金属部材の接合方法および接合構造
【課題】Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合強度の向上を図ることができる金属部材の接合方法および接合構造を提供する。
【解決手段】Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２により形成された開先形状1３に、Ｚｎ系ろう材３を送出しながら、Ｚｎ系ろう材３の先端部にレーザビーム１０２を照射する。レーザビーム１０２の照射では、Ｆｅ系金属部材１の被接合部をＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱する。レーザビーム１０２の中心線を開先形状１３の中心線よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることが好適である。これによりＦｅ系金属部材１とＺｎ系ろう材３からなる接合層４との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成される。金属間化合物層は高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度を高めることができる。
【解決手段】Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２により形成された開先形状1３に、Ｚｎ系ろう材３を送出しながら、Ｚｎ系ろう材３の先端部にレーザビーム１０２を照射する。レーザビーム１０２の照射では、Ｆｅ系金属部材１の被接合部をＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱する。レーザビーム１０２の中心線を開先形状１３の中心線よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることが好適である。これによりＦｅ系金属部材１とＺｎ系ろう材３からなる接合層４との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成される。金属間化合物層は高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する金属部材の接合方法および接合構造に係り、特に接合時の加熱技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種継手等の金属部材の接合構造は、異種金属部材の接合により製造されている。異種金属部材の接合では、それら金属部材の間に介在させたろう材に、レーザビームを照射して加熱してブレージング（ろう付）を行っている。これにより、異種金属部材の間に接合層を形成することにより、金属部材の接合構造を製造している。
【０００３】
たとえば、異種金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用いる場合、ＡｌとＺｎは化合物層を形成せず、広い範囲で共晶組織となるから、ろう材としてＺｎ系ろう材を用いている（たとえば特許文献１参照）。これにより、Ａｌ系金属部材と接合層との間の強度を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７４０８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分では、そこに形成される金属間化合物が脆いため、そこで破断が生じる虞があった。その結果、金属部材の接合構造の強度は不足していた。
【０００６】
したがって、本発明は、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分の接合強度を高めることにより、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合強度の向上を図ることができる金属部材の接合方法および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】
【０００７】
本発明者は、Ｚｎ系ろう材を用いたＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合時の加熱技術について鋭意研究を重ねた。Ｚｎ系ろう材を用いた従来の接合では、Ｆｅ系金属部材を溶かさないようにＺｎ系ろう材のみを加熱していた。これに対して、本発明者は、研究の結果、Ｆｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱して溶かすことにより、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との接合強度を高めることができることを見出した。すなわち、本発明の金属部材の接合方法は、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する接合方法であって、接合時に、Ｆｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱することを特徴としている。
【０００８】
本発明の金属部材の接合方法では、接合時に、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。その金属間化合物層は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合強度を高めることができる。したがって、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上を図ることができる。また、上記のようにＦｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｚｎ系材料およびＦｅ−Ｚｎ系材料は蒸気化する。これにより、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、良好な異材接合を行うことができる。なお、被接合部とは、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間の接合予定部のことを表し、接合部とは、接合後の接合予定部のことを表している。
【０００９】
本発明の金属部材の接合方法は、種々の構成を用いることができる。たとえば、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とで開先形状を形成し、その開先形状にＺｎ系ろう材を配置し、接合では、レーザビームの中心線を開先形状の中心線よりもＦｅ系金属部材側に位置させることができる。この態様では、Ｆｅ系金属部材のＦｅ系材料を重点的に溶融させることができるので、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部の全てで金属間化合物層を安定した層状に形成することができる。また、Ａｌ系金属部材のＡｌ系材料が過度に加熱されないので、Ａｌ系材料が溶け落ちることを防止することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００１０】
また、接合時にＦｅ系金属部材にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材の被接合部を加熱することができる。なお、キーホールとは、金属部材が溶融することにより形成される空洞部のことである。この態様では、接合時にＦｅ系金属部材の溶融部にＺｎ系ろう材が流入するので、接合層がＦｅ系金属部材に嵌合した形状を得ることができる。また、キーホール内ではレーザが多重反射するから、エネルギー密度が高く、かつキーホール内表面の温度が均一に保たれる。これにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属化合物層が接合部の上部、中央部、下部にわたって均一に形成することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合部の強度をさらに高めることができるので、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００１１】
本発明の金属部材の接合方法により得られる接合構造体は、本発明の接合構造体である。すなわち、本発明の金属部材の接合構造体は、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材とがＺｎを主成分とする接合層を間にして接合された接合構造であって、接合層はＡｌを含み、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていることを特徴としている。本発明の金属部材の接合構造体は、種々の構成を用いることができる、たとえば接合層がＦｅ系金属部材に嵌合されている形状を有することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属部材の接合方法または接合構造によれば、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。そして、その金属間化合物層は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材と接合層の接合強度を高めることができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法により接合構造体を製造する状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は被接合部の側面図である。
【図２】図１での金属部材の被接合部へのレーザビームの照射状態の例を表し、（Ａ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線と一致している場合の拡大正面図、（Ｂ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側にオフセットしている場合の拡大正面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態の金属部材の接合構造体を表す構成図である。
【図４】本発明の実施例１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図５】本発明の実施例２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図６】本発明の実施例３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図７】比較例１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図８】比較例２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図９】比較例３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法を用いて接合を行っている状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は概略正面図である。図２は、図１での金属部材の被接合部へのレーザビームの照射状態の例を表し、（Ａ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線と一致している場合の拡大正面図、（Ｂ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側にオフセットしている場合の拡大正面図である。
【００１５】
金属部材の接合方法は、たとえばフレア継手を製造する配置を用いている。金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材１およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材２を用いている。Ｆｅ系金属部材１，Ａｌ系金属部材２は湾曲部１１，１２を有している。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の配置では、湾曲部１１，１２どうしが対向し、それら湾曲部１１，１２により開先形状１３を形成している。この場合、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との対向部に段差を設けている。
【００１６】
本実施形態の金属部材の接合方法では、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の湾曲部１１，１２により形成された開先形状１３の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材３をワイヤガイド１０１を通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材３の先端部にレーザビーム１０２を照射する。Ｚｎ系ろう材３は、Ｚｎを主成分とするものであればよく、Ａｌを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。レーザビーム１０２の照射では、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を、その構成材料であるＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱する。
【００１７】
この場合、図２（Ａ）に示すように、レーザビーム１０２の中心線ｌが開先形状１３の中心線と一致させてもよいが、図２（Ｂ）に示すように、レーザビーム１０２の中心線ｌ’を開先形状１３の中心線よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることが好適である。なお、図２（Ｂ）中のｌは、図２（Ａ）中のレーザビーム１０２の中心線を示している。また、Ｆｅ系金属部材１にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を加熱する。この場合、シールドガスを被接合部に供給することにより、被接合部を大気から遮断する。
【００１８】
このようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行うことにより、図３に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体１０を製造することができる。なお、図中には、接合時に照射するレーザビーム１０２の経路を示している。
【００１９】
接合構造体１０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には、Ｚｎを主成分としＡｌを含むＺｎ−Ａｌ系材料からなる接合層４が形成されている。Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部には、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層５が形成されている。Ａｌ系金属部材のＡｌは、溶接により接合層４へ流入するから、Ｚｎ系ろう材３がＡｌを含有しない場合でも、接合層４および金属間化合物層５はＡｌを含有する。この場合、金属間化合物層５は、Ｆｅ系金属部材１と接合層３との境界部の全界面に沿って形成されていることが好適である。また、金属間化合物層５が安定した層状とするためには、その組成比が、Ａｌ：４０〜６０％、Ｆｅ：３０〜４０％、Ｚｎ：１０〜２５％であること好適である。金属間化合物層５は、次のような作用・効果を有すると考えられる。すなわち、金属間化合物層５は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材１への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材２への流入が防止されているものと推察される。
【００２０】
本実施形態では、接合時に、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｆｅ系金属部材１とＺｎ系ろう材３からなる接合層４との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層５を形成することができる。その金属間化合物層５は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度を高めることができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上を図ることができる。また、上記のようにＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｚｎ系材料およびＦｅ−Ｚｎ系材料は蒸気化する。これにより、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、良好な異材接合を行うことができる。
【００２１】
特に、接合では、レーザビーム１０２の中心線ｌ’を開先形状１３の中心よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることにより、Ｆｅ系金属部材１のＦｅ系材料を重点的に溶融させることができるので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４の境界部の全てで金属間化合物層５を安定した層状に形成することができる。また、Ａｌ系金属部材２のＡｌ系材料が過度に加熱されないので、Ａｌ系材料が溶け落ちることを防止することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００２２】
また、接合時にＦｅ系金属部材１にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を加熱するので、接合時にＦｅ系金属部材１の溶融部にＺｎ系ろう材３が流入する。これにより、接合層４がＦｅ系金属部材１に嵌合した形状を得ることができる。また、キーホール内ではレーザが多重反射するから、エネルギー密度が高く、かつキーホール内表面の温度が均一に保たれる。これにより、金属化合物層５が接合部の上部、中央部、下部にわたって均一に形成することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度をさらに高めることができるので、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００２４】
実施例１〜３，比較例１〜３では、図１に示す配置形態と同様に２つの金属部材を配置し、それら金属部材の湾曲部により開先形状を形成した。そして、その開先形状の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材をワイヤガイドを通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材の先端部にレーザビームを照射した。これにより金属部材の接合構造体を製造した。
【００２５】
実施例１，２，比較例１〜３の各接合条件は表１に示す条件とした。なお、金属部材について、Ｆｅ／Ａｌとの表記は、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材である鋼板とＡｌ系金属部材であるＡｌ合金板を用いたことを示し、Ｆｅ／Ｆｅとの表記は、２つの金属部材として両方ともＦｅ系金属部材である鋼板を用いたことを示している。ろう材の材質について、ＺｎＡｌは、Ｚｎ：Ａｌが９６：４である組成比（wt%）ＺｎＡｌ系ろう材（不可避不純物を含む）を用いたことを示し、Ｚｎは、Ａｌを含まなくＺｎが１００wt%であるＺｎ系ろう材（不可避不純物を含む）のＺｎ系ろう材を用いたことを示している。ビーム照射位置について、中心との表記は、レーザビームの中心線が２つの金属部材の開先形状の中心線と一致していること（図２（Ａ）の配置）を示し、Ｆｅ系金属部材側との表記は、レーザビームの中心線が開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットしていること（図２（Ｂ）の配置）を示している。
【００２６】
【表１】
【００２７】
実施例１〜３，比較例１〜３のその他の共通の接合条件について、２つの金属部材の大きさは、図１での横方向長さを８２mm、図１での縦方向長さを２００mmとし、２つの金属部材の被接合部での段差を５mmとした。シールドガスとしてＡｒガスを用い、その供給量を２５l/minとした。レーザビームの照射角度は４０°とした。
【００２８】
以上のようにして得られた実施例１〜３、比較例１〜３の金属部材の接合構造体について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて接合部およびその近傍の状態を観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ分析装置）を用いて接合部およびその近傍の組成比（atm%）を得た。そして、実施例１〜３，比較例１〜３の金属部材の接合構造体の継手強度を得た。その結果を図４〜９および表２に示す。
【００２９】
図４〜９は、実施例１〜３、比較例１〜３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真である。各図の（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐの写真、（Ｃ）は、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部Ｑの写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部Ｒの写真である。表２では、強度判定について、実施例および比較例で用いたＡ１系金属部材自体の強度は２４０N/m、Ａ１系金属部材どうしの接合強度は１４０N/mm程度であるから、各実施例および比較例での継手強度が１４０N/mm程度かそれ以上であれば、その強度が良好（○）と表記した。
【００３０】
【表２】
【００３１】
実施例１の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により適度に溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射では、レーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットさせた。このような接合条件で得られる実施例１の接合構造体では、図４および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、下部Ｒのいずれにも、安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成され、そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５２：２９：１９（約５：３：２）である組成比を有するものが大半を占めていた。なお、ＳＥＭ解析により得られた組成比は、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５７：３０：１３であった。そして、実施例１の接合構造体の接合強度は、１５４N/mmであった。
【００３２】
実施例２の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により適度に溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射では、レーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる実施例２の接合構造体では、図５および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐおよび下部Ｒにおいて、実施例１の接合構造体と比較して、Ａｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層と接合層との境界面が不明瞭であったものの、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部Ｑにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが４１：４０：１９である組成比を有するものが大半を占めていた。そして、実施例２の接合構造体の接合強度は、９６N/mmであった。
【００３３】
実施例３の接合では、表１に示すように、ろう材として、Ａｌを含有しないＺｎ系ろう材を用いた以外は、実施例１と同様な接合条件に設定し、レーザビーム照射を行った。このような接合条件で得られる実施例１の接合構造体では、図６および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、下部Ｒのいずれにも、安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成され、そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５８：２３：１９である組成比を有するものが大半を占めていた。そして、実施例３の接合構造体の接合強度は、１４９N/mmであった。
【００３４】
比較例１の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により溶融しない入熱不足条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる比較例１の接合構造体では、図７および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部ＱにおいてＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層と接合層との境界面が不明瞭であり、接合界面部の下部Ｒにおいて金属間化合物層が形成されていなかった。そして、比較例１の接合構造体の接合強度は、３７N/mmであった。
【００３５】
比較例２の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が過度な加熱により溶融する過剰入熱条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる比較例２の接合構造体では、図８および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、および下部Ｒにおいて、Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎを含む金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。金属間化合物層は、上部Ｐにおいてデンドライト状（境界面なし）、中央部Ｑ４および下部Ｒにおいてまだら状（接合層側に境界面なし）であった。そして、比較例２の接合構造体の接合強度は、３０N/mmであった。
【００３６】
比較例３の接合では、表１に示すように、２つの金属部材として両方ともＦｅ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が適度に加熱されて溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットさせた。このような接合条件で得られる比較例３の接合構造体では、図９および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、および下部Ｒにおいて、Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎを含む金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。金属間化合物層は、上部Ｐおよび中央部Ｑにおいてまだら状（接合層側に境界面なし）、下部Ｒにおいて蛇行状であった。そして、比較例３の接合構造体の接合強度は、５６N/mmであった。
【００３７】
以上のように実施例１〜３の接合構造体では、金属部材としてＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材を用い、かつＦｅを適度に溶融させる加熱条件を用いることにより、比較例１〜３の接合構造体と比較して、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ〜下部Ｒの全てにおいてＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができ、かつ継手強度を向上させることができることを確認した。また、Ｚｎ系ろう材でのＡｌの含有の有無に関係なく、金属間化合物層が安定した層状となることを確認した。金属間化合物層が安定した層状となる場合、その組成比は、Ａｌ：４０〜６０％、Ｆｅ：３０〜４０％、Ｚｎ：１０〜２５％を満足していることを確認した。
【００３８】
特に、実施例１，３の接合構造体では、レーザビームの照射位置を開先形状の中心からＦｅ系金属部材側にオフセットさせることにより、実施例２の接合構造体と比較して、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面の上部〜下部の全てにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物を形成することができ、かつ継手強度を向上させることができることを確認した。また、その金属間化合物層が安定した層状となる程、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界およびＡｌ系金属部材と接合層との境界が明瞭となることを確認し、これにより、金属間化合物層は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材への流入を防止することができることが判った。
【符号の説明】
【００３９】
１…Ｆｅ系金属部材、２…Ａｌ系金属部材、３…Ｚｎ系ろう材、４…接合層、５…金属間化合物層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する金属部材の接合方法および接合構造に係り、特に接合時の加熱技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種継手等の金属部材の接合構造は、異種金属部材の接合により製造されている。異種金属部材の接合では、それら金属部材の間に介在させたろう材に、レーザビームを照射して加熱してブレージング（ろう付）を行っている。これにより、異種金属部材の間に接合層を形成することにより、金属部材の接合構造を製造している。
【０００３】
たとえば、異種金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用いる場合、ＡｌとＺｎは化合物層を形成せず、広い範囲で共晶組織となるから、ろう材としてＺｎ系ろう材を用いている（たとえば特許文献１参照）。これにより、Ａｌ系金属部材と接合層との間の強度を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７４０８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分では、そこに形成される金属間化合物が脆いため、そこで破断が生じる虞があった。その結果、金属部材の接合構造の強度は不足していた。
【０００６】
したがって、本発明は、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分の接合強度を高めることにより、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合強度の向上を図ることができる金属部材の接合方法および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】
【０００７】
本発明者は、Ｚｎ系ろう材を用いたＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合時の加熱技術について鋭意研究を重ねた。Ｚｎ系ろう材を用いた従来の接合では、Ｆｅ系金属部材を溶かさないようにＺｎ系ろう材のみを加熱していた。これに対して、本発明者は、研究の結果、Ｆｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱して溶かすことにより、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との接合強度を高めることができることを見出した。すなわち、本発明の金属部材の接合方法は、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する接合方法であって、接合時に、Ｆｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱することを特徴としている。
【０００８】
本発明の金属部材の接合方法では、接合時に、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。その金属間化合物層は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合強度を高めることができる。したがって、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上を図ることができる。また、上記のようにＦｅ系金属部材の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｚｎ系材料およびＦｅ−Ｚｎ系材料は蒸気化する。これにより、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、良好な異材接合を行うことができる。なお、被接合部とは、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間の接合予定部のことを表し、接合部とは、接合後の接合予定部のことを表している。
【０００９】
本発明の金属部材の接合方法は、種々の構成を用いることができる。たとえば、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とで開先形状を形成し、その開先形状にＺｎ系ろう材を配置し、接合では、レーザビームの中心線を開先形状の中心線よりもＦｅ系金属部材側に位置させることができる。この態様では、Ｆｅ系金属部材のＦｅ系材料を重点的に溶融させることができるので、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部の全てで金属間化合物層を安定した層状に形成することができる。また、Ａｌ系金属部材のＡｌ系材料が過度に加熱されないので、Ａｌ系材料が溶け落ちることを防止することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００１０】
また、接合時にＦｅ系金属部材にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材の被接合部を加熱することができる。なお、キーホールとは、金属部材が溶融することにより形成される空洞部のことである。この態様では、接合時にＦｅ系金属部材の溶融部にＺｎ系ろう材が流入するので、接合層がＦｅ系金属部材に嵌合した形状を得ることができる。また、キーホール内ではレーザが多重反射するから、エネルギー密度が高く、かつキーホール内表面の温度が均一に保たれる。これにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属化合物層が接合部の上部、中央部、下部にわたって均一に形成することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合部の強度をさらに高めることができるので、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００１１】
本発明の金属部材の接合方法により得られる接合構造体は、本発明の接合構造体である。すなわち、本発明の金属部材の接合構造体は、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材とがＺｎを主成分とする接合層を間にして接合された接合構造であって、接合層はＡｌを含み、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていることを特徴としている。本発明の金属部材の接合構造体は、種々の構成を用いることができる、たとえば接合層がＦｅ系金属部材に嵌合されている形状を有することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属部材の接合方法または接合構造によれば、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材からなる接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。そして、その金属間化合物層は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材と接合層の接合強度を高めることができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法により接合構造体を製造する状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は被接合部の側面図である。
【図２】図１での金属部材の被接合部へのレーザビームの照射状態の例を表し、（Ａ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線と一致している場合の拡大正面図、（Ｂ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側にオフセットしている場合の拡大正面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態の金属部材の接合構造体を表す構成図である。
【図４】本発明の実施例１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図５】本発明の実施例２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図６】本発明の実施例３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図７】比較例１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図８】比較例２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【図９】比較例３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法を用いて接合を行っている状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は概略正面図である。図２は、図１での金属部材の被接合部へのレーザビームの照射状態の例を表し、（Ａ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線と一致している場合の拡大正面図、（Ｂ）はレーザビームの中心線が金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側にオフセットしている場合の拡大正面図である。
【００１５】
金属部材の接合方法は、たとえばフレア継手を製造する配置を用いている。金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材１およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材２を用いている。Ｆｅ系金属部材１，Ａｌ系金属部材２は湾曲部１１，１２を有している。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の配置では、湾曲部１１，１２どうしが対向し、それら湾曲部１１，１２により開先形状１３を形成している。この場合、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との対向部に段差を設けている。
【００１６】
本実施形態の金属部材の接合方法では、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の湾曲部１１，１２により形成された開先形状１３の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材３をワイヤガイド１０１を通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材３の先端部にレーザビーム１０２を照射する。Ｚｎ系ろう材３は、Ｚｎを主成分とするものであればよく、Ａｌを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。レーザビーム１０２の照射では、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を、その構成材料であるＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱する。
【００１７】
この場合、図２（Ａ）に示すように、レーザビーム１０２の中心線ｌが開先形状１３の中心線と一致させてもよいが、図２（Ｂ）に示すように、レーザビーム１０２の中心線ｌ’を開先形状１３の中心線よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることが好適である。なお、図２（Ｂ）中のｌは、図２（Ａ）中のレーザビーム１０２の中心線を示している。また、Ｆｅ系金属部材１にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を加熱する。この場合、シールドガスを被接合部に供給することにより、被接合部を大気から遮断する。
【００１８】
このようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行うことにより、図３に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体１０を製造することができる。なお、図中には、接合時に照射するレーザビーム１０２の経路を示している。
【００１９】
接合構造体１０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には、Ｚｎを主成分としＡｌを含むＺｎ−Ａｌ系材料からなる接合層４が形成されている。Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部には、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層５が形成されている。Ａｌ系金属部材のＡｌは、溶接により接合層４へ流入するから、Ｚｎ系ろう材３がＡｌを含有しない場合でも、接合層４および金属間化合物層５はＡｌを含有する。この場合、金属間化合物層５は、Ｆｅ系金属部材１と接合層３との境界部の全界面に沿って形成されていることが好適である。また、金属間化合物層５が安定した層状とするためには、その組成比が、Ａｌ：４０〜６０％、Ｆｅ：３０〜４０％、Ｚｎ：１０〜２５％であること好適である。金属間化合物層５は、次のような作用・効果を有すると考えられる。すなわち、金属間化合物層５は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材１への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材２への流入が防止されているものと推察される。
【００２０】
本実施形態では、接合時に、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を、Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｆｅ系金属部材１とＺｎ系ろう材３からなる接合層４との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層５を形成することができる。その金属間化合物層５は、高延性を有するので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度を高めることができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上を図ることができる。また、上記のようにＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱するので、Ｚｎ系材料およびＦｅ−Ｚｎ系材料は蒸気化する。これにより、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、良好な異材接合を行うことができる。
【００２１】
特に、接合では、レーザビーム１０２の中心線ｌ’を開先形状１３の中心よりもＦｅ系金属部材１側に位置させることにより、Ｆｅ系金属部材１のＦｅ系材料を重点的に溶融させることができるので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４の境界部の全てで金属間化合物層５を安定した層状に形成することができる。また、Ａｌ系金属部材２のＡｌ系材料が過度に加熱されないので、Ａｌ系材料が溶け落ちることを防止することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【００２２】
また、接合時にＦｅ系金属部材１にキーホールを形成するようにして、Ｆｅ系金属部材１の被接合部を加熱するので、接合時にＦｅ系金属部材１の溶融部にＺｎ系ろう材３が流入する。これにより、接合層４がＦｅ系金属部材１に嵌合した形状を得ることができる。また、キーホール内ではレーザが多重反射するから、エネルギー密度が高く、かつキーホール内表面の温度が均一に保たれる。これにより、金属化合物層５が接合部の上部、中央部、下部にわたって均一に形成することができる。したがって、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との接合強度をさらに高めることができるので、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の接合強度の向上をさらに図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００２４】
実施例１〜３，比較例１〜３では、図１に示す配置形態と同様に２つの金属部材を配置し、それら金属部材の湾曲部により開先形状を形成した。そして、その開先形状の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材をワイヤガイドを通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材の先端部にレーザビームを照射した。これにより金属部材の接合構造体を製造した。
【００２５】
実施例１，２，比較例１〜３の各接合条件は表１に示す条件とした。なお、金属部材について、Ｆｅ／Ａｌとの表記は、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材である鋼板とＡｌ系金属部材であるＡｌ合金板を用いたことを示し、Ｆｅ／Ｆｅとの表記は、２つの金属部材として両方ともＦｅ系金属部材である鋼板を用いたことを示している。ろう材の材質について、ＺｎＡｌは、Ｚｎ：Ａｌが９６：４である組成比（wt%）ＺｎＡｌ系ろう材（不可避不純物を含む）を用いたことを示し、Ｚｎは、Ａｌを含まなくＺｎが１００wt%であるＺｎ系ろう材（不可避不純物を含む）のＺｎ系ろう材を用いたことを示している。ビーム照射位置について、中心との表記は、レーザビームの中心線が２つの金属部材の開先形状の中心線と一致していること（図２（Ａ）の配置）を示し、Ｆｅ系金属部材側との表記は、レーザビームの中心線が開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットしていること（図２（Ｂ）の配置）を示している。
【００２６】
【表１】
【００２７】
実施例１〜３，比較例１〜３のその他の共通の接合条件について、２つの金属部材の大きさは、図１での横方向長さを８２mm、図１での縦方向長さを２００mmとし、２つの金属部材の被接合部での段差を５mmとした。シールドガスとしてＡｒガスを用い、その供給量を２５l/minとした。レーザビームの照射角度は４０°とした。
【００２８】
以上のようにして得られた実施例１〜３、比較例１〜３の金属部材の接合構造体について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて接合部およびその近傍の状態を観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ分析装置）を用いて接合部およびその近傍の組成比（atm%）を得た。そして、実施例１〜３，比較例１〜３の金属部材の接合構造体の継手強度を得た。その結果を図４〜９および表２に示す。
【００２９】
図４〜９は、実施例１〜３、比較例１〜３の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真である。各図の（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐの写真、（Ｃ）は、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部Ｑの写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部Ｒの写真である。表２では、強度判定について、実施例および比較例で用いたＡ１系金属部材自体の強度は２４０N/m、Ａ１系金属部材どうしの接合強度は１４０N/mm程度であるから、各実施例および比較例での継手強度が１４０N/mm程度かそれ以上であれば、その強度が良好（○）と表記した。
【００３０】
【表２】
【００３１】
実施例１の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により適度に溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射では、レーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットさせた。このような接合条件で得られる実施例１の接合構造体では、図４および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、下部Ｒのいずれにも、安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成され、そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５２：２９：１９（約５：３：２）である組成比を有するものが大半を占めていた。なお、ＳＥＭ解析により得られた組成比は、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５７：３０：１３であった。そして、実施例１の接合構造体の接合強度は、１５４N/mmであった。
【００３２】
実施例２の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により適度に溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射では、レーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる実施例２の接合構造体では、図５および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐおよび下部Ｒにおいて、実施例１の接合構造体と比較して、Ａｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層と接合層との境界面が不明瞭であったものの、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部Ｑにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが４１：４０：１９である組成比を有するものが大半を占めていた。そして、実施例２の接合構造体の接合強度は、９６N/mmであった。
【００３３】
実施例３の接合では、表１に示すように、ろう材として、Ａｌを含有しないＺｎ系ろう材を用いた以外は、実施例１と同様な接合条件に設定し、レーザビーム照射を行った。このような接合条件で得られる実施例１の接合構造体では、図６および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、下部Ｒのいずれにも、安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成され、そこでは、Ａｌ：Ｆｅ：Ｚｎが５８：２３：１９である組成比を有するものが大半を占めていた。そして、実施例３の接合構造体の接合強度は、１４９N/mmであった。
【００３４】
比較例１の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が加熱により溶融しない入熱不足条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる比較例１の接合構造体では、図７および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部ＱにおいてＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層と接合層との境界面が不明瞭であり、接合界面部の下部Ｒにおいて金属間化合物層が形成されていなかった。そして、比較例１の接合構造体の接合強度は、３７N/mmであった。
【００３５】
比較例２の接合では、表１に示すように、２つの金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が過度な加熱により溶融する過剰入熱条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線と一致させた。このような接合条件で得られる比較例２の接合構造体では、図８および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、および下部Ｒにおいて、Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎを含む金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。金属間化合物層は、上部Ｐにおいてデンドライト状（境界面なし）、中央部Ｑ４および下部Ｒにおいてまだら状（接合層側に境界面なし）であった。そして、比較例２の接合構造体の接合強度は、３０N/mmであった。
【００３６】
比較例３の接合では、表１に示すように、２つの金属部材として両方ともＦｅ系金属部材を用い、Ｆｅ系金属部材の被接合部が適度に加熱されて溶融する適正入熱条件とし、レーザビーム照射ではレーザビームの中心線を２つの金属部材の開先形状の中心線からＦｅ系金属部材側に０．６ｍｍオフセットさせた。このような接合条件で得られる比較例３の接合構造体では、図９および表２に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、および下部Ｒにおいて、Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎを含む金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。金属間化合物層は、上部Ｐおよび中央部Ｑにおいてまだら状（接合層側に境界面なし）、下部Ｒにおいて蛇行状であった。そして、比較例３の接合構造体の接合強度は、５６N/mmであった。
【００３７】
以上のように実施例１〜３の接合構造体では、金属部材としてＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材を用い、かつＦｅを適度に溶融させる加熱条件を用いることにより、比較例１〜３の接合構造体と比較して、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ〜下部Ｒの全てにおいてＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層を形成することができ、かつ継手強度を向上させることができることを確認した。また、Ｚｎ系ろう材でのＡｌの含有の有無に関係なく、金属間化合物層が安定した層状となることを確認した。金属間化合物層が安定した層状となる場合、その組成比は、Ａｌ：４０〜６０％、Ｆｅ：３０〜４０％、Ｚｎ：１０〜２５％を満足していることを確認した。
【００３８】
特に、実施例１，３の接合構造体では、レーザビームの照射位置を開先形状の中心からＦｅ系金属部材側にオフセットさせることにより、実施例２の接合構造体と比較して、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面の上部〜下部の全てにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物を形成することができ、かつ継手強度を向上させることができることを確認した。また、その金属間化合物層が安定した層状となる程、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界およびＡｌ系金属部材と接合層との境界が明瞭となることを確認し、これにより、金属間化合物層は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材への流入を防止することができることが判った。
【符号の説明】
【００３９】
１…Ｆｅ系金属部材、２…Ａｌ系金属部材、３…Ｚｎ系ろう材、４…接合層、５…金属間化合物層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とを接合する接合方法において、
前記接合時に、前記Ｆｅ系金属部材の被接合部を、前記Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱することを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とで開先形状を形成し、
前記開先形状に前記Ｚｎ系ろう材を配置し、
前記接合時に、レーザビームの中心線を前記開先形状の中心線よりも前記Ｆｅ系金属部材側に位置させることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
【請求項３】
Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材とが、Ｚｎを主成分とする接合層を間にして接合された接合構造において、
前記接合層はＡｌを含み、
前記Ｆｅ系金属部材とＺｎ系接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていることを特徴とする金属部材の接合構造。
【請求項４】
前記接合層が前記Ｆｅ系金属部材に嵌合されている形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の金属部材の接合構造。
【請求項１】
Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とを接合する接合方法において、
前記接合時に、前記Ｆｅ系金属部材の被接合部を、前記Ｆｅ系材料の融点以上の温度で加熱することを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とで開先形状を形成し、
前記開先形状に前記Ｚｎ系ろう材を配置し、
前記接合時に、レーザビームの中心線を前記開先形状の中心線よりも前記Ｆｅ系金属部材側に位置させることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
【請求項３】
Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材とが、Ｚｎを主成分とする接合層を間にして接合された接合構造において、
前記接合層はＡｌを含み、
前記Ｆｅ系金属部材とＺｎ系接合層との境界部に、Ａｌを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていることを特徴とする金属部材の接合構造。
【請求項４】
前記接合層が前記Ｆｅ系金属部材に嵌合されている形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の金属部材の接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２７９６４８（Ｐ２００９−２７９６４８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９５６（Ｐ２００９−１２９５６）
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]