JP2008105087A - 鉄部材とアルミニウム部材の接合方法及び鉄−アルミニウム接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄部材とアルミニウム部材とを良好に接合可能な接合方法、及び、これらが良好に接合した接合体を提供する。
【解決手段】鉄部材とアルミニウム部材とを接合する際、少なくともアルミニウムクラッド板２０との接合側にめっき層１２を有する鋼板１０（鉄部材）と、アルミニウムを主成分とするアルミニウム芯材２１と、鋼板１０との接合側に、アルミニウム芯材２１よりも低融点のアルミニウム合金層２２とを有したアルミニウムクラッド板２０（アルミニウムクラッド材）からなるアルミニウム部材とを重ね合わせて接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄部材とアルミニウム部材の接合方法及び鉄−アルミニウム接合体に関するものである。

一般に、自動車の車体には、鋼板（鉄部材）が使用されている。一方、燃費の向上のため、車体の軽量化が望まれており、鋼板と軽量なアルミニウム板（アルミニウム部材）とを接合してなるハイブリッドボディの開発が進められている。

ところが、鋼板とアルミニウム板とは接合しにくいため、例えば、インサート材を介して、鋼板とアルミニウム板とを接合する技術が提案されている（特許文献１）。その他、鋼板の接合側表面に亜鉛めっき層を形成した後、接合する技術が提案されている（特許文献２）。
特開平９−１５５５６１号公報（図３） ＷＯ／２００６／０４６６０８号公報

このような鋼板とアルミニウム板の接合については、さらに、接合強度を高めることができる接合方法の開発が望まれている。
そこで、本発明は、鉄部材とアルミニウム部材とを良好に接合可能な接合方法、及び、これらが良好に接合した接合体を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、鉄部材とアルミニウム部材とを接合する方法であって、前記鉄部材は、少なくとも前記アルミニウム部材との接合側にめっき層を有しており、前記アルミニウム部材は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム芯材と、前記鉄部材との接合側に、前記アルミニウム芯材よりも低融点のアルミニウム合金層を有したアルミニウムクラッド材からなり、前記鉄部材と前記アルミニウム部材とを重ね合わせて接合することを特徴とする鉄部材とアルミニウム部材の接合方法である。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、入熱による温度上昇が大きい接合の中心領域では、鉄部材表面に形成された低融点なめっき層が溶融し、鉄部材の新生面が露出する。一方、アルミニウムクラッド材からなるアルミニウム部材は、アルミニウム芯材及びその芯材よりも低融点のアルミニウム合金層がともに溶融し、アルミニウム部材の表面に形成された強固な酸化皮膜が破壊される。そして、鉄部材と溶融したアルミニウム部材との界面に金属間化合物が生成し、後記する第１接合部が形成される。

これに対し、前記中心領域の周縁に位置し、入熱による温度上昇が小さく、アルミニウム芯材の融点よりも低い周縁領域では、鉄部材は、前記中心領域と同様に、低融点なめっき層が溶融し、鉄部材の新生面が露出する。一方、アルミニウムクラッド材からなるアルミニウム部材は、アルミニウム芯材よりも低融点なアルミニウム合金層のみが溶融し、アルミニウム部材の表面に形成された強固な酸化皮膜が破壊される。そして、前記第１接合部周囲の周縁領域にも、鉄部材と溶融したアルミニウム合金層の間に金属間化合物が生成し、後記する第２接合部が形成される。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、第１接合部と第２接合部とによって、鉄部材とアルミニウム部材とが良好に接合される。すなわち、従来の第１接合部に加え、新たに第２接合部によっても接合されるため、総接合面積が大きくなり、これらが接合してなる鉄−アルミニウム接合体において、せん断強度、剥離強度等の接合強度を従来よりも大きくできる。

また、前記鉄部材のめっき層は、前記アルミニウムクラッド材よりなるアルミニウム部材のアルミニウム合金層よりも低融点であることを特徴とする。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、接合部における鉄部材表面のめっき層は、接合部のアルミニウム合金層よりも低融点であるので、低温の周辺領域においても、鉄部材の新生面を露出することができ、前記溶融したアルミニウム合金層と第２接合部を形成できる。

また、前記アルミニウム合金層の厚さは０．０２ｍｍ以上０.２８ｍｍ以下であると共に、前記アルミニウム部材の全体厚さに対する前記アルミニウム合金層の厚さの割合は、１．７％以上２０％以下であることを特徴とする。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、アルミニウム合金層の厚さが０．０２ｍｍ以上０．２８ｍｍ以下であり、アルミニウム部材の全体厚さに対する前記アルミニウム合金層の厚さの割合（クラッド率）が１．７％以上２０％以下であることにより、第２接合部において、液体（溶融状態）で存在するアルミニウム合金層の時間が短縮され、Ａｌ−Ｆｅ系金属間化合物の成長を抑制することができ、接合強度を高めることができる。

また、前記アルミニウム合金層は、Ａｌ−Ｓｉ系合金、又は、Ａｌ−Ｃｕ系合金から形成されていることを特徴とする。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、アルミニウム合金層が、Ａｌ−Ｓｉ系合金、又は、Ａｌ−Ｃｕ系合金から形成されることで、アルミニウム芯材よりも融点が低くなり、第２接合部が形成されやすくなる。

また、前記接合は、抵抗溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、及び、電子ビーム溶接、のいずれかであることを特徴とする。

このような鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によれば、スポット溶接やプロジェクション溶接等の抵抗溶接、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接、レーザ溶接、及び、電子ビーム溶接のいずれかを利用して、鉄部材とアルミニウム部材とを接合することができる。

また、本発明は、前記した鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によって接合された鉄−アルミニウム接合体であって、前記鉄部材と前記アルミニウム芯材とが接合してなる第１接合部と、当該第１接合部の周縁に、前記鉄部材と前記アルミニウム合金層のみとが接合してなる第２接合部と、を有することを特徴とする鉄−アルミニウム接合体である。

このような鉄−アルミニウム接合体によれば、鉄部材とアルミニウム部材とは、第１接合部及び第２接合部によって、相互に接合されている。これにより、従来よりも、高い接合強度を発揮することができる。よって、このような鉄−アルミニウム接合体によって、例えば、自動車用のハイブリッドボディを好適に構成することができる。

本発明によれば、鉄部材とアルミニウム部材とを良好に接合可能な接合方法、及び、これらが良好に接合した接合体を提供することができる。

次に、本発明の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

≪鉄部材とアルミニウム部材の接合方法≫
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る鋼板１０（鉄部材）とアルミニウムクラッド板２０（アルミニウム部材、アルミニウムクラッド材）の接合方法は、鋼板１０がその接合側に亜鉛めっき層１２を有しており、アルミニウムクラッド板２０がその接合側にアルミニウム合金層２２を有しており、亜鉛めっき層１２とアルミニウム合金層２２とを向かい合わせるようにして、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを重ね合わせて、スポット溶接（抵抗溶接）することを特徴とする。

＜鋼板＞
鋼板１０は、本実施形態では、溶融亜鉛めっき鋼板であって、鉄を主成分とする薄板状の鉄芯材１１と、鉄芯材１１の両側（少なくとも接合側）の表面に形成され、亜鉛を主成分とする亜鉛めっき層１２、１２と、を有している。このような鋼板１０は、溶融状態の亜鉛を鉄芯材１１の表面へ付着させる方法によって、鉄芯材１１に亜鉛めっき層１２を形成することにより得ることができる。この他、電解反応を利用して亜鉛を鉄芯材１１の表面に付着させる方法、塗布方法、吹き付け方法等によっても得ることができる。
なお、鉄芯材１１は、特に限定されず、いわゆる軟鋼板や、高張力鋼板を使用することができる。

［亜鉛めっき層］
亜鉛めっき層１２は、亜鉛（融点、約４１９．５℃）を主成分とする層からなり、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ系等のアルミニウム合金から形成されるアルミニウム合金層２２よりも低融点であることを特徴とする。その結果として、後記するように、スポット溶接された際に、温度上昇の低い周縁領域５２においても、亜鉛めっき層１２が溶融し、鉄芯材１１の新生面が露出し、アルミニウムクラッド板２０との界面に第２接合部Ｊ２が形成される。

亜鉛めっき層１２の厚さＴ１２は、例えば、接合後の鉄−アルミニウム接合体３０（図２参照）が自動車用部材として使用される場合、自動車用部材における成形性、溶接性および耐食性の観点から、３．０μｍ以上４５．０μｍ以下であることが好ましい。言い換えると、片面における亜鉛めっき層１２の目付量は、２０ｇ／ｍ^２以上３００ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。

＜アルミニウムクラッド板＞
アルミニウムクラッド板２０は、アルミニウムを主成分とする薄板状のアルミニウム芯材２１と、アルミニウム芯材２１の少なくとも接合側の表面に形成されると共に、アルミニウム芯材２１よりも低融点のアルミニウム合金層２２と、を有している。このようなアルミニウムクラッド板２０は、アルミニウム芯材２１と、アルミニウム合金層２２となるクラッド材とを重ねて圧延し、熱処理すること等により得ることができるが、アルミニウムクラッド板２０の製造方法はこれに限定されず、種々の製造方法を利用してよい。なお、アルミニウム芯材２１は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成され、例えば、３０００系（Ａ３００３、Ａ３００４等）、５０００系（Ａ５０５２、Ａ５４５４、Ａ５７５４、Ａ５１８２等）、６０００系（Ａ６０１６、Ａ６０２２、Ａ６１１１等）のものを使用できる。

［アルミニウム合金層］
アルミニウム合金層２２は、アルミニウム芯材２１（融点、約６６０℃）よりも低融点であることを特徴とする。このような低融点のアルミニウム合金層２２は、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金（４０００系合金、融点、５７７℃）や、Ａｌ−Ｃｕ系合金（融点、５４８℃）からなる。
アルミニウム合金層２２がＡｌ−Ｓｉ系合金から形成される場合、アルミニウム合金層２２中のＳｉの量は、４．０質量％以上１１．６質量％以下であることが好ましい。これは、ＡｌとＳｉの共晶点が、Ｓｉの１１．７質量％であるためである。
一方、アルミニウム合金層２２がＡｌ−Ｃｕ系合金から形成される場合、アルミニウム合金層２２中のＣｕの量は、５．７質量％以上３３．２質量％以下であることが好ましい。これは、ＡｌとＣｕの共晶点が、Ｃｕの３３．２質量％であるためである。

アルミニウム合金層２２の厚さＴ２２は、０．０２ｍｍ以上０．２８ｍｍ以下であり、そして、アルミニウムクラッド板２０の全体厚さＴ２０対してのアルミニウム合金層２２の厚さＴ２２の割合であるクラッド率（Ｔ２２／Ｔ２０（％））は、１．７％以上２０％以下であることを特徴とする。これにより、後記する第２接合部Ｊ２に形成される金属間化合物３４の成長を抑制することができる。

＜重ね合わせ、通電＞
そして、図１（ｂ）に示すように、亜鉛めっき層１２とアルミニウム合金層２２とを向かい合わせ、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを重ね合わせる。次いで、重ね合わせた被接合体を、一対のスポット溶接用の電極４１、４１によって所定の荷重で加圧し、外部の直流又は交流電源から、所定の電流を、所定の時間、通電させる。
なお、このように鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを重ねる際に、電食を防止するための構造用接着剤や、密閉性を高めるためのシール剤等を挟むようにしてもよい。

このような手法により通電させると、電極４１の中心軸線上の近傍では、通電による入熱の大きい中心領域５１が形成される。一方、中心領域５１の周縁には、中心領域５１に対して相対的に入熱の小さい周縁領域５２が形成される。

そうすると、このような接合過程において、図２に示すように、入熱の大きい中心領域５１における鋼板１０は、亜鉛めっき層１２が溶融し、鉄芯材１１の新生面が露出する。これと同時に、中心領域５１におけるアルミニウムクラッド板２０は、アルミニウム合金層２２及びアルミニウム芯材２１がともに溶融する領域３１が形成され、アルミニウムクラッド板２０の表面の強固な酸化皮膜が破壊される。
そして、露出した鉄芯材１１の新生面と、アルミニウムクラッド板２０中の溶融した領域３１と界面に、層状のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物３２（Ｆｅ_２Ａｌ_５、Ｆｅ_４Ａｌ_１３等）が生成し、図２に示すような第１接合部Ｊ１が形成される。
なお、中心領域５１におけるアルミニウムクラッド板２０中の溶融した領域３１には、溶融した亜鉛めっき層１２の一部が固溶する。

また、このような接合過程において、入熱の小さい周縁領域５２における鋼板１０は、中心領域５１同様、表面の亜鉛めっき層１２が溶融し、鉄芯材１１の新生面が露出する。一方、周縁領域５２におけるアルミニウムクラッド板２０は、アルミニウム合金層２２のみが溶融する領域３３が形成され、アルミニウムクラッド板２０の表面の強固な酸化皮膜が破壊される。
そして、露出した鉄芯材１１の新生面と、アルミニウムクラッド板２０中のアルミニウム合金層２２のみが溶融した領域３３との界面に、粒状のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物３４（Ｆｅ_４Ａｌ_１３等）が生成し、図２に示すようなリング状の第２接合部Ｊ２が形成される。

ここで、前記したように、アルミニウム合金層２２の厚さが０．０２ｍｍ以上０．２８ｍｍ以下であり、クラッド率が１．７％以上２０％以下であれば、アルミニウム合金層２２のみが溶融した領域３３の溶融時間を短くすることができる。これにより、金属間化合物３４の成長を抑制でき、これにより特に剥離方向の接合強度の増加が図られる。

なお、周縁領域５２の外側のアルミニウム合金層２２は、溶接熱によって溶融しておらず、アルミニウムクラッド板２０の表面の強固な酸化膜が破壊されていないので、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０との界面にはＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が生成していない。すなわち、リング状の第２接合部Ｊ２の径方向外側は、接合されていない非接合部Ｊ０となっている。

≪鉄−アルミニウム接合体≫
このようにして、本実施形態に係る鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０の接合方法によって得られた鉄−アルミニウム接合体３０によれば、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とは、第１接合部Ｊ１と、第１接合部Ｊ１の周縁の第２接合部Ｊ２とによって、接合されている。これにより、第１接合部Ｊ１のみで接合される従来よりも、高い接合強度を奏することができる。よって、常時に振動が発生し、大きな衝撃を受ける車両用のハイブリッドボディに好適にも適用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、一抵抗溶接であるスポット溶接により、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを接合する場合について説明したが、抵抗溶接として、シーム溶接、プロジェクション溶接を利用してもよい。
また、抵抗溶接に限らず、その他に例えば、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接を利用してもよい。

前記した実施形態では、その片面側にアルミニウム合金層２２が形成されたアルミニウムクラッド板２０について説明したが、その他に、両面側にアルミニウム合金層２２が形成されたアルミニウムクラッド板２０であってもよい。

前記した実施形態では、１層のアルミニウム合金層２２が形成されたアルミニウムクラッド板２０について説明したが、アルミニウム合金層２２が多層で形成されたアルミニウムクラッド板２０であってもよい。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。

（１）アルミニウム合金層２２の有無（実施例１〜４、比較例１〜４）
まず、アルミニウム合金層２２の効果について検討した。
表１に示すように、亜鉛めっき層１２を有する鋼板１０とアルミニウム合金層２２を有するアルミニウムクラッド板２０とをスポット溶接し、鉄−アルミニウム接合体３０を作製した（実施例１〜４）。また、亜鉛めっき１２を有する鋼板１０とアルミニウム合金層２２を有しないアルミニウム板とをスポット溶接し、鉄−アルミニウム接合体３０を作製した（比較例１〜４）。使用した鋼板１０及びアルミニウムクラッド板２０の仕様、溶接条件を表１に示す。
なお、アルミニウム合金層２２の厚さＴ２２は０．１２ｍｍとし、クラッド率は１０％とした。

そして、作製した鉄−アルミニウム接合体３０について、せん断接合強度（ＪＩＳＺ３１３６準拠）、剥離接合強度（ＪＩＳＺ３１３７準拠）をそれぞれ測定した。測定結果を表１、図３に示す。
なお、図３における「（実１）」は、実施例１についての測定結果を示す。その他についても同様である。

表１、図３に示すように、アルミニウム合金層２２を介して接合した実施例１〜４に係るせん断接合強度、剥離接合強度は、アルミニウム合金層２２が無い比較例１〜４よりも、大きかった。これにより、アルミニウム芯材２１の接合側にアルミニウム合金層２２を形成し、アルミニウム合金層２２と亜鉛めっき層１２とを重ね合わせるようにして、鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを接合することにより、接合強度が大きくなることが確認された。

また、実施例１に係る鉄−アルミニウム接合体３０の接合断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察した。その結果、図４から図６に示すように、周縁領域５２に係る第２接合部Ｊ２において、比較例１（図７、図８参照）に対して、鉄とアルミニウムとのＦｅ−Ａｌ金属間化合物（ＩＭＣ）の大きさが、１／１０程度に抑えられつつ、接合されていることが確認された。これにより、接合強度（特に剥離方向の接合強度）が増加したと考えられる。

（２）アルミニウム合金層２２の厚さ、クラッド率（実施例１、５〜１０、比較例１、５）
次に、アルミニウム合金層２２の厚さと、クラッド率について検討した。
表２に示す仕様の鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０を接合し、鉄−アルミニウム接合体３０を作製した。次いで、鉄−アルミニウム接合体３０について、せん断接合強度、剥離接合強度を測定した。測定結果を、表２、図９、図１０に示す。

図９、図１０から明らかなように、アルミニウム合金層２２の厚さＴ２２が０．０２ｍｍ以上０.２８ｍｍ以下の範囲であって、クラッド率が１.７％以上２０％以下の範囲である実施例１、５〜１０は、鋼板１０とアルミニウム合金層２２を有しないアルミニウムクラッド板２０とを接合した比較例１に係る剥離接合強度（１．４６ｋＮ）以上となることが確認された。

（３）アルミニウム合金層２２中のＳｉ量（実施例１、２、６、比較例１、６）
次に、アルミニウム合金層２２中のＳｉ量について検討した。
表３に示す仕様の鋼板１０とアルミニウムクラッド板２０とを接合し、鉄−アルミニウム接合体３０を作製した。次いで、鉄−アルミニウム接合体３０について、せん断接合強度、剥離接合強度を測定した。測定結果を、表３、図１１に示す。

図１１から明らかなように、アルミニウム合金層２２中のＳｉの量が、４．０質量％以上１１．６質量％以下の範囲である実施例１、２、６は、鋼板１０とアルミニウム合金層２２を有しないアルミニウムクラッド板２０とを接合した比較例１に係る剥離接合強度（１．４６ｋＮ）以上となることが確認された。

本実施形態に係る鋼板とアルミニウム板との接合方法を示す断面図であり、（ａ）は鋼板とアルミニウム板の重ね合わせ前、（ｂ）スポット溶接時である。 本実施形態に係る鉄−アルミニウム接合体である。 アルミニウム合金層の有無と剥離接合強度との関係を示すグラフである。 実施例１に係る接合断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 実施例１に係る第２接合部の径方向内側位置における透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 実施例１に係る第２接合部の径方向外側位置における透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 比較例１に係る接合断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 比較例１のアルミニウム溶融領域端部の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。 アルミニウム合金層の厚さと剥離接合強度との関係を示すグラフである。 クラッド率と剥離接合強度との関係を示すグラフである。 アルミニウム合金層中のＳｉ量と剥離接合強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 鋼板（鉄部材）
１１ 鉄芯材
１２ 亜鉛めっき層
２０ アルミニウムクラッド板（アルミニウム部材、アルミニウムクラッド材）
２１ アルミニウム芯材
２２ アルミニウム合金層
３０ 鉄−アルミニウム接合体
３１ アルミニウム合金層２２及びアルミニウム芯材２１がともに溶融した領域
３２ 層状のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物
３３ アルミニウム合金層２２のみが溶融した領域
３４ 粒状のＦｅ−Ａｌ系金属間化合物
４１ 電極
５１ 中心領域（高温領域）
５２ 周縁領域（低温領域）
Ｊ０ 非接合部
Ｊ１ 第１接合部
Ｊ２ 第２接合部

Claims (6)

1. 鉄部材とアルミニウム部材とを接合する方法であって、
   前記鉄部材は、少なくとも前記アルミニウム部材との接合側にめっき層を有しており、
   前記アルミニウム部材は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム芯材と、前記鉄部材との接合側に、前記アルミニウム芯材よりも低融点のアルミニウム合金層を有したアルミニウムクラッド材からなり、
   前記鉄部材と前記アルミニウム部材とを重ね合わせて接合することを特徴とする鉄部材とアルミニウム部材の接合方法。
2. 前記めっき層は、前記アルミニウム合金層よりも低融点であることを特徴とする請求項１に記載の鉄部材とアルミニウム部材の接合方法。
3. 前記アルミニウム合金層の厚さは０．０２ｍｍ以上０.２８ｍｍ以下であると共に、
   前記アルミニウム部材の全体厚さに対する前記アルミニウム合金層の厚さの割合は、１．７％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄部材とアルミニウム部材の接合方法。
4. 前記アルミニウム合金層は、Ａｌ−Ｓｉ系合金、又は、Ａｌ−Ｃｕ系合金から形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鉄部材とアルミニウム部材の接合方法。
5. 前記接合は、抵抗溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、及び、電子ビーム溶接、のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉄部材とアルミニウム部材の接合方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の鉄部材とアルミニウム部材の接合方法によって接合された鉄−アルミニウム接合体であって、
   前記鉄部材と前記アルミニウム芯材とが接合してなる第１接合部と、
   当該第１接合部の周縁に、前記鉄部材と前記アルミニウム合金層とが接合してなる第２接合部と、
   を有することを特徴とする鉄−アルミニウム接合体。