JP2005199327A - アルミニウム系材と鋼材との超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合界面にＡｌ―Ｆｅ系の金属間化合物が生成せず、安定して高い接合強度が得られるアルミニウム系（アルミニウム又はアルミニウム合金）材と鋼材との超音波接合方法を提供する。
【解決手段】 アルミニウム又はアルミニウム合金材３と鋼材１とを超音波接合する方法において、超音波接合後に、下記条件を満たす加熱温度Ｔ（Ｋ）及び保持時間ｔ（秒）で、後熱処理を行う。
（８６４．２−Ｔ)／３７．２≦logｔ≦（８８９．３−Ｔ)／３３．９
Ｔ≦アルミニウム又はアルミニウム合金材の固相線温度
この場合に、超音波接合装置に加熱機能を具備させることにより、超音波接合工程と、後熱工程とを連続して行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウム合金材という）と、鋼材との異種金属間の超音波接合方法に関する。

アルミニウム合金材は軽量で美観に優れており、輸送機等の軽量化のための材料として使用されている。なかでも、アルミニウム合金材を強度及び成形性が優れた鋼材とを組合せたハイブリッド構造のものが注目されている。

しかし、アルミニウム合金材と鋼材とを接合する場合、アルミニウム合金材同士、又は鋼材同士の接合において従来から使用されている各種の溶接技術をそのまま適用することは困難である。例えば、抵抗スポット溶接をアルミニウム合金材と鋼材との接合に適用した場合、アルミニウム合金材は導電性が良いので、加圧、通電後の両材の接合界面に、脆弱な金属間化合物が形成されてしまう。このため、アルミニウム合金材と鋼材との接合部分は界面剥離しやすく、十分な接合品質が得られない。

この抵抗スポット溶接に代わり、超音波接合によりこれらの異種金属を接合する方法が提案されている。超音波接合は、固相接合の一種であり、接合界面に対して、接合界面に垂直の方向の加圧による応力と、接合界面に平行な方向の高い振動加速度による繰返し応力とを与えて接合界面に摩擦発熱を生じさせ、被溶接材の原子の移動を促し、これを拡散させて接合するという接合方法である。例えば、特開２０００―２０２６４３号公報（特許文献１）には、鋼材とアルミニウム合金材との接合部に、その接合強度を損なうことなく十分な防錆処理を施すために、鋼材の接合箇所にフラックスを塗布した後、溶融亜鉛メッキを施し、この亜鉛メッキ膜にアルミニウム合金材の接合箇所を当接させて超音波接合することにより、前記亜鉛メッキ膜を溶融させて接合するという方法が開示されている。

また、特開平１０−７１４６５号公報（特許文献２）には、ハンダ接合時の濡れ性を良好にするために、超音波振動を利用する技術が開示されている。

更に、軽金属溶接Ｖｏｌ．３７（１９９９）Ｎｏ．１０（非特許文献１）には、超音波振動を利用して金属を溶融させずに、固相接合する技術が開示されており、異種金属間での接合の可能性も期待されている。

特開２０００―２０２６４３号公報 特開平１０−７１４６５号公報 軽金属溶接Ｖｏｌ．３７（１９９９）Ｎｏ．１０

しかしながら、単に、亜鉛メッキ鋼材とアルミニウム合金材とを超音波接合により接合しても、接合界面にＡｌ―Ｆｅ系の金属間化合物が生じてしまうため、接合強度が極めて弱いという問題点がある。

また、濡れ性を良好にするために、超音波振動を付与してハンダ接合する技術においても、接合強度が低いという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接合界面にＡｌ―Ｆｅ系の金属間化合物が生成せず、安定して高い接合強度が得られるアルミニウム系（アルミニウム又はアルミニウム合金）材と鋼材との超音波接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアルミニウム系材と鋼材との超音波接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを超音波接合する方法において、超音波接合後に、下記条件を満たす加熱温度Ｔ（Ｋ）及び保持時間ｔ（秒）で、後熱処理を行うことを特徴とする。
（８６４．２−Ｔ)／３７．２≦logｔ≦（８８９．３−Ｔ)／３３．９
Ｔ≦アルミニウム又はアルミニウム合金材の固相線温度
この場合に、超音波接合装置に加熱機能を具備させることにより、超音波接合工程と、後熱工程とを連続して行うことが好ましい。

本発明によれば、アルミニウム系材と鋼材との超音波接合において、高接合強度を得ることができる。また、本発明によれば、接合界面にＡｌ―Ｆｅ系の金属間化合物が生成せず、安定した接合強度が得られる。よって、アルミニウム又はアルミニウム合金材料と鋼系材との異種金属同士の接合を、溶接フラックス等の特別な消耗品を使用せずに低コストで行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。

本発明者は、超音波接合後に後熱処理を加えることにより、材料間の原子拡散が促進され、接合強度を格段に高めることができることを見出し、本発明に到ったものである。

図１は、本発明によりアルミニウム合金材と鋼材とを超音波接合するときの超音波接合装置を示す縦断面図である。なお、本発明では、この図１に示すものに限らず、種々の超音波接合装置を使用することができる。図１に示すように、アルミニウム合金材３と、鋼材１とを重ね、この積層体４を、水平姿勢に固定して設置されたアンビル６と、水平方向に超音波振動（Ｓ）するホーンに直結したチップ５との間に配置する。そして、チップ５を介して、積層体４に接合面に垂直の加圧力Ｐを印加し、この状態で、チップ５を水平方向に超音波振動（Ｓ）させて、チップ５と共にアルミニウム合金材３を高い振動加速度で超音波振動させる。そうすると、超音波振動するアルミニウム合金材３と、固定された鋼材１との間に摩擦力による発熱が生じ、接合界面にて、原子の移動が促進され、Ｆｅ原子のアルミニウム合金材３への拡散が生じる。これにより、鋼材１とアルミニウム合金材３との接合界面にて、アルミニウム合金材３と鋼材１とが固相接合される。

そして、このアンビル６及びチップ５の近傍には、抵抗発熱装置等の加熱装置７が設けられている。この加熱装置７は、アンビル６及びチップ５により、アルミニウム合金材１と鋼材２とを接合した後の積層体４を、そのまま、所定の熱処理温度Ｔに加熱し、この温度Ｔに、保持時間ｔだけ保持して、積層体４を熱処理する。

このとき、本発明においては、超音波接合された後の積層体４に対し、加熱温度Ｔに保持時間ｔだけ加熱するが、このＴ及びｔは、以下の数式１にて示す関係を満たす。

図２は、横軸に後熱処理時間を、縦軸にＵ字継手の引張破断荷重をとって、超音波接合後の加熱処理が強度向上に及ぼす影響を示す図である。４５０℃から５５０℃のいずれの温度においても、加熱を行うに従い、接合強度は向上していくが、一定の時間を超えると極端に強度が下がる。

この図２において、後熱処理をしない場合に比して、後熱処理をすることにより、５０％以上の強度の向上を見込める範囲を規定する。そうすると、後熱処理をしない場合は、つまり、超音波接合しただけの状態では、Ｕ字継手の引張破断荷重が１７９Ｎであり、その５０％の強度上昇は、２６８Ｎとなる。

そして、図２の５５０℃（８２３Ｋ）の場合に、引張破断荷重が２６８Ｎ以上である後熱処理時間ｔは、１．２８×１０秒以上、９×１０秒以下である。また、図２の４５０℃（７２３Ｋ）の場合に、引張破断荷重が２６８Ｎ以上である後熱処理時間ｔは、６．２×１０^３秒以上、８×１０^４秒以下である。そこで、加熱温度Ｔと加熱保持時間ｔとの関係を、Ｔとlogｔとの一次関数で表し、引張破断荷重が２６８Ｎ以上であるときの短時間側（ｔの下限値）の加熱温度Ｔと加熱保持時間ｔとの関係をＴ＝ａ（logｔ）＋ｂとし、長時間側（ｔの上限値）の加熱温度Ｔと加熱保持時間ｔとの関係をＴ＝Ａ（logｔ）＋Ｂとして表して、この関係式を求める。

即ち、短時間側と長時間側との関係式に、夫々ｔ及びＴの数値を代入すると、、短時間側では、
８２３＝ａ（log１．２８×１０）＋ｂ
７２３＝ａ（log６．２×１０^３×１０）＋ｂ
長時間側では、
８２３＝Ａ（log９×１０）＋Ｂ
７２３＝Ａ（log８×１０^４）＋Ｂ
となる。この連立方程式を解くと、ａは−３７．２、ｂは８６４．２、Ａは−３３．９、Ｂは８８９．３となる。そこで、下記数式が得られる。
短時間側：logｔ＝（８６４．２−Ｔ)／３７．２
長時間側：logｔ＝（８８９．３−Ｔ)／３３．９

そこで、logｔが短時間側の境界と長時間側の境界との間にあれば、引張破断荷重が２６８Ｎ以上となり、従来のように後熱処理をしない場合に比して、５０％以上の強度上昇が得られることになる。

そこで、本発明においては、前記数式１のように規定した。この数式１の範囲を図示すると、図３のようになる。図３は横軸に後熱処理時間ｔ（秒）を対数でとり、縦軸に後熱処理温度Ｔをとって、後熱により５０％以上の強度上昇が得られる領域をハッチングにて示すものである。但し、加熱温度Ｔは、材料のバーニング等を防止するために、低融点側の素材であるアルミニウム又はアルミニウム合金材の固相線温度（例えば約８７３Ｋ）以下である。

このように、低融点側の素材の固相線温度以下の加熱温度Ｔと加熱保持時間ｔが図３のハッチングにて示す範囲を満たし、即ち数式１を満足すれば、適切な拡散状態となり、超音波接合した異材同士の接合強度を格段（５０％以上）に向上させることができる。

加熱温度が高温に過ぎ又は加熱時間が長時間に過ぎて数式１を満足しない場合は、鋼材とアルミニウム系材との間で金属間化合物が生成してしまい、良好な接合部材が得られない。また、加熱温度が低温に過ぎ又は加熱時間が短時間に過ぎて数式１を満足しない場合は、拡散が十分に行われず、強度の向上効果が小さい。なお、加熱温度はアルミニウム系材が部分的にも溶融しないように、アルミニウム系材の固相線温度以下であることが必要である。

本実施形態のように、超音波接合装置のチップ５及びアンビル６の周辺に加熱装置７を配置することにより、超音波接合装置に加熱機能が付加され、接合後の接合部を加熱することができる。このような手段を用いることで、接合後連続して加熱処理が行えるため、生産性が良くなる。なお、鋼材はハイテン、Ｚｎめっき鋼材等、いずれの種類でも効果が得られる。

超音波接合方法自体は従来周知の方法で良く、特に限定しない。後熱処理は、接合後であれば、接合直後、又は例えば室温で放置した後のいずれであっても、良く、いずれも本発明の効果を得ることができる。

熱処理方法も特に限定しない。この熱処理方法としては、例えば、雰囲気加熱、電磁誘導加熱、赤外加熱等、種々の方法が可能である。また、接合部位に通電することにより加熱しても、同様の効果を得ることができる。

なお、いずれの方法においても、アルミニウム系材と鋼材の界面の温度が本発明の温度範囲になるように適宜温度制御を行う必要がある。

次に、本発明の効果を示すために行った試験の結果について説明する。アルミニウム系材として、AA6022合金（Al-1.2質量％Si-0.6質量％Mg-0.5質量％Cu-0.1質量％Fe-0.05質量％Mn）の板厚１ｍｍの板材を使用し、鋼材として板厚０．８ｍｍのSPCE鋼板を使用した。図１に示すように、アルミニウム系材（アルミニウム合金材３）をチップ側５、鋼板（鋼材１）をアンビル６側に配し、加圧力５００Ｎ、振動周波数２０ｋHz、振幅２０μｍで接合を行った。加圧時間ｔ及び加圧温度Ｔは下記表１に示す。

これらの条件で超音波接合を行った結果を下記表２に示す。数式１の時間を大きく超えて長時間加熱した条件では、接合部から剥がれが発生した。接合が可能であったものについて、Ｕ字継手引張試験を行い、破断荷重を求めた。加熱時間が数式１の範囲内では、接合強度が加熱を施さないものに比して、５０％を超える強度の向上効果が認められた。

表２において、＊印は接合部に剥がれが発生したことを示し、この場合は接合強度を評価しなかった。

この表２に示すように、数式１を満たす関係にある実施例の場合は、接合強度が２８０Ｎ以上であり、本発明の範囲から外れる比較例の場合よりも、接合強度が極めて高かった。

本発明法によりアルミニウム系材と鋼系材とを超音波接合するときの超音波接合装置を示す縦断面図である。 後熱処理時間とＵ字継手引張破断荷重との関係を示すグラフ図である。 強度向上効果が得られる後熱処理時間と後熱処理温度との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１： 鋼材
３：アルミニウム合金材
４：積層体
５：チップ
６：アンビル
７：加熱装置
Ｐ：加圧力
Ｓ：超音波振動

Claims (2)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを超音波接合する方法において、超音波接合後に、下記条件を満たす加熱温度Ｔ（Ｋ）及び保持時間ｔ（秒）で、後熱処理を行うことを特徴とするアルミニウム系材と鋼材との超音波接合方法。
   （８６４．２−Ｔ)／３７．２≦logｔ≦（８８９．３−Ｔ)／３３．９
   Ｔ≦アルミニウム又はアルミニウム合金材の固相線温度
2. 超音波接合装置に加熱機能を具備させることにより、超音波接合工程と、後熱工程とを連続して行うことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム系材と鋼材との超音波接合方法。
   

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