JP2006088175A - Method for joining different materials - Google Patents
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本発明は、自動車の各種構造材等として使用されるアルミニウム系材料と鉄系材料との複合構造体を得るための異材接合方法において、特に、ろう材及びフラックスを使用しない異材接合方法に関する。 The present invention relates to a dissimilar material joining method for obtaining a composite structure of an aluminum-based material and an iron-based material used as various structural materials for automobiles, and more particularly to a dissimilar material joining method that does not use brazing material and flux.
自動車の各種構造材は、その軽量化のために、一部アルミニウム系材料が使用されており、このため、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材同士を接合する方法の開発が要望されている。従来の異材接合方法としては、アルミニウム系のろう材を使用するろう付けが一般的である(特許文献1及び2、非特許文献1及び2)。同種材料同士を接合する方法として一般的に使用されているレーザ溶接等の溶融溶接方法を、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との異材接合に適用すると、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に、Al3Fe等の脆いAl−Fe系金属間化合物が生成し、これがアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間の接合強度を著しく低下させるからである。
Various structural materials for automobiles use some aluminum-based materials to reduce their weight. For this reason, development of a method for joining different materials of iron-based materials and aluminum-based materials is desired. . As a conventional dissimilar material joining method, brazing using an aluminum brazing material is common (
また、ろう付けではなく、スポット溶接によりアルミニウム系材料と鉄系材料とを接合する方法もある。更に、異種金属のレーザロール方法も提案されている(特許文献3)。この方法は、第1金属板のみをレーザ照射によって加熱した後、その第1金属板の加熱部を圧接ローラによって第2金属板に押圧して密着させ、塑性変形を与えることによって両金属板を接合するものである。 There is also a method of joining an aluminum material and an iron material by spot welding instead of brazing. Furthermore, a laser roll method of dissimilar metals has also been proposed (Patent Document 3). In this method, after heating only the first metal plate by laser irradiation, the heating portion of the first metal plate is pressed against the second metal plate by a pressure roller, and the two metal plates are subjected to plastic deformation. It is what is joined.
しかしながら、上記従来の異材接合方法は、以下に示す欠点を有する。先ず、ろう付けによる異材接合方法は、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間に、ろう材を挿入する必要があるため、接合コストが高くなるという問題点がある。 However, the conventional dissimilar material joining method has the following drawbacks. First, the dissimilar material joining method by brazing has a problem that the joining cost increases because it is necessary to insert a brazing material between the aluminum-based welded material and the iron-based welded material.
更に、スポット溶接の場合は、線接合ではなく、点接合であるため、接合点間の部分で、液体又は気体が通過するため、被接合材間を、空密的又は液密的に封止することができない。また、スポット溶接は、片面からのみ接合作業することができず、重ね部の両面に電極を配置する必要があるため、接合作業に制約がある。 Furthermore, in the case of spot welding, since it is not line bonding but point bonding, liquid or gas passes between the bonding points, so that the materials to be bonded are sealed airtight or liquidtight. Can not do it. In addition, spot welding cannot be joined only from one side, and it is necessary to arrange electrodes on both sides of the overlapped portion, so that there is a restriction on the joining work.
更にまた、ロール接合においては、異材同士をロールにより加圧する必要があり、大がかりな装置が必要であるという難点がある。 Furthermore, in roll joining, it is necessary to press different materials with a roll, and there exists a difficulty that a large-scale apparatus is required.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、ろう材を使用せずに、レーザ溶接することができ、容易かつ低コストで異材同士を接合することができる異材接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and can easily and inexpensively weld an aluminum-based welded material and an iron-based welded material without using a brazing material. It aims at providing the different material joining method which can join dissimilar materials.
本発明に係る異材接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部にレーザ光を照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することを特徴とする。 The dissimilar material joining method according to the present invention is a dissimilar material joining method in which an aluminum-based welded material made of aluminum or an aluminum alloy and an iron-based welded material are laser-welded. The iron-based welded material has zinc or zinc on the surface thereof. Using a zinc-based coating layer made of an alloy, placing the aluminum-based welded material on the laser irradiation source side to form a lap joint on the iron-based welded material, The overlapping part with the iron-based welded material is irradiated with a laser beam, and the zinc-based coating layer and the aluminum-based welded material are melted at the irradiated part, so that the aluminum-based welded material and the iron-based welded material are It is characterized by joining without using brazing material and flux.
この異材接合方法において、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重ね代は、3mm以下であることが好ましい。また、前記レーザ光の波長は1.06μm以下、前記アルミニウム系被溶接材の表面における照射部のエネルギ密度が1.0×106W/cm2以上、前記レーザ光のビーム径が4mm以下であることが好ましい。 In this dissimilar material joining method, it is preferable that the overlap margin between the aluminum-based welded material and the iron-based welded material is 3 mm or less. The wavelength of the laser beam is 1.06 μm or less, the energy density of the irradiated portion on the surface of the aluminum-based workpiece is 1.0 × 10 6 W / cm 2 or more, and the beam diameter of the laser beam is 4 mm or less. Preferably there is.
本発明によれば、ろうを使用せずにアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とをレーザ溶接することができるので、容易且つ低コストで、また、大がかりな装置を使用せずに、異材同士を接合することができる。そして、本発明は、点接合ではなく、線接合であるので、異材同士を接合部が封密的になるように接合することができる。 According to the present invention, since it is possible to laser weld an aluminum-based welded material and an iron-based welded material without using a solder, it is easy and low-cost, and without using a large-scale apparatus, Different materials can be joined together. And since this invention is not point joining but wire joining, it can join dissimilar materials so that a junction part may become airtight.
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。図1は、本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図、図2は接合部の断面図である。鉄系被溶接材としての鋼板1と、アルミニウム系(アルミニウム又はアルミニウム合金)被溶接材としてのアルミニウム系板2とをその端部で重ね合わせ、重ね部3を、その端部に沿ってレーザにより溶接する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a dissimilar material joining method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a joining portion. A steel plate 1 as an iron-based welded material and an aluminum-based
鋼板1には、その表面に亜鉛系(亜鉛又は亜鉛合金)被覆層4が被覆されている。この被覆層4は、溶融めっき又は溶射等の手段により形成することができる。この被覆層4は、純亜鉛又はアルミニウム、マグネシウム又は鉄等を含む亜鉛合金である。鋼板1としては、軟鋼、高張力鋼、ステンレス鋼等種々の鋼材を適用することができ、また、鉄系被溶接材としては、その形状は板材に限らず、形鋼等にも適用できる。
The surface of the steel plate 1 is coated with a zinc-based (zinc or zinc alloy)
アルミニウム系板2としては、純アルミニウム及び種々のアルミニウム合金を適用することができる。また、アルミニウム系板2の形状としては、全体が板材である場合に限らず、重ね部3において、板状になっていればよく、種々の形状の形材等にも適用することができる。
As the aluminum-based
重ね部3の重ね代は、3mm以下であることが好ましい。この重ね部3の重ね代が3mmを超えると、鋼板1の端部における熱集中が弱くなり、鋼板1の表面の亜鉛系被覆層が溶融しにくくなる。このため、鋼板1とアルミニウム系板2との間の接合強度が低下する。よって、重ね部3の重ね代は3mm以下であることが好ましい。好ましくは、重ね代は3mm以下である。また、重ね代が小さすぎると、接合部の強度が得られないので、好ましくは、重ね代は2mm以上である。
The overlap margin of the overlap portion 3 is preferably 3 mm or less. If the overlap margin of the overlap portion 3 exceeds 3 mm, the heat concentration at the end of the steel plate 1 becomes weak, and the zinc-based coating layer on the surface of the steel plate 1 becomes difficult to melt. For this reason, the joint strength between the steel plate 1 and the aluminum-based
また、レーザ光の波長は1.06μm以下であることが好ましい。そして、アルミニウム系板2の表面におけるレーザ光照射部のエネルギ密度が1.0×106W/cm2以上、レーザ光のビーム径が4mm以下であることが好ましい。この範囲を外れると、アルミニウム系板2の蒸発が起こるキーホール型加熱となり、アルミニウム系板2の鋼板1に対する溶融溶接が適切に行われにくい。このため、レーザ光の照射条件は、上述の範囲が好ましい。
Moreover, it is preferable that the wavelength of a laser beam is 1.06 micrometer or less. And it is preferable that the energy density of the laser beam irradiation part in the surface of the aluminum-
次に、本実施形態の異材接合方法の動作について説明する。先ず、アルミニウム系板2をレーザ光の照射源側に配置して、その端部を鋼板1の端部上に重ね、重ね部3に重ね隅肉継手を構成する。そして、図2に示すように、この重ね部3にYAG等のレーザ光を照射すると、レーザ光による熱伝導型加熱によって、アルミニウム系板2が部分的に溶融すると共に、鋼板1の表面に形成された亜鉛系被覆層4が溶融し、安定した品質の異材接合継手を容易に得ることができる。この鋼板1はその表面に亜鉛系被覆層が形成されているので、レーザ光の照射によりアルミニウム系板2と共に亜鉛系被覆層4も溶融するため、両被溶接材は、極めて親和性が高く、安定した溶接接合継手が得られる。鋼板1の表面の亜鉛被覆層4は、アルミニウム系板2の端部が溶融して得られるアルミニウム系溶融金属と、溶加材が溶融したアルミニウム系溶融金属との濡れ性が良いため、溶融金属が鋼板1の表面に広く広がり、安定した品質の継手を得ることができる。
Next, the operation of the dissimilar material joining method of this embodiment will be described. First, the aluminum-based
なお、鋼板1の下面側からレーザ光を照射しても、亜鉛系被覆層(めっき層)は溶融するものの、アルミニウム系板2は温度が低いため溶融しない。このため、両者を接合することができない。
Even if the laser beam is irradiated from the lower surface side of the steel plate 1, the zinc-based coating layer (plating layer) melts, but the aluminum-based
以下、本発明の実施例について説明する。図1に示す重ね隅肉継手を構成した。供試材は、アルミニウム系板2がJISA5182P−O材であり、その板厚は1mmである。鋼板1はアルミニウムめっき鋼板であり、板厚は1mmである。アルミニウムめっき層のめっき量は、120g/cm2であった。一方、比較例としては、めっきを施さない鋼板(板厚1mm)を使用した。
Examples of the present invention will be described below. The lap fillet joint shown in FIG. 1 was constructed. In the test material, the aluminum-based
図1に示すように、アルミニウム系板2と鋼板1の両端部を重ねあわせ、アルミニウム系板2側から、YAGレーザを使用してアルミニウム系板2が熱伝導型となる溶融加熱を行った。レーザ溶接条件は、出力が2.0kW、溶接速度が0.6m/分とした。また、重ね代は、1mmから1mmピッチで5mmまで変更した。
As shown in FIG. 1, both ends of the aluminum-based
このようにしてレーザ溶接した重ね隅肉継手について、JIS Z2201 5号試験片に加工した後、引張試験を行った。引張破断強度及び破断位置を下記表1に示す。但し、表1の評価欄において、◎は「とくに良好に接合」、○は「接合」、×は「全く接合せず」を示す。 The lap fillet joint thus laser welded was processed into a JIS Z2201 No. 5 test piece and then subjected to a tensile test. The tensile strength at break and the break position are shown in Table 1 below. However, in the evaluation column of Table 1, ◎ indicates “particularly well bonded”, ◯ indicates “bonded”, and x indicates “not bonded at all”.
この表1に示すように、亜鉛系被覆層(めっき層)4を有しない比較例7乃至12の場合は、鋼板とアルミニウム系板とが直接接触しているので、レーザ光を照射しても、重ね部で溶融接合が生じることはない。 As shown in Table 1, in Comparative Examples 7 to 12 having no zinc-based coating layer (plating layer) 4, the steel plate and the aluminum-based plate are in direct contact with each other. In addition, melt bonding does not occur in the overlapping portion.
これに対し、実施例1乃至3は亜鉛系被覆層(めっき層)を有すると共に、重ね代が1乃至3mmであるので、接合部の強度が十分に高く、破断位置がアルミニウム系板2のバルクであった。なお、実施例4乃至6は、接合しているものの、重ね代が請求項2の範囲を超えているため、接合部の強度が低く、接合界面で破断した。
On the other hand, Examples 1 to 3 have a zinc-based coating layer (plating layer) and have an overlap margin of 1 to 3 mm, so that the strength of the joint is sufficiently high and the fracture position is the bulk of the aluminum-based
1:鋼板(鉄系被溶接材)
2:アルミニウム系板(アルミニウム系被溶接材)
3:重ね部
4:亜鉛系被覆層
1: Steel plate (iron-based welded material)
2: Aluminum-based plate (aluminum-based welded material)
3: Overlapping part 4: Zinc-based coating layer
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