鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の異種金属溶接接合体
【課題】 従来の鋼と５０００系アルミニウム合金など鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の接合技術の背景に鑑み、これらの不利や問題点を全面的に解消し、同質部材同志の溶接と実質的に変わらない優れた接合強度と高い生産性などの利点を享受し得る異種金属接合体を提供すること。
【解決手段】 鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部Ｂと前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部Ｃとが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積Ｓ２が、前記溶け込み凝固部の断面積Ｓ１の４.０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
【解決手段】 鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部Ｂと前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部Ｃとが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積Ｓ２が、前記溶け込み凝固部の断面積Ｓ１の４.０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材を溶接により接合して得られる接合体に関し、特にその溶接部の接合強度に優れた異種金属溶接接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境改善のためコストパフォーマンスのある車の軽量化による燃費改善とリサイクル性が強く求められている。
【０００３】
アルミニウム（以下、アルミと略称することがある）は鋼の比重７.８に対して２.７と軽く、耐食性、リサイクル性に優れ、比強度が鋼の２倍程度と高く、押出工法により複雑な形状の素材を経済的に得られることなどの特徴を有しており、車の軽量化に望ましい金属である。反面、アルミは鋼に比べて縦弾性係数が約三分の一、強度が二分の一以下と低く、熱伝導性が良く、凝固収縮率が大きいため溶接が鋼より難しく、鋼より材料コストが高いなど車の素材として使用し難い面も有している。
【０００４】
従って、鋼とアルミの各々の利点を活かしたハイブリッド化ができれば、車が求めているニーズにマッチした対応できることになる。
【０００５】
このハイブリッド化を可能にするためには接合特性に優れた接合技術が必須になる。
【０００６】
ところが、鉄系合金とアルミ系合金を溶解して直接接合すると脆い金属間化合物を生成し、そのために十分な接合強度が得られず、実用化が極めて難しかった。このため、マグネを含む５０００系のアルミ合金が使用し難いロー付け法・摩擦圧接法、あるいは部材同士を機械的に接合するため、接合材の形状、生産性、接合付帯設備などに制約がつくメカニカル接合法、使用対象部材の制約が大きいインサート材接合法が実用化されてきた。
【０００７】
しかしこれらの接合法はいずれも以下のような不利や問題を有しており、その制約が多く、そのため鋼とアルミの各々の特徴を活かしたハイブリッド化がなかなか進展できなかった。
（メカニカル接合法）
ボルト接合、リベット接合、ネジ接合、メカニカルクリンチ、ヘミング、メカニカル成形接合など、部材同士を機械的に接合する方法である。しかし、この方法は、接合部品の形状制約、接合精度、生産性、及び汎用性などの面で同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣る。
（ロー付け法）
部材同士を媒介となるロー材を溶かして接合する方法である。この方法は鋼とアルミの接合法としても提案（特許文献１など）されてはいるが、フラックスにより鋼、アルミの酸化皮膜を除去し、母材を溶解することなく、両金属の活性面とロー材とで適切な化合物を生成することが必要になる。この適切な化合物を得るためロー材の材料、接合品の材質・形状、接合強度、接合品質の信頼性に制約が付される。従って、接合の作業性、生産性、汎用性はやはり、同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に不利を伴う。
（摩擦圧接法）
部材同志を加圧しながら回転させ、その際の摺動に伴う摩擦熱を利用した固相接合である。しかし、この方法は加圧回転が必要なことから接合部品に形状制約があり、接合で生じるバリの処理が必要なこと、ビート゛溶接のような長手方向の溶接が難しいことやＭｇ含有アルミ合金（５０００系）の場合は酸化物（ＭｇＯ）の発生により溶接が困難になるなど作業性、汎用性、生産性の面でやはり同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣る。
（インサート材接合法）
部材同志間にクラッド材をインサートしてスポット溶接などによって接合する方法である。しかし、この方法はクラッド材のインサートに伴う部品形状に制約が付されることと、作業性に劣ることおよびコスト面の課題を有し、やはり同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣るものである。
【特許文献１】特開平５−１１１７５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した従来の鋼と５０００系アルミニウム合金など鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の接合技術の背景に鑑み、これらの不利や問題点を全面的に解消し、同質部材同志の溶接と実質的に変わらない優れた接合強度と高い生産性などの利点を享受し得る画期的な異種金属接合体ならびにその接合技術の開発と実用化をその課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。
（１）鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部と前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部とが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積が、前記溶け込み凝固部の断面積の４.０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
（２）溶解凝固部の表面幅が１.９〜２.８ｍｍ且つ前記溶け込み凝固部の深さが０.２以上であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属溶接接合体。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、優れた接合強度を備えた鉄系合金部材とアルミ系合金部材の異種金属接合体を提供することができる。この溶接法は鉄系合金とアルミ系合金が直接接合できるため高い生産性を実現でき、かつ強度部材用の５０００系アルミ合金の接合も可能になることより、適用対象部材が拡がり、かつ接合部材強度の向上に繋がる。このように本発明はこの種技術分野における実用性の面で顕著な効果を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者は鋼などを素材とする鉄系合金部材と５０００系アルミ合金を素材とするアルミ系合金部材の接合について、従来から困難とされてきた溶接法を見直し、実現の可能性があるかどうかを改めて試みることにした。そこで、各種の溶接実験、検討を進めた結果、レーザー溶接などの入熱密度並びにアスペクト比の高い溶接法を利用して、鉄系合金部材側から入熱して、主としてアルミ系合金部材側から急速に奪熱、冷却することで接合部を急冷凝固させることにより、両部材の接合部を鉄にアルミが過飽和に固溶した過飽和固溶体組織として接合強度を高めることが出来ることを確認し、先に特許出願（特願２００４−２１３４２６）を行った。
【００１２】
そして、さらに継続して実験を行い、これらの結果を総合的に解析したところ、鉄系合金部材側から入熱により溶解し、アルミ系合金部材側からの奪熱、急冷により凝固した鉄系合金部材の領域における鉄合金の溶解凝固部と、鉄系合金部材の領域で同様に溶解したのちアルミ系合金部材の領域に溶け込んで同様に凝固した鉄合金の溶け込み凝固部とによって構成された溶接接合体の凝固プロフィールがその接合強度や品質に重要な影響を与えていることが判明し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
図１に本発明溶接接合体の模式的な断面図を示している。ここにおいて、１は鉄系合金部材、２はアルミ系合金部材であり、３は両部材の接合面である。この鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２にかけてワインカップ状を呈した部分は、本接合体の溶接により溶解、再凝固して形成された溶接凝固部（凝固部と略称することがある）を示している。
【００１４】
この溶接凝固部は、鉄系合金部材１の領域において鉄合金がそのまま溶解、凝固したカップ部に相当する溶解凝固部Ｂと、鉄系合金部材１の領域で溶解した鉄合金がその後にアルミ系合金部材２の領域に溶け込んで凝固した把持部に相当する砲弾状の溶け込み凝固部Ａとが、接合面３を貫通、連続した状態で一体的に形成されたものである。
【００１５】
溶解凝固部Ｂは実質的に鉄系合金の固溶体相であり、一方、溶け込み凝固部Ａは鉄系合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相となっている。ここでのアルミの固溶量はアルミ系合金部材との境界面に近いほど高くなっている。いずれも、ＥＰＭＡの面分析、ＡＥＳ分析の結果などにより確認されている。しかも、この溶け込み凝固部Ａは鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２との実際の溶接接合部となり、その高い接合強度を維持する上で重要な役割を担っている。この接合部には接合強度を著しく低下させる原因となる脆い金属間化合物は存在しない。この事実もＡＥＳ分析で確かめられている。
【００１６】
また、砲弾状にアルミ系合金部材２に食込んだこの溶接接合部は砲弾状部分全体の１次アンカー効果と、さらにこの砲弾状部の外面に形成された微細な凹凸部がアルミ系合金部材２の内面に食込んで生じた２次アンカー効果の両方作用によりその接合強度が一層高められている。
【００１７】
そして、これら溶け込み凝固部Ａと溶解凝固部Ｂとにより構成された溶接凝固部は全体としてワインカップ状を呈することにより、さらに具体的には以下のような数値プロフィールを有することで最大限の接合強度と品質を確保することができる。
【００１８】
先ず、同図１のように、本接合体は溶接凝固部のプロフィールにおいて、溶解凝固部Ｂの断面積Ｓ２が溶け込み凝固部Ａの断面積Ｓ１の４．０〜１４倍であること、すなわち、Ｓ２／Ｓ１＝４．０〜１４の関係を満たすことが必須である。
【００１９】
このＳ２／Ｓ１が４.０未満の条件になると、基本的には入熱が不足した状態であり、鉄系合金部材１及びアルミ系合金部材２における必要な鉄系合金の溶解量とアルミ系合金に対する溶け込み量を確保できず、鉄合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相の急冷凝固凝固組織からなる砲弾状の溶け込み凝固部Ａの形成が困難となる。その結果、鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２との接合が不能（未接合）となったり、接合不良が生じ、十分な接合強度を得ることができなくなり、また両部材の接合界面や鉄系合金部材１に引けを生じ、さらに溶け込み凝固部Ａや溶解凝固部Ｂ内に大きな気泡が発生し、品質面の欠陥も多発することになる。
【００２０】
一方、Ｓ２／Ｓ１が１４を超える条件では、入熱過剰な状態であり、アルミ系合金部材２における鉄系合金（鋼）の溶解幅（表面幅）及び溶解量が大きくなり過ぎて、このため過剰な金属蒸気の発生により、突沸現象が生じるなどしてアルミ系合金に対する溶け込み量が不安定となり、やはり前記砲弾状の溶け込み凝固部Ａを十分に形成させることが出来なくなる。従って、鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２の接合がほとんど不能となり、目的とする十分な接合強度が期待できない状況となる。しかも、接合界面において脆化化合物の発生や空洞、引けが生じ、また溶け込み凝固部Ａや溶解凝固部Ｂ内にもブロー―ホールが発生し、品質面においても大きな問題を生じることになる。
【００２１】
また、上記条件に加え、同図のように、本接合体は溶接凝固部のプロフィールにおいて、溶解凝固部Ｂの表面幅（溶解幅）Ｄが１.９〜２.８ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
このＤが１.９ｍｍ未満の発生するケースは二つある。そのひとつは入熱が不足し、アルミ系合金部材２側に食い込ませて接合強度を得るための十分な溶け込み凝固部Ａを形成する鉄合金の溶湯量を確保できないケースである。この場合、鉄合金溶湯量が少ないため、鉄合金とアルミの接合界面の長さが短く、鋼の凝固収縮によって接合界面が剥離し易くなるとともに鉄合金の食い込みによるアンカー効果が得られ難く、接合強度が低くなる。もうひとつのケースは単位面積当りの入熱量が過剰な場合である。この場合は過剰な金属蒸気の発生によりキーホールを開放型に維持し難く，突沸異常や気泡巻き込みが頻発する。また入熱面の鉄系合金（鋼）の溶解幅（表面幅）が狭いため、アルミ系合金部材２側に食い込んだ溶け込み凝固部Ａの体積減少に伴う凹み異常が発生する。いずれのケースも安定して良好な接合強度と接合品質が得られない。
【００２３】
一方、Ｄが２.８ｍｍを越えるケースは入熱が過剰で、アルミ系合金部材２側に食い込む鉄合金溶湯量が多過ぎて、冷却速度が遅くなり、安定して鉄合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相を主体とする急冷凝固組織が得難くなる。前記砲弾状の溶け込み凝固部Ａの１次及び２次アンカー効果により、接合強度は得られるが入熱過剰による突沸異常や気泡巻き込み不良、凝固後の凹み異常など接合品質は良くなく、品質は安定しないことになる。
【００２４】
さらに、同図のように、本接合体は同凝固部のプロフィールにおいて、溶け込み凝固部Ａの深さＥが０.２以上であることが好ましい。
【００２５】
鉄系合金の溶け込み深さが小さくなれば、鉄系合金とアルミ系合金の接合界面の長さが短くなり、アルミ系合金による抜熱効果の減少による接合部組織の強度劣化と鋼凝固収縮応力による接合界面の剥離が生じる。特に鋼のような鉄系合金とアルミ系合金とではその融点差が１０００℃程度と著しいため、鋼が凝固してからアルミが凝固を終えるまで時間がかかれば、接合界面に脆化層を生じ、接合部剥離が多発する。従って、鋼の溶け込み深さが０．２未満では接合部剥離が発生し、正常な接合品質を得ることが困難となる。
【００２６】
次に本発明接合体の製作に際しての好ましい溶接条件などについて述べる。
【００２７】
先ず、溶接方法としては炭酸ガスレー溶接などのレーザー溶接法を採用することが有利である。このレーザー溶接法はアーク溶接法などと異なり、入熱密度（１０6Ｗ／ｃｍ2以上）が非常に高く、アスペクト比（溶け込み深さ／溶け込み幅）が極めて高い溶接ビードが得られる特徴がある。従って、鉄系合金とアルミ系合金の接合部の溶け込み幅を小さくした状態で溶解接合に十分な入熱を瞬時に行うことができるため、入熱後の冷却が急速（冷却速度：１００Ｋ／ｓ以上）に進行し、接合部を急冷凝固させることができ、これにより接合部を数μ〜１０μ以下の微細な急冷凝固組織とすることができると同時に過飽和固溶体相を得ることができるのである。
【００２８】
また、このレーザー溶接によって鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２を溶接する場合は、その入熱を、熱反射の少なく、アルミより比重が大きくその自重をうまく利用して溶湯を食い込ませて前記溶け込み凝固部を容易に形成することが可能な、鉄系合金側から行うことが良い。
【００２９】
十分な接合強度が得られるレーザー溶接条件は基本的には高エネルギー密度で鉄側から安定的に入熱し、比較的広い溶解幅を確保しながら溶解した十分の量の鉄を短時間にアルミ側に適量砲弾状に食い込ませ、これにより前述した１次と２次の両方のアンカー効果を発揮する図１の溶け込み凝固部Ａの形成を可能にすることである。この条件を満たすために、図２に示すように、まず、鉄系合金部材（１）側からレーザー光（Ｒ）を照射して入熱を行い、溶融鉄（Ｍ）の内側に生成されたキーホール（Ｋ）内に金属蒸気（Ｖ）が封じ込められない様にし、この蒸気（Ｖ）による突沸を防ぐことが必要になる。また溶融鉄（Ｍ）が飛び散らないよう入熱を調整する必要がある。溶融鉄（Ｍ）がアルミ合金部材（２）に差し込むことにより凝固後鉄側表面に引けによる凹みが発生し易い。凝固表面の過度な凹み発生を防ぐためには、入熱は溶接深さ方向だけでなく、凝固時に入熱周辺から溶融鉄（Ｍ）量を補充するため、幅方向にも行う必要がある。この幅方向の入熱はキーホール（Ｋ）生成に伴って得られる金属蒸気（Ｖ）を鉄表面上すなわちキーホール（Ｋ）の上方近傍でプラズマ発光させて、ここに発生したプラズマ雲（Ｐ）継続的に維持させることが重要となる。
【００３０】
炭酸ガスレーザー溶接を用いて本発明接合体を製作する具体的な溶接条件としては、入熱の出力を７００〜７７５Ｗとし、溶接速度を３７５〜４００ｍｍ／分とすることが推奨される。
【００３１】
以下に、鋼とアルミの良好な溶解接合品質が得られる本発明を実験例にもとづいて詳述する。
【００３２】
(実施例)
ステンレスパイプ（ＪＩＳ３０４，３１６Ｌ）にアルミ棒、パイプ（ＪＩＳ３００３、５０５２）を圧入したサンプルをレーザー溶接機(松下溶接システム社製YB-L150A8,ノズル径４、５φ、溶接速度：４００ｍｍ/分、出力形態;ＣＷ)を用いてステンレスパイプ側からレーザーを照射し、溶接接合した。そしてこれらステンレス−アルミ接合体の接合強度並びに接合品質と溶接凝固部のプロフィールを調査した結果を表1及び表２に示す。なお、接合強度並びに接合品質の評価基準は下記の通りである。
【００３３】
[接合強度]
◎：母材破断、○：継ぎ手効率７５％以上、△：継ぎ手効率２０％以上、７５％未満、×：未接合もしくは継ぎ手効率２０％未満。
【００３４】
[接合品質]
◎：接合界面が連続した特異組織からなり、かつ気泡欠陥、凹み異常、引け異常がないものが、○：接合界面が連続した特異組織からなるが、微小な気泡、凹み、引けの欠陥を有するもの、△：部分的に接合界面が特異組織からなるもの、×：未接合又は接合界面が脆い化合物からなるもの。
【００３５】
なお、溶接凝固部のプロフィールの調査・測定に当たっては凝固部の周囲に 脆い金属化合物が生成している場合は、この部分を除外した寸法により求めた。
【００３６】
表１及び２の実験結果から、溶接凝固部のプロフィールにおいて、鉄合金（ステンレス鋼）の溶解凝固部と溶け込み凝固部の断面積比（Ｓ２／Ｓ１）が本発明の範囲（４.０〜１４）を満たす実施例（Ｎｏ１〜４、１１、１２、１５、１６）については、接合界面が良好で、引張試験においてすべて母材破断に至っており、優れた接合強度と品質を有していることが分かる。
【００３７】
一方、Ｓ２／Ｓ１が本発明の上限を超える比較例（Ｎｏ６〜９、１３，１４，１７）においてはそのほとんどが接合強度及び品質共に不良な結果を示した。なお、Ｎｏ１０の比較例は入熱が著しく不足し、溶け込み凝固部の形成が不能となったものである。
【００３８】
また、Ｓ２／Ｓ１が本発明の下限を下回る比較例（Ｎｏ５）は接合強度は満足するものの、接合品質において不十分であり、通常の溶接法による接合体として満足できないものである。但し、この比較例（Ｎｏ５）のように、Ｓ２／Ｓ１が２．９で４を下回る様な場合でも、鋼の溶湯が砲弾状にアルミ側に食い込み、更にアルミとの接合界面において局部的にアルミに食い込む二重のアンカー効果を発揮することから、母材破断するほどの接合強度は得難いにしても、溶接が簡単にできることを考慮すればＳ２／Ｓ１が２.５以上であればスポット溶接には適するものである。しかし、Ｓ２／Ｓ１が２.５未満になると引けが大きくなるとともにアルミに食い込んだ鋼溶湯の冷却速度が遅くなり、脆い金属間化合物が発生し、上記アンカー効果を発揮できなくなり、スポット溶接においても適用不可となる。
【００３９】
また、同表１，２より優れた接合強度と品質を備えた実施例の接合体は、溶接凝固部のプロフィールにおいて、さらに鉄合金の溶解凝固部の表面幅（Ｄ）についても本発明の範囲である１.９〜２.８ｍｍを満足していることが判明する。一方、このＤが１.９未満あるいは２.８を超える場合は比較例が示すとおり接合強度又は品質が十分でなく接合体として不適切である。
【００４０】
さらに、溶接凝固部のプロフィールにおける溶け込み凝固部の深さ（Ｅ）についても、その範囲が０.２ｍｍ以上を満たす実施例がこれを満たさない比較例に比べて接合強度及び接合品質において優れていることもこれらの表から分かる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る溶接接合体の模式的な断面図
【図２】本発明におけるレーザー溶接による鉄系合金部材とアルミ系合金部材の接合時の状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００４４】
１：鉄系合金部材 ２：アルミ（ニウム）系合金部材 ３：接合面
Ａ：溶け込み凝固部 Ｂ：溶解凝固部 Ｃ：溶け込み表面幅
Ｄ：溶解凝固分の表面幅 Ｅ：溶け込み凝固部の深さ Ｆ：鉄系合金部材の板厚
Ｓ：溶け込み凝固部の断面積 Ｓ２：溶解凝固部の断面積
Ｒ：レーザー光 Ｍ：溶融鉄 Ｋ：キーホール Ｖ：金属蒸気
Ｐ：プラズマ雲
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材を溶接により接合して得られる接合体に関し、特にその溶接部の接合強度に優れた異種金属溶接接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境改善のためコストパフォーマンスのある車の軽量化による燃費改善とリサイクル性が強く求められている。
【０００３】
アルミニウム（以下、アルミと略称することがある）は鋼の比重７.８に対して２.７と軽く、耐食性、リサイクル性に優れ、比強度が鋼の２倍程度と高く、押出工法により複雑な形状の素材を経済的に得られることなどの特徴を有しており、車の軽量化に望ましい金属である。反面、アルミは鋼に比べて縦弾性係数が約三分の一、強度が二分の一以下と低く、熱伝導性が良く、凝固収縮率が大きいため溶接が鋼より難しく、鋼より材料コストが高いなど車の素材として使用し難い面も有している。
【０００４】
従って、鋼とアルミの各々の利点を活かしたハイブリッド化ができれば、車が求めているニーズにマッチした対応できることになる。
【０００５】
このハイブリッド化を可能にするためには接合特性に優れた接合技術が必須になる。
【０００６】
ところが、鉄系合金とアルミ系合金を溶解して直接接合すると脆い金属間化合物を生成し、そのために十分な接合強度が得られず、実用化が極めて難しかった。このため、マグネを含む５０００系のアルミ合金が使用し難いロー付け法・摩擦圧接法、あるいは部材同士を機械的に接合するため、接合材の形状、生産性、接合付帯設備などに制約がつくメカニカル接合法、使用対象部材の制約が大きいインサート材接合法が実用化されてきた。
【０００７】
しかしこれらの接合法はいずれも以下のような不利や問題を有しており、その制約が多く、そのため鋼とアルミの各々の特徴を活かしたハイブリッド化がなかなか進展できなかった。
（メカニカル接合法）
ボルト接合、リベット接合、ネジ接合、メカニカルクリンチ、ヘミング、メカニカル成形接合など、部材同士を機械的に接合する方法である。しかし、この方法は、接合部品の形状制約、接合精度、生産性、及び汎用性などの面で同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣る。
（ロー付け法）
部材同士を媒介となるロー材を溶かして接合する方法である。この方法は鋼とアルミの接合法としても提案（特許文献１など）されてはいるが、フラックスにより鋼、アルミの酸化皮膜を除去し、母材を溶解することなく、両金属の活性面とロー材とで適切な化合物を生成することが必要になる。この適切な化合物を得るためロー材の材料、接合品の材質・形状、接合強度、接合品質の信頼性に制約が付される。従って、接合の作業性、生産性、汎用性はやはり、同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に不利を伴う。
（摩擦圧接法）
部材同志を加圧しながら回転させ、その際の摺動に伴う摩擦熱を利用した固相接合である。しかし、この方法は加圧回転が必要なことから接合部品に形状制約があり、接合で生じるバリの処理が必要なこと、ビート゛溶接のような長手方向の溶接が難しいことやＭｇ含有アルミ合金（５０００系）の場合は酸化物（ＭｇＯ）の発生により溶接が困難になるなど作業性、汎用性、生産性の面でやはり同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣る。
（インサート材接合法）
部材同志間にクラッド材をインサートしてスポット溶接などによって接合する方法である。しかし、この方法はクラッド材のインサートに伴う部品形状に制約が付されることと、作業性に劣ることおよびコスト面の課題を有し、やはり同質材料（鋼同士など）の溶接より一般的に劣るものである。
【特許文献１】特開平５−１１１７５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した従来の鋼と５０００系アルミニウム合金など鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の接合技術の背景に鑑み、これらの不利や問題点を全面的に解消し、同質部材同志の溶接と実質的に変わらない優れた接合強度と高い生産性などの利点を享受し得る画期的な異種金属接合体ならびにその接合技術の開発と実用化をその課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。
（１）鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部と前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部とが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積が、前記溶け込み凝固部の断面積の４.０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
（２）溶解凝固部の表面幅が１.９〜２.８ｍｍ且つ前記溶け込み凝固部の深さが０.２以上であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属溶接接合体。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、優れた接合強度を備えた鉄系合金部材とアルミ系合金部材の異種金属接合体を提供することができる。この溶接法は鉄系合金とアルミ系合金が直接接合できるため高い生産性を実現でき、かつ強度部材用の５０００系アルミ合金の接合も可能になることより、適用対象部材が拡がり、かつ接合部材強度の向上に繋がる。このように本発明はこの種技術分野における実用性の面で顕著な効果を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者は鋼などを素材とする鉄系合金部材と５０００系アルミ合金を素材とするアルミ系合金部材の接合について、従来から困難とされてきた溶接法を見直し、実現の可能性があるかどうかを改めて試みることにした。そこで、各種の溶接実験、検討を進めた結果、レーザー溶接などの入熱密度並びにアスペクト比の高い溶接法を利用して、鉄系合金部材側から入熱して、主としてアルミ系合金部材側から急速に奪熱、冷却することで接合部を急冷凝固させることにより、両部材の接合部を鉄にアルミが過飽和に固溶した過飽和固溶体組織として接合強度を高めることが出来ることを確認し、先に特許出願（特願２００４−２１３４２６）を行った。
【００１２】
そして、さらに継続して実験を行い、これらの結果を総合的に解析したところ、鉄系合金部材側から入熱により溶解し、アルミ系合金部材側からの奪熱、急冷により凝固した鉄系合金部材の領域における鉄合金の溶解凝固部と、鉄系合金部材の領域で同様に溶解したのちアルミ系合金部材の領域に溶け込んで同様に凝固した鉄合金の溶け込み凝固部とによって構成された溶接接合体の凝固プロフィールがその接合強度や品質に重要な影響を与えていることが判明し、本発明を完成させるに至った。
【００１３】
図１に本発明溶接接合体の模式的な断面図を示している。ここにおいて、１は鉄系合金部材、２はアルミ系合金部材であり、３は両部材の接合面である。この鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２にかけてワインカップ状を呈した部分は、本接合体の溶接により溶解、再凝固して形成された溶接凝固部（凝固部と略称することがある）を示している。
【００１４】
この溶接凝固部は、鉄系合金部材１の領域において鉄合金がそのまま溶解、凝固したカップ部に相当する溶解凝固部Ｂと、鉄系合金部材１の領域で溶解した鉄合金がその後にアルミ系合金部材２の領域に溶け込んで凝固した把持部に相当する砲弾状の溶け込み凝固部Ａとが、接合面３を貫通、連続した状態で一体的に形成されたものである。
【００１５】
溶解凝固部Ｂは実質的に鉄系合金の固溶体相であり、一方、溶け込み凝固部Ａは鉄系合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相となっている。ここでのアルミの固溶量はアルミ系合金部材との境界面に近いほど高くなっている。いずれも、ＥＰＭＡの面分析、ＡＥＳ分析の結果などにより確認されている。しかも、この溶け込み凝固部Ａは鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２との実際の溶接接合部となり、その高い接合強度を維持する上で重要な役割を担っている。この接合部には接合強度を著しく低下させる原因となる脆い金属間化合物は存在しない。この事実もＡＥＳ分析で確かめられている。
【００１６】
また、砲弾状にアルミ系合金部材２に食込んだこの溶接接合部は砲弾状部分全体の１次アンカー効果と、さらにこの砲弾状部の外面に形成された微細な凹凸部がアルミ系合金部材２の内面に食込んで生じた２次アンカー効果の両方作用によりその接合強度が一層高められている。
【００１７】
そして、これら溶け込み凝固部Ａと溶解凝固部Ｂとにより構成された溶接凝固部は全体としてワインカップ状を呈することにより、さらに具体的には以下のような数値プロフィールを有することで最大限の接合強度と品質を確保することができる。
【００１８】
先ず、同図１のように、本接合体は溶接凝固部のプロフィールにおいて、溶解凝固部Ｂの断面積Ｓ２が溶け込み凝固部Ａの断面積Ｓ１の４．０〜１４倍であること、すなわち、Ｓ２／Ｓ１＝４．０〜１４の関係を満たすことが必須である。
【００１９】
このＳ２／Ｓ１が４.０未満の条件になると、基本的には入熱が不足した状態であり、鉄系合金部材１及びアルミ系合金部材２における必要な鉄系合金の溶解量とアルミ系合金に対する溶け込み量を確保できず、鉄合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相の急冷凝固凝固組織からなる砲弾状の溶け込み凝固部Ａの形成が困難となる。その結果、鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２との接合が不能（未接合）となったり、接合不良が生じ、十分な接合強度を得ることができなくなり、また両部材の接合界面や鉄系合金部材１に引けを生じ、さらに溶け込み凝固部Ａや溶解凝固部Ｂ内に大きな気泡が発生し、品質面の欠陥も多発することになる。
【００２０】
一方、Ｓ２／Ｓ１が１４を超える条件では、入熱過剰な状態であり、アルミ系合金部材２における鉄系合金（鋼）の溶解幅（表面幅）及び溶解量が大きくなり過ぎて、このため過剰な金属蒸気の発生により、突沸現象が生じるなどしてアルミ系合金に対する溶け込み量が不安定となり、やはり前記砲弾状の溶け込み凝固部Ａを十分に形成させることが出来なくなる。従って、鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２の接合がほとんど不能となり、目的とする十分な接合強度が期待できない状況となる。しかも、接合界面において脆化化合物の発生や空洞、引けが生じ、また溶け込み凝固部Ａや溶解凝固部Ｂ内にもブロー―ホールが発生し、品質面においても大きな問題を生じることになる。
【００２１】
また、上記条件に加え、同図のように、本接合体は溶接凝固部のプロフィールにおいて、溶解凝固部Ｂの表面幅（溶解幅）Ｄが１.９〜２.８ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
このＤが１.９ｍｍ未満の発生するケースは二つある。そのひとつは入熱が不足し、アルミ系合金部材２側に食い込ませて接合強度を得るための十分な溶け込み凝固部Ａを形成する鉄合金の溶湯量を確保できないケースである。この場合、鉄合金溶湯量が少ないため、鉄合金とアルミの接合界面の長さが短く、鋼の凝固収縮によって接合界面が剥離し易くなるとともに鉄合金の食い込みによるアンカー効果が得られ難く、接合強度が低くなる。もうひとつのケースは単位面積当りの入熱量が過剰な場合である。この場合は過剰な金属蒸気の発生によりキーホールを開放型に維持し難く，突沸異常や気泡巻き込みが頻発する。また入熱面の鉄系合金（鋼）の溶解幅（表面幅）が狭いため、アルミ系合金部材２側に食い込んだ溶け込み凝固部Ａの体積減少に伴う凹み異常が発生する。いずれのケースも安定して良好な接合強度と接合品質が得られない。
【００２３】
一方、Ｄが２.８ｍｍを越えるケースは入熱が過剰で、アルミ系合金部材２側に食い込む鉄合金溶湯量が多過ぎて、冷却速度が遅くなり、安定して鉄合金にアルミ系合金のアルミが５〜４０％過飽和に固溶した過飽和固溶体相を主体とする急冷凝固組織が得難くなる。前記砲弾状の溶け込み凝固部Ａの１次及び２次アンカー効果により、接合強度は得られるが入熱過剰による突沸異常や気泡巻き込み不良、凝固後の凹み異常など接合品質は良くなく、品質は安定しないことになる。
【００２４】
さらに、同図のように、本接合体は同凝固部のプロフィールにおいて、溶け込み凝固部Ａの深さＥが０.２以上であることが好ましい。
【００２５】
鉄系合金の溶け込み深さが小さくなれば、鉄系合金とアルミ系合金の接合界面の長さが短くなり、アルミ系合金による抜熱効果の減少による接合部組織の強度劣化と鋼凝固収縮応力による接合界面の剥離が生じる。特に鋼のような鉄系合金とアルミ系合金とではその融点差が１０００℃程度と著しいため、鋼が凝固してからアルミが凝固を終えるまで時間がかかれば、接合界面に脆化層を生じ、接合部剥離が多発する。従って、鋼の溶け込み深さが０．２未満では接合部剥離が発生し、正常な接合品質を得ることが困難となる。
【００２６】
次に本発明接合体の製作に際しての好ましい溶接条件などについて述べる。
【００２７】
先ず、溶接方法としては炭酸ガスレー溶接などのレーザー溶接法を採用することが有利である。このレーザー溶接法はアーク溶接法などと異なり、入熱密度（１０6Ｗ／ｃｍ2以上）が非常に高く、アスペクト比（溶け込み深さ／溶け込み幅）が極めて高い溶接ビードが得られる特徴がある。従って、鉄系合金とアルミ系合金の接合部の溶け込み幅を小さくした状態で溶解接合に十分な入熱を瞬時に行うことができるため、入熱後の冷却が急速（冷却速度：１００Ｋ／ｓ以上）に進行し、接合部を急冷凝固させることができ、これにより接合部を数μ〜１０μ以下の微細な急冷凝固組織とすることができると同時に過飽和固溶体相を得ることができるのである。
【００２８】
また、このレーザー溶接によって鉄系合金部材１とアルミ系合金部材２を溶接する場合は、その入熱を、熱反射の少なく、アルミより比重が大きくその自重をうまく利用して溶湯を食い込ませて前記溶け込み凝固部を容易に形成することが可能な、鉄系合金側から行うことが良い。
【００２９】
十分な接合強度が得られるレーザー溶接条件は基本的には高エネルギー密度で鉄側から安定的に入熱し、比較的広い溶解幅を確保しながら溶解した十分の量の鉄を短時間にアルミ側に適量砲弾状に食い込ませ、これにより前述した１次と２次の両方のアンカー効果を発揮する図１の溶け込み凝固部Ａの形成を可能にすることである。この条件を満たすために、図２に示すように、まず、鉄系合金部材（１）側からレーザー光（Ｒ）を照射して入熱を行い、溶融鉄（Ｍ）の内側に生成されたキーホール（Ｋ）内に金属蒸気（Ｖ）が封じ込められない様にし、この蒸気（Ｖ）による突沸を防ぐことが必要になる。また溶融鉄（Ｍ）が飛び散らないよう入熱を調整する必要がある。溶融鉄（Ｍ）がアルミ合金部材（２）に差し込むことにより凝固後鉄側表面に引けによる凹みが発生し易い。凝固表面の過度な凹み発生を防ぐためには、入熱は溶接深さ方向だけでなく、凝固時に入熱周辺から溶融鉄（Ｍ）量を補充するため、幅方向にも行う必要がある。この幅方向の入熱はキーホール（Ｋ）生成に伴って得られる金属蒸気（Ｖ）を鉄表面上すなわちキーホール（Ｋ）の上方近傍でプラズマ発光させて、ここに発生したプラズマ雲（Ｐ）継続的に維持させることが重要となる。
【００３０】
炭酸ガスレーザー溶接を用いて本発明接合体を製作する具体的な溶接条件としては、入熱の出力を７００〜７７５Ｗとし、溶接速度を３７５〜４００ｍｍ／分とすることが推奨される。
【００３１】
以下に、鋼とアルミの良好な溶解接合品質が得られる本発明を実験例にもとづいて詳述する。
【００３２】
(実施例)
ステンレスパイプ（ＪＩＳ３０４，３１６Ｌ）にアルミ棒、パイプ（ＪＩＳ３００３、５０５２）を圧入したサンプルをレーザー溶接機(松下溶接システム社製YB-L150A8,ノズル径４、５φ、溶接速度：４００ｍｍ/分、出力形態;ＣＷ)を用いてステンレスパイプ側からレーザーを照射し、溶接接合した。そしてこれらステンレス−アルミ接合体の接合強度並びに接合品質と溶接凝固部のプロフィールを調査した結果を表1及び表２に示す。なお、接合強度並びに接合品質の評価基準は下記の通りである。
【００３３】
[接合強度]
◎：母材破断、○：継ぎ手効率７５％以上、△：継ぎ手効率２０％以上、７５％未満、×：未接合もしくは継ぎ手効率２０％未満。
【００３４】
[接合品質]
◎：接合界面が連続した特異組織からなり、かつ気泡欠陥、凹み異常、引け異常がないものが、○：接合界面が連続した特異組織からなるが、微小な気泡、凹み、引けの欠陥を有するもの、△：部分的に接合界面が特異組織からなるもの、×：未接合又は接合界面が脆い化合物からなるもの。
【００３５】
なお、溶接凝固部のプロフィールの調査・測定に当たっては凝固部の周囲に 脆い金属化合物が生成している場合は、この部分を除外した寸法により求めた。
【００３６】
表１及び２の実験結果から、溶接凝固部のプロフィールにおいて、鉄合金（ステンレス鋼）の溶解凝固部と溶け込み凝固部の断面積比（Ｓ２／Ｓ１）が本発明の範囲（４.０〜１４）を満たす実施例（Ｎｏ１〜４、１１、１２、１５、１６）については、接合界面が良好で、引張試験においてすべて母材破断に至っており、優れた接合強度と品質を有していることが分かる。
【００３７】
一方、Ｓ２／Ｓ１が本発明の上限を超える比較例（Ｎｏ６〜９、１３，１４，１７）においてはそのほとんどが接合強度及び品質共に不良な結果を示した。なお、Ｎｏ１０の比較例は入熱が著しく不足し、溶け込み凝固部の形成が不能となったものである。
【００３８】
また、Ｓ２／Ｓ１が本発明の下限を下回る比較例（Ｎｏ５）は接合強度は満足するものの、接合品質において不十分であり、通常の溶接法による接合体として満足できないものである。但し、この比較例（Ｎｏ５）のように、Ｓ２／Ｓ１が２．９で４を下回る様な場合でも、鋼の溶湯が砲弾状にアルミ側に食い込み、更にアルミとの接合界面において局部的にアルミに食い込む二重のアンカー効果を発揮することから、母材破断するほどの接合強度は得難いにしても、溶接が簡単にできることを考慮すればＳ２／Ｓ１が２.５以上であればスポット溶接には適するものである。しかし、Ｓ２／Ｓ１が２.５未満になると引けが大きくなるとともにアルミに食い込んだ鋼溶湯の冷却速度が遅くなり、脆い金属間化合物が発生し、上記アンカー効果を発揮できなくなり、スポット溶接においても適用不可となる。
【００３９】
また、同表１，２より優れた接合強度と品質を備えた実施例の接合体は、溶接凝固部のプロフィールにおいて、さらに鉄合金の溶解凝固部の表面幅（Ｄ）についても本発明の範囲である１.９〜２.８ｍｍを満足していることが判明する。一方、このＤが１.９未満あるいは２.８を超える場合は比較例が示すとおり接合強度又は品質が十分でなく接合体として不適切である。
【００４０】
さらに、溶接凝固部のプロフィールにおける溶け込み凝固部の深さ（Ｅ）についても、その範囲が０.２ｍｍ以上を満たす実施例がこれを満たさない比較例に比べて接合強度及び接合品質において優れていることもこれらの表から分かる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る溶接接合体の模式的な断面図
【図２】本発明におけるレーザー溶接による鉄系合金部材とアルミ系合金部材の接合時の状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００４４】
１：鉄系合金部材 ２：アルミ（ニウム）系合金部材 ３：接合面
Ａ：溶け込み凝固部 Ｂ：溶解凝固部 Ｃ：溶け込み表面幅
Ｄ：溶解凝固分の表面幅 Ｅ：溶け込み凝固部の深さ Ｆ：鉄系合金部材の板厚
Ｓ：溶け込み凝固部の断面積 Ｓ２：溶解凝固部の断面積
Ｒ：レーザー光 Ｍ：溶融鉄 Ｋ：キーホール Ｖ：金属蒸気
Ｐ：プラズマ雲
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部と前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部とが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積が、前記溶け込み凝固部の断面積の４．０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
【請求項２】
溶解凝固部の表面幅が１．９〜２．８ｍｍ且つ前記溶け込み凝固部の深さが０．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属溶接接合体。
【請求項１】
鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材が鉄系合金部材側からの入熱により溶接された異種金属溶接接合体であって、前記鉄系合金部材において溶解凝固した鉄系合金の溶解凝固部と前記アルミ合金部材に溶け込んで凝固した鉄系合金の溶け込み凝固部とが連続して一体的に構成された溶接凝固部を有すると共に、前記溶解凝固部の断面積が、前記溶け込み凝固部の断面積の４．０〜１４倍であることを特徴とする異種金属の溶接接合体。
【請求項２】
溶解凝固部の表面幅が１．９〜２．８ｍｍ且つ前記溶け込み凝固部の深さが０．２以上であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属溶接接合体。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１３０５４１（Ｐ２００６−１３０５４１Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２４０２７（Ｐ２００４−３２４０２７）
【出願日】平成１６年１１月８日（２００４．１１．８）
【出願人】（０００２３３６１９）株式会社ニチリン (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月８日（２００４．１１．８）
【出願人】（０００２３３６１９）株式会社ニチリン (69)
【Ｆターム（参考）】
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