JP3969681B2

JP3969681B2 - アルミニウム合金製スタッド

Info

Publication number: JP3969681B2
Application number: JP35184497A
Authority: JP
Inventors: 俊哉岡田
Original assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Current assignee: Furukawa Sky Aluminum Corp
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: JPH10265883A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接強度に優れ、また美麗な外観が、広い溶接条件範囲で得られるスタッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生活環境、都市環境の美化、整備、改善のための活動が行政や企業で活発に進められている。たとえば、街のイメージアップのため、駅舎やビルなどには美麗なアルミニウム合金製外装パネルが多用されるようになってきている。
このような外装パネルはボルトにより取付けられ、該ボルトは、予めパネルの裏面に溶接しておいて、パネル取付けの作業効率化が図られている。前記溶接にはスタッド溶接が多用され、このように溶接して用いられるボルトはスタッドと呼ばれる。図１は、前記スタッド10をパネル20にスタッド溶接した状態を示す斜視図である。
スタッド溶接は、スタッドと母材（パネル）を近接させ、スタッドを電極として母材との間にアークを点孤して両近接面を溶融し加圧して接合する方法で、アーク溶接電源を用いたアーク放電型とコンデンサを用いたコンデンサ放電型とがある。前者は太径のスタッドに適し、後者は細径のスタッドに適する。いずれも操作が簡単で熟練を要さず、短時間で溶接できるという利点がある。
しかし、外装パネルは建築物の一部のため、溶接強度が高く安全なこと、溶接部のパネル表面が美麗で、焼付き、傷、凹凸などがないことが要求される。
ところで、外装パネルには建築物の仕様に合わせて様々な合金板が用いられ、ボルトにはＪＩＳ−Ａ１０５０合金が多用され、一部にＪＩＳ−Ａ５０５２合金またはＪＩＳ−Ａ５０５６合金が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記ＪＩＳ−Ａ１０５０合金製スタッドは、溶接条件が多少変動しても溶接が適正になされるが、溶接強度が低いため溶接箇所を多く必要としコスト高になるという問題がある。他方ＪＩＳ−Ａ５０５２合金やＪＩＳ−Ａ５０５６合金のスタッドは溶接強度は高いが、適正な溶接条件の範囲が狭く外観不良が生じ易いという問題がある。
本発明は、溶接強度がＪＩＳ−Ａ１０５０合金より十分高く、かつ溶接条件が多少変動しても外観不良が生じないスタッドの提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、Ｍｎ０．８〜１．８ｗｔ％を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製スタッドである。
【０００５】
請求項２記載の発明は、Ｍｎ０．８〜１．８ｗｔ％を含有し、さらに総含有量が０．０５〜１．０ｗｔ％のＳｉ、Ｆｅの（ｉ）元素群、総含有量が０．０３〜０．３ｗｔ％のＴｉ、Ｚｒ、Ｂ、希土類元素の（ｉｉ）元素群、総含有量が０．０５〜２．０ｗｔ％のＣｕ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｇの（ｉｉｉ）元素群のうちの少なくとも１元素を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製スタッドである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明において、Ｍｎは溶接強度の向上に寄与する。その含有量が０．８wt％未満ではその効果が十分に得られず、１．８wt％を超えるとＭｎを含む巨大晶出物が生成して、溶接強度が低下する。特に１．０〜１．５wt％が高い溶接強度が安定して得られ望ましい。
【０００７】
ＳｉまたはＦｅの（ｉ）元素群は、スタッドの結晶組織を微細化して溶接強度を高め、さらに靱性、加工性、成形性、耐食性なども向上させる。
ＳｉまたはＦｅの含有量を総計で０．０５〜１．０ｗｔ％に規定した理由は、０．０５ｗｔ％未満ではその効果が十分に得られず、１．０ｗｔ％を超えると巨大晶出物が生成して、前記溶接強度などの諸特性が低下するためである。ＳｉまたはＦｅの特に望ましい含有量は総計で０．１〜０．３ｗｔ％である。
【０００８】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、または希土類元素の（ｉｉ）元素群は、ＳｉまたはＦｅと同じようにスタッドの結晶組織を微細化して溶接強度を高め、さらに靱性、加工性、成形性、耐食性なども向上させる。その含有量を総計で０．０３〜０．３ｗｔ％に規定した理由は、０．０３ｗｔ％未満ではその効果が十分に得られず、０．３ｗｔ％を超えると巨大な晶出物が生成して前記溶接強度などの諸特性が低下するためである。０．０５〜０．２ｗｔ％が結晶組織の微細化が安定し望ましい含有量である。
なお、前記希土類元素は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍなどである。これら元素は高価であるが、主成分のＬａ、ＣｅにＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍが混在したミッシュメタル（以下、ＭＭと略記する。）は安価である。ＭＭで添加しても単体を添加しても作用は同じなので、ＭＭを添加した方が経済的である。
【０００９】
Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｖ、またはＡｇの（ｉｉｉ）元素群は、溶接強度向上に寄与する。その含有量を総計で０．０５〜２．０ｗｔ％に規定した理由は、０．０５ｗｔ％未満ではその効果が十分に得られず、２．０ｗｔ％を超えると巨大な晶出物が生成して溶接強度、靱性、加工性が低下し、さらには耐食性も低下する恐れがあるためである。前記Ｃｕなどの総計含有量は、０．１〜１．５ｗｔ％が、他の性質を低下させずに溶接強度向上が図れ望ましい。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
表１〜４に示す組成の合金を用いて常法によりスタッド（外径Ｍ６、長さ２０mm）を作製し、これをＡｌ合金板材（母材）にスタッド溶接して溶接性を調査した。Ａｌ合金板材にはＪＩＳ−Ａ５０５２Ｐ−Ｈ３４（Ａｌ−０．２５wt％Ｓｉ−０．４wt％Ｆｅ−０．１wt％Ｃｕ−０．１wt％Ｍｎ−２．５wt％Ｍｇ−０．２５wt％Ｃｒ−０．１wt％Ｚｎ合金）の厚さ３mm、５０mm四方の板材を用いた。
スタッド溶接機にはコンデンサ放電型溶接機〔日本ドライブイット（株）製ＣＤ１０００型〕を用いた。
溶接条件は、コンデンサ容量を６４０００μＦと１２８０００μＦの２水準、電圧を８０、９０、１００、１１０、１２０Ｖの５水準、パネルとスタッド間のギャップを２．５、３．０、３．５、４．０mmの４水準に取った。
各材料、各条件ごとに、１０個ずつ溶接し、全数を外観検査（焼付き、傷、凹凸）後、５個を引張試験に、残りの５個をトルク試験に供した。
【００１１】
検査または試験方法を下記に示す。
〔外観検査〕
外観検査項目のうち、焼付き、傷は、母材表面（溶接面と反対側の面）を目視観察して行い、凹凸は図２に示す表面検査装置を用いて行った（特願平７−２７９８６０号参照）。
前記表面検査装置は、試験片を取付ける円柱状の角度調整具20、前記角度調整具20を載置する支持具21、支持具外側壁面に取付けた角度表示板22、支持具21の底面に取付けた模様板23からなる。
角度調整具20を支持具21に形成された切欠部24に回転自在に載置する。試験体25は角度調整具20の中央部にその母材11の表面が模様板23に対し垂直になるように取付ける。ここで角度調整具20の端部に取付けた角度指示針26は角度表示板22の角度目盛り０に合わせておく。
試験体25を上から観察しながら、角度調整具20を母材11表面が上に向くように徐々に回転させる。母材11表面に凹凸があると、母材11表面で反射する模様板23の模様が歪んで見え、この歪みは、母材11表面の凹凸が大きい程、回転角度が小さいうちから見え始める。歪んで見え始めたときの回転角度で凹凸の大小を判定する。歪んで見え始める角度の平均値が２度以上のものを良好（○）、２度未満のものを不良（×）と判定した。
〔引張試験〕
図３に示すように、スタッド10の上部にナット12をねじ込み、ナット12と母材11を上部治具31と下部治具32の袋部にそれぞれ挿入し、各治具31,32 の基部33,34 を引張試験機のチャック35,36 に挟んで引張った。破断荷重の平均値が２．５ｋＮ以上のものを非常に良好（◎）、２．５ｋＮ未満、２．０ｋＮ以上のものを良好（○）、２．０ｋＮ未満のものを不良（×）と判定した。
〔トルク試験〕
図４に示すように、スタッド10の上部に、カーラー40と座がね41を介してナット12をねじ込み、これをトルクレンチ42を用いてスタッド10が破断するまでねじった。スタッド10が破断したときの最大トルク値の平均値が２．５Ｎ・ｍ以上のものを非常に良好（◎）、２．５Ｎ・ｍ未満、２．０Ｎ・ｍ以上のものを良好（○）、２．０Ｎ・ｍ未満のものを不良（×）と判定した。
【００１２】
（比較例１）
比較のため、Ｍｎなどの合金元素が本発明の規定値外の合金についてもスタッドを作製し(No.39〜42) 同様の検査、試験を行った。
【００１３】
（従来例１）
従来のＪＩＳ−Ａ１０５０合金製スタッド、ＪＩＳ−Ａ５０５２合金製スタッド、ＪＩＳ−Ａ５０５６合金製スタッドについても同様の検査、試験を行った。
【００１４】
コンデンサ容量が６４０００μＦ、電圧９０Ｖ、ギャップ３．０ｍｍのときの結果を表６〜８に示す。また外観が良好となる電圧とギャップの許容条件範囲を表９に示す。
【００１５】
【表１】

（注）単位ｗｔ％、ＭＭミッシュメタル、Ｎｏ．３〜７は請求項１の合金、Ｎｏ．８〜１０は請求項２のＭｎ＋（ｉ）の合金。
【００１６】
【表２】

（注）単位ｗｔ％、ＭＭミッシュメタル、Ｎｏ．１１〜１４は請求項２のＭｎ＋（ｉｉ）の合金、Ｎｏ．１６〜２０は請求項２のＭｎ＋（ｉｉｉ）の合金。
【００１７】
【表３】

（注）単位ｗｔ％、ＭＭミッシュメタル、Ｎｏ．２１〜２３は請求項２のＭｎ＋（ｉ）＋（ｉｉ）の合金、Ｎｏ．２４〜２６は請求項２のＭｎ＋（ｉ）＋（ｉｉｉ）の合金、Ｎｏ．２７〜２９は請求項２のＭｎ＋（ｉｉ）＋（ｉｉｉ）の合金。
【００１８】
【表４】

（注）単位ｗｔ％、ＭＭミッシュメタル、Ｎｏ．３２〜３８は請求項２のＭｎ＋（ｉ）＋（ｉｉ）＋（ｉｉｉ）の合金。
【００１９】
【表５】

【００２０】
【表６】

【００２１】
【表７】

【００２２】
【表８】

【００２３】
【表９】

（注）＊：いずれの電圧、ギャップでも良好な外観が得られなかった。
【００２４】
表６〜９より明らかなように、本発明例のＮｏ．３〜１４，１６〜２９，３２〜３８はいずれも外観が良好で、引張強さおよび破断トルクが大きく、スタッドとして優れた特性を示した。特にＣｕ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｇのいずれか１種を含有するもの（Ｎｏ．１６〜２０，２４〜２９，３２〜３８）は溶接強度が一段と向上した。またＳｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、ＭＭなどを含有するもの（Ｎｏ．８〜１４，Ｎｏ．２１〜２３）は結晶粒が微細化して靱性、加工性、成形性に優れた。他方、比較例のＮｏ．３９，４１はＭｎが少ないため、Ｎｏ．４０，４２はＭｎが多いため、いずれも溶接強度が低下した。また従来例のＪＩＳ−Ａ１０５０合金（Ｎｏ．４３）製スタッドは溶接強度が低下し、ＪＩＳ−Ａ５０５２合金（Ｎｏ．４４）製スタッドおよびＪＩＳ−Ａ５０５６合金（Ｎｏ．４５）製スタッドはいずれも適正な溶接条件の範囲が狭く実用上問題が残るものであった。なお、本発明例のスタッドについて、成形加工性、耐食性などを調べたがいずれも優れた特性を示した。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のスタッドは、溶接強度に優れ、また美麗な外観が広い溶接条件範囲で得られ、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スタッドをパネル（母材）にスタッド溶接した状態を示す斜視図である。
【図２】外観検査装置の斜視説明図である。
【図３】溶接強度試験の側面説明図である。
【図４】トルク試験の側面説明図である。
【符号の説明】
10 スタッド
11 パネル（母材）
12 ナット
20 角度調整具
21 支持具
22 角度表示板
23 模様板
24 支持具の切欠部
25 試験体
26 角度指示針
31 上部治具
32 下部治具
33 上部治具の基部
34 下部治具の基部
35,36 引張試験機のチャック
40 カーラー
41 座がね
42 トルクレンチ

Claims

Ｍｎ０．８〜１．８ｗｔ％を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製スタッド。
Ｍｎ０．８〜１．８ｗｔ％を含有し、さらに総含有量が０．０５〜１．０ｗｔ％のＳｉ、Ｆｅの（ｉ）元素群、総含有量が０．０３〜０．３ｗｔ％のＴｉ、Ｚｒ、Ｂ、希土類元素の（ｉｉ）元素群、総含有量が０．０５〜２．０ｗｔ％のＣｕ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｇの（ｉｉｉ）元素群のうちの少なくとも１元素を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金製スタッド。