(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０〜９０ｋＪ／ｃｍの入熱量においてＪＩＳ規格の５０８３合金の溶接に用いられる溶加材であって、
Ｍｇ：６〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０８〜０．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下、及びＴｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有する、
ことを特徴とするアルミニウム合金溶加材。
【請求項２】
前記５０８３合金が、４．５ｍａｓｓ％以上のＭｇを含む組成であり、引張強さが３００ＭＰａ以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金溶加材。
【請求項３】
ＪＩＳ規格の５０８３合金と、
Ｍｇ：６〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０８〜０．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下、及びＴｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金溶加材と、を使用して、
２０〜９０ｋＪ／ｃｍの入熱量で溶接する、
ことを特徴とするアルミニウム合金の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金溶加材及びアルミニウム合金の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶、液化天然ガスタンク及び化学プラント等の大型構造物に対してアルミニウム合金が使用されるケースが増加してきている。アルミニウム合金の使用にあたり、製造効率向上のために大入熱、低パス数の溶接方法が適用されている。
【０００３】
構造物用アルミニウム合金としては、高強度、高耐食性の５０８３合金が知られており、従来から用いられている。ＪＩＳ規格において５０８３合金の組成は、質量基準にて、Ｓｉ：０．４０％以下、Ｆｅ：０．４０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．４０〜１．０％、Ｍｇ：４．０〜４．９％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５％、Ｚｎ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物と定められている。また、ＪＩＳ規格における５０８３合金のＯ材の引張強さの下限値は、板厚４０ｍｍ以下で２７５ＭＰａ、板厚４０ｍｍを超え８０ｍｍ以下で２７０ＭＰａである。
【０００４】
５０８３合金同士を溶接する際、ＪＩＳ規格の溶加材選定指針では５１８３、５３５６又は５５５６合金を用いることとなっている。これは、従来のＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）又はＭＩＧ（Metal Inert Gas）等の溶接方法を用いた際に、溶接割れを抑制し、かつ高い継手効率が得られるためである。しかしながら、大入熱溶接においては、従来のＴＩＧ又はＭＩＧ等の溶接方法に比べて入熱量が非常に大きい。そのため、溶加材に含まれるＭｇの蒸発が起こり、結果的に継手効率が低下するという問題があった。
【０００５】
特許文献１には、溶接時のミクロ組織粗大化を抑えることを目的とした大入熱溶接用アルミニウム合金溶加材が提案されている。特許文献１において、Ｍｇ含有量の上限は６％、継手強度の最高値は２８５Ｍｐａである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５２−１２８８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
５０８３合金の強度規格下限値が２７５ＭＰａであることを考慮すると、特許文献１に記載されたアルミニウム合金溶加材を用いたとき、強度が下限に近い５０８３合金であれば継手効率の低下は発生しない。しかしながら、実際の５０８３合金の強度は２７５〜３２５ＭＰａであるため、特許文献１に記載されたアルミニウム合金溶加材は、５０８３合金の強度範囲に対して、充分な継手効率を示すものではない。また、特許文献１では大入熱溶接として２５ｋＪ／ｃｍにおいて継手強度が改善されているが、これよりも高い入熱量になった場合に充分な継手強度を示すかは不明である。
【０００８】
さらに、前述の用途に適するよう、低パス数で高強度の継手が得られるアルミニウム合金溶加材が求められている。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ＪＩＳ規格の５０８３合金を大入熱溶接する際に使用されるアルミニウム合金溶加材であって、高い継手効率が得られるアルミニウム合金溶加材を提供することを目的とする。また、本発明は、上記５０８３合金及びアルミニウム合金溶加材を使用して好適に大入熱溶接する、アルミニウム合金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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るアルミニウム合金溶加材は、
２０〜９０ｋＪ／ｃｍの入熱量においてＪＩＳ規格の５０８３合金の溶接に用いられる溶加材であって、
Ｍｇ：６〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０８〜０．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下、及びＴｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有する、
ことを特徴とする。
【００１１】
前記５０８３合金が、４．５ｍａｓｓ％以上のＭｇを含む組成であり、引張強さが３００ＭＰａ以上である、
こととしてもよい。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るアルミニウム合金の溶接方法は、
ＪＩＳ規格の５０８３合金と、
Ｍｇ：６〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５５〜０．９５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０８〜０．２ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下、及びＴｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物である合金組成を有するアルミニウム合金溶加材と、を使用して、
２０〜９０ｋＪ／ｃｍの入熱量で溶接する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＪＩＳ規格の５０８３合金を大入熱溶接する際に使用されるアルミニウム合金溶加材であって、高い継手効率が得られるアルミニウム合金溶加材が得られる。また、本発明によれば、上記５０８３合金及びアルミニウム合金溶加材を使用して好適に大入熱溶接することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、溶接時の蒸発により失われるＭｇ量を予め溶加材中に添加することによって、前述の問題を解決できることを見出して本発明を完成するに至った。
【００１５】
本発明に係るアルミニウム合金溶加材は、所定のアルミニウム合金組成を有し、ＪＩＳ規格の５０８３合金を所定の条件にて溶接する際に効果を発揮する。以下に、これらについて説明する。
【００１６】
１．アルミニウム合金組成
本発明に係るアルミニウム合金溶加材は、Ｍｇ：６．０〜７．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５０〜１．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４０ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ：０．４０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下、及びＴｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる。
【００１７】
Ｍｇ：６．０〜７．０ｍａｓｓ％
Ｍｇは、溶接金属の高強度化を図る上において必須の添加元素である。Ｍｇの有効な添加効果を得る上においては、６．０ｍａｓｓ％以上の含有量とする必要がある。他方、Ｍｇの含有量が７．０ｍａｓｓ％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中にＭｇ−Ｓｉ系脆化層が形成されるようになる。そのため、ワイヤに抽伸加工することが困難となって、目的とする線径の溶加材を得ることが出来なくなる。
【００１８】
Ｍｎ：０．５０〜１．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、溶接金属の高靭性化に寄与する成分である。Ｍｎの添加効果を充分に発揮させるためには、０．５０ｍａｓｓ％以上の割合で含有せしめる必要がある。他方、Ｍｎの含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレット鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｍｎ系晶出物が生成して、抽伸加工が困難となる等の問題を惹起するようになる。
【００１９】
Ｃｒ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％
Ｃｒは、溶接割れ感受性の低減に効果を奏する元素である。Ｃｒの有効な添加効果を得るためには、０．０５ｍａｓｓ％以上の割合で含有せしめる必要がある。他方、Ｃｒの含有量が０．２５ｍａｓｓ％を超えるようになると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中に粗大なＡｌ−Ｃｒ系晶出物を生成して、溶加材としてのワイヤを得るための抽伸加工操作が困難となる問題を惹起する。
【００２０】
Ｔｉ：０．２５ｍａｓｓ％以下
Ｔｉは、金属組織の微細化効果を奏する元素である。そのために、０．２５ｍａｓｓ％を超えない割合において、含有せしめることとする。なお、Ｔｉ含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、金属組織中にＡｌ−Ｔｉ系の粗大な晶出物を生成して、抽伸加工操作が困難となる問題を惹起する。
【００２１】
Ｓｉ：０．４０ｍａｓｓ％以下
Ｆｅ：０．４０ｍａｓｓ％以下
Ｃｕ：０．１０ｍａｓｓ％以下
Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下
Ｚｒ：０．０５ｍａｓｓ％以下
Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＺｒは、何れも、不純物元素であって、それぞれ、上記で規定される含有量以下となるように制御される必要がある。Ｓｉ含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、Ｍｇ−Ｓｉ系脆化層を形成して、母材と溶融金属部との境界部位であるボンド部の強度が低下する問題が惹起される。Ｆｅ含有量が多くなり過ぎると、ワイヤ製造のためのビレットを鋳造する際に、粗大なＡｌ−Ｆｅ系晶出物を生成して、抽伸加工操作が困難となる問題を生じる。Ｃｕ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部の溶接割れ感受性が高くなる問題が惹起される。Ｚｎ含有量が多くなり過ぎると、溶接金属部にＭｇ−Ｚｎ系脆化層が形成され、溶接継手部位の特性、中でも強度を低下せしめる問題が生じる。Ｚｒ含有量が多くなり過ぎると、巨大晶出物を生成して、抽伸操作が困難となる問題が生じる。
【００２２】
２．製造方法
本発明に従う溶加材は、上記した合金成分を有するアルミニウム合金を用いて、常法に従って作製されるものである。一般的には、ＪＩＳ−Ｚ−３２３２に規定される径及び許容差の溶接棒又は電極ワイヤとして、実現されることとなる。
【００２３】
３．溶接材及び溶接条件
本発明に係る溶加材は、５０８３合金を大入熱にて溶接する際にその効果を発揮する。５０８３合金はＡｌ−Ｍｇ系合金であって、高強度、高耐食性の構造用アルミニウム合金材である。Ｍｇの添加範囲は４．０〜４．９ｍａｓｓ％であり、添加されるＭｇ量によってＯ材の引張強さ（以下、本明細書では「Ｏ材強度」という。）は２７５〜３２５ＭＰａの範囲で変化する。本発明に係る溶加材は、５０８３合金のＯ材強度範囲又はそれ以上のＯ材強度を有するＡｌ−Ｍｇ系合金に使用して初めてその効果を発揮するものである。特に、Ｍｇを４．５ｍａｓｓ％以上含有し、Ｏ材強度が３００ＭＰａを超える５０８３合金を溶接する際に、前記溶加材は効果を発揮する。上記よりも低強度のＡｌ−Ｍｇ系合金においては、５１８３合金、５３５６合金又は５５５６合金等の従来の溶加材でも充分な継手効率を得ることが出来る。
【００２４】
また、本発明に係る溶加材は、入熱量が２０〜９０ｋＪ／ｃｍである溶接条件においてその効果を発揮する。溶接時の１パスあたりの入熱量は、被溶接材の厚さと溶接パス数により決まる。片側１パス、両側２パスにて突合せ溶接を行う場合、厚さ１０ｍｍの被溶接材を溶接する際に１０〜２０ｋＪ／ｃｍの入熱量が必要となる。したがって、生産性の向上を目的として、低パス数で厚い被溶接材を溶接する際には２０ｋＪ／ｃｍを超える入熱量が必要となり、その場合において前記溶加材の効果が発揮される。特に、４０ｋＪ／ｃｍを超える入熱量にて溶接を行う場合、前記溶加材による効果が顕著となる。一方で、入熱量が２０ｋＪ／ｃｍ以下の条件で溶接する場合においては、５１８３合金、５３５６合金又は５５５６合金等の従来の溶加材でも充分な継手効率が得られる。また、入熱量が９０ｋＪ／ｃｍを越える溶接条件ではパッカリングが発生するため溶接が不可能である。さらに、５０８３合金以外の材料に対して、前記溶加材を用いて大入熱溶接を実施した場合には、充分な継手効率が得られないことや溶接部及び／又は熱影響部に割れが発生する等の問題が生じる。
【００２５】
さらに、かかる溶加材を用いた５０８３合金の溶接に際しては、２０ｋＪ／ｃｍを超える入熱におけるアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接等の溶融溶接手法が採用され、前記した溶加材によって形成される溶接継手を介して一体的に接合されて、目的とする形状乃至は構造の部材を与える接合体が形成される。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。
【００２７】
先ず、表１に示される各種合金組成のＡｌ−Ｍｇ系合金を、通常のＤＣ（Direct Chill）鋳造法によりスラブを作製した。次いで、ここで得られたスラブを均質化処理した後、常法に従って熱間圧延により表１に示す１０〜８０ｍｍの板厚を有するＡｌ材料を得た。また、それぞれ引張強さを測定し、その結果を表１に併せて示した。引張試験片の採取及び引張試験はＪＩＳ−Ｚ−２２４１に準拠した方法にて行った。
【００２８】
【表１】
0006632839.tif 000002
【００２９】
一方、溶加材についても、表２に示される各種合金組成からなるアルミニウム合金を溶製した後、通常のＤＣ鋳造法により各種ビレットを作製した。次いで、得られたビレットを均質化処理した後、常法に従って直接押出して、抽伸用素材を得た。その後、線径が４．８ｍｍである溶接ワイヤとして、従来と同様な抽伸加工にて、目的とする各種溶加材を作製した。ここで、溶加材Ｎｏ．８に記載の成分ではワイヤ抽伸加工時に割れが発生し、４．８ｍｍの線径を有する溶接ワイヤを得ることが出来なかった。
【００３０】
【表２】
0006632839.tif 000003
【００３１】
次いで、ＭＩＧ溶接にて溶接継手の作製を行った。作製した溶接継手はＪＩＳ−Ｚ−３６０４に準拠したＸ形開先の突合せ継手である。全ての母材に対し、片側１パス、両側２パスの突合せ溶接を実施し、被溶接材の各板厚に対して用いたＭＩＧ溶接条件は表３の通りである。ここで、入熱量については、以下の数式を用いて算出した。
入熱量（ｋＪ／ｃｍ）＝溶接電流（Ａ）×溶接電圧（Ｖ）×６０／溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）／１０００
【００３２】
【表３】
0006632839.tif 000004
【００３３】
表１の母材と表２の溶加材、表３の溶接条件によって作製した溶接継手の評価結果を表４に示す。継手強度は前記引張試験にて評価し、継手効率は継手強度と母材強度との比として算出した。また、溶接部の外観及び断面観察より、割れが存在しなかったものを「○」、割れが存在したものを「×」とした。また、良好な溶接を行うことが不可能であった例については、継手強度、継手効率及び溶接割れ評価の各項目を「−」で表示した。なお、本実施例では、溶接が可能な例のうち「×」に該当するものはなかった。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
表４の結果から明らかな如く、本発明に従う合金組成の溶加材を用いて、５０８３合金を２０ｋＪ／ｃｍ以上の入熱にてＭＩＧ溶接したものである試験結果（Ｎｏ．１１、１２、１４、１５、１７、１８、２３、２４、２６、２７、２９、３０、３５、３６、３８、３９、４１、４２）においては、９８％以上の高い継手効率が得られた。中でも、Ｍｇ含有量が４．５ｍａｓｓ％以上であり強度が３００ＭＰａ以上の被溶接材を用いて、入熱量が４０ｋＪ／ｃｍを超える条件でＭＩＧ溶接した試験結果（Ｎｏ．２５〜３０、３７〜４２）では、Ｍｇ含有量が６．０ｍａｓｓ％未満の溶加材を使用した場合に継手効率が９５％未満であるのに対して、本発明に従う溶加材を使用した場合には継手効率が９８％以上となった。このように、Ｎｏ．２５〜３０、３７〜４２では本発明に従う溶加材の効果が顕著に現われる結果となった。
【００３６】
これに対して、被溶接材が５０８３合金よりも低強度であったり（Ｎｏ．１〜７）、溶接時の入熱量が２０ｋＪ／ｃｍ未満であったりする場合（Ｎｏ．９、２１、３３）には、Ｍｇ含有量が６．０ｍａｓｓ％未満の溶加材でも十分な継手効率が得られた。この結果から、上記の条件では本発明に従う溶加材を使用することによる効果が小さいことがわかる。
【００３７】
また、被溶接材がＡｌ−Ｍｇ系合金であって、５０８３合金の強度範囲を超える場合（Ｎｏ．４５〜５７）には、何れの溶加材を使用しても継手効率が９８％未満となり、充分な継手効率を有する溶接継手を得ることは出来なかった。
【００３８】
また、溶加材のＭｇ量が本発明の下限値より低い場合（Ｎｏ．１０、１３、１６、２２、２５、２８、３４、３７、４０）には、被溶接材に５０８３合金を使用し溶接条件を本発明例の範囲内としても継手効率が９８％未満となり、充分な継手効率を有する溶接継手を得ることは出来なかった。
【００３９】
さらに、入熱量が９０ｋＪ／ｃｍを超える溶接条件Ｎｏ．５を使用した試験（Ｎｏ．８、１９、２０、３１、３２、４３、４４、５７）では、溶接時の電流値が高すぎることによるパッカリングの発生が見られたため、被溶接材を両側２パスにて良好な溶接を行うことは不可能であった。