JP5847209B2 - 異種金属接合体及び異種金属接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属接合体及び異種金属接合体の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、自動車のドア、フェンダー、ルーフ等に用いられる異種金属接合体の技術に関する。

近年、自動車等の構造体の製造時に、従来用いられていた鋼材の一部をアルミニウムやマグネシウム等の軽合金に置き換える検討がなされている。そのためには、軽合金と鋼材との異材接合を行う必要がある。

例えば、特許文献１では、鋼材等の同種の接合のみでなく、アルミニウム部材と鋼材との接合といった異材接合にレーザブレージングを用いる技術が開示されている。異材接合のレーザブレージングは、ドア、パネル部材、ルーフ等様々な用途に適用することが可能である。また、特許文献２では、アルミニウム部材と鉄鋼部材をアーク溶接して、アルミニウム合金部材の接合部を溶融させ、鉄鋼部材の接合部に薄い金属間化合物を形成して接合する技術も開示されている。

これらの溶接接合体の継手形状としては、突き合わせ継手、重ね継手等が挙げられる。また、継手形状としては、その他に部材のアセンブリ等の観点からフレア継手も挙げられる。自動車のフェンダ等には、外観性を向上させることができるため、ルーフレール方式でなく、フレア継手で構造部材を形成することが有用な場合がある。このフレア継手の接合としては、溶融溶接が一般に用いられているが、例えば、特許文献３では、溶接時の熱歪を抑えるために、レーザとろう材等の溶加材を用いたレーザブレージングを適用する技術が開示されている。

特開２００９−０５６５０８号公報 特開２００３−２１１２７０号公報 特開２００８−０００８１４号公報

しかしながら、異種金属材からなる部材のブレージング溶融溶接では、溶融金属部の接合界面に脆い金属間化合物が発生するため、同種材の接合体に比較して接合強度が低下することがある。また、レーザ溶接を用いるレーザブレージングは、金属間化合物の厚みは薄くなるが、アーク溶接よりも入熱量が少ないため、異種金属の構造体に適用するためには更なる検討が必要であった。更に、フレア継手は、突き合わせ継手や重ね継手に比較して溶融部の形成が難しく、特に異種金属の接合に適用する場合には、金属間化合物の生成を抑えつつ接合部の強度を得ることが難しく、高い接合強度を有する異種金属接合体を得ることができなかった。

そこで、本発明は、フレア継手が形成された高い接合強度を有する異種金属接合体及びその製造方法を提供することを主目的とする。

本発明は、前述した課題を解決するために、本発明者等の鋭意検討の結果完成されたものであり、曲面部を有する第１の金属部材と、前記第１の金属部材よりも融点が高く、前記第１の金属部材とによってフレア継手が形成された第２の金属部材と、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との接合部に配置された溶加材及び前記第１の金属部材にレーザ照射されることで形成された接合金属部と、を有し、前記第２の金属部材と前記接合金属部との界面に形成される金属間化合物の最大厚みが３μｍ以下であり、前記第１の金属部材の前記フレア継手が形成される前記曲面部には、前記接合金属部が形成される側から厚み方向に、順に溶融部と非溶融部とが形成される異種金属接合体を提供する。
また、この異種金属接合体では、前記金属間化合物の厚み形成方向に垂直な方向であり、前記第２の金属部材がフレア状に広がる方向において、前記第２の金属部材と前記接合金属部とが接合する領域の最大長さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であってもよい。
更に、この異種金属接合体では、前記第１の金属部材の前記溶融部と前記非溶融部とが順に形成される方向において、前記溶融部と前記非溶融部とを合わせた深さに対し、前記非溶融部の深さが、０．５倍以上０．９倍以下であってもよい。
また、前記第１の金属部材は、軽合金材であり、前記第２の金属部材は、鋼材であってもよい。

また、本発明では、曲面部を有する第１の金属部材と、前記第１の金属部材よりも融点が高く、前記第１の金属部材とによってフレア継手が形成された第２の金属部材との接合部に溶加材を配置する工程と、前記第１の金属部材及び前記第２の金属部材の前記継手の接合面に対して照射角度を１５°以下傾けてレーザ照射する工程と、を含み、前記第２の金属部材と前記接合金属部との界面に形成される金属間化合物の最大厚みが３μｍ以下であり、前記第１の金属部材の前記フレア継手が形成される前記曲面部には、前記接合金属部が形成される側から厚み方向に、順に溶融部と非溶融部とが形成される異種金属接合体の製造方法を提供する。

本発明によれば、フレア継手が形成された高い接合強度を有する異種金属接合体を得ることができる。

本発明の実施形態の異種金属接合体１の断面写真である。 同実施形態の異種金属接合体１の断面図である。 図１中の符号（ア）が示す領域を拡大した断面写真である。 （ａ）は同実施形態の異種金属接合体１の断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は関連技術の異種金属接合体１の断面図である。 同実施形態の異種金属接合体１を製造するためのレーザビームの照射方法を説明するための図である。 異種金属接合体の引張試験を説明するための模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

＜異種金属接合体１＞
まず、本発明の実施形態の異種金属接合体１について説明する。図１は、本実施形態の異種金属接合体１の断面写真である。図２は、本実施形態の異種金属接合体１の断面図である。また、図３は、図１中の符号（ア）が示す領域を拡大した断面写真である。

図２に示すように、本実施形態の異種金属接合体１は、曲面部１５を有する第１の金属部材１１と、第１の金属部材１１とによってフレア継手が形成された第２の金属部材１２と、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２との接合部に配置された溶加材と第１の金属部材１１にレーザ照射されることで形成された接合金属部１３とを有する。また、第２の金属部材１２と接合金属部１３との界面に形成される金属間化合物１４は、その厚みが３μｍ以下である。更に、第１の金属部材１１のフレア継手が形成される曲面部１５には、接合金属部１３が形成される側から厚み方向に、順に溶融部１６と非溶融部１７とが形成される。

なお、図１、図２に示すように、本実施形態の異種金属接合体１におけるフレア継手は、断面形状において円弧状の曲面と平面とでできた開先形状の溶接をするための溶接継手であってもよいし、また、円弧状の曲面と円弧状の曲面とでできた開先形状の溶接をするための溶接継手であってもよい。すなわち、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２とは、図中のＺ軸方向において段差が形成されてＸ軸方向に延びていてもよいし、段差は形成されずにＸ軸方向に延びていてもよい。

［第１の金属部材１１］
第１の金属部材１１は、曲面部１５を有し、金属材料から構成されるのであれば特に限定されないが、例えば、軽合金材とすることができる。軽合金材としては、具体的には、アルミニウム、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格の２０００系、３０００系、Ａ４０４３やＡ４０４７等の４０００系、５０００系、６０００系又は７０００系）、マグネシウム、マグネシウム合金等が挙げられる。

第１の金属部材１１の曲面部１５の曲げ半径については、特に限定されないが、０．５〜５ｍｍであることが好ましい。曲面部１５の曲げ半径をこの範囲にすることで、異種金属接合体１の接合強度を高くすることができる。

［第２の金属部材１２］
第２の金属部材１２は、金属材料から構成され、第１の金属部材１１よりも融点が高く、第１の金属部材１１とによってフレア継手が形成されるのであれば特に限定されないが、例えば、鋼材とすることができる。鋼材としては、高張力鋼材、亜鉛めっき鋼板及びステンレス等が挙げられる。

［接合金属部１３］
接合金属部１３は、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２との接合部に配置された溶加材及びその周辺の第１の金属部材１１がレーザ照射されることで形成される。金属間化合物１４の厚み形成方向に垂直な方向であり、第２の金属部材１２がフレア状に広がる方向（図中、Ｚ軸方向）において、第２の金属部材１２と接合金属部１３とが接合する領域の最大長さ（以下、接合長さとも記す。）ｌは、２ｍｍ以上であることが好ましい。また、この接合長さｌは、４ｍｍ以下であることが好ましい。接合長さｌがこの範囲にあることで、接合金属部１３と第２の金属部材１２とは高い接合強度で接合される。

溶加材としては、特に限定されないが、例えば、ろう材等が挙げられる。具体的には、溶加材としては、第１の金属部材１１がアルミニウム材、第２の金属部材１２が鋼材の場合は、アルミニウム合金の溶加材（４０４３、４０４７）等を使用することができる。好ましくは、Ｓｉ：２．０質量％であって、Ｔｉ：０．２質量％であり、残部が不可避不純物（Ｃｒ：０．１質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｂ：４０ｐｐｍ以下、その他の元素０．０５質量％以下で、不可避的不純物の総量は０．１５質量％以下）及びアルミニウムからなるアルミニウム合金を皮材として、内部にフッ化セシウム：２８質量％、残部が実質的にＫＡＬＦ系のフラックスを充填率５％で充填したフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）で、ワイヤ径が１.２〜２ｍｍである溶加材を用いることができ、これにより金属間化合物１４の厚みを薄くしつつ接合強度が高い継手が得られる。

本実施形態の異種金属接合体１では、第２の金属部材１２と接合金属部１３との界面に形成される金属間化合物１４の厚みは３μｍ以下とする（図３参照）。より好ましくは、この厚みは１．５μｍ以下とする。このように金属間化合物１４の厚みを極力薄くすることで、接合金属部１３と第２の金属部材１２とは高い接合強度で接合される。

また、本実施形態の異種金属接合体１では、図２に示すように、第１の金属部材１１のフレア継手の曲面部１５に、接合金属部１３が形成される側から厚み方向に、順に溶融部１６と非溶融部１７とが形成される。溶融部１６は、溶加材と第１の金属部材１１とがレーザ照射により溶融されて形成されたものであり、接合金属部１３の一部でもある。また、非溶融部１７は、第１の金属部材１１の曲面部１５において、レーザ照射により溶融されなかったものである。

ここで、本実施形態の異種金属接合体１で、曲面部１５に溶融部１６と非溶融部１７とが形成されている構成について、図４を参照しながら説明する。図４の（ａ）は本実施形態の異種金属接合体１の断面を説明するための図であり、（ｂ）及び（ｃ）は関連技術の異種金属接合体の断面を説明するための図である。

図４（ｂ）に示す異種金属接合体１００では、曲面部１１５に非溶融部が形成されない。すなわち、曲面部１１５の外側から内側に貫通して、接合金属部１１３が形成される。接合金属部１１３の機械的強度は、母材である第１の金属部材１１１の機械的強度よりも低い。また、第１の金属部材１１１は、レーザ照射時のレーザの熱影響による軟化で機械的強度が低下する。そのため、この異種金属接合体１００は、十分な接合強度を得られない。

また、図４（ｃ）に示す異種金属接合体２００では、曲面部２１５に溶融部が形成されない。そのため、接合金属部２１３が第１の金属部材２１１との界面で剥離しやすくなり、この異種金属接合体２００も、十分な接合強度を得られない。

これに対し、図４（ａ）に示す本実施形態の異種金属接合体１は、前述したように曲面部１５に溶融部１６と非溶融部１７とが形成される。そのため、接合金属部１３が第１の金属部材１１から剥離しづらく、第１の金属部材１１の熱による機械的強度の低下も防止できる。そのため、異種金属接合体１は、高い接合強度を得ることができる。

本実施形態の異種金属接合体１では、第１の金属部材１１の溶融部１６と非溶融部１７とが順に形成される方向において、溶融部１６と非溶融部１７とを合わせた深さ（図２中、符号ｄ１＋ｄ２参照）に対し、非溶融部１７の深さ（図２中、符号ｄ１参照）が、０．５倍以上であることが好ましい。また、溶融部１６と非溶融部１７とを合わせた深さ（ｄ１＋ｄ２）に対し、非溶融部１７の深さ（ｄ１）は、０．９倍以下であることが好ましい。これにより、本実施形態の異種金属接合体１は、より高い接合強度を得ることができる。

＜異種金属接合体１の製造方法＞
次に、図５を参照しながら、本実施形態の異種金属接合体１の製造方法について説明する。図５は、本実施形態の異種金属接合体１を製造するためのレーザビームの照射方法を説明するための図である。

図５に示すように、異種金属接合体１は、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２の継手の重ね部（接合部）に、溶加材を供給しながら配置し、レーザビームＬ１を照射することで、第１の金属部材１１の一部を溶融させるブレーズ接合により得られる。このとき、レーザビームＬ１は、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２の継手の接合面（面Ａ）に対して照射角度を１５°以下（図中、角度α）傾けて照射させることが好ましい。また、より好ましくは、この傾ける角度αは５〜１０°である。このように、レーザビームＬ１を傾けて照射することにより、第１の金属部材１１に溶融部１６と非溶融部１７とを容易に形成し、異種金属接合体１を得ることができる。

また、レーザビームは、溶加材を配置した位置から０．５〜１．５ｍｍ程度（図中、符号Ｂ参照）シフトさせて照射させることで（図中、符号Ｌ１→Ｌ２参照）、レーザビームＬ２からの熱が第１の金属部材１１から接合部分に間接的に伝わる。そのため、金属間化合物１４の成長が抑制され、金属間化合物１４の厚みを３μｍ以下とより精度良く薄くすることができ、異種金属接合体１の接合強度を向上させることができる。また、レーザビームの照射位置をアルミ側（第１の金属部材１１）にシフトすることで十分な溶け込みが得られる。

レーザとしては、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等各種のレーザを用いることができる。また、レーザビームの照射位置を前述したようにシフトさせ、同時にワイヤとの位置関係で鋼板に直接レーザが当たらないようにするため、ビーム径は０．１ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。

このようなレーザビーム照射により、ろう材等の溶加材と第１の金属部材１１とが溶融され、第２の金属部材１２表面上に形成された接合金属部１３は、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２との間に入り込むことができる。そして、第１の金属部材１１の曲面部１５に溶融部１６と非溶融部１７とが形成され、第２の金属部材１２と接合金属部１３との界面に形成される金属間化合物１４の最大厚みを３μｍ以下にした本実施形態の異種金属接合体１を得ることができる。

以上詳述したように、本実施形態の異種金属接合体１では、第１の金属部材１１に溶融部１６と非溶融部１７とが形成されつつ、第２の金属部材１２と接合金属部１３との界面に形成される金属間化合物１４の最大厚みが３μｍ以下の範囲に規制されるため、接合強度を高くすることができる。特に、金属間化合物１４の厚み形成方向に垂直な方向であって、第２の金属部材１２がフレア状に広がる方向において、第２の金属部材１２と接合金属部１３とが接合する領域の最大長さが２ｍｍ以上４ｍｍ以下に規定されると共に、第１の金属部材１１の溶融部１６と非溶融部１７とが順に形成される方向において、溶融部１６と非溶融部１７とを合わせた深さに対し、非溶融部１７の深さが０．５倍以上０．９倍以下に規定されることで、接合強度をより高めることができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。

図６は、異種金属接合体の引張試験を説明するための模式図である。図６に示すように、第２の金属部材１２と接合金属部１３との接合長さｌ、金属間化合物１４の厚みｔ、第１の金属部材１１の曲面部の母材残部（非溶融部）の深さｄ１を変更することによる異種金属接合体１の引張強度を測定し、その３回平均を評価した。引張試験は、スペーサ５０を用いて、異種金属接合体を矢印Ｆ１及びＦ２の方向に引っ張ることにより行った。

第１の金属部材１１としてはアルミニウム合金６０２２を用い、第２の金属部材１２としてはＳＰＣＣ（裸鋼板）を用いた。溶加材としては、Ｓｉ：２．０質量％−Ｔｉ：０．２質量％で残部が不可避不純物（Ｃｒ：０．１質量％以下、Ｚｎ：０．１質量％以下、Ｂ：４０ｐｐｍ以下、その他の元素：０．０５質量％以下で、不可避的不純物の総量は０．１５質量％以下）及びアルミニウムからなるアルミニウム合金を皮材として、内部にフッ化セシウム：２８質量％、残部が実質的にＫＡＬＦ系のフラックスを充填率５％で充填したフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）で、ワイヤ径が１．８ｍｍからなるＦＣＷを用いた。また、第１の金属部材１１を１．２ｍｍｔとして（ｄ１＋ｄ２）、第２の金属部材１２を０．７ｍｍｔとした。レーザの出力は、２．８〜３．８ｋＷとした。ビームのスポット径（ｍｍ）は１．８Φ又は３．０Φとした。トーチ角度は１０°とし、前後退角は０°とした。溶接速度は１〜３ｍ／ｍｉｎとした。また、ワイヤの供給量は、４.０〜８．０ｍ／ｍｉｎとした。異なる異種金属接合体の引張り強度を表１に示す。

実施例１〜１４では、第２の金属部材１２と接合金属部１３との間に形成される金属間化合物の厚みｔが３μｍ以下であり、第１の金属部材１１のフレア継手の曲面部には、接合金属部１３が形成される側から厚み方向に、順に溶融部と非溶融部とが形成されていた。そのため、高い引張強度が得られ、接合強度に優れていることが分かった。このうち、実施例１〜１１では、更に、接合長さｌが２ｍｍ以上４ｍｍ以下であると共に、ｄ１／（ｄ１＋ｄ２）が、０．５以上０．９以下でもあるため、より高い引張強度が得られ、接合強度に特に優れていることが分かった。

一方、比較例１〜５では、第２の金属部材と接合金属部との間に形成される金属間化合物の厚みｔが３μｍを超えているため、十分な接合強度は得られなかった。

以上の結果から、本発明の異種金属接合体は、接合強度を高くできることが確認された。

１ 異種金属接合体
１１ 第１の金属部材
１２ 第２の金属部材
１３ 接合金属部
１４ 金属間化合物
１５ 曲面部
１６ 溶融部
１７ 非溶融部

Claims (1)

1. 曲面部を有するアルミニウム合金材と、前記アルミニウム合金材とによってフレア継手が形成された鋼材との接合部にアルミニウム合金の溶加材を配置する工程と、
   前記アルミニウム合金材及び前記鋼材の前記継手の接合面に対してレーザビームの照射角度を１５°以下傾けて、前記溶加材を配置した位置から前記アルミニウム合金材側にシフトさせて前記レーザビームを照射することにより、前記アルミニウム合金の溶加材及び前記アルミニウム合金材とを溶融して接合金属部を形成する工程と、を含み、
   前記鋼材と前記接合金属部との界面に形成される金属間化合物の最大厚みが３μｍ以下であり、
   前記アルミニウム合金材の前記フレア継手が形成される前記曲面部には、前記接合金属部が形成される側から厚み方向に、順に溶融部と非溶融部とが形成される異種金属接合体の製造方法。