JP5124434B2 - 金属部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ろう材およびそれを用いた金属部材の接合方法に係り、特に金属部材としてＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材を用いた異種金属部材の接合方法の改良に関する。

各種継手等の金属部材の接合構造は、異種金属部材の接合により製造されている。異種金属部材の接合では、それら金属部材の間に介在させたろう材をレーザ照射で加熱することにより、ブレージング（ろう付）を行っている。これにより、異種金属部材の間に接合層を形成することにより、金属部材の接合構造を製造している。

たとえば、異種金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用いる場合、ろう材としてＺｎ系ろう材が用いられている。ここで、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部に形成される反応層（たとえば金属間化合物層）の成長を抑制するために、反応温度を低下させ、反応時間を短縮することが有効であるから、Ｚｎ系ろう材の添加元素として、Ｚｎとの共晶によりろう材の融点を低下させるＡｌが用いられている（たとえば特許文献１参照）。

しかしながら、レーザ照射による接合を低温で行うと、異種金属部材の被接合部への入熱は、ろう材表面からの熱伝導で行われるため、被接合部の境界部では、部位毎に熱履歴が異なる。このため、被接合部の境界部では、反応層が不均一に成長し、部分的に未反応層が形成されたり、反応層が厚くなったりし、その結果、接合強度が低下していた。特に、異種金属部材の接合では、良好な接合を得るためには、同種金属部材の場合とは異なり、接合温度の領域が所定領域に限定されるから、上記熱履歴による問題は深刻であった。

特許第３７４０８５８号公報

したがって、本発明は、異種金属部材の被接合部の境界部での部位毎の熱履歴の発生を防止することにより、接合強度を向上させることができる金属部材の接合方法を提供することを目的としている。

本発明の金属部材の第１の接合方法は、レーザビームを熱源として用いて複数の金属部材をろう材により接合する接合方法であって、金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、ろう材として、Ｚｎ系ろう材を用い、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合では、レーザビームの照射によりろう材を蒸発させるとともに、金属部材の被溶接部を溶融してキーホールを形成し、キーホール内でレーザビームを多重反射させることを特徴としている。なお、キーホールとは、金属部材が溶融することにより形成される空洞部のことである。また、下記被接合部とは、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合予定部のことを表し、接合部とは、接合後の接合予定部のことを表している。

本発明の金属部材の第１の接合方法では、レーザビームの照射によりろう材を蒸発させ、金属部材の被溶接部を溶融してキーホールを形成している。このような被溶接部の加熱中、蒸発したろう材は、キーホール内に充満し、それ以外のろう材は、キーホールの上端部周辺に、溶融金属とともに存在する。それら溶融材料は、被溶接部の加熱後、キーホール内に入り込んで反応層を形成する。

ここで、被溶接部の加熱中、レーザビームは、キーホール内で多重反射するから、キーホール内ではエネルギー密度が高くなり、キーホールの上側から下側までの全表面が略均一に加熱される。これにより、被溶接部の加熱後、キーホール内に入り込む上記溶融材料は、キーホール内の全表面と一様に反応することができる。また、低温での接合が可能となるから、キーホール内に入り込む上記溶融材料は瞬間的に凝固することができるので、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部を均一に冷却することができる。

したがって、Ｆｅ系金属部材と接合層との間に反応層が形成される場合には、その反応層は均一な層状となるから、接合強度を向上させることができる。また、Ｆｅ系金属部材と接合層との間に反応層が形成されない場合には、そのような脆弱層が存在しない上に、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の強度分布にムラが生じないから、接合強度を大幅に向上させることができる。

また、キーホールを形成すると、その分、接合面積が増加するので、上記効果をより良く得ることができる。さらに、Ｚｎ系メッキおよび合金化したＦｅ−Ｚｎ系メッキは蒸気化し、この場合、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、異材金属部材接合を良好に行うことができる。

異種金属部材の接合では、同種金属部材の場合とは異なり、接合温度の領域が所定領域に限定されるから、キーホールの上側から下側までの全表面を略均一に加熱することができる本発明の金属部材の第１の接合方法は、接合温度の領域が所定領域に限定される異種金属部材の接合にとって特に有効であり、それによる上記効果は、従来の異種金属部材の接合と比較して、顕著なものとなる。

本発明の金属部材の第２の接合方法は、レーザビームを熱源として用いて複数の金属部材をろう材により接合する接合方法であって、金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、ろう材として、Ｚｎ系ろう材を用い、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材とで開先形状を形成し、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合では、レーザビームの照射によりろう材を蒸発させるとともに、開先形状の表面でレーザビームを多重反射させることを特徴としている。

本発明の金属部材の第２の接合方法は、金属部材の被溶接部を溶融して形成したキーホール内でレーザビームの多重反射を行う代わりに、金属部材の被溶接部を溶融しないで、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材で形成した開先形状内でレーザビームの多重反射を行っている以外は、本発明の金属部材の第１の接合方法と同様である。本発明の金属部材の第２の接合方法では、Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材で形成した開先形状の表面でレーザビームの多重反射を行うことにより、開先形状の全表面を略均一に加熱することができるので、上記第１の接合方法と同様な多重反射による効果を得ることができる。

本発明の金属部材の第１または第２の接合方法接合方法によれば、キーホール内あるいは開先形状の表面でレーザビームを多重反射させることにより、その全表面を略均一に加熱することができる結果、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部の接合強度を向上させることができる等の効果を得ることができる。

（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る第１実施形態の金属部材の接合方法を用いて接合を行っている状態の概略構成を表し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）においてＡｌ系金属部材２から見た図である。

金属部材の接合方法は、たとえばフレア継手を製造する配置を用いている。金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材１およびＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材２を用いている。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２は湾曲部１１，１２を有している。Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の配置では、湾曲部１１，１２どうしが対向し、それら湾曲部１１，１２により開先形状１３を形成している。この場合、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との対向部に段差を設けている。

第１実施形態の金属部材の接合方法では、開先形状１３の中心部に、ワイヤガイド１０１を通じてワイヤ状のＺｎ系ろう材３を送出しながら、その先端部にレーザビーム１０２を照射する。Ｚｎ系ろう材３は、Ｓｎ系ろう材よりも十分な接合強度が得られるから、好適である。Ｚｎ系ろう材３は、添加元素としてＡｌやＳｉを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。添加元素としてＳｉを用いる場合、Ｓｉが０．２５〜２．５重量％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなることが好適である。

このようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行う。図２，３は、第１実施形態の金属部材の接合方法の概略構成を表し、図２（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ｂ）と同方向から見た概略図、図３（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ａ）の正面から見た概略図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）では、その工程順に従って、レーザビーム１０２を図の右側に移動させている。。図２（Ａ）〜（Ｄ）では、Ｆｅ系金属部材１の図示を省略している。レーザビーム１０２の照射による加熱では、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の被接合部をＦｅ系材料の融点以上の温度に設定することが好適である。

まず、図１（Ａ），２（Ａ）に示すように、レーザビーム１０２の照射によりＺｎ系ろう材３を溶融させると、図１（Ｂ），２（Ｂ）に示すように、溶融Ｚｎ系ろう材３は、開先形状１３上に滴下し、そこで拡がる。次いで、図１（Ｃ），２（Ｃ）に示すように、レーザビーム１０２が移動して溶融Ｚｎ系ろう材３上に位置すると、溶融Ｚｎ系ろう材３が、レーザビーム１０２による直接照射で蒸発するとともに、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の被接合部の溶融が開始され、図１（Ｄ），２（Ｄ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２の被接合部には、キーホール５が形成される。

この場合、キーホール５の形成は、蒸発したＺｎ系ろう材３がキーホール５内に充満するように行う。蒸発部分以外のＺｎ系ろう材３は、キーホール５の上端部周辺に、溶融したＦｅ系金属部材１およびＡｌ系金属部材２（溶融金属）とともに溶融材料６として存在する。このようなキーホール５内ではレーザビーム１０２が、図中の点線で示すように多重反射するから、キーホール５内ではエネルギー密度が高くなり、キーホール５内の上側から下側までの全表面が略均一に加熱される。これにより、レーザビーム１０２の通過後、キーホール５内に入り込む溶融材料６は、キーホール５内の全表面と一様に反応することができる。

このようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行うことにより、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体１０Ａ，１０Ｂを製造することができる。 接合構造体１０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には、Ｚｎ系材料からなる接合層４が形成されている。

Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いない場合、図４（Ａ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部には、均一な層状の金属間化合物層７が形成されている。金属間化合物層７は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材１への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材２への流入が防止されているものと推察される。

Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いる場合、図４（Ｂ）に示すように、従来の接合構造体と異なり、Ｆｅ系金属部材１と接合層２との境界部には、金属間化合物層（反応層）が存在しない。この場合、接合層４では、Ｓｉ粒がマトリックス中に散在し、その粒径が小さい方が好適である。具体的には、Ｓｉの粒径は、Ｚｎの有する機械的伸びを阻害しないサイズ（たとえば１０μｍ以下）が好適である。

以上のように第１実施形態では、被溶接部の加熱中、キーホール５内でのレーザビーム１０２の多重反射によって、キーホール５の上側から下側までの全表面が略均一に加熱されるから、被溶接部の加熱後、キーホール５内に入り込む溶融材料６は、キーホール５内の全表面と一様に反応することができる。また、低温での接合が可能となるから、キーホール５内に入り込む溶融材料６は瞬間的に凝固することができるので、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部を均一に冷却することができる。

したがって、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との間に金属間化合物層７が形成される場合には、金属間化合物層７は均一な層状となるから、接合強度を向上させることができる。また、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との間に金属間化合物層が形成されない場合には、そのような脆弱層が存在しない上に、Ｆｅ系金属部材１と接合層４との境界部の強度分布にムラが生じないから、接合強度を大幅に向上させることができる。

また、キーホール５を形成すると、その分、接合面積が増加するので、上記効果をより良く得ることができる。さらに、Ｚｎ系メッキおよび合金化したＦｅ−Ｚｎ系メッキは蒸気化し、この場合、ＧＡメッキ、ＧＩメッキなどのメッキの種類に関係なく、Ｆｅ系材料に施されたメッキ部分が蒸気化するから、メッキの種類に関係なく、良好な接合部を得ることができる。さらに、Ｆｅ系材料表面の酸化被膜を過熱による溶融および蒸気化の際の蒸気圧で除去するから、フラックスを用いなくても、異材金属部材接合を良好に行うことができる。

（２）第２実施形態
第２実施形態は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の被溶接部を溶融して形成したキーホール５内でレーザビーム１０２の多重反射を行う代わりに、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の被溶接部を溶融しないで、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とで形成した開先形状１３内でレーザビーム１０２の多重反射を行っている以外は、第１実施形態の金属部材の接合方法と同様である。第２実施形態では、第１実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、第１実施形態と同様な作用を有する構成要素の説明は省略している。

図５は、第２実施形態の金属部材の接合方法の概略構成を表し、（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ｂ）と同方向から見た概略図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）では、その工程順に従って、レーザビーム１０２を図の右側に移動させている。

まず、図５（Ａ）に示すように、レーザビーム１０２の照射によりＺｎ系ろう材３を溶融させると、図５（Ｂ）に示すように、溶融Ｚｎ系ろう材３は、開先形状１３上に滴下し、そこで拡がる。次いで、図５（Ｃ）に示すように、レーザビーム１０２が移動して溶融Ｚｎ系ろう材３上に位置すると、溶融Ｚｎ系ろう材３が、レーザビーム１０２による直接照射で蒸発する。

この場合、蒸発したＺｎ系ろう材３が開先形状１３内に充満するように行う。蒸発部分以外のＺｎ系ろう材３は、開先形状１３の上端部周辺に存在する。このような開先形状１３内の表面ではレーザビーム１０２が、図中の点線で示すように多重反射するから、キーホール５内ではエネルギー密度が高くなり、開先形状１３内の上側から下側までの全表面が略均一に加熱される。これにより、レーザビーム１０２の通過後、キーホール５内に入り込む溶融材料６は、キーホール５内の全表面と一様に反応することができる。

このようなレーザビーム１０２の照射による加熱を開先形状１３の延在方向に沿って図１の手前側から奥側に行うことにより、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２との接合構造体２０を製造することができる。 接合構造体２０は、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２とを備え、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２の間には、Ｚｎ系材料からなる接合層１４が形成されている。

Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いない場合、図６（Ａ）に示すように、第１実施形態と同様、Ｆｅ系金属部材１と接合層１４との境界部には、均一な層状の金属間化合物層１７が形成されている。Ｚｎ系ろう材３への添加元素としてＳｉを用いる場合、図６（Ｂ）に示すように、従来の接合構造体と異なり、Ｆｅ系金属部材１と接合層２との境界部には、第１実施形態と同様、金属間化合物層（反応層）が存在しない。

第２実施形態では、Ｆｅ系金属部材１とＡｌ系金属部材２で形成した開先形状１３の表面でレーザビーム１０２の多重反射を行うことにより、開先形状１３内の全表面を略均一に加熱することができるので、第１実施形態と同様な多重反射による効果を得ることができる

以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

（１）実施例１（Ｚｎ−Ａｌ系ろう材を用いた場合）
実施例１では、図１に示す配置形態と同様にＦｅ系金属部材およびＡｌ系金属部材を配置し、それら金属部材の湾曲部により開先形状を形成した。そして、その開先形状の中心部に、ワイヤ状のＺｎ−Ａｌ系ろう材をワイヤガイドを通じて送出しながら、Ｚｎ−Ａｌ系ろう材の先端部にレーザビームを照射した。これによりフレア継手形状の金属部材の接合構造体を製造した。

接合条件について、２つの金属部材の大きさは、図１での横方向長さを８２mm、図１での縦方向長さを２００mmとし、２つの金属部材の被接合部での段差を５mmとした。Ｚｎ−Ａｌ系ろう材として、Ｚｎ：Ａｌが９６：４である組成比（wt%）のろう材を用いた。シールドガスとしてＡｒガスを用い、その供給量を２５l/min、レーザビームの照射角度を４０°、接合速度を１ｍ／minとした。

以上のような金属部材の接合では、試料毎にレーザ出力およびワイヤ速度を変更して、キーホールの形成状態を異なる状態として、金属部材の接合構造体（試料１１，比較試料１１，１２）を得た。試料１１では、レーザ出力を１．２ｋＷ、ワイヤ送速度を２．５ｍ／minに設定することにより、キーホールの形成においてＦｅ系金属部材の被接合部が適度な加熱により溶融する適正入熱条件とした。比較試料１１では、レーザ出力を１ｋＷ、ワイヤ送速度を２ｍ／minに設定することにより、キーホールの形成においてＦｅ系金属部材の被接合部が加熱により溶融しない入熱不足条件とした。比較試料１２では、レーザ出力を１．６ｋＷ、ワイヤ送速度を２ｍ／minに設定し、キーホールの形成においてＦｅ系金属部材の被接合部が過度な加熱により溶融する過剰入熱条件とした。

以上のようにして得られた試料１１，比較試料１１，１２の金属部材の接合構造体について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて接合部およびその近傍の状態を観察した。図７〜９は、試料１１，比較試料１１，１２の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、各図の（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐの写真、（Ｃ）は、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部Ｑの写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部Ｒの写真である。

図７に示すように、キーホールの形成で適正入熱条件とした試料１１の接合構造体では、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、下部Ｒのいずれにおいても、安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成され、しかも、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界およびＡｌ系金属部材と接合層との境界が明瞭となった。そして、試料１１の接合構造体の接合強度は、１５４N/mmであった。

図８に示すように、キーホールの形成で入熱不足条件とした比較試料１１の接合構造体では、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐにおいて安定した層状のＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。しかしながら、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部ＱにおいてＡｌ−Ｆｅ−Ｚｎ系金属間化合物からなる金属間化合物層と接合層との境界面が不明瞭であり、接合界面部の下部Ｒにおいて金属間化合物層が形成されていなかった。そして、比較試料１１の接合構造体の接合強度は、３７N/mmであった。

図９に示すように、キーホールの形成で過剰入熱条件とした比較試料１２の接合構造体では、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ、中央部Ｑ、および下部Ｒにおいて、Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎを含む金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されていた。しかしながら、金属間化合物層は、上部Ｐにおいてデンドライト状（境界面なし）、中央部Ｑ４および下部Ｒにおいてまだら状（接合層側に境界面なし）であった。そして、比較試料１２の接合構造体の接合強度は、３０N/mmであった。

以上のように試料１１の接合構造体では、キーホールの形成において適正入熱条件下でレーザビームを多重反射させることにより、比較試料１１，１２の接合構造体と比較して、Ｆｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部Ｐ〜下部Ｒの全てにおいて均一な層状の金属間化合物層を形成することができ、かつ継手強度を向上させることができることを確認した。特に、金属間化合物層が安定した層状となる程、Ｆｅ系金属部材と接合層との境界およびＡｌ系金属部材と接合層との境界が明瞭となることを確認し、これにより、金属間化合物層は、ＦｅとＡｌとの反応を抑制する作用を有し、その作用によって、ＡｌのＦｅ系金属部材への流入およびＦｅのＡｌ系金属部材への流入を防止することができることが判った。

（２）実施例２（Ｚｎ−Ｓｉ系ろう材を用いた場合）
実施例２では、Ｚｎ系ろう材としてＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いた以外は、実施例１と同様な手法でフレア継手形状の金属部材の接合構造体を製造した。接合条件については、レーザビームの集光径を１．８mm、レーザ出力を１．４ｋＷ、接合速度を１ｍ／min、ワイヤ速度を３．２ｍ／minとし、キーホールの形成においてＦｅ系金属部材の被接合部が適度な加熱により溶融する適正入熱条件とした。Ｆｅ系金属部材として、鋼板（JAC270、板厚１．０mm、図１での縦方向長さ２００mm、横方向長さ８０mm）を用い、Ａｌ系金属部材として、Ａｌ板（A6K21-T14、板厚が１．０mm、図１での縦方向長さを２００mm、横方向長さを８０mm）を用いた。

以上のような金属部材の接合では、Ｓｉの含有量の異なる（Ｓｉ含有量が０．２５wt%、１．０wt%、２．５wt%）Ｚｎ−Ｓｉ系ろう材を用意し、各Ｚｎ−Ｓｉ系ろう材を用いて金属部材の接合を行い、各Ｚｎ−Ｓｉ系ろう材に対応する金属部材の接合構造体を得た。そして、接合方向に直交する方向で各接合構造体を短冊状に切断し、複数のテストピースを得た。なお、全てのＺｎ−Ｓｉ系ろう材のワイヤ径を１．２mmとした。以上のような接合構造体のテストピースを用いて、各種評価を行った。

［Ｆｅ系金属部材と接合層との境界部のＥＰＭＡ元素マップ分析およびＳＥＭ観察］
Ｓｉ含有量が１．０wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いて得られた接合構造体のテストピースについて、電子線マイクロプローブアナライザ（ＥＰＭＡ）により元素分析を行った。その結果を図１０に示す。図１０（Ａ）は、接合構造体の接合部のＳＥＭ写真（左側写真）およびその写真におけるＦｅ系金属部材と接合層との界面の拡大ＳＥＭ写真（右側写真）であり、図１０（Ｂ）は、（Ａ）の拡大ＳＥＭ写真で示された界面のＥＰＭＡマップ分析写真（Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ）である。

また、同一の接合構造体のテストピースについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によりＦｅ系金属部材と接合層との界面の観察を行った。その結果を図１１に示す。図１１は、Ｆｅ系金属部材と接合層との界面のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は３０００倍のＳＥＭ写真、（Ｂ）は１５０００倍のＳＥＭ写真である。

図１０（Ａ）に示すように、実施例２のＦｅ系金属部材と接合層との界面には、従来の接合構造体で形成されていた金属間化合物層が観察されず、図１０（Ｂ）に示すＥＰＭＡ元素マップ分析では、Ｓｉが一様に散在するとともに、ＦｅとＺｎの界面（すなわち、Ｆｅ系金属部材と接合層との界面）が明瞭に観察された。Ａｌは、Ａｌ系金属部材のＡｌが溶接により接合層に固溶したものである。また、図１１（Ａ）の３０００倍のＳＥＭ写真、図５（Ｂ）の１５０００倍のＳＥＭ写真に示すように、ＳＥＭ観察での倍率を高くしても、本実施例のＦｅ系金属部材と接合層との界面には、従来の接合構造体で形成されていた金属間化合物層が観察されなかった。

以上のようなＥＰＭＡ元素マップ分析およびＳＥＭ観察の結果から判るように、Ｚｎ系ろう材としてＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いた以外は実施例１と同様な手法により、キーホールの形成において適正入熱条件下でレーザビームを多重反射させると、Ｆｅ系金属部材と接合層との界面には、従来の接合構造体（Ｚｎ−Ａｌ系ろう材により接合された接合構造体）で形成されていた脆弱な金属間化合物層が存在しないことを確認した。

［金属接合構造体の接合強度評価］
Ｓｉ含有量が０．２５wt%、１．０wt%、２．５wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いて得られた各接合構造体のテストピースについて、フレア引張強度試験およびピール強度試験を行った。テストピースとしては、接合構造体の中央部側の２ピースおよび両端部側の４ピースを用い、それらを各強度試験用に配分し、フレア引張強度試験およびピール強度試験のそれぞれで中央部側の１ピースおよび両端部側の２ピース（計３ピース）を用いた。

フレア引張強度試験では、図１２（Ａ）に示すように、接合層２３が形成された面側でＴ字状をなすＦｅ系金属部材２１およびＡｌ系金属部材２２の横方向延在部に対して、互いに反対方向の力を加えた。フレア引張強度試験では、矢印Ａ，Ｂが指示する部分で応力が最もかけられる。

その結果（フレア引張強度値および破断箇所）を表１および図１３に示す。表１では、Ｓｉ含有量が０．２５wt%、１．０wt%、２．５wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材に対応する接合構造体のテストピースの試験結果を試料２１〜２３としている。表１には試料２４および比較試料２１の結果を併記している。試料２４は、ろう材として、Ａｌの添加量が６wt%のＺｎ−Ａｌ系ろう材を用いて得られたＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合構造体のテストピースであり、実施例１の試料１１の接合構造体に対応するものである。比較試料２１は、ろう材として、市販のろう材を用いて得られたＡｌ系金属部材どうしの接合構造体のテストピースである。試料２４および比較試料２１のテストピースは、得られた接合構造体を試料２１〜２３と同様に短冊状に切断したものである。図１３では、各試料のフレア引張強度の平均値および破断箇所を併記している。

フレア引張強度試験の強度基準値（図１３の一点鎖線）は、次のように設定している。スポット溶接の１打点と等価の連続溶接の継手長を２０mmに設定し、JIS Z3140のなかのＡｌどうしのスポット溶接を基準とした。これにより、Ａｌの板厚が１．２mmであるスポット溶接の引張強度基準は１．８６kN/２０mmとなる。

表１および図１３に示すように、異種金属部材の接合構造体である本発明の試料２１〜２３の引張強度が、その強度基準値を上回った。しかも、試料２１〜２３の引張強度は、異種金属部材の接合構造体である試料２４の引張強度よりも高いのはもちろんのこと、同種金属部材の接合構造体である比較試料２１の引張強度よりも高かった。そして、少量のＳｉ含有量（０．２５wt%）で引張強度が大幅に向上したことを確認した。また、試料２１〜２３では、Ｆｅ系金属部材と接合層の界面で破断した試料２４と異なり、Ａｌ系金属部材で破断したことを確認した。

ピール強度試験では、図１２（Ｂ）に示すように、接合層２３が形成された面とは反対側の面でＴ字状をなすＦｅ系金属部材２１およびＡｌ系金属部材２２の横方向延在部に対して互いに反対方向の力を加えた。このようなピール強度試験では、接合界面（矢印Ｃで指示される箇所）に高い応力を集中させることにより、接合界面の強度を測定することができる。

その結果（ピール引張強度値および破断形態）を表２および図１４に示す。表２では、Ｓｉ含有量が０．２５wt%、１．０wt%、２．５wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材に対応する接合構造体のテストピースの試験結果を試料３１〜３３としている。表２には試料３４および比較試料３１の結果を併記している。試料３４は、ろう材としてＡｌの含有量が６wt%のＺｎ−Ａｌ系ろう材を用いて得られたＦｅ系金属部材とＡｌ系金属部材との接合構造体のテストピースであり、実施例１の試料１１の接合構造体に対応するものである。比較試料３１は、ろう材として市販のろう材を用いて得られたＡｌ系金属部材どうしの接合構造体のテストピースである。試料３４および比較試料３１のテストピースは、得られた接合構造体を試料３１〜３３と同様に短冊状に切断したものである。図１４では、各試料のピール強度の平均値および破断箇所を併記している。

ピール強度試験の強度基準値（表２の一点鎖線）は、市販のろう材を用いて得られた同種金属部材の接合構造体である比較試料３１（Ａｌ系金属部材の接合構造体）のテストピースのピール強度値の８割としている。

表２および図１４に示すように、異種金属部材の接合構造体である試料３１〜３３では、ピール強度が強度基準を上回った。しかも、試料３１〜３３のピール強度は、異種金属部材の接合構造体である試料３４との比較により、少量のＳｉ含有量（０．２５wt%）でピール強度が大幅に向上したことを確認した。また、試料３１，３２では、Ｆｅ系金属部材と接合層の界面で破断した試料３４と異なり、同種金属部材の接合構造体である比較試料３１と同様、Ａｌ系金属部材で破断したことを確認した。なお、試料３３では、ぬれ性に低下による接合界面幅の減少のため、試料３１，３２と比較してピール強度が若干低下し、Ｆｅ系金属部材と接合層の界面で破断したものと推察される。

以上のようにＳｉ含有量が０．２５wt%〜２．５wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いた異種金属部材の接合構造体である試料では、その強度が強度基準値を上回った。しかも、試料の強度は、同じ異種金属部材の接合構造体である試料との比較により、少量のＳｉ含有量（０．２５wt%）で強度が大幅に向上することが判った。特に、Ｓｉ含有量が０．２５wt%〜１．０wt%のＺｎ−Ｓｉ系ろう材を用いた異種金属部材の接合構造体である試料では、Ｆｅ系金属部材と接合層の界面で破断せず、Ａｌ系金属部材で破断したことから、同種金属部材の接合構造体のような強固な接合構造体を得ることができることが判った。

本発明に係る第１実施形態の金属部材の接合方法により接合構造体を製造する状態の概略構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）においてＡｌ系金属部材から見た図である。 本発明に係る第１実施形態の金属部材の接合方法の概略構成を表し、（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ｂ）と同方向から見た概略図である。 本発明に係る第１実施形態の金属部材の接合方法の概略構成を表し、（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ａ）の正面から見た概略図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る第１実施形態の金属部材の接合方法により得られた接合構造体の一例を表す断面構成図である。 本発明に係る第２実施形態の金属部材の接合方法の概略構成を表し、（Ａ）〜（Ｄ）は、各工程について図１（Ａ）の正面から見た概略図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る第２実施形態の金属部材の接合方法により得られた接合構造体の例を表す断面構成図である。 実施例１の試料の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。 実施例１の比較試料の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。 実施例１の比較試料の金属部材の接合構造体のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は、接合部およびその近傍の全体写真、（Ｂ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の上部の写真、（Ｃ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の中央部の写真、（Ｄ）はＦｅ系金属部材と接合層との接合界面部の下部の写真である。 （Ａ）は、実施例２の接合構造体の接合部のＳＥＭ写真（左側写真）およびその写真におけるＦｅ系金属部材と接合層との界面の拡大ＳＥＭ写真（右側写真）であり、（Ｂ）は、（Ａ）の拡大写真で示された界面のＥＰＭＡマップ分析写真である。 実施例２のＦｅ系金属部材と接合層との界面のＳＥＭ写真であり、（Ａ）は３０００倍のＳＥＭ写真、（Ｂ）は１５０００倍のＳＥＭ写真である。 （Ａ），（Ｂ）は、実施例２でのフレア引張強度試験およびピール強度試験の手法を説明するための接合構造体の概略断面構成図である。 実施例２のフレア引張強度試験で得られた各試料の強度を表すグラフである。 実施例２のピール強度試験で得られた各試料の強度を表すグラフである。

符号の説明

１…Ｆｅ系金属部材、２…Ａｌ系金属部材、３…Ｚｎ系ろう材，溶融Ｚｎ系ろう材、４，１４…接合層、５…キーホール、６…溶融材料、７，１７…金属間化合物層、１０，２０…接合構造体、１３…開先形状、１０２…レーザビーム

Claims (2)

1. レーザビームを熱源として用いて複数の金属部材をろう材により接合する金属部材の接合方法において、
   前記金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、前記ろう材として、Ｚｎ系ろう材を用い、
   前記Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合では、前記レーザビームの照射により前記ろう材を蒸発させ、前記金属部材の被溶接部を溶融してキーホールを形成し、前記キーホール内で前記レーザビームを多重反射させることを特徴とする金属部材の接合方法。
2. レーザビームを熱源として用いて複数の金属部材をろう材により接合する金属部材の接合方法において、
   前記金属部材として、Ｆｅ系材料からなるＦｅ系金属部材とＡｌ系材料からなるＡｌ系金属部材を用い、前記ろう材として、Ｚｎ系ろう材を用い、
   前記Ｆｅ系金属部材と前記Ａｌ系金属部材とで開先形状を形成し、
   前記Ｆｅ系金属部材とＡｌ系金属部材の接合では、前記レーザビームの照射により前記ろう材を蒸発させ、前記開先形状の表面で前記レーザビームを多重反射させることを特徴とする金属部材の接合方法。

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