JP4425159B2 - 異材の抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

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本発明は、自動車及び車輌等の各種構造材等として使用される鋼材とアルミニウム系(アルミニウム又はアルミニウム合金)材との複合構造体を得るための異材の抵抗スポット溶接方法に関する。
アルミニウム又はアルミニウム合金(以下、総称してアルミニウム系という)材は、軽量な構造材料として、自動車及び車輌等に使用されている。この場合に、コスト、強度及び車体剛性等の種々の要因から、アルミニウム系材は、鋼材と組み合わせた複合材として使用されることが多い。このためには、アルミニウム系材と鋼材とを接合する必要がある。
鋼材同士の場合は、その簡便な接合方法として、抵抗スポット溶接方法が広く使用されている。そこで、アルミニウム系材と鋼材との接合にも、抵抗スポット溶接の適用が要望されている。この異種材料(以下、異材という)の抵抗スポット溶接方法として、特許文献1には、鋼材にコーティング層を設けることにより、鋼材とアルミニウム系材との間の溶接部の強度を高めた技術が開示されている。
特開平4−251676号公報
しかしながら、アルミニウム系材と鋼材との異材の抵抗スポット溶接方法においては、同種材料のスポット溶接とは異なり、異種の材料の溶融形態が相互に異なるために、溶接条件の適正化が重要である。つまり、図4に示すように、鋼材1及び鋼材2を抵抗スポット溶接する場合は、両者間に適正なナゲット3が形成される。しかし、図5に示すように、鋼材5とアルミニウム系材6との間の抵抗スポット溶接においては、特に、プレス成形後の油剤9がアルミニウム系材6の表面に残存し、被接合材間に油剤9が存在する場合においては、油剤の残留(巻込み)10が発生する。このように、油剤の残留10があると、アルミニウム系材6側にチリが発生し、肉厚の減少7が発生する。特に、異材接合においては、アルミニウム系材が過剰に加熱されることによりチリとなって滅失していまい、アルミニウム系材の肉厚が大幅に減少することにより、接合強度が低下してしまうという問題点があった。
一方、被接合材を洗浄して油分などを除去することも可能であるが、この場合は洗浄工程が増えるため、異材複合構造材の製造工程が複雑になる。従って、異材を洗浄しないまま接合できる抵抗スポット溶接方法が要望されている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鋼材とアルミニウム系材との異材同士を、チリの発生による肉厚の減少なしに高接合強度で接合することができ、破断エネルギが高い強固な接合部を高効率で得ることができる異種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。
本発明に係る異材の抵抗スポット溶接方法は、鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを抵抗スポット溶接する異材の抵抗スポット溶接方法において、インバーター式又は単相交流式の溶接電源を使用し、通電時間t1が停止時間t2の0.6乃至10倍、総通電時間が120乃至800msecである条件で、電極間に電流をパルス状に通電することを特徴とする。
この異材の抵抗スポット溶接方法において、例えば、前記鋼材は、亜鉛又は亜鉛合金が被覆された被覆鋼板である。又は、例えば、前記鋼材は、アルミニウム又はアルミニウム合金がめっきされためっき鋼板である。この場合に、前記めっきは、Si:3〜15質量%、Fe:0.5〜5質量%を含む溶融アルミニウム合金めっきであることが好ましい。
そして、前記溶接方法に用いる溶接電源はインバーター式であり、電極間に電流をパルス状に通電する際に、通電時間t1が停止時間t2の0.6〜10倍であり、かつ、t1×パルス数で計算される総通電時間が120〜800msecであることが好ましい。
また、前記電極間に電流をパルス状に通電する際に、単相交流式電源を使用する場合も、電極間に電流をパルス状に通電する際に、通電時間t1が停止時間t2の0.6〜10倍であることが好ましい。
本発明者は、異材の抵抗スポット溶接におけるアルミニウム系材のチリ発生について、種々実験研究を繰り返した結果、このチリ発生の原因が、油分等の介在物が鋼材とアルミニウム系材との間に存在することによって、両被接合材間の界面の接合部位における電流密度が過剰になり、融点が低いアルミニウム系材側が過剰に溶融し、滅失してしまうためであることを知見した。そこで、本発明においては、抵抗スポット溶接の通電に際し、電流をパルス状に通電することによって、通電電流を適度に抑制し、アルミニウムのチリの発生を防止する。これにより、アルミニウム系材の肉厚の滅失が防止され、高い継手強度の継手が得られる。
本発明によれば、抵抗スポット溶接における通電電流を、パルス状としたので、各通電期間の間に、電流が低いか、又は全く流れない期間が存在する。このため、接合界面温度が適度のものとなり、アルミニウム系材のチリ発生が防止される。その結果、アルミニウム系の減肉もなく、高強度の接合部を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る異材の抵抗スポット溶接方法を示す縦断面図、図2はその通電電流の波形図である。板状の鋼材13とアルミニウム系材14とを重ね、電極11及び電極12により、鋼材13とアルミニウム系材14とを接合する部分を挟持する。そして、電極11,12間に図2に示すような波形の電流を通電する。これにより、電流が流れた部分が抵抗発熱し、その部分でスポット溶接される。
この場合に、本発明においては、図2(a)乃至(c)に示すように、通電電流の波形が、断続的なもの、つまりパルス状になるようにする。即ち、通電期間と停止期間とが交互に現れ、通電期間の時間(通電時間)がt1、停止期間の時間(停止時間)がt2である。図2(a)において、通電期間は正の電流と負の電流とが交互に現れるものである。図2(a)は、単相交流式電源を用いた場合の波形であり、交流波の1/2サイクル(時間t1+t2)の内に一定の停止時間t2をおいたものである。図2(b)は、インバーター式電源を用いた場合の波形であり、時間がt1の正の矩形波電流を、それらの間にt2の停止時間をおいて、断続的に通電したものである。図2(c)は、最大電流でフラットな部分を有し、上昇及び下降時に徐々に立ち上がり又は立ち下がる波形のパルス状の電流を通電したものである。なお、図3は従来の通電電流の波形を示し、所謂正弦波形であり、停止期間が存在しない。停止期間とは、一瞬電流が0になることではなく、電流0の時間が有限に存在するものである。
なお、図2(b)又は(c)に示すようなインバーター式電源による矩形波では、通電時間の間には、全く電流が流れないことが好ましいが、電流値が0〜6kA程度の低い電流が流れていても構わない。
本発明においては、上述のように、各通電期間の間に、通電停止期間(状態)を入れることにより、電流が適度に抑えられるため、アルミニウム系材の滅失が起こらない。この場合に、通電時間t1は停止時間t2の0.6〜10倍であることが好ましい。通電時間/通電停止時間t1/t2が0.6よりも小さい場合は、通電に対して停止時間が長すぎるため電流が不十分となり、良好な溶融状態が得られない。一方、t1/t2が10を超えると、通電時間が長すぎるため、アルミニウム系材料が過剰に加熱され、チリとなって滅失してしまい、CTS、TSSなどの強度が著しく低くなる。
更に、鋼材13はアルミニウム又はアルミニウム合金をめっきしためっき鋼板であると、アルミニウム系材14と同種の金属が鋼材13の表面に被覆されていることになるため、アルミニウム系材14と鋼材13との間の親和性が高くなり、より強度が高い接合体が得られる。
ところで、被接合材である溶融アルミニウムめっき鋼板のめっき層組成が接合界面のAl−Fe二元合金層の生成に大きな影響を及ぼす。即ち、Si:3〜15質量%、Fe:0.5〜5質量%を含む溶融アルミニウムめっき層が形成されている溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料と抵抗スポット溶接で接合する場合、合金層消失域のある接合界面が形成され、接合強度が向上する。ここでいうSi、Feの含有量は、下地鋼/溶融アルミニウムめっき層の界面に形成されるAl−Fe−Si三元系合金層を含まない値である。
鋼材13表面の溶融アルミニウムめっき層のSi,Fe濃度がAl−Fe二元合金層の生成に及ぼす影響は、次のように推察される。
Al−Fe二元合金層は、スポット溶接時の高温過熱で生成した溶融Alに溶け込んだFeが冷却過程で再析出した結果である。溶融Alに対するFeの溶け込み量は、下地鋼/めっき層のFeの濃度勾配に影響され、濃度勾配が大きいほど、換言すれば、めっき層のFe濃度が低いほど多くなる。溶出したFeは、拡散係数が比較的小さいことから下地鋼の近傍に存在し、冷却過程で多量のAl−Fe二元合金層となって接合界面に再析出する。そこで、めっき層のFe濃度を予め高くしておくと、下地鋼5からめっき層に溶け込むFeが少なくなり、結果としてAl−Fe二元合金層の生成が抑えられる。
めっき層のFe濃度が0.5質量%以上になると、電極の中心部ではAl−Fe2元合金層が生成するものの、中心部に比較して投入熱量の少ない電極の周辺部ではFeの溶け込みが抑えられ、合金層消失域が形成される。しかし、Fe濃度が5質量%を超えると、接合強度向上効果が得られない。
めっき層に含まれるSiは、Feに比較して拡散係数が大きく、スポット溶接時の高温過熱でl−Fe−Si三元合金層から溶融Alに容易に移行し、めっき層の全体に分散される。そこで、めっき層のSi濃度を3〜15質量%と高めに設定することにより、Al−Fe−Si三元合金層から溶融AlへのSi拡散を遅延させ、接合界面を除く箇所で下地鋼に対するめっき層の密着性を確保する。また、Si濃度の増加に応じてAl−Fe二元合金層が減少する傾向がみられ、結果として接合強度も向上する。なお、めっき層中のSi濃度は15%を超えると、めっき浴浸漬後の凝固過程で粗大なSiが析出するため、めっき層自体の加工性が低下し、加工部材への適用が困難になる。このため、めっき層中のSiは15質量%以下とする。また、めっき鋼板自体の加工性には、めっき層厚さも大きく影響し、膜厚:5〜80μmの範囲とすることが好ましい。その他、Al−Feの相互拡散反応に大きな影響を及ぼさないTi、Sr、B、Cr、Mn、Zn等の元素は、スポット溶接以外の特性向上が必要な場合に、適宜含有することができる。
下地鋼から溶融AlへのFe拡散は、下地鋼/めっき層界面にFe拡散防止層を形成することによっても抑えられる。Fe拡散防止層としては、本願出願人が開発したブレージング用アルミニウムめっき鋼板におけるN濃縮層が有効である。N濃縮層によって下地鋼から溶融Alに溶けこむFeが少なくなるので、接合界面に生成する脆弱なAl−Fe二元合金層がいっそう減少し、接合強度の高い接合構造体が得られる。
N:0.002〜0.020質量%を含む鋼板めっき原板として、溶融アルミニウムめっきした後、特定条件下で加熱処理すると、溶融めっき時に生成した合金層と下地鋼との界面にN濃縮層が生成する。この濃縮層の存在によって、Al−Feの相互拡散が著しく抑制され、鋼/アルミニウムの接合構造体として好適な溶融アルミニウムめっき鋼板が得られる。Al−Feの相互拡散抑制作用は、N濃縮層のN濃度が高いほどAl−Feの拡散抑制作用が得られるので、濃縮層のN濃度が3.0原子量%以上であることが好ましい。また、溶融めっき後の熱処理条件が一定の場合、下地鋼のN含有量が多くなるほどAl−Feの相互拡散抑制作用は向上する。しかし、0.02質量%を超える過剰量のNを含む場合、めっき鋼板自体の製造製が低下する。
鋼材に亜鉛又は亜鉛合金を被覆しためっき鋼板を、アルミニウム又はアルミニウム合金とのスポット溶接接合体に用いた場合、通常のスポット溶接では良好な強度が得られない。しかし、本発明のパルス制御によってスポット溶接時の温度が高温まで上昇しない適切な条件を選定すれば、亜鉛又は亜鉛合金めっき層自体の融点がアルミニウム合金より低いことから、良好な接合強度を示す接合構造体を得ることが可能になる。
次に、本発明の実施例について説明して、本発明の効果を説明する。下記表1に示す厚さ1.0mmのアルミニウムメッキ鋼板と厚さ1.0mmのJIS6061Al合金板とを、いずれの板も防錆油が付着したまま使用し、溶接加圧力を2.9kNとして、通電電流及び通電時間を下記表1に記載のように制御しながら、抵抗スポット溶接により接合し、異種接合体を得た。これらの溶接条件で接合した試験片における十字引張強度(CTS)および引張剪断試験(TSS)により破断した試験片における被溶接部の破断形態を表2に示す。また、得られた継手から図に示す引張試験片を加工し、引張剪断強度を求めた結果を表2に示す。
Figure 0004425159
Figure 0004425159
この表1及び表2から明らかなように、実施例1乃至6はt1/t2が0.6乃至10であるので、接合強度が十分に高いと共に、アルミニウムのチリ飛散も少ないものであった。これに対し、比較例1は、t1/t2が0.6より小さく、溶融径(ナゲット)が小さく、十分な接合強度が得られなかった。比較例2はt1×Pが105であるので溶融径(ナゲット)が小さく、十分な接合強度が得られなかった。比較例3,4はt1/t2が10を超えているので、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであった。比較例5はt1×Pが800と高く、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであり、比較例6はパルス間電流/溶接電流が77%と高く、同様に、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであった。
実施例2として、C:0.05質量%、Si:0.1質量%、Mn:0.25質量%、P:0.012質量%、S:0.006質量%、Al:0.006質量%を含み残部Feからなる冷延鋼板を溶融アルミニウムめっきした。この溶融アルミニウムめっき処理では、溶融アルミニウムめっき層のSi含有量を下記表3に示す値となるように調整し、厚さが25μmとなるように調整した。アルミニウム材には、厚さが1.0mmのJIS6061アルミニウム合金板を使用した。
これらの被接合材に対し、溶接加圧力を2.9kNとして上記実施例2の溶接条件で抵抗スポット溶接を行った。作成された構造体の接合強度を引張剪断試験及び十字引張試験で測定した。表3の試験結果にみるように、溶融アルミニウムめっき層のSi、Fe濃度が適正範囲(Si:3〜15質量%、Fe:0.5〜5質量%)に維持されると、引張剪断強度:2.6kN以上、十字引張強度1.3kN以上と高い接合強度を持つ接合構造体が得られることがわかる。
Figure 0004425159
以上詳述したように、本発明によれば、アルミニウム系材と鋼材が抵抗スポット溶接によって強固に接合され、アルミニウム系材及び鋼材の長所を活かした接合構造体を得ることができ、車輌構造体、熱交換器用など、種々の構造部材に使用することができる。
本発明の実施形態に係る異材の抵抗スポット溶接方法を示す縦方向断面図である。 本発明の通電電流の波形の一例を示す図である。 従来の通電電流の波形を示す図である。 鋼材同士の抵抗スポット溶接の断面を示す断面図である。 従来の鋼材とアルミニウム系材との抵抗スポット溶接の断面を示す断面図である。
符号の説明
1、2、5:鋼材
3:ナゲット
6:アルミニウム系材
9:油剤
10:油剤の残留(巻込み)
11,12:電極
13:鋼材
14:アルミニウム系材

Claims (4)

  1. 鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを抵抗スポット溶接する異材の抵抗スポット溶接方法において、インバーター式又は単相交流式の溶接電源を使用し、通電時間t1が停止時間t2の0.6乃至10倍、総通電時間が120乃至800msecである条件で、電極間に電流をパルス状に通電することを特徴とする異材の抵抗スポット溶接方法。
  2. 前記鋼材は、亜鉛又は亜鉛合金が被覆された被覆鋼板であることを特徴とする請求項1に記載の異材の抵抗スポット溶接方法。
  3. 前記鋼材は、アルミニウム又はアルミニウム合金がめっきされためっき鋼板であることを特徴とする請求項1に記載の異材の抵抗スポット溶接方法。
  4. 前記めっきは、Si:3〜15質量%、Fe:0.5〜5質量%を含む溶融アルミニウム合金めっきであることを特徴とする請求項3に記載の異材の抵抗スポット溶接方法。
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