JP2009279605A - マグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法及び接合構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マグネシウム合金材1と鋼材2を接合するに際して、接合界面にAlを介在させた状態、例えばマグネシウム合金にAlを添加したり、鋼材にAl含有亜鉛めっきを施したりした状態で両材料1,2を重ね合わせ、高エネルギービームBを鋼材2の表面に照射しつつ両材料を加圧して、鋼材側からの伝熱によりマグネシウム合金材1を加熱し、接合界面にAl3Mg2とFeAl3とが混在する複合組織を有する化合物層Lを介して両材料1,2を接合する。
【選択図】図1
Description
また、Fe−Mg二元状態図からわかるように、マグネシウムと鉄は二相分離型の挙動を示し、互いの固溶限も極めて小さいことから、このような特性の材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。
また、本発明の異種金属接合構造は、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士が少なくともAl3Mg2とFeAl3とが混在した複合組織から成る化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
このとき、接合界面においては、接合界面に介在するAlが合金材中のMg及び鋼材中のFeとそれぞれ反応してAl3Mg2とFeAl3 を生成し、これらが混在した複合組織を含む化合物層を介して両材料が接合されるため、相互拡散が生じて接合強度が向上することになる。
また、マグネシウム合金材として、Alを含有するマグネシウム合金、例えばASTM(アメリカ材料試験協会)に規定されるAZ31(3%Al)、AZ61(6%Al)、AZ80(8%Al)、AZ91(9%Al)を用いることも可能である。
このような一般的な市販鋼材を使用することによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、極めて簡便かつ安価に、マグネシウム合金との強固な接合を行なうことができる。また、Alを含有しないマグネシウム合金材(例えば、ZK51A、ZK60A、ZE33Aなど)や純マグネシウム材との接合が可能となり、接合相手として、種々のマグネシウム系材料を自由に選択できるようになる。
すなわち、接合界面に介在するAl量が3%に満たない場合は、Alとの金属間化合物が生成され難くなって、Al3Mg2とFeAl3 が混在した複合型の化合物層が形成されなくなることがある。一方、Al量が10%以上になると、接合界面に厚いFe−Al反応層と薄いMg−Al反応層の二重構造の反応層が生成し、接合強度が低下するという不都合が生じ易くなる傾向がある。
図に示す接合装置は、接合の熱源となる高エネルギービームとしてYAGレーザを照射する照射ヘッド11と、この照射ヘッド11の進行方向後方側に配置され、エアシリンダによって加圧ローラ12を上下方向に駆動する加圧装置13を備えている。ここで、当該ローラ12が被接合材料、すなわちマグネシウム合金材1と、その上に重ねられた鋼板2に加える加圧力は、上記エアシリンダに送給するエア圧力を調整することによってコントロールすることができる。
したがって、ワークが平面の場合はもとより、車体のような3次元形状の場合にもレーザ照射位置に追従することができ、当該接合装置が図中の矢印方向に相対移動することによって、両材料1,2を連続的あるいは断続的な線状に接合することができるようになっている。
このとき、マグネシウム合金材1には、例えば6%程度のAlが添加されていると共に、その表面には酸化皮膜1fが生成されている。
このとき、接合界面では、マグネシウム合金材1に添加されたAl原子が鋼材2の主成分であるFe、及びマグネシウム合金材1の主成分であるMgと反応し、Al−Mg系金属間化合物と、Al−Fe系金属間化合物を形成し、図3(E)に示すように、これらが混在した複合型の化合物層Lを形成する。
本発明方法によれば、接合後の接合界面には酸化皮膜1f層は残存せず、鋼材2として亜鉛めっき鋼板を使用した場合にも、亜鉛めっき層は、マグネシウム合金材の表層溶融部1mと共に排出されるために接合界面に残存せず、これが強固な接合が可能になる要因のひとつでもある。
さらに、この接合部の周囲を囲むように、局部溶融したマグネシウム合金と共に酸化皮膜1fや接合界面の不純物など(亜鉛めっき鋼板を用いた場合には、亜鉛めっき層も)を含む排出物Wが排出されている。
一方、鋼材としては、裸鋼板(CR)と、溶融亜鉛めっき鋼板(GI)と、亜鉛めっき中にアルミニウムが添加された55%アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板(ガルバリウム鋼板)と亜鉛−5%アルミニウム合金めっき鋼板を用いた。これら鋼材とマグネシウム材とを後述のように組み合わせ、種々の条件で接合し、せん断引張り試験を行うと共に、接合界面における化合物層の組成や厚さをオージェ分析、走査型電子顕微鏡により測定し、得られた界面構造と強度の関係を調査した。
加工ヘッドを移動させながら、レーザビームBを鋼材2の表面に照射して、鋼材2を加熱した後、レーザ照射位置の後方20mmの位置を加圧装置13先端の加圧ローラ12により加圧し、鋼材2をマグネシウム合金材1に押し付けることにより接合を行った。
接合後、継手強度を測定するため、接合長さが20mmとなるように溶接した材料を20mm幅で切断し、せん断引張り試験を実施した。
これらの結果を材料や接合条件の組合せと併せて、表1に示す。
また、マグネシウム合金材のAl含有量が9%までの範囲では、Al含有量の増加と共に接合強度が増す傾向と共に、亜鉛めっき鋼板を用いた方が強度が僅かに高くなる傾向が認められた。
裸鋼板、亜鉛めっき鋼板、いずれの場合も、接合強度は、2.7kN前後であって、それぞれ純マグネシウム材を用いた比較例1及び6と比較して飛躍的に向上していることが確認された。そして、接合界面には、Al3Mg2とFeAl3 の金属間化合物が混在する複合組織を含む化合物層の形成が確認されている。
強度が向上した要因としては、マグネシウム合金材中に添加されたAl量が増加したため、Fe−Al系及びAl−Mg系金属間化合物を含む複合型化合物層がより強固に形成されたことによるものと考えられる。
いずれの場合も、6%のAlを含有するAZ61材を用いた場合と比べて、上記と同様の理由により、接合強度がさらに向上していることが確認された。接合界面には、同様の複合組織を備えた化合物層が形成されていることが確認された。
このうち、発明例14は、鋼材として亜鉛−5%アルミニウム合金めっき鋼板を用い、マグネシウム材として、Alを含有しない純Mgを用いた接合例であって、接合界面近傍に含有されるAl量の総和が5%となる。この場合には、通常の亜鉛めっき鋼板と6%Alを含有するAZ61合金材の接合例である上記発明例8の場合と同様の化合物層が形成され、上記発明例と同等の接合強度が得られることが確認された。
この組合せの場合、引張りせん断強度は2.4kNであって、上記した発明例2〜5、6〜11と比較して、接合強度が低下する結果となった。また、接合界面には、金属間化合物の混合組織は形成されず、厚いFe−Al系金属間化合物層と薄いAl−Mg系金属間化合物層から成る二層分離構造の化合物層が生成しており、これら化合物層の界面、又はAl−Mg系金属間化合物層とマグネシウム母材の界面から破断していた。
そして、接合界面には、上記比較例12と同様に、厚いFe−Al系金属間化合物層と薄いAl−Mg系金属間化合物層から成る二層分離構造の化合物層が形成されていることが確認された。
また、このときの接合界面における上記化合物層の厚さは、0.5μm以上3μm未満であることが判った。
すなわち、図5(A)は、裸鋼板とAZ31合金(3%Al)の接合例である発明例3の接合構造を示すものであって、接合界面には、Fe−Al系及びAl−Mg系の金属間化合物を含む複合型の化合物層が形成され、その平均厚さは0.7μmであった。
この場合には、接合界面にFe−Al系とAl−Mg系の金属間化合物から成る2層構造の反応層が形成されているが、これら金属間化合物が互いに混合することなく、Fe−Al系金属間化合物層が3〜4μmの厚さに形成されているため、強度低下が生じている例である。
例えば、鋼材として亜鉛−5%アルミニウム合金めっき鋼板を使用すれば、上記実施例で使用したAl含有マグネシウム合金以外の一般的なマグネシウム合金に適用することができる。また、上記実施例では、接合のための加熱手段として、レーザを用いたが、特にこれに限定されるものではなく、鋼材側を加熱することができる限り、電子ビーム等の他の手段を用いることも可能である。
2 鋼板
12 加圧ローラ
B レーザビーム(高エネルギービーム)
Claims (6)
- マグネシウム合金材と鋼材とを重ね合わせた状態で、高エネルギービームを鋼材の表面に照射しつつ両材料を相対加圧し、鋼材側からの伝熱により上記マグネシウム合金材と鋼材を接合するに際して、
上記両材料の接合界面にAlを介在させ、当該Alと上記両材料に含まれるMg及びFeとの金属間化合物を接合界面に形成させ、少なくともAl3Mg2とFeAl3とが混在した複合組織から成る化合物層を介して両材料を接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。 - 上記Alがマグネシウム合金材に含まれていることを特徴とする請求項1に記載の異種金属接合方法。
- 上記Alが鋼材表面に形成されためっき層に含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の異種金属接合方法。
- 接合界面に介在するAl量の総和が質量比で3%以上10%未満で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接合方法。
- 高エネルギービームを両材料に対して相対移動させながら連続的又は断続的に照射すると共に、上記高エネルギービームの照射位置の進行方向後方に配置した加圧ローラによって両材料を連続的に加圧することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の異種金属接合方法。
- マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士が少なくともAl3Mg2とFeAl3とが混在した複合組織から成る化合物層を介して接合されていることを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造。
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