(57)【要約】【課題】異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を少なく抑えて、継手強度の向上を実現する。【解決手段】亜鉛めっき鋼板１と、この亜鉛めっき鋼板１とは種類の異なるアルミニウム合金２とを重ね合わせて接合するに際して、亜鉛めっき鋼板１側にＹＡＧレーザビーム３をスポット状に照射して、アルミニウム合金２と亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層６との間の界面に共晶溶融を生じさせて亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２とを接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料の間にこれらの２種類の材料とは異なる第３の材料を介在させ、第１の材料及び第２の材料のうちのいずれか一方の材料側に高エネルギビームをスポット状に照射して、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項２】
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料にめっきされている材料を第３の材料とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
【請求項３】
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項４】
亜鉛めっき鋼板の亜鉛を鉄と合金化されていない非合金化亜鉛とする請求項３に記載の異種材料の接合方法。
【請求項５】
亜鉛めっき鋼板における接合面とは反対面に鉄と合金化した合金化亜鉛を形成する請求項３又は４に記載の異種材料の接合方法。
【請求項６】
亜鉛めっき鋼板における接合面とは反対面を非めっき面とする請求項３又は４に記載の異種材料の接合方法。
【請求項７】
高エネルギビームのスポット状をなす照射点の周囲に対して、第１の材料及び第２の材料同士を互いに圧接させる押圧力を加えつつ高エネルギビームを照射する請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項８】
ディフォーカスさせた高エネルギビームを照射する請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項９】
高エネルギビームとして半導体レーザビームを用いる請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項１０】
第１の材料及び第２の材料のうちの高融点材料側に高エネルギビームを照射して、高融点材料からの熱伝導により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせる請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
【請求項１１】
第１の材料及び第２の材料のうちの低融点材料に抜熱手段を接触させた状態で、第１の材料及び第２の材料のうちの高融点材料側に高エネルギビームを照射する請求項１０に記載の異種材料の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するのに用いられる異種材料の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高エネルギビームを用いて同種類の材料を重ね合わせて接合する場合には、両方の材料を溶融させて接合するのが一般的であり、この際、接合面積を広げて継手強度の向上を図るために、溶接速度を遅くしたり高エネルギビームの出力を高くしたりして、入熱量を増やすようにしている。
【０００３】
一方、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合する場合には、同種類の材料を接合する場合と同様に両方の材料を溶融させてしまうと、接合界面に高硬度で脆弱な金属間化合物が生成されてしまい、十分な継手強度を得ることができないばかりか、入熱量をより増加させてしまうと、金属間化合物の厚みが増して継手強度が逆に低下してしまう。
【０００４】
そこで、溶接条件をコントロールして接合界面において一方の材料のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合するようになすと、金属間化合物層の厚さを薄くすることができ、両方の材料を溶融させた場合よりも接合部分の単位面積当たりの強度を高くすることができる。
【０００５】
レーザ等の高エネルギビームは、溶接条件を細かくコントロールし易いことから、一方の材料だけを溶かしたいような場合に適しており、従来において、異なる２種類の材料を高エネルギビームで重ね接合する際には、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、単に高エネルギビームの加工条件を制御して、一方の材料のみを溶融させることによって材料を拡散させて接合する工法がとられていた。
【非特許文献１】溶接学会全国大会講演概要集  第６１集  Ｐ３８０
【特許文献１】特開２００１−２５２７７７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、例えば、異なる２種類の材料としてアルミニウム合金とスチールとを重ね合わせて接合する場合、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されていることから、この酸化皮膜を除去するために、接合時において多くの熱量を投入する必要があり、その結果、接合界面の金属間化合物が成長して接合強度が低下してしまうとういう問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を少なく抑えて、継手強度の向上を実現することが可能である異種材料の接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料の間にこれらの２種類の材料とは異なる第３の材料を介在させ、第１の材料及び第２の材料のうちのいずれか一方の材料側に高エネルギビームをスポット状に照射して、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合する構成としたことを特徴としており、この異種材料の接合方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の異種材料の接合方法によれば、上記した構成としているので、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、低温状態で酸化皮膜を除去することができ、したがって、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができ、その結果、異なる２種類の材料同士を強固に接合することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の異種材料の接合方法において、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料にめっきされている材料を第３の材料とする構成を採用することができ、この場合には、第１の材料と第２の材料との間に第３の材料を挟み込む工程が省かれるので、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなる。
【００１１】
この際、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とする構成とすることができ、この場合には、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することが可能である。
【００１２】
また、本発明の異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板の亜鉛を鉄と合金化されていない非合金化亜鉛とする構成とすることができ、この場合には、接合界面における金属間化合物の生成を抑えつつ接合を行うことが可能であり、高い接合強度が得られることとなる。
【００１３】
さらに、本発明の異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板における接合面とは反対面に鉄と合金化した合金化亜鉛を形成する構成とすることができ、この場合には、高エネルギビームの反射を抑えて効率的に吸収し得ることとなって、低出力の高エネルギビームで接合することが可能となり、その結果、材料間の接合界面における金属間化合物の生成を抑えつつ接合を行うことが可能であり、高い接合強度が得られることとなる。
【００１４】
さらにまた、本発明の異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板における接合面とは反対面を非めっき面とする構成とすることができ、この場合には、高エネルギビームの反射を抑えて効率的に吸収し得ることとなって、低出力の高エネルギビームで接合することが可能となり、その結果、材料間の接合界面における金属間化合物の生成を抑えつつ接合を行うことが可能であり、高い接合強度が得られることとなる。
【００１５】
さらにまた、本発明の異種材料の接合方法では、高エネルギビームのスポット状をなす照射点の周囲に対して、第１の材料及び第２の材料同士を互いに圧接させる押圧力を加えつつ高エネルギビームを照射する構成とすることが可能であり、この構成を採用すると、第１の材料及び第２の材料の各接合部分同士が密着するので、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されている場合には、加熱膨張による材料の相対変位によって酸化皮膜の破壊が生じて共晶反応が促進され、低温状態で酸化皮膜が除去されることとなる。つまり、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、異なる２種類の材料同士を強固に接合させ得ることとなる。
【００１６】
さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、ディフォーカスさせた高エネルギビームを照射する構成や、高エネルギビームとして半導体レーザビームを用いる構成を採用することができ、この場合には、加熱範囲が広くなる分だけ接合面積が増大するうえ、接合部分全体の温度が均一になるので、高い接合強度が得られることとなる。
【００１７】
さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、第１の材料及び第２の材料のうちの高融点材料側に高エネルギビームを照射して、高融点材料からの熱伝導により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせる構成とすることができ、この構成を採用すると、接合界面において、高融点材料を溶融させずに低融点材料のみを溶融させることが可能であり、したがって、材料の拡散を利用して金属間化合物の生成を抑制しつつ接合させ得ることとなって、継手強度の向上が図られることとなる。
【００１８】
この際、第１の材料及び第２の材料のうちの低融点材料に抜熱手段を接触させた状態で、第１の材料及び第２の材料のうちの高融点材料側に高エネルギビームを照射する構成を採用することができ、この場合には、低融点材料の品質が安定したものとなる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２０】
この実施例では、高エネルギビームを用いて、高融点材料である亜鉛めっき鋼板（第１の材料）と低融点材料であるアルミニウム合金（第２の材料）との接合を行うに際して、第３の材料として亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用い、図３のＡｌ−Ｚｎ２元系状態図における共晶点Ｐを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応を生じさせて接合させた。
【００２１】
すなわち、図１に示すように、７５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさに切断した板厚が０．５５ｍｍの高融点材料としての亜鉛めっき鋼板（ＳＰＣＣ）１と、これと同じく７５ｍｍ×２０ｍｍ角の大きさに切断した板厚が１．０ｍｍの低融点材料としての６０００系アルミニウム合金２とを重ね寸法２０ｍｍ幅で重ね合わせ、亜鉛めっき鋼板１が図示上側になるようにしてベースプレート１０上に固定した後、亜鉛めっき鋼板１側から重ね合わせ部分のほぼ中央にＹＡＧレーザビーム３をスポット状に照射した。
【００２２】
この際、ＹＡＧレーザビーム３のスポット状をなす照射点４の周囲に対して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２同士を互いに圧接させる押圧力を加圧リング５を介して加えつつＹＡＧレーザビーム３を照射して、アルミニウム合金２と第３の材料である亜鉛層６との間の界面に共晶溶融を生じさせて亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２とを接合する。
【００２３】
ここで、ＹＡＧレーザの照射条件は、亜鉛めっき鋼板１が溶融せずにアルミニウム合金２のみが溶融するような温度分布となるように、ＹＡＧレーザビーム３の照射点４におけるスポット径φ，レーザ出力及び照射時間を設定する。
【００２４】
具体的には、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器及び焦点距離１００ｍｍのレンズを用い、亜鉛めっき鋼板１上において、照射点４のスポット径φが７ｍｍとなるようにビームをディフォーカスさせ、レーザ出力１．５ｋＷ、照射時間１．４秒として照射した。なお、ＹＡＧレーザビーム３の照射中は、レーザと同軸配置したノズル（図示省略）からアルゴンガスを２０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴出させてシールドした。
【００２５】
上記加圧リング５は、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２をベースプレート１０上に固定する押さえ治具を兼ねており、この加圧リング５とベースプレート１０とで亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を挟み込み、加圧リング５を図示しないボルトを用いてベースプレート１０に固定することで、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２の接合部分同士を密着させるようになっている。
【００２６】
次に、図２を用いて接合過程における接合界面の状態の変化を説明する。
【００２７】
対向させた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を重ね合わせ、接合部分の近傍を両者が互いに圧接する方向に加圧すると、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２の各接合部分同士が密着する。（図２（ａ），（ｂ））
【００２８】
この状態でＹＡＧレーザビーム３の照射すると、加熱膨張による材料の相対変位によってアルミニウム合金２の表面に形成されている酸化皮膜７の破壊部分７ａが生じ、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層６とアルミニウム合金２とが接触すると、接合時の温度に応じて両者の共晶溶融が生じる。（図２（ｃ））
【００２９】
そして、この共晶溶融が生じるのに伴って、酸化皮膜７及び接合界面の不純物８が接合部分の周囲に排出され、その結果、亜鉛層６とアルミニウム合金２との共晶金属層９及び残存した亜鉛層６を介して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２が接合される。（図２（ｄ），（ｅ））
【００３０】
上記した異種材料の接合方法では、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２にＹＡＧレーザビーム３を照射するに際して、ＹＡＧレーザビーム３のスポット状をなす照射点４の周囲に対して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２同士を互いに圧接させる押圧力を加圧リング５を介して加えるようにしているので、加熱膨張による材料の相対変位によって酸化皮膜７の破壊が生じて共晶反応が促進され、低温状態で酸化皮膜７が除去されることとなる。
【００３１】
つまり、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を強固に接合させ得ることとなる。
【００３２】
また、上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板１にめっきされている亜鉛層６を第３の材料としているので、例えば、鋼板とアルミニウム合金との間に第３の材料を挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなるうえ、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま用い得ることとなる。
【００３３】
さらに、上記した異種材料の接合方法では、ディフォーカスさせたＹＡＧレーザビーム３を照射するようにしているので、加熱範囲が広くなる分だけ接合面積が増大するうえ、接合部分全体の温度が均一になるので、高い接合強度が得られることとなる。なお、ディフォーカスさせたＹＡＧレーザビーム３に代えて、半導体レーザビームを照射するようにしてもよく、この場合も、ディフォーカスさせたＹＡＧレーザビーム３を用いる場合と同等の効果を得ることができる。
【００３４】
さらにまた、上記した異種材料の接合方法では、高融点材料である亜鉛めっき鋼板１側にＹＡＧレーザビーム３を照射して、この亜鉛めっき鋼板１からの熱伝導によりアルミニウム合金２と亜鉛層６との間の界面に共晶溶融を生じさせるようにしているので、接合界面において、亜鉛めっき鋼板１を融させずにアルミニウム合金２のみを溶融させることが可能であり、したがって、材料の拡散を利用して金属間化合物の生成を抑制しつつ接合させ得ることとなって、継手強度の向上が図られることとなる。
【００３５】
この際、低融点材料であるアルミニウム合金２に抜熱手段を接触させれば、アルミニウム合金２の品質が安定したものとなる。
【００３６】
図４は、本発明の他の実施例を示しており、この実施例では、亜鉛めっき鋼板として、溶融亜鉛めっきや電気亜鉛めっきを施して鉄と合金化されていない非合金化亜鉛層１１を一方の面に形成すると共に、合金化溶融亜鉛めっきを施して鉄と合金化した合金化亜鉛層１２を他方の面に形成した亜鉛めっき鋼板１３を用い、非合金化亜鉛層１１がアルミニウム合金２と接触するようにして（接合界面側に位置するようにして）、亜鉛めっき鋼板１３とアルミニウム合金２とを重ね合わせ、亜鉛めっき鋼板１３の合金化亜鉛層１２に対して、先の実施例と同様にしてＹＡＧレーザビーム３の照射を行って接合させた。
【００３７】
この実施例において、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層１１との界面に共晶溶融を生じさせて接合するようにしているが、合金化亜鉛層１２よりも非合金化亜鉛層１１の方が、より低温で確実に共晶反応が促進されることから、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層１１との接合界面において、金属間化合物の生成を抑制しながら接合し得ることとなり、その結果、継手部分の強度の向上が図られることとなる。
【００３８】
また、この実施例において、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛層１１は、ＹＡＧレーザビーム３の吸収率が低くて反射しやすく、一方、合金化亜鉛層１２は、ＹＡＧレーザビーム３の吸収率が高いことから、ＹＡＧレーザビーム３を効率的に吸収し得ることとなり、ビーム吸収剤を用いる必要がなくなる。
【００３９】
さらに、この実施例において、低出力のＹＡＧレーザビーム３を用いて接合し得ることから、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層１１との接合界面における金属間化合物の生成をより一層抑制し得ることとなり、したがって、継手部分の強度のさらなる向上が図られることとなる。
【００４０】
図５は、本発明のさらに他の実施例を示しており、この実施例では、亜鉛めっき鋼板として、例えば、溶融亜鉛めっきや電気亜鉛めっきを施して鉄と合金化されていない非合金化亜鉛層２１を一方の面に形成すると共に、他方の面を非めっき面２２とした亜鉛めっき鋼板２３を用い、非合金化亜鉛層２１がアルミニウム合金２と接触するようにして（接合界面側に位置するようにして）、亜鉛めっき鋼板２３とアルミニウム合金２とを重ね合わせ、亜鉛めっき鋼板２３の非めっき面２２に対して、先の実施例と同様にしてＹＡＧレーザビーム３の照射を行って接合させた。
【００４１】
この実施例において、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層２１との界面に共晶溶融を生じさせて接合するようにしているが、鉄と合金化されていない亜鉛層２１では、低温で確実に共晶反応が促進されることから、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層２１との接合界面において、金属間化合物の生成を抑制しながら接合し得ることとなり、その結果、継手部分の強度の向上が図られることとなる。
【００４２】
また、この実施例においても、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛層２１は、ＹＡＧレーザビーム３の吸収率が低くて反射しやすく、一方、非めっき面２２は、ＹＡＧレーザビーム３の吸収率が高いことから、ＹＡＧレーザビーム３を効率的に吸収し得ることとなり、ビーム吸収剤を用いる必要がなくなる。
【００４３】
さらに、この実施例においても、低出力のＹＡＧレーザビーム３を用いて接合し得ることから、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛層２１との接合界面における金属間化合物の生成をより一層抑制し得ることとなり、したがって、継手部分の強度のさらなる向上が図られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の異種材料の接合方法における一実施例を示す重ね合わせた異なる２種類の材料に対して高エネルギビームを照射している状態の側面説明図である。（実施例１）
【図２】図１に示す異種材料の接合過程における接合界面の状態の変化を説明する図（ａ）〜（ｅ）である。
【図３】Ａｌ−Ｚｎの２元系状態図である。
【図４】本発明の異種材料の接合方法における他の実施例を示す表裏面に異なる仕様の亜鉛めっきを形成した亜鉛めっき鋼板とこれに重ね合わせたアルミニウム合金に対してエネルギビームを照射している状態の側面説明図である。（実施例２）
【図５】本発明の異種材料の接合方法におけるさらに他の実施例を示す片面にのみ亜鉛めっきを形成した亜鉛めっき鋼板とこれに重ね合わせたアルミニウム合金に対してエネルギビームを照射している状態の側面説明図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００４５】
１，１３，２３   亜鉛めっき鋼板（第１の材料）
２   アルミニウム合金（第２の材料）
３   ＹＡＧレーザビーム（高エネルギビーム）
４   照射点
５   加圧リング
６   亜鉛層
１１，２１  鉄と合金化されていない非合金化亜鉛層
１２  鉄と合金化した合金化亜鉛層
２２  非めっき面
【図１】
2006198678.tif 000003
【図２】
2006198678.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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