JP4868222B2 - Method and apparatus for joining dissimilar metal panels - Google Patents
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Description
本発明は、異種金属パネル、例えばスチール材とアルミニウム合金材から成るパネルのように、互いに異なる融点を有する異種金属パネルフレア接合技術に係わり、脆い金属間化合物の生成を抑制しながら、被接合パネルの新生面同士の強固な接合が可能な異種金属パネルの接合方法と、このような接合に適用される接合装置に関するものである。
The present invention relates to a dissimilar metal panel flare joining technique having different melting points, such as dissimilar metal panels, for example, panels made of steel and aluminum alloy materials, and suppresses the generation of brittle intermetallic compounds while joining panels. The present invention relates to a joining method of dissimilar metal panels capable of firmly joining new surfaces, and a joining device applied to such joining.
従来、電子ビームやレーザビーム等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料の側に照射し、高融点材料側からの伝熱によって接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。 Conventionally, in the joining of dissimilar materials using a high energy beam such as an electron beam or a laser beam, the defocused high energy beam is applied to the high melting point material side in order to suppress the formation of brittle intermetallic compounds. A method has been used in which the low melting point material side of the bonding interface is melted and bonded by irradiation and heat transfer from the high melting point material side.
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において、片側の材料(低融点材料)のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することにより金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、例えば非特許文献1には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相/液相状態として異種材の接合を行なう方法が記載されている。 In such a case, the welding conditions are controlled, only the material on one side (low melting point material) is melted at the joining interface, and the growth of the intermetallic compound layer is suppressed by joining using the diffusion of the material. By reducing the thickness, it is considered that the strength per unit area of the joint can be increased as compared to the case where both materials are melted and joined together. In addition, a method is described in which a steel plate is stacked on an aluminum alloy and a laser beam is irradiated from above the steel plate to join different materials with the interface in a solid phase / liquid phase state.
また、非特許文献2には、機械的締結、すなわちアルミニウム合金側からリベットなどを打ち込むことによって、アルミニウム合金製パネルを鋼製の車体骨格構造に接合する方法が記載されている。
しかしながら、上記非特許文献1に記載の方法においては、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、良好な接合強度を得るには、接合条件を極めて精密にコントロールしなければならず、しかもその適正接合条件範囲が極めて狭いことから、工業的に実用化することが極めて困難であるという問題点があった。
However, in the method described in
また、この方法では鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金を溶融させるため、必ず、アルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製のルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
In addition, in this method, the aluminum alloy at the joint interface is melted by heat transfer from the steel plate, so the steel plate must be stacked on the aluminum alloy, and the laser beam must be irradiated from the outer side of the steel plate side. There were restrictions on structural design.
That is, for the purpose of improving fuel efficiency and athletic performance by reducing the weight of the vehicle, a vehicle body structure using a light alloy such as an aluminum alloy for the vehicle body panel is required. For example, in order to enhance the performance improvement effect by lowering the center of gravity When an aluminum alloy is used for the roof panel, the joining structure between the steel member and the aluminum alloy member, which is a vehicle body skeleton structure, is formed by stacking the roof panel made of aluminum alloy on the steel member, and the proximity of the laser head. Since the joining structure must be irradiated with the laser beam from the outside of the vehicle body frame structure, that is, the side of the roof panel made of aluminum alloy, the method of irradiating the laser beam from the steel plate side as described above cannot be applied. It will be.
そこで、実用的には、上記非特許文献2に記載の機械的締結による方法が検討されることになるが、この方法では、重量やコストが増加したり、外観デザイン自由度に制約が生じる場合があるという問題点があった。
Therefore, practically, the method by mechanical fastening described in
本発明は、異種金属材料の接合技術における上記課題に鑑みてなされたものであって、例えば自動車車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの高エネルギービーム照射によって、金属間化合物の生成や、重量、コストの増加を惹き起こすことなく異種金属を接合することができる異種金属パネルの接合方法と、このような接合に用いる接合装置を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above-described problems in the joining technology of different metal materials. For example, when applied to the joining of an automobile body structure, the intermetallic compound is irradiated by high energy beam irradiation from the outside of the body. It is an object of the present invention to provide a joining method of dissimilar metal panels that can join dissimilar metals without causing generation, weight, and cost increase, and a joining apparatus used for such joining.
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする両異種金属パネル間に、これら金属材料の少なくとも一方との間に共晶反応を生じる第3の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームの中心を高融点金属パネルに照射し、共晶溶融を生じさせてフレア接合するようになすことによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have developed a third material that causes a eutectic reaction between at least one of these metal materials between the dissimilar metal panels to be joined. It was found that the above problem can be solved by irradiating the center of the defocused high energy beam to the refractory metal panel in the state of interposing the refractory metal to cause eutectic melting and flaring. The invention has been completed.
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルを接合するに際し、これら両異種金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第3の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記両パネルの少なくとも一方と第3の材料との間で共晶溶融を生じさせて両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合することを特徴としている。
That is, the present invention is based on the above knowledge, and in the method for joining dissimilar metal panels of the present invention, when joining a high melting point metal panel and a low melting point metal panel having different melting points, While irradiating the high-melting metal panel or both the refractory metal panel and the low-melting metal panel with a defocused high energy beam with a third material different from these materials interposed therebetween, Relative pressure is applied to the panels, and eutectic melting occurs between at least one of the two panels and the third material, so that the panels are flare-bonded in a continuous or intermittent line shape.
また、本発明の異種金属パネルの接合装置は、互いに融点の異なる高融点金属パネルと低融点金属パネルをフレア接合するための装置であって、被接合パネルに対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合パネルに高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、上記照射ヘッドによる高エネルギービームの照射方向と略平行な軸回りに回転しながら、上記高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする。
Further, the dissimilar metal panel joining device of the present invention is a device for flaring the high melting point metal panel and the low melting point metal panel having different melting points, and is arranged to be movable relative to the joined panel. An irradiation head that continuously or intermittently irradiates the bonded panel with a high energy beam while continuously or intermittently moving, and a rotation about an axis substantially parallel to the irradiation direction of the high energy beam by the irradiation head On the other hand, a pressure roller for pressing the bonded panel in a direction substantially perpendicular to the irradiation direction of the high energy beam is provided.
本発明によれば、低融点金属パネルと高融点金属パネルの間に第3の材料を介在させた状態で、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点金属パネル、又は高融点金属パネル及び低融点金属パネルの両方に照射しつつ、両パネルを相対加圧し、上記両パネルの少なくとも一方と第3の材料との間で共晶溶融を生じさせて両パネルを連続的又は断続的な線状にフレア接合するようにしていることから、外側に位置する低融点金属パネルの側から高エネルギービームを主に高融点金属パネルに照射することによって、接合界面温度をさほど高くすることなく両パネルの新生面同士の接合が可能となり、金属間化合物の生成が抑制され、重量やコストの増加を招くことなく、強固な接合状態を得ることができるようになる。
According to the present invention, a high-energy beam defocused with a third material interposed between the low-melting-point metal panel and the high-melting-point metal panel, the high-melting-point metal panel, or the high-melting-point metal panel and the low-melting-point metal panel. While irradiating both of the metal panels, both panels are relatively pressurized, and eutectic melting occurs between at least one of the two panels and the third material, so that both panels are made into continuous or intermittent linear shapes. Since flared bonding is performed, the high-melting point metal panel is irradiated with a high-energy beam mainly from the side of the low-melting point metal panel located outside, so that the new surface of both panels can be obtained without increasing the bonding interface temperature. Joining each other becomes possible, generation of an intermetallic compound is suppressed, and a strong joined state can be obtained without causing an increase in weight or cost.
以下に、本発明の異種金属パネルの接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。 Below, the joining method of the dissimilar metal panel of this invention is demonstrated further in detail and concretely.
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、上記したように、低融点金属パネルと高融点金属パネルを単に重ね合わせた状態で、パネル表面に直交する方向から高エネルギービームを照射して重ね接合するのではなく、フレア接合、すなわちパネル表面に対して略直角をなす面で両パネルを接合するようにしているので、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することで、レーザビームの照射に対する加圧のタイミングの裕度が広がることによって接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融が排出される近傍、言い換えると高融点金属パネルの接合面に隣接する位置にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。また、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。さらに、フレア構造とすることでルーフパネルのつなぎ目がスムーズになり見た目等の意匠性が向上する。
In the method for joining dissimilar metal panels of the present invention, as described above, the low melting point metal panel and the high melting point metal panel are simply overlapped, and the high energy beam is irradiated from the direction orthogonal to the panel surface to overlap joining. Rather than flaring, that is, both panels are joined at a plane that is substantially perpendicular to the panel surface. As the tolerance of the timing of pressurization with respect to the irradiation of the laser beam is widened, quality improvement such as the strength of the joint joint can be realized. Further, since the laser beam is irradiated in the vicinity where the eutectic melt is discharged , in other words, the position adjacent to the bonding surface of the refractory metal panel, the absorption rate of the laser beam is improved and stable bonding can be realized. Moreover, since the joint part of a component can be positioned in advance, the component accuracy is also improved. Furthermore, by using a flare structure, the joints of the roof panel become smooth and the design properties such as appearance are improved.
したがって、高エネルギービームは、高融点金属パネル表面にのみ照射するか、高融点金属パネルと低融点パネルの両方に照射するにしても、デフォーカスさせたビームのエネルギー密度が最も高いビーム中心部が高融点金属パネルに位置するようにし、低融点パネルには高エネルギービームの周縁部のみが当たり、ビーム中心部が当たらないようにすることが必要となる。低融点パネルがビームの直接照射によって溶融してしまうことは好ましくない。 Therefore, even if the high energy beam is applied only to the surface of the refractory metal panel or to both the refractory metal panel and the low melting point panel, the center of the beam where the energy density of the defocused beam is the highest is obtained. It is necessary to be positioned on the high melting point metal panel, and only the peripheral part of the high energy beam hits the low melting point panel and does not hit the center of the beam. It is not preferable that the low melting point panel is melted by direct beam irradiation.
本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を隙間を介して対向させた状態で、高エネルギービームを両パネルが最終的に重ね合わされる面に照射しながら、高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧するようになすことができ、これによって接合界面にレーザビームをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高く、安価で軽量な接合構造が得られる。 In the method for joining dissimilar metal panels of the present invention, the high energy beam is applied to the surface where both panels are finally overlapped with the joining surfaces of the high melting point metal panel and the low melting point metal panel facing each other through a gap. While irradiating, both panels can be relatively pressurized in a direction substantially perpendicular to the irradiation direction of the high-energy beam, which makes it possible to directly irradiate the laser beam onto the bonding interface and reduce the heat input. Therefore, it is possible to improve the energy efficiency, and to obtain a low-cost and lightweight joint structure with a high degree of freedom in the joint structure.
また、高融点金属パネルと低融点金属パネルの接合面を重ね合わせ、接合過程において生成された共晶溶融物が排出される位置の近傍、すなわち高融点金属パネルの接合面に隣接する位置に高エネルギービームを照射しながら、同様に高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に両パネルを相対加圧することもでき、レーザビームの照射方向とは概直角方向に相対加圧して接合することによって、レーザビームの照射に対する加圧タイミングの許容度が広がり、接合継手の強度等の品質向上が実現できる。さらに、共晶溶融物が排出される部位の近傍にレーザビームを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現することができると共に、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
Also, the joining surfaces of the high melting point metal panel and the low melting point metal panel are overlapped, and the high melting point is high in the vicinity of the position where the eutectic melt generated in the joining process is discharged, that is, the position adjacent to the joining surface of the high melting point metal panel. While irradiating with an energy beam, both panels can also be relatively pressurized in a direction substantially perpendicular to the direction of irradiation of the high energy beam, and bonded together by relatively pressing in a direction substantially perpendicular to the direction of irradiation of the laser beam. As a result, the tolerance of the pressurization timing with respect to the irradiation of the laser beam is widened, and the quality of the joint joint can be improved. Furthermore, since the laser beam is irradiated in the vicinity of the portion where the eutectic melt is discharged, the absorption rate of the laser beam is improved, stable bonding can be realized, and the joint portion of the component can be positioned in advance. Parts accuracy is also improved.
そして、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、高エネルギービームを両パネル(被接合パネル)に対して相対移動させながら照射すると共に、高エネルギービームの照射点近傍に配設した加圧手段によって両パネルを加圧しながら接合することができ、このとき、被接合パネルに対する高エネルギービームの相対移動や高エネルギービームの照射を連続的なものとすることによって、連続的な線状の接合が可能となり、車体剛性や強度の向上に寄与する連続的な線状の接合が高い生産性で実現できる。一方、高エネルギービームの相対移動や照射のタイミングを断続的なものとすれば、点(スポット)状やステッチ状の接合を行なうことができる。 And in the joining method of the dissimilar metal panel of this invention, while irradiating a high energy beam relatively moving with respect to both panels (to-be-joined panel), the pressurizing means arrange | positioned in the vicinity of the irradiation point of the high energy beam Both panels can be joined while pressurizing, and at this time, continuous linear joining can be achieved by making the relative movement of the high energy beam to the panel to be joined and the irradiation of the high energy beam continuous. It becomes possible, and continuous linear joining that contributes to improvement of vehicle body rigidity and strength can be realized with high productivity. On the other hand, if the relative movement of the high energy beam and the timing of irradiation are made intermittent, it is possible to perform spot-like or stitch-like joining.
このとき、上記両金属パネルの間にこれらの材料とは異なる第3の材料を介在させた状態で高エネルギービームを照射しながら、両パネルを相対加圧し、当該第3の材料と両パネルの少なくとも一方との間で共晶溶融を生じさせて接合するようにしていることから、低温状態で酸化皮膜を接合界面から除去することができ、接合界面温度の上昇を防止して金属間化合物の生成を抑制し、被接合パネルの新生面同士の強固な接合を得ることが可能となることから、特にアルミニウム材やマグネシウム材のように表面に緻密な酸化皮膜が形成される材料を含む異種金属接合に好適に用いることができる。 At this time, while irradiating a high energy beam with a third material different from these materials interposed between the two metal panels, the two panels are relatively pressurized, Since eutectic melting occurs between at least one and joining, the oxide film can be removed from the joining interface at a low temperature, preventing an increase in joining interface temperature and Dissimilar metal bonding including materials that form a dense oxide film on the surface, such as aluminum and magnesium materials, because it is possible to suppress formation and obtain strong bonding between the new surfaces of the bonded panels Can be suitably used.
このとき、第3の材料を両パネルの間に介在させるための具体的手段としては、接合しようとする両パネルの少なくとも一方のパネルに第3の材料をめっきすることが望ましく、これによって第3の材料をインサート材としてパネル間に挟み込む工程を省略することができ、加工工数の低減によって作業効率が向上するばかりでなく、共晶反応によって溶融されためっき層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、めっき層の下から極めて清浄な新生面が現れることになり、より強固な接合が可能となる。 At this time, as a specific means for interposing the third material between the two panels, it is desirable to plate the third material on at least one of the panels to be joined. The process of sandwiching the above material as an insert material between the panels can be omitted, and not only the work efficiency is improved by reducing the processing man-hours, but also the plating layer melted by the eutectic reaction together with the surface impurities around the joints. After being discharged, an extremely clean new surface appears from under the plating layer, and a stronger bond is possible.
そして、例えば、アルミニウム合金材やマグネシウム合金材などの軽合金製パネルと鋼材から成る異種金属パネルの接合に際しては、鋼材として、アルミニウムやマグネシウムと低融点共晶を形成する第3の金属である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることができる。この場合には、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、異種金属パネルの強固な接合を行なうことができるようになる。 For example, when joining a dissimilar metal panel made of a light alloy panel such as an aluminum alloy material or a magnesium alloy material and a steel material, zinc, which is a third metal forming a low melting eutectic with aluminum or magnesium, is used as the steel material. Can be used a so-called galvanized steel sheet whose surface is pre-plated. In this case, it is possible to use a normal commercial steel material that has been galvanized for the purpose of rust prevention as it is without any new plating or special preparation. This makes it possible to perform strong bonding of dissimilar metal panels.
ここで、共晶溶融について、Al−Zn系合金の例について説明する。
図1は、Al−Zn系2元状態図を示すものであって、図に示すようにAl−Zn系における共晶点(Te)は、655Kであり、Alの融点933Kよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してAlとZnの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施でき、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。
Here, an example of an Al—Zn alloy will be described for eutectic melting.
FIG. 1 shows an Al—Zn-based binary phase diagram. As shown in the figure, the eutectic point (Te) in the Al—Zn system is 655 K, which is much lower than the melting point 933 K of Al. A eutectic reaction occurs at temperature.
Therefore, by using the eutectic points shown in the figure to create eutectic melting of Al and Zn, and using them for bonding effects such as oxide film removal and interdiffusion during bonding of aluminum materials, low temperature bonding can be performed. The growth of intermetallic compounds at the bonding interface can be extremely effectively suppressed.
ここで、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、2つの金属(又は合金)が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えばアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は933K、亜鉛の融点は692.5Kであるのに対して、この共晶金属はそれぞれの融点より低い655Kにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、655K以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Al−95%Znが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
Here, eutectic melting means melting utilizing a eutectic reaction, and when the composition of an interdiffusion region formed by mutual diffusion of two metals (or alloys) becomes a eutectic composition, a holding temperature. If is equal to or higher than the eutectic temperature, a liquid phase is formed by the eutectic reaction. For example, in the case of aluminum and zinc, the melting point of aluminum is 933 K and the melting point of zinc is 692.5 K, whereas this eutectic metal melts at 655 K, which is lower than the respective melting points.
Therefore, a reaction occurs when the clean surfaces of both metals are brought into contact and heated to 655K or higher. This is called eutectic melting, and Al-95% Zn has a eutectic composition, but the eutectic reaction itself is a constant change unrelated to the alloy components, and the alloy composition only increases or decreases the amount of eutectic reaction. Absent.
一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、これは高エネルギービームの照射による加熱と、その直後の所定温度での加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。
On the other hand, an oxide film exists on the surface of the aluminum material, and this is physically destroyed by plastic deformation of the aluminum material due to heating by irradiation with a high energy beam and pressurization at a predetermined temperature immediately after that. Will be.
That is, microscopic projections on the surface of the material rub against each other by pressurization, so eutectic melting occurs from the part where aluminum and zinc contact due to local destruction of some oxide films, and this liquid phase is generated. By accelerating the reaction in which the nearby oxide film is crushed and decomposed and further eutectic melting spreads over the entire surface, the destruction of the oxide film and the joining via the liquid phase are achieved.
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は2種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてZn−Al合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が95%以上の組成でなければならない。 Since the eutectic composition is spontaneously achieved by interdiffusion, composition control is not necessary. The essential condition is that a low melting eutectic reaction exists between the two metals or alloys. In the case of eutectic melting of aluminum and zinc, when using Zn-Al alloy instead of zinc, The composition must be at least 95% zinc.
図2(a)〜(e)は、本発明による異種金属パネルの接合プロセスとして、亜鉛めっき鋼板(高融点金属パネル)とアルミニウム合金板材(低融点金属パネル)との接合例を示す概略図である。
まず、図2(a)に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Alと共晶を形成する第3の金属材料として機能する亜鉛めっき層1pが施された亜鉛めっき鋼板1と、アルミニウム合金材2を用意し、図2(b)に示すように、これら亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を亜鉛めっき層1pが内側になるように重ねる。なお、アルミニウム合金材2の表面には酸化皮膜2cが生成している。
FIGS. 2A to 2E are schematic views showing an example of joining a galvanized steel sheet (high melting point metal panel) and an aluminum alloy sheet (low melting point metal panel) as a joining process of dissimilar metal panels according to the present invention. is there.
First, as shown in FIG. 2 (a), a galvanized
次に、高エネルギービームを亜鉛めっき鋼板1に照射し、接合界面が所定の温度範囲となったところで、両パネルを加圧し、接合面を相対的に押圧すると、押圧による塑性変形や熱的衝撃などによって、図2(c)に示すように材料表面の微視的な接触部において、酸化皮膜2cが局部的に破壊される。
Next, when the galvanized
これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、そのときの温度状態に応じて、図2(d)に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融金属3と共に酸化皮膜2cや接合界面の不純物などから成る排出物が接合部の外側(矢印方向)に排出されることにより、所定の接合面積が確保され、その結果、図2(e)に示すように、アルミニウム合金材と鋼材の新生面同士が極めて薄い反応層4によって直接接合され、鋼板1とアルミニウム合金材2の強固な金属接合が得られることなる。なお、反応層4と鋼材1の間には材料や接合条件によって鋼への亜鉛の薄い拡散層が生じる場合もあるが、接合強度への影響は少なく、実質的な問題はない。
As a result, local contact between zinc and aluminum occurs, and as shown in FIG. 2 (d), eutectic melting of zinc and aluminum occurs and oxidizes together with the eutectic molten metal 3 according to the temperature state at that time. A discharge formed from impurities such as the
本発明の異種金属パネルの接合方法におけるパネル材料の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第3の材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、上記した亜鉛(Zn)の他に、銅(Cu)、錫(Sn)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)などを用いることができる。
すなわち、これら金属とAlとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。
As a specific combination of panel materials in the joining method of dissimilar metal panels of the present invention, for example, a combination of a steel material and an aluminum alloy material can be mentioned. At this time, as a third material interposed between both materials, The material is not particularly limited as long as it is a material that forms a low melting point eutectic with an aluminum alloy. For example, in addition to the above-described zinc (Zn), copper (Cu), tin (Sn), silver (Ag) Nickel (Ni) or the like can be used.
That is, the eutectic metal of these metals and Al melts below the melting point of the aluminum alloy material, which is the base material, so that even when joining steel materials and aluminum alloy materials where fragile intermetallic compounds are easily formed, oxidation occurs at a low temperature. The film can be removed, the formation of intermetallic compounds at the bonding interface during the bonding process can be suppressed, and strong bonding becomes possible.
また、本発明の接合方法を自動車ボディの組み立てに適用することを考えた場合、被接合パネルの材料は鋼材とアルミニウムとの組み合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組み合せなども考えられる。
鋼材パネルとマグネシウムパネルとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムパネルとマグネシウムパネルを接合する場合においても、亜鉛や銀を第3の材料として利用することが可能である。
Moreover, when considering the application of the joining method of the present invention to the assembly of an automobile body, the material of the panel to be joined is mostly a combination of steel and aluminum, but in the future, steel and magnesium or aluminum A combination with magnesium is also conceivable.
When joining a steel panel and a magnesium panel, it is possible to cause a eutectic reaction between zinc and magnesium plated on the steel side in the same manner as in the examples described later. Furthermore, when joining an aluminum panel and a magnesium panel, it is possible to use zinc or silver as the third material.
なお、本発明においては、第3の材料として、上記したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は2元合金も3元合金も存在するため、これらの少なくとも1種の金属を含む合金であってもよい。 In the present invention, the third material is not necessarily limited to the pure metal as described above, and eutectic metal includes both binary alloys and ternary alloys. Therefore, at least one of these metals is used. An alloy containing may be used.
本発明の異種金属パネルの接合装置においては、上記のように、被接合パネルに対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら被接合パネルに高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、当該照射ヘッドからの高エネルギービームの照射方向とほぼ平行な回転軸を有し、この軸回りに回転しながら、上記高エネルギービームの照射方向とほぼ直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことによって、本発明の上記接合方法に好適に用いることができる。
In the dissimilar metal panel joining apparatus according to the present invention, as described above, the dissimilar metal panel is disposed so as to be relatively movable, and a high energy beam is continuously applied to the joined panel while continuously or intermittently moving relative thereto. An irradiation head that irradiates the target or intermittently, and a rotation axis that is substantially parallel to the irradiation direction of the high energy beam from the irradiation head, and rotates about this axis while being substantially perpendicular to the irradiation direction of the high energy beam. By providing a pressure roller that presses the panel to be joined in the direction of forming the above, it can be suitably used in the above-described joining method of the present invention.
さらに、本発明の異種金属パネルの接合方法においては、低融点金属パネルが軽合金製パネルであり、高融点金属パネルが亜鉛めっき鋼板から成る自動車の車体部材とすることができ、このような部材を用いることによって、軽量かつ運動性能の高い車体構造を安価、且つ容易に得ることができ、例えば、低融点金属パネルをルーフパネルとすることによって、軽量かつ低重心な車体を安価、容易に製造することができる。
Furthermore, in the method for joining dissimilar metal panels of the present invention, the low melting point metal panel is a light alloy panel, and the high melting point metal panel can be a vehicle body member made of a galvanized steel sheet. Can be used to obtain a lightweight and highly dynamic body structure at low cost and easily. For example, by using a low melting point metal panel as a roof panel, a lightweight and low center of gravity body can be manufactured inexpensively and easily. can do.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
図3は、本発明に用いる異種金属パネルの接合装置の一例を示す概略図であって、図に示す接合装置10は、高エネルギービームの1種であるNd−YAGレーザを照射する照射ヘッド11と、加圧ローラ12から主に構成され、これら照射ヘッド11及び加圧ローラ12は、それぞれ溶接ロボットのアームA1及びA2によって移動可能に支持されており、加圧ローラ12は、照射ヘッド11に追随して、連続的あるいは断続的に移動するようになっている。
FIG. 3 is a schematic view showing an example of a bonding apparatus for dissimilar metal panels used in the present invention. The
照射ヘッド11は、光ファイバ14を介して図示しないレーザ発振機に接続され、その先端から焦点調整したレーザビームBを高融点金属パネル1及び低融点金属パネル2から成る被接合パネルに向けて照射することができるようになっている。
一方、加圧ローラ12は、加圧シリンダ13によって低融点金属パネル2を高融点金属パネル1に押し付け、加圧することができるようになっている。
The irradiation head 11 is connected to a laser oscillator (not shown) through an
On the other hand, the
このような構造を有する接合装置10においては、移動及びレーザビームの照射を連続的に行なうことによって、連続的な線状の接合を行なうことができ、上記移動及び照射を断続させることによって点状あるいはステッチ状の接合を行なうことができる。
In the
図4は、上記した接合装置10を用いて、高融点金属パネルである鋼製車体部材に低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルを接合する要領を示すものであって、図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ15(板厚:1.4mm)と、レールアウタ16(板厚:0.8mm)と、サイドアウタ17(板厚:0.8mm)が溶接により組み立てられた車体部材のサイドアウタ17に対して、軽合金製のルーフパネル21(板厚:1.2mm)がフレア状に横方向からから重ねられる。
なお、上記サイドアウタ17は表面に亜鉛がめっきされた亜鉛めっき鋼板から成る。
FIG. 4 shows a procedure for joining an aluminum alloy roof panel, which is a low melting point metal panel, to a steel body member, which is a high melting point metal panel, using the joining
The side outer 17 is made of a galvanized steel sheet having zinc plated on the surface.
一方、アルミニウム合金製のルーフパネル21は、その端部に形成された接合フランジ21aが車体部材のサイドアウタ17に設定された接合面17aに隙間を介して対向しており、この隙間からサイドアウタ17及びルーフパネル21の双方に向けてデフォーカスされたレーザビームBが照射される。
このとき、高エネルギービームBの照射部位は、両パネルが最終的に重なり合わされる面であって、デフォーカスさせたレーザビームBの中心軸が高融点金属パネルであるサイドアウタ17の接合面17aに位置し、低融点金属パネルであるルーフパネル21には、ビームBの外周部分が僅かに当たる程度とし、レーザビームBを照射しながら、加圧ローラ12によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
On the other hand, in the
At this time, the irradiation site of the high energy beam B is a surface where both panels are finally overlapped, and the central axis of the defocused laser beam B is on the
図5(a)及び(b)は、図4におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、レーザビームBの照射ヘッド11及び加圧ローラ12は、前述のように、被接合パネル、すなわち鋼製の車体部材15,16,17及びアルミニウム合金製ルーフパネル21に対して、相対的に移動可能に配置されており、まず、図5(a)に示すように、レーザビームBをサイドアウタ17とルーフパネル21に向けて照射し、接合部近傍を所定の温度に加熱する。
5A and 5B show the vicinity of the laser beam irradiation section in FIG. 4. The irradiation head 11 and the
レーザビームBとしては、Nd:YAGレーザを用い、共晶溶融が生じる温度以上となるようにレーザのデフォーカス径、レーザ出力、送り速度を設定した。
具体的には、最大出力3kWのレーザ発振器と焦点距離150mmのレンズを用い、照射面上において3.5mmのスポット径となるようビームBをデフォーカスすると共に、レーザ出力を0.8kW、送り速度を0.7〜1.0 m/minとして照射した。なお、レーザ照射中はアルゴンガスを25L/minの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
As the laser beam B, an Nd: YAG laser was used, and the laser defocus diameter, laser output, and feed rate were set so as to be equal to or higher than the temperature at which eutectic melting occurred.
Specifically, using a laser oscillator with a maximum output of 3 kW and a lens with a focal length of 150 mm, the beam B is defocused so as to have a spot diameter of 3.5 mm on the irradiated surface, and the laser output is 0.8 kW and the feed speed. Was applied at 0.7 to 1.0 m / min. During the laser irradiation, argon gas was flowed at a flow rate of 25 L / min to shield the joint.
ビーム照射位置のすぐ後方では、図5(b)に示すように、加圧ローラ12の加圧によってルーフパネル21の接合フランジ21aが、加熱されたサイドアウタ17の接合面17aに押し付けられる。これによってルーフパネル21が車体部材のサイドアウタ17に密着し、伝熱により接合界面が共晶反応の発現する温度に保持されると共に、加圧ローラ12によって加圧されることにより、図2(a)〜(e)に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル21と車体部材がサイドアウタ17の接合面17aにおいて接合される。
Immediately behind the beam irradiation position, the joining
このとき、アルミニウム合金製のルーフパネル21の加圧に際しては、鋼製のパネル15,16,17から成る構造部材である車体部材は、その剛性が十分に高いため、加圧ローラ12による加圧に対して、図8に示すようなリベットRによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えTが必要ないことから、ルーフパネル21と車体部材の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅をなくすことができるため、デザインの自由度が向上し、意匠性を高めることができる。
また、接合界面にレーザビームBをダイレクトに照射することが可能となり、入熱のためのエネルギー効率を向上することができ、接合構造自由度が高い、かつ連続接合ならではの高強度で、安価で軽量な接合構造が得ることが可能となる。
At this time, when pressing the
In addition, the laser beam B can be directly irradiated onto the bonding interface, energy efficiency for heat input can be improved, the degree of freedom of the bonding structure is high, and the strength is high and unique only by continuous bonding. A lightweight joint structure can be obtained.
なお、上記ルーフパネル21の接合フランジ21aの形状としては、曲率を有した湾曲形状であるものや、凸形状の湾曲部を持ったものとすることによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになり、本発明の効果をより確実なものとすることができる。
また、ルーフパネル21のルーフ角部に凹部(段差)21bを設けておくことによって、レーザビームBの入射角の自由度を増すことができ、ルーフの熱ひずみ等による変形や寸法誤差を吸収することができる。
Note that the shape of the
Further, by providing the concave portion (step) 21b in the roof corner portion of the
(実施例2)
図6は、高融点金属パネルである鋼製車体部材と低融点金属パネルであるアルミニウム合金製ルーフパネルの他の接合例を示すものであって、上記実施例と同様に、いずれも鋼製のレールインナ15と、レールアウタ16と、サイドアウタ17が溶接で組み立てられた車体部材とアルミニウム合金製のルーフパネル21との接合要領について説明する。
すなわち、図に示すように、上記車体部材のサイドアウタ17に対して、軽合金製ルーフパネル21がフレア状に横方向からから重ねられる。なお、上記サイドアウタ17は亜鉛めっき鋼板から成るものである。
(Example 2)
FIG. 6 shows another example of joining a steel vehicle body member, which is a high melting point metal panel, and an aluminum alloy roof panel, which is a low melting point metal panel. A procedure for joining the vehicle body member in which the
That is, as shown in the drawing, a light
アルミニウム合金製ルーフパネル21は、その端部に形成された接合フランジ21aが車体部材のサイドアウタ17に設定された接合面17aに密着状態に配置され、デフォーカスされたレーザビームBが車体部材のサイドアウタ17を中心にして照射される。
このときの高エネルギービームBの照射位置は、デフォーカスされたビームBの中心部が接合過程で生成される共晶溶融物が排出されることになるサイドアウタ17の接合面17aに隣接する部分に当たるようにし、低融点金属パネルであるルーフパネル21には、ビームBの外周部分が僅かに当たる程度とする。そして、レーザビームBを照射しながら、加圧ローラ12によって両パネルをレーザビームの照射方向とほぼ直角をなす方向に相対加圧する。
In the aluminum
The irradiation position of the high-energy beam B at this time corresponds to a portion adjacent to the
図7(a)及び(b)は、図6におけるレーザビーム照射部近傍を示すものであって、まず、図5(a)に示すように、レーザビームBをサイドアウタ17とルーフパネル21に向けて照射し、共晶溶融物が排出される接合面17aの隣接部近傍を所定の温度に加熱する。
このとき、上記同様のレーザ発振器とレンズを用い、照射面上において3.5mmのスポット径となるようビームBをデフォーカスすると共に、レーザ出力を0.8kW、送り速度を0.7〜1.0 m/minとして照射した。なお、レーザ照射中は、同様にアルゴンガスを25L/minの流量で流すことによって、接合部をシールドするようにした。
FIGS. 7A and 7B show the vicinity of the laser beam irradiation portion in FIG. 6. First, as shown in FIG. 5A, the laser beam B is directed toward the side outer 17 and the
At this time, using the same laser oscillator and lens as described above, the beam B is defocused so as to have a spot diameter of 3.5 mm on the irradiation surface, the laser output is 0.8 kW, and the feed rate is 0.7-1. Irradiation was performed at 0 m / min. During the laser irradiation, similarly, argon gas was allowed to flow at a flow rate of 25 L / min to shield the joint.
レーザビーム照射位置の近くには、加圧ローラ12が配設されており、その加圧によってルーフパネル21の接合フランジ21aが加熱されたサイドアウタ17の接合面17aに押し付けられる。これによってルーフパネル21が車体部材のサイドアウタ17に密着し、接合界面が共晶反応の発現する温度に保持され、加圧ローラ12による加圧によって、図2(a)〜(e)に示したように接合界面に共晶溶融が生じ、ルーフパネル21と車体部材が接合面17aにて接合される。
A
このとき、上記実施例と同様に、車室内側からの押えが必要ないため、リベット接合に較べて設計やデザイン上の自由度が高く、意匠性を高めることができる。
また、共晶溶融物が排出される位置の近傍部にレーザビームBを照射するため、レーザビームの吸収率も向上し、安定した接合を実現できる。さらに、あらかじめ部品の接合部を位置決めできるので部品精度も向上する。
At this time, as in the above-described embodiment, there is no need to press from the vehicle interior side, so design and design freedom are higher than in rivet joining, and design can be improved.
In addition, since the laser beam B is irradiated in the vicinity of the position where the eutectic melt is discharged, the laser beam absorptance is improved and stable bonding can be realized. Furthermore, since the joint part of a component can be positioned in advance, the component accuracy is also improved.
アルミニウム合金製ルーフパネル21の接合フランジ21aの表面形状としては、同様に、湾曲形状や凸形状の曲面を形成することによって、加圧時の変形によって表面酸化皮膜の破壊が起こりやすく、接合過程で生じる共晶溶融物の接合部周囲への排出がスムーズになって、より効果的なものとすることができる。
Similarly, as the surface shape of the joining
また、レーザビームの入射角自由度を増す観点から、ルーフパネル21のルーフ角部に同様の凹部21bを設けておくことも望ましく、これによって、同様に、熱ひずみ等によるルーフの変形や寸法誤差を吸収することができる。
さらに、車体部材を構成するサイドアウタ17の接合部近傍の角部にゆるやかな曲率の湾曲面17bを形成しておくことによって、デフォーカスさせたレーザビームBの照射領域を確保することができる。
From the viewpoint of increasing the degree of freedom of the incident angle of the laser beam, it is also desirable to provide a
Further, by forming a
1、17 亜鉛めっき鋼板(高融点金属パネル)
1p 亜鉛めっき層(第3の材料)
2、21 アルミニウム合金材(低融点金属パネル)
3 共晶溶融金属
4 反応層
10 異種金属パネルの接合装置
11 照射ヘッド
12 加圧ローラ
1, 17 Galvanized steel sheet (high melting point metal panel)
1p Zinc plating layer (third material)
2, 21 Aluminum alloy material (low melting point metal panel)
3 Eutectic Molten Metal 4
Claims (8)
被接合パネルに対して相対移動可能に配設され、連続的又は断続的に相対移動しながら上記被接合パネルに高エネルギービームを連続的又は断続的に照射する照射ヘッドと、
上記照射ヘッドによる高エネルギービームの照射方向と略平行な軸回りに回転しながら、上記高エネルギービームの照射方向と略直角をなす方向に被接合パネルを加圧する加圧ローラを備えたことを特徴とする異種金属パネルの接合装置。 A joining device for flaring a high melting point metal panel and a low melting point metal panel having different melting points,
An irradiation head that is disposed so as to be relatively movable with respect to the bonded panel, and that continuously or intermittently irradiates the bonded panel with a high energy beam continuously or intermittently;
A pressure roller is provided that presses the panel to be bonded in a direction substantially perpendicular to the irradiation direction of the high energy beam while rotating about an axis substantially parallel to the irradiation direction of the high energy beam by the irradiation head. Dissimilar metal panel joining device.
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