JP2008207245A - 鋼材とアルミニウム材との異材接合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＧＡめっき鋼板を使用したアルミニウム材との異材接合の場合でも、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、溶融溶接による異材接合体を提供することを目的とする。
【解決手段】特定板厚の亜鉛めっき層鋼材１とアルミニウム材２とを溶融溶接にて接合部６にアルミニウム溶接金属３を形成させて接合した異材接合体であって、このアルミニウム溶接金属３と鋼材１との接合界面６において、鋼材側にＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層４が形成されており、この接合界面層４を薄く、均一化して、高い接合強度を得る。
【選択図】図２
【解決手段】特定板厚の亜鉛めっき層鋼材１とアルミニウム材２とを溶融溶接にて接合部６にアルミニウム溶接金属３を形成させて接合した異材接合体であって、このアルミニウム溶接金属３と鋼材１との接合界面６において、鋼材側にＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層４が形成されており、この接合界面層４を薄く、均一化して、高い接合強度を得る。
【選択図】図２
Description
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における鉄系材料とアルミニウム系材料との異種金属部材同士の接合体である異材接合体に関するものである。
溶接は、一般には同種の金属部材同士を接合する。しかし、鉄系材料（以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもので、以下、単にアルミニウム合金材と言う）という異種の金属部材の接合（異材接合体) に適用することができれば、鋼材のみの部材の軽量化に著しく寄与することができる。
しかし、鋼材とアルミニウム合金材とを溶接接合する場合、接合部に脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成しやすいために、信頼性のある高強度を有する接合部( 接合強度) を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
また、一方では、自動車車体などの部材の軽量化のために、鋼材やアルミニウム合金材の高強度化が図られ、鋼材では高張力鋼材（ハイテン）、アルミニウム合金材では合金元素が少なくリサイクル性にも優れた高強度なＡ６０００系アルミニウム合金材が使用される傾向にある。
このため、異材同士の溶接接合においても、これまでの軟鋼と純アルミニウム合金やＡ５０００系アルミニウム合金などの、従来の低強度の異材同士の溶接接合から、高張力鋼材と６０００系アルミニウム合金材との高強度の異材同士の溶接接合へと、接合対象が変わってきている。溶融接合によるＦｅ−Ａｌ接合においては、高い入熱が投入されるため、通常、数十μｍを超える極めて厚く脆いＦｅ−Ａｌ反応層が形成される。このため、一般的には、溶融溶接によるＦｅ−Ａｌ接合は困難であるとされている。特に、種々の合金が添加された高強度の鋼材の場合には、比較的低強度の軟鋼よりも、融点、電気抵抗が高く、また熱伝導率が小さいために、鋼材側の発熱が特に大きくなりやすい。この結果、このような高強度の鋼材の場合には、脆いＦｅ−Ａｌ反応層は、更に厚く形成されやすくなる。したがって、高強度の異材同士の溶接接合では、接合部での脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成条件が異なり、信頼性のある高い接合強度を得るためには、従来の低強度の異材同士の溶接接合に対して、新たな接合条件の工夫が必要となる。
鋼材とアルミニウム合金材との異材同士を接合する場合、鋼材はアルミニウム合金材と比較して、融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなり、まず低融点のアルミニウムが溶融する。次に鋼材の表面が溶融し、結果として界面にて、Ｆｅ−Ａｌ系の脆い金属間化合物層が形成するため、高い接合強度が得られない。
このため、従来より、これら異種接合体の溶融溶接法について、多くの検討、提案がなされてきている。例えば、接合部に脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成しないように、低温でロウ付けする方法が提案されている（特許文献１、２参照）。
また、より高温において接合を行う、これら異種接合体の溶融溶接では、少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤとし、アルミニウム合金材と亜鉛メッキなどを表面に施した鋼材とをパルスＭＩＧ溶接によって接合する方法が提案されている（特許文献３参照）。この方法では、溶接ワイヤの溶融と共に、シリコンも母材へと移行させ、溶融池界面に浸透して、アークの熱によって高温となり、溶融金属のぬれ性を良くして接着性を向上させている。
更に、異種接合体の溶融溶接に用いるフラックスの組成を改善して、溶接継手強度を高めようとするも提案されている。この例として、現状の溶接ラインを使用でき、かつ簡便に連続接合させる方法として、ノコロック系フラックス（フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム及び酸化アルミニウム）をアルミニウムで被覆したフラックス入りワイヤを用いて、軟鋼と純アルミニウムや５０００系アルミニウム合金材とをアーク溶接する方法も開示されている（特許文献４参照）。
また、フッ化物系混合フラックスを塗布して用い、マグネチック、超音波、高周波、スポットなどの種々の溶接法により溶接する、鋼材とアルミニウム材との異材接合方法も提案されている（特許文献５参照）。これらの方法は、上記フラックスの化学反応によって、鉄鋼表面の清浄作用を促すと共に、アルミニウムから成る溶融金属のぬれ性及び接着性を良好にし、脆弱な厚い金属間化合物層の形成を阻止する。
更に、強固な酸化皮膜が形成されているアルミニウム合金材の表面から、酸化皮膜を還元、溶解除去する効果を有するフッ化物系フラックスをアルミニウム合金材表面に塗布して、軟鋼と６０００系アルミニウム合金材とをスポット溶接する方法も提案されている（特許文献６参照）。また、これらフッ化物系フラックスは、アルミニウム合金材同士の溶融溶接接合などにも用いられている（特許文献７、８参照）。
特開平７−１４８５７１号公報
特開平１０−３１４９３３号公報
特開２００４−２２３５４８号公報
特開２００３−２１１２７０号公報
特開２００３- ４８０７７号公報
特開２００４−３５１５０７号公報
特開２００４−２１００１３号公報
特開２００４−２１００２３号公報
特許文献１、２のような低温ロウ付けでは、アルミニウム系ロウ材、あるいは、フラックスとアルミニウム系ロウ材とを使用したロウ付けが行われてきた。しかし、低温ロウ付けでは、被接合材の接合温度範囲の管理が、ロウ材の溶融温度以上で、被接合材の溶融温度以下と厳密であり、自動車のボディなどの大型部材の接合に適用するためには、精密な温度制御を行える大型炉が必要である。また、接合に長時間を要するため、高い生産性が要求される自動車のボディなどの大型部材には適用できない。
特許文献３のようなシリコンを添加したアルミニウム合金製ソリッドワイヤを溶接ワイヤとしてＭＩＧ溶接する方法は、入熱条件など高精度な制御のための、高価な制御電源を必要とするだけでなく、継ぎ手形状も大きく限定される問題がある。このため、やはり、継ぎ手形状の自由な設計が要求される自動車のボディなどの大型部材などには適用できない。
更に、特許文献４、５に開示されるようなフッ化物組成のフラックス入りアルミニウム製ワイヤでは、軟鋼と純アルミニウムや５０００系アルミニウム合金材との異材接合は可能である。しかし、特許文献４、５に開示されているフッ化物組成のフラックス入りアルミニウム製ワイヤは、高張力鋼材と６０００系アルミニウム合金材との高強度な異材同士の溶接接合では、高い接合強度が得られない。これは、特許文献６７、８に開示されているフッ化物組成のフラックスでも同様である。
また、特許文献４に開示されるような、ノコロック系フラックスをアルミニウムで被覆したフラックス入りワイヤでは、フッ化物組成のフラックスの作用によって材料表面自体の清浄化はできる。しかし、このフラックスに含まれる、特にフッ化セシウムの吸湿性が極めて高いため、水分が原因となって溶接金属部のブローホールの原因となりやすいほか、溶接部の耐食性を劣化させることが懸念される。
また、フラックスの充填率を適正に制御していないため、溶融フラックスの大量飛散により作業性が悪化することに加え、フラックスによる溶接金属の濡れ性が良くなりすぎて広がってしまいビードの形成不全が生じる、さらにビードがひろがることにより脆い界面反応層が厚く広範囲に生成されて、継手強度の劣化をもたらすなどの弊害があった。
そして、これら異材接合体のフラックスを用いた従来の溶融溶接では、少なくともアルミニウム材との接合面に亜鉛めっきが施された鋼材の接合強度を高めるには、共通して、大きな限界がある。
鋼材表面に亜鉛めっき、特に、溶融亜鉛合金化めっきが施されている高張力鋼板（ＧＡめっき鋼板）などの場合に、異材接合体の接合強度を高めることが著しく難しい。そして、自動車車体用には、この種ＧＡめっき鋼板が周知の通り汎用されている。このＧＡめっきは、純亜鉛めっき（ＧＩめっき鋼板）よりも、前記溶融溶接によって、異材接合体の接合強度を高めることが著しく難しい。
したがって、この点も、前記した、自動車などの構造部材用途で、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の適用が拡がらない、大きな要因となっていた。
このような状況に鑑み、本発明は、例えＧＡめっき鋼板を使用したアルミニウム材との異材接合の場合でも、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、溶融溶接による異材接合体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚ｔ1 が０．５〜５．０ｍｍである亜鉛めっき鋼材と板厚ｔ2 が０．５〜４．０ｍｍであるアルミニウム材とを、溶融溶接にて接合部にアルミニウム溶接金属を形成させて接合した異材接合体であって、このアルミニウム溶接金属と鋼材との接合界面において、鋼材側にＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層が形成されており、この接合界面層の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍであることとする。
ここで、前記溶融溶接においてフラックスを用い、このフラックスを、塩化物を含まない、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの混合フラックス組成としたものであることが好ましい。このフラックスをアルミニウム合金外皮内に充填したフラックスコアードワイヤとして溶融溶接部に供給することが好ましい。
本発明で規定する接合界面層の内のα−ＡｌＦｅＳｉ相自体は、体心立方晶形のＡｌとＦｅとＳｉとの金属間化合物相として、単結晶形のβ−ＡｌＦｅＳｉ相とともに公知である。このα−ＡｌＦｅＳｉ相は、純アルミニウムやアルミニウム合金のＦｅ、Ｓｉの不純物や、アルミニウム合金のＦｅ、Ｓｉの合金元素などに由来して、鋳造時や熱処理時に、晶出あるいは析出する晶出物あるいは析出物である。
因みに、α−ＡｌＦｅＳｉ相自体は、これまで、例えば、アルミニウム合金製感光体の切削性や表面仕上がり性を向上させる化合物相として公知である（特開平１１−１３１１６８号公報など）。また、純アルミニウムのＦｅ、Ｓｉの不純物由来として、熱処理条件、熱間加工条件によって、その固溶、析出量が変化して、Ａｌ3 Ｆｅ系化合物、α−ＡｌＦｅＳｉ相、単体Ｓｉと変化すること、そして、加工硬化、軟化、集合組織などの特性に影響を与えることが公知である（神戸製鋼技報／Ｖｏｌ．５６．Ｎｏ．１．Ａｐｒ．２００６）。
本発明では、溶融溶接にて接合部にアルミニウム溶接金属を形成させて接合した異材接合体における、アルミニウム溶接金属と鋼材との接合界面において、鋼材側に必然的に生成するＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層に加えて、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層を生成されることを特徴とする。
このα−ＡｌＦｅＳｉ層は、亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との溶融溶接において必然的に生成するものではない。本発明者らの知見によれば、このα−ＡｌＦｅＳｉ層は、特定のフラックスを用いた特定の溶融溶接条件によってのみ、アルミニウム溶接金属側に生成する。
α−ＡｌＦｅＳｉ層の生成が溶融溶接条件によって左右されることは、前記した、アルミニウム中のＦｅ、Ｓｉの固溶、析出量（固溶、析出状態）が、アルミニウムの熱処理や熱間加工条件によって、析出化合物が大きく変化する、公知の事実からも裏付けられる。
本発明者らは、アルミニウム溶接金属と鋼材との接合界面において、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層を生成させることができれば、このα−ＡｌＦｅＳｉ層が、接合界面におけるＦｅ−Ａｌ系の脆く厚い金属間化合物層の形成を抑制する効果を有することを知見した。そして、このＦｅ−Ａｌ系金属間化合物層形成の抑制効果は、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層を含めた前記接合界面層（金属間化合物混合層）の板厚方向の平均厚さを０．５〜５μｍの範囲の薄層化することを可能とする。この結果、本発明によれば、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の接合強度を著しく向上させることができる。
鋼材とアルミニウム材との異材を接合する場合、鋼材はアルミニウム材と比較して、融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなり、まず低融点のアルミニウムが溶融する。次に鋼材の表面が溶融し、結果として、接合界面（溶接界面）にて、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層が形成する。
鋼材とアルミニウム材との溶融溶接で、鋼材側の接合界面に必然的に形成されるＦｅ−Ａｌ系金属間化合物は、主として、Ａｌ3 Ｆｅ系化合物（金属間化合物Ａｌ3 Ｆｅの意味）やＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物（金属間化合物Ａｌ5 Ｆｅ2 の意味）であることが知られている。これらのＦｅ−Ａｌ系金属間化合物は大変脆いため、高い接合強度は得られないと従来よりされている。
これに加えて、ＧＡなどの亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との溶融溶接では、この亜鉛めっきに由来するＺｎ−Ｆｅ系化合物（金属間化合物Ｆｅ3 Ｚｎ7 など）が生成し、上記Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物層中に不純物として必然的に含まれるようになる。そして、このＺｎ−Ｆｅ系化合物層は、やはり脆いために、破壊の起点となりやすく、異材接合体の接合強度を著しく低下させる。
したがって、特に、亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との異材を溶融溶接にて接合する場合、高い接合強度を得るためには、接合界面（溶接界面）での界面反応層の厚さ・構造を制御することが非常に重要となる。
本発明では、これらＧＡなどの亜鉛めっき鋼材によって、この亜鉛めっきに由来するZn-Fe 系化合物が生成し、例え、上記Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物層中に不純物として必然的に含まれるような場合でも、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層生成によって、このＦｅ−Ａｌ系金属間化合物層の形成自体を抑制できる。この結果、本発明は、鋼材側の亜鉛めっきがＧＡめっきであっても、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の接合強度を著しく向上させることができる。
（異材接合体）
本発明の異材接合体について説明する。図１は、溶融接合後の本発明異材接合体の重ね継ぎ手（接合）部分を断面図で示している。図２は、図１における接合部分５の接合界面６の拡大図である。これら図１、２の異材接合体は、後述する図３あるいは図４の溶融溶接施工方法にて製作される。
本発明の異材接合体について説明する。図１は、溶融接合後の本発明異材接合体の重ね継ぎ手（接合）部分を断面図で示している。図２は、図１における接合部分５の接合界面６の拡大図である。これら図１、２の異材接合体は、後述する図３あるいは図４の溶融溶接施工方法にて製作される。
図１、２において、１が亜鉛めっき（ＧＡ）鋼板、２がアルミニウム板、３がアルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）、４が接合界面層（界面反応層、あるいは接合界面６）である。また、t1は亜鉛めっき鋼板（鋼材）の板厚、t2はアルミニウム板（アルミニウム材）２の板厚である。
（接合界面）
図２の接合界面６において、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層は、後述する特定の溶融溶接条件にて、溶融溶接時の反応初期に、アルミニウム溶接溶接金属側に優先的に生成（形成）させたものである。
図２の接合界面６において、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層は、後述する特定の溶融溶接条件にて、溶融溶接時の反応初期に、アルミニウム溶接溶接金属側に優先的に生成（形成）させたものである。
一方、図２の鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物（Ａｌ3 Ｆｅ反応層）とＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物（Ａｌ5 Ｆｅ2 反応層）との混合層は、溶融溶接の条件にかかわらず（通常の溶融溶接条件であれば）必然的に生成する。
ただ、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層を、溶融溶接時の反応初期に、優先的に生成させていることによって、接合界面６における、溶融溶接時の反応初期以降のＡｌ、Ｆｅの相互拡散が抑えられる。このため、上記脆いＦｅ−Ａｌ5 系反応層（Ａｌ3 Ｆｅ系化合物：Ａｌ3 Ｆｅ、Ａｌ5 Ｆｅ2 ）が形成される時間を遅延させる。
このように、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層は、溶融溶接時の反応初期以降のＡｌ、Ｆｅの相互拡散抑制層として作用し、このα−ＡｌＦｅＳｉ層を含む界面反応層（接合界面層４）が、薄く、かつ均一に、アルミニウム溶接金属３と亜鉛めっき鋼板１の間に生成される。この結果、異材接合体の高い接合強度が安定して得られる。
なお、このα−ＡｌＦｅＳｉ層やＦｅ−Ａｌ5 系反応層（Ａｌ3 Ｆｅ系化合物：Ａｌ3 Ｆｅ、Ａｌ5 Ｆｅ2 ）などの接合界面構造は、接合界面層４の電子線回折像分析やＸ線回折分析によって同定できる。
（接合界面層）
上記薄くかつ均一とすべき接合界面層（界面反応層）の厚みは、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）側のα−ＡｌＦｅＳｉ層とを接合界面層として、これらの層の合計の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍであることとする。
上記薄くかつ均一とすべき接合界面層（界面反応層）の厚みは、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）側のα−ＡｌＦｅＳｉ層とを接合界面層として、これらの層の合計の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍであることとする。
接合界面層の厚みが０．５μｍ未満では、アルミニウム溶接金属３と亜鉛めっき鋼板１との冶金的接合が出来ず、異材接合体の接合強度が低くなる。一方、接合界面層の厚みが５μｍを超えると、接合界面６が脆弱となり、やはり異材接合体の接合強度が低くなる。
この接合界面層の厚みは、異材接合体断面の、アルミニウム溶接金属３の登頂より、止端部にいたるまでの間の接合界面において、５００倍程度の倍率で、光学顕微鏡もしくはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて測定する。
異材接合体の接合強度を増大させるためには、図２で言う薄く均一な接合界面層４を、図１で言うアルミニウム溶接金属３と亜鉛めっき鋼板１との接合界面６全体に亙って形成させることが有効である。
（α−ＡｌＦｅＳｉ層）
本発明で規定する接合界面層の内のα−ＡｌＦｅＳｉ相は、体心立方晶形のＡｌとＦｅとＳｉとの金属間化合物相として、前記した通り、接合界面層４の電子線回折像分析やＸ線回折分析によって、化合物組成として、また、結晶形態としても、単結晶形のβ−ＡｌＦｅＳｉ相などと、明確に区別、特定される。
本発明で規定する接合界面層の内のα−ＡｌＦｅＳｉ相は、体心立方晶形のＡｌとＦｅとＳｉとの金属間化合物相として、前記した通り、接合界面層４の電子線回折像分析やＸ線回折分析によって、化合物組成として、また、結晶形態としても、単結晶形のβ−ＡｌＦｅＳｉ相などと、明確に区別、特定される。
アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層を、溶融溶接時の反応初期に、優先的に生成させるためには、溶融溶接の際に、フラックスを使用することが有効である。ただ、アルミニウム溶接金属側のα−ＡｌＦｅＳｉ層を、溶融溶接時の反応初期に、優先的に生成させるためには、フラックスが、アルミニウム合金材などの被溶接材の表面酸化膜還元除去効果と、溶接初期にα−ＡｌＦｅＳｉ層の形成を促進する効果とを有することが必要である。
この点、前記した従来のフッ化物系フラックスとしては、フッ化セシウム、フッ化亜鉛などがある。これらのフッ化物系フラックスでもアルミニウム合金材表面を清浄化できる作用を一応有する。しかしながら、これらのフッ化物系フラックスは吸湿性が極めて高い。このため、吸湿された水分が原因となって、溶接金属部のブローホールの原因となりやすいほか、溶接部の耐食性を劣化させることが懸念される。また、致命的には、溶接初期にα−ＡｌＦｅＳｉ層の形成を促進する効果が少ない。
α−ＡｌＦｅＳｉ相は、純アルミニウムやアルミニウム合金のＦｅ、Ｓｉの不純物や、アルミニウム合金のＦｅ、Ｓｉの合金元素などに由来して、上記特定の溶接条件によって、溶融溶接時の反応初期にアルミニウム溶接金属側に析出する。
ただ、このように、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層を、溶融溶接時の反応初期に、優先的に生成させるためには、上記特定の溶接条件とともに、更に、アルミニウム材が、不純物か、あるいは合金元素としてのいずれでも良いが、Ｆｅ、Ｓｉを実質量（α−ＡｌＦｅＳｉ相を十分生成させるに足る量）含有することが好ましい。
一方、異材接合されるアルミニウム材によっては、選択上、含有するＦｅ、Ｓｉ量がα−ＡｌＦｅＳｉ相の生成に不十分である（あるいは不十分だと予測できる）場合もある。このような場合には、溶接の際に、外部からＦｅ、Ｓｉをアルミニウム材側接合界面に供給する。即ち、アルミニウム溶接金属（ビード）作成のためのアルミニウムソリッドワイヤや、フラックス入りアルミニウムワイヤなどを用い、これらにＦｅ、Ｓｉを含有させて、α−ＡｌＦｅＳｉ相を十分生成させるに足る量だけ、Ｆｅ、Ｓｉをアルミニウム材側接合界面に供給する。
（ノコロックフラックス）
これに対して、フッ化物系混合フラックスの中でも、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの混合フラックス（ノコロックフラックス）は、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの化学反応によって、鋼材表面の清浄作用を促すとともに、アルミニウム板表面の強固な酸化皮膜を還元・溶解除去する。これによって、溶接初期にα−ＡｌＦｅＳｉ層の形成を促進する効果も一段と高く、アルミニウムからなる溶融金属と鋼材の濡れ性を著しく良好にするために、接合強度および外観改善効果もある。
これに対して、フッ化物系混合フラックスの中でも、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの混合フラックス（ノコロックフラックス）は、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの化学反応によって、鋼材表面の清浄作用を促すとともに、アルミニウム板表面の強固な酸化皮膜を還元・溶解除去する。これによって、溶接初期にα−ＡｌＦｅＳｉ層の形成を促進する効果も一段と高く、アルミニウムからなる溶融金属と鋼材の濡れ性を著しく良好にするために、接合強度および外観改善効果もある。
更に、本発明で使用する上記ノコロックフラックスは、塩化物を含まない上記フッ化物組成とする。塩化物は、溶接部に残留すると、溶接部乃至異材接合体の腐食促進因子として作用する。このために、塩化物のフラックス中の含有量を規制する。この点で、ノコロックフラックス中には全く塩化物を含まないことが好ましいが、ノコロックフラックスのコストや実用性も考慮すると、腐食を促進しない範囲での塩化物含有は許容する。この目安として、ノコロックフラックス全量に対して、塩化物量は１ｍｏｌ％以下とする。
この他、本発明で使用する上記ノコロックフラックスは、フラックス成分として酸化物を含有する場合を許容する。具体的には、フッ化物の効果を損なわない範囲で、酸化アルミニウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、５酸化リン等を適宜添加してもかまわない。それらの上限はフラックス全量に対して、概ね３０ｍｏｌ％程度である。
（ノコロックフラックス使用態様）
図３、４に、ノコロックフラックスを使用した、異材接合の溶融溶接施工方法を各々断面図で示す。図３、４では、溶融亜鉛めっき鋼材１の端部に、アルミニウム材２の端部を上側として重ね合わせて、互いの端部同士の重ね継手を形成している。
図３、４に、ノコロックフラックスを使用した、異材接合の溶融溶接施工方法を各々断面図で示す。図３、４では、溶融亜鉛めっき鋼材１の端部に、アルミニウム材２の端部を上側として重ね合わせて、互いの端部同士の重ね継手を形成している。
そして、溶接トーチやフラックス入りワイヤなどを用い、鋼材１とアルミニウム材２との互いの端部に沿って（図の前後方向に）延在する溶接線１０に沿って、溶接トーチなどを移動させ、溶接線１０全長を溶融溶接する。この際、溶接トーチの傾き角度などの溶接条件を適宜選択する。
ノコロックフラックスの供給方法としては、（１）フラックス層をアルミニウム板表面に形成させる方法、（２）アルミニウム合金シース内にフラックスを内包したフラックス入りワイヤを溶加材として使用し、フラックスを供給する方法が適宜選択される。
図３は、上記（１）の態様として、亜鉛めっき（ＧＡ）鋼板１とアルミニウム板２との接合（継ぎ手）部分の両者の間に、ノコロックフラックス７を予め配置（塗布、積層）した態様を示す。８はアルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）３を形成するためのアルミニウムソリッドワイヤである。
（フラックス入りワイヤ）
図４は、上記（２）の態様として、ノコロックフラックスをアルミニウム合金外皮内に充填したフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ、フラックス入りワイヤ）９にて、亜鉛めっき（ＧＡ）鋼板１とアルミニウム板２との接合（継ぎ手）部分に、にて供給する態様を示す。ＦＣＷ９は、ノコロックフラックスを内部に充填、収容する外皮が、アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）３を形成するためのアルミニウムからなる。
図４は、上記（２）の態様として、ノコロックフラックスをアルミニウム合金外皮内に充填したフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ、フラックス入りワイヤ）９にて、亜鉛めっき（ＧＡ）鋼板１とアルミニウム板２との接合（継ぎ手）部分に、にて供給する態様を示す。ＦＣＷ９は、ノコロックフラックスを内部に充填、収容する外皮が、アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）３を形成するためのアルミニウムからなる。
フラックス入りワイヤへのノコロックフラックスの充填量（充填率）は、フラックス入りワイヤの全体質量に対して、０．１質量％以上、２４質量％未満と、比較的少なくすることが好ましい。従来市販乃至汎用されているフラックス入りワイヤのように、フラックスの充填率を２４％を超えて多くすると、通常の交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接条件であっても、溶融したフラックスが多量に飛散する。この他、濡れ性改善効果が強すぎて溶接金属が拡がりすぎ、健全なビードが形成されず、また、溶接作業性も悪く、ビードが健全に形成されないため、溶接部の信頼性も損なわれる。
一方、ノコロックフラックスの充填率の下限は０．１％とする。ノコロックフラックスの充填率が少な過ぎると、アーク溶接で汎用されるビードを形成するためのアルミニウム溶接ワイヤ（JIS 規格：A4043 −WY、A4047 −WY、A5356 −WY、A5183 −WYなど）と同じとなる。このため、ノコロックフラックスの充填率が０．１％未満では、上記濡れ性改善効果などのノコロックフラックスの効果が発揮できず、健全で信頼性の高い溶接継手が得られない。
フラックス入りワイヤを用いれば、アルミニウム材と溶融亜鉛めっき鋼材を含めた鋼材とを接合する際に、適用条件などの制約が少なくて汎用性に優れると共に、形状的制約も少ない。また、線溶接の際に必要な連続接合が可能であり、かつ接合部における脆弱な金属間化合物や、溶接部におけるブローホールの発生や耐食性の劣化も少なく、さらに溶接作業性も良好な接合技術を提供できる。このため、自動車などの構造部材に適用できる異材接合継手（異材溶接継手）を提供することが可能となる。
（外皮アルミニウム合金）
フラックスコアードワイヤの管状の外皮（フープとも言う）には、鋼とアルミニウム合金材との間でのＦｅ−Ａｌ金属間化合物層の形成抑制のために、通常用いる鋼帯ではなく、アルミニウム合金帯を用いる。この際、外皮であるアルミニウム合金は、Ｓｉを１〜１３質量％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることが好ましい。これは、主に溶融状態におけるアルミニウム合金の流動性と凝固後の継手強度、外皮としての強度などを確保するためである。Ｓｉ含有量が少なすぎると流動性および強度が低下する。逆にＳｉ含有量が増大しすぎると、流動性の向上は飽和傾向になる他、溶着金属が脆くなる傾向が増す。このために、含有させる場合のＳｉ量は１〜１３質量％の範囲とする。
フラックスコアードワイヤの管状の外皮（フープとも言う）には、鋼とアルミニウム合金材との間でのＦｅ−Ａｌ金属間化合物層の形成抑制のために、通常用いる鋼帯ではなく、アルミニウム合金帯を用いる。この際、外皮であるアルミニウム合金は、Ｓｉを１〜１３質量％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることが好ましい。これは、主に溶融状態におけるアルミニウム合金の流動性と凝固後の継手強度、外皮としての強度などを確保するためである。Ｓｉ含有量が少なすぎると流動性および強度が低下する。逆にＳｉ含有量が増大しすぎると、流動性の向上は飽和傾向になる他、溶着金属が脆くなる傾向が増す。このために、含有させる場合のＳｉ量は１〜１３質量％の範囲とする。
外皮アルミニウム合金は、このＳｉに加えて、更にＭｎを０．１〜０．３質量％含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることが好ましい。これは、主に溶融状態におけるアルミニウム合金の流動性と凝固後の継手強度、外皮としての強度などをより確保するためである。このようなアルミニウム合金組成を有する外皮として、規格化され、汎用されているアルミニウム合金溶加材を用いることが好ましい。このようなアルミニウム合金組成を有するアルミニウム合金溶加材としては、Ｓｉを１１．０〜１３．０質量％、Ｍｎを０．１５質量％以下含有するＡ４０４７の使用が好ましい。また、Ｓｉを４．５〜６．０質量％、Ｍｎを０．０５質量％以下含有するＡ４０４３も使用できる。
（溶融溶接法）
本発明の異材接合における溶融溶接の熱源としては、レーザ、ＭＩＧ、ＴＩＧ、電子ビーム溶接などを使用することが出来る。言い換えると、使用溶融溶接方法は特に制限されるものではなく、アークやレーザなどの熱源を使用した汎用の溶融溶接法を使用することができる。例えば、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接、ＴＩＧ法、レーザ法、あるいはそれらのハイブリッド溶接法が適用可能である。実際の溶融溶接の施工に際しては、被溶接材の種類・形状、これらの異材接合体の形状や構造、あるいは要求接合特性に応じて、溶接方法を選定し、溶接条件を最適化する。
本発明の異材接合における溶融溶接の熱源としては、レーザ、ＭＩＧ、ＴＩＧ、電子ビーム溶接などを使用することが出来る。言い換えると、使用溶融溶接方法は特に制限されるものではなく、アークやレーザなどの熱源を使用した汎用の溶融溶接法を使用することができる。例えば、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接、ＴＩＧ法、レーザ法、あるいはそれらのハイブリッド溶接法が適用可能である。実際の溶融溶接の施工に際しては、被溶接材の種類・形状、これらの異材接合体の形状や構造、あるいは要求接合特性に応じて、溶接方法を選定し、溶接条件を最適化する。
本発明では、鋼材とアルミニウム材とを直接接合できるので、適正な溶接電流・電圧条件・接合形状等を採用する限り、特に制約を受けることがなく、これら汎用の溶融溶接法における溶接条件は常法と同じで可であるが、好ましい範囲を下記する。
（溶接電流）
交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接を実施する際、大電流となるほど、フラックスが飛散しやすくなり、生成する接合界面の脆い金属間化合物が多くなる。このため、こうしたフラックスの飛散や金属間化合物を抑制する上で、低い電流条件で接合することが推奨される。このような溶接電流としては２０Ａ以上、より好ましくは３０Ａ以上で、１００Ａ以下、より好ましくは８０Ａ以下である。
交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接を実施する際、大電流となるほど、フラックスが飛散しやすくなり、生成する接合界面の脆い金属間化合物が多くなる。このため、こうしたフラックスの飛散や金属間化合物を抑制する上で、低い電流条件で接合することが推奨される。このような溶接電流としては２０Ａ以上、より好ましくは３０Ａ以上で、１００Ａ以下、より好ましくは８０Ａ以下である。
（溶接電圧）
溶接電圧は、溶接電流と同様に、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、低い電圧条件で接合することが推奨される。この点、溶接電圧は、５Ｖ以上、より好ましくは７Ｖ以上で、２０Ｖ以下、より好ましくは１８Ｖ以下である。
溶接電圧は、溶接電流と同様に、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、低い電圧条件で接合することが推奨される。この点、溶接電圧は、５Ｖ以上、より好ましくは７Ｖ以上で、２０Ｖ以下、より好ましくは１８Ｖ以下である。
（レーザ出力）
波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザと、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザとＧＡ代表的であり、レーザ出力は３ｋＷ以上とすることが好ましい。
波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザと、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザとＧＡ代表的であり、レーザ出力は３ｋＷ以上とすることが好ましい。
（溶接速度）
溶接速度は、レーザ法も含め、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、上記溶接電流および溶接電圧、あるいは出力に応じて、母材中のＦｅおよびＡｌを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。交流ＭＩＧ溶接で、溶接能率なども考慮して好ましいのは１５ｃｍ／ｍｉｎ以上、６０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。直流逆極性によるＭＩＧ溶接では、脆弱な金属間化合物発生を抑制するために、溶接速度をできるだけ上げて溶接を行い、入熱量を低減する必要から、溶接速度として、好ましいのは３０ｃｍ／ｍｉｎ以上、１５０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。
溶接速度は、レーザ法も含め、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、上記溶接電流および溶接電圧、あるいは出力に応じて、母材中のＦｅおよびＡｌを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。交流ＭＩＧ溶接で、溶接能率なども考慮して好ましいのは１５ｃｍ／ｍｉｎ以上、６０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。直流逆極性によるＭＩＧ溶接では、脆弱な金属間化合物発生を抑制するために、溶接速度をできるだけ上げて溶接を行い、入熱量を低減する必要から、溶接速度として、好ましいのは３０ｃｍ／ｍｉｎ以上、１５０ｃｍ／ｍｉｎ以下である。
（シールドガス）
レーザ法も含め、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、シールドガスは、Arなど汎用されるガスが適宜使用でき、このシールドガス流量も、例えば１０〜５０Ｌ／ｍｉｎの汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
レーザ法も含め、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、シールドガスは、Arなど汎用されるガスが適宜使用でき、このシールドガス流量も、例えば１０〜５０Ｌ／ｍｉｎの汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
（溶接トーチ角度）
溶接トーチ( アークトーチ) 角度は、特に制約は無く、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、溶接や継手の溶接条件などに応じて、角度θは適宜選択される。
溶接トーチ( アークトーチ) 角度は、特に制約は無く、交流ＭＩＧ溶接や直流逆極性によるＭＩＧ溶接とも、溶接や継手の溶接条件などに応じて、角度θは適宜選択される。
（亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との板厚）
ここで、本発明では、互いに接合する亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との板厚の範囲を、実用的かつ溶融溶接できる現実的な範囲に規定する。即ち、亜鉛めっき鋼材の板厚ｔ1 を０．５〜５．０ｍｍの範囲、アルミニウム材の板厚ｔ2 を０．５〜４．０ｍｍの範囲と各々規定する。
ここで、本発明では、互いに接合する亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との板厚の範囲を、実用的かつ溶融溶接できる現実的な範囲に規定する。即ち、亜鉛めっき鋼材の板厚ｔ1 を０．５〜５．０ｍｍの範囲、アルミニウム材の板厚ｔ2 を０．５〜４．０ｍｍの範囲と各々規定する。
（亜鉛めっき鋼材）
接合する亜鉛めっき鋼材の板厚ｔ1 は、上記０．５〜５．０ｍｍの範囲から、アルミニウム材側の板厚ｔ2 に応じて選択することが必要である。
接合する亜鉛めっき鋼材の板厚ｔ1 は、上記０．５〜５．０ｍｍの範囲から、アルミニウム材側の板厚ｔ2 に応じて選択することが必要である。
鋼材の板厚ｔ1 が０．５ｍｍ未満と薄過ぎる場合、前記した構造部材や構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、溶融溶接時の鋼材の熱変形が大きくなって、これが著しい場合には、鋼材の材料が抜け落ち、健全な溶接継ぎ手が得られなくなる。一方、鋼材の板厚ｔ1 が５．０ｍｍを越えて厚過ぎると、異材接合体の利点の一つである軽量化が犠牲になる。また、本発明の接合体を得るのに必要な、適正な厚みの界面反応層の生成に要する入熱量の制御が難しくなる。このため、α−ＡｌＦｅＳｉ層の生成が不均一となりやすく、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層による、界面反応層（接合界面層４）が厚くなりすぎて、強度劣化をもたらす。
本発明はＧＡ（合金化溶融亜鉛めっき）に有効ではあるが、対象とする亜鉛めっきは、ＧＡめっき鋼材に限らず、ＧＩや電気めっき鋼材なども含み、両面、あるいは片面の亜鉛めっき鋼材も接合体の対象とする。
本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、構造部材用に、高強度な鋼材が要求される場合には、鋼材の引張強度が４００ＭＰａ以上である高張力鋼材（ハイテン）を用いることが好ましい。
(アルミニウム材)
本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、構造材としては高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、ＡＡ（あるいはＪＩＳ）５００００系、６０００系などの使用が最適である。
本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、構造材としては高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、ＡＡ（あるいはＪＩＳ）５００００系、６０００系などの使用が最適である。
本発明では、使用するこれらアルミニウム材の板厚ｔ2 を０．５〜４．０ｍｍの範囲とする。アルミニウム材の板厚ｔ2 が０．５ｍｍ未満と薄過ぎる場合、構造材料としての強度が不足して不適切である。また、溶融溶接時のアルミニウム材の熱変形が大きくなって、これが著しい場合には、アルミニウム材の材料が抜け落ち、健全な溶接継ぎ手が得られなくなる。一方、アルミニウム材の板厚ｔ2 が４．０ｍｍを越えて厚過ぎる場合は、異材接合体の利点の一つである軽量化が犠牲になる。その上、本発明の接合体を得るのに必要な、適正な厚みの界面反応層の生成に要する入熱量の制御が難しくなる。このため、α−ＡｌＦｅＳｉ層の生成が不均一となりやすく、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層による、界面反応層（接合界面層４）が厚くなりすぎて、強度劣化をもたらす。
以下、レーザおよび交流ＭＩＧ溶接を用いて、前記図１のような異材接合体を作製して、接合界面（界面反応）層を分析するとともに、接合強度を評価した。これらの結果を、レーザ溶接を用いた実施例１については表１に、ＭＩＧ溶接を用いた実施例２については表２に示す。
なお、ノコロックフラックスを用いない以外は、被溶接材など全て同じ溶接条件とした比較例異材接合体（表１、２の比較例９）も、実施例１、２において制作し、接合界面（界面反応）層を分析するとともに、接合強度を評価した。また、板厚が本発明板厚条件を外れた以外は、全て同じ溶接条件とした比較例異材接合体（表１、２の比較例１０〜１３）も、同様に制作して、接合界面（界面反応）層を分析するとともに、接合強度を評価した。
（被溶接材条件）
実施例１、２とも、表１、２の発明例１〜８および比較例９は、本発明板厚条件を満足させ、かつ同じ板厚条件とした。即ち、前記図１における、アルミニウム材２は板厚ｔ2 が１．０ｍｍのアルミニウム合金板（ＡＡ６０２２）、鋼材１は板厚ｔ1 が１．２ｍｍのＧＡ（溶融亜鉛めっき）鋼板（５９０Ｎ／ｍｍ2 ）を使用した。これに対して、実施例１、２とも、表１、２の比較例１０〜１３は、前記図１における鋼材１とアルミニウム材２とのいずれかの側の板厚を、下記の通り、本発明板厚条件を外れたものとした。この比較例１０〜１３において、前記図１における鋼材１とアルミニウム材２との種類は、各例とも共通して、前記発明例１〜８および比較例９と同じ、ＧＡ鋼板（５９０Ｎ／ｍｍ2 ）およびＡＡ６０２２アルミニウム合金板とした。
比較例１０は、鋼材１の板厚ｔ1 を厚すぎる５．５ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を範囲内の３．６ｍｍとした。
比較例１１は、鋼材１の板厚ｔ1 を薄すぎる０．３ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を範囲内の１．０ｍｍとした。
比較例１２は、鋼材１の板厚ｔ1 を範囲内の０．７ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を薄すぎる０．２ｍｍとした。
比較例１３は、鋼材１の板厚ｔ1 を範囲内の４．８ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を厚すぎる４．２ｍｍとした。
なお、これらの各例の溶接時の配置は、共通して、前記図１のように、ＧＡ鋼板１を下にして、アルミニウム合金板１を上に重ね合わせ、互いのラップ幅は３０ｍｍとした。
実施例１、２とも、表１、２の発明例１〜８および比較例９は、本発明板厚条件を満足させ、かつ同じ板厚条件とした。即ち、前記図１における、アルミニウム材２は板厚ｔ2 が１．０ｍｍのアルミニウム合金板（ＡＡ６０２２）、鋼材１は板厚ｔ1 が１．２ｍｍのＧＡ（溶融亜鉛めっき）鋼板（５９０Ｎ／ｍｍ2 ）を使用した。これに対して、実施例１、２とも、表１、２の比較例１０〜１３は、前記図１における鋼材１とアルミニウム材２とのいずれかの側の板厚を、下記の通り、本発明板厚条件を外れたものとした。この比較例１０〜１３において、前記図１における鋼材１とアルミニウム材２との種類は、各例とも共通して、前記発明例１〜８および比較例９と同じ、ＧＡ鋼板（５９０Ｎ／ｍｍ2 ）およびＡＡ６０２２アルミニウム合金板とした。
比較例１０は、鋼材１の板厚ｔ1 を厚すぎる５．５ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を範囲内の３．６ｍｍとした。
比較例１１は、鋼材１の板厚ｔ1 を薄すぎる０．３ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を範囲内の１．０ｍｍとした。
比較例１２は、鋼材１の板厚ｔ1 を範囲内の０．７ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を薄すぎる０．２ｍｍとした。
比較例１３は、鋼材１の板厚ｔ1 を範囲内の４．８ｍｍ、アルミニウム材２の板厚ｔ2 を厚すぎる４．２ｍｍとした。
なお、これらの各例の溶接時の配置は、共通して、前記図１のように、ＧＡ鋼板１を下にして、アルミニウム合金板１を上に重ね合わせ、互いのラップ幅は３０ｍｍとした。
（ノコロックフラックス条件）
実施例１、２とも、使用したノコロックフラックスの種類は、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3 ）とフッ化カリウム（ＫＦ）との混合比率によって下記４種類とした。下記表１、２のフラックスの種類の欄には、この（ａ）〜（ｄ）の記号で示す。
（ａ）Ｋ3 ＡｌＦ6 （２５ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、７５ｍｏｌ％ＫＦ）
（ｂ）Ｋ3 ＡｌＦ6 （３３ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、６７ｍｏｌ％ＫＦ）
（ｃ）７５ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、２５ｍｏｌ％ＫＦ
（ｄ）４０ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、６０ｍｏｌ％ＫＦ
実施例１、２とも、使用したノコロックフラックスの種類は、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3 ）とフッ化カリウム（ＫＦ）との混合比率によって下記４種類とした。下記表１、２のフラックスの種類の欄には、この（ａ）〜（ｄ）の記号で示す。
（ａ）Ｋ3 ＡｌＦ6 （２５ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、７５ｍｏｌ％ＫＦ）
（ｂ）Ｋ3 ＡｌＦ6 （３３ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、６７ｍｏｌ％ＫＦ）
（ｃ）７５ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、２５ｍｏｌ％ＫＦ
（ｄ）４０ｍｏｌ％ＡｌＦ3 、６０ｍｏｌ％ＫＦ
（塗布条件)
実施例１、２とも、フラックスの供給方法は、前記図３のフラックス７の塗布か、もしくは前記図４のＦＣＷ９使用かの２種類で行った。前記図３のように、アルミニウム板材２表面に上記ノコロックフラックス７を塗布する場合、フラックス粉末をエタノール溶液に懸濁させたものを、刷毛でアルミニウム板材２の被溶接部に薄く塗布した。フラックスの塗布量は各例とも１〜２ｇ／ｍ2 とした。この塗布の場合は、溶加材として、直径１．２ｍｍΦのＡＡ４０４７ＷＹワイヤを使用した。
実施例１、２とも、フラックスの供給方法は、前記図３のフラックス７の塗布か、もしくは前記図４のＦＣＷ９使用かの２種類で行った。前記図３のように、アルミニウム板材２表面に上記ノコロックフラックス７を塗布する場合、フラックス粉末をエタノール溶液に懸濁させたものを、刷毛でアルミニウム板材２の被溶接部に薄く塗布した。フラックスの塗布量は各例とも１〜２ｇ／ｍ2 とした。この塗布の場合は、溶加材として、直径１．２ｍｍΦのＡＡ４０４７ＷＹワイヤを使用した。
（ＦＣＷ条件）
実施例１、２とも、前記図４のＦＣＷ９使用の場合は、線径１．２ｍｍφのフラックス入りワイヤを用い、ワイヤへのノコロックフラックスの充填量（充填率）は、フラックス入りワイヤの全体質量に対して５質量％とした。この際、ワイヤの外皮アルミニウム合金には、上記したＡ４０４３アルミニウム合金溶加材を用いた。
実施例１、２とも、前記図４のＦＣＷ９使用の場合は、線径１．２ｍｍφのフラックス入りワイヤを用い、ワイヤへのノコロックフラックスの充填量（充填率）は、フラックス入りワイヤの全体質量に対して５質量％とした。この際、ワイヤの外皮アルミニウム合金には、上記したＡ４０４３アルミニウム合金溶加材を用いた。
（接合界面層）
実施例１、２とも、前記図２に示した接合界面構造（接合界面層）４における、溶融亜鉛めっき鋼板１側の金属間化合物と、アルミニウム溶接金属３側の金属間化合物との同定は接合界面層４の電子線回折像分析によって、任意の１０箇所を測定行った。また、接合界面層４の厚みは接合界面（異材接合体）断面の、アルミニウム溶接金属３の登頂より、止端部にいたるまでの間の接合界面において、５００倍程度の倍率で光学顕微鏡を用いて任意の１０箇所測定して平均化した。
実施例１、２とも、前記図２に示した接合界面構造（接合界面層）４における、溶融亜鉛めっき鋼板１側の金属間化合物と、アルミニウム溶接金属３側の金属間化合物との同定は接合界面層４の電子線回折像分析によって、任意の１０箇所を測定行った。また、接合界面層４の厚みは接合界面（異材接合体）断面の、アルミニウム溶接金属３の登頂より、止端部にいたるまでの間の接合界面において、５００倍程度の倍率で光学顕微鏡を用いて任意の１０箇所測定して平均化した。
（接合強度）
実施例１、２とも、レーザおよび交流ＭＩＧ溶接は各々の条件で各例とも３回行った。接合強度測定のため、各３つの異材接合体の接合継手から、接合部を含む３０ｍｍ幅の試験片を切り出して、引張試験を行い、単位溶接線あたりの破断強度を各々測定し、３つの例を平均化して評価した。破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上であれば◎、２００―２５０Ｎ／ｍｍであれば○、１００−２００Ｎ／ｍｍ未満であれば△、１００Ｎ／ｍｍ未満であれば×とした。ここで破断強度が２００Ｎ／ｍｍ（○）以上なければ、自動車などの構造材用の異材接合体としては使用できない。
実施例１、２とも、レーザおよび交流ＭＩＧ溶接は各々の条件で各例とも３回行った。接合強度測定のため、各３つの異材接合体の接合継手から、接合部を含む３０ｍｍ幅の試験片を切り出して、引張試験を行い、単位溶接線あたりの破断強度を各々測定し、３つの例を平均化して評価した。破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上であれば◎、２００―２５０Ｎ／ｍｍであれば○、１００−２００Ｎ／ｍｍ未満であれば△、１００Ｎ／ｍｍ未満であれば×とした。ここで破断強度が２００Ｎ／ｍｍ（○）以上なければ、自動車などの構造材用の異材接合体としては使用できない。
（実施例１）
実施例１はレーザ溶接により異材接合体の製作を行った。レーザ溶接は、デフォーカスさせた連続発振ＹＡＧレーザを使用した。溶接条件は、レーザ出力：４．０ｋＷ、接合速度：１．２ｍ／ｍｉｎ、シールドガス：Ａｒとした。
実施例１はレーザ溶接により異材接合体の製作を行った。レーザ溶接は、デフォーカスさせた連続発振ＹＡＧレーザを使用した。溶接条件は、レーザ出力：４．０ｋＷ、接合速度：１．２ｍ／ｍｉｎ、シールドガス：Ａｒとした。
表１から分かる通り、板厚条件を満足するとともに、ノコロックフラックスを用いて、適切なレーザ溶接にて、接合部にアルミニウム溶接金属を形成させて接合した、亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との発明例異材接合体は、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層とともに、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層が形成されており、この接合界面層の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍである。この結果、発明例異材接合体は、自動車などの構造材用として使用できる、高い接合強度を有する。
これに対して、ノコロックフラックスを用いない以外は、全て同じ条件とした比較例９の異材接合体は、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層のみであり、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層が生成していない。また、このＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層のみからなる、接合界面層の板厚方向の平均厚さも５μｍを超えて厚い。この結果、比較例９の異材接合体の接合強度は低く、自動車などの構造材用として使用できない。
また、比較例１０〜１３は、ノコロックフラックスを用いているが、前記した通り、鋼材１側の板厚ｔ1 か、アルミニウム材２側の板厚ｔ2 かの一方が、本発明板厚条件を満足しない。このため、比較例１０〜１３は、例え、ノコロックフラックスを用いていても、また、本発明板厚条件を外れるのが片方の板厚だけであっても、前記した通り、溶接時の入熱量の制御が難しくなっている。この結果、いずれかの板厚が薄すぎる比較例１１、１２は、表１に示す通り、溶接時の熱変形が大きく、材料が抜け落ちて、健全な溶接継ぎ手が得られていない。一方、いずれかの板厚が厚すぎる比較例１０、１３は、表１に示す通り、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層が、規定する接合界面層の板厚方向の平均厚さの上限５μｍを超えて、厚くなりすぎている。また、これら比較例１０、１３では、α−ＡｌＦｅＳｉ層が生成しているものの、不均一となっていた。これらの結果から、本発明板厚条件を外れる比較例は、異材接合体自体が作成できないか、例え作成できたとしても、異材接合体の接合強度が低く、自動車などの構造材用として使用できないことが分かる。
（実施例２）
実施例２は交流ＭＩＧ溶接により異材接合体の製作を行った。溶接条件は、上記で推奨したＭＩＧ溶接条件の範囲内で実施した。溶接速度: 交流ＭＩＧ溶接は３５ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接電流: ７５Ａ、溶接電圧: １８Ｖ、溶接トーチ角度は９０°とし、シールドガスにはＡｒを用いた。
実施例２は交流ＭＩＧ溶接により異材接合体の製作を行った。溶接条件は、上記で推奨したＭＩＧ溶接条件の範囲内で実施した。溶接速度: 交流ＭＩＧ溶接は３５ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接電流: ７５Ａ、溶接電圧: １８Ｖ、溶接トーチ角度は９０°とし、シールドガスにはＡｒを用いた。
表２から分かる通り、板厚条件を満足するとともに、ノコロックフラックスを用いて、適切なレーザ溶接にて、接合部にアルミニウム溶接金属を形成させて接合した、亜鉛めっき鋼材とアルミニウム材との発明例異材接合体は、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層とともに、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層が形成されており、この接合界面層の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍである。この結果、発明例異材接合体は、自動車などの構造材用として使用できる、高い接合強度を有する。
これに対して、ノコロックフラックスを用いない以外は、全て同じ条件とした比較例９の異材接合体は、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層のみであり、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層が生成していない。また、このＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層のみからなる、接合界面層の板厚方向の平均厚さも５μｍを超えて厚い。この結果、実施例１と同様に、比較例９の異材接合体の接合強度は低く、自動車などの構造材用として使用できない。
また、比較例１０〜１３は、ノコロックフラックスを用いているが、前記した通り、鋼材１側の板厚ｔ1 か、アルミニウム材２側の板厚ｔ2 かの一方が、本発明板厚条件を満足しない。このため、比較例１０〜１３は、例え、ノコロックフラックスを用いていても、また、本発明板厚条件を外れるのが片方の板厚だけであっても、前記した通り、溶接時の入熱量の制御が難しくなっている。この結果、いずれかの板厚が薄すぎる比較例１１、１２は、表１に示す通り、溶接時の熱変形が大きく、材料が抜け落ちて、健全な溶接継ぎ手が得られていない。一方、いずれかの板厚が厚すぎる比較例１０、１３は、表１に示す通り、鋼材側のＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層が、規定する接合界面層の板厚方向の平均厚さの上限５μｍを超えて、厚くなりすぎている。また、これら比較例１０、１３では、α−ＡｌＦｅＳｉ層が生成しているものの、不均一となっていた。これらの結果からも、本発明板厚条件を外れる比較例は、実施例１と同様に、異材接合体自体が作成できないか、例え作成できたとしても、異材接合体の接合強度が低く、自動車などの構造材用として使用できないことが分かる。
本発明によれば、ＧＡめっき鋼板を使用したアルミニウム材との異材接合の場合でも、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、溶融溶接による異材接合体を提供できる。また、鋼材側やアルミニウム材側、あるいは溶接側条件を大きく変えることなく、接合強度の高い溶融溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との異材接合体を提供できる。このような接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。したがって、本発明は鋼材とアルミニウムとの異材接合体の用途を大きく拡大するものである。
１：亜鉛めっき（ＧＡ）鋼材（鋼板）、２：アルミニウム材（板）、
３：アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）、
４：接合界面層（界面反応層）、５：接合部分、６：接合界面、
７：フラックス、８：アルミニウムソリッドワイヤ、
９：フラックス入りワイヤ、１０：溶接線、
t1：亜鉛めっき鋼材（鋼板）の板厚、t2：アルミニウム材（板）の板厚
３：アルミニウム溶接金属（アルミニウムビード）、
４：接合界面層（界面反応層）、５：接合部分、６：接合界面、
７：フラックス、８：アルミニウムソリッドワイヤ、
９：フラックス入りワイヤ、１０：溶接線、
t1：亜鉛めっき鋼材（鋼板）の板厚、t2：アルミニウム材（板）の板厚
Claims (3)
- 板厚ｔ1 が０．５〜５．０ｍｍである亜鉛めっき鋼材と板厚ｔ2 が０．５〜４．０ｍｍであるアルミニウム材とを、溶融溶接にて接合部にアルミニウム溶接金属を形成させて接合した異材接合体であって、このアルミニウム溶接金属と鋼材との接合界面において、鋼材側にＡｌ3 Ｆｅ系化合物およびＡｌ5 Ｆｅ2 系化合物との混合層と、アルミニウム溶接金属側にα−ＡｌＦｅＳｉ層とを各々有する接合界面層が形成されており、この接合界面層の板厚方向の平均厚さが０．５〜５μｍであることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
- 前記溶融溶接においてフラックスを用い、このフラックスを、塩化物を含まない、フッ化アルミニウムとフッ化カリウムとの混合フラックス組成としたものである、請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
- 前記フラックスをアルミニウム合金外皮内に充填したフラックスコアードワイヤとして溶融溶接部に供給した、請求項２に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
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