JP4931506B2

JP4931506B2 - 異材接合方法

Info

Publication number: JP4931506B2
Application number: JP2006199689A
Authority: JP
Inventors: 松本　　剛; 誠二笹部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP2008023562A

Description

本発明は、自動車の各種構造材等として使用されるアルミニウム系材料と鉄系材料との複合構造体を得るための異材接合方法において、特に、ろう材及びフラックスを使用しない異材接合方法に関する。

自動車の各種構造材は、その軽量化のために、一部アルミニウム系材料が使用されており、このため、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材同士を接合する方法の開発が要望されている。従来の異材接合方法としては、アルミニウム系のろう材を使用するろう付けが一般的である（特許文献１及び２、非特許文献１）。同種材料同士を接合する方法として一般的に使用されているレーザ溶接等の溶融溶接方法を、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との異材接合に適用すると、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に、Ａｌ_３Ｆｅ等の脆いＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物が生成し、これがアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間の接合強度を著しく低下させるからである。

また、ろう付けではなく、スポット溶接によりアルミニウム系材料と鉄系材料とを接合する方法もある。更に、異種金属のレーザロール方法も提案されている（特許文献３）。この方法は、第１金属板のみをレーザ照射によって加熱した後、その第１金属板の加熱部を圧接ローラによって第２金属板に押圧して密着させ、塑性変形を与えることによって両金属板を接合するものである。

特開平７−１４８５７１号公報特開平１０−３１４９３３号公報特許第３５３５１５２号公報溶接学会論文集第２２巻第２号ｐ３１５−３２２（２００４）

しかしながら、上記従来の異材接合方法は、以下に示す欠点を有する。先ず、ろう付けによる異材接合方法は、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材との間に、ろう材を挿入する必要があるため、接合コストが高くなるという問題点がある。

更に、スポット溶接の場合は、線接合ではなく、点接合であるため、接合点間の部分で、液体又は気体が通過するため、被接合材間を、気密的又は液密的に封止することができない。また、スポット溶接は、片面からのみ接合作業するということができず、重ね部の両面に電極を配置する必要があるため、接合作業に制約がある。

更にまた、ロール接合においては、異材同士をロールにより加圧する必要があり、大がかりな装置が必要であるという難点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とを、ろう材を使用せずに、レーザ溶接することができ、容易かつ低コストで異材同士を接合することができる異材接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る異材接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材の端部と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に、ビーム形状がその照射面において扁平した形状を有するレーザ光を、照射面にてレーザ光の長手方向と溶接線垂直方向のなす角θが−３０°以上３０°以下の角度となるようにして、前記アルミニウム系被溶接材の端部及び前記鉄系被溶接材の表面に垂直に照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型となる溶融加熱により溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することにより、溶接後の引張強度が２２０（Ｎ／ｍｍ ^２）以上の重ね溶接継手を得ることを特徴とする。

本発明に係る他の異材接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材の端部と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に、表面に焦点を合わせないレーザ光を前記アルミニウム系被溶接材の端部及び前記鉄系被溶接材の表面に垂直に照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型となる溶融加熱により溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することにより、溶接後の引張強度が２２０（Ｎ／ｍｍ ^２）以上の重ね溶接継手を得ることを特徴とする。

本発明によれば、ろう材を使用せずにアルミニウム系被溶接材と鉄系被溶接材とをレーザ溶接することができるので、容易且つ低コストで、また、大がかりな装置を使用せずに、異材同士を接合することができる。そして、本発明は、点接合ではなく、線接合であるので、異材同士を接合部が封密的になるように接合することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図、図２は接合部の断面図である。鉄系被溶接材としての鋼板１と、アルミニウム系（アルミニウム又はアルミニウム合金）被溶接材としてのアルミニウム系板２とをその端部で重ね合わせ、重ね部３を、その端部に沿ってレーザ光１０の照射により溶接する。

鋼板１には、その表面に亜鉛系被覆層４が被覆されている。この被覆層４は、溶融めっき又は溶射等の手段により形成することができる。この被覆層４は、純亜鉛又はアルミニウム、マグネシウム又は鉄等を含む亜鉛合金である。鋼板１としては、軟鋼、高張力鋼、ステンレス鋼等種々の鋼材を適用することができ、また、鉄系被溶接材としては、その形状は板材に限らず、形鋼等にも適用できる。

アルミニウム系板２としては、純アルミニウム及び種々のアルミニウム合金を適用することができる。また、アルミニウム系板２の形状としては、全体が板材である場合に限らず、重ね部３において、板状になっていればよく、種々の形状の形材等にも適用することができる。

次に、本実施形態の異材接合方法の動作について説明する。先ず、アルミニウム系板２をレーザ光の照射源側に配置して、その端部を鋼板１の端部上に重ね、重ね部３に重ね隅肉継手を構成する。そして、図２に示すように、この重ね部３にＹＡＧ、半導体等のレーザ光を照射すると、レーザ光による熱伝導型加熱によって、アルミニウム系板２が部分的に溶融すると共に、鋼板１の表面に形成された亜鉛系被覆層４が溶融し、安定した品質の異材接合継手を容易に得ることができる。この鋼板１はその表面に亜鉛系被覆層が形成されているので、レーザ光の照射によりアルミニウム系板２と共に亜鉛系被覆層４も溶融するため、両被溶接材は、極めて親和性が高く、安定した溶接接合継手が得られる。

本発明では、レーザ光１０の照射面におけるビーム形状は重ね代である溶接線垂直方向に延びた形状を有する。図３はこの照射面におけるレーザ光１０のビーム形状を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。鋼板１の端部上にアルミニウム系板２の端部が重ねられ、重ね部３として、重ね継手が形成されている。この重ね部３の端部に沿う溶接線を、図中矢印にて示す溶接方向にレーザビーム１０を移動させて、被覆材４及び重ね部３のアルミニウム系板２を溶融させ、溶融部１１を形成する。このレーザ溶接に使用するレーザ光１０の照射面におけるビーム形状は、図３（ｂ）に示すように、溶接線に垂直の方向、即ち、溶接方向に垂直の方向に延びた扁平形状を有するものである。接合部の引張強度は、溶融接合された溶融ビードの幅に支配されており、その幅を広くすればするほど、接合部の幅が広くなり、接合部の引張強さを高く確保できる。よって、このレーザ光１０の照射面におけるビーム形状は、図３（ｂ）に示すように、溶接線方向に垂直の方向に扁平した形状とする。

また、図４に示すように、同様の扁平形状のビーム形状であれば、その扁平の長手方向が溶接線垂直方向に対して−３０°以上３０°以下の角度θで傾斜していてもよい。角度θが３０°マイナスまたは３０°を超えた場合は、接合部の幅が狭くなるため、接合後の引張強さが低くなる。

次に、本発明の請求項２の実施形態について図５を参照して説明する。図５（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。本図に示すように、レーザ光を前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に照射することができる。このように照射することで、アルミニウム系被溶接材の溶融した熱だけでなく鉄系被溶接材にもレーザ光による熱が直接加わるため、鉄系被溶接材表面の被覆層の溶融が促進され、より高速度の接合速度で接合でき、且つ溶融した被覆層とアルミニウム系被溶接材溶融部との融合性を高めて継手性能が向上する。

図６に示すように、本実施形態においても、同様の扁平形状のビーム形状であればその扁平の長手方向が溶接線垂直方向に対して−３０°以上３０°以下の角度θで傾斜していてもよい。角度θが−３０°以上３０°以下から外れた場合は、接合部の幅が狭くなるため、接合後の引張強さが低くなる。

なお、溶接線方向のビームのサイズは特に規定しないが、従来のレーザ溶接のビーム径に該当する１ｍｍ未満の長さがあればアルミニウム系材が溶融することから、１ｍｍ未満が望ましい。

本発明の請求項３の実施形態について説明する。図７（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。本図に示すように、前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部に、表面に焦点を合わせないレーザ光１０を照射することで、溶融ビードの幅が広くなり、その結果、接合部の引張強さを高く確保できる。

本発明の請求項４の実施形態について、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。表面に焦点を合わせないレーザ光１０を用いた場合でも、レーザ光を前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に照射することができる。このように照射することで、アルミニウム系被溶接材の溶融した熱だけでなく鉄系被溶接材にもレーザ光による熱が直接加わるため、鉄系被溶接材表面の被覆層の溶融が促進されより高速度の接合速度で接合でき、且つ溶融した被覆層とアルミニウム系被溶接材溶融部との融合性を高めて継手性能が向上する。

以下、本発明の扁平ビームの角度について、さらに詳細に説明する。図１に示す重ね隅肉継手を構成した。供試材は、アルミニウム系板２がＪＩＳＡ５１８２Ｐ−Ｏ材であり、その板厚は１ｍｍである。鋼板１は亜鉛めっき鋼板であり、板厚は１ｍｍである。亜鉛めっき層のめっき量は、５０ｇ／ｍ^２であった。一方、比較例としては、めっきを施さない鋼板（板厚１ｍｍ）を使用した。

図１に示すように、アルミニウム系板２と鋼板１の両端部を重ねあわせ、アルミニウム系板２側から、半導体レーザを使用してアルミニウム系板２が熱伝導型となる溶融加熱を行った。レーザ溶接条件は、出力が４．０ｋＷ、溶接速度が１．５ｍ／分とした。なお、水平照射位置におけるビーム径は０．６ｍｍ×５ｍｍとなっていた。

このようにしてレーザ溶接した重ね隅肉継手について、ＪＩＳＺ２２０１５号試験片に加工した後、引張試験を行った。引張破断強度及び破断位置を下記表１に示す。なお、表１の評価欄は引張破断強度を分類したものであり、◎は「とくに良好に接合」、○は「接合」、△は「接合するが弱い」、×は「全く接合せず」を示す。

この表１に示すように、亜鉛系被覆層（めっき層）４を有しない比較例１０乃至１２の場合は、鋼板とアルミニウム系板とが直接接触しているので、レーザ光を照射しても、重ね部で溶融接合が生じることはない。

さらに、鋼側にまたがってレーザを照射した例では、さらに引張強度が高くなり、良好な接合となった。

これに対し、実施例１乃至５は亜鉛系被覆層（めっき層）を有すると共に、接合重ね方向にビームが扁平に照射されているため、実質接合部の幅が大きく、強度が十分に高くなった。なお、実施例５乃至９は、接合しているものの、扁平でないため、接合幅が十分でなく、界面で破断した。

図１に示すように、アルミニウム系板２と鋼板１の両端部を重ねあわせ、アルミニウム系板２側から、ＣＯ₂レーザを使用してアルミニウム系板２が熱伝導型となる溶融加熱を、異なる焦点位置になるように行った。レーザ溶接条件は、出力が４．０ｋＷ、溶接速度が１．５ｍ／分とし、ビーム形状は円形となった。

この表２に示すように、表面に焦点を合わせなかった例では、表面のビーム径が大きくなり、溶接ビードの幅が広くなった結果、良好な接合が得られた。部位が表面に焦点を表面に合わせた場合は表面のレーザ光の照射範囲が小さくなり、溶接部位が少なくなった結果、接合不良であった。

更に、鋼側にまたがってレーザを照射した例では、さらに引張強度が高くなり、良好な接合となった。

本発明の実施形態に係る異材接合方法を示す斜視図である。同じくその接合部の断面図である。照射面におけるレーザ光のビーム形状を示す図であり（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。同じくビーム形状を示す平面図である。（ａ）、（ｂ）は請求項２の実施形態を示す図である。そのビーム形状を示す図である。（ａ）、（ｂ）は請求項３の実施形態を示す図である。（ａ）、（ｂ）は請求項４の実施形態を示す図である。

符号の説明

１：鋼板（鉄系被溶接材）
２：アルミニウム系板（アルミニウム系被溶接材）
３：重ね部
４：亜鉛系被覆層
１０：レーザビーム
１１：溶融部

Claims

アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材の端部と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に、ビーム形状がその照射面において扁平した形状を有するレーザ光を、照射面にてレーザ光の長手方向と溶接線垂直方向のなす角θが−３０°以上３０°以下の角度となるようにして、前記アルミニウム系被溶接材の端部及び前記鉄系被溶接材の表面に垂直に照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型となる溶融加熱により溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することにより、溶接後の引張強度が２２０（Ｎ／ｍｍ ^２）以上の重ね溶接継手を得ることを特徴とする異材接合方法。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系被溶接材と、鉄系被溶接材とをレーザ溶接する異材接合方法において、前記鉄系被溶接材はその表面に亜鉛又は亜鉛合金からなる亜鉛系被覆層を有するものを使用し、前記アルミニウム系被溶接材をレーザ照射源側に配置して前記鉄系被溶接材上に重ね継手を形成し、前記アルミニウム系被溶接材の端部と前記鉄系被溶接材との重なり部及び鉄系被溶接材に同時に、表面に焦点を合わせないレーザ光を前記アルミニウム系被溶接材の端部及び前記鉄系被溶接材の表面に垂直に照射し、照射部で前記亜鉛系被覆層及び前記アルミニウム系被溶接材を熱伝導型となる溶融加熱により溶融させて前記アルミニウム系被溶接材と前記鉄系被溶接材とをろう材及びフラックスを使用せずに接合することにより、溶接後の引張強度が２２０（Ｎ／ｍｍ ^２）以上の重ね溶接継手を得ることを特徴とする異材接合方法。