异种金属接合方法
【专利说明】
[0001] 本申请是国际申请号PCT/JP2012/055143、国家阶段申请号201280012117. 0、申 请日2012年2月29日、发明名称为"异种金属接合方法"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及利用使用了妈电极的直流TIG(Tungsten Inert Gas)焊接对错合金材 和钢材进行角焊的异种金属接合方法。需要说明的是，在本发明中所说的"铝合金材"是铝 合金制的乳制板材（冷乳板等）、挤压型材或对其进行了成形加工的车身用等的各种构件、 零件的总称。另外，在本发明中所说的"钢材"是冷乳钢材、型钢或对其进行了成形加工的 车身用等的各种构件、零件的总称。
【背景技术】
[0003] 近年来，提出了由以机动车为代表的输送用车辆排出的废气等所引起的全球变暖 等针对地球环境的问题，作为其对策之一，研究通过机动车等车辆的轻量化来提高燃料消 耗率。另一方面，若仅将车辆轻量化，则担心在机动车等发生碰撞事故的情况下成为较大事 故的可能性变高。因此，也研究在轻量化的同时提高安全性。基于这样的理由，研究将轻量 且能量吸收性优异的铝合金应用于以机动车为代表的输送用车辆的车身的一部分，近年来 也开始实际应用。
[0004] 但是，为了将铝合金应用于以机动车为代表的输送用车辆，需要进行有效利用铝 合金的特性的结构设计。因而，除了全铝合金制的特殊的车辆之外，相对于构成车身的结构 体的钢材局部地组装铝合金材。因此，钢材和铝合金材的异种金属接合技术是必须的。
[0005] 然而，若仅利用焊接进行钢材和铝合金材的异种金属接合，则在钢材和铝合金材 彼此的接合界面处生成高硬度且非常脆的Fe和Al的金属间化合物层（或反应层）。即，即 使钢材和铝合金材在外表上彼此接合，也会由于在接合界面处生成的非常脆的Fe和Al的 金属间化合物层（或反应层）而产生在接缝处无法获得足够的接合强度这样的问题。
[0006] 在钢材和铝合金材的接合技术中采用焊接的情况下，产生上述那样的问题。因此， 钢材和铝合金材的接合中也采用自冲铆接、使用了螺栓等固定器具的机械接合技术、使用 粘接剂的接合技术。但是，这些接合技术存在接合作业繁杂、接合成本上升这样的课题，不 能广泛应用。
[0007] 当前情况下，构成以机动车为代表的输送用车辆的钢材等的接合中，广泛采用TIG 焊接等的线接合、点接合等焊接技术。若能够将这些焊接技术应用于钢材和铝合金材的异 种金属接合技术，则能够在工厂内的与钢材相同的生产线、工序下制造使用铝合金材的车 辆，能够进一步促进接合作业的效率化。
[0008] 在这些焊接技术中，TIG焊接是钢材彼此的接合等中最广泛采用的技术。但是，如 上所述，在钢材和铝合金材的异种金属接合中担心生成Fe和Al的金属间化合物层这样的 问题，因此，实际情况是TIG焊接不仅没有实际应用而且也几乎没有提案。
[0009] 在这样的实际情况中，通过专利文献1提案出与利用TIG焊接进行的钢材和铝合 金材的异种金属接合相关的技术。但是，该提案只不过是作为对接焊及搭接焊的一例而举 出TIG焊接。即，在该提案中，焊接手段可以从激光、电子束、等离子弧、TIG、MIG及0)2弧 的组中选择。在该提案中，只不过记载焊接手段可以是TIG焊接。
[0010] 专利文献2提案有以相对于焊接施工方向将钢材设为上侧、将铝合金材设为下侧 的方式使钢材与铝合金材彼此重叠地焊接的异种金属接合方法。在该方法中，提案有在使 铝合金材的焊接面位置比钢材的焊接面位置在焊接施工方向上向上侧突出的状态下沿着 焊接线进行焊接。记载了利用该方法能改善钢材的焊接面的铝熔液的润湿性，能促进钢材 的表面（焊接面）的氧化膜去除，能实现良好的接合。
[0011] 另外，在该专利文献2中，也谋求使用在铝材外皮内部填充焊剂而成的药芯焊丝 (FCW)的方案的TIG焊接。顺便一提，这样的异种金属接合所使用的FCW的组成以往被专利 文献3等多次提出。但是，在这些专利文献2、3中，并未公开使用TIG焊接的铝合金材和钢 材的具体的异种金属接合方法。
[0012] 因此，本发明人重新实际实施利用TIG焊接对铝合金材和钢材进行接合的异种金 属接合试验并确认了此时产生的问题点。具体而言，如图10所示，首先，使铝合金材11位 于上侧，使铝合金材11的一端部重叠在钢材12上。然后，进行一边向由铝合金材11的端 部Ila和钢材12的表面形成的台阶部13供给药芯焊丝（FCW) 7 -边使用钨电极30对铝合 金材11和钢材12进行角焊的异种金属接合试验。需要说明的是，TIG焊接利用铝合金材 彼此的焊接通常所用的交流TIG焊接来进行。
[0013] 该异种金属接合试验的结果是，尽管焊接时几乎没有产生溅射而良好，但成为熔 融了的铝合金材11和同样地熔融了的FCW7如焊道4a、4b那样分开地存在于钢材12的表 面上的接合（焊道）状态。
[0014] 对于这样的分为焊道4a、4b的接合状态，即使进行提高电力（热量输入）或减慢 焊接速度等较大改变TIG焊接的焊接条件的调整也会产生上述接合状态，不能完全地防 止。在这样的焊道分开的接合状态下，不能提高接缝（异种金属接合接缝）的接合强度。
[0015] 需要说明的是，该焊道的分开公知为驼峰现象，其在钢材彼此的TIG焊接中特别 是电弧的高压力下、高速的焊接下容易产生，使熔池的形状变得不稳定，熔池产生振动而在 焊道上产生激烈的凹凸。
[0016] 作为防止产生该焊道分开的手段，始终是关于钢材彼此的TIG焊接的技术，提出 有使用磁场的方法、在钨电极的顶端部的形状处花费功夫的技术。使用磁场的方法例如在 专利文献4中进行提案。在专利文献4中，使通过施加于焊接电弧周围的恒定磁场和流向 焊接电弧的电弧电流的电磁相互作用而产生的电磁力作用于焊接电弧，使焊接电弧的放射 形状偏向于被接合部的焊接线方向，从而将两个被接合部连续地接合。
[0017] 专利文献4所公开那样的使用磁场的方法确实是对防止产生焊道分开有效的技 术，但需要另外设置磁铁装置。并且，在该方法中，由于通过磁铁装置产生的电磁力作用于 焊接电弧，因此需要对该电磁力进行控制，现有焊接设备不能简单地应对。这会引起成本上 升，因此实际使用上存在问题。
[0018] 另一方面，在钨电极的顶端部形状上花费功夫的技术通过专利文献5、专利文献6 进行提案。通常的钨电极的顶端部形状是铅笔的顶端那样的圆锥形状。但是，在专利文献 5中，提案有将作为顶端部具有棱线的TIG焊接用电极棒的表面的一点设为最顶端的形状、 将形成棱线的面间的角度设为40~100度的电极。在专利文献5中，使电弧点沿着棱线的 部分产生，防止电弧爬到电极顶端附近的面的部分，防止电弧向焊道的宽度方向扩散而使 电弧集中，能够以大电流进彳丁尚速的TIG焊接。
[0019] 在专利文献6中，提案有在进行具有窄缝的钢材彼此的接合焊接的TIG焊接装置 中，使钨电极从铝合金材的上方朝向焊接线并且做成将钨电极的顶端以30°~40°的角 度斜切后的偏芯形状，一边使该妈电极在窄缝内旋转一边使焊丝恪融。
[0020] 即使将专利文献5记载的钢材彼此的TIG焊接中的电极改良技术应用于使用FCW 的铝合金材和钢材的异种金属的TIG焊接，也不能防止产生上述的焊道分开。其理由在于， 使用FCW的铝合金材和钢材的异种金属的TIG焊接是异材彼此的焊接，因此与钢材彼此的 TIG焊接相比，其焊接机理、焊道分开的产生机理等不同。
[0021] 另外，专利文献6所述的技术是关于厚板的对接焊的技术，不能直接应用于薄板 的搭接角焊。
[0022] 在先技术文献
[0023] 专利文献
[0024] 专利文献1 :日本特开2001 - 47244号公报
[0025] 专利文献2 :日本特开2010 - 207886号公报
[0026] 专利文献3 :日本特开2008 - 68290号公报
[0027] 专利文献4 :日本特开2008 - 105056号公报
[0028] 专利文献5 :日本特开平6 - 328287号公报
[0029] 专利文献6 :日本特开2004 - 237326号公报
【发明内容】
[0030] 发明要解决的课题
[0031] 本发明是为了解决上述以往的问题而做成的，其课题在于，提供能够利用钢材彼 此的接合等中最广泛采用的TIG焊接进行铝合金材和钢材的异种金属接合、并且能够获得 优良的焊道外观和所需的接缝强度的异种金属接合方法。
[0032] 用于解决课题的手段
[0033] 本发明的异种金属接合方法的一个主旨在于，一种异种金属接合方法，其使铝合 金材和钢材的至少一部分重叠，将所述铝合金材侧作为正极，一边向由所述铝合金材的端 部和所述钢材的表面形成的台阶部供给药芯焊丝，一边利用使用了棒状的钨电极的直流 TIG焊接对所述铝合金材和所述钢材进行角焊，所述钨电极具备相对于所述钨电极的中心 轴线非对称的形状的顶端部，所述顶端部具有以相对于所述中心轴线20°以上且40°以 下的角度形成的顶端面，在焊接中，以使所述钨电极的顶端朝向所述钢材侧且使所述顶端 面朝向所述铝合金材侧的方式使所述钨电极从所述铝合金材的上方侧朝向焊接线，从而由 所述钨电极的所述顶端产生的电弧指向所述钢材侧。以下，将该发明称作本申请第一发明。
[0034] 本发明的异种金属接合方法的另一主旨在于，一种异种金属接合方法，其使铝合 金材和钢材的至少一部分重叠，将所述铝合金材侧作为正极，一边向由所述铝合金材的端 部和所述钢材的表面形成的台阶部供给药芯焊丝，一边利用使用了棒状的钨电极的直流 TIG焊接对所述铝合金材和所述钢材进行角焊，在焊接中，在所述钨电极从与所述铝合金材 垂直的方向以大于5°且小于35°的角度向所述铝合金材侧倾斜的状态下，将所述钨电极 的顶端部配置于在与所述铝合金材平行的方向上从所述铝合金材的端部向所述铝合金材 侧离开Omm以上且小于3. 5mm的范围的位置，并且配置于从所述铝合金材的表面垂直地离 开2. Omm以上且小于4. 5mm的位置。以下，将该发明称作本申请第二发明。
[0035] 本发明的异种金属接合方法的又一主旨在于，一种异种金属接合方法，其使铝合 金材和钢材的至少一部分重叠，将所述铝合金材侧作为正极，一边向由所述铝合金材的端 部和所述钢材的表面形成的台阶部供给药芯焊丝，一边利用使用了棒状的钨电极的直流 TIG焊接对所述铝合金材和所述钢材进行角焊，在焊接中，在所述钨电极从与所述钢材垂直 的方向起向所述钢材侧倾斜35°以上且小于60°的状态下，将所述钨电极的顶端部配置 于从所述铝合金材的表面垂直地离开2. Omm以上且小于4. 5mm的位置，将所述钨电极的中 心轴线的延长线与所述铝合金材的表面相交的位置配置于从所述铝合金材的端部向所述 铝合金材侧离开1.0 mm以上且小于3. Omm的范围内。以下，将该发明称作本申请第三发明。
[0036] 在本申请第一发明~第三发明中，优选的是，从焊接行进方向供给所述药芯焊丝。
[0037] 发明效果
[0038] 根据本发明的异种金属接合方法，利用钢材彼此的接合等中最广泛采用的TIG焊 接来进行铝合金材和钢材的异种金属接合，能够防止产生焊道分开，能够获得优良的焊道 外观和所需的焊缝强度。
【附图说明】
[0039] 图1的（a)是表示本申请第一发明的电极的顶端部形状的侧视图，图1的（b)是 表示图1的（a)的电极的顶端部形状的主视图。
[0040] 图2是表示以往的圆锥型的电极顶端部形状的主视图。
[0041] 图3的（a)是表示比较例的电极的顶端部形状的侧视图，图3的（b)是表示图3 的（a)的电极的顶端部形状的主视图。
[0042] 图4是表示使用图1的（a)、（b)的电极的本发明的TIG焊接施工例的说明图。
[0043] 图5是表示使用图1的（a)、（b)的电极的比较例的TIG焊接施工例的说明图。
[0044] 图6是表示使用