JP2009285678A - 鋼材と軽合金材との異材接合方法および異材接合体、鋼材との異材接合用軽合金材、鋼材と軽合金材との異材接合用リベット。 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接への適用条件の制約や問題が無く、鉄−鉄の同種材同士のスポット溶接とでき、しかも、軽合金材と前記鉄系リベットとのかしめ接合も加えた相乗効果によって、高い接合強度を得ることができる、鋼材と軽合金材との新規な異材接合方法を提供することにある。
【解決手段】鋼材１０と軽合金材２０との異材同士を接合する方法であって、軽合金材２０と鉄系リベット１とをスポット溶接の前工程にて予め接合しておき、その後、リベット１と鋼材１０とをスポット溶接することからなり、リベット１にかしめ用の凹部５を形成し、リベット軸部３を軽合金材２０に埋め込み、貫通させる際に、軽合金材料２３を前記凹部５内に塑性流動させて、軽合金材２０をこのリベット１にかしめておき、その上で、リベット軸部３と鋼材１０との界面範囲内のみで溶接ナゲット１２を形成させるスポット溶接を行って、異材接合体を製作することである。
【選択図】図８

Description

本発明は、アルミニウム−鉄などの異材同士ではなく、鉄−鉄の同種材同士のスポット溶接とでき、しかも、軽合金材と鉄系リベットとのかしめ接合も加えた相乗効果によって、高い接合強度を得ることができる、鋼材と軽合金材との異材接合方法に関する。また、同様に、鋼材と軽合金材との異材接合体、鋼材との異材接合用軽合金材、鋼材と軽合金材との異材接合用リベットにも関する。本発明で言う軽合金材とは、非鉄であるアルミニウム合金材やマグネシウム材などのことを言う。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車などの輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が追求されている。また、この軽量化をできるだけ阻害せずに、自動車の車体衝突時の安全性を高めることも追求されている。このため、特に、自動車の車体構造に対し、従来から使用されている鋼材に代わって、より軽量で、エネルギー吸収性にも優れた、アルミニウム合金材やマグネシウム材などの軽合金材の適用が増加しつつある。ここで言う、アルミニウム合金材とは、アルミニウム合金の圧延板材、押出材、鍛造材などの総称であり、以下は軽合金材のうちでも、アルミニウム合金材を中心に説明する。

例えば、自動車のルーフ、フード、フェンダー、ドア、トランクリッドなどの大型のパネル構造体の、アウタパネル (外板) やインナパネル（内板) 等のパネルには、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ乃至ＪＩＳ６０００系 (以下、単に６０００系と言う) やＡｌ−Ｍｇ系のＡＡ乃至ＪＩＳ５０００系 (以下、単に５０００系と言う) などのアルミニウム合金板の使用が検討されている。

また、自動車の車体衝突の安全性を確保するための、バンパ補強材（バンパリインフォースメント、バンパアマチャアとも言う）やドア補強材（ドアガードバー、ドアビームとも言う）などのエネルギー吸収部材あるいは補強材としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＡＡ乃至ＪＩＳ７０００系 (以下、単に７０００系と言う) や前記６０００系合金などの、アルミニウム合金押出形材が使用されている。更に、サスペンションアームなどの自動車の足回り部品には、前記６０００系合金のアルミニウム合金鍛造材が使用されている。

これらのアルミニウム合金材は、オールアルミニウムの自動車車体で無い限り、通常の自動車の車体では、必然的に、元々汎用されている鋼板や型鋼などの鋼材（鋼部材）と接合して用いられる。したがって、自動車の車体にアルミニウム合金材を使用する場合（鋼材とアルミニウム合金材とを組み合わせた部材）には、これも必然的に、Fe-Al の異材接合（鉄−アルミの異種金属部材同士の接合）の必要性がある。

しかし、このFe-Al 異材接合を溶接により行う際の問題点として、互いの接合界面における、高硬度で非常に脆いFeとAlとの金属間化合物層（以下、反応層とも言う）の生成がある。このため、見かけ上互いに接合されてはいても、本化合物層の生成が原因となって、溶接によるFe-Al 異材接合では、異材溶接接合体に、十分な接合強度が得られないことが多い。

これを反映して、従来から、これら異材接合体（異種金属部材同士の接合体）の接合には、溶接だけでなく、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が、接合作業の煩雑さや接合コスト上昇等の問題がある。

そこで、従来より、Fe-Al 異材接合の溶接法につき、通常の自動車の車体の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接による接合が検討されている。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。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。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や、部材に予め凹凸を付ける方法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、大気中で加熱し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−鋼の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。

一方、鋼材側でも、鋼板の高強度化のために、Si、Mn、Alなどの酸化物を形成しやすい元素を添加すると、母材表面には、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物が生成することが公知である。そして、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物が、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性を阻害することも知られている。更に一方では、鋼板を酸洗などして、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物層の厚みを0.05〜1 μm の範囲とすれば、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性および鋼板同士のスポット溶接性が向上されることも知られている（特許文献１参照）。

しかし、これらの従来技術では、通常の自動車の車体の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接による接合条件では、溶接接合されたFe-Al の異材溶接接合体に、十分な接合強度が得られない。言い換えると、接合強度を得るためのスポット溶接条件が煩雑にならざるを得ず、現実的では無い。

これに対して、特に、自動車車体用として汎用される、６０００系アルミニウム合金材などと、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼板（ハイテン材）との、異材溶接接合体のスポット溶接を意図した技術も種々提案されている。

例えば、特許文献２、３では、板厚を３ｍｍ以下に制限した鋼材とアルミニウム合金材とを、鋼材を２枚以上重ね合わせるか、鋼材をアルミニウム合金材間に挟み込んだ形でスポット溶接することが提案されている。特許文献４では、スポット溶接部におけるナゲット面積や界面反応層の厚さを規定して接合強度を向上させることが提案されている。また、特許文献５、６では、溶接界面における、鋼材側とアルミニウム合金材側の、各生成化合物の組成や厚み、面積などを各々細かく規定して、接合強度を向上させることが提案されている。

更に、特許文献７では、特定組成の高強度鋼板において、鋼板表面上の既存の酸化物層を一旦除去した上で新たに生成させた外部酸化物層を、特定割合のＭｎ、Ｓｉ組成の酸化物とし、更に、この鋼材の鋼生地表面からの深さが１０μｍ以下の鋼領域に存在する、Ｍｎ、Ｓｉを合計量で１ａｔ％以上含む内部酸化物の占める割合を規定して、適切なスポット溶接条件下において、異材接合体の高い接合強度を得ることが提案されている。この特許文献７では、新たに生成させたSi、Mnなどを含む外部酸化物層と、鋼生地表面直下の内部酸化物層とによって、スポット溶接時のＦｅ、Ａｌの拡散を抑えて、接合界面における、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制するものである。因みに、特許文献７では、溶接手法に限定はなく、実施例１としてスポット溶接、実施例２としてレーザ溶接、実施例３としてＭＩＧ溶接による異材接合を各々行い、異材溶接接合体を製作している。

これら特許文献２〜７は、共通して、特に６０００系アルミニウム合金材と高強度鋼板との異材溶接接合体のスポット溶接を意図し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れ、接合部での脆弱な金属間化合物生成を抑制して、接合強度を向上させることを目的としている。しかし、これら特許文献２〜７でも、特に６０００系アルミニウム合金材と高強度鋼板との異材溶接接合体のスポット溶接に関しては、未だ接合強度などの向上の点で、改良の余地がある。特に特許文献７は、鋼材表面に新たに生成させたSi、Mnなどを含む外部酸化物層と、鋼材の生地表面直下の内部酸化物層とによって、スポット溶接時のＦｅ、Ａｌの拡散を抑えて、接合界面における、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制する点で有効である。しかし、この異材溶接接合体の十字引張試験片により測定された剥離強度は高くても２ｋＮ未満であり、２ｋＮ以上の接合強度を得るためには未だ改良の余地がある。

このような鋼材とアルミニウム合金材とのアルミニウム−鉄の異材同士のスポット溶接では、どこまでも、接合部での前記した脆弱な金属間化合物が生成して、溶接部の信頼性が損なわれる問題がつきまとう。このため、鋼材とアルミニウム合金材との異材接合であっても、スポット溶接部が、鉄−鉄の同種材同士のスポット溶接とする方法も、従来から提案されている。例えば、特許文献８、９には、鉄系金属材料からなるピン（係止ピース）をスポット溶接部に用いて、このピンと鋼材とを鉄−鉄の同種材同士でスポット溶接し、このピンを介して、鋼材とアルミニウム合金材とを接合する方法が開示されている。

これら特許文献８、９とは、共通して、前記鉄系金属材料からなるピンを、スポット溶接時に、かつ、スポット溶接に用いる電極によって、アルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材に埋め込み、鋼材側に貫通させている。そして、このピンと鋼材とを接触させて、鉄−鉄の同種材同士で互いにスポット溶接し、アルミニウム−鉄の異材同士はスポット溶接せずに、このピンを介して、鋼材とアルミニウム合金材とを間接的に接合している。

ここで、特許文献９は、アルミニウム系金属材料あるいは鉄系金属材料の両方あるいは一方に予め穴を開けておかなくともピンの接合が可能と記載する通り、前記電極の加圧力のみにて、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、貫通させることを要旨としている。また、特許文献８も、前記電極からピンに通電して、アルミニウム合金材を発熱溶融させて孔をあけ、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、貫通させており、アルミニウム系金属材料あるいは鉄系金属材料の両方あるいは一方に予め穴を開けておかなくともよい。
特開２００２−２９４４８７号公報 特開２００７−１４４４７３号公報 特開２００７−２８３３１３号公報 特開２００６−１６７８０１号公報 特開２００６−２８９４５２号公報 特開２００７−２６０７７７号公報 特開２００６−３３６０７０号公報 特許２９５４４７６号公報 特開平９−１７４２４９号公報

これら特許文献８、９は、ピンと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でスポット溶接する点で、前記したような、従来のアルミニウム−鉄の異材同士のスポット溶接をする必要がなく、接合部での前記脆弱な金属間化合物生成の問題が解決できる点で画期的である。

しかし、これら特許文献８、９は、残念ながら実用化されていない。その理由は、高度な効率化が要求される、前記自動車車体組み立ての際のスポット溶接工程では、鉄系金属材料からなるピン（係止ピース）を、効率的にスポット溶接部に適用することができないためである。より具体的に説明すると、これら特許文献８、９において、前記ピンと鋼材とを接触させて、鉄−鉄の同種材同士で互いにスポット溶接するためには、前記鉄系金属材料からなるピンを、スポット溶接時に、アルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材に埋め込み、かつ鋼材側に貫通させる必要がある。

しかし、特許文献９は、前記した通り、スポット溶接に用いる電極の加圧力のみにて、前記ピンを、アルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材に埋め込もうとしているため、電極の損傷が激しくなる。アルミニウム合金材側が幾ら薄板であろうと、また、前記ピン側が幾ら高強度で、先端形状が先鋭となろうと、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、かつ貫通させて鋼材側と接触させるためには、比較的大きな加圧力が必要となる。この結果、スポット溶接自体の利点からして、導電性と耐久性（長寿命）とが要求され、Ｃｕ−Ｃｒ合金からなるドーム型などが汎用されている、スポット溶接電極の損傷を著しく速める、致命的な問題を有する。また、前記ピンの形状や太さにもよるが、前記鉄系ピンをアルミニウム合金材に押し込む（埋め込む）際の、アルミニウム合金材側の割れ発生の可能性も否定できず、信頼性が無い。

また、前記電極からピンに通電して、アルミニウム合金材を発熱溶融させて孔をあけ、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込んでいる特許文献８でも、溶接条件にも勿論よるが、アルミニウム合金材を溶融させるためには、比較的大きなスポット溶接電流とならざるを得ない。このため、アルミニウム合金材の発熱溶融部が、前記ピンを埋め込むような局所的な部位にとどまらず、比較的広範囲となり、かつその周辺のＨＡＺ（熱影響部）もまた大きくなる。この結果、アルミニウム合金材が薄板となるほど、その発熱溶融部およびＨＡＺの強度低下が大きくなる、致命的な問題を有する。

しかも、これら特許文献８、９には、多打点を行うスポット溶接中に、逐次、電極先端に前記ピンを供給する必要があるという、致命的な欠陥がある。即ち、現在はそのような設備や装置もなく、あるいは構造にもなっていない、高効率にて溶接中の、自動溶接ロボットによる自動車車体組み立てラインの、スポット溶接電極先端に、前記ピンをどのように、連続的かつ短時間で、供給し続けていくのかという極めて現実的な問題がある。特許文献８、９には、その手段の具体的な開示が無く、また、そのような具体的な手段は到底容易には推定さえできない。そして、そのような手段が無いがゆえに、また、例え仮にあってとしても、かなり複雑で煩雑な装置とならざるを得ないだけに、それだけで、これら特許文献８、９を現実に採用することは不可能に近い。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、スポット溶接への適用条件の制約や問題が無く、アルミニウム−鉄の異材同士ではなく、鉄−鉄の同種材同士のスポット溶接とでき、しかも、軽合金材と前記鉄系リベットとのかしめ接合も加えた相乗効果によって、高い接合強度を得ることができる、鋼材と軽合金材との新規な異材接合方法を提供することにある。また、この新規な異材接合方法によって製作された新規な異材接合体や、この異材接合用の軽合金材、あるいは、この異材接合用リベットも各々提供することにもある。

（鋼材と軽合金材との異材接合方法の要旨）
この目的を達成するための本発明異材接合方法の要旨は、リベット接合とスポット溶接とを合わせて用いて、鋼材と軽合金材との異材同士を接合する方法であって、以下のａ〜ｇの要件を有することである。
ａ．前記軽合金材と鉄系金属材料からなるリベットとをスポット溶接の前工程にて予め接合しておき、その後、このリベットと前記鋼材とをスポット溶接する。
ｂ．前記リベットを、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したものとする。
ｃ．前記軽合金材と前記リベットとの接合に際して、このリベットの軸部を前記軽合金材の鋼材とのスポット溶接相当位置に打ち込む。
ｄ．このリベット打ち込みに際して、このリベットの軸部によって軽合金材を打ち抜きつつ、前記リベット軸部先端を前記軽合金材の鋼材との接合面側に貫通させて、リベット軸部を前記軽合金材に埋め込む。
ｅ．このリベット打ち込みに際して、更に、前記軽合金材を、このリベットの前記軽合金材をかしめるための凹部内に塑性流動させて、このリベットにかしめておく。
ｆ．その上で、このリベットを埋め込んだ軽合金材と前記鋼材とを必要箇所において重ね合わせるとともに、この鋼材と前記リベット軸部先端とを接触させる。
ｇ．次に、軽合金材側の前記リベット頭部側と前記鋼材側とを、各々電極によって加圧しながら、これら電極同士を前記リベットを介して通電することによって、前記リベット軸部と鋼材との界面範囲内のみで溶接ナゲットを形成させるスポット溶接を行う。

（異材接合体の要旨）
また、上記目的を達成するための本発明異材接合体の要旨は、リベット接合とスポット溶接とを合わせて用いて、鋼材と軽合金材との異材同士を接合した異材接合体であって、前記鋼材と重ね合わせて接合した前記軽合金材のスポット溶接相当位置には、鉄系金属材料からなり、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したリベットの軸部が埋め込まれており、このリベット軸部先端は前記軽合金材の前記鋼材との接合面側に貫通されているとともに、前記軽合金材は、このリベットの前記凹部内にかみ合わされて、かしめられている一方、このリベット軸部と前記鋼材との界面範囲内のみで前記スポット溶接による溶接ナゲットが形成されていることである。

（異材接合用の軽合金材の要旨）
また、上記目的を達成するための本発明異材接合用の軽合金材の要旨は、鋼材とスポット溶接により異材接合される軽合金材であって、この軽合金材のスポット溶接位置には、鉄系金属材料からなり、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したリベットの軸部が埋め込まれており、このリベット軸部先端は前記軽合金材の前記鋼材との接合面側に貫通されているとともに、前記軽合金材は、このリベットの前記凹部内にかみ合わされて、かしめられていることである。

（異材接合用リベットの要旨）
また、上記目的を達成するための本発明異材接合用リベットの要旨は、鋼材とスポット溶接により異材接合される軽合金材に埋め込まれるための、鉄系金属材料からなるリベットであって、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、前記軽合金材に埋め込まれる際に、前記軽合金材を塑性流動させてかしめるための凹部を、頭部または／および軸部に形成しており、このリベットの軸部は前記軽合金材の板厚方向に貫通するに十分な長さを有していることである。

（本発明の好ましい態様）
ここで、本発明では、前記リベットの打ち込みを、このリベット頭部を押圧するための上型と、軽合金材を反対側から押圧する下型とを用いたプレス成形によって行うことが好ましい。また、前記異材接合方法における前記リベットが、前記軽合金材がプレス成形される際に、この軽合金材に打ち込まれることが好ましい。また、前記リベットの、外周面に形成した前記軽合金材をかしめるための前記凹部が、頭部の下方側に設けた上方に凹む凹部と、前記リベットの軸部に設けた下方に向かって外径が順次拡がるテーパ形状とによって形成される空間であることが好ましい。また、前記リベットおよび鋼材の表面に金属めっき皮膜および／または樹脂皮膜が被覆されていることが好ましい。また、前記異材接合体が自動車の車体構造用であることが好ましい。

以下の発明の効果の説明は、前記軽合金材をアルミニウム合金材に置き換えて説明するが、マグネシウム材の場合でも基本的にはアルミニウム合金材と同じである。本発明は、鉄系金属材料からなるリベットを用い、このリベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でスポット溶接する点では、前記鉄系金属材料からなるピン（係止ピース）を用いた特許文献８、９と同じである。

ただ、本発明がこれらの従来技術と大きく異なる第一の点は、スポット溶接時に、電極先端に鉄系リベットを供給して、電極によって鉄系リベットをアルミニウム合金材に埋め込むのではなく、前記ａ．の要件のように、前記アルミニウム合金材と前記鉄系リベットとをスポット溶接の前工程（別工程）にて予め接合しておく点である。即ち、この鉄系リベットの軸部を、アルミニウム合金材のプレス成形時など、スポット溶接の前工程にて、アルミニウム合金材のスポット溶接相当位置に予め埋め込む。これによって、スポット溶接時に、電極先端に鉄系リベットを供給し、更に、電極によって鉄系リベットをアルミニウム合金材に埋め込むような、前記従来技術の非現実的な面や限界を克服して、スポット溶接への適用条件の制約や問題を無くし、鉄系リベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接を適用可能とする。

また、本発明がこれらの従来技術と大きく異なる第二の点は、前記ｃ．〜ｄ．の要件のように、前記したアルミニウム合金材とリベットとの接合の際に、このリベットの軸部を前記アルミニウム合金材の鋼材とのスポット溶接相当位置に打ち込み、このリベット打ち込みに際して、このリベットの軸部によってアルミニウム合金材を打ち抜きつつ、前記リベット軸部先端を前記アルミニウム合金材の鋼材との接合面側に貫通させることである。これによって、鋼材とスポット溶接するための、鉄系リベットの鋼材との接触面と、アルミニウム合金材のリベット打ち込み部の平坦度が確保される。前記従来技術のように、電極によって鉄系リベットをアルミニウム合金材に埋め込むだけでは、埋め込まれた鉄系リベットによって押圧されたアルミニウム合金材が変形して、鋼材側に張出した凸部を形成する。このために、アルミニウム合金材における鉄系リベットの貫通箇所（鋼材との接触面）と、鋼材側との重ね合わせやスポット溶接接合に必要な平坦度が著しく阻害されることなる。なお、この平坦度とは、鋼材との重ね合わせ（積層）や、スポット溶接接合を可能とするために必要な平坦度であって、これが可能であれば、多少の凹凸、傾斜、円弧などを有していても、本発明では勿論許容される。

更に、これらの従来技術と大きく異なる第三の点は、前記ｅ．の要件のように、予め埋め込まれる鉄系リベットによって、アルミニウム合金材をかしめ、前記した鉄系リベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接に、このアルミニウム合金材と鉄系リベットとのかしめ接合（機械的な接合）も同じ接合箇所に更に加え、これらの相乗効果によって、高い接合強度を得ることである。

このように、予め埋め込まれる鉄系リベットによって、アルミニウム合金材をかしめるためには、単にアルミニウム合金材に鉄系リベットを埋め込むだけではだめで、前記ｂ．の要件のように、鉄系リベットの外周面にアルミニウム合金材をかしめるための凹部を形成するなどの、鉄系リベットの形状を工夫する必要がある。

これらの条件を全て満たすようなリベットの打ち込みを、実際に効率的に行うためには、金型を用いたプレス成形によって行うことが必要である。即ち、リベット頭部を押圧するための上型と、アルミニウム合金材を反対側から押圧する下型とが必要となる。このことからも、電極によって鉄系リベットをアルミニウム合金材に単純に埋め込むような前記従来技術では、アルミニウム合金材をかしめることができないことが分かる。また、スポット溶接の同じ工程内では、とてもこれらの条件を全て満たすようなリベットの打ち込みができず、スポット溶接の前工程（別工程）にて予め接合しておく必要性があること分かる。

このようなプレス成形によって始めて、効率的に、アルミニウム合金材のスポット溶接相当位置に、予め鉄系リベットが、アルミニウム合金材をかしめつつ、鋼材とスポット溶接するための、鉄系リベットの鋼材との接触面と、アルミニウム合金材のリベット打ち込み部の平坦度とを確保した上で、貫通して埋め込まれる。また、このようなプレス成形によって、最適プレス成形条件を選択することで、前記ピンの形状や太さに応じて、鉄系リベットをアルミニウム合金材に押し込む（埋め込む）あるいは、かしめる際に、アルミニウム合金材側の割れ発生を防止することが可能となる。

また、このようなプレス成形であれば、前記したようなアルミニウム合金材を発熱溶融させて孔をあけ、鉄系リベットをアルミニウム合金材に埋め込むような必要性が全く無い。また、従来のようなアルミニウム−鉄の異材同士のスポット溶接もする必要性も全く無い。このため、アルミニウム合金材の溶接による軟化（強度低下）は、鉄系リベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接時の、スポット溶接部である鉄系リベットの周囲のＨＡＺ（熱影響部）の軟化を防止する、スポット溶接条件を選択するだけで良い。

このような効果によって、本発明は、スポット溶接への適用条件の制約や問題を無くし、鉄系リベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接を実現できる。更に、本発明は、アルミニウム合金材と鉄系リベットとのかしめ接合（機械的な接合）も加えた相乗効果によって、例えば、異材接合体の接合強度を２ｋＮ以上に高くすることができる。

以下に、図面を用いて、本発明を実施するための具体的な形態を説明する。なお、以下の説明も、軽合金材のうちでも、アルミニウム合金材を中心に説明するが、マグネシウム材の場合でも基本的にはアルミニウム合金材と同じである。

（アルミニウム合金材への鉄系リベット接合）
前提として、本発明では、リベット接合とスポット溶接とを合わせて用いて、鋼材とアルミニウム合金材との異材同士を接合する。この際に、前記要件ａ．として、鋼材とアルミニウム合金材とをスポット溶接する工程の前工程（別工程）である、例えばアルミニウム合金材のプレス成形工程にて、前記アルミニウム合金材と前記鉄系リベットとを予め、アルミニウム−鉄との異材同士で機械的に接合しておく。そして、その後で、このリベットと鋼材とをスポット溶接する。

（アルミニウム合金材とリベットとの接合）
図１、２に、異材接合体におけるアルミニウム合金材としての平板状のアルミニウム合金板２０と、これに接合する鉄系リベット１とを示す。図１は、アルミニウム合金板２０と、これに接合する鉄系リベット１とを、縦断面にて各々示している。図２は、鉄系リベット１を斜視図にて示している。

ここで、鉄系リベット１は、図１の通り、また、前記要件ｃ．の通り、アルミニウム合金板２０における、鋼材との選択された複数のスポット溶接相当位置Ａに打ち込まれる（埋め込まれる）。この鉄系リベット１は、通常用いられる（公知の）、鋼、鋳鉄、鋳鋼、ステンレスなどの高合金鋼などの鉄系金属材料組成からなる。なお、この鉄系リベット１を打ち込むアルミニウム合金板２０の位置を「スポット溶接相当位置」と言うのは、本発明では、アルミニウム合金板２０は鋼材とは直接スポット溶接されず、アルミニウム合金板２０にとって、鉄系リベット１を打ち込む位置は「スポット溶接される位置に相当する位置」だからである。なお、図１は、実際には複数箇所あるスポット溶接相当位置Ａを１箇所のみ例示している。

鉄系リベット１は、後述する通り、鋼材とのスポット溶接されて、接合強度を高める乃至確保するためには、それなりの大きさと重量が必要である。このため、鉄系リベット１を用いる数に応じて、アルミニウム合金材を重くする。したがって、鉄系リベット１による重量増加を抑制する意味からも、鋼材との選択された複数のスポット溶接相当位置Ａ以外のアルミニウム合金板２０の部位（位置）に、鉄系リベット１を埋め込む必要は全くない。

また、異材接合体の設計条件や、鋼材とアルミニウム合金材との異材同士のスポット溶接の接合強度に応じて、全ての鋼材とのスポット溶接相当位置Ａに、鉄系リベット１を埋め込まなくても良い。勿論、全ての鋼材とのスポット溶接位置Ａに、鉄系リベット１を埋め込んでも良い。しかし、使用する鉄系リベット１の数や大きさによって、またスポット溶接位置Ａの数によって、鉄系リベット１による重量増加が大きくなり、前記軽量化のためにアルミニウム合金材を用いる意味が失われる恐れもある。このため、使用する鉄系リベット１の数を減らして、鉄系リベット１による重量増加を抑えて、鉄系リベット１を埋め込まない鋼材とのスポット溶接相当位置Ａを設けても良い。言い換えると、本発明のスポット溶接では、鉄系リベットと鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接だけではなく、鉄系リベットが無いアルミニウム合金板２０の部位（位置）での、アルミニウム−鉄との異材同士でのスポット溶接があっても良い。

（リベットの構造）
図１、２に例示するように、鉄系リベット１は、前記要件ｂ．として、この鉄系リベット１を、頭部２と軸部３とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、これら頭部または／および軸部に前記アルミニウム合金材をかしめるための凹部５を形成したものとする。より具体的に、リベット１は、水平方向（横方向）に延在する頭部２と、この頭部２の径に比して比較的小径な軸部３とからなる略Ｔ字断面形状を有する。この図１、２に例示するリベット１の頭部２は、円形の平面形状を有するが、頭部２の平面形状や全体形状は、角形であっても不定形であっても良い。また、リベット１の垂直方向（上下方向）に延在する軸部３も、円形の平面形状や円筒状でなくても、平面形状や全体形状は、角形の平面形状や角筒状であっても、また不定形の平面形状であっても良い。ただ、このリベットの軸部は、鋼材側とのスポット溶接接合（接触）に必要な、前記アルミニウム合金材の板厚方向に貫通するに十分な長さを有している必要がある。

（かしめ用の凹部）
ここで、リベット１は、その頭部または／および軸部にアルミニウム合金板２０をかしめるための凹部（以下、かしめ用の凹部とも言う）５を形成している。即ち、この凹部５を形成するために、この図１、２にて例示するリベット１の頭部２には、頭部２の下方側で、軸部３の付け根部分の周囲に、上方に凹む凹部（溝）６を円環状に設けている。また、一方で、リベット１の軸部３が、下方に向かってその外径が順次拡がるテーパ７を設けた形状（テーパ形状）とされている。そして、これらの凹部６を含む頭部２の下方側の面と、テーパ７を設けた軸部３の外周面とによって、アルミニウム合金板２０をかしめるための凹部５を形成している。

本発明で言う「かしめる」とは、鉄系リベット１の凹部５内への、アルミニウム合金板２０側からの、アルミニウム合金材料の塑性流動を利用して、鉄系リベット１とアルミニウム合金材（板）とを、幾何学的にかみ合わせることである。このために、鉄系リベット１における、頭部２の下方側の外周面や、軸部３の外周面に設ける、凹凸形状や傾斜形状などを、互いに複合させて、あるいは各々単独にて、かしめ用の凹部５を形成する。なお、これら鉄系リベット１の頭部２や軸部３の外周部に設けられる、かしめ用の凹部は、塑性流動によって移動してきたアルミニウム合金材料を収容でき、アルミニウム合金板２０を幾何学的にかみ合わせることができるかしめられるものであれば、後述する図９〜１３だけでなくとも、その形状、構造は適宜選択される。

このように、埋め込まれる鉄系リベット１によって、アルミニウム合金材をかしめるためには、先ず、鉄系リベット１に、アルミニウム合金材（板）２０をかしめるための凹部５を形成するという、鉄系リベット１の形状の工夫が必要である。これに対して、前記従来技術のような、頭部２と軸部３とからなる単純な略Ｔ字断面形状を有する鉄系リベット１では、鉄系リベット１とアルミニウム合金材（板）とを幾何学的にかみ合わせることができない。しかも、上下の金型を用いずに、単にスポット溶接電極等により押圧して、鉄系リベット１を埋め込むだけでも、後述する通り、アルミニウム合金材をかしめることはできない。

（アルミニウム合金板へのリベットの打ち込み）
図３〜５に、アルミニウム合金板２０と鉄系リベット１との接合の際に、この鉄系リベット１の軸部３を、アルミニウム合金板２０のスポット溶接位置（前記図１のＡ）に予め打ち込む態様を例示する。これによって、鉄系リベット１の軸部３はアルミニウム合金板２０に埋め込まれるとともに、軸部の底部４が鋼材との接合側に貫通され、更に、アルミニウム合金板２０が鉄系リベット１にかしめられる。
ここで、鉄系リベット１によってアルミニウム合金板２０をかしめるためには、鉄系リベット１における、かしめ用の凹部５の存在とともに、図３〜５に示すように、金型を用いたプレス成形によって、鉄系リベット１のアルミニウム合金板２０への打ち込みを行う必要がある。

鉄系リベット１の前記かしめ用の凹部５内に、アルミニウム合金板２０側からアルミニウム合金材料を塑性流動させるためには、この鉄系リベット頭部２を上側から押圧して、リベット軸部３をアルミニウム合金板２０に打ち込むための上型３０が先ず必要である。と同時に、アルミニウム合金板２０を下側から押圧し、アルミニウム合金板２０に穴あけ加工（打ち抜き加工）をする必要がある。

そして、その後に、穴あけされた先端部（穴周縁部）のアルミニウム材料を、このリベット前記凹部５内に、アルミニウム合金板２０側からアルミニウム合金材料を塑性流動させるために、上型３０によって、引き続き、この鉄系リベット頭部２を上側から押圧して、リベット軸部３をアルミニウム合金板２０に埋め込むと同時に、穴あけされた先端部（穴周縁部）のアルミニウム材料を下側から押圧して、鉄系リベット１の前記凹部５内に、アルミニウム合金材料を塑性流動させることが必要である。

これに対して、例え、鉄系リベット１に凹部５を形成していても、前記従来技術のように、この鉄系リベット１をスポット溶接電極等により、単純に押圧して、アルミニウム合金板２０に埋め込むだけでは、前記穴あけ加工や、穴あけされた先端部（穴周縁部）のアルミニウム材料の下側からの押圧ができない。

この結果、鉄系リベット１をスポット溶接電極等により、単純に押圧しただけでは、この鉄系リベット１の前記凹部５内に、アルミニウム合金材料を塑性流動させることができず、かしめることができない。即ち、鉄系リベット１の凹部５内への、アルミニウム合金材料の塑性流動を利用して、鉄系リベット１とアルミニウム合金材（板）とを、幾何学的にかみ合わせることができない。したがって、スポット溶接の同じ工程内では、とても、鉄系リベット１にて、アルミニウム合金材をかしめることができず、アルミニウム合金板２０の板製造時や、アルミニウム合金板２０のプレス成形時など、スポット溶接の前工程（別工程）にて、予め鉄系リベット１を接合しておく必要性がある。

先ず、図３においては、上型（ポンチ）３０によって、鉄系リベット１の頭部２を上側から（上下方向に）押圧して、鉄系リベット１の軸部３をアルミニウム合金板２０のスポット溶接位置（前記図１のＡ）に埋め込む。この打ち込みの際に、下型３１は、その凸部３２によって、アルミニウム合金板２０を下側から押圧（支持、固定）して、鉄系リベット１の軸部３によって、アルミニウム合金板２０を穴あけ加工（打ち抜き加工）し、軸部３の埋め込み部に相当するアルミニウム材料２１が打ち抜かれ、貫通孔２２が形成される。即ち、前記要件ｄ．として、鉄系リベット１の打ち込みに際して、このリベット１の軸部３によって、アルミニウム材料２１を打ち抜きつつ、リベット軸部３の先端４をアルミニウム合金板２０の鋼材との接合面側に貫通させて、リベット軸部３をアルミニウム合金板２０に埋め込む。

ここで、仮に、鉄系リベット１の軸部３が、アルミニウム合金板２０のスポット溶接相当位置（前記図１のＡ）に単に埋め込まれるだけで、アルミニウム材料２１が打ち抜かれなければ（除去されなければ）、後述する鋼材側との重ね合わせやスポット溶接接合が困難となる。即ち、アルミニウム材料２１が打ち抜かれなければ、埋め込まれた鉄系リベット１の軸部３によって押圧されたアルミニウム合金板２０が変形して、下型３１の凹部３３に沿って、図の下方側（鋼材側）に張出した（膨らんだ）凸部を形成してしまう。このために、アルミニウム合金板２０における鉄系リベット１の軸部３の貫通箇所（底部４）と、後述する鋼材側との重ね合わせやスポット溶接接合に必要な平坦度が著しく阻害されることなる。したがって、アルミニウム材料２１が打ち抜きは必須となる。

次に、図３に時間的に続く図４において、引き続き、上型（ポンチ）３０によって、鉄系リベット１の頭部２が押圧されるとともに、下型３１がその凸部３２によって、アルミニウム合金板２０を下側から押圧（支持、固定）する。このため、鉄系リベット軸部３の前記貫通孔２２への埋め込みの進行（下降）に伴い、鉄系リベット軸部３の先端４が、アルミニウム合金板２０の下側（後述する鋼材側）に貫通される。

これとともに、下型３１がその凸部３２によって、穴あけされた先端部（穴周縁部）のアルミニウム材料２３を下側から押圧して、鉄系リベット１の前記凹部５内に、アルミニウム合金材料２３を塑性流動させる。即ち、下型３１の凸部３２によって下側から押圧された、鉄系リベット１側のアルミニウム合金材料２３、２３が、鉄系リベット１の凹部６を含む頭部２の下方側の面と、テーパ７を設けた軸部３の外周面とによって形成される、凹部５、５内に塑性流動して入り込む。

図４に時間的に続く図５に、鉄系リベット１を接合するとともに、鉄系リベット１によってかしめられた、アルミニウム合金板２０を示す。この図５のアルミニウム合金板２０は、後述するように、鋼材と組み立てられ、鉄系リベット１と鋼材とがスポット溶接される。この図５のアルミニウム合金板２０では、鉄系リベット軸部３の先端４が、アルミニウム合金板２０の下側（後述する鋼材側）に貫通されるとともに、鉄系リベット１側のアルミニウム合金材料２３、２３が、鉄系リベット１の凹部５、５内に入り込んで、かしめられている。即ち、鉄系リベット１の凹部５内へ、アルミニウム合金板２０側からのアルミニウム合金材料２３が塑性流動して、鉄系リベット１とアルミニウム合金材（板）２０とが幾何学的にかみ合わされて、かしめられている。即ち、前記要件ｅ．として、鉄系リベット１の打ち込みに際して、更に、アルミニウム合金板２０を、このリベット１のアルミニウム合金材をかしめるための凹部５内に塑性流動させて、このリベット１に予めかしめられる。

また、このリベット軸部３の先端４は、アルミニウム合金板２０の鋼材との接合面側に貫通され、このアルミニウム合金板２０のリベット軸部３の貫通部では、その周縁部を含めて、鋼材との重ね合わせ（積層）や、スポット溶接接合のための平坦度が、比較的広範に確保されている。なお、このアルミニウム合金板２０のリベット軸部３の貫通部は、実際には、プレス成形前やリベット打ち込み前の平板の状態と同様な平坦度でなくとも、鋼材との重ね合わせ（積層）や、スポット溶接接合が可能であれば、多少の凹凸、傾斜、円弧などを有していても勿論良い。

ここで、鉄系リベット１のプレス成形による接合は、アルミニウム合金板２０の自動車の車体構造材への、本来のプレス成形工程の中で行われても良く、また、このようなプレス成形工程とは別途に、その前後の工程、例えばアルミニウム合金板２０の製造工程などにて行われても良い。

このような、鉄系リベット１によるアルミニウム合金板２０のかしめ作用によって、後述する鉄系リベット１と鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接部に、このアルミニウム合金板２０と鉄系リベット１とのかしめ接合（機械的な接合）が更に加わることとなる。このために、これらの接合の相乗効果によって、異材接合体としての高い接合強度を得ることができる。

また、このようなプレス成形によって、最適プレス成形条件を選択することで、前記ピンの形状や太さに応じて、鉄系リベットをアルミニウム合金材に押し込む（埋め込む）あるいは、かしめる際に、アルミニウム合金材側の割れ発生を防止することが可能となる。

（鋼板とアルミニウム合金板との組み立て）
図６に、前記図５の、鉄系リベット１を接合するとともに、鉄系リベット１によってかしめられたアルミニウム合金板２０と、鋼板１０とを、必要箇所において積層および組み立てた、スポット溶接前の異材接合体を断面にて部分的に示す。ここで、鉄系リベット１の位置と鋼板１０のスポット溶接位置Ｂとが整合されている。即ち、前記要件ｆ．として、リベット１を埋め込んだアルミニウム合金板２０と鋼板１０とを必要箇所において重ね合わせるとともに、この鋼板１０とリベット軸部３の先端４とを接触させる。これらの異材接合体としては、後述するルーフパネル構造体などの、前記したような種々の自動車の車体構造材が例示される。

図６の鋼板１０には、アルミニウム合金板２０との接合側の鋼材表面に、亜鉛や亜鉛合金などの金属めっき皮膜および／または塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、潤滑油など、通常、鋼板に施される公知の皮膜１１が、単独であるいは複合して組み合わされて、単層あるいは複層にて被覆されている。これらの内、特に、有機樹脂皮膜は、電気的な絶縁皮膜として介在して、鋼−アルミニウムの異材同士の接触による電食と称される腐食を防止する。図６では、鋼板１０の片面側（アルミニウム合金板２０との接合側）にしか防食皮膜１１を施していないが、鋼板１０の両面に防食皮膜１１を施しても勿論良い。また、このような皮膜は鉄系リベット１表面の側にも施されていて良いし、アルミニウム合金板２０の表面（片面あるいは両面）にも施されていて良い。

本発明では、鉄系リベット１と鋼板１０との、鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接なので、有機樹脂皮膜などの電気的な絶縁皮膜１１や金属めっき皮膜１１が、相当量の厚さ（防食に必要な皮膜厚さ）だけ、鋼板１０側か鉄系リベット１側に存在していても、容易にスポット溶接できるという、大きな利点がある。これに対して、アルミニウム−鉄との異材同士でのスポット溶接では、特に、このような有機樹脂皮膜などの電気的な絶縁皮膜１１があった場合には、スポット溶接できなくなる。

（スポット溶接）
図７、８を用いて、鋼板１０と、前記図６のアルミニウム合金板２０に接合された鉄系リベット１との、鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接方法につき説明する。図７はスポット溶接の態様を断面で示し、図８は、この図７のスポット溶接後の溶接部（異材接合体）の態様を断面で示す。

図７において、スポット溶接位置Ｂにて整合され重ね合わされた、アルミニウム合金板２０側の鉄系リベット１の頭部２側（図の上側から）と、鋼板１０側（図の下側）とは、各々スポット溶接電極４０（図の上側）、４１（図の下側）によって挟持され、加圧される。

そして、これら電極４０、４１同士を、鉄系リベット１の頭部２、軸部３、鋼板１０を介して通電することによって、図８に示すように、鉄系リベット１の軸部３と鋼材１０との界面範囲内のみで溶接ナゲット１２を形成させる。即ち、前記要件ｇ．として、アルミニウム合金板２０側のリベット頭部２側と鋼板１０側とを、各々電極４０、４１によって加圧しながら、これら電極４０、４１同士をリベット１を介して通電することによって、リベット軸部３と鋼板１０との界面範囲内のみで溶接ナゲット１２を形成させるスポット溶接を行う。

（溶接ナゲット径）
ここで、溶接ナゲット１２が界面範囲内で形成させるとは、図８に示す、溶接ナゲット１２の横方向の径ｄ１２が、鉄系リベット１の軸部３の先端部４の径ｄ４を超えて大きくならない、即ち、径ｄ１２が径ｄ４以下であることを意味している。仮に、径ｄ１２が径ｄ４よりも大きくなった場合には、ナゲット１２が、鉄系リベット１乃至スポット溶接部周囲のアルミニウム合金板２０にまで及ぶこととなる。このため、この部分のアルミニウム合金板２０の溶融が生じたり、熱影響部が拡大したりして、鉄系リベット１乃至スポット溶接部周囲のアルミニウム合金板２０の強度が著しく低下し、結果として、異材接合体の十字引張試験片により測定された剥離強度を２ｋＮ以上とすることができなくなる。

関連して、この溶接ナゲット１２の横方向の径ｄ１２の大きさを確保して、鉄−鉄同士のスポット溶接強度を保証するためには、鉄系リベット軸部３あるいは軸部３の先端部４の径ｄ４の大きさを確保する必要がある。この溶接ナゲット１２の横方向の径ｄ１２は、後述するルーフパネルなど、通常の自動車パネルにおける薄板の鉄パネル−鉄パネル同士のスポット溶接と同じレベルの、鋼材（鋼板）の厚み（板厚）をｔとした際に、直径３．５√ｔ〜７√ｔｍｍとすることが好ましい。鉄系リベットの軸部３が細すぎる、あるいは軸部３の先端部４の径ｄ４が小さすぎると、溶接ナゲット１２の横方向の径ｄ１２の上記好ましい大きさや、スポット溶接強度が確保できなくなる。

また、鉄系リベット１の頭部２の径ｄ２は、スポット溶接の際の、鉄系リベット１乃至スポット溶接部周囲のアルミニウム合金板２０の熱影響部をできるだけ小さくすることからも、その大きさを確保する必要がある。しかし、この径ｄ２や前記径ｄ４が大きくなるほど、鉄系リベット１の重量が大きくなる。このため、スポット溶接相当位置Ａの数（鉄系リベット１の数）によっては、重量増加が大きくなり、前記軽量化のためにアルミニウム合金材を用いる意味が失われる恐れもある。したがって、鉄系リベット１の頭部２の径ｄ２や軸部３の先端部４の径ｄ４は、これら溶接ナゲット１２の径の確保と、アルミニウム合金板２０の熱影響部を小さくすること、および鉄系リベット１による重量増加許容量との兼ね合いで設計される。

（鉄系リベット形状の態様）
ここで、鉄系リベット１形状（全体形状、断面形状）は、これまで説明した図１〜８の態様に限定されるものではない。即ち、溶接ナゲット１２の径の確保と、アルミニウム合金板２０の熱影響部を小さくすること、および鉄系リベット１による重量増加許容量との兼ね合いで設計されるものであれば、鉄系リベット１形状は、図９〜１３に例示するような形状、あるいは、それ以外の形状が適宜選択される。

また、図９〜１３以外の形状として、リベット１の軸部３の径（頭部２側の付け根＝根元の径）は、頭部２の径に比して小径としても、下方に向かってその外径が順次拡がるテーパ形状７とされた軸部先端部４の径ｄ４は、頭部２の径に比して必ずしも小径にする必要はなく、同径であっても、比較的大径であっても良い。

図９は、図１の鉄系リベット１形状と近似しているが、図１に比して、頭部２の下方側で軸部３の付け根部分の周囲の、上方に凹む円環状の凹部（溝）６のみが無く、頭部２の下方側の面と、テーパ７を設けた軸部３の外周面とによって、アルミニウム合金板２０をかしめるための凹部５を形成している態様を示している。

図１０は、図９の鉄系リベット形状と近似しているが、図９に比して、軸部先端部４の中央部に凹部を設けた、あるいは軸部先端部４を複数に根分けした態様を示している。

図１１は、図１の鉄系リベット１形状と近似しているが、図１に比して、頭部２の下方側の円環状の凹部（溝）６の横方向の幅が比較的大きい態様を示している。

図１２は、図１の鉄系リベット１形状と近似しているが、図１に比して、頭部２や軸部３の中央部に、上下方向に貫く中空部８を形成して、鉄系リベットを軽量化している態様を示している。ここで、中空部８は、必ずしも頭部２や軸部３を貫通する必要はなく、また、前記中央部に設ける必要もなく、１本（１個）だけ設ける必要も無い。要は、中空部や凹みのような空間部を頭部２や軸部３に適宜設けて、鉄系リベットの中実部を減らして、軽量化しても良い。これらの中空部や凹みのような空間部は、スポット溶接可能で、鉄系リベットの強度を確保できるような中実部を残す観点から設計される。

図１３は、図１２の鉄系リベット形状と近似しているが、図１２に比して、中空部８の周縁部にネジ９を形成して、鉄系リベットを軽量化している態様を示している。

鉄系リベット１の重量は、前記した通り、軽い方が好ましい。ただ、鉄系であるゆえに、市販されているアルミニウム合金製のセルフピアシングリベットの重量、０．３〜０．４ｇ／１個よりも、重くなることは仕方が無い。しかし、標準的な大きさの自動車ルーフパネルなどのスポット溶接打点数からくる、鉄系リベット１の必要個数と、それによる重量増加とを考慮すると、これらの形状によらず、１個あたりの重量は、重くとも３ｇ以下に抑制することが好ましい。なお、これら鉄系リベット１には、その表面に、亜鉛や亜鉛合金などの金属めっき皮膜および／または塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、潤滑油など、通常、鋼材に施される公知の皮膜が、単独であるいは複合して組み合わされて、単層あるいは複層にて被覆されていて良い。

（自動車ルーフ取り付け構造）
次に、これら本発明の実施態様を、自動車ルーフ取り付け構造に適用した例を、図面を用いて、以下に具体的に説明する。

前提となる自動車のルーフパネルの構造自体の態様は、従来と基本的に同じである。図１７は自動車車体における代表的なアルミニウム合金（板）製のルーフパネル２４の構造を、ルーフパネル全体の斜視図である。図１７において、２４ａはアルミルーフパネル２４の両側 (車体幅方向側) に在るフランジ部 (側縁部) である。アルミルーフパネル２４は、通常、ルーフパネル中央部の車体左右方向の曲率 R aと車体前後方向の曲率R b を有するように、略箱型で一定の曲率を持った形状に設計される。

このアルミルーフパネル２４は、図１７に示すように、鋼製あるいはアルミニウム合金製のルーフパネルリインフォースメント１９ａ、１９ｂ、１９ｃなどのルーフ補強材を介し、また、鋼製あるいはアルミニウム合金製のウインドシールドヘッダパネル１７やバックウインドウフレームアッパ１８などの付属フレームやパネルが設けられた上で、車体側に取り付けられる。

アルミルーフパネル２４の前記両側に在るフランジ部２４ａ、２４ａの取り付け構造の一態様例を、図１４、１５に断面図で示す。この図１４、１５は、図１６の自動車車体６０の斜視図における、アルミルーフパネル２４の両側面であって、鋼製サイドメンバアウタパネル１３を横断する、この図１６では左側側面のみを示す、Ｇ−Ｇ部やＨ−Ｈ部などの断面図に相当する。

（図１４の態様）
先ず、図１４において、アルミルーフパネル２４は、そのフランジ部２４ａにおいて、鋼製のサイドメンバアウタパネル１３や鋼製のルーフサイドレール１４および鋼製のサイドメンバインナパネル１５の各上部のフランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａと、一体に接合されている。

即ち、アルミルーフパネル２４のフランジ部２４ａは、予めかしめられた鉄系リベット１の、頭部２と、これら鋼材側へ貫通した軸部３とを各々介して、鋼製の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａを三枚重ね合わせた形で接合（スポット溶接）されている。言い換えると、図１４は、アルミルーフパネル２４のフランジ部２４ａに予めかしめられた鉄系リベット１と、鋼製の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａを三枚重ね合わせた形で、スポット溶接した態様を示している。このスポット溶接によって、図１４で図示はしないが、前記図８のように、鉄系リベット１の鋼材側へ貫通した軸部３の底部（４）と、鋼製の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａとの界面範囲内のみで、また、鋼製の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａを貫通させて、一体の溶接ナゲット１２を形成させている。

このルーフパネル２４の取付部（フランジ部２４ａ）には、異材接合による電食を防止するために、アルミフランジ部２４ａと鋼製フランジ部１３ａとの間には、中間樹脂層５０が介在されている。また、更に、水密シール用のシーラー（シール用樹脂材）５１や外装部材５２なども設置されている。

前記した通り、鉄系リベット１側や、鋼材側の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａには、有機樹脂皮膜などの電気的な絶縁皮膜や金属めっき皮膜が、相当量の厚さだけ存在している。場合によっては、アルミルーフパネル２４にも、これらの皮膜が意図的に処理されて存在している。それにもかかわらず、本発明では、鉄系リベット１と鋼材との鉄−鉄の同種材同士でのスポット溶接なので、更に、前記中間樹脂層５０を介してでも、また、鋼製の各フランジ部１３ａ、１４ａ、１５ａを三枚重ね合わせた形でも、容易にスポット溶接ができるという、大きな利点がある。

図１４において、鋼製サイドメンバアウタパネル１３や鋼製ルーフサイドレール１４および鋼製サイドメンバインナパネル１５の、各下部のフランジ部１３ｂ、１４ｂ、１５ｂは、図の丸で囲んだ部分で、セルフピアシングリベットや通常のリベット４４などによって、一体に機械接合されている。なお、この接合はスポット溶接等の溶接接合でも良い。

（図１５の態様）
図１５に、アルミルーフパネル２４のフランジ部２４ａの他の取り付け構造例を断面図で示す。この図１５の例では、アルミルーフパネルフランジ部２４ａは、鋼製のサイドメンバアウタパネル１３から張り出された鋼製のルーフドリップチャンネル１６と、前記図１４と同様に接合され、サイドメンバアウタパネル１３と一体に接合されている。即ち、アルミルーフパネル２４のフランジ部２４ａに予めかしめられた鉄系リベット１と、鋼製ルーフドリップチャンネル１６（一枚）とがスポット溶接接合されている。

このスポット溶接によって、図１５で図示はしないが、前記図８のように、鉄系リベット１の鋼材側へ貫通した軸部３の底部（４）と、鋼製ルーフドリップチャンネル１６との界面範囲内のみで、溶接ナゲット１２を形成させている。また、アルミルーフパネル２４のフランジ部２４ａと鋼製ルーフドリップチャンネル１６とは、前記図１４と同様に、中間樹脂層５０を介して接合されている。

図１５において、鋼製サイドメンバアウタパネル１３と鋼製サイドメンバインナパネル１５とは、各上部のフランジ部１３ａと１５ａにおいて、図の丸で囲んだ部分で、スポット溶接等の溶接接合で、一体に機械接合されている。また、各下部のフランジ部１３ｂ、１５ｂにおいて、図の丸で囲んだ部分で、セルフピアシングリベットや通常のリベット４４などによって、一体に機械接合されている。なお、これらの接合方法はこの態様に限定されるものではなく、条件によって適宜選択、変更されるものである。

（鋼材）
本発明が対象とする鋼材は、鋼材の組成や種類については特に問わないが、Ｓｉ、Ｍｎなどを含む引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼材（ハイテン）が好ましい。これより低強度では、特に薄板では、鋼材の強度が不足するために、スポット溶接時の電極チップによる加圧によって、鋼材の変形が大きくなる可能性がある。鋼材の種類は、前記した自動車車体用に汎用される圧延薄板や、厚板あるいは型鋼などが適宜使用できる。前記した通り、これら鋼材には、その表面片側あるいは両面に、亜鉛や亜鉛合金などの金属めっき皮膜および／または塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、潤滑油など、通常、鋼材に施される公知の皮膜が、単独であるいは複合して組み合わされて、単層あるいは複層にて被覆されていて良い。

(アルミニウム合金材)
本発明で用いるアルミニウム合金材は、通常、板の製造がしやすく、ルーフパネルへの成形が容易で、強度にも優れたＡＡ乃至ＪＩＳ ３０００系、５０００系、６０００系等のアルミニウム合金が適宜選択して用いられる。特に、６０００系アルミニウム合金は、自動車車体の塗装焼き付け処理条件での人工時効硬化性を有する。このため、高強度を得るのに合金元素量が少なくて済み、そのスクラップを元の６０００系アルミニウム合金の溶解原料としてリサイクルできる利点がある。アルミニウム合金材は、自動車車体の各部用途に応じて、形状を特に限定するものではなく、前記した、汎用されている板材、形材、鍛造材（以上が展伸材）、鋳造材、ダイカスト材などが適宜選択される。ただ、このアルミニウム合金材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために、比較的高い方が望ましい。前記した通り、これらアルミニウム合金材には、その表面片側あるいは両面に、亜鉛や亜鉛合金などの金属めっき皮膜および／または塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、潤滑油など、通常、アルミニウム合金材に施される公知の皮膜が、単独であるいは複合して組み合わされて、単層あるいは複層にて被覆されていて良い。

なお、前記アルミルーフパネルなどの自動車車体パネル用などとしては、優れたプレス成形性やＢＨ性（ベークハード性）、強度、溶接性、耐食性などの諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金板としての組成は、質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．５％、Ｃｕ：０．００１〜１．０％を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板とすることが好ましい。また、ＢＨ性をより優れさせるためには、ＳｉとＭｇとの質量比Ｓｉ/ Ｍｇが1 以上であるような過剰Ｓｉ型の６０００系アルミニウム合金板とされることが好ましい。

また、前記自動車車体補強材用の押出材などとしては、優れた曲げ圧壊性や耐食性などの諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金押出材の組成は、質量％で、Ｍｇ：０．３０〜１．０％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｆｅ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．００１〜０．６５％を各々含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金とすることが好ましい。更に、前記した各好ましい組成に加えて、Ｃｒ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％の一種または二種を合計量で０．３０％以下、あるいはＺｎ：０．００１〜０．２５％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０％の一種または二種を選択的に含ませても良い。

(鋼材やアルミニウム合金材の厚み)
また、鋼材やアルミニウム合金材の溶接される部分の厚み（板厚など）は、特に限定されず、自動車部材などの適用部材の必要強度や剛性などの設計条件から適宜選択乃至決定される。

但し、自動車部材などを想定すると、実用的には鋼材の（溶接される部分の）厚みｔは０．３〜３．０ｍｍから選択される。鋼材の厚みが薄すぎる場合、自動車部材としての必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、例えば、スポット溶接による場合には、その電極チップによる加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、脆い金属間化合物が形成しやすくなる。一方、鋼材の厚みが厚すぎる場合、スポット溶接接合自体が難しくなる。

また、アルミニウム合金材の（溶接される部分の）厚みｔは、同様に自動車部材などを想定すると、０．３〜６．０ｍｍの範囲から選択される。アルミニウム合金材の厚みが薄すぎる場合、自動車部材としての強度が不足して不適切であるのに加え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない可能性がある。一方、アルミニウム合金材の厚みが厚すぎる場合、鉄系リベットのかしめが困難になる。

(溶接方法)
なお、本発明において、溶接方法は、本発明の主たる用途である、自動車部材の組み立てで汎用されているスポット溶接とする。即ち、ＭＩＧ溶接、レーザー溶接は対象外であり、両方とも溶解しない超音波接合、拡散接合、摩擦圧接、ろう付けなどの溶接手法も対象外である。

また、スポット溶接条件は、通常の鉄−鉄の同種同士の接合に汎用されている条件がそのまま適用できる。言い換えると、本発明は、アルミ−鉄の異材接合であるにもかかわらず、通常の鉄−鉄の同種同士の接合に汎用されている条件が適用できる点が大きな利点である。この、スポット溶接の溶接箇所毎の好ましい条件としては、前記図７における電極４０、４１の間の加圧力を１．０〜５．０ｋＮの範囲とすることが好ましい。また、電極間電流を５〜１５ｋＡ（好ましくは７〜８ｋＡ）の範囲とし、接合されるアルミニウム合金材部分の厚みｔｍｍとの関係で、２００×ｔｍｓｅｃ以下の時間通電することが好ましい。これによって、異材接合体の十字引張試験片により測定された剥離強度を２ｋＮ以上とすることができる。

因みに、アルミ−鉄の異材接合におけるスポット溶接では、アルミニウム合金材側が厚くなると、また鋼材側が薄くなると、１５ｋＡ以上という、自動車製造工程における既存の鋼材同士のスポット溶接機の能力ではまかなえない、大きな電極間電流を必要とする。このように、アルミ−鉄の異材接合におけるスポット溶接では、上記通常汎用される鉄−鉄の同種同士の接合に汎用されている、スポット溶接機、スポット溶接条件や溶接方法がそのまま適用できないことが、アルミニウム合金材のスポット溶接用途への適用の大きな障害となっていたものである。

以上説明した各要件は、アルミニウム合金材だけでなく、軽合金材としてのマグネシウム材についても適用できる。マグネシウム材の場合には、ＪＩＳあるいはＡＳＴＭに規格化された、汎用されるＡＺ系合金（Ａｌ、Ｚｎ入り合金）などが好適である。また、マグネシウム材の場合も、自動車車体などの各部用途に応じて、形状を特に限定するものではなく、板材、形材、鍛造材（以上が展伸材）、鋳造材、ダイカスト材などが適宜選択される。

本発明によれば、アルミニウムなどの軽合金−鉄の異材同士ではなく、鉄−鉄の同種材同士のスポット溶接とでき、しかも、軽合金材と前記鉄系リベットとのかしめ接合も加えた相乗効果によって、高い接合強度を得ることができる、鋼材と軽合金材との異材接合方法を提供できる。また、同様に、鋼材と軽合金材との異材接合体、鋼材との異材接合用軽合金材、鋼材と軽合金材との異材接合用リベットも提供できる。したがって、本発明は、特に、自動車車体構造材に有用に適用できる。

また、本発明の応用として、説明した軽合金−鉄の異材同士だけではなく、軽合金−軽合金の異材同士や同種材同士の接合も可能である。異材同士はアルミニウム合金材−マグネシウム合金材の接合が、同種材同士は、アルミニウム合金材−アルミニウム合金材、マグネシウム合金材−マグネシウム合金材の接合が例示される。即ち、鉄系金属材料からなるリベット１を予め接合した（埋め込んだ）、前記選択された軽合金材同士の各々の接合部位における、互いのリベット同士を位置決めして（重ね合わせて）接触させる。そして、これらリベット同士を、鉄−鉄の同種材同士にて、スポット溶接して、前記軽合金材同士を接合することができる。

本発明における、アルミニウム合金板と、これに接合する鉄系リベットとの態様を示す縦断面図である。 図１の鉄系リベットを拡大して示す斜視図である。 本発明における、アルミニウム合金板に鉄系リベットを予めかしめる態様の時間的な経過を例示する始めの縦断面図である。 本発明における、アルミニウム合金板に鉄系リベットを予めかしめる態様の時間的な経過を例示する次の縦断面図である。 本発明における、アルミニウム合金板に鉄系リベットを予めかしめる態様の時間的な経過を例示する最終的な縦断面図である。 本発明における、スポット溶接前の異材接合体を部分的に示す縦断面図である。 本発明におけるスポット溶接の態様を示す縦断面図である。 本発明における、スポット溶接後の異材接合体を示す縦断面図である。 本発明における鉄系リベットの別の態様を示す縦断面図である。 本発明における鉄系リベットの別の態様を示す縦断面図である。 本発明における鉄系リベットの別の態様を示す縦断面図である。 本発明における鉄系リベットの別の態様を示す縦断面図である。 本発明における鉄系リベットの別の態様を示す縦断面図である。 本発明をアルミルーフパネル構造体に適用した態様を示す縦断面図である。 本発明をアルミルーフパネル構造体に適用した別の態様を示す縦断面図である。 アルミルーフパネル構造体を用いた自動車車体の斜視図である。 図１６のアルミルーフパネル構造体を拡大して示す斜視図である。

符号の説明

１：鉄系リベット、２：頭部、３：軸部、４：底部、５：凹部、６：溝、７：テーパ、１０：鋼材、１１：表面皮膜、１２：溶接ナゲット、１３〜１９：鋼材、２０：アルミニウム合金材、２１：打ち抜かれたアルミニウム材料、２２：貫通孔、２３：アルミニウム合金材料、２４：アルミルーフパネル、３０〜３２：金型、４０、４１：電極、５０、５１：樹脂層、５２：外装部材、６０：自動車車体、

Claims (15)

1. リベット接合とスポット溶接とを合わせて用いて、鋼材と軽合金材との異材同士を接合する方法であって、以下のａ〜ｇの要件を有することを特徴とする鋼材と軽合金材との異材接合方法。
   ａ．前記軽合金材と鉄系金属材料からなるリベットとをスポット溶接の前工程にて予め接合しておき、その後、このリベットと前記鋼材とをスポット溶接する。
   ｂ．前記リベットを、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したものとする。
   ｃ．前記軽合金材と前記リベットとの接合に際して、このリベットの軸部を前記軽合金材の鋼材とのスポット溶接相当位置に打ち込む。
   ｄ．このリベット打ち込みに際して、このリベットの軸部によって軽合金材を打ち抜きつつ、前記リベット軸部先端を前記軽合金材の鋼材との接合面側に貫通させて、リベット軸部を前記軽合金材に埋め込む。
   ｅ．このリベット打ち込みに際して、更に、前記軽合金材を、このリベットの前記軽合金材をかしめるための凹部内に塑性流動させて、このリベットにかしめておく。
   ｆ．その上で、このリベットを埋め込んだ軽合金材と前記鋼材とを必要箇所において重ね合わせるとともに、この鋼材と前記リベット軸部先端とを接触させる。
   ｇ．次に、軽合金材側の前記リベット頭部側と前記鋼材側とを、各々電極によって加圧しながら、これら電極同士を前記リベットを介して通電することによって、前記リベット軸部と鋼材との界面範囲内のみで溶接ナゲットを形成させるスポット溶接を行う。
2. 前記異材接合方法における前記リベットの打ち込みを、このリベット頭部を押圧するための上型と、軽合金材を反対側から押圧する下型とを用いたプレス成形によって行う請求項１に記載の鋼材と軽合金材との異材接合方法。
3. 前記異材接合方法における前記リベットが、前記軽合金材がプレス成形される際に、この軽合金材に打ち込まれる請求項１または２に記載の鋼材と軽合金材との異材接合方法。
4. 前記異材接合方法における、前記リベットの外周面に形成した前記軽合金材をかしめるための前記凹部が、頭部の下方側に設けた上方に凹む凹部と、前記リベットの軸部に設けた下方に向かって外径が順次拡がるテーパ形状とによって形成される空間である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋼材と軽合金材との異材接合方法。
5. 前記異材接合方法における前記リベットおよび鋼材の表面に金属めっき皮膜および／または樹脂皮膜が被覆されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼材と軽合金材との異材接合方法。
6. 前記異材接合方法によって製作された前記異材接合体が自動車の車体構造用である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鋼材と軽合金材との異材接合方法。
7. リベット接合とスポット溶接とを合わせて用いて、鋼材と軽合金材との異材同士を接合した異材接合体であって、前記鋼材と重ね合わせて接合した前記軽合金材のスポット溶接相当位置には、鉄系金属材料からなり、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したリベットの軸部が埋め込まれており、このリベット軸部先端は前記軽合金材の前記鋼材との接合面側に貫通されているとともに、前記軽合金材は、このリベットの前記凹部内にかみ合わされて、かしめられている一方、このリベット軸部と前記鋼材との界面範囲内のみで前記スポット溶接による溶接ナゲットが形成されていることを特徴とする鋼材と軽合金材との異材接合体。
8. 前記異材接合体における前記鋼材と前記軽合金材とが各々プレス成形されている請求項７に記載の鋼材と軽合金材との異材接合体。
9. 前記異材接合体における前記リベットの、外周面に形成した前記軽合金材をかしめるための前記凹部が、頭部の下方側に設けた上方に凹む凹部と、前記リベットの軸部に設けた下方に向かって外径が順次拡がるテーパ形状とによって形成される空間である請求項７または８に記載の鋼材と軽合金材との異材接合体。
10. 前記異材接合体における前記リベットおよび鋼材の表面に金属めっき皮膜および／または樹脂皮膜が被覆されている請求項７乃至９のいずれか１項に記載の鋼材と軽合金材との異材接合体。
11. 前記異材接合体が自動車の車体構造用である請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の鋼材と軽合金材との異材接合体。
12. 鋼材とスポット溶接により異材接合される軽合金材であって、この軽合金材のスポット溶接位置には、鉄系金属材料からなり、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、頭部または／および軸部に前記軽合金材をかしめるための凹部を形成したリベットの軸部が埋め込まれており、このリベット軸部先端は前記軽合金材の前記鋼材との接合面側に貫通されているとともに、前記軽合金材は、このリベットの前記凹部内にかみ合わされて、かしめられていることを特徴とする鋼材との異材接合用軽合金材。
13. 前記軽合金材に埋め込まれた前記リベットの、頭部または／および軸部に形成した前記軽合金材をかしめるための前記凹部が、頭部の下方側に設けた上方に凹む凹部と、前記リベットの軸部に設けた下方に向かって外径が順次拡がるテーパ形状とによって形成される空間である請求項１２に記載の鋼材との異材接合用軽合金材。
14. 鋼材とスポット溶接により異材接合される軽合金材に埋め込まれるための、鉄系金属材料からなるリベットであって、頭部と軸部とからなる略Ｔ字断面形状を有するとともに、前記軽合金材に埋め込まれる際に、前記軽合金材を塑性流動させてかしめるための凹部を、頭部または／および軸部に形成しており、このリベットの軸部は前記軽合金材の板厚方向に貫通するに十分な長さを有していることを特徴とする鋼材と軽合金材との異材接合用リベット。
15. 前記リベットにおいて、頭部または／および軸部に形成した前記軽合金材をかしめるための前記凹部が、前記頭部の下方側に設けた上方に凹む凹部と、前記軸部に設けた下方に向かって外径が順次拡がるテーパ形状とによって形成される空間である請求項１３に記載の鋼材との異材接合用軽合金材。

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