説明

異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造

【課題】新たな設備を必要とせず、簡易な手法で、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造を提供する。
【解決手段】亜鉛めっき鋼板1と、この亜鉛めっき鋼板1とは種類の異なるアルミニウム合金2とを重ね合わせて接合するに際し、超音波振動により、アルミニウム合金2と亜鉛めっき鋼板1の亜鉛層3との間の界面に共晶溶融を生じさせて、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2の新生面同士を接合する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、異なる二種類の金属材料を接合、特に重ね合わせて接合するのに用いられる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、アルミニウム合金と鋼を接合する場合には、接合界面には高硬度で脆弱なFeAl,FeAlなどの金属間化合物が生成するため、充分な継手強度を確保するためには接合時の制御が必要である。
しかし、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、酸化皮膜を除去するためには、接合時に大きな熱量を投入することが有効であるが、接合時に大きな熱量を投入すると、接合界面に厚い金属間化合物層が成長して、接合部の接合強度が低下してしまうという問題があった。
【0003】
そこで、アルミニウム合金と鋼を組み合わせて接合する場合には、ボルトやリベット等による機械的な締結を用いていたが、この機械的な締結を用いる場合には、重量やコストが増加するという問題があった。
【0004】
この他に、摩擦圧接、爆着及び熱間圧延といった接合方法もあるが、摩擦圧接は、対称性の良い回転体同士の接合などに好適であって、その用途が限られており、爆着や熱間圧延は、設備や製造能率の面で好ましいものではなかった。
【0005】
従来、異種材料の接合において、上記の問題を解決すべく成されたものとしては、一方と他方の材料と同じ二種の材料から成るのクラッド材を用意して、一方と他方の材料の間に同じ種類の材料同士が接するようにクラッド材を介在させて抵抗溶接を行い、この際に、通電時間が10ms以下となるように制御して一方及び他方の材料を接合するものがあった(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
また、別の異種材料の接合方法としては、アルミニウム合金と鋼の接合において、鋼の表面に、アルミニウム量が20重量%以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを2μm以上の厚みにめっきし、そのめっき層がアルミニウム合金に接するようにアルミニウム合金と鋼を重ね合わせて抵抗溶接をすることにより、めっき層を優先的に溶融させ、鋼の母材を殆ど溶融させることなく双方を接合するものがあった(例えば、特許文献2参照)。
【特許文献1】特開平4−127973号公報
【特許文献2】特開平6−039558号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところが、上記したような従来の異種材料の接合にあっては、異種材料と同じ二種類の材料から成るクラッド材を用いる方法では、二部材の接合が三部材の接合になり、クラッド材の挿入と固定する工程が必要となり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み込まなければならない。また、例えばアルミニウムと鋼の接合の場合に、クラッド材自体も異種材料同士の接合により製造されるので、その製造条件が厳しく、安価で且つ性能の安定したクラッド材を得ることが困難であるという問題点があった。
【0008】
また、鋼にアルミニウムをめっきしたものを用いる方法では、めっき層とアルミニウム合金とを接合する際に、入熱によってめっき層と鋼との界面に脆い金属間化合物が生成され、その部分から破壊が生じる可能性があるという問題点があった。
【0009】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、新たな設備を必要とせず、簡易な手法で、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料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】
【0010】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、異なる二種類の金属材料を接合するに際して超音波振動を用いることで、少なくともいずれかの金属材料と第3の金属材料の界面で共晶反応を誘起させることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0011】
即ち、本発明の異種材料の接合方法は、第1の金属材料と、上記第1の金属材料とは種類の異なる第2の金属材料とを接合する方法である。上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の間にこれら二種類の金属材料とは異なる第3の金属材料を介在させ、超音波振動により、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料と上記第3の金属材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料とを接合することを特徴とする。
【0012】
本発明の異種材料の接合構造は、第1の金属材料と、上記第1の金属材料とは種類の異なる第2の金属材料とが接合される異種金属材料の接合構造である。
上記第1の金属材料の新生面と上記第2の金属材料の新生面が直接接合されて接合部が形成されている。
上記第1の金属材料と上記第2の金属材料とは異なる材料から成り上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の間に介在されて超音波振動により上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との間で共晶溶融を生じる第3の金属材料、上記第1の金属材料又は上記第2の金属材料にある酸化皮膜、上記第3の金属材料と上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも1種が、上記接合部の周囲に排出されていることを特徴としている。
【0013】
この本発明の異種金属材料の接合構造において、第3の金属材料、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料にある酸化皮膜、上記第3の金属材料と上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも1種が上記接合部の周囲に排出されるとは、具体的な一例で説明すれば、次の通りである。第1の金属材料が亜鉛めっき鋼板で第2の金属材料がアルミニウム合金でありそして第3の金属材料が亜鉛めっき鋼板の亜鉛層である場合には、第3の金属材料である亜鉛層、第2の金属材料の一部であるアルミニウム合金の酸化被膜、反応生成物及び接合過程に生成される反応物である共晶溶融物(共晶液相)のうちの少なくとも1種が、接合部の周囲に排出されることをいう。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、異なる二種類の金属材料を接合するに際して超音波振動を用いることで、少なくともいずれかの金属材料と第3の金属材料の界面で共晶反応を誘起させるようにしたために、新たな設備を必要とせず、簡易な手法で、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明の異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造においては、第1の金属材料と、第1の金属材料とは種類の異なる第2の金属材料とを接合するに際し、超音波振動を利用して少なくともいずれかの金属材料と第3の金属材料の界面で共晶反応を誘起させることにした。よって、いずれかの金属材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、低温状態で酸化皮膜を除去して両金属材料を接合することができる。また、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができると共に、両金属材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができ、継手強度の向上が実現できる。
【0016】
本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態では、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料に被覆されている材料を、上記第3の金属材料とすることができる。この場合には、第3の金属材料を第1の金属材料と第2の金属材料の間に第3の金属材料を別途インサート材として挟み込む工程が省略できるので、加工工数が低減され作業効率が向上できる。
【0017】
本発明の異種金属材料の接合方法の他の好ましい実施形態としては、上記第3の金属材料が、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料にめっきされている亜鉛又はその合金であることが採用できる。また、本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態としては、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料を亜鉛めっき鋼板とし、上記亜鉛めっき鋼板の亜鉛を上記第3の金属材料とすることができる。この場合には、第1の金属材料と第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料としては、新しくめっきを施すことなく通常の例えば防錆鋼板などをそのまま使用できる。
【0018】
また、本発明の異種金属材料の接合方法の他の好ましい実施形態としては、上記第1の金属材料が鋼に上記第3の金属材料を被覆したものであると共に、上記第2の金属材料がアルミニウム合金であって、上記第3の金属材料が上記アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料である。この場合には、第1の金属材料としては、新しくめっきを施すことなく通常の例えば防錆鋼板などをそのまま使用できる。
【0019】
本発明の異種金属材料の接合方法では、第1の金属材料として鋼を用い、第2の金属材料としてアルミニウム合金を用いた場合には、第3の金属材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料としては、例えば亜鉛(Zn)、銅(Cu)、スズ(Sn)、銀(Ag)、及びニッケル(Ni)などを挙げることができる。
本発明においては、第3の金属材料としては、上述した亜鉛(Zn)等の純金属に限定されることはなく、共晶金属は2元合金であっても3元合金も存在するために、これらの少なくとも一種の金属を含む合金であったも良い。
【0020】
本発明の好ましい実施形態としては、第1の金属材料としての鋼と、第2の金属材料としてのアルミニウム合金との間に、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する第3の金属材料を介在させて、超音波振動により、第1の金属材料と第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料と第3の金属材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて、第1の金属材料の新生面と第2の金属材料の新生面とを直接接合することで、低温状態でアルミニウム合金の表面の酸化皮膜を除去しつつ両金属材料を接合できる。この際に、金属間化合物の生成を抑制して両金属材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。
【0021】
本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態としては、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料に当接することで上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の接合に用いられる一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の先端部が、曲面状を成している。 この場合には、例えば第1の金属材料である鋼と第2の金属材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、先端部が曲面状を成す電極で加圧することにより、アルミニウム合金の表面の酸化皮膜を効果的に破壊してアルミニウム合金と第3の金属材料を直接接触させて、アルミニウム合金と第3の金属材料の間に生じた共晶溶融を、第1の金属材料と第2の金属材料の接合部の周囲に効果的に排出して、アルミニウム合金と鋼の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。
【実施例】
【0022】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0023】
本実施例では、超音波振動により、第1の金属材料である亜鉛めっき鋼板と第2の金属材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金との間に介在する第3の金属材料として、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用いた。
図2は、Al−Zn2元系状態図における共晶点Pを示しており、共晶点Pを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応(共晶溶融)を生じさせて、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金を接合させた。
【0024】
図1は、超音波振動を与えることによって、亜鉛めっき鋼板(第1の材料)とアルミニウム合金(第2の材料)を接合する装置の全体を示している。
図1に示すように、一例として板厚が2.0mmの亜鉛めっき鋼板1と、板厚が2.0mmの6000系のアルミニウム合金2とを用いると共に、第3の金属材料としては、亜鉛めっき鋼板1の表面にめっきされた亜鉛層(亜鉛めっきともいう)3を利用した。
【0025】
ここで、亜鉛層3のめっき厚さは、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応(共晶溶融)を生じさせるのに必要な最低厚さとして、例えば約5μmであった。
亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2は、亜鉛層3をアルミニウム合金2に対面させるようにして上下に重ね合わせた。
【0026】
図1と図3(b)に示すのは、本発明の異種金属材料の接合方法を実施するための具体的な装置例であり、この装置は、一対の電極11,12を用いて、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2を挟んで加圧して、通電するための装置を有している。図1と図3(b)に示すように、図示しない電源に接続した一対の電極11,12は、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2を上下から挟んで支持している。
【0027】
図1と図3(b)の具体例で示すように、上側の電極11はチップと呼んでおり亜鉛メッキ鋼板1の上面側に当接している。下側の電極12はアンビルと呼んでおりアルミニウム合金2の下面に当接した。上側の電極11の当接側の先端部は、円錐の頭部を水平に切除したフラット型とした。下側の電極12の当接側の先端部は、曲面状の一つである球面状になるようにドーム型とした。言い換えれば、電極12の当接側の先端部の断面形状が、曲率を有した形状になっている。図1に示す超音波振動子5は電極11側に配置されていて、電極11を介して亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2側に振動を与える。
【0028】
超音波振動子5が発生する超音波振動による接合条件としては、超音波の振動周波数が15kHz、公称振幅が30μm、接合時間が3秒、及び両電極11,12による亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2に対する接合加圧力を、8Mpaに設定した。亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2は、上記の接合条件で接合した。
【0029】
次に、図4に基づいて、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2の接合過程における接合界面の状態の変化と接合後の異種材料の接合界面構造について説明する。
図4(a)に示すように、第1の金属材料である亜鉛めっき鋼板1の一方の表面には、第3の金属材料としての亜鉛層3が形成されている。第2の金属材料であるアルミニウム合金2の表面には酸化皮膜6が形成されている。図4(b)に示すように、亜鉛めっき鋼板1の亜鉛層3とアルミニウム合金2の酸化皮膜6が対面するようにして上下に重ね合わせて双方を密着させる。
【0030】
次に、図1と図3(b)に示すように、一対の電極11,12で、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2を上下から挟持して、この挟んだ状態で加圧しながら短時間通電した。この際に、図1と図3(b)に示す超音波振動子5が超音波振動を与える。
これにより、図4(c)に示すように、電極11が与える押し付け荷重により両電極11,12が亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2に加圧力を与えると共に超音波振動を与えて、加熱膨張による材料の相対変位によって、アルミニウム合金2側の酸化皮膜6に破壊が起こって酸化皮膜6に破壊部分6aが生じる。
【0031】
この結果として、図4(d)に示すように、酸化皮膜6に破壊部分6aから亜鉛めっき鋼板1の亜鉛層3とアルミニウム合金2とが直接接触して、接合時の温度に応じて亜鉛層3(第3の金属材料)とアルミニウム合金2(第2の金属材料)の共晶溶融が生じて拡大して進む。共晶溶融が生じるのに伴って図4(d)と図4(e)に示すように、アルミニウム合金2と亜鉛層3との共晶液相7と共に、亜鉛層3と酸化皮膜6が、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2の間の接合部20の周囲に排出される。
これにより、図4(e)に示すように、亜鉛めっき鋼板1の新生面とアルミニウム合金2の新生面は、接合部20において新生面同士で高強度に直接接合することができる。
【0032】
上述のように亜鉛層3とアルミニウム合金2による共晶反応を、超音波振動を与えながら短時間通電することで起こし、接合界面の温度を低減できるために金属間化合物の生成を抑制できる。すなわち、異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するに際して超音波振動を用いることで、アルミニウム合金2と亜鉛層3の界面で共晶反応を誘起させることにより、いずれかの材料の表面に酸化被膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく低温状態にて酸化被膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を抑制し、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現する
【0033】
なお、共晶溶融とは、2つの材料(この実施例ではアルミニウム合金と亜鉛層)の共晶反応を利用した溶融である。2つの材料が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組織となった時に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により共晶液相が形成される。
【0034】
このように、本発明の異種金属材料の接合方法では、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2に対して、超音波振動を与えて両電極11,12により加圧力を与えると、加熱膨張による材料の相対変位によって酸化皮膜6の破壊が生じて共晶反応が促進され、大きな熱量を投入することなく低温状態で酸化皮膜6が除去される。
第1の金属材料と第2の金属材料の融点より低い低温状態にて第2の金属材料の酸化皮膜が除去でき、接合界面温度を共晶温度以上であって、第1の金属材料と第2の金属材料の融点の低い側の材料の融点以下に制御することにより、接合過程での金属間化合物の生成を抑制でき、相互拡散により第1の金属材料と第2の金属材料は強固な直接接合を得ることができる。
【0035】
また、上記の異種金属材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板1を用いており、亜鉛めっき鋼板1にめっきされている亜鉛層3を第3の金属材料としているので、例えば鋼板とアルミニウム合金との間に第3の金属材料を別途挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することになるばかりでなく、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することができる。
【0036】
上記のように、アルミニウム合金2側に当接する下側の電極12の先端部を、ドーム型(先端部が球面状を成している)としたことから、ドーム型の電極12を用いることにより、接合時におけるアルミニウム合金2の表面の酸化皮膜6を効果的に破壊して、アルミニウム合金2と亜鉛層3の間に生じた共晶溶融を接合部の周囲に効果的に排出することができる。これにより、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2の新生面同士は、より強固な接合をすることができる。
【0037】
図1と図3(b)は本発明の異種金属材料の接合方法を実施する装置の電極形状の例を示しているが、図3(a)は本発明に用いられる装置の他の電極形状を示している。電極形状の他の例では、図3(a)に示すように、一対の電極31,32をともにフラット型電極としている。この電極31,32を用いて、本発明の上記実施例と同じ条件で亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2の接合を行った。
上記他の例及び実施例について、接合時の電極形状と、強度試験の結果を表1に示す。
【0038】
【表1】

【0039】
上記他の例と実施例のいずれも、亜鉛層3とアルミニウム合金2の間に共晶溶融が生じた。表1に示すように、一対の電極が共にフラット電極である図3(a)の他の例では、接合部の周囲への共晶液相7及び酸化皮膜6の排出が行われ、接合界面に共晶液相及び亜鉛と酸化皮膜6が若干残存したが、接合強度は充分であることが判明した。
【0040】
これに対して、実施例では、一方の電極11はフラット型であるが、他方の電極12はドーム型であるので、図4に示すように接合部20の周囲へ共晶液相7と酸化皮膜6の排出が非常に良好に行われ、その結果、第1の金属材料と第2の金属材料の優れた接合強度が得られることを確認した。なお、両方の電極のいずれか一方がドーム型の電極形状を有しているだけでなく、両方の電極がともにドーム型の電極形状を有しているようにすれば、接合部20の周囲へ共晶液相7と酸化皮膜6及び亜鉛層の排出が非常に良好に行われるので、有効である。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の異種金属材料の接合方法を実施するための装置の全体を示す側面図である。
【図2】Al−Zn2元系状態図である。
【図3】他の例の電極形状を説明する側面図(a)及び実施例の電極形状を説明する側面図(b)である。
【図4】本発明の実施例における接合過程における接合界面の状態変化及び接合界面構造を示す断面図(a)〜(e)である。
【符号の説明】
【0042】
1 亜鉛めっき鋼板(第1の金属材料)
2 アルミニウム合金(第2の金属材料)
3 亜鉛層(第3の金属材料)
5 超音波振動子
6 酸化皮膜
7 共晶液相
11 電極
12 電極
20 新生面同士の接合部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の材料と、上記第1の金属材料とは種類の異なる第2の金属材料とを接合するに際し、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の間にこれら二種類の金属材料とは異なる第3の金属材料を介在させ、超音波振動により、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料と上記第3の金属材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料とを接合することを特徴とする異種金属材料の接合方法。
【請求項2】
上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料に被覆されている金属材料を、上記第3の金属材料とすることを特徴とする請求項1に記載の異種金属材料の接合方法。
【請求項3】
上記第3の金属材料が、上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料にめっきされている亜鉛又はその合金であることを特徴とする請求項2に記載の異種金属材料の接合方法。
【請求項4】
上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料を亜鉛めっき鋼板とし、上記亜鉛めっき鋼板の亜鉛を上記第3の金属材料とす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材料の接合方法。
【請求項5】
上記第1の金属材料が鋼に上記第3の金属材料を被覆したものであると共に、上記第2の金属材料がアルミニウム合金であって、上記第3の金属材料が上記アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料で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材料の接合方法。
【請求項6】
上記第1の金属材料と上記第2の金属材料に当接することで上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の接合に用いられる一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の先端部が、曲面状を成してい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金属材料の接合方法。
【請求項7】
第1の金属材料と、上記第1の金属材料とは種類の異なる第2の金属材料とが接合される異種金属材料の接合構造であって、
上記第1の金属材料の新生面と上記第2の金属材料の新生面が直接接合されて接合部が形成されており、
上記第1の金属材料と上記第2の金属材料とは異なる材料から成り上記第1の金属材料と上記第2の金属材料の間に介在されて超音波振動により上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との間で共晶溶融を生じる第3の金属材料、上記第1の金属材料又は上記第2の金属材料にある酸化皮膜、上記第3の金属材料と上記第1の金属材料と上記第2の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも1種が、上記接合部の周囲に排出されていることを特徴とする異種金属材料の接合構造。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−118059(P2007−118059A)
【公開日】平成19年5月17日(2007.5.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−316212(P2005−316212)
【出願日】平成17年10月31日(2005.10.31)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】