JP2023030672A - 異材接合用アークスポット溶接法、及び、異材溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼製の第一板と非鉄金属製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる、異材接合用アークスポット溶接法、異材溶接継手を提供する【解決手段】異材接合用アークスポット溶接法は、鋼製の上板１０と、非鉄金属製の下板２０と、を接合する。上板１０は、平板状の基部１１と、基部１１に立設された立壁部１３と、を有する。基部１１は、貫通孔１１ｃを有する。異材接合用アークスポット溶接法は、貫通孔１１ｃを介して下板２０が臨むように、基部１１を下板２０上に重ね合わせる重ね合わせ工程と、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３とは反対方向にずれた位置を狙い位置Ｔとして、溶融させた溶接金属３０を貫通孔１１ｃに充填することにより、基部１１と下板２０とをアーク溶接する充填溶接工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、異材接合用アークスポット溶接法、及び、異材溶接継手に関する。

自動車を代表とする輸送機器には、（ａ）有限資源である石油燃料消費、（ｂ）燃焼に伴って発生する地球温暖化ガスであるＣＯ２、（ｃ）走行コスト、といった各種の抑制を目的として、走行燃費の向上が常に求められている。その手段としては、電気駆動の利用など動力系技術の改善の他に、車体重量の軽量化も改善策の一つである。軽量化には現在の主要材料となっている鋼を、軽量素材であるアルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素繊維などに置換する手段がある。しかし、全てをこれら軽量素材に置換するには、高コスト化や強度不足になる、といった課題があり、解決策として鋼と軽量素材を適材適所に組み合わせた、いわゆるマルチマテリアルと呼ばれる設計手法が注目を浴びている。

鋼と上記軽量素材を組み合わせる際には、必然的にこれらを接合する箇所が出てくる。鋼同士やアルミニウム合金同士、マグネシウム合金同士では容易である溶接が、異材では極めて困難であることが知られている。この理由は、鋼とアルミニウムあるいはマグネシウムの溶融混合部には極めて脆い性質である金属間化合物（ＩＭＣ）が生成し、引張や衝撃といった外部応力で溶融混合部が容易に破壊してしまうことにある。このため、抵抗スポット溶接法やアーク溶接法といった溶接法が異材接合には採用できず、他の接合法を用いるのが一般的である。鋼と炭素繊維の接合も、後者が金属ではないことから溶接を用いることができない。

特許文献１には、アルミニウム合金製又はマグネシウム合金製の第一板と、鋼製の第二板と、を接合する異材接合用アークスポット溶接法が開示されている。この溶接法は、第一板に孔を空ける工程と、第一板と第二板を重ね合わせる工程と、円形の孔部が形成される鋼製の接合補助部材を、該孔部が第一板に設けられた孔と同軸となるように第一板上に配置する工程と、接合補助部材の孔部を溶接金属で充填すると共に、第一板の孔内の溶接金属を介して第二板及び接合補助部材をアーク溶接する工程と、を備える。これにより、溶接金属と、溶融された第二板及び接合補助部材の一部と、によって溶融部が形成され、第一板と第二板とが接合される。

また、非特許文献１には、鋼板とアルミニウム板とを、アルミ溶接ワイヤを用いたＭＩＧスポット溶接法によって接合することが記載されている。このＭＩＧスポット溶接法においては、鋼板に予め一個の貫通孔を設け、鋼板をアルミニウム板上に重ね、鋼板の孔に溶融アルミニウム材を充填することによって鋼板とアルミニウム板とを接合する。

特開２０１８－０３４１６６号公報

ＷＥＬＤＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ， （１９６３）， ｐ．３０２－３０８

特許文献１の記載の溶接法においては消耗材として接合補助部材が必要であるため、接合補助部材を必要としない、より簡便かつ安価な技術が求められる。

これに対して非特許文献１に記載の接合方法によれば、接合補助部材を使用することなく、鋼板とアルミニウム板とが接合できる。しかしながら、ＭＩＧ溶接特有のアーク形状、磁気吹きの発生しやすさ等により、アークの硬直性が損なわれ、鋼の一部が溶融して溶接金属に混入することで割れなどが発生する、溶接金属形状が不安定になるなどの不具合が生じることがある。

特に、鋼板が、アルミニウム板と重ね合わされる基部と、当該基部に立設された立壁部と、を有する場合、磁気吹きによってアーク及び溶接金属が立壁部側に偏ってしまう現象が生じることが、本発明者らの鋭意研究により明らかとなった。このような場合、上述したような割れの発生や溶接金属形状の不安定性が顕著となり、品質に悪影響を及ぼす。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼製の第一板と非鉄金属製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる、異材接合用アークスポット溶接法、異材溶接継手を提供することにある。

本発明の上記目的は、異材接合用アークスポット溶接法に係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 鋼製の第一板と、非鉄金属製の第二板と、を接合する異材接合用アークスポット溶接法であって、
前記第一板は、平板状の基部と、基部に立設された立壁部と、を有し、
前記基部は、貫通孔を有し、
前記貫通孔を介して前記第二板が臨むように、前記基部を前記第二板上に重ね合わせる重ね合わせ工程と、

前記貫通孔の中心から前記立壁部とは反対方向にずれた位置を狙い位置として、溶融させた溶接金属を前記貫通孔に充填することにより、前記基部と前記第二板とをアーク溶接する充填溶接工程と、
を備える異材接合用アークスポット溶接法。

本発明によれば、鋼製の第一板と非鉄金属製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる、異材接合用アークスポット溶接法、異材溶接継手を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る異材溶接継手の斜視図である。 図２は、異材溶接継手の断面図である。 図３は、貫通孔周辺の異材溶接継手の断面写真である。 図４Ａは、異材接合用アークスポット溶接法の作業工程を説明するための図であり、異材接合用アークスポット溶接法の孔開け工程及び重ね合わせ工程を示す図である。 図４Ｂは、異材接合用アークスポット溶接法の作業工程を説明するための図であり、異材接合用アークスポット溶接法の充填溶接工程を示す図である。 図４Ｃは、異材接合用アークスポット溶接法の作業工程を説明するための図であり、異材接合用アークスポット溶接法によって製造された異材溶接継手を示す図である。 図５は、比較例に係る異材接合用アークスポット溶接法を説明するための上板及び下板の断面図である。 図６は、比較例に係る貫通孔周辺の異材溶接継手の断面写真である。 図７は、比較例に係る異材溶接継手の上面図である。 図８は、本実施形態に係る貫通孔周辺の異材溶接継手の断面写真である。 図９は、第一変形例にかかる上板と下板とを示す斜視図である。 図１０は、第二変形例に係る、貫通孔周辺の異材溶接継手の断面図である。 図１１は、第三変形例に係る、貫通孔周辺の異材溶接継手の断面図である。 図１２は、十字引張試験の試験継手の斜視図である。 図１３は、貫通孔周辺の試験継手の断面図である。 図１４は、十字引張試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る異材接合用アークスポット溶接法、及び、異材溶接継手を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る異材溶接継手１の斜視図である。図２は、異材溶接継手１の断面図である。なお、図１及び図２には、アーク溶接機５０によって溶接される最中の異材溶接継手１が示されており、上板１０と下板２０とを接合する溶接金属３０の図示が省略されている。本実施形態の異材接合用アークスポット溶接法は、互いに重ね合わされる、鋼製の上板１０（第一板）と、非鉄金属製の下板２０（第二板）と、を後述する異材接合用アークスポット溶接法によって接合することで、図１及び図２に示すような異材溶接継手１を得るものである。

上板１０は、平板状の基部１１と、基部１１に立設された立壁部１３と、を有する断面Ｌ形状の鋼板である。基部１１は、表面１１ａと、表面１１ａとは反対側の面であり下板２０に当接する裏面１１ｂと、を有する。また、基部１１には、表面１１ａから裏面１１ｂにわたって板厚方向に貫通して、下板２０の表面２０ａに臨む円形状の貫通孔１１ｃが形成される。なお、貫通孔１１ｃの形状は、円形状に限定されず、多角形状等であってもよい。

立壁部１３は、基部１１の一端部から、基部１１に対して垂直に延びている。なお、図示の例では基部１１と立壁部１３とが成す角度θは９０°であるが、本発明はこれに限定されず、角度θは０°＜θ＜１８０°の範囲であればよい。

下板２０は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等の非鉄金属製である。下板２０は、上板１０の基部１１と水平に延びる平板状である。下板２０は、基部１１の裏面１１ｂと当接する表面２０ａと、表面２０ａとは反対側の面である裏面２０ｂと、を有する。

図３は、貫通孔１１ｃ周辺の異材溶接継手１の断面写真である。図３に示すように、上板１０の基部１１の貫通孔１１ｃに、アークスポット溶接によってフィラー材（溶接材料）が溶融した、アルミニウム又はアルミニウム合金の溶接金属３０が充填されることによって、下板２０の一部が溶融し、溶接金属３０によって上板１０と下板２０とが接合される。

溶接金属３０は貫通孔１１ｃを充填し、さらに基部１１の表面１１ａ側に余盛り３１を形成する。余盛り３１は、貫通孔１１ｃの周面よりも外周側に延出したフランジ部３１ａを有する。なお、余盛り３１が形成されない、すなわち、貫通孔１１ｃが溶接後に外観上残る状態だと、基部１１及び下板２０の板厚方向の外部応力に対して、接合強度が不足する可能性がある。したがって、本実施形態のように余盛り３１が形成されることで、高い接合強度が得られる。

一方、溶接金属３０の余盛り３１側と反対側の溶込みについては、下板２０を適度に溶融していることが必要である。なお、図３に示すように、下板２０の板厚を超えて溶接金属３０が形成される、いわゆる裏波３３が出る状態にまで溶けてよい。一方、下板２０が溶けずに、溶接金属３０が下板２０に載っているだけであると、高い強度は得られない。また、溶接金属３０が深く溶け込みすぎて、溶接金属３０と下板２０が溶け落ちてしまわないように溶接する必要がある。

図４Ａ～図４Ｃは、異材接合用アークスポット溶接法の作業工程を説明するための図であり、貫通孔１１ｃ周辺の上板１０及び下板２０の断面図である。図４Ａは、異材接合用アークスポット溶接法の孔開け工程及び重ね合わせ工程を示す図である。図４Ｂは、異材接合用アークスポット溶接法の充填溶接工程を示す図である。図４Ｃは、異材接合用アークスポット溶接法によって製造された異材溶接継手１を示す図である。

以下、異材接合用アークスポット溶接法について説明する。まず、図４Ａに示すように、上板１０の基部１１に対し、表面１１ａから裏面１１ｂにわたって板厚方向に貫通して下板２０の重ね合わせ面に臨む貫通孔１１ｃを形成する、孔開け工程を行う（ステップＳ１）。孔開け工程の具体的な手法としては、（Ａ）電動ドリルやボール盤といった回転工具を用いた切削、（Ｂ）ポンチを用いた打抜き、又は（Ｃ）金型を用いたプレス型抜きが挙げられる。

次に、上板１０の基部１１と下板２０を重ね合わせる重ね合わせ工程を行う（ステップＳ２）。

続いて、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、溶融させた溶接金属３０を貫通孔１１ｃに充填することにより、基部１１と下板２０とをアーク溶接する充填溶接工程（ステップＳ３）を行う。この充填溶接工程においては、アーク溶接機５０を用いて、溶極式ガスシールドアーク溶接法により、アークＡを発生させ、上板１０の基部１１を溶融させない溶接条件で溶接ワイヤ５１を溶融し、基部１１と下板２０とを接合する。

溶極式ガスシールドアーク溶接法は、一般的にＭＡＧ（マグ）やＭＩＧ（ミグ）と呼ばれる溶接法であり、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤ等の溶接ワイヤ５１をフィラー兼アーク発生溶極として用い、ＣＯ２、ＡｒやＨｅといったシールドガスＧで溶接部を大気から遮断して健全な溶接部を形成する手法である。

このようなアーク溶接によって、フィラー材の溶融により生成された溶接金属３０を、基部１１の貫通孔１１ｃに充填する。これにより、上板１０の表面１１ａに余盛り３１を形成するとともに、溶接金属３０を下板２０の裏面２０ｂに裏波３３が出る状態まで溶け込ませて、基部１１と下板２０とを接合する。

本実施形態においては、鋼製の上板１０の種類や形状は特に限定するものではなく、構造部材に汎用される用途又は構造部材用途から適宜選択される。なお、本実施形態に係る異材接合方法の効果を阻害しない限り、亜鉛などのメッキ（メッキ鋼板）や、種々の表面処理が施されても良い。

また、アルミニウム合金又はマグネシウム合金製の下板２０としては、純アルミニウム系材又はアルミニウム合金系材のようなアルミニウム材、若しくは、純マグネシウム系材又はマグネシウム合金系材のようなマグネシウム材が例として挙げられる。本実施形態で用いられる下板２０は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている圧延などの板材、押出などの形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。

なお、下板２０に適用されるアルミニウム合金の種類として、５０００系（Ａｌ－Ｍｇ系）や６０００系（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系）などを挙げることができるが、本実施形態ではいずれの合金でも使用することができる。また、下板２０に適用されるマグネシウム合金の種類として、ＪＩＳ規格のＭＳ－ＡＺ３１Ｂ、ＭＳ－ＡＺ６１、ＭＳ－ＡＺ８０、ＭＳ－Ｍ１、ＭＳ－ＡＺＸ６１１などを挙げることができる。

また、フィラー材（溶接材料）の材質については、一般的に用いられる溶接用ワイヤが適用可能であり、溶接継手や溶接条件に応じて適宜選択される。すなわち、フィラー材（溶接材料）の材質は、溶接金属３０が下板２０の材質と同様になるものが用いられる。なお、溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤでもフラックス入りワイヤでも構わない。

例えば、下板２０がアルミニウム製又はアルミニウム合金製である場合、フィラー材（溶接材料）の材質は、溶接金属３０がアルミニウム又はアルミニウム合金となるものが用いられる。アルミニウム系溶接材料としては、ＪＩＳで規定される、Ａ４０４３－ＷＹ、Ａ４０４７－ＷＹ、Ａ５３５６－ＷＹ、Ａ５１８３－ＷＹなどが例として挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

また、下板２０がマグネシウム製又はマグネシウム合金製である場合、フィラー材（溶接材料）の材質は、溶接金属３０がマグネシウム又はマグネシウム合金となるものが用いられる。また、下板２０が銅製又は銅合金製である場合、フィラー材（溶接材料）の材質は、溶接金属３０が銅又は銅合金となるものが用いられる。

図５は、比較例に係る異材接合用アークスポット溶接法を説明するための上板１０及び下板２０の断面図である。図６は、比較例に係る貫通孔１１ｃ周辺の異材溶接継手１の断面写真である。図７は、比較例に係る異材溶接継手１の上面図である。

図５に示すように、充填溶接工程（ステップＳ３）において、溶接ワイヤ５１の狙い位置（教示ポイント）Ｔを基部１１の貫通孔１１ｃの中心Ｏとした場合、磁性材料である上板１０の立壁部１３が影響し、磁気吹きが発生し、アークの硬直性が損なわれる。特に、貫通孔１１ｃの中心Ｏと立壁部１３との距離をＤとした場合、当該距離Ｄが１５ｍｍ以下の場合に、磁気吹きの影響が大きい。これにより、アークが立壁部１３側に偏向し、図６及び図７に示すように、溶接金属３０も立壁部１３側（図６及び図７中、左側）に偏る。より具体的には、溶接金属３０の余盛り３１のフランジ部３１ａの、貫通孔１１ｃの周面から立壁部１３側に向かう延出量をＷ１とし、フランジ部３１ａの、貫通孔１１ｃの周面から立壁部１３とは反対方向へ向かう延出量をＷ２としたとき、Ｗ１がＷ２に比べて大きくなる（Ｗ１＞Ｗ２）。

このような場合、表側部材である上板１０の一部が過度に溶融して溶接金属３０に混入し、溶接金属３０の品質が悪化する可能性がある。また、溶接金属３０の余盛り３１のフランジ部３１ａが理想的な真円状に形成されず、強度が低下する可能性がある。

そこで本実施形態においては、磁気吹きによりアーク及び溶接金属３０が立壁部１３側に偏る分を予め見越して、図２に示すように、充填溶接工程（ステップＳ３）において、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３とは反対方向にずれた位置を溶接ワイヤ５１の狙い位置（教示ポイント）Ｔとして、アーク溶接が行われる。

貫通孔１１ｃの中心Ｏと立壁部１３との距離をＤとし、貫通孔１１ｃの中心Ｏと狙い位置Ｔとの間の距離をＸとする。ここで、距離Ｘは、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３とは反対方向（図中右側）への狙い位置Ｔのズレ量を正の値とし、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３に向かう方向（図中左側）への狙い位置Ｔのズレ量を負の値とする。

この場合、０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘを満たすことが好ましく、２．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘを満たすことがより好ましい。距離Ｘを上記範囲に設定することで、狙い位置Ｔと立壁部１３との距離（Ｄ＋Ｘ）が大きくなるので、磁気吹きによって溶接金属３０が立壁部１３側へ偏った場合であっても、狙い位置Ｔが立壁部１３とは反対側に距離Ｘだけずれているので、貫通孔１１ｃの中心Ｏを基準とした溶接金属３０の真円度は良好となる。

図８は、本実施形態に係る貫通孔１１ｃ周辺の異材溶接継手１の断面写真である。図８に示すように、溶接金属３０の真円度が良好となり、余盛り３１のフランジ部３１ａの延出量Ｗ１，Ｗ２の関係を、Ｗ１／Ｗ２≦２．５、より好ましくはＷ１／Ｗ２≦１．４とすることができる。

一方、Ｘ＜０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）である場合は、磁気吹きの影響によって２．５＜Ｗ１／Ｗ２となってしまい、延出量Ｗ１が延出量Ｗ２に比べて過大となり、溶接金属３０の余盛り３１のフランジ部３１ａが理想的な真円状に形成されず、強度が低下することがある。

また、Ｘ≦５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たすことが好ましく、Ｘ≦３．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たすことがより好ましい。距離Ｘを上記範囲に設定することで、溶接金属３０の真円度が良好となり、余盛り３１のフランジ部３１ａの延出量Ｗ１，Ｗ２の関係を、０．４≦Ｗ１／Ｗ２、より好ましくは０．７≦Ｗ１／Ｗ２とすることができる。

一方、５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）＜Ｘである場合は、狙い位置Ｔの中心Ｏからの距離Ｘが大きいため、Ｗ１／Ｗ２＜０．４となってしまい、延出量Ｗ２が延出量Ｗ１に比べて過大となり、溶接金属３０の余盛り３１のフランジ部３１ａが理想的な真円状に形成されず、強度が低下してしまうことがある。

このように、本実施形態では、０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘ≦５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たすように、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３とは反対方向に距離Ｘだけずれた位置を溶接ワイヤ５１の狙い位置Ｔとしてアーク溶接することで、０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５となり、溶接金属３０の真円度が向上する。したがって、貫通孔１１ｃの中心Ｏと立壁部１３との距離Ｄが小さく（例えば、距離Ｄが１５ｍｍ以下）、磁気吹きの影響が大きい場合であっても、上板１０の基部１１と下板２０とを、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる。継手強度をさらに高めるためには、０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４として、溶接金属の真円度を高めることがより好ましい。

（第一変形例）
上記実施形態においては、鋼製の上板１０は、基部１１と立壁部１３とからなる断面略Ｌ字形状の部材であったが、基部１１と立壁部１３とを有するものであれば他の形状であってもよい。図９は、第一変形例にかかる上板１０と下板２０とを示す斜視図である。

図９の上板１０は、ハット形鋼であり、平板状の一対の基部１１，１１と、一対の基部１１，１１の内側端部それぞれに立設された一対の立壁部１３，１３と、一対の立壁部１３，１３の先端同士を接続する平板状の接続部１５と、を有する。基部１１には、上板１０の長手方向において互いに間隔を空けて複数の貫通孔１１ｃが形成される。

このように、上板１０の形状が異なる場合であっても、上述の実施形態において説明した異材接合用アークスポット溶接法によって、上板１０と下板２０とをアーク溶接できる。すなわち、上板１０の一対の基部１１，１１と下板２０が重ね合わされ、溶融させた溶接金属を複数の貫通孔１１ｃに充填することにより、一対の基部１１，１１と下板２０が接合される。

（第二変形例）
図１０は、第二変形例に係る、貫通孔１１ｃ周辺の異材溶接継手１の断面図である。図９の異材溶接継手１は、鋼製の上板１０（第一板）及び非鉄金属製の下板２０（第二板）に加え、非鉄金属製の底板３（第三板）を備える。下板２０及び底板３の材質は同一であり、例えば両者ともアルミニウム合金製である。

このように、底板３が、下板２０の下方に設けられる場合であっても、上記実施形態において説明した異材接合用アークスポット溶接法によって、上板１０と下板２０と底板３とを接合できる。すなわち、上板１０の基部１１と下板２０と底板３とが重ね合わされ、溶融させた溶接金属を貫通孔１１ｃに充填する。これにより、上板１０の表面１１ａに溶接金属３０の余盛り３１を形成するとともに、溶接金属３０を底板３の裏面３ａに裏波３３が出る状態まで溶け込ませて、上板１０の基部１１と下板２０と底板３とを接合する。

（第三変形例）
図１１は、第三変形例に係る、貫通孔１１ｃ周辺の異材溶接継手１の断面図である。図１１の異材溶接継手１は、鋼製の上板１０（第一板）及び非鉄金属製の下板２０（第二板）に加え、非鉄金属製の天板５（第三板）を備える。下板２０及び天板５の材質は同一であり、例えば両者ともアルミニウム合金製である。

このように、天板５が、上板１０の基部１１の上方に設けられる場合であっても、上記実施形態において説明した異材接合用アークスポット溶接法によって、天板５と上板１０と下板２０とを接合できる。すなわち、天板５と上板１０の基部１１と下板２０が重ね合わされ、溶融させた溶接金属によって天板５のうち貫通孔１１ｃの上方部分を溶融させながら、当該溶接金属を複数の貫通孔１１ｃに充填する。これにより、上板１０の表面１１ａ側（より具体的には天板５の表面５ａ）に溶接金属３０の余盛り３１を形成するとともに、溶接金属３０を下板２０の裏面２０ｂに裏波３３が出る状態まで溶け込ませて、天板５と上板１０の基部１１と下板２０とを接合する。

（継手強度試験）
上述した溶接金属３０の余盛り３１のフランジ部３１ａの延出量Ｗ１，Ｗ２と、継手強度と、の関係を評価するため、被溶接部材を十字に組んでスポット溶接した溶接継手を剥離方向に引張荷重を負荷して測定する、十字引張強さ（ＣＴＳ）試験を行った。十字引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１３７で規定されている。

図１２は、十字引張試験の試験継手１０１の斜視図である。図１３は、貫通孔１１３周辺の試験継手１０１の断面図である。

試験継手１０１は、長方形状の鋼製の上板１１０と、長方形状のアルミニウム材製の下板１２０と、を互いに十字形に重ね合わせ、その中心部が上述の異材接合用アークスポット溶接法によって溶接された溶接十字継手である。

上板１１０及び下板１２０の両端部にはそれぞれ、上板１１０及び下板１２０を引張試験用治具にボルトで固定するための一対のボルト孔１１１、１２１が設けられている。また、上板１１０の中心には、上下方向に貫く貫通孔１１３が設けられ、当該貫通孔１１３に溶融した溶接金属１３０が充填されることにより、上板１１０と下板１２０とがアーク溶接される。

このようなアーク溶接によって、フィラー材の溶融により生成された溶接金属１３０を、上板１１０の貫通孔１１３に充填する。これにより、上板１０の表面に余盛り１３１を形成するとともに、溶接金属１３０を下板１２０の裏面に裏波１３３が出る状態まで溶け込ませて、上板１１０と下板１２０とを接合した。図１３には、貫通孔１１３の中心Ｏと、溶接金属１３０の余盛り１３１のフランジ部１３１ａの、貫通孔１１３の周面から一方（図中左側）に向かう延出量Ｗ１と、フランジ部１３１ａの、貫通孔１１３の周面から他方（図中右側）へ向かう延出量Ｗ２と、が示されている。

十字引張試験においては、上記延出量Ｗ１，Ｗ２をそれぞれ変更した試験継手１０１のＣＴＳ（十字引張強さ）を測定した。この測定結果によれば、Ｗ１／Ｗ２が１に近いほど、ＣＴＳが増大する傾向が見られた。特に、０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５の場合、ＣＴＳが大きく、０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４の場合、ＣＴＳが更に大きい結果となった。

また、同様の条件にて、ＪＩＳ Ｚ ３１３６に準拠した引張せん断試験を行ったが、Ｗ１／Ｗ２の値に関わらず、引張せん断強さ（ＴＳＳ）はほぼ同一値となった。ＴＳＳはナゲット径や溶接金属硬さに相関があるのに対し、ＣＴＳは靭性、応力集中なども影響すると考えられている。上記試験継手においては、鋼の溶接金属混入による靭性低下、扁平な溶接金属形成による応力集中などの影響が強く、Ｗ１／Ｗ２の違いはＣＴＳの差として現れたと考えられる。

以下の表１に示す条件にて上板１０と下板２０とを異材アークスポット溶接によって接合し、図１及び図２に示すような異材溶接継手１を作成した。貫通孔１１ｃの中心Ｏと立壁部１３との距離Ｄと、貫通孔１１ｃの中心Ｏと狙い位置Ｔとの間の距離Ｘと、Ｗ１／Ｗ２と、の関係を図１４にまとめた。上述の通り、距離Ｘは、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３とは反対方向への狙い位置Ｔのズレ量を正の値とし、貫通孔１１ｃの中心Ｏから立壁部１３に向かう方向への狙い位置Ｔのズレ量を負の値とする。

図１４には、距離Ｄと距離Ｘとの関係がプロットされているとともに、プロットされた各点が、Ｗ１／Ｗ２の値によって丸、三角、四角の形状で表されている。丸で表された点は、０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４を満たし、より良好な継手強度を持つ異材溶接継手１のデータである。三角で表された点は、０．４≦Ｗ１／Ｗ２＜０．７または１．４＜Ｗ１／Ｗ２≦２．５を満たし、良好な継手強度を持つ異材溶接継手１のデータである。四角で表された点は、０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５を満たさず、継手強度が相対的に低い異材溶接継手１のデータである。

距離Ｄが小さくなるにしたがって、継手強度が相対的に低くなることが分かる。これは、距離Ｄが小さくなるほど、磁気吹きの影響が大きくなるためであると考えられる。特に距離Ｄが１５ｍｍ以下では磁気吹きの影響が大きく、距離Ｄが１０ｍｍ以下では磁気吹きの影響がさらに大きくなる。距離Ｄが１５ｍｍ以下の範囲では、Ｘ＝０の場合（溶接ワイヤ５１の狙い位置Ｔを基部１１の貫通孔１１ｃの中心Ｏと一致させた場合）、継手強度が相対的に低くなってしまう。

図１４に対数曲線Ｌ１，Ｌ４で示したように、特に０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘ≦５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たす場合には、０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５を満たし、良好な継手強度を持つ異材溶接継手１が得られることが明らかとなった。また、対数曲線Ｌ２，Ｌ３で示したように、２．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘ≦３．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たす場合には、０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４を満たし、より良好な継手強度を持つ異材溶接継手１が得られることが明らかとなった。特に距離Ｄが１５ｍｍ以下であり磁気吹きの影響が大きい場合であっても、距離Ｄ，Ｘが上記関係を満たすように設定すれば、良好な継手強度を持つ異材溶接継手１が得られる。

以上、各実施形態に係る異材接合用アークスポット溶接法及び異材溶接継手について詳細に説明したが、本発明は、前述した各実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、各実施形態及び各変形例における溶接工程の順序は、上述したものに限られず、適宜変更して構わない。

以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 鋼製の第一板と、非鉄金属製の第二板と、を接合する異材接合用アークスポット溶接法であって、
前記第一板は、平板状の基部と、基部に立設された立壁部と、を有し、
前記基部は、貫通孔を有し、
前記貫通孔を介して前記第二板が臨むように、前記基部を前記第二板上に重ね合わせる重ね合わせ工程と、

前記貫通孔の中心から前記立壁部とは反対方向にずれた位置を狙い位置として、溶融させた溶接金属を前記貫通孔に充填することにより、前記基部と前記第二板とをアーク溶接する充填溶接工程と、
を備える異材接合用アークスポット溶接法。

この構成によれば、溶接金属の真円度が向上することで継手強度が向上し、鋼製の第一板と非鉄金属製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる。

（２） 前記貫通孔の中心と前記立壁部との間の距離をＤとし、
前記貫通孔の中心と前記狙い位置との間の距離をＸとしたとき、
０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘを満たす
（１）に記載の異材接合用アークスポット溶接法。

この構成によれば、距離を上記範囲に設定することで、狙い位置と立壁部との距離（Ｄ＋Ｘ）が大きくなるので、磁気吹きの影響を小さくすることができる。また、磁気吹きによって溶接金属が立壁部側へ偏った場合であっても、狙い位置が立壁部とは反対側に距離Ｘだけずれているので、貫通孔の中心を基準とした溶接金属の真円度が良好となる。

（３） Ｘ≦５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たす
（１）または（２）に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
この構成によれば、狙い位置と立壁部との距離（Ｄ＋Ｘ）が大きくなり過ぎることがないので、貫通孔の中心を基準とした溶接金属の真円度が良好となる。

（４）前記貫通孔の中心と前記立壁部との間の距離をＤとしたとき、
前記距離Ｄは１５ｍｍ以下である
（１）～（３）のいずれか１つに記載の異材接合用アークスポット溶接法。
この構成によれば、磁気吹きの影響が比較的大きな場合でも、第一板と第二板との良好な接合が可能である。

（５） 前記充填溶接工程において、前記第一板の表面側に前記溶接金属の余盛りが形成され、
前記余盛りは、前記貫通孔の周面よりも外周側に延出したフランジ部を有し、
前記フランジ部の、前記貫通孔の周面から前記立壁部側へ向かう延出量をＷ１とし、
前記フランジ部の、前記貫通孔の周面から前記立壁部とは反対方向へ向かう延出量をＷ２としたとき、
０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５を満たす
（１）～（５）のいずれか１つに記載の異材接合用アークスポット溶接法。
この構成によれば、貫通孔の中心を基準とした溶接金属の真円度が良好となる。

（６） ０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４を満たす
（５）に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
この構成によれば、貫通孔の中心を基準とした溶接金属の真円度がさらに良好となる。

（７） 前記第二板は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
前記溶接金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、
（１）～（６）のいずれか１つに記載の異材接合用アークスポット溶接法。
この構成によれば、鋼製の第一板とアルミニウム材製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる。

（８） （１）～（７）のいずれか１つに記載の異材接合用アークスポット溶接法で形成された異材溶接継手。

この構成によれば、溶接金属の真円度が向上することで継手強度が向上し、鋼製の第一板と非鉄金属製の第二板との異材を、強固かつ信頼性の高い品質で接合できる。

１ 異材溶接継手
３ 底板
３ａ 裏面
５ 天板
５ａ 表面
１０ 上板（第一板）
１１ 基部
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１１ｃ 貫通孔
１３ 立壁部
１５ 接続部
２０ 下板（第二板）
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
３０ 溶接金属
３１ 余盛り
３１ａ フランジ部
３３ 裏波
５０ アーク溶接機
５１ 溶接ワイヤ
１０１ 試験継手
１１０ 上板
１１１ ボルト孔
１１３ 貫通孔
１２０ 下板
１２１ ボルト孔
Ａ アーク
Ｇ シールドガス
Ｏ 中心
Ｗ１、Ｗ２ 延出量
θ 角度

Claims (8)

1. 鋼製の第一板と、非鉄金属製の第二板と、を接合する異材接合用アークスポット溶接法であって、
   前記第一板は、平板状の基部と、基部に立設された立壁部と、を有し、
   前記基部は、貫通孔を有し、
   前記貫通孔を介して前記第二板が臨むように、前記基部を前記第二板上に重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   前記貫通孔の中心から前記立壁部とは反対方向にずれた位置を狙い位置として、溶融させた溶接金属を前記貫通孔に充填することにより、前記基部と前記第二板とをアーク溶接する充填溶接工程と、
   を備える異材接合用アークスポット溶接法。
2. 前記貫通孔の中心と前記立壁部との間の距離をＤとし、
   前記貫通孔の中心と前記狙い位置との間の距離をＸとしたとき、
   ０．５／ｌｏｇ（１＋Ｄ）≦Ｘを満たす
   請求項１に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
3. 前記貫通孔の中心と前記立壁部との間の距離をＤとし、
   前記貫通孔の中心と前記狙い位置との間の距離をＸとしたとき、
   Ｘ≦５．０／ｌｏｇ（１＋Ｄ）を満たす
   請求項１または２に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
4. 前記貫通孔の中心と前記立壁部との間の距離をＤとしたとき、
   前記距離Ｄは１５ｍｍ以下である
   請求項１～３のいずれか１項に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
5. 前記充填溶接工程において、前記第一板の表面側に前記溶接金属の余盛りが形成され、
   前記余盛りは、前記貫通孔の周面よりも外周側に延出したフランジ部を有し、
   前記フランジ部の、前記貫通孔の周面から前記立壁部側へ向かう延出量をＷ１とし、
   前記フランジ部の、前記貫通孔の周面から前記立壁部とは反対方向へ向かう延出量をＷ２としたとき、
   ０．４≦Ｗ１／Ｗ２≦２．５を満たす
   請求項１～４のいずれか１項に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
6. ０．７≦Ｗ１／Ｗ２≦１．４を満たす
   請求項５に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
7. 前記第二板は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
   前記溶接金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の異材接合用アークスポット溶接法。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の異材接合用アークスポット溶接法で形成された異材溶接継手。

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