JP6886861B2 - アルミニウム合金の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金の溶接方法に関する。

近年、海上輸送用船舶やＬＮＧタンク、化学プラントなどの構造物にアルミニウム合金が用いられている。アルミニウム合金を適用する上では、各部位に必要とされる強度や耐食性、成形性、接合性などを満たす必要があり、種々の検討が成されている。

従来使用されている高強度溶接構造体用アルミニウム合金材としては、５０８３合金が知られている。前記５０８３合金は、Ｍｇを４．０〜４．９ｍａｓｓ％の間で含有するＡｌ−Ｍｇ系合金であって、ＪＩＳ規格における強度下限値は２７５ＭＰａである。

Ａｌ−Ｍｇ系合金の溶接構造体を製造するための溶接方法としては、アーク溶接や電子ビーム溶接、レーザ溶接等が用いられる。また、溶接に際して溶加材を用いる場合には、ＪＩＳ Ｚ３６０４に示される指針に沿った溶加材を選定することになる。すなわち、５０８３合金を溶接する場合に選択される溶加材は５１８３や５３５６、５５５６である。これは、溶接割れを抑制し、高い継手強度が得られるためである。

これに対し、アルミニウム合金材及び溶接継手の高強度化に対する要求が年々高まっている。前記アルミニウム合金材及び溶接継手の高強度化により、同一耐荷重における構成材料の必要厚さは薄くなり、さらに重量は減少することになる。したがって、材料費の低減が可能であるだけでなく、特に船舶などにおいては、積載量の増加にもつながることとなる。

Ａｌ−Ｍｇ系合金の強度は、Ｍｇやその他の微量元素の添加量によって決まり、Ｍｇを５％以上添加することでＪＩＳ５０８３合金よりも高強度であるＡｌ−Ｍｇ系合金も開発されている。しかしながら、これらの高強度Ａｌ−Ｍｇ系合金に対して、ＪＩＳ Ｚ３６０４の指針に沿った溶加材を用いた場合では、溶接継手の強度が使用するＡｌ−Ｍｇ系合金相当には達しない。

溶接継手の強度は使用するアルミニウム合金材のＯ材強度と溶接金属部の強度の関係で決まる。すなわち、Ｏ材強度が３２０ＭＰａを超える高強度Ａｌ−Ｍｇ系合金を５１８３や５３５６などの溶加材で溶接した場合、余盛除去後の溶接継手の強度が３１５ＭＰａを超えることは無い。これは、母材のＯ材強度に対して、溶接金属部の強度が低くなるためであり、この時の溶接継手の強度は溶接金属部の強度と同等になる。したがって、高強度Ａｌ−Ｍｇ系合金を使用して溶接継手を高強度化するためには、溶接金属部を高強度化する必要がある。

また、溶接構造体の製造においては、溶接継手の加工性も重要である。特に、最終的な製品形状を得るためには溶接継手を成形加工する場合が多いため、成形性や曲げ加工性の向上が必要とされている。一般的に、材料及び溶接継手の高強度化により成形性や曲げ加工性は低下するため、加工性を維持しつつ高強度化を実現することが重要である。

特開昭５２−１２８８５４号公報

５０８３合金の強度規格下限値が２７５ＭＰａであることを考慮すると、特許文献１に記載されたアルミニウム合金溶加材を用いたとき、強度が下限に近い５０８３合金であれば継手効率の低下は発生しない。しかしながら、５０８３規格以上の強度を有する高強度アルミニウム合金による継手を作製する際には、継手効率が低下することが明白である。また、特許文献１では大入熱溶接として２５ｋＪ／ｃｍにおいて継手強度が改善されているが、これよりも高い入熱量になった場合に充分な継手強度を示すかは不明である。さらに、溶接構造体を形成するために重要な曲げ性の評価等なされていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ＪＩＳ規格の５０８３合金よりも高強度なＡｌ−Ｍｇ系合金を溶接する方法であって、高い継手効率が得られるアルミニウム合金の溶接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、本発明に係るアルミニウム合金の溶接方法は、
Ｍｇ：５．０〜１０．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ。）、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｚｎ：０．２５％以下、及びＴｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金の溶加材を使用して、Ｍｇ：５．０〜６．５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｎ：０．２％以下、Ｆｅ：０．２５％以下、及びＳｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金の被溶接材を溶接する溶接方法であって、溶接時の入熱量が２０〜９０ｋＪ／ｃｍである、
ことを特徴とする。

上記のアルミニウム合金の溶接方法において、
前記被溶接材がさらにＣｕ：０．０５〜０．５％を含む、
こととしてもよい。

前記被溶接材の調質Ｏにおける引張強さが３２０ＭＰａ以上である、
こととしてもよい。

本発明に係るアルミニウム合金の溶接方法によれば、高Ｍｇ添加アルミニウム合金を溶接する場合であっても、高い継手効率、曲げ加工性を有する溶接継手が得られる。さらに大入熱溶接であっても同等の効果を奏する。

本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、高Ｍｇ添加アルミニウム合金の調質Ｏにおける強度と同等の溶接金属部強度を実現するために必要な溶加材組成を見出した。

本発明に係る溶接方法は、所定のアルミニウム合金組成を有する溶加材を使用し、所定のアルミニウム合金成分を有する材料を溶接する際に効果を発揮する。以下に、これらについて説明する。

１．溶加材のアルミニウム合金組成
本発明に係る溶接方法は、Ｍｇ：５．０〜１０．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ。）、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．０１〜０．５０％、Ｚｎ：０．２５％以下、及びＴｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金溶加材を使用する。

Ｍｇ：５．０〜１０．０ｍａｓｓ％
Ｍｇは、溶接金属の高強度化を図る上において必須の添加元素である。Ｍｇの有効な添加効果を得る上においては、５．０ｍａｓｓ％以上の含有量とする必要がある。他方、Ｍｇの含有量が１０．０ｍａｓｓ％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中にＭｇ−Ｓｉ系脆化層が形成されるようになる。そのため、熱間加工、抽伸加工することが困難となって、目的とする直径の溶加材を得ることが出来なくなる。

Ｍｎ：０．４０〜１．５ｍａｓｓ％
Ｍｎは、溶接金属の高靭性化、溶接継手の曲げ加工性に寄与する成分である。Ｍｎの添加効果を充分に発揮させるためには、０．４０ｍａｓｓ％以上の割合で含有せしめる必要がある。他方、Ｍｎの含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレット鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｍｎ系晶出物が生成して、抽伸加工が困難となる等の問題を惹起するようになる。

Ｃｒ：０．０５０〜０．２５ｍａｓｓ％
Ｃｒは、溶接割れ感受性の低減に効果を奏する元素である。Ｃｒの有効な添加効果を得るためには、０．０５０ｍａｓｓ％以上の割合で含有せしめる必要がある。他方、Ｃｒの含有量が０．２５ｍａｓｓ％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中に粗大なＡｌ−Ｃｒ系晶出物を生成して、溶加材としてのワイヤを得るための抽伸加工操作が困難となる問題を惹起する。

Ｚｒ：０．０５０ｍａｓｓ％以下
Ｓｉ：０．４０ｍａｓｓ％以下
Ｆｅ：０．４０ｍａｓｓ％以下
Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下
Ｚｒ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｚｎは、何れも、不純物元素であって、それぞれ、上記で規定される含有量以下となるように制御されることが望ましい。Ｚｒ含有量が多くなり過ぎると、金属組織中に粗大な凝集物を生成して溶接継手の曲げ加工性を低下する問題を惹起する。Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部の溶接割れ感受性が高くなる問題が惹起される。Ｆｅ含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｆｅ系晶出物を生成して、抽伸加工操作が困難となる問題を生じる。Ｚｎ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部にＭｇ−Ｚｎ系脆化層が形成され、溶接継手部位の特性、中でも強度を低下せしめる問題が生じる。

Ｃｕ：０．０１〜０．５０％
Ｃｕは選択的添加元素として、溶加材中に所定の成分範囲において添加されることで溶接金属部の強度を高める元素である。さらにはＡｌ−Ｍｇ系合金の粒界析出相の一部をＡｌＭｇＣｕ系化合物に変化させることで粒界析出相を分断し、粒界耐食性を向上させる働きがある。添加量が０．０１ｍａｓｓ％未満では効果が不十分であり、０．５０ｍａｓｓ％を超えると溶接割れ感受性が高くなる問題を惹起する。

２．被溶接材
本発明に係る溶接方法は、Ｍｇ：５．０〜６．５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｎ：０．２％以下、Ｆｅ：０．２５％以下、Ｓｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金を溶接する際に、特にその効果を発揮する。さらにＣｕを０．０５０〜０．５ｍａｓｓ％添加しても良い。以下に合金組成の限定理由を記す。

Ｍｇ：５．０〜６．５ｍａｓｓ％
Ｍｇはアルミニウム中に固溶し、強度を高める元素である。添加量が５．０ｍａｓｓ％未満であると、目標とする強度が得られない。一方、Ｍｇの添加量が６．５ｍａｓｓ％を超えると、工業的な製造が困難であることに加え、溶接継手の曲げ加工性が低下する。

Ｍｎ：０．５０〜１．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは鋳造時に強制固溶されたＭｎが均質化処理及び熱間圧延工程で微細なＡｌ−Ｍｎ系化合物を形成し分散強化として強度向上に寄与する元素である。添加量が０．５０ｍａｓｓ％未満では効果が十分でなく、１．０ｍａｓｓ％を超えると効果が飽和するとともに凝固時に巨大な金属間化合物を生成しやすくなる。

Ｃｒ：０．０５０〜０．２５ｍａｓｓ％
Ｃｒはマトリックス中に微細な金属間化合物を形成し、結晶粒径の微細化として作用する。添加量が０．０５０ｍａｓｓ％未満では効果が不十分であり、０．２５ｍａｓｓ％を超えると凝固時に巨大な金属間化合物を生成しやすくなる。

Ｚｎ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｚｎは、アルミニウム合金の耐応力腐食割れ性を低下させる元素であり、０．２ｍａｓｓ％以下に制御する必要がある。Ｚｎの含有量が０．２ｍａｓｓ％を超えると応力腐食により割れが形成される場合がある。

Ｆｅ、Ｓｉは工業的なアルミニウム合金中に不可避的に含有される不純物元素であるが、何れも０．２５ｍａｓｓ％未満であれば特性を損なうものではない。

Ｃｕ：０．０５０〜０．５０ｍａｓｓ％
Ｃｕはアルミニウム中に固溶し、強度を高める元素である。さらにはＡｌ−Ｍｇ系合金の粒界析出相の一部をＡｌＭｇＣｕ系化合物に変化させることで粒界析出相を分断し、粒界耐食性を向上させる働きがある。添加量が０．０５０ｍａｓｓ％未満では効果が不十分であり、０．５０ｍａｓｓ％を超えると熱間圧延性を劣化させる。

その他の元素：
また、本発明に係る高Ｍｇ添加アルミニウム合金の残部は、Ａｌと不可避的不純物とからなる。ここで、不可避的不純物は、各々が０．０５０ｍａｓｓ％以下で、かつ、合計で０．１５０ｍａｓｓ％以下であれば、本発明で得られるＡｌ合金材としての特性を損なうことはない。

３．製造方法
本発明に従う溶加材は、上記した合金成分を有するアルミニウム合金を用いて、常法に従って作製されるものである。一般的には、ＪＩＳ Ｚ３２３２に規定される径及び許容差の溶接棒又は電極ワイヤとして、実現されることとなる。

４．溶接方法
本発明に係る溶接方法には、アーク溶接等の溶融溶接手法が採用されて、前記した溶加材によって形成される溶接継手を介して一体的に接合されて、目的とする形状乃至は構造の部材を与える接合体が形成される。

さらに、入熱量が２０〜９０ｋＪ／ｃｍの範囲で溶接することで効果を有する。溶接時の１パスあたりの入熱量は、被溶接材の厚さと溶接パス数により大凡決まる。片側１パス、両側２パスにて突合せ溶接を行う場合、厚さ１０ｍｍの被溶接材を溶接する際に１０〜２０ｋＪ／ｃｍの入熱量が必要となる。したがって、生産性の向上を目的として、低パス数で厚い被溶接材を溶接する際には２０ｋＪ／ｃｍを超える入熱量が必要となる。しかしながら、高Ｍｇ添加アルミニウム合金を高入熱で溶接する場合には、Ｍｇの蒸発が生じることによって、特に継手効率が低下することが知られている。本発明に係る溶接方法では、Ｍｇの蒸発を補うことが出来るため２０ｋＪ／ｃｍ以上の高入熱溶接であっても継手効率を低下させることが無い。入熱量が２０ｋＪ／ｃｍ未満の条件で溶接する場合においては、５１８３合金、５３５６合金又は５５５６合金等の従来の溶加材を使用することで、高い継手効率、曲げ加工性が得られるため、本発明に係る溶接方法は特別な効果を持たない。入熱量が９０ｋＪ／ｃｍを越える溶接条件ではパッカリングが発生するため溶接が不可能である。

さらに、被溶接材の調質Ｏにおける引張強さが３２０ＭＰａ以上であるときに、本発明に係るアルミニウム合金の溶接方法は顕著な効果を奏する。調質Ｏにおける引張強さが３２０ＭＰａ未満であるアルミニウム合金に対しては、５１８３合金、５３５６合金又は５５５６合金等の従来の溶加材でも充分な継手効率を得ることが出来る。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

先ず、被溶接材（母材）について、表１に示される各種合金組成のＡｌ−Ｍｇ系合金を、通常のＤＣ（Direct Chill）鋳造法によりスラブを作製した。次いで、ここで得られたスラブを均質化処理した後、常法に従って熱間圧延により１０〜８０ｍｍの板厚を有する調質ＯのＡｌ材料を得た。ここで、母材Ｎｏ．５については熱間圧延時に割れが発生し、所定の厚さまで熱延出来なかった。なお、表１及び後述の表２の化学成分において、「−」は当該化学成分が検出限界未満であることを示す。

一方、溶加材についても、表２に示される各種合金組成からなるアルミニウム合金を溶製した後、通常のＤＣ鋳造法により各種ビレットを作製した。次いで、得られたビレットを均質化処理した後、常法に従って直接押出して、抽伸用素材を得た。その後、線径が２．４、４．０、４．８ｍｍである溶接ワイヤとして、従来と同様な抽伸加工にて、目的とする各種溶加材を作製した。ここで、溶加材Ｎｏ．１０、１２、１５〜１８に記載の成分ではワイヤ抽伸加工時に割れが発生し、目的の線径を有する溶接ワイヤを得ることが出来なかった。

次いで、ＭＩＧ溶接にて溶接継手の作製を行った。作製した溶接継手はＪＩＳ Ｚ３６０４に準拠したＸ形開先の突合せ継手である。全ての母材に対し、片側１パス、両側２パスの突合せ溶接を実施し、被溶接材の各板厚に対して用いたＭＩＧ溶接条件は表３の通りである。ここで、入熱量については、以下の数式を用いて算出した。
入熱量（ｋＪ／ｃｍ）＝溶接電流（Ａ）×溶接電圧（Ｖ）×６０／溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）／１０００

表１の母材と表２の溶加材、表３の溶接条件によって作製した溶接継手の評価結果を表４に示す。母材強度はＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した方法にて引張試験を行い測定した。継手強度はＪＩＳ Ｚ３１２１に準拠した方法にて引張試験を実施し、継手効率は継手強度と母材強度との比として算出した。また、溶接割れの評価においては、溶接部の外観及び断面観察より、割れが存在しなかったものを「○」、割れが存在したものを「×」とした。さらに、ＪＩＳ Ｚ３１２２に準拠した方法にて溶接継手の曲げ試験を行い、表面に割れが発生しなかったものを「○」、３ｍｍ未満の割れが発生したものを「△」、３ｍｍ以上の割れが発生したもの「×」とした。また、良好な溶接を行うことが不可能であった例については、継手強度、継手効率、溶接割れ評価及び溶接継手曲げ試験の各項目を「−」で表示した。

表４の結果から明らかな如く、本発明に従う合金組成の溶加材及び被溶接材を用いて、所定の入熱条件範囲内でＭＩＧ溶接したものである試験結果（Ｎｏ．１３〜１５、１８〜２０、２３〜２４、３０〜３２、３５〜３７、４０〜４１、４８〜４９、５０、５３〜５５、５８〜５９）においては、本発明外を溶加材として使用した場合よりも継手効率が高くなり、かつ９７％以上の高い継手効率が得られた。

これに対して、被溶接材が低強度であったり（Ｎｏ．１〜８）、溶接時の入熱量が２０ｋＪ／ｃｍ未満であったりする場合（Ｎｏ．１、２、１０、１１、２７、２８、４５、４６）には、Ａ５１８３ＷＹを溶加材として使用しても９７％以上の継手効率が得られた。この結果から、上記の条件では本発明に従う溶加材を使用する効果は無いことがわかる。

さらに、入熱量が９０ｋＪ／ｃｍを超える溶接条件Ｎｏ．５を使用した試験（Ｎｏ．９、２６、４４、６２）では、溶接時の電流値が高すぎることによるパッカリングの発生が見られたため、被溶接材を両側２パスにて良好な溶接を行うことは不可能であった。

溶加材のＳｉ量、Ｃｕ量が本発明の上限値より高い場合（Ｎｏ．１６、２１、３３、３８、５１、５６）には、溶接部に割れが発生した。溶接部に割れが発生したものについては、引張試験を実施しなかった。

溶加材のＭｎ量が下限値より低い場合や、Ｚｒ量が上限値より高い場合（Ｎｏ．２５、４２、４３、６０、６１）には、継手効率が９６％以下に低下し、溶接継手の曲げ加工性が低下した。

Claims (3)

1. Ｍｇ：５．０〜１０．０％（ｍａｓｓ％、以下同じ。）、Ｍｎ：０．４〜１．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．４％以下、Ｆｅ：０．４％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｚｎ：０．２５％以下、及びＴｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金の溶加材を使用して、Ｍｇ：５．０〜６．５％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｎ：０．２％以下、Ｆｅ：０．２５％以下、及びＳｉ：０．２５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金の被溶接材を溶接する溶接方法であって、溶接時の入熱量が２０〜９０ｋＪ／ｃｍである、
   ことを特徴とするアルミニウム合金の溶接方法。
2. 前記被溶接材がさらにＣｕ：０．０５〜０．５％を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金の溶接方法。
3. 前記被溶接材の調質Ｏにおける引張強さが３２０ＭＰａ以上である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金の溶接方法。