JP2006116599A - 異材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、ろう材やフラックスを使用せずに、接合することができ、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。
【解決手段】 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２と、鉄系被溶接材１とをミグ溶接する。鋼板１はその表面に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覆層（めっき層）が設けられており、アルミニウム系板２を上方にしてアルミニウム系板２と鋼板１とをそれらの端部で重ね、その重ね部３に、交流ミグ溶接する。これにより、この重ね部３で、アルミニウム系被覆層及びアルミニウム系板２を溶融させて、アルミニウム系板２と鋼板１とが接合される。
【選択図】 図１

Description

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関する。

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が一般的である（特許文献１及び２、非特許文献１）。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ティグ溶接又は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、ＦｅＡｌ_３又はＦｅ_２Ａｌ_５等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が極めて厚く生成し、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。また、ミグ溶接としては、電極ワイヤに酸化膜の除去効果のあるフラックスコアードワイヤを用いて、純アルミと裸鋼板とを直流パルス電源を用いたミグ溶接例がある（非特許文献２）。このアルミにとっては特殊なワイヤを用いることで溶接は可能となるものの、上記の脆い金属間化合物の抑制のためには種々な施工配慮が必要となり施工条件範囲は狭いものとなっていた。

また、ろう付ではなく、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。

特開平７−１４８５７１号公報 特開平１０−３１４９３３号公報 特許第３５３５１５２号公報 溶接学会論文集第２２巻第２号ｐ３１５−３２２（２００４） "溶融プロセスアルミ/鋼異材接合技術に関する調査研究"ｐ７５−９３、平成14年度成果報告書（平成15年3月）、大阪大学接合科学研究所異材接合研究会編

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。

また、この溶接を従来の溶接法で行う場合は、脆い金属間化合物の生成が抑制できるような、つまり鋼を溶融させないように安定的に溶接するのは至難である。

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、気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、片面からの接合作業は不可能で、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。

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。

また、直流パルスミグにおいては、電流を絞る必要があるためにアークが不安定になりスパッタが発生しやすかったり、酸化膜を除去するクリーニング作用が余り期待できなかったり、またそれゆえにそれを補助するために、アルミにとっては特殊なつまり高価なフラックスコアードワイヤを用いるなどといった難点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、ろう材及びフラックス等を使用せずに接合することができ、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。

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、鉄系被溶接材とをアーク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覆層を有するものを使用し、アルミニウム又はアルミニウム合金溶加材を使用し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アーク溶接することを特徴とする。

また、前記アーク溶接は、交流電流又は交流パルス電流を印加するミグ溶接であり、鉄系被溶接材の素地を溶融させない条件で溶接するように構成することもできる。

溶接態様は、例えば、前記アルミニウム系被溶接材を前記鉄系被溶接材の上方に重ねた重ね部をアーク溶接して重ね隅肉継手を形成するものとすることができる。

又は、前記鉄系被溶接材は、その表裏面に加えて端面も前記アルミニウム系被覆層が被覆されており、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とを突き合わせてアーク溶接するか、若しくは、前記鉄系被溶接材を前記アルミニウム系被溶接材の上方に重ねた重ね部をアーク溶接して重ね隅肉継手を形成するものとすることができる。

本発明によれば、ろう及びフラックス等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接合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。

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、その端部に沿ってミグアークにより溶接する。

鋼板１には、その表面にアルミニウム系被覆層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、接合に必要な箇所に施されていれば、部分的な被覆であっても良く、少なくともアークが当たる面で、且つアークの当たる部位には必須であり、更に重ね部にもあることが望ましい。この被覆層４は、純アルミニウム又は、例えば、１２質量％以下のＳｉ及び５質量％以下のＦｅが含まれたアルミニウム合金である。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、形鋼等も適用できる。なお、Ｎを３０〜２００ｐｐｍ含有した鋼をめっき母材として用い、このめっき母材に溶融アルミニウムめっきを施し、その後、３００〜５５０℃の温度域で加熱処理した溶融アルミニウムめっき鋼板を鉄系被溶接材として、この鉄系被溶接材とアルミニウム系材とをアーク溶接した場合、更に安定した高い接合強度が得られる。これは鋼中にＮを適量添加し、アルミニウムめっき後、加熱処理をすることによって、めっき時に形成されたＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系金属間化合物と鋼板との界面にＮ濃度の高い領域が生成することで、ＡｌとＦｅの相互拡散を阻害し、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の生成及び成長を抑制する効果が得られることによる。また、適正な溶接条件を組み合わせることによって、更にその効果は大きくなる。

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、種々の形状の形材及び鋳物等にも適用することができる。

本実施形態においては、鋼板１の端部の上にアルミニウム系板２の端部を重ね、この重ね部３をトーチ５によりミグ（ＭＩＧ：Metal Inert Gas）アーク溶接する。この場合に、鋼板１の表裏面には、前述の如くアルミニウム系被覆層４が形成されているが、その端面には、アルミニウム系被覆層４は形成されていない。これは、鋼板１は、通常、例えば、鋼板の表面にアルミニウム系被覆層をめっきにより形成した後、必要な部分をシャーリング等により切断することにより製造するからである。

このミグ溶接においては、電源として、交流電流又は交流パルス電流を使用してアルミニウム系板２と鋼板１とを溶接する。

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をトーチ側、つまり上方に配置して、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にトーチ５から送給される溶接ワイヤと被溶接材との間に交流アークを発生させて、その電極ワイヤが陽極となるサイクルにおけるアークのクリーニング作用により酸化膜の除去を行ない、且つそのアーク熱により、アルミニウム系被覆層とアルミニウム系板２の端部とを溶融させる。このように、鋼板１の表面を被覆するアルミニウム系被覆層４がクリーニング作用により酸化膜が除去された後にアーク熱により溶融するので、鋼板１の表面に充分に濡れ広がることとなる。そして、アルミニウム系板２の端部が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム溶加材の溶融金属とが、被覆層４と同種金属であるため、鋼板１の表面に濡れ広がった被覆層４の溶融金属と、親和性が高く、両者は良くなじむ結果、アルミニウム系板２と鋼板１とが良好に且つ広い面積で接合される。

この場合に、アルミニウム系板２の端部が溶融して形成される溶融金属と、アルミニウム溶加材の溶融金属は、図２に示すように、鋼板１に直接接触しない。熱伝導の良い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覆層を有する鉄系被溶接材は溶接時に付与される熱を非溶接部へと拡散させるため、接合部の界面温度の上昇が穏やかとなる。従って、接合部の界面に生成するＦｅＡｌ_３又はＦｅ_２Ａｌ_６等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が厚く成長することはない。ここでもし鋼側の素地が溶融してしまうと、アルミニウムとの金属間化合物が容易に生成し、かつ厚く成長してしまうので、継手強度が低くなってしまうため、鋼側の素地は溶融しない条件で行うことが好ましい。ここにこの交流ミグ又は交流パルスミグ溶接法を積極的に活用適用する理由がある。つまり、直流タイプのミグ溶接に対して、１次側からの入熱が同じであったとしても、母材への入熱を抑え、電極ワイヤへの入熱を増加させることができ、母材鋼素地への溶け込みを抑制し、アルミニウムと鉄との脆い金属間化合物の生成を抑制する一方で、継手強度向上につながる充分な溶着金属量を確保できるという特長がある。また、電極ワイヤが陽極（母材が陰極）になるサイクルにての所謂アークのクリーニング作用を利用すれば、鋼板を被覆しているアルミニウム又はアルミニウム合金被覆層の酸化膜が効率的に除去され、その後のアーク熱による溶融過程で濡れ性も格段に向上し、その後滴下してくる電極ワイヤの溶融金属がその上に濡れ広がることが可能となり、いわゆる脚長が大きくなり、継手強度上、非常に有利になる。このようにして、鋼板１の表面の金属被覆層４のみを効果的に溶融させ、鋼板１とアルミニウム系板２とを接合することができる。上記の効果、つまり溶着量（のど厚、脚長）を確保しつつ、鋼材への溶け込み抑制のためには、極性比率（電極ワイヤの陰極時間比率（ＥＮ比率））を５％乃至８０％にすることが好ましい。更に、パルス電流を使用すると、臨界電流低減効果により、より低い電流でも安定した溶滴移行を得ることができるようになるので、より低入熱で、つまり、より鋼板への溶込みを抑制可能となると同時に、送給性が安定した太径の溶接ワイヤを使用することができることとなり、より好ましい。

次に、本発明の他の実施形態について図３を参照して説明する。本実施形態は、アルミニウム系板２の端部上に、鋼板１の端部を重ね、重ね部をアーク溶接するものである。この場合に、鋼板１は、その表裏両面に加えて、端面にもアルミニウム系被覆層４が被覆されているものを使用する。鋼板１が上方に重ねられていると、溶融金属は、鋼板１の端面にも接触するが、本実施形態においては、この鋼板１の端面にもアルミニウム系被覆層４が形成されているため、図２の場合と同様に、溶融金属は、鋼板１の表面に直接接触しない。このため、金属間化合物の生成を防止することができ、図２の場合と同様に良好な継手強度の接合部が得られる。

また、図４は本発明の更に他の実施形態を示す図である。本実施形態は、鋼板１とアルミニウム系板２とを突合せ溶接するものである。本実施形態においても、端面にアルミニウム系被覆層４が被覆されている鋼板１を使用するので、金属間化合物が厚く成長せず、良好な継手強度の接合部が得られる。

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／ｍ^２であった。但し、実施例では溶射で被覆層を形成したものも示す。更に、突合せ継手の例もラップ代０ｍｍとして併せて示した。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。なお、一部は図３に示すように鋼板１をアルミニウム系板２の上に配置した。

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、電流値５０Ａの条件でミグ溶接した。但し、一部はティグ溶接である。

このようにしてアーク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。

この表１に示すように、本発明の実施例の場合は、鋼部分への溶け込みがなく、また余盛不足が生じることなく、良好な継手強度が得られた。また、実施例１５、１６に示すＮ添加鋼をめっき母材として用いた場合では、更に優れた継手強度が得られ、実施例１７に示す高張力鋼をめっき母材として用いた場合においても適正条件で溶接すれば良好な継手強度が得られる。これに対し、アルミ被覆層がまったくない裸鋼板を使用した比較例１では、鋼側の溶込みが見られ接合できなかった。また、比較例４、５に示すようにラップ代が短かい場合でも、熱容量が少なくなる結果、熱が滞留し鋼側の素地が溶融するようになり、接合できなかったり、継手強度が低いものであった。

また、鋼が上側に配置されてその端面にアルミが被覆されていない比較例７、８はアークが直接当たり、容易に鋼が溶融してしまい、接合することが出来なかったが、鋼側の端部にも被覆がされた実施例５では、鋼側素地の溶融がなく、高い継手強度が得られた。

実施例６は電流形式が通常の交流で線径１．２ｍｍの太径ワイヤを使用したため、交流パルス電流を使用した実施例１等に比較すると、スパッタが多発した結果、実用には十分であるものの、やや劣る継手強度となった。比較例９は電流形式が直流であったため、鋼側の素地が溶融するようになり、継手強度が低くなった。比較例１０は、速度の遅い条件でティグ溶接を行ったため、鋼側の素地が溶融するようになり、継手強度が低くなった。

また、突合せ継手であり、鋼側の端面にアルミが被覆された実施例４、１１は、鋼材の溶融が無く、高い継手強度が得られたが、被覆が無い比較例６では、鋼側素地の溶融が見られ、接合できなかった。

本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図である。 同じくその接合部の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る異材接合方法を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る異材接合方法を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る異材接合方法を示す断面図である。

符号の説明

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：アルミニウム系被覆層
５：トーチ

Claims (7)

1. 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、鉄系被溶接材とをアーク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覆層を有するものを使用し、アルミニウム又はアルミニウム合金溶加材を使用し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アーク溶接することを特徴とする異材接合方法。
2. 前記アーク溶接は、鉄系被溶接材の素地を溶融させない条件で溶接することを特徴とする請求項１に記載の異材接合方法。
3. 前記アーク溶接は、交流電流又は交流パルス電流を印加するミグ溶接であり、鉄系被溶接材の素地を溶融させない条件で溶接することを特徴とする請求項１に記載の異材接合方法。
4. 前記アルミニウム系被溶接材を前記鉄系被溶接材の上方に重ねた重ね部をアーク溶接して重ね隅肉継手を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異材接合方法。
5. 前記鉄系被溶接材は、その表裏面に加えて端面も前記アルミニウム系被覆層が被覆されており、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とを突き合わせてアーク溶接することにより突き合わせ継手を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異材接合方法。
6. 前記鉄系被溶接材は、その表裏面に加えて端面も前記アルミニウム系被覆層が被覆されており、前記鉄系被溶接材を前記アルミニウム系被溶接材の上方に重ねた重ね部をアーク溶接して重ね隅肉継手を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異材接合方法。
7. 前記鉄系被溶接材は,その表面、裏面、端面の溶接に必要な箇所に部分的にアルミニウム又はアルミニウム合金を被覆することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の異材接合方法。
   

Images