JP2023109693A - 接合部材および接合部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ルート部における金属間化合物の形成およびブローホールの発生を抑制することが可能な接合部材および接合部材の製造方法を提供する。
【解決手段】第１の金属部材１１と、前記第１の金属部材と対向する第２の金属部材１２と、が接合部１３を介して接合している接合部材１０であって、前記第１の金属部材は、幅方向の一方の端面１１ａが前記接合部と接触しており、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材と対向する側の表面の一部１２ａが前記接合部と接触しており、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なるとともに、前記第１の金属部材と対向する側の表面の前記接合部と接触していない領域が亜鉛で被覆されており、前記接合部は、前記幅方向の少なくとも一方の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い、接合部材。
【選択図】図１
【解決手段】第１の金属部材１１と、前記第１の金属部材と対向する第２の金属部材１２と、が接合部１３を介して接合している接合部材１０であって、前記第１の金属部材は、幅方向の一方の端面１１ａが前記接合部と接触しており、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材と対向する側の表面の一部１２ａが前記接合部と接触しており、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なるとともに、前記第１の金属部材と対向する側の表面の前記接合部と接触していない領域が亜鉛で被覆されており、前記接合部は、前記幅方向の少なくとも一方の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い、接合部材。
【選択図】図１
Description
本発明は、接合部材および接合部材の製造方法に関する。
従来、車両の燃費向上に寄与することから、車体の軽量化が望まれている。一方、異なる材料で構成される金属部材を溶接することにより得られる接合部材は、剛性および軽量のバランスに優れるため、車両用部品に適用されている。
特許文献１には、アルミニウム合金部品と、亜鉛で被覆されているスチール部品とを、溶接することが記載されている。
しかしながら、ルート部で金属間化合物が形成されるため、接合部材の接合強度が低下することが懸念される。また、ルート部でブローホールが発生するため、接合部材の強度が低下することが懸念される。
本発明は、ルート部における金属間化合物の形成およびブローホールの発生を抑制することが可能な接合部材および接合部材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、第１の金属部材と、前記第１の金属部材と対向する第２の金属部材と、が接合部を介して接合している接合部材であって、前記第１の金属部材は、幅方向の一方の端面が前記接合部と接触しており、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なり、前記第１の金属部材と対向する側の表面の一部が前記接合部と接触しているとともに、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材と対向する側の表面の前記接合部と接触していない領域が亜鉛で被覆されており、前記接合部は、前記幅方向の少なくとも一方の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い。
前記接合部は、前記幅方向の前記第１の金属部材の側の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高くてもよい。
前記接合部は、前記幅方向の前記第１の金属部材とは反対側の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高くてもよい。
本発明の他の一態様は、亜鉛で被覆されている第２の金属部材と、前記第２の金属部材と対向する第１の金属部材と、を接合させることにより、接合部材を製造する方法であって、溶加材に熱源を照射して溶融させることにより、前記第２の金属部材の前記亜鉛で被覆されている側の表面に肉盛部を形成する工程と、前記第１の金属部材に熱源を照射して溶融させることにより、前記第２の金属部材に形成された肉盛部に前記第１の金属部材を接合させる工程と、を含み、前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なる。
本発明によれば、ルート部における金属間化合物の形成およびブローホールの発生を抑制することが可能な接合部材および接合部材の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態の接合部材の一例を示す。
接合部材１０は、第１の金属部材としての、第１の金属板１１と、第１の金属板１１と対向する第２の金属部材としての、第２の金属板１２と、が接合部１３を介して接合している。このとき、第１の金属板１１は、幅方向Ｄの一方の端面１１ａが接合部１３と接触している。また、第２の金属板１２は、第１の金属板１１と対向する側の表面の一部１２ａが接合部１３と接触している。さらに、第２の金属板１２は、第１の金属板１１と対向する側の表面の接合部１３と接触していない領域、すなわち、第１の金属板１１と対向する側の表面の残部１２ｂに、亜鉛めっき層１４が形成されている。また、第２の金属板１２は、第１の金属板１１とは材料が異なる。
ここで、接合部１３は、幅方向Ｄの少なくとも一方の端部の亜鉛濃度が幅方向Ｄの中央部の亜鉛濃度よりも高い。このため、接合部１３は、幅方向Ｄの少なくとも一方の端部において、第１の金属板１１を構成する金属と、第２の金属板を構成する金属との間の金属間化合物の形成が抑制される。その結果、金属間化合物を起点とする破断がおこりづらくなることで、接合部材１０の接合強度が向上する。具体的には、接合部１３の幅方向Ｄの第１の金属板１１の側の端部、すなわち、ルート部１３ａの亜鉛濃度が接合部１３の幅方向Ｄの中央部の亜鉛濃度よりも高いと、接合部材１０のピール応力が大きくなる。また、接合部１３の幅方向Ｄの第１の金属板１１とは反対側の端部、すなわち、止端部１３ｂの亜鉛濃度が接合部１３の幅方向Ｄの中央部の亜鉛濃度よりも高いと、フランク角θが大きくなるため、止端部１３ｂにおけるせん断応力、引っ張り応力および剥離応力の応力集中が抑制される。
なお、接合部材１０においては、第１の金属部材および第２の金属部材として、それぞれ第１の金属板１１および第２の金属板１２が用いられているが、第１の金属部材および第２の金属部材の形状は、特に限定されない。
本実施形態の接合部材の用途としては、特に限定されないが、例えば、車両用部品等が挙げられる。車両用部品の具体例としては、例えば、鉄とアルミニウムを用いたマルチマテリアルボディーにおけるアルミニウム製のサイドパネルアウター等が挙げられる。
図２に、本実施形態の接合部材の製造方法の一例を示す。
接合部材の製造方法は、亜鉛で被覆されている第２の金属部材としての、亜鉛めっき層１４が形成されている第２の金属板１２と、第２の金属板１２と対向する第１の金属部材としての、第１の金属板１１と、を接合させることにより、接合部材を製造する方法である。
具体的には、まず、第１の金属板１１の奥行方向に走査しながら、レーザーＬをワイヤ状の溶加材２１に照射して溶融させることにより（図２（ａ）参照）、第２の金属板１２の亜鉛めっき層１４が形成されている側の表面に肉盛部２２を形成する（図２（ｂ）参照）。肉盛部２２は、幅方向Ｄの両端部の高さが幅方向Ｄの中央部の高さよりも低くなるため、幅方向Ｄの両端部の亜鉛濃度が幅方向Ｄの中央部の亜鉛濃度よりも高くなる。また、肉盛部２２の幅方向Ｄの両端部のフランク角が大きくなる。このとき、第２の金属板１２の肉盛部２２を形成する領域に、例えば、レーザーを照射して、亜鉛めっき層１４を予め加熱溶融させることが好ましい。これにより、溶融した溶加材２１が溶融した亜鉛めっき層１４上に濡れ拡がりやすくなる。ここで、肉盛部２２の幅方向Ｄは、接合部１３の幅方向Ｄと同一であり、レーザーＬの走査方向（第１の金属板１１の奥行方向）および第２の基板１２の厚み方向に対して垂直な方向である。
次に、肉盛部２２の中央部付近に近接した状態で、第１の金属板１１を配置するとともに、第１の金属板１１の奥行方向に走査しながら、レーザーＬを第１の金属板１１の幅方向Ｄの肉盛部２２の側の端部および溶加材２１に照射して溶融させることにより（図２（ｃ）参照）、肉盛部２２に第１の金属板１１を接合させる、すなわち、第１の金属板１１と、第２の金属板１２とを、接合部１３を介して接合させる（図２（ｄ）参照）。このように、接合部材の製造方法を２工程とすることで、接合部材のルート部に対応する領域における亜鉛めっき層１４への入熱が低減され、亜鉛めっき層１４の温度を、亜鉛の沸騰が抑制される範囲内に制御することができるため、ブローホールの発生が抑制される。その結果、接合部１３の幅方向Ｄの第１の金属板１１の側の端部の亜鉛濃度が高くなる。
亜鉛めっき層１４が形成されている第２の金属板１２としては、特に限定されないが、例えば、合金化亜鉛めっき鋼板、溶融亜鉛めっき鋼板等が挙げられる。これらの中でも、溶融亜鉛めっき鋼板が好ましい。
第２の金属板１２の融点は、特に限定されないが、例えば、１４９６℃以上１５３６℃以下である。
第２の金属板１２の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。
亜鉛めっき層１４は、融点が４１９．５℃であり、沸点が９０７℃である。
亜鉛めっき層１４の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．００２８ｍｍ以上０．０１４ｍｍ以下である。
溶加材２１を構成する金属としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。アルミニウム合金としては、例えば、Ａｌ－Ｍｎ系合金、Ａｌ－Ｍｇ系合金、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金、Ａｌ－Ｃｕ系合金、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系合金、Ａｌ－Ｓｉ系合金等が挙げられる。これらの中でも、Ａｌ－Ｓｉ系合金が好ましい。
溶加材２１の融点は、特に限定されないが、例えば、５７７℃以上６６０℃以下である。
ワイヤ状の溶加材２１の直径は、特に限定されないが、例えば、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。
なお、図２（ａ）および図２（ｃ）においては、ワイヤ状の溶加材２１が用いられているが、溶加材の形状は、ワイヤ状に限定されず、例えば、粉末状、粒状、板状等であってもよい。
また、図２（ｃ）においては、第１の金属板１１の幅方向Ｄの肉盛部２２の側の端部とともに溶加材２１を溶融させているが、溶加材２１を使用せずに、第１の金属板１１の幅方向Ｄの肉盛部２２の側の端部のみを溶融させてもよい。
さらに、図２（ａ）で用いる溶加材２１は、図２（ｃ）で用いる溶加材２１と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第１の金属板１１としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム板、アルミニウム合金板等が挙げられる。アルミニウム合金板を構成するアルミニウム合金は、溶加材２１を構成するアルミニウム合金と同様である。これらの中でも、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金が好ましい。
第１の金属板１１の融点は、特に限定されないが、例えば、５７７℃以上６６０℃以下である。
なお、第１の金属板１１を構成する金属は、溶加材２１を構成する金属と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第１の金属板１１の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下である。
なお、本実施形態の接合部材の製造方法は、接合部材のルート部に対応する領域における亜鉛めっき層１４の温度を、亜鉛の沸騰が抑制される範囲内に制御することが可能であれば、特に限定されず、２工程にしなくてもよい。
図３に、図２の接合部材の製造方法で用いるレーザー溶接機の一例を示す。
レーザー溶接機３０は、レーザーＬを発生させる発振器３１と、発振器３１で発生したレーザーＬを照射するレーザーヘッド３２と、レーザーヘッド３２を操作するロボット３３と、を有する。ここで、発振器３１およびレーザーヘッド３２は、光ファイバー３４を介して、接続されている。
発振器３１としては、発生したレーザーＬを光ファイバーで伝送することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ファイバーレーザー、ダイオードレーザー、ディスクレーザー等が挙げられる。
レーザーＬの中心波長、出力等は、接合部材の製造条件（例えば、材料、厚み等）に応じて、適宜設定することができる。
レーザーヘッド３２としては、特に限定されないが、例えば、固定光学ヘッド、可変光学ヘッド、回折光学素子（ＤＯＥ）等によるビーム整形（シングルビーム、ツインビーム等）、ガルバノヘッド等が挙げられる。
ロボット３３としては、特に限定されないが、工業用汎用ロボット等が挙げられる。
なお、ロボット３３の可搬重量、可動範囲、精度等は、特に限定されない。
本実施形態の接合部材の製造方法では、レーザーＬ以外の熱源、すなわち、レーザー溶接機以外の溶接機を用いてもよい。
レーザー溶接機以外の溶接機としては、公知のＭＩＧ溶接機、ＣＭＴ溶接機、アーク溶接機等が挙げられる。
なお、溶接機は、非接触の温度計と組み合わせた温度制御型であることが好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
図２の接合部材の製造方法により、以下の条件で接合部材を製造した。
図２の接合部材の製造方法により、以下の条件で接合部材を製造した。
第１の金属板１１：Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金板；厚み１．０ｍｍ
亜鉛めっき層１４が形成されている第２の金属板１２：溶融亜鉛めっき鋼板；第２の金属板１２の厚み１．４ｍｍ、亜鉛めっき層１４の厚み０．００７ｍｍ
溶加材２１：Ａｌ－Ｓｉ系合金ワイヤ、直径１．２ｍｍ
亜鉛めっき層１４が形成されている第２の金属板１２：溶融亜鉛めっき鋼板；第２の金属板１２の厚み１．４ｍｍ、亜鉛めっき層１４の厚み０．００７ｍｍ
溶加材２１：Ａｌ－Ｓｉ系合金ワイヤ、直径１．２ｍｍ
ここで、図２（ａ）において、レーザーＬを照射したのは、溶加材２１のみであり、レーザーＬの走査方向のレーザーヘッド３２の移動速度、すなわち、レーザーヘッド３２の走査速度を１ｍ／ｍｉｎとした。このとき、第２の金属板１２の肉盛部２２を形成する領域にレーザーを照射して、亜鉛めっき層１４を予め加熱溶融させた。また、図２（ｂ）において、溶融している肉盛部２２の幅方向Ｄの両端部および中央部の温度は、それぞれ６６０℃および１１００℃であった。さらに、図２（ｃ）において、レーザーＬを照射したのは、溶加材２１および第１の金属板１１の幅方向Ｄの肉盛部２２の側の端部であり、レーザーヘッド３２の走査速度を１ｍ／ｍｉｎとした。また、図２（ｄ）において、溶融している接合部１３の温度は、８００℃であった。
図４に、肉盛部２２の断面ＳＥＭ像を示す。
図４から、肉盛部２２にブローホールが発生していないことがわかる。また、肉盛部２２の幅方向Ｄの両端部は、Ｚｎ濃度が高いため、金属間化合物（ＩＭＣ）が見られない。一方、肉盛部２２の幅方向Ｄの中央部は、Ｚｎ濃度が低いため、厚み３０μｍ程度のＩＭＣが見られた。
なお、接合部材においても、上記と同様の傾向が見られた。これは、溶融している接合部１３の温度が、溶融している肉盛部２２の幅方向Ｄの両端部の温度と同様に、亜鉛の沸騰が抑制される範囲内に制御されたためであると推測される。
［比較例１］
図２（ａ）および図２（ｂ）の接合工程を省略した以外は、実施例１と同様にして、接合部材を製造した。
図２（ａ）および図２（ｂ）の接合工程を省略した以外は、実施例１と同様にして、接合部材を製造した。
図５に、接合部材の断面ＳＥＭ像を示す。
図５から、接合部材のルート部にブローホールが発生していることがわかる。また、接合部材のルート部にＩＭＣが見られた。これは、溶融しているルート部の温度が亜鉛の沸騰が抑制される範囲内に制御されなかったためであると推測される。
１０ 接合部材
１１ 第１の金属板
１１ａ 端面
１２ 第２の金属板
１２ａ 表面の一部
１２ｂ 表面の残部
１３ 接合部
１３ａ ルート部
１３ｂ 止端部
１４ 亜鉛めっき層
２１ 溶加材
２２ 肉盛部
３０ レーザー溶接機
３１ 発振器
３２ レーザーヘッド
３３ ロボット
３４ 光ファイバー
Ｄ 幅方向
Ｌ レーザー
１１ 第１の金属板
１１ａ 端面
１２ 第２の金属板
１２ａ 表面の一部
１２ｂ 表面の残部
１３ 接合部
１３ａ ルート部
１３ｂ 止端部
１４ 亜鉛めっき層
２１ 溶加材
２２ 肉盛部
３０ レーザー溶接機
３１ 発振器
３２ レーザーヘッド
３３ ロボット
３４ 光ファイバー
Ｄ 幅方向
Ｌ レーザー
Claims (4)
- 第１の金属部材と、前記第１の金属部材と対向する第２の金属部材と、が接合部を介して接合している接合部材であって、
前記第１の金属部材は、幅方向の一方の端面が前記接合部と接触しており、
前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なり、前記第１の金属部材と対向する側の表面の一部が前記接合部と接触しているとともに、前記第１の金属部材と対向する側の表面の前記接合部と接触していない領域が亜鉛で被覆されており、
前記接合部は、前記幅方向の少なくとも一方の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い、接合部材。 - 前記接合部は、前記幅方向の前記第１の金属部材の側の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い、請求項１に記載の接合部材。
- 前記接合部は、前記幅方向の前記第１の金属部材とは反対側の端部の亜鉛濃度が幅方向の中央部の亜鉛濃度よりも高い、請求項１に記載の接合部材。
- 亜鉛で被覆されている第２の金属部材と、前記第２の金属部材と対向する第１の金属部材と、を接合させることにより、接合部材を製造する方法であって、
溶加材に熱源を照射して溶融させることにより、前記第２の金属部材の前記亜鉛で被覆されている側の表面に肉盛部を形成する工程と、
前記第１の金属部材に熱源を照射して溶融させることにより、前記第２の金属部材に形成された肉盛部に前記第１の金属部材を接合させる工程と、を含み、
前記第２の金属部材は、前記第１の金属部材とは材料が異なる、接合部材の製造方法。
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