JP2007136524A - 異材接合方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】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、容易に且つ高強度で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】アルミニウム系被溶接材１と、鉄系被溶接材２とを溶接する異材接合方法において、鉄系被溶接材２はその表面に亜鉛系被覆層３を有し、アルミニウム系被溶接材１は少なくとも鉄系被溶接材２と接合する部位に塗布されたフラックス層４を有し、アルミニウム系被溶接材１をトーチ側に配置して前記２つの被溶接材を重ね合わせた状態で、溶融溶接法により、前記２つの被溶接材を接合することを特徴とする異材接合方法。
【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。
同種材料同士を接合する方法としては、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接及びレーザ溶接等の溶融溶接方法が一般的に使用されているが、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おいては、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に、ＦｅＡｌ３又はＦｅ２Ａｌ５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ため、上記溶融溶接方法を適用することができなかった。
また、異材接合にＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接を適用した例として、電極ワイヤに酸化膜除去効果のあるフラックスコアードワイヤを使用し、純アルミニウムと裸鋼板とを直流パルス電源を使用してＭＩＧ溶接したものがある（非特許文献１）。しかし、異材接合にＭＩＧ溶接を適用した場合、直流パルスＭＩＧ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ってスパッタが発生しやすく、酸化膜を除去するクリーニング作用が不十分である等の問題点がある。
そこで、従来の異材接合方法としては、特許文献１、２及び非特許文献２に開示された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。
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接合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 溶接学会論文集第２２巻第２号ｐ３１５−３２２（２００４）
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、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、接合の際に脆い金属間化合物の生成を抑制する必要があり、つまり鋼を溶融させないように制御する必要があり、安定的に接合するのは困難である。
また、スポット溶接により異材接合を行う場合は、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し、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、レーザロール接合方法による異材接合においては、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、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、線接合で気密的及び液密的に封止できると共に、高強度で接合でき、幅広い施工条件で、安定して、また大がかりな装置を必要とすることなく、容易に、且つ低コストで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を被覆する亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有し、アルミニウム系被溶接材は少なくとも鉄系被溶接材と接合する部位に塗布されたフラックス層を有し、前記アルミニウム系被溶接材をトーチ側に配置して前記２つの被溶接材を重ね合わせた状態で、溶融溶接法により、前記２つの被溶接材を接合することを特徴とする。
また、本発明に係る他の異材接合方法は、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、鉄系被溶接材とを溶接する異材接合方法において、鉄系被溶接材はその表面を被覆する亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有し、アルミニウム系被溶接材をトーチ側に配置して前記２つの被溶接材を重ね合わせた状態で、溶加材としてアルミニウム合金シースの内部にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤを使用し、前記フラックス入りワイヤに通電しない溶融溶接法により、前記２つの被溶接材を接合することを特徴とする。
アルミニウム系被溶接材の少なくとも鉄系被溶接材と接合する部位に塗布されるか又は溶加材としてのアルミニウム合金シースの内部に充填されるフラックスは、弗化物系フラックスとすることができる。
また、溶加材としてのフラックス入りワイヤのアルミニウム合金シースは、Ｓｉ：２乃至１３質量％を含有していることが好ましい。
更にまた、アルミニウム合金シースは、Ｍｇ：３質量％以下及び／又はＭｎ：１質量％以下を含有していてもよい。
本発明によれば、レーザ等による熱源からの熱でアルミニウム系被溶接材の加熱部が溶融すると共に、フラックスが溶融し、溶融したフラックスがアルミニウム系被溶接材の溶融部に添加され、鉄系被溶接材の表面の亜鉛系被覆層が溶融して鉄系被溶接材の表面をアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯が滑らかに覆う。これにより、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とが強固に密着し、高い界面接合力で両者が接合される。鉄の部分は溶融しないので、非金属介在物は生成しない。また、フラックス入りワイヤを使用する場合は、フラックス入りワイヤは通電しないので、アークがフラックスを蒸発させることもなく、安定して接合部が得られる。
以下、本発明の実施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（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る異材接合方法を示す概略図である。図１（ａ）は、アルミニウム系被溶接材１に備えるフラックス層４をトーチ側に備えた例、図１（ｂ）は、アルミニウム系被溶接材１に備えるフラックス層４を接合する鉄系被溶接材２側に備えた例である。表面にフラックス層４を備えたアルミニウム系被溶接材１と、表面が亜鉛系被覆層３によって被覆された鉄系被溶接材２とが、アルミニウム系被溶接材１をトーチ側にして重ねられた状態で配置されている。フラックス層４は、アルミニウム系被溶接材１の少なくとも鉄系被溶接材と接合する部位に塗布されていればよい。アルミニウム系被覆材１の端面部において、フラックス層４と共に図１（ａ）及び（ｂ）中の矢印に示すレーザ光５によって加熱溶融させ、アルミニウム系被溶接材１と鉄系被溶接材２とを接合する。このとき、必要により溶加材を添加してもよい。
接合の際、図１（ａ）及び（ｂ）中の矢印に示すレーザ光５による加熱によってアルミニウム系被溶接材１のレーザ光照射部位が溶融する。このとき、アルミニウム系被溶接材１の表面に塗布されたフラックス層４が溶融して、アルミニウム系被溶接材１の溶融部に添加される。そうすると、鉄系被溶接材２の表面の亜鉛系被覆層３のみが溶融熱による熱反応によって除去されるが、鉄系被溶接材２の表面は溶融しない。そして、鉄系被溶接材２の表面は、溶融部において濡れ性が向上し、鉄系被溶接材２の表面を溶融したアルミニウム合金の溶湯が滑らかに覆う。これにより、アルミニウム系被溶接材１と鉄系被溶接材２とが強固に密着するため、結果として強固な界面接合力を得ることができる。
本実施形態においては、接合方法として、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶接で一般的に使われている溶融溶接法、例えばレーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、プラズマ溶接及び電子ビーム溶接等を使用することができる。
図２は、本発明の第２実施形態に係る異材接合方法を示す概略図である。アルミニウム系被溶接材１と、表面が亜鉛系被覆層３により被覆された鉄系被溶接材２とが、アルミニウム系被溶接材１をトーチ側にして重ねられた状態で配置されている。このアルミニウム系被溶接材１の端面部においてフラックス入りワイヤ６を溶加材として図２中の矢印に示すレーザ光５によって加熱溶融させ、アルミニウム系被溶接材１と鉄系被溶接材２とを接合する。
フラックス入りワイヤ６は、円筒状のアルミニウム合金シースの内部にフラックスを充填させたものであり、接合の際、図２中の矢印に示すレーザ光５による加熱によってアルミニウム系被溶接材１のレーザ光照射部位が溶融する。このとき、フラックスがアルミニウム合金シースと共に溶融して、アルミニウム系被溶接材１の溶融部に添加される。そうすると、鉄系被溶接材２の表面の亜鉛系被覆層３のみが溶融熱による熱反応によって除去されるが、鉄系被溶接材２の表面は溶融しない。そして、鉄系被溶接材２の表面は、溶融部において濡れ性が向上し、鉄系被溶接材２の表面を溶融したアルミニウム合金の溶湯が滑らかに覆う。これにより、アルミニウム系被溶接材１と鉄系被溶接材２とが強固に密着するため、結果として強固な界面接合力を得ることができる。
本実施形態の異材接合方法では、レーザ光又はＴＩＧ等で加熱し、フラックス入りワイヤ６に通電させない接合方法でアルミニウム系被溶接材１と鉄系被溶接材２との接合を行う。フラックス入りワイヤ６に通電させる接合方法、例えばＭＩＧ溶接又はＹＡＧ−ＭＩＧ溶接で接合を行うと、フラックスには通電性がないため電気抵抗となり、通電によって発熱し、フラックス入りワイヤ６の先端が過剰に溶融して大きな溶滴を形成して材料に落下する状態となり、アークが断続的に途切れて非常に不安定な溶融部が形成される。また、フラックス入りワイヤ６の先端のアーク熱によって材料に到達する前にその内部のフラックスが蒸発し、鉄系被溶接材２表面の亜鉛系被覆層３への反応が抑制されるばかりか、この蒸気化したフラックスが溶接雰囲気中に混入し、結果としてアークを不安定にさせる。このため、フラックス入りワイヤ６を電極化した方法では安定した接合部が得られない。フラックス入りワイヤ６に通電しない接合方法において、その熱源としては、例えば、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接又はプラズマアーク溶接を使用することができる。
フラックス入りワイヤ６のアルミニウム合金シースには、溶接部の湯流れ性のよいＳｉを添加することが好ましい。これにより接合部の濡れ性を保持し、界面密着性を維持する。このときＳｉの添加量が２質量％未満では、十分な濡れ性を得られないばかりか、溶接部の強度が低くなるため、結果として継手性能の低下につながる。一方、１３質量％を超えると、溶接部が硬化し、靭性が低下する。特に高強度な継手を得るためには、アルミニウム合金シースのＳｉ添加量は２乃至６質量％の範囲が最も効果的である。
また、フラックス入りワイヤ６のアルミニウム合金シースに３質量％以下のＭｇを添加することが好ましい。３質量％以下のＭｇを添加することによって、溶融池の融点を下げることができ、この結果、フラックス入りワイヤ６の被溶接材に対する濡れ性を更に保持させることができると共に、溶接部に固溶して強化させ、継手強度向上に効果がある。一方、３質量％を超えると、Ｓｉと反応し、脆い共晶組織を形成しやすくなる。
更にまた、フラックス入りワイヤ６のアルミニウム合金シースに１質量％以下のＭｎを添加することが好ましい。１質量％以下のＭｎを添加することによって、結晶が粒微細化され、溶接金属部の継手強度を向上させる。一方、１質量％を超えると、結晶粒が粗大化され、継手強度を低下させる。
アルミニウム系被溶接材１の少なくとも鉄系被溶接材２と接合する部位に塗布されるか又は溶加材としてのアルミニウム合金シースの内部に充填されるフラックスは、ノコロック（登録商標）等の弗化アルミニウム、弗化カリウム等を含む弗化系フラックスであることが好ましい。更にこの弗化系フラックスは、弗化セシウム等、Ｃｓを含むフラックスであることがより好ましい。これにより、フラックスの活性温度を低下させ、アルミニウム溶湯の湯流れ性及び浸透性を向上させるため、接合強度が向上する。
次に、本発明の異材接合方法の効果を実証するために、本発明の範囲に入る実施例について溶接後の引張強度及び曲げ強度を試験した結果を、本発明の範囲から外れる比較例と比較した結果について説明する。
先ず、第１試験例について説明する。本発明の第１実施形態において、レーザ溶接による異材接合をおこなった。レーザは連続発振のＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザを使用した。施工条件は、レーザ出力４．０ｋＷ、接合速度１．５ｍ／分、シールドガスはアルゴンである。供試材には、アルミニウム系被溶接材として板厚１．０ｍｍのＡＡ６０２２アルミニウム板材、鉄系被溶接材として板厚１．２ｍｍの溶融亜鉛めっきを施した５９０Ｎ／ｍｍ２級の鋼板を使用した。また、溶加材として、直径１．６ｍｍのＪＩＳ Ａ４０４７ＷＹ溶接ワイヤを使用した継手も使用した。また、フラックスについては、（１）としてノコロック（登録商標）又は（２）として弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックス粉末をエタノールに混ぜた後、刷毛を使用してアルミニウム系被溶接材の鉄系被溶接材と接合する部位に塗布した。フラックス塗布量は３ｇ／ｍ２である。
下記表１は引張強度及び曲げ強度を比較例と比較試験した結果を示す。なお、引張試験は、異材接合をおこなった板材をＪＩＳ５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。下記表１に示す評価は、接合ビード１ｍｍあたりの引張破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上の場合を◎、２００Ｎ／ｍｍ以上の場合を○、１００Ｎ／ｍｍ以上の場合を△、１００Ｎ／ｍｍ未満の場合を×とした。また、曲げ試験は、異材接合をおこなった板材の幅３０ｍｍの短冊片を、鋼板を固定したまま１００度まで曲げ、その際、１００度まで曲げても破断しない場合を◎、９０度までは破断しないが１００度未満で破断した場合を○、４５度までは破断しないが９０度未満で破断した場合を△、４５度未満で破断した場合を×とした。
Figure 2007136524
上記表１の結果より、フラックスを使用してレーザ溶接による異材接合を行った場合、フラックスを使用せずにレーザ溶接による異材接合を行った場合と比較して引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。また、フラックスは、弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックスを使用したものの方がノコロック（登録商標）を使用したものよりも曲げ試験において強度が高いことが分かった。
次に、第２試験例について説明する。本発明の第２実施形態において、レーザ溶接による異材接合をおこなった。レーザは連続発振のＹＡＧレーザを使用した。施工条件は、レーザ出力４．０ｋＷ、接合速度１．５ｍ／分、シールドガスはアルゴンである。供試材には、アルミニウム系被溶接材として板厚１．０ｍｍのＡＡ６０２２アルミニウム板材、鉄系被溶接材として板厚１．２ｍｍの溶融亜鉛めっきを施した５９０Ｎ／ｍｍ２級の鋼板を使用し、溶加材として直径１．６ｍｍのＪＩＳ Ａ４０４７ＷＹの溶接ワイヤを使用した。また、溶加材としての溶接ワイヤのアルミニウム合金シースの内部に充填されるフラックスは、（１）としてノコロック（登録商標）又は（２）として弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックスを使用した。
下記表２は引張強度及び曲げ強度を比較例と比較試験した結果を示す。Ｓｉ、Ｍｇ及びＭｎの項は、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースに含まれるそれぞれの元素の質量％の値を示している。引張試験及び曲げ試験の試験方法は、第１試験例において説明した試験方法と同様である。
Figure 2007136524
上記表２の結果より、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースの内部にフラックスが充填されているものを使用した場合、フラックスが充填されていないものを使用した場合と比較して引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。また、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースに添加されているＳｉが、２乃至１３質量％の範囲内であるとき、引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。更にまた、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースにＭｇを３質量％以下及び／又はＭｎを１質量％以下添加することによって引張試験及び曲げ試験において強度が増すことが分かった。
次に、第３試験例について説明する。本発明の第１実施形態において、ＴＩＧ溶接による異材接合を行った。ＴＩＧは直流逆極性による接合法を使用し、施工条件は電流５０Ａ、接合速度３０ｃｐｍでシールドガスはアルゴンである。供試材及び溶加材は、第１試験例と同様のものを使用した。また、フラックスについても第１試験例と同様、（１）としてノコロック（登録商標）又は（２）として弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックス粉末をエタノールに混ぜた後、刷毛を使用してアルミニウム系被溶接材の鉄系被溶接材と接合する部位に塗布した。フラックス塗布量は３ｇ／ｍ２である。下記表３は引張強度及び曲げ強度を比較例と比較試験した結果を示す。引張試験及び曲げ試験の試験方法は第１試験例において説明した試験方法と同様である。
Figure 2007136524
上記表３の結果より、フラックスを使用してＴＩＧ溶接による異材接合を行った場合、フラックスを使用せずにＴＩＧ溶接による異材接合を行った場合と比較して引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。また、溶加材ワイヤを添加しない場合においては、フラックスは、ノコロック（登録商標）よりも弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックスを使用した方が引張試験において強度が高いことが分かった。
次に、第４試験例について説明する。本発明の第２実施形態において、ＴＩＧ溶接による異材接合を行った。ＴＩＧは直流逆極性による接合法を使用し、施工条件は電流５０Ａ、接合速度３０ｃｐｍ、シールドガスはアルゴンである。供試材及び溶加材は、第２試験例と同様のものを使用した。また、溶加材としての溶接ワイヤのアルミニウム合金シースの内部に充填されるフラックスも第２試験例と同様、（１）としてノコロック（登録商標）又は（２）として弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックスを使用した。
下記表４は引張強度及び曲げ強度を比較例と比較試験した結果を示す。Ｓｉ、Ｍｇ及びＭｎの項は、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースに含まれるそれぞれの元素の質量％の値を示している。引張試験及び曲げ試験の試験方法は第１試験例において説明した試験方法と同様である。
Figure 2007136524
上記表４の結果より、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースに添加されているＳｉが、２乃至１３質量％の範囲内であるとき、引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。また、溶接ワイヤのアルミニウム合金シースにＭｇを３質量％以下及び／又はＭｎを１質量％以下添加することによって引張試験及び曲げ試験において強度が増すことが分かった。また、フラックスは、ノコロック（登録商標）よりも弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックスを使用した方が引張試験において強度が高いことが分かった。
次に、第５試験例について説明する。本発明の第１実施形態において、ＭＩＧ溶接による異材接合を行った。ＭＩＧは交流式による接合法を使用し、施工条件は電流５０Ａ、接合速度４０ｃｐｍ、シールドガスはアルゴンである。供試材及び溶加材は、第１試験例と同様のものを使用した。また、フラックスについても第１試験例と同様、（１）としてノコロック（登録商標）又は（２）として弗化セシウムを７４％含有し、残部が弗化アルミニウム及び弗化カリウムからなるフラックス粉末をエタノールに混ぜた後、刷毛を使用してアルミニウム系被溶接材の鉄系被溶接材と接合する部位に塗布した。フラックス塗布量は３ｇ／ｍ２である。下記表５は引張強度及び曲げ強度を比較例と比較試験した結果を示す。引張試験及び曲げ試験の試験方法は第１試験例において説明した試験方法と同様である。
Figure 2007136524
上記表５の結果より、フラックスを使用してＭＩＧ溶接による異材接合を行った場合、フラックスを使用せずにＭＩＧ溶接による異材接合を行った場合と比較して引張試験及び曲げ試験において強度が高いことが分かった。
（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る異材接合方法の一例を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る異材接合方法を示す概略図である。
符号の説明
１； アルミニウム系被溶接材
２； 鉄系被溶接材
３； 亜鉛系被覆層
４； フラックス層
５； レーザ光
６； フラックス入りワイヤ

Claims (5)

  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を被覆する亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有し、前記アルミニウム系被溶接材は少なくとも前記鉄系被溶接材と接合する部位に塗布されたフラックス層を有し、前記アルミニウム系被溶接材をトーチ側に配置して前記２つの被溶接材を重ね合わせた状態で、溶融溶接法により、前記２つの被溶接材を接合することを特徴とする異材接合方法。
  2. 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を被覆する亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有し、前記アルミニウム系被溶接材をトーチ側に配置して前記２つの被溶接材を重ね合わせた状態で、溶加材としてアルミニウム合金シースの内部にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤを使用し、前記フラックス入りワイヤに通電しない溶融溶接法により、前記２つの被溶接材を接合することを特徴とする異材接合方法。
  3. 前記フラックスは、弗化物系フラックスであ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。
  4. 前記アルミニウム合金シースは、Ｓｉ：２乃至１３質量％を含有することを特徴とする請求項２に記載の異材接合方法。
  5. 前記アルミニウム合金シースは、Ｍｇ：３質量％以下及び／又はＭｎ：１質量％以下を含有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の異材接合方法。

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