JP3398085B2 - 溶接構造用Al合金材とその溶接継手 - Google Patents
溶接構造用Al合金材とその溶接継手Info
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Description
等の一般的特性の他、特に溶接特性に優れた溶接構造用
Al合金材とその溶接継手に関するもので、軽量で高い
溶接継手が求められる自動車のフレーム用、ボデイ用、
その他の部品に用いられるものである。なお、本明細書
において、Al合金の組成はすべてwt%を意味する
が、これを単に%と記した。
れていた。しかし、近年、車の燃費改善の上から、自動
車車体の軽量化の要求が高まり、鋼板に代えてAl合金
の板材や押出材を使用することが検討され、実際に一部
に採用されている。このようなAl合金板材には、自動
車用材料として、プレス加工性に優れること、強度が高
いこと、溶接強度が高いこと、耐食性に優れていること
等が求められる。また、Al合金押出材には、曲げ成形
性に優れること、強度が高いこと、溶接強度が高いこ
と、耐食性に優れていることが求められる。
は、従来、板材として6061合金等のAl−Mg−S
i系合金(6000系合金)や5052合金等のAl−
Mg系合金(5000系合金)、押出材として606
1、6N01、6063合金等のAl−Mg−Si系合
金(6000系合金)が用いられていた。
6000系合金材や5000系合金材では十分な強度が
得られない、特にアーク溶接の際の溶接部(溶接継手
部)の強度が低い等の問題点がある。本発明の課題は、
自動車用材料に要求される強度及び曲げ加工性等の一般
的特性を確保しながら、特に溶接特性(溶接部の強度や
割れ性)の優れたAl合金材を提供することである。ま
た、本発明の他の課題は、このようなAl合金材を母材
として溶接する場合、溶接部の強度等に優れた溶接継手
を提供することである。なお、本発明の目的は、これら
の課題を解決することにより、自動車用部品の軽量化、
低コスト化を達成することである。
めの請求項1の発明は、Si2.6〜5wt%(以下w
t%を単に%と記す)、Mg0.2〜1.5%、Zn
0.2〜1.5%、Cu0.2〜2%、Fe0.1〜
1.5%を含有し、さらに、Mn0.01〜1.0%、
Cr0.01〜0.2%、Ti0.01〜0.2%、Z
r0.01〜0.2%、V0.01〜0.2%の内1種
又は2種以上を含み、残部がAlと不可避的不純物から
なるAl合金材であって、優れた溶接特性を有すること
を特徴とする溶接構造用Al合金材である。
(以下wt%を単に%と記す)、Mg0.2〜1.5
%、Zn0.2〜1.5%、Cu0.2〜2%、Fe
0.1〜1.5%を含有し、さらに、Mn0.01〜
1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti0.01〜
0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01〜0.
2%の内1種又は2種以上を含み、残部がAlと不可避
的不純物からなるAl合金材を母材として、該母材をM
g2〜6%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接して
強度の優れた溶接部を形成したことを特徴とする溶接継
手である。
されたAl合金材との境界から離れた前記溶接部の中央
部の金属成分が、Si0.5〜4%、Mg1.0〜5.
5%、Cu0.05〜1.4%を含有することを特徴と
する請求項2に記載の溶接継手である。請求項4の発明
は、請求項2に記載の溶接部を、溶接後熱処理して高強
度の時効硬化溶接部を形成したことを特徴とする請求項
2又は請求項3に記載の溶接継手である。
(以下wt%を単に%と記す)、Mg0.2〜1.5
%、Zn0.2〜1.5%、Cu0.2〜2%、Fe
0.1〜1.5%を含有し、さらに、Mn0.01〜
1.0%、Cr0.01〜0.2%、Ti0.01〜
0.2%、Zr0.01〜0.2%、V0.01〜0.
2%の内1種又は2種以上を含み、残部がAlと不可避
的不純物からなるAl合金材を母材として、該母材をS
i3〜13%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接し
て溶接割れ性に優れた溶接部を形成したことを特徴とす
る溶接継手である。請求項6の発明は、前記溶接部と前
記溶接されたAl合金材との境界から離れた前記溶接部
の中央部の金属成分が、Si2.0〜11%、Mg0.
05〜1.4%、Cu0.05〜1.8%を含有するこ
とを特徴とする請求項5に記載の溶接継手である。
について、詳細に説明する。第1の実施の形態は、溶接
構造用Al合金材に関するものであり、この合金組成を
前記のごとく限定した理由は、以下のとおりである。S
iは、材料の強度を高める一方、必要な伸びを確保する
効果がある。また、Siは、このAl合金材を母材とし
てAl−Mg系溶加材でアーク溶接する際、溶接部の融
点を下げ、溶接部の割れを防止する効果がある。Siの
含有量は、2.6〜5wt%(以下wt%を単に%と記
す)である。その含有量が、少なすぎると前記の効果
(強度、溶接割れ)が不足し、多すぎると材料の伸びが
低下してプレス加工性、曲げ加工性が悪くなる。
し、Mg2Siの析出によって強度を向上させる。Mgの含
有量は、0.2〜1.5%とするが、好ましくは0.2
〜0.8%である。その含有量が、少なすぎるとその強
度が不足し、多すぎると伸びが低下する。Znは、Al
合金材の表面処理性を向上させ、これにより脱脂性、化
成処理性を向上させる。Znの含有量は、0.2〜1.
5%とするが、好ましくは0.2〜1.2%である。そ
の含有量が、少なすぎると化成処理性が劣り、多すぎる
と耐食性が悪化する。
下させ、スポット溶接性を向上させる。また、Al合金
材の強度増大による衝撃吸収エネルギーの向上にも寄与
する。Cuの含有量は、0.2〜2%とするが、好まし
くは0.2〜1.2%である。その含有量が、少なすぎ
るとその作用が不足し、多すぎると伸びが低下し又溶接
でも割れが起こりやすくなる。
衝撃吸収エネルギーの向上にも寄与する。Feの含有量
は、0.1〜1.5%とするが、好ましくは0.2〜
1.2%である。その含有量が、少なすぎるとその作用
が不足し、多すぎると粗大晶出相により、表面性状が悪
化する。
選ばれる元素は、結晶粒微細化によりAl合金材の伸び
及び靱性を向上させることにより、プレス成形性、曲げ
加工性、エネルギー吸収性を向上させる。また、結晶粒
が微細化されることによって、溶接時の割れを起こしに
くくする。Mnの含有量は0.01〜1.0%好ましく
は0.05〜0.6%、Crの含有量は0.01〜0.
2%好ましくは0.01〜0.1%とする。また、T
i、Zr、Vの含有量は、それぞれ0.01〜0.2%
好ましくは0.01〜0.1%とする。
を多く含むため、その原料として各種の金属屑(アルミ
ニウム屑)をリサイクル利用することが可能であり、従
って低コスト化が可能である。利用できるリサイクル屑
としては、例えば、回収したアルミニウム缶屑、アルミ
ニウムサッシ屑、自動車のアルミニウム製エンジン屑や
部品屑等がある。
l合金展伸材であり、通常の圧延によって製造される板
及び通常の押出によって製造される押出材を意味する。
また、材料の調質は、後に示す実施例でも明らかなごと
く、製造工程において溶体化焼入れ処理後、時効硬化の
熱処理を施して、使用される。
を、特に2.6〜5%とすることによって、このAl合
金材を母材としてAl−Mg系溶加材でアーク溶接する
際、Siが溶接部の融点を下げるため溶接部の溶接割れ
を減少させて、溶接継手強度を向上させることができ
る。
合金材を母材として、この母材をMg2〜6%を含有す
るAl合金溶加材でアーク溶接して強度の優れた溶接部
を形成したことを特徴とする溶接継手である。Mg2〜
6%を含有するAl合金溶加材とは、例えばA5356
( 代表例Al-5%Mg-0.1%Mn-0.1%Cr-0.1%Ti合金) 、A55
54( 代表例Al-2.7%Mg-0.8%Mn-0.1%Cr-0.1%Ti合金) 、
A5183( 代表例Al-4.8%Mg-0.8%Mn-0.15%Cr合金) 等
のワイヤー又は溶接棒である。前記の溶接構造用Al合
金母材(板材又は押出材)を、これらの溶加材でアーク
溶接することによって、強度の優れた溶接部を有する溶
接継手とすることができる。
る理由は、Mgを含む溶加材とSiを含む母材が、溶接
部で合金化し、この溶接部が自然時効又は人工時効(高
温時効)することによって、Mg2Si が析出して、強度の
高い溶接部となり、継手強度が向上するからである。こ
の溶接に使用する溶加材は、前記のごとくMgを2〜6
%を含有するAl合金ワイヤー又は溶接棒を使用する
が、Mgの含有量が、少なすぎるとその効果が不足し、
多すぎると溶接部の靱性が低下する。また、溶加材(ワ
イヤー又は溶接棒)そのものの製造も困難となる。
前記溶接されたAl合金材との境界から離れた前記溶接
部の中央部の金属成分が、Si0.5〜4%、Mg1.
0〜5.5%、Cu0.05〜1.4%を含有すること
を特徴とする溶接継手である。即ち、溶接継手における
溶接部の中央部の金属成分を、Si0.5〜4%、Mg
1.0〜5.5%、Cu0.05〜1.4%の範囲とす
ることによって、強度の優れた溶接継手とすることがで
きる。ここで、SiとCuは母材から溶接部に溶出し、
Mgは大部分が溶加材から溶出する。SiとMgは、溶
接部でMg2Si として析出し、強度を高める。その量が、
少なすぎるとその効果が不足し、多すぎると靱性が低下
する。また、Cuは、溶接部の強度を向上させる。その
量が少なすぎると強度が不足し、多すぎると靱性が低下
したり溶接割れが起こりやすくなる。
が本発明に係わる溶接構造用Al合金材同士を組み合わ
せて溶接した場合であるが、母材が本発明に係わる溶接
構造用Al合金材と他のAl合金材(例えば6N01、
6063、5052、5182等)と組み合わせて溶接
した場合でも、溶接部の中央部の金属成分が、前記の範
囲内であれば、同様の効果が得られる。
接後、熱処理して高強度の時効硬化溶接部を形成したこ
とを特徴とする溶接継手である。即ち、溶接部は、溶接
後室温に放置しても自然時効硬化するが、溶接後熱処理
(高温時効又は人工時効)することによってMg2Si を析
出させて、より高強度の時効硬化溶接部と溶接継手を得
たものである。この熱処理は、150〜220℃で20
分〜24時間の人工時効をする。150℃で20分未満
では、この効果が少なく、220℃で24時間を越えて
熱処理すると軟化する恐れがある。なお、この熱処理
は、自動車の塗装ライン等の工程での加熱を兼ねて行っ
てもよい。
l合金材を母材として、この母材をSi3〜13%を含
有するAl合金溶加材でアーク溶接して、溶接割れ性の
優れた溶接部を形成したことを特徴とする溶接継手であ
る。Si3〜13%を含有するAl合金溶加材とは、例
えばA4043( 代表例Al-4.3%Si 合金) 、A4047
( 代表例Al-12%Si合金) 等のワイヤー又は溶接棒であ
る。前記の溶接構造用Al合金母材(板材又は押出材)
を、これらの溶加材でアーク溶接することによって、溶
接割れの少ない優れた溶接部を有する溶接継手とするこ
とができる。
手が得られる理由は、溶加材のSiが溶接部の金属の融
点を下げ、湯流れ性を良くし、Mgを主成分とする溶加
材よりも、より溶接割れを起こしにくくするためであ
る。なお、溶接時に、この溶加材のSiと本発明に係わ
るAl合金材(母材)が混合することにより、母材中に
含まれるSi、Zn、Cuとの共同作用で、更に溶接部
の金属の融点を下げ、溶接割れを更に起こしにくくする
ものである。
理由で、溶接割れを起こしやすい場合でも、この溶加材
を使うことで溶接が可能となる効果もある。この溶接に
使用する溶加材は、前記のごとくSiを3〜13%を含
有するAl合金ワイヤー又は溶接棒を使用するが、Si
の含有量が、少なすぎるとその効果が不足し、多すぎる
と初晶Siが発生して溶接部の靱性が低下する他、溶加
材(ワイヤー又は溶接棒)そのものの製造も困難とな
る。
前記溶接されたAl合金材との境界から離れた前記溶接
部の中央部の金属成分が、Si2.0〜11%、Mg
0.05〜1.4%、Cu0.05〜1.8%を含有す
ることを特徴とする溶接継手である。即ち、溶接継手に
おける上記溶接部の中央部の金属成分を、Si2.0〜
11%、Mg0.05〜1.4%、Cu0.05〜1.
8%の範囲とすることによって、溶接割れの少ない優れ
た溶接継手とすることができる。ここで、MgとCuは
母材から溶接部に溶出し、Siは大部分が溶加材から溶
出する。
が、その量が、少なすぎるとその効果が不足し、多すぎ
ると初晶Siが発生し溶接部の靱性が低下する。また、
Mgは、Siとともに溶接部でMg2Si として析出し、強
度を高める。その量が、少なすぎるとその効果が不足
し、多すぎると靱性が低下する。また、Cuは、溶接部
の強度を向上させる。その量が少なすぎるとその効果が
不足し、多すぎると靱性が低下したり溶接割れが起こり
やすくなる。
が本発明に係わる溶接構造用Al合金材同志を組み合わ
せて溶接した場合であるが、母材が本発明に係わる溶接
構造用Al合金材と他のAl合金材(例えば6N01、
6063、5052、5182等)と組み合わせて溶接
した場合でも、溶接部の中央部の金属成分が、前記の範
囲内であれば、同様の効果が得られる。
する。板材の場合は、表1の成分で寸法300mmW×
1200mmL×120mmTの鋳塊を鋳造後、520
℃×1時間の均質化処理を行った。その後、熱間圧延開
始温度480℃、終了温度340℃で熱間圧延を行って
板厚4mmの板とし、次に冷間圧延を行って板厚2mm
の板とした。この冷間圧延板を530℃で最終焼鈍後、
3℃/秒で冷却し、さらに180℃×2時間の時効処理
をして、試験用のAl合金板を製造した。
法220mmφ×400mmLのビレットを、480℃
×4時間の均質化処理を行い、ビレット温度450℃で
100mmW×2mmTの平板に押出加工し、ファン冷
却した。その後180℃×2時間の時効処理を行い、板
厚2mmのAl合金押出材を製造した。これらの試験材
について、溶接強度と素材の曲げ加工性、溶接割れ試験
を実施し、その結果を表1に示した。
材の作製は、MIG溶接機と1.2mmφの溶接ワイヤ
ーを用いて、本合金材同士を図1に示すように、1パス
で重ね隅肉溶接した。図1において、(1)はAl合金
材(母材)、(2)は溶接部、(3)は中央部である。
測定対象部分は、2つのAl合金材(母材)(1、1)
と溶接部(2)の金属との境界の影響をできるだけ避け
るため、2つのAl合金材(母材)(1、1)と溶接部
(2)との境界から離れた部分である溶接部の中央部
(3)とした。そして、この溶接部の中央部(3)の金
属成分を発光分光分析した。その時使用したワイヤーの
種類、溶接部の中央部(3)の成分Si、Mg、Cuの
量の測定値を表1に示した。 なお、発光分光分析は、溶
接部(2)の長手方向に、溶接部の中央部(3)を10
mm間隔で3点測定し、その平均値を分析値として表1
に記した。また、溶接継手の引張試験は、その溶接継手
試験材から、幅32mmの短冊試験片を採取し、インス
トロン型引張試験機を用いて、引張速度10mm/mi
nで引張試験を行い、最大荷重(kN)を求めた。 ま
た、その溶接継手試験片は、加熱をした後にも、引張試
験を行った。
号曲げ試験片を作製し、この試験片について、V字治具
(先端R1.5mm)を用いて、90°の曲げ試験を行
い、割れが発生しなければ良好、割れの発生したものは
不良と評価した。
うな溶接割れ試験片(フィッシュボーン形割れ試験片)
(4)を加工した。この試験片の中央部において、表1
に示す1.2mmφの溶接ワイヤを用いて、右端から左
端までアーク溶接(MIG溶接)してビード(5)を形
成し、放冷後のビードの最大の溶接割れ(6)の長さを
測定した。試験は、繰り返し3回実施し、最大割れの長
さの平均値を表1に記した。
試料12、13、15は、溶接部の 中央部の金属成分、
溶接ワイヤの成分が、本発明とは異なっており、曲げ加
工性は良いが継手強度が不足する。また、加熱をしても
継手強度が上がらない。Al合金材(母材)の合金成分
が、本発明とは異なる試料12、14、15、16は、
継手強度が低いか、材料(母材)の曲げ加工性が不足す
る。これに対し、本発明の試験材1〜9は、溶接継手強
度が優れ、母材の曲げ加工性も良好である。
材)を用いて溶接したものは、加熱によりさらに継手強
度が上昇する。また、Siを3〜13%含む溶接ワイヤ
(溶加材)を使って、溶接割れ試験した試験材10、1
1は、Mgを2〜6%含むワイヤを用いて溶接した試験
材1〜9に比べて、割れ長さが1/2以下であり、より
溶接で割れにくい。
用Al合金材は、自動車用材料に要求される強度及び曲
げ加工性等の一般的特性を確保しながら、優れた溶接特
性を有するものである。また、本発明は、このようなA
l合金材を母材として溶接した場合、溶接部の強度や割
れ性に優れた溶接継手を得ることができる。即ち、Mg
を主要組成とした溶加材を用いて溶接した場合は、継手
強度が高く、加熱することによって、さらに継手強度を
向上させることができる。また、Siを主要組成とした
溶加材を用いて溶接した場合は、溶接部の溶接割れを極
力抑え、安定した溶接継手を得ることができる。これら
の利点から、本発明は、自動車のフレーム等の各種部品
を軽量化、低コスト化できるという産業上顕著な効果を
有するものである。
た溶接試験片の説明図である。
ッシュボーン形割れ試験片)の説明図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 Si2.6〜5wt%、Mg0.2〜
1.5wt%、Zn0.2〜1.5wt%、Cu0.2
〜2wt%、Fe0.1〜1.5wt%を含有し、さら
に、Mn0.01〜1.0wt%、Cr0.01〜0.
2wt%、Ti0.01〜0.2wt%、Zr0.01
〜0.2wt%、V0.01〜0.2wt%の内1種又
は2種以上を含み、残部がAlと不可避的不純物からな
るAl合金材であって、優れた溶接特性を有することを
特徴とする溶接構造用Al合金材。 - 【請求項2】 Si2.6〜5wt%、Mg0.2〜
1.5wt5%、Zn0.2〜1.5wt%、Cu0.
2〜2wt%、Fe0.1〜1.5wt%を含有し、さ
らに、Mn0.01〜1.0wt%、Cr0.01〜
0.2wt%、Ti0.01〜0.2wt%、Zr0.
01〜0.2wt%、V0.01〜0.2wt%の内1
種又は2種以上を含み、残部がAlと不可避的不純物か
らなるAl合金材を母材として、該母材をMg2〜6w
t%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接して強度の
優れた溶接部を形成したことを特徴とする溶接継手。 - 【請求項3】 前記溶接部と前記溶接されたAl合金材
との境界から離れた前記溶接部の中央部の金属成分が、
Si0.5〜4wt%、Mg1.0〜5.5wt%、C
u0.05〜1.4wt%を含有することを特徴とする
請求項2に記載の溶接継手。 - 【請求項4】 請求項2に記載の溶接部を、溶接後、熱
処理して高強度の時効硬化溶接部を形成したことを特徴
とする請求項2又は請求項3に記載の溶接継手。 - 【請求項5】 Si2.6〜5wt%、Mg0.2〜
1.5wt%、Zn0.2〜1.5wt%、Cu0.2
〜2wt%、Fe0.1〜1.5wt%を含有し、さら
に、Mn0.01〜1.0wt%、Cr0.01〜0.
2wt%、Ti0.01〜0.2wt%、Zr0.01
〜0.2wt%、V0.01〜0.2wt%の内1種又
は2種以上を含み、残部がAlと不可避的不純物からな
るAl合金材を母材として、該母材をSi3〜13wt
%を含有するAl合金溶加材でアーク溶接して溶接割れ
性に優れた溶接部を形成したことを特徴とする溶接継
手。 - 【請求項6】 前記溶接部と前記溶接されたAl合金材
との境界から離れた前記溶接部の中央部の金属成分が、
Si2.0〜11wt%、Mg0.05〜1.4wt
%、Cu0.05〜1.8wt%を含有することを特徴
とする請求項5に記載の溶接継手。
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