JP6719345B2

JP6719345B2 - アルミニウム接合体の製造方法

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Publication number: JP6719345B2
Application number: JP2016178819A
Authority: JP
Inventors: 拓朗青木; 松本　剛; 松本　　剛
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2036-09-13
Also published as: CN107813048B; US20180071867A1; CN107813048A; US10478919B2; JP2018043263A

Description

本発明は、アルミニウム接合体の製造方法に関し、より詳細には、主として自動車のルーフやドア、フェンダー等のアルミ構造部材に用いられるアルミニウム接合体の製造方法に関する。

通常、自動車のルーフ部材等はスポット接合により締結されている。そのため、美観の観点からスポット溶接痕をルーフモールで覆うという措置が行われているのが一般的である。一方、このようなルーフモールを省略するため、ルーフ部材とその周辺部材とをスポット接合（点接合）ではなくレーザにより連続的に接合するという方法も検討されている。

一般的にアルミニウム材の溶接に用いられる溶加材としては、Ｓｉ含有量の多いＡｌ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ４０４３、４０４７で規定されるＡｌ−Ｓｉ系合金）や、Ｍｇ含有量の多いＡｌ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ５３５６、５５５６、５１８３で規定されるＡｌ−Ｍｇ系合金）が用いられている。

ところで、ルーフやドア、フェンダーなどに使用されるアルミニウム材は板厚が１ｍｍ程度と薄く熱歪が生じやすい。したがって、アルミニウム材をレーザにより連続的に接合するためには、溶加材を適正に選定することに加えてレーザビームの照射条件の検討も必要となる。
特許文献１には、溶加材を用いると共に、２本のレーザビームを使用し、各レーザビームの照射条件を設定して、アルミニウム材を溶接することが開示されている。

米国特許出願公開第２０１６/０１１４４２８号

自動車部材に使用されるアルミニウム材（被溶接材）は、構造体としての強度を確保するために、Ａｌ−Ｍｇ系合金（５０００系合金）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系合金）等のＭｇを多く含むアルミニウム合金が汎用されている。また、これらの被溶接材に対しては、レーザ溶接の溶加材として、Ｓｉを多く含むＪＩＳ４０４７あるいはＪＩＳ４０４３で規定されるＡｌ−Ｓｉ系合金が、溶加材の流動性（濡れ広がり性）の観点から好適に用いられることが多い。

しかしながら、ＪＩＳ４０４３、４０４７で規定されるＡｌ−Ｓｉ系合金では溶加材と被溶接材を溶かすための入熱量の低減に限界があった。

一方、溶加材としてＪＩＳ５５５６やＪＩＳ５３５６等で規定されるＡｌ−Ｍｇ系合金を使用することでレーザ溶接時のエネルギー入力量（入熱量）を低減させると共に、溶接継手の強度を向上させることができる。しかしながら、Ｍｇ量の高い溶加材は、レーザ溶接時に酸化皮膜からなるいわゆるスマットがビード表面に付着するという難点がある。
このスマットは塗装皮膜の密着性などに影響を与えるため除去しなければならないが、ビードの凹凸部分に入り込んだ状態では、研磨などでは勿論、酸洗やアルカリ洗浄といった化学処理、溶剤のふき取りでも除去することが難しい。

そこで、本発明の目的は、レーザ溶接時の入熱量とスマットの発生を抑えつつ継手強度の高いアルミニム接合体を得ることができる製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）第１アルミニウム部材と、第２アルミニウム部材とでフレア継手を形成する工程と、
前記第１アルミニウム部材と前記第２アルミニウム部材との前記フレア継手の開先部に、
質量％で、
Ｍｇ：１．０〜３．０％
Ｍｎ：０．５０〜１．０％
Ｃｒ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％
を含み、
残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶加材を供給しながら、前記開先部にビーム径が０．８〜３．５ｍｍのレーザビームを照射してレーザ溶接する工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
（２）前記レーザビームのビーム径が２.０〜３．０ｍｍであることを特徴とする（１）に記載のアルミニウム接合体の製造方法。

本発明のアルミニウム接合体の製造方法によれば、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とのフレア継手の開先部に、質量％で、Ｍｇ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：０．５０〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％を含み、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶加材を供給しながら、開先部にビーム径が０．８〜３．５ｍｍのレーザビームを照射してレーザ溶接することにより、レーザ溶接時の入熱量とスマットの発生を抑えつつ継手強度の高いアルミニム接合体を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るアルミニウム接合体の製造方法を、要部拡大図と共に示す斜視図である。本発明のフレア継手を例示する、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２Ａとは異なるフレア継手を例示する、図２Ａに相当する断面図である。図２Ａとは異なるフレア継手を例示する、図２Ａに相当する断面図である。図２Ａとは異なるフレア継手を例示する、図２Ａに相当する断面図である。実施例１に係る溶接ビード部の平面視の写真を示す図である。比較例２に係る溶接ビード部の平面視の写真を示す図である。比較例３に係る溶接ビード部の平面視の写真を示す図である。

以下、本発明に係るアルミニウム接合体の製造方法の一実施形態について説明する。

本実施形態では、図１及び図２Ａに示すように、第１アルミニウム部材（以下、第１部材ともいう）１０の曲げ部１１と、第２アルミニウム部材（以下、第２部材ともいう）２０の曲げ部２１とでフレア継手を形成し、このフレア継手の開先部に、以下に示すアルミニウム合金の溶加材４０を供給しながら、レーザビーム５０を照射してレーザ溶接して接合部（溶接継手）３０を形成し、これによって、アルミニウム接合体１を製造する。図１及び図２Ａ中、符号４１は、ビード、符号Ｘは、溶接方向を表している。

なお、フレア継手とは、被溶接部材の円弧と円弧と、又は円弧と直線とでできた開先形状の継手を言う。例えば、本発明の製造方法が適用されるフレア継手を構成するアルミニウム接合体１としては、図２Ａに示したものに限らず、図２Ｂ〜図２Ｄに示すような断面形状であってもよい。

例えば、接合部３０は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１部材１０の曲げ部１１を鈍角、第２部材２０の曲げ部２１を鋭角として形成されてもよく、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、いずれの曲げ部１１，２１も直角として形成されてもよい。
また、接合部３０では、図２Ａ及び図２Ｃに示すように、第１部材１０と第２部材２０との間に段差があってもよく、図２Ｂ及び図２Ｄに示すように、段差がなくてもよい。

以下、本実施形態で適用される第１及び第２アルミニウム部材１０、２０、及び溶加材４０の材質、及びレーザビームのビーム径について順に説明する。

＜第１及び第２アルミニウム部材＞
第１及び第２アルミニウム部材１０、２０としては、いずれも１０００系〜８０００系のアルミニウム又はアルミニウム合金を適用することができる。特に、第１及び第２アルミニウム部材１０、２０は、強度の点から、５０００系、６０００系、７０００系のアルミニウム又はアルミニウム合金を好適に用いることができ、単層の材料だけでなく表面にアルミニウム（Ａｌ-Ｓｉ系合金）のクラッド層を設けた構成としてもよい。

＜アルミニウム合金溶加材＞
アルミニム合金の溶加材４０の組成は、質量％で、
Ｍｇ：１．０〜３．０％
Ｍｎ：０．５０〜１．０％
Ｃｒ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％
を含み、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなる。上記質量％は溶加材全体に対する質量％である。夫々の元素の質量％の特定理由は以下の通りである。

＜Ｍｇ＞
Ｍｇは接合部３０の強度向上に寄与する。また、Ｍｇは比較的低い温度で蒸発するため、低い入熱量で溶け込み量を深くすることができる。
Ｍｇが１．０％より低くなると、所定の継手強度が得られず、溶接ビード４１の形成に必要な入熱量も大きくなる。又、溶加材４０であるワイヤが送給中に座屈するという欠点も生じやすくなる。一方、Ｍｇが３．０％を超えると、溶接時の熱により酸化物（スマット）が発生しやすくなる。
従って、Ｍｇの含有量は１．０〜３．０％とする。

＜Ｍｎ＞
ＭｎはＭｇと同様に接合部３０の強度に寄与する元素である。酸化皮膜の発生量を抑制するためにＭｇの含有量を低下させると、接合部３０の継手強度が低下する。そこで、Ｍｎを所定量含有させることで必要な継手強度を保持させることができる。
Ｍｎの含有量は、入熱量の低減、継手強度保持の観点から、０．５０〜１．０％とする。Ｍｎの含有量が０．５０％より低いと継手強度が不足する。一方、Ｍｎを１．０％を超えて含有させても、継手強度向上の効果は飽和状態となり小さくなる。
従って、Ｍｎの含有量は０．５０〜１．０％とする。

＜Ｃｒ、Ｔｉ＞
Ｃｒ、Ｔｉは、夫々溶接ビード４１の金属組織の微細化に寄与し、溶接ビード４１の割れを防止する。
Ｃｒ、Ｔｉの含有量が夫々０．０５％より低いと微細化の効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ、Ｔｉの含有量を夫々０．２０％より高くしても微細化の効果は飽和する。
従って、Ｃｒ、Ｔｉの含有量は夫々０．０５〜０．２０％とする。

＜不可避不純物＞
溶加材４０は、本発明の効果を阻害しない範囲で不純物を含有させることができる。不純物の種類としては、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｆｅ：０．４０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｚｎ：０．２５％以下、その他の元素は０．０５％以下で合計０.１５％以下とすることができる。

また、溶加材４０であるワイヤの径は、接合部３０の形状その他の溶接条件に応じて、０．８〜２．０ｍｍの範囲で適宜選定し得る。

＜レーザビームのビーム径＞
フレア継手開先部におけるレーザビーム５０のビーム径は０．８〜３．５ｍｍとする。レーザの出力を一定にして、ビーム径を小さくするとエネルギー密度が大きくなるため溶け込み深さが増加する。ビーム径を０．８ｍｍより小さくすると、自動車のルーフ等に使用されるような厚み０．８〜１．５ｍｍの薄い被溶接材の場合には、ビームが被溶接材を容易に貫通してしまうという不具合が生じる。一方、フレア継手開先部におけるレーザビーム５０のビーム径を３．５ｍｍより大きくすると、広範囲にビームが照射されるため、入熱量が大きくなってしまう。
従って、フレア継手開先部におけるレーザビーム５０のビーム径は０．８〜３．５ｍｍとする。好ましくは、ビーム径を２.０〜３．０ｍｍとする。このようにすると入熱量と継手強度のバランスをより高めることができる。

なお、上記エネルギー密度（Ｉ：Ｗ／ｍｍ^２）は、下記式のように、レーザの出力（Ｐ：Ｗ）をビーム面積（Ａ＝ビーム径×π／４：ｍｍ^２）で除した値で表される。
Ｉ＝Ｐ／Ａ＝Ｐ／πｒ２（ｒ＝ビーム径／２）

このエネルギー密度は、レーザ溶接部の溶け込み深さとビード外観に作用するパラメータである。つまり、エネルギー密度が大きい（即ち、ビーム面積が小さい、又は、レーザの出力が大きい）と、深い溶け込みとなり、ビード外観が悪くなる。また、エネルギー密度が小さい（即ち、ビーム面積が大きい、又は、レーザの出力が小さい）と、浅い溶け込みまたは溶けずに光反射し、ビード外観はきれいなものとなる。

また、レーザビーム５０のビーム径は、溶接ビード４１の幅に応じて、０．８〜３．５ｍｍの範囲内で適宜選択される。
例えば、ビーム径が３．５ｍｍを越えたときは、入熱量を増やさないと溶けなくなるため、結果的に大きなレーザ出力を必要とする。このため、その分、溶接ビード４１の幅も増えて接合しなくても良い部分、即ち、溶接ビード４１の上面を超えて、接合とは関係のない母材領域の部分を溶かしてしまい、熱影響により強度低下や大きな熱歪みを生じさせてしまう可能性がある。

レーザビーム溶接のビーム照射はいわゆるキーホール型でも良いが、ビームの焦点を被溶接材の厚み方向にずらしてデフォーカスとしてもよい。
レーザビーム５０としては、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ等の各種方式を用いることができる。

上記のように、本実施形態の製造方法は、第１アルミニウム部材１０と、第２アルミニウム部材２０とでフレア継手を形成する工程と、第１アルミニウム部材１０と第２アルミニウム部材２０とのフレア継手の開先部に、質量％で、Ｍｇ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：０．５０〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２０％を含み、残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶加材４０を供給しながら、フレア継手の開先部にビーム径が０．８〜３．５ｍｍのレーザビーム５０を照射してレーザ溶接する工程と、を有する。これにより、レーザ溶接時の入熱量とスマットの発生が抑えられ、熱歪を低減しつつ、高い継手強度、美麗なビード外観のアルミニウム接合体１を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更、改良等が可能である。

以下、複数（実施例１〜３および比較例１〜６）の接合供試体を製造し、各接合供試体について、後述する通り、ビード部外観、継手強度、入熱量について評価を行った。

＜接合供試体の製造＞
第１及び第２アルミニウム部材１０、２０はいずれもＪＩＳ６０２２で規定されるＡＬ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金に相当するアルミニウム合金製、幅１００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの部材を用いた。そして、第１及び第２アルミニウム部材１０、２０の曲げ部１１、２１によって、図１及び図２Ａに示すように、フレア継手を形成した。

次に、フレア継手の開先部（継ぎ目部）に溶加材４０（ソリッドワイヤ）を供給しながら、レーザ溶接によって第１及び第２アルミニウム部材１０、２０と溶加材４０とを溶融させつつ溶接ビード４１を形成し、接合部３０を構成した。レーザ溶接条件は下記の通りである。

（試験条件）
レーザ溶接機：ファイバーレーザＩＰＧ社製（ＹＬＳ−６０００）
レーザビームの移動速度（＝接合速度）：３.０ｍ/分
レーザビームのビーム径：表１の実施例１〜３及び比較例１〜６参照
レーザビーム出力：エネルギー密度が一定になるようにビーム径に合せて３〜８ｋＷの範囲で調整
溶加材の組成：表１の実施例１〜３及び比較例１〜６参照
溶加材ワイヤの送給速度：４．０ｍ/分
溶加材ワイヤの径：１．６ｍｍ

以上のようにして得られた実施例１〜３および比較例１〜６に関し、以下の通り、ビード部外観、継手強度、入熱量について評価を行った。その結果を表２に示す。

＜ビード部外観＞
溶接後の接合供試体外観を目視で観察した。スマットのない（すなわち変色部のない）ものを良好（○）、変色部のあるものを不良（×）とした。

＜継手強度＞
継手強度は、接合体を１０ｍｍの幅で切断して引張試験機で引張り評価を行った。母材部分で破断したものを良好（○）、ビード部で破断したものを不良（×）とした。

＜入熱量＞
入熱量は、一定の溶接ビードの寸法（溶け込み深さ）が得られる溶接機の設定出力により評価した。入熱量が４．０ｋＷ以下のものを良好（◎）、４.０ｋＷ超〜４．５ｋＷのものを可（○）、４．５ｋＷを超えるものを不良（×）とした。

以下、実施例１〜３および比較例１〜６についての試験結果について説明する。なお、図３Ａは、実施例１の溶接ビード部、図３Ｂは、比較例２の溶接ビード部、図３Ｃは、比較例３の溶接ビード部のそれぞれ平面視拡大写真を示している。

比較例１では、入熱量は良好であるものの、溶加材４０のＭｇの含有率が４．５％と多いため、スマットＳが多く発生し、外観が不良となった。また、継手強度も不良であった。

比較例２では、図３Ｂに見られるようにビード部外観は良好であり、継手強度も良好であった。しかしながら、溶加材４０がＭｇを含んでいないため、入熱量が高くなり、不良となった。

比較例３では、継手強度、入熱量は良好であるものの、溶加材のＭｇの含有率が４．７％と多いため、図３Ｃに見られるようにスマットＳが多く発生し、外観が不良となった。

比較例４では、ビード部外観は良好、入熱量は可であるが、溶加材のＭｎの含有率が０．３％と低いため、継手強度が不良となった。

比較例５では、溶加材のＭｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉの含有率が本願発明の範囲であるが、レーザビーム径が小さい。この場合、継手強度が良好、入熱量は可であるが、ビード部外観が不良となった。

比較例６では、溶加材のＭｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉの含有率が本願発明の範囲であるが、レーザビーム径が大きい。この場合、ビード部外観、継手強度はいずれも良好であるが、入熱量が大きく不良となった。

一方、表１、表２に示されるように、溶加材のＭｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉの含有率、及びレーザビーム径が本願発明の範囲に係る実施例１〜３では、ビード部外観、継手強度のいずれも良好であり、入熱量も良好または許容範囲であった。

１０第１アルミニウム部材
２０第２アルミニウム部材
３０接合部（溶接継手）
４０溶加材
５０レーザビーム

Claims

第１アルミニウム部材と、第２アルミニウム部材とでフレア継手を形成する工程と、
前記第１アルミニウム部材と前記第２アルミニウム部材との前記フレア継手の開先部に、
質量％で、
Ｍｇ：１．０〜３．０％
Ｍｎ：０．５０〜１．０％
Ｃｒ：０．０５〜０．２０％
Ｔｉ：０．０５〜０．２０％
を含み、
残部がアルミニウム及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶加材を供給しながら、前記開先部にビーム径が０．８〜３．５ｍｍのレーザビームを照射してレーザ溶接する工程と、
を有することを特徴とするアルミニウム接合体の製造方法。
前記レーザビームのビーム径が２．０〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム接合体の製造方法。