JP2023008279A - Method for manufacturing joint structure of dissimilar materials - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異材接合構造体の製造方法に関し、特に、アルミニウム材又はアルミニウム合金材と鋼材とを接合する異材接合構造体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a dissimilar metal joined structure, and more particularly to a method for manufacturing a dissimilar metal joined structure for joining an aluminum material or an aluminum alloy material and a steel material.
近年、CO2排出量の削減を目的とした車体軽量化や衝突安全性強化を実現するため、自動車のボディ骨格等に高張力鋼板(High Tensile Strength Steel:HTSS)が適用されている。 BACKGROUND ART In recent years, high tensile strength steel (HTSS) has been applied to automobile body frames and the like in order to reduce vehicle body weight and enhance collision safety for the purpose of reducing CO 2 emissions.
また、更なる車体軽量化を目的として、軽量なアルミニウム材又はアルミニウム合金材(以下、「アルミニウム合金材等」ともいう。)と鋼材とを接合した異種金属接合材についても需要が高くなっている。異種金属を接合する方法として、一般的には、釘又はネジ等で接合する方法があるが、釘又はネジは比較的高価であるため、接合材の製造コストが高くなるとともに、釘又はネジの重量分だけ得られる接合材が重くなるという問題がある。 In addition, for the purpose of further reducing the weight of the vehicle body, there is a growing demand for dissimilar metal joint materials that are made by joining lightweight aluminum materials or aluminum alloy materials (hereinafter also referred to as "aluminum alloy materials, etc.") and steel materials. . As a method of joining dissimilar metals, there is generally a method of joining with nails or screws. There is a problem that the weight of the bonding material obtained becomes heavy.
一方、アルミニウム合金材等と鋼材とを一般的な方法で直接溶接すると、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成され、良好な強度を得ることができない。そこで、アルミニウム合金材等と鋼材との接合において、高い強度を得ることができる溶接技術が求められている。 On the other hand, when an aluminum alloy material or the like is directly welded to a steel material by a general method, a fragile intermetallic compound is formed at the joint interface, and good strength cannot be obtained. Therefore, there is a demand for a welding technique capable of obtaining high strength in joining aluminum alloy materials and steel materials.
アルミニウム合金材等と鋼材とを接合する方法として、特許文献1には、鋼からなる第1基材の表面に、コールドスプレー法によりアルミニウム又はアルミニウム合金皮膜を形成し、この皮膜とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第2基材とを対向させて溶接する技術が開示されている。
また、低温溶射被覆部材を形成する方法として、特許文献2には、被処理基材の表面に吹付け溶射材料の粒子を、温度300℃以下の低温に保持した状態で、飛行速度500m/s以上である高速低温溶射によって衝突させることにより付着させて、低温溶射皮膜を形成し、更に低温溶射皮膜を形成後、1000~1200℃、1~10hの溶体化処理を施した後、700~1000℃×1~30hの時効処理を行う技術が開示されている。
As a method for joining an aluminum alloy material or the like and a steel material,
In addition, as a method for forming a low-temperature thermal spray coating member,
ところで、あらかじめ低温溶射(コールドスプレー)皮膜(以下、「CS皮膜」ともいう。)をアルミニウム合金材等の表面に形成し、鋼材とCS皮膜を溶接することで異材接合(異種金属接合)を行う場合には、CS皮膜中に含まれる低温溶射時の残存ガスに起因して、溶接金属中に大きなブローホールが生じやすいという欠点がある。そして、溶接金属中に大きなブローホールが多く残存すると継手強度が低下する等の問題があるが、特許文献1には、ブローホールの問題について何ら触れられていない。
また、特許文献2に記載の技術は、所定の熱処理によりCS皮膜中に所望の化合物を形成するための手法であって、CS皮膜に内包されるガスに関しては何ら触れられておらず、更に鋼板をCS皮膜上に重ねて鋼板側から溶接する技術や、鋼板とCS皮膜との溶接時に発生するブローホールについても何ら触れられていない。
By the way, dissimilar metal joining (dissimilar metal joining) is performed by forming a low-temperature thermal spray (cold spray) coating (hereinafter also referred to as "CS coating") on the surface of an aluminum alloy material or the like in advance and welding the steel material and the CS coating. In some cases, there is a drawback that large blowholes tend to occur in the weld metal due to residual gas contained in the CS coating during low-temperature thermal spraying. If many large blowholes remain in the weld metal, there are problems such as a decrease in joint strength, but
Further, the technique described in
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム合金材等と鋼材との異材接合構造体を製造するにあたり、鋼材とアルミニウム合金材等の表面に形成されたCS皮膜との溶接時において、溶接金属内のブローホールが発生するのを抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and in manufacturing a dissimilar metal joint structure of an aluminum alloy material or the like and a steel material, welding a CS coating formed on the surface of the steel material and the aluminum alloy material or the like. The object is to suppress the occurrence of blowholes in the weld metal in some cases.
したがって、本発明の上記目的は、異材接合構造体の製造方法に係る下記[1]の構成により達成される。 Therefore, the above object of the present invention is achieved by the following configuration [1] relating to a method for manufacturing a dissimilar metal joined structure.
[1] アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
前記低温溶射皮膜に対して200~600℃で熱処理を行う工程と、
前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からの溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする異材接合構造体の製造方法。
[1] By low-temperature spraying at least one metal powder selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloys, cobalt, and cobalt alloys onto at least part of the surface of an aluminum or aluminum alloy material. a step of forming a low-temperature thermal spray coating;
A step of heat-treating the low-temperature spray coating at 200 to 600 ° C.;
a step of superimposing the aluminum or aluminum alloy material and the steel material so that the low-temperature spray coating and the steel material face each other;
a step of joining the aluminum or aluminum alloy material and the steel material by welding from the steel material side;
A method for manufacturing a dissimilar metal joined structure, comprising:
また、異材接合構造体の製造方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[2]~[4]に関する。 Further, preferred embodiments of the present invention relating to a method for manufacturing a dissimilar-material joined structure relate to the following [2] to [4].
[2] 前記低温溶射皮膜の熱処理時間が5分以上であることを特徴とする、[1]に記載の異材接合構造体の製造方法。
[3] 前記溶接がレーザ溶接であることを特徴とする、[1]又は[2]に記載の異材接合構造体の製造方法。
[4] 前記低温溶射皮膜を形成する工程は、作動ガスの圧力を3MPa以下とする、[1]~[3]のいずれか1つに記載の異材接合構造体の製造方法。
[2] The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to [1], wherein the heat treatment time of the low-temperature thermal spray coating is 5 minutes or longer.
[3] The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to [1] or [2], wherein the welding is laser welding.
[4] The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to any one of [1] to [3], wherein the step of forming the low-temperature thermal spray coating is performed using a working gas pressure of 3 MPa or less.
本発明によれば、アルミニウム合金材等と鋼材との異材接合構造体を製造するにあたり、アルミニウム合金材等の表面に形成されたCS皮膜に対して200~600℃で熱処理を行うことにより、鋼材とCS皮膜との溶接時に先立ってCS皮膜に内包されるガスを効果的に放出させることができるため、該溶接時に発生するブローホールを抑制することができる。 According to the present invention, in manufacturing a dissimilar metal joint structure of an aluminum alloy material or the like and a steel material, the CS film formed on the surface of the aluminum alloy material or the like is heat-treated at 200 to 600° C. to obtain the steel material. Since the gas contained in the CS coating can be effectively released prior to the welding of the CS coating with the CS coating, the blowholes generated during welding can be suppressed.
以下、本発明に係る異材接合構造体の製造方法の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。 An embodiment of a method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be arbitrarily modified without departing from the gist of the present invention.
本発明者らは、アルミニウム合金材等と鋼材との異材接合において、アルミニウム合金材等の表面の少なくとも一部に、低温溶射法(コールドスプレー法)により、鋼材と溶接可能な金属粉末を低温溶射してCS皮膜を形成し、該CS皮膜に対して200~600℃で熱処理を行った後、アルミニウム合金材等と鋼材とを接合することにより、ブローホールの発生が少ない異材接合構造体が得られることを見出した。 In joining dissimilar materials such as an aluminum alloy material and a steel material, the present inventors have applied a low-temperature thermal spraying method (cold spray method) to at least a part of the surface of the aluminum alloy material, etc. to spray metal powder that can be welded with the steel material. A dissimilar metal joint structure with few blowholes can be obtained by forming a CS film, heat-treating the CS film at 200 to 600° C., and then joining an aluminum alloy material or the like with a steel material. I found out that it can be done.
より具体的に説明すると、ブローホールは、CS皮膜中に内包されるガスが、鋼材とCS皮膜との溶接時に形成される溶融部に巻き込まれて形成されると考えられる。このため、本発明者らは、アルミニウム合金材等の表面に形成されたCS皮膜に対して200~600℃で熱処理を行えば、鋼材とCS皮膜との溶接時に先立ってCS皮膜に内包されるガスを放出させることができるため、該溶接時に発生するブローホールを効果的に抑制できることを知見した。 More specifically, the blowholes are considered to be formed when the gas contained in the CS coating is involved in the molten portion formed when the steel material and the CS coating are welded together. For this reason, the present inventors have found that if a CS film formed on the surface of an aluminum alloy material is heat-treated at 200 to 600 ° C., it will be included in the CS film prior to welding between the steel material and the CS film. It has been found that blowholes generated during welding can be effectively suppressed because gas can be released.
本実施形態に係る異材接合構造体の製造方法は、アルミニウム合金材等の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、低温溶射皮膜に対して200~600℃で熱処理を行う工程と、低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、アルミニウム合金材等と鋼材とを重ね合わせる工程と、鋼材側からの溶接によりアルミニウム合金材等と鋼材とを接合する工程と、を有する。 In the method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to the present embodiment, at least a portion of the surface of an aluminum alloy material or the like is coated with at least one selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloys, cobalt, and cobalt alloys. A step of forming a low-temperature sprayed coating by low-temperature spraying a seed metal powder, a step of heat-treating the low-temperature sprayed coating at 200 to 600 ° C., and an aluminum alloy so that the low-temperature sprayed coating faces the steel material. and a step of joining the aluminum alloy material and the steel material by welding from the steel material side.
図1は、本実施形態に係る異材接合構造体をレーザ溶接により形成する際の工程の一部を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係る異材接合構造体10を製造するにあたり、まずアルミニウム合金材等2の表面の少なくとも一部に、CS皮膜1が形成される。次いで、アルミニウム合金材等2の表面に形成されたCS皮膜1に対して200~600℃で熱処理を行う。そして、熱処理されたCS皮膜1と鋼材3とが対向するように、アルミニウム合金材等2と鋼材3とが重ね合わされる。さらに、鋼材3側から照射されるレーザビームLにより、好ましくアルミニウム合金材等2が溶融しない溶接条件で、鋼材3とCS皮膜1をレーザ溶接し、鋼材3とCS皮膜1の溶融により溶接金属(溶接ビード)4を形成する。
なお、本実施形態では、鋼材3とCS皮膜1を溶接する方法としてレーザ溶接を用いているがこれに限定されるものではなく、後述するようにアーク溶接を用いてもよい。
FIG. 1 is a perspective view showing a part of a process for forming a dissimilar metal joined structure according to this embodiment by laser welding. As shown in FIG. 1, in manufacturing a dissimilar metal joined
In this embodiment, laser welding is used as a method for welding the
CS皮膜1は、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種の金属を含む。なお、図示しないが、低温溶射により高速で金属粉末が吹きつけられたアルミニウム合金材等2の表面は、多量の金属粉末により微細な凹凸が形成されているため、CS皮膜1とアルミニウム合金材等2とは、アンカー効果によって機械的に強固に接合されている。
The
金属粉末を低温かつ高速噴射してCS皮膜1を形成する方法としては、コールドスプレー法が好適である。コールドスプレー法とは、ガスと金属粉末とを音速以上の高速で対象物に吹きつけることにより、CS皮膜1を形成する方法である。この方法は、作動ガスが比較的低温であって、例えば、鉄粒子の融点以下である900℃以下であるため、鉄などのような相対的に高融点である金属粉末とアルミニウム合金材等2が溶融し合うことがなく、鉄などの相対的に高融点である金属粉末は、その速度エネルギーによってアルミニウム合金材等2に食い込み、マクロ的な機械的締結状態となる。
A cold spray method is suitable as a method for forming the
したがって、金属間化合物が生成しにくく、また、脆い相ができにくいことから、結果として、アルミニウム合金材等2の表面の一部に強固なCS皮膜1が形成される。なお、後述するように、コールドスプレー法で使用するガス種、圧力、温度、金属粉末の粒子径等を適宜選択して実施することができる。
Therefore, an intermetallic compound is less likely to form and a brittle phase is less likely to be formed, and as a result, a
その後、得られたCS皮膜1に対し、200~600℃で熱処理を行う。ここで、あらかじめCS皮膜1をアルミニウム合金材等2上に形成し、鋼材3とCS皮膜1を溶接することにより異材接合を行う場合には、CS皮膜1中に含まれる低温溶射時の残存ガスに起因して、溶接金属4中に大きなブローホールが生じやすい。そして、溶接金属4中に大きなブローホールが多く残存すると、継手強度が低下する等の問題がある。しかしながら、本実施形態の異材接合構造体の製造方法によれば、アルミニウム合金材等2の表面に形成されたCS皮膜1に対して200~600℃で熱処理を行うことにより、鋼材3とCS皮膜1との溶接時に先立ってCS皮膜1に内包されるガスを放出させることができるため、溶接時に発生するブローホールを効果的に抑制することができる。
After that, the obtained
CS皮膜1に対する熱処理温度が200℃未満であると、CS皮膜1に内包されるガスを効果的に放出させることができず、溶接時に発生するブローホールを抑制できないおそれがある。よって、CS皮膜1に対する熱処理温度は200℃以上とし、好ましくは300℃以上、より好ましくは350℃以上、最も好ましくは400℃以上とする。
If the heat treatment temperature for the
CS皮膜1に対する熱処理温度が600℃超であると、CS皮膜1の基材となるアルミニウム合金材等2が溶体化され、極端に継手強度が低下するおそれがある。また、CS皮膜1とアルミニウム合金材等2の界面で金属間化合物を形成しやすくなり、溶接後の継手強度を損なう可能性がある。よって、CS皮膜1に対する熱処理温度は600℃以下とし、好ましくは550℃以下、より好ましくは500℃以下、最も好ましくは450℃以下とする。
If the heat treatment temperature for the
また、CS皮膜1に対する熱処理時間の下限については特に制限はないが、CS皮膜1に内包されるガスをより効果的に放出させるためには、好ましくは5分以上であり、より好ましくは30分以上であり、最も好ましくは60分以上である。なお、熱処理時間の上限についても特に制限はないが、CS皮膜1に内包されるガスを放出させる効果が徐々に飽和するため、好ましくは1440分以下である。
The lower limit of the heat treatment time for the
続いて、上記熱処理されたCS皮膜1の上に鋼材3を配置し、鋼材3におけるアルミニウム合金材等2に面する側と反対側から、好ましくはアルミニウム合金材等2が溶融しない溶接条件で、レーザ溶接することにより溶接金属4を形成し、ブローホールの発生が少ない異材接合構造体10を製造する。
Subsequently, a
なお、本実施形態おいて鋼材3とCS皮膜1の溶接は、アーク溶接によっても可能であるが、レーザ溶接は、アーク溶接などの他の溶接法に比べ入熱が低く、熱影響が小さい溶接法であるため好ましい。アーク溶接を用いた場合には、溶接時に発生する熱がアルミニウム合金材等2にまで到達しやすいため、アルミニウム合金材等2に対するCS皮膜1の密着強度が低下し、ひいては接合強度が低下するおそれがある。しかし、レーザ溶接を用いた場合には、アルミニウム合金材等2への熱影響を最小限に抑え、アルミニウム合金材等2に対するCS皮膜1の密着強度低下を効果的に抑制することができ、ひいては接合強度の低下を防止し、より良好な異材接合構造体10を得ることができる。
In this embodiment, the welding of the
続いて、本実施形態に係る異材接合構造体10の製造方法において、CS皮膜1、その材料となる金属粉末、アルミニウム合金材等2及び鋼材3について、以下に詳細に説明する。
Next, in the manufacturing method of the dissimilar metal joined
<金属粉末の金属種:純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種>
鋼材3とCS皮膜1を例えばレーザ溶接により接合するためには、CS皮膜1の材料として、鋼材3と所望の接合強度で溶接することができるとともに、溶接金属4の特性が良好となる金属材料を選択することが重要である。
<Metal type of metal powder: at least one selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloy, cobalt and cobalt alloy>
In order to join the
金属粉末として、例えば、CrやNiなど焼入れ元素が多量に添加されたステンレス鋼(SUS)を使用すると、鋼材3が高張力鋼板やホットスタンプ材である場合に、母材希釈を受けた溶接金属4の全て又は一部がマルテンサイト変態し、硬度が高くなりすぎて、接合強度(継手強度)が低下したり割れが発生したりするおそれがある。このような場合には、コールドスプレー法に用いる金属粉末としては、好ましくは純鉄、炭素鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種の金属を含む粉末を使用する。 If, for example, stainless steel (SUS) to which a large amount of quenching elements such as Cr and Ni is added is used as the metal powder, the weld metal that has undergone the base material dilution will All or part of 4 undergoes martensite transformation, and the hardness becomes too high, which may lead to a decrease in joint strength (joint strength) or the occurrence of cracks. In such a case, the metal powder used in the cold spray method is preferably powder containing at least one metal selected from pure iron, carbon steel, nickel, nickel alloys, cobalt and cobalt alloys.
なお、本明細書において、純鉄とは、工業用として容易に入手が可能であり、純度が99.9質量%以上のものを表す。また、炭素鋼とは、鉄と炭素を主成分とし、ケイ素、マンガン及び不純物リン、硫黄、銅を微量に含む鉄鋼材料を表す。なお、ニッケル合金としては、通称インコネル合金、インコロイ合金、ハステロイ合金と呼ばれるNiを主成分として、Mo、Fe、Co、Cr、Mnなどを適当量添加した合金を用いることができる。 In the present specification, pure iron refers to iron that is readily available for industrial use and has a purity of 99.9% by mass or more. Carbon steel is a steel material containing iron and carbon as main components and containing silicon, manganese, and trace amounts of impurities phosphorus, sulfur, and copper. As the nickel alloy, alloys commonly known as Inconel alloys, Incoloy alloys, and Hastelloy alloys, in which Ni is the main component and appropriate amounts of Mo, Fe, Co, Cr, Mn, etc. are added can be used.
<金属粉末の粒子径及び形状>
CS皮膜1の材料となる金属粉末の粒子径については特に限定されないが、コールドスプレーのガス圧を1MPa~5MPaの高圧条件とした場合には、例えば100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。
金属粉末の粒子形状についても特に限定されないが、流動性の観点から球状であることが好ましい。
<Particle size and shape of metal powder>
The particle size of the metal powder that is the material of the
Although the particle shape of the metal powder is not particularly limited, it is preferably spherical from the viewpoint of fluidity.
<作動ガスの種類>
コールドスプレーにおいて使用するガスについては特に限定されないが、一般的には、空気、窒素、ヘリウム又はそれらの混合ガスを用いて行われる。一方、CS皮膜1が酸化すると、溶接性に悪影響を及ぼすおそれがあるため、ガス種として窒素やヘリウムを用いるのが好ましい。ガス種としてヘリウムを用いる場合、CS皮膜1の密着強度がより高くなり、ひいては継手強度の向上が期待できる。
<Type of working gas>
The gas used in cold spraying is not particularly limited, but generally air, nitrogen, helium, or a mixed gas thereof is used. On the other hand, if the
<作動ガスの温度>
コールドスプレーにおいて使用するガスの温度が高い場合には、金属粉末が溶融し、CS皮膜1の基材となるアルミニウム合金材等2と化学反応を起こして金属間化合物を生成するおそれがある。よって、作動ガスの温度は、コールドスプレーに用いられる金属粉末の融点よりも低い温度とすることが好ましい。なお、本実施形態に係る異材接合構造体10を得るにあたっては、例えば、室温(20℃)~1200℃とすることが好ましい。
<Temperature of working gas>
If the temperature of the gas used in the cold spray is high, the metal powder may melt and chemically react with the
<作動ガスの圧力>
コールドスプレーにおいて使用するガスの圧力が高い場合には、ガスの消費量が多くなったり、また、CS皮膜1の基材となるアルミニウム合金材等2の変形がしやすくなるおそれがある。よって、ガスの消費量削減によるコストダウン又はアルミニウム合金材等2の変形抑制の観点から、作動ガスの圧力は10MPa以下とすることが好ましく、7MPa以下とすることがより好ましく、5MPa以下とすることが更に好ましく、3MPa以下とすることが最も好ましい。
<Pressure of working gas>
When the pressure of the gas used in the cold spray is high, there is a possibility that the consumption of the gas increases and the deformation of the
<皮膜の膜厚>
コールドスプレーにより形成するCS皮膜1の膜厚が0.3mm未満であると、CS皮膜1及び鋼材3のみを溶融させる溶接が要求される場合、レーザビームLのバラつきの影響により、CS皮膜1及び鋼材3のみを溶融させることが困難となる場合があるため、ロバスト性が低くなる。
<Film thickness>
If the thickness of the
そこで、CS皮膜1の膜厚を0.3mm以上とすることにより、レーザビームLのバラつきに柔軟に対応することができるため、厳しい条件設定が不要となる。よって、CS皮膜1の膜厚は0.3mm以上であることが好ましく、0.6mm以上であることがより好ましい。
Therefore, by setting the film thickness of the
一方、CS皮膜1の膜厚が3mmを超えると、成膜時間が長くなり、製造コストアップとなるおそれがある。したがって、CS皮膜1の膜厚は3mm以下であることが好ましく、2mm以下であることがより好ましい。
On the other hand, when the film thickness of the
<アルミニウム合金材等(アルミニウム材又はアルミニウム合金材)>
アルミニウム合金材等2についても特に限定されないが、自動車等に用いる部材に適用する場合には、強度の観点から、純アルミニウムであるアルミニウム材よりも2000系、5000系、6000系及び7000系等のアルミニウム合金材を用いることが好ましい。なお、板材だけでなく、自動車等の分野で多用される押出材や鋳造材、鍛造材であっても問題なく使用することができる。
<Aluminum alloy material (aluminum material or aluminum alloy material)>
The
<鋼材>
鋼材3としては、一般的に鉄鋼と呼ばれる金属からなる部材であれば特に限定されない。ただし、近年、自動車のボディ骨格等に用いられる鋼板としては、車体軽量化や衝突安全性強化を目的として高張力鋼材(ハイテン材)等が多用されている。鋼-アルミの異種金属接合法として普及している機械的接合法では、引張強度が980MPa以上の鋼板に適用することが困難である。よって、引張強度が980MPa以上、好ましくは1470MPa以上の高張力鋼板において本発明は特に有効である。
<Steel material>
The
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these.
<実施例1~3>
板厚が3mmであるアルミニウム合金板(7N01)の表面に、コールドスプレーを用いて鉄又はニッケルからなる金属皮膜(低温溶射皮膜)を形成した。なお、鉄皮膜の場合は膜厚を2mmとし、ニッケル皮膜の場合は膜厚を1.5mmとした。そして、アルミニウム合金板の表面に低温溶射皮膜が形成されたコールドスプレーサンプルに対し、表1に示す所定条件の熱処理を施して熱処理サンプルを作製した。続いて、得られた金属皮膜を介してアルミニウム合金板と重なるように、板厚が1.4mmの鋼板を配置し、鋼板における金属皮膜に接する面と反対側の面からレーザ照射することにより、鋼板とアルミニウム合金板とをレーザ溶接し、実施例1~3の異材接合構造体を製造した。
<Examples 1 to 3>
A metal coating (low-temperature thermal spray coating) made of iron or nickel was formed on the surface of an aluminum alloy plate (7N01) having a thickness of 3 mm using cold spray. The thickness of the iron coating was set to 2 mm, and the thickness of the nickel coating was set to 1.5 mm. Then, a heat treatment sample was prepared by subjecting a cold spray sample in which a low-temperature thermal spray coating was formed on the surface of an aluminum alloy plate to heat treatment under the predetermined conditions shown in Table 1. Subsequently, a steel plate having a thickness of 1.4 mm is placed so as to overlap with the aluminum alloy plate through the obtained metal film, and laser irradiation is performed from the surface of the steel plate opposite to the surface in contact with the metal film. A steel plate and an aluminum alloy plate were laser-welded to manufacture the dissimilar metal joined structures of Examples 1 to 3.
供試材、コールドスプレーの条件、熱処理条件及び溶接条件を、それぞれ以下に示す。 The test materials, cold spray conditions, heat treatment conditions and welding conditions are shown below.
[供試材]
鋼板(上板):引張強度1470MPa級鋼板(板厚1.4mm)
アルミニウム合金板(下板):A7N01―T6材(板厚3mm)
[Test material]
Steel plate (upper plate): Tensile strength 1470 MPa class steel plate (plate thickness 1.4 mm)
Aluminum alloy plate (lower plate): A7N01-T6 material (
[コールドスプレーの条件]
装置:高温高圧タイプ
ガス種:窒素
金属粉末:鉄粉又はニッケル粉
金属粉末の平均粒度:40μm(鉄粉及びニッケル粉)
ガス圧:3MPa(鉄粉)、5MPa(ニッケル粉)
ガスの温度:1000℃
膜厚:2mm(鉄皮膜)、1.5mm(ニッケル皮膜)
[Cold spray conditions]
Apparatus: High temperature and high pressure type Gas type: Nitrogen Metal powder: Iron powder or nickel powder Average particle size of metal powder: 40 μm (iron powder and nickel powder)
Gas pressure: 3 MPa (iron powder), 5 MPa (nickel powder)
Gas temperature: 1000°C
Film thickness: 2 mm (iron film), 1.5 mm (nickel film)
[コールドスプレーサンプルの熱処理条件]
熱処理装置:マッフル炉
雰囲気:大気雰囲気下
熱処理温度:180℃、350℃、450℃のいずれか(詳細には表に記載)
熱処理時間:5分、60分のいずれか(詳細には表に記載)
[Heat treatment conditions for cold spray samples]
Heat treatment equipment: muffle furnace Atmosphere: atmospheric heat treatment temperature: 180°C, 350°C, or 450°C (details are listed in the table)
Heat treatment time: either 5 minutes or 60 minutes (details are listed in the table)
[レーザ溶接条件]
溶接機:ファイバーレーザ(IPGphotonics製、装置名:YLG-6000)
溶接速度:4m/min
ビーム集光直径(スポット径):φ0.6mm
レーザ出力:4.5kw、4.9kwのいずれか(詳細には表に記載)
溶接形状:円(φ12mm)
[Laser welding conditions]
Welder: Fiber laser (manufactured by IPGphotonics, device name: YLG-6000)
Welding speed: 4m/min
Beam condensing diameter (spot diameter): φ0.6 mm
Laser output: either 4.5 kw or 4.9 kw (details are listed in the table)
Welding shape: Circle (φ12mm)
<比較例1~3>
板厚が3mmであるアルミニウム合金板(7N01)の表面に、コールドスプレーを用いて鉄又はニッケルからなる金属皮膜(CS皮膜)を形成した。なお、鉄皮膜の場合は膜厚を2mmとし、ニッケル皮膜の場合は膜厚を1.5mmとした。そして、比較例1及び2においては、アルミニウム合金板の表面に低温溶射皮膜が形成されたコールドスプレーサンプルに対し、熱処理を施さない非熱処理サンプルとした。また、比較例3においては、アルミニウム合金板の表面に低温溶射皮膜が形成されたコールドスプレーサンプルに対し、表1に示す所定条件の熱処理を施して熱処理サンプルを作製した。続いて、得られた金属皮膜を介してアルミニウム合金板と重なるように、板厚が1.4mmの鋼板を配置し、鋼板における金属皮膜に接する面と反対側の面からレーザ照射することにより、鋼板とアルミニウム合金板とをレーザ溶接し、比較例1~3の異材接合構造体を製造した。
なお、供試材、コールドスプレーの条件、熱処理条件及び溶接条件については実施例1~3の場合と同様であるため省略する。
<Comparative Examples 1 to 3>
A metal film (CS film) made of iron or nickel was formed on the surface of an aluminum alloy plate (7N01) having a thickness of 3 mm using cold spray. The thickness of the iron coating was set to 2 mm, and the thickness of the nickel coating was set to 1.5 mm. In Comparative Examples 1 and 2, non-heat-treated samples were prepared by not heat-treating the cold-sprayed samples in which the low-temperature spray coating was formed on the surface of the aluminum alloy plate. In Comparative Example 3, a heat-treated sample was prepared by subjecting a cold-sprayed sample in which a low-temperature thermal spray coating was formed on the surface of an aluminum alloy plate to heat treatment under the predetermined conditions shown in Table 1. Subsequently, a steel plate having a thickness of 1.4 mm is placed so as to overlap with the aluminum alloy plate through the obtained metal film, and laser irradiation is performed from the surface of the steel plate opposite to the surface in contact with the metal film. A steel plate and an aluminum alloy plate were laser-welded to manufacture dissimilar metal joint structures of Comparative Examples 1 to 3.
The test material, cold spray conditions, heat treatment conditions, and welding conditions are the same as in Examples 1 to 3, and are omitted.
<評価>
その後、実施例及び比較例ともに、得られた異材接合構造体(溶接継手)に対して断面マクロ観察を行い、ブローホール率を調べた。
ブローホール率(%)は、断面マクロ写真における溶接金属4の面積に対するブローホール5の総面積の比と定義し、解析ソフト(image J)を用いて断面写真より算出し、小数点以下を四捨五入した。
なお、上記ブローホール率が10%未満の場合を◎(優良)、10%以上20%未満の場合を〇(良好)、20%以上の場合を△(不良)と評価とした。
<Evaluation>
After that, cross-sectional macroscopic observation was performed on the dissimilar metal joined structures (welded joints) obtained in both the examples and the comparative examples, and the blowhole rate was examined.
The blowhole ratio (%) is defined as the ratio of the total area of the
The blowhole rate was evaluated as ⊚ (excellent) when it was less than 10%, ◯ (good) when it was 10% or more and less than 20%, and Δ (bad) when it was 20% or more.
また、溶接金属4の断面マクロ写真の代表例を図2A及び図2Bに示す。図2Aは、比較例1の条件により形成された異材接合構造体のクレータ部近傍における拡大断面図であり、図2Bは、実施例1の条件により形成された異材接合構造体のクレータ部近傍における拡大断面図である。
Representative examples of cross-sectional macro photographs of the
実施例1~3及び比較例1~3における、皮膜材質、熱処理条件、レーザ出力、ブローホール率及び評価結果を、まとめて表1に示す。 Table 1 summarizes the coating material, heat treatment conditions, laser output, blowhole rate and evaluation results in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
表1の結果に示すように、低温溶射皮膜に熱処理を施さなかった比較例1及び2、並びに熱処理温度が200℃未満であった比較例3では、いずれもブローホール率が20%以上となり、良好な溶接金属4が得られなかった。なお、図2Aに示すように、比較例1の条件により形成された異材接合構造体10では、溶接金属4内に大きなブローホール5が形成されていることが分かる。
As shown in the results of Table 1, in Comparative Examples 1 and 2 in which the low-temperature spray coating was not heat-treated, and in Comparative Example 3 in which the heat treatment temperature was less than 200 ° C., the blowhole rate was 20% or more. A
一方、熱処理温度が350℃又は450℃であった実施例1~3では、いずれもブローホール率が20%未満となり、ブローホールの少ない良好な溶接金属4が得られた。なお、図2Bに示すように、実施例1の条件により形成された異材接合構造体10では、溶接金属4内にブローホール5が形成されているものの、その大きさが小さく抑えられていることが分かる。
また、実施例2と実施例3を比較すると、熱処理時間がより長い実施例3の方が、ブローホール率が顕著に低下していることが分かった。
On the other hand, in Examples 1 to 3 in which the heat treatment temperature was 350° C. or 450° C., the blowhole rate was less than 20%, and a
Moreover, when Example 2 and Example 3 were compared, it was found that Example 3, in which the heat treatment time was longer, had a significantly lower blowhole rate.
続いて、実施例1で作製したコールドスプレーサンプル(鉄皮膜)及びアルミニウム合金板:A7N01―T6材(板厚3mm)のみのそれぞれに対して、昇温離脱ガス分析(TDS;Thermal Desorption Spectroscopy分析)を行った。
Subsequently, the cold spray sample (iron film) prepared in Example 1 and the aluminum alloy plate: A7N01-T6 material (
上記コールドスプレーサンプルのTDS分析結果のグラフ(Al合金+低温溶射皮膜)を図3Aに示し、比較用として行った上記アルミニウム合金板のみのTDS分析結果のグラフ(Al合金のみ)を図3Bに示す。 A graph of the TDS analysis results of the cold spray sample (Al alloy + low temperature thermal spray coating) is shown in FIG. .
図3Aの結果に示すように、熱処理温度が200℃以上の場合、質量電荷比M/z=2(H2に相当)、M/z=28(CO、N2に相当)、及びM/z=44(CO2に相当)のガスが多く放出されることが分かる。特に、熱処理温度300℃付近で、それぞれピークが確認された。よって、CS皮膜に対する熱処理温度を200℃以上とするのがよいことが示された。 As shown in the results of FIG. 3A, when the heat treatment temperature is 200° C. or higher, the mass-to-charge ratio M/z= 2 (corresponding to H2), M/z=28 (corresponding to CO, N2 ), and M/ It can be seen that a large amount of gas with z=44 (corresponding to CO 2 ) is released. In particular, each peak was confirmed at a heat treatment temperature of around 300°C. Therefore, it was shown that the heat treatment temperature for the CS film should be 200° C. or higher.
一方、図3Aの結果に示すように、熱処理温度が高くなるほど、より多くのガスが放出されることが理解されるが、上述したように、熱処理温度が600℃超の場合、CS皮膜の基材となるアルミニウム合金材等が溶体化され、極端に継手強度が低下するおそれがあり、またCS皮膜とアルミニウム合金材等の界面で金属間化合物を形成しやすくなり、溶接後の継手強度を損なう可能性があることから、CS皮膜に対する熱処理温度を600℃以下に制限することが必要である。 On the other hand, as shown in the results of FIG. 3A, it is understood that the higher the heat treatment temperature, the more gas is released. Aluminum alloy materials, etc., which are used as materials, are solutionized, and there is a risk that the joint strength will be extremely reduced, and intermetallic compounds will be easily formed at the interface between the CS coating and aluminum alloy materials, etc., and the joint strength after welding will be impaired. Because of this possibility, it is necessary to limit the heat treatment temperature for the CS coating to 600°C or less.
なお、図3Bの結果に示すように、上記コールドスプレーサンプルの基材として用いたアルミニウム合金板のみの場合、いずれの質量電荷比M/zのグラフからも明らかなように、熱処理温度が200℃以上においてもガスの放出が少ないことが分かる。すなわち、ブローホールの発生原因となるガスは、その多くがCS皮膜1中に含まれていることが確認された。
As shown in the results of FIG. 3B, in the case of only the aluminum alloy plate used as the base material of the cold spray sample, the heat treatment temperature is 200° C., as is clear from the graphs of the mass-to-charge ratio M/z. It can also be seen from the above that the amount of gas released is small. That is, it was confirmed that most of the gas causing blowholes was contained in the
以上詳述したように、本発明によれば、アルミニウム合金材等と鋼材との異材接合構造体を製造するにあたり、鋼材とアルミニウム合金材等の表面に形成されたCS皮膜との溶接時において、溶接金属内のブローホールが発生するのを抑制することができる。 As described in detail above, according to the present invention, in manufacturing a dissimilar-materials-joined structure of an aluminum alloy material or the like and a steel material, when welding the steel material and the CS coating formed on the surface of the aluminum alloy material or the like, It is possible to suppress the occurrence of blowholes in the weld metal.
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、熱処理方法は特に限定されず、電気炉、マッフル炉などを用いることができる。熱処理中の雰囲気も特に限定されず、空気、窒素、アルゴン雰囲気など、適宜用途に応じて選択すればよい。さらに、皮膜のみを直接熱処理する手法、例えば、バーナーやレーザなどによる熱処理も適用可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified, improved, etc. as appropriate. For example, the heat treatment method is not particularly limited, and an electric furnace, a muffle furnace, or the like can be used. The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited, either, and air, nitrogen, argon atmosphere, or the like may be appropriately selected according to the application. Furthermore, a method of directly heat-treating only the film, for example, heat-treating with a burner, laser, or the like can also be applied.
以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, this specification discloses the following matters.
(1) アルミニウム材又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも1種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
前記低温溶射皮膜に対して200~600℃で熱処理を行う工程と、
前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム材又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からの溶接により前記アルミニウム材又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする異材接合構造体の製造方法。
この構成によれば、アルミニウム合金材等と鋼材との異材接合構造体を製造するにあたり、アルミニウム合金材等の表面に形成されたCS皮膜に対して200~600℃で熱処理を行うことにより、鋼材とCS皮膜との溶接時に先立ってCS皮膜に内包されるガスを効果的に放出させることができるため、該溶接時に発生するブローホールを抑制することができる。
(1) Low-temperature thermal spraying of at least one metal powder selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloys, cobalt, and cobalt alloys onto at least part of the surface of an aluminum material or aluminum alloy material. A step of forming a low-temperature spray coating by
A step of heat-treating the low-temperature spray coating at 200 to 600 ° C.;
a step of superimposing the aluminum material or aluminum alloy material and the steel material so that the low-temperature spray coating and the steel material face each other;
a step of joining the aluminum material or aluminum alloy material and the steel material by welding from the steel material side;
A method for manufacturing a dissimilar metal joined structure, comprising:
According to this configuration, in manufacturing a dissimilar metal joint structure of an aluminum alloy material or the like and a steel material, the CS film formed on the surface of the aluminum alloy material or the like is heat-treated at 200 to 600° C. to obtain the steel material. Since the gas contained in the CS coating can be effectively released prior to the welding of the CS coating with the CS coating, the blowholes generated during welding can be suppressed.
(2) 前記低温溶射皮膜の熱処理時間が5分以上であることを特徴とする、(1)に記載の異材接合構造体の製造方法。
この構成によれば、CS皮膜に内包されるガスをより効果的に放出させることができ、溶接時に発生するブローホールを更に抑制することができる。
(2) The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to (1), wherein the heat treatment time of the low-temperature thermal spray coating is 5 minutes or longer.
According to this configuration, the gas contained in the CS coating can be released more effectively, and the occurrence of blowholes during welding can be further suppressed.
(3) 前記溶接がレーザ溶接であることを特徴とする、(1)又は(2)に記載の異材接合構造体の製造方法。
この構成によれば、アルミニウム合金材等への熱影響を最小限に抑え、アルミニウム合金材等に対するCS皮膜の密着強度低下を効果的に抑制することができ、ひいては接合強度の低下を防止し、より良好な異材接合構造体を得ることができる。
(3) The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to (1) or (2), wherein the welding is laser welding.
According to this configuration, it is possible to minimize the thermal effect on the aluminum alloy material and the like, effectively suppress the deterioration of the adhesion strength of the CS coating to the aluminum alloy material and the like, and prevent the deterioration of the bonding strength, A better dissimilar metal joined structure can be obtained.
(4) 前記低温溶射皮膜を形成する工程は、作動ガスの圧力を3MPa以下とする、(1)~(3)のいずれか1つに記載の異材接合構造体の製造方法。
この構成によれば、ガスの消費量削減によるコストダウン又はアルミニウム合金材等の変形抑制を図ることができる。
(4) The method for manufacturing a dissimilar metal joined structure according to any one of (1) to (3), wherein the step of forming the low-temperature thermal spray coating is performed using a working gas pressure of 3 MPa or less.
According to this configuration, it is possible to reduce costs by reducing gas consumption or to suppress deformation of the aluminum alloy material or the like.
1 CS皮膜
2 アルミニウム合金材等
3 鋼材
4 溶接金属
5 ブローホール
10 異材接合構造体
L レーザビーム(レーザ照射)
1
Claims (4)
前記低温溶射皮膜に対して200~600℃で熱処理を行う工程と、
前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム材又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からの溶接により前記アルミニウム材又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする異材接合構造体の製造方法。 Low-temperature spraying by low-temperature spraying at least one metal powder selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloys, cobalt and cobalt alloys onto at least part of the surface of an aluminum material or an aluminum alloy material. a step of forming a coating;
A step of heat-treating the low-temperature spray coating at 200 to 600 ° C.;
a step of superimposing the aluminum material or aluminum alloy material and the steel material so that the low-temperature spray coating and the steel material face each other;
a step of joining the aluminum material or aluminum alloy material and the steel material by welding from the steel material side;
A method for manufacturing a dissimilar metal joined structure, comprising:
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