JP2006326612A - 抵抗シーム溶接による異種金属の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗シーム溶接による異種金属の接合において、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の接合方法と、このような抵抗シーム溶接による異種金属の接合構造を提供する。
【解決手段】例えば鋼材１とアルミニウム合金材２とを抵抗シーム溶接によって接合するに際し、これら被接合材１，２の間に第３の材料として亜鉛を介在させ、接合界面にＡｌとＺｎの共晶溶融金属３を生じさせて接合する。望ましくは鋼材１として亜鉛めっき鋼板１を使用し、亜鉛めっき層１ｐを第３の材料として利用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばスチール材とアルミニウム合金材など、異種金属の抵抗シーム溶接による接合技術に係わり、特に被接合材である両金属材料の間にインサート材として介在させた第３の金属材料と被接合材との間に生じる共晶反応を利用した異種金属の接合方法に関するものである。

一般に異種金属を接合する場合、同種材の溶接と同様に両方の被接合材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度を得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼材を溶接する場合には、硬度が高くて脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属間化合物の制御が必要となる。

しかし、アルミニウム合金表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、それを除去するためには接合時に大きな熱量を投与することが必要となる。その結果、厚い金属間化合物層が成長し、低強度な接合部になってしまうことが問題となっていた。

そこで、このような異種金属材料を組み合わせて使用する場合には、従来、ボルトやリベットなどによる機械的締結によってこれら材料を接合するようにしていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題があった。

また、このような異種金属の接合には、摩擦圧接が一部の部品において実用化されているが、このような摩擦圧接方法は対称性のよい回転体同士の接合など、その用途が限られている。
さらに、爆着や熱間圧延なども知られているが、設備面や能率面で解決しなければならない問題が多く、一般の異種金属接合に広く適用することはできない。

このような異種金属接合の問題点の改善例として、異種金属材料の間に、当該異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材をそれぞれ同種の材料が接するように挟持した状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接を行うようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開平４−１２７９７３号公報

また、アルミニウムと鋼の抵抗溶接において、アルミニウム材と接する鋼表面に、Ａｌ量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、鋼材側をほとんど溶融させることなしに、めっき層を優先的に溶融させることによって接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
特開平６−３９５５８号公報

しかしながら、クラッド材を用いる特許文献１に記載の方法の場合、２枚の板を接合すべきところが３枚の接合ということになり、実際の施工を考えた場合には、クラッド材の挿入と共に、固定の工程が必要となって、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならなくなる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、クラッド鋼自体も異種材同士を接合することにより製造されるため、製造条件が厳しく、性能の安定した安価なクラッド材を入手することが困難であるという問題点がある。

一方、鋼表面にアルミニウムめっきを施した状態で抵抗溶接する特許文献２に記載の方法では、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、アルミニウムの表面には強固な酸化皮膜が形成されているため、この酸化被膜を破壊し、接合する際の入熱によってアルミニウムめっき層とアルミニウム材が溶融するため、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆弱な金属間化合物が生成され、これから破壊が生じる可能性があるという問題点がある。

本発明は、従来の異種金属の接合方法における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、抵抗シーム溶接により異種金属を接合するに際して、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の接合方法と、抵抗シーム溶接による異種金属の接合構造を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、接合しようとする異種金属材料の間に、これら材料の少なくとも一方の金属との間に共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、接合に際して共晶溶融を生じさせることによって、母材異種金属の融点より低い温度で酸化被膜を除去することができ、金属間化合物の生成を抑えることができることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属の接合方法においては、互いに異なる金属材料同士を重ね合わせて成る被接合材を抵抗シーム溶接するに際して、これら被接合材の間にこれら材料とは異なる金属から成る第３の材料をインサート材として介在させ、上記両金属材料の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴としている。
また、本発明の抵抗シーム溶接による異種金属の接合構造においては、互いに異なる金属材料から成る被接合材の新生面同士が直接接合されており、さらに当該接合部の周囲に上記第３の材料、被接合材、第３の材料と被接合材との反応生成物及び接合過程に生成される反応物の群から選ばれる少なくとも１種が排出されていることを特徴としている。

本発明によれば、互いに異なる異種金属材料同士を抵抗シーム溶接によって接合するに際して、両金属材料の間にこれら金属材料の少なくとも一方の金属と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、この第３の金属材料と一方の金属材料との間で、抵抗発熱によい共晶溶融を生じさせて接合するようにしていることから、母材金属材料の融点よりも低い低温状態において酸化皮膜を除去することができるようになり、接合界面温度の制御が可能になって、金属間化合物の生成が抑制され、被接合材の新生面同士の強固な接合状態を得ることができるようになる。
すなわち、抵抗シーム溶接時の通電及び加圧によって、上記第３の材料や、被接合材、第３の材料と被接合材との反応生成物、接合過程に生成される反応物などが周囲に排出される結果、上記被接合材の新生面同士が直接接合されると共に、該接合部の周囲に上記のような材料やその反応生成物が排出されている接合構造となり、強固な接合状態が得られることになる。

以下に、抵抗シーム溶接による本発明の異種金属の接合方法について、さらに詳細かつ具体的に説明する。

図１は、Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＡｌ−Ｚｎ系における共晶点（Ｔ_Ｅ）は、６５５Ｋであり、Ａｌの融点９３３Ｋよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。したがって、図に示した共晶点を利用してＡｌとＺｎの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて有効に抑制することができる。

ここで、共晶溶融について説明する。共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融で、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えばアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は９３３Ｋ、亜鉛の融点は６９２．５Ｋであり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。

一方、アルミニウム材の表面には酸化皮膜が存在するが、これは抵抗シーム溶接時の通電と加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。

共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は２種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてＺｎ−Ａｌ合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が９５％以上の組成でなければならない。

図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種金属の接合プロセスを示す概略図である。
まず、図２（ａ）に示すように、その表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、アルミニウム合金板材２を用意し、図２（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金板材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ねる。なお、アルミニウム合金板材２の表面には酸化皮膜２ｃが生成している。

次に、抵抗シーム溶接装置の電極による加圧と通電による加熱によって、図２（ｃ）に示すように材料表面の微視的な接触部で局部的な酸化皮膜２ｃの破壊を生じさせる。

これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、そのときの温度状態に応じて、図２（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物などが接合部の外側に排出され、所定の接合面積が確保され、その結果、図２（ｅ）に示すように、アルミニウムと鋼の新生面同士が直接接合され、鋼板１とアルミニウム合金板材２の強固な金属接合が得られることなる。

本発明の異種金属の接合方法における被接合材の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第３の金属材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
すなわち、これら金属とＡｌとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜の除去ができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。

また、本発明の接合方法を自動車ボディの組み立てに適用することを考えた場合、被接合材は鋼材とアルミニウムとの組み合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組み合せなども考えられる。
鋼材とマグネシウムとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムとマグネシウムを接合する場合においても、亜鉛や銀を第３の金属材料として利用することが可能である。

なお、本発明においては、第３の金属材料として、上記したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は２元合金も３元合金も存在するため、これらの少なくとも１種の金属を含む合金であってもよい。

本発明の抵抗シーム溶接による異種金属の接合方法は、上記したように接合しようとする異種金属材料間に、これら材料と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、接合に際して共晶溶融を生じさせるようになすものであるが、第３の金属材料を被接合材の間に介在させるための具体的手段としては、被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料をめっきすることが望ましく、これによって第３の材料をインサート材として被接合材間に挟み込む工程を省略でき、作業効率が向上すると共に、共晶反応によって溶融されためっき層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、被覆層の下から極めて清浄な新生面が現れることになり、より強固な接合が可能となる。

そして、例えば、上記したアルミニウム合金材やマグネシウム合金材と鋼材との異材接合に際しては、鋼材として、アルミニウムやマグネシウムと低融点共晶を形成する第３の金属材料である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることができ、この場合には、特別な準備を要することもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、異種金属の強固な接合が可能になる。

また、本発明の異種金属の接合方法においては、抵抗シーム溶接に際して使用するローラー電極形状について、その少なくとも一方の電極における被接合材との接触面を平らにすることなく、凸状曲面とすることが望ましく、これによって例えばアルミニウム材と鋼材の接合を行なう場合に、アルミニウム材表面の酸化皮膜を容易に破壊することができ、アルミニウムと第３の材料との間に生じた共晶溶融金属を酸化皮膜と共に接合部の周囲に効率的に排出して、アルミニウム材と鋼材の新生面同士の強固な接合が可能になり、異種金属の接合がより容易なものとなる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図３に示すような交流電源タイプの抵抗シーム溶接装置を用いて、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板材２と、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１との接合を行なった。
なお、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛めっき厚さについては、約５μｍの厚さのものを使用した。

当該実施例においては、ローラー電極Ｒ１及びＲ２として、図４（ａ）に示すように、電極Ｒ１，Ｒ２の軸に沿った断面において、被接合材１，２との当接面である外周部先端がフラットな台形形状を有するコーン型のローラー電極を使用し、加圧力を２６０ｋｇｆ一定とし、２．７ｍ／分の速度で抵抗シーム溶接を行い、上記アルミニウム合金板材２と亜鉛めっき鋼板１とを接合した。

得られた接合体から、継手引張試験片と共にマクロ試験片を切り出し、接合強度を調査すると共に、破断位置、接合部のマクロ組織を観察した。
この結果を表１に示す。

（実施例２）
上記実施例１と同じ材料を用い、ローラー電極Ｒ２を上記のコーン型のものから、図４（ｂ）に示すように、ローラー外周部先端における軸方向の断面形状が円形に突出したドーム型のローラー電極に換えたこと以外は、上記同様の操作を繰り返すことによって、上記アルミニウム合金板材２と亜鉛めっき鋼板１とを接合し、実施例１と同様の評価を行なった。
その結果を表１に併せて示す。

上記の結果、いずれの実施例においても、第３の材料である亜鉛とアルミニウムの間に共晶溶融が生じ、ローラー電極Ｒ１，Ｒ２による加圧によって共晶溶融金属と共に、酸化皮膜が接合部の外側に排出され、それぞれ良好な接合が達成されたが、上下ローラー電極の両方をコーン型とした実施例１においては、上記共晶溶融金属や酸化皮膜、亜鉛などの排出が円滑性にやや欠けるのに対し、一方の電極Ｒ２（アルミニウム合金材２の側）を上記コーン型からドーム型電極に変更した実施例２においては、共晶溶融金属や酸化皮膜、亜鉛などの排出が極めて良好に行なわれる結果、鋼板１とアルミニウム合金板材２の新生面同士が直接接合され、引張試験においてアルミニウム合金板材２での母材破断となることが確認された。

Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明による異種金属の接合過程を概略的に示す工程図である。 本発明の実施例に使用した抵抗シーム溶接装置の全体構造を示す概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例に用いたローラー電極形状の組合わせを示す説明図である。

符号の説明

１ 亜鉛めっき鋼板（被接合材）
１ｚ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ アルミニウム合金材（被接合材）
３ 共晶溶融金属
Ｒ１，Ｒ２ ローラー電極

Claims (5)

1. 互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた被接合材を抵抗シーム溶接するに際し、被接合材の間に上記金属材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、上記被接合材の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて接合することを特徴とする異種金属の接合方法。
2. 上記被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料がめっきされていることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
3. 上記被接合材の一方の材料が亜鉛めっき鋼板であって、当該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第３の材料として利用することを特徴とする請求項２に記載の異種金属の接合方法。
4. 溶接用ローラー電極の少なくとも一方に、被接合材との接触面に凸状曲面を備えた電極を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
5. 互いに異なる金属材料から成る被接合材の抵抗シーム溶接による接合構造であって、上記被接合材の新生面同士が直接接合されていると共に、該接合部の周囲に、上記金属材料とは異なる金属から成り、被接合材の少なくとも一方の材料との間で共晶溶融を生じる第３の材料、被接合材、上記第３の材料と被接合材との反応生成物及び接合過程に生成される反応物の群から選ばれる少なくとも１種が排出されていることを特徴とする異種金属の接合構造。
   

Images