JP2013071134A - 異種金属接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金材と鋼材の接合を、鋼材同士の接合等に最も広く採用されているＴＩＧ溶接により行え、しかも、良好なビード外観と必要な継手強度を得ることができる異種金属接合方法を提供する。
【解決手段】タングステン電極５を、鋼材２側に３５°以上６０°未満傾けると共に、タングステン電極５の先端部を、アルミニウム合金材１の表面から２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満垂直に離れた位置に配置し、タングステン電極５の中心軸の延長線がアルミニウム合金材１の表面と交わる位置を、アルミニウム合金材１の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満アルミニウム合金材１側の範囲とし、アーク７を照射してアルミニウム合金材１と鋼材２をすみ肉溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タングステン電極を用いた直流ＴＩＧ溶接によりアルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接する異種金属接合方法に関するものである。尚、本発明でいうアルミニウム合金材とは、アルミニウム合金製の圧延板材（冷延板など）、押出形材、或いはこれらを成形加工した車体用などの各種部材、部品の総称であり、鋼材とは、冷延鋼材や型鋼、或いはこれらを成形加工した車体用などの各種部材、部品の総称である。

近年、自動車を始めとした輸送用車両から排出される排気ガスなどによる地球温暖化などの地球環境に対する問題が提起されており、その対策の一つとして、自動車などの車両の軽量化による燃費の向上が検討されている。一方、車両に軽量化を施すだけでは、自動車などが衝突事故を起こした場合に大きな事故となる可能性が高くなることが懸念されるため、軽量化と併せて安全性を高めることも検討されている。このような理由があって、軽量且つエネルギー吸収性に優れたアルミニウム合金を、自動車を始めとした輸送用車両の車体の一部に適用することが検討されており、近年は実用化にも至っている。

但し、アルミニウム合金の自動車を始めとした輸送用車両への適用には、アルミニウム合金の特性を活かした構造設計を行うことが必要となる。オールアルミニウム合金製の特殊な車両を除けば、車体の構造体を構成する鋼材に対し、アルミニウム合金材を部分的に組み合わせた車体構造となるため、鋼材とアルミニウム合金材の異種金属接合技術が必須となる。

しかしながら、単に鋼材とアルミニウム合金材の異種金属接合を溶接により行おうとすると、鋼材とアルミニウム合金材との互いの接合界面に、高硬度で非常に脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（或いは反応層）が生成されてしまう。すなわち、鋼材とアルミニウム合金材が見かけ上で互いに接合されてはいても、接合界面に生成される非常に脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（或いは反応層）が原因となって、継手に十分な接合強度が得られないという問題が発生する。

鋼材とアルミニウム合金材の接合技術に溶接を採用した場合、上記したような問題が発生するため、鋼材とアルミニウム合金材の接合に、セルフピアスリベットやボルトなどの固着具を用いた機械的接合技術や、接着剤を用いた接合技術も採用されている。しかしながら、これらの接合技術は、接合作業の煩雑さや接合コストの上昇といった課題も兼ね備えており、広く適用はされていない。

自動車を始めとした輸送用車両を構成する鋼材等の接合には、ＴＩＧ溶接などの線接合や、スポット接合などの溶接技術が汎用されているのが現状である。これら溶接技術を、鋼材とアルミニウム合金材との異種金属接合技術に適用することができれば、工場内の鋼材と同じラインや工程で、アルミニウム合金材を用いた車両を製造することができ、接合作業の効率化をより進めることができる。

これら溶接技術の中でも、ＴＩＧ溶接は鋼材同士の接合等に最も広く採用されている技術であるが、前記したように、鋼材とアルミニウム合金材の異種金属接合には、ＦｅとＡｌとの金属間化合物層の生成という問題の発生が懸念されるため、実用化ばかりか提案も殆どされていないというのが実情である。

そのような実情の中、特許文献１により、ＴＩＧ溶接による鋼材とアルミニウム合金材の異種金属接合に関する技術が提案されている。しかしながら、この提案には、突合せ溶接および重ね溶接の一例としてＴＩＧ溶接が掲げられているに過ぎない。すなわち、この提案は、レーザー、電子ビーム、プラズマアーク、ＴＩＧ、ＭＩＧ、及びＣＯ_２アークの群から選択される溶接手段で行うというもので、ＴＩＧ溶接は、この提案の中ではＴＩＧ溶接でも良いという位置づけに過ぎない。

特許文献２では、溶接施工方向に対して鋼材を上側とし、アルミニウム合金材を下側として、互いに重ね合わせて溶接する異種金属接合方法において、アルミニウム合金材の溶接面の位置を、鋼材の溶接面の位置よりも、溶接施工方向に対して上側に突出させた状態で、溶接線に沿って溶接することが提案されている。この方法によって、鋼材の溶接面のアルミニウム溶湯の濡れ性を改善し、鋼材の表面（溶接面）の酸化膜除去を促進でき、良好な接合が実現できるとしている。

また、この特許文献２では、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を用いた態様のＴＩＧ溶接も意図されている。因みに、このような異種金属接合に用いるＦＣＷの組成は、従来から特許文献３などで多数提案されている。しかしながら、これら特許文献２，３でも、ＴＩＧ溶接を用いたアルミニウム合金材と鋼材の具体的な異種金属接合方法は開示されていない。

そのため、本発明者らは、改めてアルミニウム合金材と鋼材をＴＩＧ溶接により接合する異材接合試験を実際に実施して、その際に発生する問題点を確認することとした。具体的には、図３に示すように、アルミニウム合金材１を上側として、アルミニウム合金材１の一端部を鋼材２の上に重ね合わせ、アルミニウム合金材１の端縁と鋼材２の表面で形成された段状部３にフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４を供給しながら、タングステン電極５を用いてアルミニウム合金材１と鋼材２をすみ肉溶接する異種金属接合試験を行った。尚、ＴＩＧ溶接は、アルミニウム合金材１，１同士の溶接に一般的に用いられる交流ＴＩＧ溶接によって行った。

この異種金属接合試験の結果、溶接時のスパッタの発生は殆どなく良好であったにもかかわらず、溶融したアルミニウム合金材１と、同じく溶融したＦＣＷ４が、ビード６ａと６ｂのように別れて鋼材２の表面上に存在する、いわゆる湯別れした接合（ビード）状態となった。

このようなビード６ａと６ｂに湯別れした接合（ビード）状態は、電力（入熱）を上げたり、溶接速度を遅くしたりするなどの、ＴＩＧ溶接の溶接条件を大きく変更する調整を行っても発生し、完全に防止することはできなかった。このような湯別れした接合（ビード）状態では、継手（異種金属接合継手）の接合強度は高くすることはできない。

尚、この湯別れは、鋼材同士のＴＩＧ溶接では、特に、アークの高圧力下、高速での溶接下で発生しやすく、溶融プールの形状が不安定となり、溶融プールが振動してビードに激しい凹凸ができるハンピング現象として知られている。

この湯別れの発生を防止する手段としては、あくまで鋼材同士のＴＩＧ溶接に関する技術ではあるが、磁場を用いる方法や、タングステン電極の先端部の形状に工夫を凝らした技術も提案されている。磁場を用いる方法としては、例えば、溶接アークの周囲に一定磁界を印加させ、その磁界と溶接アークに流れるアーク電流との電磁気的相互作用により生じる電磁力を、溶接アークに作用させて、溶接アークの放射形状を被接合部の溶接線方向に偏向させることで２つの被接合部を連続して接合するという技術が、特許文献４で提案されている。

特許文献４に開示されたような磁場を用いる方法は、確かに湯別れの発生の防止には有効な技術ではあるが、磁石装置が別途必要になると共に、磁石装置により生じる電磁力が溶接アークに作用するためにその制御が必要となり、既存溶接設備では簡単に対応することができず、また、コストアップにつながることから実用上は問題がある。

一方、タングステン電極の先端部の形状に工夫を凝らした技術が、特許文献５や特許文献６によって提案されている。一般的なタングステン電極の先端部の形状は、鉛筆の先端のような円錐形状であるが、特許文献５では、先端部に稜線を有するＴＩＧ溶接用電極棒の表面の一点を最先端とする形状であって、稜線を形成する面間の角度を４０〜１００度とした電極が提案されている。特許文献５では、この技術により、アーク点を稜線の部分に沿って発生させ、アークが電極先端近傍の面の部分に這い上がるのを防止して、ビードの幅方向へのアークの広がりを防止してアークを集中させ、大電流で高速のＴＩＧ溶接を可能にしようとしている。

特許文献６では、狭開先をもつ鋼材同士の接合溶接を行うＴＩＧ溶接装置において、タングステン電極をアルミニウム合金材の上方から溶接線に向かわせると共に、タングステン電極の先端を３０°〜４０°の角度で斜め切りした偏芯形状となし、そのタングステン電極を狭開先の内で回転させながらワイヤを溶融させることが提案されている。

特許文献５記載の鋼材同士のＴＩＧ溶接における電極改良技術を、ＦＣＷを用いたアルミニウム合金材と鋼材との異種金属のＴＩＧ溶接に適用したとしても、前記した湯別れの発生を防止することはできない。その理由は、ＦＣＷを用いたアルミニウム合金材と鋼材との異種金属のＴＩＧ溶接は、異材同士の溶接であるため、鋼材同士のＴＩＧ溶接とは、その溶接メカニズムや湯別れの発生メカニズムなどが異なるためと考えられる。

また、特許文献６記載の技術は、厚板の突合せ溶接に関する技術であり、薄板の重ねすみ肉溶接にはそのまま適用することはできない。尚、特許文献５記載の技術、特許文献６記載の技術ともに、電極を通常とは異なる形状に加工する必要があり、また電極消耗時の手入れが困難になるという課題も併せて兼ね備えている。

特開２００１−４７２４４号公報 特開２０１０−２０７８８６号公報 特開２００８−６８２９０号公報 特開２００８−１０５０５６号公報 特開平６−３２８２８７号公報 特開２００４−２３７３２６号公報

本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、アルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合を、鋼材同士の接合等に最も広く採用されているＴＩＧ溶接により行うことができ、しかも、良好なビード外観と必要な継手強度を得ることができる異種金属接合方法を提供することを課題とするものである。

請求項１記載の発明は、アルミニウム合金材と鋼材の少なくとも一部を重ね合わせ、前記アルミニウム合金材側を正極として、前記アルミニウム合金材の端縁と鋼材の表面で形成された段状部にフラックスコアードワイヤを供給しながら、棒状のタングステン電極を用いた直流ＴＩＧ溶接により前記アルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接する異種金属接合方法であって、前記タングステン電極を、前記鋼材に垂直な方向から前記鋼材側に３５°以上６０°未満傾けた状態（θ＝３５°以上６０°未満）とすると共に、前記タングステン電極の先端部を、前記アルミニウム合金材の表面から、２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満垂直に離れた位置（ｚ＝２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満）に配置して、前記タングステン電極の中心軸の延長線が前記アルミニウム合金材の表面と交わる位置を、前記アルミニウム合金材の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満前記アルミニウム合金材側の範囲（ｘ＝１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満）とし、前記タングステン電極からアークを照射して前記アルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接することを特徴とする異種金属接合方法である。

請求項２記載の発明は、前記フラックスコアードワイヤを溶接進行方向から供給する請求項１記載の異種金属接合方法である。

本発明の異種金属接合方法によると、アルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合を、鋼材同士の接合等に最も広く採用されているＴＩＧ溶接により、特殊な形状のタングステン電極を準備する等、現状設備に用いられている部品を交換することなく簡単な設備改良で行うことができる。また、異種金属接合であるにかかわらず湯別れの発生を防止することができ、良好なビード外観と必要な継手強度を得ることができる。

本発明の異種金属接合方法の一実施形態を示す縦断面図である。 タングステン電極を用いてアルミニウム合金材と鋼材をＴＩＧ溶接している状態を示す斜視図である。 従来のＴＩＧ溶接を用いた異種金属接合方法を示し、ビードが湯別れしている状態を示す縦断面図である。 同じ種類の金属板同士を重ねすみ肉溶接している状態を示す縦断面図である。

本発明者らは、アルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合を、鋼材同士の接合等に最も広く採用されているＴＩＧ溶接で、湯別れを発生させることなく行うための提案を先に行ったが、この提案はタングステン電極の先端部の形状に改良を施すことで湯別れの発生を防止した提案である。しかしながら、この提案は、タングステン電極の先端部を通常とは異なる形状に加工する必要があって、現状設備に用いられている部品を交換する必要があるため、現状設備に用いられている部品をそのまま用いて、アルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合を、湯別れを発生させることなく、ＴＩＧ溶接で行えるための適切な条件を見出すために更に鋭意研究を重ねた。

その結果、ＴＩＧ溶接を直流ＴＩＧ溶接により行うこととし、更に、溶接されるアルミニウム合金材と鋼材に対しタングステン電極の傾きを適切な傾きとすると共に、そのタングステン電極の先端部を適切な位置に配置して、アークを適切な位置に照射することで、湯別れを発生させることなく、ＴＩＧ溶接でアルミニウム合金材と鋼材との異種金属接合を行うことができることを見出し、本発明の完成に至った。

まず、本発明者らは、アルミニウム合金材の溶接に最も広く採用されている交流ＴＩＧ溶接により、図２に示すような方法で、フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を供給しながら、棒状のタングステン電極５を用いてアルミニウム合金材１と鋼材２をすみ肉溶接したところ、スパッタの発生が殆どなく溶接ができるという結果を得られた。しかしながら、この一般的な方法では、図３に示すように、溶融したアルミニウム合金材１とＦＣＷ４がビード６ａと６ｂのように別れて鋼材２の表面上に存在する、いわゆる湯別れした接合（ビード）状態となった。

本発明者らが、この際の溶接状況を詳細に観察したところ、アルミニウム合金材１と鋼材２のＴＩＧ溶接における湯別れの発生原因は、図３に示すように、ＴＩＧ溶接時にタングステン電極５から発生するアーク７が、アルミニウム合金材１側（図３では左側）に大きく偏ることが原因であることが分かった。

タングステン電極５から発生するアーク７がアルミニウム合金材１側に偏ると、アルミニウム合金材１が先に溶融し始め、ＦＣＷ４の溶融開始は必然的に遅れることとなる。その結果、鋼材２の表面にフラックスが十分に広がらないこととなり、アルミニウム合金材１における鋼材２側のビード６となるべくアルミニウム合金溶湯の、鋼材２側への濡れ性確保が困難となる。また、アーク７のアルミニウム合金材１側への偏りによって、鋼材２の温度上昇も相対的に遅くなるため、鋼材２表面へのフラックスの広がりが阻害されているものと考えられる。

これらの現象から、アルミニウム合金材１が溶融して形成された溶湯は、鋼材２側へ濡れ広がりにくくなる。更には、アルミニウム合金材１側に偏ったアーク７によって、アルミニウム合金材１が溶融して形成された溶湯がアルミニウム合金材１側（図３では左側）に押されることから、その溶湯はアルミニウム合金材１側に移動した状態でビード６ａとして凝固することになる。アルミニウム合金材１の溶融範囲が広くなればなるほど、アルミニウム合金材１が溶融して形成された溶湯はアルミニウム合金材１側により大きく移動することとなる。

一方、ＦＣＷ４が溶融して形成された溶湯は、フラックスの効果により、鋼材２の表面に広がりはする。しかしながら、タングステン電極５から発生するアーク７によりアルミニウム合金材１側と反対の方向（図３では右側）へ押されることとなる。その結果、ＦＣＷ４が溶融して形成された溶湯は、アルミニウム合金材１が溶融して形成された溶湯とは混合せず、前記したビード６ａとは離れた状態で別のビード６ｂとして凝固してしまう。この結果、湯別れが発生することとなる。

このような原理によって湯別れが発生することをできる限り抑制するためには、以下の方策をとることが重要であると考えられる。（１）できるだけ早くＦＣＷ４を溶融させて、濡れ性を確保する。（２）アルミニウム合金材１の溶融範囲を抑制し、アルミニウム合金材１が溶融して形成された溶湯のアルミニウム合金材１側への移動を小さくする。但し、アルミニウム合金材１の板厚方向全域にわたる溶融は確保する必要がある。

本発明者らは、溶接試験を行うことで実際にこれらの方策を施して、湯別れの発生を抑制することができるか否かの確認を行った。ここでは以下２種の改良試験を実施したが、どちらの方策を施しても湯別れの発生を確実に抑制するには至らなかった。

（１）タングステン電極５の位置を、図３に示す位置より、鋼材１の側（図３では右側）に０．５ｍｍ移動させ、アルミニウム合金材１への入熱を減少させようとした。しかし、タングステン電極５の先端部とアルミニウム合金材１の表面の間で強いアーク７が発生してしまい、湯別れの発生を防止することはできなかった。また、タングステン電極５の位置を、鋼材１の側に１ｍｍ移動させると、鋼材２が溶融し始め、溶接による接合自体ができないという結果となった。

（２）電源を交流電源から直流電源に変えた。その結果、アーク７の広がりを抑制でき、アルミニウム合金材１の溶融範囲を減少させることができたが、湯別れの発生を防止するまでには至らなかった。

これらの試験結果から、前記した一般的な方策に基づいて、溶接施工条件を単に変更するだけでは、湯別れ発生の問題を解消するまでに至らないことを確認した。そこで、本発明者らは、前記（１）および（２）の一般的な方策に代わる新たな対策案を検討した。その結果、アーク７の方向および狙い位置を従来とは変更して、アルミニウム合金材１／ＦＣＷ４／鋼材２の入熱の配分を変化させ、アルミニウム合金材１の溶湯のアルミニウム合金材１側（図１では左側）への移動を抑制することが、湯別れの発生防止に有効であることを知見した。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。

本発明では、例えば、図１および図２に示すように、アルミニウム合金材１と鋼材２のＴＩＧ溶接は、アルミニウム合金材１と鋼材２の少なくとも一部を重ね合わせ、アルミニウム合金材１側を正極として、アルミニウム合金材１の端縁と鋼材２の表面で形成された段状部３にフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４を供給しながら、棒状のタングステン電極５を用いてアーク７を発生させることで行う。

図４に示すように、二枚の金属板１１，１２を重ね合わせ、上側の金属板１１の端縁と下側の金属板１２の表面で形成された段状部１３を狙ってトーチ（電極１５）を傾けて溶接する重ねすみ肉溶接は、鋼材同士、アルミニウム合金材同士等、同じ種類の金属板１１，１２同士の溶接では一般に行われている方法である。この時のトーチ（電極１５）の傾斜角度θは、上側の金属板１１と下側の金属板１２への溶け込みが適正となるような範囲を適宜選択している。例えば、自動車を始めとした輸送用車両を構成する金属板１１，１２の接合では１パスのすみ肉溶接が行われるが、トーチ（電極１５）の傾斜角度θが大きくなりすぎると、下側の金属板１２への溶け込みが小さくなってしまう。例えば、アルミニウム合金材同士の重ねすみ肉溶接の場合、トーチ（電極）の傾斜角度θは、５°〜１５°としている。

一方、タングステン電極５を用いたＴＩＧ溶接によりアルミニウム合金材１と鋼材２をすみ肉溶接する異種金属接合では、アルミニウム合金材１と溶接材料であるＦＣＷ４の溶融を確保しながら、鋼材２の表面も適度に加熱するような溶接条件が必要であって、鋼材同士、アルミニウム合金材同士等、同じ種類の金属板同士の溶接とは必然的に条件が異なってくる。 このようにアルミニウム合金材１と鋼材２を重ねすみ肉溶接する異種金属接合では、同じ種類の金属板同士の溶接とは、適正な重ねすみ肉溶接を行うための、タングステン電極５の傾斜角度、また、タングステン電極５からアーク７を照射するときの狙い位置（タングステン電極５の中心軸の延長線が１アルミニウム合金材の表面と交わる位置）が異なってくると考えられる。

そこで、本発明者らは、ＴＩＧ溶接におけるタングステン電極５の傾斜角度と、タングステン電極５からアーク７を照射するときの狙い位置を、種々変更する溶接試験を実施し、鋭意研究を重ねた結果、良好なビード６が形成できる適切な溶接条件を見出した。

（タングステン電極の傾き）
タングステン電極５を、鋼材２に垂直な方向から鋼材２側に向けて傾斜させると、タングステン電極５から照射されるアーク７が相対的にアルミニウム合金材１側に向かうことになり、ＦＣＷ４の溶湯をアルミニウム合金材１側に押しやる作用が発生することになる。その結果、アルミニウム合金材１の溶湯とＦＣＷ４の溶湯が一体化し、湯別れ防止効果を得ることができる。その効果は、タングステン電極５の傾斜が３０°以上になると徐々に表れ始める。また、ＦＣＷ４が早期に溶融するため、フラックスの濡れ性改善効果も発現しやすくなる。その効果はタングステン電極５の傾斜が３５°以上になると発現し、引張せん断強度も得られやすくなると考えられる。

以上説明した湯別れ防止効果と濡れ性改善効果は、タングステン電極５から照射されるアーク７をできる限りアルミニウム合金材１側に向けることで発現し、また、タングステン電極５の傾斜角度をできる限り大きくとればより顕著に発現する。しかしながら、タングステン電極５の傾斜角度を大きくとりすぎると、タングステン電極５が鋼板２の表面に接触してしまうため、傾斜角度を大きくとるとしても限界がある。このようなことを考慮して、タングステン電極５は、鋼材２に垂直な方向から鋼材２側に向けて３５°以上６０°未満傾けた状態（θ＝３５°以上６０°未満）とする。

（タングステン電極からのアークの狙い位置）
タングステン電極５からアーク７を照射するときの狙い位置（タングステン電極５の中心軸の延長線が１アルミニウム合金材の表面と交わる位置）を、同じ種類の金属板同士の溶接で一般的に行われているように、アルミニウム合金材１の端縁と鋼材２の表面で形成された段状部３とすると、鋼材２への入熱が大きくなりすぎて鋼材２が溶融してしまうか、または、鋼材２の溶融に至らなくても厚い金属間化合物が生成してしまうため、連続ビード６が形成できても割れが発生したり、十分な継手強度が得られなくなったりする。

本発明者らはこれらの問題点の改善を検討した結果タングステン電極５からアーク７を照射するときの狙い位置を、同じ種類の金属板同士の溶接で一般的に行われている段状部３とするのではなく、よりアルミニウム合金材１側、すなわちアルミニウム合金材１の表面とすることが有効であることを見出した。具体的には、タングステン電極５からアーク７を照射するときの狙い位置（タングステン電極５の中心軸の延長線がアルミニウム合金材１の表面と交わる位置）を、アルミニウム合金材１の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満前記アルミニウム合金材１側の範囲（ｘ＝１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満）とする。尚、アルミニウム合金材１側とは、アルミニウム合金材１の端縁を起点としてアルミニウム合金材１の中央寄りのことを示す。

（タングステン電極の先端部の配置）
タングステン電極５の先端部は、アルミニウム合金材１の表面位置から垂直に離れた位置（アルミニウム合金材１の表面と直交する垂線上）に配置する必要があるが、少なくとも２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満垂直に離れた位置（ｚ＝２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満）に配置する必要がある。尚、この位置は、アルミニウム合金材１の板厚、タングステン電極５の傾斜角度、タングステン電極５からのアーク７の狙い位置、更に溶接条件（電流電圧、溶接速度、ＦＣＷ供給速度）の影響も受ける。

（電源）
電源８（図２に示す）は一般的にアルミニウム合金材１の溶接に用いられている交流電源から直流電源に変更し、ＴＩＧ溶接は直流ＴＩＧ溶接で行うこととした。直流ＴＩＧ溶接とすること、アルミニウム合金材１の溶融範囲を減少させることができる。

（その他の条件）
以上説明した条件が必須条件であるが、ＦＣＷ４は溶接進行方向から供給することが好ましく、また、タングステン電極５には、１５°以内程度の前進角αを設けても良い。ＦＣＷ４は溶接進行方向から供給した場合、アルミニウム合金材１の溶融プールの前側でＦＣＷ４が溶融を開始するため、両者の溶融混合が容易であり、良好なビード６を形成することができる。進行方向と逆からＦＣＷ４を供給すると、アルミニウム合金材１の溶融プールの後ろ側でＦＣＷ４が溶融するため、両者の溶融混合が困難となり、良好なビード６の形成が難しくなる。

尚、本発明の異種金属接合方法では、アルミニウム合金材１、鋼材２、フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４については、材質などを特に限定しないが、以下に説明する材料を用いることが推奨できる。

（アルミニウム合金材）
被溶接材であるアルミニウム合金材１としては、強度や成形、或いは耐食性など適用する車体構造などの要求特性に応じて、ＪＩＳ或いはＡＡ規格で規定される３０００系、５０００系、６０００系、７０００系などのアルミニウム合金を用いることができる。但し、自動車などの車体軽量化の要求に対するアルミニウム合金材１の薄肉化という観点からは、これらアルミニウム合金の中でも、特に高強度で且つ成形性にも優れたアルミニウム合金を用いることが好ましい。

また、成分組成中のＳｉとＭｇの質量比（Ｓｉ／Ｍｇ） が１ 以上で、Ｍｇ含有量に対しＳｉが過剰に含有されている６Ｎ０１、６０１６、６１１１、６０２２などのＳｉ過剰型の６０００系アルミニウム合金を用いることが特に好ましい。これらの６０００系アルミニウム合金で成るアルミニウム合金材１を用いた溶接後の継手は、１６０〜１８０℃の極低温で且つ１０〜５０分程度の極短時間の人工時効処理を施すことにより、溶接熱影響によって一旦低下した強度や伸びを回復できるという特徴も有する。

これらアルミニウム合金材１は、冷間圧延や熱間押出後に、溶体化処理および焼き入れ処理（質別記号Ｔ４）やその後の時効処理（質別記号Ｔ６）、過時効処理（質別記号Ｔ７）を施すことで、溶接母材として用いられる。因みに、アルミニウム合金材１は、必ずしも全体が板状の冷延板でなくても良く、少なくとも鋼材２との重ね部が板状であれば良い。また、種々の形状の押出形材も用いることができ、更には、所定形状に成形加工した車体用部材や部品であっても良い。このアルミニウム合金材１の板状の部位の厚さは１〜３ｍｍであることが好ましい。アルミニウム合金材１の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての必要な強度や剛性を確保できなくなり、一方、厚すぎる場合は、溶接を行うことが困難になる。

（鋼材）
被溶接材である鋼材２としては、軟鋼、高張力鋼（ハイテン）、ステンレス鋼の冷延鋼板など、種々の鋼板或いは形鋼を用いることができる。また、鋼材２は、これらの素材を所定形状に成形加工した車体用の部材、部品などであっても構わない。尚、自動車などの車体軽量化の要求に対する鋼材２の薄肉化という観点からは、Ｓｉ、Ｍｎなどを含む公知の成分組成で、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高張力鋼板（ハイテン）などの高張力鋼材を用いることが好ましい。

また、自動車部材として用いることを想定すると、冷延鋼板などの（溶接される部分の）鋼材２の厚さは０．３〜３．０ｍｍであることが好ましい。アルミニウム合金材１の場合と同様に、鋼材２の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての必要な強度や剛性を確保できなくなり、一方、厚すぎる場合は、溶接を行うことが困難になる。

尚、鋼材２は、溶接の効率上、また良好なビード形成のために、その表面に亜鉛系やアルミニウム系の被覆層が形成されていることが好ましいが、鋼材２のまま（裸）であっても構わない。被覆層を形成する場合は、溶融めっき又は溶射等の手段により形成することができる。

（フラックスコアードワイヤ）
フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４としては、アルミニウム合金材１と鋼材２との異材接合用として従来から市販されているＦＣＷ４などを用いることができる。このようなＦＣＷ４は、溶融溶接の効率化のために開発された周知のＦＣＷ４であり、フラックスが、例えばＳｉを含有するＡ４０４７やＡ４０４３などの規格アルミニウム合金製の管状の外皮（フープとも言う）に心材として充填されたものである。

このＦＣＷ４の線径は、高効率の全自動溶接用、若しくは半自動溶接用として汎用されている０．８〜１．６ｍｍφ程度の細径であることが好ましい。また、フラックスとしては、アルミニウム合金材１と鋼材との異材同士を接合するための通称「ノコロック」と称されるフッ素化合物系の組成からなるフラックスを用いることが好ましい。このフラックスは、フッ素化合物に加えて、酸化物（酸化アルミニウム等）やアルミニウム合金粉末を適宜混合した周知のフラックスである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。

図２に示すように、アルミニウム合金材１の一端部を鋼材２の一端部の上に重ね合わせ、アルミニウム合金材１側を正極として、アルミニウム合金材１の端縁と鋼材２の表面で形成された段状部３にフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４を供給しながら、棒状のタングステン電極５を用いてＴＩＧ溶接を行う溶接試験を実施した。

アルミニウム合金材１は、厚さが１．２ｍｍ或いは２．０ｍｍの６０００系（６０２２）アルミニウム合金冷延板を用い、鋼材２は、厚さが１．４ｍｍの９８０ＭＰａ級冷延板、厚さが１．４ｍｍの１４７０ＭＰａ級冷延板、或いは厚さが１．４ｍｍの９８０ＭＰａ級ＧＡ鋼板を用いた。

また、フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）４は、Ｃｓ系フラックスを１０質量％含有させ、皮材は１．２５質量％のＳｉを添加したアルミニウム合金を用い、線径がφ１．２ｍｍとした。

溶接条件は、直流ＴＩＧ溶接で、電流は８０〜１２０Ａ、溶接速度は３０ｃｍ／ｍｉｎとし、フィラー供給速度は６〜１０ｍ／ｍｉｎ、シールドガスはＡｒガスを用いて２０Ｌ／ｍｉｎとした。また、タングステン電極５の前進角αは５°〜１５°とし、ビード６の長さが２００ｍｍとなるようにして溶接を施した。

試験結果は、形成されたビード６の外観と引張せん断強度（継手効率）で評価した。

ビード６の外観は、図５に示すように、ビード６がアルミニウム合金材１の溶接面と鋼材２の溶接面の両方にわたり連続して良好に形成されており、濡れ性が良好と判断できるものを「○」で示して合格、ビード６が連続して形成されてはいるものの、濡れ性が不良と判断できるものを「△」、明らかに図３に示すような湯別れが発生しているものを「×」で夫々示し、不合格とした。

また、引張せん断強度（継手効率）は、ＴＩＧ溶接後の異材接合継手から溶接部を含む板幅２０ｍｍの短冊状試験片を２本ずつ切り出して引張試験を行い、引張破断強度を測定した。この結果得られた２つの引張破断強度の平均値を求めた後、母材である６０００系（６０２２）アルミニウム合金冷延板の引張破断強度に対する割合である継手効率を求め出し、一般的なアルミニウム合金用溶接ワイヤを用い、ＴＩＧ溶接により製作した６０００系（６０２２）アルミニウム合金冷延板同士の重ねすみ肉溶接継手の継手効率と比較することで評価した。

６０００系（６０２２）アルミニウム合金冷延板同士の重ねすみ肉溶接継手の単位溶接線当たりの継手効率は６０％以上であるので、ＴＩＧ溶接した異材重ねすみ肉溶接継手の継手効率が少なくとも同レベルの６０％以上のものを「○」で合格、継手効率が４０％〜６０％未満のものを「△」、４０％未満のものを「×」で、夫々不合格とした。以上の試験結果を表１に示す。

タングステン電極の鋼材側に向けた傾斜角度（電極角度）θを３５°以上６０°未満（θ＝３５°以上６０°未満）とする。タングステン電極からのアークの狙い位置を、アルミニウム合金材の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満内側寄りの範囲（ｘ＝１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満）に配置する（狙い位置）。タングステン電極の先端部を、アルミニウム合金材の表面位置から２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満上方に離した位置（ｚ＝２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満）に配置する（高さ）。という全ての要件を満足する発明例１〜１０は、ビードの外観、引張りせん断強度は共に、「○」であり、優れた外観並びに接合強度を得ることができた。すなわち、ＴＩＧ溶接において、互いに両立させることが難しいビードの湯別れの発生防止と、界面での金属間化合物層（或いは反応層）の生成の抑制や、アルミニウム合金の溶け込みの確保などを両立させることができている。

一方、比較例１〜５、６〜１０は、タングステン電極の鋼材側に向けた傾斜角度（電極角度）θを３５°以上６０°未満（θ＝３５°以上６０°未満）とするという要件を満足せず、また、比較例１，３，７，９，１０は、タングステン電極からのアークの狙い位置を、アルミニウム合金材の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満内側寄りの範囲（ｘ＝１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満）に配置するという要件を満足せず、比較例３，６７，１０はタングステン電極の先端部を、アルミニウム合金材の表面位置から２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満上方に離した位置（ｚ＝２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満）に配置するという要件を満足していない。その結果、ビードの外観、引張りせん断強度のうち少なくとも一方が「△」或いは「×」で不合格という結果になった。

１…アルミニウム合金材
２…鋼材
３…段状部
４…フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）
５…タングステン電極
６、６ａ、６ｂ…ビード
７…アーク
８…電源

Claims (2)

1. アルミニウム合金材と鋼材の少なくとも一部を重ね合わせ、前記アルミニウム合金材側を正極として、前記アルミニウム合金材の端縁と鋼材の表面で形成された段状部にフラックスコアードワイヤを供給しながら、棒状のタングステン電極を用いた直流ＴＩＧ溶接により前記アルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接する異種金属接合方法であって、
   前記タングステン電極を、前記鋼材に垂直な方向から前記鋼材側に３５°以上６０°未満傾けた状態（θ＝３５°以上６０°未満）とすると共に、
   前記タングステン電極の先端部を、前記アルミニウム合金材の表面から、２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満垂直に離れた位置（ｚ＝２．０ｍｍ以上４．５ｍｍ未満）に配置して、
   前記タングステン電極の中心軸の延長線が前記アルミニウム合金材の表面と交わる位置を、前記アルミニウム合金材の端縁から１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満前記アルミニウム合金材側の範囲（ｘ＝１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満）とし、
   前記タングステン電極からアークを照射して前記アルミニウム合金材と鋼材をすみ肉溶接することを特徴とする異種金属接合方法。
2. 前記フラックスコアードワイヤを溶接進行方向から供給する請求項１記載の異種金属接合方法。
   

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