(57)【要約】　　　（修正有）【課題】インサート材やクラッド材を用いないで、金属間化合物を生じることのない異種金属材料の高エネルギビームによる溶接方法を提供する。【解決手段】高融点（低熱膨張率）金属材料３と低融点（高熱膨張率）金属材料４とを重ねて配設し高エネルギビーム２を前記高融点（低熱膨張率）金属材料側から照射する。この場合、高融点（低熱膨張率）金属材料と低融点（高熱膨張率）金属材料との間に高融点（低熱膨張率）金属材料の厚さの５０％未満の隙間（以下、板隙という）を設けることを特徴とする。また、高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを高熱膨張率金属材料内に設定して貫通させないことを特徴とする。ここで、高融点（低熱膨張率）金属材料は鋼系材料であり、低融点（高熱膨張率）金属材料はアルミニウム系材料であり、高エネルギビームとしては、レーザビームもしくは電子ビームである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点金属材料と低融点金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記高融点金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、前記高融点金属材料と前記低融点金属材料との間に隙間を設けることを特徴とする異種金属材料の接合方法。
【請求項２】
前記隙間は前記高融点金属材料の厚さの５０％未満である請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
【請求項３】
前記高融点金属材料は鋼系材料であり、前記低融点金属材料はアルミニウム系材料である請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
【請求項４】
低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記低熱膨張率金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、前記高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを該高熱膨張率金属材料内に設定する（貫通させない）ことを特徴とする異種金属材料の接合方法。
【請求項５】
前記低熱膨張率金属材料は鋼系材料であり、前記高熱膨張率金属材料はアルミニウム系材料である請求項４に記載の異種金属材料の接合方法。
【請求項６】
前記高エネルギービームはレーザビームまたは電子ビームである請求項１から５のいずれかに記載の異種金属材料の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属材料の接合方法に関する。より詳しくは、金属間化合物を形成させない異種金属材料の高エネルギービームによる溶融溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃費の向上や、排ガス規制の強化により車両の軽量化が望まれている。このため、例えば、車体構造の強度の必要な部位には鋼材を用い、比較的強度が要求されない部位にはアルミニウムなどの軽量な材料を用いることが検討されている。
【０００３】
しかし、異種金属の接合に溶融溶接法を適用すると、溶接部では液体状態で大量の異種金属が混合されるため金属同士の反応の制御が難しく、多くの場合に中間相としての脆弱な金属間化合物を形成することとなる。また、材料間で融点や熱伝導率、あるいは熱膨張係数といった各種の物性も大きく異なるため、溶融溶接法では溶接部の冷却凝固時に残留応力が発生し、割れや大きな歪みの発生につながるために異種金属材料の溶接接合は困難とされていた。
【０００４】
例えば、アルミニウムと鋼、アルミニウムと銅、チタニウムと鋼のような異種金属材料の溶接では、その接合界面に脆弱な金属間化合物が形成されるために高い継手強度が得られないことが知られている。
【０００５】
従来このような異種金属の接合方法としては、ネジ、ボルト、嵌合わせなどの機械的な接合方法や、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法、さらには、ロウ付などの接着法などが検討され実施されている。しかし、機械的な接合や接着による方法では、信頼性、気密性、作業性などについて問題があり、また、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法では、接合材の形状の制約が大きいことや、作業性の低いことが問題となっている。
【０００６】
特開平４−８１２８８号公報では鋼系材料とアルミニウム系材料との間に鋼系部材とアルミニウム系部材とを積層したクラッド材を配設して、異種金属が溶融し合わない溶接条件でレーザ溶接法により接合する方法を開示している。すなわち、鋼系材料とクラッド材の鋼系部分とをレーザ溶接し、また、アルミニウム系材料とクラッド材のアルミニウム系部分とをレーザ溶接することで鋼系材料とアルミニウム系材料とを接合する方法である。そして、レーザ溶接という精度の高い溶接方法で隣接する鋼系材料とアルミニウム系材料とを溶融・混合させないように制御する方法である。
【０００７】
しかし、この方法では、▲１▼クラッド材は、車体の構造上は不要であるためコストが上昇する、また、▲２▼接合前にクラッド材を供給して保持する必要があり、従来の工程をそのまま利用することができない、さらに、▲３▼生産性が大きく損われる、といった問題がある。
【０００８】
このようなことから、より簡便で作業性の高い異種金属材料の接合方法の開発が望まれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の問題点を解決すべくなされたもので、本発明の目的は、インサート材やクラッド材を用いないで、金属間化合物を生じることのない異種金属材料の高エネルギビームによる溶接方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の異種金属材料の接合方法は、高融点金属材料と低融点金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記高融点金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（以下、板隙という）を設けることを特徴とする。
【００１１】
ここで、板隙の大きさは、高融点金属材料の厚さの５０％未満であることが望ましい。
【００１２】
また、高融点金属材料の一例としては鋼系材料が、低融点金属材料としてはアルミニウム系材料が考えられる。
【００１３】
本発明の異種金属材料の接合方法は、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを低熱膨張率金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを高熱膨張率金属材料内に設定して貫通させないことを特徴とする。
【００１４】
ここで、低熱膨張率金属材料としては鋼系材料が、高熱膨張率金属材料としてはアルミニウム系材料を一例として挙げることが出来る。
【００１５】
また、高エネルギビームは、レーザビームや電子ビームであることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１発明）
本発明の第１発明である異種金属材料の接合方法は、高融点金属材料と低融点金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを高融点金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（以下、板隙と称する）を設けることを特徴とする。
【００１７】
一般的に、金属間化合物はある温度（例えば、鉄とアルミニウムの場合には約４００℃）以上で生成し、その温度領域に保持されると成長する。このため溶融溶接では、高融点金属材料から低融点金属材料へ流れ込む溶融ビードと低融点金属材料との境界部の到達温度（溶融温度）と、この境界部での冷却速度とが重要になる。高エネルギビームを用いた場合には、アーク溶接と比較して、到達温度は変化しないが同等の溶け込みを得るための入熱量は少なくてすむため、結果として冷却速度は速くなる。このため、金属間化合物の成長はある程度抑制されるが、それでも十分な継手強度を得ることはできない。
【００１８】
本発明による異種金属材料の接合方法の一例を模式的に図１に示す。すなわち、集光レンズ１で集光したレーザビーム２を高融点金属材料（上板）３の表面から、板隙５を介して配設されている低融点金属材料（下板）４に向って照射して両材料を接合する方法である。
【００１９】
高融点金属材料と低融点金属材料との間に隙間（板隙）５を設けることにより、上板３から下板４への直接の熱伝達が遮断され、熱伝達は溶融ビード部のみを介して行われるので、金属間化合物が生成しやすい下板４と下板側溶融ビード部界面での冷却速度は非常に速くなり、このため有害な金属間化合物の成長は抑制される。この結果、十分な強度を有する重ね溶接継手を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明の接合方法では、高融点金属材料と低融点金属材料とには特に制限はない。例えば、鋼とアルミニウム（または、アルミニウム合金）、鋼とチタン（またはその合金）、鋼とマグネシウム（またはその合金）などを例示することができる。
【００２１】
また、高融点および低融点という表現は、接合する２種類の金属材料の各融点の相対的な呼称であって、ある温度範囲などを特定するものではない。例えば、接合する異種金属材料が鋼とアルミニウムの場合には、鋼は高融点金属材料であり、アルミニウムは低融点金属材料である。また、チタンと鋼の場合には、チタンが高融点金属材料であり、鋼は低融点金属材料と呼ぶことができる。
【００２２】
本発明における異種金属材料の形状は、レーザによる重ね溶接が可能であればどのような形状であっても特に制約はない。板と板、板とアングルなど型材、板とパイプなど、どのような組合わせでも差支えない。
【００２３】
板隙５は、高融点金属材料の厚さの５０％未満であることが望ましい。異種金属材料を配設する板隙５は、材料同士が接触していなければ上板３から下板４への直接の熱伝達が遮断されるので、少しでも隙間が認められれば本発明の目的を達することが可能ではあるが、概ね０．０５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、板隙５が上板３である高融点金属材料の厚さの５０％を越えると、上板３の溶融池の落込みがひどくなりアンダーフィルとなるめに継手強度が低下するので好ましくない。すなわち、異種金属材料を配設する板隙をｔｍｍとすると、０．０５＜ｔ＜０．５×（高融点金属材料の厚さ）であることが望ましい。この板隙の範囲限定は以下の実験によって確認した。
【００２４】
レーザ溶接のビードのアルミニウム板への溶け込み深さを０．６ｍｍ、溶接速度を１．０ｍ／ｍｉｎ一定として、１．４ｍｍ厚さの鋼板と２．０ｍｍ厚さのアルミニウム板とを、板隙（ｔ）を０、０．１、０．２、０．６、０．８ｍｍの５水準に変化させて溶接し、得られた溶接継手の引張り剪断強度を測定した。
【００２５】
ここで、溶接継手の引張り剪断強度は、鋼とアルミニウムとを重ねて溶接した適当な大きさの試験材から図２の寸法に切出して引張り剪断試験片とした。各試験片はオートグラフ（１００ｋＮ）で引張り試験を実施して得られた破断強度を引張り剪断強度（ｋＮ）とした。
【００２６】
結果を図３に示す。横軸は板隙（ｍｍ）であり、縦軸は試料に対応する引張り剪断強度（ｋＮ）である。図３から板隙が０（鋼板とアルミニウム板とが密着している）の場合は、引張り剪断強度は１〜２ｋＮであったが、板隙が０．１ｍｍ（鋼板板厚の７％）では３．３５〜３．７８ｋＮと引張り剪断強度は急増している。そして、板隙が０．１〜０．２ｍｍをピークとして、それ以降は板隙の増加に伴い引張り剪断強度は低下して、板隙が０．８ｍｍ（鋼板板厚の５７％）では２．３５〜２．４５ｋＮとピーク時の約２／３となった。これは板隙が増加すると鋼板側の溶融池が落込むために引張り剪断強度が低下したものと考えられる。
【００２７】
このように、板隙の大きさは溶接継手の引張り剪断強度に大きな影響を及すので、板隙はできるだけ正確に設定することが望ましい。例えば、鋼板またはアルミニウム板のいずれかに、板隙と同じ高さの突起、あるいは突部を設けて加圧する方法で設定することが好ましい。例えば、板隙（ｔｍｍ）が０．０５≦ｔ＜０．２の場合には、低融点金属材料の表面に板隙ｔに相当する厚さの断熱テープ（紙テープなど）を貼って高融点金属材料との板隙を確保する、また、０．２≦ｔの場合には突起や突部を設けて加圧する方法を用いることが考えられる。さらに、ラインでの生産性を考慮すると片側に突部を設ける方法が望ましい。
（第２発明）
本発明の第２発明である異種金属材料の接合方法は、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とを重ねて配設し高エネルギビームを前記低熱膨張率金属材料側から照射する異種金属材料の重ね溶融溶接において、前記高熱膨張率金属材料側の溶け込み深さを該高熱膨張率金属材料内に設定して貫通させないことを特徴とする。
【００２８】
溶接のビード部は、低熱膨張率の金属に高熱膨張率の金属が少量だけ攪拌混合された状態であり、ビード部の熱膨張率は低熱膨張率金属材料に近い値となる。また、一般的に有害となる金属間化合物は延性が低く脆い。このため、上記異種金属材料の溶融溶接では、熱膨張率差により、溶融ビードと高熱膨張率金属材料との境界面もしくは、境界面に発生した金属間化合物層内で割れが発生しやすい。
【００２９】
高エネルギビーム溶接、例えば、炭酸ガスレーザ溶接の場合には、入熱量を制御することによりビードの溶け込み深さを調整することができる。本発明の接合方法の特徴は、この溶け込み深さを高熱膨張率金属材料内に留めて貫通させないことである。
【００３０】
溶接のビード部が高熱膨張率金属材料内に止まる非貫通の場合には、入熱時に発生する熱膨張によって溶融ビード周囲には圧縮の残留応力が残る。このためビード部の冷却時には比較的割れが発生しにくい。
【００３１】
しかし、溶接のビード部を貫通させた場合には、入熱時に発生する熱膨張は溶融部分に吸収されるため溶融ビード側面の高熱膨張金属には残留応力は発生しない。このため、冷却時にこの高熱膨張率金属が収縮し、溶融ビードと高熱膨張率金属との境界面もしくは、境界面に発生した金属間化合物層内で割れが発生する。前述したように、金属間化合物の量は入熱量の増加に伴って増加するため、貫通溶接を行った場合には入熱量が大きくなり、非貫通の場合に比べて冷却時の熱応力が増加するとともに金属間化合物の形成量も増大する。
【００３２】
本発明の異種金属材料の接合方法では、低熱膨張率金属材料と高熱膨張率金属材料とには特に制限はない。例えば、鋼とアルミニウム（または、アルミニウム合金）、鋼とチタン（またはその合金）、鋼とマグネシウム（またはその合金）などを例示することができる。
【００３３】
また、低熱膨張率および高熱膨張率という表現は、ここでは接合する２種類の金属材料のある温度範囲での各熱膨張率の相対的な呼称である。例えば、接合する異種金属材料が鋼とアルミニウムの場合には、鋼は低熱膨張率金属材料であり、アルミニウムは高熱膨張率金属材料である。また、チタンと鋼の場合には、チタンが低熱膨張率金属材料であり、鋼は高熱膨張率金属材料となる。
【００３４】
本発明における異種金属材料の形状は、レーザによる重ね溶接が可能であれば特に制約はない。板と板、板とアングルなど型材、板とパイプなどを例示することが出来る。
【００３５】
接合部への入熱量の制御はレーザの出力を調整することによって行うことができる。厚さ１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を上板とし、厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６ＮＯ１）を下板として、０．２ｍｍの隙間を設けて配設し、ＣＯ２レーザ溶接機を用いて鋼板の表面からレーザ照射して重ね溶接を行った。溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎであった。この時のレーザ出力の変化によるアルミニウム板側の溶け込み深さの変化を測定した。結果を図４に示す。
【００３６】
レーザ出力が１．９ｋＷでは溶け込み深さは０．２４ｍｍであった。そして、出力の上昇に比例して溶け込み深さは増加し、出力が２．７ｋＷで溶け込み深さは約１．０ｍｍとアルミニウム板厚の１／２となった。さらに出力を上げると溶け込み深さは急増した。これは、アルミニウムは熱伝導率が高いので、ある程度熱を加えると全体が加熱される予熱効果のためと考えられる。そして、出力が３．０ｋＷで溶接ビードはアルミニウム板を貫通した。
【００３７】
一方、アルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手強度との関係は、板隙０．２ｍｍの場合においては後述する図５のように、貫通すると溶接継手の引張り剪断強度は０．８ｋＮ程度と急激に低下する。
【００３８】
本発明で用いる高エネルギビームはレーザビームや電子ビームを使用することができる。ＣＯ２ガスレーザビーム溶接は車両の生産ラインにおいて好適に使用されている。
【００３９】
【実施例】
本発明の接合方法について実施例によりさらに詳しく説明する。
（実施例１）
厚さが１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を高融点金属材料（低膨張率金属材料）として、また、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６Ｎ０１）を低融点金属材料（高膨張率金属材料）とした。このアルミニウム板に形成した突起を介して鋼板とアルミニウム板とを重ねて加圧する方法で、板隙０．２ｍｍを確保してＣＯ２ガスレーザ溶接機（レーザ出力：６ｋＷ）を用いて図２に示す形状の重ね溶接継手を得た（なお、図２の寸法単位はｍｍである）。溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎ一定として、レーザ出力を変化させてアルミニウム板側への溶け込み深さによる引張り剪断強度の変化を調べた。結果を図５に示す。
【００４０】
板隙を０．２ｍｍとした場合には、ビードがアルミニウム板を貫通した溶け込み深さ２．０ｍｍの場合を除いて引張り剪断強度は２．８ｋＮ〜４．２ｋＮと、溶け込み深さの広い範囲に亘って良好な値が得られた。すなわち、この方法によれば生産ラインにおいても安定して高い継手強度を得ることが可能であることが分る。
【００４１】
次に、アルミニウム板側の溶け込み深さが０．２４ｍｍ（レーザ出力：１．９ｋＷ　溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎ）の溶接部の断面（電子顕微鏡による反射電子像）を図６に示した。ここで、１１は鋼板、１２はアルミニウム板、６はレーザ溶接ビード、５は両材料の隙間で０．２ｍｍの板隙である。図６では、０．２４ｍｍのビードの溶け込みが認められるが、有害な金属間化合物の層は見当らない。これは、鋼板からの直接の熱伝達がないのでアルミニウム板と溶融ビード部界面での冷却速度が非常に速くなるために、有害な金属間化合物の成長は抑制されたものと考えられる。
（比較例１）
実施例１と同様に、高融点金属材料（低膨張率金属材料）として厚さが１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）と低融点金属材料（高膨張率金属材料）としては厚さが２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６Ｎ０１）とを板隙０ｍｍ（密着状態）で重ねて炭酸ガスレーザ溶接を実施した。溶接条件を変化させてアルミニウム板側溶け込み深さによる継手強度の変化を調べた。結果を図７に示す。
【００４２】
図７からは、アルミニウム側の溶け込み深さが小さいほど溶接継手の引張り剪断強度は高いことが分る。例えば、溶け込み深さが０．３ｍｍの場合には引張り剪断強度は３〜３．５ｋＮであるが、溶け込み深さが１．２ｍｍでは引張り剪断強度は０．８ｋＮと溶け込み深さが０．３ｍｍの場合の約１／４に低下してしまう。これは、鋼板からの熱伝達によりアルミニウム板内の溶融ビード部界面の冷却速度が小さくなるために硬くて脆い金属間化合物が成長したためと考えられる。本比較例では接合部の引張り剪断強度が２．８ｋＮ以上である溶け込み深さは０．３ｍｍ以下と極めて狭い範囲であるので、高い引張り剪断強度を生産ラインで安定的に得ることは困難である。
【００４３】
次に、鋼板とアルミニウム板とを隙間を設けないで鋼板側からレーザ溶接したときの接合部の断面を図８に示す。図の上半分は鋼板１１であり、下半分は１２のアルミニウム板である。５は両材料板の界面（板隙０）であり、６はレーザ溶接のビードである。アルミニウム板側溶け込み部の先端に灰色部分１３の金属間化合物が観察される。
（実施例２）
厚さ１．４ｍｍの鋼板（ＳＨＰ４５）を上板とし、厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板（Ａ６ＮＯ１）を下板として、０．２ｍｍの隙間を設けて配設し、ＣＯ２レーザ溶接機を用いて鋼板側から重ね溶接を行った。
【００４４】
本実施例は入熱量を制御して溶け込みをアルミニウムの板の途中に設定した非貫通溶接の場合である。溶接条件は、出力２．４ｋｗで、１．０ｍ／ｍｉｎの溶接速度であった。この時のアルミニウム側への溶け込み深さは０．６ｍｍであった。
【００４５】
接合部断面を図９に示した。本実施例では入熱量を制御して溶け込み深さを０．６ｍｍとアルミニウムの板の途中に設定したので、ビードとアルミニウム板との界面に有害な割れは観察されず、また、引張り剪断強度も３．０ｋＮと高い値が得られた。
（比較例２）
材料および溶接機は実施例２と同様であるが、本比較例は、鋼板とアルミニウム板とを重ねて貫通溶接を行った場合である。溶接条件は、レーザ出力：３．０ｋｗ、溶接速度：１．０ｍ／ｍｉｎであった。この時、溶接ビードはアルミニウム板の厚さ２．０ｍｍを貫通した。接合部断面を図１０に示した。
【００４６】
本比較例では、図１０に見られるように接合部に割れが発生している。特に溶接ビードとアルミニウム母材との境界面で顕著であることが分る。このため、接合部の引張り剪断強度も０．８ｋＮと極めて低いものであった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の異種金属材料の接合方法によれば、例えば、鋼板とアルミニウム板といった異種金属材料の接合を容易にまた確実に実施することができ、品質の安定した重ね溶接継手を得ることができる。また、クラッド材のような中間層を使用することがないので低コストで生産性の高い異種金属材料の接合方法であり、車両などの軽量化に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接法による接合方法の模式図である。
【図２】溶接継手の引張り剪断強度を測定する試験片の形状を示す図である。
【図３】アルミニウム板への溶け込み深さを一定にして、鋼板とアルミニウム板との隙間による溶接継手の引張り剪断強度の変化を示す図である。
【図４】板隙０．２ｍｍの時のレーザ出力によるアルミニウム板側溶け込み深さの変化を示す図である。
【図５】鋼板とアルミニウム板との隙間を０．２ｍｍとして、鋼板側からレーザ溶接したときのアルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手の引張り剪断強度との関係を示す図である。
【図６】板隙０．２ｍｍの場合の鋼板とアルミニウム板との接合断面を示す図である。ビードの先端部には金属間化合物は認められない。
【図７】鋼板とアルミニウム板とを隙間を設けないで鋼板側からレーザ溶接したときのアルミニウム板側の溶け込み深さと溶接継手の引張り剪断強度との関係を示す図である。
【図８】板隙０の場合の鋼板とアルミニウム板との接合断面を示す図である。ビードの先端部に金属間化合物の形成が見られる。
【図９】入熱量を制御して溶け込みをアルミニウムの板の途中に設定した場合の接合部断面を示す図である。
【図１０】鋼板とアルミニウム板とを重ねて貫通溶接を行った場合の接合部断面を示す図である。溶接ビードとアルミ母材との境界面で割れが発生している。
【符号の説明】
１：集光レンズ　２：レーザビーム　３：高融点（低膨張率）金属材料　４：低融点（高膨張率）金属材料　５：隙間（板隙）　６：ビード
１１：鋼（ＳＨＰ４５）　１２：アルミニウム（Ａ６Ｎ０１）　１３：金属間化合物
【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】
2004042053.tif 000007
【図６】
2004042053.tif 000008
【図７】
2004042053.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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