JP2531052B2 - 異種金属の抵抗溶接方法 - Google Patents

異種金属の抵抗溶接方法

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JP2531052B2 JP3304166A JP30416691A JP2531052B2 JP 2531052 B2 JP2531052 B2 JP 2531052B2 JP 3304166 A JP3304166 A JP 3304166A JP 30416691 A JP30416691 A JP 30416691A JP 2531052 B2 JP2531052 B2 JP 2531052B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムと鋼、ア
ルミニウムとチタニウムのように、接合すべき一方の金
属がアルミニウムである異種金属の抵抗溶接方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】アルミニウムと鋼、アルミニウムとチタ
ニウムのような異種金属の溶接では、接合界面に金属
化合物が形成されて脆化が生じるために、充分な接合強
度が得られないことが知られている。このような異種金
属の接合では、従来はボルト、ネジ、はめ合わせなどの
機械的接合法が用いられてきたが、信頼性、気密性に問
題があった。そのため、各種の固相接合法による接合が
試みられてきたが、それぞれに適用の限界があった。例
えば、摩擦圧接法では、対称性のよい回転体同士に限ら
れ、爆着法や熱間圧延法は、特別な設備や前処理を必要
とし、形状面でも制約される。また、拡散接合法では、
設備面、能率面にそれぞれ欠点がみられた。
【0003】そこで、最近になって、クラッド材を使用
する比較的簡単で確実性の高い異種金属の溶接方法が提
案された。これは、接合すべきそれぞれの異種金属と同
じ2種類の金属材料を両面に持つクラッド材を介して溶
接を行う方法であり、例えば、「軽金属」(vol.2
7(1989)No.10鉄道車両のハイブリット構体
の構体結合構造)および特開昭51−72947号公報
には、図4に示すように、ステンレス鋼とアルミニウム
を接合する場合に、ステンレス鋼とアルミニウムからな
るクラッド材をインサート材として使用する溶接方法が
開示されている。そして、溶接としては、アーク溶接
法、スポット溶接法などが用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このようなクラッドイ
ンサート材を用いた異種金属の溶接方法は、接合すべき
それぞれの異種金属と同じ2種類の金属材料を両面に持
つクラッド材を使用することによって、異種金属の溶接
を同種金属の溶接に置き換えることが特徴である。とこ
ろが、同種金属の溶接でも、例えばアルミニウム同士の
抵抗溶接では、鉄鋼材料と比べ、アルミニウムの電気伝
導度、熱伝導度が高いために、同一の電流を流しても発
熱が小さく、また発生した熱が逃げやすいため、大電
流、短時間通電による熱集中が必要となる。
【0005】例えば、板厚が同一の鋼板同士、アルミニ
ウム板同士をスポット溶接する場合には、アルミニウム
板では、鋼板に比して溶接電流で3倍、通電時間で1/
7〜1/8程度としなければならない。そこで、現在、
アルミニウム板同士のスポット溶接では、溶接電流20
〜50kA、通電時間5〜10サイクル程度の値が用い
られており、溶接機の特性として、大電流を正確に短時
間で供給することが要求される(例えば、住軽金技法1
991.vol.32No. 1p56〜57)。そのた
め、力率の低い従来の鋼用の溶接機では、充分な溶接を
行うことができず、その溶接には新たな設備が必要であ
るとされている。
【0006】このようなことから、クラッドインサート
材を使用したアルミニウムと非アルミ金属との抵抗溶接
でも、アルミニウム同士の接合面が存在するために、鋼
の抵抗溶接と比べ、短時間に大電流を流して溶接するこ
とが要求され、新たな設備導入が不可避とされていた。
また、短時間に大電流を流しても、接合界面のナゲット
の状態がばらつき、安定した強度を得難いという問題も
あった。
【0007】本発明の目的は、アルミニウムと非アルミ
金属とを、アルミニウム同士の溶接よりも少ない溶接電
流で充分かつ安定に接合し得る異種金属の抵抗溶接方法
を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】図1は、アルミニウムと
鋼とを、これらのクラッド材を用いてスポット溶接する
状況を示している。1は被溶接材としてのアルミニウ
ム、2はアルミニウム1に溶接される非アルミ金属とし
ての鋼、3はインサート材、3aはインサート材3にお
けるアルミニウム、3bはインサート材3における非ア
ルミ金属としての鋼、4は電極であり、インサート材3
におけるアルミニウム3aはアルミニウム1に、また、
鋼3bは鋼2にそれぞれ接している。
【0009】本発明者らの調査によると、図1のスポッ
ト溶接においては、溶接時の通電により、まず、鋼同士
の接合面が発熱溶融し、ナゲットを形成する。次いで、
この熱が、クラッド界面を通して、熱伝導度が高いアル
ミニウム側に伝播し、溶接電流の通電経路に沿って、ク
ラッドを構成しているアルミニウムを溶融すると共に、
アルミニウム同士の接合面にも熱を伝え、アルミニウム
同士のナゲットの形成に寄与する。そして、クラッド界
面から成長してきた溶融層とアルミニウム同士の溶融ナ
ゲットの合体が起こり、クラッド界面よりアルミニウム
接合面にかけて広がるナゲットが形成される。
【0010】本発明者らは、このような調査結果から、
クラッド材をインサート材として用いた場合には、アル
ミニウムと比べ、鋼の比抵抗が大きいために、溶接時の
通電によって、鋼の接触面で発生した熱がアルミニウム
側のナゲット形成の補助をし、そのために、アルミニウ
ム同士の接合条件のような短時間大電流を必要としない
で、鋼用の抵抗溶接条件でも、分な強度を得ることが
でき、また、継手強度の安定のためには、アルミニウム
同士のナゲットに異種金属側の発熱が寄与することか
ら、クラッド材の構成比が接合のポイントになるという
新しい知見を得た。
【0011】本発明は上記知見に基づきなされたもの
で、比抵抗がアルミニウムの2倍以上の非アルミ金属と
アルミニウムとの間に、それぞれの異種金属を主成分と
するクラッド材を同種金属が接するように挟んで、前記
非アルミ金属とアルミニウムとを抵抗溶接するにあた
り、下記条件(1)〜(4)を満足させることを特徴と
する異種金属の抵抗溶接方法を要旨とする。 tA ,tM ,t≦2.0 ……(1) 0.25≦Y/X≦7 ……(2) I≦18 ……(3) IO −2≦I≦IO +2 ……(4) ここで、
【0012】 A :被接合材であるアルミニウムの厚み(mm) tM :アルミニウムに接合される非アルミ金属の厚み
(mm) t :クラッド材の全厚(mm) X :クラッド材における非アルミ金属の厚み(mm) Y :クラッド材におけるアルミニウムの厚み(mm) RA :アルミニウムの比抵抗値(μΩ・cm) RM :非アルミ金属の比抵抗値(μΩ・cm) I :溶接電流(kA)
【0013】
【作用】図2は、図1の鋼板とアルミニウム板の抵抗溶
接(スポット溶接)において、本発明者らが得た種々デ
ータを、最適溶接電流、クラッド材を含めた被接合材全
体の板厚、およびクラッド材の構成比(アルミニウムの
厚みと鋼の厚みとの比)について整理したグラフであ
る。
【0014】図からわかるように、最適溶接電流IO
上式で表わされ、クラッド材における鋼の比率が増すほ
ど小さくなり、全体としては、鋼同士の溶接よりも若干
高いが、アルミニウム同士の溶接に比べると著しく低
い。そして、本発明法で抵抗溶接を行うとき、アルミニ
ウム同士の接合面を持つにもかかわらず、従来のアルミ
ニウムの溶接よりも低い電流を用いて安定に接合するこ
とができる。なお、アルミニウムに組み合わされる非ア
ルミ金属が鋼以外のときも、最適溶接電流IO と板厚と
の間に同様の関係が成立することを、本発明者らは確認
している。
【0015】本発明法において、被接合材であるアルミ
ニウムおよび非アルミ金属の各厚みtA およびtM 並び
にクラッド材の全厚tをそれぞれ2mm以下としたの
は、入熱量の少ない抵抗溶接を行うためである。
【0016】クラッド材における非アルミ金属の厚みX
とアルミニウムの厚みYとの比(Y/X)については、
アルミニウムが厚すぎると、非アルミ金属での発熱量が
アルミニウムに対して小くなり、最適溶接電流Iを表
わす式が満足されなくなる。その結果、鋼用の溶接条件
程度の溶接電流では、アルミニウム同士の接合面でのナ
ゲット形成が不分となり、接合強度が低下する。逆
に、アルミニウムが薄すぎると、最適溶接電流I
は、発熱量が過大となってアルミニウムの溶量を増大
させる。その結果、散りが発生し、健全な継手が得られ
ない。このようなことから、Y/Xは0.25以上、7
以下とした。
【0017】溶接電流Iについては、最適溶接電流I
(kA)を基準として±2kAまでは安定した接合強度
が得られるが、(I−2)kA未満では、ナゲットの
成長が分でなく、高い強度が得られない。また、(I
+2)kA超では、非アルミ金属同士の接合面でのナ
ゲットが成長し過ぎてクラッド界面と接触し、これを破
壊する。その結果、非アルミ金属が、溶したアルミニ
ウムと混合し、脆い金属間化合物を形成するため、高い
強度が安定性よく得られない。従って、溶接電流Iは
(I−2)kA以上、(I+2)kA以下とした。
なお、溶接電流Iの絶対量を18kA以下としたのは、
入熱量の少ない抵抗溶接を行うためである。
【0018】アルミニウムに溶接される非アルミ金属と
しては、比抵抗がアルミニウムの2倍程度(6μΩ・c
m)以上の金属であればよく、例えばFe(9.71μΩ
・cm)、ステンレス鋼(70μΩ・cm)、Ta(1
2.45μΩ・cm)、Ti(42μΩ・cm)、Zr
(40μΩcm)等をあげることができる。
【0019】クラッド材は、製法面からは特に制限せ
ず、圧延クラッド、爆クラッド、拡散クラッド等の公
知の方法により、分に高い強度で接合されているもの
であれば良い。また、クラッド材を構成するアルミニウ
ムおよび非アルミ金属は、接合すべきこれらの金属と同
一である必要はなく、同種接合に支障のない類似組成で
あれば良い。
【0020】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。
【0021】厚み1mmのアルミニウム板と厚み0.8
mmの鋼板(SPCD)とをスポット溶接するにあた
り、それぞれの金属からなる全厚が0.5,1,2.5
mmのクラッド材をインサート材に用いた。同様に、1
mmのアルミニウム板(JISA5052)に0.8m
mのSUS304鋼板,Ta板,Zr板,Ti板をそれ
ぞれのクラッド材を用いてスポット溶接した。溶接後
に、図3に示す十字引張試験を行って、各試験片の破断
状態から接合強度を評価した。結果を表1および表2に
示す。
【0022】破断位置・形態にボタンと示されているの
は、通常スポット溶接にて強固な接合が行われたときに
十字引張試験で見られる破壊形態で、ナゲットの周辺か
ら母材にかけて破壊を生じ、ボタン穴のような形態とな
るものである。これに対して、スポット溶接にて充分な
接合が行われなかったものでは、平坦で塑性変形の小さ
いフラットな破面となる。
【0023】本発明法では、アルミニウム同士の接合面
を有するにもかかわらず、従来のアルミニウム同士の溶
接条件よりも少ない溶接電流で分かつ安定な強度が確
保される。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】なお、上記実施例は、本発明をスポット溶
接に適用したものであるが、本発明はこれに限らず、プ
ロシュクション溶接、シーム溶接等の各種抵抗溶接に適
用できる。
【0027】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の異種金属の抵抗溶接方法は、短時間大電流を必要とす
るアルミニウム同士の接合面を持つにもかかわらず、従
来のアルミニウム同士の溶接よりも少ない電流で、確実
かつ安定な溶接を行うことができる。従って、鋼用等の
汎用溶接機による溶接が可能となり、新たな設備の導入
が不要となる。また、新たな設備を導入するにしても、
容量の小さいものが使用でき、設備に要するコストの節
減効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明法の一実施態様を示す模式図である。
【図2】板厚と最適溶接電流との関係を、クラッドイン
サート材の構成比をパラメータとして表わした図表であ
る。
【図3】十字引張試験の説明図である。
【図4】従来の溶接法の説明図である。
【符号の説明】
1 接合すべきアルミニウム 2 アルミニウムに接合される非アルミ金属 3 クラッド材 3a クラッド材におけるアルミニウム 3b クラッド材における非アルミ金属 4 電極

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 比抵抗がアルミニウムの2倍以上の非ア
    ルミ金属とアルミニウムとの間に、それぞれの異種金属
    を主成分とするクラッド材を同種金属が接するように挟
    んで、前記非アルミ金属とアルミニウムとを抵抗溶接す
    るにあたり、下記条件(1)〜(4)を満足させること
    を特徴とする異種金属の抵抗溶接方法。 tA ,tM ,t≦2.0 ……(1) 0.25≦Y/X≦7 ……(2) I≦18 ……(3) IO −2≦I≦IO +2 ……(4) ここで、 A :被接合材であるアルミニウムの厚み(mm) tM :アルミニウムに接合される非アルミ金属の厚み
    (mm) t :クラッド材の全厚(mm) X :クラッド材における非アルミ金属の厚み(mm) Y :クラッド材におけるアルミニウムの厚み(mm) RA :アルミニウムの比抵抗値(μΩ・cm) RM :非アルミ金属の比抵抗値(μΩ・cm) I :溶接電流(kA)
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DE102005060146A1 (de) * 2005-12-16 2007-06-21 Bayerische Motoren Werke Ag Bimetallisches Verbindungselement

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