JP2007144473A - 異材接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定で、多数の連続打点を可能とし、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、異材接合体を提供することを目的とする。
【解決手段】板厚が３ｍｍ以下のアルミニウム合金材と板厚が３ｍｍ以下の鋼材とを互いにスポット溶接にて接合した異材接合部を有する異材接合体であって、この異材接合部において、鋼材２、３が二枚以上互いに重ね合わされた上で、アルミニウム合金材１に対して積層され、この三枚以上の異材積層体に対してスポット溶接がなされていることとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等の構造部材などとして好適で、特に、自動車用車体などの組立工程の際に必要となる、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合体に関する。

アルミニウム合金材（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称：板、形材、鍛造材、鋳造材などを含む）を、鋼材（鋼板、鋼型材、条鋼、などを含む）との、異種金属部材同士の接合体(異材接合体)に適用することができれば、自動車などの構造材として、車体の軽量化等に著しく寄与することができる。

このため、自動車車体における鋼材とアルミニウム材とを溶接接合した異材接合体として、例えば、以下の例が知られ、また採用されている。
（１）ドアビーム（アルミニウム合金中空形材製補強材）と鋼製ドアパネル。
（２）鋼製センターピラーやサイドシルなどの鋼製パネル構造体内へのアルミニウム合金中空形材補強。
（３）鋼製バンパやサイドメンバとアルミニウム合金中空形材製バンパステイやクラッシャブルボックス。
（４）フードやドアなどの大型パネルにおける鋼製パネル構造体のインナパネルかアウタパネルのアルミニウム合金板化。
（５）アルミニウム合金板製のルーフパネルと鋼製のサイドメンバアウタ や鋼製のルーフサイドレール。

また、これら、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合体を、スポット溶接できれば、自動車用車体などの組立工程の際に、鋼材のみを使用した自動車用車体のスポット溶接工程がそのまま使用できる、大きな利点がある。特に、大きな異材接合面積（長い異材接合長さ）を有する異材接合体、例えば、アルミニウム合金板を成形したパネルと、鋼板を成形したパネルとの異材接合体（異材接合パネル）を、スポット溶接できれば、この利点が大きい。

しかし、鋼材とアルミニウム材とを溶接接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、信頼性のある高強度を有する接合部(接合強度)を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異材接合体の接合には、ボルトやリベット等、あるいは接着剤を併用した接合がなされている。このため、前記した自動車用車体構造物などの組立工程の効率が低下し、また、接合継手の信頼性、コスト等の問題もある。

そこで、従来より、これら異材接合体のスポット溶接法について多くの検討がなされてきている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている（特許文献１〜６参照）。また、鋼材側に融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法が提案されている（特許文献７〜９参照）。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献１０参照）や、部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献１１参照）なども提案されている。

更に、アルミニウム材の不均一な酸化膜を除去した後、大気中で200 〜450 ℃、8 時間までの加熱を行って均一な酸化膜を形成し、アルミニウム表面の接触抵抗が高められた状態で、アルミニウム−鋼2 層の複層鋼板をインサート材に用いてスポット溶接する方法も提案されている（特許文献１２参照）。

また、これら高価なクラッド材またはインサート材を用いることなく、異種材料を確実にかつ高強度に接合できるスポット溶接方法として、鋼板同士の間にアルミニウム板を挟み込んで、三層あるいは四層、六層など多層に重ねることが開示されている（特許文献１３、１４、１５参照）。

この技術では、これら多層の重ね部を一対の電極で挟持し、電極間に大電流を短時間流して、スポット溶接域からアルミニウム板の溶融部を排除してしまう。この結果、溶接部としては、アルミニウム板を介さずに、鋼板同士を直接的に接合させ、接合界面に金属間化合物が生成するのを抑えるものである。そして、この実施の形態として、鋼板の端縁部をヘミング加工により曲げ返すと同時に、この曲げ返し片と鋼板との間にアルミ板を挟み込み、この三層の重ね部をスポット溶接する例などが開示されている。
特開平４−５５０６６公報（全文） 特開平４−１２７９７３公報（全文） 特開平４−２５３５７８公報（全文） 特開平５−１１１７７８公報（全文） 特開平６−６３７６３号公報（全文） 特開平７−１７８５６３号公報（全文） 特開平４−２５１６７６号公報（全文） 特開平７−２４５８１号公報（全文） 特開平４−１４３８３号公報（全文） 特開平５−２２８６４３号公報（全文） 特開平９−１７４２４９号公報（全文） 特開平６−６３７６３号公報（全文） 特開平７−３２８７７４号公報（全文） 特開平９−１５５５６１号公報（全文） 特開２００３−２３６６７３号公報（全文）

確かに、これら従来技術でも、スポット溶接による継手の接合強度の向上効果は認められる。しかし、これら鋼材とアルミニウム材とを溶接接合した異材接合体（あるいは異材溶接継手）を自動車などの構造部材に適用することを考えると、自動車の衝突時などに負荷される大荷重（応力）に対する継手強度が必要である。これに対する十分な継手強度あるいは接合強度を、これら従来技術では、未だ得られていない。この結果、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接は、自動車などの構造部材に、未だ実用化されていない。

また、これら従来技術には、スポット溶接における電極寿命が低いという大きな問題がある。鋼材とアルミニウム材とを溶接接合する場合、アルミニウム材側を溶解させて接合するために、通常、溶接電流は鋼材同士の溶接電流よりも高くする。このため、ナゲットの成長とともに、チリ（散り）が発生しやすくなり、ナゲットが安定化しないという大きな問題がある。

ナゲットが安定化しないことは、特に、大きな異材接合面積（長い異材接合長さ）を有する異材接合パネルなど、多数の連続打点の際に、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が変化し、安定しないことにつながる。したがって、これらの問題点が、これら従来技術では、例え、少ない打点数では、十分な継手強度あるいは接合強度を得られたとしても、多数の連続打点の際には、十分な継手強度あるいは接合強度が、未だ得られていない原因ともなっていた。

更に、異材接合体のスポット溶接においては、上記、鋼材とアルミニウム材との接触状態が変化して、安定しないことは、電極寿命を著しく低下させることにつながる。

これらの傾向は、鋼板表面に電気亜鉛めっきや溶融亜鉛合金化めっきが施されている、亜鉛めっき鋼板（亜鉛めっき鋼材）の場合に著しい。そして、自動車車体用には、この種亜鉛めっき鋼板が周知の通り汎用されている。したがって、この点も、前記した、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接が、自動車などの構造部材で未だ実用化されていない大きな要因となっていた。

この点は、前記特許文献１３〜１５でも同様で、スポット溶接域からアルミニウム板の溶融部を短時間に排除するだけの大電流を短時間に使用するため、通常のスポット溶接に比較してチリが非常に大きく、また、多数の連続打点の際には、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が大きく変化しやすく、安定しない。さらに、大電流ゆえのコストの問題も抱えており、多数の連続打点には不適である。しかも、これら特許文献１３〜１５でも亜鉛めっき鋼板も適用可能としているものの、その実施例において、実際に亜鉛めっき鋼板を適用して裏付けている例は無い。

このため、本発明は、例え亜鉛めっき鋼材を使用した場合でも、あるいは裸の鋼材を使用した場合でも、鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定で、多数の連続打点を可能とし、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、異材接合継手および異材接合パネルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の異材接合体の要旨は、板厚が３ｍｍ以下のアルミニウム合金材と板厚が３ｍｍ以下の鋼材とを互いにスポット溶接にて接合した異材接合部を有する異材接合体であって、この異材接合部において、前記鋼材が二枚以上互いに重ね合わされた上で、アルミニウム合金材に対して積層され、この三枚以上の異材積層体に対してスポット溶接がなされていることである。

前記した通り、アルミニウム合金材と鋼材との異材接合体を、従来のスポット溶接で得ようとして、溶接条件側を工夫しても、多数の連続打点の際に、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が変化し、安定しない。

このため、異材接合体を、スポット溶接しようとする場合には、アルミニウム合金板乃至パネルの単板（１枚）と、鋼板乃至パネルの単板（１枚）とを、重ね合わせてスポット溶接することが常識であった。

また、特許文献１３のように、接合界面に金属間化合物が生成するのを抑える観点からは、鋼板同士の間にアルミニウム板を挟み込んだとしても、短時間の大電流によって、アルミニウム板を溶融および接合部から溶融アルミニウムを排除して、アルミニウム板を介さずに、鋼板同士を直接的に接合させる方向にいくことが当然であった。

これに対して、本発明者らは、逆転の発想により、アルミニウム合金材に対して、鋼材を２枚以上互いに重ね合わせた上で、アルミニウム合金材に対して積層した、３枚重ね以上の異材積層体とすれば、常識に反して、スポット溶接部の接合強度が高くなることを知見した。

そして、この３枚重ね以上の異材積層体におけるスポット溶接性向上の傾向は、これも常識に反して、従来は、裸の鋼板よりも、スポット溶接性が悪いとされていた、亜鉛めっき鋼板（亜鉛めっき鋼材）の場合に特に良好であることが確認された。即ち、常識に反して、亜鉛めっき鋼板（亜鉛めっき鋼材）の２枚以上の積層の方が、裸の鋼板同士の２枚以上の積層の場合よりも、スポット溶接性が向上する。

これによって、多数連続打点のスポット溶接の際にも、異材接合体の、十分な継手強度あるいは接合強度が得られる。また、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定し、電極寿命が著しく向上し、多数連続打点の効率の良いスポット溶接が保証される。

この理由は、亜鉛めっき鋼材を２枚以上互いに重ね合わせることによって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増し、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度が、アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなるためと推考される。これによって、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミニウムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保されるためと推考される。また、亜鉛めっき鋼板の場合、融点の差により亜鉛めっき層が先行して溶融するが、その結果、界面における熱分布を均一化する効果があると考えられる。これら２つの複合効果により、亜鉛めっき鋼材の２枚以上の積層の方が、裸の鋼板同士の２枚以上の積層の場合よりも、スポット溶接性が向上するものと推考される。

このため、本発明は、鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定で、多数の連続打点を可能とし、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、異材接合体を提供できる。したがって、鋼材とアルミニウム材との異材接合のスポット溶接の、自動車などの構造部材での実用化に道を拓くものである。

以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の限定理由とを具体的に説明する。図１、２に、本発明異材接合体における、異材接合部分の基本的な態様を各々示す。図１、２において、１はアルミニウム合金材、２、３は各々鋼材、４はスポット溶接部、５、５はスポット溶接用電極を示す。

先ず、図１では、鋼材２、３を互いに重ね合わせて二枚とした上で、更にアルミニウム合金材１の１枚と積層して、異材同士を３層乃至３枚重ね合わせた態様を示している。鋼材２、３の互いの重ね合わせは、鋼材の板厚が３ｍｍ以下の薄板であることを前提に、通常の条件範囲でスポット溶接可能であれば、二枚でなくとも、三枚以上の多層に積層しても良い。アルミニウム合金材の方も、３ｍｍ以下の板厚であることを前提に、通常の条件範囲でスポット溶接可能であれば、一枚でなくとも、二枚以上の多層に積層しても良い。

これに対して、図２では、比較のために、従来のように、アルミニウム合金材１を、鋼材２、３で図の上下方向（方向は問わず左右でも可）から挟み込んだ形で、鋼材２、３を二重に積層し、異材同士を３層乃至３枚重ね合わせた態様を示している。

図１、２とも、スポット溶接自体は、これら異材同士を３層乃至３枚重ね合わせた上で、スポット溶接用電極５、５が、これら異材同士の積層体を挟み込んでスポット溶接（打点）する。図１、２では、左方向の矢印で示すように、このスポット溶接が連続的に（連続した打点にて）行なわれる。

しかし、図１の本発明態様では、スポット溶接用電極５、５により、加圧しつつ通電することにより、二重に積層された鋼材２、３同士の間、あるいは、鋼材２、３とアルミニウム合金材１との界面が、複合して抵抗発熱する。このため、鋼材２とアルミニウム合金材１との界面温度が１０００℃を越えて高くなるものと推測される。この界面温度は、アルミニウム合金材１の溶融温度約７００℃に比して著しく高い。これによって、アルミニウム合金材１の鋼材２との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼材２側にアルミニウムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保される。

同時に、アルミニウム合金材１と鋼材２とだけではなく、二重に積層された鋼材２、３同士も、スポット溶接時の抵抗発熱量が前記のように高いために、良好に溶融接合される。これらの結果、アルミニウム合金材１と鋼材２同士、鋼材２、３同士が良好にスポット接合される。これらは、多数の連続打点の際にも、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態を極めて安定させ、異材接合体の、十分な継手強度あるいは接合強度が得られるとともに、電極寿命が著しく向上する。

これに対して、図２の比較例態様では、鋼材２、３同士の間での抵抗発熱が無い。このため、鋼材２、３とアルミニウム合金材１との界面では、スポット溶接時の抵抗発熱量が増加しない。このため、鋼材２とアルミニウム合金材１との界面温度が、アルミニウム合金材１の溶融温度約７００℃を越えて、著しく高くはなり難い。この結果、アルミニウム合金材１の鋼材２との界面での拡散速度が遅くなり、接合状態が良好とはならないものと推測される。

（鋼材）
本発明で使用する鋼材は、例えば、熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ鋼板）などの軟鋼あるいは高張力鋼の板や条鋼（条、線、棒、管など）、これに亜鉛メッキなどの表面処理を施した鋼材、またはステンレス鋼板など、抵抗スポット溶接可能な鋼材であるならばいずれでもよい。ただ自動車車体などの軽量化と高強度化の両方が求められる場合には、高張力鋼を用いることが好ましい。本発明では前記した通り、亜鉛めっき鋼板の場合であっても、あるいは裸の鋼板の場合であっても、多数の連続打点のスポット溶接が可能となるため、これら広範な種類、あるいは汎用されている鋼材が使用可能である。

（アルミニウム合金材）
本発明で使用するアルミニウム合金材は、熱間圧延板、冷間圧延板、中空あるいはソリッドの押出形材、鍛造材、鋳造材が適宜使用できる。アルミニウム合金材は、純アルミニウムでもよいが、自動車車体などとして、軽量化と高強度化、あるいは高成形性、溶接性などの要求特性が特に求められる場合には、このような特性に優れたアルミニウム合金を選択する。例えば、成形性の良いＡｌ−Ｍｎ系（３０００系）合金、成形性や溶接性の良いＡｌ−Ｍｇ系（５０００系）合金、強度の高いＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）合金などが例示される。

（板厚）
本発明では、上記鋼材やアルミニウム材の形状にかかわらず、異材接合部における、これらの厚みを板厚と称する。本発明では、異材接合部における鋼材の板厚としては２．０ｍｍ以下、アルミニウム材の板厚としては３．０ｍｍ以下とする。例えば、異材接合部が鋼材やアルミニウム材の各フランジ部（接合用フランジ）の場合には、これらの各フランジ部の板厚を上記板厚とする。但し、これら異材接合部である各フランジ部以外の本体部分では、鋼材やアルミニウム材の板厚をフランジ部と同じ板厚としても良く、また、フランジ部と違う板厚としても良い。

異材接合部における鋼材が２．０ｍｍを越えた場合や、アルミニウム材の板厚が３．０ｍｍを越えた場合、後述する通常のスポット溶接条件においては、前記した複合抵抗発熱量が大きくなり過ぎる。このため、アルミニウム合金材１が溶融して、鋼材２、３との界面に脆い金属間化合物を形成しやすくなり、特に、アルミニウム合金材１が鋼材２、３に対して拡散接合されにくくなる。また、散りの発生も多くなる。

この結果、異材接合体の、十分な継手強度あるいは接合強度が得られ難く、多数の連続打点の際に、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定せず、電極寿命も著しく低下する。

（スポット溶接条件）
本発明方法で用いる抵抗スポット溶接に際しては、殊更、高電流、高加圧力にする必要は無く、通常のアルミニウム合金材側に合わせた、鋼材同士よりは高電流側の、通常のスポット溶接条件が選択される。好適な電流、時間は、８〜３０ｋＡの電流(電極５、５間の電流)を、アルミニウム材の板厚ｔ（ｍｍ）との関係で、４００×ｔ ｍｓｅｃ以下の通電時間で流すことが好ましい。

スポット溶接条件が、３０ｋＡを越えて、高電流となり過ぎた場合、前記した複合抵抗発熱量が大きくなり過ぎる。このため、特に、アルミニウム合金材１が溶融しやすくなる。この結果、アルミニウム合金材１がスポット溶接域から除かれたり、そこまでいかずとも、鋼材との界面に脆い金属間化合物（界面反応層）を形成しやすくなる。したがって、アルミニウム合金材１が鋼材２、３に対して拡散接合されにくくなり、散りの発生も多くなる。このため、十分な継手強度あるいは接合強度が得られ難く、多数の連続打点の際に、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定せず、異材接合体の、電極寿命も著しく低下する。

一方、８ｋＡ未満の低電流の場合、ナゲットが形成、成長するのに十分な入熱量が得られない。また、通電時間が４００×ｔ ｍｓｅｃを超える長時間の場合、必要なナゲット径は確保できるが 、チリの発生や界面に脆い金属間化合物の成長をもたらす可能性が高くなる。

なお、通常の同種金属での溶接と同様に、接合される鋼材やアルミニウム材の板厚の増加に伴って、上記各範囲内で、通電時間のみならず、電流量も増加させることが好ましい。

スポット溶接時の加圧力については、特に規定するものではないが、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、さらにチリの発生を抑制するために、ある程度高い加圧力を必要とする。ただし、加圧力を増加するとナゲット径が小さくなる傾向にあるので、それに伴って電流量を増加することが好ましい。

スポット溶接の電極形状については、特に規定するものではないが、特にアルミニウム材側の電極については、Ｒの大きいＲ型形状の電極が、通電初期の電流効率を上げるために望ましい。鋼材側の電極はドーム型などのＲ型でもＦ型でも構わないが、同様にＲの大きい方が望ましい。また、極性についても規定するものではないが、直流スポット溶接を用いる場合は、アルミニウム材側を陽極とし、鋼材側を陰極とする方が望ましい。

（異材接合体の態様）
以下に、本発明異材接合体の、自動車車体における異材接合体としての態様を例示して説明する。

図３は、アルミニウム合金製のルーフパネル１０（アルミニウム合金板をプレス成形）と、鋼製のサイドメンバアウタパネル ２０（鋼板をプレス成形）、鋼製のルーフサイドレール、あるいはサイドメンバインナパネル ３０（鋼板をプレス成形）とを接合する態様を示す。

この場合は、アルミニウム合金製のルーフパネル１０ のフランジ部 (側縁部)１０ａ、 鋼製のサイドメンバアウタ２０のフランジ部 (側縁部) ２０ａ、鋼製のルーフサイドレール３０のフランジ部 (側縁部) ３０ａが、前記図１の態様（鋼材を互いに重ね合わせた上でアルミニウム合金材を積層）で、スポット溶接される。この際、これらスポット溶接の接合部４は前記した板厚条件を満足するものとする。その上で、これらスポット溶接の接合部４は、図３に示すように、各フランジ部の長手方向（車体前後方向）全域に亙って、所定の間隔を開けて連続打点される。

図４は、フードやドアなどの大型パネル構造体における、アルミニウム合金製のアウタパネル１１（アルミニウム合金板をプレス成形）と、鋼製のインナパネル ２１（鋼板をプレス成形）、および鋼板製の当て板、あるいは別の鋼部材や鋼パネル３１とを接合する態様を示す。

通常、このような大型パネル構造体の場合は、アウタパネル１１のフランジ部 １１ａ、１１ｂ、インナパネル ２１のフランジ部２１ａ、２１ｂとが２枚重ねで接合される。本発明では、これに、鋼板製の当て板、あるいは別の鋼部材や鋼パネル３１ａ、３１ｂを新たに加え、３枚重ねとする。即ち、アルミニウム合金製のアウタパネル１１のフランジ部 １１ａ、１１ｂ、鋼製のインナパネル ２１のフランジ部２１ａ、２１ｂ、鋼板製の当て板３１ａ、３１ｂが、前記図１の態様（鋼材を互いに重ね合わせた上でアルミニウム合金材を積層）で、スポット溶接される。この際、これらスポット溶接の接合部４は前記した板厚条件を満足するものとする。その上で、これらスポット溶接の接合部４は、図示しないが、各フランジ部の長手方向（車体前後方向）全域に亙って、所定の間隔を開けて連続打点される。

なお、図３、4の接合部４は、従来の異材接合では、スポット溶接が使用できないために、セルフピアシングリベットや通常のリベット、ボルトなどの機械的な接合や接着剤を用いた接合によって、一体に接合されていたものである。また、例え、仮に、スポット溶接が用いられていたとしても、これら機械的な接合や接着剤を用いた接合との併用の上で、部分的、局部的にしか用いられておらず、図３に示すように、各フランジ部の長手方向（車体前後方向）全域に亙って、連続打点されるものではなかった。

この他、センターピラー、サイドシル（ロッカー）、サイドメンバなどの大型パネル構造体に、本発明異材接合体を適用しても良い。即ち、これらパネル構造体における、鋼製のアウタパネル（鋼板をプレス成形）と、鋼製のインナパネル （鋼板をプレス成形）とを、各々のフランジ部で互いに重ね合わせる。その上で、補強用のアルミニウム合金材（アルミニウム合金中空押出形材）に設けたフランジ部と、図１のように積層し、この三枚以上の異材積層体に対してスポット溶接接合しても良い。この際、スポット溶接の接合部は前記した板厚条件を満足するものとする。その上で、これらスポット溶接の接合部は、各フランジ部の長手方向（車体前後方向）全域に亙って、所定の間隔を開けて連続打点される。

このような接合部も、従来の異材接合では、スポット溶接が使用できないために、セルフピアシングリベットや通常のリベット、ボルトなどの機械的な接合や接着剤を用いた接合によって、一体に接合されていたものである。

また、フードなどの大型パネル構造体に本発明異材接合体を適用しても良い。即ち、鋼製インナパネル周縁部に、鋼板製の当て板あるいは別の鋼部材や鋼パネルを新たに重ねたものを、アルミニウム合金製のアウタパネル（アルミニウム合金板をプレス成形）周縁部と重ねて３枚重ねとする。そして、この３枚重ねとなった周縁部をスポット溶接する。

この他、本発明では、ドアビーム（アルミニウム合金中空形材製補強材）と鋼製ドアパネル、あるいは、鋼製バンパやサイドメンバと、アルミニウム合金中空形材製バンパステイやクラッシャブルボックスとの接合に、上記した各態様を利用して、適用することができる。

（ルーフパネルとサイドメンバとの異材接合体模擬試験）
以下、本発明の実施例を説明する。図５に、形状および各部の具体的寸法を示す、前記図３のルーフパネルとサイドメンバとの接合を模擬した異材接合体を製作した。より具体的には、アルミニウム合金製のルーフパネル１０（アルミニウム合金板をプレス成形）と、鋼製のサイドメンバアウタパネル ２０（鋼板をプレス成形）、鋼製のサイドメンバインナパネル３０（鋼板をプレス成形）とを、異材接合した。この接合部態様は、前記図１の態様（鋼材を互いに重ね合わせた上でアルミニウム合金材を積層）と同じである。

発明例は、図６（ａ）に、アルミニウム合金製のルーフパネル１０ のフランジ部 １０ａ側（上側）からみた平面図で示すように、 鋼製のサイドメンバアウタ２０のフランジ部２０ａ、サイドメンバインナパネル３０のフランジ部 ３０ａとを、３枚重ねた上で、連続打点によるスポット溶接をした。スポット溶接部４のピッチは６０ｍｍ間隔とした。

比較例は、図６（ｂ）に、サイドメンバインナパネル３０のフランジ部 ３０ａ側（下側、裏側）からみた平面図で示す。このように、比較例は、サイドメンバインナパネル３０のフランジ部 ３０ａの、スポット溶接部４相当部分を半円形に切欠き、スポット溶接部４においては、アルミニウム合金製のルーフパネル１０ のフランジ部 １０ａと、鋼製のサイドメンバアウタ２０のフランジ部２０ａの２枚のみが重なるようにした上で、連続打点によるスポット溶接をした。スポット溶接部４のピッチは発明例と同じ６０ｍｍ間隔とした。なお、打点数を増した比較例５は２５ｍｍ間隔とした。

これら発明例と比較例との破断荷重を測定した。また、発明例と比較例との電極の融着度合い（消耗度）を観察した。その結果を表１に示す。

（溶接条件）
溶接機：単相交流式抵抗スポット溶接機を使用。電極：１６ｍｍΦで、先端曲率半径が１５０ｍｍのＲ型電極（クロム銅合金）を使用。加圧力、溶接電流、加圧通電時間の各条件は表１に記載する。

（アルミニウム合金材条件）
ルーフパネル１０（フランジ部 １０ａ含む）には、６０２２アルミニウム合金冷延板（Ｔ５処理:０．２％耐力１４５ＭＰａ、板厚１．２ｍｍ）を、図５のようにプレス成形したものを使用した。このアルミニウム合金冷延板は、裸のものを使用し、表面処理を施していない。

（鋼材条件）
サイドメンバアウタ２０（フランジ部２０ａ含む）およびサイドメンバインナパネル３０（フランジ部 ３０ａ含む）には、いずれも、いずれも溶融亜鉛合金化めっき鋼板（ＧＡめっき鋼板:引張強度２７０ＭＰａ、以下ＧＡ２７０と略記、板厚０．８ｍｍ）を用いた。

（引張試験方法）
ＪＩＳＺ３１３６スポット溶接継手の引張せん断試験方法に準拠し、前記スポット溶接部４を含む、重ね合わせたフランジ部のみを切断、採取し、打点数４点〜８点を含む試験片を準備した。この試験片を、アウタ２０側（固定端）とルーフ１０側（移動端）とで引張試験し、破断荷重を求めた。これらの結果を表１に示す。

表１から明らかな通り、連続打点による発明例１、２は、２例とも、溶融亜鉛合金化めっき鋼板を用いているにもかかわらず、比較例３〜５の３例に比して、破断荷重が大きい。また、発明例１、２は２例ともスポット溶接部４の圧痕表面も清浄、平滑で、電極の融着発生は無かった。

これに対して、連続打点による比較例３〜５は、３例とも、破断荷重が小さく、スポット溶接部４の圧痕表面も、散りの飛散が見られ、電極の融着も発生した。

したがって、これらの結果は、発明例において、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が却って安定しており、多数連続打点のスポット溶接の際にも、異材接合体の、十分な継手強度あるいは接合強度が得られることを示している。また、多数連続打点のスポット溶接の際にも、電極寿命が著しく向上することを示している。

（異材接合体剥離強度試験）
上記ルーフパネルとサイドメンバとの接合を模擬した異材接合体の接合（スポット溶接）試験条件は、以下に示す異材接合体剥離強度試験を基にしている。

これら異材接合体剥離強度試験条件や結果を表２、３に示す。表２、３に示すように、前記図１におけるアルミニウム合金材（板）１、鋼材（板）２、３（鋼材２、３は互いに重ね合わせ）の３枚を重ね合わせた態様において、素材条件と、スポット溶接条件とを種々変えて、剥離強度と電極の融着状況との溶接特性を調査した。

表２、３におけるアルミニウム合金材１の条件では、アルミニウム合金の種類（規格）と板厚（ｍｍ）とを示す。鋼材２、３の条件では、鋼材の種類（規格）と板厚（ｍｍ）とを示す。なお、鋼材２、３の条件において、ＧＡ２７０は引張強度２７０ＭＰａの溶融亜鉛合金化めっき鋼板、ＳＰＣＣは裸の（無表面処理の）普通鋼板、５９０ＭＰａと９８０ＭＰａとは、引張強度５９０ＭＰａと９８０ＭＰａとの裸の高張力鋼板を示す。

溶接特性は、特に剥離強度を重視して行い、剥離強度が１．５ｋＮを越えるものを用途に係わらず使用可能として◎と評価した。また、１．０ｋＮ以上を○と評価し、１．０ｋＮ未満、０．７ｋＮ以上を溶接条件や用途を変更すれば使用可能として△と評価した。更に、０．７ｋＮ未満を溶接条件や用途を変更しても使用不可として×と評価した。

剥離強度は、十字引張試験片により剥離強度を測定した。即ち、アルミニウム合金材（板）１、鋼材（板）２、３を、各々幅５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの長方形の試験片とした。そして、これら試験片を、前記図１のように、鋼材２、３同士が同じ向きで互いに重なるように、また、アルミニウム合金材１と鋼材２、３とが互いに十字となるように（長辺が互いに直角に交わるように）、３枚重ね合わせた。この十字引張試験片に対し、アルミニウム合金材１側（固定端）と鋼材２、３側（移動端）とで引張試験し、剥離強度を求めた。

表２、３から分かる通り、剥離強度はアルミニウム合金材１側の条件には依拠しないものの、鋼材２、３側の条件には大きく影響を受けている。

即ち、鋼材２、３側が溶融亜鉛合金化めっき鋼板の場合である例６〜２２、例２３〜２５、例３３〜３７の場合には、電流や通電時間などの影響も勿論受けている。例えば、電流が高過ぎる、通電時間が短過ぎるあるいは長過ぎるなど、これらスポット溶接条件が適合していない各比較例では、剥離強度が０．７ｋＮ未満とおしなべて低い。

しかし、これら比較例を除いて、スポット溶接条件が適合している発明例では、剥離強度が１．０ｋＮ以上のものが多く、特に、発明例１０、１７、１９では剥離強度が１．５ｋＮを越えている。

これに対して、鋼材２、３側がＳＰＣＣの裸の普通鋼板、引張強度５９０ＭＰａと９８０ＭＰａとの裸の高張力鋼板の場合である例２６〜３２、例３８〜３９の場合には、スポット溶接条件を変えても、剥離強度が１．０ｋＮ未満とおしなべて低い。そして、剥離強度が１．０ｋＮ以上のものは、発明例３９の一例しか無い。勿論、スポット溶接条件を更に最適化すれば、鋼材２、３側が裸の鋼材の場合にも、更に使用可能な剥離強度を上げることはできる。ただ、上記溶融亜鉛合金化めっき鋼板の例に比べれば、スポット溶接の最適条件の幅が狭く、かつ、剥離強度にも劣ることが分かる。

以上の結果から、本発明における、アルミニウム合金材に対して、鋼材を２枚以上互いに重ね合わせた上で、アルミニウム合金材に対して積層した、３枚重ね以上の異材積層体とすれば、スポット溶接部の接合強度が高くなることが裏付けられる。また、重ね合わせの鋼材が、裸の鋼材よりも、スポット溶接性が悪いとされていた亜鉛めっき鋼材の方が、スポット溶接部の接合強度が高くなることが裏付けられる。そして、本発明によって、電極寿命が著しく向上し、多数連続打点の効率の良いスポット溶接が保証されることも裏付けられる。

本発明によれば多数の連続打点を可能とし、十分な継手強度あるいは接合強度を有する、異材接合体を提供できる。したがって、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接の、自動車などの構造部材での実用化に道を拓くものである。

本発明異材接合体の異材接合部分の基本的な態様を示す断面図である。 本発明異材接合体の異材接合部分の別の基本的な態様を示す断面図である。 ルーフパネルとサイドメンバとを接合する態様を示す断面図である。 フードやドアなどの大型パネル構造体を接合する態様を示す断面図である。 実施例にて製作した異材接合体を示す斜視図である。 図５の接合部を拡大して示す平面図である。

符号の説明

１、１０、１１：アルミニウム合金材、
２、２０、２１：鋼材、
３、３０、３１：鋼材、
４：溶接部、５：電極、６：切欠き、

Claims (6)

1. 板厚が３ｍｍ以下のアルミニウム合金材と板厚が３ｍｍ以下の鋼材とを互いにスポット溶接にて接合した異材接合部を有する異材接合体であって、この異材接合部において、前記鋼材が二枚以上互いに重ね合わされた上で、アルミニウム合金材に対して積層され、この三枚以上の異材積層体に対してスポット溶接がなされていることを特徴とする異材接合体。
2. 前記アルミニウム合金材と鋼材とが板である請求項１に記載の異材接合体。
3. 前記アルミニウム合金材と鋼材とが成形パネルである請求項１または２に記載の異材接合体。
4. 前記アルミニウム合金材が押出形材である請求項１に記載の異材接合体。
5. 前記鋼材が高張力鋼である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の異材接合体。
6. 前記鋼材が亜鉛めっき鋼材である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の異材接合体。

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