JP3767147B2 - Seam welding method for dissimilar metal plates - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、鉄道車両の組み立て工程、あるいは薄板コイルの表面処理ラインで鋼板とアルミニウム合金板を交互に通板する際に必要となる鋼板とアルミニウム合金板とのコイル接合工程などに適用しうる、異種金属板のシーム溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や鉄道車両を組み立てる工程や、薄板コイルの表面処理ラインで鋼板とアルミニウム合金板を交互に通板する工程などでは、鋼板とアルミニウム合金板のような異種金属の溶接が必要となる。
ところで、上記異種金属板の溶接方法について、鉄およびアルミニウムからなるクラッド板をインサート材に用い、鋼板とアルミニウム合金板とを抵抗スポット溶接する方法が、特開平４−55066 号公報、特開平４−127973号公報、特開平４−253578号公報、特開平７−80653 号公報、特開平７−136774号公報などに開示されている。
しかし、これらの方法は、そのほとんどが抵抗スポット溶接を対象としたものであり、シーム溶接についての具体的な実験例は示されていない。
なお、特開平４−55066 号公報、特開平４−127973号公報、特開平４−253578号公報においては、開示技術がシーム溶接にも適用可能であると記載されているものの、十分な継手強度を確保することができない。なぜなら、例えば、特開平４−55066 号公報には２ステップ通電を行うことにより継手強度が得られるとしているが、この２ステップ通電を、溶接位置を移動させつつ、連続して溶接を行うシーム溶接に適用することは不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来から、アルミニウム合金板と鋼板の抵抗スポット溶接方法について数多くの提案がなされているが、これをそのままシーム溶接に適用しても、継手強度が不足するなど多くの問題があった。
そこで、本発明は、アルミニウム合金板と鋼板との間に、鋼層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド板を介在させて、十分に高い継手強度を得ることができるシーム溶接方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、この目的を達成するための要素技術として、鋼層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド板と、アルミニウム合金板または鋼板との接合で、十分に高い継手強度が得られるシーム溶接方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上掲の課題の解決に向けて、特に、シーム溶接に用いる電極の特性、寸法形状等について鋭意検討を加え、本発明を完成するに到った。その要旨は以下のとおりである。
【０００５】
（１）鋼層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド板と、鋼板またはアルミニウム合金板とをシーム溶接するに当たり、
前記クラッド板として、厚みが１．０〜２．０ｍｍ、かつ鋼層厚み：アルミニウム合金層厚みの層厚比が１：１〜１：２であるものを用い、鋼板またはアルミニウム合金板が前記クラッド板と同種の金属で接するように重ね、この重ね部分で、アルミニウム合金側に、先端曲率半径８０ｍｍ以上、かつ導電率９７％ＩＡＣＳ以上であるＲ型電極を配置し、鋼側に、先端曲率半径３０ｍｍ以下、かつ導電率６０〜８０％ＩＡＣＳであるＲ型電極を配置して、溶接することを特徴とする、異種金属板のシーム溶接方法。
【０００６】
（２）鋼板とアルミニウム合金板とを、鋼層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド板を介して、それぞれシーム溶接するに当たり、前記クラッド板として、厚みが１．０〜２．０ｍｍ、かつ鋼層厚み：アルミニウム合金層厚みの層厚比が１：１〜１：２であるものを用い、鋼板およびアルミニウム合金板が、前記クラッド板の同種金属とそれぞれ接するように重ね、かつ、それぞれの重ね部分が、板面方向の異なる位置となるようにし、そして、これらの重ね部分で、アルミニウム合金側に、先端曲率半径８０ｍｍ以上、かつ導電率９７％ＩＡＣＳ以上であるＲ型電極を配置し、鋼側に、先端曲率半径３０ｍｍ以下、かつ導電率６０〜８０％ＩＡＣＳであるＲ型電極を配置して、それぞれ溶接することを特徴とする、異種金属板のシーム溶接方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
発明者らは、アルミニウム合金板と鋼板との間に、鋼層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド板（以下を、単に「クラッド板」と略記する）を介在させることにより、高い継手強度でシーム溶接するためには、クラッド板とアルミニウム合金板とのシーム溶接継手（図１（ａ））、あるいはクラッド板と鋼板とのシーム溶接継手（図１（ｂ））が高い継手強度を有していることが必要であるとの考えのもと鋭意実験、検討を行った。
【０００８】
その結果、クラッド板のアルミニウム合金層と鋼層との層厚比を適正範囲に設定するとともに、シーム溶接電極の形状とその電気特性を、被溶接材料に対応して、適正に選択することが重要であることを見いだした。
また、この知見に基づき、図２に示すように、アルミニウム合金板と鋼板とをクラッド板を介して接合することにより、継手全体の強度を十分に確保できることを見い出した。
【０００９】
以下、本発明において、要旨構成を前記範囲に限定した理由について説明する。
クラッド板の厚みを、１．０〜２．０ｍｍとしたのは、板厚が１．０ｍｍよりも薄くなると、十分な大きさのナゲットが形成されないため継手強度が向上せず、２．０ｍｍより厚くなると、高い継手強度を得るためには、非常に高い電流を必要とするようになるからである。
次に、クラッド板の鋼層とアルミニウム合金層との層厚比を１：１〜１：２の範囲とした理由について述べる。すなわち、層厚比が１：１未満では、アルミニウム合金層の厚みが相対的に減少するので、アルミニウム合金板とクラッド板をシーム溶接する場合に形成されるナゲットの厚みおよび幅が小さくなり、継手の引張強度が劣化する。これは、継手の引張試験時の破断がアルミニウム合金側で生じるため、形成されるナゲットの大きさにより引張強度は左右されるためである。
一方、層厚比を１：２より大きくすると、アルミニウム合金層が相対的に厚くなるので、アルミニウム合金板とクラッド板の溶接の場合も、鋼板とクラツド材の溶接の場合も、ともに溶接時の冷却効果が大きくなって、発熱効果が減少するため、継手の引張強度が劣化する。さらに、鋼板とクラッド板の溶接に際しては、鋼板での発熱効果の減少およびナゲット厚みの減少も引き起こし、継手の引張強度をさらに劣化させる。
【００１０】
さて、アルミニウム合金板または鋼板とクラッド板とをシーム溶接により接合するに当たっては、それぞれ同種の金属が向かい合うように接触させて重ねることが必要である。すなわち、クラッド板とアルミニウム合金板を接合する場合には、クラッドのアルミニウム合金層とアルミニウム合金板とが向かい合うように、クラッド板と鋼板を接合する場合には、クラッドの鋼層と鋼板とが向かい合うように重ねる。このような重ね方を採用することによって、接合界面におけるFe−Al金属間化合物の過大な形成を伴わない健全な溶融部が得られる。
【００１１】
まず、アルミニウム合金板とこれと同種の金属であるクラッド板のアルミニウム側とを接触させて溶接する場合、鋼側すなわちこの場合クラッド板側に、電極先端曲率半径３０ｍｍ以下、かつ導電率８０％ＩＡＣＳ（Innternational Annealed Copper Standard 、純銅の導電率を１００としたときの導電性の割合を表す単位）以下であるＲ型電極を配置する必要がある。
この理由は、鋼側に電流を集中させて発熱量を高め、熱伝導によりアルミニウム合金側を加熱し、ナゲットの成長を促進させることにより継手強度を向上させるためである。ただし、電極の導電率を６０％ＩＡＣＳ未満にすると、鋼側の発熱量は増加するものの、電極中での抵抗発熱が大きくなりすぎ、鋼との溶着など作業性が劣化する。したがって、電極の導電率は、６０〜８０％ＩＡＣＳの範囲とする。
なお、シーム溶接におけるＲ型電極とは、図３に示すような、円盤形電極の円周部分先端が曲率Ｒをもつ形状の電極のことを意味する。そして、Ｒ型電極を採用することにより、溶接部の表面外観が良好、かつ、溶接中安定した加圧が可能になることにより、より良好な溶接継手が得られる。
【００１２】
また、アルミニウム合金側に先端曲率半径８０ｍｍ以上かつ導電率９７％ＩＡＣＳ以上であるＲ型電極を配置するのは、溶接電流を分散させ、アルミニウム合金表面における過大発熱による散り発生や板の変形により、継手強度が劣化するのを防止するためと、アルミニウム合金表面の溶融による電極へのアルミニウムの溶着および電極揖耗現象を抑制するためである。
【００１３】
上述した接合対象材と異なり、鋼板とクラッド板の鋼層側とを接触させて溶接する場合にも、上記理由と同様な理由のため、鋼側には先端曲率半径３０ｍｍ以下かつ導電率６０〜８０％ＩＡＣＳであるＲ型電極を配置し、またアルミニウム合金側すなわちこの場合クラッド板側には、先端曲率半径８０ｍｍ以上かつ導電率９７％ＩＡＣＳ以上であるＲ型電極を配置することが必要である。
【００１４】
なお、本発明で用いる、鋼板およびアルミニウム合金板の厚みは、とくに定めるものではないが、継手強度を十分に高く確保する上から、０．８〜２．０ｍｍの範囲であることが望ましい。また、本発明で用いるクラッド板は、圧延法、爆着法、拡散接合法などいずれの方法で製造されたもであっても良い。
ここに、アルミ合金としては、アルミに主にMgを添加したAl−Mg合金、主にSiおよびMgを添加したAl−Si−Mg合金などが挙げられる。
さらに、本発明で用いる電極の材料は、純鋼、あるいはAg、Zr、Crなどを添加した鋼合金であることが望ましい。
そして、シーム溶接条件のうち、溶接電流は、８．０〜１７．０ｋＡの範囲とすることが望ましい。というのは、電流が低すぎると継手強度が低下し、電流が高すぎると散りの発生や電極へのアルミニウムの溶着が生じるからである。溶接時間、溶接速度、溶接加圧力などの溶接諸条件は、平均板厚に合わせて一般的に採用されている条件であればよい。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例により、本発明の効果を具体的に説明する。
板厚０．８ｍｍの鋼板または板厚１．０ｍｍのアルミニウム合金板とクラッド板とを、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す組み合わせで重ね、この重ね部をパルセーション通電によるシーム溶接を行った。クラッド板、電極の実験条件は表１、表２に示すとおりである。なお、溶接加圧力は２．９ｋＮ、通電時間は６０ｍｓ、冷却時間は６０ｍｓ、溶接速度は１．０ｍ／ｍｉｎとした。また、溶接用電極は幅８ｍｍのＲ型電極を使用した。
【００１６】
【表１】
【表２】
溶接後の継手から、溶接長３０ｍｍとなる試験片を採取し、引張試験を行い、破断時の強度を求めた。継手強度が２５０ＭＰａ以上の場合に良好（○印）、それに満たない場合に不良（×印）として評価した。
得られた結果を、表１、表２に合わせて示す。これらの表から明らかなように、本発明の条件を満足する、試験No．１〜12の発明例では、いずれも良好な継手強度が得られた。これに対し、試験No．13〜21の比較例では、クラッド板の厚み、クラッド板の鋼層とアルミニウム合金層との層厚比、電極先端形状のいずれかが適正範囲からはずれているため、継手強度が２５０ＭＰａ未満となり、十分な強度に達しなかった。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金板とクラッド板、あるいは鋼板とクラッド板とのシーム溶接において、十分な継手強度を得ることが可能になる。したがって、本発明によれば、アルミニウム合金板と鋼板とを、クラッド板を介することにより、十分な継手強度を有して接合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シーム溶接における材料および電極の配置状態を示す、溶接方向からの断面図である。
【図２】アルミニウム合金板と鋼板とを、クラッド板を介して接合した状態を示す、溶接方向からの断面図である。
【図３】シーム溶接用電極の断面図である。
【符号の説明】
１ アルミニウム合金板
２ 鋼板
３ アルミニウム合金層
４ 鋼層
５ クラッド板
６ 電極
７ シーム溶接部（ナゲット）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is applied to an assembly process of an automobile or a railway vehicle, or a coil joining process of a steel plate and an aluminum alloy plate, which is required when a steel plate and an aluminum alloy plate are alternately passed through a surface treatment line of a thin coil. The present invention relates to a seam welding method for dissimilar metal plates.
[0002]
[Prior art]
In the process of assembling an automobile or a railway vehicle, or in the process of alternately passing a steel plate and an aluminum alloy plate through a surface treatment line of a thin plate coil, welding of dissimilar metals such as a steel plate and an aluminum alloy plate is required.
By the way, as for the welding method of the above-mentioned dissimilar metal plate, a method of resistance spot welding a steel plate and an aluminum alloy plate using a clad plate made of iron and aluminum as an insert material is disclosed in JP-A-4-55066 and JP-A-4-4. No. 127973, JP-A-4-253578, JP-A-7-80653, JP-A-7-136774, and the like.
However, most of these methods are directed to resistance spot welding, and no specific experimental example of seam welding is shown.
In addition, although Unexamined-Japanese-Patent No. 4-55066, Unexamined-Japanese-Patent No. 4-127973, and Unexamined-Japanese-Patent No. 4-253578 describe that the disclosed technique is applicable also to seam welding, sufficient joint strength is mentioned. Can not be secured. This is because, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-55066 discloses that joint strength can be obtained by performing two-step energization, but this two-step energization continuously welds while moving the welding position. It is impossible to apply to.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, many proposals have been made on resistance spot welding methods for aluminum alloy sheets and steel sheets, but there are many problems such as insufficient joint strength even if this is applied to seam welding as it is. It was.
Therefore, the present invention provides a seam welding method capable of obtaining a sufficiently high joint strength by interposing a two-layer clad plate comprising a steel layer and an aluminum alloy layer between the aluminum alloy plate and the steel plate. For the purpose.
In addition, as an elemental technology for achieving this object, the present invention provides a sufficiently high joint strength by joining a two-layer clad plate composed of a steel layer and an aluminum alloy layer to an aluminum alloy plate or a steel plate. An object is to provide a seam welding method.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have intensively studied the characteristics, dimensions, and the like of electrodes used for seam welding, and have completed the present invention. The summary is as follows.
[0005]
(1) When seam welding a two-layer clad plate made of a steel layer and an aluminum alloy layer and a steel plate or an aluminum alloy plate,
A clad plate having a thickness of 1.0 to 2.0 mm and a steel layer thickness: aluminum alloy layer thickness ratio of 1: 1 to 1: 2 is used. R-type electrodes with a tip radius of curvature of 80 mm or more and a conductivity of 97% IACS or more are arranged on the aluminum alloy side, and the tip radius of curvature is on the steel side. A seam welding method for dissimilar metal plates, characterized in that an R-type electrode having a conductivity of 60 to 80% IACS of 30 mm or less is disposed and welded.
[0006]
(2) When seam welding a steel plate and an aluminum alloy plate via a two-layer clad plate comprising a steel layer and an aluminum alloy layer, the clad plate has a thickness of 1.0 to 2.0 mm, and steel layer thickness: layer thickness ratio of the aluminum alloy layer thickness is 1: 1 to 1: used as a 2, steel plates and aluminum alloy plate, before Symbol overlaid in contact the Tanekin genera and each of the cladding plates, and Each of the overlapping portions is positioned at a different position in the plate surface direction , and an R-type electrode having a tip curvature radius of 80 mm or more and a conductivity of 97% IACS or more is provided on the aluminum alloy side at these overlapping portions. Dissimilar metal plates, characterized in that R-type electrodes having a tip radius of curvature of 30 mm or less and an electrical conductivity of 60 to 80% IACS are arranged and welded to the steel side, respectively. Seam welding method.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventors have achieved high joint strength by interposing a two-layer clad plate (hereinafter simply abbreviated as “clad plate”) composed of a steel layer and an aluminum alloy layer between the aluminum alloy plate and the steel plate. For seam welding, a seam welded joint between a clad plate and an aluminum alloy plate (Fig. 1 (a)) or a seam welded joint between a clad plate and a steel plate (Fig. 1 (b)) has high joint strength. Based on the idea that it is necessary to do this, we conducted intensive experiments and studies.
[0008]
As a result, the layer thickness ratio between the aluminum alloy layer and the steel layer of the clad plate can be set within an appropriate range, and the shape and electrical characteristics of the seam welding electrode can be appropriately selected according to the material to be welded. I found it important.
Moreover, based on this knowledge, as shown in FIG. 2, it discovered that the intensity | strength of the whole joint was fully securable by joining an aluminum alloy plate and a steel plate via a clad plate.
[0009]
Hereinafter, the reason why the gist configuration is limited to the above range in the present invention will be described.
The thickness of the clad plate is set to 1.0 to 2.0 mm. When the plate thickness is thinner than 1.0 mm, a sufficiently large nugget is not formed, so the joint strength is not improved, and the thickness is from 2.0 mm. This is because when the thickness is increased, a very high current is required to obtain a high joint strength.
Next, the reason why the layer thickness ratio between the steel layer and the aluminum alloy layer of the clad plate is in the range of 1: 1 to 1: 2 will be described. That is, when the layer thickness ratio is less than 1: 1, the thickness of the aluminum alloy layer is relatively reduced. Therefore, the thickness and width of the nugget formed when the aluminum alloy plate and the clad plate are seam welded are reduced. The tensile strength of the steel deteriorates. This is because the fracture at the time of the tensile test of the joint occurs on the aluminum alloy side, and the tensile strength depends on the size of the nugget formed.
On the other hand, when the layer thickness ratio is larger than 1: 2, the aluminum alloy layer becomes relatively thick. Therefore, both the welding of the aluminum alloy plate and the clad plate and the welding of the steel plate and the cladding material are both performed during welding. Since the cooling effect increases and the heat generation effect decreases, the tensile strength of the joint deteriorates. Further, when the steel plate and the clad plate are welded, the heat generation effect in the steel plate and the nugget thickness are also reduced, which further deteriorates the tensile strength of the joint.
[0010]
Now, when joining an aluminum alloy plate or a steel plate and a clad plate by seam welding, it is necessary to make the same kind of metals face each other and overlap each other. That is, when the clad plate and the aluminum alloy plate are joined, the clad steel layer and the steel plate face each other when the clad plate and the steel plate are joined so that the clad aluminum alloy layer and the aluminum alloy plate face each other. Overlap like so. By adopting such a superposition method, a healthy melted part without excessive formation of the Fe—Al intermetallic compound at the joining interface can be obtained.
[0011]
First, when the aluminum alloy plate and the aluminum side of the same type of metal clad plate are contacted and welded, the electrode tip radius of curvature is 30 mm or less and the conductivity is 80% IACS on the steel side, that is, the clad plate side in this case. It is necessary to dispose an R-type electrode that is less than or equal to (Internal National Annealed Copper Standard, a unit representing the ratio of conductivity when the conductivity of pure copper is 100).
The reason is that the strength of the joint is improved by concentrating current on the steel side to increase the heat generation amount, heating the aluminum alloy side by heat conduction, and promoting nugget growth. However, if the electrode conductivity is less than 60% IACS, the amount of heat generated on the steel side increases, but the resistance heat generation in the electrode becomes too large, and workability such as welding with steel deteriorates. Therefore, the conductivity of the electrode is in the range of 60 to 80% IACS.
In addition, the R-type electrode in seam welding means an electrode having a shape in which the tip of the circumferential portion of the disk-shaped electrode has a curvature R as shown in FIG. By adopting the R-type electrode, the surface appearance of the welded portion is good, and stable pressurization is possible during welding, so that a better welded joint can be obtained.
[0012]
In addition, the R-type electrode having a tip radius of curvature of 80 mm or more and a conductivity of 97% IACS or more is disposed on the aluminum alloy side by dispersing the welding current, and by the occurrence of scattering due to excessive heat generation on the aluminum alloy surface or deformation of the plate. This is to prevent the joint strength from deteriorating and to suppress aluminum welding to the electrode and electrode wear due to melting of the aluminum alloy surface.
[0013]
Unlike the above-mentioned materials to be joined, when the steel plate side and the steel layer side of the clad plate are brought into contact and welded, for the same reason as described above, the steel side has a tip radius of curvature of 30 mm or less and an electrical conductivity of 60 to It is necessary to arrange an R-type electrode having 80% IACS and an R-type electrode having a tip radius of curvature of 80 mm or more and a conductivity of 97% IACS or more on the aluminum alloy side, that is, the clad plate side in this case. .
[0014]
In addition, although the thickness of the steel plate and aluminum alloy plate used in the present invention is not particularly defined, it is preferably in the range of 0.8 to 2.0 mm from the viewpoint of ensuring a sufficiently high joint strength. In addition, the clad plate used in the present invention may be manufactured by any method such as a rolling method, an explosion method, or a diffusion bonding method.
Here, examples of the aluminum alloy include an Al—Mg alloy in which Mg is mainly added to aluminum, and an Al—Si—Mg alloy in which Si and Mg are mainly added.
Furthermore, the electrode material used in the present invention is desirably pure steel or a steel alloy to which Ag, Zr, Cr, or the like is added.
Of the seam welding conditions, the welding current is preferably in the range of 8.0 to 17.0 kA. This is because if the current is too low, the joint strength decreases, and if the current is too high, scattering occurs and aluminum is deposited on the electrode. Various welding conditions such as welding time, welding speed, welding pressure, and the like may be those generally employed according to the average plate thickness.
[0015]
【Example】
Hereinafter, the effects of the present invention will be described specifically by way of examples.
A steel plate having a thickness of 0.8 mm or an aluminum alloy plate having a thickness of 1.0 mm and a clad plate are overlapped in the combination shown in FIGS. 1A and 1B, and this overlapped portion is seam welded by pulsation energization. Went. The experimental conditions for the clad plate and electrode are as shown in Tables 1 and 2. The welding pressure was 2.9 kN, the energization time was 60 ms, the cooling time was 60 ms, and the welding speed was 1.0 m / min. Further, an R-type electrode having a width of 8 mm was used as the welding electrode.
[0016]
[Table 1]
[Table 2]
A test piece having a weld length of 30 mm was taken from the joint after welding and subjected to a tensile test to determine the strength at break. When the joint strength was 250 MPa or more, it was evaluated as good (◯ mark), and when it was less than that, it was evaluated as defective (× mark).
The obtained results are shown in Tables 1 and 2. As is apparent from these tables, the test No. 1 satisfying the conditions of the present invention. In each of Examples 1 to 12, good joint strength was obtained. In contrast, Test No. In Comparative Examples 13-21, the thickness of the clad plate, the layer thickness ratio between the steel layer and the aluminum alloy layer of the clad plate, and any of the electrode tip shapes are out of the appropriate range, so the joint strength is less than 250 MPa, It did not reach sufficient strength.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, sufficient joint strength can be obtained in seam welding between an aluminum alloy plate and a clad plate or between a steel plate and a clad plate. Therefore, according to the present invention, it becomes possible to join the aluminum alloy plate and the steel plate with sufficient joint strength through the clad plate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view from the welding direction showing the arrangement of materials and electrodes in seam welding.
FIG. 2 is a cross-sectional view from the welding direction showing a state where an aluminum alloy plate and a steel plate are joined via a clad plate.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an electrode for seam welding.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aluminum alloy plate 2
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