JP4274170B2 - パルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板 - Google Patents

Description

本発明は、航空機、車輌、電気電子機器部品等に使用されるパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板に関するものである。

アルミニウムは軽量で加工性も良好なところから航空機、車輌、電気電子機器部品等に使用されている。一方レーザー溶接は高精度、高速度であるので前記部品の結合に使用されている。例えば電気電子機器部品の表示部、モーター等の電源に使用されている電池ケースは、アルミニウム合金板を所定形状に加工後、電池用部材が組み込まれ最終的に蓋部体が該ケースにレーザー溶接されて密閉型の電池とされる。このような密閉型電池のケースには、アルミニウム合金規格の内比較的強度の高いＪＩＳ Ａ３００３合金（Al−Ｍｎ系合金）やこれにＭｇを添加したさらに強度の高い高強度アルミニウム合金が提案されている（特許文献１）。
特開２０００−３３６４４８号公報

ところで、アルミニウムは熱伝導性が高いためにレーザー溶接においては通常発熱量の高い連続溶接が用いられている。しかし被溶接材の板厚さが薄い場合は、熱発生量が低くしかも入熱量のコントロールしやすいパルスレーザー溶接が採用されることがある。

図１はパルスレーザー溶接を説明する模式図で、１は突き合せ部２を形成した被接合板で、３はパルスレーザー光で該パルスレーザー光３はレンズ４を通過して焦点５を結び、板１の突き合せ部２上に至る。このパルスレーザー光３の収斂したエネルギーで突き合せ部２を溶解するもので、６は溶接部であり、ｈは溶接深さを示す。板１とパルスレーザー装置８との相対的移動によって溶解の位置を
変える。溶解の位置を移動することによって溶接部６が連続し板１、１が接合されることは図示の如くである。

高強度アルミニウム合金板をパルスレーザー溶接法で溶接すると、溶接部に図３に示すような微細な割れ７が発生し易いので、１サイクルのパルス波形のピーク値が順次低くなるようにして入熱をコントロールする等の工夫をして実施される。

発明者らは高強度アルミニウム合金板のある種元素の総量を制限すると、格別な工夫をしなくてもパルスレーザー溶接法で溶接する場合に溶接部に微細な割れが発生しなくなることを発見して本発明を完成した。即ち本発明は高強度アルミニウム合金板をパルスレーザー溶接法で溶接しても割れ発生がし難く且つ成形性のよいアルミニウム合金板を提供することを目的とするものである。

請求項１にかかる本発明は、合金組成がＳｉ：０.２０超〜０.６０質量％、Ｆｅ：０.２５〜０.５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％と、Ｃｒ：０.３５質量％以下、Ｚｒ：０.２５質量％以下、Ｔｉ：０.２０質量％以下およびＢ：０.０２質量％以下の１種以上とを含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、該合金組成のうち、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値が１.３質量％以下であることを特徴とするパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板である。

請求項２にかかる本発明は、合金組成がＳｉ：０.２５〜０.６０質量％、Ｆｅ：０.２５〜０.５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％と、Ｃｒ：０.３５質量％以下、Ｚｒ：０.２５質量％以下、Ｔｉ：０.２０質量％以下およびＢ：０.０２質量％以下の１種以上とを含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、該合金組成のうち、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値が１.３質量％以下であることを特徴とするパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板である。

請求項３にかかる本発明は、請求項１または２記載のパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板が溶体化焼入処理を施されることを特徴とする。

請求項１または２にかかる本発明によれば、高強度のアルミニウム合金板とすることができると共にパルスレーザー溶接しても溶接部に微細な割れが発生しない。本発明のアルミニウム合金板は、パルスレーザー溶接性に優れているから、溶接に際して格別な工夫を要せずに接合でき、割れ発生の無い信頼に足る製品を製造できる効果を有すると共に、板の結晶粒を微細化して板の成形性を高め、製品の肌荒れを防止することができる。

請求項３にかかる本発明によれば、このアルミニウム合金板が溶体化焼入処理を施された場合に、成形加工後の使用中の加熱で時効硬化し、製品の変形や膨れ等を防止できる効果がある。

先ず、本発明における組成とその限定理由について説明すると、第１の発明では、Ｓｉ：０.２０超〜０.６０質量％、Ｆｅ：０.２５〜０.５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％であり、第２の発明では、Ｓｉ：０.２５〜０.６０質量％、Ｆｅ：０.２５〜０.５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％である。Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｎは強度付与のために添加するものであって、下限値未満ではその効果が少なく、上限値を超えると成形性が低下する。特にＳｉ、ＣｕおよびＭｇは板が溶体化焼入処理を施された場合は、成形加工後の使用中の加熱で時効硬化し、製品の変形や膨れ等が防止できる効果を有する。

Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値が１.３質量％以下であって、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値を規制するのはパルスレーザー溶接で割れ発生を防止するためである。上限値を超えるとパルスレーザー溶接で割れが発生する。Ｃｒ：０.３５質量％以下、Ｚｒ：０.２５質量％以下、Ｔｉ：０.２０質量％以下およびＢ：０.０２質量％以下の１種以上を前記組成に更に含有させると、板の結晶粒を微細化して成形性を高め、成形品の肌荒れを防止する。

不可避的不純物は原料地金および返り材等から混入する管理外のもので、例えばＣｒの０.０５質量％以下、Ｚｒの０.０５質量％以下、Ｔｉの０.０１質量％以下、Ｂの０.０００５質量％以下、Ｚｎの０.１５質量％以下は不可避的不純物である。

次に板の製造方法について説明すると、前記したような組成の溶湯の溶製は常法による。溶湯は水冷鋳型を用いる半連続鋳造法で鋳造して鋳塊を得る。得られた鋳塊は必要により面削した後鋳造歪を解消するために５５０℃以上の温度で２時間以上保持して均質化処理する。５５０℃の温度未満で２時間未満の保持では十分な均質化効果が得られない。均質化処理した鋳塊はついで熱間圧延後冷間圧延する。

上記した冷間圧延後５００℃以上の温度を１分以下通過させた後水焼入して溶体化焼入処理する。５００℃未満の温度では十分な溶体化焼入効果が得られない。次いで調質を目的として圧下率１０〜５５％の冷間圧延し本発明の板とする。１０％未満では深絞り成形加工で伸びが高く深絞りができない。また５５％を超えると延性が低く金型肩部で割れを発生し易く好ましくない。

このようにして得られた板は種々の製品に成形加工されるが、各種容器のうち例えば板厚さで０.６mm、厚横高で５×２５×５０の電池ケースを製造する場合は、板を十数工程で絞り加工およびしごき加工を加えてケースとし、電池として組み立てた後蓋部体を合わせ、合わせ部をパルスレーザー溶接する。

パルスレーザー溶接された前記ケースは、特別な熱処理を施さずに使用できるが、使用中の自然昇温、もしくは該溶接後に４０〜１７０℃の温度に加熱処理を施すことによって時効硬化し、更に高強度とすることができ、安定した状態で使用することもできる。

次に本発明におけるアルミニウム合金板を用いてパルスレーザー溶接する例を説明すると、例えば板と板を突合せ固定し大気中、もしくは必要に応じてアシストガスとしてアルゴン等の不活性ガスを用いて溶接する。溶接条件は板の厚さによって一様ではないが、パルス時間、出力、焦点はずし距離、溶接速度等を適宜変化させ溶接する。厚さが０.５〜２mm程度の場合は、１パルスの時間を短くして例えば０.３〜５ms、出力を低くして例えば１.５〜６ジュール／パルス、焦点はずし距離を少なくして例えば−５〜＋１０mm、溶接速度０.８〜１.５ｍ／分の範囲を目安として適宜採用することができる。

本発明によるアルミニウム合金板の具体的な実施例について説明すると以下の如くである。

アルミニウム合金溶湯を溶製し、半連続鋳造法で厚さ５３０mmのスラブを鋳造した。各スラブの組成は後述する表１に示す。次に該スラブを面削後５９０℃の温度に５時間保持して均質化処理を施した。均質化処理終了後均質化温度で熱間圧延開始し、終了温度４００℃で厚さ６mmの熱延板とした。次いで冷間圧延４パスで０.９mmの冷延板とした。次いで厚さ０.９mmの冷延板を５２０℃の温度に数秒保持後水焼入れする中間焼鈍に相当する溶体化焼入れを施した。溶体化焼入れ後更に冷間圧延して厚さ０.６mmの圧延板とした。

このようにして製板した板を突合せ固定して図１に示す位置をパルスレーザー溶接した条件は以下に示す如くである。
〔パルスレーザー溶接〕
溶接速度 １.２ｍ／分
１パルスの時間 ０.５ms
出力 溶接深さが０.３mmになるように調節
焦点はずし距離 溶接幅が１mmになるように調節
周波数 １００Hz

このようにして溶接した溶接個所を、２０倍拡大して目視検査し割れの有無を調査した。結果を厚さ０.６mmの圧延板の強度と共に次の表２に示す。図２は本発明例の割れの無い代表的な溶接個所を示す試験番号２の溶接個所のスケッチ図である。また図３は比較例の割れの発生した代表的な溶接個所を示す試験番号１１の溶接個所のスケッチ図であって、溶接割れ７が発生している。

なお前述の如く製板した板に絞りとしごき加工を加えて深絞り成形し、厚さ内のり５mm×横内のり１５mm×高さ外のり５０mmの有底容器を製作したところ、成形性および肌は良好であった。

前記した実施例１と同じ条件で熱間圧延までされた合金符号Ｂの板を、次いで各種の板厚さに冷間圧延し、実施例１と同じ条件で溶体化焼入処理し、次いで冷間圧延して板厚さを０.６mmとした。この板について実施例１と同じ条件で深絞り成形して有底容器を製作した。成形性の加工状態を後述する表３に示す。

表３の結果から、溶体化処理後の冷間圧延率を適正値とすることによって、深絞り成形性に優れることが判る。

パルスレーザー溶接の概要を示した斜面図である。 本発明による割れのない代表的な溶接個所の態様を示した斜面図である。 比較例として割れの発生した態様を示した図２と同様な斜面図である。

符号の説明

１ 板
２ 突き合わせ部
３ パルスレーザー光
４ レンズ
５ 焦点
６ 溶接部
７ 溶接割れ
８ パルスレーザー装置

Claims (3)

1. 合金組成がＳｉ：０．２０超〜０．６０質量％、Ｆｅ：０．２５〜０．５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％と、Ｃｒ：０.３５質量％以下、Ｚｒ：０.２５質量％以下、Ｔｉ：０.２０質量％以下およびＢ：０.０２質量％以下の１種以上とを含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、該合金組成のうち、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値が１.３質量％以下であることを特徴とするパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板。
2. 合金組成がＳｉ：０．２５〜０．６０質量％、Ｆｅ：０．２５〜０．５５質量％、Ｃｕ：０.１０〜０.３５質量％、Ｍｎ：０.９〜１.５質量％、Ｍｇ：０.２５〜０.６５質量％と、Ｃｒ：０.３５質量％以下、Ｚｒ：０.２５質量％以下、Ｔｉ：０.２０質量％以下およびＢ：０.０２質量％以下の１種以上とを含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、該合金組成のうち、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｕおよびＭｇの合計値が１.３質量％以下であることを特徴とするパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板。
3. 溶体化焼入処理を施されることを特徴とする請求項１または２記載のパルスレーザー溶接性に優れたアルミニウム合金板。

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