JP2008272825A - 異種金属の接合方法及び接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗溶接によって異種金属を含む３枚以上の被接合材を重ね接合するに際して、異種材界面と同種材界面が混在すると共に、両界面の接触抵抗の相違により異種材界面での発熱が同種材界面の発熱よりも小さくなるような被接合材の組合せであっても、低融点側材料の減肉を抑制しながら、各界面に所望サイズのナゲットを形成することができ、各界面の接合強度を確保することができる接合方法と、これによる接合構造を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２と裸鋼板３とをこの順序に重ね合わせた３枚の板材の間に第１の電流を通じて、同種材である亜鉛めっき鋼板２と裸鋼板３の間の界面に優先的にナゲットＮｓを形成させたのち、第１の電流よりも大きい第２の電流を通電して、異種材であるアルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２の間の界面にナゲットＮｄを形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば鋼材とアルミニウム合金材など、異種金属材料の抵抗溶接による接合技術に係わり、特に異種金属から成る被接合材を少なくとも３枚重ねて成り、異種材界面と同種材界面とが混在する場合に適用される異種金属の接合方法と、このような方法によって得られる接合構造に関するものである。

異種金属を接合する場合、同種材同士の溶接の場合と同様に両方の被接合材を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が形成され、十分な継手強度が得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼材とを溶接する場合、高硬度で脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの金属間化合物が形成されるため、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結果、厚い金属間化合物層が成長し、接合部の強度が低くなってしまうという問題があった。

そこで、従来では、このような異種金属材料を組合わせて使用する場合には、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による接合も知られているが、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。

このような異種金属接合の改善例として、接合しようとする異種金属材料の間に、これら異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材をそれぞれ同種材同士が接するように介在させた状態で、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）。

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含有量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さとなるようにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ、鋼材側をほとんど溶融させないようにして、これら材料を接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
特開平４−１２７９７３号公報 特開平６−３９５５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の、クラッド材を用いる方法の場合、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ってしまう。実際の施工を考えた場合には、クラッド材の挿入と共に、これらを固定する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り、コストアップの要因となる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、アルミニウム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、安価で性能の安定したクラッド材を入手することが困難であるという問題がある。

一方、特許文献２に記載の、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方法においては、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、表面の強固な酸化皮膜を破壊するために大きな熱を投入することが必要となって、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆い金属間化合物が形成され、これから破壊が生じる可能性があるという問題がある。

また、３枚以上の異種材を抵抗溶接する場合には、接合すべき界面として、異種材界面と、同種材界面が共存することがある。特に異種材界面における抵抗発熱が同種材界面より小さくなるような場合には、その抵抗発熱差により同種材界面にナゲットが優先的に形成され、異種材界面にはナゲットが形成されにくくなる。この場合、それぞれの界面について十分な接合強度を得るためには、ナゲットが形成されにくい異種材界面側が所望のナゲット径となるような熱を投入する必要がある。しかし、同種材界面を形成する金属材料の融点よりも、同種材界面を形成しない金属材料（異種材界面においてのみ形成される金属材料）の融点が低いような組合せの重ね接合においては、同種材界面の接合強度が十分となる程度の低い入熱量では、異種材界面で接合強度が十分となる程度のナゲットが形成されにくい。一方、異種材界面の接合強度が十分となる程度の高い入熱量では、同種材界面における抵抗発熱が過多となることで、該抵抗発熱により低融点側材料、上記したアルミニウムと鋼の接合例ではアルミニウム材の側に著しい減肉が生じるという問題がある。

本発明は、従来の異種金属の接合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、抵抗溶接によって異種金属から成る３枚以上の被接合材を重ね接合するに際して、異種材界面と同種材界面が混在すると共に、両界面の接触抵抗の相違によって、異種材界面での抵抗発熱が同種材界面の抵抗発熱よりも小さくなるような被接合材の組合せであっても、低融点側材料の減肉を抑制しつつ、各界面に所望のナゲット径をそれぞれ形成することができ、各界面における接合強度をそれぞれ十分に確保することができる接合方法と、このような接合方法によって得られる接合構造を提供することにある。

本発明者らは、上記目的の達成に向けて、被接合材料の組合せや通電条件などについて鋭意検討を重ねた結果、小電流の通電によって同種材界面に優先的にナゲットを形成して、同種材界面の抵抗を減じた上で、大電流を通電して異種材界面にナゲットを形成するようになすことによって、上記課題が解決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、第１の金属材料から成る少なくとも２枚の板材と、第１の金属材料よりも低い融点を有する第２の金属材料から成る少なくとも１枚の板材を重ね合わせた異種金属材料の重ね継手であって、異種材界面と同種材界面を有し、異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さい重ね継手を抵抗溶接により形成するに際して、重ね合わせた少なくとも３枚の板材の間に、第１の電流を通電して同種材界面におけるナゲットを優先的に形成させた後、第１の電流よりも大きい第２の電流を通電することを特徴としている。

また、本発明の異種金属の接合構造は、上記した接合方法によって得られるものであって、第１の金属材料から成る少なくとも２枚の板材と、第１の金属材料よりも低い融点を有する第２の金属材料から成る少なくとも１枚の板材を重ね合わせて成る異種金属材料の抵抗溶接による重ね接合構造において、異種材界面と同種材界面を有し、異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さく、上記異種材界面には、当該界面を形成する各異種材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚をｔ１（ｍｍ）としたとき、４．４√ｔ１＜Ｄｄ＜１２√ｔ１の範囲の径Ｄｄ（ｍｍ）を有するナゲットが形成され、上記同種材界面には、当該界面を形成する各同種材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚をｔ２（ｍｍ）としたとき、４√ｔ２＜Ｄｓ＜７√ｔ２の範囲の径Ｄｓ（ｍｍ）を有するナゲットが形成されていることを特徴とする。
また、本発明の自動車用部品は、本発明の上記異種金属の接合構造を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、異種材界面と同種材界面が混在し、異種材界面における接触抵抗が同種材接合における接触抵抗よりも小さく、融点差がある３枚以上の異種金属材料を抵抗溶接によって重ね接合するに際して、重ね合わせた材料間に、比較的小さい第１の電流を通電して同種材界面にナゲットを優先的に形成させた後、第１の電流よりも大きな第２の電流を通電するようにしている。したがって、ナゲットの優先形成によって同種材界面の抵抗が小さくなった状態で、異種材界面にナゲットが形成されることから、各界面に所望のナゲット径を形成することができ、低融点側材料の減肉を抑えながら、各界面における接合強度をそれぞれ十分に確保することができる。

以下に、本発明の異種金属の接合方法及び接合構造について、さらに詳細かつ具体的に説明する。

本発明の異種金属の接合方法は、上記したように、異種材界面と同種材界面を有し、異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さい３枚以上の金属板材の抵抗溶接による重ね接合に関するものである。このような異種金属材料の具体的な組合せ、すなわち異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さくなるような３枚以上の被接合材の組合せとしては、鋼材−鋼材−アルミニウム合金材、鋼材−鋼材−マグネシウム合金材の各組合せを典型例として挙げることができる。
すなわち、鋼材−アルミニウム合金材−アルミニウム合金材や、鋼材−マグネシウム合金材−マグネシウム合金材の組合せについては、異種材界面における抵抗発熱が同種材界面における抵抗発熱よりも大きくなることから、本発明の対象外となる。

なお、本発明において、『同種材』とは、成分系や金属組織が同じものを意味し、必ずしも同一規格に属するもの同士に限定されるものではない。
例えば、鋼材の場合、炭素鋼と合金鋼、軟鋼と抗張力鋼などのように別規格に属するものであっても、フェライト組織である限り、本発明においては『同種材』とみなす。
また、本発明において、『同種材界面』とは、同種材同士の接合界面を意味し、『異種材界面』とは、異種材同士の接合界面を意味する。

本発明の異種金属の接合方法には、図１（ａ）に示すような交流電源タイプのスポット溶接装置が用いられ、図示するように、例えば３枚の板材Ａ、Ｂ、Ｃ（ＢとＣが同種材）を１対の溶接電極Ｅ１、Ｅ２により加圧及び通電することによって重ね溶接が行われる。

そして、本発明の異種金属の接合方法においては、重ね合わせた材料間に、比較的小さい第１の電流を通電して同種材界面におけるナゲットを優先的に形成を優先させた後、第１の電流よりも大きな第２の電流を通電するようにしている。
すなわち、接合の初期段階において比較的小さな電流で通電することによって、接触抵抗が大きく、抵抗発熱が大きい同種材界面に優先的にナゲットを形成させる。そして、同種材界面が接合されることにより電気の導通が確保されて、同種材界面における抵抗が低下することから、同種材界面におけるナゲット形成後には異種材界面における抵抗発熱が十分なものとなり、当該異種材界面に所望のナゲット径を形成することが可能となる。

このとき、図１（ｂ）に示すように、接触抵抗をモニタリングするための電流計や電圧計を内蔵する、接触抵抗モニタリング装置を用いて、重ね合わせた板材における同種材界面の接触抵抗をモニタリングしながら接合し、同種材界面における抵抗値の変化に応じて第１の電流をこれより大きな第２の電流に切換えるようにすることが望ましい。

なお、図示しないが、上記の他に、図１（ｂ）における板材Ａ及び板材Ｃ間の接触抵抗をモニタリングして第１の電流を第２の電流に切り替えるようにしてもかまわない。この場合、板材Ａ及び板材Ｂ間の接触抵抗に比べ、板材Ｂ及び板材Ｃ間の接触抵抗の方が大きいため、板材Ａ及び板材Ｃ間の接触抵抗の低下をモニタリングすることによっても、同種材界面の接触抵抗が低下したことが分かる。
また、同種材界面の接触抵抗と同時に異種材界面の接触抵抗をもモニタリングし、同種材界面の接触抵抗値が異種材界面の抵抗値と同等となったタイミングで、第１の電流をこれより大きな第２の電流に切換えるようにすることもできる。

本発明の異種金属の接合方法においては、異種材界面と同種材界面の接触抵抗のバランスを良好なものとして、通電時の抵抗発熱差を少なくする観点から、異種材界面を形成する少なくとも一方の板材の表面粗さを同種材界面を形成する板材表面のいずれよりも粗くすることや、この逆に同種材界面を形成する少なくとも一方の板材の表面粗さを異種材界面を形成する板材のいずれの表面よりも細かくすることが望ましい。
板材表面を粗くする方法しては、例えば目の粗いヤスリでこすったり、エッチングやショットブラストを施したりすることができる。また、表面粗度を改善（細かく平滑にする）には、仕上加工用の砥石研摩やバフ研摩が考えられる。

また、同様の目的で、異種材界面に当該界面の電気抵抗を高める材料を介在させることも望ましく、具体的には、表面にアルミナペーストを塗布したり、カーボン材やセラミックス、導電性樹脂などを介在させたりすることができる。

さらに、本発明の異種金属の接合方法においては、異種材界面にシール材を介在させることができ、異種金属が直接接触することによって生じる電食を防止して、異材継手の耐食性を向上させることができる。また、これによって異種材界面における抵抗発熱が促進され、当該界面のナゲット径を拡大させることができるという２次的な効果も期待することができる。

加えて、本発明の異種金属の接合方法においては、異種材界面に当該界面を形成する異種金属材料の少なくとも一方と共晶溶融を生じる第３の金属材料を介在させることが望ましく、これによって接合表面に強固な酸化皮膜が形成されていたとしても、接合界面から容易に排出することができるようになる。

すなわち、図２は、共晶反応を生じる合金の一例として、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（Ｔｅ）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、Ｆｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３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。

ここで、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融であって、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強固な酸化皮膜が存在するが、これは抵抗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、この液相の形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に達成されるため、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３（ａ）〜（ｆ）は、異種材界面にシール材を介在させた状態で、共晶溶融を利用した接合プロセスを示す概略図である。
まず、図３（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２ｐが施された亜鉛めっき鋼板２と、アルミニウム合金板１を用意し、これら亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金板１を亜鉛めっき層２ｐが内側になるように重ねる。なお、その界面にはペースト状のシール材Ｓが塗布されており、アルミニウム合金板１の表面には酸化皮膜１ｃが形成している。

次に、上下１対の溶接電極によりこれら被接合材を相対的に押圧すると、図３（ｂ）に示すように、シール材Ｓは接合部の中央部から外周部に排出され、中央部は亜鉛めっき層２ｐとアルミニウム合金板１の表面の酸化皮膜１ｃが直接接触する。
ここで、加圧及び通電により、機械的又は熱的な衝撃が負荷されると、図３（ｃ）に示すように局部的に酸化皮膜が破壊される。

これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が起こり、亜鉛とアルミニウムの共晶点温度以上に保持されると、図３（ｄ）に示すように亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じる。
そして、図３（ｅ）に示すように、電極のさらなる押圧によって、共晶溶融金属と共に、酸化皮膜１ｃや接合界面の不純物（図示せず）が排出物となって、接合部周囲に排出されながら、さらにシール材も排出され、所定の接合面積が確保される。

その後、アルミニウムと鋼の新生面同士が直接接合され、図３（ｆ）に示すように、亜鉛めっき鋼板２とアルミニウム合金板１の間に強固な金属接合を得ることができる。

本発明の接合方法における異種金属材料の具体的な組合せとしては、まず、上記したような鋼材とアルミニウム合金材の組合せを挙げることができる。
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、上記した亜鉛（Ｚｎ）の他には、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とのは共晶反応を生じ、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形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形成が抑制でき、強固な接合が可能になる。

また、本発明を自動車ボディの組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合金材との組合せがほとんどであるが、鋼材とマグネシウム合金材の組合せなども考えられる。
鋼材とマグネシウム合金材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。

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ことはなく、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。

そして、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種金属の接合に際しては、上記したように鋼材として、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る。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。

本発明の異種金属の接合構造は、第１の金属材料から成る２枚以上の板材と、これよりも融点が低い第２の金属材料から成る１枚以上の板材を重ね合わせた時に、異種材界面と同種材界面が形成され、しかも異種材界面における接触抵抗が、同種材界面における接触抵抗よりも小さくなるような３枚以上の異種金属材料の抵抗溶接による接合構造であって、異種材界面には、４．４√ｔ１＜Ｄｄ＜１２√ｔ１の範囲、好ましくは５．５√ｔ１＜Ｄｄ＜１２√ｔ１の範囲の径Ｄｄを有するナゲット（ｔ１：異種材界面を形成する各材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚）が形成される一方、同種材界面には、４√ｔ２＜Ｄｓ＜７√ｔ２の範囲の径Ｄｓを有するナゲット（ｔ２：同種材界面を形成する各材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚）が形成されていることから、継手構造全体として必要な強度を確保することができる。

このとき、異種材界面におけるナゲット径Ｄｄ及び同種材界面におけるナゲット径Ｄｓがそれぞれ４．４√ｔ１及び４√ｔ２以下であると、それぞれの界面における接合強度が不足するおそれがある。また、上記ナゲット径Ｄｄ及びＤｓがそれぞれ１２√ｔ１及び７√ｔ２以上になると、必要以上の過剰品質となると共に、より大きな接合フランジ幅が必要となって重量増加、コストアップという不都合が生じるおそれがある。

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４（ａ）に示すように、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板２と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を実施した（ｔ１＝１ｍｍ、ｔ２＝０．８ｍｍ）。

このとき、図１（ｂ）に示したような接触抵抗モニタリング装置を備えた交流電源タイプのスポット溶接装置を使用すると共に、電極Ｅ１及びＥ２として、先端曲面の曲率半径が４０ｍｍのＲ型電極をそれぞれ使用した。

そして、同種材界面、すなわち亜鉛めっき鋼板２と裸鋼板３の間の界面にナゲットＮｓを優先的に形成させるべく、３００ｋｇｆの加圧力を加え、モニタリング装置Ｍによって同種材界面の接触抵抗をモニタリングしながら、４０００Ａの交流電流を通電した。続いて、同種材界面の接触抵抗が予め計測し記憶させておいた初期接触抵抗値の２０％の値に低下したタイミングで、交流電流を２２０００Ａに増加させ、合計０．１６秒間通電した。
これによって、図４（ｂ）に示すように、異種材界面、すなわちアルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２の間の界面にナゲットＮｄが形成された。

このような通電パターンで抵抗溶接を実施することにより、接合初期の接触抵抗差が大きい状態では、異種材界面での発熱が抑制されて、初期の低電流では発熱が不足し、異種材界面ではナゲットが形成されず、同種材界面にナゲットＮｓが先行して形成され始める。そして、初期の低電流よりも大きな電流に切換わると、同種材界面が一部接合されることによって、界面の電気抵抗が小さくなるため、同種材界面の発熱を抑えた状態で異種材界面にナゲットＮｄを形成することができる。
したがって、同種材界面の発熱によってアルミニウム合金板１の減肉が生じるといった問題を解消すると共に、両界面におけるナゲット径を適正なサイズのものとし、良好な接合継手を得ることができる。

この結果、同種材界面には径Ｄｓ＝５ｍｍのナゲットＮｓが形成されると共に、異種材界面には径Ｄｄ＝７ｍｍのナゲットＮｄが形成され、その周囲には、溶融共晶金属や酸化皮膜、接合界面の不純物などを含む排出物Ｄが押し出されている。
また、この実施例においては、亜鉛めっき鋼板２を使用していることから、第３の金属材料としての亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が有効に作用し、アルミニウム合金板１の表面の酸化皮膜を低温で除去することができ、異種材界面の新生面同士の接触を低温で実現することができ、薄くて均一なＦｅ−Ａｌ拡散反応層（化合物層）が形成され、高強度の接合継手を得ることができた。

（実施例２）
上記実施例１と同様に、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板２と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を実施した。このとき、異種材界面を構成するアルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２のうち、アルミニウム合金板１の接合面をエメリー８０番で研磨することによって、同種材界面を構成する亜鉛めっき鋼板２及び裸鋼板３の表面よりも粗くなるようにした。つまり、これによって異種材界面の初期の接触抵抗が同種材界面と同等となるようにした。

そして、図１（ｂ）に示したスポット溶接装置を使用し、初期電流を６０００Ａとしたこと以外は、上記同様の操作を繰り返すことによって、同種材界面には径Ｄｓ＝５ｍｍのナゲットＮｓが形成され、異種材界面には径Ｄｄ＝７ｍｍのナゲットＮｄが形成された。
このように、異種材界面の表面粗さを粗くすることによって、当該界面の接触抵抗が増加し、異種材界面での抵抗発熱が増して、異種材界面のナゲット形成が促進される。そして、同種材界面での抵抗発熱の熱伝導によるアルミニウム合金板１の減肉を抑制し、異種材界面、同種材界面で適正な形状、寸法のナゲットを実現して、共晶溶融の効果と相俟って、良好な接合継手を得ることができた。

（実施例３）
図５（ａ）に示すように、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚１．０ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板２と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を行うに際して、アルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２の界面に、エポキシ系の熱硬化樹脂から成るシール材Ｓを配置した。

そして、図１（ｂ）に示したスポット溶接装置を使用し、４５０ｋｇｆの加圧力を加えたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、図５（ｂ）に示すように、同種材界面には径Ｄｓ＝５ｍｍのナゲットＮｓが形成され、異種材界面には径Ｄｄ＝８ｍｍのナゲットＮｄが形成された。
このように、異種材間にシール材Ｓを挟持したことによって、異種材の直接接触による電食が防止されると共に、シール材の電気抵抗によって異種材界面での抵抗発熱が増すという効果をも得ることができ、異種材界面のナゲット形成が促進される。そして、同様に、接合界面からアルミニウムの酸化皮膜を円滑に排出すると共に、アルミニウム合金板１の減肉を抑制し、異種材界面、同種材界面で適正な形状、寸法のナゲットを形成して、良好な接合継手を得ることができた。

（実施例４）
上記実施例１と同様に、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板２と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を実施した。このとき、異種材界面の接触抵抗を増加させるべく、アルミニウム合金板１の接合面にアルミナペーストを薄く塗布した。

次に、図１（ｂ）に示したスポット溶接装置を使用し、初期電流を６０００Ａとしたことを除いて、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、同種材界面には径Ｄｓ＝５ｍｍのナゲットＮｓが形成され、異種材界面には径Ｄｄ＝７ｍｍのナゲットＮｄが形成された。
この実施例では、異種材界面にアルミナが介在することによって、アルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２の間の電気抵抗が増加し、異種材界面における抵抗発熱が増して、当該界面のナゲット形成が促進される。また、上記各実施例と同様に、亜鉛めっき層２ｐの介在に基づく共晶溶融の作用によって酸化被膜の円滑な排出が可能になり、良好な接合継手を得ることができた。

（比較例１）
上記実施例１と同様に、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板２と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を実施した。

このとき、図１（ａ）に示した交流電源タイプのスポット溶接装置を使用し、上記同様の電極Ｅ１及びＥ２を用いて、同種材界面のナゲットが適正サイズとなるような条件、具体的には、２４０ｋｇｆの加圧力を加えながら、１２０００Ａの交流電流を０．１６秒間通電することによって接合した。
この結果、同種材界面には径Ｄｓ＝６ｍｍのナゲットＮｓが形成され、異種材界面には径Ｄｄ＝３ｍｍのナゲットＮｄが形成された。

（比較例２）
上記比較例１と同様な３枚の重ね接合を実施するに際して、異種材界面のナゲットが適正サイズとなるような条件、具体的には、２４０ｋｇｆの加圧力を加えながら、２２０００Ａの交流電流を０．１６秒間通電したこと以外は、比較例１と同様の操作を繰り返すことによって、本例の異種金属接合継手を得た。
この結果、同種材界面には径Ｄｓ＝８ｍｍのナゲットＮｓが形成された。しかし、異種材界面には、いったんはナゲットが形成されたものの、アルミニウム合金板１に減肉が生じたことで、アルミニウム合金板１が電極Ｅ１に溶着し、アルミニウム合金板１に穴が生じたため、異種材界面には適正なナゲットが形成されなかった。

上記実施例１〜４、比較例１及び比較例２において、各界面に生じるナゲットの形成状態や被接合材の減肉の状態を比較した結果を、表１に示す。
その結果、実施例１〜４においては、異種材及び同種材界面におけるナゲットの大きさが適正であり、減肉も生じなかった。一方、比較例１においては、同種材界面に適正なナゲットが形成されるものの、異種材界面は発熱不足で十分な大きさのナゲットが形成されず、比較例２においては、異種材界面に適正サイズのナゲットを形成するに足る電流を流すと、アルミニウム合金板に減肉が生じ、良好な接合継手を得ることができなくなることが判明した。

（実施例５）
図６（ａ）に示すように、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚１．０ｍｍの裸鋼板４と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順番に重ねた３枚打ちの接合を行った。

そして、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、図６（ｂ）に示すように、同種材界面には径Ｄｓ＝５ｍｍのナゲットＮｓが形成され、異種材界面には径Ｄｄ＝７ｍｍのナゲットＮｄが形成された。
この実施例では、アルミニウム合金板１に接する鋼材として、亜鉛めっき鋼板２に替えて裸鋼板４を用いたことから、共晶溶融が生ぜず、アルミニウム合金板表面の酸化皮膜の円滑な除去が難しくなることから、ナゲット中に酸化アルミニウムの残存が多少生じたことから、接合強度がやや低下する傾向が認められた。

（実施例６）
図７（ａ）に示すように、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１と、板厚０．８ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板２と、板厚０．８ｍｍの裸鋼板５と、板厚１．２ｍｍの裸鋼板３をこの順序に重ねた４枚打ちの接合を実施した（ｔ１＝１ｍｍ、ｔ２＝０．８ｍｍ）。

すなわち、図１（ｂ）に示したスポット溶接装置を使用し、４５０ｋｇｆの加圧力を加え、モニタリング装置Ｍによって同種材界面の接触抵抗、この場合には溶融亜鉛めっき鋼板２と裸鋼板３の間の抵抗をモニタリングしながら、まず４０００Ａの交流電流を通電し、上記各実施例と同様に、モニタリングされた抵抗値が初期接触抵抗値の２０％の値に低下した時点で交流電流を２２０００Ａに増加させ、都合０．１６秒間通電した。

これによって、図７（ｂ）に示すように、亜鉛めっき鋼板２と裸鋼板５の同種材界面には径Ｄｓ１＝５ｍｍのナゲットＮｓ１が、裸鋼板５と裸鋼板３の同種材界面には径Ｄｓ２＝５ｍｍのナゲットＮｓ２がそれぞれ形成された。一方、アルミニウム合金板１と亜鉛めっき鋼板２から成る異種材界面には径Ｄｄ＝７ｍｍのナゲットＮｄが形成された。
このように、４枚打ちの接合の場合にも、亜鉛めっき鋼板を用いることによって、接合界面からアルミニウムの酸化皮膜を円滑に排出することができると共に、アルミニウム合金板１の減肉を抑制し、２つの同種材界面と異種材界面に適正な形状、寸法のナゲットを形成して、良好な接合継手を得ることができた。

本発明に用いる交流電源タイプの抵抗溶接装置（ａ）と接触抵抗のモリタリング装置を備えた抵抗溶接装置（ｂ）のそれぞれ全体図である。 Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図を示すグラフである。 （ａ）〜（ｆ）は異種材界面にシール材を介挿した状態で共晶溶融を利用した接合過程を概略的に示す行程図である。 ３枚打ちの接合過程（実施例１,２,４）を示す断面説明図である。 異種材界面にシール材を介在させた３枚打ちの接合過程（実施例３）を示す断面説明図である。 裸鋼板を用いた３枚打ちの接合過程（実施例５）を示す断面説明図である。 ４枚打ちの接合過程（実施例６）を示す断面説明図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ 板材
１ アルミニウム合金板（板材）
２ 亜鉛めっき鋼板（板材）
２ｐ 亜鉛めっき層（第３の金属材料）
３、４、５ 裸鋼板（板材）
４ 裸鋼板（板材）
Ｓ シール材

Claims (10)

1. 第１の金属材料から成る少なくとも２枚の板材と、第１の金属材料よりも低い融点を有する第２の金属材料から成る少なくとも１枚の板材を重ね合わせて成り、異種材界面と同種材界面を有し、異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さい異種金属材料の重ね継手を抵抗溶接により形成するに際し、
   重ね合わせた少なくとも３枚の板材間に、第１の電流を通電して同種材界面におけるナゲットを優先的に形成させた後、第１の電流よりも大きな第２の電流を通電することを特徴とする異種金属の接合方法。
2. 重ね合わせた少なくとも３枚の板材における同種材界面の接触抵抗をモニタリングし、抵抗値の低下に応じて第１の電流を第２の電流に切換え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. 異種材界面を形成する少なくとも一方の板材の表面粗さを同種材界面を形成する板材のいずれの表面よりも粗くした状態で通電することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
4. 同種材界面を形成する少なくとも一方の板材の表面粗さを異種材界面を形成する板材のいずれの表面よりも細かくした状態で通電することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
5. 異種材界面に当該界面の電気抵抗を高める材料を介在させた状態で通電することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
6. 異種材界面に当該界面を形成する異種金属材料の少なくとも一方と共晶溶融を生じる第３の金属材料を介在させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
7. 異種材界面にシール材を介在させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
8. 異種材界面がアルミニウム合金と鋼、同種材界面が鋼同士で構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、第１の金属材料から成る少なくとも２枚の板材と、第１の金属材料よりも低い融点を有する第２の金属材料から成る少なくとも１枚の板材を重ね合わせて成り、異種材同士の接合界面と同種材同士の接合界面を有し、異種材界面における接触抵抗が同種材界面における接触抵抗よりも小さい異種金属材料の抵抗溶接による重ね接合構造であって、上記異種材界面には、当該界面を形成する各異種材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚をｔ１（ｍｍ）としたとき、４．４√ｔ１＜Ｄｄ＜１２√ｔ１の範囲の径Ｄｄ（ｍｍ）を有するナゲットが形成され、上記同種材界面には、当該界面を形成する各同種材料の単位面積あたりの強度と板厚の積が小さい方の板厚をｔ２（ｍｍ）としたとき、４√ｔ２＜Ｄｓ＜７√ｔ２の範囲の径Ｄｓ（ｍｍ）を有するナゲット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。
10. 請求項９に記載の異種金属の接合構造を備えていることを特徴とする自動車用部品。

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