(57)【要約】【課題】従来よりも高い接合強度を有する接合部を備えた、アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された溶接継手を得る。【解決手段】アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された、厚みが１０μｍ以上の金属間化合物層を有する溶接部を備えた溶接継手であって、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が２．１μｍ以下とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された溶接部を備えた溶接継手であって、
上記溶接部の溶接金属中に金属間化合物層が存在し、
上記金属間化合物層の厚みが１０μｍ以上であり、
上記金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が２．１μｍ以下である
ことを特徴とする溶接継手。
【請求項２】
前記溶接金属はＡｌを主成分とし、質量％で、
Ｍｎ：０．２〜５．７％、
Ｃｒ：１．５〜６．２％、
Ｔｉ：０．９〜４．５％、及び
Ｎｉ：１．５〜９．０％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の溶接継手。
【請求項３】
前記溶接金属は、質量％で、
Ｓｉ：０〜１．３％、
Ｆｅ：０〜３．０％、
Ｃｕ：０〜６．８％、
Ｍｇ：０〜５．６％、
Ｇａ：０〜０．０５％、
Ｖ  ：０〜０．１５％、
Ｂｉ：０〜０．７０％、
Ｐｂ：０〜１．５０％、
Ｚｒ：０〜０．２５％、
Ｂ  ：０〜０．０６％、
Ｚｎ：０〜９．２％、
Ｍｎ：０〜５．７％、
Ｃｒ：０〜６．２％、
Ｔｉ：０〜４．５％、及び
Ｎｉ：０〜９．０％
を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、かつ、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＮｉの含有量が
Ｍｎ：０．２〜５．７％、
Ｃｒ：１．５〜６．２％、
Ｔｉ：０．９〜４．５％、及び
Ｎｉ：１．５〜９．０％
のいずれか１つ以上を満たすことを特徴とする請求項１に記載の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された溶接部を備えた溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車分野においては、低燃費化や炭酸ガスの排出量削減を目的とした車体軽量化のために、車体や部品などに、部分的にアルミニウム合金材を使用するニーズが高まっている。この傾向は、特に、ハイブリッド車などの分野において顕著である。
【０００３】
車体の組み立てにおけるアルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合は、機械的接合が主流である。しかしながら、機械的接合は、リベット等そのものが、重量を増す要因になったり、コスト高の要因になったりする。そのため、リベット等を必要としない溶融溶接法の開発が望まれているが、異種金属を溶融溶接法により接合した場合、車体に要求される接合強度を得るのは難しい。
【０００４】
特許文献１には、タングステン電極をアルミニウム合金材側に傾けた状態で、タングステン電極の先端部を所定の位置に配置して、アルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接する異種金属接合方法が開示されている。
【０００５】
非特許文献１には、溶接金属中にＳｉを添加することにより金属間化合物層１４を薄くできることが開示されている。非特許文献２には、接合強度が改善することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−７１１３３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Wei-Jen Cheng, Chaur-Jeng Wang, Microstructural evolution   of intermetallic layer in hot-dipped aluminide mild steel with silicon      addition, Surface & Coatings Technology 205 (2011) 4726-4731
【非特許文献２】Yongchao Su, Xueming Hua, Yixiong Wu, Influence of alloy    elements on microstructure and mechanical property of aluminum-steel lap    joint made by gas metal arc welding, Journal of Materials Processing        Technology 214 (2014) 750- 755
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
鋼板同士の車体の組み立てには、抵抗スポット溶接が主に採用されている。しかしながら、抵抗スポット溶接は点接合であるので、十分な静的引張強度を得るためには、アーク溶接等の線接合を用いることが求められる。
【０００９】
ＴＩＧ溶接等のアーク溶接は、レーザ溶接に比べて設備が安価であり、広く用いられている。アーク溶接は入熱が大きいので、アルミニウム材又はアルミニウム合金材（以下、単に、「アルミニウム合金材」と記す。以下「アルミニウム合金材」との記載は、特に組成の記載がない場合には、「アルミニウム材」も含むものとする）と鋼材が溶接接合した場合、Ａｌ−Ｆｅ間の溶接金属中では、金属間化合物の層が１０μｍ以上、場合によっては２０μｍ以上と厚く成長しやすい。
【００１０】
図１に、アーク溶接によるアルミニウム合金板と鋼板の重ねすみ肉溶接の概略図を示す。電極１５からの電流により、アルミニウム合金板１１が溶融し、溶接金属１３を形成し、鋼板１２と溶接される。この際、鋼板１２は融点が高いので溶融はしないが、溶接金属１３と鋼板１２の間には、金属間化合物層１４が形成される。溶接金属１３を形成するために、溶接ワイヤ（図示せず）を用いてもよい。
【００１１】
アルミニウム合金板１１と鋼板１２を溶接接合した場合、金属間化合物層１４には複数の金属間化合物が存在し、その中で最も量が多いものがＦｅ２Ａｌ５である。Ｆｅ２Ａｌ５は硬くて脆いため、厚い金属間化合物層１４が存在すると、溶接部の強度が低下しやすい。
【００１２】
前述のとおり、Ｓｉの添加により金属間化合物層を薄くし、接合強度を改善することが知られているが、溶接金属中にＳｉを添加しただけでは溶接部の強度は十分とはいえない。
【００１３】
本発明は、上記の事情に鑑み、アーク溶接を用いて、十分な溶接部の強度を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された溶接継手を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、アーク溶接を用いてアルミニウム合金材と鋼材を溶接し、金属間化合物を薄くすることなく溶接部の強度を高めるための方法を鋭意検討した。
【００１５】
これまで、金属間化合物層の組織と接合強度の関連性は示されていなかった。本発明者らは検討の結果、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅と溶接部の強度に相関があることを見出し、特定の元素を溶接金属に含有させることによって、Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を小さくできることを見出した。
【００１６】
本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【００１７】
（１）アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材が溶接接合された溶接部を備えた溶接継手であって、上記溶接部の溶接金属中に金属間化合物層が存在し、上記金属間化合物層の厚みが１０μｍ以上であり、上記金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が２．１μｍ以下であることを特徴とする溶接継手。
【００１８】
（２）前記溶接金属はＡｌを主成分とし、質量％で、Ｍｎ：０．２〜５．７％、Ｃｒ：１．５〜６．２％、Ｔｉ：０．９〜４．５％、及びＮｉ：１．５〜９．０％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）の溶接継手。
【００１９】
（３）前記溶接金属は、質量％で、Ｓｉ：０〜１．３％、Ｆｅ：０〜３．０％、Ｃｕ：０〜６．８％、Ｍｇ：０〜５．６％、Ｇａ：０〜０．０５％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｂｉ：０〜０．７０％、Ｐｂ：０〜１．５０％、Ｚｒ：０〜０．２５％、Ｂ：０〜０．０６％、Ｚｎ：０〜９．２％、Ｍｎ：０〜５．７％、Ｃｒ：０〜６．２％、Ｔｉ：０〜４．５％、及びＮｉ：０〜９．０％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物であり、かつ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、及びＮｉの含有量がＭｎ：０．２〜５．７％、Ｃｒ：１．５〜６．２％、Ｔｉ：０．９〜４．５％、及びＮｉ：１．５〜９．０％のいずれか１つ以上を満たすことを特徴とする前記（１）の溶接継手。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、アーク溶接により、従来よりも高い接合強度を有する接合部を備えた溶接継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】アーク溶接によるアルミニウム合金板と鋼板の重ねすみ肉溶接の概略を示す図である。
【図２】アルミニウム合金板と鋼板の接合部におけるＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅と接合強度の関係を示す図である。
【図３】アルミニウム合金板と鋼板のＮｉが含有される溶接金属中の金属間化合物層周辺の組成分析の結果を示す図である。
【図４】金属間化合物層の組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について詳細に説明する。以下、成分についての「％」は、特に断りがなければ「質量％」を意味するものとする。
【００２３】
なお、本発明のアーク溶接において、アルミニウム合金材は溶融するので「溶接」である。一方、鋼材は融点が高く溶融はしないので「ろう付け」である。「溶接」と「ろう付け」は、本来異なる技術ではあるが、上述の理由から、以降の説明では両方を特に使い分けずに記載する。
【００２４】
本発明の溶接継手は、溶接金属の組織を制御することにより、接合強度を向上させたものである。具体的には、溶接金属中と鋼材の間に形成される金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を２．１μｍ以下とする。金属間化合物層の厚みは、アーク溶接によりアルミニウム合金材と鋼材を溶接した場合は、通常１０μｍ以上、場合によっては２０μｍ以上に成長する。
【００２５】
アルミニウム合金材と鋼材を溶接する際に、Ｆｅ２Ａｌ５等の金属間化合物は鋼材の表面と垂直な方向に成長する。溶接部に引張せん断力が加わり破断する場合は、き裂が接合界面に平行な方向、すなわち、金属間化合物の成長方向に対して垂直な方向に進展して破断する。
【００２６】
Ｆｅ２Ａｌ５は硬くて脆いが、本発明者らは、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が小さくなることにより、接合強度が上昇することを知見した。図２は、アルミニウム合金板と鋼板の接合部における金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅と接合強度の関係を示す。Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が２．１μｍ以下となると接合強度が急激に上昇し、低接合強度のデータがなくなることが分かる。
【００２７】
ここで、「結晶粒幅」とは、破断の際にき裂が進展する方向、すなわち、金属間化合物の成長方向に対して垂直方向の結晶粒の大きさをいうものとする。
【００２８】
結晶粒幅は、直線交差法を用いて測定する。具体的な手順は以下のとおりである。
【００２９】
溶接金属を溶接線に対して垂直に切断し、研磨し、断面をＥＢＳＤ測定して、結晶粒を現出させる。Ｆｅ２Ａｌ５相のみで構成される層を測定位置とし、長さ５０μｍの直線を接合界面に対して等間隔で平行に１０本引く。
【００３０】
直線の長さ５０μｍを交差する粒界の数で除した値をそれぞれの直線に対して算出し、１０本の直線に対して算出した値の平均値を結晶粒幅とする。
【００３１】
平均結晶粒幅は、４箇所のＥＢＳＤ測定の結果の平均値とする。
【００３２】
本発明の溶接継手は、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が２．１μｍ以下となっていればよい。すなわち、被接合材であるアルミニウム合金材や鋼材の成分組成が限定されるものではない。また、溶接金属の成分も限定されるものではなく、一般的にアルミニウム合金材に含有される成分を含有してもかまわない。
【００３３】
金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を２．１μｍ以下とするためには、溶接金属が質量％で、Ｍｎ：０．２〜５．７％、Ｃｒ：１．５〜６．２％、Ｔｉ：０．９〜４．５％、及びＮｉ：１．５〜９．０％の１種又は２種以上を含有することが好ましい。
【００３４】
溶接金属中にこれらの元素を含有させることにより、金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅を小さくすることが可能である。ただし、これらの元素は金属間化合物層中のＦｅ２Ａｌ５に組成的な変化を与えるものではなく、主として、金属間化合物層中ではなく、溶接金属中に存在する。金属間化合物層の、鋼材との接合面に垂直な方向の中心位置におけるこれらの添加元素の存在割合は、０．２％以下、好ましくは０．１％以下であり、０％でもよい。
【００３５】
溶接金属に含有される成分は、アルミニウム合金材から供給されてもよいし、溶接ワイヤから供給されてもよい。また、アルミニウム合金材や鋼材に施されためっき層から供給されてもよいし、アルミニウム合金材や鋼材に塗布することにより、溶接金属中に含有させてもよい。
【００３６】
本発明の溶接継手を作製する際のアーク溶接条件は特に限定されるものではなく、たとえば、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎ、交流電流１４０Ａ、電圧９Ｖ、アーク長１ｍｍ、Ａｒシールドガスの流量２０Ｌ／ｍｉｎのような、通常の条件を用いることができる。なお、本アーク溶接条件での温度では鋼板は溶融しないので、鋼板から成分が溶接金属に供給されることは考えなくてよい。
【００３７】
図３に、溶接金属にＮｉが７．３％含まれるように、アルミニウム合金板と鋼板をアーク溶接により重ねすみ肉溶接した際に形成される金属間化合物層周辺の組成分析の結果を示す。（ａ）は金属間化合物層周辺の組織写真、（ｂ）は（ａ）中のＡｎａｌｙｚｅｄ  ｌｉｎｅに沿って分析したＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉの含有量（原子％）であり、横軸２０〜５５μｍ付近が金属間化合物層である。Ｎｉは金属間化合物層周辺の溶接金属中には存在しているが、金属間化合物層にはほとんど存在しない。
【００３８】
図４に、金属間化合物層の組織写真を示す。（ａ）は、溶接金属中がＡｌ、Ｆｅ以外の元素を含有しない場合であり、（ｂ）は、溶接金属にＮｉが７．３％含まれる場合である。溶接金属にＮｉが含まれる場合、Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が小さくなっていることが確認できる。
【００３９】
溶接金属には、さらに、一般的にアルミニウム合金材に含有される典型的な成分として、質量％で、たとえば、Ｓｉ：０〜１．３％、Ｆｅ：０〜３．０％、Ｃｕ：０〜６．８％、Ｍｇ：０〜５．６％、Ｇａ：０〜０．０５％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｂｉ：０〜０．７０％、Ｐｂ：０〜１．５０％、Ｚｒ：０〜０．２５％、Ｂ：０〜０．０６％、及びＺｎ：０〜９．２％を含有してもよい。また、上述したＭｎ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＮｉのいずれかの元素の含有量が上述した下限値以上であれば、これらの元素群に含まれる他の元素を、下限値を下回る量を含有してもよい。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。以下の実施例は、本発明の一例を具体的に示すものであり、本発明は以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
ＴＩＧろう付けを用い、アルミニウム合金板（板厚２ｍｍ）と鋼板（板厚２ｍｍ）を被接合材として溶接接合を行い、溶接継手を作製した。鋼板には極低炭素鋼板を用いた。表１に鋼板の成分を示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
アルミニウム合金板は、表２に示したアルミニウムインゴットに種々の元素を添加して鋳造により作製したアルミニウム合金の鋳塊に、熱間圧延及び冷間圧延を施したものを使用した。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
被接合材には、＃４００の乾式研磨により表面処理を施し、その後、鋼板にのみトーヨーメタル製のアルミニウムロウ用フラックスＴＦ−１７０Ｆ相当品を塗布した。接合は、鋼板の上にアルミニウム合金板を重ね代２０ｍｍで配置し、アルミニウム合金板側にアークを集中させ、アルミニウム合金板と鋼板の異種金属のＴＩＧろう付けにより行った。このとき、接合中の溶融アルミニウム合金の濡れ性を考慮し１０°の傾斜角をつけた。また、電極はφ２．４のタングステン電極を用い、先端が９０°となるように研磨した後にアルミニウム合金板端から５ｍｍ内側の位置に配置した。接合条件は、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎ、交流電流１４０Ａ、電圧９Ｖ、アーク長１ｍｍ、Ａｒシールドガスの流量２０Ｌ／ｍｉｎとして行った。
【００４６】
接合部の強度は、引張せん断試験により評価した。各アルミニウム合金板を用いた溶接継手に対して、それぞれ３本の試験片を用いて接合強度の測定を行い、平均を引張せん断強度とした。引張せん断用の試験片は、放電加工を用いて幅１０ｍｍの接合部を切り出した後に、接合界面の面積が１０×３ｍｍ２となるように加工をしたものを用いた。接合界面の面積の調整は、母材部における破断の抑制、接合面積の統一、ビード端部における接合不良部の除去を目的としている。引張せん断試験は、つかみ部２０ｍｍ、引張速度０．３ｍｍ／ｍｉｎの条件にて行った。また、引張せん断試験の際に回転モーメントが発生しないように厚さ２ｍｍの金属片をスペーサーして用い純せん断の試験条件となるようにした。
【００４７】
また、溶接線に対して垂直に切り出した接合部断面について、ＳＥＭを用いた組織観察、ＥＢＳＤ法を用いた分析を行い、金属間化合物層の状態を調査した。表３に溶接金属の成分、金属間化合物層の厚さ、Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅、及び引張せん断試験により求めた接合強度を示す。溶接金属の成分は、主に、上述のとおり、アルミニウム合金板を作製する際にアルミニウムインゴットに添加したものが溶接金属中に含まれたものである。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
表３に示すように、本発明例はＦｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が小さく、接合強度が高くなっていることが確認された。
【００５０】
［実施例２］
φ１．２ｍｍのフィラーワイヤを用いたＴＩＧろう付けにより、アルミニウム合金板と鋼板を被接合材としての溶接接合を行い、溶接継手を作製した。
【００５１】
鋼板には、実施例１と同様に、表１に示す成分を有する極低炭素鋼板を用いた。アルミニウム合金板には、表４に示す成分を有するアルミニウム合金板を使用した。
【００５２】
【表４】
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【００５３】
フィラーワイヤは、表５に示すアルミニウム合金材から作製した。
【００５４】
【表５】
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【００５５】
接合条件は、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎ、交流電流１５０Ａ、電圧１０Ｖ、アーク長１ｍｍ、Ａｒシールドガスの流量２０Ｌ／ｍｉｎとした。
【００５６】
表６に溶接金属の成分、金属間化合物層の厚さ、Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅、及び引張せん断試験により求めた接合強度を示す。
【００５７】
【表６】
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【００５８】
表６に示すように、フィラーワイヤより溶接金属にＮｉを供給した場合も、Ｆｅ２Ａｌ５の平均結晶粒幅が小さくなり、接合強度が高くなっていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、アーク溶接により、従来よりも高い接合強度を有する接合部を備えた溶接継手を得ることができる。本発明は自動車の車体の組み立てにおけるアルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合等に適用することが可能であり、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００６０】
１１    アルミニウム合金板
１２    鋼板
１３    溶接金属
１４    金属間化合物層
１５    電極
１６    シールドガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018043290.tif 000011
【図４】
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