(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接前のアルミニウム合金材の調質としてこのアルミニウム合金材を亜時効処理する工程と、前記アルミニウム合金材を溶接する工程とを有することを特徴とする熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法。
【請求項２】
前記亜時効する工程は、前記アルミニウム合金材の強度をこのアルミニウム合金材が人工時効処理により得ることができる最大強さの９３％以上１００％未満にするものであることを特徴とする請求項１に記載の熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金材を溶接する工程の後に、アルミニウム合金材を人工時効硬化処理する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等の熱処理により強度を向上させる熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法に関し、特に、ティグ溶接（以下、ＴＩＧ溶接という）又はミグ溶接（以下、ＭＩＧ溶接という）を代表とするアーク溶接、レーザ溶接及び摩擦攪拌接合等のように溶接接合する際に発生する熱を調質に利用した熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等の熱処理により強度を向上させる熱処理型アルミニウム合金材をアーク等の熱源を使用して溶融接合すると、その熱影響により溶接部の近傍が軟化してしまい、溶接継手の強度が低下してしまう。その強度低下の度合いは溶接前の母材強度に対し約４０％にもなり、継手効率が６０％になってしまう。この溶接熱影響による軟化の対策として、従来、種々の技術が提案されている。
【０００３】
▲１▼レーザ、電子ビーム又はプラズマ等のように、アークよりもエネルギ密度が高い熱源を使用して溶接する方法がある（特開平５−２７７７７２号公報等）。この方法では、熱影響部を小さくすることができるので、軟化する領域を小さくすることができる。
【０００４】
▲２▼機械的接合又は摩擦攪拌接合等のように、溶接接合部が高温に比較的なりにくい接合方法を使用する方法がある（特開平１０−８１２５７号公報等）。
【０００５】
▲３▼アーク溶接も含めて上述の溶接方法の溶接接合条件を最適化し、極力低入熱で溶接する方法又は冷却しながら溶接接合し、熱影響を極力少なくする方法（特開平１１−１０４８６０号公報等）等の溶接施工の面から低入熱化を図って改善する方法がある。図７（ａ）は溶接継手を示す上面図、（ｂ）は溶接継手のＶ形開先を示す断面図、（ｃ）は溶接継手のＩ形開先を示す断面図、図８（ａ）は母材拘束用治具を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の銅裏当板を示す断面図である。図９は横軸に溶接入熱をとり、縦軸に継手効率をとって、溶接入熱と継手効率との関係を示すグラフ図である。なお、図７（ａ）に示す溶接金属部２は余盛されている。また、図７及び８に示す数値の単位はｍｍである。
【０００６】
具体的には、下記表１に示す母材１の押出方向側の端部を所定の形状の開先に形成し、中央部に凹部が形成された銅裏当板４が設けられた基体３の上に母材１をその突合せ部が凹部に位置するようにして載置し、押え金５と基体３とで母材１を挟んで固定する。そして、下記表２乃至４に示す溶接条件で母材１を溶接し、突合せ部に溶接金属部２を形成した。その後、引張試験を行い溶接継手の継手効率を下記数式１により算出した。この結果を図９に示す。なお、継手効率は各継手ついて２回測定した。
【０００７】
【数１】
継手効率＝（溶接継手の引張強さ／母材の引張強さ）×１００（％）
【０００８】
図９に示すように、継手効率は、最大で約６５％である。なお、図９に示す○及び△のＴＩＧ溶接により作製した継手の溶接入熱は溶接電圧を１５Ｖとして計算した参考値である。
【０００９】
【表１】
0003804751.tif 000002
【００１０】
【表２】
0003804751.tif 000003
【００１１】
【表３】
0003804751.tif 000004
【００１２】
【表４】
0003804751.tif 000005
【００１３】
一方、従来、下記に示す熱処理による改善方法がある。
【００１４】
▲４▼溶接後、再度熱処理（焼き入れ、焼き戻し処理）する方法がある。
【００１５】
▲５▼時効硬化処理する前の材料を溶接し、溶接後に時効硬化処理（焼き戻し）をする方法がある（特開平５−２２２４９８号公報等）。
【００１６】
▲６▼溶接熱影響部の板厚を厚くする等の溶接部の構造を工夫する方法がある。
【００１７】
▲７▼ＪＩＳ７０００系等の溶接後の室温放置により時効硬化し、溶接影響部の軟化が回復する合金を使用する方法がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術においては、以下に示す欠点がある。先ず、▲１▼又は▲２▼に示した方法では、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の従来から適用されている溶接方法に比べ、溶接接合装置が高価であり、また、新たに設備投資をする必要がある。このように、▲１▼の方法では、設備コストが嵩むという問題点があり、▲２▼の方法では、溶接接合コストが高くなるという問題点がある。
【００１９】
また、▲３▼に示す方法では、従来のアーク溶接方法の溶接条件を最適化し、極力低入熱で溶接している。しかし、図９に示すように、溶接継手の強度向上は上記数式１で表される継手効率で高々５％しか強度向上を図ることができない。このように、従来より各種製造業において、一般に広く利用されているアーク溶接により、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金等の高耐食性を有し、比較的材料コストが低いアルミニウム合金材を溶接にする場合に、溶接熱影響による軟化を抑制し、継手強度が高い継手を得ることはできなかった。
【００２０】
また、冷却しながら溶接する方法は、溶接接合装置が複雑となり、接合部形状等の制約を受けると共に、上述の▲１▼と同様に溶接装置が高価であるという問題点がある。
【００２１】
更に、▲４▼及び▲５▼に示す方法では、溶接後、再度熱処理しており、溶接後に熱処理工程が入るため、コストが嵩む。また、溶接接合物を熱処理炉に入れなければならず、自動車、車両又は船舶等の大型の溶接構造物には適用できない等の問題点がある。
【００２２】
▲６▼に示す方法では、溶接物の軽量性、美観性及び材料コスト等の面で問題がある。▲７▼に示す方法では、材料の価格が比較的高価になるだけでなく、溶接構造物は耐食性が乏しく、特に残留応力が高い溶接部は応力腐食割れが発生しやすいという虞がある。
【００２３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、熱処理型アルミニウム合金材を溶接して継手強度が高い継手を得ることができる熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法は、溶接前のアルミニウム合金材の調質としてこのアルミニウム合金材を亜時効処理する工程と、前記アルミニウム合金材を溶接する工程とを有することを特徴とする。ここで、亜時効処理とは、最高強度が得られる時効処理条件より低い温度又は短い時間で時効処理を行うことである。具体的には、例えば処理温度がＴ1℃で時効処理した場合に、Ｈ1分でＴ1℃での最高強度が得られるとすれば、Ｔ1℃×（Ｈ1−α）分の処理条件で時効処理を施すと亜時効処理となる。また、処理時間がＨ2分で時効処理した場合に、Ｔ2℃でＨ2分での最高強度が得られるとすれば、（Ｔ2−β）℃×Ｈ2分の処理条件で時効処理を施すと亜時効処理となる。なお、α及びβは正の値である。
【００２５】
この場合、前記亜時効する工程は、前記アルミニウム合金材の強度をこのアルミニウム合金材が人工時効処理により得ることができる最大強さの９３％以上１００％未満にするものであることが好ましい。
【００２６】
また、前記アルミニウム合金材を溶接する工程の後に、アルミニウム合金材を人工時効硬化処理する工程を有することが好ましい。このとき、アルミニウム合金材が自動車用材料の場合に、この時効硬化処理としては、自動車の塗装焼付け（ベーキング）工程を利用して行うこともできる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。上記課題を解決するため本願発明者等は、溶接前のアルミニウム合金材の時効処理条件と溶接継手強度との関係を詳細に調査した。この結果、溶接前のアルミニウム合金材の時効状態（調質）をこのアルミニウム合金材が最大の強度を得る時効処理温度より低い温度で人工時効硬化処理（以下、亜時効処理という）をした後溶接すれば、通常の時効処理条件（Ｔ５又はＴ６）で時効処理したアルミニウム合金材を溶接した場合よりも継手強度が高くなることを見出した。
【００２８】
上述の亜時効処理を実施すると、溶接前の素材強度は低くなる。しかし、亜時効処理により得られるアルミニウム合金材（以下、亜時効材という）の強度が、人工時効硬化処理により得られるアルミニウム合金材の最大強さの９３％以上１００％未満ならば、溶接後において、母材がＪＩＳ規格を満足する素材強度が得られ、なおかつ溶接継手の強度が高くなることを知見した。
【００２９】
また、亜時効材を溶接した後、時効硬化処理を実施すると、更に継手効率が上昇する。母材を熱処理して得られる最大強さの９３％以上１００％未満の亜時効処理をした材料ならば、溶接熱影響により軟化した溶接部のみを加熱し、時効硬化処理を行っても、溶接構造物として高強度が得られることを見出した。このため、溶接前にアルミニウム合金材はこのアルミニウム合金材を熱処理して得られる最大強さの９３％以上１００％未満の強度に調質されていることが好ましい。
【００３０】
本発明によれば、従来から自動車、鉄道車両又は電化製品等の各種製造業において、一般に広く使用されているＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等のアーク溶接方法を使用することができるので、新たに特殊で高価な設備を導入する必要がなく、従来の製造方法で従来の溶接方法を使用することにより、従来よりも１０％以上の継手効率の向上が図れ、約７０％以上の継手効率が得られる。
【００３１】
また、更に継手効率の向上が必要な場合は、溶接後に人工時効硬化処理を実施するだけで、母材に匹敵する高強度溶接部が得られ、溶接後に再溶体化熱処理を実施しなくても約８５％の継手効率を得ることができた。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る熱処理型アルミニウム合金材の溶接方法の実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３３】
溶接構造用の６０００系のアルミニウム合金材として、ＪＩＳ  ６Ｎ０１合金の空冷押出のまま材（Ｔ１材）を用意した。このアルミニウム合金材の形状は、板厚が２ｍｍ、幅が１００ｍｍの平らな板（以下、フラットバーという）である。次に、フラットバーを溶接前に下記表５に示す各条件で時効硬化処理を実施した。次に、下記表６に示す溶接条件で、フラットバーを溶接して溶接継手を作製した。そして、この溶接継手を引張試験し、継手強度を求めた。なお、時効処理を施した各アルミニウム合金材は引張試験により強度を測定している。これらの結果を図１（ａ）及び（ｂ）に示す。なお、溶接するに際して図７（ａ）及び（ｃ）に示すように、フラットバーの押出方向側の端面をＩ形の開先で突合せ、押出方向と垂直の方向に溶接した。
【００３４】
【表５】
0003804751.tif 000006
【００３５】
【表６】
0003804751.tif 000007
【００３６】
図１（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接前の母材の熱処理条件と引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する割合をとって、引張強さが最大である母材に対する各母材の引張試験の割合を示すグラフ図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、溶接前の母材の引張強さは時効処理における炉の温度が高くなるに従い強度が高くなる。本実施例のアルミニウム合金材は炉の温度が１９０℃で３時間時効処理した場合に最大強さを示した。即ち、Ｔ１９０が最大の強さを得る時効処理条件であり、従来のＴ５熱処理材である。これは、比較例に該当する（以下、Ｔ１９０材という）。
【００３７】
これに対して炉の温度が１９０℃未満の場合には、最大強度に達していない亜時効材であり、母材の強度が低く、本発明例に該当する（以下、炉の温度に応じてＴ１６０材、Ｔ１７０材及びＴ１９０材という）。また、炉の温度が２００℃以上の場合には、過時効となりＴ１９０の条件で熱処理した場合よりも溶接前の母材の強度が低い。これも比較例に該当する（以下、Ｔ２００材という）。
図２（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接継手の引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する各溶接継手の継手効率をとって、各溶接材の継手効率を示すグラフ図である。各条件により時効硬化熱処理した後母材を溶接し、その後継手の引張試験を行った。この結果を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示す継手効率は上記数式１において、母材の引張強さとして、Ｔ１９０材の母材の引張り強さを使用して継手効率を算出したものである。
【００３８】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明例である亜時効材（Ｔ１６０材、Ｔ１７０材及びＴ１８０材）は溶接前の母材強度が比較例のＴ５熱処理材（Ｔ１９０材）よりも母材の強度が若干低いものの、溶接後の継手強度は比較例のＴ５熱処理材（Ｔ１９０材）及び過時効材（Ｔ２００材）よりも高い。本発明例である亜時効材は、継手効率をＴ１９０材の母材の引張強さに基づいて算出した場合でも、約７０％の継手効率を得ることができる。一方、Ｔ１９０材では、同様に継手効率を算出した場合、その継手効率は６０％程度しか得られない。また、過時効材（Ｔ２００材）は、Ｔ１９０材よりも継手強度が高いものの、亜時効材よりも低い。
【００３９】
このように、Ｔ１６０材は亜時効材であっても、溶接後の継手強度はＴ１７０材又はＴ１８０材に匹敵し、Ｔ１９０材及びＴ２００材よりも高い。溶接継手部の強度により溶接構造物の強度又は剛性が決定してしまうような場合には、Ｔ１６０材でも良い。しかし、Ｔ１６０材は溶接部以外の母材強度、特に母材の耐力が低すぎ、溶接構造物全体として、強度及び剛性が低くなってしまう。従って、溶接後に熱処理を実施せずに溶接したままで使用するような溶接構造物の場合は、Ｔ１７０材又はＴ１８０材等のように最大強さが得られるＴ１９０材に対し９３％以上１００％未満の強さが得られる亜時効処理を実施した後、溶接したほうが良い。
【００４０】
更に溶接した後、炉の温度が１９０℃で３時間の熱処理を施した。そして、引張強さ及び耐力並びに伸びを測定した。この結果を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。図３（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接後に熱処理された母材と引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する各溶接継手の継手効率をとって、各溶接材の継手効率を示すグラフ図である。図３（ｂ）に示す継手効率は上記数式１において、母材の引張強さとして、Ｔ１９０材の母材の引張り強さを使用して継手効率を算出したものである。
【００４１】
一方、更に溶接継手強度を必要とし、溶接後に熱処理（時効硬化処理）を実施する場合においても、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明例の亜時効材は、比較例のＴ５熱処理材（Ｔ１９０材）及び過時効材（Ｔ２００材）を溶接した後、時効硬化熱処理を実施した場合よりも高くなり、継手効率が約８５％以上であった。また、過時効材（Ｔ２００材）はＴ１９０材よりも継手効率が高いものの、亜時効材よりは低い。
【００４２】
図４は継手の硬さ測定位置を示す模式図である。なお、図４中×印は測定位置を示し、Ａは熱影響部を示す。次に、亜時効材（Ｔ１６０材）及び比較例のＴ１９０材について、１ヶ月の自然時効させたものと溶接後１９０℃の温度で３時間の人工時効処理したものとの母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を測定した。この硬さは試験力を０．２９４２Ｎとして測定したビッカース硬さである。この結果を図５（ａ）及び（ｂ）並びに図６（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４３】
図５（ａ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、１ヶ月の自然時効させた溶接のままのＴ１６０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、溶接後、１９０℃の温度で３時間の人工時効したＴ１６０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図である。図６（ａ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、１ヶ月の自然時効させた溶接のままのＴ１９０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、溶接後、１９０℃の温度で３時間の人工時効したＴ１９０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図である。なお、図５及び６中、○は母材１の測定点を示し、●は溶接金属部２の測定点を示す。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、亜時効材を自然時効させたものにおいては、溶着金属部のビッカース硬さは５０乃至６０であり、母材のビッカース硬さは７０乃至９０であった。また、図５（ｂ）に示すように、人工時効処理したものは、溶接部のビッカース硬さが回復しており、Ｔ１９０材（Ｔ１９０材）とビッカース硬さが略同じであり、このビッカース硬さは１００乃至１２０であった。従って、亜時効材においては、溶接後に再溶体化処理を実施しなくとも、人工時効硬化処理を施すだけで、溶接熱による熱影響部に生じた軟化部の硬さを回復させることができる。
【００４５】
これに対して、比較例のＴ１９０材においては、図６（ａ）に示すように、自然時効させたものは、溶着金属部のビッカース硬さは６０乃至８０であり、溶接部のビッカース硬さは６０乃至１００であった。また、図６（ｂ）に示すように、人工時効硬化処理を施したものは、熱影響部における最軟化部のビッカース硬さが母材の硬さまで回復しない。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、溶接前にアルミニウム合金材の最大強さを適切に調質して溶接しているので、溶接したままで継手強度が高い溶接部を得ることができる。また、更に強度が高い溶接継手を必要とする場合には、溶接後に溶体化熱処理をすることなく、人工時効硬化処理を施すことにより、強度が母材に匹敵する溶接部を得ることができる。更に、アルミニウム合金材を溶接前の強度を調質することにより、従来の設備をそのまま利用して溶接することができるので、設備コスト及び材料コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接前の母材の熱処理条件と引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する割合をとって、引張強さが最大である母材に対する各母材の引張試験の割合を示すグラフ図である。
【図２】（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接継手の引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する各溶接継手の継手効率をとって、各溶接材の継手効率を示すグラフ図である。
【図３】（ａ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さ及び耐力並びに伸びをとって、溶接後に熱処理された母材と引張強さ及び耐力並びに伸びの結果を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に熱処理条件をとり、縦軸に引張強さが最大である母材に対する各溶接継手の継手効率をとって、各溶接材の継手効率を示すグラフ図である。
【図４】継手の硬さ測定位置を示す模式図である。
【図５】（ａ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、１ヶ月の自然時効させた溶接のままの亜時効材（Ｔ１６０材）の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、溶接後、１９０℃の温度で３時間の人工時効した亜時効材（Ｔ１６０材）の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、１ヶ月の自然時効させた溶接のままのＴ１９０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に溶接中心からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、溶接後、１９０℃の温度で３時間の人工時効したＴ１９０材の母材１及び溶接金属部２の硬さ分布を示すグラフ図である。
【図７】（ａ）は溶接継手を示す上面図、（ｂ）は溶接継手のＶ形開先を示す断面図、（ｃ）は溶接継手のＩ形開先を示す断面図である。
【図８】（ａ）は母材拘束用治具を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の銅裏当板を示す断面図である。
【図９】横軸に溶接入熱をとり、縦軸に継手効率をとって、溶接入熱と継手効率との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１；母材
２；溶接金属部
３；基体
４；銅裏当板
５；押え金
【図１】
0003804751.tif 000008
【図２】
0003804751.tif 000009
【図３】
0003804751.tif 000010
【図４】
0003804751.tif 000011
【図５】
0003804751.tif 000012
【図６】
0003804751.tif 000013
【図７】
0003804751.tif 000014
【図８】
0003804751.tif 000015
【図９】
0003804751.tif 000016