JP5508926B2

JP5508926B2 - 異材接合方法

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Publication number: JP5508926B2
Application number: JP2010093788A
Authority: JP
Inventors: 英雄畠; 正敏岩井; 雅男杵渕; 賢司斉藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: JP2011224577A

Description

本発明は、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合方法に関する。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車などの輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が追求されている。また、この軽量化をできるだけ阻害せずに、自動車の車体衝突時の安全性を高めることも追求されている。このため、特に、自動車の車体構造に対し、従来から使用されている鋼材に代わって、より軽量で、エネルギー吸収性にも優れたアルミニウム合金材の適用が増加しつつある。ここで言う、アルミニウム合金材とは、アルミニウム合金の圧延板材、押出材、鍛造材などの総称である。

例えば、自動車のフード、フェンダー、ドア、ルーフ、トランクリッドなどのパネル構造体の、アウタパネル (外板) やインナパネル（内板) 等のパネルには、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ乃至ＪＩＳ６０００系 (以下、単に６０００系と言う) やＡｌ−Ｍｇ系のＡＡ乃至ＪＩＳ５０００系 (以下、単に５０００系と言う) などのアルミニウム合金板の使用が検討されている。

また、自動車の車体衝突の安全性を確保するための、バンパ補強材（バンパリインフォースメント、バンパアマチャアとも言う）やドア補強材（ドアガードバー、ドアビームとも言う）などのエネルギー吸収部材あるいは補強材としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＡＡ乃至ＪＩＳ７０００系 (以下、単に７０００系と言う) や前記６０００系合金などの、アルミニウム合金押出形材が使用されている。更に、サスペンションアームなどの自動車の足回り部品には、前記６０００系合金のアルミニウム合金鍛造材が使用されている。

これらのアルミニウム合金材は、オールアルミニウムの自動車車体で無い限り、通常の自動車の車体では、必然的に、元々汎用されている鋼板や型鋼などの鋼材（鋼部材）と接合して用いられる。したがって、自動車の車体にアルミニウム合金材を使用する場合（鋼材とアルミニウム合金材とを組み合わせた部材）には、これも必然的に、Fe-Al の異材接合（鉄ーアルミの異種金属部材同士の接合）の必要性がある。

しかし、このFe-Al 異材接合を溶接により行う際の問題点として、互いの接合界面における、高硬度で非常に脆いFeとAlとの金属間化合物層（以下、反応層とも言う）の生成がある。このため、見かけ上互いに接合されてはいても、本化合物層の生成が原因となって、溶接によるFe-Al 異材接合では、異材接合体に、十分な接合強度が得られないことが多い。

これを反映して、従来から、これら異材接合体（異種金属部材同士の接合体）の接合には、溶接だけでなく、ボルトやリベット等、あるいは接着剤を併用した接合がなされているが、接合作業の煩雑さや接合コスト上昇等の問題がある。

そこで、従来より、Fe-Al 異材接合の溶接法につき、通常の自動車の車体の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接による接合が検討されている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている。また、鋼材側に融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法が提案されている。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法や、部材に予め凹凸を付ける方法なども提案されている。更に、アルミニウム材の不均一な酸化膜を除去した後、大気中で加熱して均一な酸化膜を形成し、アルミニウム表面の接触抵抗が高められた状態で、アルミニウム−鋼の２層の複層鋼板をインサート材に用いてスポット溶接する方法も提案されている。

一方、鋼材側でも、鋼板の高強度化のために、Si、Mn、Alなどの酸化物を形成しやすい元素を添加すると、母材表面には、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物が生成することが公知である。そして、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物が、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性を阻害することも知られている。更に一方では、鋼板を酸洗などして、これらSi、Mn、Alなどを含む酸化物層の厚さを0.05〜1 μm の範囲とすれば、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性および鋼板同士のスポット溶接性が向上されることも知られている（特許文献１参照）。

しかし、これらの従来技術では、通常の自動車の車体の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接による接合条件では、溶接接合されたFe-Al の異材接合体に、十分な接合強度が得られない。言い換えると、接合強度を得るためのスポット溶接条件が煩雑にならざるを得ず、現実的では無い。

これに対して、特に、自動車車体用として汎用される、６０００系アルミニウム合金材などと、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼板（ハイテン材）との、異材接合体のスポット溶接を意図した技術も種々提案されている。

例えば、特許文献２、３では、板厚を３ｍｍ以下に制限した鋼材とアルミニウム合金材とを、鋼材を２枚以上重ね合わせるか、鋼材をアルミニウム合金材間に挟み込んだ形でスポット溶接することが提案されている。特許文献４では、スポット溶接部におけるナゲット面積や界面反応層の厚さを規定して接合強度を向上させることが提案されている。また、特許文献５、６では、溶接界面における、鋼材側とアルミニウム合金材側の、各生成化合物の組成や厚さ、面積などを各々細かく規定して、接合強度を向上させることが提案されている。

これら特許文献２〜６は、共通して、特に６０００系アルミニウム合金材と高強度鋼板との異材接合体のスポット溶接を意図し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れ、接合部での脆弱な金属間化合物生成を抑制して、接合強度を向上させることを目的としている。ただ、これら特許文献２〜６は、未だ接合強度などの向上の点で、改良の余地がある。

これに対して、特許文献７〜９では、特定組成の高強度鋼板において、鋼板表面上の既存の酸化物層を一旦除去した上で新たに生成させた外部酸化物層を、特定割合のＭｎ、Ｓｉ組成の酸化物とし、更に、この鋼材の鋼生地表面からの深さが１０μｍ以下の鋼領域に存在する、Ｍｎ、Ｓｉを合計量で１ａｔ％以上含む内部酸化物の占める割合を規定して、適切なスポット溶接条件下において、異材接合体の高い接合強度を得ることが提案されている。

これらの新たな外部酸化物層を形成させる技術では、新たに生成させたSi、Mnなどを含む外部酸化物層と、鋼生地表面直下の内部酸化物層とによって、スポット溶接時のＦｅ、Ａｌの拡散を抑えて、接合界面における、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制する点で有効である。また、この異材接合体の十字引張試験片により測定された剥離強度として、２ｋＮ以上の接合強度を得るためにも有効である。
特開２００２−２９４４８７号公報特開２００７−１４４４７３号公報特開２００７−２８３３１３号公報特開２００６−１６７８０１号公報特開２００６−２８９４５２号公報特開２００７−２６０７７７号公報特開２００６−３３６０７０号公報特開２００９−２９９１３８号公報特開２００９−２９９１３９号公報

ただ、前記新たな外部酸化物層を形成する技術では、この外部酸化物層の形成のために、それまでの外部酸化物層を一旦除去する新たな酸洗処理や、新たな外部酸化物層を形成するための加熱、焼鈍処理が必要となる。このため、焼鈍により鋼材の強度が低下するなど、鋼材側の性質（特性）への影響が避けがたく、また、新たな外部酸化物層を形成するための工程の付加が、鋼材の製造コストを上昇させる問題もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼材側の性質（特性）への影響が少なく、鋼材の製造コストをあまり上昇させずに、スポット溶接による高い接合強度を有する接合部を得ることのできる、異材接合方法を提供することにある。

この目的を達成するための本発明の要旨は、鋼材と６０００系アルミニウム合金材とをスポット溶接にて異材接合する方法であって、前記鋼材側の前記アルミニウム合金材との接合面のみにＪＩＳＫ１４０８で規定される２号以上の水ガラスを予め塗布し、強制的に乾燥させた上で、電極間加圧力：２．５〜４．５ｋＮ、電極間電流：１５〜２５ｋＡ、通電時間２０〜８０ｍｓｅｃの条件にて前記スポット溶接することである。

本発明者らは、前記特許文献７〜９のように、異材接合する鋼材のアルミニウム合金材との接合面のＭｎ、Ｓｉを含む外部酸化物層を制御せずとも、この鋼材接合面のＳｉ濃度さえ制御して増してやれば、このＳｉによって、スポット溶接時のＦｅ、Ａｌの拡散を抑えて、接合界面のＡｌ−Ｆｅ系の脆い反応層の過剰生成を抑制できるのではと考えた。

このため、この鋼材接合面のＳｉ濃度の制御（増加）を、この鋼材接合面への水ガラスの塗布によって行い、スポット溶接したところ、異材部（異材接合継手）の接合強度を向上させることができた。

この水ガラスは、周知の通り、珪酸ソーダあるいは珪酸ナトリウムと称せられ、この水ガラスの塗布方法も、この塗布後の乾燥を含めて、公知で非常に簡便な表面処理方法であり、鋼材側の性質（特性）への影響が少なく、鋼材の製造コストをあまり上昇させない。

特に６０００系アルミニウム合金材と鋼材との異材接合体のスポット溶接では、鋼材側が溶解せずに、アルミニウム合金材側のみが溶解するような条件にて溶接する。鋼材はアルミニウム材と比較して、融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなり、まず低融点のアルミニウムが溶融するからである。このような、鋼材側が溶解せずに、アルミニウム合金材側のみが溶解するような条件でのスポット溶接においては、鋼材側からＦｅが拡散して、接合界面にて、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い反応層が形成する。

このような場合に、本発明のように水ガラスの塗布によって、鋼材接合面のＳｉ濃度を増せば、このＳｉが障壁として働き、スポット溶接時の前記Ｆｅや、あるいはＡｌの拡散を抑えて、接合界面のＡｌ−Ｆｅ系の脆い反応層の過剰生成を抑制できると推考される。

（水ガラスの塗布）
以下に、先ず、鋼材接合面へ、スポット溶接の前に、予め水ガラスを塗布する具体的な方法を説明する。

本発明で用いる水ガラスは、特殊なものではなく、汎用されている周知の水ガラスである。すなわち、本発明で用いる水ガラスは、単一の化合物ではなく、石鹸や洗剤、紙パルプや繊維、鋳物、窯業などで汎用されている、珪酸ソーダあるいは珪酸ナトリウムと称せられる、ＳｉＯ₂ （無水珪酸、二酸化珪素）とＮａ₂Ｏ（酸化ナトリウム、酸化ソーダ）が種々の比率で混合している液体である。この水ガラスの分子式はＮａ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂ で表され、このｎはモル比（ｍｏｌ比）を示し、水ガラスにおけるＮａ₂ＯとＳｉＯ₂ との混合比率を示している。

水ガラスは、ＪＩＳＫ１４０８の規格で１号、２号、３号と規定され、この番号が小さいほど、Ｎａ₂ＯとＳｉＯ₂ の含有量が多くなり、１号のＮａ₂ＯとＳｉＯ₂の含有量が最も多い。具体的には、１号はＳｉＯ₂ が３５〜３８質量％、Ｎａ₂Ｏが１７〜３８質量％、２号はＳｉＯ₂ が３４〜３６質量％、Ｎａ₂Ｏが１４〜１５質量％、３号はＳｉＯ₂ が２８〜３０質量％、Ｎａ₂Ｏが９〜１０質量％である。但し、実際には、このＪＩＳ規格通りに使用されない場合も多く、３号よりもＳｉＯ₂ のモル比（混合比率）が高いものも使用されている。

本発明では、前記した通り、これら水ガラスのＳｉＯ₂ 分の塗布によって、鋼材接合面（表面）にＳｉＯ₂ の皮膜（被覆）を存在させることによって、Ｓｉ濃度を一定量増加させる。そして、このＳｉＯ₂ あるいはＳｉＯ₂ がＡｌによって還元されたＳｉをスポット溶接時の前記ＦｅやＡｌの拡散抑制の障壁として機能させる。因みに、Ａｌによって還元されたＳｉＯ₂は、ＳｉになってＡｌに溶解し、金属間化合物になったり、凝固時にＡｌ中でＳｉとして晶出する。また、一部は再度酸化してＳｉＯ₂になって界面に残る。

これに対して、水ガラス中のＮａ₂Ｏは、ＳｉＯ₂ あるいはＳｉのように、スポット溶接時の前記ＦｅやＡｌの拡散抑制の障壁としては機能せず、また、スポット溶接時に、Ａｌによっては還元されないために、接合強度を低下させる不純物として、接合界面に残留する特性を有する。したがって、本発明では、水ガラスを使用する以上、一定量のＮａ₂Ｏの存在は許容するとしても、あまり多くのＮａ₂Ｏを鋼材接合面（表面）に存在させないことが好ましい。

この点で、本発明で用いる水ガラスは、前記分子式ではＳｉＯ₂ のｎ（モル比）が２．５以上が好ましく、前記ＪＩＳＫ１４０８では、最低２号以上で、３号の水ガラスを使用することが好ましい。ＳｉＯ₂ のｎが２．５未満の、前記ＪＩＳＫ１４０８の１号の水ガラスでは、各々Ｎａ₂Ｏが多すぎ、予め塗布すると却って、接合強度が低下することとなる。

鋼材接合面（表面）にＳｉＯ₂ の皮膜（被覆）を存在させることによって、Ｓｉ濃度を一定量増加させ、スポット溶接時の前記ＦｅやＡｌの拡散抑制の障壁として機能させるために、水ガラスの前記鋼材側接合面への塗布量（平均塗布量）を適切な一定量とすることが好ましい。この点、前記鋼材側接合面の水ガラスの平均塗布量は２０〜７０ｍｇ／ｍ²の範囲とすることが好ましい。因みに、前記鋼材側接合面の水ガラスの平均塗布量は、水ガラスの塗布前後の鋼材の重量差の測定から算出できる。なお、前記鋼材側接合面の水ガラスの塗布量は、表面の部位によって一律ではないゆえに、本発明では「平均塗布量」と規定した。

水ガラスの前記鋼材側接合面への塗布量（Ｓｉの付着量）が少なすぎれば、当然ながら、前記スポット溶接時の前記ＦｅやＡｌの拡散抑制の効果が十分に発揮されず、接合強度が低下することとなる。また、水ガラスの前記鋼材側接合面への塗布量（Ｓｉの付着量）が多すぎても、Ｎａ₂Ｏや、あるいはＳｉＯ₂ も、スポット溶接時に、接合強度を低下させる不純物として、接合界面に残留する可能性がある。このため、やはり接合強度が低下することとなる。

（水ガラスの塗布方法）
鋼材接合面（表面）への水ガラスの塗布方法は、公知の浸漬法（ディッピング法あるいはどぶ漬け法）、ロールコーティング法が適宜選択される。このうち、ロールコーティング法は、ロールの鋼材への加圧力によっても、水ガラスの前記鋼材側接合面への塗布量を制御でき、より適切な量への制御が容易であり、好ましい。

鋼材への水ガラスの塗布は、６０００系アルミニウム合金材と接合される側の鋼材接合面（表面）のみで良く、アルミニウム合金材と接合されない他の鋼材表面に塗布する必要は無い。前記ロールコーティング法によれば、鋼材接合面（表面）のみへの水ガラスの塗布も可能である。ただ、浸漬法など、塗布方法や塗布条件によって、他の鋼材表面にも塗布されてしまうことは、絶縁被覆でもある水ガラスの塗布による別の問題が生じるなど、新たな支障がない限り許容する。

鋼材への水ガラスの塗布に際して、鋼材表面の汚れ除去の洗浄などの前処理は必要に応じて行えば良い。すなわち、前記従来技術のような鋼材表面の酸化物を一旦除去するような強力な酸洗など処理は不要である。言い換えると、水ガラスを塗布される鋼材、あるいは、水ガラスを塗布されてスポット溶接される鋼材は、スポット溶接されるに足る表面状況としての通常の酸化皮膜を有していて良い。

（強制乾燥）
なお、鋼材に塗布された水ガラス中に水分が多く残留していると、スポット溶接時の溶接不良の原因となって、接合強度の低下を招く。したがって、鋼材に塗布された水ガラス中や鋼材表面に水分が残留しないように、塗布後の鋼材表面あるいは鋼材全体の十分な乾燥が必要である。この乾燥は、自然乾燥では水ガラス中に水分が多く残留するため不可であり、乾燥炉や加熱炉あるいは種々のヒータなどの適宜の加熱手段を用いて、強度などの鋼材特性が変化しない低温で、鋼材を強制的に乾燥する。この点、好ましくは２００℃までの低温で、好ましくは４〜１２時間、鋼材を強制的に乾燥する。この強制的な乾燥が不足すれば、水ガラス中に水分が多く残留してしまう。

（スポット溶接条件）
本発明におけるスポット溶接条件は、水ガラスを塗布した鋼材とアルミニウム合金材との、異材接合継手の高い接合強度を得るために設定する。すなわち、スポット溶接において、鋼材側が溶解せずにアルミニウム合金材側のみが溶解するような溶接条件とし、かつ、冶金的接合に必要最小限の厚さのＦｅとＡｌの反応層を接合部に適切に形成させるために設定されたものである。

このための、スポット溶接の溶接箇所毎の必要な条件としては、電極間加圧力：２．５〜４．５ｋＮ、電極間電流：１５〜２５ｋＡ、通電時間２０〜８０ｍｓｅｃの条件にて前記スポット溶接する。これらの条件を外れた場合、後述する実施例の通り、スポット溶接が不適切であり、高い接合強度が得られない。なお、フラックスの使用は不要であるが、必要により用いても良い。このような本発明条件のスポット溶接には汎用のスポット溶接装置が使用できる。

ここで、前記冶金的接合に必要かつ最小限のＦｅとＡｌの反応層の厚さの目安は、接合界面における反応層のナゲット深さ方向 (鋼材の板厚方向) の平均厚さとして、０．１〜１０μｍの範囲に制御することが好ましい。

鋼材とアルミニウム合金材との溶接接合界面では、反応層として、鋼材側には層状のAl5Fe2系化合物層、アルミニウム材側には粒状または針状のAl3Fe 系化合物とAl19Fe4Si2Mn系化合物とが混在した層を各々有する。これらの脆い反応層のナゲット深さ方向の平均厚さが１０μｍを超えると接合強度は著しく低下する。一方、反応層のナゲット深さ方向の平均厚さが０．１μｍより薄い場合は、冶金的接合が不充分となり、十分な接合強度が得られない。

前記した電極間加圧力、電極間電流、通電時間などのスポット溶接条件を外れた場合、スポット溶接が不適切であり、これらの冶金的接合に必要最小限の厚さのＦｅとＡｌの反応層を接合部に適切に形成させることができずに、高い接合強度が得られない。

例えば、前記電極間加圧力が低すぎると、鋼材とアルミニウム合金材との接触点が少ないため、スポット溶接時の界面反応が不均一になり、上記反応層が得られない。一方、前記電極間加圧力が高すぎると、スポット溶接時に溶解部がナゲットから飛散するため、接合強度が不足する。

前記溶接電流が低すぎたり、溶接時間が短すぎたりしても、スポット溶接時の界面反応が不足して、ナゲットが十分に形成されたとしても、上記反応層とはできないため、やはり接合強度が不足する。

一方、前記溶接電流が高すぎたり、長すぎたりする大電流、長時間のスポット溶接では、界面反応が進みすぎて、却って上記反応層とはできないため、接合強度が不足する。

（鋼材の化学成分組成）
本発明が対象とする鋼材の成分組成について以下に説明する。本発明では、好ましくは、Ｓｉ、Ｍｎなどを含む引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼材（ハイテン）を主たる対象とする。

このため、鋼材の成分組成については、好ましくは、Ｓｉ、Ｍｎなどを所定量含むことを前提に、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜３．００％、Ｍｎ：０．１〜３．００％を各々含有し、好ましくは残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成とする。また、これに加えて、更に、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成としても良い。また、更に、このＡｌに加えて、あるいはＡｌの代わりに、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．０５〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜３．００％、Ｃｕ：０．０１〜３．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成としても良い。

ここで、鋼材の不純物としてのＰ、Ｓ、Ｎなどは、鋼材の靱性や延性、あるいは接合強度などの諸特性を低下させるので、Ｐ：０．１０％以下（０％を含む）、Ｓ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｎ：３００ｐｐｍ以下（０％を含む）に、各々規制する。なお、本発明における化学成分の単位（各元素の含有量）は、アルミニウム合金を含めて、すべて質量％である。鋼材の各成分元素の限定理由は以下の通りである。

Ｃ：
Ｃは強度上昇に必要な元素であるが、含有量が０．０１％未満では鋼材の強度確保ができず、また０．３０％を超えると冷間加工性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．０１〜０．３０％の範囲とする。

Ｓｉ：
Ｓｉは、鋼材の延性を劣化させずに、必要な強度確保が可能な元素としても重要であり、そのためには０．１％以上の含有量が必要である。一方、３．００％を超えて含有すると延性が劣化してくる。したがって、Ｓｉ含有量は、この理由からも０．１〜３．００％の範囲とする。

Ｍｎ：
Ｍｎも、鋼材の強度と靱性を確保するための元素としても必要不可欠で、含有量が０．１％未満ではその効果は得られない。一方、含有量が３．００％を超えると著しく強度が上昇し冷間加工が困難となる。したがって、Ｍｎ含有量は、この理由からも０．１〜３．００％の範囲とする。

Ａｌ：
Ａｌは、溶鋼の脱酸元素として、固溶酸素を捕捉するとともに、ブローホールの発生を防止して、鋼の靭性向上の為にも有効な元素である。Ａｌ含有量が０．００２％未満ではこれらの十分な効果が得られず、一方で、０．１％を超えると、逆に溶接性を劣化させたり、アルミナ系介在物の増加により鋼の靭性を劣化させる。したがって、Al含有量は０．００２〜０．１％の範囲とする。

Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの１種または２種以上：
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉの１種または２種以上の含有は、共通して、鋼の高強度化や高靭性化に寄与する。この内、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒは、鋼中に炭窒化物として析出して強度を高め、鋼のミクロ組織を微細化して強度、靭性等を向上させる。但し、多量に含有させると、靭性を大幅に劣化させる。したがって、これらを選択的に含有させる場合は、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００５〜０．１０％の各範囲とする。

また、この内、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉは鋼の焼き入れ性を向上させて、強度を向上させる。但し、多量に含有させると、鋼の靭性を大幅に劣化させる。したがって、含有させる場合は、Ｃｒ：０．０５〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜３．００％、Ｃｕ：０．０１〜３．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％の範囲とする。

（鋼材の強度）
本発明においては、自動車部材などの用途から、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼材（ハイテン）を主たる対象とする。これより低強度鋼では、一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜がほぼ鉄酸化物であるため、ＦｅとＡｌの拡散が容易となり、脆い反応層が形成しやすい。また、鋼材の強度が不足するために、スポット溶接時の電極チップによる加圧によって、鋼材の変形が大きくなり、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異常に促進され、脆い金属間化合物が形成しやすくなる。

(アルミニウム合金材)
本発明で用いるアルミニウム合金材は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ乃至ＪＩＳ規格における６０００系アルミニウム合金材とする。この合金材は、自動車車体の各部用途に応じて、形状を特に限定するものではなく、前記した、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。

自動車車体パネル用などとしては、優れたプレス成形性やＢＨ性（ベークハード性）、強度、溶接性、耐食性などの諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金板としての組成は、質量％で、Ｍｇ：０．１〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｃｕ：０．００１〜１．０％を各々含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる６０００系アルミニウム合金とすることが好ましい。また、ＢＨ性をより優れさせるためには、ＳｉとＭｇとの質量比Ｓｉ/ Ｍｇが1 以上であるような過剰Ｓｉ型の６０００系アルミニウム合金板とされることが好ましい。

また、前記自動車車体補強材用の押出材などとしては、優れた曲げ圧壊性や耐食性などの諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金押出材の組成は、質量％で、Ｍｇ：０．３０〜１．０％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｆｅ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．００１〜０．６５％を各々含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金とすることが好ましい。更に、前記した各好ましい組成に加えて、Ｃｒ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％の一種または二種を合計量で０．３０％以下、あるいはＺｎ：０．００１〜０．２５％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０％の一種または二種を選択的に含ませても良い。

また、６０００系アルミニウム合金材に、鋼材表面上に存在する外部酸化物層を還元、破壊する機能を有する元素としてＬｉを、上記成分組成に加えて、０．０１〜０．５％の範囲で予め含有させても良い。

これ以外のその他の元素は、基本的には不純物であり、ＡＡ乃至ＪＩＳ規格などに沿った各不純物レベルの含有量 (許容量) とする。しかし、リサイクルの観点から、溶解材として、高純度Ａｌ地金だけではなく、６０００系合金やその他のアルミニウム合金スクラップ材、低純度Ａｌ地金などを溶解原料として多量に使用した場合には、不純物元素が混入される可能性が高い。そして、これら不純物元素を例えば検出限界以下に低減すること自体コストアップとなり、ある程度の含有の許容が必要となる。したがって、その他の元素は、各々ＡＡ乃至ＪＩＳ規格などに沿った許容量の範囲での含有を許容する。

上記６０００系アルミニウム合金における、各元素の含有意義は以下の通りである。
Ｓｉ：
ＳｉはＭｇとともに、固溶強化と、塗装焼き付け処理などの前記低温での人工時効処理時に、強度向上に寄与する時効析出物を形成して、時効硬化能を発揮し、例えば１８０ＭＰａ以上の必要強度（耐力）を得るための必須の元素である。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎるとプレス成形性や曲げ加工性等の成形性が著しく低下し、更に溶接性も大きく阻害される。

Ｍｇ：
Ｍｇも、固溶強化と、塗装焼き付け処理などの前記人工時効処理時に、Ｓｉとともに強度向上に寄与する時効析出物を形成して、時効硬化能を発揮し、パネルとして、前記必要耐力を得るための必須の元素である。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎるとプレス成形性や曲げ加工性等の成形性が著しく低下する。

Ｃｕ：
Ｃｕは、比較的低温短時間の人工時効処理の条件で、アルミニウム合金材組織の結晶粒内への強度向上に寄与する時効析出物の形成を促進させる効果がある。また、固溶したＣｕは成形性を向上させる効果もある。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎると耐食性や溶接性を著しく劣化させる。

Ｆｅ：
Ｆｅは、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒなどと同じ働きをして、分散粒子 (分散相) を生成し、再結晶後の粒界移動を妨げ、結晶粒の粗大化を防止するとともに、結晶粒を微細化させる効果がある。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎると粗大な晶出物を生成しやすくなり、破壊靱性および疲労特性などを劣化させる。

Ｚｎ：
Ｚｎは固溶強化にて強度の向上に寄与する他、時効処理に際して、最終製品の時効硬化を著しく促進する効果も有する。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎると、応力腐食割れや粒界腐食の感受性を著しく高め、耐食性や耐久性を低下させる。

Ｔｉ：
Ｔｉは、鋳塊の結晶粒を微細化し、押出材組織を微細な結晶粒とする効果がある。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎると、粗大な晶析出物を形成し、補強材としての前記曲げ圧壊性や耐食性などの要求特性や、押出材の曲げ加工性などを低下させる原因となる。

Ｃｒ、Ｚｒ：
Ｃｒ、Ｚｒの遷移元素は、Ｍｎと同じく、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｚｒ系などの金属間化合物からなる分散粒子 (分散相) を生成して、結晶粒の粗大化を防止するために有効である。含有量が不足するとこのような効果が得られず、含有量が多すぎると、粗大な晶析出物を形成し、含有量が多すぎると、補強材としての前記曲げ圧壊性や耐食性などの要求特性や、機械的性質を低下させる。また曲げ加工性などの成形性が低下する。

(鋼材やアルミニウム合金材の厚さ)
鋼材やアルミニウム合金材の溶接される部分の厚さ（板厚など）は、特に限定されず、自動車部材などの適用部材の必要強度や剛性などの設計条件から適宜選択乃至決定される。

但し、自動車部材などを想定すると、実用的には鋼材の（溶接される部分の）厚さｔは０．３〜３．０ｍｍから選択される。鋼材の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての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、例えば、スポット溶接による場合には、その電極チップ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、脆い金属間化合物が形成しやすくなる。一方、鋼材の厚さが厚すぎる場合、スポット溶接接合自体が難しくなる。

また、アルミニウム合金材の（溶接される部分の）厚さｔは、同様に自動車部材などを想定すると、０．３〜５．０ｍｍの範囲から選択される。アルミニウム合金材の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての強度が不足して不適切であるのに加え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない可能性がある。一方、アルミニウム合金材の厚さが厚すぎる場合、前記した鋼材の板厚の場合と同様に、溶接接合自体が難しくなる。

以下、実施例として、板厚が１．２ｍｍである９８０ＭＰａ級ハイテン鋼板と、板厚が１．０ｍｍで０．２％耐力が２５０ＭＰａの６０００系アルミニウム合金板とを重ね合わせ、フラックスを用いずにスポット溶接して、溶接継手（異材接合継手）を製作し、組織や性能を調査、評価した。

前記鋼板は、表１に示す各成分組成であり、アルミニウム合金材との接合面（片面）のみに、ロールコートにて、表４に示す条件で水ガラスを予め塗布し、塗布した鋼板例は、共通して乾燥炉内で１００℃×１０時間、鋼材を強制的に乾燥した。なお、被接合面に水ガラスを予め塗布していない鋼板も比較のために試験した。

この鋼板と、表２に示す成分組成のアルミニウム合金板とを、ＪＩＳＡ３１３７記載の十字引張試験片形状に加工して重ね合わせ、表３に示すａ〜ｎの各条件でスポット溶接を行い、異材接合した。ここで、後述する表４に示す剥離強度から評価される通り、表３に示すｇ〜ｋは適切なスポット溶接条件であり、ａ〜ｆ、ｌ〜ｎは、加圧力、溶接電流、溶接時間のいずれかが適切な範囲から外れる不適切なスポット溶接条件である。

鋼板とアルミニウム合金板とは、共に前記十字引張試験片形状（５０ｍｍ幅×１５０ｍｍ長さの大きさ）に加工し、互いに重ね合わせた上で、重ね合わせた中央部を幅方向にスポット溶接した。スポット溶接は、共通して、単層整流式抵抗スポット溶接機（容量９０KVA)を用い、表３に示す加圧力、溶接電流、溶接時間の各１点当たりの条件にて、１０点のスポット溶接を行った。この際、共通して、Ｃｕ−Ｃｒ合金からなるドーム型の電極を用い、正極をアルミニウム材、負極を鋼材とした。

（界面反応層の厚さ）
このようにして製作した各異材接合継手の、接合界面における前記反応層のナゲット深さ方向 (鋼材の板厚方向) の平均厚さを測定した。これらの結果も表４に示す。この反応層の平均厚さの測定は、各スポット溶接部の中央にて板厚方向に切断し、樹脂に埋め込んで研磨をし、スポット溶接部全体に渡り０．５ｍｍ間隔でのＳＥＭ（反射電子像）による観察を行った。前記反応層の厚さが１μｍ以上の場合は３０００倍の視野にて、１μｍ未満の場合は１００００倍の視野にて測定し、各スポット溶接部ごとに平均値を求め、これらを前記１０箇所のスポット溶接部で平均化した値を前記反応層の平均厚さとした。

これら製作した各継手を引張り試験機で十字引張試験を行い、剥離強度（最大荷重）を求めた。これらの結果も表５に示す。剥離強度は、Ａ６０２２アルミニウム合金板同士のスポット溶接接合強度＝１．０ｋＮを参考にして、２．０ｋＮ以上であれば○、２．０ｋＮ未満であれば×とした。

表４から明らかな通り、発明例の異材接合継手は、鋼板の被接合面（アルミニウム合金板との接合面）にＪＩＳＫ１４０８で規定される２号以上の水ガラスを予め塗布して乾燥させた上で、電極間加圧力：２．５〜４．５ｋＮ、電極間電流：１５〜２５ｋＡ、通電時間２０〜８０ｍｓｅｃの適切な条件にて前記スポット溶接されている。

この結果、発明例の異材接合継手は、形成された界面反応層が、ナゲット深さ方向 (鋼材の板厚方向) の平均厚さとして３〜８μｍの範囲であり、優れた接合強度（剥離強度）を有する。

一方、表４から明らかな通り、比較例の異材接合継手は、鋼板の被接合面にＪＩＳＫ１４０８で規定される２号以上の水ガラスを予め塗布して乾燥させていても、スポット溶接の、電極間加圧力、電極間電流、通電時間のいずれかの条件が不適切である。また、スポット溶接条件が適切であっても、鋼板の被接合面に塗布される水ガラスがＪＩＳＫ１４０８で規定される１号であり、水ガラス中のＮａ₂Ｏが多すぎる。更に、スポット溶接条件や水ガラスが適切であっても、水ガラスの塗布後の乾燥が強制乾燥でなく、自然乾燥であり、乾燥が不十分である。また、水ガラスを予め塗布していない。

この結果、比較例の異材接合継手は、形成された界面反応層が前記最適範囲から外れ、異材接合継手は接合強度（剥離強度）が発明例に比して著しく劣っている。

したがって、これらの事実から、異材接合継手の接合強度に対する、本発明の水ガラス塗布条件やスポット溶接条件の臨界的な意義が裏付けられる。

本発明によれば、鋼材側の性質（特性）への影響が少なく、鋼材の製造コストをあまり上昇させずに、スポット溶接による高い接合強度を有する接合部を得ることのできる、異材接合方法を提供できる。このような異材接合方法は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種構造部材およびその溶接方法として有用に適用できる。

Claims

鋼材と６０００系アルミニウム合金材とをスポット溶接にて異材接合する方法であって、前記鋼材側の前記アルミニウム合金材との接合面のみにＪＩＳＫ１４０８で規定される２号以上の水ガラスを予め塗布し、強制的に乾燥させた上で、電極間加圧力：２．５〜４．５ｋＮ、電極間電流：１５〜２５ｋＡ、通電時間２０〜８０ｍｓｅｃの条件にて前記スポット溶接することを特徴とする異材接合方法。
前記水ガラスの前記鋼材側接合面への平均塗布量を２０〜７０ｍｇ／ｍ²とする請求項１に記載の異材接合方法。