溶接技術５月号

特集

異種材料の溶接

ＳＰＣＣ鋼とアルミニウム合金のレーザロール溶接施工
沓名

宗春＊、

尾崎仁志＊＊＊（株）最新レーザ技術研究センター

＊＊

三重大学

１． 緒言
地球の温暖化を防止する対策として，自動車産業ではエンジンが排出する炭酸ガスの低減対策として，エンジンの改良，燃費向上と並行して，車体の軽量化による燃費向上CO2削減対策が進んでいる。
本研究では後者の車体軽量化に関して，特性の比重の異なる材料，例えば低炭素鋼と軽金属のアルミニウム合金などを車体の適材適所に配置したハイブリッド構造部材を実現するため，名古屋大学で開発したレーザロール溶接（特許第3535152号）を適用するときのレーザロール溶接の施工条件について検討した。すなわち，これらの異種材料を高い信頼性と生産性で接合する接合技術について研究し 図４のように小入熱でレーザ加熱し，これら金属間化合物のた。

図１

現状では，溶融溶接では脆性な金属間化合物が生成するため接合

図２

Fe-Al系平衡状態図（Hansen）

Fe-Al系合金に生じる金属間化合物のが困難であり，リベットやメカニカルクリンチ方法などの機械的接合法，またはこれらと接着剤とを併用した方法がアルミニウム合金と鋼材の接合に用いれているが，大幅なコスト増，生産上の制約，およびリサイクル性の問題がある。そこで，信頼性の高いレーザロール溶接が可能か検討した。

２

機械的性質（泰山ら）[1]

レーザロール溶接の開発と今までの研究

すでに、名古屋大学で平成10年ころより，アルミニウム合金とＳＰＣＣ鋼を接合する研究を行ってきた。はじめはアルミニウム合金とSPCC鋼の接合界面でどのような反応が起こるか加圧力を変化させ，600℃以下の加熱で，保持時間を0秒から10000秒まで変化させ，金属間化合物の生成過程を注意深く観察した。また，生じる生成物の機械的性質についても調査した。その結果，図１に示すFeAl系平衡状態図において示されるように、図２に示すような延性を示す金属間化合物FeAlまたはFe3Al の生成は，600℃以下の加熱または熱サイクルでは困難であり，図３に示すように，400℃以上に加熱すると脆性なFeAl3 または Fe2Al5 が非常に短時間に数μmあるいは数10μm生成することが確認された。

図３

加圧力を変えた時の金属間化合物層の厚さの変化（沓名，M.Rathod）[2]

1999年ごろ，ドイツのBIAS（Bremen Institute for Applicationof Beam）研究所よりアルミニウムと低炭素鋼のレーザ溶接の報告があった[3][4]。この研究ではレーザ加熱部の温度分布を解析し，厚さを8ないし10μm以下に制御することによりA6061板とSPCC鋼板を接合し，自動車のボンネットやルーフパネルの軽量化を実現しようとの試みであった。

その頃，沓名研究室ではFeAlまたはFe3Alがより延性および靭性に富むことを文献より知った[1]。そこで，これらの金属間化合物を得る条件を検討した結果，BIASの研究よりより高い温度（約1200℃以上）に加熱しないと延性に富む化合物は得られないと思い，延性に富む化合物は発生させるためには図５に示すようなレーザロール溶接法を考案した。この方法は図６に示すように，従来の溶接法の分類（溶融溶接、固相接合、ろう付）にない溶接法で，このレーザロール溶接法は片面溶融溶接法とも言える溶接法である。

ミニウムに圧接して，接合した異材継手はその接合界面に、さらに，このレーザロール溶接が工業的に応用できるかそ２なの溶接施工方法を検討した。すなわち，溶融溶接が困難とされてきたアルミニウム合金と鋼材とのレーザロール溶接を３(a)側面図(b) 正面図

図５

名古屋大学で開発したレーザロール溶接法

(a)

溶融溶接

(b)

ろう付(c)

固相接合(d)

片面溶融溶接ｋＷシングルモードのファイバーレーザ装置を用いてを行い、その接合界面に生成する金属間化合物の組成状況を制御するとともに、望ましい金属間化合物の生成を確認し，その継手性能についても調査した。
この方法はドイツのブレーメンビーム応用研究所（BIAS）
４）のSepold氏らにより考案され，アルミニウムと鋼のレーザ溶接法と類似しているが，根本的な違いは加熱温度が約1200℃と高いことと，冷却が速いことである。そこで，2002
年に特許申請したところと，アルミニウムとSPCC鋼などの異材継手をレーザロール溶接する方法として，特許第3535152号が公告された。この方法でアルミニウム合金と低炭素鋼

図６

各種溶接法の分類方法（沓名）[5][6]，銅と低炭素鋼[7]，チタンと低炭素鋼[8]，アルミニ

いし１０μmの厚さの金属間化合物層(最大５種類）が生成すウム合金とチタン[9]るが，良性の金属間化合物であるFe3Al、またはFeALが生じる溶接条件を選ぶ必要がある。もし、悪性のFeAL2, Fe2AL5,または FeAl3が多く生じると、脆い継手となり、継手強度も低い。
たとえば、A6061板(t=1.0mm)とSPCC鋼板（(t=0.5mm)の異種金属継手では，図７に示すように破断強度が十分で，炭素鋼母材で破断した。ＳＰＣＣ鋼とアルミニウムのエリクセン試験でも図８に示すようにアルミニウム母材で亀裂が発生している。この技術で自動車のボンネットやルーフパネルを鋼とアルミニウムのハイブリッド構造で製造することができないか、今回はその溶接を溶接施工面から検討した。

図４

BIASが開発したレーザ異材溶接法[3]の異種金属継手の溶接について報告している。
すでに過去の研究で，接合界面の金属間化合物の生成相，その層の厚さの変化などを調査し，脆性なFeAl3の生成を避ける条件について検討してきた。すなわち、炭素鋼板の表面を約1300℃にレーザで加熱した後，その鋼の下面をローラでアル図７A6061板とSPCC鋼板のレーザロール溶接継手実験した。

（ＳＰＣＣ鋼母材で破断）２．２用いたレーザロール溶接装置用いたレーザロール溶接装置は３ｋＷのシングルモードファイバーレーザ装置、１５００Ｎまで、加圧が可能な加工テーブルおよびこれらの制御盤からなっており、著者らが開発した装置である、図９はこの装置の外観と試験片のセット状況を示す。アルミニウム合金は下に、ＳＰＣＣ鋼は上にセットして、レーザでは上部のＳＰＣＣ鋼のみを加熱する。鋼表面が約１３００℃～１４００℃になるように
図８ＳＰＣＣ鋼とアルミニウムの異材継手のレーザ加熱する。レーザ装置としてシングルモードファイ

エリクセン試験結果

バーを用いたのはより効果的に急加熱、急冷させるためでこのように，アルミニウムと炭素鋼間に生成する金属間化ある。ビームをデフォーカスし、鋼表面では約７ｍｍｘ１合物（Fe3Al，FeAl，FeAl2，Fe2Al5，FeAl3）の機械的性質に注１ｍｍの楕円になるようにした。加熱部位はロール直下か目し，より延性のある鉄リッチの化合物であるFe3Al，FeAl をら約１０―２０ｍｍの部位とした。加圧ローラでＳＰＣＣ生成するレーザ溶接施工条件を求めることにより、健全な継鋼をアルミニウム合金板に所定の圧力で押さえ付けて走行手を造ることを目指している。なお、本レーザロール溶接法

し、溶接を終える。この時の加圧力を１００から８００Ｎはすでに、米国金属学会のＡＭＳまで変化させ実験した。なお今回はアルミニウム合金板のＨａｎｄｂｏｏｋのＶｏ

ｌ．６Ａに詳しく記載されている１０）。
２． ＳＰＣＣ鋼とＡ６０２２合金のレーザロール溶接
実験
レーザロール溶接継手の品質を確保するには種々の特性要因を検討して溶接施工する必要がある。今回とくに、ＳＰＣＣ鋼とＡ６０２２合金を対象継手として、３ｋＷシングルモードファイバーレーザとレーザロール溶接機を用いてレーザロール溶接する際の、レーザ溶接条件、表面前処理および裏当て金の材質について検討した。これらの結果について報告する。
２．１

供試材

供試材として、ＳＰＣＣ鋼は亜鉛メッキしたＧＡ材で、板厚０．７ｍｍおよび１．０ｍｍで、寸法２３ｍｍｘ２００ｍｍおよび４０ｍｍｘ２００ｍｍの試験片を用いた。溶接前に、接合面を＃１２０のエメリー紙で研磨し、反対の面にグラファイト塗布をレーザ吸収剤として塗布した。他
方、アルミニウム合金は自動車用パネルに適用されるＡ６０２２およびＡ６Ｋ２１合金を用いた。板厚１．２ｍｍで、寸法２３ｍｍｘ２００ｍｍおよび４０ｍｍｘ２００ｍｍのものを用いた。溶接前に、接合面を＃４００のエメリー紙で研磨し、その面にアルミニウムのろう付用フラックスＦＬ－７を塗布した試験片と塗布しない試験片を準備した。これらの接合面を約７ｍｍ重ねて、２００ｍｍ長さの重ね継手として下に置いた裏当て金の種類を、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウム合金、純銅と変えてアルミニウム合金の冷却速度を変えてレーザロール溶接を試みた。

(a) ３ｋＷシングルモードファイバーレーザ(

ＦＡ－２～ＦＡ－６は裏当て金を変化させて溶接した場合)の実験で、ここではＳＰＣＣ鋼の板厚は０．７ｍｍのものを用いた。ＡＫ－(b) レーザロール溶接装置での溶接状況
図９

レーザロール溶接装置の概要

２５～２７はＳＰＣＣ１．０ｍｍとＡ６Ｋ２１合金１．２ｍｍを溶接

２．３

溶接施工条件

はじめに、ろう付用フラックスの塗布の影響について実した試験片である。

験を行った。その時の溶接施工条件を表１ に示す。ＡＴ－
１～ＡＴ-２８はＳＰＣＣ鋼板厚１．０ｍｍとＡ６０２２との組み合わせで、ＡＴ－１およびＡＴ－２はフラックス

２．４

実験結果

および考察なしで溶接したものである。接合状態が良くない

レーザロール溶接継手の断面マクロ写真の一例を図１０ので、他の試験片はすべて、フラックスありで溶に示す。裏面のアルミニウム合金は融点が約５５０℃くら接した。

いと低いので、１２００℃の鋼との接触で接触面が溶融

表１

レーザロール溶接条件（その１）し、先端部がＳＰＣＣ鋼に濡れ広がっている。よって合せ面が７ｍｍであったものが接合面としては約１０ｍｍ以上に広がっている。よって、重ね継手が突合せ継手のようになった。

図１０

ＦＡ－６継手の断面マクロ写真（下部がアルミニウム合金）

この接合界面には図１１に示すように、厚さ１０μｍくらいの金属間化合物層が生成している。

ＳＰＣＣ鋼Ａ６０２２アルミ合金
図１１

図１３

継手ＦＡ－２の接合界面の金属間化合物層

図１２の縦線部のＥＰＭＡ線分析結果

このＥＭＰＡの分析結果より、ＦＡ－２継手の接合界面の幅は約１０μｍ程度であるが、その中はＦｅＡＬが主に

図１１に観察される界面の金属間化合物層は２層になっており、上層部はボイドがないが、下層部にはカーケンダル効果のためか、四角のボイド状の黒点が多数観察される。

生成している。
さらに、 レーザロール溶接継手の引張試験を実施し、継手の性能を評価した。
レーザロール溶接継手より、８０ｍｍｘ２０ｍｍの引張

上層部はボイドのないＦｅＡｌであり、下層部は鉄が欠乏したＦｅＡｌ３またはＦｅ２Ａｌ５と思われる。
次に、接合界面に生成した金属間化合物を調査するため試験片を採取し、インストロン万能試験機で引張試験を実施した。その結果を表２2に示す。
ここで、注目すべきことは裏当て金を種々変えて、アに、ＥＰＭＡ線分析を行った。その結果を図１２及び１３

ルミニウム合金の冷却速度を高めるほど継手強度が高くなに示す。っている点である。銅板を用いたＦＡ－２継手は図１４に示すようにＳＰＣＣ鋼の母材で破断し、３３０ＭＰaの強度を示した、異種金属継手としては十分な強度である。

図１２

ＥＰＭＡ線分析した接合界面（中央の縦線部）
図１４

継手引張試験後のレーザロール溶接継手（母材破断。破断強度Ｆｅ３３０ＭＰa）

Ａｌ
参考文献

1)M.Yasuyama, K.Ogawa and T.Taka：Spot welding ofaluminium and steel sheet with insert of aluminium caldsteelsheet –Part 1- Quar.Jour.JWS Vol.14, No.2(1996),

p314-320(in Japanese)2) 沓名，M.Rathod：SPCC とアルニミウム合金のレーザロール溶接，レーザ応用工学研究所，報告書，2002年3月28日
3) E.Schubert, G.Sepold：SPIE Volume 3097(1997)4)E.Schbert, I.Zerner, G.Sepold：IIW Doc. IV-734-99(1999)
5)沓名，M.Rathod：溶接学会論文集，第21集（2003-1）
6)M.Kutsuna and M.J.Rathod：Welding Journal, 83-1(2004)
7)沓名，西村：溶接学会全国大会講演概要，第73集（2003-10），292-293
8)沓名，市岡：溶接学会全国大会講演概要，第75集（2004-9），192-193
９）沓名、尾崎、林
溶接学会、ラトウド・Ｍ

東海支部

第１４回講習会

9) ASMl Handbook, Vol.6A, pp 719-724

表２

継手引張試験結果