(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製被接合部材(2)(2)の組み付けにより形成される接合用間隙(3)に、溶加材成分とフラックス成分とにより形成されたフラックス含有溶加材(4)を挿入し、前記被接合部材(2)(2)を介して前記フラックス含有溶加材(4)を加熱して、被接合部材(2)(2)とフラックス含有溶加材(4)とを融合し、完全に一体化させて、被接合部材(2)(2)を接合することを特徴とする金属材の溶接方法。
【請求項２】
金属製被接合部材(2)(2)がアルミニウムまたはその合金材である請求項１に記載の金属材の溶接方法。
【請求項３】
前記フラックス含有溶加材(4)が溶加材成分粉末とフラックス成分粉末の圧粉体を成形したものである請求項１または２に記載の金属材の溶接方法。
【請求項４】
フラックス成分として、一般式；ＫαＡｌＦα+3（αは１以上の整数）で表されるＫＡｌＦ4、Ｋ2ＡｌＦ5およびＫ3ＡｌＦ6、ＫＦとＡｌＦ3との混合物または共晶組成物、フルオロアルミン酸カリウム錯体等の弗化物系フラックスを用いる請求項２または３に記載の金属材の溶接方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の金属材の溶接方法を用いて溶接された溶接品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶加材を用いた金属材の溶接方法及び溶接品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムを始めとする各種金属材の溶接、特に共金溶接においては、従来より溶接割れが問題となっており、その対策として、接合部に溶加材を添加することが一般的である。溶加材の添加については、例えば、田中一雄により、２０００系、５０００系、６０００系、７０００系等の殆どのアルミニウム合金材の溶接において、溶加材を用いない溶接では割れが発生しているのに対して、溶加材を用いた場合は健全な溶接を行い得ることが報告されている（アルミニウム合金の溶接、溶接技術、５月号、ｐ．１６４、１９８８）。
【０００３】
一方、近年ではアルミニウムの優れた加工性を生かした複雑断面形状の押出材の需要の増大に伴い、それらの材料の溶接の必要性も高まっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、母材の形状が複雑になると、溶接継手部に溶加材を添加することが作業上困難となる場合も多く、溶接方法の改善が望まれている。なお、一般に、複雑形状の金属材の接合方法としてろう付が行われているが、母材を溶融しないろう付では相対的に継手強度が低いため、構造部材のように高い継手強度が要求される用途には適さない。
【０００５】
この発明は、このような技術背景に鑑み、複雑形状の母材にも溶加材を添加して溶接を行うことのできる金属材の溶接方法及び溶接品の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記目的を達成するために、金属製被接合部材(2)(2)の組み付けにより形成される接合用間隙(3) に、溶加材成分とフラックス成分とにより形成されたフラックス含有溶加材(4) を挿入し、前記被接合部材(2)(2)を介して前記フラックス含有溶加材(4) を加熱して、被接合部材(2)(2)とフラックス含有溶加材(4) とを融合させ、被接合部材(2)(2)を接合することを特徴とする。
【０００７】
この発明の溶接方法を適用する被接合部材(2) は、溶接可能な金属材であれば特に限定されない。しかし、この溶接方法は、特に複雑な形状に成形されることの多いアルミニウムまたはその合金材、なかでも同系組成材どうしの共金溶接に有効である。
【０００８】
この溶接方法は、前記被接合部材(2) を介してフラックス含有溶加材(4) を加熱するものであるから、被接合部材(2)(2)の形状は、これらを組み付けたときにフラックス含有溶加材(4) を挿入する間隙(3) を形成できるものに限られる。例えば、図１（Ａ）に示す被接合部材(2)(2)は、それぞれ先端部に溶接用フランジ(1) が突設されたものであり、互いのフランジ(1) を相手材に当接するように組み付けることにより接合用間隙(3) が形成され、この間隙(3) にフラックス含有溶加材(4) を挿入する。
【０００９】
また、加熱用の熱源の種類も被接合部材(2) およびフラックス含有溶加材(4)を溶融できる限り特に限定されず、各種アーク、レーザー、電子ビーム、アセチレンガス、高周波等を適宜用いる。また、加熱は、接合部の被接合部材(2) および溶加材(4) を完全に溶融させ一体化が可能な限り、一方向のみから行っても、二方向以上から行っても良い。例えば図１（Ａ）に示す突き合わせ継手で接合用間隙(3) が比較的厚い場合、接合部の片側のみから加熱すると溶融不足を起こすおそれがあるが（図１（Ｃ））、両側から加熱することにより接合部を完全に溶融して良好な溶接を確実に行える（図１（Ｂ））。なお、図１において(5) は熱源、(6) は被接合部材(2) と溶加材(4) とが融合した溶融金属である。
【００１０】
この発明に用いるフラックス含有溶加材(4) は、被接合部材(2) の材質に応じて通常接合用合金として用いられる溶加材成分と、フラックス成分とを配合したものである。
【００１１】
前記溶加材成分としては、例えば前記被接合部材(2) がアルミニウムまたはその合金材の場合にはＡｌ−Ｓｉ系合金を用いる。具体的組成としては、融点調整を主目的としてＳｉを１３wt％以下、融点調整および強度向上を主目的としてＣｕを７wt％以下、強度向上を主目的としてＭｇを６wt％以下、耐食性向上を主目的としてＭｎを１wt％以下を含有し、残部がＡｌおよび不純物よりなり、不純物としてのＦｅ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒがそれぞれ０．５wt％以下に規制されているものが好ましい。
【００１２】
また、前記フラックス成分は、その種類が特に限定されるものではないが、被接合部材(2) がアルミニウムまたはその合金材の場合は溶接温度および溶加材の融点との関係で６５０℃以下で溶融するものが好ましく、一般式；ＫαＡｌＦα+3（αは１以上の整数）で表されるＫＡｌＦ4、Ｋ2ＡｌＦ5およびＫ3ＡｌＦ6、ＫＦとＡｌＦ3との混合物または共晶組成物、フルオロアルミン酸カリウム錯体等の弗化物系フラックスを例示できる。
【００１３】
また、フラックス成分含有量は、１〜３０wt％の範囲が好ましい。この範囲よりもフラックスが少なくなると良好な溶接を達成できず、また多くなってもフラックス効果が飽和するとともに、後述の方法によりフラックス含有溶加材を製造する際に固形化が困難となる。特に好ましい含有量の下限値は５wt％、上限値は２０wt％である。
【００１４】
前記フラックス含有溶加材(4) は、その製造方法を問わず使用できるが、溶加材成分とフラックス成分との一体化や成分調整が容易であり、かつ接合用間隙(3) 形状に適合する形状への成形加工も容易であることから、溶加材成分粉末およびフラックス成分粉末の混合粉末を加圧することにより圧粉体に成形固形化する方法、あるいはさらに該圧粉体を加熱したのち、所要形状に二次成形する方法を推奨でききる。
【００１５】
前記溶加材成分粉末は、Ａｌ粉末、Ｓｉ粉末、Ｃｕ粉末等の単独粉末を所要割合で配合しても良いし、所要組成のＡｌ−Ｓｉ系合金粉末でも良い。また、単独粉末と合金粉末とを併用しても良い。なお、このような溶加材成分粉末は、圧粉体の密度を可及的に高めるために、アトマイズ粉等の球状粉を使用することが好ましい。
【００１６】
前記混合粉末から高密度で元素分布が均一な圧粉体を得るには、粒度調整した材料粉末を使用することが好ましい。Ｓｉ粉末およびＣｕ粉末等の任意添加元素は、Ａｌ粉末よりも粒子径が小さい方が好ましく、フラックス成分粉末もＡｌ粉末より小さい方が好ましい。ただし、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末を使用する場合は、ＡｌおよびＳｉを単体で用いる場合よりも粒子径は若干大きくても高密度の圧粉体に固形化することができる。具体的な粒子径としては、Ａｌ粉末は１〜２００μｍ、Ｓｉ粉末は１〜１００μｍ、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末は１〜３００μｍ、Ａｌ、Ｓｉ以外の任意添加元素粉末は１〜１００μｍ、フラックス成分粉末は１〜１００μｍ、の各範囲のものを使用するのが好ましい。
【００１７】
圧粉体の形成は、前記混合粉末を成形用金型内に充填してこれを加圧することにより行う。圧粉体は、多数の気孔を含有する脆い状態でも金型から離型可能で次工程へのハンドリングができる程度に固形化していれば良いから、高密度に圧粉する必要はなく５０％以上あれば固形化が可能である。そのため、圧粉を高温下で行う必要はなく冷間圧粉も可能である。一方、圧粉温度が高すぎると金型内壁に熱融着して離型できなくなる。Ａｌ−Ｓｉ系の溶加材では、圧粉温度の上限値は５５０℃未満が好ましく、特に４００℃未満が好ましい。また、前記温度域では材料粉末が酸化するおそれがないため、非酸化雰囲気中で圧粉する必要はなく、大気中で圧粉することができる。
【００１８】
成形用金型から離型した圧粉体は加熱して軟化させたのち、押出等の二次成形を行って所要形状のフラックス含有溶加材とする。加熱温度は、二次成形が可能な程度に粒子が軟化すれば良く完全に溶融させる必要はないので、Ａｌ−Ｓｉ系の溶加材では３００〜５７５℃が好ましい。加熱雰囲気は、比較的圧粉体密度が低く多数の気孔を含有している場合や前記加熱温度が高い場合は、ろう材成分粉末が酸化しやすいため、溶接性の低下防止を目的として非酸化性雰囲気中で行うことが好ましいが、比較的圧粉体密度が高い場合や加熱温度が低い場合で酸化のおそれのないときは大気中で加熱しても良い。
【００１９】
この発明では、被接合部材(2) の加熱とともに接合部の外部から溶加材(4) を供給するのではなく、予め加熱前に組み付けた被接合部材(2)(2)間の間隙(3) にフラックス含有溶加材(4) を挿入しておくので、外部からの供給が困難な形状の継手にも溶加材を添加できることとなり、接合部において被接合部材(2) とフラックス含有溶加材(4) とを融合させることができ溶接割れを抑制することができる。その上、溶加材(4) にはフラックスが含有されているので、接合面の酸化膜の除去が行われ、酸化膜の巻き込み、ブローホール、ピンホールの発生が抑制され、良好な溶接が達成される。また、フラックス含有溶加材(4) の加熱は、被接合部材(2) を介して間接的に行われるため、温度上昇は緩やかであり被接合部材(2) に先んじてフラックスだけが溶融して接合部から流失したり蒸発するおそれはなく、確実にフラックス効果が得られる。
【００２０】
【実施例】
次に、この発明の金属材の溶接方法の具体的実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１に示すように、被接合部材（母材）として先端部側縁に溶接用フランジ(1) が突設され、表１に示す組成のＡｌ合金製中空押出材(2) を用いた。このような形状の２個の押出材(2)(2)を互いのフランジ(1) が相手材の端面に当接するように組み付けた。そして、組み付けによりフランジ(1)(1)間に形成された間隙(3) に、表１に示す組成の溶加材(4) を挿入し、あるいは溶加材(4) を挿入することなく、接合部の両外側から熱源(5) の種類を変えて加熱し溶接した。溶接条件は次のとおりである。
（実施例１）
ＤＣＳＰ−ＴＩＧ法により、アーク電流１７０Ａ、溶接速度３０cm/min、シールドガス（Ａｒガス）流量５×１０-3ｍ3/minの条件で溶接した。
（実施例２）
ＹＡＧレーザ法により、パルスエネルギー３０Ｊ、パルス幅１．５ms、ビームスポット径２mm、溶接速度８cm/minの条件で溶接した。
（実施例３）
電子ビーム法により、加速電圧１００kV、ビーム電流５mA、ビーム径２mm、溶接速度９cm/minの条件で溶接した。
（実施例４）
プラズマアーク法により、アーク電流２００Ａ、溶接速度６０cm/minの条件で溶接した。
（実施例５）
アセチレンガス法により、溶接速度２０cm/minの条件で溶接した。
（実施例６）
高周波誘導加熱法により、投入エネルギー約３０kW、溶接速度１０cm/minの条件で溶接した。
（比較例１）
溶加材としてフラックスを含有しないものを使用し、シールドガス（Ａｒガス）流量を１２×１０-3ｍ3/minとしたことを除き、実施例１と同じ条件で溶接した。
（比較例２）
溶加材としてフラックスを含有しないものを使用したことを除き、実施例２と同じ条件で溶接した。
（比較例３）
溶加材を使用しなかったことを除き、実施例１と同じ条件で溶接した。
（比較例４）
溶加材を使用しなかったことを除き、実施例２と同じ条件で溶接した。
【００２２】
以上の溶接品について、接合部の外観および割れについて肉眼で観察するとともに、引張試験を行った。外観はブローホールやピンホールのないものを「良」とし、これらのあるものを「不良」とした。また、引張試験は溶接品が破断するまで引張るものとし、破断箇所を調べた。表１に、これらの結果を示すとともに、各溶接方法の概略を再掲する。
【００２３】
【表１】
0003720103.tif 000002
【００２４】
表１の結果から、この発明の各実施例は、外部から溶加材を供給できないような形状の継手においても溶加材の添加が可能となり、外観品質が良く溶接割れもない良好な溶接を達成できることが確認できた。また、実施例１と比較例１とを比較すると、フラックスの存在により、シールドガス流量を減らしても酸化膜の除去が行われ、良好な溶接が可能であることが明白である。また、実施例２と比較例２とを比較すると、フラックスの存在により溶接品質が向上することも確認できた。
【００２５】
【発明の効果】
以上の次第で、この発明は、金属製被接合部材の組み付けにより形成される接合用間隙に、溶加材成分とフラックス成分とにより形成されたフラックス含有溶加材を挿入し、前記被接合部材を介して前記フラックス含有溶加材を加熱して、被接合部材とフラックス含有溶加材とを融合させ、被接合部材を接合するものであるから、外部からの溶加材供給が困難な形状の金属材についても溶加材を添加した溶接が可能となり、溶接割れの発生を抑制することができる。その上、添加される溶加材にはフラックスが含有されているため、接合部には溶加材の添加とともにフラックスも添加されることなり、酸化膜が除去されて外観品質の良い溶接製品が得られる。また、フラックスの添加により、従来非酸化性の加熱雰囲気が必要とされた加熱源を用いる場合にも、大気中、或いはより大気に近い雰囲気での溶接が可能となり、シールドガス等の使用量が減少し溶接コストを低減させるができる。また、ＴＩＧにより溶接を行う場合には、従来、クリーニング作用を得るために交流により行うことが必要であったが、フラックス含有溶加材のフラックスによりクリーニング作用が発揮されるため、直流により行うことができるようになり、このため溶け込み深さを大きくできる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属材の溶接方法の実施例を示す要部断面図であり、（Ａ）は被接合部材と溶加材を組み付けた状態、（Ｂ）は接合部の両側から加熱した結果、（Ｃ）は接合部の片側のみから加熱した結果を示している。
【符号の説明】
２…被接合部材
４…フラックス含有溶加材
３…間隙
【図１】
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