JP4656495B2

JP4656495B2 - 酸化皮膜形成材料の接合方法及び接合構造

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Publication number: JP4656495B2
Application number: JP2005045493A
Authority: JP
Inventors: 健二宮本; 成幸中川; 実粕川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP2006231343A

Description

本発明は、酸化皮膜形成材料、すなわちアルミニウムやマグネシウム合金材などのように、大気雰囲気下でその表面に強固な酸化皮膜を形成する材料の接合技術に係わり、例えば鋼材等との異材継手や、同種あるいは種類の異なる酸化皮膜形成材料同士の継手の接合方法と、このような継手の接合構造に関するものである。

アルミニウム合金と鋼を溶接によって接合する場合には、高硬度で脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などのような金属間化合物（ＩＭＣ）が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属間化合物の生成を制御することが必要となる。
一方、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、これを除去するためには接合時に大きな投与熱量が必要となるが、その結果、金属間化合物層が厚く成長し、低強度な接合部になるという問題があった。

すなわち、強固な接合強度を得るためには、接合界面の温度分布を均一に制御し、適切な状態の接合界面領域の拡大を図ることが重要となるが、このような温度制御は、必ずしも容易ではない。
そこで、このような材料を組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベット等による機械的締結によっていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題がある。

また、上記以外の接合手段としては、摩擦圧接や、爆着、熱間圧延などの方法が考えられるが、摩擦圧接では対称性のよい回転体同士の接合など、対象部材の形状に制限があり、爆着や熱間圧延では設備面、能率面で問題がある。

上記したようなアルミニウム合金と鋼の溶接に関しては、異種材料から成る被接合材の間に、これら異種材料と同じ材料からなるクラッド材を同じ種類の材料同士が接するように挟持した状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接することが記載されている（特許文献１参照）。

また、アルミニウムと鋼の抵抗溶接において、アルミニウムと接する鋼の表面に、Ａｌ含有量が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以上の厚さにめっきし、このめっき面にアルミニウムを重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ鋼母材をほとんど溶融させることなく抵抗溶接を行うようにすることが記載されている（特許文献２参照）。
特開平４−１２７９７３号公報特開平６−３５９５５８号公報

しかしながら、クラッド材をインサート材として用いる特許文献１に記載の接合方法においては、本来２枚の板の接合であったものが、実質的にクラッド材を含めた３枚の板の接合ということになって継手の厚さや重量が増すばかりでなく、実際の施行を考えた場合には、クラッド材の挿入、固定工程が必要となり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならないことになる。また、例えばアルミニウム材と鋼材の接合の場合、クラッド材自体もこれらの異種材同士を接合して製造されることになるため、製造条件が厳しく、安価で性能の安定した製品を入手することが困難であるという問題点がある。
一方、鋼材に予めアルミニウムめっきを施すようにした上記特許文献２に記載の抵抗溶接方法においては、アルミニウム材表面に形成されている強固な酸化皮膜を除去するためには、先に述べたように溶接入熱を大きくすることが必要となることから、溶接時の入熱によってアルミニウムめっきと鋼の界面に脆い金属間化合物が生成され、そこから破壊が生じる可能性が高いと言う問題点がある。

本発明は、アルミニウムのように大気雰囲気下でその表面に強固な酸化皮膜を形成する傾向のある材料を含む継手、特に高硬度で脆弱な金属間化合物を生成する材料との異材継手の接合における上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、少なくとも一方の被接合材として、大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成材料を含む継手の接合に際して、接合に要する入熱量を低減することができ、金属間化合物の生成を抑制し、もって接合強度を向上させることが可能な酸化皮膜形成材料の接合方法と、接合強度の向上が可能な酸化皮膜形成材料の接合構造を提供することにある。

本発明者らは、上記目的の達成に向けて、各種施工方法や施工条件と共に、接合面の表面状態や表面処理などについて、鋭意検討した結果、酸化皮膜形成材料の接合面に、例え亜鉛などによるめっきを施した状態で抵抗溶接や拡散接合を行なうことによって、低い入熱量でも接合することができ、金属間化合物の生成を抑制することが可能なことを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の酸化皮膜形成材料の接合方法は、大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成材料と、該酸化皮膜形成材料とは異なる異種材料とを接合する方法であって、両接合面のうちの酸化皮膜形成材料側の接合面のみに、予めめっきを施した状態で接合し、両材料の新生面同士を接合反応層を介して接合することを特徴としている。
また、本発明における酸化皮膜形成材料の他の接合方法は、上記のような酸化皮膜形成材料同士を接合する方法であって、接合面の双方に予めめっきを施した状態で接合し、両材料の新生面同士を接合反応層を介して接合するようにしたことを特徴としている。

そして、上記のような接合方法によって得られる本発明の接合構造としては、被接合材の少なくとも一方が酸化皮膜形成材料から成る継手の接合構造であって、酸化皮膜形成材料側の接合面にのみめっきが施してあり、上記被接合材の新生面同士が接合反応層を介して接合されていると共に、この接合部の周囲に、めっき材や被接合材、めっき材と被接合材との反応生成物、さらには接合過程に生成される反応物のいずれか１種、又はこれらの２種以上が排出されていることを特徴としている。

本発明によれば、アルミニウム系材料やマグネシウム系材料のように、大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する傾向のある酸化皮膜形成材料と、これとは異種の材料、例えば鋼材とを接合するに際し、両接合面のうち、酸化皮膜形成材料側の接合面にのみめっきを施すようにしたことから、酸化皮膜形成材料の表面に形成されている酸化皮膜を除去する必要がないため、接合時の入熱量を低減することができ、その結果、金属間化合物の生成が抑制され、接合強度を向上させることが可能となる。
また、酸化皮膜形成材料の表面のみに、めっきを施すようにしたことから、加工工程を低減して、コストの低減を実現することができる。

また、本発明によれば、上記のような酸化皮膜形成材料同士を接合するに際し、両材料の接合面双方にめっきを施すようになすこともでき、同様に酸化皮膜形成材料の表面に形成されている酸化皮膜を除去する必要がなくなることから、接合時の入熱量を低減することができ、金属間化合物の生成を抑制して、接合強度を向上させることが可能となる。また、コンタミが少ない新生面同士の接合となるため、高い強度の良好な接合部が得られる。
さらに、酸化皮膜形成材料の種類が互いに相違し、イオン化傾向等の材料特性が違う組み合わせにおいても、電食に対する耐腐食性能を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、被接合材の少なくとも一方が上記のような酸化皮膜形成材料から成る継手の接合構造において、被接合材のうち、酸化皮膜形成材料側の接合面にのみめっきが施してあり、上記被接合材の新生面同士が反応層を介して接合され、該接合部の周囲にめっき材や被接合材、これらの反応生成物、接合過程におけるその他の反応生成物などが排出されているものとしたことから、コンタミが少ない新生面同士の接合が可能となって、高い強度の良好な接合部が得られると共に、異種金属同士の接合の場合に問題となり得る電食に対して、特別なシールを施すことなく耐食性の劣化を防止することが可能となる。

以下、本発明による酸化皮膜形成材料の接合方法について、詳細かつ具体的に説明する。

本発明の酸化皮膜形成材料の接合方法は、上記したように、被接合材の少なくとも一方に、アルミニウム系材料やマグネシウム系材料のような大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する傾向のある酸化皮膜形成材料を含む異種材料（同種材料の場合も含む）を接合するに際して、酸化皮膜形成材料の側の接合面にのみ、あらかじめめっきを施した状態で接合することによって、酸化皮膜を除去するための高い入熱投与を不要にして、金属間化合物の生成や接合部のコンタミ（汚染）を抑え、もって高強度の接合を可能にするものである。

図１は、亜鉛めっきが施されたアルミニウム合金材と、同じく亜鉛めっきを施した亜鉛めっき鋼板の接合進行状態を示す概念図であって、まず、アルミニウム合金材Ａ及び鋼板Ｂの表面の亜鉛めっき層Ｐが溶融して溶融亜鉛Ｍとなることによって、アルミニウム合金Ａと鋼Ｂの新生面同士が接触して、拡散反応による反応層Ｒが形成され、これによって両被接合材Ａ及びＢが接合される。
このように、亜鉛めっきＰの形成によって、大気中にさられされたアルミニウム合金の表面に通常存在する強固な酸化皮膜が形成されず、酸化皮膜を除去する必要がないため、接合入熱を低減することができ、過大な金属間化合物の生成を抑制することができ、強固な接合が可能になる。

本発明の接合方法に用いる接合手段（溶接施工法）としては、被接合材を完全に溶融してしまうような溶融接合を適用することは実質的に不可能であって、本発明には、被接合材間で拡散が生じ、接合界面に拡散による接合反応層が形成されることによって被接合材同士が接合される原理の接合手段を採用することが必要となる。
このような接合手段の具体例としては、例えば、スポット溶接やシーム溶接などの抵抗溶接、拡散接合、同じく固相接合の１種である摩擦攪拌接合、摩擦圧接、超音波接合、さらには、電子ビームやレーザビームなどの高エネルギビームを被接合材が溶融しない程度にデフォーカスさせて高融点側の被接合材に照射し、低融点側材料を高融点側材料からの伝熱によって加熱し、接合界面に拡散反応層を形成して接合する方法などを挙げることができる。

また、本発明において、酸化皮膜形成材料とは、大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する傾向のある材料を言い、具体的には上記したようなアルミニウム系材料やマグネシウム系材料等が含まれるが、これらに限定されることはなく、チタン系、ジルコニウム系材料など、その強固な酸化皮膜が接合を困難にしている全ての材料を意味する。

さらに、めっき材料としては、代表的には、自動車用鋼板に通常用いられている亜鉛が挙げられるが、これに限定されることなく、錫や鉛など、強固な酸化皮膜を形成することのない、比較的低融点の材料を好適に使用することができる。

本発明の酸化皮膜形成材料の接合方法は、上記のようにスポット溶接やレーザ溶接が適用できることから、既存の自動車製造ラインに改造を加えることなく、当該接合方法をそのまま導入することができ、設備コストの面で有利である。
また、本発明の接合方法は、近い将来、自動車製造ラインへの導入、普及の可能性が高い摩擦攪拌接合によって実施できる点においても、有望な接合方法と言うことができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

（接合要領）
この実施例においては、後述する各種材料の組合せによる被接合材を図２〜図５に示す各種の溶接（接合）装置を用いて、それぞれスポット溶接、レーザ溶接、摩擦攪拌接合、及び拡散接合を行うことによって、図６に示すような継手を作製した。

スポット溶接に関しては、単相交流電源タイプのスポット溶接装置を用い、加圧力及び溶接電流をそれぞれ１２０ｋｇｆ及び１００００Ａの一定のものとし、ドーム+コーン型形状の電極１１及び１２の組合わせによって被接合材Ａ及びＢの接合を実施した（図２参照）。

また、レーザ溶接に関しては、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ発振器、焦点距離１００ｍｍのレンズを用い、固定治具１４、１５に被接合材Ａ及びＢを固定した状態で、図中上側の被接合材Ｂの表面上においてスポット径が７ｍｍとなるようレーザビーム１３をデフォーカスして照射することによって、レーザ出力１．５ｋＷにて接合を実施した。また、レーザ照射中はレーザと同軸のノズルを介して２０Ｌ／ｍｉｎ．の流量でアルゴンガスを流してシールドするようにした（図３参照）。なお、レーザビームは、鋼材とアルミニウム又はマグネシウム合金材の接合の場合には鋼材の側に、アルミニウム及びマグネシウム合金材の接合の場合にはアルミニウム合金材の側に照射した。

摩擦攪拌接合に関しては、ピン径６ｍｍ、ピン高さ０．５ｍｍのピン状部１６ａを有する円筒型をなし、ショルダ径１５ｍｍの加工プローブ１６と支え治具１７を用いて接合を実施した。ショルダが板表面から１ｍｍの深さに達するまで加工プローブ１７を挿入させた。加工プローブの回転数は２４００ｒｐｍ、接合時間は２秒とした（図４参照）。

そして、拡散接合に関しては、図５に示すような装置を用い、所望の接合温度まで加熱速度３Ｋ／ｓで加熱し、接合終了後、室温まで空冷して接合完了とした。なお、図５において、符号１８は接合炉、１９は接合炉１８内に配置された試験片固定治具、２０はエアシリンダ２１によって作動する押し付け治具、２２はエアシリンダ２１による押し付け治具２０の押出し作動を制御するバルブハンドルである。

（実施例１）
図７（ａ）に示すように、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金材（酸化皮膜形成材料）Ａと板厚０．５５ｍｍの裸鋼板Ｂとの組合せ、及び図７（ｂ）に示すように、ＡＺ３１材（３％Ａｌ−１％Ｚｎ−Ｍｇ）から成り、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍのマグネシウム合金板材（酸化皮膜形成材料）Ａと板厚０．５５ｍｍの裸鋼板Ｂとの組合せについて上記各溶接装置を用いて、それぞれ接合した。

この実施例においては、アルミニウム及びマグネシウム合金板材Ａの表面酸化皮膜を除去する必要がないため、接合時の入熱量の低減が可能となり、その結果、金属間化合物の生成を抑制でき、接合強度を向上させることが可能となった。さらに、本実施例では、めっきが施されている面が、アルミニウム及びマグネシウム合金板材Ａの表面だけなので、材料費および加工コストの低減を実現しながら、本発明の目的を達成できることが確認できた。

（実施例２）
図８に示すように、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍのマグネシウム合金板材Ａ（ＡＺ３１）に、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金材Ｂを組合せ、上記同様の溶接装置によってそれぞれ接合を行った。

当該実施例においても、マグネシウム合金板材Ａ及びアルミニウム合金板材表面の酸化皮膜を除去する必要がないため、接合時の入熱量の低減が可能となり、その結果、上記実施例１と同様に、金属間化合物の生成を抑制でき、接合強度を向上させることが可能となった。また、コンタミが少ない新生面同士の接合が可能となり、高い強度の良好な接合部が得られた。さらに、両被接合材の双方にめっきが施されているため、イオン化傾向の相違による電食に対する耐腐食性能の向上が期待できる。

（参考例１）
図９（ａ）に示すように、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金材Ａと板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板Ｂとの組合せ、及び図９（ｂ）に示すように、亜鉛めっきＰが施された板厚１．０ｍｍのマグネシウム合金板材Ａ（ＡＺ３１）と板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板Ｂとの組合せについて、上記各溶接装置を用いてそれぞれ接合を行った。

この実施例においても、アルミニウム及びマグネシウム合金板材Ａの表面酸化皮膜を除去する必要がないため、接合時の入熱量の低減が可能となり、その結果、上記実施例１と同様に、金属間化合物の生成を抑制でき、接合強度を向上させることが可能となった。また、コンタミが少ない新生面同士の接合が可能となり、高い強度の良好な接合部が得られると共に、両被接合材の双方にめっきが施されているため、イオン化傾向の相違による電食に対する耐腐食性能の向上が期待できる。

（比較例）
めっきの無い板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金材と板厚０．５５ｍｍの裸鋼板Ｂとの組合せ、同じくめっきの無い板厚１．０ｍｍのマグネシウム合金板材（ＡＺ３１）と板厚０．５５ｍｍの裸鋼板Ｂとの組合せ、さらには、それぞれめっきの無い上記マグネシウム合金材と上記アルミニウム合金材との組合せについて、上記各溶接装置によってそれぞれ接合を行った。

この結果、いずれの場合も、アルミニウム合金材及びマグネシウム合金板材の表面には、強固な酸化皮膜が形成されているため、これを破壊するために、上記実施例１〜３の条件に較べて、相当に大きな入熱条件を採用しない限り接合ができず、このような大きな入熱条件による接合の結果、上記実施例１〜３によって得られた継手に較べて、継手引張強度が大幅に低下することが確認された。
なお、引張試験後の試験片を調査したところ、鋼材とアルミニウム合金材の接合部、及びアルミニウム合金材とマグネシウム合金材の接合部には、かなりの金属間化合物が生成していることが確認された。

亜鉛めっきされたアルミニウム合金材と亜鉛めっき鋼板の接合進行状態及び接合構造を示す概念図である。実施例において接合手段として採用したスポット溶接の要領及び装置を示す概略説明図である。同じく実施例において接合手段として採用したレーザ溶接の要領及び装置を示す概略説明図である。同じく実施例において接合手段として採用した摩擦攪拌接合の要領及び装置を示す概略説明図である。同じく実施例において接合手段として採用した拡散接合の要領及び装置を示す概略説明図である。実施例において接合した継手形状を示す平面図及び縦断面図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施例に用いた被接合材の組合せを示す縦断面図である。本発明の第２の実施例に用いた被接合材の組合せを示す縦断面図である。（ａ）及び（ｂ）は参考例１に用いた被接合材の組合せを示す縦断面図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ被接合材（一方又は双方が酸化皮膜形成材料）
Ｐめっき層
Ｒ反応層

Claims

大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成材料と、該酸化皮膜形成材料とは異なる異種材料とを接合するに際し、酸化皮膜形成材料側の接合面にのみめっきを施し、両材料の新生面同士を接合反応層を介して接合することを特徴とする酸化皮膜形成材料の接合方法。
大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成材料同士を接合するに際し、接合面の双方にめっきを施し、両材料の新生面同士を接合反応層を介して接合することを特徴とする酸化皮膜形成材料の接合方法。
上記酸化皮膜形成材料同士が異種材料であることを特徴とする請求項２に記載の酸化皮膜形成材料の接合方法。
被接合材の少なくとも一方が大気雰囲気下で表面に強固な酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成材料から成る継手の接合構造であって、上記酸化皮膜形成材料側の接合面にのみめっきが施してあると共に、上記被接合材の新生面同士が接合反応層を介して接合され、該接合部の周囲に上記めっき材、被接合材、めっき材と被接合材との反応生成物及び接合過程に生成される反応物の群から選ばれる少なくとも１種が排出されていることを特徴とする酸化皮膜形成材料の接合構造。