JP4971821B2 - 鋼材とアルミニウム材との異材接合方法 - Google Patents
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本発明では、鋼材1 の板厚t1が0.3 〜3.0mm である接合体であることが必要である。鋼材1 の板厚t1が0.3mm 未満の場合、前記した構造部材や構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。
本発明においては、使用する鋼材1 の形状や材料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、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。ただ、自動車部材などの軽量な高強度構造部材(異材接合体)を得るためには、鋼材の引張強度が400MPa以上である通常の高張力鋼(ハイテン)であることが好ましい。引張強度が400MPa未満の低強度鋼では一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜が鉄酸化物からなるため、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度が400MPa以上、望ましくは500MPa以上の高張力鋼(ハイテン)であることが好ましい。
本発明で用いるアルミニウム材2 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、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。ただ、アルミニウム材2 の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、A5000 系、A6000 系などの使用が最適である。
本発明スポット溶接方法では、前記した通り、スポット溶接方法の基本的な態様、あるいは前提的な態様は、通常の抵抗スポット溶接の態様と同じである。即ち、上記した鋼材1 とアルミニウム材2 とを互いに重ね合わせ、鋼材1 側とアルミニウム材2 側とから電極チップ7 、8 により各々挟み込んだ状態で、加圧力を加えながら、上下電極間に大電流の溶接電流を短時間流す。そして、このような大電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用して、接合面4 に円形の平面形状を有するナゲット5 と呼ばれる溶接部を得る。このナゲット5 は、両金属板に電流を流した際に両金属板の接触個所で両金属板が溶融し、凝固した部分であり、これにより鋼材1 とアルミニウム材2 同士が円形状に接合される。
本発明で特徴的な電極チップの条件について、以下に説明する。先ず、本発明スポット溶接方法では、図1に示す、先端が所定の曲率半径R を有する曲面である電極チップ7 、8 は、ドーム型の曲面を有するDR型の電極チップか、あるいはR型の電極チップの使用を前提とする。ここでDR型電極チップとは、JIS C 9304 (1999)に規定する電極形状で、図2に示すように、先端の曲率半径Rが2段階で変化するために、Double−Radius=DR型と称している。このDR型電極チップの場合の先端の曲率半径R(R1、R2)は、2段階の曲率半径Rの内でも、図2で先端径の範囲として図示している、電極チップ先端側(より先端側)の曲率半径を言う。また、R型電極チップとは、図3に示すように、先端の曲率半径Rが変化せずに一定である電極チップを言う。なお、図2、3において、電極チップの先端曲率半径R(R1、R2)は、各々先端Rと略記している。
本発明スポット溶接方法では、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層(界面反応層)の形成を抑制して、鋼とアルミニウムとの高い接合強度を得る。このために、電極チップの先端曲率半径Rとして、図1の鋼材1側の電極チップ7の先端曲率半径R1を30〜90mmとする一方、アルミニウム材2側の電極チップ8の先端曲率半径R2を、この鋼材側の電極チップの先端曲率半径R1に比して一定量大きくする。その範囲は、鋼材1 側の電極チップ7 の先端曲率半径R1との比率で2.0 <R2/R1 <6.0 となる範囲とする。
ここで、鋼材1 側の電極チップ7 の先端曲率半径R1が小さすぎると、鋼材1 側の面圧が高くなりすぎ、ナゲット部での加圧力の伝達を小さくできず、前記したアルミニウムの接合面4 からの排除抑制ができにくい。このため、却って高い接合強度を得ることができなくなる。一方、鋼材1 側の電極チップ7 の先端曲率半径R1が大きすぎると、電極チップ7 による鋼材1 側の面圧も下がるために、融点の高い溶融亜鉛合金化めっき6 の接合面4 からの溶融除去ができなくなる。したがって、鋼材1 側の電極チップ7 の先端曲率半径R1は30〜90mmの範囲とする。
一方、アルミニウム材2 側の電極チップ8 の先端曲率半径R2を、鋼材1 側の電極チップ7 の先端曲率半径R1よりも大きくする割合が小さい(R2が小さすぎると)と、本発明の効果が出ず、従来と同じとなる。即ち、アルミニウム材2 側の面圧が高くなりすぎ、ナゲット5 での加圧力の伝達を小さくできず、前記したアルミニウムの接合面4 からの排除抑制ができにくくなる。この結果、アルミニウムの溶融プールを接合面4 に作ることができず、高い接合強度を得ることができなくなる。
電極チップ7、8の先端径(mm)は、先端曲率半径R1、R2の大きさによって変わり、R が大きくなるほど大きくなり、小さくなるほど小さくなる。ただ、スポット溶接の装置、設備能力限界からすると、電極チップ7、8の先端径(mm)は、汎用されている 5〜20mmの範囲から選択することが好ましい。
以下に、高い接合強度を得るための、上記した電極チップ条件以外の好ましいスポット溶接条件を説明する。なお、以下の好ましいスポット溶接条件は、上記した電極チップ条件と、互いに重ね合わせてスポット溶接する、アルミニウム材の板厚t2が0.5 〜4.0mm であり、亜鉛めっき鋼材の板厚t1が0.3 〜3.0mm であることを前提とする。
以上説明した電極チップを使用した電極チップ7、8の挟持による加圧力は、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、比較的大きなナゲット面積を得るためには、比較的大きな加圧力を印加する。本発明では、この加圧力は、先端曲率半径が小さい鋼材側の電極チップ7の最適加圧力に合わせる。
スポット溶接時の電流については、前記したアルミニウムの接合面4 からの排除抑制の本発明効果を得るためには、8 〜30kAの電流を200 〜1800msecの通電時間流す工程を有し、この範囲で上記板厚範囲に応じた適切な条件を選択することが好ましい。更に、これらの工程より高い電流の工程が存在しない電流パターンであることが好ましい。
異材接合体に耐食性が要求される場合には、鋼材1 とアルミニウム材2 との間に、全面的に、あるいは必要部位に、予め有機樹脂接着剤の皮膜を介在させた上でスポット溶接を行う、ウエルドボンド方式の態様としても良い。有機樹脂接着剤の皮膜は、電気的な絶縁層として、スポット溶接時には、脆い界面反応層形成時間を抑制制御し、更に、スポット溶接後は、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、異種金属同士の接触腐食を抑制する機能を有する。
スポット溶接は、直流抵抗溶接試験機を用い、Cu-Cr 合金からなる、図 1に示す、DR型の電極チップ7 、8 か、あるいはR型の電極チップを用い、陽極をアルミニウム合金板2 、陰極を鋼板1 として接合した。そして、表1に示す、電流パターン (溶接電流、溶接時間) にて溶接を行い、異材接合体の十字引張試験体を作製した。表1、2において、例1〜19、例32〜37はDR型の電極チップ(電極先端径:R1 が40の部分の電極径φ8 )、例20〜31はR型の電極チップ(電極先端径=電極径φ16)を用いた。
これら各例について、接合強度評価用に5体作製し、接合強度を評価した。強度の評価には、スポット接合の強度を測定するために、各例について5体の十字引張試験を実施し、剥離強度(接合強度)を測定し、平均化した。剥離強度が1.0 kN以上を○、剥離強度が0.7kN以上を溶接条件や用途を変更すれば使用可能として△と評価した。さらに、剥離強度が0.7kN 未満であれば使用不可として×とした。
5:ナゲット、6:亜鉛めっき層、7、8:電極
Claims (2)
- 板厚t2が0.5 〜4.0mm であるアルミニウム材と、板厚t1が0.3 〜3.0mm であり、少なくともアルミニウム材との接合面に亜鉛めっきが施された鋼材とを互いに重ね合わせ、鋼材側とアルミニウム材側とから、先端が所定の曲率半径R を有する曲面である電極チップにより各々挟み込んだ状態で抵抗スポット溶接により溶接接合する異材接合方法であって、鋼材側の電極チップの先端曲率半径R1を30〜90mmとする一方、アルミニウム材側の電極チップの先端曲率半径R2を2.0 <R2/R1 <6.0 として、鋼材側の電極チップの先端曲率半径R1よりも大きくすることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合方法。
- 前記鋼材が溶融亜鉛合金化めっき高張力鋼板である請求項1に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合方法。
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