JP2008023583A - 異種金属の接合方法、接合構造及び接合装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】異種金属から成る両材料1,2をシール材3を介して重ね合わせた後、接合部に介在するシール材3を、例えば加熱によって変形抵抗を低減させた上で、接合界面から排出し、両材料1,2を直接接触させた状態で、例えば抵抗溶接やレーザビームの照射によって接合する。
【選択図】図3
Description
このような異種金属の接触による腐食は、金属のイオン化傾向の違いによってこれら金属間に電位差が生じ、腐食電流が流れることによって発生するとされており、従来、異種金属接触による腐食を防止するために、例えば以下のような対策が採られている。
また、特許文献2には、鉄系材料とアルミニウム又はアルミニウム合金材料が接合された部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬して、接合部近傍に緻密かつ強固で密着性が高く、しかもアルミニウムと鉄との中間的なイオン化傾向を有する金属亜鉛を析出させ、もって接合部における異種金属間の接触による耐食性を向上させることが記載されている。
また、特許文献2に記載の技術においては、接合された部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬するようにしているが、接合材表面に析出した亜鉛だけでは、自動車部品に求められる耐食性能を十分に満足させることができないばかりでなく、自動車の生産工程の過程において、車体部品をこのような溶液中に浸漬する工程を組み込むことは、浸漬タンク等の新設備が必要となり、設備コストや管理コストが増え、製造コストの高騰を招くことが問題となる。
また、本発明の接合方法の好適形態においては、両材料の少なくとも一方とシール材の間に、両材料のいずれとも異なる第3の金属から成る材料を介在させ、シール材を接合界面から排出させた後、上記両材料の少なくとも一方と第3の金属材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする。
このとき、新たな設備の増設なども特に必要とせず、シール材のコストや、その配置工数など、コストアップ要因も最小限に抑えることができる。
なお、シール材としては、本発明の目的を達成できるもの、すなわち異種金属材料間の直接接触を防止し得る絶縁性のものであれば、これらに限定されることはない。また、当該シール材に接着機能を有する材料を用いることによって、電食を防止するシール効果に加えて、接合強度の向上効果をも得ることができる。
このとき、圧子として、ローラ状のものを用いることによって、シール材を進行方向の両側に排出することができるようになり、連続的な線状の接合にも対応することができるようになる。
このような湾曲部は、例えばプレス加工によって、溶接位置に合わせた断続状(スポット溶接の場合)に形成したり、接合線に沿った連続溝状に形成したりすることもでき、適用部材の形状や要求性能に応じて選択することができる。
したがって、接合を行う前に外部熱源を用いて接合部を加熱し、シール材の温度を上げ、温度を図中のt1からt2の間に管理し、シール材の変形抵抗を一定値以下にした上で、加圧するようになすことによって、接合部からのシール材の排出が容易、かつ効率的に行われるようになる。
すなわち、溶接用電極によって、接合界面からシール材を排出するためのシール材排出手段を兼ねることもできるようになり、装置、工程の簡略化が可能になる。
また、抵抗シーム溶接を適用することによって、連続的な線状接合が得られ、点接合より強度や剛性、水密性を要する部材の接合に好適なものとなる。
抵抗シーム溶接の場合には、このような予備通電用のローラ電極を抵抗溶接用のローラ電極に先行させることによって、同様の効果を得ることができる。
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、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。なお、Al−Zn2元系合金では、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。
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。
鋼材とマグネシウム合金材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、アルミニウム合金材とマグネシウム合金材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。
そして、上記シール材排出手段としては、シール材の変形抵抗を低減させるための加熱手段と、この加熱手段によって加熱された部分を加圧して、変形抵抗が減じた、すなわち加熱によって軟化したシール材を接合界面から排出する加圧手段から成るものとすることができる。
また、溶接手段として抵抗溶接を採用した場合には、溶接用電極を加圧手段として兼用することも可能である。
図2は、この実施例に用いたスポット溶接装置の全体図を示し、交流電源タイプの装置によって、上記したように、間にシール材3を挿入した状態の亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を1対の溶接電極11,12により加圧・通電することにより溶接を行った。
図3は、接合部の詳細図であり、表面に亜鉛めっき層1pが形成され亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2の接合界面にシール材3を介挿させている。
なお、このような電極先端形状は、必ずしも電極11,12の両方に採用する必要はなく、少なくとも一方に採用することによって、円滑な排出を行うことができる。
この過程を図4を参照して説明する。
ここで、溶接電極による加圧及び通電に基づく機械的、熱的な衝撃などが負荷されることによって、図4(c)に示すように、接合面の酸化皮膜2cが局部的に破壊され、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が起こり、接合面が亜鉛とアルミニウムの共昌点温度以上に保持されると、図4(d)に示したように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が起こり、共晶融体Meが生じる。
そして、図4(f)に示すように、アルミニウムと鋼の新生面同士が直接接合されることにより、接合部Jが形成され、鋼とアルミニウム合金の強固な金属接合を得ることができる。
この場合、シート状の接着剤は、常温での粘度が高いため、溶接電極による加圧だけでは排出しにくいことがあるが、その際には、予備通電を行うことによって加熱し、シール材の変形抵抗を低減させることによって、容易かつ確実にシール材を排出することができる。
亜鉛めっき鋼板に代えてめっきの無い裸鋼板を使用すると共に、シール材を塗布することなく、加圧と同時に溶接用交流電流を通電したこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返して、裸鋼板とアルミニウム合金材とを接合した。
シール材を塗布することなく、加圧と同時に溶接用交流電流を通電したこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返して、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金材とを接合した。
先端部が平坦な形状のスポット溶接用電極を使用し、加圧開始と同時に溶接用交流電流を通電したこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返して、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金材とを接合した。
その結果を表1に示す。
また、比較例3では、シール材を接合界面から排除することなく、そのままスポット溶接を実行した関係上、シール材が完全に排出されず接合界面に残存したことから、接合強度は、実施例1の場合約45%程度に留まった。
なお、継手強度については、JIS Z3136−1999 によって測定した引張せん断強度が、JIS Z3140−1989に規定されたA級強度以上の場合を「○」と評価し、耐食性能については、独自の腐食促進試験により評価した結果、電食の発生が見られなかったものを「○」と評価した。
上記実施例1においては、先端に凸状曲面を備えた溶接電極を用いることによって、接合界面からのシール材や、接合過程で生じる反応生成物など排出を促進する例を示したが、これに代えて、被接合材の少なくとも一方の接合面に所定曲率を有する湾曲部を形成することによっても、同様の排出効果を得ることができる。
そして、電極11及び12によって、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を上下から挟持し、同様の条件のもとに、まず加圧を行うと、上記湾曲部2aによってシール材3が接合部から容易に排出され、その後の加圧及び通電によって抵抗スポット溶接を行うことにより、アルミニウム合金板材2の酸化皮膜2cの破壊と、その接合部からの除去が促進され、接合部の周囲が排出物やシール材3によって囲われた耐食性の高い接合構造が得られた。
図7は、同様の実施例として、アルミニウム合金材2の側に、シール材などの排出を促進するための湾曲部2bを厚肉部として形成した例を示す。
すなわち、アルミニウム合金材2が鋳物や押出し材の場合は、その製造時に厚肉状の湾曲部2bを容易に形成することができ、シール材3のみならず反応生成物などの接合界面からの排出が容易なものとなり、上記実施例と同様の効果が得られることが確認された。
抵抗シーム溶接による異材金属の接合要領を図8に示す。
図に示す接合装置は、抵抗溶接用電源トランスに接続されたローラ電極13及び14を備えており、当該接合装置においては、表面に亜鉛めっき層1pを備えた亜鉛めっき鋼板1と、アルミニウム合金材2とが、その界面にシール材3を介して重ね合わせられた状態で、ローラ電極12及び14により挟持され、接合部を加圧してシール材3を接合界面から排除したのち、さらに加圧しながら両材料1,2の間に通電すると共に、ローラ電極13及び14を回転させることによって、シール材3の排出と抵抗溶接が連続的に進行し、両材料1,2を線状に接合することができるようになっている。
このため、この実施例では、400kgfの加圧力を加え、32000Aの交流電流を通電しながら、2.0m/分の送り速度で移動させることによって、上記したスポット溶接の場合と同様に、ローラ電極13の凸状曲面13aにより、シール材3や、酸化皮膜や共晶溶融金属、反応生成物などが接合界面からその周囲に円滑に排出され、アルミニウム合金と鋼の新生面同士の強固な接合が得られるとともに、シール材3の存在によって耐食性も良好に確保されることになる。
当該実施例においては、上記した実施例2と同様の湾曲部を備えたアルミニウム合金材2を抵抗シーム溶接に適用した例を示すものである。
すなわち、図10に示すように、あらかじめプレス加工によって、長手方向に連続したビード状をなし、亜鉛めっき鋼板1の側に凸となるように湾曲した曲率を有する湾曲部2dを設けたアルミニウム合金材2を亜鉛めっき鋼板1に重ね、これらの間にシール材3が介挿してある。
ここでは、ローラ電極13,14として、先端形状が平面をなす通常のものを用いたが、先の実施例と同様に、外周面を凸状曲面とした電極を用いても差し支えない。また、スポット溶接の場合と同様に、湾曲部を亜鉛めっき鋼板1の側に設けたり、アルミニウム合金材2との両方に形成したりすることも可能である。
この実施例においては、片面側に、シール材として機能する有機皮膜2fを備えた6000系アルミニウム合金から成る板厚1.0mmの板材2と板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板1の接合を抵抗スポット溶接で行った例を示す。
また、鋼とアルミニウム合金の接合部Jは、有機被膜2fや、共晶融体Me、酸化皮膜2c、接合界面の不純物などの排出物Dが周囲に排出されて、新生面同士の高強度な接合が得られており、強度と耐食性を両立することができた。このように有機被膜2fは、シール材として被接合材の少なくとも一方の表面を覆って排出物Dの周辺を取り囲んでいればよい。
ここでは、防錆用のシール材として機能する有機皮膜1f及び2fをそれぞれ備えた板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板1と、6000系アルミニウム合金から成る板厚1.0mmの板材2とを抵抗スポット溶接により接合した例を示す。
この実施例は、上記実施例6と同じ組み合わせの被接合材を抵抗シーム溶接した例を示すものである。
シーム溶接用ローラ電極として、図13に示すように、実施例4と同様に外周部に凸状曲面13aを備えたローラ電極14を使用し、同様の溶接条件を適用することによって、有機被膜2fや、これに続く酸化皮膜2cや反応生成物などの接合界面からの排出が円滑に行われ、継手強度と耐食性能との両立が確認された。
また、あらかじめ有機被膜が形成された材料を用いることによって、シール材に相当する構造を均一に設けることができると共に、塗布しにくい部分への適用が容易になる。
当該実施例においては、上記した各実施例と同様に、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2の間にシール材3を挟持して成る被接合材をレーザ溶接を適用して接合する例を示す。
接合装置の溶接手段としては、最大出力3kWの発振器を備えたYAGレーザ溶接機を用い、シール材3の変形抵抗を減じる加熱手段及びこれを押圧する加圧手段としては、ヒータ付きホットローラを用いて、連続溶接を行った。
図に示す接合装置は、シール材排出手段として、上記のように加熱手段と加圧手段としての機能を併せ持つ1対のホットローラ21,22と、該ホットローラ21,22の直後位置にレーザ発振器からのレーザビームBをデフォーカスさせて照射する図外の照射ヘッドと、ビーム照射部位の直後に配置され、レーザビームによって加熱された被接合材を加圧する1対の加圧ローラ23,24を備えている。
すなわち、1対のホットローラ21,22を用いて被接合材を挟み込み、ホットローラ21,22からの伝熱によりシール材3の変形抵抗を低減させた状態で、被接合材を押圧すると、ホットローラ外周部の曲面21a,22aが形成されているため、シール材3が接合部の中央部から接合線の両側に向かって排出され、中央部は亜鉛めっき層1pとアルミニウム合金材表面の酸化皮膜2aとが直接接触する(図4(b)参照)。
ここで、さらにホットローラ21,22の加圧による機械的な衝撃が負荷されることによって、酸化皮膜2aが局部的に破壊される(図4(c)参照)。
そして、アルミニウムと鋼の新生面同士が接合部Jにおいて直接接合され、鋼とアルミニウム合金の強固な金属接合が得られることになる(図4(f)参照)。
ここでは、上記実施例9において使用した接合装置における溶接手段を抵抗シーム溶接機に置き換えた例を示す。
当該接合装置においては、まず、ホットローラ21,22により接合部を加熱し、次いで加圧することによって、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2の間に介在するシール材3を接合界面から排出した後、ローラ電極13,14により被接合材を加圧しながら両材料1,2の間に通電すると共に、ローラ電極13,14を回転させることによって、抵抗溶接が連続的に進行し、両金属材料を線状に接合することができるようになっている。
この実施例では、ホットローラ21,22の温度を80℃に保持すると共に、その加圧力を120MPaに調整し、ローラ電極13,14間を、加圧力400kgf、32000Aの交流電流を通電しながら、1.8m/分の速度で相対移動させることによって、上記実施例と同様に、シール材3を接合線の両側に排出すると共に、接合過程で生じる反応生成物を排除しながら溶接が進行し、良好な接合構造が得られることが確認された。
図18は、この実施例に使用した接合装置の概略構成を示すものであって、ここでは、シール材排出手段としてデフォーカスさせたレーザビームと加圧ローラを用い、溶接手段としてもデフォーカスさせたレーザビームと加圧ローラを用いている。
この実施例においては、加熱手段と加圧手段としての機能を兼ね備えたヒータ内蔵の円筒形圧子をシール材排出手段として使用し、当該圧子によってシール材を排出したのち、溶接手段として、抵抗スポット溶接を適用して両材料を接合する例を示す。
すなわち、図19はこの実施例における接合要領を示す概略図であって、円筒状の圧子15,16は、その先端圧接面が凸状曲面15a,16aとなっていると共に、内部にヒータを組み込んで圧子自体を加熱する構造を備え、熱伝達により亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2の間に挟持されたシール材3を加熱することができ、シール材3を加熱して軟化させた状態で、加圧力を加えるよって、シール材3を容易に接合界面から排出できるようになっている。
そして、シール材3が排出されて、互いに接触した亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2に、溶接電極11,12によって同様の条件で加圧、通電することにより、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を同様に接合することができる。
したがって、スポット溶接電極11,12の先端形状を、図示しているような凸状曲面11a,12aとすることが望ましい。
1a 湾曲部
1f 有機被膜(シール材)
1p 亜鉛めっき層
2 アルミニウム合金材
2a、2b 湾曲部
2f 有機被膜(シール材)
3 シール材
11、12 溶接用電極
11a、12a 凸状曲面
13、14 ローラ電極(溶接用電極)
13a 凸状曲面
21、22 ホットローラ(加熱手段、加圧手段)
21a、22a 凸状曲面
23、24 加圧ローラ(溶接手段)
25、26 加圧ローラ(加圧手段)
31、32 高周波コイル(加熱手段)
B、B2 レーザビーム(溶接手段)
B1 レーザビーム(加熱手段)
Me 共晶融体(共晶溶融金属)
J 接合部
Claims (16)
- 異種金属材料同士をシール材を介して重ね接合するに際し、互いに異なる異種金属から成る両材料をシール材を介して重ね合わせた後、接合部の少なくとも中央部のシール材を接合界面から排出し、上記両材料を直接接触させて、接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
- 上記シール材を接合界面から排出するに際し、圧接面に凸状曲面を有する圧子により両材料を加圧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。
- 上記シール材を接合界面から排出するに際し、上記両材料の少なくとも一方の接合面に相手側に突出する湾曲部をあらかじめ形成した上で両材料を加圧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。
- 上記シール材を接合界面から排出するに際し、シール材の変形抵抗を低減させた状態で両材料を加圧す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の接合方法。
- 外部熱源を用いた加熱によって上記シール材の変形抵抗を低減することを特徴とする請求項4に記載の異種金属の接合方法。
- 上記両材料を抵抗溶接により接合することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の異種金属の接合方法。
- 溶接用電極の少なくとも一方の先端が凸状曲面をなしていることを特徴とする請求項6に記載の異種金属の接合方法。
- 抵抗スポット溶接により接合することを特徴とする請求項6又は7に記載の異種金属の接合方法。
- 抵抗シーム溶接により接合することを特徴とする請求項6又は7に記載の異種金属の接合方法。
- 上記シール材を接合界面から排出するに際し、溶接用電極からの予備通電によってシール材の変形抵抗を低減させることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1つの項に記載の異種金属の接合方法。
- 上記両材料の少なくとも一方とシール材の間に、両材料とは異なる第3の金属から成る材料を介在させ、シール材を接合界面から排出させた後、上記両材料の少なくとも一方と第3の金属材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つの項に記載の異種金属の接合方法。
- 上記両材料がそれぞれ亜鉛めっき鋼板及びアルミニウム合金板であって、上記亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第3の金属材料として利用することを特徴とする請求項11に記載の異種金属の接合方法。
- 異種金属から成る材料同士の接合構造であって、被接合材の新生面同士が直接接合されていると共に、当該接合部が上記金属材料とは異なる金属から成り上記被接合材の少なくとも一方の材料との間で共晶溶融を生じる第3の材料、被接合材、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成物の群から選ばれる少なくとも1種によりその周囲全周を囲われており、さらにその周囲をシール材により囲われていることを特徴とする異種金属の接合構造。
- シール材を介して異種金属から成る材料を接合する異種金属の接合装置であって、シール材を接合界面から排出するシール材排出手段と、シール材が排出された両材料を直接接合する溶接手段を備えたことを特徴とする異種金属の接合装置。
- 上記シール材排出手段が、シール材の変形抵抗を低減する加熱手段と、加熱手段による加熱部分を押圧する加圧手段から成ることを特徴とする請求項14に記載の異種金属の接合装置。
- 上記溶接手段が抵抗溶接によるものであることを特徴とする請求項14又は15に記載の異種金属の接合装置。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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