JP7665222B2

JP7665222B2 - 高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤ及びその製造方法

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Publication number: JP7665222B2
Application number: JP2023099365A
Authority: JP
Inventors: 小平李; 驍劉; 潤洲李; 衛寧雷; 澤王
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2023-06-16
Publication date: 2025-04-21
Anticipated expiration: 2043-06-16
Also published as: CN115430945A; CN115430945B; JP2024044996A

Description

本発明は、高強度アルミニウム合金の溶接の技術分野に関し、具体的には、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤ及びその製造方法に関する。

７０５０、７０５５、７０７５、７４７５及び７０８５などの７ＸＸＸシリーズのアルミニウム合金は、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系超硬アルミニウム合金に属し、比強度が高く、航空宇宙、軌道交通などの分野で広く使用される。Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金は、強度が高いが塑性が低く、従来の伸線加工法によって溶接ワイヤの加工を順調に行うことができず、また、溶接時に溶接継手に熱割れや応力腐食割れが発生しやすいため、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕアルミニウム合金の溶接が困難で、溶接性が低くなるという問題をもたらす。現在、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系高強度アルミニウム合金の溶接には、溶接性能に優れたバルクのワイヤの供給が不足しており、特にほとんどの高強度アルミニウム合金の溶接に適した汎用ワイヤが不足している。

上記の技術的問題に対して、第ＣＮ１１２８３１７３５Ａ号の中国特許出願は、高強度アルミニウム合金ワイヤ／ストリップの製造方法を開示し、それは、射出成形によってビレットを製造した後、半固体状態で押出し及び熱間押出し、様々な仕様のＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ高強度アルミニウム合金ワイヤを得る。しかし、この方法で製造されたワイヤは、対応する特定のグレードのアルミニウム合金にしか溶接できず、ほとんどのアルミニウム合金、特に７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金に対しては汎用性がなく、使用が不便であり、高強度アルミニウム合金、特に超高強度アルミニウム合金の応用を制限する。

現在、中国の研究状況にもいくつかの進歩があり、Ｓｃ又はＺｒ－ＳｃがＡｌ－Ｍｇ－Ｓｃ合金溶接継手の微細構造及び特性への影響を研究する人がおり、また、従来のＥＲ５３５６溶接ワイヤ及びＳｃ、Ｚｒ、Ｅｒを加えたＥＲ５３５６溶接ワイヤを使用し、７Ａ５２アルミニウム合金に対してタングステン電極不活性ガスシールド溶接を行い、Ｓｃ、Ｚｒ、Ｅｒが溶接継手の機械的特性への影響を研究する人もいる。しかし、これらは溶接ワイヤ原料の大量生産の問題を解決しておらず、価格が高いため、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ高強度アルミニウム合金の構造部品の加工及び応用を大幅に制限する。

従来の溶接ワイヤは、ほとんどのＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系高強度アルミニウム合金に対して汎用性がなく大量生産が困難であるという技術的問題を有する。本発明は、前記技術的問題を解決するために、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤ及びその製造方法を提供する。本発明の方法によって得られた溶接ワイヤは、ほとんどのＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系高強度アルミニウム合金の構造部品に対して優れた溶接性能を有し、大量生産が容易である。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の技術的解決手段を用いる。

高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法は、
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金とＢ及びＺｒを混合した後に合金を溶融し、次に、射出成形によってビレットを得て、前記ビレットを半固体状態で据え込み加工し、インゴットを形成し、前記インゴットを熱間押出して棒材を得てコイル状にするステップ（１）と、
コイル状の前記棒材を焼戻しし、次に、必要な溶接ワイヤの直径まで連続して複数パスの圧延・伸線加工を行い、サイジング、丸め加工、多結晶ダイによる艶出し、微細研磨、洗浄及び乾燥を順次行い、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤを得るステップ（２）とを含む。焼戻しした後、必要な寸法まで連続して圧延すると、圧延工程における焼戻し工程を省くことができ、また、割れ目が少なくて破断しない。

更に、前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の成分は、重量百分率で、５～８％のＺｎ、１．５～５％のＭｇ、及び１～３％のＣｕを含み、残部がＡｌである。

更に、前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の成分は、重量百分率で、７～８％のＺｎ、２～３％のＭｇ、及び１．５～２．５％のＣｕを含み、残部がＡｌである。

更に、Ｂ及びＺｒの添加量はそれぞれ前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の重量の０．１～１重量％である。

更に、Ｂ及びＺｒの添加量はそれぞれ前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の重量の０．１～０．５重量％である。微量元素Ｂ及びＺｒの合計量が１重量％を超えると、材料はより脆くなる。

更に、ステップ（１）における前記半固体状態での据え込み加工は、４６０～５７５℃で前記ビレットを据え込み加工することであり、ステップ（２）における前記焼戻しは、２００～３００℃の温度で少なくとも１０時間保温することである。

更に、ステップ（１）における前記熱間押出は、３８０～４８０℃の温度で、直径１５０～３００ｍｍの前記インゴットを直径５～１０ｍｍの棒材に熱間押出することである。

更に、ステップ（２）における前記圧延・伸線加工は、横型ローラーダイス伸線機で連続して少なくとも５パスの伸線を行うことであり、各パスの伸線面の圧縮率が６～８％であり、直径０．８～１．６ｍｍまで伸線を行う。

本発明の別態様は、上記の製造方法によって得られた高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤを提供し、前記溶接ワイヤは、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金を母材として使用し、前記母材の重量の０．１～１％のＢ及び母材の重量の０．１～１％のＺｒを加えることによって製造され、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の溶接には、汎用性があり、特に、７０５０、７０５５、７０７５、７４７５、７０８５などのＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ超硬アルミニウム合金の溶接に適用する。

有益な技術的効果は、以下のとおりである。本発明では、微量元素Ｂ及びＺｒをＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金に加え、溶融した後、射出成形により、微細な粒子と均一な成分のある母材を得て、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ高強度アルミニウム合金のビレットは、溶接及び凝固中に微細な結晶粒を保持できる微量元素Ｂ及びＺｒを含有し、半固体状態で据え込み加工することにより、射出成形で形成された層状微細構造を除去し、ビレットは緻密になり、熱間押出、伸線を行った後に得られたワイヤは、結晶粒が細かく緻密で、微細構造が均一で、結晶粒界が明瞭で析出物がなく、層状微細構造がなく、優れた機械的特性、構造的特性、溶接性能を有する。７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金の溶接には、汎用性があり、７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金溶接用の高品質の原料を提供でき、広い高強度アルミニウム合金の溶接のプロセスウィンドウを得ることができる。

実施例３の溶接ワイヤを使用して７０７５母材を溶接した後の溶接継手の外観図であり、図中の記号１～９は、異なる溶接プロセス条件における溶接継手の外観を示す。

具体的なプロセスは、表１で示される。

以下、本発明の実施例及び図面を参照し、本発明の実施例における技術的解決手段を明確、完全に説明し、明らかに、説明された実施例は、本発明の全てではないが一部の実施例に過ぎない。少なくとも１つの例示的な実施例に関する以下の説明は、本質的に単に例示的なものであり、本発明及びその応用又は用途を限定するものとして解釈されることではない。本発明における実施例に基づき、創造的な作業なしに当業者によって得られる他の全ての実施例は、本発明の保護範囲に属する。

特に明記されない限り、これらの実施例における数値は、本発明の範囲を限定するものではない。関連分野の当業者に知られている技術および方法については詳細に説明しない場合があるが、適切な状況下では、これらの技術及び方法は本明細書の一部とみなされるべきである。本明細書に示されて議論される全ての例において、特定の値は例示のみとして解釈されるべきであり、限定として解釈されるべきではない。従って、例示的な実施例の他の例は、異なる値を有してもよい。

以下の実施例で特定の条件を示さない実験方法は、通常、国家基準に従って測定されるが、対応する国家基準がない場合、一般的な国際基準又は関連企業が提案した基準要件に従って実行される。特に明記されない限り、全ての部数は重量部であり、全ての百分率は重量百分率である。

（実施例１）
高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法は、
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕアルミニウム合金、Ｂ単体及びＺｒ単体を準備し、均一に混合した後、合金を溶融し、次に、射出成形によって直径２２０ｍｍのビレットを得るステップ（１）であって、
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕアルミニウム合金の成分は、重量百分率で、７．８％のＺｎ、２．３％のＭｇ、及び２％のＣｕを含み、残部がＡｌであり、Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金を記し、
Ｂ単体の添加量は、前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．１％であり、Ｚｒ単体の添加量は、前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．１％であり、
前記ビレットを４６０℃で半固体状態で据え込み加工し、直径１７８ｍｍのインゴットを形成し、前記インゴットを３８０℃で熱間押出し、数本の直径５．８ｍｍの棒材を得て、コイル状にするステップ（１）と、
コイル状の前記棒材を真空焼戻し炉に入れ、３００℃で１０時間焼戻しして保温し、炉で冷却した後、横型ローラーダイス伸線機に入れ、必要なワイヤ完成品の直径まで連続して複数パスの圧延・伸線加工を行うステップ（２）であって、各パスの伸線面の圧縮率が６～８％であり、得られた溶接ワイヤの直径が０．８～１．６ｍｍであり、次に、順にサイジングダイでサイジングして丸め加工し、多結晶ダイで艶出しし、研磨ダイで微細研磨し、洗浄して乾燥した後、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤを得るステップ（２）とを含む。

（実施例２）
本実施例の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造プロセスは、実施例１と同じであるが、その違いは、Ｂ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．２％、Ｚｒ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．５％である。

（実施例３）
本実施例の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造プロセスは、実施例１と同じであるが、その違いは、Ｂ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．２％、Ｚｒ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．３％である。本実施例の溶接ワイヤの仕様は、φ１．２ｍｍである。

（実施例４）
本実施例の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造プロセスは、実施例１と同じであるが、その違いは、Ｂ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．４％、Ｚｒ単体の添加量が前記Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕアルミニウム合金の重量の０．４％である。

（比較例１）
本比較例の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造プロセスは、実施例３と同じであるが、その違いは、Ｂ及びＺｒを加えることである。

上記の実施例及び比較例における溶接ワイヤの機械的特性は、表２で示される。
（備考：溶接ワイヤの仕様は直径１．２ｍｍである）

上記の各実施例及び比較例によって製造された溶接ワイヤを使用し、様々なグレードの７ＸＸＸシリーズのアルミニウム合金の溶接プロセスを試験する。ＥＳＡＢ社製のＴＩＧ４３００ｉＡＣ／ＤＣインバータＡＣ／ＤＣアルゴンアーク溶接機を選択し、ワイヤ送給機は、ＷＦ－００７Ａ多機能自動アルゴンアークワイヤ送給機、直径は１．２ｍｍ、電流は、変数パラメータであり、他のパラメータは、２０Ｖの電圧、３．２ｍｍのアーク長さ、３０°のワイヤ送給角度、１４０ｃｍ／分間のワイヤ送給速度、３ｍｍ／秒間の溶接速度、１０Ｌ／分間のアルゴン流の量である。各実施例及び比較例によって製造された溶接ワイヤを使用して７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤ（７０５０、７０５５、７０７５）の母材を溶接し、次に、Ｔ６熱処理を行い、又は熱処理を行わず、試験サンプルを得て、ＧＢ／Ｔ２２８．１－２０１０金属材料引張試験パート１の室温引張法に従って、機械的特性の試験を行い、溶接部分の室温引張機械的特性を試験し、熱処理サンプルの各グループについて、２つの同じサンプルを配置し、その平均値をとる。試験結果は表４で示される。

実施例３の溶接ワイヤを使用して７０７５母材を溶接した後の溶接継手の外観は、図１で示され、その溶接プロセスと熱処理前後の性能結果は、表３で示される。

表３及び図１から分かるように、１６０～１６５Ａの電流で、実施例３の溶接ワイヤを使用して７０７５母材をアルゴンアーク溶接し、優れた溶接性能があり、Ｔ６熱処理前に、２７０ＭＰａ以上の引張強度、５．５％の伸び率があり、Ｔ６熱処理後に、５００ＭＰａ以上の引張強度、１３％の伸び率があり、実施例３の溶接ワイヤは、７０７５母材に対して優れた溶接性能を有することを示す。

表４から分かるように、実施例１における溶接ワイヤ（Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕを母材として０．１％Ｂ＋０．１％Ｚｒを加える）はそれぞれ７０５０母材、７０５５母材、７０７５母材に対して優れた溶接性能を有し、熱処理前後に、７０５０母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が８５．７％増加し、伸び率が１２．３６％に増加し、７０５５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９６．２％増加し、伸び率が１２．８８％に増加し、７０７５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９２．７％増加し、伸び率が１２．４７％に増加する。

実施例２における溶接ワイヤ（Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕを母材として０．２％Ｂ＋０．５％Ｚｒを加える）はそれぞれ７０５０母材、７０５５母材、７０７５母材に対して優れた溶接性能を有し、熱処理前後に、７０５０母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が１００％以上増加し、伸び率が１１％に増加し、７０５５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９４．６％増加し、伸び率が１２．４２％に増加し、７０７５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が１００％以上増加し、伸び率が１２．３８％に増加する。

実施例３における溶接ワイヤ（Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕを母材として０．２％Ｂ＋０．３％Ｚｒを加える）はそれぞれ７０５０母材、７０５５母材、７０７５母材に対して優れた溶接性能を有し、熱処理前後に、７０５０母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９２．４％増加し、伸び率が１２．７９％に増加し、７０５５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が１００％以上増加し、伸び率が１２．５６％に増加し、７０７５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が８８．３％増加し、伸び率が１３．７６％に増加する。

実施例４における溶接ワイヤ（Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕを母材として０．４％Ｂ＋０．４％Ｚｒを加える）はそれぞれ７０５０母材、７０５５母材、７０７５母材に対して優れた溶接性能を有し、熱処理前後に、７０５０母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９４．１％増加し、伸び率が１３．２４％に増加し、７０５５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が１００％以上増加し、伸び率が１２．８４％に増加し、７０７５母材を溶接した後の溶接継手の引張強度が９２．０％増加し、伸び率が１３．２４％に増加する。

以上のデータから分かるように、本発明では、Ａｌ－７．８Ｚｎ－２．３Ｍｇ－２Ｃｕ系アルミニウム合金に、合計量が１％未満のＢ及びＺｒを加えることによって製造された溶接ワイヤは、７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金に対して優れた溶接性能を有し、溶接後の溶接継手の引張強度及び伸び率はいずれも高くなり、７０５０、７０５５及び７０７５などの７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金、特にＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系高硬度アルミニウム合金の溶接には、汎用性があり、それは、７ＸＸＸシリーズの高強度アルミニウム合金溶接用の高品質の原料を提供でき、広い高強度アルミニウム合金の溶接のプロセスウィンドウを得ることができる。

以上の内容は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の保護範囲は、それらに限定されるものではなく、本発明で開示された技術的範囲内で当業者が本発明の技術的解決手段及びその概念に従って行う置換又は変更は、本発明の保護範囲に含まれる。

Claims

高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法であって、
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金とＢ及びＺｒを混合した後に合金を溶融し、次に、射出成形によってビレットを得て、前記ビレットを半固体状態で据え込み加工し、インゴットを形成し、前記インゴットを熱間押出して棒材を得てコイル状にするステップ（１）と、
コイル状の前記棒材を焼戻しし、次に、必要な溶接ワイヤの直径まで連続して複数パスの圧延・伸線加工を行い、サイジング、丸め加工、多結晶ダイによる艶出し、微細研磨、洗浄及び乾燥を順次行い、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤを得るステップ（２）と、
を含み、
前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の成分は、重量百分率で、５～８％のＺｎ、１．５～５％のＭｇ、及び１～３％のＣｕを含み、残部がＡｌであり、
Ｂ及びＺｒの添加量はそれぞれ前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の重量の０．１～１重量％であることを特徴とする、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。
高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法であって、
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金とＢ及びＺｒを混合した後に合金を溶融し、次に、射出成形によってビレットを得て、前記ビレットを半固体状態で据え込み加工し、インゴットを形成し、前記インゴットを熱間押出して棒材を得てコイル状にするステップ（１）と、
コイル状の前記棒材を焼戻しし、次に、必要な溶接ワイヤの直径まで連続して複数パスの圧延・伸線加工を行い、サイジング、丸め加工、多結晶ダイによる艶出し、微細研磨、洗浄及び乾燥を順次行い、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤを得るステップ（２）と、
を含み、
前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の成分は、重量百分率で、７～８％のＺｎ、２～３％のＭｇ、及び１．５～２．５％のＣｕを含み、残部がＡｌであり、
Ｂ及びＺｒの添加量はそれぞれ前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の重量の０．１～１重量％であることを特徴とする、高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。
Ｂ及びＺｒの添加量はそれぞれ前記Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系アルミニウム合金の重量の０．１～０．５重量％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。
ステップ（１）における前記半固体状態での据え込み加工は、４６０～５７５℃で前記ビレットを据え込み加工することであり、ステップ（２）における前記焼戻しは、２００～３００℃の温度で少なくとも１０時間保温することであることを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。
ステップ（１）における前記熱間押出は、３８０～４８０℃の温度で、直径１５０～３００ｍｍの前記インゴットを直径５～１０ｍｍの棒材に熱間押出することであることを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。
ステップ（２）における前記圧延・伸線加工は、横型ローラーダイス伸線機で連続して少なくとも５パスの伸線を行うことであり、各パスの伸線面の圧縮率が６～８％であり、直径０．８～１．６ｍｍまで伸線を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度アルミニウム合金の汎用溶接ワイヤの製造方法。