レーザ圧接法を用いた異種金属表面活性化接合技術に関する研究
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
技術職員 西本浩司（平成 16 年度奨励研究助成 AF-2004023）
キーワード：レーザ，異種金属，接合
１．研究の背景と目的技術室ンし，一対のローラにより加圧され配送される．レーザ

近年，地球環境保護や省エネルギーの観点から，各種はスキャナによって自由な軌跡で照射できるため，両金輸送機器への構造部材としてアルミニウム合金をはじめ属の合わせ面へ照射し両金属を加熱または溶融，どちらとする軽量金属の適用が積極的に進められている．しかか一方の金属側へのみ照射し加熱または溶融させて接合しながら，これらを有効的に使用する際，多くの場合異を行うことができるため，接合における両金属の組成制種金属材料との接合が不可欠である．しかし，従来の溶御を行うことが可能であり，レーザによる急熱急冷効果

融溶接法では，両金属をともに大きく溶融混合してしまと併せて金属間化合物の生成を抑制することができる．

うため，異材接合界面に生成する金属間化合物層が厚くまた，レーザは合わせ面V字ギャップへ照射するため，なり，また高温割れ等が発生し，十分な継手強度を得る

反射率の高い金属であっても，レーザは多重反射によりことができない．また，融点や熱伝導率など異なる物性合わせ面へ集光されることから，レーザ照射入熱を有効差のため，例えば融点が大きく異なる場合，そのまま溶に使うことができる．

融接合すると融点が低い側が溶け落ちてしまうなどの問題が生じる．このように融点が大きく異なる異種金属の３．実験方法

組合せにおける接合では，両金属の溶融を極力抑制する

3.1

か一方の金属のみを溶融し，他方の溶融を抑制するよう接合材には，Al－Mg－Si系アルミニウム合金A6061のな手法が有効である1)．したがって，異種金属接合ではT6処理材とSPCC鋼板を用いた．主要な合金元素の化学両金属間の異なる物性差をカバーしつつ，接合界面に生組成（規格値）を表1に示す．接合材は，厚さ1 mm，幅成する金属間化合物層を薄く抑制できるような溶接法が12 mm，長さ300 mmの帯材である．接合はこれら2枚を望まれる．

合わせ，その合わせ面にレーザを照射して張り合わせる

本研究では，構造部材の軽量化を目的にアルミニウムSPCC鋼板とA6061アルミニウム合金の接合面接合である．

合金と鉄鋼材料との組み合わせにおいて，両金属板の合実験条件を表 2 に示す．接合材表面は#1500 番のエミ

せ面側へレーザを自在に照射することで両金属の接合界リー紙により研磨し，板表面の油分や酸化物を除去し，面温度を制御し，その外側に配した一対のローラで加熱アセトンにて脱脂した後，接合実験を行った．接合部が直後の両金属を圧接することにより，接合材表面を接合酸化すると SPCC 鋼表面に FeO が形成し，接合不能またさせる直前で効率よく加熱し，すぐさまローラにより加は強度低下の原因になることが明らかになったため 2)

圧することで塑性変形させ，酸化皮膜を破壊・新生面の溶接部を覆うようにアルゴンガス雰囲気を作製した．

創出および両金属の相対すべりを促進させることで，接合材表面を活性化させ固相状態で接合，またはわずかにLaser beam

溶融させるかして接合を行う異種金属表面活性化接合技

Beam scanner

術を確立することを目的とする．本報告では，自動車で用いられる低炭素鋼板（SPCC鋼板）および防錆鋼板である亜鉛めっき鋼板とA6061アルミニウム合金の組み合わ

f:θlens

せにおいて，接合条件と金属間化合物生成および継手強度との関係を調査した結果を報告する．

Band plate 1

２．レーザ圧接法

Roller

レーザ圧接法の概略図を図1に示す．接合には2kWYAGレーザ（FANUC社製

Band plate 2

pressured force

Y2000A）を用い，発振器から出射したビームは，ビームスキャナ（SCANLAB社製
SK1020）に導光される．導光されたビームはコリメータ

Traveling speed

レンズにより平行光となり，X-Y軸の振動ミラーによりスキャンされ，f:θレンズを通り帯材の合わせ面に集光される．レーザは帯材に対して平行になるようにスキャ

図 1 レーザ圧接実験装置の概略図

表 1 SPCC 鋼と A6061 アルミニウム合金の化学組成（基準値）
FeAl

SPCC

Rem－

A6061

0.7max

RemC0.12max

Mg

Si－－－

0.8-1.2

0.40-0.
8金属間化合物生成におよぼすローラ加圧力の影響について，接合部断面の光学顕微鏡観察を行い，界面層の平均厚さを3箇所の測定値の平均から求めた．また，異材接合界面を走査電子顕微鏡（SEM）により高倍率で観察し，
SEM に 装 着 さ れ た EDX （ Energy Dispersive X-raySpectrometer）により組成分析を行った．さらに透過電子顕微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）を用いて詳細に観察した．
TEM観察用試料は，試料の任意部を選択的に薄膜化で

表2

Mn
0.50
max
0.15
max

P0.040max

S0.045max－－

SPCC 鋼板と A6061 アルミニウム合金の接合実験条件

Laser power
Laser beam scanning speed
Laser irradiation position
Defocused distance
Traveling speed
Roller pressure

1800 W
30 HzCenter+7 mm
0.5 m/min
82 ～ 327 MPa

きるマイクロサンプリングFIB（Focused Ion Beam）装置
を用いて厚さ150 nmまで薄膜化し，300 kVで観察を行った．
3.2

亜鉛めっき鋼板とA6061アルミニウム合金の接合接合材には，A6061と亜鉛めっき鋼板を用いた．接合

表 3 亜鉛めっき鋼板と A6061 アルミニウム合金の接合実験条件
Laser power
Laser beam scanning speed

材は，厚さ1 mm，幅12 mm，長さ300 mmの帯材である．
実験条件を表3に示す．本手法では，レーザを異種金属板

Laser irradiation positionの合わせ面へ自在に照射できることから，亜鉛めっき鋼板側へレーザを照射し，接合させる直前で沸点が907℃と低い亜鉛めっき層のみを除去し，必要とされる部分の亜鉛めっきを残したまま，鋼板とアルミニウム合金の接合

Defocused distance
Traveling speed
Roller pressure

1000～1700 W
10 HzCenter
Zn-coated steel side
1.0～2.5 mm±0 mm
0.6 m/min
245 MPaが可能であると考えた．接合材表面はA6061側のみ#1500
番のエミリー紙により研磨し，両接合材をアセトンにて脱脂した後，アルゴンガス雰囲気中で接合実験を行い，

A6061

溶接条件と亜鉛めっき層の除去や金属間化合物の生成および機械的強度について調査した．
接合界面および接合部はく離面はSEMにより観察し，EDXを用いて化学組成分布を測定した．継手の機械的性質は，引張せん断試験で評価した．試験片形状は，幅12 mmのレーザ圧接のままの継手形状である．

SPCC

10 µm４．実験結果および考察
4.1

SPCC鋼板とA6061アルミニウム合金のレーザ圧接図 2 接合部断面の光学顕微鏡写真

光学顕微鏡観察により，界面層厚さを測定したところ，ローラ加圧力82 MPaでは，接合界面に明確な化合物層はみられなかった．化合物層の平均厚さはローラ加圧力加することにより両金属板はより密着して，合金元素の164 MPaで約4 µm，245 MPaで約2.5 µm，325 MPaで約1.5拡散が促進され，金属間化合物層の厚さが増加することµm程度であった．図2にローラ加圧力327 MPaでの接合界が予想されたが，ローラ加圧力が327 MPaと高いとき，面の光学顕微鏡写真を示す．金属間化合物層は厚くても5金属間化合物の厚さは薄かった．これは，ローラ加圧力µm以下と非常に薄く抑制することができた．加圧力が増が高い場合，発生した熱がローラへ拡散して接合部が急

SEMFeAlAl

Intermediatelayer

5 µm
A6061

SPCCFeAlAtomic (%)

Fe3Al

FeAl3FeFeAl1µm

図 4 SPCC と A6061 アルミニウム合金接合界面のTEM 観察写真
Distance (µm)

図 3 接合界面の SEM 写真と EDX 分析結果

1800

冷されたため，金属間化合物層の生成が抑制されたものと考えられる．
図3にローラ加圧力327 MPa における接合部断面のSEM写真，EDX面分析・点分析結果をまとめて示す．SEM
写真およびEDX面分析結果から，明確な化合物層は認められず，SEM写真上のラインに沿って点分析を行ったと
ころ，金属間化合物は界面SPCC鋼側でFe3Alが，A6061側ではFeAl3の生成が推察された．そして，その層厚さは1 µm程度と薄かった．
図4にローラ加圧力327 MPaにおける接合界面のTEM

Tensile load (N)

1500
1200
90060030001300

Laser irradiation position○：2.0 mm to Zn-coated steel side△：2.5 mm to Zn-coated steel side

1400

1500

1600

Laser power (W)17001800

図 5 引張せん断試験結果

観察による明視野像を示す．接合界面にはほぼ一定の層状に中間層が生成していることがわかる．アルミニウム合金の結晶粒径は2～3 µmと母材より微細化している．

りせん断試験結果を示す．レーザ出力1400 Wでは接合部中間層の厚さは約 800～900 nm 程度であった．SPCC 鋼よりせん断破断し，1600および1700 Wではアルミニウムと中間層の界面は比較的平坦であるが，アルミニウム合合金側に生じた割れから破断した．レーザ出力1500 Wで金はやや波打った形状となっている．中間層の電子回折はアルミニウム合金母材から破断する高い継手強度を得パターンから細かな結晶パターンを得ることができたが，ることができた．レーザ出力1000 および1500 Wでの接結晶相の同定を行うことはできなかった．

合部断面のSEM写真とFe，AlおよびOのEDX面分析結果

4.2

亜鉛めっき鋼板とA6061アルミニウム合金のを図6に，図6(b)のSEM写真上のラインに沿って点分析をレーザ圧接行った結果を図7に示す．また，図8にレーザ出力1500 W

レーザ照射位置が接合材の合わせ面の中心および亜鉛で接合部剥離後の亜鉛めっき鋼板側の剥離面SEMおよめっき鋼板側へ1 mm寄せた場合では，レーザ出力が1400

びEDX面分析写真を示す．図6(a)のレーザ出力1000 WでW以下で接合可能であったが，それ以上ではアルミニウは，レーザ照射入熱不足により亜鉛めっきを除去するこム合金側が溶け落ちて接合することが出来なかった．レとができず厚い層状に残存している．層厚さを測定した

ーザ照射位置が亜鉛めっき鋼板側へ2 および2.5 mm寄ところ約9 µmであった．図6(b)のレーザ出力1500 Wでは，せた場合ではレーザ出力が1200 W以下では入熱不足に接合界面付近に薄く層状に残っているが，亜鉛めっき鋼より接合できず，1600 W以上でアルミニウム合金側に割板母材に比べて薄くなっていることが分かる．点分析のれが生じた．レーザ出力1500 Wでアルミニウム合金側の結果からZnは接合界面付近にのみ認められ，その層厚さ割れもなく良好な接合部を得ることができた．図5に引張は2 µm以下と薄くなっている．図8からもわずかにZnが

Fe

SEMAlZn

AlZn

10 µm(a) 1000 W
SEMFe5 µm(b) 1500 W
図 6 接合部断面の SEM 写真および EDX 分析結果

Zn-coated steel side

Atomic (%)

10080

Aluminum side

FeSEMFeAl

Zn

Al
250 µm6040201µm

Zn0Distance (µ m)
図 7 点分析結果

点在しているだけで，Znが除去されていることが分かった．以上の結果から，残存したZnがアルミニウム合金側へ拡散し，化合物または固溶体を形成し接合している可能性があることが分かった．

図 8 はく離面の SEM 写真と EDX 面分析結果

１）SPCC 鋼板と A6061 アルミニウム合金の接合①ローラ加圧力の増加に伴い，金属間化合物層は薄くなった．
②TEM 観察結果から，SPCC 鋼と A6061 アルミニウム
異材接合界面には約 800～900 nm の中間層が形成し５．結言
異種金属接合法の一つとして，柔軟なレーザ照射とロ接合していることがわかった．
２）亜鉛めっき鋼板と A6061 アルミニウム合金の接合ーラ加圧によるレーザ圧接法を提案し，SPCC鋼とA6061①レーザ照射位置が亜鉛めっき鋼板側で，レーザ出力アルミニウム合金の接合を行い，接合界面に生成する金が高くなると，亜鉛めっき層を除去できるが，アル属間化合物に及ぼすローラ加圧の影響を調べるとともに，ミニウム合金側表面に割れが生じた．

異材接合界面を透過電子顕微鏡で詳細に観察した．また，亜鉛めっき鋼板とA6061アルミニウム合金との接合を行②適切なレーザ照射条件で固溶層または化合物層の狭い継手の作製が可能であった．

い，溶接条件と亜鉛めっき層の除去や金属間化合物の生③接合界面に亜鉛めっき層が 2 µm 程度残存していて成および機械的強度について調査し得られた結果を要約

も，引張せん断試験においてアルミニウム合金で母すると以下のとおりである．

材破断する高い継手強度を得ることができた．

謝辞

参考文献

本研究を遂行するに当たって，TEM観察用薄膜作製の

1) 片山聖二，レーザ異材接合，溶接技術，50-2，(2002)，ためのFIB加工にご協力いただいた大阪大学接合科学研究所助手の高橋 誠 博士，TEM観察にご協力いただいた

69-73
2) 西本浩司，藤井洋郎，片山聖二，レーザ圧接法による産業総合技術研究所四国センターの槇田洋二氏に深い謝

アルミニウム合金と低炭素鋼の接合，溶接学会論文集，辞を表します．

22-4，(2004)，572-579

本研究は財団法人天田金属加工機械技術振興財団に奨励研究助成として採択されたものであり，同財団からの研究助成に対し厚く謝意を表します．