JP2007130686A - 抵抗溶接による異種金属の接合方法及び接合構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】亜鉛めっき鋼材1とアルミニウム合金材2とを重ね合わせ、亜鉛めっき鋼材1のめっき層中の亜鉛とアルミニウムとの共晶溶融を生じさせて抵抗溶接するに際し、酸化皮膜や亜鉛、共晶溶融金属、反応生成物などの接合部からの排出を容易なものとする排出促進手段として、湾曲部Cを上記被接合材の少なくとも一方に形成しておく。
【選択図】図3
Description
例えば、アルミニウム合金と鋼材との異種金属を溶接する場合、高硬度で脆弱なFe2Al5やFeAl3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。
さらに、爆着や熱間圧延なども知られているが、設備面や能率面での問題が多く、一般の異種金属接合に広く適用することはできないという問題がある。
すなわち、抵抗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排出促進手段を介して周囲に円滑に排出される結果、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。
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効果的に抑制することができる。
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。
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。
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の温度で溶融するため、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、低温で酸化皮膜を除去することができ、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。
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。
このような湾曲部は、後述するように、例えばプレス加工によって、接合線に沿った連続溝状(シーム溶接の場合)、あるいは溶接位置に合わせた断続状(スポット溶接の場合)に形成することができる。
したがって、電極E1及びE2によって亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2を上下から挟持し、加圧、通電により抵抗スポット溶接を行うと、アルミニウム合金板材2の酸化皮膜の破壊と、その接合部からの除去を促進することができる。特に、上記湾曲部Cを低融点側であり、しかも大気雰囲気下でその表面に強固な酸化皮膜を形成するアルミニウム合金材2の側に形成したことによって、通電加熱による軟化により湾曲部Cが変形しながら酸化皮膜の破壊と除去が進行すると共に、接合過程の共晶反応により生じた反応生成物等の接合部周囲への排出が容易なものとなり、被接合材であるアルミニウム合金と鋼の新生面同士の、不純物などが介在することのない強固な接合を得ることが可能となる。
すなわち、溶接過程において排出促進手段としての湾曲部Cがより潰れ易くなり、これによって酸化皮膜や共晶金属、その他接合過程で生じる反応生成物などの接合部からの排出がさらに促進されるようになり、より強固な接合が可能となる。なお、電極E1の先端形状としては、球面状のみに限定されることはなく、平坦な先端形状(Re:無限大)の電極を使用することも可能である。
また、図5(b)に示すように、同じくプレス加工などによって接合フランジの長手方向に連続的なビード状に湾曲部Cを形成することも可能であって、この場合は、抵抗スポット溶接による打点位置だけ、連続したビード状の湾曲部Cがスポット状に潰されることになり、長手方向と直角方向に接合反応生成物などの排出が可能となり、上記同様の効果が得られる。
図6(a)は、鋼板1の側に湾曲部Cを形成した例を示すものであって、高融点側である鋼板1は、アルミニウム合金側と比較して相対的に接合過程での変形は少ないが、湾曲部Cの形成によって、その周囲に酸化皮膜や共晶溶融金属、反応生成物などの排出空間が確保されることから、同様の効果を得ることができる。
このような抵抗シーム溶接によれば、連続的な接合が可能であり、接合部の水密性や合成に優れた異材継手を得ることができる。
図2に示したような交流電源タイプの抵抗スポット溶接装置を用いて、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20μmの厚さのものと約5μmの厚さのものを使用した。
なお、スポット抵抗溶接装置における電極E1の先端部曲面の曲率半径Reが40mmであるのに対して、上記湾曲部Cの内側曲率半径Raを15mmとした。
なお、めっき厚さ20μmの亜鉛めっき鋼板については、アルミニウム合金板材2の側に湾曲部Cを形成することなく接合を行い、上記発明例と比較した。
図7に示したような交流電源タイプの抵抗シーム溶接装置を用いて、上記同様のアルミニウム合金板材2と亜鉛めっき鋼板1(めっき厚:約20μm)との接合を行なった。
なお、シーム溶接装置におけるローラ電極Er1の先端外周面が平坦な2次曲面であるのに対して、上記湾曲部Cの内側曲率半径Raは、6mmとした。
図9(a)及び(b)に示したような交流電源タイプの抵抗溶接装置を用いて、板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金板材2に、鋼製のスタッドボルト11(M5)を図11及び12に示す要領で接合した。
すなわち、図11においては、スタッドボルト11の側の接合部に、第3の材料としての亜鉛めっき層Pが約20μmの厚さに施されており、図11(a)に示すようにスタッドボルト11の側に湾曲部Cを形成した時の接合性を湾曲部のない場合(比較例:図11(b)参照)と比較評価した。
なお、Al−Cu系における共晶点は、821Kである。
図9(a)及び(b)に示したような交流電源タイプの抵抗溶接装置を用いて、板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金板材2に、鋼製のナット12(M6)を図13及び14に示す要領で接合した。
すなわち、図13においては、ナット12の側の接合部に、第3の材料としての亜鉛めっき層Pが約20μmの厚さに形成されており、図13(a)に示すようにナット12の側に湾曲部Cを形成した時の接合性を湾曲部のない場合(比較例:図13(b)参照)と比較評価した。
1p,P 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)
11 スタッドボルト(被接合材)
12 鋼製ナット12(被接合材)
C 湾曲部(排出促進手段)
I インサート材(第3の材料)
Claims (10)
- 互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた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抵抗溶接するに際し、上記被接合材の接合部における少なくとも一方の側に、第3の材料、被接合材、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応物の群から選ばれる少なくとも1種の排出を容易ならしめる排出促進手段を設けることを特徴とする抵抗溶接による異種金属の接合方法。
- 上記被接合材の接合部に第3の材料から成るインサート材を挿入することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 上記被接合材の少なくとも一方の材料に第3の材料が被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 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3に記載の接合方法。
- 上記排出促進手段が被接合材の少なくとも一方に形成した湾曲部であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 上記被接合材のうち、融点が低い方の材料に湾曲部が形成してあることを特徴とする請求項5に記載の接合方法。
- 上記被接合材のうち、大気雰囲気下で表面により強固な酸化被膜を形成する方の材料に湾曲部が形成してあることを特徴とする請求項5に記載の接合方法。
- 抵抗スポット溶接により断続的に溶接することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 抵抗シーム溶接により連続的に溶接することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の接合方法。
- 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の接合方法によって得られ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、当該接合部の周囲に、上記金属材料とは異なる金属から成り、上記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、酸化皮膜及び接合過程で生じる反応生成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。
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