JP4181063B2 - 異種金属薄板の液相拡散接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、物性の異なる２枚の異種金属薄板を液相拡散接合により接合可能とする異種金属薄板の液相拡散接合方法に関し、詳細には、不活性ガスを使用することなく短時間で充分な接合強度を確保し得る液相拡散接合技術に関する。

例えば、鉄とアルミニウムなどの異種金属材料を溶接した場合、それらの接合部界面に金属間化合物が生成し、充分な接合強度が得られないことは広く知られている。

このような異種金属材料同士の接合手段としては、所定の接合強度を確保することのできる一つの手段として液相拡散接合方法がある（例えば、非特許文献１など参照）。

かかる非特許文献１に記載された方法は、先端をテーパ状に機械加工した鉄パイプに亜鉛を電気メッキし、その鉄パイプをアルミニウムパイプ内に挿入した状態で所定の温度まで加熱し、さらに押し込むことで液相拡散接合を行っている。

上記した液相拡散接合のメカニズムとしては、鉄パイプとアルミニウムパイプとが、ＺｎとＡｌの共晶温度３８１℃以上に加熱され、鉄パイプ挿入時にアルミニウムパイプ先端が擦られて両パイプの新生面同士が接触し、ＡｌとＺｎとが反応して共晶液体が形成される。そして、この共晶液体により、Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅの拡散反応が促進されて接合がなされる。

この他、異種金属材料同士を接合する接合手段には、加熱した２枚以上の異種金属薄板を圧延ローラにて加圧することによって接合する方法がある。この接合手段は、例えばクラッド材などの製造に使われている。
溶接学会論文集 第１８巻 第４号 Ｐ．５７２〜５７９（２０００）「亜鉛メッキによる鉄パイプとアルミニウムパイプの接合」

しかしながら、自動車部品などのような複雑な３次元曲面形状の金属薄板同士を接合するには、前記した圧延ローラによる加圧接合方法の適用は困難である。

一方、非特許文献１に記載の接合方法で自動車部品を製造する場合は、サイクルタイム内で接合を行う必要があるため、接合時間の短縮が必要である。また、この非特許文献１に記載の接合方法では、板厚の薄い金属薄板同士を接合する場合、充分な接合強度を確保するための加圧条件及び加熱条件の明確化が必要となる。

そこで、本発明は、接合時間の短縮が図れ且つ充分な接合強度が確保できる信頼性の高い異種金属薄板の液相拡散接合方法を提供することを目的とする。

本発明の異種金属薄板の液相拡散接合方法は、液相拡散接合装置の第１の型と、液相拡散接合装置の第２の型の間に固定した亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板とからなる２枚の異種金属薄板を密着させて加圧させる。また、加圧と共に亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金板を挟んでその両側にそれぞれ所定距離を置いて第１の型に設けられた第１高周波誘導加熱コイルと第２の型に設けられた第２高周波誘導加熱コイルに高周波電流を通電して生じた誘導電流により亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板を加熱し、その亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金板を略同じ昇温速度且つ等温で昇温させてこれら亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板の接合部界面を液相拡散接合させる。

本発明の異種金属薄板の液相拡散接合方法によれば、第１及び第２高周波誘導加熱コイルのそれぞれに高周波電流を通電して亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金板に誘導電流を発生させ、その誘導電流による熱で亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板の接合部を同じ昇温速度且つ等温で昇温させて液相拡散接合させるので、ＺｎとＡｌの共晶液体生成までの時間が大幅に低減できることから、直接加熱方式に対して短時間で加熱することができ、接合時間を極めて短くすることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［異種金属薄板の液相拡散接合装置の構成］
先ず、本発明を適用した異種金属薄板の液相拡散接合装置について説明する。図１は本実施の形態の液相拡散接合装置の正面図、図２は液相拡散接合装置における接合部分を拡大して示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。

本実施の形態の液相拡散接合装置は、図１及び図２に示すように、物性の異なる２枚の異種金属薄板のうち一方の亜鉛メッキ鋼板１を加圧する第１の型２と、他方の異種金属薄板であるアルミニウム合金板３を加圧する第２の型４と、第１の型２を第２の型４に対して接近離反する方向（図１中矢印Ｙで示す上下方向）に可動自在としてそれらの間に固定された亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３とを加圧させる加圧付与手段である油圧シリンダー５と、亜鉛メッキ鋼板１に対し所定距離Ｈ１を置いて第１の型２に設けられ、高周波電流を通電して亜鉛メッキ鋼板１に誘導電流を発生させ、加熱する第１高周波誘導加熱コイル６と、アルミニウム合金板３に対し所定距離Ｈ２を置いて第２の型４に設けられ、高周波電流を通電してアルミニウム合金板３に誘導電流を発生させ、加熱する第２高周波誘導加熱コイル７とから構成される。

第１の型２は、側面形状を略コ字状或いは略Ｃ字状とした装置ベース８の上端部に形成された上部台９に対し、油圧シリンダー５を介して取り付けられた型保持部材１０に固定されている。この第１の型２は、油圧シリンダー５を駆動源として図１中矢印Ｙで示すように上下動自在とされている。第２の型４は、同じく装置ベース８の下端部に形成された下部台１１に固定される型保持部材１２に固定されている。これら第１の型２及び第２の型４は、図２に示すように、例えば何れも円柱形状をなす剛性の高いセラミック丸棒からなる。

また、第１の型２及び第２の型４の間に亜鉛メッキ鋼板１及びアルミニウム合金板３を固定させる固定手段としては、例えば図示を省略する治具が採用される。

第１高周波誘導加熱コイル６は、第１の型２の先端部から所定距離Ｈ１の位置に固定される。かかる第１高周波誘導加熱コイル６は、例えばコイル線を円環状に巻回することによって形成され、その貫通孔を丸棒形状の第１の型２に挿通させることにより、当該第１の型２に取り付けられる。また、この第１高周波誘導加熱コイル６は、装置ベース８に一端部を固定させた図示を省略するサポートブラケットに支持され、そのサポートブラケットを動かすことで該第１の型２に対する取り付け位置を調整可能としている。

第２高周波誘導加熱コイル７は、第１高周波誘導加熱コイル６と同様、コイル線を円環状に巻回することによって形成され、その貫通孔を第２の型４に挿通させることにより第２の型４の先端部から所定距離Ｈ２の位置に固定される。この第２高周波誘導加熱コイル７も同様に、サポートブラケットを動かすことによって第２の型４に対する取り付け位置を調整可能としている。

前記第１高周波誘導加熱コイル６の前記第１の型２の先端部からの距離Ｈ１及び前記第２高周波誘導加熱コイル７の前記第２の型４の先端部からの距離Ｈ２は、例えば、これら加熱コイルへの出力１４ＫＷとした場合、前記距離Ｈ１を４．５ｍｍ、前記距離Ｈ２を０．５とすることが好ましい。

第１高周波誘導加熱コイル６および第２高周波誘導加熱コイル７には、図示を省略する電流供給手段からそれぞれに適した高周波電流が通電される。ここでは、亜鉛メッキ鋼板１及びアルミニウム合金板３をそれぞれ同じ昇温速度で且つ等温で昇温させるために適正なギャップを設定することにより、高周波電流が第１高周波誘導加熱コイル６と第２高周波誘導加熱コイル７にそれぞれ供給される。

［異種金属薄板の液相拡散接合方法］
次に、本実施の形態の異種金属薄板の液相拡散接合方法について図面を参照しながら説明する。

先ず、第２の型４の先端部にアルミニウム合金板３が接するように固定し、その上に亜鉛メッキ鋼板１を重ねて固定する。固定には、図示しない治具を用いる。本実施の形態では、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキ鋼板１と、板厚２．０ｍｍのアルミニウム合金板３を使用した。

次に、油圧シリンダー５を作動させ、亜鉛メッキ鋼板１側の第１の型２を、アルミニウム合金板３側の第２の型４に対して接近させて行く。そして、亜鉛メッキ鋼板１をアルミニウム合金板３に密着させた後、これらを所定の接合加圧力で加圧すると共に、これら第１高周波誘導加熱コイル６及び第２高周波誘導加熱コイル７に高周波電流を通電して亜鉛メッキ鋼板１及びアルミニウム合金板３を同じ昇温速度且つ等温で昇温させる。

これら第１高周波誘導加熱コイル６及び第２高周波誘導加熱コイル７に高周波電流を通電すると、交番磁束が発生し、その交番磁束が亜鉛メッキ鋼板１及びアルミニウム合金板３を貫通して非常に密度の高いうず電流を誘導させる。そして、そのうず電流によって、それら亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３の接合面が加熱される。

ここで加える接合加圧力としては、１５ＭＰａ〜１２０ＭＰａとし、より好ましくは２０ＭＰａ〜８０ＭＰａとする。亜鉛メッキ鋼板１及びアルミニウム合金板３を同じ昇温速度且つ等温で昇温させる場合の接合部における接合部界面温度は、３７０℃〜５５０℃とし、より好ましくは４５０℃〜５５０℃とする。

実際の接合に当たっては、それぞれの接合圧力に最も適した接合部界面温度範囲が存在するので、各接合圧力に適した接合部界面温度を選択して接合を行うようにする。接合条件を決定する上では、接合強度の要求値を次のようにした。接合強度の要求値としては、アルミニウム合金板厚２．０ｍｍ同士のスポット溶接部引張りせん断荷重の要求値で代用し、実用的な強度範囲が得られることを前提とした。

図３は高周波誘導加熱による昇温カーブ曲線を示す特性図、図４は接合部界面温度と引張りせん断荷重との関係を示す特性図、図５は接合加圧力と引張りせん断荷重との関係を示す特性図、図６は接合加圧時間と引張りせん断荷重との関係を示す特性図である。

接合部界面温度は、図４から判るように、３７０℃を超えてその界面温度が上昇すると引張りせん断荷重も増大することから、充分に引張りせん断荷重が確保できる３７０℃〜５５０℃とするのが好ましい。接合部界面温度が３７０℃未満であると、引張りせん断荷重が確保できず、５５０℃超では温度が高すぎて板厚減少による強度低下、母材の変形が生じる。本実施の形態では、接合部界面温度が５３０℃となるように第１高周波誘導加熱コイル６及び第２高周波誘導加熱コイル７に高周波電流を通電した。

接合加圧力は、図５から判るように、１５ＭＰａ〜１２０ＭＰａの高範囲において充分に高い引張りせん断荷重が得られていることが判るが、特に２０ＭＰａ〜８０ＭＰａでは非常に高い引張りせん断荷重が得られている。接合加圧力が１５ＭＰａ未満の場合には、加圧力不足により接合強度が確保できず、１２０ＭＰａを超えると部材変形が大きくなり局部的に薄くなってしまう。

接合加圧時間は、図６から判るように、１秒でも充分強い引張りせん断荷重が得られるため、１秒〜７秒とすることが好ましい。接合加圧時間が７秒を超えると、引張りせん断荷重は減少するため、その上限値は７秒とすることが望ましい。

このような条件の下に亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３を加圧すると、誘導加熱によって亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３が略同じ温度で上昇し、その接合部界面では、図７に示すように、亜鉛メッキ鋼板１に形成されたＺｎメッキ層１５のＺｎとアルミニウム合金板３のＡｌとが反応して共晶液体相１６が形成される。この共晶液体相１６により、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ相１７の拡散反応が促進されて接合がなされる。

以上のように、本実施の形態によれば、図６に示したように、短時間で加熱可能なため、ＺｎとＡｌの共晶液体生成までの時間を大幅に低減させることができる。また、加熱時間を除く接合時間は、ＡｌとＺｎと共晶液体による接合メカニズムにより、僅か１秒でも充分高い引張りせん断荷重にて接合することができるので、第１高周波誘導加熱コイル６及び第２高周波誘導加熱コイル７へ高周波電流を供給する電源出力を上げることにより、スポット溶接並みのサイクルタイムを達成することができる。

なお、亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３の接合手段として直接加熱方式を使用した場合には、熱源からの伝熱によって母材が加熱されるため、室温から５００℃まで昇温するのに約３分程度かかる。しかしながら、本実施の形態のように、誘導加熱方式を採用することで、前記したように極めて短時間で充分な接合強度を確保することのできる接合が可能となる。

このように、本実施の形態では、直接加熱方式に比べて短時間で加熱できるため、接合界面の酸化が防止でき、不活性ガスが不要となる。これは、界面温度が４００℃程度で亜鉛メッキ鋼板１とアルミニウム合金板３の共晶液体が生成され、界面が濡れることで当該界面の酸化が防止できるからである。したがって、本実施の形態では、酸化防止用のシールドガスを必要とすることなく大気中での接合が可能となり、シールドガス吹き付けノズルも不要であることから、液相拡散接合装置の簡素化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、低い圧力で接合可能であるため、母材の板厚減少による強度低下及び母材の変形を抑制することができる。また、加熱温度が低いため、熱影響による母材の強度低下も抑制できる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく本発明の思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、前述の実施の形態では、第１の型２のみを油圧シリンダー５によって可動自在としたが、第２の型４も第１の型２と同様に油圧シリンダー５によって可動自在としてもよい。

本実施の形態の液相拡散接合装置の正面図である。 液相拡散接合装置における接合部分を拡大して示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は断面図である。 高周波誘導加熱による昇温カーブ曲線を示す特性図である。 接合部界面温度と引張りせん断荷重との関係を示す特性図である。 接合加圧力と引張りせん断荷重との関係を示す特性図である。 接合加圧時間と引張りせん断荷重との関係を示す特性図である。 接合部で液相拡散接合が行われる様子を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１…亜鉛メッキ鋼板（異種金属薄板）
２…第１の型
３…アルミニウム合金板（異種金属薄板）
４…第２の型
５…油圧シリンダー（加圧付与手段）
６…第１高周波誘導加熱コイル
７…第２高周波誘導加熱コイル
１５…Ｚｎメッキ層
１６…共晶液体相
１７…Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ相

Claims (2)

1. 液相拡散接合装置の第１の型と、液相拡散接合装置の第２の型の間に固定した亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板とからなる２枚の異種金属薄板を密着させて加圧すると共に、
   前記亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金板を挟んでその両側にそれぞれ所定距離を置いて第１の型に設けられた第１高周波誘導加熱コイルと第２の型に設けられた第２高周波誘導加熱コイルに高周波電流を通電して生じた誘導加熱により前記亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板を加熱し、その亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金板を略同じ昇温速度且つ等温で昇温させてこれら亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板の接合部界面を液相拡散接合した
   ことを特徴とする異種金属薄板の液相拡散接合方法。
2. 請求項１に記載の異種金属薄板の液相拡散接合方法であって、
   前記亜鉛メッキ鋼板と前記アルミニウム合金板を加圧する接合加圧力を１５ＭＰａ〜１２０ＭＰａとし、前記亜鉛メッキ鋼板と前記アルミニウム合金板の接合部における接合部界面温度を３７０℃〜５５０℃とした
   ことを特徴とする異種金属薄板の液相拡散接合方法。

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