JP5173558B2 - Manufacturing method of MIG welded joint of steel and aluminum - Google Patents
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本発明は、鋼材とアルミニウム材のMIG(Metal Inert Gas)溶接継手の製造方法に係り、特に、材質が異なる鋼材とアルミニウム材の板状部同士を重ね合わせて、その重ね合わせ部分をMIG溶接する技術に関するものである。
The present invention relates to a steel material and an MIG aluminum material (Metal Inert Gas) welding fittings production how, in particular, the material is superposed plate portions of different steel and an aluminum material, MIG welding the overlapping portion It is related to the technology.
近年、地球環境の保護や省エネルギーの観点から、自動車の排出する有害ガスや二酸化炭素の発生の抑制、燃費の向上等が、要請されている。そして、そのような要請に応えるためには、自動車の軽量化が最も有効であるところから、ボデー部材や各種の部品において、鋼材からアルミニウム材への材質の転換が、盛んに検討されている。しかしながら、自動車を構成するボデー部材や各種部品の材料の全てをアルミニウム材料にすることは、コスト的にも困難であり、このため、アルミニウム材を用いる場合においては、鋼とアルミニウムとの異種金属間の接合、所謂ハイブリッド接合が避けられず、この異種金属接合が、重要な課題となっている。また、かかる鋼材とアルミニウム材との接合は、上述せる如き自動車に代表される輸送機の分野のみならず、家電製品、建材等の構造物等、各種の分野においても、強く要請されており、そこでは、その強固な接合が求められている。 In recent years, from the viewpoint of protecting the global environment and saving energy, there has been a demand for suppression of generation of harmful gases and carbon dioxide emitted from automobiles, improvement of fuel consumption, and the like. And in order to meet such a demand, since the weight reduction of an automobile is the most effective, in the body member and various parts, the conversion of the material from a steel material to an aluminum material is actively studied. However, it is difficult in terms of cost to make all the materials of the body members and various parts constituting the automobile into an aluminum material. For this reason, when using an aluminum material, the dissimilar metal between steel and aluminum is used. This so-called hybrid joining is inevitable, and this dissimilar metal joining is an important issue. In addition, the joining of such steel materials and aluminum materials is strongly demanded not only in the field of transport aircraft represented by automobiles as described above, but also in various fields such as home appliances, structures such as building materials, There, there is a demand for strong bonding.
このため、鋼材とアルミニウム材との接合においては、充分な接合強度を確保するために、かしめやリベット接合、ボルト接合等の機械的接合が検討されてきているのであるが、この機械的接合であっても、接合の作業性や接合部の信頼性、接合コスト等の点において、多かれ少なかれ、何等かの問題を内在している。 For this reason, in the joining of steel and aluminum, mechanical joining such as caulking, rivet joining, and bolt joining has been studied in order to ensure sufficient joining strength. Even if it exists, some problems are inherent in the workability | operativity of joining, the reliability of a junction part, joining cost, etc. more or less.
また、従来より金属材の接合において一般的に用いられているアーク溶接等の溶融溶接法にあっては、生産性の飛躍的な向上を期待し得るのであるが、溶融溶接法で鋼材とアルミニウム材とを溶接すると、溶接時の入熱が高くなり過ぎて、溶融したアルミニウムと鋼が冶金的に反応し、それらの接合界面に、脆くて硬い金属間化合物(Fe2Al5、FeAl3 等)が厚く形成され、そこから亀裂が入り易くなって、実用化レベルの継手強度が得られないといった問題があった。 In addition, in melt welding methods such as arc welding, which are conventionally used for joining metal materials, a dramatic improvement in productivity can be expected. When welding materials, the heat input during welding becomes too high, and molten aluminum and steel react metallurgically, and brittle and hard intermetallic compounds (Fe 2 Al 5 , FeAl 3, etc.) ) Is formed thick, and cracks are easily formed therefrom, and there is a problem that a joint strength at a practical level cannot be obtained.
ところで、特許文献1〜7には、アーク溶接の一種であるMIG溶接法によって、鋼材とアルミニウム材の異種金属を溶接する種々の手法が提案されている。しかしながら、特許文献1においては、銅合金又はNi合金のワイヤを用いて、鋼材とアルミニウム材とを、MIGロウ付け法にて直接溶接しているところから、溶接コストが高くなると共に、十分な溶接強度が得られているとは言い難く、改善の余地を有するものであった。また、特許文献2においては、フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム及び酸化アルミニウムを少なくとも成分として含むフラックスを、アルミニウム材で被覆したフラックス入りワイヤが、溶加材として用いられ、脆弱な厚い金属間化合物層の形成が抑制されているのであるが、フラックスが、溶接部にスラグとなって表面に残り、このため、表面を覆うスラグを除去する作業が必要となって、生産性に劣ると共に、製品コストが高くなるといった問題を内在している。 By the way, Patent Documents 1 to 7 propose various methods for welding dissimilar metals such as a steel material and an aluminum material by a MIG welding method which is a kind of arc welding. However, in Patent Document 1, since a steel material and an aluminum material are directly welded by a MIG brazing method using a copper alloy or Ni alloy wire, the welding cost is increased and sufficient welding is performed. It was difficult to say that the strength was obtained, and there was room for improvement. In Patent Document 2, a flux-cored wire in which a flux containing at least cesium fluoride, aluminum fluoride, potassium fluoride, and aluminum oxide as a component is coated with an aluminum material is used as a filler material. Although the formation of the intermetallic compound layer is suppressed, the flux remains as a slag in the welded portion and remains on the surface. For this reason, it is necessary to remove the slag covering the surface, resulting in poor productivity. At the same time, the problem of high product costs is inherent.
また、特許文献3〜7には、溶接ワイヤとして、ロウ材やフラックス入りワイヤではなく、アルミニウム合金製のソリッドワイヤが採用されている。しかし、それらの文献においては、アルミニウム材の厚みと鋼材の厚みとの関係が何等検討されておらず、同一厚さの鋼材とアルミニウム材とが溶接されたり、アルミニウム材よりも厚い鋼材が用いられて、溶接されている。このため、入熱が低くなるようにコントロールしても、両材の剛性が大きく異なり、アルミニウム材の剛性が鋼材に比べて小さいところから、これに起因して、溶接後の凝固収縮時において、熱歪みによる応力が集中して、溶接部に局所変形が生じるおそれがあった。 In Patent Documents 3 to 7, a solid wire made of an aluminum alloy is employed as a welding wire, not a brazing material or a flux-cored wire. However, in these documents, the relationship between the thickness of the aluminum material and the thickness of the steel material is not examined at all, and the steel material and the aluminum material having the same thickness are welded or a steel material thicker than the aluminum material is used. Are welded. For this reason, even if the heat input is controlled to be low, the rigidity of both materials is greatly different, and the rigidity of the aluminum material is smaller than that of the steel material. There was a possibility that stress due to thermal strain concentrated and local deformation occurred in the weld.
さらに、かかる特許文献3〜7においては、鋼材として、亜鉛又は亜鉛合金メッキ、アルミニウム又はアルミニウム合金メッキが施された表面処理鋼材が用いられており、そのような表面処理の施されていない鋼材を、アルミニウム材とMIG溶接法にて溶接する手法については、何等明らかにされていない。このため、鋼材表面の表面処理層(金属被覆層)の有無に拘わらず、アルミニウム材と鋼材の接合部が健全となり、十分な継手強度を確保することのできる接合方法が、強く望まれていたのである。 Further, in Patent Documents 3 to 7, surface-treated steel materials subjected to zinc or zinc alloy plating, aluminum or aluminum alloy plating are used as steel materials, and steel materials not subjected to such surface treatment are used. The method of welding with an aluminum material by the MIG welding method is not clarified at all. For this reason, a joining method capable of ensuring a sufficient joint strength by providing a healthy joint between an aluminum material and a steel material regardless of the presence or absence of a surface treatment layer (metal coating layer) on the surface of the steel material has been strongly desired. It is.
かかる状況下、本発明者等は、アルミニウム材と鋼材とを、アルミニウム材が上になるようにして上下に重ね合わせて、アルミニウム材の端面部位をMIG溶接する際に、アルミニウム材の材質や厚さ、鋼材の厚さ、溶接ワイヤの材質、その直径、溶接ワイヤの中心線の配設位置、1パルス当たりの溶滴数、パルス頻度等を所定の範囲となるように設定した特別な溶接条件を採用することによって、溶接時の入熱を適度に低くコントロールすることが可能となり、これによって、鋼材表面の表面処理層の有無に拘わらず、健全な接合部(溶接部)が形成されることを明らかにし、先に、特許出願を行った(特願2007−47766号及び特願2007−47767号)。而して、本発明者等が、アルミニウム材と鋼材の配置を入れ替えて、鋼材を上にして、メッキ等の表面処理(金属被覆処理)が施されていない鋼材の端面部位に対して、先の出願と同一の条件でMIG溶接を行ったところ、溶接部に、鋼材とアルミニウム材とに跨る連続的なビードを設けることができず、接合自体が不可能となる場合があることが判明した。詳細には、鋼材の端面部位に、途切れることなくビードを形成せしめることができず、ビードが途中で切れて不連続となり、鋼材のエッジ部(上面側角部)が露出したり、或いは、溶接ワイヤの溶滴が鋼材の端面で弾かれて、鋼材上にビードが形成されない場合があることが判明したのである。 Under such circumstances, the present inventors superimpose the aluminum material and the steel material vertically so that the aluminum material faces upward, and when MIG welding the end surface portion of the aluminum material, the material and thickness of the aluminum material Special welding conditions that set the steel material thickness, welding wire material, diameter, welding wire centerline placement position, number of droplets per pulse, pulse frequency, etc. within a specified range By adopting, it becomes possible to control the heat input at the time of welding moderately low, thereby forming a sound joint (welded part) regardless of the presence or absence of the surface treatment layer on the steel surface The patent application was filed first (Japanese Patent Application No. 2007-47766 and Japanese Patent Application No. 2007-47767). Thus, the inventors changed the arrangement of the aluminum material and the steel material so that the steel material faces up and the end surface portion of the steel material not subjected to surface treatment (metal coating treatment) such as plating is applied first. When MIG welding was carried out under the same conditions as in the above application, it was found that a continuous bead straddling the steel material and the aluminum material could not be provided in the welded portion, and joining itself could be impossible. . Specifically, a bead cannot be formed without interruption at the end surface portion of the steel material, the bead is cut off in the middle and becomes discontinuous, and the edge portion (upper side corner portion) of the steel material is exposed or welded. It has been found that the droplets of the wire are repelled at the end face of the steel material, and a bead may not be formed on the steel material.
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、鋼材とアルミニウム材とを、鋼材が上になるようにして上下に重ね合わせ、鋼材の端面部位にMIG溶接を施して、鋼材とアルミニウム材との重ね隅肉継手を製造する方法において、鋼材端面の表面処理の有無に拘わらず、溶接部に、鋼材とアルミニウム材とに跨るビードを鋼材の端面に沿って連続的に形成することのできる、鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法を提供することにあり、また、そのような連続的なビードが形成されたMIG溶接継手を提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background of such circumstances, and the problem to be solved is to superimpose a steel material and an aluminum material on top and bottom so that the steel material is on top. In the method of manufacturing a lap fillet joint of steel material and aluminum material by performing MIG welding on the end surface part of the steel, a bead straddling the steel material and the aluminum material is applied to the welded portion regardless of the presence or absence of surface treatment of the steel material end surface. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a steel and aluminum MIG welded joint that can be continuously formed along the end face of the steel material, and to provide a MIG welded joint formed with such a continuous bead. It is to provide.
そして、本発明者等が、そのような課題の解決のために鋭意検討を重ねた結果、アルミニウム材を上にしてアルミニウム材の端面部位に対してMIG溶接を施した先の出願と同様に、入熱が適度に低くなるようにコントロールしつつ、更に、溶接ワイヤの半径や、溶接ワイヤの基点からの距離、鋼材の厚さ、溶接速度を組み合わせて構成される関係式が所定の範囲となるように設定することによって、鋼材端面の表面処理の有無に拘わらず、溶接部に、鋼材とアルミニウム材とに跨るビードが鋼材の端面に沿って連続的に形成され得ること、また、そのようにして製造された鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手は、鋼材の溶込み深さが小さいことを見出し、本発明を完成するに至ったのである。 And, as a result of repeated diligent studies for solving such problems, the present inventors, as in the previous application in which MIG welding was performed on the end surface portion of the aluminum material with the aluminum material facing up, While controlling the heat input to be moderately low, a relational expression configured by combining the radius of the welding wire, the distance from the base point of the welding wire, the thickness of the steel material, and the welding speed is within a predetermined range. With this setting, a bead straddling the steel material and the aluminum material can be continuously formed along the end surface of the steel material in the welded portion regardless of whether or not the surface treatment of the steel material end surface is performed. As a result, the MIG welded joint of steel material and aluminum material manufactured in this way has been found to have a small penetration depth of the steel material, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、(i)鋼材とアルミニウム材とを該鋼材が上になるようにして上下に重ね合わせ、かかる鋼材の端面部位に対してMIG溶接操作を施すことにより、それら鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手を製造する方法であって、(ii)前記鋼材として、厚さ:tが、0.50〜2.0mmで、且つ前記アルミニウム材の厚さの0.6〜0.8倍であるものを用いると共に、(iii)溶接ワイヤとして、半径:rが0.4〜0.8mmである4000系又は5000系のアルミニウム合金からなるものを用い、(iv)かかる溶接ワイヤの中心線が、前記鋼材の端面における上面側角部を基点:0として、該基点:0から水平方向で該鋼材と前記アルミニウム材との重ね合わせ部とは反対側において4rの距離内に位置するように、該溶接ワイヤを配置した状態において、(v)下記式(I)にて示されるAが4.0〜6.0となるように、前記溶接ワイヤを前記鋼材の端面に沿って相対的に移動せしめると共に、(vi)前記溶接ワイヤに対して、1パルス1溶滴移行となり、且つパルス頻度が溶接長1mm当たり0.5〜5回となる直流の溶接パルス電流を、溶接部に溶融池が常に形成されるように流す一方、かかる溶融池への短絡が、溶接長1mm当たり0.1〜4回の割合で行われるようにして、MIG溶接操作を実施することを特徴とする鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法を、その要旨とするものである。
A=L/r+(t/α)×V ・・・ (I)
[式中、Lは基点:0から溶接ワイヤの中心線までの距離(mm)、rは溶接ワイヤの半径(mm)、tは鋼材の厚さ(mm)、αは係数(=21mm・cm/分)、及びVは溶接速度(cm/分)である。]
That is, the present invention provides (i) a steel material and an aluminum material, which are superposed one above the other so that the steel material is on top, and an MIG welding operation is performed on the end surface portion of the steel material, whereby the steel material and the aluminum material. (Ii) As the steel material, the thickness: t is 0.50 to 2.0 mm, and 0.6 to 0.8 times the thickness of the aluminum material. And (iii) a welding wire made of a 4000 series or 5000 series aluminum alloy having a radius r of 0.4 to 0.8 mm, and (iv) the center line of the welding wire. However, the upper surface side corner of the end face of the steel material is defined as a base point: 0, and is positioned within a distance of 4r on the side opposite to the overlapping portion of the steel material and the aluminum material in the horizontal direction from the base point: 0. , In a state where the welding wire is arranged, (v) the welding wire is relatively moved along the end surface of the steel material so that A represented by the following formula (I) is 4.0 to 6.0. (Vi) DC welding pulse current with one pulse per droplet transfer and a pulse frequency of 0.5 to 5 times per 1 mm welding length is applied to the welding wire. A steel material and aluminum characterized in that the MIG welding operation is performed such that a short circuit to the molten pool is performed at a rate of 0.1 to 4 times per 1 mm of welding length while flowing so as to be always formed. The manufacturing method of the MIG welded joint of the material is the gist thereof.
A = L / r + (t / α) × V (I)
[In the formula, L is the base point: distance from 0 to the center line of the welding wire (mm), r is the radius (mm) of the welding wire, t is the thickness (mm) of the steel material, and α is the coefficient (= 21 mm · cm / Min), and V is the welding speed (cm / min). ]
なお、かかる本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法の好ましい態様の一つによれば、前記鋼材として、表面処理の施されていない軟鋼、炭素鋼、高張力鋼、及びステンレス鋼のうちの何れかが用いられる。 In addition, according to one of the preferable aspects of the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and the aluminum material according to the present invention, as the steel material, mild steel, carbon steel, high-tensile steel, and stainless steel not subjected to surface treatment are used. Is used.
また、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法における別の好ましい態様の一つによれば、前記鋼材として、溶融亜鉛メッキ鋼、合金化溶融亜鉛メッキ鋼、アルミニウム合金メッキ鋼、及び電気亜鉛メッキ鋼のうちの何れかが用いられる。 Moreover, according to one of the other preferable aspects in the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and aluminum material according to this invention, as said steel material, hot dip galvanized steel, alloyed hot dip galvanized steel, aluminum alloy plated steel, and Any of electrogalvanized steel is used.
さらに、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法における望ましい態様の一つによれば、前記アルミニウム材として、そのO材における引張強度が90MPa以上であるものが用いられる。 Furthermore, according to one of the desirable aspects in the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and aluminum material according to this invention, the aluminum material whose tensile strength in the O material is 90 MPa or more is used.
加えて、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法における他の望ましい態様の一つによれば、前記アルミニウム材として、5000系、6000系、及び7000系のアルミニウム合金材のうちの何れかが用いられる。 In addition, according to one of the other desirable aspects in the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and the aluminum material according to the present invention, among the aluminum alloy materials of 5000 series, 6000 series, and 7000 series as the aluminum material. Either is used.
また更に、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法における別の好ましい態様の一つによれば、前記鋼材と前記アルミニウム材が、(a)前記鋼材の厚さ:tが1mm以下の場合には、3mm以上の重ね代をもって、(b)前記鋼材の厚さ:tが1mmを超える場合には、3t以上の重ね代をもって、重ね合わされることとなる。 Furthermore, according to one of the other preferable aspects in the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and aluminum material according to this invention, the said steel material and the said aluminum material are (a) Thickness of the said steel material: t is 1 mm or less. In the case of (3), with an overlap allowance of 3 mm or more, (b) when the thickness of the steel material: t exceeds 1 mm, the overlap is made with an overlap allowance of 3 t or more.
そして、本発明においては、鋼材とアルミニウム材とを重ね合わせ、かかる鋼材の端面部位に対して、4000系又は5000系のアルミニウム合金からなる溶接ワイヤを用いてMIG溶接を施して得られる、鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手であって、前記鋼材の厚さ:tが、0.50〜2.0mmであり、且つ前記アルミニウム材の厚さの0.6〜0.8倍とされていると共に、溶接部に、該鋼材と該アルミニウム材とに跨るビードが連続的に形成され、且つ該鋼材の溶込み深さが、該鋼材の厚さの5%以下とされていることを特徴とする鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手をも、その要旨とするものである。 In the present invention, the steel material and the aluminum material are overlapped, and the steel material obtained by performing MIG welding on the end surface portion of the steel material using a welding wire made of a 4000 series or 5000 series aluminum alloy, An aluminum material MIG welded joint, wherein the thickness of the steel material: t is 0.50 to 2.0 mm, and is 0.6 to 0.8 times the thickness of the aluminum material. In the welded portion, a bead straddling the steel material and the aluminum material is continuously formed, and the penetration depth of the steel material is 5% or less of the thickness of the steel material. The gist is also a steel and aluminum MIG welded joint.
このように、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法においては、入熱が適度に低くなるようにコントロールしつつ、更に、溶接ワイヤの半径や、溶接ワイヤの基点からの距離、鋼材の厚さ、溶接速度を組み合わせて構成される関係式が所定の範囲となるようにして、MIG溶接が実施されているところから、各条件による効果が相俟って、鋼材端面の表面処理の有無に拘わらず、鋼材とアルミニウム材との溶接部に、鋼材とアルミニウム材とに跨るビードを、鋼材の端面に沿って連続的に形成することができ、しかも、鋼材への溶込みも効果的に抑制されるようになっているのである。つまり、本発明手法によれば、接合部の健全性が効果的に高められたMIG溶接継手を有利に製造することができる。 Thus, in the manufacturing method of the MIG welded joint of the steel material and the aluminum material according to the present invention, while controlling the heat input to be appropriately low, further, the radius of the welding wire, the distance from the base point of the welding wire, Since the MIG welding is performed so that the relational expression configured by combining the steel thickness and welding speed is within a predetermined range, the effect of each condition is combined, and the surface treatment of the steel material end face Regardless of whether or not there is a bead, a bead straddling the steel and aluminum material can be continuously formed along the end surface of the steel material at the welded part of the steel and aluminum material, and the penetration into the steel material is also effective It is designed to be suppressed. That is, according to the method of the present invention, it is possible to advantageously manufacture a MIG welded joint in which the soundness of the joint portion is effectively enhanced.
また、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手にあっては、鋼材として、特定の厚さ:tのものが用いられると共に、鋼材の溶込み深さが小さくされている。このため、溶接部に熱歪みによる変形が惹起されにくく、しかも溶接部の健全性が有利に高められ得ている。 Moreover, in the steel material and aluminum material MIG welded joint according to the present invention, a steel material having a specific thickness: t is used, and the penetration depth of the steel material is reduced. For this reason, deformation due to thermal strain is hardly induced in the welded portion, and the soundness of the welded portion can be advantageously increased.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の代表的な実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, representative embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図1及び図2には、本発明に従う鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の一例が、それぞれ、その斜視図及び縦断面図において、概略的に示されている。かかる図1及び図2に示されるように、MIG溶接継手10は、互いに異なる厚さを有する平板状の鋼材12と平板状のアルミニウム材14とが、それぞれの端部部位において、鋼材12が上方に位置するように、上下に重ね合わされた状態下で、鋼材12の先端側の端面16部位が、MIG溶接手法にて重ね隅肉溶接されて、溶接部18が形成されることにより、一体化せしめられて、構成されている。
First, FIG. 1 and FIG. 2 schematically show an example of a steel material and an aluminum material MIG welded joint according to the present invention in a perspective view and a longitudinal sectional view, respectively. As shown in FIGS. 1 and 2, the MIG welded joint 10 includes a
また、図1に示されるように、ここでは、鋼材12とアルミニウム材14とが、重ね合わせ部の全長に亘って溶接されており、それによって、溶接部18が、鋼材12の端面16に沿って、連続して延びるように形成されている。また、かかる溶接部18は、図2に示されるように、直交する2つの面、即ち、鋼材12の端面16とアルミニウム材14の上面とを結合する断面略三角状ビードが、鋼材12とアルミニウム材14とに跨るようにして形成されている。
In addition, as shown in FIG. 1, here, the
そして、そのようにして上下に重ね合わされた二枚の被溶接材(12,14)のうち、上方に配置された鋼材12の材質としては、特に制限されるものではなく、目的とする継手に要求される特性等に応じて適宜に選択され得るのであり、例えば、軟鋼や、炭素鋼、高張力鋼、ステンレス鋼等を挙げることができる。また、かかる鋼材の上下面には、必要に応じて、溶融亜鉛メッキ(GI)や、合金化溶融亜鉛メッキ(GA)、アルミニウム合金メッキ、電気亜鉛メッキ等、従来から公知の亜鉛又は亜鉛合金、アルミニウム又はアルミニウム合金による表面処理(金属被覆処理)が施されていてもよい。なお、上下面に表面処理が施された鋼材であっても、その端面には、通常、表面処理層(金属被覆層)が設けられていないが、本発明においては、端面における表面処理層の有無を問わず、そのまま、使用することが可能である。
And as for the material of the
一方、下方に配置されたアルミニウム材14の材質としては、アルミニウム又はアルミニウム合金であれば、特に制限されるものではなく、目的とする継手に要求される特性等に応じて適宜に選択されるものの、好ましくは、O材(JIS H 0001で規定される質別記号がOであるアルミニウム材であって、焼なましによって最も軟らかい状態となったもの)とした場合における引張強度が、90MPa以上であるものが有利に用いられる。但し、MIG溶接が施されるアルミニウム材の質別は、何等O材に限られるものではなく、O、H、T等の各質別を有するものを用いることができる。また、ここで、引張強度とは、JIS Z 2241に規定される「金属材料引張試験方法」に準拠して測定される強度を指し、かかる引張強度が90MPaに満たない場合には、溶接部18に脆弱な金属間化合物層が形成されずに溶接部18の強度の低下が抑制され得たとしても、母材であるアルミニウム材14で破断し易くなってしまうのである。これは、強度が高くなるように調質されたアルミニウム材(例えば、H材)を用いたとしても、溶接により、溶接部近傍の熱影響部(溶融はしないが、熱の影響を受ける部位)が、一般に、O材と同程度の強度となることに起因するものである。なお、そのようなアルミニウム材の材質の中でも、特に、JIS呼称の合金番号にて、5000系(Al−Mg系)、6000系(Al−Mg−Si系)、7000系(Al−Zn−Mg系)のアルミニウム合金にあっては、自動車の車体パネルや化粧パネル等の建材等の構造体材料として適していると共に、優れた強度を有し、溶融溶接性が高いところから、より一層好適に採用されることとなる。
On the other hand, the material of the
また、それら鋼材12やアルミニウム材14の形状は、平板状に何等限定されるものではなく、MIG溶接操作が施される重ね合わせ部が、少なくとも平板状であるものであればよく、圧延や押出、鍛造等の公知の手法にて製作された各種の形状のものが、何れも、採用されることとなる。一般には、被溶接部が平板状である板材や押出形材が有利に用いられる。
Further, the shapes of the
そして、本実施形態においては、アルミニウム材14の上方に重ね合わされた鋼材12の厚さ:tが、0.50〜2.0mmの範囲内の厚さとされている。これは、鋼材12の厚さ:tが、0.50mmに満たない場合には、鋼材12が溶融しやすく、溶解量が多くなって、溶接部18に脆弱な金属間化合物層が形成されるからであり、また、2.0mmを超える場合には、鋼材12が温まりにくく、温度の低い鋼材12上に溶接ワイヤ(溶加材)の溶滴をのせることとなって、鋼材12の端面16が濡れず、溶滴が玉状となって弾かれるからである。
In the present embodiment, the thickness t of the
しかも、本実施形態においては、鋼材12の厚さ:tが、アルミニウム材14の厚さ:uの0.6〜0.8倍、即ち0.6u〜0.8uとされている。言い換えると、アルミニウム材14の厚さ:uが、鋼材12の厚さ:tよりも大きくされ、鋼材12の厚さ:tの1.25〜約1.67倍とされている。これにより、鋼材12とアルミニウム材14の剛性が適度に揃えられ、以て、溶接後の凝固収縮時において、熱歪みによる応力が集中して、溶接部18に局所変形が生じ、破断するようなことが有利に防止され得るのである。つまり、鋼材12の厚さ:tが、上記範囲を外れると、剛性の小さい方の被溶接材に応力が集中して、局部変形が生じ、剛性の小さい方の被溶接材が優先的に破断するようになる。なお、鋼材として、表面処理が施されたものを用いる場合には、実用的な観点から、表面処理前の裸の鋼材の厚さと表面処理層の厚さとを加えた厚さが、鋼材12の厚さ:tとされる。
Moreover, in the present embodiment, the thickness t of the
また、鋼材12とアルミニウム材14の重ね代:Wは、鋼材12の厚さに応じて適宜に設定され得るものの、重ね代:Wが小さくなりすぎると、溶接部18に加えられた熱が、アルミニウム材14の端面22まで伝わり、その熱が逃げないで、反射熱となって溶接部18に加わるようになるため、好ましくは、鋼材12の厚さ:tが1mm以下の場合には、3mm以上とされ、また、鋼材12の厚さ:tが1mmを超える場合には、鋼材12の厚さの3倍以上、即ち3t以上とされることが望ましい。
Moreover, although the overlap margin W of the
而して、このような本実施形態のMIG溶接継手10は、前述せる如く、互いに異なる厚さを有する鋼材12とアルミニウム材14とが重ね合わされた状態下で、鋼材12の端面16部位がMIG溶接されて、一体化せしめられてなるものであるが、ここでは、特に、溶接部18のビードが、ロウ材やフラックスを用いることなく、4000系(Al−Si系)又は5000系(Al−Mg系)のアルミニウム合金からなる溶接ワイヤ(溶加材)を用いたMIG溶接によって、形成されているのである。このため、溶接金属24の強度が高く、以て、他の材質の溶接ワイヤを用いた場合に比べて、鋼材12とアルミニウム材14とが強固に溶接され得ると共に、スラグの除去作業や大がかりな設備が不要となり、ロウやフラックス入りワイヤ等を使用する場合に比べて、コストが低く抑えられる。
Thus, as described above, the MIG welded joint 10 of the present embodiment has the
また、本実施形態のMIG溶接継手10は、鋼材12の溶込みが有利に防止され得ており、鋼材12の、溶込み深さが最も大きくなる上面側角部20近傍における溶込み深さ:D(図3参照)が、鋼材12の厚さ:tの5%以下にまで抑制されている。また、溶接部18のビード表面には、鱗状の凹凸模様が規則的に形成されている。
Further, in the MIG welded joint 10 of the present embodiment, the penetration of the
このように、本実施形態のMIG溶接継手10は、鋼材12の溶込み深さが低く抑えられているところから、溶接部18の健全性が効果的に高められている。従って、本実施形態に係るMIG溶接継手10は、自動車の車体パネルや、ブラケットの接合、化粧パネル等の建材等に、有利に用いられるのである。
Thus, in the MIG welded joint 10 of the present embodiment, since the penetration depth of the
ところで、前述の如き、本実施形態に係る鋼材12とアルミニウム材14のMIG溶接継手10は、例えば、以下の如き製造手法に従って、製造されることとなる。
By the way, as described above, the MIG welded joint 10 of the
すなわち、本実施形態のMIG溶接継手10を製造するには、先ず、図4に示されるように、上述の如き厚さを有する平板状の鋼材12と平板状のアルミニウム材14とが、それぞれの端部部位において、鋼材12が上方に位置するように重ね合わされる。そして、その重ね合わせ状態が維持されて、鋼材12とアルミニウム材14とが相互に動くことがないように、必要に応じて、適当な拘束治具(図示せず)により、それら鋼材12とアルミニウム材14が固定される。そして、そのような固定状態下で、鋼材12の端面16部位に対して、後述の如き条件で、MIG溶接操作が実施される。
That is, in order to manufacture the MIG welded joint 10 of the present embodiment, first, as shown in FIG. 4, the
具体的には、このMIG溶接操作の実施に際しては、溶接機として、消耗式の電極である溶接ワイヤ30が、ノズル32の先端開口部34から所定長さにおいて突出せしめられた、従来と同様なMIG溶接機が用いられる。かかるMIG溶接機においては、溶接ワイヤ30が、図示しないワイヤ供給装置によって、ノズル32に対して軸方向に独立して移動せしめられるようになっており、溶接ワイヤ30の消耗等によって、溶接ワイヤ30が溶接部18側(図4中、下方)に供給され得る。また、溶融金属を大気から遮断するために、ノズル32内からは、アーク溶接時に、アルゴンガスやヘリウムガス、ネオンガス等の不活性ガスの1種又は2種以上を組み合わせた混合ガスからなるイナートガス36(図4中、二点鎖線で示す)が、溶接すべき部位に対して吹き付けられるようになっている。更に、溶接ワイヤ30は、コンタクトチップ38を通じて、図示しない溶接電源装置の+極側に接続され、+極(陽極)とされている一方、被溶接材(12,14)は、−極側に接続され、−極(陰極)とされている。
Specifically, when performing this MIG welding operation, the
そして、図示しない溶接電源装置を作動させて、溶接ワイヤ30と被溶接材(12,14)との間に所定の電流及び電圧を印加することによって、そのような溶接ワイヤ30の先端部と被溶接材(12,14)との間にアーク40(図4中、一点鎖線で示す)を発生させる一方、図5及び図6に示されるように、鋼材12の端面16に沿って、ノズル32(溶接ワイヤ30)を、相対的に移動せしめることにより、鋼材12とアルミニウム材14とのMIG溶接が進行せしめられることとなる。
Then, by operating a welding power source device (not shown) and applying a predetermined current and voltage between the
この際、被溶接材(12,14)と溶接ワイヤ30との間に発生したアーク40によって、鋼材12の端面部位が温められると共に、溶接ワイヤ30が溶融し、溶接ワイヤ30の溶滴42が被溶接材上に移行し、これらの溶融アルミニウム(溶融金属)によって、鋼材12とアルミニウム材14とが溶接され、溶接金属24からなるビードが溶接部18に形成されることとなる。
At this time, the
そして、このようなMIG溶接操作において、溶接ワイヤ30としては、上述のように、鋼材12とアルミニウム材14とを強固に溶接すべく、4000系(Al−Si系)又は5000系(Al−Mg系)のアルミニウム合金材料を用いて形成されたソリッドワイヤが、用いられる。また、本実施形態において、かかる溶接ワイヤ30の半径:rは、0.4〜0.8mmとされる。これは、溶接ワイヤ30の半径:rが上記範囲よりも小さくなると、電流密度が高くなってアーク40が集中するために、アーク40の集中部分で入熱が過多となって鋼材が深く溶け込み、金属間化合物からなる脆化層が厚く形成される一方、その半径:rが上記範囲よりも大きくなると、溶接ワイヤ30を溶融せしめるために入熱を高くする必要があり、それによって、溶接ワイヤ30の溶滴42自体の温度も高くなって、溶接部18に脆化層が厚く形成されるようになるからである。
In such a MIG welding operation, as described above, the
また、かかるMIG溶接操作において、トーチ狙い位置、つまりノズル位置が、鋼材12の端面16から、水平方向(溶接方向に直交する方向、図4中、左右方向)に、あまりにも離れたところに設定されると、鋼材12とアルミニウム材14とに跨るビードが形成されず、図2に示される如き断面形状を有する健全な溶接部18が形成され得なくなる。それ故、本実施形態においては、溶接ワイヤ30の中心線:Xが、図4に示されるように、鋼材12の端面16における上面側角部20を基点:0として、水平方向に、かかる基点:0から重ね合わせ部側(図4中、基点:0よりも左側)とは反対側(図4中、基点:0よりも右側)に4rの距離内に、常に位置するように、溶接ワイヤ30(ノズル32)が配置せしめられる。換言すれば、図4に示されるように、基点:0(上面側角部20)から溶接ワイヤ30の中心線:Xまでの距離(L)が0〜4r(0≦L≦4r)となるように、溶接ワイヤ30が配置せしめられる。ここにおいて、上記溶接ワイヤ30の中心線:Xとは、ノズル32の先端開口部34から突出した部分における溶接ワイヤの中心線を意味する。
In such MIG welding operation, the torch aiming position, that is, the nozzle position is set too far away from the
なお、そのような溶接ワイヤ30の中心線:Xが、基点から重ね合わせ部側(図4中、左側)の位置に配置せしめられると、つまり、Lが0未満となると、アーク40が鋼材12に集中する一方、Lが4を超えると、鋼材12にアーク40が届かなくなり、何れの場合も、上述の如き健全な溶接部18を形成することができない。
Note that when the center line X of such a
そして、Lが0〜4rとなる位置を保ったままで、ノズル32(溶接ワイヤ30)が溶接方向(図4中、紙面に垂直な方向)に相対的に移動せしめられて、MIG溶接が実施されることとなるが、本実施形態においては、下記式(I)にて示されるAが4.0〜6.0(4.0≦A≦6.0)となるように、ノズル32(溶接ワイヤ30)が、鋼材12の端面16に沿って相対的に移動せしめられる。
A=L/r+(t/α)×V ・・・ (I)
The nozzle 32 (welding wire 30) is moved relatively in the welding direction (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4) while maintaining the position where L becomes 0 to 4r, and MIG welding is performed. However, in this embodiment, the nozzle 32 (welding is performed so that A represented by the following formula (I) is 4.0 to 6.0 (4.0 ≦ A ≦ 6.0). The wire 30) is moved relatively along the
A = L / r + (t / α) × V (I)
上記式(I)において、Lは、上述のように、基点:0から溶接ワイヤ30の中心線:Xまでの距離(mm)である。より具体的には、Lは、基点:0から、溶接ワイヤ30の中心線:Xと鋼材12の上面13の延長面13′との交点:pまでの距離であり、ここでは、基点:0の位置を0mmとして、鋼材12とアルミニウム材14との重ね合わせ部側(図4中、基点:0よりも左側)を負とする一方、重ね合わせ部とは反対側(図4中、基点:0よりも右側)を正とする。また、上記式(I)において、rは、溶接ワイヤ30の半径(mm)を示し、上述のように、0.4mm≦r≦0.8mmとされる。そして、上記式(I)の第1項であるL/rは、溶接ワイヤ30の半径:rに対して、溶接ワイヤ30の中心線:Xが鋼材12の端からどの程度離れているかを示している。本実施形態では、上述のように、Lが0≦L≦4rを満たすように溶接ワイヤ30(ノズル32)が配置せしめられるところから、L/rは、0≦L/r≦4の範囲とされ、溶接ワイヤ30の半径:rが大きければ、上記距離:Lの上限を大きくすることができ、逆に溶接ワイヤ30の半径:rが小さければ、上記距離:Lの上限は小さくなる。
In the above formula (I), L is the distance (mm) from the base point 0 to the center line X of the
また、上記式(I)において、tは、鋼材の厚さ(mm)を示し、上述のように、0.50mm≦t≦2.0mmの範囲とされる。更に、αは、係数(mm・cm/分)であり、α=21mm・cm/分とされる。また、Vは、溶接速度(cm/分)を示しており、少なくとも0超(V>0)とされる。そして、上記式(I)の第2項である(t/α)×Vは、鋼材12の厚さ:tと溶接速度:Vを掛け合わせたものとなっている。このように鋼材12の厚さ:tと溶接速度:Vを掛け合わせる理由は、重ね合わされた鋼材12とアルミニウム材14との段差部、即ち鋼材12の端面16部位に、溶融金属を溜めて、健全な溶接部18を形成するためには、溶接速度:Vが高速の場合は鋼材12の厚み:tを薄くする必要がある一方、低速の場合は鋼材12の厚み:tを大きくする必要があり、これらが反比例の関係にあるからである。
Moreover, in the said Formula (I), t shows the thickness (mm) of steel materials, and is set as the range of 0.50 mm <= t <= 2.0mm as mentioned above. Α is a coefficient (mm · cm / min), and α = 21 mm · cm / min. V indicates the welding speed (cm / min), and is at least more than 0 (V> 0). The second term (t / α) × V in the above formula (I) is obtained by multiplying the
そして、上記式(I)の第1項と第2項を足し合わせたAが、4.0≦A≦6.0を満たすようにして、ノズル32(溶接ワイヤ30)を、鋼材12の端面16に沿って相対的に移動せしめてMIG溶接を行うことによって、端面16に沿って連続的に延びる健全な溶接部18が形成されるようになる。かかるAが4.0に満たない場合には、入熱過多により母材に穴が開くおそれがあり、また、6.0を超えると、不連続ビードになるおそれがある。
The nozzle 32 (welding wire 30) is connected to the end surface of the
加えて、本実施形態のMIG溶接操作においては、溶接ワイヤ30に対して、1パルスで1溶滴が移行し、且つパルス頻度が溶接長1mm当たり0.5〜5回となる、直流の溶接パルス電流(図7参照)が流される。このような直流パルス電流を流すことによって、母材表面の酸化膜を除去するクリーニング作用(清浄作用)が発揮され得て、溶接性が向上せしめられると共に、入熱が適度に低くコントロールされて、鋼材12の溶込みが有利に防止され得るようになっているのである。
In addition, in the MIG welding operation of the present embodiment, direct current welding in which one droplet is transferred with one pulse to the
なお、パルス状に変化させたパルス電流を流す理由は、パルスの無い直流の場合には平均溶接電流値が高くなって母材への入熱が過多となるところから、低い平均溶接電流値で規則的な溶滴移行を安定的に行わせて、入熱を適度に低くコントロールし、必要以上に余分な熱を被溶接材に加えないようにするためである。また、交流パルス電流ではなく、直流パルス電流とするのは、溶接ワイヤ30を常に+極(陽極)とすることで、常に、被溶接材に対してクリーニング作用が発揮されて、被溶接部位が清浄な金属面(新生面)とされ、溶融したアルミニウムが被溶接部で効果的に濡れ広がるようになって、健全な溶接部18が形成され得るからである。なお、交流の場合には、溶接ワイヤ30が+極から−極に入れ替わったタイミングにおいて、クリーニング作用が発揮されず、これによって、溶接部18に欠陥が発生しやすくなってしまうおそれがある。
The reason why the pulse current changed in a pulse shape is flowed is that the average welding current value becomes high and the heat input to the base metal becomes excessive in the case of direct current without a pulse, so that a low average welding current value is used. This is to allow regular droplet transfer to be performed stably, to control heat input at a moderately low level, and to prevent excessive heat from being applied to the material to be welded. In addition, the direct current pulse current is used instead of the alternating current pulse current because the
さらに、ここでは、直流の溶接パルス電流が、上述せるように、1回のパルスで1つの溶滴42が溶接ワイヤ30の先端部31から規則的に離脱する溶滴移行状態となり、且つパルス頻度が溶接長1mm当たり0.5〜5回となるように調整されているのであり、このような直流パルス電流を流すことによって、上記クリーニング作用が効果的に発揮されて、鋼材12の濡れ性が高められ、これによって、溶接ワイヤ30の溶融金属が鋼材12の端面16部位で弾かれてしまうようなことはなく、鋼材12の端面16が良好に濡れるようになる。また、入熱がコントロールされて、アルミニウム材14の表面が適度に溶融せしめられる一方で、鋼材12が深く溶け込むようなことが効果的に防止され得る。
Further, here, as described above, the DC welding pulse current is in a droplet transfer state in which one
なお、1パルスで1溶滴とならない場合、具体的には、数パルスで1溶滴の場合には、連続的なビードが得られず、不完全部が発生するのであり、また、1パルスで数溶滴の場合は、パルス電流密度が高くなって、入熱が過多となり、これによって、脆弱な金属間化合物層が厚く形成されるようになると共に、スパッタが多くなるといった弊害も招く。 When one droplet does not form one droplet, specifically, when several droplets form one droplet, a continuous bead cannot be obtained and an incomplete portion is generated. In the case of several droplets, the pulse current density becomes high and the heat input becomes excessive, which leads to the formation of a thick fragile intermetallic compound layer and the disadvantage of increased sputtering.
また一方、上述せる如きパルス頻度が0.5回/mm未満の場合には、上記数パルスで1溶滴の場合と同様に、連続ビードが得られず、健全な溶接部18が得られなくなるのであり、パルス頻度が5回/mmを超える場合には、被溶接材への入熱が過多となって、接合界面に脆弱な金属間化合物層が厚く形成されるようになり、何れの場合も、溶接部18において、破断乃至は剥離しやすくなる。なお、かかるパルス頻度(回/mm)は、溶接速度(mm/s)に応じてパルス周波数(回/s)を変化させることによって、或いはその反対に、パルス周波数に応じて溶接速度を変化させることによって、適宜に調整され得る。
On the other hand, when the pulse frequency as described above is less than 0.5 times / mm, a continuous bead cannot be obtained and a sound welded
加えて、本実施形態のMIG溶接操作においては、上述の如き直流の溶接パルス電流を、溶融池44が溶接方向前方に位置する溶接部18(アーク40が照射されているアーク直下部46)に常に形成されるように流しつつ、図6に示されるように、図示しないワイヤ供給装置にて溶接ワイヤ30を下方に突出移動せしめて、アーク直下部46に形成された溶融池44に、溶接長1mm当たり0.1〜4回の割合で、溶接ワイヤ30の先端部31を差し込んで短絡させ、その後、かかる溶融池44から、溶接ワイヤ30の先端部31を引き上げる。
In addition, in the MIG welding operation of the present embodiment, the direct current welding pulse current as described above is applied to the welded
このように、溶接ワイヤ30の先端部31を溶融池44に差し込んで接触させることにより、溶滴移行状態から短絡移行状態となって、アーク直下部46の過熱が防止され、入熱をより一層実用的にコントロールすることが可能となるのである。より具体的には、溶接ワイヤ30が溶融池44に接触した状態(短絡移行状態)では、アークによる入熱がなくなると共に、溶融池44の熱(溶融金属の熱)で溶接ワイヤ30が溶け、これにて、溶融池44の熱が奪われ、アーク直下部46の温度が低下せしめられることとなる。それ故、所定の頻度で短絡させることによって、アーク直下部46の過熱が極めて効果的に防止され得るのであり、これによって、溶融池44を形成しても、鋼材12の溶込みやアルミニウム材14の抜け落ち等が有利に防止され得るのである。従って、本実施形態のMIG溶接操作においては、上述せる如き直流の溶接パルス電流による入熱のコントロールと、短絡によるアーク直下部46の過熱防止とが相俟って、被溶接材への入熱を従来手法に比してより一層実用的且つ容易にコントロールすることができるようになっている。
In this way, by inserting the
なお、溶融池44がアーク直下部46に形成されない場合には、短絡時に溶接ワイヤ30の先端部31を溶かして連続ビードを形成することができず、溶融不足による不完全部が惹起されるおそれがある。また、短絡頻度が溶接長1mm当たり0.1回に満たない場合には、短絡による効果を十分に得ることができず、その反対に、短絡頻度が4回/mmを超えるようになると、溶融金属の温度が低くなりすぎて、溶接ワイヤ30が溶けなくなる。
In addition, when the
ところで、上述の如き直流パルス電流や短絡を採用するに際し、そのパルス形状(波形)やピーク電流値、ベース電流値、短絡時間等は、印加する溶接電圧値や溶接ワイヤ30の種類、直径等に応じて、適宜に調整され得るのであり、例えば、図7には、電流波形の一例が、対応する電圧波形と共に、上下方向に並べて示されている。そして、このような直流パルス電流を流しつつ、例えば、60cm/分(=10mm/秒)の溶接速度:VでMIG溶接を行うことによって、1回のパルスで1個の溶滴が移行する1パルス1溶滴移行が有利に実現され得るようになるのである。なお、かかる図7に示される電流波形においては、1秒間当たり、16個のピークがあるところから、この溶接速度:60cm/分では、パルス頻度が、溶接長1mm当たり、1.6回とされている。また、電圧波形において、下方に突出した部分は、溶融池44に溶接ワイヤ30を短絡せしめた際に、溶接ワイヤ30と被溶接材との間の電位差が小さくなることに起因して形成されるものであり、そのような下向き突部が、1秒間当たり9個あるところから、上記溶接速度:60cm/分では、短絡頻度が、溶接長1mm当たり0.9回とされているのである。この図7においては、2回の直流パルスをかけて、それぞれ、溶滴を1滴ずつ被溶接材上に移行させた後、1回の短絡操作を行って溶融池44の温度を下げ、その後、更に、2回の直流パルスをかけ、1回短絡させるといった操作を繰り返している。
By the way, when adopting the DC pulse current or short circuit as described above, the pulse shape (waveform), peak current value, base current value, short circuit time, and the like depend on the welding voltage value to be applied, the type, diameter, etc. of the
かくして、前述の如く、所定厚さの鋼材12とアルミニウム材14とを重ね合わせ、4000系又は5000系のアルミニウム合金からなる溶接ワイヤ30を所定の位置に配置した状態で、上記式(I)にて示されるAが4.0〜6.0となるように、溶接ワイヤ30を鋼材12の端面16に沿って相対的に移動させると共に、1パルス1溶滴移行となり、且つパルス頻度が溶接長1mm当たり0.5〜5回となる直流の溶接パルス電流を、溶接方向前方の溶接部(アーク直下部46)に溶融池44が常に形成されるように流しつつ、そのようにして形成された溶融池44に、短絡頻度が溶接長1mm当たり0.1〜4回となるように短絡させて、MIG溶接操作を実施することによって、鋼材12とアルミニウム材14とがアーク溶接されて、一体化され、目的とするMIG溶接継手10が製造されることとなる。そして、このようにして得られたMIG溶接継手10にあっては、前述せるように、溶接時の入熱が実用的且つ容易にコントロールされて、鋼材12の溶込みやアルミニウム材14の抜け落ちが有利に抑制され得ると共に、鋼材端面16の表面処理の有無に拘わらず、溶融金属が鋼材12の端面16部位にビードとなって溜まり、鋼材12とアルミニウム材14とに跨るビードが、鋼材12の端面16に沿って連続的に形成されることとなる。また、上述の如き条件を満たすようにMIG溶接操作を実施することで、鋼材12の、溶込み深さが最も大きくなる上面側角部20近傍における溶込み深さ:D(図3参照)が、鋼材12の厚さ:tの5%以下とされ、界面に金属間化合物層が厚く形成されるようなことが防止されていると共に、溶接部18に熱歪みによる変形も発生しにくくなっている。
Thus, as described above, the
従って、上述の如き条件でMIG溶接操作を実施して、鋼材12とアルミニウム材14とのMIG溶接継手を製造すれば、不連続なビードが形成されたり、ビードが鋼材端面16に形成されないようなことが有利に防止され、従来に比して健全性の高められたMIG溶接継手が有利に製造され得るようになる。
Therefore, when the MIG welding operation is performed under the above-described conditions to manufacture the MIG welded joint between the
以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。 The exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the embodiments are merely examples, and the present invention is limited in any way by specific descriptions according to such embodiments. It should be understood that it is not interpreted.
例えば、上記の実施形態では、鋼材12として、上面側角部20及び下面側角部26が直角(90°)であるものが用いられていたが、図8に示されるように、鋼材12の端部に開先加工が施されて、上面側角部20′が鈍角及び下面側角部26′が鋭角とされたものを用いて、MIG溶接継手を製造することも、勿論可能である。なお、この図8及び後述の図9に示される実施形態に関しては、その理解を容易にするために、図1〜図6に示される前記実施形態と同様な構造とされた部位には、同一の符号を付した。
For example, in the above embodiment, as the
また、上記実施形態では、図4からも明らかなように、溶接ワイヤ30の中心線:Xが、鋼材12の端面16に対して平行になるようにノズル32(溶接ワイヤ30)が配置されていたが、図9に示されるように、ノズル32(溶接ワイヤ30)を鋼材12の端面16に対して傾けて、MIG溶接操作を実施することも可能である。この場合にも、上述のように、基点:0(上面側角部20)から、溶接ワイヤ30の中心線:Xと鋼材12の上面13の延長面13′との交点:pまでの距離(L)が、0≦L≦4rを満たすようにノズル32(溶接ワイヤ30)が配置されるのである。
Moreover, in the said embodiment, the nozzle 32 (welding wire 30) is arrange | positioned so that the centerline: X of the
加えて、図5では、ノズル32(溶接ワイヤ30)が、水平方向に直角に交差する方向(図5中、上下方向)に延びる垂線:Yと、溶接ワイヤ30の中心線:Xとのなす角θの大きさが、5°以下の範囲となるように、傾いた姿勢とされて、MIG溶接が行われている状態が示されているが、進行方向に対するノズル32(溶接ワイヤ30)の傾斜角度は、従来のMIG溶接と同様に、適宜に設定され得る。
In addition, in FIG. 5, the nozzle 32 (welding wire 30) is formed by a perpendicular line Y extending in a direction perpendicular to the horizontal direction (vertical direction in FIG. 5) and a center line X of the
また、上例では、図示しないワイヤ供給装置により、ノズル32の先端開口部34からの溶接ワイヤ30の突出量を変化させることによって、短絡操作を実施していたが、短絡操作は上述の手段に何等限定されるものではない。例えば、溶接ワイヤ30の突出量を変えることなく、ノズル32自体を上下方向に移動させたり、或いは、溶接材を上下方向に移動させることにより、溶接ワイヤ30の先端部31を溶融池44に接触(短絡)せしめることも、勿論可能であり、その他、公知の手法により、短絡を行うことができる。
In the above example, the short-circuiting operation is performed by changing the amount of protrusion of the
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。 In addition, although not enumerated one by one, the present invention is carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements, etc. are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that any one of them falls within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
以下に、本発明の実施例を幾つか示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。 Some examples of the present invention will be shown below to clarify the present invention more specifically. However, the present invention is not limited by the description of such examples. Needless to say.
<実施例1>
先ず、下記表1に示されるように、鋼材(12)として、厚さ(t):0.59mmの軟鋼板を準備した。一方、アルミニウム材(Al材)として、そのO材における引張強度が90MPa以上である、厚さ(u):0.79mmの5000系アルミニウム板材(5083)を準備した。そして、それら鋼材(12)とアルミニウム材(14)とを、重ね代(W)が3mm以上となるように重ね合わせて固定した。
<Example 1>
First, as shown in Table 1 below, a mild steel plate having a thickness (t): 0.59 mm was prepared as a steel material (12). On the other hand, as an aluminum material (Al material), a 5000 series aluminum plate material (5083) having a tensile strength in the O material of 90 MPa or more and a thickness (u): 0.79 mm was prepared. And these steel materials (12) and the aluminum material (14) were overlap | superposed and fixed so that the overlap allowance (W) might be 3 mm or more.
次いで、MIG溶接機として、半径(r):0.4mmの4000系アルミニウム合金(4043)からなる溶接ワイヤ(30)が装着された精密制御型MIG溶接機を用い、溶接ワイヤ(30)が+極、被溶接材が−極となるように、溶接電源装置に接続した後、被溶接材との間にアークを発生させ、MIG溶接機のノズル(32)を、溶接速度:143cm/分(≒24mm/s)において、鋼材(12)の端面(16)部位に沿って相対移動せしめることにより、MIG溶接を行い、実施例1に係るMIG溶接継手を製造した。 Next, a precision control type MIG welding machine equipped with a welding wire (30) made of a 4000 series aluminum alloy (4043) having a radius (r): 0.4 mm is used as the MIG welding machine, and the welding wire (30) is + After connecting to the welding power source device so that the electrode and the workpiece are negative, an arc is generated between the electrode and the workpiece, and the nozzle (32) of the MIG welding machine is welded at a welding speed of 143 cm / min ( MIG welding was carried out by making the relative movement along the end surface (16) portion of the steel material (12) at ≈24 mm / s), and the MIG welded joint according to Example 1 was manufactured.
この際、下記表1に示されるように、1パルス当たりの溶滴数:1、溶接長1mm当たりのパルス数(パルス頻度):0.7回となり、且つアーク直下部(46)に溶融池(44)が常に形成されるように直流の溶接パルス電流を流す一方、溶接ワイヤの突出量を変化させて、溶接長1mm当たり0.5回の割合で、溶接ワイヤ(30)の先端部(31)を溶融池(44)に接触せしめ、短絡させた。また、溶接ワイヤの中心線(X)が鋼材(12)の上面側角部(20)から重ね合わせ部とは反対側に2.4mmの距離のところに位置するように、即ち、L=0mmとなるようにノズル(32)を配置し、そのノズル位置を保った状態で、鋼材(12)の端面(16)部位に沿って相対移動せしめた。 At this time, as shown in Table 1 below, the number of droplets per pulse is 1, the number of pulses per 1 mm of welding length (pulse frequency) is 0.7 times, and the molten pool is directly below the arc (46). While direct current welding pulse current is passed so that (44) is always formed, the amount of protrusion of the welding wire is changed, and the tip of the welding wire (30) (at a rate of 0.5 times per 1 mm of welding length) 31) was brought into contact with the molten pool (44) and short-circuited. Further, the center line (X) of the welding wire is located at a distance of 2.4 mm from the upper surface side corner (20) of the steel material (12) to the opposite side of the overlapping portion, that is, L = 0 mm. The nozzle (32) was arranged so that the nozzle position was maintained, and the nozzle (32) was relatively moved along the end surface (16) portion of the steel material (12) while maintaining the nozzle position.
その後、得られた実施例1に係るMIG溶接継手を用いて、鋼材(12)の上面側角部(20)における溶込み深さの測定を行うと共に、接合状態の評価を行い、得られた結果を下記表1に示した。 Thereafter, using the MIG welded joint according to Example 1 obtained, the depth of penetration at the upper surface side corner (20) of the steel material (12) was measured, and the joining state was evaluated, and the obtained state was obtained. The results are shown in Table 1 below.
[溶込み深さの測定]
溶込み深さの測定は、金属顕微鏡(株式会社ニコン製EPIPHOT300)を用いて行った。具体的には、得られたMIG溶接継手を、溶接方向に10mm間隔で、3箇所切断し、それら3つの切断面を金属顕微鏡で観察し、鋼材(12)の上面側角部(20)近傍の、鋼材(12)の上面(13)から最も溶込みが深い部分の溶込み深さ:D(図3参照)を測定し、平均値を求めた。また、下記算術式を用いて、鋼材の溶込み率を求めた。
鋼材の溶込み率(%)=[鋼材の溶込み深さ(mm)/鋼材の厚さ(mm)]×100
[Measurement of penetration depth]
The penetration depth was measured using a metal microscope (EPIPHOT300 manufactured by Nikon Corporation). Specifically, the obtained MIG welded joint was cut at three locations in the welding direction at intervals of 10 mm, and these three cut surfaces were observed with a metal microscope, and in the vicinity of the upper surface side corner (20) of the steel material (12). The penetration depth: D (see FIG. 3) of the deepest penetration portion from the upper surface (13) of the steel material (12) was measured, and the average value was obtained. Moreover, the penetration rate of steel materials was calculated | required using the following arithmetic expression.
Steel penetration rate (%) = [steel penetration depth (mm) / steel thickness (mm)] x 100
[接合状態の評価]
また、接合状態の評価を、次の評価基準で評価した。
○:溶接部(18)に、鋼材(12)とアルミニウム材(14)に跨るビードが連続的に形成されているもの
×:上記以外の、溶接部(18)のビードが不連続なもの、若しくはビードが鋼材(12)とアルミニウム材(14)に跨るように形成されていないもの。
[Evaluation of bonding state]
Moreover, the evaluation of the bonding state was evaluated according to the following evaluation criteria.
○: The welded portion (18) is continuously formed with a bead straddling the steel material (12) and the aluminum material (14) ×: Other than the above, the welded portion (18) has a discontinuous bead, Or what is not formed so that a bead may straddle steel materials (12) and aluminum materials (14).
<実施例2〜73、比較例1〜93>
上記実施例1と同様に、鋼材(12)とAl材(14)として、下記表1〜表6に示される板材を準備した。また、各Al材のO材における引張強度は、何れも90MPa以上であった。そして、それらを、鋼材(12)の厚さ(t)が1mm以下の場合には、3mm以上の重ね代(W)、鋼材(12)の厚さ(t)が1mmを超える場合には、3t以上の重ね代(W)となるように、重ね合わせて固定した。
<Examples 2-73, Comparative Examples 1-93>
Similar to Example 1, plate materials shown in Tables 1 to 6 below were prepared as the steel material (12) and the Al material (14). In addition, the tensile strength of each Al material in the O material was 90 MPa or more. And, when the thickness (t) of the steel material (12) is 1 mm or less, the overlap allowance (W) of 3 mm or more, and when the thickness (t) of the steel material (12) exceeds 1 mm, Overlap was fixed so that the overlap allowance (W) was 3t or more.
次いで、下記表1〜表6に示される半径(r)と材質のアルミニウム合金からなる溶接ワイヤ(30)が装着されたMIG溶接機を用いて、溶接ワイヤ(30)側が+極となるように電流・電圧を印加して、被溶接材との間にアークを発生させ、MIG溶接機のノズル(32)を、下記表1〜表6に示される溶接速度で、鋼材(12)の端面(16)部位に沿って相対移動せしめることにより、MIG溶接を行い、実施例2〜73及び比較例1〜93に係るMIG溶接継手を得た。なお、かかるMIG溶接操作において、溶接ワイヤ(30)の中心線(X)の距離(L)や、溶接速度(V)、1パルス当たりの溶滴数、パルス頻度、短絡頻度は、それぞれ、下記表1〜表6に示される条件を採用した。 Next, using a MIG welding machine equipped with a welding wire (30) made of an aluminum alloy having the radius (r) and the material shown in Tables 1 to 6 below, the welding wire (30) side becomes a positive pole. An electric current and a voltage are applied, an arc is generated between the material to be welded, and the nozzle (32) of the MIG welding machine is moved to the end face (12) of the steel material (12) at the welding speed shown in Tables 1 to 6 below. 16) MIG welding was performed by relatively moving along the part, and MIG welded joints according to Examples 2 to 73 and Comparative Examples 1 to 93 were obtained. In this MIG welding operation, the distance (L) of the center line (X) of the welding wire (30), the welding speed (V), the number of droplets per pulse, the pulse frequency, and the short-circuit frequency are as follows. The conditions shown in Tables 1 to 6 were adopted.
そして、得られたMIG溶接継手を用いて、上述の溶込み深さの測定を行うと共に、接合状態の評価を行い、得られた結果を、下記表1〜表6に示した。 And using the obtained MIG welded joint, while measuring the above-mentioned penetration depth, the joining state was evaluated, and the obtained results are shown in Tables 1 to 6 below.
かかる表1〜3の結果から明らかなように、実施例1〜73に係るMIG溶接継手にあっては、鋼材の溶込み深さが鋼材の厚さの5%以下となっていると共に、接合部の評価結果が、○となっており、鋼材端面におけるメッキ等の表面処理層(金属被覆層)の有無に拘わらず、鋼材とアルミニウム材とが良好に溶接されていることがわかる。 As is clear from the results of Tables 1 to 3, in the MIG welded joints according to Examples 1 to 73, the penetration depth of the steel material is 5% or less of the thickness of the steel material, The evaluation result of the part is ○, and it can be seen that the steel material and the aluminum material are well welded regardless of the presence or absence of a surface treatment layer (metal coating layer) such as plating on the steel material end face.
一方、表3〜6の結果から明らかなように、比較例1〜93に係るMIG溶接継手にあっては、何れも、接合部の評価結果が、×となっている。 On the other hand, as is clear from the results of Tables 3 to 6, in the MIG welded joints according to Comparative Examples 1 to 93, the evaluation results of the joints are all x.
また、実施例1〜73及び、下記条件(1)〜(7)を満たす比較例について、「(t/α)×V」に対して、「A」をプロットした。そして、得られたグラフを、図10に示した。ここにおいて、「A」をyとし、「(t/α)×V」をxとして考えると、下記式(I)は、y=x+L/rとなり、傾きが1で、切片がL/rの直線となる。また、L/rは、上述したように、0≦L/r≦4の範囲とされる。更に、下記式(I)にて表されるAは、4.0≦A≦6.0の範囲とされる。従って、図10に示されるa〜dの4つの線で囲まれた範囲が、本発明で規定される条件を満たすこととなる。
A=L/r+(t/α)×V ・・・ (I)
条件(1) 0.50mm≦t≦2.0mm
(2) 0.6≦t/u≦0.8
(3) 0.4mm≦r≦0.8mm
(4) V>0cm/分
(5) 1パルスの溶滴数:1
(6) パルス頻度:0.5〜5回/mm
(7) 短絡頻度:0.1〜4回/mm
In addition, “A” was plotted against “(t / α) × V” for Examples 1 to 73 and a comparative example satisfying the following conditions (1) to (7). The obtained graph is shown in FIG. Here, assuming that “A” is y and “(t / α) × V” is x, the following formula (I) is y = x + L / r, the slope is 1, and the intercept is L / r. It becomes a straight line. Further, L / r is in the range of 0 ≦ L / r ≦ 4 as described above. Furthermore, A represented by the following formula (I) is in a range of 4.0 ≦ A ≦ 6.0. Therefore, the range surrounded by the four lines a to d shown in FIG. 10 satisfies the condition defined by the present invention.
A = L / r + (t / α) × V (I)
Condition (1) 0.50 mm ≦ t ≦ 2.0 mm
(2) 0.6 ≦ t / u ≦ 0.8
(3) 0.4 mm ≦ r ≦ 0.8 mm
(4) V> 0 cm / min (5) Number of droplets per pulse: 1
(6) Pulse frequency: 0.5-5 times / mm
(7) Short-circuit frequency: 0.1 to 4 times / mm
図10のグラフからも明らかなように、○で示される実施例は、何れもa〜dの4つの線で囲まれた範囲(図10中、斜線の範囲)にある一方、●で示される比較例は、その範囲から外れたところに存在していることがわかる。従って、上記条件(1)〜(6)を満たしていても、L/rが0〜4の範囲内にないもの及び上記式(I)にて示されるAが4.0〜6.0の範囲にないものは、健全な溶接部が得られないことがわかる。 As is clear from the graph of FIG. 10, each of the examples indicated by ◯ is within a range surrounded by four lines a to d (the hatched range in FIG. 10), while indicated by ●. It can be seen that the comparative example exists outside the range. Therefore, even if the above conditions (1) to (6) are satisfied, L / r is not in the range of 0 to 4 and A represented by the above formula (I) is 4.0 to 6.0. It turns out that the thing which is not in a range cannot obtain a sound welded part.
10 MIG溶接継手 12 鋼材
14 アルミニウム材 16 鋼材の端面
18 溶接部 20,20′ 上面側角部
22 アルミニウム材の端面 24 溶接金属
26,26′ 下面側角部 30 溶接ワイヤ
31 先端部 32 ノズル
34 先端開口部 36 イナートガス
38 コンタクトチップ 40 アーク
42 溶滴 44 溶融池
46 アーク直下部
X,X′:溶接ワイヤの中心線 Y:垂線
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記鋼材として、厚さ:tが、0.50〜2.0mmで、且つ前記アルミニウム材の厚さの0.6〜0.8倍であるものを用いると共に、
溶接ワイヤとして、半径:rが0.4〜0.8mmである4000系又は5000系のアルミニウム合金からなるものを用い、
かかる溶接ワイヤの中心線が、前記鋼材の端面における上面側角部を基点:0として、該基点:0から水平方向で該鋼材と前記アルミニウム材との重ね合わせ部とは反対側において4rの距離内に位置するように、該溶接ワイヤを配置した状態において、
下記式(I)にて示されるAが4.0〜6.0となるように、前記溶接ワイヤを前記鋼材の端面に沿って相対的に移動せしめると共に、
前記溶接ワイヤに対して、1パルス1溶滴移行となり、且つパルス頻度が溶接長1mm当たり0.5〜5回となる直流の溶接パルス電流を、溶接部に溶融池が常に形成されるように流す一方、かかる溶融池に対し、該溶接ワイヤが、溶接長1mm当たり0.1〜4回の割合で短絡せしめられるようにして、MIG溶接操作を実施することにより、前記溶接部に、前記鋼材と前記アルミニウム材とに跨るビードが、該鋼材の端面に沿って連続的に形成され、且つ該鋼材の溶け込み深さが、該鋼材の厚さの5%以下となるようにしたことを特徴とする鋼材とアルミニウム材のMIG溶接継手の製造方法。
A=L/r+(t/α)×V ・・・ (I)
[式中、Lは基点:0から溶接ワイヤの中心線までの距離(mm)、rは溶接ワイヤの半径(mm)、tは鋼材の厚さ(mm)、αは係数(=21mm・cm/分)、及びVは溶接速度(cm/分)である。] A method of manufacturing MIG welded joints of steel and aluminum by superimposing steel and aluminum on top and bottom so that the steel is on top, and performing MIG welding operation on the end surface portion of the steel. There,
As the steel material, a thickness: t is 0.50 to 2.0 mm, and 0.6 to 0.8 times the thickness of the aluminum material,
As the welding wire, a wire made of a 4000 series or 5000 series aluminum alloy having a radius: r of 0.4 to 0.8 mm is used.
The center line of the welding wire has a distance of 4r on the side opposite to the overlapping portion of the steel material and the aluminum material in the horizontal direction from the base point: 0, with the upper surface side corner portion on the end face of the steel material as the base point: 0. In a state where the welding wire is arranged so as to be located in
The welding wire is moved relatively along the end surface of the steel material so that A represented by the following formula (I) is 4.0 to 6.0, and
With respect to the welding wire, a welding pulse current of 1 pulse per droplet and a pulse frequency of 0.5 to 5 times per 1 mm of welding length is applied so that a molten pool is always formed in the weld. while flow, to take the molten pool, the welding wire, so as to be found allowed shorted at a rate of 0.1 to 4 times per a welding length 1 mm, by performing a MIG welding operation, the weld, the A bead straddling the steel material and the aluminum material is formed continuously along the end surface of the steel material, and the penetration depth of the steel material is 5% or less of the thickness of the steel material. A method for manufacturing a MIG welded joint of steel and aluminum.
A = L / r + (t / α) × V (I)
[In the formula, L is the base point: distance from 0 to the center line of the welding wire (mm), r is the radius (mm) of the welding wire, t is the thickness (mm) of the steel material, and α is the coefficient (= 21 mm · cm / Min), and V is the welding speed (cm / min). ]
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