JP5936873B2

JP5936873B2 - 酸化皮膜を介して溶接される用途用のアルミニウム材、ならびに、当該溶接用途用のアルミニウム材同士を用いた溶接構造体。

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Publication number: JP5936873B2
Application number: JP2012034022A
Authority: JP
Inventors: 長谷川真一; 兒島洋一
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2013170288A

Description

本発明は、表面処理を施したアルミニウム材に関し、詳細には、表面にアルミニウム酸化皮膜を有する密着性及び接着性に優れると共に、当該酸化皮膜を介して溶接されるアルミニウム材同士の溶接用途に適したアルミニウム材、ならびに、この溶接用途用のアルミニウム材を用いた溶接構造体に関する。

一般に、陽極酸化皮膜に代表されるアルミニウム材の酸化皮膜はアルミニウム材の耐食性を向上させる場合等に設けられるが、皮膜自体の絶縁性が高いため、電気を利用した溶接方法、具体的には抵抗溶接及びアーク溶接等には適しておらず、アルミニウム材を直接溶接することは非常に困難であることが知られている。そこで、下地処理として酸化皮膜を設けたアルミニウム材を用いて溶接により構造体を製造するには、溶接前に予め溶接部位の酸化皮膜を削り取ってから溶接を行うか、或いは、アルミニウム材を溶接して溶接構造体としてから構造体全体に対して下地処理である陽極酸化処理を行って酸化皮膜を形成していた。

他の方法として特許文献１には、アルミニウム材に陽極酸化処理などの下地処理を施して形成される酸化皮膜の厚さ薄くしておき、このようなアルミニウム材同士を溶接する方法が提案されている。これにより、アルミニウム材の電気抵抗を適度に大きくして電気溶接時の発熱量を増大させ溶接が行い易くなる。

しかしながら、溶接する部位に存在する酸化皮膜を削り取る方法では、溶接箇所が多数にわたる場合に作業工数が増大して製造コスト増となると共に、複雑な形状の溶接体を作製するのが困難であるという問題があった。また、溶接後に陽極酸化処理を行う方法では、溶接した構造体の形状が複雑になるほど酸化皮膜の付きまわり性が低下し、構造体の表面全体に均一な厚さの酸化皮膜を形成するのが困難であるという問題があった。加えて、構造体が大型になるほど、陽極酸化処理に必要な設備も大型化し、設備コストや処理コストが非常に高額になるという問題もあった。

耐食性や意匠性を向上させるために、溶接構造体の表面に各種塗装を施す場合も多い。また、溶接構造体の用途によっては、部分的に絶縁性を高める目的で、接着剤等を用いて樹脂フィルムを積層する場合もある。このような場合に特許文献１に記載されるアルミニウム酸化皮膜を適用すると、塗膜や樹脂フィルムに対する十分な密着性や接着性が得られず、塗膜剥離やフィルム脱落といった支障が生じる問題があった。

特開昭６３−１０５９９８号公報

本発明の目的は、アルミニウム材同士の溶接に適した酸化皮膜を有する表面処理アルミニウム材、ならびに、この溶接用途用のアルミニウム材を用いた溶接構造体を提供することである。

発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた結果、溶接を行う前のアルミニウム材表面に、多孔性アルミニウム酸化皮膜とバリア型アルミニウム酸化皮膜を具備してなる特定の酸化皮膜を形成することによって、表面に酸化皮膜を有しているにもかかわらず意外にも優れた溶接性を有するアルミニウム材が得られること、ならびに、このようなアルミニウム材を低コストで安定して製造する方法、更には、このようなアルミニウム材同士を溶接に用いた溶接構造体は、大型設備や処理等が不要で溶接後の塗装や貼着に優れた溶接構造体であることを見出した。

すなわち、本発明は請求項１において、表面に酸化皮膜が形成されたアルミニウム材であって、前記酸化皮膜は表面側に形成された厚さ２０〜５００ｎｍの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ３〜３０ｎｍのバリア型アルミニウム酸化皮膜層とから成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径５〜３０ｎｍの小孔が形成されていることを特徴とし、アルミニウム材同士が前記酸化皮膜を介して溶接される用途用のアルミニウム材とした。

本発明は請求項２において、請求項１に記載の溶接用途用のアルミニウム材同士が溶接されたものであることを特徴とするアルミニウム材同士の溶接構造体とした。

本発明は請求項３では請求項２において、酸化皮膜の表面に更に樹脂塗料を用いた塗膜を形成した、又は樹脂フィルムを積層したアルミニウム材同士の溶接構造体とした。

また、本発明は、請求項１に記載の溶接用途用のアルミニウム材の製造方法であって、アルミニウム材を一電極とし、ｐＨ９〜１３で液温３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数２０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ２及び電解時間５〜６０秒間の条件で交流電解処理することを特徴とする溶接用途用のアルミニウム材の製造方法を開示する。

本発明により、密着性及び接着性に優れると共にアルミニウム材同士の溶接に適した表面処理アルミニウム材、ならびに、このようなアルミニウム材同士を用いた溶接性に優れる溶接構造体が得られる。

本発明に係る表面処理アルミニウム材の模式図である。

以下に、本発明の詳細を順に説明する。図１に示すように、本発明に係る溶接用途用のアルミニウム材１は、少なくとも一方の表面に本発明の酸化皮膜２が形成されており、この酸化皮膜２は表面側に形成された多孔性アルミニウム酸化皮膜層３と素地５側に形成されたバリア型アルミニウム酸化皮膜層４とから成る。そして、多孔性アルミニウム酸化皮膜層３には特殊な小孔３１が形成されている。本発明の溶接用途用のアルミニウム材１はこのような特殊な小孔３１を有する酸化皮膜２が形成されたアルミニウム材の表面を溶接面として用いるものである。

Ａ．アルミニウム材
本発明に用いるアルミニウム材としては、純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられる。アルミニウム合金の成分には特に制限は無く、ＪＩＳに規定される合金をはじめとする各種合金を使用することができる。形状としては、主として熱間圧延及び冷間圧延により製造される平板状や、主として押出加工や引抜加工により製造される各種の型形状（棒状、筒状など）を用いることができる。平板材及び型材の形状や寸法は、溶接用途に応じて適宜選択される。

Ｂ．酸化皮膜
本発明に用いるアルミニウム材の表面の少なくとも一方には、アルミニウム素地と直接密着して形成されたバリア型アルミニウム酸化皮膜層と、アルミニウム素地と反対側においてバリア型アルミニウム酸化皮膜層に一体的に形成された多孔性アルミニウム酸化皮膜層とが設けられている。すなわち、アルミニウム材表面には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の二層によって構成される酸化皮膜が設けられている。

本発明のアルミニウム材は、この特殊な二層で構成される酸化皮膜を溶接面として用いるものであるが、酸化皮膜を溶接するにも拘らず優れた溶接性が得ることができる。この知見は本発明者らにより見出されたものである。本発明のアルミニウム材の溶接メカニズムは完全には明らかにされていないが、酸化皮膜が極めて薄い特殊構造を有しているため、アルミニウム素地に強固に密着するバリア型アルミニウム酸化皮膜層と、このバリア型アルミニウム酸化皮膜に強固に一体的に設けられ、かつ特殊な小孔を有する多孔性アルミニウム酸化皮膜層とによる相互作用で適度な導電性が付与されることが起因していると考えられる。

以上のことから、本発明の溶接用途用のアルミニウム材は、従来のアルミニウム材では大規模な設備や処理が必要だった溶接を極めて簡単に実施することができる。電気溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等種々の溶接方法を採用することができ、特に電気溶接としてアーク溶接等に簡単に適用できる。

また、本発明においては、溶接を行う場合に上記溶接性を低下させることがないだけでなく、溶接部分を良好に保持することができる。具体的には、酸化皮膜は薄く少量であるので、溶接においてアルミニウム素地の溶解を妨げるような悪影響を与えない。また、溶接後に溶接部分として残るビード中に酸化皮膜が残留したとしても、本発明の酸化皮膜はビードの質に影響を与えない。従って、ビードの劣化による溶接不良や溶接部分の寿命低下が回避できる。また、溶接後のアルミニウム材強度や更なる加工処理等に悪影響を及ぼすことはなく、特にビードのぬれ性を保持できるので、アルミニウム溶接構造体に塗装等の表面処理を施す場合、良好な塗膜やフィルムなどの密着性・接着性を維持できる。

Ｂ−１．多孔性アルミニウム酸化皮膜層
本発明の多孔性アルミニウム酸化皮膜層は、電気溶接、抵抗溶接、レーザー溶接等種々の溶接方法を採用することができ、上述したように導電性が高いため、特に電気溶接に有利で、特にアーク溶接等に有利である。特定の小孔を有する多孔性のため酸化アルミニウムとして存在する部分の絶対量が少なく、溶接ビード中に残留しても溶接強度に悪影響を及ぼすことがない上、多孔性による表面積増大効果によって塗装等の溶接後の後加工にもぬれ性が良好で高い密着性及び接着性を発揮する。

本発明の多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、２０〜５００ｎｍである。２０ｎｍ未満では厚さが十分でないため、後述する小孔構造の形成が不十分になり易く密着性及び接着性が低下する。一方、５００ｎｍを超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層自体が凝集破壊し易くなり密着性及び接着性が低下する上、導電性が低下するため電気溶接性も低下し、更にこの多孔性アルミニウム酸化皮膜層自体の残存による顕著な溶接強度低下をもたらす。なお、ここでいうアルミニウム酸化皮膜層の厚さとは、酸化皮膜全体の厚さのうち、本発明のバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さを引いた値をいい、後述する実施例に記載されているように、ＴＥＭ断面観察によって測定できる値である。

また、図１に示すように、多孔性アルミニウム酸化皮膜層３は、その表面から深さ方向に向かう小孔３１を備える。小孔の直径は５〜３０ｎｍであり、好ましくは１０〜２０ｎｍである。ここでいう直径とは、多孔性アルミニウム酸化皮膜層最外面に形成された小孔の開口部の直径のことをいい、上記と同様にＴＥＭ観察によって測定することができる。小孔の直径が小さ過ぎると導電性に問題が発生し、大き過ぎると酸化皮膜層全体が脆くなって凝集破壊を生じるため、いずれの場合も溶接を行うことが困難になる。この小孔は、溶接構造体として溶接後も効果を発揮でき、例えば、溶接後に溶接構造体に対して塗装などの樹脂層や接着層などを表面に設けたい場合、用いる塗料やフィルム等と多孔性アルミニウム酸化皮膜との接触面積を増大させ、その密着性及び接着性を増大させる効果を発揮するものである。小孔の直径が５ｎｍ未満であると、接触面積が不足するため十分な密着性及び接着性が得られない。一方、小孔の直径が３０ｎｍを超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層全体が脆くなって凝集破壊を生じ密着性及び接着性が低下する。

多孔性アルミニウム酸化皮膜層の表面積に対する小孔の全孔面積の比については、特に制限されるものではない。多孔性アルミニウム酸化皮膜層の見かけ上の表面積（表面の微小な凹凸等を考慮せず、長さと幅の乗算で表される面積）に対する小孔の全孔面積の比として、２５〜７５％が好ましい。２５％未満では、溶接作業が適切に行えず、更に溶接構造体とした場合、接触面積が不足して十分な上述した密着性及び接着性が得られない場合がある。一方、７５％を超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層全体が脆くなって凝集破壊を生じるため、同様に溶接が適切に行えず、溶接構造体とした場合にも上記と同様に密着性及び接着性が低下する場合がある。

Ｂ−２．バリア型アルミニウム酸化皮膜層
バリア型アルミニウム酸化皮膜層は、多孔性アルミニウム酸化皮膜層と比較して単位厚さ当たりの導電率は低い。しかしながら、バリア型アルミニウム酸化皮膜層は非常に薄く、特に多孔性アルミニウム酸化皮膜層より薄い場合には、厚さ全体で比較すれば多孔性アルミニウム酸化皮膜層より導電性が高く、特に電気溶接に有利に対応させることができる。また、厚さが薄いために酸化アルミニウム部分の絶対量が少なく、溶接ビード中に残留しても溶接強度に悪影響を及ぼすことがない。更に、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とアルミニウム素地との間に介在層として存在するので十分強固な結合力を付与し、溶接構造体とした場合であっても高い密着性及び接着性を発揮する。

バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、３〜３０ｎｍである。３ｎｍ未満では、介在層として多孔性アルミニウム酸化皮膜層とアルミニウム素地との結合に十分強力な結合力を付与することができず、特に、高温・多湿等の過酷環境における結合力が不十分となる。一方、３０ｎｍを超えると、その緻密性ゆえにバリア型アルミニウム酸化皮膜層が凝集破壊し易くなり、導電性が低下するため電気溶接性も低下し、更にバリア型アルミニウム酸化皮膜層自体の残存による顕著な溶接強度低下をもたらす上、溶接構造体とした場合に、密着性及び接着性が低下する。本発明のバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さは、後述する実施例に記載されているように、ＴＥＭ断面観察によって測定できる値である。

Ｃ．溶接
以上に述べた本発明の酸化皮膜（多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層）は、その構造的特性によって適度な導電性を示すことから、特に電気溶接を行う場合に好適に対応し得る。溶接工程においては、溶接箇所の酸化皮膜の部分は適度に通電されることで酸化皮膜が破壊されつつアルミニウム素地が溶解して一体化する。また、この酸化皮膜は薄く溶接部分に対しては比較的少量であるので、仮に溶接後のビード中に残留しても溶接強度に悪影響を及ぼすことがない。

従って、本発明のアルミニウム材から溶接構造体を製造するには、本発明のアルミニウム材の表面に形成された酸化皮膜形成部分を溶接部分にすればよく、特に酸化皮膜を形成済みの本発明のアルミニウム材同士を溶接することが好ましい。本発明の溶接構造体の製造は、本発明のアルミニウム材を使用する以外の条件は公知の溶接方法を採用することができ、特に制限されるものではない。アルミニウム材単位で電気溶接を行うことにより、複雑な形状を有する溶接構造体を製造する場合においても、溶接部分における酸化皮膜の付きまわり性を考慮する心配がなく溶接構造体全体において均一な酸化皮膜を設けさせることができる。その上、比較的小さなアルミニウム材を処理対象とする場合には、溶接設備が小規模で済むので、設備コストや処理コストも著しく低減される。

なお、溶接されるアルミニウム材は、上述したように全てが本発明に係る溶接用途用のアルミニウム材であるのが好ましいが、いずれか一方に本発明に係る溶接用途用のアルミニウム材を用い、他方に硫酸アルマイト皮膜のような人工的に酸化皮膜が形成されているアルミニウム材や、自然酸化皮膜のような比較的薄い酸化皮膜等が形成されているものを用いてもよい。なお、本発明の溶接用途用のアルミニウム材以外の材料を使用する場合には、陽極酸化皮膜をできるだけ薄くする等の対応が必要な場合がある。

溶接方法については、既存技術をそのまま適用できる。特にアルミニウム材の溶接に適した方法として、各種の抵抗溶接、レーザー溶接及びアーク溶接を挙げることができる。例えば、アーク溶接の一種であるＴＩＧ溶接であれば、通常のアルミニウム材と全く同じ溶接条件（電流、電圧、溶加材種類、ガス圧力、その他）で溶接することが可能であり、蓄積されてきた溶接技術とノウハウをそのまま適用することができる。

Ｄ．塗装とフィルムの積層
本発明においてはアルミニウム材同士の溶接構造体の表面に、既存技術に基づいて各種塗料を塗装して塗膜を形成することにより、或いは、既存技術に基づいて樹脂フィルムを例えば接着剤を用いて積層することにより、溶接構造体に耐食性と意匠性を付与することができる。また、このような塗膜や樹脂フィルムを溶接構造体の特定部位に設けることにより、その部分の特性を選択的に高めることもでき、例えば、絶縁性フィルムを接着することにより、アルミニウム溶接構造体に対して、絶縁性を付与できる。

塗装する場合には、本発明に係るアルミニウム材同士の溶接構造体は、表面全体に薄く、かつ、高密着性の酸化皮膜を有するため、既存技術に基づく各種塗料、具体的には水性塗料、溶剤性塗料、粉体塗料及び電着塗料等から形成される塗膜に対して、優れた密着性を発揮する。従って、溶接構造体の塗装等の後加工も簡単かつ確実に行うことができる。

例えば、本発明の溶接構造体について、接着剤を用いてフィルムを積層する場合には、既存技術に基づく各種接着剤、具体的にはセラミック系接着剤に代表される無機系接着剤；エポキシ樹脂系接着剤に代表される反応系接着剤；塩化ビニル樹脂溶剤系接着剤に代表される溶剤系接着剤；エチレン−酢酸ビニル樹脂ホットメルト接着剤に代表されるホットメルト系接着剤等；に対して優れた接着性を発揮させることができる。フィルムとしては、ポリ塩化ビニル類；ポリオレフィン類；ポリエステル類；ポリカーボネート類；ポリスチレン類；及びエチレン酢酸ビニル共重合体類；などのフィルムを用いることができる。これらのフィルムを上記接着剤で溶接構造体に貼り付けて積層することによって、優れた接着性が発揮される。なお、エチレン酢酸ビニル共重合体フィルムのように、フィルム自体が溶融して接着性を発揮するものでは接着剤が不要であり、又は少量で済む。

Ｅ．製造方法
以上のような、適度な厚さ及び構造の多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層を有するアルミニウム酸化皮膜を備えたアルミニウム材を製造するための一つの方法として、酸化皮膜を形成するアルミニウム材を一の電極とし、対電極とを用い、ｐＨ９〜１３で液温３５〜８０℃のアルカリ性水溶液を電解溶液とし、周波数２０〜１００Ｈｚ、電流密度４〜５０Ａ／ｄｍ^２及び電解時間５〜６０秒間の条件で交流電解処理することにより、アルミニウム材表面に酸化皮膜を形成する方法を挙げることができる。

交流電解処理工程において、電解溶液として用いるアルカリ水溶液は、りん酸ナトリウム、りん酸水素カリウム、ピロりん酸ナトリウム、ピロりん酸カリウム及びメタりん酸ナトリウム等のりん酸塩や；水酸化ナトリウム及び水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物や；炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩や；水酸化アンモニウム；或いは、これらの混合物の水溶液を用いることができる。後述するように電解溶液のｐＨを特定の範囲に保つ必要があることから、バッファー効果の期待できるりん酸塩系物質を含有するアルカリ水溶液を用いるのが好ましい。このようなアルカリ成分の濃度は、電解溶液のｐＨが所望の値になるように調整されるが、通常、１×１０^−４〜１モル／リットルである。なお、これらのアルカリ性水溶液には、汚れ成分に対する除去能力の向上のために界面活性剤を添加してもよい。

電解溶液のｐＨは９〜１３とする必要があり、９．５〜１２とするのが好ましい。ｐＨが９未満の場合には、電解溶液のアルカリエッチング力が不足するため多孔性アルミニウム酸化皮膜層の多孔質構造が不完全となる。一方、ｐＨが１３を超えると、アルカリエッチング力が過剰になるため多孔性アルミニウム酸化皮膜層が成長し難くなり、更にバリア型アルミニウム酸化皮膜層の形成も阻害される。

電解溶液温度は３５〜８０℃とする必要があり、４０〜７０℃とするのが好ましい。電解溶液温度が３５℃未満では、アルカリエッチング力が不足するため多孔性アルミニウム酸化皮膜層の多孔質構造が不完全となる。一方、８０℃を超えるとアルカリエッチング力が過剰になるため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層ともに成長が阻害される。

アルカリ交流電解においては、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層を含めた酸化皮膜全体の厚さは、電気量、すなわち電流密度と電解時間の積によって制御され、基本的に電気量が多いほど酸化皮膜全体の厚さが増加する。このような観点から、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の交流電解条件は以下の通りとする。

用いる周波数は２０〜１００Ｈｚである。２０Ｈｚ未満では、電気分解としては直流的要素が高まる結果、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の多孔質構造の形成が進行せず、緻密構造となってしまう。一方、１００Ｈｚを超えると、陽極と陰極の反転が速過ぎるため、酸化皮膜全体の形成が極端に遅くなり、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層ともに、所定の厚さを得るには極めて長時間を要することになる。

電流密度は４〜５０Ａ／ｄｍ^２とする必要がある。電流密度が４Ａ／ｄｍ^２未満では、バリア型アルミニウム酸化皮膜層のみが優先的に形成されるために多孔性アルミニウム酸化皮膜層が得られない。一方、５０Ａ／ｄｍ^２を超えると、電流が過大になるため多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ制御が困難となり処理ムラが起こり易い。

電解時間は５〜６０秒とする必要がある。５秒未満の処理時間では、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の形成が急激過ぎるため、いずれの酸化皮膜層も十分に形成されず、不定形のアルミニウム酸化物から構成される酸化皮膜となるためである。一方、６０秒を超えると、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が厚くなり過ぎたり再溶解するおそれがあるだけでなく、生産性も低下する。

交流電解処理に使用する一対の電極のうち一方の電極は、本発明の酸化皮膜が形成されるアルミニウム材である。他方の対電極としては、電解溶液のアルカリ成分や温度に対して劣化せず、導電性に優れ、更に、それ自身が電気化学的反応を起こさない材質のものを使用する必要がある。このような点から、対電極としては黒鉛電極が好適に用いられる。これは、黒鉛電極が化学的に安定であり、かつ、安価で入手が容易であることに加え、黒鉛電極に存在する多くの気孔の作用により交流電解工程において電気力線が適度に拡散するため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が共により均一になり易いためである。なお、黒鉛電極の他に、チタン電極を用いてもよい。

本発明においては、電解処理されるべきアルミニウム材として平板状のものを用いる場合には、これと対向する対電極にアルミニウム材とほぼ同じ寸法のものを用いて電解操作を行なう。この場合、対電極に対向するアルミニウム材表面に酸化皮膜が形成される。ここで、対電極に対向していない他方の表面にも酸化皮膜を形成するには、一方の表面に酸化皮膜を形成して交流電解処理を一旦終了し、次いで、他の表面を対電極に対向するように配置して同様に交流電解処理を行えばよい。

また、アルミニウム材の形状が棒状や筒材などの型材の場合においても、電解工程で対電極に対向していなかった表面を対電極に対向するように配置し直して電解工程を繰り返すことにより、所望の表面に酸化皮膜を形成することができる。

本発明における多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の構造観察と厚さの測定には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察が好適に用いられる。具体的には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ、ならびに、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔の直径は、ウルトラミクロトームにより薄片試料を作製し、ＴＥＭ観察することによって測定できる。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
実施例１〜１５及び比較例１〜１２
アルミニウム材として、縦２００ｍｍ×横４００ｍｍ×板厚１．０ｍｍのＪＩＳ５０５２−Ｈ３４合金板を使用した。このアルミニウム合金板を一方の電極に用い、対電極には縦３００ｍｍ×横５００ｍｍ×板厚２．０ｍｍの平板形状を有する黒鉛板又はチタン板を用いた。アルミニウム合金板の片面を対電極に対面させ、この対面した片面表層に、表面側の多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側のバリア型アルミニウム酸化皮膜層が形成されるように、両電極を配置した。ピロりん酸ナトリウムを主成分とするアルカリ水溶液を、電解溶液として用いた。電解溶液のアルカリ成分濃度は、０．５モル／リットルとするとともに、塩酸及び水酸化ナトリウム水溶液（いずれも濃度０．１モル／リットル）によってｐＨの調整を行なった。表１に示す電解条件にて、交流電解処理を実施して多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層を形成した。
なお、比較例１１と１２では、従来技術に基づく硫酸アルマイト処理を行ない２．０μｍ厚の酸化皮膜を形成し、酢酸ニッケル法による封孔処理を施した。

以上のようにして作製した供試材に対し、ＴＥＭにより断面観察を実施した。具体的には、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ、ならびに、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔の直径を測定するために、ウルトラミクロトームを用いて供試材から断面観察用薄片試料を作製した。次いで、この薄片試料において観察視野（１μｍ×１μｍ）中の任意の１０点を選択してＴＥＭ断面観察により、多孔性アルミニウム酸化皮膜層とバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さ、ならびに、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔の直径を各点で測定した。これらの厚さと直径については、１０点の測定値の算術平均値を表２に示す。

上記供試材に対し、以下の方法にて溶接性と密着性／接着性を評価した。

〔溶接性評価〕
各実施例及び比較例では供試材を２枚用意し、これら供試材同士をＴＩＧ溶接（重ね継手・隅肉継手とも、電流３０Ａ、溶接速度１５ｃｍ／分、アルゴンガス流量７Ｌ／分、溶加材Ａ５１８３）、スポット溶接（加圧力２．０ｋＮ、溶接サイクル８回、電流２００００Ａ）、ならびに、レーザー溶接（定格出力５ｋＷのＣＷ−ＣＯ_２レーザーを使用し、出力４ｋＷにて溶接）し、その溶接状態を、溶接部断面観察によるナゲット形成良否にて下記基準で評価した。○を合格とし×を不合格とし、結果を表３に示す。
○：母材とナゲットの間に空隙が存在せずナゲット形成が良好
×：母材とナゲットの間に空隙が存在しナゲット形成が不良

〔密着性／接着性の評価〕
上記供試材の実施例１〜１１及び１３〜１５、ならびに、比較例１〜１１では、上記供試材の表面に大日本塗料（株）製「Ｖフロン＃２０００」を塗布しこれを乾燥して（１６０℃、２０分）、３０μｍの厚さの樹脂塗膜を形成した試験片を作製した。一方、実施例１２及び比較例１２では、片面にアクリル糊が塗布されたポリ塩化ビニルフィルム（厚さ０．２ｍｍ）を上記供試材の表面に貼り付けて積層した試験片を作製した。

ＪＩＳ−Ｋ５６００−５−６に準拠した方法で、これら樹脂塗膜と積層フィルムにカッターナイフを用いて１ｍｍ角の碁盤目カットを入れた。まず、一次評価として、樹脂塗膜と積層フィルムに対して透明感圧付着テープによる剥離試験を実施し、碁盤目１００マスに対する残存マス数を測定した。続いて二次評価として、上記試験片に１２５℃、３０分のレトルト浸漬処理を施した後に、直ちに処理液から取り出して水分をふき取った。これらの試料に対しても、樹脂塗膜と積層フィルムに対して透明感圧付着テープによる剥離試験を実施し、碁盤目１００マスに対する残存マス数を測定した。
一次評価及び二次評価において、残存マス数が共に１００個の場合を密着性／接着性の評価が合格とし、１００個未満の場合を不合格とした。残存したマス数を表３に示す。
なお、実施例１２及び比較例１２に対しては、アクリル糊がレトルト中に溶出するため二次評価は行なわなかった。

実施例１〜１５ではいずれも、溶接評価及び密着性／接着性の評価が合格判定であった。これに対して比較例１〜１２では、下記の理由により不合格判定となった。

比較例１では、交流電解処理における電解溶液のｐＨが低過ぎたため、アルカリエッチング力が不足した。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の小孔直径が不足し密着性／接着性が不合格となり、多孔質性も不足したため溶接性も不合格であった。

比較例２では、交流電解処理における電解溶液のｐＨが高過ぎたため、アルカリエッチング力が過剰になった。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さが不足し、また多孔性アルミニウム皮膜の小孔直径が過大となり、密着性／接着性が不合格であった。

比較例３では、交流電解処理における電解溶液の温度が低過ぎたため、アルカリエッチング力が不足した。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の多孔質構造が不完全となり小孔直径が不足し密着性／接着性が不合格となり、多孔質性も不足したため溶接性も不合格であった。

比較例４では、交流電解処理における電解溶液の温度が高過ぎたため、アルカリエッチング力が過剰になった。そのため、多孔性アルミニウム皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さが不足し、密着性／接着性が不合格であった。

比較例５では、交流電解処理における周波数が低過ぎたため、電気的状態が直流電解に近づいた。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の形成が進行せず、バリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さが過大となった。その結果、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の多孔質構造が形成されず、密着性／接着性が不合格となり、かつ、溶接性も不合格であった。

比較例６では、交流電解処理における周波数が高過ぎたため、陽極と陰極の反転が速過ぎた。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の形成が極端に遅くなりその厚さが不足し、密着性／接着性が不合格であった。

比較例７では、交流電解処理における電流密度が低過ぎたため、バリア型アルミニウム酸化皮膜層が優先的に形成された。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層の厚さが不足し、密着性／接着性が不合格であった。

比較例８では、交流電解処理における電流密度が高過ぎたため、電解処理において電解溶液中にスパークが発生する等、制御が不安定になった。そのため、酸化皮膜全体が過剰に形成され、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さが過大となる一方で、厚さが極端に少ない部分も発生し、密着性／接着性が不合格であった。更に、酸化皮膜全体の過剰形成により溶接性も不合格であった。

比較例９では、交流電解処理における電解処理時間が短過ぎたため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が十分に形成されなかった。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層の厚さが不足し、密着性／接着性が不合格であった。

比較例１０では、交流電解処理における電解処理時間が長過ぎたため、酸化皮膜全体が過剰に形成された。そのため、多孔性アルミニウム酸化皮膜層及びバリア型アルミニウム酸化皮膜層が厚くなり過ぎ、密着性／接着性が不合格であった。更に、酸化皮膜全体の過剰形成により溶接性も不合格であった。

比較例１１及び比較例１２では、酸化皮膜が従来技術に基づく厚い硫酸アルマイト皮膜であるため、密着性／接着性、ならびに、溶接性も不合格であった。

本発明によれば、アルミニウム材同士の溶接に適した酸化皮膜を有する表面処理アルミニウム材、ならびに、この溶接用途用のアルミニウム材を用いた溶接構造体が得られる。

１・・・表面処理アルミニウム材
２・・・酸化皮膜
３・・・多孔性アルミニウム酸化皮膜層
３１・・・小孔
４・・・バリア型アルミニウム酸化皮膜層
５・・・素地

Claims

表面に酸化皮膜が形成されたアルミニウム材であって、前記酸化皮膜は表面側に形成された厚さ２０〜５００ｎｍの多孔性アルミニウム酸化皮膜層と素地側に形成された厚さ３〜３０ｎｍのバリア型アルミニウム酸化皮膜層とから成り、前記多孔性アルミニウム酸化皮膜層には直径５〜３０ｎｍの小孔が形成されていることを特徴とし、アルミニウム材同士が前記酸化皮膜を介して溶接される用途用のアルミニウム材。
請求項１に記載の溶接用途用のアルミニウム材同士が溶接されたものであることを特徴とするアルミニウム材同士の溶接構造体。
酸化皮膜の表面に更に樹脂塗料を用いた塗膜を形成した、又は樹脂フィルムを積層した、請求項２に記載のアルミニウム材同士の溶接構造体。