(57)【要約】【課題】金属材料の開先加工や溶加材を必要としない異種金属の接合技術を提供することを目的とする。【解決手段】鉄系金属材料１０の端面１２とアルミニウム系金属材料２０の端面２２とを突き合せ、鉄系金属材料１０の端面１２近傍をレーザ溶接機４０により加熱することにより、鉄系金属材料１０の端面を溶融させるとともに鉄系金属材料１０からアルミニウム系金属材料２０へ伝わる熱によりアルミニウム系金属材料２０の端面を溶融させて、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０の突合せ部分に溶融部３０を形成することにより鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０とを接合する異種金属接合方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系金属材料と
アルミニウム系金属材料と、
前記鉄系金属材料の端面と前記アルミニウム系金属材料の端面とを突き合せた状態で、前記鉄系金属材料の端面近傍を加熱手段により加熱することにより前記鉄系金属材料と前記アルミニウム系金属材料の突合せ部分に形成された溶融部と、
を備えていることを特徴とする異種金属接合体。
【請求項２】
鉄系金属材料の端面とアルミニウム系金属材料の端面とを突き合せ、
前記鉄系金属材料の端面近傍を加熱手段により加熱することにより前記鉄系金属材料と前記アルミニウム系金属材料の突合せ部分に溶融部を形成する
ことにより前記鉄系金属材料と前記アルミニウム系金属材料とを接合する異種金属接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系金属とアルミニウム系金属などの異種金属材料を突合せ溶接にて接合した異種金属接合体及び異種金属接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料などの異種金属材料の突合せ溶接を行う場合、突合せ部を開先加工し、開先加工した部分に、ニッケル基合金などの溶加材を挿入して加熱し、異種金属同士を接合させる接合方法があった（例えば、引用文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０８０７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記従来の異種金属の接合方法では、接合前に金属材料の先端に開先加工をする必要があり、また、接合する金属材料の他に溶加材が必要となるなど、接合工程が煩雑であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、金属材料の開先加工や溶加材を必要としない異種金属の接合技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。なお、本欄における括弧内の参照符号や補足説明等は、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態との対応関係を示したものであって、本発明を何ら限定するものではない。
【０００７】
［適用例１］
本発明に係る異種金属接合体（１）は、
鉄系金属材料（１０）と、アルミニウム系金属材料（２０）と、前記鉄系金属材料（１０）の端面（１２）と前記アルミニウム系金属材料（２０）の端面（２２）とを突き合せた状態で、前記鉄系金属材料（１０）の端面（１２）近傍を加熱手段（４０）により加熱することにより前記鉄系金属材料（１０）と前記アルミニウム系金属材料（２０）の突合せ部分に形成された溶融部（３０）と、を備えていることを要旨とする。
【０００８】
このような異種金属接合体（１）では、鉄系金属材料（１０）の端面（１２）とアルミニウム系金属材料（２０）の端面（２２）とを突き合せた状態で、加熱手段（４０）により鉄系金属材料（１０）の端面（１２）近傍を加熱すると鉄系金属材料（１０）からアルミニウム系金属材料（２０）へ熱が伝導する。
【０００９】
すると、伝導した熱により鉄系金属材料（１０）の端面（１２）とアルミニウム系金属材料（２０）の端面（２２）とが溶融し溶融部（３０）が形成される。このようにして溶融部（３０）が形成されることにより、鉄系金属材料（１０）とアルミニウム系金属材料（２０）とが接合され、異種金属接合体（１）が形成される。
【００１０】
つまり、鉄系金属材料（１０）及びアルミニウム系金属材料（２０）に開先加工や溶加材を必要とせずに異種金属接合体（１）を形成することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］
また、本発明の異種金属接合方法は、鉄系金属材料（１０）の端面（１２）とアルミニウム系金属材料（２０）の端面（２２）とを突き合せ、前記鉄系金属材料（１０）の端面（１２）近傍を加熱手段（４０）により加熱することにより前記鉄系金属材料（１０）と前記アルミニウム系金属材料（２０）の突合せ部分に溶融部（３０）を形成することにより前記鉄系金属材料（１０）と前記アルミニウム系金属材料（２０）とを接合することを要旨とする。
【００１２】
このような異種金属接合方法によれば、適用例１に記載の異種金属接合体（１）での説明と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合時の様子を示す概念図である。
【図２】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース１）を示す図である。
【図３】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース２）を示す図である。
【図４】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース３）を示す図である。
【図５】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース４）を示す図である。
【図６】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース５）を示す図である。
【図７】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース６）を示す図である。
【図８】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース７）を示す図である。
【図９】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース８）を示す図である。
【図１０】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース９）を示す図である。
【図１１】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース１０）を示す図である。
【図１２】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース１１）を示す図である。
【図１３】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合後の試験結果（ケース１２）を示す図である。
【図１４】鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合結果を示す写真である。
【図１５】異種金属接合体の試験片の接合断面の拡大写真である。
【図１６】異種金属接合体の引張強さの結果を示す図である。
【図１７】異種金属接合体の引張試験における試験片の荷重と変位の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
【００１５】
図１は、本発明が適用された異種金属接合方法により鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０の接合時の様子を示す概念図である。
【００１６】
図１に示すように、加熱手段４０として、固体レーザ発振器を用いたレーザ溶接機４０を用いる。レーザ溶接機４０は、レーザ発振器４２から発振されるレーザ光を集光レンズ４４で集光し、接合箇所に照射する。
【００１７】
本実施形態では、レーザ溶接機４０のレーザ発振器４２として、固体レーザを用いているが、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、気体レーザあるいは液体レーザなどを用いてもよい。
【００１８】
接合する材料としては、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０を用い、図１に示すように、板状に形成した鉄系金属材料１０の一端面と板状に形成したアルミニウム系金属材料の一端面とを突合せる。そして、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０の突合せ部分の近傍の鉄系金属材料１０側に、レーザ溶接機４０からレーザ光を照射する。
【００１９】
ここで、「突合せ部分の近傍の鉄系金属材料１０側」とは、鉄製金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０とを突合せてレーザ溶接機４０で加熱した場合に、鉄系金属製材料１０の端面が溶融し、かつ、鉄系金属材料１０からアルミニウム系金属材料２０に伝わる熱によりアルミニウム系金属材料２０が溶融するために必要となる、鉄系金属材料１０の端面からの位置を意味している。
【００２０】
なお、本実施形態では、鉄系金属材料１０として、ＳＰＨＣ：熱間圧延鋼板、ＳＰＣＣ：冷間圧延鋼板、ＳＰＦＨ：自動車用熱間圧延高張力鋼板、ＳＰＦＣ：自動車用加工性冷間圧延高張力鋼を用い、アルミニウム系金属材料２０として、Ａ５０５２：アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、Ａ１０５０：純アルミニウム、Ａ６０６１：アルミニウム合金(Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）を用いている。
【００２１】
このように鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０との突合せ部分の近傍の鉄系金属材料１０側にレーザ光を照射すると、鉄系金属材料１０が加熱され、加熱された際の熱が鉄系金属材料１０側からアルミニウム系金属材料２０側に伝わる。
【００２２】
そして、突合せ部分で鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０が溶融し、鉄系金属とアルミニウム系金属によって溶融部３０が形成され、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０とが接合されて異種金属接合体１が形成される。
【００２３】
実際に、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０の接合を行う場合の条件（パラメータ）として、レーザ出力：Ｘ［Ｗ］、レーザ光の移動速度：Ｙ［ｍ／ｓ］、Ｖ、レーザ光の照射周波数（単位時間当たりの照射パルス数）：Ｚ［Ｈｚ］、レーザ照射口と鉄系金属材料１０の表面との間の距離：ｄ［ｍｍ］、窒素ガスなどの不活性ガスのガス流量：Ｑ［ｌ／ｍｉｎ］となる。
【００２４】
（実際の接合例）
図２〜図１３に、実際接合を行った際の試験条件と試験結果を示す。図２〜図１３は、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０の接合後の試験結果（ケース１~ケース１２）を示す図である。各試験ケースにおいて使用した鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０を以下の（１）〜（１２）に示す。
【００２５】
（１）ケース１(図２参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：１．５［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ５０５２、板厚ｔａ：１．５［ｍｍ］
【００２６】
（２）ケース２(図３参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ５０５２、板厚ｔａ：１．５［ｍｍ］
【００２７】
（３）ケース３(図４参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ１０５０、板厚ｔａ：１．５［ｍｍ］
【００２８】
（４）ケース４(図５参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ５０５２、板厚ｔａ：１．５［ｍｍ］
【００２９】
（５）ケース５(図６参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：１．５［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ１０５０、板厚ｔａ：０．８［ｍｍ］
【００３０】
（６）ケース６(図７参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＨＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ１０５０、板厚ｔａ：０．８［ｍｍ］
【００３１】
（７）ケース７(図８参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＣＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ６０６１、板厚ｔａ：１．６［ｍｍ］
【００３２】
（８）ケース８(図９参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＣＣ、板厚ｔｉ：０．４［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ１０５０、板厚ｔａ：０．４［ｍｍ］
【００３３】
（９）ケース９(図１０参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＦＨ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ１０５０、板厚ｔａ：０．４［ｍｍ］
【００３４】
（１０）ケース１０(図１１参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＦＨ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ５０５２、板厚ｔａ：１．５［ｍｍ］
【００３５】
（１１）ケース１１(図１２参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＦＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ６０６１、板厚ｔａ：１．６［ｍｍ］
【００３６】
（１２）ケース１２(図１３参照）
・鉄系金属材料１０：ＳＰＦＣ、板厚ｔｉ：０．８［ｍｍ］
・アルミニウム系金属材料２０：Ａ６０６１、板厚ｔａ：４．０［ｍｍ］
【００３７】
図２〜図１３に示すように、いずれの試験ケースにおいても、レーザ溶接機４０のレーザ照射口と鉄系金属材料１０の表面との間の距離ｄが一定以下であれば良好な溶着状態を得ることができていることが分かる。
【００３８】
また、図１４に、鉄系金属材料とアルミニウム系金属材料の接合結果を写真で示す。図１４（ａ）〜図１４（ｄ）のいずれの場合も鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０との突合せ部分に溶融部３０が形成され、鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０が接合されていることが目視にて確認できる。
【００３９】
また、図１５にＡ１０５０（純アルミニウム：図１５中に「Ａ］で示す））とＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板：図１５中に「Ｂ」で示す）とを接合して形成した異種金属接合体１の２つの試験片の接合断面の拡大写真（拡大率１０倍）を示す。
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、いずれの試験片においても、異種金属が良好な溶け込み状態を示しており、溶接が良好に行われていることが分かる。
【００４０】
次に、図１６及び図１７に基づき、異種金属接合体１の引張試験結果について説明する。図１６は、引張強さの結果を示す図であり、図１７は、引張試験における試験片の荷重と変位の関係を示す図である。
【００４１】
引張試験においては、異種金属接合体１として、Ａ１０５０（純アルミニウム）とＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）とを接合して形成した異種金属接合体１を用い、引張試験は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１２１（突合せ溶接継手の引張試験方法）により行った。
【００４２】
図１６及び図１７に示すように、板厚：１．５［ｍｍ］、幅：１２．５［ｍｍ］、断面積：１８．７５［ｍｍ２］の試験片５つ（試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５）に対し、引張試験を行い、最大試験力：１．０９０〜１．３０１［ｋＮ］、引っ張り強さ５８．１〜６９．４［Ｎ／ｍｍ２］が得られており、十分な強度を有するものとなっている。
【００４３】
また、図１７に示すように、いずれの試験片においても荷重１１４０［Ｎ］以上の破壊強度を有しているものとなっている。
【００４４】
（異種金属接合方法の特徴）
以上のような異種金属接合方法によれば、レーザ溶接機４０などの加熱手段により鉄系金属材料１０を加熱すると、その熱が鉄系金属材料１０に突き合されているアルミニウム系金属材料２０に伝わり、鉄系金属材料１０の端面部分とアルミニウム系金属材料２０の端面部分とが溶融して溶融部３０が形成される。
【００４５】
このようにして溶融部３０が形成されることにより鉄系金属材料１０とアルミニウム系金属材料２０とが接合され、異種金属接合体１を得ることができる。
このとき、鉄系金属材料１０及びアルミニウム系金属材料２０の突合せ部分に開先加工を施す必要がなく、また、溶加材なども必要としない。つまり、非常に簡易な方法で異種金属接合体を得ることができる。
【００４６】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【００４７】
（１）上記実施形態では、加熱方法としてレーザ溶接を用いたが、鉄系金属材料１０の端部を加熱できればよいため、レーザ溶接の代わりに、アーク溶接、電子ビーム溶接、光ビーム溶接、テルミット溶接などの溶接方法を用いてもよい。
【００４８】
（２）上記実施形態では、接合する鉄系金属材料１０及びアルミニウム系金属材料２０を板状に形成していたが、断面形状が円形や楕円形の棒材であってもよい。また、断面形状が円形、楕円形あるいは矩形の中空材であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１… 異種金属接合体  １０… 鉄系金属材料  １２… 端面  ２０… アルミニウム系金属材料  ２２… 端面  ３０… 溶融部  ４０… レーザ溶接機  ４２… レーザ発振器  ４４… 集光レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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