特許 5897712 一体部材の製造方法及び一体部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5897712

(24)【登録日】2016年3月11日

(45)【発行日】2016年3月30日

(54)【発明の名称】一体部材の製造方法及び一体部材

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20160317BHJP

   B23K 11/20 20060101ALI20160317BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/00 310F

   B23K11/20

   B23K20/00 350

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-527411(P2014-527411)

(86)(22)【出願日】2013年11月11日

(86)【国際出願番号】JP2013080462

(87)【国際公開番号】WO2014080791

(87)【国際公開日】20140530

【審査請求日】2014年6月9日

(31)【優先権主張番号】特願2012-255775(P2012-255775)

(32)【優先日】2012年11月22日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000128175

【氏名又は名称】株式会社エフ・シー・シー

(74)【代理人】

【識別番号】100095614

【弁理士】

【氏名又は名称】越川 隆夫

(72)【発明者】

【氏名】土井 康生

(72)【発明者】

【氏名】望月 良幸

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 啓祐

【審査官】 水野 治彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２３９５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０３５９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０８４８８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／００

Ｂ２３Ｋ １１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム合金材料から成る第１部材と、鉄系材料から成る第２部材とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、
前記第１部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第２部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第１部材に対して第２部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第２部材の厚さ寸法以上、前記第１部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第１部材と第２部材との重なり代は、０．５ｍｍ以上に設定され、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させることによって、接合境界にＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層を形成させつつ接合境界を圧入方向に対して傾斜させ、材料が接合部よりはみ出した部位を形成させることを特徴とする一体部材の製造方法。

【請求項2】

前記第１部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が７．５〜１８．０重量％含有されたことを特徴とする請求項１記載の一体部材の製造方法。

【請求項3】

前記第１部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が６．５〜１３．０重量％含有されたことを特徴とする請求項１記載の一体部材の製造方法。

【請求項4】

前記第１部材は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０以上とされたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の一体部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウム合金材料から成る第１部材と、鉄系材料から成る第２部材とを溶接にて一体化させる一体部材の製造方法及び一体部材に関するものである。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム合金系材料及び鉄系材料を一体化させる技術として、冶金的接合法が挙げられる。従来の冶金的接合方法としては、表面にめっき被膜処理した鉄系材料の使用、溶加材の使用、或いはアルミニウムや鉄とは異なる材料を被接合部に介在させ、それらを溶融して接合するものが挙げられる。このような従来の一体部材の製造方法においては、通常、予めアルミニウム合金系材料の表面に形成された酸化膜を除去する工程が必要であるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が必要とされていた。なお、かかる先行技術は、文献公知発明に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、上記従来の一体部材の製造方法においては、高温度域とされる時間が比較的長くかかってしまうことから、接合部に生成される脆弱な中間層が厚くなってしまい、接合強度が低下してしまうという問題があった。また、予めアルミニウム合金系材料の表面に形成された酸化膜を除去する工程が必要であるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が必要とされていたので、製造コストが嵩んでしまうという問題もあった。

【0004】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる一体部材の製造方法及び一体部材を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

請求項１記載の発明は、アルミニウム合金材料から成る第１部材と、鉄系材料から成る第２部材とを溶接して一体化させる一体部材の製造方法であって、前記第１部材は、珪素を所定量含有するとともに、前記第２部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、前記第１部材に対して第２部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第２部材の厚さ寸法以上、前記第１部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の前記第１部材と第２部材との重なり代は、０．５ｍｍ以上に設定され、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させることによって、接合境界にＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層を形成させつつ接合境界を圧入方向に対して傾斜させ、材料が接合部よりはみ出した部位を形成させることを特徴とする。

【0006】

請求項２記載の発明は、請求項１記載の一体部材の製造方法において、前記第１部材は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素が７．５〜１８．０重量％含有されたことを特徴とする。

【0007】

請求項３記載の発明は、請求項１記載の一体部材の製造方法において、前記第１部材は、アルミニウム合金鋳物から成るとともに、珪素が６．５〜１３．０重量％含有されたことを特徴とする。

【0008】

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１つに記載の一体部材の製造方法において、前記第１部材は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０以上とされたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、第１部材は、珪素を所定量含有するとともに、第２部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、第１部材に対して第２部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、前記第２部材の厚さ寸法以上、前記第１部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の第１部材と第２部材との重なり代は、０．５ｍｍ以上に設定され、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させることによって、接合境界にＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層を形成させつつ接合境界を圧入方向に対して傾斜させ、材料が接合部よりはみ出した部位を形成させるので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る一体部材の製造方法（圧入前）を示す断面模式図

【図2】同一体部材の製造方法（圧入後）を示す断面模式図

【図3】得られた一体部材の接合部を示す写真

【図4】得られた一体部材の接合部を示す拡大写真

【図5】一体部材の製造における第１部材と第２部材との重なり代と接合率との関係を示す実験データ

【図6】一体部材の製造における第２部材の第１部材に対する押し込み量と接合率との関係を示す実験データ

【図7】一体部材の製造における第２部材の第１部材に対する押し込み量と接合率との関係であって重なり代を種々変更した場合の関係を示す実験データ

【図8】一体部材の製造における第１部材のロックウェル硬さと接合率との関係を示す実験データ

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る一体部材Ｗは、図１、２に示すように、互いに異なる２種類の金属（Ａｌ材及びＦｅ材）である第１部材１と第２部材２とを溶接（異材接合）して一体化させて成るものであり、第１部材１は、アルミニウム合金材料としてのアルミニウム（Ａｌ）合金ダイカストから成るとともに、第２部材２は、鉄（Ｆｅ）系材料から成るものである。

【0016】

本実施形態に係る第１部材１は、第２部材２との接合部の厚さ寸法がａとされた部材から成り、当該厚さ寸法ａは、第２部材２の第１部材１との接合部の厚さ寸法ｂより大きく設定されている。また、第１部材１における第２部材２との接合部における上縁端部には、面取りが施されているとともに、第２部材２における第１部材１との接合部における下縁端部にも同様の面取りが施されており、これら第１部材１と第２部材２とを一体化させる際、当該第１部材１の面取り部と第２部材２の面取り部とが対峙し得るよう構成されている。

【0017】

しかるに、第１部材１は、図１に示すように、図示しない固定型等に固定されるとともに、第２部材２は、第１部材１との間で重なり代ｃを有しつつ可動型等に取り付けられる。そして、可動型を固定型に対して近接させることにより、第１部材１に対して第２部材２を厚さ方向（図２中Ｈで示す方向）に所定寸法だけ押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて両者が一体化されるようになっている。

【0018】

例えば、第１部材１の下面には、下側電極が当該第１部材１と接触しつつ配設されているとともに、第２部材２の上面には、上側電極が当該第２部材２と接触しつつ配設されるものとされ、可動型に取り付けられた第２部材２を固定型に取り付けられた第１部材１に対して近接する方向（同図中下方）に移動させることにより圧入され、その圧入過程において、上側電極と下側電極との間で電圧が印加されて電気抵抗溶接が行われることとなるのである。

【0019】

このように、第１部材１を固定させた状態にて当該第１部材１に対して第２部材２を圧入させつつ圧入部に通電することにより、その圧入部が電気抵抗溶接され、図２に示すように、当該第１部材１に第２部材２が溶着されて成る一体部材Ｗが得られることとなる。なお、上側電極と下側電極との間の通電は、圧入の全過程に亘って行われるもの、或いは圧入過程の何れかの任意の時期のみ行われるものであってもよい。

【0020】

ここで、本実施形態に係る一体部材Ｗは、第１部材１に対して第２部材２を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、接合境界が接合方向（図２中上下方向）に対して角度ｅだけ傾斜している。この角度ｅは、例えば１０°程度であれば接合率（％）を向上する上で好ましい。かかる接合率（％）は、例えば以下の演算式にて求められる（本明細書における以降の説明において同じ）。
接合率（％）＝ｄ／ｂ×１００（但し、ｄは、接合境界における同図中上下方向（一体部材Ｗの厚み方向）の寸法）
なお、同図中符号ｆは、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形したそれぞれの材料が接合部よりはみ出した部位を示している。

【0021】

本実施形態に係る一体部材Ｗの製造方法によれば、従来の如き電子ビーム溶接や溶接トーチを用いたプラズマ溶接又はＴｉｇ溶接等に比べ、第１部材１と第２部材２との溶着を短時間で且つ良好に行わせ、製造時のサイクルタイムの短縮及び組み付け精度の向上を図ることができる。すなわち、本実施形態の如く環状の電気抵抗溶接によれば、上記した従来の溶接に比べて溶着作業が短時間で済み、入熱量を少なくして歪みを抑制しつつ第１部材１と第２部材２との溶接を行うことができるのである。

【0022】

ここで、本実施形態に係る第１部材１は、アルミニウム合金ダイカストから成るとともに、珪素（Ｓｉ）を所定量含有するものとされている。より具体的には、第１部材１は、珪素（Ｓｉ）を７．５〜１８．０重量％、及び銅（Ｃｕ）を１．５〜５．０重量％添加して含有させたアルミニウム合金ダイカストから成り、上述の如く第１部材１に対して第２部材２を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量Ｈは、第２部材２の厚さ寸法ｂ以上、第１部材１の厚さ寸法ａ未満に設定されるとともに、圧入の際の第１部材１と第２部材２との重なり代ｃは、０．５ｍｍ以上に設定されている。

【0023】

さらに、本実施形態に係る第１部材１は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０以上のアルミニウム合金ダイカストから成るものとされている。なお、第１部材１は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０〜ＨＲＢ ５０の範囲の部材であるのが好ましく、第２部材２は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ８０〜ＨＲＢ ８５の範囲の部材であるのが好ましいが、上記の一体部材Ｗの製造方法における圧入条件を満たすものであれば、他の硬さのものを用いてもよい。

【0024】

そして、珪素（Ｓｉ）及び銅（Ｃｕ）を所定量含有したアルミニウム合金ダイカストから成る第１部材１と鉄系材料から成る第２部材２とを上記の如き環状の電気抵抗溶接すると、図３、４に示すように、第１部材１と第２部材２との接合境界には、幅寸法ｋの中間層αが形成されていた。かかる中間層αは、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物から成るものであり、その幅寸法ｋが比較的小さなものであった。

【0025】

しかして、本実施形態によれば、珪素（Ｓｉ）及び銅（Ｃｕ）を所定量含有したアルミニウム合金ダイカストから成る第１部材１を用いることにより、Ａｌ−Ｆｅなる二元系化合物から成る脆い中間層に代えて、比較的強度の高いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層αを接合境界に生成させることができるので、接合強度を向上させることができる。さらに、添加物が珪素（Ｓｉ）であることから、電気抵抗溶接に伴う加熱量が多くなっても、中間層αの幅寸法ｋが必要以上に大きくなってしまうのを回避することができる。なお、第１部材１は、珪素（Ｓｉ）に加えて銅（Ｃｕ）も所定量添加されているので、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層αの生成を促進することができ、より接合強度を向上させることができる。

【0026】

例えば、第１部材１について、アルミニウム合金ダイカストから成り、珪素（Ｓｉ）を５．１２（重量％）含有した試料Ａ１、珪素（Ｓｉ）を７．４５（重量％）含有した試料Ａ２、珪素（Ｓｉ）を１０．７（重量％）含有した試料Ａ３、珪素（Ｓｉ）を１８．１（重量％）含有した試料Ａ４と、アルミニウム合金鋳物から成り、珪素（Ｓｉ）を４．５３（重量％）含有した試料Ｂ１、珪素（Ｓｉ）を６．３８（重量％）含有した試料Ｂ２、珪素（Ｓｉ）を１３．２（重量％）含有した試料Ｂ３とを用意し、鉄系材料から成る第２部材２との間で上記の如く環状の電気抵抗溶接した場合、表１のような結果が得られた。

【0027】

【表1】

【0028】

かかる表１によれば、第１部材１がアルミニウム合金ダイカストから成る場合、珪素が概ね７．５〜１８．０重量％程度含有したものであれば、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層αの生成が得られるとともに、第１部材１がアルミニウム合金鋳物から成る場合、珪素が概ね６．５〜１３．０重量％含有したものであれば、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層αの生成が得られることが分かる。なお、何れの試料においても、生成された中間層αの厚さは１（μｍ）以下となっており、強度が向上していると考えられる。

【0029】

以下に、本実施形態に係る一体部材の製造方法について、実験データに基づいて説明する。
アルミニウム合金ダイカストから成る厚さ寸法（ａ）が６（ｍｍ）の第１部材１を固定型に固定させるとともに、鉄系材料から成る厚さ寸法（ｂ）が４（ｍｍ）の第２部材２を可動型に取り付けた。このときの第１部材１と第２部材２との間の重なり代（ｃ）を種々変えたものを複数用意し、それぞれに対して押し込み量（Ｈ）が４（ｍｍ）となる圧入を行わせつつ電気抵抗溶接を行った。このときの第１部材１は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０〜ＨＲＢ ５０のものとされるとともに、第２部材２は、ロックウェル硬さがＨＲＢ ８０〜ＨＲＢ ８５のものとされている。

【0030】

かかる電気抵抗溶接により一体化された一体部材について、それぞれ接合率（％）を測定したところ、図５に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第１部材１に対して第２部材２を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化する際、第１部材１と第２部材２との重なり代（ｃ）を０．５（ｍｍ）以上とすることにより、両者の接合率（％）を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。

【0031】

また、重なり代（ｃ）を０．５（ｍｍ）及び０．７５（ｍｍ）に設定しつつ、第１部材１に対する第２部材２の押し込み量を第２部材２の厚さ寸法（ｂ）から種々変更し、それぞれ接合率（％）を測定したところ、図６に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第１部材１と第２部材２との重なり代（ｃ）が０．５（ｍｍ）、０．７５（ｍｍ）の場合、押し込み量（Ｈ）を第２部材２の厚さ寸法ｂ以上とすることにより、両者の接合率（％）を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。

【0032】

さらに、重なり代（ｃ）を０．５（ｍｍ）、０．７５（ｍｍ）、１．０（ｍｍ）、１．２５（ｍｍ）、１．５（ｍｍ）に設定しつつ、第１部材１に対する第２部材２の押し込み量を第２部材２の厚さ寸法（ｂ）から種々変更し、それぞれ接合率（％）を測定したところ、図７に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、第１部材１と第２部材２との重なり代（ｃ）が０．５（ｍｍ）、０．７５（ｍｍ）、１．０（ｍｍ）、１．２５（ｍｍ）、１．５（ｍｍ）の場合、押し込み量（Ｈ）を第２部材２の厚さ寸法ｂ以上とすることにより、両者の接合率（％）を向上させることができ、接合強度を向上させ得ることが分かる。

【0033】

またさらに、ロックウェル硬さが種々異なる第１部材１を用い、重なり代（ｃ）を０．７５（ｍｍ）、及び第１部材１に対する第２部材２の押し込み量を当該第２部材２の厚さ寸法（ｂ）に設定して、それぞれ接合率（％）を測定したところ、図８に示す如きグラフが得られた。かかる実験結果によれば、ロックウェル硬さ（硬度ＨＲＢ）が４０以上の第１部材１を用いることにより、常に安定した接合率を得ることができる。

【0034】

このように、本実施形態によれば、第１部材１は、珪素を所定量含有するとともに、第２部材２より厚さ寸法が大きな部材から成り、第１部材１に対して第２部材２を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量Ｈは、第２部材２の厚さ寸法ｂ以上、第１部材１の厚さ寸法ａ未満に設定されるとともに、圧入の際の第１部材１と第２部材２との重なり代ｃは、０．５ｍｍ以上に設定されたので、接合強度を向上させることができるとともに製造コストを低下させることができる。

【0035】

特に、本実施形態によれば、第１部材１を構成するアルミニウム合金ダイカストが珪素（Ｓｉ）又は銅（Ｃｕ）を所定量含有するものとされ、かつ、第１部材１に対して第２部材２を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化させるので、接合境界に生成される中間層αの幅寸法ｋを小さくすることができ、かつ、その中間層αを比較的強度の高いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系化合物とすることができ、接合強度を向上させることができる。

【0036】

また、本実施形態によれば、第１部材１に対して第２部材２を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、圧入時に第１部材１の被溶接部（圧入部）の表面にある酸化膜が除去されることとなり、接合に必要な元素拡散を阻害することなく良好な溶接が可能とされる。これにより、酸化膜を除去するための別個の工程を不要とすることができるとともに、接合時においてシールドガス雰囲気や真空雰囲気が不要とされ、製造コストを低下させることができる。

【0037】

さらに、第１部材１に対して第２部材２を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、接合境界が接合方向に対して傾斜（図２〜４参照）することとなる。これにより、第１部材１と第２部材２との接合率が増加することとなり、接合強度をより向上させることができる。またさらに、第１部材１に対して第２部材２を圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させているので、溶接時間が短時間とされ、高温度域の時間が短くなって中間層αの生成をより抑制することができ、接合強度をより向上させることができる。

【0038】

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば第１部材１をアルミニウム合金ダイカストに代え、例えばアルミニウム合金鋳物としてもよく、この場合、珪素が６．５〜１３．０重量％含有された部材を用いるのが好ましい。また、第１部材１及び第２部材２は、上記実施形態の如き硬度の部材が好ましいが、それと異なる硬さの部材を用いるようにしてもよい。但し、第１部材１については、ロックウェル硬さがＨＲＢ ４０以上の部材が好ましい。さらに、本実施形態に係る第１部材１は、銅（Ｃｕ）を１．５〜５．０重量％含有しているが、他の含有量であってもよく或いは銅（Ｃｕ）を含有していないものであってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0039】

第１部材は、珪素を所定量含有するとともに、第２部材より厚さ寸法が大きな部材から成り、第１部材に対して第２部材を厚さ方向に押し込んで圧入しつつ圧入部に対して通電することにより電気抵抗溶接させて一体化するものとされ、かつ、圧入の際の押し込み量は、第２部材の厚さ寸法以上、第１部材の厚さ寸法未満に設定されるとともに、圧入の際の第１部材と第２部材との重なり代は、０．５ｍｍ以上に設定され、接合時の通電及び加圧により溶融及び塑性変形させることによって、接合境界にＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ三元系化合物から成る中間層を形成させつつ接合境界を圧入方向に対して傾斜させ、材料が接合部よりはみ出した部位を形成させる一体部材の製造方法及び一体部材であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたもの等にも適用することができる。

【符号の説明】

【0040】

１ 第１部材
２ 第２部材
Ｗ 一体部材

【図1】

【図2】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図3】

【図4】