異種材料の接合方法、接合装置及び接合構造
【課題】高融点材料と低融点材料を重ね合わせた被接合材料の接合界面に緻密な酸化皮膜が介在していたとしても、大きな入熱を投与することなく、高強度の接合が可能な異種材料の重ね接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置、さらにはこのような方法による接合構造を提供する。
【解決手段】互いに融点の異なる高融点材料１と低融点材料２を重ね合わせて接合するに際して、接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高融点材料１の表面に高エネルギービームを照射して両材料１，２を加熱し、加熱された両材料１，２を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合する。
【解決手段】互いに融点の異なる高融点材料１と低融点材料２を重ね合わせて接合するに際して、接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高融点材料１の表面に高エネルギービームを照射して両材料１，２を加熱し、加熱された両材料１，２を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種材料、例えばスチール材とアルミニウム合金材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の重ね接合する技術に係わり、電子ビームやレーザビームのような高エネルギービームを重ね合わせた高融点材料と低融点材料から成る被接合材の高融点材料の側に照射しつつ、両材料を加圧することにより重ね接合するようにした異種材料の接合方法と、このような接合に用いる接合装置、さらにはこのような方法により接合された接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子ビームやレーザビームなどのような高エネルギービームを用いた異種材料の重ね接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料に照射し、高融点材料側からの伝熱により接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。
【０００３】
一般に、異種材料を接合する場合、同種材同士の溶接の場合と同様に両方の材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し十分な継手強度を得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼を異種接合する場合には、高硬度で脆弱なＦｅ２Ａｌ５、ＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属化合物の制御が必要となる。
【０００４】
ところが、アルミニウム合金の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成しており、これを除去するためには接合時に大きな投与熱量が必要となる結果、金属間化合物層が厚く成長し、低強度な接合部になるという問題がある。
【０００５】
このように、上記のような異種材料同士の接合に際しては、金属間化合物の成長を精密にコントロールしながら接合する必要があるため、加熱のための外部熱源としては、精密な温度制御が可能な、電子ビームやレーザビームなどのような高エネルギービームを用いた方法が試みられている。
高エネルギービームを用いた異種材料の重ね接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、高融点材料の側にデフォーカスさせた高エネルギービームを照射し、高融点材料側からの伝熱によって低融点材料を溶融させて接合する方法がとられていた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において、片側の材料（低融点材料）のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することによって金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を溶融させて接合した場合よりも、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、上記非特許文献１には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相／液相状態として異種材料の接合を行なう方法が記載されている。
【非特許文献１】「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００３年４月、第７２集、ｐ．１５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、異種材料の接合に際して、入熱量が増すと、接合界面に高硬度で脆弱な金属間化合物が厚く生成して、高い継手強度が得られなくなることは上述したとおりである。一方、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、片側の材料のみを溶融させる非特許文献１に記載の方法においても、酸化皮膜を除去するためには、接合時に大きな投入熱量が必要となるため、厚い金属間化合物層が成長し、低強度な接合部になる可能性が高い。
したがって、接合界面の金属間化合物の生成を制御して良好な接合強度を得るためには、接合条件を極めて精密にコントロールしなければならず、しかもその適正な接合条件範囲が極めて狭いことから、条件制御が比較的容易な高エネルギービームを熱源に用いたとしても、工業的に実用化することが極めて困難であるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、高エネルギービームを用いた従来の異種材料接合技術における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、接合界面に緻密な酸化皮膜が介在していたとしても、大きな入熱を投与することなく、高強度の接合が可能な異種材料の接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置、さらにはこのような方法による接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、重ね合わせた被接合材料の高融点材料に高エネルギービームを照射するに際して、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊しておくことによって、これを起点とする両材料の拡散反応が生じ、上記目的が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種材料の接合方法においては、互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせて接合するに際して、接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高融点材料表面に高エネルギービームを照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合するようにしている。
また、当該接合方法における好適形態としては、上記両材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、高エネルギービームを照射して、両パネルの少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の異種材料の接合装置は、被接合材料に対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、この照射ヘッドによる高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設されて接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、上記照射位置の進行方向後方に配設されて高エネルギービーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明の異種材料の接合構造は、両パネルの間に第３の材料を介在させた状態で行なう好適形態に係わる接合方法によって得られるものであって、低融点材料と高融点材料の新生面同士が直接、又は上記両パネルの少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されており、接合部の両側に、第３の材料、被接合パネル由来成分、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成物の群から選ばれる少なくとも１種から成る排出物が排出されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低融点材料と高融点材料を重ね合わせた被接合材料の接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高エネルギービームを高融点材料の側の表面に照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して接合するようにしていることから、投入熱量を抑えた高エネルギービームの照射によっても、酸化皮膜の破壊部分を起点として両材料の拡散反応を進めることができ、金属間化合物層の成長を抑制して、高強度の異材継手を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の異種材料の接合方法や接合装置について、さらに詳細かつ具体的に説明する。
【００１５】
本発明の異種材料の接合方法においては、上記したように、融点の異なる異種材料を重ね合わせて成る被接合材料の高融点材料の側に高エネルギービームを照射することによって異種材料の重ね接合を行うに際して、被接合材料の接合界面に形成されている酸化皮膜を部分的に破壊しておくようにしている。
すなわち、接合界面の酸化皮膜があらかじめ部分的に破壊されていることによって、この酸化皮膜の破壊部分を起点とする両材料の拡散反応が容易に進行することから、高エネルギービーム照射熱量を抑えることによって金属間化合物の生成を抑制しながら、高強度の接合を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明の異種材料の接合装置においては、上記したように、高融点材料と低融点材料を重ね合わせた被接合材料に対して相対移動可能に配設されて、連続的又は断続的に相対移動しながら被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、この照射ヘッドによる高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設されて接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、上記ビーム照射位置の進行方向後方に配設されてビーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことによって、本発明の上記接合方法に好適に用いることができる。
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に用いる異種材料の接合装置の一例と、当該接合装置を用いた異種材料の重ね接合要領を示すそれぞれ側面図及び正面図であって、図に示す接合装置１０は、高エネルギービームの１種であるＹＡＧレーザを照射する照射ヘッド１１と、その進行方向前方側に配置された与圧ローラ（皮膜破壊手段）１２と、進行方向後方側に配置された加圧ローラ（加圧手段）１３から主に構成されている。
【００１８】
上記照射ヘッド１１は、図示しない光ファイバを介してレーザ発振機に接続され、その先端から、焦点位置を任意に調整したレーザビームＢを高融点材料１及び低融点材料２を重ね合わせた被接合材料に向けて任意の角度で照射することができるようになっている。
なお、図１（ｂ）は、上記予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３に対するレーザビームＢの進行方向から見た位置関係を示しており、進行方向に沿って同一直線上に並んだ予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３との干渉を避けるために、レーザビームＢが所定の角度で照射されるようになっている。
【００１９】
一方、上記予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３は、それぞれエアシリンダを内蔵したガイド１２ａ及び１３ａを介して装置基板１４に取り付けられ、これらエアシリンダに送給するエアの圧力を調節することによって、ローラ部分の材料に対する押圧力をコントロールすることができるようにしてある。
また、これら予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３は、上記照射ヘッド１１と一体的に移動し、常にレーザビームＢから一定の距離の位置で、被接合材料を押圧しながら移動することができるように構成されており、ワーク（被接合材料）が平面でなく、例えば自動車ボディのように、３次元形状の場合にも追従することができるようになっている。
【００２０】
このような構造を有する接合装置１０においては、移動及びレーザビームの照射を連続的に行なうことによって、連続的な線状の接合を行なうことができ、上記移動及び照射を断続させることによって点状（スポット）あるいは断続直線（ステッチ）状の接合を行なうことができる。
なお、当該接合装置１０は、固定された被接合材料に対して移動するようにすることも、接合装置１０の側を固定して、被接合材料の側を移動するようにいてもよい。
【００２１】
上記図において、被接合材料としては、例えばアルミニウム合金材２を低融点材料として用いることができ、この上に高融点材料である亜鉛めっき鋼板１が通常発生し得るわずかな隙間をもって重ねられている。
【００２２】
ここでまず、皮膜破壊手段である予圧ローラ１２によってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を塑性変形させながら相対的に密着させると、図２に示すように、互いの材料表面のミクロ的な凹凸同士が互いに押し付け合うことにより、アルミニウム合金材２の表面の酸化皮膜２ｃは、薄くてしかも延性が低いため、部分的に破壊され、皮膜破壊部３が生じる。
これに続いて、高融点材料である亜鉛めっき鋼板１の側にレーザビームＢを、焦点を材料表面の手前で結ぶように、つまりデフォーカスさせ、接合界面において高融点材料である鋼板１を溶融させないような条件で照射した後、ビーム照射による加熱部分に、加圧ローラ１３によって所定の加圧力を加え、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１とを相対的に密着させる。
【００２３】
これによって、高温の亜鉛めっき鋼板１からの伝熱によりアルミニウム合金材２の界面の温度が上昇し、加圧ローラ１３の加圧力によって接合界面の亜鉛（１ｐ）や、その他の化合物を排出しながら、上記皮膜破壊部３を起点として、アルミニウムと鋼の金属間化合物が薄く均一に形成されるようなレーザビームＢの照射条件と、予圧ローラ１２、加圧ローラ１３の移動速度を精密に制御することによって異種材料１，２の接合を行なうことができる。
【００２４】
本発明の異種材料の接合方法においては、高エネルギービームを両材料（被接合材料）に対して相対移動させながら照射すると共に、高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設した皮膜破壊手段によって酸化皮膜を破壊すると共に、高エネルギービーム照射位置の進行方向後方に配設した加圧手段によって両材料を加圧することによって接合することが可能である。
このとき、被接合材料に対する高エネルギービームの相対移動や高エネルギービームの照射を連続的なものとすることによって、連続的な線状の接合が可能となり、車体剛性や強度の向上に好適な連続的な線状の接合が高い生産性で実現できる一方、高エネルギービームの相対移動や照射のタイミングを断続的なものとすれば、点（スポット）状やステッチ状の接合を行なうことができる。
【００２５】
上記皮膜破壊手段としては、例えば与圧ローラを採用することができ、この与圧ローラによって高エネルギービームの照射に先だって、両材料を相対的に押圧するようになすことによって、複雑な３次元的曲面にも容易に追従して酸化皮膜を確実に破壊することができる。
【００２６】
また、この与圧ローラの押圧面（両材料との圧接面）には、凹凸形状を形成することも望ましく、これによって接合界面における微小な接触部の発生が促進され、より確実に酸化皮膜の部分的破壊が進行するようになると共に、予圧ローラの凹凸模様が被接合材料の表面に転写されることによって、その直後の高エネルギービームの照射時のビーム吸収率が向上し、より低入熱で精密なビーム照射が可能となり、エネルギー効率も向上する。
【００２７】
上記皮膜破壊手段としては、機械的変形、温度変化、超音波振動、熱的衝撃又は電気的衝撃を与える単独手段、あるいはこれらの２種以上の組み合わせて与える複合手段を採用することができ、高エネルギービームの照射前に接合界面における酸化皮膜の局部的な破壊を行うに際して、種々のケースに応じて、酸化皮膜の部分破壊を確実なものとすることができる。
【００２８】
さらに、本発明の異種材料の接合方法においては、高融点材料と低融点材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させ、この状態で高エネルギービームを高融点材料の表面に照射し、上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて両材料を接合するようになすことができ、これによって、低温状態で酸化皮膜を接合界面から除去することができ、接合界面温度の上昇を防止して金属間化合物の生成を抑制し、被接合材料の新生面同士の強固な接合をさらに容易に、より広い条件範囲のもとに得ることができるようになる。
【００２９】
このとき、第３の材料を両パネルの間に介在させるための具体的手段としては、接合しようとする両パネルの少なくとも一方のパネルに第３の材料をめっきすることが望ましく、これによって第３の材料をインサート材としてパネル間に挟み込む工程を省略することができ、加工工数の低減によって作業効率が向上するばかりでなく、共晶反応によって溶融されためっき層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、めっき層の下から極めて清浄な新生面が現れることになり、より強固な接合が可能となる。
【００３０】
そして、被接合材料の一方が鋼材である場合には、例えばアルミニウムやマグネシウムなどと低融点共晶を形成する第３の材料である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている亜鉛めっき鋼板を用いることが望ましい。
このような亜鉛めっき鋼板を使用することによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま適用することができ、極めて簡便かつ安価に、上記のような異種材料との強固な接合が可能になる。
【００３１】
ここで、共晶溶融について、Ａｌ−Ｚｎ系合金を例として説明する。
図３は、Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＡｌ−Ｚｎ系における共晶点（Ｔｅ）は、６５５Ｋであり、Ａｌの融点９３３Ｋよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してＡｌとＺｎの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。
【００３２】
ここで、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えばアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は９３３Ｋ、亜鉛の融点は６９２．５Ｋであるのに対して、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
【００３３】
一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、本発明においては、高エネルギービームの照射に先立って、上記した与圧ローラを始めとする被膜破壊手段によって酸化皮膜の一部を局部的に破壊するようにしている。
すなわち、酸化皮膜の部分的な破壊によって亜鉛とアルミニウムの局所的な接触が起こり、この状態で高エネルギービームの照射によって亜鉛めっき鋼板の表面を加熱され、接合界面が所定の温度状態に保持されると、接触部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
【００３４】
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は２種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてＺｎ−Ａｌ合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が９５％以上の組成でなければならない。
【００３５】
図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種材料の接合プロセスとして、亜鉛めっき鋼板（高融点材料）とアルミニウム合金材（低融点材料）との接合例を示す概略図である。
まず、図４（ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、アルミニウム合金材２を用意する。なお、アルミニウム合金材２の表面には酸化皮膜２ｃが生成している。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ね、皮膜破壊手段、例えば与圧ローラによって相対的に押圧する。
すると、押圧による変形や、皮膜破壊手段の種類によっては、機械的、熱的、あるいは電気的な衝撃などにより、図４（ｃ）に示すように局部的に酸化皮膜が破壊される。
【００３７】
これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が起こり、さらに高エネルギービームの照射によって亜鉛めっき鋼板１の表面が加熱され、接合界面が所定の温度状態に保持されると、図４（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じる。
【００３８】
そして、加圧によって共晶溶融金属４と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物（図示せず）などから成る排出物が接合部の外側（矢印方向）に排出されることにより、所定の接合面積が確保され、その結果、図４（ｅ）に示すように、アルミニウム合金材と鋼材の新生面同士が極めて薄い反応層５によって直接接合され、鋼板１とアルミニウム合金材２の強固な金属接合が得られることなる。なお、反応層５と鋼材１の間には材料や接合条件によって鋼への亜鉛の薄い拡散層が生じる場合もあるが、接合強度への影響は少なく、実質的な問題はない。
【００３９】
本発明の異種材料の接合方法における被接合材料の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第３の材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
すなわち、これら金属とＡｌとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。
【００４０】
また、本発明の接合方法を自動車ボディの組み立てに適用することを考えた場合、被接合パネルの材料は鋼材とアルミニウムとの組み合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組み合せなども考えられる。
鋼材パネルとマグネシウムとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムとマグネシウムを接合する場合においても、亜鉛や銀を第３の材料として利用することが可能である。
【００４１】
なお、本発明においては、第３の材料として、上記したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は２元合金も３元合金も存在するため、これらの少なくとも１種の金属を含む合金であってもよい。
【００４２】
本発明の異種材料の接合構造は、上記のように低融点材料と高融点材料の間に第３の材料を介在させることによって得られるものであって、両パネルの新生面同士が直接、あるいは両パネルの少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されており、この接合部の両側に、第３の材料や両材料に由来する成分、酸化皮膜、接合時の反応生成物などから成る排出物が排出された構造を有していることから、高い接合強度を安定して発揮することができ、例えば、低融点材料としてアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽合金材料を用い、高融点材料として亜鉛めっき鋼板を用いることによって、自動車用の軽量車体部材などに好適に用いることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００４４】
（実施例１）
図１に示すように、板厚１．０ｍｍのＡ６０００系アルミニウム合金材２（低融点材料）の上に、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１（高融点材料）を重ね、高融点材料である鋼板１の側からＹＡＧレーザによるレーザビームＢを照射した。
このとき、レーザビームＢの前方において皮膜破壊手段である予圧ローラ１２によって、レーザビームＢの後方においては加圧手段である加圧ローラ１３によってそれぞれ押圧し、このレーザビームＢと予圧ローラ１２、加圧ローラ１３を被溶接材料に対して、図中に矢印で示す方向に移動させることによって連続的に線状に接合した。
【００４５】
レーザビームＢの照射条件は、接合界面におけるめっき層１ｐである亜鉛が蒸発しない範囲、つまり亜鉛の沸点以下となるような条件で照射し、かつ、高温の亜鉛めっき鋼板１からの伝熱によってアルミニウム合金材２の界面温度が上昇し、アルミニウムと亜鉛の共晶温度以上（６５５Ｋ以上、図３参照）となるように、レーザビームＢと予圧ローラ１２、加圧ローラ１３の移動速度を制御して溶接を行なった。
【００４６】
具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器と焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板表面上においてスポット径φ３．５ｍｍとなるようビームをデフォーカスし、ＹＡＧレーザ出力１．０ｋＷ、移動速度１．０ｍ／ｍｉｎ、予圧ローラ１２と加圧ローラの加圧力はそれぞれ１００ＭＰａとして接合を行った。
またレーザ照射中はレーザと同軸のノズルでアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流しシールドした。
【００４７】
得られた接合体から、マクロ試験片を切り出し、接合部のマクロ組織を観察した結果、アルミニウム合金と鋼材の新生面同士が直接接合され、その両側に酸化皮膜や共晶溶融金属などの反応生成物などから成る排出物が排出された状態の良好な接合構造が得られることが確認された。
【００４８】
この実施例においては、片側から予圧ローラ１２と加圧ローラ１３で押さえ、接合部を加圧しながら接合を行ったが、下側の材料が剛性が低い場合や、フランジを溶接する場合などには、予圧ローラと加圧ローラそれぞれを上下１対のものとし、被接合材料を両側から挟み込むようにして加圧しながら接合を行うことも必要に応じて望ましい。
例えば、下側のローラを上側のローラに引き寄せるような状態で移動させ、材料を上側ローラとの間ではさみ、接合部に加圧する。ローラの構造をこのようにすることによって、上記のように、下側の材料に剛性が無い場合や、フランジを接合する場合にも対応することができる。
【００４９】
図５は、予圧ローラ１２の外周部形状の例を示すものであって、例えば図５（ａ）に示すように、与圧ローラ１２の外周、すなわち被接合材料の表面に押し付ける押圧面１２ｂにローレット加工による凹凸部１２ｃを形成したり、図５（ｂ）に示すように、切り欠き加工による凹凸溝１２ｄを形成したりすることができ、このような形状の予圧ローラ１２を用いることによって、図２に示したような接合界面のミクロ的な凹凸同士の押し付け合いによるアルミニウム合金材表面の酸化皮膜の局部的破壊をより確実に広範囲に生じさせることができる。
【００５０】
（実施例２）
図６には、皮膜破壊手段として、上記した与圧ローラに替えて、パルス通電による例を示す。
【００５１】
図に示すように、同様にアルミニウム合金材２に亜鉛めっき鋼板１が重ねられ、亜鉛めっき鋼板１の側にデフォーカスさせたレーザビームＢを照射する。
その直前には、銅合金など導電性の高い金属材料からローラ状に形成された上下１対の電極１５、１５により、両材料１、２を相対的に加圧しながら、電極１５，１５の間にパルス通電を行うようにしている。
【００５２】
そして、レーザビームＢの直後には１対の加圧ローラ１３、１３によって所定の加圧力を加えることより、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を相対的に密着させて接合を行う。
上下１対の電極１５、１５は、変圧器１６を介して電源１７に接続されており、電極１５、１５を通じて、両材料１、２に高電流の短時間通電、つまりパルス通電を行い、これによってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１の接合界面の酸化皮膜を効率良く、局部破壊することができ、前述の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（実施例３）
図７は、皮膜破壊手段として、超音波振動を付与するようにした例を示すものであって、図７（ａ）は、当該接合装置を進行方向から見た正面図、図７（ｂ）はその側面図であって、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を重ねた被接合材料に対して、同様に亜鉛めっき鋼板１の側にデフォーカスさせたレーザビームＢが照射される。
【００５４】
レーザビーム照射位置の直前には、超音波発生装置１８に接続された振動ローラ１９と下部ローラ２０によって両材料１、２に相対的な加圧しながら、矢印方向に超音波振動が与えられる。
さらにビーム照射位置の直後には、１対の加圧ローラ１３、１３によって、所定の加圧力が加えられ、これによってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を相対的に密着させて接合を行う。
【００５５】
このように、超音波発生装置１８に接続された振動ローラ１９と、下部ローラ２０を介して両材料１、２に相対的な加圧を与えながら、超音波振動を与えることによって、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１の接合界面の酸化皮膜を局部的に破壊することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
以上、アルミニウム合金材と鋼材の重ね接合方法や、装置、接合構造について、実施例を通じて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例においては、加熱の熱源として、ＹＡＧレーザを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、共晶反応を誘起させ、反応を制御できる精密なコントロールが可能な高エネルギービームであれば利用可能である。また、レーザビームなどの加熱熱源は連続して照射して、連続的な線状接合もできるし、断続的に照射して、ステッチ状に線接合することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の接合装置の一実施例を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図２】本発明の接合方法における接合界面のミクロ構造を模式的に示す断面説明図である。
【図３】Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は第３の材料を介在させた異種材料の接合過程を概略的に示す工程図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明に用いる与圧ローラの外周形状例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例に用いた接合装置とそれによる接合要領を示す側面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に用いた接合装置とそれによる接合要領を示す側面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 亜鉛めっき鋼板（高融点材料）
１ｐ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ アルミニウム合金材（低融点材料）
２ｃ 酸化皮膜
４ 共晶溶融金属
５ 反応層
１０ 異種材料の接合装置
１１ 照射ヘッド
１２ 与圧ローラ（皮膜破壊手段）
１２ｂ 押圧面
１２ｃ、１２ｄ 凹凸
１３ 加圧ローラ（加圧手段）
１５ 電極（皮膜破壊手段）
１９ 振動ローラ（皮膜破壊手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種材料、例えばスチール材とアルミニウム合金材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の重ね接合する技術に係わり、電子ビームやレーザビームのような高エネルギービームを重ね合わせた高融点材料と低融点材料から成る被接合材の高融点材料の側に照射しつつ、両材料を加圧することにより重ね接合するようにした異種材料の接合方法と、このような接合に用いる接合装置、さらにはこのような方法により接合された接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子ビームやレーザビームなどのような高エネルギービームを用いた異種材料の重ね接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料に照射し、高融点材料側からの伝熱により接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。
【０００３】
一般に、異種材料を接合する場合、同種材同士の溶接の場合と同様に両方の材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し十分な継手強度を得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼を異種接合する場合には、高硬度で脆弱なＦｅ２Ａｌ５、ＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属化合物の制御が必要となる。
【０００４】
ところが、アルミニウム合金の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成しており、これを除去するためには接合時に大きな投与熱量が必要となる結果、金属間化合物層が厚く成長し、低強度な接合部になるという問題がある。
【０００５】
このように、上記のような異種材料同士の接合に際しては、金属間化合物の成長を精密にコントロールしながら接合する必要があるため、加熱のための外部熱源としては、精密な温度制御が可能な、電子ビームやレーザビームなどのような高エネルギービームを用いた方法が試みられている。
高エネルギービームを用いた異種材料の重ね接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、高融点材料の側にデフォーカスさせた高エネルギービームを照射し、高融点材料側からの伝熱によって低融点材料を溶融させて接合する方法がとられていた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において、片側の材料（低融点材料）のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することによって金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を溶融させて接合した場合よりも、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、上記非特許文献１には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相／液相状態として異種材料の接合を行なう方法が記載されている。
【非特許文献１】「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００３年４月、第７２集、ｐ．１５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、異種材料の接合に際して、入熱量が増すと、接合界面に高硬度で脆弱な金属間化合物が厚く生成して、高い継手強度が得られなくなることは上述したとおりである。一方、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、片側の材料のみを溶融させる非特許文献１に記載の方法においても、酸化皮膜を除去するためには、接合時に大きな投入熱量が必要となるため、厚い金属間化合物層が成長し、低強度な接合部になる可能性が高い。
したがって、接合界面の金属間化合物の生成を制御して良好な接合強度を得るためには、接合条件を極めて精密にコントロールしなければならず、しかもその適正な接合条件範囲が極めて狭いことから、条件制御が比較的容易な高エネルギービームを熱源に用いたとしても、工業的に実用化することが極めて困難であるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、高エネルギービームを用いた従来の異種材料接合技術における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、接合界面に緻密な酸化皮膜が介在していたとしても、大きな入熱を投与することなく、高強度の接合が可能な異種材料の接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置、さらにはこのような方法による接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、重ね合わせた被接合材料の高融点材料に高エネルギービームを照射するに際して、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊しておくことによって、これを起点とする両材料の拡散反応が生じ、上記目的が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種材料の接合方法においては、互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせて接合するに際して、接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高融点材料表面に高エネルギービームを照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合するようにしている。
また、当該接合方法における好適形態としては、上記両材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、高エネルギービームを照射して、両パネルの少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の異種材料の接合装置は、被接合材料に対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、この照射ヘッドによる高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設されて接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、上記照射位置の進行方向後方に配設されて高エネルギービーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明の異種材料の接合構造は、両パネルの間に第３の材料を介在させた状態で行なう好適形態に係わる接合方法によって得られるものであって、低融点材料と高融点材料の新生面同士が直接、又は上記両パネルの少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されており、接合部の両側に、第３の材料、被接合パネル由来成分、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成物の群から選ばれる少なくとも１種から成る排出物が排出されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低融点材料と高融点材料を重ね合わせた被接合材料の接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高エネルギービームを高融点材料の側の表面に照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して接合するようにしていることから、投入熱量を抑えた高エネルギービームの照射によっても、酸化皮膜の破壊部分を起点として両材料の拡散反応を進めることができ、金属間化合物層の成長を抑制して、高強度の異材継手を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の異種材料の接合方法や接合装置について、さらに詳細かつ具体的に説明する。
【００１５】
本発明の異種材料の接合方法においては、上記したように、融点の異なる異種材料を重ね合わせて成る被接合材料の高融点材料の側に高エネルギービームを照射することによって異種材料の重ね接合を行うに際して、被接合材料の接合界面に形成されている酸化皮膜を部分的に破壊しておくようにしている。
すなわち、接合界面の酸化皮膜があらかじめ部分的に破壊されていることによって、この酸化皮膜の破壊部分を起点とする両材料の拡散反応が容易に進行することから、高エネルギービーム照射熱量を抑えることによって金属間化合物の生成を抑制しながら、高強度の接合を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明の異種材料の接合装置においては、上記したように、高融点材料と低融点材料を重ね合わせた被接合材料に対して相対移動可能に配設されて、連続的又は断続的に相対移動しながら被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、この照射ヘッドによる高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設されて接合界面に存在する酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、上記ビーム照射位置の進行方向後方に配設されてビーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことによって、本発明の上記接合方法に好適に用いることができる。
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に用いる異種材料の接合装置の一例と、当該接合装置を用いた異種材料の重ね接合要領を示すそれぞれ側面図及び正面図であって、図に示す接合装置１０は、高エネルギービームの１種であるＹＡＧレーザを照射する照射ヘッド１１と、その進行方向前方側に配置された与圧ローラ（皮膜破壊手段）１２と、進行方向後方側に配置された加圧ローラ（加圧手段）１３から主に構成されている。
【００１８】
上記照射ヘッド１１は、図示しない光ファイバを介してレーザ発振機に接続され、その先端から、焦点位置を任意に調整したレーザビームＢを高融点材料１及び低融点材料２を重ね合わせた被接合材料に向けて任意の角度で照射することができるようになっている。
なお、図１（ｂ）は、上記予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３に対するレーザビームＢの進行方向から見た位置関係を示しており、進行方向に沿って同一直線上に並んだ予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３との干渉を避けるために、レーザビームＢが所定の角度で照射されるようになっている。
【００１９】
一方、上記予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３は、それぞれエアシリンダを内蔵したガイド１２ａ及び１３ａを介して装置基板１４に取り付けられ、これらエアシリンダに送給するエアの圧力を調節することによって、ローラ部分の材料に対する押圧力をコントロールすることができるようにしてある。
また、これら予圧ローラ１２及び加圧ローラ１３は、上記照射ヘッド１１と一体的に移動し、常にレーザビームＢから一定の距離の位置で、被接合材料を押圧しながら移動することができるように構成されており、ワーク（被接合材料）が平面でなく、例えば自動車ボディのように、３次元形状の場合にも追従することができるようになっている。
【００２０】
このような構造を有する接合装置１０においては、移動及びレーザビームの照射を連続的に行なうことによって、連続的な線状の接合を行なうことができ、上記移動及び照射を断続させることによって点状（スポット）あるいは断続直線（ステッチ）状の接合を行なうことができる。
なお、当該接合装置１０は、固定された被接合材料に対して移動するようにすることも、接合装置１０の側を固定して、被接合材料の側を移動するようにいてもよい。
【００２１】
上記図において、被接合材料としては、例えばアルミニウム合金材２を低融点材料として用いることができ、この上に高融点材料である亜鉛めっき鋼板１が通常発生し得るわずかな隙間をもって重ねられている。
【００２２】
ここでまず、皮膜破壊手段である予圧ローラ１２によってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を塑性変形させながら相対的に密着させると、図２に示すように、互いの材料表面のミクロ的な凹凸同士が互いに押し付け合うことにより、アルミニウム合金材２の表面の酸化皮膜２ｃは、薄くてしかも延性が低いため、部分的に破壊され、皮膜破壊部３が生じる。
これに続いて、高融点材料である亜鉛めっき鋼板１の側にレーザビームＢを、焦点を材料表面の手前で結ぶように、つまりデフォーカスさせ、接合界面において高融点材料である鋼板１を溶融させないような条件で照射した後、ビーム照射による加熱部分に、加圧ローラ１３によって所定の加圧力を加え、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１とを相対的に密着させる。
【００２３】
これによって、高温の亜鉛めっき鋼板１からの伝熱によりアルミニウム合金材２の界面の温度が上昇し、加圧ローラ１３の加圧力によって接合界面の亜鉛（１ｐ）や、その他の化合物を排出しながら、上記皮膜破壊部３を起点として、アルミニウムと鋼の金属間化合物が薄く均一に形成されるようなレーザビームＢの照射条件と、予圧ローラ１２、加圧ローラ１３の移動速度を精密に制御することによって異種材料１，２の接合を行なうことができる。
【００２４】
本発明の異種材料の接合方法においては、高エネルギービームを両材料（被接合材料）に対して相対移動させながら照射すると共に、高エネルギービームの照射位置の進行方向前方に配設した皮膜破壊手段によって酸化皮膜を破壊すると共に、高エネルギービーム照射位置の進行方向後方に配設した加圧手段によって両材料を加圧することによって接合することが可能である。
このとき、被接合材料に対する高エネルギービームの相対移動や高エネルギービームの照射を連続的なものとすることによって、連続的な線状の接合が可能となり、車体剛性や強度の向上に好適な連続的な線状の接合が高い生産性で実現できる一方、高エネルギービームの相対移動や照射のタイミングを断続的なものとすれば、点（スポット）状やステッチ状の接合を行なうことができる。
【００２５】
上記皮膜破壊手段としては、例えば与圧ローラを採用することができ、この与圧ローラによって高エネルギービームの照射に先だって、両材料を相対的に押圧するようになすことによって、複雑な３次元的曲面にも容易に追従して酸化皮膜を確実に破壊することができる。
【００２６】
また、この与圧ローラの押圧面（両材料との圧接面）には、凹凸形状を形成することも望ましく、これによって接合界面における微小な接触部の発生が促進され、より確実に酸化皮膜の部分的破壊が進行するようになると共に、予圧ローラの凹凸模様が被接合材料の表面に転写されることによって、その直後の高エネルギービームの照射時のビーム吸収率が向上し、より低入熱で精密なビーム照射が可能となり、エネルギー効率も向上する。
【００２７】
上記皮膜破壊手段としては、機械的変形、温度変化、超音波振動、熱的衝撃又は電気的衝撃を与える単独手段、あるいはこれらの２種以上の組み合わせて与える複合手段を採用することができ、高エネルギービームの照射前に接合界面における酸化皮膜の局部的な破壊を行うに際して、種々のケースに応じて、酸化皮膜の部分破壊を確実なものとすることができる。
【００２８】
さらに、本発明の異種材料の接合方法においては、高融点材料と低融点材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させ、この状態で高エネルギービームを高融点材料の表面に照射し、上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて両材料を接合するようになすことができ、これによって、低温状態で酸化皮膜を接合界面から除去することができ、接合界面温度の上昇を防止して金属間化合物の生成を抑制し、被接合材料の新生面同士の強固な接合をさらに容易に、より広い条件範囲のもとに得ることができるようになる。
【００２９】
このとき、第３の材料を両パネルの間に介在させるための具体的手段としては、接合しようとする両パネルの少なくとも一方のパネルに第３の材料をめっきすることが望ましく、これによって第３の材料をインサート材としてパネル間に挟み込む工程を省略することができ、加工工数の低減によって作業効率が向上するばかりでなく、共晶反応によって溶融されためっき層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、めっき層の下から極めて清浄な新生面が現れることになり、より強固な接合が可能となる。
【００３０】
そして、被接合材料の一方が鋼材である場合には、例えばアルミニウムやマグネシウムなどと低融点共晶を形成する第３の材料である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている亜鉛めっき鋼板を用いることが望ましい。
このような亜鉛めっき鋼板を使用することによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま適用することができ、極めて簡便かつ安価に、上記のような異種材料との強固な接合が可能になる。
【００３１】
ここで、共晶溶融について、Ａｌ−Ｚｎ系合金を例として説明する。
図３は、Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＡｌ−Ｚｎ系における共晶点（Ｔｅ）は、６５５Ｋであり、Ａｌの融点９３３Ｋよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してＡｌとＺｎの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。
【００３２】
ここで、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えばアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は９３３Ｋ、亜鉛の融点は６９２．５Ｋであるのに対して、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
【００３３】
一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、本発明においては、高エネルギービームの照射に先立って、上記した与圧ローラを始めとする被膜破壊手段によって酸化皮膜の一部を局部的に破壊するようにしている。
すなわち、酸化皮膜の部分的な破壊によって亜鉛とアルミニウムの局所的な接触が起こり、この状態で高エネルギービームの照射によって亜鉛めっき鋼板の表面を加熱され、接合界面が所定の温度状態に保持されると、接触部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
【００３４】
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は２種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてＺｎ−Ａｌ合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が９５％以上の組成でなければならない。
【００３５】
図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種材料の接合プロセスとして、亜鉛めっき鋼板（高融点材料）とアルミニウム合金材（低融点材料）との接合例を示す概略図である。
まず、図４（ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、アルミニウム合金材２を用意する。なお、アルミニウム合金材２の表面には酸化皮膜２ｃが生成している。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ね、皮膜破壊手段、例えば与圧ローラによって相対的に押圧する。
すると、押圧による変形や、皮膜破壊手段の種類によっては、機械的、熱的、あるいは電気的な衝撃などにより、図４（ｃ）に示すように局部的に酸化皮膜が破壊される。
【００３７】
これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が起こり、さらに高エネルギービームの照射によって亜鉛めっき鋼板１の表面が加熱され、接合界面が所定の温度状態に保持されると、図４（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じる。
【００３８】
そして、加圧によって共晶溶融金属４と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物（図示せず）などから成る排出物が接合部の外側（矢印方向）に排出されることにより、所定の接合面積が確保され、その結果、図４（ｅ）に示すように、アルミニウム合金材と鋼材の新生面同士が極めて薄い反応層５によって直接接合され、鋼板１とアルミニウム合金材２の強固な金属接合が得られることなる。なお、反応層５と鋼材１の間には材料や接合条件によって鋼への亜鉛の薄い拡散層が生じる場合もあるが、接合強度への影響は少なく、実質的な問題はない。
【００３９】
本発明の異種材料の接合方法における被接合材料の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第３の材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
すなわち、これら金属とＡｌとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。
【００４０】
また、本発明の接合方法を自動車ボディの組み立てに適用することを考えた場合、被接合パネルの材料は鋼材とアルミニウムとの組み合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組み合せなども考えられる。
鋼材パネルとマグネシウムとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムとマグネシウムを接合する場合においても、亜鉛や銀を第３の材料として利用することが可能である。
【００４１】
なお、本発明においては、第３の材料として、上記したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は２元合金も３元合金も存在するため、これらの少なくとも１種の金属を含む合金であってもよい。
【００４２】
本発明の異種材料の接合構造は、上記のように低融点材料と高融点材料の間に第３の材料を介在させることによって得られるものであって、両パネルの新生面同士が直接、あるいは両パネルの少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されており、この接合部の両側に、第３の材料や両材料に由来する成分、酸化皮膜、接合時の反応生成物などから成る排出物が排出された構造を有していることから、高い接合強度を安定して発揮することができ、例えば、低融点材料としてアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽合金材料を用い、高融点材料として亜鉛めっき鋼板を用いることによって、自動車用の軽量車体部材などに好適に用いることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００４４】
（実施例１）
図１に示すように、板厚１．０ｍｍのＡ６０００系アルミニウム合金材２（低融点材料）の上に、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１（高融点材料）を重ね、高融点材料である鋼板１の側からＹＡＧレーザによるレーザビームＢを照射した。
このとき、レーザビームＢの前方において皮膜破壊手段である予圧ローラ１２によって、レーザビームＢの後方においては加圧手段である加圧ローラ１３によってそれぞれ押圧し、このレーザビームＢと予圧ローラ１２、加圧ローラ１３を被溶接材料に対して、図中に矢印で示す方向に移動させることによって連続的に線状に接合した。
【００４５】
レーザビームＢの照射条件は、接合界面におけるめっき層１ｐである亜鉛が蒸発しない範囲、つまり亜鉛の沸点以下となるような条件で照射し、かつ、高温の亜鉛めっき鋼板１からの伝熱によってアルミニウム合金材２の界面温度が上昇し、アルミニウムと亜鉛の共晶温度以上（６５５Ｋ以上、図３参照）となるように、レーザビームＢと予圧ローラ１２、加圧ローラ１３の移動速度を制御して溶接を行なった。
【００４６】
具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器と焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板表面上においてスポット径φ３．５ｍｍとなるようビームをデフォーカスし、ＹＡＧレーザ出力１．０ｋＷ、移動速度１．０ｍ／ｍｉｎ、予圧ローラ１２と加圧ローラの加圧力はそれぞれ１００ＭＰａとして接合を行った。
またレーザ照射中はレーザと同軸のノズルでアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流しシールドした。
【００４７】
得られた接合体から、マクロ試験片を切り出し、接合部のマクロ組織を観察した結果、アルミニウム合金と鋼材の新生面同士が直接接合され、その両側に酸化皮膜や共晶溶融金属などの反応生成物などから成る排出物が排出された状態の良好な接合構造が得られることが確認された。
【００４８】
この実施例においては、片側から予圧ローラ１２と加圧ローラ１３で押さえ、接合部を加圧しながら接合を行ったが、下側の材料が剛性が低い場合や、フランジを溶接する場合などには、予圧ローラと加圧ローラそれぞれを上下１対のものとし、被接合材料を両側から挟み込むようにして加圧しながら接合を行うことも必要に応じて望ましい。
例えば、下側のローラを上側のローラに引き寄せるような状態で移動させ、材料を上側ローラとの間ではさみ、接合部に加圧する。ローラの構造をこのようにすることによって、上記のように、下側の材料に剛性が無い場合や、フランジを接合する場合にも対応することができる。
【００４９】
図５は、予圧ローラ１２の外周部形状の例を示すものであって、例えば図５（ａ）に示すように、与圧ローラ１２の外周、すなわち被接合材料の表面に押し付ける押圧面１２ｂにローレット加工による凹凸部１２ｃを形成したり、図５（ｂ）に示すように、切り欠き加工による凹凸溝１２ｄを形成したりすることができ、このような形状の予圧ローラ１２を用いることによって、図２に示したような接合界面のミクロ的な凹凸同士の押し付け合いによるアルミニウム合金材表面の酸化皮膜の局部的破壊をより確実に広範囲に生じさせることができる。
【００５０】
（実施例２）
図６には、皮膜破壊手段として、上記した与圧ローラに替えて、パルス通電による例を示す。
【００５１】
図に示すように、同様にアルミニウム合金材２に亜鉛めっき鋼板１が重ねられ、亜鉛めっき鋼板１の側にデフォーカスさせたレーザビームＢを照射する。
その直前には、銅合金など導電性の高い金属材料からローラ状に形成された上下１対の電極１５、１５により、両材料１、２を相対的に加圧しながら、電極１５，１５の間にパルス通電を行うようにしている。
【００５２】
そして、レーザビームＢの直後には１対の加圧ローラ１３、１３によって所定の加圧力を加えることより、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を相対的に密着させて接合を行う。
上下１対の電極１５、１５は、変圧器１６を介して電源１７に接続されており、電極１５、１５を通じて、両材料１、２に高電流の短時間通電、つまりパルス通電を行い、これによってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１の接合界面の酸化皮膜を効率良く、局部破壊することができ、前述の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（実施例３）
図７は、皮膜破壊手段として、超音波振動を付与するようにした例を示すものであって、図７（ａ）は、当該接合装置を進行方向から見た正面図、図７（ｂ）はその側面図であって、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を重ねた被接合材料に対して、同様に亜鉛めっき鋼板１の側にデフォーカスさせたレーザビームＢが照射される。
【００５４】
レーザビーム照射位置の直前には、超音波発生装置１８に接続された振動ローラ１９と下部ローラ２０によって両材料１、２に相対的な加圧しながら、矢印方向に超音波振動が与えられる。
さらにビーム照射位置の直後には、１対の加圧ローラ１３、１３によって、所定の加圧力が加えられ、これによってアルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を相対的に密着させて接合を行う。
【００５５】
このように、超音波発生装置１８に接続された振動ローラ１９と、下部ローラ２０を介して両材料１、２に相対的な加圧を与えながら、超音波振動を与えることによって、アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１の接合界面の酸化皮膜を局部的に破壊することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
以上、アルミニウム合金材と鋼材の重ね接合方法や、装置、接合構造について、実施例を通じて説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例においては、加熱の熱源として、ＹＡＧレーザを用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、共晶反応を誘起させ、反応を制御できる精密なコントロールが可能な高エネルギービームであれば利用可能である。また、レーザビームなどの加熱熱源は連続して照射して、連続的な線状接合もできるし、断続的に照射して、ステッチ状に線接合することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の接合装置の一実施例を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【図２】本発明の接合方法における接合界面のミクロ構造を模式的に示す断面説明図である。
【図３】Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は第３の材料を介在させた異種材料の接合過程を概略的に示す工程図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明に用いる与圧ローラの外周形状例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例に用いた接合装置とそれによる接合要領を示す側面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に用いた接合装置とそれによる接合要領を示す側面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 亜鉛めっき鋼板（高融点材料）
１ｐ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ アルミニウム合金材（低融点材料）
２ｃ 酸化皮膜
４ 共晶溶融金属
５ 反応層
１０ 異種材料の接合装置
１１ 照射ヘッド
１２ 与圧ローラ（皮膜破壊手段）
１２ｂ 押圧面
１２ｃ、１２ｄ 凹凸
１３ 加圧ローラ（加圧手段）
１５ 電極（皮膜破壊手段）
１９ 振動ローラ（皮膜破壊手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせて接合するに際し、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高エネルギービームを高融点材料表面に照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項２】
高エネルギービームを両材料に対して相対移動させながら照射すると共に、上記高エネルギービーム照射位置の進行方向前方に配設した皮膜破壊手段によって酸化皮膜を破壊すると共に、上記照射位置の進行方向後方に配設した加圧手段によって両材料を加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
【請求項３】
上記皮膜破壊手段が両材料を相対的に押圧する与圧ローラであることを特徴とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項４】
上記与圧ローラの押圧面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の異種材料の接合方法。
【請求項５】
上記皮膜破壊手段が機械的変形、温度変化、超音波振動、熱的衝撃及び電気的衝撃からなる群から選ばれる少なくとも１つを与える手段であることを特徴とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項６】
上記高融点材料と低融点材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、高エネルギービームを照射し、上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項７】
上記両材料の少なくとも一方に、第３の材料によるめっきが施してあることを特徴とする請求項６に記載の異種材料の接合方法。
【請求項８】
上記両材料の一方が亜鉛めっき鋼板であって、該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第３の材料として利用することを特徴とする請求項７に記載の異種材料の接合方法。
【請求項９】
被接合材料に対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、
上記照射ヘッドによる高エネルギービーム照射位置の進行方向前方に配設され、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、
上記高エネルギービーム照射位置の進行方向後方に配設され、高エネルギービーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする異種材料の接合装置。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の接合方法によって得られる接合構造であって、上記両材料の新生面同士が直接、又は上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されていると共に、当該接合部の両側に、第３の材料、被接合材料由来成分、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成物の群から選ばれる少なくとも１種から成る排出物が排出されていることを特徴とする異種材料の接合構造。
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせて接合するに際し、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊しながら、高エネルギービームを高融点材料表面に照射して両材料を加熱し、加熱された両材料を相対的に加圧して両材料を連続的又は断続的に接合することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項２】
高エネルギービームを両材料に対して相対移動させながら照射すると共に、上記高エネルギービーム照射位置の進行方向前方に配設した皮膜破壊手段によって酸化皮膜を破壊すると共に、上記照射位置の進行方向後方に配設した加圧手段によって両材料を加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
【請求項３】
上記皮膜破壊手段が両材料を相対的に押圧する与圧ローラであることを特徴とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項４】
上記与圧ローラの押圧面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の異種材料の接合方法。
【請求項５】
上記皮膜破壊手段が機械的変形、温度変化、超音波振動、熱的衝撃及び電気的衝撃からなる群から選ばれる少なくとも１つを与える手段であることを特徴とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項６】
上記高融点材料と低融点材料の間にこれら材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、高エネルギービームを照射し、上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項７】
上記両材料の少なくとも一方に、第３の材料によるめっきが施してあることを特徴とする請求項６に記載の異種材料の接合方法。
【請求項８】
上記両材料の一方が亜鉛めっき鋼板であって、該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第３の材料として利用することを特徴とする請求項７に記載の異種材料の接合方法。
【請求項９】
被接合材料に対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合材料の接合部に高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、
上記照射ヘッドによる高エネルギービーム照射位置の進行方向前方に配設され、接合界面の酸化皮膜を部分的に破壊する皮膜破壊手段と、
上記高エネルギービーム照射位置の進行方向後方に配設され、高エネルギービーム照射による加熱部を加圧する加圧手段を備えたことを特徴とする異種材料の接合装置。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の接合方法によって得られる接合構造であって、上記両材料の新生面同士が直接、又は上記両材料の少なくとも一方と第３の材料との反応層を介して接合されていると共に、当該接合部の両側に、第３の材料、被接合材料由来成分、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成物の群から選ばれる少なくとも１種から成る排出物が排出されていることを特徴とする異種材料の接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３３０９７２（Ｐ２００７−３３０９７２Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６１８３２（Ｐ２００６−１６１８３２）
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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