(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇを２．０〜５．０ｗｔ％含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするスタッド溶接によって母材に接合されるアルミニウム合金製スタッド。
【請求項２】
Ｍｇを２．０ｗｔ％を超え５．０ｗｔ％以下含有し、０．９０ｗｔ％以下のＣｕと、総含有量が０．０５〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖ、Ａｇの（ｉ）元素群と、総含有量が０．９０ｗｔ％以下のＳｉ、Ｆｅの（ｉｉ）元素群とからなる選択元素のうちの少なくとも１元素を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするスタッド溶接によって母材に接合されるアルミニウム合金製スタッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接強度に優れ、また美麗な外観が広い溶接条件範囲で得られるスタッド溶接によって母材に接合されるアルミニウム合金製スタッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生活環境、都市環境の美化、整備、改善のための活動が行政や企業で活発に進められている。たとえば、街のイメージアップのため、駅舎やビルなどには美麗なアルミニウム合金製外装パネルが多用されるようになってきている。
このような外装パネルはボルトにより取付けられ、該ボルトは、予めパネルの裏面に溶接しておいて、パネル取付け作業の効率化が図られている。前記溶接にはスタッド溶接が多用され、このように溶接して用いられるボルトはスタッドと呼ばれる。図１は、前記スタッド10をパネル20にスタッド溶接した状態を示す斜視図である。
スタッド溶接は、スタッドと母材（パネル）を近接させ、スタッドを電極として母材との間にアークを点孤して両近接面を溶融し加圧して接合する方法で、アーク溶接電源を用いたアーク放電型とコンデンサを用いたコンデンサ放電型とがある。前者は太径のスタッドに適し、後者は細径のスタッドに適する。いずれも操作が簡単で熟練を要さず、短時間で溶接できるという利点がある。
しかし、外装パネルは建築物の一部のため、溶接強度が高く安全なこと、溶接部のパネル表面が美麗で、焼付き、傷、凹凸などがないことが要求される。
ところで、外装パネルには建築物の仕様に合わせて様々な合金板が用いられ、ボルトにはＪＩＳ−Ａ１０５０合金が多用され、一部にＪＩＳ−Ａ５０５２合金またはＪＩＳ−Ａ５０５６合金が用いられている。
【０００３】
この他、アルミニウム合金製スタッドとしては、溶鋼の連続鋳造鋳型の溶鋼に接する銅板とその外側のバックプレートとを締付けるためのジュラルミン系合金（Ａｌ−４．１〜４．３wt％Ｃｕ−１．２〜１．６wt％Ｍｇ−０．６wt％Ｍｎ合金）のスタッドが知られている（特開昭６２−８９５５３号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記ＪＩＳ−Ａ１０５０合金製スタッドは、溶接条件が多少変動しても溶接が適正になされるが、溶接強度が低いため溶接箇所を多く必要としコスト高になるという問題がある。他方ＪＩＳ−Ａ５０５２合金やＪＩＳ−Ａ５０５６合金などのスタッドは溶接強度は高いが、適正な溶接条件の範囲が狭く外観不良が生じ易いという問題がある。
本発明は、溶接強度がＪＩＳ−Ａ１０５０合金より十分高く、かつ溶接条件が多少変動しても外観不良が生じないスタッドの提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、Ｍｇを２．０〜５．０ｗｔ％含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするスタッド溶接によって母材に接合されるアルミニウム合金製スタッドである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、Ｍｇを２．０ｗｔ％を超え５．０ｗｔ％以下含有し、０．９０ｗｔ％以下のＣｕと、総含有量が０．０５〜０．９０ｗｔ％のＭｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖ、Ａｇの（ｉ）元素群と、総含有量が０．９０ｗｔ％以下のＳｉ、Ｆｅの（ｉｉ）元素群とからなる選択元素のうちの少なくとも１元素を含有し、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とするスタッド溶接によって母材に接合されるアルミニウム合金製スタッドである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明において、Ｍｇは溶接強度を向上させる。その含有量を２．０〜５．０wt％に規定する理由は、２．０wt％未満ではその効果が十分に得られず、５．０wt％を超えると適正な溶接条件の範囲が狭くなるためである。特に望ましいＭｇの含有量は３．０〜４．０wt％である。
【０００８】
請求項２記載の発明において、Ｍｇは溶接強度を向上させる。その含有量を２．０wt％を超え５．０wt％以下に規定する理由は、２．０wt％以下ではその効果が十分に得られず、５．０wt％を超えると適正な溶接条件の範囲が狭くなるためである。特に望ましいＭｇの含有量は３．０〜４．０wt％である。
【０００９】
この発明では、前記Ａｌ−Ｍｇ系合金に、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｆｅの選択元素のうちの少なくとも１種を含有させて溶接強度などをさらに向上させる。
前記Ｃｕの含有量を０．９０wt％以下に規定する理由は、Ｃｕが０．９０wt％を超えて含有されると耐食性、溶接性、および加工性が低下するためであり、特には０．１wt％以下が望ましい。
前記Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖ、Ａｇの▲１▼元素群の各元素はいずれも溶接強度を高め、さらに耐応力腐食割れ性、および結晶組織微細化による溶接性なども向上させる。これら元素の含有量を総計で０．０５〜０．９０wt％に規定する理由は、０．０５wt％未満ではその効果が十分に得られず、０．９０wt％を超えると巨大な晶出物が生成し、強度、靱性、または加工性が低下するためである。これら元素の特に望ましい含有量は０．１〜０．３wt％である。
前記Ｓｉ、Ｆｅの▲２▼元素群の総含有量を０．９０wt％以下に規定する理由は、０．９０wt％を超えると加工性、成形性、靱性、耐食性などが著しく低下するためであり、特には０．４wt％以下が望ましい。
【００１０】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
アルミニウム地金にＭｇを２．０〜５．０wt％添加した合金溶湯（表１のNo. 1 〜7 に示す組成）を半連続鋳造法によりビレットに鋳造し、このビレットを常法によりスタッド（外径Ｍ６、長さ２０mm）に加工した。
【００１１】
（実施例２）
アルミニウム地金にＭｇを２．０wt％を超え５．０wt％以下添加し、さらにＣｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｂ、Ｖ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、の少なくとも１元素を本発明の規定値内で種々の量添加した合金溶湯（表１〜３のNo.8〜26に示す組成）を半連続鋳造法によりビレットに鋳造し、このビレットを常法によりスタッド（外径Ｍ６、長さ２０mm）に加工した。
【００１２】
（比較例１）
Ｍｇの添加量が本発明規定値外の合金溶湯（表３のNo.27,28に示す組成）を用いた他は、実施例２と同じ方法によりスタッドを加工した。
【００１３】
得られた各々のスタッドを母材にスタッド溶接して溶接性を調査した。
母材にはＪＩＳ−Ａ５０５２Ｐ−Ｈ３４（Ａｌ−０．２５wt％Ｓｉ−０．４wt％Ｆｅ−０．１wt％Ｃｕ−０．１wt％Ｍｎ−２．５wt％Ｍｇ−０．２５wt％Ｃｒ−０．１wt％Ｚｎ合金）の板材（３mm×５０mm×５０mm）を用いた。
スタッド溶接機にはコンデンサ放電型溶接機〔日本ドライブイット（株）製ＣＤ１０００型〕を用いた。
溶接条件は、コンデンサ容量を６４０００μＦと１２８０００μＦの２水準、電圧を８０、９０、１００、１１０、１２０Ｖの５水準、パネルとスタッド間のギャップを２．５、３．０、３．５、４．０mmの４水準に取った。
各スタッド、各条件ごとに、１０個ずつ溶接し、全数を外観検査（焼付き、傷、凹凸）したのち、５個を引張試験に、残りの５個をトルク試験に供した。
【００１４】
検査または試験方法を下記に示す。
〔外観検査〕
外観検査項目のうち、焼付き、傷は、母材表面（溶接面と反対側の面）を目視観察して行い、凹凸は図２に示す表面検査装置を用いて行った（特願平７−２７９８６０号参照）。
前記表面検査装置は、試験片を取付ける円柱状の角度調整具20、前記角度調整具20を載置する支持具21、支持具外側壁面に取付けた角度表示板22、支持具21の底面に取付けた模様板23からなる。
角度調整具20を支持具21に形成された切欠部24に回転自在に載置する。試験体25は角度調整具20の中央部にその母材11の表面が模様板23に対し垂直になるように取付ける。ここで角度調整具20の端部に取付けた角度指示針26は角度表示板22の角度目盛り０に合わせておく。
試験体25を上から観察しながら、角度調整具20を母材11表面が上に向くように徐々に回転させる。母材11表面に凹凸があると、母材11表面で反射する模様板23の模様が歪んで見え、この歪みは、母材11表面の凹凸が大きい程、回転角度が小さいうちから見え始める。歪んで見え始めたときの回転角度で凹凸の大小を判定する。歪んで見え始める角度の平均値が２度以上のものを良好（○）、２度未満のものを不良（×）と判定した。
〔引張試験〕
図３に示すように、スタッド10の上部にナット12をねじ込み、ナット12と母材11を上部治具31と下部治具32の袋部にそれぞれ挿入し、各治具31,32 の基部33,34 を引張試験機のチャック35,36 に挟んで引張った。破断荷重の平均値が２．５ｋＮ以上のものを非常に良好（◎）、２．５ｋＮ未満、２．０ｋＮ以上のものを良好（○）、２．０ｋＮ未満のものを不良（×）と判定した。
〔トルク試験〕
図４に示すように、スタッド10の上部に、カーラー40と座がね41を介してナット12をねじ込み、これをトルクレンチ42を用いてスタッド10が破断するまでねじった。スタッド10が破断したときの最大トルク値の平均値が２．５Ｎ・ｍ以上のものを非常に良好（◎）、２．５Ｎ・ｍ未満、２．０Ｎ・ｍ以上のものを良好（○）、２．０Ｎ・ｍ未満のものを不良（×）と判定した。
比較のため、従来のＪＩＳ−Ａ１０５０合金製スタッド、ＪＩＳ−Ａ５０５２合金製スタッド、およびＪＩＳ−Ａ５０５６合金製スタッドについても同様の検査、試験を行った。
【００１５】
コンデンサ容量が６４０００μＦ、電圧９０Ｖ、ギャップ３．０ｍｍのときの結果を表４、５に示す。また外観が良好となる電圧とギャップの許容条件範囲を表６に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
【表３】
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【００１９】
【表４】
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【００２０】
【表５】
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【００２１】
【表６】
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【００２２】
表４〜６より明らかなように、本発明例のNo.1〜26はいずれも、広い溶接条件で良好な外観が得られ、引張強さおよび破断トルクが大きく、スタッドとして優れた特性を示した。ＺｎまたはＣｕなどを適量含有するものは引張強さ（溶接強度）などが一段と向上した。
他方、比較例のNo.27 はＭｇが少ないため強度が低く、No.28 はＭｇが多いため適正な溶接条件の範囲が狭くなった。また従来例の No.29〜31はいずれも適正な溶接条件の範囲が狭く実用性に欠けるものであった。
なお、本発明例のスタッドについて、別途、成形加工性や耐食性などを調べたところいずれも優れた特性を示した。中でもＭｎ、Ｃｒなどの▲２▼元素群を含むものは結晶粒が微細なため特に優れた特性を示した。
【００２３】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のスタッドは、溶接強度に優れ、また適正な溶接条件範囲が広くとれる。さらにＭｎ、Ｃｒなどの元素群を適量含むものは結晶粒が微細となり成形加工性や耐食性などが向上する。依って、建築物の外装パネルなどに用いて顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スタッドをパネル（母材）にスタッド溶接した状態を示す斜視図である。
【図２】外観検査装置の斜視説明図である。
【図３】溶接強度試験の側面説明図である。
【図４】トルク試験の側面説明図である。
【符号の説明】
10  スタッド
11  パネル（母材）
12  ナット
20  角度調整具
21  支持具
22  角度表示板
23  模様板
24  支持具の切欠部
25  試験体
26  角度指示針
31  上部治具
32  下部治具
33  上部治具の基部
34  下部治具の基部
35,36 引張試験機のチャック
40  カーラー
41  座がね
42  トルクレンチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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