(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ３〜６ｗｔ％、Ａｇ０．０３〜２.０ｗｔ％を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、および溶接継手強度に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ａｇ系合金溶加材。
【請求項２】
Ｍｇ３〜６ｗｔ％、Ａｇ０．０３〜２.０ｗｔ％を含有し、かつＴｉ０.２ｗｔ％以下、Ｂ０．０８ｗｔ％以下、Ｚｒ０．３ｗｔ％以下、希土類元素２．０ｗｔ％以下のうち少なくとも１種を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、および溶接継手強度に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ａｇ系合金溶加材。
【請求項３】
Ｍｇ３〜６ｗｔ％、Ａｇ０．０３〜２.０ｗｔ％を含有し、かつＭｎ１．５ｗｔ％以下、Ｃｒ０．６ｗｔ％以下、Ｖ０．５ｗｔ％以下、Ｎｉ３．０ｗｔ％以下、Ｍｏ０．５ｗｔ％以下のうち少なくとも１種を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、および溶接継手強度に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ａｇ系合金溶加材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金の溶接に用いられる、耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び溶接継手強度に優れたAl-Mg-Ag系合金溶加材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、建築、車両、船舶、航空機等に用いられる構造物では、益々薄肉軽量化が進み、Al-Mg 系合金(A5052,A5083等) 、Al-Mg-Si系合金(A6063,A6061等) 、Al-Zn-Mg系合金(A7N01,A7003等）等の圧延板、押出材、鍛造材等を溶接により組立てることが多くなった。これらの材料を溶接する際に用いる溶加材には、従来、溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、継手の強度等を考慮して Al-Mg系合金溶加材(A5356,A5183等) が多く使用されていた。
Al-Zn-Mg-Cu系合金(A7075等）は溶接性（特に耐溶接割れ性）が劣るため、構造物の組立は機械的接合（リベット接合、ボルト接合等）により行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Al-Mg系合金(A5052,A5083等) の溶接に従来の Al-Mg系合金溶加材(A5356,A5183等) を用いた場合は、溶接施工方法や溶接条件によっては溶接割れが発生することがある。また溶接継手の引張強さも210N/mm2程度が限界で母材に較べてかなり低かった。また前記溶加材はMgが3.5wt%以上添加されているため、温度が65℃以上の腐食環境下で使用される場合は応力腐食割れが発生する恐れがあった。
このようなことから Al-Mg系合金の母材にAgを添加して耐応力腐食割れ性を改善した合金が提案された（特開平6-346177号公報）。
しかしこの合金は母材部分の強度や耐応力腐食割れ性は改善できても溶接金属（溶加材）部の特性は十分には改善されなかった。そのため更に耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、溶接継手強度が改善される溶加材の開発が望まれていた。
【０００４】
Al-Mg-Si系合金(A6063,A6061等) の溶接にも従来の Al-Mg系合金溶加材(A5356,A5183等) が用いられることが多い。この場合にも溶接施工方法や溶接条件によっては溶接割れが発生する。また溶接継手の引張強さも220N/mm2程度が限界でやはり母材に較べてかなり低かった。それらの特性を改善するために Al-Mg系合金に希土類元素を添加した溶加材が提案された（特開昭63−177996号公報）。しかしこの溶加材でも耐溶接割れ性や溶接継手強度の改善には、我々が期待するほど効果がなかった。
【０００５】
Al-Zn-Mg系合金(A7N01,A7003等) の溶接にも従来の Al-Mg系合金溶加材(A5356,A5183等) が用いられることが多いが、こ場合も溶接施工方法や溶接条件によっては溶接割れが発生する。また溶接継手の引張強さも、溶接のままでは340N/mm2程度が限界でやはり母材に較べて強度が低かった。これらの特性を改善するために Al-Mg系合金に希土類元素を添加した溶加材が提案された（特開昭63−177996号公報）。しかしこの溶加材では耐溶接割れ性や溶接継手強度の改善には効果が少なかった。
【０００６】
Al-Zn-Mg-Cu系合金(A7075等) は溶接割れが起き易い為、従来から溶接は行わず、専ら機械的接合が採用されていた。 Al-Mg系合金溶加材(A5356,A5183等) を用いて溶接しても溶接割れが発生するため溶接継手強度は極めて低かった。これを改善するために Al-Mg系合金に希土類元素を添加した溶加材が提案された（特開昭63−248593号公報) 。これにより前記 Al-Zn-Mg-Cu系合金の溶接が可能になり耐溶接割れ性や溶接継手強度は改善されたが、まだ十分とは言えなかった。
またAl-Zn-Mg系合金にAgを添加して耐溶接割れ性や溶接継手強度を改善した溶加材が提案された（特開平3-99793 号公報、特開平5-169290号公報）。これにより耐溶接割れ性や溶接継手強度は改善されたが、耐応力腐食割れ性については依然懸念が残った。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑み種々検討の結果なされたもので、その目的とするところは、母材が Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg系合金、又は Al-Zn-Mg-Cu系合金のいずれの場合でも、耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び溶接継手強度に優れた溶接部が得られるAl-Mg-Ag系合金溶加材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、Mg 3〜6wt%、Ag0.03〜2.0wt%を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び溶接継手強度に優れたAl-Mg-Ag系合金溶加材である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、Mg 3〜6 wt% 、Ag0.03〜2.0wt%を含有し、かつ、Ti0.2wt%以下、 B 0.08wt%以下、Zr0.3wt%以下、希土類元素2.0wt%以下のうち少なくとも１種を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び溶接継手強度に優れたAl-Mg-Ag系合金溶加材である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、Mg 3〜6 wt% 、Ag0.03〜2.0wt%を含有し、かつMn1.5wt%以下、Cr0.6wt%以下、V 0.5wt%以下、Ni3.0wt%以下、Mo0.5wt%以下のうち少なくとも１種を含有し、残部アルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び溶接継手強度に優れたAl-Mg-Ag系合金溶加材である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のAl-Mg-Ag系合金溶加材について、添加元素の役割とその含有量の限定理由を説明する。
Mgは、溶加材の強度向上に寄与し、溶接継手が所定強度を得るために不可欠な元素である。Mgが3wt%未満では十分な強度が得られず、6wt%を超えると耐応力腐食割れ性、溶接性、加工性（溶接棒や線の加工性）が低下する。従って、Mgは 3〜6 wt% とするが、最も好ましい範囲は 4〜5.5wt%である。
【００１３】
Ａｇは、耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性を著しく改善する。また溶加材の強度向上に寄与し、溶接継手が所定強度を得るために不可欠な元素で、Ｍｇと共に本発明の溶加材を構成する必須元素である。Ａｇの含有量が０．０３ｗｔ％未満ではその効果が少なく、２．０ｗｔ％を超えると強度、加工性が低下する危険がある。従ってＡｇは０.０３〜２．０ｗｔ％とするが、最も好ましい範囲は０．１〜１．５ｗｔ％以下である。
【００１４】
Ｔｉ，Ｂ，Ｚｒ、及び希土類元素は結晶組織を微細化し、溶接性を更に向上させる元素である。前記元素は１種でも、２種以上添加しても効果がある。前記元素の含有量の上限を、Ｔｉ０．２ｗｔ％、Ｂ０．０８ｗｔ％、Ｚｒ０．３ｗｔ％、希土類元素２．０ｗｔ％にそれぞれ限定した理由は、前記上限を超えるといずれも巨大晶出物が生成し、強度、靱性、加工性が低下する危険があるためである。前記元素の含有量は、Ｔｉ０．００５ｗｔ％以上、Ｂ０．０００１ｗｔ％以上、Ｚｒ０．０１ｗｔ％以上、希土類元素０．０３ｗｔ％以上が好ましく、前記含有量未満では、いずれもその効果が十分に得られない。前記元素の最も好ましい含有量は、Ｔｉ０．００８〜０．１ｗｔ％、Ｂ０．０００５〜０．０５ｗｔ％、Ｚｒ０．０５〜０．２ｗｔ％、希土類元素０．０５〜１．５ｗｔ％である。前記希土類元素としては、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等のうち１種または２種以上を用いることができ、これらのうちのいずれか１種の量、あるいは２種以上の合計量が０．０３〜２．０ｗｔ％の範囲内であればよい。これらのうち２種類以上を含む合金としては、例えば、Ｃｅ、Ｌａを主成分とするミッシュメタル（通常Ｃｅ４５〜５０ｗｔ％、Ｌａ２０〜４０ｗｔ％、残部その他の希土類元素（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等）からなる）を用いることができる。上記希土類元素のうちのいずれか１種、あるいはミッシュメタルは、いずれも同等の効果を示すが、希土類元素単体では高価であり、ミッシュメタルとして添加する方が経済的に有利である。
【００１５】
Mn、Cr、V 、Ni、Moは耐応力腐食割れ性と強度を更に向上させる。前記元素は１種でも、２種以上添加しても効果がある。前記元素の含有量の上限を、Mn1.5wt%、Cr0.6wt%、V 0.5wt%、Ni3.0wt%、Mo0.5wt%にそれぞれ限定した理由は、前記上限を超えるといずれも巨大晶出物が生成し、強度、靱性、加工性が低下する危険があるためである。前記元素の含有量は、Mn0.01wt% 以上、Cr0.01wt% 以上、V 0.01wt% 以上、Ni0.03wt% 以上、Mo0.01wt% 以上が好ましく、前記下限を下回るといずれもその効果が十分に発揮されない。
前記元素の最も好ましい含有量は、Mnは 0.1〜1.0wt%、Crは0.05〜0.4wt%、V は0.05〜0.3wt%、Niは 0.1〜2.0wt%、Moは0.03〜0.3wt%である。
尚、本発明の溶加材は、アルミニウム合金の溶融溶接、例えば、 TIG溶接、ミグ溶接、電子ビーム溶接、レーザー溶接等のいずれに用いても効果がある。
【００１６】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
表５に示す組成の Al-Mg系合金(A5083P-H34)母材を、表１〜４に示す組成の溶加材（本発明例No.1〜48、比較例 No.49〜63、および従来材 No.64〜65）を用いて溶接し、▲１▼溶接割れ試験、▲２▼応力腐食割れ試験、▲３▼溶接継手の引張試験を下記方法により行った。
【００１７】
▲１▼溶接割れ試験
3mm厚さの母材を 3.2mmφの溶加材を用いて TIG溶接して、図１に示すフィッシュボーン形試験片を各合金毎に５個づつ作製し、溶接部1eに発生した溶接割れ1bの長さ1cをノギスにより測定した。測定結果は平均値が30mm以下の場合は○、30mmを超える場合は×で示した。前記 TIG溶接は、電極棒に 3.2mmφのセリウム入りＷ棒を用い、溶接電流 120A,アーク電圧16V,溶接速度60cm/min.,アルゴンガス流量10リットル/min. の条件で行った。図１で1aは溶接ビード、1dは溶接方向を示す矢印、1eは溶接部、1fは母材である。
尚、母材1fには溶接方向1dに対し直角な方向に切込み1hが入れてある。割れは切込みが浅く熱歪みが生じ易い部分に発生する。
【００１８】
▲２▼応力腐食割れ試験
5mm厚さの母材を 1.2mmφの溶加材を用いてミグ溶接して、図２に示す突合わせ溶接材２を作製し、溶接部2eの余盛を削除したのち、図３(イ) に示すように短冊状試験片３を切出した。図２で2aは溶接ビード、2dは溶接方向を示す矢印である。ミグ溶接は溶接電流 200A,アーク電圧24V,溶接速度60cm/min.,アルゴンガス流量20リットル/min. の条件で行った。
次に前記短冊状試験片３を、図３(ロ) に示すようにＵ字状に曲げ両端をステンレス製ボルト3cとナット3dで拘束して中央の余盛削除後の溶接部3aに応力が集中するようにし、これを沸騰した試験液に８時間浸漬して割れの発生状況を調べた。試験液には１リットルの水に、三酸化クロム36g,重クロム酸カリウム30g,塩化ナトリウム3gをそれぞれ溶かした水溶液を用いた。試験結果は、割れが発生しなかったものを○、割れが発生したものを×で示した。
図３(イ) で3bはボルト通し穴、図３(ロ) で3eは電食防止シール剤である。
【００１９】
▲３▼溶接継手の引張試験
▲２▼の耐応力腐食割れ試験で作製した突合わせ溶接材からJIS-Z-2201の５号試験片を切出し、この試験片をアムスラー万能試験機を用いてJIS-Z-2241に基づき引張試験した。引張強さが290N/mm2以上のものを○、290N/mm2未満のものを×で示した。▲１▼〜▲３▼の試験結果を表６〜９に示す。
尚、表６〜９に示す番号は、表１〜４に示す溶加材の番号と同じである。表10〜21においても同様である。
【００２０】
【表１】
0003666995.tif 000002
【００２１】
【表２】
0003666995.tif 000003
【００２３】
【表４】
0003666995.tif 000004
【００２４】
【表５】
0003666995.tif 000005
【００２５】
【表６】
0003666995.tif 000006
【００２６】
【表７】
0003666995.tif 000007
【００２８】
【表９】
0003666995.tif 000008
【００２９】
（実施例２）
表５に示す組成のAl-Mg-Si系合金(A6061P-T6) 母材を、表１〜４に示す組成の溶加材を用いて溶接し、▲１▼溶接割れ試験、▲２▼応力腐食割れ試験、▲３▼溶接継手の引張試験を下記方法により行った。
▲１▼溶接割れ試験
3mm厚さの母材を 3.2mmφの溶加材を用いて TIG溶接して、図１に示すフィッシュボーン形試験片を各合金毎に５個づつ作製し、実施例１と同じ方法で割れの長さを測定し、評価した。
▲２▼応力腐食割れ試験
5mm厚さの母材を 1.2mmφの溶加材を用いてミグ溶接して、図２に示す突合わせ溶接材を作製し、溶接部の余盛を削除したのち試験片を短冊状に切出した。ミグ溶接は溶接電流210A, アーク電圧25V,溶接速度60cm/min.,アルゴンガス流量20リットル/min. の条件で行った。試験と評価は実施例１と同じ方法で行った。
▲３▼溶接継手の引張試験
▲２▼の耐応力腐食割れ性試験で作製した突合わせ溶接材からJIS-Z-2201の５号試験片を切出し、この試験片をアムスラー万能試験機を用いてJIS-Z-2241に基づき引張試験した。引張強さが240N/mm2以上のものを○、240N/mm2未満のものを×で示した。▲１▼〜▲３▼の試験結果を表10〜13に示す。
【００３０】
【表１０】
0003666995.tif 000009
【００３１】
【表１１】
0003666995.tif 000010
【００３３】
【表１３】
0003666995.tif 000011
【００３４】
（実施例３）
表５に示す組成のAl-Zn-Mg系合金(A7N01P-T6) 母材を、表１〜４に示す組成の溶加材を用いて溶接し、▲１▼溶接割れ試験、▲２▼応力腐食割れ試験、▲３▼溶接継手の引張試験を下記方法により行った。
▲１▼溶接割れ試験
3mm厚さの母材を 3.2mmφの溶加材を用いて TIG溶接して、図１に示すフィッシュボーン形試験片を各合金毎に５個づつ作製し、実施例１と同じ方法で割れの長さを測定し、評価した。
▲２▼応力腐食割れ試験
5mm厚さの母材を 1.2mmφの溶加材を用いてミグ溶接して、図２に示す突合わせ溶接材を作製し、溶接部の余盛を削除したのち短冊状試験片を切出した。ミグ溶接は溶接電流 200A,アーク電圧24V,溶接速度60cm/min.,アルゴンガス流量20リットル/min. の条件で行った。試験と評価は実施例１と同じ方法で行った。
▲３▼溶接継手の引張試験
▲２▼の応力腐食割れ試験で作製した突合わせ溶接材からJIS-Z-2201の５号試験片を切出し、この試験片をアムスラー万能試験機を用いてJIS-Z-2241に基づき引張試験した。引張強さ350N/mm2以上のものを○、350N/mm2未満のものを×で示した。▲１▼〜▲３▼の試験結果を表14〜17に示す。
【００３５】
【表１４】
0003666995.tif 000012
【００３６】
【表１５】
0003666995.tif 000013
【００３８】
【表１７】
0003666995.tif 000014
【００３９】
（実施例４）
表５に示す組成のAl-Zn-Mg-Cu 系合金(A7075P-T6) 母材を、表１〜４に示す組成の溶加材を用いて溶接し、▲１▼溶接割れ試験、▲２▼応力腐食割れ試験、▲３▼溶接継手の引張試験を下記方法により行った。
▲１▼溶接割れ試験
3mm厚さの母材を 3.2mmφの溶加材を用いて TIG溶接して、図１に示すフィッシュボーン形試験片を各合金毎に５個づつ作製し、実施例１と同じ方法で割れの長さを測定し、評価した。
▲２▼応力腐食割れ試験
5mm厚さの母材を 1.2mmφの溶加材を用いてミグ溶接して、図２に示す突合わせ溶接材を作製し、溶接部の余盛を削除したのち短冊状試験片を切出した。ミグ溶接は溶接電流200A, アーク電圧24V,溶接速度60cm/min.,アルゴンガス流量20リットル/min. の条件で行った。試験と評価は実施例１と同じ方法で行った。
▲３▼溶接継手の引張試験
▲２▼の応力腐食割れ試験で作製した突合わせ溶接材からJIS-Z-2201の５号試験片を切出し、この試験片をアムスラー万能試験機を用いてJIS-Z-2241に基づき引張試験した。引張強さが240N/mm2以上のものを○、240N/mm2未満のものを×で示した。▲１▼〜▲３▼の試験結果を表18〜21に示す。
【００４０】
【表１８】
0003666995.tif 000015
【００４１】
【表１９】
0003666995.tif 000016
【００４３】
【表２１】
0003666995.tif 000017
【００４４】
表６〜21より明らかなように、本発明例品はいずれも、耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び継手強度の全てにおいて優れていた。これは適量のMg、Ag等の合金元素が溶接性の改善に有効に作用したためである。
これに対し、比較例品と従来品はいずれかの特性が劣っていた。
【００４５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の溶加材によれば、 Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg系合金、 Al-Zn-Mg-Cu系合金等の構造用アルミニウム合金の溶接において、耐溶接割れ性、耐応力腐食割れ性、及び継手強度に優れた溶接部が得られ、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接割れ試験用フィッシュボーン形試験片の平面図である。
【図２】応力腐食割れ試験又は継手の引張試験に用いる突合わせ溶接材の斜視図である。
【図３】突合わせ溶接材から切出した応力腐食割れ試験用短冊状試験片(イ) と前記試験片をＵ字状に曲げて応力を付与した状態(ロ) を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  フィッシュボーン形割れ試験片
1a  溶接ビード
1b  溶接割れ
1c  割れの長さ
1d  溶接方向を示す矢印
1e  溶接部
1f  母材
1h  切込み
２  突合わせ溶接材
2a  溶接ビード
2d  溶接方向を示す矢印
2e  溶接部
３  短冊状試験片
3a  余盛削除後の溶接部
3b  ボルト通し穴
3c  ステンレス製ボルト
3d  ステンレス製ナット
3e  電食防止シール剤
【図１】
0003666995.tif 000018
【図２】
0003666995.tif 000019
【図３】
0003666995.tif 000020