(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
AA乃至JIS 規格に規定される6000系アルミニウム合金母材がアルミニウム合金溶加材を用いて溶接施工されて成るとともに、該溶接施工が継手側辺部の溶接部を含む溶接継手であって、前記アルミニウム合金母材とアルミニウム合金溶加材とを、溶接施工前に、各材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線において、アルミニウム合金母材は530 ℃近傍における発熱ピークが、また、アルミニウム合金溶加材は550 ℃以下における発熱ピークが、それぞれ実質的に認められないものとし、前記側辺部の溶接部底面に溶接割れがないことを特徴とするアルミニウム合金溶接継手。
【請求項２】
前記6000系アルミニウム合金母材が過剰Si型であり、この母材の前記発熱ピークが532 ℃近傍である請求項１に記載のアルミニウム合金溶接継手。
【請求項３】
前記請求項１または２のアルミニウム合金溶接継手に用いられるAA乃至JIS 規格に規定される6000系アルミニウム合金展伸材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継手側辺部の溶接部底面の溶接割れを防止した、6000系アルミニウム合金溶接継手 (以下、アルミニウムを単にAlと言う) および該溶接継手用アルミニウム合金展伸材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの輸送機のパネル類、フレーム類、メンバー類などの部材には、成形した板材や形材などのAl合金母材同士を溶接接合した継手 (溶接接合部材) が用いられるようになっている。
【０００３】
これら溶接継手用Al合金としては、従来から溶接構造用Al合金として汎用されるAA乃至JIS 規格に規定される5000系や、6063、6061などの6000系 (以下、AA乃至JIS は省略) 、7N01、7003などの7000系などのAl合金展伸材 (圧延板材、押出形材、鍛造材などの総称、以下、単にAl合金材とも言う) がある。
【０００４】
この6000系 (Al-Mg-Si系) のAl合金中でも、AA乃至JIS 規格で6061、6N01、6016、6111、6022などの、Si/Mg が1 以上の、Mg含有量に対しSiが過剰に含有されている、過剰Si型の6000系Al合金は、溶体化処理および焼き入れ処理 (質別記号T4) やその後の時効処理 (質別記号T6) 、過時効処理 (質別記号T7) 後の特性において特に時効硬化性に優れている。
【０００５】
このため、過剰Si型6000系Al合金は、前記輸送機部材への成形時には低耐力で成形性を確保するとともに、成形後の部材の塗装焼き付け処理などにおいて、170 ℃など比較的低温の加熱でも高耐力化して要求強度を満たせる特性を有している。また、前記5000系や7000系などのAl合金に比して、合金元素量が少ないので、スクラップを元の6000系Al合金の溶解原料として再利用できるなどのリサイクル性にも優れている。
【０００６】
しかし、6000系Al合金材、中でも過剰Si型6000系Al合金材は、その優れた時効硬化性ゆえに、前記5000系や7000系などのAl合金に比して、逆に溶接時には、その接合性（接合強度）が低下するという問題がある。そして、この接合性の問題は、特に、部材の溶接される部位の側辺部 (端部乃至縁部) から溶接線までの距離 (端長さ) が短い、溶接部位 (側辺部溶接部) を溶接施工する際に顕著となる。
【０００７】
即ち、隅肉溶接や突き合わせ溶接などで、少なくともいずれかのAl合金材を過剰Si型6000系Al合金として継手を溶接接合する際、側辺部の溶接部において、溶接部の底面 (裏面) に、溶接線 (溶着線) に沿って走る、マクロな溶接割れが生じ易いという問題がある。この側辺部溶接部の底面の割れは、6000系Al合金材の顕著な傾向であるとともに、過剰Si型の6000系Al合金材において、特にその傾向が強くなる。そして、他の5000系や7000系などの、6000系以外のAl合金ではこの溶接部底面割れが発生しない乃至しにくい。
【０００８】
また、この溶接部底面割れは、通常、溶接施工の際にAl合金系全般において生じやすい、溶接金属部 (溶着部) やその近傍乃至周囲の熱影響部 (以下、HAZ と言う) などの溶接接合部に生じる、ミクロな溶接割れとは、後述する発生機構を含めて全く異なる特異な現象である。
【０００９】
図10は、6000系Al合金材の側辺部溶接部において生じる溶接部底面の溶接割れを示している。図10は、図9 に平面図で示す2mm 厚の過剰Si型のAA6022Al合金板(Si;0.9%、Mg;0.6%)試験片1aを、溶接される試験片1aの側辺部2 から溶接線3 までの距離 (以下、端長さと言う)tを種々変えて溶接した場合の、試験片底面1bの溶接状態を示している。なお、溶接法は簡易的にビードオン溶接法を用い、溶け込み深さを一定として溶接した。この図10において、(a) は端長さが32mm、(b) は端長さが24mm、(c) は端長さが16mm、(d) は端長さが 8mmの場合である。
【００１０】
図10に示す通り、端長さが比較的長い図10(a)(b)では、溶接線3aの部分 (溶接部底面) に溶接割れは生じていない。これに対し、図10(c)(d)のように端長さが短くなるにつれて、溶接線3aの部分に沿って走る、マクロな溶接割れ4a、4bが生じている。即ち、端長さが短くなるほど、特に過剰Si型などの6000系Al合金材の側辺部溶接部底面では、マクロな溶接割れが生じやすくなる。
【００１１】
また、この6000系Al合金材側辺部の溶接部底面の割れ (以下、単に側辺部底面割れと言う) の傾向は、スポット溶接などの個々の溶接線がごく短い溶接接合方法では生じない。しかし、溶接線が比較的長い、アークなどの熱源を用いる溶融溶接方法、即ち、ティグ(TIG) 、ミグ(MIG) などの高速アーク溶接や、レーザー溶接、電子ビームなど溶接で溶接して継手を形成する際に顕著となる。更に、この傾向は、溶接接合部が比較的高温にならない接合方法である、摩擦攪拌接合(FSW) 方法においても生じる。
【００１２】
そして、このような側辺部底面割れが起ると、Al合金溶接継手の強度が著しく低下し、自動車などの前記部材に適用できないという深刻な問題が生じる。
【００１３】
なお、従来から、Al合金溶接継手の溶接部の前記軟化や割れに対しては、アークなどの溶接方法の側から、溶接施工条件などの種々の改善方法が行なわれてきた。例えば、▲１▼特開平11-104860 号公報などに例示される通り、極力低入熱で溶接する、あるいは冷却しながら溶接接合する方法、▲２▼溶接後の継手を焼き入れ焼き戻し処理する、あるいは特開平5-222498号公報などのように、時効硬化処理前の材料(T1 、T4材) を溶接後、時効硬化処理する、などの熱処理によって軟化を回復させる方法などがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明で課題とする側辺部底面割れは、自動車などの前記部材にそれまで適用されていた、他の5000系や7000系などのAl合金では、前記した通り、発生しにくい。したがって、6000系Al合金材が自動車などの前記溶接適用部材に使用されて新たに生じた問題であり、しかも、前記した通り、6000系Al合金材に特有の問題でもある。
【００１５】
従来から、特開昭61-23580号公報などで、Al合金材の大肉厚部材と小肉厚部材の溶接における、溶接材の肉厚差に起因する熱伝導の差 (小肉厚部材の方が熱放散少) による、両者の加熱速度の差 (大肉厚部材の方が温度上昇が遅く熱量不足になる) が生じることなどが課題として公知にはなっていた。
【００１６】
しかし、これら公知技術の課題は、本発明の課題である側辺部底面割れとは異なる。また、側辺部底面割れとは、原因なり機構も異なるため、前記加熱速度格差を緩衝するため中肉厚部材を中間に設置する解決策も、側辺部底面割れ自体の解決策とはなり得ない。したがい、本発明の課題である側辺部底面割れは、これまで詳細に解明されておらず、また直接の解決策も提案されていなかった。
【００１７】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、側辺部底面割れを防止した、特に過剰Si型などの6000系アルミニウム合金継手を提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明6000系アルミニウム合金継手の請求項1 の要旨は、AA乃至JIS 規格に規定される6000系アルミニウム合金母材がアルミニウム合金溶加材を用いて溶接施工されて成るとともに、該溶接施工が継手側辺部の溶接部を含む溶接継手であって、前記アルミニウム合金母材とアルミニウム合金溶加材とを、溶接施工前に、各材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線において、アルミニウム合金母材は530 ℃近傍における発熱ピークが、また、アルミニウム合金溶加材は550 ℃以下における発熱ピークが、それぞれ実質的に認められないものとし、前記側辺部の溶接部底面に溶接割れがないことである。
【００１９】
本発明者らは、6000系Al合金母材の側辺部底面割れの原因を究明した結果、溶接部凝固時のHAZ の粒界の特定未凝固部分の存在 (挙動) と、前記端長さが短い側辺部溶接部底面の最高温度とが相関して起因していることを知見した。
【００２０】
まず、6000系Al合金母材では、その時効硬化特性を発揮させるための、Al-Mg-Si系 (過剰Si型) 組成とT4、T6、T7などの調質処理との関連で、母材の段階から、粒界に元々金属間化合物が多く存在する。この結果、側辺部溶接部底面のHAZ 粒界には、必然的に未凝固部分 (未凝固の金属間化合物) が存在することとなる。そして、この未凝固部分乃至粒界の金属間化合物は過剰Si型などの6000系Al合金母材において特に多く、側辺部底面割れの主原因となる。
【００２１】
側辺部底面割れの主原因が、6000系Al合金母材における粒界の金属間化合物であれば、これを減らせば良い。しかし、6000系Al合金母材における粒界の金属間化合物自体を減らすことは、冶金的に難しいし、粒内の有用な金属間化合物を含めて減らすことにつながり、6000系Al合金母材の優れた時効硬化性などの基本特性を低下させてしまう。
【００２２】
この点、本発明者らは、更に検討の結果、側辺部底面割れの主原因となるのは、粒界の金属間化合物の中でも特定の金属間化合物であり、6000系Al合金母材における粒界の金属間化合物自体乃至全体を減らす必要はないことも知見した。しかも、このことは、特定の金属間化合物が生じないよう、前記T4、T6、T7などの調質処理によって、前記時効硬化性などの基本特性を低下させずに、粒界の金属間化合物の形態を制御することが可能となることも意味する。
【００２３】
但し、側辺部底面割れの主原因となる、粒界の特定金属間化合物名を同定 (特定) することは分析技術上難しい。このため、本発明では、側辺部底面割れの主原因となる粒界の金属間化合物を、その側辺部底面割れに相関する性質の面から特定する。
【００２４】
即ち、Al合金母材を、両材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線において、530 ℃近傍における発熱ピーク (示差熱分析による発熱ピーク) が実質的に認められないものとしているのはこのためであって、側辺部底面割れの主原因となる前記特定の金属間化合物のみを、前記形態制御などによって、Al合金母材から除く乃至低減しようとしている。
【００２５】
前記示差熱分析による特定の発熱ピークは、Al合金母材の側辺部底面割れに相関する粒界の特定金属間化合物の溶接時の挙動、即ち、前記した、側辺部溶接部底面のHAZ 粒界の未凝固部分の挙動と良く相関している。これを側辺部底面割れの発生機構との関係で以下に説明する。
【００２６】
6000系Al合金母材の前記端長さが短い側辺部溶接部では、端長さが充分長い他の溶接部よりも、溶接部近傍のAl合金材の質量が著しく少ない。このため、溶接による熱がAl合金材を通じた伝熱により放熱されにくい。この結果、溶接時、側辺部溶接部底面は、他の溶接部底面よりも、550 ℃を越えるより高温側に保持されやすい傾向にある。
【００２７】
この側辺部溶接部底面の最高温度と、HAZ 粒界の未凝固部分 (粒界の特定金属間化合物) との相関を図6 を用いて説明する。図6 は側辺部溶接部の凝固過程を上から下のフェイズ1 〜3 にかけて示す模式図である。図6 の一番上の図と2 番目の図に示すように、例えば、Al合金材1 同士の突き合わせ溶接の場合、溶接部3 の凝固に従って、溶接部3  (溶融部) の収縮が起る際、矢印方向への収縮応力が溶接部3 に作用する。この際、6000系Al合金母材には、特に側辺部底面1bのHAZ 5 の粒界に未凝固部分6 が存在する。
【００２８】
ここにおいて、側辺部溶接部底面の最高温度が550 ℃を越える高温側に保持された場合、この未凝固部分6 のみ凝固のタイミングが遅れるために、溶接部3 の凝固収縮途中で、前記収縮応力が作用した場合に、図6 のフェイズ2 の右側の図に示すように、未凝固部分の粒界6 が耐えきれずにミクロな割れ6aとなって口を開くことなる。このため、側辺部底面において、マトリックスの拘束力が弱まるとともに、前記収縮応力の伝達や吸収が不十分となり、図6 のフェイズ3 の右側の図に示すように、側辺部底面割れ4 の発生に至るものである。
【００２９】
この傾向は、前記未凝固部分が多くなる過剰Si型6000系Al合金母材ほど、更に、溶接時の側辺部底面の最高温度が550 ℃を越える高温となるほど、また、550 ℃を越える温度に保持される時間が長いほど、強くなる。
【００３０】
一方、側辺部底面の最高温度が550 ℃以下の場合、凝固過程での上記未凝固部分6 の凝固のタイミング遅れは、前記収縮応力によるミクロな割れ6aとなるほど顕著には生じない。この結果、溶接部3 の凝固収縮途中で前記収縮応力が作用した場合には、図6 のフェイズ2 の左側の図に示すように、側辺部底面におけるマトリックスの拘束力が弱まることなく、前記収縮応力の伝達や吸収も順調に行われて、粒界凝固や溶融部収縮がスムースに進行、終了する。この過程なり結果は、他のAl合金材の凝固と同様であり、図6 のフェイズ3 の左側の図に示すように、側辺部底面割れが発生しない。
【００３１】
したがって、側辺部底面の最高温度を550 ℃以下としてやれば側辺部底面割れが発生しないが、継手の設計条件や溶接施工の条件によっては、側辺部溶接部底面の最高温度が550 ℃を越える高温側に保持される可能性がある。
【００３２】
このような側辺部溶接部底面の最高温度が550 ℃を越える高温側に保持される場合でも、また、側辺部底面の最高温度を550 ℃以下にできる場合でも、側辺部底面割れを確実に防止するために、本発明では、側辺部底面割れのもう一方の原因である、6000系Al合金母材の前記特に側辺部底面のHAZ 5 の粒界に存在する未凝固部分6 、それも、側辺部溶接部底面の到達温度が550 ℃の近傍で未凝固となり、凝固のタイミング遅れを生じるHAZ 粒界の未凝固部分 (母材の粒界の特定金属間化合物) を少なくする。
【００３３】
前記した、側辺部溶接部底面の到達温度が550 ℃の近傍で未凝固となり、凝固のタイミング遅れを生じるHAZ 粒界の未凝固部分は、前記示差熱分析による特定の発熱ピークと対応している。即ち、Al合金母材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線における530 ℃近傍の特定発熱ピークは、前記HAZ 粒界の未凝固部分と同様に、凝固過程における凝固のタイミング遅れを生じる成分のものである。そして、Al合金組織の冶金的な観点からは、この示差熱分析による特定の発熱ピークを生じるものと、前記HAZ 粒界の未凝固部分 (母材の粒界の特定金属間化合物) とが、同一の物質ではなくとも、少なくとも対応するものであることが分かる。
【００３４】
以上の側辺部底面割れの要因と示差熱分析による特定の発熱ピークとの相関は、6000系Al合金母材とは成分組成が異なり、JIS で規格化されている 5000 系や4000系などのAl合金溶加材でも全く同様である。ただ、Al合金溶加材の場合は、前記成分組成の違いから、側辺部底面割れの要因となるHAZ 粒界の未凝固部分 (粒界の特定金属間化合物) の成分組成が違う。このため、Al合金溶加材の場合、6000系Al合金母材と違い、前記HAZ 粒界の未凝固部分は、これらAl合金溶加材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線において、550 ℃以下での特定発熱ピークと相関する。
【００３５】
したがって、前記示差熱分析による特定の発熱ピークは、Al合金母材とAl合金溶加材の側辺部底面割れに相関する粒界の特定金属間化合物の溶接時の挙動良く相関しており、本発明では、前記示差熱分析による特定の発熱ピークが存在するか否かによって、側辺部底面割れを評価する。
また、Al合金母材とAl合金溶加材とを、前記示差熱分析による特定の発熱ピークが実質的に認められないものとすることにより、溶接施工が継手側辺部の溶接部を含む6000系Al合金溶接継手の側辺部底面割れを防止する。
【００３６】
本発明は以上のような優れた効果を有するため、請求項2 に記載の通り、6000系Al合金の中でも、特に側辺部底面割れの傾向が大きい過剰Si型6000系Al合金材に適用されることが好ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
(示差熱分析)
本出願人は、先に、特願2000-307855 号 (出願日平成12年10月6 日) として、本発明と同じ示差熱分析による特定の発熱ピークを基準とする継手用Al合金材 (母材) の発明を出願した。具体的には、Al合金継手の前記溶着部やHAZ などの溶接接合部に生じるミクロな溶接割れの防止のために、示差熱分析による特定の発熱ピークを550 ℃以下における発熱ピークとし、これが実質的に認められないAl合金材としている。
【００３８】
本発明者らは、この特願2000-307855 号で課題とする通常の溶接割れに対し、前記したように、発生機構が全く異なる側辺部底面割れ性の評価基準にも、この示差熱分析による特定の発熱ピークを適用できることを改めて知見し、本発明をなしたものである。
【００３９】
示差熱分析による測定示差温度は、溶接後のAl合金材の降温過程においては、Al合金材の凝固過程における熱的変化を示す。また、溶接時のAl合金材の昇温過程においては、Al合金材の融解過程における熱的変化を示す。
また、Al合金材の降温過程における発熱反応の開始温度が液相線、終了温度が固相線を各々表わし、Al合金材の昇温過程における吸熱反応の開始温度が固相線、終了温度が液相線を各々表わす。
【００４０】
このAl合金材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線や固相からの加熱曲線を、一般には、示差熱分析による曲線、即ち、DTA 曲線と称される (前記冷却曲線や加熱曲線を以下ではDTA 曲線と言う) 。また、同種の熱分析方法としては、示差走査熱量測定方法(DSC法) などもあるが、測定の再現性を考慮して、本発明では示差熱分析方法のみに定式化する。
【００４１】
Al合金材の示差熱分析の場合、前記基準物質としては、測定対象Al合金材よりも融点の十分高い金属を選択する。そして、この基準物質の種類により、測定示差温度は大きく変化することはないものの、測定の再現性を考慮して、本発明では、基準物質として、白金を選択する。
【００４２】
本発明における示差熱分析に用いる示差熱分析計は、側辺部底面割れ性の評価に必要な測定温度域の示差温度を正確かつ再現性よく測定可能であれば、市販の示差熱分析計を適宜選択することができる。
【００４３】
図1 〜5 に、一例として、後述する実施例のAl合金母材およびAl合金溶加材のDTA 曲線を各々示す。図1 〜5 において、A1〜A5はAl合金母材の融液からの降温過程におけるDTA 曲線であり、630 ℃付近の最大発熱ピークがAl合金材の主たる凝固反応を示す。また、B1〜B5はAl合金材の昇温過程におけるDTA 曲線であり、660 ℃付近の最大吸熱ピークがAl合金材の主たる融解反応を示す。
また、図1 、2 は後述する表2 の発明例B 、D の6000系Al合金母材のDTA 曲線、図3 は比較例C の6000系Al合金材のDTA 曲線、図4 は発明例に使用した5356Al合金溶加材のDTA 曲線、図5 は比較例に使用した4043Al合金溶加材のDTA 曲線である。
【００４４】
まず、図3(比較例C)の6000系Al合金材のDTA 曲線は、前記主たる凝固反応域 (最大発熱ピーク) 以外に、本発明で言う、530 ℃付近(532℃) での発熱ピークX1
(最終発熱ピーク) が小さいながらも認められる。
【００４５】
これに対して、図1 、2  (発明例B 、D)の6000系Al合金材のDTA 曲線では、上記530 ℃付近での発熱ピーク (最終発熱ピーク) は一切認められない。
【００４６】
また、図5 の4043Al合金溶加材のDTA 曲線では、前記主たる凝固反応域 (最大発熱ピーク) 以外に、本発明で言う、550 ℃以下(542℃) での大きな発熱ピークX2 (最終発熱ピーク) が認められる。
【００４７】
これに対して、図4 の5356Al合金溶加材のDTA 曲線では、550 ℃以下での発熱ピーク (最終発熱ピーク) は一切認められない。
【００４８】
なお、本発明では、前記図1 、2 、4 のDTA 曲線のように、前記主たる凝固反応域 (最大発熱ピーク) 以外では、曲線がなだらかに変化推移し、530 ℃付近での発熱ピーク (最終発熱ピーク) は一切認められない乃至不明瞭であり、ピーク (変曲点) の存在が特定できない場合に、これら発熱ピークが実質的に認められないものとする。
【００４９】
これらの結果から、図3(比較例c)の6000系Al合金材を母材として用い、また、図5 の4043Al合金溶加材を用いて、溶接継手を製作する際、前記端長さが短い側辺部溶接部で550 ℃を越えるより高温側に保持された場合を想定すると、図1 、2 の6000系Al合金材を母材として用い、図4 の5356Al合金溶加材を用いた場合に比して、凝固過程での未凝固部分の凝固のタイミング遅れによる前記側辺部底面割れの機構が生じ易いと予測される。
【００５０】
そして、後述する実施例表3 の溶接継手試験結果と対比すると、上記特定の発熱ピークが認められない図1 、2 の6000系Al合金材を母材とし、上記特定の発熱ピークが認められない図4 の5356Al合金溶加材を用いた場合には、発明例2 、4 の通り、側辺部底面割れが生じていない。一方、上記特定の発熱ピークが認められた図3 の6000系Al合金材を母材として用いた溶接継手では、図4 の5356や図5 の4043Al合金溶加材に関わらず、比較例8 、13の通り側辺部底面割れが生じている。
【００５１】
したがって、これらの結果から、DTA 曲線における前記特定の発熱ピークの有無が、側辺部底面割れに相関していることが裏付けられる。また、これら発熱ピークが実質的に認められないAl合金母材およびAl合金溶加材、あるいは、これらを用いて溶接した継手は、側辺部底面割れが起らない、と評価することができる。
【００５２】
(対象Al合金母材)
本発明で用いる母材Al合金は、AA乃至JIS 規格に規定される6000系(Al-Mg-Si 系) Al合金全体が対象となり、このうち、前記示差熱分析による特定の発熱ピークが実質的に認められないものが適用可能となる。6000系Al合金の中でも、特に側辺部底面割れの傾向が大きい、Si/Mg が1 以上の、Mg含有量に対しSiが過剰に含有されている、6N01、6016、6111、6022などの、過剰Si型の6000系Al合金が対象となり、また有効となる。
【００５３】
ただ、本発明母材Al合金の好ましい成分組成として、前記溶接構造用としての必要強度などの要求特性を満足するためには、Mg:0.2〜1.0% (質量% 、以下同じ) 、Si:0.6〜1.6%の範囲から、Siが過剰となるように選択することが好ましい。
【００５４】
この他、Mn、Cr、Zr、Ti、B 、Fe、Zn、Ni、V などのその他の合金元素は、基本的には不純物元素である。しかし、6000系合金のリサイクルの観点から、溶解材として、高純度Al地金だけではなく、6000系合金や、その他のAl合金スクラップ材、低純度Al地金などを溶解材として使用する場合を含む。このため、これら元素が、本発明の目的とする諸特性向上効果を阻害しない範囲で、JIS 乃至AA規格内で含有されることを許容する。したがって、本発明でAA乃至JIS 規格に規定されるとは、これら規格を満足することを意味する。
【００５５】
本発明におけるAl合金母材自体は、溶解、鋳造、均質化熱処理、熱間加工 (圧延、押出、鍛造) 、必要により中間焼鈍、冷間加工 (圧延、鍛造) 圧延等の常法工程により、板材や形材 (中空断面など断面形状が長さ方向のどの位置でも本質的に同一である形材) 、鍛造材として製造される。
【００５６】
これらAl合金は、溶体化処理および焼き入れ処理 (質別記号T4) やその後の時効処理 (質別記号T6) 、過時効処理 (質別記号T7) されて、溶接継手乃至溶接部材の母材として用いられる。
【００５７】
但し、これら製造および調質処理されるAl合金は、側辺部底面割れにつながる前記HAZ 粒界の特定未凝固部分と、その原因となる母材の粒界の特定金属間化合物を抑制するために、前記示差熱分析による特定の発熱ピークが実質的に認められないものとする必要がある。このためには、前記合金成分や熱間組成加工などの製造履歴とともに、あるいは前記合金成分や製造履歴に対応して、主として前記調質処理の制御を行う。
【００５８】
より具体的には、溶体化処理条件として、▲１▼510 ℃以上の高温で溶体化処理を行う。▲２▼溶体化処理後の焼き入れ処理の際の冷却速度を300 ℃/ 分以上に高める。このために、板材では、特に最終的な溶体化処理および焼入れ処理を、バッチ式ではなく、▲３▼コイルなどを連続的に通板して熱処理することのできる連続熱処理炉にて行うことが好ましい。バッチ式の場合、前記冷却速度が遅くなり、特に過剰過剰Si型の6000系Al合金母材において、側辺部底面割れの主原因となる前記特定の金属間化合物形態が生じ易く、示差熱分析による530 ℃近傍における発熱ピークが生じ易くなる。
【００５９】
更に、前記溶体化処理後の焼入れ処理の際、単に常温まで冷却して放置するのではなく、予備的な時効処理として、▲４▼一旦常温まで焼入れた後に50〜120 ℃の温度まで再加熱保持するか、▲５▼焼入れ終了温度を50〜120 ℃の高温として、そのまま0.2 〜24時間保持するか、再加熱して50〜120 ℃の温度として0.2 〜24時間保持する (コイルの場合はそのままか再加熱して巻き取り保持する) ことが好ましい。この予備的な時効処理によって、前記特定の金属間化合物形態が生じにくくなり、示差熱分析による530 ℃近傍における発熱ピークが生じにくくなる。
【００６０】
また、時効処理を行う場合には、通常の時効処理や過時効処理条件に比して、▲６▼時効処理温度を80〜160 ℃の低温側、時効処理時間を1 〜10時間の短時間側の亜時効処理範囲とすることが好ましい。通常の時効処理や過時効処理を行った場合、特に過剰過剰Si型の6000系Al合金母材において、側辺部底面割れの主原因となる前記特定の金属間化合物形態が生じ易く、示差熱分析による530 ℃近傍における発熱ピークが生じ易くなる傾向にあるので注意を要する。
【００６１】
(溶接方法)
本発明が対象とする溶接方法は、6000系Al合金材の溶接であって、前記端長さが短い溶接施工部位を有し、側辺部底面割れが生じやすい、アークなどの熱源を用いる溶接線が長い溶融溶接方法である。
【００６２】
6000系Al合金材の側辺部底面割れの原因乃至機構は、前記した通り、端長さが短い側辺部溶接部底面の最高温度と、溶接部凝固時のHAZ の粒界の未凝固部分との相関関係という冶金的な問題である。したがって、この冶金的な現象が共通して生じるような溶融溶接方法で、溶接方法の種類の違いによらず生起する、共通の問題である。
【００６３】
このような溶接方法としては、例えば、ティグ(TIG) 、ミグ(MIG) などの高速アーク溶接やレーザー溶接、電子ビームなどの溶接方法、あるいは摩擦攪拌接合(FSW) 方法が例示される。したがって、スポット溶接などの個々の溶接線が短く、6000系Al合金材溶接継手の側辺部底面割れが生じないような溶接方法は対象としない。
【００６４】
(溶接継手)
また、本発明が対象とする溶接継手は、前記端長さが短い溶接施工部位を有し、側辺部底面割れが生じる可能性が大きい継手であれば、図7 に示す板材や形材同士の隅肉溶接や、図8 に示す板材や形材同士の突き合わせ溶接など、種々の溶接継手に適用できる。なお、図7 、図8 において、1 は溶接される6000系Al合金材、7 は同じ6000系か他のAl合金材、1bはAl合金材1 の側辺部底面、2 はAl合金材1 の側辺部、3 は溶接部、t は側辺部2 から溶接線3aまでの端長さ、8 は溶接トーチである。
【００６５】
これら溶接継手において、自動車部材などの設計形状に応じて、板、形材、管等の適宜の形状が、継手の組み合わせとして選択される。また、溶接継手は、必ずしも6000系Al合金材や過剰Si型6000系Al合金材同士でなくとも、通常のAl合金継手と同様に、あるいは目的に応じて、3000系、5000系、6000系、7000系など成分や合金系の違うAl合金材同士を接合しても良い。
【００６６】
(溶接条件)
本発明溶接継手における各溶接条件は、各々の溶接方法の常法の範囲で行う。例えば、溶加材使用、開先形状、溶接姿勢、トーチ前進角、シールド条件 (Arガス流量) 、溶接電流、溶接電圧、溶接速度などの基本的な溶接条件は、各々の条件のJIS 規格や各種溶接乃至アルミニウムハンドブックに従う。
【００６７】
但し、本発明溶接継手では、前記した通り、側辺部溶接部底面の温度が高くなっても、側辺部底面割れを抑制できるものの、側辺部底面割れ発生の条件を減らす意味で、側辺部溶接部底面の温度は550 ℃以下に制御することが好ましい。したがって、この側辺部溶接部底面の温度を含めて、何ら特別な溶接方法や条件を必要とせず、各々の溶接方法の常法の範囲で行える点が、本発明の利点でもある。
【００６８】
側辺部溶接部底面の最高温度を550 ℃以下に制御する方法は、側辺部溶接部への入熱を少なくする、溶接部底面や側辺部面など、抜熱し易い部分に銅などの当て金を接触させて抜熱するなどの公知の手段が適宜選択される。言い換えると、側辺部溶接部底面の最高温度を550 ℃以下に制御する方法は、特別な手段を使わずとも、公知の手段が使用でき、溶接施工条件を大幅に変更することなく実施できる。
【００６９】
また、側辺部底面割れが生じる、前記端長さが短い側辺部溶接部底面以外の溶接部は、端長さが充分長いため、溶接熱がAl合金材を通じて放熱されやすい。このため、前記側辺部溶接部底面の最高温度を550 ℃以下とする手段は基本的には不要である。
【００７０】
(溶加材)
溶加材 (棒) は、前記した側辺部底面割れとの相関から、Al合金溶加材の凝固過程における熱的変化を示差熱分析により測定して得られた融液からの冷却曲線において、550 ℃以下での特定発熱ピークが認められないものとする。
【００７１】
この点、JIS 規格に規定された5356などの5000系Al合金溶加材は、この特定発熱ピークが認められにくく、4000系Al合金溶加材はこの特定発熱ピークが認められやすい。また、特に、過剰Si型6000系Al合金母材の溶融溶接においては、4000系Al合金溶加材は、溶接継手接合部の特性低下を招きやすい。したがって、特に、過剰Si型6000系Al合金母材の溶接継手においては、5000系Al合金溶加材の中から、前記特定発熱ピークの無いものを選択することが好ましい。
【００７２】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。まず、表1 に示すような6063、6061、6022、6111合金組成の種々の6000系Al合金板(2mm厚) と形材(2mm厚の平板状))を常法により製作した。そして、これらを表2 に示すような調質 (熱処理) を行って、示差熱分析による530 ℃近傍における発熱ピークがない、A 、 B、 C、 D、 Eの6000系Al合金母材グループと、前記特定の発熱ピークがある、a 、 b、 c、 d、 eの6000系Al合金母材グループとを作り分けた。
【００７３】
なお、表2 の調質の内、溶体化処理条件は下記条件で行った。
連続処理と記入の場合、母材量産での連続処理を模擬して、試験片サイズに切断後の母材を、硝石炉で急速加熱して、520 〜530 ℃×60秒の溶体化処理および水焼入れ処理し (冷却速度は300 ℃/ 分以上) 、焼入れ終了後再加熱して温度を80〜100 ℃の高温としてそのまま2.0 時間保持した。バッチ処理と記入の場合、母材量産でのバッチ処理を模擬して、試験片サイズに切断後の母材を、硝石炉で比較低遅い速度で加熱して、510 ℃×10時間の溶体化処理およびファンで空冷焼入れ処理し (冷却速度は300 ℃/ 分未満) 、焼入れ終了後再加熱して温度を80〜100 ℃の高温としてそのまま2.0 時間保持した。
【００７４】
また、選択的に行った時効処理は、各々下記条件で行った。
亜時効処理と記入の場合、130 ℃×6 時間 (加熱および冷却速度40℃/hr)の条件で亜時効処理を行った。時効処理と記入の場合、155 ℃×6 時間の条件で時効処理を行った。過時効処理と記入の場合、180 ℃×6 時間の条件で時効処理を行った。
【００７５】
これら調質材 (母材) の示差熱分析による特定の発熱ピークを調査し、530 ℃近傍における発熱ピークの有無を評価した。この結果を、この発熱ピークの位置( 温度、℃) や発熱終了温度( ℃) とともに、表2 に示す。
【００７６】
次に、前記示差熱分析による特定発熱ピークがない、A 、 B、 C、 D、 Eの6000系Al合金母材と、前記特定の発熱ピークがある、a 、 b、 c、 d、 eの6000系Al合金母材とを、同じ母材同士、図4 の特定発熱ピークがない5356Al合金溶加材と、図5 の特定発熱ピークがある4043Al合金溶加材とを使い分けて、溶接継手を製作した。
【００７７】
溶接継手の溶接は、一方のAl合金母材1 の端長さt を10mmとして、この部分で前記図8 に示す突き合わせ溶接 (溶接長さ140mm)を、MIG 溶接、TIG 溶接、CO2 レーザー溶接により行った。各々の溶接条件は表4 に示す。なお、いずれの溶接においても、側辺部溶接部底面における最高温度は、あえて、側辺部底面割れが生じ易い、550 ℃を越える温度となるようにした。
【００７８】
このようにして得た溶接継手の側辺部底面割れの有無と長さ(mm)を調査した。そして、溶接継手の試験片を採取し、溶接継手の引張強度 (σB ) をJIS Z 2241に従い測定した。そして母材の引張強度から溶接継手の母材比効率 (継手効率) も算出した。これらの結果を表3 に示す。
【００７９】
表3 から明らかな通り、前記示差熱分析による特定発熱ピークがない、A 、 B、 C、 D、 Eの6000系Al合金母材と、図4 の特定発熱ピークがない5356Al合金溶加材とを組み合わせて成る発明例No.1〜5 の溶接継手は、MIG 溶接、TIG 溶接、CO2 レーザー溶接などの溶接方法によらず、側辺部底面割れが発生せず、継手強度が母材比効率で78% 以上、100%のものが得られている。
【００８０】
一方、これに対し、Al合金母材か、4043Al合金溶加材かの、いずれか一方あるいは両方に前記特定の発熱ピークがある6000系Al合金母材とAl合金溶加材とを組み合わせて成る比較例No.6〜16の溶接継手は、MIG 溶接、TIG 溶接、CO2 レーザー溶接などの溶接方法によらず、共通して50mm以上の側辺部底面割れが発生しており、溶接部の保証ができない。また、継手強度も低い。
【００８１】
以上の実施例の結果から、過剰Si型を含め、6000系Al合金材溶接継手における側辺部底面割れを防止するための、本発明規定の臨界的な意義が裏付けられる。
【００８２】
【表１】
0003726033.tif 000002
【００８３】
【表２】
0003726033.tif 000003
【００８４】
【表３】
0003726033.tif 000004
【００８５】
【表４】
0003726033.tif 000005
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、側辺部底面割れを防止した6000系Al合金材継手を提供することが可能となる。したがって、特性の優れた過剰Si型を含めた6000系Al合金展伸材の自動車用途などへの拡大を図れる点で、工業的な価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  6000系Al合金母材の示差熱分析によるDTA 曲線(530℃近傍における発熱ピーク無し) を示す説明図である。
【図２】  6000系Al合金母材の示差熱分析によるDTA 曲線(530℃近傍における発熱ピーク無し) を示す説明図である。
【図３】  6000系Al合金母材の示差熱分析によるDTA 曲線(530℃近傍における発熱ピーク有り) を示す説明図である。
【図４】  5356Al合金溶加材の示差熱分析によるDTA 曲線(550℃以下における発熱ピーク無し) を示す説明図である。
【図５】  4043Al合金溶加材の示差熱分析によるDTA 曲線(550℃以下における発熱ピーク有り) を示す説明図である。
【図６】継手側辺部溶接部の凝固過程を4 段階に分けて示す模式図である。
【図７】板材や形材同士の隅肉溶接を示す説明図である。
【図８】板材や形材同士の突き合わせ溶接を示す説明図である。
【図９】側辺部底面割れの試験に用いた溶接用試験片（板）を示す平面図である。
【図１０】過剰Si型AA6022Al合金材継手の側辺部溶接部に生じた側辺部底面割れを示す平面図である。
【符号の説明】
1;6000系Al合金材、2;Al合金材の側辺部、3;溶接部 (溶接線) 、
4;側辺部底面割れ、5;HAZ 、6;粒界、7;Al合金材、8;溶接トーチ、
t;端長さ、X;発熱ピーク、A 、B;DTA 曲線
【図１】
0003726033.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003726033.tif 000013
【図９】
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【図１０】
0003726033.tif 000015