異材接合用溶加材及び異材接合方法
【課題】アルミニウム又はアルミニウム合金材と、アルミニウム被覆鋼材とからなる複合構造材の接合部の引張強度及びピール強度を向上させる異材接合用溶加材を提供する。
【解決手段】本発明に係る溶加材は、Ｎを０．００２〜０．０２０質量％含有する鋼板１０３の表面にアルミニウム被覆層１０４を有し、アルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼板１０１と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される。本発明に係る溶加材は、Ｓｉ：０．５〜１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る溶加材は、Ｎを０．００２〜０．０２０質量％含有する鋼板１０３の表面にアルミニウム被覆層１０４を有し、アルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼板１０１と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される。本発明に係る溶加材は、Ｓｉ：０．５〜１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材及びその溶加材を使用した異材接合方法に関し、特に、所定量のＮを含有する鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材との異材金属の接合に使用される異材接合用溶加材、及び、その異材接合用溶加材を使用した異材接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の各種構造材等には、軽量化のために、その一部に、従来から使用されている鋼材に代えて、アルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウム系材という）を使用した複合構造材が使用されている。
【０００３】
このような複合構造材は、鋼材とアルミニウム系材とを例えばＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、又はレーザ溶接等により接合して得られる。
【０００４】
しかし、鋼材とアルミニウム系材とを溶接すると、アルミニウム系材と鋼材の接合界面にＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が生成する。このような脆い金属間化合物が発生すると、アルミニウム系材と鋼材との間の接合強度が著しく低下する。そのため、そのような金属間化合物の生成を抑制する技術が必要とされる。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２には、溶加材中のＳｉ、Ｍｇ又はＭｎ等の成分を低くし、これによって鋼材とアルミニウム系材との接合強度を向上させた異材接合方法が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１、２により鋼材とアルミ系材の界面に生じる金属間化合物の低減がある程度達成できるが、実用的な接合強度としては不十分である。特に、従来では接合強度は一般的に接合部のせん断強度（接合後の材料の引張強度）により評価され、特許文献１においても引張せん断強度により評価されている。ところが、実際の異材接合材が適用される構造体においては鋼材とアルミニウム系材との間にはせん断方向の引張せん断強度のみではなく、引き剥がし方向の力が働くことがあり、上記特許文献１、２に開示された溶加材を用いるだけでは、引き剥がし方向の荷重（ピール強度）が実用上不十分であるという問題点がある。即ちアルミニウム系材と鋼材の異材接合材においては、アルミニウム系材同士又は鋼材同士のような同種の材料の接合に比べてピール強度が著しく低下する。
【０００７】
一方、特許文献３には、所定量のＮを含有する鋼板をアルミニウムめっき層で被覆すると共に、アルミニウムめっき層と鋼板との界面にＮ濃縮層を有する鋼材と、アルミニウム系材とを、Ａ４０４３又はＡ５５５４といった溶加材を用いて接合する異材接合方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２４１４７号公報（第６〜８頁）
【特許文献２】実用新案登録第３１３５４５６号公報（第２頁）
【特許文献３】特開２００７−２７５９８１号公報（第４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献３に記載されている異材接合方法により、ある程度の引張せん断強度及びピール強度が得られるものの、実用上、更に一層高い強度が求められている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鋼材とアルミニウム系材とを異材接合させた複合構造材の引張せん断強度を高く維持しつつ、ピール強度を高くすることができる異材接合用溶加材、及び、その異材接合用溶加材を使用した異材溶接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】
【００１１】
本願第１発明に係る異材接合用溶加材は、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される溶加材において、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、異材接合用溶加材のＳｉ濃度が０．５乃至１．８質量％であるため、融点が低くなると共に金属間化合物の成形領域を減少させ、且つ金属間化合物の厚さを減少させることができる。この結果、アルミニウム又はアルミニウム合金被覆鋼材（以下、アルミニウム被覆鋼材と総称する。）とアルミニウム系材との引張せん断強度が向上するのみでなく、ピール強度も大幅に向上させることができる。更に、本発明においては、ワイヤ形式をＦＣＷ（フラックス入りワイヤ）の形式のみでなくソリッドワイヤの形態とすることもできるため、溶接時に特段の配慮及び新規装置は不要である。また、本発明の異材接合用溶加材は、消耗電極として滴下移行するものであるため、ろう材を挿入する必要もない。これにより、アルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼材とを、容易且つ低コストで接合することができる。
【００１３】
上述の発明において、前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることが好ましい。これにより、ピール強度を更に向上させることができる。
【００１４】
更に、Ｍｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することが好ましい。これにより、金属間化合物の生成を抑制し、引張せん断強度及びピール強度の向上を更に図ることができる。
【００１５】
本発明に係る異材接合用溶加材は、上記の成分に加えて、Ｍｇ≦０．１質量％、及び／又は、Ｆｅ≦０．２質量％含有することができる。所定量のＭｇ、Ｆｅの添加により異材接合部の強度向上を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る異材接合方法は、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム系材からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム系材とを、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、異材接合用溶加材中のＳｉ含有量を０．５乃至１．８質量％と低く抑えているので、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の低減若しくは消失効果を促進することができ、複合構造材の引張せん断強度及びピール強度の向上が図れる。また、鋼材上のアルミニウム被覆層とアルミニウム系材とは溶融金属同士の親和性に優れているので、均一的な接合部を形成することができ、そのため接合部の引張せん断強度を向上させることができる。
【００１８】
上述の発明において、異材接合用溶加材の前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることが好ましい。これにより更にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の低減若しくは消失効果を促進することができ、より一層ピール強度の向上を図ることができる。
【００１９】
また、前記異材接合用溶加材は、更にＭｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することが好ましい。Ｍｎの濃度を０＜Ｍｎ≦０．３質量％とすることで、金属間化合物抑制の効果があり、複合構造材の引張せん断強度及びピール強度の向上を図ることができる。
【００２０】
本発明に係る異材接合方法では、使用する異材接合用溶加材について、上述の成分に加えてＭｇ≦０．１質量％及び／又はＦｅ≦０．２質量％含有することができる。所定量のＭｇ及び／又はＦｅの添加により、異材接合部の強度向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼材とを異材接合させた複合構造材の接合部に生じやすい脆い金属間化合物の低減を図ることができるから、複合構造材の引張せん断強度を高く維持しつつ、ピール強度を著しく高くすることができる。また、複合構造材の溶接部の強度、特に高い引張せん断強度を保ちつつピール強度も高めることができるため、継手の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】異材接合部における金属間化合物の生成領域を示す断面図である。
【図２】異材接合方法を示す斜視図である。
【図３】異材接合された継手の接合部を示す断面図である。
【図４】異材接合体の引張せん断試験を示す模式図である。
【図５】異材接合体のピール強度試験を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る溶加材について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、アルミニウム被覆鋼材とアルミニウム系材とを、ＭＩＧ（ミグ）溶接により重ね隅肉溶接した場合の溶接部近傍を示す断面図である。図２は、本実施形態の異材接合方法を示す斜視図である。図３は図２に示す方法で異材接合された継手の接合部を示す断面図である。
【００２４】
図１に示すように、鋼板１０３は、アルミニウム被覆層１０４（アルミニウム系材からなる被覆層）が形成されたアルミニウム被覆鋼板１０１であり、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する。アルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面には、Ｎ：３．０原子％以上のＮ濃縮層を有する。本発明に係る溶加材は、例えば図３に示す溶接ワイヤ１０６であり、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金である。そして、図３に示すように、トーチ１０５から送給される異材接合用溶加材としての溶接ワイヤ１０６と、被溶接材（アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２）との間に交流アークを発生させ、ＭＩＧ（ミグ）溶接する。これにより、アルミニウム被覆層１０４及びアルミニウム系材（アルミニウム又はアルミニウム合金材）１０２の端部が溶融し、図２に示す重ね部１０９を重ね隅肉溶接して、図１及び図３に示す溶接金属部１０７が形成される。
【００２５】
アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とのミグ溶接に際しては、アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とを重ね合わせ、その隅肉開先部を、例えば溶接電流５０Ａ、溶接電圧１０Ｖ、溶接速度５０ｃｍ／分の条件で連続的に線接合する。これにより、アーク熱で、接合部のアルミニウム系材１０２及びアルミニウム被覆層１０４が溶融し、相互拡散によって融合した後、固化して接合される。
【００２６】
鋼板１０３とアルミニウム被覆層１０４との界面に生成している金属間化合物（以下、ＩＭＣとする。）であるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６から溶融ＡｌにＦｅ，Ｓｉが溶け込み、接合界面ではＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６が消失する。そして、鋼板１０３から溶融Ａｌに溶け込むＦｅもある。この溶け込んだＦｅは溶接時の冷却過程で再析出し、接合強度が極端に低下する脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層１１７が接合界面に形成されるものの、Ａｌ−Ｆｅ二元合金層１１７は溶接金属部１０７の脚長の全域まで成長しておらず、溶接金属部１０７が鋼板１０３に直接密着した合金層消失域１１９が存在しており、この部分で接合状態が保たれる（図１）。即ち、合金層消失域１１９が広がるほど、接合強度が高くなる。
【００２７】
本発明者等は、図１のような接合界面が得られる条件を種々調査検討した結果、異材接合用溶加材に含有されるＳｉの濃度が接合界面のＡｌ−Ｆｅ二元合金層１１７の生成に大きな影響を及ぼしていることを見出した。即ち、異材接合用溶加材に含有されるＳｉの濃度を０．５乃至１．８質量％とすることで、合金層消失域１１９のある接合界面が生成され、これにより接合強度が向上するのである。
【００２８】
以下、本実施形態の溶加材における数値限定理由について説明する。
Ｓｉ含有量：０．５乃至１．８質量％
元々アルミニウム被覆鋼板１０１のアルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面には、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金からなるＩＭＣが存在する。この三元系金属間化合物が、溶接時の熱によりＡｌの融点（６６０℃）を超える高温に加熱され、溶接溶融金属中に溶出する。この溶接溶融金属は、接合対象であるアルミニウム系材、異材接合用溶加材、アルミニウム被覆層、及び、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金が、混合希釈されたもので構成される。溶接溶融金属に溶出したＦｅは、溶融金属の冷却凝固時に接合界面にＡｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣを形成するが、鋼材側からのＦｅの拡散がＮ濃縮層によりブロックされるため、溶接脚長方向全面にＩＭＣが形成されないＩＭＣ未成形領域が出現するとともにＡｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣの厚さが薄くなる。異材接合用溶加材へのＳｉの添加により冷却後の溶接金属部の硬度が増加し、引張せん断強度が向上する。Ｓｉの添加によりアルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２との間のＩＭＣの厚みが薄くなると共に、ＩＭＣの存在しないＩＭＣ未形成領域（合金層消失域）１１９が出現する。これにより、アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とが強固に接合され、ピール強度が大幅に向上するため、溶接強度の向上にはＳｉの添加が不可欠である。Ｓｉの添加量が０．５質量％未満では溶接金属部の硬度が不十分であり、引張せん断強度が低くなる。一方、Ｓｉ溶加材をあまり多く添加しすぎるとＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系ＩＭＣの溶接溶融金属への溶出効果を阻害することになるとともに溶接金属部の延性が低くなり、結果的に一定の引張せん断強度があってもピール強度の低下が生じる。即ち、Ｓｉが１．８質量％より多いと、接合部の硬度が増加する反面、延性が低下するため、ピール強度が低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．５乃至１．８質量％である。なお、Ｓｉ含有量を０．５乃至１．４質量％とすると、ピール強度特性が更に好ましくなり、Ｓｉ含有量を０．５乃至１．０質量％とすることにより、更に良好なピール強度を示す。
【００２９】
Ｍｎ含有量：≦０．３質量％
本発明ではＳｉに加えてＭｎを所定量まで添加することができる。この場合、Ｍｎの固溶強化作用により継手強度が高くなるが、一方でＭｎが多すぎると巨大晶が生じ、また、ＭｎはＳｉと結びつきやすいため、上述したＳｉによるＩＭＣ低減効果が相殺される。従って、Ｍｎを添加する場合は、０．３質量％以下にすることが必要である。
【００３０】
その他溶加材中の不純物
本発明に係る異材接合用溶加材の不純物として、Ｍｇ≦０．１質量％、及び／又はＦｅ≦０．２質量％含むことができる。Ｍｇの含有により継手強度が向上するが０．１質量％より多いと、溶接金属部の延性が低下し、ピール強度が大幅に低下する。また、Ｆｅは不純物として溶加材に含まれることがあるが、Ｆｅの含有量が０．２質量％より高いとアルミニウム合金被覆と鋼の界面に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金が溶接加熱時に溶融金属部へ溶出するのが阻害され、ピール強度が低下する。
【００３１】
鋼板中のＮ量及びＮ濃縮層
本発明の異材接合用溶加材の前提として、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％を含む鋼板１０３を加熱処理すると、溶融めっき時に生成したＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６と鋼板１０３との界面にＮ濃縮層が生成する。Ｎ濃縮層のＮ含有量が、３．０原子％以上になるとＡｌ−Ｆｅの相互拡散がブロックされる。このため、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６と鋼板１０３との間に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系ＩＭＣが溶接時において鋼側に拡散せずに、溶融金属側への拡散が促進される。この結果、本発明の異材接合用溶加材との相乗効果により、Ａｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣの未成形領域の拡大及びＩＭＣの薄膜化が促進され、引張せん断強度のみでなくピール強度の向上が図れる。
【００３２】
異材接合方法
次に、前述の溶加材を使用して、アルミニウム系材１０２とアルミニウム被覆鋼板１０１とを異材接合する方法について説明する。図２及び図３に示すように、本実施形態の異材接合方法は、アルミニウム被覆鋼板１０１と、アルミニウム系材１０２とを、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％を含有し残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して、例えばミグアーク溶接等により接合する。
【００３３】
鋼板１０３は、例えば、低炭素鋼、中炭素鋼又は低合金等を使用することができ、用途に応じてＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ又はＡｌ等を添加することができる。また、鋼板１０３の表裏面には、純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被覆層１０４が形成されている。このような被覆鋼材は、例えば、鋼板１０３の両面に溶融めっき又は溶射等によりアルミニウム被覆層１０４を形成した後、シャーリング等によって必要な部分を切り出すことにより製造されるため、その端面には、アルミニウム被覆層１０４は形成されていない。アルミニウム被覆層１０４中のＳｉは、めっき時に、めっき層のＡｌと鋼板素地のＦｅとの脆い二元系ＩＭＣを減少させる観点から、添加量を３乃至１２質量％とすることが好ましい。アルミニウム被覆層１０４中のＦｅは、鋼板１０３からアルミニウム被覆層１０４への溶け込み量を低減させ、Ａｌ−Ｆｅ二元合金層１１７の生成を抑制させる観点から、０．５乃至５質量％とすることが好ましい。アルミニウム系材１０２は、６０００系、５０００系、３０００系、７０００系、又は１０００系等適宜選択することができるが、接合体の強度の点から６０００系とするのが望ましい。
【００３４】
本実施形態の異材接合方法においては、先ず、図２及び図３に示すように、アルミニウム系材１０２をトーチ１０５側、即ち、アルミニウム被覆鋼板１０１の上方に配置し、その端部をアルミニウム被覆鋼板１０１の端部上に重ね、重ね部１０９に重ね隅肉継手を構成する。
【００３５】
その後、この重ね部１０９において、トーチ１０５から送給される異材接合用溶加材、即ち、溶接ワイヤ１０６と、被溶接材（アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２）との間に交流アークを発生させる。これにより、電極ワイヤである溶接ワイヤ１０６が陽極となるサイクルにおいては、アークのクリーニング作用によってアルミニウム被覆層１０４の表面酸化膜が除去され、更にアーク熱により、アルミニウム被覆層１０４及びアルミニウム系材１０２の端部が溶融する。そして、アークを発生させながらトーチ１０５をアルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２の端部に沿って移動させることにより、重ね部１０９を重ね隅肉溶接する。
【００３６】
このように、本実施形態の異材接合方法においては、クリーニング作用によって酸化膜が除去されたアルミニウム被覆層１０４を、アーク熱によって溶融しているため、アルミニウム被覆層１０４により形成される溶融金属が鋼材１０１の表面に充分に濡れ広がる。また、本実施形態の異材溶接方法においては、溶接ワイヤ１０６としてＡｌ−Ｓｉ系溶加材を使用しており、アルミニウム系材１０２、溶接ワイヤ１０６及びアルミニウム被覆層１０４が、いずれも同種の金属材料により形成されている。このため、アルミニウム系材１０２の端部が溶融して形成される溶融金属及び溶接ワイヤ１０６が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム被覆鋼板１０１の表面に濡れ広がったアルミニウム被覆層１０４の溶融金属との親和性が高く、アルミニウム系材１０２とアルミニウム被覆鋼板１０１とを、広い面積で良好に接合することができる。
【００３７】
また、本実施形態の異材接合方法においては、鋼板１０３の表面にアルミニウム被覆層１０４が形成されているため、アルミニウム系材１０２の端部が溶融して形成される溶融金属及び溶接ワイヤ１０６が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム被覆鋼板１０１とは直接混合しない。これにより、接合部、即ち、溶接金属部１０７中に、Ｆｅ２Ａｌ５及びＦｅＡｌ３等の硬くて脆い金属間化合物が生成することを防止できる。但し、溶接時にアルミニウム被覆鋼板１０１が溶融すると、このアルミニウム被覆鋼板１０１の融液とアルミニウム合金からなる溶融金属とが接触し、継手の接合強度を低下させる金属間化合物が容易に生成する。このため、本実施形態の異材接合方法においては、アルミニウム被覆鋼板１０１が溶融しない条件で溶接することが好ましい。
【００３８】
なお、溶接方法は、ミグアーク溶接に限定されず、ティグ溶接等のアーク溶接、レーザ溶接及びアークとレーザとを併用したハイブリッド溶接等、溶加材を使用する溶接方法であれば適用することができる。また、溶加材の形態は中実のソリッドワイヤのみでなく、フラックスを中に充填したフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を用いることもできる。
【００３９】
更に、本実施形態の異材接合方法においては、表裏面の全面にアルミニウム被覆層１０４が設けられているアルミニウム被覆鋼板１０１を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルミニウム被覆層１０４は、接合に必要な箇所に設けられていればよく、局所的に形成されていてもよい。具体的には、少なくとも、アルミニウム被覆鋼板１０１におけるアークが当たる面のアークが当たる領域に設けられていればよく、更に、アルミニウム被覆鋼板１０１の表面におけるアルミニウム系材１０２と重ね合わされる部分にも形成されていることが好ましい。
【００４０】
更にまた、本実施形態の異材接合方法においては、被溶接材として、板状のアルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２を使用しているが、アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２の形状はいずれも、全体が板状でなくてもよく、相互に重ね合わされる部分が板状であればよく、種々の形状の形材及び鋳物等にも適用することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として、表１に示すＡｌ−Ｓｉ系溶加材（１．２ｍｍφソリッド）を使用し、図２及び図３に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで６０２２−Ｔ４で規定されているアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍからなり、成分がＣ：０．０３９％、Ｓｉ：０．０１質量％、Ｍｎ：０．２３質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．００８質量％、Ａｌ：０．０１０質量％、Ｎ：０．００１５乃至０．０３質量％含み、板厚が１．０ｍｍの冷延鋼板にＳｉ：９．５質量％、Ｆｅ：１．５質量％含有し、目付け量が６０ｇ／ｍ２（片面当たり）のアルミニウム被覆層を溶融めっきによりめっき形成した後、ポスト加熱として、４５０℃×１５ｈｒの加熱処理を施した鋼板とを交流ＭＩＧ溶接した。被溶接材の寸法は夫々鋼板が１００ｍｍ幅×１５０ｍｍ長であり、アルミニウム合金板が１００ｍｍ幅×１５０ｍｍ長であり、両者の重ね代を５０ｍｍとして継手を形成し、すみ肉溶接した。
【００４２】
溶接条件としては、溶接電流５０Ａ，溶接電圧７Ｖ、溶接速度５０ｃｍ／分、シールドガス２５リットル／分（アルゴンガス）の条件で溶接を行った。
【００４３】
この異材溶接材の接合界面部の脚長方向の端部及び中央部に観察点をとって観察し、接合界面にある合金層をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＥＤＸ（８４０Ａ、日本電子株式会社製）で定量した。また、接合部の溶接金属部の硬度をビッカース硬度計で測定した。
【００４４】
更に幅２５ｍｍの試験片を切り出し、図４にて矢印で示すように、接合面と平行の方向に１０ｍｍ／分の引張速度にて破断荷重を加え、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠して引張せん断試験を行った。結果は、溶接長で除した単位溶接長当たりの強度（Ｎ／ｍｍ）にて評価した。
【００４５】
また、引張せん断試験と同様に幅２５ｍｍの試験片を切り出し、図５に矢印で示すように溶接止端部から１０ｍｍの位置で９０度曲げを行い、１０ｍｍ／分の引張速度にて破断荷重を加え、ＪＩＳ Ｚ３００１に準拠してピール剥離試験を行った。なお、ピール剥離試験については、破断強度の他に、チャック間距離５０ｍｍ間における破断伸び（％）も測定して評価した。ピール剥離強度についても試験片の単位長さあたりの破断荷重（Ｎ／ｍｍ）で評価した。また、ピール剥離強度と破断に至るまでの伸びとの積をピール剥離特性として評価を行い、数値が０乃至２００のものを××、２００超乃至５００を×、５００超乃至７５０を○、７５０超乃至１０００を○○、１０００超乃至１５００を○○○、１５００超を○○○○として評価を行った。以上の結果を表１に記載する。
【００４６】
【表１】
【００４７】
比較例１〜３においては、溶加材中のＳｉが低いためＩＭＣの未成形領域が小さく、ＩＭＣの厚さも厚くなっており、溶接金属部の硬度、引張せん断強度、ピール剥離強度全てにおいて低い値を示し、ピール剥離特性も低いものとなった。一方、比較例１３においては、溶加材中のＳｉが高いため、ＩＭＣ未成形領域やＩＭＣ厚さ及び溶接金属部の硬度、引張せん断強度については一定の値を示したが、ピール剥離特性については、低いものとなった。比較例６においては、Ｍｎの含有量が高いためＩＭＣの未成形領域が小さく、ピール強度が低くなった。比較例１１、１２においては、Ｓｉは好適な数値であるものの、Ｍｎの含有量が高いため、ＩＭＣの成形領域が相対的に小さくなりピール特性が低下した。また、比較例７においては、鋼中のＮ量が少ないため、ＩＭＣの未成形領域が無く、低いピール強度となった。本願発明の成分範囲内の溶加材を用いても比較例７はアルミニウム被覆鋼板の下地鋼板のＮ量が少なく、十分なＮ濃縮層が形成されないため、ＩＭＣが脚長全面に生成し、ピール強度及びピール剥離特性が著しく低下した。比較例８はアルミニウム被覆鋼板の下地鋼板のＮ量が多すぎるため、鋼板自体の脆化に起因すると推定されるピール剥離強度の低下が生じた。
【００４８】
一方、実施例１、３、４、５、６、７、８、１０はＳｉが０．５乃至１．８質量％を含有するものであり、ＩＭＣの未成形領域が大きく、引張せん断強度のみでなくピール剥離強度、ピール特性が大きくなっている。特にＳｉ：０．５乃至１．４質量％において高いピール特性を示している。また、実施例２、９、１１については、Ｍｎを添加した例であるが、Ｍｎ添加量が０．３質量％であるため、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％添加したものよりもＩＭＣ未成形領域が若干小さくなりピール剥離強度、ピール特性が若干低下するものの良好な値を示している。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、特に高い引張せん断強度及びピール強度が要求されるアルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼板とからなる複合構造材の形成に役立つ。
【符号の説明】
【００５０】
１０１：アルミニウム被覆鋼板
１０２：アルミニウム系材
１０３：鋼板
１０４：アルミニウム被覆層
１０５：トーチ
１０６：異材接合用溶加材
１０７：溶接金属部
１１６：Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層
１１７：Ａｌ−Ｆｅ二元合金層
１１９：合金層消失域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材及びその溶加材を使用した異材接合方法に関し、特に、所定量のＮを含有する鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材との異材金属の接合に使用される異材接合用溶加材、及び、その異材接合用溶加材を使用した異材接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の各種構造材等には、軽量化のために、その一部に、従来から使用されている鋼材に代えて、アルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウム系材という）を使用した複合構造材が使用されている。
【０００３】
このような複合構造材は、鋼材とアルミニウム系材とを例えばＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、又はレーザ溶接等により接合して得られる。
【０００４】
しかし、鋼材とアルミニウム系材とを溶接すると、アルミニウム系材と鋼材の接合界面にＦｅＡｌ３、Ｆｅ２Ａｌ５等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が生成する。このような脆い金属間化合物が発生すると、アルミニウム系材と鋼材との間の接合強度が著しく低下する。そのため、そのような金属間化合物の生成を抑制する技術が必要とされる。
【０００５】
特許文献１及び特許文献２には、溶加材中のＳｉ、Ｍｇ又はＭｎ等の成分を低くし、これによって鋼材とアルミニウム系材との接合強度を向上させた異材接合方法が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１、２により鋼材とアルミ系材の界面に生じる金属間化合物の低減がある程度達成できるが、実用的な接合強度としては不十分である。特に、従来では接合強度は一般的に接合部のせん断強度（接合後の材料の引張強度）により評価され、特許文献１においても引張せん断強度により評価されている。ところが、実際の異材接合材が適用される構造体においては鋼材とアルミニウム系材との間にはせん断方向の引張せん断強度のみではなく、引き剥がし方向の力が働くことがあり、上記特許文献１、２に開示された溶加材を用いるだけでは、引き剥がし方向の荷重（ピール強度）が実用上不十分であるという問題点がある。即ちアルミニウム系材と鋼材の異材接合材においては、アルミニウム系材同士又は鋼材同士のような同種の材料の接合に比べてピール強度が著しく低下する。
【０００７】
一方、特許文献３には、所定量のＮを含有する鋼板をアルミニウムめっき層で被覆すると共に、アルミニウムめっき層と鋼板との界面にＮ濃縮層を有する鋼材と、アルミニウム系材とを、Ａ４０４３又はＡ５５５４といった溶加材を用いて接合する異材接合方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２４１４７号公報（第６〜８頁）
【特許文献２】実用新案登録第３１３５４５６号公報（第２頁）
【特許文献３】特開２００７−２７５９８１号公報（第４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献３に記載されている異材接合方法により、ある程度の引張せん断強度及びピール強度が得られるものの、実用上、更に一層高い強度が求められている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鋼材とアルミニウム系材とを異材接合させた複合構造材の引張せん断強度を高く維持しつつ、ピール強度を高くすることができる異材接合用溶加材、及び、その異材接合用溶加材を使用した異材溶接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】
【００１１】
本願第１発明に係る異材接合用溶加材は、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される溶加材において、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、異材接合用溶加材のＳｉ濃度が０．５乃至１．８質量％であるため、融点が低くなると共に金属間化合物の成形領域を減少させ、且つ金属間化合物の厚さを減少させることができる。この結果、アルミニウム又はアルミニウム合金被覆鋼材（以下、アルミニウム被覆鋼材と総称する。）とアルミニウム系材との引張せん断強度が向上するのみでなく、ピール強度も大幅に向上させることができる。更に、本発明においては、ワイヤ形式をＦＣＷ（フラックス入りワイヤ）の形式のみでなくソリッドワイヤの形態とすることもできるため、溶接時に特段の配慮及び新規装置は不要である。また、本発明の異材接合用溶加材は、消耗電極として滴下移行するものであるため、ろう材を挿入する必要もない。これにより、アルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼材とを、容易且つ低コストで接合することができる。
【００１３】
上述の発明において、前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることが好ましい。これにより、ピール強度を更に向上させることができる。
【００１４】
更に、Ｍｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することが好ましい。これにより、金属間化合物の生成を抑制し、引張せん断強度及びピール強度の向上を更に図ることができる。
【００１５】
本発明に係る異材接合用溶加材は、上記の成分に加えて、Ｍｇ≦０．１質量％、及び／又は、Ｆｅ≦０．２質量％含有することができる。所定量のＭｇ、Ｆｅの添加により異材接合部の強度向上を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る異材接合方法は、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム系材からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム系材とを、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して溶接することを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、異材接合用溶加材中のＳｉ含有量を０．５乃至１．８質量％と低く抑えているので、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物の低減若しくは消失効果を促進することができ、複合構造材の引張せん断強度及びピール強度の向上が図れる。また、鋼材上のアルミニウム被覆層とアルミニウム系材とは溶融金属同士の親和性に優れているので、均一的な接合部を形成することができ、そのため接合部の引張せん断強度を向上させることができる。
【００１８】
上述の発明において、異材接合用溶加材の前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることが好ましい。これにより更にＡｌ−Ｆｅ金属間化合物の低減若しくは消失効果を促進することができ、より一層ピール強度の向上を図ることができる。
【００１９】
また、前記異材接合用溶加材は、更にＭｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することが好ましい。Ｍｎの濃度を０＜Ｍｎ≦０．３質量％とすることで、金属間化合物抑制の効果があり、複合構造材の引張せん断強度及びピール強度の向上を図ることができる。
【００２０】
本発明に係る異材接合方法では、使用する異材接合用溶加材について、上述の成分に加えてＭｇ≦０．１質量％及び／又はＦｅ≦０．２質量％含有することができる。所定量のＭｇ及び／又はＦｅの添加により、異材接合部の強度向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼材とを異材接合させた複合構造材の接合部に生じやすい脆い金属間化合物の低減を図ることができるから、複合構造材の引張せん断強度を高く維持しつつ、ピール強度を著しく高くすることができる。また、複合構造材の溶接部の強度、特に高い引張せん断強度を保ちつつピール強度も高めることができるため、継手の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】異材接合部における金属間化合物の生成領域を示す断面図である。
【図２】異材接合方法を示す斜視図である。
【図３】異材接合された継手の接合部を示す断面図である。
【図４】異材接合体の引張せん断試験を示す模式図である。
【図５】異材接合体のピール強度試験を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る溶加材について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、アルミニウム被覆鋼材とアルミニウム系材とを、ＭＩＧ（ミグ）溶接により重ね隅肉溶接した場合の溶接部近傍を示す断面図である。図２は、本実施形態の異材接合方法を示す斜視図である。図３は図２に示す方法で異材接合された継手の接合部を示す断面図である。
【００２４】
図１に示すように、鋼板１０３は、アルミニウム被覆層１０４（アルミニウム系材からなる被覆層）が形成されたアルミニウム被覆鋼板１０１であり、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する。アルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面には、Ｎ：３．０原子％以上のＮ濃縮層を有する。本発明に係る溶加材は、例えば図３に示す溶接ワイヤ１０６であり、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金である。そして、図３に示すように、トーチ１０５から送給される異材接合用溶加材としての溶接ワイヤ１０６と、被溶接材（アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２）との間に交流アークを発生させ、ＭＩＧ（ミグ）溶接する。これにより、アルミニウム被覆層１０４及びアルミニウム系材（アルミニウム又はアルミニウム合金材）１０２の端部が溶融し、図２に示す重ね部１０９を重ね隅肉溶接して、図１及び図３に示す溶接金属部１０７が形成される。
【００２５】
アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とのミグ溶接に際しては、アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とを重ね合わせ、その隅肉開先部を、例えば溶接電流５０Ａ、溶接電圧１０Ｖ、溶接速度５０ｃｍ／分の条件で連続的に線接合する。これにより、アーク熱で、接合部のアルミニウム系材１０２及びアルミニウム被覆層１０４が溶融し、相互拡散によって融合した後、固化して接合される。
【００２６】
鋼板１０３とアルミニウム被覆層１０４との界面に生成している金属間化合物（以下、ＩＭＣとする。）であるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６から溶融ＡｌにＦｅ，Ｓｉが溶け込み、接合界面ではＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６が消失する。そして、鋼板１０３から溶融Ａｌに溶け込むＦｅもある。この溶け込んだＦｅは溶接時の冷却過程で再析出し、接合強度が極端に低下する脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層１１７が接合界面に形成されるものの、Ａｌ−Ｆｅ二元合金層１１７は溶接金属部１０７の脚長の全域まで成長しておらず、溶接金属部１０７が鋼板１０３に直接密着した合金層消失域１１９が存在しており、この部分で接合状態が保たれる（図１）。即ち、合金層消失域１１９が広がるほど、接合強度が高くなる。
【００２７】
本発明者等は、図１のような接合界面が得られる条件を種々調査検討した結果、異材接合用溶加材に含有されるＳｉの濃度が接合界面のＡｌ−Ｆｅ二元合金層１１７の生成に大きな影響を及ぼしていることを見出した。即ち、異材接合用溶加材に含有されるＳｉの濃度を０．５乃至１．８質量％とすることで、合金層消失域１１９のある接合界面が生成され、これにより接合強度が向上するのである。
【００２８】
以下、本実施形態の溶加材における数値限定理由について説明する。
Ｓｉ含有量：０．５乃至１．８質量％
元々アルミニウム被覆鋼板１０１のアルミニウム被覆層１０４と鋼板１０３との界面には、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金からなるＩＭＣが存在する。この三元系金属間化合物が、溶接時の熱によりＡｌの融点（６６０℃）を超える高温に加熱され、溶接溶融金属中に溶出する。この溶接溶融金属は、接合対象であるアルミニウム系材、異材接合用溶加材、アルミニウム被覆層、及び、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金が、混合希釈されたもので構成される。溶接溶融金属に溶出したＦｅは、溶融金属の冷却凝固時に接合界面にＡｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣを形成するが、鋼材側からのＦｅの拡散がＮ濃縮層によりブロックされるため、溶接脚長方向全面にＩＭＣが形成されないＩＭＣ未成形領域が出現するとともにＡｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣの厚さが薄くなる。異材接合用溶加材へのＳｉの添加により冷却後の溶接金属部の硬度が増加し、引張せん断強度が向上する。Ｓｉの添加によりアルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２との間のＩＭＣの厚みが薄くなると共に、ＩＭＣの存在しないＩＭＣ未形成領域（合金層消失域）１１９が出現する。これにより、アルミニウム被覆鋼板１０１とアルミニウム系材１０２とが強固に接合され、ピール強度が大幅に向上するため、溶接強度の向上にはＳｉの添加が不可欠である。Ｓｉの添加量が０．５質量％未満では溶接金属部の硬度が不十分であり、引張せん断強度が低くなる。一方、Ｓｉ溶加材をあまり多く添加しすぎるとＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系ＩＭＣの溶接溶融金属への溶出効果を阻害することになるとともに溶接金属部の延性が低くなり、結果的に一定の引張せん断強度があってもピール強度の低下が生じる。即ち、Ｓｉが１．８質量％より多いと、接合部の硬度が増加する反面、延性が低下するため、ピール強度が低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．５乃至１．８質量％である。なお、Ｓｉ含有量を０．５乃至１．４質量％とすると、ピール強度特性が更に好ましくなり、Ｓｉ含有量を０．５乃至１．０質量％とすることにより、更に良好なピール強度を示す。
【００２９】
Ｍｎ含有量：≦０．３質量％
本発明ではＳｉに加えてＭｎを所定量まで添加することができる。この場合、Ｍｎの固溶強化作用により継手強度が高くなるが、一方でＭｎが多すぎると巨大晶が生じ、また、ＭｎはＳｉと結びつきやすいため、上述したＳｉによるＩＭＣ低減効果が相殺される。従って、Ｍｎを添加する場合は、０．３質量％以下にすることが必要である。
【００３０】
その他溶加材中の不純物
本発明に係る異材接合用溶加材の不純物として、Ｍｇ≦０．１質量％、及び／又はＦｅ≦０．２質量％含むことができる。Ｍｇの含有により継手強度が向上するが０．１質量％より多いと、溶接金属部の延性が低下し、ピール強度が大幅に低下する。また、Ｆｅは不純物として溶加材に含まれることがあるが、Ｆｅの含有量が０．２質量％より高いとアルミニウム合金被覆と鋼の界面に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金が溶接加熱時に溶融金属部へ溶出するのが阻害され、ピール強度が低下する。
【００３１】
鋼板中のＮ量及びＮ濃縮層
本発明の異材接合用溶加材の前提として、Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％を含む鋼板１０３を加熱処理すると、溶融めっき時に生成したＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６と鋼板１０３との界面にＮ濃縮層が生成する。Ｎ濃縮層のＮ含有量が、３．０原子％以上になるとＡｌ−Ｆｅの相互拡散がブロックされる。このため、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層１１６と鋼板１０３との間に存在するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系ＩＭＣが溶接時において鋼側に拡散せずに、溶融金属側への拡散が促進される。この結果、本発明の異材接合用溶加材との相乗効果により、Ａｌ−Ｆｅ二元系ＩＭＣの未成形領域の拡大及びＩＭＣの薄膜化が促進され、引張せん断強度のみでなくピール強度の向上が図れる。
【００３２】
異材接合方法
次に、前述の溶加材を使用して、アルミニウム系材１０２とアルミニウム被覆鋼板１０１とを異材接合する方法について説明する。図２及び図３に示すように、本実施形態の異材接合方法は、アルミニウム被覆鋼板１０１と、アルミニウム系材１０２とを、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％を含有し残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して、例えばミグアーク溶接等により接合する。
【００３３】
鋼板１０３は、例えば、低炭素鋼、中炭素鋼又は低合金等を使用することができ、用途に応じてＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ又はＡｌ等を添加することができる。また、鋼板１０３の表裏面には、純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被覆層１０４が形成されている。このような被覆鋼材は、例えば、鋼板１０３の両面に溶融めっき又は溶射等によりアルミニウム被覆層１０４を形成した後、シャーリング等によって必要な部分を切り出すことにより製造されるため、その端面には、アルミニウム被覆層１０４は形成されていない。アルミニウム被覆層１０４中のＳｉは、めっき時に、めっき層のＡｌと鋼板素地のＦｅとの脆い二元系ＩＭＣを減少させる観点から、添加量を３乃至１２質量％とすることが好ましい。アルミニウム被覆層１０４中のＦｅは、鋼板１０３からアルミニウム被覆層１０４への溶け込み量を低減させ、Ａｌ−Ｆｅ二元合金層１１７の生成を抑制させる観点から、０．５乃至５質量％とすることが好ましい。アルミニウム系材１０２は、６０００系、５０００系、３０００系、７０００系、又は１０００系等適宜選択することができるが、接合体の強度の点から６０００系とするのが望ましい。
【００３４】
本実施形態の異材接合方法においては、先ず、図２及び図３に示すように、アルミニウム系材１０２をトーチ１０５側、即ち、アルミニウム被覆鋼板１０１の上方に配置し、その端部をアルミニウム被覆鋼板１０１の端部上に重ね、重ね部１０９に重ね隅肉継手を構成する。
【００３５】
その後、この重ね部１０９において、トーチ１０５から送給される異材接合用溶加材、即ち、溶接ワイヤ１０６と、被溶接材（アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２）との間に交流アークを発生させる。これにより、電極ワイヤである溶接ワイヤ１０６が陽極となるサイクルにおいては、アークのクリーニング作用によってアルミニウム被覆層１０４の表面酸化膜が除去され、更にアーク熱により、アルミニウム被覆層１０４及びアルミニウム系材１０２の端部が溶融する。そして、アークを発生させながらトーチ１０５をアルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２の端部に沿って移動させることにより、重ね部１０９を重ね隅肉溶接する。
【００３６】
このように、本実施形態の異材接合方法においては、クリーニング作用によって酸化膜が除去されたアルミニウム被覆層１０４を、アーク熱によって溶融しているため、アルミニウム被覆層１０４により形成される溶融金属が鋼材１０１の表面に充分に濡れ広がる。また、本実施形態の異材溶接方法においては、溶接ワイヤ１０６としてＡｌ−Ｓｉ系溶加材を使用しており、アルミニウム系材１０２、溶接ワイヤ１０６及びアルミニウム被覆層１０４が、いずれも同種の金属材料により形成されている。このため、アルミニウム系材１０２の端部が溶融して形成される溶融金属及び溶接ワイヤ１０６が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム被覆鋼板１０１の表面に濡れ広がったアルミニウム被覆層１０４の溶融金属との親和性が高く、アルミニウム系材１０２とアルミニウム被覆鋼板１０１とを、広い面積で良好に接合することができる。
【００３７】
また、本実施形態の異材接合方法においては、鋼板１０３の表面にアルミニウム被覆層１０４が形成されているため、アルミニウム系材１０２の端部が溶融して形成される溶融金属及び溶接ワイヤ１０６が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム被覆鋼板１０１とは直接混合しない。これにより、接合部、即ち、溶接金属部１０７中に、Ｆｅ２Ａｌ５及びＦｅＡｌ３等の硬くて脆い金属間化合物が生成することを防止できる。但し、溶接時にアルミニウム被覆鋼板１０１が溶融すると、このアルミニウム被覆鋼板１０１の融液とアルミニウム合金からなる溶融金属とが接触し、継手の接合強度を低下させる金属間化合物が容易に生成する。このため、本実施形態の異材接合方法においては、アルミニウム被覆鋼板１０１が溶融しない条件で溶接することが好ましい。
【００３８】
なお、溶接方法は、ミグアーク溶接に限定されず、ティグ溶接等のアーク溶接、レーザ溶接及びアークとレーザとを併用したハイブリッド溶接等、溶加材を使用する溶接方法であれば適用することができる。また、溶加材の形態は中実のソリッドワイヤのみでなく、フラックスを中に充填したフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を用いることもできる。
【００３９】
更に、本実施形態の異材接合方法においては、表裏面の全面にアルミニウム被覆層１０４が設けられているアルミニウム被覆鋼板１０１を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルミニウム被覆層１０４は、接合に必要な箇所に設けられていればよく、局所的に形成されていてもよい。具体的には、少なくとも、アルミニウム被覆鋼板１０１におけるアークが当たる面のアークが当たる領域に設けられていればよく、更に、アルミニウム被覆鋼板１０１の表面におけるアルミニウム系材１０２と重ね合わされる部分にも形成されていることが好ましい。
【００４０】
更にまた、本実施形態の異材接合方法においては、被溶接材として、板状のアルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２を使用しているが、アルミニウム被覆鋼板１０１及びアルミニウム系材１０２の形状はいずれも、全体が板状でなくてもよく、相互に重ね合わされる部分が板状であればよく、種々の形状の形材及び鋳物等にも適用することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として、表１に示すＡｌ−Ｓｉ系溶加材（１．２ｍｍφソリッド）を使用し、図２及び図３に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで６０２２−Ｔ４で規定されているアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍからなり、成分がＣ：０．０３９％、Ｓｉ：０．０１質量％、Ｍｎ：０．２３質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．００８質量％、Ａｌ：０．０１０質量％、Ｎ：０．００１５乃至０．０３質量％含み、板厚が１．０ｍｍの冷延鋼板にＳｉ：９．５質量％、Ｆｅ：１．５質量％含有し、目付け量が６０ｇ／ｍ２（片面当たり）のアルミニウム被覆層を溶融めっきによりめっき形成した後、ポスト加熱として、４５０℃×１５ｈｒの加熱処理を施した鋼板とを交流ＭＩＧ溶接した。被溶接材の寸法は夫々鋼板が１００ｍｍ幅×１５０ｍｍ長であり、アルミニウム合金板が１００ｍｍ幅×１５０ｍｍ長であり、両者の重ね代を５０ｍｍとして継手を形成し、すみ肉溶接した。
【００４２】
溶接条件としては、溶接電流５０Ａ，溶接電圧７Ｖ、溶接速度５０ｃｍ／分、シールドガス２５リットル／分（アルゴンガス）の条件で溶接を行った。
【００４３】
この異材溶接材の接合界面部の脚長方向の端部及び中央部に観察点をとって観察し、接合界面にある合金層をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＥＤＸ（８４０Ａ、日本電子株式会社製）で定量した。また、接合部の溶接金属部の硬度をビッカース硬度計で測定した。
【００４４】
更に幅２５ｍｍの試験片を切り出し、図４にて矢印で示すように、接合面と平行の方向に１０ｍｍ／分の引張速度にて破断荷重を加え、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠して引張せん断試験を行った。結果は、溶接長で除した単位溶接長当たりの強度（Ｎ／ｍｍ）にて評価した。
【００４５】
また、引張せん断試験と同様に幅２５ｍｍの試験片を切り出し、図５に矢印で示すように溶接止端部から１０ｍｍの位置で９０度曲げを行い、１０ｍｍ／分の引張速度にて破断荷重を加え、ＪＩＳ Ｚ３００１に準拠してピール剥離試験を行った。なお、ピール剥離試験については、破断強度の他に、チャック間距離５０ｍｍ間における破断伸び（％）も測定して評価した。ピール剥離強度についても試験片の単位長さあたりの破断荷重（Ｎ／ｍｍ）で評価した。また、ピール剥離強度と破断に至るまでの伸びとの積をピール剥離特性として評価を行い、数値が０乃至２００のものを××、２００超乃至５００を×、５００超乃至７５０を○、７５０超乃至１０００を○○、１０００超乃至１５００を○○○、１５００超を○○○○として評価を行った。以上の結果を表１に記載する。
【００４６】
【表１】
【００４７】
比較例１〜３においては、溶加材中のＳｉが低いためＩＭＣの未成形領域が小さく、ＩＭＣの厚さも厚くなっており、溶接金属部の硬度、引張せん断強度、ピール剥離強度全てにおいて低い値を示し、ピール剥離特性も低いものとなった。一方、比較例１３においては、溶加材中のＳｉが高いため、ＩＭＣ未成形領域やＩＭＣ厚さ及び溶接金属部の硬度、引張せん断強度については一定の値を示したが、ピール剥離特性については、低いものとなった。比較例６においては、Ｍｎの含有量が高いためＩＭＣの未成形領域が小さく、ピール強度が低くなった。比較例１１、１２においては、Ｓｉは好適な数値であるものの、Ｍｎの含有量が高いため、ＩＭＣの成形領域が相対的に小さくなりピール特性が低下した。また、比較例７においては、鋼中のＮ量が少ないため、ＩＭＣの未成形領域が無く、低いピール強度となった。本願発明の成分範囲内の溶加材を用いても比較例７はアルミニウム被覆鋼板の下地鋼板のＮ量が少なく、十分なＮ濃縮層が形成されないため、ＩＭＣが脚長全面に生成し、ピール強度及びピール剥離特性が著しく低下した。比較例８はアルミニウム被覆鋼板の下地鋼板のＮ量が多すぎるため、鋼板自体の脆化に起因すると推定されるピール剥離強度の低下が生じた。
【００４８】
一方、実施例１、３、４、５、６、７、８、１０はＳｉが０．５乃至１．８質量％を含有するものであり、ＩＭＣの未成形領域が大きく、引張せん断強度のみでなくピール剥離強度、ピール特性が大きくなっている。特にＳｉ：０．５乃至１．４質量％において高いピール特性を示している。また、実施例２、９、１１については、Ｍｎを添加した例であるが、Ｍｎ添加量が０．３質量％であるため、Ｓｉを０．５乃至１．８質量％添加したものよりもＩＭＣ未成形領域が若干小さくなりピール剥離強度、ピール特性が若干低下するものの良好な値を示している。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、特に高い引張せん断強度及びピール強度が要求されるアルミニウム系材とアルミニウム被覆鋼板とからなる複合構造材の形成に役立つ。
【符号の説明】
【００５０】
１０１：アルミニウム被覆鋼板
１０２：アルミニウム系材
１０３：鋼板
１０４：アルミニウム被覆層
１０５：トーチ
１０６：異材接合用溶加材
１０７：溶接金属部
１１６：Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層
１１７：Ａｌ−Ｆｅ二元合金層
１１９：合金層消失域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される溶加材において、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする異材接合用溶加材。
【請求項２】
前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることを特徴とする請求項１に記載の異材接合用溶加材。
【請求項３】
更に、Ｍｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の異材接合用溶加材。
【請求項４】
Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材とを、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して溶接することを特徴とする異材接合方法。
【請求項５】
前記異材接合用溶加材の前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることを特徴とする請求項４に記載の異材接合方法。
【請求項６】
前記異材接合用溶加材は、更にＭｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することを特徴とする請求項４又は５に記載の異材接合方法。
【請求項１】
Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材との溶接に使用される溶加材において、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする異材接合用溶加材。
【請求項２】
前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることを特徴とする請求項１に記載の異材接合用溶加材。
【請求項３】
更に、Ｍｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の異材接合用溶加材。
【請求項４】
Ｎを０．００２乃至０．０２０質量％含有する鋼材の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を有し、前記被覆層と前記鋼材との界面にＮ濃度が３．０原子％以上のＮ濃縮層を有するアルミニウム被覆鋼材と、アルミニウム又はアルミニウム合金材とを、Ｓｉ：０．５乃至１．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる異材接合用溶加材を使用して溶接することを特徴とする異材接合方法。
【請求項５】
前記異材接合用溶加材の前記Ｓｉの含有量は、０．５乃至１．４質量％であることを特徴とする請求項４に記載の異材接合方法。
【請求項６】
前記異材接合用溶加材は、更にＭｎを０質量％を超え０．３質量％以下含有することを特徴とする請求項４又は５に記載の異材接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２０１４４８（Ｐ２０１０−２０１４４８Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４８３０３（Ｐ２００９−４８３０３）
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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