レーザ照射による異種材料の接合方法 - JST...5.4 接合界面のTEM観察，EDX分析および電子回折結果（SPCC－A1050 ） keV Counts Fe Al Fe Fe Point 1 Fe

1

Anan National College of Technology, Japan

レーザ照射による異種材料の接合方法

阿南工業高等専門学校機械工学科助教西本浩司

平成21年4月3日 JST新技術説明会

2

1 大いに必要 2 必要 3 必要であるが僅か 4 不要 5 無回答 6 わからない

39.8 %

48.4 %

5.5 %3.1 %2.3 %0.8 %

Institute of National Colleges of Technology, Japan

1.1.1 研究背景1 ～異種金属材料の溶接に対する産業界のニーズ～

求められる異種金属の組み合わせ

異種金属接合の必要性

必要とされる異材継手の組み合わせNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）

の委託調査により実施されたアンケート結果

1 ①金属／①金属 2 ①金属／②セラミックス 3 ①金属／③プラスチックス 4 ①金属／④複合材 5 ①金属／⑤その他 6 ③プラスチックス／④複合材 7 ⑤その他／⑤その他

54.6 %

24.7 %

7.2 %

7.2 %4.1 %1 %1 %

1 ①鉄／①鉄 2 ①鉄／②ステンレス 3 ①鉄／③アルミニウム 4 ①鉄／④チタン 5 ①鉄／⑤銅 6 ①鉄／⑥マグネシウム 7 ①鉄／⑦その他 8 ②ステンレス／②ステンレス 9 ②ステンレス／③アルミニウム 10 ②ステンレス／④チタン 11 ②ステンレス／⑤銅 12 ②ステンレス／⑦その他 13 ③アルミニウム／③アルミニウム 14 ③アルミニウム／④チタン 15 ③アルミニウム／⑤銅 16 ③アルミニウム／⑥マグネシウム 17 ③アルミニウム／その他 18 ④チタン／④チタン 19 ④チタン／⑦その他 20 ⑤銅／⑤銅 21 ⑤銅／⑦その他 22 ⑦その他／⑦その他

5.8 % 2.9 %

20.2 %

3.8 %2.9 %

1 %5.8 %1 %7.7 %

1.9 %3.8 %5.8 %

1.9 %1.9 %

5.8 %

2.9 %5.8 %

1 %2.9 %

1 %6.7 %7.7 %

3


1.1.2 研究背景2 ～異種金属接合の必要性～

京都議定書（COP3）に基づくCO2削減2010年燃費目標値 22.8％向上（対1995年実績）乗用車平均 12.3㎞/L → 15.1㎞/Lへ

・オールアルミニウム化・ハイブリッド化・マルチマテリアル化

ベース材である鋼板とアルミニウム板の異種金属接合が重要

車体の軽量化

軽量化の観点

鉄・ステンレス／アルミニウムおよびアルミニウム／銅

耐食性の観点

鉄・ステンレス／チタン

導電性の観点

鉄・ステンレス／銅およびアルミニウム／銅

4


1.1.3 研究背景3 ～従来技術と異種金属接合の問題点～

異種金属接合の問題点

Aluminum Iron

融点(K) 935 1808

熱伝導率 (W/mK) 236 83.5

熱膨張係数 (/K) 23 x 10-6 12 x 10-6

FeーAl 2元系状態図

アルミニウムと鉄の物性差

重ね合わせ

付き合わせ

レーザ圧接法による異種金属接合を提案

金属間化合物が厚く形成

融点の低い側が溶け落ちる

異種金属接合のポイント物性差の考慮と溶融制御が重要・両金属の溶融を極力抑制・一方の金属のみを溶融し，

他方の溶融を抑制

5


1.2 レーザ圧接法

レーザ圧接法の特徴

接合界面を直接加熱または溶融が可能

レーザとローラの組み合わせにより、融接と圧接の効果が得られる

レーザ照射入熱を有効に利用

接合部の溶融制御が可能

Laser

Roller

6

2. 実験装置の構成


Laser beam

Roller

YAG laser (λ:1,064 nm)

RS232C

Optical fiber or mirror

Collimator lensfθ lens

Laser-scanning control systemShielding gas: Ar

Ar gas atmosphere

×

Sheet1Sheet2

Schematic experimental set-up

7


3.1 SPCCとTiの接合

SPCC（冷間圧延鋼板）：安価な鉄鋼材料Ti ：高価な高機能合金（軽量性，耐食性）

Phase diagram of Fe-Ti system

Iron Titanium

Melting point (K) 1808 1953

Thermal conductivity (W/mK) 73.3 16

Thermal expansion coefficient (/K) 12.2 x 10-6 8.8 x 10-6

Physical properties of Iron and Titanium

局部的機能の向上，高機能化や低コスト化

融点が近い，高融点材料，熱伝導率が大きく異なる，金属間化合物を形成する組合せ

8


3.3 引張せん断試験結果（SPCC－Ti）

0 10 20 30 400

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Tensi

le load

(N

)

Laser scanning speed (Hz)

　Defocused distance ■　-3 mm ●　±0 mm ▲　+3 mm

0 10 20 30 400

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Tensi

le load

(N

)



0 10 20 30 400

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Tensi

le load

(N

)



Welded area

Specimen for tensile shear test.

Laser irradiation position ： center Laser irradiation position ： 0.25 mm to SPCC side

Laser irradiation position ： 0.25 mm to Ti side

f mm

Laser beam

Ti side SPCC side

9


4. AZ31とA6061の接合

マグネシウムは，実用金属中最大の比強度（比重は、アルミニウムの2/3，チタンの1/3，鉄の1/4）

軽量化への寄与は大きく，実用化が強く望まれている

Magnesium Aluminum


Thermal conductivity (W/mK) 167 238

Thermal expansion coefficient (/K) 26.1 x 10-6 23.9 x 10-6

Physical properties of Magnesium and Aluminum

Phase diagram of Al-Mg system

融点が近い，低融点材料，高熱伝導率で金属間化合物を形成する組合せ

10


4.1 接合界面のSEM観察およびEDX分析結果（AZ31－A6061）

Al3Mg2

A : Scanning speed = 30 HzB : Scanning speed = 75 Hz

SEM

A

SEM

B

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

2040

6080

100

Ato

mic

%

Al12Mg17 +Al3Mg2

AZ31 A6061Mg

Al12Mg17

Al

O

-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

2040

60

80

100

Al12Mg17

AZ31 A6061

Al12Mg17 +Al3Mg2

Mg Al

O

5 μm

SEM

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

Ato

mic

%

Al12Mg17

Al12Mg17 +Al3Mg2

AZ31 A6061

A : Scanning speed = 30 HzB : Scanning speed = 75 Hz

A5 μm

SEM

B

Mg Al

O-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

020

40

60

80100

AZ31 A6061

Al12Mg17

Al3Mg2

MgAl

O

Travelling speed : 0.3 m/min Travelling speed : 0.5 m/min

Distance form interface (μm)Distance form interface (μm)

11


4.2 引張せん断試験結果（AZ31－A6061）

30 40 50 60 70 800

500

1000

1500

2000

2500

Tens

ile lo

ad (N

)


Fractured in A6061 base metalTravelling speed : 0.3 m/min

Fractured in weld interfaceTravelling speed : 0.3 m/minTravelling speed : 0.5 m/min

Welded area


12


5. 低炭素鋼とアルミニウムの接合

地球温暖化防止，環境保全や省エネルギーの観点から，輸送機器分野における車体の軽量化

鉄鋼材料とアルミニウム合金の異種金属接合の確立が重要

Aluminum Iron


Thermal conductivity (W/mK) 236 83.5

Thermal expansion coefficient (/K) 23 x 10-6 12 x 10-6

Phase diagram of Fe-Al

Physical properties of Aluminum and Iron

融点が2倍以上違う，金属間化合物を形成する組合せ

13


5.1 レーザ圧接性と接合断面の光学顕微鏡写真（SPCC－A1050）

(b) 1300 W，3.92 kN

(c) 1300 W，2.94 kN

(e) 1300 W，1.96 kN

(a) 1500 W，2.94 kN

(d) 1100 W，2.94 kN

SPCC

20 μm

SPCC

SPCC

SPCC

SPCC

A1050

A1050A1050

A1050

A1050

(a) (b)

(d)(c)

(e)

20 μm

20 μm 20 μm

20 μm

3.92kN 2.94kN 1.96kN

1500W ○ ○ ○

1300W ○ ○ ○

1100W ○ ○ ×

Laser pressure welding conditions forformation of sound welds

Possibility of joining○：Possible×：Impossible

Optical microstructure of cross section

14


5.2 引張せん断試験および剥離試験結果（SPCC－A1050）

1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tensi

le load

(N

)

Laser power (W)

Shear fractured 1.96 kN

Fractured by A1050 base metal 1.96 kN 2.94 kN 3.92 kN

1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000

10

20

30

40

Peel st

rengt

h (N

/m

m)

Laser power (W)

Peel fractured 1.96 kN 2.94 kN

Fractured by A1050 base metal 2.94 kN 3.92 kN

引張せん断試験結果剥離試験結果

15

50 nmSPCC

A1050

123BA


5.4 接合界面のTEM観察，EDX分析および電子回折結果（SPCC－A1050）

keV

Cou

nts

Fe

Al

Fe

Fe

Point 1

keV

Fe

Al

Fe

Fe

Point 3

Cou

nts

Al

A

Fe4Al13

B

-50 0 50 100 150 200

0

20

40

60

80

100

Com

posi

tion (

at%)

Distance (nm)

Al Fe

keV

Fe

Fe

Fe

Al Point 2

Cou

nts

Fe2Al5

FeAl

金属間化合物層

Fe4Al13

16


5.3 接合界面のTEM観察結果2 （SPCC－A1050）

(a) (b)(c)

100 nmkeV

Cou

nts

Fe

Fe

Mn

CaSi

AlFeO

C

10 nm

(c)

High resolution TEM micrograph

EDX point analysis result

Electron diffraction patterns

Fe2Al5(200)

Al[110]

Fe

Al

5 nm

(a)

17


5.6 SPCCとA6061のレーザ圧接継手の引張せん断試験結果

1 2 3 40

500

1000

1500

2000

2500

Tens

ile lo

ad (N

)

Roller pressure (kN)

Fractured in A6061 base metal Fractured in weld interface

1 2 3 40

5

10

15

20

25

30

35

Fractured in A6061 base metal Fractured in weld interface

Peel

stre

ngth

(N/m

m)

Roller pressure (kN)

A6061

SPCCFracture location

Fracture location

A6061SPCC

引張せん断試験結果剥離試験結果

18


5.8 接合界面のSEM観察およびEDX分析結果（SPCC－A6061）

5 μm

5 μm

82 MPa

SEM Fe Al

327 MPa

SEM Al Fe

SPCC A6061 SPCC A6061 Fe

Al

O

Fe Al

O

82 MPa 327 MPa

1μm 1μm

Fe3Al Fe3Al

0

20

40

60

80

100

Ato

mic

(%)

FeAl FeAl

FeAl3 FeAl3

0.98 kN 3.92 kN

0.98 kN

3.92 kN

19


Phase diagram of Al and Zn

Phase diagram of Fe and Al

FeとAlの金属間化合物を抑制

6. 亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの接合（接合のキーポイント）

AlのZnに対する広い固溶限を利用して接合

亜鉛めっき層を利用

レーザ圧接法の利点めっき層とAlをわずかに溶融

（接合界面の溶融制御）

従来の接合法では，めっき層を除去してFeとAlの接合を行っている

強度確保

めっき層を除去して、さらに温度制御が必要界面の温度制御は困難

20


1200 W 1300 W 1400 W 1500 W

Optical microstructure of cross section0.

98 k

N1.

96 k

N2.

94 k

N

GA steel

A1050

GA steel

A1050GA steel

A1050

GA steel

A1050

GA steel

A1050GA steel

A1050

GA steel

A1050

GA steel

A1050GA steel

A1050

Void

GA steel

A1050

GA steel

A1050

50 μm

GA steel

A1050

6.1 接合部断面の光学顕微鏡観察結果（GA鋼板－A1050）

21



Welded area

Fractured in A1050 base metal

6.2 引張せん断試験結果（GA鋼板－A1050）

1200 1300 1400 15000

200

400

600

800

1000

1200

Tensi

le load

(N

)

Laser power (W)

0.98 kN 1.96 kN 2.94 kN

22


Specimen for peel test.

12

Welded area

1200 1300 1400 15000

10

20

30

40

50

P

eel st

rengt

h (

N/m

m)

Laser power (W)

Peel fractured 0.98 kN 1.96 kN 2.94 kN

Fractured by parent metal in A1050

1.96 kN 2.94 kN


Peel Fractured


6.3 剥離試験結果（GA鋼板－A1050）

23


・レーザ照射により溶融しためっき層とアルミニウム中のAlによりAl-Zn固溶体を生成する．・めっき層に存在するFeはAlおよびZnとによりFexAlyZnzおよびFexAly金属間化合物を生成する．・ α（Al-Zn）固溶体層中に硬いFeAl，Fe2Al5，Fe4Al13およびFe2Al5Zn0.4といった金属間化合物が

細かく分散，析出して化合物層を形成する．

6.4 接合機構の考察接合部の模式図（GA鋼板－A1050）

GA steel

A1050Elliptical precipitates Zn

Fe3Zn10

Zn Fe2Al5Zn0.4 Fe4Al13

Fe2Al5Zn0.4

Fe4Al13

FeAl

FeAl Fe2Al5

Fe2Al5

solid

sol

utio

n Zn

-A

l Com

poun

d la

yer

Schematic illustration of joining mechanism of weld zone

24


７. 本研究の総括

レーザ圧接法を提案し，各種異種金属接合を行い，レーザ圧接性，継手強度および接合機構について下記の結果が得られ，異種金属接合に有望であることを明らかにした

各種異種金属のレーザ圧接接合

高融点材料の組合せ（SPCC-Ti）

低融点材料の組合せ（AZ31-A6061）

融点の大きく異なる材料の組合せ（SPCC-A6061）

・金属間化合物を薄く抑制

・高い継手強度

接合界面の溶融制御

25


6. 本研究の総括

レーザ圧接法を提案し，各種異種金属接合を行い，レーザ圧接性，継手強度および接合機構について下記の結果が得られ，異種金属接合に有望であることを明らかにした

鉄鋼材料とアルミニウムのレーザ圧接接合

低炭素鋼とアルミニウムの接合

亜鉛めっき鋼板とアルミニウムの接合

・金属間化合物を薄く抑制

・高い継手強度（引張せん断，剥離ともに母材破断）

・接合界面の溶融制御を行い，α（Al-Zn）固溶体を形成させて接

合（脆弱な金属間化合物を膜状に形成させずに接合できるという新しい知見を得た）

・広範囲な条件下で高い継手強度（引張せん断，剥離ともに母材破断）

26

異種金属の重ね合わせ接合


特許第4066433号，特開2005-238249，特願2004-47863発明名称「レーザ照射による異種材料の接合方法と装置」発明者西本浩司，藤井洋郎，岡村実

特願2007-279726発明名称「異種金属接合体及びその製造方法」発明者西本浩司，安宅健，藤井洋郎

異種金属のクラッド接合比較的小規模なクラッド材（例：鉄鋼系材料／アルミニウム，チタン，ハステロイ，銅，マグネシウムなど）

亜鉛めっき鋼板アルミニウム板

27

管形状への異種金属接合クラッド鋼管


特願2006-227238発明名称「レーザ加工装置及び金属接合材の製造方法」発明者西本浩司、藤井洋郎

海洋構造材最も腐食の激しい飛翔帯で使用されるクラッド鋼管（チタン・鋼管）

ケミカルプラントなどで使用される酸化性、還元性双方の酸、塩類に対して優れた耐食性クラッド鋼管（内管は鉄鋼系材料、外管はハステロイ等）

28


実用化への課題

・動的強度の評価（疲労試験など）

・クラッド材の接合性，加工性の評価

・熱処理後の継手強度と組織

企業への期待

・圧延，圧接，ローラ加圧技術に関する企業との共同研究を希望

・レーザに関する企業との共同研究を希望

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発明の名称：レーザ照射による異種材料の接合方法と装置

出願番号：特許第4066433号，特開2005-238249，特願2004-47863出願人：阿南工業高等専門学校

発明者：西本浩司，藤井洋郎，岡村実

発明の名称：異種金属接合体及びその製造方法

出願番号：特願2007-279726出願人：阿南工業高等専門学校

発明者：西本浩司，安宅健，藤井洋郎

本技術に関する知的財産権

発明の名称：レーザ加工装置及び金属接合材の製造方法

出願番号：特願2006-227238出願人：阿南工業高等専門学校

発明者：西本浩司，藤井洋郎

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お問い合わせ先

四国ＴＬＯ【 (株)テクノネットワーク四国】

技術移転部辻本和敬

〒760-0033 香川県高松市丸の内２－５

ＴＥＬ 087-811-5039，ＦＡＸ 087-811-5040

e-mail [email protected]

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