JPWO2013191160A1 - アルミニウム材と鋼材のmig溶接継手構造 - Google Patents

アルミニウム材と鋼材のmig溶接継手構造 Download PDF

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Abstract

アルミニウム材と鋼材との重ね隅肉部をMIG溶接して得られる継手構造において、継手強度を効果的に高めて、溶接部位に割れや破断等の欠陥が惹起されることのないアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造を提供すること。5000系又は6000系アルミニウム合金からなるアルミニウム材12の端部20を、母材部22から、重ね合わされる鋼材14側に向かって所定の角度:θ1をもって屈曲せしめると共に、鋼材14の端部24を、母材部26からアルミニウム材12側に所定の角度:θ2をもって屈曲せしめて、それら屈曲された端部20,24にてアルミニウム材12と鋼材14とを重ね合わせた後に、アルミニウム材12の端部20が位置する重ね隅肉部を、4000系アルミニウム合金からなる溶加材を用いてMIG溶接して接合することで、MIG溶接継手10を形成した。

Description

本発明は、MIG溶接継手構造に係り、特に、異種金属材料であるアルミニウム材と鋼材とを重ね合わせて、かかるアルミニウム材の端部が位置する重ね隅肉部をMIG溶接して得られる継手構造に関するものである。
近年、地球環境の保護や省エネルギー等の観点から、自動車や鉄道車両等の輸送機器の構造体、建築構造体、或いは機械部品等の用途において、剛性の必要なところは鋼材を用いる一方、軽量化が必要なところはアルミニウム材を用いて構成する、所謂ハイブリッド構造にすることで、環境対応型の構造体とすることが主流となってきているが、そのような構造体を製作するには、鋼材とアルミニウム材との接合が必要となることとなる。
そこで、従来から、そのような鋼材とアルミニウム材という異種金属材料の接合方法について種々検討が為されてきており、例えば、溶融法や固相接合法等の多くの手法が提唱されている。具体的には、溶融法として一般的なMIG溶接手法においては、特開2004−223548号公報等が提案され、また固相接合法として一般的なFSW(摩擦撹拌接合)においては、特開2003−275876号公報等が提案されている。
そして、それら提案されている接合手法の中で、溶接法であるMIG溶接手法は、最も一般的な接合手法であって、比較的安価な接合方式としてよく知られているところから、その採用が望まれているのであるが、そのようなMIG溶接手法にて鋼材とアルミニウム材とを接合して、良好な継手特性を有するハイブリッド構造体を得ることは、容易なことではなかったのである。即ち、鋼材とアルミニウム材とをMIG溶接するに際して、アーク溶接による入熱が高くなり過ぎると、それらの接合界面に、脆い金属間化合物が形成され易く、そのために、加工時において、かかる金属間化合物の存在部位で、割れが発生し易い問題があり、また逆に入熱が低くなり過ぎると、鋼材表面に対する溶融物の濡れ性が悪くなって、接合界面に未接合部が点在するようになり、良好な継手を得ることが困難となる問題があるからである。このため、構造体としての使用に耐え得る継手強度を有する接合界面が得られず、それが鋼材とアルミニウム材との接合にMIG溶接手法を適用する妨げとなっているのである。
特開2004−223548号公報 特開2003−275876号公報
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、アルミニウム材と鋼材との重ね隅肉部をMIG溶接して得られる継手構造において、接合界面に脆い金属間化合物が形成されやすい、或いは接合界面に未接合部が点在するという問題を内在していても、継手強度を効果的に高めて、溶接部位に割れや破断等の欠陥が惹起されることのないアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造を提供することにある。
そして、本発明者らは、上記した課題を解決するために、アルミニウム材と鋼材との重ね隅肉部をMIG溶接して得られる継手形状について種々検討した結果、所定の合金組成のアルミニウム材と鋼材とを組み合わせる一方、溶加材として4000系アルミニウム合金を用いて得られるMIG溶接継手形状において、アルミニウム材と鋼材の重ね合わせ部に所定の角度を付けることで、継手強度を効果的に向上せしめ得る事実を見出し、更に検討を重ねた結果、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであって、その要旨とするところは、5000系又は6000系アルミニウム合金からなるアルミニウム材を鋼材の上に重ね合わせて、かかるアルミニウム材の端部が位置する重ね隅肉部を、4000系アルミニウム合金からなる溶加材を用いて、MIG溶接して得られる継手構造であって、該鋼材の前記重ね合わせ側の部位を、該鋼材の母材部位から前記アルミニウム材側に鋭角乃至直角に屈曲させる一方、該アルミニウム材の前記重ね合わせ側の部位を、該アルミニウム材の母材部位から前記鋼材側に鋭角乃至直角に屈曲せしめ、そしてそれら鋼材とアルミニウム材とを、それらの屈曲部位において重ね合わせてなる形態において、前記MIG溶接が施されていることを特徴とするアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造にある。
なお、そのような本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造の好ましい態様の一つによれば、前記鋼材及び前記アルミニウム材の屈曲角度は、それぞれ、10°以上90°以下とされることとなる。
従って、このような本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造にあっては、鋼材におけるアルミニウム材との重ね合わせ側の部位が、鋼材の母材部位からアルミニウム材側に鋭角乃至は直角に屈曲されると共に、アルミニウム材における鋼材との重ね合わせ部側の部位が、アルミニウム材の母材部位から鋼材側に鋭角乃至直角に屈曲せしめられて、そしてそれら鋼材とアルミニウム材とが、それらの屈曲部位において重ね合わせた形態において、アルミニウム材の端部が位置する重ね隅肉部を所定の溶加材を用いてMIG溶接して、継手構造を形成しているところから、そのような溶接継手に対して引張応力がかかっても、屈曲されて重ね合わされたアルミニウム材と鋼材との重ね合わせ面に効果的に摩擦力が発生することで、溶接部にかかる引張応力が効果的に低減されることとなり、継手強度の向上を有利に図り得ると共に、溶接部の健全性が効果的に高められ得て、その溶接部位において、割れや破断等の問題の発生が、有利に阻止乃至は回避され得ることとなるのである。
そして、本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造の好ましい態様の一つに従って、鋼材及びアルミニウム材の屈曲角度が、それぞれ、10°以上90°以下となるように構成することによって、前記した作用が更に効果的に発揮せしめられ得、以て継手の引張加工に際しての溶接部における割れや破断等の問題の発生を、より一層効果的に阻止することが可能となるのである。
本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造の一例を示す斜視説明図である。 図1におけるA−A断面の一部を拡大して示す断面説明図である。
以下、本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造について、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。
先ず、図1及び図2には、本発明に従うアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造の一例が、その斜視図及び縦断面図の形態において、それぞれ概略的に示されている。そして、それらの図において、MIG溶接継手10は、それぞれ所定の厚さを有する平板状のアルミニウム材12と平板状の鋼材14とが、それぞれの端部部位において、アルミニウム材12が上方に位置するようにして重ね合わされた状態下で、その重ね隅肉部がMIG溶接(重ね隅肉溶接)されて、溶接部16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。
より詳細には、それら上下に重ね合わされる二枚の被溶接材のうち、上側に位置せしめられるアルミニウム材12は、平板状の一つの端部20が、アルミニウム材12の母材部22から、重ね合わされる鋼材14側に向かって所定の角度:θ1 をもって、屈曲せしめられた形状とされている。なお、かかるアルミニウム材12の材質としては、JIS呼称の合金番号にて、5000系(Al−Mg系)又は6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金の中から適宜に選択されることによって、構造体を得るための成形性や剛性が確保されることとなる。また、そのようなアルミニウム材12の調質にあっても、用途に応じて適宜に決定されるものであるが、一般に、5000系アルミニウム合金材を用いる場合にあっては、O材が好適に用いられ、また6000系アルミニウム合金材の場合にあっては、T4材やT6材等が、好適に用いられることとなる。
一方、重ね合わされる2枚のうちの下側に位置せしめられる鋼材14は、公知の各種の鋼材の中から、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材質にて形成されたものであって、ここでは、平板状の一つの端部24が、鋼材14の母材部26から、前記した重ね合わされるアルミニウム材12側に向かって所定の角度:θ2 をもって屈曲せしめられた形状とされている。なお、かかる鋼材14の材質に関しては、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ところであって、例えば、軟鋼や炭素鋼、更には、高張力鋼やステンレス鋼等の、各種の公知の鋼材を用いることが出来る。また、そのような鋼材には、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、従来より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が施されていても、或いは施されていなくても良い。そして、そのような表面処理が施された鋼材を用いる場合には、鋼材表面に形成された表面処理層の存在によって、アークや溶融金属が直ちに鋼に接触するようなことがなく、その結果、鋼材の溶込みが効果的に防止されて、アルミニウムと鋼が冶金的に反応して生成される脆弱な金属間化合物層が、より一層形成され難くなるといった効果も発揮されることとなる。
そして、そのように屈曲せしめられた端部20,24部位において、アルミニウム材12と鋼材14とが重ね合わされて、全体として略平板状となるようにされている。即ち、下側に位置する鋼材14の母材部26から所定の角度:θ1 で屈曲して立ち上がった状態とされた端部20部分に、上側に位置するアルミニウム材12の母材部22から所定の角度:θ2 で下向きに屈曲された端部24部分が引っ掛けられるようにして、アルミニウム材12と鋼材14とが重ね合わされているのである。また、ここでは、アルミニウム材12の母材部22と鋼材14の母材部26が平行になるように位置せしめられて、それぞれの端部20,24の屈曲角度(θ1,θ2)は同じ角度とされている。
なお、そのようなアルミニウム材12と鋼材14との重ね合わせ部位となる端部20,24の屈曲角度(θ1,θ2)は、それぞれ、好ましくは10°以上90°以下の範囲となるようにされることとなる。それらの屈曲角度(θ1,θ2)を、このような範囲の値となるようにすることによって、MIG溶接継手10に引張応力が作用した場合に、屈曲して重ね合わされた端部20,24に形成される溶接部16による接合力に加えて、それら端部20,24の接触面に効果的に摩擦力を発生させて、MIG溶接継手10の強度を更に向上させることが可能となるのである。なお、かかる屈曲角度の下限は、より好ましくは15°以上、更により好ましくは20°以上とされることとなり、上限は、より好ましくは70°以下、更により好ましくは50°以下とされることとなる。これは、屈曲角度が小さくなり過ぎると、重ね合わせ部に生じる摩擦力による継手強度の向上効果が充分に発揮され難くなるからであり、また屈曲角度が大きくなり過ぎると、引張応力によってアルミニウム材が切断され易くなってしまい、継手として実用的ではなくなってしまうからである。
そして、そのように重ね合わされたアルミニウム材12の端部20の端面部位(重ね隅肉部)に対して、JIS呼称の合金番号にて、4000系アルミニウム合金からなる溶加材を用いて、MIG溶接操作が実施されて、アルミニウム材12の端面部位と鋼材14の表面とが、かかる溶加材と共に溶融せしめられて、そこに、溶融金属からなるビード18が形成されることにより、溶接部16が構成されているのである。なお、かかる溶加材として用いられる4000系アルミニウム合金は、比較的融点が低いところから、溶融部の温度制御が容易となるのであり、そのために、目的とする溶接部16、ひいてはビード18を有利に形成することが出来るのである。
また、ここでは、図1に示されるように、アルミニウム材12と鋼材14とが、重ね合わせ部の全長に亘ってMIG溶接されており、そしてそれによって生じたビード18により、溶接部16が、アルミニウム材12の端面に沿って、全長に連続して延びるように形成されている。なお、かかる溶接部16は、図示のように連続して延びる線状に接合(線接合)する他にも、点で接合する点接合において、両材の接合部を構成することも可能である。また、かかる溶接部16、具体的にはビード18は、図2に示されるように、端部20と端部24の直交する2つの面、即ちアルミニウム材12の端部20における端面と鋼材14の端部24における上面とを結合する、略三角形状の断面形状を呈している。
従って、このような本発明に従う構造とされたMIG溶接継手10にあっては、アルミニウム材12と鋼材14とが、所定の角度をもって屈曲せしめられたそれぞれの端部20,24部分において重ね合わされて、そのようなMIG溶接継手10に対して引張応力がかかったとしても、かかる重ね合わせ部分に効果的に摩擦力が発生することで、溶接部16にかかる引張応力が低減され、継手強度を有利に向上することが出来るのである。そして、その結果、その溶接部位において、割れや破断等が発生する恐れを、有利に阻止乃至は回避することが可能となるのである。
なお、本発明に従うMIG溶接継手10を与えるアルミニウム材12の板厚としては、それが本発明に従う特定のアルミニウム合金からなるものである限りにおいて、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、適宜に選定されるものであるが、MIG溶接継手10を構造体用として用いる場合にあっては、0.5mm以上、3.0mm以下の範囲内の厚さが、適宜に選択されることとなる。かかるアルミニウム材12の板厚が0.5mm未満となると、構造体としての剛性を確保し難くなるからであり、また3mmを超えるようになると、MIG溶接時において、板材を溶かすための熱が過度に必要となるからである。
また、鋼材14の板厚にあっても、特に制限されるものではなく、アルミニウム材12の板厚と同様に、目的とする継手に要求される特性等に応じて、適宜に選定されることとなるが、一般に0.5mm〜3.0mm程度の板厚が採用される。なお、鋼材14の板厚が厚くなり過ぎると、鋼材が温まり難くなるため、ビードの濡れ性が悪くなって、接合し難くなり、また薄くなり過ぎると、構造体としての鋼材を確保し難くなるのである。
さらに、アルミニウム材12と鋼材14の重ね代は、アルミニウム材12の厚さに応じて適宜に設定されるものの、好ましくは、アルミニウム材12の厚さが1mm以下の場合には、3mm以上の重ね代とされ、またアルミニウム材12の厚さが1mmを超える場合には、アルミニウム材12の厚さの3倍以上の長さの重ね代とされることが望ましい。これは、重ね代が小さくなり過ぎると、ビード18に加えられた熱が、鋼材14の端面まで伝わり、その熱が逃げないで、反射熱となってビード18に加わるようになるため、入熱が過多となってしまい、接合界面に脆弱な金属間化合物が厚く形成され、それによって継手強度が低下せしめられるからである。
また、アルミニウム材12や鋼材14の屈曲せしめられる部位(端部20,24)の長さは、図2に示すように、ビード18の長さとアルミニウム材12と鋼材14の重ね代の長さを含む長さとされておればよく、アルミニウム材12と鋼材14の、それぞれの長さ方向の一方の端部において、重ね代とビード部の長さを含むように、種々の設計において適宜の長さに決定されることとなる。例えば、ビード18の長さと重ね代の長さとを加えた長さとしたり、或いは、そのような2つを加算した長さに、更に数mmを加えた長さとされてもよいのである。
更にまた、例示の如きMIG溶接継手10を与える、アルミニウム材12や鋼材14の形状としては、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、対向する被溶接材に向かって鋭角乃至直角に屈曲出来るように、平板状乃至は面板状であるものであれば良く、圧延や押出、鍛造等の公知の手法にて製作される各種の形状のものが、何れも、採用されることとなる。尤も、一般には、被溶接部が平板状乃至は面板状である板材や押出材、押出形材が、有利に用いられるのである。
加えて、それらアルミニウム材12と鋼材14の重ね隅肉部をMIG溶接するに際して用いられる4000系アルミニウム合金からなる溶加材の直径は、一般に、0.8mm以上、1.6mm以下の範囲内とされる。これは、かかる溶加材の直径が余りにも細くなり過ぎると、その取り扱いが困難となり、MIG溶接操作に支障をきたす恐れが生じるからであり、また1.6mmを超えるような太径の溶加材を用いると、それを溶かす際の熱がより高く必要となり、更に溶滴の温度が高いために冷え難くなって、ビード18と鋼材14との接合界面に悪影響が生じる恐れがあるためである。なお、この溶加材を与える4000系アルミニウム合金としては、例えば、AA4043、AA4047等の材質のものを挙げることが出来る。
以上、本発明の代表的な実施形態の一つ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。また、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。
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、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。
先ず、各試験例におけるアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手を製作するために、下記表1に示される各種のアルミニウム材と鋼材と溶接ワイヤ(溶加材)とをそれぞれ準備して、それらを、下記表1に示される組み合わせにおいて、用いた。なお、各アルミニウム材の板厚は1mm、各鋼材の板厚は0.7mmとし、それぞれの幅と長さは、アルミニウム材と鋼材のどちらも、幅:20mm、長さ:100mmとした。また、試験例2〜8のアルミニウム材と鋼材は、それぞれ、その長さ方向の一方の端部において、その端面から15mmの部位が、表1に示した屈曲角度:θをもって、屈曲せしめられた形状とされている。更に、溶接ワイヤのワイヤ径は、全て1.2mmとした。
Figure 2013191160
そして、かかる表1に示されるアルミニウム材と鋼材との組み合わせにおいて、その重ね代が7mmとなるように、鋼材の長さ方向の一方の端部の上にアルミニウム材の長さ方向の一方の端部を重ね合わせて固定した後、一般的なMIG溶接機を用いて、それぞれ、MIG溶接操作を実施して、試験例1〜8に係るMIG溶接継手をそれぞれ製作した。ここで、そのようなMIG溶接操作によって鋼上に形成されるビード部(18)の長さは、5mmとなるようにした。なお、試験例1では、アルミニウム材と鋼材の端部が屈曲されていない、平坦な鋼材の上に平坦なアルミニウム材を重ね合わせた後、アルミニウム材の端面部と鋼材の表面とをMIG溶接して、接合することにより、継手としたものである。また、試験例2〜8においては、端部が屈曲されてなるアルミニウム材と鋼材の組合せを、図1や図2に示される如く、下側に配置された鋼材(14)の端部(24)に、上側のアルミニウム材(12)の端部(20)が引っ掛けられるように重ね合わされた後に、アルミニウム材(12)の端部(20)の端面部位と鋼材(14)の表面とをMIG溶接して、接合することにより、継手としたものである。また、ここでは、アルミニウム材と鋼材の屈曲角度(図2におけるθ1,θ2)は同じ角度(表1に示した屈曲角度:θ)として、アルミニウム材(12)の母材部(22)と鋼材(14)の母材部(26)が平行になるように、重ね合わされている。なお、試験例2は、アルミニウム材と鋼材の端部が屈曲されているものの、その屈曲角度が比較的小さなものであり、更に、試験例3〜8は、本発明において好ましい範囲内とされた屈曲角度を有するものである。
また、そのようなMIG溶接を行うMIG溶接機としては、前記表1に示される材質の溶接ワイヤが装着された精密制御型MIG溶接機を用い、溶接ワイヤが+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、直流の溶接パルス電流を流して、被溶接材との間にアークを発生させてMIG溶接を行ない、試験例1〜8に係る各種のMIG溶接継手を得た。その際のMIG溶接条件は、溶接電流(平均電流):35A、アーク電圧(平均電圧):17V、溶接速度:60cm/分、シールドガス(イナートガス)流量:15L/分とし、溶接部が重ね合わせ部の全幅に亘って線接合となるように、MIG溶接操作を実施した。
次いで、かくして得られた試験例1〜8に係る各種のMIG溶接継手について、それぞれ、引張試験を行った。即ち、各試験例に係る溶接継手を、所定の引張試験装置にセットし、溶接部分(溶接線)に対して直角な方向に引張力を加えて、試験対象のMIG溶接継手が変形を開始するときの応力を測定し、それを最大応力として、かかる表1に併せ示した。
かかる表1の結果から明らかな如く、本発明に従う構造とされた試験例2〜8に係るMIG溶接継手にあっては、平坦なアルミニウム板と鋼板とを接合した試験例1のMIG溶接継手よりも、何れも、継手に引張応力が作用せしめられた際に変形を開始する応力が大きくなっていることが確認できる。即ち、本発明に従う構造とされたMIG溶接継手によれば、効果的に継手強度を高めることが可能となることが、確認出来るのである。
10 MIG溶接継手
12 アルミニウム材
14 鋼材
16 溶接部
18 ビード
20 端部
22 母材部
24 端部
26 母材部

Claims (8)

  1. 5000系又は6000系アルミニウム合金からなるアルミニウム材を鋼材の上に重ね合わせて、かかるアルミニウム材の端部が位置する重ね隅肉部を、4000系アルミニウム合金からなる溶加材を用いて、MIG溶接して得られる継手構造であって、
    該鋼材の前記重ね合わせ側の部位を、該鋼材の母材部位から前記アルミニウム材側に鋭角乃至直角に屈曲させる一方、該アルミニウム材の前記重ね合わせ側の部位を、該アルミニウム材の母材部位から前記鋼材側に鋭角乃至直角に屈曲せしめ、そしてそれら鋼材とアルミニウム材とを、それらの屈曲部位において重ね合わせてなる形態において、前記MIG溶接が施されていることを特徴とするアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  2. 前記鋼材の屈曲角度と前記アルミニウム材の屈曲角度とが、同一の角度である請求項1に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  3. 前記鋼材及び前記アルミニウム材の屈曲角度が、それぞれ、10°以上90°以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  4. 前記アルミニウム材が、5000系アルミニウム合金のO材である請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  5. 前記アルミニウム材が、6000系アルミニウム合金のT4材又はT6材である請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  6. 前記アルミニウム材の端面に沿って、前記MIG溶接が実施されて、該アルミニウム材が前記鋼材に対して線接合される請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  7. 前記アルミニウム材が、0.5mm〜3.0mmの厚さを有している請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
  8. 前記鋼材が、0.5mm〜3.0mmの厚さを有している請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載のアルミニウム材と鋼材のMIG溶接継手構造。
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