JP2010247200A - 金属部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合強度の向上を図ることができる金属部材の接合方法を提供する。
【解決手段】Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材（図示略）との間にＺｎ系ろう材３を介在して、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材とを接合する。Ｚｎ系ろう材３として、Ａｌ：２．０重量％以下を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるろう材を用いる。接合では、Ｚｎ系ろう材３の液相を生成し、液相状態にあるＺｎ系ろう材３の凝固時に、Ｚｎ結晶からなるＺｎ初晶２１、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶２２が晶出するようにＺｎ系ろう材３を加熱する。これにより、Ｚｎ初晶２１およびＺｎとＡｌとの共晶２２から構成される接合層４が形成される。この場合、Ｆｅ系金属部材１とＺｎ系ろう材３との境界部にＦｅＡｌ系化合物からなる金属間化合物層が形成されない。
【選択図】図３

Description

本発明は、 Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する金属部材の接合方法に係り、特に接合時の加熱技術の改良に関する。

各種継手等の金属部材の接合構造は、異種金属部材の接合により製造されている。異種金属部材の接合では、それら金属部材の間に介在させたろう材に、レーザビームを照射して加熱してブレージング（ろう付）を行っている。これにより、異種金属部材の間に接合層を形成することにより、金属部材の接合構造を製造している。

たとえば、異種金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用いる場合、ＡｌとＺｎは化合物層を形成せず、広い範囲で共晶組織となるから、ろう材としてＺｎ系ろう材を用いている（たとえば特許文献１参照）。これにより、Ａｌ系金属部材と接合層との間の強度を確保することができる。

特許第３７４０８５８号公報

しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分では、そこに形成される金属間化合物が脆いため、そこで破断が生じる虞があった。その結果、金属部材の接合構造の強度が不足していた。

したがって、本発明は、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部分の接合強度を高めることにより、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合強度の向上を図ることができる金属部材の接合方法を提供することを目的としている。

本発明者は、金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用いた異種金属接合に適用されるろう材および入熱条件について鋭意研究を重ねた。図７は、ＺｎＡｌの２元合金平衡状態図である。図７の横軸は、ＺｎＡｌの２元合金におけるＺｎの含有量を示し、上側の横軸の単位は重量％（wt%）、下側の横軸の単位は原子％(atm%)である。図７に示すように、液相状態にあるＺｎ系ろうづけ部の凝固時に晶出する初晶は共晶点を境に異なる（すなわち、Ａｌリッチ側ではＡｌ初晶が晶出し、Ｚｎリッチ側ではＺｎ初晶が晶出する）ことに着目し、金属間化合物層の形成を防止するためには、液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時にＡｌ初晶の晶出を防止することが重要であるとの知見を得、本発明の完成に至った。

本発明の金属部材の接合方法は、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とを接合する接合方法であって、Ｚｎ系ろう材として、Ａｌ：２．０重量％以下を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるろう材を用い、接合において、Ｚｎ系ろう材の液相を生成し、液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時に、Ｚｎ初晶、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶が晶出するようにろう材を加熱することを特徴としている。なお、本願では、被接合部とは、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間の接合予定部のことを表し、接合部とは、接合後の接合予定部のことを表している。

本発明の金属部材の接合方法では、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合において、それら金属部材の間に介在したＺｎろう材として、Ａｌ：２．０重量％以下を含有するろう材を用い、その凝固時に、Ｚｎ初晶、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶が晶出するようにろう材を加熱している。Ｚｎ系ろう材を加熱を上記のように行っているので、図７から判るように、Ｚｎ系ろう材の凝固時に、Ａｌ結晶からなるＡｌ初晶が晶出しなく、その結果、液相状態にあるＺｎ系ろう材中にはＡｌ（α）（α固溶体）が存在しない。この場合、Ｚｎ系ろう材として、Ａｌ初晶が晶出しない割合（共晶点およびＺｎリッチ側）に対応する含有量のＡｌを含むろう材を用いても、接合中にＺｎ系ろう材に母材のＡｌが溶け込むと、図７に示す２元合金平衡状態図において、Ａｌリッチ側の状態に移行するから、ろう材の上記加熱条件に設定することは重要である。

したがって、Ｚｎ系ろう材の凝固時に、Ａｌ初晶とＦｅ系金属部材との直接接触による反応が生じないから、接合により得られる接合構造体では、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部でのＦｅＡｌ系化合物からなる金属間化合物層の形成を防止することができる。従来では、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の金属間化合物層が脆弱であるため、接合構造体の強度低下を招いていたが、本発明では、そのような金属間化合物層の形成を防止することができるから、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の強度を図ることができる。

本発明の金属部材の接合方法によれば、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部での金属間化合物層の形成を防止することができるから、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の強度を図ることができる等の効果を得ることができる。

本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法により接合構造体を製造する状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は被接合部の側面図である。 本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法による製造工程を表し、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材との境界部の概念図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図２に続く本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法による製造工程を表し、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材との境界部の概念図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図２に続く従来の金属部材の接合方法による製造工程を表し、Ｆｅ系金属部材とＺｎ系ろう材との境界部の概念図である。 本発明に係る一実施形態の金属部材の接合時にキーホールが形成された被接合部の構成を表す断面図である。 本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法により得られた接合構造体の一例を表す断面構成図である。 ＺｎＡｌの２元合金平衡状態図である。 試料１１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との境界部の組織のＳＥＭ写真である。 比較試料１２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との境界部の組織のＳＥＭ写真である。 試料２１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との境界部の組織のＳＥＭ写真である。 比較試料３１の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との境界部の組織のＳＥＭ写真である。 比較試料３２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との境界部の組織のＳＥＭ写真である。 ピール強度試験の手法を説明するための接合構造体の概略断面構成図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態の金属部材の接合方法を用いて接合を行っている状態を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は概略正面図である。

金属部材の接合方法は、たとえばフレア継手を製造する配置を用いている。金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材１およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材２を用いている。Ｆｅ系金属部材１，Ａｌ系金属部材２は湾曲部１１，１２を有している。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の配置では、湾曲部１１，１２どうしが対向し、それら湾曲部１１，１２により開先形状１３を形成している。この場合、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との対向部に段差を設けている。

本実施形態の金属部材の接合方法では、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の湾曲部１１，１２により形成された開先形状１３の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材３をワイヤガイド１０１を通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材３の先端部にレーザビーム１０２を照射する。Ｚｎ系ろう材３は、Ａｌ：２．０重量％以下を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるろう材である。

Ｚｎ系ろう材３はレーザビーム１０２の照射により加熱され、図２に示すように、Ｚｎ系ろう材３は液相状態となる。そして、液相状態にあるＺｎ系ろう材３が凝固することにより、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との間に接合層４が形成される。

ここで、従来では、図４（Ａ）に示すように、液相状態にあるＺｎ系ろう材３の凝固時にＡｌ結晶であるＡｌ初晶１２１が晶出する。Ａｌ初晶１２１は、Ａｌ（α）（α固溶体）単体として存在し、固相状態にあるＦｅ系金属部材１と直接接触し、Ｆｅ系金属部材１と反応する。このため、図４（Ｂ）に示すように、Ａｌ初晶１２１、および、ＺｎとＡｌとの共晶１２２からなる組織を有する接合層１０４が形成されるとともに、Ｆｅ系金属部材１と接合層１０４との境界部にはＦｅＡｌ系化合物からなる金属間化合物層１０５が形成される。なお、図４（Ｂ）中の斜線は、共晶１２２が凝固した状態を示している。

これに対して本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、液相状態にあるＺｎ系ろう材３の凝固時にＺｎ結晶であるＺｎ初晶２１、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶２２が晶出するようにＺｎ系ろう材３を加熱している。Ｚｎ初晶２１は、Ｚｎ（β）（β固溶体）単体として存在している。このようにＺｎ系ろう材３の凝固時、Ａｌ初晶が晶出しないので、液相状態にあるＺｎ系ろう材３にはＡｌ（α）（α固溶体）が存在しない。これにより、Ａｌ初晶とＦｅ系金属部材１との直接接触が起こらず、Ａｌ初晶とＦｅ系金属部材１との反応が生じない。その結果、図３（Ｂ）に示すように、Ｚｎ初晶２１、および、ＺｎとＡｌとの共晶２２からなる組織を有する接合層４が形成され、この場合、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部にＦｅＡｌ系化合物からなる金属間化合物層が形成されない。なお、図３（Ｂ）中の斜線は、共晶２２が凝固した状態を示している。

レーザビーム１０２の照射では、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の被接合部をＦｅ系材料の融点以上の温度で加熱することが好適である。図５は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合時にキーホール５が形成された被接合部の概略構成を表す断面図である。被接合部では、加熱により材料の溶融・蒸発が起こり、蒸発した材料による蒸発反力（図中の矢印）によってキーホール５が形成される。この場合、溶融しているＺｎ系ろう材３は、レーザ照射部の周囲に存在している。このようなキーホール５内ではレーザビーム１０２が、図中の点線で示すように多重反射するから、キーホール５内ではエネルギー密度が高くなり、キーホール５内の上側から下側までの全表面が略均一に加熱される。これにより、レーザビーム１０２の通過後、キーホール５内に入り込む溶融Ｚｎ系ろう材は、キーホール５内の全表面と一様な熱履歴で反応することができる。

以上のようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行うことにより、図６に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体１０を製造することができる。

接合構造体１０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には接合層４が形成されている。Ａｌ系金属部材のＡｌは、ＺｎとＡｌとの共晶融解あるいはＡｌの溶融により接合層４へ流入するから、Ｚｎ系ろう材３がＡｌを含有しない場合でも、接合層４はＡｌを含有する。本実施形態では、従来の接合構造体と異なり、Ｆｅ系金属部材１と接合層２との境界部には、従来の接合構造体に形成されていた金属間化合物層が存在しない。

以上のように本実施形態では、接合により得られる接合構造体１０において、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部にＦｅＡｌ系化合物からなる金属間化合物層が形成されない。従来では、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の金属間化合物層が脆弱であるため、接合構造体の強度低下を招いていたが、本発明では、そのような金属間化合物層が形成されないから、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の強度を図ることができる。

上記実施形態では、レーザ溶接を用いて本発明の金属部材の接合方法を説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の金属部材の接合方法は、レーザ溶接の代わりに、種々の手段を用いることができる。たとえば、スポット溶接を用いることができる。具体的には、シート状のＺｎ系ろう材を用い、そのろう材をＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との間に挟みスポット溶接を行うことができる。

以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

試料１１，２１および比較試料１２，３１，３２では、図１に示す配置形態と同様にＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材を配置し、それら金属部材の湾曲部により開先形状を形成した。そして、その開先形状の中心部に、ワイヤ状のＺｎ系ろう材をワイヤガイドを通じて送出しながら、Ｚｎ系ろう材の先端部にレーザビームを照射した。これにより金属部材の接合構造体を製造した。表１に接合条件を示す。

試料１１，２１および比較試料１２，３１，３２では、表１に示すように、おもにＺｎ系ろう材におけるＡｌの含有量および入熱条件を変更した。表１では、Ｚｎ系ろう材の材質について、Ｚｎ系ろう材のＡｌ含有量（添加量、重量％）を示しており、それらＺｎ系ろう材の残部はＺｎおよび不可避不純物からなる。入熱条件について、低入熱条件では、液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時に、Ｚｎ初晶、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶が晶出するようにＺｎ系ろう材を加熱した。高入熱条件では、液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時に、Ａｌ初晶が晶出するようにＺｎ系ろう材を加熱した。

［接合層のＳＥＭ観察およびＦｅ系金属部材と接合層との境界部のＳＥＭ観察］
各接合条件で得られた試料１１，２１および比較試料１２，３１，３２の金属部材の接合構造体について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、接合層の組織、および、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部の組織を観察した。その結果を図８〜１２に示す。図８〜１２は試料１１，２１および比較試料１２，３１，３２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、図８〜１２では、（Ａ）が接合層の組織のＳＥＭ写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層の境界部の組織のＳＥＭ写真である。

Ｚｎ系ろう材のＡｌ含有量および入熱条件の少なくとも一方を本発明範囲外とした比較試料１２，３１，３２では、図９（Ａ），１１（Ａ），１２（Ａ）に示すように、Ａｌ初晶（黒色の島部）が観察された。なお、図では、Ａｌ初晶の１つを破線で示している。比較試料１２では、図９（Ｂ）に示すように、塊状（大きさ７μｍ程度）の金属間化合物と層状（層厚略０μｍ）の金属間化合物からなる金属間化合物層が観察され、比較試料３１，３２では、図１１（Ｂ），１２（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部には、層厚２０μｍの金属間化合物層が観察された。

Ｚｎ系ろう材のＡｌ含有量および入熱条件を本発明範囲内とした試料１１，２１では、図８（Ａ），１０（Ａ）に示すように、Ａｌ初晶ではなく、Ｚｎ初晶が観察された。なお、図では、Ｚｎ初晶の１つを破線で示している。本発明範囲内の試料１１では、図８（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部には金属間化合物層が観察されず、本発明範囲内の試料２１では、図１０（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部には金属間化合物層が僅かながら観察されたが、その層厚は略０μｍであった。

以上のことから、Ａｌ：２．０重量％以下を含有するＺｎ系ろう材を用い、接合において低入熱条件に設定する（液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時に、Ｚｎ結晶からなるＺｎ初晶あるいはＺｎとＡｌとの共晶が晶出するようにろう材を加熱する）と、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部での金属間化合物層の形成を抑制することができることを確認した。

［金属接合構造体の接合強度評価］
試料１１，２１および比較試料１２，３１，３２のテストピースについて、ピール強度試験を行った。テストピースとしては、接合構造体の中央部側の１ピースおよび両端部側の２ピース（計３ピース）を用いた。

ピール強度試験では、図１３に示すように、接合層３３が形成された面とは反対側の面でＴ字状をなすＦｅ系金属部材３１およびＡｌ系金属部材３２の横方向延在部に対して互いに反対方向の力を加えた。このようなピール強度試験では、接合界面（矢印Ｃで指示される箇所）に高い応力を集中させることにより、接合界面の強度を測定することができる。その結果（ピール引張強度値）を表２に示す。なお、表中の界面破断の記載がある試料については、ピール強度試験で界面破断が生じたことを示している。

表２に示すように、Ａｌが含有されていない試料１１と比較試料１２のピール強度を比較すると、低入熱条件で接合して金属間化合物層が形成されなかった試料１１のピール強度が、高入熱条件で接合して金属間化合物層が形成された比較試料１２のピール強度よりも高かった。Ａｌ含有量を２重量％に設定して低入熱条件で接合した試料２１のピール強度は、Ａｌが含有量を６重量％に設定して低入熱条件あるいは高入熱条件で接合した比較試料３１，３２ のピール強度よりも高かった。Ａｌが含有量を６重量％に設定して低入熱条件で接合した比較試料３１では、界面破断が生じた。

以上のことから、Ａｌ：２．０重量％以下を含有するＺｎ系ろう材を用い、接合において低入熱条件に設定して、Ｆｅ系金属部材と接合層の境界部での金属間化合物層の形成を抑制することにより、ピール強度を高めることができることを確認した。

１…Ｆｅ系金属部材、２…Ａｌ系金属部材、３…Ｚｎ系ろう材、４…接合層

Claims (1)

1. Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材との間にＺｎ系ろう材を介在して、前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とを接合する接合方法において、
   前記Ｚｎ系ろう材として、Ａｌ：２．０重量％以下を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるろう材を用い、
   前記接合において、前記Ｚｎ系ろう材の液相を生成し、前記液相状態にあるＺｎ系ろう材の凝固時に、Ｚｎ初晶、あるいは、ＺｎとＡｌとの共晶が晶出するように前記ろう材を加熱することを特徴とする金属部材の接合方法。

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