JP6719348B2 - アルミニウム接合体の製造方法 - Google Patents
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Description
第1アルミニウム部材と、前記第1アルミニウム部材上に前記第1アルミニウム部材よりも導電率の高い第2アルミニウム部材を重ねて重ね継手を形成する工程と、前記第2アルミニウム部材側から高エネルギービームを照射して、前記重ね継手を貫通する溶融凝固部を形成するビーム溶接工程と、を有するアルミニウム接合体の製造方法。
図1は第1構成例のアルミニウム接合体の製造方法に用いられるレーザ溶接装置の全体構成図である。
本構成のアルミニウム接合体の製造方法には、高エネルギービーム溶接を適用できる。高エネルギービーム溶接としては、レーザ溶接や電子ビーム溶接等が挙げられる。
上記のレーザ溶接装置11を用いて重ね継手を形成するアルミニウム接合体の製造方法は、重ね継手形成工程と、ビーム溶接工程と、を有する。重ね継手形成工程は、第1アルミニウム部材31と、第1アルミニウム部材上に第1アルミニウム部材31よりも「導電率」の高い第2アルミニウム部材33を重ねて重ね継手を形成する。ここでは、導電率をIACS(international annealed copper standard)として表している。
レーザスポット溶接は、レーザビームをデフォーカスさせて行うものであってもよい。デフォーカスビーム37は、図1に示すレーザ溶接装置11の制御装置17により、例えばアクチュエータ23の駆動により、集光レンズ21を光軸に沿う方向に移動させて実施できる。
また、レーザスポット溶接は、レーザビーム29を同心円状に複数回走査させて行うものであってもよい。レーザビーム29の同心円状走査は、最初にレーザビーム29を照射した初期照射範囲39の外周部に同心円のパターンで連続して照射する。レーザビーム29の同心円状走査は、図1に示すレーザ溶接装置11の制御装置17によるミラー25の傾斜駆動で実施できる。
更に、レーザスポット溶接は、レーザビーム29を螺旋状に複数回走査させて行うものであってもよい。レーザビーム29の螺旋状走査は、溶接部の中心部から外周側に向けて渦巻き状に連続して照射する。レーザビーム29の螺旋状走査は、前述の同心円走査と同様に、ミラー25の傾斜駆動により実施できる。
図6は割れを生じた溶融凝固部の模式図である。
アルミニウム接合体の製造方法において、溶接熱源は移動熱源であり、それにより溶接部は熱サイクルを受ける。溶接部は、熱源が近付くにつれて温度が急激に上昇し、最高到達温度に達してから冷却する。この場合に生じる溶接部の割れ41は、冷却特性に大きく依存する。冷却特性の主なものは、一般的に冷却速度と、冷却時間であるが、本発明では、これに加えて溶接物の導電率(熱伝導率)にも着目している。
上板の方が下板よりも導電率が高い場合、凝固が遅い下層部で発生した割れやひずみが、上層部に伝播しにくくなるため、割れ41が小さいか、生じなくなる。
下板の方が上板よりも導電率が高い場合、凝固が早いため下層部で発生した割れやひずみが、凝固が遅い上層部に伝播しやすい。その結果、上層部の割れ41は図7に示す場合より大きくなる。また、それぞれの場合の引張応力は、Fa<Fbの関係となる。
(変形例1)
第1アルミニウム部材31及び第2アルミニウム部材33を調質のみが異なる同一組成の熱処理型のアルミニウム合金とした。
図9はレーザスポット溶接により接合された重ね継手の斜視図、図10はレーザ連続溶接により接合された重ね継手の斜視図である。
上記した溶融凝固部35は、図9に示すように、レーザスポット溶接で形成できるが、図10に示すように、レーザビーム29によるレーザ連続溶接で形成することもできる。
(実験条件)
(a)板厚1.0mmの6022−T4材及び3003−0材を重ね溶接した。
(b)レーザ溶接は、レーザスポット径:3.5mm、レーザ出力:5.5kw、1秒間照射とした。
(c)レーザ装置は、YLS−6000−S4(IPG Photonics製)を用いた。
(d)導電率測定装置は、シグマテスタ(フェルスター社製)を用いた。
(e)レーザ照射側の割れ長さは、光学顕微鏡により測定した。
なお、(c)〜(e)については、第2、第3実施例も同様の条件で行った。
各試料の割れ長さを図11に示す。上板が3003材で下板が6022材の重ね継手よりも、上板が6022材で下板が3003材の重ね継手の方が割れ長さが長くなった。
上板が3003材で下板が6022材の重ね継手よりも、上板が6022材で下板が3003材の継手の方が割れ長さが長くなったのは、上板と下板の熱伝導率の違いが原因であると考えられる。熱伝導率は、6022材が約45%IACSであり、3003材が約47%IACSである。つまり、6022材よりも3003材の方が熱伝導率が高い。下板の方が上板よりも熱伝導率が低い場合、下板部分における溶融池幅が上板部分よりも小さくなると考えられる。そのため、上板が3003材で下板が6022材の重ね継手は、溶融部が凝固する際に、下板部分から徐々に凝固していくため、凝固割れが発生しにくくなったと考えられる。
(実験条件)
(a)板厚1.0mmの6022−T4材及びAl−1wt%Fe材を重ね溶接した。
(b)レーザ照射は、レーザスポット径:3.5mm、レーザ出力:5.5kw、1秒間照射とした。
各試料の割れ長さを図12に示す。上板がAl−1wt%Fe材で下板が6022材の継手よりも、上板が6022材で下板がAl−1wt%Fe材の継手の方が割れ長さが長くなった。
上板がAl−1wt%Fe材で下板が6022材の重ね継手よりも、上板が6022材で下板がAl−1wt%Fe材の重ね継手の方が割れ長さが長くなったのは、上板と下板の熱伝導率の違いが原因であると考えられる。熱伝導率は、6020材が約45%IACS、Al−1wt%Fe材が約58%IACSである。つまり、6022材よりもAl−1wt%Fe材の方が熱伝導率が高い。下板の方が上板よりも熱伝導率が低い場合、下板部分における溶融池幅が上板部分よりも小さくなると考えられる。そのため、上板がAl−1wt%Fe材で下板が6022材の重ね継手は、溶融部が凝固する際に、下板部分から徐々に凝固していくため、凝固割れが発生しにくくなったと考えられる。
(実験条件)
(a)板厚1.0mmの6022−T4材及びクラッド材を重ね溶接した。使用したクラッド材の一覧を表1に示す。クラッド材は、表1に示す心材組成を有し、残部がFe及び不可避不純物である。
(b)レーザ照射は、レーザスポット径:3.5mm、レーザ出力:505kw、1秒間照射とした。
各試料の割れ長さを図13、図14に示す。クラッド材皮材のSi濃度が高くなるほど割れ長さが短くなった。また、図13に示す上板が6022材で下板がクラッド材の重ね継手よりも、図14に示す上板がクラッド材で下板が6022材の重ね継手の方が割れ長さが長くなった。
上板が6022材で下板がクラッド材の重ね継手よりも、上板がクラッド材で下板が6022材の重ね継手の方が割れ長さが長くなったのは、上板と下板の熱伝導率の違いが原因であると考えられる。熱伝導率は、クラッド材が40〜45%IACS、6022材が約45%IACSである。つまり、クラッド材よりも6022材の方が熱伝導率が高い。下板の方が上板よりも熱伝導率が低い場合、下板部分における溶融池幅が上板部分よりも小さくなると考えられる。そのため、上板が6022材で下板がクラッド材の重ね継手は、溶融部が凝固する際に、下板部分から徐々に凝固していくため、凝固割れが発生しにくくなったと考えられる。
(1) 第1アルミニウム部材と、前記第1アルミニウム部材上に前記第1アルミニウム部材よりも導電率の高い第2アルミニウム部材を重ねて重ね継手を形成する工程と、前記第2アルミニウム部材側から高エネルギービームを照射して、前記重ね継手を貫通する溶融凝固部を形成するビーム溶接工程と、を有するアルミニウム接合体の製造方法。
このアルミニウム接合体の製造方法によれば、第1アルミニウム部材上に、第1アルミニウム部材よりも導電率の高い第2アルミニウム部材を重ねて重ね継手を形成する。この状態で第2アルミニウム部材側から高エネルギービームを照射して、重ね継手を貫通する溶融凝固部を形成する。この際、溶融池は、上板の第2アルミニウム部材から下板の第1アルミニウム部材にわたって連続して形成される。この溶融池は、熱伝導率が低い下板の第1アルミニウム部材の方が、上板の第2アルミニウム部材よりも溶融池幅が小さくなると考えられ、その結果、溶融部が凝固する際に、下板部分から徐々に凝固して、凝固割れが発生しにくくなる。
このアルミニウム接合体の製造方法によれば、高エネルギービームにより溶融凝固部が形成される。高エネルギービームは、高エネルギ密度の集中熱源であるので、加工時に第2アルミニウム部材に与える熱影響を小さくでき、溶融凝固部近傍の変形も小さくできる。よって、小型且つ精密な重ね継手の形成が可能となる。
このアルミニウム接合体の製造方法によれば、目的とする溶融凝固部の中心に初期溶融池を作る。スポット溶接は、この溶融池を中心に、高エネルギービームを同心円状又は螺旋状に複数回走査させることにより、溶融凝固部を形成するために必要な所要面積の溶融池を、初期溶融池を拡げて作ることができる。また、高エネルギービームは、任意方向への走査が可能となるので、真円以外の長円や楕円等の溶融凝固部を作ることが可能となる。
このアルミニウム接合体の製造方法によれば、高エネルギービームをデフォーカスさせて、目的とする溶融凝固部の中心に初期溶融池を形成する。デフォーカスによる高エネルギービームは、照射面積を増減でき、これにより、スポット溶接は、高エネルギービームを走査せずに、溶融凝固部を形成するために必要な大きさの溶融池を一度に作ることができる。
このアルミニウム接合体の製造方法によれば、第2アルミニウム部材に照射される高エネルギービームが、直線的に連続走査される。これにより、割れのない連続した溶融凝固部を形成できる。
31 第1アルミニウム部材
33 第2アルミニウム部材
35 溶融凝固部
Claims (5)
- 第1アルミニウム部材と、前記第1アルミニウム部材上に前記第1アルミニウム部材よりも導電率の高い第2アルミニウム部材を重ねて重ね継手を形成する工程と、
前記第2アルミニウム部材側から高エネルギービームを照射して、前記重ね継手を貫通する溶融凝固部を形成するビーム溶接工程と、
を有するアルミニウム接合体の製造方法。 - 前記溶融凝固部を、前記高エネルギービームによるスポット溶接で形成する請求項1に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
- 前記スポット溶接は、前記高エネルギービームを同心円状又は螺旋状に複数回走査させて行う請求項2に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
- 前記スポット溶接は、前記高エネルギービームをデフォーカスさせて行う請求項2に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
- 前記溶融凝固部を、前記高エネルギービームによる連続溶接で形成する請求項1に記載のアルミニウム接合体の製造方法。
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