JP2007118059A - Method and structure of welding different kind of metallic material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異なる二種類の金属材料を接合、特に重ね合わせて接合するのに用いられる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造に関するものである。 The present invention relates to a joining method of dissimilar metal materials and a joining structure of dissimilar metal materials, which are used for joining two different kinds of metal materials, in particular, overlapping and joining.
従来、アルミニウム合金と鋼を接合する場合には、接合界面には高硬度で脆弱なＦｅ２Ａｌ５，ＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成するため、充分な継手強度を確保するためには接合時の制御が必要である。
しかし、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、酸化皮膜を除去するためには、接合時に大きな熱量を投入することが有効であるが、接合時に大きな熱量を投入すると、接合界面に厚い金属間化合物層が成長して、接合部の接合強度が低下してしまうという問題があった。
Conventionally, when joining an aluminum alloy and steel, a high hardness and brittle intermetallic compound such as Fe 2 Al 5 and FeAl 3 is formed at the joint interface. Time control is required.
However, a dense and strong oxide film is formed on the surface of the aluminum alloy, and in order to remove the oxide film, it is effective to input a large amount of heat at the time of joining. There is a problem in that a thick intermetallic compound layer grows at the bonding interface and the bonding strength of the bonding portion decreases.
そこで、アルミニウム合金と鋼を組み合わせて接合する場合には、ボルトやリベット等による機械的な締結を用いていたが、この機械的な締結を用いる場合には、重量やコストが増加するという問題があった。 Therefore, when joining aluminum alloy and steel in combination, mechanical fastening using bolts, rivets or the like was used. However, when this mechanical fastening is used, there is a problem that weight and cost increase. there were.
この他に、摩擦圧接、爆着及び熱間圧延といった接合方法もあるが、摩擦圧接は、対称性の良い回転体同士の接合などに好適であって、その用途が限られており、爆着や熱間圧延は、設備や製造能率の面で好ましいものではなかった。 In addition, there are joining methods such as friction welding, explosion welding and hot rolling, but friction welding is suitable for joining rotating bodies having good symmetry, and its application is limited. And hot rolling was not preferable in terms of equipment and production efficiency.
従来、異種材料の接合において、上記の問題を解決すべく成されたものとしては、一方と他方の材料と同じ二種の材料から成るのクラッド材を用意して、一方と他方の材料の間に同じ種類の材料同士が接するようにクラッド材を介在させて抵抗溶接を行い、この際に、通電時間が１０ｍｓ以下となるように制御して一方及び他方の材料を接合するものがあった（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, in order to solve the above-mentioned problem in joining different materials, a clad material made of the same two kinds of materials as one and the other material is prepared, and the gap between the one and the other material is prepared. In this case, resistance welding is performed by interposing a clad material so that the same kind of materials are in contact with each other, and at this time, one and the other materials are joined by controlling the energization time to be 10 ms or less ( For example, see Patent Document 1).
また、別の異種材料の接合方法としては、アルミニウム合金と鋼の接合において、鋼の表面に、アルミニウム量が２０重量％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚みにめっきし、そのめっき層がアルミニウム合金に接するようにアルミニウム合金と鋼を重ね合わせて抵抗溶接をすることにより、めっき層を優先的に溶融させ、鋼の母材を殆ど溶融させることなく双方を接合するものがあった（例えば、特許文献２参照）。
ところが、上記したような従来の異種材料の接合にあっては、異種材料と同じ二種類の材料から成るクラッド材を用いる方法では、二部材の接合が三部材の接合になり、クラッド材の挿入と固定する工程が必要となり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み込まなければならない。また、例えばアルミニウムと鋼の接合の場合に、クラッド材自体も異種材料同士の接合により製造されるので、その製造条件が厳しく、安価で且つ性能の安定したクラッド材を得ることが困難であるという問題点があった。 However, in the conventional joining of dissimilar materials as described above, in the method using the clad material made of the same two kinds of materials as the dissimilar material, the joining of the two members becomes the joining of the three members, and the clad material is inserted. This requires a process of fixing, and new equipment must be incorporated into the current welding line. Also, for example, in the case of joining aluminum and steel, the clad material itself is also produced by joining different materials, so that the production conditions are severe, and it is difficult to obtain a clad material that is inexpensive and stable in performance. There was a problem.
また、鋼にアルミニウムをめっきしたものを用いる方法では、めっき層とアルミニウム合金とを接合する際に、入熱によってめっき層と鋼との界面に脆い金属間化合物が生成され、その部分から破壊が生じる可能性があるという問題点があった。 Also, in the method using steel plated with aluminum, a brittle intermetallic compound is generated at the interface between the plating layer and the steel due to heat input when joining the plating layer and the aluminum alloy, and the portion is destroyed. There was a problem that could occur.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、新たな設備を必要とせず、簡易な手法で、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional problems, and does not require new equipment, and can firmly join new surfaces of two different kinds of metal materials to each other by a simple method, thereby strengthening the joint strength. It is an object of the present invention to provide a joining method of dissimilar metal materials and a joining structure of dissimilar metal materials that can improve the above.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、異なる二種類の金属材料を接合するに際して超音波振動を用いることで、少なくともいずれかの金属材料と第３の金属材料の界面で共晶反応を誘起させることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used ultrasonic vibration when joining two different types of metal materials, so that at least one of the metal materials and the third metal material has an interface. The inventors have found that the above object can be achieved by inducing a eutectic reaction, and have completed the present invention.
即ち、本発明の異種材料の接合方法は、第１の金属材料と、上記第１の金属材料とは種類の異なる第２の金属材料とを接合する方法である。上記第１の金属材料と上記第２の金属材料の間にこれら二種類の金属材料とは異なる第３の金属材料を介在させ、超音波振動により、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料と上記第３の金属材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料とを接合することを特徴とする。 That is, the dissimilar material bonding method of the present invention is a method of bonding a first metal material and a second metal material of a different type from the first metal material. A third metal material different from these two kinds of metal materials is interposed between the first metal material and the second metal material, and the first metal material and the second metal material are ultrasonically vibrated. Eutectic melting is caused at the interface between at least one of the metal materials and the third metal material to join the first metal material and the second metal material. It is characterized by that.
本発明の異種材料の接合構造は、第１の金属材料と、上記第１の金属材料とは種類の異なる第２の金属材料とが接合される異種金属材料の接合構造である。
上記第１の金属材料の新生面と上記第２の金属材料の新生面が直接接合されて接合部が形成されている。
上記第１の金属材料と上記第２の金属材料とは異なる材料から成り上記第１の金属材料と上記第２の金属材料の間に介在されて超音波振動により上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との間で共晶溶融を生じる第３の金属材料、上記第１の金属材料又は上記第２の金属材料にある酸化皮膜、上記第３の金属材料と上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも１種が、上記接合部の周囲に排出されていることを特徴としている。
The dissimilar material joining structure of the present invention is a dissimilar metal material joining structure in which a first metal material and a second metal material different in kind from the first metal material are joined.
The newly formed surface of the first metal material and the newly formed surface of the second metal material are directly bonded to form a bonded portion.
The first metal material and the second metal material are made of different materials, interposed between the first metal material and the second metal material, and ultrasonically vibrated to cause the first metal material and the second metal material. A third metal material that causes eutectic melting with at least one of the second metal materials, an oxide film on the first metal material or the second metal material, the third metal material, At least one selected from the group consisting of a reaction product of a metal material, the first metal material and at least one of the second metal materials and a reaction product generated in the joining process Is discharged around the joint.
この本発明の異種金属材料の接合構造において、第３の金属材料、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料にある酸化皮膜、上記第３の金属材料と上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも１種が上記接合部の周囲に排出されるとは、具体的な一例で説明すれば、次の通りである。第１の金属材料が亜鉛めっき鋼板で第２の金属材料がアルミニウム合金でありそして第３の金属材料が亜鉛めっき鋼板の亜鉛層である場合には、第３の金属材料である亜鉛層、第２の金属材料の一部であるアルミニウム合金の酸化被膜、反応生成物及び接合過程に生成される反応物である共晶溶融物（共晶液相）のうちの少なくとも１種が、接合部の周囲に排出されることをいう。 In the junction structure of different metal materials according to the present invention, the third metal material, the oxide film on the first metal material and the second metal material, the third metal material and the first metal material, That at least one selected from the group consisting of a reaction product with at least one of the second metal materials and a reaction product generated in the joining process is discharged around the joint. A specific example will be described as follows. When the first metal material is a galvanized steel sheet and the second metal material is an aluminum alloy and the third metal material is a zinc layer of the galvanized steel sheet, the third metal material, the zinc layer, At least one of an oxide film of an aluminum alloy, a reaction product, and a eutectic melt (eutectic liquid phase), which is a reaction product generated during the joining process, is a part of the metal material of It means being discharged to the surroundings.
本発明によれば、異なる二種類の金属材料を接合するに際して超音波振動を用いることで、少なくともいずれかの金属材料と第３の金属材料の界面で共晶反応を誘起させるようにしたために、新たな設備を必要とせず、簡易な手法で、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる。 According to the present invention, by using ultrasonic vibration when joining two different types of metal materials, the eutectic reaction is induced at the interface between at least one of the metal materials and the third metal material. It is possible to improve the joint strength by firmly joining new surfaces of two different kinds of metal materials with a simple method without requiring new equipment.
本発明の異種金属材料の接合方法及び異種金属材料の接合構造においては、第１の金属材料と、第１の金属材料とは種類の異なる第２の金属材料とを接合するに際し、超音波振動を利用して少なくともいずれかの金属材料と第３の金属材料の界面で共晶反応を誘起させることにした。よって、いずれかの金属材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、低温状態で酸化皮膜を除去して両金属材料を接合することができる。また、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができると共に、両金属材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができ、継手強度の向上が実現できる。 In the joining method of dissimilar metal materials and the joining structure of dissimilar metal materials according to the present invention, ultrasonic vibration is applied when joining the first metal material and the second metal material of a different type from the first metal material. It was decided to induce a eutectic reaction at the interface between at least one of the metal materials and the third metal material. Therefore, even if an oxide film is formed on the surface of one of the metal materials, the metal film can be bonded by removing the oxide film at a low temperature. In addition, it is possible to control the bonding interface temperature and to suppress the formation of intermetallic compounds, and it is possible to obtain a strong bonding state between the new surfaces of both metal materials, thereby improving the joint strength.
本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態では、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料に被覆されている材料を、上記第３の金属材料とすることができる。この場合には、第３の金属材料を第１の金属材料と第２の金属材料の間に第３の金属材料を別途インサート材として挟み込む工程が省略できるので、加工工数が低減され作業効率が向上できる。 In a preferred embodiment of the method for joining dissimilar metal materials of the present invention, the material covered with at least one of the first metal material and the second metal material is used as the third metal material. It can be a metal material. In this case, the step of sandwiching the third metal material as a separate insert material between the first metal material and the second metal material can be omitted, so that the number of processing steps can be reduced and the work efficiency can be improved. Can be improved.
本発明の異種金属材料の接合方法の他の好ましい実施形態としては、上記第３の金属材料が、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料にめっきされている亜鉛又はその合金であることが採用できる。また、本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態としては、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料を亜鉛めっき鋼板とし、上記亜鉛めっき鋼板の亜鉛を上記第３の金属材料とすることができる。この場合には、第１の金属材料と第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料としては、新しくめっきを施すことなく通常の例えば防錆鋼板などをそのまま使用できる。 In another preferred embodiment of the method for bonding dissimilar metal materials according to the present invention, the third metal material may be at least one of the first metal material and the second metal material. It may be zinc plated or an alloy thereof. Further, as a preferred embodiment of the method for joining dissimilar metal materials of the present invention, at least one of the first metal material and the second metal material is a galvanized steel sheet, and the galvanizing is performed. Zinc of the steel plate can be used as the third metal material. In this case, as at least one of the first metal material and the second metal material, an ordinary rust-proof steel plate or the like can be used as it is without newly plating.
また、本発明の異種金属材料の接合方法の他の好ましい実施形態としては、上記第１の金属材料が鋼に上記第３の金属材料を被覆したものであると共に、上記第２の金属材料がアルミニウム合金であって、上記第３の金属材料が上記アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料である。この場合には、第１の金属材料としては、新しくめっきを施すことなく通常の例えば防錆鋼板などをそのまま使用できる。 In another preferred embodiment of the method for joining dissimilar metal materials of the present invention, the first metal material is obtained by coating steel with the third metal material, and the second metal material is An aluminum alloy, wherein the third metal material forms a low melting point eutectic with the aluminum alloy. In this case, as the first metal material, an ordinary rust-proof steel plate or the like can be used as it is without newly plating.
本発明の異種金属材料の接合方法では、第１の金属材料として鋼を用い、第２の金属材料としてアルミニウム合金を用いた場合には、第３の金属材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、及びニッケル（Ｎｉ）などを挙げることができる。
本発明においては、第３の金属材料としては、上述した亜鉛（Ｚｎ）等の純金属に限定されることはなく、共晶金属は２元合金であっても３元合金も存在するために、これらの少なくとも一種の金属を含む合金であったも良い。
In the joining method of dissimilar metal materials according to the present invention, when steel is used as the first metal material and an aluminum alloy is used as the second metal material, the third metal material may be an aluminum alloy and a low-melting-point metal. Examples of the material forming the crystal include zinc (Zn), copper (Cu), tin (Sn), silver (Ag), and nickel (Ni).
In the present invention, the third metal material is not limited to the above-described pure metal such as zinc (Zn), and the eutectic metal may be a binary alloy or a ternary alloy. An alloy containing at least one of these metals may be used.
本発明の好ましい実施形態としては、第１の金属材料としての鋼と、第２の金属材料としてのアルミニウム合金との間に、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する第３の金属材料を介在させて、超音波振動により、第１の金属材料と第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料と第３の金属材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて、第１の金属材料の新生面と第２の金属材料の新生面とを直接接合することで、低温状態でアルミニウム合金の表面の酸化皮膜を除去しつつ両金属材料を接合できる。この際に、金属間化合物の生成を抑制して両金属材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, a third metal material that forms a low melting point eutectic with an aluminum alloy is interposed between steel as the first metal material and an aluminum alloy as the second metal material. Then, the ultrasonic vibration causes eutectic melting at the interface between at least one of the first metal material and the second metal material and the third metal material, and By directly joining the new surface of the first metal material and the new surface of the second metal material, both metal materials can be joined while removing the oxide film on the surface of the aluminum alloy at a low temperature. At this time, the formation of intermetallic compounds can be suppressed, and a strong bonding state between the new surfaces of both metal materials can be obtained.
本発明の異種金属材料の接合方法の好ましい実施形態としては、上記第１の金属材料と上記第２の金属材料に当接することで上記第１の金属材料と上記第２の金属材料の接合に用いられる一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の先端部が、曲面状を成している。 この場合には、例えば第１の金属材料である鋼と第２の金属材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、先端部が曲面状を成す電極で加圧することにより、アルミニウム合金の表面の酸化皮膜を効果的に破壊してアルミニウム合金と第３の金属材料を直接接触させて、アルミニウム合金と第３の金属材料の間に生じた共晶溶融を、第１の金属材料と第２の金属材料の接合部の周囲に効果的に排出して、アルミニウム合金と鋼の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。 As a preferred embodiment of the method for joining dissimilar metal materials according to the present invention, the first metal material and the second metal material are brought into contact with each other by contacting the first metal material and the second metal material. The tip of at least one of the pair of electrodes used has a curved surface. In this case, for example, when joining the steel that is the first metal material and the aluminum alloy that is the second metal material, the tip of the aluminum alloy is pressed by an electrode having a curved surface, thereby By effectively destroying the oxide film and bringing the aluminum alloy and the third metal material into direct contact with each other, the eutectic melting generated between the aluminum alloy and the third metal material is prevented from occurring. It is possible to effectively discharge around the joint portion of the metal material, and to obtain a strong joint state between the new surfaces of the aluminum alloy and the steel.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.
本実施例では、超音波振動により、第１の金属材料である亜鉛めっき鋼板と第２の金属材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金との間に介在する第３の金属材料として、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用いた。
図２は、Ａｌ−Ｚｎ２元系状態図における共晶点Ｐを示しており、共晶点Ｐを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応（共晶溶融）を生じさせて、亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金を接合させた。
In the present embodiment, when the galvanized steel sheet, which is the first metal material, and the aluminum alloy, which is the second metal material, are joined by ultrasonic vibration, the first metal material interposed between the galvanized steel sheet and the aluminum alloy is used. As the
FIG. 2 shows the eutectic point P in the Al—Zn binary phase diagram, and by using the eutectic point P, a eutectic reaction (eutectic melting) between the aluminum alloy and zinc is caused. The plated steel plate and the aluminum alloy were joined.
図１は、超音波振動を与えることによって、亜鉛めっき鋼板（第１の材料）とアルミニウム合金（第２の材料）を接合する装置の全体を示している。
図１に示すように、一例として板厚が２．０ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、板厚が２．０ｍｍの６０００系のアルミニウム合金２とを用いると共に、第３の金属材料としては、亜鉛めっき鋼板１の表面にめっきされた亜鉛層（亜鉛めっきともいう）３を利用した。
FIG. 1 shows the entire apparatus for joining a galvanized steel sheet (first material) and an aluminum alloy (second material) by applying ultrasonic vibration.
As shown in FIG. 1, as an example, a galvanized
ここで、亜鉛層３のめっき厚さは、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応（共晶溶融）を生じさせるのに必要な最低厚さとして、例えば約５μｍであった。
亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２は、亜鉛層３をアルミニウム合金２に対面させるようにして上下に重ね合わせた。
Here, the plating thickness of the
The galvanized
図１と図３（ｂ）に示すのは、本発明の異種金属材料の接合方法を実施するための具体的な装置例であり、この装置は、一対の電極１１，１２を用いて、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２を挟んで加圧して、通電するための装置を有している。図１と図３（ｂ）に示すように、図示しない電源に接続した一対の電極１１，１２は、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２を上下から挟んで支持している。
FIG. 1 and FIG. 3 (b) show a specific apparatus example for carrying out the bonding method of dissimilar metal materials according to the present invention. This apparatus uses a pair of electrodes 11, 12 to form zinc It has an apparatus for applying electricity by applying pressure between the plated
図１と図３（ｂ）の具体例で示すように、上側の電極１１はチップと呼んでおり亜鉛メッキ鋼板１の上面側に当接している。下側の電極１２はアンビルと呼んでおりアルミニウム合金２の下面に当接した。上側の電極１１の当接側の先端部は、円錐の頭部を水平に切除したフラット型とした。下側の電極１２の当接側の先端部は、曲面状の一つである球面状になるようにドーム型とした。言い換えれば、電極１２の当接側の先端部の断面形状が、曲率を有した形状になっている。図１に示す超音波振動子５は電極１１側に配置されていて、電極１１を介して亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２側に振動を与える。
As shown in the specific examples of FIG. 1 and FIG. 3B, the upper electrode 11 is called a chip and is in contact with the upper surface side of the galvanized
超音波振動子５が発生する超音波振動による接合条件としては、超音波の振動周波数が１５ｋＨｚ、公称振幅が３０μｍ、接合時間が３秒、及び両電極１１，１２による亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２に対する接合加圧力を、８Ｍｐａに設定した。亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２は、上記の接合条件で接合した。
The joining conditions by the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 5 are: the ultrasonic vibration frequency is 15 kHz, the nominal amplitude is 30 μm, the joining time is 3 seconds, and the galvanized
次に、図４に基づいて、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２の接合過程における接合界面の状態の変化と接合後の異種材料の接合界面構造について説明する。
図４（ａ）に示すように、第１の金属材料である亜鉛めっき鋼板１の一方の表面には、第３の金属材料としての亜鉛層３が形成されている。第２の金属材料であるアルミニウム合金２の表面には酸化皮膜６が形成されている。図４（ｂ）に示すように、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層３とアルミニウム合金２の酸化皮膜６が対面するようにして上下に重ね合わせて双方を密着させる。
Next, based on FIG. 4, the change in the state of the joining interface in the joining process of the galvanized
As shown to Fig.4 (a), the
次に、図１と図３（ｂ）に示すように、一対の電極１１，１２で、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２を上下から挟持して、この挟んだ状態で加圧しながら短時間通電した。この際に、図１と図３（ｂ）に示す超音波振動子５が超音波振動を与える。
これにより、図４（ｃ）に示すように、電極１１が与える押し付け荷重により両電極１１，１２が亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２に加圧力を与えると共に超音波振動を与えて、加熱膨張による材料の相対変位によって、アルミニウム合金２側の酸化皮膜６に破壊が起こって酸化皮膜６に破壊部分６ａが生じる。
Next, as shown in FIG. 1 and FIG. 3 (b), a pair of electrodes 11 and 12 are used to sandwich a galvanized
Thereby, as shown in FIG.4 (c), both the electrodes 11 and 12 give a pressurizing force to the galvanized
この結果として、図４（ｄ）に示すように、酸化皮膜６に破壊部分６ａから亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層３とアルミニウム合金２とが直接接触して、接合時の温度に応じて亜鉛層３（第３の金属材料）とアルミニウム合金２（第２の金属材料）の共晶溶融が生じて拡大して進む。共晶溶融が生じるのに伴って図４（ｄ）と図４（ｅ）に示すように、アルミニウム合金２と亜鉛層３との共晶液相７と共に、亜鉛層３と酸化皮膜６が、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２の間の接合部２０の周囲に排出される。
これにより、図４（ｅ）に示すように、亜鉛めっき鋼板１の新生面とアルミニウム合金２の新生面は、接合部２０において新生面同士で高強度に直接接合することができる。
As a result, as shown in FIG. 4 (d), the
As a result, as shown in FIG. 4 (e), the new surface of the galvanized
上述のように亜鉛層３とアルミニウム合金２による共晶反応を、超音波振動を与えながら短時間通電することで起こし、接合界面の温度を低減できるために金属間化合物の生成を抑制できる。すなわち、異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するに際して超音波振動を用いることで、アルミニウム合金２と亜鉛層３の界面で共晶反応を誘起させることにより、いずれかの材料の表面に酸化被膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく低温状態にて酸化被膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を抑制し、異なる二種類の金属材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現する
As described above, the eutectic reaction between the
なお、共晶溶融とは、２つの材料（この実施例ではアルミニウム合金と亜鉛層）の共晶反応を利用した溶融である。２つの材料が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組織となった時に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により共晶液相が形成される。 The eutectic melting is melting using a eutectic reaction between two materials (in this embodiment, an aluminum alloy and a zinc layer). When the composition of the interdiffusion region produced by mutual diffusion of the two materials becomes a eutectic structure, if the holding temperature is equal to or higher than the eutectic temperature, a eutectic liquid phase is formed by the eutectic reaction.
このように、本発明の異種金属材料の接合方法では、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２に対して、超音波振動を与えて両電極１１，１２により加圧力を与えると、加熱膨張による材料の相対変位によって酸化皮膜６の破壊が生じて共晶反応が促進され、大きな熱量を投入することなく低温状態で酸化皮膜６が除去される。
第１の金属材料と第２の金属材料の融点より低い低温状態にて第２の金属材料の酸化皮膜が除去でき、接合界面温度を共晶温度以上であって、第１の金属材料と第２の金属材料の融点の低い側の材料の融点以下に制御することにより、接合過程での金属間化合物の生成を抑制でき、相互拡散により第１の金属材料と第２の金属材料は強固な直接接合を得ることができる。
As described above, in the joining method of dissimilar metal materials of the present invention, when the galvanized
The oxide film of the second metal material can be removed at a low temperature lower than the melting point of the first metal material and the second metal material, the bonding interface temperature is equal to or higher than the eutectic temperature, and the first metal material and the first metal material By controlling the lower melting point of the
また、上記の異種金属材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板１を用いており、亜鉛めっき鋼板１にめっきされている亜鉛層３を第３の金属材料としているので、例えば鋼板とアルミニウム合金との間に第３の金属材料を別途挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することになるばかりでなく、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することができる。
Moreover, in the joining method of said dissimilar metal material, since the galvanized
上記のように、アルミニウム合金２側に当接する下側の電極１２の先端部を、ドーム型（先端部が球面状を成している）としたことから、ドーム型の電極１２を用いることにより、接合時におけるアルミニウム合金２の表面の酸化皮膜６を効果的に破壊して、アルミニウム合金２と亜鉛層３の間に生じた共晶溶融を接合部の周囲に効果的に排出することができる。これにより、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２の新生面同士は、より強固な接合をすることができる。
As described above, since the tip portion of the lower electrode 12 in contact with the
図１と図３（ｂ）は本発明の異種金属材料の接合方法を実施する装置の電極形状の例を示しているが、図３（ａ）は本発明に用いられる装置の他の電極形状を示している。電極形状の他の例では、図３（ａ）に示すように、一対の電極３１，３２をともにフラット型電極としている。この電極３１，３２を用いて、本発明の上記実施例と同じ条件で亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２の接合を行った。
上記他の例及び実施例について、接合時の電極形状と、強度試験の結果を表１に示す。
FIG. 1 and FIG. 3 (b) show examples of the electrode shape of the apparatus for carrying out the bonding method of different metal materials of the present invention, while FIG. 3 (a) shows other electrode shapes of the apparatus used in the present invention. Is shown. In another example of the electrode shape, as shown in FIG. 3A, the pair of electrodes 31 and 32 are both flat electrodes. Using these electrodes 31 and 32, the galvanized
Table 1 shows the electrode shape at the time of joining and the results of the strength test for the other examples and examples.
上記他の例と実施例のいずれも、亜鉛層３とアルミニウム合金２の間に共晶溶融が生じた。表１に示すように、一対の電極が共にフラット電極である図３（ａ）の他の例では、接合部の周囲への共晶液相７及び酸化皮膜６の排出が行われ、接合界面に共晶液相及び亜鉛と酸化皮膜６が若干残存したが、接合強度は充分であることが判明した。
In any of the other examples and examples, eutectic melting occurred between the
これに対して、実施例では、一方の電極１１はフラット型であるが、他方の電極１２はドーム型であるので、図４に示すように接合部２０の周囲へ共晶液相７と酸化皮膜６の排出が非常に良好に行われ、その結果、第１の金属材料と第２の金属材料の優れた接合強度が得られることを確認した。なお、両方の電極のいずれか一方がドーム型の電極形状を有しているだけでなく、両方の電極がともにドーム型の電極形状を有しているようにすれば、接合部２０の周囲へ共晶液相７と酸化皮膜６及び亜鉛層の排出が非常に良好に行われるので、有効である。
On the other hand, in the embodiment, one electrode 11 is a flat type, but the other electrode 12 is a dome type. Therefore, as shown in FIG. It was confirmed that the
１ 亜鉛めっき鋼板（第１の金属材料）
２ アルミニウム合金（第２の金属材料）
３ 亜鉛層（第３の金属材料）
５ 超音波振動子
６ 酸化皮膜
７ 共晶液相
１１ 電極
１２ 電極
２０ 新生面同士の接合部
1 Galvanized steel sheet (first metal material)
2 Aluminum alloy (second metal material)
3 Zinc layer (third metal material)
5
Claims (7)
上記第１の金属材料の新生面と上記第２の金属材料の新生面が直接接合されて接合部が形成されており、
上記第１の金属材料と上記第２の金属材料とは異なる材料から成り上記第１の金属材料と上記第２の金属材料の間に介在されて超音波振動により上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくとも一方の金属材料との間で共晶溶融を生じる第３の金属材料、上記第１の金属材料又は上記第２の金属材料にある酸化皮膜、上記第３の金属材料と上記第１の金属材料と上記第２の金属材料のうちの少なくともいずれか一方の金属材料との反応生成物及び接合過程に生成される反応物から成る群より選ばれた少なくとも１種が、上記接合部の周囲に排出されていることを特徴とする異種金属材料の接合構造。 A joining structure of different metal materials in which a first metal material and a second metal material different in kind from the first metal material are joined,
The newly formed surface of the first metal material and the newly formed surface of the second metal material are directly bonded to form a bonded portion,
The first metal material and the second metal material are made of different materials, interposed between the first metal material and the second metal material, and ultrasonically vibrated to cause the first metal material and the second metal material. A third metal material that causes eutectic melting with at least one of the second metal materials, an oxide film on the first metal material or the second metal material, the third metal material, At least one selected from the group consisting of a reaction product of a metal material, the first metal material and at least one of the second metal materials and a reaction product generated in the joining process Is discharged to the periphery of the bonding portion.
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