KR20220038116A - 이재 접합 구조체의 제조 방법 및 이재 접합 구조체 - Google Patents
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Abstract
알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합에 있어서, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 가능하고, 또한, 블로우홀이 적어, 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체의 제조 방법 및 이재 접합 구조체를 제공한다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 표면의 적어도 일부에, 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막(1)을 형성하는 공정과, 저온 용사 피막(1)과 강재(3)가 대향하도록, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)와 강재(3)를 중첩하는 공정과, 강재(3)측으로부터의 레이저 용접에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)와 강재(3)를 접합하는 공정을 갖는다. 접합 공정은, 강재(3), 저온 용사 피막(1), 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2) 중 어느 것에 있어서도 용융부인 용접 금속(4)이 형성되는 용접 조건에서 행해진다.
Description
본 발명은, 이재 접합 구조체의 제조 방법 및 이재 접합 구조체에 관한 것이며, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 접합하는 이재 접합 구조체의 제조 방법 및 이재 접합 구조체에 관한 것이다.
근년, CO2 배출량의 삭감을 목적으로 한 차체 경량화나 충돌 안전성 강화를 실현하기 위해, 자동차의 보디 골격 등에 고장력 강판(High Tensile Strength Steel: HTSS)이 적용되고 있다.
또한, 한층 더한 차체 경량화를 목적으로 하여, 경량의 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 접합한 이종 금속 접합재에 대해서도 수요가 높아지고 있다. 이종 금속을 접합하는 방법으로서, 일반적으로는, 못 또는 나사 등으로 접합하는 방법이 있지만, 못 또는 나사는 비교적 고가이기 때문에, 접합재의 제조 비용이 높아짐과 함께, 못 또는 나사의 중량분만큼, 얻어지는 접합재가 무거워진다고 하는 문제가 있다.
한편, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 일반적인 방법으로 직접 용접하면, 접합 계면에 취약한 금속간 화합물이 형성되어, 양호한 강도를 얻을 수 없다. 그래서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재의 접합에 있어서, 높은 강도를 얻을 수 있는 용접 기술이 요구되고 있다.
용접에 의한 이종 금속을 접합하는 방법으로서, 특허문헌 1에는, 강을 포함하는 제1 기재의 표면에, 콜드 스프레이법에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금 피막을 형성하고, 이 피막과 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 제2 기재를 대향시켜 용접하는 접합 방법이 개시되어 있다.
그런데, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재가 폐단면의 압출재인 경우에는, 고장력 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 필요하게 되지만, 상기 특허문헌 1에 기재된 접합 방법은, TIG(Tungsten Inert Gas) 용접, MIG(Metal Inert Gas) 용접, 및 플라스마 용접과 같은, 열 영향이 큰 아크 용접을 사용하는 것이다. 이 때문에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면에, 콜드 스프레이에 의해 강과 용접 가능한 금속 피막을 형성하고, 이 피막과 고장력강을 용접하는 경우에는, 아크 용접 시에 발생하는 다량의 열에 의해, 고장력강에 대한 금속 피막의 밀착 강도가 크게 저하되고, 나아가서는 접합 강도가 저하될 우려가 있다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금재가 용융되지 않을 정도로 용접 시의 입열량을 억제 가능한 용접으로서는, 레이저 용접이 생각되지만, 특허문헌 1의 접합 방법에서는, 레이저 용접에 대하여 언급되어 있지 않다. 또한, 금속 용사 피막을 용접하는 경우에는, 피막 중에 포함되는 용사 시의 잔존 가스에 기인하여, 용접 금속 중에 큰 블로우홀이 발생하기 쉽다고 하는 결점이 있고, 용접 금속 중에 큰 블로우홀이 많이 잔존하면, 조인트 강도가 저하되는 등의 문제가 있지만, 특허문헌 1의 접합 방법에서는, 블로우홀의 문제에 대해서도 기재되어 있지 않다. 이 때문에, 고장력 강재측으로부터의 편측 시공이 가능하고, 또한 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체의 제조 방법의 개발이 요망되었다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합에 있어서, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 가능하고, 또한, 블로우홀이 적어, 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체의 제조 방법 및 이재 접합 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은, 이재 접합 구조체의 제조 방법에 관한 하기 (1)의 구성에 의해 달성된다.
(1) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정이, 상기 강재, 상기 저온 용사 피막 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서 행해지는, 이재 접합 구조체의 제조 방법.
또한, 이재 접합 구조체의 제조 방법에 관한 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 하기 (2)에 관한 것이다.
(2) 상기 접합 공정은, 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인, (1)에 기재된 이재 접합 구조체의 제조 방법.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 이재 접합 구조체에 관한 하기 (3)의 구성에 의해 달성된다.
(3) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와,
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에 형성된, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말이 저온 용사되어 이루어지는 저온 용사 피막과,
상기 저온 용사 피막 상에 중첩된 강재와,
상기 강재, 상기 저온 용사 피막, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서의 용융부가 형성된 용접 금속
을 구비하는 이재 접합 구조체.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 이재 접합 구조체의 제조 방법에 관한 하기 (4)의 구성에 의해 달성된다.
(4) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정은, 상기 저온 용사 피막이 부분 용입이 되는 조건에서 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인, 이재 접합 구조체의 제조 방법.
본 발명에 관한 이재 접합 구조체의 제조 방법에 있어서는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과, 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 중첩하는 공정과, 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 접합하는 공정을 갖고 있고, 또한, 접합 공정은, 강재, 저온 용사 피막, 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서 행해지기 때문에, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 가능하고, 또한, 블로우홀이 적어, 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체가 얻어진다.
또한, 본 발명에 관한 다른 이재 접합 구조체의 제조 방법에 있어서는, 접합 공정이, 저온 용사 피막이 부분 용입이 되는 조건에서 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 레이저 조사의 입열량과 동등 이하이기 때문에, 블로우홀의 발생이 대폭 억제되어, 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 이재 접합 구조체를 레이저 용접에 의해 형성하는 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 1의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 2의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 이재 접합 구조체를 레이저 용접에 의해 형성하는 사시도이다.
도 5는 제2 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 3의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 6은 종래의 제조 방법에 의해 형성된, 비교예의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 1의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 2의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 이재 접합 구조체를 레이저 용접에 의해 형성하는 사시도이다.
도 5는 제2 실시 형태의 이재 접합 구조체의 제조 방법에 의해 형성된, 실시예 3의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
도 6은 종래의 제조 방법에 의해 형성된, 비교예의 이재 접합 구조체의 확대 단면도이다.
이하, 본 발명의 각 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하에 설명하는 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 임의로 변경하여 실시할 수 있다.
본 발명자들은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재의 이재 접합에 있어서, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이어도, 양호한 접합 조인트를 얻을 수 있는 접합 방법을 얻기 위해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 강재와 용접 가능한 금속 분말을 저온 용사하여 저온 용사 피막을 형성함과 함께, 저온 용사 피막과 강재를, 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 접합함으로써, 양호한 접합 조인트를 얻을 수 있음을 알아냈다.
구체적으로는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판의 표면에, 저온 용사법(콜드 스프레이법)에 의해, 고속으로, 소정의 금속 분말을 분사시켜 금속 피막(저온 용사 피막)을 형성하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판과 금속 피막은 고강도의 기계적인 결합이 얻어지기 때문에, 그 후의 강재와의 레이저 용접에 의해 얻어진 이재 접합 구조체에 대해서도, 양호한 접합 조인트가 얻어짐을 알 수 있었다.
또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금판 상에 형성된 저온 용사 피막과 강재의 레이저 용접에 있어서, 용융부에 발생하는 블로우홀을 억제하기 위해서는 레이저 용접 조건이 중요한 요소이며, 이 레이저 용접 조건을 적정하게 관리함으로써, 블로우홀의 발생이 적어, 높은 접합 강도를 갖는 접합 조인트가 얻어짐을 알아냈다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태에 관한 이종 금속 접합체의 제조 방법은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과, 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 강재를 중첩하는 공정과, 저온 용사 피막과 강재를, 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 접합하는 공정을 갖는다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 이재 접합 구조체(10)는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 표면의 적어도 일부에, 저온 용사 피막(1)이 형성된다. 다음에, 저온 용사 피막(1)과 강재(3)가 대향하도록, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)와 강재(3)가 중첩된다. 또한, 강재(3)측으로부터 조사되는 레이저 빔 L에 의해, 강재(3), 저온 용사 피막(1), 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2) 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서, 저온 용사 피막(1)을 통해 강재(3)와 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)를 레이저 용접하고, 강재(3), 저온 용사 피막(1) 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 용융에 의해 용접 금속(용접 비드)(4)을 형성한다.
저온 용사 피막(1)은, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속을 포함하는 것이다. 또한, 도시하지 않지만, 저온 용사에 의해 고속으로 금속 분말이 분사된, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 표면은, 다량의 금속 분말에 의해 미세한 요철이 형성되어 있기 때문에, 저온 용사 피막(1)과 강재(3)는, 앵커 효과에 의해 기계적으로 강고하게 접합되어 있다.
금속 분말을 저온 또한 고속 분사하여 저온 용사 피막(1)을 형성하는 방법으로서는, 콜드 스프레이법이 적합하다. 콜드 스프레이법이란, 가스와 금속 분말을 음속 이상의 고속으로 대상물에 분사함으로써, 저온 용사 피막(1)을 형성하는 방법이다. 이 방법은, 작동 가스가 비교적 저온이기 때문에(예를 들어, 철 입자 융점 이하인 900℃ 이하), 철 등의 상대적으로 고융점의 금속 분말과 알루미늄 또는 알루미늄 합금재가 서로 용융하는 일이 없고, 철 등의 상대적으로 고융점의 금속 분말은, 그 속도 에너지에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)에 파고들어가, 매크로적인 기계적 체결 상태가 된다.
따라서, 금속간 화합물이 생성되기 어렵고, 또한, 취성의 상이 생기기 어렵기 때문에, 결과적으로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 일부에 강고한 저온 용사 피막(본 실시 형태에서는 철계 피막)(1)이 형성된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 콜드 스프레이법에서 사용하는 가스종, 압력, 온도, 금속 분말의 입자경 등을 적절히 선택하여 실시할 수 있다.
저온 용사 피막(1)을 형성하는 방법으로서는, 상기 콜드 스프레이법 이외에, 플라스마 용사나 아크 용사 등 그 밖의 용사 방법이 생각되지만, 이들은 작동 가스 온도가 높아(예를 들어, 철 입자의 융점 이상인 2000℃ 이상), 입자, 알루미늄 모재 모두 융점을 초과하여 액상이 되어, 화학 반응에 의해 금속간 화합물이 생성되고, 취성의 피막밖에 형성할 수 없다.
그 후, 얻어진 저온 용사 피막(1) 상에 강재(3)를 배치하고, 강재(3)에 있어서의 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)에 면하는 측과 반대측으로부터, 강재(3)와 저온 용사 피막(1)과 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2) 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서, 레이저 용접함으로써 용접 금속(4)을 형성하여, 이재 접합 구조체(10)를 제조한다.
도 2(후술하는 실시예 1에 상당) 및 도 3(후술하는 실시예 2에 상당)에 도시한 바와 같이, 저온 용사 피막(1)을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)와 강재(3)를 강재(3)측으로부터 레이저 용접할 때, 강재(3) 및 저온 용사 피막(1)과 함께, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 일부가 용융하는 조건에서 용접함으로써, 강재(3), 저온 용사 피막(1) 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)를 포함하는 용접 금속(용접 비드)(4)을 형성하여 용접한다.
또한, 입열량이 과도하게 커지면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)를 너무 용해하여 비드가 불안정해지거나, 용접부에 균열이 발생하기 쉬워진다. 이 때문에, 최대한 입열량은 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 금속(4)에 포함되는 알루미늄양은, 바람직하게는 5％ 이하, 보다 바람직하게는 1％ 이하가 되는 입열 조건에서 용접하는 것이 바람직하다.
입열량을 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 일부가 용융되도록 제어함으로써, 블로우홀(5)의 발생을 대폭 억제할 수 있어, 이재 접합 구조체(10)의 접합 강도가 향상된다. 이것은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 일부가 용융되는 것에 의한 강도 저하보다도, 블로우홀(5)이 없어지는 것에 의한 강도 향상이 크기 때문이라고 생각된다.
여기서, 레이저 용접은, 아크 용접 등의 다른 용접법에 비해, 입열이 낮아, 열 영향이 작은 용접법이다. 아크 용접의 경우를 사용한 경우에는, 용접 시에 발생하는 열이 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)까지 도달하기 쉽기 때문에, 고장력강에 대한 금속 피막의 밀착 강도가 크게 저하되고, 나아가서는 접합 강도가 저하될 우려가 있다. 그러나, 레이저 용접을 사용한 경우에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)에 대한 열 영향을 최소한으로 억제하여, 고장력강에 대한 금속 피막의 밀착 강도 저하를 억제할 수 있기 때문에, 접합 강도의 저하를 방지하여, 양호한 접합 조인트를 얻을 수 있다.
계속해서, 본 실시 형태에 관한 제조 방법에 있어서, 저온 용사 피막(1), 그 재료가 되는 금속 분말, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2) 및 강재(3)에 대하여, 이하에 상세하게 설명한다.
<금속 분말의 금속종: 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종>
저온 용사 피막(1)과 강재(3)를 레이저 용접에 의해 접합하기 위해서는, 저온 용사 피막(1)의 재료로서, 강재(3)와 원하는 접합 강도로 용접할 수 있음과 함께, 용접 금속(4)의 특성이 양호해지는 금속 재료를 선택하는 것이 중요하다.
본 실시 형태에서는, 강재(3)와의 사이에서 양호한 접합 조인트를 용이하게 용접할 수 있는 스테인리스강(SUS)을 적합하게 선택할 수 있다.
특히, 다양한 스테인리스강 중, 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 및 페라이트계와 오스테나이트계의 2상 스테인리스강은, 마르텐사이트계 스테인리스강에 비해 내식성이 우수하기 때문에, 부식 환경에 노출되는 자동차의 재료로서 적합하다. 따라서, 콜드 스프레이에 사용하는 금속 분말로서는, 바람직하게는 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 및 페라이트계와 오스테나이트계의 2상 스테인리스강으로부터 선택된 적어도 1종의 금속을 포함하는 분말을 사용한다.
한편, 금속 분말로서, 예를 들어 Cr이나 Ni 등 ??칭 원소가 다량으로 첨가된 스테인리스강(SUS)을 사용하면, 강재(3)가 고장력 강판이나 핫 스탬프재인 경우에, 모재 희석을 받은 용접 금속(4) 모두, 또는 일부가 마르텐사이트 변태되어, 경도가 너무 높아져, 접합 강도(조인트 강도)가 저하되거나, 균열이 발생하거나 할 우려가 있다. 이와 같은 경우에는, 콜드 스프레이에 사용하는 금속 분말로서는, 바람직하게는 순철, 탄소강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속을 포함하는 분말을 사용한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 순철이란, 공업용으로서 용이하게 입수가 가능하고, 순도가 99.9질량％ 이상인 것을 나타낸다. 또한, 탄소강이란, 철과 탄소를 주성분으로 하고, 규소, 망간 및 불순물 인, 황, 구리를 미량으로 포함하는 철강 재료를 나타낸다. 또한, 니켈 합금으로서는, 통칭 인코넬 합금, 인콜로이 합금, 하스텔로이 합금이라 불리는 Ni를 주성분으로 하고, Mo, Fe, Co, Cr, Mn 등을 적당량 첨가한 합금을 사용할 수 있다.
<금속 분말의 입자경 및 형상>
저온 용사 피막(1)의 재료가 되는 금속 분말의 입자경에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 콜드 스프레이의 가스압을 1㎫ 이하의 저압 조건으로 한 경우에는, 예를 들어 20㎛ 이하인 것이 바람직하고, 10㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, 가스압을 1㎫ 내지 5㎫의 고압 조건으로 한 경우에는, 예를 들어 50㎛ 이하인 것이 바람직하고, 30㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
금속 분말의 입자 형상에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 유동성의 관점에서 구상인 것이 바람직하다.
<작동 가스의 종류>
콜드 스프레이에 있어서 사용하는 가스에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로는, 공기, 질소, 헬륨 또는 그것들의 혼합 가스를 사용하여 행해진다. 한편, 저온 용사 피막(1)이 산화되면, 용접성에 악영향을 미칠 우려가 있기 때문에, 가스종으로서 질소나 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다. 가스종으로서 헬륨을 사용하는 경우, 저온 용사 피막의 밀착 강도가 보다 높아지고, 나아가서는 조인트 강도의 향상을 기대할 수 있다.
<작동 가스의 온도>
상술한 바와 같이, 콜드 스프레이에 있어서 사용하는 가스의 온도가 높은 경우에는, 금속 분말이 용융되어, 저온 용사 피막(1)의 기재가 되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)와 화학 반응을 일으켜 금속간 화합물을 생성할 우려가 있다. 따라서, 작동 가스의 온도는, 콜드 스프레이에 사용되는 금속 분말의 융점보다도 낮은 온도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 관한 이종 금속 접합체를 얻음에 있어서는, 예를 들어 실온(20℃) 내지 1200℃로 하는 것이 바람직하다.
<피막의 막 두께>
콜드 스프레이에 의해 형성하는 저온 용사 피막(1)의 막 두께가 0.3㎜ 미만이면, 저온 용사 피막(1) 및 강재(3)만을 용융시키는 용접이 요구되는 경우(예를 들어, 후술하는 제2 실시 형태의 용접 방법 등), 레이저 빔 L의 변동의 영향에 의해, 저온 용사 피막(1) 및 강재(3)만을 용융시키는 것이 곤란해지는 경우가 있기 때문에, 로버스트성이 낮아진다.
그래서, 저온 용사 피막(1)의 막 두께를 0.3㎜ 이상으로 함으로써, 레이저 빔 L의 변동에 유연하게 대응할 수 있기 때문에, 엄격한 조건 설정이 불필요해진다. 따라서, 저온 용사 피막(1)의 막 두께는 0.3㎜ 이상인 것이 바람직하고, 0.6㎜ 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 저온 용사 피막(1)의 막 두께가 3㎜를 초과하면, 성막 시간이 길어져, 제조 비용 상승으로 될 우려가 있다. 따라서, 저온 용사 피막(1)의 막 두께는 3㎜ 이하인 것이 바람직하고, 2㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.
<알루미늄 또는 알루미늄 합금재>
알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 자동차 등에 사용하는 부재에 적용하는 경우에는, 강도의 관점에서, 2000계, 5000계, 6000계 및 7000계 등의 알루미늄 합금재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 강재(3)측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 가능한 레이저 용접을 사용하기 때문에, 판재뿐만 아니라, 자동차 등의 분야에서 다용되는 압출재나 주조재, 단조재여도 문제없이 사용할 수 있다.
<강재>
강재(3)로서는, 일반적으로 철강이라 불리는 금속을 포함하는 부재이면 특별히 한정되지 않는다. 단, 근년, 자동차의 보디 골격 등에 사용되는 강판으로서는, 차체 경량화나 충돌 안전성 강화를 목적으로 하여 고장력 강재(하이텐재) 등이 다용되고 있다. 강-알루미늄의 이종 금속 접합법으로서 보급되어 있는 기계적 접합법에서는, 인장 강도가 980㎫ 이상인 강판에 적용하는 것이 곤란하다. 따라서, 인장 강도가 980㎫ 이상인 고장력 강판에 있어서 본 발명은 특히 유효하다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태에 관한 이종 금속 접합체의 제조 방법에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 관한 이종 금속 접합체의 제조 방법은, 접합 공정이, 제1 실시 형태의 이종 금속 접합체의 제조 방법과 다르다. 그 외에 대해서는, 제1 실시 형태의 이종 금속 접합체의 제조 방법과 마찬가지이기 때문에, 다른 부분에 대하여 설명한다.
본 실시 형태의 접합 공정은, 도 4 및 도 5(후술하는 실시예 3에 상당)에 도시한 바와 같이, 저온 용사 피막(1)이 부분 용입이 되는 조건에서 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해진다. 구체적으로는, 강재(3)와 저온 용사 피막(1)의 일부가 용융된 용접 금속(4)을 형성하여, 이재 접합 구조체(10)를 제조한다. 또한, 도 4에 있어서의 2개의 화살표는, 강재(3)측으로부터의 레이저 용접을 거의 동일한 위치에서 2회 레이저 조사하는 것을 모식적으로 도시하고 있다.
그때, 2회째 이후의 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 레이저 조사의 입열량과 동등 이하의 조건에서 행하는 것이 좋다. 2회째 이후의 레이저 조사에 있어서의 입열량이 1회째의 입열량보다 크면, 새롭게 용융한 저온 용사 피막(1)으로부터 블로우홀(5)이 발생하기 때문에, 바람직하지 않다.
이에 의해, 1회째의 레이저 조사로 블로우홀(5)이 생성된 경우에도, 입열량이 1회째의 레이저 조사와 동등 이하인 2회째 이후의 레이저 조사에 의해, 1회째의 레이저 조사로 생성된 블로우홀(5)을 없앨 수 있다. 이 결과, 블로우홀(5)이 감소되어 접합 강도가 향상된다.
또한, 레이저 조사를 3회 이상 행해도 되지만, 용락이 발생하기 쉽고, 또한 택트 타임도 길어지기 때문에, 조사 횟수는 적은 쪽이 바람직하고, 구체적으로는 2회가 가장 바람직하다.
또한, 도 5에 있어서는, 1회째의 레이저 조사에 있어서, 강재(3), 저온 용사 피막(1) 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2) 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되어 있지 않은 경우를 나타내고 있지만, 상기 제1 실시 형태에서 나타낸 바와 같이, 강재(3) 및 저온 용사 피막(1)과 함께, 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)의 일부가 용융되는 조건에서 용접함으로써, 강재(3), 저온 용사 피막(1) 및 알루미늄 또는 알루미늄 합금재(2)를 포함하는 용접 금속(용접 비드)(4)을 형성하여 용접한 후, 2회째 이후의 레이저 조사를 행하는 것이어도 된다.
즉, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 각각의 용접 조건을 조합함으로써, 더욱 확실하게 블로우홀을 적게 할 수 있어, 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
먼저, 판 두께가 3㎜인 알루미늄 합금판의 표면에, 콜드 스프레이를 사용하여 두께 2㎜의 금속 피막(저온 용사 피막)을 형성하였다.
그 후, 얻어진 금속 피막을 통해, 알루미늄 합금판과 겹치도록, 판 두께가 1.4㎜인 강판을 배치하고, 강판에 있어서의, 금속 피막에 접하는 면과 반대측의 면으로부터 레이저 조사함으로써 강판과 알루미늄 합금판을 레이저 용접하여, 이재 접합 구조체를 제조하였다. 또한, 레이저의 조사는 갈바노 스캐너에 의해 제어하고, 실시예 1 및 실시예 2(도 2 및 도 3 참조)에서는 1회, 실시예 3(도 5 참조)에서는 2회, 직선형으로 용접하였다.
공시재, 콜드 스프레이의 조건 및 용접 조건을 이하에 나타낸다.
[공시재]
알루미늄 합금판: A7N01-T6재
강판: 핫 스탬프재(22MnB 강, 인장 강도 1500㎫급)
[콜드 스프레이의 조건]
가스종: 질소
가스압: 5㎫
가스의 온도: 1000℃
금속 분말: 철분
금속 분말의 평균 입도: 40㎛
[레이저 용접 조건]
열원: 파이버 레이저
용접 속도: 4m/min(실시예 3에 있어서는, 레이저 조사 2회 모두 4m/min)
빔 집광 직경: φ 0.6㎜
용접 길이: 18.8㎜
실드 가스: 없음
출력: 실시예 1: 5kW(1회 조사)
실시예 2: 6kW(1회 조사)
실시예 3: 4kW+3kW(2회 조사)
<비교예>
판 두께가 3㎜인 알루미늄 합금판의 표면에, 콜드 스프레이를 사용하여 두께 2㎜의 금속 피막(저온 용사 피막)을 형성한, 그 후, 금속 피막을 통해 알루미늄 합금판과 판 두께가 1.4㎜인 강판을 중첩하고, 강판에 있어서의, 알루미늄 합금판에 접하는 면과 반대측의 면으로부터 레이저 조사함으로써 강판과 금속 피막을 레이저 용접하여, 이재 접합 구조체를 제조하였다. 또한, 실시예와 마찬가지로, 레이저의 조사는 갈바노 스캐너에 의해 제어하여, 직선형으로 용접하였다.
또한, 레이저 용접 조건에 대해서는 실시예와 마찬가지이지만, 출력: 4kW로의 1회 조사(도 6 참조)로 하였다.
<평가>
그 후, 실시예 및 비교예 모두, 얻어진 이재 접합 구조체에 대하여, 접합 강도를 측정함과 함께, 조인트에 대하여 단면 매크로 관찰을 행하여, 용입 및 블로우홀률을 조사하였다.
접합 강도에 관해서는, JIS Z3136 및 JIS Z3137에 기재된 시험 방법을 참고로, 인장 전단 강도(kN)를 측정하였다. 인장 시험의 시험 속도는 모두 10㎜/min으로 하였다.
용입에 관해서는, 단면 매크로 관찰에 의해, 알루미늄 합금판이 용융된 것을 확인한 것을 평가 「II」, 알루미늄 합금판이 용융된 것을 확인하지 못한 것을 평가 「I」이라 하였다.
블로우홀률(％)에 관해서는, 단면 매크로 사진에 있어서의 용접 금속(용융 금속)(4)의 면적에 대한 블로우홀(5)의 면적의 비로 하고, 소수점 이하를 반올림한 값으로 산출하였다.
또한, 도 2는 실시예 1의 이재 접합 구조체의 단면도이며, 도 3은 실시예 2의 이재 접합 구조체의 단면도이고, 도 5는 실시예 3의 이재 접합 구조체의 단면도이며, 도 6은 비교예의 이재 접합 구조체의 단면도이다.
레이저 용접 조건(레이저 조사 횟수, 1회째 및 2회째의 레이저 출력) 및 평가 결과(알루미늄 합금판의 용입, 블로우홀률(％) 및 인장 전단 강도(kN)를, 하기표 1에 나타낸다. 또한, 표 1의 「2회째 출력(kW)」란에 있어서의 「-」은, 2회째의 레이저 조사를 행하지 않은 것을 나타낸다.
상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1, 2 및 3은, 용접 조건이 본 발명의 조건을 만족시키기 때문에, 블로우홀이 적은 양호한 용접부가 얻어졌다. 또한, 인장 전단 강도도 높아졌다. 한편, 비교예는, 도 6에 도시한 바와 같이, 블로우홀이 많이 발생하고, 인장 전단 강도도 낮아졌다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접에 의해, 블로우홀이 적은 용접이 가능하고, 또한, 높은 접합 강도를 갖는 이재 접합 구조체를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 전술한 실시 형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니고, 적절히, 변형, 개량 등이 가능하다. 예를 들어, 각 실시예에서는, 입열량을 제어하기 위해 출력을 변화시키고 있지만, 용접 속도나 빔 초점 위치를 변경하여 입열량을 제어하도록 해도 된다.
이상과 같이, 본 명세서에는 다음 사항이 개시되어 있다.
(1) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정이, 상기 강재, 상기 저온 용사 피막, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서 행해지는, 이재 접합 구조체의 제조 방법.
이 구성에 의하면, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접이 가능하고, 또한, 블로우홀이 적어, 접합 강도가 향상된다.
(2) 상기 접합 공정은, 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인, (1)에 기재된 이재 접합 구조체의 제조 방법.
이 구성에 의하면, 더욱 확실하게 블로우홀을 적게 할 수 있어, 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
(3) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와,
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에 형성된, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말이 저온 용사되어 이루어지는 저온 용사 피막과,
상기 저온 용사 피막 상에 중첩된 강재와,
상기 강재, 상기 저온 용사 피막, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성된 용접 금속
을 구비하는 이재 접합 구조체.
이 구성에 의하면, 강재측으로부터의 편측 시공에 의한 용접에 의해, 블로우홀이 적은 조인트 강도가 우수한 이재 접합 구조체가 얻어진다.
(4) 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정은, 상기 저온 용사 피막이 부분 용입이 되는 조건에서 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인, 이재 접합 구조체의 제조 방법.
이 구성에 의하면, 2회째 이후의 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 레이저 조사의 입열량과 동등 이하이기 때문에, 블로우홀의 발생이 대폭 억제되어 접합 강도가 향상된다.
이상, 도면을 참조하면서 각종 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있음은 명백하고, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 또한, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 실시 형태에 있어서의 각 구성 요소를 임의로 조합해도 된다.
또한, 본 출원은, 2019년 8월 27일에 출원된 일본 특허 출원(특원 제2019-154699호)에 기초하는 것이고, 그 내용은 본 출원 중에 참조로서 원용된다.
1: 저온 용사 피막
2: 알루미늄 또는 알루미늄 합금재
3: 강재
4: 용접 금속
10: 이재 접합 구조체
L: 레이저 빔(레이저 조사)
2: 알루미늄 또는 알루미늄 합금재
3: 강재
4: 용접 금속
10: 이재 접합 구조체
L: 레이저 빔(레이저 조사)
Claims (4)
- 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정이, 상기 강재, 상기 저온 용사 피막, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성되는 용접 조건에서 행해지는 이재 접합 구조체의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 접합 공정은, 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인 이재 접합 구조체의 제조 방법. - 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와,
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에 형성된, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말이 저온 용사되어 이루어지는 저온 용사 피막과,
상기 저온 용사 피막 상에 중첩된 강재와,
상기 강재, 상기 저온 용사 피막, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재 중 어느 것에 있어서도 용융부가 형성된 용접 금속을 구비하는 이재 접합 구조체. - 알루미늄 또는 알루미늄 합금재의 표면의 적어도 일부에, 순철, 탄소강, 스테인리스강, 니켈, 니켈 합금, 코발트 및 코발트 합금으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 분말을 저온 용사함으로써 저온 용사 피막을 형성하는 공정과,
상기 저온 용사 피막과 강재가 대향하도록, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 중첩하는 공정과,
상기 강재측으로부터의 레이저 용접에 의해 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금재와 상기 강재를 접합하는 공정을 갖고,
상기 접합 공정은, 상기 저온 용사 피막이 부분 용입이 되는 조건에서 적어도 2회의 레이저 조사에 의해 행해지며, 2회째 이후의 상기 레이저 조사에 있어서의 입열량은, 1회째의 상기 레이저 조사의 입열량과 동등 이하인 이재 접합 구조체의 제조 방법.
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