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技術 アルミニウムまたはアルミニウム合金と鋼材との接合法および接合継手

出願人 株式会社神戸製鋼所
発明者 武田裕之斉藤賢司
出願日 2001年7月23日 (20年7ヶ月経過) 出願番号 2001-222076
公開日 2003年2月4日 (19年0ヶ月経過) 公開番号 2003-033865
状態 拒絶査定
技術分野 アーク溶接一般 はんだ付・ろう付 はんだ付・ろう付材料 溶融はんだ付
主要キーワード アルミ材表面 アーク条件 銅合金ワイヤ アルミ部材 連続接合 軟鋼材 接合ライン 全率固溶体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年2月4日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

アルミニウムまたはアルミニウム合金材鋼材とを接合する際に、適用条件などの制約が少なくて汎用性に優れると共に、形状的制約も少なく、また連続接合が可能であり、接合部に脆弱金属間化合物などが生成して接合の信頼性を阻害することがなく、しかも耐食性等にも優れた信頼性の高い接合部を与える接合技術を提供することにある。

解決手段

MIロウ付ワイヤ13として銅合金Ni合金またはSi青銅系銅合金を使用し、アルミニウム11またはアルミニウム合金と鋼材12とを、MIGロウ付法により直接接合する。

概要

背景

アルミニウムまたはアルミニウム合金(以下、両者をまとめて「アルミ」という)材と鋼材とを接合するための方法としては、
1)真空圧延接合する方法(特開2000−94162号公報など)、
2)鋼とアルミからなる2層構造クラッド材を両者の間に介在させてシーム溶接する方法(特開平11−197846号公報など)、
3)高温加圧接合する方法(特開平10−185040号公報など)、
4)接合面にTi合金を介在させHIP処理によって接合する方法(特開平6−198458号、同5−8056号公報など)、
5)摩擦圧接する方法(特開平8−141755号公報)、
6)アルミ材と接する鋼材の表面にアルミ合金メッキを施し、或は、鋼材とアルミ材からなる2層構造のクラッド材を両者の間に介在させて抵抗溶接する方法(特開平6−39558号、特開平6−63762号公報など)
等が知られている。

概要

アルミニウムまたはアルミニウム合金材と鋼材とを接合する際に、適用条件などの制約が少なくて汎用性に優れると共に、形状的制約も少なく、また連続接合が可能であり、接合部に脆弱金属間化合物などが生成して接合の信頼性を阻害することがなく、しかも耐食性等にも優れた信頼性の高い接合部を与える接合技術を提供することにある。

MIロウ付ワイヤ13として銅合金Ni合金またはSi青銅系銅合金を使用し、アルミニウム11またはアルミニウム合金と鋼材12とを、MIGロウ付法により直接接合する。

目的

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、アルミ材と鋼材とを接合する際に、適用条件などの制約が少なくて汎用性に優れると共に、形状的制約も少なく、また連続接合が可能であり、接合部に脆弱な金属間化合物などが生成して接合の信頼性を阻害することがなく、しかも耐食性等にも優れた信頼性の高い接合部を得ることのできる接合技術を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
7件

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請求項1

アルミニウムまたはアルミニウム合金鋼材とを、MIロウ付法により直接接合することを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金と鋼材との接合法

請求項2

MIGロウ付ワイヤとして、銅合金またはNi合金を使用する請求項1に記載の接合法。

請求項3

前記銅合金として、Fe,Al,Niよりなる群から選択される1種以上の元素を含む銅合金を使用する請求項2に記載の接合法。

請求項4

前記銅合金として、Si:1〜4質量%とMn:0.3〜3質量%を含むSi青銅系銅合金を使用する請求項2または3に記載の接合法。

請求項5

直径が0.8〜1.2mmのMIGロウ付用ワイヤを使用する請求項1〜4のいずれかに記載の接合法。

請求項6

前記請求項1〜5のいずれかに記載の方法でMIGロウ付されたものであるアルミニウムまたはアルミニウム合金と鋼材の接合継手

技術分野

0001

本発明は、自動車用構造物などを組み立てる際にしばしば必要となる、アルミニウムまたはアルミニウム合金鋼材との接合技術に関するものである。

背景技術

0002

アルミニウムまたはアルミニウム合金(以下、両者をまとめて「アルミ」という)材と鋼材とを接合するための方法としては、
1)真空圧延接合する方法(特開2000−94162号公報など)、
2)鋼とアルミからなる2層構造クラッド材を両者の間に介在させてシーム溶接する方法(特開平11−197846号公報など)、
3)高温加圧接合する方法(特開平10−185040号公報など)、
4)接合面にTi合金を介在させHIP処理によって接合する方法(特開平6−198458号、同5−8056号公報など)、
5)摩擦圧接する方法(特開平8−141755号公報)、
6)アルミ材と接する鋼材の表面にアルミ合金メッキを施し、或は、鋼材とアルミ材からなる2層構造のクラッド材を両者の間に介在させて抵抗溶接する方法(特開平6−39558号、特開平6−63762号公報など)
等が知られている。

発明が解決しようとする課題

0003

しかし上記方法のうち、アルミ材と鋼材とを真空圧延、高温加圧、HIP処理などによって接合する方法は、複合素材の製造に適用される方法であり、これらの技術を利用してアルミ材と鋼材を接合することはできるが、接合されるアルミ部材鋼部材の形状が複雑な場合には適用し難い。このため、これらの方法は適用範囲が狭く汎用性を欠く

0004

また、アルミ材と鋼材を摩擦圧接する方法は、部材形状制約を受ける他、接合部がスポット的なものとなるため、連続的な接合部を得ることができない。更に、鋼とアルミよりなる2層構造のクラッド材を用いてシーム溶接或は抵抗溶接する方法では、アルミ板鋼板の間にクラッド材がインサートされるため、本来2枚で済む板状部材の接合に3枚の板を使用しなければならず、実際の施工を考えると、クラッド材の挿入・固定・接合の各工程が必要で作業が煩雑になるばかりでなく、接合継手品質に対する信頼性を欠く。アルミ材と接する鋼材の表面にアルミ合金をメッキする方法も同様であり、工程が煩雑で且つ継手品質の信頼性に欠けるという問題がある。

0005

上記いずれの方法を採用するにしても、更に他の難点として、現状の接合ラインに新たな設備組み入れなければならないという問題が生じてくる。

0006

また、接合に使用する上記クラッド材は、アルミ材と鋼材との接合によって製造されるもので製造条件上の制約も多く、安価で性能の安定したクラッド材自体の製造に高度な技術が要求される。

0007

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、アルミ材と鋼材とを接合する際に、適用条件などの制約が少なくて汎用性に優れると共に、形状的制約も少なく、また連続接合が可能であり、接合部に脆弱金属間化合物などが生成して接合の信頼性を阻害することがなく、しかも耐食性等にも優れた信頼性の高い接合部を得ることのできる接合技術を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記課題を解決することのできた本発明の接合法とは、アルミ材と鋼材とをMIロウ付法によって直接接合するところに要旨を有している。

0009

本発明の方法を実施する際に使用するMIGロウ付ワイヤとして好ましいのは、銅合金またはNi合金であり、中でも、Fe,Al,Niよりなる群から選択される1種以上の元素を含む銅合金、或は、これらの元素に加えて更にSi:1〜4質量%とMn:0.3〜3質量%を含むSi青銅系銅合金は、好ましいMIGロウ付用ワイヤの素材として推奨される。また本発明においては、上記特徴を実用面で有効に発揮させるため、直径0.8〜1.2mmのMIGロウ付用ワイヤを使用することが好ましい。

0010

そして、上記MIGロウ付法によって接合された接合継手は、欠陥がなく信頼性の高いものとして本発明の技術的範囲に包含される。

発明を実施するための最良の形態

0011

アルミ材と鋼材との接合に前述した如く様々な方法が提案されている背景の1つとして、アルミ材と鋼材とを直接溶融接合すると接合部に脆弱な金属間化合物が生成し、割れを生じ易くなることが挙げられる。そのため、溶接ワイヤを用いて接合する場合を含めてアルミ材と鋼材とを直接接合する際には、i)アルミ材中のアルミと鋼材中の鉄とを如何にして極力溶融混合させないで、溶融金属部の延性を確保するか、また、ii)アルミ材と鋼材との界面近傍に脆弱な金属間化合物層を如何にして生成させない様にするか、ということが極めて重要となる。

0012

本発明者らはこうした観点から、上記i),ii)に示した障害を可及的に抑制し、健全な接合継手を確保することのできる接合法の確立を期して種々検討を重ねてきた。その結果、上記の如くMIGロウ付法によってアルミ材と鋼材とを直接接合する方法を採用すれば、従来技術で指摘した様々の問題を生じることなく強固で信頼性の高い接合継手が得られることを知り、本発明に想到したものである。

0013

本発明で採用するMIGロウ付法とは、汎用の溶接装置を使用しアークによってロウ付を行なう方法であり、通常のアーク溶接に比べると、格段に低い電流条件で接合を行なうことができる。これは第1に、細径ワイヤを使用することによってもたらされるもので、通常のアーク溶接法に比べて、MIGロウ付接合時におけるアルミ材中のアルミと鋼材中の鉄との溶融混合とそれらの反応を可及的に抑制できる。その結果として、接合部における脆弱な金属間化合物の生成が抑えられ、延いては接合部の強度欠陥(特に割れの発生)を可及的に防止できるのである。

0014

この際、MIGロウ付用に使用するワイヤ素材としては、銅合金若しくはニッケルまたはその合金が好ましく使用される。尚ワイヤ素材として銅合金を使用した場合、銅はA1と反応して脆い金属間化合物を形成し易いので、母材であるアルミ材を過剰量溶融させることなく必要最小限の母材溶融(希釈)量で健全な接合状態が得られるよう、MIGロウ付時の溶接電流が過大とならない様に制御することが望ましい。

0015

またMIGロウ付用のワイヤ素材としてNi合金を用いた場合、Niは鋼材およびアルミ材の何れとも脆弱な金属間化合物を殆ど生成することがないので、銅合金をワイヤ素材として使用した場合に比べて、MIGロウ付時における溶接電流の適正範囲を広げることができる。但し、溶接電流条件を高め過ぎると、MIGロウ付時に母材である鋼とアルミの双方が過度に溶融して融合し、Fe−Al系の金属間化合物が生成する恐れが生じてくるので、こうした現象を回避するには、MIGロウ付時の溶接電流を低めに設定すべきである。

0016

本発明を実施する際の好ましいMIGロウ付条件は、溶接電流が70A以上、より好ましくは80A以上で、250A以下、より好ましくは200A以下、溶接電圧が15V以上、より好ましくは18V以上で、30V以下、より好ましくは28V以下である。溶接速度は、上記溶接電流および溶接電圧に応じて母材中のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよいが、溶接能率なども考慮して好ましいのは15cm/min以上、より好ましくは20cm/min以上で、50cm/min以下、より好ましくは40cm/min以下である。

0017

何れにしても本発明では、MIGロウ付によってアルミ材と鋼材を直接接合できるので、適正な溶接電流・電圧条件を採用する限り形状的制約等を一切受けることがなく、適用可能範囲が拡大され汎用性が高められると共に、また連続接合も可能となる。そして前述の如く、アルミ材と鋼材との界面においては、脆い金属間化合物が生成し難く、しかも溶接部の耐食性も優れたものとなる。

0018

尚、MIGロウ付用ワイヤとして銅合金を使用する場合、銅合金として特に好ましく使用されるのは、Fe、Al、Niの中から選ばれる1種以上の元素を含む銅合金、あるいはこれらの元素に加えて、1〜4質量%のSiと0.3〜3質量%のMnとを含む青銅系ワイヤが例示される。ちなみにこれらの銅合金ワイヤは、アルミ材側および鋼材側の双方に対し溶融金属の濡れ性が優れると共に、Fe−Al系の接合で最大の問題となる脆弱なFe−Al系金属間化合物の生成も抑えられ、より健全で優れた密着性溶接ビードが得られ易くなるからである。

0019

この場合、Cu合金中にFe,A1,Niの1種以上を含有させることによってもたらされる作用効果は下記の通りである。即ちFeとA1は、MIGロウ付用ワイヤ中に適量含有させることにより、溶融金属内でのFeおよび/またはAlの活量が高められ、接合対象母材成分であるFeおよび/またはアルミから溶融金属中への溶解反応が抑制され、その結果として、母材からのFeやAlの過剰溶解が抑えられ、両者の直接反応による脆弱な金属間化合物の生成が抑えられるからである。

0020

銅系ロウ材中へのFeやAlの好ましい配合量は、Feが0.1質量%以上、6質量%以下、より好ましくは1.0質量%以上、3質量%以下、Alが0.01質量%以上、11質量%以下、より好ましくは1.0質量%以上、8質量%以下である。

0021

またNiを含む銅系ワイヤも本発明を実施する際に使用される好ましいMIGロウ付用ワイヤとして推奨される。ちなみにNiは、Feと全率固溶体を形成する元素であり、Ni添加により溶融金属中のFeの活量を高める作用があり、上記Fe,A1の項で述べたのと同じ理由で、母材であるFeの溶融金属中への過剰溶解による両者の直接反応、延いては脆弱な金属間化合物の生成反応が避けられるからである。こうしたNiの作用を有効に発揮させる上で、銅合金系ロウ材中へのNiの好ましい配合量は0.3質量%以上、11質量%以下である。

0022

また上記Niの作用は、銅合金として使用する場合に限らず、Ni単独もしくは銅以外のNi合金として使用する場合にも有効に発揮されるので、本発明ではNiもしくはNi系合金も好ましいMIGロウ付用ワイヤとして推奨される。

0023

この様に、適切な組成のMIGロウ付用ワイヤを使用し、適正なアーク条件でアルミ材と鋼材とをMIGロウ付けすることにより、アルミ材側および鋼材側とも必要最小限の溶融(希釈)状態で、健全な結合状態を得ることができる。

0024

なおMIGロウ付に当たり、母材に対する溶融金属の濡れ性を高めるには、濡れ性を阻害する鋼材およびアルミ材表面酸化膜を除去する必要がある。そのためMIGロウ付時には、Arを代表とする不活性ガスシールドし、直流のアークを採用し電極(ワイヤ)側を正極にして施工することが望ましい。この様な条件を採用すれば、アーク発生時に母材側クリーニング作用が起こり、アルミ材側および鋼材側ともに接合部の清浄度が向上し、より健全な接合継手を得ることができる。

0025

またMIGロウ付法によれば、通常のアーク溶接と同様に連続溶接が可能であり、密閉性を必要とする部材に対しても支障なく適用できる。また接合部の耐食性についても、前述した銅合金系ワイヤはそれ自身優れた耐食性を有しているので、アルミ材と鋼材の接合部材が用いられる多くのケースにおいて、優れた耐食性を得ることができる。

0026

なお本発明でMIGロウ付に使用するワイヤ径については、前述の如く基本的には低電流の条件で安定したアークを発生させる必要があるため、0.8mm以上、1.2mm以下のものを使用することが好ましい。ワイヤ径が1.2mmを超えると、安定したアークを得るための電流が過大となって母材の溶融が過剰気味となり、前述した脆弱な化合物の生成につながる。一方、ワイヤ径が0.8mm未満の細径になると、ワイヤ自体の製造コストが高くなるばかりでなく、ワイヤの送給安定性も低下してくる。このため、ワイヤ径は0.8mm以上、1.2mm以下、より好ましくは1.0mm以下である。

0027

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

0028

実施例1
各種接合法を採用してアルミ板と鋼板との重ねすみ肉溶接試験を行った。具体的には、図1に示す如く厚さ2mmのアルミ材11を、厚さ5mmの軟鋼材12に重ね合わせて重ねすみ肉継手を形成し、種々のMIGロウ付用ワイヤ13を用いてアルミ材11と鋼材12との溶接(接合)を行なった。図中、符号14は溶接用トーチを示している。試験片平面サイズは、アルミ材11が150mm×400mm、鋼材が150mm×400mmとし、直径0.8mmの溶接ワイヤを使用した。溶接後、目視および浸透探傷試験によって接合継手部の割れ発生の有無および濡れ性を調べた。

0029

ここで、濡れ性の評価基準図2に示す通りとした。即ち、アルミ材11と溶接金属15間の止端角度(θ1)、あるいは、鋼材12と溶接金属15間の止端角度(θ2)を測定し、何れか一方の止端角度が90°以下であるものを×、両止端角度とも140°以上であるものを◎、それ以外を○と判定した。

0030

表1に溶接法溶接条件および判定結果を示す。なおシールドガスとしてはAr(流量は30リットル/min)を使用した。

0031

0032

表1からも明らかな様に、TIGおよびMIG溶接を採用した場合は、いずれも明かに割れの発生が認められる(×)が、比較的低い電流条件で行なわれるMIGロウ付法を採用した場合は割れの発生が認められず(O、◎)、良好な結果が得られている。

0033

実施例2
MIGロウ付用ワイヤとしてSi青銅系ワイヤを使用した場合の適正溶接条件を調査した。前記実施例1と同じ母材の組合わせを採用し、ワイヤとして3質量%Si−3質量%Mn青銅系のMIGロウ付用ワイヤを用いて種々の条件でMIGロウ付を行ない、割れの有無を調べた。評価は、割れの有無および溶接安定性によって行った。溶接条件および評価結果を表2に示す。

0034

0035

表2からも明らかな如く、直径0.8〜1.2mmのワイヤを使用した場合には、優れた溶接安定性が得られており、継手部に割れの発生も認められない。なお溶接安定性の評価基準は図3に示す通りであり、溶接ビードが安定せず不連続になった場合(a)を×、安定して連続的な溶接ビードが形成された場合(b)を○と評価した。

0036

また図4は、試験No.7における溶接部の断面形状を例示するもので、軟鋼板12の上に重ねられたアルミ板11の縁部がMIGロウ付けされて溶接金属15が形成されている。この図4をみれば明らかな様に、アルミ材及び鋼材に過剰溶融は認められず、溶接金属部には全く割れが発生していない。

0037

実施例3
この実施例は、アルミ合金と鋼材の突き合わせMIGロウ付け試験を行った例を示している。即ち図5に示す如く、アルミ合金板16と高張力鋼板17に対して本発明法により突合せMIGロウ付を行った。表3にMIGロウ付条件を示す。得られた溶接金属部15を浸透探傷および断面観察することによって欠陥の有無を調べたところ、欠陥のない良好な接合継手が得られていた。

0038

発明の効果

0039

本発明は以上の様に構成されており、アルミ材と鋼材とをMIGロウ付法により接合することで、接合母材の形状などに一切制限を受けることなく、また接合継手部に脆弱な金属間化合物などを生成させることなく、割れなどの欠陥のない健全な接合継手を得ることができる。しかも本発明法を採用すれば、連続的な接合が可能であり、アルミ材と鋼材との接合を効率よく実施できる。

図面の簡単な説明

0040

図1重ね継手接合法を示す模式図である。
図2濡れ性の評価基準を説明する模式図(断面図)である。
図3溶接安定性の評価基準を説明する模式図(継手を上方から見た図)である。
図4実施例での断面状態を示す模式図である。
図5実験で採用した突合せ継手を示す図である。

--

0041

11アルミ材
12鋼材
13MIGロウ付用ワイヤ
14溶接トーチ
15溶接金属
16アルミ合金板
17高張力鋼板
θ1 アルミ材11と溶接金属15間の止端角度
θ2鋼板12と溶接金属15間の止端角度

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