(57)【要約】  ３ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、及び７ｘｘｘ系の合金の溶接のための５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶接の溶加金属合金。この合金は、優れた機械特性を達成するのに、溶接法に存在する液体から固体金属への高凝固速度が用いられるように設計される。本合金では、Ｍｇ２Ｓｉ分散質との分散強化と、Ｍｇ２Ｓｉ析出物との析出強化と、遊離マグネシウム及びマンガンを使用する固溶強化とが用いられる。本合金は、高い溶接時機械特性及び優れた耐食性を有する。本合金は、溶接後の熱処理による良い影響を受け、溶接時又は溶接後の熱処理が用いられるかにかかわらず、接合されるベース金属を上回る機械特性が得られる。合金組成物は、最大２５０Ｆ°の高温稼働での使用に利用可能である。この６ｘｘｘ系溶加金属は、自動車、トラック、トレーラー、軌道車、船舶、航空宇宙、及び他の用途の静的負荷及び動的負荷の両方を受ける高強度溶接構造体の作製に特に適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接法に使用される金属合金組成物であって、該金属合金は、
７０．０％〜９８．９％の重量パーセントのアルミニウムと、
０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、
１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムと、
を含む、金属合金組成物。
【請求項２】
重量パーセント基準で、
前記アルミニウムは７５．０％〜９６．８％であり、
前記シリコンは０．２０％〜３．５％であり、
前記マグネシウムは３．０％〜１１．０％である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３】
０．０５％〜１．５０％の重量パーセントのマンガンと、
０．０５％〜０．３５％の重量パーセントのクロムと、
０．００３％〜０．２０％の重量パーセントのチタンと、
０．０５％〜０．４０％の重量パーセントのジルコニウムと、
０．００１％〜０．０３０％の重量パーセントのホウ素と、
最大０．５０％の重量パーセントのリンと、
を更に含む、請求項２に記載の金属合金組成物。
【請求項４】
最大０．３０％の重量パーセントの亜鉛を更に含む、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項５】
最大０．００１％の重量パーセントのベリリウムを更に含む、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項６】
重量パーセント基準で、前記ベリリウムは最大０．０００８％である、請求項５に記載の金属合金組成物。
【請求項７】
最大０．５０％の重量パーセントの鉄を更に含む、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項８】
重量パーセント基準で、前記クロムは０．０５％〜０．２０％である、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項９】
重量パーセント基準で、前記チタンは０．００３％〜０．１０％である、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項１０】
重量パーセント基準で、前記ホウ素は０．００１％〜０．０１％である、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項１１】
重量パーセント基準で、前記ジルコニウムは０．０５％〜０．４０％である、請求項３に記載の金属合金組成物。
【請求項１２】
重量パーセント基準で、
前記アルミニウムは７５．０％〜９３．９％であり、
前記シリコンは０．５０％〜０．８０％であり、
前記マグネシウムは５．６０％〜６．３０％である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項１３】
０．０５％〜０．５０％の重量パーセントのマンガンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのクロムと、
０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのチタンと、
０．０５％〜０．１５％の重量パーセントのジルコニウムと、
０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのホウ素と、
最大０．０５％の重量パーセントのリンと、
を更に含む、請求項１２に記載の金属合金組成物。
【請求項１４】
前記シリコン及びマグネシウムはおよそ１．７０％の重量パーセントのケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態であり、遊離マグネシウムはおよそ５．０％の重量パーセントである、請求項１２に記載の金属合金組成物。
【請求項１５】
０．５０％〜１．０％の重量パーセントのマンガンを更に含み、重量パーセント基準で、前記アルミニウムは７５．０％〜９５．９％であり、前記シリコンは０．３０％〜０．５０％であり、前記マグネシウムは３．３０％〜３．８０％である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項１６】
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのクロムと、
０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのチタンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのジルコニウムと、
０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのホウ素と、
最大０．０５％の重量パーセントのリンと、
を更に含む、請求項１５に記載の金属合金組成物。
【請求項１７】
前記シリコン及びマグネシウムはおよそ１．１％の重量パーセントのケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態であり、遊離マグネシウムはおよそ２．９％の重量パーセントである、請求項１５に記載の金属合金組成物。
【請求項１８】
重量パーセント基準で、
前記アルミニウムは７５．０％〜８８．５％であり、
前記シリコンは２．５０％〜３．１０％であり、
前記マグネシウムは９．０％〜１０．４％である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項１９】
０．２０％〜０．５０％の重量パーセントのマンガンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのクロムと、
０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのチタンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのジルコニウムと、
０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのホウ素と、
最大０．０５％の重量パーセントのリンと、
を更に含む、請求項１８に記載の金属合金組成物。
【請求項２０】
前記シリコン及びマグネシウムはおよそ８％の重量パーセントのケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態であり、遊離マグネシウムはおよそ５．０％の重量パーセントである、請求項１８に記載の金属合金組成物。
【請求項２１】
重量パーセント基準で、
前記アルミニウムは７５．０％〜９３．３％であり、
前記シリコンは２．５０％〜３．１０％であり、
前記マグネシウムは４．２％〜５．２％である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２２】
０．４０％〜０．７０％の重量パーセントのマンガンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのクロムと、
０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのチタンと、
０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのジルコニウムと、
０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのホウ素と、
最大０．０５％の重量パーセントのリンと、
を更に含む、請求項２１に記載の金属合金組成物。
【請求項２３】
前記シリコン及びマグネシウムはおよそ８．０％の重量パーセントのケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態である、請求項２１に記載の金属合金組成物。
【請求項２４】
前記金属合金は５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶接の溶加金属である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２５】
前記金属合金組成物は、溶接法により、液体飽和状態にて超加熱飽和液体組成物を作り出し、溶接継手においてベース金属を介して該液体飽和状態から固体状態へと急冷することで、過剰マグネシウムが固溶体に保持され、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）が固溶体、析出物、及び分散質に保持されるように構成されており、該固溶体は前記溶接継手の物理特性及び機械特性の改善をもたらす、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２６】
前記金属合金組成物は、改善された機械的引張特性及び剪断特性をもたらす５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶接の溶加金属であり、改善された機械的引張特性及び剪断特性は最大５７ｋｓｉであり、改善された剪断特性は最大３３ｋｓｉである、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２７】
前記金属合金組成物は、改善された疲労開始強度をもたらす５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶接の溶加金属であり、改善された疲労開始強度は、最大５７ｋｓｉの開始強度であり、５億サイクルでの最大２６ｋｓｉの疲労限度である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２８】
前記金属合金組成物は、より低い導電率を有することで、電気アークにおける溶加ワイヤの溶融速度を増大させ、それにより溶接堆積速度を増大させるとともに、溶接生産性を向上させ、ここで、該導電率は、２５  国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）まで下がっている、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項２９】
前記金属合金組成物は、融解金属状態にて、より低い内部摩擦、１２９２Ｆ°での１．０センチポイズまでの内部摩擦というより高い流動性、及び１２９２Ｆ°で５７０ダイン／ｃｍまで下がった表面張力を生じることで、溶接ビードコンター及び接合ルートの濡れを改善する、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３０】
前記金属合金組成物は、５３５６又は５１８３等の５ｘｘｘ合金よりも溶接物において溶体から生じる水素ガス空隙が少なく、ここで、空隙を生む水素含量は、溶接物が同等のアーク水素含量にて作製された場合のｍｌ／１００ｇにて測定される、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３１】
前記金属合金組成物は、負の電位に顕著な差がないように制御される固体溶質又は固体成分を有し、成分及びアルミニウムのボルト電位は、溶接金属が塩水中での応力腐食を含む粒間腐食の性能に優れ、かつ塩水曝露に適した高強度と高耐食性との特性の組合せをもたらすような範囲内に制御され、純アルミニウム（９９．９５％のＡｌ）のボルト電位は−０．８５であり、Ａｌ＋１％のＭｇ２Ｓｉのボルト電位は−０．８３であり、Ａｌ＋５％のＭｇのボルト電位は−０．８８であり、Ｍｇ２Ｓｉ成分のボルト電位は−０．８２である、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３２】
前記金属合金組成物は、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）と遊離マグネシウム（遊離Ｍｇ）とを含み、Ｍｇ２Ｓｉ濃度及び遊離Ｍｇ濃度は、非凝固割れ感受性の溶加金属をもたらすように制御され、この低凝固割れ感受性の化学構造により、Ｍｇ２Ｓｉ及び遊離Ｍｇ合金（６ｘｘｘ）を溶加金属の商業用途に使用することが可能になる、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３３】
前記金属合金組成物は、溶体中の遊離Ｍｇの量を制御することにより、１つ以上の溶接ワイヤサイズの溶接ワイヤへと塑性変形するように構成されており、特別に制御された量のＳｉを、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態にて一部の遊離Ｍｇと組み合わせる、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３４】
前記金属合金組成物を、特別に設計された熱処理を含む該合金組成物の圧延及び延伸により、微細径を有する溶接ワイヤへと冷間加工する、請求項３３に記載の金属合金組成物。
【請求項３５】
前記金属合金組成物は、Ｓｉを添加してＭｇ２Ｓｉを形成することで、遊離Ｍｇの量を制御することにより、１つ以上の溶接ワイヤサイズの溶接ワイヤへと塑性変形するように構成されており、ここで、Ｓｉの添加は、加工性を改善させるＭｇ２Ｓｉの形成を通じて溶体中の遊離Ｍｇの含量を低減させ、金属内のＭｇ２Ｓｉ相を熱処理することで、引張特性を低減させるとともに、ワイヤの作製における加工性を改善させる分散質として固溶体からこの相を析出させる、請求項１に記載の金属合金組成物。
【請求項３６】
アルミニウム材を溶接するための溶加金属を製造する方法であって、該方法は、金属合金を塑性変形させ、溶加金属を形成することを含み、該金属合金は、７０．０％〜９８．９％の重量パーセントのアルミニウムと、０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムとを含む、方法。
【請求項３７】
前記塑性変形は押出し又は延伸を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
第１のベース金属と、
溶接継手にて該第１のベース金属と溶接される第２のベース金属と、
を含む溶接物であって、前記溶接継手は、７０．０％〜９８．９％の重量パーセントのアルミニウムと、０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムと含む溶加金属を使用する溶接法によって形成される、溶接物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１５年１１月１３日付けで出願された米国仮特許出願第６２／２５４，８１４号に対する優先権を主張するものであり、その全体が引用することにより本明細書の一部をなす。
【０００２】
本発明は、高強度のアルミニウム構造体の溶接分野、特に、溶接法に適し、かつ溶接物の優れた物理特性及び機械特性を有する溶加金属合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００３】
溶接は、簡単に言うと、２つの金属片を結合させる方法を軸とするものである。金属部品を接合するのに用いられる溶接法には多くの種類がある。これらの中には、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）、電子ビーム溶接、イナーシャ溶接、摩擦撹拌溶接等がある。ＧＭＡＷ、ＧＴＡＷ、及びＰＡＷ法では、溶接接合法を行うのに溶加金属を使用する。電子ビーム溶接及びここで挙げられている他の溶接法では、溶接を行うのに溶加金属を使用しないのが通例であるが、使用する場合もある。そのため、本明細書で開示される溶加金属は、全ての溶接接合法に適用可能である。
【０００４】
今日、アーク溶接が最も一般的に用いられている溶接法である。アーク溶接では、接合させるベース金属（複数の場合もある）の一部を融解するとともに、通常ワイヤ形態である溶加金属を融解することで、継手にて融解した溶接プールを作り出すことにより、金属部品を接合させる。アルミニウムの溶接に現在利用可能な溶加金属は、溶接法の間に機械特性を変化させる。溶接に際して存在する変動要素（variables）が、得られる最終の溶接継手の機械特性及び物理特性に影響を及ぼす。かかる変動要素としては、例えば、継手設計、ベース金属部のサイズ、入熱、及びベース金属への溶接ビードの溶込みが挙げられ、これにより溶加金属パドルへのベース金属の希釈量が変動する。アルミニウム用の既存の溶加金属の特性が、最新の製造操作にて一貫して確実に作製することができるアルミニウム構造体の機械特性及び物理特性に厳しい制限を課すことがある。
【０００５】
すなわち、稼働中にアルミニウム構造体における溶接部は、動的又は静的負荷の下で破損する場合がある。アルミニウム構造体は、衝撃負荷又は疲労等の多くの要因により破損する可能性がある。溶接継手の破損は、溶接継手によく見られる不連続部又は構造欠陥により加速する。そのため、破損が生じる場合に、不連続部が殆どない基材へと向かうように、構造部品の溶接に使用する任意の溶加金属が、接合するベース金属より高い機械的強度を有していることが重要である。既存のアルミニウム溶接の溶加金属は、機械的強度が有益でないことが多く、結果として溶接継手がアルミニウム溶接構造体における最も弱い連結部（link）になる。そのため、溶接設計技師は、溶接構造体の寿命を延ばし、溶接製品に更なる安全性をもたらす、溶接時強度（as-welded strength）のより高い溶接用溶加金属を絶えず求めている。
【０００６】
アルミニウム溶加金属は、アーク溶接法の考案以降に開発された。現在一般に使用されているアルミニウム溶加金属は、単に接合するベース金属の組成を僅かに変えることにより、特定の鍛造合金又は鋳造合金を溶接するために開発されたものである。５ｘｘｘ系（アルミニウム／マグネシウム）溶加金属合金については、これらの変更は主に、溶接アークにおけるマグネシウム（Ｍｇ）等の或る特定の合金元素の溶融を補う溶加金属の化学構造が得られるように、ベース金属の化学構造を調整することにより行われた。４ｘｘｘ系（アルミニウム／シリコン）溶加金属合金の殆どは、既存の蝋合金を適合させることにより作製された。このようにして得られた溶加金属では、溶接法に多くの変動要素が存在する場合に、溶接部において一貫した確実な機械特性及び物理特性をもたらす能力に厳しい制限がある。
【０００７】
溶接法、特にアルミニウムのアーク溶接により生じる熱は常に、対処しなければならない不都合なものであった。熱により、溶接継手及びベース金属の熱影響域の両方の機械特性及び場合によっては物理特性の劣化が起こる。これは、熱処理型アルミニウム合金及び非熱処理型アルミニウム合金の両方に当てはまる。既存のアルミニウム溶加金属合金には、全溶接条件にてベース金属の特性を凌ぐ顕著な溶接時の機械特性及び物理特性を生じる特別に配合された冶金特性を有するものはない。これを達成するためには、溶接法で起こる固有の一連の熱事象、すなわち融解、急速凝固、及び急速冷却速度を利用するように、合金の冶金特性を設計しなければならない。これらの冷却速度は、所望の機械特性及び物理特性が一貫して確実に得られるように、溶接部における微細成分要件の時間−温度変態限界（time-temperature-transformation limit）を満たすのに十分早いものでなくてはならない。ワイヤ又はロッドの形態で使用される溶加金属の化学組成物が、ワイヤへと作製可能な機械特性を有していなければならないことがもう１つの考慮事項である。このことが、より高強度の５ｘｘｘ系の溶加金属合金を開発するにあたっての制限要因であった。
【０００８】
アルミニウム溶接構造体の分野において、溶接用溶加金属が、優れた強度だけでなく、優れた耐食性をもたらすとともに、溶接後に陽極酸化する場合に溶接用溶加金属をベース金属の陽極酸化色に合わせることが望まれる。望まれる耐食性及び陽極酸化特徴を有するアルミニウム溶接の溶加金属を設計することが更に別の考慮事項である。自動車、トラック、トレーラー、高速列車、軌道車、船舶、軍事車両、ロケット、ミサイル、人工衛星及び多くの他の製品の製造へのアルミニウムの使用における急速な発展には、これらの製品の要件を満たす機械特性の向上及び優れた物理特性を有する新たな溶加金属の開発が求められる。アルミニウム溶接用途において溶加金属として使用することができる、本明細書に開示される新規の金属合金組成物（以下、溶加組成物）は、限定するものではないが、本明細書に開示されるものを含むあらゆる溶接接合法に適用可能である。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、高強度のアルミニウム構造体の溶接、特に、実質的に図面の少なくとも１つにより説明され、及び／又はそれに関して記載され、また特許請求の範囲においてより完全に明記されるように、溶接法に適しており、溶接物の物理特性及び機械特性に優れた溶加金属合金組成物に関する。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、溶接法に使用される金属合金組成物は、０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムとを含み、残りがアルミニウム、他の合金元素、及び微量元素である。アルミニウムの重量パーセントは、例えば７０．０％〜９８．９％の重量パーセントであり得る。他の態様では、アルミニウムは、７５．０％〜９８．９％の重量パーセントであり得る。更に別の態様では、重量パーセント基準で、アルミニウムは、７５．０％〜９６．８％であり、シリコンは、０．２０％〜３．５％であり、マグネシウムは、３．０％〜１１．０％である。或る特定の態様では、金属合金組成物は、０．０５％〜１．５％の重量パーセントのマンガンと、０．０５％〜０．３５％の重量パーセントのクロムと、０．００３％〜０．２０％の重量パーセントのチタンと、０．０５％〜０．４０％の重量パーセントのジルコニウムと、０．００１％〜０．０３０％の重量パーセントのホウ素と、最大０．５０％の重量パーセントのリンとを更に含む。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、溶接法に使用される金属合金組成物は、およそ０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、最大０．０５％の重量パーセントの鉄と、最大０．０５％の重量パーセントの銅と、およそ０．０５％〜１．５％の重量パーセントのマンガンと、およそ１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．３５％の重量パーセントのクロムと、最大０．３０％の重量パーセントの亜鉛と、およそ０．００３％〜０．２０％の重量パーセントのチタンと、およそ０．００１％〜０．０３０％の重量パーセントのホウ素と、およそ０．０５％〜０．４０％の重量パーセントのジルコニウムと、最大０．００１％の重量パーセントのベリリウムと、最大０．５％の重量パーセントのリンとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素である。
【００１２】
本発明の第３の態様によれば、溶接物は、第１のベース金属と、第２のベース金属と、溶加金属合金とを含み、ここで、溶加金属合金は、第１のベース金属と第２のベース金属とを融合させるものであり、溶加金属合金は、およそ０．２０％〜３．５％の重量パーセントのシリコンと、最大０．０５％の重量パーセントの鉄と、最大０．０５％の重量パーセントの銅と、およそ０．０５％〜１．５％の重量パーセントのマンガンと、およそ３．０％〜１１．０％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．３５％の重量パーセントのクロムと、最大０．３０％の重量パーセントの亜鉛と、およそ０．００３％〜０．２０％の重量パーセントのチタンと、およそ０．００１％〜０．０３０％の重量パーセントのホウ素と、およそ０．０５％〜０．４０％の重量パーセントのジルコニウムと、最大０．００１％の重量パーセントのベリリウムと、最大０．５％の重量パーセントのリンとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素である。
【００１３】
本発明の第４の態様によれば、アルミニウム材を溶接するための溶加金属を製造する方法は、金属合金を塑性変形させ、溶加金属を形成することを含み、該金属合金は、７０．０％〜９８．９％の重量パーセントのアルミニウムと、０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムとを含む。
【００１４】
本発明の第５の態様によれば、溶接物は、第１のベース金属と、溶接継手にて該第１のベース金属と結合される第２のベース金属とを含み、ここで、溶接継手は、７０．０％〜９８．９％の重量パーセントのアルミニウムと、０．１０％〜５．０％の重量パーセントのシリコンと、１．０％〜１５．０％の重量パーセントのマグネシウムと含む溶加金属を使用する溶接法によって形成される。
【００１５】
或る特定の態様では、重量パーセント基準で、シリコンは、およそ０．５０％〜０．８０％であり、マンガンは、およそ０．０５％〜０．５０％であり、マグネシウムは、およそ５．６％〜６．３％であり、クロムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、ジルコニウムは、およそ０．０５％〜０．１５％であり、チタンは、およそ０．００３％〜０．１０％であり、ホウ素は、およそ０．００１％〜０．０１０％であり、リンは、最大０．０５％である。
【００１６】
或る特定の態様では、重量パーセント基準で、シリコンは、およそ０．３０％〜０．５０％であり、マンガンは、およそ０．５０％〜１．０％であり、マグネシウムは、およそ３．３％〜３．８％であり、クロムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、ジルコニウムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、チタンは、およそ０．００３％〜０．１０％であり、ホウ素は、およそ０．００１％〜０．０１％であり、リンは、最大０．０５％である。
【００１７】
或る特定の態様では、重量パーセント基準で、シリコンは、およそ２．５０％〜３．１０％であり、マンガンは、およそ０．２０％〜０．５０％であり、マグネシウムは、およそ９．０％〜１０．４％であり、クロムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、ジルコニウムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、チタンは、およそ０．００３％〜０．１０％であり、ホウ素は、およそ０．００１％〜０．０１％であり、リンは、最大０．０５％である。
【００１８】
或る特定の態様では、重量パーセント基準で、シリコンは、およそ２．５０％〜３．１０％であり、マンガンは、およそ０．４０％〜０．７０％であり、マグネシウムは、およそ４．２％〜５．２％であり、クロムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、ジルコニウムは、およそ０．０５％〜０．２０％であり、チタンは、およそ０．００３％〜０．１０％であり、ホウ素は、およそ０．００１％〜０．０１％であり、リンは、最大０．０５％である。
【００１９】
或る特定の態様では、金属合金組成物は、３ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、及び７ｘｘｘ系のアルミニウム金属の溶接のための５ｘｘｘ系又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶加金属合金である。
【００２０】
或る特定の態様では、金属合金組成物は、最大２５０Ｆ°の高温用途で使用される５ｘｘｘ系又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶加金属合金である。
【００２１】
或る特定の態様では、金属合金組成物は、溶接後の陽極酸化処理に合わせた色を呈する５ｘｘｘ系又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶加金属合金である。
【００２２】
或る特定の態様では、金属合金組成物は、溶接するベースアルミニウム合金部品に匹敵するか、又はそれを凌ぐ腐食保護特性を有する５ｘｘｘ系又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶加金属合金である。
【００２３】
或る特定の態様では、金属合金組成物は、およそ２０％  国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）の電気伝導率を有する５ｘｘｘ系又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶加金属合金である。
【００２４】
或る特定の態様では、第１のベース金属又は第２のベース金属は、３ｘｘｘ系のアルミニウム金属、５ｘｘｘ系のアルミニウム金属、６ｘｘｘ系のアルミニウム金属、又は７ｘｘｘ系のアルミニウム金属の少なくとも１つを含む。
【００２５】
或る特定の態様では、第１のベース金属は、シリコン基アルミニウム鋳造合金であり、第２のベース金属は、鍛造アルミニウム合金である。
【００２６】
別の態様では、溶接法を独自に用いて、アルミニウム＋Ｍｇ、Ｓｉ、及びＭｎの超加熱飽和液体組成物を作り出す化学組成物が開示される。溶接継手においてベース金属上にて液体飽和状態から固体状態へと急冷することで、Ｍｎが固溶体に保持され、過剰マグネシウムが固溶体に保持され、Ｍｇ２Ｓｉが固溶体、析出物、及び分散質に保持される。これは、飽和液体状態から固体への固有の冶金変態である。この変態は、鍛造合金における固体状態変態とは異なり、溶加合金から現在利用可能なものよりも改善された溶接継手の物理特性及び機械特性を発現する。
【００２７】
別の態様では、溶接時又は溶接後に熱処理した任意の市販溶加金属を最大２０パーセント上回る機械的引張特性及び剪断特性を生じることが可能である、５ｘｘｘ／６ｘｘｘ合金に分類される化学組成物が開示される。例えば、引張特性が３８ｋｓｉであり、剪断特性が２３ｋｓｉである、５３５６等の市販の５ｘｘｘ溶加合金と比べて、改善された機械的引張特性は、最大５７ｋｓｉ（キロポンド毎平方インチ）とすることができ、最大３３ｋｓｉの剪断特性を達成することができる。
【００２８】
別の態様では、他の市販の５ｘｘｘ／６ｘｘｘ溶加金属合金よりも最大２０％高い疲労開始強度を生じる化学組成物が開示される。例えば、改善された疲労強度は、最大５７ｋｓｉの開始強度、及び５億サイクルで最大２６ｋｓｉの疲労限度とすることができる。
【００２９】
別の態様では、現行の５ｘｘｘ溶加金属より電気伝導率が低減し、抵抗率がより高い化学組成物が開示される。抵抗率が高くなると、電気アークにおける溶加ワイヤの溶融速度が増大する。溶融速度が増大すると、溶接堆積速度が増大するともに、溶接生産性が向上する。例えば、５３５６等の市販の５ｘｘｘ合金の電気伝導率は、３３  国際軟銅規格（ＩＡＣＳ）であり、特許請求される化学組成物の導電率は、２５  ＩＡＣＳまで下がる。
【００３０】
別の態様では、融解金属状態において、より低い内部摩擦、より高い流動性、及び表面張力の低下をもたらし、任意の他の市販５ｘｘｘ／６ｘｘｘ溶加金属合金よりも溶接ビードコンター及び継手ルートの濡れを改善させる、化学組成物が開示される。例えば、本金属合金組成物は、融解金属状態において、最大（１２９２Ｆ°で１．０センチポイズという内部摩擦）のより高い流動性、及び（１２９２で５７０ダイン／ｃｍ）まで下がった表面張力を生じ、既存の市販の５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系のアルミニウム溶接の溶加金属を用いて達成することができるよりも溶接ビードコンター及び継手ルートの濡れを改善させる。
【００３１】
別の態様では、任意の他のアルミニウム溶加金属合金よりも溶接物において溶体から生じる水素ガス空隙がより少ない化学組成物が開示される。本金属合金組成物は、５３５６又は５１８３合金等の５ｘｘｘ合金よりも溶接物において溶体から生じる水素ガス空隙が少ない。空隙を生む水素含量は、溶接物が同等のアーク水素含量にて作製された場合のｍｌ／１００ｇにて測定される。
【００３２】
別の態様では、負の電位に顕著な差がないように制御される固体溶質又は成分を有する化学組成物が開示される。成分及びアルミニウムのボルト電位は、溶接金属が塩水中での応力腐食を含む粒間腐食の性能に優れるような範囲内に制御される。この化学構造が、塩水曝露に対して独自の高強度と高耐食性との特性の組合せをもたらす。純アルミニウム（９９．９５％のＡｌ）のボルト電位が−０．８５であり、Ａｌ＋１％のＭｇ２Ｓｉのボルト電位が−０．８３であり、Ａｌ＋５％のＭｇのボルト電位が−０．８８であり、Ｍｇ２Ｓｉ成分のボルト電位が−０．８２である。これらのボルト電位は、粒間腐食及び応力腐食の制御について同等のものであると考えられる。成分、合金元素、及びアルミニウムのボルト電位は、溶接金属が塩水中での応力腐食を含む粒間腐食の性能に優れ、かつ塩水曝露に適した高強度と高耐食性との特性の組合せをもたらすような範囲内に制御される。
【００３３】
別の態様では、非凝固割れ感受性の溶加金属をもたらすように制御されたＭｇ２Ｓｉの含量及び遊離Ｍｇの濃度を有する、Ｍｇ２Ｓｉを含有する溶加金属の化学構造が開示される。低凝固割れ感受性の化学構造により、当初用途のＭｇ２Ｓｉ＋過剰Ｍｇ合金（６ｘｘｘ）を溶加金属の商業用途に使用することが可能になる。
【００３４】
別の態様では、金属合金組成物は、シリコン（Ｓｉ）を添加することで、溶体中の遊離マグネシウム（遊離Ｍｇ）の量を制御することにより、１つ以上の溶接ワイヤサイズの溶接ワイヤへと塑性変形するように構成されており、特別に制御された量の遊離Ｍｇはケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の形態にてＳｉと組み合わされる。換言すると、固溶体中にある遊離Ｍｇの量は、特定の量のＳｉを添加し、液体状態で存在する一部のＭｇと組み合わせて、凝固に際して金属間化合物Ｍｇ２Ｓｉにすることにより制御することができ、その結果、液体を凝固する際に制御量の遊離Ｍｇが溶体中に残ることで、得られた合金に機械的二次成形操作のための延性が与えられる。この成分は、溶体、析出物、又は分散質の相において熱操作により制御することで、作製時の塑性変形を促す。
【００３５】
別の態様では、金属合金組成物は、Ｓｉを添加してＭｇ２Ｓｉを形成することで、遊離Ｍｇの量を制御することにより、１つ以上の溶接ワイヤサイズの溶接ワイヤへと塑性変形するように構成されており、ここで、Ｓｉの添加が、加工性を改善させるＭｇ２Ｓｉの形成を通じて溶体中の遊離Ｍｇの含量を低減させ、金属内のＭｇ２Ｓｉ相を熱処理することで、引張特性を低減させるとともに、ワイヤの作製における加工性を改善させる分散質として固溶体からこの相を析出させる。
【００３６】
本明細書の記載は、添付の図面を参照して為されており、同様の参照符号は、幾つかの図面を通じて同様の部材を指している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】改善されたアルミニウム合金１、２、３、及び４と併せて本発明の態様による例示的な化学組成を示す表である。
【図２】改善されたアルミニウム合金１、２、３、及び４のマグネシウム含量及びシリコン含量を示すグラフである。
【図３】改善されたアルミニウム合金１、２、３、及び４の機械特性の概要を示すグラフである。
【図４】改善されたアルミニウム合金の溶接時の予測引張強度及び剪断強度と併せて溶接時の溶加合金の典型的な引張強度及び剪断強度を示すグラフである。
【図５】様々な溶接入熱に対する溶接物の冷却速度を示すチャート図である。
【図６】合金元素シリコン及びマグネシウムの割合により影響を受ける様々なアルミニウム合金の電気伝導率を示すグラフである。
【図７】様々なアルミニウム合金の溶接時の疲労強度を示すチャート図である。
【図８】アルミニウム合金における様々な固体溶質又は成分の負の電位を示すチャート図である。
【図９】典型的な隅肉溶接継手及び突き合わせ溶接継手を示す図である。
【図１０】アルミニウム合金の流動性に対する漸増する合金含量の影響を示すチャート図である。
【図１１】アルミニウム合金の表面張力に対する漸増する合金含量の影響を示すチャート図である。
【図１２】Ｍｇ２Ｓｉ及び遊離マグネシウム濃度がアルミニウム溶接物の高温割れ感受性にどのような影響を与えるかを示すチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の好ましい実施形態を、添付の図面の図を参照して本明細書の下記に記載する。同様の参照符号は、図面を通じて同様の又は同等の要素を指すのに用いられる。下記の記載では、既知の機能又は構成については詳細に説明しないが、これは不必要に詳細なこのような記載によって、本発明が曖昧になると考えられるためである。
【００３９】
特許請求される技術原理の理解を促すとともに、現在理解されている最良の操作形態を提示する目的で、これより図面で示される実施形態に言及し、これを説明するために、具体的な言い回しを用いることになる。しかし、このことは特許請求される技術範囲の限定を意図するものではなく、示されるデバイスにおけるこのような変更及び更なる修正、またそこで示された特許請求される技術の原理のこのような更なる適用が、特許請求される技術に関連する技術分野の当業者にとって通例、想到されるものであると考えられると理解されたい。
【００４０】
本明細書で使用される場合、「例示的な」という語は、「例、実例、又は例証としての役割を果たす」ことを意味する。本明細書に記載の実施形態は、限定するものではなく、単に例示するものである。記載の実施形態は必ずしも他の実施形態に対して好ましい又は有益であると解釈されるものではないことを理解されたい。また、「本発明の実施形態」、「実施形態」又は「本発明」という用語は、本発明の実施形態が全て、述べられている特徴、有利点、又は操作形態を含むことを要求するものではない。さらに、本発明の冶金及び機械的な態様の幾つかは、関連する原理のグラフ表示を用いることで最もよく説明される。幾つかの図は、本発明の或る特定の態様を説明するために含まれている。
【００４１】
本明細書で使用される場合、「約」及び「およそ」という語は、数値（又は数値範囲）を修飾又は記載するのに用いられる場合、その数値又は数値範囲に合理的に近似していることを意味する。そのため、本明細書に記載の実施形態は、列挙された数値及び数値範囲のみに限定するものではなく、合理的に実行可能な偏差を含むものとし、この偏差は、他に指示がなければ、１０パーセントの偏差であり得る。
【００４２】
背景技術として、アルミニウム合金には国際分類体系が存在する。国際分類体系では、４桁のグループを用い、一桁目は、主合金元素（複数の場合もある）に基づく大きいグループ分けを示し、他の桁は、組成等の他の特徴を指している。主要なグループは、（１）１ｘｘｘ系（主たる合金元素なし）、（２）２ｘｘｘ系（銅）、（３）３ｘｘｘ系（マンガン）、（４）４ｘｘｘ系（シリコン）、（５）５ｘｘｘ系（マグネシウム）、（６）６ｘｘｘ系（マグネシウム及びシリコン）、（７）７ｘｘｘ系（亜鉛）、及び（８）８ｘｘｘ系（他の合金、例えばスカンジウム（Ｓｃ）、リチウム（Ｌｉ）、鉄（Ｆｅ）等）である。歴史的に見ると、アルミニウム溶接の溶加金属合金は、既存の蝋合金の組成を単に適合させることにより、又は溶接する鋳造合金若しくは鍛造合金の化学構造を僅かに変えることにより開発されてきた。４ｘｘｘ系の溶接合金の場合、殆どが既存の蝋合金を適合させたものである。鋳造合金の溶接のための溶加金属合金の場合、溶接時に溶融する元素に幾らか変更を加えることで、溶加金属合金は、溶接する鋳造合金の化学構造を簡単に模している。５ｘｘｘ系の溶加金属合金の場合も、溶加金属合金は、溶接する５ｘｘｘ系の鍛造合金の化学構造を僅かに変えたものである。そのため、溶接技師は昔から、溶接継手の強度が溶接するベース金属の強度を著しく上回る溶接部を作製することに苦心している。全ての溶接継手に本質的に存在する機械的欠陥のために、動的負荷、また場合によっては静的負荷を受ける構造体が接合するベース金属の強度を上回る溶接継手金属の強度を有することが極めて重要である。典型的な隅肉溶接継手及び突き合わせ溶接継手を示している図９に示されるように、このことは、隅肉溶接部及び部分的に溶け込む突き合わせ接合溶接部において特に関連することになる。一般的な製造操作において、全溶接部のおよそ７０％が最終的に部分溶け込みとなると推定される。これらの場合、溶接金属は稼働時にあらゆる応力負荷を受ける。溶接構造体が設定された耐用年数を満たそうとするならば、溶接継手が優れた強度及び靭性を有することが重要になる。本明細書で開示される改善されたアルミニウム合金により、現在利用可能なアルミニウム溶接の溶加金属合金ファミリーのこの制限が緩和される。
【００４３】
実際、溶接法の際に生じる熱が、常に課題になっている。例えば、熱により、熱影響域においてベース金属の特性が劣化する。これまで、アルミニウム溶接協会に登録された（又は米国溶接協会（ＡＷＳ）  Ａ５．１０のアルミニウムの溶加金属規格に挙げられた）いずれの５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ合金も、ガスメタルアーク（ＧＭＡ）及びガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶接作業で見られる熱過程を利用して、機械特性及び物理特性を最適化するよう特別に設計されてはいない。さらに、より高強度の５ｘｘｘ系の溶接溶加金属を作製する試みが為されているが、マグネシウム及びマンガンの添加量を最大にすることで、合金の強度が増大したものの、合金は、非常に急速に合金の延性が低下する段階に達したため、溶接ワイヤ又はロッドへと作製することができなくなったことから、これらの試みには限界があった。
【００４４】
５ｘｘｘ又は６ｘｘｘ系の溶加金属合金である、本明細書で開示される改善されたアルミニウム合金は、一般的なサイズの溶接ワイヤまで合金を延伸可能なように熱処理することができるよう設計されている。さらに、改善されたアルミニウム合金は、溶接継手の融解、急速凝固、及び続く室温への急速冷却に際して最大の潜在機械特性が達成されるよう設計されている。例えば、改善されたアルミニウム合金は、過剰マグネシウム含量に加えて、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）成分のサイズ及び分布を微調整するとともに、析出するＭｇ２Ｓｉ粒子の形状に影響を及ぼすリンを含有している。Ｍｇ２Ｓｉは、重量パーセントにて１．７３％のＭｇと１％のＳｉとを組み合わせたものである。使用に際しては、Ｍｇ２Ｓｉを、溶接アークによって超飽和アルミニウム溶体に溶解させ、およそ３５００°Ｆに加熱し、およそ２秒で固体状態へと急冷させることで、−Ｗ／−Ｔ１テンパー状態においてかなりの部分のＭｇ２Ｓｉが溶体中に保持される。固体状態でのアルミニウムへのＭｇ２Ｓｉの最大溶解度は１．８５％である。Ｍｇ２Ｓｉは、溶体−Ｔ１及び−Ｔ４中で、析出物−Ｔ５及び−Ｔ６として、並びに微調整された分散質として強化に使用される。溶接時又は溶接後に熱処理された全ての相及びテンパーが、ベース金属の化学特性に測定可能な更なる強化をもたらす。
【００４５】
リンは、球形状の析出物が生じるのを助ける。約３５００°Ｆの温度への溶接加熱過程、続く急速冷却過程によっても、サイズが小さく、微細に分布したＭｇ２Ｓｉ分散質及び析出物が促される。さらに、３％未満の遊離マグネシウムを含む合金では、Ｍｇ２Ｓｉは、様々な溶解度を有し、溶接後の溶体の熱処理及び時効に際しての様々な量の析出強化に寄与する。
【００４６】
改善されたアルミニウム合金はまた、高温用途で使用する場合に良好な強度及び延性の特徴のためにAlcoaによって開発されたベース金属である５４５４のベース金属、並びに最大２５０°Ｆの高温用途で使用される他のベース合金を溶接するのに使用することができるように合金中のマグネシウム含量が調整されている。最終的に、改善されたアルミニウム合金を使用することで、析出応答をもたらすか、又は熱による溶接後の時効処理に対してプラスの効果を伴う分散強化のいずれかにより、６ｘｘｘ系の鍛造合金を溶接することができる。溶接構造体の溶接後時効が、溶加金属の機械特性に近いものとなるようにベース金属の熱影響域の機械特性を回復させる。アルミニウム溶接物の入熱及び冷却速度については図５を参照されたい。
【００４７】
本明細書で開示されるように、本発明の態様による改善されたアルミニウム合金組成物は、およそ０．１０％〜５．０％、より好ましくは０．２０％〜３．５％の重量パーセントのシリコン（Ｓｉ）と、およそ０．０５％〜１．５％、より好ましくは０．０５％〜１．４％、最も好ましくは０．０５％〜１．２％の重量パーセントのマンガン（Ｍｎ）と、およそ１．０％〜１５．０％、より好ましくは３．０％〜１１．０％の重量パーセントのマグネシウム（Ｍｇ）と、およそ０．０５％〜０．３５％、より好ましくは０．０５％〜０．２％の重量パーセントのクロム（Ｃｒ）と、およそ０．０５％〜０．４０％の重量パーセントのジルコニウム（Ｚｒ）と、およそ０．００３％〜０．２０％、より好ましくは０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのチタン（Ｔｉ）と、およそ０．００１％〜０．０３０％、より好ましくは０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのホウ素（Ｂ）と、最大０．５％、又はより好ましくは最大０．３％の重量パーセントのリン（Ｐ）とを含むことができ、合金の残りはアルミニウム及び微量元素である。ここで、アルミニウムの重量パーセントは、例えば７０．０％〜９８．７４６％、より好ましくは７５．０％〜９８．７４６％の重量パーセントであり得る。
【００４８】
図１は、本発明の態様による例示的な改善されたアルミニウム合金、特に、改善されたアルミニウム合金１、２、３、及び４を示す表である。単一での最大許容率にて図１に記されている微量元素を除き、この新たな改善されたアルミニウム合金組成物に存在する残りの元素は、この合金の所望の特性が達成されるように、特定の割合範囲にて意図的に添加及び制御されている。リンはこの例外であり、意図的に添加することもあれば、又は添加しないこともある。これより、意図的に添加された合金元素のそれぞれの存在及び含有率についての根拠を、各元素について論じていく。他のカテゴリーの「各（each）」及び「全体（total）」は、アルミニウム協会が定めた工業用の最大限度を指す。
【００４９】
シリコン（Ｓｉ）−０．１重量％〜５．０重量％という合金組成物のおおよそのシリコン範囲によって、典型的な溶接作業時に見られる加熱速度及び冷却速度により制御される量で固溶体から分散成分としてＭｇ２Ｓｉを形成することが可能となる。マグネシウム及びシリコンが溶体からＭｇ２Ｓｉ成分を形成し、成分のサイズ及び分布が冷却速度、過剰マグネシウム含量及び存在するリンの重量パーセントにより制御される。合金は、凝固溶接物において溶体からＭｇ２Ｓｉが促されるように設計される。溶体からの成分に加えて、Ｍｇ２Ｓｉからの析出強化及び分散強化が存在する。溶接時の析出強化の効果は、過剰Ｍｇがない場合に最大になる。液体状態から急冷する場合、一部のＭｇ２Ｓｉが溶体中に残り、全ての過剰Ｍｇレベルにて析出硬化に利用可能となる。
【００５０】
マンガン（Ｍｎ）−Ｍｎは、Ｍｇ及びＭｇ２Ｓｉ基合金に添加することで、Ｍｇ添加の強化の有効性を改善する。０．０５重量％〜１．５重量％という合金組成物のおおよそのマンガン範囲によって、元素の固溶強化により機械特性が向上し、このように制御することで延性及び靭性の低下が妨げられる。マンガンの添加によってアルミニウムにおける最大溶解度限界を下回るように制御されることで機械特性が増大する。これは、塩水用途での耐食性を低減させることなく、強度の付加をもたらす。さらに、Ｍｎは、同程度の重量パーセントのＭｇが添加された場合の２倍の速度でＭｇ合金に強度を付加する。
【００５１】
マグネシウム（Ｍｇ）−１．０重量％〜１５．０重量％という合金組成物のおおよそのマグネシウム範囲によって、典型的な溶接作業時に見られる凝固速度及び冷却速度で微細な分散体として残る量でＭｇ２Ｓｉ分散成分を形成することが可能になる。溶体からの分散質に加えて、溶接時の析出強化の効果は、過剰Ｍｇがない場合に最大になる。液体状態から急冷する場合、一部のＭｇ２Ｓｉが溶体中に残り、全ての過剰Ｍｇレベルにて析出硬化に利用可能となる。
【００５２】
さらに、より高いマグネシウムレベルでは、元素の固溶体に留まる過剰Ｍｇ（マグネシウム）により、追加の溶接時の析出強化の効果が増すことで、Ｍｇ２Ｓｉ強化及び成分の微調整に加えて、機械特性及び物理特性の向上がもたらされる。最大の遊離マグネシウムを制御することで、塩水曝露用途での腐食特徴の低減が妨げられる。
【００５３】
クロム（Ｃｒ）−０．０５重量％〜０．３５重量％という合金組成物のおおよそのＣｒ範囲を加えることで、粒状構造が制御され、再結晶化が妨げられる。この範囲により、耐食性及び靭性が改善する。Ｃｒが０．３５％を超えると、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、又はＴｉ等の他の不純物又は添加物によって粗い成分が形成される。これらの非常に粗い大型の成分相が金属の靭性を低減させ、ワイヤの作製を不可能なほど難しくする。
【００５４】
ジルコニウム（Ｚｒ）−合金組成物のおおよそのＺｒ範囲は、微粒化及び溶接物における凝固割れに対する耐性の改善のために制御される。Ｚｒは、０．０５重量％〜０．４０重量％、又はより好ましくは０．０５％〜０．３０％であり得る。
【００５５】
チタン（Ｔｉ）及びホウ素（Ｂ）−０．００３重量％〜０．２０重量％のおおよそのＴｉ範囲及び０．００１重量％〜０．０２０重量％のおおよそのＢ範囲という合金組成物のおおよそのＴｉ及びＢ範囲を組み合わせて用いることで、溶接物における粒状構造のサイズ及び形状が制御される。この鋳造構造が応力腐食割れ、靭性及び延性を改善させる。しかしながら、Ｔｉには、Ｃｒと粗い成分を形成する傾向がある。ごく少量のＢを加えることで、微粒化効果を失うことなく、Ｔｉの添加を最小限にすることができる。
【００５６】
Ｔｉ、Ｂ、Ｃｒ、及びＺｒを様々な量又は組合せでアルミニウムに添加することで、微粒化及び粒状構造の制御をもたらすことができる。この添加が、強度、凝固割れ、腐食、靭性、導電率、及び他の物理特性に影響を及ぼす。微粒化及び制御はこれらの元素添加に限定されない。例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、及び他の不溶性成分を用いることで、微粒化がもたらされることがある。
【００５７】
ジルコニウム（Ｚｒ）＋チタン（Ｔｉ）−合金組成物において、Ｚｒの最大限度は０．４０％に設定され、Ｔｉの最大限度は０．２０％に設定される。Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂ、及びＭｎは、Ｃｒと粗い成分を形成する。粗いＣｒ成分を考慮すると、Ｚｒ及びＴｉは、Ｃｒとともに起こる成分形成に対して最も大きなマイナスの寄与因子である。そのため、Ｚｒ＋Ｔｉは最大限に制御されている。
【００５８】
リン（Ｐ）−Ｐを過剰な含Ｍｇ２Ｓｉ合金に添加することで、Ｍｇ２Ｓｉ分散質のサイズ及び分布を微調整することができる。微細な分散体が強度及び耐食特性を上昇させた。合金組成物では、Ｐは、０．５重量％の最大添加量に制御されており、Ｍｇ２Ｓｉ相の成分微調整のために制御される。リンと、Ｓｉ、Ｍｇ、並びにＳｉＣ及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む成分とが、凝固及び冷却時にＭｇ２Ｓｉのサイズ及び分布を微調整する。電極の製造過程においてシェービングが必要であることから、他の元素及び成分もＭｇ２Ｓｉ微調整をもたらすことを認識しつつも、成分の微調整に際してＰを初めに選択している。代替的な微調整添加としては、限定するものではないが、過剰Ｓｉ、過剰Ｍｇ、過剰Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＣが挙げられる。
【００５９】
鉄（Ｆｅ）−Ｆｅは、工業不純物であり、他の元素とともに不都合な（negative）化合物を形成する。合金組成物において、Ｆｅの最大限度は、０．５０％、より好ましくは０．４０％に設定されており、これはコード及び個々の精錬所又は（正：or）供給源によって異なる場合がある。
【００６０】
銅（Ｃｕ）−Ｃｕは、有効な強化剤であるが、Ｃｕ及びＭｇが有害な析出物を形成することから、過剰Ｍｇ合金には添加されない。そのため、合金組成物において、Ｃｕの最大限度は、０．５０％、より好ましくは０．４０％に設定されている。
【００６１】
亜鉛（Ｚｎ）−Ｚｎは、Ｍｇ基合金の別の有効な強化剤である。合金組成物において、Ｚｎの最大限度は、０．３０％、より好ましくは０．２５％、最も好ましくは０．１％に設定されている。
【００６２】
ベリリウム（Ｂｅ）−Ｂｅは、アルミニウム溶接材料において非常に低いレベルに制御されている。Ｂｅは、指定最大値を超えるレベルでは毒性の溶接煙を発生する。そのため、合金組成物において、Ｂｅの最大限度は、０．００１％、より好ましくは０．０００８％、最も好ましくは０．０００３％に設定されている。
【００６３】
合金組成物の化学範囲内にて、改善されたアルミニウム合金の基本的な冶金特性を有しつつも、特定の特性を満たすよう適合することができる特別な合金を数多く配合することができる。例えば、特定の化学構造を選択することで、高温での稼働に、又は接合される鋳造合金若しくは鍛造合金の耐食特性に適合させるために、又は溶接する合金に合わせた良好な陽極酸化色をもたらすために使用することができる。
【００６４】
本発明の一態様によれば、５ｘｘｘ、及び７ｘｘｘ鋳造合金、及び合金５４５４を除く全ての５ｘｘｘ系の非熱処理型鍛造合金、又は高温稼働を目的とする他の合金を溶接するための合金組成物が提供される。この組成物は、およそ０．５０％〜０．８０％の重量パーセントのシリコンと、およそ０．０５％〜０．５０％の重量パーセントのマンガンと、およそ５．６％〜６．３％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＣｒと、およそ０．０５％〜０．１５％の重量パーセントのＺｒと、およそ０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのＴｉと、およそ０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのＢとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素（完全な化学分析については図１を参照されたい）である合金である。合金１と称されるこの新たな改善されたアルミニウム合金は、あらゆる用途において既存の溶接の溶加金属合金５３５６、５１８３、及び５５５６の代替となり得る。合金１は、顕著に高い溶接時機械特性を有する溶接部をもたらす。より高い引張強度、降伏強度、剪断強度、及び疲労強度から、アルミニウムを新たなより高強度の用途に使用することが可能になる。合金１は、現在設計されている溶接構造体において稼働中に起こる構造破損をより少なくすることを可能にする。合金１は、限定するものではないが、高い引張強度及び剪断強度、塩水による粒間腐食に対する高い耐性が要求される用途に合わせて設計されている。典型用途としては、限定するものではないが、造船及び機械的な動的負荷を受ける構造体が挙げられる。
【００６５】
本発明の別の態様によれば、対応するＣｕ無含３ｘｘ、５ｘｘ、及び７ｘｘ鋳造合金並びに合金５４５４、並びに最大２５０°Ｆの高温での使用を目的とする他の３ｘｘｘ、５ｘｘｘ、又は６ｘｘｘ系の鍛造合金を溶接するための合金組成物が提供される。この組成物は、およそ０．３０％〜０．５０％の重量パーセントのシリコンと、およそ０．５０％〜１．０％の重量パーセントのマンガンと、およそ３．３％〜３．８％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＣｒと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＺｒと、およそ０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのＴｉと、およそ０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのＢと、最大０．０５０％の重量パーセントのＰとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素（完全な化学分析については図１を参照されたい）である合金である。この合金組成物は、合金２と称され、高温用途のためのより高い引張強度、降伏強度、剪断強度、及び疲労強度をもたらす。合金２は、引張強度及び剪断強度、高い耐食性、及び高温腐食に対する耐性からの利益を受ける用途に合わせて設計されている。これにより、高温で使用される現在設計されている溶接構造体において、稼働中に起こる構造破損をより少なくすることが可能になる。この合金は、シリコン基鋳造合金を３％未満のマグネシウムを含む鍛造合金に溶接することを可能にする。３．２％を超えるＭｇを含むアルミニウム／マグネシウム合金は、１８０°Ｆを超える高温に曝される用途では使用すべきではなく、それは、金属の粒界におけるＡｌＭｇ陽極相の長期析出によりこれらの合金が破損する可能性があるためである。しかしながら、合金２は、より高い強度をもたらすだけでなく、最大２５０°Ｆの温度範囲で使用することもでき、このことは、ホイール、エンジンクレードル、熱交換器等の或る特定用途において有益である。但し、２５０／３００°Ｆを超える温度に長期間曝されると、加工硬化テンパー及び析出硬化テンパーの両方の強度が低減することに留意されたい。シリコン基鋳造物を３％未満のマグネシウムを含む鍛造合金に溶接する、自動車又はトラック構造体等の複雑な設計において、現在利用可能な溶加金属の選択肢は２つしかない。この選択肢は、低強度の４ｘｘｘ系の溶加金属合金又は５５５４溶加金属の使用である。合金２は、溶接継手において顕著に高い機械特性を伴って、シリコン基アルミニウム鋳造物を鍛造６ｘｘｘ及び５ｘｘｘ系合金へと溶接することを可能にする。典型用途としては、限定するものではないが、自動車のエンジンクレードル、ホイール、熱交換器、及び高温用途が挙げられる。合金２は溶接後の人工時効にも適している。
【００６６】
本発明の別の態様によれば、合金３と称される合金組成物が提供される。合金３は、およそ２．５０％〜３．１０％の重量パーセントのシリコンと、およそ０．２０％〜０．５％の重量パーセントのマンガンと、およそ９．０％〜１０．４％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＣｒと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＺｒと、およそ０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのＴｉと、およそ０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのＢと、最大０．０５０％の重量パーセントのＰとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素（完全な化学分析については図１を参照されたい）である。合金３は、良好な耐食性とともに、最大の利用可能な引張強度及び剪断強度からの利益を受ける用途に合わせて設計されている。典型用途としては、限定するものではないが、航空宇宙、列車、圧力容器、防刃（armor-shear）強度の部品等の高性能構造体が挙げられる。
【００６７】
本発明の別の態様によれば、合金４と称される合金組成物が提供される。合金４は、およそ２．５０％〜３．１０％の重量パーセントのシリコンと、およそ０．４０％〜０．７％の重量パーセントのマンガンと、およそ４．２％〜５．２％の重量パーセントのマグネシウムと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＣｒと、およそ０．０５％〜０．２０％の重量パーセントのＺｒと、およそ０．００３％〜０．１０％の重量パーセントのＴｉと、およそ０．００１％〜０．０１％の重量パーセントのＢと、最大０．０５０％の重量パーセントのＰとを含み、残りがアルミニウム及び微量元素（完全な化学分析については図１を参照されたい）である。合金４は、高靱性とともに高い引張強度及び剪断強度からの利益を受ける用途、並びに溶接後の熱処理が望まれる用途に合わせて設計されている。含Ｍｇ２Ｓｉ合金では、過剰な遊離マグネシウムの量により、アルミニウムへのＭｇ２Ｓｉの溶解度が制御される。合金４にて最低限の遊離マグネシウムが用いられることで、１．８５重量％のＭｇ２Ｓｉというアルミニウムへの最大溶解度が可能となり、析出強化がもたらされる（完全な化学分析については図１を参照されたい）。参照として、３％の遊離マグネシウムでは、アルミニウムへのＭｇ２Ｓｉの溶解度の量が溶体化処理時にゼロまで低減する。合金４は、０％の遊離マグネシウム及び８重量％の量のＭｇ２Ｓｉが用いられるように設計されている。この組成物を用いることで、１．８５％のＭｇ２Ｓｉが析出硬化により、残る６．２％のＭｇ２Ｓｉが分散粒子成分として、どちらも溶接時又は溶接後に溶体化処理される液体から急冷される際に強化されることになる。遊離マグネシウムの溶体強化（solution strengthening：固溶強化）は存在しないが、マンガンが溶体強化元素として添加される。マンガンは、アルミニウムへのＭｇ２Ｓｉの溶解度には影響しない。典型用途としては、限定するものではないが、耐衝撃性に合わせて設計された軍事、航空宇宙、及び自動車産業が挙げられる。遊離Ｍｇは、溶接後の溶体化処理及び人工時効の物理特性を促すために最小限に抑えられている。
【００６８】
合金１、２、３、及び４を用いることで、３ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、及び７ｘｘｘ系のアルミニウム合金部品を溶接することができる。合金が、ＡＷＳ溶加金属規格において利用可能などの溶加金属よりも高い溶接時の引張強度、降伏強度、剪断強度、及び疲労強度を溶接物に与える。改善された合金１、２、及び３は、熱処理型ではないが、これらの合金をプラスの効果を伴って溶接後に時効させることができる。溶接後の時効には、溶加合金に対するプラスの効果があり、溶接部の熱影響域におけるベース金属の機械特性を、残りの熱処理されたベース金属の特性に近づけるとともに、溶加金属の溶接時の特性に近づける。溶接物を溶接後に熱処理する能力が特別に合金４へと設計されている。合金４は、溶接後の時効のみに、また完全溶体化、急冷、及び時効熱処理過程に良好に応答する。歴史的に見ると、６ｘｘｘ系合金を溶接する場合に、一部の４ｘｘｘ系の溶加金属のみが溶接後の熱処理に応答すると考えられる。得られる溶接部は、破壊靭性が非常に低く、割れ成長感受性が高くなる。この靭性の喪失のために、靭性及び破壊特徴が重要な設計基準である多くの溶接用途における６ｘｘｘ系合金が使用不可能となる。全ての４ｘｘｘ合金が溶接後の熱処理により大幅な靭性の喪失を受ける。本発明は、現在利用可能なアルミニウム溶接合金ファミリーのこの制限に対処している。本発明から選択される改善された合金１、２、３、及び４は、溶接時又は適切な熱処理後のいずれの４ｘｘｘ溶加合金よりも顕著に高い靭性を有する。機械特性及び破壊靭性を大きく増大させることができれば、既存の構造体における溶接ビードのサイズを潜在的に低減させることで、溶接させる溶加材におけるコスト削減及び溶接速度の増大を達成することができる。
【００６９】
合金１、２、３、及び４は、ごく僅かな組成物であり、この組成物をこの改善されたアルミニウム合金の組成物に含まれるより広範な化学構造から配合することができる。より広範な組成物の限度内で配合することで、機械特性、及び耐食性若しくは溶接後に陽極酸化を行う場合の溶接するアルミニウム合金に合わせた色等の他の特性の最大性能を達成するか、又は最大２５０°Ｆの優れた高温性能をもたらすよう冶金特性を調整することができる合金組成物が幾つも存在している。
【００７０】
これに加えて、化学構造（例えば、比率／割合）を調整することで、電極溶融速度、冷間金属短路アーク移行、溶接アークにおけるビード滴性能、改善された溶接ビードの溶込み、又は溶接溶加金属の改善された流動性及び低減された融解／凍結温度等の他の有益な溶接性能特性をもたらすことができる。溶加金属のこれらの溶接パラメータ特徴を調整することができることが、所望の最終結果をもたらすのに必要となるシールドガスに影響し、大幅なコスト削減をもたらすことができる。
【００７１】
改善されたアルミニウム合金組成物が、巻かれた若しくは長さが調整された線形のワイヤ、又は溶接することにより接合されるアルミニウム合金部品へと融解及び融合される任意の他の電極若しくは溶加金属型で構成されたアルミニウム溶接の溶加金属を提供する。本発明は、溶加金属を用いるか、又は結合金属層をアルミニウム合金部品間に使用した後に、融解することでそれらを接合させる、新たな溶接接合法を全て包含することが意図される。
【００７２】
本発明の他の利点、特徴、及び特性、並びに操作方法及び構造体の関連する元素の機能、並びに部品と製造の経済性との組合せは、添付の図面を参照しながら、下記の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を考慮することでより明らかになる。これを以下で簡単に説明する。
【００７３】
アルミニウム合金を、熱処理型と非熱処理型との２つのカテゴリーに分ける。６ｘｘｘ系鍛造合金は熱処理型である。これらの合金における主な強化機構は、溶体化処理操作によりシリコン及びマグネシウムを溶体に溶解させた後、急冷することで、室温にてこれらを溶体中に封じ込めることにより達成される。次いで、合金を高温で人工時効し、均質に分散したコヒーレント粒子としてＭｇ２Ｓｉを析出させ、これに圧力を加えることにより、微細構造を強化する。過剰マグネシウムが３％範囲を超える対象の合金は、鍛造合金作製においてＭｇ２Ｓｉの溶解、及び続く析出を妨げる。液体から急冷することで、Ｍｇ２Ｓｉは微細成分として形成され、より高い遊離Ｍｇ含量にて析出強化に加えて分散硬化による強化がもたらされる。過剰マグネシウムが３％未満である合金では、熱処理時にＭｇ２Ｓｉの溶解が起こり、分散強化及び溶体強化に加えて析出強化の増大が起こる。３ｘｘｘ、４ｘｘｘ、及び５ｘｘｘ系の合金等の非熱処理型合金では、溶解された合金元素、主として３ｘｘｘ系合金の場合はマンガン、４ｘｘｘ系合金の場合はシリコン、及び５ｘｘｘ系合金の場合はマグネシウム＋マンガンの固溶強化により機械特性が達成される。これらの合金では、冷間加工操作により更なる強度が達成される。しかしながら、冷間加工が溶接後には行われないことから、溶接時の状態では、３ｘｘｘ、４ｘｘｘ、及び５ｘｘｘ系の溶加金属は、主な合金元素の固溶強化によってのみ強度を得る。改善されたアルミニウム合金では、溶接時の状態は、Ｍｇ２Ｓｉの分散強化及び析出強化＋過剰マグネシウム及びマンガンの溶体強化により強度を得る。改善されたアルミニウム合金組成物におけるＭｇ２Ｓｉと、多様なレベルで添加された過剰マグネシウムとの組合せの強化機構は、本発明の態様による溶接溶加金属において所望の特性が達成されるように選択された。
【００７４】
析出物としては存在せず、分散質として存在する様々なレベルのＭｇ２Ｓｉも、所望の溶接時特性が達成されるように選択されている。１．８５％の溶解限度を超えるＭｇ２Ｓｉの存在が熱処理に応答しないＭｇ２Ｓｉの非均質分散体として溶接時の微細構造に現れる。合金の過剰マグネシウムがマトリクスの固溶強化に利用可能である。改善されたアルミニウム合金組成物において、改善されたアルミニウム合金中のシリコン含量の限度は、およそ０．１０重量％〜５．０重量％に設定され、マンガン含量の限度は、およそ０．０５重量％〜１．５重量％に設定され、マグネシウム含量の限度は、およそ１．０重量％〜１５．０重量％に設定される。改善されたアルミニウム合金組成物の限度内で配合された各合金について、Ｍｇ２Ｓｉ含量は１％から設定され、遊離マグネシウム含量は０％〜５．２％に制御される。Ｍｇ２Ｓｉにおけるマグネシウムとシリコンとの重量比は、１．７３対１であり、この比はマグネシウム及びＳｉの適切な合金添加レベルを算出するのに用いられる。改善されたアルミニウム合金組成物では、Ｍｇ２Ｓｉの形成を用いることで、溶体からマグネシウムを除去することにより、合金における溶体中の遊離マグネシウムを、５．２重量％未満の腐食特性制御に適切な限度に制御する。このことは、溶接溶加金属合金の腐食特性及び応力腐食特性にとって重要である。
【００７５】
改善されたアルミニウム合金組成物は、溶接作業時に見られる熱過程を利用するように設計された。ＧＭＡ溶接法及びＧＴＡ溶接法の両方で、溶加金属を融解し、概して２秒未満、最も一般的には１秒未満という時間枠にて極めて急速に凝固させる。この改善されたアルミニウム合金組成物は、多くの場合で鋳造操作の冷却速度よりも１００倍も速い、この溶接法の急速な液固冷却速度を利用するように設計された。この急速凝固速度により、最大量の微細なＭｇ２Ｓｉ分散質が生じ、一部のＭｇ２Ｓｉが析出硬化のために溶体中に留まる。また、室温まで下がる凝固後にアルミニウム合金が経る冷却速度は、Ｍｇ２Ｓｉ成分及び過剰マグネシウムのレベルを制御する場合のＭｇ２Ｓｉ析出物を含有する合金にとって極めて重要である。凝固冷却速度により、析出、並びに分散質のサイズ及び分布が制御される。改善されたアルミニウム合金組成物の冶金特性は、溶接法において起こる冷却速度と連動した急冷感受性が生じるように設計された。冷却速度及び過剰マグネシウム含量に加えて、合金の化学構造へのＰの添加により、強化Ｍｇ２Ｓｉ分散質のサイズ及び分布が制御される。合金の化学構造は、複数回の溶接を経ることにより導入される熱エネルギーの効果を最適化するように更に制御される。特に、Ｆｅは、任意の凝固及び凝固後の冷却速度によって不都合な相を形成し、化学的制約でしか制御することができない。そのため、改善されたアルミニウム合金組成物では、Ｆｅ含量を殆どの溶加金属合金規格未満に制御する。
【００７６】
図４では、５ｘｘｘ系の溶接溶加金属合金の引張強度を、殆どの溶接条件下で達成可能な可能性のある溶接後の引張強度のバンドとして示される合金１、２、３、及び４の予測引張強度と比較している。特に、図３は、合金元素マグネシウムとマンガンとの組合せの割合を漸増させることで変化する様々な５ｘｘｘ系の溶加金属合金の引張強度を示すグラフである。このグラフから、分散強化、析出強化及び溶体強化の影響を受ける特性域が分かる。このチャート図は、改善された合金が示す化学構造の範囲及び改善された合金範囲における特定の化学構造を示している。このグラフには、許容可能な限度内で選択される改善されたアルミニウム合金１、２、３、及び４にて達成可能な予測特性と、溶接時に達成可能な予測特性とのバンドが含まれる。改善されたアルミニウム合金は、同様の用途で現在利用可能なものを遥かに凌ぐ機械特性をもたらす。図３は、選択された合金１、２、３、及び４についての機械特性の概要を示すグラフである。
【００７７】
新たな合金の化学構造には、別の特別な理由から最大レベルの遊離マグネシウムが含まれている。より高レベルの遊離マグネシウムは、合金の抵抗率を大きく増大させる。アルミニウム電極の溶け出し速度は、溶接装置にて設定された溶接パラメータ、シールドガス、コンタクトチップ及び電極から出るメカニカルスティック（mechanical stick）、並びに電極における金属の電気抵抗率を含む電極の物理特性に基づくものである。より高い電気抵抗率が、電気が流れたときのワイヤの加熱の増大をもたらす。電極の抵抗率が高くなると、溶け出し速度が増大する。さらに、アルミニウムが短路アーク移行溶接モードに使用されることは稀である。その抵抗率は、短路アーク部の金属移行過程中に満足の行く溶融速度をもたらすには低すぎる。本発明の目的は、グロビュール移行、スプレー移行及び短路アーク移行を含む全ての金属移行モードにおける改善されたアルミニウム合金組成物の溶け出し速度を増大させることである。図６には、導電率に対する合金元素の影響を示している。抵抗率は導電率と逆数の関係を表す。結果として、導電率が合金元素をアルミニウムに加えることで変化し、導電率は、得られる合金の電気抵抗率と直接相関している。合金１３５０等の純アルミニウムの導電率は、６２％  ＩＡＣＳ（国際軟銅規格）である。参照として、銅の定格導電率は１００％  ＩＡＣＳであり、鉄の導電率は１８％  ＩＡＣＳまで下がる。アルミニウムについては、１．５％のＭｇ２Ｓｉ合金が４９％  ＩＡＣＳを有し、３％のマグネシウム合金が４０％  ＩＡＣＳを有し、５％の遊離マグネシウム合金が２９％  ＩＡＣＳの値を有する。アルミニウムについては、電気伝導率がおよそ５０％  ＩＡＣＳの典型的な３．０％又は８．０％のＭｇ２Ｓｉ合金に５％の遊離マグネシウムが添加される場合、改善された合金の得られる導電率は大きく低減する。
【００７８】
図５は、様々な溶接入熱についての溶接物の冷却速度を示すチャート図である。アルミニウムにとって極めて重要な冷却範囲が示されている。図５には、改善されたアルミニウム合金組成物について１８％〜２３％の予測値又は２０％  ＩＡＣＳの典型値を示している。２９から２０への導電率の９点低減は、線形の５％のマグネシウム合金による導電率の３１％の相対低減、又は逆に抵抗率の３１％の増大を表す。改善されたアルミニウム合金組成物は、１８％  ＩＡＣＳという鉄の導電率に近似している。鉄は、溶け出し速度及び溶接特徴が文書にて十分に裏付けられている。短路アーク移行は、高い電気抵抗率を利用することで、鋼鉄の溶接に一般的に用いられている。短路アーク移行及びグロビュールモード移行を促す導電率が合金にて特別に設計されている。溶け出し速度の増大が、改善されたアルミニウム合金組成物の所望の意図した結果であることに留意されたい。スプレー移行を含む全ての金属移行モードにおいて、溶け出し速度の増大は、溶接装置からの入熱の要求を低減させることにより、熱影響域における機械特性の低減のマイナスの影響を抑える溶接を促す。入熱が低ければ、構造歪みの低下も生じる。さらに、溶融速度がより高い電極は、より高い移行速度にて溶接することで、溶接速度を増大させることにより、溶接コストを抑えることができる。抵抗加熱の増大により、改善されたアルミニウム合金組成物の融解速度を増大させることによって、アークプラズマに必要とされる熱エネルギーを低減させることで、溶接アークにおけるマグネシウムの溶融量を減らした。抵抗加熱の増大によるプラズマからの入熱の低減により、スプレー移行モードにおいてより少ない金属蒸発にてより安定した液滴移行が可能となる。改善されたアルミニウム合金組成物は、アークプラズマにおけるマグネシウム蒸気の（正：of）量を減らすとともに、溶接部と併存するスマットとして知られる蒸気凝縮物の形態でのこれらの蒸気の不所望の凝縮を減らす。アークプラズマにおけるマグネシウム蒸気がシールドガスのイオン化電位に影響を及ぼし、シリコン系溶加金属合金等の他の合金系と比較して高マグネシウム溶加合金に異なるアーク特徴を与えると考えられる。そのため、改善されたアルミニウム合金により、高品質の溶接部を達成するのに必要なシールドガスの使用レベルを低減することが可能となると予測される。
【００７９】
改善されたアルミニウム合金組成物は、腐食特徴を制御するのにも開発された。図８には、アルミニウムにおける様々な固体溶質及び個々の成分の負の電位（electro negativity）を示している。この溶加金属を用いて溶接されるベース金属合金は、幾つか例を挙げると、自動車、トラック、トレーラー、軌道車、及び船舶建造用途に使用される。これらの構造体は、塩水での非常に腐食性の作用を含む厳しい環境雰囲気で時を過ごす。アルミニウム溶加材の腐食特徴は、多様な稼働環境における適格性を確保するために慎重に制御される。新たな合金１、２、３、及び４は、制御され、優れた溶接時の耐食性を有するよう特別に設計されている。これらの合金は、純アルミニウムに極めて近い負電位を有する。Ｍｇ２Ｓｉは、純アルミニウムに類似する電位を有する成分である。改善されたアルミニウム合金組成物にて設計された化学物質含量により、溶接時の腐食特性が優れたものになる。合金は、典型的な船舶建造シート及びプレート合金５０５２、５０８６、５０８３、６０６１、６０８２、及び６３５１を溶接する際に優れた塩水腐食性能を有する。
【００８０】
図４は、改善されたアルミニウム合金が有する予測される剪断特性及び引張特性とともに、様々なアルミニウム溶接溶加金属合金の典型的な溶接時の剪断強度及び引張強度を示す表である。産業では、部分的に溶け込む隅肉型の溶接部の数は完全に溶け込む突き合わせ型の溶接部の数を大きく上回る。剪断強度は、全ての部分的に溶け込む溶接部のために溶接強度を設計する際に考慮される主な因子である。アルミニウム合金については、剪断強度は、引張強度から算出され、引張強度の６０パーセントである。隅肉溶接部は全ての構造溶接部の７０パーセントを占める。改善されたアルミニウム合金組成物は、現在使用されている他のあらゆる溶接溶加金属合金と比較して、引張強度、剪断強度及び疲労強度の大幅な増大をもたらす。稼働中のアルミニウム溶接構造体の実績から、全ての破損の９０％が繰返し負荷によるものであり、疲労による溶接継手の破損であることが分かっている。母材よりも溶接継手で不連続部の程度が大きくなることから、溶接継手において応力上昇の程度が大きくなる。溶接部の大部分は、隅肉接合部等の部分的に溶け込む継手である。これらの継手では、それぞれの溶接部における溶接ルートが実際に、鋭利なノッチとなる。このノッチは、繰返し負荷中に応力を上げるものとして働く。隅肉溶接部において、溶接ビードは繰返し負荷の完全な応力を有する。そのため、溶接ビードの溶加金属合金の疲労強度は最も重要である。アルミニウム合金の疲労割れ開始強度は、引張強度と正比例している。改善されたアルミニウム合金組成物の引張特性は、いずれの現在利用可能なアルミニウム溶接の溶加金属合金よりも高く、その結果、疲労割れ開始特性も高くなる。改善されたアルミニウム合金組成物について標的とされる予測疲労強度を図７に示している。
【００８１】
また、改善されたアルミニウム合金は、溶接溶加金属として使用される場合に融解された溶接ビードの流動性の増大及び表面張力の低減をもたらすように設計されている。図１０のチャート図は、融解されたアルミニウム合金の流動性に対する漸増する合金含量の影響を示している。融解された溶接ビードの流動性が、溶接時の融解された溶加金属の濡れ作用、及び凝固後の溶接ビードプロファイルに影響を及ぼす。図１１のチャート図は、融解されたアルミニウム合金の表面張力に対する漸増する合金含量の影響を示している。融解された溶接ビード上での表面張力も、凝固中の溶接ビードプロファイルに影響を及ぼす。融解された金属溶接ビードのより高い流動性及びより低い表面張力により、凝固後のより低く、平坦な溶接ビードプロファイルが生じる。溶接標準が溶接ビードの許容可能なコンターを制御する。改善されたアルミニウム合金の化学組成物は、改善された濡れ作用及びより低い表面張力をもたらすことにより、溶接ビードコンターの制御を改善させる。ビード高が低減され、基材に対する溶接金属の入射角が低くなった溶接継手は、優れた疲労寿命を有する。改善されたアルミニウム合金は、材料の観点だけでなく、溶接ビードコンターの物理制御の改善の結果からも、改善された疲労強度特徴を有することになる。このことは、改善されたアルミニウム合金組成物の更に別の目的である。アルミニウム溶接物の凝固割れ特徴は、溶加金属合金の化学構造に対して感受性である。
【００８２】
図１２は、溶接物の凝固割れ特徴に対するＭｇ２Ｓｉ及び遊離マグネシウムの濃度の影響を示している。改善されたアルミニウム合金は、Ｍｇ２Ｓｉ濃度及び遊離マグネシウム濃度を特別に制御することで、溶接凝固中の合金の割れ特徴を制御している。
【００８３】
改善されたアルミニウム合金組成物は、融解されたアルミニウム溶接ビードへの水素溶解度を低減するように設計されている。特に、マグネシウム原子は、アルミニウム原子よりも約２５％大きく、アルミニウム格子構造を拡張させることで、より多くの水素を固溶体に保持させ、凝固中に放出される水素の量を低減させることが可能となる。凝固中に放出される水素の低減が、溶接物におけるガス空隙の量を低減させる。溶接規格により、機械特性を制御するために溶接部における許容可能な水素ガス空隙の量が制限されている。改善されたアルミニウム合金には、取って代わることが意図された溶接溶加金属合金よりもかなり大量の制御する合金元素が含まれている。その結果、改善されたアルミニウム合金では、溶接中の水素空隙汚染の傾向が低くなる。これは、本発明の特別な設計目標である。改善されたアルミニウム合金組成物はワイヤへの製造能を有する。合金がワイヤへと成形される実施形態では、このようなワイヤ（すなわち、溶接溶加金属）は、ＧＭＡ溶接にて使用する場合にはスプール上にて作製することができ、又はＧＴＡ溶接の場合には直線状に切断することができる。アルミニウム溶加金属には２つの最も一般的な形態があるが、これらの形態に限定されるものではない。通例、線形ワイヤ又は長さ調整（cut-to-length）ワイヤ径は少なくとも０．０１０インチであり、通例０．３０インチ径未満である。好ましい実施形態では、ワイヤは、０．０２３インチ、０．０３０インチ、０．０３５インチ、０．０４０インチ、０．０４７インチ、０．０６２インチ、０．０９４インチ、０．１２５インチ、０．１５６インチ、０．１８７インチ、及び０．２５０インチ等の１以上の径を有する。改善されたアルミニウム合金は、Ｍｇ２Ｓｉ成分相を意図的に形成させ、焼鈍しにより粗粒化しながら、全ての要求されるワイヤサイズへと延伸させることが可能であるように特別に設計されている。過剰マグネシウムがおよそ５．２％に制限され、マンガンがおよそ０．４０％に制限され、Ｍｇ２Ｓｉ相が焼鈍しにより粗粒化する場合、得られる合金は、許容可能な冷間加工特性を有する。
【００８４】
本発明の或る特定の特徴のみを本明細書で説明及び記載しているが、当業者であれば、多数の合金組成物を含む多くの変形形態及び変更形態が思い付くであろう。そのため、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に含まれるとして、このような変形形態及び変更形態を全て包含することが意図されていると理解されたい。刊行された学術論文若しくは妙録、又は公開された若しくは対応する米国特許出願若しくは外国特許出願、又は発行された特許若しくは外国特許、又は任意の他の文献を含む本明細書で言及された文献は全て、言及される文献内に提示された全てのデータ、表、図面、及びテキストを含め、それぞれその全体が引用することにより本明細書の一部をなす。
【図１】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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