JP2004249347A - 溶接構造用クラッド材およびそのクラッド材を用いた溶接構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】非磁性であり、軽量で、しかも溶接性に優れた溶接構造用材料を提供する。また、その材料によって形成された溶接構造部材を提供する。
【解決手段】本発明による溶接構造用材料は、純ＡｌあるいはＡｌ合金によって形成された基材層２と、前記基材層に拡散接合された溶接層３とを備えたクラッド材である。前記溶接層３はＣｒを６〜３０ｍａｓｓ％含有するＮｉ−Ｃｒ合金によって形成される。前記溶接層３は前記基材層２の表面の一部に形成されていてもよい。また、溶接層３は、基材層２の両表面に被覆形成されることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブ装置の磁気ヘッド用サスペンションやデジタルカメラの筐体など、溶接によって形成される構造部材の素材として好適なクラッド材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハードディスクドライブ装置の磁気ヘッド用サスペンションは、サスペンションをハードディスクの径方向に駆動させる駆動装置に連結される基部と、磁気ヘッドをその先端部に搭載し、ハードディスクの回転停止時に前記磁気ヘッドがハードディスクに接触し、ハードディスクが高速回転時にその表面から浮上するように磁気ヘッドをハードディスク側に付勢する浮上部とで構成され、前記浮上部の後端部と前記基部の先端部とはレーザ溶接によって接合されている。前記基部は、駆動装置に連結され、また浮上部を片持ち状で支持するため、浮上部に比較して高剛性が得られるように板厚が厚く形成される。一方、前記浮上部は非常に薄い、高弾性のバネ板で形成される。前記基部および浮上部は、材質的には耐食性、耐候性に優れ、ハードディスクに磁気的な影響を及ぼさない非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼によって形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ハードディスクドライブ装置の大容量化、小型化に従って、小電力で磁気ヘッドを高速に駆動することができるように、前記サスペンションについても軽量化が強く望まれている。
前記浮上部はハードディスク上に配置されるため、その厚さを薄く形成する必要があり、しかも弾性も高いことが必要である。このため、上記のとおり、現在のところ、ステンレス鋼薄板が用いられている。一方、前記基部は厚さが大きく、低強度材を用いても必要な強さ、剛性を確保し易いため、軽量化の効果が大きく、また非磁性材であるアルミニウム合金によって代替することが検討されている。
しかし、前記基部をアルミニウム合金によって形成した場合、ステンレス鋼薄板で形成された浮上部との溶接が難しく、十分な接合強度が得られない、という問題がある。
【０００４】
同様の問題は、精密電子部品を格納する非磁性の溶接構造部材、例えばデジタルカメラの金属製筐体についても言えることである。現在のところ、デジタルカメラの金属製筐体の各部はステンレス鋼薄板によって加工されたものが溶接によって接合され組み立てられている。
【０００５】
なお、アルミニウム合金を基材とするクラッド材としては、特開平１１−１５６９９５号公報（特許文献１）に記載されているように、純アルミニウム板に純Ｎｉの薄層を介在させて純Ｃｕ板をクラッドしたものがある。前記純Ｎｉ層はＡｌ板とＣｕ板との接合性を改善するために設けられたものであるが、このような純Ｎｉ層がクラッド材の内部に存在すると、磁性を帯びるため、非磁性を必要とする用途には適用することができない。また、溶接の相手材がステンレス鋼のようなＦｅを多く含むＦｅ基合金の場合、このようなクラッド材を用いて溶接すると、溶融部にＣｕが入り込んで溶接部（ナゲット）の表面にクラックが生じ易くなり、引いては溶接接合性に劣るという問題がある。
【特許文献１】
特開平１１−１５６９９５号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、非磁性でありながら、軽量であり、しかも溶接接合性に優れた、溶接構造部材の素材として好適な材料を提供する。また、かかる材料を用いた溶接構造部材を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による溶接構造用クラッド材は、純ＡｌあるいはＡｌ合金によって形成された基材層と、前記基材層に拡散接合された溶接層とを備え、前記溶接層はＣｒを６〜３０ｍａｓｓ％含有するＮｉ−Ｃｒ合金によって形成される。
このクラッド材によると、基材層がＡｌ合金によって形成されているので、軽量性に優れる。また、基材層の上にはＣｒを６〜３０ｍａｓｓ％含有するＮｉ−Ｃｒ合金によって形成された溶接層が拡散接合されるので、基材層との接合性に優れると共にステンレス鋼等の他の金属材との溶接接合性に優れる。このため、溶接構造部材の素材として好適に用いられる。しかも、前記Ｎｉ−Ｃｒ合金はステンレス鋼に対して同等以下の優れた非磁性を有するので、使用環境において周りの磁気特性に影響を与えることがない。
【０００８】
前記溶接層は前記基材層の表面の一部に形成されていてもよい。基材層の一部に溶接層を形成することで、他材との溶接性を確保すると共に、より軽量化に寄与することができる。
【０００９】
また、溶接層は、基材層の全面あるいは一部に形成する場合、基材層の両表面に被覆形成することが好ましい。これによって、基材層と溶接層との材質（熱膨張率）の違いに基づく熱変形を防止することができ、形状安定性を向上させることができる。もっとも、基材層の一部に溶接層を形成する場合、溶接に必要な微小領域だけに溶接層を形成すれば、熱膨張率の違いに基づく熱変形はほとんど無視することができるので、溶接層は基材層の一方の表面（片表面）にのみ被覆形成されるだけで十分である。
【００１０】
また、前記溶接層はその厚さが１０μｍ 以上であり、全体厚さに対して厚さ比が１／４以下にするのがよい。溶接層の厚さが１０μｍ 未満では溶接接合性が劣るようになり、また厚さ比がクラッド材の全体厚さに対して１／４超では軽量化効果が低下するからである。
【００１１】
本発明による溶接構造部材は、前記溶接構造用クラッド材によって形成されたクラッド部材同士、あるいは前記クラッド部材と他の金属部材とが溶接されたものである。
この溶接構造部材は、前記溶接構造用クラッド材を素材とするので、部材同士の溶接性に優れ、また容易に部材の軽量化を図ることができる。このため、生産性を損なうことなく、軽量化された溶接構造部材、例えばハードディスクドライブ装置の磁気ヘッドを支持するサスペンションを容易に製作することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態にかかる溶接構造用クラッド材の基本構造を図１を参照して説明する。このクラッド材１は、純ＡｌおよびＡｌを主成分とするＡｌ合金で形成された基材層２の両表面にＮｉ−Ｃｒ合金からなる溶接層３，３がそれぞれ拡散接合されている。
【００１３】
前記基材層２を形成する純Ａｌとしては、具体的にはＪＩＳＡ１０６０、１０８０等の合金系統１０００系のものを利用することができる。また、Ａｌ合金としては、非磁性、軽量化の観点からＡｌを９０ｍａｓｓ％以上含有するＡｌ合金が好適であり、例えばＪＩＳＡ２０１７，２０２４等のＡｌ−Ｃｕ合金（合金系統２０００系）、ＪＩＳＡ３００３，３００４等のＡｌ−Ｍｎ合金（合金系統３０００系）、ＪＩＳＡ４０４２等のＡｌ−Ｓｉ合金（合金系統４０００系）、ＪＩＳＡ５００５，５０５２等のＡｌ−Ｍｇ合金（合金系統５０００系）、ＪＩＳＡ６０６１，６０６３等のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（合金系統６０００系）、ＪＩＳＡ７０７５，７Ｎ０１等のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（合金系統７０００系）を用いることができる。
【００１４】
前記溶接層３は、Ｃｒを６〜３０ｍａｓｓ％を含むＮｉ−Ｃｒ合金によって形成される。このＮｉ−Ｃｒ合金は、オーステナイト系ステンレス鋼の透磁率程度以下の非磁性であり、しかもステンレス鋼をはじめとして各種鉄鋼材、Ｎｉ合金材、Ｃｕ合金材、さらにはチタン合金材との溶接接合性に優れる。また、前記基材層２を形成するＡｌ材に対して拡散接合性にも優れる。Ｃｒが６ｍａｓｓ％未満では、Ｎｉ量が過多になるため、非磁性特性が劣化し、透磁率がステンレス鋼よりも高くなるため好ましくない。一方、３０ｍａｓｓ％を超えると、圧延時に圧延板の側端部にひび割れが生じるようになり、加工性が著しく劣化するようになる。このため、Ｃｒ量の下限を６ｍａｓｓ％、好ましくは１５ｍａｓｓ％とし、その上限を３０ｍａｓｓ％、とする。Ｎｉ−Ｃｒ合金のＣｒの残部は典型的にはＮｉおよび不可避的不純物で形成されるが、前記加工性、非磁性を損なわない範囲で、これらの特性の向上あるいは強度の向上等を目的として、適宜の元素を添加することができる。
【００１５】
前記溶接層３は、十分な溶接接合強度を得るには、その厚さを１０μｍ 以上に形成することが好ましい。上限は特に規定する必要がないが、あまり厚くすると軽量化が損なわれるので、１００μｍ 以下で十分である。より好ましくは３０〜７０μｍ 程度である。また、軽量化の点から、クラッド材１の全体の厚さに対する溶接層３の厚さ（本実施形態では両溶接層３，３の合計厚さ）の比を１／４以下にすることが好ましい。
【００１６】
上記実施形態では、基材層２の両表面に溶接層３，３が被覆形成されているので、基材層２を形成するＡｌ材の熱膨張率と溶接層３を形成するＮｉ−Ｃｒ合金の熱膨張率とが異なっても、熱変形を防止することができる。もっとも、溶接層３が基材層２に比して十分薄い場合など、クラッド材１に生じる熱変形が無視できるような場合、基材層２の一方の表面にのみ溶接層３を形成するようにしてもよい。
【００１７】
また、前記溶接層３は、基材層２の全面に被覆形成する必要はなく、溶接位置を考慮して、例えば図２に示すクラッド材１Ａのように、基材層２の一部（図例では端部）に溶接層３，３を拡散接合するようにしてもよい。溶接層３の配置は、図例に限らず、例えば中央部に形成するようにしてもよい。
【００１８】
次に前記３層構造の溶接構造用クラッド材の製造方法について説明する。
前記基材層２の素材の基材シートの両表面に溶接層３の素材のＮｉ−Ｃｒ合金シートを重ね合わせ、この重ね合わせた重合体を一対のロールに通して圧下率５０〜８０％程度で圧下する。これによってシート同士を冷間圧接し、基材シートの両面にＮｉ−Ｃｒシートが冷間圧接された圧接シートを得る。
【００１９】
前記圧接シートは、さらに典型的には４００〜４８０℃程度の温度で、２〜５分間程度保持する拡散焼鈍が施される。焼鈍は、還元性ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気、非酸化ガス雰囲気で行うことが好ましい。この拡散焼鈍により、基材層２と、これに隣接する溶接層３，３が強固に拡散接合したクラッド材１が得られる。
【００２０】
前記クラッド材１は、必要に応じてさらに仕上圧延が施されて、その板厚が調整されてもよい。仕上圧延後の各層の層厚は、圧延の圧下率をＲとしたとき、ほぼ元の層厚の（１−Ｒ）倍に減厚される。
【００２１】
基材層２の一方の表面にのみ溶接層３が拡散接合したＡｌ合金クラッドを製造する場合、基材シートの一方の表面にのみＮｉ−Ｃｒ合金シートを重ね合わせて、圧接し、拡散焼鈍を施せばよい。また、図２に示すような、基材層２の表面の一部に溶接層３を被覆形成する場合、基材シートの所望の部位にＮｉ−Ｃｒ合金シートを重ね合わせて圧接し、拡散焼鈍を施せばよい。
【００２２】
次に、前記溶接構造用クラッド材１を素材として用いた溶接構造物の一実施形態として、ハードディスクドライブ装置の磁気ヘッドを支持するサスペンションについて図３を参照しながら説明する。
このサスペンション１１は、前記クラッド材１を用いて加工された基部１２と、磁気ヘッド１４がその先端部に取り付けられた浮上部１３とで構成されている。
【００２３】
前記基部１２は、前記基材層２の両表面に溶接層３，３が拡散接合されたクラッド材１を加工したものであり、その後端部には駆動装置に連結するための取付穴部１６が形成されている。前記駆動装置は、サスペンション１１をハードディスクの表面に沿って径方向に駆動させるためのものである。
【００２４】
前記浮上部１３は、磁気ヘッド１４が取り付けられた第１アーム部１３Ａと、その前端部が前記第１アーム部１３Ａの後端部にレーザー溶接によって接合され、一体化された第２アーム部１３Ｂとで構成されている。前記第１、第２アーム部１３Ａ，１３Ｂは高弾性のステンレス鋼薄板によって形成されている。前記第２アーム部１３Ｂの後端部は前記基部１２の前端部の溶接層とレーザー溶接によって接合され、一体化されている。図中、Ｗはレーザー溶接によって溶接された溶接部である。
【００２５】
このサスペンション１１によると、剛性が必要とされ、比較的厚く形成される基部１２が、本発明にかかる溶接構造用クラッド材１を用いて形成されているので、サスペンション全体として軽量化を図ることができる。また、基部１２には特定量のＣｒを含むＮｉ−Ｃｒ合金で形成されて溶接層３を備えるので、高弾性ステンレス鋼あるいは高弾性チタン合金で形成された第２アーム部１３Ｂと容易に溶接することができ、溶接構造物であるハードディスクドライブ装置の磁気ヘッド用サスペンションを容易に製作することができる。また、第２アーム部が高弾性ステンレス鋼で形成される場合、前記Ｎｉ−Ｃｒ合金はＣｕを含まないので、溶接の際にＣｕが溶融部に入り込んで、溶接部を脆化させるおそれもない。
【００２６】
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明の範囲は上記実施形態や以下の実施例により限定的に解釈されるものではない。
【００２７】
【実施例】
幅３０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのＡｌ合金（ＪＩＳＡ５０５２）シートおよび同幅、同長、厚さ０．２ｍｍの表１に示す種々のＣｒ含有量（ｍａｓｓ％、残部Ｎｉおよび不可避的不純物）のＮｉ−Ｃｒ合金シートおよび純Ｎｉシートを準備し、接合表面をワイヤブラシで擦って活性化した後、Ａｌ合金シートの両面にＮｉ−Ｃｒ合金シートあるいは純Ｎｉシートを重ね合わせ、一対のロールに通して圧下率５０％にて冷間圧接した。この圧接シートに４５０℃で３分間程度保持する拡散焼鈍を水素ガス雰囲気中で行った。その後、さらに圧下率３０％で冷間圧延を施して厚さを調節し、前記Ａｌ合金からなる基材層の両表面に前記Ｎｉ−Ｃｒ合金あるいは純Ｎｉからなる溶接層が拡散接合されたクラッド材を製作した。クラッド材の基材層の厚さは平均０．２５ｍｍであり、溶接層はそれぞれ平均０．０５ｍｍであった。このクラッド材の基材層と溶接層との拡散接合性を調べたところ、強固に接合していることが確認された。
【００２８】
前記クラッド材から溶接試験片（幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ）をプレスにて採取した。一方、この試験片と同サイズで厚さ０．０７ｍｍのステンレス鋼薄板片（材質ＳＵＳ３０４）を溶接相手材として準備した。これらの板材を用いて、レーザー溶接を行い、下記の要領で溶接部の引っ張り強さ、引き剥がし強さを調べた。
【００２９】
クラッド材試験片２１とステンレス鋼薄板片２２とを、図４および図５に示すように、端部が１０ｍｍ重なるように重ね合わせ、重ね合わせ部の中央部に幅方向４ｍｍ間隔にてステンレス鋼薄板片側から下記の条件にてレーザーを照射し、両者を点溶接した。図中、Ｗは溶接部である。また、従来例として、ステンレス鋼薄板片（材質ＳＵＳ３０４）同士を同様にレーザー溶接した。このようにして得られた溶接試験部材は、図５（Ｂ）に示すように、各板の他端を反対方向に引っ張り、溶接部Ｗ，Ｗが外れる際の引っ張り力を測定した。
レーザー溶接条件
電圧：４７０Ｖ、パルス幅：４ｍｓ、繰り返し数：１ｐｐｓ
なお、この条件はＳＵＳ３０４ステンレス鋼薄板片同士をレーザー溶接する際の最適条件である。
【００３０】
また、前記クラッド材の溶接試験片、ステンレス鋼薄板片を用いて、レーザー溶接を行い、下記の要領で溶接部の引き剥がし強さを調べた。クラッド材溶接試験片２１とステンレス鋼薄板片２２とを、図６に示すように、全面が重なるように重ね合わせ、長さ方向の中央部に幅方向４ｍｍ間隔にてステンレス鋼薄板片２２側から上記と同条件にてレーザーを照射し、２個の溶接部Ｗを介して両者を点溶接した。このようにして得られた溶接試験部材を用いて、同図に示すように、各板の端部をそれぞれ反対方向に直角に折り曲げ、その折り曲げ部を反対方向に引っ張り、溶接部Ｗが引き剥がされる際の引っ張り力（「引き剥がし力」と呼ぶ。）を測定した。
【００３１】
また、前記クラッド材、ステンレス鋼薄板から幅１０ｍｍ、長さ８０ｍｍの試験片を採取し、磁気天秤を用いて磁気特性（比透磁率μ、非磁性ではμ＝１）を測定した。これらの測定結果を併せて表１に示す。引っ張り力は、実用上、１０Ｎ以上あればよいので、１０Ｎ未満を不可（×）、１０Ｎ以上，２０Ｎ未満を可（△）、２０Ｎ以上，３５Ｎ未満を良（○）、３５Ｎ以上を優（◎）と評価した。また、引き剥がし力については、実用上、５Ｎ以上あればよいので、５Ｎ未満を不可（×）、５Ｎ以上，１０Ｎ未満を可（△）、１０Ｎ以上，１５Ｎ未満を良（○）、１５Ｎ以上を優（◎）と評価した。表１では、引っ張り力、引き剥がし力について、悪い方の評価をベースとして示した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１より、溶接層をＣｒ６〜３０％含有するＮｉ−Ｃｒ合金で形成した発明例の試料Ｎｏ． ３〜１０は、良好な溶接接合性が得られている。特にＣｒが１５〜３０％の試料Ｎｏ． ８〜１０は、ステンレス鋼薄板同士を溶接した試料Ｎｏ． １１に比較してＣｒ量１５％のＮｏ． ８がやや劣るものの、総じて優れた溶接接合性が得られている。また、磁気特性については、発明例にかかる試料Ｎｏ． ３〜１０は、ステンレス鋼薄板より低い比透磁率を示し、優れた非磁性が得られた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明による溶接構造用クラッド材によれば、純ＡｌあるいはＡｌ合金からなる基材層に、Ｃｒが６〜３０％含有するＮｉ−Ｃｒ合金で形成された溶接層が拡散接合されているので、優れた非磁性を保持したまま、軽量化を達成しつつ、ステンレス鋼などの鉄鋼材やチタン合金材などに対して優れた溶接接合性を備え、各種溶接構造物の軽量化素材として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる３層構造のクラッド材の部分断面模式図である。
【図２】本発明の他の実施形態にかかるクラッド材の要部断面模式図である。
【図３】本発明の溶接構造部材の実施形態にかかるハードディスクドライブ装置の磁気ヘッド用サスペンションの断面模式図を示す。
【図４】実施例にかかるクラッド材溶接試験片とステンレス鋼薄板片とをレーザー溶接した溶接試験部材の斜視図を示す。
【図５】引っ張り試験要領を示す溶接試験部材の平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。
【図６】引き剥がし試験要領を示す溶接試験部材の側面図である。
【符号の説明】
１ クラッド材
２ 基材層
３ 溶接層

Claims (5)

1. 純ＡｌあるいはＡｌ合金によって形成された基材層と、前記基材層に拡散接合された溶接層とを備え、前記溶接層はＣｒを６〜３０ｍａｓｓ％含有するＮｉ−Ｃｒ合金によって形成された、溶接構造用クラッド材。
2. 前記溶接層は前記基材層の一部に形成された請求項１に記載した溶接構造用クラッド材。
3. 前記溶接層は前記基材層の両面に形成された請求項１または２に記載した溶接構造用クラッド材。
4. 前記溶接層はその厚さが１０μｍ 以上であり、全体厚さに対する溶接層の厚さの比が１／４以下である請求項１から３のいずれか１項に記載した溶接構造用クラッド材。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載した溶接構造用クラッド材によって形成されたクラッド部材同士、あるいは前記クラッド部材と他の金属部材とが溶接された溶接構造部材。

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