JP4256886B2 - 異材接合用フラックスコアードワイヤおよび異材接合方法 - Google Patents
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Description
本発明における異材接合用フラックスコアードワイヤは、溶融溶接の効率化のために、フラックスが管状の外皮(フープとも言う)に充填されたフラックスコアードワイヤとする。フラックスコアードワイヤは、高効率の全自動溶接若しくは半自動溶接として、溶融溶接に適用できる利点がある。
フラックスコアードワイヤの管状の外皮(フープとも言う)には、鋼とアルミニウム合金材との間でのFe−Al金属間化合物層の形成抑制のために、通常用いる鋼帯ではなく、アルミニウム合金帯を用いる。
本発明における外皮内に充填するフラックスは、前提として、塩化物を含まないフッ化物組成とする。塩化物は、溶接部に残留すると、溶接部乃至異材接合体の腐食促進因子として作用するために、その含有量を規制する。フラックス中には全く塩化物を含まないことが好ましいが、コストや実用性も考慮すると、本発明では、腐食を促進しない範囲での塩化物含有は許容する。この目安として、フラックス全量に対して、塩化物量を1mol%以下とする。
本発明におけるフラックスの基本組成は、アルミニウム合金材などの被溶接材の表面酸化膜を還元除去、あるいは溶解除去する効果発揮のために、フッ化物組成とする。接合前のアルミニウム合金材の表面には極めて強固な酸化皮膜が形成されており、これが溶接時の通電を阻害する。したがって、フラックスの、この表面酸化膜還元除去効果が弱ければ、高張力鋼材と6000系アルミニウム合金材となどの高強度な異材同士の溶融溶接接合において、接合強度を信頼性レベルや実用性レベルに高めることができない。
本発明では、FeとAlの相互拡散を阻害する作用効果、Fe−Al金属間化合物層成長の抑制効果を発揮させるために、上記フッ化物組成のフラックスに、AlF3 (フッ化アルミニウム)を、フラックスコアードワイヤ全質量に対して0.1〜15質量%、好ましくは0.4〜15質量%の範囲で含むことを最大の特徴とする。
アルミニウム合金外皮へのフッ化物系フラックス充填量(フラックスコアードワイヤ中のフッ化物系フラックス量)は、フラックスコアードワイヤ全重量に対して0.3〜20質量%の範囲とする。アルミニウム合金外皮へのフッ化物系フラックス充填量が、フラックスコアードワイヤ全重量に対して20質量%を超えると、被溶接材の表面酸化膜を還元除去する効果が過大となる。このために、溶融域が拡大し過ぎて、却ってFe−Al金属間化合物層が成長して、溶接強度の問題が生じる。このほか、スパッタやヒュームが増加して作業性や溶接部外観が損なわれる問題もある。逆に、アルミニウム合金外皮へのフッ化物系フラックス充填量が、フラックスコアードワイヤ全重量に対して0.3質量%未満では、フッ化物系フラックスの添加効果が不足する。フラックスの効果を確実に補償するためには、より好ましくは、フラックスコアードワイヤ全重量に対して、5〜15質量%の範囲のフラックス充填量とする。
本発明の異材接合における、使用溶融溶接方法は特に制限されるものではなく、アークやレーザなどの熱源を使用した汎用の溶融溶接法を使用することができる。例えば、MIG法、TIG法、レーザ法あるいはそれらのハイブリッド溶接法が適用可能である。実際の溶融溶接の施工に際しては、被溶接材の種類・形状、これらの異材接合体の形状や構造、あるいは要求接合特性に応じて、フラックスコアードワイヤの外皮、フラックス成分などの諸因子を考慮し、溶接方法を選定し、溶接条件を最適化する。
異材接合される鋼材の板厚は0.3〜3.0mmの範囲が好ましい。鋼材の板厚が0.3mm未満の場合、前記した構造部材や構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。鋼材の板厚が3.0mmを越えると前記した構造部材や構造材料としての軽量化を図れなくなる。
本発明においては、使用する鋼材の形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状が使用可能である。ただ、自動車部材などの軽量な高強度構造部材(異材接合体)を得るためには、鋼材の引張強度が400MPa以上、望ましくは500MPa以上の高張力鋼(ハイテン)とする。
接合される鋼材表面(少なくともアルミニウム合金材との接合面)に亜鉛めっきを予め設けておくと、フラックスの濡れ性が向上する。また、アルミニウム合金材との接合面に亜鉛めっきが介在しているために、異材接合体の耐食性も優れる利点が得られる。更に、以下の作用で接合強度を高める効果もある。亜鉛めっきには、溶接時に、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成する時間を遅らせる効果もある。更に、亜鉛めっきの存在(介在)によって、溶融溶接時の抵抗発熱量が増し、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミニウムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保される効果もある。
本発明で用いるアルミニウム合金材はその形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。ただ、アルミニウム合金材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金材の中でも強度が高く、合金元素量が少なく、リサイクル性にも優れた、この種構造用部材として汎用されている、Al−Mg−Si系のA6000系アルミニウム合金とする。
表1〜3とも、共通して、A6063アルミニウム合金板は板厚2.5mm、GA鋼板は板厚1.2mmとし、溶接時の配置は、GA鋼板を下にしてアルミニウム合金板を上に重ね合わせ、互いのラップ幅は5〜20mmとした。
表1〜3とも、レーザ法あるいはMIG法によって、上記重ね合わせ部分の中央部(単層重ね継手)の溶接を、両板の幅方向全域に亙って行った。レーザ法については、デフォーカスさせた連続発振YAGレーザにより、出力2〜4kW、速度0.8〜2.0m/minの条件とし、シールドガスはArとした。MIG法については、交流溶接電流30〜80A、溶接電圧7〜18V、溶接速度15〜60cm/minの条件とした。
表1、2では、外皮としてA4047相当のアルミニウム合金溶加材(Si:12.0質量%、Mn:0.1質量%)を共通して使用し、フラックスの組成のみを種々変えた。また、フラックスコアードワイヤ中のフラックス量が、フラックスコアードワイヤ全重量に対して1質量%以下の場合には、共通して、金属粉を添加した。金属粉は、共通して、外皮と同じA4047相当の組成のアルミニウム合金粉末(粒度150μm)とし、フラックスコアードワイヤ全重量に対して20質量%添加した。
(1) 20CaF−80KF
(2)10AlF3 −45LiF−30Na2 O−15P2 O5
(3)K3 AlF6 (25AlF3 +75KF)
(4)K2 AlF5 (33AlF3 +67KF)
(5)75AlF3 −25KF
(6)40AlF3 −60KF
表1〜3とも、溶接中のスパッタ発生量などを含む、ビード外観を目視観察して4段階評価を行った。ビード外観(評価官能試験)は最も優れるものを4、最も劣るものを1として4段階の評価を行った。
表1〜3とも、異材接合体の接合強度としての継手強度は、接合継手から接合部を含む30mm幅の接合試験片を切り出して、単位溶接線当たりの破断強度を測定した。破断強度が250N/mm以上であれば◎、破断強度が200〜250N/mm未満であれば○、破断強度が100〜200N/mm未満であれば△、破断強度が100N/mm未満であれば×とした。ここで、破断強度が200N/mm( ○) 以上なければ、自動車などの構造材用の異材接合体としては使用できない。
表3は、異材接合体の接合強度としての継手の伸び(%)も測定、評価した。この伸びも、接合継手から接合部を含む30mm幅の接合試験片を切り出して、単位溶接線当たりの伸びを測定した。伸びが10%以上であれば○○○(三重丸)、7.5〜10%未満であれば◎(二重丸)、5.0〜7.5%未満であれば○、2.5〜5.0%未満であれば△、2.5%未満であれば×とした。ここで、伸びが5.0%( ○) 以上なければ、自動車などの構造材用の異材接合体としては使用できない。
表1、2から分かる通り、アルミニウム合金外皮へのフッ化物系フラックス充填量やAlF3 の含有量が、本発明の条件範囲で溶融溶接接合された発明例1〜30の異材接合体は、優れたビード外観、継手強度を有する。
表3から分かる通り、外皮アルミニウム合金のSi、Mn量が、本発明の条件範囲で溶融溶接接合された発明例43〜64の異材接合体は、アルミニウム合金外皮へのフッ化物系フラックス充填量や、AlF3 の含有量も本発明範囲を満足しており、優れたビード外観、継手強度、伸びを有する。
Claims (6)
- 鋼材とアルミニウム合金材との異材同士を接合するための、フラックスがアルミニウム合金外皮内に充填されたフラックスコアードワイヤであって、前記フラックスを、AlF3 をフラックスコアードワイヤ全質量に対して0.1〜15質量%含み、かつ塩化物を含まないフッ化物組成とするとともに、フラックスコアードワイヤ全質量に対して0.3〜20質量%充填したことを特徴とする異材接合用フラックスコアードワイヤ。
- 前記外皮アルミニウム合金が、Siを1〜13質量%含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなる請求項1に記載の異材接合用フラックスコアードワイヤ。
- 前記外皮アルミニウム合金が更にMnを0.1〜0.3質量%含有する請求項3に記載の異材接合用フラックスコアードワイヤ。
- 前記鋼材が亜鉛めっき鋼材である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の異材接合用フラックスコアードワイヤ。
- 前記異材接合が高張力鋼材と6000系アルミニウム合金材とを接合するものである請求項1乃至4のいずれか1項に記載の異材接合用フラックスコアードワイヤ。
- 請求項1乃至5のいずれかのフラックスコアードワイヤを用いて、高張力鋼材と6000系アルミニウム合金材との異材同士を、溶融溶接により接合することを特徴とする異材接合方法。
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