JP4919006B2 - 異種金属パネルの接合方法 - Google Patents
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また、ルーフパネルに限らず、他の車体外板パネルにアルミニウム合金を用いた場合においても、鋼製の車体骨格構造の上にアルミニウム合金製の車体パネルを重ねる構造となるため、前述したような鋼板側からレーザビームを照射するという方法が適用できないという問題点があった。
「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、2003年4月、第72集、p.152 三菱自動車 テクニカルレビュー 2004、No.16、p.82
また、鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金を溶融させるため、必ず、アルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
このとき、被接合パネルに対する高エネルギービームの相対移動や高エネルギービームの照射を連続的なものとすることによって、連続的な線状の接合が可能となり、車体剛性や強度の向上に寄与する連続的な線状の接合が高い生産性で実現できる。一方、高エネルギービームの相対移動や照射のタイミングを断続的なものとすれば、点(スポット)状やステッチ状の接合を行なうことができる。
また、低融点金属パネルの間に高融点金属パネルを挟持した状態に重ね合わせ、低融点金属パネルから露出した高融点金属パネルの表面に照射した高エネルギービームからの伝熱によって低融点金属パネルの両面で高融点金属パネルを異種接合するようになすこともができ、これら方法の採用によって、同時に複数枚の接合が可能となり、生産性の向上や消費エネルギーの低減だけでなく、溶接ひずみの低減にも効果がある。
図1は、Al−Zn系2元状態図を示すものであって、図に示すようにAl−Zn系における共晶点(Te)は、655Kであり、Alの融点933Kよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してAlとZnの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、655K以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Al−95%Znが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
まず、図2(a)に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Alと共晶を形成する第3の金属材料として機能する亜鉛めっき層1pが施された亜鉛めっき鋼板1と、アルミニウム合金材2を用意し、図2(b)に示すように、これら亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を亜鉛めっき層1pが内側になるように重ねる。なお、アルミニウム合金材2の表面には酸化皮膜2cが生成している。
すなわち、これら金属とAlとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。
鋼材パネルとマグネシウムパネルとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムパネルとマグネシウムパネルを接合する場合においても、亜鉛や銀を第3の材料として利用することが可能である。
図3(a)及び(b)は、本参考例に用いる異種金属パネルの接合装置の一例を示すそれぞれ正面図及び側面図であって、図に示す接合装置10は、高エネルギービームの1種であるNd−YAGレーザを照射する照射ヘッド11と、加圧手段12から主に構成され、これら照射ヘッド11及び加圧手段12は、保持基板13に一体的に取付けられ、溶接ロボットのアームAによって移動可能に支持されている。
一方、加圧手段12は、加圧シリンダ12aと加圧ローラ12bから構成され、加圧ローラ12bは、加圧シリンダ12aの作動によって、低融点金属パネル2に当接して、該低融点金属パネル2を高融点金属パネル1に押し付け、加圧することができる構造をなしている。
また、この参考例においては、当該接合装置10をロボットアームに取り付け、固定された被接合パネルに対して移動するようにしているが、接合装置10を固定して、被接合パネルの方が移動するようになすことも可能である。
なお、加圧ローラ12bの加圧面12cには適宜曲率を設けることによって、接合界面からの酸化皮膜や反応物などから成る排出物の排出性が向上するようにしてある。
具体的には、最大出力3kWのレーザ発振器、焦点距離150mmのレンズを用い、車体部材1の表面上において、4mmのスポット径となるようビームBをデフォーカスすると共に、レーザ出力を1.0kW、送り速度を0.7〜1.0 m/minとして照射した。なお、レーザ照射中はアルゴンガスを25L/minの流量で流すことによって、接合部をシールドした。
図6は、上記した異種金属パネルの接合方法を自動車ボディのルーフ構造に適用した一例を示すものであって、高融点金属パネルであるいずれも鋼製のレールインナ15と、レールアウタ16と、サイドアウタ17が溶接で組み立てられた車体部材と低融点金属パネルであるアルミニウム合金製のルーフパネル21との接合要領について説明する。
すなわち、車体部材のサイドアウタ17には接合面17aが設定されており、ルーフパネル21の端部に形成された接合フランジ21aがこれに重ねられる。なお、当該車体部材において、少なくともサイドアウタ17には、接合面に亜鉛めっきが施された亜鉛めっき鋼板が用いられている。
図7は、本発明に用いる異種金属パネルの接合装置の構造を示すものであって、図に示す接合装置30は、高エネルギービームの1種であるYAGレーザを照射する照射ヘッド11と、加圧手段31から主に構成され、照射ヘッド11は、光ファイバ14を介して図示しないレーザ発振機に接続され、その先端からレーザビームBを高融点金属パネル1と低融点金属パネル2を重ね合わせた被接合パネルに向けて照射することができ、溶接ロボットのアームAに移動可能に支持されている。
また、上記加圧手段31の加圧治具34a及び34bには、上記開口部6の形状に合わせて、切り欠き状の開放部36が相対向して設けてあり、レーザビームBが当該治具によって遮断されないような構造となっている。
また、この実施例においては、照射ヘッド11をロボットアームに取り付け、固定された被接合パネルに対して移動するようにしているが、照射ヘッド11の方を固定して、被接合パネルを加圧手段31と共に移動させるようにしてもよい。
なお、上記接合装置30の加圧手段31である加圧治具34a及び34bには、上記開口部6aに対応する位置に半円形の切り欠き状開放部36aが相対向して設けてあり、レーザビームBが遮断されないようになっている。また、加圧治具34a及び34bの加圧面34dには、適宜曲率を設けることによって接合界面からの酸化皮膜や反応物などから成る排出物の排出性が向上するようにしてある。
これによって、照射部位からの伝熱によって上記開口部6aの周囲にリング状の接合部5が形成され、アルミニウム合金製の車体パネル2と鋼製の車体部材1が接合される。
次に今度は、被接合パネルに対して、照射ヘッド11と加圧手段31を同時に移動させ、次の溶接位置において、同様のリング状の接合部を形成し、これを繰り返しすことによって複数の点接合を形成することができる。
上記実施例においては、図9に示すように、車体パネル2に形成する開口部6を長円状の開口部6bとして、長円リング状の接合部5とすることもできる。
そして、被接合パネルに対して、照射ヘッド11と加圧手段31を同時に移動させることによって、次の溶接位置においても同様の長円リング状の接合部5を形成することができ、このような操作を繰り返すことによって、複数の短い線接合を断続的に形成して両パネルをステッチ状に接合することができる。
図10には、2枚の高融点金属パネルを重ねた上に、さらに低融点金属パネルを重ねて、これら3枚のパネルを図3に示した接合装置10を用いて接合する例について示す。
図に示すように、高融点金属パネルである鋼製の第1の車体部材1の上に、低融点金属パネルであるアルミニウム合金製の車体パネル2が重ねられ、第1の車体部材1の下には、同じく鋼製の第2の車体部材18が重ねられている。このとき、第1車体部材1の少なくとも車体パネル2との接合面側には、亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板を用いている。
そして同時に、第1車体部材1と第2車体部材18は共に鋼製パネルであることから、レーザビームBの照射によって容易に同材溶接されるため、結果的に車体パネル2と第1車体部材1及び第2車体部材18の3つのパネルを同時に接合することができ、生産性の向上、エネルギー効率の向上に有効な接合方法となる。
なお、この参考例の場合は、第1車体部材1と第2車体部材18は鋼板同士の同材溶接であるため、レーザビームB照射中心部は共に局部的な溶融溶接が行われ、かつ、そこからの伝熱により車体パネル2が異種接合されるように、レーザビームの照射条件や照射位置を制御する。
3枚のパネルの組み合わせから成る参考例3と同様の被接合パネルについては、最上部の車体パネル2に円形や長円形の開口部6を形成し、この開口部6を通してレーザビームBを照射することによって、図7に示した接合装置30による点接合、断続長円接合が可能になる。
このような接合例を図11に示すが、同様の記号を付すことによって、説明に替える。
3枚のパネルの同時接合は、例えば、図12に示すように、高融点金属パネルを挟み込むように2枚の低融点金属パネルが重ねられるような組み合わせにおいても、図3に示した接合装置10を用いて同様に接合することができる。
すなわち、図に示すように、高融点金属パネルである亜鉛めっき鋼板の車体部材1の上には低融点金属パネルであるアルミニウム合金製の第1の車体パネル1が、車体部材1の下には同じくアルミニウム合金製の第2の車体パネル22が重ねられている。
なお、この場合も、上側の車体パネル2に円形や長円形の開口部6を形成し、この開口部6を通してレーザビームBを照射することによって、図7に示した接合装置30による点接合、断続長円接合が可能になることは、言うまでもない。
例えば、上記実施例においては、加圧手段について、円筒状のローラやブロック状の治具を用いた例を説明したが、これらの構造や形状、数量などについて、上記実施例に限定されるものではない。
1p 亜鉛めっき層(第3の材料)
2、21、22 アルミニウム合金材(低融点金属パネル)
3 共晶溶融金属
4 反応層
6、6a、6b 開口部
10、30 異種金属パネルの接合装置
11 照射ヘッド
12b 加圧ローラ(加圧手段)
34a、34b 加圧治具(加圧手段)
Claims (8)
- 互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを重ね合わせて接合するに際し、上記低融点金属パネルに開口部を形成し、該開口部を囲むように配設した加圧手段によって両パネルを加圧しながら、高エネルギービームを低融点金属パネルの側から上記開口部を通して高融点金属パネルの露出表面に照射し、ビーム照射に基づく高融点金属パネルからの伝熱によって低融点金属パネルのみを溶融させて両パネルを連続的又は断続的に接合することを特徴とする異種金属パネルの接合方法。
- 高エネルギービームを両パネルに対して相対移動させながら照射すると共に、上記高エネルギービームの照射点近傍に配設した加圧手段によって両パネルを加圧しながら接合することを特徴とする請求項1に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記加圧手段が高エネルギービームに追従しながら両パネルに対して相対移動する加圧ローラであることを特徴とする請求項2に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 互いに重ね合わせた複数の高融点金属パネルに低融点金属パネルをさらに重ね合わせ、低融点金属パネル側の高融点金属パネルに照射した高エネルギービームによって高融点金属パネル同士を溶接すると共に、当該溶接部からの伝熱によって低融点金属パネルと高融点金属パネルを異種接合することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 低融点金属パネルの間に高融点金属パネルを挟持した状態に重ね合わせ、低融点金属パネルから露出した高融点金属パネルの表面に照射した高エネルギービームからの伝熱によって高融点金属パネルの両面で低融点金属パネルを異種接合することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記高融点金属パネルと低融点金属パネルの間にこれら材料とは異なる第3の材料を介在させた状態で、高エネルギービームを照射し、高融点金属パネルからの伝熱によって、上記両パネルの少なくとも一方と第3の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記両パネルの少なくとも一方に、第3の材料によるめっきが施してあることを特徴とする請求項6に記載の異種金属パネルの接合方法。
- 上記両パネルの一方が亜鉛めっき鋼板であって、該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第3の材料として利用することを特徴とする請求項7に記載の異種金属パネルの接合方法。
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