JP2007331018A - 異種金属パネルの接合方法、接合装置及び接合構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに融点の異なる高融点金属パネル17と低融点金属パネル21を接合するに際し、これら両パネル17,21の間にこれらの材料とは異なる第3の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームBを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しながら、両パネル17,21を相対加圧し、上記両パネルの少なくとも一方と第3の材料との間で共晶溶融を生じさせて両パネル17,21を連続的又は断続的な線状にフレア接合する。
【選択図】図4
Description
「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 三菱自動車 テクニカルレビュー 2004、No.16、p.82
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製のルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
そして、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記した接合方法、あるいは接合装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴としている。
図1は、Al−Zn系2元状態図を示すものであって、図に示すようにAl−Zn系における共晶点(Te)は、655Kであり、Alの融点933Kよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してAlとZnの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施でき、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、655K以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Al−95%Znが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
まず、図2(a)に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Alと共晶を形成する第3の金属材料として機能する亜鉛めっき層1pが施された亜鉛めっき鋼板1と、アルミニウム合金材2を用意し、図2(b)に示すように、これら亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を亜鉛めっき層1pが内側になるように重ねる。なお、アルミニウム合金材2の表面には酸化皮膜2cが生成している。
すなわち、これら金属とAlとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。
鋼材パネルとマグネシウムパネルとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムパネルとマグネシウムパネルを接合する場合においても、亜鉛や銀を第3の材料として利用することが可能である。
図3(a)及び(b)は、本発明に用いる異種金属パネルの接合装置の一例を示す概略図であって、図に示す接合装置10は、高エネルギービームの1種であるNd−YAGレーザを照射する照射ヘッド11と、加圧ローラ12から主に構成され、これら照射ヘッド11及び加圧ローラ12は、それぞれ溶接ロボットのアームA1及びA2によって移動可能に支持されており、加圧ローラ12は、照射ヘッド11に追随して、連続的あるいは断続的に移動するようになっている。
一方、加圧ローラ12は、加圧シリンダ13によって低融点金属パネル2を高融点金属パネル1に押し付け、加圧することができるようになっている。
なお、上記サイドアウタ17は表面に亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板から成る。
このとき、高エネルギービームBの照射部位は、両パネルが最終的に重なり合わされる面であって、デフォーカスさせたレーザビームBの中心軸が高融点金属パネルであるサイドアウタ17の接合面17aに位置し、低融点金属パネルであるルーフパネル21には、ビームBの外周部分が僅かに当たる程度とし、レーザビームBを照射しながら、加圧ローラ12によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
具体的には、最大出力3kWのレーザ発振器と焦点距離150mmのレンズを用い、照射面上において3.5mmのスポット径となるようビームBをデフォーカスすると共に、レーザ出力を0.8kW、送り速度を0.7〜1.0 m/minとして照射した。なお、レーザ照射中はアルゴンガスを25L/minの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
また、接合界面にレーザビームBをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高い、かつ連続接合ならではの高強度で、安価で軽量な接合構造が得ることが可能となる。
また、ルーフパネル21のルーフ角部に凹部(段差)21bを設けておくことによって、レーザビームBの入射角の自由度を増すことができ、ルーフの熱ひずみ等による変形や寸法誤差を吸収することができる。
図6は、高融点金属パネルである鋼製車体部材と低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルの他の接合例を示すものであって、上記実施例と同様に、いずれも鋼製のレールインナ15と、レールアウタ16と、サイドアウタ17が溶接で組み立てられた車体部材とアルミニウム合金製のルーフパネル21との接合要領について説明する。
すなわち、図に示すように、上記車体部材のサイドアウタ17に対して、軽合金製ルーフパネル21がフレア状に横方向からから重ねられる。なお、上記サイドアウタ17は亜鉛めっき鋼板から成るものである。
このときの高エネルギービームBの照射位置は、デフォーカスされたビームBの中心部が接合過程で生成される共晶溶融物が排出されることになるサイドアウタ17の接合面17aに隣接する部分に当たるようにし、低融点金属パネルであるルーフパネル21には、ビームBの外周部分が僅かに当たる程度とする。そして、レーザビームBを照射しながら、加圧ローラ12によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
このとき、上記同様のレーザ発振器とレンズを用い、照射面上において3.5mmのスポット径となるようビームBをデフォーカスすると共に、レーザ出力を0.8kW、送り速度を0.7〜1.0 m/minとして照射した。なお、レーザ照射中は、同様にアルゴンガスを25L/minの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
また、共晶溶融物が排出される位置の近傍部にレーザビームBを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。さらに、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
さらに、車体部材を構成するサイドアウタ17の接合部近傍の角部にゆるやかな曲率の湾曲面17bを形成しておくことによって、デフォーカスさせたレーザビームBの照射領域を確保することができる。
1p 亜鉛めっき層(第3の材料)
2、21 アルミニウム合金材(低融点金属パネル)
3 共晶溶融金属
4 反応層
10 異種金属パネルの接合装置
11 照射ヘッド
12 加圧ローラ
Claims (9)
- 互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、両パネルの間にこれら金属パネルとは異なる第3の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル側の表面、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記両パネルの少なくとも一方と第3の材料との間で共晶溶融を生じさせて両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴とする異種金属パネルの接合方法。
- 上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させ、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項1に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、高エネルギービームを接合過程において生成される共晶溶融物が排出される近傍位置に照射し、両パネルを高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に相対加圧することを特徴とする請求項1に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記両パネルの少なくとも一方に、第3の材料によるめっきが施してあることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記両材料の一方が亜鉛めっき鋼板であって、該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第3の材料として利用することを特徴とする請求項4に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 被接合パネルに対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合パネルに高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、
上記照射ヘッドによる高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする異種金属パネルの接合装置。 - 請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
- 請求項6に記載の装置によって得られる接合構造であって、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材であることを特徴とする異種金属パネルの接合構造。
- 低融点金属パネルが自動車車体のルーフパネルであることを特徴とする請求項7又は8に記載の異種金属パネルの接合構造。
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