異種金屬接合方法
【專利說明】
[0001] 本申請是國際申請?zhí)朠CT/JP2012/055143、國家階段申請?zhí)?01280012117. 0、申 請日2012年2月29日、發(fā)明名稱為"異種金屬接合方法"的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及利用使用了媽電極的直流TIG(Tungsten Inert Gas)焊接對錯合金材 和鋼材進(jìn)行角焊的異種金屬接合方法。需要說明的是，在本發(fā)明中所說的"鋁合金材"是鋁 合金制的乳制板材（冷乳板等）、擠壓型材或?qū)ζ溥M(jìn)行了成形加工的車身用等的各種構(gòu)件、 零件的總稱。另外，在本發(fā)明中所說的"鋼材"是冷乳鋼材、型鋼或?qū)ζ溥M(jìn)行了成形加工的 車身用等的各種構(gòu)件、零件的總稱。
【背景技術(shù)】
[0003] 近年來，提出了由以機(jī)動車為代表的輸送用車輛排出的廢氣等所引起的全球變暖 等針對地球環(huán)境的問題，作為其對策之一，研究通過機(jī)動車等車輛的輕量化來提高燃料消 耗率。另一方面，若僅將車輛輕量化，則擔(dān)心在機(jī)動車等發(fā)生碰撞事故的情況下成為較大事 故的可能性變高。因此，也研究在輕量化的同時提高安全性?；谶@樣的理由，研究將輕量 且能量吸收性優(yōu)異的鋁合金應(yīng)用于以機(jī)動車為代表的輸送用車輛的車身的一部分，近年來 也開始實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 但是，為了將鋁合金應(yīng)用于以機(jī)動車為代表的輸送用車輛，需要進(jìn)行有效利用鋁 合金的特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因而，除了全鋁合金制的特殊的車輛之外，相對于構(gòu)成車身的結(jié)構(gòu) 體的鋼材局部地組裝鋁合金材。因此，鋼材和鋁合金材的異種金屬接合技術(shù)是必須的。
[0005] 然而，若僅利用焊接進(jìn)行鋼材和鋁合金材的異種金屬接合，則在鋼材和鋁合金材 彼此的接合界面處生成高硬度且非常脆的Fe和Al的金屬間化合物層（或反應(yīng)層）。即，即 使鋼材和鋁合金材在外表上彼此接合，也會由于在接合界面處生成的非常脆的Fe和Al的 金屬間化合物層（或反應(yīng)層）而產(chǎn)生在接縫處無法獲得足夠的接合強(qiáng)度這樣的問題。
[0006] 在鋼材和鋁合金材的接合技術(shù)中采用焊接的情況下，產(chǎn)生上述那樣的問題。因此， 鋼材和鋁合金材的接合中也采用自沖鉚接、使用了螺栓等固定器具的機(jī)械接合技術(shù)、使用 粘接劑的接合技術(shù)。但是，這些接合技術(shù)存在接合作業(yè)繁雜、接合成本上升這樣的課題，不 能廣泛應(yīng)用。
[0007] 當(dāng)前情況下，構(gòu)成以機(jī)動車為代表的輸送用車輛的鋼材等的接合中，廣泛采用TIG 焊接等的線接合、點(diǎn)接合等焊接技術(shù)。若能夠?qū)⑦@些焊接技術(shù)應(yīng)用于鋼材和鋁合金材的異 種金屬接合技術(shù)，則能夠在工廠內(nèi)的與鋼材相同的生產(chǎn)線、工序下制造使用鋁合金材的車 輛，能夠進(jìn)一步促進(jìn)接合作業(yè)的效率化。
[0008] 在這些焊接技術(shù)中，TIG焊接是鋼材彼此的接合等中最廣泛采用的技術(shù)。但是，如 上所述，在鋼材和鋁合金材的異種金屬接合中擔(dān)心生成Fe和Al的金屬間化合物層這樣的 問題，因此，實(shí)際情況是TIG焊接不僅沒有實(shí)際應(yīng)用而且也幾乎沒有提案。
[0009] 在這樣的實(shí)際情況中，通過專利文獻(xiàn)1提案出與利用TIG焊接進(jìn)行的鋼材和鋁合 金材的異種金屬接合相關(guān)的技術(shù)。但是，該提案只不過是作為對接焊及搭接焊的一例而舉 出TIG焊接。即，在該提案中，焊接手段可以從激光、電子束、等離子弧、TIG、MIG及0)2弧 的組中選擇。在該提案中，只不過記載焊接手段可以是TIG焊接。
[0010] 專利文獻(xiàn)2提案有以相對于焊接施工方向?qū)摬脑O(shè)為上側(cè)、將鋁合金材設(shè)為下側(cè) 的方式使鋼材與鋁合金材彼此重疊地焊接的異種金屬接合方法。在該方法中，提案有在使 鋁合金材的焊接面位置比鋼材的焊接面位置在焊接施工方向上向上側(cè)突出的狀態(tài)下沿著 焊接線進(jìn)行焊接。記載了利用該方法能改善鋼材的焊接面的鋁熔液的潤濕性，能促進(jìn)鋼材 的表面（焊接面）的氧化膜去除，能實(shí)現(xiàn)良好的接合。
[0011] 另外，在該專利文獻(xiàn)2中，也謀求使用在鋁材外皮內(nèi)部填充焊劑而成的藥芯焊絲 (FCW)的方案的TIG焊接。順便一提，這樣的異種金屬接合所使用的FCW的組成以往被專利 文獻(xiàn)3等多次提出。但是，在這些專利文獻(xiàn)2、3中，并未公開使用TIG焊接的鋁合金材和鋼 材的具體的異種金屬接合方法。
[0012] 因此，本發(fā)明人重新實(shí)際實(shí)施利用TIG焊接對鋁合金材和鋼材進(jìn)行接合的異種金 屬接合試驗(yàn)并確認(rèn)了此時產(chǎn)生的問題點(diǎn)。具體而言，如圖10所示，首先，使鋁合金材11位 于上側(cè)，使鋁合金材11的一端部重疊在鋼材12上。然后，進(jìn)行一邊向由鋁合金材11的端 部Ila和鋼材12的表面形成的臺階部13供給藥芯焊絲（FCW) 7 -邊使用鎢電極30對鋁合 金材11和鋼材12進(jìn)行角焊的異種金屬接合試驗(yàn)。需要說明的是，TIG焊接利用鋁合金材 彼此的焊接通常所用的交流TIG焊接來進(jìn)行。
[0013] 該異種金屬接合試驗(yàn)的結(jié)果是，盡管焊接時幾乎沒有產(chǎn)生濺射而良好，但成為熔 融了的鋁合金材11和同樣地熔融了的FCW7如焊道4a、4b那樣分開地存在于鋼材12的表 面上的接合（焊道）狀態(tài)。
[0014] 對于這樣的分為焊道4a、4b的接合狀態(tài)，即使進(jìn)行提高電力（熱量輸入）或減慢 焊接速度等較大改變TIG焊接的焊接條件的調(diào)整也會產(chǎn)生上述接合狀態(tài)，不能完全地防 止。在這樣的焊道分開的接合狀態(tài)下，不能提高接縫（異種金屬接合接縫）的接合強(qiáng)度。
[0015] 需要說明的是，該焊道的分開公知為駝峰現(xiàn)象，其在鋼材彼此的TIG焊接中特別 是電弧的高壓力下、高速的焊接下容易產(chǎn)生，使熔池的形狀變得不穩(wěn)定，熔池產(chǎn)生振動而在 焊道上產(chǎn)生激烈的凹凸。
[0016] 作為防止產(chǎn)生該焊道分開的手段，始終是關(guān)于鋼材彼此的TIG焊接的技術(shù)，提出 有使用磁場的方法、在鎢電極的頂端部的形狀處花費(fèi)功夫的技術(shù)。使用磁場的方法例如在 專利文獻(xiàn)4中進(jìn)行提案。在專利文獻(xiàn)4中，使通過施加于焊接電弧周圍的恒定磁場和流向 焊接電弧的電弧電流的電磁相互作用而產(chǎn)生的電磁力作用于焊接電弧，使焊接電弧的放射 形狀偏向于被接合部的焊接線方向，從而將兩個被接合部連續(xù)地接合。
[0017] 專利文獻(xiàn)4所公開那樣的使用磁場的方法確實(shí)是對防止產(chǎn)生焊道分開有效的技 術(shù)，但需要另外設(shè)置磁鐵裝置。并且，在該方法中，由于通過磁鐵裝置產(chǎn)生的電磁力作用于 焊接電弧，因此需要對該電磁力進(jìn)行控制，現(xiàn)有焊接設(shè)備不能簡單地應(yīng)對。這會引起成本上 升，因此實(shí)際使用上存在問題。
[0018] 另一方面，在鎢電極的頂端部形狀上花費(fèi)功夫的技術(shù)通過專利文獻(xiàn)5、專利文獻(xiàn)6 進(jìn)行提案。通常的鎢電極的頂端部形狀是鉛筆的頂端那樣的圓錐形狀。但是，在專利文獻(xiàn) 5中，提案有將作為頂端部具有棱線的TIG焊接用電極棒的表面的一點(diǎn)設(shè)為最頂端的形狀、 將形成棱線的面間的角度設(shè)為40~100度的電極。在專利文獻(xiàn)5中，使電弧點(diǎn)沿著棱線的 部分產(chǎn)生，防止電弧爬到電極頂端附近的面的部分，防止電弧向焊道的寬度方向擴(kuò)散而使 電弧集中，能夠以大電流進(jìn)彳丁尚速的TIG焊接。
[0019] 在專利文獻(xiàn)6中，提案有在進(jìn)行具有窄縫的鋼材彼此的接合焊接的TIG焊接裝置 中，使鎢電極從鋁合金材的上方朝向焊接線并且做成將鎢電極的頂端以30°~40°的角 度斜切后的偏芯形狀，一邊使該媽電極在窄縫內(nèi)旋轉(zhuǎn)一邊使焊絲恪融。
[0020] 即使將專利文獻(xiàn)5記載的鋼材彼此的TIG焊接中的電極改良技術(shù)應(yīng)用于使用FCW 的鋁合金材和鋼材的異種金屬的TIG焊接，也不能防止產(chǎn)生上述的焊道分開。其理由在于， 使用FCW的鋁合金材和鋼材的異種金屬的TIG焊接是異材彼此的焊接，因此與鋼材彼此的 TIG焊接相比，其焊接機(jī)理、焊道分開的產(chǎn)生機(jī)理等不同。
[0021] 另外，專利文獻(xiàn)6所述的技術(shù)是關(guān)于厚板的對接焊的技術(shù)，不能直接應(yīng)用于薄板 的搭接角焊。
[0022] 在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0023] 專利文獻(xiàn)
[0024] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2001 - 47244號公報
[0025] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2010 - 207886號公報
[0026] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2008 - 68290號公報
[0027] 專利文獻(xiàn)4 :日本特開2008 - 105056號公報
[0028] 專利文獻(xiàn)5 :日本特開平6 - 328287號公報
[0029] 專利文獻(xiàn)6 :日本特開2004 - 237326號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030] 發(fā)明要解決的課題
[0031] 本發(fā)明是為了解決上述以往的問題而做成的，其課題在于，提供能夠利用鋼材彼 此的接合等中最廣泛采用的TIG焊接進(jìn)行鋁合金材和鋼材的異種金屬接合、并且能夠獲得 優(yōu)良的焊道外觀和所需的接縫強(qiáng)度的異種金屬接合方法。
[0032] 用于解決課題的手段
[0033] 本發(fā)明的異種金屬接合方法的一個主旨在于，一種異種金屬接合方法，其使鋁合 金材和鋼材的至少一部分重疊，將所述鋁合金材側(cè)作為正極，一邊向由所述鋁合金材的端 部和所述鋼材的表面形成的臺階部供給藥芯焊絲，一邊利用使用了棒狀的鎢電極的直流 TIG焊接對所述鋁合金材和所述鋼材進(jìn)行角焊，所述鎢電極具備相對于所述鎢電極的中心 軸線非對稱的形狀的頂端部，所述頂端部具有以相對于所述中心軸線20°以上且40°以 下的角度形成的頂端面，在焊接中，以使所述鎢電極的頂端朝向所述鋼材側(cè)且使所述頂端 面朝向所述鋁合金材側(cè)的方式使所述鎢電極從所述鋁合金材的上方側(cè)朝向焊接線，從而由 所述鎢電極的所述頂端產(chǎn)生的電弧指向所述鋼材側(cè)。以下，將該發(fā)明稱作本申請第一發(fā)明。
[0034] 本發(fā)明的異種金屬接合方法的另一主旨在于，一種異種金屬接合方法，其使鋁合 金材和鋼材的至少一部分重疊，將所述鋁合金材側(cè)作為正極，一邊向由所述鋁合金材的端 部和所述鋼材的表面形成的臺階部供給藥芯焊絲，一邊利用使用了棒狀的鎢電極的直流 TIG焊接對所述鋁合金材和所述鋼材進(jìn)行角焊，在焊接中，在所述鎢電極從與所述鋁合金材 垂直的方向以大于5°且小于35°的角度向所述鋁合金材側(cè)傾斜的狀態(tài)下，將所述鎢電極 的頂端部配置于在與所述鋁合金材平行的方向上從所述鋁合金材的端部向所述鋁合金材 側(cè)離開Omm以上且小于3. 5mm的范圍的位置，并且配置于從所述鋁合金材的表面垂直地離 開2. Omm以上且小于4. 5mm的位置。以下，將該發(fā)明稱作本申請第二發(fā)明。
[0035] 本發(fā)明的異種金屬接合方法的又一主旨在于，一種異種金屬接合方法，其使鋁合 金材和鋼材的至少一部分重疊，將所述鋁合金材側(cè)作為正極，一邊向由所述鋁合金材的端 部和所述鋼材的表面形成的臺階部供給藥芯焊絲，一邊利用使用了棒狀的鎢電極的直流 TIG焊接對所述鋁合金材和所述鋼材進(jìn)行角焊，在焊接中，在所述鎢電極從與所述鋼材垂直 的方向起向所述鋼材側(cè)傾斜35°以上且小于60°的狀態(tài)下，將所述鎢電極的頂端部配置 于從所述鋁合金材的表面垂直地離開2. Omm以上且小于4. 5mm的位置，將所述鎢電極的中 心軸線的延長線與所述鋁合金材的表面相交的位置配置于從所述鋁合金材的端部向所述 鋁合金材側(cè)離開1.0 mm以上且小于3. Omm的范圍內(nèi)。以下，將該發(fā)明稱作本申請第三發(fā)明。
[0036] 在本申請第一發(fā)明~第三發(fā)明中，優(yōu)選的是，從焊接行進(jìn)方向供給所述藥芯焊絲。
[0037] 發(fā)明效果
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的異種金屬接合方法，利用鋼材彼此的接合等中最廣泛采用的TIG焊 接來進(jìn)行鋁合金材和鋼材的異種金屬接合，能夠防止產(chǎn)生焊道分開，能夠獲得優(yōu)良的焊道 外觀和所需的焊縫強(qiáng)度。
【附圖說明】
[0039] 圖1的（a)是表示本申請第一發(fā)明的電極的頂端部形狀的側(cè)視圖，圖1的（b)是 表示圖1的（a)的電極的頂端部形狀的主視圖。
[0040] 圖2是表示以往的圓錐型的電極頂端部形狀的主視圖。
[0041] 圖3的（a)是表示比較例的電極的頂端部形狀的側(cè)視圖，圖3的（b)是表示圖3 的（a)的電極的頂端部形狀的主視圖。
[0042] 圖4是表示使用圖1的（a)、（b)的電極的本發(fā)明的TIG焊接施工例的說明圖。
[0043] 圖5是表示使用圖1的（a)、（b)的電極的比較例的TIG焊接施工例的說明圖。
[0044] 圖6是表示使用