JP6457252B2

JP6457252B2 - アルミニウム系部材の溶接方法

Info

Publication number: JP6457252B2
Application number: JP2014240029A
Authority: JP
Inventors: 麻世川波; 載泰廣川
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: JP2016101592A

Description

本発明は、溶接不良を低減して高品質なアルミニウム系部材を安定して提供できるアルミニウム系部材の溶接方法に関する。

複雑な形状の構造部材は、複数部材を所定箇所で溶接して製造されることが多い。そして、高精度が要求される部材の場合、機械加工された加工部同士を当接（圧接を含む）等させて、ビーム溶接等されることが多い。

そのような溶接される加工部は、通常、潤滑、冷却、防錆等の目的で加工油がワークに供給されつつ、研削（切削または研磨）等の機械加工がなされた部分である。このような加工部（適宜、「被溶接部」という。）を安定的に溶接するには、その表面に付着した切り屑、加工油等を溶接前に十分に除去しておく必要がある。

被溶接部が水溶性加工油を用いて加工されている場合、水道水や工業水等をそのまま用いて洗浄することも考えられる。しかし、単なる水洗浄では、加工部の洗浄が不十分となる場合も生じる。そこで洗浄剤を用いて被溶接部を洗浄することが、例えば、下記の特許文献で提案されている。

特開２００７−１９７６１０号公報

特許文献１は、電子ビーム溶接前に、溶接阻害性が少ない水溶性洗浄剤を用いた洗浄を行うことを提案している。しかし、洗浄剤の使用は、洗浄剤の残渣による溶接不良の原因となる。また、洗浄剤の使用は洗浄後の廃液処理も問題となり好ましくない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、洗浄剤を用いずに被溶接部を確実に洗浄して溶接不良の低減を図れるアルミニウム系部材の溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、水溶性加工油で機械加工された加工部をアルカリ性電解イオン水を用いて洗浄した後、その加工部を電子ビーム溶接したところ、所望の溶接を安定的に行えることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《アルミニウム系部材の溶接方法》
（１）本発明のアルミニウム系部材の溶接方法は、アルミニウム合金からなると共に水溶性加工油を用いて機械加工された加工部を有するアルミニウム系部材同士を該加工部間で溶接する溶接工程を有するアルミニウム系部材の溶接方法であって、前記溶接工程前に、少なくとも溶接される前記加工部を、水を電気分解して得られたアルカリ性電解イオン水で洗浄する洗浄工程と、該洗浄した加工部を乾燥させる乾燥工程とを備え、前記アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としてケイ素（Ｓｉ）を５％以上含むことを特徴とする。

（２）本発明のアルミニウム系部材の溶接方法（単に「溶接方法」という。）の場合、溶接工程前の洗浄工程で、洗浄剤を用いていないため、溶接前の加工部（被溶接部）に洗浄剤に起因した残渣等が生じない。また、未処理な通常の水（水道水や工業水）で洗浄する場合に比べ、アルカリ性電解イオン水（適宜、単に「電解イオン水」という。）を用いることにより被溶接部に付着した水溶性加工油をより有効に除去できる。電解イオン水により被溶接部に付着した水溶性加工油の乳化が促進されるためと考えられる。いずれにしても本発明に係る洗浄工程を行えば、残渣を生じることもなく、被溶接部に付着している水溶性加工油等を確実に除去できる優れた洗浄性が確保される。そして、この洗浄工程後に溶接工程を行うと、残渣や水溶性加工油の残存汚れ等に起因して生じるブローホールを低減しつつ、所望の溶け込み深さを安定的に確保した高品質な溶接が可能となる。

なお、本発明に係る洗浄工程で用いた電解イオン水は、水道水等を電気分解するのみで得られると共に洗浄剤を用いていないため廃液処理が容易であり、本発明の溶接方法によれば、洗浄コストの低減ひいては溶接コストの低減も図れる。

《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

Ａｌ系部材を電子ビーム溶接した溶接部材を示す斜視図である。試料１に係る溶接部材の各部位における溶け込み深さを示すグラフである。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。製造方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスクレームとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得るため、本明細書で説明する内容は、本発明の溶接方法としてのみならず、それにより得られたアルミニウム系溶接部材にも該当し得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《洗浄工程》
（１）本発明に係る洗浄工程は、少なくとも溶接される加工部（被溶接部）を電解イオン水で洗浄する工程である。洗浄方法は種々ある。例えば、機械加工後のアルミニウム系部材（適宜、単に「Ａｌ系部材という。）を電解イオン水が入った洗浄槽に浸漬して洗浄してもよい。もっとも、洗浄工程は電解イオン水により加工部を洗流する工程であると、被溶接部が清浄な状態で維持され易く好ましい。また、電解イオン水のシャワーまたは噴霧等により洗流すると、電解イオン水の使用量を抑制しつつ、溶接する加工部全体を効率的に洗浄できる。

（２）電解イオン水は、例えば、ｐＨ８〜１１さらにはｐＨ８．５〜１０．５であると好ましい。ｐＨが過小では洗浄力が不十分となり、ｐＨが過大では洗浄後の被溶接部に水酸化アルミニウム等のスケールが付着して好ましくない。また電解イオン水は、含有する塩化物イオン濃度が１５ｍｇ／Ｌ以下、硫酸イオン濃度が２０ｍｇ／Ｌ以下、又は、電気分解に用いる原水と比較して塩化物イオン濃度、硫酸イオン濃度がそれぞれ２／３以下であることが好ましい。これらの陰イオンが電解イオン水に多く含まれると、被溶接部に塩化物、硫酸化合物が生成し溶接を阻害するためである。また、電解イオン水は、含有するカルシウム濃度が、１０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましい。カルシウムが電解イオン水に多く含まれると、被溶接部に水酸化カルシウム等のスケールが付着して好ましくない。

さらに電解イオン水は、３０〜６０℃さらには３５〜５０℃の温水であると、洗浄性の向上を図れて好ましい。その温度が過小では洗浄性の向上効果が乏しく、その温度が過大になると作業性やエネルギー効率の低下を招く。

《乾燥工程》
本発明に係る乾燥工程は、溶接工程前に、洗浄工程後の加工部を乾燥させる工程である。乾燥方法は種々あり、自然乾燥、加熱乾燥、温風乾燥、エアーブロー等により行える。また、複数の乾燥方法を組合わせてもよい。例えば、洗浄工程後に先ずエアーブローで水切りをした後、さらに温風乾燥すると、確実な乾燥を行える。

《溶接工程》
本発明に係る溶接工程は、接合するＡｌ系部材の洗浄された各加工部（加工面）同士を当接、接触、突き合わせ等して溶接する工程である。溶接方法は種々あるが、例えば、加工部間へ電子ビームを照射して行う電子ビーム溶接または加工部間へレーザーを照射して行うレーザー溶接を行うと、高精度な溶接が可能となる。特に、本発明に係る溶接工程が電子ビーム溶接工程である場合、ビード幅（溶融断面積）を小さくしつつ大きな溶け込み深さを得ることができると共に、エネルギー効率の向上や周囲への熱影響（歪み）の抑制等も図れて好ましい。

《アルミニウム系部材》
本発明に係るＡｌ系部材は、その製造方法を問わず、鋳造部材、鍛造部材、押出部材等のいずれでもよい。また、その組成も問わないが、例えば、鋳造材のように、Ａｌ系部材は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としてケイ素（Ｓｉ）を５％以上、さらには８％以上含むアルミニウム合金からなると好ましい。この場合、洗浄工程で供給された電解イオン水は、被溶接部の表面に濡れ拡がり易くなり、電解イオン水による洗浄性の向上や溶接性の向上が期待される。この理由は定かではないが、電解イオン水が被溶接部の表面にあるＳｉと反応して、僅かではあるがケイ酸が形成され得るためと考えられる。

そのようなアルミニウム合金の組成の一例として、Ｓｉ：８〜１３％さらには９〜１２％、Ｃｕ：１〜４％さらには１．５〜３．５％、残部がＡｌおよび不純物である場合がある。また、そのような組成のＡｌ系部材は、特に鋳造（ダイカスト）材であると好ましい。

《用途》
本発明の溶接方法により接合されるＡｌ系部材やその溶接部材の種類や用途は問わない。一例として、自動車用（自動）変速機に使用される部材などがある。

機械加工したＡｌ系部材を電解イオン水で洗浄してから溶接した場合（実施例）と、それを水道水で洗浄してから溶接した場合（比較例）とを示すことにより、本発明をより具体的に説明する。

《試料の製造》
（１）Ａｌ系部材
溶接するＡｌ系部材として、アルミニウム合金（ＪＩＳＡＤＣ１２）からなる２種類のダイカスト部材を用意した。これらダイカスト部材を水溶性加工油（株式会社ノリタケカンパニーリミテド製ノリタケクールシリーズＥＳ−２０ＫＰ／エマルジョン型）を用いて切削加工した。こうしてリング状の部材Ａ（内径φ１７１×Ｈ５５ｍｍ）と円盤状の部材Ｂ（外径φ１７１×高さ５２ｍｍ）を得た（図１参照）。

（２）洗浄工程
高橋金属株式会社製イオン水生成装置（ＴＩＷＳ−ＩＷ０６Ｃ）により生成した電解イオン水を用意した。この電解イオン水はｐＨ９．３５で、塩化物イオン濃度は０．１ｍｇ／Ｌ未満、硫酸イオン濃度は０．１ｍｇ／Ｌ未満、カルシウム濃度は０．１ｍｇ／Ｌ未満であった。

この電解イオン水と、水道水をそれぞれ用いて、上述した加工後の部材Ａ、Ｂ（両者を併せて、適宜「ワーク」という。）を洗浄した。この洗浄は、搬送速度２ｍ／分のベルトコンベアに載置した各ワークに対して、シャワーノズルから４０℃の各水を噴霧（水圧０．４ＭＰａ）して、約３０秒間行った。

（３）乾燥工程
搬送速度２ｍ／分のベルトコンベアに載置した洗浄工程後の各ワークに対して、水滴がなくなるまでエアーブローにより水切りした後、１００℃の温風を吹きつけてワークの表面を乾燥させた。

（４）溶接工程
乾燥工程後の部材Ｂの外周面（加工部）へ、部材Ａの内周面（加工部）が密着するように嵌入（圧入）した。こうして形成された環状の嵌合部（被溶接部）上にある均等な８箇所へ、部材Ｂ側から電子ビーム溶接を行った。この様子を図１に示した。なお、電子ビーム溶接は、多田電機株式会社製電子ビーム加工機により行った。このとき、試料１ではビーム電流：４３ｍＡ、ビーム移動速度：１ｍ／ｍｉｎ、試料２ではビーム電流：７８ｍＡ、ビーム移動速度：３ｍ／ｍｉｎとした。

《観察・測定》
（１）濡れ性
洗浄前のワーク表面と洗浄後のワーク表面に、それぞれ墨汁を垂らして、その広がり具合（濡れ性）を観察した。洗浄前の場合、墨汁はワーク表面に付着した加工油により弾かれて濡れ拡がることはなかった。一方、洗浄後の場合、墨汁はワーク表面に弾かれることなく、濡れ拡がった。この傾向は、洗浄水として、電解イオン水を用いた場合も水道水を用いた場合もほぼ同様であった。

（２）洗浄性
電解イオン水と水道水をそれぞれ用いて洗浄したワーク表面を綿棒で拭き取り、洗浄度合を観察した。この場合、電解イオン水で洗浄したワーク表面の方が、水道水で洗浄したワーク表面よりも、綿棒に付着した汚れが少なかった。

（３）溶接性
電解イオン水または水道水による洗浄後に溶接した各ワーク（溶接部材）について、８箇所の溶接部をそれぞれ切削して、溶け込み深さとブローホール数を測定した。試料１について、それぞれの場合における各部位（位置）での溶け込み深さを図２に対比して示した。また電解イオン水で洗浄した場合と水道水で洗浄した場合とにおける溶け込み深さの平均値は、試料１のときがそれぞれ８．１２ｍｍと７．４５ｍｍであり、試料２のときがそれぞれ８．４５ｍｍと８．０１ｍｍであった。また、その標準偏差は、試料１のときがそれぞれ０．１９と０．２７であり、試料２のときがそれぞれ０．１４と０．４１であった。

試料１に係るブローホール数は、電解イオン水で洗浄してから溶接した場合が平均７．７５個、１ｍｍあたりの発生数０．９５個であり、水道水で洗浄してから溶接した場合が平均８．７５個、１ｍｍあたりの発生数１．１７個であった。また、試料２に係るブローホール数は、電解イオン水で洗浄してから溶接した場合が平均８．７５個、１ｍｍあたりの発生数１．０４個であり、水道水で洗浄してから溶接した場合が平均８．６３個、１ｍｍあたりの発生数１．０８個であった。

《評価》
（１）溶接前に被溶接部を電解イオン水で洗浄することにより、水道水で洗浄するより被溶接部の表面の汚れをより清浄な状態とできることが確認された。

（２）上述した内容および図２から明らかなように、電解イオン水で洗浄した加工面からなる被溶接部を溶接すると、水道水で洗浄した場合よりも、大きな溶け込み深さを各溶接部位で安定して得られることがわかった。

（３）同様のことはブローホール数についてもいえる。つまり、電解イオン水で洗浄した場合、水道水で洗浄するよりも、溶接部のブローホール数を減少させることができ、高品質な（電子ビーム）溶接を安定して行えることもがわかった。

（４）なお、被溶接部を電解イオン水で前洗浄することによる溶接性の向上効果は、試料１と試料２の対比からもわかるように、ビーム移動速度が小さいときは勿論、ビーム移動速度を大きくしても同様に得られることもわかった。

Claims

アルミニウム合金からなると共に水溶性加工油を用いて機械加工された加工部を有するアルミニウム系部材同士を該加工部間で溶接する溶接工程を有するアルミニウム系部材の溶接方法であって、
前記溶接工程前に、少なくとも溶接される前記加工部を、水を電気分解して得られたアルカリ性電解イオン水で洗浄する洗浄工程と、
該洗浄した加工部を乾燥させる乾燥工程とを備え、
前記アルミニウム合金は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としてケイ素（Ｓｉ）を５％以上含むことを特徴とするアルミニウム系部材の溶接方法。
前記アルミニウム合金は、その全体を１００％として、Ｓｉ：８〜１３％、Ｃｕ：１〜４％、残部がＡｌおよび不純物であり、
前記アルミニウム系部材は、該アルミニウム合金からなるダイカスト部材である請求項１に記載のアルミニウム系部材の溶接方法。
前記洗浄工程は、前記アルカリ性電解イオン水により前記加工部を洗流する工程である請求項１または２に記載のアルミニウム系部材の溶接方法。
前記アルカリ性電解イオン水は、ｐＨ８〜１１である請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム系部材の溶接方法。
前記アルカリ性電解イオン水は、３０〜６０℃の温水である請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム系部材の溶接方法。
前記溶接工程は、前記加工部間へ電子ビームを照射して行う電子ビーム溶接工程である請求項１〜５のいずれかに記載のアルミニウム系部材の溶接方法。