WO2024106053A1 - 異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体 - Google Patents

Abstract

亜鉛系めっき皮膜又は電着塗装皮膜が形成された鋼材と、低温溶射皮膜が形成された非鉄金属部材とのレーザ溶接時において、ブローホールの発生を抑制する。異材接合構造体の製造方法は、アルミニウム合金板（１１）の表面に低温溶射皮膜（１２）を形成する工程と、アルミニウム合金板（１１）と鋼板（２１）とを、低温溶射皮膜（１２）と耐食性皮膜（２２）とが対向するように配置する工程と、低温溶射皮膜（１２）が形成された領域に対して、鋼板（２１）側からレーザ溶接を実施し、アルミニウム合金板（１１）に到達する溶接金属（２３）を形成する工程と、と有する。レーザ溶接を実施する領域における低温溶射皮膜（１２）の表面と、耐食性皮膜（２２）の表面との距離は、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下とし、レーザ溶接による溶込み深さを、アルミニウム合金板（１１）の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さとする。

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する。

　従来より、鋼材を用いて構造体を製造する場合に、構造体の腐食を防止する方法として、鋼材の表面に亜鉛めっきや電着塗装を施す方法が採用されている。しかし、例えば、亜鉛めっき鋼板を重ね合わせてアーク溶接する場合に、鋼板の重ね面にアーク熱が加わると、亜鉛がガス化して、ブローホール、ピット、ピンホール等の気孔欠陥が発生する。

　そこで、特許文献１には、接合欠陥の発生を防止して良好な接合部を確実に得ることができる接合品の製造法が開示されている。上記特許文献１に記載の接合品の製造法は、第１の接合素材と、特定の加工が施された第２の接合素材とを、適正な接合距離が確保された領域で接合を行う製造法である。

　また、特許文献２には、溶接部において発生するガスを確実に排出可能なギャップを設けて、気孔欠陥のない良好な接合構造体を得ることができる、めっき鋼板の接合方法が提案されている。上記接合方法は、第１の鋼板における第２の鋼板との重ね合わせ面に、第１の鋼板の縁部に略垂直であり、かつ、該縁部に沿って並ぶ複数の突条部を形成する工程と、突条部が第２の鋼板との重ね合わせ面に向かう方向に突出するように、第１の鋼板及び第２の鋼板を重ね合わせる工程と、第１の鋼板の縁部を線状にアーク溶接する工程と、を備える。

日本国特開２００４－８２２１４号公報 日本国特開２０２０－１３１２７３号公報

　ところで、近年、車両用の構造体の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（以下、単にアルミニウム合金材ということがある）と、鋼材とを接合した異材接合構造体についての需要が高くなっている。異材同士を接合する方法としては、種々の方法があり、例えば、アルミニウム合金材の表面上に、あらかじめコールドスプレー皮膜（以下、低温溶射皮膜又はＣＳ（Ｃｏｌｄ　Ｓｐｒａｙ）皮膜ということがある）を形成し、鋼と皮膜をレーザ溶接する方法が挙げられる。

　しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の方法は、いずれも鋼材同士を溶接する方法であり、めっき又は電着塗装が施された鋼材と非鉄金属部材との溶接時に、ブローホールの発生を抑制することができる溶接方法については、何ら検討されていない。

　具体的には、上記のような異材接合方法によると、ＣＳ皮膜内のガスに起因して溶接金属内にブローホールが生じることがある。また、異材同士を接合することにより自動車用構造体を製造しようとすると、鋼材自体の腐食を防止する他に、鋼材とアルミニウム合金材との間におけるガルバニック腐食を防止する必要がある。したがって、鋼材とアルミニウム合金材とが直接接触することを防止するために、鋼材の表面に亜鉛系めっき皮膜や有機皮膜等を形成する方法が多用されている。しかし、鋼材の表面にこのような皮膜を形成すると、鋼材同士の構造体を製造する場合と同様に、皮膜が溶接時に気化し、ブローホールをさらに増加させる原因となる。そして、溶接時においてブローホールの発生量が増加すると、得られる構造体の接合強度が低下してしまう。

　本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、亜鉛系めっき皮膜又は電着塗装皮膜が形成された鋼材と、低温溶射皮膜が形成された非鉄金属部材とのレーザ溶接時において、ブローホールの発生を抑制することができる異材接合構造体の製造方法、及び該接合方法により得られ、優れた接合強度を有する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）　非鉄金属部材と、表面の少なくとも一部に亜鉛系めっき皮膜及び電着塗装皮膜の少なくとも１種からなる耐食性皮膜が形成された鋼材と、を接合する、異材接合構造体の製造方法であって、
　上記非鉄金属部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種を含む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、
　上記非鉄金属部材と上記鋼材とを、上記低温溶射皮膜と上記耐食性皮膜とが対向するように配置する工程と、
　上記非鉄金属部材における上記低温溶射皮膜が形成された領域に対して、上記鋼材における上記非鉄金属部材に対向する面の反対側からレーザ溶接を実施し、上記非鉄金属部材に到達する溶接金属を形成する工程と、と有し、
　上記配置する工程において、レーザ溶接を実施する領域における上記低温溶射皮膜の表面と、上記耐食性皮膜の表面との距離が、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下となるように、上記非鉄金属部材と上記鋼材とを配置し、
　上記レーザ溶接を実施する工程において、上記レーザ溶接による溶込み深さを、上記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さとすることを特徴とする、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）～（４）の構成に関する。

（２）　上記非鉄金属部材と上記鋼材とを配置する工程において、上記非鉄金属部材における上記低温溶射皮膜の表面と、上記鋼材における上記耐食性皮膜の表面との距離を、０ｍｍ超０．３ｍｍ以下とし、
　上記レーザ溶接を実施する工程において、上記レーザ溶接による溶込み深さを、上記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．３２ｍｍ以下の深さとすることを特徴とする、（１）に記載の異材接合構造体の製造方法。

（３）　上記非鉄金属部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金、及び、チタン又はチタン合金から選択された１種からなることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の異材接合構造体の製造方法。

（４）　上記低温溶射皮膜を形成する工程は、薄膜部と、上記薄膜部の周囲の少なくとも一部に設けられ上記薄膜部よりも厚い膜厚を有する厚膜部と、を備えた上記低温溶射皮膜を形成する工程を有し、
　上記非鉄金属部材と上記鋼材とを配置する工程において、上記低温溶射皮膜の厚膜部を上記鋼材の上記耐食性皮膜に接触させることにより、上記低温溶射皮膜の上記薄膜部の表面と、上記耐食性皮膜の表面とを、０ｍｍ超０．３ｍｍ以下の間隔で離隔させ、
　上記レーザ溶接を実施する工程において、上記低温溶射皮膜の上記薄膜部が形成された領域に対して、上記鋼材における上記非鉄金属部材に対向する面の反対側からレーザ溶接を実施することを特徴とする、（１）～（３）のいずれか１つ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（５）の構成により達成される。

（５）　非鉄金属部材と、表面の少なくとも一部に亜鉛系めっき皮膜及び電着塗装皮膜の少なくとも１種からなる耐食性皮膜が形成された鋼材と、が接合されてなる異材接合構造体であって、
　上記非鉄金属部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種を含む金属粉末からなる低温溶射皮膜が形成されており、
　上記非鉄金属部材の表面に形成された上記低温溶射皮膜と、上記鋼材の表面に形成された上記耐食性皮膜とが対向するように配置され、
　上記鋼材における上記非鉄金属部材側と反対側の表面から、少なくとも、上記鋼材、上記耐食性皮膜、及び上記低温溶射皮膜をこの順に貫通して、上記非鉄金属部材に到達する溶接金属が形成されており、
　少なくとも上記溶接金属の周囲において、上記低温溶射皮膜と、上記耐食性皮膜とは、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下の範囲で離隔しており、
　上記溶接金属が、上記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さまで到達していることを特徴とする、異材接合構造体。

　本発明によれば、ブローホールの発生を抑制することができる異材接合構造体の製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、優れた接合強度を有する異材接合構造体を提供することができる。

図１Ａは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、低温溶射皮膜を形成する工程を示す斜視図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、低温溶射皮膜を形成する工程を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、レーザ溶接を実施する工程を示す斜視図である。 図２Ｂは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、レーザ溶接を実施する工程を示す断面図である。 図３は、溶融亜鉛めっき鋼板を使用して、板材間の間隔を０ｍｍ又は０．１ｍｍとして、発明例及び比較例の製造方法により製造された異材接合構造体の接合部を示す図である。 図４は、カチオン電着塗装鋼板を使用し、板材間の間隔を０ｍｍ又は０．１ｍｍとして、発明例及び比較例の製造方法により製造された異材接合構造体の接合部を示す図である。 図５は、カチオン電着塗装鋼板を使用し、板材間の間隔を０．２ｍｍ又は０．３ｍｍとして、発明例及び比較例の製造方法により製造された異材接合構造体の接合部を示す図である。 図６は、カチオン電着塗装鋼板を使用し、板材間の間隔を０．４ｍｍとして、比較例の製造方法により製造された異材接合構造体の接合部を示す図である。

　以下、本発明に係る異材接合構造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。

　本発明者は、非鉄金属部材と鋼材との異材接合を実施する際に、溶接により高熱となる領域に、ＣＳ皮膜や耐食性皮膜が存在していても、ブローホールの発生を抑制することができる方法について、種々検討を行った。その結果、非鉄金属部材に形成されたＣＳ皮膜と、鋼材に形成された耐食性皮膜との間の距離、及び溶込み深さを適切に制御することが効果的であることを見出した。

　以下、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体について、図面を参照して詳細に説明する。

［異材接合構造体の製造方法］
　図１Ａは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、低温溶射皮膜を形成する工程を示す斜視図であり、図１Ｂはその断面図である。また、図２Ａは、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法において、レーザ溶接を実施する工程を示す斜視図であり、図２Ｂはその断面図である。

＜材料の準備＞
　本実施形態において、異材接合構造体を製造するための材料としては、非鉄金属部材と、鋼材とを使用する。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施形態においては、非鉄金属部材としてアルミニウム合金板１１を使用し、鋼材として鋼板２１を使用する。なお、非鉄金属部材とは、非鉄金属からなる部材を表し、アルミニウム又はアルミニウム合金、及び、チタン又はチタン合金から選択された１種からなる部材を使用することができる。
　鋼材の種類は特に限定されず、要求される構造体の性能に応じて、鉄以外の成分の含有量を種々に設計することができる。ただし、本実施形態において使用する鋼板２１には、表面の少なくとも一部に亜鉛系めっき皮膜及び電着塗装皮膜の少なくとも１種からなる耐食性皮膜２２が形成されている。なお、亜鉛系めっき皮膜とは、亜鉛又は亜鉛合金により形成されためっき皮膜をいう。

＜低温溶射皮膜を形成する工程＞
　まず、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、アルミニウム合金板１１の表面の少なくとも一部に、低温溶射皮膜１２を形成する。低温溶射皮膜１２が形成された領域には、後の工程において、耐食性皮膜２２が形成された鋼板２１が重ね合わされて、レーザ溶接が実施される。本実施形態において、低温溶射皮膜１２は、薄膜部１３と、この薄膜部１３よりも厚い厚膜部１４とを有するものとし、厚膜部１４は、薄膜部１３の周囲の少なくとも一部に形成する。なお、厚膜部１４と薄膜部１３との厚さの差は、低温溶射皮膜１２が形成された面と、鋼板２１とを重ね合わせた際に、薄膜部１３と鋼板２１の表面の耐食性皮膜２２との間に所望の厚さの空隙部が形成されるように設定する。

　薄膜部１３と厚膜部１４とを有する低温溶射皮膜１２を形成する方法としては、例えば、所定の領域に、金属粉末を低温溶射し、鋼板と接合可能な厚さの低温溶射皮膜を形成する。その後、薄膜部１３を形成する領域を除き、厚膜部１４を形成する領域のみに、引き続き金属粉末を低温溶射する。これにより、厚膜部１４を形成したい領域のみに金属粉末が積層され、薄膜部１３と厚膜部１４とを有する低温溶射皮膜１２を形成することができる。

　なお、低温溶射する際に使用する金属粉末としては、鋼板２１と同質であるか、又は鋼板２１に接合されやすい材質からなる低温溶射皮膜が形成されるものを選択すればよい。具体的には、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種を含む金属粉末を使用する。

＜アルミニウム合金板と鋼板とを配置する工程＞
　その後、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、アルミニウム合金板１１と鋼板２１とを、低温溶射皮膜１２と耐食性皮膜２２とが対向するように配置する。このとき、低温溶射皮膜１２の厚膜部１４を鋼板２１の耐食性皮膜２２に接触させる。これにより、低温溶射皮膜１２の薄膜部１３の表面と、耐食性皮膜２２の表面との間に、所定の間隔を有する空隙部１５を形成する。空隙部１５の間隔については、後に詳述する。

＜溶接金属を形成する工程（レーザ溶接を実施する工程）＞
　その後、アルミニウム合金板１１における低温溶射皮膜１２の薄膜部１３が形成された領域に対して、鋼板２１におけるアルミニウム合金板１１に対向する面の反対側からレーザ光２４を照射し、アルミニウム合金板１１に到達する溶接金属２３を形成する。

　アルミニウム合金板１１と鋼板２１のような異材同士を接合する際に、アルミニウム合金板１１の表面に、鋼板２１と接合されやすい材料からなる低温溶射皮膜１２を形成し、低温溶射皮膜１２と鋼板２１とをレーザ溶接により接合する方法については公知である。しかし、鋼板２１の表面に形成された耐食性皮膜２２や、アルミニウム合金板１１の表面に形成された低温溶射皮膜１２は、レーザ熱によりガス化して、このガスが溶接金属内に侵入し、ブローホールが発生する。
　本実施形態においては、レーザ溶接を実施する領域において、低温溶射皮膜１２の表面と、耐食性皮膜２２の表面との間に、所定の間隔の空隙部１５を形成している。この空隙部１５は、レーザ熱により耐食性皮膜２２や低温溶射皮膜１２から発生したガスを排出させる効果を有する。

　また、本発明者は、低温溶射皮膜１２等から発生するガスを完全に排出させるためには、レーザ溶接時に、下板であるアルミニウム合金板１１を溶融させることが効果的であることを見出した。溶融したアルミニウム合金が溶融池内に入ることによって、密度差や表面張力差が生じ、アルミニウム合金板１１及び鋼板２１の板厚方向の上方に、湯流れを発生させる。これにより、溶融池内に入り込んだ、耐食性皮膜２２や低温溶射皮膜１２由来のガスを溶融池外部へ放出させることができる。
　このように、本実施形態においては、レーザ溶接を実施する領域において、空隙部１５を形成することと、レーザ溶接時の溶込み深さとの両方を制御することにより、ブローホールの発生を抑制している。以下、空隙部１５の間隔Ｄ１及びレーザ溶接による溶込み深さＤ２について、より詳細に説明する。

（空隙部の間隔Ｄ１：０ｍｍ超０．４ｍｍ以下）
　耐食性皮膜２２や低温溶射皮膜１２から発生したガスを排出させるためには、空隙部１５の間隔Ｄ１、すなわち、低温溶射皮膜１２の表面と、耐食性皮膜２２の表面との距離を適切に調整する必要がある。空隙部１５の間隔Ｄ１が全く形成されていない場合（０ｍｍの場合）には、発生したガスを排出させることができず、ブローホールが発生してしまう。ただし、わずかでも間隔Ｄ１が形成されていると、ガスの排出を促進することができる。したがって、空隙部１５の間隔Ｄ１は０ｍｍ超とし、０．０５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．１ｍｍ以上とすることがより好ましい。

　一方、空隙部１５の間隔Ｄ１が大きすぎると、空隙部１５の領域で溶接金属２３が形成されず、溶接ができなくなる。なお、亜鉛めっき鋼板同士をレーザ溶接により接合する場合に、空隙部の間隔が０．６ｍｍであると、この空隙部で溶着ができなくなることについては、例えば、精密工学会誌／Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｊａｐａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ８４，Ｎｏ．５，２０１８，ｐ．４０５に記載されている。また、空隙部１５の領域で溶接金属を形成させるために、レーザ出力を高くすると、アルミニウム合金板１１に含まれる水素が気化して、ブローホールが発生しやすくなる。したがって、アルミニウム合金板１１と鋼板２１とを接合することができる溶接金属２３を得るためには、空隙部１５の間隔Ｄ１は０．４ｍｍ以下とし、０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることがより好ましい。

（レーザ溶接による溶込み深さＤ２：０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下）
　溶込み深さＤ２を所定の大きさ以上にすることにより、溶融金属に湯流れを発生させて、耐食性皮膜２２や低温溶射皮膜１２から発生したガスを排出させることができる。溶込み深さＤ２が０．０５ｍｍ未満であると、溶融金属に湯流れを発生させることが困難になり、ブローホールが発生することがある。したがって、レーザ溶接による溶込み深さＤ２は０．０５ｍｍ以上とし、０．０９ｍｍ以上とすることが好ましく、０．１５ｍｍ以上とすることがより好ましく、０．２０ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。

　一方、アルミニウム合金板１１を溶融しすぎると、アルミニウム合金板１１に含まれる水素が気化し、アルミニウム合金板１１からもガスが発生してブローホールが発生しやすくなる。したがって、ブローホールの発生を抑制する観点から、溶込み深さＤ２は０．７１ｍｍ以下とする。なお、溶込み深さＤ２を０．３２ｍｍ以下とすると、溶接金属２３の表面に窪み（ピット）が形成されることを最小限に抑制することができる。したがって、ピットの発生を抑制する観点から、溶込み深さＤ２は０．３２ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

　なお、空隙部１５の間隔Ｄ１や、溶込み深さＤ２の数値限定範囲については、非鉄金属部材として、又はチタン若しくはチタン合金を使用した場合であっても同様である。また、低温溶射皮膜１２として、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト又はコバルト合金を使用した場合であっても同様である。

　上記実施形態に係る異材接合構造体の製造方法は、薄膜部１３と厚膜部１４を有する低温溶射皮膜１２を形成することにより、所定の間隔Ｄ１を有する空隙部１５を形成したが、本発明はこのような製造方法に限定されない。例えば、略均一な厚さを有する低温溶射皮膜１２を形成し、低温溶射皮膜１２と鋼板２１の耐食性皮膜２２との間に、空隙部１５を形成できるスペーサ等を挟んで配置してもよい。スペーサ等の形状は、レーザ溶接を実施する領域に応じて適宜選択することができる。

［異材接合構造体］
　次に、本実施形態に係る異材接合構造体について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて以下に説明する。本実施形態に係る異材接合構造体は、上記本実施形態に係る異材接合構造体の製造方法により製造することができるものである。したがって、上記製造方法における説明と重複する部分については、説明を省略又は簡略化する。

　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、異材接合構造体１０は、アルミニウム合金板１１と、表面に耐食性皮膜２２が形成された鋼板２１とが接合されることにより製造されている。具体的には、アルミニウム合金板１１の表面の一部に、低温溶射皮膜１２が形成されており、低温溶射皮膜１２と耐食性皮膜２２とが対向するように、アルミニウム合金板１１と鋼板２１とが配置されている。本実施形態においては、鋼板２１の表面全面に耐食性皮膜２２が形成されている。したがって、溶接金属２３は、鋼板２１におけるアルミニウム合金板１１側と反対側の表面から、耐食性皮膜２２、鋼板２１、耐食性皮膜２２、及び低温溶射皮膜１２をこの順に貫通して、アルミニウム合金板１１に到達するように形成されている。

　なお、溶接金属２３の周囲において、低温溶射皮膜１２と耐食性皮膜２２とは、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下の範囲で離隔している。また、溶接金属２３は、アルミニウム合金板１１の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さまで到達している。

　上記のように構成された異材接合構造体１０において、低温溶射皮膜１２と耐食性皮膜２２とは、所定の間隔Ｄ１で離隔し、空隙部１５が形成されているため、製造時において発生するガスを、空隙部１５を介して外部に排出させることができる。また、溶接金属２３はアルミニウム合金板１１に到達しており、その到達深さ（溶込み深さ）が規定されているため、発生したガスを上方に流すことができるとともに、アルミニウム合金板１１中のガスに起因してブローホールが発生することも防止することができる。したがって、異材接合構造体１０は、優れた接合強度を有するものとすることができる。

　なお、本実施形態においては、鋼板２１の表面全面に耐食性皮膜２２が形成されているが、必要な領域のみ、少なくとも一部に耐食性皮膜２２が形成されていればよい。また、耐食性皮膜に限定されず、他の皮膜が形成されていてもよい。したがって、溶接金属２３は、少なくとも、鋼板２１、耐食性皮膜２２及び低温溶射皮膜１２をこの順に貫通して、アルミニウム合金板１１に到達していればよい。

　以下に、本発明に係る異材接合構造体の製造方法について、発明例及び比較例を挙げて具体的に説明する。

＜異材接合構造体の製造＞
　まず、アルミニウム合金板１１と、表面に耐食性皮膜２２が形成された鋼板２１とを準備し、アルミニウム合金板１１の表面の一部に、以下に示す条件にて鉄粉を低温溶射することにより低温溶射皮膜を形成した。次に、低温溶射皮膜と耐食性皮膜とが対向するように、アルミニウム合金板上に鋼板を配置した。このとき、一部については、アルミニウム合金板と鋼板との間に、溶接予定領域に穴を有するスペーサを配置し、溶接予定領域において、アルミニウム合金板の低温溶射皮膜と鋼板の耐食性皮膜との間の空隙部の間隔を調整した。その後、鋼板の上方から溶接予定領域に対して、以下に示す条件にてレーザ溶接を実施し、アルミニウム合金板と鋼板とを接合した。

（低温溶射条件）
　装置：高温高圧タイプ
　アルミニウム合金板の材質：７２０４－Ｔ６アルミニウム合金（板厚３ｍｍ）
　金属粉末：水アトマイズ鉄粉（平均粒径４０μｍ）
　ガス種：窒素
　ガス圧力：５ＭＰａ
　ガス温度：１０００℃
　低温溶射皮膜の膜厚：２ｍｍ

（レーザ溶接条件）
　上板：１４７０ＭＰａ級鋼板（板厚１．４ｍｍ）、溶融亜鉛めっき又はカチオン電着塗装による耐食性皮膜あり
　下板：上記低温溶射皮膜を形成したアルミニウム合金板
　溶接機：ファイバーレーザ（ＩＰＧ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ製　ＹＬＳ－６０００）
　レーザ出力：３２５０～４５００Ｗ
　パワー密度：４．６～６．４×１０^６　（Ｗ／ｃｍ^２）
　溶接速度：４（ｍ／ｍｉｎ）
　スポット径：０．３ｍｍ
　空隙部の間隔Ｄ１：０～０．４ｍｍ

＜異材接合構造体の評価方法＞
　得られた継手に対して断面写真を撮影し、溶接金属中のブローホールを観察するとともに、ピットの深さを測定した。また、解析ソフト（Ｉｍａｇｅ　Ｊ）を用いて、以下の式によりブローホール率を算出した。
　ブローホール率（％）＝ブローホール総面積×１００／溶接金属面積

＜異材接合構造体の評価基準＞
　ブローホール率が１０％未満であるとともに、ピットの深さが０．３４ｍｍ未満であったものを◎（優良）とした。また、ブローホール率が１０％未満であるとともに、ピットの深さが０．３４ｍｍ以上０．６８ｍｍ未満であったものを〇（良好）とした。さらに、ブローホール率が１０％以上であるか、又はピットの深さが０．６８ｍｍ以上であったものを△（不良）とした。なお、ピットの深さが不良であると判断する基準としては、鋼板の厚さと低温溶射皮膜の厚さとの合計厚さに対して、２０％以上の場合とした。鋼板に形成された耐食性皮膜の種類、各試験材の製造条件及び評価結果を下記表１に示すとともに、撮影した断面写真を図３～図６に示す。なお、鋼板の表面に形成した耐食性皮膜については、膜厚が極めて小さいため、断面写真で確認することは困難であった。
 

 

　図３に示すように、例えば、発明例Ｎｏ．１については、鋼板２１、不図示の耐食性皮膜及び低温溶射皮膜１２を貫通し、アルミニウム合金板１１に到達する溶接金属２３が形成された。また、鋼板２１の耐食性皮膜とアルミニウム合金板１１の低温溶射皮膜１２との間の空隙部の間隔Ｄ１及び溶込み深さＤ２をいずれも適切な範囲に制御したため、ブローホールが発生せず、健全な溶接金属を得ることができた。

　同様に、図３～図６及び表１に示すように、発明例Ｎｏ．２～１２についても、空隙部の間隔Ｄ１及び溶込み深さＤ２を本発明で規定する範囲に制御しているため、ブローホール率が低く、深いピットも形成されなかった。特に、発明例Ｎｏ．１～８及び１０は、溶込み深さＤ２が０．３２ｍｍ以下であったため、例えば発明例Ｎｏ．９で示すような深さのピット３１が形成されることを防止することができ、総合的な評価として◎（優良）となった。したがって、本発明に係る異材接合構造体の製造方法によると、耐食性皮膜が溶融亜鉛めっき皮膜であっても、カチオン電着塗装皮膜であっても、高い強度を有する異材接合構造体を製造することができた。

　なお、上記発明例では、溶融亜鉛めっき又はカチオン電着塗装による耐食性皮膜を形成した例を挙げているが、他の亜鉛系めっき皮膜や、アニオン電着塗装皮膜を形成した場合であっても、同様の効果を得ることができると推察される。

　一方、図３に示すように、例えば比較例Ｎｏ．１は、溶接金属２３に、その上面に連通する大きなブローホール３０が発生した。また、図４に示すように、比較例Ｎｏ．２は、溶接金属２３の内部にブローホール３０が発生し、溶接金属２３は鋼板２１の上面よりも突出した外観となった。同様に、図３～図６及び表１に示すように、比較例Ｎｏ．３～５についても、鋼板２１の耐食性皮膜とアルミニウム合金板１１の低温溶射皮膜１２との間の空隙部の間隔Ｄ１及び溶込み深さＤ２が、本発明において規定する範囲から外れているため、ブローホールが発生した。したがって、所望の継手強度を有する異材接合構造体を製造することができなかった。

　以上、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、２０２２年１１月１８日出願の日本特許出願（特願２０２２－１８５２０７）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。

１０　　異材接合構造体
１１　　アルミニウム合金板
１２　　低温溶射皮膜
１３　　薄膜部
１４　　厚膜部
１５　　空隙部
２１　　鋼板
２２　　耐食性皮膜
２３　　溶接金属
３０　　ブローホール
３１　　ピット

Claims (5)

1. 　非鉄金属部材と、表面の少なくとも一部に亜鉛系めっき皮膜及び電着塗装皮膜の少なくとも１種からなる耐食性皮膜が形成された鋼材と、を接合する、異材接合構造体の製造方法であって、
   　前記非鉄金属部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種を含む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、
   　前記非鉄金属部材と前記鋼材とを、前記低温溶射皮膜と前記耐食性皮膜とが対向するように配置する工程と、
   　前記非鉄金属部材における前記低温溶射皮膜が形成された領域に対して、前記鋼材における前記非鉄金属部材に対向する面の反対側からレーザ溶接を実施し、前記非鉄金属部材に到達する溶接金属を形成する工程と、と有し、
   　前記配置する工程において、レーザ溶接を実施する領域における前記低温溶射皮膜の表面と、前記耐食性皮膜の表面との距離が、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下となるように、前記非鉄金属部材と前記鋼材とを配置し、
   　前記レーザ溶接を実施する工程において、前記レーザ溶接による溶込み深さを、前記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さとすることを特徴とする、異材接合構造体の製造方法。
2. 　前記非鉄金属部材と前記鋼材とを配置する工程において、前記非鉄金属部材における前記低温溶射皮膜の表面と、前記鋼材における前記耐食性皮膜の表面との距離を、０ｍｍ超０．３ｍｍ以下とし、
   　前記レーザ溶接を実施する工程において、前記レーザ溶接による溶込み深さを、前記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．３２ｍｍ以下の深さとすることを特徴とする、請求項１に記載の異材接合構造体の製造方法。
3. 　前記非鉄金属部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金、及び、チタン又はチタン合金から選択された１種からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異材接合構造体の製造方法。
4. 　前記低温溶射皮膜を形成する工程は、薄膜部と、前記薄膜部の周囲の少なくとも一部に設けられ前記薄膜部よりも厚い膜厚を有する厚膜部と、を備えた前記低温溶射皮膜を形成する工程を有し、
   　前記非鉄金属部材と前記鋼材とを配置する工程において、前記低温溶射皮膜の厚膜部を前記鋼材の前記耐食性皮膜に接触させることにより、前記低温溶射皮膜の前記薄膜部の表面と、前記耐食性皮膜の表面とを、０ｍｍ超０．３ｍｍ以下の間隔で離隔させ、
   　前記レーザ溶接を実施する工程において、前記低温溶射皮膜の前記薄膜部が形成された領域に対して、前記鋼材における前記非鉄金属部材に対向する面の反対側からレーザ溶接を実施することを特徴とする、請求項１又は２に記載の異材接合構造体の製造方法。
5. 　非鉄金属部材と、表面の少なくとも一部に亜鉛系めっき皮膜及び電着塗装皮膜の少なくとも１種からなる耐食性皮膜が形成された鋼材と、が接合されてなる異材接合構造体であって、
   　前記非鉄金属部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種を含む金属粉末からなる低温溶射皮膜が形成されており、
   　前記非鉄金属部材の表面に形成された前記低温溶射皮膜と、前記鋼材の表面に形成された前記耐食性皮膜とが対向するように配置され、
   　前記鋼材における前記非鉄金属部材側と反対側の表面から、少なくとも、前記鋼材、前記耐食性皮膜、及び前記低温溶射皮膜をこの順に貫通して、前記非鉄金属部材に到達する溶接金属が形成されており、
   　少なくとも前記溶接金属の周囲において、前記低温溶射皮膜と、前記耐食性皮膜とは、０ｍｍ超０．４ｍｍ以下の範囲で離隔しており、
   　前記溶接金属が、前記非鉄金属部材の表面から０．０５ｍｍ以上０．７１ｍｍ以下の深さまで到達していることを特徴とする、異材接合構造体。

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