JP6377048B2 - 異種金属接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のピラーやレインフォースに用いられる異種金属接合体の製造方法に関する。

自動車等の構造体は、強度やコストの面から鋼材が多く用いられる。そこで、構造体の軽量化を図るために、鋼材の一部をアルミニウム合金材に置き換えることが検討されている。アルミニウム合金材と鋼材を溶接する場合、溶融金属部と被接合体である鋼材の界面において脆いＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が発生する。この金属間化合物は、接合強度の低下を生じさせるため、その厚みをできるだけ小さくすることが望まれている。

ところで、アルミニウム合金材と鋼材との溶接継手の形態としては、重ね継手、フレア継手等がある。中でも、両部材を突き合わせて配置し、その突き合わせ面同士を接合する突き合わせ接合は、接合部の面積が他の継手よりも小さくなるため接合が難しい。

そこで、アルミニウム合金材と鋼材とを突き合わせ接合する方法として、例えば特許文献１に開示される高エネルギビームを用いた突き合わせ接合方法がある。この方法においては、鋼材とアルミニウム合金材との突き合わせ継手を形成し、鋼材にレーザビームを照射する。そして、鋼材を溶融させないように、鋼材からの熱伝導によってアルミニウム合金材を溶融して突き合わせ接合部を形成する。また、特許文献２に開示される突き合わせ溶接方法は、鋼材とアルミニウム合金材を夫々締め付けバーで固定し、鋼材にレーザビームを照射して突き合わせ継手を形成する。

特開２００５−２７９７４４号公報 特開平８−２８１４５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、レーザビームの照射位置の方向を連続的に制御することで金属間化合物の発生を低減するものであるが、入熱量のコントロールのみで金属間化合物の制御をすることは非常に困難である。また、金属間化合物の生成自体は避けられないため、継手強度が不安定になりやすいという問題がある。
一方、特許文献２に記載の方法は、アルミニウム合金材と鋼材とを突き合わせて、アルミが溶融する温度付近で加熱し、突き合わせ方向に鍛造圧力をかけて押さえつけて接合面の酸化物や金属間化合物を排除する。しかし、板材をバー状の締め付け部材で、板幅方向の全長に亘って均一に加圧力を加えることが難しく、板幅方向において金属間化合物の排出がうまくできない箇所が生じ得るという問題がある。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、突き合わせ部の溶融金属を効率よく、且つ均一に排出して金属間化合物の発生が少ない良好な異材金属の突き合わせ継手を形成することができる異種金属接合体の製造方法を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
（１） アルミニウム合金板の一端と鋼板の一端とを接合して第１接合部を形成する工程と、前記アルミニウム合金板と前記鋼板との接合体を、少なくとも一対のスクイズロールにより管状に成形しながら前記アルミニウム合金板の他端と、前記鋼板の他端とを管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせる工程と、前記接合体の突き合わせ部を通電加熱しながら加圧して、前記アルミニウム合金板の溶融部と、前記鋼板の溶融部とを突合せ部の板厚方向外側に流動させて前記突き合わせ部において第２接合部を形成する工程と、前記第２接合部からはみ出したバリを除去する工程と、を含むことを特徴とする異種金属接合体の製造方法。
（２） 前記第２接合部の形成後に、前記第１接合部の接合を外して管状の前記接合体を平板状にすることを特徴とする（１）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（３） 前記通電加熱は、前記アルミニウム合金板の他端と前記鋼板の他端に、それぞれ電気接点を設けて通電することで加熱することを特徴とする（１）又は（２）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（４） 前記通電加熱は、環状の加熱コイルの内径部に管状の前記接合体を挿通させた状態で誘導加熱することを特徴とする（１）又は（２）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（５） 前記第１接合部は、前記アルミニウム合金板と前記鋼板とが導電性材料を介して接合されていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の異種金属接合体の製造方法。
（６） 前記導電性材料は、溶接、ろう付けのいずれかにより形成されることを特徴とする（５）に記載の異種金属接合体の製造方法。

本発明によれば、突き合わせ部の溶融金属を効率よく、且つ均一に排出して金属間化合物の発生が少ない良好な異材金属の突き合わせ継手を形成することができる。

本発明の実施形態を説明するための図で、異種金属接合体の概略的な平面図である。 第１接合部を形成した後の異種金属による接合体の斜視図である。 図２の第１接合部の断面図である。 高周波電流を流して溶接し第２接合部を形成するための直接通電法による溶接装置を示す斜視図である。 高周波電流を流して溶接し第２接合部を形成するための誘導加熱法による溶接装置を示す斜視図である。 第２接合部の形成途中における接合体の斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は第２接合部の状態を経時的に示す説明図である。 第２接合部の加熱加圧位置を説明する模式図である。 第１接合部の接合を外した状態を示す模式図である。 平板状に展開された異種金属接合体の斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態を説明するための図で、異種金属接合体の概略的な平面図である。
本構成の異種金属接合体１００は、例えばアルミニウム合金板１１と鋼板１３との異種金属を接合して突き合わせ継手を形成するものである。

＜アルミニウム合金板＞
アルミニウム合金板１１は、ＪＩＳ規格の５０８２等の５０００系合金、６０２２、６０１１等の６００系合金、３１０４等の３０００系合金、７０００系合金、２０００系合金等を適宜用いることができる。アルミニウム合金板１１は、１枚の板に限らず、複数の種類のアルミニウム合金を積層したクラッド材であってもよい。

＜鋼板＞
鋼板１３は、裸鋼板の他、ＧＡ鋼板（合金化溶融亜鉛めっき鋼板）やＧＩ鋼板（溶融亜鉛メッキ鋼板）といった亜鉛めっき鋼板、アルミめっき鋼板等を用いることができる。鋼板１３の母材には、普通鋼の他、高張力鋼も用いることができる。

上記の異種金属接合体１００は、下記（１）〜（４）の各工程を含む異種金属接合体の製造方法により得られる。
（１）アルミニウム合金板１１の一端と鋼板１３の一端とを接合して第１接合部を形成する工程
（２）アルミニウム合金板１１と鋼板１３との接合体を、少なくとも一対のスクイズロールにより管状に成形しながらアルミニウム合金板１１の他端と、鋼板１３の他端とを管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせる工程
（３）接合体の突き合わせ部を通電加熱しながら加圧して、前記アルミニウム合金板の溶融部と、前記鋼板の溶融部とを突合せ部の板厚方向外側に流動させて前記突き合わせ部において第２接合部を形成する工程
（４）第２接合部からはみ出したバリを除去する工程
以下、各工程を詳細に説明する。

＜第１接合部形成工程＞
図２は第１接合部を形成した後の異種金属による接合体の斜視図である。
第１接合部形成工程は、アルミニウム合金板１１の一端１７と鋼板１３の一端１９とを接合して第１接合部２１を形成する。第１接合部２１は、後に、アルミニウム合金板１１と鋼板１３との異種材を、管状に変形可能な強度で形成されていればよい。第１接合部２１は好ましくは、アルミニウム合金板１１と鋼板１３とで「重ね継手」を形成し、導電性材料で接合することが好ましい。

第１接合部２１の接合方法としては、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接等の各種溶融溶接法、ブレージング、はんだ付け等が挙げられる。溶接の場合は、溶加材を供給しながら行うのが好ましい。この溶加材は、４０００系アルミニウム溶加材であるＪＩＳ４０４３や４０４７、Ｚｎ-Ａｌ系の溶加材等を用いることができる。Ｓｉが２〜４質量％で残部が実質的にアルミニウム合金からなる皮材のＦＣＷ（フラックスコアードワイヤ）を用いることが更に好ましい。更に、上記の溶加材に代えて、はんだを用いることもできる。

図３は図２の第１接合部の断面図である。
第１接合部２１は、上記のようにアルミニウム合金板１１と鋼板１３とが導電性材料２３を介して接合される。導電性材料２３は、上記の各種溶接法、はんだ等を用いたろう付けのいずれかにより形成される。アルミニウム合金板１１と鋼板１３とは、導電性材料２３により第１接合部２１で接合された接合体２５（図２参照）となる。

このように、第１接合部２１の接合を導電性材料２３により行うことによって、詳細を後述する高周波電流の通電を誘導電流により行うことができる。

導電性材料２３を溶接により形成する場合、他部材（ろう材等）を用いずに高速な接合が可能となる。一方、導電性材料２３をろう付けにより形成する場合、母材（特に低融点側のアルミニウム合金板１１）を溶融させずに接合が可能となる。

＜突き合わせ工程＞
図４は高周波電流を流して溶接し第２接合部を形成するための直接通電法による溶接装置を示す斜視図である。図５は高周波電流を流して溶接し第２接合部を形成するための誘導加熱法による溶接装置を示す斜視図である。通電加熱は、直接通電法と誘導加熱法とのいずれであってもよい。

突き合わせ工程では、図４に示すように、アルミニウム合金板１１と鋼板１３との接合体２５を、少なくとも一対のスクイズロール２９により管状に成形しながらアルミニウム合金板１１の他端３１と、鋼板１３の他端３３とを、Ｖエッジを形成しながら管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせる。

つまり、アルミニウム合金板１１と鋼板１３とを逆クラウン形状のスクイズロール２９で丸めて行き、両方の板の端部同士が同一の接線上に位置するまで変形させる。更に、両方の板の端部同士は、溶接位置において突き合わせ方向にアプセットさせる。アプセット量は、突き合わせされる板厚によっても異なるが、２〜８ｍｍ程度とすることが好ましい。

＜第２接合部形成工程＞
第２接合部形成工程では、接合体２５の突き合わせ部１５（図６、図７参照）を通電加熱しながら加圧する。これにより、突き合わせ部１５のアルミ溶融部４１と鋼溶融部４３を流動させて第２接合部２７を形成する。

直接通電法による通電加熱は、アルミニウム合金板１１の一端１７と鋼板１３の一端１９とに、図４に示す高周波電源Ｐｈｆに接続される一対の電気接点３５，３５（コンタクトチップ）を当てて通電することで加熱する。電気接点３５，３５間に高周波電流を流すと、突き合わせ部１５のエッジに沿うように通電電流（図４の破線矢印参照）が流れる。この通電電流によるジュール熱で突き合わせ部１５のエッジから溶融が始まる。

一対の電気接点３５を用いる直接通電加熱は、誘電加熱法と比較して加熱効率が高く、比較的小容量の電源で大径管の溶接が可能となる。このようにして形成された第２接合部２７は、アルミニウム合金板１１と鋼板１３とで突き合わせ継手を形成する。

また、誘電加熱法による通電加熱は、図５に示す高周波電源Ｐｈｆに接続される環状の加熱コイル３７の内径部に管状の接合体２５を挿通させた状態で行う。

誘電加熱法による通電加熱では、管体に非接触で溶接できるため、突き合わせ部１５に多少の凹凸があっても溶接欠陥が生じにくい。この誘電加熱法は、特に小径、薄肉寸法の管を高速溶接することができる。

図６は第２接合部の形成途中における接合体の斜視図である。
第１接合部２１によって一体となった帯状の接合体２５は、スクイズロール２９によって筒状に丸められる。その際、第１接合部２１は、導電性材料２３を介してアルミニウム合金板１１と鋼板１３とが接合されたまま維持される。つまり、第１接合部２１は、この第２接合部２７の成形中に接合が外れない程度の接合強度を有していればよい。

図７は第２接合部の状態を経時的に示す説明図、図８は第２接合部の加熱加圧位置を説明する模式図である。
本構成例の異種金属接合体１００の製造に際しては、第１接合部２１を形成する工程により、アルミニウム合金板１１と鋼板１３とが、長手方向に沿う第１接合部２１で接合された帯板状の接合体２５となる。この接合体２５は、スクイズロール２９により他端同士が接近する方向に湾曲して折り曲げられる。その結果、接合体２５は、徐々に管状に成形され、他端同士が管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせられて行く。

この端部同士の突き合わせ部１５は、通電加熱しながら加圧される。したがって、図８に示すように、接合体２５の溶融している箇所（溶融開始ポイントＭ）とスクイズロール２９による圧力が負荷される場所（加圧ポイントＰ）とは、一定の相対位置に維持される。この溶融開始ポイントＭと加圧ポイントＰとは、一定の相対位置に維持されたまま、第２接合部２７の加工が連続的に進められる。

なお、一定の相対位置とは、溶融開始ポイントＭと加圧ポイントＰとが、距離ｄで離れる位置関係（ｄ≠０）であってもよく、溶融開始ポイントＭと加圧ポイントＰとが一致する位置関係（ｄ＝０）であってもよい。但し、いずれの場合であっても、距離ｄは一定である。距離ｄの間では、溶融金属部（溶融ゾーン）が形成され、加圧ポイントＰの地点のみで加圧される。そのため、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３とが均一な圧力で加圧され、第２接合部２７が長手方向に沿って均一な接合となる。

図７（ａ）に示すように、突き合わせ部１５では、溶融開始ポイントＭにおいて、アルミニウム合金板１１の他端３１と鋼板１３の他端３３との間で放電が生じ、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３とが生じる。これらアルミニウム合金板１１と鋼板１３とは、相互に接近されて行く。なお、この場合の溶融開始ポイントＭは、加圧ポイントＰよりも上流側（図８の下側）に位置することが好ましい。

図７（ｂ）に示すように、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３が接触したアルミニウム合金板１１と鋼板１３は、図８に示す加圧ポイントＰにおいて、加圧力Ｆ１により相互に加圧される。

図７（ｃ）に示すように、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３は、加圧力Ｆ１により相互に接近する方向に加圧されることで、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３とが板厚方向外側へ押し出される。

図７（ｄ）に示すように、アルミ溶融部４１と鋼溶融部４３が押し出される。金属間化合物はアルミ溶融部４１と鋼溶融部４３が冷却される途中で形成されるが、加圧力Ｆ１により加圧して溶融部がバリ４５となって押し出されることで、アルミ板と鋼板の固体の部分が接触する。この接触部分は溶融部に隣接するため、ある程度温度が高いものの、厚い金属間化合物を形成する程温度は高くない。従って、アルミニウム合金板１１と鋼板１３との界面は、殆ど金属間化合物が生じていないか、接合強度を阻害しない程度に薄い厚みの金属間化合物が形成された状態となり、いわゆる界面接合の状態となる。

＜バリ除去工程＞
バリ除去工程では、上記までの工程で作られた電縫管の第２接合部２７からはみ出したバリ４５を除去する。スクイズロール２９の加圧により、電縫管の接合部は、管内及び管外に向かって溶接部のビード（図示略）が突出する。突き合わせ部１５に形成される金属間化合物は、この突出するビードとともに管内及び管外に排出される。この排出部分を、不図示のバイトや、砥石、ワイヤーブラシ等のツールにより除去する。

図９は第１接合部の接合を外した状態を示す模式図、図１０は平板状に展開された異種金属接合体の斜視図である。
図９に示すように、第２接合部２７の形成後、第１接合部２１の接合を外して、管状の接合体２５を平板状にする。すなわち、第２接合部２７の接合が完了した後、管状の接合体２５は、第１接合部２１での接合が、バイト４７等のツール切削により外され、管状から板状に展開される。

これにより、図１０に示すように、小さな接合面積で高強度に一体化された平板状の異種金属接合体１００が得られる。この異種金属接合体１００は、アルミニウム合金板１１と鋼板１３のシート材（切り板）を用いることに限らず、コイル材を用いることもできる。コイル材である場合は、スクイズロール２９による連続加工を、生産性を高めて実施できる。

完成した異種金属接合体１００は、例えば、所望の形状にプレス打ち抜きされて、自動車のピラーやレインフォース等に使用される。また、平板状にせずに、管状のまま使用することも可能である。

このように、異種金属接合体の製造方法では、一定の相対位置にある溶融開始ポイントＭと加圧ポイントＰとが、順次に突き合わせ部１５を移動するため、第２接合部２７を均質に加工でき、高品質な異種金属接合体１００を得ることができる。

また、異種金属板同士を第１接合部２１で仮止めして接合体２５を形成し、その接合体２５を用いて電縫管を作製する。一定の相対位置の溶融開始ポイントＭと加圧ポイントＰとは、直線上の突き合わせ部１５を所定の一定速度で移動する。その結果、異種金属の端縁同士が管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせられ、溶融加圧する拡散溶接を実現させている。

したがって、異種金属板同士の間の金属間化合物を、効率よく、且つ均一に排出して良好な異材金属の突き合わせ継手を形成することができる。

また、上記の異種金属接合体の製造方法によって製造された異種金属接合体１００は、殆どの溶融した金属間化合物が、加圧されることにより突き合わせ部１５から除去される。ほぼ金属間化合物が除去された突き合わせ部１５の界面では、金属間化合物が存在しないか、或いは極薄い厚みの金属間化合物が存在する状態で接合される。したがって、異種金属により接合される第２接合部２７は、面積の小さい突き合わせ部１５でありながら、脆い金属間化合物の少ない高強度の接合部となる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） アルミニウム合金板の一端と鋼板の一端とを接合して第１接合部を形成する工程と、前記アルミニウム合金板と前記鋼板との接合体を、少なくとも一対のスクイズロールにより管状に成形しながら前記アルミニウム合金板の他端と、前記鋼板の他端とを管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせる工程と、前記接合体の突き合わせ部を通電加熱しながら加圧して、前記アルミニウム合金板の溶融部と、前記鋼板の溶融部とを突合せ部の板厚方向外側に流動させて前記突き合わせ部において第２接合部を形成する工程と、前記第２接合部からはみ出したバリを除去する工程と、を含むことを特徴とする異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、第１接合部を形成する工程により、アルミニウム合金板と鋼板とが、長手方向に沿う第１接合部で接合された帯板状の接合体となる。この接合体は、スクイズロールにより他端同士が接近する方向に順次に湾曲形状に曲げられて行く。その結果、接合体は、管状に成形されて行く際に、他端同士が管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせられて行く。この突き合わせ部は、通電加熱しながら加圧される。したがって、溶融している箇所（溶融ポイント）とスクイズロールによる圧力が負荷される場所（加圧ポイント）とは、一定の相対位置に維持される。これにより、アルミニウム合金板と鋼板が金属接合した良好な接合界面の突き合わせ溶接継手が得られる。
（２） 前記第２接合部の形成後に、前記第１接合部の接合を外して管状の前記接合体を平板状にすることを特徴とする（１）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、第２接合部の接合が完了した後、管状の接合体は、第１接合部での接合が外され、管状から板状に展開される。これにより、面積の小さい突き合わせ部が高強度で一体化した平板状の異種金属接合体が得られる。この異種金属接合体の製造方法は、アルミニウム合金板と鋼板のシート材（切り板）だけでなく、コイル材を用いることができるため生産性に優れる。
（３） 前記通電加熱は、前記アルミニウム合金板の他端と前記鋼板の他端に、それぞれ電気接点を設けて通電することで加熱することを特徴とする（１）又は（２）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、一対の電気接点がアルミニウム合金板の他端と鋼板の他端とに接触する直接通電法となる。直接通電法によって、誘電加熱法よりも効率が高く、比較的小容量の電源で大径管の溶接が可能となる。
（４） 前記通電加熱は、環状の加熱コイルの内径部に管状の前記接合体を挿通させた状態で誘導加熱することを特徴とする（１）又は（２）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、管に非接触で溶接できる誘電加熱法となるため、突き合わせ部に多少の凹凸があっても溶接欠陥が生じにくい。誘電加熱法によって、特に小径、薄肉寸法の管を高速溶接することが可能となる。
（５） 前記第１接合部は、前記アルミニウム合金板と前記鋼板とが導電性材料を介して接合されていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一つの異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、第１接合部の接合を導電性材料により行うことによって、高周波電流の通電を誘導電流により行うことができる。これにより、アルミニウム合金板及び鋼板の管形状に多少のばらつきがあっても第２接合部を良好に且つ高速で接合することができる。
（６） 前記導電性材料は、溶接、ろう付けのいずれかにより形成されることを特徴とする（５）の異種金属接合体の製造方法。
この異種金属接合体の製造方法によれば、導電性材料が溶接により形成される場合、他部材（ろう材等）を用いずに高速な接合が可能となる。導電性材料がろう付けにより形成される場合、母材（特に低融点側のアルミニウム合金板）を溶融させずに接合が可能となる。

１１ アルミニウム合金板
１３ 鋼板
１５ 突き合わせ部
１７ アルミニウム合金板の一端
１９ 鋼板の一端
２１ 第１接合部
２３ 導電性材料
２５ 接合体
２７ 第２接合部
２９ スクイズロール
３１ アルミニウム合金板の他端
３３ 鋼板の他端
３５ 電気接点
３７ 加熱コイル
４５ バリ
１００ 異種金属接合体

Claims (6)

1. アルミニウム合金板の一端と鋼板の一端とを接合して第１接合部を形成する工程と、
   前記アルミニウム合金板と前記鋼板との接合体を、少なくとも一対のスクイズロールにより管状に成形しながら前記アルミニウム合金板の他端と、前記鋼板の他端とを管軸方向に間隔を狭めながら突き合わせる工程と、
   前記接合体の突き合わせ部を通電加熱しながら加圧して、前記アルミニウム合金板の溶融部と、前記鋼板の溶融部とを突合せ部の板厚方向外側に流動させて前記突き合わせ部において第２接合部を形成する工程と、
   前記第２接合部からはみ出したバリを除去する工程と、
   を含むことを特徴とする異種金属接合体の製造方法。
2. 前記第２接合部の形成後に、前記第１接合部の接合を外して管状の前記接合体を平板状にすることを特徴とする請求項１に記載の異種金属接合体の製造方法。
3. 前記通電加熱は、前記アルミニウム合金板の他端と前記鋼板の他端に、それぞれ電気接点を設けて通電することで加熱することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の異種金属接合体の製造方法。
4. 前記通電加熱は、環状の加熱コイルの内径部に管状の前記接合体を挿通させた状態で誘導加熱することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の異種金属接合体の製造方法。
5. 前記第１接合部は、前記アルミニウム合金板と前記鋼板とが導電性材料を介して接合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の異種金属接合体の製造方法。
6. 前記導電性材料は、溶接、ろう付けのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の異種金属接合体の製造方法。

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