JP4566091B2

JP4566091B2 - 異材接合方法

Info

Publication number: JP4566091B2
Application number: JP2005238903A
Authority: JP
Inventors: 剛松本; 誠二笹部; 保徳服部; 忠昭三尾野
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: JP2006116600A

Description

本発明は、自動車の各種構造材等として使用されるアルミニウム系材料と鉄系材料との複合構造体を得るための異材接合方法において、特に、ろう材及びフラックスを使用しない異材接合方法に関する。

自動車の各種構造材は、その軽量化のために、一部アルミニウム系材料が使用されており、このため、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材同士を接合する方法の開発が要望されている。従来の異材接合方法としては、アルミニウム系のろう材を使用するろう付けが一般的である（特許文献１及び２、非特許文献１及び２）。同種材料同士を接合する方法として一般的に使用されているレーザ溶接等の溶融溶接方法を、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との異材接合に適用すると、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に、Ａｌ_３Ｆｅ等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が極めて厚く生成し、これがアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間の接合強度を著しく低下させるからである。

また、ろう付けではなく、スポット溶接によりアルミニウム系材料と鉄系材料とを接合する方法もある。更に、異種金属のレーザロール方法も提案されている（特許文献３）。この方法は、第１金属板のみをレーザ照射によって加熱した後、その第１金属板の加熱部を圧接ローラによって第２金属板に押圧して密着させ、塑性変形を与えることによって両金属板を接合するものである。

特開平７−１４８５７１号公報特開平１０−３１４９３３号公報特許第３５３５１５２号公報溶接学会論文集第２２巻第２号ｐ３１５−３２２（２００４）

しかしながら、上記従来の異材接合方法は、以下に示す欠点を有する。先ず、ろう付けによる異材接合方法は、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間に、ろう材を挿入する必要があるため、接合コストが高くなるという問題点がある。

更に、スポット溶接の場合は、線接合ではなく、点接合であるため、接合点間の部分で、液体又は気体が通過するため、被接合材間を、空密的又は液密的に封止することができない。また、スポット溶接は、片面からのみ接合作業することができず、重ね部の両面に電極を配置する必要があるため、接合作業に制約がある。

更にまた、ロール接合においては、異材同士をロールにより加圧する必要があり、大がかりな装置が必要であるという難点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、ろう材を使用せずに、レーザ溶接することができ、容易かつ低コストで異材同士を接合することができる異材接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る異材接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系めっき層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重ね代を３ｍｍ以下とし、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部に、波長が１．０６μｍ以下、前記アルミニウム系被溶接材の表面における照射部のエネルギ密度が１．０×１０ ^６Ｗ／ｃｍ ^２以上、ビーム径が４ｍｍ以下のレーザ光を照射し、照射部で前記アルミニウム系めっき層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型加熱によって溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することを特徴とする。

本発明によれば、ろう材を使用せずにアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とをレーザ溶接することができるので、容易且つ低コストで、また、大がかりな装置を使用せずに、異材同士を接合することができる。そして、本発明は、点接合ではなく、線接合であるので、異材同士を接合部が封密的になるように接合することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図、図２は接合部の断面図である。鉄系被溶接材としての鋼板１と、アルミニウム系（アルミニウム又はアルミニウム合金）被溶接材としてのアルミニウム系板２とをその端部で重ね合わせ、重ね部３を、その端部に沿ってレーザにより溶接する。

鋼板１には、その表面にアルミニウム系被覆層４が被覆されている。この被覆層４は、溶融めっき又は溶射等の手段により形成することができる。この被覆層４は、純アルミニウム又は、例えば、１２％以下のＳｉ及び５％以下のＦｅが含まれたアルミニウム合金である。鋼板１としては、軟鋼、高張力鋼、ステンレス鋼等種々の鋼材を適用することができ、また、鉄系被溶接材としては、その形状は板材に限らず、形鋼等も適用できる。なお、Ｎを３０〜２００ｐｐｍ含有した鋼をめっき母材として使用し、このめっき母材に溶融アルミニウムめっきを施し、その後、３００〜５５０℃の温度域で加熱処理した溶融アルミニウムめっき鋼板を鉄系被溶接材とし、この鉄系被覆溶接材と、アルミニウム系材とをレーザー溶接した場合、更に安定した高い接合強度が得られる。これは鋼中にＮを適量添加し、アルミニウムめっき後、加熱処理をすることによって、めっき時に形成されたＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物と鋼板との界面にＮ濃度が高い領域が生成することで、ＡｌとＦｅの相互拡散を阻害し、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成及び成長を抑制する効果が得られることによる。

アルミニウム系板２としては、純アルミニウム及び種々のアルミニウム合金を適用することができる。また、アルミニウム系板２の形状としては、全体が板材である場合に限らず、重ね部３において、板状になっていればよく、種々の形状の形材等にも適用することができる。

重ね部３の重ね代は、３ｍｍ以下であることが好ましい。この重ね部３の重ね代が３ｍｍを超えると、鋼板１の端部における熱集中が弱くなり、鋼板１の表面のアルミニウム系被覆層が溶融しにくくなる。このため、鋼板１とアルミニウム系板２との間の接合強度が低下する。よって、重ね部３の重ね代は３ｍｍ以下であることが好ましい。好ましくは、重ね代は３ｍｍ以下である。また、重ね代が小さすぎると、接合部の強度が得られないので、好ましくは、重ね代は２ｍｍ以上である。

また、レーザ光の波長は１．０６μｍ以下であることが好ましい。そして、アルミニウム系板２の表面におけるレーザ光照射部のエネルギ密度が１．０×１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上、レーザ光のビーム径が４ｍｍ以下であることが好ましい。この範囲を外れると、アルミニウム系板２の蒸発が起こるキーホール型加熱となり、アルミニウム系板２の鋼板１に対する溶融溶接が適切に行われにくい。このため、レーザ光の照射条件は、上述の範囲が好ましい。

次に、本実施形態の異材接合方法の動作について説明する。先ず、アルミニウム系板２をレーザ光の照射源側に配置して、その端部を鋼板１の端部上に重ね、重ね部３に重ね隅肉継手を構成する。そして、図２に示すように、この重ね部３にＹＡＧ等のレーザ光を照射すると、レーザ光による熱伝導型加熱によって、アルミニウム系板２が部分的に溶融すると共に、鋼板１の表面に形成されたアルミニウム系被覆層４が溶融し、安定した品質の異材接合継手を容易に得ることができる。この鋼板１はその表面にアルミニウム系被覆層が形成されているので、レーザ光の照射によりアルミニウム系板２と共にアルミニウム系被覆層４も溶融するため、両被溶接材は、極めて親和性が高く、安定した溶接接合継手が得られる。

なお、鋼板１の下面側からレーザ光を照射しても、アルミニウム系被覆層（めっき層）は溶融するものの、アルミニウム系板２は温度が低いため溶融しない。このため、両者を接合することができない。

以下、本発明の実施例について説明する。図１に示す重ね隅肉継手を構成した。供試材は、アルミニウム系板２がＪＩＳＡ５１８２Ｐ−Ｏ材であり、その板厚は１ｍｍである。鋼板１はアルミニウムめっき鋼板であり、板厚は１ｍｍである。アルミニウムめっき層のめっき付着量は、６０ｇ／ｍ^２であった。一方、比較例としては、めっきを施さない鋼板（板厚１ｍｍ）を使用した。

図１に示すように、アルミニウム系板２と鋼板１の両端部を重ねあわせ、アルミニウム系板２側から、ＹＡＧレーザを使用してアルミニウム系板２が熱伝導型となる溶融加熱を行った。レーザ溶接条件は、出力が２．０ｋＷ、溶接速度が０．６ｍ／分とした。また、重ね代は、１ｍｍから１ｍｍピッチで５ｍｍまで変更した。

このようにしてレーザ溶接した重ね隅肉継手について、ＪＩＳＺ２２０１５号試験片に加工した後、引張試験を行った。引張破断強度及び破断位置を下記表１に示す。なお、表１の評価欄において、◎は「とくに良好に接合」、○は「接合」、×は「全く接合せず」を示す。

この表１に示すように、アルミニウム系被覆層（めっき層）４を有しない比較例９乃至１４の場合は、鋼板とアルミニウム系板とが直接接触しているので、レーザ光を照射しても、重ね部で溶融接合が生じることはない。

これに対し、実施例１乃至３はアルミニウム系被覆層（めっき層）を有すると共に、重ね代が１乃至３ｍｍであるので、接合部の強度が十分に高く、破断位置がアルミニウム系板２のバルクであった。なお、実施例４乃至６は、接合しているものの、重ね代が請求項２の範囲を超えているため、接合部の強度が低く、接合界面で破断した。また、実施例７に示すＮ添加鋼をめっき母材として用いた場合では、更に優れた継手強度が得られ、実施例８に示す高張力鋼をめっき母材として用いた場合においても適正条件で溶接すれば良好な継手強度が得られる。

本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図である。同じくその接合部の断面図である。

符号の説明

１：鋼板（鉄系被溶接材）
２：アルミニウム系板（アルミニウム系被溶接材）
３：重ね部

Claims

アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系めっき層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重ね代を３ｍｍ以下とし、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部に、波長が１．０６μｍ以下、前記アルミニウム系被溶接材の表面における照射部のエネルギ密度が１．０×１０ ^６Ｗ／ｃｍ ^２以上、ビーム径が４ｍｍ以下のレーザ光を照射し、照射部で前記アルミニウム系めっき層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型加熱によって溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することを特徴とする異材接合方法。