JP4374526B2

JP4374526B2 - 異種材料の接合方法及び接合装置

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Publication number: JP4374526B2
Application number: JP2003409728A
Authority: JP
Inventors: 実粕川; 成幸中川; 雅之井上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: JP2005169418A

Description

本発明は、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するのに用いられる異種材料の接合方法及び接合装置に関するものである。

異なる２種類の材料を接合する場合、同種類の材料を接合する場合と同様に両方の材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成されてしまい、十分な継手強度を得ることができない。

そこで、溶接条件をコントロールして接合界面において一方の材料のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合するようになすと、金属間化合物層の厚さを薄くすることができ、両方の材料を溶融させた場合よりも接合部分の単位面積当たりの強度を高くすることができる。

レーザ等の高エネルギビームは、溶接条件を細かくコントロールし易いことから、一方の材料だけを溶かしたいような場合に適しており、従来において、異なる２種類の材料を高エネルギビームで重ね接合する際には、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、単に高エネルギビームの加工条件を制御して、一方の材料のみを溶融させることによって材料を拡散させて接合する工法がとられていた。

特開２００１−２５２７７７号

ところが、上記した継手強度に影響を及ぼす金属間化合物層の厚さは、接合部分の温度及び圧力によって変化し、良好に拡散を行わせるためには接合界面での圧力が必要であり、熱源にレーザ等の高エネルギビームを用いた場合には、温度をコントロールすることはできるものの圧力をコントロールすることができない。

接合部分に加圧せずに高エネルギビームを照射して接合を行うと、良好な拡散が行われるビーム照射条件範囲が非常に狭く、また、接合界面において温度及び圧力が良好な条件となる部分の面積も狭いため、接合幅も狭くなり、このように高エネルギビームでの溶接は非接触溶接となることから、スポット溶接のように接合部分に適切な圧力をかけることができず、その結果、十分な継手強度が得られなかった。

また、従来の材料全体を固定するだけのような治具を用いた場合、例えば、車体のパネルのような三次元形状の材料の接合に際しては、材料界面に適切な圧力をかけることができず、特に、材料の形状精度が悪くて材料間に隙間が生じているような場合には、一方の材料からの熱で他方の材料を溶融させることもできないとういう問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、異なる２種類の材料の接合界面において材料の拡散に適した圧力条件とすることができるうえ、適切な条件範囲の面積を広げることができ、その結果、継手強度の向上を実現することが可能である異種材料の接合方法及び接合装置を提供することを目的としている。

本発明に係る異種材料の接合方法は、互いに融点が異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、少なくとも両材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させつつ高エネルギビームを高融点材料側から照射して、接合界面において高融点材料を溶融しない範囲で高温に熱し、高融点材料からの熱伝導により低融点材料のみを溶融させて接合する内容としたものであり、上記高エネルギビームの照射位置に対する加圧位置を、接合界面における圧力と温度とが、低融点材料が金属間化合物の生成を伴わずに拡散する圧力及び温度となるように設定していることを特徴としている。
本発明に係る異種材料の接合装置は、互いに融点が異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するものであり、高エネルギビームを集光して高融点材料側から照射する加工ヘッドと、この加工ヘッドから高エネルギビームを高融点材料側から照射する段階で上記２種類の材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させる加圧手段とを備え、上記高エネルギビームの照射位置に対する加圧手段による加圧位置を、接合界面における圧力と温度とが、低融点材料が金属間化合物の生成を伴わずに拡散する圧力Ｐ及び温度Ｔとなるように設定していることを特徴としている。

本発明によれば、互いに融点が異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、接合界面が材料の拡散に適した圧力条件となり、加えて、適切な条件範囲の面積が広がることから、単位面積当たりの強度を向上させることができるとともに、接合幅を広げることができ、従って、継手強度を大幅に向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、高エネルギビームの照射位置に対する加圧位置を、接合界面における圧力と温度とが、低融点材料が金属間化合物の生成を伴わずに拡散する圧力Ｐ及び温度Ｔとなるように設定していることにより、加圧位置において拡散が効率よく行われて単位面積当たりの強度が向上し、さらに拡散において温度の適切な範囲の面積及び圧力の適切な範囲の面積がいずれも広がって接合範囲が広がることから、継手強度を向上させることができる。

本発明の異種材料の接合方法において、高融点材料及び低融点材料のうちの少なくとも高エネルギビームを照射する高融点材料側から加圧する構成を採用することができ、この場合には、溶融点を加圧しながら接合することができるため、継手強度を向上させることができ、高融点材料及び低融点材料を両側から加圧するようになせば、低融点材料に剛性がない場合でも接合部分を加圧することができるため、高融点材料側から加圧する場合と同様に継手強度を向上させることができる。

また、本発明の異種材料の接合方法において、高エネルギビームの進行方向の少なくとも後方を加圧する構成とすることができ、この場合には、材料が溶融している位置を加圧しながら接合することができるので、継手強度を高めることが可能である。

さらに、本発明の異種材料の接合方法では、加圧位置において異なる２種類の材料を高い強度で接合させる温度条件とするべく高エネルギビームの照射位置と加圧位置との距離を設定している構成とすることが可能であり、この構成を採用すると、加圧位置において拡散が効率よく行われて単位面積当たりの強度が向上し、さらに拡散において温度の適切な範囲の面積及び圧力の適切な範囲の面積がいずれも広がって接合範囲が広がることから、継手強度を向上させることができる。

さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、高エネルギビームを集光する加工ヘッドと一体に設置したローラを用いて加圧する構成を採用することができるほか、高エネルギビームを集光する加工ヘッドと一体に設置したピンを用いて加圧する構成を採用することができ、この場合には、高エネルギビームが通過した直後の部位を連続的に追従して加圧接合することができ、この際、常に高エネルギビームの照射位置から一定距離をおいた部位を押さえながら溶接することができるため、継手強度の向上を実現することが可能であり、加えて、三次元形状のワークにも対応することができる。

一方、本発明の異種材料の接合装置において、高エネルギビームを集光して高融点材料側から照射する加工ヘッドと、この加工ヘッドから高エネルギビームを高融点材料側から照射する段階で少なくとも異なる２種類の材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させる加圧手段を備えている構成とすることができ、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、加圧手段によって少なくとも両材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させ、この状態で加工ヘッドから高エネルギビームを高融点材料に向けて照射して、接合界面において高融点材料を溶融しない範囲で高温に熱し、高融点材料からの熱伝導により低融点材料のみを溶融させて接合するようになすと、接合界面が材料の拡散に適した圧力条件となり、加えて、適切な条件範囲の面積が広がることから、単位面積当たりの強度を向上させることができると共に、接合幅を広げることができ、したがって、継手強度を大幅に向上させることが可能になる。

また、本発明の異種材料の接合装置において、加圧手段を高融点材料及び低融点材料のうちの少なくとも高融点材料側に設けて、高融点材料側から加圧する構成を採用することができ、この場合には、溶融点を加圧しながら接合することができるため、継手強度を向上させることができ、加圧手段を高融点材料及び低融点材料の両側に設けて、高融点材料及び低融点材料を両側から加圧するようになせば、低融点材料に剛性がない場合でも接合部分を加圧することができるため、高融点材料側から加圧する場合と同様に継手強度を向上させることができる。

さらに、本発明の異種材料の接合装置において、加圧手段を高エネルギビームの進行方向の少なくとも後方に設けて、高エネルギビームの進行方向の後方を加圧する構成とすることができ、この場合には、材料が溶融している位置を加圧しながら接合することができることから、継手強度を高めることが可能である。

さらにまた、本発明の異種材料の接合装置では、加圧位置において異なる２種類の材料を高い強度で接合させる温度条件とするべく加工ヘッドによる高エネルギビームの照射位置と加圧手段による加圧位置との距離を設定している構成とすることが可能であり、この構成を採用すると、加圧位置において拡散が効率よく行われて単位面積当たりの強度が向上し、さらに拡散において温度の適切な範囲の面積及び圧力の適切な範囲の面積がいずれも広がって接合範囲が広がることから、継手強度を向上させることができる。

さらにまた、本発明の異種材料の接合装置において、高エネルギビームを集光する加工ヘッドと一体に設置したローラを加圧手段として、このローラを用いて加圧する構成を採用することができるほか、高エネルギビームを集光する加工ヘッドと一体に設置したピンを加圧手段として、このピンを用いて加圧する構成を採用することができ、この場合には、高エネルギビームが通過した直後の部位を連続的に追従して加圧接合することができ、この際、常に高エネルギビームの照射位置から一定距離をおいた部位を押さえながら溶接することができるため、継手強度の向上を実現することが可能であり、加えて、三次元形状のワークにも対応することができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示すように、この実施例における異種材料の接合装置１は、高エネルギビームＢを集光して高融点材料１１側から照射する加工ヘッド２と、この加工ヘッド２から高エネルギビームＢを高融点材料１１に向けて照射する段階で異なる２種類の材料１１，１２の接合部分に圧力を加えて互いに密着させるローラ（加圧手段）３を備えており、このローラ３は、エアシリンダを内蔵したガイド４を介して加工ヘッド２に昇降可能に取付けてあって、ガイド４のエアシリンダに送給するエアの圧力を調節することにより、ローラ３による加圧力をコントロールするようにしている。

この場合、加工ヘッド２の進行方向とは反対側にローラ３を一体で設けてあるので、高エネルギビームＢの移動に追従してローラ３を移動させることができる、すなわち、常に高エネルギビームＢから一定距離だけ離れた後方部位で材料１１，１２を加圧しながら移動させることが可能であり、材料が２次元形状ではなく、例えば、車体のような３次元形状の場合も追従させることができる。特に、下側の材料に剛性がある場合は、例えば、図２に示すように、車体のボディサイドアウタ２２にルーフ２１を重ね合わせて接合するような場合は、材料の一方側から押圧するローラ又はピンが有効であり、一方側からのアクセスのみで接合が可能である。

この実施例では、異なる２種類の材料１１，１２、すなわち、板厚ｔが１．０ｍｍの高融点材料としての鋼板（ＳＰＣＣ）１１と板厚ｔが１．０ｍｍの低融点材料としてのアルミニウム（Ａ５０５２）１２とを重ね寸法２０ｍｍ幅で重ね合わせて、上記異種材料の接合装置１を用いて以下の要領で接合した。

まず、加工ヘッド２の進行方向とは反対側に位置するローラ３によって両材料１１，１２の接合部分に圧力を加えて互いに密着させる。

次いで、加工ヘッド２の後方においてローラ３で両材料１１，１２の接合部分を押えながら、加工ヘッド２から高エネルギビームとしてのＹＡＧレーザＢをレーザ出力１．５ｋＷ，溶接速度２．５ｍ／ｍｉｎで重なり部分の中央に対して照射して、接合界面において鋼板１１を溶融しない範囲で高温に熱し、鋼板１１からの熱伝導によりアルミニウム１２のみを溶融させて接合した。

そこで、接合した鋼板１１及びアルミニウム１２の接合部分に対して、せん断力がかかる方向に力をかけてせん断引張り試験を行ったところ、強度は約４０００Ｎ（接合幅４０ｍｍ）であり非常に高い値であった。これは溶融部界面に圧力がかかることにより、拡散が効率的に行われたためである。

図３に材料の溶融状態と界面の温度を示す。レーザビームＢが照射されるとアルミニウム１２側のみが溶融し、上記したようにレーザビームＢが通った直後のアルミニウム１２が溶融している部分をローラ３で加圧する。図５に示すように，接合界面に圧力を加えない場合、良好な拡散が行われる温度範囲（斜線で示す部分）が非常にせまいが、圧力を加えると良好な拡散が行われる温度範囲が広がる。斜線部分より上側の条件では、金属間化合物が生成されて接合強度が低くなり、一方、斜線部分よりも下側の条件では、拡散が生じないために接合することができない。

このため、良好な拡散が行われる条件の圧力Ｐ及び温度Ｔとなるような位置にローラ３の加圧点を設定することが重要である。材料界面での温度分布は図３に示すようになっているが、温度Ｔとなる位置を圧力Ｐで加圧することによって良好な拡散が行われ、接合強度を上げることができる。

また、接合幅方向の温度分布は、図４に示すように、ビーム照射位置中心が最も高く中心から離れるにしたがって低くなる。接合界面に圧力をかけると、良好な拡散が行われる温度範囲が広がることから、圧力を加えない条件よりも圧力を加えた条件のほうが接合幅方向で見た場合でも良好に拡散が行われている範囲が広くなるため、接合幅が広くなり、したがって、継手強度を向上させることができる。

ローラ３の最適な加圧点は、材料や溶接条件によって異なるが、ビームＢのより近傍をローラ３で押さえる必要がある場合には、ローラ３の断面形状を工夫することによって対応することができる。例えば、加圧すべき位置がレーザビームＢと近く、このレーザビームＢとローラ３が干渉してしまうような場合には、図６に示すように、幅方向中央部分３３ａの径を小さくしたローラ３３を用いることで、レーザビームＢとローラ３３の干渉を避けながら、良好な拡散を行うことができる位置を加圧することが可能になる。

［実施例２］
図７は、本発明の他の実施例を示しており、図７に部分的に示すように、この実施例が先の実施例と相違するところは、ローラ３を両材料１１，１２の接合部分の両面に1個ずつ配置し、これらのローラ３，３同士で両材料１１，１２を挟み込んで圧力をかけるようにした点にある。

この場合、レーザビームＢ側に位置する上側のローラ３は、加工ヘッド２（図１参照）に直接取り付けてあり、実施例１のローラ３のように昇降しないものとなっている。一方、レーザビームＢとは反対側に位置する下側のローラ３は、実施例１のローラ３と同様に加工ヘッド２に対してガイド４（図１参照）を介して設置してあり、レーザビームＢに向かう方向の力（図示上向きの力）がかかるように設定してある。

したがって、この実施例では、下側のローラ３を上側のローラ３に引き寄せるように移動させて、両材料１１，１２の接合部分を両ローラ３，３で挟み込んで加圧するようになすことによって、下側材料に剛性が無い場合や、フランジを接合する場合にも対応することができる。

［実施例３］
図８は、本発明のさらに他の実施例を示しており、図８に部分的に示すように、この実施例が先の実施例と相違するところは、ローラ３をレーザビームＢの前後に1個ずつ配置すると共に、ビーム照射位置の裏側近傍にローラ３を配置し、これらの３個のローラ３で上記実施例２と同様に両材料１１，１２を挟み込んで圧力をかけるようにした点にある。

このようなローラ３の配置にすることによって、実施例２と比べてよりビーム照射位置中心に近い部位を押さえることが可能であり、レーザビームＢに近い位置を加圧する必要がある場合に好適である。

［比較例］
次に、図９に示すように、板厚ｔが１．０ｍｍの高融点材料としての鋼板（ＳＰＣＣ）１１と板厚ｔが１．０ｍｍの低融点材料としてのアルミニウム（Ａ５０５２）１２とを重ね寸法２０ｍｍ幅で重ね合わせ、ＹＡＧレーザビームＢをレーザ出力１．５ｋＷ，加工速度２．５ｍ／ｍｉｎで鋼板１１側から重なり部分の中央に対して照射して接合した。

この際、鋼板１１側が溶融せずにアルミニウム１２のみが溶融するような温度分布とするべく溶接条件を設定したが、材料が拡散して接合が可能となる溶接条件範囲は非常に狭かった。

そこで、この比較例において接合した鋼板１１及びアルミニウム１２の接合部分に対して、せん断力がかかる方向に力をかけてせん断引張り試験を行ったところ、強度は約２０００Ｎ（接合幅４０ｍｍ）であった。つまり、実施例１と比べて比較例の強度は非常に低かった。これは、溶融部界面に圧力がかかっておらず、拡散が効率的に行われないためであり、したがって、実施例１の異種材料の接合方法及び接合装置を用いることで、継手強度の大幅な向上を実現できることが実証できた。

本発明の異種材料の接合装置の一実施例を示す側面説明図である。（実施例１）本発明の異種材料の接合方法を車体のパネル接合に適用した状況を示す接合要領説明図である。本発明を用いて接合した材料のビーム進行方向の溶融状態と接合界面温度との関係を説明する図である。本発明を用いて接合した材料のビーム進行方向と直交する方向の溶融状態と接合界面温度との関係を説明する図である。本発明を用いて接合した場合の良好な拡散が行われる接合界面における圧力と温度との条件範囲を示すグラフである。本発明の異種材料の接合装置のローラの他の形態例を示す部分側面説明図である。（実施例２）本発明の異種材料の接合装置の他の実施例を示す部分側面説明図である。（実施例２）本発明の異種材料の接合装置のさらに他の実施例を示す部分側面説明図である。（実施例３）従来の異種材料の接合方法を示す断面説明図である。（比較例）

符号の説明

１異種材料の接合装置
２加工ヘッド
３ローラ（加圧手段）
１１高融点材料
１２低融点材料
Ｂレーザビーム（高エネルギビーム）

Claims

互いに融点が異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、少なくとも両材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させつつ高エネルギビームを高融点材料側から照射して、接合界面において高融点材料を溶融しない範囲で高温に熱し、高融点材料からの熱伝導により低融点材料のみを溶融させて接合する異種材料の接合方法において、
上記高エネルギビームの照射位置に対する加圧位置を、接合界面における圧力と温度とが、低融点材料が金属間化合物の生成を伴わずに拡散する圧力Ｐ及び温度Ｔとなるように設定していることを特徴とする異種材料の接合方法。
高融点材料及び低融点材料のうちの少なくとも高エネルギビームを照射する高融点材料側から加圧することを特徴とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
高エネルギビームの進行方向の少なくとも後方を加圧することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種材料の接合方法。
レーザビームを避けるように幅方向中央部分の径を小さくしたローラを用いて加圧することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の異種材料の接合方法。
ローラをレーザビームの前後に一個ずつ配置するとともに、ビーム照射位置の裏側近傍に配置し、これらのローラで両材料を挟み込んで圧力をかけることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の異種材料の接合方法。
互いに融点が異なる２種類の材料を重ね合わせて接合する異種材料の接合装置において、
高エネルギビームを集光して高融点材料側から照射する加工ヘッドと、
この加工ヘッドから高エネルギビームを高融点材料側から照射する段階で上記２種類の材料の接合部分に圧力を加えて互いに密着させる加圧手段とを備え、
上記高エネルギビームの照射位置に対する加圧手段による加圧位置を、接合界面における圧力と温度とが、低融点材料が金属間化合物の生成を伴わずに拡散する圧力Ｐ及び温度Ｔとなるように設定していることを特徴とする異種材料の接合装置。
加圧手段を、２種類の材料のうちの少なくとも高融点材料側に設けたことを特徴とする請求項６に記載の異種材料の接合装置。
加圧手段を高エネルギビームの進行方向の少なくとも後方に設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載の異種材料の接合装置。
加圧手段が、レーザビームを避けるように幅方向中央部分の径を小さくしたローラであることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の異種材料の接合方法。
両材料を挟み込んで圧力をかけるように、レーザビームの前後に一個ずつ配置するとともに、ビーム照射位置の裏側近傍にそれぞれローラを配置したことを特徴とする請求項９に記載の異種材料の接合装置。