JP6635463B2

JP6635463B2 - 拡散接合方法

Info

Publication number: JP6635463B2
Application number: JP2015175051A
Authority: JP
Inventors: 裕足立; 貴志池田; 満雄関口; 富子山口; 西尾　一政; 一政西尾
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: JP2017047468A

Description

本発明は、鉄系金属板とアルミニウム系金属板とを拡散接合する方法に関する。

例えば、自動車のボディ、ボディの開口部に配置される蓋部等の製造において、鉄系金属板とアルミニウム系金属板との異種金属間の接合を行う場合には、一般的なスポット溶接を行うことは困難である。そのため、鉄系金属板とアルミニウム系金属板とを接着剤によって接合することが行われている。

一方、例えば、特許文献１に開示されるように、拡散接合によって、めっきが施された鉄系材料とアルミニウム系材料とを接合する方法が知られている。この特許文献１の拡散接合方法においては、鉄系材料とアルミニウム系材料とに加圧力を与えながら通電する。これにより、鉄系材料の平坦な面によって、アルミニウム系材料に形成されたプロジェクション（突起）における酸化被膜を塑性流動させて破壊するとともに、鉄系材料における軟化しためっきを除去する。そして、鉄系材料とアルミニウム系材料との清浄な面同士において相互に分子の拡散を生じさせ、異種金属間の拡散接合を行っている。

特開２００６−１８１６２７号公報

しかしながら、接着剤によって異種金属間の接合を行う場合には、接着剤を塗布した後、接着剤が硬化するまで放置する必要がある。そして、接着剤が硬化するまでの間、ボルト等による仮止めをしておく必要がある。そのため、異種金属間を簡単に接合することができない。一方、特許文献１の拡散接合方法においては、アルミニウム系材料に台形形状の断面を有するプロジェクションが形成されており、このプロジェクションにおける酸化被膜の破壊が必ずしも容易ではない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、アルミニウム系金属板の酸化被膜の破壊を容易にすることができるとともに、異種金属間を簡単に接合することができる拡散接合方法を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、鉄系材料からなる鉄系金属板とアルミニウム系材料からなるアルミニウム系金属板とを拡散接合する方法であって、
上記鉄系金属板の表面には、先端が尖った円錐状又は角錐状の突起が、格子状又は千鳥状に配列された状態で複数形成されており、
上記鉄系金属板における上記複数の突起を上記アルミニウム系金属板の表面に圧接させて、該複数の突起によって該アルミニウム系金属板の表面に形成された酸化被膜を破壊するとともに、
上記鉄系金属板と上記アルミニウム系金属板とを通電によって加熱して、上記複数の突起における清浄な上記鉄系材料と、上記アルミニウム系金属板の表面に露出した清浄な上記アルミニウム系材料との界面を拡散接合するに当たり、
上記酸化被膜の破壊及び上記拡散接合は、産業用ロボットの移動先端部に取り付けられ、一対の電極チップの先端が平坦状に形成されたスポット溶接用ガンを用い、上記一対の電極チップの先端の外形内に上記突起が３つ以上入る状態を形成して、上記一対の電極チップの間に、上記鉄系金属板と上記アルミニウム系金属板とを挟み込んで行う、拡散接合方法にある。

上記拡散接合方法においては、先端が尖った円錐状又は角錐状の複数の突起を有する鉄系金属板と、アルミニウム系金属板とを用いて、拡散接合を行う。
拡散接合を行うに当たっては、鉄系金属板における複数の突起をアルミニウム系金属板の表面に圧接させる。このとき、複数の突起によってアルミニウム系金属板の表面に形成された酸化被膜が破壊される。そして、複数の突起の先端が尖っていること、及びアルミニウム系金属板よりも硬い鉄系金属板に複数の突起が形成されていることにより、アルミニウム系金属板の表面における酸化被膜の破壊を容易にすることができる。

酸化被膜の破壊により、アルミニウム系金属板の表面には、清浄なアルミニウム系材料が露出する。そして、上記圧接を行うと同時に、又は上記圧接を行った直後に、鉄系金属板とアルミニウム系金属板とを通電によって加熱する。このとき、複数の突起における清浄な鉄系材料と、アルミニウム系金属板の表面に露出した清浄なアルミニウム系材料との界面に、原子の拡散が生じ、拡散接合が行われる。これにより、鉄系金属板とアルミニウム系金属板との異種金属間を簡単に接合することができる。

それ故、上記拡散接合方法によれば、アルミニウム系金属板の酸化被膜の破壊を容易にすることができるとともに、異種金属間を簡単に接合することができる。

実施形態における、鉄系金属板及びアルミニウム系金属板を示す断面説明図。実施形態における、鉄系金属板とアルミニウム系金属板との拡散接合を行う状態を示す断面説明図。実施形態における、産業用ロボット及びスポット溶接用ガンを用いた拡散接合装置を示す説明図。実施形態における、スポット溶接用ガンを示す説明図。

上述した拡散接合方法における好ましい実施の形態について説明する。
上記鉄系金属板を構成する鉄系材料は、鉄を含有する種々の鋼板材料とすることができ、鉄と他の金属との合金とすることもできる。また、鉄系金属板は、自動車用鋼板とすることができる。上記アルミニウム系金属板を構成するアルミニウム系材料は、アルミニウムを含有する種々の材料とすることができ、アルミニウムと他の金属との合金とすることもできる。

上記円錐状の突起の先端には、半径が１ｍｍ以内の丸み、あるいは直径が２ｍｍ以内の平坦面が形成されていてもよい。上記角錐状の突起の先端には、半径が１ｍｍ以内の丸み、あるいは対角線、辺等の最大長さが２ｍｍ以内の平坦面が形成されていてもよい。

また、上記酸化被膜の破壊及び上記拡散接合は、産業用ロボットの移動先端部に取り付けられたスポット溶接用ガンを用いて、該スポット溶接ガンの一対の電極チップの間に、上記鉄系金属板と上記アルミニウム系金属板とを挟み込んで行う。
これにより、工場において多用される産業用ロボット及びスポット溶接ガンを流用して、鉄系金属板とアルミニウム系金属板との拡散接合を行うことができる。そのため、既存のスポット溶接設備を利用して拡散接合を行うことができ、設備導入費用を低減させることができる。

以下に、拡散接合方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の拡散接合方法においては、鉄系材料からなる鉄系金属板７とアルミニウム系材料からなるアルミニウム系金属板８とを接合する。図１に示すように、鉄系金属板７の表面には、先端７１１が尖った円錐状の突起７１が複数形成されている。拡散接合方法においては、図２に示すように、鉄系金属板７における複数の突起７１をアルミニウム系金属板８の表面に圧接させて、複数の突起７１によってアルミニウム系金属板８の表面に形成された酸化被膜８１を破壊する。また、これと同時に、鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８とを通電によって加熱して、複数の突起７１における清浄な鉄系材料と、アルミニウム系金属板８の表面に露出した清浄なアルミニウム系材料との界面Ｋにおいて拡散接合を行う。

以下に、本実施形態の拡散接合方法について、図１〜図４を参照して詳説する。
本実施形態の拡散接合方法においては、簡易的な設備によって、異種金属間の拡散接合を行う。
拡散接合方法においては、まず、図１に示すように、平板状の鉄系金属板から、複数の突起７１が形成された鉄系金属板７を形成する。このとき、鉄系金属板７における一方の表面７０１から他方の表面７０２へ、突起７１を形成する部位を押圧し、一方の表面７０１において凹部７２が形成された部位の反対側に、他方の表面７０２から突出する突起７１が形成される。突起７１は、平板状の鉄系金属板７を変形させることによって形成される。また、複数の突起７１は、一対の工具又は成形型の間に鉄系金属板７を挟み込んで引き抜くことにより形成することができる。

鉄系金属板７は、０．５〜３ｍｍの厚みに形成されており、鉄系金属板７における複数の円錐状の突起７１は、鉄系金属板７の表面から０．３〜２ｍｍの高さに形成されている。アルミニウム系金属板８は、０．５〜３ｍｍの厚みに形成されている。円錐状の突起７１の先端７１１には、半径が１ｍｍ以内の丸みが形成されている。複数の円錐状の突起７１は、鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８との接合を行う部位において、規則的に配列されて形成されている。複数の突起７１は、格子状に配列することができ、千鳥状に配列することもできる。

鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８は、自動車のボディにおける天井部分を構成するパネルとすることができる。この場合、鉄系金属板７によってインナーパネルを形成し、アルミニウム系金属板８によってアウターパネルを形成することができる。なお、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８は、自動車のボディの種々の部位を形成するために用いることができ、また、ボディの開口部に配置される、ドア、ボンネット、トランクリッド等の蓋部を形成するために用いることもできる。

拡散接合を行う前には、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８の脱脂を行う。この脱脂を行う際には、有機溶剤、脱脂剤、界面活性剤等を用いて、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８の表面を洗浄し、これらの表面に付着した油、ゴミ等を除去する。
また、拡散接合を行う前には、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８が配置される環境を真空状態にする。この真空状態は、図３に示すように、真空ポンプ５によって、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８が配置される接合室４内の真空引きを行って形成することができる。真空状態は、必ずしも完全な真空状態にする必要はなく、拡散接合に支障のない限度での真空度とすることができる。

拡散接合においては、図３、図４に示すように、産業用ロボット２、及び産業用ロボット２の移動先端部２１に取り付けられたスポット溶接用ガン３を、拡散接合装置１として用いる。この産業用ロボット２及びスポット溶接用ガン３は、スポット溶接を行う設備として工場内に設置されていたものである。産業用ロボット２は、複数のリンクを連結する関節部を可動させるサーボモータの回転を制御して、複数のリンクの先端に形成された移動先端部２１を、三次元の任意の位置及び姿勢に変更することができるものである。スポット溶接用ガン３は、加圧及び通電を行う機能を備えている。

スポット溶接用ガン３は、図２、図４に示すように、電極チップ３２が先端にそれぞれ取り付けられた一対のシャンク部３１と、少なくとも一方のシャンク部３１を可動させるアクチュエータ３３と、一対のシャンク部３１から電極チップ３２間に通電を行う通電部３４とを備えている。各シャンク部３１に取り付けられた電極チップ３２の先端３２１は、平坦状に形成されている。電極チップ３２の平坦状の先端３２１の外形と、複数の突起７１の平面外形との関係は、電極チップ３２の先端３２１の外形内に３つ以上の突起７１が入る関係とすることができる。

産業用ロボット２に取り付けられたスポット溶接用ガン３を、拡散接合を行うために利用することにより、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８における任意の部位に拡散接合を行うことができる拡散接合装置１を形成することができる。また、産業用ロボット２によってスポット溶接用ガン３の位置及び姿勢を任意に変更することにより、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８の任意の傾斜角を有する任意の部位に拡散接合を行うことができる。

拡散接合を行う際には、図３に示すように、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８を、鉄系金属板７の複数の突起７１が形成された表面とアルミニウム系金属板８の表面とが対面する状態で、接合室４内に配置する。接合室４内には、産業用ロボット２及びスポット溶接用ガン３による拡散接合装置１の全体を配置することができる。そして、図４に示すように、鉄系金属板７及びアルミニウム系金属板８の接合部位を、スポット溶接用ガン３における一対の電極チップ３２の間に挟み込む。

このとき、鉄系金属板７における複数の突起７１とアルミニウム系金属板８の表面とが接触する。また、図２に示すように、スポット溶接用ガン３のアクチュエータ３３によって一対のシャンク部３１を接近させ、各シャンク部３１の先端に取り付けられた電極チップ３２の間に、鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８との接合部位が挟み込まれる。また、複数の突起７１がアルミニウム系金属板８の表面に圧接された状態で、通電部３４によって、一対のシャンク部３１及び電極チップ３２を介して鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８との接合部位の間に通電を行う。このとき、鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８とは、アルミニウム系材料の融点よりも低い温度に加熱される。

一対の電極チップ３２の間に鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８との接合部位が挟み込まれるときには、同図に示すように、複数の突起７１によってアルミニウム系金属板８の表面に形成された酸化被膜８１が破壊される。この酸化被膜８１は、酸化アルミニウム等のアルミニウムの酸化物として形成されたものであり、アルミニウム系金属板８におけるアルミニウム系材料よりも硬い性質を有する。そして、複数の突起７１の先端７１１が尖っていること、及びアルミニウム系金属板８よりも硬い鉄系金属板７に複数の突起７１が形成されていることにより、アルミニウム系金属板８の表面における酸化被膜８１の破壊を容易にすることができる。

こうして、酸化被膜８１が破壊されたアルミニウム系金属板８の表面には、清浄なアルミニウム系材料が露出し、この清浄なアルミニウム系材料が、鉄系金属板７の複数の突起７１における清浄な鉄系材料と接触する。そして、真空環境下において、スポット溶接用ガン３を利用した加圧力及び通電による加熱によって、複数の突起７１における清浄な鉄系材料と、アルミニウム系金属板８の表面に露出した清浄なアルミニウム系材料との界面Ｋに、原子の拡散が生じ、拡散接合が行われる。これにより、鉄系金属板７とアルミニウム系金属板８との異種金属間を簡単に接合することができる。

それ故、本実施形態の拡散接合方法によれば、アルミニウム系金属板８の酸化被膜８１の破壊を容易にすることができるとともに、異種金属間を簡単に接合することができる。また、産業用ロボット２及びスポット溶接用ガン３による既存のスポット溶接設備を利用して拡散接合を行うことができ、設備導入費用を低減させることができる。

なお、接合室４内は、真空状態とする代わりに、不活性ガスの雰囲気下とすることもできる。ただし、不活性ガスの雰囲気下において拡散接合を行うと、拡散接合が行われた部分に不活性ガスが残留するおそれがある。そのため、真空の雰囲気下において拡散接合を行うことが好ましい。

１拡散接合装置
２産業用ロボット
３スポット溶接用ガン
３２電極チップ
７鉄系金属板
７１突起
８アルミニウム系金属板
８１酸化被膜
Ｋ界面

Claims

鉄系材料からなる鉄系金属板とアルミニウム系材料からなるアルミニウム系金属板とを拡散接合する方法であって、
上記鉄系金属板の表面には、先端が尖った円錐状又は角錐状の突起が、格子状又は千鳥状に配列された状態で複数形成されており、
上記鉄系金属板における上記複数の突起を上記アルミニウム系金属板の表面に圧接させて、該複数の突起によって該アルミニウム系金属板の表面に形成された酸化被膜を破壊するとともに、
上記鉄系金属板と上記アルミニウム系金属板とを通電によって加熱して、上記複数の突起における清浄な上記鉄系材料と、上記アルミニウム系金属板の表面に露出した清浄な上記アルミニウム系材料との界面を拡散接合するに当たり、
上記酸化被膜の破壊及び上記拡散接合は、産業用ロボットの移動先端部に取り付けられ、一対の電極チップの先端が平坦状に形成されたスポット溶接用ガンを用い、上記一対の電極チップの先端の外形内に上記突起が３つ以上入る状態を形成して、上記一対の電極チップの間に、上記鉄系金属板と上記アルミニウム系金属板とを挟み込んで行う、拡散接合方法。
上記拡散接合を行う前には、上記鉄系金属板及び上記アルミニウム系金属板の脱脂を行い、
上記拡散接合は、真空状態の環境下に配置された上記鉄系金属板及び上記アルミニウム系金属板に対して行う、請求項１に記載の拡散接合方法。