JP7021591B2 - 接合構造体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗スポット溶接により異材接合された接合構造体およびその製造方法に関する。

アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料（以下、アルミニウム材と称する）は、軽量かつ耐食性に優れていることから、種々の分野で使用されている。例えば、自動車分野では、車体軽量化のためにアルミニウム材が車体の構造材として使用されることがある。

アルミニウム材は、製造コスト、生産性等の観点から、車体の一部のみに使用される場合があり、例えば強度があまり必要でない部分（ルーフ等）に使用される。この場合、車体の一部を構成するアルミニウム材と、他の部分を構成する鋼材とを互いに異材接合することを要する。

一般に、異材接合に用いられる各種の方法の中で、抵抗スポット溶接法は、機械的結合法に比べて、接合部の軽量化ができる、生産性が高い、等の利点を有している。しかし、通常、アルミニウム材と鋼材とを単純にスポット溶接すると、それらの接合界面に脆弱な金属間化合物が生成することにより継手強度が低下し得るという問題がある。

これまで、アルミニウム材と鋼材とのスポット溶接に関する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、アルミニウム材と鋼材との間に中間材を介在させた状態にて、それらをスポット溶接する方法が記載されている。

また、特許文献２には、アルミニウム材と溶融アルミニウムめっき鋼板とを接合した接合構造体が記載されている。

特許第６０９４４４０号公報（２０１７年３月１５日発行） 特許第４２８０６７１号公報（２００９年６月１７日発行）

しかしながら、特許文献１に記載の方法で形成された溶接部は、十分な機械的強度が得られない可能性が有る。具体的には、中間材に含まれる第３金属材としての窒化アルミ系合金層は、セラミックス系合金であって融点が約２４７３Ｋであると記載されている。また、スポット溶接の際に、アルミニウム材側の窒化アルミ系合金層は変形することなく存在している。このことからすると、アルミニウムが溶融して形成されたナゲットと窒化アルミ系合金層との接合が不十分となり、溶接部の接合強度が不足する虞がある。

特許文献２には、アルミニウム材と溶融アルミニウムめっき鋼板とを接合した接合構造体が記載されている。この接合構造体は、十字引張強度の試験結果として良好な接合強度を示す。しかしながら、この技術を、前述のようなアルミニウム材と鋼材との異材接合にそのまま適用することは困難である。

そして、鋼材としては様々な種類（鋼種）が存在する。例えば車体を製造する場合、車体の各部を構成する鋼材は、車体の部分毎に異なる強度の要求に応じて鋼種および鋼材の厚みが選択される。また、複数枚の鋼材を接合対象とする場合であっても、複数枚の鋼材とアルミニウム材とを適切にスポット溶接することが求められる。そのような鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接により接合することに係る知見は、特許文献１および２には開示されていない。

本発明の一態様は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、アルミニウム材と鋼材とが抵抗スポット溶接法により異材接合された接合構造体であって、接合強度に優れる接合構造体を提供することにある。

本発明の一態様における接合構造体は、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、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している。

また、本発明の一態様における接合構造体は、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部に形成されるナゲットを第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の境界部に形成されるナゲットを第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１．２以上２．０以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様における接合構造体は、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が好ましい。

また、本発明の一態様における接合構造体は、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が好ましい。

また、本発明の一態様における接合構造体は、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以上であることが好ましい。

本発明の一態様における接合構造体の製造方法は、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、前記スポット溶接工程では、電極の加圧力が１．４ｋＮ以上４．９ｋＮ以下であり、溶接電流と通電時間との積で表される値が５０以上２１０以下の範囲内であり、前記スポット溶接工程により形成される前記接合構造体の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している。

アルミニウム材と鋼材とが抵抗スポット溶接法により異材接合された接合構造体であって、接合強度に優れる接合構造体を提供することができる。

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。 図１に示した断面図における溶融アルミニウム系めっき鋼板の基材鋼板とアルミめっき層との界面近傍を拡大して示す図である。 本発明の実施形態１における接合構造体の接合部を模式的に示す断面図である。 上記接合構造体をアルミニウム材の側から見た場合の、該アルミニウム材を省略して模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態における接合構造体が有する中間領域の領域幅を測定する方法について説明するための図である。 本発明の実施形態２における接合構造体の接合部を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態３における接合構造体の接合部を模式的に示す断面図である。 実施例における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。

〔実施形態１〕
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。

本実施形態における接合構造体は、例えば、自動車分野における車体のルーフパネルとルーフサイド部とを接合して形成される車両用部品である。ただし、本発明の接合構造体としては必ずしもこれに限定されない。アルミニウム材と鋼材とをスポット溶接により接合することに需要がある用途の接合構造体に適宜適用することができる。

なお、以下では、説明の簡略化のために、接合構造体における、スポット溶接により形成される１つの接合部に着目して説明する。しかし、接合部を複数個備える接合構造体も本発明の範疇に含まれることは勿論である。

＜本発明の知見＞
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。

これまで、アルミニウム材と溶融アルミニウムめっき鋼板とを接合した接合構造体に関する技術が報告されている（特許文献２）。しかし、この技術を、例えば自動車分野における車両用部品の製造にそのまま適用することはできない。これは、本質的に、アルミニウム材のスポット溶接と鋼材のスポット溶接とでは溶接条件が異なるためである。アルミニウム材は、固有抵抗が低く熱伝導率が高いことから、比較的大きな溶接電流にて短時間に溶接することを要する。また、例えば車両用部品を製造する場合、アルミニウム材と複数枚の鋼材とを溶接することを要する場合がある。

よって、アルミニウム材と溶融アルミニウム系めっき鋼板とにさらに加えて鋼材を積層して、それらをスポット溶接により異材接合して接合構造体を製造することについては、過去の実績がなく何ら知見が無かった。ましてや、鋼材が複数枚である場合については全く未知であった。

このような状況の中、本発明者らは、アルミニウム材と溶融アルミニウム系めっき鋼板と鋼材とをスポット溶接することにより、高い継手強度を有する接合構造体を製造することを試みた。そして、接合構造体としてどのような構造となっていれば接合強度を高くすることが可能であるか鋭意検討した。その結果、以下の知見を得て本発明を実現するに至った。

すなわち、溶融アルミニウム系めっき鋼板として、めっき層に所定量のＳｉおよびＦｅを含有する溶融アルミニウム系めっき鋼板を用いる。また、本実施形態の溶融アルミニウム系めっき鋼板は、基材鋼板に所定量の窒素（Ｎ）を含有しており、特定の前処理によって基材鋼板とめっき層との界面にＮ濃縮層が形成されている。この溶融アルミニウム系めっき鋼板を用いて、適切な入熱となる溶接条件にて、アルミニウム材と溶融アルミニウム系めっき鋼板と鋼材とをスポット溶接する。これにより、接合構造体の接合強度を高くすることができ、例えば、十字引張試験の測定結果として１ｋＮ以上の接合強度を有する接合構造体を製造し得る。溶接条件は、接合構造体のナゲット径が適切なものとなるように、かつ接合部に特定の領域が形成されるように設定される。

＜接合構造体＞
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。

図１に示すように、スポット溶接前において、鋼材２０と溶融アルミニウム系めっき鋼板３０とアルミニウム材１０とが、この順に重ね合わせて積層される。電極４０を用いてこれらの板材をスポット溶接することにより接合構造体１Ａ（図３参照）が製造される。

本実施形態では、説明の平易化のために、鋼材が１枚である接合構造体について説明する。ただし、本発明の他の一態様における接合構造体は、鋼材を複数枚含んでいてもよい。例えば、鋼材は２枚であってもよく、３枚であってもよい。以下では、鋼材が１枚の場合を３枚組の接合構造体、鋼材が２枚の場合を４枚組の接合構造体、鋼材が３枚の場合を５枚組の接合構造体、と称することがある。

また、本明細書において、後述する溶融アルミニウム系めっき鋼板３０における基材鋼板の板厚と、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４．３ｍｍである。接合構造体は、鋼材総板厚が４．３ｍｍ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４．３ｍｍ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２０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２０との界面部分で破断し易く、十字引張強度が１ｋＮ以上得られなくなる傾向にある。

なお、本発明の一態様における接合構造体は、１箇所をスポット溶接されて製造されたものに限定されない。複数箇所にスポット溶接されて製造された接合構造体も本発明の範疇に含まれる。

（鋼材）
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。

鋼材２０は、一般冷延鋼板、特殊冷延鋼板、高強度鋼板、熱延鋼板、等であってよく、めっき鋼板であってもよい。鋼材２０は、例えば、ＳＰＣ２７０Ｃ、ＳＰＣ２７０Ｄ、ＳＰＣ４４０、ＳＰＣ５９０、合金化亜鉛めっき鋼板（ＧＡ鋼板）、等であってもよい。鋼材２０の板厚は、例えば、０．８ｍｍ～１．４ｍｍの範囲内である。

（アルミニウム材）
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。

アルミニウム材１０は、展伸材であればよく、材質は特に限定されない。アルミニウム材１０として種々のアルミニウム合金を用いることができる。例えば、１０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系の各種のアルミニウム合金を用いてよい。

アルミニウム材１０は、耐食性、加工性、等を考慮してＦｅ濃度が１．０質量％以下であることが好ましい。アルミニウム材１０に含まれるＦｅは、後述のアルミめっき層３２中のＦｅに比較して、Ｆｅ－Ａｌ二元合金層の生成・成長に対する影響が遥かに小さい。

また、アルミニウム材１０は、１質量％前後のＳｉおよび０．０１～１．５質量％のＭｇを添加するとともに時効処理等の熱処理によって微細なＭｇ_２Ｓｉが析出していることが好ましい。この場合、アルミニウム材１０の強度が向上する。この観点から、Ｓｉ含有量の下限を０．１質量％に設定することが好ましい。また、１．５～６．０質量％のＭｇを添加すると、固溶強化によって高い強度が得られる。

一方で、アルミニウム材１０は、６．０質量％を超える過剰量のＭｇが含まれるとスポット溶接時に欠陥が発生しやすくなる。また、３．０質量％を超える過剰量のＳｉが含まれるとアルミニウム材１０の内部に粗大な析出物または晶出物が生成して接合強度が低下する場合がある。よって、アルミニウム材１０は、Ｍｇ濃度が０．０１～６．０質量％、Ｓｉ濃度が３．０質量％以下となっていることが好ましい。

また、アルミニウム材１０の板厚は、アルミニウム材１０として求められる強度に応じて適宜設定されてよく、特に限定されないが、例えば、０．６ｍｍ～１．４ｍｍであってよい。一般に、自動車のルーフパネルにアルミニウム材を使用する場合、この程度の板厚となる。アルミニウム材１０の板厚は、０．８ｍｍ～１．３ｍｍであってよく、１．０ｍｍ～１．３ｍｍであってもよい。

（溶融アルミニウム系めっき鋼板）
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。

図１および図２に示すように、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０は、基材鋼板（下地鋼）３１と、基材鋼板３１の表面に形成されたアルミめっき層３２と、を含む。また、アルミめっき層３２は、基材鋼板３１とアルミめっき層３２との界面部に形成された、合金層３３を含む。そして、合金層３３は、該合金層３３と基材鋼板３１との界面に形成された、窒素濃縮層（以下、Ｎ濃縮層と称する）３４を含む。

基材鋼板３１としては、低炭素鋼、中炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼、等を用いることができる。用途に応じてＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、等を添加した鋼種が使用されてもよい。また、本実施形態における基材鋼板３１は、２５ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下のＮが添加されている。これにより、めっき後に特定条件下で加熱処理を施すと、基材鋼板３１と合金層３３との界面部にＮ濃縮層３４が生成する。この特定条件としては、例えば、５２０℃の温度にて６時間保持する熱処理が挙げられる。

Ｎ濃縮層３４は、基材鋼板３１の表面部に形成された厚みが非常に薄い層であって、例えば厚さ５ｎｍ程度の層である。Ｎ濃縮層３４は、基材鋼板３１よりもＮが濃化しており（Ｎが濃縮されており）、例えば３．０原子％以上のＮを含む。Ｎ濃縮層３４は、ＡｌおよびＦｅの相互拡散を抑制する。Ｎ濃縮層３４によるＦｅ－Ａｌの相互拡散抑制作用は、めっき後の加熱処理条件を一定にすると、基材鋼板３１のＮ含有量が多くなるほど向上する。しかし、基材鋼板３１が２００ｐｐｍを超える過剰量のＮを含む場合、基材鋼板３１自体の製造性が低下する。

また、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０は、以下のようにして製造される。すなわち、アルミニウムを主成分とする溶融アルミニウム系めっき浴に基材鋼板３１を浸漬および通過させる。これにより、基材鋼板３１の表面にアルミめっき層３２を形成する。

アルミめっき層３２の厚みは、例えば、溶融アルミニウム系めっき浴から引上げ直後の鋼帯にワイピングガスを吹き付け、めっき付着量を制御することによって調整される。アルミめっき層３２の厚さは、５μｍ以上７０μｍ以下の範囲内にすることにより、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０の加工性を良好なものとすることができる。

また、アルミめっき層３２の組成は、上記溶融アルミニウム系めっき浴の組成と同様となる。よって、上記溶融アルミニウム系めっき浴の組成を調整することにより、アルミめっき層３２の組成を調整することができる。

本実施形態におけるアルミめっき層３２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る。アルミめっき層３２が過剰量のＳｉを含む場合、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０の加工性が損なわれ得る。そのため、Ｓｉ濃度の上限を１２質量％に規制している。

合金層３３にＦｅ－Ａｌ－Ｓｉ三元合金層を十分に生成させるためには、アルミめっき浴浸漬時に、基材鋼板３１から溶融Ａｌに溶出するＦｅ，Ｓｉ量だけでは不足である。そのため、アルミめっき層３２のＦｅ，Ｓｉ含有量を高めることにより、アルミめっき層３２から接合界面にＦｅ，Ｓｉを補給する。特に、拡散係数の大きなＳｉに関しては、アルミめっき層３２のＳｉ含有量を３質量％以上と高く設定する。これにより、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ三元合金層の生成に必要なＳｉ量を確保する。

上記のようにアルミめっき層３２の組成を調整することによれば、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ三元合金層の生成を促進させるばかりでなく、スポット溶接時に生じる溶融ＡｌのＦｅ，Ｓｉ濃度を高くするという作用も生じる。Ｆｅ，Ｓｉ濃度が高い溶融Ａｌを急冷することにより形成されたナゲットは、Ｆｅ，Ｓｉの固溶強化の効果および急冷効果によって硬質化する。そのため、接合構造体１Ａの継手強度を高めることができる。そして、脆弱なＦｅ－Ａｌ二元合金層の生成が抑えられることにより、信頼性の高い継手強度をもつ接合構造体１Ａが得られる。

なお、上述のアルミめっき層３２の組成は、基材鋼板３１とアルミめっき層３２との界面に形成される合金層３３を含まない領域の組成である。

接合構造体１Ａのさらなる特性（スポット溶接に関する特性とは別の特性）の向上を要する場合、Ｆｅ－Ａｌの相互拡散反応に大きな影響を及ぼさないＴｉ，Ｓｒ，Ｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｎ等の元素をアルミめっき層３２に適宜含ませることができる。

（接合部）
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。

図３に示すように、接合構造体１Ａの接合部２Ａには、アルミニウム材１０と溶融アルミニウム系めっき鋼板３０とを接合する上部ナゲット（第１ナゲット）５１と、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０と鋼材２０とを接合する下部ナゲット（第２ナゲット）５２とが形成されている。図３に示す断面図において、上部ナゲット５１は、アルミニウム材１０と溶融アルミニウム系めっき鋼板３０との境界の近傍に形成されたアルミニウムの溶融ナゲットであり、アルミニウム材１０の内部に向かって盛り上がった（上に凸の）扇状に形成されている。下部ナゲット５２は、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０および鋼材２０との境界部に形成されており、それらの両方に拡がる楕円状に形成されている。

そして、接合構造体１Ａは、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との界面に強入熱領域（中央領域）７０が形成されている。強入熱領域７０は、図４に示すように、接合構造体１Ａをアルミニウム材１０の側から透視した場合に、上部ナゲット５１の中央に形成されている。図４に示す中心点５１Ａは、スポット溶接時における通電の中心部である。

また、接合構造体１Ａは、上部ナゲット５１の外縁部と基材鋼板３１との界面に、弱入熱領域（外周領域）８０が形成されており、弱入熱領域８０と強入熱領域７０との間に、中間領域６０が形成されている。

中心点５１Ａを基準として説明すれば、図４に示すように、上部ナゲット５１は、中心点５１Ａから円状に拡がって形成されている。上部ナゲット５１と基材鋼板３１との界面において、中心点５１Ａを含む或る程度の範囲を有する領域が強入熱領域７０であり、その外側に中間領域６０および弱入熱領域８０がこの順に存在している。

これらのナゲットおよび各領域について以下に説明する。

（ナゲット）
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。

抵抗加熱による熱の影響は、通電の中心部から遠くなるほど弱くなる。よって、強入熱領域７０は比較的大きい入熱の影響を受けた領域であり、弱入熱領域８０は比較的小さい入熱の影響を受けた領域である。

また、上部ナゲット５１のＦｅ，Ｓｉ濃度は、アルミめっき層３２の厚さ，溶接電流，通電時間，電極形状の組合せに応じて変化し得る。上部ナゲット５１へのＦｅ，Ｓｉ供給源となるアルミめっき層３２が厚いほど、上部ナゲット５１のＦｅ，Ｓｉ濃度が上昇する。

例えば、先端部が径６ｍｍ、曲率半径４０ｍｍの曲面となっている１％クロム銅合金チップを用いて、溶接電流：１２．５ｋＡ、通電時間：１２サイクルの条件でスポット溶接する場合を考える。この場合、アルミめっき層３２の膜厚が５μｍ以上であれば、上部ナゲット５１の平均Ｆｅ，Ｓｉ濃度がアルミニウム材１０のＦｅ，Ｓｉ含有量よりもいずれも０．１質量％以上高くなる。その結果、上部ナゲット５１が硬質化して、接合構造体１Ａの接合強度が向上する。

また、下部ナゲット５２は、通電によって溶融アルミニウム系めっき鋼板３０と鋼材２０との境界面が抵抗加熱され、Ｆｅの融点まで昇温することにより溶融した鉄が凝固することにより形成される。

ここで、本実施形態における接合構造体１Ａは、鋼材２０と、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０と、アルミニウム材１０とが積層されてスポット溶接されることにより製造される。このような３枚組の接合構造体１Ａについて、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からなる２枚組をスポット溶接する場合と同等の条件にてスポット溶接する場合、以下の問題がある。すなわち、上部ナゲット５１および下部ナゲット５２の両方を所望の性質を満たすように形成することが困難である。これは、鉄とアルミニウムとの融点の違いに起因して、スポット溶接時における２つのナゲットの挙動が異なるためである。

本発明者らは、鋭意検討の結果、３枚組の接合構造体１Ａが高い接合強度を有するために、接合部２Ａに求められる以下の要件を見出した。

本実施形態の接合構造体１Ａは、下部ナゲット５２の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、１．２以上２．０以下となっている。

上部ナゲット５１および下部ナゲット５２のナゲット径は、以下のように測定することができる。すなわち、接合構造体１Ａにおける上部ナゲット５１および下部ナゲット５２のそれぞれの大きさ（周囲の物質との境界）は、例えば、図３に示すような断面を撮像した電子顕微鏡写真を用いて視覚的に規定することができる。上部ナゲット５１と合金層３３との境界における一端から他端までの幅を上部ナゲット径Ｗ１とする。下部ナゲット５２の楕円形状における長軸の長さを下部ナゲット径Ｗ２とする。本実施形態の接合構造体１Ａは、Ｗ１／Ｗ２の比が１．２～２．０である。

上記比が１．２未満の場合、スポット溶接時の入熱が大きいことによって上部ナゲット５１のナゲット径が大きくなりすぎ、アルミニウム材１０が大きく減肉する。そのため、十字引張試験の測定結果として１ｋＮ未満の接合強度を有する接合構造体となり得る。ここで、図３に示すように、接合部２Ａでは、加圧力によって電極４０（図１参照）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。接合部２Ａでは、スポット溶接する前のアルミニウム材１０の板厚ｔ１よりも板厚が小さくなっている。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。スポット溶接時の入熱を大きくすると、上部ナゲット径Ｗ１が大きくなる一方でアルミニウム材１０が減肉することにより、電極押圧面１１の部分にてアルミニウム材１０が破断し易くなる。

他方、上記比が２．０を超える場合、スポット溶接時の入熱が小さく、下部ナゲット５２のナゲット径が十分に大きくならない。そのため、接合構造体は、十字引張試験において下部ナゲット５２の部分で破断しやすく接合強度が１ｋＮ未満となり得る。

なお、下部ナゲット５２は、図３に示すような楕円形状であるとは限らない。そのため、下部ナゲット５２の下部ナゲット径Ｗ２は、より詳細には以下のように定義される。すなわち、下部ナゲット径（溶融鋼ナゲット径）Ｗ２は、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である。

そして、本実施形態の接合構造体１Ａは、上述のように上部ナゲット５１と基材鋼板３１との界面に、強入熱領域７０、中間領域６０、および弱入熱領域８０が形成されている。これらの領域について、図３～図５を参照しながら以下に説明する。図５は、本実施形態の接合構造体１Ａが有する中間領域６０の領域幅を測定する方法について説明するための図である。

図３～図５に示すように、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面における、最外周部分に弱入熱領域８０が形成される。１対の電極４０（図１参照）の互いの中心軸の延長線を電極中心線とすると、スポット溶接時には、上記接合界面における、上記電極中心線との距離が近い位置ほど入熱が高い傾向にある。弱入熱領域８０は、当該電極中心線から遠い位置であり、スポット溶接時の入熱が小さい箇所である。一方で、強入熱領域７０は、スポット溶接時の入熱が大きい箇所である。中間領域６０は、弱入熱領域８０と強入熱領域７０との間の入熱量である。

（強入熱領域）
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。

Ｆｅの濃化によって上部ナゲット５１が硬質化するものの、継手強度を低下させる脆弱なＦｅ－Ａｌ二元合金層が接合界面に生じやすくなる。すなわち、スポット溶接時に溶融Ａｌが急冷され上部ナゲット５１となるとき、強入熱領域７０では、溶融ＡｌからＦｅが接合界面に再析出し、脆弱なＦｅ－Ａｌ二元合金層が生成する。

したがって、強入熱領域７０は、主にＦｅ－Ａｌ系金属間化合物が形成されている。ただし、アルミニウム材１０および溶融アルミニウム系めっき鋼板３０の組成から供給された各種の元素を含むこと、並びに、それら元素により形成された合金を含むことが許容される。本明細書において、「主にＦｅ－Ａｌ系金属間化合物が形成されている」とは、例えば、ナノプローブ電子線解析およびエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いて強入熱領域７０を分析した場合に、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物の存在割合が最も多いことを示すデータが得られることを意味する。

（弱入熱領域）
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。

弱入熱領域８０は、上部ナゲット５１の端部から０．２ｍｍ程度の幅の領域に形成される。この領域の幅は、上部ナゲット５１のナゲット径Ｗ１が変化しても、あまり変動しない。

本明細書において、「主にＦｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物が形成されている」とは、強入熱領域７０について上述したことと同様に、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物の存在割合が最も多いことを示すデータが得られることを意味する。

（中間領域）
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。

本明細書において、「Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物とＮ濃縮層３４とが混在している」とは、中間領域６０を分析した場合に、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物およびＮ濃縮層３４の存在を示すデータ（例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＮの存在を検出したデータ）が得られるとともに、以下のようなデータが得られることを意味している。すなわち、中間領域６０において、溶融Ａｌナゲット５１側にＦｅがほぼ検出されず、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物が生成していないことを示すデータが得られることを意味している。分析手段は、極微小領域の分析を行うことができればよく特に限定されないが、例えばナノプローブ電子線解析およびＥＤＸを用いることができる。

この中間領域６０は、例えば、接合構造体１Ａにアルミニウム材１０を引きはがすような力が加えられた場合に、上部ナゲット５１の外周部である弱入熱領域８０の方から進展する亀裂を停止させるように働く。これにより、アルミニウム材１０に更なる力を加えた場合、接合構造体１Ａは、シャー破断ではなくボタン破断となりやすい。つまり、中間領域６０が接合強度を増大させるように働くことにより、上部ナゲット５１は高い接合強度を有する。

図５に示すように、中間領域６０の長さ（領域幅）は、以下のように測定する。すなわち、図５に示すような断面視において、弱入熱領域８０と強入熱領域７０との隙間の長さを測定する。右側の中間領域６０の長さをＬ１とし、左側の中間領域６０の長さをＬ２とする。このとき、中間領域６０の長さＬは、Ｌ１＋Ｌ２で求められる。本実施形態において、中間領域６０の長さＬは、０．１ｍｍ以上である。

以上に説明したことは、次のように整理することができる。上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面における、強入熱領域７０の中心から半径方向の各領域の存在する長さを、強入熱領域７０、中間領域６０、および弱入熱領域８０のそれぞれの領域幅と規定すると、中間領域６０の領域幅は０．１ｍｍ以上である。

＜接合構造体の製造方法＞
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。

スポット溶接時の加圧力は、１．４ｋＮ以上４．９ｋＮ以下の範囲内とする。スポット溶接における入熱量は、溶接電流と通電時間との積によって調節することができる。ここで、スポット溶接における通電時間の１サイクルとは、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となる。商用電源は、５０Ｈｚの電源周波数であってよく、６０Ｈｚの電源周波数であってもよい。また、その他の電源周波数であってもよい。電源周波数の違いに応じて、溶接電流を調節することにより、入熱量を制御することができる。スポット溶接時の溶接電流×通電時間（サイクル）の値は、５０以上２１０以下の範囲内とする。

また、スポット溶接に用いる電極４０として、例えば、ＤＲ（ドーム・ラジアス）形の電極チップが挙げられる。ＤＲ形の電極チップとは、Ｄ形の電極チップ（電極先端が曲面であって該曲面の曲率半径が電極外径の１／２）の先端に、ラジアス形状（上記曲面よりも大きい曲率半径の曲面）が形成されたものである。ＤＲ形の電極チップは、チップドレッサ（電極研磨用工具）による整形性が良好であり、自動車産業で広く使用されている。

例えば、電極４０は、胴体部の外径が１６ｍｍ、先端径が６ｍｍであり、先端部が曲率半径４０ｍｍの曲面となっている。また、電極４０の胴体部と上記先端部との間である肩部の表面は曲率半径が８ｍｍの曲面となっている。電極４０の材質は、例えば、０．４質量％～１．２質量％のＣｒを含有するクロム銅合金（Ｃｒ－Ｃｕ合金）である。上記クロム銅合金は、１質量％程度のＣｒを含有するものであってもよく、例えば０．８質量％～１．１質量％のＣｒを含有するものであってもよい。

６０Ｈｚの電源周波数の商用電源を用いる場合、初期加圧は、例えば３５サイクルであり、ホールドは２４サイクルである。初期加圧は、１０サイクル以上であってよく、ホールドは、５サイクル以上であってよい。ホールドとは、電極４０に通電後に、電極４０を冷却しつつ該電極４０を用いて被溶接材を加圧する鍛造加圧のことを意味している。また、スポット溶接機として、例えば直流インバータ方式または単相交流式の溶接機を用いることができる。

なお、電極４０は、ＤＲ形の電極チップであれば、上記の寸法および材質に限定されない。電極４０の外径は１６ｍｍに限定されず、先端部の形状に応じて適宜設計された外径となっていてもよい。電極４０の先端部の先端径は５ｍｍ～７ｍｍであることが好ましい。また、電極４０の先端部の曲率半径、および上記肩部の表面の曲率半径については特に限定されず、外径および先端部の先端径の値に応じて適宜設計された値となっていてよい。

本実施形態の接合構造体１Ａの製造方法では、下部ナゲット径Ｗ２に対する上部ナゲット径Ｗ１の比が１．２以上２．０以下（Ｗ１／Ｗ２の比が１．２～２．０）となるように、かつ中間領域６０の長さＬが０．１ｍｍ以上となるように、スポット溶接時の加圧力および溶接電流×通電時間（サイクル）の値が前述の範囲内で制御される。Ｗ１／Ｗ２の比が１．２～２．０となるような入熱量とすることにより、上部ナゲット径Ｗ１を大きくすることと、接合部２Ａにおけるアルミニウム材１０が減肉することとが好適なバランスとなり、接合構造体１Ａの接合強度を高くすることができる。

（有利な効果）
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。適切な溶接条件にてスポット溶接することにより、接合構造体１Ａは、上部ナゲット５１と下部ナゲット５２とのナゲット径の比が調整され、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面に中間領域６０が存在するように製造される。これにより、下部ナゲット５２における接合強度を高くすることができるとともに、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面における亀裂の進展を中間領域６０により防止することができる。

したがって、アルミニウム材１０と鋼材２０とが抵抗スポット溶接法により異材接合された接合構造体であって、接合強度に優れる接合構造体１Ａを提供することができる。

〔実施形態２〕
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。

前記実施形態１では、３枚組の接合構造体１Ａについて説明した。これに対して、本実施形態の接合構造体１Ｂは、鋼材２０に加えて鋼材２１を含む、４枚組の接合構造体となっている。

図６に示すように、本実施形態の接合構造体１Ｂは、鋼材２１と鋼材２０と溶融アルミニウム系めっき鋼板３０とアルミニウム材１０とが、この順に重ね合わせて積層され、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。

鋼材２１と鋼材２０とは、互いに同じ鋼種であってもよく、互いに異なる鋼種であってもよい。また、互いに同じ板厚であってもよく、互いに異なる板厚であってもよい。鋼材２１の板厚は、例えば、０．６ｍｍ～２．０ｍｍの範囲内である。

接合構造体１Ｂの接合部２Ｂは、鋼材２１、鋼材２０、および溶融アルミニウム系めっき鋼板３０に拡がる下部ナゲット５５が形成されている。

この場合、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５５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下部ナゲット径（第１鋼ナゲット径）Ｗ２とする。また、鋼材２０と鋼材２１とが当接する界面上における、下部ナゲット５５と鋼材２０（または鋼材２１）の表面との境界の一方から他方までの長さを第２鋼ナゲット径Ｗ３とする。

接合構造体１Ｂは、Ｗ１／Ｗ２の比が１．２～２．０となっている。第２鋼ナゲット径Ｗ３の長さは、接合構造体１Ｂの接合強度に対する影響が小さい。また、接合構造体１Ｂは、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面における、中間領域６０の領域幅が０．１ｍｍ以上である。

これにより、接合構造体１Ｂは、十字引張試験の測定結果として、接合強度が１ｋＮ以上とすることができる。したがって、アルミニウム材１０と鋼材２０と鋼材２１とが抵抗スポット溶接法により異材接合された接合構造体であって、接合強度に優れる接合構造体１Ｂを提供することができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図７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および実施形態２と同じである。図７は、本実施形態における接合構造体１Ｃの接合部２Ｃを模式的に示す断面図である。

前記実施形態２では、４枚組の接合構造体１Ｂについて説明した。これに対して、本実施形態の接合構造体１Ｃは、鋼材２０および鋼材２１に加えて鋼材２２を含む、５枚組の接合構造体となっている。

図７に示すように、接合構造体１Ｃは、鋼材２２、鋼材２１、鋼材２０、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が、この順に重ね合わせて積層され、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。

鋼材２２、鋼材２１、および鋼材２０は、それぞれが同じ鋼種であってもよく、それぞれ異なる鋼種であってもよい。また、それぞれが同じ板厚であってもよく、それぞれ異なる板厚であってもよい。鋼材２２の板厚は、例えば、０．８ｍｍ～１．４ｍｍの範囲内である。

接合構造体１Ｃの接合部２Ｃは、鋼材２２、鋼材２１、鋼材２０、および溶融アルミニウム系めっき鋼板３０に拡がる下部ナゲット５８が形成されている。鋼材２１と鋼材２２とが当接する界面上における、下部ナゲット５８と鋼材２１（または鋼材２２）の表面との境界の一方から他方までの長さを第３鋼ナゲット径Ｗ４とする。

接合構造体１Ｃは、Ｗ１／Ｗ２の比が１．２～２．０となっている。第２鋼ナゲット径Ｗ３および第３鋼ナゲット径Ｗ４の長さは、接合構造体１Ｃの接合強度に対する影響が小さい。また、接合構造体１Ｃは、上部ナゲット５１と基材鋼板３１との接合界面における、中間領域６０の領域幅が０．１ｍｍ以上である。

これにより、接合構造体１Ｃは、十字引張試験の測定結果として、接合強度が１ｋＮ以上とすることができる。したがって、アルミニウム材１０と鋼材２０と鋼材２１と鋼材２２とが抵抗スポット溶接法により異材接合された接合構造体であって、接合強度に優れる接合構造体１Ｃを提供することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以下、実施例および比較例により、本発明の接合構造体についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定するものではない。

〔十字引張試験〕
図８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。

図８の（ａ）および（ｂ）に示すように、鋼材２１および鋼材２０を積層するとともに、そ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をこの順に積層する。アルミニウム材１０として、幅Ｗ１０が５０ｍｍ、長さＬ１０が１５０ｍｍのものを用いている。また、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０、鋼材２０、および鋼材２１も同様に、５０ｍｍ×１５０ｍｍのものを用いている。

溶融アルミニウム系めっき鋼板３０とアルミニウム材１０とは互いに十字になるように積層する。そして、溶接点３に電極をあててスポット溶接する。これにより、接合構造体を形成する。

接合構造体のアルミニウム材１０に上方向の力を与えるとともに、溶融アルミニウム系めっき鋼板３０に下方向の力を与えることにより、十字引張試験を行う。これにより、十字引張強度（ｋＮ）を評価した。十字引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１３７に準拠して行った。

〔断面観察〕
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。

〔スポット溶接機〕
以下に示す例では、単相交流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。

（実施例１：３枚組）
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０．７ｍｍ～１．６ｍｍ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、１００、または１９３ｐｐｍとした。

そして、各試料について、断面観察および十字引張試験を行った。その結果を表１に示す。なお、比較例Ｎｏ．２７は、２枚組にて作製した試料である。また、下表１に記載のＡｌ溶融ナゲット径は、図３を用いて上述した上部ナゲット５１のナゲット径Ｗ１に対応し、鋼材溶融ナゲット径は、下部ナゲット５２のナゲット径Ｗ２に対応している。

表１のＮｏ．１～２２に示すように、ナゲット径の比および中間領域の幅が本発明の範囲内の実施例の接合構造体では、十字引張強度が１ｋＮ以上であり、優れた接合強度を示した。

これに対し、ナゲット径の比および中間領域の幅の両方が本発明の範囲外である比較例Ｎｏ．２３、２４、２６では、十字引張強度が１ｋＮ未満であった。また、溶融アルミニウム系めっき鋼板の基材鋼板中のＮ量が１６ｐｐｍである比較例Ｎｏ．２５では、中間領域が生成しないため十字引張強度が１ｋＮ未満であった。

２枚組にて作製した比較例Ｎｏ．２７では、実施例Ｎｏ．８と同様の溶接条件にてスポット溶接を行ったが、鋼材の総板厚が薄いため発熱量が小さくなり、ナゲットが生成しなかった。

（実施例２：４枚組）
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～２．０ｍｍ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～３．３ｍｍ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。４枚組の接合構造体では、溶融アルミニウム系めっき鋼板と該鋼板に隣接する鋼材との界面上における下部ナゲット径Ｗ２を用いて、ナゲット径の比を算出した。

そして、各試料について、断面観察および十字引張試験を行った。その結果を表２に示す。

表２のＮｏ．３１～４０に示すように、ナゲット径の比および中間領域の幅が本発明の範囲内の実施例の接合構造体では、十字引張強度が１ｋＮ以上であり、優れた接合強度を示した。

これに対し、ナゲット径の比が本発明の範囲外である比較例Ｎｏ．４１では、十字引張強度が１ｋＮ未満であった。

（実施例３：５枚組）
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、３枚の鋼材とを積層して、下記表３に示す条件にてスポット溶接した。上記３枚の鋼材は、板厚０．８ｍｍ～１．４ｍｍの各種の鋼種の第１の鋼材、板厚１．０ｍｍ～１．２ｍｍの各種の鋼種の第２の鋼材、および板厚１．０ｍｍ～１．４ｍｍの各種の鋼種の第３の鋼材である。鋼板総板厚は３．３ｍｍ、３．７ｍｍ、または４．３ｍｍとした。溶融アルミニウム系めっき鋼板の基材鋼板中のＮ量は１００ｐｐｍとした。５枚組の接合構造体の場合も、４枚組の場合と同様に、溶融アルミニウム系めっき鋼板と該鋼板に隣接する鋼材との界面上における下部ナゲット径Ｗ２を用いて、ナゲット径の比を算出した。

そして、各試料について、断面観察および十字引張試験を行った。その結果を表３に示す。

表３のＮｏ．５１～６０に示すように、ナゲット径の比および中間領域の幅が本発明の範囲内の実施例の接合構造体では、十字引張強度が１ｋＮ以上であり、優れた接合強度を示した。

これに対し、ナゲット径の比が本発明の範囲外である比較例Ｎｏ．６１では、十字引張強度が１ｋＮ未満であった。

１Ａ～１Ｃ 接合構造体
２Ａ～２Ｃ 接合部
１０ アルミニウム材
２０～２２ 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 (3)

1. 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、
   十字引張試験の測定結果として、接合強度が１ｋＮ以上であり、
   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部に形成されるナゲットを第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の境界部に形成されるナゲットを第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１．２以上２．０以下であり、
   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、前記中央領域には、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物が形成されており、
   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おり、
   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、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、
   前記外周領域には、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物が形成されており、
   前記中間領域には、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接合構造体。
2. 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１に記載の接合構造体。
3. 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、
   前記スポット溶接工程では、電極の加圧力が１．４ｋＮ以上４．９ｋＮ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５０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、
   前記スポット溶接工程により形成される前記接合構造体の十字引張試験の測定結果として、接合強度が１ｋＮ以上であり、
   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部に形成されるナゲットを第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の境界部に形成されるナゲットを第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１．２以上２．０以下であり、
   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、前記中央領域には、Ｆｅ－Ａｌ系金属間化合物が形成されており、
   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おり、
   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、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、
   前記外周領域には、Ｆｅ－Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物が形成されており、
   前記中間領域には、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接合構造体の製造方法。

Images