鉄系材料とアルミニウム系材料とを接合した異材接合継手
【課題】 溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対する圧縮強度を高めた異材接合継手を提供することを目的とする。
【解決手段】 アルミニウム系材料３端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料２端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手１であって、鉄系材料２の端部２ａと、この端部２ａ後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線６ａ、６ｂを有し、鉄系材料２の端部後面側には、前記端部後面側溶接線６ａに沿って一定の間隔で空間４ａが予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料７が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビード５ａが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部２ａには、前記端部溶接線６ｂに沿って、アルミニウム溶接材料によるビード５ｂが形成されるように両材料が溶接接合されていることとする。
【解決手段】 アルミニウム系材料３端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料２端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手１であって、鉄系材料２の端部２ａと、この端部２ａ後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線６ａ、６ｂを有し、鉄系材料２の端部後面側には、前記端部後面側溶接線６ａに沿って一定の間隔で空間４ａが予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料７が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビード５ａが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部２ａには、前記端部溶接線６ｂに沿って、アルミニウム溶接材料によるビード５ｂが形成されるように両材料が溶接接合されていることとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等の構造部材などとして好適で、特に、自動車用構造物などの組立工程の際に必要となる、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄系材料 （以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもので、以下、単にアルミニウム材と言う）という、異種の金属部材の接合(異材接合体)に適用することができれば、自動車などの構造材として、自動車などの軽量化等に著しく寄与することができる。
【０００３】
しかし、鋼材とアルミニウム材とを溶接接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、信頼性のある高強度を有する接合部(接合強度)を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種接合体の接合方法について多くの検討がなされてきている。例えば、以下のような接合方法が提案されている。
真空圧延接合する方法(特許文献１参照)。
予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させてシーム溶接する方法(特許文献2参照)。
高温加圧接合する方法(特許文献３参照)。
接合面にTi合金を予め介在させHIP処理により接合する方法(特許文献4および5参照)。
摩擦圧接する方法(特許文献6参照)。
アルミニウムと接する鋼材表面にアルミニウム合金をめっきして、あるいは予め用意した鋼材層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させて抵抗溶接する方法(特許文献7および8参照)。
また、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法も提案されている(非特許文献1、2参照)。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。例えば、特許文献１〜8の、鋼材とアルミニウム材との異材接合体を得る方法は、共通して、平板など比較的単純な形状の部材同士の接合には利用可能であるが、部材形状の制約を受け、部材の形状が複雑な場合には適用できない。このため適用範囲が狭く汎用性が劣っている。また、接合部がスポット的なものとなるため連続的な接合部を得ることができない問題もある。
【０００６】
更に、いずれの方法とも、工程が複雑となるため、品質の安定性が確保できず、接合コストが高くなり、実用性に欠ける問題がある。また、現状の溶接ラインでは実施できず、上記各方法を実施するための、新たな設備を組み入れなければならないため、設備コストが高くなる問題もあった。
【０００７】
これに対して、前記非特許文献1、2の、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法では、強度確保の阻害要因となる金属間化合物の成長方向を制御することで高い接合強度が得られる。この方法は、接合する鋼材側に、予め一個の穴を設け、この穴を溶融アルミニウム材にて埋めることによって(充填することによって)、鋼材とアルミニウム材とを接合する方法である。
【０００８】
鋼材とアルミニウム材との接合に、上記のような種々の方法が提案されている背景の1つとして、鋼材とアルミニウム材とを直接溶融接合すると接合部に脆弱な金属間化合物が生成し、割れを生じ易くなることが挙げられる。そのため、溶接ワイヤを用いて接合する場合を含めて鋼材とアルミニウム材とを直接接合する際には、ｉ)鋼材中の鉄とアルミニウム材中のアルミニウムとを如何にして極力溶融混合させないで、溶融金属部の延性を確保するか、また、ii)鋼材とアルミニウム材との界面近傍に脆弱な金属間化合物層を如何にして生成させないようにするか、iii)仮に鋼材とアルミニウム材の接合界面に脆弱な金属間化合物が生成しても、継手の機械的性能を損なわない継手形状を設計するかが極めて重要となる。
【０００９】
そこで、本出願人はこのような観点から、上記ｉ)、ii)に示した障害を可及的に抑制し健全な接合継手を確保することのできる接合方法の確立を期して種々検討を重ねてきた。その結果、MIGロウ付法によって鋼材とアルミニウム材とを直接接合する方法を採用すれば、上記従来技術で指摘した様々の問題を生じることなく信頼性の高い接合継手が得られる(特許文献9参照)。
【００１０】
しかし、前記非特許文献1、2では、接合長さに応じて、多数の穴を周期的に設けて、これらの穴に沿った溶接線として、連続的にアーク溶接した場合には、ビードに割れが発生し、却って、溶接継手の疲労強度が低下するなどの問題があった。この理由は、アルミニウム溶接材にて形成されるビード内部に、鋼材側から鉄系成分が溶解混合するために、ビード内部に脆弱な金属間化合物が生成するためである。
【００１１】
一方、上記特許文献9のMIGロウ付法によれば、鋼材とアルミニウム材との接合に際し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れる。しかし、鋼材とアルミニウム材との接合界面には、Fe/Al系のように脆弱な金属間化合物が形成されているのは事実であり、接合強度はなお改善の余地があった。
【００１２】
そこで、上記非特許文献１、２に開示した、非常に施工方法が容易で、線溶接が可能なアーク溶接を活用した接合方法の更なる継手性能の向上を狙い、具体的には高い強度を確保しつつ延性に優れた継手を安定して得ることのできる、アーク溶接法による接合方法を提案した（非特許文献３）。
【００１３】
これは、前記非特許文献1、2の鉄系材料側に溶接線に沿って予め一定の間隔で穴（前記空間）を設けるに際して、接合後の前記穴（前記空間）に充填されたアルミニウム溶接材料の溶接線に沿った長さ(幅)と、これに両隣する鉄系材料の溶接線に沿った長さ(幅)との比を一定範囲内とするものである。このような特定条件の穴を設ければ、表面にアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成される溶接ビード中への鉄系材料の溶融混合が最小限に抑えられる。このため、ビード内部の脆弱なFe-Al系金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制され、継手の接合線が長くても、高い接合強度を得るものである。
【特許文献１】特開２０００-９４１６２号公報
【特許文献２】特開平１１-１９７８４６号公報
【特許文献３】特開平１０-１８５０４０号公報
【特許文献４】特開平６-１９８４５８号公報
【特許文献５】特開平５-８０５６号公報
【特許文献６】特開平８-１４１７５５号公報
【特許文献７】特開平６-３９５５８号公報
【特許文献８】特開平６-６３７６２号公報
【特許文献９】特開２００３-３３８６５号公報
【非特許文献１】WELDING JOURNAL,(1963),p.302．
【非特許文献２】軽金属溶接：Vol.16(1978)No.12,p.8．
【非特許文献３】溶接学会全国大会講演概要第75集(2004),p.260〜261
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
確かに、前記非特許文献３のように、鉄系材料側に溶接線に沿って予め特定条件の穴を設ければ、ビード内部の脆弱なFe-Al系金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制され、継手の接合線が長くても、接合強度が向上する。
【００１５】
しかし、これら鋼材とアルミニウム材とを溶接接合した異材接合継手（異材溶接継手）を自動車などの構造部材に適用することを考えると、自動車の衝突時などに負荷される大荷重（応力）に対する継手強度が必要である。自動車などの構造部材にでは、荷重方向は、衝突方向や部材方向にもよるが、例えば、鋼材サイドメンバーと、アルミニウム材バンパーステイ（バンパ補強材の後面側接合部材）などの異材接合継手の場合、鋼材とアルミニウム材との長手方向に、圧縮方向の荷重が負荷される可能性が大きい。
【００１６】
このため、溶接線に対しては、引張方向ではなく、圧縮方向の荷重が負荷されるため、前記した自動車などの構造部材に、異材接合継手が適用されるためには、異材接合継手が、この圧縮方向の荷重負荷に対する、十分な圧縮強度を有する必要がある。
【００１７】
しかし、前記した非特許文献３の異材接合継手でも、この圧縮方向の荷重負荷に対する、圧縮強度は不足しており、改善の余地があった。
【００１８】
このため、本発明は、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対する圧縮強度を高めた異材接合継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための、本発明の異材接合継手の要旨は、アルミニウム系材料端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手であって、鉄系材料の端部と、この端部後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線を有し、鉄系材料の端部後面側には、前記端部後面側溶接線に沿って一定の間隔で空間が予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部には、前記端部溶接線に沿って、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されていることとする。
【発明の効果】
【００２０】
前記非特許文献３などのような溶接線が一つのみの異材接合継手では、接合強度の阻害要因となる金属間化合物を抑制するなどして、接合強度を向上させたとしても、自動車の衝突時などに負荷される、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対しては大きな限界がある。
【００２１】
これに対して、本発明では、上記タイプの異材接合継手において、鋼材（鉄系材料）の端部後面側に設けた溶接線は、前記非特許文献３などの溶接線に沿って予め一定の間隔で予め空間を設ける溶接方式を踏襲する。その上で、更に加えて、前記鋼材端部後面側に設けた溶接線からは前面側となる、鋼材の端部位置に溶接線を新たに設ける。
【００２２】
これにより、アルミニウム材（アルミニウム系材料）端部に対して、上側あるいは外側になるように、鋼材（鉄系材料）端部を重ね合わせて溶接接合したタイプの異材接合継手において、圧縮方向の荷重負荷に対しては、上記二つの溶接線が分担して負担することとなる。このため、個々の溶接線に対する負荷が軽減され、圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が相乗的に向上する。
【００２３】
したがって、本発明は、これまで適用が困難であった、圧縮方向の荷重が負荷される自動車などの構造部材に、異材接合継手を適用可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の限定理由とを具体的に説明する。
【００２５】
（異材接合継手構造）
図１、２に、本発明で規定する異材接合継手の一態様を斜視図で各々示す。図１は、溶接接合前の異材接合継手１を示し、図２は、溶接接合後の異材接合継手１を示している。
【００２６】
図１、２において、鋼材２は、自動車のサイドメンバなどを意図した、例えば、鋼板を成形した矩形中空形状をしている。また、アルミニウム材３は、自動車のバンパステイなどを意図した、例えば、アルミニウム合金板を成形するか、あるいは押出中空形材などからなる矩形中空形状をしている。
【００２７】
図１において、先ず、異材接合継手１は、アルミニウム材３の端部に対して、上側あるいは外側になるように、鋼材２端部を重ね合わせている。このため、アルミニウム材３は、その端部３ａが鋼材２の矩形中空内に挿入された状態となっている。
【００２８】
異材接合継手１は、鋼材端部２ａの後面側の、端部後面側溶接線６ａと、鋼材端部２ａの位置における端部溶接線６ｂの互いに間隔を開けた二つの溶接線を有している。これら二つの溶接線は、両者とも鋼材２の周囲（四周囲）に亙って周回している。
【００２９】
鋼材２の端部後面側の各周囲面には、端部後面側溶接線６ａに沿って、予め間隔を開けて設けた空間である丸穴４ａが複数個設けられている。この丸穴４ａは予め一定の間隔で設けられた空間であり、後述する通り、溶接時に、これらの丸穴４ａ（空間）にアルミニウム溶接材料が溶融充填される。
【００３０】
図２の溶接接合後の異材接合継手１において、５ａは、端部後面側溶接線６ａに沿ったアルミニウム溶接材料によるビードを示している。７は、前記丸穴４ａに溶融充填されたアルミニウム溶接材料を示している。また、５ｂは、端部溶接線６ｂに沿ったアルミニウム溶接材料によるビードを示している。これら溶接ビードは、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成されたものである。
【００３１】
（軸圧壊試験）
図３は、図２のような溶接接合後の異材接合継手１に対し、アルミニウム材３や鋼材２の長手方向（軸方向）に、実際に圧壊試験した後の、実際の異材接合継手状況を図面化したもので、斜視図で示している。この図３は、後述する実施例表３の発明例４の例である。
【００３２】
この場合、異材接合継手１の溶接線６ａ、６ｂ（あるいは溶接部）に対しては、圧縮方向の荷重Ｆが負荷される。そして、このような軸圧壊試験は、自動車の車体前部あるいは後部の衝突時などによって、アルミニウム材３や鋼材２の長手方向（軸方向）に、衝突荷重が負荷された際の状況と良く対応している。
【００３３】
なお、この図３では、前記図１、２とは相違して、アルミニウム材３や鋼材２を各々ＨＡＴ（帽子）型形材として、このＨＡＴ（帽子）型形材同士を、各々左右両側の横方向に張り出したフランジ２ｂ、３ｂ同士において、各々接合した態様を示している。
【００３４】
本発明異材接合継手１では、このような圧縮方向の荷重負荷に対して、溶接線６ａ、６ｂの二つの溶接線が分担して負担する。このため、個々の溶接線に対する負荷が軽減され、圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が相乗的に向上する。
【００３５】
このため、図３の通り、異材接合継手の接合部がせん断破壊されず、一方で、鋼材２に比して、圧壊強度の低いアルミニウム材３は、圧縮方向の荷重Ｆに対して、長手方向（軸方向）に、蛇腹状に圧壊変形して、衝突荷重（エネルギ）の吸収を行なうことができる。したがって、異材接合継手の接合部の強度の保障とともに、衝突荷重の吸収のために、アルミニウム材３を鋼材２とともに用いる異材接合継手自体の採用意義が保障される。
【００３６】
例えば、従来の異材接合継手のように、溶接線６ａの溶接部一箇所しか無い場合、勿論、圧縮方向の荷重の大きさにもよるが、圧縮方向の荷重負荷に対して、溶接部がせん断破壊して、アルミニウム材３が鋼材２の中空内に抜け（もぐり込み）、この中空内を移動してしまう（鋼材の中空内に滑り込んでしまう）ような事態が生じる可能性が高い。また、接合部において、アルミニウム材３がくの字状に折れ曲がる事態が生じる可能性も高い。因みに、溶接線６ｂの溶接部一箇所しか無い場合、溶接線６ａの無い継ぎ手は、引張荷重が負担できないので、引張荷重が負荷された場合には、すぐ溶接部が外れてしまい、継ぎ手として機能できない。
【００３７】
このように、溶接部がせん断破壊した場合、アルミニウム材３の、前記した長手方向への蛇腹状の圧壊変形が起こらず、衝突荷重（エネルギ）の吸収が行なえない。このため、異材接合継手の接合部の強度の保障とともに、衝突荷重の吸収のために、アルミニウム材３を鋼材とともに用いる意味そのものが失われる。
【００３８】
（溶接部構造）
以下に、上記した異材接合継手の圧縮強度向上や保障のための、溶接部構造の具体的あるいは好ましい態様について詳細に説明する。
【００３９】
図４に、本発明異材接合継手の一態様を平面図(a)および側面図(b)で示す。図４では、異材接合継手１を、上板である平板状の鋼材(鋼板)２と、下板であるアルミニウム材(アルミニウム合金板)３とで示している。
【００４０】
なお、この図４に示す態様は、後述する図５〜８も合わせて、前記図１〜３とは異なる形状の異材接合継手の態様を示してもいるが、前記図１〜３で示した矩形中空形材状鋼材２の、上下側あるは両側などの一辺（面）当たりの態様を示しているものでもある。
【００４１】
図４では、鋼材２の端部をアルミニウム材３端部の上側として、鋼材２とアルミニウム材３とを端部において重ね合わせて、前記図１、２と同様に、前記端部後面側溶接線６ａと、前記端部溶接線６ｂにて、各々アーク溶接にて接合している。５ａ、５ｂは、前記図１、２と同様に、接合部表面に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成された溶接ビードである。
【００４２】
４ａは、前記図１、２と同様に、鋼材１の接合側に、溶接線に沿って予め間隔を開けて設けた複数の空間である丸穴を示す。また、７は、前記図２と同様に、溶接接合の際に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されて、この各丸穴４ａ中に溶融充填されて凝固したアルミニウム溶接材料である。
【００４３】
（端部溶接線）
図４における、端部溶接線（溶接部）６ｂは、通常の重ね合わせ継手における通常のアーク溶接および溶接条件などによって、溶接接合可能である。但し、接合強度を向上させるための好ましい溶接条件については、端部後面側溶接線６ａとともに後述する。
【００４４】
図８に、この端部溶接線（溶接部）６ｂの溶接施工方法の一態様を断面図で示す。即ち、図８において、鋼材２の端部をアルミニウム材３端部の上側として、鋼材２とアルミニウム材３とを端部において重ね合わせて、重ね継手を形成する。そして、鋼材２の端部２ａに沿って（図の前後方向に）延在する、端部溶接線６ｂに沿って、溶接トーチ１１、アルミニウム溶接ワイヤ１０などを用い、溶接トーチの傾き角度θで、例えば全長をミグ(MIG)溶接する。
【００４５】
（端部後面側溶接線）
図４の端部後面側溶接線６ａにおいて、L-Alが、本発明で言う、接合後の前記丸穴４a中に充填凝固されたアルミニウム溶接材料の、溶接線に沿った長さ(アルミニウム溶接材料の幅)である。また、L-Feが、本発明で言う、これに(L-Alに)両隣する鋼材の溶接線に沿った長さ(丸穴４ａ同士の間隔)である。
【００４６】
本発明では、端部後面側溶接線６ａにおいて、接合後の溶接線６ａの長さ100mm当たりにおける、（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の最小値[以下、Ｐ値とも言う]が、0.5を超え、7未満の範囲となるように、両材料を溶接接合することが好ましい。
【００４７】
例えば、図４においては、接合後の溶接線６ａの長さ100mmの範囲内には、L-Alが4個あり、L-Feが３個ある。したがって、この範囲内に存在する、互いに隣接するこれら（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の内から最小値(Ｐ値)を求め、この最小値Ｐが上記0.5を超え、7未満の範囲内となるようにする。
【００４８】
なお、溶接線６ａの長さ100mmの部位は、実際の溶接線６ａから任意に選択される。また、溶接線６ａは、直線であっても、曲線であっても構わない。
【００４９】
Ｐ値(L-Al／L-Feの最小値）が、0.5〜7の範囲から外れると、アルミニウムをベースとする溶接ビード内部への鉄系材料の溶融混合量が過大となる。このため、脆弱な金属間化合物が多量に生成し、溶接ビードに割れが発生するに至る可能性が高い。
【００５０】
P値が0.5より小さいことは、丸穴４a(鋼材の空間)と、鋼材部分(非空間部)との長さが近い(丸穴４a間隔が小さ過ぎる)ことを意味する。この場合、溶融アルミニウム材料が丸穴４a(空間部)を埋めるために投入された溶接時の熱が、鋼材部分(非空間部)に貯まりやすくなる。この結果、溶接アーク点が、鋼材部分(非空間部)に移行した際に、鋼材部分(非空間部)の熱が高くなっているために、鉄がビードを形成するアルミニウム溶融金属内部に溶解しやすくなる。その結果、金属間化合物が多量に生成し、ビードが割れやすくなる可能性が高い。
【００５１】
逆に、P値が7を超えて大きいと、丸穴４a(鋼材の空間)に比べて、鋼材部分(非空間部)の長さが長い(丸穴４a間隔が大き過ぎる)ことを意味する。この場合、鋼材部分(非空間部)を溶接アークが移動している際、溶接が進行するにつれて後に溶接される鋼材部分(非空間部)の温度が高まってしまうことになる。そのため、結果的に、P値が小さ過ぎる場合と同じ現象が生じ、やはり端部後面側溶接線（溶接部）６ａのビード５ａに割れが発生してしまう可能性が高い。
【００５２】
P値が本発明で規定する上記範囲内であれば、アークにより加熱される鋼材部分(非空間部)の熱を適度に放熱することが可能となる。その結果、著しく鋼材部分(非空間部)が加熱されることを防ぐことができる。このため、ビード５ａに発生する割れを防止することができ、強度が高く延性に富むだけでなく、疲労強度にも優れ、更に、前記した圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が高い端部後面側溶接線（溶接部）６ａを得ることが可能となる。
【００５３】
なお、丸穴４aあるいは後述する種々の形状の空間が、全てアルミニウムで埋め込まれる必要はないが、埋められなかった空間部分が、応力集中の起点となり得る可能性がある。このため、丸穴４aあるいは空間が全て溶接材料で埋められることが推奨される。
【００５４】
（端部後面側溶接線６ａの溶接接合方法）
図５に端部後面側溶接線（溶接部）６ａの溶接接合方法の一態様を正面図で示す。図５は端部後面側溶接線６ａをアーク溶接法にて接合する方法を示している。図５において、１１は溶接トーチ、１０はアルミニウム溶接ワイヤであり、上板である鋼材２と、下板であるアルミニウム材３との端部同士を重ね合わせた部分を、図５の矢印方向(図５の右から左)へ移動しつつ、アルミニウムビード５ａを形成しながら溶接する。
【００５５】
４aは、鋼材２の接合側に、溶接線に沿って予め間隔を開けて設けた複数の空間である丸穴を示す。図５の左側の２個の丸穴４aは、アルミニウム溶接材料がまだ充填されておらず、それより右側の丸穴４aは、溶接トーチが既に通過して、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されたアルミニウム溶接材料7が、溶融凝固して充填された態様を示している。
【００５６】
そして、この図５においても、接合後の溶接線６ａの長さ100mm当たりにおける、（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の最小値であるＰ値が、0.5を超え、7未満の範囲となるように、鋼材２とアルミニウム材３とを溶接接合している。
【００５７】
鋼材２に予め設けた丸穴４aに、アルミニウム溶接材料を溶融凝固して充填させるためには、アルミニウム溶接ワイヤを用い、かつ、鋼材２を上側（あるいは外側）、アルミニウム材３を下側（あるいは内側）として、アーク溶接する。このいずれが欠けても、鋼材２の丸穴４aに、アルミニウム溶接材料を溶融凝固して充填させることができない。
【００５８】
(鋼材の空間)
図６に、溶接前の、鋼材２とアルミニウム材３の端部同士を重ね合わせた状態を平面図(ａ)および側面図(ｂ)で示す。これら図６に示すように、鋼材２に予め設ける空間である丸穴４a同士の間隔L1が前記Ｐ値におけるL-Feの大きさを規定する。また、丸穴４aの径(幅)L2が前記Ｐ値におけるL-Alの大きさを規定する。したがって、丸穴４aの間隔L1と、丸穴４aの径(幅)L2は、継手や溶接条件に応じて、溶接後の前記Ｐ値が0.5〜7の範囲となるように設定し、設けるようにする。
【００５９】
なお、鋼材２に設ける空間の形状は、このような丸穴４a(円形の穴)だけでなく、図７に示すように、楕円形4b、台形4c、三角形4dなど、円形や、角形、多角形、あるいは不定形、更には、これらの組み合わせなど、本発明効果を発揮でき、形成しやすい形状であれば、適宜選択できる。ただ、例えば四角形のように、角部を有する形状の場合に、溶融アルミニウムにより空間が埋められたとしても、角の部分が応力集中端となる可能性があり、継手の強度や疲労強度を低下せしめる可能性がある。このため、角部が無く、応力集中しにくい、円形あるいは楕円形などの形状が望ましい。
【００６０】
（溶接条件)
端部後面側溶接線（溶接部）６ａや端部溶接線（溶接部）６ｂの接合強度を向上させるための好ましい溶接条件について説明する。上記の通り、アルミニウム材と鋼材との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、溶接条件として、母材である鋼材を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融(希釈)量で健全な接合状態が得られるように溶接することが好ましい。
【００６１】
なお、溶接する方法としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料の供給ができるものであれば、レーザ溶接なども考えられ、特に制限されないが、汎用性を考えるとアーク溶接方法が推奨される。
【００６２】
(アーク溶接)
汎用性という面で推奨されるアーク溶接では、溶接時の溶接電流が過大とならない範囲に制御することが望ましい。そのため本発明を実施する際の好ましいアーク溶接条件としては以下の通りである。
【００６３】
溶接電流:40A以上、より好ましくは70A以上で、150A以下、より好ましくは90A以下である。大電流となるほど、少なからず生成する接合界面の金属間化合物が、接合強度に悪影響をおよぼす可能性があるので、こうした金属間化合物を抑制する上で、低い電流条件で接合することが推奨される 。
【００６４】
溶接電圧:8V以上、より好ましくは11V以上で、18V以下、より好ましくは15V以下である。
【００６５】
溶接速度:上記溶接電流および溶接電圧に応じて、母材中のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。ただ、溶接能率なども考慮して好ましいのは20cm/min以上、より好ましくは30cm/min以上で、100cm/min以下、より好ましくは90cm/min以下である。
【００６６】
シールドガス:Arなど汎用されるガスが適宜使用でき、ガス流量も、汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
【００６７】
溶接トーチ(アークトーチ)角度:特に制約は無く、継手溶接条件に応じて、角度θは適宜選択される。
【００６８】
ただ、本発明をアーク溶接によって達成する場合、鉄系材料とアルミニウム系材料とを直接接合できるので、適正な溶接電流・電圧条件・接合形状等を採用する限り、特に制約を受けることがなく、適用可能範囲が拡大され汎用性が高められるとともに、また連続的な接合も可能となる効果もある。そして、前述のように、ビードなどの溶接金属中への鉄系材料の必要最小限の溶融(希釈)量で健全な結合状態を得ることができ、脆い金属間化合物が生成し難く、高い接合強度が得られる。
【００６９】
(溶接ワイヤ)
アーク溶接に使用する溶接ワイヤ素材としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料を供給できるアルミニウム系の材料であれば、継手や溶接条件に応じて、適宜選択される。この点、JISで規定される、A4043−WY、A4047−WY、A5356−WY、A5183−WYなどが、好適に例示される。しかし、これに限定されるわけではない。
【００７０】
（鉄系材料）
本発明請求項で言う鉄系材料とは、普通鋼、高張力鋼（ハイテン）などの鋼材のことを指す。本発明においては、継手に使用する鋼材の種類や形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。その意味で、請求項では鉄系材料とした。ただ、継ぎ手や鋼材の強度を得るためには、高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。また、溶接接合を阻害しない範囲で、あるいは溶接接合を促進するために、アルミや亜鉛などのめっきや、種々の表面処理が施されても良い。
【００７１】
(アルミニウム系材料)
本発明請求項で言うアルミニウム系材料とは、純アルミニウム系材あるいはアルミニウム合金系材のようなアルミニウム材を指す。 本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている圧延などの板材、押出などの形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。その意味で、請求項ではアルミニウム系材料とした。
【００７２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００７３】
前記図３に示した、溶接線６ａと６ｂの両方を溶接接合した発明例異材接合継手の試験体を制作し、圧縮速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで、試験体を垂直方向に軸圧壊試験して、圧縮荷重（ｋＮ）−圧縮量（ｍｍ）関係から最大荷重を求め、更に、接合部の破損状況、アルミニウム材３側の圧壊状況を目視観察にて評価した。比較のために、溶接線６ｂを欠いた（溶接線６ａのみ溶接接合した）比較例の異材接合継手の試験体も制作し、発明例と同様に評価した。
【００７４】
前記試験体における、鋼材２の長さは１００ｍｍ、矩形中空部は一辺が５０ｍｍの正方形とした。アルミニウム材３の長さは１３０ｍｍ、矩形の外径は、鋼材２の矩形中空部にピッタリとはめ込まれる寸法とした。また、一個のフランジ幅は、鋼材２、アルミニウム材３とも２０ｍｍとした。なお、アルミニウム材３の鋼材２の中空内への重ね合わ代（挿入長さ）は２５ｍｍとし、アルミニウム材３の挿入側端部は、端部から３０ｍｍの長さ部分のフランジを切り欠いた。
【００７５】
溶接は、前記図３に示したように、鋼材２の端部後面側溶接線６ａ、端部溶接線（溶接部）６ｂともに、鋼材２のフランジ部相当部分を除く、全周をミグ(MIG)溶接した。この際、溶接姿勢は、軸方向を垂直とした鋼材２（アルミニウム材３）に対して行い、表２に示すように、下向き＋上進と、横向きの二種類で行なった。この内、下向き＋上進は、鋼材２とアルミニウム材３とを水平に寝かせた上で、横壁部分の溶接は、下向きの溶接トーチ１１を各溶接線に沿って水平に移動させて行い、各側壁（縦壁）部分の溶接は、横向きの溶接トーチ１１を各溶接線に沿って上進（上昇）させて行なうものである。そして、先ず、フランジ部より上半分の部分を各々溶接し、次いで、鋼材２とアルミニウム材３とを裏返して、前記フランジ部より下半分の部分を上にして水平に寝かせた上で、先と同様に溶接する意味である。一方、横向きは、鋼材２とアルミニウム材３とを垂直に立てた上で、溶接トーチ１１を横向きにして（略水平に寝かせた上で）、各溶接線に沿って、四周囲を溶接する意味である。
【００７６】
表１に、溶接線６ａ、６ｂの溶接試験に使用した、鋼材２とアルミニウム材３の条件(材質、板厚)および溶接ワイヤ条件、溶接条件(電流、電圧、速度)、表２に、空間条件(形状、パラメータP値)を各々示す。なお、溶接トーチ(アークトーチ)11の角度θは90゜を基本としたが、前記フランジ部近傍の溶接の際に、フランジ部と干渉する場合には、60°程度まで傾けた。
【００７７】
表３に、最大荷重と、異材接合継手接合部の破損状況、アルミニウム材３側の圧壊状況を各々示す。
【００７８】
表３から明らかなように、発明例４、５、９は、好ましい溶接条件範囲内で溶接線６ａ、６ｂともに溶接されており、溶接姿勢にかかわらず、最大荷重が４６ｋＮ以上と高く、圧縮強度が高いことが分かる。また、溶接線６ａ、６ｂにおける接合部は破損せず保持されており、アルミニウム材３側も前記図３のように蛇腹状に変形して、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なっている。
【００７９】
これに対して、溶接線６ｂを欠いた比較例１、２、３、６、７、８、９は、好ましい溶接条件範囲内で溶接されているにもかかわらず、最大荷重が最大でも３１．３ｋＮ程度と、発明例に比して著しく低い。また、鋼材２とアルミニウム材３との接合部が破損しており、これに伴って、アルミニウム材３が、形状を保ったまま、鋼材の中空内に滑り込んでおり（表３では滑り込みと記載）、前記図３のような蛇腹状の変形は生じておらず、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なっていない。
【００８０】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する要件の臨界的な意義が分かる。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によれば、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対する圧縮強度を高め、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なえる異材接合継手を提供することができる。したがって、自動車などの構造部材として、鋼材とアルミニウム材との異材接合継手の適用を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】溶接接合前の本発明異材接合継手の一態様を示す斜視図である。
【図２】溶接接合後の本発明異材接合継手の一態様を示す斜視図である。
【図３】溶接接合後の本発明異材接合継手を実際に圧壊試験した後の状況を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明異材接合継手の一態様を示し、図１(a)は平面図、および図１(b)は側面図である。
【図５】本発明異材接合継手の溶接接合方法の一態様を示す正面図である。
【図６】溶接前の鋼材とアルミニウム材とを重ね合わせた状態を示し、図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。
【図７】鋼材の空間の形状を示す平面図である。
【図８】実施例の重ね継手溶接試験の態様を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１：異材接合継手、２：鋼材、３：アルミニウム材、４：穴（空間）、
５：溶接ビード、６：溶接線、7:アルミニウム溶接材料、
10:アルミニウム溶接ワイヤ、11:溶接トーチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等の構造部材などとして好適で、特に、自動車用構造物などの組立工程の際に必要となる、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄系材料 （以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもので、以下、単にアルミニウム材と言う）という、異種の金属部材の接合(異材接合体)に適用することができれば、自動車などの構造材として、自動車などの軽量化等に著しく寄与することができる。
【０００３】
しかし、鋼材とアルミニウム材とを溶接接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、信頼性のある高強度を有する接合部(接合強度)を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種接合体の接合方法について多くの検討がなされてきている。例えば、以下のような接合方法が提案されている。
真空圧延接合する方法(特許文献１参照)。
予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させてシーム溶接する方法(特許文献2参照)。
高温加圧接合する方法(特許文献３参照)。
接合面にTi合金を予め介在させHIP処理により接合する方法(特許文献4および5参照)。
摩擦圧接する方法(特許文献6参照)。
アルミニウムと接する鋼材表面にアルミニウム合金をめっきして、あるいは予め用意した鋼材層およびアルミニウム合金層からなる2層のクラッド材を介在させて抵抗溶接する方法(特許文献7および8参照)。
また、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法も提案されている(非特許文献1、2参照)。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。例えば、特許文献１〜8の、鋼材とアルミニウム材との異材接合体を得る方法は、共通して、平板など比較的単純な形状の部材同士の接合には利用可能であるが、部材形状の制約を受け、部材の形状が複雑な場合には適用できない。このため適用範囲が狭く汎用性が劣っている。また、接合部がスポット的なものとなるため連続的な接合部を得ることができない問題もある。
【０００６】
更に、いずれの方法とも、工程が複雑となるため、品質の安定性が確保できず、接合コストが高くなり、実用性に欠ける問題がある。また、現状の溶接ラインでは実施できず、上記各方法を実施するための、新たな設備を組み入れなければならないため、設備コストが高くなる問題もあった。
【０００７】
これに対して、前記非特許文献1、2の、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法では、強度確保の阻害要因となる金属間化合物の成長方向を制御することで高い接合強度が得られる。この方法は、接合する鋼材側に、予め一個の穴を設け、この穴を溶融アルミニウム材にて埋めることによって(充填することによって)、鋼材とアルミニウム材とを接合する方法である。
【０００８】
鋼材とアルミニウム材との接合に、上記のような種々の方法が提案されている背景の1つとして、鋼材とアルミニウム材とを直接溶融接合すると接合部に脆弱な金属間化合物が生成し、割れを生じ易くなることが挙げられる。そのため、溶接ワイヤを用いて接合する場合を含めて鋼材とアルミニウム材とを直接接合する際には、ｉ)鋼材中の鉄とアルミニウム材中のアルミニウムとを如何にして極力溶融混合させないで、溶融金属部の延性を確保するか、また、ii)鋼材とアルミニウム材との界面近傍に脆弱な金属間化合物層を如何にして生成させないようにするか、iii)仮に鋼材とアルミニウム材の接合界面に脆弱な金属間化合物が生成しても、継手の機械的性能を損なわない継手形状を設計するかが極めて重要となる。
【０００９】
そこで、本出願人はこのような観点から、上記ｉ)、ii)に示した障害を可及的に抑制し健全な接合継手を確保することのできる接合方法の確立を期して種々検討を重ねてきた。その結果、MIGロウ付法によって鋼材とアルミニウム材とを直接接合する方法を採用すれば、上記従来技術で指摘した様々の問題を生じることなく信頼性の高い接合継手が得られる(特許文献9参照)。
【００１０】
しかし、前記非特許文献1、2では、接合長さに応じて、多数の穴を周期的に設けて、これらの穴に沿った溶接線として、連続的にアーク溶接した場合には、ビードに割れが発生し、却って、溶接継手の疲労強度が低下するなどの問題があった。この理由は、アルミニウム溶接材にて形成されるビード内部に、鋼材側から鉄系成分が溶解混合するために、ビード内部に脆弱な金属間化合物が生成するためである。
【００１１】
一方、上記特許文献9のMIGロウ付法によれば、鋼材とアルミニウム材との接合に際し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れる。しかし、鋼材とアルミニウム材との接合界面には、Fe/Al系のように脆弱な金属間化合物が形成されているのは事実であり、接合強度はなお改善の余地があった。
【００１２】
そこで、上記非特許文献１、２に開示した、非常に施工方法が容易で、線溶接が可能なアーク溶接を活用した接合方法の更なる継手性能の向上を狙い、具体的には高い強度を確保しつつ延性に優れた継手を安定して得ることのできる、アーク溶接法による接合方法を提案した（非特許文献３）。
【００１３】
これは、前記非特許文献1、2の鉄系材料側に溶接線に沿って予め一定の間隔で穴（前記空間）を設けるに際して、接合後の前記穴（前記空間）に充填されたアルミニウム溶接材料の溶接線に沿った長さ(幅)と、これに両隣する鉄系材料の溶接線に沿った長さ(幅)との比を一定範囲内とするものである。このような特定条件の穴を設ければ、表面にアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成される溶接ビード中への鉄系材料の溶融混合が最小限に抑えられる。このため、ビード内部の脆弱なFe-Al系金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制され、継手の接合線が長くても、高い接合強度を得るものである。
【特許文献１】特開２０００-９４１６２号公報
【特許文献２】特開平１１-１９７８４６号公報
【特許文献３】特開平１０-１８５０４０号公報
【特許文献４】特開平６-１９８４５８号公報
【特許文献５】特開平５-８０５６号公報
【特許文献６】特開平８-１４１７５５号公報
【特許文献７】特開平６-３９５５８号公報
【特許文献８】特開平６-６３７６２号公報
【特許文献９】特開２００３-３３８６５号公報
【非特許文献１】WELDING JOURNAL,(1963),p.302．
【非特許文献２】軽金属溶接：Vol.16(1978)No.12,p.8．
【非特許文献３】溶接学会全国大会講演概要第75集(2004),p.260〜261
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
確かに、前記非特許文献３のように、鉄系材料側に溶接線に沿って予め特定条件の穴を設ければ、ビード内部の脆弱なFe-Al系金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制され、継手の接合線が長くても、接合強度が向上する。
【００１５】
しかし、これら鋼材とアルミニウム材とを溶接接合した異材接合継手（異材溶接継手）を自動車などの構造部材に適用することを考えると、自動車の衝突時などに負荷される大荷重（応力）に対する継手強度が必要である。自動車などの構造部材にでは、荷重方向は、衝突方向や部材方向にもよるが、例えば、鋼材サイドメンバーと、アルミニウム材バンパーステイ（バンパ補強材の後面側接合部材）などの異材接合継手の場合、鋼材とアルミニウム材との長手方向に、圧縮方向の荷重が負荷される可能性が大きい。
【００１６】
このため、溶接線に対しては、引張方向ではなく、圧縮方向の荷重が負荷されるため、前記した自動車などの構造部材に、異材接合継手が適用されるためには、異材接合継手が、この圧縮方向の荷重負荷に対する、十分な圧縮強度を有する必要がある。
【００１７】
しかし、前記した非特許文献３の異材接合継手でも、この圧縮方向の荷重負荷に対する、圧縮強度は不足しており、改善の余地があった。
【００１８】
このため、本発明は、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対する圧縮強度を高めた異材接合継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための、本発明の異材接合継手の要旨は、アルミニウム系材料端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手であって、鉄系材料の端部と、この端部後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線を有し、鉄系材料の端部後面側には、前記端部後面側溶接線に沿って一定の間隔で空間が予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部には、前記端部溶接線に沿って、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されていることとする。
【発明の効果】
【００２０】
前記非特許文献３などのような溶接線が一つのみの異材接合継手では、接合強度の阻害要因となる金属間化合物を抑制するなどして、接合強度を向上させたとしても、自動車の衝突時などに負荷される、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対しては大きな限界がある。
【００２１】
これに対して、本発明では、上記タイプの異材接合継手において、鋼材（鉄系材料）の端部後面側に設けた溶接線は、前記非特許文献３などの溶接線に沿って予め一定の間隔で予め空間を設ける溶接方式を踏襲する。その上で、更に加えて、前記鋼材端部後面側に設けた溶接線からは前面側となる、鋼材の端部位置に溶接線を新たに設ける。
【００２２】
これにより、アルミニウム材（アルミニウム系材料）端部に対して、上側あるいは外側になるように、鋼材（鉄系材料）端部を重ね合わせて溶接接合したタイプの異材接合継手において、圧縮方向の荷重負荷に対しては、上記二つの溶接線が分担して負担することとなる。このため、個々の溶接線に対する負荷が軽減され、圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が相乗的に向上する。
【００２３】
したがって、本発明は、これまで適用が困難であった、圧縮方向の荷重が負荷される自動車などの構造部材に、異材接合継手を適用可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の限定理由とを具体的に説明する。
【００２５】
（異材接合継手構造）
図１、２に、本発明で規定する異材接合継手の一態様を斜視図で各々示す。図１は、溶接接合前の異材接合継手１を示し、図２は、溶接接合後の異材接合継手１を示している。
【００２６】
図１、２において、鋼材２は、自動車のサイドメンバなどを意図した、例えば、鋼板を成形した矩形中空形状をしている。また、アルミニウム材３は、自動車のバンパステイなどを意図した、例えば、アルミニウム合金板を成形するか、あるいは押出中空形材などからなる矩形中空形状をしている。
【００２７】
図１において、先ず、異材接合継手１は、アルミニウム材３の端部に対して、上側あるいは外側になるように、鋼材２端部を重ね合わせている。このため、アルミニウム材３は、その端部３ａが鋼材２の矩形中空内に挿入された状態となっている。
【００２８】
異材接合継手１は、鋼材端部２ａの後面側の、端部後面側溶接線６ａと、鋼材端部２ａの位置における端部溶接線６ｂの互いに間隔を開けた二つの溶接線を有している。これら二つの溶接線は、両者とも鋼材２の周囲（四周囲）に亙って周回している。
【００２９】
鋼材２の端部後面側の各周囲面には、端部後面側溶接線６ａに沿って、予め間隔を開けて設けた空間である丸穴４ａが複数個設けられている。この丸穴４ａは予め一定の間隔で設けられた空間であり、後述する通り、溶接時に、これらの丸穴４ａ（空間）にアルミニウム溶接材料が溶融充填される。
【００３０】
図２の溶接接合後の異材接合継手１において、５ａは、端部後面側溶接線６ａに沿ったアルミニウム溶接材料によるビードを示している。７は、前記丸穴４ａに溶融充填されたアルミニウム溶接材料を示している。また、５ｂは、端部溶接線６ｂに沿ったアルミニウム溶接材料によるビードを示している。これら溶接ビードは、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成されたものである。
【００３１】
（軸圧壊試験）
図３は、図２のような溶接接合後の異材接合継手１に対し、アルミニウム材３や鋼材２の長手方向（軸方向）に、実際に圧壊試験した後の、実際の異材接合継手状況を図面化したもので、斜視図で示している。この図３は、後述する実施例表３の発明例４の例である。
【００３２】
この場合、異材接合継手１の溶接線６ａ、６ｂ（あるいは溶接部）に対しては、圧縮方向の荷重Ｆが負荷される。そして、このような軸圧壊試験は、自動車の車体前部あるいは後部の衝突時などによって、アルミニウム材３や鋼材２の長手方向（軸方向）に、衝突荷重が負荷された際の状況と良く対応している。
【００３３】
なお、この図３では、前記図１、２とは相違して、アルミニウム材３や鋼材２を各々ＨＡＴ（帽子）型形材として、このＨＡＴ（帽子）型形材同士を、各々左右両側の横方向に張り出したフランジ２ｂ、３ｂ同士において、各々接合した態様を示している。
【００３４】
本発明異材接合継手１では、このような圧縮方向の荷重負荷に対して、溶接線６ａ、６ｂの二つの溶接線が分担して負担する。このため、個々の溶接線に対する負荷が軽減され、圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が相乗的に向上する。
【００３５】
このため、図３の通り、異材接合継手の接合部がせん断破壊されず、一方で、鋼材２に比して、圧壊強度の低いアルミニウム材３は、圧縮方向の荷重Ｆに対して、長手方向（軸方向）に、蛇腹状に圧壊変形して、衝突荷重（エネルギ）の吸収を行なうことができる。したがって、異材接合継手の接合部の強度の保障とともに、衝突荷重の吸収のために、アルミニウム材３を鋼材２とともに用いる異材接合継手自体の採用意義が保障される。
【００３６】
例えば、従来の異材接合継手のように、溶接線６ａの溶接部一箇所しか無い場合、勿論、圧縮方向の荷重の大きさにもよるが、圧縮方向の荷重負荷に対して、溶接部がせん断破壊して、アルミニウム材３が鋼材２の中空内に抜け（もぐり込み）、この中空内を移動してしまう（鋼材の中空内に滑り込んでしまう）ような事態が生じる可能性が高い。また、接合部において、アルミニウム材３がくの字状に折れ曲がる事態が生じる可能性も高い。因みに、溶接線６ｂの溶接部一箇所しか無い場合、溶接線６ａの無い継ぎ手は、引張荷重が負担できないので、引張荷重が負荷された場合には、すぐ溶接部が外れてしまい、継ぎ手として機能できない。
【００３７】
このように、溶接部がせん断破壊した場合、アルミニウム材３の、前記した長手方向への蛇腹状の圧壊変形が起こらず、衝突荷重（エネルギ）の吸収が行なえない。このため、異材接合継手の接合部の強度の保障とともに、衝突荷重の吸収のために、アルミニウム材３を鋼材とともに用いる意味そのものが失われる。
【００３８】
（溶接部構造）
以下に、上記した異材接合継手の圧縮強度向上や保障のための、溶接部構造の具体的あるいは好ましい態様について詳細に説明する。
【００３９】
図４に、本発明異材接合継手の一態様を平面図(a)および側面図(b)で示す。図４では、異材接合継手１を、上板である平板状の鋼材(鋼板)２と、下板であるアルミニウム材(アルミニウム合金板)３とで示している。
【００４０】
なお、この図４に示す態様は、後述する図５〜８も合わせて、前記図１〜３とは異なる形状の異材接合継手の態様を示してもいるが、前記図１〜３で示した矩形中空形材状鋼材２の、上下側あるは両側などの一辺（面）当たりの態様を示しているものでもある。
【００４１】
図４では、鋼材２の端部をアルミニウム材３端部の上側として、鋼材２とアルミニウム材３とを端部において重ね合わせて、前記図１、２と同様に、前記端部後面側溶接線６ａと、前記端部溶接線６ｂにて、各々アーク溶接にて接合している。５ａ、５ｂは、前記図１、２と同様に、接合部表面に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成された溶接ビードである。
【００４２】
４ａは、前記図１、２と同様に、鋼材１の接合側に、溶接線に沿って予め間隔を開けて設けた複数の空間である丸穴を示す。また、７は、前記図２と同様に、溶接接合の際に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されて、この各丸穴４ａ中に溶融充填されて凝固したアルミニウム溶接材料である。
【００４３】
（端部溶接線）
図４における、端部溶接線（溶接部）６ｂは、通常の重ね合わせ継手における通常のアーク溶接および溶接条件などによって、溶接接合可能である。但し、接合強度を向上させるための好ましい溶接条件については、端部後面側溶接線６ａとともに後述する。
【００４４】
図８に、この端部溶接線（溶接部）６ｂの溶接施工方法の一態様を断面図で示す。即ち、図８において、鋼材２の端部をアルミニウム材３端部の上側として、鋼材２とアルミニウム材３とを端部において重ね合わせて、重ね継手を形成する。そして、鋼材２の端部２ａに沿って（図の前後方向に）延在する、端部溶接線６ｂに沿って、溶接トーチ１１、アルミニウム溶接ワイヤ１０などを用い、溶接トーチの傾き角度θで、例えば全長をミグ(MIG)溶接する。
【００４５】
（端部後面側溶接線）
図４の端部後面側溶接線６ａにおいて、L-Alが、本発明で言う、接合後の前記丸穴４a中に充填凝固されたアルミニウム溶接材料の、溶接線に沿った長さ(アルミニウム溶接材料の幅)である。また、L-Feが、本発明で言う、これに(L-Alに)両隣する鋼材の溶接線に沿った長さ(丸穴４ａ同士の間隔)である。
【００４６】
本発明では、端部後面側溶接線６ａにおいて、接合後の溶接線６ａの長さ100mm当たりにおける、（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の最小値[以下、Ｐ値とも言う]が、0.5を超え、7未満の範囲となるように、両材料を溶接接合することが好ましい。
【００４７】
例えば、図４においては、接合後の溶接線６ａの長さ100mmの範囲内には、L-Alが4個あり、L-Feが３個ある。したがって、この範囲内に存在する、互いに隣接するこれら（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の内から最小値(Ｐ値)を求め、この最小値Ｐが上記0.5を超え、7未満の範囲内となるようにする。
【００４８】
なお、溶接線６ａの長さ100mmの部位は、実際の溶接線６ａから任意に選択される。また、溶接線６ａは、直線であっても、曲線であっても構わない。
【００４９】
Ｐ値(L-Al／L-Feの最小値）が、0.5〜7の範囲から外れると、アルミニウムをベースとする溶接ビード内部への鉄系材料の溶融混合量が過大となる。このため、脆弱な金属間化合物が多量に生成し、溶接ビードに割れが発生するに至る可能性が高い。
【００５０】
P値が0.5より小さいことは、丸穴４a(鋼材の空間)と、鋼材部分(非空間部)との長さが近い(丸穴４a間隔が小さ過ぎる)ことを意味する。この場合、溶融アルミニウム材料が丸穴４a(空間部)を埋めるために投入された溶接時の熱が、鋼材部分(非空間部)に貯まりやすくなる。この結果、溶接アーク点が、鋼材部分(非空間部)に移行した際に、鋼材部分(非空間部)の熱が高くなっているために、鉄がビードを形成するアルミニウム溶融金属内部に溶解しやすくなる。その結果、金属間化合物が多量に生成し、ビードが割れやすくなる可能性が高い。
【００５１】
逆に、P値が7を超えて大きいと、丸穴４a(鋼材の空間)に比べて、鋼材部分(非空間部)の長さが長い(丸穴４a間隔が大き過ぎる)ことを意味する。この場合、鋼材部分(非空間部)を溶接アークが移動している際、溶接が進行するにつれて後に溶接される鋼材部分(非空間部)の温度が高まってしまうことになる。そのため、結果的に、P値が小さ過ぎる場合と同じ現象が生じ、やはり端部後面側溶接線（溶接部）６ａのビード５ａに割れが発生してしまう可能性が高い。
【００５２】
P値が本発明で規定する上記範囲内であれば、アークにより加熱される鋼材部分(非空間部)の熱を適度に放熱することが可能となる。その結果、著しく鋼材部分(非空間部)が加熱されることを防ぐことができる。このため、ビード５ａに発生する割れを防止することができ、強度が高く延性に富むだけでなく、疲労強度にも優れ、更に、前記した圧縮方向の荷重負荷に対する、異材接合継手の圧縮強度が高い端部後面側溶接線（溶接部）６ａを得ることが可能となる。
【００５３】
なお、丸穴４aあるいは後述する種々の形状の空間が、全てアルミニウムで埋め込まれる必要はないが、埋められなかった空間部分が、応力集中の起点となり得る可能性がある。このため、丸穴４aあるいは空間が全て溶接材料で埋められることが推奨される。
【００５４】
（端部後面側溶接線６ａの溶接接合方法）
図５に端部後面側溶接線（溶接部）６ａの溶接接合方法の一態様を正面図で示す。図５は端部後面側溶接線６ａをアーク溶接法にて接合する方法を示している。図５において、１１は溶接トーチ、１０はアルミニウム溶接ワイヤであり、上板である鋼材２と、下板であるアルミニウム材３との端部同士を重ね合わせた部分を、図５の矢印方向(図５の右から左)へ移動しつつ、アルミニウムビード５ａを形成しながら溶接する。
【００５５】
４aは、鋼材２の接合側に、溶接線に沿って予め間隔を開けて設けた複数の空間である丸穴を示す。図５の左側の２個の丸穴４aは、アルミニウム溶接材料がまだ充填されておらず、それより右側の丸穴４aは、溶接トーチが既に通過して、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されたアルミニウム溶接材料7が、溶融凝固して充填された態様を示している。
【００５６】
そして、この図５においても、接合後の溶接線６ａの長さ100mm当たりにおける、（L-Al）と（L-Fe）との比(L-Al）／（L-Fe）の最小値であるＰ値が、0.5を超え、7未満の範囲となるように、鋼材２とアルミニウム材３とを溶接接合している。
【００５７】
鋼材２に予め設けた丸穴４aに、アルミニウム溶接材料を溶融凝固して充填させるためには、アルミニウム溶接ワイヤを用い、かつ、鋼材２を上側（あるいは外側）、アルミニウム材３を下側（あるいは内側）として、アーク溶接する。このいずれが欠けても、鋼材２の丸穴４aに、アルミニウム溶接材料を溶融凝固して充填させることができない。
【００５８】
(鋼材の空間)
図６に、溶接前の、鋼材２とアルミニウム材３の端部同士を重ね合わせた状態を平面図(ａ)および側面図(ｂ)で示す。これら図６に示すように、鋼材２に予め設ける空間である丸穴４a同士の間隔L1が前記Ｐ値におけるL-Feの大きさを規定する。また、丸穴４aの径(幅)L2が前記Ｐ値におけるL-Alの大きさを規定する。したがって、丸穴４aの間隔L1と、丸穴４aの径(幅)L2は、継手や溶接条件に応じて、溶接後の前記Ｐ値が0.5〜7の範囲となるように設定し、設けるようにする。
【００５９】
なお、鋼材２に設ける空間の形状は、このような丸穴４a(円形の穴)だけでなく、図７に示すように、楕円形4b、台形4c、三角形4dなど、円形や、角形、多角形、あるいは不定形、更には、これらの組み合わせなど、本発明効果を発揮でき、形成しやすい形状であれば、適宜選択できる。ただ、例えば四角形のように、角部を有する形状の場合に、溶融アルミニウムにより空間が埋められたとしても、角の部分が応力集中端となる可能性があり、継手の強度や疲労強度を低下せしめる可能性がある。このため、角部が無く、応力集中しにくい、円形あるいは楕円形などの形状が望ましい。
【００６０】
（溶接条件)
端部後面側溶接線（溶接部）６ａや端部溶接線（溶接部）６ｂの接合強度を向上させるための好ましい溶接条件について説明する。上記の通り、アルミニウム材と鋼材との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、溶接条件として、母材である鋼材を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融(希釈)量で健全な接合状態が得られるように溶接することが好ましい。
【００６１】
なお、溶接する方法としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料の供給ができるものであれば、レーザ溶接なども考えられ、特に制限されないが、汎用性を考えるとアーク溶接方法が推奨される。
【００６２】
(アーク溶接)
汎用性という面で推奨されるアーク溶接では、溶接時の溶接電流が過大とならない範囲に制御することが望ましい。そのため本発明を実施する際の好ましいアーク溶接条件としては以下の通りである。
【００６３】
溶接電流:40A以上、より好ましくは70A以上で、150A以下、より好ましくは90A以下である。大電流となるほど、少なからず生成する接合界面の金属間化合物が、接合強度に悪影響をおよぼす可能性があるので、こうした金属間化合物を抑制する上で、低い電流条件で接合することが推奨される 。
【００６４】
溶接電圧:8V以上、より好ましくは11V以上で、18V以下、より好ましくは15V以下である。
【００６５】
溶接速度:上記溶接電流および溶接電圧に応じて、母材中のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。ただ、溶接能率なども考慮して好ましいのは20cm/min以上、より好ましくは30cm/min以上で、100cm/min以下、より好ましくは90cm/min以下である。
【００６６】
シールドガス:Arなど汎用されるガスが適宜使用でき、ガス流量も、汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
【００６７】
溶接トーチ(アークトーチ)角度:特に制約は無く、継手溶接条件に応じて、角度θは適宜選択される。
【００６８】
ただ、本発明をアーク溶接によって達成する場合、鉄系材料とアルミニウム系材料とを直接接合できるので、適正な溶接電流・電圧条件・接合形状等を採用する限り、特に制約を受けることがなく、適用可能範囲が拡大され汎用性が高められるとともに、また連続的な接合も可能となる効果もある。そして、前述のように、ビードなどの溶接金属中への鉄系材料の必要最小限の溶融(希釈)量で健全な結合状態を得ることができ、脆い金属間化合物が生成し難く、高い接合強度が得られる。
【００６９】
(溶接ワイヤ)
アーク溶接に使用する溶接ワイヤ素材としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料を供給できるアルミニウム系の材料であれば、継手や溶接条件に応じて、適宜選択される。この点、JISで規定される、A4043−WY、A4047−WY、A5356−WY、A5183−WYなどが、好適に例示される。しかし、これに限定されるわけではない。
【００７０】
（鉄系材料）
本発明請求項で言う鉄系材料とは、普通鋼、高張力鋼（ハイテン）などの鋼材のことを指す。本発明においては、継手に使用する鋼材の種類や形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。その意味で、請求項では鉄系材料とした。ただ、継ぎ手や鋼材の強度を得るためには、高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。また、溶接接合を阻害しない範囲で、あるいは溶接接合を促進するために、アルミや亜鉛などのめっきや、種々の表面処理が施されても良い。
【００７１】
(アルミニウム系材料)
本発明請求項で言うアルミニウム系材料とは、純アルミニウム系材あるいはアルミニウム合金系材のようなアルミニウム材を指す。 本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている圧延などの板材、押出などの形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。その意味で、請求項ではアルミニウム系材料とした。
【００７２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００７３】
前記図３に示した、溶接線６ａと６ｂの両方を溶接接合した発明例異材接合継手の試験体を制作し、圧縮速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで、試験体を垂直方向に軸圧壊試験して、圧縮荷重（ｋＮ）−圧縮量（ｍｍ）関係から最大荷重を求め、更に、接合部の破損状況、アルミニウム材３側の圧壊状況を目視観察にて評価した。比較のために、溶接線６ｂを欠いた（溶接線６ａのみ溶接接合した）比較例の異材接合継手の試験体も制作し、発明例と同様に評価した。
【００７４】
前記試験体における、鋼材２の長さは１００ｍｍ、矩形中空部は一辺が５０ｍｍの正方形とした。アルミニウム材３の長さは１３０ｍｍ、矩形の外径は、鋼材２の矩形中空部にピッタリとはめ込まれる寸法とした。また、一個のフランジ幅は、鋼材２、アルミニウム材３とも２０ｍｍとした。なお、アルミニウム材３の鋼材２の中空内への重ね合わ代（挿入長さ）は２５ｍｍとし、アルミニウム材３の挿入側端部は、端部から３０ｍｍの長さ部分のフランジを切り欠いた。
【００７５】
溶接は、前記図３に示したように、鋼材２の端部後面側溶接線６ａ、端部溶接線（溶接部）６ｂともに、鋼材２のフランジ部相当部分を除く、全周をミグ(MIG)溶接した。この際、溶接姿勢は、軸方向を垂直とした鋼材２（アルミニウム材３）に対して行い、表２に示すように、下向き＋上進と、横向きの二種類で行なった。この内、下向き＋上進は、鋼材２とアルミニウム材３とを水平に寝かせた上で、横壁部分の溶接は、下向きの溶接トーチ１１を各溶接線に沿って水平に移動させて行い、各側壁（縦壁）部分の溶接は、横向きの溶接トーチ１１を各溶接線に沿って上進（上昇）させて行なうものである。そして、先ず、フランジ部より上半分の部分を各々溶接し、次いで、鋼材２とアルミニウム材３とを裏返して、前記フランジ部より下半分の部分を上にして水平に寝かせた上で、先と同様に溶接する意味である。一方、横向きは、鋼材２とアルミニウム材３とを垂直に立てた上で、溶接トーチ１１を横向きにして（略水平に寝かせた上で）、各溶接線に沿って、四周囲を溶接する意味である。
【００７６】
表１に、溶接線６ａ、６ｂの溶接試験に使用した、鋼材２とアルミニウム材３の条件(材質、板厚)および溶接ワイヤ条件、溶接条件(電流、電圧、速度)、表２に、空間条件(形状、パラメータP値)を各々示す。なお、溶接トーチ(アークトーチ)11の角度θは90゜を基本としたが、前記フランジ部近傍の溶接の際に、フランジ部と干渉する場合には、60°程度まで傾けた。
【００７７】
表３に、最大荷重と、異材接合継手接合部の破損状況、アルミニウム材３側の圧壊状況を各々示す。
【００７８】
表３から明らかなように、発明例４、５、９は、好ましい溶接条件範囲内で溶接線６ａ、６ｂともに溶接されており、溶接姿勢にかかわらず、最大荷重が４６ｋＮ以上と高く、圧縮強度が高いことが分かる。また、溶接線６ａ、６ｂにおける接合部は破損せず保持されており、アルミニウム材３側も前記図３のように蛇腹状に変形して、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なっている。
【００７９】
これに対して、溶接線６ｂを欠いた比較例１、２、３、６、７、８、９は、好ましい溶接条件範囲内で溶接されているにもかかわらず、最大荷重が最大でも３１．３ｋＮ程度と、発明例に比して著しく低い。また、鋼材２とアルミニウム材３との接合部が破損しており、これに伴って、アルミニウム材３が、形状を保ったまま、鋼材の中空内に滑り込んでおり（表３では滑り込みと記載）、前記図３のような蛇腹状の変形は生じておらず、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なっていない。
【００８０】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する要件の臨界的な意義が分かる。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
【表３】
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によれば、溶接線に対する圧縮方向の荷重負荷に対する圧縮強度を高め、圧縮荷重のエネルギ吸収を行なえる異材接合継手を提供することができる。したがって、自動車などの構造部材として、鋼材とアルミニウム材との異材接合継手の適用を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】溶接接合前の本発明異材接合継手の一態様を示す斜視図である。
【図２】溶接接合後の本発明異材接合継手の一態様を示す斜視図である。
【図３】溶接接合後の本発明異材接合継手を実際に圧壊試験した後の状況を模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明異材接合継手の一態様を示し、図１(a)は平面図、および図１(b)は側面図である。
【図５】本発明異材接合継手の溶接接合方法の一態様を示す正面図である。
【図６】溶接前の鋼材とアルミニウム材とを重ね合わせた状態を示し、図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。
【図７】鋼材の空間の形状を示す平面図である。
【図８】実施例の重ね継手溶接試験の態様を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１：異材接合継手、２：鋼材、３：アルミニウム材、４：穴（空間）、
５：溶接ビード、６：溶接線、7:アルミニウム溶接材料、
10:アルミニウム溶接ワイヤ、11:溶接トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系材料端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手であって、鉄系材料の端部と、この端部後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線を有し、鉄系材料の端部後面側には、前記端部後面側溶接線に沿って一定の間隔で空間が予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部には、前記端部溶接線に沿って、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されていることを特徴とする異材接合継手。
【請求項２】
前記溶接接合をアルミニウム溶接ワイヤを用いたミグ溶接により行なう請求項１に記載の異材接合継手。
【請求項３】
前記鉄系材料側に設ける空間が円または楕円である請求項１または２に記載の異材接合継手。
【請求項１】
アルミニウム系材料端部に対して、上側あるいは外側になるように、鉄系材料端部を重ね合わせて溶接接合した異材接合継手であって、鉄系材料の端部と、この端部後面側とに互いに間隔を開けた二つの溶接線を有し、鉄系材料の端部後面側には、前記端部後面側溶接線に沿って一定の間隔で空間が予め設けられ、これらの空間にアルミニウム溶接材料が溶融充填されるとともに、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されており、更に、鉄系材料端部には、前記端部溶接線に沿って、アルミニウム溶接材料によるビードが形成されるように両材料が溶接接合されていることを特徴とする異材接合継手。
【請求項２】
前記溶接接合をアルミニウム溶接ワイヤを用いたミグ溶接により行なう請求項１に記載の異材接合継手。
【請求項３】
前記鉄系材料側に設ける空間が円または楕円である請求項１または２に記載の異材接合継手。
【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２００６−１５９２５３（Ｐ２００６−１５９２５３Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５４３６４（Ｐ２００４−３５４３６４）
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願〔平成１６年度 経済産業省 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）からの委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの〕
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願〔平成１６年度 経済産業省 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）からの委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの〕
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]