JP2011088192A - 異種金属板の接合方法および異種金属接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の接合方法には、アルミニウム合金板1とめっき鋼板2とを接着剤5を介して重ね合わせる積層工程と、積層工程で重ね合わせられた上記両金属板1,2をスポット溶接用の一対の電極7,7の間に挟み込んで加圧するとともに、上記一対の電極7,7間に電流を流すプレヒート工程と、プレヒート工程の後、上記電極7,7間の通電を停止した状態で、上記両金属板1,2を上記プレヒート工程の開始時よりも高い加圧力で加圧し、これを所定の冷却時間に亘り継続する冷却工程と、冷却工程の後、上記プレヒート工程の開始時よりも高い加圧力で上記両金属板1,2を加圧しつつ、上記プレヒート工程での通電電流値よりも高い電流を上記一対の電極7,7間に流すことにより、上記両金属板1,2同士を溶接する溶接工程とを含む。
【選択図】図11
Description
まず、当実施形態の接合方法の具体的な手順について説明する。上記アルミニウム合金板1、亜鉛めっき鋼板2、および非めっき鋼板3からなる3枚の金属板は、以下に示す積層工程、プレ加圧工程、プレヒート工程、冷却工程、溶接工程、および接着剤硬化工程を経て接合される。
上記3枚の金属板1〜3を接合するには、まず図1に示すように、各金属板1〜3同士を重ね合わせる積層工程を行う。具体的には、アルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2とを接着剤5を介して重ね合わせるとともに、非めっき鋼板3を亜鉛めっき鋼板2に対しアルミニウム合金板1とは反対側から重ね合わせる。なお、接着剤5としては、所定温度以上で硬化する熱硬化性の接着剤が用いられる。このため、上記図1の時点で接着剤5は硬化しておらず、ある程度の流動性を有している。また、このような接着剤5がアルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2との間に塗布されているのに対し、亜鉛めっき鋼板2と非めっき鋼板3との間には接着剤5は塗布されておらず、これら両鋼板2,3は直接接触している。以下では、図1のように3枚重ねにされた金属板1〜3を、まとめて「ワークW」という。
次に、図2に移って、積層後の上記金属板1〜3(ワークW)を加圧するプレ加圧工程を行う。具体的に、このプレ加圧工程では、スポット溶接用の一対の電極7,7の間に上記ワークWを挟み込み、予め定められたプレ加圧力F0でワークWを加圧する。
次に、図3に移って、上記ワークWを加圧しつつ通電するプレヒート工程を行う。具体的に、このプレヒート工程では、上記一対の電極7,7によりワークWを加圧しつつ、図外の電源供給装置から上記電極7,7に電圧を印加し、予め定められた第1の電流値I1を通電する。
次に、図4に移って、上記電極7,7間の通電を停止しつつワークWを加圧する冷却工程を行う。具体的に、この冷却工程では、上記電極7,7の印加電圧をゼロにしてその通電を停止した状態で、上記第1の加圧力F1(プレヒート工程開始時の加圧力)よりも大きい第2の加圧力F2でワークWを加圧し、これを所定の冷却時間に亘って継続する。すなわち、上記電極7,7間の通電が停止されることにより、ワークWの温度が上記プレヒート工程の終了時よりも低下するとともに、上記電極7,7の加圧力が増大されることにより、上記電極7,7で加圧された部分(加圧部)からプレヒート工程により軟化した接着剤5が効率よく排出される。なお、上記冷却時間の好ましい範囲は、約300〜1500msecである。
次に、図5に移って、上記ワークWをスポット溶接する溶接工程を行う。具体的に、この溶接工程では、上記冷却工程での加圧力F2と同じ加圧力でワークWを加圧しつつ、上記プレヒート工程での電流値I1よりも大きい第2の電流値I2を通電する。
次に、接着剤5を硬化させる接着剤硬化工程を行う。具体的には、溶接後のワークWを加熱用の炉(図示省略)に投入し、その温度を接着剤5の硬化温度以上に上昇させる。これにより、アルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2との間で接着剤5が全体的に硬化し、この硬化した接着剤5を介してアルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2とが接着される。
次に、以上のような工程を経て接合された接合体の構造について説明する。接合後は、上述したように、アルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2とがナゲット部M1を介して接合されるとともに、亜鉛めっき鋼板2と非めっき鋼板3とがナゲット部M2を介して接合されている。また、アルミニウム合金板1と亜鉛めっき鋼板2とは、上記ナゲット部M1以外の箇所においては接着剤5により接着されている。
次に、当実施形態の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。具体的に、この実験では、上記(1)で説明したような接合方法(図1〜図5)で実際に金属板を接合し、それによって得られた接合体の接合強度をL字剥離試験(図9参照)により測定した。
図8(a)〜(c)は、実験に使用した電極7の形状を示す図である。図8(a)に示すタイプ1の電極は、図2〜図5に示した電極7と同様の形状であり、電極全体の直径が16mm、先端部に形成された平面部分の直径が6mm、その周囲の球状部分の半径が5mmである。図8(b)に示すタイプ2の電極は、先端部全体が凸球状に形成されており、その半径は50mmである。図8(c)に示すタイプ3の電極は、先端部全体が凸球状に形成されており、その半径は100mmである。
実施例1の接合条件は、図10および図11に示す通りである。すなわち、実施例1では、まず、プレ加圧工程として、2kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、2kNでの加圧を継続しつつ、2kAの電流を15cyc(250msec)の間通電する。次いで、冷却工程として、7kNの加圧力を、通電を停止した状態で60cyc(1000msec)の間加える。最後に、溶接工程として、7kNでの加圧を継続しつつ、14kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例では、アルミ側(アルミニウム合金1に接触する側)の電極7にタイプ1の電極(図8(a))を使用するとともに、鋼板側(非めっき鋼板3に接触する側)の電極7にも、タイプ1の電極を使用した。
実施例2では、まず、プレ加圧工程として、2kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、2kAの電流を15cyc(250msec)の間通電するが、このとき、プレヒート工程の開始から10cyc(167msec)の間は、加圧力を2kNに設定する一方、その後の5cyc(83msec)の間は、加圧力を7kNに設定する。次いで、冷却工程として、7kNの加圧力を、通電を停止した状態で60cyc(1000msec)の間加える。最後に、溶接工程として、7kNの加圧力を継続しつつ、14kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例3の接合条件は、加圧および通電のタイミングが実施例1と同様であるが、実施例1と異なる点として、冷却工程および溶接工程時の加圧力が5kNに設定されるとともに、溶接工程時の通電電流が13kAに設定される。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例4の接合条件は、図10および図12に示す通りである。すなわち、実施例4では、まず、プレ加圧工程として、5kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、2kAの電流を15cyc(250msec)の間通電するが、このとき、プレヒート工程の開始から10cyc(167msec)の間は、加圧力を2kNに設定する一方、その後の5cyc(83msec)の間は、加圧力を5kNに設定する。次いで、冷却工程として、5kNの加圧力を、通電を停止した状態で30cyc(500msec)の間加える。最後に、溶接工程として、5kNでの加圧を継続しつつ、13kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例5の接合条件は、図10および図13に示す通りである。すなわち、実施例5では、まず、プレ加圧工程として、5kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、2kNの加圧力を加えつつ、2kAの電流を15cyc(250msec)の間通電する。次いで、冷却工程として、5kNの加圧力を、通電を停止した状態で30cyc(500msec)の間加える。最後に、溶接工程として、5kNでの加圧を継続しつつ、13kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例6の接合条件は、図10および図14に示す通りである。すなわち、実施例6では、まず、プレ加圧工程として、5kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、2kNの加圧力を加えつつ、2kAの電流を10cyc(167msec)の間通電する。次いで、冷却工程として、5kNの加圧力を、通電を停止した状態で20cyc(333msec)の間加える。最後に、溶接工程として、5kNでの加圧を継続しつつ、13kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例7の接合条件は、図10および図12に示すように、加圧および通電のタイミングが実施例4と同様であるが、実施例4と異なる点として、プレヒート工程時以外の加圧力が7kNに設定されるとともに、溶接工程時の通電電流が14kAに設定される。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例8の接合条件は、図10および図13に示すように、加圧および通電のタイミングが実施例5と同様であるが、実施例5と異なる点として、プレヒート工程時以外の加圧力が7kNに設定されるとともに、溶接工程時の通電電流が14kAに設定される。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例9の接合条件は、図10および図14に示すように、加圧および通電のタイミングが実施例6と同様であるが、実施例6と異なる点として、プレヒート工程時以外の加圧力が7kNに設定されるとともに、溶接工程時の通電電流が14kAに設定される。なお、当実施例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
実施例10の接合条件は、図10および図15に示す通りである。すなわち、実施例10では、まず、プレ加圧工程として、3kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、3kNでの加圧を継続しつつ、3kAの電流を15cyc(250msec)の間通電する。次いで、冷却工程として、7kNの加圧力を、通電を停止した状態で40cyc(667msec)の間加える。最後に、溶接工程として、7kNでの加圧を継続しつつ、15kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例では、アルミ側の電極7にタイプ1の電極(図8(a))を使用する一方、鋼板側の電極7には、タイプ2の電極(図8(b))を使用した。
実施例11の接合条件は、図10および図16に示す通りである。すなわち、実施例11では、まず、プレ加圧工程として、3kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、プレヒート工程として、3kNでの加圧を継続しつつ、3kAの電流を15cyc(250msec)の間通電する。次いで、冷却工程として、7kNの加圧力を、通電を停止した状態で20cyc(333msec)の間加える。最後に、溶接工程として、7kNでの加圧を継続しつつ、16kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。なお、当実施例では、アルミ側の電極7にタイプ1の電極(図8(a))を使用する一方、鋼板側の電極7には、タイプ3の電極(図8(c))を使用した。
実施例3……プレ加圧力F0=2kN、第1の加圧力F1=2kN、第2の加圧力F2=5kN、第1の電流値I1=2kA、第2の電流値I2=13kA
実施例4〜6……プレ加圧力F0=5kN、第1の加圧力F1=2kN、第2の加圧力F2=5kN、第1の電流値I1=2kA、第2の電流値I2=13kA
実施例7〜9……プレ加圧力F0=7kN、第1の加圧力F1=2kN、第2の加圧力F2=7kN、第1の電流値I1=2kA、第2の電流値I2=14kA
実施例10……プレ加圧力F0=3kN、第1の加圧力F1=3kN、第2の加圧力F2=7kN、第1の電流値I1=3kA、第2の電流値I2=15kA
実施例11……プレ加圧力F0=3kN、第1の加圧力F1=3kN、第2の加圧力F2=7kN、第1の電流値I1=3kA、第2の電流値I2=16kA。
比較例1の接合条件は、図10および図17に示す通りである。すなわち、比較例1では、まず、2kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加える。次いで、2kNでの加圧を継続しながら、2kAの電流を15cyc(250msec)の間通電する。最後に、7kNの加圧力を加えながら、12kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。この条件から理解されるように、比較例1では、上記各実施例におけるプレヒート工程および溶接工程に相当する工程として、2kAの通電と12kAの通電とをそれぞれ行っているが、両工程の間に通電を停止する期間(冷却工程)が存在しない。なお、当比較例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
比較例2の接合条件は、図10および図18に示す通りである。すなわち、比較例2では、7kNの加圧力を60cyc(1000msec)の間加えた後、その加圧を継続しながら、10kAの電流を18cyc(300msec)の間通電する。この条件から理解されるように、比較例2では、上記各実施例におけるプレヒート工程および冷却工程に相当する工程が存在しない。なお、当比較例で使用される電極7は、アルミ側および鋼板側ともにタイプ1の電極(図8(a))である。
図10に示される剥離強度の測定結果を比較すると、比較例1の剥離強度を1.0としたときに、実施例1〜11の剥離強度はいずれも2.7〜3.0の範囲の値であり、非常に高い接合強度が得られていることが分かる。一方、プレヒート工程、冷却工程に相当する工程が存在しない比較例2については、剥離強度が0.2と非常に低く、上記各実施例と比較して1/15程度の強度しか得られていない。このように、上記各実施例の接合条件によれば、従来と比べて非常に高い接合強度が得られることが分かった。また、実施例1〜11の方法で接合された接合部の構造としては、いずれも、先の図6、図7で示した構造と同様のものが得られた。
以上の実験の結果から明らかなように、当実施形態の接合方法によれば、アルミニウム合金1および亜鉛めっき鋼板2を含む異種金属同士を強固に接合できるという利点がある。
2 めっき鋼板
3 非めっき鋼板(別の鋼板)
5 接着剤
5a (接着剤の)熱分解物
7 電極
F1 第1の加圧力
F2 第2の加圧力
M2 ナゲット部
S1 不完全溶接部(弱接合部)
S2 完全溶接部(第1の接合部)
S4 接着部(第2の接合部)
Claims (10)
- アルミニウム合金板およびめっき鋼板からなる異種金属板同士を接着剤による接着とスポット溶接とにより接合する方法であって、
上記アルミニウム合金板とめっき鋼板とを上記接着剤を介して重ね合わせる積層工程と、
上記積層工程で重ね合わせられた上記両金属板をスポット溶接用の一対の電極の間に挟み込んで加圧するとともに、上記一対の電極間に電流を流すプレヒート工程と、
上記プレヒート工程の後、上記電極間の通電を停止した状態で、上記両金属板を上記プレヒート工程の開始時よりも高い加圧力で加圧し、これを所定の冷却時間に亘り継続する冷却工程と、
上記冷却工程の後、上記プレヒート工程の開始時よりも高い加圧力で上記両金属板を加圧しつつ、上記プレヒート工程での通電電流値よりも高い電流を上記一対の電極間に流すことにより、上記両金属板同士を溶接する溶接工程とを含むことを特徴とする異種金属板の接合方法。 - 請求項1記載の異種金属板の接合方法において、
上記プレヒート工程の開始から所定期間の間、上記電極の加圧力を第1の加圧力に設定し、上記プレヒート工程の途中もしくは終了時に、上記加圧力を上記第1の加圧力よりも大きい第2の加圧力に増大させ、上記冷却工程および溶接工程が終了するまで上記第2の加圧力での加圧を継続することを特徴とする異種金属板の接合方法。 - 請求項2記載の異種金属板の接合方法において、
上記プレヒート工程よりも前に、上記アルミニウム合金板およびめっき鋼板を上記一対の電極で挟み込んで加圧するプレ加圧工程を行うことを特徴とする異種金属板の接合方法。 - 請求項3記載の異種金属板の接合方法において、
上記プレ加圧工程での加圧力を、上記第1の加圧力よりも大きく設定することを特徴とする異種金属板の接合方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の異種金属板の接合方法において、
上記積層工程として、上記アルミニウム合金板とめっき鋼板とを接着剤を介して重ね合わせるとともに、上記めっき鋼板とは別の鋼板を上記アルミニウム合金板とは反対側からめっき鋼板に重ね合わせ、
かつこの状態で上記プレヒート工程、冷却工程、および溶接工程を含む各工程を行うことにより、上記アルミニウム合金板、めっき鋼板、および別の鋼板を互いに接合することを特徴とする異種金属板の接合方法。 - アルミニウム合金板とめっき鋼板とが接合された異種金属接合体であって、
上記アルミニウム合金板とめっき鋼板との間に、スポット溶接により溶接された第1の接合部と、接着剤により接着された第2の接合部とが存在し、上記第1の接合部が平面視で略円環状に形成されたことを特徴とする異種金属接合体。 - 請求項6記載の異種金属接合体において、
上記第1の接合部の周囲が上記第2の接合部により囲まれていることを特徴とする異種金属接合体。 - 請求項6または7記載の異種金属接合体において、
円環状の上記第1の接合部よりも中心側に、上記接着剤の熱分解物が残存した弱接合部が存在することを特徴とする異種金属接合体。 - 請求項6〜8のいずれか1項に記載の異種金属接合体において、
上記めっき鋼板に対し、上記アルミニウム合金板とは反対側から別の鋼板が接合されたことを特徴とする異種金属接合体。 - 請求項9記載の異種金属接合体において、
上記めっき鋼板と上記別の鋼板との間にナゲット部が形成され、該ナゲット部は上記アルミニウム合金板と接触せずかつ上記第1の接合部と対向する位置に形成されていることを特徴とする異種金属接合体。
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