JP2018134655A - 異種材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー溶接を行う際にも金属間化合物の発生を抑制することができる異種材接合方法を得る。
【解決手段】ロッカアウタパネル２４と、サイメンアウタパネル２２とは、それぞれ異なる金属材料により構成されており、サイメンアウタパネル２２には、略円筒状に形成された貫通孔２８が形成されている。貫通孔２８には、リベット１６が挿入されている。リベット１６の軸部３８は、頭部３６から頭部３６の反対側の先端部４０に向かうに連れて縮径されている。したがって、先端部４０とロッカアウタパネル２４との接合面におけるナゲット径よりも頭部３６の径が大きくなることから、レーザー溶接を行っても、頭部３６全体が溶融するのを抑制することができる。このため、頭部３６と当接するロッカアウタパネル２４との間に金属間化合物が発生するのを抑制することができる。これにより、レーザー溶接を行う際にも金属間化合物の発生を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、異種材接合方法に関する。

下記特許文献１には、異材接合体の製造方法が開示されている。この異材接合体の製造方法では、軽合金材により構成された第１部材と、鋼材により構成された第２部材と、鋼材により構成されかつ軸部及び頭部が形成されたリベットとを有しており、リベットの頭部を第１部材にかしめると共に軸部を第１部材に形成された貫通孔に挿入させて、軸部の先端と第２部材とを溶接する。これにより、第１部材と第２部材の当接面は溶融されないため、異種金属間同士を溶融溶接すると接合面に生成される脆弱な金属間化合物の生成が抑制される。

特開２０１５−６２９１１号公報

ところで、スポット溶接の場合は、溶接する部材同士の接合面から熱が発生するため、接合面を中心に部材が溶融されて溶接される。一方、レーザー溶接の場合は、溶接する部材の接合面とは反対側の面からレーザー光を照射してこの反対側の面に熱を発生させて接合面へ向けて溶融させる。したがって、特許文献１に開示された方法の場合、必要な接合強度を得るために接合面にて所定の溶融量（ナゲット径）を確保しようとすると、接合面と反対側のリベットの頭部がナゲット径よりも大きく溶融することとなり、リベットの頭部全体が溶融してリベットと第２部材との間で金属間化合物が生成される可能性がある。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、レーザー溶接を行う際にも金属間化合物の発生を抑制することができる異種材接合方法を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る異種材接合方法は、金属により構成された第１部材と、前記第１部材と異なる金属材料にて構成されかつ前記第１部材と当接されると共に、略円筒状に形成されかつ長手方向一方の端部が前記第１部材と当接された部位にて開口された貫通孔が形成された第２部材と、前記第１部材と同種の金属材料にて構成され、前記貫通孔より大きい径とされた頭部と、当該頭部から反対側の先端部に向かうに連れて縮径された略円柱状の軸部と、を有しており、前記貫通孔に挿入されることで前記先端部が前記第１部材に当接されるリベットと、を有する異種材接合構造に適用される異種材接合方法であって、前記リベットの頭部に、レーザー光を照射して前記リベットと前記第１部材とをレーザー溶接する。

請求項１に記載の発明によれば、第１部材と、第２部材とは、それぞれ異なる金属材料により構成されており、第２部材には、略円筒状に形成されかつ長手方向一方の端部が第１部材と当接された部位にて開口された貫通孔が形成されている。この貫通孔には、リベットが挿入されている。リベットは、第１部材と同種の金属材料にて構成されると共に、頭部と軸部とを有しており、貫通孔にリベットが挿入された状態では、先端部が第１部材に当接されている。そして、リベットの頭部にレーザー光を照射することでリベットと第１部材とがレーザー溶接されている。これにより、第２部材がリベットを介して第１部材と接合されている。

ここで、リベットの軸部は、頭部から頭部の反対側の先端部に向かうに連れて縮径されている。つまり、リベットは、先端部よりも頭部の径が大きく設定されている。したがって、先端部と第１部材との接合面におけるナゲット径よりも頭部の径が大きくなることから、ナゲット径を確保するようにレーザー溶接を行っても、頭部全体が溶融するのを抑制することができる。このため、頭部ひいてはリベットと当接する第１部材との間に金属間化合物が発生するのを抑制することができる。

請求項１記載の本発明に係る異種材接合方法は、レーザー溶接を行う際にも金属間化合物の発生を抑制することができるという優れた効果を有する。

一実施形態に係る異種材接合方法が適用された車体を示す側面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した状態を示す概略断面図である。 一実施形態に係る異種材接合方法によって接合された部材における接合箇所を示す概略斜視図である。 一実施形態に係る異種材接合方法におけるリベットを示す概略斜視図である。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態について説明する。

図３に示されるように、異種材接合構造１０においては、鋼鉄製で板状の第１部材１２（下板）と、この第１部材１２と対向して配置された部位を備えたアルミニウム合金製で板状の第２部材１４（上板）とが、鋼鉄製のリベット１６によって接合されている。この異種材接合構造１０は、一例として、図１に示される車体２０に適用でき、第２部材１４としてのアルミニウム合金製のサイメンアウタパネル２２と第１部材１２としての鋼鉄製のロッカアウタパネル２４（図２参照）とを接合する構造等に適用することができる。

すなわち、車体２０のサイメンアウタパネル２２は、一例として板厚が２ｍｍ〜２．２ｍｍの範囲内に設定されていると共に、図２に示されるように略車両前後方向に延設されたロッカ２６の一部を構成するロッカアウタパネル２４に結合されている。このロッカアウタパネル２４は、一例として板厚が１ｍｍ〜２．６ｍｍの範囲内に設定されている。また、サイメンアウタパネル２２におけるロッカアウタパネル２４の側面と当接する部位には、板厚方向に貫通された貫通孔２８が形成されている。

図３に示されるように、貫通孔２８は、略円筒状に形成されていると共に、長手方向の一方の端部３０は、ロッカアウタパネル２４と当接された部位にて開口されている。また、貫通孔２８の他方の端部３２は、サイメンアウタパネル２２におけるロッカアウタパネル２４に当接した側面と反対側の側面３４に開口を有している。なお、貫通孔２８の径は、端部３２から端部３０に向かうに連れて小さくなるように設定されている。

貫通孔２８内には、リベット１６が挿入されている。このリベット１６は、図４に示されるように、略円柱状に形成されていると共に、頭部３６と軸部３８とを有している。頭部３６は、円盤状に形成されていると共に、頭部３６の径は貫通孔２８の端部３２（図３参照）の径よりも大きく設定されている。なお、頭部３６の径は、１１．２ｍｍ〜１６ｍｍの範囲内に設定するのが好ましい。

リベット１６の軸部３８は、頭部３６の裏面からこの裏面の面直方向に延出されていると共に、軸部３８の径は、先端部４０に向かうに連れて小さくなるように設定されている。つまり、軸部３８の側面４２は、先端部４０側に向かうに連れて軸線Ｃ側に近づくように傾けられている。この軸部３８における側面４２の軸線Ｃに対する傾斜角度は、１５°〜３３°の範囲内に設定するのが好ましい。なお、リベット１６の先端部４０における端面４４は、軸線Ｃに対して面直（頭部３６の裏面と平行）な平面とされており、端面４４における径は６ｍｍ〜９．４ｍｍの範囲内に設定するのが好ましい。また、リベット１６の軸部３８の長手方向の寸法は、サイメンアウタパネル２２の板厚と同等に設定されており、具体的には２ｍｍ〜２．２ｍｍに設定されている。

図３に示されるように、貫通孔２８内にリベット１６が挿入されかつリベット１６の頭部３６の裏面がサイメンアウタパネル２２の側面３４と当接された状態（リベット１６がサイメンアウタパネル２２にかしめられた状態）では、リベット１６の先端部４０における端面４４がロッカアウタパネル２４に当接されている。この状態で、リベット１６の頭部３６における中心部に外側からレーザー光（不図示）を照射すると、頭部３６の中心部はレーザーエネルギーにより発熱し、軸線Ｃ方向（図４参照）に溶融して次第に深さを増す（図中二点鎖線及びドット部参照）。これによって、軸部３８の中心部も溶融して軸部３８の先端部４０と、ロッカアウタパネル２４における先端部４０と当接する部位とが溶融される。その後、レーザー光の照射を終了して冷却することで、溶融した部位が凝固してリベット１６とロッカアウタパネル２４とが溶接される。なお、リベット１６の先端部４０とロッカアウタパネル２４とが当接した箇所にて生成されるナゲット４６のナゲット径ＤＡは、必要な接合強度を確保する観点でロッカアウタパネル２４の板厚に応じて３ｍｍ〜６．４ｍｍの範囲内に設定するのが好ましい。

（作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

本実施形態では、図３に示されるように、ロッカアウタパネル２４と、サイメンアウタパネル２２とは、それぞれ異なる金属材料により構成されており、サイメンアウタパネル２２には、略円筒状に形成されかつ長手方向一方の端部３０がロッカアウタパネル２４と当接された部位にて開口された貫通孔２８が形成されている。この貫通孔２８には、リベット１６が挿入されている。リベット１６は、ロッカアウタパネル２４と同種の金属材料にて構成されると共に、頭部３６と軸部３８とを有しており、貫通孔２８にリベット１６が挿入された状態では、先端部４０がロッカアウタパネル２４に当接されている。そして、リベット１６の頭部３６にレーザー光を照射することでリベット１６とロッカアウタパネル２４とがレーザー溶接されている。これにより、サイメンアウタパネル２２がリベット１６を介してロッカアウタパネル２４と接合されている。

ここで、リベット１６の軸部３８は、頭部３６から頭部３６の反対側の先端部４０に向かうに連れて縮径されている。つまり、リベット１６は、先端部４０よりも頭部３６の径が大きく設定されている。したがって、先端部４０とロッカアウタパネル２４との接合面におけるナゲット径よりも頭部３６の径が大きくなることから、ナゲット径を確保するようにレーザー溶接を行っても、頭部３６全体が溶融するのを抑制することができる。このため、頭部３６ひいてはリベット１６と当接するロッカアウタパネル２４との間に金属間化合物が発生するのを抑制することができる。これにより、レーザー溶接を行う際にも金属間化合物の発生を抑制することができる。

また、リベット１６の頭部３６からレーザー光を照射してレーザー溶接することでロッカアウタパネル２４とサイメンアウタパネル２２とを結合できる。つまり、スポット溶接のように接合する箇所を挟んで両側から溶接機がアクセスできる構造が不要となるため、ロッカ２６を閉断面とすることができる。したがって、ロッカ２６を押し出し材により構成することが可能となる。

次に、本発明者らが行ったレーザー溶接の結果に基づいて、本発明に係る異種材接合方法の具体的な作用並びに効果について説明する。

本発明者らは、過去のレーザー溶接の結果より、リベット１６の頭部３６における溶融表面径ＤＢは、軸部３８の長手方向の長さが２ｍｍ〜２．２ｍｍの時には、リベット１６とロッカアウタパネル２４との当接した箇所のナゲット４６のナゲット径ＤＡの約１．４倍になるとの知見を得た。この知見を基に、必要な接合強度からナゲット径ＤＡを３ｍｍ〜６．４ｍｍと設定する場合、リベット１６の頭部３６における溶融表面径ＤＢは、４．２ｍｍ〜９ｍｍとなる。そして、リベット１６の取り付けばらつき等をリベット１６の径方向にて３ｍｍに設定すると共に、頭部３６によるサイメンアウタパネル２２のかしめ代を頭部３６の径方向にて４ｍｍに設定すると、リベット１６の頭部３６の径寸法は１１．２ｍｍ〜１６ｍｍとなる。一方、軸部３８の先端部での径ＤＣは、設定したナゲット径ＤＡに対して径方向にて３ｍｍのばらつきを足して６ｍｍ〜９．４ｍｍとなる。つまり、リベット１６の頭部３６の径寸法を１１．２ｍｍ〜１６ｍｍとしてかつ軸部３８の先端部での径ＤＣを６ｍｍ〜９．４ｍｍとなるように軸部３８を先端部４０に向かうに連れて縮径させることで、リベット１６の頭部３６全体が溶融せずにナゲット径ＤＡが３ｍｍ〜６．４ｍｍとのナゲット４６を得ることができる。

また、上記知見により、ナゲット径ＤＡから溶融表面径ＤＢが設定されるので、溶融表面径ＤＢからナゲット径ＤＡを除いた数値及びリベット１６の軸部３８の長手方向の寸法から三角関数を用いて軸線Ｃに対するリベット１６内の溶融する部位における側面（図中に点鎖線参照）の角度を算出することができる。すなわち、本実施形態の場合は、この角度が１５°〜３３°となる。したがって、この角度と略平行にリベット１６の軸部３８における側面４２を設定することで、リベット１６の軸部３８とサイメンアウタパネル２２との間で金属間化合物が発生するのを抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、リベット１６の軸部３８における側面４２の軸線Ｃに対する傾斜角度が１５°〜３３°に設定されているが、これに限らず、必要とするナゲット径ＤＡや接合する部材の板厚等に合わせて適宜変更してもよい。

また、異種材接合構造１０は、サイメンアウタパネル２２とロッカ２６との接合に適用されているが、これに限らず、その他の部材の接合に適用してもよい。

さらに、第１部材１２はアルミニウム合金で構成されかつ第２部材１４が鉄鋼で構成されているが、これに限らず、第１部材１２がその他の軽金属等により構成されかつ第２部材１４がこの第１部材１２とは異なるその他の金属材料により構成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１２ 第１部材（ロッカアウタパネル２４）
１４ 第２部材（サイメンアウタパネル２２）
１６ リベット
２２ サイメンアウタパネル
２４ ロッカアウタパネル
２８ 貫通孔
３０ 端部
３６ 頭部
３８ 軸部
４０ 先端部

Claims (1)

1. 金属により構成された第１部材と、
   前記第１部材と異なる金属材料にて構成されかつ前記第１部材と当接されると共に、略円筒状に形成されかつ長手方向一方の端部が前記第１部材と当接された部位にて開口された貫通孔が形成された第２部材と、
   前記第１部材と同種の金属材料にて構成され、前記貫通孔より大きい径とされた頭部と、当該頭部から反対側の先端部に向かうに連れて縮径された略円柱状の軸部と、を有しており、前記貫通孔に挿入されることで前記先端部が前記第１部材に当接されるリベットと、
   を有する異種材接合構造に適用される異種材接合方法であって、
   前記リベットの頭部に、レーザー光を照射して前記リベットと前記第１部材とをレーザー溶接する異種材接合方法。