JPH04246182A - 重ね抵抗溶接性に優れた表面処理鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主としてアルミニウム
系材料と抵抗溶接される表面処理鋼板に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材とアルミニウム系材料とを接合する
手段としては、摩擦溶接，爆発溶接，拡散接合等が採用
されて来た。しかし、これらの方法は、形状等の制約が
多く、また生産性，価格等に問題があり、自動車用車体
等の製造には適用されない。

【０００３】そこで、スポット溶接に代表される重ね抵
抗溶接によって、鋼材とアルミニウム系材料とを接合す
ることが望まれている。重ね抵抗溶接では、溶接される
材料を重ね合わせた状態で溶接電流を供給する。被溶接
材料は、内部を流れる電流に起因するジュール熱によっ
て、融点以上の高温に加熱される。この高温状態で加圧
力を加えることにより、被溶接材料が接合される。

【０００４】しかし、この方法によって鋼材とアルミニ
ウム系材料等の異種金属同士を接合することは困難であ
る。また、溶接されたとしても、接合強度が低く、実用
性に乏しいものであった。これは、鋼材及びアルミニウ
ム系材料で融点，熱伝導度，固有抵抗等の物性が大きく
異なることが一つの原因である。たとえば、アルミニウ
ム系材料側の接合界面近傍が融点以上に加熱されても、
鋼材側の接合界面が融点以下である。そのため、鋼板相
互のスポット溶接部に通常形成されるナゲットが、鋼材
とアルミニウム系材料との間に形成されない。また、鋼
材側の接合界面を融点以上に加熱するため電流を増加さ
せると、アルミニウム系材料が過度に加熱され、溶融し
たＡｌが飛散する傾向が顕著に現れる。その結果、溶接
強度が却って低下する。更には、電極に対するＡｌの融
着が盛んに行われ、溶接自体も不可能になる。

【０００５】そこで、接合界面に入熱を集中させること
により必要部分のみ高温に加熱する手段として、コンデ
ンサー式スポット溶接機の使用が「軽金属溶接」第１７
巻第１号（１９７９年発行）第１０〜１７頁で、高電流
・短時間通電方式のスポット溶接機の使用が「溶接学会
論文集」第２巻第１号（１９８４年発行）第１４３〜１
４９頁で報告されている。しかし、コンデンサー式スポ
ット溶接機や高電流・短時間通電方式のスポット溶接機
は、従来から汎用されている交流スポット溶接機に比較
し、設備費が高価になることは勿論、容量面から大きな
板厚の材料を溶接することが困難である。しかも、コン
デンサーへの充電を必要とするため、生産性に劣る欠点
がある。

【０００６】また、特開昭５６−１１７８８８号公報，
特開昭６３−２３０２７１号公報等では、鋼材とアルミ
ニウム系材料との間に適宜のインサートを介在させた状
態でスポット溶接することが提案されている。たとえば
、特開昭５６−１１７８８８号公報では、ナゲットの径
よりも多少大きなアルミニウム薄板をアルミニウム合金
薄板と軟鋼板との間に挟むことが紹介されている。しか
し、このインサートを使用する方法では、アルミニウム
薄板等のインサートを別途用意することが必要になり、
その分だけコストがかさむ。また、溶接時にインサート
を鋼材とアルミニウム系材料との間に介装させるため、
手数がかかり、生産性が低下する。

【０００７】本発明者等は、このような問題を解消すべ
く、一方の被溶接材料である鋼材表面に低融点のコーテ
ィングを施すことにより、生産性を低下させることなく
、しかも汎用的な交流スポット溶接機で鋼材とアルミニ
ウム系材料との間に十分な強度をもった溶接部を形成さ
せることを開発し、別途特許出願した。

【０００８】この新しく提案した方法においては、アル
ミニウム系材料に接する鋼板の表面に、アルミニウム系
材料の融点以下の融点を有する金属又は合金を厚み２〜
２０μｍでコーティングした後、鋼材とアルミニウム系
材料とを抵抗溶接する。コーティング材料としては、た
とえばＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ合金，Ａｌ−Ｓｉ合金，Ｚｎ，
Ｚｎ合金等が使用される。このようなコーティングを介
して鋼材とアルミニウム系材料との溶接を行うとき、汎
用的な交流スポット溶接機を使用しても、十分に要求特
性を満足する強度をもった溶接部が得られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｌめっきし
たままの鋼板に溶接電極を押し付けた状態で抵抗溶接を
継続し溶接点数が多くなると、めっき層からＡｌが溶接
電極のＣｕ−Ｃｒ合金に溶浸し、電極の先端部にＡｌ−
Ｃｕ−Ｆｅ系等の金属間化合物が形成される。この種の
金属間化合物は、高度がＨｖ８００と硬質で脆弱な化合
物である。そのため、溶接時の衝撃的な加圧力によって
溶接電極から剥離し易い。剥離した後の電極表面で同様
な金属間化合物の生成が繰り返され、溶接電極が消耗す
る。その結果、溶接電極の寿命は、通常の冷延鋼板同士
を接合する場合に比較して、著しく短くなる。

【００１０】電極消耗を防止するため、溶接電極に接す
る側のめっき層を鋼板表面から除去することが考えられ
る。しかし、鋼板表面に形成されるＡｌ又はＡｌ−Ｓｉ
系めっき層は、鋼材とアルミニウム系材料との抵抗溶接
性に寄与するだけでなく、鋼板の耐食性を向上させる上
でも有効である。このようなめっき層を除去することは
、耐食性を低下させる原因となる。また、一旦形成され
たＡｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層を除去することから、工
数の増加及び生産性の低下を招く。

【００１１】そこで、本発明は、溶接電極の材質と反応
し難く且つ溶接性が確保される電気伝導度を有する金属
材料をＡｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層にコーティングする
ことにより、溶接電極の消耗を押さえながら、通常の抵
抗溶接機によってＡｌと溶接することが可能な表面処理
鋼板を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の表面処理鋼板は
、その目的を達成するため、鋼板の両面に形成されたＡ
ｌ又はＡｌ−Ｓｉ合金のめっき層と、鋼板の片面側で前
記めっき層にＦｅ，Ｎｉ或いはこれらの合金をコーティ
ングしたことを特徴とする。

【００１３】Ｆｅ，Ｎｉ等のコーティング層は、Ａｌ又
はＡｌ−Ｓｉ合金のめっき層よりも薄いことが好ましい
。

【００１４】

【作　　用】本発明者等は、鋼板表面に形成したＡｌ又
はＡｌ−Ｓｉめっき層の上に、溶接電極の材料として通
常使用されているＣｕ−Ｃｒ合金と反応し難く、しかも
電気伝導度に優れた材料を検討した。その結果、Ｆｅ，
Ｎｉ及びこれらの合金をＡｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層の
上に形成するとき、電極の消耗が抑えられ、良好な接合
強度で鋼材とアルミニウム系材料とを抵抗溶接できるこ
とを見い出した。Ｆｅ，Ｎｉ及びこれらの合金は、Ｃｕ
−Ｃｒ合金との間に金属間化合物を生成せず、しかも溶
接電流の供給に好適な電気伝導度をもつ材料である。

【００１５】Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき鋼板の上に形成
されるコーティング層の材質としては、めっきのしやす
さ，コスト，耐食性等を総合的に判断して、Ｆｅ，Ｎｉ
，或いはこれらの元素を主成分とするＦｅ−Ｂ，Ｆｅ−
Ｚｎ，Ｎｉ−Ｆｅ等の合金が最適である。

【００１６】このコーティング層を介して鋼材表面に溶
接電極が押し付けられるため、めっき層中のＡｌと溶接
電極のＣｕ−Ｃｒ合金との間の反応が抑えられる。その
ため、従来のようなＡｌ−Ｃｕ−Ｆｅ等の硬質で脆弱な
金属間化合物の生成が抑制され、従来のめっきままの材
料を溶接した場合に比べ電極先端部の損耗が極めて少な
くなる。その結果、連続的に溶接した場合でも、電極の
先端部において材料と接触する面積がほぼ一定に保たれ
、ナゲット形成部における電流密度もほぼ一定に保たれ
る。したがって、接合強度に大きな影響を与えるナゲッ
ト径の変動が抑制され、溶接部の接合強度の時系列的低
下が抑えられる。

【００１７】これに対し、従来のめっきままの材料を溶
接するとき、電極先端部の損耗に伴って材料と接触する
電極面積が拡大するため、ナゲット形成部における電流
密度は溶接点数の増加につれて低下していく。その結果
、溶接点数の増加に応じてナゲット径が小さくなり、そ
れに伴って接合強度も低下する。更に、ある電流密度以
下になると、ナゲットが形成されず、接合強度がゼロと
なる。

【００１８】なお、Ｚｎ−Ｆｅめっき鋼板においては、
主として塗装性，加工性，耐食性等の向上を狙ってＺｎ
系めっき層の表面にＦｅリッチのめっきを施すことが実
用化されている。また、形成されたＦｅリッチのめっき
層が溶接性向上に関しても有効であることが「製鉄研究
」第３１５号（１９８４年発行）第１６〜２４頁で報告
されている。しかし、Ａｌめっき鋼板に関しては、この
ような報告が行われていない。

【００１９】鋼材の表面に形成されるＡｌ又はＡｌ−Ｓ
ｉ合金のめっき層は、アルミニウム系材料との間の抵抗
溶接性を確保する上から、２〜２０μｍ程度の厚みをも
つことが好ましい。なかでも、めっきのしやさやコスト
面等を考慮して、めっき層の厚みを５〜１０μｍの範囲
に維持することが望まれる。このめっき層は、通常溶融
めっき法で形成されるが、電気めっき、蒸着、溶射等の
方法によって形成することも可能である。

【００２０】Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっきの上に形成され
るコーティング層は、１μｍ程度でも電極消耗の抑制に
効果を発揮する。しかし、過剰に厚いコーティング層で
は、コストアップが問題になる。この点から、コーティ
ング層の厚みは、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層の厚み以
下、具体的には１０μｍ以下とすることが好ましい。こ
のコーティング層は、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき鋼板の
片面に設けられることから、電気めっきによって形成す
ることが好ましい。しかし、溶融めっき，蒸着，溶射等
の他の方法を採用することも可能である。

【００２１】本発明の表面処理鋼板は、図１に示すよう
に鋼材１の両面にＡｌ又はＡｌ−Ｓｉのめっき層２が形
成されており、その内の一面にＦｅ，Ｎｉ等のコーティ
ング層３が形成されている。この表面処理鋼板をアルミ
ニウム系材料４と抵抗溶接するとき、露出したＡｌ又は
Ａｌ−Ｓｉめっき層２をアルミニウム系材料４に接触さ
せ、他側のコーティング層３に溶接電極５を押し付ける
。この溶接電極５は、スポットを絞ることから、たとえ
ば３０ｍｍ程度のアールが先端に付けられている。他方
、アルミニウム系材料４に押し付けられる溶接電極とし
ては、電極の先端径を大きくしたフラット電極６を使用
することにより、電極の消耗を抑制することができる。 このフラット電極６は、アルミニウム系材料４側に発生
する凹みを防止する上でも有効である。

【００２２】Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層２の上に設け
られたコーティング層３は、Ａｌめっき鋼板同士を接合
するときにも有効である。この場合、図２に示すように
、露出したＡｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層を互いに接触さ
せ、外側に位置するコーティング層３に、溶接電極７，
８を押し付ける。溶接電極７，８としては、たとえば直
径ｄ＝５ｍｍ程度の平坦な先端面を形成したものが使用
される。

【００２３】コーティング層３は、溶接性ばかりでなく
、加工性を向上させることにも効果がある。すなわち、
コーティング層３を金型に接触させた状態で本発明の表
面処理鋼板を加工するとき、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき
層２が金型に直接接触することが避けられる。そのため
、金型にＡｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき層２が付着すること
がなくなる。また、コーティング層３は、Ａｌ又はＡｌ
−Ｓｉめっき層２よりも摩擦係数が小さいため、プレス
加工性もよくなる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。 −実施例１− 板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の両面に、８μｍの厚みでＡ
ｌ−９％Ｓｉ合金を溶融めっきした。次いで、片面に、
Ｆｅ及びＦｅ−２０％Ｚｎを２μｍの厚みで電気めっき
した。これら表面処理鋼板と板厚０．８ｍｍのＡｌ−Ｍ
ｇ合金板５０５２（Ｏ材）とを、交流式スポット溶接機
を使用して加圧力１９６０Ｎ，通電時間１０サイクル，
電流１３ｋＡの条件下で溶接した。電極としては何れも
Ｃｕ−１％Ｃｒ合金製で、図１に示すように鋼板側に３
０ｍｍのアールを付けた溶接電極５、アルミニウム系材
料側にフラット電極６を使用した。

【００２５】溶接後、１００点ごとに引張り剪断強さを
調べた。測定結果を、図３に示す。なお、図３には、Ａ
ｌめっきしたままの鋼板を同様にＡｌ−Ｍｇ合金板に抵
抗溶接したときの結果を比較例として併せ示している。 図３から明らかなように、Ａｌめっきしたままの鋼板で
は、溶接点数が３００点になると、引張り剪断強さが急
激に低下した。これに対し、更にＦｅ及びＦｅ−２０％
Ｚｎをコーティングした鋼板では、溶接点数が１０００
点を超えても引張り剪断強さに実質的な低下がみられな
かった。

【００２６】また、溶接点数が５０点に達した時点で溶
接電極５の先端部を成分分析した。その結果、Ａｌ又は
Ａｌ−Ｓｉめっき層２に溶接電極を直接押し付ける従来
の抵抗溶接法では、図４に示すようにＦｅ及びＡｌが先
端面から２０μｍの深さまで浸透しており、その部分の
高度がＨｖ８５０程度に上昇していた。そのため、溶接
電極は、溶接点数３００点以上の使用に耐えなかった。 これに対し、コーティング３が形成された表面処理鋼板
を溶接したときでは、溶接電極の先端部に対するＡｌの
浸透が防止でき、１０００点に溶接点数が達した後でも
若干の金属間化合物の生成が認められたに過ぎなかった
。

【００２７】−実施例２− 板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の両面に５μｍの厚みでＡｌ
を溶融めっきし、片面に２μｍの厚みでＮｉ及びＮｉ−
２０％Ｆｅを電気めっきした。これら表面処理鋼板と板
厚０．８ｍｍのＡｌ−Ｍｇ合金板５０５２（Ｏ材）とを
、交流式スポット溶接機を使用して加圧力１９６０Ｎ，
通電時間１０サイクル，電流１２ｋＡの条件下で溶接し
た。電極としては何れもＣｕ−１％Ｃｒ合金製で、図１
に示すように鋼板側に３０ｍｍのアールを付けた溶接電
極５、アルミニウム系材料側にフラット電極６を使用し
た。

【００２８】溶接後、１００点ごとに引張り剪断強さを
調べた。測定結果を、図５に示す。なお、図５には、Ａ
ｌめっきしたままの鋼板を同様にＡｌ−Ｍｇ合金板に抵
抗溶接したときの結果を比較例として併せ示している。 図５から明らかなように、Ａｌめっきしたままの鋼板で
は、溶接点数が４００点になると、引張り剪断強さが急
激に低下した。これに対し、更にＮｉ及びＮｉ−２０％
Ｆｅをコーティングした鋼板では、溶接点数が１０００
点を超えても引張り剪断強さに実質的な低下がみられな
かった。

【００２９】−実施例３− 板厚１．０ｍｍの冷延鋼板の両面に１５μｍの厚みであ
る実を溶融めっきした後、片面にそれぞれ４μｍの厚み
でＦｅ及びＮｉを電気めっきした。これら鋼板同士を、
交流式スポット溶接機を使用して加圧力２１６０Ｎ，通
電時間１２サイクル，電流９ｋＡの条件下で連続的に抵
抗溶接した。電極としては、材質が銅−１％Ｃｒ合金で
、図２に示すように直径５ｍｍの先端面を形成したもの
を使用した。

【００３０】溶接後、１００点ごとに引張り剪断強さを
調べた。測定結果を、図６に示す。なお、図６には、Ａ
ｌめっきしたままの鋼板を同様にＡｌ−Ｍｇ合金板に抵
抗溶接したときの結果を比較例として併せ示している。 図６から明らかなように、Ａｌめっきしたままの鋼板で
は、溶接点数が３００点になると、引張り剪断強さが急
激に低下した。これに対し、更にＦｅ及びＮｉをコーテ
ィングした鋼板では、溶接点数が１０００点を超えても
引張り剪断強さに実質的な低下がみられなかった。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっきされた鋼板の片面にＦｅ
，Ｎｉ等のコーティングを施し、コーティング層が形成
された側を抵抗溶接時に溶接電極に接する側としている
。Ｆｅ，Ｎｉ等の合金層は、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉめっき
層が溶接電極に直接接触することを避け、めっき層から
Ａｌが溶接電極に溶浸して硬質で脆弱なＡｌ−Ｃｕ−Ｆ
ｅ等の金属間化合物の形成を抑制している。そのため、
溶接電極の消耗が抑えられ、電極寿命は、従来材に比較
して著しく長くなる。しかも、溶接強度の時系列的な劣
化が少なくなり、信頼性の高い溶接継ぎ手が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に従った表面処理鋼板をアルミニウ
ム系材料と抵抗溶接するときの説明図

【図２】　　本発明に従った表面処理鋼板同士を抵抗溶
接するときの説明図

【図３】　　Ｆｅ及びＦｅ−２０％Ｚｎをコーティング
した鋼板をＡｌ−Ｍｇ合金と抵抗溶接することにより得
られた溶接部の引張り剪断強さの時系列的な変化を示す
グラフ

【図４】　　Ａｌめっき層に溶接電極を直接接触させて
鋼板をＡｌ−Ｍｇ合金と抵抗溶接したときの電極先端部
における成分濃度を示すグラフ

【図５】　　Ｎｉ及びＦｅ−２０％Ｆｅをコーティング
した鋼板をＡｌ−Ｍｇ合金と抵抗溶接することにより得
られた溶接部の引張り剪断強さの時系列的な変化を示す
グラフ

【図６】　　Ｎｉ及びＦｅをコーティングした鋼板同士
を抵抗溶接することにより得られた溶接部の引張り剪断
強さの時系列的な変化を示すグラフ

【符号の説明】

１　　鋼材　　　　　　　　　　　　　　　　　　２　
　めっき層　　　　　　　　　　　　３　　コーティン
グ層 ４　　アルミニウム系材料　　　　５，７，８　　溶接
電極　　　　６　　フラット電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鋼板の両面に形成されたＡｌ又はＡｌ
   −Ｓｉ合金のめっき層と、前記鋼板の片面側で前記めっ
   き層の上に形成されたＦｅ又はＦｅを主成分とする合金
   のコーティング層とを備えていることを特徴とする重ね
   抵抗溶接性に優れた表面処理鋼板。
2. 【請求項２】　　鋼板の両面に形成されたＡｌ又はＡｌ
   −Ｓｉ合金のめっき層と、前記鋼板の片面側で前記めっ
   き層の上に形成されたＮｉ又はＮｉを主成分とする合金
   のコーティング層とを備えていることを特徴とする重ね
   抵抗溶接性に優れた表面処理鋼板。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２記載のコーティングＦ
   ｅ，Ｎｉ或いはこれらを主成分とする合金のコーティン
   グ層は、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉ合金のめっき層よりも薄い
   ことを特徴とする重ね抵抗溶接性に優れた表面処理鋼板
   。