JP5098804B2 - Dissimilar metal joining method and joining structure of magnesium alloy and steel - Google Patents
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本発明は、性質の異なる異種金属として、特にマグネシウム合金と鋼との接合方法と、このような方法によって接合されたマグネシウム合金と鋼との接合構造に関するものである。 The present invention relates to a dissimilar metal having different properties, in particular, a method of joining a magnesium alloy and steel, and a joining structure of a magnesium alloy and steel joined by such a method.
互いに物性が相違する異種の金属であるマグネシウム合金材と鋼材とを接合する場合、マグネシウム合金材の表面に酸化皮膜が存在すると共に、接合時の加熱過程で鋼表面の酸化皮膜が成長するために、大気中での接合が困難となる。
また、Ｆｅ−Ｍｇ二元状態図からわかるように、マグネシウムと鉄は二相分離型の挙動を示し、互いの固溶限も極めて小さいことから、このような特性の材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。
When joining magnesium alloy materials and steel materials, which are dissimilar metals with different physical properties, an oxide film exists on the surface of the magnesium alloy material, and the oxide film on the steel surface grows during the heating process during joining. , Bonding in the atmosphere becomes difficult.
In addition, as can be seen from the Fe-Mg binary phase diagram, magnesium and iron exhibit a two-phase separation type behavior and their solid solubility limit is extremely small. Is extremely difficult metallurgically.
したがって、従来、このようなマグネシウム系材料と鋼との異種金属材料を組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベット等による機械的締結によっていた（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、接合に用いる部品点数が増加することから、接合部材のは重量やコストが増加する点に問題があった。
However, the method described in
本発明は、このような異種金属材料同士の接合における上記課題に鑑みてなされたものであり、冶金的な接合が直接的には困難なマグネシウム合金と鋼との組合せであっても、強固に接合することができる異種金属の接合方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in joining different kinds of metal materials, and even if it is a combination of a magnesium alloy and steel that are difficult to metallurgically join directly, It aims at providing the joining method of the dissimilar metal which can be joined.
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、両材料の間にＡｌを介在させてＭｇ及びＦｅとＡｌとの金属間化合物をそれぞれ生成させ、これらの金属間化合物を含む複合層を接合界面に介在させることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors have produced intermetallic compounds of Mg, Fe and Al by interposing Al between both materials, and these intermetallic compounds. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by interposing a composite layer containing bismuth at the bonding interface, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材と鋼材とを重ね合わせた状態で、高エネルギービームを鋼材の表面に照射しつつ両材料を相対加圧し、鋼材側からの伝熱により上記マグネシウム合金材と鋼材を接合するようにしている。そして、この接合に際して、両材料の接合界面にＡｌを介在させておき、両材料に含まれるＭｇ及びＦｅとＡｌとの金属間化合物を接合界面にそれぞれ形成させ、少なくともＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３とが混在した複合組織から成る化合物層を介して両材料を接合することを特徴としている。
また、本発明の異種金属接合構造は、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士が少なくともＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３とが混在した複合組織から成る化合物層を介して接合されていることを特徴とする。
That is, the present invention is based on the above knowledge, and in the dissimilar metal joining method of the present invention, both materials are irradiated while irradiating the surface of the steel material with a high energy beam in a state where the magnesium alloy material and the steel material are overlapped. The magnesium alloy material and the steel material are joined by heat transfer from the steel material side. In this joining, Al is interposed at the joining interface between the two materials, and intermetallic compounds of Mg, Fe, and Al contained in the both materials are formed at the joining interface, and at least Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are formed. It is characterized in that both materials are bonded through a compound layer composed of a composite structure in which and are mixed.
Further, the dissimilar metal joint structure of the present invention is characterized in that the new surfaces of the magnesium alloy material and the steel material are joined via a compound layer composed of a composite structure in which at least Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are mixed. .
本発明によれば、高エネルギービームを鋼材表面に照射し、加熱された鋼材側からの伝熱によりマグネシウム合金材と鋼材を接合するに際して、接合界面にＡｌを介在させておき、両材料の主成分金属であるＭｇ及びＦｅのそれぞれとＡｌとの金属間化合物が混在する複合組織を備えた化合物層を介して両材料を接合するようにしている。したがって、冶金的に直接接合が困難な材料の組合せにおいても相互拡散が可能となり、強固な接合が達成できることになる。 According to the present invention, when a magnesium alloy material and a steel material are joined by irradiating the surface of the steel material with a high energy beam and heat transfer from the heated steel material side, Al is interposed at the joining interface, Both materials are joined through a compound layer having a composite structure in which intermetallic compounds of Mg and Fe, which are component metals, and Al are mixed. Accordingly, mutual diffusion is possible even in a combination of materials that are difficult to be metallurgically directly joined, and a firm joining can be achieved.
以下に、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法と、これによって得られる異種金属の接合構造について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を表すものとする。 Below, the dissimilar metal joining method of the magnesium alloy and steel of this invention, and the joining structure of the dissimilar metal obtained by this are demonstrated still in detail and concretely. In the present specification, “%” represents mass percentage unless otherwise specified.
本発明の異種金属接合方法においては、上記したように、マグネシウム合金材と鋼材とを接合するに際して、予め両材料の接合界面に、両材料の主成分金属であるＭｇとＦｅのそれぞれと金属間化合物を形成する金属であるＡｌを介在させた状態で両材料を重ね合わせる。そして、重ね合わせた両材料の鋼材の側に高エネルギービーム、例えばレーザビームや電子ビームを照射し、照射によって加熱された鋼材とマグネシウム合金材を相対的に加圧する。 In the dissimilar metal bonding method of the present invention, as described above, when the magnesium alloy material and the steel material are bonded, the main component metals of both materials, Mg and Fe, are bonded to each other in advance at the bonding interface between the two materials. Both materials are overlapped with Al being a metal forming compound. And the high energy beam, for example, a laser beam or an electron beam, is irradiated to the steel material side of both the superimposed materials, and the steel material heated by the irradiation and the magnesium alloy material are relatively pressurized.
これによって、マグネシウム合金材が鋼材側からの伝熱により急熱され、合金材表面の酸化皮膜が熱衝撃によって破壊され、さらなる加圧により、局部的に溶融された合金材の表層部と共に接合部の周囲に排出され、両材料の新生面同士が高温下で直接接触する。
このとき、接合界面においては、接合界面に介在するＡｌが合金材中のＭｇ及び鋼材中のＦｅとそれぞれ反応してＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ を生成し、これらが混在した複合組織を含む化合物層を介して両材料が接合されるため、相互拡散が生じて接合強度が向上することになる。
As a result, the magnesium alloy material is rapidly heated by heat transfer from the steel material side, and the oxide film on the surface of the alloy material is broken by thermal shock. The new surfaces of both materials are in direct contact at high temperatures.
At this time, at the bonding interface, Al present in the bonding interface reacts with Mg in the alloy material and Fe in the steel material to generate Al 3 Mg 2 and FeAl 3 , and a compound containing a composite structure in which these are mixed Since both materials are bonded through the layers, mutual diffusion occurs and the bonding strength is improved.
ここで、両材料の接合界面にＡｌを介在させるための具体的手段としては、Ａｌを含有する材料、例えばＺｎ−Ａｌ合金やＭｇ−Ａｌ合金などの薄板や箔を両材料間に挟持させたり、少なくとも一方の材料にめっきや溶射、蒸着、コーティングなどの被覆手段によって付着させたりすることができる。
また、マグネシウム合金材として、Ａｌを含有するマグネシウム合金、例えばＡＳＴＭ（アメリカ材料試験協会）に規定されるＡＺ３１（３％Ａｌ）、ＡＺ６１（６％Ａｌ）、ＡＺ８０（８％Ａｌ）、ＡＺ９１（９％Ａｌ）を用いることも可能である。
Here, as a specific means for interposing Al at the joint interface between both materials, a material containing Al, for example, a thin plate or foil of Zn-Al alloy or Mg-Al alloy is sandwiched between both materials. Further, it can be attached to at least one material by a coating means such as plating, thermal spraying, vapor deposition, or coating.
In addition, as a magnesium alloy material, a magnesium alloy containing Al, for example, AZ31 (3% Al), AZ61 (6% Al), AZ80 (8% Al), AZ91 (9) defined by ASTM (American Material Testing Association). % Al) can also be used.
さらに、鋼材のめっき層中にＡｌを添加することもできる。この場合、ＪＩＳ Ｇ ３３１７に規定される溶融亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板を用いることが望ましい。
このような一般的な市販鋼材を使用することによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、極めて簡便かつ安価に、マグネシウム合金との強固な接合を行なうことができる。また、Ａｌを含有しないマグネシウム合金材（例えば、ＺＫ５１Ａ、ＺＫ６０Ａ、ＺＥ３３Ａなど）や純マグネシウム材との接合が可能となり、接合相手として、種々のマグネシウム系材料を自由に選択できるようになる。
Furthermore, Al can also be added in the plating layer of steel materials. In this case, it is desirable to use a hot dip zinc-5% aluminum alloy plated steel sheet defined in JIS G 3317.
By using such a general commercially available steel material, it is possible to perform strong bonding with a magnesium alloy extremely simply and inexpensively without newly plating or requiring special preparation. it can. Moreover, it becomes possible to join with magnesium alloy materials (for example, ZK51A, ZK60A, ZE33A, etc.) not containing Al or pure magnesium materials, and various magnesium-based materials can be freely selected as joining partners.
なお、純マグネシウム材は、工業的にはほとんど用いられないことから、本発明においては、被接合材の一方を「マグネシウム合金材」としている。しかし、上記したように、本発明によれば純マグネシウム材と鋼材の接合も可能であるからして、本発明に言う「マグネシウム合金材」には、「合金」が除外されることにはならず、実質的に純マグネシウムも含まれることになる。 In addition, since a pure magnesium material is hardly used industrially, in the present invention, one of the materials to be joined is a “magnesium alloy material”. However, as described above, according to the present invention, it is possible to join a pure magnesium material and a steel material. Therefore, “alloy” is not excluded from the “magnesium alloy material” referred to in the present invention. However, pure magnesium is also substantially contained.
上記Ａｌの添加量としては、接合界面に介在するＡｌ量の総和（例えば、裸鋼板とＡＺ３１合金材の接合の場合には３％、亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板とＡＺ３１合金材の接合の場合には８％、裸鋼板とＡｌ無添加マグネシウム材の間にザマック合金（Ｚｎ−４％Ａｌ−０．０５％Ｍｇ）の薄板を挟持して接合する場合には４％）で、３％以上１０％未満とすることが望ましい。
すなわち、接合界面に介在するＡｌ量が３％に満たない場合は、Ａｌとの金属間化合物が生成され難くなって、Ａｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ が混在した複合型の化合物層が形成されなくなることがある。一方、Ａｌ量が１０％以上になると、接合界面に厚いＦｅ−Ａｌ反応層と薄いＭｇ−Ａｌ反応層の二重構造の反応層が生成し、接合強度が低下するという不都合が生じ易くなる傾向がある。
The amount of Al added is the sum of the amounts of Al present at the bonding interface (for example, 3% in the case of joining a bare steel plate and an AZ31 alloy material, and 3% in the case of joining a bare steel plate and an AZ31 alloy material) 8% in the case, 4% in the case where the thin plate of zamak alloy (Zn-4% Al-0.05% Mg) is sandwiched between the bare steel plate and the Al-free magnesium material, and 3% It is desirable that the content be less than 10%.
That is, when the amount of Al present at the bonding interface is less than 3%, an intermetallic compound with Al is difficult to be generated, and a composite type compound layer in which Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are mixed is not formed. Sometimes. On the other hand, when the Al content is 10% or more, a reaction layer having a double structure of a thick Fe-Al reaction layer and a thin Mg-Al reaction layer is formed at the bonding interface, and the inconvenience that the bonding strength is likely to be lowered tends to occur. There is.
本発明の異種金属接合方法を実施工に適用するに際しては、高エネルギービームの照射ヘッドと、加圧ローラを備えた加圧装置とを一体的に備えた加工ヘッドを重ね合わせた鋼板とマグネシウム合金材に対して相対移動させながら、高エネルギービームを鋼材表面に連続的又は断続的に照射すると共に、照射直後位置を加圧ローラによって両材料を連続的に加圧することが望ましい。 When applying the dissimilar metal joining method of the present invention to a working machine, a steel plate and a magnesium alloy in which a high energy beam irradiation head and a processing head integrally provided with a pressure device provided with a pressure roller are stacked. It is desirable to continuously or intermittently irradiate the surface of the steel material with a high energy beam while moving the material relative to the material, and to pressurize both materials continuously with a pressure roller immediately after irradiation.
図１は、上記した異種金属接合に用いる装置の一例を示すものである。
図に示す接合装置は、接合の熱源となる高エネルギービームとしてＹＡＧレーザを照射する照射ヘッド１１と、この照射ヘッド１１の進行方向後方側に配置され、エアシリンダによって加圧ローラ１２を上下方向に駆動する加圧装置１３を備えている。ここで、当該ローラ１２が被接合材料、すなわちマグネシウム合金材１と、その上に重ねられた鋼板２に加える加圧力は、上記エアシリンダに送給するエア圧力を調整することによってコントロールすることができる。
FIG. 1 shows an example of an apparatus used for the dissimilar metal bonding described above.
The bonding apparatus shown in the figure is arranged on the rear side in the traveling direction of the
加圧ローラ１２は、上記のように照射ヘッド１１と一体的に取り付けられ、レーザビームＢに追随して移動し、上側に位置する鋼板２がレーザビームＢによって加熱された直後に、当該鋼板２をマグネシウム合金材１に押し付け、接合部を加圧することができる。
したがって、ワークが平面の場合はもとより、車体のような３次元形状の場合にもレーザ照射位置に追従することができ、当該接合装置が図中の矢印方向に相対移動することによって、両材料１，２を連続的あるいは断続的な線状に接合することができるようになっている。
The
Therefore, it is possible to follow the laser irradiation position not only when the workpiece is a flat surface but also when the workpiece is a three-dimensional shape such as a vehicle body. , 2 can be joined in a continuous or intermittent line.
なお、当該接合装置においては、図示以外にも各種の制御手段や調整装置を備えており、レーサビームＢの照射角度や照射位置、フォーカス位置、照射位置と加圧位置の距離調整などができるようにしてある。 Note that the bonding apparatus includes various control means and adjustment devices other than those shown in the figure, so that the irradiation angle of the laser beam B, the irradiation position, the focus position, and the distance between the irradiation position and the pressing position can be adjusted. It is.
図２（Ａ）〜図３（Ｅ）は、本発明による異種金属の接合プロセスとして、マグネシウム合金材と鋼板との接合過程を示す概略工程図である。 2 (A) to 3 (E) are schematic process diagrams showing a joining process of a magnesium alloy material and a steel plate as a joining process of dissimilar metals according to the present invention.
まず、図２（Ａ）に示すように、被接合材料として、マグネシウム合金材１と鋼板２が準備され、マグネシウム合金材１の上に鋼板２が重ねられる。
このとき、マグネシウム合金材１には、例えば６％程度のＡｌが添加されていると共に、その表面には酸化皮膜１ｆが生成されている。
First, as shown in FIG. 2A,
At this time, for example, about 6% Al is added to the
次に、図２（Ｂ）に示すように、レーザビームＢを高融点材料である鋼板２の表面に照射して加熱し、ローラ１２により加圧し、鋼板２をマグネシウム合金材１に接触させる。 このように、鋼板２は高温、マグネシウム合金材１は冷たい状態で互いに接触すると、鋼板２と接触したマグネシウム合金材１の最表面のみが瞬間的に溶融し、さらに急加熱による熱衝撃、膨張差、加圧ローラ１２からの加圧力により、図３（Ｃ）に示すように、マグネシウム合金材表面の酸化皮膜１ｆが部分的に破壊される。さらに加圧することにより、溶融した表層のマグネシウム合金１ｍと、酸化皮膜１ｆが周囲に排出物Ｗとなって排出される。
Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the
これにより、図３（Ｄ）に示すように、鋼材２とマグネシウム合金材１の新生面が直接接触し、当該接触部は高温下で加圧されているので、材料の拡散が生じ、両材料１，２が接合される。
このとき、接合界面では、マグネシウム合金材１に添加されたＡｌ原子が鋼材２の主成分であるＦｅ、及びマグネシウム合金材１の主成分であるＭｇと反応し、Ａｌ−Ｍｇ系金属間化合物と、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物を形成し、図３（Ｅ）に示すように、これらが混在した複合型の化合物層Ｌを形成する。
As a result, as shown in FIG. 3D, the new surface of the
At this time, at the bonding interface, Al atoms added to the
このように、複合型の上記化合物層Ｌを介してマグネシウム合金材１と鋼材２の強固な接合が完成する。
本発明方法によれば、接合後の接合界面には酸化皮膜１ｆ層は残存せず、鋼材２として亜鉛めっき鋼板を使用した場合にも、亜鉛めっき層は、マグネシウム合金材の表層溶融部１ｍと共に排出されるために接合界面に残存せず、これが強固な接合が可能になる要因のひとつでもある。
In this way, the firm joining of the
According to the method of the present invention, the
本発明の異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材１を直接加熱することなく、レーザビームＢのような高エネルギービームを鋼板側にのみ照射し、マグネシウム合金材１を鋼板側からの伝熱のみによって加熱するようにしている。したがって、マグネシウム合金材１は、ごく表層部のみの局部的な溶融となるため、低融点のマグネシウム材を溶損させることなく、高融点の鋼材との重ね接合が可能となる。
In the dissimilar metal joining method of the present invention, the
図４は、上記方法によって得られたマグネシウム合金材１と鋼材２との接合部の断面構造を示すものであって、表面に酸化皮膜１ｆが生成さたマグネシウム合金材１の上に、鋼材２が重ねられている。そして、接合界面には、前述のようにＡｌ−Ｍｇ系及びＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成しており、少なくともＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ が混在した複合型の化合物層Ｌが形成され、この化合物層Ｌを介して両材料１，２が接合されている。
さらに、この接合部の周囲を囲むように、局部溶融したマグネシウム合金と共に酸化皮膜１ｆや接合界面の不純物など（亜鉛めっき鋼板を用いた場合には、亜鉛めっき層も）を含む排出物Ｗが排出されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the joint portion between the
Furthermore, the waste W including the
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
マグネシウム合金材と鋼材との異種金属接合を行うに際して、マグネシウム合金材としては、Ａｌを含有しない純マグネシウム材と、Ａｌ含有量が異なる４種のマグネシウム合金、ＡＺ３１（３％Ａｌ）、ＡＺ６１（６％Ａｌ）、ＡＺ８１（７．５％Ａｌ）及びＡＺ−９１（９％Ａｌ）を用いた。
一方、鋼材としては、裸鋼板（ＣＲ）と、溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＩ）と、亜鉛めっき中にアルミニウムが添加された５５％アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板（ガルバリウム鋼板）と亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板を用いた。これら鋼材とマグネシウム材とを後述のように組み合わせ、種々の条件で接合し、せん断引張り試験を行うと共に、接合界面における化合物層の組成や厚さをオージェ分析、走査型電子顕微鏡により測定し、得られた界面構造と強度の関係を調査した。
When performing dissimilar metal bonding between a magnesium alloy material and a steel material, as the magnesium alloy material, pure magnesium material not containing Al, four kinds of magnesium alloys having different Al contents, AZ31 (3% Al), AZ61 (6 % Al), AZ81 (7.5% Al) and AZ-91 (9% Al) were used.
On the other hand, as steel materials, bare steel plate (CR), hot dip galvanized steel plate (GI), 55% aluminum-zinc alloy plated steel plate (galvalume steel plate) and zinc-5% aluminum alloy to which aluminum was added during galvanization A plated steel plate was used. These steel materials and magnesium materials are combined as described below, joined under various conditions, and subjected to a shear tensile test, and the composition and thickness of the compound layer at the joining interface are measured by Auger analysis and a scanning electron microscope. The relationship between the obtained interface structure and strength was investigated.
すなわち、図１に示した接合装置を用い、マグネシウム合金材１、鋼材２共に、８５ｍｍ×２５０ｍｍに切断し、マグネシウム合金材１の長辺（２５０ｍｍ）の上に、鋼材の長辺を５ｍｍだけラップさせた状態に重ね、ラップ部中央にレーザビームＢを照射した。
加工ヘッドを移動させながら、レーザビームＢを鋼材２の表面に照射して、鋼材２を加熱した後、レーザ照射位置の後方２０ｍｍの位置を加圧装置１３先端の加圧ローラ１２により加圧し、鋼材２をマグネシウム合金材１に押し付けることにより接合を行った。
That is, using the joining apparatus shown in FIG. 1, both the
While moving the machining head, after irradiating the surface of the
このとき、レーザビームＢは、鋼材表面において４ｍｍ×５．５ｍｍの楕円となるようにデフォーカスさせ、レーザ出力を１．５〜２．７ｋＷ、接合速度を０．８及び０．９ｍ／ｍｉｎ、加圧装置１３による加圧力を１２０ＭＰａとした。
接合後、継手強度を測定するため、接合長さが２０mmとなるように溶接した材料を２０ｍｍ幅で切断し、せん断引張り試験を実施した。
これらの結果を材料や接合条件の組合せと併せて、表１に示す。
At this time, the laser beam B is defocused so as to be an ellipse of 4 mm × 5.5 mm on the steel material surface, the laser output is 1.5 to 2.7 kW, the joining speed is 0.8 and 0.9 m / min, The pressure applied by the
After joining, in order to measure joint strength, the welded material was cut to a width of 20 mm so that the joining length was 20 mm, and a shear tensile test was performed.
These results are shown in Table 1 together with combinations of materials and bonding conditions.
表１において、実施Ｎｏ．１〜５は、鋼材としてめっきが施されていない裸鋼板を用いており、実施Ｎｏ．６〜１０は、亜鉛めっき鋼板を用いた実施例である。これらのうち、発明例２〜５及び７〜１０の結果から明らかなように、亜鉛めっき層の有無に拘わらず、Ａｌを含有するマグネシウム合金材を適用することによって、接合界面にＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ が混在した複合型の化合物層が形成され、強固な接合が可能であることが確認された。
また、マグネシウム合金材のＡｌ含有量が９％までの範囲では、Ａｌ含有量の増加と共に接合強度が増す傾向と共に、亜鉛めっき鋼板を用いた方が強度が僅かに高くなる傾向が認められた。
In Table 1, the implementation No. Nos. 1 to 5 use bare steel plates that are not plated as steel materials. 6 to 10 are examples using galvanized steel sheets. Among these, as is apparent from the results of Invention Examples 2 to 5 and 7 to 10, Al 3 Mg 2 is applied to the bonding interface by applying a magnesium alloy material containing Al regardless of the presence or absence of the galvanized layer. It was confirmed that a composite compound layer in which FeAl 3 and FeAl 3 were mixed was formed, and that strong bonding was possible.
In addition, in the range where the Al content of the magnesium alloy material is up to 9%, a tendency that the strength is slightly higher when using the galvanized steel sheet is observed together with the tendency that the bonding strength increases as the Al content increases.
これに対し、比較例１及び６は、裸鋼板及び亜鉛めっき鋼板にそれぞれ純マグネシウム材を接合した例であるが、接合界面にＡｌが存在していないために、化合物層が形成されず、引張りせん断強度は１〜１．２ｋＮと低い結果となった。 On the other hand, Comparative Examples 1 and 6 are examples in which a pure magnesium material is bonded to a bare steel plate and a galvanized steel plate, respectively, but since no Al is present at the bonding interface, a compound layer is not formed and tensile is performed. The shear strength was as low as 1 to 1.2 kN.
発明例２及び７は、裸鋼板及び亜鉛めっき鋼板と、３％Ａｌを含有するマグネシウム合金材（ＡＺ３１）の接合例である。
裸鋼板、亜鉛めっき鋼板、いずれの場合も、接合強度は、２．７ｋＮ前後であって、それぞれ純マグネシウム材を用いた比較例１及び６と比較して飛躍的に向上していることが確認された。そして、接合界面には、Ａｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ の金属間化合物が混在する複合組織を含む化合物層の形成が確認されている。
Invention Examples 2 and 7 are joining examples of a bare steel plate and a galvanized steel plate and a magnesium alloy material (AZ31) containing 3% Al.
In any case of the bare steel plate and the galvanized steel plate, the bonding strength was around 2.7 kN, and it was confirmed that each was dramatically improved as compared with Comparative Examples 1 and 6 using a pure magnesium material. It was done. Then, in the bonding interface, the formation of the compound layer containing a composite structure intermetallic compound Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are mixed has been confirmed.
発明例３及び８は、マグネシウム合金材として６％Ａｌを含有するＡＺ６１合金材を用いた接合例であって、接合強度は、裸鋼板、亜鉛めっき鋼板いずれを用いた場合も、３％のＡｌを含有するＡＺ３１合金材を用いた場合と比べて、さらに０．５ｋＮ程度向上している。また、接合界面には、同様の複合組織を備えた化合物層が形成されている。
強度が向上した要因としては、マグネシウム合金材中に添加されたＡｌ量が増加したため、Ｆｅ−Ａｌ系及びＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物を含む複合型化合物層がより強固に形成されたことによるものと考えられる。
Invention Examples 3 and 8 are joining examples using an AZ61 alloy material containing 6% Al as a magnesium alloy material, and the joining strength is 3% Al regardless of whether a bare steel plate or a galvanized steel plate is used. Compared with the case of using an AZ31 alloy material containing N, it is further improved by about 0.5 kN. In addition, a compound layer having a similar composite structure is formed at the bonding interface.
The reason for the improvement in strength is that the amount of Al added to the magnesium alloy material has increased, resulting in the formation of a more complex compound layer containing Fe-Al and Al-Mg intermetallic compounds. it is conceivable that.
さらに、発明例４，５及び９，１０は、鋼材として裸鋼板及び亜鉛めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として７．５％及び９％のＡｌを含有するＡＺ８１合金材及びＡＺ９１合金材を使用した場合のそれぞれ接合例である。
いずれの場合も、６％のＡｌを含有するＡＺ６１材を用いた場合と比べて、上記と同様の理由により、接合強度がさらに向上していることが確認された。接合界面には、同様の複合組織を備えた化合物層が形成されていることが確認された。
Inventive Examples 4, 5 and 9, 10 used bare steel and galvanized steel as steel materials, and used AZ81 alloy material and AZ91 alloy material containing 7.5% and 9% Al as magnesium alloy materials. Each of the cases is a bonding example.
In any case, it was confirmed that the bonding strength was further improved for the same reason as described above, compared with the case where AZ61 material containing 6% Al was used. It was confirmed that a compound layer having a similar composite structure was formed at the bonding interface.
一方、実施Ｎｏ．１１〜１４は、鋼材として、Ａｌを含有する亜鉛合金をめっきした鋼板を用いたものである。
このうち、発明例１４は、鋼材として亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板を用い、マグネシウム材として、Ａｌを含有しない純Ｍｇを用いた接合例であって、接合界面近傍に含有されるＡｌ量の総和が５％となる。この場合には、通常の亜鉛めっき鋼板と６％Ａｌを含有するＡＺ６１合金材の接合例である上記発明例８の場合と同様の化合物層が形成され、上記発明例と同等の接合強度が得られることが確認された。
On the other hand, the implementation No. 11-14 use the steel plate which plated the zinc alloy containing Al as steel materials.
Of these, Invention Example 14 is a joining example using a zinc-5% aluminum alloy plated steel sheet as a steel material, and using pure Mg not containing Al as a magnesium material, and the amount of Al contained in the vicinity of the joining interface. The total is 5%. In this case, a compound layer similar to that in the case of the invention example 8 which is a joining example of a normal galvanized steel sheet and an AZ61 alloy material containing 6% Al is formed, and a joining strength equivalent to that of the invention example is obtained. It was confirmed that
発明例１１は、鋼材として亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板を用い、マグネシウム合金材として３％のＡｌを含有するＡＺ３１合金材を用いた接合例であって、接合界面近傍に含有されるＡｌ量の総和が８％となる。この場合には、通常の亜鉛めっき鋼板と９％Ａｌを含有するＡＺ９１合金材の接合例である上記発明例１０の場合と同様の化合物層が接合界面に形成され、上記発明例と同等の接合強度が得られることが確認された。 Invention Example 11 is a joining example using a zinc-5% aluminum alloy plated steel sheet as a steel material and an AZ31 alloy material containing 3% Al as a magnesium alloy material, and the amount of Al contained in the vicinity of the joining interface Is 8%. In this case, a compound layer similar to that in the case of the invention example 10 which is a joining example of a normal galvanized steel sheet and an AZ91 alloy material containing 9% Al is formed at the joining interface, and the same joining as in the invention example above. It was confirmed that strength was obtained.
これに対して、比較例１２は、亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板と６％のＡｌを含有するＡＺ６１合金材の接合例であり、この場合には、接合界面近傍に含有されるＡｌ量の総和が１１％となる。
この組合せの場合、引張りせん断強度は２．４ｋＮであって、上記した発明例２〜５、６〜１１と比較して、接合強度が低下する結果となった。また、接合界面には、金属間化合物の混合組織は形成されず、厚いＦｅ−Ａｌ系金属間化合物層と薄いＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物層から成る二層分離構造の化合物層が生成しており、これら化合物層の界面、又はＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物層とマグネシウム母材の界面から破断していた。
On the other hand, Comparative Example 12 is a joining example of a AZ61 alloy material containing zinc-5% aluminum alloy plated steel sheet and 6% Al. In this case, the amount of Al contained in the vicinity of the joining interface The total is 11%.
In the case of this combination, the tensile shear strength was 2.4 kN, which resulted in a decrease in bonding strength as compared with the above-described Invention Examples 2 to 5 and 6 to 11. In addition, a mixed structure of intermetallic compounds is not formed at the bonding interface, and a compound layer having a two-layer separation structure formed of a thick Fe-Al intermetallic compound layer and a thin Al-Mg intermetallic compound layer is generated. It was fractured from the interface between these compound layers or the interface between the Al—Mg intermetallic compound layer and the magnesium base material.
また、接合界面近傍に含有されるＡｌ量の総和が５８％となる５５％アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板と３％のＡｌを含有するＡＺ３１合金材の接合例である比較例１３の場合、接合強度は１．８ｋＮとなり、上記各発明例と較べてかなり低い結果となった。
そして、接合界面には、上記比較例１２と同様に、厚いＦｅ−Ａｌ系金属間化合物層と薄いＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物層から成る二層分離構造の化合物層が形成されていることが確認された。
Moreover, in the case of the comparative example 13 which is a joining example of the 55% aluminum-zinc alloy plated steel plate in which the total amount of Al contained in the vicinity of the joining interface is 58% and the AZ31 alloy material containing 3% Al, the joining strength Was 1.8 kN, which was considerably lower than those of the above invention examples.
As in Comparative Example 12, a compound layer having a two-layer separation structure composed of a thick Fe—Al-based intermetallic compound layer and a thin Al—Mg-based intermetallic compound layer is formed at the bonding interface. confirmed.
上記の結果、Ａｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３ の金属間化合物が混在する複合組織を含む化合物層が接合界面に形成されていることによって、２．５ｋＮ以上の高い引張りせん断強度が得られ、それには接合界面近傍に含有されるＡｌ量の総和を３％以上１０％未満とすることが望ましいことになる。
また、このときの接合界面における上記化合物層の厚さは、０．５μｍ以上３μｍ未満であることが判った。
As a result, a high tensile shear strength of 2.5 kN or more is obtained by forming a compound layer including a composite structure in which intermetallic compounds of Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are mixed at the bonding interface. It is desirable that the total amount of Al contained in the vicinity of the bonding interface is 3% or more and less than 10%.
It was also found that the thickness of the compound layer at the bonding interface at this time was 0.5 μm or more and less than 3 μm.
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、上記実施例により得られた接合部の断面組織を走査型電子顕微鏡によって観察した結果を示す代表例である。
すなわち、図５（Ａ）は、裸鋼板とＡＺ３１合金（３％Ａｌ）の接合例である発明例３の接合構造を示すものであって、接合界面には、Ｆｅ−Ａｌ系及びＡｌ−Ｍｇ系の金属間化合物を含む複合型の化合物層が形成され、その平均厚さは０．７μｍであった。
FIGS. 5A to 5C are representative examples showing the results of observing the cross-sectional structure of the joint obtained by the above-described example with a scanning electron microscope.
That is, FIG. 5 (A) shows the joining structure of Invention Example 3, which is a joining example of a bare steel plate and an AZ31 alloy (3% Al), and the joining interface includes Fe—Al and Al—Mg. A composite type compound layer containing an intermetallic compound was formed, and the average thickness thereof was 0.7 μm.
また、図５（Ｂ）は、亜鉛めっき鋼板とＡＺ９１合金（９％Ａｌ）の接合例である発明例９の接合構造を示すものであって、接合界面には、同様の複合型化合物層が均一に形成され、その平均厚さは１．５μｍであり、最も高強度が得られた実施例である。 FIG. 5B shows the joint structure of Invention Example 9, which is a joint example of a galvanized steel sheet and an AZ91 alloy (9% Al), and a similar composite compound layer is formed at the joint interface. It was formed uniformly and its average thickness is 1.5 μm, which is an example in which the highest strength was obtained.
これらに対し、図５（Ｃ）は、亜鉛−５５％アルミニウム合金めっき鋼板とＡＺ３１合金（３％Ａｌ）の接合例に係わる比較例１３（Ａｌ総和量：５８％）の接合構造を示すものである。
この場合には、接合界面にＦｅ−Ａｌ系とＡｌ−Ｍｇ系の金属間化合物から成る２層構造の反応層が形成されているが、これら金属間化合物が互いに混合することなく、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物層が３〜４μｍの厚さに形成されているため、強度低下が生じている例である。
On the other hand, FIG. 5C shows the joining structure of Comparative Example 13 (Al total amount: 58%) related to the joining example of the zinc-55% aluminum alloy plated steel sheet and the AZ31 alloy (3% Al). is there.
In this case, a reaction layer having a two-layer structure composed of Fe-Al and Al-Mg intermetallic compounds is formed at the bonding interface, but these intermetallic compounds do not mix with each other, and Fe-Al This is an example in which the strength is reduced because the intermetallic compound layer is formed to a thickness of 3 to 4 μm.
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は上記した実施例のみに限定されることはなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、種々の変形、さらなる改良が可能である。
例えば、鋼材として亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板を使用すれば、上記実施例で使用したＡｌ含有マグネシウム合金以外の一般的なマグネシウム合金に適用することができる。また、上記実施例では、接合のための加熱手段として、レーザを用いたが、特にこれに限定されるものではなく、鋼材側を加熱することができる限り、電子ビーム等の他の手段を用いることも可能である。
As mentioned above, although the Example of this invention was explained in full detail, this invention is not limited only to an above-described Example, A various deformation | transformation and further improvement are possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, if a zinc-5% aluminum alloy plated steel sheet is used as the steel material, it can be applied to a general magnesium alloy other than the Al-containing magnesium alloy used in the above examples. In the above embodiment, a laser is used as a heating means for bonding. However, the laser is not particularly limited, and other means such as an electron beam are used as long as the steel material side can be heated. It is also possible.
１ マグネシウム合金材
２ 鋼板
１２ 加圧ローラ
Ｂ レーザビーム（高エネルギービーム）
1
Claims (6)
上記両材料の接合界面にＡｌを介在させ、当該Ａｌと上記両材料に含まれるＭｇ及びＦｅとの金属間化合物を接合界面に形成させ、少なくともＡｌ３Ｍｇ２とＦｅＡｌ３とが混在した複合組織から成る化合物層を介して両材料を接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。 In a state where the magnesium alloy material and the steel material are overlapped, both materials are relatively pressurized while irradiating the surface of the steel material with a high energy beam, and when joining the magnesium alloy material and the steel material by heat transfer from the steel material side,
A composite structure in which Al is interposed at the joint interface between the two materials, an intermetallic compound of Mg and Fe contained in the two materials is formed at the joint interface, and at least Al 3 Mg 2 and FeAl 3 are mixed. A method for joining dissimilar metals between a magnesium alloy and steel, wherein both materials are joined via a compound layer comprising:
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