JPH05169290A - アルミニウム合金溶加材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ａl−Ｚn−Ｍg系アルミニウム合金材料に対
して、その耐割れ性を改善しつつ溶接継手部の強度向上
を兼ね備えたアルミニウム合金溶加材を得る。 【構成】 この溶加材は、Ｚn:１〜６％、Ｍg:３〜６％
(但し、Ｚn≦Ｍg)、Ｍn:０.２〜０.９％、Ｃr:０.０５
〜０.５％、Ｔi:０.０５〜０.２％、Ｂ:０.０１〜０.２
％及びＺr:０.０５〜２％を含有し、残部がＡlと不可避
的不純物からなることを特徴としている。必要に応じ
て、更にＡg:０.０２〜１％を含有させることができ
る。かゝる溶加材は、通常の方法により鋳造した上記化
学成分を有するアルミニウム合金鋳塊を、１０⁴〜１０⁹
w／mm²と高いパワー密度を有するエネルギービームを用
い、かつ１回の溶融幅を３０mm以下とするゾーンメルテ
ィング法で再溶融し、１〜３×１０²℃／sec以上の凝固
速度で急速凝固させることにより製造され、固溶量以上
のＺrを含有させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接に用いられるアルミ
ニウム合金溶加材、特にＡl−Ｚn−Ｍg系合金材料の溶
接に用いられる溶加材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融溶接が可能なＡl−Ｚn−Ｍg系合金
は車両、橋梁や他の構造物に広く用いられている。本系
合金は、共材の溶加材で溶接した場合、継手強度は高く
なるものの、割れ感受性が高く、溶接割れや応力腐食割
れが発生し易い。このため、実施施工では母材と成分の
異なるＡl−Ｍg系の５３５６、５１８３や５０５６が溶
加材として用いられる。一方、パルス溶接などにより溶
湯を撹拌して結晶粒を微細化する方法も用いられている
が、実施施工では溶接割れの発生を完全に防止すること
はできない。また、溶接部と母材の組成が異なるため、
母材の強さに比べ溶接継手部の強さが低く、高性能、大
型化が阻害されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、本系合
金は強度を高めるためにＺn、Ｍgが含有されているが、
高強度化により割れ感受性が高くなり溶接割れや応力腐
食割れが発生し易くなるため、従来より、割れ感受性の
低いＡl−Ｍg系の５３５６や５１８３等が溶加材として
用いられているが、その溶接金属部は、時効硬化性が劣
ったりするため、溶接後の時効処理での強度の向上は期
待できない。そのため、高強度である母材に比べ溶接部
の強さが著しく劣るという問題があった。

【０００４】一方、割れ感受性を改善する方法として
は、例えば、「軽金属」Ｖol.１９、Ｎo.１１(１９６
９)、ｐ.４７０〜４８０に示すように、Ｚr、ＴiやＢの
微量添加が有効であり、特にＺrの添加が最も効果的
で、添加量が多い程、効果は顕著であることが知られて
いる。

【０００５】ところで、平衡状態におけるＺrの固溶量
は最大で０.３％であり、本系合金の割れ感受性を実用
上問題のないレベルまで改善するためには固溶量以上の
Ｚr添加が必要である。しかし、通常の金型を用いる鋳
造法では凝固速度が１０²℃／sec以下と遅く、固溶量以
上のＺrを添加すると、過剰なＺrは巨大な晶出物を形成
する。その結果、圧延や線引き等の加工性悪化を引き起
こすため、実用上、Ｚrの添加は固溶量範囲内に限定さ
れ、本系合金の溶接割れ感受性の改善には限界があっ
た。

【０００６】一方、前述のパルス溶接法などにより溶湯
を撹拌して結晶粒を微細化する方法は、市販の溶接機で
は溶接条件的に微細化効果が少なかったり、装置的に付
与設備を必要として大掛かりとなり、実用的ではない。

【０００７】以上のとおり、本系合金の溶加材には、従
来より、割れ感受性の低いＡl−Ｍg系の溶加材(例え
ば、５３５６や５１８３等)が使用されているが、強
度、耐割れ性の観点で問題が多く、高性能、軽量化の障
害となっていることから、高い継手強度を有し、耐割れ
性に優れた溶加材に対する強いニーズがある。

【０００８】本発明は、かゝるニーズに応えるべくなさ
れたものであって、Ａl−Ｚn−Ｍg系アルミニウム合金
材料に対して、その耐割れ性を改善しつつ、溶接継手部
の強度向上を兼ね備えたアルミニウム合金溶加材を提供
することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明者は、従来のＡl−Ｚn−Ｍg系アルミニウム
合金溶加材の欠点を改善し得る方策について鋭意研究を
重ねた。その結果、Ａl−Ｍg−Ｚn系組成に高含有量の
Ｚrを添加し、溶接割れ性を改善しつつ溶接継手部の強
度向上を図ること、また、Ａgを添加することにより耐
応力腐食割れ性を改善させること、更には、高含有量の
Ｚrを添加させる方法として、通常法で造塊した鋳塊を
高エネルギー密度を有するエネルギービームにより再溶
融し、急速凝固させることにより、固溶量より多いＺr
を含有させることができることを見い出し、これらの知
見に基づいて本発明をなしたものである。

【００１０】すなわち、本発明は、Ｚn:１〜６％、Ｍg:
３〜６％(但し、Ｚn≦Ｍg)、Ｍn:０.２〜０.９％、Ｃr:
０.０５〜０.５％、Ｔi:０.０５〜０.２％、Ｂ:０.０１
〜０.２％及びＺr:０.０５〜２％を含有し、必要に応じ
て更にＡg:０.０２〜１％を含有し、残部がＡlと不可避
的不純物からなることを特徴とするＡl−Ｍg−Ｚn系ア
ルミニウム合金溶加材を要旨とするものである。

【００１１】また、その製造方法は、通常の方法により
鋳造した上記化学成分を有するアルミニウム合金鋳塊
を、１０⁴〜１０⁹w／mm²と高いパワー密度を有するエネ
ルギービームを用い、かつ１回の溶融幅を３０mm以下と
するゾーンメルティング法で再溶融し、１〜３×１０²
℃／sec以上の凝固速度で急速凝固させることを特徴と
するものである。

【００１２】以下に本発明を更に詳述する。

【００１３】

【作用】

【００１４】まず、本発明のアルミニウム合金溶加材に
おける化学成分の限定理由について説明する。

【００１５】Ｚn、Ｍg：ＺnとＭgは、アルミニウム合金
中においてＭgＺn₂、Ａl₂Ｍg₃Ｚn₃などの化合物を生成
し、強化元素として作用するが、Ｚnが１％未満、Ｍgが
３％未満ではこの効果がなく、また、Ｚn、Ｍgがそれぞ
れ６％を超えると加工性や応力腐食割れに対する抵抗が
劣化するので不適当である。よって、Ｚn量は１〜６
％、Ｍgは３〜６％の範囲とする。

【００１６】但し、上記範囲において、Ｚn量は、Ｍg量
と等しいか、又は少ない量とする必要がある。すなわ
ち、ＺnはＭgと共に強化元素として作用するが、Ａl−
Ｚn−Ｍg系の三元合金を共金系の溶加材で溶接すると溶
接割れや感受性が高くなるために、Ｚn量はＭg量より多
く添加できず、両者の関係はＺn≦Ｍgとする。

【００１７】Ｍn：Ｍnは、０.２％以上であれば強度及
び耐応力腐食割れ性を改善するが、０.９％を越えて含
有すると巨大化合物を生成するので好ましくない。よっ
て、Ｍn量は０.２〜０.９％の範囲とする。

【００１８】Ｃr：Ｃrは、結晶粒を微細化し、強度及び
耐応力腐食割れ性を改善するが、そのためには０.０５
％以上が必要である。しかし、０.５％を超えると機械
的性質を劣化させるので不適当である。よって、Ｃr量
は０.０５〜０.５％の範囲とする。

【００１９】Ｔi、Ｂ：Ｔi及びＢは、結晶粒微細化によ
り溶接割れ性を改善するが、Ｔiが０.０５％未満、Ｂが
０.０１％未満ではその効果がなく、またＴi、Ｂがそれ
ぞれ０.２％を超えるとＡlとの化合物を形成し、靭性を
劣化させるという点で不適当である。よって、Ｔi量は
０.０５〜０.２％、Ｂ量は０.０１〜０.２％の範囲とす
る。

【００２０】Ｚr：Ｚrは、Ｔi及びＢと同様に、結晶粒
微細化により溶接割れ性を改善するが、０.０５％未満
では溶接割れ防止効果に乏しい。逆に、２％を超えると
加工性、靭性を悪化させるので好ましくない。よって、
Ｚr量は０.０５〜２％の範囲とする。なお、Ｚrを固溶
量以上に含有させるには、後述の製造方法によると、巨
大晶出物の形成並びに加工性悪化を伴うことがない。

【００２１】Ａg：Ａgは、応力腐食割れ性を改善し強度
を増大させる効果があるので、必要に応じて添加する。
しかし、０.０２％未満ではその効果が少なく、また１
％を超えると溶接性が劣ったり、また不経済でもあるの
で好ましくない。よって、Ａg量は０.０２〜１％の範囲
とする。

【００２２】次に、上述のＡl−Ｍg−Ｚn系アルミニウ
ム合金溶加材の製造方法について説明する。

【００２３】Ｚrは、消失元素であるため、溶加材に添
加する場合は、母材に添加する場合に比べて割れ防止に
対する効果は減少する。そのため、割れ性を改善するた
めには母材に添加するより多くのＺr量の添加が必要と
なるが、平衡状態におけるＺrの固溶量は０.３％以下で
あり、通常の金型を用いる鋳造法では、凝固時の冷却速
度が１０²℃／sec以下と遅いために、固溶量以上のＺr
添加では巨大な晶出物を形成し、加工性の悪化を引き起
こすため好ましくない。

【００２４】そこで、本発明者等はこの改善策について
鋭意研究を重ねた。まず、パワー密度が１０⁴〜１０⁹w
／mm²と非常に高いエネルギー密度を有するエネルギー
ビームを溶接に応用した場合、ビード幅が非常に狭く、
溶込みの深いビードが形成されると共に、凝固時の冷却
速度が非常に大きいことに着目した。例えば、パワー密
度が１０³w／mm²以下の場合は凝固時の冷却速度が１〜
３×１０²℃／sec以下となるが、パワー密度が１０⁴w／
mm²以上の場合は、３×１０²℃／sec以上の冷却速度が
得られる。

【００２５】この原理を、固溶量以上のＺrを含有させ
たアルミニウム合金を通常の金型(冷却速度は１０²℃／
sec以下)を用いて鋳造した鋳塊の再溶解に適用したとこ
ろ、巨大な晶出物を形成することなく、また加工性の悪
化を引き起こすことなく、固溶量以上の高Ｚrを含有さ
せられることが判明した。

【００２６】その際、肉厚方向に完全に再溶融させるた
めに、例えば、後述の表２に示す条件を用い、適当なリ
メルトピッチで、１回の溶融幅が３０mm以下でゾーンメ
ルティングすることにより、鋳塊の冷却速度は３×１０
²℃／sec以上となり、急速凝固が可能となる。

【００２７】このような高いエネルギー密度を有するエ
ネルギービームとしては、電子ビームやレーザが挙げら
れる。熱源を連続的でなくパワー密度を集約(高く)し周
期的に照射する方法では１０⁹w／mm²以上のパワー密度
を得ることは可能であるが、本方法のように連続的に熱
源を照射する方法では、現在の設備では能力的に不可能
である。よって、パワー密度の上限は１０⁹w／mm²とす
る。

【００２８】なお、現状では、設備の能力的にゾーンメ
ルティング法以外の方法では凝固時の冷却速度が遅く不
可能である。また、本法以外に急速凝固させる方法には
連続鋳造法があるが、現状の技術ではゾーンメルティン
グ法に相当する冷却速度が得られない。

【００２９】本溶加材を用いる母材としては、Ａl−Ｚn
−Ｍg系３元アルミニウム合金が最も好ましく、その成
分組成、並びに溶接法は特に制限はない。

【００３０】次に本発明の実施例を示す。

【００３１】

【実施例】

【表１】 に示す化学成分を有するアルミニウム合金のうち、Ｎo.
１〜Ｎo.１９のアルミニウム合金を通常法で鋳造し、得
られた鋳塊(板厚５０mm)を、電子ビームを用い、

【表２】 に示す条件で、リメルトピッチ１５mmで、１回の溶融幅
が１５〜３０mmとなる条件で、両面から板厚方向に完全
に溶融するように鋳塊の幅、及び長さ方向に再溶融凝固
させた後、圧延、線引きにより、線径３.２mmの溶接棒
を製作し、ＴＩＧ溶接に供した。

【００３２】表１のＮo.１〜Ｎo.７が本発明例である。
比較のため、従来合金の５３５６(表１中のＮo.２０)も
用いた。母材には代表的なＡl−Ｚn−Ｍg系合金である
Ａ７Ｎ０１-Ｔ６を用いた。

【表３】 に溶接試験結果を示す。

【００３３】なお、溶接割れ感受性は、板厚２mmのフィ
ッシュボーン型試験法を用い、ＡＣ・ＴＩＧ法で試験を
行い、割れ率(％)＝(割れ長さ／溶接全長)×１００を求
めて評価した。継手強度については、板厚６mmのＶ開先
(開先角度は９０°)を片面２パスで仕上げ、室温で１ヶ
月の常温時効処理を実施した後、余盛を削除して強度試
験を行った。応力腐食割れ性は、３点支持法により１５
kg／mm²の応力を加え、１００℃で３g／１のＮaＣlと３
６g／１のＣrＯ₃と３０g／１のＫ₂Ｃr₂Ｏ₇との混合水溶
液に浸漬し、割れを観察して評価した。また、加工性
は、溶接棒製作工程における圧延加工時の耳割れの有無
により判定した。評価は、従来合金の５３５６との対比
で行い、◎(特に優れている)、○(優れている)、△(同
等)、×(劣る)の４段階で評価した。

【００３４】また、

【表４】 に圧延加工におけるインゴットの種類についての試験結
果を示す。判定は、圧延加工における割れの有無により
判定し、１個の割れの長さが１０mm以下を○、１０mm以
上を×とした。

【００３５】表３より、以下のように考察される。

【００３６】本発明例のＮo.１〜Ｎo.７は、いずれも、
継手強度が高く、耐割れ性、加工性が優れている。

【００３７】一方、比較例Ｎo.８はＺn量が少なく、継
手強度が現状と同等で改善効果が認められない。また、
Ｎo.９はＺn量が多く、継手強度は改善されるが、加工
性が悪化している。

【００３８】Ｎo.１０はＭg量が少なく、継手強度の改
善が認められない。Ｎo.１１はＭg量が多く、割れ感受
性及び継手強度の改善は認められるものの、加工性が悪
化している。

【００３９】Ｎo.１２は、継手強度の改善効果は認めら
れるものの、Ｚr量が少ないために割れ感受性の改善が
認められない。Ｎo.１３は、逆にＺr量が多いために割
れ感受性及び継手強度の改善効果は認められるものの、
加工性の悪化を引き起こすので好ましくない。

【００４０】Ｎo.１４は、Ｔi、Ｂ量が少なく割れ感受
性の改善効果が少ない。Ｎo.１５は逆にＴi、Ｂ量が多
く、継手強度の改善効果が認められない。

【００４１】Ｎo.１６はＭn量が少なく継手強度の改善
効果が少ない。Ｎo.１７は逆にＭn量が多く加工性の悪
化を引き起こすので好ましくない。

【００４２】Ｎo.１８はＣr量が少なく耐割れ性の改善
が認められず、効果が少ない。また、従来合金のＮo.１
９は、Ｃr量が多く加工性が悪化している。

【００４３】また、加工におけるインゴットの影響につ
いては、表４に示すように、通常法に比べ、本発明法
(再溶融法)が圧延加工時における耳割れの発生も少な
く、優れていることがわかる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の溶加材に
よれば、Ａl−Ｚn−Ｍg系アルミニウム合金の溶接に適
し、耐割れ性を改善し、更に高い継手強度が得られる。
また加工性も優れているので、その工業上の効果は顕著
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で(以下、同じ)、Ｚn:１〜６％、
   Ｍg:３〜６％(但し、Ｚn≦Ｍg)、Ｍn:０.２〜０.９％、
   Ｃr:０.０５〜０.５％、Ｔi:０.０５〜０.２％、Ｂ:０.
   ０１〜０.２％及びＺr:０.０５〜２％を含有し、残部が
   Ａlと不可避的不純物からなることを特徴とするＡl−Ｍ
   g−Ｚn系アルミニウム合金溶加材。
2. 【請求項２】 Ｚn:１〜６％、Ｍg:３〜６％(但し、Ｚn
   ≦Ｍg)、Ｍn:０.２〜０.９%、Ｃr:０.０５〜０.５％、
   Ｔi:０.０５〜０.２％、Ｂ:０.０１〜０.２％及びＺr:
   ０.０５〜２％を含有し、更にＡg:０.０２〜１％を含有
   し、残部がＡlと不可避的不純物からなることを特徴と
   するＡl−Ｍg−Ｚn系アルミニウム合金溶加材。
3. 【請求項３】 通常の方法により鋳造した請求項１又は
   ２に記載の化学成分を有するアルミニウム合金鋳塊を、
   １０⁴〜１０⁹w／mm²と高いパワー密度を有するエネルギ
   ービームを用い、かつ１回の溶融幅を３０mm以下とする
   ゾーンメルティング法で再溶融し、１〜３×１０²℃／s
   ec以上の凝固速度で急速凝固させることを特徴とするＡ
   l−Ｍg−Ｚn系アルミニウム合金溶加材の製造方法。