JPWO2017169998A1 - 接合構造 - Google Patents

Abstract

本開示に係る接合構造は、第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、貫通部が設けられ、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との間に挟まれ、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材に対して溶接困難な異種材と、を備える。レーザ光が貫通部に向けて照射される照射領域の板厚方向において、レーザ光が照射される側に位置する第１の同種系金属材の照射領域における板厚は、溶接前の状態で存在する、照射領域における板厚方向の隙間である第１のギャップに対応する所定の厚みである。第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが貫通部を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、異種材と第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている。

Description

本開示は、レーザ光を熱源として一種類以上の異種材を同種系金属材にて挟む接合構造に関する。

近年、自動車をはじめとする輸送機器のグローバル化により生産量が増加することで、製品一台当たりのトータルコスト低減、特に生産時間短縮による生産性向上に対する要望が高まってきている。

また、地球温暖化防止のためＣＯ_２排出規制要求がグローバルで強く求められており、自動車業界をはじめとする輸送業界ではこの要求に応えるために燃費改善への取り組みが加速している。この燃費改善に対する具体的な取り組みとして、車両の重量の軽量化が求められており、軽量素材の使用割合を増加させる検討が進められている。

このような要望が求められている中、自動車等の輸送機器に用いられている溶接方法として、スポット溶接が広く普及している。しかしながら、抵抗溶接であるスポット溶接は、スポット溶接を行うスポット用の溶接ガンである上下の電極で材料を加圧して溶接材料間の間隙を無くして上下の電極間を通電することで溶接する必要がある。このため、片側溶接には適しておらず、溶接箇所がスポット用の溶接ガンにより上下方向から挟める形状である等、製品形状に制約が発生する。また、溶接箇所を加圧するためには、スポット用の溶接ガンが、溶接材の上下に入り込むスペースが必要である。また、スポット用の溶接ガン自体の重量が重いため、スポット用の溶接ガンの移動速度が遅く、溶接位置に到着しても加圧時間が必要であり、溶接後も冷却時間を確保しなければならず、溶接以外にも多くの時間が必要である。

また、自動車に用いられる材料の軽量化に対しては、部品の一部を鋼からアルミニウム等の軽金属材料に変更する検討が進んでおり、軽金属材料と鋼を接合する技術及び構造が求められている。

従来の異種材に対する接合用部材として、リベットを用いたスポット溶接や接着剤を使用した接合等が挙げられる。例えば特許文献１では、リベットとリベット材質と同種の接合材に挟まれた異種材の加圧及びスポット溶接時の溶接熱による異種材の塑性流動を吸収するリベット形状及びかしめ及びスポット溶接方法が知られている。かしめ時およびスポット溶接時に異種材料の一部が変形して移動するスペースの確保及びスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制が可能である。

特開２０１５−４２４１７号公報

本開示に係る接合構造は、第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、貫通部が設けられ、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との間に挟まれ、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材に対して溶接困難な異種材と、を備える。レーザ光が貫通部に向けて照射される照射領域の板厚方向において、レーザ光が照射される側に位置する第１の同種系金属材の照射領域における板厚は、溶接前の状態で存在する、照射領域における板厚方向の隙間である第１のギャップに対応する所定の厚みである。第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが貫通部を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、異種材と第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている。

図１は、本開示の実施の形態１における接合構造を説明するための図である。 図２Ａは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための図である。 図２Ｂは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための図である。 図２Ｃは、本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を説明するための図である。 図３は、本開示の実施の形態１におけるレーザ光７が照射される照射領域における第１の材料１の板厚と第２の材料２の板厚（第１のギャップ１１相当）、および板厚方向の隙間である第１のギャップ１１との関係を測定したグラフを示す図である。 図４は、本開示の実施の形態１の接合構造の実施例を説明するための図である。 図５Ａは、本開示の実施の形態１における接合構造の実施例を説明するための図である。 図５Ｂは、本開示の実施の形態１における接合構造の実施例を説明するための図である。 図６は、本開示の実施の形態２における異種材としての第２の材料２の材質と第２のギャップ５の関係を測定したグラフを示す図である。 図７は、本開示の実施の形態３における接合構造を説明するための図である。 図８は、従来の異種材接合の形態を説明するための図である。

（本開示に至った経緯）
実施の形態の説明に先立ち、本開示に至った経緯を簡単に説明する。

従来の異種材の接合部材を、図８を用いて説明する。かしめ時およびスポット溶接時に異種材２００の一部が変形して移動するスペースを確保するために、及び、スポット溶接時の電極４００の位置ズレ等による異種材２００の陥没等を防いで締結力低下の抑制を可能とするために、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０や環状溝３１等の複雑なリベット形状が必要である。この場合、リベット５１の形状に精度が必要であり複雑な形状となる。そのため、リベット５１の加工に精密加工等が必要となり製造コストも高くなる。また、抵抗溶接であるスポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため作業時間が長くなる。また、スポット溶接時に、接合部材１００を両側から、スポット溶接を行う図示しない溶接ガンで挟みこむ必要があるので、接合部材１００の設計自由度が制限される。

また、隣のリベットに近接し過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。そのため、分流せずに所望のナゲット形成が行える最小離間ピッチ以上の接合ピッチが必要となる。よって、最小離間ピッチ以下の接合ピッチでリベットを配置できず、必要箇所での接合の剛性増加ができないという課題があった。

本開示は、異種材接合を可能とし、生産性を向上するレーザ溶接用のシンプルな接合構造を提供する。

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図５Ｂを用いて説明する。

図１は、実施の形態１における接合構造を説明するための図である。図２Ａから図２Ｃは、実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す図である。

ここで、図２Ａは、上板としての第１の材料１が円形状の構造のものを説明するための図である。図２Ｂは、上板としての第１の材料１が楕円状等の円形状の構造のものを説明するための図である。図２Ｃは、上板としての第１の材料１が角形状の構造のものを説明するための図である。そして、図２Ａから図２Ｃに示すＩ−Ｉ断面が、図１の断面位置に対応する。

図１は材質が金属である第１の材料１および第３の材料３と、異種材の材質である第２の材料２との接合に際して、第３の材料３と第１の材料１で第２の材料２を挟み込む配置とする。第１の材料１と第３の材料３は同種系の金属材である。第１の材料１、第２の材料２および第３の材料３は、厚みが略均一な板状の材料である。

ここで第２の材料２には本開示に係る貫通部の一例である貫通穴４となる加工が予め施されている。そのため、第１の材料１と第３の材料３との間には、貫通穴４の位置に隙間が存在する。第１の材料１および第３の材料３には、第２の材料２を挟み込んだ状態で貫通穴４に対応する位置に、例えば、穴や突起、段差等の加工は特に施されていない。そのため、第２の材料２の板厚が、第１の材料１と第３の材料３との板厚方向の隙間である第１のギャップ１１と略等しくなる。なお、本実施の形態では、貫通部を貫通穴４としているが、例えば貫通溝であっても良い。

ここで、板厚方向とは、溶接前の状態において第１の材料１、第２の材料２および第３の材料３の主面に垂直な方向であり、図１において矢印で示す方向である。

また、なお、同種系金属材とは、互いに溶接可能な金属であり、同じ材質同士だけではなく、鉄系金属材同士、非鉄系金属材同士などの溶接接合性が、言い換えると、溶接の相性が良い同種系の材料とする。具体的には、溶接時の材料の組合せとしては、例えば、第１の材料１および第３の材料３では、軟鋼と軟鋼、軟鋼とステンレス、ステンレスとステンレス、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス、ハイテンとハイテン等の鉄系金属材である。または、例えば、アルミとアルミ、アルミとアルミ合金、アルミ合金とアルミ合金等の非鉄金属材である。

また、異種材としての第２の材料２は、同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３とは異なる材質の材料であり、同種系金属材に対して溶接が困難な材質である。例えば同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３をともに鉄系金属にした場合、異種材としての第２の材料２は、例えば銅材やアルミ材等の非鉄系金属である。また、第１の材料１および第３の材料３を金属材料とした場合、異種材としての第２の材料２は、例えば樹脂材としてのＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、炭素繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等である。

溶接状況は図２Ａに示すように、レーザ光７を第１の材料１の板厚方向の上側から、レーザ光７の照射可能範囲（接合可能範囲）としての第２の材料２の貫通穴４（図１参照）の内側に向けて、円状に照射する。その結果形成されるビードは、図１に示すように溶接部８となる。このように、レーザ光７が第１の材料１に対して照射される場合、第１の材料１が本開示に係る第１の同種系金属材に該当し、第３の材料３が本開示に係る第２の同種系金属材に該当する。

次に、溶接時及び溶接後の接合状況について図１を用いて説明する。レーザ光７を、第１の材料１および第３の材料３に貫通穴４の内側のレーザ光７の照射領域に、円状に照射して溶接を行うと、溶接部８が形成される際に第１の材料１および第３の材料３の溶接時の溶接部８に溶融金属が凝固収縮する。そして、第１の材料１と第３の材料３との間に挟まれる異種材としての第２の材料２に対して、同種系金属材としての第１の材料１と第３の材料３との、レーザ光７の照射領域における板厚方向の隙間であり、第２の材料２の板厚相当の第１のギャップ１１が縮小するような圧縮力６が発生する。

この第１のギャップ１１、すなわち、第２の材料２の板厚を、レーザ光７が照射される側の上板となる第１の材料１、あるいはレーザ光７が照射される側の下板となる第３の材料３の、レーザ光７の照射領域における板厚に対して、６％以上、４０％以下に設定すると、溶接部８の凝固収縮が第１の材料１と第３の材料３とによる第２の材料２を挟む圧縮力６となり、第２の材料２を圧接固定することが可能となる。

このレーザ光７が照射される側としての第１の材料１または第３の材料３の板厚に対して、第１のギャップ１１に相当する第２の材料２の板厚を６％以上、４０％以下とする設定は、実験データにより導き出したものである。その実験データの一例を図３に示す。図３は、板厚方向からレーザ光７が照射される側としての上板である第１の材料１の板厚と、同種系金属材の第１の材料１と第３の材料３との間に挟まれる異種材としての第２の材料２、および、第１のギャップ１１としての第２の材料２の板厚との関係を測定したグラフである。

図３は、本開示の実施の形態におけるレーザ光７が照射される照射領域における第１の材料１の板厚と第２の材料２の板厚（第１のギャップ１１相当）、および板厚方向の隙間である第１のギャップ１１との関係を測定したグラフである。

同種系金属としての第１の材料１および第３の材料３をそれぞれ軟鋼材、異種材としての第２の材料２を樹脂材料であるＰＥＴ材とする組合せにおいて、第３の材料３に対して上側に第１の材料１を配置する。そして、その間に第２の材料を挟み上下方向に重ね合わせた状態で、レーザ出力３ｋＷで、板厚方向の上側から第２の材料２の貫通穴４の内側でありレーザ光７が照射される照射領域に向けて円状にレーザ光７を照射し溶接した場合の一例である。

例えば、第２の材料２の貫通穴４はφ１２ｍｍとし、第２の材料２の貫通部としての貫通穴４の径または幅に対して、所定の距離を有して小さくなるように、板厚方向から照射されるレーザ光７の照射領域としての溶接部８のビードの外寸を、第２の材料２の貫通穴４より小さいφ８ｍｍの円状に溶接したものである。

例えば、第１の材料１の板厚が０．８ｍｍの場合では、第１の材料１と第３の材料３との板厚方向の隙間である第１のギャップ１１としての第２の材料２の板厚は０．１〜０．３ｍｍまでが溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用による圧縮固定としての圧接固定が可能である。第２の材料２の板厚が０．３ｍｍを超えて大きくなると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚の１３％から３８％までが有効範囲となる。

また、第１の材料１の板厚が１．６ｍｍの場合では、第２の材料２の板厚は０．１〜０．５ｍｍまでが溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用による圧接固定が可能である。第２の材料２の板厚が０．５ｍｍを超えて大きくなると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、レーザ光７が照射される側の同種系金属材としての第１の材料１の板厚に対応する、異種材としての第２の材料２の板厚の所定の範囲が溶接による圧縮固定が可能範囲となる。

言い換えると、これは、第１の材料１の板厚の最大値の３０〜４０％に相当する溶融金属が貫通穴４の内側に落ち込んで穴開きなく接合できることを示している。第１の材料１の板厚の最大値の３０〜４０％を超えると、貫通穴４の内側を埋めるのに必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。

逆に、板厚方向の隙間である第１のギャップ１１としての第２の材料２が、０．１ｍｍより小さくなると、レーザ光７が照射される第１の材料１と第３の材料３との隙間が小さくなりすぎて、同種系金属材である第１の材料１と第３の材料３とが互いに溶融結合して異種材である第２の材料２に対する圧縮固定される圧縮力６が不足する。

このように、板厚方向の隙間である第１のギャップ１１は、溶接時の溶融金属量を確保できる範囲で、言い換えると穴開きが発生しない範囲で大きくなる程、レーザ光７の照射により溶接時の溶接部８の溶融金属の凝固収縮が増大し、第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟む固定力としての圧縮力６が増大する。

本実施例では、レーザ照射方向として、第１の材料１の側からレーザ光７を照射するとしたが、レーザ光７が照射される側としての第１の材料１または第３の材料３の板厚の６〜４０％に第２の材料２の板厚である第１のギャップ１１を設定すれば、溶接時に第１のギャップ１１に必要な溶融金属量を確保でき、溶接部８の凝固収縮が第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟んで圧縮固定することができる。なお、レーザ照射方向を例えば上側ではなく下側からとし、第３の材料３の側からレーザ光７を照射しても問題ない。この場合、本開示に係る第１の同種系金属材が第３の材料３に該当し、本開示に係る第２の同種系金属材が第１の材料１に該当する。

また、第１の材料１と第３の材料３の材質は同種系金属材であり、それぞれ軟鋼材と記載したが、溶接が可能であり接合強度が得られる同種系金属材としての材質であれば材質が異なっていても問題ない。例えば、同種系金属材としての第１の材料１及び第３の材料３は、鉄系金属材としての軟鋼材同士、ステンレス同士、ハイテン同士等、または、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス等の組合せ、あるいは、非鉄金属材としてのアルミ同士、アルミ合金同士、アルミとアルミ合金等の組合せであり、レーザ接合が可能な材質である。

逆に異種材としての第２の材料２は、レーザ光の吸収率が低くレーザ接合が難しい銅、各種樹脂材料や第１の材料１および第３の材料３との溶接接合性の相性が悪い材質（例えば、第１の材料１および第３の材料３をそれぞれ軟鋼材とした場合、第２の材料２がアルミ材との組合せである。またはその逆の組合せ（第１の材料１および第３の材料３がアルミ材で、第２の材料２が軟鋼材）の場合もある。）が当てはまる。

なお、レーザ光７が照射される照射領域において、第１の材料１と第３の材料３に挟まれる第２の材料２の板厚は、レーザ光７が照射される側の同種系金属材としての第１の材料１または第３の材料３の板厚に対して６％以上、４０％以下が溶接による圧縮固定が可能範囲となるとした。これに対し、異種材としての第２の材料２の板厚を基準として言い換えた場合、レーザ光７が照射される側の板厚である同種系金属材としての第１の材料１または第３の材料３の板厚は、異種材の板厚に対応する、または板厚方向の隙間である第１のギャップ１１に対応する所定の厚みであり、異種材としての第２の材料２の板厚または第１のギャップ１１に対して２５０％以上、１６００％以下の厚みにて溶接することにより圧縮固定が可能範囲となる。これにより、同種系金属材の第１の材料１と第３の材料を互いに溶融結合して異種材の第２の材料２を圧縮固定することが出来る。

＜実施例＞
図４に、異種材である第２の材料２と、第２の材料２と異なる異種材である第４の材料１０とを、第１の材料１と第３の材料３との間に挟んで接合する実施例を示す。同種系金属材同士の第１の材料１および第３の材料３で挟み、その間に挟まれる第２の材料２と第４の材料１０との板厚の合計を第１のギャップ１１とした場合、この第１のギャップ１１の大きさを適正にした状態でレーザ溶接を実施する。

例えばレーザ光７が照射される照射領域において、第１のギャップ１１の距離は、上板となる第１の材料１の板厚の６％以上４０％以下に設定する。すると、第１の材料１および第３の材料３の溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用による圧縮力６を用いて第１の材料１および第３の材料３にて第２の材料２を圧接固定することが可能である。特に異なる２種類の異種材である第２の材料２と第４の材料１０がＰＥＴ材等の樹脂材やＣＦＲＰ等の非金属材の場合は、レーザ光７の透過率が高い場合が多く、直接異種材同士を接合するのが困難なため有効である。

また、第１の材料１の形状として、図２Ａの円状の溶接以外の実施例を、図２Ｂ、および、図２Ｃに示す。図２Ｂは、上方視で、溶接形状としての図示しないレーザ光７の走査の軌跡が楕円状である。図２Ｂに示すように第２の材料２および第３の材料３の幅Ｗ２が図２Ａに示す幅Ｗ１より大きく、レーザ光７の照射による溶接時での溶接部８に求められる強度が方向性を持つ場合、強度が高い方向に沿うように第１の材料１の楕円の長手方向を第２の材料２および第３の材料３の幅Ｗ２の方向に配置すればよい。そうすることで、第１の材料１を大きな円状にすることなく面積を縮小できる。

また、図２Ｃのように溶接形状を直線状とすることで、例えば第１の材料１を大きな円状ではなく長方形状とすることができる。そうすることで、第１の材料１の面積を縮小することが出来る。また、レーザ光７の走査の軌跡を一つ以上の直線状にすることで、円状あるいは楕円状に複数箇所を溶接するよりもレーザ光７の走査がシンプルとなり、短時間での溶接が可能となる。

また、さらに強度を高めるための実施例や、位置決めを容易とする実施例を図５Ａおよび図５Ｂに示す。

図５Ａにおいて、第１の材料１は、第３の材料３と第２の材料２とを接合する際、第２の材料２を位置決めする機能を兼ねている。具体的には、異種材である第２の材料２を、段状に折り曲げた第１の材料１の段差部分に当接し、第１の材料１と第３の材料３とで挟み込む構造とすることで、第２の材料２を容易に位置決めすることができる。

また、図５Ａに示す接合構造は、接合部の引張強度を高める接合構造である。具体的には、溶接部８において、第１の材料１を、第２の材料２を介して第３の材料３と接合し、さらに溶接部８とは別の溶接部８ａにおいて、第１の材料１を、第２の材料を介さずに第３の材料と直接接合する接合構造（両持ち）である。これにより、第３の材料３に対して、第２の材料２の引張、および、ねじり等による外力が加わった時に、溶接部８と溶接部８ａとに応力が分散する。そのため、第２の材料２を介して接合される第１の材料１と第３の材料３との溶接部８に対して集中して応力がかかることを抑制できる。これにより、接合構造全体として、同種系金属材と異種材との接合の強度を高めることが可能となる。

また図５Ｂのように、第３の材料３を折り返すことで、第１の材料１を用いずに、第２の材料２を挟む第１の材料１の上板の機能を第３の材料３に含め、第１の材料１を不要とする一体化構造とすることができる。そして、第２の材料２を第３の材料３の折り曲げ側に押し当てる構造（折り返し）とすることで第２の材料２の位置決めが容易となる。

ここで、図５Ｂにおいて、本開示に係る第１の同種系金属材は、第３の材料３を折り返して形成される上板部分に相当し、本開示に係る第２の同種系金属材は、第３の材料３を折り返して形成される下板部分に相当する。すなわち、本開示に係る第１の同種系金属材と第３の同種系金属材は、溶接前の状態において一体であってもよい。

以上のように本実施の形態のレーザ光７による溶接での接合構造は、第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、貫通部の一例である貫通穴４が設けられ、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との間に挟まれ、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材に対して溶接困難な異種材と、を備える。レーザ光７が貫通部に向けて照射される照射領域の板厚方向において、レーザ光７が照射される側に位置する第１の同種系金属材の照射領域における板厚は、異種材に対応する所定の厚みである。第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが貫通穴４を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、異種材と第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている。

これにより、同種系金属材の第１の材料１と第３の材料を互いに溶融結合して異種材の第２の材料２を圧縮固定が出来る。

（実施の形態２）
次に、本実施の形態２について、図１および図６を用いて説明する。

レーザ光７が板厚方向から照射される領域は、第２の材料２の貫通穴４の端部に対して所定の距離を有し、第２の材料２の貫通穴４の端部と溶接部８の外寸との距離である第２のギャップ５を有する接合構造を有している。

なお、溶接部８の外寸は、レーザ光７の照射領域の外寸に相当する大きさである。

ここでレーザ光７が照射され溶融された溶接部８から伝達される溶接入熱により第２の材料２が溶融するには、第２の材料２と第２のギャップ５の位置関係が重要である。

貫通穴４に対して、第２のギャップ５の距離が適正な範囲では、異種材である第２の材料２は、レーザ光７の照射により、同種系金属材である第１の材料１および第３の材料３との溶接部８への溶接入熱の熱影響を間接的に受ける。そして、軟化し溶融した異種材の第２の材料２が、第２の材料２の貫通穴４と溶接部８の外縁との隙間である第２のギャップ５に安定して流れ込む。すなわち、異種材である第２の材料２は、レーザ光７による溶接時の第１の同種系金属材である第１の材料１の溶接入熱で、間接的に入熱され、溶融する。そして、第１同種系金属材である第１の材料１と第２の同種系金属である第３の材料が互いに溶融接合される溶接部８の外縁に、密着固定可能に流動する。これにより、溶接部８の凝固収縮作用による圧縮固定のみの効果だけでなく、第１の材料１および第３の材料３と第２の材料２の表面による密着接合も可能となる。

第２の材料２の貫通穴４に対して、この貫通穴４とレーザ光７が板厚方向から照射される溶接部８の外縁との隙間である第２のギャップ５の距離が近すぎる状態で溶接すると、レーザ光７の照射による溶接部８の溶接入熱の熱影響を、第２の材料２の貫通穴４が直接または間接的に受けることになる。

これにより第１の材料１および第３の材料３との間の溶接時の溶接部８の隙間に溶融した第２の材料２が流れ込み、第２の材料２が樹脂などの沸点が低い材料の場合には、異種材としての第２の材料２の樹脂材料が気化して噴き出すことで溶接不良となることもある。一方、貫通穴４に対して、第２のギャップ５の距離が離れすぎると、第２の材料２が溶融しないため、凝固収縮作用による圧縮固定のみの効果となる。

ここで、第１の材料１および第３の材料３の熱影響による溶融状態と第２のギャップ５との関係は、第２の材料２の材質によって変化する。

その一例として、実験データの一例を図６に示す。図６は、第２の材料２の材質と、第２のギャップ５との関係を測定した測定結果である。

図６は、本開示の実施の形態における異種材としての第２の材料２の材質と第２のギャップ５の関係を測定したグラフである。

第２の材料２を樹脂材料の一例であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）材とＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、炭素繊維強化プラスチック）材、非鉄金属であるＡ５０００系のアルミ合金材とした場合の実験データである。

第１の材料１および第３の材料３を軟鋼材の板厚を１．６ｍｍとし、これらの間に、０．４ｍｍの板厚の異種材としての第２の材料２の各種材料のいずれか一つを上下に重ね合わせた状態で、レーザ出力３ｋＷで円状に溶接した場合の一例である。ちなみに、第２の材料２の貫通穴４はφ１２ｍｍとし、円状のレーザ溶接をしたものである。このとき、第１のギャップ１１は、０．４ｍｍであり、第２の材料２の板厚と等しい。

第２の材料２が樹脂材料であるＰＥＴ材の場合は、第２のギャップ５が０．８ｍｍ以上、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が２００％以上の場合であれば、レーザ光７による第１の材料１及び第３の材料３の溶接による溶接入熱の熱影響を受けても第１の材料１および第３の材料３との間の溶接部８の隙間に溶融した第２の材料２が接合不良を起こすように流れ込むことがなく、圧縮固定が可能である。

しかしながら、第２のギャップ５が０．８ｍｍ、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が２００％を下回り、レーザ光７の照射範囲である溶接部８の外周と第２の材料２の貫通穴４とが近すぎる場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の溶接による熱影響を受けて第１の材料１および第３の材料３との間の溶接時の溶接部８への溶融した第２の材料２が流れ込み、気化して噴き出すことで溶接不良となることもある。

樹脂材料の中でも繊維強化樹脂の一例であるＣＦＲＰ材の場合は、第２のギャップ５が０．６ｍｍ以上、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が１５０％以上の場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３のレーザ光７による溶接による熱影響を受けても第１の材料１および第３の材料３との間の溶接部８に溶融した第２の材料２が接合不良を起こすように流れ込むことがなく、第２の材料２の圧縮固定が可能である。

しかしながら、第２のギャップ５が０．６ｍｍ、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が１５０％を下回り、レーザ光７の照射範囲である溶接部８の外周と第２の材料２の貫通穴４とが近すぎる場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の溶接による熱影響を受けて第１の材料１および第３の材料３との間の溶接時の溶接部８に第２の材料２が溶融して流れ込み、気化して噴き出すことで溶接不良となる可能性がある。以上のように、同種系金属材の間に挟まれる異種材としての第２の材料２の樹脂材料の融点や沸点などの特性により、溶接時の許容される第２のギャップ５の大きさに違いが出てくるものである。

なお、第２の材料２が非鉄金属の一例であるＡ５０００系のアルミ合金材の場合は、第２のギャップ５が０．５ｍｍ以上、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が１２５％以上の場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の溶接による熱影響を受けても第１の材料１および第３の材料３間の溶接時の溶接部８の隙間に第２の材料２が溶融して接合不良を起こすように流れ込むことがなく、圧縮固定が可能である。

しかしながら、第２のギャップ５が０．５ｍｍ、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が１２５％を下回る場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の溶接による熱影響を受けて第１の材料１および第３の材料３間の溶接時の溶接部８の隙間に溶融した第２の材料２が流れ込み、融合不良となり接合不良となる。以上のように、材料特性により、接合不良となる場合がある。

上記内容は、第２の材料２の材質による違いの一例を示した実験データであるが、第２の材料２が樹脂材料であれば、ＰＥＴ材とほとんど同じような第２のギャップ５の大きさの傾向にある。また、樹脂材料の中でも、ＣＦＲＰ材のような繊維強化樹脂であれば、ＣＦＲＰ材と同じような第２のギャップ５の大きさの傾向にある。また、第２の材料２が非鉄金属であれば、第２のギャップ５の大きさが０．５ｍｍ、すなわち、第１のギャップ１１に対する第２のギャップ５が１２５％を下回るなど小さすぎる場合ではＡ５０００系のアルミ合金材でも接合不良となる場合があり、他の非鉄金属でもほとんど同じような傾向の材質もある。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態３について、図７を用いて説明する。これまでと重複する部分は説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、第１の材料１と第３の材料３との間に挟まれる第２の材料２の板厚が大きい場合、第１の材料１及び第３の材料３と溶接が可能な同種系金属材とする材質のスペーサ９を第２の材料２の貫通穴４の内側に配置し、レーザ光７が照射されて溶接される際の第２の材料２の貫通穴４内での第１の材料１と第３の材料３との板厚方向における隙間としての第１のギャップ１１を小さくする点である。

スペーサ９の板厚は、レーザ光７が照射される照射領域での第２の材料２の貫通穴４において、第１の材料１と第３の材料３との間に、スペーサ９が配置された場合の板厚方向の第１のギャップ１１の大きさが、レーザ光７に照射される上板となる第１の材料１の板厚の６〜４０％となるように設定する。なお、第１の材料１と第３の材料３との間に配置されるスペーサ９は、別部品として配置するだけではなく、例えば消耗電極やフィラーなどの溶接材料を用いて、第１の材料１と第３の材料３との間に直接作成しても良い。

この場合も、実施の形態１〜２と同様に、第１のギャップ１１の範囲が図３に示すようなレーザ光７が照射される側の同種系金属材である第１の材料１または第３の材料３の板厚に応じた所定の第１のギャップ１１の範囲であれば、第１の材料１および第３の材料３との貫通穴４の板厚方向での隙間である第１のギャップ１１を設けて、下板となる第３の材料３まで貫通するようなキーホール型のレーザ溶接をすることで、溶接部８の凝固収縮が圧縮力６となり第２の材料２を圧縮固定することができる。

なお、第１のギャップ１１が、レーザ光７が照射される側の同種系金属材の板厚の最大値の３０〜４０％を超えるにようになると、第１のギャップ１１に必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまう。

逆に、板厚方向の隙間である第１のギャップ１１が、０．１ｍｍより小さくなると隙間が小さくなりすぎて、同種系金属材としての第１の材料１と第３の材料３を互いに溶融結合して、異種材の第２の材料２が圧縮固定される圧縮固定力が不足する。

なお、本実施の形態では、レーザ照射方向に関して上板である第１の材料１側からレーザ光７を照射しているが、下板である第３の材料３の側から照射しても問題ない。この場合、本開示に係る第１の同種系金属材が第３の材料３に対応し、本開示に係る第２の同種系金属材が第１の材料１に対応する。

（まとめ）
従来の異種材に対する接合用部材としてのリベットは、かしめ時およびスポット溶接時に、異種材料の一部が変形して移動するスペースの確保及びスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制を可能とするために、Ｒ形状の面取りや環状溝等の複雑なリベット形状が必要であった。

この場合、リベット形状に精度が必要であり複雑な形状となる。そのため、リベットの加工に精密加工等が必要となり製造コストも高くなる。また、スポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため生産性が低い上に、両側から挟みこむ必要があるので接合部材の設計自由度が制限される。また、隣のリベットに近過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して、抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。そのため、所望のナゲット形成が行える最小限以上の接合ピッチの間隔が必要となる。よって、必要箇所での剛性を増加できないという課題があった。本開示により、従来の課題を解決することができる。

以上のように、実施の形態に係る接合構造は、第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、貫通部の一例である貫通穴４が設けられ、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との間に挟まれ、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材に対して溶接困難な異種材と、を備える。レーザ光７が貫通部に向けて照射される照射領域の板厚方向において、レーザ光７が照射される側に位置する第１の同種系金属材の照射領域における板厚は、溶接前の状態で存在する、照射領域における板厚方向の隙間である第１のギャップ１１に対応する所定の厚みである。

これにより、レーザ光が照射される照射領域において、溶接前の第１のギャップが存在する状態でレーザ光が照射されて、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが、貫通穴４を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、異種材と第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている。

この接合構造を用いると、複雑で精度が必要な構造部品は不要となる。さらに、スポット溶接ではなくレーザ溶接を用いるので、溶接を含めた作業時間がスポット溶接に対して約２５％に短縮でき、著しく生産性を向上する。また、必要箇所での剛性を増加させ、設計自由度を拡げることも可能となる。

第１のギャップ１１は、照射領域の板厚方向における貫通穴４の長さに対応していてもよい。

照射領域における第１のギャップ１１は、照射領域における第１の同種系金属材の厚みに対して６％以上４０％以下であってもよい。

レーザ光７が板厚方向から照射される照射領域は、貫通穴４に対して所定の第２のギャップ５を有して小さくてもよい。

第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが互いに溶融し接合されている溶接部８の外縁に、異種材２が流動していてもよい。

異種材は樹脂材料であり、第２のギャップ５は、第１のギャップ１１に対して２００％以上であってもよい。

異種材は繊維強化樹脂材料であり、第２のギャップ５は、第１のギャップ１１に対して１５０％以上であってもよい。

異種材は非鉄金属であり、第２のギャップ５は、第１のギャップ１１に対して１２５％以上であってもよい。

異種材の貫通穴４に第１の同種系金属材および第２の同種系金属材と溶接が可能な材料のスペーサ９が配置されていてもよい。

本開示に係る接合構造は、異種材の接合に際し、シンプルな構造で生産タクトタイムを大幅に短縮し、必要箇所での剛性を増加させることができる。そして、接合部材の設計自由度を拡げるレーザ溶接用の接合構造として産業上有用である。

１ 第１の材料（第１の同種系金属材）
２ 第２の材料（異種材）
３ 第３の材料（第２の同種系金属材）
４ 貫通穴（貫通部）
５ 第２のギャップ
６ 圧縮力
７ レーザ光
８，８ａ 溶接部
９ スペーサ
１０ 第４の材料（異種材）
１１ 第１のギャップ

Claims (9)

1. 第１の同種系金属材と、
   前記第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、
   貫通部が設けられ、前記第１の同種系金属材と前記第２の同種系金属材との間に挟まれ、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材に対して溶接困難な異種材と、を備え、
   レーザ光が前記貫通部に向けて照射される照射領域の板厚方向において、前記レーザ光が照射される側に位置する前記第１の同種系金属材の照射領域における板厚は、溶接前の状態で存在する、前記照射領域における板厚方向の隙間である第１のギャップに対応する所定の厚みであり、
   前記第１の同種系金属材と前記第２の同種系金属材とが前記貫通部を介して互いに溶融結合して前記異種材が圧縮固定されることにより、前記異種材と前記第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている接合構造。
2. 前記第１のギャップは、前記照射領域の前記板厚方向における前記貫通部の長さに対応する、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記照射領域における前記第１のギャップは、前記照射領域における前記第１の同種系金属材の厚みに対して６％以上４０％以下である請求項１または２に記載の接合構造。
4. レーザ光が板厚方向から照射される前記照射領域は、前記貫通部に対して所定の第２のギャップを有して小さい請求項１から３のいずれか１項に記載の接合構造。
5. 前記第１の同種系金属材と前記第２の同種系金属材とが互いに溶融し接合されている溶接部の外縁に、前記異種材が流動し密着している請求項４に記載の接合構造。
6. 前記異種材は樹脂材料であり、前記第２のギャップは、前記第１のギャップに対して２００％以上である請求項４または５に記載の接合構造。
7. 前記異種材は繊維強化樹脂材料であり、前記第２のギャップは、前記第１のギャップに対して１５０％以上である請求項４または５に記載の接合構造。
8. 前記異種材は非鉄金属であり、前記第２のギャップは、前記第１のギャップに対して１２５％以上である請求項４または５に記載の接合構造。
9. 前記異種材の前記貫通部に前記第１の同種系金属材および前記第２の同種系金属材と溶接が可能な材料のスペーサが配置されている請求項１から８のいずれか１項に記載の接合構造。