説明

異材接合方法

【課題】 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。
【解決手段】 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(板2)と、鉄系被溶接材(鋼板1)とをレーザ溶接する。鋼板1はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層(めっき層)が設けられており、アルミニウム系板2をレーザ照射源側に配置してアルミニウム系板2と鋼板1とをそれらの端部で重ね、その重ね部3に、ろう材及びフラックスを使用せずにレーザ光を照射する。これにより、この重ね部3で、亜鉛系被覆層及びアルミニウム系板2を溶融させて、アルミニウム系板2と鋼板1とを接合する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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、AlFe等の脆いAl−Fe系金属間化合物が生成し、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。
【0003】
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。
【0004】
【特許文献1】特開平7−148571号公報
【特許文献2】特開平10−314933号公報
【特許文献3】特許第3535152号公報
【非特許文献1】溶接学会論文集第22巻第2号p315−322(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆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なり部にレーザ光を照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を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。
【0010】
この異材接合方法において、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は、3mm以下であることが好ましい。また、前記レーザ光の波長は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1.0×10W/cm以上、前記レーザ光のビーム径が4mm以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、ろう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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
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。
【0013】
鋼板1には、その表面に亜鉛系(亜鉛又は亜鉛合金)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、純亜鉛又はアルミニウム、マグネシウム又は鉄等を含む亜鉛合金である。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、形鋼等にも適用できる。
【0014】
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。
【0015】
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の表面の亜鉛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。
【0016】
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1.0×10W/cm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。
【0017】
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亜鉛系被覆層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はその表面に亜鉛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と共に亜鉛系被覆層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。鋼板1の表面の亜鉛被覆層4は、アルミニウム系板2の端部が溶融して得られるアルミニウム系溶融金属と、溶加材が溶融したアルミニウム系溶融金属との濡れ性が良いため、溶融金属が鋼板1の表面に広く広がり、安定した品質の継手を得ることができる。
【0018】
なお、鋼板1の下面側からレーザ光を照射しても、亜鉛系被覆層(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。
【実施例】
【0019】
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量は、120g/cm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。
【0020】
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。
【0021】
このようにしてレーザ溶接した重ね隅肉継手について、JIS Z2201 5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。但し、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。
【0022】
【表1】

【0023】
この表1に示すように、亜鉛系被覆層(めっき層)4を有しない比較例7乃至12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。
【0024】
これに対し、実施例1乃至3は亜鉛系被覆層(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。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】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。
【図2】同じくその接合部の断面図である。
【符号の説明】
【0026】
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
4:亜鉛系被覆層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆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なり部にレーザ光を照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を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。
【請求項2】
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は、3mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の異材接合方法。
【請求項3】
前記レーザ光の波長は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1.0×10W/cm以上、前記レーザ光のビーム径が4mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の異材接合方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2006−88175(P2006−88175A)
【公開日】平成18年4月6日(2006.4.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−274251(P2004−274251)
【出願日】平成16年9月21日(2004.9.21)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)国等の委託研究の成果に係る特許出願(平成14年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「地球温暖化防止新技術プログラム/自動車軽量化のためのアルミニウム合金高度加工・形成技術の開発事業(2.アルミニウム/鋼ハイブリッド構造の開発)プロジェクト」委託研究、産業活力再生特別措置法第30条の適用を受けるもの)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】