JP6442791B2 - 第１及び第２の金属ワークピースの表面の１つに対する溶接改質材の層の冷溶射を用いた、第１及び第２の金属ワークピースの溶接方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は、特に割れ傾向が低減された溶接部を作製するための溶接方法に関する。本発明は、パワービーム等を含む各種溶接技術を用いて、対応するプリフォームと共に、アルミニウム合金等の割れやすい合金を溶接する方法と、これらを自動車又は他の組立体において組み込む方法と、を含む。

［背景技術］
凝固する溶接金属の間の空間を液体金属で埋められないため、各種金属合金の溶接時に凝固割れが起こる。これは、溶融池での歪みが高くなりすぎること（収縮応力に耐えるには不十分な溶接部の強度）、並びに／又は、凝固する溶接金属の間の空間を十分な液体若しくは液体金属が通過できないことによるものであり得る。従って、これらの空間が収縮歪みによって開く。速い溶接速度（ｔｒａｖｅｌ ｓｐｅｅｄｓ）でなされた溶接部において、比較的長い涙滴状の溶融池が形成される。特に凝固温度範囲（ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｎｇｅｓ）が広い複数の相を含有する合金においては、冷却凝固する溶融池の末端部（ｔａｉｌ）は、熱い液状の前端部（ｌｉｑｕｉｄ ｆｒｏｎｔ）から送り出すことが困難になる。溶接割れを図１に示す。ここにおいて、板１０１の形状の第１ワークピース（加工対象物）は、板１０２の形状の第２ワークピースに重ね合わせられている。溶接部１０３は、ワークピース１０１，１０２を接合するために使用されている。しかしながら、溶接領域において明らかな割れ１０４が見られる。

実際の例をとると、「６ｘｘｘ」シリーズのアルミニウム合金が当該技術分野において周知であり、一般的には、マグネシウムとシリコンとを含むアルミニウム合金である。これらの合金は、その有利な熱処理及び機械加工特性により他の用途にも使用され、これらの特性によって、比較的強く魅力的な表面仕上げのパネルの形成が可能である。割れ感受性は、６ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金のパワービーム溶接における周知の課題である。割れを防ぐために、溶接金属組成物は、しばしば、４ｘｘｘシリーズの充填材をワイヤ又は箔の形状で添加することによって改質される。しかしながら、複雑な組立体を溶接するとき、限られたアクセスのために従来の充填材は導入し難く、又は、パワービームプロセスでは工程ライン上（ｏｎ‐ｌｉｎｅ）で充填材、箔、又はシム（ｓｈｉｍ）を導入する必要があるために可能な高速プロセス速度が限られており、結果として、プロセスが商業的に魅力のないものになる。６ｘｘｘ合金を大規模に４ｘｘｘへ置き換えることは便利ではなく、４ｘｘｘ等のＡｌ‐Ｓｉ合金は、高い耐摩耗性、低い熱膨張係数、良好な耐腐食性、及び広い温度範囲における改善された機械特性を有する周知の鋳造合金である一方、それらの機械加工性及び他の特性は、特に良好なものではない。

アルミニウム合金６０１６，６０６１，及び６０８２は、適切な充填材の添加無しでは溶接時に割れ易い材料の代表例である。ワイヤ若しくは箔として溶接部に導入される、アルミニウム合金４０７０又は他のアルミニウム−シリコン合金を使用することにより、その高いシリコン含有量のために、これらの合金における凝固割れを防止することが可能である。

アルミニウム合金の種類を表すためにここにおいて使用される用語は、当業者によって認識されるように、国際合金分類体系（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）によるものである。最初の数字は、「シリーズ（ｓｅｒｉｅｓ）」を表し、次の３つの数字は、具体的な合金を表す。「ｘｘｘ」が使用されている箇所は、シリーズ内の各種合金が代替可能であることを示す。

例えば電子又はレーザビームを用いたパワービーム溶接法は、金属を含む幅広い材料を接合するために一般的に使用される。これらは、多用途で、融接プロセス（ｆｕｓｉｏｎ‐ｂａｓｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）であり、車体及び飛行機の胴体パネルの溶接から造船構造体の溶接に至るまで、多数の産業での用途がある。これらのプロセスは、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、及びニッケル合金を含む種々の材料を溶接するために使用可能である。

電子ビーム（ＥＢ）溶接は、２つの部品の境界面において材料を局所的に溶かし、これにより、整合性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）が高い、通常「自生的な（ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ）」、接合部が凝固後に形成される。ＥＢ溶接は、（限定されないが）通常、清潔な真空環境下で行われ、長い離間距離で機能し、幅広い材料及びワークピース厚さに対して機能し得る。

電子ビームは、その帯電性質により、磁気コイルを用いて非常に速い速度で操作されることによって、同時に複数の溶接部をもたらすことができる。集束電子ビームは非常に強く、高アスペクト比（狭い溶接幅、広い溶接深さ）の溶接部を作製し、しばしば、熱損傷及び過度の歪みを避けなければならない箇所、若しくは、１回のパスで溶接する必要がある厚い部分に対して選択される。このプロセスは、複雑な熱交換器組立体等の、多数のアルミニウム合金の用途にとって理想的である。毎分３０メートルより大きい溶接速度が、特定の材料の組み合わせにおいて達成可能である。

レーザ溶接は、照準線非接触型接合プロセス（ｌｉｎｅ‐ｏｆ−ｓｉｇｈｔ， ｎｏｎ‐ｃｏｎｔａｃｔ ｊｏｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）であり、高度に集束したエネルギ密度を特徴としており、金属を含む多数の材料において高アスペクト比の溶接部を作製可能である。当該プロセスは、大気圧で実施可能であるが、多くの反応性材料のためには不活性ガスシールドが必要とされる。さらに、レーザ溶接は、その入熱が、特にアーク溶接プロセスと比較して比較的低い。

両方のプロセスによって、サブミリメートルサイズの直径のスポットに集束され得るビームを発生することが可能であり、これによって、接合部に対して高密度のパワーを適用することが可能である。これらのパワー密度は、レーザビームの衝突点の下に「キーホール」溶接部を形成するのに十分である。より薄い材料に使用可能な速い処理速度、若しくは、より厚い材料を深く貫く溶接部を形成するために１回のパスのみが必要とされるという事実から、高い生産性がもたらされ得る。信頼性が高く、繰り返し可能な自律的な溶接のオペレーションにおいて、これらの生産性についての利点は、自動溶接と組み合わせて機能し得る。レーザ溶接はまた、入熱が通常アーク溶接プロセスよりも桁違いに小さいため、熱歪みを最小限に抑える必要がある部品、又は、小さい入熱が望まれる材料を溶接する場合に魅力的である。

大量生産性、高い溶接品質、及び／又は少ない溶接歪み等の要求によって、レーザ溶接の産業的な取入れが推進されている。特にレーザ溶接の柔軟且つ高速な実施は、走査レーザ溶接用のミラー検流計システムを用いて行われる。走査レーザビームでの溶接（一般的に「リモート溶接」と称する）は、その高い信頼性と非常に高い生産速度（溶接速度＞２０ｍ／分が容易に利用される）のため、鋼から物品を製造するために次第に普及している。

自動車構造体における密閉部（ｃｌｏｓｕｒｅｓ）は、ドア、トランク、及びボンネット等の主要な「ぶら下がり」部品を含む。これらの部品は、通常、「オフライン」で組み立てられ、生産ラインが終わる頃に車体に組み込まれる。環境及び車両性能の理由から、自動車産業では、これらの「ぶら下がり」部品の多くに対してアルミニウムを採用することによって、低重量化及び腐食寿命の向上の実現が試みられている。現在、接着剤接合と組み合わせたセルフピアスリベット（ｓｅｌｆ‐ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｒｉｖｅｔｉｎｇ）、クリンチング（ｃｌｉｎｃｈｉｎｇ）、又はヘミング（ｈｅｍｍｉｎｇ）が、アルミニウムの密閉部の主要な接合方法である。しかしながら、これらの手法は遅い。さらに、接着剤の塗布（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）は、面倒で問題が多い。特定の場合において、使用されるエポキシの有毒な性質により接着剤の使用は制限されている。

高速パワービームを用いた溶接は、現在、６ｘｘｘシリーズのアルミニウムの物品に対して良好に適用できない。これは、上記のように、最高速度のパワービームプロセスは、本来自生的であり、オンラインで充填材を添加して割れを防止することが困難であるからである。溶接領域の組成を「割れにくい」状態に変えるシリコン含有充填材の添加によって、割れを防止することが可能である。しかしながら、充填材の添加に関して、リモート溶接は、スキャナからワークピースまでの長い離間距離に左右され、高速プロセスと組み合わされるため、従来適用される充填ワイヤの使用が不可能となる。

４ｘｘｘ（１２％のＳｉ）の外表面を有する６ｘｘｘ合金のコアのシート（ｃｏｒｅｄ ｓｈｅｅｔ）を作製する３パーツ鋳造プロセスを用いた、上記問題に対する部分的な解決手段が提案されている。溶接時に、外表面は、溶接領域内に混合され、割れを防止する。このプロセスの問題点は、シートの表面エリアの全体に亘って４ｘｘｘ金属があり、これによって、重量が増え、成形性が下がり、好ましくない機械特性をもたらす。また、特に自動車市場等の費用重視の市場においては、この３パーツ鋳造手法の高い費用が、プロセス採用に対する大きな障害となる。

特定のアルミニウム合金の溶接時における割れの問題に対する他の提案がなされている。

米国特許第６９３２８７９Ｂ号において、溶接中のガス放出のための空隙保持含有物(ｇａｐ‐ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ)を用いた、重なり合うワークピースの接着接合方法が開示されている。この方法は、割れを抑制しシリコンを豊富に含む６ｘｘｘ溶接用添加物を、パウダー、懸濁液、ワイヤ、タブレット、テープ状、又は箔の形状で、接着剤又はワークピース表面に添加する工程を含む。当該公報において開示される方法では、以下で説明するように、接着接合と同一の制約がある。

米国特許第４６６５２９４Ａ号において、６０６１アルミニウム製電子ハウジングの溶接のための４０４７アルミニウム合金のシム若しくは充填材の使用、６０６１のハウジングに接合される４０４７製蓋の使用、並びに、シリコン含有スラリーの使用が開示されている。当該公報はまた、レーザ又はＥＢ溶接前に、静電噴霧法を用いて、微粉状の合金金属（具体的には、高純度シリコン）を５０５２又は６ｘｘｘアルミニウムの表面へ供給するシステムを開示している。

静電噴霧では、スプレーガンが用いられ、スプレーガンによって、噴霧された粉体粒子に対して電荷を与えると同時に、塗装される基板がアース接続又は接地される。このプロセスには、例えば電荷蓄積による不均一なコーティングの形成、限られた層の厚さ、及び粘着力の不足等、いくつかの重大な問題点があり、溶接前の保管及び機械加工の実施を制限する。特定の用途において、粒子付着が極めて重大である。例えば、自動車車体工場においては、粒子が剥離したまま残ることは非常に好ましくなく、結果として、不十分な仕上がりのパネルが作製され、当該パネルは、腐食（例えば、稼働中の電解腐食（ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ））の問題になりがちである。当該開示において静電的に付着するシリコンは、真の金属でないことは特筆すべき点である（シリコンは、半金属である）。金属合金化シリコンの使用と比較して様々な問題があるが、シリコンがアルミニウム溶接部における割れを防止するために有効であることは思いがけないことである。なぜなら、この方法では、付着力のある均一な金属コーティングをつくることができないからである。

本発明は、例えば割れやすい合金の良好な溶接が可能となるように溶接プロセスを改良することを目的とする。

［発明の概要］
本発明の第１の態様によれば、第１及び第２の金属ワークピース（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）を共に溶接する方法であって、
ａ．冷溶射（ｃｏｌｄ ｓｐｒａｙｉｎｇ）又は熱溶射（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ）プロセスを用いて、第１及び第２の金属ワークピースの一方又は両方の表面に対して溶接改質材（ｗｅｌｄ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）の層を付けるステップと、
ｂ．溶接改質材が溶接部に組み込まれるように、第１及び第２の金属ワークピースを共に溶接するステップと、
を含む方法を提供する。

十分に制御された組成を有する溶接改質材を一定量供給可能とすることは溶接プロセスにとって決定的に重要であることであることが分かった。これは、冷溶射又は熱溶射プロセスを用いることによって本発明において実現する。これらのプロセスによって、表面上の溶接経路に沿って溶接改質材の層を慎重に位置決め可能であり、当該層は、優れた機械的安定性と共に、十分に制御された厚さ及び組成を有する。この方法は、成形及び／又は溶接等の後のプロセスに対して有益な機械特性をもたらすと同時に、迅速且つ正確な改質材の配置を有利に提供する。この方法は、特に、高速ビーム溶接プロセスの使用に適しており、改質材により溶接面を被覆するので、多くの場合においてシールドガスを要しない。噴射（溶射）プロセスによる改質材の機械的安定性によって、機械加工可能で十分な付着力を有するコーティングを備える予め形成された組立体（オフラインで保管可能）の使用が可能となる。冷溶射プロセスの場合、薄い部分の組立体は、ほとんど熱損傷がない処理が可能である。

溶接改質材は、溶接材の多数の機械特性を制御するように選択可能である。特定の効果が見られるそのような機械特性の１つは、溶接割れ挙動の制御下にある。

例えば、本発明に係る方法は、冷溶射又は熱溶射技術を用いて、割れやすい金属の冶金学的特性の改質に適した合金化金属（「改質材」）で、割れやすい金属基板を塗装するステップと、続いて溶接操作を実行することによって、作製された溶接金属にクラックがなくなるステップと、を含んでよい。

溶接改質材は、通常、溶融池において第１及び第２のワークピースからの材料と混合するように、溶接プロセス中に溶接部に供給される。好適な改質材の選択によって、溶接プロセス中、若しくは、溶接プロセスの結果、所望の組成及び微細構造が確実に作り出される。

本発明は、アーク溶接プロセスを含む、多数の周知の溶接プロセスに対して適用可能である。また、本発明は、充填材を別に供給する溶接プロセスと併用可能である。しかしながら、本発明は、自生溶接プロセスと併用されるとき、即ち溶接プロセス中に充填材が添加されない場合に特に有利である。当該溶接プロセスは、ガスタングステンアーク溶接を含むが、高速溶接プロセス（溶接速度が毎分１メートルより大きいプロセス）において最も有効である。溶融池の出現前に接合領域に改質材を設けることは、周知のプロセスと異なり、改質材が溶融池において直ぐに利用可能であり、溶接速度に対して限界がないことを意味する。特定の効果について本発明との併用が想定される高速パワービーム技術は、レーザ溶接法と電子ビーム（ＥＢ）溶接法とを含む。

熱溶射及び冷溶射プロセスのそれぞれにおいては、所定の厚さ、組成、及び十分な粘着力を有する層を作製する手段を提供する。

厚さが厚く、十分な接着力を有し、均一である金属及び非金属の両方のコーティングを、ワークピースに対して設置するために、熱溶射プロセスが使用可能である。用語「熱溶射」は、幅広い塗装プロセスを含み、当該プロセスにおいて、粉体、ワイヤ、ロッド、スラリー、又は液体原料が、その融点まで（又は融点近くまで）加熱され、基板に向かって高速で射出される。熱溶射法は、フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、高速フレーム（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ Ｆｕｅｌ（ＨＶＯＦ））溶射、及び爆発（Ｄガン）溶射を含む。総じて、熱溶射法によって溶接改質材の正確な配置が可能となり、そのような配置は、不要な材料堆積を低減するために重要である。

冷溶射プロセス（コールドガスダイナミックスプレーイングとしても知られる）は、低い噴射温度が有益である塗装用途に対して使用される。冷溶射手法において、固体粉末（通常、約１０〜５０マイクロメートルの直径）が、超音速ガスジェット中において、毎秒２００〜１０００メートルの速度まで加速される。噴射される材料によって、プロセスガスは、最大１１００℃まで（膨張前に）予め加熱可能である。冷溶射において、原料は、火炎又はアークに供給されず、ガス流れに供給される。ガス流れにおける原料の移動時間は、原料の溶融を起こすために十分なものではない。通常の熱溶射プロセスに比べた主要な利点は、粉体が固体のまま残ること、基板面温度が低いこと、粉体及び基板材料の酸化が少ないこと、金属的変質がないこと、残留応力の発生の低減等、を含む。粉体は、加速され、変形、局所的な加熱、及び接着が起こる基板面に衝突する。このようなプロセスを繰り返すことによって、厚さが増加した完全密度に近い状態の層が構築可能である。

十分な付着力を有し、比較的均一なコーティングの形成が可能な冷溶射技術の使用が好ましい。冷溶射を使用する利点は、特に、基板の著しい熱歪みが起こることなく、低い気孔率の金属コーティング（半定量的画像解析を用いて決定される、１０％未満の気孔率、最も好ましくは５％未満の気孔率）で薄い基板（通常、＜１．５ｍｍの厚さ）を塗装可能であることである。実際には、ゼロに近い歪みが確認されている。冷溶射の別の利点は、接合部の複雑性に起因して箔又はシム等の他の方法によって改質材の挿入が不可能な領域を正確に塗装するために使用可能であることである。さらに、冷溶射によって、組立及び溶接の前に、機械加工及び保管に特に適しており、十分な付着力を有するコーティングをもたらすことが可能である。

熱溶射技術、特に冷溶射技術は、溶接面の層に設けることができる材料の種類の範囲についての効果をもたらす。特に、これらの技術によって、溶接される材料に関する改質された組成を有する合金等の金属層の使用が可能となる。例えば、溶接改質材は、第１又は第２の金属ワークピースと最多の元素成分（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｅｌｅｍｅｎｔａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）が同一である金属材料であってもよい。従って、ワークピースが第１種のアルミニウム合金である場合に、溶接改質材は、第２種のアルミニウム合金であってもよい。溶融池への材料の取り込みを向上させる可能性が非常に高いため、ワークピースと最多の元素成分が同一である溶接改質材であることが特に有利である。この理由としては、材料相溶性（溶接改質材の重要な組成が適切な合金形態にあること）が挙げられ、アルミニウム／シリコンの場合には、利用可能な共晶組成の融点による効果が挙げられる。純シリコンが使用された場合には、純シリコンは、はるかに高い融点を有し、加熱ダイナミクス（高速でのビーム吸収に影響を与える）の好ましくない変化をもたらし、溶融池へ容易には取り込まれない。同様に、ワークピースが特定の鋼である場合に、異なる鋼成分が噴射されてもよい。

特に、冷溶射の場合において、溶接改質材の層は、変形粒子（ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を含む微細構造を有することが好ましい。溶接改質材の層は、１０体積パーセント未満の気孔率、より好ましくは５体積パーセント未満の気孔率を持つ微細構造を有してもよい。溶接材の向上のために気孔率を最低限にすることが望ましい。

溶接改質材の層の厚さは、多数の要因に依存し、当該要因は、ワークピースの材料、配置、クランプ／組付け、及び関連パラメータ（溶接の種類、エネルギ、速度、雰囲気、圧力、溶接部体積等）での溶接プロセスを含む。０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの層の厚さによって、通常、溶接部深さが６ｍｍを上回る場合であっても、６ｘｘｘアルミニウム合金における割れを低減する有益な結果をもたらされることが発見された。さらに厚いパネルが使用されたときには、さらに大きな溶融池に対応するために、より多くの溶接改質材が必要となる場合がある。例えば、１．５ｍｍ以下のプレート厚さを有する６０１６合金を、毎分約１１メートルの進行速度で、空気中でレーザにより溶接する場合には、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ厚の改質材が溶接割れを防ぐために十分であることが発見された。上記の層の厚さは、接合される２つのワークピースの一方のみが溶接改質材の塗装（ｃｏａｔｉｎｇ）を有する溶接面を備える場合に関する。各ワークピースの表面が塗装されている場合には、それに伴い、材料の厚さは減少し得る（例えば、同様に塗装されたワークピースに対して二等分）。また、２つ以上の異なる溶接改質材が付けられ、接合される２つの対向面に対する異なる層が接合されること、並びに／若しくは、異なる材料からなる副層を有する多層を使用することも考えられる。後者の状況は、２つ以上の異なる材料が共噴射された際に低い気孔率のコーティングを生成しない場合、又はそれらが互いに反応的であるか、他の形で相容れない場合に、起こり得る。

速い溶接速度で本発明に係るプロセスが利用されてもよく、当該速度は、例えば毎分５メートルを上回る速度、好ましくは毎分１０メートルより大きい速度である。従って、本発明に係るプロセスは、通常アーク溶接よりも高速なパワービーム溶接にとって有益である。

第１及び第２のワークピースは、原則として、溶射工程前に、溶接に適した配置に配置されてよく、実際は、ワークピースが溶接のために配置され及びクランプで固定される前に溶接改質材の層を供給することが通常有利である。通常、第１及び第２のワークピースが互いに隣接するような溶接配置に第１及び第２のワークピースを配置するステップを含む。突き合わせ接合の場合には、層を有する溶接面は、通常、その他の部材に対面するように位置する。特に薄いワークピースの重ね溶接の場合には、層を有する溶接面は、好適には、溶接パワー源（ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）に対面し、その他の部材から離れて位置し、それによって、組付けの容易性が向上する。より厚いワークピースにおいては、それらが互いに接触する部分に層が位置した方が良い。また、外見上の理由（コーティング及び溶接部を隠して、仕上げ及び塗装を容易にすること）のために、多数の重なり合う組立体の内側から外側に溶接部及びコーティングを形成することが有益である。多数の異なる溶接配置が考えられ、それらの配置は、当業者にとっては明白である。

本発明は、１つの局所的又は細長の溶接部の作製に限定されるものではない。本発明に係る方法は、上記の方法を用いて、溶射された溶接改質材を所定の個別の箇所に対して付けることによって、第１及び第２のワークピースの一方又は両方における複数の離れた箇所において溶接部を形成するステップをさらに含んでもよい。従って、例えば特定の複雑な製品の場合のように、特定の一つのワークピースにおける多数の異なる箇所において溶接が実行されてよい。溶接部は、連続的又は同時に作製可能である。特に６ｘｘｘシリーズ合金等の溶接アルミニウム合金についてここにおいて重要な議論がなされているが、本発明は、原則として、鋼、若しくは、他の元素をベースとする特別な金属合金等を包含する、他の合金に対しても適用可能であることを理解されたい。原則として、複数のワークピース材料は、大部分の元素が異なる合金等、異なる合金を構成してもよく、もちろん、ワークピースの組成物の混合物から形成された溶接合金の微細構造は、構造的に堅固である。しかしながら、特に有効な実際の用途は、自動車産業用のアルミニウム合金の溶接におけるものであり、自動車産業において、第１及び第２のワークピースのそれぞれが自動車部品であることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、第１及び第２のワークピースと、第１及び第２のワークピースの間にある溶接部と、を備え、溶接部は、第１の態様に記載の方法によって形成される、溶接部材が提供される。従って、本発明は、ここにおいて開示する溶接プロセスを利用して形成される本体を含む発明である。

本発明に係る（ステップ（ａ）が適用される）使用のために形成される物品、即ち、溶接部が形成される領域に改質材が予め設置するワークピースは、特に、改質材の塗装（ｃｏａｔｉｎｇ）のロバスト特性により、取り扱い及び保管に有効である。この材料は、好ましくは、冷溶射による堆積粉体であり、低い気孔率（通常０〜１０％、好ましくは０〜５％）を有し、特徴的な変形粒子のパターンを示す微細構造によって、他の材料又は材料堆積物とは総じて区別され得る。

一例として、シリコン含有材料（例えば４ｘｘｘ合金等の、高いシリコン含有量を有するアルミニウム合金）の冷溶射層は、高速パワービームでの溶接前に、接合される箇所において、割れやすい金属部品（例えばシリコン含有量が低い６ｘｘｘアルミニウム合金）の表面上に設置される。

溶接方法のステップ（ｂ）において使用されるパラメータは、使用される溶接源の種類によって異なるが、レーザ溶接の場合において、多数の異なるレーザ源が、様々な出力（ｐｏｗｅｒｓ）、離間距離、溶接速度、レーザスポット径、及び焦点位置で使用可能である。同様に、ＥＢを使用するときには、本発明は、様々な出力、真空条件、速度、及び他のパラメータに対して適用可能である。

ここにおいて主に割れやすいアルミニウム合金について議論されているが、溶接割れ防止について、本発明は、溶接中に割れ感受性又は他の問題が起こる他の金属に対して同様に適用可能であり、他の金属は、例えば、３０８改質材又はクロミウムと併用される３０４オーステナイト系ステンレス鋼等である。ニッケル合金の場合には、ニオブを豊富に含む改質材が有益である。各種ステンレス鋼について、偏析を防ぎ、耐腐食性を向上させるために、モリブデンの添加が有用である。これは、多くの場合において、割れやすい金属及び合金と、溶接特性の向上のために溶接時に使用される代表的な充填材との関係に総じて類似する。

添付の図面を参照して、本発明に係る方法の一部の例を説明する。
従来の高速レーザ溶接操作を用いて溶接されたアルミニウム６ｘｘｘ合金における高温割れの一例を示す。 一実施例に係る方法を概略的に示す。 本発明の自動車用途における典型的なプロセス工程を示すフロー図である。 本発明に係る方法によって突き合わせ接合されたワークピースの断面図である。 本発明に係る方法によって重ね接合されたワークピースの断面図である。

［好適な実施例の説明］
図２は、非直線状の接合線の配置を有する部品の組立体等の、アクセス制限が問題となり得る複雑な部品組立体に対する本発明の一実施形態の適用時における、典型的なプロセス工程を概略的に示す。

このような場合において、６０６１又は６０８２アルミニウム合金が、接合線の一部を構成する曲面（凸面）を有するワークピース１として使用される。凸面は、溶接面となり、冷溶射ヘッド２を用いて塗装される。冷溶射ヘッド２は、ポリベンゾイミダゾールノズル（延性材料の堆積に使用）を有する市販のＣＧＴキネティックス４０００（ＣＧＴ Ｋｉｎｅｔｉｋｓ ４０００）（登録商標）冷溶射システムの一部を構成し、当該冷溶射システムは、６軸ロボットに実装される。この冷溶射システムによれば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）インターフェースを用いた、ガス温度、圧力、及び流量の制御が可能となる。

冷溶射システムは、凸面に対して溶接改質材を付ける(ａｐｐｌｉｅｓ)。この場合において、改質材は、「４」として示される。当該改質材は、合金４０４７の形態をとり、粉体として冷溶射システムに供給される。

堆積された材料の層が、凸面に設けられ、当該層の厚さは、凸面に対して繰り返されるパスによって制御される。

異なる厚さ（なされた塗装パスの回数に依存）のコーティングを得るために使用される例示的なパラメータは、以下の通りである：

プロセス及び粉体キャリアガスの種類：窒素
ガス温度：４００℃
ガス圧力：３５ｂａｒ
粉体キャリアガスの流量：３．７ｍ^３．ｈ^−１（６１．６７ｌ．ｍｉｎ^−１）
原料：粒径範囲６０±１３μｍのＡｌ−１２Ｓｉ（４０４７）粉体
粉体供給ホイールの回転数：３．４ｒｐｍに調整して、供給速度１４．５〜１５．１０ｇ．ｍｉｎ^−１（〜０．９ｋｇ．ｈ^−１）での粉体流れを与える。
塗装前に、３２０グリットＳｉＣペーパー（仕上がり４６．２μｍに相当）及び６００グリットＳｉＣペーパー（仕上がり２５．８μｍに相当）を用いた研磨によって基板が準備された。しかしながら、この工程は、ワークピースの状態（腐食又は保護膜が存在すること）に依存し、必ずしも必要なものではない。
ガン離間距離：２０ｍｍ
ガン直線噴射速度（ガンの横方向速度）：１００／１５０ｍｍ．ｓ^−１
ガンオフセット：１ｍｍ

冷溶射後、遊離物質がいずれも表面から除去される。このような除去は、揺動／エア噴射、洗浄、又はブラッシング等の任意の実用的な手段によって実現可能である。

作製された部分は、光学顕微鏡を用いて検査され、例えばＧＮＵ画像編集（ＧＩＭＰ）ソフトウェアを用いた半定量的画像解析による気孔率測定の対象となり得る。

これについて推奨される手順は、以下の通りである：

金属組織の断面を、熱間埋込導電性エポキシ樹脂内において準備されてよい。試験片の切断に伴う影響をいずれも取り除くために、埋込後、観察される表面は、１２０グリットＳｉＣペーパー（仕上がり１２５μｍに相当）を用いて手動で研磨されてよい。より細かいグリットでの段階的な研磨を行い、２５００グリットＳｉＣペーパー（仕上がり８．４μｍに相当）で仕上げてよく、それに続いて、連続的により細かくなるダイヤモンドペースト（３、１、及び０．２５μｍ）で自動化された研磨を行われてよい。２００ｘ倍率の画像を用いた顕微画像の取得は、各コーティングの研磨された断面に沿って行われてよい。暗い気孔（隙間）と、より高い反射性を有するコーティング材との濃淡の度合いが高いため、閾値を正確に設定することにより、総見掛気孔率を示し得る二値画像を作成してよい。合計６つのフィールドが得られてよく、この手順によって、対応する気孔率の安定した代表的平均値に至る。各画像は、一定の大きさに切り取られることにより、下部のスケールバー及びラベルを削除可能である。特定の値よりも暗い全てのピクセルを選択するために、マクロが使用されてよい。選択されたピクセルが画像上で視える気孔率に密接に対応するようなポイントに至るまで、このマクロは繰り返され、徐々に値を下げてよい。ここにおいて、以下の関係に従って気孔率の体積分率を計算するために、ピクセルの数を数え、当該数を使用可能である：

見掛気孔率（面積％）＝（閾値を超えるピクセル数）／（総ピクセル数）

このような面積分率は、各画像に対して計算されてよく、全ての画像の平均値を得ることが可能である。

上記の例における手順を用いて、〜２％のコーティングの気孔率が得られる。

図２を再度参照すると、第１ワークピースの凸面を溶接改質アルミニウム合金で塗装した後、第１ワークピース１に対して接合される第２ワークピース３が得られる。図２に示すように、第２ワークピース３は、ワークピース１の凸面と概ね一致する凹面を有する。第２ワークピース３の表面は、任意で、溶接改質材で塗装されてもよい。そして、（複数の）改質材コーティングを有するワークピース１，３は、互いに突き合わされる。ワークピース１，３は、通常の溶接で実施される通りに、適切な位置でクランプされる。クランプされると、（溶接改質材を含む）ワークピースの間の境界面に対して電子ビームを供給するために、電子ビームシステム５が使用される。これは、電子ビームシステムにおける真空環境内で行われる。当該ビームは、境界面に沿う溶接線経路に沿って通過する。電子ビーム溶接の通常のプロセスパラメータは、以下の通りである：

加速電圧（ｋＶ）：１５０
ビーム電流（ｍＡ）：１６
速度（ｍｍ／ｍｉｎ）：１０００
ビーム偏向：円形
振幅（ｍＡ）：０．１５
周波数（Ｈｚ）：５００
入射／出射傾斜角度（度）：９０

異なる材料の組み合わせ及び異なる改質材の厚さを用いたＥＢ溶接の結果の一部の実施例を以下の表１に示す。

これらの結果から、当該実施例においてクラックフリーの溶接部を得るために、改質材の特定の厚さが必要であることが分かる。

図３は、自動車組立用途に対する本発明の一実施例の適用時における、通常のプロセス工程を概略的に示す。自動車の密閉部には、通常、アルミニウム製のプレス成形パネルを２つ以上重ねた配置で接合することが求められる。目に見える自動車の外観に使用されるパネルである外側パネルは、通常、例えば６０１６等の６ｘｘｘ合金である。６ｘｘｘ合金は、良好な表面の外観、くぼみ抵抗、及び必要成形性により、外側パネルに使用される。

内側パネルは、６ｘｘｘ又は別のアルミニウム合金であってもよい。一部の場合において、三つのアルミニウム製パネルが、６ｘｘｘである外側パネルと共に、使用されてよい。外側及び内側パネルは、それらを共に接合される必要がある。

図３の工程３００に示すように、パネルは、先ず（オフラインで実施される）プレス成形状態で得られる。プレス成形後、パネルは、工程３０１の冷溶射セルに搬送される。プレス成形前にパネルに対して溶射してもよいが、本実施例においては、プレス成形は、冷溶射前に行われる。

特に使用される冷溶射法は、ＥＢの例と関連付けて上述したものである。従って、工程３０２では、一方のパネルの表面のみを溶接改質材粉体で冷溶射塗装することによって、改質材を付ける。電子ビームの例に関しては、１つ又は複数のパネルの片面又は両面に対して塗装がなされてもよい。この場合において、４ＸＸＸシリーズアルミニウム粉体が使用される。

改質材は、リモートレーザ溶接がなされるエリアに付けられる（ａｐｐｌｉｅｄ）。溶接改質材は、溶接領域の化学組成を変更し、割れを防止するように選択される。本実施例においては、深さ０．２ｍｍの改質材コーティングが形成される。この場合において、改質材の冷溶射跡は、５ｍｍ幅で延びるが、他の用途においては、実行される溶接によって異なる場合がある。

本実施例によれば、溶接の直前に工程３０２を行う必要がなく、実際は、当該工程は、実際の溶接プロセスよりも早い日時で、全く別の設備において行われてよい。これは、冷溶射層の安定性によるものである。

工程３０３において、パネルは、自動レーザ溶接装置に載置され、当該装置は、外側及び内側パネルの（複数の）被塗装領域がパワー源の方向に対面する状態で、外側及び内側パネルを隣接して配置するクランプシステムを備える。

工程３０４において、リモートレーザ溶接プロセスは、ロボット（しばしば「オンザフライ溶接（ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｙ ｗｅｌｄｉｎｇ）」と称される）、又はレーザビームの操作を可能とする検流計駆動ミラーを通常採用するレーザスキャナによって行われる。レーザ源は、一般的に入手可能な多くのもののうちの１つであってもよく、例えばファイバ又はディスクレーザを含む。しかしながら、これらの種類のレーザ源は、網羅的に考慮されるものではなく、本発明の実施に明らかに好適な他の種類のレーザが、利用可能であってよく、又は将来利用可能になってよい。

適切な位置において、アルミニウムパネルはクランプされる。自動車用途では、接合されるエリアは、通常重なった配置にあるが、他の接合配置も適用可能であることは言うまでもない。

レーザビームは、所望の箇所において溶接を起こすように操作され、所望の箇所のそれぞれは、その表面上に改質材の層を有する。改質材は、溶接されるプレートの任意の面に堆積されてよい。

レーザは、重なり合うパネルを貫通することによって、重なり合うパネル材料が完全に又は部分的に溶融する。レーザ加熱領域における改質材も溶融し、溶融したパネル材料と混合され、結果として、割れ感受性を低下させるように改質された溶接金属組成をもたらし、クラックフリーで気孔率の低い接合部が速い溶接速度で形成される。

各領域が溶接されると、接合パネル組立体は、溶接装置から取り出され、工程３０５において、付加的な必要プロセスに供される。当該プロセスは、例えば、さらに別の部品の取り付け、車両への実装、表面処理、又は仕上げ等である。

１．０ｍｍの６０１６の２枚の重なり合うシートに対するレーザ溶接から帰結する一部の実施例を以下の表１に示す。溶接速度は異なり、塗装されていないアルミニウムシートのサンプル、並びに、上部シートの上面に厚さ０．２ｍｍの冷溶射堆積体を有するサンプルに対して溶接がなされた。他の固定されたプロセスパラメータを以下に列挙する：

ＩＰＧ５ｋＷ Ｙｂファイバレーザ
操作−Ｋａｗａｓａｋｉ ＦＳ６０を採用するロボット駆動操作
離間距離−５００ｍｍ
レーザスポット径−０．６ｍｍ
焦点位置−上部パネルの表面において０ｍｍ
シールドガス無し

図４は、表１の実験１０の溶接されたワークピースの断面の顕微画像を示す。図中の溶接領域の中心線に沿った、溶接改質材が堆積する領域においては、割れが確認されず、溶接部の質は良好である。

図５は、表２の実験７の溶接されたワークピースの断面の顕微画像を示す。溶接改質材は、最上部のワークピースの上面（溶接熱源に対面する面）に沿って堆積していた。溶接部において、明らかな割れ又はシートの歪みは確認されない。

Claims (18)

1. 第１及び第２の薄い金属ワークピースを共に溶接する方法であって、
   前記第１及び第２の薄い金属ワークピースのそれぞれが、１．５ｍｍ未満の厚さを有し、
   ａ．冷溶射プロセスを用いて、前記第１及び第２の金属ワークピースの一方又は両方の表面に対して溶接改質材の層を付けるステップであり、前記溶接改質材は、金属材料であり、前記溶接改質材、前記第１の金属ワークピース、及び前記第２の金属ワークピースのそれぞれが、同じである最多の元素成分を有する、前記ステップと、
   ｂ．前記溶接改質材が溶接部に組み込まれるように、前記第１及び第２の金属ワークピースを共に溶接するステップと、を含み、
   前記溶接改質材は、溶融池において、前記第１及び第２のワークピースからの材料と混ざる、方法。
2. 前記溶接方法は、自生溶接法である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ（ｂ）における溶接は、パワービーム溶接法を用いて行われる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記パワービーム溶接法は、電子ビーム溶接又はレーザ溶接である、請求項３に記載の方法。
5. 前記溶接改質材は、粉体として噴射される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記溶接改質材の層は、変形粒子を含む微細構造を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記溶接改質材の層は、１０体積パーセント未満の気孔率を持つ微細構造を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記層の厚さは、０．５ｍｍ未満である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記層の前記厚さは、０．１ｍｍより大きい、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１及び第２のワークピースが互いに隣接するような溶接配置に前記第１及び第２のワークピースを配置するステップをさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記溶接配置は、重なり合う配置である、請求項１０に記載の方法。
12. 溶接速度は、毎分１０メートルより大きい、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記溶接改質材を所定の個別の箇所に対して付けることによって、前記第１及び第２のワークピースの一方又は両方における複数の離れた箇所において前記方法を用いて溶接部を形成するステップをさらに含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１及び第２のワークピースの一方又は両方は、アルミニウム合金又は合金鋼から形成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第１及び第２のワークピースのそれぞれは、自動車部品である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記溶接改質材は、シリコン含有材料である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記溶接改質材は、前記第１及び第２のワークピースよりも高いシリコンの含有量を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記溶接改質材は、４ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金から選択され、
    前記第１及び第２のワークピースは、６ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金から選択される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。