WO2021039155A1

WO2021039155A1 - 異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体

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Publication number: WO2021039155A1
Application number: PCT/JP2020/027166
Authority: WO
Inventors: 恭兵前田; 励一鈴木
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-03-04
Also published as: EP4008473A4; EP4008473A1; EP4008473B1; CN114340833B; KR20220038116A; CN114340833A; US20220176492A1

Abstract

アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、鋼材側からの片側施工による溶接が可能であり、かつ、ブローホールが少なく、継手強度に優れた異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体を提供する。アルミニウム又はアルミニウム合金材（２）の表面の少なくとも一部に、金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜（１）を形成する工程と、低温溶射皮膜（１）と鋼材（３）とが対向するように、アルミニウム又はアルミニウム合金材（２）と鋼材（３）とを重ね合わせる工程と、鋼材（３）側からのレーザ溶接によりアルミニウム又はアルミニウム合金材（２）と鋼材（３）とを接合する工程と、を有する。接合工程は、鋼材（３）、低温溶射皮膜（１）、及びアルミニウム又はアルミニウム合金材（２）のいずれにおいても溶融部である溶接金属（４）が形成される溶接条件で行われる。

Description

異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体

　本発明は、異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体に関し、特にアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを接合する異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体に関する。

　近年、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、自動車の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があるが、釘又はネジは比較的高価であるため、接合材の製造コストが高くなるとともに、釘又はネジの重量分だけ、得られる接合材が重くなるという問題がある。

　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。そこで、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材との接合において、高い強度を得ることができる溶接技術が求められている。

　溶接による異種金属を接合する方法として、特許文献１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２０１３－１８８７８０号公報

　ところで、アルミニウム又はアルミニウム合金材が閉断面の押出材である場合には、高張力鋼材側からの片側施工による溶接が必要となるが、上記特許文献１に記載された接合方法は、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）溶接、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ）溶接、及びプラズマ溶接のような、熱影響の大きいアーク溶接を用いるものである。このため、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面に、コールドスプレーにより鋼と溶接可能な金属皮膜を形成し、この皮膜と高張力鋼とを溶接する場合には、アーク溶接時に発生する多量の熱により、高張力鋼に対する金属皮膜の密着強度が大きく低下し、ひいては接合強度が低下するおそれがある。

　アルミニウム又はアルミニウム合金材が溶融しない程度に溶接時の入熱量を抑制可能な溶接としては、レーザ溶接が考えられるが、特許文献１の接合方法では、レーザ溶接について言及されていない。また、金属溶射皮膜を溶接する場合には、皮膜中に含まれる溶射時の残存ガスに起因して、溶接金属中に大きなブローホールが生じやすいという欠点があり、溶接金属中に大きなブローホールが多く残存すると、継手強度が低下する等の問題があるが、特許文献１の接合方法では、ブローホールの問題についても記載されていない。このため、高張力鋼材側からの片側施工が可能であり、かつ継手強度に優れた異材接合構造体の製造方法の開発が要望されていた。

　本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、鋼材側からの片側施工による溶接が可能であり、かつ、ブローホールが少なく、継手強度に優れた異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体を提供することを目的とする。

　本発明の上記目的は、異材接合構造体の製造方法に係る下記（１）の構成により達成される。
（１）　アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程が、前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件にて行われる、異材接合構造体の製造方法。

　また、異材接合構造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）に関する。
（２）　前記接合工程は、少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、（１）に記載の異材接合構造体の製造方法。

　また、本発明の上記目的は、異材接合構造体に係る下記（３）の構成により達成される。
（３）　アルミニウム又はアルミニウム合金材と、
　前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に形成された、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末が低温溶射されてなる低温溶射皮膜と、
　前記低温溶射皮膜の上に重ね合わされた鋼材と、
　前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成された溶接金属と、
を備える異材接合構造体。

　また、本発明の上記目的は、異材接合構造体の製造方法に係る下記（４）の構成により達成される。
（４）　アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程は、前記低温溶射皮膜が部分溶込みとなる条件で少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、異材接合構造体の製造方法。

　本発明に係る異材接合構造体の製造方法においては、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを重ね合わせる工程と、鋼材側からのレーザ溶接によりアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを接合する工程と、を有しており、かつ、接合工程は、鋼材、低温溶射皮膜、及びアルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件で行われるため、鋼材側からの片側施工による溶接が可能であり、かつ、ブローホールが少なく、継手強度に優れた異材接合構造体が得られる。

　また、本発明に係る他の異材接合構造体の製造方法においては、接合工程が、低温溶射皮膜が部分溶込みとなる条件で少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降のレーザ照射における入熱量は、１回目のレーザ照射の入熱量と同等以下であるため、ブローホールの発生が大幅に抑制されて、継手強度に優れた異材接合構造体が得られる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る異材接合構造体をレーザ溶接により形成する斜視図である。図２は、第１実施形態の異材接合構造体の製造方法により形成された、実施例１の異材接合構造体の拡大断面図である。図３は、第１実施形態の異材接合構造体の製造方法により形成された、実施例２の異材接合構造体の拡大断面図である。図４は、本発明の第２実施形態に係る異材接合構造体をレーザ溶接により形成する斜視図である。図５は、第２実施形態の異材接合構造体の製造方法により形成された、実施例３の異材接合構造体の拡大断面図である。図６は、従来の製造方法により形成された、比較例の異材接合構造体の拡大断面図である。

　以下、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する各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、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、鋼材側からの片側施工による溶接であっても、良好な接合継手を得ることができる接合方法を得るために鋭意検討を重ねた。その結果、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、鋼材と溶接可能な金属粉末を低温溶射して低温溶射皮膜を形成するとともに、低温溶射皮膜と鋼材とを、鋼材側からのレーザ溶接により接合することにより、良好な接合継手を得ることができることを見出した。

　具体的には、アルミニウム又はアルミニウム合金板の表面に、低温溶射法（コールドスプレー法）により、高速で、所定の金属粉末を噴射させて金属皮膜（低温溶射皮膜）を形成すると、アルミニウム又はアルミニウム合金板と金属皮膜とは高強度の機械的な結合が得られるため、その後の鋼材とのレーザ溶接により得られた異材接合構造体についても、良好な接合継手が得られることが分かった。

　さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金板上に形成された低温溶射皮膜と鋼材とのレーザ溶接において、溶融部に発生するブローホールを抑制するためにはレーザ溶接条件が重要な要素であり、このレーザ溶接条件を適正に管理することで、ブローホールの発生が少なく、高い接合強度を有する接合継手が得られることを見出した。

（第１実施形態）
　本実施形態に係る異種金属接合体の製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを重ね合わせる工程と、低温溶射皮膜と鋼材とを、鋼材側からのレーザ溶接により接合する工程と、を有する。

　図１に示すように、本実施形態に係る異材接合構造体１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の表面の少なくとも一部に、低温溶射皮膜１が形成される。次いで、低温溶射皮膜１と鋼材３とが対向するように、アルミニウム又はアルミニウム合金材２と鋼材３とが重ね合わされる。さらに、鋼材３側から照射されるレーザビームＬにより、鋼材３、低温溶射皮膜１、及びアルミニウム又はアルミニウム合金材２のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件で、低温溶射皮膜１を介して鋼材３とアルミニウム又はアルミニウム合金材２をレーザ溶接し、鋼材３、低温溶射皮膜１及びアルミニウム又はアルミニウム合金材２の溶融により溶接金属（溶接ビード）４を形成する。

　低温溶射皮膜１は、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属を含むものである。なお、図示しないが、低温溶射により高速で金属粉末が吹きつけられた、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の表面は、多量の金属粉末により微細な凹凸が形成されているため、低温溶射皮膜１と鋼材３とは、アンカー効果によって機械的に強固に接合されている。

　金属粉末を低温かつ高速噴射して低温溶射皮膜１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、低温溶射皮膜１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）、鉄等の相対的に高融点な金属粉末とアルミニウム又はアルミニウム合金材が溶融し合うことがなく、鉄等の相対的に高融点な金属粉末は、その速度エネルギーによってアルミニウム又はアルミニウム合金材２に食い込み、マ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しにくく、また、脆い相ができにくいことから、結果として、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の一部に強固な低温溶射皮膜（本実施形態では鉄系皮膜）１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。

　低温溶射皮膜１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が、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）、粒子、アルミニウム母材ともに融点を超えて液状となり、化学反応によって金属間化合物が生成し、脆い被膜しか形成できない。

　その後、得られた低温溶射皮膜１の上に鋼材３を配置し、鋼材３におけるアルミニウム又はアルミニウム合金材２に面する側と反対側から、鋼材３と低温溶射皮膜１とアルミニウム又はアルミニウム合金材２のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件で、レーザ溶接することにより溶接金属４を形成し、異材接合構造体１０を製造する。

　図２（後述する実施例１に相当）及び図３（後述する実施例２に相当）に示すように、低温溶射皮膜１を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材２と鋼材３とを、鋼材３側からレーザ溶接する際、鋼材３及び低温溶射皮膜１とともに、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の一部が溶融する条件で溶接することにより、鋼材３、低温溶射皮膜１及びアルミニウム又はアルミニウム合金材２からなる溶接金属（溶接ビード）４を形成して溶接する。

　なお、入熱量が過度に大きくなると、アルミニウム又はアルミニウム合金材２を溶かしすぎてビードが不安定になったり、溶接部に割れを生じやすくなる。このため、極力入熱量は抑えるのが好ましい。また、溶接金属４に含まれるアルミニウム量は、好ましくは５％以下、より好ましくは１％以下となるような入熱条件で溶接することが好ましい。

　入熱量をアルミニウム又はアルミニウム合金材２の一部が溶融するように制御することにより、ブローホール５の発生を大幅に抑制することができ、異材接合構造体１０の接合強度が向上する。これは、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の一部が溶融することによる強度低下よりも、ブローホール５がなくなることによる強度向上が大きいことによると考えられる。

　ここで、レーザ溶接は、アーク溶接などの他の溶接法に比べ、入熱が低く、熱影響が小さい溶接法である。アーク溶接の場合を用いた場合には、溶接時に発生する熱がアルミニウム又はアルミニウム合金材２まで到達しやすいため、高張力鋼に対する金属皮膜の密着強度が大きく低下し、ひいては接合強度が低下するおそれがある。しかし、レーザ溶接を用いた場合には、アルミニウム又はアルミニウム合金材２への熱影響を最小限に抑え、高張力鋼に対する金属皮膜の密着強度低下を抑制することができるため、接合強度の低下を防止し、良好な接合継手を得ることができる。

　続いて、本実施形態に係る製造方法において、低温溶射皮膜１、その材料となる金属粉末、アルミニウム又はアルミニウム合金材２及び鋼材３について、以下に詳細に説明する。

　＜金属粉末の金属種：純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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＞
　低温溶射皮膜１と鋼材３とをレーザ溶接により接合するためには、低温溶射皮膜１の材料として、鋼材３と所望の接合強度で溶接することができるとともに、溶接金属４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。

　本実施形態では、鋼材３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）を好適に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、好ましく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。

　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（ＳＵＳ）を使用すると、鋼材３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４の全て、又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は、好ましくは純鉄、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。

　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，マンガン及び不純物リン，硫黄，銅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、Ｍｎなど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＞
　低温溶射皮膜１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、低温溶射皮膜１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。ガス種としてヘリウムを用いる場合、低温溶射皮膜の密着強度がより高くなり、ひいては継手強度の向上が期待できる。

　＜作動ガスの温度＞
　上述の通り、コールドスプレーにおいて使用するガスの温度が高い場合には、金属粉末が溶融し、低温溶射皮膜１の基材となるアルミニウム又はアルミニウム合金材２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℃）～１２００℃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低温溶射皮膜１の膜厚が０．３ｍｍ未満であると、低温溶射皮膜１及び鋼材３のみを溶融させる溶接が要求される場合（例えば、後述する第２実施形態の溶接方法など）、レーザビームＬのバラつきの影響により、低温溶射皮膜１及び鋼材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、低温溶射皮膜１の膜厚を０．３ｍｍ以上とすることにより、レーザビームＬ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、低温溶射皮膜１の膜厚は０．３ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましい。

　一方、低温溶射皮膜１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。従って、低温溶射皮膜１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。

　＜アルミニウム又はアルミニウム合金材＞
　アルミニウム又はアルミニウム合金材２についても特に限定されないが、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、本実施形態においては、鋼材３側からの片側施工による溶接が可能なレーザ溶接を用いることから、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。

　＜鋼材＞
　鋼材３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。

（第２実施形態）
　第２実施形態に係る異種金属接合体の製造方法について説明する。本実施形態に係る異種金属接合体の製造方法は、接合工程が、第１実施形態の異種金属接合体の製造方法と異なる。その他については、第１実施形態の異種金属接合体の製造方法と同様であるため、異なる部分について説明する。

　本実施形態の接合工程は、図４及び図５（後述する実施例３に相当）に示すように、低温溶射皮膜１が部分溶込みとなる条件で少なくとも２回のレーザ照射により行われる。具体的には、鋼材３と低温溶射皮膜１の一部が溶融された溶接金属４を形成し、異材接合構造体１０を製造する。なお、図４における２つの矢印は、鋼材３側からのレーザ溶接をほぼ同じ位置で２回レーザ照射することを模式的に示している。

　その際、２回目以降のレーザ照射における入熱量は、１回目のレーザ照射の入熱量と同等以下の条件で行うのがよい。２回目以降のレーザ照射における入熱量が１回目の入熱量より大きいと、新たに溶融した低温溶射皮膜１からブローホール５が発生するため、好ましくない。

　これにより、１回目のレーザ照射でブローホール５が生成された場合でも、入熱量が１回目のレーザ照射と同等以下である２回目以降のレーザ照射により、１回目のレーザ照射で生成されたブローホール５をなくすことができる。この結果、ブローホール５が減少して接合強度が向上する。
　また、レーザ照射を３回以上行ってもよいが、溶け落ちが発生し易く、またタクトタイムも長くなるため、照射回数は少ない方が好ましく、具体的には２回が最も好ましい。

　なお、図５においては、１回目のレーザ照射において、鋼材３、低温溶射皮膜１及びアルミニウム又はアルミニウム合金材２のいずれにおいても溶融部が形成されていない場合を示しているが、上記第１実施形態で示したように、鋼材３及び低温溶射皮膜１とともに、アルミニウム又はアルミニウム合金材２の一部が溶融する条件で溶接することにより、鋼材３、低温溶射皮膜１及びアルミニウム又はアルミニウム合金材２からなる溶接金属（溶接ビード）４を形成して溶接した後、２回目以降のレーザ照射を行うのでもよい。
　すなわち、第１実施形態及び第２実施形態の各々の溶接条件を組み合わせることで、更に確実にブローホールを少なくすることができ、接合強度を向上させることができる。

　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例＞
　まず、板厚が３ｍｍであるアルミニウム合金板の表面に、コールドスプレーを用いて厚さ２ｍｍの金属皮膜（低温溶射皮膜）を形成した。
　その後、得られた金属皮膜を介して、アルミニウム合金板と重なるように、板厚が１．４ｍｍである鋼板を配置し、鋼板における、金属皮膜に接する面と反対側の面からレーザ照射することにより鋼板とアルミニウム合金板とをレーザ溶接し、異材接合構造体を製造した。なお、レーザの照射はガルバノスキャナにより制御し、実施例１及び実施例２（図２及び図３参照）では１回、実施例３（図５参照）では２回、直線状に溶接した。

　供試材、コールドスプレーの条件及び溶接条件を以下に示す。
　［供試材］
　アルミニウム合金板：Ａ７Ｎ０１―Ｔ６材
　鋼板：ホットスタンプ材（２２ＭｎＢ鋼、引張強度１５００ＭＰａ級）
　［コールドスプレーの条件］
　ガス種：窒素
　ガス圧：５ＭＰａ
　ガスの温度：１０００℃
　金属粉末：鉄粉
　金属粉末の平均粒度：４０μｍ
　［レーザ溶接条件］
　熱源：ファイバーレーザ
　溶接速度：４ｍ／ｍｉｎ（実施例３においては、レーザ照射２回とも４ｍ／ｍｉｎ）
　ビーム集光直径：φ０．６ｍｍ
　溶接長：１８．８ｍｍ
　シールドガス：なし
　出力：実施例１：５ｋＷ（１回照射）
　　　　実施例２：６ｋＷ（１回照射）
　　　　実施例３：４ｋＷ＋３ｋＷ（２回照射）

＜比較例＞
　板厚が３ｍｍであるアルミニウム合金板の表面に、コールドスプレーを用いて厚さ２ｍｍの金属皮膜（低温溶射皮膜）を形成した、その後、金属皮膜を介してアルミニウム合金板と板厚が１．４ｍｍである鋼板を重ね合わせ、鋼板における、アルミニウム合金板に接する面と反対側の面からレーザ照射することにより鋼板と金属皮膜とをレーザ溶接し、異材接合構造体を製造した。なお、実施例と同様、レーザの照射はガルバノスキャナにより制御し、直線状に溶接した。
　また、レーザ溶接条件については実施例と同様であるが、出力：４ｋＷでの１回照射（図６参照）とした。

＜評価＞
　その後、実施例及び比較例ともに、得られた異材接合構造体について、接合強度を測定するとともに、継手に対して断面マクロ観察を行い、溶け込み及びブローホール率を調べた。
　接合強度に関しては、ＪＩＳ　Ｚ３１３６及びＪＩＳ　Ｚ３１３７に記載の試験方法を参考に、引張せん断強度（ｋＮ）を測定した。引張試験の試験速度はともに１０ｍｍ／ｍｉｎとした。
　溶け込みに関しては、断面マクロ観察により、アルミニウム合金板が溶融したことが確認できたものを評価「ＩＩ」、アルミニウム合金板が溶融したことが確認できなかったものを評価「Ｉ」とした。
　ブローホール率（％）に関しては、断面マクロ写真における溶接金属（溶融金属）４の面積に対するブローホール５の面積の比とし、小数点以下を四捨五入した値で算出した。

　なお、図２は、実施例１の異材接合構造体の断面図であり、図３は、実施例２の異材接合構造体の断面図であり、図５は、実施例３の異材接合構造体の断面図であり、図６は、比較例の異材接合構造体の断面図である。

　レーザ溶接条件（レーザ照射回数、１回目及び２回目のレーザ出力）及び評価結果（アルミニウム合金板の溶け込み、ブローホール率（％）及び引張せん断強度（ｋＮ）を、下記表１に示す。なお、表１の「２回目出力（ｋＷ）」欄における「－」は、２回目のレーザ照射を行っていないことを示す。

　上記表１に示すように、実施例１、２及び３は、溶接条件が本発明の条件を満足するため、ブローホールの少ない良好な溶接部が得られた。また、引張せん断強度も高くなった。一方、比較例は、図６に示すように、ブローホールが多く発生し、引張せん断強度も低くなった。

　以上詳述したように、本発明によれば、鋼材側からの片側施工による溶接により、ブローホールの少ない溶接が可能であり、かつ、高い接合強度を有する異材接合構造体を得ることができる。

　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、各実施例では、入熱量を制御するために出力を変化させているが、溶接速度やビーム焦点位置を変更して入熱量を制御するようにしてもよい。

　以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程が、前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件にて行われる、異材接合構造体の製造方法。
　この構成によれば、鋼材側からの片側施工による溶接が可能であり、かつ、ブローホールが少なく、接合強度が向上する。

（２）　前記接合工程は、少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、（１）に記載の異材接合構造体の製造方法。
　この構成によれば、更に確実にブローホールを少なくすることができ、接合強度を向上させることができる。

（３）　アルミニウム又はアルミニウム合金材と、
　前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に形成された、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末が低温溶射されてなる低温溶射皮膜と、
　前記低温溶射皮膜の上に重ね合わされた鋼材と、
　前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成された溶接金属と、
を備える異材接合構造体。
　この構成によれば、鋼材側からの片側施工による溶接により、ブローホールの少ない継手強度に優れた異材接合構造体が得られる。

（４）　アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程は、前記低温溶射皮膜が部分溶込みとなる条件で少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、異材接合構造体の製造方法。
　この構成によれば、２回目以降のレーザ照射における入熱量は、１回目のレーザ照射の入熱量と同等以下であるため、ブローホールの発生が大幅に抑制されて接合強度が向上する。

　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８月２７日出願の日本特許出願（特願２０１９－１５４６９９）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　　低温溶射皮膜
２　　アルミニウム又はアルミニウム合金材
３　　鋼材
４　　溶接金属
１０　異材接合構造体
Ｌ　　レーザビーム（レーザ照射）

Claims

　アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程が、前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成される溶接条件にて行われる、異材接合構造体の製造方法。
　前記接合工程は、少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、請求項１に記載の異材接合構造体の製造方法。
　アルミニウム又はアルミニウム合金材と、
　前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に形成された、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末が低温溶射されてなる低温溶射皮膜と、
　前記低温溶射皮膜の上に重ね合わされた鋼材と、
　前記鋼材、前記低温溶射皮膜、及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材のいずれにおいても溶融部が形成された溶接金属と、
を備える異材接合構造体。
　アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、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種の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成する工程と、
　前記低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
　前記鋼材側からのレーザ溶接により前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを接合する工程と、を有し、
　前記接合工程は、前記低温溶射皮膜が部分溶込みとなる条件で少なくとも２回のレーザ照射により行われ、２回目以降の前記レーザ照射における入熱量は、１回目の前記レーザ照射の入熱量と同等以下である、異材接合構造体の製造方法。