JP5466632B2 - 異材接合方法 - Google Patents

Description

本発明は鋼材とアルミニウム合金材とのレーザ溶接による異材接合方法に関する。本発明で言う、アルミニウム合金材とは、アルミニウム合金の圧延板材（冷延板など）や押出形材、あるいは、これらを成形加工した車体用部材、部品などの総称である。また、鋼材とは、冷延鋼板や型鋼、あるいは、これらを成形加工した車体用部材、部品などの総称である。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、周知の通り、自動車などの輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が追求されている。また、この軽量化をできるだけ阻害せずに、自動車の車体衝突時の安全性を高めることも追求されている。このため、特に、自動車の車体構造に対し、軽量でエネルギー吸収性にも優れたアルミニウム合金材の部分的な適用が種々検討されている。

ただ、アルミニウム合金の車体への適用には、アルミニウム合金の特性を生かした構造設計が必要であり、オールアルミニウム合金製の特殊な車体を除き、通常は、主たる鋼材に対して、アルミニウム合金材が部分的に組み合わされた車体構造となる。

このため、これら互いに組み合わせる鋼材とアルミニウム合金材との接合技術が必須となる。すなわち、鋼材とアルミニウム合金材とを接合して組み合わせる場合には、必然的に、Ｆｅ−Ａｌの異材接合（鉄−アルミの異種金属同士の接合）の必要性がある。

しかし、このＦｅ−Ａｌ異材接合を溶接により行う際には、共通する問題点として、鋼材とアルミニウム合金材との互いの接合界面における、高硬度で非常に脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（あるいは反応層）の生成がある。このため、見かけ上で互いに接合されてはいても、このようなＦｅとＡｌとの金属間化合物層の生成が原因となって、溶接によるＦｅ−Ａｌ異材接合では、継手に十分な接合強度が得られない難しさがある。

これを反映して、従来から、これら異材接合体（異種金属部材同士の接合体）の接合には、溶接だけでなく、セルフピアスリベットやボルトといった機械的接合や、接着剤を用いた接合が実用化されている。しかし、接合作業の煩雑さや接合コスト上昇等の実用上の問題がある。

そこで、これら機械的接合と組み合わせるにしても、やはり、通常の自動車の車体の接合に汎用されている効率的なスポット溶接や、あるいはレーザ光による線溶接などが、異材接合用の溶接技術として重要となる。このうち、ＣＯ_２、ＹＡＧ、半導体、ファイバ−、固体ディスク等のレーザ光熱源を使用したレーザ溶接は、溶込深さ等の溶融部の精密なコントロールが可能となる利点や特徴がある。自動車などの車体構造に使用される多くのアルミニウム合金板の板厚は１〜３ｍｍ程度であり、これらのアルミニウム合金板と、車体の大部分を構成する鋼材とを、効率よく線溶接できるレーザ溶接方法ができれば、自動車のへのアルミニウム合金材の適用を推進し、車体軽量化に貢献できる。

ただ、このようなレーザ溶接を用いた異材接合でも、やはり、接合界面に生成するＦｅとＡｌとの金属間化合物層の抑制乃至制御は必要となり、従来から特許文献１〜５などの改良技術が種々提案されている。

特許文献１は、アルミニウム合金材と鋼材とをレーザ溶接する異材接合方法において、亜鉛めっきを施した鋼材を使用して、アルミニウム系合金材をレーザ照射源側に配置して鋼材上に重ね継手を形成し、これらの重なり部にレーザ光を照射し、照射部で前記亜鉛めっきと前記アルミニウム合金材とを溶融させて、ろう材及びフラックスを使用せずに、接合している。そして、この鋼材側の亜鉛めっきが、レーザ光の照射により、アルミニウム合金材と共に溶融するため、これら両被溶接材の極めて高い親和性によって、安定した溶接接合継手が得られるとしている。

特許文献２は、アルミニウム合金材と鋼材とをレーザ溶接する異材接合方法において、鋼材表面にアルミニウムめっきを施し、アルミニウム合金材をレーザ照射源側に配置して、鋼材上に重ね継手を形成し、これらの重なり部にレーザ光を照射し、照射部で、前記アルミニウムめっきと前記アルミニウム合金材とを溶融させている。
そして、この鋼材側のアルミニウムめっきが、レーザ光の照射により、アルミニウム合金材と共に溶融するため、これら同質のアルミ−アルミによる極めて高い親和性によって、安定した溶接接合継手が得られるとしている。

特許文献３は、アルミニウム合金材の端部を、亜鉛めっきした鋼材上に重ねて重ね継手を形成し、この重ね部を線接合する異材接合方法において、２本のレーザ光によって、前記重ね部近傍の鋼材の表面（第１熱源）と、前記重ね部のアルミニウム合金材の表面（第２熱源）とを各々加熱している。そして、前記重ね部の端部に沿って、レーザ光第１熱源をレーザ光第２熱源に先行させて移動させることにより、先行の第１熱源により、前記重ね部近傍の亜鉛めっきのみを溶融させた後、後行の第２熱源により前記重なり部の亜鉛めっき及び前記アルミニウム合金材を溶融させている。そして、第２熱源として、第１熱源よりもエネルギー密度が小さい熱源を使用することにより、溶接部の温度の上昇を抑制しながら溶接を行い、アルミニウム合金材側を溶融させつつも、金属間化合物の生成を抑制することができるとしている。

特許文献４は、アルミニウム合金材と鋼材とをレーザ溶接する異材接合方法において、鋼材表面に亜鉛めっき層を有するものを使用し、前記アルミニウム合金材をレーザ照射源側に配置して前記鋼材上に重ね継手を形成し、これらの重なり部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、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°以下の角度で照射する。そして、溶融接合された溶融ビードの幅を広くして、この溶融ビードの幅に支配される接合部の引張強度を高くするとしている。

特許文献５は、これまでとは逆に、溶接施工方向に対して鋼材を上側とし、アルミニウム合金材を下側として、互いに重ね合わせて溶接する異材接合方法が提案されている。そして、アルミニウム合金材の溶接面の位置を、鋼材の溶接面の位置よりも、溶接施工方向に対して上側に突出させた状態で、溶接線に沿って溶接している。そして、上側であるアルミニウム合金材の溶接面からのアルミニウム溶湯（ビードとなる）が、下側の鋼材の表面（溶接面）に広がりやすくなり、溶接面に供給されるフラックスも、同様にこのような良好な状態となる。したがって、鋼材の溶接面アルミニウム溶湯の濡れ性を改善し、また鋼材の表面（溶接面）の酸化膜除去を促進でき、良好な接合が実現できるとしている。

この特許文献５は、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を用いた態様のレーザ溶接も意図している。そして、このような異材接合用フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）の組成は、従来から特許文献６など多数提案されている。

特開２００６−８８１７５号公報 特開２００６−１１６６００号公報 特開２００６−２８１２７９号公報： 特開２００８−２３５６２号公報 特開２０１０−２０７８８６号公報 特許第４２５６８８６号公報

ここで、前記した、自動車などの車体構造に使用される１〜３ｍｍ程度の板厚のアルミニウム合金板を鋼材と溶接する場合、線溶接として有効な、前記FCWを用いたレーザ溶接方法を用いると、一般的に使用されている（汎用されている）レーザ出力のレベル３〜５ｋＷ程度の条件では、ビード部にミクロ割れが発生する場合があることを、本発明者らは知見した。

このミクロ割れの発生傾向は特にアルミニウム合金板の板厚が１ｍｍ以上になると顕著になるが、レーザ溶接における、レーザ出力を下げたり、溶接速度を遅くするなどの、溶接施工条件を大きく変更乃至工夫すれば、このようなビード部のミクロ割れは完全に防止できる。

しかし、一般的に使用されている（汎用されている）ような施工条件でレーザ溶接して、異材接合できない限り、同時に行われる、他の車体構造の溶接効率、すなわち鋼材同士の溶接効率に比して、溶接効率が著しく悪くなり、溶接施工の点で、全く実用的ではなくなる。したがって、レーザ溶接による異材接合の面から、自動車へのアルミニウム合金材の適用を推進できなくなる。

しかも、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、一般的に使用されているような効率の良い施工条件でレーザ溶接する場合、単にビード部のミクロ割れを防止するだけでは、継手（異材溶接継手）の高い接合強度が得られない。すなわち、効率の良い施工条件のレーザ溶接で、高い接合強度の異材溶接継手を得るためには、このビード部のミクロ割れを防止することに加えて、前記した、接合界面での鋼とアルミの反応層を抑制するとともに、アルミの溶け込みを確保する＝良好なビード概観を得ることが必要となる。言い換えると、効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、異材溶接継手の高い接合強度を得るためには、互いに両立させることが難しい、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層（界面反応層）の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させて、高い接合強度を得る必要性がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、特定厚さのアルミニウム合金材を、一般的に使用されているような効率の良い施工条件で、鋼材とレーザ溶接しても、ビード部のミクロ割れが防止でき、高い接合強度を有する異材溶接継手（異材接合部）が得られる異材接合方法を提供することにある。

この目的を達成するための本発明の要旨は、厚さ１〜３ｍｍのアルミニウム合金材を重ね代を１０〜３０ｍｍとして鋼材上に重ねた継手を形成し、前記アルミニウム合金材の端部を溶接線とし、レーザ光の照射を前記アルミニウム合金材の上側からとして、フラックスコアードワイヤを使用しつつ、レーザ溶接にて線接合する異材接合方法において、レーザ溶接を、レーザ出力３〜５ｋＷ、溶接速度０.６〜１.５ｍ／ｍｉｎの条件で行うとともに、前記アルミニウム合金材の端部に亘って前記溶接線に沿った開先を設け、この開先を前記アルミニウム合金材の厚さ方向の上半分が略断面矩形に切り欠いた段付き形状とし、この段の前記アルミニウム合金材の厚さ方向の高さ位置が前記アルミニウム合金材の厚さの４０〜６０％の範囲にあるとともに、この段の開先幅方向の長さが前記アルミニウム合金材の厚さの３０〜８０％の範囲であり、かつ、この段から立ち上がる側の開先の角度を前記アルミニウム合金材の法線からの角度で−５°〜１５°の範囲に小さくする。

本発明者らは、アルミニウム合金板など、厚さ１ｍｍ以上のアルミニウム合金材を、一般的に使用されている効率の良い施工条件で、鋼材とレーザ溶接した際の、ビード部のミクロ割れの発生原因につき検討した。この結果、このミクロ割れは、割れの形態から、未溶着部近傍の最終凝固位置に発生するビード凝固時の割れであると結論付けた。

アルミニウム合金材同士を、一般的に使用されている効率の良い施工条件で、ＦＣＷ溶接材料を使用して、レーザ溶接しても、前記ミクロ割れは発生しない。勿論、同じような施工条件での鋼材同士のレーザ溶接でも前記ミクロ割れは発生しない。このことから、このビード部のミクロ割れは、アルミニウム合金材と鋼材との異材溶接時に特有のものであることが分かる。

一般的に、ビード部のミクロ割れは、内部応力の発生によって生じやすい。そして、アルミニウム合金材と鋼材との、この内部応力発生に最も効く、互いの特性の違いは、線膨張係数の差である。アルミニウム合金材は、鋼材に比して線膨張係数が著しく大きい。したがって、このビード部のミクロ割れは、このアルミニウム合金材と鋼材との線膨張係数の差によって発生する内部応力が、その大きな原因と考えられる。

すなわち、アルミニウム合金材同士であれば、線膨張係数が同じであるので、薄い厚さのアルミニウム合金材同士であっても、あるいは多少の厚さの差が互いにあっても、溶融したアルミビードの熱収縮によるひずみしか発生しない。また、アルミニウム合金板の板厚が１ｍｍ未満など、アルミニウム合金材の厚さが薄い場合に、異材接合であっても、ビード部のミクロ割れ発生が認められないのは、アルミニウム合金材の厚さによる拘束が小さく、発生する内部応力が小さいためであると考えられる。

これに対して、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合の場合、最も温度が高くなる未溶着部近傍のアルミ溶融部が最終凝固位置となり、アルミビードの熱収縮に加えて、アルミニウム合金材と鋼材との線膨張係数差によるひずみが発生する。さらに、この未溶着部はスリット形状であり、形状によるひずみ集中が発生する。特に、アルミニウム合金材の厚さが１ｍｍ以上の場合には、この２つの要因が重畳することにより、未溶着部近傍にミクロ割れが発生する。

このようなビード部のミクロ割れ発生機構に対して、本発明では、アルミニウム合金材端部に、この端部の溶接線に沿って、前記規定した特定形状の開先を設ける。これによって、それまでは未溶着部近傍にあった最終凝固位置をビード内部に変更して、最終凝固位置と未溶着部との距離をあけ、アルミニウム合金材の厚さが１ｍｍ以上となっても、前記スリット形状による熱ひずみの集中を低減し、ビード凝固時に負荷される内部応力を小さくして、ビード部のミクロ割れ発生を防止する。

周知の通り、開先は、同種金属同士の突合せ溶接の際に、溶着金属が溶け込みやすくするために汎用される。従来このように汎用されてきた開先を、本発明では、、これまで開先があまり用いられたことが無い、アルミニウム合金材を鋼材上に重ねた、異材重ね継手に用いる。

しかも、後述する実施例の通り、アルミニウム合金材端部の溶接線に沿って、通常のＶ字状（あるいはＸ字状）の開先角度が大きな、斜めに切り欠いたような開先を設けても、ビード部のミクロ割れ発生防止効果が発揮されない。すなわち、断面形状が矩形（略断面矩形）という特殊な切り欠きを設けた段付き開先形状とするとともに、この段乃至前記矩形断面（矩形形状の断面）が、本発明で規定する特定の形状や条件を満足する開先でないと、前記効率的な異材レーザ溶接では、前記した内部応力の低減効果あるいはビード部のミクロ割れ発生の防止効果が実質的に発揮されない点が非常にユニークである。

更に、この開先形状を、例え形だけは、アルミニウム合金材の厚さ方向の上側が断面矩形に切り欠かれた段を有するものにしても、本発明で規定する前記形状の諸条件から外れた場合には、後述する実施例の通り、ビード部のミクロ割れ発生防止の効果も小さいし、異材溶接継手の高い接合強度が得られない。

これは、前記した通り、本発明が対象とする、特定厚さのアルミニウム合金材と鋼材との異材接合においては、特に効率の良い施工条件でレーザ溶接する場合に、単にビード部のミクロ割れを防止するだけでは、異材溶接継手の高い接合強度が得られないからである。すなわち、このような条件下のレーザ溶接で、異材溶接継手の高い接合強度を得るためには、ビード部のミクロ割れを防止することに加えて、前記した異材溶接の共通の課題である、接合界面での鋼とアルミの反応層を抑制するとともに、アルミの溶け込みを確保することによって良好なビード概観を得ることが必要である。言い換えると、このような効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、異材溶接継手の高い接合強度を得るためには、互いに両立させることが難しい、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層（界面反応層）の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させて、高い接合強度を得る必要性がある。

このように、本発明によれば、汎用される厚さのアルミニウム合金材を、効率の良い施工条件で、鋼材とレーザ溶接しても、ビード部のミクロ割れが防止でき、高い接合強度を有する異材溶接継手が得られる異材接合方法を提供できる。

本発明における開先形状の態様を示す継手の断面図である。 図１に規定する各形状要件を追加した説明図である。 本発明のレーザ溶接による異材接合方法を示す斜視図である。 図３の継手接合部の断面図である。 実施例表１の各例の開先形状を模式的に示す継手の断面図である。

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。

先ず、図１、２を用いて、本発明における開先形状を説明する。図１のように、異材接合の前提として、アルミニウム合金材２を上側として、アルミニウム合金材の端部２aを鋼材１の上に重ね合わせた、重ね継手を形成する。

鋼材とアルミニウム合金材との位置関係：
ここで、レーザ溶接として、前記フラックス入りワイヤを活用したレーザブレージング法（ＦＣＷ溶接法）などを用いた重ねすみ肉溶接などを行う場合には、図１のように、通常は上側から下向きにレーザを照射する溶接施工方向に対して、アルミニウム合金材２（の端部）を上側とし、鋼材１（の端部）を下側として、互いに重ね合わせて溶接する。継手における、このような互いの位置関係は、鋼材１とアルミニウム合金材２との両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料による良好なビードを形成し、高い接合強度の異材接合体（継手）を得るためである。

この位置関係が逆となって、前記溶接施工方向に対して、鋼材１（の端部）を上側とし、アルミニウム合金材２（の端部）を下側として、互いに重ね合わせて溶接する場合には、高い接合強度が得られなくなる。このような位置関係の場合には、特に鋼材１側の溶接面の方に、アルミニウム溶接材料によるビードが形成しにくくなるからである。これは、前記特許文献５などにも記載する通り、溶接施工方向に対して、アルミニウム合金材２が下側になると、上側である鋼材１の溶接面に、アルミニウム溶湯が広がりにくくなることが原因である。この場合、同時に鋼材表面へのフラックスの供給も不十分となり、アルミ溶湯と鋼との濡れ性改善効果が小さく、結果として良好な接合ができなくなる。

鋼材：
鋼材１は、その表面に、前記した従来技術のように、亜鉛系やアルミニウム系の被覆層がめっきなどで被覆されていても良いし、裸であってもよい。また、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。鋼材１としては、軟鋼、高張力鋼（ハイテン）、ステンレス鋼の冷延鋼板など、種々の鋼板あるいは形鋼を適用することができ、前記した通り、これらの素材だけでなく、これらの素材を所定形状に成形加工した、車体用部材、部品が含まれる。自動車などの車体軽量化のための薄肉化の観点からは、好ましくは、Ｓｉ、Ｍｎなどを含む引張強度が４５０ＭＰａ以上の高張力鋼板（ハイテン）などの、高張力鋼材を適用することが好ましい。

自動車部材などを想定すると、実用的には冷延鋼板などの（溶接される部分の）鋼材の厚さｔは０．３〜３．０ｍｍから選択される。鋼板の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての必要な強度や剛性を確保できず不適正である。一方、鋼板の厚さが厚すぎる場合、溶接接合自体が難しくなる。

アルミニウム合金材：
アルミニウム合金材２としては、強度や成形、あるいは耐食性など、適用する車体構造の要求特性に応じて、ＪＩＳあるいはＡＡ規格で規定される、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系などのアルミニウム合金が使用できる。ただ、自動車などの車体軽量化のための薄肉化の観点からは、高強度で成形性にも優れたアルミニウム合金が好ましく、組成におけるＳｉ／Ｍｇ が1 以上の、Ｍｇ含有量に対しＳｉが過剰に含有されている、６Ｎ０１、６０１６、６１１１、６０２２などの、Ｓｉ過剰型の６０００系アルミニウム合金が好ましい。これらの６０００系アルミニウム合金は、溶接後の継手の１６０〜１８０ ℃のごく低温で、１０〜５０分程度のごく短時間の人工時効処理によって、溶接熱影響によって一旦低下した溶接継手としての強度や伸びが回復できる特徴も有する。

これらアルミニウム合金材は、冷間圧延や熱間押出後に、溶体化処理および焼き入れ処理 (質別記号T4) やその後の時効処理 (質別記号T6) 、過時効処理 (質別記号T7) されて、溶接母材として用いられる。 ちなみに、アルミニウム合金材２の形状としては、全体が板状である冷延板に限らず、鋼材との互いの重ね部において、板状になっていればよく、種々の形状の押出形材も適用することができる。また、これらアルミニウム合金材は、前記した通り、これらの素材だけでなく、これらの素材を所定形状に成形加工した、車体用部材、部品が含まれる。

但し、アルミニウム合金材の厚さは、自動車などの車体構造に使用される多くのアルミニウム合金の板の板厚や形材の厚さとして、１〜３ｍｍの範囲とする。前記した通り、ミクロ割れの発生傾向は、特にアルミニウム合金材の厚さが１ｍｍ以上になると顕著になる。したがって、アルミニウム合金材の厚さが１ｍｍ未満では、ミクロ割れの発生傾向が小さくなって、本発明にかかる開先を敢えて設ける意義が失われる。一方、アルミニウム合金材の厚さが３ｍｍを超えた場合には、一般に用いられる３〜５ｋＷのレーザを用いた効率の良い溶接施工条件では、後述するようなアルミニウム合金材の溶融と鋼材の適切な加熱を両立させることが困難であり、十分な継手強度が得られない。

継手強度の向上機構：
ここで、本発明にかかる開先を設ける意義につき、前提となる継手強度の向上機構の点から先ず説明する。鋼−アルミの異材接合により、十分な強度を持った継手を得るためには、鋼とアルミの反応層（金属間化合物層）を薄く均一に分布させることが必要である。

鋼−アルミのレーザ溶接の場合、アルミと同時に鋼を溶融させると、脆い金属間化合物が多量に生成して、割れが発生したり、割れが発生しなかったとしても十分な接合強度が得られない。一方、溶融したアルミを冷えた鋼側に接触させるだけでは、ごく短時間に接触部の温度が低下してしまい、酸化膜除去と濡れ性改善のために用いるフラックスの効果を十分発揮できず、必要な反応層が得られず、十分な接合強度が得られない。そのため、必要な範囲で鋼材側の温度を上昇させる必要がある。

一方、アルミの溶融が不十分な場合、溶加材との接合不良（板厚全体にわたって接合できない）が発生する。したがって、溶接するアルミニウム合金材２の溶融と、鋼材１の温度を上昇させるが溶融はさせないという、双方に必要な条件を同時に満たさねばならない。このため、レーザ溶接の場合は、照射するレーザのスポット径を、レンズの種類、レンズの焦点距離や焦点の位置、レンズの配置などにより調整し、適切な条件で溶接を行う必要がある。これら光学系系統の制御により、レーザの照射面積を大きくし、アルミニウム合金材２の溶融と、鋼材１の適切な加熱（温度上昇）を両立させることができ、好適な（薄い）鋼とアルミの反応層（金属間化合物層）を得ることができる。

このとき、最も温度が高くなるのは未溶着部近傍のアルミニウム合金材２の溶融部であり、ここが最終凝固位置となり、熱収縮に加えて、アルミと鋼との互いの線膨張係数差によるひずみが発生する。さらに、この未溶着部はスリット形状であり、この形状による熱ひずみの集中が発生しやすい。この２つの要因が重畳することにより、未溶着部近傍にミクロ割れが発生する。すなわち、特に、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件の場合には、この２つの要因が重畳することにより、未溶着部近傍にミクロ割れが発生する。

これらのひずみを低減させる方法として、線膨張差によるひずみを低減する、すなわち、線膨張係数の差を小さくする方法が考えられるが、鋼とアルミの物性である線膨張係数を調整することは実質的には困難である。

そこで、最終凝固位置を未溶着部近傍からビード内部に変更することにより、形状によるひずみ集中を低減し、ビード部のミクロ割れ発生を防止する方法を、本発明者らは検討した。その結果、開先形状を工夫することにより、アルミの溶融状態を変化させ、最終凝固位置を未溶着部近傍から移動させ得る（離せる）ことを知見した。

このようなビード部のミクロ割れ発生機構に対して、本発明では、アルミニウム合金材端部に、この端部の溶接線に沿って、前記規定した特定形状の開先を設ける。これによって、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件となっても、未溶着部近傍の最終凝固位置を未溶着部近傍からビード内部に変更する（離す）ことにより、前記スリット形状による溶接部の拘束（力）を小さくする。そして、この形状による熱ひずみの集中を低減し、ビード凝固時に負荷される内部応力を小さくして、ビード部のミクロ割れ発生を防止する。

開先形状：
図１、２において示す符号６が、本発明の特徴である、アルミニウム合金材２の端部２aに設ける開先であり、以下、この開先形状の規定意義につき説明する。図１、２の態様では、後述する図３に示す通り、アルミニウム合金材２の端部２aに対応する溶接線４に沿って、前記アルミニウム合金材２の端部２aに亘って、この開先６を設ける（延在させる）。

この開先６の形状は、アルミニウム合金材２の厚さ（ｔ）方向の上半分（上側、上方側）が、断面が矩形形状である切り欠き（部分）７に切り欠かれ、下半分が元の中実な略断面矩形の下段部９を構成するものとし、水平な（水平方向あるいは開先６の幅方向に延在する）段（段差）８を有する「段付き形状」とする。この開先の上半分の切り欠き形状につき、略断面矩形としたのは、規定している開先の角度θに、アルミニウム合金材の法線からの角度で−５°〜１５°の範囲の幅があるためである。すなわち、この段８から立ち上がる側の、言い換えると、段８から立ち上がる切り欠き７の縦壁１０の、傾斜角度（開先の角度）が０°では断面矩形であるが、これ以外の開先角度では切り欠き７の断面形状が概ね矩形ではあっても、厳密には矩形とはならないからである。したがって、規定している開先の角度に沿って、切り欠き７の断面形状に、矩形断面からの幅を持たせるために「略」をつけて「略断面矩形」とした。

このような略断面矩形の開先は、形状自体がシンプルなため、アルミニウム合金の冷延板や押出形材の所定端部を切削あるいは成形などの加工することによって、簡便に製作できる。ただ、これらの加工工程を別の新たな工程とすると、工程の付加によって、開先の加工コストが増すので、これらのアルミニウム合金素材を、車体用部材、部品所定形状に成形する際のプレス成形によって行い、一連のプレス成形工程の中で、この成形に含めて開先加工を行うことによって、前記開先の加工コストが大きく低減できる。

前記した通り、ビード部のミクロ割れの発生の原因となる内部応力の低減のためには、後述する実施例の通り、通常のＶ字状などの斜めに切り欠いた開先を設けただけでは効果がなく、この開先形状を、本発明で規定するように、アルミニウム合金材の厚さ方向の上半分が略断面矩形に切り欠かれた段を、単に有するものにするだけでも効果が小さい。すなわち、段を有するとともに、この段が、本発明で規定する特定の形状や条件を満足する開先でないと、アルミニウム合金材の厚さ、レーザ出力、溶接速度が特定の範囲のレーザ溶接では、これら内部応力の低減効果が実質的に発揮されない。

このような開先の形状条件を、図２を用いて説明する。先ず、本発明では、開先６の上半分側が略断面矩形７に切り欠かれた段（段部、段差）８の高さ位置ｃ、すなわち、下段部９側の縦壁（立ち上がり部）１１のアルミニウム合金材２の底部（重ね部３）からの高さ乃至長さが、アルミニウム合金材２の厚さｔの４０〜６０％の範囲にあるものとする。

かつ、本発明では、この段８の開先６の幅方向の長さa、すなわち、図１、２の左右方向あるいはアルミニウム合金材２の法線１２の直角方向の下段部９の幅乃至長さが、アルミニウム合金材２の厚さｔの３０〜８０％の範囲にあるものとする。

更に、本発明では、開先６の角度、すなわち、段８から立ち上がる側である、切り欠き７の縦壁１０の傾斜角度が、アルミニウム合金材２の法線１２からの角度θで、直角に立ち上がる０°を含む、−５〜１５°の範囲と小さくする。すなわち、図１で示す、上側の切り欠き７の縦壁１０の、水平な段（段差）８からの上方へのあるいは下方への立ち上がり角度を、このθと平行な０°とする、いわば直角な立ち上がり角度を含むものとする。ちなみに、この角度θの許容範囲は、この上側の縦壁（立ち上がり部）１０だけでなく、本態様では、アルミニウム合金材２の法線１２からの角度θで０°としている、段８から下がり落ちる側である、下側の下段部９の縦壁（立ち上がり部）１１の、傾斜角度も、同様に、前記アルミニウム合金材の法線からの角度で−５°〜１５°の範囲に小さくする。

これによって、上方からの端部２aへのレーザの入射により、最初に溶融が始まるとともに最も温度が高くなる部分が、アルミニウム合金材２の下段部９の底部先端（２a）となり、ここが最終凝固位置となる。また、下側の段部を十分溶融させて鋼と接合されれば、未溶着部先端は溶融域の分だけ最終凝固位置から離れる。したがって、最終凝固位置と未溶着部先端の距離を、容易に板厚の１／２程度離すことができ、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となっても、未溶着部近傍の最終凝固位置を未溶着部近傍からビード内部に変更できる。このため、前記スリット形状による溶接部の拘束（力）を小さくでき、この形状による未溶着部先端への熱ひずみの集中を緩和できる。したがって、アルミニウム合金材端部２aへ形成されるビード凝固時に負荷される内部応力を小さくして、ビード部のミクロ割れ発生を防止できる。

一方、本発明で規定する形状の開先６は、上半分が断面が矩形形状である切り欠き７に切り欠かれ、下側の下段部９の体積が小さくなっている。したがって、レーザビームで溶解されるアルミニウム合金の部分（体積）が、下段部９のみの約半分と小さくなって溶けやすくなり、レーザビームで溶解されるアルミニウム合金材端部２aの上部が欠損することも無い。この結果、光学系系統を制御したレーザビームで、下段部９を含め、上側の切り欠き７の縦壁（立ち上がり部）１０まで、容易に溶融させることができ、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保でき、良好なビードを形成できる。また、鋼材１に対する過大な入熱も抑制されることとなり、フラックスの効果も発現でき、鋼とアルミの適切な反応層（界面反応層）を薄く得ることができる。

本発明ではこれらの相乗効果によって、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となった、効率の良い施工条件でレーザを用いた線溶接の異材接合であっても、良好なビード概観と高い接合強度を有する継手が得られる。すなわち、このような効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、異材溶接継手の高い接合強度を得るために、互いに両立させることが難しい、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層（界面反応層）の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させることができる。

したがって、この段８の高さ位置ｃが前記厚さｔの４０％未満では、図５にも示す実施例表１の比較例９の通り、段８の高さ位置ｃが低すぎる。また、開先が無い、実施例表１の比較例１のような従来技術と同じ状態となる。このため、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件では、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更されなくなり、ビード部のミクロ割れ発生を防止できなくなる。

一方、この段８の高さ位置が前記厚さｔの６０％を超えた場合には、図５にも示す表１の比較例１１の通り、段８の高さ位置ｃが高すぎる。また、開先が無い、実施例表１の比較例１の従来技術とも、やはり似たような状態となる。このため、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件では、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更されなくなり、ビード部のミクロ割れ発生を防止できなくなる。また、同時に、鋼材１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が弱くなって、鋼とアルミの反応層（界面反応層）が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できず、良好なビード概観が得られなくなる。このため、継手の接合強度も低下する。

また、開先６の上側が略断面矩形に切り欠かれた段８の幅方向の長さaが、アルミニウム合金材２の厚さｔの３０％未満では、図５にも示す表１の比較例６、あるいは段８が無い比較例２、３の通り、段８の幅aが小さすぎる。このため、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件では、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更されなくなり、ビード部のミクロ割れ発生を防止できなくなる。また、同時に、鋼材１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が
弱くなって、鋼とアルミの反応層（界面反応層）が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できず、良好なビード概観が得られなくなる。このため、継手の接合強度も低下する。

一方、この段８の幅方向の長さが前記厚さｔの８０％を超えた場合には、図５にも示す表１の比較例８の通り、段８の幅aが大きすぎる。この場合、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件であっても、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更され、ビード部のミクロ割れ発生は防止できる。しかし、その反面で、鋼材１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が弱くなって、鋼とアルミの反応層（界面反応層）が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できなくなり、良好なビード概観が得られなくなる。このため、異材溶接継手の接合強度も低下する。すなわち、効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層（界面反応層）の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させて、高い接合強度を得ることができない。

更に、この段８における、上側の切り欠き７の縦壁（立ち上がり部）１０と、下側の下段部９の縦壁（立ち上がり部）１１との、水平な段８からの上方へのあるいは下方への立ち上がり角度が、アルミニウム合金材２の法線１２からの角度θで−５〜１５°の範囲からはずれて大きくなった場合、通常のＶ字状の斜め開先と大差なくなる。このため、図５にも示す表１の比較例２、３のように、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件の場合には、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更されなくなり、ビード部のミクロ割れ発生を防止できなくなる。それとともに、鋼材１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が弱くなって、鋼とアルミの反応層（界面反応層）が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できなくなり、良好なビード概観が得られない。このため、継手の接合強度も低下する。

一方、上側の切り欠き７の縦壁（立ち上がり部）１０のみの前記角度θが−５〜１５°の範囲からはずれた場合、図５にも示す表１の比較例１２の通り、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での効率の良いレーザ施工条件であっても、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更され、ビード部のミクロ割れ発生は防止できる。しかし、反面、鋼材１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が弱くなって、鋼とアルミの反応層（界面反応層）が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できなくなり、良好なビード概観が得られない。このため、継手の接合強度も低下する。

レーザ溶接施工：
図３に本発明のレーザ溶接施工方法（レーザ溶接による異材接合方法）を、斜視図で示し、この図３の継手接合部の断面図を図４に示す。

これら図３、４で示すように、異材接合の前提として、アルミニウム合金材としてアルミニウム合金冷延板２を上側として、その端部２aを、鋼材として冷延鋼板１の端部１a上に重ね合わせた、重ね部３を有する継手を形成する。そして、アルミニウム合金板２をレーザ光の照射源側に配置して（レーザ光の照射を上側からとし）、アルミニウム合金板２の端部２aを溶接線４として、レーザ溶接にて線接合する。そして、接合部にビード５を形成した重ね隅肉継手を構成する。

重ね代：
この重ね部３の重ね代１は、溶接される部品の形状によって適宜設定されるが、一般には１０〜３０ｍｍが汎用される。重ね代が長すぎると、部品の性能確保とは別に、接合部の重量が大きくなり、結果として部品の重量が増加してしまう。一方、重ね代が小さくなりすぎると、熱容量が低下して接合部の鋼材が必要以上に加熱され、接合界面に厚い金属間化合物層が生成して十分な接合強度が得られない。

レーザ出力、溶接速度：
アルミニウム合金材２の端部２aを溶接線４として、全自動若しくは半自動のレーザ溶接にて線接合する。前記した通り、本発明におけるレーザ溶接施工条件は、前提として、一般に使用される効率の良い条件とする。このため、レーザ出力を３〜５ｋＷの範囲、溶接速度Ｖを０.６〜１.５ｍ／ｍｉｎの範囲で行う。レーザ出力がこの範囲から外れて小さすぎる、あるいは溶接速度Ｖがこの範囲から外れて大きすぎると、異材溶接継手の接合強度が低下する。一方、レーザ出力がこの範囲から外れて大きすぎる、あるいは溶接速度Ｖがこの範囲から外れて小さすぎると、溶接効率が犠牲となって、実用的ではなくなる。

レーザ光：
レーザの種類は、ＣＯ_２、ＹＡＧ、半導体、ファイバ−、固体レーザ等を適宜使用することができる。また、アルミニウム合金材の溶融や鋼板の板厚に応じて、アルミニウム合金材の溶融と鋼材の適切な加熱を両立できるよう、光学系系統の制御によりレーザ照射範囲を適正化して溶接を行う。

溶加材：
本発明では溶加材として、前記フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）を使用することが、前記したレーザ施工の効率化のためにも好ましい。この点で、従来から提案乃至使用されている、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合用の市販のＦＣＷを用いることが好ましい。このＦＣＷは元々溶融溶接の効率化のために開発されたもので、周知の通り、フラックスが、例えばＳｉを含有するＡ４０４７やＡ４０４３などの規格アルミニウム合金製の管状の外皮（フープとも言う）に心材として充填されている。

このフラックスコアードワイヤの線径は、高効率の全自動溶接若しくは半自動溶接として汎用されている０．８〜１．６ｍｍφ程度の細径であれば良い。また、フラックスの組成は、鋼材とアルミニウム合金材との異材同士を接合するための、前記特許文献５、６などでの提案されている、通称「ノコロック」と称せられる、フッ素化合物系の組成からなるフラックスを充填した、市販のフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）が適用できる。このフラックスは、これも周知の通り、前記フッ素化合物に加えて、酸化物（酸化アルミニウム等）やアルミニウム合金粉末を適宜混合したものである。

以下に本発明の実施例を記載する。

端部の開先条件が種々異なるアルミニウム合金板の端部を鋼板端部上に重ねてレーザ溶接し、異材溶接接合継手を作成して、ビード部のミクロ割れ、ビード概観、継手の引張せん断強度（接合強度）を各々評価した。これらの結果を表１に示す。

具体的に、溶接施工条件は、各例とも同じとして、前記図３、４のように行った。すなわち、厚さｔが２〜３ｍｍの６０００系（６０２２）アルミニウム合金冷延板２の端部２２aを、５９０ＭＰa級ハイテンである冷延鋼板１の端部１a上に、重ね部３の重ね代ｌを２０ｍｍとした重ね継手を形成した。そして、アルミニウム合金冷延板の端部２aを溶接線４として、この上側から、ＹＡＧレーザ溶接にて、レーザ出力４ｋＷ、溶接速度Ｖ０.８ｍ／ｍｉｎの条件で、溶接線４の長さ（ビードの長さ）は２００ｍｍとして行った。ここで、下段部９の縦壁１１の傾斜角度は、各例とも共通して、前記アルミニウム合金材の法線１２からの角度で同じ０°（直角）としている。

また、溶加材として、前記市販の「ノコロック」と称せられる、前記フッ素化合物系の組成からなるフラックスを充填した、市販のＦＣＷを用いた。

ビード部のミクロ割れ：
図４におけるビード５の、長さＬ方向に適宜間隔をあけた３箇所の断面を目視観察して、ミクロ割れを判別し、合格である割れが無いものを○、２箇所に割れがあるものや３箇所とも割れがあるものなどの不合格を×として評価した。

ビードの概観：
ビード５の概観は、合格（◎）は、図４のように、ビード５が鋼板１の溶接面とアルミニウム合金板２の溶接面との両方に亙って、連続して良好に形成されている状態とした。そして、これとの比較で、特に鋼材１の溶接面側のビードの大きさによって、この大きさが小さい順に、○、△、×の順で評価した。因みに「×」はビード５が鋼板１の溶接面側に殆ど無いか、あっても極小の場合とした。

継手の引張せん断強度（引張破断強度）：
レーザ溶接した異材重ね隅肉継手について、ＪＩＳ Ｚ２２０１ ５号試験片に加工した後、引張試験を行い、引張破断強度を測定した。この結果得られた、各引張破断強度の、本例と同じ溶接条件で製作した、Ａ６０２２アルミニウム合金板同士のレーザ溶接重ね隅肉継手の引張破断強度に対する割合で評価した。この６０２２アルミニウム合金板同士のレーザ溶接継手の単位溶接線当たりの引張破断強度は２００Ｎ／ｍｍであり、レーザ溶接した異材重ね隅肉継手の破断強度が、この２００Ｎ／ｍｍ以上であれば○、２００Ｎ／ｍｍ未満であれば△、１５０Ｎ／ｍｍ未満であれば×とした。ここで、溶接継手の単位溶接線当たりの引張破断強度は、分母は長さになるので、単位面積当たりの荷重ＭＰａは使わず、単位をＮ／ｍｍ（破断荷重／溶接線長さ）とした。この引張破断強度が２００Ｎ／ｍｍ以上なければ、自動車などの構造材用の異材接合体としては使用できない。

表１から明らかな通り、発明例４、５、７、１０の異材接合継手は、アルミニウム合金板２の鋼板１とのレーザ溶接した異材重ね隅肉継手について、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となった、効率の良い施工条件でレーザを用いた線溶接の異材接合において、前記図１、２のようにアルミニウム合金板端部２aに開先６を設けている。そして、この開先６の形状を、アルミニウム合金板２の厚さ方向の上側が略断面矩形７に切り欠かれた段８を有するものとし、この段８の高さ位置ｃが前記アルミニウム合金材の厚さｔの４０〜６０％の範囲にあるとともに、この段８の開先幅方向の長さaが前記アルミニウム合金材２の厚さｔの３０〜８０％の範囲であり、かつ、この段８から立ち上がる縦壁１０の傾斜角度（立ち上がり角度）が前記アルミニウム合金材の法線１２からの角度で−５〜１５°の範囲としている。

この結果、表１から明らかな通り、発明例４、５、７、１０の異材接合継手は、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となった、効率の良い施工条件でレーザを用いた線溶接の異材接合であっても、良好なビード概観と高い接合強度を有する継手が得られている。すなわち、このような効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、異材溶接継手の高い接合強度を得るために、互いに両立させることが難しい、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層（界面反応層）の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させることができている。

一方、表１の比較例１、２、３、６、８、９、１１、１２は、図５にも示す通り、開先形状が本発明の条件から外れている。このため、総じて、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となった、効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させて、高い接合強度を得ることができていない。

具体的に、この段８の高さ位置ｃが前記厚さｔの３０％未満の比較例９は、段８の高さ位置ｃが低すぎる。このため、開先が無い従来技術である比較例１と同じく、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上での前記効率の良いレーザ施工条件では、未溶着部近傍の最終凝固位置が、未溶着部近傍からビード内部への変更されなくなり、ビード部のミクロ割れ発生を防止できていない。

また、この段８の高さ位置が前記厚さｔの６０％を超えた比較例１１は、段８の高さ位置ｃが高すぎる。このため、開先が無い従来技術であると同じく、前記効率の良いレーザ施工条件では、ビード部のミクロ割れ発生を防止できていない。また、同時に、鋼板１に対する過大な入熱が抑制されず、フラックスの効果が弱くなって、鋼とアルミの反応層が厚くなり、また、厚さ全体にわたるアルミの溶け込みを確保できず、良好なビード概観が得られていない。このため、継手の接合強度も低下している。

また、開先６の上側が略断面矩形に切り欠かれた段８の幅方向の長さaが、アルミニウム合金材２の厚さｔの４０％未満の比較例６は、段８の幅aが小さすぎる。このため、前記効率の良いレーザ施工条件では、ビード部のミクロ割れ発生を防止できていない。また、同時に良好なビード概観が得られていない。このため、継手の接合強度も低下している。

また、この段８の幅方向の長さが前記厚さｔの８０％を超えた比較例８は、段８の幅aが大きすぎる。この場合、前記効率の良いレーザ施工条件であっても、ビード部のミクロ割れ発生は防止できている。しかし、その反面で良好なビード概観が得られていない。このため、異材溶接継手の接合強度も低下している。

更に、段８が無く（段８の長さaが０ｍｍで）、上側の切り欠き７の縦壁（立ち上がり部）１０と、下側の下段部９の縦壁（立ち上がり部）１１の立ち上がり角度が、アルミニウム合金材２の法線１２からの角度θで−５〜１５°の範囲からはずれて大きくなった、比較例２、３は、前記効率の良いレーザ施工条件の場合には、ビード部のミクロ割れ発生を防止できておらず、良好なビード概観も得られていない。このため、継手の接合強度も低下している。

一方、上側の切り欠き７の縦壁（立ち上がり部）１０のみの前記角度θが−５〜１５°の範囲からはずれた比較例１２は、前記効率の良いレーザ施工条件であっても、ビード部のミクロ割れ発生は防止できる。しかし、その反面、良好なビード概観が得られない。このため、継手の接合強度も低下している。

したがって、これら実施例の結果から、本発明で規定する各要件の意義が裏付けられる。

本発明によれば、アルミニウム合金材の厚さｔが１ｍｍ以上となった、効率の良い施工条件下のレーザ溶接で、ビード部のミクロ割れ防止と、界面での鋼とアルミの反応層の抑制やアルミの溶け込みの確保などを両立させて、高い接合強度の異材接合継手を得ることができる。このため、本発明の異材接合方法は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種、異材構造部材の溶接方法として有用に適用できる。

Claims (1)

1. 厚さ１〜３ｍｍのアルミニウム合金材を重ね代を１０〜３０ｍｍとして鋼材上に重ねた継手を形成し、前記アルミニウム合金材の端部を溶接線とし、レーザ光の照射を前記アルミニウム合金材の上側からとして、フラックスコアードワイヤを使用しつつ、レーザ溶接にて線接合する異材接合方法において、レーザ溶接を、レーザ出力３〜５ｋＷ、溶接速度０.６〜１.５ｍ／ｍｉｎの条件で行うとともに、前記アルミニウム合金材の端部に亘って前記溶接線に沿った開先を設け、この開先を前記アルミニウム合金材の厚さ方向の上半分が略断面矩形に切り欠いた段付き形状とし、この段の前記アルミニウム合金材の厚さ方向の高さ位置が前記アルミニウム合金材の厚さの４０〜６０％の範囲にあるとともに、この段の開先幅方向の長さが前記アルミニウム合金材の厚さの３０〜８０％の範囲であり、かつ、この段から立ち上がる側の開先の角度を前記アルミニウム合金材の法線からの角度で−５°〜１５°の範囲に小さくすることを特徴とする異材接合方法。

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