WO2021010149A1

WO2021010149A1 - 異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体

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Publication number: WO2021010149A1
Application number: PCT/JP2020/025509
Authority: WO
Inventors: 励一鈴木; 恭兵前田
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-01-21
Also published as: CN114007795A; EP3978177A4; EP3978177A1; JP2021016876A; JP7120970B2; CN114007795B; US20220274199A1

Abstract

新規設備が不要であって製造コストの上昇を抑制することができるとともに、すみ肉溶接の場合であっても、非鉄金属からなる部材と鋼製の部材とを高い接合強度で接合することができる異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体を提供する。非鉄金属からなり、端面と前記端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、鋼製の第２部材と、を接合する異種金属接合体の製造方法は、第１部材における端面及び第１面に、第２部材と接合可能な金属粉末を低温かつ高速噴射することにより、端面及び第１面にまたがるように皮膜を形成する工程と、皮膜と第２部材とが近接するように第１部材と第２部材とを配置する工程と、皮膜及び第２部材間ですみ肉溶接を行う工程と、を有する。

Description

異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体

　本発明は、異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体に関する。

　近年、自動車等の分野においては、ＣＯ_２排出量の削減を目的とした車体軽量化や衝突安全性強化を実現するため、ボディ骨格等に高張力鋼板（Ｈｉｇｈ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｓｔｅｅｌ：ＨＴＳＳ）が適用されている。

　また、更なる車体軽量化を目的として、軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金材のような非鉄金属と、鋼材とを接合した異種金属接合材についても需要が高くなっている。異種金属を接合する方法として、一般的には、釘又はネジ等で接合する方法、及びＳＰＲ（Ｓｅｌｆ－Ｐｉｅｒｃｅ　Ｒｉｖｅｔｉｎｇ）又はＦＤＳ（Ｆｌｏｗ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｓｃｒｅｗ；登録商標）を利用して接合する方法がある。

　例えば、特許文献１には、アルミニウム製のルーフパネルのフランジ部とスチール製のボデーサイドパネルのフランジ部との接合方法として、フランジ部の端縁近傍に円形閉ループ状の軌跡をもって接着剤を連続的に塗布した接着剤層をあらかじめ形成し、ＳＰＲで接合する異種金属パネルの接合構造が開示されている。

　しかしながら、釘、ネジ又はリベットを用いる方法では、釘及びネジが比較的高価であるか、又はリベットを作成するための工程が必要となるため、接合材の製造コストが高くなるとともに、釘、ネジ及びリベットの重量分だけ、得られる接合材が重くなるという問題がある。また、上記特許文献１に記載の接合方法を採用しようとすると、接合に用いる装置等を完全に入れ替えて新規設備とする必要があり、製造コストが大幅に上昇する。

　一方、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを一般的な方法で直接溶接すると、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成され、良好な強度を得ることができない。例えば、溶接材料（フィラー）としてフッ化物が含有されたフラックス入りワイヤを用いてＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）溶接する方法についても検討されているが、溶接材料に種々の工夫を施しても、接合安定性が欠如するか、又は、接合されたとしても接合強度が極めて低いものとなる。

　また、溶接によって異種金属を接合する方法として、例えば特許文献２には、鋼母材に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金を溶射により付着させて溶射皮膜を形成したのちに、溶射皮膜と鋼母材とを対置し、溶接によりアルミニウム合金溶接ビードを形成することで両者を溶接する方法が開示されている。さらに、特許文献３には、鋼からなる第１基材の表面に、コールドスプレー法によりアルミニウム又はアルミニウム合金皮膜を形成し、この皮膜とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２基材とを対向させて溶接する接合方法が開示されている。

日本国特開２００７－３２１８８０号公報日本国特開昭５４－２８７４４号公報日本国特開２０１３－１８８７８０号公報

　しかしながら、特許文献２や特許文献３に記載の接合方法では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる皮膜と鋼からなる母材との接合強度が十分ではなく、その結果、溶接により接合された継手についても、所望の強度を得ることができないという問題点がある。
　特に、異種金属同士をすみ肉溶接により溶接する場合にあっては、接合面を大きく確保するのが困難であることから、より高い接合強度を得ることが求められる。そこで、鋼材と、非鉄金属からなる部材との接合において、すみ肉溶接の場合であっても高い強度を得ることができる接合技術が求められている。

　本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、新規設備が不要であって製造コストの上昇を抑制することができるとともに、すみ肉溶接の場合であっても、非鉄金属からなる部材と鋼製の部材とを高い接合強度で接合することができる異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体を提供することを目的とする。

　したがって、本発明の上記目的は、異種金属接合体の製造方法に係る下記（１）の構成により達成される。

（１）　非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、鋼製の第２部材と、を接合する異種金属接合体の製造方法であって、
　前記第１部材における前記端面及び前記第１面に、前記第２部材と接合可能な金属粉末を低温かつ高速噴射することにより、前記端面及び前記第１面にまたがるように皮膜を形成する工程と、
　前記皮膜と前記第２部材とが近接するように前記第１部材と前記第２部材とを配置する工程と、
　前記皮膜及び前記第２部材間ですみ肉溶接を行う工程と、を有する異種金属接合体の製造方法。

　また、異種金属接合体の製造方法に係る本発明の好ましい実施形態は、下記（２）～（１０）の構成に関する。

（２）　前記すみ肉溶接は、前記皮膜と前記第２部材のみを溶融させる、（１）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（３）　前記すみ肉溶接は、溶接材料を用いたＭＡＧ溶接若しくはＭＩＧ溶接、又はＴＩＧ溶接、プラズマ溶接若しくはレーザ溶接である、（１）又は（２）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（４）　前記すみ肉溶接は、重ねすみ肉溶接、Ｔ字すみ肉溶接、又は円周すみ肉溶接のいずれかである、（１）～（３）のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
（５）　前記重ねすみ肉溶接は、板状の前記第１部材を上板、前記第２部材を下材とし、
　前記上板の端面から前記上板の第１面となる上面にまたがるように前記皮膜を形成し、
前記皮膜と前記下材とを溶接するものである、（４）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（６）　前記Ｔ字すみ肉溶接は、板状の前記第１部材を立板、前記第２部材を下材とし、
　前記立板における前記下材上面に対向する端面から、前記端面に隣接する第１面にまたがるように前記皮膜を形成し、前記第１面側から前記皮膜と前記下材とを溶接する片側すみ肉溶接である、（４）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（７）　前記Ｔ字すみ肉溶接は、板状の前記第１部材を立板、前記第２部材を下材とし、
　前記立板における前記下材上面に対向する端面から、前記端面にそれぞれ隣接し、互いに対向する前記第１面及び第２面にまたがるように前記皮膜を形成し、前記第１面側及び前記第２面側のそれぞれから前記皮膜と前記下材とを溶接する両側すみ肉溶接である、（４）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（８）　前記溶接材料は、鋼合金又はニッケル合金のいずれかである、（３）に記載の異種金属接合体の製造方法。
（９）　前記金属粉末は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びフェライト系とオーステナイト系との２相ステンレス鋼、純鉄、炭素鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種を含む、（１）～（８）のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。
（１０）　前記皮膜の膜厚が０．５ｍｍ以上である、（１）～（９）のいずれか１つに記載の異種金属接合体の製造方法。

　また、本発明の上記目的は、異種金属接合体に係る下記（１１）の構成により達成される。
（１１）　非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、
　前記第１部材における前記端面及び前記第１面に、前記第２部材と接合可能な金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより前記端面及び前記第１面にまたがる領域に形成された皮膜と、
　前記皮膜が近接するように配置された鋼製の第２部材と、
　前記皮膜と前記第２部材との間に形成されたすみ肉溶接部と、を有する異種金属接合体。

　本発明の異種金属接合体の製造方法によれば、新規設備が不要であって製造コストの上昇を抑制することができるとともに、すみ肉溶接の場合であっても、非鉄金属からなる部材と鋼からなる部材とを高い接合強度で接合可能な異種金属接合体の製造方法を提供することができる。また、本発明の異種金属接合体は、高い接合強度を得ることができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る異種金属接合体を示す図１ＡにおけるＬ－Ｌ断面図である。図２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図である。図２Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る異種金属接合体を示す図２ＡにおけるＭ－Ｍ断面図である。図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図である。図３Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る異種金属接合体を示す図３ＡにおけるＮ－Ｎ断面図である。図４は、本発明の第４の実施形態に係る異種金属接合体を示す斜視図である。図５は、本発明の第５の実施形態に係る異種金属接合体を示す斜視図である。

　以下、本発明に係る異種金属接合体及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。

　本発明者らは、非鉄金属からなる部材と、鋼製の部材との異種金属を接合するにあたり、従来の設備を用いることができ、すみ肉溶接の場合であっても、高い接合強度を得ることが可能な異種金属接合体を得る方法について鋭意検討を重ねた。その結果、非鉄金属からなる部材の表面の少なくとも一部に、鋼製の部材と接合可能な金属粉末を低温かつ高速で噴射して皮膜を形成し、この皮膜と鋼製の部材とをすみ肉溶接することにより、高い接合強度を有する異種金属接合体が得られることを見出した。

　例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金板の表面に、純鉄等の粉末を低温かつ高速噴射して金属皮膜を形成すると、アルミニウム又はアルミニウム合金板と、純鉄製の皮膜とは、高強度の機械的な結合が得られるため、その後の鋼材との溶接により、接合強度の高い異種金属接合体が得られることが分かった。

　すなわち、本発明に係る異種金属接合体の製造方法は、非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、鋼製の第２部材と、を接合する異種金属接合体の製造方法であって、第１部材における端面及び第１面に、第２部材と接合可能な金属粉末を低温かつ高速噴射することにより、端面及び第１面にまたがるように皮膜を形成する工程と、皮膜と第２部材とが近接するように第１部材と第２部材とを配置する工程と、皮膜及び第２部材間ですみ肉溶接を行う工程と、を有する。

　また、本発明に係る異種金属接合体は、非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、第１部材における端面及び第１面に、第２部材と接合可能な金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより端面及び１面にまたがる領域に形成された皮膜と、皮膜が近接するように配置された鋼製の第２部材と、皮膜と第２部材との間に形成されたすみ肉溶接部と、を有する。

　以下、本発明に係る異種金属接合体の製造方法及び異種金属接合体について、具体的な実施形態を挙げて、より詳細に説明する。

＜第１の実施形態：重ねすみ肉溶接＞
　本発明の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、重ねすみ肉溶接の場合である。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＬ－Ｌ断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、アルミニウム合金板（第１部材）１の端面１ａから、この端面１ａに隣り合う面、すなわち上面（第１面）１ｂにまたがるように、純鉄製の金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより得られる、純鉄製の皮膜２が形成されている。
　そして、鋼板（第２部材）３上には、その上面３ａと皮膜２とが隣接するようにアルミニウム合金板１が配置されており、皮膜２と鋼板３とからなる隅部に鋼製溶接金属（すみ肉溶接部）４が形成されている。

　第１の実施形態に係る異種金属接合体の製造方法について、詳細に説明する。まず、アルミニウム合金板（第１部材）１の端面１ａと上面（第１面）１ｂとの連続する領域に、純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速で噴射して、皮膜２を形成する。次いで、鋼板（第２部材）３上にアルミニウム合金板１を重ねて配置する。このとき、鋼板３の上面３ａに対してアルミニウム合金板１の端面１ａが略垂直となり、皮膜２と鋼板３とが隣接するように配置される。その後、皮膜２と鋼板３との間の隅部に対して、鋼製の溶接材料を用いたアーク溶接を実施し、皮膜２、鋼板３及び溶接材料が溶融した鋼製溶接金属４を形成することにより、鋼板３とアルミニウム合金板１とが接合された異種金属接合体を製造することができる。

　純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速噴射して皮膜２を形成する方法としては、コールドスプレー法が好適である。コールドスプレー法とは、ガスと金属粉末とを音速以上の高速で対象物に吹きつけることにより皮膜２を形成する方法である。この方法は、作動ガスが比較的低温であるため（例えば、鉄粒子融点以下である９００℃以下）、純鉄等の相対的に高融点な金属粉末とアルミニウム合金板１は溶融し合うことがなく、純鉄からなる金属粉末は、その速度エネルギーによってアルミニウム合金板１に食い込み、ミクロ的な機械的締結状態となる。

　したがって、金属間化合物が生成せず、また、脆い相ができないことから、結果として、アルミニウム合金板１の一部に強固な純鉄の皮膜２が形成される。なお、後述するように、コールドスプレー法では、使用するガス種、圧力、温度、金属粉末の粒子径等を適宜選択して実施することができる。

　アルミニウム合金板１の表面に鋼材と接合可能な材料からなる皮膜２を形成する方法としては、上記コールドスプレー法以外に、プラズマ溶射やアーク溶射などその他の溶射方法が考えられる。しかし、これらは作動ガス温度が高く（例えば、鉄粒子の融点以上である２０００℃以上）、鉄粒子及びアルミニウム合金板１の融点を超えて液状となるため、化学反応によって金属間化合物が生成し、脆い皮膜しか形成できないことから、コールドスプレー法を用いることが好ましい。また、皮膜２は、アルミニウム合金板１における端面１ａと上面１ｂとの全域にわたって形成する必要はなく、鋼製溶接金属４を形成する端面１ａと上面１ｂにおける少なくとも一部の領域に形成すればよい。

　このように製造された第１の実施形態に係る異種金属接合体においては、アルミニウム合金板１の表面に、純鉄の粉末を高速で噴射して皮膜２を形成するため、アルミニウム合金板１の表面には微細な凹凸が形成される。したがって、純鉄からなる皮膜２とアルミニウム合金板１とは、アンカー効果によって機械的に締結されることにより、強固に結合される。また、皮膜２と鋼板３とは一般的なアーク溶接により強固に接合されるため、鋼板３とアルミニウム合金板１との異種金属同士を、間接的に高い接合強度で接合することができる。

　すなわち、上記第１の実施形態に係る異種金属接合体の製造方法は、鋼製溶接金属４だけに着目すれば、異種金属接合同士の接合ではなく、鋼板３と純鉄からなる皮膜２との同種金属同士の接合となる。

　なお、純鉄の粉末はアルミニウム合金板１の表面と比較して硬質であるため、アルミニウム合金板１の表面に純鉄の粉末を高速で噴射した場合に、粉末の形状が潰れず、球状を保ったままアルミニウム合金板１にめり込む。また、純鉄はアルミニウム合金と比較して高密度であって重いため、鋼材にアルミニウム又はアルミニウム合金粉末を噴射して皮膜を形成する場合と比較して、粉末が母材に衝突したときの運動エネルギーが大きいものとなり、アルミニウム合金板１により深くめり込む。従って、強いアンカー効果を得ることができる。

　また、第１の実施形態では、鋼製の溶接材料を用いたアーク溶接を実施し、鋼製溶接金属４を形成しているため、アルミニウム合金の溶接ビードを形成する従来の溶接方法と比較して、継ぎ手の強度を高めることができるとともに、溶接材料に関するコストを低減することができる。

　また、第１の実施形態においては、アルミニウム合金板１の端面１ａから上面１ｂにまたがるように皮膜２を形成しているため、端面１ａのみに皮膜２を形成する場合と比較して、アルミニウム合金板１と皮膜２との機械的な締結力を高めることができ、結果として、アルミニウム合金板１と皮膜２との接合強度を著しく向上させることができる。よって、本実施形態のような、接合面を大きく確保するのが困難なすみ肉溶接の場合であっても、異種金属間で高い接合強度を得ることができる。

＜第２の実施形態：Ｔ字すみ肉溶接（片面）＞
　本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、Ｔ字すみ肉溶接（片面）の場合である。図２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図であり、図２Ｂは、図２ＡにおけるＭ－Ｍ断面図である。第２の実施形態は、アルミニウム合金板（第１部材）１１を立板、鋼板（第２部材）１３を下板（下材）として、Ｔ字となるように配置されて溶接された接合体である。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、アルミニウム合金板１１の端面１１ａから、この端面１１ａに隣接する一方の面（第１面）１１ｂにまたがるように、純鉄製の金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより得られる、純鉄製の皮膜１２が形成されている。
　また、アルミニウム合金板１１の端面１１ａが鋼板１３の上面１３ａに対向するように配置されている。すなわち、鋼板１３上には、その上面１３ａと皮膜１２とが近接するようにアルミニウム合金板１１が配置されており、皮膜１２と鋼板１３とからなる隅部に鋼製溶接金属（すみ肉溶接部）１４が形成されている。

　第２の実施形態に係る異種金属接合体の製造方法について、詳細に説明する。まず、アルミニウム合金板（第１部材）１１の端面１１ａと、この端面１１ａに隣接する一方の面（第１面）１１ｂとの連続する領域に、純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速で噴射して、皮膜１２を形成する。次いで、アルミニウム合金板１１の端面１１ａが鋼板１３の上面１３ａに対向するように、アルミニウム合金板１１を配置する。このとき、鋼板１３の上面１３ａに対してアルミニウム合金板１１の一方の面１１ｂが略垂直となり、皮膜１２と鋼板１３とが近接するように配置される。その後、一方の面１１ｂ側から、皮膜１２と鋼板１３との間の隅部に対して、鋼製溶接材料を用いたアーク溶接を実施し、皮膜１２、鋼板１３及び溶接材料が溶融した鋼製溶接金属１４を形成することにより、鋼板１３とアルミニウム合金板１１とが接合された異種金属接合体を製造することができる。

　アルミニウム合金板１１の表面に純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速噴射して、皮膜１２を形成する方法は、第１の実施形態と同様であり、純鉄からなる金属粉末は、その速度エネルギーによってアルミニウム合金板１１に食い込み、強いミクロ的な機械的締結状態を得ることができる。したがって、金属間化合物が生成せず、また、脆い相ができないことから、結果として、アルミニウム合金板１１の一部に強固な純鉄の皮膜１２が形成される。
　また、皮膜１２と鋼板１３とは一般的なアーク溶接により強固に接合され、高強度の鋼製溶接材料１４を形成するので、鋼板１３とアルミニウム合金板１１との異種金属を高い接合強度で接合することができる。

　また、第２の実施形態においても、アルミニウム合金板１１の端面１１ａから一方の面１１ｂにまたがるように皮膜１２を形成しているため、端面１１ａ又は一方の面１１ｂのみに皮膜１２を形成する場合と比較して、アルミニウム合金板１１と皮膜１２との機械的な締結力を高めることができ、結果として、アルミニウム合金板１１と皮膜１２との接合強度を著しく向上させることができる。よって、本実施形態のような、接合面を大きく確保するのが困難なすみ肉溶接の場合であっても、異種金属間で高い接合強度を得ることができる。
　なお、第１の実施形態と同様に、上記皮膜１２は、アルミニウム合金板１１における端面１１ａと一方の面１１ｂとの全域にわたって形成する必要はなく、鋼製溶接金属１４を形成する端面１１ａと一方の面１１ｂにおける少なくとも一部の領域に形成すればよい。

＜第３の実施形態：Ｔ字すみ肉溶接（両面）＞
　本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、Ｔ字すみ肉溶接（両面）の場合である。図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る異種金属接合体を示す上面図であり、図３Ｂは、図３ＡにおけるＮ－Ｎ断面図である。第３の実施形態も第２の実施形態と同様に、アルミニウム合金板（第１部材）２１を立板、鋼板（第２部材）２３を下板（下材）として、Ｔ字となるように溶接された接合体である。ただし、第３の実施形態は、アルミニウム合金板２１の両面側に鋼製溶接金属２４ａ及び２４ｂが形成されている例である。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、アルミニウム合金板２１の端面２１ａから、この端面２１ａにそれぞれ隣接し、互いに対向する両方の面（すなわち、一方の面（第１面）２１ｂ及び一方の面に対向する他方の面（第２面）２１ｃ）にまたがるように、純鉄製の金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより得られる、純鉄製の皮膜２２が形成されている。
　そして、アルミニウム合金板２１は、その端面２１ａが鋼板２３の上面２３ａに対向するように配置されている。すなわち、鋼板２３上には、その上面２３ａと皮膜２２とが近接するようにアルミニウム合金板２１が配置されている。また、アルミニウム合金板２１の一方の面２１ｂ側において、皮膜２２と鋼板２３とからなる隅部に鋼製溶接金属（すみ肉溶接部）２４ａが形成されているとともに、他方の面２１ｃ側において、皮膜２２と鋼板２３とからなる隅部に鋼製溶接金属（すみ肉溶接部）２４ｂが形成されている。

　第３の実施形態に係る異種金属接合体の製造方法について、詳細に説明する。まず、アルミニウム合金板（第１部材）２１の端面２１ａと、この端面２１ａに隣り合う一方の面（第１面）２１ｂと、端面２１ａに隣り合う他方の面（第２面）２１ｃとの連続する領域に、純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速で噴射して、皮膜２２を形成する。次いで、アルミニウム合金板２１の端面２１ａが鋼板２３の上面２３ａに対向するように、アルミニウム合金板２１を配置する。このとき、鋼板２３の上面２３ａに対してアルミニウム合金板２１の一方の面２１ｂ及び他方の面２１ｃが略垂直となり、皮膜２２と鋼板２３とが近接するように配置される。その後、皮膜２２と鋼板２３との間の隅部に対して、一方の面２１ｂ側から、鋼製溶接材料を用いたアーク溶接を実施し、皮膜２２、鋼板２３及び鋼製溶接材料が溶融した鋼製溶接金属２４ａを形成する。その後同様にして、皮膜２２と鋼板２３との間の隅部に対して、他方の面２１ｃ側から、鋼製溶接材料を用いたアーク溶接を実施し、鋼製溶接金属２４ｂを形成する。これにより、鋼板２３とアルミニウム合金板２１とが接合された異種金属接合体を製造することができる。

　なお、アルミニウム合金板２１の表面に純鉄からなる金属粉末を低温かつ高速噴射して、皮膜２２を形成する方法は、第１の実施形態と同様であり、純鉄からなる金属粉末は、その速度エネルギーによってアルミニウム合金板２１に食い込み、強いミクロ的な機械的締結状態を得ることができる。したがって、金属間化合物が生成せず、また、脆い相ができないことから、結果として、アルミニウム合金板２１の一部に強固な純鉄の皮膜２２が形成される。
　また、皮膜２２と鋼板２３とは一般的なアーク溶接により強固に接合され、高強度の鋼製溶接材料２４ａ及び２４ｂを形成するので、鋼板２３とアルミニウム合金板２１との異種金属を高い接合強度で接合することができる。

　また、第３の実施形態においても、アルミニウム合金板２１の端面２１ａから一方の面２１ｂ及び他方の面２１ｃにまたがるように皮膜２２を形成しているため、端面２１ａ、一方の面２１ｂ、他方の面２１ｃに部分的に皮膜２２を形成する場合と比較して、アルミニウム合金板２１と皮膜２２との機械的な締結力を高めることができ、結果として、アルミニウム合金板２１と皮膜２２との接合強度を著しく向上させることができる。よって、本実施形態のような、接合面を大きく確保するのが困難なすみ肉溶接の場合であっても、異種金属間で高い接合強度を得ることができる。
　なお、第１の実施形態と同様に、上記皮膜２２は、アルミニウム合金板２１における端面２１ａと一方の面２１ｂ及び他方の面２１ｃとの全域にわたって形成する必要はなく、鋼製溶接金属２４を形成する端面２１ａと一方の面２１ｂ及び他方の面２１ｃにおける少なくとも一部の領域に形成すればよい。

＜第４の実施形態：重ねすみ肉溶接の変形例＞
　なお、本発明においては、板材だけでなく、自動車等の分野で多用される押出材や鋳造材、鍛造材であっても問題なく使用することができる。図４は、本発明の第４の実施形態に係る異種金属接合体を示す斜視図である。第４の実施形態は、図１Ａ及び図１Ｂに示す重ねすみ肉溶接の変形例である。

　図４に示すように、第４の実施形態は、アルミニウム合金製の角パイプ（第１部材）３１と鋼製の角パイプ（第２部材）３３との異種金属接合体を示している。すなわち、角パイプ３１の端面３１ａ及びこの端面３１ａに隣接する第１面３１ｂにまたがるように皮膜３２を形成し、皮膜３２と角パイプ３３とをすみ肉溶接して鋼製溶接金属３４を形成することにより、異種金属接合体を得ることができる。なお、皮膜３２の形成方法及び皮膜３２と角パイプ３３とのすみ肉溶接方法は、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１の実施形態と同様であり、同様の効果を得ることができる。

＜第５の実施形態：重ねすみ肉溶接の他の変形例＞
　図５は、本発明の第５の実施形態に係る異種金属接合体を示す斜視図である。第５の実施形態は、第４の実施形態と同様、図１Ａ及び図１Ｂに示す重ねすみ肉溶接の他の変形例である。

　図５に示すように、第５の実施形態は、対向する２枚の板状部と、これら２枚の板状部の中央を長手方向に連結する連結部とを有し、断面がＨ型のアルミニウム合金製Ｈ型部材（第１部材）４１と、これと同様のＨ型断面形状を有する鋼製Ｈ型部材（第２部材）４３との異種金属接合体を示している。すなわち、アルミニウム合金製Ｈ型部材４１の板状部の端面４１ａから、この端面４１ａに隣接する第１面４１ｂにまたがるように皮膜４２を形成し、鋼製Ｈ型部材４３の板状部の上にアルミニウム合金製Ｈ型部材４１の板状部を重ねて配置した後、皮膜４２と鋼製Ｈ型部材４３の板状部とをすみ肉溶接して鋼製溶接金属４４を形成することにより、異種金属接合体を得ることができる。なお、皮膜４２の形成方法及び皮膜４２と鋼製Ｈ型部材４３とのすみ肉溶接方法は、図１Ａ及び図１Ｂに示す第１の実施形態と同様であり、同様の効果を得ることができる。

　以上、第１～第５の各実施形態について詳細に説明したが、これらの実施形態に係る異種金属接合体の製造方法では、アルミニウム合金板への熱影響をより最小限に抑えるためには、皮膜及び鋼板（第２部材）のみを溶融させるように、適切な溶接条件を選択することが好ましい。

＜各構成要素の説明＞
　続いて、上述の第１～第５の実施形態に係る製造方法において、皮膜、その材料となる金属粉末、非鉄金属からなる第１部材、鋼製の第２部材、及び溶接方法について、以下に詳細に説明する。

　（金属粉末の金属種）
　皮膜と鋼板とをアーク溶接により接合するためには、皮膜の材料として、鋼板と所望の接合強度で溶接することができるとともに、溶接により得られる溶接金属の特性が良好となる金属材料を選択することが重要である。

　上述の実施形態では、純鉄からなる金属粉末を使用して皮膜を形成した例を記載したが、金属粉末の種類は純鉄に限定されず、例えば、鋼板との間で良好な接合継手を容易に溶接することができるステンレス鋼（ＳＵＳ）を選択することができる。
　特に、種々のステンレス鋼のうち、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びフェライト系とオーステナイト系との２相ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼に比べ耐食性に優れるため、腐食環境に晒される自動車の材料として適している。よって、コールドスプレーに用いる金属粉末としては、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びフェライト系とオーステナイト系との２相ステンレス鋼から選択された少なくとも１種の金属からなる粉末を使用することができる。

　一方、金属粉末として、例えば、ＣｒやＮｉなど焼入れ元素が多量に添加されたステンレス鋼を使用すると、鋼板が高張力鋼板やホットスタンプ材である場合に、母材希釈を受けた溶接金属の全て、もしくは一部がマルテンサイト変態し、硬度が高くなりすぎて、接合強度（継手強度）が低下したり、割れが発生したりするおそれがある。このような場合には、コールドスプレーに用いる金属粉末として、純鉄、炭素鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種の金属を含む粉末を使用することができる。

　なお、本明細書において、純鉄とは、工業用として容易に入手が可能であり、純度が９９．９質量％以上のものを表す。また、炭素鋼とは、鉄と炭素を主成分とし、ケイ素、マンガン、不純物リン、硫黄及び銅等を微量に含む鉄鋼材料を表す。なお、ニッケル合金としては、通称インコネル合金、インコロイ合金、ハステロイ合金と呼ばれるＮｉを主成分として、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ及びＭｎ等を適当量添加した合金を用いることができる。

　（金属粉末の粒子径及び形状）
　皮膜の材料となる金属粉末の粒子径については特に限定されないが、コールドスプレーのガス圧を１ＭＰａ以下の低圧条件とした場合には、例えば２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。
　一方、ガス圧を１ＭＰａ～５ＭＰａの高圧条件とした場合には、例えば５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましい。
　金属粉末の粒子形状についても特に限定されないが、流動性の観点から球状であることが好ましい。

　（作動ガスの種類）
　コールドスプレーにおいて使用するガスについては特に限定されないが、一般的には、空気、窒素、ヘリウム又はそれらの混合ガスを用いて行われる。一方、皮膜が酸化すると、溶接性に悪影響を及ぼすおそれがあるため、ガス種として窒素やヘリウムを用いるのが好ましい。

　（作動ガスの温度）
　上述の通り、皮膜の基材としてアルミニウム又はアルミニウム合金材を用いた場合、コールドスプレーにおいて使用するガスの温度が高いと、金属粉末が溶融し、アルミニウム又はアルミニウム合金材と化学反応を起こして金属間化合物を生成するおそれがある。よって、作動ガスの温度は、コールドスプレーに用いられる金属粉末の融点よりも低い温度とすることが好ましい。なお、本実施形態に係る異種金属接合体を得るにあたっては、例えば、室温（２０℃）～５００℃とすることが好ましい。

　（皮膜の膜厚）
　コールドスプレーにより形成する皮膜の膜厚が０．５ｍｍ未満であると、皮膜及び鋼板のみを溶融させるような溶接条件を適宜選択したとしても、アークの狙い位置のバラつきの影響により、皮膜２及び鋼板３のみを溶融させることが困難となる場合があるため、ロバスト性が低くなる。
　そこで、皮膜２の膜厚を０．５ｍｍ以上とすることにより、アークの狙い位置のバラつきに柔軟に対応することができるため、厳しい条件設定が不要となる。よって、皮膜２の膜厚は０．５ｍｍ以上であることが好ましく、０．９ｍｍ以上であることがより好ましい。
　一方、皮膜２の膜厚が３ｍｍを超えると、成膜時間が長くなり、製造コストアップとなるおそれがある。したがって、皮膜２の膜厚は３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。

　（非鉄金属からなる第１部材）
　上記実施形態では、第１部材としてアルミニウム合金材を使用したが、本発明は非鉄金属からなる部材であれば特に限定されず、例えば、マグネシウム又はマグネシウム合金材、銅または銅合金材等を使用することができる。例えば、本発明を自動車等に用いる部材に適用する場合には、強度の観点から、２０００系、５０００系、６０００系及び７０００系等のアルミニウム合金材を用いることが好ましい。なお、上述の第４及び第５の実施形態に示すように、本発明においては、板材だけでなく、自動車等の分野で多用される押出材や鋳造材、鍛造材であっても問題なく使用することができる。

　（鋼製の第２部材）
　鋼製の第２部材としては、一般的に鉄鋼と呼ばれる金属からなる部材であれば、特に限定されない。ただし、近年、自動車のボディ骨格等に用いられる鋼板としては、車体軽量化や衝突安全性強化を目的として高張力鋼材（ハイテン材）等が多用されている。鋼－アルミの異種金属接合法として普及している機械的接合法では、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板に適用することが困難である。よって、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板において、本発明は特に有効である。

　（溶接方法）
　上記実施形態では、アーク溶接により皮膜と鋼材とを接合したが、本発明では、溶接方法はアーク溶接に限定されず、レーザ溶接などを用いてもよい。なお、アーク溶接としても、溶接材料を用いたＭＡＧ溶接若しくはＭＩＧ溶接、又はＴＩＧ溶接若しくはプラズマ溶接などを適宜用いることができる。なお、ＴＩＧ溶接及びプラズマ溶接については、溶接材料を用いる溶接方法と、溶接材料を用いない溶接方法があるが、本実施形態においては、いずれの溶接方法も適用することができる。
　ＴＩＧ溶接、プラズマアーク溶接及びレーザ溶接において溶接材料を用いると、第１部材と第２部材との間に不可避的にギャップが生じた場合であっても、溶接材料によりギャップを埋めることができる。したがって、上述の第１～第５の実施形態においては、皮膜と第２部材とが隣接する（すなわち、これら部材が接触している状態）ように第１部材と第２部材とを配置したが、本実施形態では両者を必ずしも隣接する位置となるように配置する必要はない。すなわち、皮膜と第２部材とは近接（すなわち、これら部材が接触している状態、又は僅かに離間している状態）していればよく、溶接材料で埋めることができるような間隔であれば、ギャップを有していてもよい。
　また、アーク溶接は、最も普及している金属溶接接合方法であるため、アーク溶接を利用する場合は新規設備等が不要であり、製造コストの上昇を抑制することができる。

　更に、レーザ溶接を用いる際は、非鉄金属からなる第１部材、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金材への熱影響を最小限に抑え、皮膜及び鋼材（第２部材）のみを溶融させるよう、適切な溶接条件を選択することが好ましい。これにより、アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶融を抑制することができるため、接合強度の低下を防止して良好な異種金属接合体を得ることができる。なお、レーザ溶接条件としては、熱源、出力、溶接速度、溶接部の直径、及び皮膜と鋼材との間隔等を適宜選択することができる。

　アーク溶接及びレーザ溶接に用いられる溶接材料としては、鋼合金又はニッケル合金が適用される。鋼合金の溶接材料としては、例えば、ＪＩＳ　Ｚ３３１２，ＡＷＳ　Ｅ７．１８がある。

　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

　なお、本出願は、２０１９年７月１８日出願の日本特許出願（特願２０１９－１３３１２８）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

１、１１、２１　　アルミニウム合金板
１ａ、１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ　　端面
１ｂ、３ａ、１３ａ、２３ａ　　上面
２、１２、２２、３２、４２　　皮膜
３、１３、２３　　鋼板
４、１４、２４ａ、２４ｂ、３４、４４　鋼製溶接金属
１１ｂ、２１ｂ　　一方の面
２１ｃ　　他方の面（第２面）
３１、３３　　角パイプ
３１ｂ、４１ｂ　　第１面
４１、４３　　Ｈ型部材

Claims

　非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、鋼製の第２部材と、を接合する異種金属接合体の製造方法であって、
　前記第１部材における前記端面及び前記第１面に、前記第２部材と接合可能な金属粉末を低温かつ高速噴射することにより、前記端面及び前記第１面にまたがるように皮膜を形成する工程と、
　前記皮膜と前記第２部材とが近接するように前記第１部材と前記第２部材とを配置する工程と、
　前記皮膜及び前記第２部材間ですみ肉溶接を行う工程と、を有する異種金属接合体の製造方法。
　前記すみ肉溶接は、前記皮膜と前記第２部材のみを溶融させる、請求項１に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記すみ肉溶接は、溶接材料を用いたＭＡＧ溶接若しくはＭＩＧ溶接、又はＴＩＧ溶接、プラズマ溶接若しくはレーザ溶接である、請求項１又は２に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記すみ肉溶接は、重ねすみ肉溶接、Ｔ字すみ肉溶接、又は円周すみ肉溶接のいずれかである、請求項１又は２に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記重ねすみ肉溶接は、板状の前記第１部材を上板、前記第２部材を下材とし、
　前記上板の端面から前記上板の第１面となる上面にまたがるように前記皮膜を形成し、前記皮膜と前記下材とを溶接するものである、請求項４に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記Ｔ字すみ肉溶接は、板状の前記第１部材を立板、前記第２部材を下材とし、
　前記立板における前記下材上面に対向する端面から、前記端面に隣接する第１面にまたがるように前記皮膜を形成し、前記第１面側から前記皮膜と前記下材とを溶接する片側すみ肉溶接である、請求項４に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記Ｔ字すみ肉溶接は、板状の前記第１部材を立板、前記第２部材を下材とし、
　前記立板における前記下材上面に対向する端面から、前記端面にそれぞれ隣接し、互いに対向する前記第１面及び第２面にまたがるように前記皮膜を形成し、前記第１面側及び前記第２面側のそれぞれから前記皮膜と前記下材とを溶接する両側すみ肉溶接である、請求項４に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記溶接材料は、鋼合金又はニッケル合金のいずれかである、請求項３に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記金属粉末は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びフェライト系とオーステナイト系との２相ステンレス鋼、純鉄、炭素鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種を含む、請求項１又は２に記載の異種金属接合体の製造方法。
　前記皮膜の膜厚が０．５ｍｍ以上である、請求項１又は２に記載の異種金属接合体の製造方法。
　非鉄金属からなり、端面と該端面に隣接する第１面とを有する第１部材と、
　前記第１部材における前記端面及び前記第１面に、前記第２部材と接合可能な金属粉末が低温かつ高速噴射されることにより前記端面及び前記第１面にまたがる領域に形成された皮膜と、
　前記皮膜が近接するように配置された鋼製の第２部材と、
　前記皮膜と前記第２部材との間に形成されたすみ肉溶接部と、を有する異種金属接合体。