WO2010119925A1 - アルミニウム合金部材の溶接継手 - Google Patents

アルミニウム合金部材の溶接継手 Download PDF

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    • Y10T403/477—Fusion bond, e.g., weld, etc.

Definitions

  • the present invention relates to a welded joint in which one end of a stretched member made of one of aluminum and aluminum alloy is joined to the end of an aluminum alloy cast member.
  • the welded structure described in Patent Document 1 is a subframe.
  • This subframe is manufactured by welding a lid to the frame body.
  • the frame body is an aluminum alloy casting member
  • the lid is an aluminum alloy spreading member.
  • the entire circumference of the lid is joined to the frame body. Since so-called all-around welding is performed, the welding length is remarkably increased, and the welding cost increases. In addition, the welding distortion increases and the correction cost for correcting the distortion increases. Therefore, in the welded structure described in Patent Document 1, manufacturing costs increase.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a conventional welded structure.
  • a subframe 100 as a welded structure includes a right cast member 101, a left cast member 102, and rectangular tubular expanding members 103, 104. It is a rectangular frame obtained by connecting with four welds 105.
  • the cast members 101 and 102 are aluminum alloy cast members
  • the stretch members 103 and 104 are aluminum or aluminum alloy stretch members.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional welded portion, in which a spreading member 103 is inserted into a cast member 101, and both members are joined by an overlap fillet MIG welding method.
  • the casting member 101 is a casting, it inevitably contains gas. Moreover, the melting point of the aluminum alloy casting is lower than the melting point of the aluminum alloy stretched member.
  • the molten metal escapes (leaks) from the gaps 106 and 106. Further, the expanding member 103 is less likely to melt than the cast member 101. When these factors overlap, it becomes difficult to secure the throat thickness 108 in the bead 107. If the throat thickness 108 is insufficient, problems such as insufficient strength and deterioration in quality of the weld 105 occur.
  • the present invention relates to a welded joint obtained by joining one end of an aluminum or aluminum alloy extended member to the end of an aluminum alloy cast member, and a technique capable of preventing insufficient strength and deterioration in quality of the welded joint.
  • the issue is to provide.
  • a welded joint of an aluminum alloy member formed by joining one end portion of an extension member made of one of aluminum and an aluminum alloy to one end portion of a cast member made of an aluminum alloy, A slope extending from the upper surface to the lower surface of the cast member to the middle of the thickness of the cast member, and an insertion portion extending along the lower surface of the extension member from the lower end of the slope toward the tip of the cast member
  • the distance from the lower end of the slope to the end face of one end of the extension member is set to 1.0 to 1.7 times the thickness of the extension member, and the slope is
  • the groove is inclined at an angle of 15 ° to 45 ° with one end face of the extension member, and the groove is welded, so that the insertion portion serves as a backing metal.
  • Aluminum characterized by acting A welded joint of a nium alloy member is provided.
  • the insertion portion plays the role of a backing metal, there is no fear that the molten metal flows out. Since the molten metal accumulates in the groove, it is possible to sufficiently dissolve the stretch member that is difficult to melt. As a result, high strength and high quality welded joints can be obtained.
  • FIG. 2 is an enlarged view of part 2 of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line 8-8 in FIG. It is a perspective view which shows an example of the conventional welding structure. It is sectional drawing of the welding part in the conventional structure.
  • the structure 10 before welding is composed of an aluminum alloy cast member 11 and an aluminum or aluminum alloy stretch member 12. These materials 11 and 12 are integrated later by MIG welding.
  • the end of the cast member 11 is cut obliquely from the upper surface 11 a toward the lower surface 11 b by a height H in the thickness direction. Furthermore, it is cut
  • the inclined surface 14 is inclined with respect to the end surface 12a of the extending member 12 so that the groove angle ⁇ is 15 ° to 45 °.
  • the spreading member 12 is separated from the slope 14 so that the root of the groove has a root interval L that is (1.0 to 1.7) times the thickness T of the spreading member 12.
  • the height H of the slope 14 was made slightly larger than the thickness T of the spreading member 12 as shown in the figure.
  • the insertion portion 13 serves as a backing metal, so there is no concern that the molten metal flows out. Since the molten metal accumulates in the groove, it is possible to sufficiently melt the stretched member that is difficult to melt. As a result, a bead 15 as shown in FIG. 3 can be obtained. The evaluation of this bead 15 is confirmed by experiment.
  • ⁇ Test material -Aluminum alloy cast member: AC4CH-T5 (ISO Al-Si7Mg), thickness 8mm ⁇ Extensible member of aluminum alloy: 6N01-T5, thickness 3.5mm O Groove shape: FIG. However, the groove angle ⁇ , the slope height H, and the route interval L were variables.
  • ⁇ Welding conditions • Type: MIG welding • Filler rod: A5356WY equivalent • Current: 230A ⁇ Rotation angle: 75 ° ⁇ Advance angle: 15 ° ⁇ Welding speed: 70 cm / min
  • ⁇ 30 ° was the best.
  • the required joint efficiency is said to be 70%, but when evaluated at 80% with a 10% margin, the groove angle ⁇ is in the range of 15 ° to 45 °.
  • HT Verification of difference in outer surface
  • the horizontal axis in FIG. 5 is the outer surface difference (HT), and T is 3.5 mm (constant), so the outer surface difference is 0, H is 3.5 mm, the outer surface difference is 1 mm, and H is 4.5 mm.
  • the difference between the outer surfaces is 2 mm and the H is 5.5 mm.
  • a test piece was cut out from the obtained joint, and a tensile test was performed. For relative comparison, the tensile strength when the outer surface difference (HT) was 0 was 1.0, and the outer surface difference was 1.13 times when the outer surface difference was 1 mm, and 1.03 times when the outer surface difference was 2 mm. .
  • ⁇ Verification of route interval L Gap G: In FIG. 2, the gap (gap) between the upper surface of the insertion portion 13 and the lower surface of the expanding member 12 has been set to 0, but here, two types of 0 mm and 1 mm are tested.
  • ⁇ Slope height H 4.5 mm
  • Thickness T of extension member 3.5mm
  • ⁇ Groove angle ⁇ 30 ° Welding was performed under the above conditions, and the joint efficiency was determined for the resulting joint. The results are shown in FIG.
  • the solid line indicates the case where the gap is 0, and the broken line indicates the case where the gap is 1 mm. Assuming that the required joint efficiency is 70%, the solid line indicates that the joint efficiency exceeds 70% if the route interval is 1.0 (the thickness of the expanded member is 1.0) or more. In FIG. 1, in order to easily insert the cast member 11 into the extending member 12, a gap of 0.5 to 1.0 mm is desired.
  • the gap is 1.0 mm, as shown by the broken line, the joint efficiency is deteriorated and becomes less than 70% at 1.7 on the horizontal axis scale. From the above, the points a to b shown in the figure, that is, the root interval of (1.0 to 1.7) times the thickness of the extension member is recommended.
  • the sub-frame 20 as a structure includes a front cross portion 21 and a rear cross portion 22 that extend in the width direction of the vehicle, front arm portions 23 and 24 that extend from both ends of the front cross portion 21, and a rear
  • the rear arm portions 25 and 26 extend from both ends of the cross portion 22, and the left long portion 27 and the right long portion 28 that extend in the longitudinal direction of the vehicle and connect the front cross portion 21 and the rear cross portion 22.
  • the front cross part 21 and the rear cross part 22, the front arm parts 23 and 24, the rear arm parts 25 and 26, the left longitudinal part 27, and the right longitudinal part 28 are cast members made of an aluminum alloy.
  • the front cross portion 21 has a channel shape opened downward. If it is a channel, there are many hollow parts and weight reduction can be achieved. On the other hand, the strength of the hollow cross section is lower than that of the solid cross section. In terms of strength, the bending stress at the center of the vehicle width is maximized. As a countermeasure, a reinforcing plate 29 is added to the vehicle width center portion of the front cross portion 21 as shown in FIG.
  • the reinforcing plate 29 is a spread member made of one of aluminum and aluminum alloy. As shown in FIG. 8, the reinforcing plate 29 is applied to and welded to the front cross portion 21 so as to close the lower opening of the front cross portion 21 that is a cast member. That is, the end portion of the reinforcing plate 29 has the joint shape shown in FIG. 2 and is joined to the front cross portion 21.
  • the weld joint of the present invention is suitable for a vehicle subframe, but may be applied to other welded structures.
  • the welded joint of the present invention is suitable for a vehicle subframe.

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Abstract

　鋳造部材(11)の一端部に展伸部材(12)の一端部を接合してなるアルミニウム合金部材の溶接継手。鋳造部材は、斜面(14)と、この斜面(14)の下端から鋳造部材の先端に向かって展伸部材の下面に沿って延びる差込み部(13)とを有する。斜面下端から展伸部材の一端部の端面(12a)までの距離(L)は、展伸部材の厚さ(T)の１.０～１.７倍に設定されており、該斜面は、展伸部材一端部の端面(12a)との間の開先の角度が１５°～４５°となるよう傾斜している。

Description

アルミニウム合金部材の溶接継手
　本発明は、アルミニウム合金の鋳造部材の端部に、アルミニウムとアルミニウム合金の一方からなる展伸部材の一端を接合した溶接継手に関する。
　アルミニウム合金の鋳造部材に、アルミニウム合金の展伸部材を接合してなる溶接構造物が実用に供されている。このような溶接構造物に関する従来技術としては、特許文献１に開示される技術がある。
　特許文献１に記載された溶接構造物は、サブフレームである。このサブフレームはフレーム本体に蓋体を溶接して製造される。フレーム本体はアルミニウム合金の鋳造部材であり、蓋体はアルミニウム合金の展伸部材である。
　蓋体は、全周がフレーム本体に接合される。いわゆる、全周溶接がなされるため、溶接長さが著しく長くなり、溶接コストが嵩む。加えて、溶接歪が大きくなり、歪を矯正する矯正コストが嵩む。そのため、特許文献１に記載された溶接構造物では、製造費が嵩む。
　特許文献１よりも製造費を低減することができる従来の構造を、図９及び図１０に基づいて説明する。
　図９は従来の溶接構造物の一例を示す図であり、溶接構造物としてのサブフレーム１００は、右側鋳造部材１０１と左側鋳造部材１０２と、角筒状の展伸部材１０３、１０４とを、４個の溶接部１０５で繋ぐことにより得られる矩形フレームである。
　車両の軽量化の一環として、鋳造部材１０１、１０２はアルミニウム合金の鋳造部材とされ、展伸部材１０３、１０４はアルミニウム又はアルミニウム合金の展伸部材が採用される。
　図１０は従来の溶接部の断面図であり、鋳造部材１０１に展伸部材１０３を差込み、重ね隅肉ミグ溶接法により両部材は接合される。
　ところで、鋳造部材１０１に展伸部材１０３を差込む作業を円滑にするために、差込み部に隙間１０６、１０６を設ける必要がある。
　また、鋳造部材１０１は、鋳物であるから、不可避的にガスを内包している。その上、アルミニウム合金鋳物の融点は、アルミニウム合金展伸部材の融点より低い。
　このような条件下で重ね隅肉ミグ溶接を行うと、溶融金属が隙間１０６、１０６から逃げ（洩れ）る。また、展伸部材１０３が鋳造部材１０１より溶け難い。
　これらの要因が重なると、ビード１０７におけるのど厚１０８の確保が難しくなる。のど厚１０８が不足すると、溶接部１０５の強度不足や品質低下という不具合が起こる。
特開２００４－２１００１３公報
　本発明は、アルミニウム合金の鋳造部材の端部に、アルミニウム又はアルミニウム合金の展伸部材の一端を接合してなる溶接継手において、この溶接継手の強度不足や品質低下を防止することができる技術を提供することを課題とする。
　本発明によれば、アルミニウム合金からなる鋳造部材の一端部に、アルミニウムとアルミニウム合金の一方からなる展伸部材の一端部を接合してなるアルミニウム合金部材の溶接継手であって、前記鋳造部材は、前記鋳造部材の上面から下面に向かって前記鋳造部材の厚さの途中まで延びる斜面と、前記斜面の下端から前記鋳造部材の先端に向かって前記展伸部材の下面に沿って延びる差込み部と、を有しており、前記斜面下端から前記展伸部材の一端部の端面までの距離は、前記展伸部材の厚さの１．０～１．７倍に設定されており、前記斜面は、前記展伸部材の一端部の端面との間の開先の角度が１５°～４５°になるよう傾斜しており、前記開先に溶接が施され、もって前記差込み部が裏当て金として作用することを特徴とするアルミニウム合金部材の溶接継手が提供される。
　本発明では、差込み部が裏当て金の役割を果たすため、溶融金属が流れ出る心配はない。溶融金属が開先に溜まるため、溶けにくい展伸部材をも十分に溶かすことができる。結果、強度が大きく、高品質の溶接継手を得ることができる。
鋳造部材に展伸部材をセットした状態を示す概略図である。 図１の２部拡大図である。 本発明による溶接継ぎ手の溶接部を示す断面図である。 開先角度と継手効率の相関を示すグラフである。 外面差と引張強さの相関を示すグラフである。 開先間隔と継手効率の相関を示すグラフである。 溶接構造物の平面図である。 図７の８－８線断面図である。 従来の溶接構造物の一例を示す斜視図である。 従来の構造物における溶接部の断面図である。
　本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
　本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
　図１に示されるように、溶接施工前の構造物１０は、アルミニウム合金の鋳造部材１１と、アルミニウム又はアルミニウム合金の展伸部材１２とからなる。これらの材料１１、１２同士は、後にミグ溶接により一体化される。
　溶接施工前の開先形状を、図２で説明する。
　図２に示されるように、鋳造部材１１の端部は、厚さ方向に高さＨだけ上面１１ａから下面１１ｂに向かって斜めに切り込まれている。さらに、斜面１４の下端から端面まで下面１１ｂに平行に切断されている。結果、鋳造部材１１の端部に、展伸部材１２の下面に沿って延びる差込み部１３が形成される。
　なお、斜面１４は、展伸部材１２の端面１２ａとで開先角度θが１５°～４５°になるようにして傾いている。
　展伸部材１２は、開先の底が展伸部材１２の厚さＴの（１．０～１．７）倍のルート間隔Ｌが得られるように、斜面１４から離されている。
　斜面１４の高さＨは、図に示されるように展伸部材１２の厚さＴより、若干大きくした。
　この形態の開先にミグ溶接を施すと、差込み部１３が裏当て金の役割を果たすため、溶融金属が流れ出る心配はない。溶融金属が開先に溜まるため、溶けにくい展伸部材を十分に溶かすことができる。結果、図３に示すようなビード１５を得ることができる。
　このビード１５の評価を、実験で確かめる。
　（実験例）
　本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
○供試材：
　・アルミニウム合金の鋳造部材：ＡＣ４ＣＨ－Ｔ５（ＩＳＯ　Ａｌ－Ｓｉ７Ｍｇ）、厚さ８ｍｍ
　・アルミニウム合金の展伸部材：６Ｎ０１－Ｔ５、厚さ３．５ｍｍ
○開先形状：図２。ただし、開先角度θ、斜面の高さＨ、ルート間隔Ｌは変数とした。
○溶接条件：
　・種類：ミグ溶接
　・溶加棒：Ａ５３５６ＷＹ相当品
　・電流：２３０Ａ
　・回転角：７５°
　・前進角：１５°
　・溶接速度：７０ｃｍ／分
○開先角度の検証：
　・斜面の高さＨ：４．５ｍｍ
　・ルート間隔Ｌ：５ｍｍ
　・開先角度θ：１０°、１５°、３０°、４５°、５０°
の条件で溶接を実施し、得られた継手について、継手効率を求めた。結果を図４に示す。
　図４に示すように、θ＝３０°が最良であった。一般に要求される継手効率は７０％と言われているが、１０％余裕を持たせた８０％で評価すると、開先角度θは、１５°～４５°の範囲となる。
○外面差（Ｈ－Ｔ）の検証：
　図２に示される展伸部材１２の厚さＴと、斜面１４の高さＨとの関係を調べた。結果を図５に示す。
　図５の横軸は、外面差（Ｈ－Ｔ）であり、Ｔが３．５ｍｍ（一定）であるから、外面差が０でＨは３．５ｍｍ、外面差が１ｍｍでＨは４．５ｍｍ、外面差が２ｍｍでＨが５．５ｍｍとなる。得られた継手からテストピースを切出し、引張試験を実施した。相対比較をするために、外面差（Ｈ－Ｔ）が０での引張強さを１．０とした、外面差が１ｍｍでは１．１３倍、外面差が２ｍｍでは１．０３倍であった。
○ルート間隔Ｌの検証：
　・ギャップＧ：図２において、差込み部１３の上面と展伸部材１２の下面との間の隙間（ギャップ）は、０に設定してきたが、ここでは、０ｍｍと１ｍｍの２種類を実験する。
　・斜面の高さＨ：４．５ｍｍ
　・展伸部材の厚さＴ：３．５ｍｍ
　・ルート間隔Ｌ：４ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝１．１４）、５ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝１．４２）、６ｍｍ（Ｌ／Ｔ＝１．７１）
　・開先角度θ：３０°
　以上の条件で溶接を実施し、得られた継手について、継手効率を求めた。結果を図６に示す。
　図６で実線は、ギャップが０の場合を示し、破線はギャップが１ｍｍの場合を示す。
　要求される継手効率を７０％とすると、実線では、ルート間隔が１．０（展伸部材の厚さを１．０とした。）以上であれば、継手効率は７０％を超える。
　図１において展伸部材１２に鋳造部材１１を容易に差込むには、０．５～１．０ｍｍの隙間が欲しい。
　隙間が１．０ｍｍであれば、破線で示すように、継手効率は悪くなり、横軸目盛りの１．７で７０％未満になる。
　以上から、図中に示すａ点～ｂ点、すなわち、展伸部材の厚さの（１．０～１．７）倍のルート間隔が推奨される。
　本発明の溶接継手を車両のサブフレームに適用した例を図７及び図８で説明する。
　図７に示すように、構造物としてのサブフレーム２０は、車両の幅方向に延びる前クロス部２１及び後クロス部２２と、前クロス部２１の両端から延びる前アーム部２３、２４と、後クロス部２２の両端から延びる後アーム部２５、２６と、車両の長手方向に延びて前クロス部２１と後クロス部２２とを繋ぐ左長手部２７及び右長手部２８とからなる。
　前クロス部２１及び後クロス部２２と、前アーム部２３、２４及び後アーム部２５、２６と、左長手部２７及び右長手部２８は、アルミニウム合金による鋳造部材である。
　図８に示すように、前クロス部２１は下方に開放されたチャンネル形状とされる。チャンネルであれば中空部分が多く、軽量化が図れる。反面、中実断面に比較して中空断面は強度が低下する。強度の面では、車幅中央部の曲げ応力が最大となる。
　対策として、図７に示すように前クロス部２１の車幅中央部に補強板２９を加える。
　この補強板２９は、アルミニウムとアルミニウム合金との一方からなる展伸部材である。この補強板２９は、図８に示すように、鋳造部材である前クロス部２１の下方開口部を塞ぐようにして、前クロス部２１に当てられ、溶接される。すなわち、補強板２９の端部が、図２に示す継手形状とされ、前クロス部２１に接合される。
　図７に示される後クロス部２２、左右長手部２７、２８も同様に、中央部が補強板２９で補強される。
　尚、本発明の溶接継手は、車両のサブフレームに好適であるが、その他の溶接構造物に適用することは差し支えない。
　本発明の溶接継手は、車両のサブフレームに好適である。
　１０…構造物、１１…鋳造部材、１２…展伸部材、１２ａ…展伸部材の端部、１３…差込み部、１４…斜面、１５…ビード、Ｌ…ルート間隔、Ｔ…展伸部材の厚さ、θ…開先角度。

Claims (1)

  1. 　アルミニウム合金からなる鋳造部材の一端部に、アルミニウムとアルミニウム合金の一方からなる展伸部材の一端部を接合してなるアルミニウム合金部材の溶接継手であって、
    　前記鋳造部材は、前記鋳造部材の上面から下面に向かって前記鋳造部材の厚さの途中まで延びる斜面と、前記斜面の下端から前記鋳造部材の先端に向かって前記展伸部材の下面に沿って延びる差込み部と、を有しており、
    　前記斜面下端から前記展伸部材の一端部の端面までの距離は、前記展伸部材の厚さの１．０～１．７倍に設定されており、
    　前記斜面は、前記展伸部材の一端部の端面との間の開先の角度が１５°～４５°になるよう傾斜しており、
    　前記開先に溶接が施され、もって前記差込み部が裏当て金として作用することを特徴とするアルミニウム合金部材の溶接継手。
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