JP2017080791A - 鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部における脆性金属間化合物の生成を抑制して従来と同等以上の溶接強度を確保し、かつ溶接温度の自由度を高めて従来よりも製造歩留まりの高い（すなわち低コストの）Fe系金属／Al系金属の溶接接合体、および該接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るFe系金属／Al系金属の溶接接合体は、Fe系金属部材とAl系金属部材とが溶接部を介して接合された溶接接合体であって、前記溶接部は、溶加材の溶融率が100％で、低次Al化合物相を含み、前記溶接部の金属成分組成が、25〜70質量％のFeと、20〜40質量％のAlと、5〜25質量％のNiと、2〜40質量％の他の金属元素とからなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属部材の溶接技術に関し、特に、鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とを健全に溶接した接合体（溶接接合体、溶接継手）および該接合体の製造方法に関するものである。

近年、省エネルギー化の観点から、輸送機械（例えば、自動車、鉄道車両、船舶）の構造部材の軽量化が求められており、該構造部材としてアルミニウム（Al）系金属部材を適用する試みがなされている。ただし、当該構造部材に要求される機械的強度やコストの観点から、全てをAl系金属部材とすることが困難なこともあり、従来から用いられている鉄（Fe）系金属部材との複合化が検討されている。

しかしながら、Fe系金属部材とAl系金属部材とを直接溶接すると、接合部（例えば、溶接ビード）に脆弱な金属間化合物が生成してしまうことが知られている。具体的には、接合界面領域に脆性金属間化合物（例えば、Al₁₃Fe₄相、Al₅Fe₂相）が厚く層状に生成し、十分な溶接強度が得られないという問題がある。

特に、耐食性高強度Fe系金属部材（例えば、ステンレス鋼部材）や耐食性高強度Al系金属部材（例えば、A3000系〜A7000系のAl合金部材）は、表面に不動態被膜を形成することで良好な耐食性を確保しているが、該不動態被膜は、溶接接合にとっての障害となる。それら不動態被膜（酸化被膜）を除去することを目的として、溶接時に通常より大きな熱量を投入することがしばしば行われるが、結果として、脆性金属間化合物の生成量がより増加してしまうという負循環が生じ易い。

そのような背景から、Fe系金属部材とAl系金属部材とを健全に接合するための技術が種々提案されている。例えば、特許文献１（特開2004-351507）には、鉄系材料とアルミニウム系材料とをスポット溶接により接合する方法において、鉄系材料側の被接合面にはCu合金層を配置し、アルミニウム系材料側の被接合面にはフッ化物系フラックスを塗布して接合することを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法が、開示されている。

また、特許文献２（特開2006-175502）には、互いに異なる金属材料同士を接合するに際し、これら両材料の間に、これら材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、上記両材料の少なくとも一方の材料と第３の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異種金属の接合方法が、開示されている。

特開２００４−３５１５０７号公報 特開２００６−１７５５０２号公報

特許文献１によると、従来のスポット溶接の設備を大幅に改造することなく簡易な手段により、接合部に生成する脆弱な金属間化合物の生成を抑制して安定した高い接合強度が得られる鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法および接合継手を提供することができる、とされている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、スポット溶接（すなわち、比較的薄い板同士の重ね合わせ溶接、溶接部の熱容量が比較的小さい溶接）を前提としたものであり、突き合わせ溶接（すなわち、比較的厚い部材同士の溶接、溶接部の熱容量が比較的大きい溶接）に適用した場合に、溶接部の最高到達温度が上昇したり凝固速度（冷却速度）が低下したりすることで、該溶接部に粒界割れが発生したり脆性金属間化合物が生成したりすることが懸念される。

一方、特許文献２によると、Alと共晶反応を生じる第３の金属材料を、鋼材とAl合金材との間に介在させて接合することにより、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の接合方法を提供することができる、とされている。

しかしながら、特許文献２に記載の技術は、接合過程における金属間化合物の生成を抑制するために、接合界面温度を共晶点以上Al合金材の融点以下に制御する必要があり、溶接部の最高到達温度を狭い温度範囲の中で精密に制御することが要求される。言い換えると、特許文献２に記載の技術を突き合わせ溶接に適用した場合、溶接部温度の精密制御の難しさから、製造歩留まりの低下（それによるコスト増加）が懸念される。

したがって、本発明の目的は、Fe系金属部材とAl系金属部材との溶接接合体（溶接継手）において、溶接部における脆性金属間化合物の生成を抑制して従来と同等以上の溶接強度を確保し、かつ溶接温度の自由度を高めて従来よりも製造歩留まりの高い（すなわち低コストの）Fe系金属／Al系金属の溶接接合体、および該接合体の製造方法を提供することにある。

（I）本発明の一態様は、鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とが溶接部を介して接合された溶接接合体であって、
前記溶接部は、溶加材の溶融率が100％で、低次アルミニウム（Al）化合物相を含み、
前記溶接部の金属成分組成が、25質量％以上70質量％以下の鉄（Fe）と、20質量％以上40質量％以下のAlと、5質量％以上25質量％以下のニッケル（Ni）と、2質量％以上40質量％以下の他の金属元素とからなることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体を提供するものである。

なお、本発明において、「溶加材の溶融率100％」とは、「溶加材が完全に溶融した状態（溶加材の溶け残りがない状態）」を意味するものと定義する。また、溶接部における「低次Al化合物相」とは、溶接部に対するＸ線回折測定において、「AlFe相、AlNi相および／またはそれらに前記他の金属元素が固溶した相の回折ピークが検出される状態」を意味するものと定義する。

（II）本発明の他の一態様は、上記の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法であって、
前記鉄系金属部材と前記アルミニウム系金属部材との間に前記溶加材を配設する溶加材配設工程と、
前記溶加材の溶融率が100％となるように溶接する溶接工程とを有し、
前記溶加材が、前記ニッケルと前記他の金属元素とからなり、前記他の金属元素が前記ニッケルに固溶している固溶型ニッケル基合金であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、Fe系金属部材とAl系金属部材との溶接接合体において、溶接部における脆性金属間化合物の生成を抑制して従来と同等以上の溶接強度を確保し、かつ溶接温度の自由度を高めて従来よりも製造歩留まりの高い（すなわち低コストの）Fe系金属／Al系金属の溶接接合体、および該接合体の製造方法を提供することができる。

溶接実験１における溶接前の試料構成の断面模式図である。 実施例１における溶接部断面の微細組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。 実施例１における溶接部断面の微細組織の他の一例で、溶接部とAl系金属熱影響部との境界領域のSEM観察像、Al元素マッピングおよびFe元素マッピングである。 溶接実験２における溶接前の試料構成の断面模式図である。

本発明は、前記のFe系金属／Al系金属の溶接接合体（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記溶接部の引張強さが、前記アルミニウム系金属部材の焼鈍材の引張強さに比して40％以上である。
（ii）前記溶接部は、鉄、ニッケルおよび前記他の金属元素の二種以上からなる固溶体相を更に含む。
（iii）前記他の金属元素は、銅（Cu）、コバルト（Co）およびクロム（Cr）から選ばれる１種以上であり、前記溶接部における該他の金属元素の含有率が、5質量％以上40質量％以下である。
（iv）前記他の金属元素は、バナジウム（V）、チタン（Ti）およびシリコン（Si）から選ばれる１種以上であり、前記溶接部における該他の金属元素の含有率が、2質量％以上10質量％以下である。
（v）前記溶接接合体は、突き合わせ溶接された接合体である。

また、本発明は、前記のFe系金属／Al系金属の溶接接合体の製造方法（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（vi）前記他の金属元素は、Cu、CoおよびCrから選ばれる１種以上であり、前記固溶型ニッケル基合金中の前記他の金属元素の含有率が、10質量％以上50質量％以下である。
（vii）前記他の金属元素は、V、TiおよびSiから選ばれる１種以上であり、前記固溶型ニッケル基合金中の前記他の金属元素の含有率が、2質量％以上12質量％以下である。
（viii）前記溶接工程が、突き合わせ溶接である。

（本発明の基本思想）
本発明者等は、溶加材（溶接材料）を用いたFe系金属／Al系金属の溶接接合において、溶接部での望まない金属間化合物の生成を抑制し、かつ溶接温度の自由度を高めるためには、被接合部材金属（特に、Al系金属よりも高融点のFe系金属）との相溶性が高い元素をベースとする合金が、溶接材料として望ましいと考えた。さらに、そのベース元素とAl成分との直接化合を抑制するため、溶接材料の合金自身が化学的安定性の高い固溶型合金であることが望ましいと考えた。

具体的には、溶加材（溶接材料）として、Fe系金属との相溶性が高くなるようにNi基合金を選定した上で、該Ni基合金が固溶型合金となるような組成を選択した。本発明は、当該技術的思想に基づいて鋭意調査・検討して完成されたものである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。また、同義の部位には同じ符号を付して重複する説明を省略することがある。

［溶接実験１］
（実施例１〜７および比較例１〜７の作製）
溶加材として、後述する表１に示す組成を有するNi基合金を用意し、厚さ0.5 mmのシート形状に加工した。また、厚さ0.5 mmの純Niシートを用意した。

被接合部材となるFe系金属部材として炭素鋼板（S45C、幅100 mm×長さ200 mm×厚さ2 mm）を用意し、Al系金属部材としてAl合金板（A6061、幅100 mm×長さ200 mm×厚さ2 mm）を用意した。

次に、図１に示したように、Fe系金属部材10とAl系金属部材20との間に溶加材シート30を挟んで固定し、ファイバーレーザ溶接により突き合わせ溶接を行った。図１は、溶接実験１における溶接前の試料構成の断面模式図である。溶接条件は、厚さ2 mmの被接合部材を貫通溶接するように（溶加材の溶融率が100％となるように）、1000〜2500 Wのレーザ出力、0.1〜5 m/minの溶接速度とした。

（Fe系金属／Al系金属溶接接合体の性状調査）
（１）溶接部の微細組織観察および組成分析
上記で作製したFe系金属／Al系金属溶接接合体（実施例１〜７および比較例１〜７）から、微細組織観察用試験片を採取した。該試験片に対して、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分析装置（SEM-EDX）を用いて、溶接部断面の微細組織観察と溶接部の組成分析とを行った。なお、溶接部の組成分析に関しては、溶接方向の垂直方向に沿って（Fe系金属部材からAl系金属部材へ向かう方向に沿って）、約100μm間隔で5箇所の面分析（約50μm角の領域）を行い、各成分の含有率の範囲を調査した。結果を図２〜３および表１に示す。

（２）溶接部のＸ線回折測定
上記の微細組織観察用試験片に対して、Ｘ線回折（XRD）装置（検出能：5体積％以上）を用いて、溶接部における相の構成（特に、低次Al化合物相以外の脆性金属間化合物相の有無）を調査した。低次Al化合物相以外の脆性金属間化合物相と思われる回折ピークが検出された場合を「NG」と判定し、脆性金属間化合物相と思われる回折ピークが検出されなかった場合を「G」と判定した。なお、脆性金属間化合物相と思われる回折ピークが検出されず、Fe，Ni，溶加材添加金属の固溶体と思われる回折ピークが検出された場合も「G」と判定した。結果を表１に併記する。

（３）溶接強度の測定
上記で作製したFe系金属／Al系金属溶接接合体（実施例１〜７および比較例１〜７）から、引張試験用試験片を採取した。該試験片に対して、万能材料試験機を用いて、溶接部を引き剥がす方向の引張応力が掛かるように引張試験を行った。溶接部の引張強さ（溶接強度）は、用いたAl系金属の焼鈍材の引張強さに対する比率で評価し、40％以上を「合格」、40％未満を「不合格」と判定した。結果を表１に併記する。

図２は、実施例１における溶接部断面の微細組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。図２に示したように、Fe系金属部材10とAl系金属部材20とが溶接部35を介して接合されている。Fe系金属部材10における溶接部35に隣接する領域には、Fe系金属熱影響部15が形成され、Al系金属部材20における溶接部35に隣接する領域には、Al系金属熱影響部25が形成されていることが認められた。

図３は、実施例１における溶接部断面の微細組織の他の一例で、溶接部とAl系金属熱影響部との境界領域のSEM観察像、Al元素マッピングおよびFe元素マッピングである。図３に示したように、溶接部35において望まない金属間化合物（脆性金属間化合物相）は特段生成していないことが確認された。また、Al系金属熱影響部25には、共晶組織のような微細組織が観察された。これは、溶加材成分の一部がAl系金属熱影響部25に拡散したことに起因すると考えられた。

他の実施例においても、図２〜３と同様に望まない金属間化合物は生成していないことを別途確認した。

表１に示したように、本発明に係る実施例１〜７は、溶接部35の組成が、25〜70質量％のFeと、20〜40質量％のAlと、5〜25質量％のNiと、2〜40質量％の他の金属元素とからなることが確認された。

XRD測定の結果、実施例１〜７の溶接部35は、低次Al化合物相の回折ピークが検出され、脆性金属間化合物相と思われる回折ピークは検出されなかった。実施例２では、低次Al化合物相の回折ピークに加えて、Cu固溶体相と思われる回折ピークも検出された。すなわち、実施例１〜７の溶接部35は、低次アルミニウム化合物相から主に構成されると考えられた。

また、引張試験の結果から、実施例１〜７は十分な溶接強度を有していることが確認された。

前述したように、溶接実験１では、厚さ2 mmの被接合部材の突き合わせ溶接を貫通溶接で行っており、特段の温度制御を行っていない。これは、溶接温度に特段の制約がないことを意味し、本発明が従来技術よりも製造歩留まりの高い（すなわち低コストの）Fe系金属／Al系金属の溶接接合体を提供できることにつながる。

これらに対し、溶接部35の組成が本発明の規定を外れる比較例１〜７は、SEM観察およびXRD測定の結果から、溶接部35に脆性金属間化合物相と思われる回折ピークが確認された。その結果、引張試験において溶接強度が不合格であった。

［溶接実験２］
（実施例８〜１４および比較例８〜１４の作製）
溶加材として、溶接実験１と同じNi基合金を用意し、直径1 mmの線形状に加工した。また、直径1 mmの純Niワイヤを用意した。

被接合部材となるFe系金属部材として低炭素鋼板（SPCC、幅100 mm×長さ200 mm×厚さ2 mm）を用意し、Al系金属部材としてAl合金板（A5083、幅100 mm×長さ200 mm×厚さ2 mm）を用意した。

次に、図４に示したように、Fe系金属部材11とAl系金属部材21とをＶ形開先にして直接突き合わせ、溶加材ワイヤ31を用いたMIG溶接により突き合わせ溶接を行った。図４は、溶接実験２における溶接前の試料構成の断面模式図である。溶接条件は、溶加材の溶融率が100％となるように、180〜200 Aのアーク電流、1〜1.5 m/minの溶加材ワイヤ供給速度、0.5〜0.7 m/minの溶接速度とした。

（Fe系金属／Al系金属溶接接合体の性状調査）
上記で作製したFe系金属／Al系金属溶接接合体（実施例８〜１４および比較例８〜１４）に対して、溶接実験１と同様の観察・試験を行った。その結果、表１と同様の結果が得られることが確認された。

上記の溶接実験１〜２では、溶加材の形態をシートやワイヤとし、溶接継手の形態を突き合わせ継手とし、溶接方法をレーザ溶接やMIG溶接として説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、既知の溶加材形態、溶接継手形態、溶接方法を適宜採用することができる。例えば、溶加材の形態が粉末であってもよいし、溶接継手の形態が重ね継手やすみ肉継手やへり継手であってもよいし、溶接方法が電子ビーム溶接やプラズマフレーム溶接や抵抗溶接であってもよい。

上述した実施形態や実施例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

10，11…Fe系金属部材、15…Fe系金属熱影響部、
20，21…Al系金属部材、25…Al系金属熱影響部、
30…溶加材シート、31…溶加材ワイヤ、35…溶接部。

Claims (10)

1. 鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とが溶接部を介して接合された溶接接合体であって、
   前記溶接部は、溶加材の溶融率が100％で、低次アルミニウム化合物相を含み、
   前記溶接部の金属成分組成が、25質量％以上70質量％以下の鉄と、20質量％以上40質量％以下のアルミニウムと、5質量％以上25質量％以下のニッケルと、2質量％以上40質量％以下の他の金属元素とからなることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
2. 請求項１に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体において、
   前記溶接部の引張強さが、前記アルミニウム系金属部材の焼鈍材の引張強さに比して40％以上であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体において、
   前記溶接部は、鉄、ニッケルおよび前記他の金属元素の二種以上からなる固溶体相を更に含むことを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体において、
   前記他の金属元素は、銅、コバルトおよびクロムから選ばれる１種以上であり、
   前記溶接部における該他の金属元素の含有率が、5質量％以上40質量％以下であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体において、
   前記他の金属元素は、バナジウム、チタンおよびシリコンから選ばれる１種以上であり、
   前記溶接部における該他の金属元素の含有率が、2質量％以上10質量％以下であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体において、
   前記溶接接合体は、突き合わせ溶接された接合体であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体。
7. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法であって、
   前記鉄系金属部材と前記アルミニウム系金属部材との間に前記溶加材を配設する溶加材配設工程と、
   前記溶加材の溶融率が100％となるように溶接する溶接工程とを有し、
   前記溶加材が、前記ニッケルと前記の金属元素とからなり、前記他の金属元素が前記ニッケルに固溶している固溶型ニッケル基合金であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法。
8. 請求項７に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法において、
   前記他の金属元素は、銅、コバルトおよびクロムから選ばれる１種以上であり、
   前記固溶型ニッケル基合金中の前記他の金属元素の含有率が、10質量％以上50質量％以下であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法。
9. 請求項７に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法において、
   前記他の金属元素は、バナジウム、チタンおよびシリコンから選ばれる１種以上であり、
   前記固溶型ニッケル基合金中の前記他の金属元素の含有率が、2質量％以上12質量％以下であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法。
10. 請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法において、
    前記溶接工程が、突き合わせ溶接であることを特徴とする鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体の製造方法。

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