(57)【要約】【課題】アルミニウム部材２ａと鉄鋼部材２ｂとの異種材料の接合において、アーク溶接を使用して脆弱な厚い金属間化合物層を形成することなく健全な接合部を効率よく得ること。【解決手段】本発明は、少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤ１とし、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材２ａと亜鉛メッキ又はアルミニウムメッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキを表面に施した鉄鋼部材２ｂとをパルスＭＩＧ溶接によって接合し、前記アルミニウム部材２ａ側の接合部は溶融させて接合し、前記鉄鋼部材２ｂ側の接合部は溶融させないで薄い金属間化合物層を形成して接合するアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤとし、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と亜鉛メッキ又はアルミニウムメッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキを表面に施した鉄鋼部材とをパルスＭＩＧ溶接によって接合し、前記アルミニウム部材側の接合部は溶融させて接合し、前記鉄鋼部材側の接合部は溶融させないで薄い金属間化合物層を形成して接合することを特徴とするアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【請求項２】
前記鉄鋼部材を下板とし前記アルミニウム部材を上板として重ね継手を形成し、前記アルミニウム部材の板厚が３ｍｍ以上であり、かつ、前記アルミニウム部材の接合部に開先を形成することを特徴とする請求項１記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【請求項３】
前記パルスＭＩＧ溶接におけるピーク電流の立上り及び／又は立下りに傾斜を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【請求項４】
前記パルスＭＩＧ溶接が交流パルスＭＩＧ溶接であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【請求項５】
前記パルスＭＩＧ溶接が、交流パルスＭＩＧ溶接の溶接部にレーザを照射するレーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム部材と鉄鋼部材との異種材料をアーク溶接によって接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車ボデイの軽量化が進む中で、トランク、エンジンブロック等の比較的強度要求の緩やかな部分には軽量化のためにアルミニウム材を用い、乗車部等の安全上強度が要求される部分には高張力鋼等の強度鋼材を用いて自動車の部位ごとに適用材質を使い分けることが実施されつつある。この場合、アルミニウム部材と鉄鋼部材との境界部の接合が避けられなくなり、現状ではボルト締め、リベット等の機械的接合が実施されている。
【０００３】
しかし、上述したボルト締めでは、ボルト締めのための穴あけ加工が必要な上、ボルト締めに多くの作業時間がかかるために、生産性が低くなり生産コストが高くなるという問題がある。また、上述したリベット接合についても接合に多くの作業時間がかかり生産性が低くなり生産コストが高くなるのは上記のボルト締めと同様であるが、それに加えてリベット接合は薄板同士の接合には適用できるが、部材がアルミニウム鋳物、厚板等であるときには適用することができないという制約がある。
【０００４】
アルミニウム部材と鉄鋼部材との接合において、上述した機械的接合ではなくアーク溶接、レーザ溶接等の溶融溶接を適用すれば生産性は高くなる。しかし、溶融溶接ではアルミニウム部材と鉄鋼部材との溶接部に厚い金属間化合物層が形成され、この厚い金属間化合物層は脆弱であるために溶接割れ等が発生して溶接部の強度が劣化するという大きな問題があることが知られている。そのために、アルミニウム部材と鉄鋼部材との接合において、アーク溶接等の溶融溶接が使用されることはなかった。
【０００５】
［従来技術１］
上記の問題を解決するための従来技術１として、特許文献１に記載する溶融溶接方法が提案されている。この従来技術１は、図１０に示すように、互いに溶融して金属間化合物を形成する異種材料を溶融溶接する方法において、継手部分に突合せ部２ｄと重ね部２ｆとを形成するようにした第１の部材２ａ（アルミニウム部材）と第１の部材２ａよりも融点の高い第２の部材２ｂ（鉄鋼部材）とを組合わせる工程と、第２の部材２ｂ側を溶融２ｃさせ、突合せ部２ｄ及び重ね部２ｆの接合部に関して、第２の部材２ｂ側からの熱伝導で第１の部材２ａ側の接合部のみを溶融２ｅ、２ｇさせ、実質的に第２の部材２ｂ側の接合部を溶融させない、突合せ溶接及び重ね溶接をおこなう工程とを備えた溶融溶接方法である。
【０００６】
しかし，この従来技術１では、融点の低い第１の部材２ａ（アルミニウム部材）側にＬ形の開先を形成する必要があるために、加工が複雑になり生産性が低下する。さらに、この従来技術１では、高融点の第２の部材２ｂ（鉄鋼部材）側の溶融個所２ｃから熱伝導によって低融点の第１の部材２ａ（アルミニウム部材）側のみを溶融させる必要がある。このためには、両部材の熱伝導状態を厳密に管理した上で、溶融個所２ｃからの入熱量を高精度に制御しなければならない。しかし、アーク熱源のようにエネルギー密度が低い熱源では、所望の入熱量を所定個所に高精度に付与することは極めて困難である。
【０００７】
［従来技術２］
また、従来技術２として、発明者らによる先願発明（特願２００２−０１０１２６）のアルミニウムと鉄鋼の接合方法では、図１１に示すように、フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム、酸化アルミニウム等を主成分としたフラックス１ａをアルミニウム材１ｂで被覆したフラックス入りワイヤを溶加材として鉄鋼材とアルミニウム材とをアーク熱によって接合する。この接合方法では、接合部に脆弱な金属間化合物を形成することなく強度劣化のない健全な接合部を得ることができる。しかし、この接合方法では、図１２に示すように、溶加材のフラックスがスラグ３ａとなって溶着金属３の表面を覆うことになる。このために、健全な接合部が得られるもののスラグ３ａの除去作業が必要となり、生産性を低下させる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−４７２４４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム部材と鉄鋼部材との異種材料の接合において、機械的接合よりも生産性が高く、アルミニウム鋳物又は厚板の接合にも適用することができ、接合装置のコスト、ランニングコスト等が安価で接合装置等の取り扱いも容易なアーク溶接を熱源として使用することができ、スラグの除去作業が不要であり、脆弱な厚い金属間化合物層が存在しない健全な接合部を形成することができる、アルミニウムと鉄鋼の接合方法を提供することが、解決すべき課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤとし、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と亜鉛メッキ又はアルミニウムメッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキを表面に施した鉄鋼部材とをパルスＭＩＧ溶接によって接合し、前記アルミニウム部材側の接合部は溶融させて接合し、前記鉄鋼部材側の接合部は溶融させないで薄い金属間化合物層を形成して接合することを特徴とするアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、前記鉄鋼部材を下板とし前記アルミニウム部材を上板として重ね継手を形成し、前記アルミニウム部材の板厚が３ｍｍ以上であり、かつ、前記アルミニウム部材の接合部に開先を形成することを特徴とする請求項１記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【００１２】
請求項３の発明は、前記パルスＭＩＧ溶接におけるピーク電流の立上り及び／又は立下りに傾斜を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【００１３】
請求項４の発明は、前記パルスＭＩＧ溶接が交流パルスＭＩＧ溶接であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【００１４】
請求項５の発明は、前記パルスＭＩＧ溶接が、交流パルスＭＩＧ溶接の溶接部にレーザを照射するレーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１を示す接合部の模式図である。溶接ワイヤ１には、少なくともシリコンＳｉを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを使用する。この溶接ワイヤ１は、溶接トーチ５を通って母材へと送給される。アルミニウム部材２ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金製の部材である。鉄鋼部材２ｂは、亜鉛メッキ又はアルミニウムメッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキを表面に施した鉄鋼部材である。アーク４を発生させる溶接法には、パルスＭＩＧ溶接を使用する。
【００１６】
アーク４によって溶接ワイヤ１が溶融して溶融金属３ｂを形成する。同時に、アルミニウム部材２ａも溶融して接合する。一方、鉄鋼部材２ｂは、表面に亜鉛メッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキが施されている場合には、アルミニウムと亜鉛とによって共晶化合物層３ｃを形成する。この共晶化合物層３ｃが中間体となって鉄鋼部材２ｂの表面を覆うために、鉄鋼表面にアーク４が直接触れないので、鉄鋼への入熱はこの中間体を介して間接的になる。この結果、鉄鋼部材２ｂの接合部は溶融しないで共晶化合物層３ｃと鉄鋼との接合部に数μｍの薄い金属間化合物層を形成して接合する。すなわち、アルミニウム部材２ａ側の接合部は溶融されて接合し、鉄鋼部材２ｂ側の接合部は溶融されないで薄い金属間化合物層を形成して接合する。
【００１７】
上記において、鉄鋼部材２ｂにアルミニウムメッキが施されている場合には、上記の共晶化合物層３ｃは形成されないが、表面のアルミニウムメッキが溶融して鉄鋼表面を覆うために、上記のときと同様に入熱が間接的になる。このために、上記のときと同様に健全な接合部を得ることができる。また、パルスＭＩＧ溶接を使用する理由は、以下のとおりである。すなわち、パルスではない通常のＭＩＧ溶接では、短絡を伴って溶滴移行が行われる。このために、通常のＭＩＧ溶接のアーク形状は、パルスＭＩＧ溶接のアーク形状と比べて、アークの広がりの小さな集中した形状となることが多い。アーク形状の広がりが小さいと、入熱が狭い範囲に集中することになり、鉄鋼部材の接合部が局部的に溶融して厚い金属間化合物層を形成することになる。金属間化合物層が厚くなると、脆弱な接合部となり溶接割れが発生する。したがって、アークの広がりが大きく短絡移行でないパルスＭＩＧ溶接を使用することが必要である。
【００１８】
アルミニウム合金製の溶接ワイヤ１にシリコンを添加する理由は、ワイヤの溶融と共にシリコンも母材へと移行し、溶融池界面に浸透してアーク４の熱によって高温となり、溶融金属３ｂのぬれ性を良くし接着性を向上させるためである。
図２は、シリコンＳｉ成分比率及び溶接入熱量を種々に変化させて上述した実施の形態１のアルミニウムと鉄鋼の接合を行い、健全な接合部が形成された範囲を示す図である。溶接入熱量は、溶接電流×溶接電圧／溶接速度によって算出されるので、これらの溶接条件を種々に変化させて溶接入熱量を算出して整理したものである。
【００１９】
同図に示すように、Ｓｉ成分比率が３ｗｔ％未満になると、ぬれ性が悪くなるために、接合部が剥離しやすくなる。他方、Ｓｉ成分比率が１５ｗｔ％を超えると、接合部の靱性が劣化する。したがって、健全な接合部を形成するためには、Ｓｉ成分比率は、３〜１５ｗｔ％の範囲内とする必要がある。
【００２０】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る継手形状を示す図である。鉄鋼部材２ｂを下板とし、アルミニウム部材２ａを上板として重ね継手を形成する。そして、上板のアルミニウム部材２ａの板厚が３ｍｍ以上である場合には、アルミニウム部材２ａの接合部に角度θの開先を形成する。この継手を上述した実施の形態１の接合方法によって接合する。図４は、横軸に示す上記の開先角度θ（°）及び縦軸に示す溶接入熱量（Ｊ／ｍｍ）を種々に変化させたときの接合結果を整理した図である。上述したように、溶接入熱量は、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を調整することによって変化する。
【００２１】
同図に示すように、上板のアルミニウム部材２ａの板厚が３ｍｍ以上である場合、
開先角度θが１０°未満になると融合不良又は剥離割れが発生し、健全な接合部は形成されない。これは、溶接入熱量が小さいときは上板が厚いために十分に溶融することができずに融合不良となり、溶接入熱量が大きくなると下板の鉄鋼部材も溶融して脆弱な厚い金属間化合物層を形成するために剥離割れが発生するからである。また、開先角度θが５０°を超えても健全な接合部を形成することができるが、広い開先を埋めるために作業能率が低下する。したがって、開先角度θは、１０〜５０°の範囲内であることが望ましい。
【００２２】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係るパルスＭＩＧ溶接における溶接電流Ｉｗの波形図である。同図に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、ベース期間中はベース電流Ｉｂを通電する。このときに、ピーク電流Ｉｐの立上りＴｕｐ及び／又は立下りＴｄｗに傾斜を設ける。傾斜を設ける理由は、図１の説明の項で上述したように、本発明ではアーク形状が集中した形状ではなく広がりのある形状になることが、脆弱な金属間化合物を形成しないために有効である。ピーク電流Ｉｐの立上りＴｕｐ及び／又は立下りＴｄｗに傾斜を設けると、アーク形状を調整することができる。すなわち、傾斜を急にするとアークの広がりは小さくなり、逆に傾斜を緩やかにするとアークの広がりは大きくなる。したがって、所望の傾斜を設けることによって、アーク形状を適正化することができる。この傾斜時間としては、０．８〜２．５ｍｓ程度の範囲で調整するのが望ましい。これは、傾斜時間が０．８ｍｓ未満ではアークの広がりを大きくする効果が小さく、傾斜時間が２．５ｍｓを超えるとアーク状態が不安定になってくるからである。このピーク電流Ｉｐに傾斜を設けること以外は、上述した実施の形態１及び２と同様である。
【００２３】
［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態４に係る交流パルスＭＩＧ溶接における溶接電流Ｉｗの波形図である。同図に示すように、電極プラス極性ＥＰでピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、電極マイナス極性ＥＮで電極マイナス期間Ｔｅｎ中は電極マイナス電流Ｉｅｎを通電し、電極プラス極性ＥＰでベース期間Ｔｂ中はベース電流Ｉｂを通電する。交流パルスＭＩＧ溶接を使用する理由は、図１の説明の項で上述したように、本発明ではアーク形状が集中した形状ではなく広がりのある形状になることが、脆弱な金属間化合物層を形成しないために有効である。
交流パルスＭＩＧ溶接では、溶接電流Ｉｗの平均値に占める上記の電極マイナス電流Ｉｅｎの電流比率である電極マイナス電流比率（ＥＮ比率とも称される）を調整することによって、アーク形状を調整することができる。すなわち、電極マイナス電流比率が大きくなると共にアークの広がりは大きくなる。したがって、所定の電極マイナス電流比率に調整することによって、アーク形状を適正化することができる。この電極マイナス電流比率としては、１０〜５０％程度の範囲内で調整するのが望ましい。これは、電極マイナス電流比率が１０％未満になるとアークの広がりを大きくする効果が小さく、逆に５０％を超えるとアーク状態が不安定になるからである。上記以外は、実施の形態１及び２と同様である。
【００２４】
［実施の形態５］
図７は、本発明の実施の形態５に係るレーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接の溶接装置の構成図である。溶接電源装置６は、交流パルスＭＩＧ溶接用の溶接電源装置である。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール７によって溶接トーチ５を通って送給されて、母材２との間にアーク４が発生する。レーザ発振装置１０から出力されたレーザ８はレーザトーチ９を通って母材２へ照射される。このレーザの種類としては、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザを使用することができる。レーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接を使用する理由は、交流パルスＭＩＧ溶接によって上述したようにアーク形状を適正化すると共に溶接ワイヤの溶着量を高くし、かつ、レーザ照射によって所望の入滅量を高精度に付加することによって、アルミニウム部材と鉄鋼部材とを通常の３〜５倍の溶接速度で接合することができるためである。上記以外は実施の形態１及び２と同様である。
【００２５】
［効果］
図８は、板厚２ｍｍのアルミニウム部材２ａと板厚２．３ｍｍの鉄鋼部材２ｂとの重ね継手を実施の形態４の接合方法によって接合したときのビード断面図である。アルミニウム部材２ａにはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金を使用し、鉄鋼部材２ｂには亜鉛メッキ鋼板を使用し、溶接ワイヤには、Ｓｉを５ｗｔ％添加した合金ワイヤを使用した場合である。交流パルスＭＩＧ溶接の溶接条件としては、溶接電流７０Ａ、溶接電圧１６Ｖ、電極マイナス電流比率２０％、溶接速度８０ｃｍ／ｍｉｎに設定した。同図に示すように、健全な接合部が形成されており、鉄鋼部材２ｂは溶融していないので脆弱な厚い金属間化合物層は形成されていない。また、鉄鋼部材２ｂに亜鉛メッキ処理の代わりにアルミニウムメッキおよび亜鉛アルミニウム合金メッキ処理を施した場合でも、同図と同様に健全な接合部が得られた。
【００２６】
図９は、板厚２ｍｍのアルミニウム部材２ａと板厚２．３ｍｍの鉄鋼部材２ｂとの重ね継手を実施の形態５の接合方法によって接合したときのビード断面図である。アルミニウム部材２ａにはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金を使用し、鉄鋼部材２ｂには亜鉛メッキ鋼板を使用し、溶接ワイヤには、Ｓｉを５ｗｔ％添加した合金ワイヤを使用した場合である。交流パルスＭＩＧ溶接の溶接条件としては、溶接電流１５０Ａ、溶接電圧１７Ｖ、電極マイナス電流比率４０％、溶接速度４００ｃｍ／ｍｉｎに設定し、レーザの出力値は２ｋＷに設定した。同図に示すように、健全な接合部が形成されており、鉄鋼部材２ｂは溶融していないので脆弱な厚い金属間化合物層は形成されていない。また、鉄鋼部材２ｂに亜鉛メッキ処理の代わりにアルミニウムメッキ又は亜鉛アルミニウム合金メッキ処理を施した場合でも、同図と同様に健全な接合部が得られた。
【００２７】
上述したように同図の溶接速度は、図８のときの５倍の速度になっている。このような高速溶接ができる理由は以下のとおりである。すなわち、交流パルスＭＩＧ溶接では、その電極マイナス電流比率を４０％と非常に大きく設定することによって溶接ワイヤを高溶着速度で供給すると共に、母材への入熱量を低くすることができる。そして、レーザ照射によって母材へ追加する入熱量を高精度に付加することができる。したがって、高速溶接が可能となる入熱量のみを付加し過剰な入熱量を付加しないので、鉄鋼部材が溶融して脆弱な厚い金属間化合物層を形成することはない。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法によれば、パルスＭＩＧ溶接を使用するので、機械的接合よりも生産性が高く、アルミニウム鋳物又は厚板の接合にも適用することができ、安価で取り扱いも容易である。さらに、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤではなくソリッドワイヤを使用するので、スラグの除去作業が不要である。さらに、脆弱な厚い金属間化合物層を形成しない健全な接合部を得ることができる。
【００２９】
請求項２記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法によれば、鉄鋼部材を下板としアルミニウム部材を上板とする重ね継手において、アルミニウム部材の接合部に開先を形成することによって、アルミニウム部材の板厚が３ｍｍ以上であっても健全な接合部を得ることができる。
【００３０】
請求項３記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法によれば、パルスＭＩＧ溶接におけるピーク電流の立上り及び／又は立下りに傾斜を設けることによって、アーク形状を広がりのある適正な形状に調整することができるので、接合部の品質がさらに向上する。
【００３１】
請求項４記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法によれば、交流パルスＭＩＧ溶接の電極マイナス電流比率を調整することによって、アーク形状を広がりのある適正な形状に調整することができるので、接合部の品質がさらに向上する。
【００３２】
請求項５記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法によれば、レーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接を使用することによって、健全な接合部を通常の３〜５倍の溶接速度で行うことができ、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る接合部の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、健全な接合部を得ることができる溶接ワイヤのＳｉ成分比率の範囲を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る継手形状を示す図である。
【図４】図３に示す重ね継手において、上板のアルミニウム部材２ａの板厚が３ｍｍ以上のときに健全な接合部を得ることができる開先角度θの範囲を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るパルスＭＩＧ溶接における溶接電流Ｉｗの波形図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る交流パルスＭＩＧ溶接における溶接電流Ｉｗの波形図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係るレーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る接合方法によるビード断面図の一例である。
【図９】
本発明の実施の形態５に係る接合方法によるビード断面図の一例である。
【図１０】
従来技術１のビード断面図である。
【図１１】
従来技術２で使用するフラックス入りワイヤの組成を示す断面図である。
【図１２】
従来技術２の接合方法によるビード断面図である。
【符号の説明】
１            溶接ワイヤ
１ａ            フラックス
１ｂ            アルミニウム材
２            母材
２ａ            第１の部材、アルミニウム部材
２ｂ            第２の部材、鉄鋼部材
２ｃ            溶融個所
２ｄ            突合せ部
２ｅ            溶融した突合せ部
２ｆ            重ね部
２ｇ            溶融した重ね部
３            溶着金属
３ａ            スラグ
３ｂ            溶融金属
３ｃ            共晶化合物層
４            アーク
５            溶接トーチ
６            溶接電源装置
７            送給ロール
８            レーザ
９            レーザトーチ
１０            レーザ発振装置
Ｉｂ            ベース電流
Ｉｅｎ            電極マイナス電流
Ｉｐ            ピーク電流
Ｉｗ            溶接電流
Ｔｂ            ベース期間
Ｔｅｎ            電極マイナス期間
Ｔｐ            ピーク期間
θ            開先角度
【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】
2004223548.tif 000009
【図８】
2004223548.tif 000010
【図９】
2004223548.tif 000011
【図１０】
2004223548.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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