アルミニウム合金用溶接材料及び溶接方法
【課題】例えば、ＭＩＧ溶接に適用することができ、継手強度が高く、靭性の高い溶接部を備えたアルミニウム合金材の溶接継手を得ることができるアルミニウム又はアルミニウム合金用溶接材料と、このような溶接材料を使用したアルミニウム又はアルミニウム合金の溶接方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉを質量比で４．５〜１３．０％の範囲で含有するＡｌ−Ｓｉ系溶接材料中に、Ｓｒを１０〜４００ｐｐｍの範囲、望ましくは１５０〜２５０ｐｐｍの範囲で添加する。
【解決手段】Ｓｉを質量比で４．５〜１３．０％の範囲で含有するＡｌ−Ｓｉ系溶接材料中に、Ｓｒを１０〜４００ｐｐｍの範囲、望ましくは１５０〜２５０ｐｐｍの範囲で添加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材料の溶接に使用される溶接材料と、このような溶接材料を使用した溶接方法に係わり、特に継手強度が高く、靭性に優れた溶接部を得ることができるアルミニウム合金用溶接材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や鉄道車両、あるいは船舶などにおいては、燃費の向上及び高速化が求められており、その方策として、従来の鉄鋼材料に代わって、車体、船体へのアルミニウム合金材料の適用が拡大しており、このような車体や船体の組立には、主としてアーク溶接などによる溶融溶接方法が用いられている。
このようなアルミニウム合金の溶接には、例えばＪＩＳ Ｚ３２３２に規定されているＡ４０４３（４．５〜６％Ｓｉ）やＡ４０４７（１１．０〜１３．０％Ｓｉ）などのいわゆる４０００系合金の溶接材料が用いられているが、このようなＡｌ−Ｓｉ系溶接材料では、溶接部の強度及び靭性が低くなる傾向があることから、溶接条件、例えば溶接電流、溶接電圧、溶接速度などを最適化することによって、継手強度の向上が行なわれてきた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９‐２００３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、溶接条件の最適化だけでは、向上幅にも自ずから限度があり、上記のようなＡｌ−Ｓｉ系溶接材料は、強度及び靭性を要求される溶接部には実用的ではないという問題点があった。
なお、Ａｌ−Ｓｉ系（４０００系）溶接材料に代えて、Ａｌ−Ｍｇ系の５０００系材料を適用することによって、強度や靭性が向上するものの、応力腐食割れ感受性及び粒界腐食感受性が高いことから、５０００系溶接材料を使用することはできない。
【０００４】
本発明は、従来のＡｌ−Ｓｉ系溶接材料における上記のような課題に鑑みてなされたものであって、例えばＭＩＧ溶接によってアルミニウム合金材を溶接した場合の継手強度が高く、靭性の高い溶接部を得ることができるアルミニウム又はアルミニウム合金用溶接材料と、このような溶接材料を使用したアルミニウム合金の溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成するために、溶接施工条件と共に、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料への合金元素添加などについて鋭意検討を繰り返した結果、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料中に微量のＳｒを添加することによって、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織におけるＳｉ粒子を微細化することができ、もって溶接継手の強度や溶接部の靭性が向上することを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００６】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、質量比で、Ｓｉを４．５〜１３．０％の範囲、Ｓｒを１０〜４００ｐｐｍの範囲、望ましくは１５０〜２５０ｐｐｍの範囲で含有すると共に、これ以外の残部がＡｌ及び不可避不純物から成ることを特徴としており、本発明のアルミニウム合金の溶接方法においては、本発明の溶接材料、すなわち上記範囲のＳｉ及びＳｒを含有する溶接材料を用いて溶接することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料に微量のＳｒを添加するようにしているので、このようなアルミニウム合金用溶接材料を電極ワイヤとしてＭＩＧ溶接に適用したり、溶加材としてＴＩＧ溶接や酸素‐アセチレン溶接などに適用したりすることによって、Ａｌ−Ｓｉ系合金から成る溶接金属中に晶出する共晶Ｓｉ粒子を微細化することができ、高強度、高靭性を備えた溶接継手を形成することができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、各種合金成分の限定理由と共に、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
【０００９】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、上記したように、４．５〜１３．０％のＳｉと、１０〜４００ｐｐｍのＳｒを含有するものである（残部、実質的にＡｌ）が、これら合金成分の限定理由について、以下に説明する。
【００１０】
Ｓｉ：４．５〜１３．０％
Ａｌ合金中において、Ｓｉは、溶接時における溶融金属の湯流れ性の向上、及び継手強度の向上に有効な成分元素であるが、溶接材料中のＳｉ含有量が４．５％未満の場合には、このような効果が小さく、逆にＳｉ含有量が１３％を超えた場合には、共晶Ｓｉの晶出量の増加や、あるいは初晶Ｓｉの晶出によって（Ａｌ−Ｓｉ合金における共晶点：１１．６％Ｓｉ）、靭性が低下することから、４．５〜１３．０％の範囲とすることが必要である。
【００１１】
Ｓｒ：１０〜４００ｐｐｍ
Ｓｒは、Ａｌ−Ｓｉ系合金中に晶出する共晶Ｓｉ粒子を微細化し、伸びや靭性、継手強度の向上に寄与する元素であるが、溶接材料中のＳｒ含有量が１０ｐｐｍに満たない場合には、このような効果が実質的に得られず、逆に溶接材料中のＳｒ含有量が４００ｐｐｍを超えた場合には、Ａｌとの金属間化合物を形成して靭性が低下するため、Ｓｒ無添加の場合と同等の継手強度となってしまうことから、溶接材料中のＳｒ含有量を１０〜４００ｐｐｍの範囲とする必要がある。
なお、Ｓｒ含有量については、１５０〜４００ｐｐｍの範囲内とすることがさらに望ましく、このような範囲とすることによって、例えばＭＩＧ溶接による継手強度をより確実に向上させることができるようになる。
【００１２】
また、上記Ｓｉ及びＳｒ以外の成分元素としては、例えばＪＩＳ Ｚ３２３２に、Ａ４０４３あるいはＡ４０４７として規定されているように、０．８％以下のＦｅ、０．３０％以下のＣｕ、０．１５％以下のＭｎ、０．１０％以下のＭｇ、０．２０％以下のＺｎ、０．２０％以下のＴｉ等が許容され、これらの元素が本発明の「不可避不純物」に相当する。
【００１３】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料の具体的形態としては、例えば棒状のもの、連続したワイヤ状、あるいは粉末状、粒状のものとして各種の溶接に使用することが考えられる。
【００１４】
すなわち、適当な長さ（例えば、１０００ｍｍ）の棒状（例えば、１．６〜６．０ｍｍ径）とすることによって、酸素‐アセチレン溶接や、手動のＴＩＧ溶接（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）などに溶加材（ｆｉｌｌｅｒ ｍａｔａｌ）として適用することができる。
【００１５】
また、例えば、０．６〜６．４ｍｍ径程度の連続したワイヤをリールやスプールに整列巻きすることによって、ＭＩＧ溶接（ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）における消耗電極ワイヤとして、あるいはＴＩＧ溶接の溶加材として、自動、半自動溶接に適用することができる。
また、電子ビーム溶接や、レーザ溶接などにおいて、溶加材としても使用することができる。
【００１６】
さらには、粉末状や粒状（ワイヤをその径程度の長さに切断したものでもよい）にした当該溶接材料を溶接ラインに沿ってあらかじめ散布しておいたり、ノズルから溶融プール内に連続的に供給したりすることによって、溶加材として上記のような各種溶接方法に適用することも可能である。
【００１７】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、主に、ＪＩＳ Ｈ４１００に６０００系として規定されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金に適用することができる。
上記６０００系アルミニウム合金は、機械的強度、耐食性共に良好で、構造用材料として広く用いられており、アルミサッシに多量に用いられている６０６３合金、鉄道車両や自動車用部材、陸上構造物、船舶などに使用されている６Ｎ０１合金、少量のＣｕを添加して構造用鋼材に匹敵するほどの耐力を有する６０６１合金に適用することが可能である。なお、Ａｌ−Ｍｇ系合金へ適用した場合には、継手強度の上昇効果は認められなかった。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００１９】
（溶接用ワイヤの作製）
表１に示すように、ＪＩＳ Ｚ３２３２に規定されるＡ４０４７ＷＹ及びＡ４０４３ＷＹに相当する化学成分を有し、Ｓｒ含有量をそれぞれ変化させた６種類のアルミニウム合金を溶解してインゴットとしたのち、１．２ｍｍ径のワイヤ状アルミニウム合金用溶接材料を試作した。
【００２０】
【表１】
【００２１】
（重ね隅肉溶接継手の作製）
次に、上記表１に示した各溶接用ワイヤを用いて、ＪＩＳ Ｈ４１００に規定される６０６３合金から成る厚さ２．ｍｍの板材（Ｔ１材）の重ね隅肉溶接継手を下記条件による交流パルスＭＩＧ溶接によって作製した。
溶接方法：自動ＭＩＧ溶接（交流パルス法）
溶接電流：１４０Ａ
溶接電圧：１８Ｖ
溶接速度：０．７５ｍ／ｍｉｎ
シールドガス：アルゴン
シールドガス流量：２５Ｌ／ｍｉｎ
溶接長：３００ｍｍ
重ね代：４０ｍｍ
【００２２】
（継手強度）
上記により得られた各重ね隅肉溶接継手から、幅４０ｍｍの継手引張り試験片をそれぞれ採取し、引張試験によって継手強度を評価した。
図１は、継手強度試験結果をＳｒ含有量を横軸にとって整理したものであって、この図から明らかなように、Ｓｒ添加量の増加に伴って継手強度が向上し、Ｓｒを１６０ｐｐｍ添加した溶接材料（実施例２）において、Ｓｒを添加しない従来材料（比較例１）に較べて継手強度が約２１％向上することが確認された。
【００２３】
このように、所定量のＳｒを含有する実施例１〜４の溶接材料を使用することによって、高強度な溶接継手部を形成することが可能であり、溶接構造物全体の特性を向上させることができ、軽量化が要求される種々の分野においてアルミニウム合金材の適用範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】重ね隅肉溶接継手の継手強度に及ぼす溶接材料中のＳｒ含有量との関係を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材料の溶接に使用される溶接材料と、このような溶接材料を使用した溶接方法に係わり、特に継手強度が高く、靭性に優れた溶接部を得ることができるアルミニウム合金用溶接材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や鉄道車両、あるいは船舶などにおいては、燃費の向上及び高速化が求められており、その方策として、従来の鉄鋼材料に代わって、車体、船体へのアルミニウム合金材料の適用が拡大しており、このような車体や船体の組立には、主としてアーク溶接などによる溶融溶接方法が用いられている。
このようなアルミニウム合金の溶接には、例えばＪＩＳ Ｚ３２３２に規定されているＡ４０４３（４．５〜６％Ｓｉ）やＡ４０４７（１１．０〜１３．０％Ｓｉ）などのいわゆる４０００系合金の溶接材料が用いられているが、このようなＡｌ−Ｓｉ系溶接材料では、溶接部の強度及び靭性が低くなる傾向があることから、溶接条件、例えば溶接電流、溶接電圧、溶接速度などを最適化することによって、継手強度の向上が行なわれてきた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９‐２００３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、溶接条件の最適化だけでは、向上幅にも自ずから限度があり、上記のようなＡｌ−Ｓｉ系溶接材料は、強度及び靭性を要求される溶接部には実用的ではないという問題点があった。
なお、Ａｌ−Ｓｉ系（４０００系）溶接材料に代えて、Ａｌ−Ｍｇ系の５０００系材料を適用することによって、強度や靭性が向上するものの、応力腐食割れ感受性及び粒界腐食感受性が高いことから、５０００系溶接材料を使用することはできない。
【０００４】
本発明は、従来のＡｌ−Ｓｉ系溶接材料における上記のような課題に鑑みてなされたものであって、例えばＭＩＧ溶接によってアルミニウム合金材を溶接した場合の継手強度が高く、靭性の高い溶接部を得ることができるアルミニウム又はアルミニウム合金用溶接材料と、このような溶接材料を使用したアルミニウム合金の溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成するために、溶接施工条件と共に、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料への合金元素添加などについて鋭意検討を繰り返した結果、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料中に微量のＳｒを添加することによって、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織におけるＳｉ粒子を微細化することができ、もって溶接継手の強度や溶接部の靭性が向上することを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００６】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、質量比で、Ｓｉを４．５〜１３．０％の範囲、Ｓｒを１０〜４００ｐｐｍの範囲、望ましくは１５０〜２５０ｐｐｍの範囲で含有すると共に、これ以外の残部がＡｌ及び不可避不純物から成ることを特徴としており、本発明のアルミニウム合金の溶接方法においては、本発明の溶接材料、すなわち上記範囲のＳｉ及びＳｒを含有する溶接材料を用いて溶接することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ａｌ−Ｓｉ系溶接材料に微量のＳｒを添加するようにしているので、このようなアルミニウム合金用溶接材料を電極ワイヤとしてＭＩＧ溶接に適用したり、溶加材としてＴＩＧ溶接や酸素‐アセチレン溶接などに適用したりすることによって、Ａｌ−Ｓｉ系合金から成る溶接金属中に晶出する共晶Ｓｉ粒子を微細化することができ、高強度、高靭性を備えた溶接継手を形成することができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、各種合金成分の限定理由と共に、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
【０００９】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、上記したように、４．５〜１３．０％のＳｉと、１０〜４００ｐｐｍのＳｒを含有するものである（残部、実質的にＡｌ）が、これら合金成分の限定理由について、以下に説明する。
【００１０】
Ｓｉ：４．５〜１３．０％
Ａｌ合金中において、Ｓｉは、溶接時における溶融金属の湯流れ性の向上、及び継手強度の向上に有効な成分元素であるが、溶接材料中のＳｉ含有量が４．５％未満の場合には、このような効果が小さく、逆にＳｉ含有量が１３％を超えた場合には、共晶Ｓｉの晶出量の増加や、あるいは初晶Ｓｉの晶出によって（Ａｌ−Ｓｉ合金における共晶点：１１．６％Ｓｉ）、靭性が低下することから、４．５〜１３．０％の範囲とすることが必要である。
【００１１】
Ｓｒ：１０〜４００ｐｐｍ
Ｓｒは、Ａｌ−Ｓｉ系合金中に晶出する共晶Ｓｉ粒子を微細化し、伸びや靭性、継手強度の向上に寄与する元素であるが、溶接材料中のＳｒ含有量が１０ｐｐｍに満たない場合には、このような効果が実質的に得られず、逆に溶接材料中のＳｒ含有量が４００ｐｐｍを超えた場合には、Ａｌとの金属間化合物を形成して靭性が低下するため、Ｓｒ無添加の場合と同等の継手強度となってしまうことから、溶接材料中のＳｒ含有量を１０〜４００ｐｐｍの範囲とする必要がある。
なお、Ｓｒ含有量については、１５０〜４００ｐｐｍの範囲内とすることがさらに望ましく、このような範囲とすることによって、例えばＭＩＧ溶接による継手強度をより確実に向上させることができるようになる。
【００１２】
また、上記Ｓｉ及びＳｒ以外の成分元素としては、例えばＪＩＳ Ｚ３２３２に、Ａ４０４３あるいはＡ４０４７として規定されているように、０．８％以下のＦｅ、０．３０％以下のＣｕ、０．１５％以下のＭｎ、０．１０％以下のＭｇ、０．２０％以下のＺｎ、０．２０％以下のＴｉ等が許容され、これらの元素が本発明の「不可避不純物」に相当する。
【００１３】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料の具体的形態としては、例えば棒状のもの、連続したワイヤ状、あるいは粉末状、粒状のものとして各種の溶接に使用することが考えられる。
【００１４】
すなわち、適当な長さ（例えば、１０００ｍｍ）の棒状（例えば、１．６〜６．０ｍｍ径）とすることによって、酸素‐アセチレン溶接や、手動のＴＩＧ溶接（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）などに溶加材（ｆｉｌｌｅｒ ｍａｔａｌ）として適用することができる。
【００１５】
また、例えば、０．６〜６．４ｍｍ径程度の連続したワイヤをリールやスプールに整列巻きすることによって、ＭＩＧ溶接（ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）における消耗電極ワイヤとして、あるいはＴＩＧ溶接の溶加材として、自動、半自動溶接に適用することができる。
また、電子ビーム溶接や、レーザ溶接などにおいて、溶加材としても使用することができる。
【００１６】
さらには、粉末状や粒状（ワイヤをその径程度の長さに切断したものでもよい）にした当該溶接材料を溶接ラインに沿ってあらかじめ散布しておいたり、ノズルから溶融プール内に連続的に供給したりすることによって、溶加材として上記のような各種溶接方法に適用することも可能である。
【００１７】
本発明のアルミニウム合金用溶接材料は、主に、ＪＩＳ Ｈ４１００に６０００系として規定されるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金に適用することができる。
上記６０００系アルミニウム合金は、機械的強度、耐食性共に良好で、構造用材料として広く用いられており、アルミサッシに多量に用いられている６０６３合金、鉄道車両や自動車用部材、陸上構造物、船舶などに使用されている６Ｎ０１合金、少量のＣｕを添加して構造用鋼材に匹敵するほどの耐力を有する６０６１合金に適用することが可能である。なお、Ａｌ−Ｍｇ系合金へ適用した場合には、継手強度の上昇効果は認められなかった。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００１９】
（溶接用ワイヤの作製）
表１に示すように、ＪＩＳ Ｚ３２３２に規定されるＡ４０４７ＷＹ及びＡ４０４３ＷＹに相当する化学成分を有し、Ｓｒ含有量をそれぞれ変化させた６種類のアルミニウム合金を溶解してインゴットとしたのち、１．２ｍｍ径のワイヤ状アルミニウム合金用溶接材料を試作した。
【００２０】
【表１】
【００２１】
（重ね隅肉溶接継手の作製）
次に、上記表１に示した各溶接用ワイヤを用いて、ＪＩＳ Ｈ４１００に規定される６０６３合金から成る厚さ２．ｍｍの板材（Ｔ１材）の重ね隅肉溶接継手を下記条件による交流パルスＭＩＧ溶接によって作製した。
溶接方法：自動ＭＩＧ溶接（交流パルス法）
溶接電流：１４０Ａ
溶接電圧：１８Ｖ
溶接速度：０．７５ｍ／ｍｉｎ
シールドガス：アルゴン
シールドガス流量：２５Ｌ／ｍｉｎ
溶接長：３００ｍｍ
重ね代：４０ｍｍ
【００２２】
（継手強度）
上記により得られた各重ね隅肉溶接継手から、幅４０ｍｍの継手引張り試験片をそれぞれ採取し、引張試験によって継手強度を評価した。
図１は、継手強度試験結果をＳｒ含有量を横軸にとって整理したものであって、この図から明らかなように、Ｓｒ添加量の増加に伴って継手強度が向上し、Ｓｒを１６０ｐｐｍ添加した溶接材料（実施例２）において、Ｓｒを添加しない従来材料（比較例１）に較べて継手強度が約２１％向上することが確認された。
【００２３】
このように、所定量のＳｒを含有する実施例１〜４の溶接材料を使用することによって、高強度な溶接継手部を形成することが可能であり、溶接構造物全体の特性を向上させることができ、軽量化が要求される種々の分野においてアルミニウム合金材の適用範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】重ね隅肉溶接継手の継手強度に及ぼす溶接材料中のＳｒ含有量との関係を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、４．５〜１３．０％のＳｉと共に、１０〜４００ｐｐｍのＳｒを含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物から成ることを特徴とするアルミニウム合金用溶接材料。
【請求項２】
Ｓｒ含有量が１５０〜２５０ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金用溶接材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接材料を用いることを特徴とするアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項１】
質量比で、４．５〜１３．０％のＳｉと共に、１０〜４００ｐｐｍのＳｒを含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物から成ることを特徴とするアルミニウム合金用溶接材料。
【請求項２】
Ｓｒ含有量が１５０〜２５０ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金用溶接材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接材料を用いることを特徴とするアルミニウム合金の溶接方法。
【図１】
【公開番号】特開２００６−２１８４９１（Ｐ２００６−２１８４９１Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２６７７（Ｐ２００５−３２６７７）
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５９７１２８７１６）日軽産業株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月９日（２００５．２．９）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５９７１２８７１６）日軽産業株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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