JP2898227B2

JP2898227B2 - アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法

Info

Publication number: JP2898227B2
Application number: JP7194483A
Authority: JP
Inventors: 悌介佐藤; 吉宏多田; 孝治江藤; 雅隆井上
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1999-05-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH0938782A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極を介して被溶接ア
ルミニウム材に加圧力を加えつつ、電流を流して抵抗ス
ポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接される板状のアルミニウムまたはア
ルミニウム合金（以下アルミニウム材という）の抵抗ス
ポット溶接では、図２に示すように、板状の２枚のアル
ミニウム材１、２を重ね、重ね合わせ部の適所を上下一
対の銅製の電極３、４により挟んで加圧力を加えつつ、
電極３、４を介して短時間通電する。そして、アルミニ
ウム１、２の重ね合わせ接合部に流れる電流による発熱
で温度を上昇してナゲット（溶融凝固部）５を形成し、
このナゲット５によりアルミニウム材１、２がスポット
状に溶接される。

【０００３】しかしながら、アルミニウム材１、２は固
有抵抗が小さいので抵抗スポット溶接では、加圧力を増
大させると共に発熱量を大きくするため大電流を流して
いるが、溶接電流が大きいと、銅製の電極３、４の先端
で銅とアルミニウム材１、２との合金を作ってしまい、
電極寿命が短くなる。また電気伝導度が大きいため発熱
量が小さく、アルミニウム材１、２の重ね合わせ部接合
面に形成される断面碁石形のナゲット５の径を大きくす
ることができず、十分な溶接強度が得られないという問
題があった。

【０００４】さらにアルミニウム材の表面にはAl₂O₃酸
化膜が形成されているので、溶接電流を増大すると、電
極とアルミニウム材との間で酸化膜が抵抗体となって発
熱するためピックアップ（溶着）が発生し、溶接部の外
観品質が悪化する。また、ピックアップの発生は、電極
寿命を短くする原因にもなる。このような問題点を解決
するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法として、ア
ルミニウム材１、２の重ね合わせ接合面にインサート材
を介在させて抵抗スポット溶接を行う方法が知られてい
る。たとえば、特開平６−7953号公報には、アルミニウ
ム材の重ね合わせ部接合面にSiとフッ化物系フラックス
を含み、さらにAlを含むインサート材を介在させること
を基本とするアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法が
提案されている。また、特開平６−122080号公報には、
アルミニウム材の重ね合わせ部接合面にインサート材と
してFe、NiおよびCoから選択される少なくとも一種の物
質にTi、CrおよびMoから選択される少なくとも一種の物
質を混在させた粉末を介在させるアルミニウム材の抵抗
スポット溶接方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記公報に提案されて
いる従来技術のうち、前者の特開平６−7953号公報に提
案されている方法は、インサート材としてフッ化物系フ
ラックスを含有するアルミニウムを用いるが、これはフ
ラックスの作用により抵抗スポット溶接時に接合部表面
に形成されているAl₂O₃酸化膜を除去してインサート材
と被溶接アルミニウム材との界面に生じるナゲットの生
成を促進し、ひいてはナゲット径を大きくすることがで
きる効果が得られるとしている。しかしながら、通電時
の電流条件は前記インサート材を用いないでアルミニウ
ム材を抵抗スポット溶接する場合に比較して低電流とす
ることであるが、かなり大電流を流す必要がある。した
がって前記問題点が解消できず、たとえば電極寿命が短
いという問題点等を根本的に解消することができるもの
ではない。また、インサート材に含まれるKF、AlF など
のフッ化物系フラックスに接合面が汚染されて清浄な接
合部が形成できず、接合部強度が低下する危険性が大き
いという問題点がある。

【０００６】また、後者の特開平６−122080号公報に提
案されている方法は、インサート材として被溶接アルミ
ニウム材中に取り込まれたときにアルミニウム材を強化
する金属Ni、Co、Feを単独または複合して用いることを
基本とするものであり、これら金属がアルミニウム材中
に取り込まれることに起因する電蝕を防止するため、T
i、Cr、Moから選択される少なくとも一種を混在させて
いる。しかし、この方法によっても前者の方法と同様
に、通電条件はインサート材を用いないでアルミニウム
材を抵抗スポット溶接する場合に比較すれば低電流にす
ることができるが、相当の大電流を流す必要があること
には変わりはない。このため、前者の場合と同様な問題
点が残っている。

【０００７】本発明は、前記従来技術の問題点を解消
し、アルミニウム材の接合面にインサート材を介在させ
て抵抗スポット溶接する際に、アルミニウム材の強固な
Al₂O₃酸化膜を除去でき、かつ抵抗スポット溶接に必要
な溶接電流をインサート材を用いないアルミニウム材の
標準電流の数分の１、たとえば鋼板の抵抗スポット溶接
を行う際の溶接電流レベルに低減することが可能なアル
ミニウム材の抵抗スポット溶接方法を提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、抵抗スポット溶接する際に、被溶接アルミ
ニウム材の間に挟むインサート材として、金属間化合物
を生成する時の反応生成熱の大きい物質の粉末を介在さ
せ、これによって溶接電流を低下させることに着目し、
種々に実験を重ねた。その結果、TiとAlとが金属間化合
物を生成する時の反応熱を利用することが抵抗スポット
溶接に必要な電流を大幅に低減するのに極めて有効なこ
とを知見し、本発明を開発するに至った。

【０００９】前記目的を達成するための本発明は、アル
ミニウム材の接合面にインサート材を介在させて抵抗ス
ポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法
において、前記インサート材がTi：25〜100 (at％) 、
Al：０〜75 (at％) を含む粉末であり、該インサート材
を前記接合面に介在させ、電極からの通電時にアルミニ
ウム材表面の酸化膜を除去し、TiとAlとの反応熱により
低電流で抵抗スポット溶接するアルミニウム材の抵抗ス
ポット溶接方法であって、

【００１０】なかでも、インサート材がTi：25〜75 (at
％) 、残部Alからなる粉末であることを特徴とするアル
ミニウム材の抵抗スポット溶接方法である。

【００１１】

【作用】本発明では、被溶接部材を構成する板状のアル
ミニウム材としては、その組成が特に限定されるもので
はなく、アルミニウムやアルミニウム合金の各種組成の
ものを適宜使用することができる。インサート材は、板
状の２枚のアルミニウム材を重ね合わせた接合面の適所
に、Ti：25〜75（at％）、Al：０〜75（at％）の範囲に
含有する粉末を合計 100（at％）となるように混合させ
て配置する。

【００１２】このようなインサート材の介在によってア
ルミニウム材を抵抗スポット溶接する際に、金属間化合
物生成反応、例えば、下記反応式(1) 、(2) による発熱
を利用してアルミニウム材の表面に形成されているAl₂O
₃酸化膜を、粉末飛散によるチリやピックアップを生じ
ることなく除去すると共に抵抗スポット溶接に必要な電
流を大幅に低減させるものである。

【００１３】 Ti＋Al→TiAl＋74.9KJ …………(1) Ti＋３Al→TiAl₃＋146.3KJ …………(2) このようなインサート材の反応熱を利用するため、該抵
抗スポット溶接に必要な電流はインサート材を介在させ
ないアルミニウム材の標準的溶接電流の数分の１に低減
され、鋼板の抵抗スポット溶接並の低電流での溶接が可
能になる。例えば板厚１〜２mm、通電時間数秒の場合
は、アルミニウム材の標準的溶接電流の１／４〜１／８
に低減され、鋼板の抵抗スポット溶接並みの低電流2000
〜7000Ａでの溶接が可能である。

【００１４】ここでTi粉末を25at％未満すなわちAl粉末
を75at％を超えて混合すると、TiとAlとの接触による反
応熱が不足し、抵抗スポット溶接部の溶接強度のバラツ
キが大きくなり、その強度が不十分となり易い。また、
Tiを 100at％すなわちTi単味とすることも可能であり、
この場合には、インサート材であるTi粉末と被溶接アル
ミニウム材との接触面から溶接電流による抵抗加熱によ
ってTiとAlとの金属間化合物形成が開始されることにな
り、Ti粉末内に伝播される。なおこの場合には、Ti粉末
をAl粉末と混合処理する手間をはぶけるというメリット
が得られる。

【００１５】そして、Ti：25〜75（at％）、Al：25〜75
（at％）の範囲として合計 100（at％）になるように混
合するのが好適であり、これによってTi粉末とAl粉末と
の混合接触面積の増大によりTiAl、TiAl₃等の金属間化
合物の生成が促進され、溶接電流の低減効果を一層向上
させることができる。さらにこのような溶接電流の低減
によりチリやピップアップ減少並びに電極寿命延長が達
成される。

【００１６】なお、被溶接アルミニウム材を重ね合わせ
た接合面に介在させるTi粉末、Al粉末の配置手段は、特
に限定するものではなく、２枚のアルミニウム材を挟む
電極との接触面積を考慮し、その接触面積より若干大き
くなるような範囲に発熱に必要な適量、たとえば１箇所
に 0.1〜0.2 ｇ程度を配置すればよい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１に示すように、２枚の被溶接アルミニウム材
１、２の溶接部を重ね合わせ、接合面の間にインサート
材６を介在させて抵抗スポット溶接を行った。抵抗スポ
ット溶接には、Ｆ型水冷なし銅製の電極３、４を備えた
単相交流式溶接機を用いて行い、溶接条件としては、電
流を最高7000Ａまで変更し、加圧力を 980Ｎ（一定）で
加圧し、通電時間１〜14（Ｓ）範囲で調整して行った。

【００１８】被溶接アルミニウム材はJIS A 5052相当品
であり、材種の比較を行うため一部JIS A 1100、A 202
4、A 6061、A 7075も使用して行った。被アルミニウム
材の板厚は表１に示す１、２、３mmの３種である。な
お、本例はＦ型を用いているが、Ｃ型（円錐形状）、Ｒ
型（緩やかな球面状）いずれでもかまわない。

【００１９】

【表１】

【００２０】また、インサート材となるTi粉末およびAl
粉末は表２に示す配分割合（at％）により行った。

【００２１】

【表２】

【００２２】被溶接アルミニウム材としてJIS A 5052、
板厚ｔ＝１mm、２mmまたは３mmを用い、電極直径Ｄ＝６
mm、８mmまたは10mmを用い、加圧力＝ 980Ｎ（一定）と
し、インサート材として表２に記号Ti100 、Ti75、Ti5
0、Ti25で示すTi粉末とAl粉末の配分割合を用いて抵抗
スポット溶接した試験材の溶接部引張せん断強度（KN）
を測定した。

【００２３】図３にJIS A 5052、板厚ｔ＝１mm、溶接電
流７（KA）、加圧力 980（Ｎ）における溶接時間（Ｓ）
と引張せん断強度（KN）との関係を、また図４に板厚ｔ
＝１mm、加圧力 980（Ｎ）、溶接時間 4.0（Ｓ）におけ
る溶接電流（KA）と引張せん断強度（KN）との関係を示
す。なお、図３および図４において従来例は、インサー
ト材を用いない場合を示す。図３および図４に示すよう
に、インサート材を用いる場合には、用いない場合に比
較して引張せん断断強度（KN）が大幅に増大する。これ
はアルミニウム材の接合部表面の酸化膜が破壊され、良
好な抵抗スポット溶接が行われたことを示している。図
３に示すように、板厚ｔ＝１mmでTi粉末配合割合（at
％）が大きくなるほど、若干、引張せん断強度（KN）が
向上する傾向があるが、溶接時間（Ｓ）を長くすること
は引張せん断強度の上昇効果が余りないことが分かる。
また図４に示すようにいずれの場合にも、溶接電流を３
KAから７KAに増加するにつれて引張せん断強度（KN）を
向上させる傾向があることが分かる。

【００２４】図５に、板厚ｔ＝２mm、溶接電流７KA、加
圧力 980Ｎにおける溶接時間（Ｓ）と引張せん断強度
（KN）との関係を、また図６に板厚ｔ＝２mm、加圧力 9
80Ｎの場合における溶接電流（KA）と引張せん断強度
（KN）との関係を示す。板厚が厚くなると溶接部での熱
の散逸が増加するため、図５および図６に示すように、
インサート材を用いない場合には、全く接合が困難とな
るが、インサート材を用いることによって大きな引張せ
ん断強度（KN）が得られている。図５に示すように、板
厚ｔ＝２mmでは、Ti粉末配合割合（at％）の増加は引張
せん断強度（KN）には余り影響していないが、図３に示
す板厚ｔ＝１mmの場合より引張せん断強度（KN）が向上
しており、溶接時間（Ｓ）が長い方が若干、引張せん断
強度（KN）が増加する傾向がある。また、図６に示すよ
うに、インサート材を介在させる場合には、溶接電流
（KA）を増加すると引張せん断強度（KN）を向上させる
効果が見られる。

【００２５】さらに図７に板厚ｔ＝３mm、溶接電流７K
A、加圧力 980Ｎにおける溶接時間（Ｓ）と引張せん断
強度（KN）との関係を、図８に板厚ｔ＝３mm、加圧力 9
80Ｎ、溶接時間14（Ｓ）における溶接電流（KA）と引張
せん断強度（KN）との関係を示す。図７に示すように、
板厚ｔ＝３mmの場合には、Ti配合割合（at％）が増加す
ると引張せん断強度が大幅に増加する傾向があるが、Ti
75とTi100 とは余り変わらない。また、図８に示すよう
に、溶接電流（KA）が大きくなるにるれて引張せん断強
度（KN）が増加することが分かる。

【００２６】図９に被溶接アルミニウム材としてJIS A
5052を、加圧力 980（Ｎ）とし、板厚ｔ＝１mmの場合、
溶接時間２（Ｓ）、板厚ｔ＝２mm、３mmの場合、溶接時
間８（Ｓ）とし、いずれも溶接電流７（KA）として溶接
した場合のTi（at％）と引張せん断強度（KN）との関係
を示す。なお、図でTi＝０（at％）は粉末を介在しない
従来例の場合であるが、Al粉のみをインサートしても引
張せん断強度（KN）に向上は見られない。図９に示すよ
うにTi：25〜100 （at％）とし、Al：75〜25（at％）と
することにより、Ti：25（at％）未満、Al：75（at％）
超えに比べ、引張せん断強度（KN）を大幅に向上させる
ことができることが分かる。これが本発明のインサート
材特定の根拠となっており、特にTiが25〜75（at％）、
Alが25〜75（at％）において良好な成績となっているこ
とが分かる。

【００２７】図10および図11には、それぞれJIS A 5052
の板厚ｔを１mmおよび２mmとした場合の被溶接アルミニ
ウム材の表面に形成されたAl₂O₃酸化膜を除去するブラ
ッシング有無と引張せん断強度（KN）をTi、Al配合別に
示している。図10、図11から本発明のインサート材を用
いることにより、アルミニウム材のブラッシングを行わ
ない方が却って良好な引張せん断強度（KN）が得られて
いる。これは、本発明によればアルミナ酸化膜の除去が
良好に行われるため、被溶接アルミニウム材のブラッシ
ングが不要であることを示唆しており、作業能率向上に
寄与することができる。

【００２８】図12は、板厚ｔ＝２mm、加圧力 980Ｎ、溶
接時間８（Ｓ）とした場合におけるTi粉末とAl粉末の配
合割合（at％）と引張せん断強度（KN）との関係を示し
ている。材質としては、5052（自動車用上部材）、6061
（自動車用足まわり材）、2024（航空機用等の高力
材）、7075（航空機用等の高力材）、1100（純Al材）を
用いている。図12に示すように、本発明のインサート材
によれば、いずれのアルミニウム材を用いても良好な引
張せん断強度（KN）が得られることが分かる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
溶接アルミニウム材を、その接合面にTi：25〜100 （at
％）、Al：０〜75（at％）を含む粉末インサート材を介
在させて、抵抗スポット溶接する電極からの通電時に、
アルミニウム材表面の酸化膜を除去しTiとAlとの反応熱
により低電流で健全な接合部を形成して良好な強度の抵
抗スポット溶接を達成できる。

【００３０】本発明によれば、被溶接アルミニウム材の
抵抗スポット溶接を低電流で行うことができるので、チ
リやピックアップが減少し、品質の良好なスポット溶接
を行うことができると共に、電極寿命を向上することが
できる。また本発明は、スポット溶接電流を鋼板並みの
低電流にすることが可能になるので、アルミニウム板と
鋼板とを混在させた状態で溶接、組立などを行うことが
でき、たとえば両材料を同時に使用する自動車車体組立
などに極めて有用となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の抵抗スポット溶接を示す模式図であ
る。

【図２】従来の抵抗スポット溶接を示す模式図である。

【図３】JIS A 5052、ｔ＝１mmでの溶接時間（Ｓ）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図４】JIS A 5052、ｔ＝１mmでの溶接電流（KA）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図５】JIS A 5052、ｔ＝２mmでの溶接時間（Ｓ）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図６】JIS A 5052、ｔ＝２mmでの溶接電流（KA）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図７】JIS A 5052、ｔ＝３mmでの溶接時間（Ｓ）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図８】JIS A 5052、ｔ＝３mmでの溶接電流（KA）と引
張せん断強度（KN）との関係を、Ti、Al配合割合別に示
す特性図である。

【図９】JIS A 5052、 980ＮでのTi、Al配合割合（at
％）と引張せん断強度（KN）との関係を板厚別に示す特
性図である。

【図10】JIS A 5052、ｔ＝１mmでのTi、Al配合割合と引
張せん断強度（KN）との関係をブラッシング有無別に示
す棒グラフである。

【図11】JIS A 5052、ｔ＝２mmでのTi、Al配合割合と引
張せん断強度（KN）との関係をブラッシング有無別に示
す棒グラフである。

【図12】Ti、Al配合割合（at％）と引張せん断強度（K
N）との関係を被溶接アルミニウム材別に示す特性図で
ある。

【符号の説明】

１アルミニウム材（上側）２アルミニウム材（下側）３電極（上側）４電極（下側）５ナゲット６インサート材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上雅隆岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (56)参考文献特開平５−185246（ＪＰ，Ａ) 特開平７−185830（ＪＰ，Ａ) 特開平８−276278（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 11/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム材の接合面にインサート材
を介在させて抵抗スポット溶接するアルミニウム材の抵
抗スポット溶接方法において、前記インサート材がTi：
25〜75 (at％) 、残部Alからなる粉末であり、該インサ
ート材を前記接合面に介在させ、電極からの通電時にア
ルミニウム材表面の酸化膜を除去し、TiとAlとの反応熱
により低電流で抵抗スポット溶接することを特徴とする
アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。