JP7319231B2

JP7319231B2 - 異材接合構造体の製造方法

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Publication number: JP7319231B2
Application number: JP2020117997A
Authority: JP
Inventors: 恭兵前田; 励一鈴木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2023-08-01
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Description

本発明は、表面に低温溶射皮膜が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とをレーザ溶接する方法である異材接合構造体の製造方法に関する。
なお、以下において、アルミニウム又はアルミニウム合金材を、まとめて単に「アルミニウム合金材」ということがある。

近年、ＣＯ_２排出量の削減を目的とした車体軽量化や衝突安全性強化を実現するため、自動車のボディ骨格等に高張力鋼板（ＨｉｇｈＴｅｎｓｉｌｅＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｅｅｌ：ＨＴＳＳ）が適用されている。

また、更なる車体軽量化を目的として、軽量なアルミニウム合金材と鋼材とを接合した異種金属接合材についても需要が高くなっている。異種金属を接合する方法として、一般的には、釘またはネジ等で接合する方法があるが、釘またはネジは比較的高価であるため、接合材の製造コストが高くなると共に、釘またはネジの重量分だけ、得られる接合材が重くなるという問題がある。

一方、アルミニウム合金材と鋼材とを一般的な方法で直接溶接すると、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成され、良好な強度を得ることができない。そこで、アルミニウム合金材と鋼材との接合において、高い強度を得ることができる溶接技術が求められている。

溶接によって異種金属を接合する方法として、特許文献１には、アルミニウム合金材の表面の少なくとも一部に、純鉄、炭素鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種の金属粉末を低温溶射し、得られた低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、アルミニウム合金材と鋼材とを重ね合わせ、鋼材側からレーザ溶接する接合方法が開示されている。

特開２０２０－１１２７６号公報

しかしながら、レーザ溶接による溶込みがアルミニウム合金材まで到達した場合に、特に低温溶射皮膜の熱影響部（ＨＡＺ：ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）において割れが発生しやすいという問題点がある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、ＨＡＺにおける割れの発生を抑制することができる異材接合構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る異材接合構造体の製造方法は、下記（１）の構成からなる。

（１）鋼材と、表面の少なくとも一部に、前記鋼材と接合可能な金属粉末からなる低温溶射皮膜を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と、を接合する異材接合構造体の製造方法であって、
前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からレーザビームを照射する工程と、を有し、
前記レーザビームを照射する領域は、少なくとも前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させる第１領域と、前記第１領域の周辺部において前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させない第２領域と、からなることを特徴とする異材接合構造体の製造方法。

また、本発明に係る異材接合構造体の製造方法の好ましい実施形態は、下記（２）～（８）の構成からなる。

（２）前記第２領域は、前記鋼材及び前記低温溶射皮膜の熱影響部を含む、（１）に記載の異材接合構造体の製造方法。

（３）前記第１領域は、前記レーザビームの一部が照射され、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材を溶融させる領域であり、前記第２領域は、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材を溶融させない領域である、（１）に記載の異材接合構造体の製造方法。

（４）前記第２領域は、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の熱影響部を含む、（３）に記載の異材接合構造体の製造方法。

（５）前記レーザビームの強度分布は、前記第１領域において、ビーム強度が最も高くなる第１ピークを有し、前記第２領域において、前記第１ピークを中心とした環状の第２ピークを少なくとも１つ有する、（１）～（４）のいずれか１つに記載の異材接合構造体の製造方法。

（６）前記レーザビームの強度は、前記第１領域において最も高く、前記第２領域において、前記第１領域から離れるに従って段階的に減少する、（１）～（４）のいずれか１つに記載の異材接合構造体の製造方法。

（７）前記金属粉末は、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種を含む、（１）～（６）のいずれか１つに記載の異材接合構造体の製造方法。

（８）前記レーザビームは、回折光学素子、二重ファイバ又は円錐型集光レンズを利用したリングモード、デフォーカス及びインフォーカスから選択された１種により得られるものである、（１）～（７）のいずれか１つに記載の異材接合構造体の製造方法。

本発明によれば、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、ＨＡＺにおける割れの発生を抑制することができる異材接合構造体の製造方法を提供することができる。

図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、レーザビームを照射する工程を示す図である。図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、製造された異材接合構造体を示す図である。図２は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第１実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。図３は、縦軸を温度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第１実施形態における低温溶射皮膜の温度分布を模式的に示すグラフである。図４Ａは、従来の異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、レーザビームを照射する工程を示す図である。図４Ｂは、従来の異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図であって、製造された異材接合構造体を示す図である。図５は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、従来の製造方法におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。図６は、縦軸を温度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、従来の製造方法における低温溶射皮膜の温度分布を模式的に示すグラフである。図７は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第２実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。図８は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第３実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。図９は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第４実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。

本発明者らは、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合において、ＨＡＺに発生する割れを抑制することができる方法を得るために鋭意検討を重ねた。その結果、ＨＡＺの急熱又は急冷を抑制するために、鋼材及び低温溶射皮膜が溶融する領域の周辺部まで、鋼材及び低温溶射皮膜が溶融しない温度となるようにレーザビームを照射することが有効であることを見出した。

すなわち、本実施形態に係る異材接合構造体の製造方法は、鋼材と、表面の少なくとも一部に、前記鋼材と接合可能な金属粉末からなる低温溶射皮膜を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と、を接合する異材接合構造体の製造方法であって、低温溶射皮膜と鋼材とが対向するように、アルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを重ね合わせる工程と、鋼材側からレーザビームを照射する工程と、を有する。また、レーザビームを照射する領域は、少なくとも鋼材及び低温溶射皮膜を溶融させる第１領域と、第１領域の周辺部において鋼材及び低温溶射皮膜を溶融させない第２領域と、からなる。

以下、本発明の実施形態に係る異材接合構造体の製造方法について、具体的に説明する。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図である。図１Ａに示すように、アルミニウム合金材１１の表面の少なくとも一部には、例えば純鉄を含む金属粉末を吹き付ける低温溶射法（コールドスプレー法）により、低温溶射皮膜１２が形成されている。コールドスプレー法とは、ガスと金属粉末とを音速以上の高速で対象物に吹きつけることにより低温溶射皮膜１２を形成する方法である。この方法は、使用するガス種、圧力、温度、金属粉末の粒子径等を適宜選択して実施することができる。

その後、低温溶射皮膜１２と鋼材１３とが対向するようにアルミニウム合金材１１と鋼材１３とを重ね合わせて配置し、鋼材１３側からレーザビーム１４を照射し、溶融部１５を形成する。

その後、図１Ｂに示すように、レーザビーム１４の照射を停止し、冷却することにより、鋼材１３から低温溶射皮膜１２に延びる溶接金属１７が形成され、アルミニウム合金材１１と鋼材１３とが接合された異材接合構造体１０が製造される。

本実施形態においては、例えば二重ファイバを利用したリングモードにより、溶融部１５を形成するセンタービーム１４ａと、溶融部１５の周辺部に所望の熱を与えるリングビーム１４ｂとを生成しており、センタービーム１４ａ及びリングビーム１４ｂによりレーザビーム１４が構成されている。なお、リングモードとは、同時に２つの同軸のレーザビーム（センタービーム１４ａ及びリングビーム１４ｂ）を得ることができる手段であり、これらのビーム強度は個別に制御することができる。

鋼材１３側からレーザビーム１４を照射したときの集光点におけるレーザビーム１４の強度及び低温溶射皮膜１２の温度について、以下に説明する。

図２は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第１実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。また、図３は、縦軸を温度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第１実施形態における低温溶射皮膜の温度分布を模式的に示すグラフである。
図２に示すように、センタービーム１４ａが照射される第１領域Ｗ１に、ビーム強度が最も高くなる第１ピークＰ１が生成されており、この第１ピークＰ１の周辺部、すなわちリングビームが照射される第２領域Ｗ２に、第１ピークＰ１を中心とした環状の第２ピークＰ２が生成されている。

また、レーザビームの強度分布を図２に示すプロファイルとした場合に、低温溶射皮膜１２は図３に示すよう温度分布となる。すなわち、センタービーム１４ａが照射される第１領域Ｗ１は、低温溶射皮膜１２の融点Ｔ以上の温度となり、リングビーム１４ｂが照射される第２領域Ｗ２は、低温溶射皮膜１２の融点Ｔを超えない温度となる。
なお、鋼材１３と低温溶射皮膜１２の融点が互いに異なる場合は、センタービーム１４ａは、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２を溶融させるようにレーザ溶接の条件を制御し、リングビーム１４ｂは鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融させないように、レーザ溶接の条件を制御する。

上記のような第１実施形態に係る製造方法によれば、コールドスプレー法によりアルミニウム合金材１１の表面に低温溶射皮膜１２が形成されているため、アルミニウム合金材１１の表面は、多量の金属粉末により微細な凹凸が形成される。したがって、低温溶射皮膜１２とアルミニウム合金材１１とは、アンカー効果によって機械的に強固に接合される。
また、純鉄のように、鋼材と接合可能な金属粉末により形成された低温溶射皮膜１２は、レーザ溶接により鋼材１３と容易に接合することができるため、アルミニウム合金材１１と鋼材１３との異材接合構造体１０を製造することができる。

さらに、リングビーム１４ｂが照射される第２領域Ｗ２は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のＨＡＺ１６の少なくとも一部を含み、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融させない範囲で温度が上昇する。リングビーム１４ｂの照射条件については、低温溶射皮膜１２の種類によって異なるため、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２が溶融しない条件であれば特に限定しないが、低温溶射皮膜１２における溶融部１５からＨＡＺ１６を介してその周辺の鋼材１３及び低温溶射皮膜１２にかけて、温度勾配が小さくなるように調整することが好ましい。これにより、ＨＡＺ１６における割れの発生を抑制することができる。

なお、上記第１実施形態では、第２領域Ｗ２における環状の第２ピークＰ２が１つである例を示したが、第２領域Ｗ２の温度が、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２を溶融させない温度であって、ＨＡＺ１６の急熱又は急冷を抑制できるように制御されていれば、環状のピークは複数であってもよい。
また、上記の通り、第１領域及び第２領域における温度及びレーザの照射範囲を制御するためのレーザ溶接条件としては、熱源、出力、溶接速度及び溶接部の直径等を適宜選択することができる。

（従来の異材接合構造体の製造方法）
比較のため、鋼材及び低温溶射皮膜を溶融させるレーザビームのみを照射した例について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは従来の異材接合構造体の製造方法を説明するための模式的な断面図である。また、図５は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、従来の製造方法におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。図６は、縦軸を温度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、従来の製造方法における低温溶射皮膜の温度分布を模式的に示すグラフである。
なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、上記第１実施形態と同一又は同等部分については、同一符号を付してその説明を省略又は簡略化する。

図４Ａに示すように、低温溶射皮膜１２が形成されたアルミニウム合金材１１と鋼材１３とを、低温溶射皮膜１２と鋼材１３とが対向するようにアルミニウム合金材１１と鋼材１３とを重ね合わせて配置し、鋼材１３側からレーザビーム２４を照射し、溶融部２５を形成する。このとき、溶融部２５の周辺には、ＨＡＺ２６が生成される。

その後、図４Ｂに示すように、レーザビーム２４の照射を停止し、冷却することにより、鋼材１３から低温溶射皮膜１２に延びる溶接金属２７が形成され、アルミニウム合金材１１と鋼材１３とが接合された異材接合構造体２０が製造される。

図５に示すように、従来の異材接合構造体２０の製造方法では、レーザビーム２４が照射される領域Ｗ３のみにピークＰ３が生成され、その周辺部にはレーザビーム２４は照射されず、ピークも存在しない。したがって、図６に示すように、領域Ｗ３において低温溶射皮膜１２の融点Ｔ以上となり、溶融部２５が形成されるが、その他の領域に対して熱は与えられず、温度の上昇もない。

上述の従来の異材接合構造体２０の製造方法においては、レーザビーム２４が照射されて形成された溶融部２５は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２の溶融温度を超えており、極めて高温となる。そして、ＨＡＺ２６では、溶融部２５とその他の部分で大きな温度差が発生し、急熱又は急冷によりひずみが生じるため、割れ２８が発生する。

これに対し、第１実施形態では、上述の通り、レーザビーム１４が第２領域Ｗ２も照射しており、図１Ａに示すように、従来の製造方法により生成されるＨＡＺ２６よりも広いＨＡＺ１６が生成される。したがって、第１実施形態では、従来の製造方法と比較して、ＨＡＺ１６における温度勾配を小さくすることができ、これにより、割れの発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る異材接合構造体の製造方法について説明する。なお、以下に示す第２～第４実施形態の製造工程は、上述の第１実施形態と同一であるため、第２実施形態以降は図１Ａ及び図１Ｂを参照することにより製造工程を省略し、レーザビームの照射方法のみを具体的に説明する。

図７は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第２実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。
第２実施形態においても第１実施形態と同様に、例えば二重ファイバを利用したリングモードレーザを用いる。具体的には、センタービーム１４ａが照射される第１領域Ｗ１に、ビーム強度が最も高くなるピークＰ４が生成され、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２が溶融する温度以上となるように、センタービーム１４ａの強度等の条件を制御する。また、リングビーム１４ｂが照射される第２領域Ｗ２では、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融しない温度となるように、リングビーム１４ｂの強度等の条件を制御する。なお、第１実施形態と異なり、第２領域Ｗ２においてピークは生成されておらず、ビームの中心からの距離にかかわらず一定の強度を示す箇所と、ビームの中心から離れるに従って強度が減少する箇所とが生成されている。すなわち、第２領域Ｗ２内において、ビーム強度は第１領域Ｗ１から離れるに従って段階的に減少している。

上述の第２実施形態に係る製造方法においても、第２領域Ｗ２は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のＨＡＺ１６の少なくとも一部を含み、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融させない範囲で温度が上昇する。したがって、ＨＡＺ１６が広くなり、溶融部１５からＨＡＺ１６を介して、その周辺の鋼材１３及び低温溶射皮膜１２にかけて温度勾配が小さくなるため、急熱又は急冷による割れの発生を抑制することができる。

（第３実施形態）
図８は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第３実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。
第３実施形態は、第２実施形態と同様に、例えば二重ファイバを利用したリングモードレーザを用いており、センタービーム１４ａが照射される第１領域Ｗ１に、ビーム強度が最も高くなるピークＰ５が生成されている。また、第１領域Ｗ１では、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２が溶融する温度以上となるように、センタービーム１４ａの強度等の条件を制御し、第２領域Ｗ２では、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融しない温度となるように、リングビーム１４ｂの強度等の条件を制御する。なお、第２領域Ｗ２におけるピーク強度は、第２実施形態と同様、ビームの中心から離れるに従って、段階的に減少しており、第２実施形態との違いは、ピーク強度がより多段の階段状で減少している点である。

上述の第３実施形態に係る製造方法においても、第２領域Ｗ２は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のＨＡＺ１６の少なくとも一部を含み、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融させない範囲で温度が上昇する。したがって、ＨＡＺ１６が広くなり、溶融部１５からＨＡＺ１６を介して、その周辺の鋼材１３及び低温溶射皮膜１２にかけて温度勾配が小さくなるため、急熱又は急冷による割れの発生を抑制することができる。

なお、上述の第１～第３実施形態においては、二重ファイバを利用したリングモードを用いたが、他に、回折光学素子（ＤＯＥ：ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ）、又は円錐型集光レンズ等を利用したリングモードにより、センタービーム１４ａ及びリングビーム１４ｂを生成することができる。

（第４実施形態）
図９は、縦軸をビーム強度とし、横軸をビームの中心からの距離とした場合の、第４実施形態におけるレーザビームの強度分布を模式的に示すグラフである。
第４実施形態は、例えばデフォーカスによるレーザビーム１４を使用している。具体的には、鋼材１３の表面よりも溶接ヘッド（図示せず）側に焦点を合わせ、ビーム強度を、図５に示すようなブロードな強度分布となるように制御している。なお、デフォーカスによるレーザビーム１４を使用した第４実施形態においても、第１領域Ｗ１にビーム強度が最も高くなるピークＰ６が生成され、第２領域Ｗ２において、第１領域Ｗ１から離れるに従って、ビーム強度は段階的に減少している。また、第１領域Ｗ１では、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２が溶融する温度以上となり、第２領域Ｗ２では、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融しない温度となるように、レーザビーム１４の強度等の条件を制御している。

上述の第４実施形態に係る製造方法においても、第２領域Ｗ２は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のＨＡＺ１６の少なくとも一部を含み、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２のいずれも溶融させない範囲で温度が上昇する。したがって、ＨＡＺ１６が広くなり、溶融部１５からＨＡＺ１６を介して、その周辺の鋼材１３及び低温溶射皮膜１２にかけて温度勾配が小さくなるため、急熱又は急冷による割れの発生を抑制することができる。

上述の第４実施形態においては、ビーム強度をブロードな強度分布とするためにデフォーカスを利用したが、鋼材１３の表面よりもアルミニウム合金材１１側に焦点を合わせたインフォーカスを利用することもできる。なお、焦点をずらす度合いについては特に制限されないが、焦点が溶接ヘッド側であっても鋼材１３側であっても、鋼材１３の表面から焦点までの距離Ｌ１が、溶接ヘッドから鋼材１３の表面までの距離Ｌ２に対して１～５％であることが好ましい。

また、上述の第１～第４実施形態では、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、溶融部１５はアルミニウム合金材１１に到達しないように、レーザビーム１４を制御しているが、溶融部１５がアルミニウム合金材１１に到達するように、レーザビーム１４の照射条件を制御してもよい。この場合に、第２領域Ｗ２は、鋼材１３及び低温溶射皮膜１２、更にはアルミニウム合金材１１の熱影響部を含むように、レーザビーム１４の照射条件を設定することが好ましい。
なお、従来の製造方法を利用して、レーザ溶接を深溶け込みとなる条件で実施した場合、すなわち、溶融部１５がアルミニウム合金材１１に到達する条件でレーザを照射した場合に、ＨＡＺにおける割れの発生が顕著となるため、本発明はより一層好適となる。

続いて、本発明に係る異材接合構造体の製造方法において、アルミニウム又はアルミニウム合金材、低温溶射皮膜の材料となる金属粉末及び鋼材について、以下に詳細に説明する。

＜アルミニウム又はアルミニウム合金材＞
アルミニウム又はアルミニウム合金材については特に限定されないが、自動車等に用いる部材に適用する場合には、強度の観点から、２０００系、５０００系、６０００系及び７０００系等のアルミニウム合金材を用いることが好ましい。なお、本実施形態においては、鋼材側からの片側施工による溶接が可能なレーザ溶接を用いることから、自動車等の分野で多用される閉断面の押出材であっても問題なく使用することができる。

＜金属粉末＞
本発明においては、鋼材と低温溶射皮膜とをレーザ溶接により接合するため、低温溶射皮膜の材料としては、鋼材と接合可能な金属粉末を使用する。このような金属粉末としては、例えば、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種を含む金属粉末を選択することができる。

なお、本願明細書において、純鉄とは、工業用として容易に入手が可能であり、純度が９９．９質量％以上のものを表す。また、炭素鋼とは、鉄と炭素を主成分とし、ケイ素、マンガン、不純物リン、硫黄、銅等を微量に含む鉄鋼材料を表す。なお、ニッケル合金としては、通称インコネル合金、インコロイ合金、ハステロイ合金と呼ばれるＮｉを主成分として、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎなどを適当量添加した合金を用いることができる。

＜金属粉末の粒子径及び形状＞
低温溶射皮膜の材料となる金属粉末の粒子径については特に限定されないが、コールドスプレーのガス圧を１ＭＰａ以下の低圧条件とした場合には、例えば２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。
一方、ガス圧を１ＭＰａ～５ＭＰａの高圧条件とした場合には、例えば１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。
金属粉末の粒子形状についても特に限定されないが、流動性の観点から球状であることが好ましい。

＜作動ガスの種類＞
コールドスプレーにおいて使用するガスについては特に限定されないが、一般的には、空気、窒素、ヘリウムまたはそれらの混合ガスを用いて行われる。一方、低温溶射皮膜が酸化すると、レーザ溶接性に悪影響を及ぼすおそれがあるため、ガス種として窒素やヘリウムを用いるのが好ましい。

＜鋼材＞
鋼材としては、一般的に鉄鋼と呼ばれる金属からなる部材であれば特に限定されない。ただし、近年、自動車のボディ骨格等に用いられる鋼材としては、車体軽量化や衝突安全性強化を目的として高張力鋼材（ハイテン材）等が多用されている。鋼－アルミの異材接合法として普及している機械的接合法では、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼材に適用することが困難である。よって、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高張力鋼材において本発明は特に有効である。

なお、例えば特開２０１３―９５９７４号公報には、溶射皮膜における緻密化層の形成方法として、先行レーザビームを溶射皮膜の表面へ走査させながら照射すると共に、追従レーザビームを先行レーザビームで走査した被照射領域へ走査させながら重ねて照射する方法が開示されている。また、特開２００８－２６６７２４号公報には、溶射皮膜の表面処理方法として、波長９μｍ以上のレーザで溶融緻密化する方法が開示されている。
これら方法はいずれも、溶射皮膜の表面に直接レーザを照射することにより、溶射皮膜の表面を改質する技術であり、本発明で示すように、低温溶射皮膜と鋼材とが対向するようにアルミニウム合金材と鋼材とを重ね合わせて、鋼材側からレーザ溶接することにより異材接合構造体を製造する方法については、何ら言及されていない。また、本発明の課題であるレーザ照射時の熱影響部の割れについても、何ら言及されていない。

１０，２０異材接合構造体
１１アルミニウム合金材
１２低温溶射皮膜
１３鋼材
１４，２４レーザビーム
１４ａセンタービーム
１４ｂリングビーム
１５，２５溶融部
１６，２６ＨＡＺ
１７，２７溶接金属
２８割れ
Ｐ１第１ピーク
Ｐ２第２ピーク
Ｔ低温溶射皮膜の融点
Ｗ１第１領域
Ｗ２第２領域

Claims

鋼材と、表面の少なくとも一部に、前記鋼材と接合可能な金属粉末からなる低温溶射皮膜を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と、を接合する異材接合構造体の製造方法であって、
前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からレーザビームを照射する工程と、を有し、
前記レーザビームを照射する領域は、少なくとも前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させる第１領域と、前記第１領域の周辺部において前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させない第２領域と、からなり、
前記第１領域は、前記レーザビームの一部が照射され、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材を溶融させる領域であり、前記第２領域は、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材を溶融させない領域である、異材接合構造体の製造方法。
鋼材と、表面の少なくとも一部に、前記鋼材と接合可能な金属粉末からなる低温溶射皮膜を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と、を接合する異材接合構造体の製造方法であって、
前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からレーザビームを照射する工程と、を有し、
前記レーザビームを照射する領域は、少なくとも前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させる第１領域と、前記第１領域の周辺部において前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させない第２領域と、からなり、
前記レーザビームの強度分布は、前記第１領域において、ビーム強度が最も高くなる第１ピークを有し、前記第２領域において、前記第１ピークを中心とした環状の第２ピークを少なくとも１つ有する、異材接合構造体の製造方法。
鋼材と、表面の少なくとも一部に、前記鋼材と接合可能な金属粉末からなる低温溶射皮膜を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材と、を接合する異材接合構造体の製造方法であって、
前記低温溶射皮膜と前記鋼材とが対向するように、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材と前記鋼材とを重ね合わせる工程と、
前記鋼材側からレーザビームを照射する工程と、を有し、
前記レーザビームを照射する領域は、少なくとも前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させる第１領域と、前記第１領域の周辺部において前記鋼材及び前記低温溶射皮膜を溶融させない第２領域と、からなり、
前記レーザビームの強度は、前記第１領域において最も高く、前記第２領域において、前記第１領域から離れるに従って段階的に減少する、異材接合構造体の製造方法。
前記第２領域は、前記鋼材、前記低温溶射皮膜及び前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の熱影響部を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の異材接合構造体の製造方法。
前記金属粉末は、純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、コバルト及びコバルト合金から選択された少なくとも１種を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の異材接合構造体の製造方法。
前記レーザビームは、回折光学素子、二重ファイバ又は円錐型集光レンズを利用したリングモード、デフォーカス及びインフォーカスから選択された１種により得られるものである、請求項１～５のいずれか１項に記載の異材接合構造体の製造方法。