KR20130133840A

KR20130133840A - 이종 금속 접합 방법

Info

Publication number: KR20130133840A
Application number: KR1020137023474A
Authority: KR
Inventors: 마사오 기네후치; 야스오 무라이; 노리타카 에구치
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-12-09
Also published as: CN103415369B; US9339887B2; CN105149750B; WO2012121086A1; KR101455953B1; US20130341306A1; CN105149750A; DE112012001128T5; CN103415369A

Abstract

알루미늄 합금재(11)와 강재(12)를 TIG 용접에 의해 접합할 때, 비스듬히 절단된 선단면(2)을 갖는 동시에 전극 중심축(6)에 대해 비대칭인 선단부를 구비한 텅스텐 전극(1)이 사용된다. 텅스텐 전극(1)의 선단면측이 알루미늄 합금재(11)측을 향하도록, 또한 선단면(2)의 선단(2a)이 강재(12)측을 향하도록, 텅스텐 전극(1)을 알루미늄 합금재(11)의 상방측으로부터 용접선을 향하게 함으로써, 선단(2a)으로부터의 아크(3)가 강재(12)측을 향한다.

Description

이종 금속 접합 방법 {METHOD FOR BONDING DISSIMILAR METALS TO EACH OTHER}

본 발명은, 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의해 알루미늄 합금재와 강재를 필릿 용접하는 이종(異種) 금속 접합 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에서 말하는「알루미늄 합금재」는, 알루미늄 합금제의 압연 판재(냉연판 등), 압출 형재, 또는 이들을 성형 가공한 차체용 등의 각종 부재, 부품의 총칭이다. 또한, 본 발명에서 말하는「강재」는, 냉연 강재나 형강, 또는 이들을 성형 가공한 차체용 등의 각종 부재, 부품의 총칭이다.

최근, 자동차를 비롯한 수송용 차량으로부터 배출되는 배기 가스 등에 의한 지구 온난화 등의 지구 환경에 대한 문제가 제기되고 있고, 그 대책 중 하나로서, 자동차 등의 차량의 경량화에 의한 연비의 향상이 검토되고 있다. 한편, 차량의 경량화만으로는, 자동차 등이 충돌 사고를 일으킨 경우에 큰 사고로 될 가능성이 높아지는 것이 우려된다. 그로 인해, 경량화와 함께 안전성을 높이는 것도 검토되고 있다. 이러한 이유로 인해, 경량이며 또한 에너지 흡수성이 우수한 알루미늄 합금을, 자동차를 비롯한 수송용 차량의 차체의 일부에 적용하는 것이 검토되고 있고, 최근에는 실용화에도 이르고 있다.

단, 자동차를 비롯한 수송용 차량에 알루미늄 합금을 적용하기 위해서는, 알루미늄 합금의 특성을 살린 구조 설계를 행하는 것이 필요해진다. 따라서, 올 알루미늄 합금제의 특수한 차량을 제외하면, 차체의 구조체를 구성하는 강재에 대해 알루미늄 합금재가 부분적으로 조합되게 된다. 그로 인해, 강재와 알루미늄 합금재의 이종 금속 접합 기술이 필수로 된다.

그러나, 강재와 알루미늄 합금재의 이종 금속 접합을 단순히 용접에 의해 행하려고 하면, 강재와 알루미늄 합금재의 서로의 접합 계면에, 고경도이며 매우 취약한 Fe와 Al의 금속간 화합물층(또는 반응층)이 생성되어 버린다. 즉, 강재와 알루미늄 합금재가 외관상 서로 접합되어 있기는 해도, 접합 계면에 생성되는 매우 취약한 Fe와 Al의 금속간 화합물층(또는 반응층)이 원인으로 되어, 조인트에 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는다고 하는 문제가 발생한다.

강재와 알루미늄 합금재의 접합 기술에 용접을 채용한 경우에는, 상기한 바와 같은 문제가 발생한다. 그로 인해, 강재와 알루미늄 합금재의 접합에, 셀프 피어싱 리벳이나 볼트 등의 고착구를 사용한 기계적 접합 기술이나, 접착제를 사용한 접합 기술도 채용되어 있다. 그러나, 이들 접합 기술은, 접합 작업의 번잡함이나 접합 비용의 상승과 같은 과제가 있어, 널리 적용되고 있지 않다.

현상에서는, 자동차를 비롯한 수송용 차량을 구성하는 강재 등의 접합에는, TIG 용접 등의 선 접합이나, 스폿 접합 등의 용접 기술이 범용되고 있다. 이들 용접 기술을, 강재와 알루미늄 합금재의 이종 금속 접합 기술에 적용할 수 있으면, 공장 내의 강재와 동일한 라인이나 공정에서, 알루미늄 합금재를 사용한 차량을 제조 가능하므로, 접합 작업의 효율화를 보다 진행시킬 수 있다.

이들 용접 기술 중에서도, TIG 용접은, 강재끼리의 접합 등에 가장 널리 채용되어 있는 기술이다. 그러나, 상기한 바와 같이, 강재와 알루미늄 합금재의 이종 금속 접합에는, Fe와 Al의 금속간 화합물층의 생성이라고 하는 문제가 우려되므로, TIG 용접은 실용화뿐만 아니라 제안도 거의 되어 있지 않다고 하는 것이 실상이다.

그러한 실상 중에서, 특허문헌 1에 의해, TIG 용접에 의한 강재와 알루미늄 합금재의 이종 금속 접합에 관한 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 제안에는, 맞댐 용접 및 겹침 용접의 일례로서 TIG 용접이 언급되어 있는 것에 불과하다. 즉, 이 제안에 있어서, 용접 수단은, 레이저, 전자 빔, 플라즈마 아크, TIG, MIG 및 CO₂ 아크의 군으로부터 선택된다. 이 제안 중에서는, 용접 수단이 TIG 용접이어도 된다고 서술되어 있는 것에 불과하다.

특허문헌 2는, 용접 시공 방향에 대해 강재를 상측, 알루미늄 합금재를 하측으로 하여 서로 겹쳐 용접하는 이종 금속 접합 방법을 제안하고 있다. 이 방법에 있어서, 알루미늄 합금재의 용접면의 위치를, 강재의 용접면의 위치보다도, 용접 시공 방향에 대해 상측으로 돌출시킨 상태에서, 용접선을 따라 용접하는 것이 제안되어 있다. 이 방법에 의해, 강재의 용접면의 알루미늄 용탕의 습윤성이 개선되고, 강재의 표면(용접면)의 산화막 제거가 촉진되어, 양호한 접합을 실현할 수 있다고 기재되어 있다.

또한, 이 특허문헌 2에서는, 알루미늄재 외피 내부에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어(FCW)를 사용한 형태의 TIG 용접도 의도되어 있다. 덧붙여 말하면, 이러한 이종 금속 접합에 사용되는 FCW의 조성은, 종래부터 특허문헌 3 등에서 다수 제안되어 있다. 그러나, 이들 특허문헌 2, 3에서도, TIG 용접을 사용한 알루미늄 합금재와 강재의 구체적인 이종 금속 접합 방법은 개시되어 있지 않다.

그로 인해, 본 발명자들은, 다시 알루미늄 합금재와 강재를 TIG 용접에 의해 접합하는 이종 금속 접합 시험을 실제로 실시하여, 그때 발생하는 문제점을 확인하였다. 구체적으로는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 우선, 알루미늄 합금재(11)를 상측으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 일단부를 강재(12) 상에 겹쳤다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)에 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)를 공급하면서, 텅스텐 전극(30)을 사용하여 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 시험을 행하였다. 또한, TIG 용접은, 알루미늄 합금재끼리의 용접에 일반적으로 사용되는 교류 TIG 용접에 의해 행해졌다.

이 이종 금속 접합 시험의 결과, 용접시의 스패터의 발생은 거의 없고 양호하였음에도 불구하고, 용융된 알루미늄 합금재(11)와, 마찬가지로 용융된 FCW(7)가, 비드(4a, 4b)와 같이 분리되어 강재(12)의 표면 상에 존재하는 접합(비드) 상태로 되었다.

이러한 비드(4a, 4b)로 분리된 접합 상태는, 전력(입열)을 높이거나, 용접 속도를 느리게 하는 등의, TIG 용접의 용접 조건을 크게 변경하는 조정을 행하여도 발생하고, 완전히 방지할 수는 없었다. 이러한 비드가 분리된 접합 상태에서는, 조인트(이종 금속 접합 조인트)의 접합 강도를 높게 할 수는 없다.

또한, 이 비드의 분리는, 강재끼리의 TIG 용접에 있어서는, 특히 아크의 고압력하, 고속에 의한 용접하에서 발생하기 쉽고, 용융지(熔融池)의 형상이 불안정하게 되어, 용융지가 진동하여 비드에 심한 요철이 생기는 험핑(humping) 현상으로서 알려져 있다.

이 비드의 분리의 발생을 방지하는 수단으로서, 어디까지나 강재끼리의 TIG 용접에 관한 기술이기는 하지만, 자장을 사용하는 방법이나, 텅스텐 전극의 선단부의 형상을 연구한 기술이 제안되어 있다. 자장을 사용하는 방법은, 예를 들어 특허문헌 4에서 제안되어 있다. 특허문헌 4에서는, 용접 아크의 주위에 인가된 일정 자계와 용접 아크에 흐르는 아크 전류의 전자기적 상호 작용에 의해 발생하는 전자력을, 용접 아크에 작용시켜, 용접 아크의 방사 형상을 피접합부의 용접선 방향으로 편향시킴으로써 2개의 피접합부를 연속해서 접합하고 있다.

특허문헌 4에 개시된 자장을 사용하는 방법은, 확실히 비드의 분리의 발생의 방지에는 유효한 기술이기는 하지만, 자석 장치가 별도로 필요해진다. 또한, 이 방법에서는, 자석 장치에 의해 발생하는 전자력이 용접 아크에 작용하므로, 그 제어가 필요해져, 기존 용접 설비로는 간단히 대응할 수 없다. 이것은, 비용 상승으로 이어지므로, 실용상은 문제가 있다.

한편, 텅스텐 전극의 선단부의 형상을 연구한 기술이, 특허문헌 5나 특허문헌 6에 의해 제안되어 있다. 일반적인 텅스텐 전극의 선단부의 형상은, 연필의 선단과 같은 원뿔 형상이다. 그러나, 특허문헌 5에서는, 선단부에 능선을 갖는 TIG 용접용 전극 막대의 표면의 한 점을 최선단으로 하는 형상이며, 능선을 형성하는 면 사이의 각도를 40∼100도로 한 전극이 제안되어 있다. 특허문헌 5에서는, 아크점을 능선의 부분을 따라 발생시켜, 아크가 전극 선단 근방의 면의 부분을 따라 올라가는 것을 방지하고, 비드의 폭 방향으로의 아크의 확대를 방지하여 아크를 집중시키고, 대전류로 고속의 TIG 용접을 가능하게 하려고 하고 있다.

특허문헌 6에서는, 좁은 개선(開先)을 갖는 강재끼리의 접합 용접을 행하는 TIG 용접 장치에 있어서, 텅스텐 전극을 알루미늄 합금재의 상방으로부터 용접선을 향하게 하는 동시에, 텅스텐 전극의 선단을 30°∼40°의 각도로 비스듬히 절단한 편심 형상으로 하고, 그 텅스텐 전극을 좁은 개선 내에서 회전시키면서 와이어를 용융시키는 것이 제안되어 있다.

특허문헌 5에 기재된 강재끼리의 TIG 용접에 있어서의 전극 개량 기술을, FCW를 사용한 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속의 TIG 용접에 적용하였다고 해도, 상기한 비드의 분리의 발생을 방지할 수는 없다. 그 이유는, FCW를 사용한 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속의 TIG 용접은, 이재끼리의 용접이므로, 강재끼리의 TIG 용접과는, 그 용접 메커니즘이나 비드의 분리의 발생 메커니즘 등이 다르기 때문이라고 생각된다.

또한, 특허문헌 6에 기재된 기술은, 후판의 맞댐 용접에 관한 기술로, 박판의 겹치기 필릿 용접에 그대로 적용할 수 없다.

일본 특허 출원 공개 제2001-47244호 공보 일본 특허 출원 공개 제2010-207886호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-68290호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-105056호 공보 일본 특허 출원 공개 평6-328287호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-237326호 공보

본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 강재끼리의 접합 등에 가장 널리 채용되어 있는 TIG 용접에 의해 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합을 행할 수 있고, 또한 양호한 비드 외관과 필요한 조인트 강도를 얻을 수 있는 이종 금속 접합 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 이종 금속 접합 방법의 하나의 요지는, 알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며, 상기 텅스텐 전극은, 상기 텅스텐 전극의 중심축에 대해 비대칭인 형상의 선단부를 구비하고, 상기 선단부는, 상기 중심축에 대해 20°이상 40°이하의 각도로 형성된 선단면을 갖고, 용접 중, 상기 텅스텐 전극의 선단이 상기 강재측을 향하도록, 또한 상기 선단면이 상기 알루미늄 합금재측을 향하도록, 상기 텅스텐 전극을 상기 알루미늄 합금재의 상방측으로부터 용접선을 향하게 함으로써, 상기 텅스텐 전극의 상기 선단으로부터 발생하는 아크가 상기 강재측을 향하게 되는 것이다. 이하, 본 발명을 본건 제1 발명이라고 하는 경우가 있다.

본 발명의 이종 금속 접합 방법의 다른 요지는, 알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며, 용접 중, 상기 텅스텐 전극을, 상기 알루미늄 합금재에 수직한 방향으로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 5°초과 35°미만의 각도로 기울인 상태에서, 상기 텅스텐 전극의 선단부를, 상기 알루미늄 합금재와 평행한 방향이며 상기 알루미늄 합금재의 단부로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 0㎜ 이상 3.5㎜ 미만의 범위의 위치, 또한 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치에 배치하는 것이다. 이하, 본 발명을 본건 제2 발명이라고 하는 경우가 있다.

본 발명의 이종 금속 접합 방법의 또 다른 요지는, 알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며, 용접 중, 상기 텅스텐 전극을 상기 강재에 수직한 방향으로부터 상기 강재측으로 35°이상 60°미만 기울인 상태에서, 상기 텅스텐 전극의 선단부를 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치에 배치하여, 상기 텅스텐 전극의 중심축의 연장선이 상기 알루미늄 합금재의 표면과 교차하는 위치를 상기 알루미늄 합금재의 단부로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 1.0㎜ 이상 3.0㎜ 미만의 범위에 배치하는 것이다. 이하, 본 발명을 본건 제3 발명이라고 하는 경우가 있다.

본건 제1∼제3 발명에 있어서는, 상기 플럭스 코어드 와이어가 용접 진행 방향으로부터 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명의 이종 금속 접합 방법에 따르면, 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합을, 강재끼리의 접합 등에 가장 널리 채용되어 있는 TIG 용접에 의해, 비드의 분리의 발생을 방지할 수 있어, 양호한 비드 외관과 필요한 조인트 강도를 얻을 수 있다.

도 1의 (a)는 본건 제1 발명에 있어서의 전극의 선단부 형상을 도시하는 측면도이고, (b)는 (a)의 전극의 선단부 형상을 도시하는 정면도이다.
도 2는 종래의 원뿔형의 전극 선단부 형상을 도시하는 정면도이다.
도 3의 (a)는 비교예의 전극의 선단부 형상을 도시하는 측면도이고, (b)는 (a)의 전극의 선단부 형상을 도시하는 정면도이다.
도 4는 도 1의 (a), (b)의 전극을 사용한 본 발명의 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도이다.
도 5는 도 1의 (a), (b)의 전극을 사용한 비교예의 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도이다.
도 6은 도 1의 (a), (b)의 전극을 사용한 비교예의 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도이다.
도 7은 도 2의 종래의 전극을 사용한 종래의 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도이다.
도 8은 도 3의 (a), (b)의 비교예 전극을 사용한 비교예의 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도이다.
도 9는 일반적인 TIG 용접의 시공예를 도시하는 사시도이다.
도 10은 TIG 용접에서 발생하는 비드의 분리 상태를 도시하는 설명도이다.
도 11은 본건 제2 발명의 이종 금속 접합 방법의 일 실시 형태를 도시하는 종단면도이다.
도 12는 개량 시험에서 텅스텐 전극을 강재측을 향해 기울인 상태에서, 알루미늄 합금재와 강재의 겹침부를 겨냥하여 용접을 행하고 있는 상태를 도시하는 종단면도이다.
도 13은 본건 제3 발명의 이종 금속 접합 방법의 일 실시 형태를 도시하는 종단면도이다.

본 발명자들은, 강재끼리의 접합 등에 가장 널리 채용되어 있는 TIG 용접에 의해, 비드의 분리를 발생시키는 일 없이, 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합을 행하기 위한 적절한 조건을 발견하기 위해, 예의 연구를 거듭하였다.

(「비드의 분리(탕 분리)」의 발생 원인)

본 발명자들의 지식에 따르면, 알루미늄 합금재와 강재의 겹침 조인트의 TIG 용접에 있어서의「비드의 분리」의 발생 원인은, 범용되는 텅스텐 전극으로부터 발생하는 아크가 알루미늄 합금재측으로 편중되는(치우치는) 것이다. 아크의 알루미늄 합금재측으로의 치우침에 의해, 강재측의 온도가 충분히 상승하지 않고, FCW로부터 공급되는 플럭스가 강판 상으로 확산되지 않아, 알루미늄 용탕과 강판의 습윤성을 개선할 수 없다.

이것을, 도 10을 사용하여 보다 구체적으로 설명한다.

텅스텐 전극(30)으로부터 발생하는 아크(3)가 알루미늄 합금재(11)측으로 치우치면, 알루미늄 합금재(11)가 먼저 용융되기 시작하여, FCW(7)의 용융 개시는 필연적으로 지연되게 된다. 그 결과, 강재(12)의 표면에 플럭스가 충분히 확산되지 않아, 알루미늄 합금재(11)에 있어서의 강재(12)측의 비드로 되어야 할 알루미늄 합금 용탕의 강재(12)측으로의 습윤성 확보가 곤란해진다. 또한, 알루미늄 합금재(11)측으로의 아크(3)의 치우침에 의해, 강재(12)의 온도 상승도 상대적으로 지연되므로, 강재(12)의 표면으로의 플럭스의 확대가 저해되어 있는 것이라 생각된다.

이들의 현상으로부터, 알루미늄 합금재(11)가 용융되어 형성된 용탕은, 강재(12)측으로 습윤 확산되기 어려워진다. 나아가서는, 알루미늄 합금재(11)측으로 치우친 아크(3)에 의해, 알루미늄 합금재(11)가 용융되어 형성된 용탕이 알루미늄 합금재(11)측(도 10에서는 좌측)으로 밀린다. 이 용탕은 알루미늄 합금재(11)측으로 이동한 상태에서 비드(4a)로서 응고되게 된다. 알루미늄 합금재(11)의 용융 범위가 넓어지면 넓어질수록, 알루미늄 합금재(11)가 용융되어 형성된 용탕은, 알루미늄 합금재(11)측으로, 보다 크게 이동하게 된다.

한편, FCW(7)가 용융되어 형성된 용탕은, 플럭스의 효과에 의해, 강재(12)의 표면에 확산은 된다. 그러나, 텅스텐 전극(30)으로부터 발생하는 아크(3)에 의해, FCW(7)가 용융되어 형성된 용탕은, 알루미늄 합금재(11)측과 반대 방향(도 10에서는 우측)으로 밀리게 된다. 그 결과, FCW(7)가 용융되어 형성된 용탕은, 알루미늄 합금재(11)가 용융되어 형성된 용탕과는 혼합되지 않고, 상기한 비드(4a)와는 이격된 상태에서 다른 비드(4b)로서 응고되어 버린다. 이 결과, 비드의 분리가 발생하게 된다.

(비드의 분리에 대한 대책)

이러한 비드의 분리 기구를 억제하여 비드의 분리의 발생을 방지하기 위해서는, 일반적으로는 당업자라면 이하의 방책 (1), (2)가 필요할 것이라 생각한다. 즉, (1) 가능한 한 빠르게 FCW(7)를 용융시켜, 습윤성을 확보한다. (2)알루미늄 합금재(11)의 용융 범위를 억제하여, 알루미늄 용탕의 알루미늄 합금재(11)측으로의 이동을 작게 한다. 단, 알루미늄 합금재(11)의 두께(판 두께) 방향 전체 영역에 걸치는 용융은 확보할 필요가 있다.

그리고, 이러한 방책에 따르면, 당업자라면 이하와 같은 용접 시공 조건의 구체적인 개량을 생각할 수 있다.

(비교 개량 기술 1 : 전극의 목표 위치)

도 10의 텅스텐 전극(토치)(30)의 위치를 강재(12)의 측(도 10의 우측)으로 0.5㎜ 이동시킴으로써, 알루미늄 합금재(11)측으로의 입열을 감소시키는 것이 고려된다. 그러나, 전극의 선단과 알루미늄 합금재(11) 상단부 사이에서, 보다 강한 아크(3)가 발생하므로, 비드의 분리의 발생 방지 효과는 작았다. 또한, 강재(12)측으로 1㎜ 이동하면, 전극(30)과 강재(12) 사이에서 아크(3)가 강하게 발생하고, 강재가 용융되기 시작하여, 접합 자체를 할 수 없었다.

(비교 개량 기술 2 : 토치 각도)

알루미늄 합금과 강의 용접에 있어서는, 강의 용융을 피하고 알루미늄 합금만을 용융시키기 위해, 일반적으로 알루미늄 합금판의 상방으로부터 입열을 행한다. 그러나, 도 10에 있어서, 알루미늄 합금재(11)의 용융 범위를 억제하기 위해, 텅스텐 전극(토치)(30)이 용접선과 직교한 상태에서 판의 법선 방향에 대해 10° 경사지도록 하여, 그 선단이 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 겹침부를 겨냥하도록 하여 용접을 행하였다. 이 결과, 알루미늄 합금재(11)측의 용융은 약간 억제할 수 있었지만, 비드의 분리의 완전한 방지에는 이르지 않았다.

(비교 개량 기술 3 : 전원)

도 10에 있어서, 교류 전원으로부터 직류 전원으로 전원을 변경함으로써, 알루미늄 합금재(11)측으로의 아크(3)의 확대를 억제할 수 있어, 알루미늄 합금재(11)의 용융 범위는 작아졌다. 그러나, 이 경우라도, 비드의 분리의 억제까지는 이르지 않았다.

이들 결과로부터, 상기 일반적인 방책에 기초하는 용접 시공 조건의 변경으로는, 비드의 분리 문제를 해결하는 것은 곤란한 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명자들은, 이들 용접 시공의 개량 기술을 대신할, 새로운 대책을 검토하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 아크의 방향을 강재측을 향하게 함으로써, 알루미늄 합금재/FCW/강재에의 입열의 배분을 변화시키는 동시에 알루미늄 합금재의 용탕의 알루미늄 합금재측으로의 이동도 억제하여, 비드의 분리를 방지하는 것을 발상하였다. 또한, 본 발명자들은, 아크의 방향을 강재측을 향하게 하여 알루미늄 합금재/FCW/강재에의 입열의 배분에는, 텅스텐 전극의 선단부 형상이나, 용접 중의 선단부의 위치 관계가 크게 영향을 미치는 것을 발견하였다.

이 점에서, 종래 제안되어 있는 전극의 선단부 형상에서는, 또는 전극의 선단부 형상을 고안하는 것만으로는, 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합에 TIG 용접을 적용하는 경우에「비드의 분리」를 방지할 수 없다. 즉, 본건 제1 발명에서는, 텅스텐 전극의 선단부 형상을, 말하자면 편심 형상으로 하는 동시에, 용접 중의 이러한 편심 형상의 선단부의 위치 관계를 규정하여 아크를 강재측을 향하게 함으로써,「비드의 분리」의 문제를 해결한다.

[제1 발명]

(전극의 선단부 형상)

우선, 도 1∼도 3을 참조하여, 제1 발명에 있어서의 TIG 용접용의 전극의 선단부의 형상(편심 선단부 형상)을 구체적으로 설명한다. 도 1의 (a)는 본 발명에 있어서의 TIG 용접용의 텅스텐 전극의 선단부를 도시하는 측면도이고, (b)는 (a)에 도시된 텅스텐 전극의 선단부를 도시하는 정면도이다. 도 2는 종래의 전극의 원뿔형 형상의 선단부를 도시하는 정면도이다. 도 3의 (a)는 비교예의 전극의 선단부를 도시하는 측면도이고, (b)는 (a)에 도시된 텅스텐 전극의 선단부를 도시하는 정면도이다.

종래의 텅스텐 전극(30)의 선단부(31)는, 통상 도 2에 도시되는 바와 같이, 1점 쇄선으로 나타내는 전극 중심축(32)에 대해 대칭인 원뿔형 형상을 갖는다. 이로 인해, 이 텅스텐 전극(30)의 용접 중의 방향이나 위치 관계, 혹은 용접 조건을 고안해도, 후술하는 실시예와 같이, 선단(31a)으로부터의 아크를 강재측을 향하게 하도록 할 수는 없다.

이에 대해, 제1 발명에 있어서의 텅스텐 전극(1)의, 뾰족한 유일한 선단(2a)을 갖는 선단부는, 1점 쇄선으로 나타내는 전극 중심축(6)에 대해 일측[후술하는 알루미늄 합금재(11)측, 도 1의 (b)의 좌측]에만, 비스듬히 절단되어 있는 선단면(절단면)(2)을 갖는다. 이 결과, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 선단부는, 전극 중심축(6)에 대해 비대칭이며, 유일한 선단(2a)을 갖는 역삼각형 형상을 갖는다. 이와 같이, 제1 발명에서는, 전극 중심축(6)에 대해 비대칭으로 일측에 편재시킨 형상의 선단부를 구비하는 텅스텐 전극(1)이 사용되는 동시에, 텅스텐 전극(1)의 용접 중의 방향이나 위치 관계가 적절하게 설정된다(후술). 이에 의해, 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터 발생하는 아크를, 보다 강재측을 향하게 할 수 있다.

여기서, 제1 발명에 있어서의 텅스텐 전극(1)의 선단면(2)의 선단각 θ, 즉, 유일한 (핀 포인트인) 선단(2a)으로부터 상방을 향해 비스듬히 절단되어 있는 선단면(2)의, 전극 중심축(6)에 대한 각도 θ는, 20°이상 40°이하의 범위에 있다. 선단각 θ가 이 범위로부터 벗어나 지나치게 작거나, 혹은 반대로 지나치게 커도, 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터의 아크를 강재측을 향하게 하기 어려워진다. 또한, 이 각도 범위는, 전극 소모를 억제할 필요로부터도 필요하다. 선단각 θ가 이 범위로부터 벗어나 지나치게 작거나, 혹은 반대로 지나치게 커도, 전극의 소모가 커진다.

텅스텐 전극(1)의 선단(2a)은, 유일한, 예리, 예각인 정상부 형상, 혹은 뾰족한 선단 형상을 갖는다. 단, 이 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터의 아크를 강재측을 향하게 하는 효과가 손상되지 않고 전극이 소모되지 않는 범위이면, 이 선단(2a)은, 미세하게 라운딩 처리되거나, 미세한 각부나 평탄부를 갖는 정상부 형상(선단 형상)을 갖고 있어도 된다. 또한, 비스듬히 절단되어 있는 선단면의 각도(선단각) θ는, 선단면의 전체 길이에 걸쳐 동일한 각도(균일한 각도)가 아니어도 되고, 20°이상 40°이하의 범위 내에서 순차 혹은 단계적으로 변화되어도 된다. 덧붙여 말하면, 본 발명의 텅스텐 전극(1)의 선단면(2)의 비스듬히 절단되는 부분의, 선단(2a)으로부터의 중심축 방향의 길이는, 설정된 선단각 θ와 전극의 직경으로부터 계산할 수 있어, 필연적으로 정해진다. TIG 용접에서 사용되는 통상의 텅스텐 전극의 직경 1.0∼4.0㎜φ의 범위에 있어서의 기준으로서는, 이 길이가 1.2∼11㎜의 범위이면 된다.

도 3의 (a), (b)는 비교예의 전극(20)을 도시한다. 이 전극(20)의 선단부(21)는, 전극 중심축(22)에 대해 20°이상 40°이하의 선단각 θ를 가진 유일한 뾰족한 선단(21a)을 갖고, 역삼각형의 형상을 갖는다. 그러나, 이 비교예의 전극(20)의 선단부(21)는, 예각인 선단부 형상을 갖고 있지만, 전극 중심축(22)에 대해 대칭이다. 이것은, 제1 발명에 있어서의 텅스텐 전극(1)의 선단면(2)이, 전극 중심축(6)에 대해 일측만 비스듬히 절단됨으로써 전극 중심축(6)에 대해 비대칭이며, 또한 일측에 편재시킨 형상을 갖는 것과는 다르다. 이로 인해, 이 텅스텐 전극(20)의 용접 중의 방향이나 위치 관계와 맞추어도, 이 텅스텐 전극(20)의 선단(21a)으로부터의 아크를 효과적으로 강재측을 향하게 하도록 할 수는 없다(후술).

(전극의 용접 중의 방향이나 위치 관계)

상기한 바와 같이, 텅스텐 전극(1)의 선단부의 일측만 비스듬히 절단된 비대칭인 선단면(2)의 형상만으로는, 이 텅스텐 전극 선단(1)으로부터의 아크를 알루미늄 합금재측을 향하게 하도록 할 수 없다. 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터의 아크를 강재측을 향하게 하기 위해서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 알루미늄 합금재(11)측에 대한 선단면(2)의 방향과, 용접선인 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 유일한 선단(2a)의 위치 관계가 중요하다.

이것을, 도 1의 (a), (b), 도 2, 도 3의 (a), (b)의 전극을 사용한 TIG 용접 시공예를 도시하는 설명도인 도 4∼도 8을 참조하여 설명한다.

도 4는 제1 발명의 예를 도시한다. 도 4에서는, 텅스텐 전극의 뾰족한 선단(2a)이, 강재(12)의 상측에 겹친 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 바로 위, 즉, 용접선의 바로 위에 위치하고 있고, 상방으로부터 하방을 향하고 있다. 그리고, 텅스텐 전극(11)은 동시에, 알루미늄 합금재(11)측에, 일측만 비스듬히 절단된 비대칭인 형상의 선단면(2)을 향하게 하고 있다.

이것에 의해, 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터 발생하는 아크(3)(복수의 화살표로 나타냄. 이하의 도면도 동일함)를, 도시하는 바와 같이 강재(12)측을 향하게 하도록 할 수 있다. 이에 의해, 아크의 방향을 강재측을 향하게 하여, 알루미늄 합금재/FCW/강재에의 입열의 배분을 변화시킬 수 있다. 이로 인해, 알루미늄 합금재(11)의 용탕의 알루미늄 합금재(11)측으로의 이동을 억제하여, 강재(12)측으로 필요량을 이동시킬 수 있어, 비드의 분리를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 전극(1)을 강재측에 가까이 대는 개량 기술 1이나 2와 같이, 강재(12)에 대해 과도한 입열이 되는 일도 없어, FCW에 의한 플럭스의 효과도 발현할 수 있다. 이에 의해, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 접합 계면에, 강과 알루미늄의 반응층(계면 반응층)을 적절하게 얇게 얻을 수 있다.

강-알루미늄의 이종 금속 접합에 의해, 충분한 강도를 가진 조인트를 얻기 위해서는, 강과 알루미늄의 반응층(금속간 화합물층)을 얇게 균일하게 분포시키는 것이 필요하다. 강-알루미늄의 TIG 용접에 있어서, 알루미늄과 동시에 강을 용융시키면, 취약한 금속간 화합물이 다량으로 생성되어, 균열이 발생하거나, 균열이 발생하지 않았다고 해도 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는다. 한편, 용융된 알루미늄을 냉각된 강재측에 접촉시키는 것만으로는, 극히 단시간에 접촉부의 온도가 저하되어 버려, 산화막 제거와 습윤성 개선을 위해 사용하는 플럭스의 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 필요한 반응층이 얻어지지 않아, 충분한 접합 강도가 얻어지지 않는다. 그로 인해, 필요한 범위에서, 또한 과도하게 되지 않도록 강재측의 온도를 상승시킬 필요가 있다.

한편, 알루미늄 합금재의 용융이 불충분한 경우라도 접합 불량(판 두께 전체에 걸쳐 접합할 수 없는 경우)이 발생한다. 따라서, 용접하는 알루미늄 합금재는 용융시키는 한편, 강재는 온도를 상승시키지만 용융시키지 않는다고 하는, 양쪽에 필요한 조건을 동시에 만족시켜야 한다.

제1 발명에서는 이들의 상승 효과에 의해, 효율이 좋은 TIG 시공 조건에 의한 선 용접에 의한 이종 금속 접합이라도, 양호한 비드 외관과 높은 접합 강도를 갖는 조인트가 얻어진다. 즉, 효율이 좋은 시공 조건하의 TIG 용접에 의해, 이재 용접 조인트의 높은 접합 강도를 얻기 위해, 서로 양립시키는 것이 어려운, 비드의 분리의 방지와, 계면에서의 강과 알루미늄의 반응층(계면 반응층)의 억제나 알루미늄의 용입의 확보 등을 양립시킬 수 있다.

이들 효과를 발휘시키는 점에서, 전극(1)과 알루미늄 합금재(11)의 배치(위치 관계)에 있어서는, 이 도 4와 같이, 전극(1)의 선단(2a)을 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)(용접선)의 바로 위의 위치에 배치하는 것이 좋다. 또한, 전극(1)의 상하 방향의 방향은, 도 4의 용접선에 직각 방향인 방향에 있어서 수직 방향으로 하는 것이 좋다. 단, 실제의 용접 시공에서의 조건인 요동이나 어긋남을 허용할 필요가 있으므로, 이 도 4의 용접선에 직각 방향인 방향에서 말하는 용접선[단부(11a)]으로부터의 수직 방향의 어긋남으로서는 ±0.5㎜ 이내, 각도의 어긋남으로서는 ±5°이내가 권장된다.

또한, 후술하는 도 9와 같이, 용접 방향[용접선의 방향, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 연장 방향]에 대해 15°이내 정도의 전진각 α를 갖고 용접 시공해도, 물론 좋다.

또한, 제1 발명에서는, 상기한 바와 같이, 텅스텐 전극(1)의 일측만 비스듬히 절단된 비대칭인 형상의 선단면(2)이, 알루미늄 합금재(11)측(도 4의 좌측)을 향하고 있다. 이 선단면(2)은, 용접 방향[용접선의 방향, 도 4의 앞쪽으로부터 안쪽을 향하는 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 연장 방향]과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 단, 선단면(2)이 향하는 쪽은, 반드시 용접선과 평행하지 않아도 되고, 이 선단면(2)의 방향이 용접선[알루미늄 합금재(11)의 단부의 연장 방향]과 다소는 교차하는 방향이어도 된다. 이 교차하는 각도의 허용량은, 텅스텐 전극의 선단(2a)으로부터 발생하는 아크(3)를 강재(12)측으로 효과적으로 향하게 할 수 있는지 여부에 따라 정해진다.

이에 대해, 도 5, 도 6은 제1 발명의 텅스텐 전극(1)을 사용하고 있지만, 비대칭인 형상의 선단면(2)의 알루미늄 합금재(11)측과의 방향과, 유일한 선단(2a)의 용접선인 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 위치 관계가, 본 발명의 범위로부터 벗어나 있다. 이로 인해, 도 5, 도 6의 아크(3)의 방향으로 나타내는 바와 같이, 텅스텐 전극의 선단(2a)으로부터의 아크(3)가 강재(12)측을 향하고 있지 않다.

즉, 도 5, 도 6에서는, 텅스텐 전극(1)의 뾰족한 선단(2a)의 위치가, 도 4와 마찬가지로, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 위치, 즉, 용접선의 바로 위에 있다. 그럼에도 불구하고, 도 5에서는, 텅스텐 전극의 비대칭인 형상의 선단면(2)이, 알루미늄 합금재(11)측과는 반대인 강재(12)측을 향하고 있다. 또한, 도 6에서는, 비대칭인 형상의 선단면(2)의 방향이, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 연장 방향과 90°교차하는 방향으로 되어 있다.

또한, 도 7은 도 2의 종래의 선단부(31)를 갖는 전극(30)을 사용한 예이고, 도 8은 도 3의 (a), (b)의 비교예의 선단부(21)를 갖는 전극(20)을 사용한 예이다. 이들 예에서는, 텅스텐 전극의 뾰족한 선단(31a, 21a)의 각 위치가, 도 4와 마찬가지로, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 위치, 즉, 용접선의 바로 위로 되어 있다. 그러나, 이들 예에서는, 도 7, 도 8의 아크(3)의 방향으로 나타내는 바와 같이, 이 텅스텐 전극 선단으로부터 발생하는 아크(3)를 강재(12)측으로 효과적으로 향하게 할 수는 없었다.

덧붙여 말하면, 도 3의 (a), (b)의 전극을 사용하면, 전극의 선단 라인과 수직한 방향으로의 아크의 확산을 억제할 수 있어, 용융 범위나 가열 범위를 제어할 수 있는 효과를 기대할 수 있다고도 생각되었다. 그러나, 실제로는, 아크(3)의 확산은 억제되었지만, 아크(3)의 알루미늄 합금재(11)측으로의 치우침을 개선할 수 없어, 조기의 FCW의 용융이 곤란하였다. 그로 인해, 알루미늄 합금재(11)의 용탕이 알루미늄 합금재(11)측으로 이동하여, FCW의 용탕과의 혼합이 불충분해져, 비드의 분리를 방지할 수 없었다.

(TIG 용접 시공)

본 발명의 TIG 용접 시공은, 통상의 효율이 좋은 TIG 용접 장치나 용접 조건을 사용할 수 있는 점에서 유리하다. 도 9는, 본 발명의 TIG 용접 시공의 일례를 도시한다.

도 9와 같이, 또한 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는, 이재끼리의 TIG 용접의 전제로서, 알루미늄 합금재(11)를 상측으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 단부를 강재(12) 상에 겹친, 겹침 조인트가 형성된다.

(강재와 알루미늄 합금재의 위치 관계)

여기서, FCW(플럭스 내장 와이어)를 활용한 TIG 용접을 사용하여 겹치기 필릿 용접 등을 행하는 경우에는, 도 4, 도 9에 도시하는 바와 같이, 통상, 알루미늄 합금재(11)의 상측에 배치된 전극(1)으로부터 하향으로 아크를 발생시킨다. 이러한 용접 시공 방향에 대해, 알루미늄 합금재(11)(단부)를 상측, 강재(12)(단부)를 하측으로 하여 서로 겹쳐, 용접한다. 조인트에 있어서의 이러한 위치 관계는, 강재(12)와 알루미늄 합금재(11)의 양쪽의 용접면에 걸쳐 알루미늄 용접 재료에 의한 양호한 비드를 형성하여, 높은 접합 강도의 이종 금속 접합체(조인트)를 얻기 위해 바람직하다.

이 위치 관계가 반대인 경우, 즉, 용접 시공 방향에 대해 강재(12)를 상측, 알루미늄 합금재(11)를 하측으로 하여 서로 겹쳐 용접하는 경우에는, 높은 접합 강도가 얻어지지 않게 된다. 이러한 위치 관계의 경우에는, 특히 강재(12)측의 용접면의 쪽에, 알루미늄 용접 재료에 의한 비드가 형성되기 어려워지기 때문이다. 이것은, 용접 시공 방향에 대해 알루미늄 합금재(11)측이 하측으로 되면, 상측인 강재(12)측의 용접면에, 알루미늄 용탕이 확산되기 어려워지는 것이 원인이다. 이 경우, 동시에 강재 표면으로의 플럭스의 공급도 불충분해져, 알루미늄 용탕과 강의 습윤성 개선 효과가 작아, 결과적으로 양호한 접합을 할 수 없게 된다.

(용접 시공)

도 9는, 본 발명에 관한 TIG 용접의 시공예를 도시하고 있다. 상기한 도 4의 본 발명에 의한 전극의 선단부 형상이나 배치 관계를 제외하고는, 도 9는 일반적인 TIG 용접 장치나 시공 방법의 형태를 나타내고 있다. 그리고, 이러한 범용 TIG 용접을 사용할 수 있는 점이 본 발명의 이점이다.

도 9에 있어서, TIG 용접기는, 직류의 정전류 특성의 TIG 용접 전원(9)에 의해, 비소모 전극인 텅스텐 전극(1)과, 정극측으로 한 알루미늄 합금재(11) 사이에, 아크(3)를 발생시킨다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)를 용접선으로 하여, 화살표 방향과 같이, 도 9의 좌측으로부터 우측을 향해 용접을 행한다. 여기서, 본 발명과 같은 겹치기 필릿 용접(도 9 또는 도 4∼도 10 참조)에서는, 통상은, 상측 판의 단부, 즉, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)가 용접선으로 된다.

이때, 주지하는 바와 같이, 전극을 둘러싸는 가스 노즐(8)의 하부의 개구부로부터, Ar 등의 불활성 가스(10)가 용접부에 공급된다. 또한, 용접 시공의 효율과 접합 강도의 향상을 위해 FCW(플럭스 코어드 와이어)(7)가, 도시하지 않은 공급 장치로부터, 상기 용접선에 대해 공급된다. 이러한 FCW(7)는, 용접의 효율상, 또한 양호한 비드 형성을 위해, 용접의 진행 방향(전방측)으로부터 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 도 9에는, 아크(3)[도 1의 (a), (b)의 전극(1)과 도 4의 배치에 의해 강재측을 향하는]에 의해 형성된 용융지(5)와, 비드(4)가 나타내어져 있다.

그런데, 본건 제1 발명에서는, 텅스텐 전극의 선단부를 통상과는 다른 형상으로 가공할 필요가 있으므로, 현상 설비에 사용되고 있는 부품을 교환할 필요가 있다. 그로 인해, 현상 설비에 사용되고 있는 부품을 그대로 사용하여, 비드의 분리를 발생시키는 일 없이, TIG 용접에 의해 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합을 행할 수 있기 위한 적절한 조건을 발견하기 위해, 본 발명자들은 더욱 예의 연구를 거듭하였다.

그 결과, 본 발명자들은, TIG 용접을 직류 TIG 용접에 의해 행하고, 용접되는 알루미늄 합금재와 강재에 대해 텅스텐 전극의 기울기를 적절한 기울기로 하는 동시에, 텅스텐 전극의 선단부를 적절한 위치에 배치하는 것을 발견하고, 본건 제2 발명 및 제3 발명을 완성하였다. 본건 제2 발명 및 제3 발명에 따르면, 비드의 분리를 발생시키는 일 없이, TIG 용접에 의해 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합을 행할 수 있다.

[제2 발명]

이하, 본건 제2 발명을 첨부 도면에 도시하는 실시 형태에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다.

본건 제2 발명에서는, 예를 들어, 도 11에 도시하는 바와 같이, 우선, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 적어도 일부를 겹친다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)측을 정극으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)에 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극(30)을 사용하여 아크(3)를 발생시킨다. 이와 같이 하여, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 TIG 용접이 행해진다.

이 TIG 용접을 행할 때, 텅스텐 전극(30)의 선단부로부터 조사되는 아크(3)에 의해 단순히 알루미늄 합금재(11)가 용융되는 것만으로는, 강재(12)의 온도가 충분히 상승하지 않는다. 그 결과, FCW(7)로부터 공급되는 플럭스가 강재(12)의 표면으로 확산되지 않아, 알루미늄 합금의 용탕과의 습윤성을 개선할 수 없으므로, 양호한 비드가 형성되지 않게 되어, 결과적으로 충분한 접합 강도가 얻어지지 않게 된다.

한편, 텅스텐 전극(30)의 선단부로부터 조사되는 아크(3)에 의해 강재(12)가 직접 가열되면, 강재(12)의 표면이 용융된다. 그 결과, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 접합 계면에 매우 취약한 Fe와 Al의 금속간 화합물층이 생성되어 버려, 충분한 접합 강도가 얻어지지 않게 된다.

본 발명자들은, 이들을 기초로 예의 연구를 거듭한 결과, 알루미늄 합금재(11)와 FCW(7)의 용융을 확보한 후, 강재(12)의 표면도 적절하게 가열 가능한, 적절한 용접 조건을 발견하였다.

(전원)

우선, 전원은, 일반적으로 알루미늄 합금재(11)의 용접에 사용되고 있는 교류 전원으로부터 직류 전원으로 변경된다. 즉, TIG 용접은, 직류 TIG 용접에 의해 행해진다. 직류 TIG 용접에 따르면, 알루미늄 합금재(11)의 용융 범위를 감소시킬 수 있다.

(텅스텐 전극의 기울기)

도 11에 있어서는, 의도적으로 종래의 겹치기 필릿과는 역방향으로 텅스텐 전극(30)을 기울여 TIG 용접이 행해지고 있다. 즉, 텅스텐 전극(30)을 알루미늄 합금재(11)의 표면에 수직한 방향으로부터 알루미늄 합금재(11)측을 향해 쓰러뜨려 TIG 용접이 행해지고 있다. 그 결과, 본 발명자들은, 지금까지의 기술 상식에 반하여, 비드의 분리를 일으키는 일 없이 안정적으로 비드를 형성할 수 있는 조건이 있는 것을 발견하였다.

텅스텐 전극(30)을 경사지게 하는 각도가 지나치게 작으면, 비드의 분리의 발생을 방지할 수 없다. 한편, 텅스텐 전극(30)을 경사지게 하는 각도가 지나치게 크면, 알루미늄 합금재(11)의 판 두께 전체를 용융시키는 것이 곤란해진다. 따라서, 텅스텐 전극(30)의 경사는, 알루미늄 합금재(11)의 표면에 수직한 방향으로부터 알루미늄 합금재(11)측으로 5°초과 35°미만 기울인 상태(5°＜θ＜35°)로 한다.

(텅스텐 전극의 선단부의 배치)

텅스텐 전극(30)의 선단부는, 알루미늄 합금재(11)의 표면과 평행한 방향이며, 적어도 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)를 포함하는 알루미늄 합금재(11)측(도 11에서는 좌측)에 배치할 필요가 있다. 또한, 텅스텐 전극(30)의 선단부는, 상방, 즉, 알루미늄 합금재(11)의 표면과 직교하는 수선 상에 배치할 필요가 있다.

텅스텐 전극(30)의 선단부가, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)보다 강재(12)측(도 11에서는 우측)에 있으면, 알루미늄 합금재(11)의 용융이 불충분해지는 경향이 있다. 또한, 강재(12)에의 입열이 지나치게 커져, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 접합부 계면에 두꺼운 금속간 화합물층이 형성되기 쉬워진다. 따라서, 비드가 형성되었다고 해도, 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않게 된다.

한편, 텅스텐 전극(30)의 선단부가, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)보다 필요 이상 알루미늄 합금재(11)측에 배치되면, FCW(7)의 용융이 불충분해진다. 또한, 강재(12)의 온도 상승이 불충분해져 플럭스의 습윤성 개선 효과를 발휘할 수 없어, 이 경우도 비드가 형성되어도 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않게 된다.

따라서, 텅스텐 전극(30)의 선단부는, 알루미늄 합금재(11)의 표면과 평행한 방향이며, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)로부터 0㎜ 이상 3.5㎜ 미만 알루미늄 합금재(11)측의 범위(x＝0㎜ 이상 3.5㎜ 미만)이고, 또한 그 알루미늄 합금재(11)의 표면 위치로부터 수직으로 이격된 위치[알루미늄 합금재(11)의 표면과 직교하는 수선 상]에 배치할 필요가 있다. 또한, 여기서,「알루미늄 합금재(11)측」은, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)를 기점으로 하여 알루미늄 합금재(11)의 중앙 부근을 의미한다.

또한 이와 같이, 텅스텐 전극(30)의 선단부는, 알루미늄 합금재(11)의 표면 위치로부터 수직으로 이격된 위치에 배치할 필요가 있지만, 적어도 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치(z＝2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만)에 배치할 필요가 있다. 또한, 이 위치는, 알루미늄 합금재(11)의 판 두께, 텅스텐 전극(30)의 경사 각도, 텅스텐 전극(30)의 선단부의 수평 방향 위치, 또한 용접 조건(전류 전압, 용접 속도, FCW 공급 속도)의 영향도 받는다.

[제3 발명]

다음에, 본건 제3 발명을 첨부 도면에 도시하는 실시 형태에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에서는, 예를 들어 도 13에 도시하는 바와 같이, 우선, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 적어도 일부를 겹친다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)측을 정극으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)에 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극(30)을 사용하여 아크(3)를 발생시킨다. 이와 같이 하여, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 TIG 용접이 행해진다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 2매의 금속판(11, 12)을 겹쳐, 상측의 금속판(11)의 단부(11a)와 하측의 금속판(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)를 겨냥하여 토치[전극(30)]를 기울여 용접하는 겹치기 필릿 용접은, 강재끼리, 알루미늄 합금재끼리 등, 동일한 종류의 금속판끼리의 용접에서는 일반적으로 행해지고 있는 방법이다. 이때의 토치[전극(30)]의 경사 각도 θ는, 상측의 금속판(11)과 하측의 금속판(12)에의 용입이 적정해지는 범위를 적절하게 선택하고 있다. 예를 들어, 자동차를 비롯한 수송용 차량을 구성하는 금속판(11, 12)의 접합에서는 1패스의 필릿 용접이 행해지지만, 토치[전극(30)]의 경사 각도 θ가 지나치게 커지면, 하측의 금속판(12)에의 용입이 작아져 버린다. 예를 들어, 알루미늄 합금재끼리의 겹치기 필릿 용접의 경우, 토치(전극)의 경사 각도 θ는 5°∼15°이다.

한편, 텅스텐 전극(30)을 사용한 TIG 용접에 의해 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)를 필릿 용접하는 이종 금속 접합에서는, 알루미늄 합금재(11)와 용접 재료인 FCW(7)의 용융을 확보하면서, 강재(12)의 표면도 적절하게 가열하는 용접 조건이 필요하며, 강재끼리, 알루미늄 합금재끼리 등, 동일한 종류의 금속판끼리의 용접과는 필연적으로 조건이 달라진다.

이와 같이 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)를 겹치기 필릿 용접하는 이종 금속 접합에서는, 동일한 종류의 금속판끼리의 용접과는, 적정한 겹치기 필릿 용접을 행하기 위한, 텅스텐 전극(30)의 경사 각도, 또한 텅스텐 전극(30)으로부터 아크(3)를 조사할 때의 목표 위치[텅스텐 전극(30)의 중심축의 연장선이 알루미늄 합금재(11)의 표면과 교차하는 위치]가 달라진다고 생각된다.

따라서, 본 발명자들은, TIG 용접에 있어서의 텅스텐 전극(30)의 경사 각도와, 텅스텐 전극(30)으로부터 아크(3)를 조사할 때의 목표 위치를 다양하게 변경하는 용접 시험을 실시하여, 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 양호한 비드(4)를 형성할 수 있는 적절한 용접 조건을 발견하였다.

(텅스텐 전극의 기울기)

텅스텐 전극(30)을, 강재(12)에 수직한 방향으로부터 강재(12)측을 향해 경사지게 하면, 텅스텐 전극(30)으로부터 조사되는 아크(3)가, 상대적으로 알루미늄 합금재(11)측을 향한다. 이에 의해, FCW(7)의 용탕을 알루미늄 합금재(11)측으로 밀어 젖히는 작용이 발생한다. 그 결과, 알루미늄 합금재(11)의 용탕과 FCW(7)의 용탕이 일체화되어, 비드의 분리 방지 효과를 얻을 수 있다. 그 효과는, 텅스텐 전극(30)의 경사가 30°이상으로 되면 서서히 나타나기 시작한다. 또한, FCW(7)가 조기에 용융되므로, 플럭스의 습윤성 개선 효과도 발현되기 쉬워진다. 그 효과는 텅스텐 전극(30)의 경사가 35°이상으로 되면 발현되어, 인장 전단 강도도 얻어지기 쉬워진다고 생각된다.

이상 설명한 비드의 분리 방지 효과와 습윤성 개선 효과는, 텅스텐 전극(30)으로부터 조사되는 아크(3)를 가능한 한 알루미늄 합금재(11)측을 향하게 함으로써 발현된다. 또한, 이 효과는, 텅스텐 전극(30)의 경사 각도를 가능한 한 크게 취하면, 보다 현저하게 발현된다. 그러나, 텅스텐 전극(30)의 경사 각도를 지나치게 크게 취하면, 텅스텐 전극(30)이 강재(12)의 표면에 접촉해 버리므로, 경사 각도의 크기에는 한계가 있다. 이러한 것을 고려하여, 텅스텐 전극(30)은, 강재(12)에 수직한 방향으로부터 강재(12)측을 향해 35°이상 60°미만 기울인 상태(35°≤θ＜60°)로 한다.

(텅스텐 전극으로부터의 아크의 목표 위치)

동일한 종류의 금속판끼리의 용접에서 일반적으로 행해지고 있는 바와 같이, 텅스텐 전극(30)으로부터 아크(3)를 조사할 때의 목표 위치를, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)로 하면, 강재(12)에의 입열이 지나치게 커진다. 이 경우, 강재(12)가 용융되어 버린다. 또한, 이 경우에는, 강재(12)의 용융에 이르지 않아도, 두꺼운 금속간 화합물이 생성되어 버린다. 이들의 이유에 의해, 연속 비드를 형성할 수 있어도 균열이 발생하거나, 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않게 된다. 또한, 당해「목표 위치」는, 텅스텐 전극(30)의 중심축의 연장선이 알루미늄 합금재(11)의 표면과 교차하는 위치를 의미한다.

본 발명자들은, 텅스텐 전극(30)으로부터 아크(3)를 조사할 때의 목표 위치를, 동일한 종류의 금속판끼리의 용접에서 일반적으로 행해지고 있는 단차 형상부(13)가 아니라, 보다 알루미늄 합금재(11)측, 즉, 알루미늄 합금재(11)의 표면으로 하는 것이 유효한 것을 발견하였다. 구체적으로는, 텅스텐 전극(30)으로부터 아크(3)를 조사할 때의 목표 위치를, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)로부터 상기 알루미늄 합금재(11)측으로, 1.0㎜ 이상 3.0㎜ 미만의 범위(1.0㎜≤x＜3.0㎜)의 위치로 한다. 또한,「알루미늄 합금재(11)측」은, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)를 기점으로 하여 알루미늄 합금재(11)의 중앙 부근의 위치를 의미한다.

(텅스텐 전극의 선단부의 배치)

텅스텐 전극(30)의 선단부는, 알루미늄 합금재(11)의 표면으로부터 수직으로 이격된 위치[알루미늄 합금재(11)의 표면과 직교하는 수선 상]에 배치할 필요가 있고, 적어도 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치(2.0㎜≤z＜4.5㎜)에 배치할 필요가 있다. 또한, 이 위치는, 알루미늄 합금재(11)의 판 두께, 텅스텐 전극(30)의 경사 각도, 텅스텐 전극(30)으로부터의 아크(3)의 목표 위치, 또한 용접 조건(전류 전압, 용접 속도, FCW 공급 속도)의 영향도 받는다.

(전원)

(그 밖의 조건)

이상 설명한 조건이 본건 제1∼제3 발명 각각의 필수 조건이지만, FCW(7)는 용접 진행 방향으로부터 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 텅스텐 전극(30)에는, 15°이내 정도의 전진각 α를 형성해도 된다. FCW(7)를 용접 진행 방향으로부터 공급한 경우, 알루미늄 합금재(11)의 용융지의 전방측에서 FCW(7)가 용융을 개시하므로, 양자의 용융 혼합이 용이하여, 양호한 비드(4)를 형성할 수 있다. 진행 방향과 반대로부터 FCW(7)가 공급되면, 알루미늄 합금재(11)의 용융지의 후방측에서 FCW(7)가 용융된다. 그로 인해, 양자의 용융 혼합이 곤란해져, 양호한 비드(4)의 형성이 어려워진다.

또한, 본 발명의 이종 금속 접합 방법에서는, 알루미늄 합금재(11), 강재(12), 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)의 재료 등은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 이들의 재료로서, 이하에 설명하는 재료를 사용하는 것을 권장할 수 있다.

(알루미늄 합금재)

피용접재인 알루미늄 합금재(11)로서는, 강도나 성형, 또는 내식성 등, 적용할 차체 구조 등의 요구 특성에 따라서, JIS 또는 AA 규격으로 규정되는 3000계, 5000계, 6000계, 7000계 등의 알루미늄 합금을 사용 가능하다. 단, 자동차 등의 차체 경량화의 요구에 대한 알루미늄 합금재(11)의 박육화라고 하는 관점에서는, 이들 알루미늄 합금 중에서도, 특히 고강도이며 또한 성형성도 우수한 알루미늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 성분 조성 중의 Si와 Mg의 질량비(Si/Mg)가 1 이상이고, Mg 함유량에 대해 Si가 과잉으로 함유되어 있는 6N01, 6016, 6111, 6022 등의 Si 과잉형의 6000계 알루미늄 합금을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 이들 6000계 알루미늄 합금으로 형성된 알루미늄 합금재(11)를 사용한 용접 후의 조인트는, 160∼180℃의 극저온에서 10∼50분 정도의 극단시간의 인공 시효 처리를 실시함으로써, 용접 열영향에 의해 일단 저하된 강도나 연신율을 회복할 수 있다고 하는 특징도 갖는다.

이들 알루미늄 합금재(11)는, 냉간 압연이나 열간 압출 후에, 용체화 처리 및 켄칭 처리(질별 기호 T4)나 그 후의 시효 처리(질별 기호 T6), 과시효 처리(질별 기호 T7)가 실시되어, 용접 모재로서 사용된다. 덧붙여 말하면, 알루미늄 합금재(11)는, 반드시 전체가 판 형상의 냉연판이 아니어도 되고, 적어도 강재(12)와의 겹침부가 판 형상이면 된다. 또한, 다양한 형상의 압출 형재도 사용할 수 있고, 나아가서는 소정 형상으로 성형 가공한 차체용 부재나 부품이 사용되어도 된다. 이 알루미늄 합금재(11)의 판 형상의 부위의 두께는, 1∼3㎜인 것이 바람직하다. 알루미늄 합금재(11)의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 필요한 강도나 강성을 확보할 수 없게 된다. 한편, 알루미늄 합금재(11)의 두께가 지나치게 두꺼운 경우는, 용접을 행하는 것이 곤란해진다.

(강재)

피용접재인 강재(12)로서는, 연강, 고장력강(High Tensile Strength Steel Sheets), 스테인리스강의 냉연 강판 등, 다양한 강판 또는 형강을 사용할 수 있다. 또한, 강재(12)는, 이들 소재를 소정 형상으로 성형 가공한 차체용 부재, 부품 등이어도 된다. 또한, 자동차 등의 차체 경량화의 요구에 대한 강재(12)의 박육화라고 하는 관점에서는, Si, Mn 등을 포함하는 공지의 성분 조성과 450㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 고장력 강판 등의 고장력 강재를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 자동차 부재로서 사용되는 것을 상정하면, 냉연 강판 등의 강재(12)의, 용접되는 부분의 두께는 0.3∼3.0㎜인 것이 바람직하다. 알루미늄 합금재(11)의 경우와 마찬가지로, 강재(12)의 두께가 지나치게 얇은 경우, 자동차 부재로서의 필요한 강도나 강성을 확보할 수 없게 되는 한편, 강재(12)의 두께가 지나치게 두꺼운 경우는, 용접을 행하는 것이 곤란해진다.

또한, 강재(12)는, 용접의 효율을 위해, 또한 양호한 비드 형성을 위해, 그 표면에 아연계나 알루미늄계의 피복층이 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 피복되어 있지 않은 강재(12) 상태여도 상관없다. 피복층은, 용융 도금 또는 용사 등의 수단에 의해 형성할 수 있다.

(플럭스 코어드 와이어)

플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)로서는, 알루미늄 합금재(11)와 강재(12)의 이종 금속 접합용으로서 종래부터 시판되고 있는 것 등을 사용할 수 있다. 이러한 FCW(7)는, 용융 용접의 효율화를 위해 개발된 주지의 것이며, 예를 들어 Si를 함유하는 A4047이나 A4043 등의 규격 알루미늄 합금제의 관 형상의 외피(후프라고도 함)에, 심재로서 플럭스가 충전된 것이다.

이 FCW(7)의 선 직경은, 고효율의 전자동 용접용, 또는 반자동 용접용으로서 범용되고 있는 것과 마찬가지로, 0.8∼1.6㎜φ 정도의 가느다란 직경인 것이 바람직하다. 또한, 플럭스로서는, 알루미늄 합금재(11)와 강재의 이재끼리를 접합하기 위한 통칭「노코록(NOCOLOK)」이라 칭해지는 불소 화합물계의 조성으로 이루어지는 플럭스를 사용하는 것이 바람직하다. 이 플럭스는, 불소 화합물에 더하여, 산화물(산화알루미늄 등)이나 알루미늄 합금 분말을 적절하게 혼합한 주지의 플럭스이다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기·후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당하게 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[제1 발명]

이하에 본건 제1 발명의 실시예를 설명한다. 도 9의 용접 시공 형태에 있어서, 텅스텐 전극의 선단부 형상과 알루미늄 합금재(11)측의 방향(배치, 위치 관계)을, 도 4∼도 8과 같이 다양하게 변경하였다. 그리고, 알루미늄 합금판의 단부를 강판 단부 상에 겹쳐 TIG 용접함으로써, 다양한 이재 용접 접합 조인트가 제작되었다. 표 1은, 비드 외관, 조인트의 인장 전단 강도(접합 강도)를 각각 평가한 결과를 나타낸다.

본 발명예에서 사용한 텅스텐 전극(1)[도 1의 (a), (b)]은, 직경이 3.2㎜φ인 시판되고 있는 텅스텐 전극의 선단을 가공함으로써 제작되었다. 선단면(2)은, 전극 중심축(6)에 대해 30°의 선단각 θ로 비스듬히 절단됨으로써 형성된다. 전극 중심축(6) 방향에 있어서의 선단면(2)의 선단(2a)으로부터의 길이는 5.6㎜이다. 도 2의 종래의 텅스텐 전극(30)은, 직경이 3.2㎜φ인 시판되고 있는 텅스텐 전극으로, 선단부(31)가, 전극 중심축(32)에 대해 15°의 선단각을 갖는 대칭인 원뿔 형상이다. 선단(31a)으로부터의 전극 중심축(32) 방향의 길이는 6.0㎜이다. 비교예의 텅스텐 전극(20)[도 3의 (a), (b)]은, 직경이 3.2㎜φ인 시판되고 있는 텅스텐 전극을 가공함으로써 제작되었다. 비교예의 텅스텐 전극(20)은 대칭인 선단부 형상을 갖고, 선단부(21)의 중심축(22)에 대한 선단각은 15°이다. 텅스텐 전극(20)의 선단(21a)으로부터의 전극 중심축(22) 방향의 길이는 6.0㎜이다.

이들 각 예 모두, 공통되는 용접 시공 조건은 이하와 같다.

플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)로서는, 분말 플럭스로서 5질량％의 K-Al-F계(노코록 플럭스)를 함유하고, 외피재(후프)가 1.25질량％의 Si를 첨가한 알루미늄 합금이며, 선 직경이 φ1.2㎜인 시판되고 있는 FCW가 사용된다.

용접 조건은 직류 TIG 용접이고, 전류는 80∼120A, 용접 속도는 30∼40㎝/min, 필러 공급 속도는 6∼9m/min, 실드 가스는 Ar로 20L/min이다. 또한, 텅스텐 전극(1)[선단(2a)]의 위치는, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)의 바로 위이며, 전극(1)[선단(2a)]의 높이는, 알루미늄 합금재(11)의 표면으로부터 1.6㎜ 상방이다. 전극(1)의 전진각 α는 10°이고, 비드 길이가 200㎜로 되도록 용접하였다.

알루미늄 합금재(11)로서는, 두께 1.2㎜ 또는 2.0㎜의 6000계 (6022)알루미늄 합금 냉연판이 사용된다. 강재(12)로서는, 두께 1.4㎜의 980㎫급 하이텐인 GA 강판이 사용된다.

(비드의 외관)

비드(4)의 외관의 평가에 있어서, 합격(◎)은, 도 9와 같이, 비드(4)가 강재(12)의 용접면과 알루미늄 합금재(11)의 용접면의 양쪽에 걸쳐 연속해서 양호하게 형성되어 있는, 습윤성이 양호한 상태이다. 또한, 이것과의 비교에서, 강재(12)의 용접면측의 비드의 크기가 비교적 작지만, 비드(4)가 연속되어 있고, 습윤성이 적정한 상태가 ○이고, 비드(4)가 연속되어 있지만, 강재(12)의 용접면측의 비드의 크기가 지나치게 작고, 습윤성이 불량한 상태가 △이다. 그리고, 비드(4)가 단속적이고, 도 10과 같은 비드의 분리가 발생되어 있는 상태가 ×이다.

[조인트의 인장 전단 강도(인장 파단 강도)]

TIG 용접 후의 이재 겹치기 필릿 조인트로부터, 판 폭 20㎜의 스트립 형상 시험편을 2개씩 잘라내어 인장 시험을 행함으로써, 인장 파단 강도가 측정된다. 이 결과 얻어진 2개의 인장 파단 강도의 평균값으로부터, 모재인 A6022 알루미늄 합금 냉연판의 인장 파단 강도에 대한 비율인 조인트 효율이 산출된다. 이 조인트 효율을, 본 예와 동일한 용접 조건으로 제작된 A6022 알루미늄 합금판끼리의 TIG 용접 겹치기 필릿 조인트의 조인트 효율(이 알루미늄끼리의 조인트의, 모재인 A6022 알루미늄 합금 냉연판의 인장 파단 강도에 대한 비율)과 비교함으로써, 인장 전단 강도가 평가된다. 이 6022 알루미늄 합금판끼리의 레이저 용접 조인트의 단위 용접선당의 조인트 효율은 60％ 이상이다. 그로 인해, TIG 용접한 이재 겹치기 필릿 조인트의 조인트 효율이 60％ 이상이면 ○, 40％∼60％ 미만이면 △, 40％ 미만이면 ×로 평가된다.

표 1로부터 명백한 바와 같이 발명예 1, 2에 있어서는, 효율이 좋은 시공 조건에서의 TIG 용접에 의해서도, 양호한 비드 외관과 높은 접합 강도를 갖는 이종 금속 접합 조인트가 얻어져 있다. 즉, 발명예 1, 2는, 효율이 좋은 시공 조건하의 TIG 용접에 의해, 서로 양립시키는 것이 어려운, 비드의 분리와, 계면에서의 강과 알루미늄의 반응층(계면 반응층)의 억제나 알루미늄의 용입의 확보 등을 양립시킬 수 있다.

한편, 표 1의 비교예 1∼5에 있어서는, 표 1에도 나타내는 바와 같이, 전극 형상이나 배치가 본 발명이 조건으로부터 벗어나 있다. 이로 인해, 대체로 효율이 좋은 시공 조건하의 TIG 용접에 의해, 비드의 분리와, 계면에서의 강과 알루미늄의 반응층의 억제나 알루미늄의 용입의 확보 등을 양립할 수 없어, 높은 접합 강도를 얻을 수 없다. 이 중, 특히, 본 발명의 도 1의 (a), (b)의 전극 형상[전극(1)]을 사용하고 있는 비교예 2, 3이 높은 접합 강도를 얻을 수 없는 원인은, 이 전극(1)의 비스듬히 절단된 선단부(선단면)(2)가, 알루미늄 합금재(11)측을 향하고 있지 않은 점에 있다. 이로 인해, 비교예 2, 3에 있어서는, 아크(3)의 방향은 도 5, 도 6과 같은 방향으로 되어, 이 텅스텐 전극(1)의 선단(2a)으로부터의 아크(3)가 강재(12)측을 향하지 않는다.

따라서, 이들 실시예의 결과로부터, 본건 제1 발명에서 규정된 각 요건의 의의가 뒷받침된다.

[제2 발명]

이하에 본건 제2 발명의 실시예를 설명한다. 제2 발명의 실시예에 있어서는, 도 9와 유사한 구성으로 용접 시험이 실시된다. 즉, 우선, 알루미늄 합금재(11)의 일단부를 강재(12)의 일단부 상에 겹친다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)측을 정극으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)에 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극(30)을 사용하여 TIG 용접이 행해진다.

알루미늄 합금재(11)로서는, 두께 1.2㎜ 또는 2.0㎜의 6000계 (6022)알루미늄 합금 냉연판이 사용된다. 강재(12)로서는, 두께 1.4㎜의 1470㎫급 냉연판, 두께 1.4㎜의 980㎫급 냉연판, 또는 두께 1.2㎜의 980㎫급 GA 강판이 사용된다.

또한, 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)는, Cs계 플럭스를 10질량％ 함유하고, 1.25질량％의 Si를 첨가한 알루미늄 합금의 외피재를 갖는다. FCW(7)의 선 직경은 φ1.2㎜이다.

용접은 직류 TIG 용접에 의해 행해진다. 용접 조건에 대해, 전류는 80∼120A, 용접 속도는 30㎝/min, 필러 공급 속도는 6∼10m/min, 실드 가스는 Ar 가스, 실드 가스 공급 속도는 20L/min이다. 또한, 텅스텐 전극(30)의 전진각 α는 10°∼15°이고, 비드(4)의 길이가 200㎜로 되도록 용접이 행해진다.

시험 결과는, 형성된 비드(4)의 외관과 인장 전단 강도(접합 강도)로 평가된다.

비드(4)의 외관에 대해서는, 비드(4)가 알루미늄 합금재(11)의 용접면과 강재(12)의 용접면의 양쪽에 걸쳐 연속해서 양호하게 형성되어 있고, 습윤성이 양호하다고 판단할 수 있는 것이「○」로 나타내어져, 합격이라 평가된다. 비드(4)가 연속해서 형성되어 있기는 하지만 습윤성이 불량이라고 판단할 수 있는 것은「△」, 명백하게 비드의 분리가 발생되어 있는 것은「×」로 각각 나타내어져, 불합격이라 평가된다.

또한, TIG 용접 후의 이종 금속 접합 조인트로부터, 용접부를 포함하는 판 폭 20㎜의 스트립 형상 시험편을 2개씩 잘라내어 인장 시험을 행함으로써, 인장 파단 강도가 측정된다. 이 결과 얻어진 2개의 인장 파단 강도의 평균값으로부터, 모재인 6000계 (6022)알루미늄 합금 냉연판의 인장 파단 강도에 대한 비율인 조인트 효율이 산출된다. 이 조인트 효율을, 일반적인 알루미늄 합금용 용접 와이어를 사용하여 TIG 용접에 의해 제작한 6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판끼리의 겹치기 필릿 용접 조인트의 조인트 효율과 비교함으로써, 인장 전단 강도(접합 강도)가 평가된다.

6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판끼리의 겹치기 필릿 용접 조인트의 단위 용접선당의 조인트 효율은, 60％ 이상이다. 따라서, 알루미늄 합금 냉연판끼리의 경우와 적어도 동일 레벨인, TIG 용접된 이재 겹치기 필릿 용접 조인트의 조인트 효율이 60％ 이상인 것이「○」로 나타내어져, 합격이라 평가된다. 조인트 효율이 40％∼60％ 미만인 것은「△」, 40％ 미만인 것은「×」로 나타내어져, 각각 불합격이라 평가된다. 표 2는, 이상의 시험 결과를 나타낸다.

텅스텐 전극의 알루미늄 합금재측을 향한 경사 각도(전극 각도) θ는, 5°초과 35°미만(5°＜θ＜35°)이다. 텅스텐 전극의 선단부의 수평 위치는, 알루미늄 합금재의 단부(11a)로부터 0㎜ 이상 3.5㎜ 미만 내측 부근의 범위(0㎜≤x＜3.5㎜)이다. 텅스텐 전극의 선단부의 높이는, 알루미늄 합금재의 표면 위치로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 상방으로 이격된 위치(2.0㎜≤z＜4.5㎜)이다. 이들 모든 요건을 만족시키는 발명예 11∼23은, 비드의 외관, 인장 전단 강도는 모두「○」로, 우수한 외관 및 접합 강도가 얻어져 있다. 즉, TIG 용접에 있어서 서로 양립시키는 것이 어려운 비드의 분리의 발생 방지와, 계면에서의 금속간 화합물층(또는 반응층)의 생성의 억제나, 알루미늄 합금의 용입의 확보 등을 양립시킬 수 있다.

한편, 비교예 11∼13, 17∼19는, 텅스텐 전극의 알루미늄 합금재측을 향한 경사 각도 θ에 관한 요건을 만족시키지 않는다. 또한, 비교예 16은, 텅스텐 전극의 선단부의 수평 위치에 관한 요건을 만족시키지 않고, 비교예 14, 15는, 텅스텐 전극의 선단부의 높이에 관한 요건을 만족시키고 있지 않다. 따라서, 이들 비교예는, 비드의 외관, 인장 전단 강도 중 적어도 한쪽이「△」 또는「×」이므로 불합격이라고 하는 결과로 되었다.

[제3 발명]

이하에 본건 제3 발명의 실시예를 설명한다. 제3 발명의 실시예에 있어서는, 도 9와 유사한 구성으로 용접 시험이 실시된다. 즉, 우선, 알루미늄 합금재(11)의 일단부를 강재(12)의 일단부 상에 겹친다. 그리고, 알루미늄 합금재(11)측을 정극으로 하여, 알루미늄 합금재(11)의 단부(11a)와 강재(12)의 표면에 의해 형성된 단차 형상부(13)에 플럭스 코어드 와이어(FCW)(7)를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극(30)을 사용하여 TIG 용접이 행해진다.

알루미늄 합금재(11)로서는, 두께 1.2㎜ 또는 2.0㎜의 6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판이 사용된다. 강재(12)로서는, 두께 1.4㎜의 980㎫급 냉연판, 두께 1.4㎜의 1470㎫급 냉연판, 또는 두께 1.4㎜의 980㎫급 GA 강판이 사용된다.

용접은 직류 TIG 용접에 의해 행해진다. 용접 조건에 대해, 전류는 80∼120A, 용접 속도는 30㎝/min으로 하고, 필러 공급 속도는 6∼10m/min, 실드 가스는 Ar 가스, 실드 가스 공급 속도는 20L/min이다. 또한, 텅스텐 전극(30)의 전진각 α는 5°∼15°이고, 비드(4)의 길이가 200㎜로 되도록 용접이 행해진다.

시험 결과는, 형성된 비드(4)의 외관과 인장 전단 강도(조인트 효율)로 평가된다.

비드(4)의 외관에 대해서는, 비드(4)가 알루미늄 합금재(11)의 용접면과 강재(12)의 용접면의 양쪽에 걸쳐 연속해서 양호하게 형성되어 있고, 습윤성이 양호하다고 판단할 수 있는 것이「○」로 나타내어져, 합격이라 평가된다. 비드(4)가 연속해서 형성되어 있기는 하지만, 습윤성이 불량이라 판단할 수 있는 것은「△」, 명백하게 비드의 분리가 발생되어 있는 것은「×」로 각각 나타내어져, 불합격이라 평가된다.

또한, TIG 용접 후의 이종 금속 접합 조인트로부터, 용접부를 포함하는 판 폭 20㎜의 스트립 형상 시험편을 2개씩 잘라내어 인장 시험을 행함으로써, 인장 파단 강도가 측정된다. 이 결과 얻어진 2개의 인장 파단 강도의 평균값으로부터, 모재인 6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판의 인장 파단 강도에 대한 비율인 조인트 효율이 산출된다. 이 조인트 효율을, 일반적인 알루미늄 합금용 용접 와이어를 사용하여 TIG 용접에 의해 제작한 6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판끼리의 겹치기 필릿 용접 조인트의 조인트 효율과 비교함으로써, 인장 전단 강도(접합 강도)가 평가된다.

6000계 (6022) 알루미늄 합금 냉연판끼리의 겹치기 필릿 용접 조인트의 단위 용접선당의 조인트 효율은, 60％ 이상이다. 따라서, 알루미늄 합금 냉연판끼리의 경우와 적어도 동일 레벨인, TIG 용접된 이재 겹치기 필릿 용접 조인트의 조인트 효율이 60％ 이상인 것이「○」로 나타내어져, 합격이라 평가된다. 조인트 효율이 40％∼60％ 미만인 것은「△」, 40％ 미만인 것은「×」로 나타내어져, 각각 불합격이라 평가된다. 표 3은, 이상의 시험 결과를 나타낸다.

텅스텐 전극의 강재측을 향한 경사 각도(전극 각도) θ는, 35°이상 60°미만(35°≤θ＜60°)으로 한다. 텅스텐 전극으로부터의 아크의 목표 위치는, 알루미늄 합금재의 단부(11a)로부터 1.0㎜ 이상 3.0㎜ 미만 내측 부근의 범위(1.0㎜≤x＜3.0㎜)에 배치된다. 텅스텐 전극의 선단부는, 알루미늄 합금재의 표면 위치로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 상방으로 이격된 위치(2.0㎜≤z＜4.5㎜)로 되는 높이에 배치된다. 이들 모든 요건을 만족시키는 발명예 31∼40에 있어서는, 비드의 외관, 인장 전단 강도가 모두「○」로, 우수한 외관 및 접합 강도가 얻어져 있다. 즉, TIG 용접에 있어서, 비드의 분리의 발생 방지와, 계면에서의 금속간 화합물층(또는 반응층)의 생성의 억제나 알루미늄 합금의 용입의 확보 등을 양립시킬 수 있다.

한편, 비교예 31∼35, 36∼40은, 텅스텐 전극의 강재측을 향한 경사 각도(전극 각도) θ에 관한 요건(35°≤θ＜60°)을 만족시키고 있지 않다. 또한, 비교예 31, 33, 37, 39, 40은, 텅스텐 전극으로부터의 아크의 목표 위치 x에 관한 요건(1.0㎜≤x＜3.0㎜)을 만족시키고 있지 않다. 또한, 비교예 33, 36, 37, 40은, 텅스텐 전극의 선단부의 높이 z에 관한 요건(2.0㎜≤z＜4.5㎜)을 만족시키고 있지 않다. 그 결과, 이들 비교예는, 비드의 외관, 인장 전단 강도 중 적어도 한쪽이「△」 또는「×」로 불합격이라고 하는 결과로 되었다.

이상, 본 발명의 실시 형태 및 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재한 한에 있어서 다양하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 본 출원은 2011년 3월 7일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-049249), 2011년 9월 27일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-210459) 및 2011년 9월 27일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-210460)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 이종 금속 접합 방법에 따르면, 알루미늄 합금재와 강재의 이종 금속 접합에 TIG 용접을 적용할 때,「비드의 분리」를 방지할 수 있어, 높은 접합 강도를 갖는 이재 용접 조인트(이종 금속 접합부)가 얻어진다. 이로 인해, 본 발명의 이종 금속 접합 방법은, 자동차, 철도 차량 등의 수송 분야, 기계 부품, 건축 구조물 등에 있어서의 각종, 이재 구조 부재의 용접 방법으로서 유용하게 적용할 수 있다.

1, 30 : 텅스텐 전극
2 : 선단면
2a : 선단
3 : 아크
4, 4a, 4b : 비드
7 : 플럭스 코어드 와이어(FCW)
11 : 알루미늄 합금재
11a : 단부
12 : 강재
13 : 단차 형상부

Claims

알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며,
상기 텅스텐 전극은, 상기 텅스텐 전극의 중심축에 대해 비대칭인 형상의 선단부를 구비하고,
상기 선단부는, 상기 중심축에 대해 20°이상 40°이하의 각도로 형성된 선단면을 갖고,
용접 중, 상기 텅스텐 전극의 선단이 상기 강재측을 향하도록, 또한 상기 선단면이 상기 알루미늄 합금재측을 향하도록, 상기 텅스텐 전극을 상기 알루미늄 합금재의 상방측으로부터 용접선을 향하게 함으로써, 상기 텅스텐 전극의 상기 선단으로부터 발생하는 아크가 상기 강재측을 향하게 되는 것을 특징으로 하는, 이종 금속 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 텅스텐 전극의 상기 선단의 위치가, 상기 알루미늄 합금재의 용접선의 바로 위인, 이종 금속 접합 방법.
알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며,
용접 중, 상기 텅스텐 전극을, 상기 알루미늄 합금재에 수직한 방향으로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 5°초과 35°미만의 각도로 기울인 상태에서, 상기 텅스텐 전극의 선단부를, 상기 알루미늄 합금재와 평행한 방향이며 상기 알루미늄 합금재의 단부로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 0㎜ 이상 3.5㎜ 미만의 범위의 위치, 또한 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는, 이종 금속 접합 방법.
알루미늄 합금재와 강재의 적어도 일부를 겹치고, 상기 알루미늄 합금재측을 정극으로 하여, 상기 알루미늄 합금재의 단부와 상기 강재의 표면에 의해 형성된 단차 형상부에 플럭스 코어드 와이어를 공급하면서, 막대 형상의 텅스텐 전극을 사용한 직류 TIG 용접에 의해 상기 알루미늄 합금재와 상기 강재를 필릿 용접하는 이종 금속 접합 방법이며,
용접 중, 상기 텅스텐 전극을 상기 강재에 수직한 방향으로부터 상기 강재측으로 35°이상 60°미만 기울인 상태에서, 상기 텅스텐 전극의 선단부를 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 2.0㎜ 이상 4.5㎜ 미만 수직으로 이격된 위치에 배치하여, 상기 텅스텐 전극의 중심축의 연장선이 상기 알루미늄 합금재의 표면과 교차하는 위치를 상기 알루미늄 합금재의 단부로부터 상기 알루미늄 합금재측으로 1.0㎜ 이상 3.0㎜ 미만의 범위에 배치하는 것을 특징으로 하는, 이종 금속 접합 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플럭스 코어드 와이어를 용접 진행 방향으로부터 공급하는, 이종 금속 접합 방법.