JP5119458B2 - シール性に優れた異種金属材料の接合部を形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、シール性に優れた異種金属材料の接合部を形成する方法、及びその方法によって形成された異種金属複合体に関する。

近年、原油価格の高騰などでエネルギー問題は、社会的に解決すべき急務である。特に、自動車産業や輸送機器分野では、燃費向上が強く求められ、車体・機器の軽量化などが必要になっており、車体材料では、重い鉄系材料から軽量なアルミニウム系材料への置き換えが随所になされている。その結果、鉄系材料とアルミニウム系材料の接合箇所が多くなり、その接合技術が非常に重要になっている。

従来の鉄系材料とアルミニウム系材料の接合方法としては、ボルトやリベット締結が用いられる。このような機械的な締結方法は、金属材料に穴加工またはネジ加工を行い、ボルトで締結したり、金属材料を貫通するように数ｍｍから数十ｍｍ程度の径を有するリベットを打ち込んで固定したりする物理的な締結方法である。これらの方法は、固定方式が点接合であるため、接合部の剛性を上げるには、非常に多くの箇所を締結する必要性があり、固定のためのフランジも必要となり、生産・製造および製品の設計の自由度が制限される。また、ボルトやリベットは、締結部にある程度の大きさ・質量を与えるため、部品の大型化・重量増加が避けられず、大型あるいは単純な商品、部品に主に適用されている。

さらに、自動車分野では、軽量化による強度低下が許されないため、溶接方法も、点接合から、高強度接合が可能な線接合への展開が進んでいる。この新しい方法として、フランジが不要であり、高速化も容易なレーザ溶接の適用が検討されている。しかしながら、この方法の接合自体が、異種金属の接触を前提とする場合が多く、異種金属接触腐食という実用上極めて重要な問題を生じる可能性がある。異種金属接触腐食とは、イオン化傾向の大きい金属と小さい金属が接している部分に水が触れることで激しい腐食が発生することである。これは、いわゆるボルタの電池と呼ばれる現象で、イオン化傾向の大きい方が陽極に、小さい方が陰極になって電流が流れ、陽極となる金属が集中的に腐食（消耗）することになる。このような現象を起こさないためには、異種金属材料間の接合部を効果的にシールして防水することが必要である。
特開２００６−２６２５６８号公報

本発明は、かかる従来技術の現状に鑑み創案されたものであり、その目的は、異種金属材料同士の接合の際に異種金属接触腐食を起こしにくいシール性に優れた接合部を形成するための方法、及びその方法によって形成された異種金属複合体を提供することにある。

本発明者は、かかる目的を達成するためにシール性に優れた接合部の形成方法について鋭意検討した結果、接合すべき異種金属材料間に樹脂材料を介在させて異種金属材料の溶接時に樹脂材料も溶融させる温度以上に加熱することによってシール性に優れた接合部を形成できることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明は、シール性に優れた異種金属材料の接合部を形成する方法において、異種金属材料間に樹脂材料を挟み込み、レーザー光源によって異種金属材料の接合部及び／又はその周辺部の樹脂材料を樹脂材料の溶融温度以上、分解温度未満に加熱してシール部を作りながら異種金属材料を接合すること、及び異種金属材料が鉄系材料とアルミニウム系材料からなることを特徴とする方法である。

本発明の方法の好ましい実施態様では、樹脂材料が熱可塑性である。

本発明の方法によれば、異種金属材料の接合部に水分の浸入を防ぐ樹脂材料のシール部を形成することができるので、異種金属接触腐食を起こさない高強度の接合部を得ることができる。

本発明の方法を水平方向から見た構成を示す。 本発明の方法を鉛直方向から見た構成を示す。 本発明の方法によってレーザ照射後剥離した被加工物４の裏面を示す。 本発明の方法によってレーザ照射後剥離した被加工物４の接合面を示す。 本発明の方法によってレーザ照射後剥離した被加工物６のレーザ照射した表面を示す。 本発明の方法によってレーザ照射後剥離した被加工物６の接合面を示す。 図６における被加工物５および６のレーザ照射部周辺の拡大写真を示す。 本発明の方法によって形成された異種金属接合部の模式図を示す。

符号の説明

１ レーザ加工ヘッド
２ レーザ光
３ レーザ入射角度
４ 被加工物（アルミニウム合金Ａ５０８３）
５ 被加工物（ＰＥＴフィルム）
６ 被加工物（亜鉛メッキ鋼板）
７ 試料台
８ ガスノズル
９ シールドガス
１０ クランプ
１１ 溶接ビード
１２ レーザ照射によって溶融した部分
１３ ガスの痕跡
１４ 被加工物５のレーザ照射部周辺
１５ 気泡

以下に本発明を具体的に説明する。
本発明の方法で使用する金属材料としては、鉄、アルミニウム、チタン、銅等及びそれらの合金が挙げられるが、特に限定されない。本発明においては、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン合金等からなる板状の金属材料が特に好ましい。金属材料は、樹脂材料との接合力を高めるための表面処理を行ったものが好ましい。また、鉄及び鉄系合金に対して亜鉛メッキした材料も好ましく使用される。異種金属材料の組み合わせとしては、例えば鉄、鉄鋼材料、及びそれらのメッキ品のような鉄系材料と、アルミニウム、アルミニウム合金、及びそれらのメッキ品のようなアルミニウム系材料が挙げられる。

本発明の方法で使用する樹脂材料としては、加熱により流動化する樹脂および／又は樹脂の前駆体が挙げられる。具体的に用いる樹脂の種類としては、例えば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリスチレンやＡＢＳ等のスチレン系樹脂、アクリル系樹脂（ＰＭＭＡ等）、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン樹脂（ＰＯ）等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。特に主鎖、側鎖および／又は末端に極性基ないし金属と反応性を有する基を有する樹脂材料が好ましく、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）や、カルボン酸基やスルホン酸金属塩基などの極性基ないし金属と反応性を有する基を側鎖および／又は末端に有するスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン樹脂が好ましい。また、樹脂材料は、１０μｍ〜１ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１００μｍの厚さを有するフィルムとして使用することが好ましい。なお、本発明における樹脂材料には必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材、熱安定剤、光安定剤等を添加したものを用いてもよい。

本発明の方法では、異種金属材料の接合部を形成するにあたり、異種金属材料間に樹脂材料を挟み込み、これらの材料を合わせた状態で接合部を溶接可能な温度まで加熱して異種金属材料を溶接する。このとき、接合部及び／又はその周辺部の樹脂材料が、接合部の溶接時にその溶融温度以上、分解温度未満に加熱されることが必要である。この加熱により、異種金属材料が互いに直接接合されている部分には樹脂が存在しないが、その周辺部には金属に溶着した樹脂が必ず存在する状態が形成され、この異種金属材料の接合部をシールする樹脂の存在が異種金属接触腐食を効果的に防止する。また、異種金属材料の接合強度は、主に異種金属材料間の直接の接合によるが、金属−樹脂−金属の接合も補助的に寄与していると考えられる。

本発明の方法で使用する加熱源としては、レ−ザ光源が好ましい。例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ等を用いることができるが、レーザの種類に関しては、樹脂材料を金属材料に挟んで使用するので、レーザ波長依存性がなく、特に制限はない。また、これらの加熱源の照射は、連続照射又はパルス照射のいずれでもよい。なお、レーザの出力、照射密度、加工速度（移動速度）、焦点はずし距離等の照射条件は、従来公知の方法で、目的に応じて適宜設定可能である。

本発明の方法によって形成された異種金属材料の接合部は、高い接合強度を有するだけでなく、水分の浸入を効果的に防止する優れたシール部を有するので、高い接合強度を長期間にわたって維持することができる。

以下に実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
〔実施例１〕
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の方法を水平方向から見た構成を示す図である。２ｍｍ厚のアルミニウム合金Ａ５０８３（被加工物４）の上に、５０μｍ厚のＰＥＴフィルム（被加工物５）を置き、さらに１ｍｍ厚の亜鉛メッキ鋼板（被加工物６）を重ねてクランプ１０（図２参照）で固定した。次に、レーザ加工ヘッド１に波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光２を導入し、６０度のレーザ入射角度３で、亜鉛メッキ鋼板表面に照射した。レーザ光２は、パワー１５００Ｗで、焦点位置からレンズから遠ざかる方向に１６ｍｍ離れた位置で、ビームスポット形状は、３．４ｍｍ×３．９ｍｍの楕円形である状態で照射した。試料台７が移動し、レーザ溶接速度１０ｍｍ／ｓを実現した。レーザ加工ヘッド１に取り付けた直径６ｍｍのガスノズル８からシールドガス９のアルゴンガスを４０ｌ／Ｍｉｎで吹きかけた。図２は、本発明の方法を鉛直方向から見た構成を示す図である。被加工物４、５および６は、クランプ１０で固定され、レーザ照射されたところには溶接ビード１１が形成された。図３〜図６は、レーザ照射後の接合部を剥がした後での被加工物４のアルミニウム合金の表裏と被加工物６の亜鉛メッキ鋼板の表裏を示す写真である。図３は、レーザ照射後剥離した被加工物４の裏面、図４は、レーザ照射後剥離した被加工物４の接合面、図５は、レーザ照射後剥離した被加工物６のレーザ照射した表面、図６は、レーザ照射後剥離した被加工物６の接合面を示す。図３では、レーザ照射痕も残らず、受入れ時と変わらない表面を呈していることがわかる。図４では、レーザ照射によって金属が溶融した部分１２が見受けられ、その周囲には溶融した樹脂が覆われ、またレーザ溶接時に発生した樹脂のガスの痕跡１３も見受けられる。そしてガスの痕跡１３からレーザ溶接中に側面方向に樹脂のガスは逃げていないことが見てとれる。図５では、レーザ光２による溶接ビード１１が確認でき、その接合面を表わす図６でも、図４と同様にレーザ照射によって金属が溶融した部分１２が見受けられ、その周囲には溶融した樹脂が覆われ、またレーザ溶接時に発生した樹脂のガスの痕跡１３も見受けられる。さらに、図６では、ＰＥＴ樹脂が異種金属接合部の周囲でしっかり溶着し、残っていることがわかる。図７は、ＰＥＴ樹脂のレーザ照射部周辺１４の拡大写真である。そこにもガスの痕跡１３が見受けられ、さらにその外側に気泡１５の存在も多数確認でき、この金属樹脂接合部に樹脂の溶融・蒸発に至る高温と、樹脂の蒸発による高圧が加わったことがわかる。この部分では、金属−樹脂−金属の接合が存在していると考えられる。以上のようにして形成された異種金属材料の接合部は、図８に示す模式図で表わすことができ、異種金属樹脂接合部の周囲に水の浸入を防ぐシール部を有する構成を持っている。また、以上のようにして形成された異種金属材料の接合部を、６重量％ＮａＣｌ水溶液中に常温下で一週間浸漬した後、接合部を剥離して肉眼で観察したところ、異種金属接触腐食は全く認められなかった。

本発明の方法によれば、異種金属材料の接合部に水分の浸入を防ぐ樹脂材料のシール部を形成することができるので、異種金属接触腐食を起こさない高強度の接合部を得ることができる。従って、本発明の方法は、接合部とその周辺にシール部を同時に形成するものであり、自動車分野などの分野で設計や材料選択の自由度が増え、腐食を生じにくい異種金属材料の接合部を形成する上で極めて有用である。

Claims (2)

1. シール性に優れた異種金属材料の接合部を形成する方法において、異種金属材料間に樹脂材料を挟み込み、レーザー光源によって異種金属材料の接合部及び／又はその周辺部の樹脂材料を樹脂材料の溶融温度以上、分解温度未満に加熱してシール部を作りながら異種金属材料を接合すること、及び異種金属材料が鉄系材料とアルミニウム系材料からなることを特徴とする方法。
2. 樹脂材料が熱可塑性であることを特徴とする請求項１に記載の方法。