(57)【要約】【課題】互いに接合する異種金属材料が、自動車用薄板材料のような複雑な形状であっても、固相接合を適用できるようにする。【解決手段】アルミニウム合金からなる薄板Ｗ１と、亜鉛メッキ鋼板からなる薄板Ｗ２　とで構成する２枚の異種金属薄板を、下型３上にセットし、上型７を規定の加圧力にて加圧して薄板Ｗ１，Ｗ２同士を固相接合する。このとき、加熱用ヒータ９，１１で接合部界面温度が規定温度となるよう加熱する。上型７の加圧面は平面もしくは凸曲面で、下型３の加圧面は平面である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わせた亜鉛メッキ鋼板およびアルミニウム合金からなる２枚の異種金属薄板を、両側から加圧して固相接合する一対の金型を備え、前記亜鉛メッキ鋼板側の金型の加圧面を凸曲面または平面とする一方、前記アルミニウム側の金型の加圧面を平面とすることを特徴とする請求項１記載の異種金属薄板の固相接合装置。
【請求項２】
前記凸曲面の基端部から先端部までの高さ寸法を、前記２枚の異種金属薄板の各板厚を合わせた総板厚の２０％以下としたことを特徴とする請求項１記載の異種金属薄板の固相接合装置。
【請求項３】
前記凸曲面は、球面形状であることを特徴とする請求項１または２記載の異種金属薄板の固相接合装置。
【請求項４】
前記凸曲面は、円筒面形状であることを特徴とする請求項１または２記載の異種金属薄板の固相接合装置。
【請求項５】
前記一対の金型に、前記２枚の異種金属薄板を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の異種金属薄板の固相接合装置。
【請求項６】
互いに重ね合わせた亜鉛メッキ鋼板およびアルミニウム合金からなる２枚の異種金属薄板を、前記亜鉛メッキ鋼板側の金型の加圧面を凸曲面または平面とする一方、前記アルミニウム側の金型の加圧面を平面とする一対の金型により、両側から加圧して固相接合することを特徴とする異種金属薄板の固相接合方法。
【請求項７】
前記一対の金型による加圧力を３０ＭＰａ〜１３０ＭＰａとするとともに、接合部界面温度が３２０℃〜６５０℃となるよう加熱することを特徴とする請求項６記載の異種金属薄板の固相接合方法。
【請求項８】
不活性ガス雰囲気内で前記加圧および加熱を行うことを特徴とする請求項７記載の異種金属薄板の固相接合方法。
【請求項９】
前記不活性ガスは、ガス吐出手段を用いて前記異種金属鋼板に向けて吐出することを特徴とする請求項８記載の異種金属薄板の固相接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、互いに重ね合わせた２枚の異種金属薄板を固相接合により接合する異種金属薄板の固相接合装置および固相接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄とアルミニウムなどの異種金属材料同士を接合する際に、溶接を行うと、接合部界面に金属間化合物が生成し、充分な接合強度が得られないことは広く知られている。
【０００３】
このような異種金属材料同士の接合に際し、所定の接合強度を確保できる接合方法として、固相接合方法がある。これは、例えば非特許文献１に記載されている。ここでは、先端をテーパ状に機械加工した鉄パイプに亜鉛を電気メッキし、この鉄パイプをアルミニウムパイプ内に挿入した状態で所定の温度まで加熱し、さらに押し込むことで、固相接合を行っている。
【０００４】
【非特許文献１】
溶接学会論文集　第１８巻　第４号　Ｐ．５７２〜５７９（２０００）
「亜鉛メッキによる鉄パイプとアルミニウムパイプの接合」
【０００５】
上記した固相接合のメカニズムとしては、鉄パイプとアルミニウムパイプとが、ＺｎとＡｌの共晶温度３８０℃程度に加熱され、鉄パイプ挿入時に、アルミニウムパイプが擦られて両パイプの新生面同士が接触し、ＡｌとＺｎとが反応して共晶液体が形成される。この共晶液体により、Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅの拡散反応が促進されて接合がなされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、互いに接合する異種金属材料として、薄板を用いる場合には、圧延ローラにて加圧する方法があるが、薄板として自動車用材料のような複雑な３次元曲面形状を呈するものでは、圧延ローラを用いた固相接合方法の適用が困難である。
【０００７】
そこで、この発明は、互いに接合する異種金属材料が、自動車用薄板材料のような複雑な形状を呈するものであっても、固相接合を適用できるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、互いに重ね合わせた亜鉛メッキ鋼板およびアルミニウム合金からなる２枚の異種金属薄板を、両側から加圧して固相接合する一対の金型を備え、前記亜鉛メッキ鋼板側の金型の加圧面を凸曲面または平面とする一方、前記アルミニウム側の金型の加圧面を平面とする構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、互いに重ね合わせた２枚の異種金属薄板を、一対の金型により両側から加圧することで、薄板として自動車用材料のような複雑な３次元曲面形状を呈するものについても、圧延ローラを用いていないことから、固相接合方法を適用することができる。また、亜鉛メッキ鋼板側の金型の加圧面を凸曲面とすることで、接合部界面のアルミニウム表面にある酸化皮膜を容易に破壊し、新生面を確実に露出させることができ、接合強度を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、この発明の実施の一形態を示す異種金属薄板の固相接合装置の側面断面図である。フレーム１の下壁１ａ上には下型３を設置し、同上壁１ｂの下面には、油圧シリンダ５を介して上型７を設置してある。この上型７は、油圧シリンダ５の駆動により、下型３に対して接近離反する方向に移動可能である。上記した下型３と上型７とで一対の金型を構成している。
【００１２】
そして、下型３上にセットするワークＷは、互いに重ね合わせた２枚の異種金属薄板である薄板Ｗ１と薄板Ｗ２とからなる。下側の薄板Ｗ１はアルミニウム合金製で、上側の薄板Ｗ２は亜鉛メッキ鋼板であり、板厚はいずれも３ｍｍ以下である。亜鉛メッキ鋼板のメッキ膜厚は、２０μｍ以上とする。
【００１３】
また、上記した下型３および上型７には、ワークＷを加熱する加熱手段としての加熱用ヒータ９および１１をそれぞれ埋め込んである。さらに、フレーム１には、ワークＷに向けてシールドガス（Ｎ２，Ａｒガスなど）を吐出するガス吐出ノズル１３を設けてある。
【００１４】
なお、加熱手段として、ヒータ９，１１などの発熱体からワークＷへ伝熱する間接加熱のほか、誘導加熱などによる直接加熱を用いてもよい。
【００１５】
下型３は、図２に斜視図として示すように、全体としてほぼ立方体形状であり、ワークＷがセットされる図１中で上面の加圧面が平面３ａとなっている。一方上型７は、図３に示すように、全体としてほぼ立方体形状を呈しているが、ワークＷに対応する図１中で下面の加圧面が、同図（ａ）のように円筒面７ａか、もしくは同図（ｂ）のように球面７ｂとなるよう、凸曲面を構成している。なお、上型７の加圧面の形状は、上記した円筒面７ａや球面７ｂに代えて、下型３と同様に平面としてもよい。
【００１６】
ここで、図４に示すように、上記した上型７の凸曲面となる円筒面７ａや球面７ｂにおける基端部Ｐから先端部である頂点Ｑまでの高さＨは、薄板Ｗ１と薄板Ｗ２の各板厚を合わせた総板厚Ｔの２０％以下としてある。
【００１７】
次に、作用を説明する。図１に示すように、下型３上に、下部側が薄板Ｗ１，上部側が薄板Ｗ２となるよう、これら２枚の薄板Ｗ１と薄板Ｗ２とを互いに重ね合わせた状態でセットする。この状態で油圧シリンダ５を駆動して上型７を下降させ、この上型７と下型３とでワークＷを規定の加圧力にて上下両側から加圧する。
【００１８】
このとき、加熱用ヒータ９，１１を作動させてワークＷを規定の温度になるまで加熱するとともに、ガス吐出手段としてのガス吐出ノズル１３から、１分間に１０リットル程度の量の不活性ガスであるシールドガスを、ワークＷに向けて吐出して、不活性ガス雰囲気内で接合を行って酸化の促進を防止し、接合強度の低下およびバラツキを抑制する。
【００１９】
上記した加圧力は、３０ＭＰａ〜１３０ＭＰａの範囲とし、加熱温度としては、接合部界面温度が３２０℃〜６５０℃の範囲とするのがよい。ただし、それぞれの接合加圧力に最も適した接合部界面温度の範囲が存在する。
【００２０】
図６は、上記した固相接合による接合メカニズムを示している。すなわち、加圧時に、両者の新生面同士が接触し、薄板Ｗ１のＡｌと薄板Ｗ２のＺｎとが反応して共晶液体相１５が形成される。この共晶液体相１５により、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ相１７の拡散反応が促進されて接合がなされる。
【００２１】
上記した接合条件（加圧力や加熱温度）を決定する上で、接合強度の要求値を次のように決めている。ここでの接合強度の要求値は、アルミニウム合金の板厚２．０ｍｍ同士のスポット溶接部引張りせん断荷重の要求値（２ｋＮ以上）で代用し、実用的な強度範囲が得られることを前提とした。
【００２２】
また、図７に示すように、接合圧力（加圧力）が約５５ＭＰａで、接合部界面温度がＡｌとＺｎの共晶液体ができる３８０℃近傍の３７０℃〜４２０℃の範囲で接合したテストピースの引張りせん断試験の結果、引張りせん断荷重が約４．４ｋＮを越えた時点で、亜鉛メッキ鋼板側の母材が破断した。
【００２３】
上記した図７は、接合圧力が１６．６７ＰＭａ，３３．３６ＰＭａ，４４．４７ＰＭａ，５５．５８ＰＭａ，８８．９４ＰＭａ，１３３．４１ＰＭａについてそれぞれの引張りせん断荷重を示したもので、これによれば、上記した２ｋＮ以上の引張りせん断荷重の要求値が得られる接合圧力は、３０ＭＰａから１３０ＭＰａで、加熱温度は、３２０°〜４５０°となる。
【００２４】
加熱時間を除く接合時間は、ＡｌとＺｎの共晶液体による接合メカニズムにより、図８に示すように、１０秒程度であっても、引張りせん断荷重が４．０ｋＮを越えた時点で、亜鉛メッキ鋼板側の母材が破断しているので、充分な接合強度が得られる。
【００２５】
なお、上記実験に使用した亜鉛メッキ鋼板の板厚は０．８ｍｍ、アルミニウム合金の板厚は２．０ｍｍであり、亜鉛メッキ鋼板のメッキ膜厚は、２０μｍ以上である。
【００２６】
表１は、各種亜鉛メッキ鋼板と各種アルミニウム合金との組合せによる、破断が発生したときの引張りせん断荷重を示している。これによれば、ＮＯ．１の合金化溶融亜鉛メッキ鋼板と押出し形材６０６３−Ｔ５との組み合わせで、シールドガスなしの場合が、０．９ｋＮの引張りせん断荷重で接合部にて破断が発生しており、必要強度として引張りせん断荷重が２．０ｋＮ以上を確保できていない。その他の組合せで、シールガスありとした場合には、必要強度として引張りせん断荷重が２．０ｋＮ以上を確保できている。
【００２７】
【表１】
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なお、ここでの下型３および上型７の加圧面の形状は１６ｍｍ×１６ｍｍの正方形で、上型７の加圧面は半径１００ｍｍの球面としてある。
【００２８】
上記した実施形態によれば、互いに重ね合わせた２枚の異種金属薄板Ｗ１，Ｗ２を、一対の金型３，７により両側から加圧することで、薄板Ｗ１，Ｗ２として自動車用材料のような複雑な３次元曲面形状を呈するものについても、圧延ローラを用いていないことから、固相接合方法を適用することができる。
【００２９】
また、亜鉛メッキ鋼板側の上型７を、円筒面７ａや球面７ｂからなる凸曲面とすることで、接合部界面のアルミニウム表面にある酸化皮膜を容易に破壊して、新生面を確実に露出させることができ、接合強度を向上させることができる。このとき、破壊した酸化皮膜は、図４に示してある頂点Ｑから基端部Ｐに向けて凸曲面に沿って排出しやすくなる。
【００３０】
上型７の加圧面を平面や円筒面７ａとした場合には、一度に長い接合部を得るのに適している。すなわち、接合部長さがなくなるように加圧面を長くする。また、上型７の加圧面を球面７ｂとした場合には、スポット溶接と同様な接合が可能なため、ワークＷの３次元曲面形状への追従性がより高まる。
【００３１】
このような上型７の加圧面形状を、適宜使い分けることにより、１点ずつ接合することも、複数点を同時に接合することも可能である。
【００３２】
さらに、凸曲面の基端部Ｐから先端部の頂点Ｑまでの高さ寸法Ｈを、２枚の薄板Ｗ１，Ｗ２の各板厚を合わせた総板厚Ｔの２０％以下とすることで、アルミニウム合金（Ｗ１）の板厚が局部的に低減しすぎることなく接合でき、これにより接合部の加圧面全体が均一に密着して接合強度が向上する。
【００３３】
また、加圧力として３０ＭＰａ〜１３０ＭＰａの範囲とすることで、板厚減少による強度低下および母材の変形を抑制することができる。さらに、加熱温度としては、接合部界面温度を３２０℃〜４５０℃の範囲とすることで、熱影響による母材の強度低下を防止することができる。
【００３４】
また、薄板Ｗ１のＡｌと薄板Ｗ２のＺｎとが反応して形成される共晶液体相１５により、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ相１７の拡散反応が促進されるため、接合時間が短縮化し、コスト低下を図ることができる。
【００３５】
図９は、本装置を、プレス型に組み込んだ例を示している。プレス下型１９は、中央部に凹部１９ａを備え、その周囲の加圧部１９ｂの上面の加圧面が平面１９ｃとなっている。この平面１９ｃ上に、ワークＷをセットする。ワークＷは、互いに重ね合わせた２枚の異種金属薄板である薄板Ｗ１と薄板Ｗ２とで構成され、下側の薄板Ｗ１はアルミニウム合金で、上側の薄板Ｗ２は亜鉛メッキ鋼板である。
【００３６】
一方、プレス上型２１は、中央に形成した凹部２１ａの周囲の前記平面１９ｃに対向する位置に、前記した加圧部１９ｂとで一対の金型を構成する可動型２３を設置してある。この可動型２３は、プレス上型２１に形成した可動孔２１ｂ内を上下動可能であり、ワークＷに対向する面が、前記図３に示した円筒面７ａや球面７ｂと同様な凸曲面２３ａとなっている。この例においても、凸曲面２３ａに代えて平面としてもよい。
【００３７】
可動型２３は、全体としてほぼ立方体形状とした状態で、凹部２１ａの周囲に複数設けてもよく、環状の連続したものとしてもよい。環状とした場合には、可動型２３の加圧面は、円筒面か平面となる。
【００３８】
一方、図１０は、前記図９における可動型２３に代えて、プレス上型２１０の平面１９ｃに対向する下面に、所定のＲ形状を備えた凸曲面２１０ａを形成してある。
【００３９】
凸曲面２１０ａは、球面状として凹部２１０ｂの周囲に複数設けるか、あるいは円筒面形状として環状の連続したものとしてもよい。
【００４０】
上記した図９および図１０に示すように、本装置を、プレス型に組み込み一体化することで、かなり大きな部品単位で接合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す異種金属薄板の固相接合装置の断面図である。
【図２】図１の固相接合装置における下型の斜視図である。
【図３】図１の固相接合装置における上型の斜視図で、（ａ）は加圧面が円筒面、（ｂ）は加圧面が球面である。
【図４】上型の凸曲面の形状を説明するための上型の側面図である。
【図５】２枚の異種金属薄板を合わせた総板厚を示すワークの断面図である。
【図６】固相接合による接合メカニズムを示す断面図である。
【図７】各接合圧力についての接合部界面温度と引張りせん断荷重との相関図である。
【図８】各接合時間についての接合部界面温度と引張りせん断荷重との相関図である。
【図９】本装置を、プレス型に組み込んだ例を示す断面図である。
【図１０】本装置を、プレス型に組み込んだ他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｗ１，Ｗ２　２枚の異種金属薄板
３　下型（一対の金型）
３ａ　平面
７　上型（一対の金型）
７ａ　円筒面（凸曲面）
７ｂ　球面（凸曲面）
９，１１　加熱用ヒータ（加熱手段）
１３　ガス吐出ノズル（ガス吐出手段）
１９ｂ　加圧部（一対の金型）
１９ｃ　平面
２３　可動型（一対の金型）
２３ａ，２１０ａ　凸曲面
Ｐ　基端部
Ｑ　頂点（先端部）
Ｈ　基端部から先端部までの高さ寸法
Ｔ　２枚の薄板の総板厚
【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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