JP2004042053A - Joining method of different metal material - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属材料の接合方法に関する。より詳しくは、金属間化合物を形成させない異種金属材料の高エネルギービームによる溶融溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃費の向上や、排ガス規制の強化により車両の軽量化が望まれている。このため、例えば、車体構造の強度の必要な部位には鋼材を用い、比較的強度が要求されない部位にはアルミニウムなどの軽量な材料を用いることが検討されている。
【０００３】
しかし、異種金属の接合に溶融溶接法を適用すると、溶接部では液体状態で大量の異種金属が混合されるため金属同士の反応の制御が難しく、多くの場合に中間相としての脆弱な金属間化合物を形成することとなる。また、材料間で融点や熱伝導率、あるいは熱膨張係数といった各種の物性も大きく異なるため、溶融溶接法では溶接部の冷却凝固時に残留応力が発生し、割れや大きな歪みの発生につながるために異種金属材料の溶接接合は困難とされていた。
【０００４】
例えば、アルミニウムと鋼、アルミニウムと銅、チタニウムと鋼のような異種金属材料の溶接では、その接合界面に脆弱な金属間化合物が形成されるために高い継手強度が得られないことが知られている。
【０００５】
従来このような異種金属の接合方法としては、ネジ、ボルト、嵌合わせなどの機械的な接合方法や、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法、さらには、ロウ付などの接着法などが検討され実施されている。しかし、機械的な接合や接着による方法では、信頼性、気密性、作業性などについて問題があり、また、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法では、接合材の形状の制約が大きいことや、作業性の低いことが問題となっている。
【０００６】
特開平４−８１２８８号公報では鋼系材料とアルミニウム系材料との間に鋼系部材とアルミニウム系部材とを積層したクラッド材を配設して、異種金属が溶融し合わない溶接条件でレーザ溶接法により接合する方法を開示している。すなわち、鋼系材料とクラッド材の鋼系部分とをレーザ溶接し、また、アルミニウム系材料とクラッド材のアルミニウム系部分とをレーザ溶接することで鋼系材料とアルミニウム系材料とを接合する方法である。そして、レーザ溶接という精度の高い溶接方法で隣接する鋼系材料とアルミニウム系材料とを溶融・混合させないように制御する方法である。
【０００７】
しかし、この方法では、▲１▼クラッド材は、車体の構造上は不要であるためコストが上昇する、また、▲２▼接合前にクラッド材を供給して保持する必要があり、従来の工程をそのまま利用することができない、さらに、▲３▼生産性が大きく損われる、といった問題がある。
【０００８】
このようなことから、より簡便で作業性の高い異種金属材料の接合方法の開発が望まれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の問題点を解決すべくなされたもので、本発明の目的は、インサート材やクラッド材を用いないで、金属間化合物を生じることのない異種金属材料の高エネルギビームによる溶接方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の異種金属材料の接合方法は、高融点金属材料と低融点金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記高融点金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（以下、板隙という）を設けることを特徴とする。
【００１１】
ここで、板隙の大きさは、高融点金属材料の厚さの５０％未満であることが望ましい。
【００１２】
また、高融点金属材料の一例としては鋼系材料が、低融点金属材料としてはアルミニウム系材料が考えられる。
【００１３】
本発明の異種金属材料の接合方法は、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを低熱膨張率金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを高熱膨張率金属材料内に設定して貫通させないことを特徴とする。
【００１４】
ここで、低熱膨張率金属材料としては鋼系材料が、高熱膨張率金属材料としてはアルミニウム系材料を一例として挙げることが出来る。
【００１５】
また、高エネルギビームは、レーザビームや電子ビームであることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１発明）
本発明の第１発明である異種金属材料の接合方法は、高融点金属材料と低融点金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを高融点金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（以下、板隙と称する）を設けることを特徴とする。
【００１７】
一般的に、金属間化合物はある温度（例えば、鉄とアルミニウムの場合には約４００℃）以上で生成し、その温度領域に保持されると成長する。このため溶融溶接では、高融点金属材料から低融点金属材料へ流れ込む溶融ビードと低融点金属材料との境界部の到達温度（溶融温度）と、この境界部での冷却速度とが重要になる。高エネルギビームを用いた場合には、アーク溶接と比較して、到達温度は変化しないが同等の溶け込みを得るための入熱量は少なくてすむため、結果として冷却速度は速くなる。このため、金属間化合物の成長はある程度抑制されるが、それでも十分な継手強度を得ることはできない。
【００１８】
本発明による異種金属材料の接合方法の一例を模式的に図１に示す。すなわち、集光レンズ１で集光したレーザビーム２を高融点金属材料（上板）３の表面から、板隙５を介して配設されている低融点金属材料（下板）４に向って照射して両材料を接合する方法である。
【００１９】
高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（板隙）５を設けることにより、上板３から下板４への直接の熱伝達が遮断され、熱伝達は溶融ビード部のみを介して行われるので、金属間化合物が生成しやすい下板４と下板側溶融ビード部界面での冷却速度は非常に速くなり、このため有害な金属間化合物の成長は抑制される。この結果、十分な強度を有する重ね溶接継手を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明の接合方法では、高融点金属材料と低融点金属材料とには特に制限はない。例えば、鋼とアルミニウム（または、アルミニウム合金）、鋼とチタン（またはその合金）、鋼とマグネシウム（またはその合金）などを例示することができる。
【００２１】
また、高融点および低融点という表現は、接合する２種類の金属材料の各融点の相対的な呼称であって、ある温度範囲などを特定するものではない。例えば、接合する異種金属材料が鋼とアルミニウムの場合には、鋼は高融点金属材料であり、アルミニウムは低融点金属材料である。また、チタンと鋼の場合には、チタンが高融点金属材料であり、鋼は低融点金属材料と呼ぶことができる。
【００２２】
本発明における異種金属材料の形状は、レーザによる重ね溶接が可能であればどのような形状であっても特に制約はない。板と板、板とアングルなど型材、板とパイプなど、どのような組合わせでも差支えない。
【００２３】
板隙５は、高融点金属材料の厚さの５０％未満であることが望ましい。異種金属材料を配設する板隙５は、材料同士が接触していなければ上板３から下板４への直接の熱伝達が遮断されるので、少しでも隙間が認められれば本発明の目的を達することが可能ではあるが、概ね０．０５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、板隙５が上板３である高融点金属材料の厚さの５０％を越えると、上板３の溶融池の落込みがひどくなりアンダーフィルとなるめに継手強度が低下するので好ましくない。すなわち、異種金属材料を配設する板隙をｔｍｍとすると、０．０５＜ｔ＜０．５×（高融点金属材料の厚さ）であることが望ましい。この板隙の範囲限定は以下の実験によって確認した。
【００２４】
レーザ溶接のビードのアルミニウム板への溶け込み深さを０．６ｍｍ、溶接速度を１．０ｍ／ｍｉｎ一定として、１．４ｍｍ厚さの鋼板と２．０ｍｍ厚さのアルミニウム板とを、板隙（ｔ）を０、０．１、０．２、０．６、０．８ｍｍの５水準に変化させて溶接し、得られた溶接継手の引張り剪断強度を測定した。
【００２５】
ここで、溶接継手の引張り剪断強度は、鋼とアルミニウムとを重ねて溶接した適当な大きさの試験材から図２の寸法に切出して引張り剪断試験片とした。各試験片はオートグラフ（１００ｋＮ）で引張り試験を実施して得られた破断強度を引張り剪断強度（ｋＮ）とした。
【００２６】
結果を図３に示す。横軸は板隙（ｍｍ）であり、縦軸は試料に対応する引張り剪断強度（ｋＮ）である。図３から板隙が０（鋼板とアルミニウム板とが密着している）の場合は、引張り剪断強度は１〜２ｋＮであったが、板隙が０．１ｍｍ（鋼板板厚の７％）では３．３５〜３．７８ｋＮと引張り剪断強度は急増している。そして、板隙が０．１〜０．２ｍｍをピークとして、それ以降は板隙の増加に伴い引張り剪断強度は低下して、板隙が０．８ｍｍ（鋼板板厚の５７％）では２．３５〜２．４５ｋＮとピーク時の約２／３となった。これは板隙が増加すると鋼板側の溶融池が落込むために引張り剪断強度が低下したものと考えられる。
【００２７】
このように、板隙の大きさは溶接継手の引張り剪断強度に大きな影響を及すので、板隙はできるだけ正確に設定することが望ましい。例えば、鋼板またはアルミニウム板のいずれかに、板隙と同じ高さの突起、あるいは突部を設けて加圧する方法で設定することが好ましい。例えば、板隙（ｔｍｍ）が０．０５≦ｔ＜０．２の場合には、低融点金属材料の表面に板隙ｔに相当する厚さの断熱テープ（紙テープなど）を貼って高融点金属材料との板隙を確保する、また、０．２≦ｔの場合には突起や突部を設けて加圧する方法を用いることが考えられる。さらに、ラインでの生産性を考慮すると片側に突部を設ける方法が望ましい。
（第２発明）
本発明の第２発明である異種金属材料の接合方法は、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記低熱膨張率金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、前記高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを該高熱膨張率金属材料内に設定して貫通させないことを特徴とする。
【００２８】
溶接のビード部は、低熱膨張率の金属に高熱膨張率の金属が少量だけ攪拌混合された状態であり、ビード部の熱膨張率は低熱膨張率金属材料に近い値となる。また、一般的に有害となる金属間化合物は延性が低く脆い。このため、上記異種金属材料の溶融溶接では、熱膨張率差により、溶融ビードと高熱膨張率金属材料との境界面もしくは、境界面に発生した金属間化合物層内で割れが発生しやすい。
【００２９】
高エネルギビーム溶接、例えば、炭酸ガスレーザ溶接の場合には、入熱量を制御することによりビードの溶け込み深さを調整することができる。本発明の接合方法の特徴は、この溶け込み深さを高熱膨張率金属材料内に留めて貫通させないことである。
【００３０】
溶接のビード部が高熱膨張率金属材料内に止まる非貫通の場合には、入熱時に発生する熱膨張によって溶融ビード周囲には圧縮の残留応力が残る。このためビード部の冷却時には比較的割れが発生しにくい。
【００３１】
しかし、溶接のビード部を貫通させた場合には、入熱時に発生する熱膨張は溶融部分に吸収されるため溶融ビード側面の高熱膨張金属には残留応力は発生しない。このため、冷却時にこの高熱膨張率金属が収縮し、溶融ビードと高熱膨張率金属との境界面もしくは、境界面に発生した金属間化合物層内で割れが発生する。前述したように、金属間化合物の量は入熱量の増加に伴って増加するため、貫通溶接を行った場合には入熱量が大きくなり、非貫通の場合に比べて冷却時の熱応力が増加するとともに金属間化合物の形成量も増大する。
【００３２】
本発明の異種金属材料の接合方法では、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とには特に制限はない。例えば、鋼とアルミニウム（または、アルミニウム合金）、鋼とチタン（またはその合金）、鋼とマグネシウム（またはその合金）などを例示することができる。
【００３３】
また、低熱膨張率および高熱膨張率という表現は、ここでは接合する２種類の金属材料のある温度範囲での各熱膨張率の相対的な呼称である。例えば、接合する異種金属材料が鋼とアルミニウムの場合には、鋼は低熱膨張率金属材料であり、アルミニウムは高熱膨張率金属材料である。また、チタンと鋼の場合には、チタンが低熱膨張率金属材料であり、鋼は高熱膨張率金属材料となる。
【００３４】
本発明における異種金属材料の形状は、レーザによる重ね溶接が可能であれば特に制約はない。板と板、板とアングルなど型材、板とパイプなどを例示することが出来る。
【００３５】
接合部への入熱量の制御はレーザの出力を調整することによって行うことができる。厚さ１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を上板とし、厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６ＮＯ１）を下板として、０．２ｍｍの隙間を設けて配設し、ＣＯ２レーザ溶接機を用いて鋼板の表面からレーザ照射して重ね溶接を行った。溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎであった。この時のレーザ出力の変化によるアルミニウム板側の溶け込み深さの変化を測定した。結果を図４に示す。
【００３６】
レーザ出力が１．９ｋＷでは溶け込み深さは０．２４ｍｍであった。そして、出力の上昇に比例して溶け込み深さは増加し、出力が２．７ｋＷで溶け込み深さは約１．０ｍｍとアルミニウム板厚の１／２となった。さらに出力を上げると溶け込み深さは急増した。これは、アルミニウムは熱伝導率が高いので、ある程度熱を加えると全体が加熱される予熱効果のためと考えられる。そして、出力が３．０ｋＷで溶接ビードはアルミニウム板を貫通した。
【００３７】
一方、アルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手強度との関係は、板隙０．２ｍｍの場合においては後述する図５のように、貫通すると溶接継手の引張り剪断強度は０．８ｋＮ程度と急激に低下する。
【００３８】
本発明で用いる高エネルギビームはレーザビームや電子ビームを使用することができる。ＣＯ２ガスレーザビーム溶接は車両の生産ラインにおいて好適に使用されている。
【００３９】
【実施例】
本発明の接合方法について実施例によりさらに詳しく説明する。
（実施例１）
厚さが１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を高融点金属材料（低膨張率金属材料）として、また、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６Ｎ０１）を低融点金属材料（高膨張率金属材料）とした。このアルミニウム板に形成した突起を介して鋼板とアルミニウム板とを重ねて加圧する方法で、板隙０．２ｍｍを確保してＣＯ２ガスレーザ溶接機（レーザ出力：６ｋＷ）を用いて図２に示す形状の重ね溶接継手を得た（なお、図２の寸法単位はｍｍである）。溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎ一定として、レーザ出力を変化させてアルミニウム板側への溶け込み深さによる引張り剪断強度の変化を調べた。結果を図５に示す。
【００４０】
板隙を０．２ｍｍとした場合には、ビードがアルミニウム板を貫通した溶け込み深さ２．０ｍｍの場合を除いて引張り剪断強度は２．８ｋＮ〜４．２ｋＮと、溶け込み深さの広い範囲に亘って良好な値が得られた。すなわち、この方法によれば生産ラインにおいても安定して高い継手強度を得ることが可能であることが分る。
【００４１】
次に、アルミニウム板側の溶け込み深さが０．２４ｍｍ（レーザ出力：１．９ｋＷ 溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎ）の溶接部の断面（電子顕微鏡による反射電子像）を図６に示した。ここで、１１は鋼板、１２はアルミニウム板、６はレーザ溶接ビード、５は両材料の隙間で０．２ｍｍの板隙である。図６では、０．２４ｍｍのビードの溶け込みが認められるが、有害な金属間化合物の層は見当らない。これは、鋼板からの直接の熱伝達がないのでアルミニウム板と溶融ビード部界面での冷却速度が非常に速くなるために、有害な金属間化合物の成長は抑制されたものと考えられる。
（比較例１）
実施例１と同様に、高融点金属材料（低膨張率金属材料）として厚さが１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）と低融点金属材料（高膨張率金属材料）としては厚さが２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６Ｎ０１）とを板隙０ｍｍ（密着状態）で重ねて炭酸ガスレーザ溶接を実施した。溶接条件を変化させてアルミニウム板側溶け込み深さによる継手強度の変化を調べた。結果を図７に示す。
【００４２】
図７からは、アルミニウム側の溶け込み深さが小さいほど溶接継手の引張り剪断強度は高いことが分る。例えば、溶け込み深さが０．３ｍｍの場合には引張り剪断強度は３〜３．５ｋＮであるが、溶け込み深さが１．２ｍｍでは引張り剪断強度は０．８ｋＮと溶け込み深さが０．３ｍｍの場合の約１／４に低下してしまう。これは、鋼板からの熱伝達によりアルミニウム板内の溶融ビード部界面の冷却速度が小さくなるために硬くて脆い金属間化合物が成長したためと考えられる。本比較例では接合部の引張り剪断強度が２．８ｋＮ以上である溶け込み深さは０．３ｍｍ以下と極めて狭い範囲であるので、高い引張り剪断強度を生産ラインで安定的に得ることは困難である。
【００４３】
次に、鋼板とアルミニウム板とを隙間を設けないで鋼板側からレーザ溶接したときの接合部の断面を図８に示す。図の上半分は鋼板１１であり、下半分は１２のアルミニウム板である。５は両材料板の界面（板隙０）であり、６はレーザ溶接のビードである。アルミニウム板側溶け込み部の先端に灰色部分１３の金属間化合物が観察される。
（実施例２）
厚さ１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を上板とし、厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６ＮＯ１）を下板として、０．２ｍｍの隙間を設けて配設し、ＣＯ２レーザ溶接機を用いて鋼板側から重ね溶接を行った。
【００４４】
本実施例は入熱量を制御して溶け込みをアルミニウムの板の途中に設定した非貫通溶接の場合である。溶接条件は、出力２．４ｋｗで、１．０ｍ／ｍｉｎの溶接速度であった。この時のアルミニウム側への溶け込み深さは０．６ｍｍであった。
【００４５】
接合部断面を図９に示した。本実施例では入熱量を制御して溶け込み深さを０．６ｍｍとアルミニウムの板の途中に設定したので、ビードとアルミニウム板との界面に有害な割れは観察されず、また、引張り剪断強度も３．０ｋＮと高い値が得られた。
（比較例２）
材料および溶接機は実施例２と同様であるが、本比較例は、鋼板とアルミニウム板とを重ねて貫通溶接を行った場合である。溶接条件は、レーザ出力：３．０ｋｗ、溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎであった。この時、溶接ビードはアルミニウム板の厚さ２．０ｍｍを貫通した。接合部断面を図１０に示した。
【００４６】
本比較例では、図１０に見られるように接合部に割れが発生している。特に溶接ビードとアルミニウム母材との境界面で顕著であることが分る。このため、接合部の引張り剪断強度も０．８ｋＮと極めて低いものであった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の異種金属材料の接合方法によれば、例えば、鋼板とアルミニウム板といった異種金属材料の接合を容易にまた確実に実施することができ、品質の安定した重ね溶接継手を得ることができる。また、クラッド材のような中間層を使用することがないので低コストで生産性の高い異種金属材料の接合方法であり、車両などの軽量化に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接法による接合方法の模式図である。
【図２】溶接継手の引張り剪断強度を測定する試験片の形状を示す図である。
【図３】アルミニウム板への溶け込み深さを一定にして、鋼板とアルミニウム板との隙間による溶接継手の引張り剪断強度の変化を示す図である。
【図４】板隙０．２ｍｍの時のレーザ出力によるアルミニウム板側溶け込み深さの変化を示す図である。
【図５】鋼板とアルミニウム板との隙間を０．２ｍｍとして、鋼板側からレーザ溶接したときのアルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手の引張り剪断強度との関係を示す図である。
【図６】板隙０．２ｍｍの場合の鋼板とアルミニウム板との接合断面を示す図である。ビードの先端部には金属間化合物は認められない。
【図７】鋼板とアルミニウム板とを隙間を設けないで鋼板側からレーザ溶接したときのアルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手の引張り剪断強度との関係を示す図である。
【図８】板隙０の場合の鋼板とアルミニウム板との接合断面を示す図である。ビードの先端部に金属間化合物の形成が見られる。
【図９】入熱量を制御して溶け込みをアルミニウムの板の途中に設定した場合の接合部断面を示す図である。
【図１０】鋼板とアルミニウム板とを重ねて貫通溶接を行った場合の接合部断面を示す図である。溶接ビードとアルミ母材との境界面で割れが発生している。
【符号の説明】
１：集光レンズ ２：レーザビーム ３：高融点（低膨張率）金属材料 ４：低融点（高膨張率）金属材料 ５：隙間（板隙） ６：ビード
１１：鋼（ＳＨＰ４５） １２：アルミニウム（Ａ６Ｎ０１） １３：金属間化合物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for joining dissimilar metal materials. More specifically, the present invention relates to a fusion welding method using a high energy beam of a dissimilar metal material that does not form an intermetallic compound.
[0002]
[Prior art]
It is desired to reduce the weight of vehicles by improving fuel efficiency and strengthening exhaust gas regulations. For this reason, for example, it has been studied to use a steel material for a portion where the strength of the vehicle body structure is required and to use a light material such as aluminum for a portion where a relatively high strength is not required.
[0003]
However, when fusion welding is applied to the joining of dissimilar metals, it is difficult to control the reaction between the metals because a large amount of dissimilar metals are mixed in the welded part in the welded part, and in many cases, between weak metals as intermediate phases A compound will be formed. In addition, since various physical properties such as melting point, thermal conductivity, and thermal expansion coefficient differ greatly between materials, residual stress is generated during the cooling and solidification of the welded part in the fusion welding method, which leads to the generation of cracks and large strains. It has been considered difficult to weld and bond dissimilar metal materials.
[0004]
For example, it is known that welding of dissimilar metal materials such as aluminum and steel, aluminum and copper, and titanium and steel does not provide high joint strength due to the formation of brittle intermetallic compounds at the joint interface. Yes.
[0005]
Conventionally, such dissimilar metal joining methods include mechanical joining methods such as screws, bolts, fitting, solid phase joining methods such as explosive welding, hot rolling, friction welding, and brazing. Adhesion methods are being studied and implemented. However, mechanical bonding and adhesion methods have problems with reliability, airtightness, workability, etc., and solid-phase bonding methods such as explosive welding, hot rolling, friction welding, etc. The problem is that restrictions are large and workability is low.
[0006]
In JP-A-4-81288, a clad material in which a steel member and an aluminum member are laminated is disposed between a steel material and an aluminum material, and laser welding is performed under a welding condition in which different metals do not melt together. The method of joining by the method is disclosed. That is, a method of joining a steel material and an aluminum material by laser welding the steel material and the steel material portion of the clad material, and laser welding the aluminum material and the aluminum material portion of the clad material. is there. And it is the method of controlling so that the adjacent steel-type material and aluminum-type material may not be melted and mixed by the highly accurate welding method called laser welding.
[0007]
However, according to this method, (1) the clad material is unnecessary in terms of the structure of the vehicle body, so the cost increases. (2) It is necessary to supply and hold the clad material before joining. Cannot be used as it is, and (3) productivity is greatly impaired.
[0008]
For these reasons, development of a simpler and more workable joining method for dissimilar metal materials has been desired.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to use a high-energy beam welding method for dissimilar metal materials that do not produce an intermetallic compound without using an insert material or a clad material. Is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The dissimilar metal material joining method of the present invention is a high melting point metal material and a low melting point metal material which are arranged in a stacked manner and irradiated with a high energy beam from the high melting point metal material side. A gap (hereinafter referred to as a plate gap) is provided between the melting point metal material and the low melting point metal material.
[0011]
Here, the size of the plate gap is desirably less than 50% of the thickness of the refractory metal material.
[0012]
Further, as an example of the refractory metal material, a steel-based material can be considered, and as the low-melting metal material, an aluminum-based material can be considered.
[0013]
The joining method of dissimilar metal materials according to the present invention is a lap melting welding of dissimilar metal materials in which a low thermal expansion coefficient metal material and a high thermal expansion coefficient metal material are arranged and irradiated with a high energy beam from the low thermal expansion coefficient metal material side. The penetration depth on the high thermal expansion coefficient metal material side is set in the high thermal expansion coefficient metal material so as not to penetrate.
[0014]
Here, examples of the low thermal expansion coefficient metal material include steel materials, and examples of the high thermal expansion coefficient metal material include aluminum materials.
[0015]
The high energy beam is preferably a laser beam or an electron beam.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First invention)
The dissimilar metal material joining method according to the first aspect of the present invention is a method of overlapping melting of dissimilar metal materials in which a high melting point metal material and a low melting point metal material are arranged to overlap each other and a high energy beam is irradiated from the high melting point metal material side. In welding, a gap (hereinafter referred to as a plate gap) is provided between the high melting point metal material and the low melting point metal material.
[0017]
In general, an intermetallic compound is produced at a temperature higher than a certain temperature (for example, about 400 ° C. in the case of iron and aluminum), and grows when held in that temperature range. For this reason, in fusion welding, the ultimate temperature (melting temperature) of the boundary between the molten bead flowing from the high melting point metal material to the low melting point metal material and the low melting point metal material and the cooling rate at the boundary are important. When a high energy beam is used, compared with arc welding, the ultimate temperature does not change, but the amount of heat input for obtaining the same penetration is reduced, and as a result, the cooling rate is increased. For this reason, the growth of the intermetallic compound is suppressed to some extent, but still a sufficient joint strength cannot be obtained.
[0018]
An example of a method for joining dissimilar metal materials according to the present invention is schematically shown in FIG. That is, the
[0019]
By providing a gap (plate gap) 5 between the high-melting point metal material and the low-melting point metal material, direct heat transfer from the
[0020]
In the bonding method of the present invention, there is no particular limitation on the high melting point metal material and the low melting point metal material. Examples thereof include steel and aluminum (or an aluminum alloy), steel and titanium (or an alloy thereof), steel and magnesium (or an alloy thereof), and the like.
[0021]
The expressions high melting point and low melting point are relative names of the melting points of the two types of metal materials to be joined, and do not specify a certain temperature range. For example, when the dissimilar metal materials to be joined are steel and aluminum, steel is a high melting point metal material and aluminum is a low melting point metal material. In the case of titanium and steel, titanium is a high melting point metal material, and steel can be called a low melting point metal material.
[0022]
The shape of the dissimilar metal material in the present invention is not particularly limited as long as it can be welded by laser. Any combination of plates, plates, molds such as plates and angles, plates and pipes can be used.
[0023]
Desirably, the
[0024]
The depth of penetration of the laser welding bead into the aluminum plate is 0.6 mm, the welding speed is constant at 1.0 m / min, and a 1.4 mm-thick steel plate and a 2.0 mm-thick aluminum plate are T) was changed to five levels of 0, 0.1, 0.2, 0.6, and 0.8 mm for welding, and the tensile shear strength of the resulting welded joint was measured.
[0025]
Here, the tensile shear strength of the welded joint was cut out to a size shown in FIG. 2 from a test material of an appropriate size obtained by welding steel and aluminum and was used as a tensile shear test piece. For each test piece, the breaking strength obtained by carrying out a tensile test with an autograph (100 kN) was taken as the tensile shear strength (kN).
[0026]
The results are shown in FIG. The horizontal axis is the plate gap (mm), and the vertical axis is the tensile shear strength (kN) corresponding to the sample. From FIG. 3, when the gap was 0 (the steel plate and the aluminum plate were in close contact), the tensile shear strength was 1 to 2 kN, but when the gap was 0.1 mm (7% of the steel plate thickness). The tensile shear strength increases rapidly from 3.35 to 3.78 kN. Then, the peak of the sheet gap is 0.1 to 0.2 mm, and thereafter, the tensile shear strength decreases with the increase of the sheet gap, and when the sheet gap is 0.8 mm (57% of the steel plate thickness), 2. 35 to 2.45 kN, which was about 2/3 of the peak. This is considered to be because the tensile shear strength decreased because the molten pool on the steel sheet side dropped when the sheet gap increased.
[0027]
Thus, since the size of the gap greatly affects the tensile shear strength of the welded joint, it is desirable to set the gap as accurately as possible. For example, it is preferable to set by a method in which either a steel plate or an aluminum plate is provided with a protrusion or protrusion having the same height as the plate gap and pressed. For example, when the gap (tmm) is 0.05 ≦ t <0.2, a high-melting-point metal is attached by attaching a heat insulating tape (paper tape or the like) having a thickness corresponding to the gap t to the surface of the low-melting-point metal material. It is conceivable to use a method in which a gap with the material is secured, and when 0.2 ≦ t, a pressure is provided by providing a protrusion or a protrusion. Furthermore, in consideration of productivity in the line, a method of providing a protrusion on one side is desirable.
(Second invention)
The dissimilar metal material joining method according to the second aspect of the present invention is a dissimilar metal in which a low thermal expansion coefficient metal material and a high thermal expansion coefficient metal material are arranged to overlap each other and a high energy beam is irradiated from the low thermal expansion coefficient metal material side. In the lap fusion welding of materials, the penetration depth on the high thermal expansion coefficient metal material side is set in the high thermal expansion coefficient metal material so as not to penetrate.
[0028]
The weld bead portion is a state in which a small amount of high thermal expansion coefficient metal is stirred and mixed with a low thermal expansion coefficient metal, and the thermal expansion coefficient of the bead portion is close to that of a low thermal expansion coefficient metal material. In general, intermetallic compounds that are harmful are low in ductility and brittle. For this reason, in the fusion welding of the dissimilar metal materials, cracks are likely to occur in the boundary surface between the molten bead and the high thermal expansion coefficient metal material or in the intermetallic compound layer generated at the boundary surface due to the difference in thermal expansion coefficient.
[0029]
In the case of high energy beam welding, for example, carbon dioxide laser welding, the penetration depth of the beads can be adjusted by controlling the amount of heat input. A feature of the joining method of the present invention is that this penetration depth is kept in the high thermal expansion coefficient metal material and is not penetrated.
[0030]
In the case of non-penetrating where the weld bead portion remains in the high thermal expansion coefficient metal material, compressive residual stress remains around the molten bead due to thermal expansion that occurs during heat input. For this reason, when the bead portion is cooled, cracks are relatively difficult to occur.
[0031]
However, when the weld bead portion is penetrated, the thermal expansion generated at the time of heat input is absorbed by the molten portion, so that no residual stress is generated in the high thermal expansion metal on the side surface of the molten bead. For this reason, the high thermal expansion coefficient metal shrinks at the time of cooling, and a crack occurs in the boundary surface between the molten bead and the high thermal expansion coefficient metal or in the intermetallic compound layer generated at the boundary surface. As described above, since the amount of intermetallic compound increases with an increase in heat input, the amount of heat input increases when penetration welding is performed, and the thermal stress during cooling increases compared to the case of non-penetration. At the same time, the amount of intermetallic compound formed also increases.
[0032]
In the joining method of different metal materials of the present invention, there is no particular limitation on the low thermal expansion coefficient metal material and the high thermal expansion coefficient metal material. Examples thereof include steel and aluminum (or an aluminum alloy), steel and titanium (or an alloy thereof), steel and magnesium (or an alloy thereof), and the like.
[0033]
In addition, the expressions “low thermal expansion coefficient” and “high thermal expansion coefficient” are relative names of the respective thermal expansion coefficients in a certain temperature range of the two types of metal materials to be joined. For example, when the dissimilar metal materials to be joined are steel and aluminum, steel is a low thermal expansion coefficient metal material and aluminum is a high thermal expansion coefficient metal material. In the case of titanium and steel, titanium is a low thermal expansion coefficient metal material, and steel is a high thermal expansion coefficient metal material.
[0034]
The shape of the dissimilar metal material in the present invention is not particularly limited as long as lap welding with a laser is possible. Examples include plates and plates, molds such as plates and angles, plates and pipes, and the like.
[0035]
The amount of heat input to the joint can be controlled by adjusting the laser output. A steel plate (SHP45) having a thickness of 1.4 mm is used as an upper plate, an aluminum plate (A6NO1) having a thickness of 2.0 mm is used as a lower plate, a 0.2 mm gap is provided, and a CO 2 laser welding machine is used. Then, lap welding was performed by laser irradiation from the surface of the steel plate. The welding speed was 1.0 m / min. The change of the penetration depth on the aluminum plate side due to the change of the laser output at this time was measured. The results are shown in FIG.
[0036]
The penetration depth was 0.24 mm when the laser output was 1.9 kW. Then, the penetration depth increased in proportion to the increase in output, and the output was 2.7 kW, and the penetration depth was about 1.0 mm, which was a half of the aluminum plate thickness. When the output was further increased, the penetration depth increased rapidly. This is presumably because aluminum has a high thermal conductivity, and therefore, when a certain amount of heat is applied, the whole is heated. The output was 3.0 kW and the weld bead penetrated the aluminum plate.
[0037]
On the other hand, the relationship between the penetration depth on the aluminum plate side and the weld joint strength is as follows. When the plate gap is 0.2 mm, as shown in FIG. 5 described later, the tensile shear strength of the weld joint rapidly increases to about 0.8 kN. descend.
[0038]
As the high energy beam used in the present invention, a laser beam or an electron beam can be used. CO 2 gas laser beam welding is suitably used in vehicle production lines.
[0039]
【Example】
The joining method of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(Example 1)
A steel plate (SHP45) having a thickness of 1.4 mm is used as a high melting point metal material (low expansion coefficient metal material), and an aluminum plate (A6N01) having a thickness of 2.0 mm is used as a low melting point metal material (high expansion coefficient metal material). ). FIG. 2 shows a method using a CO 2 gas laser welding machine (laser output: 6 kW) with a gap of 0.2 mm secured by a method in which a steel plate and an aluminum plate are stacked and pressed through protrusions formed on the aluminum plate. A lap weld joint with a shape was obtained (the dimensional unit in FIG. 2 is mm). The welding speed was fixed at 1.0 m / min, and the change in tensile shear strength due to the depth of penetration into the aluminum plate was examined by changing the laser output. The results are shown in FIG.
[0040]
When the plate gap is 0.2 mm, the tensile shear strength is 2.8 kN to 4.2 kN, except for the case where the bead penetrates the aluminum plate and the penetration depth is 2.0 mm. Good values were obtained throughout. That is, according to this method, it can be seen that high joint strength can be stably obtained even in the production line.
[0041]
Next, FIG. 6 shows a cross section (reflected electron image by an electron microscope) of a welded portion having a penetration depth of 0.24 mm (laser output: 1.9 kW, welding speed: 1.0 m / min) on the aluminum plate side. Here, 11 is a steel plate, 12 is an aluminum plate, 6 is a laser weld bead, and 5 is a gap of 0.2 mm between the two materials. In FIG. 6, 0.24 mm bead penetration is observed, but no harmful intermetallic layer is found. This is thought to be because the growth of harmful intermetallic compounds is suppressed because there is no direct heat transfer from the steel sheet and the cooling rate at the interface between the aluminum plate and the molten bead portion becomes very high.
(Comparative Example 1)
As in Example 1, a steel plate (SHP45) having a thickness of 1.4 mm as a high melting point metal material (low expansion coefficient metal material) and a thickness of 2.0 mm as a low melting point metal material (high expansion coefficient metal material). The aluminum plate (A6N01) was overlapped with a gap of 0 mm (adhered state), and carbon dioxide laser welding was performed. Changes in joint strength due to penetration depth on the aluminum plate side were investigated by changing the welding conditions. The results are shown in FIG.
[0042]
FIG. 7 shows that the tensile shear strength of the welded joint is higher as the penetration depth on the aluminum side is smaller. For example, when the penetration depth is 0.3 mm, the tensile shear strength is 3 to 3.5 kN, but when the penetration depth is 1.2 mm, the tensile shear strength is 0.8 kN and the penetration depth is 0.3 mm. It decreases to about 1/4 of the case. This is presumably because a hard and brittle intermetallic compound grew because the cooling rate of the molten bead portion interface in the aluminum plate was reduced by heat transfer from the steel plate. In this comparative example, since the penetration depth where the tensile shear strength of the joint is 2.8 kN or more is an extremely narrow range of 0.3 mm or less, it is difficult to stably obtain high tensile shear strength on the production line. .
[0043]
Next, FIG. 8 shows a cross section of the joint when the steel plate and the aluminum plate are laser-welded from the steel plate side without providing a gap. The upper half of the figure is a
(Example 2)
A steel plate (SHP45) having a thickness of 1.4 mm is used as an upper plate, an aluminum plate (A6NO1) having a thickness of 2.0 mm is used as a lower plate, a 0.2 mm gap is provided, and a CO 2 laser welding machine is used. Then, lap welding was performed from the steel plate side.
[0044]
In this example, the amount of heat input is controlled and the penetration is set in the middle of the aluminum plate in the case of non-penetrating welding. The welding conditions were an output of 2.4 kw and a welding speed of 1.0 m / min. The depth of penetration into the aluminum side at this time was 0.6 mm.
[0045]
A cross section of the joint is shown in FIG. In this example, the heat input was controlled and the penetration depth was set to 0.6 mm in the middle of the aluminum plate, so no harmful cracks were observed at the interface between the bead and the aluminum plate, and the tensile shear strength was also A high value of 3.0 kN was obtained.
(Comparative Example 2)
The material and the welding machine are the same as those in Example 2, but this comparative example is a case where a steel plate and an aluminum plate are overlapped and through welding is performed. The welding conditions were laser output: 3.0 kW and welding speed: 1.0 m / min. At this time, the weld bead penetrated the thickness of 2.0 mm of the aluminum plate. A cross section of the joint is shown in FIG.
[0046]
In this comparative example, as shown in FIG. 10, the joint is cracked. It can be seen that this is particularly noticeable at the interface between the weld bead and the aluminum base material. For this reason, the tensile shear strength of the joint was also extremely low at 0.8 kN.
[0047]
【The invention's effect】
According to the joining method of dissimilar metal materials of the present invention, for example, dissimilar metal materials such as a steel plate and an aluminum plate can be joined easily and reliably, and a lap weld joint with stable quality can be obtained. In addition, since an intermediate layer such as a clad material is not used, this is a low-cost and highly productive joining method for dissimilar metal materials, which can be suitably used for weight reduction of vehicles and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a joining method by a laser welding method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the shape of a test piece for measuring the tensile shear strength of a welded joint.
FIG. 3 is a diagram showing a change in tensile shear strength of a welded joint due to a gap between a steel plate and an aluminum plate with a constant penetration depth into the aluminum plate.
FIG. 4 is a diagram showing a change in penetration depth on the aluminum plate side due to laser output when the clearance is 0.2 mm.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the penetration depth on the aluminum plate side and the tensile shear strength of the welded joint when laser welding is performed from the steel plate side with the gap between the steel plate and the aluminum plate being 0.2 mm.
FIG. 6 is a view showing a joining cross section of a steel plate and an aluminum plate when the gap is 0.2 mm. No intermetallic compound is observed at the tip of the bead.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the penetration depth on the aluminum plate side and the tensile shear strength of the welded joint when laser welding is performed from the steel plate side without providing a gap between the steel plate and the aluminum plate.
FIG. 8 is a view showing a joining cross section between a steel plate and an aluminum plate when the gap is zero. Formation of an intermetallic compound is seen at the tip of the bead.
FIG. 9 is a view showing a cross section of the joint portion when the amount of heat input is controlled and the penetration is set in the middle of the aluminum plate.
FIG. 10 is a view showing a cross section of a joint portion when through welding is performed by overlapping a steel plate and an aluminum plate. Cracks occur at the interface between the weld bead and the aluminum base material.
[Explanation of symbols]
1: Condensing lens 2: Laser beam 3: High melting point (low expansion coefficient) metal material 4: Low melting point (high expansion coefficient) metal material 5: Crevice (plate gap) 6: Bead 11: Steel (SHP45) 12: Aluminum (A6N01) 13: Intermetallic compound
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