JP2007331019A - 異種金属パネルの接合方法、接合装置及び接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】接合界面に強固な酸化皮膜が介在していたとしても、大きな入熱を投与することなく、高強度の接合が可能であって、しかも高エネルギービームの照射方向が一方のパネル側からのみに制約されることのない異種金属パネルの接合方法と、このような異材接合に用いる接合装置、さらにはこのような方法による接合構造を提供する。
【解決手段】表面に強固な酸化皮膜が生成されているアルミニウム合金から成る第１の金属パネル１と亜鉛めっき鋼板から成る第２の金属パネル２とを重ね合わせて接合するに際して、デフォーカスした高エネルギービームＢを第１及び第２の金属パネル双方の接合面に照射しながら、両パネル１，２を相対加圧し、これらを連続的又は断続的な線状に接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属材料の接合技術に係わり、特に接合しようとする金属パネルの一方又は双方が、例えばアルミニウム材やマグネシウム材のように、表面に強固な酸化皮膜を生成する材料であるような組み合わせに係わる異種金属パネルの接合方法と、このような接合に適用される接合装置、さらにはこのような方法や接合装置によって接合された異種金属パネルの接合構造に関するものである。

従来、電子ビームやレーザビーム等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料の側に照射し、高融点材料側からの伝熱によって接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。

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により金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、例えば非特許文献１には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相／液相状態として異種材の接合を行なう方法が記載されている。
「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

しかしながら、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されているため、片側の材料のみを溶融させるようにした上記方法においても、酸化皮膜を除去するためには、接合時に大きな投入熱量が必要となることから、厚い金属間化合物層が成長する結果、低強度な接合部になる可能性が高いという問題点があった。

また、この方法では鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金を溶融させるため、必ずアルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
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、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。

本発明は、例えばアルミニウム合金のように、表面に強固な酸化皮膜が生成される材料を含む異種金属材料の接合技術における上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、接合界面に強固な酸化皮膜が介在していたとしても、大きな入熱を投与することなく、高強度の接合が可能であって、しかも高エネルギービームの照射方向が一方のパネル側からのみに制約されることのない異種金属パネルの接合方法と、このような異材接合に好適に使用することができる接合装置、さらにはこのような方法による接合構造を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする異種金属パネルの双方に高エネルギービームを照射すること、すなわち高融点金属パネルの側だけでなく、酸化皮膜表面にも高エネルギービームを照射するようになすことによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、互いに異なる材料から成る金属パネルであって、少なくとも一方が表面に強固な酸化皮膜を生成する材料から成る第１の金属パネルと第２の金属パネルを重ね合わせて接合するに際して、高エネルギービームを第１及び第２の金属パネル双方の接合面に照射しながら、両パネルを相対加圧して、これら両パネルを連続的又は断続的な線状に接合することを特徴としている。

また、本発明の異種金属パネルの接合装置は、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の接合面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、上記照射ヘッドと共に移動しながら被接合パネルの接合部を加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする。
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、第１の金属パネルが軽合金製パネルであり、第２の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。

本発明によれば、接合しようとする異種金属パネルの双方に高エネルギービームを照射するようにしており、両金属パネルの接合面に高エネルギービームが直接照射されることによって、接合面に生成されている強固な酸化皮膜のみならず、めっき層を始めとする種々の夾雑物が接合界面から除去されることから、両パネルの新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。また、高エネルギービームを両パネルの接合面の双方に照射するようにしていることから、ビーム照射方向が一方のパネル側からだけに制約されるようなこともなくなる。

以下に、本発明の異種金属パネルの接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。

本発明の異種金属パネルの接合方法においては、表面に強固な酸化皮膜を生成する材料から成る金属パネル同士の異材接合、あるいはこのような材料から成る金属パネルと他の一般の金属パネルとの異材接合に際して、高融点の方パネルだけでなく、双方の金属パネルの接合面に高エネルギービームを直接照射するようにしており、これによって、上記したように、少なくとも一方の接合面に介在する強固な酸化皮膜や、他方の接合面に形成されためっき層などが除去され、ビーム照射によって加熱された状態の両パネルを相対加圧することによって、両パネルの新生面同士が互いに接合され、強固な接合状態とすることができる。また、接合界面に高エネルギービームがダイレクトに照射されることによって、接合界面を活性化することができる。
すなわち、高エネルギービームの直接照射によって接合面の酸化皮膜が除去されるため、酸化皮膜除去のために大入熱を投入する必要がなく、脆い金属間化合物の生成を抑制して、金属間化合物に起因する強度低下を防止することができる。

このとき、両パネルの接合端部を単に重ね合わせただけの状態では、両パネルの接合面の双方に高エネルギービームを照射することはできず、例えば、フレア接合のような施工形態を採用することによって、パネル表面に対して略直角をなす面を接合面とし、これら接合面の間の隙間からデフォーカスさせた高エネルギービームを照射することが必要となる。
したがって、被接合パネルの外側に位置する照射ヘッドから、高エネルギービームをパネル表面にほぼ直角をなす方向から照射することになり、ビーム照射方向の制約がなくなり、構造設計や溶接施工上の制約が解消される。

このときの高エネルギービームの照射条件としては、接合面上の酸化皮膜等を除去することができ、しかも両パネルのいずれをも溶融させることがなく、その後の加圧によって融点の低い方の金属パネルのみが接合界面において溶融するか、両パネルがいずれも溶融することなく固相状態のままで、材料拡散が生じるような温度に高融点側のパネルを加熱することができる条件が要求される。

本発明において、強固な酸化皮膜とは、良好な接合を阻害する程度に緻密で強固な酸化皮膜を意味するが、このような酸化皮膜を生成する材料の具体例としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金などを挙げることができるが、この限りではない。

本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高エネルギービームを両パネル（被接合パネル）に対して相対移動させながら照射すると共に、高エネルギービームの照射点の後方近傍に配設した加圧ローラによって両パネルを加圧しながら接合することができ、このとき、被接合パネルに対する高エネルギービームの相対移動や高エネルギービームの照射を連続的なものとすることによって、連続的な線状の接合が可能となり、車体剛性や強度の向上に寄与する連続的な線状の接合を高い生産性のもとに実現することができる。
一方、高エネルギービームの相対移動や照射のタイミングを断続的なものとすれば、点（スポット）状やステッチ状の接合を行なうことができる。

本発明の異種金属パネルの接合装置は、上記したように、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の接合面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、この照射ヘッドと共に移動しながら被接合パネルの接合部を加圧する加圧ローラを備えたものであるから、本発明の上記接合方法に好適に用いることができる。

さらに、本発明の異種金属パネルの接合構造は、上記接合方法あるいは接合装置を用いることによって得られるものであって、第１の金属パネルがアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽合金製パネルであり、第２の金属パネルが、例えば亜鉛めっき鋼板などの鋼板から成る自動車の車体部材であることから、このような部材を用いることによって、軽量かつ運動性能の高い車体構造を安価、且つ容易に得ることができ、例えば、低融点金属パネルをルーフパネルとすることによって、軽量かつ低重心な車体を安価、容易に製造することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

（実施例１）
図１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。

照射ヘッド１１は、光ファイバ１４を介して図示しないレーザ発振機に接続され、その先端から焦点調整したレーザビームＢを第１の金属パネル１及び第２の金属パネル２から成る被接合パネルに向けて照射することができる。
一方、加圧ローラ１２は、加圧シリンダ１３によって第１の金属パネル１を第２の金属パネル２に押し付け、両パネル１，２を加圧することができるようになっている。

このような構造を有する接合装置１０においては、移動及びレーザビームの照射を連続的に行なうことによって、連続的な線状の接合を行なうことができ、上記移動及び照射を断続させることによって点状あるいはステッチ状の接合を行なうことができる。

図２は、上記した接合装置１０を用いて、鋼製車体部材２（第２の金属パネル）にアルミニウム合金製ルーフパネル１（第１の金属パネル）を接合する要領を示すものであって、図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ２１（板厚：１．４ｍｍ）と、レールアウタ２２（板厚：０．８ｍｍ）と、サイドアウタ２３（板厚：０．８ｍｍ）が溶接により組み立てられた車体部材２のサイドアウタ１７に対して、アルミニウム合金製のルーフパネル１（板厚：１．０ｍｍ）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２３は表面に亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板から成る。

一方、アルミニウム合金製のルーフパネル１は、その端部に形成されたフランジ状接合面１ａが車体部材１のサイドアウタ２３に設定された接合面２３ａに隙間を介して対向しており、この隙間からデフォーカスされたレーザビームＢがルーフパネル１の接合面１ａとサイドアウタ２３の接合面２３ａの双方に向けて照射される。
このとき、高エネルギービームＢの照射位置は、両パネルが最終的に重なり合わされる面であって、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。

図３（ａ）及び（ｂ）は、図２におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、レーザビームＢの照射ヘッド１１及び加圧ローラ１２は、前述のように、被接合パネル、すなわち鋼製の車体部材２及びアルミニウム合金製ルーフパネル１に対して、相対的に移動可能に配置されており、まず、図３（ａ）に示すように、レーザビームＢをサイドアウタ２３とルーフパネル１に向けて照射し、接合部近傍を所定の温度に加熱する。

レーザビームＢとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、ルーフパネル１の接合面１ａに形成されている酸化皮膜やサイドアウタ２３の接合面２３ａ上の亜鉛めっき層を除去することができ、これら接合面１ａ，２３ａが溶融することなく、その後の加圧によって接合面１ａのみが溶融して、両パネルを接合できるような温度に加熱することができるようにレーザのデフォーカス径、レーザ出力、送り速度を設定した。
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。

ビーム照射位置のすぐ後方では、図３（ｂ）に示すように、加圧ローラ１２の加圧によってルーフパネル１のフランジ状部分が、加熱されたサイドアウタ２３の接合面２３ａに押し付けられる。これによってルーフパネル１が車体部材２のサイドアウタ２３に密着し、車体部材側からの伝熱によって、アルミニウム合金製ルーフパネル１の接合面１ａが局部的に溶融され、材料拡散によってルーフパネル１と車体部材２がサイドアウタ１３の接合面２３ａにおいて接合される。

このとき、アルミニウム合金製のルーフパネル１の加圧に際しては、鋼製のパネル２１，２２，２３から成る構造部材である車体部材２は、その剛性が十分に高いため、加圧ローラ１２による加圧に対して、図５に示すようなリベットＲによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えＴが必要ないことから、ルーフパネル１と車体部材２の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅をなくすことができるため、デザインの自由度が向上し、意匠性を高めることができる。
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により、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く、しかも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できるようになる。

（実施例２）
図５は、アルミニウム合金製ルーフパネル１と鋼製車体部材２との他の接合例を示すものであって、上記実施例と同様に、共に鋼製のレールインナ２１とレールアウタ２３を溶接して成る車体部材２とアルミニウム合金製のルーフパネル１との接合要領について説明する。
すなわち、当該実施例においては、図に示すように、アルミニウム合金製ルーフパネル１の接合端部に湾曲部１ｂを形成し、この湾曲部１ｂにより形成される隙間からデフォーカスさせたレーザビームＢを当該湾曲部１の接合面と、サイドアウタ２３の接合面２３ｂとの双方に向けて照射し、続いて加圧ローラ１２によって、両パネル１，２３の接合部１ａ，２３ａを加圧することによって、これら両パネル１，２３を同様に接合することができる。

当該実施例においては、上記実施例１におけるフレア接合の場合に較べて、レーザビームＢの照射後、被接合パネルに対して照射ヘッドと同じ側から、照射方向と略直角をなす方向に両パネルを加圧するようになすことができ、照射ヘッドと加圧ローラとを共に被接合パネルの外側に配置することができ、これらを一体的に配設することによって接合装置の簡略化が可能になる。

本発明の接合装置の一実施例を示す概略説明図である。 本発明の第１の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図２におけるビーム照射部の近傍を示す説明図である。 本発明の第２の実施例による異種金属パネルの接合要領を示す断面図である。 鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルのリベットによる接合構造例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ アルミニウム合金製ルーフパネル（第１の金属パネル）
１ａ 接合面
２（２１、２２、２３） 鋼製車体部材（第２の金属パネル）
２３ａ 接合面
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 (6)

1. 互いに異なる材料から成り、少なくとも一方が表面に強固な酸化皮膜を生成する材料から成る第１の金属パネルと第２の金属パネルを重ね合わせて接合するに際し、高エネルギービームを第１及び第２の金属パネル双方の接合面に照射しつつ、両パネルを相対加圧して、両パネルを連続的又は断続的な線状に接合することを特徴とする異種金属パネルの接合方法。
2. 両パネルをフレア接合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。
3. 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の接合面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、
   上記照射ヘッドと共に移動しながら、被接合パネルの接合部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。
4. 請求項１又は２に記載の方法によって得られる接合構造であって、第１の金属パネルが軽合金製パネルであり、第２の金属パネルが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。
5. 請求項３に記載の装置によって得られる接合構造であって、第１の金属パネルが軽合金製パネルであり、第２の金属パネルが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。
6. 第１の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４又は５に記載の異種金属パネルの接合構造。

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