JP2022131125A - 異種金属材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗溶接時の加圧通電時に、指定の高電流を流すことができる異種金属材の接合方法を提供する。【解決手段】異種金属材の接合方法は、リベット１１と、複数の金属部材２３と、それぞれシャンク１６，１７とシャンク１６，１７の先端に設けられた電極部１８，１９と、を用意する用意工程と、リベット１１および複数の金属部材２３を、第１電極１８と第２電極１９とにより挟む挟み込み工程と、第１電極１８と第２電極１９とにより加圧通電し、リベット１１を金属部材２３に対して埋入させる埋入工程と、を備える。用意工程は、第１電極１８および第２電極１９として、第１電極１８の電気抵抗値および第２電極１９の電気抵抗値が、接合される複数の金属部材２３の電気抵抗値とリベット１１の電気抵抗値との合計値以下である条件を満たす２つの電極１８，１９を用意する工程を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、リベットを用いて、材質が異なる複数の金属部材を抵抗溶接により接合する異種金属材の接合方法に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載されるように、頭部と軸部とを備える金属製のリベットを用いて、異種金属材を抵抗溶接により接合する抵抗溶接方法が知られている。こうした抵抗溶接方法では、例えば、頭部、軸部、アルミニウム板、鉄板の順で並ぶように、リベット、アルミニウム板および鉄板を２つの電極により挟み、これらを加圧通電することにより、アルミニウム板を貫通した軸部と鉄板との間にナゲットを生成し、頭部と鉄板との間にアルミニウム板を挟むことで、アルミニウム板と鉄板とを接合する。電極は、電極部と、電極部に電気を伝え且つ電極部を保持するシャンクとを有している。

特開２０２０－６９４９９号公報

上記のようにリベットを用いて異種金属材を接合する場合、アルミを溶融し素早くリベットを貫通させるには、加圧通電時に高電流が必要とされる。しかし、電極の電気抵抗が大きいと、トランスの定格値オーバーにより、高電流を流すことができないという問題が生じていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、異種金属材の接合方法が提供される。この異種金属材の接合方法は、リベットを用いて、材質が異なる複数の金属部材を抵抗溶接により接合する異種金属材の接合方法であって、前記リベットと、複数の前記金属部材と、それぞれシャンクと前記シャンクの先端に設けられた電極部と、を用意する用意工程と、前記リベットおよび複数の前記金属部材を、前記第１電極と前記第２電極とにより挟む挟み込み工程と、前記第１電極と前記第２電極とにより加圧通電することにより、前記リベットを前記金属部材に対して埋入させる埋入工程と、を備え、前記用意工程は、前記第１電極および前記第２電極として、前記第１電極の電気抵抗値および前記第２電極の電気抵抗値が、接合される複数の前記金属部材の電気抵抗値と前記リベットの電気抵抗値との合計値以下である条件を満たす２つの電極を用意する工程を含む。
この形態によれば、第１電極と第２電極の電気抵抗値を低く抑えることで、第１電極および第２電極に加えてリベットと複数の金属部材とを含む接合を行うための構成全体の電気抵抗値を小さくできる。このため、第１電極の電気抵抗値および第２電極の電気抵抗値が、接合される複数の金属部材の電気抵抗値とリベットの電気抵抗値との合計値以下である条件を満たさない場合と比較すると、同じ電圧であっても構成全体に流れる電流量を増加でき、抵抗溶接時の加圧通電時に、指定の高電流を流すことができる。
（２）上記形態において、前記第１電極および前記第２電極は、クロムを含有する銅合金で形成されていてもよい。この形態によれば、第１電極および第２電極が、比較的電気抵抗率の低いクロムを含有する銅合金で形成されるため、装置構成を大型化することなく上記接合を行うための構成全体の電気抵抗値を小さくする条件を容易に実施できる。

本開示の第１実施形態としての異種金属材の接合方法を示す工程図である。 挟み込み工程の実施状況を模式的に示す断面図である。 異種金属材の接合方法における通電パターンの一例を模式的に説明する図である。

Ａ．第１実施形態：
本開示の第１実施形態における異種金属材の接合方法について、図１～図３を参照して説明する。図１は、本開示の第１実施形態としての異種金属材の接合方法を示す工程図である。図２は、後述する挟み込み工程の実施状況を模式的に示す断面図である。図２では、各部材の中心軸を通る断面を表している。第１実施形態の異種金属材の接合方法では、リベット１１を用いて、材質が異なる複数（本実施形態では２つ）の金属部材を抵抗溶接により接合する。本実施形態では、複数の金属部材として、鉄板１３とアルミニウム板１２とを接合する。

異種金属材の接合方法は、図１に示すように、用意工程Ｐ１０と、挟み込み工程Ｐ２０と、埋入工程Ｐ３０と、を備えている。以下、各工程について順に説明する。まず、用意工程Ｐ１０では、リベット１１と、アルミニウム板１２と、鉄板１３と、第１電極１４と、第２電極１５とを用意する。第１電極１４および第２電極１５は、図示しない周知の抵抗スポット溶接機が備える一対の電極である。なお、抵抗スポット溶接機は、図示しない加圧通電部、電源部、電力制御部および接続用のケーブル等から構成されている。

第１電極１４は、第１シャンク１６と第１電極部１８とを有している。第２電極１５は、第２シャンク１７と第２電極部１９とを有している。各電極１４，１５において、接合される金属板１２，１３に対向する電極部１８，１９は、切頭円錐形状をなしている。各電極部１８，１９は、シャンク１６，１７から先端に行くほど徐々に径が小さくなっている。なお、先端面は平面でもよいし、Ｒが付いた曲面であってもよい。各シャンク１６，１７は各電極部１８，１９に電気を伝え且つ各電極部１８，１９を保持する部位である。

各電極１４，１５は、クロムを含有する銅合金（以下、「Ｃｒ銅」という）で形成されている。つまり、各シャンク１６，１７と各電極部１８，１９とのいずれもがクロム銅により形成されている。なお、上記各電極１４，１５は、各シャンク１６，１７と各電極部１８，１９とが一体化して成る「一体型」でもよいし、各電極部１８，１９を取り替えることができる「キャップ型」であってもよい。

リベット１１は、鉄製であり、頭部２１と軸部２２とを有している。頭部２１は円盤形状をなしている。軸部２２は、略円柱状に形成されており、頭部２１の中央部から一方側に突出している。軸部２２は、突出側の先端に行くほど徐々に径が小さくなっている。

次に、電気抵抗値について説明する。本実施形態では、第１電極１４の電気抵抗値Ｒ１および第２電極１５の電気抵抗値Ｒ２は、共に０．１ｍΩ程度である。なお、各電極１４，１５の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、シャンク１６，１７の電気抵抗値と電極部１８，１９の電気抵抗値との合計値である。リベット１１の電気抵抗値Ｒ３は、０．１５ｍΩ程度である。アルミニウム板１２と鉄板１３とが積層された被溶接積層体２３の電気抵抗値Ｒ４は、０．０８ｍΩ程度である。

なお、電気抵抗値は、例えば、図示しない周知の抵抗測定器により計測される。被溶接積層体２３の電気抵抗値Ｒ４は、抵抗測定器が有する一方の端子と他方の端子を、通電方向に位置が一致するように当てて計測される。リベット１１の電気抵抗値Ｒ３は、電極部１８と接触予定の部位に一方の端子を当て、アルミニウム板１２に接触予定の部位に他方の端子を当てて計測される。

本実施形態において、各電極１４，１５の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２は、リベット１１の電気抵抗値Ｒ３と被溶接積層体２３の電気抵抗値Ｒ４との合計値以下である。すなわち、以下の式（ｉ）および式（ｉｉ）の関係性を満たしている。つまり、用意工程Ｐ１０では、予めリベット１１の電気抵抗値Ｒ３と被溶接積層体２３の電気抵抗値Ｒ４が分かっている状況で、各電極１４、１５として、下記式（ｉ）および式（ｉｉ）を満たす２つの電極が用意される。
Ｒ１≦Ｒ３＋Ｒ４ ・・・式（ｉ）
Ｒ２≦Ｒ３＋Ｒ４ ・・・式（ｉｉ）

用意工程Ｐ１０の後に実行される挟み込み工程Ｐ２０では、図２に示すように、頭部２１、軸部２２、アルミニウム板１２および鉄板１３の順で並ぶように、各部材を配置する。換言すると、鉄板１３に重ねられたアルミニウム板１２に対して直交するようにリベット１１の軸部２２を当てた状態で、リベット１１、アルミニウム板１２および鉄板１３を、第１電極１４と第２電極１５とにより挟む。このとき、リベット１１の頭部２１側に第１電極部１８を当て、鉄板１３側に第２電極部１９を当てる。

挟み込み工程Ｐ２０の後に実行される埋入工程Ｐ３０では、リベット１１、アルミニウム板１２および鉄板１３を加圧通電して、リベット１１の軸部２２をアルミニウム板１２に対して埋入させる。より詳細には、第１電極１４と第２電極１５を相互に接近させ、リベット１１の頭部２１と鉄板１３とに加圧力を作用させるとともに各電極１４，１５間に電流を印加して、リベット１１、アルミニウム板１２および鉄板１３を加圧通電し、発生するジュール熱でアルミニウム板１２を溶融させながら軸部２２をアルミニウム板１２に貫通させる。

そして、埋入工程Ｐ３０後のナゲット生成工程Ｐ４０では、通電を継続し、貫通した軸部２２と鉄板１３との間にナゲットを生成し、頭部２１と鉄板１３との間にアルミニウム板１２を挟むことで、アルミニウム板１２と鉄板１３とを接合する。

図３は、本実施形態における通電パターンの一例を模式的に説明する図である。図３において、通電時における指令電流値を破線Ｌで示し、実際に流れる電流の実測値を実線Ｍで示し、比較形態における電流の実測値を一点鎖線Ｎで示している。図２に破線Ｌで示すように、上記埋入工程Ｐ３０時には、ナゲット生成時に比べてより高い電流値が要求される。これは、より積極的にアルミニウム板１２を溶融させて軸部２２をアルミニウム板１２に貫通させるためには、軸部２２が貫通した後のナゲット生成時よりも大きい電流が必要なためである。

上記接合方法において、ｎ枚（ｎは２以上の整数）の金属部材を接合する場合に、最も第１電極１４側に位置する金属部材を第１金属部材とし、以下、第２電極１５側へ重ねて配置される金属部材を、順に第２金属、…第ｎ金属部材とする。埋入工程Ｐ３０では、軸部２２を第１金属部材～第ｎ－１金属部材に貫通させる。そして、軸部２２と第ｎ金属部材との間にナゲットが生成される。

（１）上記第１実施形態の異種金属材の接合方法における用意工程Ｐ１０では、第１電極１４および第２電極１５として、第１電極１４の電気抵抗値Ｒ１および第２電極１５の電気抵抗値Ｒ２が、被溶接積層体２３の電気抵抗値Ｒ４とリベット１１の電気抵抗値Ｒ３との合計値以下である条件を満たす２つの電極を用意している。

抵抗溶接時において、抵抗スポット溶接機の電圧Ｖと電流Ｉの関係は、各電気抵抗値を用いて以下の式（ｉｉｉ）で表される。
Ｖ＝Ｉ×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４） ・・・式（ｉｉｉ）

本実施形態では、上記式（ｉ）、（ｉｉ）に示すように、第１電極１４と第２電極１５の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２を低く抑えることで、第１電極１４および第２電極１５に加えて、リベット１１、アルミニウム板１２および鉄板１３とを含む接合を行うための構成全体、すなわち抵抗スポット溶接機の電気抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）を小さくできる。

このため、同じ電圧であっても抵抗スポット溶接機に流れる電流量を増加でき、抵抗溶接時の加圧通電時に、抵抗スポット溶接機が備えるトランスを大容量のものに変えることなく、指定の高電流を流すことができる。

特に、図３に実線Ｍで示すように、埋入工程Ｐ３０において指令電流値が１０ｋＡ～１５ｋＡの高電流帯において、指令電流値に応じた電流を流すことができる。ひいては、埋入工程Ｐ３０において、確実に軸部２２を、アルミニウム板１２を貫通させて鉄板１３まで到達させることができ、強い接合強度で２つの金属部材１２，１３を接合することができる。

（２）例えば、ベリリウムを含有する銅合金（以下、「Ｂｅ銅」という）の電気抵抗率は、Ｃｒ銅の約６倍と大きい。比較形態として第１電極および第２電極を、第１実施形態の各電極１４，１５と同じ形状および大きさで、材質のみ異ならせてＢｅ銅で形成した場合には上記関係式（ｉ）、（ｉｉ）の条件を満たすことが比較的難しい。このため、比較形態では、図３において一点鎖線Ｎで示すように、埋入工程Ｐ３０において指令電流値を出すことができない。

しかし、上記第１実施形態の異種金属材の接合方法では、第１電極１４と第２電極１５の材質をＣｒ銅とすることで、第１電極１４と第２電極１５の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２を低く抑えることができ、上記式（ｉ）、（ｉｉ）の条件が満たされる。このため、図３の実線Ｍに示すように、埋入工程Ｐ３０時に指令電流値をおおよそ実現できる。

このため、接合を行うための構成全体の抵抗値を下げるために、シャンク１６，１７やリベット１１の径を大きくする必要もなく、装置の大型化や、周辺機材との干渉といった問題が生じず、好適な実施形態にできる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態の異種金属材の接合方法では、各電極の材質をＣｒ銅としたが、上記関係式（ｉ）、（ｉｉ）の条件を満たしていれば、その他の材質であってもよい。例えば、電気抵抗率が大きい材質を電極に使用する場合には、シャンク１６，１７やリベット１１の径を大きくすることで、構成全体の電気抵抗値を上記実施形態と同程度またはそれよりも低くしてもよい。また、第１電極１４と第２電極１５とは、互いに違う材質であってもよい。

（Ｂ２）上記実施形態の異種金属材の接合方法では、アルミニウム板１２と鉄板１３とを接合するものとして説明したが、その他の材質の異なる金属部材を接合するものに上記の異種金属材の接合方法を適用してもよい。また、金属部材の枚数についても、３つ以上の複数枚の金属部材を接合してもよい。この場合、少なくとも互いに異なる材質の金属部材を含むものとする。

（Ｂ３）上記実施形態の異種金属材の接合方法では、リベット１１および第２電極１５側の金属部材を共に鉄製としたが、必ずしもリベット１１と第２電極１５側の金属部材とは同じ材質でなくてもよい。また、リベット１１の材質や形状についても適宜変更可能である。

（Ｂ４）上記実施形態の異種金属材の接合方法において、溶融したアルミニウムをエアで吹き飛ばしながら加圧通電してもよい。

（Ｂ５）上記実施形態の異種金属材の接合方法において記載した各電気抵抗値や電流値等は、例示であって、各部材の大きさや形状によって適宜変更可能である。例えば、通電の電流値は５ｋＡ～３０ｋＡの範囲であってよい。

本開示は、上記各実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１…リベット、１２…アルミニウム板（金属部材）、１３…鉄板（金属部材）、１４…第１電極、１５…第２電極、１６…第１シャンク、１７…第２シャンク、１８…第１電極部、１９…第２電極部、２１…頭部、２２…軸部、２３…被溶接積層体、Ｐ１０…用意工程、Ｐ２０…挟み込み工程、Ｐ３０…埋入工程。

Claims (2)

1. リベットを用いて、材質が異なる複数の金属部材を抵抗溶接により接合する異種金属材の接合方法であって、
   前記リベットと、複数の前記金属部材と、それぞれシャンクと前記シャンクの先端に設けられた電極部とを有する第１電極および第２電極と、を用意する用意工程と、
   前記リベットおよび複数の前記金属部材を、前記第１電極と前記第２電極とにより挟む挟み込み工程と、
   前記第１電極と前記第２電極とにより加圧通電することにより、前記リベットを前記金属部材に対して埋入させる埋入工程と、
   を備え、
   前記用意工程は、前記第１電極および前記第２電極として、前記第１電極の電気抵抗値および前記第２電極の電気抵抗値が、接合される複数の前記金属部材の電気抵抗値と前記リベットの電気抵抗値との合計値以下である条件を満たす２つの電極を用意する工程を含む、異種金属材の接合方法。
2. 前記第１電極および前記第２電極は、クロムを含有する銅合金で形成されている請求項１に記載の異種金属材の接合方法。

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