JP6545143B2 - 異種金属接合方法と異種金属接合部材 - Google Patents
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Description
例えば、自動車業界、航空産業、精密機器産業などを中心として軽量化、熱電特性の改善、耐腐食性の向上、材料強度の選択性、などを目的として、異種金属の接合技術が積極的に研究されている。
しかし、この方法の適用板厚は約1.5mm以下に限定され、かつ得られた接合継手の強度がAl材同士の接合継手と比較し、接合強度が30%程度低下する。すなわち、この方法による突合せ溶接では、十分な引張強度が得られず、衝撃強度も低いとして、重ね溶接と突合せ溶接を同時に1パスでレーザー溶接する方法を開示している。
特許文献2の接合方法は、接合面にめっきを施す必要がある。
特許文献3の接合方法は、接合側に亜鉛を含む亜鉛層を形成する必要がある。
真空中で、前記接合面からアルミニウム材料側にオフセットしかつ前記接合面に平行に電子ビームを照射して前記アルミニウム材料のみを溶解し、溶着した接合界面に層厚が0.5〜2.0μmの金属間化合物を生成する、異種金属接合方法が提供される。
前記接合面からアルミニウム材料側にオフセットし、かつ前記接合面に沿って電子ビーム溶接により前記アルミニウム材料のみが溶解し溶着したアルミニウム溶解部と、
前記アルミニウム溶解部の接合面側に生成され層厚が0.5〜2.0μmの金属間化合物と、を有する、異種金属接合部材が提供される。
鉄鋼材料2は、0.3%〜2%の炭素を含む鋼材、又はステンレス材である。以下、鉄鋼材料2を必要な場合を除き、単に「Fe材2」と呼ぶ。
「直接密着」とは、接合面4,5を隙間なく密着させることを意味し、クラッド材などの異材、フィラワイヤーなどの溶加材を用いず、かつめっき、亜鉛層の形成などの前処理を実施しないことを意味する。直接密着の状態を保持するために、Al材1とFe材2をそれぞれ固定することが好ましい。またこの状態を保持するために、Al材1とFe材2の一方を他方に向けて付勢してもよい。
そのため、アーク溶接、プラズマ溶接、レーザー溶接と比較して、溶加材が不要であり、スポット径が非常に小さく、狭いビーム幅で溶け込みが深い、などの特徴を有する。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
アルミニウム溶解部16は、接合面4,5からアルミニウム材料側にオフセットし、かつ接合面4,5に沿って電子ビーム溶接によりAl材1のみが溶解し溶着した部分である。
金属間化合物12は、アルミニウム溶解部16の接合面側に生成され、上述したように、0.5〜2.0μmの層厚を有する。
またアルミニウム溶解部16の溶け込み深さHは、例えば、オフセット量eの5倍以上、20倍以下である。
溶接時の溶け込み深さHは、板厚を貫通させ、突合せ貫通溶接とする条件、板厚以下の溶け込み深さHで、突合せ溶接を行う条件のどちらを選択してもよい。
オフセット量eは、接合界面Fからのオフセット量であり、Al材1への電子ビーム10の照射位置3に相当する。
溶接後外観は、溶接ビード表面の割れやピンホール等の欠陥の有無である。断面観察は、溶接ビードに対し直角方向に切断し光学顕微鏡にて観察した際の断面の欠陥の有無である。断面観察は、マイクロ切断機で切断し、光学顕微鏡で観察した。
なお表中の記号○は、割れ及び欠陥が無いもの、記号△は、僅かに欠陥が有るもの、記号×は、割れ、欠陥、又は融合不良があるものを示している。
またオフセット量eが1.25mm以上の場合、接合界面Fの近傍に大型のポロシティー等が確認され、接合性が低下することが確認された。
以上より、この溶接条件を用いた場合、適正なオフセット量eは、好ましくは0.50mmから1.25mmであり、さらに好ましくは、0.60mmから0.90mmであることが確認された。
元素分析は、金属間化合物12のEDS分析(エネルギー分散型X線分析)による。金属間化合物12の層厚は、SEM像に基づく。また、金属間化合物12の化合物種は、元素分析により同定したAl−Fe系金属間化合物である。母材強度比は、純度99.5%以上の純アルミニウム(A1050材)の母材強度(95N/mm2)に対する比率である。
従って、オフセット量eが0.60〜0.90mmの場合に、金属間化合物12は、Fe2Al9又はFeAl6を含む準安定金属間化合物であるといえる。また、オフセット量eが0.60〜1.00mmの場合に、母材強度比で77%を超える高い引張強度が得られることが確認された。
本発明における電子ビーム溶接は、前述のように、真空中で行われ、スポット径が非常に小さく、エネルギー密度が非常に高く、ビーム幅に対し溶け込みが深い、などの特徴を有する。そのため、本発明における電子ビーム溶接は、高エネルギー密度の熱源が局所的に照射される吸熱過程であり、かつ照射後速やかに冷却されるため、上記の適度な急冷時に相当し、Fe2Al9又はFeAl6からなる準安定相が形成されたものと考えられる。
母材強度比が、オフセット量eが0.60〜0.90mmの場合より低いのは、脆く硬い平衡型金属間化合物相(Fe2Al5)が生成しているためと考えられる。
母材強度比が、オフセット量eが0.60〜0.90mmの場合より低いのは、接合界面Fの近傍における欠陥(ポロシティーなど)の増加が考えられる。
また、オフセット量eが1.25mmの場合、表3と表4から、オフセット量eが1.00mmの場合に近い母材強度比が得られることが推定される。
オフセット量eが0.60mmから1.00mmの場合、溶着した接合界面Fに層厚が1.2〜1.5μmの金属間化合物12が形成され、母材強度比で77%を超える高い引張強度が得られることが確認された。
また、さらに好ましくは、適正なオフセット量eは、0.60mmから0.90mmであり、この場合、金属間化合物12は、Fe2Al9又はFeAl6を含む準安定金属間化合物であり、母材強度比で95%を超える高い引張強度が得られることが確認された。
オフセット量eが0.50mmから1.00mmの場合、表4から、金属間化合物12のアルミニウムの原子組成百分率が70〜87%であり、金属間化合物12のアルミニウムと鉄の原子組成百分率の比Al/Feが3.1〜8.2であった。
また、オフセット量eが0.60mmから1.00mmの場合、表4から、金属間化合物12のアルミニウムの原子組成百分率が80〜87%であり、金属間化合物12のアルミニウムと鉄の原子組成百分率の比Al/Feが5.3〜8.2であった。
この図から、オフセット量eが0.60mmから1.00mmであり、金属間化合物12(IMC)の層厚が1.1〜1.6μmの範囲において、引張強度は、0.60mmのオフセット量eを頂点とした2次曲線とみなすことができることが確認された。
その結果、3種のAl材1において、金属間化合物12の層厚が0.5〜2.0μmであり、高い引張強度が得られることが確認された。
次いで、2次加工(S4)において、外径1mm、内径2mmを切削し、表面欠陥の確認を行った。
次いで、ヒートサイクル試験(S5)において、図7の温度プロフィールにより、電気炉内にて物温150℃−1時間保持後、26±2℃の水道水に投入して急冷するヒートサイクル試験を6回繰り返し、ヒートサイクル試験を実施した。
引張試験(S7)は、接合のみ行ったもの(実験No.10)と、すべてのヒートサイクル試験を終了したもの(実験No.11)の2種について行い、ヒートサイクル試験前後の強度比較を行った。
引張試験の試験片は接合面4,5に直角方向に短冊状に切り出した。
図8は、テストピースの溶接方法を示す模式図である。この図において、(A)は、テストピースの正面図、(B)は、(A)のB−B断面図である。
Al材1とFe材2の品種は、実施例1と同じである。また、Al材1とFe材2の大きさは、両材共に100×50×t8の平板であり、Al材1の中心にHeリーク試験用の排気穴(φ6程度)を設けた。
図9の洗浄(T1)において、テストピースの突合せ面をアセトンにて洗浄し、溶接(T2)において、4面を4回に分け溶接した。溶接条件は実施例2と同一とした。
ヒートサイクル試験(T4,T7)は、図7の温度プロフィールにより、電気炉内でサンプルを150℃、1時間恒温保持した後、水道水(20±0.5℃)に投入し、急冷しました。
ヒートサイクル試験(T4)を3サイクル繰り返した後、ビード除去(T5)において、4面フライス(4F)にて各面を0.5〜1mm削り、ビードを除去した。その後再び3サイクルのヒートサイクル試験(T7)を行った後、加圧試験(T8)において、0.5MPa、18時間エアー加圧を行い、剥がれが無ことを確認した。
Heリーク試験(T3,T6,T9)の条件は、実施例2と同一とした。
Heリーク試験は、溶接後(T3)、ヒートサイクル試験の各サイクルの急冷後(T4)、ビード除去後(T6)、加圧後(T9)の計9回実施した。
また、その後の断面マクロ観察から、各面共に、溶け込み深さHが10mm程度(有効溶け込み深さ8〜9mm)の継ぎ手が確認された。
また、レーザー溶接等の従来方法よりも厚板に適応可能である。
1 アルミニウム材料(Al材)、2 鉄鋼材料(Fe材)、3 照射位置、
4,5 接合面、6 照射位置、10 電子ビーム、12 金属間化合物(IMC)、
14 異種金属接合部材、16 アルミニウム溶解部
Claims (8)
- アルミニウム材料と鉄鋼材料の接合面を直接密着させ、
真空中で、前記接合面からアルミニウム材料側にオフセットしかつ前記接合面に平行に電子ビームを照射して前記アルミニウム材料のみを溶解し、溶着した接合界面に層厚が0.5〜2.0μmの金属間化合物を生成する、異種金属接合方法。 - 前記接合面からのオフセット量は、0.50〜1.25mmである、請求項1に記載の異種金属接合方法。
- 前記金属間化合物のアルミニウムの原子組成百分率が70〜87%であり、
前記金属間化合物のアルミニウムと鉄の原子組成百分率の比Al/Feが3.1〜8.2である、請求項1に記載の異種金属接合方法。 - 前記金属間化合物は、Fe2Al9又はFeAl6を含む準安定金属間化合物である、請求項1に記載の異種金属接合方法。
- 前記アルミニウム材料は、純アルミニウム材、又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金材であり、
前記鉄鋼材料は、0.3%〜2%の炭素を含む鋼材、又はステンレス材である、請求項1に記載の異種金属接合方法。 - 前記電子ビームの強度又は照射時間を、前記金属間化合物を生成するように制御する、請求項1に記載の異種金属接合方法。
- アルミニウム材料と鉄鋼材料が直接密着した接合面と、
前記接合面からアルミニウム材料側にオフセットし、かつ前記接合面に沿って電子ビーム溶接により前記アルミニウム材料のみが溶解し溶着したアルミニウム溶解部と、
前記アルミニウム溶解部の接合面側に生成され層厚が0.5〜2.0μmの金属間化合物と、を有する、異種金属接合部材。 - 前記接合面からのオフセット量は、0.50〜1.25mmであり、
前記アルミニウム溶解部の前記接合面からの溶け込み幅は、前記オフセット量の2〜3倍であり、
前記アルミニウム溶解部の溶け込み深さは、前記オフセット量の5倍以上、20倍以下である、請求項7に記載の異種金属接合部材。
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