(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のアルミニウム母材上に、接合端がＶ形の開先形状をなす第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合わせて重ね、前記第１のアルミニウム母材と、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各接合端とを溶融溶接法によって接合するに際し、前記第１のアルミニウム母材の厚さをｔ１とし、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各厚さをｔ２としたとき、下記の条件を用いることを特徴とするアルミニウム材の溶接方法。
アルミニウム母材の厚さ：ｔ２＝２.０〜５.０ｍｍ、
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θ：３０〜４０°、
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａ：３．０〜６．０ｍｍ、アルミニウム母材の厚さの関係：ｔ１≧ｔ２、
溶接速度Ｖ：８０〜１５０ｃｍ／ｍｉｎ、
溶接入熱量Ｑ：１０３９〜４１２５Ｊ／ｃｍ、
【請求項２】
形成される前記重ね溶接継手は、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各厚さをｔ２、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各表面に対する前記開先内の前記溶接金属表面の深さ方向での段差をｈとし、厚さｔ２に対する段差ｈの比を百分率で表した値をｈ０（％）としたとき、ｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム材の溶接方法。
【請求項３】
形成される前記重ね溶接継手は、前記第１のアルミニウム母材の厚さをｔ１、前記第１のアルミニウム母材に溶け込んだ溶接金属の深さをｄとし、厚さｔ１に対する深さｄの比を百分率で表した値をｄ０（％）としたとき、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦６０であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム材の溶接方法。
【請求項４】
前記アルミニウム母材の厚さｔ２が２．０〜２．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材と前記第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａを３．５〜５．６２５ｍｍ、溶接入熱量を１０３９〜２０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦２０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦６０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
【請求項５】
前記アルミニウム母材の厚さｔ２が２．５〜３．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材と前記第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａを３．７５〜６．０ｍｍ、溶接入熱量を１７００〜３０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦２０、ｄ（％）が１０≦ｄ０（％）≦６０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
【請求項６】
前記アルミニウム母材の厚さｔ２が３．５〜４．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材のルート間隔ａを３．５〜６．０ｍｍ、溶接入熱量を１８００〜４０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦３０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
【請求項７】
前記アルミニウム母材の厚さｔ２が４．５〜５．０ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材のルート間隔ａを３．６〜５．０ｍｍ、溶接入熱量を２０００〜４１２５Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦３０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム材の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１のアルミニウム母材上に第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を相互に突合わせた状態で溶接する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム材は、軽量、高強度であるとともに耐錆性、加工性に優れる等の特徴を有することから、自動車や鉄道車両のような輸送分野、建築分野において構造材料として広く用いられている。
構造材料の溶接方法としては多種の方法が提案されているが、アルミニウム材の場合には、ＭＩＧ(Metal Inert Gas)溶接法やＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接法のような溶融溶接法が多く用いられている。このうちＭＩＧ溶接法は、溶加材を兼ねるワイヤ状の電極を用い、母材の溶接部をアルゴンやヘリウムなどの不活性ガス雰囲気に保ちつつ、母材と電極との間にアークを発生させる。これにより、アークの熱によって母材および溶加材が局所的に溶融し、この溶融金属によって母材同士が溶着接合する。ＭＩＧ溶接法では、溶接部を不活性ガス雰囲気で保つことによって溶接部が大気から遮断され、大気中の酸素や窒素が溶融金属中へ溶け込むことが抑制される。このため、大気成分が溶接部に溶け込むことに起因する機械的特性劣化を抑えることができる。また、溶融金属が母材に深く溶け込むため、高い接合強度を得ることができる。
【０００３】
ところで、例えば、フレームのような構造物では、第１のアルミニウム母材上に、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を各接合端同士を突合せた状態で溶接した重ね溶接継手が用いられている。
このような重ね溶接継手をＭＩＧ溶接法によって形成するには、図１２に示すように、第１のアルミニウム母材１０１上に、第２のアルミニウム母材１０２および第３のアルミニウム母材１０３を、各接合端１０２ａ、１０３ａどうしの間に間隙があくように重ね、溶接電極が突出するトーチノズルを、各アルミニウム母材１０２、１０３間の間隙１０４に沿って移動させる。これにより、トーチノズルが通過している部分では、各アルミニウム母材１０２、１０３と溶接電極との間にアークが発生し、このアークの熱によって各アルミニウム母材１０２、１０３と溶接電極とが溶融する。この溶融金属によって間隙内が連続的に埋まり、また、第１のアルミニウム母材の間隙に沿う領域に溶融金属が溶け込み、各アルミニウム母材１０１、１０２、１０３どうしが溶接金属１０５を介し接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５７７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、このような重ね溶接継手において、第１のアルミニウム母材１０１と、第２のアルミニウム母材１０２および第３のアルミニウム母材１０３とを確実に接合するためには、溶融金属１０５を、第１のアルミニウム母材１０１に充分に溶け込ませる必要がある。そのため、従来は、溶接電流Ｉを高めに設定するか、溶接速度Ｖを比較的低速に調節することで、母材および溶加材に比較的大きな入熱量を与えるようにしている。
【０００６】
しかし、入熱量を大きくすると、図１２に示すように、間隙１０４内の溶接金属１０５が、第２のアルミニウム母材１０２および第３のアルミニウム母材１０３の各表面よりも高く盛り上がる現象（余盛）が見られ、そのままでは継手上に他の部品や構造材を配置する際、溶接金属１０５の余盛部分が邪魔になる。このため、このような余盛が生じた場合には、余盛削除のための機械加工が必要となり、その分、製造に時間がかかる問題がある。また、余盛除去のための加工装置や加工スペースが必要となる等の不都合が生じる。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、溶接金属の余盛を抑えつつ、第１のアルミニウム母材に溶接金属を十分に溶け込ませることができるとともに、溶接後の強度の指標として把握できる継手効率に優れた重ね溶接継手を効率良く形成することができるアルミニウム材の溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、
本発明のアルミニウム材の溶接方法は、第１のアルミニウム母材上に、接合端がＶ形の開先形状をなす第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合わせて重ね、前記第１のアルミニウム母材と、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各接合端とを溶融溶接法によって接合するに際し、前記第１のアルミニウム母材の厚さをｔ１とし、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各厚さをｔ２としたとき、下記の条件を用いることを特徴とするアルミニウム材の溶接方法。
アルミニウム母材の厚さ：ｔ２＝１.５〜５.５ｍｍ、
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θ：３０〜４０°、
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａ：０．８ｔ２〜２．２５ｔ２、アルミニウム母材の厚さの関係：ｔ１≧ｔ２、
溶接速度Ｖ：５０〜１５０ｃｍ／ｍｉｎ、
溶接入熱量Ｑ：７００〜４５００Ｊ／ｃｍ、
【０００９】
また、本発明において、形成される前記重ね溶接継手は、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各厚さをｔ２、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材の各表面に対する前記開先内の前記溶接金属表面の深さ方向での段差をｈとし、厚さｔ２に対する段差ｈの比を百分率で表した値をｈ０（％）としたとき、ｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明において、形成される前記重ね溶接継手は、前記第１のアルミニウム母材の厚さをｔ１、前記第１のアルミニウム母材に溶け込んだ溶接金属の深さをｄとし、厚さｔ１に対する深さｄの比を百分率で表した値をｄ０（％）としたとき、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦６０であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明において、前記アルミニウム母材の厚さｔ２が１．５〜２．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材と前記第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａを１．７５ｔ２〜２．２５ｔ２、溶接入熱量を７００〜２０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦２０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦６０であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明において、前記アルミニウム母材の厚さｔ２が２．５〜３．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材と前記第３のアルミニウム母材とのルート間隔ａを１．５ｔ２〜２．０ｔ２、溶接入熱量を１７００〜３０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦２０、ｄ０（％）が１０≦ｄ（％）≦６０であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明において、前記アルミニウム母材の厚さｔ２が３．５〜４．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材のルート間隔ａを１．０ｔ２〜１．５ｔ２、溶接入熱量を１８００〜４０００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦３０であることを特徴とする。
また、本発明において、前記各アルミニウム母材の厚さｔ２が４．５〜５．５ｍｍである場合、前記第２のアルミニウム母材および前記第３のアルミニウム母材のルート間隔ａを０．８ｔ２〜１．０ｔ２、溶接入熱量を２０００〜４５００Ｊ／ｃｍとし、形成される前記重ね溶接継手のｈ０（％）が０≦ｈ０（％）≦３０、ｄ０（％）が１０≦ｄ０（％）≦３０であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１のアルミニウム母材上に、接合端がＶ形の開先形状をなす第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合わせて重ね、第１のアルミニウム母材と、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各接合端とを溶融溶接法によって接合するに際し、各アルミニウム母材の厚さ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度およびルート間隔と、溶接に際する溶接速度および溶接入熱量を所定の範囲とするので、溶接金属の余盛を抑えつつ、第１のアルミニウム母材に溶接金属を十分に溶け込ませることができる。これにより、形成される重ね溶接継手は、優れた継手効率ηが得られ、また、余盛削除のための機械加工を行わなくとも、その表面に部品や板を接合することができるため、構造物の信頼性向上および製造工程の簡易化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のアルミニウム材の溶接方法において、母材の重ね合わせ工程を示す概略縦断面図。
【図２】本発明のアルミニウム材の溶接方法において、溶接工程を示す概略縦断面図。
【図３】図３（Ａ）は、本発明のアルミニウム材の溶接方法によって形成された重ね溶接継手の一例を示す概略縦断面図、図３（Ｂ）は重ね溶接継手の引張試験を説明するための図。
【図４】実施例４で形成された重ね溶接継手の断面状態を示す金属組織写真。
【図５】比較例１で形成された重ね溶接継手の断面形状を示す金属組織写真。
【図６】比較例１１で形成された重ね溶接継手の断面形状を示す金属組織写真。
【図７】比較例１−２で形成された重ね溶接継手の断面状態を示す金属組織写真。
【図８】比較例１−３で形成された重ね溶接継手の断面形状を示す金属組織写真。
【図９】実施例３−１で形成された重ね溶接継手の断面状態を示す金属組織写真。
【図１０】比較例３−２で形成された重ね溶接継手の断面形状を示す金属組織写真。
【図１１】引張試験での破断位置を説明するための概略縦断面図。
【図１２】従来の重ね溶接継手の形成工程を説明するための概略縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。
図１〜図３は、本発明のアルミニウム母材の溶接方法を説明するための図であり、図１はアルミニウム母材の重ね合わせ工程を示す概略縦断面図、図２は溶接工程を示す概略縦断面図、図３は形成された重ね溶接継手の一例を示す概略縦断面図である。
本発明のアルミニウム材の溶接方法は、第１のアルミニウム母材上に、接合端がＶ形の開先形状をなす第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を、各接合端同士を突合せて重ねる工程と、第１のアルミニウム母材と、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウムの各接合端とを溶融溶接法によって溶接し、重ね溶接継手を形成する工程とを有しており、その際、各アルミニウム母材の厚さと、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θおよびルート間隔ａと、溶接速度Ｖおよび溶接入熱量Ｑを所定の範囲とすることを特徴とする。以下、各工程について順次説明する。
【００１７】
［１］アルミニウム母材の重ね合わせ工程
図１に示すように、第１のアルミニウム母材１と、接合端２ａ、３ａがＶ形の開先形状となるような第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３を用意し、第１のアルミニウム母材１上に、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３を、各接合端２ａ、３ａどうしを突合せて重ね合わせる。
各アルミニウム母材１、２、３は、板状であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって構成されている。アルミニウムまたはアルミニウム合金としては、ＪＩＳ１０００系の純アルミニウム、ＪＩＳ３０００系のＡｌ−Ｍｎ系、ＪＩＳ４０００系のＡｌ−Ｓｉ系、ＪＩＳ５０００系のＡｌ−Ｍｇ系、ＪＩＳ６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、ＪＩＳ７０００系のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系、ＪＩＳ８０００系のＡｌ−Ｆｅ−Ｍｎ系等のいずれの組成のものを用いても良く、また、押出材、ダイカスト、鋳物合金等のいずれを用いても良い。
また、各アルミニウム母材１、２、３の平面形状は特に限定されず、適用される構造物の形態に応じて適宜選択される。
【００１８】
本発明では、各アルミニウム母材１、２、３は、それぞれ、厚さが１．５〜５.５ｍｍとされており、このうち第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３は、略同一の厚さを有している。また、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３は、各接合端２ａ、３ａがＶ形の開先形状をなしており、それらの厚さをｔ２としたとき、開先角度θが３０〜４０°、ルート間隔ａが０．８ｔ２〜２．２５ｔ２とされている。
ここで、開先角度θは、第２のアルミニウム母材２の接合端２ａと第３のアルミニウム母材３の接合端３ａとのなす角θであり、ルート間隔ａは、開先先端のギャップ長さａである。
【００１９】
各アルミニウム母材１、２、３の厚さ、第２のアルミニウム母材２と第３のアルミニウム母材３との開先角度θおよびルート間隔ａを前記範囲に規定することにより、次工程で溶接を行ったとき、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面と、開先４内の溶接金属５表面との段差ｈを小さく抑えつつ、溶接金属５を第１のアルミニウム母材１に十分に溶け込ませることができる。これにより、形成される重ね溶接継手１０は、優れた継手効率ηを有するものとなり、また、余盛削除のための機械加工を行わなくとも、その表面に部品や板を接合することができる。このため、構造物の信頼性向上および製造工程の簡易化に貢献することができる。なお、これらの条件を前記範囲に規定した理由については後に詳述する。
【００２０】
［２］溶接工程
次に、図２、図３（Ａ）に示すように、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各接合端２ａ、３ａとを溶融溶接法によって溶接し、重ね溶接継手１０を形成する。
溶融溶接法は、母材と溶加材とを同時に溶融させ、この溶融金属によって母材同士を溶着接合する方法であり、中でも、大気成分の溶融金属への溶け込みを抑制できることからＭＩＧ(Metal Inert Gas)溶接法やＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接法等のイナートガス溶接法を用いるのが好ましく、ＭＩＧ溶接法を用いるのがより好ましい。ＭＩＧ溶接法を用いることにより、溶融金属を第１のアルミニウム母材１に深く溶け込ませることができ、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３とを強固に接合することができる。以下では、溶融溶接法としてＭＩＧ溶接法を用いる場合を例にして説明する。
【００２１】
ＭＩＧ溶接法は、図２に示すＭＩＧ溶接機を用いて行われる。
ＭＩＧ溶接機２０は、不活性ガスを流出するトーチノズル２１と、トーチノズル２１から突出する溶接電極（電極ワイヤ）２２とを備え、このトーチノズル２１および溶接電極２２に電力を供給する駆動電源と、トーチノズル２１に溶接電極２２を連続的に供給するワイヤ供給装置と、駆動電源と母材とを連結する給電ケーブルと、トーチノズル２１に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置（いずれも図示は省略する）とを有している。
不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウムまたはこれらの混合ガス等が用いられ、炭酸ガスや酸素等の活性ガスが少量添加されていてもよい。
【００２２】
このようなＭＩＧ溶接機２０によって溶接を行うには、ＭＩＧ溶接機２０のトーチノズル２１のノズル口および溶接電極２２の先端を、開先４に近接するように配置し、開先４の周囲に不活性ガスを供給しつつ、溶接電極２２に電圧を印加し、溶接電極２２と各アルミニウム母材２、３との間にアークを発生させる。これにより、アークの熱によって各アルミニウム母材２、３と溶接電極（溶加材）２２が溶融し、この溶融金属５ａが開先４内に流入するとともに、開先４の間隙から第１のアルミニウム母材１に溶融金属５ａが溶け込み、固化する。そして、これと同時に、トーチノズル２１を開先４に沿って移動させることにより、開先４内および第１のアルミニウム母材１の開先４に沿った領域に連続して溶接金属（溶融金属５ａの固化物）５が埋設され、各母材１、２、３同士が溶接金属５を介して接合される（図３（Ａ）参照）。
【００２３】
そして、本発明では、このようにして溶接を行う際に、トーチノズル２１および溶接電極２２の移動速度（溶接速度）Ｖを５０〜１５０ｃｍ／ｍｉｎ、入熱量Ｑを７００〜４５００Ｊ／ｃｍに設定する。
溶接速度Ｖが５０ｃｍ／ｍｉｎ未満の場合には、開先４周囲の各アルミニウム母材２、３への入熱量Ｑが大きくなり過ぎ、この影響によって各アルミニウム母材２、３に熱歪が生じる。その結果、得られる重ね溶接継手１０は、継手効率ηが不十分なものとなる。また、溶接速度Ｖが小さいと溶接にかかる時間が長くなり、構造物の製造効率の低下を招いてしまう。また、溶接速度Ｖが１５０ｃｍ／ｍｉｎを超える場合には、各アルミニウム母材２、３および溶接電極（溶加材）２２に十分な入熱量Ｑを与えるのが難しく、第１のアルミニウム母材１への溶融金属５ａの溶け込み量が不十分となる。その結果、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との接合強度が小さくなる。
【００２４】
また、入熱量Ｑが７００Ｊ／ｃｍ未満の場合には、第１のアルミニウム母材１への溶融金属５ａの溶け込み量が不足し、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との接合強度が小さくなる。また、入熱量Ｑが４５００Ｊ／ｃｍを超えると、第１のアルミニウム母材１の板厚が比較的薄い場合に、溶融金属が第１のアルミニウム母材１の開先４と反対側に抜けてしまい、この反対側の表面に溶接金属５の突起が形成されてしまう可能性がある。
【００２５】
そして、本発明では、前述のように各アルミニウム母材１、２、３の厚さが２〜５ｍｍであり、第２のアルミニウム母材２と第３のアルミニウム母材３との開先角度θが３０〜４０°、ルート間隔ａが０．８ｔ２〜２．２５ｔ２とされていることにより、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面と、開先４内の溶接金属５がアルミニウム材２，３の表面側に突出することがなく、しかも、それらの表面との段差ｈを小さく抑えつつ、溶接金属５を第１のアルミニウム母材１に十分に溶け込ませることができる。
【００２６】
すなわち、開先角度θを３０°未満とした場合には、第１のアルミニウム母材１の表面に対して、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各接合端面が急峻となるため、溶融金属５ａが開先４の隅々まで行き渡らず、開先４内の溶接金属５のコーナー部にトンネル状の空隙（欠陥）が形成される傾向となる。このため、各母材１、２、３同士の接合強度が小さくなる。また、開先角度θを４０°より大きくした場合には、形成された重ね溶接継手１０において、開先４内の溶接金属５の表面が、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面に対して大きく後退した状態になる。これにより、開先４内の溶接金属５と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との境界部で応力が生じ、この部分の強度が弱くなる。このため、開先角度θが前記範囲から外れると、形成される重ね溶接継手１０は継手効率ηが低いものとなる。
【００２７】
また、ルート間隔ａを０．８ｔ２未満とした場合には、第１のアルミニウム母材１への溶融金属５ａの溶け込み量が不足し、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との接合強度が小さくなる。また、ルート間隔ａを２．２５ｔ２より大きくした場合には、形成された重ね溶接継手１０において、開先４内の溶接金属５の表面が、第２のアルミニウム母材２および第２のアルミニウム母材３の各表面よりも大きく後退した状態になる。これにより、開先４内の溶接金属５と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との境界部で応力が生じ、この部分の強度が弱くなる。このため、ルート間隔ａが前記範囲から外れると、形成される重ね溶接継手１０は継手効率ηが低いものとなる。
【００２８】
すなわち、各アルミニウム母材の厚さ１、２、３と、第２のアルミニウム母材２と第３のアルミニウム母材３との開先角度θおよびルート間隔ａと、溶接速度Ｖおよび溶接入熱量Ｑを所定の範囲とすることにより、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面と、開先４内の溶接金属５の表面との段差ｈを小さく抑えつつ、溶接金属５を第１のアルミニウム母材１に十分に溶け込ませることができ、継手効率ηに優れた重ね溶接継手１０を得ることができる。また、この重ね溶接継手１０は、余盛削除のための機械加工を行わなくとも、その表面に部品や板を接合することができる。このため、構造物の信頼性向上および製造工程の簡易化に貢献することができる。
【００２９】
以上のようにして形成される重ね溶接継手１０は、その継手効率ηが６０％以上であることが好ましい。
ここで、継手効率ηとは、母材の引張り強度Ｆ０に対する重ね溶接継手１０の引張強度Ｆの比を百分率で表した値［（Ｆ／Ｆ０）×１００（％）］である。この継手効率ηが６０％未満であると、該重ね溶接継手１０が適用される構造物によっては、継手として強度が不足し、構造物の信頼性が不十分となる可能性がある。
なお、重ね溶接継手１０の引張強度Ｆとは、図３（Ｂ）に示す如く、幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ後述の値の第１のアルミニウム母材２及び第２のアルミニウム母材３と、幅２５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ後述の値の第３のアルミニウム母材１を図１のようにルート間隔ａと開先角度θを設定し、各母材の幅を合わせて重ねて配置し、図３（Ｂ）に示す如く溶接金属５を形成後、第３のアルミニウム母材１の両端側に突出するように延出されている第１のアルミニウム母材２の一端と第２のアルミニウム母材３の一端を互いに離間する方向（図３（Ｂ）の左右方向：各母材の長さ方向）に引張速度５ｍｍ／分で引張試験した場合の値を示す。なお、図３（Ｂ）に符号８で示す部材はアルミニウム母材２、３を引張試験する際に試験機のチャックで把持するために使用する金属スペーサである。
【００３０】
さらに、形成される重ね溶接継手１０は、第１のアルミニウム母材１の厚さをｔ１、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各厚さをｔ２、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面に対する開先４内の溶接金属５の深さ方向での段差をｈ、第１のアルミニウム母材１に溶け込んだ溶接金属の深さをｄとし、厚さｔ２に対する段差ｈの百分率値［（ｈ／ｔ２）×１００］をｈ０（％）、厚さｔ１に対する深さｄの百分率値［（ｄ／ｔ１）×１００］をｄ０（％）としたとき、ｈ０（％）およびｄ０（％）が下記の範囲であることが好ましい。
０≦ｈ０（％）≦３０
１０≦ｄ０（％）≦６０
【００３１】
ｈ０（％）が０より小さい場合、すなわち、開先４内の溶接金属５が、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３の各表面よりも盛り上がっている場合には、この余盛を削除するための機械加工が必要となり、構造物の製造効率の低下や製造コストの増大に繋がる。また、開先４内の溶接金属５と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との境界部で応力が生じ、この部分の強度が弱くなる。また、ｈ０（％）が３０を超える場合、すなわち、開先４内の溶接金属５の表面が、第２のアルミニウム母材２および第２のアルミニウム母材３の各表面よりも大きく後退している場合には、開先４内の溶接金属５と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との境界部で応力が生じ、この部分の強度が弱くなる。
【００３２】
また、ｄ０（％）が１０より小さい場合、すなわち、第１のアルミニウム母材１の厚さに対して溶接金属の溶け込み深さｄが浅い場合には、第１のアルミニウム母材１と、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３との接合強度が小さくなり、十分な継手効率ηが得られない可能性がある。一方、ｄ０（％）を６０より大きくするには、第２のアルミニウム母材２および第３のアルミニウム母材３に比較的大きな入熱量を与えなければならず、これによって各アルミニウム母材２、３に熱歪が生じる。このため、得られる重ね溶接継手１０は、継手効率ηが不十分なものとなる可能性がある。
【００３３】
ここで、重ね溶接継手１０を形成する際、各アルミニウム母材の厚さ１、２、３と、第２のアルミニウム母材２と第３のアルミニウム母材３との開先角度θおよびルート間隔ａと、溶接速度Ｖおよび溶接入熱量Ｑを所定の範囲とすることにより、継手効率ηが６０％以上であり、ｈ０（％）およびｄ０（％）が前記範囲にある重ね溶接継手１０を確実に得ることができる。
【００３４】
また、さらに、本発明では、各アルミニウム母材１、２、３の厚さに応じて、開先角度θ、ルート間隔ａ、溶接入熱量Ｑ、ｈ０（％）およびｄ０（％）を好適な範囲とすることにより、より継手効率ηに優れた重ね溶接継手１０を得ることができる。例えば、厚さｔが、２±０．５ｍｍ、３±０．５ｍｍ、４±０．５ｍｍ、５±０．５ｍｍの場合の好適な条件は、それぞれ、表１に示す通りである。
【００３５】
【表１】
0005674355.tif 000002
【００３６】
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、このアルミニウム材の溶接方法の各工程は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、本実施形態では溶融溶接法としてＭＩＧ溶接法を用いているが、この他の溶融溶接法を用いてもよく、この場合にも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３７】
以下に、本発明の具体的実施例について説明するが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
＜開先角度θの検討＞
（実施例１）
第１のアルミニウム母材、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材として、アルミニウム合金板材を準備した。アルミニウム合金板材において厚さ２、３ｍｍのものはＪＩＳ規定６０６３Ｔ５の板材、厚さ５ｍｍのものはＪＩＳ規定５０５２合金の板材である。第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θは、３０°とした。
次に、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材を、第１のアルミニウム母材上に、各接合端同士を突合わせて重ねた。ルート間隔aは４．５ｍｍとした。
次に、ＭＩＧ溶接機を用い、第１のアルミニウム母材と、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各接合端とを溶接し、重ね溶接継手を得た。溶接条件は、以下の通りである。
溶接速度Ｖ  ：１００ｃｍ／ｍｉｎ、
溶接入熱量Ｑ：１３００Ｊ／ｃｍ、
【００３９】
（実施例２〜４）
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θおよびルート間隔ａ、溶接速度Ｖおよび溶接入熱量Ｑを表２に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００４０】
（比較例１〜１１）
第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θおよびルート間隔ａ、溶接速度Ｖおよび入熱量Ｑを表２に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００４１】
＜評価＞
図４〜図６に、実施例４および比較例１、１１で作製した重ね溶接継手の金属組織写真を示す。また、各実施例および各比較例で作製した重ね溶接継手について、継手効率η、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各表面と開先内の溶接金属表面との段差ｈ、第１のアルミニウム母材への溶接金属の溶け込み深さｄを計測し、ｈ０（％）およびｄ０（％）を求めた。その結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
0005674355.tif 000003
【００４３】
開先角度を３０〜４０°とした場合には、図４に代表して示すように、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各表面と溶接金属表面との段差が小さく、また、溶接金属が第１のアルミニウム母材に十分に入り込んでいる金属組織を得ることができた。そして、いずれも、高い継手効率ηを得ることができた。
【００４４】
これに対して、開先角度を０°とした場合には、図５に代表して金属組織を示すように、開先内の溶接金属周囲にトンネル状の空隙（欠陥）が形成されており、いずれも継手効率ηが低いものであった。
また、開先角度を４０°より大きくした場合には、図６に代表して金属組織を示すように、開先内の溶接金属の表面が、第１のアルミニウム母材および第２のアルミニウム母材の各表面より大きく後退しており、いずれも継手効率ηが低いものであった。
【００４５】
以上の結果から、継手効率ηに優れた重ね溶接継手を得るには、溶接速度Ｖおよび溶接入熱量Ｑを所定の範囲としつつ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θを３０〜４０°とする必要があることがわかった。
【００４６】
＜ルート間隔aの検討＞
（実施例１−１〜１−３）
各アルミニウム母材の厚さを２ｍｍ、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｑを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００４７】
（比較例１−１、１−２、１−３）
各アルミニウム母材の厚さを２ｍｍ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｑを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００４８】
（実施例２−１〜２−３）
各アルミニウム母材の厚さを３ｍｍ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｑを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００４９】
（比較例２−１、２−２、２−３）
各アルミニウム母材の厚さを３ｍｍ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材の接合端側の開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｑを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００５０】
（実施例３−１〜３−４）
各アルミニウム母材の厚さを５ｍｍ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｑを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００５１】
（比較例３−１、３−２、３−３）
各アルミニウム母材の厚さを５ｍｍ、第２のアルミニウム母材と第３のアルミニウム母材との開先角度θを４０°とし、ルート間隔ａ、溶接速度Ｖ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｅおよび溶接入熱量Ｅを表３に示すように設定した以外は、前記実施例１と同様にして重ね溶接継手を得た。
【００５２】
【表３】
0005674355.tif 000004
【００５３】
＜評価＞
図７〜図１０に、比較例１−２、比較例１−３、実施例３−１、比較例３−２で作製した重ね溶接継手の模式的な縦断面図を示す。また、各実施例および各比較例で作製した重ね溶接継手について、継手効率η、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各表面と開先内の溶接金属表面との段差ｈ、第１のアルミニウム母材への溶接金属の溶け込み深さｄを計測し、ｈ０（％）およびｄ０（％）を求めるとともに、引張り試験を行った際の破断位置を調べた。
その結果を表４に示す。なお、表４中、Ｗは溶接部で破断した場合、Ｂはボンド部で破断した場合、Ｈは熱影響部（溶接部Ｗの中心から約１ｃｍの領域）で破断した場合をそれぞれ示す。なお、溶接部Ｗ、ボンド部Ｂおよび熱影響部Ｈの位置は、図１１に示す通りである。
【００５４】
【表４】
0005674355.tif 000005
【００５５】
表４に示すように、ルート間隔ａを０．８ｔ２〜２．２５ｔ２とした場合には、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材の各表面と溶接金属表面との段差ｈが小さく抑えられ、また、溶接金属が第１のアルミニウム母材に十分に入り込んでいた。そして、いずれも、高い継手効率ηを得ることができた。
【００５６】
これに対して、ルート間隔aを０．８ｔ２より小さくした場合には、第１のアルミニウム母材への溶融金属の溶け込み量が不足し、継手効率ηが低いものであった。
また、ルート間隔を２．２５ｔ２より大きくした場合には、開先内の溶接金属の表面が、第１のアルミニウム母材および第２のアルミニウム母材の各表面よりも大きく後退しており、継手効率ηが低いものであった。
【００５７】
以上の結果から、継手効率ηに優れた重ね溶接継手を得るには、溶接速度Ｖ、溶接入熱量Ｑおよび開先角度θを所定の範囲としつつ、第２のアルミニウム母材および第３のアルミニウム母材のルート間隔を０．８ｔ２〜２．２５ｔ２とする必要があることがわかった。
また、さらに、ルート間隔ａを、各アルミニウム母材の厚さが２ｍｍの場合には１．７５ｔ２〜２．２５ｔ２、３ｍｍの場合には１．５ｔ２〜２．０ｔ２、５ｍｍの場合には０．８ｔ２〜１．０ｔ２とすることにより、継手効率により優れた重ね溶接継手が得られることがわかった。
【符号の説明】
【００５８】
１…第１のアルミニウム母材、２…第２のアルミニウム母材、２ａ…接合端、３…第３のアルミニウム母材、３ａ…接合端、４…開先、５ａ…溶融金属、５…溶接金属、１０…重ね溶接継手、２０…ＭＩＧ溶接機、２１…トーチノズル、２２…溶接電極。
【図１】
0005674355.tif 000006
【図２】
0005674355.tif 000007
【図３】
0005674355.tif 000008
【図１１】
0005674355.tif 000009
【図１２】
0005674355.tif 000010
【図４】
0005674355.tif 000011
【図５】
0005674355.tif 000012
【図６】
0005674355.tif 000013
【図７】
0005674355.tif 000014
【図８】
0005674355.tif 000015
【図９】
0005674355.tif 000016
【図１０】
0005674355.tif 000017