JP2006289386A - 高エネルギビームによる異種金属の接合方法、接合装置及び接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】接合界面における高融点材料から低融点材料への伝熱を確保することができ、しかも両被接合材の接合界面にガスが発生したとしても、欠陥のない健全な異材重ね接合が可能な異種金属の接合方法及び接合装置、さらにこのような方法によって接合された異種金属の接合部材を提供する。
【解決手段】融点が互いに異なる高融点材料２と低融点材料３を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射することによってこれら材料同士を重ね接合するに際して、加圧手段である圧子９によって、高エネルギビームの照射面と反対側の面から、接合部位を局部的に加圧すると共に、例えば圧子及びベースプレート６に溝９ａ，６ａを形成することによって加圧力の低い部分を形成して、接合界面に発生したガスを両材料の間から排除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属、例えばスチール材とアルミニウム合金材のように、互いに異なる融点を有する異種材料同士の接合技術に係わり、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デフォーカスさせた状態で重ね合わせた高融点材料と低融点材料の高融点側の材料表面にスポット状に照射することによって、両材料を接合する異種金属の重ね接合方法と、このような接合に用いる接合装置、さらにはこのような方法によって接合された異種金属から成る接合部材に関するものである。

従来、電子ビームやレーザビームなどのような高エネルギビームを用いた異種材料の重ね接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために高融点材料側からデフォーカスさせた高エネルギビームを照射し、高融点材料からの伝熱で低融点材料を溶融させて接合する方法がとられていた（例えば、非特許文献１参照）。
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において片側の材料（低融点材料）のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することで、金属間化合物層の成長を抑え、その厚さを薄くすることによって、材料を両方溶融させたときよりも接合部の単位面積当たりの強度を高くすることができると考えられていた。
「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００３年４月、第７２集、ｐ．１５２

高エネルギビーム用いた接合では、例えばレーザビームを材料表面に照射するため、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ビーム１を照射する側には、ビーム１と干渉しないような逃げを作った治具（押さえプレート）５を用いて高融点材料２と低融点材料３の重ね部位を挟み込むことによって、これら被接合材２及び３をベースプレート６上に固定して接合を行っていた。
なお、図５（ｂ）において、符号４は治具５を被接合材２及び３と共にベースプレート６に固定するためのボルトである。

この場合、材料の拡散を利用したこのような接合においては、キーホール溶接とは違って、接合界面における高融点材料２から低融点材料３への伝熱が極めて重要なものとなるため、特願２００４−３７３４０８号において発明者らが提案しているように、例えばエアシリンダ８を用いた加圧手段を用いて、ビーム１の照射面と反対側から低融点材料３に圧子９を押圧させ、両材料２及び３が密着する方向に接合部位を局部的に直接加圧しながら接合することも行われていた。

しかしながら、上記のような治具を用いて、例えば亜鉛めっき鋼板（高融点材料）とアルミニウム合金板（低融点材料）をデフォーカスさせたスポット状の高エネルギビームによって重ね接合した場合、接合界面において亜鉛めっき鋼板表面に存在する低融点の亜鉛が加熱されてガス化したり、あるいはアルミ中に含まれる水素がガス化したりする。
このとき、接合界面の周囲は、図６（ａ）に示すように、押さえプレート５及びベースプレート６によって固定されており、さらに接合界面は、ビーム照射面の反対側からエアシリンダ８に連結され、図６（ｂ）に示すように上端面が平面状の圧子９よって均等に加圧されていることから、接合界面において発生したガスの逃げ場がなくなり、接合界面にブローホールが生成したり、上部側が押さえプレート５によって押さえられていない上側材料（亜鉛めっき鋼板）が発生したガスの圧力により押し上げられたりする結果、接合欠陥が発生することがないとは言えず、このような場合には接合強度が低化してしまうという問題点があった。

本発明は、デフォーカスさせた高エネルギビームを高融点材料の材料表面に照射し、高融点材料からの伝熱で低融点材料を溶融させて接合する従来の異材重ね接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、接合界面における高融点材料から低融点材料への伝熱を確保することができ、しかも両被接合材の接合界面にガスが発生したとしても、欠陥のない健全な異材重ね接合が可能な異種金属の接合方法と、このような異材接合に好適な接合装置、さらにはこのような方法により接合された異種金属の接合部材を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、高エネルギビームの照射条件や照射位置等と共に、被接合材の拘束方法などについて、鋭意検討した結果、被接合材の接合面に突起や溝を設けたり、上記治具による被接合材の拘束力を局部的に緩和したりすることによって、接合界面に発生したガスを逃げ易くすることによって、安定な伝熱状態と維持しながら、欠陥発生を防止できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、高エネルギビームを用いた本発明の異種金属の接合方法においては、融点が互いに異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせ、高融点材料側の表面にデフォーカスされた高エネルギビームをスポット状に照射して、これら材料同士を重ね接合するに際して、例えばエアシリンダのような加圧手段を用いて、高エネルギビームの照射面と反対側の面から両材料の接合部位を局部的に加圧しつつ、接合界面において発生したガスを重ね合わされた両材料の間から排除しながら接合するようにしている。

また、高エネルギビームによる本発明の異種金属の接合装置は、上記した異種金属の重ね接合に好適な装置であって、上記両材料を重ね合わせた状態に固定するベースプレート及び押さえプレートと、高エネルギビームの照射面と反対側の面から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備え、上記両材料の接合部位及びその周辺部に加圧力の低い部分を形成する圧力分布調整手段が上記加圧手段の圧子と、上記ベースプレート及び押さえプレートの少なくとも一方に設けた構成としたことを特徴としている。

さらに、本発明の異種金属の接合部材は、上記接合方法によって互いに接合された異種金属から成るものであって、両材料の少なくとも一方の接合面に、例えば突起や溝などのガス抜き手段を設けた状態で接合されていることを特徴としている。

本発明によれば、高エネルギビームを用いて異種金属を重ね接合するに際して、高エネルギビームの照射面の裏面、すなわち低融点材料の側から、両被接合材料が密着する方向に接合部位を局部的に加圧しながら、デフォーカスされた高エネルギビームを照射すると共に、接合界面で発生したガスを重ね合わされた両被接合材料の間から排除するようにしていることから、接合部位における高融点材料から低融点材料への伝熱性と、拡散に必要な圧力が確保されると共に、高エネルギビームの熱によって接合界面にガスが発生したとしても、そのガス圧が高くなることがなく、ブローホールなどの欠陥の発生を防止することができ、健全な異材重ね継手を得ることができ、接合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、本発明による異種金属の接合方法と共に、これに用いる接合装置などについて、詳細かつ具体的に説明する。

本発明の異種金属の接合方法は、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から成る重ね継手における高融点側材料にデフォーカスした状態で照射することによってこれら両材料を接合するに際して、接合部位における伝熱性を確保すべく、高エネルギビームの反照射面側から接合部位を局部的に直接加圧すると共に、接合界面で発生したガスを重ね合わされた両材料の間から排除するようになし、もって接合部におけるガス圧の上昇を防止し、欠陥発生を抑えるものであるが、発生したガスを排除するための具体的手段としては、まず、被接合材の拘束方法や、接合部位に対する加圧方法を改善することが考えられる。

すなわち、上記両材料の接合部位及びその周辺部に加圧力の低い部分を形成すること、言い換えると、後述する接合装置における被接合材の拘束治具であるベースプレートや押さえプレートの被接合材との圧接面の形状、さらに接合部位に対する加圧手段としての圧子の先端形状を考慮すること、例えばベースプレート及び／又は押さえプレートの圧接面に溝を設けたり、圧子の先端面に凸状曲面や溝を形成したりすることによって、両材料の接合部位及びその周辺部にかかる加圧力を均等なものとすることなく、加圧力の低い部分が生じるような圧力分布を持たせたものとすれば、押し付け圧力の低い部分からガスを接合界面やその周辺部外に排出させることができ、ガスによる欠陥発生を防止することができる。

また、被接合材の少なくとも一方の接合面に、何らかのガス抜き手段、例えば突起を設けたり、溝を設けたりすることによってもガス抜きを行なうことができる。
つまり、接合界面から発生したガスが、突起によって両接合面間に生じた隙間や、溝を介して接合界面やその周辺部から排除されることになり、ガスによる欠陥発生を同様に防止することができる。

本発明の異種金属の接合装置は、上記したように、ベースプレートと、押さえプレートと、加圧手段を備えたものであって、高融点材料と低融点材料から成る被接合材料をベースプレートと押さえプレートの間に重ね合わせた状態に固定すると共に、当該被接合材の接合部位を加圧手段の圧子によって高エネルギビームの照射面と反対側の面から局部的に加圧することができ、さらに上記接合部位とその周辺部に加圧力の低い部分を形成する圧力分布調整手段が上記加圧手段の圧子と、上記ベースプレート及び押さえプレートの少なくとも一方に設けたものであるから、加圧力の低い部分から接合界面で発生したガスを接合界面やその周辺部の外側に排出させることができ、本発明の上記接合方法を実施するのに好適なものとなる。

ここで、上記圧子に設ける圧力分布調整手段の具体的な構造例としては、圧子の低融点材料との当接面に、例えば溝を形成したり、３次元的な曲率を有する凸部を形成したりすることができる。
すなわち、溝がある部位では材料同士が押さえ付けられる圧力が低くなり、接合界面において発生したガスが圧力の低い部位を通って周辺部に抜けるようになる。また、圧子の先端面に凸部を設けることによって、圧子に押さえられた接合界面の中央部では材料同士が押さえ付けられる圧力が高くなり、その周辺では圧力が低くなることによって、接合界面で発生したガスが中央部から順に周辺部に押し出されることになる。

そして、ベースプレート及び押さえプレートの少なくとも一方には、その被接合材料との当接面に溝を設けることによって圧力分布調整手段とすることができる。
すなわち、溝がある部位では、同様に材料同士が押さえ付けられる圧力が低くなることから、接合部位から周辺部に押出されたガスが両材料の間の圧力が低い部分を通って外部に排出されることになる。

なお、上記加圧手段としては、特に限定されるものではないが、例えばエアシリンダを用いることが望ましく、これによって材料が溶融、変形して加圧方向への変位が生じたような場合でも、常に接合部にかかる力を一定に保つことができる。
また、このようなエアシリンダ以外にも、油圧シリンダ等、他の流体を用いた機構を用いることもでき、同様の効果が得られる。

さらに、上記加圧手段において、被接合材料と直接に接触する圧子については、水冷などによる冷却機構を設けることもでき、これによって低融点材料側の抜熱ができるようになり、低融点材料の溶け落ちを防止して、異材重ね接合継手の品質を安定させることができるようになる。

そして、本発明の異種金属の接合部材は、上記のように、両被接合材料の少なくとも一方の接合面に、例えば突起や溝などのガス抜き手段を設けた状態で接合されているので、ブローホールなどの欠陥のない健全な重ね継手とすることができ、接合強度の優れたものとなる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明する。なお、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。

（実施例１）
高融点材料２として、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板を使用すると共に、低融点材料３として、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板材を使用し、これらを７５ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切断すると共に、亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）が上側になるように、長手方向に２０ｍｍだけ重ね、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ビーム照射面と反対側からこれら被接合材料２，３を加圧するエアシリンダ（加圧手段）８（図５参照）を備えた接合装置のベースプレート６の上に、レーザビーム１が通る位置に孔を開けた押さえプレート５を介して当該被接合材料２，３を固定した。なお、上記ベースプレート６の被接合材料載置面には、溝６ａが形成されている。

上記接合装置は、エアシリンダ８の可動部先端に、図１（ｃ）に示すような十字状の溝９ａを備えた圧子９が取り付けてあり、エアシリンダ８にエアを導入することによって、圧子９が上方に作動し、アルミニウム合金材３（低融点材料）を押し上げることで接合部位をアルミニウム合金材３の側から直接加圧できる構造となっている。

亜鉛メッキ鋼板２（高融点材料）の側から被接合材料２，３のラップ中央部にＮｄ：ＹＡＧレーザビームを移動させることなく、一点に照射することにより亜鉛メッキ鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。
このとき、ＹＡＧレーザの照射条件は、亜鉛メッキ鋼板２側が溶融することなく、アルミニウム合金材３のみが溶融するような温度分布となるように、レーザの亜鉛メッキ鋼板２上でのスポット径、レーザ出力、照射時間を設定した。具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器、焦点距離１００ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板２の表面上におけるスポット径が７ｍｍとなるようにビームをデフォーカスし、レーザ出力１．５ｋW、照射時間１．４秒とした。また、レーザ照射中には、レーザビームと同軸のノズルからアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流して、接合部位を大気からシールドするようにした。

また、加圧手段としてのエアシリンダ８については、約８０ｋｇｆの力でアルミニウム合金材３の側から接合部を加圧できるように、エアの圧力を調整し、ビーム照射する前に加圧を始め、ビーム照射終了後にエアを抜いて加圧力を解除するようにした。

図６に示したように、圧子９の先端が平面であって、ベースプレート６の材料固定部に溝が切ってない接合装置を用いて接合を行った場合には、接合界面において亜鉛めっき鋼板２上に存在する亜鉛がガス化したり、アルミ合金中の水素がガス化したりすることによって発生したガスが接合界面から排除されないために、接合後に接合界面に残存してブローホールとなったり、部分的に亜鉛めっき鋼板２の中央部が局部的に溶融した時には、溶融部から亜鉛めっき鋼板２の表面に、溶融した材料とともにガスが噴出することによって接合欠陥となったりすることがあり、いずれにしても有効な接合面積が減少するため、接合強度が低下してしまう。

これに対して、上記接合装置を用いた本発明の接合方法においては、圧子９の十字状溝９ａに対応する部位においては、材料同士が押さえ付けられる圧力が小さいため、図１（ａ）中に矢印で示すように、この部位から接合界面に発生したガスが接合界面外に排出される。
また、両材料を固定するベースプレート６の溝６ａに相当する部位においても、同様に材料同士が押さえ付けられる圧力が小さくなるため、接合界面から排出されたガスはこの部位を通って、重ね合わされた板間に抜けることになる。

したがって、接合後には、接合界面に亜鉛や水素のガスは残存せず、ブローホールが発生せず、また亜鉛めっき鋼板２の中央部が局部的に溶融したとしても、ガスが亜鉛めっき鋼板表面に噴出することはなく、接合欠陥が発生することがなくなって、有効な接合面積を広くすることができるため、接合強度を高くすることができる。

（実施例２）
被溶接材料（低融点材料３）との当接面に十字溝９ａを形成した圧子９に替えて、図２に示すように、当接面に３次元曲率を有する凸部９ｂを設けた圧子９を用いた他は、上記実施例１と同様の条件で亜鉛メッキ鋼板２とアルミニウム合金材３を接合した。
この場合には、圧子９に押さえられた接合界面の中央部では、材料同士が押さえ付けられる圧力が高く、その周辺では圧力が低くなることから、図２中に矢印で示すように、接合界面で発生したガスが中央部から順に周辺部に押し出され、接合界面より押し出されたガスは、接合界面周辺を固定するベースプレート６の溝６ａによって圧力が低くなっている部位からさらに板間へ抜けるようになるため、ガスによる接合欠陥を防止することができ、接合面積が増加するので、上記実施例１と同様に接合強度を向上させることができる。

（実施例３）
図３に示すように、アルミニウム合金材３（低融点材料）の表面に、突起として凸状のビード１０，１０を設けたものを被接合材料として用い、接合面の側にビードの凸部が位置するように、この上に亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）を重ね、実施例１と同様の照射条件でレーザを照射した。なお、上記突起１０は、亜鉛めっき鋼板２の側に設けても、両方に設けてもよい。
このとき、実施例２と同様にビーム照射面と反対側から被接合材料を加圧する圧子９には、アール形状を持った凸部９ｂを設けたものを用い、レーザ光が通る部位に穴を開けた押さえプレート５によって被接合材料２，３をベースプレート６上に固定した。なお、ベースプレート６には上記実施例のような溝は形成しなくてもよい。もちろん、実施例１と同様に、十字溝６ａを形成した圧子９を用いても差し支えない。

この場合、接合界面に発生したガスは、上記実施例２と同様に、中央部から周辺部に押し出され、あらかじめ凸状のビード１０，１０が板間に位置するように両板材が重ねられているため、接合界面周辺の板間には隙間が形成されているので、接合界面から排出されたガスは、図中に矢印で示すように、この隙間を介して重ね合わされた板間に抜けることになる。
したがって、上記実施例と同様に、接合後は接合界面に亜鉛や水素のガスは残存せず、ブローホールなどの接合欠陥が発生しないため、有効接合面積を拡大することができ、接合強度が高くすることができる。

（実施例４）
図４に示すように、アルミニウム合金材３（低融点材料）又は亜鉛めっき鋼板２（高融点材料）の表面、あるいはその両方の表面に、板材の端部にまで達する溝１１（この実施例ではＶ形断面溝）を形成し、この溝１１が内側となって、接合部位を通るように両被接合材料２，３を重ね、亜鉛めっき鋼板２の側から、上記実施例と同様の照射条件でレーザを照射した。
このとき、上記各実施例と同様に、ビーム照射面の反対側から接合部位を加圧するが、圧子９の先端には溝９ａや凸部９ｂを必ずしも必要とせず、平面状の圧子９を用いてもよい。また、レーザ光が通る部位に穴を開けた押さえプレート５によって上記両被接合材料２，３をベースプレート６の上に固定することになるが、これら材料固定部にも、上記実施例のような溝を形成する必要はない。

このような溝１１を予め形成した被接合材を用いて接合を行った場合には、接合界面に発生したガスが上記溝１１を通って両材料の重ね合わせ部の外に抜けるため、同様に接合部位におけるガス圧を低く抑えることができ、ブローホールやガス噴出など、接合欠陥が防止でき、上記各実施例と同様に、有効な接合面積を大きくして接合強度を向上させることができる。

本発明の第１の実施例に用いた接合装置の構造とガス抜け状況を示す縦断面図（ａ）、横断面図（ｂ）及び当該装置の圧子先端形状を示す斜視図（ｂ）である。 本発明の第２の実施例に用いた接合装置の構造とガス抜け状況を示す縦断面図（ａ）及び横断面図（ｂ）である。 本発明の第３の実施例に用いた接合装置の構造とガス抜け状況を示す断面図である。 本発明の第４の実施例に用いた被接合材料の形状を示す斜視図である。 異種金属の接合に用いる従来の接合装置の構造と接合要領を説明する断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。 （ａ）図５に示した従来の接合方法における欠陥の発生状況を示す説明図である。（ｂ）図５に示した接合装置における圧子の先端形状を示す斜視図である。

符号の説明

１ 高エネルギビーム
２ 高融点材料
３ 低融点材料
５ 押さえプレート
６ ベースプレート
６ａ 溝
８ エアシリンダ（加圧手段）
９ 圧子
９ａ 溝
９ｂ 凸部
１０ 突起
１１ 溝

Claims (12)

1. 互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射して、上記材料同士を重ね接合する異種金属接合において、高エネルギビームの照射面と反対側の面から上記両材料の接合部位を局部的に加圧すると共に、接合界面に発生するガスを重ね合わされた両材料の間から排除しながら接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
2. 上記両材料の接合部位及びその周辺部に加圧力の低い部分を形成して接合界面に発生するガスを排除することを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
3. 上記両材料の少なくとも一方の接合面にガス抜き手段を設けて接合界面に発生するガスを排除することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
4. 上記両材料の少なくとも一方の接合面に突起を設けて接合界面に発生するガスを排除することを特徴とする請求項３に記載の異種金属の接合方法。
5. 上記両材料の少なくとも一方の接合面に溝を設けて接合界面に発生するガスを排除することを特徴とする請求項３に記載の異種金属の接合方法。
6. 互いに融点の異なる高融点材料と低融点材料を重ね合わせた状態でデフォーカスされた高エネルギビームを高融点材料表面にスポット状に照射して、上記材料同士を重ね接合する異種金属の接合装置であって、
   上記両材料を重ね合わせた状態に挟持して固定するベースプレート及び押さえプレートと、高エネルギビームの照射面と反対側の面から上記両材料の接合部位を局部的に加圧する圧子を有する加圧手段を備えると共に、上記両材料の接合部位及びその周辺部に加圧力の低い部分を形成する圧力分布調整手段が上記加圧手段の圧子と、上記ベースプレート及び押さえプレートの少なくとも一方に設けてあることを特徴とする異種金属の接合装置。
7. 上記圧子に設けた圧力分布調整手段が上記低融点材料との当接面に形成した溝であることを特徴とする請求項６に記載の異種金属の接合装置。
8. 上記圧子に設けた圧力分布調整手段が上記低融点材料との当接面に形成した３次元曲率を有する凸部であることを特徴とする請求項６に記載の異種金属の接合装置。
9. 上記ベースプレート及び押さえプレートの少なくとも一方に設けた圧力分布調整手段が上記被接合材料との当接面に形成した溝であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合装置。
10. 両材料の少なくとも一方の接合面にガス抜き手段を設けた状態で接合されていることを特徴とする異種金属の接合部材。
11. 両材料の少なくとも一方の接合面に突起を設けた状態で接合されていることを特徴とする請求項１０に記載の異種金属の接合部材。
12. 両材料の少なくとも一方の接合面に溝を設けた状態で接合されていることを特徴とする請求項１０に記載の異種金属の接合部材。

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