JP2004017148A

JP2004017148A - 異種金属材料の接合方法

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Publication number: JP2004017148A
Application number: JP2002180373A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Shibata; 柴田　義範
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: JP3941001B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、従来の製造工程を大きく変更することなく、また、中間層やクラッド材を用いないで、金属間化合物を生じることのない異種金属材料の抵抗溶接方法を提供することである。
【解決手段】本発明の異種金属材料の接合方法は、異種金属材料の抵抗溶接において、高電流をごく短時間流すことにより異種材料間に微少の溶融部分を生成させ、同時に高加圧力を加えることでこの溶融部分をチリとして飛散させ、清浄な金属面同士の接触と原子の拡散による固相接合部を得ることを特徴とする。
従って、例えば自動車の車体溶接工程などに適用すれば、従来のラインを大幅に変更することなく、異種金属材料の溶接を行うことができるので、車両軽量化の要求に効率よく対応することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属材料の接合方法に関する。より詳しくは、金属間化合物を形成させない異種金属材料の抵抗溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃費の向上や、排ガス規制の強化により車両の軽量化が望まれている。このため、例えば、車体構造の強度の必要な部位には鋼材を用い、比較的強度が要求されない部位にはアルミニウムなどの軽量な材料を用いることも検討されている。
【０００３】
しかし、異種金属の接合に溶融溶接法を適用すると、溶接部では液体状態で大量の異種金属が混合されるため金属同士の反応の制御が難しく、多くの場合に中間相としての脆弱な金属間化合物を形成することとなる。また、材料間で融点や熱伝導率、あるいは熱膨張係数といった各種の物性も大きく異なるため、溶融溶接法では溶接部の冷却凝固時に残留応力が発生し、割れや大きな歪みの発生につながるために異種金属の溶接接合は困難とされている。
【０００４】
例えば、アルミニウムと鋼、アルミニウムとチタニウム、チタニウムと鋼のような異種金属の溶接では、その接合界面に脆弱な金属間化合物が形成されるために高い継手強度が得られないことが知られている。
【０００５】
従来このような異種金属の接合方法としては、ネジ、ボルト、嵌合わせなどの機械的な接合方法や、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法、さらには、ロウ付などの接着法などが検討され実施されている。しかし、機械的な接合や接着による方法では、信頼性、気密性、作業性などについて問題があり、また、爆着、熱間圧延、摩擦圧接などの固相接合法では、接合材の形状の制約が大きいことや、作業性の低いことが問題となっている。
【０００６】
この対策の一つとして、異種金属材料の間に中間層を介在させることが提案されており、特開平７−１７８５６５号公報では、接合する金属の融点の差を考慮した中間層を用いることを開示している。すなわち、接合する金属Ａ，Ｂの融点差が３００Ｋ以下の場合は、融点が（ＴＡ−３００）Ｋ以上ＴＢ以下の中間層Ｘを介在させ、融点が３００Ｋ以上の場合は、（ＴＡ−３００）Ｋ以上ＴＡ以下の中間層ＸとＴＡ以上ＴＢ以下の中間層Ｙを用いる方法である。また、特開平７−１２４７５５号公報では、導電率ならびに熱伝導率が異なる２種の異種金属材料を、間にクラッド材を介在させて接合する溶接方法を開示している。
【０００７】
しかし、これらの方法は、▲１▼中間層やクラッド材は、車体の構造上は不要であるためコストが上昇する、また、▲２▼接合前に中間層やクラッド材を供給して保持する必要があり、従来の工程をそのまま利用することができない、さらに、▲３▼生産性が大きく損われる、といった問題がある。
【０００８】
このようなことから、より簡便で作業性の高い異種金属材料の接合方法の開発が望まれていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の問題点を解決すべくなされたもので、本発明の目的は、従来の製造工程を大きく変更することなく、また、中間層やクラッド材を用いないで、金属間化合物を生じることのない異種金属材料の抵抗溶接方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記のように従来の溶融溶接法では異種金属材料の接合は困難である。しかし、クラッド材などの固相接合法によれば、基本的に元素間の速度の遅い相互拡散によって接合を行うので接合過程を制御しやすく金属間化合物の形成を抑えることができる。
【００１１】
本発明の異種金属材料の接合方法は、異種金属材料の抵抗溶接において、高電流をごく短時間流すことにより異種金属材料間に微少の溶融部分を生成させ、同時に高加圧力を加えることでこの溶融部分をチリとして飛散させ、清浄な金属面同士の接触と原子の拡散とによる固相接合部を得ることを特徴とする。
【００１２】
異種金属材料は、鉄または鉄合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金が例示できる。
【００１３】
異種金属材料が鉄（以下、鉄という表現には鉄合金も含む）とアルミニウム（以下、アルミニウムという表現にはアルミニウム合金も含む）の場合に、本発明の接合方法の具体的な溶接条件は、溶接時間Ｔ（ｍｓｅｃ）が、Ｔ≦２０で、かつ、溶接電流Ｉ（ｋＡ）と溶接面圧Ｐ（ＭＰａ）（Ｆ（Ｎ）／Ａ（ｍｍ^２）、ただし、Ａは電極断面積）とが、１≦（Ｉ−１５）／０．６Ｐの関係を満足することが好ましい。ここで、溶接時間Ｔの単位（ｍｓｅｃ）は、ミリ秒（１／１０００秒）である。
【００１４】
また、前記抵抗溶接に使用する電極チップの形式はＪＩＳＣ９３０４で規定するＲ型、Ｃ型またはＦ型のいずれかであることが望ましい。
【００１５】
【作用】
抵抗溶接の中でもスポット溶接法は、自動車ボディの溶接工程で多用されており、２枚またはそれ以上の金属板を重ね、この表面を水冷金属電極で加圧し、上下電極間に数千〜数万Ａの大電流をごく短時間流して接合する方法である。通常は銅合金製電極が採用され、板表面を強力に冷却して板間のみを接合に必要な温度にまで加熱している。
【００１６】
スポット溶接法は、発熱源を考慮すると、母材全体の発熱を利用して図２に示すような厚ナゲットを形成させる体積抵抗利用形と、板−板間界面の接触抵抗を主に利用して図３に示す薄ナゲットを形成させる接触抵抗利用形とに分けられる。
【００１７】
図２は、厚さｘ_０の板２枚を重ねて、電極１で挟んで通電することによりナゲット２を形成した状態を示している。また、図２には、溶接時の継手部の温度分布をも併記している。縦軸Ｘは、二枚の板の界面からの距離を、また、横軸Ｔは板界面からＸだけ離れた位置の温度を示す。Ｔｍは材料板の融点である。斜線部２はナゲットであり、融点以上の温度部分（溶融部分）に対応している。同種金属材料のスポット溶接では、ナゲットの形成によって強固な接合を得ることができるので、この体積抵抗利用形のスポット溶接が好適に用いられる。
【００１８】
図３は、発熱源として接触抵抗を利用している場合である。溶接部の温度分布から、板と板の界面および電極と板表面との界面で接触抵抗が生じて、この部分で発熱していることが分る。特に、板−板界面では、ごく狭い範囲で融点以上にまで加熱され、極めて薄いナゲット２を形成する。図３に示すこの薄ナゲット２は、コンデンサスポット溶接機などを用いた溶接時間がごく短時間の溶接条件でのみ実現される。
【００１９】
なお、この接触抵抗は、図４に示すような板表面の凹凸部による局所的な金属接触によって生じるものと考えられ、一般的に加圧力が小さい場合には、ＡとＢとの接触面積が少ないので接触抵抗は大きくなる。また反対に加圧力が大きくなるとＡとＢとの接触面積が大きくなるので接触抵抗は小さくなる。
【００２０】
本発明の異種金属材料の接合方法は、以上のような接触抵抗利用形の抵抗溶接であって、高電流をごく短時間流すことにより前記異種金属材料間に微少の溶融部分（薄ナゲット）を形成させ、同時に高加圧力を加えることでこの溶融部分をチリとして飛散させ、清浄な金属面同士の接触と原子の拡散による固相接合部を得ることに特色がある。
【００２１】
すなわち、融点の高い金属材料Ａと融点の低い金属材料Ｂとを溶接する場合に、初期接触抵抗（界面での集中抵抗）を利用して板−板間界面だけを溶融温度以上の高温に加熱する。これによりまず低融点の金属材料Ｂの表面が溶融して表面の酸化膜が破壊され活性な表面が現れる。次に高融点の金属Ａの表面が溶融して、同様に活性な新生面が現れる。そして板−板界面に形成した金属Ａと金属Ｂの溶融混合物と両金属の酸化膜とは、電極１−１間に作用させる溶接用の高加圧力Ｐによって図５に示すように、中チリ８となって接合面から押出される。その結果、金属Ａと金属Ｂの活性な面が固相状態で重ね合されて両金属原子の相互拡散が生じて高い強度を有した金属Ａと金属Ｂの接合が得られるわけである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の接合方法が適用できる異種金属材料は、特に限定されるものではない。前記のように、通常の溶接接合では中間相である金属間化合物を形成する金属材料の組合わせには好適に適用することができる。例えば、車両の軽量化対策として最も望まれる鋼とアルミニウムとの組合わせには、特に好適に利用することができる。その他に、鋼とチタニウム、鋼とマグネシウム合金、アルミニウムと銅等にも適用することができる。
【００２３】
抵抗溶接法としては、スポット溶接、シーム溶接、プロジェクション溶接、バット溶接などを挙げることが出来る。本発明の抵抗溶接の方法はこれらのうちで特に限定されるものではないが、自動車の車体組立に多用されるスポット溶接で特に好適に使用することができる。
【００２４】
また、溶接機は、短時間通電による高精度、高品質な接合部を得るためにコンデンサ放電式溶接機を使用することが望ましい。
【００２５】
本発明の抵抗溶接方法は、異種金属材料の溶融混合物と酸化膜とをチリとして飛散除去することで、接合部に金属間化合物を形成させないところに特色がある。したがって、この目的を遂行できる範囲で、溶接電流、溶接時間、加圧力、さらに電極形状といった溶接条件を選定することができる。
【００２６】
本発明の好適な実施の形態を、鋼とアルミニウムのスポット溶接について説明する。
【００２７】
鋼とアルミニウムとのスポット溶接においては、溶接時間Ｔ（ｍｓｅｃ）が、Ｔ≦２０で、かつ、溶接電流Ｉ（ｋＡ）と溶接面圧Ｐ（ＭＰａ）とが、１≦（Ｉ−１５）／０．６Ｐの関係を満足することが望ましい。ここで、溶接時間が２０ｍｓｅｃを越え、（Ｉ−１５）／０．６Ｐで表される溶接電流と溶接面圧との関係が１より小さいと、界面に脆弱な金属間化合物が形成され、接合部分が界面剥離を生じるため適当ではない。
【００２８】
本発明による鋼とアルミニウムとのスポット溶接における溶接電流Ｉ（ｋＡ）と溶接面圧Ｐ（ＭＰａ）との関係を図１に示す。ここで、面圧Ｐ（ＭＰａ）は加圧力Ｆ（Ｎ）を電極の断面積Ａ（ｍｍ^２）で除した値である。図１の○印は、得られた重ね継手が十字引張り試験で母材破断であったので、接合は合格と判定されたものであり、×印は、界面剥離のため不合格と判定されたものである。つまり、直線は、接合部の合格と不合格との境界線であり、斜線部は良好な接合部の得られる溶接条件範囲を示す。
【００２９】
なお、前記のように面圧Ｐ（ＭＰａ）を「加圧力Ｆ（Ｎ）を電極の断面積Ａ（ｍｍ^２）で除した値」と定義したが、正確には電極先端と材料との接触面積で除すべきである。しかし、電極先端と材料との接触面積は、加圧力により変化するのでここでは電極の断面積とした。従って、電極チップの形状は接触面積と断面積との差が小さいことが望ましい。すなわち、ＪＩＳＣ９３０４に規定するＦ型が好ましいが、表面の品質や作業性などを考慮するとＣ型もしくはＲ型が好ましく、なかでもＲ型が好適に使用できる。
【００３０】
また、本実施形態における電極加圧力と通電のシーケンスプログラムの一例をを図６に示した。Ｉは溶接電流、Ｐは溶接加圧力で各々の経時変化を詳細に示したものである。ここでは所定の溶接電流を印加する溶接時間はＴ_３である。
【００３１】
【実施例】
本発明の接合方法について実施例によってさらに詳しく説明する。
（接合材料と溶接機）
板厚１．０ｍｍの鋼板（ＳＰＣ２７０Ｄ）と板厚１．０ｍｍのアルミニウム合金板（６Ｋ２１−Ｔ４）とを通電時間の短いコンデンサ溶接機（松下電器産業製ＹＧ−５３４０Ｓ、コンデンサ容量：２１９０００μＦ）を用いて、図７に示す単サイクルスポット溶接を行った。すなわち、鋼板３とアルミニウム合金板４とを重ね、電極１で挟んでスポット溶接するものである。この時、電極１は、図８に示す銅合金製のドームラジアス型電極（ａ：１６ｍｍ、ｂ：１２ｍｍ、ｃ：球Ｒ４０ｍｍ、ｄ：球Ｒ８ｍｍ）を使用した。
（評価方法）
上記の鋼板とアルミニウム合金板とを溶接電流、溶接時間、加圧力を変化させて溶接し重ね継手を得た。得られた継手について十字引張り試験を実施し、継手の破断位置から継手強度を評価した。すなわち、母材破断は合格、界面剥離は不合格とした。十字引張り試験は島津製作所製オートグラフ型式（１００ｋＮ）でＪＩＳＺ３１３７に従って実施した。
【００３２】
また、一部の試料については金属顕微鏡で接合部の断面観察を行った。
（試験例１〜１４）
上記の材料と溶接機とを用いて、溶接時間を２０ｍｓｅｃ一定、加圧力を２．９〜１７ｋＮ（面圧：１４．４〜８４．６ＭＰａ）の範囲で８水準、また、溶接電流を２１〜７１ｋＡの範囲で変化させて１４個の重ね継手試料を得た。上記の評価方法で評価した結果を表１に示す。試料２、４、６、８、９、１１、１２、１４の８試料で合格であった。しかし、試料１、３、５、７、１０、１３の６試料は不合格であった。
【００３３】
表１に示すようにこの範囲では、加圧力が同じならば、溶接電流が高い方が、また、溶接電流が同じであるならば加圧力の低い方が良好な結果が得られることが分った。
【００３４】
これは、加圧力の上昇に伴って材料界面での接触抵抗が低下するので、界面を溶融させるのに必要な電流値を上げる必要があるためである。
（試験例１５〜１８）
試験例１と同様の材料と溶接機を用いて、溶接時間を３２ｍｓｅｃ一定として、加圧力を６．５、１０ｋＮ（面圧：３２．３、４９．７ＭＰａ）の２水準とし、溶接電流を５１．２〜６９．２ｋＡに変化させて４個の重ね継手試料を得た。
【００３５】
得られた４試料について十字引張り試験で評価したところ、４点とも界面剥離となり不合格であった。これは、溶接時間が長いために、熱影響の範囲が広がり、金属間化合物が生成しかつ成長したためと考えられる。
（接合部の観察）
試験例１２の接合部の断面写真を図９と図１０に示す。すなわち、十字引張り試験で合格と判定された接合部である。図９で、３は鋼板であり、４はアルミニウム合金板である。また、５は両材料の界面で、６はアルミニウム側の熱影響部（遷移部）である。図９の□部分（イ）の板−板界面を拡大して図１０に示した。図１０から、鋼板３とアルミニウム合金板４との界面付近には金属間化合物は形成されていないことが分る。
【００３６】
試験例７の接合部の断面写真を図１１と図１２に示す。すなわち、十字引張り試験で不合格と判定された接合部である。試験例１２と同様に３は鋼板であり、４はアルミニウム合金板であり、５は界面、６はアルミニウム側の熱影響部である。図１１では界面５の幅が図９に比べて広くなっている。図１１の□部分（ロ）の板−板界面を拡大して図１２に示した。鋼板３とアルミニウム合金板４との界面に２０μｍ程度の厚さで金属間化合物７が形成されているのが認められる。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【発明の効果】
本発明の異種金属材料の接合方法は、異種金属材料の抵抗溶接において、高電流をごく短時間流すことにより異種材料間に微少の溶融部分を生成させ、同時に高加圧力を加えることでこの溶融部分をチリとして飛散させ、清浄な金属面同士の接触と原子の拡散による固相接合部を得ることを特徴とする。
【００３９】
従って、例えば自動車の車体溶接工程などに適用すれば、従来のラインを大幅に変更することなく、異種金属材料の溶接を行うことができるので、車両軽量化の要求に効率よく対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼とアルミニウム合金との抵抗溶接で、溶接電流（ｋＡ）と溶接面圧（ＭＰａ）との関係を示す図である。斜線部は良好な接合が得られる範囲である。
【図２】体積抵抗利用形のスポット溶接を模式的に示した図である。溶接時の温度分布の概念図も併記する。
【図３】接触抵抗利用形スポット溶接を模式的に示した図である。溶接時の温度分布の概念図も併記する。
【図４】被溶接材料表面の初期接触状態を示す断面模式図である。
【図５】チリの発生を示す説明図である。
【図６】スポット溶接時の加圧・通電のシーケンスプログラムの一例を示す図である。
【図７】試験例の接合方法を示す概略図である。
【図８】試験例で用いたドームラジアス型電極の形状を示す図である。
【図９】試験例１２の接合部の断面写真である。
【図１０】図９の□部分（イ）を拡大した接合部の断面写真である。
【図１１】試験例７の接合部の断面写真である。
【図１２】図１１の□部分（ロ）を拡大した接合部の断面写真である。
【符号の説明】
１：加圧電極　２：ナゲット　３：鋼板（ＳＰＣ２７０Ｄ）　４：アルミニウム合金板（６Ｋ２１−Ｔ４）　５：界面　６：熱影響部（遷移層）　７：金属間化合物　８：チリ　Ｉ：電流　Ｐ：加圧力　Ｔ_１：スクイズ時間　Ｔ_２：アップスロープ時間　Ｔ_３：溶接時間　Ｔ_４：ダウンスロープ時間　Ｔ_５：保持時間　Ｔ_６：オフ時間（電極開放時間）

Claims

異種金属材料の抵抗溶接において、高電流をごく短時間流すことにより前記異種金属材料間に微少の溶融部分を生成させ、同時に高加圧力を加えることで前記溶融部分を飛散させて清浄な金属面同士の接触と原子の拡散による固相接合部を得ることを特徴とする異種金属材料の接合方法。
前記異種金属材料は、鉄または鉄合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
溶接時間Ｔ（ｍｓｅｃ）が、Ｔ≦２０で、かつ、溶接電流Ｉ（ｋＡ）と溶接面圧Ｐ（ＭＰａ）（Ｆ（Ｎ）／Ａ（ｍｍ^２）、ただし、Ａは電極断面積）とが、１≦（Ｉ−１５）／０．６Ｐの関係を満足する請求項１または２に記載の異種金属材料の接合方法。
前記抵抗溶接に使用する電極チップの形式はＪＩＳＣ９３０４で規定するＲ型、Ｃ型またはＦ型のいずれかである請求項１から３のいずれかに記載の異種金属材料の接合方法。