(57)【要約】【課題】  高温で脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を、生産性に優れ、かつ高い接合強度が得られる、安価で信頼性の高い溶接方法および溶接継手構造を提供する。【解決手段】高融点側の金属材料１の接合箇所に低融点側の金属材料２の接合箇所を重ね合わせ、高融点側の金属材料１の重ね合わせ面とは反対側の面からレーザ溶接機などの貫通溶接手段を用いて貫通溶接処理を施し、高融点側の金属材料１が溶融して形成された溶接金属３を、低融点側の金属材料２中にくさび状に食い込ませて接合する。【選択図】    図１
2005205452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部に脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を溶接する方法であって、
高融点側の金属材料の接合箇所に低融点側の金属材料の接合箇所を重ね合わせ、前記高融点側の金属材料の重ね合わせ面とは反対側の面から所定の貫通溶接手段を用いて貫通溶接処理を施すことより、前記高融点側の金属材料が溶融して形成された溶接金属を、前記低融点側の金属材料中にくさび状に食い込ませて接合することを特徴とする異種金属材料の溶接方法。
【請求項２】
前記高融点側の金属材料が鉄系材料であり、前記低融点側の金属材料が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溶接方法。
【請求項３】
前記所定の貫通溶接手段が、レーザ溶接機または電子ビーム溶接機である請求項１または２に記載の異種金属材料の溶接方法。
【請求項４】
接合部に脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を溶接する方法を用いて接合された溶接継手構造であって、
高融点側の金属材料の接合箇所に低融点側の金属材料の接合箇所を重ね合わせ、前記高融点側の金属材料の重ね合わせ面とは反対側の面から所定の貫通溶接手段を用いて貫通溶接処理を施すことより、前記高融点側の金属材料が溶融して形成された溶接金属を、前記低融点側の金属材料中にくさび状に食い込ませることによって接合された異種金属材料の溶接継手構造。
【請求項５】
前記高融点側の金属材料が鉄系材料であり、前記低融点側の金属材料が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溶接継手構造。
【請求項６】
前記所定の貫通溶接手段が、レーザ溶接手段または電子ビーム溶接手段である請求項４または５に記載の異種金属材料の溶接継手構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合部に金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を溶接する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）は、高温で脆い金属間化合物を生成するため、溶接により信頼性のある高強度を有する接合部を得ることが非常に困難であった。
【０００３】
このため従来は、このような異種金属を接合するには、比較的低温で接合できる真空ろう付け法（例えば特許文献１）が用いられていた。
【特許文献１】特開平５−１１１７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、真空ろう付け法は、高価なろう材を必要とするうえ生産性に劣るため、コストが高い問題があった。
【０００５】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、高温で脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を、生産性に優れ、かつ高い接合強度が得られる、安価で信頼性の高い溶接方法および溶接継手構造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】
請求項１に記載の発明は、接合部に脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を溶接する方法であって、高融点側の金属材料の接合箇所に低融点側の金属材料の接合箇所を重ね合わせ、前記高融点側の金属材料の重ね合わせ面とは反対側の面から所定の貫通溶接手段を用いて貫通溶接処理を施すことより、前記高融点側の金属材料が溶融して形成された溶接金属を、前記低融点側の金属材料中にくさび状に食い込ませて接合することを特徴とする異種金属材料の溶接方法である。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記高融点側の金属材料が鉄系材料であり、前記低融点側の金属材料が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溶接方法である。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記所定の貫通溶接手段が、レーザ溶接機または電子ビーム溶接機である請求項１または２に記載の異種金属材料の溶接方法である。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、接合部に脆い金属間化合物を形成しやすい異種金属材料を溶接する方法を用いて接合された溶接継手構造であって、高融点側の金属材料の接合箇所に低融点側の金属材料の接合箇所を重ね合わせ、前記高融点側の金属材料の重ね合わせ面とは反対側の面から所定の貫通溶接手段を用いて貫通溶接処理を施すことより、前記高融点側の金属材料が溶融して形成された溶接金属を、前記低融点側の金属材料中にくさび状に食い込ませることによって接合された異種金属材料の溶接継手構造である。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記高融点側の金属材料が鉄系材料であり、前記低融点側の金属材料が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溶接継手構造である。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記所定の貫通溶接手段が、レーザ溶接手段または電子ビーム溶接手段である請求項４または５に記載の異種金属材料の溶接継手構造である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高融点側の金属材料由来の溶接金属を低融点側の金属材料中にくさび状に食い込ませているので、たとえ、このくさび状の部分の周辺に多少の脆い金属間化合物や熱影響部が形成されても、高い接合強度が安定して得られる。また、レーザ溶接機、電子ビーム溶接機など既存の高エネルギー密度の貫通溶接手段を用いることができるので、生産性に優れ、かつ安価で信頼性の高い接合が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１に、本発明の実施の形態に係る溶接方法により接合された溶接継手構造の様子を示す。図において、符号１は、高融点側の金属材料としてのステンレス鋼管、符号２は低融点側の金属材料としてのアルミニウム合金材をそれぞれ示し、符号３は溶接により形成された溶接金属を示す。
【００１５】
以下、溶接方法について説明する。まず、ステンレス鋼管１の接合箇所としての管端部に、アルミニウム合金材２の接合箇所としての棒状部を差し込み、両者の接合箇所を重ね合わせる。
【００１６】
ついで、ステンレス鋼管１の重ね合わせ面とは反対側の面（すなわち外表面）から、所定の貫通溶接手段としてのＣＯ2レーザ溶接機（図示せず）を用いて貫通溶接処理を施す。具体的には、ステンレス鋼管１の外表面に向けてＣＯ2レーザ溶接機を固定して設置する。そして、アルミニウム合金材２を差し込んだ状態でステンレス鋼管１をその管軸周りに所定の回転速度で回転させつつ、ステンレス鋼管１の外表面に向けて所定の出力でレーザビームを照射する。レーザビームの照射を受けた接合部は急速に加熱されてステンレス鋼管１の外表面から内表面に向かって縦方向に溶け込む。この間にステンレス鋼管１が回転して上記接合部はレーザビームの照射を受けなくなるので、熱伝導に優れたアルミニウム合金材２の放熱効果により、上記溶け込みによって形成された溶接金属が急速冷却され凝固する。したがって、レーザビームの出力とステンレス鋼管１の回転速度とを適切に設定することにより、アルミニウム合金材２を過度に溶融することなく、実質的にステンレス鋼成分のみからなる溶接金属３が形成される。そして、この溶接金属３は、その先端部がアルミニウム合金材２中にくさび状に食い込んだ状態で凝固する。
【００１７】
溶接金属３は溶融後に再凝固したものであるため一方の母材であるステンレス鋼管１より強度が低下する可能性があるものの、実質的にステンレス鋼成分のみから形成されているので少なくとも他方の母材であるアルミニウム合金材２よりは高い強度を維持する。
【００１８】
また、くさび状の溶接金属３の前方には、ステンレス鋼成分にアルミニウム合金成分が溶け込んだ金属間化合物が生成するが、上記急速冷却によりアルミニウム合金成分の過度の溶け込みが防止されるので、金属間化合物の生成量は少ないことに加え、脆い金属間化合物の間に高強度の金属間化合物が噛み合うように形成されるため（後記実施例参照）、接合部の強度低下に大きな影響を与えない。また、この金属間化合物よりさらに前方のアルミニウム合金材２中には熱影響部が形成されるが、上記と同様、上記急速冷却によりその形成量は少なく、接合部の強度低下に大きな影響を与えない。
【００１９】
以上より、ステンレス鋼管１とアルミニウム合金材２とが、実質的にステンレス鋼成分のみからなるくさびで固定された状態となるので、高い接合強度が得られる。また、既存のＣＯ2レーザ溶接機を用いるので、生産性に優れ、かつ安価で信頼性の高い接合が実現できる。
【００２０】
さらに、ステンレス鋼管１を回転させて円周全体を溶接することにより、気密性も確保できる。なお、図１において溶接箇所を２箇所としたのは、気密性の確保をより確実にするためである。
【００２１】
（変形例）
上記例では、高融点側の金属材料としてステンレス鋼を例示したが、普通鋼その他の鉄系金属材料にも適用できる。また、低融点側の金属材料としてアルミニウム合金を例示したが、純アルミニウムその他のアルミニウム系材料にも適用できる。
【００２２】
また上記例では、貫通溶接手段としてＣＯ2レーザ溶接機を例示したが、ＹＡＧレーザ溶接機その他のレーザ溶接機や電子ビーム溶接機を用いても良い。
【００２３】
また上記例では、管材と棒材との接合を例示したが、管材どうし、板材どうし等あらゆる形状の部材の接合にも適用できる。ただし、低融点側の金属材料の肉厚が薄すぎると、放熱効果が減少して冷却速度が低下し、金属間化合物の生成量の増加や熱影響部の拡大が懸念されるので、ある程度の厚みが必要である。
【００２４】
また、上記例では、溶接箇所を２箇所、溶接深さを０．５から１．０ｍｍの範囲としたが、これらは異種金属材料の材質・形状・寸法等や必要とする接合強度等に応じて適宜変更し得るものである。
【００２５】
また上記例では、ステンレス鋼管１を回転させつつ円周全体を溶接する方法を例示したが、気密性を問題としない場合は、スポット的に複数箇所を溶接する方法を採用しても良い。
【実施例】
【００２６】
〔実施例〕
本発明の効果を確認するため、上記実施の形態（図１）で説明した溶接方法により、ステンレス鋼管とアルミニウム合金材との接合を試みた。
【００２７】
（試験条件）
ステンレス鋼管としては、ＳＵＳ３０４製で外径１２ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ４０ｍｍの管材を用い、アルミニウム合金材としては、Ａ３００３製で径１０ｍｍ、長さ８０ｍｍの棒材を用いた。ＣＯ2溶接機としては、松下溶接システム社製ＹＢ−Ｌ２２Ｒ−３１（定格出力１０００Ｗ、出力：７００Ｗ設定、加工速度：４００ｍｍ／分、ノズル径：５ｍｍ、集光レンズ径：１．５ｍｍ、出力形態：ＣＷ、補助ガス：Ｎ2 ０．０５ＭＰａ、タクトタイム：５．６秒）を用いた。接合箇所（２箇所）は、後で溶接を行う接合箇所が先に行った溶接による熱影響を受けないように５ｍｍの間隔を開けた。ステンレス鋼管の回転速度は、溶接深さ（溶接金属のくさび状の部分のアルミニウム合金材中への突き出し長さ）が０．５から１．０ｍｍの範囲となるように、上記回転速度を数水準変化させて行った予備試験の結果に基づいて設定した。
【００２８】
（試験結果）
Ｎ＝２の試料について接合後、引張試験を実施したところ、それぞれ９８５０Ｎ、１０９６０Ｎの荷重で母材破断した。これらの荷重を引張強度に換算すると約１００ＭＰａであり、アルミニウム合金材を母材とする継手効率は７５％以上となり、十分に実用に耐えうる高い接合強度が得られることが確認された。
【００２９】
また、接合部（図１のＡの部分）をミクロ観察したところ、図２に模式的に示すように、溶接金属３の前方に金属間化合物の薄い層が形成され、さらにその前方のアルミニウム合金材中に熱影響部の薄い層が存在するのが認められた。なお、金属間化合物の層中には、色の薄い部分４と色の濃い部分５とが存在しており、色の薄い部分４は溶接金属３と熱影響部の両方に接して連続的に形成されているのに対し、色の濃い部分５は溶接金属３には接しておらず色の薄い部分４と熱影響部との間に断続的に存在しているのが認められた。図２中の各金属組織について、硬度測定とＥＤＸによる成分分析を実施し、その結果を表１に示す。表１に示すように、溶接金属３は、若干のＡｌ成分が溶け込んでいるものの、実質的にステンレス鋼成分のみで形成されていることが確認された。また、上記金属間化合物層中の色の濃い部分５は、Ａｌ：Ｆｅの比が３：１に近い成分組成を有しており、従来から知られている脆い金属間化合物と推定される。これに対し、色の薄い部分４は、溶接金属３とほぼ同様のＡｌが少なくＦｅの多い成分組成を有しており、高い強度を有するものと推定される。したがって、連続的に形成された高強度の色の薄い部分４を介して溶接金属３と熱影響部とがつながっているため、接続部は比較的高い強度を保持するものと考えられる。
【表１】
2005205452.tif 000003
【００３０】
〔比較例〕
（試験条件）
比較のため、上記実施例と同一の材料を用い、溶接機をＴＩＧ溶接機に代え、上記実施例と同様にステンレス鋼管を回転させつつアークを照射して接合を試みた。ＴＩＧ溶接機としては、日立インバータ社製ペア複合溶接機ＡＤ−ＧＰ2３００Ａ（ベース電流：１０Ａ、ピーク電流：１５０Ａ、パルス周波数：１、電極：２．４ｍｍ径 タングステン、ノズル：１０Ａ、シールドガス：１０Ｌ／分）を用いた。接合箇所（２箇所）は、上記実施例と同様、５ｍｍの間隔を開けた。
【００３１】
（試験結果）
接合部を断面観察したところ(図示省略)、溶接金属はくさび状には形成されず、裾の広がったなだらかな丘状となっているのが認められた。また、接合後の試料の引張試験を実施したところ、溶接金属とアルミニウム合金との接合部が破断（剥離）してステンレス鋼管からアルミニウム合金材が抜けてしまい、実用に耐えうる接合強度は得られなかった。
【００３２】
さらに、接合部をミクロ観察したところ、図３に模式的に示すように、実質的にステンレス鋼成分のみからなる溶接金属は存在せず、金属間化合物の厚い層が形成され、その周りに熱影響部の厚い層が形成されているのが認められた。図３中の各金属組織についてＥＤＸによる成分分析を実施し、その結果を表２に示す。表２に示すように、上記金属間化合物層は、Ａｌ：Ｆｅの比が３：１に近い成分組成を有しており、従来から知られている脆い金属間化合物で形成されているものと推定される。また、上記熱影響部も上記金属間化合物層とほぼ同様の成分組成を有しており、同様の脆い金属間化合物が形成されているものと推定される。したがって、この接合部は高い強度を保持することができないものと考えられる。
【表２】
2005205452.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態に係る溶接方法により接合された溶接継手構造の断面の様子を示す縦断面図である。
【図２】実施例の接合部（図１のＡの部分）を模式的に示す拡大部分縦断面図である。
【図３】比較例の接合部を模式的に示す拡大部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…高融点側の金属材料（ステンレス鋼管）
２…低融点側の金属材料（アルミニウム合金材）
３…溶接金属
４…色の薄い部分
５…色の濃い部分
【図１】
2005205452.tif 000005
【図２】
2005205452.tif 000006
【図３】
2005205452.tif 000007