JP7301032B2

JP7301032B2 - 接合方法

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Publication number: JP7301032B2
Application number: JP2020151826A
Authority: JP
Inventors: 良和北村; 浩西村; 欣鈴木
Original assignee: G Tekt Corp
Current assignee: G Tekt Corp
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2036-10-12
Also published as: JP2020196048A

Description

本発明は、鋼材からなる構造体に対してアルミニウム材料などの異種材料の構造体を接合する接合構造方法に関する。

車輌を構成する部品（車体部品）には、高い強度が要求される。これに加え、近年では、軽量が要求されている。このため、部品を形成する材料には、例えば、高張力鋼やアルミニウム材料が用いられるようになっている。また、高張力鋼とアルミニウム材料とを一体とした複合部材が用いられるようになっている。

特開２０１５－０６２９１１号公報

ところで、鋼材同士の結合においては、例えばスポット溶接などが用いられているが、上述したような異種材料の結合においては、例えば、リベットの軸部を孔の開いていないアルミニウム板に押し込むことにより挿通させ、また、予めアルミニウム板に開口を形成しておき、この開口にリベットの軸部を勘合させ、この後、軸部先端と鋼板とを溶接している（特許文献１参照）。しかしながら、上述した技術では、現在のより高い接合強度の要求に対応できていない。前述した異種材料の結合においては、製造コストや得られる強度などを含めて妥当な技術が存在していないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストの上昇を招くことなく鋼材からなる構造体に対してアルミニウム材料などの異種金属材料の構造体がより高い強度で接合できるようにすることを目的とする。

本発明に係る接合方法は、頭部および頭部に接続して先細りの先端部を備える軸部から構成されて軸方向断面が略Ｔ字状の鋼からなるボタン部品を用意する第１工程と、鋼材からなる第１部品に鋼材とは異なる材料から構成された第２部品を重ねる第２工程と、ボタン部品に第１圧力を加えて第２部品の表面側からボタン部品の先端部を押し込み、軸部の先端部を第１部品に当接させる第３工程と、軸部の先端部が第１部品に当接した状態で、ボタン部品に第２圧力を加えながら先端部と第１部品とを抵抗スポット溶接により溶接する第４工程とを備え、第３工程では、無加熱で、かつボタン部品に加える第１圧力を第４工程における第２の圧力より大きい圧力としてボタン部品を押し込む。第２部品は、例えばアルミニウムから構成されている。

上記接合方法において、第３工程では、頭部の座面が第２部品の表面に当接する状態にするとよい。

上記接合方法において、第４工程では、軸部の先端部を第１部品に当接させてからスポット溶接を開始するとともに、軸部を更に押し込むようにするとよい。

上記接合方法において、上記ボタン部品の頭部は、周縁部ほど軸部の先端側に近づく形状とするとよい。

上記記載の接合方法において、第３工程では、抵抗スポット溶接における一方の電極をボタン部品の頭部に当接させて第１部品の方向に押しつけることで、ボタン部品の先端部を第２部品に押し込み、軸部の先端部を第１部品に当接させるようにするとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、コストの上昇を招くことなく鋼材からなる構造体に対してアルミニウム材料などの異種金属材料の構造体がより高い強度で接合できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における接合方法を説明するための説明図である。図２は、本発明の実施の形態における接合方法による接合構造を例示する断面図である。図３は、本発明の実施の形態における接合方法による他の接合構造を例示する断面図である。図４は、本発明の実施の形態における接合方法による接合構造の断面を金属顕微鏡で観察した写真である。図５は、他の接合方法による接合構造の断面を金属顕微鏡で観察した写真である。図６は、本発明の実施の形態における接合方法による他の接合構造の例示する断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における接合方法を説明するための説明図である。

まず、第１工程Ｓ１０１で、図１の（ａ）に示すボタン部品１０１を用意する。ボタン部品１０１は、頭部１１１および頭部１１１に接続する軸部１１２を備える。また、軸部１１２は、先細りの形状とされた先端部１１３を備える。ボタン部品１０１は、例えば冷間圧造用炭素鋼などの鋼から構成され、軸方向断面が略Ｔ字状とされている。頭部１１１および軸部１１２は、例えば平面視円形とされている。ボタン部品１０１は、軸部１１２の直径が例えば１０ｍｍである。なお、頭部１１１および軸部１１２は、平面視の形状（断面形状）が、円形に限らず、多角形であってもよい。また、頭部１１１は、平面視の形状が、凸多角形に限らず凹多角形など、一部が軸部１１２の方向に凹形状となっていてもよい。

次に、第２工程Ｓ１０２で、図１の（ｂ）に示すように、鋼板（第１部品）１０２に、鋼材とは異なる材料から構成されているアルミニウム板（第２部品）１０３を重ねて配置する。鋼板１０２は、例えば、ＪＳＣ７８０，ＪＳＣ９８０Ｙなどの高張力鋼板であり、例えば、板厚１ｍｍである。アルミニウム板１０３は、例えばＡＬ５０５２Ｐ材などのアルミニウム合金板であり、例えば、板厚１ｍｍである。なお、軸部１１２は、アルミニウム板１０３の厚さより長ければよい。

次に、第３工程Ｓ１０３で、図１の（ｃ）に示すように、アルミニウム板１０３の表面側からボタン部品１０１の先端部１１３を突入させて押し込む。次いで、図１の（ｄ）に示すように、アルミニウム板１０３を貫通させて軸部１１２の先端部１１３を鋼板１０２に当接させる。ここでは、ボタン部品１０１に第１圧力を加えてアルミニウム板１０３の表面側からボタン部品１０１の先端部１１３を押し込み、軸部１１２の先端部１１３を鋼板１０２に当接させる

この工程では、例えば、後述する第４工程で用いる抵抗スポット溶接における一方の電極をボタン部品１０１の頭部１１１に当接させて鋼板１０２の方向に押しつけることで、ボタン部品１０１の先端部１１３をアルミニウム板１０３に突入させて押し込み、アルミニウム板１０３を貫通させて軸部１１２の先端部１１３を鋼板１０２に当接させてもよい。

次に、第４工程Ｓ１０４で、先端部１１３と鋼板１０２とを、よく知られた抵抗スポット溶接により溶接する。軸部１１２の先端部１１３を鋼板１０２に当接させてからスポット溶接を開始するとともに、第２圧力で軸部１１２を更に押し込む。言い換えると、軸部１１２の先端部１１３が鋼板１０２に当接した状態で、ボタン部品１０１に第２圧力を加えながら先端部１１３と鋼板１０２とを抵抗スポット溶接により溶接する。第２圧力は、よく知られた一般的な溶接加圧力とすればよい。抵抗スポット溶接における他方の電極は、鋼板１０２に電気的に接続しておく。

溶接により、先端部１１３と鋼板１０２との間に、これらが溶融凝固したナゲット１０４が形成される。上記溶接により、先端部１１３は、先細りの形状から変形する。この第４工程で、溶接が完了した時点では、図１の（ｅ）に示すように、頭部１１１の座面が、アルミニウム板１０３の表面に当接する状態にする。

スポット溶接において、押しつける力となる第２圧力（溶接加圧力）は１００～３００ｋｇｆ／ｃｍ²とし、溶接電流は、１０００～１４０００Ａで、１～３０サイクルとすればよい。なお、１ｋｇｆ／ｃｍ²＝９８０６６．５Ｐａである。

ここで、第３工程では、無加熱で、かつボタン部品１０１に加える第１圧力を第４工程における第２圧力より大きい圧力としてボタン部品１０１を押し込むことが重要である。例えば、前述したように、抵抗スポット溶接における一方の電極をボタン部品１０１の頭部１１１に当接させてボタン部品１０１を押し込むときは、通電電流を溶接状態より低くし、または無通電とし、ボタン部品１０１が加熱されない状態としておく。

例えば、板厚１ｍｍのＡＬ５０５２Ｐ材の場合、第１圧力を４００ｋｇｆ／ｃｍ²以上とすれば、無加熱でボタン部品１０１の先端部１１３をアルミニウム板１０３に突入させて押し込み、アルミニウム板１０３を貫通させて軸部１１２の先端部１１３を鋼板１０２に当接させることができた。また、ボタン部品１０１突入部近傍の鋼板１０２とアルミニウム板１０３とを、クランプなどにより加圧固定した場合、第１圧力を５５０ｋｇｆ／ｃｍ²以上とすれば、上述同様に、無加熱でボタン部品１０１の先端部１１３がアルミニウム板１０３を貫通した。第１圧力は、ボタン部品の軸部（先端部）が第１部品を貫通できるように適宜に設定すればよい。

上述したことにより、鋼板１０２と、鋼板１０２に重ねて配置されたアルミニウム板１０３と、鋼板１０２に重ねて配置されたアルミニウム板１０３と、軸部１１２がアルミニウム板１０３を表面側から貫通して先端部が鋼板１０２に溶接されて頭部１１１の座面がアルミニウム板１０３の表面に当接する軸方向断面が略Ｔ字状の鋼からなるボタン部品１０１とから構成された接合構造が得られる。

上述した実施の形態における接合方法により得られた接合構造は、鋼板１０２にナゲット１０４で強固に溶接されているボタン部品１０１の頭部１１１により、アルミニウム板１０３が鋼板１０２に押さえつけられるものとなる。溶接部となるナゲット１０４は、同種の材料からなる鋼板１０２とボタン部品１０１（先端部１１３）とが溶融凝固した部分であり、高い接合強度が得られている。この結果、本発明によれば、鋼材からなる構造体に対してアルミニウム材料などの異種金属材料の構造体が、より高い強度で接合できるようになる。また、安価に製造可能なボタン部品１０１を用い、既存の抵抗スポット溶接技術により溶接するので、コストの上昇を招くことがない。

ところで、図２に示すように、頭部２１１の庇部２１１ａが、周縁部ほど軸部２１２の先端側に近づく形状とされたボタン部品２０１により、鋼板１０２にアルミニウム板１０３を固定してもよい。このように構成することで、頭部２１１の座面に、溝領域２３１が形成される。軸部２１２を突入させて押し込んでスポット溶接するときに、軸部２１２周囲のアルミニウム板１０３が溶解し、周囲に飛散する場合がある。上記構成とした庇部２１１ａを形成しておくことで、庇部２１１ａの軸部２１２側（下側）に形成される溝領域２３１に、溶融アルミニウムを収容でき、溶融アルミニウムの飛散が防止できる。

また、図３に示すように、頭部３１１の庇部３１１ａを周縁部ほど軸部３１２の先端側に近づく形状としたボタン部品３０１により、鋼板１０２にアルミニウム板１０３を固定してもよい。庇部３１１ａの周縁部は、軸方向下側に、軸部３１２と略平行な状態とされている。この構成とした庇部３１１ａによっても、庇部３１１ａの下側に形成される溝領域３３１に、溶融アルミニウムを収容でき、溶融アルミニウムの飛散が防止できる。

次に、ＳＷＣＨ（Steel Wire Cold Heading）１２を材料として作製したボタン部品を用い、鋼板にアルミニウム板を固定した状態の断面を、金属顕微鏡により観察した結果について図４を用いて説明する。用いたボタン部品は、頭部の庇部が、周縁部ほど軸部の先端側に近づく形状としている。鋼板は、板厚０．８ｍｍのＪＳＣ９８０材を用い、アルミニウム板は、板厚１ｍｍのＡＬ５０５２Ｐ材とした。また、ボタン部品は、冷間圧造用炭素鋼より作製した。

ボタン部品の先端部をアルミニウム板に突入させて押し込むときの加圧は４００ｋｇｆ／ｃｍ ²とした。また、ボタン部品の先端部と鋼板とを、抵抗スポット溶接により溶接するときの溶接加圧力は、２００ｋｇｆ／ｃｍ ²とした。なお、溶接電流は、１００００Ａとし、３サイクル（３／５０秒）とし、１０サイクルの保持時間として溶接した。ナゲットの径は、２．５ｍｍとなった。図４に示すように、溶接部は溶融凝固している状態が確認される。

一方、ボタン部品の先端部をアルミニウム板に突入させて押し込むときの加圧および溶接加圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ ²均一とし、押し込むときも通電して抵抗加熱して接合した場合の断面の金属顕微鏡写真を図５に示す。この場合においても、用いたボタン部品は、頭部の庇部が、周縁部ほど軸部の先端側に近づく形状としている。鋼板は、板厚０．８ｍｍのＪＳＣ９８０材を用い、アルミニウム板は、板厚１ｍｍのＡＬ５０５２Ｐ材とした。また、ボタン部品は、冷間圧造用炭素鋼より作製した。

この接合方法の場合、図５に示すようにボタン部品の中央に組織が変化している領域が確認された。この組織変化領域は、アルミニウムが３０重量％程度含まれており、著しい硬度低下が確認された。ボタン部品の先端部を押し込むときも通電して抵抗加熱していると、加圧力が小さくても突入可能となる。しかしながら、加熱している状態では、接触しているアルミニウム板のアルミニウムがボタン部品の内部に拡散し、上述したように組織変化領域が形成され、硬度低下が発生するものと考えられる。第２部品がアルミニウム以外の異種金属から構成されている場合も、上述同様の問題が発生するものと考えられる。

上述したことより明らかなように、ボタン部品の先端部をアルミニウム板に押し込むとき、ボタン部品が加熱されていると、低い加圧力で突入させて貫通させることができるが、ボタン部品の強度が低下し、高い接合強度が得られないことが分かる。

これに対し、本発明によれば、ボタン部品の先端部をアルミニウム板に押し込むときにボタン部品を加熱しないので、ボタン部品の強度低下が起こらず、高い接合強度が得られるようになる。ボタン部品を加熱せずに押し込み、この後で溶接した場合（図４に示した状態）では、ボタン部品においては、アルミニウムが検出されず、また、強度の低下も測定されていない。

以上に説明したように、本発明によれば、非加熱の状態で、溶接時の第２圧力より大きい圧力とした第１圧力で第２部品の表面側からボタン部品の押し込み、この後で、第２圧力とし、貫通させた先端部と第１部品とを抵抗スポット溶接により溶接するようにしたので、コストの上昇を招くことなく鋼材からなる構造体に対してアルミニウム材料などの異種金属材料の構造体がより高い強度で接合できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、第１部品および第２部品は、板部材に限るものではなく、他の形状の構造体であってもよい。例えば、図６に示すように、ボタン部品１０１をアルミニウム板１０３を貫通させて軸部１１２を環状の鋼材１０２ａに溶接することで、環状の鋼材１０２ａとアルミニウム板１０３とを接合してもよい。また、第２部品は、アルミニウム材に限るものではなく、鋼材とは異なる材料から構成されたものであっても本発明の適用範囲である。また、ボタン部品は、ＳＷＣＨ１２に限るものではなく、鋼から構成されていればよい。

１０１…ボタン部品、１０２…鋼板（第１部品）、１０３…アルミニウム板（第２部品）、１０４…ナゲット、１１１…頭部、１１２…軸部、１１３…先端部。

Claims

頭部および前記頭部に接続して先細りの先端部を備える軸部から構成されて軸方向断面が略Ｔ字状の鋼からなるボタン部品を用意する第１工程と、
鋼材からなる第１部品に鋼材とは異なる材料から構成された第２部品を重ねる第２工程と、
前記ボタン部品に第１圧力を加えて前記第２部品の表面側から前記ボタン部品の前記先端部を押し込み、前記軸部の先端部を前記第１部品に当接させる第３工程と、
前記軸部の先端部が前記第１部品に当接した状態で、前記ボタン部品に第２圧力を加えながら前記先端部と前記第１部品とを、溶接電流１０００～１４０００Ａ、１～３０サイクルの条件で抵抗スポット溶接により溶接する第４工程と
を備え、
前記第３工程では、無加熱で、かつ前記ボタン部品に加える前記第１圧力を前記第４工程における前記第２圧力より大きい圧力として前記ボタン部品を押し込み、
前記第３工程は、前記ボタン部品に、無加熱で、４００ｋｇｆ／ｃｍ²以上の第１圧力を加えて前記第２部品の表面側から前記ボタン部品の前記先端部を押し込み、前記軸部の先端部を前記第１部品に当接させ、
前記第４工程は、前記軸部の先端部が前記第１部品に当接した状態で、前記ボタン部品に１００～３００ｋｇｆ／ｃｍ ² の第２圧力を加えながら前記先端部と前記第１部品とを抵抗スポット溶接により溶接することを特徴とする接合方法。
請求項１記載の接合方法において、
前記第３工程では、前記頭部の座面が前記第２部品の表面に当接する状態にすることを特徴とする接合方法。
請求項１または２記載の接合方法において、
前記第４工程では、前記軸部の先端部を前記第１部品に当接させてからスポット溶接を開始するとともに、前記軸部を更に押し込む
ことを特徴とする接合方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載の接合方法において、
前記ボタン部品の前記頭部は、周縁部ほど前記軸部の先端側に近づく形状とすることを特徴とする接合方法。
請求項１～４のいずれか１項に記載の接合方法において、
前記第３工程では、抵抗スポット溶接における一方の電極を前記ボタン部品の前記頭部に当接させて前記第１部品の方向に押しつけることで、ボタン部品の前記先端部を第２部品に押し込み、前記軸部の先端部を前記第１部品に当接させる
ことを特徴とする接合方法。
請求項１～５のいずれか１項に記載の接合方法において、
前記第２部品は、アルミニウムから構成されていることを特徴とする接合方法。