特許 7327669 溶接用アルミニウム合金展伸材、アルミニウム合金溶接接合体及びその溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-07

(45)【発行日】2023-08-16

(54)【発明の名称】溶接用アルミニウム合金展伸材、アルミニウム合金溶接接合体及びその溶接方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 21/06 20060101AFI20230808BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20230808BHJP

【ＦＩ】

C22C21/06

B23K26/21 A

B23K26/21 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022529719

(86)(22)【出願日】2021-12-15

(86)【国際出願番号】 JP2021046253

(87)【国際公開番号】W WO2022180995

(87)【国際公開日】2022-09-01

【審査請求日】2022-05-20

(31)【優先権主張番号】P 2021027761

(32)【優先日】2021-02-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001885

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＲコンサルタント

(72)【発明者】

【氏名】▲けい▼ 劼

(72)【発明者】

【氏名】金木 大志

(72)【発明者】

【氏名】吉田 諒

(72)【発明者】

【氏名】大和田 安志

【審査官】櫻井 雄介

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－０６１３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５０４９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５４３２８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ２１／０６

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｍｇの含有量が０．２質量％以上６．０質量％未満であり、
溶融アルミニウムの表面張力を低下させる界面活性元素を含有し、
前記界面活性元素がＳｒ、Ｃａ、Ｓｂ及びＢａのうちの少なくともいずれか一種であり、
前記界面活性元素の含有量が０．０８質量％以上０．５０質量％以下であり、
前記界面活性元素以外の組成が、ＪＩＳ規格で規定される５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系アルミニウム合金）の範囲内であること、
を特徴とする溶接用アルミニウム合金展伸材。

【請求項2】

前記界面活性元素がＳｒであること、
を特徴とする請求項１に記載の溶接用アルミニウム合金展伸材。

【請求項3】

前記界面活性元素の含有量が０．１０質量％以上０．２０質量％以下であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の溶接用アルミニウム合金展伸材。

【請求項4】

２以上の部材を溶接してなる溶接接合体において、
前記部材が、請求項１～３のうちのいずれかに記載の溶接用アルミニウム合金展伸材であること、
を特徴とするアルミニウム合金溶接接合体。

【請求項5】

請求項１～３のうちのいずれかに記載の溶接用アルミニウム合金展伸材に対して、溶接速度が３ｍｍ／ｍｉｎ以上の溶接を施すこと、
を特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法。

【請求項6】

前記溶接にレーザ溶接を用いること、
を特徴とする請求項５に記載の高速接合用アルミニウム合金材の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接性に優れたアルミニウム合金展伸材、当該アルミニウム合金展伸材を含む溶接接合体、及び当該アルミニウム合金展伸材の溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

アルミニウムは軽量で錆びにくく、適当な元素を添加することで高強度化を図ることができることから、鉄道車両、船舶、橋梁及び各種筐体等の構造物に広く用いられている。ここで、アルミニウムは優れた加工性を有しているものの、構造体化には溶接が必要不可欠である。

【0003】

しかしながら、アルミニウムは鉄等と比較すると一般的に溶接性が悪く、凝固割れや液化割れによって割れが生じてしまうことが知られている。従来は溶接速度を低下させて溶接を行っていたが、年々生産性の向上が要求されるようになってきており、それに伴いアルミニウムの溶接速度の向上が切望されている。

【0004】

これに対し、例えば特許文献１（特開２０１６－１２１３８５号公報）においては、レーザ溶接による割れを抑制できるケース用アルミニウム合金板及びそれを用いてなるケースを提供することを目的として、レーザ溶接性に優れたケース用アルミニウム合金板であって、Ｓｉ：２．０％以上１１．０％以下（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０％超え２．０％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、伸びが８％以上であり、Ａｌマトリクス中にＳｉまたはＦｅを含む第二相粒子が存在しており、該第二相粒子の円相当径は１７μｍ以下であることを特徴とするケース用アルミニウム合金板、が開示されている。

【0005】

上記特許文献１のケース用アルミニウム合金板においては、ケース用アルミニウム合金板は従来の３０００系アルミニウム合金等に比べて融点が低いＡｌ－Ｓｉ系合金より構成されていることから、従来よりも出力の低いレーザを用いて溶接を行うことができ、レーザ照射時のアルミニウム合金部材の溶融量を容易に低減することができる。また、ケース用アルミニウム合金板はＡｌ－Ｓｉ系合金より構成されているため、３０００系アルミニウム合金等に比べて凝固時の収縮率が小さい。これらの結果、ケース用アルミニウム合金は、３０００系アルミニウム合金等に比べて割れ感受性が低く、レーザ溶接後の割れを抑制することができる、としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－１２１３８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１のケース用アルミニウム合金板は３０００系アルミニウム合金を主体とするものであるところ、３０００系アルミニウム合金では強度等が不足する用途も多く存在し、優れた溶接性と高い機械的性質を兼ね備えたアルミニウム合金材の実現が切望されている。より具体的には、５０００系アルミニウム合金への優れた溶接性の付与が期待されている。

【0008】

また、上記特許文献１で示されている溶接速度は２ｍ／ｍｉｎであり、例えば、レーザ溶接ではより速い溶接速度が用いられることも多く、溶接の高速化の観点からも十分とは言い難い。

【0009】

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、レーザ溶接等を用いて高速溶接を施した場合であっても溶接割れが抑制される５０００系アルミニウム合金展伸材、当該アルミニウム合金展伸材を含む溶接接合体、及び当該アルミニウム合金展伸材の効率的な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】

【0010】

本発明者らは、上記目的を達成すべく、アルミニウム合金の組成及び当該組成と溶接割れ等の関係について鋭意研究を重ねた結果、アルミニウム合金に適量の界面活性元素（Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｌｉ及びＢａのうちの少なくともいずれか一種）を含有させ、溶融アルミニウム合金の表面張力を低下させること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

【0011】

即ち、本発明は、
Ｍｇの含有量が０．２質量％以上６．０質量％未満であり、
溶融アルミニウムの表面張力を低下させる界面活性元素を含有し、
前記界面活性元素がＳｒ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｌｉ及びＢａのうちの少なくともいずれか一種であり、
前記界面活性元素の含有量が０．０８質量％以上０．５０質量％以下であること、
を特徴とする溶接用アルミニウム合金展伸材、を提供する。

【0012】

界面活性元素（Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｌｉ及びＢａのうちの少なくともいずれか一種）を含有させることで、溶融アルミニウムの表面張力を低下させることができ、溶融領域におけるアルミニウムの流動性が向上し、高速接合を行っても溶接割れを抑制することができる。ここで、界面活性元素はＳｒとすることが好ましい。界面活性元素としてＳｒを添加することで、その他の元素を添加する場合よりも簡便かつ効率的に溶融アルミニウムの表面張力を低下させることができる。

【0013】

また、適量の界面活性元素を含まないアルミニウム合金を溶接する場合、ビード部の金属組織が粗大な柱状晶組織となり、そこから溶接割れが生じやすい。これに対し、界面活性元素を０．０８質量％以上添加すると、ビード部の柱状組織が微細化され、溶接割れを抑制することができる。当該効果は界面活性元素を０．５質量％以上添加しても明瞭には向上せず、界面活性元素の添加に起因して原料費が高くなるため、添加量は０．５質量％以下としている。ここで、より好ましい界面活性元素の添加量範囲は、０．１０質量％以上０．２質量％以下である。

【0014】

また、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材においては、Ｍｇの含有量が０．２質量％以上６．０質量％未満となっている。０．２質量％以上６．０質量％未満のＭｇを添加することで、十分な耐食性を維持しつつ、固溶強化等によって高強度化を図ることができる。

【0015】

また、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材においては、前記界面活性元素以外の組成が、ＪＩＳ規格で規定される５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系アルミニウム合金）の範囲内であること、が好ましい。本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材の界面活性元素以外の元素は、一般的に５０００系アルミニウム合金に添加される元素やその組成範囲であればよく、不純物も５０００系アルミニウム合金のＪＩＳ規格の範囲内であれば許容される。

【0016】

また、本発明は、２以上の部材を溶接してなる溶接接合体において、溶接される少なくとも１以上の部材が、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材であること、を特徴とする溶接接合体、も提供する。溶接接合体の被溶接材の少なくとも一つが本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材となっていることで、当該溶接接合体を高速溶接によって効率的に製造することができる。また、高速溶接によって形成された溶接部では割れ等の欠陥の発生が抑制されており、溶接接合体は高い強度と信頼性を有している。

【0017】

更に、本発明は、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材に対して、溶接速度が３ｍｍ／ｍｉｎ以上の溶接を施すこと、を特徴とするアルミニウム合金材の溶接方法、も提供する。本発明のアルミニウム合金材の溶接方法においては、被溶接材に本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材を使用していることから、溶接速度を３ｍｍ／ｍｉｎ以上としても、溶接部における割れ等の欠陥形成が抑制される。生産性と溶接部における欠陥形成抑制の観点から、溶接速度は４ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、５ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。

【0018】

また、本発明のアルミニウム合金材の溶接方法においては、前記溶接にレーザ溶接を用いること、が好ましい。レーザ溶接を用いることで、溶接速度の増加を容易に達成することができる。また、５ｍｍ／ｍｉｎ以上の高速溶接を行う場合は、例えば、ハイブリッドレーザ溶接を用いることができる。ハイブリッドレーザ溶接は、先行するレーザにより発生した陰極点にアークを誘導して溶接する接合技術であり、溶接の安定性向上、欠陥形成の抑制、接合速度の増加及び溶け込み深さの増加等を実現することができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、レーザ溶接等を用いて高速溶接を施した場合であっても溶接割れが抑制される５０００系アルミニウム合金展伸材、当該アルミニウム合金展伸材を含む溶接接合体、及び当該アルミニウム合金展伸材の効率的な溶接方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明のアルミニウム合金溶接接合体の一態様における溶接部近傍の概略断面図である。

【図2】溶接部４の微細組織の模式図である。

【図3】バレストレイン試験用治具の外観写真である。

【図4】バレストレイン試験の模式図である。

【図5】実施例２で得られた溶接部の縦断面における組織写真である。

【図6】実施例２で得られた溶接部の横断面のマクロ写真（溶接割れなし）である。

【図7】実施例２で得られた溶接部の横断面のマクロ写真（溶接割れあり）である。

【図8】比較例１で得られた溶接部の縦断面における組織写真である。

【図9】比較例１で得られた溶接部の横断面のマクロ写真である。

【図10】割れ率と母材Ｓｒ量の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しながら本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材、アルミニウム合金溶接接合体及びその溶接方法についての代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

【0022】

１．溶接用アルミニウム合金展伸材
本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材は、０．２質量％以上６．０質量％未満のＭｇと、０．０８質量％以上０．５０質量％以下の界面活性元素を含有すること、を特徴としている。以下、各成分について詳細に説明する。

【0023】

（１）必須の添加元素
Ｍｇ：０．２質量％以上６．０質量％未満
Ｍｇは５０００系マグネシウム合金の主要な添加元素であり、固溶強化によってアルミニウムを高強度化することができる。０．２質量％以上６．０質量％未満のＭｇを含有させることで、溶接用アルミニウム合金展伸材を高強度・高信頼性が要求される構造部材として好適に使用することができる。

【0024】

界面活性元素（Ｓｒ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｌｉ及びＢａのうちの少なくともいずれか一種）：０．０８質量％以上０．５０質量％以下
界面活性元素を０．０８～０．５０質量％含有させることで、溶融アルミニウムの表面張力を低下させることができ、溶融アルミニウムの流動性が向上し、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎを超えるような高速溶接を行っても溶接割れを抑制することができる。界面活性元素にはＳｒを用いることが好ましい。

【0025】

また、界面活性元素を含まないアルミニウム合金を溶接する場合、ビード部の金属組織が粗大な柱状晶組織となり、そこから溶接割れが生じやすい。これに対し、界面活性元素を０．０８質量％以上添加すると、ビード部の柱状組織が微細化され、溶接割れを抑制することができる。当該効果は界面活性元素を０．５質量％以上添加しても明瞭には向上せず、界面活性元素の添加に起因して原料費が高くなることに加え、多量に添加すると粗大な化合物を形成する可能性がある。また、界面活性元素を多量に添加すると、高速での溶接時に空気を巻き込みやすく、ブローホールが形成しやすくなる。これらの観点から、界面活性元素の添加量は０．５質量％以下としている。

【0026】

ここで、より好ましい界面活性元素の添加量範囲は、０．１０質量％以上０．２質量％以下であり、最も好ましい界面活性元素の添加量範囲は、０．１５質量％以上０．２質量％以下である。

【0027】

（２）任意の添加元素
アルミニウム合金の機械的性質を向上させるＭｇと溶接性を向上させる界面活性元素以外の添加元素は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、ＪＩＳ規格で規定される５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系アルミニウム合金）の範囲内とすることができる。即ち、任意の添加元素は、一般的に５０００系アルミニウム合金に添加される元素やその組成範囲であればよく、不純物も５０００系アルミニウム合金のＪＩＳ規格の範囲内であれば許容される。

【0028】

２．アルミニウム合金溶接接合体
本発明のアルミニウム合金溶接接合体は、２以上の部材を溶接してなる溶接接合体において、溶接される少なくとも１以上の部材が、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材であることを特徴としている。以下、界面活性元素としてＳｒを添加した場合について説明する。本発明のアルミニウム合金溶接接合体の一態様における溶接部近傍の概略断面図を図１に示す。

【0029】

図１は溶接線に対して垂直な横断面を示しており、アルミニウム合金溶接接合体１は、アルミニウム合金材２同士が溶接部４によって接合された構造となっている。ここで、アルミニウム合金材２の少なくともいずれか一方が、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材となっている。

【0030】

溶接部４の形状及び大きさは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、アルミニウム合金材２の形状及び大きさや、所望の接合部特性に応じて適宜調整すればよい。溶接部４は被接合界面の全域に形成されることが好ましいが、継手の機械的性質に対する要求が高くない場合は部分的に形成されていてもよい。

【0031】

図１における溶接部４の微細組織を模式的に図２に示す。未溶融のアルミニウム合金材２との境界から凝固方向に柱状晶からなる組織が形成され、凝固の進行に伴って等軸状の結晶粒からなる組織が形成される。ここで、Ｓｒの添加によって溶接部４の組織は微細化されており、柱状晶と等軸晶共に、Ｓｒが添加されていない場合と比較して微細化されている。

【0032】

３．アルミニウム合金材の溶接方法（アルミニウム合金溶接接合体の製造方法）
本発明のアルミニウム合金材の溶接方法について、アルミニウム合金溶接接合体１を製造する場合を例として説明する。アルミニウム合金溶接接合体１は、少なくとも溶接される１以上の部材（アルミニウム合金材２）を、本発明の溶接用アルミニウム合金展伸材とすることで、３ｍｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で容易に製造することができる。

【0033】

ここで、溶接部における割れ等の欠陥形成抑制効果は極めて顕著であり、溶接速度を増加させても十分にその効果を得ることができる。生産性と溶接部における欠陥形成抑制の観点から、溶接速度は４ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、５ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。

【0034】

溶接方法は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の溶接方法を用いることができるが、例えば、レーザ溶接を用いることで簡便に高速溶接を施すことができ、ハイブリッドレーザ溶接を用いることでより効率的に高速溶接を施すことができる。

【0035】

また、本発明の効果を損なわない限りにおいて、必要に応じて適当な溶加材を用いてもよく、溶接速度以外の溶接条件は、被接合材の板厚や形状等によって適宜調整すればよい。

【0036】

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

【実施例】

【0037】

≪実施例≫
ＪＩＳ－５０５０アルミニウム合金にＳｒを添加して、表１に示す組成（質量％）の溶接用アルミニウム合金展伸材（実施例１及び実施例２）を得た。当該溶接用アルミニウム合金展伸材のサイズ及び形状は、長さ２００ｍｍ×幅１９０ｍｍ×厚さ３ｍｍの板状とした。

【0038】

【表1】

【0039】

次に、溶接割れに対する溶接用アルミニウム合金展伸材の特性を評価するために、図３に示す試験治具を用いてバレストレイン試験による溶接を行った。バレストレイン試験の模式図を図４に示すが、被接合材に外部応力を印加した状態で溶接を行うものであり、溶接部に印加される引張応力によって溶接割れが促進されることになる。バレストレイン試験における曲げ半径は３００ｍｍとした。

【0040】

レーザ溶接にはＩＰＧ製のマルチモードＣＷファイバーレーザを用い、レーザ出力：２６００Ｗ、前進角：１０°、狙い角：９０°、溶接速度：５ｍ／ｍｉｎとして、ビードオンにてレーザ溶接を施した。なお、各溶接用アルミニウム合金展伸材に対して、３回のバレストレイン試験を行った。

【0041】

得られた溶接用アルミニウム合金展伸材の代表例として、実施例２として得られた溶接用アルミニウム合金展伸材の溶接部の縦断面における組織写真を図５に示す。縦断面写真の上半分が溶接部（ビード部）であり、柱状晶及び等軸晶共に微細な組織からなる溶接部が形成されていることに加え、柱状晶組織の発達が抑制されていることが分かる。

【0042】

実施例２として得られた溶接用アルミニウム合金展伸材の溶接部の代表的な横断面のマクロ写真を図６及び図７に示す。図６では溶接割れは全く観察されず、図７においては溶接割れが認められるものの、微小な割れに留まっている。

【0043】

≪比較例≫
ＪＩＳ－５０５０アルミニウム合金にＳｒを添加せず、表１の比較例として示す組成（質量％）としたこと以外は実施例と同様にして、バレストレイン試験による溶接を行った。比較例１として得られた溶接部の縦断面における組織写真を図８に示す。縦断面写真の上半分が溶接部（ビード部）であり、柱状晶及び等軸晶共に実施例の場合よりも粗大化している。加えて、柱状晶からなる組織が顕著に成長しており、溶接割れの抑制に対して不利な組織となっていることが分かる。

【0044】

比較例１として得られた溶接用アルミニウム合金展伸材の溶接部の代表的な横断面のマクロ写真を図９に示す。図９においては、粗大な溶接割れが認められる。

【0045】

実施例及び比較例のバレストレイン試験によって溶接ビードの表面に発生した溶接割れについて、カラーチェックによって当該溶接割れの長さを測定した。測定によって得られた溶接割れの長さを、溶接長さ１００ｍｍあたりに対する割れ長さの割合（割れ率）として、表２に示す。また、割れ率と母材Ｓｒ量の関係を図１０に示す。

【0046】

【表2】

【0047】

Ｓｒを添加していない比較例１及びＳｒを０．０５５質量％添加した比較例２においては割れ率の平均がそれぞれ９７．４％及び９８．３％と高い値となっているが、０．１質量％以上のＳｒを添加した実施例１及び実施例２では割れ率が顕著に低下していることが分かる。

【符号の説明】

【0048】

１・・・アルミニウム合金溶接接合体、
２・・・アルミニウム合金材、
４・・・溶接部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】