743

めの結晶粒の超微細化などが取組まれている．

はじめに種々の特性の中で，とりわけ軽量化への期待度は大きいことから，各部材の要求特性パラメータにより板厚アルミニウムの国内での総製品需要量はリーマンショ

比・重量比を試算すると Table 12)のようになる．これにック前の '07 年度で約440万トンに達している．アルミニウ

よると，張剛性，耐デント性や動的圧壊特性について

ム合金（以下 Al と略記）に関する溶接構造物としては，は，軽量化効果は大きく，その程度は Mg>Al>ハイテン

船舶，鉄道車両，二輪車を始め航空･宇宙機器など多岐に鋼の順となる．但し，部材剛性については軽量化効果が渡っており，最近では自動車の蓋物としてのパネル材以認められないが，自由な断面性能が出せる押出し形材の外の足回り部品などにも適用され始めている．Al は，地球活用により，そのメリットが出せるものと考えられる．

環境に優しい材料として最近特に注目されており，そのさて，これら材料適用時の接合性について概観すると，リサイクル性の良さは言うに及ばず，軽量化による燃費

Table 2 の物理的性質からもわかるように，Al や Mg は改善を介して CO2 ガス排出量削減に直接結びつくことか

鉄よりも溶融点は低く，且つ同一体積量における比熱，らも，とりわけ自動車のアルミ化進展には期待が大きい．

潜熱が小さいことから溶融エネルギは，Al は鉄の 2/3，一方，マグネシウム合金（以下 Mg と略記）も，環境・Mg は 1/5 で済む．但し，熱伝導率が高いのでより瞬時的省エネルギなど地球に優しい新たな金属材料として，携な投与が効率的である．さらに，Mg の特徴としては，帯系電子機器の筺体に使用されてきている．そして Al と表面張力が低いことから溶滴の離脱がスムーズでなくス同様に最近では，自動車の CO2 ガスの削減目標に向けてパッタが多発し，溶湯の裏波保持などにも留意が必要と軽量化設計の戦略として，ダイカストを主体として着実なる．また，線膨張係数が大きく且つ弾性係数が小さいな需要の増加が見込まれている．'07 年における年間総需ので，充分な溶接変形対策も必要となる．なお，ワイヤ

要量 4.7 万トン（世界的には年間約40万トン）のうち，約溶融速度は，DCEP における CO2 溶接，ミグ溶接で，鋼，10％ の4000トン強は構造材用でありダイカスト，射出成Al，Mg の順で概略 4, 9, 18 m/min（1.2 mmΦ，150 A）と形（チクソ成形），鋳物ならびに展伸材などがある．

なり，Mg の場合は溶着量が特に多く，ギャップ補完には有利であるが溶込みなどには配慮が必要である3)．

Al，Mg 適用の利害得失ならびにその接合性
低密度で比強度も高く，電磁波遮蔽性，熱伝導性，リサイクル性などの利点から，鋼あるいは樹脂を代替する材料として注目されている．比強度と伸びとの関係で鋼と比較すると Fig. 11)のようになり，Al や Mg の比強度のメリットが認められるが，さらなる伸びと強度改善のた

Fig.1

各種材料の比強度と伸びとの関係

溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 8 号

35744

Table 1 各種材料による軽量化試算

Table 2 各種材料の物理的性質

Table 336

溶接用アルミニウム合金母材の区分（JIS Z 3040 による区分）

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

笹部：軽金属

745

Table 4 溶加材の種類と適用・特徴

Fig.3

Fig.2

溶接入熱と継手強度の関係（A5456-H32 の場合）

Al-Mg 系合金各調質における応力腐食割れ感受性が，溶接部の強度はその軟質材と同じ強さで延性も十分ある．このシリーズ中で比較的強度の高い 5083-O 材が溶接構造物としてよく採用されるのは，その継手強度だけ

Al の種類と溶接性

4)でなく，この材料の成形加工性，大気及び化学的雰囲気での耐食性および材料費など，設計上の要求に満足を与溶接用素材としては，JISZ3040（溶接施工方法の確認えるためである．その継手効率は 100％ で軟質材と同じ試験方法）によると，P21-P28 の７種類に分類され，代となり，一般には引張強さ 275 N/mm2，耐力 125 N/mm2

表例とともにその溶接性も合わせて記すと Table 3 の通を保証できる．

りである．P21 は，耐食性などを重視するいわゆる器物

本系合金は加工硬化材であるので，その硬化を利用しなどに適用されるもので，溶接構造物としては，P22-P28て素材強度をできるだけ高く設定して構造物を製作したの６種類で，P28 は鋳物材として多用されている．

いという要望がある．溶接熱により軟化する様子を溶接溶加材としては，JISZ3232（アルミニウム及びアルミ入熱や溶接方法で調査した結果を Fig. 2 に示す．溶接入ニウム合金溶加棒ならびにワイヤ）によると，Table 4 に熱の増加によって O 材強度にまで低下する傾向が有り，示すように11種類で，素材成分と比較すると Al-Mg-Si 系

また片面施工の方が両面施工よりも継手強度は低くなるや Al-Zn-Mg 系の溶加材は存在しない．これは，これらようである．これは，片面施工の方が１パス当りの溶接成分の素材を共金系で溶接すると溶接割れが発生し適用入熱量が増加するためと思われる．

できないためである．これら11種類の溶加材の中から適本系合金の応力腐食割れ感受性は Fig. 3 のように，Mg当な溶加材を選択するためには，一般に以下の各項目を含有量ならびに環境温度にて異なり，3％以上の Mg 含有考慮することになるが，溶接物が使用される目的によっ合金材料は約 65℃ 以上の環境で使用される溶接構造物にてその重要度の順位は当然変わる．①溶接の難易（割れは使われない．したがって，溶加材にも Mg 量が約 2.8％の発生）②継手の強度③継手の延性④継手の耐食性⑤高の5554の溶加材が使われる．

温特性（高温での使用可否）⑥陽極酸化処理後母材と溶3.2接部のカラーマッチ

Al-Mg-Si 系材料は，共材の溶加材で溶接すると熱間割

3.1

Al-Mg 系材料の溶接性と留意点

Al-Mg-Si 系材料の溶接性と留意点

れを発生する．これを，4043あるいは5356などの溶加材

Al-Mg 系合金材のアーク溶接は容易である．この系のを使って防止するが，それは溶接金属にけい素またはマ合金材は，圧力容器ほか一般の構造部材として使われるグネシウム量を増加して，割れ感受性の高い成分領域を
溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 8 号

37

746

Fig.4 各種接合方法における継手部の硬さ分布（Al-Mg-Si 系合金 T5 材，2 mmt 突合せ溶接部）

Fig.5 7N01 相当 T4 材突合せ継手溶接部の最高到達温度と硬さ分布避けるためである．6N01 は大型押出形材を用いた車輌・功を奏していると推測される．溶接方法による差異はあ

船舶の溶接構造材として多く利用されている．この材種るものの溶接部近傍には素材よりも軟化した部位が残るは延性があり，しかも耐食性・強度が優れている．のが特徴であり，継手効率は 60％ 以上となる．

溶接継手に関しては，素材は熱処理により強度を上げまた，本系材料の中には強度をあげるために過剰 Si タているので溶接熱による軟化が考えられる．Al-0.5Mg-イプの合金があるが，溶接熱影響部に粒界に沿った高温0.6Si-T5 材を用いての各種溶接方法における継手部の硬割れの一種である溶接ミクロ割れが生じる場合がある．

さ分布（溶接後室温１ヶ月時効後）を Fig. 4 に示す．

低融点共晶物の生成抑制や結晶粒の微細化など素材から

YAG レーザ溶接（LBW），YAG レーザとミグ溶接とのの対策ならびに，溶接の観点からは過大な入熱の抑制なハイブリッド溶接（L&M），摩擦攪拌接合（FSW），タンらびに Al-Si 系溶加材の適用が推奨される．

デムミグ溶接（T-MIG），ミグ溶接（MIG），ティグ溶接

3.3（TIG）の硬さ分布から，その熱影響の程度は LBW＜

本系材料は熱処理合金であり，銅を含まない Al-Zn-Mg

L&M＜FSW＜＜T-MIG＜MIG＜TIG となる．YAG レー系の合金は 3 元合金または溶接構造用高力合金として利ザ溶接の冷却速度が他に比較して著しく大きいことか

用 さ れ て い る ． T6 材 で 溶 接 し た ま ま の 引 張 強 さ はら，冷却時の非強化相β'，βへの時効進行の抑制効果が325 N/mm2 以上あり，母材の強さを 380 N/mm2 とすると

38

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

笹部：軽金属

Al-Zn-Mg 系材料の溶接性と留意点

747

Fig.6

板端面の応力腐食割れ防止のための継手形状変更案

継手効率は約 85％ となる．継手はじん性に富み，溶接用Table 5

疲労設計指針における材料ならびに継手形状の差異構造材として利用されている．
この合金の特長の一つは，従来の熱処理用合金に要求されている焼入温度より低い温度（約 450℃）で焼入れされ，しかも冷却速度に対して鈍感なので空冷でも十分焼入効果を発揮する．しかも常温で時効性があるため，溶接後室温に放置するだけでも時効硬化が行われる特性がある．T4 素材の溶接継手部の室温時効性を Fig. 5 に示すが熱影響軟化部は素材レベルにまで回復していることがわかる．

Mg の種類と溶接性

本系材料の応力腐食割れ感受性は，他系材料よりもいささか高いと言われており，溶接による引張残留応力がTable 6 にその概要を示す．高純度の Mg は，強度や耐熱影響部に発生するので，留意が必要である．調質の影響

食性が良くないのでほとんど実用化されておらず，Zn,は，T4 が鋭敏で，次いで T6，そして T7 が最も優れた特Al, Mn, Zr, 希土類元素などを添加し，改良されている．

性を示す．応力方向に対する感受性は，厚さ方向が鋭敏

通常，Zn は単独添加されることはなく，Al または Zr とで，次いで圧延直角方向，そして圧延長手方向が最も優ともに添加される．Zr の添加は結晶粒微細化と強度向上れた特性を示す．これら最善の組合せが設計上不可能なに効果があるが，Al を含有する場合は，その効果が消失場合，たとえばすみ肉継手の場合に，溶接残留応力の影する．また，希土類元素は溶接割れ感受性を低下させる．

響を少なくしたり，厚さ方向の端面を該当部位からずら１，２，３種の Mg-Al-Zn 系材料の場合，Al の添加したりなどといった対策が考えられるが，例えば Fig. 6は，溶接性向上に効果はあるが，Zn が 1％ 以上添加されのような溶接設計変更などが上げられる．

ると割れ感受性が高くなり溶接性は低下する．よって，

3.4

継手の疲労強度特性

Zn をほとんど含まない MC5（AM100A）の溶接性は良

溶接継手の疲労特性について，鋼の場合と同様に素材の好である．Mg-Zn-Zr 系材料の場合にも Zn が少ないと割疲労特性は引張強さと相関性が認められるが，溶接継手れは発生しないが，多い場合には溶接性は劣り，溶接はになると繰り返し数が増すに従い，素材の影響は少なく困難となる．一方，Zn 添加量を若干下げ，希土類元素をなり，継手の幾何学的形状や余盛形状などによる応力集中

2.4-4.0％ 添加した MC8（EZ33A）は非常に良好な溶接性の方が大きく影響してくるようになるのが特徴である．

を示し，MC5（AM100A）よりも溶接性は優れている．

鋼とアルミニウム合金との疲労亀裂進展速度のデータはまた健全な溶接部を得るためには，溶加材と素材との⊿K (応力拡大係数範囲)/E (弾性係数) で整理するとほぼ組合せに留意する必要がある．先に述べたように Zr の添

１本の幅を持つ線で表されるようになる5)．実験データを加効果は，Al を含有する場合はその効果が消失するので基にして作成された日本鋼構造協会（JSSC）の疲労設計

Mg-Al-Zn 系材料に対しては，共金系且つ Zn 添加量の少指針と，米国アルミニウム協会の同指針とを 2x106 回でのない溶加材を用い，Mg-Zn-Zr 系材料に対しては，同系に値で比較すると Table 5 のようになり，疲労強度比は鋼さらに希土類元素を添加した EZ33A を溶加材として用いの場合の 1/2.2〜1/2.5 程度の弾性係数比よりも若干高い値るのが良い．また，鋳物の補修溶接には共金系の溶加材がえられる．継手形状による疲労強度の差異をみると，突を用いるのが一般的である．

6)

合せ継手余盛有りで素材の 55％ 前後，すみ肉継手で素材4.1の 20％ 程度の値がえられるのは鋼の場合と同じである．

Mg の溶接は，1920年代から取組まれてきたが，表面溶接方法

溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 8 号

39748

Table 6

マグネシウム合金の溶接性と溶加材との組合せ性状に優れた溶加材，プッシュプル式のトーチの開発や電源の開発などにより，ワイヤ送給や溶滴移行がより安定的に可能となった昨今，Mg のニーズの高まりも受けて，その研究開発活動は活発である．
Al 材料に対して使われている溶接方法の大半が，Mg材に対しても適用可能である．一般的な溶接方法であるアーク溶接においては，溶融金属の大気からの保護のためにアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスをシールドガスとして使用する．炭酸ガスや窒素ガスは，溶融 Mg と反応して炭化物や窒化物を生成するために用いられるこ

Fig.7とはない．

ビード外観ならびに溶込み形状におよぼす溶接通電時のパルス有無の影響

ティグ溶接は一般的に用いられる溶接方法であるが，表面酸化膜のクリーニング作用を活用するために少なくとも母材がマイナスとなる交流あるいは直流逆極性（DCEP）が適用可能となるが，タングステン電極の消耗ならびに溶込みの観点からもっぱら交流が用いられるのは Al の場合と同様である．
ミグ溶接は，Al 用の溶接電源ならびに送給系統が必要となる．Mg ワイヤは非常に軟らかく座屈を起こしやすいと同時に切削性が良いために送給経路にてワイヤが削り取られ切り粉が溜まり送給不良を起こしやすいからである．また，ワイヤの溶融量が大きく，Mg の溶融点がAl とほぼ同程度であるにもかかわらず，熱伝導率が Al

Fig.8 ミグ溶接継手の継手強度例の 2/3，電気抵抗が Al の約２倍，比熱が Al の約 3/4 であることや，Mg の沸点が Al の約 1/2 であることなどか
ら，同一電流設定に対して約２倍の溶融量となる．つまり，余盛が多く，母材への溶込みが浅くなり易い傾向に

4.2

溶接留意点なる．パルス有りとパルス無しの同一電流で比較すると溶接不完全部としては，溶接割れが大きな課題で有Fig. 77)のようになり，ビード外観ならびに溶込み形状とり，適正な溶加材の選定，予熱，入熱制限などがその対もにパルスミグ溶接の方が良好である．

策となる．予熱は材料の種類や溶接物の大きさ･形状など

継手強度に関しては，ティグ溶接継手の例を Table 78)

によっても異なるが，薄板で拘束が大きい場合 やZn のに，ミグ溶接継手の例を Fig. 89)に示す．このミグ溶接の多い材料等では予熱することが望ましい．その条件は合例は，AZ31 押出材の I 型突合せ溶接継手を AZ31, AZ61

金種や拘束の程度により適当に選択されるが，一般にはおよび AM50（Mg-4.8Al-0.32Mn）の各種溶接ワイヤで作200-400℃ 以下の温度で行う．しかし，予熱により溶接割製したもので，破断は溶接熱影響部あるいは母材で有れの防止にはなるが，代わってミクロシュリンケージキ

り，母材の引張強さ 253 MPa に対して 87-91％ の継手効ャビティが発生する場合もあるので注意が必要である．
また，Al を 1.5％ 以上含む合金は，溶接の残留応力に率を示している．
40

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

笹部：軽金属

749

Table 7

Table 8ティグ溶接継手の継手強度（室温）Mg 合金の溶接後熱処理条件（応力除去）

おわりにAl や Mg は，各種特性のメリットにより鋼や樹脂を代替するところとなってきたが，構造物としての軽量化が最も期待されているからでもある．その適用に当たっての溶接性を述べたが，紙面の都合上，その基本のみにとどまったが，レーザ溶接・電子ビーム溶接さらには摩擦撹拌溶接（FSW）に関する開発も活発に行なわれている分野でもあり，各種報告書や解説書10−12)があるので，是非ご参照願いたい．

参考文献

より応力腐食割れの発生が懸念されるので，応力除去のための熱処理が必要となる．この応力除去のための熱処理条件は Table 88)のとおりである．一方，溶接後調質を整える場合にも熱処理を行なうが，結晶粒が粗大化する

1) 渡辺，向井，東： マグネシウム超塑性の研究 ，軽金属，
Vol.51 (2001), No.10, p504.
2) 佐藤： 高強度薄鋼板の自動車車体への適用性１ ，第74，75回西山記念技術講座，p166 (1981).
3) 上山，矢澤，全，藤江，中田： マグネシウム合金のパルス MIG 溶接 ，溶接学会軽構造接合加工研究委員会資料，MP338-2003（'03. 6）．
4) アルミニウム合金構造物の溶接施工管理テキスト（第４版），㈳軽金属溶接構造協会発行，2009−8.
5) R. C. Bates & W. G. ClarkJr.: Trans. ASM, 62 (1969),380.
6) 笹部）溶接学会フォーラム資料，2004−4, F35.
7) 上山，中田：軽金属溶接，Vol.42 (2004), No.5, p203.
8) ASM Special Handbook, ASM International, 1999.
9) 上園，上山：溶接学会シンポジウム，2008−4, S−15.
10) Welding Handbook "Magnesium and Magnesiumalloys".
11) 中田：軽金属溶接，Vol.39 (2001), No.12, p582.
12) 朝比奈：軽金属，Vol.60 (2010), No.5, p251.

場合もあり，個々の材料，調質ごとにこの点を考慮した熱処理が必要である．

溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 8 号

41