接合界面制御による異種金属接合技術の確立
独立行政法人国立高等専門学校機構

阿南工業高等専門学校 創造技術工学科
准教授 西本 浩司（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014203）

機械コース

キーワード：レーザ，異種金属，接合

１．研究の背景と目的

２．実験方法

異種金属接合は，各種構造部材等の軽量化，低コスト

接合材には，合金化溶融亜鉛めっき鋼板と工業用純ア化，高機能化および高性能化などの観点から，様々な工ルミニウムA1050を用いた．主要な合金元素の化学成分業分野において望まれている．特に，輸送機器分野にお（規格値）を表1に示す．接合材は，厚さ1 mm，幅55 mm，いては地球環境保護，省エネルギーおよびCO2排出削減な長さ300 mmの帯材である．亜鉛めっき鋼板のめっき付着どの実現のために期待されている．各種輸送機器への構量は，両面等厚めっきの3点平均最小付着量（両面合計）造部材としてアルミニウム合金をはじめとする軽量金属80 g/m3である．接合材は，接合面をエタノールで脱水・の適用が積極的に進められている．しかし，異種金属の脱脂して用いた．

溶融溶接では，異なる物性（融点や熱伝導率）のために実験装置の概略図を図1に示す．接合は，重ね合わせ幅入熱制御を行い，一方の金属のみを溶融させ，その熱でを5 mmとして圧接ローラ間に挿入し，両接合材の開き角他方を溶融させるなどの工夫が必要である 1)．また，多度を60°として，その合わせ面にレーザを照射し重ね合

くの異種金属の組み合わせにおいては，接合界面に硬くわせ接合を行った．レーザには，最大出力3 kWの連続発て脆い金属間化合物が形成されてしまう．金属間化合物

振半導体レーザ（Laserline社製，波長800 / 940 ± 10 nm）形成の抑制においても入熱制御は有効であるが，突合せを用いた．本レーザ装置は，レーザヘッド内に0.5 × 3 m2

継手，重ね合わせ継手ともに熱源を接合部材上方から与のエミッターが並んだレーザバーを積層したスタックをえるため，接合界面を一様に入熱制御することは困難で持つダイレクトタイプである．発振されたレーザ光はコある．また，接合に寄与しない母材部の溶融や熱影響をリメーションレンズを通過して，焦点距離100 mmのレン伴うため，エネルギーロスや溶接欠陥の原因となる．

ズにより集光される．本研究では，コリメーションレン

そこで本研究では，両金属板の合せ面側へレーザを照ズと集光レンズの間にホモジナイザー（短形光学系）を射することで，接合界面のみを加熱・溶融可能な溶接法挟むことで，ビームの長軸および短軸の長さを変化させ，を提案した 2)-3)．これまでに，低炭素鋼とアルミニウム

レーザスポット径0.6 × 11 mmのラインビーム形状としおよび亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの組み合わせで，て用いた．

引張せん断試験においてアルミニウムから破断する高強度な継手を得ることに成功している 3)．しかしながら，得られる継手は接合材を全面張り合わせた面接合となっており，実用継手に対して適用することが困難であった．
そこで，接合材の一部分のみを重ね合わせて接合させることで，重ね合わせ継手の形成を可能にした．
本報告では，自動車用鋼板として用いられている亜鉛

Roller

めっき鋼板とアルミニウムの組み合わせにおいて，接合材の一部を重ね合わせ，合わせ面（接合界面）にレーザを照射して重ね合わせ接合を行った．得られた継手に対して引張せん断試験を行い，各種接合条件と接合界面に形成される化合物層および継手強度との関係を調査した．
図1

また，疲労試験を実施し動的強度評価による異種金属継実験装置の概略図

手の信頼性評価を行った．
表1

亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの化学成分（規格値）

Fe

AlCMg

SiMnPSGA steelRem－≦0.15－－

≦0.80

≦0.05

≦0.05A1050≦0.4Rem

－

≦0.05

≦0.25

≦0.05－－圧接ローラは，サイズφ 24 mmおよび幅14 mmであり，いずれの接合条件においても，接合界面に層状の化合物最大5 kNの荷重を負荷することが可能であり，負荷した層が確認できるが，割れ，ポロシティなどの溶接欠陥は荷重はロードセルにより測定され，デジタル表示器によ認められず良好な異種金属継手が得られた．化合物層は，り読み取ることができる．

レーザ出力 1000 W の場合では平均で約 7 m，レーザ出実験条件として，レーザ照射位置は両接合材の合わせ

力 1100 W の場合では平均で約 9 m，レーザ出力 1200 W

面の中心，送り速度を10 mm/min一定として，レーザ出の場合では平均で約 11 m の厚さで形成されていた．化

力1000～1200 W，圧接ローラ荷重1.96～2.94 kNと変化さ

合物厚さは，レーザ出力の増加により入熱量が増大し，せて接合実験を行った．

化合物層の成長が促進されたためであると考えられる．
また，圧接ローラ荷重が増加しても化合物層厚さには変３．実験結果化は見られず，同程度の厚さで化合物層が接合界面に一3.1様に形成していた．

亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの重ね合わせ接合

各種接合条件において，亜鉛めっき鋼板と A1050 の重ね合わせ接合を行った結果，全ての接合条件において接3.2

引張せん断試験結果合が可能であった．得られた継手の外観写真を図 2 に示

各種接合条件で得られた異種金属継手の引張せん断試

す．重ね代 5 mm で重ね合わせ溶接が可能であったが，圧験を実施した．これまでに行ってきた亜鉛めっき鋼板と接ローラ荷重により若干湾曲した継手形状となっていた．

アルミニウムの面接合3)により得られた継手では，接合代表的な接合部断面の顕微鏡観察写真を図 3 に示す．

部面積が広いため引張せん断試験に用いる継手の切り出しが困難であった．本研究では，得られた重ね合わせ継手から引張せん断試験片を採取できるため，図4に示すよ亜鉛めっき鋼板

うな試験片を放電加工機により切り出して，引張せん断試験を行った．
引張せん断試験結果を図5に示す．引張せん断試験では，全ての接合条件において，接合部近傍のA1050母材部から破断し，広範囲な条件下で高強度な異種金属継手が得ら溶接部れた．また，引張せん断試験と同形状の試験片を用いた
A1050母材の引張試験で得られた最大引張荷重が約770 N（実測値）であるのに対し，レーザ出力1000 Wおよびロ10 mm

A1050ーラ加圧力1.96 kNの場合では，引張せん断荷重が平均で約520 NとA1050母材の約70 %相当であった．

図2

溶接継手の外観写真
溶接部

亜鉛めっき鋼板

亜鉛めっき鋼板7 m

図49 mA1050
10 mm
引張せん断試験片

600

A1050
(a)

(b)
圧接ローラ荷重：2.94 kN
レーザ出力(a) 1000 W

11 m(b) 1100 W
50 m(c) 1200 W

1.96 kN
2.94 kN

500

400300900(c)図3Tensile shear load [N]Roller pressure

1000

1100
1200
Laser power [W]

図5

引張せん断試験結果

接合部断面の光学顕微鏡観察写真

1300

鉄鋼材料とアルミニウムの接合では，接合界面に形成溶接部される金属間化合物の厚さが層状に1 mを越えると継手強度を大きく低下させると報告されている 4）．しかし，亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの重ね合わせ継手におい亜鉛めっき鋼板破断部10 mmても，接合界面に形成されている化合物層が層状に7 m以上と厚く形成されている場合でも，A1050母材部から破断する高強度な異種金属継手を得ることができた．
3.3

A1050

図7

引張せん断試験および疲労試験後の継手外観写真

疲労試験結果次に，異種金属継手の疲労強度特性について調査する

GA steel

A1050

ために，疲労試験を実施した．レーザ出力1000，1100，1200 Wで圧接ローラ荷重2.94 kNでの疲労試験結果を図6

Weld areaに示す．
疲労試験では，全ての繰返し荷重条件において，引張せん断試験と同様に図7に示すように接合部近傍のA1050母材部からの破断が確認できた．疲労試験結果から，高荷重側における疲労強度は，ばらつきはあるものの，引張せん断試験と同様にレーザ出力が増加するにつれて小さくなっていた．一方，低荷重側における疲労強度は，レーザ出力1000 Wおよび1100 Wの場合では顕著な差はな

GA steelく，レーザ出力1200 Wの場合が最も大きかった．しかし，疲労試験と同形状の試験片を用いたA1050母材の疲労試

図8験で得られた疲労強度と比較すると，異種金属継手の疲接合部近傍の A1050 母材の変形労強度は最大で約30 %程度まで減少していた．これは，図8に示すようにA1050母材破断部付近では，亜鉛めっき鋼板とアルミニウム重ね接合時の圧接ローラ加圧により，したがって，疲労試験では引張試験に比べて応力集中の接合部近傍のA1050の塑性変形が生じ，A1050母材が初期影響が大きいことから，異種金属継手はA1050母材部から板厚に比べて減少するとともに，A1050母材部の一部分が破断したにもかかわらず，A1050母材の疲労強度に比べて亜鉛めっき鋼板母材端部に食い込んでいた．一般に溶接大幅に低下したと考えられる．

継手のような強度特性に分布がある場合，荷重を負荷すると低強度部に応力が集中することが広く知られている．

3.4

接合部断面のSEM観察およびEDX組成分析結果

接合部に形成する化合物層について検討するために，
レーザ出力1200 W，圧接ローラ荷重2.94 kNでの接合部断面に対し，SEM観察およびEDX分析を行った．
接合部断面のSEM観察およびEDX面分析結果を図9に示Maximum tensile shear load [N]600

す．また，図9のSEM観察写真中の線上に沿って，約2 m

Laser power

500間隔で点分析を行った．
接合部断面のEDX点分析結果を図1000 W
1100 W
1200 W

40010に示す．なお，A1050母材表面を接合界面とし，GA鋼板母材側を－方向，A1050母材側を＋方向としてX軸を表記した．

300

SEM観察，EDX面分析および点分析結果より，化合物層は約12 mと厚く層状に形成していることが確認できる．

200

EDX点分析結果では，化合物層内の原子濃度はFeが約221000 210at%，Alが約48 at%，Znが約30 at%であり金属間化合物層
103104105106

Number of cycles to failure [cycle]
図6

疲労試験結果107の形成も考えられるが，約12 mと厚く層状に形成されているにもかかわらず，引張せん断試験および疲労試験において，A1050母材から破断しており，全ての層が金属間化合物で形成されているとは考えにくい．したがって，亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの面接合と同様な接合機
構3)により接合されているものと推察される．

SEM

FeA

GA steelCompound layer

B

A1050

GA steelComposition [at%]100A1050
10 m

AlFeAlZn

8060

Interface4020Zn0-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 02468 10Distance from the interface [m]
図 10

EDX 点分析結果

謝辞
本研究は公益財団法人天 田財団一般研究開発助成（AF-2014203）より行われました．同財団からの研究助成に対し厚く謝意を表します．また，阿南工業高等専門
図9

接合部断面の SEM 観察および EDX 面分析結果

学校専攻科構造設計工学専攻の原田京典君にご協力を頂きました．厚く御礼を申し上げます．

４．結言

参考文献

自動車用鋼板として多用されている亜鉛めっき鋼板と

1) 片山聖二，異種材料のレーザー接合技術, レーザー研

アルミニウムの異種金属接合において，接合材の一部を究，Vol. 38，No. 8，「自動車分野におけるレーザー重ね合わせ，合わせ面（接合界面）にレーザを照射して利用の新展開」特集号，(2010)，594-602

重ね合わせ接合を行った．得られた継手に対して引張せん断試験を行い，各種接合条件と接合界面に形成される化合物層および継手強度との関係を調査した．また，疲

2) 西本浩司，藤井洋郎，片山聖二，レーザ圧接法によるアルミニウム合金と低炭素鋼の接合，溶接学会論文集，22-4，(2004)，572-579

労試験を実施し動的強度評価による異種金属継手の信頼

3) 西本浩司，原野智哉，奥本良博，安宅健，藤井洋郎，性評価を行った．得られた結果は以下のとおりである．

片山聖二，レーザ圧接された合金化溶融亜鉛めっき鋼板と工業用純アルミニウム異材接合部の微細組織観

1）亜鉛めっき鋼板と A1050 の重ね合わせ継手において，重ね合わせ面の接合界面にレーザを照射して接合を行い，察，溶接学会論文集 第26巻 第2号，(2008)，181-186
4) 泰山正則，小川和博，高隆夫：アルミクラッド鋼イン広範囲な条件下で接合可能であった．

サート抵抗溶接法の検討，溶接学会論文集 第 14 巻

2）接合部断面観察結果より，化合物層が約 7 ～ 11 m

第 2 号，（1996），314-320と厚く形成しており，レーザ出力が増加するにつれて化合物層が厚く形成されていた．
3）引張せん断試験結果より，全ての接合条件においてA1050 母材部から破断する高強度な異種金属継手が得られた．
4）疲労試験結果より，レーザ出力 1000，1100，1200 W
およびローラ加圧力 2.94 kN では，全ての繰返し荷重条件において A1050 母材部からの破断が確認された．