JP4280670B2 - 鋼／アルミニウムの接合構造体 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム材料の優れた軽量性，耐食性と鋼材の優れた機械強度を兼ね備えた鋼／アルミニウムの接合構造体に関する。

アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料は、軽量で耐食性に優れていることを活用し種々の分野で使用されているが、強度が要求される用途では厚肉化によって要求強度を満足させている。しかし、厚肉化はアルミニウム材料の長所である軽量性を損ない、コンパクトな設計に対応する構造部材としても適当でない。機械強度の良好な鋼材をアルミニウム材料と積層するとき、厚肉化の要なく必要強度が得られる。

アルミニウム材料と鋼材との積層には、ボルトナット，リベット，嵌め合せ等の機械的結合法が採用されてきたが、機械的結合法では優れた継手が得られがたく、生産性も低い。アルミニウム材料／鋼材の溶接接合が可能になると、機械的結合法に比較して生産性が格段に高く、良好な特性をもつ鋼／アルミニウムの接合構造体が得られる。ところが、通常の溶融接合法で鋼材，アルミニウム材料を接合すると、非常に脆弱な金属間化合物が接合界面に多量生成し継手強度が著しく低下する。

金属間化合物は、鋼材，アルミニウム材料の原子が界面で相互拡散反応することにより生成する。特許文献１では、拡散反応を律速する反応温度，時間等を摩擦溶接時に適正管理することにより金属間化合物の生成を抑えている。しかし、摩擦溶接による接合であることから、継手設計に工夫を要し、接合工程を簡略化する上で改善の余地がある。スポット溶接の適用も検討されており、特許文献２では溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料に抵抗溶接する方法を紹介している。

溶融アルミニウムめっき鋼板は、表層に溶融アルミニウムめっき層があることから接合時にアルミニウム材料と同様な挙動を示すと考えられがちである。しかし、接合界面は、スポット溶接時にＡｌの融点（６６０℃）を超える高温に加熱される。高温加熱で生成した溶融Ａｌに下地鋼／めっき層界面のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層からＦｅ，Ｓｉ等が拡散するが、溶接時の冷却過程でＦｅが再析出し、拡散係数の大きなＳｉはめっき層全体に分散される。その結果、冷却後の接合界面を観察すると接合界面全域に脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層が生成したナゲットが検出され、継手強度も著しく低い。

継手強度に及ぼすＡｌ−Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑制するため、特許文献３では接合界面に占める金属間化合物の割合を規制している。金属間化合物の生成抑制には、溶融アルミニウムめっき鋼板を正極側，アルミニウム材料を負極側にしてスポット溶接時の発熱を溶融アルミニウムめっき鋼板に偏らせる方法を採用しているが、依然として金属間化合物の多量生成が避けられない。
特開2003−33885号公報 特開平6−39558号公報 特開2003−145278号公報

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、スポット溶接時の高温加熱で形成されるＡｌ-Ｆｅ二元合金層が継手強度に及ぼす影響の調査・検討で得られた知見をベースとし、接合界面にＡｌ-Ｆｅ二元合金層，Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層を混在させることにより、Ａｌ−Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑え、継手強度の高い鋼／アルミニウムの接合構造体を提供することを目的とする。

本発明は、溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム又はアルミニウム合金をスポット溶接で積層した接合構造体であり、溶融アルミニウムめっき層がＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％，残部実質的にＡｌの組成をもち、Ｎ：０．００２〜０．０２０質量％を含む鋼板を下地鋼とし、該下地鋼と溶融アルミニウムめっき層の界面にＮ：３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されていて、かつナゲットの接合界面にＡｌ-Ｆｅ二元合金層及びＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が互いに入り組んだ混在領域があることを特徴とする。

接合界面に生成するＡｌ-Ｆｅ二元合金層は、めっき層の組成や溶接条件等の制御により１５μｍ以下の厚さに抑えることが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金には、好ましくはＦｅ含有量が１.０質量％以下に規制され、必要に応じてＭｇ：０.１〜６.０質量％，Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金が使用される。

溶融アルミニウムめっき鋼板／アルミニウム板のスポット溶接に際しては、溶融アルミニウムめっき鋼板１，アルミニウム材料２を重ね合わせて電極３で押さえ込み、たとえば３ｋＮ程度の加圧条件下、溶接電流：１０〜２５ｋＡ，通電時間：３〜４０サイクルで通電する。通電による発熱で接合部のアルミニウム材料２，溶融アルミニウムめっき層４が溶融し、相互拡散反応によって融合する。

下地鋼５／めっき層４の界面に生成しているＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６から溶融ＡｌにＦｅ，Ｓｉが溶け込む。下地鋼５から溶融Ａｌに溶け込むＦｅもある。溶け込んだＦｅは溶接時の冷却過程で再析出し、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層７が接合界面に生成されがちである。このとき、鋼板／アルミニウム材料２の接合にみられるように、接合界面全域にＡｌ-Ｆｅ二元合金層７が生成すると、継手強度が極端に低下したナゲット８が形成される（図１a）。他方、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７がナゲット８の全域まで成長しておらず、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７の混在領域９が存在する場合もある（図１b）。

本発明者等は、接合界面に混在領域９が生成している継手に関し、ナゲット径Ｄに対する混在領域９（図２）の長さ２Ｌの比率と継手強度との関係を調査した結果、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が入り組んだ混在領域９のナゲット径に対する長さ比率２Ｌ／Ｄが大きいほど継手強度が高くなることを見出した。混在領域９の長さ比率による継手強度の変動は次のように推察される。

Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６及びＡｌ-Ｆｅ二元合金層７が混在した領域９を有する接合体は、剪断応力が接合界面に作用するとＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６に亀裂が発生するものの混在領域９では亀裂の進展方向が分散し、局部的な応力集中が避けられる。その結果、亀裂の進展が妨げられ、剪断強度が上昇する。剪断強度の上昇は、特に長さ比率２Ｌ／Ｄ≧５％で混在領域９が生成しているとき顕著になる。

他方、接合界面全域にＡｌ-Ｆｅ二元合金層７が生成した接合体に剪断応力を加えると、小さな剪断応力であっても溶融アルミニウムめっき鋼板１からアルミニウム材料２が分離する。分離現象は十字引張試験で顕著にみられ、僅かな引張り強度の付与によってもアルミニウム材料２が分離する。Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７の混在領域９をもつ接合体にあっても、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が厚すぎると著しく大きな亀裂がＡｌ-Ｆｅ二元合金層７に生じることが避けられないため良好な接合強度を期待できない。この種の亀裂発生を抑制する上では、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７を１５μｍ以下の厚みにすることが好ましい。

ナゲット径に対する混在領域９の長さ比率は、めっき層４の組成や溶接条件によって制御できる。
たとえば、Ｆｅの再析出しがたい或いは遅延する溶融Ａｌを生成するめっき層組成に調整すると、Ｆｅの再析出が完了する前に溶融Ａｌが凝固し、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が十分に生成していない接合界面が形成される。Ｆｅの再析出を抑制又は遅延させる上で、Ｓｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％を含む溶融アルミニウムめっき層が好適である。当該組成のめっき層は、予めＦｅ濃度を高くしているので下地鋼５から溶融Ａｌに溶け込むＦｅ量，ひいては再析出するＦｅ量が少なくなる。また、Ｓｉ濃度が高いため、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６から溶融ＡｌへのＳｉの溶込みが抑えられ、スポット溶接時に高温加熱された後でも残存するＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６の割合が高くなる。

Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７の生成は、下地鋼／めっき層界面にＦｅ拡散防止層を形成することによっても抑えられる。Ｆｅ拡散防止層としては、ブレージング用アルミニウムめっき鋼板（特許文献４）として本出願人が開発したＮ濃縮層が有効である。Ｎ濃縮層によって下地鋼５から溶融Ａｌに溶け込むＦｅが少なくなるので、接合界面に生成する脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層７の成長が抑えられ、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が入り組んだ混在領域９が形成され、継手強度の高い接合構造体が得られる。
特開平9−228018号公報

めっき原板には、低炭素鋼，中炭素鋼，低合金鋼，ステンレス鋼等があり、用途に応じてＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ等を添加した鋼種が使用される。なかでも、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散を抑制するＮを０.００２〜０.０２０質量％添加しためっき原板を用いる。
めっき原板を溶融アルミニウムめっき浴に浸漬して引き上げると、めっき原板に随伴して溶融めっき浴から持ち上げられた溶融めっき金属が凝固して溶融アルミニウムめっき層を形成する。溶融アルミニウムめっき層の厚みは、引上げ直後の鋼帯に対するワイピングガス吹付け等の付着量制御によって調整されるが、厚膜にするほどＡｌ-Ｆｅ二元合金層の成長が遅延するので５μｍ以上にすることが好ましい。

接合強度の高い鋼／アルミニウムの接合構造体を得るため、溶融アルミニウムめっき層に含まれるＳｉ，Ｆｅ濃度を、下地鋼／溶融アルミニウムめっき層の界面に形成される合金層を含まない値としてそれぞれＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％に規制する。過剰量のＳｉを含むめっき層では溶融アルミニウムめっき鋼板の加工性が損なわれるので、Ｓｉ濃度の上限を１２質量％に規制している。溶接以外の特性向上が必要な場合、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散反応に大きな影響を及ぼさないＴｉ，Ｓｒ，Ｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｎ等の元素を溶融アルミニウムめっき層に適宜含ませることができる。

Ｎ：０.００２〜０.０２０質量％を含む鋼板をめっき原板として溶融アルミニウムめっきした後、特定条件下で加熱処理すると溶融めっき時に生成した合金層と下地鋼の界面にＮ濃縮層が生成する。濃縮層のＮ含有量が３.０原子％以上になるとＡｌ-Ｆｅの相互拡散が著しく抑制され、鋼／アルミニウム接合構造体として好適な溶融アルミニウムめっき鋼板が得られる。Ｎ濃縮層によるＡｌ-Ｆｅの相互拡散抑制作用は、溶融めっき後の加熱処理条件を一定にすると下地鋼のＮ含有量が多くなるほど向上する。しかし、０.０２質量％を超える過剰量のＮを含む場合、めっき原板自体の製造性が低下する。

相手材のアルミニウム材料は、材質に特段の制約が加わるものではないが、展伸材である限り大半のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用できる。アルミニウム材料に含まれるＦｅも、溶融アルミニウムめっき層と同様にＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成・成長を抑制する作用を呈するが、下地鋼／溶融アルミニウムめっき層の界面反応であるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成・成長に関しては溶融アルミニウムめっき層中のＦｅに比較して遥かに影響が小さい。したがって、アルミニウム材料自体の耐食性，加工性等を考慮してアルミニウム材料のＦｅ濃度を１.０質量％以下に規制することが好ましい。

アルミニウム合金は、３.０質量％以下，特に１質量％前後のＳｉ及び０.１〜１.５質量％のＭｇを添加し、時効処理等の熱処理で微細なＭｇ₂Ｓｉを析出させると必要強度が付与される。Ｍｇ₂Ｓｉ析出による強度向上を図る上では、Ｓｉ含有量の下限を０.１質量％に設定することが好ましい。１.５〜６.０質量％のＭｇを添加すると、固溶強化によっても高い強度が得られる。このような効果は０.１〜６.０質量％のＭｇ，３.０質量％以下のＳｉでみられ、要求強度に応じてＭｇ，Ｓｉ含有量が定められる。しかし、６質量％を超える過剰量のＭｇが含まれるとスポット溶接時に欠陥が発生しやすくなり、３.０質量％を超える過剰量のＳｉが含まれるとアルミニウムマトリックスに粗大な析出物又は晶出物が生成して接合強度が低下する場合がある。

接合構造体は、所定サイズに裁断された溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を重ね合わせ、所定ピッチでスポット溶接することにより製造される。溶接電流，通電時間の組合せにより溶接条件が定められるが、適正な溶融アルミニウムめっき層組成の場合、溶接電流の増加に応じて接合強度が高くなる傾向を示す。電極先端Ｒが７５ｍｍの銅合金チップを用いて溶接電流：２５ｋＡ，通電時間：１２サイクルの条件でスポット溶接すると、４ｋＮを超える良好な引張剪断強度が得られる。

Ｃ：０.０４質量％，Ｓｉ：０.０１質量％，Ｍｎ：０.２０質量％，Ｐ：０.０１質量％，Ｓ：０.００７質量％，Ａｌ：０.０１０質量％，Ｎ：１２０ｐｐｍを含む板厚１.０ｍｍの冷延鋼板にＳｉ：９.２質量％，Ｆｅ：１.８質量％を含む膜厚：２０μｍの溶融アルミニウムめっき層を形成した後、４５０℃×１５時間のポスト加熱で下地鋼／めっき層界面にＮを５原子％濃化させた溶融アルミニウムめっき鋼板を一方の被接合材に使用した。該溶融アルミニウムめっき鋼板では、Ａｌ-１０.９質量％Ｓｉ-３５.８質量％ＦｅのＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が下地鋼／めっき層界面に生成していた。

相手材には、Ｓｉ：１.２１質量％，Ｆｅ：０.３７質量％，Ｍｇ：０.７質量％，Ｃｕ：０.３５質量％，Ｃｒ：０.０２質量％，Ｚｎ：０.０１質量％，残部Ａｌで板厚１.０ｍｍのアルミニウム合金板を使用した。
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム合金板から切り出した試験片を脱脂・洗浄した後、重ね合わせてスポット溶接用の電極間に挟み込み、３ｋＮの圧力を加えた。電極には径１６ｍｍ，先端アール２０ｍｍの銅合金チップを用い、溶接電流を１０〜２７ｋＡの範囲に設定してスポット溶接した。

得られた鋼／アルミニウムの接合構造体について、溶接部の中心断面を顕微鏡観察してナゲット径を測定すると共に、観察結果を画像処理してＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層６，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層７が混在している領域９の長さ２Ｌのナゲット径（アルミニウム材料の溶融部）Ｄに対する比率２Ｌ／Ｄを求めた。ナゲット径，混在領域９の比率を引張試験で得られた剪断強度，十字引張り強度と対比したところ、混在領域９のある接合体は、混在領域９が検出されなかった接合体に比較して引張り剪断強度に優れており、特に混在領域９の長さ比率：５％以上でナゲット径：３ｍｍ以上の接合体で２.７ｋＮ以上の良好な接合強度を示した。

Ｃ：０.０５質量％，Ｓｉ：０.１質量％，Ｍｎ：０.２５質量％，Ｐ：０.０１２質量％，Ｓ：０.００６質量％，Ａｌ：０.００６質量％を含む冷延鋼板を溶融アルミニウムめっきした。溶融アルミニウムめっきでは、Ｓｉ含有量が１.８質量％，５.５質量%，９.２質量%の三水準，Ｆｅ含有量が０.２〜０.３質量％，０.８〜０.９質量%，１.８〜２.２質量%，４.２〜４.６質量%，５.７〜６.１質量%の五水準となるように溶融アルミニウムめっき浴の組成，溶融めっき条件を調整した。
相手材には、Ｓｉ：０.１１質量％，Ｆｅ：０.２５質量％，Ｍｇ：５.５２質量％，Ｃｕ：０.０２質量％，Ｚｎ：０.０１質量％，残部Ａｌで板厚１.０ｍｍのアルミニウム合金板を使用した。

溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム合金板から切り出した試験片を脱脂・洗浄した後、重ね合わせて交流スポット溶接機（６０Ｈｚ）でスポット溶接した。溶接条件は、電極に径１６ｍｍ，先端アール７５ｍｍの銅合金チップを用い、溶接電流を２５ｋＡ，通電時間を１２サイクルに設定した。
作製された鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度を引張り剪断試験，十字引張剪断試験で測定した。表２の測定結果にみられるように、溶融アルミニウムめっき層のＳｉ，Ｆｅ濃度が適正範囲（Ｓｉ：３〜１２質量%，Ｆｅ：０.５〜５質量％）に維持されると、引張り剪断強度：３.５ｋＮ以上．十字引張り強度：１.３ｋＮ以上と高い接合強度であった。

他方、溶融アルミニウムめっき層のＳｉ，Ｆｅ濃度が低いと、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の占有面積率が大きくなり、引張り剪断強度：２.５ｋＮ，十字引張り強度：１.０ｋＮに達しなかった。引張試験で破断した接合界面を観察すると、合金層間に連続的な割れが中心部まで発達しており、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面全域に存在することで接合強度の低下が生じることが確認された。

以上に説明したように、本発明の接合構造体は、鋼／アルミニウムの接合界面に生成することが避けられない脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層が継手強度に及ぼす悪影響を、Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層が入り組んだ混在領域を形成することにより抑制している。そのため、鋼材，アルミニウム材料が強固に接合され、アルミニウム材料，鋼材の長所を活かした接合構造体として、車輌構造体，熱交換器等、種々の構造部材に使用される。

スポット溶接した普通鋼鋼板／アルミニウム合金板（a）と溶融アルミニウムめっき鋼板／アルミニウム合金板（b）の接合界面に生成するＡｌ−Ｆｅ二元合金層を対比した模式図 Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の混在領域とナゲット径の比率を説明する模式図

符号の説明

１：溶融アルミニウムめっき鋼板 ２：アルミニウム材料 ３：電極 ４：溶融アルミニウムめっき層 ５：下地鋼 ６：Ａｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層 ７：Ａｌ-Ｆｅ二元合金層 ８：ナゲット ９：混在領域 Ｄ：ナゲット径 Ｌ：混在領域の長さ

Claims (4)

1. 溶融アルミニウムめっき鋼板にアルミニウム又はアルミニウム合金をスポット溶接で積層した接合構造体であり、溶融アルミニウムめっき層がＳｉ：３〜１２質量％，Ｆｅ：０.５〜５質量％，残部実質的にＡｌの組成をもち、Ｎ：０．００２〜０．０２０質量％を含む鋼板を下地鋼とし、該下地鋼と溶融アルミニウムめっき層の界面にＮ：３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されていて、かつナゲットの接合界面にＡｌ-Ｆｅ二元合金層及びＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層が互いに入り組んだ混在領域があることを特徴とする鋼／アルミニウムの接合構造体。
2. Ａｌ-Ｆｅ二元合金層が１５μｍ以下の厚さに抑えられている請求項１記載の接合構造体。
3. アルミニウム又はアルミニウム合金のＦｅ含有量が１.０質量％以下に規制されている請求項１記載の接合構造体。
4. 請求項１又は３記載のアルミニウム合金がＭｇ：０.１〜６.０質量％，Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金である接合構造体。

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