JP3794400B2 - アルミニウム溶接構造物 - Google Patents
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Description
本発明は、２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金材をアーク溶接等の溶融溶接法により溶接して作製されるアルミニウム溶接構造物に関する。
２．０質量％以上のＭｇを含有したＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金材は、機械的性質が優れており、耐食性及び溶接性も良好であるため、船舶及び鉄道車両をはじめ一般の溶接構造物に広く適用されている。アルミニウム合金材を溶融溶接する際の溶加材（溶接棒又は溶接ワイヤ等）としては、純Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等、種々の溶接材料がＪＩＳにより規定されている。但し、溶接構造物には一般に強度及び靭性が要求されるため、ＪＩＳ Ｚ３６０４においては、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金材を溶接する際の溶加材には、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材（ＪＩＳ Ｚ３２３２における５０００系）が推奨されている（例えば、特許文献１参照）。その理由は、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金材を溶接する際に、純Ａｌからなる溶加材（ＪＩＳ Ｚ３２３２における１０００系）を使用すると、溶接金属部の強度が弱くなり、Ａｌ−Ｃｕ系合金からなる溶加材（ＪＩＳ Ｚ３２３２における２０００系）を使用すると、溶接金属部の溶接割れ感受性が高くなると共に溶接金属部の耐食性が劣化し、Ａｌ−Ｓｉ系合金からなる溶加材（ＪＩＳ Ｚ３２３２における４０００系）を使用すると、溶接金属部の強度及び靭性が低くなるためである。
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。Ａｌ−Ｍｇ合金材を、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材を使用して溶接して、アルミニウム溶接構造物を製造すると、溶接金属部の強度は高くなるものの、耐力が向上せず、母材と同程度となってしまう。このため、アルミニウム溶接構造物に力が印加されると、応力が集中しやすい溶接金属部が比較的低い応力で変形してしまう。この結果、溶接構造物全体としての剛性が低くなる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金材をアーク溶接等の溶融溶接法により溶接して作製した溶接構造物において、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金からなる溶加材により溶接した場合の溶接金属部の強度及び靭性が低くなるという問題、及び従来のＡｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材により溶接した場合の比較的低い応力で溶接金属部が変形してしまい溶接構造物全体としての剛性が低くなるという問題を解決し、溶接金属部の強度、靭性、耐力が高く、全体として剛性が高いアルミニウム溶接構造物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物は、２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金からなる母材部と、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び下記数式により規定される組成範囲のＭｇ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し、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制されており、前記母材部同士を接合するか又は前記母材部を他の部材に接合する溶接金属部と、を有し、９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材及び４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材を同時に使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とする。なお、下記数式において、「Ｍｇ」及び「Ｓｉ」は夫々溶接金属部におけるマグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）の含有量を示す。
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％）
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％）
本発明に係る他のアルミニウム溶接構造物は、２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金からなる母材部と、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び上記数式により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制されており、前記母材部同士を接合するか又は前記母材部を他の部材に接合する溶接金属部と、を有し、９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材及び４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材を同時に使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とする。
また、前記溶接金属部の組成は、下記数式を満たすことが好ましい。
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）
更に、下記数式を満たすことがより好ましい。
２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％）
２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％）
本発明においては、溶接金属部のＳｉ及びＭｇの含有量を上述の範囲に規定することにより、継手部である溶接金属部の強度及び靭性を高くすると共に、耐力を高くすることができる。これにより、アルミニウム溶接構造物に力が印加された場合においても、溶接金属部が変形しにくくなり、アルミニウム溶接構造物全体の剛性が向上する。
又は、前記アルミニウム溶接構造物は、１．０乃至４．０質量％のＳｉ及び下記数式により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０５乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制された溶加材を使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであってもよい。
Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％）
Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％）
更にまた、前記アルミニウム溶接構造物は、自動車のサスペンションフレーム又は二輪自動車のフレームであってもよい。
以上詳述したように、本発明によれば、２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金材を溶接したアルミニウム溶接構造物において、溶接金属部のＳｉ及びＭｇの含有量を適切に規定することにより、溶接金属部の強度、靭性、耐力を高くすることができる。これにより、溶接金属部が変形しにくくなり、アルミニウム溶接構造物全体の剛性が向上する。
本発明者等は、上述の課題を解決するために、溶接金属部の組成と継手強度との関係を詳細に調査した。その結果、継手部である溶接金属部において、従来のＡｌ−Ｍｇ系合金からなる溶加材を使用して溶接した場合に形成される溶接金属部よりも、Ｓｉ含有量を増加させ、且つ、Ｍｇ含有量を低減させることにより、溶接金属部の耐力が向上して硬くなり、アルミニウム溶接構造物に外力が印加された場合に、溶接金属部が変形し難くなることを見出した。また、従来のＡｌ−Ｓｉ系合金からなる溶加材を使用して溶接した場合に形成される溶接金属部においては、溶接金属部のＳｉ含有量が最適な範囲よりも多くなりすぎてしまい、溶接金属部が硬くなりすぎ、溶接継手の破断強度が低下してしまうことを知見した。
そこで、本発明者等は鋭意実験研究を重ねた結果、母材として２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金材を溶接してアルミニウム溶接構造物を作製する場合に、上述の課題を解決し、溶接継手部の破断強度だけでなく、０．２％の永久伸びを起こす応力（０．２％耐力）を高くし、溶接構造物全体としての剛性を高めるためには、溶接金属部の組成が、Ｓｉ含有量が０．５乃至４．５質量％となり、且つ、Ｍｇ含有量が０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％）となるように溶接すればよいことを突き止めた。また、溶接金属部の組成が、０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）となるように溶接すれば更によく、２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）であればより一層よいことを突き止めた。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係るアルミニウム溶接構造物においては、アルミニウム合金からなる第１及び第２の母材部が設けられている。この母材部を形成するアルミニウム合金は、Ｍｇを２．０質量％以上含有した合金であり、例えば、ＪＩＳ Ｈ４０００のＡ５４５４により規定される合金であり、Ｍｇが２．７質量％、Ｍｎが０．６質量％、Ｃｒが０．１質量％含有され、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を持つ合金である。また、母材部は、厚さが例えば３ｍｍであり、調質が例えばＯ材である板状の部材である。
そして、この第１及び第２の母材部が相互に溶接されており、第１の母材部と第２の母材部との間には、継手部分である溶接金属部が形成されている。溶接金属部は、０．５乃至４．５質量％のＳｉを含有すると共に、数式（０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される量のＭｇを含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなっている。なお、不可避的不純物としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎが混入している場合があるが、これらの成分の含有量は、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下である。また、この溶接金属部は、９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材と、４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材とを同時に使用して、溶接されたものである。
以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。
母材部のＭｇ含有量：２．０質量％以上
Ｍｇはアルミニウム材に添加することにより、引張強度、耐力及び靭性を向上させると共に、溶接性を向上させる効果がある。母材部のＭｇの含有量が２．０質量％未満だと、前述の効果が不十分であるため、母材部のＭｇ含有量は２．０質量％以上とする。
Ｍｇはアルミニウム材に添加することにより、引張強度、耐力及び靭性を向上させると共に、溶接性を向上させる効果がある。母材部のＭｇの含有量が２．０質量％未満だと、前述の効果が不十分であるため、母材部のＭｇ含有量は２．０質量％以上とする。
溶接金属部のＳｉ含有量：０．５乃至４．５質量％
溶接金属部のＳｉ含有量が０．５質量％未満であると、溶接金属部の耐力が低くなって変形しやすくなり、アルミニウム溶接構造体全体の剛性が低下する。一方、溶接金属部のＳｉ含有量が４．５質量％を超えると、溶接金属部の強度及び靭性が低下する。従って、溶接金属部のＳｉ含有量は０．５乃至４．５質量％とする。
溶接金属部のＳｉ含有量が０．５質量％未満であると、溶接金属部の耐力が低くなって変形しやすくなり、アルミニウム溶接構造体全体の剛性が低下する。一方、溶接金属部のＳｉ含有量が４．５質量％を超えると、溶接金属部の強度及び靭性が低下する。従って、溶接金属部のＳｉ含有量は０．５乃至４．５質量％とする。
溶接金属部のＭｇ含有量：０．３乃至（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））質量％
溶接金属部のＭｇ含有量が０．３質量％未満であると、溶接金属部の引張強度、耐力及び靭性が不足する。一方、溶接金属部のＭｇ含有量が（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））より多いと、即ち、（Ｍｇ（質量％）＋０．５×Ｓｉ（質量％））の値が２．５を超えると、溶接金属部の耐力が低下し、変形しやすくなる。従って、溶接金属部のＭｇ含有量は、０．３乃至（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））質量％とする。なお、溶接金属部のＭｇ含有量は、０．３乃至（２．５−０．６×Ｓｉ（質量％））の範囲にあることがより好ましく、２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）であることがより好ましい。
溶接金属部のＭｇ含有量が０．３質量％未満であると、溶接金属部の引張強度、耐力及び靭性が不足する。一方、溶接金属部のＭｇ含有量が（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））より多いと、即ち、（Ｍｇ（質量％）＋０．５×Ｓｉ（質量％））の値が２．５を超えると、溶接金属部の耐力が低下し、変形しやすくなる。従って、溶接金属部のＭｇ含有量は、０．３乃至（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））質量％とする。なお、溶接金属部のＭｇ含有量は、０．３乃至（２．５−０．６×Ｓｉ（質量％））の範囲にあることがより好ましく、２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％）であることがより好ましい。
溶接金属部のＺｒ含有量：０．０１乃至０．３質量％
溶接金属部のＴｉ含有量：０．０１乃至０．２質量％
溶接金属部のＢ含有量：０．００１乃至０．０２質量％
溶接金属部のＭｎ含有量：１．０質量％以下
溶接金属部のＣｒ含有量：０．３５質量％以下
Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｎ及びＣｒは、アルミニウム溶加材に添加することにより、結晶粒を微細化させる効果がある。また、引張強度及び伸びを向上させる効果がある。但し、溶接金属部における含有量が、Ｚｒ：０．０１質量％未満、Ｔｉ：０．０１質量％未満、Ｂ：０．００１質量％未満では、いずれも結晶粒微細化の効果が少ない。一方、Ｚｒを０．３質量％を超えて添加した場合、Ｔｉを０．２質量％を超えて添加した場合、Ｂを０．０２質量％を超えて添加した場合、Ｍｎを１．０質量％を超えて添加した場合、Ｃｒを０．３５質量％を超えて添加した場合は、溶接金属部が脆化する危険性がある。このため、溶接金属部は、Ｚｒ含有量：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ含有量：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ含有量：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ含有量：１．０質量％以下、Ｃｒ含有量：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有することが好ましい。これにより、溶接部の延性が向上する。
溶接金属部のＴｉ含有量：０．０１乃至０．２質量％
溶接金属部のＢ含有量：０．００１乃至０．０２質量％
溶接金属部のＭｎ含有量：１．０質量％以下
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Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｎ及びＣｒは、アルミニウム溶加材に添加することにより、結晶粒を微細化させる効果がある。また、引張強度及び伸びを向上させる効果がある。但し、溶接金属部における含有量が、Ｚｒ：０．０１質量％未満、Ｔｉ：０．０１質量％未満、Ｂ：０．００１質量％未満では、いずれも結晶粒微細化の効果が少ない。一方、Ｚｒを０．３質量％を超えて添加した場合、Ｔｉを０．２質量％を超えて添加した場合、Ｂを０．０２質量％を超えて添加した場合、Ｍｎを１．０質量％を超えて添加した場合、Ｃｒを０．３５質量％を超えて添加した場合は、溶接金属部が脆化する危険性がある。このため、溶接金属部は、Ｚｒ含有量：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ含有量：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ含有量：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ含有量：１．０質量％以下、Ｃｒ含有量：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有することが好ましい。これにより、溶接部の延性が向上する。
溶接金属部のＦｅ含有量：０．８質量％以下
溶接金属部のＣｕ含有量：０．３質量％以下
溶接金属部のＺｎ含有量：０．２５質量％以下
なお、この他の成分としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等が不可避的に混入する場合があるが、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｚｎ：０．２５質量％以下であれば、実用上問題がない。
溶接金属部のＣｕ含有量：０．３質量％以下
溶接金属部のＺｎ含有量：０．２５質量％以下
なお、この他の成分としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等が不可避的に混入する場合があるが、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｚｎ：０．２５質量％以下であれば、実用上問題がない。
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るアルミニウム溶接構造物の製造方法について説明する。図１は本実施形態におけるアルミニウム合金材の溶接方法を示す斜視図である。図１に示すように、先ず、被溶接材として、２枚の板材１及び２を準備する。この板材１及び２の厚さは例えば３ｍｍであり、調質がＯ材であり、Ｍｇを２．０質量％以上含有するアルミニウム合金により形成されている。このアルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ Ｈ４０００の合金番号Ａ５４５４により規定されている合金であり、その組成は、Ｍｇを２．７質量％、Ｍｎを０．６質量％、Ｃｒを０．１質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる。
次に、この２枚の板材１及び２の端部同士を突合せ、アーク溶接により突合せ溶接を行い、相互に接合する。なお、突合せ溶接の替わりに、重ねすみ肉溶接を行ってもよい。このとき、２台のミグ溶接機３ａ及び３ｂにより、２本の溶接ワイヤ４ａ及び４ｂを同時に使用し、１つの溶融池１０を形成して溶接するダブルアーク溶接を行う。
溶接機３ａには、導電体からなり溶接ワイヤ４ａを保持する筒状のコンタクトチップ５ａが設けられており、このコンタクトチップ５ａの内部を溶接ワイヤ４ａが挿通するようになっている。また、溶接機３ａにはワイヤ送給装置６ａが設けられており、コンタクトチップ５ａに向けて溶接ワイヤ４ａを供給するようになっている。更に、コンタクトチップ５ａ及び板材１には、電源７ａが接続されており、電源７ａはコンタクトチップ５ａを介して溶接ワイヤ４ａに溶接電流を供給するようになっている。同様に、溶接機３ｂには、コンタクトチップ５ｂ、ワイヤ送給装置６ｂ、電源７ｂが設けられている。そして、溶接機３ａ及び３ｂは、共通して１つのノズル８を備えている。溶接ワイヤ４ａ及び４ｂはこのノズル８の内部を挿通して、板材１と板材２との突合せ部付近の所定の溶接位置に供給されるようになっており、また、ノズル８からシールドガスとして例えば１００％アルゴンガスを噴射するようになっている。
また、溶接ワイヤ４ａには、９９．００質量％以上のＡｌを含有する純アルミニウムからなる溶接ワイヤ、例えば、ＪＩＳ Ｚ３２３２において規定されているＡ１１００等の１０００系の溶接ワイヤを使用する。一方、溶接ワイヤ４ｂには、Ｓｉを４．０質量％以上、例えば４．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる溶接ワイヤ、例えば、ＪＩＳ Ｚ３２３２において規定されているＡ４０４３等の４０００系の溶接ワイヤを使用する。溶接ワイヤ４ａ及び４ｂの直径は、例えば１．２ｍｍである。
更にまた、溶接ワイヤ４ａ及び４ｂに流す溶接電流は例えば１０５〜２５５ｋＡとする。また、溶接電圧は例えば２０〜２８Ｖとし、溶接ワイヤの送給量は例えば５〜１６ｍ／分とし、溶接速度は例えば１．５ｍ／分とする。このような条件で、板材１と板材２との突合せ部に対して、溶接機３ａ及び３ｂが夫々アーク９ａ及び９ｂを発生させ、１つの溶融池１０を形成する。そして、アーク９ａ及び９ｂの位置を、板材１及び２に対して相対的に移動させることにより、板材１及び２の突合せ部にビード１１を形成していき、板材１と板材２とを相互に接合する。このとき、ビード１１が溶接金属部になる。溶接金属部の組成は、板材１及び２並びに溶接ワイヤ４ａ及び４ｂが混合した組成となり、０．５乃至４．５質量％のＳｉを含有すると共に、数式（０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される量のＭｇを含有した組成となる。これにより、前述のアルミニウム溶接構造体を形成することができる。
なお、本実施形態においては、溶接ワイヤ４ａ及び４ｂを１台の溶接電源に接続して溶接を行ってもよく、溶接ワイヤ４ａ及び４ｂを相互に寄り合わせて（ツイストさせて）、１本の溶接ワイヤとし、この１本の溶接ワイヤを使用してティグ溶接又はミグ溶接等のアーク溶接を行ってもよい。また、Ｓｉを１．０乃至４．０質量％の範囲で含有し、Ｍｇを（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））以下含有する溶接ワイヤを作製し、この溶接ワイヤを単独で使用してアーク溶接を行ってもよい。更に、この溶接ワイヤを溶融池に供給しながら、レーザビーム溶接を行ってもよい。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は本実施形態に係る自動車のサスペンションフレームを示す斜視図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ’線による断面図である。図２及び図３に示すように、本実施形態に係るアルミニウム溶接構造物は自動車用のサスペンションフレームである。このサスペンションフレーム２１においては、支持部材２２及び２３が設けられている。支持部材２２及び２３は湾曲した棒状部材であり、両端部に開口部２５が形成されている。
そして、支持部材２２と２３とを相互に固定するように、２本のパイプ部材２６及び２７が設けられている。即ち、パイプ部材２６及び２７の一端部は支持部材２３に溶接されており、パイプ部材２６及び２７の他端部は支持部材２４に溶接されている。パイプ部材２６及び２７は、夫々板厚が例えば３ｍｍである２枚の板材をＵ字形に湾曲させその両端部を相互に重ねすみ肉溶接することにより、パイプ状に形成されたものである。即ち、例えばパイプ部材２６は、２枚の板材２６ａ及び２６ｂにより形成されており、パイプ部材２７は２枚の板材２７ａ及び２７ｂにより形成されている。従って、パイプ部材２６及び２７はその軸方向に平行に２本の溶接ビード２８が形成されている。また、パイプ部材２６及び２７と、支持部材２２及び２３との接合部には、溶接ビード２９が形成されている。
支持部材２２及び２３並びにパイプ部材２６及び２７は、Ｍｇを２．０質量％以上含有するアルミニウム合金により形成されている。また、各溶接部、即ち、溶接ビード２８及び２９の組成は、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び数式（０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成となっており、例えば、更に上記数式（２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％））を満たす組成となっている。なお、不可避的不純物としては、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等が混入する場合があるが、これらの成分の含有量は、夫々、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下である。
次に、本実施形態に係る自動車用サスペンションフレーム２１の製造方法について説明する。先ず、Ｍｇを２．０質量％以上含有するアルミニウム合金からなり板厚が例えば３ｍｍである板材に対して曲げ加工又はプレス加工を施し、夫々Ｕ字形状の板材２６ａ、２６ｂ、２７ａ及び２７ｂを形成する。一方、押出成形法、鋳造法又は鍛造法により、支持部材２２及び２３を成形し、その両端部に開口部２５を形成する。
次に、板材２６ａ、２６ｂ、２７ａ及び２７ｂ、並びに支持部材２２及び２３に対して、脱脂洗浄等の溶接前処理を施す。次に、板材２６ａ及び２６ｂをジグに設置するか、又は仮付け溶接して端部同士が接触するように相互に固定する。そして、本溶接を行い、板材２６ａ及び２６ｂを相互に溶接して、パイプ部材２６を形成する。このとき、溶接方法は交流パルスＭＩＧ自動溶接による重ねすみ肉溶接とし、１本の溶接ワイヤを使用して溶接する。この溶接ワイヤは、１．０乃至４．０質量％のＳｉ及び上記数式（Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０５乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、Ｚｎ：０．２５質量％以下に規制された組成を持つものとする。
また、溶接速度は例えば６００ｍｍ／分とし、シールドガスの組成は例えば１００％アルゴンとし、シールドガスの流量は例えば２５リットル／分とし、溶接電流は例えば１３０乃至１５０Ａとし、溶接電圧は例えば１９乃至２１Ｖとし、極性（ＥＮ）比率は例えば３０％とする。
これにより、板材２６ａの両端部と板材２６ｂの両端部とが相互に接合され、筒状のパイプ部材２６が形成される。このとき、溶接部には溶接ビード２８が形成される。また、溶接ビード２８の希釈率、即ち、全溶接金属部（溶加材溶着部及び母材溶融部）における母材溶融部の割合（母材溶融部／（溶加材溶着部＋母材溶融部））は、例えば１０乃至８０％となり、溶接ビード２８の組成は、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び数式（０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下である組成となり、例えば、更に上記数式（２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％））を満たす組成となる。同様に、板材２７ａ及び板材２７ｂを相互に溶接してパイプ部材２７を形成する。
次に、パイプ部材２６及び２７並びに支持部材２２及び２３をジグに設置するか、又は仮付け溶接して、パイプ部材２６及び２７の一端部が支持部材２３に接触し、パイプ部材２６及び２７の他端部が支持部材２４に接触するように相互に固定する。そして、本溶接を行い、パイプ部材２６及び２７の一端部を支持部材２３に溶接し、パイプ部材２６及び２７の他端部を支持部材２４に溶接して、自動車用サスペンションフレーム２１を形成する。このとき、溶接方法は、前述のパイプ部材２６を形成したときの溶接方法と同様とする。その結果、溶接ビード２９の組成は、溶接ビード２８の組成と同様になる。
これにより、本実施形態においては、溶接金属部の強度、耐力及び靭性が共に優れ、剛性が高い自動車用サスペンションフレームを得ることができる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は本実施形態に係る二輪自動車のフレームを示す斜視図であり、図５は図４に示すＢ−Ｂ’線による断面図である。図４及び図５に示すように、本実施形態に係るアルミニウム溶接構造物は二輪自動車（バイク）用のフレームである。
このフレーム３１においては、馬蹄形状に湾曲したパイプ部材３２が設けられており、このパイプ部材３２の両端部には、２つの支持部材３３及び３４が接合されている。また、支持部材３３及び３４の間には、連結部材３５が接合されている、連結部材３５は円柱状の部材であり、その一端部が支持部材３３に接合され、他端部が支持部材３４に接合されている。そして、パイプ部材３２、支持部材３３及び３４、連結部材３５により、環状フレームが形成されている。また、パイプ部材３２の長手方向中央部における環状フレームの外面側には、筒状部材３６が接合されている。
パイプ部材３２は、２枚のコ字形状の板材３２ａ及び３２ｂの両端部が相互に重ねすみ肉溶接により接合されて形成されている。なお、パイプ部材３２における板材３２ａと板材３２ｂとの接合部、パイプ部材３２の両端部と支持部材３３及び３４との接合部、支持部材３３及び３４と連結部材３５の両端部との接合部、パイプ部材３２と筒状部材３６との接合部には、溶接ビード３７が形成されている。
パイプ部材３２、支持部材３３、３４、連結部材３５、筒状部材３６は、Ｍｇを２．０質量％以上含有するアルミニウム合金により形成されている。また、上述の各溶接部、即ち溶接ビード３７の組成は、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び数式（０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下である組成となり、例えば、更に数式（２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％））を満たす組成となっている。本実施形態に係る二輪自動車用フレーム３１の製造方法は、上述の第２の実施形態における自動車用サスペンションフレーム２１の製造方法と同様である。
本実施形態においては、溶接金属部の強度、耐力及び靭性が共に優れ、剛性が高い二輪自動車用フレームを得ることができる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
以下、本発明の実施例の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。先ず、実施例１について説明する。図６は、本実施例及び比較例における溶接後の供試材を示す平面図及び側面図であり、図７は、横軸に溶接金属部のＳｉ含有量をとり、縦軸に溶接金属部のＭｇ含有量をとって、本発明における溶接金属部の組成範囲を示すグラフ図である。
前述の本発明の実施形態において説明した方法により、図１に示すダブルミグ溶接機（タンデムミグ溶接機）により、２本の溶接ワイヤを使用して、２枚のアルミニウム合金板を重ねすみ肉溶接し、図６に示すような重ねすみ肉継手１２を作製した。図６に示すように、重ねすみ肉継手１２においては、幅が２５０ｍｍである２枚の板材の端部が、１０ｍｍの重ね代で相互に重ねられており、一方の板材の端部及び他方の板材の表面に、溶接金属部１３が形成されている。重ねすみ肉継手１２の長さは１９０ｍｍである。
この溶接においては、供試材毎に溶接ワイヤの組成を異ならせるか、又は、供試材毎に溶接機の溶接電流を異ならせることにより、ワイヤ送給量を約７乃至１４ｍ／分の範囲で異ならせて、溶接金属部１３の組成が相互に異なるようにした。溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍとし、溶接ワイヤは、ＪＩＳ Ｚ３２３２に規定される１０００系（純Ａｌ系）、４０００系（Ａｌ−Ｓｉ系）及び５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）の溶接ワイヤの中から選択した。また、母材として、ＪＩＳ Ｈ４０００のＡ５４５４により規定されるアルミニウム合金板であり、板厚が４．０ｍｍであり調質がＯ材である板材を使用した。１台の溶接機あたりの溶接条件を表１に示す。また、使用した母材及び溶接ワイヤの組成を表２に示し、溶接条件を表３に示す。なお、表３に示す「ワイヤ種類」の欄に記載されている記号は、表２に示す「ＪＩＳ記号」に対応している。
そして、図６に示すような重ねすみ肉継手１２を作製した後、溶接金属部１３が試験部分になるように、重ねすみ肉継手１２からＪＩＳ Ｚ２２０２により規定されている５号試験片を切り出した。次に、この５号試験片を使用して、標点距離（Ｇ．Ｌ．）が５０ｍｍとなるように継手引張試験を実施し、溶接金属部１３の機械的性質を評価した。なお、ＹＳ（耐力）の値は、０．２％耐力の値を採用した。また、溶接金属部１３の成分分析を行い、溶接金属部１３の組成と継手の機械的性質との関係を調査した。更に、溶接金属部１３の断面形状を調査し、おおよその母材の希釈率を測定した。これらの結果を表４及び図７に示す。
図７に示す領域４１は本発明の請求項１で規定する組成範囲を示し、領域４２は本発明の請求項２で規定する組成範囲を示し、領域４３は本発明の請求項３で規定する組成範囲を示し、領域４４は本発明の組成範囲から外れる組成範囲を示す。また、直線４５は、数式（Ｍｇ＝２．５−０．５×Ｓｉ）を示し、直線４６は、数式（Ｍｇ＝２．５−０．６×Ｓｉ）を示し、直線４７は数式（Ｍｇ＝２．２−１．４×Ｓｉ）を示す。領域４１は、直線４５、直線Ｍｇ＝０．３、直線Ｓｉ＝０．５により囲まれた直角三角形の領域であり、領域４２は、直線４６、直線Ｍｇ＝０．３、直線Ｓｉ＝０．５により囲まれた直角三角形の領域であり、領域４３は、直線４６、直線４７、直線Ｍｇ＝０．３、直線Ｓｉ＝０．５により囲まれた四角形の領域であり、領域４４は、領域４１以外の領域である。即ち、領域４３は領域４２の内部にあり、領域４２は領域４１の内部にある。更に、図７に示す円により囲まれた数字は、各実施例及び比較例の組成を示すプロットであり、円内の数字は表３及び表４に示す実験Ｎｏ．を示し、円が示された位置は、各実施例又は比較例の溶接金属部のＳｉ含有量及びＭｇ含有量を示す。更にまた、表４の「評価」の欄において、ＴＳが１４０ＭＰａ以上である場合を「ＴＳ：○（良好）」とし、ＴＳが１４０ＭＰａ未満である場合を「ＴＳ：×（不良）」とし、ＹＳが９０ＭＰａ以上である場合を「ＹＳ：○（良好）」とし、ＹＳが９０ＭＰａ未満である場合を「ＹＳ：×（不良）」とした。更にまた、表４に示す「領域」は、各実施例及び比較例が図７においてプロットされる領域を示している。
表４に示す本発明の実施例及び比較例のうち、実施例Ｎｏ．１乃至４、６及び参考例５は、溶接金属部のＳｉ含有量が０．５乃至４．５質量％であり、Ｍｇ含有量が０．２５乃至（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））の範囲内にあるため、強度及び耐力の双方が高かった。これに対して、比較例Ｎｏ．７乃至１５は、溶接金属部のＳｉ含有量が１質量％未満であるか、Ｓｉ含有量が４．５質量％より多いか、溶接金属部のＭｇ含有量が０．３質量％未満であるか、（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））より多いため、強度及び耐力のうち少なくとも一方が低かった。なお、表４に示す実施例Ｎｏ．１乃至４、６及び参考例５と、比較例Ｎｏ．７乃至１５における溶接金属部の組成のうち、Ｓｉ及びＭｇ以外の組成は、本発明の請求項１又は２に規定する範囲を満たしていた。
次に、実施例２について説明する。図８は、本実施例及び比較例における溶接後の縦裏曲げ試験片を示す平面図及び側面図である。前述の実施例１と同様な方法により、図１に示すダブルミグ溶接機（タンデムミグ溶接機）により、２本の溶接ワイヤを使用して、２枚のアルミニウム合金板を突合せ溶接し、突合せ継手を作製した。
この溶接においては、突合せ部の開先形状を相互に異ならせることにより、母材の希釈率を相互に異ならせて、溶接金属部の組成を相互に異ならせた。溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍとし、溶接ワイヤは、ＪＩＳ Ｚ３２３２に規定される１０００系（純Ａｌ系）、４０００系（Ａｌ−Ｓｉ系）及び５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）の溶接ワイヤの中から選択した。また、母材として、ＪＩＳ Ｈ４０００のＡ５４５４により規定されるアルミニウム合金板であり、板厚が４．０ｍｍであり調質がＯ材である板材を使用した。更に、溶接後に、表裏面の余盛は除去した。使用した母材及び溶接ワイヤの組成を表５に示し、溶接条件を表６に示す。なお、表６に示す「ワイヤ種類」の欄に記載されている記号は、表５に示す「ＪＩＳ記号」に対応している。
そして、上述の如く突合せ継手を作製した後、図８に示すような縦裏曲げ試験片を作製した。図８に示すように、この縦裏曲げ試験片１４は、短辺が８０ｍｍ、長辺が１００ｍｍの矩形状であり、短辺方向の中央部が突合せ溶接されており、溶接金属部１５が形成されている。この縦裏曲げ試験片１４に対して、曲げ半径Ｒが１０ｍｍのローラ曲げ試験を施し、割れの発生の有無を評価した。試験回数は各条件について３回（ｎ＝１、２、３）とした。また、溶接金属部１５の組成を分析し、溶接金属部１５の組成と継手の靭性との関係を調査した。更に、溶接金属部１５の断面形状を調査し、母材のおおよその希釈率を測定した。これらの結果を表７に示す。なお、表７の「縦裏曲げ試験結果」の欄において、割れが発生しなかった場合を「○」とし、割れが発生した場合を「×」とした。また、表７に示す「領域」は、表７に示すＮｏ．２１〜２８を図７にプロットした場合に、これらのプロットが位置する領域を示している。但し、図７にはＮｏ．２１〜２８はプロットしていない。
表７に示す本発明の実施例及び比較例のうち、実施例Ｎｏ．２１乃至２３及び参考例２４は、溶接金属部のＳｉ含有量が０．５乃至４．５質量％であり、Ｍｇ含有量が０．３乃至（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））の範囲内にあるため、靭性が良好であった。また、実施例２１乃至２３は、Ｍｇ含有量が（２．２−１．４×Ｓｉ（質量％））乃至（２．５−０．６×Ｓｉ（質量％））の範囲内にあるため、靭性が特に良好であった。これに対して、比較例Ｎｏ．２５乃至２８は、溶接金属部のＳｉ含有量が１質量％未満であるか、Ｍｇ含有量が（２．５−０．５×Ｓｉ（質量％））より多いため、靭性が不良であった。なお、表７に示す実施例Ｎｏ．２１乃至２３及び参考例２４及び比較例Ｎｏ．２５乃至２８における溶接金属部の組成のうち、Ｓｉ及びＭｇ以外の組成は、本発明の請求項１又は２に規定する範囲を満たしていた。
１、２；板材
３ａ、３ｂ；ミグ溶接機
４ａ、４ｂ；溶接ワイヤ
５ａ、５ｂ；コンタクトチップ
６ａ、６ｂ；ワイヤ送給装置
７ａ、７ｂ；電源
８；ノズル
９ａ、９ｂ；アーク
１０；溶融池
１１；ビード
１２；重ねすみ肉継手
１３；溶接金属部
１４；縦裏曲げ試験片
１５；溶接金属部
２１；サスペンションフレーム
２２、２３；支持部材
２５；開口部
２６、２７；パイプ部材
２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ；板材
２８、２９；溶接ビード
３１；フレーム
３２；パイプ部材
３２ａ、３２ｂ；板材
３３、３４；支持部材
３５；連結部材
３６；筒状部材
３７；溶接ビード
４１；領域（請求項１で規定する組成範囲）
４２；領域（請求項２で規定する組成範囲）
４３；領域（請求項３で規定する組成範囲）
４４；領域（請求項１から外れる組成範囲）
４５；直線（Ｍｇ＝２．５−０．５×Ｓｉ）
４６；直線（Ｍｇ＝２．５−０．６×Ｓｉ）
４７；直線（Ｍｇ＝２．２−１．４×Ｓｉ）
３ａ、３ｂ；ミグ溶接機
４ａ、４ｂ；溶接ワイヤ
５ａ、５ｂ；コンタクトチップ
６ａ、６ｂ；ワイヤ送給装置
７ａ、７ｂ；電源
８；ノズル
９ａ、９ｂ；アーク
１０；溶融池
１１；ビード
１２；重ねすみ肉継手
１３；溶接金属部
１４；縦裏曲げ試験片
１５；溶接金属部
２１；サスペンションフレーム
２２、２３；支持部材
２５；開口部
２６、２７；パイプ部材
２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ；板材
２８、２９；溶接ビード
３１；フレーム
３２；パイプ部材
３２ａ、３２ｂ；板材
３３、３４；支持部材
３５；連結部材
３６；筒状部材
３７；溶接ビード
４１；領域（請求項１で規定する組成範囲）
４２；領域（請求項２で規定する組成範囲）
４３；領域（請求項３で規定する組成範囲）
４４；領域（請求項１から外れる組成範囲）
４５；直線（Ｍｇ＝２．５−０．５×Ｓｉ）
４６；直線（Ｍｇ＝２．５−０．６×Ｓｉ）
４７；直線（Ｍｇ＝２．２−１．４×Ｓｉ）
Claims (8)
- ２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金からなる母材部と、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び下記数式により規定される組成範囲のＭｇ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し、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制されており、前記母材部同士を接合するか又は前記母材部を他の部材に接合する溶接金属部と、を有し、９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材及び４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材を同時に使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とするアルミニウム溶接構造物。
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％） - ２．０質量％以上のＭｇを含有したアルミニウム合金からなる母材部と、０．５乃至４．５質量％のＳｉ及び下記数式により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０１乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０１乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制されており、前記母材部同士を接合するか又は前記母材部を他の部材に接合する溶接金属部と、を有し、９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材及び４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材を同時に使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とするアルミニウム溶接構造物。
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％） - 前記溶接金属部のＭｇ含有量が下記数式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム溶接構造物。
０．３≦Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．６×Ｓｉ（質量％） - 前記溶接金属部のＭｇ含有量が下記数式を満たす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物。
２．２−１．４×Ｓｉ（質量％）≦Ｍｇ（質量％） - ９９．００質量％以上のＡｌを含有する第１の溶加材及び４．０質量％以上のＳｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる第２の溶加材を同時に使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム溶接構造物。
- １．０乃至４．０質量％のＳｉ及び下記数式により規定される組成範囲のＭｇを含有し、更に、Ｚｒ：０．０５乃至０．３質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．２質量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２質量％、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下からなる群から選択された１種以上の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｃｕ：０．３質量％以下、及びＺｎ：０．２５質量％以下に規制された溶加材を使用して、前記母材部同士又は前記母材部を他の部材に溶接したものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム溶接構造物。
Ｍｇ（質量％）≦２．５−０．５×Ｓｉ（質量％） - 自動車のサスペンションフレームであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアルミニウム溶接構造物。
- 二輪自動車のフレームであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアルミニウム溶接構造物。
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