JP5044162B2 - 異種金属継手構造及び異種金属接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属継手構造及び異種金属接合方法に関するもので、アルミニウム合金製の母材をスチール製の母材に接合させる際の継手構造及び該継手構造を用いた接合方法に関する。

近年、自動車においては、環境性能と運動性能との両立が技術的課題になっている。両性能の両立には車両の軽量化が有効である反面、衝突安全性能の向上や情報機器の搭載により車両は重量化の傾向にある。車両を効果的に軽量化するには、車体に使用されている比較的大型のパネル部品の材料にアルミニウム合金を採用するのが有効である。特に、ルーフパネルは、車両重心に対して最も高い位置に位置するため、アルミニウム合金化による軽量化により、車両のコーナリング性能を大幅に向上させることが可能になる。したがって、高級車と称される一部の車種では、フードパネル、フェンダパネル、ドアパネル、ルーフパネル等の材料に、従来からアルミニウム合金が用いられている。これらのパネル部品は、車体が完成した後にボルト・ナットによって車体に固定されるものが多いが、ルーフパネルは、生産性の問題で、車体組立工程においてサイドメンバ・アウタ（以下、単にサイドメンバと称する）に接合させる必要がある。

しかしながら、アルミニウム合金製のルーフパネルをスチール製のサイドメンバに接合させる場合、アルミ／鉄の異種金属部材間の接合になる。このため、従来設備（抵抗スポット溶接機）を用いた融接法による接合では、接合界面に脆い金属間化合物が生成され、継手強度が低く信頼性に問題がある。そこで、異種金属部材間の接合強度を融接法による接合で確保するために、異種金属部材をトランジションピースを介して接合させる技術が開発されているが、トランジションピースが高価であるためコスト的に実施が困難である。また、アルミニウム合金材料の塑性変形によるカシメ（ＴＯＸ）により、アルミ／鉄の異種金属部材を機械的に接合させる方法があるが、塗装工程時において、異種金属部材間の熱膨張差に起因する接合部の熱歪により、接合部に緩みが生じる虞がある。さらに、セルフピアシングリベット（ＳＰＲ）を用いて異種金属部材を機械的に接合させる方法も実用化されているが、これについてもリベットが高価でコスト的に問題がある。

そこで、従来、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により異種金属部材を固相接合させる技術が注目されており（例えば、特許文献１参照）、近年、定置式スポット型の摩擦攪拌接合装置も開発されている。しかしながら、この摩擦攪拌接合を車体組立工程に導入する場合、生産性を考慮して摩擦攪拌接合装置を多関節型アームロボットに持たせる必要があるが、固相接合は高い接合加圧力が必要であることから加圧ユニットが大型化且つ重量化し、設備全体が大型化する問題がある。
特開２００３−２７５８７６号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は、継手強度が確保されると共に製造コストが安価で且つ設備が省スペースに構成される異種金属継手構造を提供することにある。
また、第２の目的は、継手強度が確保されると共に製造コストが安価で且つ設備が省スペースに構成される異種金属接合方法を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の異種金属継手構造は、アルミニウム合金部材と鋼部材とを、鋼材からなる継手部材を介して重ね接合する継手構造であって、前記アルミニウム合金部材に切欠き部を形成し、前記継手部材を、該継手部材の一部が前記切欠き部から露出するように前記アルミニウム合金部材の前記切欠き部を挟んだ両側の接合代に固相接合し、前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分に前記鋼部材を融接法により接合することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の異種金属継手構造において、前記アルミニウム合金部材にフランジ部を形成し、該フランジ部に、固相接合部と前記切欠き部とを前記フランジ部に沿って交互に配設したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の異種金属継手構造において、前記フランジ部の前記固相接合部周辺に、塑性変形部を形成したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の異種金属継手構造において、前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分を、前記鋼部材に抵抗スポット溶接により接合したことを特徴とする。

上記第２の目的を達成するために、本発明のうち請求項５に記載の異種金属接合方法は、アルミニウム合金部材と鋼部材とを、鋼材からなる継手部材を介して重ね接合する方法であって、前記アルミニウム合金部材に予め切欠き部を形成しておいて、前記継手部材を、該継手部材の一部が前記切欠き部から露出するように前記アルミニウム合金部材の前記切欠き部を挟んだ両側の接合代に固相接合し、次に、前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分に前記鋼部材を融接法により接合することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の異種金属接合方法において、フランジ部の固相接合部周辺を、継手部材と固相接合させる以前に塑性加工することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の異種金属接合方法において、前記継手部材の前記切欠き部に露出した部分を前記鋼部材に抵抗スポット溶接により接合することを特徴とする。

したがって、請求項１及び５に記載の異種金属継手構造及び異種金属接合方法では、異種金属からなるアルミニウム合金部材と継手部材とが固相接合され、同種金属からなる鋼部材と継手部材とが融接法により接合される。また、継手部材は、アルミニウム合金部材の切欠き部に露出した部分が鋼部材に接合される。
請求項２に記載の異種金属継手構造では、フランジ部の固相接合部間に切欠き部が配置されるため、アルミニウム合金部材と鋼部材との熱膨張差に起因する応力集中が緩和される。
請求項３及び６に記載の異種金属継手構造及び異種金属接合方法では、フランジ部の剛性が高められる。
請求項４及び７に記載の異種金属継手構造及び異種金属接合方法では、継手部材と鋼部材とを接合させる工程を、従来設備（溶接ロボットが配設された従来の車体組立工程）にて行うことができる。

継手強度が確保されると共に製造コストが安価で且つ設備が省スペースに構成される異種金属継手構造及び異種金属接合方法を提供することができる。

本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、本実施形態では、自動車の車体に用いられるルーフパネル１（アルミニウム合金部材）とスチール製のサイドメンバ・アウタ２（鋼部材、以下、単にサイドメンバ２と称する）とを接合させる場合を説明する。本異種金属継手構造は、ルーフパネル１のフランジ部３と、サイドメンバ２と同種金属（鋼材）からなる継手部材４と、が摩擦攪拌接合（固相接合）によって接合される。さらに、継手部材４におけるルーフパネル１のフランジ部３に形成された切欠き部５に露出した部分（露出部６）とサイドメンバ２とが抵抗スポット溶接（融接法による接合）によって接合される。したがって、本異種金属継手構造では、溶接が困難とされている異種金属部材間の接合、即ち、ルーフパネル１と継手部材４との接合を、予め摩擦攪拌接合によって実施しておくことで、ルーフパネル１とサイドメンバ２の接合を、溶接が容易な同種金属間の接合、即ち、継手部材４とサイドメンバ２との接合に置換することが可能になる。これにより、本異種金属継手構造では、異種金属からなるルーフパネル１とサイドメンバ２の接合を、融接法による接合を用いた従来設備（溶接ロボットが配設された従来の車体組立工程）にて実施することができる構造になっている。

図２に示されるように、ルーフパネル１は、アルミニウム合金（Ａ６０１６）によって形成され、外観部７（車体の外観を構成する部分）と、該外観部７の車体幅方向両側に段差を介して設けられるフランジ部３と、によって構成される。なお、図１〜図４は、外観部７の一側に設けられたフランジ部３の周辺のみを示す。ルーフパネル１のフランジ部３には、外観部７の側縁に沿って複数個（本実施形態では、２個）の切欠き部５が形成される。そして、ルーフパネル１は、フランジ部３における各切欠き部５を挟んだ両側部分が接合代３ａとして用いられる。また、ルーフパネル１は、当該ルーフパネル１をプレス成形する工程において、フランジ部３の各接合代３ａに、各接合代３ａの縁に沿って接合面の反対側の面に突起させた波形突部８（塑性変形部）が塑性加工される。

そして、本異種金属継手構造は、ルーフパネル１のフランジ部３の各接合代３ａと継手部材４とが摩擦攪拌接合され、各接合代３ａの中央（波形突部８に囲まれた部分）に固相接合部９が形成される。また、本異種金属継手構造は、ルーフパネル１のフランジ部３の各切欠き部５に露出した継手部材４の各露出部６とサイドメンバ２とが抵抗スポット溶接され、継手部材４とサイドメンバ２との界面に抵抗溶接部１０（ナゲット）が形成される。なお、サイドメンバ２の素材はＳＣＧＡ、継手部材４の素材はＳＰＣＣである。

次に、本異種金属接合方法を説明する。まず、図２に示されるように、サイドメンバ２（鋼部材）と接合させる以前のルーフパネル１をプレス成形する工程において、ルーフパネル１のフランジ部３が抜き加工され、フランジ部３に各切欠き部５が形成される。また、フランジ部３は各接合代３ａが塑性加工され、各接合代３ａに各波形突部８（塑性変形部）が形成される。次に、図３に示されるように、摩擦攪拌接合工程において、アルミニウム合金製のルーフパネル１のフランジ部３の各接合代３ａとスチール製の継手部材４とが摩擦攪拌接合される。これにより、各接合代３ａの中央に固相接合部９が形成され、ルーフパネル１と継手部材４とが接合される。次に、車体組立工程において、図４に示されるように、継手部材４が接合されたルーフパネル１は、マテハンロボット（マテリアルハンドリングロボット）によってハンドリングされ、継手部材４がサイドメンバ２の所定位置に重ねられた状態で治具にセットされる。

ルーフパネル１が治具にセットされた後、多関節型アームロボットに溶接ガンを持たせた溶接ロボットによって、継手部材４におけるルーフパネル１のフランジ部３の各切欠き部５に露出した各露出部６とスチール製のサイドメンバ２とが抵抗スポット溶接される。これにより、図１に示されるように、継手部材４とサイドメンバ２との界面に抵抗溶接部１０が形成され、延いてはルーフパネル１とサイドメンバ２が継手部材４を介して接合される。

この実施形態では以下の効果を奏する。
本異種金属継手構造は、アルミニウム合金製のルーフパネル１（アルミニウム合金部材）のフランジ部３と、サイドメンバ２（鋼部材）と同種金属（鋼材）からなる継手部材４と、が摩擦攪拌接合（固相接合）によって強固に接合され、継手部材４におけるルーフパネル１のフランジ部３に形成された切欠き部５に露出した部分（露出部６）とサイドメンバ２とが抵抗スポット溶接（融接法による接合）によって強固に接合される。

したがって、本異種金属継手構造では、ルーフパネル１とサイドメンバ２が継手部材４を介して強固に接合され、異種金属からなるルーフパネル１とサイドメンバ２の接合強度が確保される。
また、異種金属からなるルーフパネル１と継手部材４とを予め摩擦攪拌接合（固相接合）しておくことで、溶接が困難である異種金属部材間の接合、即ち、ルーフパネル１とサイドメンバ２の接合が、溶接が容易な同種金属部材間の接合、即ち、継手部材４とサイドメンバ２との接合に置換することが可能になる。
これにより、ルーフパネル１とサイドメンバ２の接合を、融接法による接合を用いた従来設備（溶接ロボットによる抵抗スポット溶接）にて実施することができ、生産性が確保される。
また、従来設備を使用できるので、製造コスト及び設備コストの増加が抑制されると共に、加圧ユニットの大型化を伴う固相接合（例えば、摩擦攪拌接合や超音波接合）を車体組立工程に導入した場合と比較して、設備を省スペースに構成することができる。

また、本異種金属継手構造は、ルーフパネル１のフランジ部３に、隣接する接合代３ａの相互間に切欠き部５が形成される。
したがって、ルーフパネル１とサイドメンバ２の熱膨張差に起因する応力集中が効果的に緩和される。
これにより、熱歪が生じやすいルーフパネル１の変形が抑制され、車体の外観品質が確保される。
さらに、本異種金属継手構造は、ルーフパネル１のフランジ部３の各接合代３ａに、波形突部８（塑性変形部）を形成したことで、各接合代３ａの剛性が高められる。これにより、摩擦攪拌接合時における各接合代３ａの変形を効果的に防ぐことができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
本実施形態では、アルミニウム合金部材をルーフパネル１、鋼部材を車体のサイドメンバ２としたが、本異種金属継手構造は車体の接合に限定されるものではない。
本実施形態では、ルーフパネル１（アルミニウム合金部材）と継手部材４とが摩擦攪拌接合によって接合されるが、固相接合（ルーフパネル１と継手部材４との接合強度が確保できる接合方式）による接合であれば、例えば、ルーフパネル１と継手部材４とを超音波接合によって接合させてもよい。
本実施形態では、サイドメンバ２（鋼部材）と継手部材４とが抵抗スポット溶接によって接合されるが、例えば、レーザ溶接等の車体組立工程において既に導入されている接合方式を用いてもよい。
本実施形態では、固相接合部９と抵抗溶接部１０とを交互に配置したが、固相接合部９と抵抗溶接部１０、延いては接合代３ａと切欠き部５とは、必要に応じて適宜配置すればよい。
本実施形態では、ルーフパネル１（アルミニウム合金部材）のフランジ部３の各接合代３ａに、固相接合部９を囲むように波形突部８（塑性変形部）を形成したが、摩擦攪拌接合時において各接合代３ａの剛性が確保できるものであれば、塑性変形部の形状は適宜設定すればよい。

本異種金属継手構造の斜視図である。 接合される以前の、ルーフパネルの一側のフランジ部と継手部材とを示す斜視図である。 ルーフパネルの一側のフランジ部と継手部材とが接合された状態を示す斜視図である。 接合される以前の、一側のフランジ部に継手部材が接合されたルーフパネルとサイドメンバとを示す斜視図である。

１ ルーフパネル（アルミニウム合金部材）、２ サイドメンバ（鋼部材）、３ フランジ部、４ 継手部材、５ 切欠き部、６ 露出部、８ 波形突部（塑性変形部）、９ 固相接合部、１０ 抵抗溶接部

Claims (7)

1. アルミニウム合金部材と鋼部材とを、鋼材からなる継手部材を介して重ね接合する継手構造であって、
   前記アルミニウム合金部材に切欠き部を形成し、前記継手部材を、該継手部材の一部が前記切欠き部から露出するように前記アルミニウム合金部材の前記切欠き部を挟んだ両側の接合代に固相接合し、前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分に前記鋼部材を融接法により接合することを特徴とする異種金属継手構造。
2. 前記アルミニウム合金部材にフランジ部を形成し、該フランジ部に、固相接合部と前記切欠き部とを前記フランジ部に沿って交互に配設したことを特徴とする請求項１に記載の異種金属継手構造。
3. 前記フランジ部の前記固相接合部周辺に、塑性変形部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属継手構造。
4. 前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分を、前記鋼部材に抵抗スポット溶接により接合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の異種金属継手構造。
5. アルミニウム合金部材と鋼部材とを、鋼材からなる継手部材を介して重ね接合する方法であって、
   前記アルミニウム合金部材に予め切欠き部を形成しておいて、前記継手部材を、該継手部材の一部が前記切欠き部から露出するように前記アルミニウム合金部材の前記切欠き部を挟んだ両側の接合代に固相接合し、
   次に、前記継手部材の前記切欠き部から露出した部分に前記鋼部材を融接法により接合することを特徴とする異種金属接合方法。
6. 前記フランジ部の固相接合部周辺を、前記継手部材と固相接合させる以前に塑性加工することを特徴とする請求項５に記載の異種金属接合方法。
7. 前記継手部材の前記切欠き部に露出した部分を前記鋼部材に抵抗スポット溶接により接合することを特徴とする請求項５又は６に記載の異種金属接合方法。

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