JP4933923B2 - 異材接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械、建築などの部材、部品、構造物における鋼材とアルミニウム材との異種金属部材同士の、スポット溶接による異材接合方法に関するものである。

鋼材とアルミニウム材（純アルミニウム材、アルミニウム合金材を総称）という、異種の金属部材同士の接合（異材接合体）における接合強度を確保できれば、前記部材、部品、構造物に適用でき、鋼材のみの場合に比して、軽量化等に著しく寄与することができる。

しかし、鋼材とアルミニウム材とを溶接接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、信頼性のある高強度を有する接合部（接合強度）を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。

そこで、従来より、これら異種接合体の接合方法について多くの検討がなされてきている。例えば、鋼材とアルミニウム材とをアーク溶接にて接合する方法も提案されている（非特許文献１、２参照）。このアーク溶接方法では、強度確保の阻害要因となる、金属間化合物の成長方向を制御することで、高い接合強度が得られる。この方法は、接合する鋼材側に、予め一個の穴を設け、この穴を溶融アルミニウム材にて埋めることによって（充填することによって）、鋼材とアルミニウム材とを接合する方法である。

また、ＭＩＧロウ付法によって鋼材とアルミニウム材とを直接接合する方法も提案されている（特許文献１参照）。

しかし、前記非特許文献１、２では、接合長さに応じて、多数の穴を周期的に設けて、これらの穴に沿った溶接線として、連続的にアーク溶接した場合には、ビードに割れが発生し、却って、溶接継手の疲労強度が低下するなどの問題があった。これは、アルミニウム溶接材にて形成されるビード内部に、鋼材側から鉄系成分が溶解混合するために、ビード内部に脆弱な金属間化合物が生成するためである。

一方、上記特許文献１のＭＩＧロウ付法によれば、鋼材とアルミニウム材との接合に際し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れる。しかし、鋼材とアルミニウム材との接合界面には、やはり脆弱なＦｅとＡｌとの金属間化合物が形成されているのは事実であり、接合強度はなお改善の余地があった。

そこで、前記非特許文献１、２の特徴と、非常に施工方法が容易で、線溶接が可能な特許文献１のアーク溶接の特徴を生かした提案もされている（特許文献２）。この方法は、鋼材とアルミニウム材との異材継手をアーク溶接法にて接合するに際し、鋼材側に溶接線に沿って予め一定の間隔で空間（貫通穴）を設け、鋼材を上側、アルミニウム材を下側として重ね合わせた上で、アルミニウム溶接ワイヤを用いて前記空間にアルミニウム溶接材料を溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成するように接合するものである。以下、この方法をスクラムリベット法とも言う。

そして、このスクラムリベット法実施の際に、接合後の溶接線長さ100mm当たりにおける、前記各空間に充填されたアルミニウム溶接材料の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Al)と、これに両隣する鋼材の断面における溶接線方向に沿った長さ(L-Fe)との比(L-Al)/(L-Fe)の最小値が一定範囲となるように、両材料を溶接接合する。
特開２００３−３３８６５号公報 特開２００６−２１２４９号公報 WELDING JOURNAL,(1963),p.302． 軽金属溶接：Vol.16(1978)No.12,p.8．

確かに、特許文献２のスクラムリベット法でのアーク溶接方法によれば、アーク溶接法による異材接合において、比較的高い接合強度を確保しつつ、延性に優れた継手を得ることができる。

しかし、この特許文献２によっても、アーク溶接条件によっては、後述する通り、高い接合強度が得られない場合があった。特に、特許文献２によるアーク溶接の開始が、アルミニウム材側ではなく、鋼材側表面となった場合に、前記鋼材側に溶接線に沿って予め設けた空間（貫通穴）のうちの、アーク溶接の開始側の１個、あるいは複数個に、アルミニウム溶接材料を十分に溶融充填できなくなることが起こりやすい、という問題があることが知見された。

これは、後述する通り、アーク溶接の開始時に、アルミニウム材側への入熱が不足して、アルミニウム材側が十分に加熱されなくなるためである。これによって、アルミニウム合金溶接ワイヤから供給されるアルミニウム溶接材料が、鋼材側に予め設けられた前記貫通穴に、溶融充填されなくなる。即ち、前記貫通穴がアルミニウム溶接材料で充填されずに、隙間がある乃至隙間が大きくなる、もしくはアルミニウム材への十分な溶け込みが確保されなくなる。この問題が生じた場合には、前記アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の空間（貫通穴）部分の接合強度が低下する。このため、特に、溶接線の長さが短いショートビードの条件では、継ぎ手としての接合強度を確保できない問題がある。したがって、特許文献２のアーク溶接方法による異材接合には、なお改善の余地がある。

ここで、用語の意味として、アルミニウム溶接材料の貫通穴への「充填」あるいは「溶融充填」とは、アーク溶接によって、溶融したアルミニウム溶接材料（溶材）が前記鋼材側貫通穴内へ充填される（入る）ことである。また、アルミニウム溶接材料のアルミニウム材への「溶け込み」とは、前記鋼材側貫通穴内へ充填された溶融アルミニウム溶接材料（溶材）が、更に、この貫通穴底側から、アルミニウム材（鋼材と重ね合わされた）と接触した上で、これに溶け込んでいくことである。したがって、この「溶け込み」は、溶融したアルミニウム溶接材料（溶材）が前記鋼材側貫通穴内へ、穴の全体に亙って十分に充填されないと発揮されず、接合強度がでない。例えば、溶接後に溶接部（貫通穴位置）を、上から見て、貫通穴の縁（円弧縁など）が見えるようであれば、アルミニウム溶接材料（溶材）が、穴の全体に亙って十分に充填されていない、隙間がある状態となっている。ただ、十分に充填されていても溶け込みが悪い場合や、十分に充填されていなくても溶け込みがある場合もある。しかし、十分に充填されていても溶け込みが悪い場合は、アルミニウム溶接材料がアルミニウム材と接触しているのみで、溶け込みが無いか少なく、接合強度はでない。また、十分に充填されていなくても溶け込みがある場合も、貫通穴の面積である溶け込み面積を活かしきってはいない（溶け込み面積が小さい）ので、やはり接合強度はでない。

これに対して、再度溶接トーチを前記アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の空間（貫通穴）部分を走らせる２パス目のアーク溶接を行い、アルミニウム溶接材料の前記貫通穴への溶融充填量を増やすことが考えられる。しかし、上記スクラムリベット法では、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の空間（貫通穴）部分にも、溶接トーチの１パス目によって形成したアルミニウム溶接材料によるビードが存在する。このため、溶接トーチを再度走らせても、鋼材やアルミニウム材側、また、１パス目で空間（貫通穴）部分に充填されたアルミニウム溶接材料を十分に加熱することができず、結果、アルミニウム溶接材料の前記貫通穴への充填量や、アルミニウム材側への溶け込み量を増やすことができない。

言い換えると、上記スクラムリベット法では、溶接トーチの走行について、２パス以上を行う意味がなく、１パスのみで、前記空間（貫通穴）部分にアルミニウム溶接材料を十分溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成するように接合する必要がある。

本発明は、このような問題に鑑み、前記特許文献２のスクラムリベット法でのアーク溶接方法による異材接合方法を改善して、高い接合強度を安定的に確保することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の異材接合方法の要旨は、アーク溶接法により鋼材とアルミニウム材との異材を接合する方法であって、予め前記鋼材側に溶接線に沿って複数の貫通穴を設けておき、該鋼材を上側、アルミニウム材を下側として、これらを互いに重ね合わせ、溶接トーチを後退角を設けて前記溶接線に沿って走らせながら、アルミニウム溶接ワイヤによって、鋼材側に設けた前記複数の貫通穴に、アルミニウム溶接材料を溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成する、溶接トーチの１パスのみのアーク溶接によって異材を接合するに際し、前記複数の貫通穴のうちの溶接を開始する側にある所定の個数の貫通穴の円換算による径ｄ１を、これ以外の貫通穴の径ｄ２の１．２〜２．０倍の大きさとし、前記径ｄ２は円換算にて２．０ｍｍ径以上、５．０ｍｍ径未満とし、前記径ｄ２を有する貫通穴同士の間隔ｐ２は２〜１０ｍｍの範囲で一定とし、且つ、前記径ｄ１を有する貫通穴同士の間隔および前記径ｄ１を有する貫通穴と隣り合う前記径ｄ２を有する貫通穴との間隔であるｐ１も２〜１０ｍｍの範囲で一定とするように設けることである。

本発明でも、鋼材とアルミニウム材との異材同士をアーク溶接方法で接合するに際して、前記非特許文献１、２や特許文献２に開示された、スクラムリベット法を用いることを前提とする。スクラムリベット法のように、接合する鋼材側に予め溶接線に沿って貫通穴を設け、この穴を、アルミニウム溶接ワイヤなどの溶接材料から供給される溶融アルミニウムにて溶融充填した上に、アルミニウムビードを形成することによって、接合強度を向上できる。

ただ、このスクラムリベット法でのアーク溶接方法では、特に、アーク溶接の開始が、アルミニウム材側ではなく、鋼材側表面となった場合に、前記鋼材側に溶接線に沿って予め設けた空間（貫通穴）のうちの、アーク溶接の開始側の１個、あるいは複数個に、アルミニウム溶接材料を十分に溶融充填できなくなることが起こりやすい。即ち、前記貫通穴がアルミニウム溶接材料で充填されずに、隙間がある乃至隙間が大きくなる、もしくはアルミニウム材への十分な溶け込みが確保できなくなる。

これは、アーク溶接の開始時のアークの不安定性にもよるし、アーク溶接の開始が鋼材側表面となった場合に必然的に起こりやすい問題とも言える。

即ち、スクラムリベット法でのアーク溶接方法では、１パスのみの溶接トーチの走行によって、アルミニウム合金溶接ワイヤから供給されるアルミニウム溶接材料が、鋼材側に予め設けられた前記貫通穴に、十分な量だけ充填され、かつアルミニウム材へ十分に溶け込むことが、接合強度を確保する上での前提となる。

これに対して、アーク溶接の開始時のアークの不安定性になるか、アーク溶接の開始が鋼材側表面となった場合には、鋼材側への入熱が与えられても、アルミニウム材側への入熱が不足して、アルミニウム材側が十分に加熱されなくなる。このため、アルミニウム合金溶接ワイヤから供給されるアルミニウム溶接材料が、鋼材側に予め設けられた前記貫通穴に、十分な量だけ充填されない、もしくはアルミニウム材へ溶け込みにくくなる。

アーク溶接開始からの時間経過によって、アークの安定性が確保され、また、アルミニウム材側への入熱も確保されるようになると、アルミニウム合金溶接ワイヤから供給されるアルミニウム溶接材料は、溶接線上に配置された後続する前記貫通穴には、十分に溶融充填されるようになる。したがって、この問題は、あくまで前記アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分に生じる問題である。

しかし、このようなアルミニウム溶接材料の溶け込み不足が生じた、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分では、接合強度が、溶接線上に配置された他の後続する前記貫通穴に比して、やはり大きく低下する。このため、特に、溶接線の長さが短いショートビードの条件では、継ぎ手としての接合強度を確保できない問題につながる。また、溶接線の長さが長いロングビードであろうと、継ぎ手としての信頼性の低下は否めない。

この問題に対して、本発明では、溶接を開始する側にある、前記アルミニウム溶接材料の溶融充填不足が生じやすい、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分を、所定の個数の前記貫通穴として、この貫通穴の大きさを、他の貫通穴の大きさに比して大きくすることを特徴とする。

貫通穴の大きさを大きくすれば、アルミニウム材側への入熱も大きくなる。これによって、前記アルミニウム溶接材料の溶融充填不足が生じやすい、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分であっても、１パスのみの溶接トーチの走行で、アルミニウム溶接材料の溶融充填を確保する。

また、鋼材上でビードが形成されている時に、アルミニウム溶接材料が、溶接線上に配置された貫通穴に先行して流れ込んでしまうと、同じく、アークによるアルミニウム材側への入熱が確保できなくなる。これは、溶接線上に配置された貫通穴に共通して生じる問題であり、溶接を開始する側にあるか否かの配置位置にかかわらない。

この問題に対して、本発明では、溶接トーチに後退角を設けて走らせることで解決する。溶接トーチに後退角を設ければ、鋼材上でビードが形成されている時に、アルミニウム溶接材料が、溶接線上に配置された貫通穴に先行して流れ込むことが無い。

以上、本発明によれば、スクラムリベット法により、ビード内部の脆弱な金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制される。また、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分であっても、他の貫通穴の大きさに比して大きくすることで、アルミニウム材側への入熱不足を解消して、１パスのみの溶接トーチの走行によっても、貫通穴へのアルミニウム溶接材料の溶融充填を確保できる。更に、溶接トーチに後退角を設けることで、どの位置の貫通穴部分であっても、アルミニウム溶接材料が貫通穴に先行して流れ込むのを防止して、アルミニウム材側への入熱不足を解消して、貫通穴へのアルミニウム溶接材料の溶融充填を確保できる。

これによって、本発明によれば、鋼材とアルミニウム材とのアーク溶接による異材接合の接合強度を高めることができる。しかも、本発明を採用すれば、連続的な接合が可能であり、鋼材とアルミニウム材との接合を効率よく実施できることとなる。

以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の限定理由とを具体的に説明する。

（異材接合方法）
本発明異材接合方法の一態様を図１を用いて説明する。図１は異材継手をアーク溶接法にて接合する方法を正面図で示している。図１において、１１は後退角度θを有してセットされた溶接トーチ、１０は、外部から連続的に供給されるアルミニウム溶接ワイヤである。２は上板である（上側に載置された）鋼材（鋼板）、３は下板である（下側に載置された）アルミニウム材（アルミニウム合金板）である。４ａ、４ｂは、鋼材２に、溶接線に沿って、予め間隔を開けて設けた、複数の貫通穴（貫通空間）である丸穴を示す。

溶接トーチ１１は、鋼材２とアルミニウム材３とを重ね合わせた部分を、鋼材の右端２ａとアルミニウム材の右端３ａとを、溶接の開始端として、図１の矢印方向（図１の右から左）へ、後退角度θを有したまま移動している状態を示している。したがって、アルミニウム溶接ワイヤ１０によって形成されるアルミニウムビード５は、図１の右から左へ向かって、連続的に形成されていく。

但し、この溶接トーチ１１の走行は、この１パスのみとする。前記した通り、溶接トーチ１１を再度走らせても、鋼材２やアルミニウム材３側、また、１パス目で貫通穴４ａ部分に充填されたアルミニウム溶接材料７を十分に加熱することができず、結果、アルミニウム溶接材料７の貫通穴４ａへの溶融充填を確保することができない。

言い換えると、上記スクラムリベット法では、溶接トーチの走行について、２パス以降を行うは意味がなく、１パスのみで、前記空間（貫通穴）部分にアルミニウム溶接材料を十分溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成するように接合する必要がある。

（貫通穴）
図１の溶接状態において、左側の２個の丸穴（貫通穴）４ｂ内には、アルミニウム溶接材料７がいまだ充填されておらず、それより右側の丸穴（貫通穴）４ａ内や、４ｂ内には、溶接トーチが既に通過して、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されたアルミニウム溶接材料７が、既に溶融凝固して充填された態様を示している。

ここで、アーク溶接の開始端である鋼材の右端２ａから、図の左側に向かって、溶接線に沿って形成されている２個の丸穴４ａの径（直径）ｄ１は、それより図の左側に向かって、溶接線に沿って形成されている丸穴４ｂの径（直径）ｄ２よりも、大きく形成されている。

（穴径４ｂ）
丸穴４ｂは、いずれも通常のスクラムリベット法により設ける貫通穴径（直径）ｄ２を有する。この丸穴４ｂの穴径ｄ２は、円換算にて２．０ｍｍ径以上、５．０ｍｍ径未満の範囲から選択する。また、この丸穴４ｂのピッチ（間隔）ｐ２を２〜１０ｍｍの範囲で設ける。この穴径ｄ２が小さすぎると、溶接条件にもよるが、通常のＭＩＧ溶接ワイヤ条件（ワイヤ径がφ１．２〜１．４）では、アルミニウム溶接材料７のアルミニウム材への溶け込み量が不足し、スクラムリベット法の効果自体がなくなる。また、ピッチ（間隔）ｐ２が１０ｍｍを超えても同様である。

一方、この穴径ｄ２を大きくしすぎると、丸穴４ｂへの溶融アルミニウム材料７の充填不良が起きる。また、丸穴４ｂ同士のピッチ（間隔）ｐ２が上記範囲を外れて小さくなりすぎる。この結果、溶融アルミニウム材料７が丸穴４ｂの空間を埋めるために投入された溶接時の熱が、ピッチ（間隔）部分の鋼材（非空間部分）に貯まりやすくなる。この結果、溶接アーク点が、丸穴４ｂからピッチ部分の鋼材に移行した際に、ピッチ部分の鋼材の熱が高くなっているために、ビード部を形成するアルミニウム溶融金属内部に、鋼材からの鉄分が溶解しやすくなる。その結果、金属間化合物が多量に生成し、ビードが割れやすくなる。したがって、本発明のスクラムリベット法における、丸穴４ｂの穴径ｄ２は円換算にて２．０ｍｍ径以上、５．０ｍｍ径未満の範囲とする。

（穴径４ａ）
一方、アーク溶接の開始端である鋼材の右端２ａから、図の左側に向かって、溶接線に沿って形成されている２個の丸穴（貫通穴）４ａの径（直径）ｄ１は、通常乃至従来では、それより図の左側に向かって、溶接線に沿って形成されている丸穴４ｂの径ｄ２と、同じ大きさに形成されている。言い換えると、設ける丸穴の径は全て同じとされ、機械加工にて、鋼材に丸穴４ｂを溶接線に沿って連続的に一定のピッチｐ２で加工するに際し、効率上、径ｄ２を丸穴によってわざわざ変化させることはない。

これに対して、本発明では、溶接を開始する側にある、例えば２個の丸穴（貫通穴）４ａの円換算径ｄ１を、これ以外の丸穴（貫通穴）４ｂの円換算径ｄ２の１．２倍以上、２．０倍以下の大きさとする。即ち、ｄ１とｄ２との比、ｄ１／ｄ２を１．２〜２．０とする。

なお、このように、本発明で、これ以外の貫通穴の径ｄ２よりも、貫通穴の径ｄ１を大きくする対象となる貫通穴は、溶接を開始する側にある貫通穴であって、アーク溶接の開始時のアークの不安定性になるか、アーク溶接の開始が鋼材２側表面となった場合に、アルミニウム溶接材料７の充填不足、もしくは溶け込み不足が生じやすい貫通穴とする。

このようなアルミニウム溶接材料７の充填不足、もしくは溶け込み不足が生じやすい貫通穴とは、丸穴４ｂの条件を前記した穴径ｄ２とピッチｐ２で設けることを前提とした場合には、溶接を開始する側から、１個、あるいは多くても３個までである。

溶接を開始する側にある丸穴４ａの径ｄ１を、このように大きくすれば、アルミニウム材３側への入熱も大きくなる。これによって、通常のアーク溶接条件の範囲内であれば、前記アルミニウム溶接材料７の充填不足、もしくは溶け込み不足が生じやすい、アーク溶接の開始側の丸穴４ａであっても、アルミニウム溶接材料７の充填量と溶け込み量を確保する。これによって、２個の丸穴４ａへのアルミニウム溶接材料７の充填不足、もしくは溶け込み不足を解消し、アーク溶接の開始側の２個の丸穴４ａ部分であっても、後続する丸穴４ｂと同等の接合強度を有するようにする。

溶接を開始する側にある丸穴４ａの径ｄ１の大きさが、これ以外の丸穴４ｂの径ｄ２と同じなど、小さすぎると、通常のアーク溶接条件の範囲内では、特に、アーク溶接の開始が、アルミニウム材３側ではなく、鋼材２側表面となった場合に、アーク溶接を開始する側にある２個の丸穴４ａにおいて、アルミニウム溶接材料７を十分に溶融充填できなくなることが起こりやすい。

即ち、アーク溶接の開始時のアークの不安定性になるか、アーク溶接の開始が鋼材２側表面となった場合には、鋼材２側への入熱が与えられても、アルミニウム材３側への入熱が不足して、アルミニウム材３側が十分に加熱されなくなる。このため、アルミニウム合金溶接ワイヤ１０から供給されるアルミニウム溶接材料７が、鋼材２側に予め設けられた丸穴４ａに、十分に溶融充填されなくなる。

アーク溶接開始からの時間経過によって、アークの安定性が確保され、また、アルミニウム材３側への入熱も確保されるようになると、アルミニウム合金溶接ワイヤ１０から供給されるアルミニウム溶接材料７は、溶接線上に配置された後続する丸穴４ｂに、十分に溶融充填されるようになる。したがって、この問題は、あくまでアーク溶接を開始する側にある２個の丸穴４ａに生じる特有の問題である。しかし、このようなアルミニウム溶接材料７の充填不足、もしくは溶け込み不足が生じた、アーク溶接の開始側の２個の丸穴４ａ部分では、接合強度が、溶接線上に配置された後続する丸穴４ｂに比して、大きく低下する。

一方、丸穴４ａの径ｄ１は、丸穴４ｂの径ｄ２の２．０倍以下とする。丸穴４ａの径ｄ１は、大きくしすぎると、丸穴４ｂの径ｄ２と同様に、丸穴４ａ同士や丸穴４ｂとのピッチ（間隔）ｐ１が小さくなりすぎる。この結果、丸穴４ｂの径ｄ２と同様に、溶融アルミニウム材料７が丸穴４ａの空間を埋めるために投入された溶接時の熱が、ピッチ（間隔）部分の鋼材（非空間部分）に貯まりやすくなる。この結果、溶接アーク点が、丸穴４ａからピッチ部分の鋼材に移行した際に、ピッチ部分の鋼材の熱が高くなっているために、ビード部を形成するアルミニウム溶融金属内部に、鋼材からの鉄分が溶解しやすくなる。その結果、金属間化合物が多量に生成し、ビードが割れやすくなる。

したがって、溶接を開始する側にある丸穴４ａの円換算径ｄ１は、これ以外の丸穴４ｂの円換算径ｄ２に対して、ｄ１とｄ２との比、ｄ１／ｄ２を１．２〜２．０と大きくする。

（穴径の設計）
通常のスクラムリベット法による穴径で良い、丸穴４ｂの径ｄ２は、通常のアーク溶接条件の範囲内であれば、継手形状、大きさによる溶接線の長さや、アーク溶接装置能力、仕様に応じて、丸穴４ｂの径ｄ２を、円換算にて２．０ｍｍ径以上、５．０ｍｍ径未満の範囲から選択する。

一方、溶接を開始する側にある丸穴４ａの径ｄ１は、アーク溶接開始時のアークの安定性や、アーク溶接開始が鋼材２側表面となった場合のアルミニウム材３側への入熱不足量の予測、更には丸穴４ｂの径ｄ２と、このｄ２の１．２倍以上、２．２倍以下の大きさの範囲、などから設計する。この選択のために、場合によっては、予め予備的に試験溶接して試してみても良い。丸穴４ａ同士や丸穴４ｂとのピッチ（間隔）ｐ１は、丸穴４ｂ同士のピッチ（間隔）ｐ２の２〜１０ｍｍの範囲と同じ範囲から選択する。

溶接を開始する側にある丸穴４ａの個数は、アーク溶接の開始時のアークの不安定性になるか、アーク溶接の開始が鋼材２側表面となる場合に、鋼材２側への入熱が与えられても、アルミニウム材３側への入熱が不足するような、溶接領域（溶接長さ）に在る丸穴とする。通常のアーク溶接条件の範囲では、この丸穴４ａの必要個数は１〜３個であり、４個以上に多くする必要はない。なお、溶接を開始する位置では、溶接材料の付着量が多くなる傾向にあり、溶接を開始する側にある丸穴４ａの径ｄ１は、φ６．０〜７．０ｍｍまでなら、溶融アルミニウム材料７の丸穴４ａへの充填が可能である。但し、後続する丸穴４ｂの穴径ｄ２を全て丸穴４ａの径ｄ１と同様に、φ６．０〜７．０ｍｍまで大きくした場合には、後続する丸穴４ｂでは、溶融アルミニウム材料７の丸穴４ｂへの充填不良が生じる。

（穴形状）
なお、鋼材に設ける貫通穴（空間）の形状は、必ずしも、このような丸穴４ａ、４ｂだけでなく、図３に示すように、楕円形４ｃ、台形４ｄ、三角形４ｅなど、円形や、角形、多角形、あるいは不定形、更には、これらの組み合わせなど、本発明効果を発揮でき、形成しやすい形状であれば、適宜選択できる。ただ、穴の機械加工のしやすさなどからしても、角部が無く、応力集中しにくい円形あるいは楕円形などの形状が望ましい。このような多様な形状に対応するために、本発明では、鋼材に予め設ける円以外の形状の貫通穴（空間）の径は、同じ面積を有する円の直径に換算した「円換算」と規定した。

（溶接トーチ後退角度）
また、本発明では、以上のスクラムリベット法の前提のもと、図１に示すように、溶接トーチ１１に後退角度θを設けて走らせる。このように、溶接トーチ１１に後退角度θを設ければ、鋼材２上でビード５が形成されている時に、アルミニウム溶接材料８が、溶接線上に配置された貫通穴４ａ、４ｂに、先行して流れ込むことが無い。この後退角度θは垂直（鉛直）方向に対して５〜２０度とし、溶接進行方向（図１の左側）に対して、溶接トーチ１１が後退する方向を向くようにする。

溶接トーチ１１に後退角θを設けず、溶接トーチ１１の方向を垂直（鉛直）方向とすると、図１のように、鋼材２上でビード５が形成されている時に、アルミニウム溶接材料７が、左側の前方にある貫通穴４ｂ（図１では左から２番目の４ｂ）に、先行して流れ込んでしまう。このため、先行して流れ込まれた、この左側の前方にある貫通穴４ｂでは、アークによるアルミニウム材３側への入熱が確保できなくなる。これは、溶接線上に配置された貫通穴４ａ、４ｂに共通して生じる問題であり、溶接を開始する側にあるか否かの配置位置にかかわらない。

したがって、本発明では、溶接開始の当初（最初）から、図１に示すように、溶接トーチ１１に後退角θを設けて走らせる。

以上、本発明によれば、スクラムリベット法により、ビード内部の脆弱なFe-Al系金属間化合物の生成が抑制でき、ビード表面の割れが抑制される。また、アーク溶接の開始側の１個あるいは複数個の貫通穴部分であっても、他の貫通穴の大きさに比して大きくすることで、アルミニウム材側への入熱不足を解消して、貫通穴へのアルミニウム溶接材料の溶融充填を確保できる。更に、溶接トーチに後退角を設けることで、どの位置の貫通穴部分であっても、アルミニウム溶接材料が貫通穴に先行して流れ込むのを防止して、アルミニウム材側への入熱不足を解消して、貫通穴へのアルミニウム溶接材料の溶融充填を確保できる。

これによって、本発明によれば、鋼材とアルミニウム材とのアーク溶接による異材接合の接合強度を高めることができる。しかも、本発明を採用すれば、連続的な接合が可能であり、鋼材とアルミニウム材との接合を効率よく実施できることとなる。

（異材接合継手）
図２に、図１のスクラムリベット法によって接合した異材接合継手を、平面図（ａ）および側面図（ｂ）で示す。図２において、１は、上板である鋼材２（鋼板）と、下板であるアルミニウム材３（アルミニウム合金板）とを重ね合わせて、溶接線６にてアーク溶接にて接合した、異材接合継手である。５は、接合部表面に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されるアルミニウム溶接材料が溶融凝固して形成された溶接ビードである。

４ａは溶接を開始する側にある前記大きな径の丸穴、４ｂは前記通常の大きさの径の丸穴である。また、７は、溶接接合の際に、アルミニウム溶接ワイヤなどから供給されて、この各丸穴４ａ、４ｂ中に溶融充填されて凝固したアルミニウム溶接材料である。また、２ａは鋼材の右端、３ａはアルミニウム材の右端で、溶接の開始端である。

図２では、丸穴４ａ、４ｂが全てアルミニウム溶接材料７で十分に隙間なく埋められている状態を示している。この状態は、特に溶接を開始する側にある丸穴４ａを含めて、丸穴４ａ、４ｂ内に、この部分での接合強度が確保される量だけ、アルミニウム溶接材料７が十分に溶融充填されている状態を示している。しかし、接合強度が確保できれば、丸穴４ａ、４ｂ内に、隙間が多少あっても、構わない。

また、図２（ｂ）に示すように、鋼材２の丸穴４ａには、４ｂを含めて、穴内に充填凝固されたアルミニウム溶接材料７によって、アルミニウム溶接部が充填形成されている。ここで、図示はしないものの、アルミニウム溶接部の下端部（アルミニウム溶接材料７の右方側）は、アルミニウム材３が丸穴４ａの底部に露呈した表面に（図の右方側に向かって）、溶け込んだ状態となって溶融接合されている。この溶け込み部は、丸穴４ａの内面下端縁から、丸穴４ａ中央部の最大深さ部に亙って形成されている。

更に、前記アルミニウム接合部の上端部（アルミニウム溶接材料７の左方側）は、鋼板２の表面に溶接線６に沿って被覆形成された溶接ビード５に溶着一体化（溶融接合）している。これら溶接ビード５、前記アルミニウム接合部および前記溶け込み部は、溶接ワイヤの溶融により、供給されたアルミニウム溶接材料によって一体的に形成された部分である。

（溶接条件）
上記の通り、アルミニウム材と鋼材との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、溶接条件として、母材である鋼材を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融（希釈）量で健全な接合状態が得られるように溶接することが好ましい。

（アーク溶接）
アーク溶接では、溶接時の溶接電流が過大とならない範囲に制御することが望ましい。そのため本発明を実施する際の好ましいアーク溶接条件としては以下の通りである。

溶接電流は、７０Ａ以上、好ましくは８０Ａ以上で、１２０Ａ以下、より好ましくは１１０Ａ以下である。大電流となるほど、少なからず生成する接合界面の金属間化合物が、接合強度に悪影響をおよぼす可能性があるので、こうした金属間化合物を抑制する上で、比較的低い電流条件で接合することが推奨される。

溶接電圧は、１０Ｖ以上、好ましくは１５Ｖ以上で、３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下である。

溶接速度は、上記溶接電流および溶接電圧に応じて、母材中のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。ただ、溶接能率なども考慮して好ましいのは２０ＣＰＭ以上、好ましくは３０ＣＰＭ以上で、１００ＣＰＭ以下、より好ましくは９０ＣＰＭ以下である。

シールドガスは、Ａｒなど汎用されるガスが適宜使用でき、ガス流量も、汎用流量が選択でき、特に制限は無い。

（溶接ワイヤ）
アーク溶接に使用する溶接ワイヤ素材としては、前記鋼材の空間を埋めたり、ビードを形成するためのアルミニウム溶接材料を供給できるアルミニウム系の材料であれば、継手や溶接条件に応じて、適宜選択される。この点、ＪＩＳで規定される、Ａ４０４３−ＷＹ、Ａ４０４７−ＷＹ、Ａ５３５６−ＷＹ、Ａ５１８３−ＷＹなどが、好適に例示される。

前記溶接ワイヤの内、Ａｌ−Ｍｇ系ワイヤは、Ａｌ−Ｓｉ系ワイヤに比べて、アルミニウム材の強度が高く、またアークを短く、安定化する作用が強いために好ましい。このため、鉄鋼板として溶融亜鉛メッキ鋼板を使用する場合でも、好適に使用することができる。溶融亜鉛メッキ鋼板を用いて溶接すると、溶接の際に亜鉛蒸気が貫通穴の開口から噴出すので、Ａｌ−Ｓｉ系ワイヤを用いた場合、アークが不安定になりやすく、貫通穴にアルミニウム接合部が充填されがたい可能性がある。これに対して、前記Ｍｇを含むＡｌ−Ｍｇ系ワイヤではアークが短く安定化するので、上記のような不都合がなく好適である。

また、前記Ａｌ−Ｍｇ系ワイヤは、溶接ビードに割れが発生し難い点でも好ましい。アルミニウムと鉄鋼とでは、溶接、冷却時の熱収縮量が異なるため、溶接の際に溶接ビードに引張応力が発生する。このため、溶接ビードを形成するアルミニウム溶接材の強度が低く、またその熱収縮量が大きいほど、ビード割れが発生し易くなる。前記Ａｌ−Ｍｇ系ワイヤは、Ａｌ−Ｓｉ系ワイヤに比べて、材料強度が高いので、溶接ビードに割れが発生し難い。このため、溶接継手の外観を損なうことなく、またビード割れによる溶接継手の疲労強度の低下を防止することができるという利点がある。

（鋼材）
本発明で言う鋼材とは、普通鋼、高張力鋼（ハイテン）などの鋼材のことを指す。本発明においては、継手に使用する鋼材の種類や形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、圧延鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。その意味で、請求項では鋼材とした。ただ、継ぎ手や鋼材の強度を得るためには、高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。

(アルミニウム材）
本発明で言うアルミニウム材とは、ＪＩＳなどで規格化された純アルミニウム材あるいはアルミニウム合金材のようなアルミニウム材を指す。本発明で用いるアルミニウム材は、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板材、押出形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

図１のように、種々の径の丸穴（貫通穴）４ａ、４ｂを溶接線に沿って予め設けた鋼材２を上側、アルミニウム材３を下側として、これらを互いに重ね合わせて、１パスのみのミグ溶接した異材接合体１（図２）の溶接性を評価した。これらの結果を表１に示す。各例とも、後述する試験、評価に対応する数だけ異材接合体１を制作した。

溶接を開始する側にある丸穴４ａは、その個数、穴径ｄ１を、丸穴４ｂの穴径ｄ２との関係で、その大きさを変えた。これら穴径は全て円換算である。表１に示す丸穴４ａの個数は、アーク溶接の開始端である鋼材の右端２ａから、図１の左側に向かって、溶接線に沿って形成されている丸穴４ａの全個数であり、比較例は０個から２個、発明例は１個から２個とした。また、丸穴４ｂは各例とも１０個設けた。

溶接条件は、各例とも、溶接電流（直流電源）は９５Ａ、溶接電圧は１８〜１９Ｖ、溶接速度４５ＣＰＭと一定にし、トーチ１１の後退角θのみを種々変えて行った。

そして、図１のように、トーチ１１を溶接線に沿って走らせながら、アルミニウム溶接ワイヤ１０によって、鋼材２側に設けた丸穴４ａ、４ｂに、アルミニウム溶接材料７を溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料７によるビード５を形成し、異材接合継手とした。これらの重ね溶接に際し、溶接トーチ１１の走行は１回（１パス）のみとした。

アルミニウム溶接ワイヤ１０は、直径１．２ｍｍの５０００系アルミニウム合金組成であるＡ５３５６−ＷＹを使用した。シールドガスとしては、Ａｒを使用し、流量は２０〜２５L/min とした。なお、本発明では、裏当て金は設ける必要はなく、本実施例でも設けなかった。

鋼材２は市販の５９０ＭＰａ級の高張力鋼板：板厚１．２ｍｍ、アルミニウム材３はＡ６０６３アルミニウム合金板：板厚２．５ｍｍ（アルミ形材より切断採取したもの）を各々用いた。試験片の平面サイズは、鋼板、アルミニウム合金板とも１００ｍｍ×３００ｍｍとし、両者とも、３００ｍｍの辺側同士を重ね合わせて、この辺全長をミグ溶接した（溶接線の長さは３００ｍｍ）。

（溶接性評価）
各例の、溶接を開始する側にある丸穴４ａと、これに後続する通常の丸穴４ｂへのアルミニウム溶接材料７の溶け込み状況を、接合後に溶接部を強制的に破壊して目視にて各々観察して、評価した。各例とも、溶接を開始する側の丸穴４ａは二番目の穴を、通常の丸穴４ｂは最初の丸穴４ｂから数えて後続する４〜１０番目の穴で、最も溶け込みが悪い穴を、各々選択して観察、評価した。

溶け込みの評価は、アルミニウム板３の溶け込みの評価と、溶融アルミニウム材料７充填量とを同時に評価できるパラメータとして、溶接部を強制的にはがした（破壊した）ときに、むしり取られたアルミニウム板の面積によって行った。即ち、むしり取られたアルミニウム板の面積を、はがした時に溶け込みが確認できる面積Ａ（ｍｍ² ）とし、丸穴４ａの面積Ｓ（ｍｍ² ）との比Ａ／Ｓで評価した。そして、Ａ／Ｓが８０％以上を、溶け込みと充填量とが良好であるとして○と評価した。一方、Ａ／Ｓが７０％〜８０％未満を溶け込みは良好であるが充填量が不足気味であるものを△、Ａ／Ｓが７０％未満を溶け込みも充填量も不良であるものを×、と３段階で評価した。

（継手強度）
また、これらの溶接後の異材接合体１から、設けた丸穴４ａを全て含む、板幅３０ｍｍの継手強度評価用試験片を採取し、２５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引張試験を行い、下記式にしたがい単位溶接長あたりの継手強度（Ｎ／ｍｍ）を算出した。継手強度（Ｎ／ｍｍ）＝最大荷重点荷重（Ｎ）／試験片幅（ｍｍ）。

継手強度は、２５０Ｎ／ｍｍ以上が○、２００〜２５０Ｎ／ｍｍ未満が△、２００Ｎ／ｍｍ未満が×、と評価した。継手強度は２５０Ｎ／ｍｍ以上で自動車などの構造部材用に使え、２００Ｎ／ｍｍ以上で条件によっては使える接合強度評価となる。

表１から明らかなように、発明例３、４、６は、丸穴４ａの直径を、丸穴４ｂの直径の１．２倍〜２．０倍の大きさとしている。また、丸穴４ｂの直径を円換算にて３．５ｍｍとしてる。更に、溶接トーチ１１の１パスのみのミグ溶接によって接合するに際し、溶接トーチ１１に後退角θを設けている。この結果、発明例３、４、６は、溶接を開始する側にある丸穴４ａへのアルミニウム溶接材料７の溶け込みや充填量が良好で、継手強度も高い。

これに対して、比較例１、２は、丸穴４ａの直径が丸穴４ｂの直径と同じであり、丸穴４ａの直径が過小で、実質的に丸穴４ａを設けていない。比較例５は、溶接トーチ１１が後退角θをもたず直立している、比較例７は、丸穴４ａの直径が、丸穴４ｂの直径の２．０倍を超えて過大である。このため、これら本発明範囲を外れた比較例は、発明例に比して、溶接を開始する側にある丸穴４ａへのアルミニウム溶接材料７の溶け込みや充填量が不良で、継手強度も低い。

したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する要件、あるいは好まし要件の臨界的な意義が分かる。

本発明によれば、スクラムリベット法でのアーク溶接方法による異材接合方法を改善して、高い接合強度を安定的に確保でき、優れた継手強度を有するとともに、溶接継手部に割れのない健全な異材接合継手を得ることができる。また、施工方法が容易で、線溶接が可能なアーク溶接を活用した接合方法を提供できる。したがって、鋼材とアルミニウム材との異材接合継手の分野に有用である。

本発明異材接合継手の溶接接合方法の一態様を示す正面図である。 本発明異材接合継手の一態様を示し、図１（ａ）は平面図、および図１（ｂ）は側面図である。 鋼材の貫通穴の形状の他の態様を示す平面図である。

符号の説明

１：異材接合継手、２：鋼材（鋼板）、
３：アルミニウム材（アルミニウム合金板）、４：貫通穴（丸穴）、
５：溶接ビード、６：溶接線、７：アルミニウム溶接材料、
１０：アルミニウム溶接ワイヤ、１１：溶接トーチ、θ：後退角

Claims (1)

1. アーク溶接法により鋼材とアルミニウム材との異材を接合する方法であって、予め前記鋼材側に溶接線に沿って複数の貫通穴を設けておき、該鋼材を上側、アルミニウム材を下側として、これらを互いに重ね合わせ、溶接トーチを後退角を設けて前記溶接線に沿って走らせながら、アルミニウム溶接ワイヤによって、鋼材側に設けた前記複数の貫通穴に、アルミニウム溶接材料を溶融充填させつつ、かつアルミニウム溶接材料によるビードを形成する、溶接トーチの１パスのみのアーク溶接によって異材を接合するに際し、前記複数の貫通穴のうちの溶接を開始する側にある所定の個数の貫通穴の円換算による径ｄ１を、これ以外の貫通穴の径ｄ２の１．２〜２．０倍の大きさとし、前記径ｄ２は円換算にて２．０ｍｍ径以上、５．０ｍｍ径未満とし、前記径ｄ２を有する貫通穴同士の間隔ｐ２は２〜１０ｍｍの範囲で一定とし、且つ、前記径ｄ１を有する貫通穴同士の間隔および前記径ｄ１を有する貫通穴と隣り合う前記径ｄ２を有する貫通穴との間隔であるｐ１も２〜１０ｍｍの範囲で一定とするように設けることを特徴とする異材接合方法。

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