JP2005059091A - 異種金属接合用材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルミニウム又はその合金と炭素鋼やステンレス鋼などの鉄基材料、チタン及びチタン合金、銅及び銅合金などの異種金属材とを溶接などの方法で直接金属接合すると接合面に脆い金属間化合物が生成するため信頼性の高い接合継ぎ手が得にくい。
【解決手段】 アルミニウム又はその合金と炭素鋼やステンレス鋼などの鉄基材料、チタン及びチタン合金、銅及び銅合金などの異種金属材とを溶接などで直接金属接合する際にアルミニウム合金としてＳｉを必須元素として含有するアルミニウム合金を使用する。
【選択図】 なし

Description

本発明はアルミニウム又はその合金（以下アルミニウム材と称す）と炭素鋼やステンレス鋼などの鉄基材料、チタン及びチタン合金（以下チタン材と称す）、銅及び銅合金（以下銅材と称す）などの異種金属（以下異種金属材と称す）とを溶接などで金属接合する際に使用するＳｉを必須元素として含有するアルミニウム合金並びにそのアルミニウム合金と異種金属を溶接等の方法で金属接合した接合構造に関するものである。

アルミニウム材と異種金属材とを金属接合、例えば抵抗スポット溶接やスタッド溶接などを直接行うとアルミニウム材と異種金属材の界面に脆い金属間化合物が厚く形成されるため高い溶接強度の継ぎ手が得られない。そのような問題を解決する方法として図１に示すように予め異種金属材とアルミニウム材を圧延法、爆発溶接などの方法でクラッドした材料をアルミニウム材同士、また異種金属材同士が互いに接するようにアルミニウム材と異種金属材との間にインサート材として挟みアルミニウム同士及び異種金属材同士を抵抗スポット溶接する方法などがある（例えば特許文献１及び特許文献２参照。）。しかし、これらの方法ではインサート材のクラッド材が高価である、インサート材は色々な形状に加工する必要があるがクラッド材はその加工がしにくいため作業性が悪い、クラッド材は板厚があまり薄くできないため溶接部が部厚くなり外観的に好ましくない、また従来のインサート材として使用されているクラッド材のアルミニウム材は主としてクラッド性の点から純アルミニウムを使用しているため溶接熱でクラッド界面に脆い金属間化合物が厚く成長するため十分な溶接強度が得にくいことなどの問題がある。
特開平５−１１１７７８ 特開平７−１３２３８０

従って経済性、作業性、外観性、継ぎ手品質などを考えてアルミニウム材と異種金属とをインサート材を使用せずに直接金属接合できれば最も望ましい。そこで、そのような要望に応える材料及び接合構造を開発した。

本発明は上述の問題点を解決するために異種金属材とＳｉを含有するアルミニウム合金とを溶接などの方法で直接金属接合することを特徴とする。このＳｉを含有するアルミニウム合金は異種金属材の何れともなじみ性が良く、かつ異種金属材と脆い金属間化合物を形成しにくいため良好な接合継ぎ手が得られる。すなわちＳｉ含有の作用は溶融温度を低下させて低温でも異種金属材となじみやすくなる一方で、アルミニウ厶の異種金属材中へ拡散を遅らせて脆い金属間化合物の生成を抑制することである。アルミニウム合金のＳｉ含有量は１％以下ではその効果が小さく、また２０％以上では後述するように却って効果が減少するので、１％以上、２０％以下とする。Ｓｉ以外の組成についてはＣｕ，Ｚｎ、Ｍｇ，Ｇｅはインサート材の溶融温度を低下させて両金属とのなじみ性を向上させるため、添加することが望ましいが異種金属継ぎ手に要求される強度、耐食性などの特性に応じて６％以下の範囲で適宜含有される。その他の元素は３％以下が望ましい。但し、異種金属材が鉄基材料の場合Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、チタン材の場合はＴｉ、銅材の場合はＣｕが多いほど異種金属中へのアルミニウムの拡散を抑制するため、継ぎ手品質は向上するが多すぎると返って溶接継ぎ手が脆くなるため上限はおおよそ３％である。

またアルミニウム合金にはＳｉを必須元素として含有するためＳｉの晶出物が多く存在する。そのＳｉ粒子の大きさは接合性に影響をおよぼすのでＳｉ粒子のサイズ（三次元方向の最も小さい寸法）を７０μｍ以下にする必要があり、微細化すると接合強度が向上すると共に安定する。これは抵抗溶接のような短時間入熱で溶接部近辺のアルミニウム合金が溶融しやすくなるためである。

アルミニウム合金の形状としては板材、押出材、抽伸材、鍛造材、鋳造材の何れでも良い。

アルミニウムおよび異種金属材の内特にチタン材などは酸化し易いため溶接雰囲気として真空雰囲気中やアルゴン、ヘリウム，窒素、炭酸ガスなどの不活性ガス雰囲気中、又はフッ化物系の非腐食性のフラックスを接合部に塗布して接合すると接合強度が向上すると共に安定する。

なお、接合方法としては主としてスポット溶接、シーム溶接、スタッド溶接、プロジェクション溶接、パーカッション溶接、フラッシュバット溶接などの抵抗溶接に適用されるがレーザー溶接、アーク溶接、固相溶接など何れの金属接合にも適用可能である。

この方法によればアルミニウム材と異種金属材との接合において極めて経済的で、かつ品質、性能の優れた金属接合が得られる。

次に本発明の実施の形態について実験結果を例に挙げて説明する。

板厚０．６ｍｍのアルミニウム又はその合金と板厚０．４ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）、純チタン，純銅とを重ねて抵抗スポット溶接をした。板の寸法は幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍで重ね代は２０ｍｍである。電極先端径は２ｍｍ、溶接電流は１０ＫＡ（アルミニウム材と純銅及びアルミニウム材同士の場合１７ＫＡ）である。溶接継ぎ手の評価は溶接強度（せん断引張強度）で行った。結果を表１に示す。いずれの組み合わせの場合もＳｉ含有が１％以下のアルミニウム合金では溶接強度が低い。Ｓｉ含有量が高くなると溶接強度は向上しアルミニウム合金同士の溶接強度に近くなっている。なお、Ｓｉ含有量は２０％を超すと圧延、押出、鍛造などの加工が著しく困難になるとともにＳｉ粒子が大きくなり後述するように溶接強度が低下するのでＳｉ含有量の上限を２０％とした。このようにＳｉを含有するアルミニウム合金の効果が顕著であった。

Ｓｉ含有アルミニウム合金のＳｉ粒子の大きさの影響について実施例１と同じ条件で溶接した。結果は表２に示す通りである。Ｓｉ含有量は１３％でリン処理しない粗大Ｓｉ粒子のものと、リン添加によってＳｉ粒子を微細化したものである。Ｓｉ粒子が大きいと溶接強度が低下する。

板厚０．４ｍｍのステンレス鋼板ＳＵＳ４３０）と直径５ｍｍのアルミニウム合金（２０１１合金及びＡｌ−Ｓｉ合金）のピンをスタッド溶接した。溶接強度は板面と垂直にピンを引っ張る引張強度で示した。結果を表３に示した。Ｓｉ含有アルミニウム合金ピンの接合強度が高かった。

自動車、航空宇宙機など輸送機分野では性能向上のための軽量化、またパソコンなどの情報機器では軽量化の他に、電気特性、放熱特性の向上などの点から、その構造及び部品の材料ハイブリッド化が求められている。その場合異種材料の接合、特に金属材料ではアルミニウム材と異種金属材の金属接合が不可欠となり、経済的でかつ品質的に優れた接合方法が強く求められている。本発明はそのような要望に対応した技術に関するものである。

従来のインサート材を使用する異種金属の溶接方法の例 本発明のインサート材を使用しない異種金属の溶接方法の例

符号の説明

１アルミニウム材
２異種金属材
３溶接電極
４インサート材（クラッド材）のうちアルミニウム材
５インサート材（クラッド材）のうち異種金属材

Claims (2)

1. 異種金属との金属接合に用いるＳｉ１〜２０％を必須元素として含有し、Ｓｉ粒子の大きさが７０ミクロン以下のアルミニウム合金。
2. 請求項１記載のアルミニウム合金と異種金属とを金属接合した接合構造。

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