高エネルギビームによる異種金属の接合方法および装置
【課題】デフォーカスさせた高エネルギビームを高融点材料の材料表面に照射し、高融点材料からの伝熱によって密着状態の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異材重ね接合において、接合界面に低融点金属のめっき層や、油や防錆剤などの異物が介在していたとしても、ブローホールなどの欠陥のない健全な接合が可能であると共に、金属間化合物の生成を抑制することができる異種金属の接合方法を提供する。
【解決手段】融点が互いに異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始する。
【解決手段】融点が互いに異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属、例えばスチール材とアルミニウム合金材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の接合技術に係わり、電子ビームやレーザビームのような高エネルギビームをデフォーカスさせた状態で、重ね合わせた高融点材料と低融点材料の高融点側の材料表面にスポット状に照射することによって、両材料を接合する異種金属の重ね接合方法と、このような接合に用いる接合装置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などのような高エネルギビームを用いた異種材料の重ね接合においては、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ビームを高融点材料側に照射し、高融点材料からの伝熱により低融点材料を溶融させて接合する方法がとられていた（例えば、非特許文献１参照）。
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って、金属間化合物層の成長を抑え、その厚さを薄くすることができ、両方の材料を溶融させたときよりも接合部の単位面積当たりの強度を高くすることができると考えられていた。
【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
【０００３】
高エネルギビーム用いた接合では、例えばレーザビームを材料表面に照射するため、図３に示すように、ビーム１を照射する側には、ビーム１と干渉しないような逃げを作った治具（押さえプレート）５を用いて高融点材料２と低融点材料３の重ね部位を挟み込むことによって、これら被接合材２及び３をベースプレート４上に固定して接合を行う。
【０００４】
また、デフォーカスビームを照射して接合を行う場合、キーホール溶接とは違って、接合界面における高融点材料２から低融点材料３への伝熱が極めて重要なものとなり、また、材料の拡散を利用した上記のような接合においては、接合面に適切な圧力をかけながら接合する必要があるため、例えばエアシリンダを備えた加圧手段を用いて、圧子６によってデフォーカスされたレーザビーム１の照射面と反対側の面から低融点材料３を押圧し、両材料２及び３が密着する方向に接合部位を局部的に直接加圧しながら接合するようにしていた。
【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、上記のような装置を用いて、例えば亜鉛めっき鋼板（高融点材料）とアルミニウム合金板（低融点材料）をデフォーカスさせたスポット状の高エネルギビームによって重ね接合した場合、接合界面において亜鉛めっき鋼板表面に存在する低融点の亜鉛が加熱されてガス化したり、あるいはアルミニウム合金中に含まれる水素がガス化したりする。
【０００６】
このとき、接合界面の周囲は、上記のように押さえプレート５及びベースプレート４によって固定されているばかりでなく、ビーム照射面の反対側から圧子６によって加圧されていることから、接合界面において発生した上記のようなガスの逃げ場がなくなり、接合界面にブローホールが発生して接合強度が低化してしまうという問題点があった。
なお、接合界面に発生するガスは、上記のようなめっき層からもたらされる亜鉛やアルミニウム合金中の水素ガスの他にも、両材料の接合面に残存する油や防錆剤、塗料等の蒸発や燃焼によっても発生することから、上記のような亜鉛めっき鋼板やアルミニウム合金材以外の材料の場合にも同様の問題がある。
【０００７】
また、ビーム照射によって加熱され、軟化した材料が下側から圧子６により加圧されると、図４に示すように、双方の材料が上方に変形してしまうために、接合部周辺部がリング状に密着し、めっき材金属や、めっき材金属と低融点材料との反応生成物、さらには上記したようなガスなどが接合界面から排出されにくい状態となり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生しやすくなることから、このような場合には、同様に接合強度が低下してしまうという問題点があった。
【０００８】
さらに、接合部位が密着した状態で高エネルギビームを照射すると、高融点材料から低融点材料への伝熱によって除々に熱が逃げてしまい低融点材料の全体が加熱される結果、低融点材料が大きく溶融してしまうために、金属間化合物が厚く生成し、接合強度が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、デフォーカスさせた高エネルギビームを高融点材料の材料表面に照射し、高融点材料からの伝熱によって密着状態の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ようにした異材重ね接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、接合界面に低融点金属のめっき層や、油や防錆剤などの異物が介在していたとしても、ブローホールなどの欠陥のない健全な異材重ね接合が可能であると共に、低融点材料側への過度の伝熱を防止して、金属間化合物の生成を抑制することができる異種金属の接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置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、高エネルギビームの照射条件と共に、被接合材の加圧条件や拘束方法などについて、鋭意検討した結果、高エネルギビームの照射と被接合材の加圧のタイミングを調整することによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
本発明は上記知見に基づくものであって、高エネルギビームを用いた本発明の異種金属の接合方法においては、融点が互いに異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始するようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、高エネルギビームによる本発明の異種金属の接合装置は、上記した異種金属の重ね接合に好適な装置であって、ベースプレートと、上記両材料のうちの高融点材料側に当接して、ベースプレートとの間でこれら両材料を重ね合わせた状態に挟持して固定する押さえプレートと、低融点材料の側から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備えたものであって、当該加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために上記押さえプレートに形成された開口径よりも大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、デフォーカスされた高エネルギビームを重ね合わされた高融点材料と低融点材料の高融点材料側に照射すると共に、高エネルギビームの照射面の裏面、すなわち低融点材料の側から、両被接合材料が密着する方向に接合部位を局部的に加圧して両異種材料を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間が経過してから接合部位の局部加圧を開始するようにしていることから、接合界面に低融点金属のめっき層や、油などの異物が存在していたとしても、これらが高エネルギビームの照射によって溶融したり、ガス化したりしたあとで、接合部が加圧されることになるため、溶融物や反応性生物などが接合部位周辺の板間に排出されやすくなり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりすることによる接合強度の低下を防止することができる。
【００１４】
また、高エネルギビームの照射開始当初には接合部が加圧されておらず、接合界面が十分に密着していないことから、低融点材料への過度の伝熱を避けることができ、加圧が開始されてはじめて低融点材料の接合界面が適正温度に急熱されることになるため、接合界面側の表面のみを溶融させることができ、金属間化合物の生成を抑制して、接合強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による異種金属の接合方法と共に、これに用いる接合装置などについて、さらに詳細に説明する。
【００１６】
本発明の異種金属の接合方法は、上記したように、融点がそれぞれ異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部加圧して、当該材料同士を重ね接合するに際して、デフォーカスされた高エネルギビームの照射を開始してから、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始するようにするものであるが、この異材接合に適用する高融点材料としては、その表面にこれら高融点材料とも低融点材料とも異なる第３の金属材料から成るめっき層を施したものを使用することができ、これによって高融点材料の腐食を防止することができる。
そして、本発明の接合方法によれば、接合部位の加圧に先立って高エネルギビームによる加熱が開始されることから、第３の金属材料がガス化し易い低融点金属であったとしても、接合部位が密着される前に、発生したガスや溶融物、さらには反応生成物を接合部位から円滑に排除することができ、ガスや溶融物の残留による欠陥発生を効果的に防止して、接合強度を高めることができる。
【００１７】
また、本発明の異種金属の接合方法を適用するに好適な異種金属材料の組み合わせとしては、高融点材料としての亜鉛めっき鋼板と、低融点材料としてのアルミニウム合金材との組み合わせを挙げることができ、本発明の接合方法によれば、上記したように、めっき層の亜鉛やアルミニウム合金中の水素が気化したガスや、溶融亜鉛、亜鉛とアルミニウムとの反応生成物などを接合部位から容易に排出することができると共に、接合界面において高融点材料を溶融させることなく、低融点材料の接合界面のみを局部的に溶融させることができ、金属間化合物層の生成を抑制しながら、材料の拡散を利用して、ブローホールや亜鉛めっき材の巻き込みを発生させることなく、両材料を接合することができ、継手強度を向上させることができる。
なお、亜鉛めっき鋼板とマグネシウム合金材（低融点材料）の組み合せにおいても同様の効果を得ることができる。
【００１８】
一方、本発明の異種金属の接合装置は、ベースプレートと、該ベースプレートとの間に両材料を重ねた状態に挟持して固定する押さえプレートと、両材料の接合部位を加圧する圧子を有する加圧手段を備えたものであって、加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために押さえプレートに形成する開口径よりも大きくしてあることから、高エネルギビームの照射によって加熱され、軟化した材料が下側から圧子により加圧された場合に、双方の材料が上方に変形することによって、接合部周辺部がリング状に密着してしまうようなことがなくなり、接合界面からのガスや、めっき材、めっき材と低融点材料との反応生成物などが接合部位に閉じ込められるようなことがなくなり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりすることによる接合強度の低下を防止することができる。
【００１９】
本発明の異種金属の接合装置においては、目視観察と手動によって、高エネルギビームの照射や加圧手段による加圧の開始や終了をコントロールすることもできるが、各種センサやタイマーを組み合わせたコントローラ（制御手段）を設けて、高エネルギビームの照射開始及び終了のタイミングや、加圧手段による加圧の開始及び終了のタイミングを自動的に制御するようになすことが望ましく、これによって接合品質のばらつきがなくなり、本発明の効果が確実に得られるようになる。
【００２０】
さらに、本発明の接合装置においては、上記加圧手段の圧子に、例えば水冷ジャケットのような冷却機構を設けることも望ましく、これによって加圧を開始した時点から、接合界面をより早く急冷することができるようになり、金属間化合物の生成をより効果的に抑制することができ、加えて、軟化した低融点材料の変形を少なく抑えることができることから、異材継手の接合強度をさらに向上させることができるようになる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明する。なお、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００２２】
（従来例）
高融点材料２として、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板を使用すると共に、低融点材料３として、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板材を使用し、これらを７５ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切断すると共に、亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）が上側になるように、長手方向に２０ｍｍだけ重ね、図３に示すように、ビーム照射面と反対側からこれら被接合材料２，３を加圧する圧子６（加圧手段）を備えた接合装置のベースプレート４の上に、レーザビーム１が通る位置に開口５ａを設けた押さえプレート５によって、当該被接合材料２，３を固定した。
【００２３】
上記圧子６は、図示しないエアシリンダの可動部先端に取り付けてあり、エアシリンダにエアを入れると圧子６が上方に移動し、アルミニウム合金材３を押し上げることにより、接合界面をアルミニウム合金材３の側から直接加圧できる構造になっている。
【００２４】
加圧手段のエアシリンダは、約８０ｋｇｆの力でアルミニウム合金材３の側から接合界面を加圧できるようにエアの圧力を調整してあり、ビーム照射を開始する前に加圧を始め、ビーム照射終了後にエアを抜いて加圧力を解除するようにした。
なお、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐは８ｍｍ、高エネルギビームを通すために押さえプレート５に形成された開口５ａの直径Ｄａは１０ｍｍとした。
【００２５】
そして、亜鉛メッキ鋼板２（高融点材料）の側から被接合材料２，３のラップ中央部にＮｄ：ＹＡＧレーザビーム１を移動させることなく、一点に照射することにより亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。
このとき、ＹＡＧレーザの照射条件は、亜鉛メッキ鋼板２側が溶融することなく、アルミニウム合金材３のみが溶融するような温度分布となるように、レーザの亜鉛めっき鋼板２上でのスポット径、レーザ出力、照射時間を設定した。具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器、焦点距離１００ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板２の表面上におけるスポット径が７ｍｍとなるようにビームをデフォーカスし、レーザ出力を８００Ｗ、照射時間を４．５秒とした。また、レーザ照射中には、レーザビームと同軸のノズルからアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流して、接合部位を大気からシールドするようにした。
【００２６】
上記のような接合方法によって接合された試験片を用いて、引張せん断試験を行ったところ、せん断引張強度は最大で約１．１ｋＮであった。
【００２７】
すなわち、従来のように、ビーム照射を開始する前に加圧を始めて接合を行った場合には、接合界面が加圧された状態で亜鉛めっき鋼板２におけるめっき層を構成している亜鉛がガス化するため、発生したガスは接合界面から排除されにくい状態となることから、接合後に接合界面にブローホールとして残ったり、また亜鉛がガス化しない場合でも接合界面に亜鉛や、亜鉛とアルミニウムの反応生成物が排出されずに残留したりする結果、接合強度が低下したものと認められる。
【００２８】
また、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐ（１０ｍｍ）が押さえプレート５の開口径Ｄａ（８ｍｍ）よりも小さいため、加熱され軟化した材料が下側から圧子で加圧されると、図４に示したように双方の材料が上方に変形してしまい、接合周辺部がリング状に密着し、接合界面からガスやめっき材、さらには上記のような反応生成物が排出されにくい状態となるため、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生しやすくなることによっても接合強度が低下する結果となったものと考えられる。
【００２９】
さらに、接合部位を加圧した後に、レーザビームの照射を開始したことによって、亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）からアルミニウム合金材３（低融点材料）の側に、伝熱によって熱が除々に逃げる結果、アルミニウム合金材３が大きく溶融してしまうことが確認され、金属間化合物が厚く生成し、接合強度低下の原因となっているものと考えられる。
【００３０】
（実施例）
図１に示すように、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐを１２ｍｍとして、押さえプレート５に形成したビーム照射用開口５ａの直径Ｄａ（＝１０ｍｍ）よりも大きくした治具（接合装置）を使用すると共に、接合部を加圧しない状態でレーザビームの照射を開始し、照射開始から３秒後に加圧を開始した。
これ以外は、上記の従来例と同様の操作を繰り返すことによって、亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。なお、レーザビーム照射時間についても、同様に４．５秒とした。
【００３１】
上記のように、本発明に基づく接合方法によって接合された試験片を用いて、引張せん断試験を行ったところ、せん断引張強度は最大で約１．９ｋＮであり、上記した従来例の引張強度の約１．７倍と大幅に強度が向上することが確認された。
【００３２】
すなわち、当該実施例においては、高エネルギビームの照射を開始した後、一定時間後（当該実施例では３秒後）に、加圧手段によって接合部位の加圧を開始して接合を行うようにしているので、鋼板１（高融点材料）にめっきされた亜鉛が溶融して液体状になった状態、あるいは亜鉛が気化した後に接合部が加圧されることになるため、接合界面より亜鉛や、亜鉛と低融点材料であるアルミニウム合金との反応生成物が接合部位周辺の板間により排出され易くなり、結果として接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、亜鉛が残留したりすることを防止することができ、接合強度を向上させることができた。
【００３３】
また、図４は、高エネルギビーム照射を開始した後に、接合部位の加圧を開始した上記実施例における亜鉛めっき鋼板２及びアルミニウム合金材３の時間的な温度変化を測定したものであるが、この図に示すように、低融点材料（アルミニウム合金材３）は、加圧が開始されるまでほとんど温度上昇がなく、加圧開始直後から接合界面が適正温度に急熱されることから、接合界面側の表面のみを局部的に溶融させることができ、金属間化合物の生成を抑制することができ、接合強度を向上させることができることが確認された。
【００３４】
さらに、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐ（＝１２ｍｍ）が押さえプレート５に形成した開口５ａの径Ｄａ（＝１０ｍｍ）も大きくなっていることから、加熱され軟化した材料が下側から圧子６によって加圧された場合にも、双方の材料が上方に変形して接合部周辺部がリング状に密着してしまうことがなく、同様に接合界面から発生したガスや溶融金属などが接合部位周辺の板間により排出され易くなり、結果として接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりするようなことを防止することができ、接合強度を向上させることができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例に用いた接合装置の構造と接合要領を示す断面説明図である。
【図２】本発明における高エネルギビーム照射と加圧開始のタイミングと被接合材料の温度の時間的変化を示すグラフである。
【図３】高エネルギビームによる従来の異材接合要領を示す断面図である。
【図４】図３に示した異材接合における被接合材料の変形状況を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ レーザビーム（高エネルギビーム）
２ 亜鉛めっき鋼板（高融点材料）
３ アルミニウム合金材（低融点材料）
４ ベースプレート
５ 押さえプレート
５ａ 開口
６ 圧子（加圧手段）
Ｄａ 開口径
Ｄｐ 圧子径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属、例えばスチール材とアルミニウム合金材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の接合技術に係わり、電子ビームやレーザビームのような高エネルギビームをデフォーカスさせた状態で、重ね合わせた高融点材料と低融点材料の高融点側の材料表面にスポット状に照射することによって、両材料を接合する異種金属の重ね接合方法と、このような接合に用いる接合装置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などのような高エネルギビームを用いた異種材料の重ね接合においては、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ビームを高融点材料側に照射し、高融点材料からの伝熱により低融点材料を溶融させて接合する方法がとられていた（例えば、非特許文献１参照）。
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って、金属間化合物層の成長を抑え、その厚さを薄くすることができ、両方の材料を溶融させたときよりも接合部の単位面積当たりの強度を高くすることができると考えられていた。
【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
【０００３】
高エネルギビーム用いた接合では、例えばレーザビームを材料表面に照射するため、図３に示すように、ビーム１を照射する側には、ビーム１と干渉しないような逃げを作った治具（押さえプレート）５を用いて高融点材料２と低融点材料３の重ね部位を挟み込むことによって、これら被接合材２及び３をベースプレート４上に固定して接合を行う。
【０００４】
また、デフォーカスビームを照射して接合を行う場合、キーホール溶接とは違って、接合界面における高融点材料２から低融点材料３への伝熱が極めて重要なものとなり、また、材料の拡散を利用した上記のような接合においては、接合面に適切な圧力をかけながら接合する必要があるため、例えばエアシリンダを備えた加圧手段を用いて、圧子６によってデフォーカスされたレーザビーム１の照射面と反対側の面から低融点材料３を押圧し、両材料２及び３が密着する方向に接合部位を局部的に直接加圧しながら接合するようにしていた。
【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、上記のような装置を用いて、例えば亜鉛めっき鋼板（高融点材料）とアルミニウム合金板（低融点材料）をデフォーカスさせたスポット状の高エネルギビームによって重ね接合した場合、接合界面において亜鉛めっき鋼板表面に存在する低融点の亜鉛が加熱されてガス化したり、あるいはアルミニウム合金中に含まれる水素がガス化したりする。
【０００６】
このとき、接合界面の周囲は、上記のように押さえプレート５及びベースプレート４によって固定されているばかりでなく、ビーム照射面の反対側から圧子６によって加圧されていることから、接合界面において発生した上記のようなガスの逃げ場がなくなり、接合界面にブローホールが発生して接合強度が低化してしまうという問題点があった。
なお、接合界面に発生するガスは、上記のようなめっき層からもたらされる亜鉛やアルミニウム合金中の水素ガスの他にも、両材料の接合面に残存する油や防錆剤、塗料等の蒸発や燃焼によっても発生することから、上記のような亜鉛めっき鋼板やアルミニウム合金材以外の材料の場合にも同様の問題がある。
【０００７】
また、ビーム照射によって加熱され、軟化した材料が下側から圧子６により加圧されると、図４に示すように、双方の材料が上方に変形してしまうために、接合部周辺部がリング状に密着し、めっき材金属や、めっき材金属と低融点材料との反応生成物、さらには上記したようなガスなどが接合界面から排出されにくい状態となり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生しやすくなることから、このような場合には、同様に接合強度が低下してしまうという問題点があった。
【０００８】
さらに、接合部位が密着した状態で高エネルギビームを照射すると、高融点材料から低融点材料への伝熱によって除々に熱が逃げてしまい低融点材料の全体が加熱される結果、低融点材料が大きく溶融してしまうために、金属間化合物が厚く生成し、接合強度が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、デフォーカスさせた高エネルギビームを高融点材料の材料表面に照射し、高融点材料からの伝熱によって密着状態の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ようにした異材重ね接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、接合界面に低融点金属のめっき層や、油や防錆剤などの異物が介在していたとしても、ブローホールなどの欠陥のない健全な異材重ね接合が可能であると共に、低融点材料側への過度の伝熱を防止して、金属間化合物の生成を抑制することができる異種金属の接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置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、高エネルギビームの照射条件と共に、被接合材の加圧条件や拘束方法などについて、鋭意検討した結果、高エネルギビームの照射と被接合材の加圧のタイミングを調整することによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
本発明は上記知見に基づくものであって、高エネルギビームを用いた本発明の異種金属の接合方法においては、融点が互いに異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始するようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、高エネルギビームによる本発明の異種金属の接合装置は、上記した異種金属の重ね接合に好適な装置であって、ベースプレートと、上記両材料のうちの高融点材料側に当接して、ベースプレートとの間でこれら両材料を重ね合わせた状態に挟持して固定する押さえプレートと、低融点材料の側から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備えたものであって、当該加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために上記押さえプレートに形成された開口径よりも大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、デフォーカスされた高エネルギビームを重ね合わされた高融点材料と低融点材料の高融点材料側に照射すると共に、高エネルギビームの照射面の裏面、すなわち低融点材料の側から、両被接合材料が密着する方向に接合部位を局部的に加圧して両異種材料を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射開始後、所定時間が経過してから接合部位の局部加圧を開始するようにしていることから、接合界面に低融点金属のめっき層や、油などの異物が存在していたとしても、これらが高エネルギビームの照射によって溶融したり、ガス化したりしたあとで、接合部が加圧されることになるため、溶融物や反応性生物などが接合部位周辺の板間に排出されやすくなり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりすることによる接合強度の低下を防止することができる。
【００１４】
また、高エネルギビームの照射開始当初には接合部が加圧されておらず、接合界面が十分に密着していないことから、低融点材料への過度の伝熱を避けることができ、加圧が開始されてはじめて低融点材料の接合界面が適正温度に急熱されることになるため、接合界面側の表面のみを溶融させることができ、金属間化合物の生成を抑制して、接合強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による異種金属の接合方法と共に、これに用いる接合装置などについて、さらに詳細に説明する。
【００１６】
本発明の異種金属の接合方法は、上記したように、融点がそれぞれ異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面からこれら両材料の接合部位を局部加圧して、当該材料同士を重ね接合するに際して、デフォーカスされた高エネルギビームの照射を開始してから、所定時間経過した後に接合部位の局部加圧を開始するようにするものであるが、この異材接合に適用する高融点材料としては、その表面にこれら高融点材料とも低融点材料とも異なる第３の金属材料から成るめっき層を施したものを使用することができ、これによって高融点材料の腐食を防止することができる。
そして、本発明の接合方法によれば、接合部位の加圧に先立って高エネルギビームによる加熱が開始されることから、第３の金属材料がガス化し易い低融点金属であったとしても、接合部位が密着される前に、発生したガスや溶融物、さらには反応生成物を接合部位から円滑に排除することができ、ガスや溶融物の残留による欠陥発生を効果的に防止して、接合強度を高めることができる。
【００１７】
また、本発明の異種金属の接合方法を適用するに好適な異種金属材料の組み合わせとしては、高融点材料としての亜鉛めっき鋼板と、低融点材料としてのアルミニウム合金材との組み合わせを挙げることができ、本発明の接合方法によれば、上記したように、めっき層の亜鉛やアルミニウム合金中の水素が気化したガスや、溶融亜鉛、亜鉛とアルミニウムとの反応生成物などを接合部位から容易に排出することができると共に、接合界面において高融点材料を溶融させることなく、低融点材料の接合界面のみを局部的に溶融させることができ、金属間化合物層の生成を抑制しながら、材料の拡散を利用して、ブローホールや亜鉛めっき材の巻き込みを発生させることなく、両材料を接合することができ、継手強度を向上させることができる。
なお、亜鉛めっき鋼板とマグネシウム合金材（低融点材料）の組み合せにおいても同様の効果を得ることができる。
【００１８】
一方、本発明の異種金属の接合装置は、ベースプレートと、該ベースプレートとの間に両材料を重ねた状態に挟持して固定する押さえプレートと、両材料の接合部位を加圧する圧子を有する加圧手段を備えたものであって、加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために押さえプレートに形成する開口径よりも大きくしてあることから、高エネルギビームの照射によって加熱され、軟化した材料が下側から圧子により加圧された場合に、双方の材料が上方に変形することによって、接合部周辺部がリング状に密着してしまうようなことがなくなり、接合界面からのガスや、めっき材、めっき材と低融点材料との反応生成物などが接合部位に閉じ込められるようなことがなくなり、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりすることによる接合強度の低下を防止することができる。
【００１９】
本発明の異種金属の接合装置においては、目視観察と手動によって、高エネルギビームの照射や加圧手段による加圧の開始や終了をコントロールすることもできるが、各種センサやタイマーを組み合わせたコントローラ（制御手段）を設けて、高エネルギビームの照射開始及び終了のタイミングや、加圧手段による加圧の開始及び終了のタイミングを自動的に制御するようになすことが望ましく、これによって接合品質のばらつきがなくなり、本発明の効果が確実に得られるようになる。
【００２０】
さらに、本発明の接合装置においては、上記加圧手段の圧子に、例えば水冷ジャケットのような冷却機構を設けることも望ましく、これによって加圧を開始した時点から、接合界面をより早く急冷することができるようになり、金属間化合物の生成をより効果的に抑制することができ、加えて、軟化した低融点材料の変形を少なく抑えることができることから、異材継手の接合強度をさらに向上させることができるようになる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明する。なお、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００２２】
（従来例）
高融点材料２として、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板を使用すると共に、低融点材料３として、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板材を使用し、これらを７５ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切断すると共に、亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）が上側になるように、長手方向に２０ｍｍだけ重ね、図３に示すように、ビーム照射面と反対側からこれら被接合材料２，３を加圧する圧子６（加圧手段）を備えた接合装置のベースプレート４の上に、レーザビーム１が通る位置に開口５ａを設けた押さえプレート５によって、当該被接合材料２，３を固定した。
【００２３】
上記圧子６は、図示しないエアシリンダの可動部先端に取り付けてあり、エアシリンダにエアを入れると圧子６が上方に移動し、アルミニウム合金材３を押し上げることにより、接合界面をアルミニウム合金材３の側から直接加圧できる構造になっている。
【００２４】
加圧手段のエアシリンダは、約８０ｋｇｆの力でアルミニウム合金材３の側から接合界面を加圧できるようにエアの圧力を調整してあり、ビーム照射を開始する前に加圧を始め、ビーム照射終了後にエアを抜いて加圧力を解除するようにした。
なお、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐは８ｍｍ、高エネルギビームを通すために押さえプレート５に形成された開口５ａの直径Ｄａは１０ｍｍとした。
【００２５】
そして、亜鉛メッキ鋼板２（高融点材料）の側から被接合材料２，３のラップ中央部にＮｄ：ＹＡＧレーザビーム１を移動させることなく、一点に照射することにより亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。
このとき、ＹＡＧレーザの照射条件は、亜鉛メッキ鋼板２側が溶融することなく、アルミニウム合金材３のみが溶融するような温度分布となるように、レーザの亜鉛めっき鋼板２上でのスポット径、レーザ出力、照射時間を設定した。具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器、焦点距離１００ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板２の表面上におけるスポット径が７ｍｍとなるようにビームをデフォーカスし、レーザ出力を８００Ｗ、照射時間を４．５秒とした。また、レーザ照射中には、レーザビームと同軸のノズルからアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流して、接合部位を大気からシールドするようにした。
【００２６】
上記のような接合方法によって接合された試験片を用いて、引張せん断試験を行ったところ、せん断引張強度は最大で約１．１ｋＮであった。
【００２７】
すなわち、従来のように、ビーム照射を開始する前に加圧を始めて接合を行った場合には、接合界面が加圧された状態で亜鉛めっき鋼板２におけるめっき層を構成している亜鉛がガス化するため、発生したガスは接合界面から排除されにくい状態となることから、接合後に接合界面にブローホールとして残ったり、また亜鉛がガス化しない場合でも接合界面に亜鉛や、亜鉛とアルミニウムの反応生成物が排出されずに残留したりする結果、接合強度が低下したものと認められる。
【００２８】
また、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐ（１０ｍｍ）が押さえプレート５の開口径Ｄａ（８ｍｍ）よりも小さいため、加熱され軟化した材料が下側から圧子で加圧されると、図４に示したように双方の材料が上方に変形してしまい、接合周辺部がリング状に密着し、接合界面からガスやめっき材、さらには上記のような反応生成物が排出されにくい状態となるため、接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生しやすくなることによっても接合強度が低下する結果となったものと考えられる。
【００２９】
さらに、接合部位を加圧した後に、レーザビームの照射を開始したことによって、亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）からアルミニウム合金材３（低融点材料）の側に、伝熱によって熱が除々に逃げる結果、アルミニウム合金材３が大きく溶融してしまうことが確認され、金属間化合物が厚く生成し、接合強度低下の原因となっているものと考えられる。
【００３０】
（実施例）
図１に示すように、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐを１２ｍｍとして、押さえプレート５に形成したビーム照射用開口５ａの直径Ｄａ（＝１０ｍｍ）よりも大きくした治具（接合装置）を使用すると共に、接合部を加圧しない状態でレーザビームの照射を開始し、照射開始から３秒後に加圧を開始した。
これ以外は、上記の従来例と同様の操作を繰り返すことによって、亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。なお、レーザビーム照射時間についても、同様に４．５秒とした。
【００３１】
上記のように、本発明に基づく接合方法によって接合された試験片を用いて、引張せん断試験を行ったところ、せん断引張強度は最大で約１．９ｋＮであり、上記した従来例の引張強度の約１．７倍と大幅に強度が向上することが確認された。
【００３２】
すなわち、当該実施例においては、高エネルギビームの照射を開始した後、一定時間後（当該実施例では３秒後）に、加圧手段によって接合部位の加圧を開始して接合を行うようにしているので、鋼板１（高融点材料）にめっきされた亜鉛が溶融して液体状になった状態、あるいは亜鉛が気化した後に接合部が加圧されることになるため、接合界面より亜鉛や、亜鉛と低融点材料であるアルミニウム合金との反応生成物が接合部位周辺の板間により排出され易くなり、結果として接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、亜鉛が残留したりすることを防止することができ、接合強度を向上させることができた。
【００３３】
また、図４は、高エネルギビーム照射を開始した後に、接合部位の加圧を開始した上記実施例における亜鉛めっき鋼板２及びアルミニウム合金材３の時間的な温度変化を測定したものであるが、この図に示すように、低融点材料（アルミニウム合金材３）は、加圧が開始されるまでほとんど温度上昇がなく、加圧開始直後から接合界面が適正温度に急熱されることから、接合界面側の表面のみを局部的に溶融させることができ、金属間化合物の生成を抑制することができ、接合強度を向上させることができることが確認された。
【００３４】
さらに、加圧手段の圧子６の直径Ｄｐ（＝１２ｍｍ）が押さえプレート５に形成した開口５ａの径Ｄａ（＝１０ｍｍ）も大きくなっていることから、加熱され軟化した材料が下側から圧子６によって加圧された場合にも、双方の材料が上方に変形して接合部周辺部がリング状に密着してしまうことがなく、同様に接合界面から発生したガスや溶融金属などが接合部位周辺の板間により排出され易くなり、結果として接合界面にブローホール等の接合欠陥が発生したり、めっき材が残留したりするようなことを防止することができ、接合強度を向上させることができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例に用いた接合装置の構造と接合要領を示す断面説明図である。
【図２】本発明における高エネルギビーム照射と加圧開始のタイミングと被接合材料の温度の時間的変化を示すグラフである。
【図３】高エネルギビームによる従来の異材接合要領を示す断面図である。
【図４】図３に示した異材接合における被接合材料の変形状況を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ レーザビーム（高エネルギビーム）
２ 亜鉛めっき鋼板（高融点材料）
３ アルミニウム合金材（低融点材料）
４ ベースプレート
５ 押さえプレート
５ａ 開口
６ 圧子（加圧手段）
Ｄａ 開口径
Ｄｐ 圧子径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面から上記両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合する異種金属接合において、上記高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過後に接合部位の局部加圧を開始することを特徴とする異種金属の接合方法。
【請求項２】
上記高融点材料及び低融点材料とは異なる第３の金属材料によるめっきが上記高融点材料に施してあることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
【請求項３】
上記高融点材料が亜鉛めっき鋼板であると共に、低融点材料がアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材であることを特徴とする請求項２に記載の異種金属の接合方法。
【請求項４】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射して、上記材料同士を重ね接合する異種金属の接合装置であって、
ベースプレートと、上記両材料の高融点材料側に当接し、上記ベースプレートとの間で両材料を重ね合わせた状態に挟持して固定する押さえプレートと、低融点材料の側から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備えると共に、当該加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために上記押さえプレートに形成された開口径よりも大きいことを特徴とする異種金属の接合装置。
【請求項５】
高エネルギビームの照射開始及び終了のタイミングと、加圧手段による加圧の開始及び終了のタイミングを調整する制御手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の異種金属の接合装置。
【請求項６】
上記加圧手段の圧子が冷却機構を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の異種金属の接合装置。
【請求項１】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射すると共に、高エネルギビームの照射面と反対側の面から上記両材料の接合部位を局部的に加圧して上記材料同士を重ね接合する異種金属接合において、上記高エネルギビームの照射開始後、所定時間経過後に接合部位の局部加圧を開始することを特徴とする異種金属の接合方法。
【請求項２】
上記高融点材料及び低融点材料とは異なる第３の金属材料によるめっきが上記高融点材料に施してあることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
【請求項３】
上記高融点材料が亜鉛めっき鋼板であると共に、低融点材料がアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材であることを特徴とする請求項２に記載の異種金属の接合方法。
【請求項４】
互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射して、上記材料同士を重ね接合する異種金属の接合装置であって、
ベースプレートと、上記両材料の高融点材料側に当接し、上記ベースプレートとの間で両材料を重ね合わせた状態に挟持して固定する押さえプレートと、低融点材料の側から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備えると共に、当該加圧手段の圧子径が高エネルギビームを通すために上記押さえプレートに形成された開口径よりも大きいことを特徴とする異種金属の接合装置。
【請求項５】
高エネルギビームの照射開始及び終了のタイミングと、加圧手段による加圧の開始及び終了のタイミングを調整する制御手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の異種金属の接合装置。
【請求項６】
上記加圧手段の圧子が冷却機構を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の異種金属の接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１０５７７２（Ｐ２００７−１０５７７２Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３００２００（Ｐ２００５−３００２００）
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【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４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１４日（２００５．１０．１４）
【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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