効果によ
りAl−Mg系金属間化合物(Al3Mg2)の晶出を抑
制できるため固溶強化を維持できる。加えて、クロム自
体のアルミニウムへの固溶強化が期待できるため更に強
度を高めることができる。ただし、クロムの含有量が
0.05wt%未満ではクロムの晶出量が少な過ぎてこ
の効果が発揮されず、また、5wt%超ではAl−Mg
系金属間化合物の粒界晶出量が過大となるため脆化し強
度低下を生じる。よって、クロムの含有量は0.05〜
5wt%が適当である。
【0013】更に、ナゲット部にマグネシウムとともに
マンガンを含有させると、クロムと同様に粒界優先晶出
効果によりAl−Mg系金属間化合物(Al3Mg2)の
晶出を抑制できるため固溶強化を維持できる。ただし、
マンガンの含有量が0.1wt%未満ではマンガンの晶
出量が少な過ぎてこの効果が発揮されず、また、5wt
%超ではAl−Mg系金属間化合物の粒界晶出量が過大
となるため脆化し強度低下を生じる。よって、マンガン
の含有量は0.1〜5wt%が適当である。
【0014】また、マグネシウムと亜鉛とを含有させる
ことにより、マグネシウムに固溶強化をなさしめ、亜鉛
に溶接接合面積の増加をなさしめて、併せてナゲット部
の強度向上を図る。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れに限定されるものではない。 実施例1〜5及び比較例1,2: 被溶接材(母材); 材質;Al−Mg系アルミニウム合金(A5182材)
圧延材 板厚;1.2mm 溶接条件; 電源;インバータ式 電流;10kA又は12kA 加圧力;400kgf 混合粉末; 塗布量;0.03g/cm2 組成;マグネシウム粉末(300μm以下)とアルミニ
ウム粉末(150μm以下)との混合物。
【0016】混合粉末の組成を実施例1〜5でそれぞれ
変更し、比較例1は混合粉末を介在させないことを条件
にスポット溶接し、生成したナゲット部のマグネシウム
の含有量、接合面積、引張剪断荷重を調べ、引張剪断強
度を計算したのでその結果を表1に示す。なお、引張剪
断荷重は引張荷重によって接着面に剪断応力を加え、接
着接合面が破断した時の荷重をいう。
【0017】
【表1】
【0018】表1に示す通り、従来方法による比較例1
では引張剪断強度が6.9kgf/mm2であり、同強
度の評価点を8kgf/mm2とすれば、評価は×とな
る。一方、40〜75wt%Mg−残りAlの組成の混
合粉末を介在させてスポット溶接した実施例1〜5は、
引張り剪断強度がいずれも8.0kgf/mm2を超
え、評価は○であった。しかし、40wt%Mg−残り
Alの組成の混合粉末を介在させたにも拘らず、溶接電
流が10kAと低めで且つ溶接時間が5cy.と短かっ
た比較例2では、ナゲット部のMg濃度が19.4wt
%と高く、引張り剪断強度が6.3kgf/mm2と最
も低く、評価は×であった。Mg濃度が17wt%を超
えたためにAl−Mg系金属間化合物の粒界晶出量が過
大となったと推定する。
【0019】図1は本発明に係るナゲット部のMg濃度
と引張剪断強度の相関グラフであり、表1をグラフ化し
たものである。従って、表1及び図1からはナゲット部
のMg含有量は5〜17wt%であることがよい結果と
なることが分る。
【0020】
【表2】
【0021】表2はマグネシウム−アルミニウムベース
の混合粉末に、マンガン(Mn)、クロム(Cr)を添
加したものである。なお、母材は純アルミニウム(A1
050)を使用した。比較例3は比較例1と同様に混合
粉末を介在させないもので評価は×である。
【0022】実施例6〜8及び比較例4:実施例7,8
及び比較例4はともにマグネシウム−アルミニウムベー
スの混合粉末に、マンガン(Mn)を添加したものであ
るが、実施例7,8は評価は○であるのに対して、比較
例4は5wt%を超えたためにAl−Mg系金属間化合
物の粒界晶出量が過大となり、脆化し強度低下を生じ
る。よって、マンガンの含有量は5wt%以下が適当で
ある。
【0023】実施例9,10及び比較例5:実施例9,
10及び比較例5はともにマグネシウム−アルミニウム
ベースの混合粉末に、クロム(Cr)を添加したもので
あるが、実施例9,10は評価は○であるのに対して、
比較例5は5wt%を超えたためにAl−Mg系金属間
化合物の粒界晶出量が過大となり、脆化し強度低下を生
じる。よって、クロムの含有量は5wt%以下が適当で
ある。
【0024】
【表3】
【0025】表3は混合粉末に亜鉛(Zn)を添加した
ものである。比較例6は混合粉末なし、比較例8はZn
100%の混合粉末を使用したものであり、いずれもM
gを含まないために評価は×となっている。この点、M
gを含む比較例7は○の評価である。
【0026】マグネシウムに亜鉛を添加した実施例11
〜13は○の評価である。しかし、比較例9は同様のM
g−Zn粉末を使用したにも拘わらず、溶接時間が4c
y.と短かったためにナゲット部のMg濃度が18.2
wt%で17wt%を超えたためにAl−Mg系金属間
化合物の粒界晶出量が過大となり、脆化し強度低下を生
じ、結果として評価は×となった。
【0027】
【発明の効果】以上に述べた通り本発明は、マグネシウ
ムがアルミニウムに対して17wt%まで固溶できるこ
とを巧みに利用したものであり、アルミニウム合金間
に、マグネシウムが40〜75wt%で残部がアルミニ
ウムの組成の混合粉末を介在させて、抵抗溶接してなる
アルミニウム合金溶接構造物において、抵抗溶接で生成
されたナゲット部のマグネシウムの含有量を母材よりも
多くした溶接構造物ではナゲット部は十分に固溶強化さ
れ、溶接構造物の強度は高まる。マグネシウムの含有量
が17wt%以下であればAl−Mg系金属間化合物
(AlMg)の粒界晶出量を抑えることができるの
で、マグネシウムの含有量を5〜17wt%とした溶接
構造物は十分な強度を有する。
【0028】また、ナゲット部にマグネシウムとともに
0.05〜5wt%のクロムを含有させた溶接構造物に
あっては、クロムの粒界優先晶出効果によりAl−Mg
系金属間化合物(Al3Mg2)の晶出を抑制できるため
固溶強化を維持できる。加えて、クロム自体のアルミニ
ウムへの固溶強化のため更に強度を高めることができ
る。
【0029】更に、ナゲット部にマグネシウムとともに
0.1〜5wt%のマンガンを含有させた溶接構造物に
あっては、クロムと同様に粒界優先晶出効果によりAl
−Mg系金属間化合物(Al3Mg2)の晶出を抑制でき
るため固溶強化を維持できる。
【0030】また、マグネシウムと亜鉛とを含有させた
溶接構造物にあっては、マグネシウムに固溶強化をなさ
しめ、亜鉛に溶接接合面積の増加をなさしめて、併せて
ナゲット部の強度向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るナゲット部のMg濃度と引張剪断
強度の相関グラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 入江 卓志 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 古川 裕一 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (72)発明者 岩井 一郎 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−73483(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 11/11 B23K 11/18 B23K 103:10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム合金間に、マグネシウムが
    40〜75wt%で残部がアルミニウムの組成の混合粉
    末を介在させて、抵抗溶接してなるアルミニウム合金溶
    接構造物であり、抵抗溶接で生成されたナゲット部に母
    材より多くのマグネシウムを含有させたアルミニウム合
    金溶接構造物において、 前記ナゲット部のマグネシウムの含有割合は5〜17w
    t%であることを特徴とするアルミニウム合金溶接構造
    物。
  2. 【請求項2】 前記ナゲット部に、クロムを0.05〜
    5wt%含有させたことを特徴とする請求項1記載のア
    ルミニウム合金溶接構造物。
  3. 【請求項3】 前記ナゲット部に、マンガンを0.1〜
    5wt%含有させたことを特徴とする請求項1又は請求
    項2記載のアルミニウム合金溶接構造物。
  4. 【請求項4】 前記ナゲット部に、母材よりも多くの亜
    鉛を含有させたことを特徴とする請求項1記載のアルミ
    ニウム合金溶接構造物。
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