WO2024106073A1 - 異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体 - Google Patents

異材接合構造体の製造方法及び異材接合構造体 Download PDF

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恭兵 前田
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株式会社神戸製鋼所
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/32Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/323Bonding taking account of the properties of the material involved involving parts made of dissimilar metallic material

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a dissimilar material joint structure and a dissimilar material joint structure.
  • blowholes can occur in the weld metal due to gas in the CS coating, and these blowholes can reduce the strength of the joint.
  • Patent Document 1 proposes a manufacturing method for manufacturing a dissimilar material joint structure with few blowholes and excellent joint strength.
  • the manufacturing method for the dissimilar material joint structure includes a step of forming a low-temperature sprayed coating by low-temperature spraying a predetermined metal powder on at least a part of the surface of an aluminum alloy material, a step of overlapping the aluminum alloy material and the steel material so that the low-temperature sprayed coating faces the steel material, and a step of joining the aluminum alloy material and the steel material by laser welding from the steel material side.
  • the joining step is performed under welding conditions that form molten parts in all of the steel material, the low-temperature sprayed coating, and the aluminum alloy material.
  • the joining process is performed under welding conditions that melt the aluminum alloy material, so the conditions during laser welding must be appropriately controlled, and the welding conditions for melting the base aluminum alloy material are limited.
  • the base aluminum alloy material is a material that contains many pores, such as a die-cast material, there is a concern that blowholes may occur due to melting a large amount of the aluminum alloy material. Therefore, there is a demand for the development of a manufacturing method for a dissimilar material joint structure that can suppress the occurrence of blowholes, even when the allowable range of welding conditions is set wide.
  • the present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide a method for manufacturing a dissimilar material joint structure that does not require special adjustment of welding conditions and can suppress the occurrence of blowholes, and a dissimilar material joint structure that is obtained by this joining method and has excellent joining strength.
  • the above object of the present invention is achieved by the following configuration (1) relating to a method for manufacturing a dissimilar material joint structure.
  • a method for manufacturing a dissimilar material joint structure for joining a non-ferrous metal member and a steel material comprising the steps of: forming a low-temperature sprayed coating on at least a portion of the surface of the non-ferrous metal member by low-temperature spraying a metal powder containing at least one selected from the group consisting of pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, a nickel alloy, cobalt, and a cobalt alloy; a step of overlapping the non-ferrous metal member and the steel material so that the low-temperature thermal spray coating and the steel material face each other; and performing laser welding from an opposite side of the surface of the steel material facing the non-ferrous metal member.
  • a method for manufacturing a dissimilar material joint structure wherein the metal powder is powderized from a molten metal under a vacuum or inert gas atmosphere.
  • preferred embodiments of the present invention relating to the manufacturing method of a dissimilar material joint structure relate to the following configurations (2) and (3).
  • the above object of the present invention is also achieved by the following configuration (4) or (5) for a dissimilar material joint structure.
  • a dissimilar material joint structure in which a non-ferrous metal member and a steel material are joined, a low-temperature thermal spray coating made of a metal powder containing at least one selected from the group consisting of pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, a nickel alloy, cobalt, and a cobalt alloy is formed on at least a portion of a surface of the non-ferrous metal member;
  • the non-ferrous metal member and the steel material are overlapped so that the low-temperature thermal spray coating and the steel material face each other, a weld metal is formed on a surface of the steel material opposite to the non-ferrous metal member side to join the steel material and the low-temperature sprayed coating,
  • a dissimilar material joint structure characterized in that the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating is 16 ppm or less.
  • the non-ferrous metal member and the steel material are overlapped so that the low-temperature thermal spray coating and the steel material face each other, a weld metal is formed on a surface of the steel material opposite to the non-ferrous metal member side to join the steel material and the low-temperature sprayed coating
  • the dissimilar material joint structure is characterized in that the low-temperature sprayed coating is made of at least one type of powder selected from the group consisting of gas atomized powder, disk atomized powder, plasma atomized powder, and powder produced by a plasma rotating electrode method.
  • the present invention provides a method for manufacturing a dissimilar material joint structure that does not require special adjustment of welding conditions and can suppress the occurrence of blowholes.
  • the present invention also provides a dissimilar material joint structure that is obtained by the joining method and has excellent joining strength.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a step of forming a low-temperature thermal spray coating in a manufacturing method for a dissimilar material joint structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a dissimilar material bonded structure manufactured by the manufacturing method for a dissimilar material bonded structure according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a photograph showing the gas atomized powder produced by the gas atomization method.
  • FIG. 3 is a photograph showing the water atomized powder produced by the water atomization method.
  • FIG. 4 is a diagram showing a joint of a dissimilar material joint structure manufactured by the method of the invention example and the comparative example.
  • the inventors discovered that when joining dissimilar materials between non-ferrous metal components and steel materials, the occurrence of blowholes can be suppressed by using a metal powder with a low hydrogen content, which is manufactured using a manufacturing method different from that used for conventional metal powders, as the material for forming the low-temperature spray coating.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a step of forming a low-temperature thermal spray coating in a manufacturing method for a dissimilar material joint structure according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1B is a cross-sectional view showing a dissimilar material joint structure manufactured by the manufacturing method for a dissimilar material joint structure according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method for a dissimilar material joint structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1A and 1B.
  • a non-ferrous metal member and a steel material are used as materials for manufacturing a dissimilar material joint structure.
  • an aluminum alloy plate 11 is used as the non-ferrous metal member
  • a steel plate 21 is used as the steel material.
  • the non-ferrous metal member refers to a member made of a non-ferrous metal, and may be a member made of one selected from aluminum or an aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy, and titanium or a titanium alloy.
  • the type of steel material is not particularly limited, and the contents of components other than iron can be designed to vary depending on the required performance of the structure.
  • a low-temperature sprayed coating 12 is formed by low-temperature spraying a metal powder (not shown) on at least a part of the surface of an aluminum alloy plate 11.
  • the metal powder used for low-temperature spraying may be selected from one that is the same as the steel plate 21 or that forms a low-temperature sprayed coating made of a material that is easily bonded to the steel plate 21.
  • a metal powder containing at least one selected from pure iron, carbon steel, stainless steel, nickel, nickel alloy, cobalt, and cobalt alloy is used.
  • the metal powder is powdered from a molten metal under a vacuum or inert gas atmosphere. The properties of such metal powder will be described in detail later.
  • Step of performing laser welding> laser welding is performed on the region of the aluminum alloy plate 11 on which the low-temperature sprayed coating 12 has been formed, from the side of the steel plate 21 opposite to the surface facing the aluminum alloy plate 11. This forms a weld metal 23 that joins the steel plate 21 and the low-temperature sprayed coating 12, and makes it possible to manufacture a dissimilar material joined structure.
  • a method is known in which a low-temperature sprayed coating 12 made of a material that is easily joined to the steel plate 21 is formed on the surface of the aluminum alloy plate 11, and the low-temperature sprayed coating 12 is joined to the steel plate 21 by laser welding.
  • the low-temperature sprayed coating formed on the surface of the aluminum alloy plate 11 by a general method is gasified by laser heat in the step of performing laser welding, and this gas penetrates into the weld metal, causing blowholes.
  • the formation of a specific low-temperature sprayed coating 12 can suppress the occurrence of blowholes in the subsequent laser welding process.
  • the metal powder used in this embodiment and the low-temperature sprayed coating formed from this metal powder will be described in more detail below, highlighting the differences from conventional metal powders and low-temperature sprayed coatings.
  • Metal powder Generally, when forming a low-temperature sprayed coating, a metal powder (water-atomized powder) produced by a water atomization method is used. The present inventors discovered that hydrogen in the low-temperature sprayed coating is vaporized by heat during laser welding, causing blowholes, and conducted various studies on methods for reducing the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating. As a result, as described above, they discovered that it is effective to use a metal powder powdered from a molten metal under a vacuum or inert gas atmosphere. Methods for producing such metal powder include gas atomization, disk atomization, plasma atomization, and plasma rotating electrode methods.
  • Gas atomization is a method in which a metal material made of the desired components for forming a low-temperature spray coating is melted, and then an inert gas is sprayed at high pressure into the molten metal to powderize it.
  • Disk atomization is a method in which the molten metal made of molten metal is brought into contact with a rotating disk and dispersed by centrifugal force to powderize it.
  • Plasma atomization is a method in which plasma is sprayed onto a metal wire made of the desired components to melt the metal, and then the molten metal is powderized.
  • the plasma rotating electrode method is a method in which a metal material made of the desired components is rotated at high speed, and then irradiated with plasma to melt the metal, and then the resulting molten metal is dispersed by centrifugal force to powderize it.
  • metal powder produced by the gas atomization method is sometimes referred to as gas atomized powder
  • metal powder produced by the disk atomization method is sometimes referred to as disk atomized powder
  • Metal powder produced by the plasma atomization method is sometimes referred to as plasma atomized powder
  • metal powder produced by the plasma rotating electrode method is sometimes referred to as PREP (Plasma Rotating Electrode Process) powder.
  • the gas atomized powder, disk atomized powder, plasma atomized powder and PREP powder all melt and solidify in a vacuum or inert gas atmosphere, so the hydrogen content can be significantly reduced compared to water atomized powder. Therefore, a low-temperature sprayed coating 12 with a reduced hydrogen content can be formed by low-temperature spraying metal powder produced by one method selected from the gas atomization method, disk atomization method, plasma atomization method and plasma rotating electrode method onto the surface of an aluminum alloy plate 11.
  • the hydrogen content in the metal powder used to form the low-temperature spray coating 12 is preferably 16 ppm or less, more preferably 14 ppm or less, even more preferably 12 ppm or less, and particularly preferably 10 ppm or less.
  • Figure 2 is a photograph in lieu of a drawing showing the gas atomized powder produced by the gas atomization method
  • Figure 3 is a photograph in lieu of a drawing showing the water atomized powder produced by the water atomization method.
  • the gas atomized powder shown in Figure 2 and the water atomized powder shown in Figure 3 have the same components and average particle size.
  • gas atomized powder 1 is produced by cutting the molten metal with the injection of gas while pulverizing the molten metal, which results in a slow cooling rate during the manufacturing process and a smooth, roughly spherical shape due to surface tension.
  • Each gas atomized powder 1 is independent, with no fine particles adhering to the surface.
  • Disk atomized powder, plasma atomized powder, and PREP powder also have similar shapes.
  • water atomized powder 2 is produced by pulverizing the molten metal by injecting water at high pressure, and is rapidly cooled and solidified, resulting in a non-spherical shape and an uneven surface.
  • the low-temperature sprayed coating 12 formed by the method according to this embodiment uses the metal powder produced by the above-mentioned specific method, and therefore has a lower hydrogen content than a low-temperature sprayed coating obtained by using water-atomized powder. Therefore, even if the low-temperature sprayed coating 12 becomes hot due to laser heat in the process of performing laser welding from the upper surface of the steel plate 21 after the aluminum alloy plate 11 and the steel plate 21 are overlapped, the gas generated from the low-temperature sprayed coating 12 can be significantly reduced. As a result, the occurrence of blowholes in the obtained weld metal 23 can be suppressed.
  • the hydrogen content in the low-temperature spray coating 12 is set to 16 ppm or less, similar to the hydrogen content of the metal powder, and is preferably set to 14 ppm or less, more preferably set to 12 ppm or less, and even more preferably set to 10 ppm or less.
  • the surface of the low-temperature sprayed coating 12 obtained by low-temperature spraying at least one type of powder selected from gas atomized powder, disk atomized powder, plasma atomized powder, and PREP powder retains the shape of the metal powder. In other words, when the outermost surface of the low-temperature sprayed coating 12 is observed with an electron microscope or the like, characteristic spherical particles can be confirmed.
  • the manufacturing method for dissimilar material joint structures according to this embodiment can form a low-temperature sprayed coating with a lower hydrogen content compared to conventional methods, and therefore can form a weld metal with reduced blowholes in the laser welding process.
  • the penetration depth of the weld metal formed by the manufacturing method according to this embodiment may or may not penetrate the low-temperature sprayed coating 12 and reach the aluminum alloy plate 11. Therefore, there is no need to strictly adjust the laser welding conditions to suppress the occurrence of blowholes, and the tolerance range of manufacturing conditions can be increased.
  • the aluminum alloy plate 11 non-ferrous metal component
  • the occurrence of blowholes can be further suppressed by designing the penetration depth of the weld metal so that it does not reach the aluminum alloy plate 11.
  • dissimilar material joint structure Next, the dissimilar material joint structure according to this embodiment will be described below with reference to FIG. 1B.
  • the dissimilar material joint structure according to this embodiment can be manufactured by the manufacturing method of the dissimilar material joint structure according to the embodiment described above. Therefore, the description of the same parts as those of the manufacturing method described above will be omitted or simplified.
  • the dissimilar material joint structure 10 is manufactured by joining an aluminum alloy plate 11 and a steel plate 21. Specifically, a low-temperature sprayed coating 12 is formed on a portion of the surface of the aluminum alloy plate 11, and the aluminum alloy plate 11 and the steel plate 21 are overlapped so that the low-temperature sprayed coating 12 and the steel plate 21 face each other.
  • the weld metal 23 penetrates the steel plate 21 from the surface of the steel plate 21 opposite the aluminum alloy plate 11 side, reaches the low-temperature sprayed coating 12, and is formed to join the steel plate 21 and the low-temperature sprayed coating 12.
  • the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12 is 16 ppm or less.
  • the low-temperature sprayed coating 12 is as described above, and its hydrogen content is preferably 14 ppm or less, more preferably 12 ppm or less, and even more preferably 10 ppm or less.
  • the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12 of the dissimilar material joint structure 10 of this embodiment may increase if another process is performed after the dissimilar material joint structure 10 is manufactured, such as applying paint.
  • the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12 of the dissimilar material joint structure 10 of this embodiment is a value measured within 90 days after manufacture, before the dissimilar material joint structure 10 is subjected to a process that changes the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12.
  • the low-temperature sprayed coating 12 is made of at least one type of powder selected from gas atomized powder, disk atomized powder, plasma atomized powder, and PREP powder.
  • the metal powder that is the material of the low-temperature sprayed coating 12 is as described above. If the low-temperature sprayed coating 12 is formed using the above-mentioned specified metal powder and the dissimilar material joint structure 10 is manufactured, and then the steel plate 21 is peeled off from the aluminum alloy plate 11, metal powder with a characteristic spherical shape can be confirmed on the surface of the low-temperature sprayed coating 12.
  • Equipment High temperature and high pressure type
  • Aluminum alloy plate material 7204 aluminum alloy (plate thickness 3 mm)
  • Metal powder gas atomized iron powder (average particle size 43 ⁇ m), or water atomized iron powder (average particle size 43 ⁇ m)
  • Gas type Nitrogen Gas pressure: 5MPa
  • Upper plate 1470MPa-class steel plate (plate thickness 1.4mm)
  • Lower plate Aluminum alloy plate on which the above-mentioned low-temperature spray coating was formed
  • Welding machine Fiber laser (YLS-6000 manufactured by IPG photonics) Laser power: 2750W Welding speed: 4 (m/min) Spot diameter: 0.3 mm
  • the low-temperature sprayed coating 12 was formed using gas atomized iron powder, so the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12 was within the range specified by the present invention. Therefore, the blowhole rate generated in the weld metal 23 joining the low-temperature sprayed coating 12 and the steel plate 21 was significantly reduced, and a sound weld metal was obtained, and as a result, a dissimilar material joint structure with excellent joint strength was obtained.
  • the low-temperature sprayed coating 12 was formed using water-atomized iron powder, so the hydrogen content in the low-temperature sprayed coating 12 was high and outside the range specified in the present invention. As a result, blowholes 30 occurred in the weld metal 23, and a dissimilar material joint structure with excellent joint strength could not be obtained.

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Abstract

溶接条件の特別な調整が不要であり、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。アルミニウム合金板(11)と鋼板(21)とを接合する、異材接合構造体の製造方法であって、アルミニウム合金板(11)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(12)を形成する工程と、低温溶射皮膜(12)と鋼板(21)とが対向するように、アルミニウム合金板(11)と鋼板(21)とを重ね合わせる工程と、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溶接を実施する工程と、と有し、金属粉末は、真空又は不活性ガス雰囲気下にて溶湯から粉末化されたものである。

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。
 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、上記接合方法によると、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発生することがあり、このブローホールが継手強度を低下させる原因となる。
 そこで、例えば、特許文献1には、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を製造することができる製造方法が提案されている。上記異材接合構造体の製造方法は、アルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、所定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合金材と鋼材とを接合する工程と、を有する。そして、接合工程は、鋼材、低温溶射皮膜、及び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。
日本国特開2021-30308号公報
 しかしながら、上記特許文献1に記載の製造方法は、アルミニウム合金材まで溶融させる溶接条件にて接合工程が行われるため、レーザ溶接時の条件を適切に制御する必要があり、下材であるアルミニウム合金材を溶融させるための溶接条件が限定されている。また、下材となるアルミニウム合金材がダイキャスト材のような多数の気孔を含む材料の場合に、アルミニウム合金材を多量に溶融させることによるブローホール発生が懸念される。したがって、溶接条件の許容範囲を広く設定した場合であっても、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について、開発が要求されている。
 本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、特別な溶接条件の調整が不要であり、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、
 上記低温溶射皮膜と上記鋼材とが対向するように、上記非鉄金属部材と上記鋼材とを重ね合わせる工程と、
 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工程と、と有し、
 上記金属粉末は、真空又は不活性ガス雰囲気下にて溶湯から粉末化されたものであ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)及び(3)の構成に関する。
(2) 上記金属粉末は、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、プラズマアトマイズ法及びプラズマ回転電極法から選択された1種の方法により製造されたものであ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) 上記金属粉末中の水素含有量は、16ppm以下であ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。
 また、本発明の上記目的は、異材接合構造体に係る下記(4)又は(5)の構成により達成される。
(4) 非鉄金属部材と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、
 上記低温溶射皮膜と上記鋼材とが対向するように、上記非鉄金属部材と上記鋼材とが重ね合わされ、
 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、上記鋼材と上記低温溶射皮膜とを接合する溶接金属が形成されており、
 上記低温溶射皮膜中の水素含有量は、16ppm以下であることを特徴とする、異材接合構造体。
(5) 非鉄金属部材と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、
 上記低温溶射皮膜と上記鋼材とが対向するように、上記非鉄金属部材と上記鋼材とが重ね合わされ、
 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、上記鋼材と上記低温溶射皮膜とを接合する溶接金属が形成されており、
 上記低温溶射皮膜は、ガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びプラズマ回転電極法による粉末から選択された少なくとも1種の粉末からなることを特徴とする、異材接合構造体。
 本発明によれば、特別な溶接条件の調整が不要であり、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、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断面図である。 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より製造された異材接合構造体を示す断面図である。 図2は、ガスアトマイズ法により製造されたガスアトマイズ粉末を示す図面代用写真である。 図3は、水アトマイズ法により製造された水アトマイズ粉末を示す図面代用写真である。 図4は、発明例及び比較例の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、低温溶射皮膜を形成する材料として、従来の金属粉末とは異なる製造方法で製造された、水素含有量が低い金属粉末を使用することにより、ブローホールの発生を抑制することができることを見出した。
 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断面図である。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より製造された異材接合構造体を示す断面図である。図1A及び図1Bを参照して、まず、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法について説明する。
<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及び図1B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、マグネシウム又はマグネシウム合金、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。
<低温溶射皮膜を形成する工程>
 まず、図1A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、不図示の金属粉末を低温溶射することにより低温溶射皮膜12を形成する。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。また、本実施形態において、金属粉末としては、真空又は不活性ガス雰囲気下にて溶湯から粉末化されたものを使用する。このような金属粉末の性状については後に詳述する。
<アルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせる工程>
 次に、図1Bに示すように、低温溶射皮膜12と鋼板21とが対向するように、アルミニウム合金板11と鋼板21とを重ね合わせる。
<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溶接を実施する。これにより、鋼板21と低温溶射皮膜12とを接合する溶接金属23が形成されて、異材接合構造体を製造することができる。
 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、一般的な方法により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は、レーザ溶接を実施する工程において、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、特定の低温溶射皮膜12を形成しているため、その後のレーザ溶接を実施する工程において、ブローホールの発生を抑制することができる。本実施形態において使用する金属粉末及びこの金属粉末により形成される低温溶射皮膜について、従来の金属粉末及び低温溶射皮膜との相違点を挙げつつ、さらに詳細に説明する。
(金属粉末)
 一般的に、低温溶射皮膜を形成する際には、水アトマイズ法により製造された金属粉末(水アトマイズ粉末)が使用される。本発明者は、低温溶射皮膜中の水素が、レーザ溶接時の熱により気化して、ブローホールの発生の原因となっていることを見出し、低温溶射皮膜中の水素含有量を低減できる方法について、種々検討を行った。その結果、上記のとおり、真空又は不活性ガス雰囲気下にて溶湯から粉末化された金属粉末を使用することが効果的であることを見出した。このような金属粉末を製造する方法としては、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、プラズマアトマイズ法及びプラズマ回転電極法等が挙げられる。
 ガスアトマイズ法とは、低温溶射皮膜を形成するための所望の成分からなる金属材料を溶融させ、この溶湯に不活性ガスを高圧で噴射することにより粉末化する方法である。また、ディスクアトマイズ法は、金属材料を溶融させた溶湯を、回転している円盤に接触させ、遠心力によって飛散させて粉末化する方法である。プラズマアトマイズ法は、所望の成分からなる金属ワイヤにプラズマを噴射して金属を溶融させ、この溶湯を粉末化する方法である。プラズマ回転電極法は、所望の成分からなる金属材料を高速回転させて、この金属材料にプラズマを照射することによって金属材料を溶融させ、得られた溶湯が遠心力によって飛散させて粉末化する方法である。
 本明細書では、ガスアトマイズ法により製造された金属粉末をガスアトマイズ粉末といい、ディスクアトマイズ法により製造された金属粉末をディスクアトマイズ粉末ということがある。また、プラズマアトマイズ法により製造された金属粉末をプラズマアトマイズ粉末といい、プラズマ回転電極法により製造された金属粉末を、PREP(Plasma Rotating Electrode Process)粉末ということがある。
 上記ガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びPREP粉末については、いずれも、溶融及び凝固が真空又は不活性ガス雰囲気下で行われるため、水アトマイズ粉末と比較して、水素含有量を著しく低減することができる。したがって、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、プラズマアトマイズ法及びプラズマ回転電極法から選択された1種の方法により製造された金属粉末を、アルミニウム合金板11の表面に低温溶射することにより、水素含有量が低減された低温溶射皮膜12を形成することができる。
 レーザ溶接時に溶接金属23にブローホールが発生することを抑制するためには、低温溶射皮膜12を形成する際に使用する金属粉末中の水素含有量は、16ppm以下であることが好ましく、14ppm以下であることがより好ましく、12ppm以下であることがさらに好ましく、10ppm以下であることが特に好ましい。
 なお、上記方法により製造されたガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びPREP粉末の外観も、水アトマイズ粉末の外観と異なる。図2は、ガスアトマイズ法により製造されたガスアトマイズ粉末を示す図面代用写真であり、図3は、水アトマイズ法により製造された水アトマイズ粉末を示す図面代用写真である。図2に示すガスアトマイズ粉末及び図3に示す水アトマイズ粉末は、いずれも成分及び平均粒径が互いに同一のものである。
 図2に示すように、ガスアトマイズ粉末1は、ガスの噴射により溶湯を切りつつ溶湯を粉末化するため、製造過程における冷却速度が遅くなり、表面張力により滑らかな略球形状となっている。また、それぞれのガスアトマイズ粉末1が独立しており、表面に微粒子が固着されていない。ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びPREP粉末も同様の形状となる。これに対して、図3に示すように、水アトマイズ粉末2は、溶湯に高圧で水を噴射することにより粉末化されたものであり、急冷凝固されるため、球形状にはならず、表面に凹凸を有するものとなる。
(低温溶射皮膜)
 本実施形態に係る方法により形成される低温溶射皮膜12は、上記特定の方法により製造された金属粉末を使用するため、水アトマイズ粉末を使用して得られた低温溶射皮膜と比較して、水素含有量が低いものとなる。したがって、アルミニウム合金板11と鋼板21とを重ね合わせた後に、鋼板21の上面からレーザ溶接を実施する工程において、レーザ熱により低温溶射皮膜12が高温となった場合であっても、低温溶射皮膜12から発生するガスを著しく低減することができる。その結果、得られる溶接金属23にブローホールが発生することを抑制することができる。
 レーザ溶接時に溶接金属23にブローホールが発生することを抑制するためには、低温溶射皮膜12中の水素含有量は、金属粉末の水素含有量と同様に、16ppm以下とし、14ppm以下であることが好ましく、12ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることがさらに好ましい。
 なお、ガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びPREP粉末から選択された少なくとも1種の粉末を低温溶射することにより得られる低温溶射皮膜12の表面は、金属粉末の形状が残った状態となる。すなわち、低温溶射皮膜12の最表面を電子顕微鏡等により観察すると、特徴的な球形状の粒子を確認することができる。
 以上詳述したように、本実施形態に係る異材接合構造体の製造方法によると、従来の方法と比較して水素含有量が低い低温溶射皮膜を形成することができるため、レーザ溶接を実施する工程において、ブローホールが低減された溶接金属を形成することができる。なお、本実施形態に係る製造方法により形成される溶接金属の溶込み深さは、低温溶射皮膜12を貫通してアルミニウム合金板11に到達していても、アルミニウム合金板11に到達していなくてもよい。したがって、ブローホールの発生を抑制するためにレーザ溶接条件を厳密に調整する必要はなく、製造条件の許容範囲を大きくすることができる。
 さらに、下材となるアルミニウム合金板11(非鉄金属部材)が多数の気孔を含む場合に、溶接金属の溶込み深さをアルミニウム合金板11に到達させないように設計すると、ブローホールの発生をより一層抑制することができる。
[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1B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1B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と鋼板21とが対向するように、アルミニウム合金板11と鋼板21とが重ね合わされている。そして、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、鋼板21を貫通して低温溶射皮膜12に到達しており、鋼板21と低温溶射皮膜12とを接合するように形成されている。
 また、本実施形態において、低温溶射皮膜12中の水素含有量は16ppm以下である。低温溶射皮膜12については上述したとおりであり、その水素含有量は14ppm以下であることが好ましく、12ppm以下であることがより好ましく、10ppm以下であることがさらに好ましい。なお、本実施形態に係る異材接合構造体10は、製造された後に塗料が塗布される等、別の工程が実施された場合に、低温溶射皮膜12中の水素含有量が上昇することがある。したがって、本実施形態に係る異材接合構造体10における低温溶射皮膜12中の水素含有量は、異材接合構造体10に、低温溶射皮膜12中の水素含有量が変化するような工程が実施される前であって、製造後90日以内に測定された値とする。
 また、他の実施形態に係る異材接合構造体10は、低温溶射皮膜12が、ガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びPREP粉末から選択された少なくとも1種の粉末からなるものである。低温溶射皮膜12の材料となる金属粉末については、上述のとおりである。なお、上記所定の金属粉末を用いて低温溶射皮膜12を形成し、異材接合構造体10を製造した後に、仮に鋼板21をアルミニウム合金板11から引き剥がした場合に、低温溶射皮膜12の表面において、特徴的な球形状の金属粉末を確認することができる。
 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12を形成した。次に、低温溶射皮膜12と鋼板21とが対向するように、アルミニウム合金板上に鋼板を重ね合わせて配置した。その後、鋼板の上方から、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11と鋼板21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アルミニウム合金(板厚3mm)
 金属粉末:ガスアトマイズ鉄粉(平均粒径43μm)、又は水アトマイズ鉄粉(平均粒径43μm)
 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)
 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:2750W
 溶接速度:4(m/min)
 スポット径:0.3mm
<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
 使用した金属粉末の種類及びブローホール率の算出結果を下記表1に示し、撮影した断面写真を図4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 上記表1及び図4に示すように、発明例は、ガスアトマイズ鉄粉を使用して低温溶射皮膜12を形成したため、低温溶射皮膜12中の水素含有量が本発明で規定する範囲内であった。したがって、低温溶射皮膜12と鋼板21とを接合する溶接金属23中に発生するブローホール率が著しく低減して、健全な溶接金属を得ることができ、その結果、優れた接合強度を有する異材接合構造体を得ることができた。
 一方、比較例は、水アトマイズ鉄粉を使用して低温溶射皮膜12を形成したため、低温溶射皮膜12中の水素含有量が本発明で規定する範囲から外れ、高い値となった。したがって、溶接金属23中にブローホール30が発生し、優れた接合強度を有する異材接合構造体を得ることができなかった。
 なお、発明例及び比較例ともに、金属粉末中の水素含有量と低温溶射皮膜中の水素含有量との間に差異が生じているが、理論上、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した場合に、低温溶射前後の水素含有量は変化しないものと考えられる。したがって、これらの差異は測定誤差によるものと考えられる。
 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2022-185208)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
21  鋼板
23  溶接金属
30  ブローホール

Claims (5)

  1.  非鉄金属部材と鋼材とを接合する、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、
     前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記非鉄金属部材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
     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工程と、と有し、
     前記金属粉末は、真空又は不活性ガス雰囲気下にて溶湯から粉末化されたものであることを特徴とする、異材接合構造体の製造方法。
  2.  前記金属粉末は、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法、プラズマアトマイズ法及びプラズマ回転電極法から選択された1種の方法により製造されたものであ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.  前記金属粉末中の水素含有量は、16ppm以下であ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.  非鉄金属部材と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、
     前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記非鉄金属部材と前記鋼材とが重ね合わされ、
     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、前記鋼材と前記低温溶射皮膜とを接合する溶接金属が形成されており、
     前記低温溶射皮膜中の水素含有量は、16ppm以下であることを特徴とする、異材接合構造体。
  5.  非鉄金属部材と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、
     前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記非鉄金属部材と前記鋼材とが重ね合わされ、
     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、前記鋼材と前記低温溶射皮膜とを接合する溶接金属が形成されており、
     前記低温溶射皮膜は、ガスアトマイズ粉末、ディスクアトマイズ粉末、プラズマアトマイズ粉末及びプラズマ回転電極法による粉末から選択された少なくとも1種の粉末からなることを特徴とする、異材接合構造体。
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