JP4438691B2 - 鉄系材料とアルミニウム系材料とを接合した異材接合継手および溶接接合方法 - Google Patents
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真空圧延接合する方法(特許文献1参照)。
予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させてシーム溶接する方法(特許文献2参照)。
高温加圧接合する方法(特許文献3参照)。
接合面にTi合金を予め介在させHIP処理により接合する方法(特許文献4および5参照)。
摩擦圧接する方法(特許文献6参照)。
アルミニウムと接する鋼材表面にアルミニウム合金をめっきして、あるいは予め用意した鋼材層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させて抵抗溶接する方法(特許文献7および8参照)。
また、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法も提案されている(非特許文献1、2参照)。
特許文献1〜8の、鋼材とアルミニウム材との異材接合体を得る方法は、共通して、平板など比較的単純な形状の部材同士の接合には利用可能であるが、部材形状の制約を受け、部材の形状が複雑な場合には適用できない。このため適用範囲が狭く汎用性が劣っている。また、接合部がスポット的なものとなるため連続的な接合部を得ることができない問題もある。
図1に本発明で規定する異材接合継手の一態様を平面図(a)および側面図(b)で示す。図1において、異材接合継手1は、上板である鋼材(鋼板)2と、下板であるアルミニウム材(アルミニウム合金板)3とを重ね合わせて、溶接線6にてアーク溶接にて接合している。5は、接合部表面に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成された溶接ビードである。なお、図1(a)は上部の溶接ビード5を除いた溶接構造を示している。
図1において、L-Alが、本発明で言う、接合後の前記丸穴4a中に充填凝固されたアルミニウム溶接材料の、溶接線に沿った長さ(アルミニウム溶接材料の幅)である。また、L-Feが、本発明で言う、これに(L-Alに)両隣する鋼材の溶接線に沿った長さ(丸穴4a同士の間隔)である。
ここで、アルミニウム材3の厚みをTa、アルミニウム溶接材料7がアルミニウム材3の表面に溶け込んだ最大溶け込み深さ(丸穴4a中央部の最大深さ部の深さ)をD、溶接線6に沿って鋼材2の上面から溶接ビード5の上面までの距離であるビードの平均厚さをTb、丸穴4a(空間)の円相当半径をRとする。
また、アルミニウム溶接材料7の前記上端部の溶接ビード5への前記溶融接合を保証するためには、Tb/Rを0.50以上とすることが好ましい。0.50未満でも十分な接合強度が得られるが、溶接ビード5の部分で破断が生じるようになり、溶接ビード5やアルミニウム接合部(アルミニウム溶接材料7)のリベットとしての機能が劣る可能性がある。この点、更にさらに好ましくはTb/Rを0.70以上とする。
図2に本発明で規定する異材接合継手の溶接接合方法の一態様を正面図で示す。図2は異材継手をアーク溶接法にて接合する方法を示している。図2において、11は溶接トーチ、10はアルミニウム溶接ワイヤであり、上板である鋼材(鋼板)2と、下板であるアルミニウム材(アルミニウム合金板)3とを重ね合わせた部分を、図2の矢印方向(図2の右から左)へ移動しつつ、アルミニウムビード5を形成しながら溶接する。
図3に、溶接前の、鋼材2とアルミニウム材3とを重ね合わせた状態を平面図(a)および側面図(b)で示す。これら図3に示すように、鋼材2に予め設ける空間である丸穴4a同士の間隔L1が前記P値におけるL-Feの大きさを規定する。また、丸穴4aの径(幅)L2が前記P値におけるL-Alの大きさを規定する。したがって、丸穴4aの間隔L1と、丸穴4aの径(幅)L2は、継手や溶接条件に応じて、溶接後の前記P値が0.5〜7の範囲となるように設定し、設けるようにする。
上記の通り、アルミニウム材と鋼材との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、溶接条件として、母材である鋼材を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融(希釈)量で健全な接合状態が得られるように溶接することが好ましい。
この点、汎用性という面で推奨されるアーク溶接では、溶接時の溶接電流が過大とならない範囲に制御することが望ましい。そのため本発明を実施する際の好ましいアーク溶接条件としては以下の通りである。
即ち、交流電源の場合には、Ta/3.5≦Q≦Ta/1.4、直流電源の場合には、Ta/1.5≦Q≦Ta/0.7とすることが好ましい。
ここで、Q(kJ/cm)=60(s/min)×溶接電流(A)×溶接電圧(V)/溶接速度(cm/min)/1000
溶接電流:交流電源の場合は60A以上、好ましくは70A以上で、100A以下、より好ましくは90A以下である。一方、直流電源の場合は、60A以上、好ましくは70A以上で、140A以下、より好ましくは130A以下である。
溶接電圧:交流電源の場合は10V以上、好ましくは11V以上で、15V以下、より好ましくは14V以下である。一方、直流電源の場合は13V以上、より好ましくは14V以上で、19V以下、より好ましくは18V以下である。
溶接速度:交流電源あるいは直流電源のいずれの場合も、20cm/min以上、好ましくは30cm/min以上で、120cm/min以下、より好ましくは100cm/min以下である。
アーク溶接に使用する溶接ワイヤ素材としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料を供給できるアルミニウム系の材料であれば、継手や溶接条件に応じて、適宜選択される。この点、JISで規定される、A4043−WY、A4047−WY、A5356−WY、A5183−WYなどが、好適に例示される。しかし、これに限定されるわけではない。
本発明請求項で言う鉄系材料とは、普通鋼、高張力鋼(ハイテン)などの鋼材のことを指す。本発明においては、継手に使用する鋼材の種類や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、材料が使用可能である。その意味で、請求項では鉄系材料とした。ただ、継ぎ手や鋼材の強度を得るためには、高張力鋼(ハイテン)であることが好ましい。
本発明請求項で言うアルミニウム系材料とは、純アルミニウム系材あるいはアルミニウム合金系材のようなアルミニウム材を指す。 本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や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。その意味で、請求項ではアルミニウム系材料とした。
表1に、溶接電源として、交流電源を使用した溶接試験結果を示す。表1では、本溶接試験に使用した、鋼板とアルミニウム合金板の条件(材質、板厚)および溶接ワイヤ条件(材質)、溶接条件(電流、電圧、速度)、空間条件(形状、パラメータP値)、ならびに判定結果(ビード割れの有無、継手強度と伸び)などを各々示す。なお、今回の溶接試験では評価を容易にするため、鉄系材料に設けた空間形状は円形或いは楕円形とし、直径をサイズパラメータとした。
試験片の平面サイズは、鋼板、アルミニウム合金板とも100mm×300mmとし、両者とも、300mmの辺側同士を重ね合わせて、全長をミグ(MIG)溶接した(溶接線の長さは300mm)。
継手強度(MPa)=最大荷重点荷重(MPa)/継手断面積(mm)
ここで、継手断面積はアルミニウム合金板の板厚方向断面積とした。
ビード割れは、目視および浸透探傷試験によって接合継手部の割れ発生有無を調べた。
◎:割れが全くないもの。
○:溶接長100mmあたりの割れが2個以下
×:溶接長100mmあたりの割れが2個以上
表2に、溶接電源として、直流電源を使用した、溶接試験結果を示す。表2に、本溶接試験に使用した、鋼板とアルミニウム合金板の条件(材質、板厚)および溶接ワイヤ条件(材質)、溶接条件(電流、電圧、速度)、空間条件(形状、パラメータP値)、ならびに判定結果(ビード割れの有無、継手強度と伸び)などを各々示す。なお、今回の溶接試験では評価を容易にするため、鉄系材料に設けた空間形状は全て円形とし、直径をサイズパラメータとした。
5:溶接ビード、6:溶接線、7:アルミニウム、10:アルミニウム溶接ワイヤ、
11:溶接トーチ
Claims (3)
- 鉄系材料とアルミニウム系材料とを重ね合わせて接合した異材接合継手であって、鉄系材料側に、前記異材接合継手の平面視にて円または楕円の形状の空間が、これら円または楕円の中心線を溶接線が通るように、この溶接線に沿って予め一定の間隔で設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように、両材料が溶接接合されており、接合後の溶接線長さ100mm当たりにおける、前記各空間に充填されたアルミニウム溶接材料の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Al)と、これに両隣する鉄系材料の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Fe)との比(L-Al)/(L-Fe)の最小値が、0.5を超え、7未満の範囲であることを特徴とする異材接合継手。
- 前記溶接接合をアルミニウム溶接ワイヤを用いたアーク溶接法により行なう請求項1に記載の異材接合継手。
- 鉄系材料とアルミニウム系材料とが重ね合わされた異材継手をアーク溶接法にて接合する方法であって、鉄系材料側に、前記異材継手の平面視にて円または楕円の形状の空間を、これら円または楕円の中心線を溶接線が通るように、この溶接線に沿って予め一定の間隔で設け、鉄系材料を上側、アルミニウム系材料を下側として、アルミニウム溶接ワイヤを用い、前記空間にアルミニウム溶接材料を溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成するように接合し、かつ、接合後の溶接線長さ100mm当たりにおける、前記各空間に充填されたアルミニウム溶接材料の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Al)と、これに両隣する鉄系材料の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Fe)との比(L-Al)/(L-Fe)の最小値が、0.5を超え、7未満の範囲となるように、両材料を溶接接合することを特徴とする異材接合継手の溶接接合方法。
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