JP2018023994A - 異種金属接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種金属同士の接合部における継手強度、特に剥離強度の向上を図ることができる異種金属接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】異種金属接合体の製造方法は、鋼部材１０と、貫通孔２１が形成されたアルミニウム合金部材２０とを、貫通孔２１の形成方向に重ね合わせる。交流パルスＭＩＧ溶接により、Ｓｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金のアルミニウム溶加材の溶滴を、貫通孔２１を覆うように移行させる。これにより、アルミニウム合金部材２０に、アルミニウム合金部材２０と鋼部材１０との接合界面６０ａから離れるに従って貫通孔２１の外側に広がる形状のアルミ溶融金属凝固部６０を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、異種金属接合体の製造方法に関する。

近年の自動車においては、燃費向上のため部材の軽量化が必須となっている。これに伴い、ピラー等の構造部材には、種々の材料の組み合わせが必要とされ、例えば、アルミニウム材と鋼材との異種材同士を接合することが行われている。この異種材同士の接合には、熱歪を抑制するためにスポット溶接が用いられている。このような異種材同士のスポット溶接において、例えば通電時間や加圧力等を制御する技術が検討されている（特許文献１）。また、ＣＭＴ（Cold Metal Transfer）を用いたスポット溶接技術も検討されている（特許文献２）。

特開２０１２−１５２７８６号 中国特許第１０２０４９５９１号明細書

しかし、特許文献１に記載の抵抗スポット溶接では、施工条件の制御のみで、接合強度を低下させる金属間化合物の発生を低減することは難しく、また、溶接時のチリの発生により、減肉部が生じる場合もある。接合体の強度を高くするためには、短い間隔で多点の溶接を行うのが好ましい。しかし、抵抗スポット溶接は、隣接する接合点の距離が短くなると分流が生じるため、所望の大きさの溶融ナゲットが得られないという欠点がある。
この点、特許文献２に記載のＣＭＴを用いたスポット溶接では、接合点の間隔を狭くすることができる。しかし、溶接条件によっては、アルミ溶融金属凝固部における金属間化合物の抑制が不十分になり、溶接後の剥離強度が不足することが生じ得る。
そのため、異種金属同士を接合する継手部分等においては、高強度で接合可能な接合技術が切望されている。

本発明は上記問題を解決するもので、異種金属同士の接合部における継手強度、特に剥離強度の向上を図ることができる異種金属接合体の製造方法の提供を目的とする。

本発明は下記構成からなる。
鋼部材と、貫通孔が形成されたアルミニウム合金部材とを、前記貫通孔の形成方向に重ね合わせる工程と、
交流パルスＭＩＧ溶接により、Ｓｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金のアルミニウム溶加材の溶滴を、前記貫通孔を覆うように移行させて、前記鋼部材を溶融させずに前記アルミニウム合金部材を溶融し、前記アルミニウム合金部材に、前記アルミニウム合金部材と前記鋼部材との界面から離れるに従って前記貫通孔の外側に広がる形状のアルミ溶融金属凝固部を形成する工程と、
を有する異種金属接合体の製造方法。

本発明によれば、異種金属同士の接合部における継手強度、特に剥離強度の向上を図ることができる。

本発明の製造方法による異種金属接合体の製造工程を示す斜視図である。 図１のII−II線断面図である。 図１中に示すアルミニウム溶加材の断面図である。 異種金属接合体の溶接後の状態を示す斜視図である。 図４のV−V線断面図である。 互いに隣接する複数の接合点を有する異種金属接合体の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の製造方法による異種金属接合体の製造工程を示す斜視図、図２は図１のII−II線断面図である。

図１及び図２に示すように、異種金属接合体は、板状の鋼部材１０と板状のアルミニウム合金部材２０とが重ね合わされて、交流パルスＭＩＧ溶接されることで形成される。具体的には、鋼部材１０の上面に、貫通孔２１が形成されたアルミニウム合金部材２０を重ね合わせる。重ね合わせた鋼部材１０とアルミニウム合金部材２０のうち、アルミニウム合金部材２０側に対面して、溶接トーチ５０を配置する。そして、トーチ先端から延出される溶接ワイヤ（アルミニウム溶加材）３０を貫通孔２１に対峙させ、溶接ワイヤ３０の先端からアーク４０を発生させる。

発生するアーク４０により溶接ワイヤ３０が溶融して生じる溶滴３１を、貫通孔２１を覆うように移行させる。これにより、貫通孔２１はアルミニウム溶加材により埋められる。この際、アルミニウム合金部材２０の貫通孔２１の壁面部は、アルミニウム溶加材によって一部がアルミニウム溶加材と溶融してアルミ溶融金属凝固部６０を形成する。このアルミ溶融金属凝固部６０が、鋼部材１０とブレージング接合される。

溶接ワイヤ３０は、図示しないワイヤ送給装置から溶接トーチ５０を通じてアルミニウム合金部材２０に向けて送り出される。ワイヤ先端の周囲は不活性ガス雰囲気とされ、ワイヤ先端と被溶接部材との間に溶接電流を流すことによりアーク４０が発生する。このアーク４０を発生させる溶接法としては、交流パルスＭＩＧ溶接が使用される。

＜交流パルスＭＩＧ溶接＞
交流パルスＭＩＧ溶接ではスプレー状に溶滴が移行し、通常のＭＩＧ溶接やＣＭＴ溶接のように大きな溶滴などの固状で移行しない。また、交流で極性の切り替えが行われ、切り替えのタイミングでは接合部への入熱が発生しない。このため、接合部への入熱量を著しく低下させることができ、接合部におけるＡｌ−Ｆｅ二元系の金属間化合物の発生を効果的に抑制できる。交流パルスＭＩＧ溶接の電流値は、１００Ａ以下とすることが好ましく、適正な接合強度を得る点からは７０〜１００Ａ程度がより好ましい。

＜鋼部材＞
鋼部材１０としては、ＳＰＣＣ（冷間圧延低炭素鋼板）、高張力鋼、ステンレス鋼等、種々の鋼材を使用することができる。鋼部材１０として、溶融亜鉛メッキが施された亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ鋼板、ＧＩ鋼板）を使用することにより、特に高い継手強度の異種金属接合体が得られる。鋼部材１０として、例えば０．５〜６．０ｍｍの厚さの板材を使用することができる。鋼部材１０として、アルミニウム合金部材２０と厚さが異なるものを使用してもよい。

＜アルミニウム合金部材＞
アルミニウム合金部材２０の材料としては、例えばＪＩＳ Ａ１０００系、Ａ２０００系（Ａｌ−Ｃｕ系合金）、Ａ３０００系（Ａｌ−Ｍｎ系合金）、Ａ４０００系（Ａｌ−Ｓｉ系合金）、Ａ５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、Ａ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）、Ａ７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）を使用することができる。また、アルミニウム合金部材２０としては、例えば０．５〜４．０ｍｍの厚さの板材を使用することができる。更に、ＡＣ４ＣＨ等のアルミニウム合金鋳物、ＡＤＣ３等のアルミニウムダイカスト合金、７Ｎ０１等の押出材を使用することもできる。これらの材料の中で、６０００系合金は、熱処理により強度を向上させることができ、所定の形状に加工後、Ｔ６処理を施すことで高い強度の部材とすることができるため、アルミニウム合金部材２０の材料として特に好適である。

アルミニウム合金部材２０に形成される貫通孔２１は、アルミニウム合金部材２０の厚さや目標とする接合部の強度等によって適宜変更することができるが、直径５〜１２ｍｍ程度が好ましい。

＜溶加材＞
溶接ワイヤ３０は、溶接ワイヤ３０を構成するアルミニウム合金の全質量当たりＳｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金からなる。
溶接ワイヤ３０（アルミニウム溶加材）はソリッドワイヤでも良いが施工性等の観点から、図３に示すように、筒状のアルミニウム合金からなる皮材３３と、皮材３３内に充填されたフラックス３５と、を有するフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）であるのが好ましい。皮材３３は、Ｓｉを１．５〜２．８質量％（更に好ましくは１．７〜２．１質量％）、Ｔｉを０．０５〜０．２５質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる。フラックス３５は、フラックス３５の全質量当たりＡｌＦ_３を７〜１５質量％含有する。また、溶接ワイヤ３０の外径は０．８〜２．０ｍｍである。フラックス３５の充填率は、溶接ワイヤ３０の全質量当たり２．５〜２０質量％である。

図４は異種金属接合体１００の溶接後の状態を示す斜視図、図５は図４のV−V線断面図である。
接合後の異種金属接合体１００は、アルミニウム合金部材２０の貫通孔２１に移行した溶接ワイヤ３０の溶滴３１（図２）と、アルミニウム合金部材２０が溶滴３１により溶融した部分とが一体となってアルミ溶融金属凝固部６０が形成される。アルミ溶融金属凝固部６０は、鋼部材１０とアルミ溶融金属凝固部６０との接合界面６０ａから離れるに従ってアルミニウム合金部材２０の貫通孔２１の外側（径方向及び板厚方向の外側）に広がる形状を有する。

アルミ溶融金属凝固部６０は、溶接電流を１００Ａ以下に抑えた交流パルスＭＩＧ溶接により、低い入熱量で形成される。そのため、アルミ溶融金属凝固部６０は、アルミニウム合金部材２０よりも融点の高い鋼部材１０を溶融させることなく、アルミニウム合金部材２０のみを溶融してアルミニウム合金部材２０と接合される。また、アルミ溶融金属凝固部６０と鋼部材１０とはブレージング接合される。

本構成によれば、溶接ワイヤ３０のＳｉ含有率が３質量％未満であることにより、溶接時にアルミ溶融金属凝固部６０に拡散するＦｅ元素が希釈され、アルミ溶融金属凝固部６０と鋼部材１０との接合界面６０ａにおけるＦｅ元素の濃度が低下する。そして、溶接電流を１００Ａ以下に抑えた交流パルスＭＩＧ溶接により、溶接部への入熱量を抑えつつ溶接が行われることで、アルミ溶融金属凝固部６０と鋼部材１０との接合界面６０ａに発生するＡｌ−Ｆｅ二元系金属間化合物の層を薄くすることができる。具体的には、アルミ溶融金属凝固部６０と鋼部材１０との界面のＡｌ−Ｆｅ二元系金属間化合物の厚みを、通常では数１０μｍ程度生じるところ、３μｍ程度にまで減少させることができる。その結果、アルミニウム合金部材２０と鋼部材１０との異種金属同士の接合強度が向上する。

溶接ワイヤ３０は、溶接部への入熱量が同じであっても、Ｓｉ含有率が低いほど金属間化合物の発生を抑えることができる。また、溶接ワイヤ３０のＳｉ含有率が低くなると、母材への濡れ拡がり性が低下する傾向があるが、上記組成のフラックスコアードワイヤを使用することで、溶接部における溶接ワイヤ３０の濡れが良好となり、接合強度をより向上させることができる。

一般に、溶接ワイヤ３０のＳｉ量が少なくなるとアルミ溶融金属凝固部６０に割れが生じやすくなる傾向があるが、本構成によれば、溶接ワイヤ３０の皮材３３にＴｉを含有させたことにより、アルミ溶融金属凝固部６０の凝固組織の肥大化が生じにくくなり、割れが生じ難くなる。その結果、割れに伴う接合強度の低下を抑制できる。

次に、上記の異種金属接合体１００の接合技術を、自動車の構造部材等に利用される断面ハット型形状部材の接合に利用した例を説明する。
図６は互いに隣接する複数の接合点を有する異種金属接合体２００の斜視図である。異種金属接合体２００は、断面ハット形の鋼部材１０と断面ハット形のアルミニウム合金部材２０とが重ね合わされて、そのフランジ部１０ａ，２０ａ同士が接合される。図示例では、フランジ部１０ａ，２０ａ同士が、互いに隣接する複数の接合点Ｐで溶接される。

この場合、各接合点Ｐの溶接法を抵抗スポット溶接とした場合、隣接する接合点Ｐ間の距離ｄが短くなると溶接電流に分流が生じ、ナゲット形成が不十分となることがある。そこで、上記した交流パルスＭＩＧ溶接により溶接すれば、分流による距離ｄの制約がなくなり、接合点Ｐの間隔を短くできる。しかも、接合点Ｐのアルミ溶融金属凝固部における金属間化合物の生成が十分抑制されるため、溶接の接合強度を高められる。よって、異種金属接合体２００の剛性、強度が向上し、より信頼性の高い構造部材が得られる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
例えば、上述した異種金属接合体のアルミニウム合金部材２０は一枚であるが、これに限らず、二枚以上を配置した構成であってもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。
溶接機として、交流パルスＭＩＧ溶接機（ＤＷ３００＋ 株式会社ダイヘン製）及び直流パルスＭＩＧ溶接機（ＴＰＳ５０００ フロニアス社）を用いて、アルミニウム合金部材と鋼部材とを接合した。

テストピースとして、アルミニウム合金部材は、ＡＡ６０２２−Ｔ４材（板厚１ｍｍ）、Ａ５１８２−Ｏ材（板厚１ｍｍ）の調質材を用いた。鋼部材は、９８０ＭＰａ級のＧＡ鋼板（板厚１．２ｍｍ）又は裸鋼板（ＣＲ）を用いた。

アルミニウム合金部材は、鋼部材との重ね代を３０ｍｍとし、この重ね代の中心に円形の貫通孔を形成した。このアルミニウム合金部材の貫通孔の下に、鋼部材を重ね合わせて、アルミニウム合金部材と鋼部材とを支持台上で固定した。そして、溶接機のトーチを、アルミニウム合金部材の貫通孔２１の中心位置に溶接ワイヤ３０の先端が配置されるようにセットし、下記の溶加材組成及び溶接条件にて溶接を実施した。

＜溶加材＞
・溶加材１
ワイヤ種：フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）
ワイヤ径：１．２ｍｍ、
皮材：Ｓｉ ２．０質量％、Ｔｉ ０．２質量％、残部アルニウム及び不可避不純物（なお、上記質量％は、アルミニウム合金材中の質量％を指す）
フラックス：ＡｌＦ_３ ８.０質量％、残部Ｋ−Ａｌ−Ｆ系フラックス
・溶加材２
ワイヤ種：フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）
ワイヤ径：１．２ｍｍ、
皮材：Ａ４０４７
Ｓｉ １２．２質量％ 残部Ａｌ及び不可避不純物（なお、上記質量％は、ワイヤ全質量当たりの質量％を指す）
フラックス：フッ化セシウム系フラックス

＜溶接条件＞
・交流パルスＭＩＧ溶接機
トーチ角：９０°
ワイヤ突き出し長さ：１５ｍｍ
シールドガス：アルゴン１００％
ガス流量：３０リットル／分
電流：７０〜１００Ａ
電圧：１５〜１８Ｖ
アーク通電時間：１．０秒
・直流パルスＭＩＧ溶接機
トーチ角：９０°
ワイヤ突き出し長さ：１５ｍｍ
シールドガス：アルゴン１００％
ガス流量：３０リットル／分
電流：９０Ａ
電圧：１６Ｖ
アーク通電時間：１．０秒

上記の溶加材組成及び溶接条件にて溶接したテストピースを、引張せん断試験についてはＪＩＳ Ｚ ３１３６に準じ、剥離試験についてはＪＩＳ Ｚ ３１３７に準じて、それぞれ実施した。なお、テストピースの寸法は、規格寸法から変更しており、引張せん断試験では１００ｍｍ×３０ｍｍのテストピースを用い、剥離試験では５０ｍｍ×１５０ｍｍのテストピースを用いた。

テストピースを引張試験機に設置し、破断するまでテストピースに引張力を加えた。そして、各テストピースの破断部の形態によって、接合状態の良否を判断した。その結果を表１に示す。表１の試験結果には、プラグ破断（母材で破断）したものを「Ａ」、母材の板厚方向にアルミ溶融金属凝固部が破断したものを「Ｂ」、アルミ溶融金属凝固部と鋼部材との接合界面で破断したものを「Ｃ」で示している。

実施例１〜４は、引張せん断試験、剥離試験共に母材で破断しており良好な接合形態となっていた。これに対して、比較例１〜４は交流パルスＭＩＧ溶接を使用しているものの、溶加材がＡ４０４７（Ｓｉ含有率：１２．２質量％）のため、引張せん断強度と剥離強度の少なくとも一方が小さくなり、接合界面で破断が生じた。また、比較例５は、溶加材にＳｉ含有率の低いワイヤを使用したものの、直流パルスＭＩＧ溶接を使用したため入熱量が多くなり、引張せん断強度及び剥離強度が小さくなった結果、接合界面で破断が生じた。

総合評価は、特に良好な接合形態を「Ａ」、許容レベルを「Ｂ」、それ以下を「Ｃ」として示している。これによれば、実施例１〜４の接合形態は十分な実用レベルである一方、比較例１〜５は、これに満たなかった。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）鋼部材と、貫通孔が形成されたアルミニウム合金部材とを、前記貫通孔の形成方向に重ね合わせる工程と、
交流パルスＭＩＧ溶接により、Ｓｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金のアルミニウム溶加材の溶滴を、前記貫通孔を覆うように移行させて、前記鋼部材を溶融させずに前記アルミニウム合金部材を溶融し、前記アルミニウム合金部材に、前記アルミニウム合金部材と前記鋼部材との界面から離れるに従って前記貫通孔の外側に広がる形状のアルミ溶融金属凝固部を形成する工程と、
を有する異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、Ｓｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金の溶加材を用い、交流パルスＭＩＧ溶接により形成したアルミ溶融金属凝固部により、アルミニウム合金部材と鋼材とを高強度に接合できる。これにより、異種金属同士の接合部における継手強度、特に剥離強度の向上を図ることができる。
（２） 前記交流パルスＭＩＧ溶接の溶接電流は、１００Ａ以下である（１）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、入熱量を低く抑えて、アルミ溶融金属凝固部と鋼部材との間の金属間化合物の発生を低減できる。
（３） 前記アルミニウム溶加材は、
Ｓｉを１．５〜２．８質量％、Ｔｉを０．０５〜０．２５質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる筒状の皮材と、
前記皮材内に充填されフラックスの全質量当たりＡｌＦ_３を７〜１５質量％含有するフラックスと、
を有するフラックスコアードワイヤである（１）又は（２）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、フラックスコアードワイヤを用いることで、接合強度をより向上できる。

１０ 鋼部材
２０ アルミニウム合金部材
２１ 貫通孔
３０ 溶接ワイヤ（アルミニウム溶加材）
３１ 溶滴
４０ アーク
６０ アルミ溶融金属凝固部
１００ 異種金属接合体

Claims (3)

1. 鋼部材と、貫通孔が形成されたアルミニウム合金部材とを、前記貫通孔の形成方向に重ね合わせる工程と、
   交流パルスＭＩＧ溶接により、Ｓｉを３質量％未満含有するアルミニウム合金のアルミニウム溶加材の溶滴を、前記貫通孔を覆うように移行させて、前記鋼部材を溶融させずに前記アルミニウム合金部材を溶融し、前記アルミニウム合金部材に、前記アルミニウム合金部材と前記鋼部材との界面から離れるに従って前記貫通孔の外側に広がる形状のアルミ溶融金属凝固部を形成する工程と、
   を有する異種金属接合体の製造方法。
2. 前記交流パルスＭＩＧ溶接の溶接電流は、１００Ａ以下である請求項１に記載の異種金属接合体の製造方法。
3. 前記アルミニウム溶加材は、
   Ｓｉを１．５〜２．８質量％、Ｔｉを０．０５〜０．２５質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる筒状の皮材と、
   前記皮材内に充填されフラックスの全質量当たりＡｌＦ_３を７〜１５質量％含有するフラックスと、
   を有するフラックスコアードワイヤである請求項１又は２に記載の異種金属接合体の製造方法。

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