JP2006224145A - 異材接合用溶加材及び異材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができ、接合強度が優れた継手が得られる異材接合用溶加材及び異材接合方法を提供する。
【解決手段】 アルミニウム系材２と、表裏面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層４が形成されている鋼材１とを、亜鉛系被覆層４が形成されている面がアルミニウム系被溶接材２側になるようにして、その端部で重ね合わせる。その際、アルミニウム系被溶接材２がトーチ５側になるように配置する。そして、その重ね部を、Ｓｉを１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材６を使用して、交流ミグアーク溶接により重ね隅肉溶接する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材及びこの溶加材を使用した異材接合方法に関し、特に、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が形成されている鋼材を溶接する際に使用される異材接合用溶加材及び異材接合方法に関する。

近時、自動車の各種構造材等には、軽量化のために、その一部に、従来から使用されている鋼材に代えて、アルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、これらを総称してアルミニウム系材ともいう）を使用した複合構造材が使用されている。このような複合構造材を得るためには、鋼材とアルミニウム系材とを接合しなければならないが、アルミニウム系材と鋼材との異材接合において、脆い金属間化合物の生成を抑制すること、即ち、鋼材を溶融させないように安定的に溶接することは困難である。例えば、アルミニウム系材と鋼材との接合に、同種材料同士を接合する方法として一般的に利用されているティグ（Tungsten Inert Gas；ＴＩＧ）溶接及びレーザ溶接等の溶融溶接方法を適用すると、アルミニウム系材と鋼材との界面に、ＦｅＡｌ_３及びＦｅ_２Ａｌ_５等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が生成し、これによりアルミニウム系材と鋼材との間の接合強度が著しく低下する。このように、相互に異なる材質の金属材同士の接合に、同種材料同士を接合する際に利用されている一般的な接合方法を適用することは難しく、このため、アルミニウム系材と鋼材とを良好に接合することができる異材接合方法の開発が要望されている。

従来、アルミニウム系材と鋼材と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したろう付が一般的である（例えば、特許文献１及び２、非特許文献１参照）。特許文献１に記載のろう付方法においては、アルミニウム系材の融点と鋼材の融点との間に融点があるろう材を使用して、鋼材及びろう材をろう材の融点以上に加熱すると共に、アルミニウム系材における接合界面の近傍以外の部分をこのアルミニウム系材の融点以下に保ってろう付けしている。また、特許文献２に記載の接合方法では、ろう材成分及びフラックス成分の圧粉成形体からなるフラックス含有ろう材を使用して、アルミニウム系材と鋼材とをろう付している。更に、非特許文献１には、半導体レーザを使用したレーザブレイジングによるろう付け方法が開示されている。

また、ろう付ではなく、スポット溶接又はミグ（Metal Inert Gas；ＭＩＧ）溶接によりアルミニウム系材と鋼材とを接合する方法もある（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２に記載の異材接合方法では、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使用し、直流パルス電源を使用したミグ溶接により、純アルミニウム板と被覆層等が形成されていない裸鋼板とを接合している。

更に、レーザロールによる異材接合方法も提案されている（特許文献３参照）。特許文献３に記載の異材接合方法は、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材質が異なる金属板同士を相互に接合している。

特開平７−１４８５７１号公報 特開平１０−３１４９３３号公報 特許第３５３５１５２号公報 宋 宇絃、外３名，「アルミニウムろうによる接合性の基礎的検討−レーザブレイジングによるアルミニウム合金と鉄鋼材料の異材接合（第１報）−」，溶接学会論文集，２００４年，第２２巻，第２号，ｐ．３１５−３２２ 大阪大学接合科学研究所異材接合研究会編，「溶融プロセスアルミ／鋼異材接合技術に関する調査研究」，平成１４年度成果報告書，２００３年３月，ｐ．７５−９３

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。先ず、特許文献１及び２並びに非特許文献１に記載されているようなろう付による異材接合方法は、アルミニウム系材と鋼材との間に、ろう材を挿入しなければならないため、接合コストが高くなるという問題点がある。

また、スポット溶接は、線接合ではなく点接合であるため、この方法で異材接合した場合、接合点間の部分に液体又は気体が通過できる隙間が生じ、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という問題点がある。また、スポット溶接は、片面からの接合作業ができないため、被接合材の重ね合わせ部、即ち、接合予定部の両面に電極を配置しなければならず、接合作業に制約があるという問題点もある。

更に、非特許文献２に記載されているような直流パルスミグ溶接による異材接合方法は、一般に、電極がプラス（＋）で母材がマイナス（−）となる直流逆極性であるため、鋼側母材への溶け込みを抑制するためには電流を絞らなければならず、これにより、アークが不安定になって、スパッターが発生しやくなったり、酸化膜を除去するクリーニング作用が低下したりするという問題点がある。これらの問題点のうち、後者のクリーニング作用に関しては、フラックスコアードワイヤを使用することにより改善することができるが、フラックスコアードワイヤを使用すると、ソリッドワイヤを使用するよりも施工条件範囲が狭くなるため、前者のスパッターの発生を抑制する効果に限界がある。また、フラックスコアードワイヤは、アルミニウム系材の接合においては特殊なワイヤであり、高価であるため、製造コストが増加するという問題点がある。

更に、特許文献３に記載のレーザロールによる異材接合方法は、被接合材、即ち、アルミニウム系材及び鋼材をロールによって加圧しなければならず、大がかりな装置が必要になる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、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができ、接合強度が優れた継手が得られる異材接合用溶加材及び異材接合方法を提供することを目的とする。

本願第１発明に係る異材接合用溶加材は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する異材接合に使用される溶加材において、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明においては、アルミニウム系材同士を溶接する場合と同様に、溶加材をソリッドワイヤ形態とすることができるため、溶接時に特段の配慮及び新規装置は不要であり、また、この溶加材は消耗電極として滴化移行するものであるため、ろう材を挿入する必要もない。これにより、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。また、本発明の溶加材は、Ｓｉを添加すると共にその含有量を最適化しているため、融点が低く、また接合強度を低下させる金属間化合物が生成しにくく、更に溶接金属部の強度と延性との両立性が良好である。その結果、接合強度が優れた継手を得ることができる。

この溶加材は、更に、Ｍｇ：０．１乃至０．３質量％を含有していてもよい。これにより、接合時における金属間化合物の成長を抑制することができると共に溶接金属部を更に高強度化することができる。

本願第２発明に係る異材接合用溶加材は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する異材接合に使用される溶加材において、Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明においては、溶加材をソリッドワイヤ形態にすることができるため、フラックスコアードワイヤとは異なり、溶接時に特段の配慮及び新規装置の導入は不要である。また、本発明の溶加材はろう材及び電極の両方の機能を有しており、溶接時には滴化移行するため、ろう材を挿入する必要がない。その結果、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。また、本発明の溶加材は、Ｍｇを添加すると共にその含有量を最適化しているため、拡散しやすいＭｇを添加しているにもかかわらず、接合強度を低下させる金属間化合物までには成長しにくく、更に溶接金属部の強度と延性との両立性が良好である。その結果、接合強度が優れた継手を得ることができる。

これらの異材接合用溶加材は、更に、Ｍｎ：０．１乃至０．３質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．２０質量％及びＺｒ：０．１乃至０．２質量％からなる群から選択された１種の元素を含有していてもよい。これにより、溶接金属部の強度及び／又は延性をより向上することができるため、継手強度の更なる高強度化を図ることができる。

本願第３発明に係る異材接合方法は、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材を使用し、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接することを特徴とする。

本発明においては、Ａｌ−Ｓｉ系の溶加材を使用しているため、溶加材により形成される溶融金属及びアルミニウム系材により形成される溶融金属の材質が、アルミニウム又はアルミニウム合金となり、これにより、溶融金属同士の親和性を向上させることができる。また、鋼材の表面に亜鉛系被覆層が設けられているため、前述のアルミニウム系溶融金属と鋼材とが直接接触することを防止し、接合部に脆弱なＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物の生成を抑制することができる。更に、溶加材のＳｉ含有量を最適化しているため、溶加材の融点が低くなると共に、接合部に金属間化合物が生成しにくくすることができ、溶接金属部における強度及び延性が共に良好になる。その結果、接合強度が優れた継手が得られる。更にまた、溶加材がろう材及び電極の両方の機能を備えているため、別途ろう材を挿入する必要がない。これにより、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。

この異材接合方法においては、上述の成分に加えて、更に、Ｍｇ：０．１乃至０．３質量％を含有する溶加材を使用してもよい。これにより、溶加材の融点をより低くすることができ、更に、接合部に金属間化合物を生成しにくくすることができると共に、溶接金属部を高強度化することができるため、接合強度が特に優れた継手を得ることができる。

本願第４発明に係る異材接合方法は、Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材を使用し、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接することを特徴とする。

本発明においては、Ａｌ−Ｍｇ系の溶加材を使用しているため、溶加材により形成される溶融金属及びアルミニウム系材により形成される溶融金属の材質が、アルミニウム又はアルミニウム合金となり、これにより、溶融金属同士の親和性を向上させることができる。また、鋼材の表面に亜鉛系被覆層が設けられているため、前述のアルミニウム系溶融金属と鋼材とが直接接触することを防止でき、接合部に脆弱なＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物の生成を抑制することができる。更に、Ａｌ−Ｍｇ系溶加材のＭｇ含有量を最適化しているため、拡散しやすいＭｇを添加しているにもかかわらず、接合強度を低下させる金属間化合物までには成長しにくくすることができると共に、溶接金属部における強度と延性とをバランス良く向上させることができる。その結果、接合強度が優れた継手を得ることができる。更にまた、この溶加材は、ろう材成分を消耗電極として滴化移行させているため、別途ろう材を挿入する手間がかからないため、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。

これらの異材接合方法においては、上述の成分に加えて、更に、Ｍｎ：０．１乃至０．３質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．２０質量％及びＺｒ：０．１乃至０．２質量％からなる群から選択された１種の元素を含有する溶加材を使用することもできる。これにより、溶接金属部の強度及び／又は延性をより向上することができ、継手強度を更に高めることができる。

本発明によれば、溶加材をソリッドワイヤ形態にすることができるため、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを容易に且つ低コストで接合することができ、また、溶加材の成分を最適化しているため、溶加材の融点を低下させることができる共に接合部における脆い金属間化合物の生成を抑制することができ、更に、溶接金属部の強度及び延性を共に良好にすることができるため、継手の接合強度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る溶加材について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｓｉを１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。以下、本実施形態の溶加材における数値限定理由について説明する。

Ｓｉ含有量：１．５乃至６．０質量％
相互に異なる材質の被溶接材を溶接して、異材接合体を形成するためには、例えばアーク溶接の場合、アーク通過直後の溶接高温時に溶接金属部が完全固相となる温度から室温までの溶接金属部及び被溶接材の熱収縮量差異を、溶接変形及び残留応力により吸収する必要がある。このため、異材接合に使用される溶加材としては、完全固相となる温度と室温との差が少ないもの、即ち、できる限り固相線温度が低いものが好ましく、本実施形態の溶加材においては、Ｓｉは融点を下げるために添加される。また、Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金は、他のアルミニウム合金に比べて熱膨張係数が小さいという特徴があり、このＡｌ−Ｓｉ系合金からなる溶加材を、アルミニウム系材と、鋼材との間に配置することにより、これらの間の熱収縮差異を吸収する効果も得られる。

但し、Ｓｉ含有量が１．５質量％未満では、融点が十分に低下せず、溶加材の融点が高くなりすぎる。一方、Ｓｉ含有量が６．０質量％を超えると、溶接金属部の曲げ性能が低下する。自動車用として多用されている重ね隅肉継手を評価する際の引張せん断試験においては、軸ずれにより回転曲げの要素が入ってしまう。このため、溶接金属部の曲げ性能が低下すると、異材接合体の接合強度、即ち、継手強度が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、１．５乃至６．０質量％とする。

なお、異材接合体を自動車材等に適用した場合、その後の工程において塗装ベーキング処理等が施されるため、異材接合体が１７５乃至２００℃程度の温度条件下に曝される。本実施形態の溶加材を使用した場合、このような温度条件下では、接合部における金属間化合物の成長は助長されないと考えられる。しかしながら、アルミニウム系材中にＭｇが含まれていると、溶加材とアルミニウム系材とが混合することによりＭｇ_２Ｓｉ化合物が生成し、更に、上記温度条件下に曝されることにより、このＭｇ_２Ｓｉ化合物の成長が促進されてしまうことがある。そして、接合部に脆いＭｇ_２Ｓｉ化合物が成長すると、継手の延性を損なう虞がある。このような接合部におけるＭｇ_２Ｓｉ化合物の成長を抑制するためには、溶加材のＳｉ含有量を３．５質量％以下とすることが望ましい。

本実施形態の溶加材においては、アルミニウム系材同士を接合する際に使用される溶加材と同様に、ソリッドワイヤ形態とすることができるため、溶接時に特段の配慮及び新規装置の導入は必要なく、また、この溶加材は、消耗電極として滴化移行させることにより、ろう材として使用することができるため、別途ろう材を挿入する必要がない。このため、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。また、本実施形態の溶加材は、Ｓｉ含有量を最適化しているため、融点が低く、更に、接合強度を低下させる金属間化合物が生成しにくく、且つ溶接金属部の強度及び延性が共に良好である。このため、接合強度が優れた継手を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、前述の第１の実施形態の溶加材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｍｇを２．０乃至３．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。以下、本実施形態の溶加材における数値限定理由について説明する。

Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％
本実施形態の溶加材においては、Ｍｇは溶接金属部の強度及び延性を両立させ、継手強度を向上するために添加される。しかしながら、Ｍｇ含有量が２．０質量％未満の場合、十分な継手強度が得られない。一方、Ｍｇ含有量が３．５質量％を超えると、溶接金属部の強度は向上するが、鋼材との間に生成する脆い金属間化合物層の成長が助長され、かえって継手強度及び延性が低下する。よって、Ｍｇ含有量は２．０乃至３．５質量％とする。

本実施形態の溶加材においては、ソリッドワイヤ形態とすることができるため、ラックスコアードワイヤのように溶接時に特段の配慮及び新規装置の導入をする必要なく、また、ろう材及び電極の両方の機能を備えているため、ろう材が不要になる。その結果、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。また、本実施形態の溶加材は、Ｍｇ含有量を最適化しているため、拡散しやすいＭｇを添加しているにもかかわらず、接合強度を低下させる金属間化合物の生成を抑制することができると共に、溶接金属部の強度及び延性を共に良好にすることができる。その結果、接合強度が優れた継手を得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、前述の第１及び第２の実施形態の溶加材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％及びＭｇ：０．１乃至０．３質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。

本実施形態の溶加材は、前述の第１の実施形態の溶加材に、Ｍｇを添加したものであり、Ｓｉの添加理由及び数値限定理由は前述の第１の実施形態と同様である。また、本実施形態の溶加材のようなＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材は、溶接金属部が溶融凝固する際に、Ｍｇ_２Ｓｉ又はＭｇ_２Ｓｉ−Ｓｉ系の共晶反応を生じるために、前述の第１の実施形態の溶加材のようなＡｌ−Ｓｉ系溶加材、及び前述の第２の実施形態の溶加材のようなＡｌ−Ｍｇ系溶加材よりも、固相線温度が低く、また、適度なＭｇ_２Ｓｉを生成するために、Ａｌ−Ｓｉ系溶加材及びＡｌ−Ｍｇ系溶加材よりも、継手強度が高く、またベーキング後の強度も高い。しなしながら、Ｍｇ及びＳｉの含有量が多くなると、溶接部におけるＭｇ_２Ｓｉ化合物の成長が促進され、継手の延性が損なわれる。よって、本実施形態の溶加材においては、Ｍｇ含有量の上限を０．３質量％とする。また、Ｍｇ含有量が、０．１質量％未満であると、上述した添加効果が得られない。よって、Ｍｇ含有量の下限値は０．１質量％とする。

本実施形態の溶加材においては、アルミニウム系材同士を接合する際に使用される溶加材と同様に、ソリッドワイヤ形態とすることができるため、溶接時に特段の配慮及び新規装置の導入は不要であり、また、消耗電極として滴化移行させることにより、ろう材として使用することができるため、ろう材も不要となり、アルミニウム系材と鋼材とを、容易に且つ低コストで接合することができる。また、本実施形態の溶加材は、Ｓｉ及びＭｇの両方が添加されているため、何れか一方のみを添加した溶加材よりも、融点が低く、更に、ベーキング後の接合強度が高くすることができると共に、溶接金属部に適量のＭｇ_２Ｓｉを生成させることができる。その結果、溶接時の継手強度が高く、更に、ベーキング後においても継手強度が低下しない優れた継手を得ることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、前述の第１乃至第３の実施形態の溶加材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％及びＭｎ：０．１乃至０．３質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。本実施形態の溶加材は、前述の第１の実施形態の溶加材に、Ｍｎを添加したものであり、Ｓｉの添加理由及び数値限定理由は前述の第１の実施形態と同様である。以下、本実施形態の溶加材におけるＭｎ含有量の数値限定理由について説明する。

Ｍｎ：０．１乃至０．３質量％
Ｍｎは、固溶強化によって、継手強度を向上させる効果がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．１質量％未満の場合、固溶強化が少なく、継手強度を向上する効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．３質量％を超えると、溶接金属部の曲げ特性が低下し始め、重ね継手部の引張せん断強度が低下する。よって、Ｍｎ含有量は０．１乃至０．３質量％とする。

本実施形態の溶加材は、Ｓｉに加えてＭｎを適正量添加しているため、Ｓｉのみを添加した前述の第１の実施形態の溶加材に比べて、継手強度をより改善することができる。なお、本実施形態の溶加材における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態の溶加材と同様である。

次に、本発明の第５の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、前述の第１乃至第４の実施形態の溶加材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％及びＭｎ：０．１乃至０．３質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。本実施形態の溶加材は、前述の第２の実施形態の溶加材に、Ｍｎを添加したものであり、Ｍｇの添加理由及び数値限定理由は前述の第２の実施形態と同様であり、Ｍｎの添加理由及び数値限定理由は前述の第４の実施形態と同様である。

本実施形態の溶加材は、Ｍｇに加えてＭｎを適正量添加しているため、Ｍｇのみを添加した前述の第２の実施形態の溶加材よりも、継手強度を向上させることができる。なお、本実施形態の溶加材における上記以外の効果は、前述の第２の実施形態の溶加材と同様である。

次に、本発明の第６の実施形態に係る溶加材について説明する。本実施形態の溶加材は、前述の第１乃至第５の実施形態の溶加材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する際に使用される異材接合用溶加材である。そして、その組成は、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％、Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％及びＭｎ：０．１乃至０．３質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物である。本実施形態の溶加材は、前述の第３の実施形態の溶加材に、Ｍｎを添加したものであり、Ｓｉ及びＭｇの添加理由及び数値限定理由は前述の第３の実施形態と同様であり、Ｍｎの添加理由及び数値限定理由は前述の第４の実施形態と同様である。

本実施形態の溶加材は、Ｓｉ及びＭｇに加えてＭｎを適正量添加しているため、Ｓｉ及びＭｇを添加した前述の第３の実施形態の溶加材よりも、より優れた継手強度が得られる。なお、本実施形態の溶加材における上記以外の効果は、前述の第３の実施形態の溶加材と同様である。

なお、前述の第４乃至第６の実施形態の溶加材においては、夫々前述の第１乃至第３の実施形態の溶加材にＭｎを添加しているが、Ｍｎの代わりに、前述の第１乃至第３の実施形態の溶加材に、更にＣｒ又はＺｒを添加してもよい。Ｃｒ及びＺｒは、結晶粒を微細化して溶接金属部の強度及び延性を向上し、継手強度を改善する効果がある。但し、これらを添加する際は、溶加材中の含有量を、Ｃｒ：０．０５乃至０．２０質量％、Ｚｒ：０．１乃至０．２質量％とすることが望ましい。Ｃｒ含有量が０．０５質量％未満又はＺｒ含有量が０．１質量％未満の場合、添加効果が得られないことがある。一方、Ｃｒ含有量が０．２０質量％を超えるか、又はＺｒ含有量が０．２質量％を超えた場合、粗大再結晶又は粗大晶出物が生成するため延性が低下し、継手特性が劣化することがある。

また、前述の第１乃至第６実施形態の溶加材に含まれる不可避的不純物としては、例えばＦｅ及びＣｕ等がある。

前述の第１乃至第６実施形態の溶加材の形状としては、ワイヤ状及び棒状等が一般的であるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、溶接方法に応じて適宜選択することができる。また、溶接方法も、溶加材を使用する方法であれば特に限定されず、直流ミグ溶接、直流パルスミグ溶接、交流ミグ溶接、交流パルスミグ溶接及び短絡移行型ミグ溶接等の各種ミグ溶接において効果が得られる。更に、ミグ溶接に限らず、ティグ溶接、レーザー溶接及びこれらを併用したハイブリッド溶接にも適用可能である。

次に、本発明の第７の実施形態として、前述の第１の実施形態の溶加材を使用して、アルミニウム系材と鋼材とを異材接合する方法について説明する。図１は本実施形態の異材接合方法を示す斜視図であり、図２は図１に示す方法で異材接合された継手の接合部を示す断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の異材接合方法は、鋼材１と、アルミニウム又はアルミニウム合金材２とを、Ｓｉを１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材を使用して、例えばミグアーク溶接等により接合する方法である。

本実施形態の異材接合方法により接合される鋼材１としては、例えば、軟鋼材、高張力鋼材及びステンレス鋼材等を適用することができる。また、鋼材１の表裏面には、純亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層４が形成されている。この被覆鋼材は、例えば、鋼材１の両面に溶融めっき又は溶射等により亜鉛系被覆層４を形成した後、シャーリング等によって必要な部分を切り出すことにより製造されるため、その端面には、亜鉛系被覆層４は形成されていない。このような鋼材１としては、例えば、溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＩ）及び合成化溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＡ）等がある。

本実施形態の異材接合方法においては、先ず、アルミニウム系材２をトーチ５側、即ち、鋼材１の上方に配置し、その端部を鋼材１の端部上に重ね、重ね部３に重ね隅肉継手を構成する。その後、この重ね部３において、トーチ５から送給される溶加材、即ち、溶接ワイヤ６と、被溶接材（鋼材１及びアルミニウム系材２）との間に交流アークを発生させる。これにより、電極ワイヤである溶接ワイヤ６が陽極となるサイクルにおいては、アークのクリーニング作用によって亜鉛系被覆層４の表面酸化膜が除去され、更にアーク熱により、亜鉛系被覆層４及びアルミニウム系材２の端部が溶融する。そして、アークを発生させながらトーチ５を鋼材１及びアルミニウム系材２の端部に沿って移動させることにより、重ね部３を重ね隅肉溶接する。

このように、本実施形態の異材接合方法においては、クリーニング作用によって酸化膜が除去された亜鉛系被覆層４を、アーク熱によって溶融しているため、アルミニウム系被覆層４により形成される溶融金属が鋼材１の表面に充分に濡れ広がる。また、この亜鉛系被覆層４の溶融金属と、溶接ワイヤ６（Ａｌ−Ｓｉ系溶加材）の溶融金属と、アークにより溶融したアルミニウム系材２とが混合希釈され、これらが金属的に結合すると共に、その溶融金属と鋼材１との間で拡散反応が生じることがあるが、本実施形態の異材接合方法においては、溶加材に添加された成分によって、金属間化合物が過度に生成することを抑制できるため、アルミニウム系材２と鋼材１とを、広い面積で良好に接合することができる。

また、本実施形態の異材接合方法においては、鋼板１の表面に亜鉛系被覆層４が形成されているため、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及び溶接ワイヤ６が溶融して形成される溶融金属と、鋼材１とは直接混合しない。これにより、接合部、即ち、溶接金属７中に、Ｆｅ_２Ａｌ_５及びＦｅＡｌ_３等の硬くて脆い金属間化合物が生成することを防止できる。但し、溶接時に鋼材１が溶融すると、この鋼材１の融液とアルミニウム合金からなる溶融金属とが接触し、継手の接合強度を低下させる金属間化合物が容易に生成する。このため、本実施形態の異材接合方法においては、鋼材１が溶融しない条件で溶接することが好ましい。

なお、本実施形態の異材接合方法においては、前述の第１の実施形態の溶加材を使用してミグアーク溶接しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、前述の第２乃至第６の実施形態の溶加材を使用しても、同様の効果が得られる。また、溶接方法もミグアーク溶接に限定されず、ティグ溶接、アーク溶接、レーザ溶接及びアークとレーザとを併用したハイブリッド溶接等、溶加材を使用する溶接方法であれば適用することができる。

更に、本実施形態の異材接合方法においては、表裏面に亜鉛系被覆層４が設けられている鋼材１を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、亜鉛系被覆層４は、接合に必要な箇所に設けられていればよく、局所的に形成されていてもよい。具体的には、少なくとも、鋼材１におけるアークが当たる面のアークが当たる領域に設けられていればよく、更に、鋼材１の表面におけるアルミニウム系材２と重ね合わされる部分にも形成されていることが好ましい。

更にまた、本実施形態の異材接合方法においては、被溶接材として、板状の鋼材１及びアルミニウム系材２を使用しているが、鋼材１及びアルミニウム系材２の形状はいずれも、全体が板状でなくてもよく、相互に重ね合わされる部分が板状であればよく、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。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として、下記表１に示す組成のＡｌ−Ｓｉ系溶加材又はＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用し、図１及び図２に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで、ＪＩＳ規格Ａ５１８２Ｐ−Ｏ材からなるアルミニウム合金板（Ａｌ合金板Ａ）又はＡＡ（Aluminum Association；米国アルミニウム協会）規格で規定されている６０２２−Ｔ４材からなるアルミニウム合金板（Ａｌ合金板Ｂ）と、厚さが１．０ｍｍの一般用冷間圧延鋼板ＳＰＣＥ（鋼板Ａ）の一方の面に目付量が夫々２０ｇ／ｍ^２、４０ｇ／ｍ^２又８０ｇ／ｍ^２である亜鉛めっき層（ＺｎめっきＡ）が形成されている被覆鋼板、厚さが２．０ｍｍの一般用冷間圧延鋼板ＳＰＣＥの（鋼板Ａ）一方の面に目付量が４０ｇ／ｍ^２である亜鉛めっき層又は合金化溶融亜鉛めっき層（ＺｎめっきＢ）が形成されている被覆鋼板又は、ＳＵＳ３０４（鋼板Ｂ）の一方の面に目付量が４０ｇ／ｍｍ^２である亜鉛めっき層（ＺｎめっきＡ）が形成されている被覆鋼板とを、亜鉛めっき層又は合金化溶融亜鉛めっき層が形成されている面をアルミニウム合金板側にして重ね合わせ、各種ミグ溶接により重ね隅肉溶接し、実施例１乃至２４及び比較例１乃至１０の継手を作製した。各継手に使用したアルミニウム合金板及び被覆鋼板、並びに各継手の溶接方法を下記表１に併せて示す。

そして、上述の方法で溶接した実施例及び比較例の重ね隅肉継手について、ＪＩＳ規格Ｚ２２０１−５号に記載の試験片に加工して引張試験を行い、その引張破断強度を評価した。また、ベーキング特性を評価するために、前述の実施例及び比較例の継手を、ＪＩＳ規格Ｚ２２０１−５号に記載の試験片に加工した後、２００℃で３０分間加熱処理を施したものについても、同様の方法及び条件で引張試験を行った。これらの結果を下記表３にまとめて示す。なお、下記表３に示すベーク前の強度についての評価は、引張破断強度が２２０Ｎ／ｍｍ以上の場合を○○、１８０Ｎ／ｍｍ以上２２０Ｎ／ｍｍ未満の場合を○、１４５Ｎ／ｍｍ以上１８０Ｎ／ｍｍ未満の場合を△、１４５Ｎ／ｍｍ未満の場合を×とした。また、ベークによる向上率の評価は、向上率が１００％以上の場合を○、９０％以上１００％未満の場合を△、９０％未満の場合を×とした。更に、総合評価は下記表２に基づいて行った。その際、ベーク前及びベーク後夫々の伸びの絶対値並びにベークによる伸びの変化を考慮し、特に強度及び伸びが共に低下した場合は脆性的であると判断し、評価を下げた。

上記表３に示すように、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えているＡｌ−Ｓｉ系溶加材を使用した比較例１、２及び５の継手は、ベーク前の強度が低く、またベークにより継手強度が低下した。また、比較例３、４及び６の継手は、Ａｌ−Ｓｉ系溶加材におけるＳｉ含有量が本発明の範囲よりも少ないため、ベーク前及びベーク後共に強度が低かった。更に、Ｍｇ含有量が本発明の範囲よりも少ないＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した比較例７の継手及び、溶加材のＭｇ含有量が本発明の範囲を超えているＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した比較例８の継手は、いずれもベーク前及びベーク後の強度が低かった。一方、本発明の範囲内の組成のＡｌ−Ｓｉ系溶加材又はＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した実施例１乃至２３の継手は、いずれも強度が優れていた。

次に、本発明の第２の実施例として、Ａｌ−Ｓｉ系溶加材に、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用し、図１及び図２に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで、ＪＩＳ規格Ａ５１８２Ｐ−Ｏ材からなるアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍの一般用冷間圧延鋼板ＳＰＣＥの一方の面に目付量が４０ｇ／ｍ^２の亜鉛めっき層が形成されている被覆鋼板とを、亜鉛めっき層が形成されている面をアルミニウム合金板側にして重ね合わせ、交流ミグ溶接により重ね隅肉溶接して、実施例２４乃至３１及び比較例１１乃至２２の継手を作製した。各溶加材の組成、各継手に使用したアルミニウム合金板及び被覆鋼板、並びに各継手の溶接方法を下記表４に示す。

そして、上述の方法で溶接した実施例及び比較例の重ね隅肉継手について、前述の第１の実施例と同様の方法及び条件で、ベーク前後の引張破断強度を評価した。その結果を下記表５に示す。

上記表５に示すように、Ｍｇ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例１１の継手は、強度がＭｇを添加していない溶加材を使用した実施例５の継手と同等であり、Ｍｇを添加した効果が得られなかった。また、Ｍｇ含有量が０．３質量％を超えている溶加材を使用した比較例１２の継手は、ベーク後に強度が大幅に低下した。更に、Ｍｇ含有量は本発明の範囲内であるがＳｉ含有量が１．５質量％未満である溶加材を使用した比較例１３の継手、及びＭｇ含有量は本発明の範囲内であるがＳｉ含有量が６．０質量％を超えている溶加材を使用した比較例１４の継手は、いずれもベーク前及びベーク後の強度が低かった。

Ｍｎ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例１５の継手は、Ｍｎを添加していない実施例５の継手と同等の強度しか得られず、Ｍｎを添加した効果がなかった。また、Ｍｎ含有量が０．３質量％を超えている溶加材を使用した比較例１６の継手は、ベーク後に強度が大幅に低下した。更に、Ｍｎ含有量は本発明の範囲内であるがＳｉ含有量が１．５質量％未満である溶加材を使用した比較例１７の継手、及びＭｎ含有量は本発明の範囲内であるがＳｉ含有量が６．０質量％を超えている比較例１８の継手は、何れもベーク前及びベーク後の強度が低かった。

Ｃｒ含有量が０．０５質量％未満の溶加材を使用した比較例１９の継手は、Ｃｒを添加していない実施例５の継手と同等の強度しか得られず、Ｃｒを添加した効果がなかった。また、Ｃｒ含有量が０．２０質量％を超えている溶加材を使用した比較例２０の継手は、ベーク前及びベーク後のいずれも強度が低かった。Ｚｒ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例２１の継手は、Ｚｒを添加していない実施例５の継手と同等の強度しか得られず、Ｚｒを添加した効果は認められなかった。また、Ｚｒ含有量が０．２質量％を超えている溶加材を使用した比較例２２の継手は、ベーク前及びベーク後共に強度が低かった。

一方、Ａｌ−Ｓｉ系溶加材に本発明の範囲内で、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用した実施例２４乃至３１の継手は、いずれも比較例１１乃至２２の継手よりも強度が高く、また、これらの元素を添加していない溶加材を使用した実施例５の継手よりも更に強度が向上していた。

次に、本発明の第３の実施例として、Ａｌ−Ｍｇ系溶加材に、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用し、図１及び図２に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで、ＪＩＳ規格Ａ５１８２Ｐ−Ｏ材からなるアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍの一般用冷間圧延鋼ＳＰＣＥ板の一方の面に目付量が４０ｇ／ｍ^２の亜鉛めっき層が形成されている被覆鋼板とを、亜鉛めっき層又は合金化溶融亜鉛めっき層が形成されている面をアルミニウム合金板側にして重ね合わせ、交流ミグ溶接により重ね隅肉溶接して、実施例３２乃至３７及び比較例２３乃至３０の継手を作製した。各溶加材の組成、各継手に使用したアルミニウム合金板及び被覆鋼板、並びに各継手の溶接方法を下記表６に示す。

そして、上述の方法で溶接した実施例及び比較例の重ね隅肉継手について、前述の第１の実施例と同様の方法及び条件で、ベーク前後の引張破断強度を評価した。その結果を下記表７に示す。

上記表７に示すように、Ｍｎ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例２３の継手の強度は、Ｍｎを添加していないＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手の強度と同等であり、Ｍｎを添加した効果が得られなかった。また、Ｍｎ含有量が０．３質量％を超えている溶加材を使用した比較例２４の継手は、ベーク後に強度が大幅に低下した。更に、Ｍｎ含有量は本発明の範囲内であるがＭｇ含有量が２．０質量％未満である溶加材を使用した比較例２５の継手は、ベーク前の強度が低く、更にベーク後に強度が低下した。更にまた、Ｍｎ含有量は本発明の範囲内であるがＭｇ含有量が３．５質量％を超えている比較例２６の継手は、ベーク前及びベーク後のいずれの強度も低かった。

Ｃｒ含有量が０．０５質量％未満である溶加材を使用した比較例２７の継手は、Ｃｒを添加していないＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手と同等の強度しか得られず、Ｃｒを添加した効果が認められなかった。また、Ｃｒ含有量が０．２０質量％を超えている溶加材を使用した比較例２８の継手は、ベーク後に強度が低下した。Ｚｒ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例２９の継手は、Ｚｒを添加していないＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手と同等の強度しか得られず、Ｚｒを添加した効果がなかった。また、Ｚｒ含有量が０．２質量％を超えている溶加材を使用した比較例３０の継手は、ベーク前及びベーク後共に強度が低かった。

一方、Ａｌ−Ｍｇ系溶加材に本発明の範囲内で、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用した実施例３２乃至３７の継手は、前述の比較例２３乃至３０の継手よりも強度が優れており、また、これらの元素を添加していない溶加材を使用した継手よりも強度が向上していた。

次に、本発明の第４の実施例として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材に、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用し、図１及び図２に示す方法で、厚さが１．０ｍｍで、ＪＩＳ規格Ａ５１８２Ｐ−Ｏ材からなるアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍの一般用冷間圧延鋼板ＳＰＣＥのアルミニウム合金板側の面に目付量が４０ｇ／ｍ^２の亜鉛めっき層が形成されている被覆鋼板とを、亜鉛めっき層又は合金化溶融亜鉛めっき層が形成されている面をアルミニウム合金板側にして重ね合わせ、交流ミグ溶接により重ね隅肉溶接して、実施例３８乃至４３及び比較例３１乃至４０の継手を作製した。各溶加材の組成、各継手に使用したアルミニウム合金板及び被覆鋼板、並びに各継手の溶接方法を下記表８に示す。

そして、上述の方法で溶接した実施例及び比較例の重ね隅肉継手について、前述の第１の実施例と同様の方法及び条件で、ベーク前後の引張破断強度を評価した。その結果を下記表９に示す。

上記表９に示すように、Ｍｎ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例３１の継手、強度がＭｎを添加していないＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手と同等であり、Ｍｎを添加した効果が認められなかった。また、Ｍｎ含有量が０．３質量％を超えている溶加材を使用した比較例３２の継手は、ベーク前及びベーク後の強度がいずれもＭｎを添加していないＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手よりも低下していた。更に、Ｍｎ含有量及びＭｇ含有量は本発明の範囲内であるがＳｉ含有量が１．５質量％未満である溶加材を使用した比較例３３の継手は、ベーク前及びベーク後の強度が低く、Ｓｉ含有量が６．０質量％を超えている比較例３４の継手は、ベーク後に強度が低下した。更にまた、Ｍｎ含有量及びＳｉ含有量は本発明の範囲内であるがＭｇ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例３５の継手は、Ａｌ−Ｓｉ系溶加材にＭｎのみを添加した溶加材を使用した継手と同等の強度しか得られず、Ｍｇ含有量が０．３質量％を超えている比較例３６の継手は、Ｍｎを添加していないＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手よりも低下していた。

Ｃｒ含有量が０．０５質量％未満である溶加材を使用した比較例３７の継手は、Ｃｒを添加していないＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手と同等の強度しか得られず、Ｃｒを添加した効果がなかった。また、Ｃｒ含有量が０．２０質量％を超えている溶加材を使用した比較例３８の継手は、ベーク前及びベーク後のいずれも強度が低かった。Ｚｒ含有量が０．１質量％未満である溶加材を使用した比較例３９の継手は、Ｚｒを添加していないＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手と同等の強度しか得られず、Ｚｒを添加した効果はなかった。また、Ｚｒ含有量が０．２質量％を超えている溶加材を使用した比較例４０の継手は、ベーク前及びベーク後共に強度が低かった。

一方、Ａｌ−Ｍｇ系溶加材に本発明の範囲内で、Ｍｎ、Ｃｒ又はＺｒを添加した溶加材を使用した実施例３８乃至４３の継手は、前述の比較例３１乃至４０の継手よりも強度が優れており、また、これらの元素を添加していないＡｌ−Ｍｇ系溶加材を使用した継手よりも強度が向上していた。

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを溶接して、自動車の各種構造材等に使用される複合構造材を製造する際に好適である。

異材接合方法を示す斜視図である。 異材接合された継手の接合部を示す断面図である。

符号の説明

１；鋼材
２；アルミニウム系材
３；重ね部
４；亜鉛系被覆層
５；トーチ
６；溶接ワイヤ
７；溶接金属

Claims (8)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する異材接合に使用される溶加材において、Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする異材接合用溶加材。
2. 更に、Ｍｇ：０．１乃至０．３質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の異材接合用溶加材。
3. アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接する異材接合に使用される溶加材において、Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とする異材接合用溶加材。
4. 更に、Ｍｎ：０．１乃至０．３質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．２０質量％及びＺｒ：０．１乃至０．２質量％からなる群から選択された１種の元素を含有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用溶加材。
5. Ｓｉ：１．５乃至６．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材を使用し、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接することを特徴とする異材接合方法。
6. 前記溶加材は、更に、Ｍｇ：０．１乃至０．３質量％を含有することを特徴とする請求項５に記載の異材接合方法。
7. Ｍｇ：２．０乃至３．５質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる溶加材を使用し、アルミニウム又はアルミニウム材と、表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層が設けられた鋼材とを溶接することを特徴とする異材接合方法。
8. 前記溶加材は、更に、Ｍｎ：０．１乃至０．３質量％、Ｃｒ：０．０５乃至０．２０質量％及びＺｒ：０．１乃至０．２質量％からなる群から選択された１種の元素を含有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の異材接合方法。

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