JP2005279744A - 高エネルギビームを用いた異種材料の突合せ接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】融点の異なる異種材料から成る母材同士を突合せた状態で高エネルギビームを高融点母材の側に照射し、高融点母材側からの伝熱によって低融点母材のみを溶融させて接合する異種材料の突合せ接合において、接合面の全長に亘って均一な接合状態を得ることができ、当該突合せ接合継手の継手強度を向上させることができる異種材料の突合せ接合方法を提供する。
【解決手段】接合界面への入熱量が接合開始点から終了点まで実質的に均一となるように、例えば、高エネルギビームＢの照射位置を接合開始点Ｓから接合終了点Ｅに向かうにしたがって接合界面Ｆから徐々に遠ざかる矢印Ａの方向に移動させて接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種材料、例えばスチール材とマグネシウム材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の突合せ接合方法に係わり、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高融点側の母材に照射し、高融点母材を溶融させることなく、当該高融点母材側からの伝熱によって低融点母材のみを溶融させて接合する異種材料の突合せ接合方法に関するものである。

異種材を接合するに際して、同種材料の溶接と同様に両母材を共に溶融させてしまうと、材料の組合せによっては脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度が得られないことがある。このような場合には、溶接条件をコントロールすることにより、接合界面において一方の母材（低融点側）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厚さを薄くすることができ、両母材を溶融させたときよりも単位面積当たりの接合強度を高くすることができる。

従来、熱源として高エネルギビームを用いて、異種材料を突合せ接合する際には、金属間化合物の生成を抑制するために、接合界面において高融点材料が溶融しない入熱条件で高エネルギビームを高融点材料の側に照射し、高融点材料側からの伝熱によって低融点材料側のみを溶融させ、接合界面において材料間に相互拡散を生じさせて接合する工法が採られていた（例えば、非特許文献１参照）。
「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００１年１０月、第６９集、ｐ．９０

しかし、相互拡散を効率良く生じさせるためには、接合界面の温度条件を適切に制御することが重要であるが、このように片側の材料のみを溶融させるような接合方法を用いて接合を行う場合、良好な拡散を生じさせ、高い接合強度を得るための適切な温度範囲が非常に狭く、適正条件範囲を少しでも外れると接合強度が急激に低下したり、接合自体が不可能になったりする場合があることから、十分な接合強度を備えた突合せ継手を得ることが極めて難しいという問題点があった。

本発明は、高エネルギビームによる従来の異材接合方法における上記課題に鑑みてなされたものであって、突合せ接合面の全長に亘って均一な接合状態を得ることができ、突合せ接合継手の強度を向上させることができる異種材料の突合せ接合方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するために、高エネルギビームの照射条件や照射位置を種々に変化させた場合の接合界面への伝熱状況や最大到達温度などについて、実際の溶接やコンピュータを用いたシミュレーションを繰り返すことによって鋭意調査検討した結果、上記した従来の異材接合方法においては、接合が進むに従って母材に熱が蓄積されていくことにより、接合界面への入熱量、言い換えると最高到達温度が接合の前半部分と後半部分とで相違することが確認され、接合界面への入熱量をその全長に亘ってほぼ一定なものとすることによって、均一で良好な接合状態を得ることができ、継手強度が向上することを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、図４は、上記したような異種材料の突合せ接合継手において、レーザ照射位置の接合界面からのオフセット量と継手強度の関係を示すものであって、高融点母材１として、ＪＩＳ Ｇ３１４１にＳＰＣＣとして規定される板厚１．０ｍｍの冷間圧延鋼板を使用すると共に、低融点母材２として、ＡＳＴＭ（アメリカ材料試験協会）規格にＡＺ３１として規定される板厚２．０ｍｍのマグネシウム板材を使用し、これらをそれぞれ１２５ｍｍ×５０ｍｍの寸法に切り出した後、図３に示すように、機械加工を施した５０ｍｍ幅の端面同士を付き合わせ、接合界面Ｆから高融点母材（スチール板材）１の側に所定の距離Ｄ（Ｄ＝０．５、０．６、０．７、０．８ｍｍ）だけオフセットさせた位置に、高エネルギビームＢとしてのＹＡＧレーザビームをそれぞれ照射して両母材１及び２を接合したのち、接合界面Ｆに剥離方向の荷重をかけて引張り試験を行った結果を示すものである。

このとき、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器と共に、焦点距離１００ｍｍの集光レンズを用い、レーザ出力を１．２ｋW、加工速度を１．０ｍ／ｍｉｎとし、焦点位置はスチール板材１の表面上にジャストフォーカスとし、レーザと同軸のノズルからアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流すようにしている。
なお、レーザＢを高融点母材１の側に照射するのは、高融点母材１（スチール板材）を接合界面Ｆにおいて溶融しない範囲で高温に熱し、高融点母材１からの伝熱で低融点母材２（マグネシウム板材）のみを溶融させることによって、接合界面Ｆにおいて溶融していない高融点母材１の温度が高い状態で低融点母材２の溶融部を接触させ、材料の相互拡散によって接合を行うためである。

図４から明らかなように、母材間に相互拡散が生じることによって良好な接合状態が得られる条件範囲は非常に狭いものであり、得られた突合せ継手は全て接合界面Ｆで破断し、その継手強度はオフセット量Ｄ＝０．６ｍｍの場合に最大となり、約４３００Ｎ（接合幅５０ｍｍ）であった。

また、接合可能であった条件（ビームオフセット量Ｄ＝０．６ｍｍ，０．７ｍｍ）であっても、接合前半と後半では接合界面Ｆの状態が異なり、引張り試験後の破断面を観察すると、図５に示すように、接合後半では高融点母材１の側に低融点母材であるマグネシウム材２が少量付着しており、これによって接合されていることが確認される一方、接合前半の約１０ｍｍの範囲では低融点材料の付着がなく、接合されていないことが判明した。
これは接合が進行するに従って母材が暖められ、母材自体に熱が蓄積することによって後半部分における接合界面Ｆでの温度がそれ以前に較べて上昇し、相互拡散の量が多くなっていくことから、前半と後半部分で接合状態が変化したものと考えられる。

図６及び図７は、接合界面Ｆの各位置における入熱量と単位面積当たりの接合強度の関係を模式的に示すものであって、これら図中に実線で示すように、接合界面Ｆへの入熱量は接合が進むに従って増加していき、接合界面において相互拡散が良好に行われる適正入熱範囲内の位置において、接合強度（図中に破線で示す）が得られる。
このとき、レーザ照射位置が接合界面Ｆから離れ、接合界面Ｆへの入熱量が少ない場合には、図６に示すように接合後半のみが接合可能となり、レーザ照射位置が接合界面Ｆに近くて接合界面Ｆへの入熱量が多い場合には、図７に示すように接合前半のみが接合可能な領域となる。そして、入熱過多の領域では金属間化合物が生成し、また入熱が不足する領域では相互拡散が生じないことから適正に接合することができず、接合開始点から終了点まで均一で良好な接合状態が得られず、継手としての有効な接合長さが短くなってしまい、高い継手強度が得られないことになる。

すなわち、レーザのような高エネルギビームは、照射条件を精密にコントロールすることが可能であって、このように片側の母材のみを溶融させるような微妙な調製を要する接合方法には適してはいるものの、接合界面から離れた位置にレーザビームを照射した場合には、レーザビームの照射条件を一定にしたとしても、接合が進むに従って母材に熱が次第に蓄積されていくことによって、接合界面への入熱量は、接合の進行につれて次第に多くなり、接合界面における最高到達温度が徐々に高くなっていってしまうことになる。

同種材料の溶接においては、入熱の適正範囲が上記した異材接合の場合に比較して広く、しかも高エネルギビームの直接照射によって接合界面が直ちに溶融されてしまうことから、冷却速度が多少遅くなることがあるとしても、母材に蓄積される熱による影響がとりわけ問題となることはなかったが、このような異材接合においては、前述のように入熱の適正範囲が非常に狭く、しかも接合前半側と後半側とで接合界面への入熱量が変化してしまうために、接合界面への入熱量を接合開始点から終了点までの全域にわたって適正に保持することができず、継手全体を均一かつ適正に接合することが困難となる。
したがって、仮に高エネルギビームの照射条件を接合前半で良好な接合ができるように設定した場合には、接合後半では良好な接合ができず、逆に接合後半に条件を合わせた場合には、接合前半で良好な接合が得られないことになる。

このように従来の接合法では、高融点母材における接合界面から一定の距離だけ離れた位置に高エネルギビームを照射するようにしていることから、接合開始点から終了点までの間で接合界面への入熱量が変化し、入熱条件が最適条件範囲をはずれてしまい、接合面全域を均一で高強度の接合状態とすることができなかったものと考えられる。
そこで、例えば高エネルギビームの照射位置やレーザ出力、加工速度などを調整することによって、接合開始から終了までの間における接合界面への入熱量がほぼ一定となるようにコントロールすれば、入熱の過不足による金属間化合物の生成や拡散不足による接合不良が解消され、突合せ接合面の全長に亘って均一な接合状態を得ることができ、異種材料から成る突合せ継手の強度を向上させることができることになる。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種材料の突合せ接合方法は、融点の異なる異種材料から成る母材同士を突合せた状態で高融点母材の側に高エネルギビームを照射し、高融点母材側からの伝熱によって低融点母材のみを溶融させて高融点母材に接合するものであって、高エネルギビームによる接合界面への入熱量が接合開始点から終了点までの接合面の全長に亘って実質的に均一となるように制御することを特徴としている。

本発明によれば、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高融点側の母材に照射し、高融点母材を溶融させることなく、当該高融点母材側からの伝熱によって低融点母材のみを溶融させて接合する異種材料の突合せ接合方法において、例えば高エネルギビームの照射位置を連続的に変化させることによって、接合界面への入熱量が、接合開始から終了まで実質的に均一となるように制御することとしたため、接合開始点から終了点までの全域において接合界面への入熱を拡散に最適な条件とすることができ、入熱過多による金属間化合物の生成や、入熱過小に基づく拡散不良による接合不良を防止して、突合せ接合面の全長に亘って均一な接合状態を安定して得ることができ、このような突合せ継手の強度を向上させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。

本発明の異種材料の突合せ接合方法は、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融点の異なる異種材料継手における高融点側の母材に、この高融点母材が溶融しない程度の条件で照射し、高融点母材の側からの伝熱により低融点母材のみを溶融させることによって、これら両母材を互いに接合するに際して、高エネルギビームによる接合界面への入熱量が接合開始点から終了点までの全長に亘って実質的に均一なものとなるように制御するものであるが、接合界面への入熱量を均一に制御するには、例えば高融点母材に対する高エネルギビームの照射位置を連続的に変化させることによって行うことができる。
これによって、高エネルギビーム自体から直接伝わる接合界面への入熱量を各位置によって変化させることができ、母材に蓄積され、接合が進むに従って変化する熱量を考慮して、高エネルギビーム自体から接合界面に直接伝わる入熱量を連続的に変化させることによって、接合始点から終点までの全域において、接合界面への入熱を拡散に最適な条件とすることができるようになり、どの接合面においても接合不良が無く、また単位面積当たりの強度が高い接合を行うことができ、均一で高い強度の接合状態として継手強度が向上することになる。

そして、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、高エネルギビームＢの高融点母材１に対する照射位置を接合開始点Ｓから終了点Ｅに進むにつれて接合界面Ｆから徐々に離していくこと、すなわち高エネルギビームＢの照射位置の移動方向を接合界面Ｆと平行に設定することなく、図中に矢印Ａで示すような斜め方向に移動させるようにすることによって、高エネルギビーム自体から直接接合界面Ｆへ伝わる入熱量を徐々に減少させていくことができるようになり、高エネルギビームＢからの熱が母材１に蓄積され、高融点母材１が熱せられてくる接合後半において、高エネルギビームＢからの接合界面Ｆへの入熱量を減らして接合界面Ｆに対する総入熱量を接合前半と同等とすることができ、接合開始点Ｓから終了点Ｅまでにおける接合界面Ｆへの入熱量を均一に最適な条件範囲とすることによって、継手強度を向上させることができるようになる。

このときの高エネルギビームＢの移動方向（照射経路３）については、図１（ｂ）に示すように、接合界面Ｆの長さＬと、高エネルギビームＢの照射位置の始点と終点における接合界面Ｆに対して垂直方向への移動距離、言い換えると始点と終点における接合界面Ｆからの距離の増加分（Ｄｅ−Ｄｓ）との比、すなわちＬ：（Ｄｅ−Ｄｓ）が３００：１〜１０００：１の範囲内とすることが望ましく、これによって接合界面Ｆへの入熱量が接合開始点Ｓから終了点Ｅまでの間の全域において実質的に均等なものとなり、良好な拡散を得られる条件範囲に収めることができ、継手強度を向上させることができる。
このとき、Ｌに対する（Ｄｅ−Ｄｓ）の比が上記範囲よりも小さなものとなれば、前半側に対して後半側の入熱量が過大となって、前半側に良好な接合がなされる適正な入熱条件を選定した場合には、後半側においては金属間化合物が生成して接合不良となり易く、Ｌに対する（Ｄｅ−Ｄｓ）の比が上記範囲よりも大きくなった場合には、前半側に対して後半側の入熱量が不足し、前半側に適正な入熱条件を適用した時には、後半側においては拡散不足による接合不良が生じ易い傾向となる。

そして、高エネルギビームＢの照射位置について、両母材１及び２が接合界面Ｆにおいて、これらの強度に応じた高い接合強度で接合されるような温度条件となる距離とすることにより、接合開始点Ｓから終了点Ｅまでの接合界面全域において、健全な接合状態を得ることができ、継手強度を向上させることができる。

また、接合される異種材料の組合せとしては、高融点母材１が鉄鋼系材料、低融点母材２がマグネシウム若しくはマグネシウム合金、又はアルミニウム若しくはアルミニウム合金とする組合せとすることができ、接合界面Ｆにおいて高融点母材１を溶融させず、低融点母材２のみを溶融させることができ、材料の相互拡散を利用して金属間化合物層の生成を抑制しながら両母材を接合することができるため、異材突合せ継手の強度を向上させることができる。

そして、さらに本発明の異種材料の突合せ接合方法においては、母材１，２の端部となる接合開始点Ｓ及び接合終了点Ｅにおける高エネルギビームＢの照射位置を接合界面Ｆから離すように局部的に変化させることができ、例えば、図２に符号３として示すような照射経路を採用することができる。

すなわち、接合開始点Ｓと接合終了点Ｅは継手の端部となるため、熱容量が中央側の定常部位と比較して小さいため、定常部位と同じ条件で接合を行った場合には、母材が溶融過多となって溶け落ちが発生することがある。この場合、高エネルギビームＢの照射位置を図２に示すように、母材１，２の両端部Ｃｓ及びＣｅにおけるビーム照射位置が接合界面Ｆからさらに離れるように変化させることことによって、当該端部Ｃｓ及びＣｅでの入熱量を減少させることができ、端部に溶け落ちのない良好な接合状態を得ることができるようになり、溶け落ちによる接合長さの減少を防止して、継手強度がさらに向上することになる。

なお、上記においては、接合界面Ｆへの入熱量を接合開始点Ｓから接合終了点Ｅまで一定に制御するための具体的手段として、高融点母材に対する高エネルギビームＢの照射位置を連続的に変化させる方法を中心に説明したが、この他には高エネルギビームＢのビーム出力や接合速度（加工速度）、ビームフォーカスを連続的に変化させる方法を用いることも可能である。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、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。

高融点母材１として板厚１．０ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、低融点母材２として板厚２．０ｍｍのマグネシウム板材（ＡＺ３１）を使用し、これらをそれぞれ１２５ｍｍ×５０ｍｍの寸法に切り出した後、機械加工を施した５０ｍｍ幅の端面同士を付き合わせ、高融点母材（スチール板材）１の側に、高エネルギビームＢとしてＹＡＧレーザビームＢを照射し、接合界面Ｆにおいて低融点母材２であるマグネシウム板材のみを溶融させることによって、両母材１及び２を接合した。
なお、ＹＡＧレーザビームＢについては、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器と共に、焦点距離１００ｍｍの集光レンズを使用し、レーザ出力を１．２ｋW、加工速度を１．０ｍ／ｍｉｎとし、焦点位置は高融点母材１の表面上にジャストフォーカスとし、レーザと同軸のノズルからアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、照射するようにした。

このとき、図１（ｂ）に示すように、接合開始点Ｓにおけるレーザビーム照射位置の接合界面Ｆからのオフセット量Ｄｓと、接合終了点Ｅにおける照射位置のオフセット量Ｄｅを変更することによって、レーザビームＢの移動方向Ａを種々に変えて接合を行い、得られた突合せ継手について、接合界面Ｆに剥離方向の荷重をかけて引張り試験を行った。 これらの結果を表１に示す。

表１の記載から明らかなように、接合開始点Ｓにおけるレーザビーム照射位置を接合界面Ｆから０．５５ｍｍの位置とし、レーザビームの進行方向Ａを１０００：１及び３３３：１の方向とした試験Ｎｏ．１及び２においては、接合開始点Ｓから終了点Ｅまで均一に良好な接合状態を得ることができ、例えば試験Ｎｏ．１においては、５２００Ｎの継手強度が得られ、オフセット量Ｄを０．６ｍｍと一定にした場合（図４参照）と比較して概ね２０％向上することが確認された。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の突合せ接合方法の要領を説明するそれぞれ斜視図及び平面図である。 本発明の突合せ接合方法の好適形態を示す平面図である。 従来の異材突合せ接合方法の要領を説明する斜視図である。 図３に示した従来方法によるビーム照射位置と接合強度の関係を示すグラフである。 図３に示した従来方法による接合界面の状態を示す説明図である。 図３に示した従来方法による低入熱条件の場合の接合位置と入熱量及び接合強度の関係を示すグラフである。 図３に示した従来方法による高入熱条件の場合の接合位置と入熱量及び接合強度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 高融点母材
２ 低融点母材
Ｂ 高エネルギビーム
Ｆ 接合界面
Ｓ 接合開始点
Ｅ 接合終了点

Claims (7)

1. 融点の異なる異種材料から成る母材同士を突合せた状態で高エネルギビームを高融点母材の側に照射し、高融点母材側からの伝熱によって低融点母材のみを溶融させて高融点母材に接合する異種材料の突合せ接合において、接合界面への入熱量が接合開始点から終了点まで実質的に均一となるように制御することを特徴とする異種材料の突合せ接合方法。
2. 高融点母材に対する高エネルギビームの照射位置を連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の突合せ接合方法。
3. 接合開始点から接合終了点に向かうにしたがって、高エネルギビームの照射位置を接合界面から離間する方向に徐々に変位させることを特徴とする請求項２に記載の突合せ接合方法。
4. 接合界面の長さと、高エネルギビーム照射位置の始点と終点における接合界面からの離間距離の増加分の比が３００：１〜１０００：１であることを特徴とする請求項３に記載の突合せ接合方法。
5. 高エネルギビームの照射位置が母材強度に応じた接合強度を得るに十分な温度条件となる位置であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載の突合せ接合方法。
6. 高融点母材が鉄鋼系材料であり、低融点母材がマグネシウム合金又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の突合せ接合方法。
7. 母材の端部となる接合開始点及び接合終了点における高エネルギビームの照射位置を接合界面から離すように局部的に変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の突合せ接合方法。

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