WO2015093075A1 - 溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体、及びマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法 - Google Patents

溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体、及びマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法 Download PDF

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mass
magnesium
filler material
filler
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PCT/JP2014/063811
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光二 上田
裕 木ノ本
順庸 瀧川
東　健司
徳照 上杉
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木ノ本伸線株式会社
公立大学法人大阪府立大学
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/02—Alloys based on magnesium with aluminium as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a filler material used when fusion welding a magnesium (Mg) alloy material, a joining structure of a magnesium (Mg) alloy material and a filler material, a joining method by fusion welding of a magnesium (Mg) alloy material, magnesium
  • the present invention relates to a (Mg) alloy material bonded structure and a method for producing a magnesium (Mg) alloy material bonded structure.
  • Magnesium (Mg) alloys (hereinafter sometimes referred to as “magnesium (Mg) alloys”, “Mg alloys”, and “magnesium” may be referred to as “Mg”) have excellent malleability, mechanical strength, etc. It is suitably used for a wrought material such as a rolled plate material or an extruded profile, and for a cast material because it is lightweight.
  • Mg alloy material When such a wrought and cast material of Mg alloy (hereinafter sometimes simply referred to as “Mg alloy material”) is melt-welded, it is generally known as the Hall-Petch law. As described above, the mechanical strength of the metal is proportional to the ( ⁇ 1 ⁇ 2) power of the crystal grain size d, that is, it decreases as the crystal grain size increases.
  • the crystal grain size of "welded part” and “metal part other than the melted part” is sometimes called “non-welded part"), and the mechanical properties (yield point and tensile strength) of the welded part are higher than those of the non-welded part. There was also a problem that it would decrease.
  • Patent Document 1 it is disclosed to generate a nucleus that becomes the center of a crystal grain for reducing the crystal grain size (see Patent Document 1).
  • B boron
  • Ti titanium
  • Mg magnesium
  • Patent Document 2 it is also disclosed to increase the strength of the melted part by adding a non-solid solution element such as (see Patent Document 2).
  • Solid solution strengthening is an effective strengthening method because it has a feature that there is little decrease in elongation compared to strengthening such as second phase dispersion.
  • the amount of strengthening due to solid solution strengthening can be predicted by combining known formulas using misfit strains obtained from first-principles calculations, and the present inventor has published aluminum alloys (non-patented). Reference 2).
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and is a filler material capable of improving the mechanical properties of the welded portion of the Mg alloy material, and the joining of the magnesium (Mg) alloy material and the filler material. It is an object of the present invention to provide a structure, a joining method by fusion welding of an Mg alloy material, an Mg alloy material joining structure, and a manufacturing method of an Mg alloy material joining structure.
  • the present inventors have conducted extensive research on the microstructure and mechanical characteristics of welded joints and the effects of filler metal, and as a result, have adjusted the mechanical properties by adjusting the composition of the joint.
  • the present inventors have found that the joining strength is improved by including a specific element in the filler material used for fusion welding, and the present invention has been completed. That is, according to the present invention, the following filler material, a joined structure of a magnesium (Mg) alloy material and a filler material, a joining method by fusion welding of an Mg alloy material, an Mg alloy material joined structure, and an Mg alloy material joined A method of manufacturing a structure is provided.
  • Mg magnesium
  • the alloy composition contains silver (Ag) or gallium (Ga), 0.01% by mass to 6.3% by mass of silver (Ag) or 0.08% by mass to 4.2% by mass
  • the composition ratio of silver (Ag) is X (0 ⁇ X ⁇ 1) and the composition ratio of gallium (Ga) is (1- X), 0.01 ⁇ X mass% or more and 6.3 ⁇ X mass% or less of silver (Ag) and 0.08 ⁇ (1-X) mass% or more and 4.2 (1-X) mass%
  • the filler material according to [1] containing the following gallium (Ga).
  • the alloy composition further includes aluminum (Al), manganese (Mn) and calcium (Ca), or aluminum ( The filler material according to [1], further including Al), zinc (Zn), and calcium (Ca).
  • the magnesium (Mg) alloy material is an alloy material containing magnesium (Mg), aluminum (Al), manganese (Mn) and calcium (Ca), or magnesium (Mg), aluminum (Al), zinc (Zn).
  • the filler material according to the above [1] which is an alloy material containing calcium (Ca).
  • a magnesium (Mg) alloy material joint structure in which a plurality of magnesium (Mg) alloy materials containing 50% by mass or more of magnesium (Mg) are joined by fusion welding via a filler material,
  • the additive is a magnesium (Mg) alloy material bonded structure which is the filler material described in [1].
  • a method for producing a magnesium (Mg) alloy material joined structure in which a plurality of magnesium (Mg) alloy materials containing 50 mass% or more of magnesium (Mg) are joined by fusion welding using a filler material.
  • a filler material capable of improving the mechanical properties of the welded portion of the Mg alloy material, a joining structure of the magnesium (Mg) alloy material and the filler material, and joining by fusion welding of the Mg alloy material
  • a method a Mg alloy material bonded structure, and a method for manufacturing an Mg alloy material bonded structure.
  • FIG. 1 is a graph for explaining the validity of the addition of Ag and the composition components used in the present invention.
  • FIG. 2 is a graph for explaining the adequacy of Ga addition and the composition components used in the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the shape and the like of a test piece of a tensile test in the example.
  • the filler material according to the embodiment of the present invention is a filler material used when a plurality of magnesium (Mg) alloy materials containing 50 mass% or more of magnesium (Mg) are joined by fusion welding.
  • Mg magnesium
  • Ag silver
  • Ga gallium
  • the alloy composition constituting the filler material contains silver (Ag) or gallium (Ga), 0.01 mass% or more and 6.3 mass% or less of silver (Ag) or 0.08 mass%.
  • gallium (Ga) It is preferable to contain 4.2% by mass or less of gallium (Ga), and when silver (Ag) and gallium (Ga) are contained, the composition ratio of silver (Ag) is X (0 ⁇ X ⁇ 1). ), And when the composition ratio of gallium (Ga) is (1-X), 0.01 ⁇ X mass% or more and 6.3 ⁇ X mass% or less of silver (Ag) and 0.08 ⁇ (1-X) It is preferable to contain gallium (Ga) in an amount of not less than mass% and not more than 4.2 (1-X) mass%.
  • the composition of the filler material is a base material having a composition that is the same as or close to the composition of the material to be joined (magnesium (Mg) alloy material), and further contains a certain amount of Ag and / or Ga. It is preferable. That is, with respect to the alloy composition of the magnesium (Mg) alloy material to be joined, Ag and / or Ga is further contained or Ag and / or Ga is added while maintaining the elemental composition ratio of the alloy. The amount of the remaining Mg in the alloy may be reduced. For example, when AZX912 (alloy composition: 9 mass% Al, 1 mass% Zn, 2 mass% Ca, balance Mg) is used as a material to be joined (magnesium (Mg) alloy material), the filler material is an alloy composition.
  • the filler material is preferably composed of Al, Mn, Ca, and Ag and / or Ga, balance Mg as the alloy composition.
  • the form of the filler material is not limited. For example, a welding rod for TIG welding or a welding line for MIG welding may be used.
  • a predetermined amount of silver (Ag) and / or gallium (Ga) may be included in the composition of the weld. Therefore, it is sufficient that the additive components silver (Ag) and / or gallium (Ga) are uniformly contained in the welded portion to form a solid solution, and the concentration in the total filler material is limited to the above.
  • the partial concentration of silver (Ag) and / or gallium (Ga) in the material portion is not limited. Therefore, the method for producing the filler material is not limited, and all the components may be powdered and mixed once to be solidified into a filler material shape. It may be cut out into a material shape, and the additive component may be formed by spraying the rod-like body or linear body of the original filler metal alloy component, etc.
  • the outer shape of the filler metal is not limited, but a rod-like or linear one is preferably used. For example, a welding rod for TIG welding and a welding line for MIG welding.
  • Mg alloy material Mg alloy material
  • a wrought material or a casting material can be used suitably.
  • the wrought material is a general term for products such as plates, strips, pipes, bars, and wires manufactured by hot or cold plastic working such as rolling, extruding, drawing, and forging. Since the wrought material has small crystal grains, welding with the filler metal is particularly effective. On the other hand, in the case of a cast material, since the crystal grain size is usually large, it is thought that the crystal grain size is not coarsened even by welding and the effect of solid solution strengthening is considered to be small. Since there is a technique for reducing the crystal grain size of the material, the present invention may be preferably applied.
  • the filler material of the present embodiment includes, for example, zirconium (Zr) of 0.35 mass% or more and 0.8 mass% or less for crystal grain refinement in addition to AM and AZ elements used for general structures. ) (Hereinafter sometimes referred to as “Zr”) or 3.0% by mass or more and 6.0% by mass or less of yttrium (Y) (hereinafter also referred to as “Y”) for improving heat resistance and creep strength. Therefore, 0.5 mass% or more and 1.5 mass% or less of silicon
  • the Mg alloy material means that the Mg in the alloy has a composition of 50 at% or more.
  • an alloy material containing magnesium (Mg), aluminum (Al), manganese (Mn) and calcium (Ca), or an alloy material containing magnesium (Mg), aluminum (Al), zinc (Zn) and calcium (Ca) Can be mentioned.
  • AZ31, AZ61, AZ91, AM60, AMX602, AZ912, AZX911, other ZK systems including zirconium (Zr), WE systems including yttrium (Y), AS systems including silicon (Si), etc. Can do.
  • the content of each component of the filler material is, for example, 0.01% by mass to 6.3% by mass of silver (Ag), or 0.08% by mass to 4.2% by mass of gallium.
  • (Ga) 1.5 mass% or more and 10.5 mass% or less of aluminum (Al) in the AM system, and 2.5 mass% or more and 9.5 mass% or less of zinc (Zn) or ZK in the AZ system.
  • the filler material is a solid solution of only one element of Ag or Ga, but is not limited to this.
  • Ag and Ga are simultaneously dissolved.
  • An alloy may be used.
  • the yield stress of the Mg alloy material in which the crystal grain size is changed and other elements are dissolved to cause crystal distortion can be expressed by the above formula (1).
  • the yield stress of the Mg alloy material is composed of the sum of the yield stress of Mg, the yield stress based on the crystal grain size, and the amount of strengthening by solid solution.
  • the present invention further improves the concept of “explaining the strength of an aluminum (Al) alloy by combining known formulas using a misfit strain obtained from first-principles calculation” to a magnesium (Mg) alloy. It is applied. That is, an alloy in which a metal element having a large misfit strain effect is dissolved is developed as a filler material in order to compensate for the fact that the crystal grain size is increased and the mechanical properties are deteriorated by welding. The magnitude of this misfit strain effect can be calculated by using the first principle calculation.
  • the specific method of calculation is to replace one atom in the Mg crystal with another metal element and calculate the electronic state based on quantum theory, so that the distance between the original Mg elements is replaced with a certain element.
  • the interatomic distance can be calculated.
  • the misfit strain is calculated from this difference in distance.
  • FIG. 1 shows 0.2% proof stress of Mg-5at% (atomic concentration) Al solid solution alloy (alloy obtained by experimentally dissolving Al to the solid solution limit) and ( ⁇ 1/2) th power of crystal grain size.
  • the theoretical line showing the relationship with the above, and the predicted yield strength for the crystal grain size generally obtained when the extruded material of Mg-5at% Al solid solution alloy is used as the base material, Mg-5at% Al solid solution alloy as the filler material
  • the predicted yield strength with respect to the crystal grain size of the weld zone when used, and the 0.2% yield strength and crystal grain size of the alloy in which 0.1 at% Ag is dissolved in the Mg-5 at% Al solid solution alloy (-1 / 2)
  • Theoretical line showing the relationship with the power and the predicted yield strength with respect to the crystal grain size of the melted part when Mg-5 at% Al-0.1 at% Ag solid solution alloy is used as the filler material.
  • FIG. 2 shows the relationship between 0.2% proof stress of Mg-5 at% Al solid solution alloy (alloy obtained by experimentally dissolving Al to the solid solution limit) and crystal grain size to the power of (-1/2).
  • the theoretical line shown, and the predicted yield strength for the crystal grain size generally obtained when Mg-5at% Al solid solution alloy extruded material is used as the base material, when Mg-5at% Al solid solution alloy is used as the filler material Relationship between predicted yield strength for weld grain crystal grain size and 0.2% yield strength of Mg-5at% Al solid solution alloy with 1at% Ga and (-1/2) th power of crystal grain size And the predicted yield strength with respect to the crystal grain size of the melted part when Mg-5 at% Al-1 at% Ga solid solution alloy is used as the filler material.
  • the yield strength of the base material is 177 MPa
  • the yield strength of the molten part is 135 MPa, and the strength of the molten part is significantly reduced.
  • the yield strength of the melted portion is 177 MPa, and the strength equivalent to that of the base material can be realized.
  • 1 at% Ga is further dissolved in the Mg-5 at% Al solid solution alloy as the base material
  • the yield strength of the melted portion is 177 MPa, and the strength equivalent to that of the base material can be realized.
  • the actual Mg alloy wrought material has a crystal grain size ranging from several ⁇ m to about 100 ⁇ m, and the crystal grain size of the melted part may become as large as several hundred ⁇ m depending on welding conditions or composition.
  • various amounts of addition are required to make the base material and the melted portion have the same strength.
  • the crystal grain size of the base material is 100 ⁇ m and the crystal grain size of the melted part is 200 ⁇ m
  • 0.007 at% Ag or 0.036 at% Ga is used to make the base material and the melted part have the same strength. It is necessary to make a solid solution. When these are converted to mass%, they are 0.03 mass% Ag and 0.1 mass% Ga.
  • the joining structure of a magnesium (Mg) alloy material and a filler material includes a plurality of magnesium (Mg) containing 50 mass% or more.
  • the magnesium (Mg) alloy material is a joining structure of a magnesium (Mg) alloy material and a filler material joined by fusion welding via a filler material, and the filler material is the above-described filler material, that is, Further, magnesium (Mg) is contained in an alloy composition containing 50% by mass or more of silver (Ag) and / or gallium (Ga), preferably silver (Ag) or gallium (Ga).
  • gallium (Ga) when the composition ratio of silver (Ag) is X (0 ⁇ X ⁇ 1) and the composition ratio of gallium (Ga) is (1-X), 0.01 ⁇ X mass% It is composed of an alloy composition containing silver (Ag) of 6.3 ⁇ X mass% or less and gallium (Ga) of 0.08 ⁇ (1-X) mass% or more and 4.2 (1-X) mass% or less. It is comprised so that it may be made.
  • the same wrought material or cast material as in the above-described invention of the filler material can be used.
  • the joining method by fusion welding of Mg alloy material involves melting a plurality of magnesium (Mg) alloy materials containing 50 mass% or more of magnesium (Mg). This is a method of joining by melting welding using an additive, and contains, as a filler, the above-mentioned filler, that is, magnesium (Mg) in an amount of 50% by mass or more, and silver (Ag) and / or gallium ( What is comprised from the alloy composition containing Ga), Preferably, when containing silver (Ag) or gallium (Ga), 0.01 mass% or more and 6.3 mass% or less of silver (Ag) or 0 An alloy composition containing 0.08 mass% or more and 4.2 mass% or less of gallium (Ga), and when silver (Ag) and gallium (Ga) are contained, the composition ratio of silver (Ag) is set to X (0 ⁇ X ⁇ 1) When the composition ratio of gallium (Ga) is (1-
  • the same wrought material or cast material as in the above-described invention of the filler material can be used.
  • Magnesium (Mg) alloy material joint structure In the magnesium (Mg) alloy material joint structure according to the embodiment of the present invention, a plurality of magnesium (Mg) alloy materials containing 50 mass% or more of magnesium (Mg) are melted. A magnesium (Mg) alloy material joined structure joined by fusion welding via a material, wherein the filler material contains 50 mass% or more of the above-described filler material, that is, magnesium (Mg), and silver.
  • alloy composition containing (Ag) and / or gallium (Ga) Preferably, when containing silver (Ag) or gallium (Ga), 0.01 mass% or more and 6.3 mass% An alloy composition containing the following silver (Ag) or 0.08 mass% to 4.2 mass% gallium (Ga), and also containing silver (Ag) and gallium (Ga)
  • the composition ratio of silver (Ag) is X (0 ⁇ X ⁇ 1) and the composition ratio of gallium (Ga) is (1-X), 0.01 ⁇ X mass% or more and 6.3 ⁇ X mass%
  • a predetermined amount of silver (Ag) and / or gallium (Ga) may be included in the composition of the welded portion, and a solid solution may be formed. Accordingly, it is only necessary that a predetermined amount of silver (Ag) and / or gallium (Ga) as additive components is contained in the weld.
  • a filler material having the same components as a plurality of Mg alloy materials to be joined and a filler material containing the above-mentioned silver (Ag) and / or gallium (Ga) are used in combination.
  • alloy composition of a typical weld when silver (Ag) or gallium (Ga) is contained, 0.01% by mass to 6.3% by mass of silver (Ag) or 0.08% by mass to 4.2% Alloy composition containing gallium (Ga) of less than mass%, and when containing silver (Ag) and gallium (Ga), the composition ratio of silver (Ag) is X (0 ⁇ X ⁇ 1), gallium (Ga )) (1-X), 0.01 ⁇ X mass% or more and 6.3 ⁇ X mass% or less of silver (Ag) and 0.08 ⁇ (1-X) mass% or more. You may comprise so that it may contain 2 (1-X) mass% or less gallium (Ga).
  • the manufacturing method of a magnesium (Mg) alloy material joint structure includes a plurality of magnesium (magnesium (Mg)) containing 50 mass% or more ( A manufacturing method of a magnesium (Mg) alloy material joint structure in which a Mg) alloy material is joined by fusion welding using a filler material, and the above-described filler material, that is, magnesium (Mg), is used as the filler material.
  • Mg magnesium
  • An alloy containing silver (Ag) of X mass% to 6.3 ⁇ X mass% and 0.08 ⁇ (1-X) mass% to 4.2 (1-X) mass% of gallium (Ga) It is comprised so that what is comprised from a composition may be used.
  • magnesium (Mg) alloy material containing 50% by mass or more of magnesium (Mg) used in the present embodiment the same stretched material or cast material as described above can be used.
  • the filler material of the present invention the joining structure of the magnesium (Mg) alloy material and the filler material, the joining method by fusion welding of the Mg alloy material, the Mg alloy material joining structure, and the Mg alloy material joining structure
  • the production method will be described more specifically with reference to examples. Note that the present invention is not limited in any way by the following examples.
  • the solid solution amount of Al in the base metal is quantitatively analyzed using an electron beam microanalyzer (a device that analyzes constituent elements from the wavelength and intensity of characteristic X-rays generated by irradiating an object with an electron beam). did.
  • Example 1 (Preparation of filler material) Based on a magnesium (Mg) alloy “AZ91D-2% by mass Ca” added with 2.0% by mass of calcium (Ca) for imparting flame retardancy to the AZ91D alloy, (Ga) was added so that it might become 0.08 mass% in 100 mass% of alloy compositions. Next, after melting AZ91D alloy, calcium (Ca) and additional additive (gallium (Ga)) at 600-750 ° C. in a crucible of a melting casting furnace, Solidified into a cylindrical shape.
  • Mg magnesium
  • Ca calcium
  • Ga additional additive
  • the extrusion ratio is 150, the extrusion temperature is 420 ° C., hot extrusion processing is performed, and then cold drawing is performed, followed by a rod-shaped filler metal (AZX912 + 0.08 mass% Ga) having a diameter of 3 mm. )
  • AZX912 consists of a composition of 9 mass% Al, 1 mass% Zn, 2 mass% Ca, and the balance Mg. That is, the filler material is composed of a composition of 9 mass% Al, 1 mass% Zn, 2 mass% Ca, 0.08 mass% Ga, and the balance Mg in 100 mass% of the alloy composition.
  • the composition a part was cut out from the cylindrically formed lump, and the components were analyzed by ICP emission spectroscopy after acid decomposition. The same applies to the following examples and comparative examples.
  • the shape of the bonded structure (bonded structure) was arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • welded joint structure (joint structure)” and “joint structure (joint structure)” may be referred to as “joint structure”.
  • Example 2 (Examples 2 to 7) (Preparation of filler material)
  • Gallium (Ga) is 0.15 mass% in Example 2, 0.12 mass% in Example 3, 0.30 mass% in Example 4, and 0.59 mass in Example 5 at an alloy composition of 100 mass%. %, Example 6 was 1.28% by mass, and Example 7 was 2.68% by mass.
  • a filler material was prepared in the same manner as in Example 1.
  • the Mg alloy filler is (AZX912 + 0.15 mass% Ga) in Example 2, (AZX912 + 0.22 mass% Ga) in Example 3, (AZX912 + 0.30 mass% Ga) in Example 4, and in Example 5. (AZX912 + 0.59 mass% Ga), Example 6 (AZX912 + 1.28 mass% Ga), and Example 7 (AZX912 + 2.68 mass% Ga) A welded joint structure was produced.
  • Example 8 (Preparation of filler material) Based on the magnesium (Mg) alloy “AZ91D-2% by mass Ca” added with 2.0% by mass of calcium (Ca) for imparting flame retardancy to the AZ91D alloy, as an additional additive, silver (Ag) was added so that it might become 0.01 mass% in an alloy composition.
  • the AZ91D alloy, calcium (Ca) and additional additive are melted at 600 to 750 ° C. and stirred so that the molten metal becomes homogeneous. Solidified into a cylindrical shape.
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed
  • a rod-shaped filler metal having a diameter of 3 mm (AZX912 + 0.01 mass% Ag). ) was produced.
  • Two test plates made of Mg alloy material (AZX912: composition: 9 mass% Al, 1 mass% Zn, 2 mass% Ca, balance Mg) having a thickness of 3 mm, a width of 120 mm, and a length of 300 mm in the molding direction
  • Mg alloy filler material (AZX912 + 0.01 mass% Ag) manufactured as described above and having a diameter of 3 mm was used.
  • the welding method was a TIG welding method, and an AZX912 welded joint structure (welded joint) was produced using a TIG welding machine (manufactured by Daihen Co., Ltd .: trade name: DA300P).
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 9 (Preparation of filler material)
  • Silver (Ag) was 0.03% by mass in Example 9, 0.05% by mass in Example 10, 0.10% by mass in Example 11 and 0.22% by mass in Example 12 at an alloy composition of 100% by mass.
  • % In Example 13, 0.43% by weight in Example 14, 0.84% by weight in Example 14, 1.00% by weight in Example 15, and 3.81% by weight in Example 16.
  • a filler material was produced.
  • Example 9 (Production of welded joint structure)
  • the Mg alloy filler was (AZX912 + 0.03% by mass Ag), in Example 10 (AZX912 + 0.05% by mass Ag), in Example 11 (AZX912 + 0.10% by mass Ag), and in Example 12.
  • (AZX912 + 0.22 mass% Ag) Example 13 (AZX912 + 0.43 mass% Ag), Example 14 (AZX912 + 0.84 mass% Ag), Example 15 (AZX912 + 1.00 mass% Ag), and Implementation
  • a welded joint structure was produced in the same manner as in Example 8 except that (AZX912 + 3.81 mass% Ag) was used.
  • Example 17 (Preparation of filler material) Based on a magnesium (Mg) alloy “AZ91D-2% by mass Ca” added with 2.0% by mass of calcium (Ca) for imparting flame retardancy to the AZ91D alloy, (Ga) was added so that the alloy composition would be 0.55 mass% at 100 mass%, and silver (Ag) was added so that the alloy composition might be 0.81 mass%.
  • the AZ91D alloy, calcium (Ca) and additional additives gallium (Ga) and silver (Ag)
  • the molten metal becomes homogeneous. After stirring so as to solidify into a cylindrical shape.
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed, followed by a rod-like filler material having a diameter of 3 mm (AZX912 + 0.55 mass% Ga + 0 .81 mass% Ag).
  • Two test plates made of Mg alloy material (AZX912: composition: 9 mass% Al, 1 mass% Zn, 2 mass% Ca, balance Mg) having a thickness of 3 mm, a width of 120 mm, and a length of 300 mm in the molding direction
  • Mg alloy filler (AZX912 + 0.55 mass% Ga + 0.01 mass% Ag) manufactured as described above and having a diameter of 3 mm was used.
  • the welding method was a TIG welding method, and an AZX912 welded joint structure (welded joint) was produced using a TIG welding machine (manufactured by Daihen Co., Ltd .: trade name: DA300P).
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 18 (Preparation of filler material) Based on a magnesium (Mg) alloy “AM60B-2% by mass Ca” in which 2.0% by mass of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additive, gallium ( Ga) was added to 1.4 mass% in the alloy composition.
  • Mg magnesium
  • AM60B-2% by mass Ca 2.0% by mass of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additive, gallium ( Ga) was added to 1.4 mass% in the alloy composition.
  • calcium (Ca) and additional additive gallium (Ga)
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed
  • a rod-shaped filler metal (AMX602 + 1.4 mass% Ga) having a diameter of 3 mm. )
  • the AMX 602 has a composition of 6 mass% Al, 0.5 mass% Mn, 2 mass% Ca, and the balance Mg.
  • the filler material is composed of a composition of 6 mass% Al, 0.5 mass% Mn, 2 mass% Ca, 1.4 mass% Ga, and the balance Mg in 100 mass% of the alloy composition.
  • the composition a part was cut out from the cylindrically formed lump, and the components were analyzed by ICP emission spectroscopy after acid decomposition. The same applies to the following examples and comparative examples.
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 19 (Preparation of filler material) Based on a magnesium (Mg) alloy “AM60B-2% by mass Ca” in which 2.0% by mass of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additive, gallium ( Ga) was added so that the alloy composition was 2.8% by mass.
  • Mg magnesium
  • AM60B-2% by mass Ca 2.0% by mass of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additive, gallium ( Ga) was added so that the alloy composition was 2.8% by mass.
  • calcium (Ca) and additional additive gallium (Ga)
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed
  • a rod-shaped filler metal AMX602 + 2.8 mass% Ga having a diameter of 3 mm.
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 20 (Preparation of filler material) Based on the magnesium (Mg) alloy “AM60B-2 mass% Ca” in which 2.0 mass% of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additional additive, silver ( Ag) was added so as to be 1.6% by mass in the alloy composition.
  • the AM60B alloy, calcium (Ca), and additional additive are melted at 600 to 750 ° C. in a crucible of a melting casting furnace, and stirred so that the molten metal becomes homogeneous. Solidified into a cylindrical shape.
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed
  • a rod-shaped filler metal AMX602 + 1.6 mass% Ag having a diameter of 3 mm.
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 21 (Preparation of filler material) Based on the magnesium (Mg) alloy “AM60B-2 mass% Ca” in which 2.0 mass% of calcium (Ca) is added to the AM60B alloy for imparting flame retardancy, as an additional additive, silver ( Ag) was added to 2.1 mass% in the alloy composition.
  • the AM60B alloy, calcium and additional additive are melted at 600 to 750 ° C. in a crucible of a melting casting furnace and stirred so that the molten metal becomes homogeneous, and then cylindrical. Solidified and formed.
  • the extrusion ratio is 150
  • the extrusion temperature is 420 ° C.
  • hot extrusion processing is performed
  • cold drawing is performed
  • a rod-shaped filler metal AMX602 + 2.1 mass% Ag having a diameter of 3 mm.
  • the joined structures were arranged so that the width was 240 mm and the length was 300 mm, and the butt portion was welded in parallel to the molding direction.
  • the main welding conditions are as follows. Specifically, a pure tungsten electrode having a diameter of 2.4 mm was used, the distance between the electrode and the test plate was 2 mm, an AC type current of 120 A, a welding speed of 200 mm / min, an inert gas using argon gas, and a flow rate of 12 L / It was set to min.
  • Example 1 An AZX912 welded joint was formed in the same manner as in Example 1 except that a Mg alloy filler material having a diameter of 3 mm (AZX912 alone) was used as the filler material.
  • Example 2 An AMX602 welded joint was formed in the same manner as in Example 18 except that a Mg alloy filler material having a diameter of 3 mm (AMX602 alone) was used as the filler material.
  • the tensile test was performed based on JISZ2241 “Metal material tensile test method”. As shown in FIG. 3, according to the JIS No. 1A test piece, the dimensions of the tensile test sample were 240 mm in outer dimensions, 37 mm in width, and 25 mm in the evaluation part. The center in the width direction of the welded portion was positioned at the center of the “shaded portion” in the figure. The test piece was formed by removing a surplus portion in welding by milling, cutting it to a width of 37 mm with a band saw, and then cutting it into a dumbbell shape by milling to obtain a tensile test piece shape. In addition, the surplus of the welded portion was deleted so that the thickness was 3 mm, which is the original thickness. The tensile test was performed at room temperature. The breaking strength was defined as the bonding strength.
  • joint efficiency was calculated as% by dividing the strength of the weld by the base material strength and multiplying by 100.
  • Example 1-17 is significantly higher than the result of Comparative Example 1
  • the joint efficiency obtained in Example 18-21 is significantly higher than the result of Comparative Example 2. While the fracture portion of the example is a melted portion, the fracture portion of the example is mostly a heat-affected zone, and thus the effect of the present invention could be clearly recognized.
  • the present invention is capable of easily melting and welding a plurality of Mg alloy materials by using conventional welding apparatuses and welding methods as they are or slightly modified, and to obtain a welded structure having excellent mechanical strength.
  • Applications that require high mechanical strength such as various manufacturing, transportation, construction, and machinery industries that handle large transportation equipment and large structural materials such as railway vehicles, industrial vehicles, and vehicles under the Road Traffic Act. In the fields of chemical industry and the like, it can be suitably used.

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Abstract

Ｍｇ合金材料の溶接部の機械的性質を向上させることが可能な溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法、Ｍｇ合金材料接合構造体、及びＭｇ合金材料接合構造体の製造方法を提供する。マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を溶融溶接によって接合する際に用いる溶加材を、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成する。

Description

溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体、及びマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法
本発明は、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料を溶融溶接する際に用いる溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体、及びマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法に関する。
マグネシウム（Ｍｇ）合金（以下、「マグネシウム（Ｍｇ）合金」を、「Ｍｇ合金」、また、「マグネシウム」を「Ｍｇ」ということがある）は、展伸性、機械的強度等に優れることから、圧延板材や押出形材等の展伸材に、また軽量であることから、鋳造材等に好適に用いられている。
最近、車両等の大きな輸送設備の速力増加及び質量削減のため、１～３質量％のカルシウム（Ｃａ）（以下、「Ｃａ」ということがある）を含む難燃性マグネシウム（Ｍｇ）合金が注目を集めている。この中でもＡＭＸ系、ＡＺＸ系マグネシウム合金においてＸがＣａである難燃性Ｍｇ合金が注目されている。ところでＭｇ合金を大きな構造材料に使用するためには、溶接技術が極めて重要である。溶接には溶融溶接方法のＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接が用いられている。しかし、Ｍｇ合金の溶接技術については、まだ十分には研究されていないのが現状である。
このような、Ｍｇ合金の展伸材及び鋳造材（以下、単に「Ｍｇ合金材料」ということがある）を溶融溶接した場合、一般に、ホール・ペッチ（Hall-Petch）の法則として知られているように、金属の機械的強度は、結晶粒径ｄの（－１／２）乗に比例する、すなわち、結晶粒径が大きくなる程減少することから、溶融部（以下、「溶融部」を「溶接部」、「溶融部以外の金属部分」を「非溶接部」ということがある）の結晶粒径が大きくなり、溶接部の機械的性質（降伏点や引張強度）が非溶接部よりも減少してしまうという問題があった。これに対しては、例えば、結晶粒径を小さくするための結晶粒子の中心になる核を生成することが開示されている（特許文献１参照）。あるいは、強化機構は不明であるが、溶融部に母材であるマグネシウム（Ｍｇ）と異なる、ホウ素（Ｂ）（以下、「Ｂ」ということがある）、チタン（Ｔｉ）（以下、「Ｔｉ」ということがある）等の非固溶元素を添加することにより、溶融部の強度を大きくすることも開示されている（特許文献２参照）。
他方、溶融部に母材であるマグネシウム（Ｍｇ）と異なる元素を固溶させることにより、溶接部の強度を大きくすること（固溶強化）も可能である。例えば、本発明者は、アルミニウム（Ａｌ）（以下、「Ａｌ」ということがある）を含むマグネシウム（Ｍｇ）合金の溶接において、溶加材に母材よりもＡｌがより多く固溶しているＭｇ合金を用いることが効果的であることを公表している（非特許文献１参照）。固溶強化は、第２相分散などの強化に比べて伸びの低下が少ないという特徴があり、有効な強化法である。固溶強化による強化量は第一原理計算から求めたミスフィットひずみを用いて、公知の式を組み合わせることにより予測することが可能であり、本発明者はアルミニウム合金について公表している（非特許文献２参照）。
しかしながら、Ａｌ以外の金属について、どのような金属がＭｇ合金材料の溶接部の機械的性質を向上させるかについては明らかになっていない。従って、例えば、Ａｌが固溶限界に近い５ａｔ％（原子濃度）以上固溶しているＭｇ合金材料の溶接部の機械的性質を固溶強化により向上させることについては、まだ具体的な解決策が示されていないのが現状である。
特開２００８－２１３０４１号公報 特開２０１０－３６２２１号公報
上田光二，木ノ本裕，瀧川順庸，東健司、「マグネシウム合金ＴＩＧ溶接棒」アルトピア４３，３０－３６（２０１３） T. Uesugi, Y. Takigawa and K. Higashi,"Atomistic Studies of Deformation Mechanism of Nanocrystalline Al-Ti and Al-Fe alloys from First-principles", Materials Science Forum Vols.561-565 (2007) p977-980
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、Ｍｇ合金材料の溶接部の機械的性質を向上させることが可能な溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法、Ｍｇ合金材料接合構造体、及びＭｇ合金材料接合構造体の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明者等は、溶接継手の微細構造及び機械的特性、並びに溶加材の効果等について鋭意研究した結果、接合部の組成の調整を図ることにより機械的性質を向上させるべく、溶融溶接に用いる溶加材に特定の元素を含ませることにより、接合強度が向上することを知見し、本発明を完成させた。すなわち、本発明によって、以下の、溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法、Ｍｇ合金材料接合構造体、及びＭｇ合金材料接合構造体の製造方法が提供される。
［１］マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を溶融溶接によって接合する際に用いられる溶加材であって、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなる溶加材。
［２］前記合金組成は、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する前記［１］に記載の溶加材。
［３］前記合金組成は、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する前記［１］に記載の溶加材。
［４］前記合金組成は、前記マグネシウム（Ｍｇ）、並びに銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）に加えて、さらに、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）及びカルシウム（Ｃａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカルシウム（Ｃａ）をさらに含有する前記［１］に記載の溶加材。
［５］前記マグネシウム（Ｍｇ）合金材料は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料、又はマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料である前記［１］に記載の溶加材。
［６］マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合された前記マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と前記溶加材との接合構造であって、前記溶加材は、前記［１］に記載の溶加材であるマグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造。
［７］マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合する方法であって、前記溶加材として、前記［１］に記載の溶加材を用いるマグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法。
［８］マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合されたマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体であって、前記溶加材は、前記［１］に記載の溶加材であるマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体。
［９］マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合するマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法であって、前記溶加材として、前記［１］に記載の溶加材を用いるマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法。
本発明によれば、Ｍｇ合金材料の溶接部の機械的性質を向上させることが可能な溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法、Ｍｇ合金材料接合構造体、及びＭｇ合金材料接合構造体の製造方法が提供される。
図１は、本発明に用いられるＡｇ添加及びその組成成分の妥当性を説明するためのグラフである。 図２は、本発明に用いられるＧａ添加及びその組成成分の妥当性を説明するためのグラフである。 図３は、実施例における引張試験の試験片の形状等を示す図である。
１．溶加材
本発明の実施の形態に係る溶加材は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を溶融溶接によって接合する際に用いられる溶加材であって、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）（以下、「Ａｇ」ということがある）及び／又はガリウム（Ｇａ）（以下、「Ｇａ」ということがある）を含有する合金組成から構成されてなるものである。この場合、溶加材を構成する合金組成は、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有することが好ましく、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有することが好ましい。
溶加材の組成は、接合すべき材料（マグネシウム（Ｍｇ）合金材料）の組成と同じ又は近似した組成の母材であって、さらに、上記一定量のＡｇ及び／又はＧａを含む組成であることが好ましい。すなわち、接合すべきマグネシウム（Ｍｇ）合金材料の合金組成に対し、合金の元素組成比を維持したままで、Ａｇ及び／又はＧａがさらに含まれるものか、又は、Ａｇ及び／若しくはＧａを加えることで合金の残部Ｍｇの量を減じたものであってもよい。例えば、接合すべき材料（マグネシウム（Ｍｇ）合金材料）として、ＡＺＸ９１２（合金組成：９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）を用いる場合、溶加材は、合金組成として、Ａｌ、亜鉛（Ｚｎ）（以下、「Ｚｎ」ということがある）、Ｃａ、並びにＡｇ及び／又はＧａ、残部Ｍｇの組成から構成されていることが好ましい。同様に、接合すべき材料（マグネシウム（Ｍｇ）合金材料）として、ＡＭＸ６０２（合金組成：６質量％Ａｌ、０．５質量％マンガン（Ｍｎ）（以下、「Ｍｎ」ということがある）、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）を用いる場合、溶加材は、合金組成として、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃａ、並びにＡｇ及び／又はＧａ、残部Ｍｇの組成から構成されていることが好ましい。溶加材の形態は限定されない。例えば、ＴＩＧ溶接用溶接棒、ＭＩＧ溶接用溶接線でもよい。
溶接部の組成中に所定量の銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）が含まれればよい。従って、添加成分である銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）が溶接部に均一に含有され固溶体になっていればよく、溶加材トータル中の濃度は上記に限定されるが、溶加材の部分における、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）の部分濃度は限定されない。従って、溶加材の製造方法においても限定されず、全成分を一度粉体にして混ぜ合わせ、溶加材形状に固化してもよく、全成分を溶解した後板等に成形しその後溶加材形状に切り出してもよく、添加成分を元の溶加材合金成分の棒状体又は線状体に吹き付け等にて塗膜形成してもよく、添加成分固体を芯にして、母材合金成分を巻きつけ形成してもよく、添加成分を芯にして、筒形状の元の溶加材合金成分（母材）の中に入れてもよく、元の溶加材合金成分（母材）と添加成分を別々に成形した後縒り合わせる等であってもよい。溶加材の外形は限定されないが、棒状、線状のものが好適に用いられる。例えば、ＴＩＧ溶接用溶接棒、ＭＩＧ溶接用溶接線である。
本実施の形態に用いられるＭｇ合金材料（Ｍｇ合金材料）としては、特に制限はないが、例えば、展伸材又は鋳造材を好適に用いることができる。なお、本発明において、展伸材とは、圧延、押出し、引抜き、鍛造等の熱間又は冷間の塑性加工によって製造された板、条、管、棒、線等の製品の総称である。展伸材は結晶粒が小さいため、本溶加材による溶接は特に有効である。一方、鋳造材の場合、通常は、元々結晶粒径が大きいので、溶接しても結晶粒径の粗大化が少なく、固溶強化による効果が少ないと考えられるが、急冷凝固等の技術で鋳造材の結晶粒径を小さくしておく技術が存在するので、本発明を好適に適用することができる場合がある。
本実施の形態の溶加材は、例えば、一般構造用として用いられるＡＭ系、ＡＺ系用元素の他に結晶粒微細化のため０．３５質量％以上０．８質量％以下のジルコニウム（Ｚｒ）（以下、「Ｚｒ」ということがある）や３．０質量％以上６．０質量％以下のイットリウム（Ｙ）（以下、「Ｙ」ということがある）を、耐熱強度及びクリープ強度改善のため０．５質量％以上１．５質量％以下のシリコンを、また難燃性能付加のためカルシウム等の成分をさらに含むことができる。
Ｍｇ合金材料とは、合金中のＭｇが５０ａｔ％以上の組成を有するものを意味する。例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料、又はマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料を挙げることができる。具体的には、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０、ＡＭＸ６０２、ＡＺ９１２，ＡＺＸ９１１，その他ジルコニウム（Ｚｒ）を含むＺＫ系、イットリウム（Ｙ）を含むＷＥ系、シリコン（Ｓｉ）を含むＡＳ系等を挙げることができる。
すなわち、溶加材のＡｇ又はＧａを添加する母材組成として、ＡＭ系、ＡＺ系、ＺＫ系、ＡＭＸ系、ＡＺＸ系、ＷＥ系，ＷＥＸ系、ＡＳ系、ＡＳＸ系及びＺＫＸ系等のものを挙げることができる。従って、溶加材のそれぞれの成分の含有量としては、例えば、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）、又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）に加えて、ＡＭ系では１．５質量％以上１０．５質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）、ＡＺ系では２．５質量％以上９．５質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）、ＺＫ系では１．５質量％以上６．５質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）、ＡＭＸ系では１．５質量％以上１０．５質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）と０．５質量％以上２．５質量％以下のカルシウム（Ｃａ）、ＡＺＸ系では２．５質量％以上９．５質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と０．５質量％以上２．５質量％以下のカルシウム（Ｃａ）、及びＺＫＸ系では１．５質量％以上６．５質量％以下の亜鉛（Ｚｎ）と０．５質量％以上２．５質量％以下のカルシウム（Ｃａ）を含むものを挙げることができる。
上述の実施の形態においては、溶加材としてＡｇ又はＧａのうちのいずれかの元素だけを固溶したものを示すが、これに限定されず、例えば、ＡｇとＧａとを同時に固溶させた合金にしてもよい。
Ａｇ又はＧａの数値範囲を特定したのは、以下のことによる。すなわち、上述のように、一般に、金属の機械的強度は、結晶粒径ｄの（－１／２）乗に比例する、すなわち、結晶粒径が大きくなる程減少することが知られている（ホール・ペッチ（Hall-Petch）の法則）。
　また、一般に、母材中に固溶される金属元素が、その母材中に生じさせる結晶のひずみ（ミスフィットひずみ）によって、機械的な強度が大きくなることが知られている（固溶強化理論）。その関係は、下記式（１）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
上記式（１）中、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
は、Ｍｇ合金の降伏応力
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
は、Ｍｇの降伏応力
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
は、固溶による強化量
ｋは、Ｍｇに固有の値＝２２０（ＭＰａ／μｍ）
ｄは、粒径（μｍ）、をそれぞれ示す。
結晶粒径が変化し、かつ他元素が固溶することにより結晶のひずみが生じているＭｇ合金材料の降伏応力は、上記式（１）で表すことができる。Ｍｇ合金材料の降伏応力は、Ｍｇの降伏応力、結晶粒径に基づく降伏応力、および固溶による強化量の和から成り立つ。
本発明は、上述の「第一原理計算から求めたミスフィットひずみを用いて、公知の式を組み合わせることによりアルミニウム（Ａｌ）合金の強度を説明する」という考え方を、マグネシウム（Ｍｇ）合金にさらに応用したものである。すなわち、溶接により結晶粒径が大きくなり機械的性質が劣化してしまうことを補うため、ミスフィットひずみ効果の大きい金属元素を固溶させた合金を溶加材として開発したものである。このミスフィットひずみ効果の大きさは、第一原理計算を用いることにより算出することができる。
なお、算出の具体的方法は、Ｍｇ結晶中の一つの原子を他の金属元素に置き換え、量子論に基づいて電子状態を計算することにより、元のＭｇ元素同士の距離と、ある元素で置換したときの原子間距離とを算出することができる。この距離の違いから計算したものがミスフィットひずみである。
このような固溶強化に有効な元素が、固溶するかどうかについては、合金状態図と照らし合わせて予測する。しかしながら、合金状態図の多くは２元系又は３元系であり、４種類以上の元素が含まれる合金の場合、固溶するかどうかは実験により確認するしかない。多くの元素に対して実験を行った結果、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）が固溶強化元素として有効であることを見出した。
銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）の固溶強化元素としての有効性を、例えば、結晶粒径が２０μｍのマグネシウム合金展伸材を溶接して、溶融部の結晶粒径が２００μｍへと結晶粒が粗大化したケースで説明する。
図１は、Ｍｇ－５ａｔ％（原子濃度）Ａｌ固溶体合金（実験的に得られるＡｌが固溶限界まで固溶した合金）の０．２％耐力と結晶粒径の（－１／２）乗との関係を示した理論線、及びＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金押出材を母材とした場合の一般的に得られる結晶粒径に対する予測耐力、Ｍｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金を溶加材として用いた場合の溶接体溶融部結晶粒径に対する予測耐力、並びにＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金に０．１ａｔ％Ａｇを固溶させた合金の０．２％耐力と結晶粒径の（－１／２）乗との関係を示した理論線、及び溶加材としてＭｇ－５ａｔ％Ａｌ－０．１ａｔ％Ａｇ固溶体合金を用いた場合の溶融部結晶粒径に対する予測耐力を示す。
図２は、Ｍｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金（実験的に得られるＡｌが固溶限界まで固溶した合金）の０．２％耐力と結晶粒径の（－１／２）乗との関係を示した理論線、およびＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金押出材を母材とした場合の一般的に得られる結晶粒径に対する予測耐力、Ｍｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金を溶加材として用いた場合の溶接体溶融部結晶粒径に対する予測耐力、並びにＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金に１ａｔ％Ｇａを固溶させた合金の０．２％耐力と結晶粒径の（－１／２）乗との関係を示した理論線および溶加材としてＭｇ－５ａｔ％Ａｌ－１ａｔ％Ｇａ固溶体合金を用いた場合の溶融部結晶粒径に対する予測耐力を示す。
図１、２に示すように、母材であるＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金に対して、同じＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金溶加材を用いて溶接した場合、母材の降伏強度は１７７ＭＰａ、溶融部の降伏強度は１３５ＭＰａとなり、溶融部の強度が著しく低下してしまう。これに対して、母材であるＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金にさらに０．１ａｔ％のＡｇを固溶させた場合、溶融部の降伏強度は１７７ＭＰａとなり、母材と同等の強度が実現可能である。同様に、母材であるＭｇ－５ａｔ％Ａｌ固溶体合金にさらに１ａｔ％のＧａを固溶させた場合、溶融部の降伏強度は１７７ＭＰａとなり、母材と同等の強度が実現可能である。
実際のＭｇ合金展伸材では結晶粒径が数μｍから１００μｍ程度までの幅があり、また、溶接条件あるいは組成により溶融部の結晶粒径は数百μｍにまで粗大化する場合があることから、母材と溶融部の強度を同等にするための添加量は様々な量が必要となる。例えば、母材の結晶粒径を１００μｍ、溶融部の結晶粒径を２００μｍとした場合、母材と溶融部の強度を同等にするためには、０．００７ａｔ％Ａｇ又は０．０３６ａｔ％Ｇａを固溶させることが必要である。これらを質量％に換算すると０．０３質量％Ａｇ、０．１質量％Ｇａとなる。これらの値は原子が単独で固溶した場合を仮定して算出したものであり、複数の原子が集団で固溶した場合、より少ない量で効果を発揮する場合もある。得られた数値を元に実験により検討した結果、０．０１質量％Ａｇ、０．０８質量％Ｇａを下限とした。一方、実際にＡｇ及び／又はＧａがＭｇ合金に固溶可能な量は１．５ａｔ％程度であることから、これを質量％に換算した６．３質量％Ａｇ、４．２質量％Ｇａが上限になる。
２．マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造
本発明の実施の形態に係るマグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合されたマグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造であって、溶加材は、上述の溶加材、すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるもの、好ましくは、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるものであるように構成される。
本実施の形態において用いられるＭｇ合金材料としては、上述の溶加材における発明の場合と同様の展伸材又は鋳造材を用いることができる。
３．Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法
本発明の実施の形態に係るＭｇ合金材料の溶融溶接による接合方法は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合する方法であって、溶加材として、上述の溶加材、すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるもの、好ましくは、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるものを用いるように構成される。
本実施の形態において用いられるＭｇ合金材料としては、上述の溶加材における発明の場合と同様の展伸材又は鋳造材を用いることができる。
４．マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体
本発明の実施の形態に係るマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合されたマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体であって、溶加材は、上述の溶加材、すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるもの、好ましくは、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるものであるように構成される。
本実施の形態の接合構造体においては、その溶接部の組成中に所定量の銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）が含まれ、固溶体が形成されていればよい。従って、添加成分である銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）が溶接部に所定量含まれていればよい。例えば、出発材料として、接合される複数のＭｇ合金材料と同様の成分を有する溶加材と、上述の銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含む溶加材とを併用して、最終的な溶接部の合金組成として、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有するものであるように構成してもよい。
５．マグネシウム（Ｍｇ）合金材料溶接接合構造体の製造方法
本発明の実施の形態に係るマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合するマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法であって、溶加材として、上述の溶加材、すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるもの、好ましくは、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成、また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなるものを用いるように構成される。
本実施の形態において用いられるマグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するマグネシウム（Ｍｇ）合金材料としては、上述の場合と同様の展伸材又は鋳造材を用いることができる。
以下に、本発明の溶加材、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造、Ｍｇ合金材料の溶融溶接による接合方法、Ｍｇ合金材料接合構造体、及びＭｇ合金材料接合構造体の製造方法を、実施例を用いてさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって、いかなる制限を受けるものではない。
合金組成を変えた各種溶加材を用いて、同一のＭｇ合金材料の展伸材を溶接し、溶接部について各種評価試験を行った。
なお、母材中のＡｌの固溶量は、電子線マイクロアナライザ（電子線を対象物に照射する事により発生する特性Ｘ線の波長と強度から構成元素を分析する装置）を用いて定量分析した。
（実施例１）
（溶加材の作製）
ＡＺ９１Ｄ合金に難燃性付与のために、２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加したマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＺ９１Ｄ－２質量％Ｃａ」をベースにして、これに追加添加物として、ガリウム（Ｇａ）を、合金組成１００質量％において０．０８質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＺ９１Ｄ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（ガリウム（Ｇａ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．０８質量％Ｇａ）を作製した。ここで、ＡＺＸ９１２は、９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇの組成からなる。すなわち、溶加材は、合金組成１００質量％中に、９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、０．０８質量％Ｇａ、残部Ｍｇの組成から構成されている。組成は、固形形成した円筒形状の塊から一部を切り出し、酸分解後にＩＣＰ発光分光分析法で成分分析した。以下の実施例及び比較例においても同様である。
（溶接接合構造体（接合構造）の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＺＸ９１２：組成：９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、及び直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．０８質量％Ｇａ）を１本用いた。溶接方法は、ティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＺＸ９１２溶接接合構造体（接合構造）（溶接継手）を作製した。接合構造体（接合構造）の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。なお、以下、「溶接接合構造体（接合構造）」及び「接合構造体（接合構造）」は、「接合構造体」ということがある。
（実施例２～７）
（溶加材の作製）
ガリウム（Ｇａ）を、合金組成１００質量％において実施例２では０．１５質量％、実施例３では０．２２質量％、実施例４では０．３０質量％、実施例５では０．５９質量％、実施例６では１．２８質量％、そして実施例７では２．６８質量％にしたこと以外は、実施例１と同様に溶加材を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
Ｍｇ合金溶加材が、実施例２では（ＡＺＸ９１２＋０．１５質量％Ｇａ）、実施例３では（ＡＺＸ９１２＋０．２２質量％Ｇａ）、実施例４では（ＡＺＸ９１２＋０．３０質量％Ｇａ）、実施例５では（ＡＺＸ９１２＋０．５９質量％Ｇａ）、実施例６では（ＡＺＸ９１２＋１．２８質量％Ｇａ）、そして実施例７では（ＡＺＸ９１２＋２．６８質量％Ｇａ）のものを用いたこと以外は、実施例１と同様に溶接接合構造体を作製した。
（実施例８）
（溶加材の作製）
ＡＺ９１Ｄ合金に難燃性付与のために、２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加したマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＺ９１Ｄ－２質量％Ｃａ」をベースにして、これに追加添加物として、銀（Ａｇ）を、合金組成において０．０１質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＺ９１Ｄ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（銀（Ａｇ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．０１質量％Ａｇ）を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＺＸ９１２：組成：９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、及び直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．０１質量％Ａｇ）を１本用いた。溶接方法は、ティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＺＸ９１２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（実施例９～１６）
（溶加材の作製）
銀（Ａｇ）を、合金組成１００質量％において実施例９では０．０３質量％、実施例１０では０．０５質量％、実施例１１では０．１０質量％、実施例１２では０．２２質量％、実施例１３では０．４３質量％、実施例１４では０．８４質量％、実施例１５では１．００質量％、そして実施例１６では３．８１質量％にしたこと以外は、実施例８と同様に溶加材を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
Ｍｇ合金溶加材が、実施例９では（ＡＺＸ９１２＋０．０３質量％Ａｇ）、実施例１０では（ＡＺＸ９１２＋０．０５質量％Ａｇ）、実施例１１では（ＡＺＸ９１２＋０．１０質量％Ａｇ）、実施例１２では（ＡＺＸ９１２＋０．２２質量％Ａｇ）、実施例１３では（ＡＺＸ９１２＋０．４３質量％Ａｇ）、実施例１４では（ＡＺＸ９１２＋０．８４質量％Ａｇ）、実施例１５では（ＡＺＸ９１２＋１．００質量％Ａｇ）、そして実施例１６では（ＡＺＸ９１２＋３．８１質量％Ａｇ）のものを用いたこと以外は、実施例８と同様に溶接接合構造体を作製した。
（実施例１７）
（溶加材の作製）
ＡＺ９１Ｄ合金に難燃性付与のために、２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加したマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＺ９１Ｄ－２質量％Ｃａ」をベースにして、これに追加添加物として、ガリウム（Ｇａ）を、合金組成１００質量％において０．５５質量％になるように、また銀（Ａｇ）を、合金組成において０．８１質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＺ９１Ｄ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（ガリウム（Ｇａ）および銀（Ａｇ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．５５質量％Ｇａ＋０．８１質量％Ａｇ）を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＺＸ９１２：組成：９質量％Ａｌ、１質量％Ｚｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、及び直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＺＸ９１２＋０．５５質量％Ｇａ＋０．０１質量％Ａｇ）を１本用いた。溶接方法は、ティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＺＸ９１２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（実施例１８）
（溶加材の作製）
ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）が添加されたマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＭ６０Ｂ－２質量％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ガリウム（Ｇａ）を、合金組成において１．４質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＭ６０Ｂ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（ガリウム（Ｇａ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＭＸ６０２＋１．４質量％Ｇａ）を作製した。ここで、ＡＭＸ６０２は、６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇの組成からなる。すなわち、溶加材は、合金組成１００質量％中に、６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、１．４質量％Ｇａ、残部Ｍｇの組成から構成されている。組成は、固形形成した円筒形状の塊から一部を切り出し、酸分解後にＩＣＰ発光分光分析法で成分分析した。以下の実施例及び比較例においても同様である。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＭＸ６０２：組成：６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、並びに直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＭＸ６０２＋１．４質量％Ｇａ）を１本用いた。溶接方法はティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＭＸ６０２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（実施例１９）
（溶加材の作製）
ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）が添加されたマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＭ６０Ｂ－２質量％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ガリウム（Ｇａ）を、合金組成において２．８質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＭ６０Ｂ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（ガリウム（Ｇａ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＭＸ６０２＋２．８質量％Ｇａ）を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＭＸ６０２：組成：６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、並びに直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＭＸ６０２＋２．８質量％Ｇａ）を１本用いた。溶接方法はティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＭＸ６０２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（実施例２０）
（溶加材の作製）
ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）が添加されたマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＭ６０Ｂ－２質量％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、銀（Ａｇ）を、合金組成において１．６質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＭ６０Ｂ合金、カルシウム（Ｃａ）及び追加添加物（銀（Ａｇ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＭＸ６０２＋１．６質量％Ａｇ）を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＭＸ６０２：組成：６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、並びに直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＭＸ６０２＋１．６質量％Ａｇ）を１本用いた。溶接方法はティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＭＸ６０２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（実施例２１）
（溶加材の作製）
ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウム（Ｃａ）が添加されたマグネシウム（Ｍｇ）合金「ＡＭ６０Ｂ－２質量％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、銀（Ａｇ）を、合金組成において２．１質量％になるように添加した。次に、溶解鋳造炉のるつぼの中で、ＡＭ６０Ｂ合金、カルシウム及び追加添加物（銀（Ａｇ））を６００～７５０℃で溶解し、溶解した溶湯が均質になるよう撹拌した後、円筒状に固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１５０、押し出し温度を４２０℃で熱間押し出し加工、次に冷間での伸線加工を経て直径３ｍｍの棒状の溶加材（ＡＭＸ６０２＋２．１質量％Ａｇ）を作製した。
（溶接接合構造体の作製）
厚さが３ｍｍ、幅が１２０ｍｍ、成形方向に長さが３００ｍｍのＭｇ合金材料（ＡＭＸ６０２：組成：６質量％Ａｌ、０．５質量％Ｍｎ、２質量％Ｃａ、残部Ｍｇ）からなる２枚の試験板、並びに直径が３ｍｍの、上述のようにして作製されたＭｇ合金溶加材（ＡＭＸ６０２＋２．１質量％Ａｇ）を１本用いた。溶接方法はティグ（ＴＩＧ）溶接法で、ＴＩＧ溶接機（ダイヘン社製：商品名：ＤＡ３００Ｐ）を用いてＡＭＸ６０２溶接接合構造体（溶接継手）を作製した。接合構造体の形状は、幅が２４０ｍｍ、長さが３００ｍｍになるように並べて、成形方向に平行に突合せ部を溶接した。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と試験版の距離は２ｍｍ、交流式で電流１２０Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
（比較例１）
溶加材として、直径が３ｍｍのＭｇ合金溶加材（ＡＺＸ９１２単独）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてＡＺＸ９１２溶接継手を形成した。
（比較例２）
溶加材として、直径が３ｍｍのＭｇ合金溶加材（ＡＭＸ６０２単独）を用いたこと以外は、実施例１８と同様にしてＡＭＸ６０２溶接継手を形成した。
（評価試験）
実施例１～２１及び比較例１～２で得られた溶接継手（溶接部）について、以下の評価試験を行った。その結果を表１に示す。
３．引張試験
引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に基づき行った。図３に示すように、ＪＩＳ１Ａ号試験片に準じ、引張試験用試料の寸法は、外形寸法の長さが２４０ｍｍ、幅が３７ｍｍで、評価部の幅は２５ｍｍとした。溶接部の幅方向の中央が図中の「斜線部」の中央に位置するようにした。試験片は、フライス加工で溶接における余盛り部を取り除き、帯鋸で３７ｍｍ幅に切断した後、フライス加工でダンベル形状に切り出して引張試験片形状とした。なお、溶接部の余盛りは削除し肉厚が元厚である３ｍｍになるようにした。引張試験は、室温で行った。破断強度を接合強度とした。
４．継手効率
継手効率は、溶接材の強度を母材強度で除し、１００を掛けて％として算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
表１から、実施例１－１７において得られた継手効率は比較例１の結果を、実施例１８－２１において得られた継手効率は比較例２の結果をそれぞれ大幅に上回っており、かつ比較例の破断部が溶融部であるのに対し、実施例の破断部は多くが熱影響部であるので、本発明の効果を明確に認めることができた。
本発明は、従来の溶接装置や溶接方法をそのまま又は若干改造して用いることによって、複数のＭｇ合金材料を簡易に溶融溶接することができるとともに、優れた機械的強度の溶接構造体を得ることができるため、大きな機械強度を要する用途、例えば、鉄道車両、産業車両及び道路交通法上の車両等の大きな輸送設備や大きな構造材料等を扱う、各種製造業、輸送業、建築業、機械工業、化学工業等の分野において、好適に利用されることができる。

Claims (9)

  1. マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を溶融溶接によって接合する際に用いられる溶加材であって、
    　マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有するとともに、銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）を含有する合金組成から構成されてなる溶加材。
  2. 前記合金組成は、銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）を含有する場合、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）又は０．０８質量％以上４．２質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する、請求項１に記載の溶加材。
  3. 前記合金組成は、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の組成割合をＸ（０<Ｘ<１）、ガリウム（Ｇａ）の組成割合を（１－Ｘ）とした場合、０．０１×Ｘ質量％以上６．３×Ｘ質量％以下の銀（Ａｇ）及び０．０８×（１－Ｘ）質量％以上４．２（１－Ｘ）質量％以下のガリウム（Ｇａ）を含有する、請求項１に記載の溶加材。
  4. 前記合金組成は、前記マグネシウム（Ｍｇ）、並びに銀（Ａｇ）及び／又はガリウム（Ｇａ）に加えて、さらに、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）及びカルシウム（Ｃａ）、又はアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカルシウム（Ｃａ）をさらに含有する、請求項１に記載の溶加材。
  5. 前記マグネシウム（Ｍｇ）合金材料は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料、又はマグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカルシウム（Ｃａ）を含む合金材料である、請求項１に記載の溶加材。
  6. マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合された前記マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と前記溶加材との接合構造であって、前記溶加材は、請求項１に記載の溶加材である、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料と溶加材との接合構造。
  7. マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合する方法であって、前記溶加材として、請求項１に記載の溶加材を用いる、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法。
  8. マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料が溶加材を介して溶融溶接によって接合されたマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体であって、前記溶加材は、請求項１に記載の溶加材である、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体。
  9. マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有する複数のマグネシウム（Ｍｇ）合金材料を、溶加材を用いて溶融溶接によって接合するマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法であって、前記溶加材として、請求項１に記載の溶加材を用いる、マグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法。
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