JP7048355B2 - 異材接合継手および異材接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、鉄道車両、船舶などの輸送分野、機械部品、建築構造物等の構造部材などとして好適で、特に、自動車用構造物などの組立工程の際に必要となる、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材接合継手および異材接合方法に関する。

自動車の各種構造材は、その軽量化のために、一部アルミニウム系材料が使用されており、このため、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材同士を接合する方法の開発が要望されている。

同種材料同士を接合する方法としては、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接やＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接などのアーク溶接及びレーザー溶接等の溶融溶接方法が一般的に使用されている。アルミニウム系材料と鉄系材料との異材接合においては、両材料の溶融温度に差があるため、融点の低い側のアルミニウム系材料を溶融させ、鉄系材料はほとんど溶融させず、両者の界面で接着させる、ブレーズ溶接が知られている。しかし、アルミニウム系材料と鉄系材料との界面に、ＦｅＡｌ_３又はＦｅ_２Ａｌ_５等の脆いＡｌ－Ｆｅ系金属間化合物が比較的厚く生成し易く、これがアルミニウム系材料と鉄系材料との間の接合強度を著しく低下させるため、これまでの上記ブレーズ溶接法では安定した接合強度を得ることが困難であった。

このため、異材接合にＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接を適用した例として、電極ワイヤに酸化膜除去効果のあるアルミニウム系溶接材料であるフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ；Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ｗｉｒｅ）を使用し、純アルミニウムと裸鋼板とを直流パルス電源を使用してＭＩＧ溶接したものがある（非特許文献１を参照）。しかし、異材接合にＭＩＧ溶接を適用した場合、直流パルスＭＩＧにおいては、電流を絞る必要があるために、アークが不安定になってスパッタが発生しやすく、酸化膜を除去するクリーニング作用が不十分である等の問題点がある。

上記の課題を解決するための異材接合方法が、特許文献１、２及び非特許文献２に開示されている。すなわち、アルミニウム系溶接材料であるフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を使用するものの、そのフラックスとワイヤの成分を調整し、交流パルス電源を用いて、裸鋼板または表面処理された亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム材間の接合をブレーズ溶接で実現する方法が開発されている。これはワイヤ中のフラックスが鋼板の表面処理成分を除去してクリーニングし、かつフラックスの蒸発に伴う吸熱作用により接合界面の温度が高温になるのを防いで、これら効果により接合界面での金属間化合物の発生の抑制を可能としたものである。

特開平７－１４８５７１号公報 特開平１０－３１４９３３号公報

"溶融プロセスアルミ／鋼異材接合技術に関する調査研究"ｐ７５－９３、平成１４年度成果報告書（平成１５年３月）、大阪大学接合科学研究所異材接合研究会編 溶接学会論文集第２２巻第２号ｐ３１５－３２２（２００４）

しかしながら、鉄系材料とアルミニウム系材料との異材同士を接合する方法として、アルミニウム系溶接材料（ワイヤ）を用いたブレーズ溶接を行おうとすると、鉄系材料とアルミニウム系材料との間に形成された溶融金属中に大きなブローホールが残存しやすいという欠点がある。溶着金属中に大きなブローホールが多く残存すると、接合継手の引張強さや疲労強度が低下したり、良好なビード外観が得られない等の問題があった。
また、前述のフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を用いて接合した場合、フラックスおよびフラックスと化合した材料成分の蒸発ガスによってブローホールが更に残存しやすくなるという問題もある。

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、鉄系材料とアルミニウム系材料とを、フラックス入りワイヤを含むアルミニウム系ワイヤ、を用いたブレーズ溶接により接合する場合において、溶着金属中の大きなブローホールを低減することにより、接合継手の引張強さの低下を抑制しつつ、良好なビード外観を得ることのできる異材接合継手および異材接合方法を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の異材接合継手は、鉄系材料とアルミニウム系材料とが、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合された異材接合継手であって、前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料の突合せ部には、アルミニウムを含有する溶着金属が形成されており、前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする。

また、上記課題を解決する本発明の異材接合方法は、鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合する異材接合方法であって、前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定し、該鉄系材料と該アルミニウム系材料の突合せ部にアルミニウムを含有する溶着金属を形成することを特徴とする。

また、上記課題を解決する本発明の異材接合継手は、鉄系材料とアルミニウム系材料とが、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により重ね接合された異材接合継手であって、前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料の重ね合せ部には、アルミニウムを含有する溶着金属が形成されており、前記アルミニウム系材料は前記重ね合せ部に開先を有するとともに、該開先の開先角度が３０°以上５０°以下であることを特徴とする。

また、上記課題を解決する本発明の異材接合方法は、鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により重ね接合する異材接合方法であって、前記アルミニウム系材料に対し開先角度が３０°以上５０°以下の開先を設け、該鉄系材料と該アルミニウム系材料の重ね合せ部にアルミニウムを含有する溶着金属を形成することを特徴とする。

本発明によれば、鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により接合する場合において、溶着金属中の大きなブローホールを低減することにより、接合継手の引張強さの低下を抑制しつつ、良好なビード外観を得ることのできる異材接合継手および異材接合方法を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る異材接合方法により突合せ接合された接合継手部付近の断面概略図である。 図２は、第２の実施形態に係る異材接合方法により重ね接合された接合継手部付近の断面概略図である。 図３は、後述する実施例１で用いた突合せ接合試験の態様を示す断面概略図である。 図４Ａは、比較例１－１に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図４Ｂは、比較例１－２に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図４Ｃは、比較例１－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図４Ｄは、実施例１－１に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図４Ｅは、実施例１－２に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図４Ｆは、実施例１－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図５Ａは、比較例１－６に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図５Ｂは、実施例１－４に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図６Ａは、後述する実施例２で用いた重ね接合試験（開先加工なし）の態様を示す断面概略図である。 図６Ｂは、後述する実施例２で用いた重ね接合試験（開先加工あり）の態様を示す断面概略図である。 図７Ａは、比較例２－１に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図７Ｂは、比較例２－２に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図７Ｃは、比較例２－３に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図７Ｄは、実施例２－１に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図７Ｅは、実施例２－２に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図７Ｆは、実施例２－３に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ａは、比較例２－４に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ａは、比較例２－５に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ｃは、比較例２－６に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ｄは、実施例２－４に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ｅは、実施例２－５に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図８Ｆは、実施例２－６に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図９Ａは、比較例３に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。 図９Ｂは、実施例３に係るＡｌ合金材と鋼材との重ね継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。

以下、本発明の一実施形態（本実施形態）に係る異材接合継手および異材接合方法について図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る異材接合継手および異材接合方法について説明する。図１は、本実施形態に係る異材接合方法により突合せ接合された接合継手部付近の断面概略図である。本実施形態の異材接合継手（突合せ継手）は、鉄系材料１とアルミニウム系材料２とが、溶着金属３を介したブレーズ溶接により突合せ接合されることにより形成される。

突合せ接合は、例えばＭＩＧ溶接機を用いたＭＩＧを熱源として行われる。ＭＩＧ溶接は、溶接トーチから溶加材として働くワイヤが一定速度で送給され、また給電されて、ワイヤ－母材間でアークを発生させる接合法であり、接合部に大気が混入しないように、ガスノズルから不活性ガスを発生させることを特徴とする。ワイヤは、アルミニウム系のものが使用される。また、突合せ接合時の溶接条件については、アルミニウム系ワイヤが適切に溶ける条件であれば特に制限はされない。ただし、突合せ継手において高い接合強度（引張強さ）を得る観点からは、溶接速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ超、５００ｍｍ／ｍｉｎ未満であることが好ましい。

溶着金属３は、突合せ接合時に溶加材であるアルミニウム系ワイヤと、アルミニウム系材料２の一部とが溶け合わされて形成される。鉄系材料１が、例えば亜鉛メッキ鋼板である場合には、亜鉛メッキ層の一部も溶けて気化して溶着金属３が形成される。ただし、アルミニウム系材料２や亜鉛メッキ層と比べ融点の高い鉄系材料１（鋼板など）は、溶かされることなく溶着金属３が形成されるため、金属間化合物の成長が低減される。

次に、本実施形態の特徴について説明する。

鉄系材料１とアルミニウム系材料２との異材同士を突合せ接合する場合において、一般的にはアルミニウム系溶接材料（アルミニウム系ワイヤ）を使用するブレーズ溶接による方法が適用される。しかし、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接を行おうとすると、鉄系材料１とアルミニウム系材料２との間に形成された溶着金属３中に大きなブローホールが残存する場合がある。溶着金属３中に大きなブローホールが多く残存すると、接合継手の引張強さや疲労強度が低下したり、良好なビード外観が得られないなどの問題が発生する。

そこで本実施形態では、異材同士を突合せ接合する場合において、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のルートギャップＧを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定し、鉄系材料１とアルミニウム系材料２の突合せ部４にアルミニウムを含有する溶着金属３を形成する。ここで、ルートギャップＧとは、溶着金属３の溶け込みを促進して接合強度を高めるために、鉄系材料１とアルミニウム系材料２の間に設けられる所定の間隙である。

鉄系材料１とアルミニウム系材料２のルートギャップＧを０．５ｍｍ以上に設定することで、ブレーズ溶接時に発生するガス（ワイヤに含まれるフラックスなどの成分の気化や、鋼板やアルミの表面成分がワイヤやフラックスと反応した気化ガスＨ_２、Ｍｇなど）が、凝固する前の溶着金属３内部から抜けやすくなるため、溶着金属３中に大きなブローホールが多く残存するのを抑制することができる。結果として、接合継手の引張強さが低下したり、良好なビード外観が得られないなどの問題を効果的に防止することができる。
上記作用をより効果的に得るためには、ルートギャップＧを０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．８ｍｍ以上とすることがより好ましい。

ただし、ルートギャップＧが大き過ぎると、鉄系材料１とアルミニウム系材料２をブレーズ溶接する際に、溶解した溶着金属３が鉄系材料１側までなじまず、溶着金属３が溶け落ちてしまうおそれがある。その結果、異材接合ができないおそれがあるため、ルートギャップＧは２．０ｍｍ未満に設定する。
上記作用をより効果的に得るためには、ルートギャップＧを１．５ｍｍ未満とすることが好ましく、１．２ｍｍ未満とすることがより好ましい。最も好ましいのは、ルートギャップＧ＝１．０ｍｍの場合である。

また、アルミニウム系材料２は突合せ部４に開先を有しており、開先の開先角度θが３０°以上５０°以下であることが好ましい。開先角度θが３０°以上５０°以下の範囲で、アルミニウム系材料２に開先を設けることで、ブレーズ溶接時に溶融するアルミニウム系材料２の溶融量が少なくなり、ブローホールの要因となるアルミニウム系材料２の含有成分、または酸化膜など表面成分の気化量を抑えることができるため、溶着金属３中に大きなブローホールが多く残存することを更に抑制することができる。
上記作用をより効果的に得るためには、開先角度θを３０°以上とすることが好ましく、４０°以上とすることがより好ましい。

ただし、開先角度θを大きくし過ぎると、アルミニウム系材料２側のビード端部にアンダーカットの問題が発生するため、開先角度θは６０°以下に設定する。上記作用をより効果的に得るためには、開先角度θを５５°以下とすることが好ましく、５０°以下とすることがより好ましい。最も好ましいのは、開先角度θ＝４５°の場合である。

鉄系材料１側には、突合せ部４に開先を設けても構わないが、特に設けなくても構わない。
アルミニウム系材料２に開先を設ける場合において、開先形状は特に制限されないが、突合せ接合時の熱源に近い側の面を斜面とする、いわゆるレ型開先とすることが好ましい。
アルミニウム系材料２に開先を設ける場合に、ルート面を残す（ルート面を０ｍｍ超とする）ようにしても構わない。

本実施形態で使用される溶接ワイヤ素材としては、アルミニウム系の材料であれば特に制限されることはなく、溶接継手や溶接条件に応じて適宜選択される。例えば、ＪＩＳで規定される、Ａ４０４３－ＷＹ、Ａ４０４７－ＷＹ、Ａ５３５６－ＷＹ、Ａ５１８３－ＷＹなどが例として挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
なお、より好ましくは、Ｓｉを１．７乃至２．７質量％、Ｔｉを０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる筒状の皮材と、この皮材内に充填されＡｌＦ_３を７乃至１５質量％含有し、残部がＫＡｌＦ系フラックス及び不純物であるフラックスとを有し、該フラックスの充填率がワイヤの全質量あたり２．５乃至２０質量％である、フラックス入りワイヤの使用が望まれる。

また、上記ワイヤには、ソリッドワイヤ及びフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）の両方が含まれる。このうちフラックス入りワイヤは、円筒状のアルミニウム合金シースの内部にフラックスを充填させたものであり、接合の際、ＭＩＧなどの熱源による加熱によってアルミニウム系材料２の一部が溶融する。このとき、フラックスがアルミニウム合金シースと共に溶融する。この場合、鉄系材料１の表面はフラックスがぬれ広がるため溶融しない（亜鉛メッキ鋼板の場合は、表面の亜鉛メッキ層のみが溶融する）。
そして、鉄系材料１の表面は、溶融部においてぬれ性が向上し、鉄系材料１の表面を溶融したアルミニウム合金の溶湯が滑らかに覆う。これにより、アルミニウム系材料２と鉄系材料１とが強固に密着するため、結果として他のアルミニウム系材料を用いたワイヤ類、例えばＪＩＳで規定された上述のワイヤやその改良材などと比較し、強固な界面接合力を得ることができる。

本実施形態で使用される鉄系材料１としては、普通鋼、高張力鋼（ハイテン；ＨＴＳＳ）などの鋼材が例として挙げられ、ＣＲ（Ｃｏｌｄ Ｒｏｌｌｅｄ）鋼板（すなわち、メッキなし鋼板）やステンレス鋼板などを用いることができる。本実施形態においては、継手に使用する鋼材の種類や形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。なお、本実施形態の異材接合方法を阻害しない範囲であれば、亜鉛などのメッキ（メッキ鋼板）や、種々の表面処理が施されても良い。

本実施形態で使用されるアルミニウム系材料２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。本実施形態で用いられるアルミニウム系材料２は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている圧延などの板材、押出などの形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。
なお、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。

ただし、沸点が比較的低いＭｇ（マグネシウム）の含有量が６０００系より多い５０００系アルミニウム合金においては、ブレーズ溶接時に気化してガスとなるＭｇ量も多くなる。このため、５０００系アルミニウム合金をアルミニウム系材料２として用いた場合には、溶着金属３内に残存するブローホールも多くなり得ることから、本実施形態の異材接合継手および異材接合方法は、特に５０００系アルミニウム合金を用いた場合に有効である。

鉄系材料１の板厚ｔ_１に関しては特に制限されないが、一般的には１．０ｍｍ～５．０ｍｍのものが用いられる。また、アルミニウム系材料２の板厚ｔ_２に関しても特に制限されず、一般的には１．０ｍｍ～５．０ｍｍのものが用いられる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態に係る異材接合継手および異材接合方法について説明する。図２は、本実施形態に係る異材接合方法により重ね接合された接合継手部付近の断面概略図である。本実施形態の異材接合継手（重ね継手）は、鉄系材料１とアルミニウム系材料２とが、溶着金属３を介したブレーズ溶接により重ね接合されることにより形成される。重ね接合は、第１の実施形態と同様の方法により実施することができる。また、溶着金属３の形成過程についても第１の実施形態と同様である。

次に、本実施形態の特徴について説明する。

第１の実施形態で説明したのと同様、鉄系材料１とアルミニウム系材料２との異材同士を、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により重ね接合する場合において、鉄系材料１とアルミニウム系材料２との間に形成された溶着金属３中に大きなブローホールが残存する場合がある。

そこで本実施形態では、異材同士を重ね接合する場合において、アルミニウム系材料２に対し開先角度θが３０°以上５０°以下の開先を設け、鉄系材料１とアルミニウム系材料２の重ね合せ部５にアルミニウムを含有する溶着金属３を形成する。
開先角度θが３０°以上５０°以下の範囲で、アルミニウム系材料２に開先を設けることで、ブレーズ溶接時に溶融するアルミニウム系材料２の溶融量が少なくなり、ブローホールの要因となるアルミニウム系材料２の酸化膜の溶融量を抑えることができる。結果として、溶着金属３中に大きなブローホールが多く残存することを効果的に抑制することができる。
上記作用をより効果的に得るためには、開先角度θを３０°以上とすることが好ましく、４０°以上とすることがより好ましい。

ただし、開先角度θを大きくし過ぎると、アルミニウム系材料２側のビード端部にアンダーカットの問題が発生するため、開先角度θは６０°以下に設定する。上記作用をより効果的に得るためには、開先角度θを５５°以下とすることが好ましく、５０°以下とすることがより好ましい。最も好ましいのは、開先角度θ＝４５°の場合である。なお、鉄系材料１側には、突合せ部４に開先を設けなくても構わないが、特に設けても構わない。また、アルミニウム系材料２に開先を設ける場合に、ルート面を残す（ルート面を０ｍｍ超とする）ようにしても構わない。

また、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のルートギャップＧを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定することが好ましい。鉄系材料１とアルミニウム系材料２のルートギャップＧを０．５ｍｍ以上に設定することで、ブレーズ溶接時に発生するガス（ワイヤに含まれるフラックスなどの成分の気化や、鋼板やアルミの表面成分がワイヤやフラックスと反応した気化ガスＨ_２、Ｍｇなど）が、凝固する前の溶着金属３内部から抜けやすくなるため、溶着金属３中に大きなブローホールが多く残存することをより効果的に抑制することができる。
上記作用を更に効果的に得るためには、ルートギャップＧを０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．８ｍｍ以上とすることがより好ましい。

ただし、ルートギャップＧが大き過ぎると、鉄系材料１とアルミニウム系材料２をブレーズ溶接する際に、溶解した溶着金属３が鉄系材料１側までなじまず、溶着金属３が溶け落ちてしまうおそれがある。その結果、異材接合ができないおそれがあり、また接合できたとしても接合継手の引張強さの低下のおそれがあるため、ルートギャップＧは２．０ｍｍ未満に設定することが好ましい。
上記作用をより効果的に得るためには、ルートギャップＧを１．５ｍｍ未満とすることがより好ましく、１．２ｍｍ未満とすることが更に好ましい。最も好ましいのは、ルートギャップＧ＝１．０ｍｍの場合である。

上記重ね接合を行う場合の鉄系材料１とアルミニウム系材料２との重ね代に関しては特に制限されないが、一般的には３．０ｍｍ～７．０ｍｍの範囲に設定される。

なお、本実施形態で使用される溶接ワイヤ素材、鉄系材料１およびアルミニウム系材料２の詳細については、第１の実施形態と同様のため説明を省略する。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

＜実施例１＞
鉄系材料とアルミニウム系材料における突合せ接合に関する試験を行った。溶接条件は表１に示す通りであり、溶接速度以外は、全ての実施例および比較例において共通とした。なお、ここで説明する溶接条件は一例であり、本実施形態では以下の溶接条件に限定されるものではない。
また、表２に示すように、鉄系材料（鋼材）としてＳＳ４００を、アルミニウム系材料（Ａｌ合金材）として５０００系アルミニウム合金であるＡ５０５２または６０００系アルミニウム合金であるＡ６０２２を使用し、ルートギャップおよび溶接速度を表２に示す各条件に設定の上、上記突合せ接合を実施した。なお、本実施例における突合せ接合試験の態様を示す断面概略図を図３に示す。

また、その他の共通条件を下記に示す。
溶接ワイヤ ナイス（株）製 ＡｌｕＳ４Ｍ φ１．２ｍｍ
溶接機 （株）ダイヘン社製 ＤＷ３００＋
モード：軟質アルミ
極性／プロセス：ＡＣ／パルス
突出し長さ：１５ｍｍ
シールドガス：Ａｒ ２０Ｌ／ｍｉｎ
溶接方法 自動（ＤＸ１００＋ＭＨ６）
アルミニウム系材料の開先形状 ４５°レ形開先、ルート面１ｍｍ
溶接長さ 約２００ｍｍ
なお、ルートギャップを設ける場合には、ワーク両端を仮止めしてから、本溶接を実施
した。
上記ＡｌｕＳ４Ｍの規格は、Ｓｉを１．７乃至２．７質量％、Ｔｉを０．０５乃至０．２５質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなる筒状の皮材と、この皮材内に充填されＡｌＦ_３を７乃至１５質量％含有し、残部がＫＡｌＦ系フラックス及び不純物であるフラックスとを有し、該フラックスの充填率がワイヤの全質量あたり２．５乃至２０質量％であるフラックス入りワイヤである。

表２において、ビード外観、表面欠陥、最大試験力および引張強さについての評価結果を示す。なお、ビード外観の調査は、突合せ継手の長手方向の垂直断面形状を目視で観察するとともに、ビード幅を測定した。また、表面欠陥の調査は、目視により溶接ビード表面上の気孔欠陥の有無を確認した。更に、引張試験の調査は、突合せ継手をＪＩＳ５号に記載の試験片に加工して引張試験を行い、その引張強さ（Ｎ／ｍｍ）および最大試験力（Ｎ）を評価した。
なお、ビード外観、ビード幅、最大試験力および引張強さの調査にあたっては、溶接ビード方向における両端から１５ｍｍと中央位置の３か所において、２５ｍｍ幅の試料をウォータージェット（ＷＪ）加工により採取した。そして、表２におけるビード幅、最大試験力および引張強さの値は、溶接開始側、試料中央部、溶接終端側の３点の平均値とした。

表２において、本発明の要件を満足する実施例１－１～実施例１－４（ルートギャップ＝１．０ｍｍの場合）は、ビード外観がほぼ良好または良好であるとともに、表面欠陥がなく、最大試験力および引張強さに優れていた。

なお、実施例１－１～実施例１－３および比較例１－１～比較例１－３（ルートギャップ＝０ｍｍの場合）において、それぞれ同じ溶接速度における実施例と比較例とで比較した場合、比較例に対する実施例の引張強さの向上代が、実施例１－１～実施例１－３の中で実施例１－２が最も大きかった。
実施例１－１の引張強さ（１３４Ｎ／ｍｍ）／比較例１－１の引張強さ（８０Ｎ／ｍｍ）＝約１．６８倍
実施例１－２の引張強さ（１７１Ｎ／ｍｍ）／比較例１－２の引張強さ（６６Ｎ／ｍｍ）＝約２．５９倍
実施例１－３の引張強さ（２０２Ｎ／ｍｍ）／比較例１－３の引張強さ（１４３Ｎ／ｍｍ）＝約１．４１倍
これは、実施例１－２がより好ましい溶接速度の条件である３００ｍｍ／ｍｉｎ超、５００ｍｍ／ｍｉｎ未満を満足することによると考えられる。

また、６０００系アルミニウム合金を用いた実施例１－４の比較例１－６に対する引張強さの向上代は、実施例１－４の引張強さ（１９８Ｎ／ｍｍ）／比較例１－６の引張強さ（１７６Ｎ／ｍｍ）＝約１．１３倍であり、この結果を踏まえると、上述の通り、本実施形態の異材接合継手および異材接合方法は、特に５０００系アルミニウム合金を用いた場合に有効であることが理解される。

一方、本発明の要件を満足しない比較例１－１～比較例１－３、比較例１－６（ルートギャップ＝０ｍｍの場合）は、ビード外観や表面欠陥上の問題はなかったものの、最大試験力や引張強さに劣っていた。
また、本発明の要件を満足しない比較例１－４および比較例１－５（ルートギャップ＝２．０ｍｍの場合）は、突合せ接合時に溶接ワイヤなどが由来の溶着金属が鉄系材料側まで十分になじまず、溶け落ちてしまった結果、良好なビード形状を得ることができなかった。このため、比較例１－４および比較例１－５においては引張試験を行っておらず、表２中の「ビード幅」、「最大試験力（Ｎ）」および「引張強さ（Ｎ／ｍｍ）」の値を「－」としている。

続いて、実施例１－１～実施例１－４、比較例１－１～比較例１－３および比較例１－６について、溶着金属中のブローホールの状態をマイクロスコープ（倍率：２０倍、装置名：（株）キーエンス製ＶＨＸ－６０００）により確認した結果を示す。

図４Ａ～図４Ｃは、それぞれ比較例１－１～比較例１－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。また、図４Ｄ～図４Ｆは、それぞれ実施例１－１～実施例１－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。なお、これらの写真は、溶接ビード方向における試料中央部の断面を示している。
例えば、ルートギャップの条件以外の試験条件が同一である、実施例１－１と比較例１－１を比較した場合、溶着金属内のブローホール（図４Ａや図４Ｄ中における、多数の黒丸で示された部分）に着目すると、実施例１－１の方が大きなブローホールが低減されていることが分かる。また同様に、実施例１－２と比較例１－２の比較、実施例１－３と比較例１－３の比較および実施例１－４と比較例１－６の比較においても、実施例の突合せ継手は大きなブローホールが低減されていることが分かる。
なお、図４Ｂおよび図４Ｃにおいては、断面写真の確認時に鋼材が剥離してしまったため、図中には鋼材が示されていない。

＜実施例２＞
鉄系材料とアルミニウム系材料における重ね接合に関する試験を行った。溶接条件は表３に示す通りであり、全ての実施例および比較例において共通とした。なお、ここで説明する溶接条件は一例であり、本実施形態では以下の溶接条件に限定されるものではない。
また、表４に示すように、鉄系材料（鋼材）としてＣＲ９８０またはＳＳ４００を、アルミニウム系材料（Ａｌ合金材）として５０００系アルミニウム合金であるＡ５０５２または６０００系アルミニウム合金であるＡ６０２２を使用し、アルミニウム系材料における開先加工の有無およびルートギャップを表４に示す各条件に設定の上、上記重ね接合を実施した。なお、本実施例における重ね接合試験の態様を示す断面概略図を図６Ａ（開先加工なし）および図６Ｂ（開先加工あり）に示す。

また、その他の共通条件を下記に示す。
溶接ワイヤ ナイス（株）製 ＡｌｕＳ４Ｍ φ１．２ｍｍ
溶接機 （株）ダイヘン社製 ＤＷ３００＋
極性／プロセス：ＡＣ／パルス
モード：軟質アルミ
突出し長さ：１５ｍｍ
シールドガス：Ａｒ ２０Ｌ／ｍｉｎ
溶接方法 自動（ＤＸ１００＋ＭＨ６）
アルミニウム系材料に開先を設ける場合の開先形状 ４５°レ形開先、ルート面１ｍｍ
重ね代 ５ｍｍ
溶接長さ 約２００ｍｍ
なお、ルートギャップを設ける場合には、ワーク両端を仮止めしてから、本溶接を実施した。
上記ＡｌｕＳ４Ｍの規格は、実施例１で説明した通りである。

表４において、ビード外観、表面欠陥、最大試験力および引張強さについての評価結果を示す。なお、これらの評価手法は実施例１と共通のため説明を省略する。

表４において、本発明の要件を満足する実施例２－１～実施例１－６（開先加工あり）は、ビード外観が良好であるとともに、表面欠陥がなく、最大試験力および引張強さに優れていた。

なお、それぞれ同じアルミニウム系材料およびルートギャップにおける実施例（開先加工あり）と比較例（開先加工なし）とで比較した場合、比較例に対する実施例の引張強さの向上代は、実施例２－１および実施例２－２が実施例２－３よりも大きく、また、実施例２－４および実施例２－５が実施例２－６よりも大きかった。
実施例２－１の引張強さ（３５９Ｎ／ｍｍ）／比較例１－１の引張強さ（１２６Ｎ／ｍｍ）＝約２．８５倍
実施例２－２の引張強さ（３４９Ｎ／ｍｍ）／比較例２－２の引張強さ（１７１Ｎ／ｍｍ）＝約２．０４倍
実施例２－３の引張強さ（２７３Ｎ／ｍｍ）／比較例２－３の引張強さ（１４３Ｎ／ｍｍ）＝約１．９１倍
実施例２－４の引張強さ（２６１Ｎ／ｍｍ）／比較例２－４の引張強さ（２１７Ｎ／ｍｍ）＝約１．２０倍
実施例２－５の引張強さ（３０４Ｎ／ｍｍ）／比較例２－５の引張強さ（２２６Ｎ／ｍｍ）＝約１．３５倍
実施例２－６の引張強さ（２４４Ｎ／ｍｍ）／比較例２－６の引張強さ（２３５Ｎ／ｍｍ）＝約１．０４倍
これは、実施例２－１、実施例２－２、実施例２－４および実施例２－５が、好ましいルートギャップの条件である０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満を満足することによると考えられる。

また、５０００系アルミニウム合金を用いた実施例２－１～実施例２－３の引張強さの向上代が、６０００系アルミニウム合金を用いた実施例２－４～実施例２－６の引張強さの向上代よりもかなり大きいことを踏まえると、上述の通り、本実施形態の異材接合継手および異材接合方法は、特に５０００系アルミニウム合金を用いた場合に有効であることが理解される。

一方、本発明の要件を満足しない比較例２－１～比較例２－６は、ビード外観や表面欠陥上の問題がないものも含まれていたが、いずれの場合も最大試験力や引張強さに劣っていた。

続いて、実施例２－１～実施例２－６および比較例２－１～比較例２－６について、溶着金属中のブローホールの状態をマイクロスコープ（倍率：２０倍、装置名：（株）キーエンス製ＶＨＸ－６０００）により確認した結果を示す。

図７Ａ～図７Ｃは、それぞれ比較例２－１～比較例２－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。また、図７Ｄ～図７Ｆは、それぞれ実施例２－１～実施例２－３に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。
図８Ａ～図８Ｃは、それぞれ比較例２－４～比較例２－６に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。
図８Ｄ～図８Ｆは、それぞれ実施例２－４～実施例２－６に係るＡｌ合金材と鋼材との突合せ継手における、溶着金属中のブローホールの状態を示す断面写真である。
例えば、アルミニウム系材料が５０００系で共通し、ルートギャップの条件が同一である、実施例２－１と比較例２－１を比較した場合、溶着金属内のブローホール（図７Ａや図７Ｄ中における、多数の黒丸で示された部分）に着目すると、実施例２－１の方が大きなブローホールが低減されていることが分かる。また同様に、実施例２－２と比較例２－２の比較、実施例２－３と比較例２－３の比較、実施例２－４と比較例２－４の比較、実施例２－５と比較例２－５の比較および実施例２－６と比較例２－６の比較においても、実施例の重ね継手は大きなブローホールが低減されていることが分かる。

＜実施例３＞
実施例２と同様、鉄系材料とアルミニウム系材料における重ね接合に関する試験を行った。溶接条件は表５に示す通りであり、実施例および比較例において共通とした。なお、ここで説明する溶接条件は一例であり、本実施形態では以下の溶接条件に限定されるものではない。
また、表６に示すように、鉄系材料（鋼材）としてＳＳ４００を、アルミニウム系材料（Ａｌ合金材）として５０００系アルミニウム合金であるＡ５０５２を使用し、アルミニウム系材料における開先加工の有無およびルートギャップを表６に示す各条件に設定の上、上記重ね接合を実施した。なお、実施例３では、実施例と比較例において開先加工の有無以外の条件は全て同一とした。また、その他の共通条件は実施例２と共通のため説明を省略する。

表６において、ビード外観、表面欠陥、最大試験力および引張強さについての評価結果を示す。なお、これらの評価手法は実施例１と共通のため説明を省略する。

表６において、本発明の要件を満足する実施例３（開先加工あり）は、ビード外観が良好であるとともに、表面欠陥がなく、最大試験力および引張強さに優れていた。一方、本発明の要件を満足しない比較例３（開先加工なし）は、ビード外観が良好であるとともに、表面欠陥がなかったものの、最大試験力や引張強さに劣っていた。この結果より、アルミニウム系材料における開先加工の有無以外の各条件が共通の場合にも、開先加工を設けることによる引張強さの向上が確認された。

また、実施例３および比較例３においても同様に、溶着金属中のブローホールの状態をマイクロスコープ（倍率：２０倍、装置名：（株）キーエンス製ＶＨＸ－６０００）により確認した所、実施例３（図９Ｂを参照）の方が比較例３（図９Ａを参照）よりも大きなブローホールが低減されていることが認められた。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
［１］鉄系材料とアルミニウム系材料とが、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合された異材接合継手であって、
前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料の突合せ部には、アルミニウムを含有する溶着金属が形成されており、
前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする異材接合継手。
［２］前記アルミニウム系材料は前記突合せ部に開先を有しており、該開先の開先角度が３０°以上５０°以下であることを特徴とする上記［１］に記載の異材接合継手。
［３］前記アルミニウム系材料が５０００系アルミニウム合金からなることを特徴とする上記［１］または［２］に記載の異材接合継手。
［４］前記アルミニウム系材料の板厚が１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の異材接合継手。
［５］鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合する異材接合方法であって、
前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定し、該鉄系材料と該アルミニウム系材料の突合せ部にアルミニウムを含有する溶着金属を形成することを特徴とする異材接合方法。
［６］前記アルミニウム系材料に対し開先角度が３０°以上５０°以下の開先を設け、前記溶着金属を形成することを特徴とする上記［５］に記載の異材接合方法。
［７］前記アルミニウム系材料として５０００系アルミニウム合金を用いることを特徴とする上記［５］または［６］に記載の異材接合方法。
［８］前記アルミニウム系材料の板厚として１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のものを用いることを特徴とする上記［５］～［７］のいずれか１つに記載の異材接合方法。
［９］前記突合せ接合する際の熱源として、ＭＩＧを用いることを特徴とする上記［５］～［８］のいずれか１つに記載の異材接合方法。
［１０］鉄系材料とアルミニウム系材料とが、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により重ね接合された異材接合継手であって、
前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料の重ね合せ部には、アルミニウムを含有する溶着金属が形成されており、
前記アルミニウム系材料は前記重ね合せ部に開先を有するとともに、該開先の開先角度が３０°以上５０°以下であることを特徴とする異材接合継手。
［１１］前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする上記［１０］に記載の異材接合継手。
［１２］前記アルミニウム系材料が５０００系アルミニウム合金からなることを特徴とする上記［１０］または［１１］に記載の異材接合継手。
［１３］前記アルミニウム系材料の板厚が１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする上記［１０］～［１２］のいずれか１項に記載の異材接合継手。
［１４］鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により重ね接合する異材接合方法であって、
前記アルミニウム系材料に対し開先角度が３０°以上５０°以下の開先を設け、該鉄系材料と該アルミニウム系材料の重ね合せ部にアルミニウムを含有する溶着金属を形成することを特徴とする異材接合方法。
［１５］前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定し、前記溶着金属を形成することを特徴とする上記［１４］に記載の異材接合方法。
［１６］前記アルミニウム系材料として５０００系アルミニウム合金を用いることを特徴とする上記［１４］または［１５］に記載の異材接合方法。
［１７］前記アルミニウム系材料の板厚として１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のものを用いることを特徴とする上記［１４］～［１６］のいずれか１つに記載の異材接合方法。
［１８］前記重ね合せ接合する際の熱源として、ＭＩＧを用いることを特徴とする上記［１４］～［１７］のいずれか１つに記載の異材接合方法。

１ 鉄系材料
２ アルミニウム系材料
３ 溶着金属
４ 突合せ部
５ 重ね合せ部
Ｇ ルートギャップ
θ 開先角度
ｔ_１ 鉄系材料の板厚
ｔ_２ アルミニウム系材料の板厚

Claims (9)

1. 鉄系材料とアルミニウム系材料とが、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合された異材接合継手であって、
   前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料の突合せ部には、アルミニウムを含有する溶着金属が形成されており、
   前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする異材接合継手。
2. 前記アルミニウム系材料は前記突合せ部に開先を有しており、該開先の開先角度が３０°以上５０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の異材接合継手。
3. 前記アルミニウム系材料が５０００系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の異材接合継手。
4. 前記アルミニウム系材料の板厚が１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の異材接合継手。
5. 鉄系材料とアルミニウム系材料とを、アルミニウム系ワイヤを用いたブレーズ溶接により突合せ接合する異材接合方法であって、
   前記鉄系材料と前記アルミニウム系材料のルートギャップを０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満に設定し、該鉄系材料と該アルミニウム系材料の突合せ部にアルミニウムを含有する溶着金属を形成することを特徴とする異材接合方法。
6. 前記アルミニウム系材料に対し開先角度が３０°以上５０°以下の開先を設け、前記溶着金属を形成することを特徴とする請求項５に記載の異材接合方法。
7. 前記アルミニウム系材料として５０００系アルミニウム合金を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の異材接合方法。
8. 前記アルミニウム系材料の板厚として１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下のものを用いることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の異材接合方法。
9. 前記突合せ接合する際の熱源として、ＭＩＧを用いることを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の異材接合方法。

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