JP6970061B2 - 接合構造体の製造方法及び接合構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、接合構造体の製造方法及び接合構造体に関する。より詳細には、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、第1部材と材質が異なる第2部材とを、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合な接合構造体の製造方法及び接合構造体に関する。
自動車などの車両では、燃費向上やCO2ガス削減を目的として車体重量の軽量化が要望されている。この軽量化を実現するための方法として、鋼の一部をアルミニウム合金などの軽量素材に置換することが検討されており、鋼と軽量素材との接合方法が種々提案されている(例えば、特許文献1〜3を参照。)。
特許文献1には、金属材料からなる第1部材と同一又は異なる金属材料からなる第2部材に下孔を形成し、該下孔に溶加材を挿入して溶接位置に溶加材を配置し、第2部材と第1部材とを重ね合わせて重ね継手を形成した後、第1部材と第2部材とを高エネルギービーム溶接することで、第1部材と第2部材とを接合する方法が開示されている。
特許文献2には、表面処理層を介して重ね合わせた溶接部材同士をレーザ溶接するときに、突起部によって溶接部材同士の間に隙間部を生じさせて、表面処理層が気化して発生した蒸気によって溶接欠陥が生じることを防止するようにした溶接方法が開示されている。
特許文献3には、第1の鋼板に形成された突出部の先端が、第2の鋼板に接するように重ね合わされ、平面視における突出部より大きいサイズの照射パターンでレーザ光を照射して、めっき加工された第1の鋼板と第2の鋼板を溶接する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1においては、第1部材又は第2部材の少なくとも一方がめっき鋼板(例えば、亜鉛めっき鋼板)である場合、溶接熱によりめっきされた金属がガス化し、このガスが溶融池内に侵入して気孔欠陥を生じさせる問題については着目されていない。
また、特許文献2及び3においては、溶接される部材間に隙間を設け、該隙間から溶接時に発生するガスを排出して気孔欠陥を防止している。しかし、これらの溶接方法は、金属部材同士の接合に限定され、一方の材質が金属以外の部材を含む場合には適用することができない。また、隙間を設けるためのエンボス加工などが別途必要でありコストアップが懸念される。さらに、レーザ溶接は、耐ギャップ性の低い溶接方法であるため、両部材間に隙間があると健全な溶接部が形成されにくい。
また、特許文献2及び3においては、溶接される部材間に隙間を設け、該隙間から溶接時に発生するガスを排出して気孔欠陥を防止している。しかし、これらの溶接方法は、金属部材同士の接合に限定され、一方の材質が金属以外の部材を含む場合には適用することができない。また、隙間を設けるためのエンボス加工などが別途必要でありコストアップが懸念される。さらに、レーザ溶接は、耐ギャップ性の低い溶接方法であるため、両部材間に隙間があると健全な溶接部が形成されにくい。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、第1部材と材質が異なる第2部材とを、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合する接合構造体の製造方法及び接合構造体を提供することにある。
本発明に係る接合構造体の製造方法は、下記(1)の構成からなる。
(1) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体の製造方法であって、
前記第2部材に挿通穴を形成する工程と、
前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられた鉄系材料の挿着部材を、前記挿着部材が前記第1部材に当接するまで、前記第2部材の挿通穴に挿入する工程と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に溶接金属部を形成して、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
(1) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体の製造方法であって、
前記第2部材に挿通穴を形成する工程と、
前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられた鉄系材料の挿着部材を、前記挿着部材が前記第1部材に当接するまで、前記第2部材の挿通穴に挿入する工程と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に溶接金属部を形成して、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
また、本発明に係る接合構造体の製造方法の好ましい実施形態は、下記(2)〜(7)の構成からなる。
(2) 前記挿着部材は、前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、
前記凹部における底部には貫通穴が設けられ、
前記底部における前記貫通穴の外周部に前記溶接金属部を形成して前記第1部材と前記挿着部材とを接合することを特徴とする上記(1)に記載の接合構造体の製造方法。
(3) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の接合構造体の製造方法。
(4) 前記溶接金属部は、レーザ溶接により形成され、
前記第1部材における前記第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザ光を照射するレーザヘッドの中心軸線とのなす角度θは、30°以下に設定されることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
(5) 前記角度θは、10°以上に設定されることを特徴とする上記(4)に記載の接合構造体の製造方法。
(6) 前記角度θは、20°以下に設定されることを特徴とする上記(4)又は(5)に記載の接合構造体の製造方法。
(7) 前記挿着部材の非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に接着剤を塗布する工程を、さらに備えることを特徴とする上記(2)〜(6)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
(2) 前記挿着部材は、前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、
前記凹部における底部には貫通穴が設けられ、
前記底部における前記貫通穴の外周部に前記溶接金属部を形成して前記第1部材と前記挿着部材とを接合することを特徴とする上記(1)に記載の接合構造体の製造方法。
(3) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の接合構造体の製造方法。
(4) 前記溶接金属部は、レーザ溶接により形成され、
前記第1部材における前記第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザ光を照射するレーザヘッドの中心軸線とのなす角度θは、30°以下に設定されることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
(5) 前記角度θは、10°以上に設定されることを特徴とする上記(4)に記載の接合構造体の製造方法。
(6) 前記角度θは、20°以下に設定されることを特徴とする上記(4)又は(5)に記載の接合構造体の製造方法。
(7) 前記挿着部材の非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に接着剤を塗布する工程を、さらに備えることを特徴とする上記(2)〜(6)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
また、本発明に係る接合構造体は、下記(8)の構成からなる。
(8) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体であって、
前記第2部材は、挿通穴を有し、かつ、前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材に重ね合わされると共に、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられ、かつ、前記第1部材に当接するまで前記第2部材の挿通穴に挿入される鉄系材料の挿着部材と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に形成され、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する溶接金属部と、
を備えることを特徴とする接合構造体。
(8) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体であって、
前記第2部材は、挿通穴を有し、かつ、前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材に重ね合わされると共に、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられ、かつ、前記第1部材に当接するまで前記第2部材の挿通穴に挿入される鉄系材料の挿着部材と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に形成され、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する溶接金属部と、
を備えることを特徴とする接合構造体。
また、本発明に係る接合構造体の好ましい実施形態は、下記(9)〜(11)の構成からなる。
(9) 前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、前記凹部における底部には前記貫通穴が設けられ、前記底部が前記第1部材に当接するまで前記挿通穴に挿入される前記挿着部材と、
前記底部における前記貫通穴の外周部に形成されて前記第1部材と前記挿着部材とを接合する前記溶接金属部と、
を備えることを特徴とする上記(8)に記載の接合構造体。
(10) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(8)又は(9)に記載の接合構造体。
(11) 前記挿着部材の前記非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備えることを特徴とする上記(9)又は(10)に記載の接合構造体。
(9) 前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、前記凹部における底部には前記貫通穴が設けられ、前記底部が前記第1部材に当接するまで前記挿通穴に挿入される前記挿着部材と、
前記底部における前記貫通穴の外周部に形成されて前記第1部材と前記挿着部材とを接合する前記溶接金属部と、
を備えることを特徴とする上記(8)に記載の接合構造体。
(10) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(8)又は(9)に記載の接合構造体。
(11) 前記挿着部材の前記非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備えることを特徴とする上記(9)又は(10)に記載の接合構造体。
本発明の接合構造体の製造方法及び接合構造体によれば、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、第1部材と材質が異なる第2部材とが、第2部材の挿通穴に挿入され、第1部材と溶接金属部を形成する鉄系材料の挿着部材を介して接合されるため、材質が異なるために直接には接合することが困難な第1及び第2部材を接合することができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を得ることができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を得ることができる。
以下、本発明に係る接合構造体の製造方法により製作される接合構造体の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、接合構造体100は、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材10と、第1部材10とは材質が異なる第2部材20と、鉄系材料からなる挿着部材30と、を備える。
そして、接合構造体100は、一般的に直接接合することが困難な、互いに材質が異なる第1部材10及び第2部材20が、第1部材10に溶接された挿着部材30を介して接合されている。
なお、本実施形態に係る以下の説明においては、第1部材10は亜鉛めっき鋼板であり、第2部材20はアルミニウム系材料からなる板であり、挿着部材30は鉄系材料からなるものとして説明する。
第1部材10及び挿着部材30における鉄系材料の種類は、特に限定されず、普通鋼、高張力鋼(ハイテン;HTSS)などの種々の鋼材を用いることができる。なお、第1部材10の鉄系材料及び挿着部材30の鉄系材料は、同じ種類であってもよく、異なる種類であってもよい。
また、第2部材20の材質は、鉄系材料からなる第1部材10と異なる材質であれば特に限定されず、上記したアルミニウム系材料以外にも、マグネシウム系材料(マグネシウムやマグネシウム合金)、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics;炭素繊維強化プラスチック)、非鉄金属、樹脂、樹脂と金属とのコンポジット材料などであってもよい。
なお、本実施形態で使用されるアルミニウム系材料としては、純アルミニウム系材あるいはアルミニウム合金系材のようなアルミニウム材が例として挙げられる。また、アルミニウム合金の種類として、5000系(Al−Mg系)や6000系(Al−Mg−Si系)などを挙げることができるが、本実施形態ではいずれの合金でも使用することができる。
アルミニウム板として構成された第2部材20には、板厚方向(図1における上下方向)に挿通する挿通穴21が形成されている。上面視における挿通穴21の形状は、挿着部材30が挿入あるいは嵌合可能であれば特に限定されず、角孔や異形穴であってもよいが、加工性を考慮すると丸穴であることが好ましい。
続いて、図1や図3に示すように、挿着部材30は、S10C(炭素鋼)などの鉄系材料がプレス加工あるいは機械加工により略カップ状に形成されている。挿着部材30は、挿通穴21に挿入されたとき、該挿通穴21に嵌合する挿入部31と、挿通穴21から突出する非挿入部32と、を有する。また、挿入部31と非挿入部32とは、一体に形成されている。挿着部材30の非挿入部32は、挿入部31の外径D1よりも大きな外径D2を有する鍔状に形成されている。すなわち、挿着部材30は、段付きの外形形状を有する。
挿入部31の外形形状は、第2部材20の挿通穴21よりわずかに小さな同一形又は相似形に形成され、その高さHは、第2部材20の板厚tと略同じ寸法に設定されている。また、挿入部31の中央部には、非挿入部32から挿入部31に向かって凹んだ有底の凹部35が形成されている。また、凹部35における底部33には、貫通穴34が設けられている。
また、非挿入部32の外形形状は、第2部材20の挿通穴21より大きくなるように形成されている。
また、非挿入部32の外形形状は、第2部材20の挿通穴21より大きくなるように形成されている。
そして、底部33が第1部材10に当接するまで挿通穴21に挿入された挿着部材30は、底部33における貫通穴34の外周部に照射されたレーザ光Lで形成された溶接金属部40により、挿着部材30の底部33と第1部材10とがレーザ溶接されている。これにより、第2部材20は、挿着部材30の挿入部31が挿通穴21に嵌合し、かつ、第1部材10と挿着部材30の非挿入部32とで挟持されることで、挿着部材30を介して第1部材10に接合される。
以上より、材質が異なるために直接接合することが困難な第1部材10及び第2部材20を、第1部材10と同じ鉄系材料からなる挿着部材30を介して接合することができる。また、第2部材20は、第2部材20の挿通穴21よりも外径の大きな非挿入部32と、第1部材10により板厚方向で挟持され、かつ、第2部材20の挿通穴21に挿着部材30が嵌合するため、第1部材10及び第2部材20を確実に接合することができる。
次に、再び図1を参照して、接合構造体の製造方法について説明する。まず、第1部材10と材質が異なる第2部材20に挿通穴21を形成する。そして、亜鉛めっき処理された第1部材10に対し、挿通穴21が第1部材10に臨むように、第2部材20を重ね合わせる。続いて、挿通穴21に、鉄系材料からなる挿着部材30の挿入部31を挿入して、挿入部31の底部33を第1部材10に当接させる。これにより、第2部材20は、第1部材10及び挿着部材30の非挿入部32により挟持される。
次いで、挿着部材30の底部33における貫通穴34の外周部にレーザ光Lを照射して溶接金属部40を形成し、挿着部材30の底部33と第1部材10とをレーザ溶接する。レーザ光Lの種類は、特に限定されず、YAGレーザ、CO2レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等の種々のものを選択することができる。
ここで、亜鉛めっき鋼板である第1部材10と挿着部材30とをレーザ光Lにより溶接すると、沸点が比較的低い亜鉛(亜鉛の沸点:約900℃)が溶接熱により蒸発して亜鉛ガス(図示せず)が発生し、溶接金属部40にブローホールなどの気孔欠陥が発生するおそれがある。しかし、発生した亜鉛ガスは、挿着部材30の底部33に形成された貫通穴34から排出されるため、亜鉛ガスが溶融池内へ侵入することによる溶接金属部40の気孔欠陥を防止することができる。結果として、気孔欠陥のない健全な溶接金属部40を得ることができる。
貫通穴34の直径dは、溶接部である底部33、すなわち挿入部31の直径D1の1/2以下であることが好ましい。具体的に、貫通穴34の直径dは、0mm超、2mm以下であることが好ましい。貫通穴34の直径dが0mm(すなわち、貫通穴34が形成されていない場合)である場合には、第1部材10が亜鉛めっき処理されている場合に、溶接熱により発生する亜鉛ガスの排出が妨げられるため、溶接金属部40に気孔欠陥が発生するおそれがある。一方、貫通穴34の直径dが2mmを超える場合には、ビード(すなわち、溶接金属部40)の厚さが減肉して、接合強度が低下するおそれがある。
また、レーザ光Lは、貫通穴34の周囲に、円状又は螺旋状に照射されることが好ましい。レーザ光Lを、貫通穴34の周囲に、円状又は螺旋状に照射することで、貫通穴34の周囲に渡って溶接金属部40が形成されるため、挿着部材30と第1部材10とをより確実に接合することができる。結果として第1部材10と第2部材20との接合をより強固なものとすることができる。
更に、レーザ光Lを貫通穴34の周囲に螺旋状に照射する場合、図4に示すように、レーザ光Lを貫通穴34の径方向外側から内側に向けて螺旋を描くように照射することが好ましい。このようにすることで、発生する亜鉛ガスを貫通穴34から効率的に排出し、溶接金属部40の気孔欠陥をより確実に防止することができる。また、レーザ光Lが照射される領域上の温度勾配が小さくなり、凝固収縮量が少なくなって割れが抑制される。
また、亜鉛ガスの排出は、レーザ光Lを斜めから照射することで促進される。このような斜めからのレーザ光Lの照射は、図2に示すように、ガルバノスキャナのレーザヘッド50から照射することで容易に実現可能である。この場合、ガルバノスキャナのレーザヘッド50は固定したまま、レーザヘッド50に内蔵された発振器(図示せず)から発せられたレーザ光Lを、拡大レンズ及び集光レンズを介して回転するミラー(図示せず)により反射して照射する。これにより、ミラーの回転角度を調整するだけで、レーザヘッド50を移動させることなく、レーザ光Lを所望の位置に容易に照射することができ、前述したような円状又は螺旋状に照射することができる。
その際、第1部材10における第2部材20との重ね合わせ面11に対する法線Vと、レーザ光Lを照射するレーザヘッド50の中心軸線51とのなす角度θは、30°以下に設定されることが好ましい。また、角度θは、10°以上に設定されることがより好ましく、また、20°以下に設定されることがより好ましい。後述する実施例で示すように、角度θが、10°以上あるいは20°以下に設定されると、気孔欠陥が抑制(すなわち、ブローホールが抑制)された良好な溶接金属部40が得られる。
なお、斜めから照射されるレーザ光Lにより良好な溶接金属部40が得られる理由については、詳細には不明であるが、レーザ光Lを垂直方向から照射した場合、亜鉛ガスの噴出方向にキーホールが存在するため、キーホール内に亜鉛ガスがトラップされ、結果として溶融金属中に亜鉛ガスが残存してしまうが、レーザ光Lを斜めから照射することで、亜鉛ガスの噴出方向をずらし、発生する亜鉛ガスを貫通穴34から効率的に排出し、溶接金属部40の気孔欠陥をより確実に防止することができるためと推察される。
なお、斜めから照射されるレーザ光Lにより良好な溶接金属部40が得られる理由については、詳細には不明であるが、レーザ光Lを垂直方向から照射した場合、亜鉛ガスの噴出方向にキーホールが存在するため、キーホール内に亜鉛ガスがトラップされ、結果として溶融金属中に亜鉛ガスが残存してしまうが、レーザ光Lを斜めから照射することで、亜鉛ガスの噴出方向をずらし、発生する亜鉛ガスを貫通穴34から効率的に排出し、溶接金属部40の気孔欠陥をより確実に防止することができるためと推察される。
これにより、気孔欠陥が発生することなく、第1部材10と挿着部材30とが溶接金属部40により強固に接合されるため、互いに材質が異なる第1部材10と第2部材20とが、挿着部材30を介して接合される。
ここで、異種金属同士を接合すると、異種金属同士が接する部分にはガルバニ電池が形成されて、腐食が加速される原因になる。また、異種金属同士が接する面に水分が存在する場合には腐食が促進されるため、水分が入りやすい接合箇所には、電食防止を目的として、水分の浸入を防ぐためのシーリング処理を施すのが好ましい。
図5に示すように、挿着部材30の非挿入部32と、非挿入部32に対向する第2部材20との間に、例えば樹脂系の接着剤60を塗布する。これにより、本実施形態において鉄系材料からなる非挿入部32と、アルミニウム系材料からなる第2部材20との境界面から水分が侵入するのを防止することができ、電食防止の効果が得られる。なお、接着剤60の塗布をレーザ溶接前に行えば、挿着部材30を第2部材20に仮止めしておく作用も得られるため、作業性が向上するため、好ましい。
本発明の効果を確認するため、本発明の接合構造体に係る実施例と、該実施例と比較する比較例について説明する。
実施例及び比較例ともに、下板となる第1部材10には、980Mpa級のGA鋼板に亜鉛めっきが施された厚さ1.4mmの亜鉛めっき鋼板を用いた。また、上板となる第2部材20には、厚さ1.2mmの6000系アルミニウム合金(AA6022相当)に直径7.1mmの挿通穴21を形成した。
また、挿着部材30には、S10Cを用い、外径10mm、厚さ0.5mmの鍔状の非挿入部32と、外径7mm、高さ1.2mmの挿入部31とを一体に形成した。さらに、挿入部31の中央には、厚さ0.6mmの底部33を有する内径5mm、深さ1.1mmの凹部35を設けた。さらに、実施例における挿着部材30の底部33には、内径1mm、又は2mmの貫通穴34を形成した。
また、挿着部材30には、S10Cを用い、外径10mm、厚さ0.5mmの鍔状の非挿入部32と、外径7mm、高さ1.2mmの挿入部31とを一体に形成した。さらに、挿入部31の中央には、厚さ0.6mmの底部33を有する内径5mm、深さ1.1mmの凹部35を設けた。さらに、実施例における挿着部材30の底部33には、内径1mm、又は2mmの貫通穴34を形成した。
溶接条件は、実施例及び比較例ともに、表1に示す条件でファイバーレーザ溶接機からレーザ光Lを照射して溶接した。
そして、作製された溶接継手に対し、X線透過試験(JIS Z 3104)によりブローホールの有無を確認した。評価基準は表2に示すとおりである。また、この評価基準にしたがって評価した結果を、「挿着部材の貫通穴の直径d」、「溶接金属部の直径」及び「角度θ」とともに、表3に示す。なお、上記角度θは、上述したように、「第1部材10における第2部材20との重ね合わせ面11に対する法線Vと、レーザ光Lを照射するレーザヘッド50の中心軸線51とのなす角度θ」のことを意味する。
表3に示すように、貫通穴34を有しない比較例1の接合構造体では、評価が×であった。一方、底部33に貫通穴34を有する実施例1〜7の接合構造体では、最低でも△以上の評価であり、貫通穴34の有効性が確認された。
特に、第1部材10における第2部材20との重ね合わせ面11に対する法線Vと、レーザ光Lを照射するレーザヘッド50の中心軸線51とのなす角度θが、15°に設定された実施例3の接合構造体100では、すべての接合構造体100にブローホール(気孔欠陥)が確認されず、◎の評価が得られた。
また、該角度θが、15°より小さくなるにしたがって、また大きくなるにしたがって評価が次第に下がる傾向が見られた。この原因は、角度θが小さい場合、亜鉛ガスの噴出方向を変化させる効果が小さく、ブローホールの発生が防止されにくくなったためであると考えられる。また、角度θが大きい場合、溶融面積が広くなり、貫通穴から離れた部分においても亜鉛ガスが発生するため、貫通穴から排出されない亜鉛ガスが存在し、ブローホールの発生が防止されにくくなったためであると考えられる。
また、該角度θが、15°より小さくなるにしたがって、また大きくなるにしたがって評価が次第に下がる傾向が見られた。この原因は、角度θが小さい場合、亜鉛ガスの噴出方向を変化させる効果が小さく、ブローホールの発生が防止されにくくなったためであると考えられる。また、角度θが大きい場合、溶融面積が広くなり、貫通穴から離れた部分においても亜鉛ガスが発生するため、貫通穴から排出されない亜鉛ガスが存在し、ブローホールの発生が防止されにくくなったためであると考えられる。
上記の結果から、ブローホールを抑制するためには、挿着部材30の底部33に貫通穴34を設けることが必須要件であることが分かる。また、上記角度θを10°〜20°の範囲に設定することがより好ましいことが分かる。以上の実験により、本発明の有効性が実証された。
なお、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、第1部材10と第2部材20との間に剥離方向(板厚方向)の力が作用しない接合構造体100に対しては、鍔状の非挿入部32を有しない挿着部材30とすることもできる。また、中央部に非挿入部32から挿入部31に向かった凹んだ有底の凹部35を有さない挿着部材30も、本発明の範囲に含まれる。この場合においても、レーザ光Lが、挿着部材30に設けられた貫通穴34の外周部に照射されることで、該外周部に溶接金属部40が形成され、挿着部材30と第1部材10とがレーザ溶接される。
例えば、第1部材10と第2部材20との間に剥離方向(板厚方向)の力が作用しない接合構造体100に対しては、鍔状の非挿入部32を有しない挿着部材30とすることもできる。また、中央部に非挿入部32から挿入部31に向かった凹んだ有底の凹部35を有さない挿着部材30も、本発明の範囲に含まれる。この場合においても、レーザ光Lが、挿着部材30に設けられた貫通穴34の外周部に照射されることで、該外周部に溶接金属部40が形成され、挿着部材30と第1部材10とがレーザ溶接される。
また、上記の実施形態では、第1部材10に亜鉛めっきが施されているとして説明したが、挿着部材30にも亜鉛めっきが施されていてもよい。さらに、めっき処理される金属の種類として、亜鉛以外であっても良く、その場合にも上述した効果と同様の効果が得られる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
(1) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体の製造方法であって、
前記第2部材に挿通穴を形成する工程と、
前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられた鉄系材料の挿着部材を、前記挿着部材が前記第1部材に当接するまで、前記第2部材の挿通穴に挿入する工程と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に溶接金属部を形成して、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
(1) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体の製造方法であって、
前記第2部材に挿通穴を形成する工程と、
前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられた鉄系材料の挿着部材を、前記挿着部材が前記第1部材に当接するまで、前記第2部材の挿通穴に挿入する工程と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に溶接金属部を形成して、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。
この構成によれば、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、第1部材と材質が異なる第2部材とが、第2部材の挿通穴に挿入され、第1部材と溶接金属部を形成する鉄系材料の挿着部材を介して接合されるため、材質が異なるために直接には接合することが困難な第1及び第2部材を接合することができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を得ることができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を得ることができる。
(2)前記挿着部材は、前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、
前記凹部における底部には貫通穴が設けられ、
前記底部における前記貫通穴の外周部に前記溶接金属部を形成して前記第1部材と前記挿着部材とを接合することを特徴とする上記(1)に記載の接合構造体の製造方法。
前記凹部における底部には貫通穴が設けられ、
前記底部における前記貫通穴の外周部に前記溶接金属部を形成して前記第1部材と前記挿着部材とを接合することを特徴とする上記(1)に記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、第2部材が、挿着部材の非挿入部と第1部材とにより板厚方向で挟持され、かつ第2部材の挿通穴に挿着部材が嵌合することで、互いに材質が異なる第1部材と第2部材とが、確実に接合される。
(3) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、溶接強度を維持しつつ、溶接時にめっき処理された部材から発生するガスを効果的に排出して、気孔欠陥のない健全な溶接金属部を形成できる。
(4) 前記溶接金属部は、レーザ溶接により形成され、
前記第1部材における前記第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザ光を照射するレーザヘッドの中心軸線とのなす角度θは、30°以下に設定されることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
前記第1部材における前記第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザ光を照射するレーザヘッドの中心軸線とのなす角度θは、30°以下に設定されることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、レーザ溶接時に、めっき処理された部材から発生するガスの排出を促進して、気孔欠陥のない健全な溶接金属部を形成できる。
(5) 前記角度θは、10°以上に設定されることを特徴とする上記(4)に記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、レーザ溶接時に、めっき処理された部材から発生するめっきガスを効果的に排出して、気孔欠陥のない健全な溶接金属部を形成できる。
(6) 前記角度θは、20°以下に設定されることを特徴とする上記(4)又は(5)に記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、レーザ溶接時に、めっき処理された部材から発生するめっきガスを効果的に排出して、気孔欠陥のない健全な溶接金属部を形成できる。
(7) 前記挿着部材の非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に接着剤を塗布する工程を、さらに備えることを特徴とする上記(2)〜(6)のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
この構成によれば、非挿入部と第2部材との境界面から水分が侵入するのを防止することができ、異種金属の接触部に形成されるガルバニ電池による腐食の促進を抑制することができる。
(8) めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体であって、
前記第2部材は、挿通穴を有し、かつ、前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材に重ね合わされると共に、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられ、かつ、前記第1部材に当接するまで前記第2部材の挿通穴に挿入される鉄系材料の挿着部材と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に形成され、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する溶接金属部と、
を備えることを特徴とする接合構造体。
前記第2部材は、挿通穴を有し、かつ、前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材に重ね合わされると共に、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられ、かつ、前記第1部材に当接するまで前記第2部材の挿通穴に挿入される鉄系材料の挿着部材と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に形成され、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する溶接金属部と、
を備えることを特徴とする接合構造体。
この構成によれば、めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、第1部材と材質が異なる第2部材とが、第2部材の挿通穴に挿入され、第1部材と溶接金属部を形成する鉄系材料の挿着部材を介して接合されるため、材質が異なるために直接には接合することが困難な第1及び第2部材を接合した接合構造体を得ることができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を有する接合構造体を得ることができる。
また、挿着部材には、挿入部から非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられているため、第1部材がめっき処理されていても、溶接熱により発生する金属めっき由来のガスを貫通穴から排出することができ、両部材間に隙間を設けることなく、気孔欠陥のない健全な状態で接合することで、良好な溶接金属部を有する接合構造体を得ることができる。
(9) 前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、前記凹部における底部には前記貫通穴が設けられ、前記底部が前記第1部材に当接するまで前記挿通穴に挿入される前記挿着部材と、
前記底部における前記貫通穴の外周部に形成されて前記第1部材と前記挿着部材とを接合する前記溶接金属部と、
を備えることを特徴とする上記(8)に記載の接合構造体。
前記底部における前記貫通穴の外周部に形成されて前記第1部材と前記挿着部材とを接合する前記溶接金属部と、
を備えることを特徴とする上記(8)に記載の接合構造体。
この構成によれば、第2部材が、挿着部材の非挿入部と第1部材とにより板厚方向で挟持され、かつ第2部材の挿通穴に挿着部材が嵌合することで、互いに材質が異なる第1部材と第2部材とが、確実に接合された接合構造体とすることができる。
(10) 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする上記(8)又は(9)に記載の接合構造体。
この構成によれば、溶接強度を維持しつつ、溶接時にめっき処理された部材から発生するガスを効果的に排出して、気孔欠陥のない健全な溶接金属部が形成された接合構造体とすることができる。
(11) 前記挿着部材の前記非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備えることを特徴とする上記(9)又は(10)に記載の接合構造体。
この構成によれば、非挿入部と第2部材との境界面から水分が侵入するのを防止することができ、異種金属の接触部に形成されるガルバニ電池による腐食の促進を抑制することができる。
10 第1部材
11 重ね合わせ面
20 第2部材
21 挿通穴
30 挿着部材
31 挿入部
32 非挿入部
33 底部
34 貫通穴
35 凹部
40 溶接金属部
50 レーザヘッド
51 レーザヘッドの中心軸線
60 接着剤
100 接合構造体
d 貫通穴の直径
L レーザ光
t 板厚
V 第1部材における第2部材との重ね合わせ面に対する法線
θ 第1部材における第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザヘッドの中心軸線とのなす角度
11 重ね合わせ面
20 第2部材
21 挿通穴
30 挿着部材
31 挿入部
32 非挿入部
33 底部
34 貫通穴
35 凹部
40 溶接金属部
50 レーザヘッド
51 レーザヘッドの中心軸線
60 接着剤
100 接合構造体
d 貫通穴の直径
L レーザ光
t 板厚
V 第1部材における第2部材との重ね合わせ面に対する法線
θ 第1部材における第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザヘッドの中心軸線とのなす角度
Claims (11)
- めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体の製造方法であって、
前記第2部材に挿通穴を形成する工程と、
前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられた鉄系材料の挿着部材を、前記挿着部材が前記第1部材に当接するまで、前記第2部材の挿通穴に挿入する工程と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に溶接金属部を形成して、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 前記挿着部材は、前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、
前記凹部における底部には貫通穴が設けられ、
前記底部における前記貫通穴の外周部に前記溶接金属部を形成して前記第1部材と前記挿着部材とを接合することを特徴とする請求項1に記載の接合構造体の製造方法。 - 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合構造体の製造方法。
- 前記溶接金属部は、レーザ溶接により形成され、
前記第1部材における前記第2部材との重ね合わせ面に対する法線と、レーザ光を照射するレーザヘッドの中心軸線とのなす角度θは、30°以下に設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の接合構造体の製造方法。 - 前記角度θは、10°以上に設定されることを特徴とする請求項4に記載の接合構造体の製造方法。
- 前記角度θは、20°以下に設定されることを特徴とする請求項4又は5に記載の接合構造体の製造方法。
- 前記挿着部材の非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に接着剤を塗布する工程を、さらに備えることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の接合構造体の製造方法。
- めっき処理された鉄系材料からなる第1部材と、前記第1部材と材質が異なる第2部材とが接合されてなる接合構造体であって、
前記第2部材は、挿通穴を有し、かつ、前記挿通穴が前記第1部材に臨むように、前記第1部材に重ね合わされると共に、
挿入部と非挿入部とを備えると共に、前記挿入部から前記非挿入部にかけて連通する貫通穴が設けられ、かつ、前記第1部材に当接するまで前記第2部材の挿通穴に挿入される鉄系材料の挿着部材と、
前記第1部材と前記挿着部材との当接部に形成され、前記第1部材と前記挿着部材とを接合する溶接金属部と、
を備えることを特徴とする接合構造体。 - 前記非挿入部が前記挿入部よりも外径の大きい段付きの外形形状を有すると共に、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ有底の凹部を有し、前記凹部における底部には前記貫通穴が設けられ、前記底部が前記第1部材に当接するまで前記挿通穴に挿入される前記挿着部材と、
前記底部における前記貫通穴の外周部に形成されて前記第1部材と前記挿着部材とを接合する前記溶接金属部と、
を備えることを特徴とする請求項8に記載の接合構造体。 - 前記貫通穴の直径は、0mm超、2mm以下であることを特徴とする請求項8又は9に記載の接合構造体。
- 前記挿着部材の前記非挿入部と、該非挿入部に対向する前記第2部材との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備えることを特徴とする請求項9又は10に記載の接合構造体。
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