WO2015093483A1

WO2015093483A1 - 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

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Publication number: WO2015093483A1
Application number: PCT/JP2014/083270
Authority: WO
Inventors: 光二上田; 裕木ノ本; 順庸瀧川; 東　健司; 徳照上杉
Original assignee: 木ノ本伸線株式会社; 公立大学法人大阪府立大学
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-06-25

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、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（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。Ｍｇ合金の中でも、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）を含むＡＭ系、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）を含むＡＺ系が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、０．０３～５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。中でもアルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）を含むＡＭ系、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）を含むＡＺ系において、ＸがＣａである難燃性のＡＭＸ系マグネシウム合金、ＡＺＸ系マグネシウム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）。

ただ、Ｃａ：０．０１～５．０質量％、Ａｌ：０．０１～１２質量％を含むＭｇ合金に更にＡｇやその他の添加元素を含む展伸材及びその製造方法が知られている（特許文献３）。しかし展伸材そのものであって、溶加材ではない。
又、マグネシウム基合金にＡｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｙ、Ｚｒなどの元素群を含むマグネシウム溶接線が知られている（特許文献４）。添加元素の合計は２０質量％以下とあるのみであり、Ａｇ単独の添加元素としての添加量は記載も示唆もない。

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号公報特開２００６－１６６５５号公報ＷＯ２００６／１００８６０

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-Tiand 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。

請求項１記載の溶加材は、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、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（Ａｇ）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である。

請求項２記載の溶加材は、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）を含有することを特徴とする請求項１に記載の溶加材である。

請求項３記載の溶加材は、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）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、銀（Ａｇ）の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１であることを特徴とする溶加材である。

銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を共に含有し、銀（Ａｇ）の含有量が０．０１％未満でありかつガリウム（Ｇａ）の含有量が０．０８％未満であっても、銀（Ａｇ）の合金中の含有質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）の含有量であれば、固溶強化が発現されるからである。互いに他の元素による固溶強化効果を補えるものと推測される。

請求項４記載の溶加材は、前記合金組成は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有し、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれかの１または複数の元素成分を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶加材である。

請求項５記載の溶加材は、前記合金組成は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有しアルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、カルシウム（Ｃａ）を含むＡＭＸ系合金、又は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有しアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）を含むＡＺＸ系合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶加材である。

請求項６記載の接合構造は、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乃至５のいずれか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である。

　請求項７記載の接合方法は、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、前記溶加材として、請求項１乃至５のいずれか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である。

請求項８記載の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、前記溶加材は、請求項１乃至５のいずれか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である。

請求項９記載のマグネシウム（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、前記溶加材として、請求項１乃至５のいずれか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である。
　発明の効果

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。

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。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。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。発明を実施するための形態

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、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（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い。

また、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀　（Ａｇ）単独での下限量０．０１質量％以下又は、ガリウム（Ｇａ）単独での下限量０．０８以下であっても、下記条件を満たす場合、すなわち、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、銀（Ａｇ）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）の含有量であることが好ましい。銀（Ａｇ）又はガリウム（Ｇａ）が他方の元素の固溶強化効果を補うからである。

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及び又は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。

Ｍｇ合金はその必要とされる特性により、各種元素が意図的に混じられ、種々のＭｇ合金とされている。溶加材の合金組成は、被接合体の組成に応じ、被接合体がＡＭ系であれば溶加材は、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）、を含有することが好ましく、被接合体がＡＺ系であれば溶加材もアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）をさらに含有するＡＺ系が好ましい。更にカルシウム（Ｃａ）を含むことが好ましい。特に被接合材がカルシウム（Ｃａ）を含む場合は溶加材もカルシウム（Ｃａ）を含むことが好ましく、ＡＭ系、ＡＺ系であって更にカルシウム（Ｃａ）を含むものが好ましい。

例えば、接合すべき材料、すなわち被接合材が（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、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）（以下、「Ｚｎ」ということがある）、Ｃａ、が質量比でほぼ９質量％：１質量％：２質量％で含まれ更にＡｇ及び／又はＧａを所定量含有し、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、被接合材が（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、が質量比でほぼ６質量％：０．５質量％：２質量％で含まれ、更にＡｇ及び／又はＧａを所定量含有し、残部Ｍｇの組成から構成されていることが好ましい。

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（Ｓｉ）を、また難燃性能付加のためカルシウム（Ｃａ）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。これらの合金はＭｇに所定の元素を所定量添加することにより種々の有益な特性を得ることを企図して製造されるものであり、特性を実質的に損ねない範囲で他の元素を含むことができる。しかし本発明では、Ａｇ及び又はＧａの効果を阻害する金属が合金中に存在することは好ましくない。言い換えると、Ｍｇ以外の金属でＡｇ及び／又はＧａと容易に相互作用する金属の添加については、本発明の意図するところではない。Ａｇ及び／又はＧａと容易に相互作用しないものであれば上記以外の他の元素を合金の特性、例えば機械的性質、を実質的に損なわない範囲で含んでいてもよい。

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。

上記式（１）中、
Δσは、Ｍｇ合金の降伏応力
σ_matrixは、Ｍｇの降伏応力
Δσ_ｓ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。特に、添加した元素と合金に含まれる他の元素が優先的に化合物を形成する場合、固溶の効果は失われてしまう。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、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｍｎなどの元素と優先的に化合物を形成することなく、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％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）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（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、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（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。

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）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（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）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（Ｇａ）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）及びガリウム（Ｇａ）を含有する場合、銀（Ａｇ）の合金中の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の合金中の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１となる銀（Ａｇ）及びガリウム（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、残部がＭｇおよび不可避不純物からなる。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、残部がＭｇおよび不可避不純物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通りである。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。

この場合、銀（Ａｇ）の添加による銀（Ａｇ）の含有量は０．８１質量％であって銀（Ａｇ）単独の下限値０．０１％よりも大きく、同じくガリウム（Ｇａ）の添加によるガリウム（Ｇａ）の含有量は０．５５質量％であって、ガリウム（Ｇａ）単独の下限値０．０８％よりも大きい場合に相当する。

（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（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。

（実施例２２）
（溶加材の作製）
ガリウム（Ｇａ）を、合金組成１００質量％において０．０５質量％になるように、銀（Ａｇ）を、合金組成１００質量％において０．００４質量％、にしたこと以外は、実施例１７と同様に溶加材を作製した。
この場合、銀（Ａｇ）含有量Ｘ質量％は０．００４％であって、銀（Ａｇ）単独での下限値０．０１％以下であり、かつガリウム（Ｇａ）の含有量Ｙ質量％は０．０５％であって、ガリウム（Ｇａ）単独での下限値０．０８％以下であり、かつ
０．００４／０．０１＋０．０５／０．０８＝０．４＋０．６２５＝１．０２５≧ １を満たす場合に相当する。

（溶接接合構造体の作製）
Ｍｇ合金溶加材が、（ＡＺＸ９１２＋０．０４質量％Ｇａ＋０．００４質量％Ａｇ）のものを用いたこと以外は、実施例１７と同様に溶接接合構造体を作製した。

（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。

（比較例３～４）
（溶加材の作製）
銀（Ａｇ）を、合金組成１００質量％において比較例３では０．００２５質量％、そして比較例４では０．００１２５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、比較例３では（ＡＺＸ９１２＋０．００２５質量％Ａｇ）、そして比較例４では（ＡＺＸ９１２＋０．００１２５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。

（評価試験）
実施例１～２２及び比較例１～４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。

表１から、実施例１～１７、２２において得られた継手効率は比較例１、３、４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。
産業上の利用可能性

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

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、０．０１質量％以上６．３質量％以下の銀（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。
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。
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）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、銀（Ａｇ）の質量％をＸとすると０＜Ｘ＜０．０１であり、ガリウム（Ｇａ）の質量％をＹとすると０＜Ｙ＜０．０８であって、かつ、Ｘ／０．０１＋Ｙ／０．０８≧１である合金組成から構成されてなる溶加材。
前記合金組成は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有し、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、シリコン（Ｓｉ）のいずれかの１または複数の元素成分を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶加材。
前記合金組成は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有しアルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、カルシウム（Ｃａ）を含むＡＭＸ系合金、又は、マグネシウム（Ｍｇ）を５０質量％以上含有しアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、カルシウム（Ｃａ）を含むＡＺＸ系合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶加材。
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乃至５のいずれか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。
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乃至５のいずれかに記載の溶加材を用いることを特徴とするマグネシウム（Ｍｇ）合金材料の溶融溶接による接合方法。
マグネシウム（Ｍｇ）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乃至５のいずれかに記載の溶加材であることを特徴とするマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体。
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乃至５のいずれかに記載の溶加材を用いることを特徴とするマグネシウム（Ｍｇ）合金材料接合構造体の製造方法。