JP2016161078A

JP2016161078A - 異材接合用リベット及び異材接合方法

Info

Publication number: JP2016161078A
Application number: JP2015041605A
Authority: JP
Inventors: 岩瀬　哲; Satoru Iwase; 哲岩瀬
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-05

Abstract

【課題】スポット溶接用電極の芯ずれ（電極の軸とリベットの軸のずれ）が生じた場合でも、電流密度の低下を抑制し、必要な大きさのナゲットを安定して形成し、必要な接合強度が確保できるようにする。【解決手段】頭部１２と軸部１３からなり、軽合金材に打ち込まれて軸部１３で軽合金材を打抜くと同時に軽合金材にかしめ接合され、次いで鋼材とスポット溶接される鋼製の異材接合用リベットにおいて、リベットの軸部１３の先端に、中央突起１４と、中央突起１４を円形状に取り囲む環状突起１５が形成されている。又は、軸部１３の先端に、同心円状に配置された複数の環状突起が形成されている【選択図】図２

Description

本発明は、異材（鋼材と軽合金材）を接合するために使用される鋼製のリベット、及び前記リベットを使用した異材接合方法に関する。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車等の輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が図られている。また、この軽量化をできるだけ阻害せず、自動車の車体衝突時の安全性を高めるため、自動車の車体構造に対し、従来から使用されている鋼材の一部を、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及びマグネシウム材等の軽合金材の適用が増加しつつある。

自動車の車体等に使用されるアルミニウム合金材は、圧延板材、押出材、又は鍛造材等の形態がある。自動車のルーフ、フード、フェンダー、ドア、トランクリッド等の大型のパネル構造体のアウタパネル及びインナパネル等として、ＡＡ又はＪＩＳ規格の６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）、及び５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）等のアルミニウム合金板の使用が検討されている。
これらのアルミニウム合金材は、車体の全ての部分をアルミニウム合金材で構成しない限り、元々汎用されている鋼板又は型鋼等の鋼材（鋼部材）と組み合わせて使用する必要があり、必然的に、アルミニウム合金材と鋼材とを接合する必要がある。

特許文献１〜５には、アルミニウム合金材等の軽合金材に鋼製のリベットを予め接合した後、前記リベットの頭部と鋼材とを一対の電極で挟み、通電して、前記リベットの軸部と鋼材をスポット溶接し、軽合金材と鋼材を接合する技術が開示されている。
特許文献１では、鋼製リベットを軽合金材に打ち込み、軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記リベットを前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接している。前記リベットの頭部に軸部を取り囲む凹部（環状溝）が形成されている。

特許文献２でも同様に、鋼製リベットを軽合金材に打ち込み、軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記リベットを前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接している。前記リベットは、頭部に軸部を取り囲む凹部（環状溝）が形成され、軸部は先端側に向けて横断面積が大きく形成され、さらに、前記リベットの軸部の先端面に突起（盛り上がり部）が形成されている。
特許文献３には、鋼製リベットの軸部の先端の周面に凹部を形成するとともに、このリベットを軽合金材に打ち込んだとき、前記軽合金材に前記凹部に連なる凹部を形成することが記載されている。また、特許文献３には、前記リベットの頭部及び軸部の表面のうち、前記軽合金材に打ち込み後に前記軽合金材と接触する部分に、前記鋼材より高い抵抗を有する皮膜（絶縁層）を形成することが記載されている。

特許文献４では、鋼製リベットを軽合金材に形成した下穴に押し込んで、前記リベットを前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接している。前記リベットの軸部は、前記下穴の径より小径の先端部と、下穴の径より大きい基端部と、前記先端部と基端部の間の曲面状の縮径部（前記先端部より小径）からなる。
特許文献５では、鋼製リベットを軽合金材に打ち込み、軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記リベットを前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接している。前記リベットは、頭部と軸部先端に隆起部を備える。また、特許文献５には、頭部に軸部を取り囲む凹部（環状溝）を形成すること、前記軽合金材に打ち込み後に前記軽合金材と接触する部分に、前記鋼材より高い抵抗を有する皮膜（絶縁層）を形成することが記載されている。

特開２００９−２８５６７８号公報特開２０１０−２０７８９８号公報特開２０１４−５８０号公報特開２０１４−１２１７１０号公報特開２０１４−１７３６８３号公報

特許文献２の図２には、軸部の先端中央に突起を形成した鋼製の異材接合用リベットが記載されている。特許文献２によれば、このリベットを用いることで、スポット溶接電流がリベットの中心部に集中し、高い電流密度を得て、ナゲットを十分に成長させることができる。また、特許文献２によれば、このリベットを用いることで、スポット溶接用電極の軸がリベットの軸からずれた場合（いわゆる芯ずれが生じた場合）でも、溶接電流がリベットの中心部に集中し、同中心部においてナゲットを成長させることができる。

一方、このリベットを用いた場合、スポット溶接用電極の芯ずれが生じると、図８に示すように、両電極に挟まれたリベットが傾くことがある。図８において、１はリベット、２は軽合金材、３は鋼材、４，５は一対のスポット溶接用電極である。リベット１は頭部６と軸部７からなり、軸部７の先端面中央に突起８が形成され、軸部７が軽合金材２に打ち込まれ、かしめ接合されている。電極４，５がリベット１の頭部６と鋼材３を挟んでいるが、電極４，５の芯ずれ（電極４，５の軸とリベット１の軸のずれ）が生じており、そのためリベット１が傾き、リベット１の軸部６は、突起８と軸部６の先端周縁９の２点で鋼材３に接触している。

リベット１が傾くと、リベット１と軽合金材２のかしめ接合の強度が低下するおそれがある。
また、この状態で電極４，５に通電が行われた場合、溶接ナゲットが良好に成長せず、電極４，５の芯ずれが生じなかった場合に比べてナゲット径が小さく、大きい接合強度が得られない。電極４，５の加圧力により軸部６の先端周縁（角部）９が鋼材３に押し付けられ、鋼材３が塑性変形して前記先端周縁９と鋼材３とが面接触する。このときの軸部７の先端周縁９と鋼材３の接触面積は、電極４，５の芯ずれが生じなかった場合の突起８と鋼材３の接触面積より広い。この状態で電極４，５に通電が行われると、溶接電流は前記先端周縁９と鋼材３の比較的広い接触面を通して流れ、突起８を通してはほとんど流れず、スポット溶接の電流密度が、電極４，５の芯ずれが生じなかった場合に比べて低下する。これが、溶接ナゲットが良好に成長せず、ナゲット径が小さくなる理由と考えられる。

本発明は、スポット溶接用電極の芯ずれ（電極の軸とリベットの軸のずれ）が生じた場合でも、電流密度の低下を抑制し、必要な大きさのナゲットを安定して形成できる鋼製の異材接合用リベットを提供することを目的とする。

本発明に係る鋼製の異材接合用リベットは、頭部と前記頭部から延びる軸部からなり、軽合金材に打ち込まれて前記軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記軽合金材にかしめ接合され、次いで鋼材とスポット溶接されるリベットであり、前記軸部の先端に、中央突起と、前記中央突起を円形状に取り囲む環状突起が形成されている、又は、前記軸部の先端に、同心円状に配置された複数の環状突起が形成されている。このリベットは、好ましくは、前記頭部に前記第１軸部を取り囲む環状の溝が形成されている。

本発明に係る異材接合方法は、上記異材接合用リベットを使用して、鋼材と軽合金材とを接合する異材接合方法であり、前記リベットを前記軽合金材に打ち込み、前記軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記軽合金材を鋼材と重ね、前記リベットの頭部と前記鋼材とを一対の電極で挟み、前記電極で前記リベット及び前記鋼材を加圧しつつ前記電極に通電し、前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接することを特徴とする。

本発明に係るリベットは、軸部の先端に中央突起と、前記中央突起を円形状に取り囲む環状突起が形成され、又は軸部の先端に、同心円状に配置された複数の環状突起が形成されている。軸部の先端にこのような中央突起及び環状突起、又は同心円状の複数の環状突起が形成されていることにより、スポット溶接時に電極の芯ずれ（電極の軸とリベットの軸のずれ）が生じた場合でも、中央突起のみが形成されている場合に比べ、リベットが傾きにくい。
また、スポット溶接時に電極の芯ずれが生じて、仮にリベットが傾いた場合でも、環状突起があることで軸部の先端周縁が鋼材に面接触することが妨げられる。電極４，５に通電が行われると、電極４，５に近い複数の突起の先端領域に集中して溶接電流が流れ、電流密度の低下が抑えられる。これにより複数の突起の先端領域にナゲットが形成され、複数の突起が比較的接近して配置されているため、複数のナゲットが１つの大きいナゲットに成長する。このように、本発明によれば、必要な大きさのナゲットを安定して形成でき、必要な接合強度が確保できる。
本発明でいう軽合金材には、アルミニウム（金属及び合金を含む）のほか、マグネシウム及びチタン（いずれも金属及び合金を含む）が含まれる。

本発明に係るリベットの一例を示す斜視図である。図１に示すリベットのＡ−Ａ断面図（軸中心を通る断面）である。本発明に係る他のリベットの断面図（軸中心を通る断面）である。本発明に係るリベットの打ち込み工程を示す模式図である。本発明に係るリベットを用いた抵抗スポット溶接工程を示す縦断面図である。本発明に係るリベットを用いた抵抗スポット溶接工程において電極の芯ずれが生じた場合の通電後の状態を示す縦断面図である。実施例に用いたリベットの縦断面図である。従来のリベットを用いた抵抗スポット溶接工程において電極の芯ずれが生じた場合の通電後のリベット周辺の状態を示す縦断面図である。

以下、図１〜７を参照して、本発明に係る異材接合用リベット、前記リベットを使用した異材接合方法について、より具体的に説明する。
図１，２に示すリベット１１は、板状の頭部１２と、頭部１２から延びる軸部１３からなり、実質的に回転体（軸に対し垂直な断面が円形又はドーナツ型）の立体形状を有する。軸部１３の先端面１３ａには、軸部１３の軸（中心）に略円錐形の中央突起１４が形成され、前記中央突起１４を円形状に取り囲む環状突起１５が同心に形成されている。この例では環状突起１５は、軸部１３の先端周縁１６よりやや内側に配置され、その断面形状は略三角形をなしている。環状突起は同心円状に複数個形成されていてもよい。また、頭部１２の軸部１３側に、軸部１３を取り囲む環状の溝１７が形成されている。
（追加しました。）

図３に本発明に係る他のリベット２１を示す。図３において、図１，２に示すリベット１１と実質的に同じ部位には同じ番号を付与している。リベット２１は、軸部１３の先端面１３ａに中央突起がなく、軸部１３の軸（中心）を中心とする内側の環状突起２２と、該環状突起２２を同心円状に取り囲む外側の環状突起２３が形成されている点でのみ、図１，２に示すリベット１２と異なる。この例では、外周側の環状突起２３は、軸部１３の先端周縁１６よりやや内側に配置され、その断面形状は略三角形をなしている。環状突起は同心円状に３個以上形成されていてもよい。
リベット１１，２１は素材から鍛造加工により成形することができる。

リベット１１，２１は、特許文献５にも記載されているように、頭部１２の端面１２ａと軸部１３の先端面１３ａを除いた表面全体に、絶縁層（鋼材より高い抵抗の皮膜）を形成することが好ましい。前記絶縁層は、例えば、ディスゴ（登録商標）、ラフレ（登録商標）、ジオメット（登録商標）、ポリエステル系樹脂プレコート、シリコーンエラストマ等の絶縁性を有する塗料で形成される。なお、前記絶縁層は、リベット１１，２１を後述する軽合金材２に打ち込んだとき、リベット１１，２１と前記軽合金材２が接する箇所に形成すればよい。

次に図４，５を参照して、本発明に係る異材接合方法（リベット１１を使用した例）について説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、円筒状の下型２５の上に軽合金材２を載置し、リベット１１を下型２５の上方に配置し、上型（ポンチ）２６によりリベット１１を軽合金材２に打ち込む。リベット１１は適宜の支持装置により支持した状態で軽合金材２の上に配置することもできるが、ポンチ２６を帯磁させ、ポンチ２６にリベット１を磁気的に付着させて、軽合金材２の上に配置することもできる。

ポンチ２６を軽合金材２に向けて下降させ、リベット１１を軽合金材２に打ち込むと、図４（ｂ）に示すように、軽合金材は軸部１３により打ち抜かれ、抜きカス２７が下型２５内に落下し、軸部１３の先端部が軽合金材２を貫通する。同時に、軽合金材２に形成された打抜き穴の周囲の材料が、リベット１１の頭部１２と下型２５の間に挟まれて塑性流動し、頭部１２に形成された溝１７内に入り込み、さらに軸部１３の周囲に密着する。この打ち込みにより、リベット１が軽合金材２にかしめ接合される。

リベット１１がかしめ接合された軽合金材２は、抵抗スポット溶接装置に搬入され、鋼材３の上に重ねられる。このとき、図５に示すように、スポット溶接電極４，５の間にリベット１１が位置するように、軽合金材２と鋼材３が配置される。リベット１１の軸部１３が軽合金材２を貫通しているので、軸部１３の先端の中央突起１４及び環状突起１５と鋼材３とが接触する。
次いで、上下の電極４，５を相互に接近させ、リベット１１の頭部１２と鋼材３を挟んで加圧力を作用させ（図５（ａ））、電極４，５間にスポット溶接電流（パルス電流）を印加し、リベット１１と鋼材３とを抵抗スポット溶接する（図５（ｂ））。この例では、電極４，５の軸とリベット１１の軸がほぼ一致していることから、電流はリベット１１の軸部１３の中心から中央突起１４の先端領域に集中して高い電流密度で流れ、軸部１３の中心にナゲット２８が形成されやすい。

図５では、電極４，５の軸とリベット１１の軸が一致していたが、図６では、電極４，５の軸がリベット１１の軸からずれている（電極４，５の芯ずれが生じている）。
電極４，５の芯ずれが生じた場合、従来のリベット１では、図８に示すように、電極４，５に挟まれたリベット１が傾きやすい。しかし、リベット１１は軸部１３に中央突起１４とそれを取り囲む環状突起１５が形成されているため、電極４，５に挟まれたときこれらの中央突起１４と環状突起１５が鋼材３に接触し、傾きにくい。続いて電極４，５にスポット溶接電流を印可すると、溶接電流は中央突起１４と環状突起１５（電極４，５に近い箇所）の先端領域に集中して高い電流密度で流れる。これにより、図６（ａ）に示すように、軸部１３と鋼材３が、中央突起１４と鋼材３との接触部及び環状突起１５と鋼材３との接触部を起点として溶融し、必要な大きさのナゲット２９が形成される。

リベット２１を用いた場合も同様に、溶接電流は鋼材３に接触している環状突起２２，２３（いずれも電極４，５に近い箇所）の先端領域に集中して高い電流密度で流れる。これにより、図６（ｂ）に示すように、軸部１３と鋼材３が、環状突起２２と鋼材３との接触部及び環状突起２３と鋼材３との接触部を起点として溶融し、必要な大きさのナゲット３０が形成される。
電極４，５に挟まれたとき仮にリベット１１，２１が傾いたとしても、リベット１１においては環状突起１５により、リベット２１においては外側の環状突起２３により、それぞれ軸部１３の先端周縁が鋼材３に面接触することが妨げられる。このため、電極４，５に通電が行われると、溶接電流は、リベット１１においては中央突起１４と環状突起１５（電極４，５に近い箇所）の先端領域に集中し、リベット２１においては環状突起２２，２３（電極４，５に近い箇所）の先端領域に集中し、高い電流密度で流れる。従って、リベット１１，２１が傾かなかった場合と同様に、軸部１３と鋼材３が、環状突起２２と鋼材３との接触部及び環状突起２３と鋼材３との接触部を起点として溶融し、必要な大きさのナゲット３０が形成される。

図２に示すリベット１１において、中央突起１４と環状突起１５の間隔（先端同士の間隔）は、スポット溶接電極４，５の端面の平坦部の直径ｗ（図５（ａ）参照）以下の大きさに設定（ｄ≦ｗ）されていることが好ましい。また、図３に示すリベット２１において、環状突起２２，２３の間隔（先端同士の間隔）ｄ、及び内側の環状突起２２の直径Ｄは、スポット溶接電極４，５の前記直径ｗ（図５（ａ）参照）以下の大きさ（ｄ≦ｗ，Ｄ≦ｗ）に設定されていることが好ましい。

電極４，５の端面の平坦部の直径ｗが、リベット１１の中央突起１４と環状突起１５の間隔ｄより小さい（ｄ＞ｗ）場合、電極４，５でリベット１１と鋼材３を挟んだとき、電極４，５の位置によっては、鋼材３が電極５により中央突起１４と環状突起１５の隙間に押し込まれる。このとき、塑性変形した鋼材３とリベット１１の軸部１３の先端面１３ａが前記隙間内で面接触し、両者の接触面積が大きくなる可能性がある。そうなった場合、スポット溶接の電流密度が低下して、溶接ナゲットが良好に成長せず、ナゲット径が小さくなる。
このような電極４，５でリベット２１と鋼材３を挟んだときも、電極４，５の端面の平坦部の直径ｗが、リベット２１の環状突起２２，２３の間隔ｄ又は環状突起２３の直径Ｄより小さい（ｄ＞ｗ、Ｄ＞ｗ）場合、同様のことが生じる可能性がある。すなわち、電極４，５でリベット１２と鋼材３を挟んだとき、電極４，５の位置によっては、鋼材３が電極５により環状突起２２，２３の隙間又は環状突起２３の内側に押し込まれる。その結果、塑性変形した鋼材３とリベット２１の軸部１３の先端面１３ａが、環状突起２２，２３の間の前記隙間内又は環状突起２２の内側で面接触し、両者の接触面積が大きくなる可能性がある。

なお、スポット溶接の条件は、通常の鋼材−鋼材の同種材同士の接合に汎用されている条件をそのまま適用できる。換言すると、本発明は、軽合金材−鋼材の異材接合であるにも拘わらず、通常の鋼材−鋼材の同種材同士のスポット接合に汎用されている条件が適用できる。スポット溶接の好ましい条件としては、一対の電極の間の加圧力を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の範囲、好ましくは７〜８ｋＡの範囲とし、軽合金材の接合部の厚さｔ（ｍｍ）との関係で、２００×ｔ（ｍｓｅｃ）以下の時間、通電することが好ましい。この通電時間を軽合金材の厚さｔに比例させるのは、リベットにかしめ接合された軽合金材（熱伝導率が高い）を通して逃げる熱を補償して、スポット溶接部に一定のサイズのナゲットを形成するためである。

次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して、その効果を説明する。
＜リベットの形状＞
軸中心を通る断面のプロファイルが、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す形状のリベット（何れも回転体）を、鍛造加工で成形した。図７（ａ）のリベット（リベットＡ）は、図１，２に示すタイプであり、頭部の直径が１５ｍｍ、頭部の厚みが１．２ｍｍ、軸部の直径が９ｍｍ、軸部の長さが１．２ｍｍ、中央突起と環状突起の突出高さが０．３ｍｍ、環状突起の直径が５ｍｍである。図７（ｂ）のリベット（リベットＢ）は、図３に示すタイプであり、頭部の直径と厚み及び軸部の直径と長さはリベットＡと同じ、内側環状突起の突出高さが０．３ｍｍで直径が４ｍｍ、外側環状突起の高さが０．３ｍｍで直径が７ｍｍである。図７（ｃ）のリベット（リベットＣ）は、図８に示す従来タイプであり、頭部の直径と厚み及び軸部の直径と長さはリベットＡと同じ、中央突起の突出高さが０．３ｍｍである。

＜接合強度試験＞
上記リベットＡ〜Ｃの表面（頭部の端面と軸部の先端面を除いた表面全体）に、ラフレ（登録商標）により絶縁層を形成した。
上記リベットＡ〜Ｃを、板厚１．２ｍｍの６０００系アルミニウム合金材に打ち込み、それぞれアルミニウム合金材にかしめ接合した。
続いて、アルミニウム合金材を板厚１．０ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）に重ね代３０ｍｍで重ねて、リベットと鋼板をスポット溶接し、アルミニウム合金材−鋼材の異材接合体を作成した。溶接条件としては、電極にはクロム銅合金（直径１６ｍｍ、先端面の曲率半径８０ｍｍ）のＤＲ形電極を使用し、リベットと鋼板を一対の電極で挟持した後、加圧力４．５ｋＮ、溶接電流７０００Ａ、通電時間２００ｍｓｅｃの条件とした。なお、一対の電極でリベットと鋼板を挟持する際、電極の中心をリベットの中心から４ｍｍずらした。
次にこのスポット溶接後の異材接合体から、スポット溶接部を中心として幅３０ｍｍ×長さ２００ｍｍの継手試験片を切り出し、鋼板とアルミニウム合金板を把持して破断するまで引張り試験を行い、引張強度を測定した。全ての異材接合体において、破断はスポット溶接部で発生した。
各リベットＡ〜Ｃのスポット溶接後の溶融ナゲット径及び引張強度（接合強度）を表１に示す。

表１に示すように、本発明の実施例であるリベットＡ，Ｂを使用したケースでは、ナゲットが大きく成長し、高い引張強度（接合強度）を示した。
一方、比較例（従来例）であるリベットＣを使用したケースでは、スポット溶接時にナゲットが十分に成長せず、溶融ナゲット径の減少が見られ、引張強度（接合強度）が低かった。

１，１１，２１リベット
２軽合金材
３鋼材
４，５スポット溶接用電極
６，１２頭部
７，１３軸部
８，１４中央突起
１５，２２，２３環状突起
１７環状溝

Claims

頭部と前記頭部から延びる軸部からなり、軽合金材に打ち込まれて前記軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記軽合金材にかしめ接合され、次いで鋼材とスポット溶接される鋼製の異材接合用リベットにおいて、前記軸部の先端に、中央突起と、前記中央突起を円形状に取り囲む環状突起が形成されていることを特徴とする異材接合用リベット。
頭部と前記頭部から延びる軸部からなり、軽合金材に打ち込まれて前記軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記軽合金材にかしめ接合され、次いで鋼材とスポット溶接される鋼製の異材接合用リベットにおいて、前記軸部の先端に、同心円状に配置された複数の環状突起が形成されていることを特徴とする異材接合用リベット。
前記頭部に前記軸部を取り囲む環状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された異材接合用リベット。
前記請求項１〜３のいずれかに記載された異材接合用リベットを使用して、鋼材と軽合金材とを接合する異材接合方法であり、前記リベットを前記軽合金材に打ち込み、前記軸部で前記軽合金材を打抜くと同時に前記軽合金材にかしめ接合し、次いで前記軽合金材を鋼材と重ね、前記リベットの頭部と前記鋼材とを一対の電極で挟み、前記電極で前記リベット及び前記鋼材を加圧しつつ前記電極に通電し、前記リベットの軸部と前記鋼材とをスポット溶接することを特徴とする異材接合方法。