JP7003806B2 - 接合構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の記載は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上(Aを含みかつAより大きい)B以下(Bを含みかつBより小さい)」を意味する。本出願における各図面に記載した構成の形状および寸法(長さ、奥行き、幅等)は、実際の形状および寸法を必ずしも反映させたものではなく、図面の明瞭化および簡略化のために適宜変更している。
従来、自動車分野では、前述のようにルーフ等へのアルミニウム材の使用が推進されている。一方で、アルミニウム材と鋼材とを単純にスポット溶接すると、接合界面に脆弱なFe-Al二元合金層が生じる。該Fe-Al二元合金層の部分での剥離が生じることにより、継手強度が低下するという問題がある。
以下、本発明の実施の形態における接合構造体について、図1~図5を用いて説明する。始めに、図1を用いて、スポット溶接前の各板材について説明する。図1はスポット溶接前の、鋼材と溶融アルミニウム系めっき鋼板とアルミニウム材とを積層した状態を示す断面図である。
例えば自動車分野では、適材適所に材料の強度を変更して車体が組み立てられており、一般的な材料強度を有するSPC270級よりも高い強度のSPC440級やSPC590級が使用されていることがある。鋼材20の鋼種および板厚は、鋼材20として求められる強度に応じて適宜設定されてよく、特に限定されない。
本明細書において、アルミニウム材との用語は、純アルミニウム(但し不可避不純物を含有することを許容する)およびアルミニウム合金の両方を含む意味で用いる。
溶融アルミニウム系めっき鋼板30について、図1および図2を用いて説明する。図2は、図1に示した断面図の一部(A1)の拡大図である。
本実施形態の接合構造体1Aは、上述のように各板材が積層した状態にてスポット溶接することにより形成される。接合構造体1Aの接合部2Aについて、図3および図4を用いて説明する。図3は、本実施形態における接合構造体1Aの接合部2Aを模式的に示す断面図である。図4は、接合構造体1Aをアルミニウム材10の側から見た場合の、アルミニウム材10を省略して模式的に示す平面図である。
上部ナゲット51は、以下のようにして形成される。すなわち、電極40(図1参照)を用いて通電することにより、アルミニウム材10と溶融アルミニウム系めっき鋼板30との境界面が抵抗加熱される。それによりアルミニウムが溶融する。溶融したアルミニウムが凝固することにより、上部ナゲット51が形成する。それゆえ、上部ナゲット51は、主にアルミニウムからなり、アルミニウム材10およびアルミめっき層32の組成の影響を受ける。
また、接合構造体1Aを厚さ方向に平行な面で切ったときの断面(例えば図3に示す断面)において、溶融アルミニウム系めっき鋼板30と鋼材20とが当接する界面上における、下部ナゲット52と溶融アルミニウム系めっき鋼板30の表面との境界の一方から他方までの長さを以下では第1鋼ナゲット径(溶融鋼ナゲット径)と称する。本実施形態の接合構造体1Aは、好ましくは、上記第1鋼ナゲット径に対する上部ナゲット51のナゲット径の比が、1.1以上2.0以下となっている。
また、図3に示すように、アルミニウム材10は、加圧力によって電極40がアルミニウム材10に食い込むことによって表面に窪みが生じている。アルミニウム材10の表面における窪みが生じている部分を電極押圧面(第1表面)11とする。換言すれば、電極押圧面11は、接合部2Aにおける、アルミニウム材10の溶融アルミニウム系めっき鋼板30と対向する側の面とは反対側の面である。
強入熱領域70では、高温加熱によってアルミニウム材10およびアルミめっき層32が溶融するとともに、合金層33のN濃縮層34も溶融して各種元素が相互拡散することにより、基材鋼板31が溶け込む。その結果、アルミニウム材10に比較してFe濃度が高くなった上部ナゲット51が形成される。
一方で、弱入熱領域80は、スポット溶接時に、強入熱領域70よりも比較的低温ではあるが加熱される領域である。これにより、弱入熱領域80では、合金層33(Fe-Al-Si三元合金層)からFeおよびSiが多少溶解する。弱入熱領域80は、主にFe-Al-Si系金属間化合物が、上部ナゲット51と基材鋼板31のN濃縮層34との境界にて連続して形成されている。
中間領域60では、スポット溶接時に、合金層33(Fe-Al-Si三元合金層)が多少溶融する一方でN濃縮層が残存する程度の入熱量となっている。そのため、中間領域60は、合金層33とN濃縮層34とが混在している。換言すれば、合金層33は、上部ナゲット51と基材鋼板31のN濃縮層34との境界にて、点在するように不連続に形成されている。中間領域60では、脆弱なFe-Al系金属間化合物が存在しない、または存在量が少ない。
接合構造体1Aの製造方法は、鋼材20の上に溶融アルミニウム系めっき鋼板30およびアルミニウム材10をこの順に積層して、スポット溶接機を用いてスポット溶接するスポット溶接工程を含む。
本実施形態の接合構造体1Aは、アルミニウム材10と鋼材20との間に溶融アルミニウム系めっき鋼板30を挟んだ状態にてスポット溶接を行い製造される。溶融アルミニウム系めっき鋼板30は、アルミめっき層32にFe-Al-Si系金属間化合物からなる合金層33が形成されている。そして、接合部におけるアルミ合金残存率が20%以上80%以下の範囲内となるように調整された溶接条件にてスポット溶接する。
本明細書において、溶融アルミニウム系めっき鋼板30における基材鋼板31の板厚と、複数枚の鋼材のそれぞれの板厚と、を合計して得られる値を接合構造体における鋼材総板厚と称する。本発明の一態様における接合構造体は、鋼材総板厚の上限が3.1mmである。接合構造体は、鋼材総板厚が3.1mm以下となる範囲内であれば鋼材の枚数は特に限定されない。なお、鋼材総板厚が3.1mmを超えると、溶融アルミニウム系めっき鋼板30とその下の鋼材との間のナゲットが生成され難くなる。この場合、十字引張試験をすると、溶融アルミニウム系めっき鋼板30と鋼材との界面部分で破断し易く、1kN以上の十字引張強度が得られなくなる傾向にある。
本発明の他の実施形態について、図6を用いて以下に説明する。なお、本実施形態にて説明すること以外の構成は、前記実施形態1と同じである。図6は、本実施形態における接合構造体1Bの接合部2Bを模式的に示す断面図である。
図7は、十字引張試験について説明するための模式図であって、(a)は接合構造体の平面図であり、(b)は接合構造体の断面図である。ここでは、4枚組の接合構造体について示している。
製造した接合構造体のそれぞれを、溶接部の中心が観察できるようエポキシ樹脂に埋め込み、研磨処理を行った。研磨処理後、3%NaOH水溶液でエッチングを行い、次いで3%の硝酸を溶かしたエタノールで更にエッチングを行った。これにより、溶接部におけるナゲット径の測定を可能にした。光学顕微鏡を用いて断面観察することにより、アルミニウム溶融ナゲットおよび鋼材溶融ナゲットのナゲット径、並びに中間領域の幅Lを測定した。
以下に示す例では、直流インバータ式のスポット溶接機を用いてスポット溶接を行った。初期加圧は35サイクル、ホールドは24サイクルとした。商用電源として、60Hzの電源周波数のものを用いた。電極として、φ16mmDR、先端R40mm、先端径6mmのものを用いた。
板厚1.2mmのAl合金(アルミニウム材)と、板厚0.4~0.6mmの溶融アルミニウム系めっき鋼板と、板厚0.8mm~1.4mmの各種の鋼種の鋼材とを積層して、下記表1に示す条件にてスポット溶接した。溶融アルミニウム系めっき鋼板の基材鋼板中のN量は16ppm、28ppm、100ppm、または193ppmとした。
板厚1.2mmのAl合金(アルミニウム材)と、板厚0.5mmの溶融アルミニウム系めっき鋼板と、板厚0.8mmまたは1.4mmの各種の鋼種の第1の鋼材と、板厚1.0mmまたは1.2mmの各種の鋼種の第2の鋼材とを積層して、下記表2に示す条件にてスポット溶接した。鋼板総板厚は2.3mmまたは3.1mmとし、溶融アルミニウム系めっき鋼板の基材鋼板中のN量は100ppmとした。
2A・2B 接合部
10 アルミニウム材
20・21 鋼材
30 溶融アルミニウム系めっき鋼板
31 基材鋼板(下地鋼)
32 アルミめっき層(溶融アルミニウムめっき層)
33 合金層
34 N濃縮層
40 電極
51 上部ナゲット(第1ナゲット)
52 下部ナゲット(第2ナゲット)
60 中間領域
70 強入熱領域(中央領域)
80 弱入熱領域(外周領域)
Claims (7)
- 鋼材に対して、溶融アルミニウム系めっき鋼板およびアルミニウム材をこの順に積層してスポット溶接することにより接合された接合構造体であって、
前記溶融アルミニウム系めっき鋼板のめっき層は、3質量%以上12質量%以下のSi、および0.5質量%以上5質量%以下のFeを含有するアルミニウム層であり、
スポット溶接する前の前記アルミニウム材の板厚をt1として、前記アルミニウム材と前記溶融アルミニウム系めっき鋼板との境界の近傍に形成されたアルミニウムの溶融ナゲットのナゲット径が5√(t1)以上となっており、
前記アルミニウム材の、前記溶融アルミニウム系めっき鋼板と対向する側の面とは反対側の面を第1表面とし、
(i)スポット溶接された部分における、前記溶融ナゲットが存在しないと見なした場合の前記アルミニウム材の板厚t2に対する、(ii)前記溶融ナゲットの外縁部と前記第1表面との間の最短距離の割合を前記アルミニウム材の残存率とすると、
前記残存率が、20%以上80%以下であることを特徴とする接合構造体。 - 前記溶融ナゲットを第1ナゲットとし、
前記溶融アルミニウム系めっき鋼板と前記鋼材とが互いに溶融して形成された鋼の溶融ナゲットを第2ナゲットとし、
前記接合構造体を厚さ方向に平行な面で切ったときの断面において、前記溶融アルミニウム系めっき鋼板と前記鋼材とが当接する界面上における、前記第2ナゲットと前記溶融アルミニウム系めっき鋼板の表面との境界の一方から他方までの長さを溶融鋼ナゲット径と称すると、
前記溶融鋼ナゲット径に対する前記第1ナゲットのナゲット径の比が1.1以上2.0以下であることを特徴とする請求項1に記載の接合構造体。 - 前記溶融アルミニウム系めっき鋼板は、25ppm以上200ppm以下のNを含む鋼板を下地鋼としており、かつ該下地鋼と溶融アルミニウムめっき層との界面にN:3.0原子%以上のN濃縮層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の接合構造体。
- 前記第1ナゲットと前記溶融アルミニウム系めっき鋼板の下地鋼との接合界面における、中央の領域を中央領域とし、最外周部分の領域を外周領域とし、前記中央領域と前記外周領域との間の領域を中間領域とすると、
前記中央領域は、主にFe-Al系金属間化合物が形成されており、
前記外周領域は、主にFe-Al-Si系金属間化合物が形成されており、
前記中間領域は、Fe-Al-Si系金属間化合物と前記N濃縮層とが混在していることを特徴とする請求項3に記載の接合構造体。 - 前記接合界面における、前記中央領域の中心から半径方向の各領域の存在する長さを、前記中央領域、前記中間領域、および前記外周領域のそれぞれの領域幅と規定すると、
前記中間領域の領域幅は、0.1mm以上であることを特徴とする請求項4に記載の接合構造体。 - 十字引張試験の測定結果として、接合強度が1kN以上であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の接合構造体。
- 鋼材に対して、溶融アルミニウム系めっき鋼板およびアルミニウム材をこの順に積層して、スポット溶接するスポット溶接工程を含む、接合構造体の製造方法であって、
前記溶融アルミニウム系めっき鋼板のめっき層は、3質量%以上12質量%以下のSi、および0.5質量%以上5質量%以下のFeを含有するアルミニウム層であり、
スポット溶接する前の前記アルミニウム材の板厚をt1とし、前記アルミニウム材の、前記溶融アルミニウム系めっき鋼板と対向する側の面とは反対側の面を第1表面として、
前記スポット溶接工程では、
電極の加圧力が1.4kN以上3.9kN以下であり、溶接電流(kA)と通電時間(サイクル)との積で表される値が65以上210以下の範囲内であり、前記通電時間の1サイクルとは、前記スポット溶接工程で使用するスポット溶接機に接続している商用電源の電源周波数から決まる時間であり、
前記アルミニウム材と前記溶融アルミニウム系めっき鋼板との境界の近傍に形成されたアルミニウムの溶融ナゲットのナゲット径が5√(t1)以上となるように、かつ、
(i)スポット溶接された部分における、前記溶融ナゲットが存在しないと見なした場合の前記アルミニウム材の板厚t2に対する、(ii)前記溶融ナゲットの外縁部と前記第1表面との間の最短距離の割合を前記アルミニウム材の残存率とすると、前記残存率が20%以上80%以下となるようにスポット溶接することを特徴とする接合構造体の製造方法。
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