JP2006224146A

JP2006224146A - 異材接合方法

Info

Publication number: JP2006224146A
Application number: JP2005041293A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Eguchi; 法孝江口; Satoru Iwase; 哲岩瀬
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】アルミニウム又はアルミニム合金材と鋼材とを接合することができ、且つ優れた接合強度が得られる異材接合方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム系材１と、表面にアルミニウム系めっき層３が形成された鋼材１とを、アルミニウム系めっき層３がアルミニウム系材１側になるようにしてその端部で重ね合わせる。そして、その重ね部に、アルミニウム系材１側から、回転駆動された接合ツール１１のピン部１２を進入させて摩擦撹拌接合する。このとき、ピン部１２はアルミニウム系材１及びアルミニウム系めっき層３にのみ進入させて、ピン部１２の先端部が鋼材１に進入しないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合により材質が相互に異なる金属材同士を接合して複合構造部材を得る異材接合方法に関し、特に、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを接合する異材接合方法に関する。

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）は、軽量で耐食性が優れているため、種々の分野で使用されている。その際、強度が要求される用途においては、厚肉化することにより要求強度を満足させている。しかしながら、アルミニウム系材を厚肉化すると、その長所である軽量性が損なわれ、更に、コンパクトな設計に対応する構造部材としても適さない。そこで、近時、機械的強度が優れている鋼材により形成された構造部材の一部に、軽量で耐食性が優れているアルミニウム系材を使用したハイブリッド構造部材が提案されている。

従来、材質が異なる金属材同士を組み合わせて１つの構造部材とする場合は、金属材同士を重ね合わせて、その重ね合わせ部をボルトナット、リベット及び嵌め合わせ等により、機械的に結合している。しかしながら、このような機械的結合方法は、優れた継手強度が得られにくく、生産性も低い。

また、スポット溶接により鋼材とアルミニウム系材とを接合する方法もあるが、その場合、接合界面にＦｅ−Ａｌ系の極めて脆弱な金属間化合物が多量に生成するため、十分な継手強度が得られない（例えば、特許文献１参照。）。そこで、特許文献１においては、抵抗溶接により鋼材とアルミニウム系材とを接合する方法が提案されている。図４は特許文献１に記載の抵抗溶接方法を模式的に示す図である。図４に示すように、特許文献１に記載の抵抗溶接方法は、鋼材１０１の接合面上に鋼よりも融点が低い金属材料からなるめっき層１０２を形成し、このめっき層１０２とアルミニム系材１０４との間に抵抗体１０３を介在させ、電源１０７により電極１０５及び電極１０６間に電圧を印加することによって、鋼材１０１及びアルミニウム系材１０４を接合している。

一方、構造部材用のアルミニウム系材同士を接合する場合には、摩擦撹拌接合等が利用されている（例えば、特許文献２参照。）。摩擦撹拌接合は、継手強度が大きく、歪みが小さいため残留応力が少なく、溶接割れを生じやすい材料、鋳物及び複合材料等の接合が可能であるため、種々の材料の接合に使用されている。

特開平７−２４５８１号公報特許第２７９２２３３号公報

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。特許文献１に記載の抵抗溶接方法により構造材用のアルミニウム系材と鋼材とを接合する場合、鋼材１０１とアルミニウム系材１０４との間に抵抗体１０３を配置しなければならないため生産性が低くなる上に、この抵抗体１０３の材質が接合強度に影響を及ぼすという問題点がある。また、抵抗溶接により構造部材用の鋼材とアルミニウム系材とを接合するためには、大電力が必要となるという問題点もある。

また、摩擦撹拌接合を鋼材とアルミニウム系材との接合に適用した場合、鋼材とアルミニウム系材との間で拡散が十分に進まないため、接合にしくいという問題点がある。また、接合できたとしても、前述のスポット溶接と同様に、接合界面にＦｅ−Ａｌ系の極めて脆弱な金属間化合物が生成するため、十分な接合強度が得られな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、アルミニウム又はアルミニム合金材と鋼材とを接合することができ、且つ優れた接合強度が得られる異材接合方法を提供することを目的とする。

本発明の異材接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金材と、少なくとも接合予定部の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層が形成された鋼材とを、前記被覆層が前記アルミニウム又はアルミニウム合金材側になるようにしてその端部で重ね合わせる工程と、その重ね部に回転駆動された接合ツールのピン部を前記アルミニウム又はアルミニウム合金材側から進入させることにより前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを摩擦撹拌接合する工程と、を有することを特徴とする。

本発明においては、鋼材の接合予定の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を設け、この被覆層がアルミニウム又はアルミニウム合金材側になるようにして重ね合わせ、更に接合ツールのピン部をアルミニウム又はアルミニウム合金材側から進入させて摩擦撹拌接合しているため、ピン部により撹拌される部分が主にアルミニウム又はアルミニウム合金材及び被覆層となり、撹拌部を同種金属同士による良好な接合状態とすることができる。また、本発明においては、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを摩擦撹拌接合しているため、溶接等の従来の接合方法に比べて、接合部における熱影響部が小さくなり接合部の強度が向上すると共に、接合部表面の盛り上がりを少なくすることができる。その結果、接合部の強度が優れたアルミニウム又はアルミニム合金材と鋼材との複合構造部材が得られる。

前記ピン部は、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材及び前記被覆層にのみ進入させ、前記鋼材には進入させなくてもよい。これにより、接合部にＦｅ−Ａｌ系の脆弱な金属間化合物が生成することを防止することができ、接合部の強度を向上させることができる。

また、前記ピン部を、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材及び／又は前記鋼材の端部に沿って移動させてもよい。このように、摩擦撹拌線接合することにより、継手の接合強度をより向上させることができる。

更に、前記被覆層は、例えばめっきにより形成することができる。これにより、鋼材と被覆層との界面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の強固な３元系の金属間化合物が生成するため、良好な継手強度が得られる。

本発明によれば、鋼材の接合予定部の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層を設け、この被覆層がアルミニウム又はアルミニウム合金材側になるようにして鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを重ね合わせ、接合ツールのピン部をアルミニウム又はアルミニウム合金材側から進入させて摩擦撹拌接合しているため、接合部を主にアルミニウム又はアルミニウム合金により形成することができ、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とからなり接合部の強度が良好な継手が得られる。

以下、本発明の実施の形態に係る異材接合方法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であり、図２は図１に示すＡ−Ａ線による断面図である。図１及び２に示すように、本実施形態の異材接合方法においては、鋼材１とアルミニウム又はアルミニウム合金材（アルミニウム系材）２とを摩擦撹拌接合する。

先ず、鋼材１とアルミニウム系材２とをその端部で重ね合わせる。このとき、鋼材１としては、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めっき層３が形成されているものを使用する。このアルミニウム系めっき層３の厚さは、片面で例えば５乃至８０μｍである。なお、図１及び図２においては、鋼材１の両面にアルミニウム系めっき層３が形成されているが、このアルミニウム系めっき層３は、接合に必要な箇所に設けられていれば部分的な被覆であってもよい。但し、少なくとも接合ツール１１により撹拌される部分、即ち、接合部には必須であり、更に重ね部にも形成されていることが望ましい。また、鋼材１としては、軟鋼、高張力鋼及びステンレス鋼等種々の鋼材を適用することができる。更に、鋼材１及びアルミニウム系材２の形状は、重ね部が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。

次に、回転駆動装置に支持された円柱状の本体部の先端に設けられたショルダー部１３の端面に、ショルダー部１３よりも小径のピン部１２がショルダー部１３と同軸的に設けられている接合ツール１１を使用して、鋼材１とアルミニウム系材２との重ね部を接合する。具体的には、接合ツール１０を回転させながらそのピン部１２を、アルミニウム系材２の表面から重ね部におけるアルミニウム系材２及びアルミニウム系めっき層３に進入させる。そして、接合ツール１１を回転させながら、ピン部１２を鋼材１及び／又はアルミニウム系材２の端部に沿って移動させる。このとき、ピン部１２の先端部の進入はアルミニウム系めっき層３までとし、鋼材１まで到達しないようにする。これにより、アルミニウム系材２及びアルミニウム系めっき層３中に進入しているピン部１２の周囲は、摩擦熱により加熱されて塑性流動が生じ、ピン部１２を鋼材１及び／又はアルミニウム系材２の端部に沿って移動させることにより、ピン部１２の前方の材料が塑性流動しながらこれらの後方に移動して接合組織が形成され、鋼材１とアルミニウム系材２とが接合される。なお、ピン部１２は、アルミニウム系めっき層３に進入していなくてもよく、アルミニウム系めっき層３の近傍まで進入していればアルミニウム系めっき層３に塑性流動が生じ、アルミニウム形材２とアルミニウム系めっき層３との間に接合組織が形成される。この場合、鋼材１は撹拌されない。

本実施形態の異材接合方法においては、表面にアルミニウム系めっき層３が形成された鋼材１とアルミニウム系材２とを重ね合わせ、鋼材１にピン部１２が進入しないようにして、重ね部におけるアルミニウム系材２及びアルミニウム系めっき層３のみを撹拌しているため、撹拌部を同種金属同士による良好な接合状態とすることができる。また、鋼板１とアルミニウム系めっき層３との界面には、アルミニウム系めっき層３を形成する際に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の強固な３元系金属間化合物が形成されるが、この３元系金属間化合物は摩擦撹拌接合によって消失することなく、接合後も鋼板１とアルミニウム系めっき層３との界面に残存する。その結果、本実施形態の異材接合方法により接合された継手は、スポット溶接による接合等の従来の異材接合方法により接合された継手よりも、接合強度を向上させることができる。

なお、本実施形態の異材接合方法においては、アルミニウム系めっき層３に、必要に応じて、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｂ、Ｚｎ、Ｃｒ及びＭｎ等の元素を添加することができる。また、アルミニウム系めっき層３に添加された元素が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の３元系金属間化合物が形成されている層にも含まれる場合もある。

次に、本発明の実施形態の変形例について説明する。図３は本実施形態の変形例の異材接合方法を示す斜視図である。なお、図３においては、図１及び図２に示す異材接合方法における構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。図１及び図２に示す異材接合方法においては、鋼材１とアルミニウム系材２とを重ね合わせ、摩擦撹拌接合によりその端部に沿って重ね部を線接合しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、摩擦撹拌接合法によって重ね部を局所的に点接合することもできる。その際、前述の実施形態の異材接合方法と同様に、ピン部１２の先端が鋼材１に到達しないようにする。

摩擦撹拌点接合は、形状が複雑な被接合材同士を接合することができるため、本変形例の異材接合方法を適用することにより、例えば、自動車用構造部材等のように、複雑な形状の構造部材を作製することができる。また、本変形例の異材接合方法は、前述の実施形態の異材接合方法と同様に、表面にアルミニウム系めっき層３が形成された鋼材１とアルミニウム系材２とを重ね合わせ、鋼材１にピン部１２が進入しないようにして、重ね部におけるアルミニウム系材２及びアルミニウム系めっき層３を撹拌して接合しているため、接合部に脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が形成されず、また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の強固な３元系金属間化合物が残存しているため、優れた継手強度が得られる。なお、本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述の実施形態の異材接合方法と同様である。

以下、本発明の効果について、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、本発明の実施例として、ＪＩＳ規格５０５２に規定されているアルミニウム合金からなり厚さが１．０ｍｍのアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍの鋼板の表面に、厚さが０．２乃至５μｍのＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の３元系金属間化合物層が形成され、更にその上に、厚さが１０μｍで、Ｓｉ含有量が３乃至１５質量％で、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成のアルミニウム合金めっき層が形成されているアルミニウム合金めっき鋼板とを、ショルダー部の外径が１１ｍｍ、ピン部の外径が３ｍｍである接合ツールを使用して、図１及び図２に示す方法で摩擦撹拌線接合するか、又は、図３に示す方法で摩擦撹拌点接合して実施例１及び実施例２の継手を作製した。

また、本発明の比較例として、厚さが１．０ｍｍでＪＩＳ規格５０５２に規定されているアルミニウム合金からなるアルミニウム合金板と、厚さが１．０ｍｍでＪＩＳ規格Ｇ３１４１に規定されている裸鋼板（冷延鋼板ＳＰＣＣ）とを、ショルダー部の外径が１１ｍｍ、ピン部の外径が３ｍｍである接合ツールを使用して、図１及び図２に示す方法で摩擦撹拌線接合するか、又は、図３に示す方法で摩擦撹拌点接合して比較例１及び比較例２の継手を作製した。

そして、実施例１及び２並びに比較例１及び２の継手について、ＪＩＳ規格Ｚ２２０１−５号に規定されている試験片に加工した後、引張試験を行った。これにより得られた各継手の接合部における引張せん断強度を下記表１に示す。

上記表１に示すように、アルミニウムめっき鋼板を使用した実施例１及び実施例２の継手は、裸鋼板を使用した比較例１及び比較例２の継手に比べて、接合部の引張せん断強度が２倍以上となり、良好な継手強度が得られた。

本発明は、鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを接合して、複合構造部材を作製する際に適用することができ、特に、車両用構造部材及び自動車用構造部材等の複雑な形状の構造部材を製造する際に好適である。

本発明の実施形態の異材接合方法を示す斜視図である。鋼材とアルミニウム系材との重ね部を示す断面図である。本発明の変形例の異材接合方法を示す斜視図である。特許文献１に記載の抵抗溶接方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１、１０１；鋼材
２、１０４；アルミニウム系材
３；アルミニウム系めっき層
１１；接合ツール
１２；ピン部
１３；ショルダー部
１０２；めっき層
１０３；抵抗体
１０５、１０６；電極
１０７；電源

Claims

アルミニウム又はアルミニウム合金材と、少なくとも接合予定部の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる被覆層が形成された鋼材とを、前記被覆層が前記アルミニウム又はアルミニウム合金材側になるようにしてその端部で重ね合わせる工程と、その重ね部に回転駆動された接合ツールのピン部を前記アルミニウム又はアルミニウム合金材側から進入させることにより前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを摩擦撹拌接合する工程と、を有することを特徴とする異材接合方法。
前記ピン部を前記アルミニウム又はアルミニウム合金材及び前記被覆層にのみ進入させ、前記鋼材には進入させないことを特徴とする請求項１に記載の異材接合方法。
前記ピン部を前記アルミニウム又はアルミニウム合金材及び／又は前記鋼材の端部に沿って移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の異材接合方法。
前記被覆層は、めっきにより形成されたものであ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。