JP2008246558A - めっき鋼板とアルミニウム合金板との異材同士の突合せ接合継手及びその接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、互いに異なる材質であるアルミニウム合金板とめっき鋼板との突合せ接合に、継手強度を確保して、耐食性に優れた接合継手及びその接合方法を提供する。
【解決手段】
アルミニウム合金板と亜鉛合金系めっき鋼板と、又はアルミニウム合金板とアルミニウムめっき鋼板とを突き合わせてアーク溶接を行う。溶接ワイヤにはアルミニウム系を使用して、ワイヤの狙い位置を接合位置からアルミニウム合金板側０．１〜３．２ｍｍの範囲に設定して母材の片面からアーク溶接する。溶着金属は溶加材であるアルミニウムワイヤと、アルミニウム合金板と、めっき層とが溶け合わされて形成され、接合部を覆う。
【選択図】図２

Description

本発明はめっき鋼板とアルミニウム合金板との異材同士の突合せ接合継手及びその接合方法に関する。

自動車等の構造材では、軽量化を目的として鋼材に替わってアルミニウム合金材の使用が広がっている。しかし、鋼材は成形性及び材料コスト等の面で優れているため、アルミニウム合金材と鋼材の両者の利点を生かしたテーラードブランク材の採用が検討されている。テーラードブランクは部分的に異なる材料を接合した部材であり、鋼材同士のテーラードブランク材の技術は実用化されているが、鋼材とアルミニウム合金材とのテーラードブランク材は実用化されていないのが現状である。

鋼材とアルミニウム合金材との接合方法については、特許文献１、及び特許文献２に記載されている。

特許文献１では、鋼板とアルミニウム合金板の初期重ね代と、接合部のアルミニウム合金板への圧下率と、接合部のアルミニウム合金板の接合部厚さとを規定して、鋼板とアルミニウム合金板からなるテーラードブランク材の製造方法が記載されている。

また特許文献２では、融点の異なる板材のレーザ突合せを実現するため、融点の低い金属板よりも、融点の高い金属板の方に照射するエネルギを大きくすることにより、鋼板とアルミニウム合金板とからなるテーラードブランク材の製造方法が記載されている。

特開平１１−４７９４６号公報 特開２００５−２５４２８２号公報

しかし、特許文献１に記載されたマッシュシーム接合と呼ばれる接合法は、その原理上、継手構造は重ね継手となり突合せ継手を作成することができない。そのため、接合部にできた段差により、プレス機を使用した場合の成形性に難がある。

また、特許文献２に記載されたレーザ接合では、異材同士の突合せ継手が可能であるが、装置が高価である上、鋼板にレーザを照射して溶融させると鋼板とアルミニウム合金板との間に厚い金属間化合物が生成されるため継手強度が劣りやすい。また、鋼板の表面が露出する場合があるため、耐食性が低くなりやすい。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、めっき鋼板とアルミニウム合金板との突合せ接合において、継手強度を確保し耐食性を有する異材同士の突合せ接合継手及びその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継手は、めっき鋼板とアルミニウム合金板とが突合せ接合された接合継手であって、突合せ部がアルミニウムを含有する溶着金属で覆われていることを特徴とする。

また、本発明に係る異材接合継手は、前記めっき鋼板が亜鉛合金系めっき鋼板であるように構成してもよい。

また、本発明に係る異材接合継手は、前記めっき鋼板がアルミニウムめっき鋼板であるように構成してもよい。

本発明に係る異材接合方法は、めっき鋼板とアルミニウム合金板とを突合せ、アルミニウム系溶加材を使用してアーク溶接する接合方法であって、ワイヤの狙い位置を接合位置からアルミニウム合金板側０．１〜３．２ｍｍの範囲に設定し、母材の片面からアーク接合し、アルミニウムを含有する溶着金属で継手部を覆うように構成してもよい。

また、本発明に係る異材接合方法は、前記めっき鋼板が亜鉛合金系めっき鋼板であるように構成してもよい。

また、本発明に係る異材接合方法は、前記めっき鋼板がアルミニウムめっき鋼板であるように構成してもよい。

以上のように本発明によれば、突合せ接合時に鋼板とアルミニウム合金板との間に金属間化合物の成長を低減することができる。その結果、鋼板とめっき層−溶着金属との間で強固に接合されるため、接合部全体として強度の高い継手を得ることができる。

また突合せ接合後、突合せ面は両面とも溶着金属に覆われるため、アルミニウム合金板と鋼板との界面は表面に露出せず、周りの雰囲気からの電食を軽減することができる。

以上のように、継手強度を確保して耐食性に優れためっき鋼板とアルミニウム合金板との突合せ接合が可能となる。

以下では、本発明の実施形態に係る異材同士の突合せ接合継手及びその接合方法について、図１、図２、表１を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る異材同士の突合せ接合継手及びその接合方法を示した図であり、接合継手部付近の断面図である。図に示したように、亜鉛合金系めっき層１２が施された鋼板１１（以下、亜鉛合金系めっき鋼板１３という）と、アルミニウム合金板１０とが目違いを起こさないように、それぞれの突合せ面１８同士は密着される。

突合せ接合はミグ溶接機によって行われる。ミグ溶接は、溶接トーチ１４から溶加材として働くワイヤ１５が定速度で送給され、また給電されて、ワイヤ１５−母材間でアーク１７を発生させる接合法であり、接合部に大気が混入しないように、ガスノズル（不図示）から不活性ガス１６を発生させることを特徴とする。ワイヤ１５はアルミニウム系のものが使用され、ワイヤ狙い位置aは接合位置bからアルミニウム合金板１０側へ所定の範囲で設置され、片面のみから接合される。この所定の範囲は０．１〜３．２ｍｍが好ましい。またワイヤ狙い位置aとは、ワイヤ１５が溶接トーチ１４からある一定量突き出された状態のときにワイヤ１５中心が被接合物上にある位置を数値化したものである。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。

図２は、亜鉛合金系めっき鋼板１３とアルミニウム合金板１０とが突合せ接合が終了した状況を示した接合部の断面図である。溶着金属２０は突合せ接合時に、溶加材であるアルミニウムワイヤ１５と、アルミニウム合金板１０の一部と、亜鉛合金系めっき層１２の一部とが溶け合わされて形成される。アルミニウム合金や亜鉛合金と比べ融点の高い鋼板１１は溶かされることなく溶着金属が形成されるため、金属間化合物１９の成長が低減される。

亜鉛合金系めっき鋼板１３とアルミニウム合金板１０の突合せ面は、溶着金属２０に覆われる。そのため、アルミニウム合金板１０と鋼板１１との界面は表面に露出しないので、周りの雰囲気からの電食を軽減させることができる。

前述の通り、本発明に係る接合は金属間化合物１９の成長が低減される接合方法である。しかし接合の結果、アルミニウム合金板１０と鋼板１１と間に金属化合物が部分的に生成されたとしても、熱の影響が小さいワイヤ位置から離れた箇所では金属間化合物１９が生成されず、鋼板１１と合金亜鉛系めっき層１２−溶着金属２０との間で強固に接合されるため、接合部全体として強度の高い継手を得ることができる。

本実施形態では、アルミニウム合金板１０と亜鉛合金系めっき鋼板１３との突合せ接合について説明したが、鋼板１１に付着するめっき層としてアルミニウム合金系のめっき層を採用することもできる。この場合、アルミニウム合金系めっきはアルミニウムワイヤ１５の溶滴との濡れが良好であるため、より強固な接合を実現することができる。

前述したように、ワイヤの狙い位置aを接合位置bからアルミニウム合金板１０側の０．１〜３．２ｍｍの範囲内で母材の片面からの接合が好ましいとしたのは、後述する実施例（試験結果）から得られた事実による。

ワイヤ狙い位置aを、接合位置bからアルミニウム合金板１０側０．１ｍｍよりも鋼板１１側にした場合、鋼板１１側のみにビードが引かれ、溶着金属２０がアルミニウム合金板１０側に十分に行き渡らない。また、鋼板１１側に伝わる熱が過剰となるため、アルミニウム合金板１０と鋼板１１との界面に生成される金属間化合物１９が広範囲に厚く生成される。その結果、継手強度の低下が著しくなる。

反対にワイヤ狙い位置aを、接合位置bからアルミニウム合金板１０側３．２ｍｍよりもさらにアルミニウム合金板１０側にした場合、アルミニウム合金板１０側が溶け落ちてしまい、突合せ接合できなくなる。

また、母材両面に広がる良好な溶着金属２０の分布を得るために、母材両面から接合すると、母材の熱変形が著しく大きくなることから、母材片面のみからの施工が好ましい。

次に、本発明の実施例について説明する。

下記表１は、本発明の実施例とその比較対象となる比較例との試験条件と、接合部の各種評価とを一覧表にまとめたものである。

以下に示す各条件を組み合わせて試験を行った。

アルミニウム合金板の種類：６０００系（板厚１．６ｍｍ）、又は５０００系（板厚１．０ｍｍ）
鋼板の種類：合金化亜鉛めっき処理材（板厚１．０ｍｍ）、アルミニウムめっき処理材（板厚１．０ｍｍ）、冷間圧延裸仕様（板厚１．０ｍｍ）
ワイヤ狙い位置：接合位置よりアルミニウム合金板側、１．０ｍｍ，０．１ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍ，３．２ｍｍ，３．２ｍｍ
接合位置：鋼板側０．５ｍｍ
なお接合部に欠陥の有無を調べるため、強度特性試験、曲げ試験、複合腐食試験（ＣＣＴ）を実施した。

強度特性試験は、製造されたテーラードブランク材を引張試験機にかけ、母材側が破断すれば合格であり、接合部で破断すれば不合格とする。接合部で破断した場合は、接合部が強度上の弱点になっているからである。

曲げ試験は、テーラードブランク材から試験片を採取し、異材同士の接合線と曲げ中心線とを一致させた場合と、直行させた場合とで行った。なお、試験条件は内側半径１５ｍｍで９０度の曲げを行い、割れや剥離の確認を行った。

複合腐食試験（ＣＣＴ）は、実腐食を模擬する促進試験において、２００サイクル、又は３００サイクルの腐食試験を行った。

実施例１ではミグ溶接機を使用して、アルミニウム４０００系溶接ワイヤφ１．２ｍｍを用いて接合を行った。接合条件は、電流値を８０Ａ、接合速度を７０ｃｐｍに設定した。接合する材料は６０００系アルミニウム合金板１．６ｍｍと合金化亜鉛めっき鋼板（軟鋼）１．０ｍｍであり、ワイヤの狙い位置は接合位置よりアルミニウム合金板側１．０ｍｍ，０．１ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍ，３．２ｍｍの複数箇所にて実施した。

比較例１は実施例１と試験結果を比較検討するために行い、使用した試験機及び試験条件は実施例１と同じであり、実施例１と異なる新たなワイヤの狙い位置を設定した。また鋼板側の材種を冷間圧延裸仕様の鋼板（軟鋼）に変更して接合性の確認も行った。

表１に示すように、実施例１の条件下で行われたアルミニウム合金板と合金化亜鉛めっき鋼板との突合せ接合は、強度特性試験、曲げ試験、耐食試験の各試験において良好な結果が得られた。これに対して比較例１に示した接合では、（１）〜（３）の条件下ではアルミニウム合金板と合金化亜鉛めっき鋼板との接合ができなかった。（１）では、アルミ側が溶け落ちてしまい、反対に（２）、（３）では、鋼板側のみにビードが引かれ、接合ができなかった。（４）においては強度特性と曲げ試験の評価では良好な結果が得られたが、耐食試験において、接合部近傍にて電気腐食が見られた。

以上より本発明による突合せ接合を用いれば、アルミニウム合金板６０００系と合金化亜鉛めっき鋼板との突合せ接合は、継手強度と溶着金属の良好な形状とが確保でき、耐食性に優れた接合を行うことができる。ただし、ワイヤ狙い位置を接合位置からアルミニウム合金板側０．１〜３．２ｍｍの範囲とする必要がある。ワイヤ狙い位置を前記範囲よりも鋼板側にすると、鋼板側のみにビードが引かれ、溶着金属がアルミニウム合金板側に十分行き渡らなかった。逆に前記範囲よりもワイヤ狙い位置をアルミニウム合金板側にすると、アルミニウム合金板側が溶け落ちてしまい、突合せ接合ができなかった。

また、アルミニウム合金板と裸仕様の鋼板との接合は、アルミニウム合金材と鋼材との界面が表面に露出するため、雰囲気からの電気腐食による影響を受けやすく、耐食性に優れなかった。

実施例２はミグ溶接機を使用して、アルミニウム４０００系溶接ワイヤφ１．２ｍｍを用いて接合を行った。接合条件は、電流値は６５Ａ、接合速度は７０ｃｐｍに設定した。接合する材料は５０００系アルミニウム合金板１．０ｍｍと合金化亜鉛めっき鋼板（軟鋼）１．０ｍｍであり、ワイヤの狙い位置は接合位置よりアルミニウム合金板側１．０ｍｍ，０．１ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍ，３．２ｍｍの複数箇所にて実施した。

比較例２は実施例２と試験結果を比較検討するために行い、使用した試験機及び試験条件は実施例２と同じであり、実施例２と異なる新たなワイヤの狙い位置を設定した。また鋼板側の材種を冷間圧延裸仕様の鋼板（軟鋼）に変更して接合性の確認も行った。

表１に示すように、実施例２に示した条件下で行われたアルミニウム合金板と合金化亜鉛めっき鋼板との突合せ接合は、強度特性試験、曲げ試験、耐食試験の各試験において良好な結果が得られた。これに対して比較例２に示した条件下では、（１）〜（３）の条件下ではアルミニウム合金板と合金化亜鉛めっき鋼板との接合ができなかった。接合が出来なかった理由は比較例１と同じであった。（４）においては強度特性と曲げ試験の評価では良好な結果が得られたが、耐食試験において、接合部近傍にて電気腐食が見られた。

以上より本発明による突合せ接合を用いれば、アルミニウム合金板５０００系と合金化亜鉛めっき鋼板との突合せ接合は、継手強度と溶着金属の良好な形状とが確保でき、耐食性に優れた接合を行うことができる。しかし、良質な接合を確保するためにワイヤの狙い位置を設定する範囲と、裸仕様の鋼板とアルミニウム合金板５０００系との接合の不具合とは、アルミニウム合金板６０００系を使用した実施例１及び比較例1に示した結果と同じであった。

実施例３はミグ溶接機を使用して、アルミニウム４０００系溶接ワイヤφ１．２ｍｍを用いて接合を行った。接合条件は、電流値は８０Ａ、接合速度は７０ｃｐｍに設定した。接合する材料は６０００系アルミニウム合金板１．６ｍｍとアルミニウムめっき鋼板（軟鋼）１．０ｍｍであり、ワイヤの狙い位置は接合位置よりアルミニウム合金板側１．０ｍｍ，０．１ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍ，３．２ｍｍの複数箇所にて実施した。

比較例３は実施例３と試験結果を比較検討するために行い、使用した試験機及び試験条件は実施例３と同じであり、実施例３と異なる新たなワイヤの狙い位置を設定した。

表１に示すように、実施例３に示した条件下で行われたアルミニウム合金板とアルミニウムめっき鋼板との突合せ接合は、強度特性試験、曲げ試験、耐食試験の各種試験において良好な結果が得られた。これに対して比較例３に示した条件下では、（１）〜（３）の条件下ではアルミニウム合金板とアルミニウムめっき鋼板との接合ができなかった。接合が出来なかった理由は比較例１と同じであった。

以上より本発明による突合せ接合を用いれば、アルミニウム合金板６０００系はアルミニウムめっき鋼板との突合せ接合は、継手強度と溶着金属の良好な形状とが確保でき、耐食性に優れた接合を行うことができる。しかし、良質な接合を確保するためにワイヤの狙い位置を設定する範囲は、合金化亜鉛めっき鋼板を使用して突合せ接合を行った実施例１及び比較例１と同様の結果となった。

耐食試験に関しては、実施例３ではＣＣＴ３００サイクルに耐えることができ、鋼板に合金化亜鉛めっき鋼板を使用した場合より、アルミニウムめっき鋼板を使用した方が、耐食性に優れていた。これは、接合に用いたワイヤをアルミニウム系としたため、アルミニウムめっき層と、アルミニウムワイヤの溶滴との濡れが良好であったためである。

実施例４はミグ溶接機を使用して、アルミニウム４０００系溶接ワイヤφ１．２ｍｍを用いて接合を行った。接合条件は、電流値は６５Ａ、接合速度は７０ｃｐｍに設定した。接合する材料は５０００系アルミニウム合金板１．０ｍｍとアルミニウムめっき鋼板（軟鋼）１．０ｍｍであり、ワイヤの狙い位置は接合位置よりアルミニウム合金板側１．０ｍｍ，０．１ｍｍ，２．０ｍｍ，３．０ｍｍ，３．２ｍｍの複数箇所にて実施した。

比較例４は実施例４と試験結果を比較検討するために行い、使用した試験機及び試験条件は実施例４と同じであり、実施例４と異なる新たなワイヤ狙い位置を設定した。

表１に示すように、実施例４に示した条件下で行われたアルミニウム合金板とアルミニウムめっき鋼板との突合せ接合は、強度特性試験、曲げ試験、耐食試験の各種試験において良好な結果が得られた。これに対して比較例４に示した条件下では、（１）〜（３）ではアルミニウム合金板とアルミニウムめっき鋼板との接合ができなかった。接合が出来なかった理由は比較例１と同じであった。

以上より本発明による突合せ接合を用いれば、アルミニウム合金板５０００系はアルミニウムめっき鋼板との突合せ接合は、継手強度と溶着金属の良好な形状とを確保することができ、耐食面に優れた接合を行うことができる。しかし、良質な接合を確保するためにワイヤの狙い位置を設定する範囲は、合金化亜鉛めっき鋼板を使用して突合せ接合を行った実施例１及び比較例１と同様の結果となった。

耐食試験に関しては、鋼板にアルミニウムめっき鋼板を使用したため、実施例３と同様にＣＣＴ３００サイクルに耐えることができた。

本発明の実施形態に係る異材接合の接合継手部付近の断面図である。 本発明の実施形態に係る異材接合がなされた接合継手部付近の断面図である。

符号の説明

１０ アルミニウム合金板
１１ 鋼板
１２ 亜鉛合金系めっき層
１３ 亜鉛合金系めっき鋼板
１４ 溶接トーチ
１５ ワイヤ（アルミニウムワイヤ）
１６ 不活性ガス
１７ アーク
１８ 突合せ面
１９ 金属間化合物
２０ 溶着金属
ａ ワイヤ狙い位置
ｂ 接合位置

Claims (6)

1. めっき鋼板とアルミニウム合金板とが突合せ接合された接合継手であって、突合せ部がアルミニウムを含有する溶着金属で覆われていることを特徴とする異材接合継手
2. 前記めっき鋼板が亜鉛合金系めっき鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の異材接合継手。
3. 前記めっき鋼板がアルミニウムめっき鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の異材接合継手。
4. めっき鋼板とアルミニウム合金板とを突合せ、アルミニウム系溶加材を使用してアーク溶接する接合方法であって、ワイヤの狙い位置を接合位置からアルミニウム合金板側０．１〜３．２ｍｍの範囲に設定し、母材の片面からアーク溶接し、アルミニウムを含有する溶着金属で継手部を覆うことを特徴とする異材接合方法。
5. 前記めっき鋼板が亜鉛合金系めっき鋼板であることを特徴とする請求項４に記載の異材接合方法。
6. 前記めっき鋼板がアルミニウムめっき鋼板であることを特徴とする請求項４に記載の異材接合方法。

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