JPWO2006046608A1 - 鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

鉄系部材とアルミニウム系部材とを良好に接合することができる鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法を提供する。鉄を主成分とする鋼板（１）とアルミニウムを主成分とするアルミニウム板（３）とを接合する鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法であって、鋼板（１）は接合側に亜鉛を含む亜鉛めっき層（２）が形成されており、亜鉛めっき層（２）を挟むように鋼板（１）とアルミニウム板（３）とを重ね合わせて、スポット溶接する。

Description

本発明は、鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法に関する。

従来から、自動車などの車体には、一般的に鋼板等が使用されている。一方、燃料消費率の向上などのため、車体の軽量化が望まれている。したがって、車体の部位に応じて、鋼板等と軽量なアルミニウム合金板等とを接合した異材接合技術の開発が望まれている。

このような鋼板とアルミニウム合金板との接合に関して、例えば、「異種接合体及び抵抗スポット溶接方法」（特開２００３−１４５２７８号公報の段落番号００１５〜００３１、図１を参照）や、「アルミニウム系材と鋼系材との異材接合方法」（特開平９−１５５５６１号公報の段落番号００１９〜００３０、図１を参照）が提案されている。

そして、前記した特許文献に記載の技術の他に、鉄系部材とアルミニウム系部材とを、さらに良好に接合できる接合方法の開発が望まれている。

そこで、本発明は、鉄系部材とアルミニウム系部材とを良好に接合することができる鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、鉄を主成分とする鉄系部材とアルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材とを接合する鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法であって、前記鉄系部材および前記アルミニウム系部材の少なくとも一方は、接合側に亜鉛を含む亜鉛層が形成されており、当該亜鉛層を挟むように前記鉄系部材と前記アルミニウム系部材とを重ね合わせて溶接することを特徴とする鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法である。

このような鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法によれば、鉄系部材およびアルミニウム系部材の少なくとも一方は、その接合側に亜鉛層が形成されており、この亜鉛層を挟むように鉄系部材とアルミニウム系部材とを重ね合せて溶接するとき、溶接の熱により、低融点である亜鉛の一部およびアルミニウムの一部が容易に溶融し、溶融した亜鉛の一部がアルミニウム系部材内に拡散する。そして、アルミニウム系部材内に拡散した亜鉛の一部が硬化し、鉄系部材とアルミニウム系部材とを良好に接合することができる。

また、本発明に係る鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法において、前記アルミニウム系部材は、マグネシウムを含むことを特徴とする。

このような鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法によれば、アルミニウム系部材がマグネシウムを含有することにより、鉄系部材とアルミニウム系部材との間の接合強度を高めることができる。

また、本発明に係る鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法において、前記溶接は、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、および、アーク溶接の少なくとも１つであることを特徴とする。

このような鉄系部材とアルミニウム系部材の製造方法によれば、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、および、アーク溶接の少なくとも１つによって、鉄系部材とアルミニウム系部材とを好適に接合することができる。
また、抵抗溶接としては、例えば、スポット溶接、シーム溶接、プロジェクション溶接を挙げることができる。

このように、本発明によれば、鉄系部材とアルミニウム系部材とを良好に接合することができる鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法を提供することができる。

前記した本発明の諸側面および効果、並びに、他の効果およびさらなる特徴は、添付の図面を参照して後述する本発明の例示的かつ非制限的な実施の形態の詳細な説明により、一層明らかとなるであろう。

本実施形態に係る鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法を段階的に説明する断面図であり、（ａ）は鋼板とアルミニウム板の重ね合わせ前、（ｂ）は重ね合わせた状態での溶接時、（ｃ）は溶接後をそれぞれ示す。 鉄系部材とアルミニウム系部材とが接合してなる鉄系部材−アルミニウム系部材接合体の引っ張り試験後の破断状態を模式的に示す断面図である。 実施例１〜１５について、アルミニウム板のマグネシウム含有量と、接合強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋼板（鉄系部材）
２ 亜鉛めっき層（亜鉛層）
３ アルミニウム板（アルミニウム系部材）
４ 電極
５ ナゲット
６ 鋼板−アルミニウム板接合体

次に、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
参照する図面において、図１は、本実施形態に係る鋼板とアルミニウム板の接合方法を段階的に説明する断面図であり、（ａ）は鋼板（鉄系部材）とアルミニウム板（アルミニウム系部材）の重ね合わせ前、（ｂ）は重ね合わせた状態、（ｃ）は溶接後をそれぞれ示す。図２は、鋼板とアルミニウム板とが接合してなる鋼板−アルミニウム板接合体の引っ張り試験後の破断状態を模式的に示す断面図である。

≪鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法≫
図１に示すように、本実施形態に係る鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法は、鋼板１（鉄系部材）の両面側（接合側と非接合側）に、亜鉛を含む亜鉛めっき層２、２（亜鉛層）を形成する第１工程と、亜鉛めっき層２を形成した鋼板１とアルミニウム板３（アルミニウム系部材）とを重ね合わせ、抵抗溶接する第２工程とを含んでいる。

＜第１工程：亜鉛めっき層の形成＞
図１（ａ）に示すように、鉄を主成分とする鋼板１の両面側に、例えば溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛を含む亜鉛めっき層２、２をそれぞれ形成する。鋼板１としては、軟鋼板、高張力鋼板（例えば、５９０ＭＰａ級高張力鋼板や７８０ＭＰａ級高張力鋼板）などを使用することができる。
鋼板１に亜鉛めっき層２を形成する方法としては、例えば、溶融めっき方法や、電気めっき方法を採用することができる。

各亜鉛めっき層２における亜鉛の含有量は、４５．０〜１００．０質量％であることが好ましい。すなわち、亜鉛の含有量が前記範囲内であれば、各亜鉛めっき層２に亜鉛の他にどのような元素（例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ）が含まれてもよい。つまり、亜鉛めっき層２は、亜鉛の含有量が高く、亜鉛を主成分とするものであってもよいし、亜鉛の含有量が低いものであってもよい（ただし、亜鉛含有量は４５質量％以上）。
また、鋼板１の片面において、各亜鉛めっき層２の付着量は、本発明では特に限定はないが、５〜２５０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。
さらに、鋼板１側に亜鉛めっき層２を形成することで、リサイクル時においてもアルミニウム板３側に亜鉛めっき層２が付着していないため、アルミニウムを容易にリサイクルすることができる。

このようにして亜鉛めっき層２が形成された鋼板１について、例えば、溶融めっき方法により亜鉛めっき層２が形成されたものは「溶融亜鉛めっき鋼板」と、溶融めっき方法により亜鉛めっき層２が形成され、さらに熱処理して合金化されたたものは「合金化亜鉛めっき鋼板」と、電気めっき方法に亜鉛めっき層２が形成されたものは「電気亜鉛めっき鋼板」と、それぞれ称されることもある。
また、亜鉛めっき層２中の組成成分によって、例えば、亜鉛めっき層２に亜鉛とアルミニウムとが主成分であるものは「Ａｌ−Ｚｎ系めっき鋼板」と、亜鉛めっき層２に亜鉛とアルミニウムとマグネシウムとが主成分であるものは「Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっき鋼板」と、それぞれ称されることもある。

＜第２工程：重ね合わせ・抵抗溶接＞
そして、図１（ｂ）に示すように、接合側に亜鉛めっき層２が形成された鋼板１とアルミニウム板３とを、亜鉛めっき層２を挟むように重ね合わせて、この重ね合わせ部分を抵抗溶接する。ここでは、一対の電極４、４を使用するスポット溶接により、重ね合わせ部分を抵抗溶接する場合について説明する。

［アルミニウム板］
ここで、アルミニウム板３について説明する。
アルミニウム板３は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板である。アルミニウム板３は、マグネシウムを含有することが好ましい。これは、抵抗溶接により、アルミニウム板３のマグネシウムが、アルミニウムおよび亜鉛と金属間化合物を形成（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ化）して、アルミニウム板３中にナゲット５（接合部分）を形成し、溶接（接合）強度が高くなるからである（図１（ｃ）参照）。

また、アルミニウム板３におけるマグネシウムの含有量は、０．２〜１０．０質量％の範囲内であることが好ましい。マグネシウムの含有量が０．２質量％未満であると、前記金属間化合物を形成するマグネシウムが少なすぎ、接合強度が低下するからである。一方、マグネシウムの含有量が１０質量％より多いと、アルミニウム板３（アルミニウム母材）側に応力腐食割れなどが発生してしまい、構造部材として不向となるからである。

そして、亜鉛めっき層２、２が形成された鋼板１とアルミニウム板３とを、接合側の亜鉛めっき層２を挟むようにして重ね合わせ、その重ね合せ状態を例えば治具等で維持する。次いで、その両外側から、重ね合わせ部分を電極４、４により、所定圧力で挟み、所定電流を、所定通電サイクルにて通電させる。

この通電により、亜鉛めっき層２中の低融点の亜鉛が優先的に溶融し、溶融した亜鉛はアルミニウム板３内に拡散する。拡散した亜鉛は、アルミニウム板３中の部分的に溶融したアルミニウムおよびマグネシウムと金属間化合物を形成（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ化）し、アルミニウム板３中にナゲット５（接合部）が形成される。

また、この通電において、亜鉛の融点（約４２０℃）、亜鉛とアルミニウムの合金の融点（例えば、Ｚｎ：Ａｌ＝８９〜９７：１１〜３の組成比のＺｎ−Ａｌ合金は３８０℃）は、それぞれ低いため、高電圧を印加して大電流を通電させなくても、鋼板１とアルミニウム板３とを良好に接合することができる。
すなわち、大電流を通電させず、低温で溶接可能であるため、溶けたアルミニウムなどが電極４側に溶出することを防止できる。これにより、アルミニウムと電極との合金化を防止することができ、電極の耐久性を高めると共に、連続打点性を向上することができる。

所定通電サイクル後、通電を停止する。そうすると、鋼板１およびアルミニウム板３の温度は低下する。ここで、アルミニウム板３内に拡散する亜鉛により、時効硬化が図られる。これにより、ナゲット５の温度も通電停止により低下するが、ナゲット５の強度、つまり、鋼板１とアルミニウム板３との溶接（接合）強度が高められる。

このようにして、鋼板１（鉄系部材）とアルミニウム板３（アルミニウム系部材）とが良好に接合（溶接）されてなる鋼板−アルミニウム板接合体６（鉄系部材−アルミニウム系部材接合体）を得ることができる。

≪鉄系部材−アルミニウム系部材接合体≫
次に、このようにして得られた鋼板−アルミニウム板接合体６について説明する。鋼板−アルミニウム板接合体６は、鋼板１とアルミニウム板３とが接合されて構成されている。したがって、例えば鋼板１同士が接合されてなる接合体と比較して、非常に軽量である。

また、鋼板−アルミニウム板接合体６は、前記したように、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ化したナゲット５により、鋼板１とアルミニウム板３とは、強固に接合している。仮に、接合後の鋼板−アルミニウム板接合体６に対して、引っ張り試験を行い、その接合強度を測定すると、鋼板１とアルミニウム板３とが離間するのではなく、図２に示すように、ナゲット５の外側に位置するアルミニウム板３が部分的に破断することによって、鋼板−アルミニウム板接合体６（図１参照）が破壊される。これは、ナゲット５と鋼板１との接合が極めて強く、また、ナゲット５とアルミニウム板３との接合も極めて強いため、前記引っ張りにより、機械的強度の低いアルミニウム板３が破断したためと考えられる。

このように、鋼板１とアルミニウム板３とが高強度で接合してなり、軽量な鉄系部材−アルミニウム系部材接合体は、幅広い分野で適用可能である。例えば、自動車の分野においては、車体のメインフレームに接合するパネルなどとして好適に使用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、一抵抗溶接であるスポット溶接により、鋼板１とアルミニウム板３とを接合する場合について説明したが、抵抗溶接として、シーム溶接、プロジェクション溶接を利用してもよい。
また、抵抗溶接に限らず、その他に例えば、レーザ溶接、電子ビーム溶接、アーク溶接を利用してもよい。
ここで、レーザ溶接においては、鋼板１とアルミニウム板３との重ね合わせ部分において、レーザを鋼板１（鉄系部材）側の照射して鋼板１を直接的に加熱し、アルミニウム板３は余熱により部分的に溶融させることが望ましい。これは、アルミニウム板３側にレーザを照射すると、レーザが乱反射してしまい、多大なエネルギー損失が発生するからである。

前記した実施形態では、溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛めっき層２（亜鉛層）を形成したが、亜鉛層を形成する方法はこれに限定されず、その他に例えば、電気的方法（電析）、塗布方法、吹き付け方法などであってもよい。

前記した実施形態では、鋼板１（鉄系部材）の両面側（接合側と非接合側）に、亜鉛めっき層２（亜鉛層）が形成されたとしたが、亜鉛めっき層２は、鋼板１とアルミニウム板３（アルミニウム系部材）の少なくとも一方の接合側に形成されていればよい。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。

（１）実施例１〜３
実施例１〜３では、厚さ１０．０μｍの亜鉛めっき層２が形成された溶融亜鉛めっき鋼板と、マグネシウム含有量の異なるアルミニウム板３とを接合し、接合強度を測定した。

（１−１）実施例１
（１−１−１）亜鉛めっき層の形成、溶接
鋼板１として厚さ１．０ｍｍの軟鋼板を使用し、その両面側（接合側と非接合側）に、溶融亜鉛めっき法により厚さ１０．０μｍの亜鉛めっき層２、２を形成し、溶融亜鉛めっき鋼板を作製した。なお、亜鉛めっき層２の組成成分は、亜鉛が９９．５質量％、アルミニウムが０．５質量％であった。

そして、この溶融亜鉛めっき鋼板と、厚さ１．０ｍｍのマグネシウムを０．５質量％、珪素を１．０質量％含有する６０００系のアルミニウム板３とを重ね合わせ、スポット溶接により抵抗溶接した。
さらに、スポット溶接においては、接触部分の直径が６ｍｍの電極４を使用し、鋼板１とアルミニウム板３とを重ね合わせたものを、１．４７ｋＮ（１５０ｋｇｆ）で挟み、１４ｋＡの電流を、１８サイクルにて通電させた。

（１−１−２）接合強度の測定
ＪＩＳ Ｚ３１３６「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」に準拠して、実施例１に係る鋼板−アルミニウム板接合体６の引っ張り試験を行い、接合強度（破断強度）を測定した。そして、この測定結果を、溶融亜鉛めっき鋼板およびアルミニウム板３の諸物性と溶接条件と共に、表１、図３に示す。なお、図３において、「（１）」は実施例１を示す。その他についても同様である。

（１−２）実施例２
マグネシウムを２．５質量％、珪素を０．１７質量％含有する５０００系のアルミニウム板３を使用した以外は、実施例１と同じである。

（１−３）実施例３
マグネシウムを４．５質量％、珪素を０．１２質量％含有する５０００系のアルミニウム板３を使用した以外は、実施例１と同じである。

（２）実施例４〜９
実施例４〜９では、厚さ５．０μｍの亜鉛めっき層２が形成された合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、マグネシウム含有量の異なるアルミニウム板３とを、実施例１と同様に接合し、接合強度を測定した。

（２−１）実施例４
鋼板１として軟鋼板を使用し、その両面側に、溶融亜鉛めっき法により亜鉛めっき層を形成した後、熱処理して合金化させ、厚さ５．０μｍの亜鉛めっき層２、２が形成された合金化溶融亜鉛めっき鋼板を作製した。なお、亜鉛めっき層２の組成成分は、亜鉛が９０質量％、アルミニウムが０．２質量％、鉄が９．８質量％であった。
そして、この合金化溶融亜鉛めっき鋼板と、マグネシウムを０．５質量％、珪素を１．０質量％含有する６０００系のアルミニウム板３とを接合し、接合強度を測定した。そして、測定結果を、合金化溶融亜鉛めっき鋼板およびアルミニウム板３の諸物性と溶接条件と共に、表１、図３に示す。

（２−２）実施例５
マグネシウムを４．５質量％、珪素を０．１２質量％含有する５０００系のアルミニウム板３を使用した以外は、実施例４と同じである。

（２−３）実施例６
鋼板１として５９０ＭＰａ級高張力鋼板を使用した以外は、実施例４と同じである。

（２−４）実施例７
鋼板１として５９０ＭＰａ級高張力鋼板を使用した以外は、実施例５と同じである。

（２−５）実施例８
鋼板１として７８０ＭＰａ級高張力鋼板を使用した以外は、実施例４と同じである。

（２−６）実施例９
鋼板１として７８０ＭＰａ級高張力鋼板を使用した以外は、実施例５と同じである。

（３）実施例１０、１１
実施例１０、１１では、厚さ３．０μｍの亜鉛めっき層２が形成された電気亜鉛めっき鋼板と、マグネシウム含有量の異なるアルミニウム板３とを、実施例１と同様に接合し、接合強度を測定した。

（３−１）実施例１０
電気めっき方法により、厚さ３．０μｍの亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例１と同じである。なお、亜鉛めっき層２の組成成分は、亜鉛が１００質量％であった。そして、接合強度の測定結果を、電気亜鉛めっき鋼板およびアルミニウム板３の諸物性と溶接条件と共に、表１、図３に示す。

（３−２）実施例１１
電気めっき方法により、厚さ３．０μｍの亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例３と同じである。なお、亜鉛めっき層２の組成成分は、亜鉛が１００質量％であった。

（４）実施例１２、１３
実施例１２、１３では、亜鉛含有量が低く、アルミニウム含有量が高い厚さ１０μｍの亜鉛めっき層２が形成されたＡｌ−Ｚｎ系めっき鋼板と、マグネシウム含有量の異なるアルミニウム板３とを、実施例１と同様に接合し、接合強度を測定した。

（４−１）実施例１２
溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛含有量が４５質量％、アルミニウム含有量が５５質量％の亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例１と同じである。そして、接合強度の測定結果を、Ａｌ−Ｚｎ系めっき鋼板およびアルミニウム板３の諸物性と溶接条件と共に、表１、図３に示す。

（４−２）実施例１３
溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛含有量が４５質量％、アルミニウム含有量が５５質量％の亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例３と同じである。

（５）実施例１４、１５
実施例１４、１５では、主成分である亜鉛の他に、アルミニウム、鉄を含有する厚さ１０μｍの亜鉛めっき層２が形成されたＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっき鋼板と、マグネシウム含有量の異なるアルミニウム板３とを、実施例１と同様に接合し、接合強度を測定した。

（５−１）実施例１４
溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛含有量が８５．８質量％、アルミニウム含有量が１１．０質量％、マグネシウム含有量が３．０質量％の亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例１と同じである。そして、接合強度の測定結果を、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっき鋼板およびアルミニウム板３の諸物性と溶接条件と共に、表１、図３に示す。

（５−２）実施例１５
溶融亜鉛めっき方法により、亜鉛含有量が８５．８質量％、アルミニウム含有量が１１．０質量％、マグネシウム含有量が３．０質量％の亜鉛めっき層２を形成した以外は、実施例３と同じである。

（６）比較例１
亜鉛めっき層２、２を形成せずに、鋼板１とアルミニウム板３とを接合した以外は、実施例１と同じである。

（７）実施例１〜１５の評価
表１および図３から明らかなように、実施例１〜１５に係る鋼板−アルミニウム板接合体６の接合強度は、接合構造体としての接合強度を発揮しなかった比較例１に対して、飛躍的に高まり（約１０倍以上）、本発明に係る鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法によれば、鋼板１とアルミニウム板３とを良好に接合できることが確認された。
また、亜鉛めっき層２中の亜鉛含有量が４５質量％と低くても（実施例１２、１３）、良好な接合強度を得ることが確認された。

Claims (3)

1. 鉄を主成分とする鉄系部材とアルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材とを接合する鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法であって、
   前記鉄系部材および前記アルミニウム系部材の少なくとも一方は、接合側に亜鉛を含む亜鉛層が形成されており、当該亜鉛層を挟むように前記鉄系部材と前記アルミニウム系部材とを重ね合わせて溶接することを特徴とする鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法。
2. 前記アルミニウム系部材は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法。
3. 前記溶接は、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、および、アーク溶接の少なくとも１つであることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の鉄系部材とアルミニウム系部材の接合方法。

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