(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ化セシウム及びフッ化アルミニウム及びフッ化カリウム及び酸化アルミニウムを少なくとも成分として含むフラックスを芯材としアルミニウム又はアルミニウム合金で被覆して形成されるフラックス入りワイヤを溶加材とし、アルミニウム又はアルミニウム合金部材と鉄鋼部材とをアーク溶接によって接合し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金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前記フラックスによって前記鉄鋼部材側の接合部表面に覆い被さり密着状態になる溶融金属を介して間接的にアークから入熱し溶融させないで数μｍの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。
【請求項２】
前記アーク溶接が、交流パルスＭＩＧ溶接又は交流ＭＩＧ溶接である請求項１記載のアルミニウムと鉄鋼の接合方法。
【請求項３】
前記アーク溶接が、アーク発生部又はその周辺部にレーザを照射するレーザ照射アーク溶接である請求項１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、アルミニウム又はその合金（以下、単にアルミニウムという）と鉄鋼とのアーク溶接による接合方法に関する。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
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】
また、アルミニウムと鉄鋼との接合において、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と鉄鋼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、アルミニウムと鉄鋼との接合に、アーク溶接等の溶融溶接を使用されることはなかった。
【０００５】
そこで、本発明では、アルミニウムと鉄鋼との接合において、アーク溶接を用いて生産性を高めると共に、アルミニウムと鉄鋼との接合部に脆弱な厚い金属間化合物層を形成させないことによって強度劣化の生じない健全な接合部を形成することができる接合方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図１〜５に示すように、
フッ化セシウム及びフッ化アルミニウム及びフッ化カリウム及び酸化アルミニウムを少なくとも成分として含むフラックスを芯材としアルミニウム又はアルミニウム合金で被覆して形成されるフラックス入りワイヤを溶加材とし、アルミニウム又はアルミニウム合金部材と鉄鋼部材とをアーク溶接によって接合し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金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前記フラックスによって前記鉄鋼部材側の接合部表面に覆い被さり密着状態になる溶融金属を介して間接的にアークから入熱し溶融させないで数μｍの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。
【０００７】
第２の発明は、図６に示すように、
上記アーク溶接が、交流パルスＭＩＧ溶接又は交流ＭＩＧ溶接である第１の発明に記載するアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【０００８】
第３の発明は、図７〜８に示すように、
上記アーク溶接が、アーク発生部又はその周辺部にレーザ８を照射するレーザ照射アーク溶接である第１の発明に記載するアルミニウムと鉄鋼の接合方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態の例として、実施例１〜３について説明する。
［実施例１］
図１は、実施例１の発明を実施するためのアーク溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。
溶接電源装置ＰＳは、アーク溶接を行うための溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータＷＭへ送給制御信号Ｆｃを出力する。フラックス入りワイヤ１は、図２で後述するように、特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤである。このフラックス入りワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って予め定めた送給速度で送給される。被接合材は、アルミニウム部材２ａと鉄鋼部材２ｂとで溶接継手を形成し、フラックス入りワイヤ１と被接合材との間にアーク３が発生して接合が行われる。このアーク３による接合状態については、図３で後述する。同図では、消耗電極アーク溶接の場合を例示しているが、本発明のアーク溶接方法としては、直流のＭＩＧ溶接、直流のパルスＭＩＧ溶接、交流ＭＩＧ溶接、交流パルスＭＩＧ溶接、直流／交流ＴＩＧ溶接、プラズマアーク溶接又はこれらのアーク溶接とレーザ照射とを同時に使用する複合方式のレーザ照射アーク溶接等を使用することができる。
【００１０】
図２は、本発明に使用するフラックス入りワイヤの断面図である。同図に示すように、本発明のフラックス入りワイヤは、フッ化セシウム及びフッ化アルミニウム及びフッ化カリウム及び酸化アルミニウムを少なくとも成分として含むフラックス１ａを芯材とし、アルミニウム又はアルミニウム合金１ｂで被覆して形成される（以下、特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤという）。上記特定成分のフラックス１ａは、アーク熱によるワイヤの溶融に伴って被接合材へ移行し、溶融金属と被接合材との接合界面に浸透してアーク熱によって高温となり、その化学反応によって鉄鋼表面の清浄作用を促すと共に、アルミニウムから成る溶融金属のぬれ性及び接着性を良好にする。図３で後述するように、このフラックスによる清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用によって、脆弱な厚い金属間化合物層の形成を阻止することができる。
【００１１】
図３は、本発明におけるアルミニウムと鉄鋼とのアークによる接合状態を示す図である。同図に示すように、アルミニウムから成る溶融金属２ｃとアルミニウム部材２ａとの接合は、通常の溶接部と同様に、アルミニウム部材２ａが溶融して溶融金属２ｃと一体化し、凝固後強固な接合部を形成する。他方、前述したフラックスによる清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用によって、鉄鋼部材２ｂの表面上には溶融金属２ｃが広く覆い被さり密着状態にあるので、鉄鋼部材２ｂへはアーク３から直接的に入熱されることはなく、覆い被さった溶融金属２ｃを介して間接的に入熱される。このために、鉄鋼部材２ｂはアーク３によって過剰に加熱されて溶融することはなく（以下、溶融金属による過熱防止作用という）、密着した溶融金属２ｃとの接合界面に数［μｍ］程度と薄い金属間化合物層を形成することになる。前述したように、この金属間化合物層が数十［μｍ］程度以上と厚くなると、脆弱になり溶接割れが発生して強度が劣化するが、数［μｍ］程度と薄い金属間化合物層は脆弱ではなく強固な接合状態となる。したがって、溶融金属２ｃと鉄鋼部材２ｂとの接合界面に数［μｍ］程度の薄い金属間化合物層を形成するためには、前述したフラックスによる清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用が非常に重要となる。すなわち、清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用が低下すると、溶融金属２ｃが鉄鋼部材２ｂの表面を十分に覆い被さることができず、その結果、アーク３が直接的に鉄鋼表面に触れることになるために、鉄鋼表面が過剰に加熱されて溶融して厚い金属間化合物層が形成されることになる。または逆に、鉄鋼部材２ｂが加熱されなかったとしても、溶融金属２ｃと鉄鋼部材２ｂとの密着度が低いと、均一な金属間化合物層が形成されずに溶融金属２ｃと鉄鋼部材２ｂとが接合されないで簡単に剥離する場合も生じる。
【００１２】
図４は、パルスＭＩＧ溶接を使用した本発明のアルミニウムと鉄鋼との接合方法によるビード断面図の一例である。同図は、板厚２［mm］の純アルミニウム部材２ａ（JIS  A1050相当）と、板厚２［mm］の軟鋼部材２ｂ（JIS  SPCC相当）との重ねすみ肉溶接継手において、特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤを用いて、図１で前述した溶接装置によるパルスＭＩＧ溶接によって接合した場合である。他の溶接条件としては、溶接電流が１００［Ａ］、溶接電圧が１８［Ｖ］、溶接速度が４０［cm/min］のときである。同図から明らかなように、純アルミニウム部材２ａ側は溶融して溶着金属２ｄと一体化して強固な接合部を形成している。他方、軟鋼部材２ｂ側は、溶融せず溶着金属２ｄと軟鋼表面との接合界面には数［μｍ］程度の薄い金属間化合物層が形成されて強固な接合部となっている。
【００１３】
また、上述した重ねすみ肉溶接継手の試験材の接合力を評価するために、引っ張り試験を実施した。その結果、試験材はいずれも純アルミニウム部材２ａ側の熱影響部で破断しており、溶着金属２ｄと純アルミニウム部材２ａ及び溶着金属２ｄと軟鋼部材２ｂとの接合部の強度は十分確保されていることがわかった。
【００１４】
図５は、交流ＴＩＧ溶接法を使用した本発明のアルミニウムと鉄鋼との接合方法によるビード断面図の一例である。同図は、前述した図４と同様に、板厚２［mm］の純アルミニウム部材２ａ（JIS  A1050相当）と、板厚２［mm］の軟鋼部材２ｂ（JIS  SPCC相当）との重ねすみ肉溶接継手において、添加ワイヤに特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤを用いて、交流ＴＩＧ溶接によって接合した場合である。他の溶接条件としては、溶接電流が７０［Ａ］、添加ワイヤの送給速度が３００［cm/min］、溶接速度が２０［cm/min］、電極マイナス電流比率が８０［％］のときである。交流ＴＩＧ溶接では、非消耗電極がマイナス極性のときの電極マイナス電流と、プラス極性のときの電極プラス電流とが交互に繰り返し通電する、上記の電極マイナス電流比率は、一般的に、平均電流に占める上記電極マイナス電流の面積比率となる。同図から明らかなように、純アルミニウム部材２ａ側は溶融して溶着金属２ｄと一体化して強固な接合部を形成している。他方、軟鋼部材２ｂ側は、溶融せず溶着金属２ｄと軟鋼表面との接合界面には数［μｍ］程度の薄い金属間化合物層が形成されて強固な接合部となっている。
【００１５】
［実施例２］
図６は、交流パルスＭＩＧ溶接を使用した本発明のアルミニウムと鉄鋼との接合方法によるビード断面図の一例である。同図は、板厚２［mm］のアルミニウム−マグネシウム合金部材２ａ（JIS  A5052相当）と、板厚２［mm］の軟鋼部材２ｂ（JIS  SPCC相当）との重ねすみ肉溶接継手において、直径１．６［mmの］特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤを用いて、交流パルスＭＩＧ溶接によって接合した場合である。他の溶接条件としては、溶接電流が７０［Ａ］、ワイヤ送給速度が３００［cm/min］、溶接電圧が１５［Ｖ］、溶接速度が８０［cm/min］、電極マイナス電流比率が２０［％］のときである。同図から明らかなように、アルミニウム合金部材２ａ側は溶融して溶着金属２ｄと一体化して強固な接合部を形成している。他方、軟鋼部材２ｂ側は、溶融せず溶着金属２ｄと軟鋼表面との接合界面には数［μｍ］程度の薄い金属間化合物層が形成されて強固な接合部となっている。
【００１６】
前述したように、本発明の接合方法においては、鉄鋼部材の表面上に溶融金属が覆い被さることによって過熱を防止して、鉄鋼部材を溶融させないことが重要である。交流パルスＭＩＧ溶接又は交流ＭＩＧ溶接では、一般的に、前述した電極マイナス電流比率を変化させることによって、被接合材への入熱を制御することができる。したがって、上述した溶融金属による過熱防止作用に加えて、電極マイナス電流比率を適正値に設定することによって鉄鋼部材を溶融させないように入熱を精密に制御することができる。このために、交流パルスＭＩＧ溶接又は交流ＭＩＧ溶接を使用した場合には、適用範囲が広がり、接合品質もさらに良好になる。
【００１７】
［実施例３］
図７は、レーザ照射交流パルスＭＩＧ溶接を使用した本発明のアルミニウムと鉄鋼との接合方法によるビード断面図の一例である。同図は、前述した図６と同様に、板厚２［mm］のアルミニウム−マグネシウム合金部材２ａ（JIS  A5052相当）と板厚２［mm］の軟鋼部材２ｂ（JIS  SPCC相当）との重ねすみ肉溶接継手において、直径１．６［mm］の特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤを用いて、図８で後述するレーザ照射アーク溶接装置によって接合した場合である。他の溶接条件としては、溶接電流が２００［Ａ］、ワイヤ送給速度が１１３０［cm/min］、溶接電圧が１９［Ｖ］、溶接速度が４００［cm/min］、電極マイナス電流比率が４０［％］のときである。溶接速度を、前述した図６のときの８０［cm/min］から４００［cm/min］へと５倍速くするために、電極マイナス電流比率を大きくして溶接ワイヤの溶着量を増加させている。同図から明らかなように、アルミニウム合金部材２ａ側は溶融して溶着金属２ｄと一体化して強固な接合部を形成している。他方、軟鋼部材２ｂ側は、溶融せず溶着金属２ｄと軟鋼表面との接合界面には数［μｍ］程度の薄い金属間化合物層が形成されて強固な接合部となっている。
【００１８】
アーク発生部又はその周辺部にレーザを照射するレーザ照射アーク溶接では、アーク溶接単独のときに比べて溶接速度を３〜５倍程度速くすることができる。その理由は、高速溶接では鉄鋼部材への単位長さ当りの入熱が小さくなってその表面温度が低くなり、本発明の重要な作用効果である溶融金属のぬれ性、接着性が低下することになる。このために、適正な出力値のレーザを溶融金属に照射してその吸収エネルギーによる発熱によって、鉄鋼部材を過剰に加熱することなく溶融金属のぬれ性、接着性を良好にすることができる。さらに、レーザの照射によって、アークはレーザ照射位置に吸引されるのでアークの指向性、安定性等を増すことができ、良好な高速溶接が可能となる。
【００１９】
図８は、レーザ照射アーク溶接装置の構成図である。同図において、アーク溶接装置については前述した図１と同一であるので、同一符号を付してそれらの説明は省略する。レーザ発振装置６は、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等の発振装置であり、所定の出力値のレーザ光８を出力する。レーザ光８は、レーザトーチ７を通ってアーク発生部又はその周辺部に照射される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のアルミニウムと鉄鋼の接合方法は、特定成分のフラックスを有する本発明のフラックス入りアルミニウムワイヤを用いたアーク溶接によって、溶着金属と鉄鋼との接合界面に強固な接合力を有する薄い金属間化合物層を形成することができるので、十分な強度を有する健全な接合部を得ることができる。
さらに、実施例２の発明では、上記アーク溶接に交流パルスＭＩＧ溶接又は交流ＭＩＧ溶接を使用することによって、鉄鋼部材への入熱を精密に制御することができるので、種々な溶接条件下において上記薄い金属間化合物層をより確実に形成することができ、適用範囲の拡大及び接合品質の向上を図ることができる。
さらに、実施例３の発明では、レーザ照射とアーク溶接とを併用することによって、高速溶接時の溶融金属のぬれ性、接着性を良好にすることができるので、高速溶接においても良好な接合品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアーク溶接装置の構成図
【図２】本発明のフラックス入りワイヤの断面図
【図３】本発明の接合状態を示す図
【図４】パルスＭＩＧ溶接を使用した本発明の接合方法によるビード断面図
【図５】交流ＴＩＧ溶接を使用した本発明の接合方法によるビード断面図
【図６】交流パルスＭＩＧ溶接を使用した本発明の接合方法によるビード断面図
【図７】レーザ照射アーク溶接を使用した本発明の接合方法によるビード断面図
【図８】本発明のレーザ照射アーク溶接装置の構成図
【符号の説明】
１  フラックス入りワイヤ
１ａ  フラックス
１ｂ  アルミニウム材
２ａ  アルミニウム部材
２ｂ  鉄鋼部材
２ｃ  溶融金属
２ｄ  溶着金属
３  アーク
４  溶接トーチ
５  送給ロール
６  レーザ発振装置
７  レーザトーチ
８  レーザ光
Ｆｃ  送給制御信号
Ｉｗ  溶接電流
ＰＳ  溶接電源装置
Ｖｗ  溶接電圧
ＷＭ  ワイヤ送給モータ
【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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