異種金属パネルの接合方法、接合装置及び接合構造
【課題】例えば、自動車車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの高エネルギービーム照射によって、金属間化合物の生成や、重量、コストの増加を来たすことなく異種金属を接合することができる異種金属パネルの接合方法と、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る異種金属パネルの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金属パネル１７と低融点金属パネル２１を接合するに際し、これら両パネル１７，２１の間にこれらの材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームＢを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しながら、両パネル１７，２１を相対加圧し、上記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両パネル１７，２１を連続的又は断続的な線状にフレア接合する。
【解決手段】互いに融点の異なる高融点金属パネル１７と低融点金属パネル２１を接合するに際し、これら両パネル１７，２１の間にこれらの材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームＢを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しながら、両パネル１７，２１を相対加圧し、上記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両パネル１７，２１を連続的又は断続的な線状にフレア接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属パネル、例えばスチール材とアルミニウム合金材から成るパネルのように、互いに異なる融点を有する異種金属パネルフレア接合技術に係わり、脆い金属間化合物の生成を抑制しながら、被接合パネルの新生面同士の強固な接合が可能な異種金属パネルの接合方法と、このような接合に適用される接合装置、さらにはこのような方法や接合装置によって接合された異種金属パネルの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等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、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の側に照射し、高融点材料側からの伝熱によって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】
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り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、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、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、例えば非特許文献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の接合を行なう方法が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献２には、機械的締結、すなわちアルミニウム合金側からリベットなどを打ち込むことによって、アルミニウム合金製パネルを鋼製の車体骨格構造に接合する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
【非特許文献２】三菱自動車 テクニカルレビュー ２００４、Ｎｏ．１６、ｐ．８２
【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、上記非特許文献１に記載の方法においては、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、良好な接合強度を得るには、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、しかもその適正接合条件範囲が極めて狭いことから、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。
【０００６】
また、この方法では鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金を溶融させるため、必ず、アルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製のルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
【０００７】
そこで、実用的には、上記非特許文献２に記載の機械的締結による方法が検討されることになるが、この方法では、重量やコストが増加したり、外観デザイン自由度に制約が生じる場合があるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、異種金属材料の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、例えば自動車車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの高エネルギービーム照射によって、金属間化合物の生成や、重量、コストの増加を惹き起こすことなく異種金属を接合することができる異種金属パネルの接合方法と、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る異種金属パネルの接合構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする両異種金属パネル間に、これら金属材料の少なくとも一方との間に共晶反応を生じる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームの中心を高融点金属パネルに照射し、共晶溶融を生じさせてフレア接合するようになすことによって、上記課題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、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、これら両異種金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の異種金属パネルの接合装置は、被接合パネル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パネル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の照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする。
そして、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記した接合方法、あるいは接合装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低融点金属パネルと高融点金属パネルの間に第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合するようにしていることから、外側に位置する低融点金属パネルの側から高エネルギービームを主に高融点金属パネルに照射することによって、接合界面温度をさほど高くすることなく両パネルの新生面同士の接合が可能となり、金属間化合物の生成が抑制され、重量やコストの増加を招くことなく、強固な接合状態を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の異種金属パネルの接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。
【００１４】
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、上記したように、低融点金属パネルと高融点金属パネルを単に重ね合わせた状態で、パネル表面に直交する方向から高エネルギービームを照射して重ね接合するのではなく、フレア接合、すなわちパネル表面に対して略直角をなす面で両パネルを接合するようにしているので、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することで、レーザビームの照射に対する加圧のタイミングの裕度が広がることによって接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融が排出される近傍にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。また、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。さらに、フレア構造とすることでルーフパネルのつなぎ目がスムーズになり見た目等の意匠性が向上する。
【００１５】
したがって、高エネルギービームは、高融点金属パネル表面にのみ照射するか、高融点金属パネルと低融点パネルの両方に照射するにしても、デフォーカスさせたビームのエネルギー密度が最も高いビーム中心部が高融点金属パネルに位置するようにし、低融点パネルには高エネルギービームの周縁部のみが当たり、ビーム中心部が当たらないようにすることが必要となる。低融点パネルがビームの直接照射によって溶融してしまうことは好ましくない。
【００１６】
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させた状態で、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射しながら、高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧するようになすことができ、これによって接合界面にレーザビームをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高く、安価で軽量な接合構造が得られる。
【００１７】
また、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、接合過程において生成された共晶溶融物が排出される位置の近傍に高エネルギービームを照射しながら、同様に高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧することもでき、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することによって、レーザビームの照射に対する加圧タイミングの許容度が広がり、接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融物が排出される部位の近傍にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現することができると共に、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
【００１８】
そして、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高エネルギービームを両パネル（被接合パネル）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点近傍に配設した加圧手段によって両パネルを加圧しながら接合することができ、このとき、被接合パネル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寄与する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。
【００１９】
このとき、上記両金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第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ながら、両パネルを相対加圧し、当該第３の材料と両パネルの少なくとも一方との間で共晶溶融を生じさせて接合するようにしていることから、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、被接合パネルの新生面同士の強固な接合を得ることが可能となることから、特にアルミニウム材やマグネシウム材のように表面に緻密な酸化皮膜が形成される材料を含む異種金属接合に好適に用いることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
そして、例えば、アルミニウム合金材やマグネシウム合金材などの軽合金製パネルと鋼材から成る異種金属パネルの接合に際しては、鋼材として、アルミニウムやマグネシウムと低融点共晶を形成する第３の金属である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることができる。この場合には、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使用することができ、極めて簡便かつ安価に、異種金属パネルの強固な接合を行なうことができるようになる。
【００２２】
ここで、共晶溶融について、Ａｌ−Ｚｎ系合金の例について説明する。
図１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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、これは高エネルギービームの照射による加熱と、その直後の所定温度での加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種金属パネルの接合プロセスとして、亜鉛めっき鋼板（高融点金属パネル）とアルミニウム合金板材（低融点金属パネル）との接合例を示す概略図である。
まず、図２（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を用意し、図２（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。
【００２７】
次に、高エネルギービームを亜鉛めっき鋼板１に照射し、接合界面が所定の温度範囲となったところで、両パネルを加圧し、接合面を相対的に押圧すると、押圧による塑性変形や熱的衝撃などによって、図２（ｃ）に示すように材料表面の微視的な接触部において、酸化皮膜２ｃが局部的に破壊される。
【００２８】
これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、そのときの温度状態に応じて、図２（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物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２（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４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４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。
【００２９】
本発明の異種金属パネルの接合方法におけるパネル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、上記した亜鉛（Ｚｎ）の他に、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。
【００３０】
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パネル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、アルミニウムパネルとマグネシウムパネル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。
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の異種金属パネルの接合装置においては、上記のように、被接合パネル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被接合パネル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、当該照射ヘッドからの高エネルギービームの照射方向とほぼ直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラ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。
【００３３】
さらに、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記接合方法あるいは接合装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることから、このような部材を用いることによって、軽量かつ運動性能の高い車体構造を安価、且つ容易に得ることができ、例えば、低融点金属パネルをルーフパネルとすることによって、軽量かつ低重心な車体を安価、容易に製造することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明に用いる異種金属パネルの接合装置の一例を示す概略図であって、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Ｎｄ−ＹＡＧレーザを照射する照射ヘッド１１と、加圧ローラ１２から主に構成され、これら照射ヘッド１１及び加圧ローラ１２は、それぞれ溶接ロボットのアームＡ１及びＡ２によって移動可能に支持されており、加圧ローラ１２は、照射ヘッド１１に追随して、連続的あるいは断続的に移動するようになっている。
【００３６】
照射ヘッド１１は、光ファイバ１４を介して図示しないレーザ発振機に接続され、その先端から焦点調整したレーザビームＢを高融点金属パネル１及び低融点金属パネル２から成る被接合パネルに向けて照射することができるようになっている。
一方、加圧ローラ１２は、加圧シリンダ１３によって低融点金属パネル２を高融点金属パネル１に押し付け、加圧することができるようになっている。
【００３７】
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あるいはステッチ状の接合を行なうことができる。
【００３８】
図４は、上記した接合装置１０を用いて、高融点金属パネルである鋼製車体部材に低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルを接合する要領を示すものであって、図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ１５（板厚：１．４ｍｍ）と、レールアウタ１６（板厚：０．８ｍｍ）と、サイドアウタ１７（板厚：０．８ｍｍ）が溶接により組み立てられた車体部材のサイドアウタ１７に対して、軽合金製のルーフパネル２１（板厚：１．２ｍｍ）がフレア状に横方向からから重ねられる。
なお、上記サイドアウタ１７は表面に亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板から成る。
【００３９】
一方、アルミニウム合金製のルーフパネル２１は、その端部に形成された接合フランジ２１ａが車体部材のサイドアウタ１７に設定された接合面１７ａに隙間を介して対向しており、この隙間からサイドアウタ１７及びルーフパネル２１の双方に向けてデフォーカスされたレーザビームＢが照射される。
このとき、高エネルギービームＢの照射部位は、両パネルが最終的に重なり合わされる面であって、デフォーカスさせたレーザビームＢの中心軸が高融点金属パネルであるサイドアウタ１７の接合面１７ａに位置し、低融点金属パネルであるルーフパネル２１には、ビームＢの外周部分が僅かに当たる程度とし、レーザビームＢを照射しながら、加圧ローラ１２によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
【００４０】
図５（ａ）及び（ｂ）は、図４におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、レーザビームＢの照射ヘッド１１及び加圧ローラ１２は、前述のように、被接合パネル、すなわち鋼製の車体部材１５，１６，１７及びアルミニウム合金製ルーフパネル２１に対して、相対的に移動可能に配置されており、まず、図５（ａ）に示すように、レーザビームＢをサイドアウタ１７とルーフパネル２１に向けて照射し、接合部近傍を所定の温度に加熱する。
【００４１】
レーザビームＢとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、共晶溶融が生じる温度以上となるようにレーザのデフォーカス径、レーザ出力、送り速度を設定した。
具体的には、最大出力３ｋＷのレーザ発振器と焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、照射面上において３．５ｍｍのスポット径となるようビームＢをデフォーカスすると共に、レーザ出力を０．８ｋＷ、送り速度を０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。なお、レーザ照射中はアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
【００４２】
ビーム照射位置のすぐ後方では、図５（ｂ）に示すように、加圧ローラ１２の加圧によってルーフパネル２１の接合フランジ２１ａが、加熱されたサイドアウタ１７の接合面１７ａに押し付けられる。これによってルーフパネル２１が車体部材のサイドアウタ１７に密着し、伝熱により接合界面が共晶反応の発現する温度に保持されると共に、加圧ローラ１２によって加圧されることにより、図２（ａ）〜（ｅ）に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル２１と車体部材がサイドアウタ１７の接合面１７ａにおいて接合される。
【００４３】
このとき、アルミニウム合金製のルーフパネル２１の加圧に際しては、鋼製のパネル１５，１６，１７から成る構造部材である車体部材は、その剛性が十分に高いため、加圧ローラ１２による加圧に対して、図８に示すようなリベットＲによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えＴが必要ないことから、ルーフパネル２１と車体部材の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅をなくすことができるため、デザインの自由度が向上し、意匠性を高めることができる。
また、接合界面にレーザビームＢをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高い、かつ連続接合ならではの高強度で、安価で軽量な接合構造が得ることが可能となる。
【００４４】
なお、上記ルーフパネル２１の接合フランジ２１ａの形状としては、曲率を有した湾曲形状であるものや、凸形状の湾曲部を持ったものとすることによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになり、本発明の効果をより確実なものとすることができる。
また、ルーフパネル２１のルーフ角部に凹部（段差）２１ｂを設けておくことによって、レーザビームＢの入射角の自由度を増すことができ、ルーフの熱ひずみ等による変形や寸法誤差を吸収することができる。
【００４５】
（実施例２）
図６は、高融点金属パネルである鋼製車体部材と低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルの他の接合例を示すものであって、上記実施例と同様に、いずれも鋼製のレールインナ１５と、レールアウタ１６と、サイドアウタ１７が溶接で組み立てられた車体部材とアルミニウム合金製のルーフパネル２１との接合要領について説明する。
すなわち、図に示すように、上記車体部材のサイドアウタ１７に対して、軽合金製ルーフパネル２１がフレア状に横方向からから重ねられる。なお、上記サイドアウタ１７は亜鉛めっき鋼板から成るものである。
【００４６】
アルミニウム合金製ルーフパネル２１は、その端部に形成された接合フランジ２１ａが車体部材のサイドアウタ１７に設定された接合面１７ａに密着状態に配置され、デフォーカスされたレーザビームＢが車体部材のサイドアウタ１７を中心にして照射される。
このときの高エネルギービームＢの照射位置は、デフォーカスされたビームＢの中心部が接合過程で生成される共晶溶融物が排出されることになるサイドアウタ１７の接合面１７ａに隣接する部分に当たるようにし、低融点金属パネルであるルーフパネル２１には、ビームＢの外周部分が僅かに当たる程度とする。そして、レーザビームＢを照射しながら、加圧ローラ１２によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
【００４７】
図７（ａ）及び（ｂ）は、図６におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、まず、図５（ａ）に示すように、レーザビームＢをサイドアウタ１７とルーフパネル２１に向けて照射し、共晶溶融物が排出される接合面１７ａの隣接部近傍を所定の温度に加熱する。
このとき、上記同様のレーザ発振器とレンズを用い、照射面上において３．５ｍｍのスポット径となるようビームＢをデフォーカスすると共に、レーザ出力を０．８ｋＷ、送り速度を０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。なお、レーザ照射中は、同様にアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
【００４８】
レーザビーム照射位置の近くには、加圧ローラ１２が配設されており、その加圧によってルーフパネル２１の接合フランジ２１ａが加熱されたサイドアウタ１７の接合面１７ａに押し付けられる。これによってルーフパネル２１が車体部材のサイドアウタ１７に密着し、接合界面が共晶反応の発現する温度に保持され、加圧ローラ１２による加圧によって、図２（ａ）〜（ｅ）に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル２１と車体部材が接合面１７ａにて接合される。
【００４９】
このとき、上記実施例と同様に、車室内側からの押えが必要ないため、リベット接合に較べて設計やデザイン上の自由度が高く、意匠性を高めることができる。
また、共晶溶融物が排出される位置の近傍部にレーザビームＢを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。さらに、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
【００５０】
アルミニウム合金製ルーフパネル２１の接合フランジ２１ａの表面形状としては、同様に、湾曲形状や凸形状の曲面を形成することによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになって、より効果的なものとすることができる。
【００５１】
また、レーザビームの入射角自由度を増す観点から、ルーフパネル２１のルーフ角部に同様の凹部２１ｂを設けておくことも望ましく、これによって、同様に、熱ひずみ等によるルーフの変形や寸法誤差を吸収することができる。
さらに、車体部材を構成するサイドアウタ１７の接合部近傍の角部にゆるやかな曲率の湾曲面１７ｂを形成しておくことによって、デフォーカスさせたレーザビームＢの照射領域を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】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２】（ａ）〜（ｅ）は第３の材料を介在させた異種金属パネルの接合過程を概略的に示す工程図である。
【図３】本発明の接合装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図４】本発明の第１の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は図４におけるビーム照射部の近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は図６におけるビーム照射部の近傍を示す説明図である。
【図８】鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルのリベットによる接合構造例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１７ 亜鉛めっき鋼板（高融点金属パネル）
１ｐ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２、２１ アルミニウム合金材（低融点金属パネル）
３ 共晶溶融金属
４ 反応層
１０ 異種金属パネルの接合装置
１１ 照射ヘッド
１２ 加圧ローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属パネル、例えばスチール材とアルミニウム合金材から成るパネルのように、互いに異なる融点を有する異種金属パネルフレア接合技術に係わり、脆い金属間化合物の生成を抑制しながら、被接合パネルの新生面同士の強固な接合が可能な異種金属パネルの接合方法と、このような接合に適用される接合装置、さらにはこのような方法や接合装置によって接合された異種金属パネルの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等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、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の側に照射し、高融点材料側からの伝熱によって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】
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り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、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、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、例えば非特許文献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の接合を行なう方法が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献２には、機械的締結、すなわちアルミニウム合金側からリベットなどを打ち込むことによって、アルミニウム合金製パネルを鋼製の車体骨格構造に接合する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
【非特許文献２】三菱自動車 テクニカルレビュー ２００４、Ｎｏ．１６、ｐ．８２
【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、上記非特許文献１に記載の方法においては、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、良好な接合強度を得るには、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、しかもその適正接合条件範囲が極めて狭いことから、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。
【０００６】
また、この方法では鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金を溶融させるため、必ず、アルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製のルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
【０００７】
そこで、実用的には、上記非特許文献２に記載の機械的締結による方法が検討されることになるが、この方法では、重量やコストが増加したり、外観デザイン自由度に制約が生じる場合があるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、異種金属材料の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、例えば自動車車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの高エネルギービーム照射によって、金属間化合物の生成や、重量、コストの増加を惹き起こすことなく異種金属を接合することができる異種金属パネルの接合方法と、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る異種金属パネルの接合構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする両異種金属パネル間に、これら金属材料の少なくとも一方との間に共晶反応を生じる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームの中心を高融点金属パネルに照射し、共晶溶融を生じさせてフレア接合するようになすことによって、上記課題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、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、これら両異種金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の異種金属パネルの接合装置は、被接合パネル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パネル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の照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする。
そして、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記した接合方法、あるいは接合装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低融点金属パネルと高融点金属パネルの間に第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合するようにしていることから、外側に位置する低融点金属パネルの側から高エネルギービームを主に高融点金属パネルに照射することによって、接合界面温度をさほど高くすることなく両パネルの新生面同士の接合が可能となり、金属間化合物の生成が抑制され、重量やコストの増加を招くことなく、強固な接合状態を得ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の異種金属パネルの接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。
【００１４】
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、上記したように、低融点金属パネルと高融点金属パネルを単に重ね合わせた状態で、パネル表面に直交する方向から高エネルギービームを照射して重ね接合するのではなく、フレア接合、すなわちパネル表面に対して略直角をなす面で両パネルを接合するようにしているので、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することで、レーザビームの照射に対する加圧のタイミングの裕度が広がることによって接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融が排出される近傍にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。また、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。さらに、フレア構造とすることでルーフパネルのつなぎ目がスムーズになり見た目等の意匠性が向上する。
【００１５】
したがって、高エネルギービームは、高融点金属パネル表面にのみ照射するか、高融点金属パネルと低融点パネルの両方に照射するにしても、デフォーカスさせたビームのエネルギー密度が最も高いビーム中心部が高融点金属パネルに位置するようにし、低融点パネルには高エネルギービームの周縁部のみが当たり、ビーム中心部が当たらないようにすることが必要となる。低融点パネルがビームの直接照射によって溶融してしまうことは好ましくない。
【００１６】
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させた状態で、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射しながら、高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧するようになすことができ、これによって接合界面にレーザビームをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高く、安価で軽量な接合構造が得られる。
【００１７】
また、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、接合過程において生成された共晶溶融物が排出される位置の近傍に高エネルギービームを照射しながら、同様に高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧することもでき、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することによって、レーザビームの照射に対する加圧タイミングの許容度が広がり、接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融物が排出される部位の近傍にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現することができると共に、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
【００１８】
そして、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高エネルギービームを両パネル（被接合パネル）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点近傍に配設した加圧手段によって両パネルを加圧しながら接合することができ、このとき、被接合パネル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寄与する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。
【００１９】
このとき、上記両金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第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ながら、両パネルを相対加圧し、当該第３の材料と両パネルの少なくとも一方との間で共晶溶融を生じさせて接合するようにしていることから、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、被接合パネルの新生面同士の強固な接合を得ることが可能となることから、特にアルミニウム材やマグネシウム材のように表面に緻密な酸化皮膜が形成される材料を含む異種金属接合に好適に用いることができる。
【００２０】
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。
【００２１】
そして、例えば、アルミニウム合金材やマグネシウム合金材などの軽合金製パネルと鋼材から成る異種金属パネルの接合に際しては、鋼材として、アルミニウムやマグネシウムと低融点共晶を形成する第３の金属である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることができる。この場合には、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使用することができ、極めて簡便かつ安価に、異種金属パネルの強固な接合を行なうことができるようになる。
【００２２】
ここで、共晶溶融について、Ａｌ−Ｚｎ系合金の例について説明する。
図１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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、これは高エネルギービームの照射による加熱と、その直後の所定温度での加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種金属パネルの接合プロセスとして、亜鉛めっき鋼板（高融点金属パネル）とアルミニウム合金板材（低融点金属パネル）との接合例を示す概略図である。
まず、図２（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を用意し、図２（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。
【００２７】
次に、高エネルギービームを亜鉛めっき鋼板１に照射し、接合界面が所定の温度範囲となったところで、両パネルを加圧し、接合面を相対的に押圧すると、押圧による塑性変形や熱的衝撃などによって、図２（ｃ）に示すように材料表面の微視的な接触部において、酸化皮膜２ｃが局部的に破壊される。
【００２８】
これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、そのときの温度状態に応じて、図２（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物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２（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４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４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。
【００２９】
本発明の異種金属パネルの接合方法におけるパネル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、上記した亜鉛（Ｚｎ）の他に、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。
【００３０】
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パネル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、アルミニウムパネルとマグネシウムパネル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。
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の異種金属パネルの接合装置においては、上記のように、被接合パネル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被接合パネル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、当該照射ヘッドからの高エネルギービームの照射方向とほぼ直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラ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。
【００３３】
さらに、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記接合方法あるいは接合装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることから、このような部材を用いることによって、軽量かつ運動性能の高い車体構造を安価、且つ容易に得ることができ、例えば、低融点金属パネルをルーフパネルとすることによって、軽量かつ低重心な車体を安価、容易に製造することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明に用いる異種金属パネルの接合装置の一例を示す概略図であって、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Ｎｄ−ＹＡＧレーザを照射する照射ヘッド１１と、加圧ローラ１２から主に構成され、これら照射ヘッド１１及び加圧ローラ１２は、それぞれ溶接ロボットのアームＡ１及びＡ２によって移動可能に支持されており、加圧ローラ１２は、照射ヘッド１１に追随して、連続的あるいは断続的に移動するようになっている。
【００３６】
照射ヘッド１１は、光ファイバ１４を介して図示しないレーザ発振機に接続され、その先端から焦点調整したレーザビームＢを高融点金属パネル１及び低融点金属パネル２から成る被接合パネルに向けて照射することができるようになっている。
一方、加圧ローラ１２は、加圧シリンダ１３によって低融点金属パネル２を高融点金属パネル１に押し付け、加圧することができるようになっている。
【００３７】
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あるいはステッチ状の接合を行なうことができる。
【００３８】
図４は、上記した接合装置１０を用いて、高融点金属パネルである鋼製車体部材に低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルを接合する要領を示すものであって、図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ１５（板厚：１．４ｍｍ）と、レールアウタ１６（板厚：０．８ｍｍ）と、サイドアウタ１７（板厚：０．８ｍｍ）が溶接により組み立てられた車体部材のサイドアウタ１７に対して、軽合金製のルーフパネル２１（板厚：１．２ｍｍ）がフレア状に横方向からから重ねられる。
なお、上記サイドアウタ１７は表面に亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板から成る。
【００３９】
一方、アルミニウム合金製のルーフパネル２１は、その端部に形成された接合フランジ２１ａが車体部材のサイドアウタ１７に設定された接合面１７ａに隙間を介して対向しており、この隙間からサイドアウタ１７及びルーフパネル２１の双方に向けてデフォーカスされたレーザビームＢが照射される。
このとき、高エネルギービームＢの照射部位は、両パネルが最終的に重なり合わされる面であって、デフォーカスさせたレーザビームＢの中心軸が高融点金属パネルであるサイドアウタ１７の接合面１７ａに位置し、低融点金属パネルであるルーフパネル２１には、ビームＢの外周部分が僅かに当たる程度とし、レーザビームＢを照射しながら、加圧ローラ１２によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
【００４０】
図５（ａ）及び（ｂ）は、図４におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、レーザビームＢの照射ヘッド１１及び加圧ローラ１２は、前述のように、被接合パネル、すなわち鋼製の車体部材１５，１６，１７及びアルミニウム合金製ルーフパネル２１に対して、相対的に移動可能に配置されており、まず、図５（ａ）に示すように、レーザビームＢをサイドアウタ１７とルーフパネル２１に向けて照射し、接合部近傍を所定の温度に加熱する。
【００４１】
レーザビームＢとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、共晶溶融が生じる温度以上となるようにレーザのデフォーカス径、レーザ出力、送り速度を設定した。
具体的には、最大出力３ｋＷのレーザ発振器と焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、照射面上において３．５ｍｍのスポット径となるようビームＢをデフォーカスすると共に、レーザ出力を０．８ｋＷ、送り速度を０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。なお、レーザ照射中はアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
【００４２】
ビーム照射位置のすぐ後方では、図５（ｂ）に示すように、加圧ローラ１２の加圧によってルーフパネル２１の接合フランジ２１ａが、加熱されたサイドアウタ１７の接合面１７ａに押し付けられる。これによってルーフパネル２１が車体部材のサイドアウタ１７に密着し、伝熱により接合界面が共晶反応の発現する温度に保持されると共に、加圧ローラ１２によって加圧されることにより、図２（ａ）〜（ｅ）に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル２１と車体部材がサイドアウタ１７の接合面１７ａにおいて接合される。
【００４３】
このとき、アルミニウム合金製のルーフパネル２１の加圧に際しては、鋼製のパネル１５，１６，１７から成る構造部材である車体部材は、その剛性が十分に高いため、加圧ローラ１２による加圧に対して、図８に示すようなリベットＲによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えＴが必要ないことから、ルーフパネル２１と車体部材の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅をなくすことができるため、デザインの自由度が向上し、意匠性を高めることができる。
また、接合界面にレーザビームＢをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高い、かつ連続接合ならではの高強度で、安価で軽量な接合構造が得ることが可能となる。
【００４４】
なお、上記ルーフパネル２１の接合フランジ２１ａの形状としては、曲率を有した湾曲形状であるものや、凸形状の湾曲部を持ったものとすることによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになり、本発明の効果をより確実なものとすることができる。
また、ルーフパネル２１のルーフ角部に凹部（段差）２１ｂを設けておくことによって、レーザビームＢの入射角の自由度を増すことができ、ルーフの熱ひずみ等による変形や寸法誤差を吸収することができる。
【００４５】
（実施例２）
図６は、高融点金属パネルである鋼製車体部材と低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルの他の接合例を示すものであって、上記実施例と同様に、いずれも鋼製のレールインナ１５と、レールアウタ１６と、サイドアウタ１７が溶接で組み立てられた車体部材とアルミニウム合金製のルーフパネル２１との接合要領について説明する。
すなわち、図に示すように、上記車体部材のサイドアウタ１７に対して、軽合金製ルーフパネル２１がフレア状に横方向からから重ねられる。なお、上記サイドアウタ１７は亜鉛めっき鋼板から成るものである。
【００４６】
アルミニウム合金製ルーフパネル２１は、その端部に形成された接合フランジ２１ａが車体部材のサイドアウタ１７に設定された接合面１７ａに密着状態に配置され、デフォーカスされたレーザビームＢが車体部材のサイドアウタ１７を中心にして照射される。
このときの高エネルギービームＢの照射位置は、デフォーカスされたビームＢの中心部が接合過程で生成される共晶溶融物が排出されることになるサイドアウタ１７の接合面１７ａに隣接する部分に当たるようにし、低融点金属パネルであるルーフパネル２１には、ビームＢの外周部分が僅かに当たる程度とする。そして、レーザビームＢを照射しながら、加圧ローラ１２によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
【００４７】
図７（ａ）及び（ｂ）は、図６におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、まず、図５（ａ）に示すように、レーザビームＢをサイドアウタ１７とルーフパネル２１に向けて照射し、共晶溶融物が排出される接合面１７ａの隣接部近傍を所定の温度に加熱する。
このとき、上記同様のレーザ発振器とレンズを用い、照射面上において３．５ｍｍのスポット径となるようビームＢをデフォーカスすると共に、レーザ出力を０．８ｋＷ、送り速度を０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。なお、レーザ照射中は、同様にアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
【００４８】
レーザビーム照射位置の近くには、加圧ローラ１２が配設されており、その加圧によってルーフパネル２１の接合フランジ２１ａが加熱されたサイドアウタ１７の接合面１７ａに押し付けられる。これによってルーフパネル２１が車体部材のサイドアウタ１７に密着し、接合界面が共晶反応の発現する温度に保持され、加圧ローラ１２による加圧によって、図２（ａ）〜（ｅ）に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル２１と車体部材が接合面１７ａにて接合される。
【００４９】
このとき、上記実施例と同様に、車室内側からの押えが必要ないため、リベット接合に較べて設計やデザイン上の自由度が高く、意匠性を高めることができる。
また、共晶溶融物が排出される位置の近傍部にレーザビームＢを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。さらに、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
【００５０】
アルミニウム合金製ルーフパネル２１の接合フランジ２１ａの表面形状としては、同様に、湾曲形状や凸形状の曲面を形成することによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになって、より効果的なものとすることができる。
【００５１】
また、レーザビームの入射角自由度を増す観点から、ルーフパネル２１のルーフ角部に同様の凹部２１ｂを設けておくことも望ましく、これによって、同様に、熱ひずみ等によるルーフの変形や寸法誤差を吸収することができる。
さらに、車体部材を構成するサイドアウタ１７の接合部近傍の角部にゆるやかな曲率の湾曲面１７ｂを形成しておくことによって、デフォーカスさせたレーザビームＢの照射領域を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】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２】（ａ）〜（ｅ）は第３の材料を介在させた異種金属パネルの接合過程を概略的に示す工程図である。
【図３】本発明の接合装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図４】本発明の第１の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は図４におけるビーム照射部の近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は図６におけるビーム照射部の近傍を示す説明図である。
【図８】鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルのリベットによる接合構造例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１７ 亜鉛めっき鋼板（高融点金属パネル）
１ｐ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２、２１ アルミニウム合金材（低融点金属パネル）
３ 共晶溶融金属
４ 反応層
１０ 異種金属パネルの接合装置
１１ 照射ヘッド
１２ 加圧ローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、両パネルの間にこれら金属パネルとは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴とする異種金属パネルの接合方法。
【請求項２】
上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させ、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項３】
上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、高エネルギービームを接合過程において生成される共晶溶融物が排出される近傍位置に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項４】
上記両パネル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１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項５】
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４に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項６】
被接合パネル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パネル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の照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする異種金属パネルの接合装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
【請求項８】
請求項６に記載の装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
【請求項９】
低融点金属パネルが自動車車体のルーフパネルであることを特徴とする請求項７又は８に記載の異種金属パネルの接合構造。
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、両パネルの間にこれら金属パネルとは異なる第３の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記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両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴とする異種金属パネルの接合方法。
【請求項２】
上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させ、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項３】
上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、高エネルギービームを接合過程において生成される共晶溶融物が排出される近傍位置に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項４】
上記両パネル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１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項５】
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４に記載の異種金属パネルの接合方法。
【請求項６】
被接合パネル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パネル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の照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする異種金属パネルの接合装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
【請求項８】
請求項６に記載の装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
【請求項９】
低融点金属パネルが自動車車体のルーフパネルであることを特徴とする請求項７又は８に記載の異種金属パネルの接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３３１０１８（Ｐ２００７−３３１０１８Ａ）
【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２００６−１６８３９４（Ｐ２００６−１６８３９４）
【出願日】平成１８年６月１９日（２００６．６．１９）
【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１９日（２００６．６．１９）
【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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