JP3821966B2 - アルミニウムと鋼の異材継ぎ手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム材と鋼材の接続を必要とする構造体等の、溶接接合のための、アルミニウム板と鋼板とを爆着接合した２層又は３層からなる異材継ぎ手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、構造体を構成するアルミニウム材と鋼材を接続する場合に、異材継ぎ手を中間に介して、アルミニウム同士また鋼同士を溶接接合して、アルミニウム材と鋼材を接続しており、このような異材継ぎ手として、従来、アルミニウム板と鋼板を直接爆着接合した異材継ぎ手が用いられている。しかし、溶接の際に、爆着の接合界面にかかる温度が上昇すると、しばしば、接合力が低下したり著しい時は剥離するという問題を生じるため、接合界面の温度が４５０℃程度以上にならないようにする工夫が必要であった。一方、特公昭４９−１５３３３「鋼とアルミニウムの継手」には、溶接熱によって剥離等の問題を生じない強い異材継ぎ手として、中間材としてチタン板をあらかじめ鋼に爆着し、そのチタン板の上にアルミニウム板を爆着した、異材継ぎ手が開示されている。しかしながら、中間材に高価なチタンを用いているため製作コストが極めて高いものになり、かかる異材継ぎ手の使用範囲は制限されたものとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高価なチタンを使用せず低コストで、かつ、溶接時の接合界面にかかる温度が４５０℃以下の場合は勿論４５０℃を越える場合でも接合力の低下や剥離が生じない異材継ぎ手を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決するため、アルミニウム板と鋼板を直接爆着接合した異材継ぎ手について、種々調査及び研究を行った結果、溶接時に接合界面が加熱されると、鋼の熱線膨張係数が、約１３ｘ１０^-6／℃であるのに対し、アルミニウムの熱線膨張係数が約２３ｘ１０^-6／℃であるため、接合面に平行方向のせん断応力を生ずること、接合界面の波形を適当な形状にすれば、この発生するせん断応力をうまく吸収または阻止して、溶接時に接合界面にかかる温度が４５０℃を越える場合でも、接合力の低下や剥離の問題が発生しないことを見出し本発明をなすに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、アルミニウム板と鋼板とが爆着接合された、波形の接合界面を有する異材継ぎ手であって、波形の振幅が、０．３ｍｍ以上であり、かつ、振幅と波長の比が、１：１〜１：１２であることを特徴とする異材継ぎ手である。 以下、本発明を詳細に説明する。
爆着接合界面波形の振幅は０．３ｍｍ以上であることが必要であり、好ましくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上が良い。また、波形の振幅と波長の比は、１：１〜１：１２の範囲であることが必要であり、この範囲を越えて、小さいときは溶接時に発生するせん断応力を有効に吸収できず、また、大きいときは接合界面が山谷のない直線に支配され溶接時に発生するせん断応力を阻止できない。比の値の好ましい範囲は１：１〜１：１０であり、より好ましい範囲は１：１〜１：８である。
【０００６】
爆着の接合界面波形の振幅あるいは振幅と波長の比の調整は、使用する爆薬の爆発速度をアルミニウムの縦波音速６２６０ｍ／ｓ以下の１５００〜５０００ｍ／ｓの範囲で調節し、かつ、その爆発速度により爆薬の使用量を調節したり、アルミニウム板と鋼板の間隙を調節することにより達成され、それら爆着製造条件は、爆着材料の板厚組み合わせや寸法により決定し接合される。
【０００７】
爆着するアルミニウム板の元素アルミニウム成分は、接合界面波形の生成に影響するため、接合界面波形を管理規定値内に安定して生成させるには、元素アルミニウムの重量比率の成分が多いほど良く、すなはち、９９．０％以上が好ましい。一方元素アルミニウムの重量比率の成分が９９．０％未満のアルミニウム板の場合は、他成分Ｍｇ、Ｃｒ、Ｃｕ等の影響と材料強度が高いことから接合界面波形の生成が不安定となり、接合界面波形を管理規定値内にすることが難しいため、この場合は、あらかじめ元素アルミニウムの重量比率の成分が９９．０％以上のアルミニウム板と鋼板とを、接合界面波形が管理規定値内になるよう爆着し、そのアルミニウム側の表面に元素アルミニウムの重量比率の成分が９９．０％未満のアルミニウム板を爆着すれば良い。
【０００８】
鋼板は、元素炭素の重量比率の成分が０．４％以下であればどのような鋼種でも良い。
以下、実施例により説明する。
【０００９】
【実施例１】
合材が、元素アルミニウムの重量比率成分９９．５９％のアルミニウム板ＪＩＳ−Ｈ−４０００−Ａ１０５０Ｐ厚さ１６ｍｍ幅５００ｍｍ長さ１０００ｍｍで、母材が、鋼板ＪＩＳ−Ｇ−３１０３−ＳＢ４１０の厚さ４０ｍｍ幅４００ｍｍ長さ８００ｍｍを、接合界面波形の振幅が１ｍｍ波長が５ｍｍになるよう爆薬の爆発速度と使用量の調節、かつ、アルミニウム板と鋼板の間隙を調節し爆着した。その爆着板より振幅が１ｍｍ波長５ｍｍあることを接合断面のミクロ観察により確認し、溶接継ぎ手用として厚さ（１６＋４０）ｍｍ幅１５０ｍｍ長さ１５０ｍｍの寸法で切り出し、合材側に１００ｍｍ角の合材と同成分のアルミニウム角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常のアルゴンア−ク溶接により実施した。次いで、母材側に母材と同成分の１００ｍｍ角の鋼の角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常の電気溶接により実施した。
【００１０】
結果は、溶接により爆着板の異材継ぎ手の接合界面で温度５００℃に達したが、アルミニウムが接合面上で部分的に剥離したり、また、端部において母材鋼板より延びてはみ出すというような問題は全く発生しなかった。
【００１１】
【実施例２】
先ず１層目の合材が、元素アルミニウムの重量比率成分９９．５９％のアルミニウム板ＪＩＳ−Ｈ−４０００−Ａ１０５０Ｐ厚さ８ｍｍ幅５００ｍｍ長さ１０００ｍｍで、母材が、鋼板ＪＩＳ−Ｇ−３１０３−ＳＢ４１０の厚さ４０ｍｍ幅４００ｍｍ長さ８００ｍｍを、接合界面波形の振幅が１ｍｍ波長が５ｍｍになるよう爆薬の爆発速度と使用量の調節と１層目の合材アルミニウム板と該鋼板の間隙を調節し爆着した。更にその爆着板の１層目の合材アルミニウム板側の表面に元素アルミニウムの重量比率成分９４．０１％の２層目の合材アルミニウム板ＪＩＳ−Ｈ−４０００−Ａ５０８３Ｐ厚さ８ｍｍ幅５００ｍｍ長さ１０００ｍｍを爆着した。１層目のアルミニウムと鋼板との接合界面波形の振幅が１ｍｍ波長５ｍｍあることを接合断面のミクロ観察により確認し、溶接継ぎ手用として厚さ（８＋８＋４０）ｍｍ幅１５０ｍｍ長さ１５０ｍｍの寸法で切り出し、２層目の合材側に１００ｍｍ角の２層目の合材と同成分のアルミニウム角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常のアルゴンア−ク溶接により実施した。次いで、母材側に母材と同成分の１００ｍｍ角の鋼の角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常の電気溶接により実施した。溶接条件は、実施例１と同じとした。
【００１２】
結果は、溶接により爆着板の異材継ぎ手の接合界面で温度５００℃に達したが、実施例１同様アルミニウムが接合面上で部分的に剥離したり、また、端部において母材鋼板より延びてはみ出すというような問題は全く発生しなかった。
【００１３】
【比較例１】
接合界面波形の振幅を１ｍｍ波長を１５ｍｍになるよう爆着した以外は、実施例１の材質、寸法、溶接条件を同じにし溶接熱による継ぎ手の評価を実施した。溶接による爆着板の異材継ぎ手の接合界面の温度も、実施１及び２同様５００℃に達した。
【００１４】
結果は、合材アルミニウム板側の溶接時の入熱段階で、線膨張係数の大きいアルミニウム板が母材鋼板端部より、接合界面温度が４００℃で１．５ｍｍ５００℃で３ｍｍほど延びて長くなる現象が見られ、最終母材鋼板の溶接を終了し接合界面を目視観察したところ、端部より１５ｍｍ完全に剥離していることを確認した。
【００１５】
【比較例２】
先ず１層目の合材すなはち中間材として、チタン板ＪＩＳ−Ｈ−４６００−ＴＰ−２７０−Ｃ厚さ２ｍｍ幅４５０ｍｍ長さ８５０ｍｍを、母材が、鋼板ＪＩＳ−Ｇ−３１０３−ＳＢ４１０の厚さ４０ｍｍ幅４００ｍｍ長さ８００ｍｍに爆着した。更にその爆着板の１層目の合材チタン板側の表面に２層目の合材アルミニウム板ＪＩＳ−Ｈ−４０００−Ａ１０５０Ｐ厚さ１６ｍｍ幅４５０ｍｍ長さ８５０ｍｍを爆着した。溶接継ぎ手用として厚さ（１６＋２＋４０）ｍｍ幅１５０ｍｍ長さ１５０ｍｍの寸法で切り出し、２層目の合材アルミニウム板側に１００ｍｍ角の２層目の合材と同成分のアルミニウム角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常のアルゴンア−ク溶接により実施した。次いで、母材鋼板側に母材鋼板と同成分の１００ｍｍ角の鋼の角棒を、溶接脚長が１６ｍｍの隅肉溶接を４周とも通常の電気溶接により実施した。溶接条件は、実施例１と同じとした。
【００１６】
結果は、溶接により爆着板の異材継ぎ手の接合界面で温度５００℃に達したが、端部におけるアルミニウムのはみ出しもなく全く剥離しなかった。
このことは、本発明である実施例１及び２がこの比較例２すなはち従来技術の高価なチタンを中間材とした継ぎ手と同等の接合強度を有することが証明された。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のアルミニウムと鋼の直接爆着による異材継ぎ手は、熱応力による剥離や接合力の低下がほとんど発生しないことから、溶接作業時の剥離による経済損失がなく、構造体における安全性が確保され、かつ、高価なチタンを中間材として用いる必要がないことから低コストで製造できるという顕著な効果がある。

Claims (3)

1. アルミニウム板と鋼板とが爆着接合された、波形の接合界面を有する異材継ぎ手であって、該波形の振幅が、０．３ｍｍ以上であり、かつ、振幅と波長の比が、１：１〜１：１２であることを特徴とする異材継ぎ手。
2. アルミニウム板が、重量の成分比率で元素アミニウムを９９．０％以上有するものであることを特徴とする請求項１の異材継ぎ手。
3. アルミニウム板が、重量の成分比率で元素アミニウムが９９．０％未満である第一のアルミニウム板と、重量の成分比率で元素アミニウムが９９．０％以上有する第二のアルミニウム板とを爆着した２層からなり、該第二のアルミニウム板が鋼板と爆着されていることを特徴とする請求項１の異材継ぎ手。