JPH0593238A - アルミホイール用直流バツト溶接用高強度アルミニウム合金とその溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い溶接継手強度が得られるアルミホィール
用Ａl−Ｍg−Ｓi系合金とその溶接方法を提供する。 【構成】 Ｍg：０.２〜１.４％、Ｓi：０.３〜１.７
％、Ｃu：０.１〜０.８％を含有し、更にＭn：０.０５
〜０.８％、Ｃr：０.０５〜０.３％、Ｚr：０.０５〜
０.３％及びＴi：０.００５〜０.５％のうちの少なくと
も１種以上を含有し、残部がＡlと不可避的不純物から
なる組成である。このＡl−Ｍg−Ｓi系高強度アルミニ
ウム合金は、溶接電流：１００〜４００Ａ／mm²、
溶接サイクル：１０〜１２０サイクル、スクィズ圧
力：図１に示す点Ａ(１００Ｎ／mm²、１００Ａ／mm²)、
点Ｂ(２０Ｎ／mm²、１００Ａ／mm²)、点Ｃ(４０Ｎ／m
m²、４００Ａ／mm²)、点Ｄ(１６０Ｎ／mm²、４００Ａ／
mm²)を結ぶ線で囲まれた範囲内のスクィズ圧力、アプ
セット圧力：溶接時のスクィズ加圧力に０〜１５０Ｎ／
mm²を加えた値で、直流バット溶接を行う。溶接後の加
工で成形加工性、特にスピニング加工性、伸びに優れ、
その後のＴ６処理によって強度に優れた溶接継手が得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等のホィール用
アルミニウム合金及びその素材の溶接方法に関し、特に
直流バット溶接法により、溶接後の加工において成形加
工性、特にスピニング加工性、伸びに優れ、その後のＴ
６処理により強度に優れた溶接継手が得られる。

【０００２】ここで、直流バット溶接とは、接合面に直
流電圧を印加しつつ圧力を印加して溶接接合する方法で
あり、従来、交流電圧を印加しフラッシュを５〜１０秒
間発生させつつ加圧して溶接接合を行う方法とは原理的
には異なる方法である。

【０００３】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
自動車の軽量化の要請から、アルミニウム合金製ホィー
ルが広く使用されている。このアルミニウム合金製ホィ
ールの製造方法には種々の方法が用いられているが、従
来は、矩形板材を円筒形に丸めたアルミニウム合金板の
端面をフラッシュバット溶接し、その後ロール成形して
リムを取付ける２ピースホィール用リムの製造方法が量
産製造方法として用いられていた。

【０００４】アルミニウム材料としては、成形性、耐食
性の点より、２.５〜３.５％Ｍgを含むＡl−Ｍg系合金
が主流を占め、５１５４、５５５４−Ｏ材等が使用され
ている。しかし、強度が低く、更なる軽量化のため、薄
肉化できる合金が望まれている。

【０００５】一方、Ａl−Ｍg−Ｓi系合金は、Ｔ６材で
の比強度が高く、Ｍg量が１.５％以下であって耐食性も
優れるため、陸上車輌、小物部品等に多用されている。
しかし、Ａl−Ｍg−Ｓi系合金のＴ６材は、成形性が悪
く、ホィールのようにスピニング加工等は非常に難し
く、また、フラッシュによるアーク熱により、接合部近
傍が加熱されるため、過時効され、強度が低下するとい
う欠点があった。

【０００６】このため、従来は、Ａl−Ｍg−Ｓi系合金
につては、Ｏ材で溶接、加工した後、溶体化焼入れ→Ｔ
６処理が行われているが、製品の寸法に狂いが生じ、歪
取り等を行わねばならず、良好なホィールを製造するこ
とが難しかった。このため、薄肉化のための高強度材料
及び良い接合方法が望まれているのが現状である。

【０００７】本発明は、かゝる従来技術の問題点を解決
して、Ａl−Ｍg−Ｓi系合金について、低コストで高強
度の溶接継手が得られ、品質的にも優れたホィールが得
られる技術を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために、Ａl−Ｍg−Ｓi系合金の成分組成と
溶接法並びに溶接条件について鋭意研究を重ねた結果、
ここに本発明を完成したものである。

【０００９】すなわち、本発明は、Ｍg：０.２〜１.４
％、Ｓi：０.３〜１.７％、Ｃu：０.１〜０.８％を基本
成分として含有し、Ｍn：０.０５〜０.８％、Ｃr：０.
０５〜０.３％、Ｚr：０.０５〜０.３％及びＴi：０.０
０５〜０.５％のうちの少なくとも１種以上を含有し、
残部がＡlと不可避的不純物からなることを特徴とする
直流バット溶接継手の強度が高いアルミホィール用直流
バット溶接用Ａl−Ｍg−Ｓi系高強度アルミニウム合金
を要旨とするものである。

【００１０】また、その溶接方法は、上記化学成分を有
するＡl−Ｍg−Ｓi系高強度アルミニウム合金を、溶
接電流：１００〜４００Ａ／mm²、溶接サイクル：１
０〜１２０サイクル、スクィズ圧力：図１に示す点Ａ
(スクィズ圧力１００Ｎ／mm²、溶接電流１００Ａ／m
m²)、点Ｂ(スクィズ圧力２０Ｎ／mm²、溶接電流１００
Ａ／mm²)、点Ｃ(スクィズ圧力４０Ｎ／mm²、溶接電流４
００Ａ／mm²)、点Ｄ(スクィズ圧力１６０Ｎ／mm²、溶接
電流４００Ａ／mm²)を結ぶ線で囲まれた範囲内のスクィ
ズ圧力、アプセット圧力：溶接時のスクィズ加圧力に
０〜１５０Ｎ／mm²を加えた値で、直流バット溶接を行
うことを特徴としている。

【００１１】以下に本発明を更に詳細に説明する。

【００１２】

【作用】

【００１３】まず、本発明におけるアルミニウム合金の
化学成分の限定理由を示す。

【００１４】Ｍg：Ｍgはそれ自体の固溶体強化と、Ｓi
と共存して強度を付与する合金において時効析出物β′
−Ｍg₂Ｓiを析出し、更に添加元素であるＣuと結合した
場合、時効析出物Ｓ′−ＣuＭgＡl₂の析出によってその
析出硬化により強度を付与する元素である。また、電気
抵抗の上昇により発熱の効率を向上させる必須の基本元
素である。しかし、０.２％未満では十分な効果を得る
ことができず、また１.４％を超えると鋳造時に平衡相
Ｍg₂Ｓiが晶出物として成長し、伸びの低下がみられ、
加工性が悪くなる。また不均一な酸化皮膜できて溶接性
が不安定となり、継手強度が低下する。よって、Ｍg量
は０.２〜１.４％の範囲とする。

【００１５】Ｓi：ＳiはＭgと共存して主として時効析
出物β′−Ｍg₂Ｓiの析出による析出硬化で強度を付与
する元素である。しかし、０.３％未満ではその後の熱
処理を施した後の強度が十分に得られない。また１.７
％を超えると伸びが低下し、靭性成形性が劣化すると共
にＭg₂Ｓi相が多くなり、溶接時にラメラー状のミクロ
割れが発生し易くなる。よって、Ｓi量は０.３〜１.７
％の範囲とする。

【００１６】Ｃu：Ｃuは時効析出物Ｓ′−ＣuＭg₂Ａl₂
により強度を付与する元素である。また、ＭgがＳiだけ
でなくＣuとも結合し、複合析出硬化作用をもたらし、
その後の熱処理により強度の向上を改善できる。しか
し、０.１％未満ではその効果が十分得られず、また０.
８％を超えると成形性の劣化がみられる。また、溶接時
に接合部付近の素材にラメラー状のミクロ割れが発生し
易く、靭性、加工性が劣化すると共に耐食性が低下す
る。よって、Ｃu量は０.１〜０.８％の範囲とする。

【００１７】Ｍn：Ｍnは再結晶を抑制し、結晶粒の微細
化、強度、溶接性の向上に寄与する元素であるが、０.
０５％未満ではその効果が少なく、溶接時に割れが発生
し易くなる。一方、０.８％を超えると、強度は向上す
るものの、粗大金属間化合物が生成し、成形性、靭性が
低下する。よって、Ｍn量は０.０５〜０.８％の範囲と
する。

【００１８】Ｃr、Ｚr：Ｃr、Ｚrの両元素とも、Ｍnと
同様に、結晶粒の微細化、強度、溶接性の向上に寄与す
る元素であるが、それぞれ０.０５％未満ではその効果
が少なく、溶接時に割れが発生し易くなる。一方、それ
ぞれ０.３％を超えると、強度は向上するものの、粗大
金属間化合物が生成し、成形性、靭性が低下する。よっ
て、Ｃr量、Ｚr量ともそれぞれ０.０５〜０.３％の範囲
とする。

【００１９】Ｔi：Ｔiは鋳造組織を微細にし、鋳造性、
溶接性の向上に寄与する元素であるが、０.００５％未
満ではその効果が十分でなく、０.５％を超えると粗大
金属間化合物が生成し、成形性、靭性が低下する。よっ
て、Ｔi量は０.００５〜０.５％の範囲とする。

【００２０】但し、上記のＭn、Ｃr、Ｚr、Ｔiはそれら
の内の１種又は２種以上を含有させれば足りる。

【００２１】上記の元素の他、Ｆe、Ｂ、Ｚn等を含有し
得る。これらは本発明においては特に重要な元素ではな
いが、それぞれ０.３％を超えて含有させると、晶出物
量が増大して成形性を劣化させたり、耐食性を劣化させ
るため、含有させる場合には、いずれも０.３％以下と
することが好ましい。

【００２２】なお、かゝる成分組成のＡl−Ｍg−Ｓi系
アルミニウム合金の製造法は特に制限されるものではな
い。例えば、常法により、溶解→鋳造→均質化処理→熱
間圧延→冷間圧延等を行い、次いで溶体化処理後、常温
まで水冷或いは空冷等で冷却し焼入れを行う方法が可能
である。これらの各工程の条件も特に制限されない。

【００２３】次に直流バット溶接の溶接条件について説
明する。

【００２４】溶接条件は、溶接電流１００〜４００Ａ／
mm²に対して、図１の斜線領域内のスクィズ圧力、すな
わち、点Ａ(スクィズ圧力１００Ｎ／mm²、溶接電流１０
０Ａ／mm²)、点Ｂ(スクィズ圧力２０Ｎ／mm²、溶接電流
１００Ａ／mm²)、点Ｃ(スクィズ圧力４０Ｎ／mm²、溶接
電流４００Ａ／mm²)、点Ｄ(スクィズ圧力１６０Ｎ／m
m²、溶接電流４００Ａ／mm²)を結ぶ曲線によって囲まれ
た範囲内の圧力のもとで、溶接サイクル１０〜１２０サ
イクルで溶接し、次いでスクィズ圧力に更に０〜１５０
Ｎ／mm²のアプセット圧力を付加して溶接する。

【００２５】図１に示す範囲外のスクィズ圧力では、溶
接時に融合不良、内部のラメラー状のミクロ割れ、溶融
金属の飛散等の欠陥が生じたり、更には溶接部近傍に座
屈が生じる恐れがある。

【００２６】すなわち、スクィズ圧力が不足すると、安
定した接触抵抗が得られずに、溶接時に溶融金属飛散と
共に轟音を発生し、健全なる溶接部を得ることができな
い。逆にスクィズ圧力が高すぎると、接合部の接触抵抗
が小さくなりすぎて界面の溶融が悪くなり、融合不良の
欠陥が生じたり、材料に座屈を生じ易くなり、良好な溶
接部が得られなくなる。

【００２７】また、電流密度が４００Ａ／mm²より大き
すぎると、入熱過大となり、ラメラー状のミクロ割れが
発生し易くなる。逆に電流密度が１００Ａ／mm²より低
すぎると、電流不足のため突き合わせ部の溶融が起こら
ず、良好な継手が作成できない。

【００２８】次に溶接サイクルであるが、１０サイクル
未満では接合部の溶融に必要な時間がとれず、融合不良
が発生したり、加圧力が高い場合には接合部に座屈を生
ずる。また、１２０サイクルを超えると、溶接部が過熱
されて溶融金属量が多くなり、余盛が多くなったり、時
間も長くなり、経済的にも実用的でない。

【００２９】一方、アプセット圧力は、スクィズ圧力を
かけて接合した溶接部の界面を含む溶融部を押し出し、
内部欠陥を除去するためにスクィズ圧力に更に加えられ
るが、スクィズ圧力が高い場合は１段でも良い。すなわ
ち、アプセット圧力はスクィズ圧力＋０Ｎ／mm²で良
い。スクィズ加圧力が６０Ｎ／mm²未満では内部の溶融
部が完全に押し出されず、巻き込み状の欠陥が残った
り、素材にラメラー状のミクロ割れ等の欠陥が残る場合
がある。このため、スクィズ加圧力＋２Ｎ／mm²以上の
アプセット圧力をかけるのが好ましい。各条件で安定し
た溶接部を得るためには、スクィズ圧力をかけて溶接し
た後、必ずアプセット圧力をかけておく方が望ましい。
しかし、アプセット圧力がスクィズ加圧力＋１５０Ｎ／
mm²を超えると溶接部の溶融金属を押し出すには問題は
ないが、加圧力が高いため材料に座屈を生じたり、アプ
セット代も大きくなり易く、かつ大加圧装置が必要であ
り、実用的でない。したがって、アプセット加圧力はス
クィズ圧力＋０〜１５０Ｎ／mm²、好ましくは３０〜１
００Ｎ／mm²の範囲とする。

【００３０】次に本発明の実施例を示す。

【００３１】

【実施例】

【表１】 に示す化学成分のＡl−Ｍg−Ｓi系合金を半連続鋳造に
より厚さ５００mmの鋳塊を得た。その鋳塊を４８０〜５
７０℃で４〜２０hrの均熱処理した後、５１０℃で熱間
圧延を開始し、厚さ７mmまで圧延した後、４.５mm厚ま
で冷間圧延した。次いで５００〜５５０℃×２０〜６０
分の溶体化処理後、水冷し、Ｔ４調質とした。

【００３２】次に、得られた圧延板を１９８mm幅×１０
０mmの短冊板に切断後、

【表２】 に示す条件にて直流バット溶接を行った。その後１５０
〜２００℃×４〜２０hrの時効処理を行い、溶接部の機
械的性質、曲げ性、ミクロ割れ等の諸性能について調査
した。その結果を表２に併記する。

【００３３】なお、表２において、１８０゜曲げ試験
は、ＪＩＳ Ｚ ２２４８の押し曲げ法に準拠して行っ
た。試験片は４.５mmｔ×３０mmｗ×１８０mmｌのもの
を使用した。○(割れなし)、△(２mm以下の割れ)、×
(破断)にて評価した。また、引張試験はＪＩＳ Ｚ ３１
２１に準拠して行い、溶接部で破断した場合を「溶」、
素材破断の場合を「母」にて表示した。ミクロ割れは、
○(引張強度に影響を及ぼす割れなし)、×(引張強度に
影響を及ぼす割れ発生：溶接部近傍でラメラー状割れ)
にて評価した。巻込みは、接合部界面の酸化皮膜の残り
がある場合を「有」と表示した。融合状態は、◎(板幅
方向の融合状態が優れる)、○(板幅方向の融合状態が良
好)、△(一部断面に融合不良発生)、×(不良)にて評価
した。総合判定は○(ホィール素材として使用できる)、
×(ホィール素材として使用できない)にて判定した。

【００３４】表２より明らかなように、本発明の範囲内
の化学成分を有するアルミニウム合金を本発明条件によ
り直流バット溶接すると、機械的特性、曲げ性が優れて
おり、１８０°曲げにおいても優れている溶接継手が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スクィズ加圧力と電流密度(溶接電流)の関係を
示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で（以下、同じ）、Ｍg：０.２〜
   １.４％、Ｓi：０.３〜１.７％、Ｃu：０.１〜０.８％
   を基本成分として含有し、Ｍn：０.０５〜０.８％、Ｃ
   r：０.０５〜０.３％、Ｚr：０.０５〜０.３％及びＴ
   i：０.００５〜０.５％のうちの少なくとも１種以上を
   含有し、残部がＡlと不可避的不純物からなることを特
   徴とする直流バット溶接継手の強度が高いアルミホィー
   ル用直流バット溶接用Ａl−Ｍg−Ｓi系高強度アルミニ
   ウム合金。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の化学成分を有するＡl
   −Ｍg−Ｓi系高強度アルミニウム合金を、溶接電流：
   １００〜４００Ａ／mm²、溶接サイクル：１０〜１２
   ０サイクル、スクィズ圧力：図１に示す点Ａ(スクィ
   ズ圧力１００Ｎ／mm²、溶接電流１００Ａ／mm²)、点Ｂ
   (スクィズ圧力２０Ｎ／mm²、溶接電流１００Ａ／mm²)、
   点Ｃ(スクィズ圧力４０Ｎ／mm²、溶接電流４００Ａ／mm
   ²)、点Ｄ(スクィズ圧力１６０Ｎ／mm²、溶接電流４００
   Ａ／mm²)を結ぶ線で囲まれた範囲内のスクィズ圧力、
   アプセット圧力：溶接時のスクィズ加圧力に０〜１５０
   Ｎ／mm²を加えた値で、直流バット溶接を行うことを特
   徴とする高い溶接継手強度が得られるアルミホィール用
   Ａl−Ｍg−Ｓi系高強度アルミニウム合金の溶接方法。