JP2007326146A - 抵抗スポット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】例えば、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1p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スポット溶接するに際し、スポット溶接用電極として、先端部に曲面を備えた電極E1を少なくとも一方の電極として用いる。
【選択図】図8
Description
例えば、アルミニウム合金と鋼材とを異種溶接する場合、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。
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、Fe2Al5やFeAl3などの金属間化合物の接合界面における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。
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、アルミニウム合金材2の表面には酸化皮膜2cが生成している。
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。
したがって、図中に示すように、これらを両立させることのできる領域の曲率半径Rを有する電極を用いることによって、異材接合部の高強度化を実現することができる。
このような断面形状の電極E1を用いることによって、電極中心から接合部周囲までの距離が短縮されるため、接合界面における接合過程に生じる共晶溶融、被接合材表面の酸化皮膜等の長辺側からの排出が促進され、高強度な接合継手を得ることができる。さらに、電極中心から接合部周囲までの距離の短縮によって、接合面内の温度分布も均一化され、良好で均一な接合界面が得られる結果、高強度な接合継手を得ることができる。
また、上記電極断面形状としては、図4(c)に示したような矩形断面のみならず、長方形の角部が落ちた擬楕円(小判型)、楕円、ひし形等の多角形など、縦横方向の寸法が異なるものを適用することができる。
また、接合過程に生じる共晶溶融、被接合材表面の酸化皮膜等や、後述するシール材の接合界面からの排出が電極の長辺側から主体に行われるようになり、フランジの幅方向に円滑に排出できるようになる。
後述するシール材をはさんだ場合には、上記被接合材の新生面同士が直接接合されており、この接合部の周囲に、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、第3の材料と被接合材との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも一種と、シール材が排出されており、最外周部は排出されたシール材によって外部雰囲気から遮断(シール)されており、被接合材の表面に、上記電極の先端形状に応じた圧痕が形成されていることになる。
このとき、先端が曲率を有する断面が円形の電極だけではなく、図4に示したように横長の断面形状を有する電極を用いることによって、被接合材間に介在するシール材を接合部から円滑に排出することができる。
このように電極を配置することでフランジ幅を短縮でき軽量化をはかることができる。さらに図12(a)に対して図12(b)のように、アルミのルーフとサイドメンバにこの接合を用いた場合、接合幅(e)を短縮することができ、意匠性が向上する。
そして、これら電極E1,E1による押し付け荷重が増すと共に、シール材5が接合界面から排出され、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2が接触することによって、電極E1,E1を介して両材料間に電流が流れ、図2に示したような過程によって、共晶溶融が生じ、両材料が接合される。
なお、ハット形状は亜鉛めっき鋼板1の側のみならず、図5(b)に示すように、アルミニウム合金材2の側や、図5(c)に示すように、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金材2の両方に形成するようにしてもよい。
図8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、0.6mm〜3.2mmの板厚を有する6000系アルミニウム合金材2と、板厚0.55mm〜2.8mm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のめっき厚のものを使用した。
各スポット溶接継手の強度をそれぞれ調査し、シール材無しの場合の結果を表1に示す なお、継手強度については、アルミニウム材同士のJIS規格基準(JIS Z 3140)を大幅に上回るものを極めて良好「◎」、上記JIS規格をクリアするものを良好「○」、上記JIS規格を僅かに下回るものをやや不良「△」、上記JIS規格を下回るものを不良「×」として評価し、これらの記号を表中に記載した。
上記実施例1と同様に、図8に示した交流電源タイプの抵抗スポット溶接装置を用い、板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金材2と、板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板1(めっき厚さ約5μm)との接合を行った。
このとき、図10に示すような先端形状を有し、電極径Dが16mmであって、先端中心部の曲面加工範囲径dを6.4mm〜11.5mm、その曲面の曲率半径rを5mm〜200mmの範囲の変えた電極E2,E2を用いて接合を実施した。先端の曲面の曲率半径rは曲面加工範囲径dに応じて決まる。一例として、板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板と板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金材の組み合せにおける溶接条件を示すと、電極の曲率半径rは75mm、曲面加工範囲径dは8mm、溶接電流24000A、通電時間0.24秒、加圧力200kgfにて接合を実施した。同様に、シール材を入れた場合にはシール材が無い場合に比べて、上述したとおり溶接電流を抑制することが可能となる。上記同様、シール材の残存は強度低下につながることから、継手強度確保のためにはシール材の良好な排出が望まれる。そのため、シール材がない場合に比べて、シール材がある場合の電極先端形状の最適領域は被接合材の板厚が同じ場合、均一な電流密度分布や加圧分布の均一さを損なわない程度に曲率が小さい領域に若干シフトする。
各スポット溶接継手の強度をそれぞれ調査し、シール材無しの場合の結果を表2に示す。
なお、継手強度の評価基準は、上記実施例1と同様である。
図8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、図11(a)及び(b)に示すように、板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板1と、板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金材2から成り、接合フランジ部を有するピラーやシルを組み立てるに際して、図9に示したような先端部が曲面形状をなす直径15mmの円柱状をなす電極E2と、図4に示したように、12mm×4mmの矩形状断面を有する電極E1を用いて、上記フランジ部をそれぞれ抵抗スポット溶接した。
なお、溶接条件としては、溶接電流30000A、通電時間12サイクル、加圧力120kgfの条件を採用した。
図8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、図12に示すように、板厚0.55mmの亜鉛めっき鋼板製のレールアウタ11a及びレールインナ11bから成る車体骨格部材に、板厚1.0mmの6000系アルミニウム合金材から成るルーフパネル12を接合するに際して、図4に示したような矩形状断面を有する電極E1を用いてスポット溶接することによって、図12(a)に示すように、リベットを用いて接合する従来方法における接合部幅dに較べて、図12(b)に示すようにルーフパネル12と車体骨格部材の間の接合部幅eを小さくすることができ、形状自由度が増すと共に、意匠性やデザイン性が向上する。
さらに、ルーフパネル12が軽合金で、車体骨格部材が亜鉛めっき鋼板であることから、軽量、高剛性しかも低重心な運動性能の高い車両を低コストで製造することができるようになった。
1p 亜鉛めっき層(第3の材料)
1g 凹部
2 アルミニウム合金材(被接合材)
2g 凹部
5 シール材
E1、E2 電極
Claims (12)
- 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スポット溶接するに際し、先端部に曲面を有する電極を少なくとも一方の電極として使用することを特徴とする異種金属接合方法。
- 上記被接合材の少なくとも一方の材料に第3の材料が被覆もしくは被接合材の間にインサート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2に記載の異種金属接合方法。
- 上記電極の接合面に略平行な断面形状における縦横方向の寸法が相違す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接合方法。
- 上記被接合材に接合フランジ部を設け、該フランジ部において被接合材を接合するに際し、接合フランジ部の長手方向に電極の長手方向を一致させることを特徴とする請求項4に記載の異種金属接合方法。
- 被接合材の他方がアルミニウム合金材であって、上記電極における先端面の曲率半径をR、上記アルミニウム合金材の板厚をtとするとき、t<0.8mmの場合はR<50mm、0.8mm≦t<1.6mmの場合はR<75mm、1.6mm≦t<2.3mmの場合は10mm≦R<75mm、2.3mm≦t≦3.2mmの場合は10mm≦R<150mmであ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接合方法。
- 上記電極における先端面の中心部が直径dの円形領域に亘って曲率半径rの曲面をなしており、d≦6.4mmの場合にはr<50mm、6.4mm<d<9.4mmの場合にはr<75mm、9.4mm≦d≦11.5mmの場合には10mm≦r<150mmであ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接合方法。
- 上記被接合材の少なくとも一方と第3の材料との間にシール材を介在させることを特徴とする請求項4又は5に記載の異種金属接合方法。
- 上記被接合材の少なくとも一方に、接合部から排出されたシール材が流入する凹部を形成することを特徴とする請求項8に記載の異種金属接合方法。
- 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載の方法によって接合されていることを特徴とする自動車用部品。
- 請求項1〜7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で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも1種が排出されており、被接合材の表面に、上記電極の先端形状に応じた圧痕が形成されていることを特徴とする異種金属の接合構造。
- 請求項8又は9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で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも1種と、シール材が排出されており、最外周部は排出されたシール材によって外部雰囲気から遮断されており、被接合材の表面に、上記電極の先端形状に応じた圧痕が形成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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