(57)【要約】【課題】部材の形状等による制約が少なく汎用性に優れるとともに、連続的な接合が可能でかつ高い接合強度が得られ、品質の安定性にも優れた、鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法および接合継手を提供する。【解決手段】鉄系材料１の端面１ａにＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属３を形成させた後、この鉄系材料１とアルミニウム系材料２とを溶接金属３が形成された部分で重ね合わせ、この重ね合わせ部７において、溶接金属３の外表面３ｂ側から回転治具４を回転させつつピン４１をアルミニウム系材料２の内部まで差し込み、この回転治具４を材料の長手方向Ｙに移動させることによって、溶接金属３とアルミニウム系材料２とを摩擦攪拌接合により冶金的に結合させる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料側の接合面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この溶接金属とアルミニウム系材料とを摩擦攪拌接合により冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法。
【請求項２】
鉄系材料の端面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この鉄系材料とアルミニウム系材料とを、前記溶接金属を介して突き合わせ、この突き合わせ面の近傍で材料の厚み方向に回転治具を回転させつつ差し込み、この回転治具をこの突き合わせ面に沿って材料の長手方向に移動させることにより、前記溶接金属と前記アルミニウム系材料とを冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法。
【請求項３】
鉄系材料の端面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この鉄系材料とアルミニウム系材料とを前記溶接金属が形成された部分で重ね合わせ、この重ね合わせ部において、前記溶接金属およびアルミニウム系材料のいずれかの材料の外表面側から回転治具を回転させつつ他方の材料の内部まで差し込み、この回転治具を材料の長手方向に移動させることにより、前記溶接金属と前記アルミニウム系材料とを冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合方法により得られた鉄系材料とアルミニウム系材料との接合継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用構造物などの組立工程の際に必要となる鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄系材料とアルミニウム系材料（アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもの）とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために信頼性のある高強度を有する接合部を得ることは非常に困難であった。
【０００３】
この対策として以下のような多数の従来技術が開示されている。
【０００４】
例えば、真空圧延接合する方法（特許文献１参照）、予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド材を介在させてシーム溶接する方法（特許文献２参照）、高温加圧接合する方法（特許文献３参照）、接合面にＴｉ合金を予め介在させＨＩＰ処理により接合する方法（特許文献４および５参照）、摩擦圧接する方法（特許文献６参照）、アルミニウムと接する鉄系材料表面にアルミニウム合金をめっきして、あるいは予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド材を介在させて抵抗溶接する方法（特許文献７および８参照）などである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９４１６２号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９７８４６号公報
【特許文献３】
特開平１０−１８５０４０号公報
【特許文献４】
特開平６−１９８４５８号公報
【特許文献５】
特開平５−８０５６号公報
【特許文献６】
特開平８−１４１７５５号公報
【特許文献７】
特開平６−３９５５８号公報
【特許文献８】
特開平６−６３７６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。
鉄系材料とアルミニウム系材料とを真空圧延、高温加圧、ＨＩＰ処理により接合して鉄系材料とアルミニウム系材料との接合部材を得る方法は、このような複合部材を製造することを目的とするものである。したがって、この方法は、平板など比較的単純な形状の部材同士の接合には利用可能であるが、部材の形状が複雑な場合には適用できないため、適用範囲が狭く汎用性が劣っている。
【０００７】
鉄系材料とアルミニウム系材料とを摩擦圧接により接合する方法は、部材形状の制約を受けるため汎用性に劣るとともに、接合部がスポット的なものとなるため連続的な接合部を得ることができず密閉性を必要とする部材の接合には適用できない。
【０００８】
アルミニウムと接する鉄系材料表面にアルミニウム合金をめっきして抵抗溶接する方法は、めっき工程を必要とし工程が複雑となるため、品質の安定性が確保できない問題がある。
【０００９】
鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド材を予め用意してシーム溶接あるいは抵抗溶接する方法では、鉄系材料とアルミニウム系材料との間にクラッド材がインサートされるため、２枚の板の接合が３枚の板の接合となる。このため、実際の施工時にインサート材（クラッド材）の挿入工程や固定工程が必要となり、上記と同様に工程が複雑となるため品質の安定性が確保できない。
【００１０】
上記いずれの方法とも、上記問題以外に、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならないため設備コストが高くなる問題があった。さらに、クラッド材を用いる方法では、クラッド材自体も鉄系材料とアルミニウム系材料とを接合して製造する必要があることからその製造条件が厳しく制約され、安価でかつ性能の安定したクラッド材を入手することが困難であった。
【００１１】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、部材の形状等による制約が少なく汎用性に優れるとともに、連続的な接合が可能でかつ高い接合強度が得られ、品質の安定性にも優れた、鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法および接合継手を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、鉄系材料側の接合面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この溶接金属とアルミニウム系材料とを摩擦攪拌接合により冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、鉄系材料の端面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この鉄系材料とアルミニウム系材料とを、前記溶接金属を介して突き合わせ、この突き合わせ面の近傍で材料の厚み方向に回転治具を回転させつつ差し込み、この回転治具をこの突き合わせ面に沿って材料の長手方向に移動させることにより、前記溶接金属と前記アルミニウム系材料とを冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、鉄系材料の端面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金の溶接金属を形成させた後、この鉄系材料とアルミニウム系材料とを前記溶接金属が形成された部分で重ね合わせ、この重ね合わせ部において、前記溶接金属およびアルミニウム系材料のいずれかの材料の外表面側から回転治具を回転させつつ他方の材料の内部まで差し込み、この回転治具を材料長手方向に移動させることにより、前記溶接金属と前記アルミニウム系材料とを冶金的に結合させることを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合方法により得られた鉄系材料とアルミニウム系材料との接合継手である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
鉄系材料例えば鋼とアルミニウム系材料とを直接溶融接合したとすると、極めて脆弱な金属間化合物が生成し、割れの発生を避けることが困難なことが知られている。したがって、溶接材料を介在させる場合を含めて鉄系材料とアルミニウム系材料とを直接接合する際に、いかにして両者を溶融混合させることなく、溶接金属そのものの濡れ性を確保しつつ、鉄系材料とアルミニウム系材料との界面近傍に脆弱な反応層を生成させないようにすることが本発明のポイントである。
【００１７】
すなわち、本発明者らは、上記のように、鉄系材料側の接合面にＭＩＧろう付けにより銅または銅合金（以下、単に「銅合金」と総称する。）の溶接金属を形成させた後、この溶接金属とアルミニウム系材料とを摩擦攪拌接合により冶金的に結合させることによって、脆弱な金属間化合物の生成を防止しつつ、強固な結合を実現できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
〔第１実施形態〕
図１に本発明の第１実施形態に係る接合方法を説明する斜視図を、図２にこの接合方法により得られた接合継手の接合部の断面図を示す。
【００２０】
この第１実施形態に係る接合方法では、先ず鉄系材料１側の端面１ａに銅合金の溶接金属（ろう付け金属）３の層を形成させる。この銅合金溶接金属３はアルミニウム系材料２の鉄系材料１による希釈を抑制するために形成されるものである。
【００２１】
次いで、この鉄系材料１とアルミニウム系材料２とを銅合金溶接金属３を介して付き合わせる。すなわち、銅合金溶接金属３の、鉄系材料１側とは反対側の端面３ａと、アルミニウム系材料２の端面２ａとを接触させる。
【００２２】
そして、この接触面（突き合わせ面）６の近傍で材料の厚み方向Ｘに回転治具４を回転させつつ回転治具４の先端部に設けられた小径部であるピン４１を差し込み、このピン４１（回転治具４）を突き合わせ面６に沿って材料の長手方向Ｙに移動させる。
【００２３】
これにより、ピン４１（回転治具４）と材料との間に発生する摩擦熱によって突き合わせ面６近傍の材料、すなわち銅合金溶接金属３とアルミニウム系材料２とを軟化させ、ピン４１（回転治具４）の回転によりこの軟化した材料を攪拌して混合層５を形成し、この混合層５を介して銅合金溶接金属３とアルミニウム系材料２とが冶金的に結合される。
【００２４】
このようにして、鉄系材料１とアルミニウム系材料２とを銅合金溶接金属３を介して、いわゆる摩擦攪拌接合により突き合わせ接合ができる。この方法によれば、鉄系材料１とアルミニウム系材料２との直接反応が阻止されるため、接合部において極めて脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の生成が抑制される。
【００２５】
さらには溶融接合とは異なり摩擦撹拌接合を採用することにより、接合材料を溶融混合させることなく軟化混合させるだけで接合できるのでＣｕ−Ａｌ系金属間化合物の生成も抑制することが可能となる。
【００２６】
仮に若干の脆弱なＦｅ−Ａｌ系またはＣｕ−Ａｌ系金属間化合物が生成した場合でも、溶融接合とは異なり接合部に作用する収縮歪み量が少ないため、割れの発生を防止することができ、接合強度に優れた接合継手が得られる。
【００２７】
鉄系材料１側への銅合金溶接金属３の形成方法については、溶接材料として細径の銅合金ワイヤを用いて不活性ガス雰囲気中でアーク溶接する、いわゆるＭＩＧろう付け法を適用するのが最適である。すなわち、ＭＩＧろう付け法による方法では、通常のアーク溶接による方法に比べて極めて低い電流条件を適用することができる。このような極めて低い電流条件を適用できるのは、溶接材料として融点の低い銅合金を用いること、および細径ワイヤを用いることによる効果である。
【００２８】
このような溶接材料を用いて極めて低い電流条件でＭＩＧろう付けを行うことにより、鉄系材料の銅合金による希釈を抑制しつつ、鉄系材料１側に銅合金溶接金属３を形成させることができる。すなわち、脆弱な反応層を鉄系材料１と銅合金溶接金属３との界面に形成させることなく高い接合強度を有する界面を創製することが可能となる。
【００２９】
また銅合金溶接金属３中への鉄の希釈量も制限されるため、この後に摩擦撹拌接合を行った際にもＦｅ−Ａｌ系の脆弱な金属間化合物の形成を抑制する効果がある。
【００３０】
なお、必要な接合強度を得るために、鉄系材料側に予め所定の厚みの銅合金溶接金属３を形成させておく必要があるが、この厚みは、ＭＩＧろう付けにより形成された溶接金属層の上に重ねてＭＩＧろう付けによる層形成を繰り返すことにより調整できる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
図３に本発明の第２実施形態に係る接合方法を説明する斜視図を、図４にこの接合方法により得られた接合継手の接合部の断面図を示す。
【００３２】
この第２実施形態に係る接合方法では、上記第１実施形態に係る接合方法と同様、先ず鉄系材料１側の一端面１ａに上述したＭＩＧろう付けにより銅合金の溶接金属（ろう付け金属）３の層を形成させる。
【００３３】
次いで、本実施形態では上記第１実施形態とは異なり、この鉄系材料１とアルミニウム系材料２とを銅合金溶接金属３が形成された部分で重ね合わせる。
【００３４】
そして、この重ね合わせ部７において、銅合金溶接金属３またはアルミニウム系材料２のいずれかの材料の外表面（３ｂまたは２ｂ）側（図３においては、銅合金溶接金属３の外表面３ｂ側）から回転治具４を回転させつつピン４１を材料の厚み方向Ｘに他方の材料（図３においては、アルミニウム系材料２）の内部まで差し込み、このピン４１（回転治具４）を材料の長手方向Ｙに移動させる。
【００３５】
これにより、ピン４１（回転治具４）と接合材料との間に発生する摩擦熱によって重ね合わせ面８近傍の銅合金溶接金属３とアルミニウム系材料２とを軟化させ、ピン４１（回転治具４）の回転によりこの軟化した材料を攪拌して混合層５を形成し、この混合層５を介して銅合金溶接金属３とアルミニウム系材料２とが冶金的に結合される。
【００３６】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様、接合部に脆弱な金属間化合物の生成が抑制される。
【００３７】
また、仮に接合部に若干の脆弱な金属間化合物が生成した場合でも、接合部に作用する収縮歪み量が少ないため、割れの発生を防止することができ、接合強度に優れた接合継手が得られる。
【００３８】
さらに、上記第１実施形態のような突き合わせ接合（突き合わせ継手）の場合には、鉄系材料とアルミニウム系材料との高温強度（塑性変形能）の差異に起因して、接合過程で回転治具４のピン４１が強度の低いアルミニウム系材料側へ偏向していく傾向があり、接合線が長い場合には接合施工が困難となりやすい。
【００３９】
これに対して本実施形態のような重ね合わせ接合（重ね継手）の場合では、ピン４１下の材料は単一となるため、突き合わせ接合時のように、ピン４１の偏向に伴う接合施工の困難さが解消できる利点がある。
【００４０】
さらに、重ね合わせ接合（重ね継手）で、例えば回転治具４を銅合金溶接金属３の外表面３ｂ側から挿入する場合には、アルミニウム系材料中へのピン４１の挿入量の調整が容易となることから、継手の強度確保のための摩擦撹拌の程度を制御しやすくなり、脆弱な金属間化合物の生成を必要最小限に抑制しつつ均一な溶接金属（塑性流動部）を形成しやすい利点もある。
【００４１】
以上説明した各実施形態に関して、銅合金溶接金属を形成する溶接材料としては、ＪＩＳ  Ｚ  ３３４１におけるＹＣｕＳｉ  Ｂ、ＹＣｕＡｌ、ＹＣｕＡｌＮｉ  Ａ、ＹＣｕＡｌＮｉ  Ｂ、ＹＣｕＳｎ  Ａ等が非限定的に例示される。中でも好ましいのはＹＣｕＳｉ  Ｂ，ＹＣｕＡｌである。
【００４２】
なお、銅合金をＭＩＧろう付け法により鉄系材料表面に形成する場合には、Ａｒを代表とする不活性ガスでシールドし、直流のアークにより電極（ワイヤ）側を正極として施工するのが好ましい。これによりアーク発生時に母材側でクリーニングアクションが起こるため、鉄系材料表面の酸化皮膜が除去されることにより鉄系材料表面の清浄度が向上して良好な濡れ性が確保され、より健全な接合部が得られる。
【００４３】
なお、本発明に係る方法で使用される溶接ワイヤ径については、前述のように、基本的には低電流の条件で安定したアークを発生させる必要があるため、０．８〜１．２ｍｍとすることが好ましい。すなわち、ワイヤ径が１．２ｍｍを越えると、安定したアークを得るための電流が過大となり、鉄系材料を過剰に溶融させ脆弱な反応層が生成されやすい。一方、ワイヤ径が０．８ｍｍ未満になると、ワイヤそのものの製造コストが極めて高くなるとともに、ワイヤの送給性が低下する不具合が生じるためである。
【００４４】
また、ＭＩＧろう付け法および摩擦撹拌接合とも、アーク溶接と同様に連続線の溶接や接合ができるため、本発明は密閉性を必要とする部材の接合に対しても適用できる。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について比較例と比較しつつ説明する。
【００４６】
本実施例は、鋼板とアルミニウム板との接合試験を行ったものであり、厚さ２ｍｍ×幅１５０ｍｍ×長さ３００ｍｍの鋼板と、厚さ２ｍｍ×幅１５０ｍｍ×長さ３００ｍｍのアルミニウム板との接合継手に対して、本発明の接合方法により接合を試みた。接合継手の形状としては、図１、２に示す突き合わせの場合と、図３、４に示す重ね合わせの場合についてそれぞれ接合試験を実施した。各実施例および比較例における接合方法，溶接材料および溶接条件は表１に示す通りである。なお、摩擦攪拌接合による接合条件は、回転治具の回転数：３０００ｒｐｍ、ピン径：φ４ｍｍ、移動速度：２０ｃｍ／ｍｉｎであり、全て同一条件とした。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１に示す条件で、鋼板側に溶接金属を形成したのち、この溶接金属とアルミニウム板とを摩擦撹拌接合により接合した（ただし、Ｎｏ．４では溶接金属を形成せずに鋼板とアルミニウム板とを直接摩擦撹拌接合で接合した）。そして、接合部について、浸透探傷試験および断面観察により割れの発生の有無を調査した。
【００４９】
その結果、接合条件が本発明に適合するＮｏ．１およびＮｏ．２の実施例では、接合部には割れが認められず健全な接合継手が得られることが確認された。
【００５０】
一方、接合条件が本発明から外れるＮｏ．３およびＮｏ．４の比較例では、接合部に割れの発生が認められた。以下に、この割れ発生の現象について説明する。
【００５１】
Ｎｏ．３は、銅合金の溶接金属をＭＩＧ溶接による大入熱溶接により形成した例である。過大な熱量により溶接金属中に鉄系材料が多量に溶解し、鉄系材料と銅合金溶接金属との界面が脆弱となったばかりか、銅合金溶接金属とアルミニウム板とを摩擦撹拌接合した際にも脆弱なＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物が形成されたため割れが発生したものと考えられる。
【００５２】
Ｎｏ．４は、鋼板とアルミニウム板とを、銅合金溶接金属を介さずに、直接摩擦撹拌接合した例である。接合部に脆弱なＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物が形成されたため割れが発生したものと考えられる。
【００５３】
以上述べた本発明の実施の形態および実施例に関しては、突き合わせまたは重ね継手を例示してのものであるが、本発明は、かかる継手形状に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成要件を満足し得るものである限りにおいて種々の変形なる他の継手形状も本発明の技術的範囲に包含されることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によれば、ＭＩＧろう付けにより銅合金の溶接金属を鉄系材料側に形成した後、この銅合金溶接金属とアルミニウム系材料とを摩擦撹拌接合により冶金的に結合させることにより、部材の形状等による制約が少なく汎用性に優れるとともに、連続的な接合が可能でかつ高い接合強度が得られ、品質の安定性にも優れた、鉄系材料とアルミニウム系材料との接合方法および接合継手を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る接合方法を説明する斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る接合方法により得られた接合継手の接合部を示す断面図である。
【図３】第２実施形態に係る接合方法を説明する斜視図である。
【図４】第２実施形態に係る接合方法により得られた接合継手の接合部を示す断面図である。
【符号の説明】
１…鉄系材料（鋼板）
１ａ…端面
２…アルミニウム系材料（アルミニウム板）
２ａ…端面
２ｂ…外表面
３…銅合金溶接金属
３ａ…端面
３ｂ…外表面
４…回転治具
４１…ピン
５…混合層
６…突き合わせ面
７…重ね合わせ部
８…重ね合わせ面
【図１】
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【図２】
2004344897.tif 000005
【図３】
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【図４】
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