WO2007097378A1

WO2007097378A1 - 鋼材とアルミニウム材との接合体、そのスポット溶接方法及びそれに用いる電極チップ

Info

Publication number: WO2007097378A1
Application number: PCT/JP2007/053228
Authority: WO
Inventors: Wataru Urushihara; Mikako Takeda; Katsushi Matsumoto; Jun Katoh
Original assignee: Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2007-08-30
Also published as: EP2340910B1; US20090011269A1; EP1987904B1; CN102114574B; EP1987904A4; KR20080089501A; US20120021240A1; US8487206B2; EP1987904A1; CN102114574A; EP2340910A2; KR101032839B1; EP2340910A3

Abstract

　接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供することを目的とする。　一実施態様として、板厚ｔ１が０．３～３．０ｍｍである鋼材１と、板厚ｔ２が０．５～４．０ｍｍであるアルミニウム材２とをスポット溶接にて接合し、鋼材とアルミニウム材との接合体を形成する。この接合体は、接合部におけるナゲット面積が２０×ｔ２０．５～１００×ｔ２０．５ｍｍ２であり、界面反応層の厚さが０．５～３μｍである部分の面積が１０×ｔ２０．５ｍｍ２以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径ＤＣの１／４の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が５μｍ以内であることを特徴とする。これにより、クラッド材など他の材料を新たに用いることなく、また、新たに別工程を追加することなく、既存のスポット溶接装置にて低コストで形成しうる、接合強度に優れた異材接合体およびそのスポット溶接方法を提供できる。

Description

明細書

鋼材とアルミニウム材との接合体、そのスポット溶接方法及びそれに用いる電極チップ

技術分野

[0001] 本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等の組立ェ程の際に必要となる、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合する技術に関する。

背景技術

[0002] スポット溶接は、一般には同種の金属部材同士を接合する。しかし、例えば鉄系材料（以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料 (純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもので、以下、単にアルミニウム材と言う）という異種の金属部材の接合 (異材接合体)に適用することができれば、軽量ィ匕等に著しく寄与することができる。

[0003] しかし、鋼材とアルミニウム材とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやす!/ヽために信頼性のある高強度を有する接合部 (接合強度)を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異材接合体 (異種金属部材接合体）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされている力接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。

[0004] そこで、従来より、これら異種接合体のスポット溶接法について多くの検討がなされてきている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム-鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている (特許文献 1、 2参照)。また、鋼材側に融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法が提案されている（特許文献 3、 4、 5参照 )。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法 (特許文献 6参照)や、部材に予め凹凸を付ける方法 (特許文献 7参照)なども提案されてヽる。

[0005] しかしながら、これらいずれの方法も、単なるスポット溶接ではなぐ多層でのスポット溶接やめつきや加工など別の工程が必要であり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない問題があり、溶接コストも高くなる。また、これらいずれの方法も、溶接条件が著しく限定されるなど作業上の問題も多い。 [0006] それらとは別の手法でめっきなどの皮膜を鋼に施す方法として、特許文献 8〜11などが提案されている。これらには、鋼またはアルミニウム材に予めめつきを施しておけば、直接溶接が可能であるため、汎用性が高ぐまた低融点である膜を鋼-アルミ材料間に形成することにより、界面反応層の低減や界面の凹凸形成をさせることを目的としており、それぞれ鋼とアルミ材料との直接接合よりも高い強度を得たことが記載されている。また、めっきの種類によっては、鋼とアルミニウム材との間で生じる異種金属接触腐食を抑制することができる。特許文献 8では Mgを、特許文献 9ではアルミ材より低融点の膜を、特許文献 10では鋼より低融点の膜を、特許文献 11ではアルミ材の融点より 300°C低い温度以上であってかつアルミ材の融点よりも低い温度が融点となる膜を形成している。

[0007] し力しながら、特許文献 8では、母材破断とは言え、 80kgfと強度が不十分である。

また特許文献 9では十分なせん断引張強度が得られているが、ナゲットが形成していない。これら微視的な結合によるアンカー効果のみでは、せん断引張強度は確保できても、十字引張強度 (剥離強度)が保持できず、用途はせん断引張しか生じない特殊なものに限定される。

[0008] 特許文献 10では、更に抵抗体をインサートする必要があるため、上記した現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない問題があり、コストも高い。特許文献 11では、十字引張強度にて母材破断が得られている力界面反応層が形成しないことが高強度となる作用として記載されている。確かに、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層は脆弱ではあるが、発明者らの知見では、特許文献 10のように界面反応層が全く無くては、相互拡散による密着層が無いため、接合強度としては低くなる。このため、特許文献 9と同じぐ微視的な結合のみでは、十分な十字引張強度が保持できず、更なる高強度接合体の要望には応えられない。

[0009] また、本発明者らは、スポット溶接により形成される接合部の界面反応層の構造を最適化することに着目して検討を続けてきており、界面反応層の厚さや面積、構造を制御することにより、高い接合強度を有する異材接合体の作製が可能であることを見出した。

[0010] 本発明者らは、特許文献 12〜15にて、めっき皮膜の厚さや融点、さらにナゲット径、界面反応層厚さを制御することにより、 0. 9kNZspot以上の剥離強度を得ることができる技術を提案した。

特許文献 1：日本公開特許公報： 6-63763号

特許文献 2 :日本公開特許公報： 7-178563号

特許文献 3 :日本公開特許公報: 4- 251676号

特許文献 4:日本公開特許公報： 7-24581号

特許文献 5 :日本公開特許公報: 4- 143083号

特許文献 6:日本公開特許公報： 5- 228643号

特許文献 7:日本公開特許公報： 9-174249号

特許文献 8:日本公開特許公報: 4- 143083号

特許文献 9:日本公開特許公報: 4- 251676号

特許文献 10:日本公開特許公報： 7-24581号

特許文献 11 :日本公開特許公報： 7-178565号

特許文献 12：日本公開特許公報： 2005- 305504号

特許文献 13：日本公開特許公報： 2005- 152958号

特許文献 14:日本公開特許公報： 2005-152959号

特許文献 15：日本公開特許公報： 2006- 167801号

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] し力しながら、組立品の強度のさらなる増大、スポット点数の省力化の要望に応えるために、より高い接合強度が得られるスポット溶接技術の完成が求められている。

[0012] 特許文献 12〜15にても、更に接合強度を高めるには限界がある。また、鋼とアルミ二ゥム材との異種金属間では、特に、電食と呼ばれる接触腐食が発生しやすぐ鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であっても例外ではない。自動車部材などとして異材接合体の使用中に、このような電食が生じた場合には、異材接合体の接合強度も低下する。

[0013] このため、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体を、自動車部材などとしての実用化するためには、このような接触腐食を抑制する必要がある。このような接触腐食を抑制するためには、有機榭脂皮膜などにより、鋼材とアルミ- ゥム材とを絶縁することが有効ではある。しかし、鋼材とアルミニウム材とを有機榭脂皮膜などにより絶縁した場合には、接触腐食は抑制できるものの、これら両者間の通電により溶接する、スポット溶接自体が困難となる。このために、スポット溶接時の異材接合体の接合強度が低下するという問題が逆に生じる。

[0014] したがって、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体の接合強度を高めるとともに、接触腐食を抑制できるような有効な手段は、これまでなかなか提案されてこな力つたのが実情である。

[0015] また、前記自動車車体パネルなどの鋼材側に汎用されて、る亜鉛めつき鋼板では、鋼材とアルミニウム材との異材接合体においては、裸の鋼板よりも、スポット溶接性が悪くなるという問題もある。

[0016] これは、異材接合の接合部に生成する、前記脆い金属間化合物の他に、亜鉛めつき鋼板 (亜鉛めつき鋼材）とアルミニウム材との異材接合では、亜鉛めつきに由来する、脆い Zn—Fe系化合物層が必然的に生成するようになる力もである。この Zn— Fe 系化合物層は脆いゆえに、破壊の起点となり接合強度を著しく低下させる。

[0017] 本発明は上記の種々の課題を解決するためになされたものである。スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材とを接合するに際して、上記従来技術のように、クラッド材など他の材料を新たに用いることなぐまた、新たに別工程を追加することなぐ既存のスポット溶接装置にて低コストで形成しうる、接合強度に優れた鋼材とアルミニウム材との接合体およびそのスポット溶接方法を提供することを目的とする。

[0018] また、本発明は、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合する際の接合強度を高めるとともに接触腐食を抑制できる異材接合体及びそのスポット溶接方法を提供することを目的とする。

[0019] さらに、本発明は、亜鉛めつき鋼板 (鋼材)であっても、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0020] 本発明者らは、以下に述べるように、上記課題を解決するためさらに検討を進め、本願発明を完成するに至った。 [0021] 鋼材同士やアルミニウム材同士など、同種の材料同士を、高い接合強度にてスポット溶接するには、一般的に、ナゲットの形成を促進すればよぐナゲット面積が大きいほど剪断強度および十字引張強度ともに高くなることが知られている。

[0022] また、ナゲット面積 (径)は、入熱量と強い相関関係があり、電流量が高いほど、時間が長いほど大きくなるため、一般的には、スポット溶接の際の入熱量にてナゲット面積を制御することによって接合強度の高い接合体を得ている。もちろんナゲット面積が大きくなりすぎると、被接合材の反接合表面 (接合面とは反対側の表面)まで溶融部が達してチリができるため、適正なナゲット面積を得ることが重要となる。

[0023] し力しながら、鋼材とアルミニウム材と、う異材を接合する場合、鋼材はアルミニウム材と比較して、融点、電気抵抗がともに高ぐ熱伝導率が小さいため、アルミニウム材側より鋼材側の方の発熱が大きくなり、まず鋼材と接する表面力低融点のアルミ二ゥム材が溶融する。次に鋼材のアルミニウム材と接する表面が溶融し、結果として接合界面にて、 Al—Fe系の脆い金属間化合物層（以下、「界面反応層」という。）が形成するため、高い接合強度は得られない。

[0024] 鋼材とアルミニウム材とのスポット接合で形成する金属間化合物は大きく 2層に分かれ、鋼材側に Al Fe系化合物（後述する表 10等で定義する金属間化合物 Al Feの

5 2 5 2 意味)、アルミニウム材側に Al Fe系化合物 (後述する表 10等で定義する金属間化

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合物 Al Feの意味)が形成することが知られている。それらの金属間化合物は大変脆

3

いため、従来より、高い接合強度は得られないとされている。

[0025] これにカ卩えて、亜鉛めつき鋼板（亜鉛めつき鋼材）とアルミニウム材とのスポット接合では、前記した通り、亜鉛めつきに由来する Zn— Fe系化合物（後述する表 10等で定義する金属間化合物 Fe Znの意味)層が生成し、上記化合物層中に必然的に含ま

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れるようになる。この Zn— Fe系化合物層は脆いために、破壊の起点となり接合強度を著しく低下させる。

[0026] また、アルミニウム材の反接合表面まで溶融が達してチリができると、アルミニウム材の減肉量が増大し、やはり高!、接合強度が得られな、。

[0027] すなわち、鋼材とアルミニウム材との異材をスポット溶接にて接合する場合、高い接合強度を得るためには、ある程度のナゲット径を形成する高ヽ入熱量を加えることは必要である。しかし、本発明の知見によれば、より高い接合強度を得るためには、ナゲット径の制御よりも、むしろ界面反応層の形成面積や厚さ分布を制御することが必要である。

[0028] すなわち、鋼材とアルミニウム材とヽぅ異材をスポット溶接にて接合する場合、高ヽ接合強度を得るためには、所定のナゲット面積を形成するだけの入熱量を加えることは必要であるが、接合界面にて界面反応層の形成を抑制するために鋼材の溶融を最小限に抑制し、かつチリの発生を最小量に抑制することが要求される。

[0029] このため、まずスポット溶接条件にっ、ては、高電流で大き!/、ナゲット面積を得つつ、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、接合界面での鋼材の溶融をできるだけ一様にかつ少なく抑えることができれば、界面反応層を薄く広く形成することができ、高い接合強度が得られると考えられる。

[0030] し力しながら、従来のスポット溶接方法で高電流を加えると接合部中心部において電流密度が高くなり、鋼材の発熱 ·溶融およびアルミニウム材の溶融も大きくなるため、接合部中心部にて界面反応層が厚く形成する。電極チップの先端 Rを大きくすることによって、接合部中心部への電流の集中を軽減して、広い面積にて接合することが可能であるが、やはり接合部中心部の界面反応層は厚ぐ溶接条件によっては接合部中心部にてアルミニウム材に欠陥が発生する。

[0031] 従来の検討では、接合強度を決定付けているのは、接合部の中心部ではなぐ周辺部と考えて、中心部の界面反応層厚さが厚くなることは軽視してきた力より詳細に解析すると、周辺部が同程度の界面反応層厚さでも、中心部の界面反応層がある程度以上厚いと接合強度が低下すること、さらには、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層の厚さ分布も変化して、接合強度のばらつきの要因となることが明らかとなった。

[0032] すなわち、接合強度を従来よりさらに向上させるには、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、電流密度を分散しつつ、できるだけ高電流にて接合し、接合された異材接合体の界面反応層を接合部中心部も含めて大面積にて最適厚さ範囲に制御することが重要となることがわ力つた。

[0033] そして上記知見に基づいて、以下の発明を完成した。 [0034] 上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5〜4. Ommである、

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純アルミニウム材またはアルミニウム合金材（以下、純アルミニウム材またはアルミ-ゥム合金材を「アルミニウム材」という。）とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が 20 X t °· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²であり、界

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面反応層の厚さが 0. 5〜3 ;z mである部分の面積が 10 X t ⁵mm²以上であり、かつ

2

接合部中心と接合部中心から接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が 5 μ m以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体である。

[0035] ここで、前記界面反応層の最大厚さが、 0. 5〜10 /z mの範囲であることが好ましい

[0036] また、上記要旨の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップは、被接合材との接触が、 2点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップであることが好ましい。

[0037] 前記電極チップは、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径 2mm以上の凹部が形成されて、ることが好まし、。

[0038] さらに、上記要旨の接合体を形成するためのスポット溶接方法は、一対の電極チップのうち少なくとも片方に前記電極チップを用いることが好ましい。

[0039] また、前記スポット溶接方法は、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を 5°C以下に冷却してスポット溶接することが好ましい。

[0040] 上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5〜4. Ommであるァ

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ルミ-ゥム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、融点が 350〜1000°C、平均厚みが 3〜 19 μ mの、 Znまたは Zn合金、あるいは Aほたは A1合金の皮膜と、有機榭脂接着剤皮膜またはリン酸塩皮膜とが予め設けられた状態でスポット溶接されており、スポット溶接後の溶接部における界面反応層の厚さが 0. 5〜5 /z mの範囲である部分の面積が lO X t °· ⁵mm²以上であることとする。 [0041] ここで、異材接合体の接合強度を高めるためには、前記界面反応層の厚さが 0. 5 〜5 μ mの範囲である部分の面積は 50 X t °· ⁵mm²以上であることが好まし!/、。

2

[0042] また、同様に、異材接合体の接合強度を高めるためには、前記 Znまたは Zn合金皮膜が、鋼材側の表面に施された 88質量％以上の Znを含むめっき皮膜であることが好ましい。

[0043] また、同様に、異材接合体の接合強度を高めるためには、前記リン酸塩皮膜の平均厚みが 0. 1〜5 /ζ πιであることが好ましい。また、前記リン酸塩皮膜が 0. 01〜10 質量％の Mgを含むことが好まし、。

[0044] 上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法の要旨は、板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5

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〜4. Ommであるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、融点が 350〜1000°C、平均厚みが 3〜19 mの Znまたは A1の金属皮膜と、有機榭脂接着剤の皮膜とを予め設けた状態でスポット溶接するとともに、このスポット溶接において、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3ZR>0. 05となるように印カロし、かつ 15 X t °' ⁵〜30 X t 八の電流を100 °· ⁵〜： LOOO X t °· ⁵msec流す工程を有

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するとともに、この工程より高い電流を流す工程が存在しない電流パターンにてスポッ卜溶接することである。

[0045] ここで、異材接合体の接合強度を高めるためには、前記界面反応層の厚さが 0. 5 〜5 μ mの範囲である部分の面積は 50 X t °· ⁵mm²以上であることが好まし!/、。

2

[0046] 上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法の要旨は、板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5

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〜4. Ommであるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、融点が 350〜1000°C、平均厚みが 3〜19 /z mの Znまたは Zn合金皮膜と、更にリン酸塩皮膜とが予め設けた状態でスポット溶接するとともに、このスポット溶接において、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 R mmと加圧力 WkNとの関係が（RXW)^1/3ZR>0.05となるように印カロし、かつ 15 Xt ⁵〜30Xt 八の電流を100 °· ⁵〜： LOOOXt · ⁵msec流す工程を有する

2 2 2 2

とともに、この工程より高い電流を流す工程が存在しない電流パターンにてスポット溶接することである。

[0047] また、同様に、異材接合体の接合強度を高めるためには、前記 15Xt °'⁵〜30Xt

2 2

^{0 5}kAの電流を lOOXt °·⁵〜： LOOOXt °'⁵msec流す工程よりも後の工程で、 lXt °'

2 2 2

⁵〜： LOXt ⁵kAの電流を lOOXt °·⁵〜： LOOOXt °· ⁵msec流す工程を存在させた電

2 2 2

流パターンにてスポット溶接することが好まし、。

[0048] 上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚 tが 0.3〜3. Ommで、亜鉛めつき層の平均厚みが 3〜19 mである亜鉛めつき鋼材と、板厚 tが 0.5〜4. Ommであるアルミニウム材とをスポット溶接

2

にて接合した異材接合体であって、この異材接合体の接合界面において、鋼材側に

Al Fe系化合物層、アルミニウム材側に Al Fe系化合物層を各々有し、これら 2層の

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ナゲット深さ方向の合計の平均厚さが 0.5〜： L0 mである部分の、アルミニウム材側の接合界面において平面方向に占める合計面積力ナゲットのアルミニウム材側の接合界面において平面方向に占める面積の 50%以上の割合を占め、かつ、 SEM による、前記 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層のナゲット深さ方向のこれら 2層

5 2 3

の合計の平均厚さが 0.5〜： LO/zmである接合界面部分の断面観察において、これら 2層中に各々含まれる Zn— Fe系化合物層の断面方向に占める合計面積が、これら 2層の合計の平均厚さが 0.5〜10 μ mである部分の断面方向に占める面積の 10 %以下の割合であることとする。

[0049] ここで、より接合強度を高くするために、上記要旨に加えて、前記ナゲットのアルミ- ゥム材側の接合界面における平均径が 7mm以上であり、このナゲットと接する接合界面における Zn層の平面方向に占める合計面積力ナゲットのアルミニウム材側の接合界面にぉ、て平面方向に占める面積の 30%以下であることが好ま、。

[0050] また、同様に、異材接合部における前記アルミニウム材側の最小残存板厚が元のアルミニウム材板厚の 50%以上であることが好ましい。

[0051] 更に、同様に、前記鋼材とアルミニウム材との板厚比 t /t力 ^以上であることが好ましい。

発明の効果

[0052] 本発明は以上のように構成されており、スポット溶接による鋼材とアルミニウム材との異材接合の際に、比較的大きいナゲット面積を得つつ、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積に形成し、異材接合体の接合強度を向上させることができる。この結果、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材との異材接合体を形成するに際して、従来技術のように、他の材料を新たに用いることなぐまた、新たな別工程を追加する必要がなぐ既存のスポット溶接機を用いることができるため、大幅なコスト削減を実現できる。

[0053] この結果、本発明に係る接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。したがって、本発明により、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の用途を大きく拡大することができる。

[0054] また、本発明者らは、鋼材とアルミニウム材との異材をスポット溶接にて接合する場合、界面反応層の形成面積や厚さ分布を制御して、高い接合強度を得るためには、鋼とアルミニウム材との間に界面反応層が形成する時間を抑制制御することが重要であることを見出した。また、この界面反応層形成時間を抑制制御のためには、予め材料に抑制層を形成することが重要であることを見出した。

[0055] 本発明では、この抑制層として、単なる界面反応層形成時間の抑制制御のためだけではなぐ異種金属接触腐食を抑制できる抑制層を選択したことを特徴とする。そして、本発明では、このような抑制層として、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、特定範囲の Znまたは A1の金属皮膜と、有機榭脂接着剤の皮膜との二つを予め設けることを特徴とする。

[0056] 界面反応層形成時間の抑制を制御して、高、接合強度を得るためには、溶融したアルミニウムと接触して、鋼材との中間層となるよう、アルミニウム材と融点が近い金属皮膜が必要となる。この点、本発明における、特定範囲の Znまたは A1の金属皮膜は、アルミニウム材と融点が近ぐスポット溶接時における界面反応層形成時間を抑制制御して高!ヽ接合強度を得る機能を有する。

[0057] また、異種金属接触腐食を抑制するためには、抑制層は、スポット溶接後に、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、電気的な絶縁層となる必要性がある。しかし一方で、スポット溶接を可能とし、スポット溶接部の高い接合強度を得るためには、この抑制層は、スポット溶接時には、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させる必要がある。この点、有機榭脂接着剤の皮膜は、電気的な絶縁層として、スポット溶接時には界面反応層形成時間を抑制制御し、更に、スポット溶接後は異種金属接触腐食を抑制する機能を有する。

[0058] 有機榭脂接着剤の皮膜を、例えば熱硬化性榭脂などとし、スポット溶接時に応力（加圧力）を加えた場合に、鋼材とアルミニウム材との溶接部分から、周囲の部分に、排出あるいは除去されやすくすると、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることがでさる。

[0059] そして、スポット溶接後は、この有機榭脂接着剤皮膜は、除去されたスポット溶接部のみを除いて、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、電気的な絶縁層となり、異材接合体の異種金属接触腐食を抑制する。

[0060] もちろん、各抑制層がこのような機能を発揮するためには、後述する通り、金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜とには、最適の組成や、皮膜厚みの範囲などの条件があり、スポット溶接には、加圧力や電流パターンなどの最適条件がある。

[0061] ここで、通常、鋼材同士などの同種金属同士の溶接において、鋼材間に接着剤を介在させた上で、鋼材同士を溶接するウエルドボンド方式は公知である。しかし、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合の場合、高！、接合強度を得るためには、前記した通り、同種金属同士の溶接に比して、高い入熱量を加える必要がある。この点、鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合に対して、接着剤を介在させることは、界面反応層形成制御に弊害をもたらすことが当然予測される。また、スポット溶接自体を阻害することも予測される。

[0062] 実際に、裸の（表面処理されて!、な、)鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合の場合には、接着剤を介在させた場合には、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難となって、高い接合強度を得ることができない。

[0063] これに対して、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、抑制層としてもうひとつ、 Znまたは A1の金属皮膜を予め設けた場合には、有機榭脂接着剤の皮膜があっても、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難とならずに、有機榭脂接着剤の皮膜の上機能を発揮させる。

[0064] これは、 Znまたは A1の金属皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増し、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度力アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなるためと推考される。また、スポット溶接時の抵抗発熱量が増すと、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミニゥムが拡散して、良好な接合状態が!/ヽち早く確保されると推考される。

[0065] 以上のように、本発明は、スポット溶接による異材接合の際に、接合される鋼材とァルミ-ゥム材との互いの接合面間に、 Znまたは A1の金属皮膜と、有機榭脂接着剤の皮膜との二つを予め設けることを特徴とする。

[0066] これによつて、従来の常識に反して、鋼とアルミニウム材との間の界面反応層が形成する時間を抑制制御し、異材接合体の接合強度を向上させる。また、スポット溶接条件については、これに見合った電流パターンの溶接として、接合強度の向上を保証する。

[0067] また、本発明では、この界面反応層の形成面積や厚さ分布の制御を損なわな、だけではなぐ異種金属接触腐食 (電食)を抑制できる抑制層 (腐食抑制層)を選択したことを特徴とする。この異材接合体の使用中の異種金属接触腐食の抑制は、この腐食による異材接合体の接合強度の低下を抑制して、接合強度を維持することにつながる。そして、本発明では、このような抑制層として、これら接合される鋼材とアルミ- ゥム材との互いの接合面間に、特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜と、リン酸塩皮膜との二つを予め設けることを特徴とする。

[0068] 界面反応層の形成面積や厚さ分布の制御を損なわず、異種金属接触腐食 (電食）を抑制するには、各々の特性を有する二つの皮膜が必要となる。即ち、前者のためには溶融したアルミニウムと接触して、鋼材との中間層となるよう、アルミニウム材と融点が近い金属皮膜が必要である。後者のためには、鋼よりも卑でかつアルミニウムよりも貴である自然電位を有し、鋼—アルミニウム材の電位差を軽減する皮膜あるいはアルミニウム材よりも卑である自然電位を有し、犠牲防食効果を発揮する皮膜が必要である。 [0069] この点、本発明における特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜は、スポット溶接時に、リン酸塩皮膜が存在しても、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成される時間制御や、界面反応層の厚さ範囲と分布制御を阻害させない特性がある。また、鋼よりも卑でかつアルミニウムよりも貴である自然電位を有し、鋼—アルミニウムの電位差を軽減するのみならず、環境によっては酸ィ匕皮膜を形成するアルミニウム材よりも卑の自然電位となって犠牲防食効果を発揮するため、腐食環境下でも高い接合強度を得る機能を有する。

[0070] 一方、異種金属接触腐食をより効果的に抑制するためには、抑制層は、スポット溶接後に、鋼材とアルミニウム材との間に広範にあるいは全面的に介在して、鋼材とァルミ-ゥム材との間を水分や酸素などの腐食環境力遮断したり、犠牲防食作用により、基材を保護する腐食抑制層を形成する必要性がある。しかし一方で、スポット溶接を可能とし、スポット溶接部の高い接合強度を得るためには、この抑制層は、スポット溶接時には、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させる特性を有する必要がある。

[0071] この点、リン酸塩皮膜は、本発明における特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜との共存下において、スポット溶接時には、スポット溶接部部分のみにおいて破壊され、このスポット溶接部で鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させる。リン酸塩皮膜自体は、いずれの側に存在させるにせよ、本発明における Znまたは Zn合金の金属皮膜無しに、単独で、鋼材とアルミニウム材との間に介在させると、スポット溶接時に、スポット溶接部部分のみにおいてさえ破壊されにくくなり、スポット溶接性を阻害する。また、接合体の界面反応層の形成面積や厚さ分布制御を阻害する。このため、異材接合体の高い接合強度が得られない。これは同種の金属同士で、かつリン酸塩皮膜を介在させた際のスポット溶接時には生じな、現象であり、鋼材とアルミニウム材との異材接合体特有の問題であると言える。

[0072] リン酸塩皮膜が適正な厚みであり、比較的薄い場合には、スポット溶接時に応力（加圧力）を加えた場合に、リン酸塩皮膜のピンホールを通じて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができる。また、本発明における特定範囲の Znまたは Zn 合金皮膜との共存下において、スポット溶接時の応力や電気抵抗によって、リン酸塩皮膜が破壊されて、溶融したアルミニウム材中に溶け出すことによつても、広範囲に、鋼材とアルミニウム材とを電気的に十分導通させることができる。

[0073] 因みに、リン酸塩 (亜鉛)皮膜の沸点は約 1075°Cと比較的高温である。しかし、スポット溶接時には、この沸点以下の温度でも、本発明における特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜との共存下において、上記リン酸塩皮膜の破壊が生じて、鋼材とアルミユウム材とを電気的〖こ導通させることができる。

[0074] そして、スポット溶接後は、このリン酸塩皮膜は、皮膜が除去されたスポット溶接部を除いて、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、鋼材とアルミニウム材との間を水分や酸素などの腐食環境力遮断したり、犠牲防食作用により基材を保護する腐食抑制層を形成し、異材接合体の異種金属接触腐食を抑制する。

[0075] ただ、リン酸塩皮膜には、前記したピンホールが存在するために、完全には、水分や酸素などの腐食要因を遮断できない。そのため、後述するアルミニウムよりも卑である自然電位を有する Mg添加などで、皮膜成分組成を制御して、犠牲防食作用を強めることで、異種金属接触腐食を抑制する機能をより発揮できる。

[0076] 勿論、各抑制層がこのような機能を発揮するためには、後述する通り、金属皮膜とリン酸塩皮膜とには、最適の組成や、皮膜厚みの範囲などの条件があり、また、スポット溶接には、加圧力や電流パターンなどの最適条件がある。

[0077] 以上のように、本発明は、スポット溶接による異材接合の際に、接合される鋼材とァルミ-ゥム材との互いの接合面間に、 Znまたは Zn合金の金属皮膜と、リン酸塩皮膜との二つを予め設けることを特徴とする。

[0078] これによつて、鋼とアルミニウム材との間の界面反応層の形成面積や厚さ分布の制御を損なわずに、更に、異材接合体の使用中の異種金属接触腐食を抑制し、高い接合強度を維持できる。言い換えると、異種金属接触腐食による接合強度の低下を抑制する。

[0079] この結果、鋼材とアルミニウム材との異種接合体にお!、て、前記従来技術のような、他の材料を新たに用いることなぐまた、新たな別工程を必要とすることなぐ接合強度の高い、スポット溶接による異材接合体を得る効果を有する。そして、スポット溶接後には、異種金属接触腐食を抑制した異材接合体を得る効果を有する。

[0080] また、本発明者らは、特に、亜鉛めつき鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合強度に及ぼす界面反応層の厚さを詳細に調査した結果、界面反応層の挙動は、従来の薄い程良いとする知見とは、大きく異なることを知見した。即ち、界面反応層を構成する、鋼材側の Al Fe系化合物層とアルミニウム材側の Al Fe系化合物

5 2 3

層との、厚みや面積の関係を最適範囲に制御すれば、例え界面反応層がこれら二層の金属間化合物力も構成されていたとしても、接合強度が実用的なレベルまで高まることを知見した。

[0081] また、亜鉛めつき鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接による異材接合では、一方では、亜鉛めつきに由来して生成する、特有の脆い Zn— Fe系化合物層は、これを抑制し、接合強度を高める。

[0082] これらによって、亜鉛めつき鋼板（亜鉛めつき鋼材）であっても、アルミニウム材との異材接合性あるいはスポット溶接性が向上する。このため、多数連続打点のスポット溶接の際にも、異材接合体の、十分な継手強度あるいは接合強度が得られる。また、打点毎の電極の鋼材とアルミニウム材との接触状態が安定し、電極寿命が著しく向上し、多数連続打点の効率の良!ヽスポット溶接が保証される。

[0083] また、前記従来技術のような、他の材料を新たに用いることなぐまた、新たな工程を必要とすることなぐ亜鉛めつき鋼板 (亜鉛めつき鋼材)とアルミニウム材との、接合強度の高! ヽ、スポット溶接による異材接合をなしうる効果も有する。

図面の簡単な説明

[0084] [図 1]本発明の異材接合体の断面の状態を示す断面写真である。

[図 2]本発明の異種接合体を示す断面図である。

[図 3]異種接合体を得るためのスポット溶接の態様を示す説明図である。

圆 4]本発明異材接合体の接合部界面を示す断面図である。

[図 5]本発明異材接合体の接合部界面の断面組織 (図 6)を拡大模式化した説明図である。

[図 6]本発明異材接合体の接合部界面の断面組織を示す図面代用 SEM写真である [図 7]本発明異材接合体の接合部界面の断面組織を示す図面代用 TEM写真である。

[図 8]本発明異材接合体の接合部界面反応層の厚み分布を示す説明図である。

[図 9]本発明異材接合体の接合部界面反応層の平面方向の一定厚みの分布を示す説明図である。

[図 10]比較例異材接合体の接合部界面反応層の平面方向の一定厚みの分布を示す説明図である。

[図 11]異材接合体を得るためのスポット溶接の態様を示す説明図である。

[図 12]比較例異材接合体の接合部界面の断面組織を示す図面代用 TEM写真である。

符号の説明

1:鋼材

2:アルミニウム材

3:ナゲット

4:界面反応層

5:接合部中心

D ：ナゲット径

N

D ：接合径

C

11:鋼板

12:アルミニウム合金板

13:異種接合体

14:抑制層

15:ナゲット

16:界面反応層

17、 18:電極

21:鋼板

22:アルミニウム合金板

23:異材接合体 24 :酸化皮膜

25 :ナゲット

26 :界面反応層

27、 28 :電極

発明を実施するための最良の形態

[0086] 以下に、本発明の実施態様の各要件の限定理由とその作用について説明する。

[0087] また、以下では実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではない。前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

[0088] [1]

(接合体の構成）

本発明の一実施態様に係る接合体の構成を説明するために、図 1に本発明に係る接合体の接合部の断面写真を示す。同図において、 1は鋼材、 2はアルミニウム材、 3はナゲット、 4は界面反応層、 5は接合部中心をそれぞれ示す。

[0089] (鋼材）

本発明に用いる鋼材の板厚 tは 0. 3〜3. Ommとする。鋼材の板厚 tが 0. 3mm 未満の場合、組立品である構造部材ゃ構造材料として必要な母材強度や剛性を確保できず、他方 3. Ommを超える場合は、構造部材ゃ構造材料としては、通常他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少な、からである。

[0090] なお、本発明にお、ては、使用する鋼材の形状や材質は特に限定されるものではなぐ各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、铸造材などが適宜選択できる。

[0091] (アルミニウム材）

本発明で使用するアルミニウム材の板厚 tは 0. 5〜4. Ommの範囲とする。アルミ

2

二ゥム材の板厚 tが 0. 5mm未満の場合、構造材料としての母材強度が不足するの

2

に加え、所定の大きさのナゲット面積が得られず、し力もアルミニウム材の反接合表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。他方、アルミニウム材の板厚 tが 4. Ommを超える場合は、上記鋼材の板厚の場合と同様

2

に、構造部材ゃ構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少な、からである。

[0092] なお、本発明におヽては、使用するアルミニウム材の形状や材質 (合金の種類)を特に限定するものではなぐ各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、铸造材などが適宜選択できる。また、アルミニウム材の強度は、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニゥム合金の中でも強度が高ぐこの種構造用部材として汎用されている、 A5000 系、 A6000系などの使用が最適である。

[0093] (ナゲット面積）

図 1に示すスポット溶接にて形成されたナゲット 3の面積は、アルミニウム材 2の板厚 tで規定された、 20 X t °· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²の範囲とする。言い換えると、ナゲット

2 2 2

面積が 20 X t °· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²の範囲となるようにスポット溶接条件を選定する

2 2

ことが必要である。

[0094] 従来から、同種の金属部材をスポット溶接する際には、金属部材の厚み tに対して、スポット溶接にて形成されたナゲットの面積を 20 X t°- ⁵mm²程度とすることが接合強度の面からも作業性および経済性の面からみても最適であるとされている。

[0095] これに対し、本発明では、異種金属部材同士の接合について、上記同種の金属部材同士の接合よりも大きなナゲット面積とすることを特徴とする。すなわち、スポット溶接にて形成されたナゲット 3の面積力アルミニウム材 2の板厚 tで規定された 20 X t

2 2

°· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²の範囲となるようにスポット接合することで、異材接合体であつ

2

ても十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性にも優れる。

[0096] 本発明のような異種金属部材同士の接合の場合、最適なナゲット面積は、アルミ- ゥム材 2側の板厚 tに依存しており、鋼材 1の板厚 tの影響は無視できるほど小さい

2 1

ことが特徴である。

[0097] ここで、ナゲット面積が 20 X t °· ⁵mm²未満、より厳しくは 30 X t °· ⁵mm²未満では、

2 2

ナゲット面積が小さ過ぎ、接合強度が不十分となる。他方、ナゲット面積が 100 x t °·

2

⁵mm²を超えると、接合強度を得るのには十分である力きわめて高い電流量が必要となるため、現行のスポット溶接装置を用いることができず、特別な装置が必要となる

。したがって、ナゲット面積は 20 X t °· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²の範囲、好ましくは 30 X t

2 2 2

°· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²の範囲とする。

2

[0098] 本発明におけるナゲット面積は、鋼材 1とアルミニウム材 2との接合界面の面積を測定すること〖こよって得られる。接合界面の面積の測定方法は、接合体を接合界面にて剥離または切断により分断し、アルミニウム材 2側を画像解析して、ナゲット 3の面積を計測することによって求めることができる。ナゲットの形状が略円形状の場合は、接合部を接合部中心 5にて縦に (板厚方向に)切断して切断面を光学顕微鏡にて観察し、ナゲット 3の接合界面での径 (ナゲット径) Dを測定して面積を求めてもよい。こ

N

の場合、例えば直交する 2方向の縦断面についてナゲット径 Dを測定し、これらを長

N

径および短径とする楕円の面積を計算し、これをナゲット面積とするとよい。

[0099] (界面反応層の厚さ）

図 1に示す界面反応層 4は、その最適厚さを 0. 5〜3 /ζ πιとし、この最適厚さを有する部分の面積が lO X t °· ⁵mm²以上であることとする。

2

[0100] このように、最適厚さを有する界面反応層 4の面積を規定するのは、上述したように、接合強度向上のために、最適厚さを有する界面反応層 4をできるだけ広く形成するという技術思想に基づく。

[0101] つまり、界面反応層 4の厚さが 0. 5〜3 /ζ πιである部分の面積が lO X t ⁵mm²未

2 満、より厳しくは、 25 X t ' ⁵mm²未満では、最適厚さを有する界面反応層 4の形成さ

2

れる範囲が狭ぐ接合強度が低下する。また、界面反応層 4の厚さが 0. 5 m未満の部分は、鋼アルミニウムの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。他方、界面反応層 4の厚さが 3 mを超える部分は脆弱となり、接合強度が低くなる。よって、接合部全体としての接合強度を高めるためには、界面反応層 4の厚さが 0. 5〜3 /ζ πιである部分の面積が 10 X t °· ⁵mm²以上、好ましくは 25 X t · ⁵mm²以上必要である。

2 2

[0102] さらに、接合部中心 5と接合部中心 5から接合径 Dの 1Z4の距離だけ離れた点と

C

における界面反応層の厚さの差が 5 μ m以内、望ましくは 3 μ m以内であることを必要とする。ここでの接合径 Dとは、界面反応層 4が形成されている範囲の径をいう。

C

通常のドーム型電極チップ（以下、「電極チップ」を単に「チップ」ともいう。）を用いた接合では、接合部中心 (以下、単に「中心」ともいう。） 5は最も界面反応層 4が厚くなる部位であるのに対し、中心 5から接合径 Dの 1Z4の距離だけ離れた点では界面

C

反応層 4が薄くなるが、両地点での厚さの差が小さいほど、接合強度が高くなる。上記厚さの差が 5 mより大きいと、中心 5での界面反応層 4が周辺部の界面反応層 4 より過度に厚くなり、接合強度が低下することに加えて、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層 4の厚さ分布も変化して、強度ばらつきの要因となる。

[0103] さらに、界面反応層 4の最大厚さは、 0. 5〜10 μ m、さらには 1. 5〜5 μ mの範囲とするのが望ましい。通常のドーム型チップを用いた接合では、接合部中心 5が上記最大厚さとなる位置に相当する。上記最大厚さが 10 mを超えると、その部位の強度が低ぐ全体の接合強度が低下するばかりか、チリの発生により、周辺部の界面反応層 4の厚さ分布にも悪影響を及ぼし、強度ばらつきの要因となる。他方、上記最大厚さ力 O. 未満の場合は、上記 0. 5〜3 mの最適厚さ範囲が得られない。

[0104] この界面反応層 4の厚さも、上記ナゲット面積と同様、鋼材 1とアルミニウム材 2との接合界面の面積を測定することによって得られ、アルミニウム材 2側の画像解析や光学顕微鏡観察によって求めることができる。

[0105] 以下に、スポット溶接の要件を説明する。

[0106] (電極チップ）

スポット溶接に用いる電極チップについては、被接合材である板との接触が、 2点以上または線状もしくは面状で行われるものであることが望ましい。すなわち、板との極大加圧部が、従来のように 1点のみでなぐ 2点以上のものとするか、あるいは線状もしくは面状となるようなチップを用いることにより、上記比較的大きな最適ナゲット面積および上記界面反応層の最適構造を得ることができる。ここで、線状とは 3mm以上の連続線となるものを、面状とは 5mm²以上の連続面となるものをそれぞれ、、、これらに満たないものは点とする。

[0107] チップの極大加圧部を確認するには、市販の加圧紙を板とチップの間に挟み、 0. lkNの加圧力にて挟むことによって、加圧紙に残る跡を確認すればよい。通常のドーム型チップでは、接触した 1点のみ跡が残る。 [0108] 上記望ま、電極チップの一例としては、ドーム型チップの先端部の中央 (チップの軸上）に直径 2mm以上の凹部が形成されている電極チップが推奨される。スポット溶接の際の連続打点によりチップ先端部は消耗するため、研磨紙、研削器等にてチップ先端部を定期的にメンテナンスすることが必要であるが、その際、先端部の形状が軸対称でないチップでは、メンテナンスがしにくい。チップの軸上（すなわち、軸と同心）に凹部を設けることにより、チップの加工が容易であるだけでなぐ研磨紙や研削器を円周方向に回転させることで容易にメンテナンスを行うことができる。また、チップ先端部が完全に平面であるフラット型チップでは、板に対して面状に当接するため、電流密度を低下させることができる力このように板に対して面状に当接する場合、チップの粗度が電流経路に及ぼす影響が大きぐチップのメンテナンス頻度を高くする必要が生じる。したがって、チップのメンテナンス性と界面反応層 4の均一化効果をともに満たすためには、ドーム型チップの先端部に凹部を設けたものの方が良ぐ凹部の径は 2mm以上とするのが望ましい。 2mm未満では、中心部への電流集中を十分に抑制できず、界面反応層 4の均一化効果が小さい。また、凹部の径の上限は設けないが、チップのサイズとメンテナンス性を考えると、 15から 20mmが最大と考えられる。凹部の深さは浅くとも 0. 5mm以上とするのが望ましぐまた凹部の深さが深いとチップが長くなり、冷却水での冷却効率が低下するため、 3mmより大きくする必要はない。また、ドーム型チップの先端径、先端 Rは特に規定しないが、ナゲット面積を確保するために、先端径が 7mm以上で、かつ先端 Rが 75mm以上であることが望ましい。

[0109] なお、このようなチップを用いる場合、片当たりをしないよう、予め感圧紙で確認し、メンテナンスを行うことが必要である。

[0110] そして、スポット溶接に用いる一対（2個）の電極チップのうち少なくとも片方に、上記のような先端部に凹部を設けたチップを用いることで、板内を通過する溶接電流経路を複数とすることによって電流の集中を抑制し、チリや欠陥の発生を防止するとともに、界面反応層 4の厚さを均一にすることができる。チップを片方のみに用いる場合は、鋼材 1側に用いる方が発熱をより抑制することができるが、チップを両方ともに用いる方がさらに電流の集中を抑制することができ、界面反応層 4の厚さをより確実に均一化できる。

[0111] (溶接温度）

また、鋼材 1およびアルミニウム材 2の少なくとも一方を 5°C以下に冷却することによつても、両部材の発熱を抑制し、チリや欠陥の発生を防止し、界面反応層厚さを均一にすることができる。いずれか一方のみ冷却する場合は、鋼を冷却する方が発熱をより抑制することができるが、両方を冷却する方がさらに発熱を抑制でき、界面反応層 4 の厚さをより確実に均一化ができる。この発熱抑制効果を十分に発揮させるには溶接温度 (板温度)を 5°C以下とするのが望ま、。溶接温度は低ければ低、ほど発熱を抑制することができるため下限は設けないが、作業性を考慮すると 5°C以上が適している。

[0112] 板の冷却方法としては、予め板を液体または気体冷媒によって冷やした後に溶接する方法、溶接しながら板を気体冷媒によって冷やす方法のいずれでもよい。なお、予め板を冷却する場合は、板に付着した霜等を除去して力溶接することが必要である。

[0113] なお、上記先端部形状を工夫したチップの使用と上記板の冷却の両手段を適用することで、電流の集中が抑制できるとともに、より確実に板の発熱を防止できるようになり、チリや欠陥の発生をさらに抑制し、界面反応層 4の厚さをより均一にすることができる。

[0114] (接合条件）

本発明で用いるスポット溶接の接合条件は、加圧力や電流パターンを特に限定するものではなぐ鋼材 1やアルミニウム材 2の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ先端部形状等によって適宜選択できる。ただし、ナゲット面積および界面反応層 4 の構造は本発明の規定する範囲を満足させる必要があり、ナゲット面積の確保には、比較的高い加圧力と電流量が必要であり、界面反応層 4の厚み増加の抑制には、板に表面処理層が存在しない場合は短時間の溶接が、表面処理層を有する場合は接合部の表面処理層を一様に排出した上で、できるだけ短時間の溶接が求められる。

[0115] [実施例]

鋼材としては、以下のようにして得られた鋼板を用いた。すなわち、化学成分として、質量％で 0. 06%C-0. 5%Si- l. 2%Mnを含有し、 P、 Sなどの不可避的不純物を除き、残部が実質的に Feである供試鋼を溶製し、 1. 2mmの板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。そして、連続焼鈍においては、 500〜： LOOO°Cの焼鈍後、油洗または水洗を行い、その後焼き戻しにより 590MPa級の高張力鋼板を得た。

[0116] また、アルミニウム材としては、板厚 1. Ommと 1. 6mmの 2種類の市販の A6022 ( 6000系）アルミニウム合金板を用いた。

[0117] これら鋼板 (鋼材）とアルミニウム合金板 (アルミニウム材）とを JIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工した上でスポット溶接を行い、異種接合体を作成した。予め鋼板とアルミニウム合金板を水や氷水で冷却し、接合直前に各試験温度になるように調整してから溶接を行った。すべての溶接試験にぉヽて鋼板の温度とアルミ- ゥム合金板の温度は同じとした。また、板の表面に付着した液体や霜は溶接直前に拭き取った。

[0118] スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用いた。電極チップは全て Cu— Cr合金力もなるドーム型チップ (先端径 12mm、先端 R150mm)を用い、加工のないもの（チップ A、比較例： 1点で当接）、チップ先端部中心に 5mm幅 lmm深さの溝加工をしたもの（チップ B : 2点で当接）、チップ先端部中心にそれぞれ直径 lmm、 2mm, 5 mmで lmm深さの凹部を加工したもの（それぞれチップ C、 D、 E :円周で線状に当接)の 5形状のチップを用いた。陽極をアルミニウム合金板、陰極を鋼板とし、すべての溶接試験において一対の電極チップの両方の形状は同一とした。チップ Bを用いる場合は、加工溝の方向を一定方向に揃えた。

[0119] [表 1]

表 1に試験条件 (アルミニウム板厚 t₂、溶接直前の板温度、電極チップの種類、カ卩圧力、および電流パターン [溶接電流、溶接時間])を示す。 [0121] ナゲット面積は、スポット溶接後の接合体サンプルを、接合部の中心にて縦に切断して樹脂に埋め込み、研磨後、切断面を光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの接合界面における径を測定することにより求めた。直交した 2方向のナゲット径を測定し、これらを長径および短径とする楕円の面積を算出し、これをナゲット面積とした。

[0122] 界面反応層の厚さは、チップ A, C, Dおよび Eについては、スポット溶接による接合体サンプルを 1条件につき 3個作製し、それぞれ接合部の中心にて縦に切断し、榭脂に埋め込み、研磨後、 SEM観察により求めた。界面反応層の厚さが 1 m以上の場合は 2000倍の視野にて、 1 μ m未満の場合は 10000倍の視野にて計測を行った。そして、 3個のサンプルについての測定での最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、それぞれ接合部中心の厚さ、および接合部中心からそれぞれ左右に接合径の 1Z4の距離だけ離れた 2点（中間点)の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、 3個のサンプルにっき各 2点の合計 6点の値を平均して得た値を、接合部中心と接合部中心から接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。界面反応層の厚さが 0. 5〜3 /ζ πιである部分の面積は、各断面における 0. 5〜3 /ζ πιである部分の線分を、接合部中心の周りに一周させて描かれる図形の面積を計算し、この面積を 3個のサンプルにつ、て平均して求めた。

[0123] また、チップ Βについては、凹部の形状が円状ではなく上記の方法では測定できないため、スポット溶接による接合体サンプルを 1条件につき 6個作製し、チップが板に当接する 2点間を結ぶ直線に対して、それぞれ 0度、 15度、 30度、 45度、 60度、 75 度、 90度傾く方向に沿って接合部の中心にて縦に切断し、榭脂に埋め込み、研磨後、 SEM観察を行った。層の厚さが 1 m以上の場合は 2000倍の視野にて、： L m 未満の場合は 10000倍の視野にて計測した。そして、 6個のサンプルの各角度方向の測定のうちの最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、各サンプルについて、接合部中心の厚さ、接合部中心からそれぞれ左右に接合径の 1Z4の長さ離れた 2点（中間点)の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、これらの差の中で最大のものを、接合部中心と接合部中心から接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。なお、チップ Bでは 90度傾いた断面で測定したときが最大差異となった。また、界面反応層の厚さが 0. 5〜3 /ζ πι である部分の面積は、 0〜90度の各角度方向における 0. 5〜3 /ζ πιとなる範囲を各角度方向ごとにプロットし、各角度方向間は各プロットを直線にて結ぶことによって、 0〜90度の範囲の 0. 5〜3 mである部分の面積を算出した。中心を対象軸として、 90度の範囲の面積を 2つ求めることができるので、求めた 90度の範囲の 0. 5〜3 μ mである部分の面積 2つを加算し、さらにそれを 2倍することにより、全体の 0. 5〜3 μ mである部分の面積を算出した。

[0124] 接合強度の評価としては、異材接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、接合強度が 1. 5kN以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が 1. 0〜1. 5kNであれば〇、接合強度が 0. 5〜1. OkNであれば△、接合強度が 0. 5kN未満であれば Xとした。

[0125] なお、本実施例において接合強度の評価に、剪断引張試験でなく十字引張試験を採用したのは、十字引張試験の方が試験条件間での接合強度の相対的な差異が大きかったので、良否の判定により適していたためである。剪断引張試験の傾向は十字引張試験結果と合致しており、十字引張試験にて〇、◎の評価を得たものは、いずれも 2. 5kN以上の高い剪断強度が得られた。

[0126] [表 2]

[0127] 表 1に示す各試験条件にてスポット溶接により得られた異材接合体の十字引張試験結果を表 2に示す。

[0128] 試験 No. 1〜6を比較すると、板の温度が 5°Cより高い試験 No. 1〜3に比べて、板の温度が 5°C以下と低い試験 No.4〜6では、界面反応層の最適厚さ範囲（0. 5〜3 μ m)である部分の面積が大きくなり、し力も接合部中心と接合径の 1Z4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異種接合体の接合強度が高くなることがゎカゝる。

[0129] また、試験 No. 1、 2と試験 No. 7〜： L 1を比較すると、先端部に加工を施さない通常のドーム型チップを用いた試験 No. 1、 2に比べて、本発明にて規定したチップを適用した試験 No. 7〜： L 1では、界面反応層の最適厚さ範囲（0. 5〜3 /ζ πι)である部分の面積が大きくなり、接合部中心と接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異材接合体の接合強度が高くなることがわかる。特に、ドーム型チップの先端部中央に直径 2mm以上の凹部が形成された電極チップを用いた、試験 No. 9〜： L 1では、界面反応層の最適厚さ範囲（0. 5〜3 /ζ πι)である部分の面積、および接合部中心と接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差をより望ましい範囲に制御できているため、異材接合体の接合強度が極めて高い。さらに板の温度を 5°C以下に低くした試験 No. 12、 13では、界面反応層の最適厚さ範囲 (0. 5〜3 ;ζ ΐη)である部分の面積、および接合部中心と接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差を、一層より望まし、範囲に制御できて、ることがわ力る。

[0130] したがって、上記実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が明らかである。

[0131] し力しながら、本発明で好適なものとして規定するチップを用い 5°C以下の低温の部材を用いても、接合条件が適していない試験 No. 14〜16では、ナゲット面積ゃ界面反応層の最適厚さ範囲 (0. 5〜3 ;ζ ΐη)である部分の面積、最大界面反応層厚さ、接合部中心と接合径の 1Z4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差のうち 1つ以上が規定範囲になぐ接合強度が低くなる。

[0132] すなわち、最適接合条件 (加圧力、電流パターン)を鋼板やアルミニウム合金板の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ形状によって、ナゲット面積、界面反応層の構造について本発明の規定する範囲を満足するように適宜選択する必要がある。

[0133] [2]

(異種接合体）

図 2に本発明の一実施態様で規定する異種接合体を断面図で示す。図 2において、 13が鋼材 (鋼板) 11とアルミニウム材 (アルミニウム合金板) 12とをスポット溶接にて接合した異材接合体である。 15はスポット溶接における界面反応層 16を有するナゲットで、図中に水平方向に矢印で示すナゲット径を有する。 19はナゲット周囲のコロナボンド部である。 tは鋼材の板厚、 tはアルミニウム材 12の板厚、 Atはスポット溶接

1 2

による接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。

[0134] ここにおいて、 14は抑制層で、これら接合される鋼材 11とアルミニウム材 12との互いの接合面間に予め設けられた、 Znまたは A1の金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜との積層体である。図 2では Znまたは A1の金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜とを各々区分けせずに一体に示しているが、鋼材 11の接合側表面に Znめっきを施し、その上に有機榭脂接着剤を塗布して、抑制層 14としてヽる態様を示す。

[0135] そして、図 2は、スポット溶接後の異種接合体の接合部では、スポット溶接前に予め設けられてヽた、 Znまたは A1の金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜との積層体である抑制層 14が除去され、鋼材 11とアルミニウム材 12とが直接接合している、異種接合体の良好な接合状態を示している。更に、図 2では、異種接合体の接合部以外の界面領域には、予め形成した、これら抑制層 14が、そのまま存在していることを示している。

[0136] (鋼材の板厚）

本発明では、鋼材の板厚 tが 0. 3〜3. Ommである接合体であることが必要である o鋼材の板厚 tが 0. 3mm未満の場合、前記した構造部材ゃ構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それにカ卩えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きぐ酸ィ匕皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。

[0137] 一方、 3. Ommを越える場合は、前記した構造部材ゃ構造材料としては、他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚 tを 3. Ommを超えて厚くする必要性はない。

[0138] (鋼材）

本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなぐ構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途力選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、自動車部材などの軽量な高強度構造部材 (異材接合体)を得るためには、鋼材の引張強度が 400MPa以上である通常の高張力鋼 (ノ、ィテン)であることが好ま、。

[0139] 引張強度力 OOMPa未満の低強度鋼では一般に低合金鋼が多ぐ酸ィ匕皮膜が鉄酸ィ匕物からなるため、 Feと A1の拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度が 400MPa以上、望ましくは 500MPa以上の高張力鋼（ハイテン)であることが好まし!/、。

[0140] (アルミニウム材）

本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなぐ各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、铸造材などが適宜選択される。ただ、アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高ぐこの種構造用部材として汎用されて!ヽる、 A5000系、 A6000系などの使用力最適である。

[0141] ただ、本発明で使用するこれらアルミニウム材の板厚 tは 0. 5〜4. Ommの範囲と

2

する。アルミニウム材の板厚 tが 0. 5mm未満の場合、構造材料としての強度が不足

2

して不適切である。また、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しゃすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。一方、アルミニウム材の板厚 tが 4. Ommを越える場合は、前記した鋼材の板厚の場合と同様に、構造部

2

材ゃ構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、アルミニウム材の板厚 tを 4. Ommを超えて厚くする

2

必要性はない。

[0142] (抑制層）本発明では、より高い接合強度を得るために、スポット溶接における、鋼とアルミ- ゥム材との間の界面反応層の形成面積や厚さ分布を制御する。そのために、本発明では、鋼とアルミニウム材との間に界面反応層が形成する時間を抑制制御する。そして、この界面反応層形成時間を抑制制御のために、鋼とアルミニウム材との間に (材料に)予め抑制層を形成する。

[0143] 本発明では、この抑制層として、界面反応層形成時間の抑制制御と異種金属接触腐食の抑制のために、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、特定範囲の Znまたは A1の金属皮膜と、有機榭脂接着剤の皮膜との二つを予め設ける。このために、後述する通り、鋼材側あるいはアルミニウム材側のいずれかの接合面側に、金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜とを積層して設ける。設ける (積層する顧序はいずれでもよいが、金属皮膜を先に設けた方が、有機榭脂接着剤の皮膜を設けやすい。

[0144] (Znまたは A1の金属皮膜）

抑制層のひとつとして、先ず特定範囲の Znまたは A1の金属皮膜について、以下に説明する。本発明では、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、 Zn または A1の金属皮膜を予め設けられた状態でスポット溶接するため、鋼材またはァルミ二ゥム材の少なくとも接合面側の表面に、 Znまたは A1の金属皮膜を予め設ける。この Znまたは A1の金属皮膜は、後述する特定融点範囲の通り、接合するアルミ-ゥム材と融点が近いために、スポット溶接時に、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成する時間を制御し、界面反応層の厚さ範囲と分布を制御することができる。

[0145] 裸の、あるいは Znまたは A1の金属皮膜が無、ような、鋼材とアルミニウム材とを用いた、従来のスポット溶接では、スポット溶接時の抵抗発熱量が比較的少ない。このため、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度が、アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなることが無いために、高い接合強度を得ることができなかつた。これに、ウエルドボンド方式として、接合界面に有機榭脂接着剤層を介在させた場合には、余計、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難となって、高い接合強度を得ることができな、。 [0146] これに対して、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、抑制層として、 Znまたは A1の金属皮膜を予め設けた場合には、接合面間に有機榭脂接着剤の皮膜が介在して!/ヽても、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難とならずに、有機榭脂接着剤の皮膜の上機能を発揮させる。

[0147] これは、前記した通り、 Znまたは A1の金属皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増し、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度が、アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなるためである。この抵抗発熱量の増加によって、有機榭脂接着剤の皮膜が、鋼材とアルミニウム材との溶接部分から、周囲の部分に、排出あるいは除去されやすくなつて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができる。

[0148] また、前記した通り、 Znまたは A1の金属皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増すと、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミニウムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保される。また、亜鉛めっき鋼板の場合には、融点の差により亜鉛めつき層が先行して溶融する力その結果、界面における熱分布を均一化する効果もあると推考される。これら Znまたは A1の金属皮膜の複合効果により、有機榭脂接着剤の皮膜が介在しても、従来の常識に反して、スポット溶接性が向上するものと推考される。

[0149] これらの効果を発揮するために、 Znまたは A1の金属皮膜の融点は 350〜1000°C 、好ましくは 400〜950°Cの狭い温度範囲とする。また、更には、アルミニウム材の融点以上 900°C以下のより狭、温度範囲とすることが好ま、。アルミニウム材の融点は 660°C程度 (純 A1の融点)、純 Znの融点は 420°C程度であり、前記した、接合するアルミニウム材と融点が近いとは、例えば、純 A1の融点 660°Cに対して、上記ある程度の幅を持つことを許容する、という意味である。

[0150] また、 Znまたは A1の金属皮膜の厚みは、 3〜19 mの膜厚 (平均膜厚)、更に好ましくは 5〜 15 mの狭い膜厚範囲とする。 Znまたは A1の金属皮膜の厚みは、これら皮膜形成後の鋼材あるいはアルミニウム材の試料を切断し、榭脂に埋め込み、研磨をし、金属皮膜の板厚方向の SEM観察を行う。この SEM観察は 2000倍の視野にて 3点厚さを測定し、金属皮膜の厚みは、これらを平均化して求める。 [0151] Znまたは Alの金属皮膜の厚みが薄すぎる、あるいは、その融点が低すぎる場合は、 Znまたは A1の金属皮膜が、スポット溶接時の接合初期に、接合部から溶融排出してしまい、界面反応層の形成を抑制できない。

[0152] 一方、異材接合体の接合強度を上げるためには、接合される鋼材とアルミニウム材とが、互いの接合面同士で直接接触する必要があり、スポット溶接時には、接合部に予め介在して、る Znまたは A1の金属皮膜が、接合部力も溶融排出する必要がある。これに対して、 Znまたは A1の金属皮膜の厚みが厚すぎる、あるいは融点が高すぎる場合は、接合部からの Znまたは A1の金属皮膜の溶融排出のために、大きな入熱量が必要となる。この入熱量が大きくなると、アルミニウム材の溶融量が増加し、チリの発生によりアルミニウム材の減肉量が大きくなるため、異材接合体を構造部材として使用できなくなる。

[0153] Znまたは A1の金属皮膜は、上記融点範囲から、純 Znまたは純 Al、 Zn合金または A1合金などの、使用合金組成が適宜選択できる。また、鋼材またはアルミニウム材の少なくとも接合面側の表面への金属皮膜の被覆あるいは形成方法も、めっき、塗布などの汎用される公知の手段が適宜使用できる。なお、この鋼材またはアルミニウム材表面への被覆あるいは形成は、少なくとも接合面側の表面とする力勿論、防食などのために、接合面でない鋼材またはアルミニウム材表面側に、 Znまたは A1の金属皮膜を被覆もしくは形成してもよ!、。

[0154] ただ、実用性や効率を考慮すると、 Znまたは A1の金属皮膜は、 Znまたは A1のめつきが汎用されて、る鋼材側にめっきとして被覆あるいは形成することが好まし、。鋼材は通常、塗装を施して使用されるが、塗装に傷が入っても Znや A1が優先腐食されるために、鋼材を保護することができる。さらに、鋼とアルミ材との電位差を小さくすることから、異種接合体での課題の一つである異種金属接触腐食をも抑制することができる。 Znまたは A1めっきとした場合には、鋼材の耐食性を確保し、また鋼にもアルミにも容易にめっきが可能である。

[0155] めっきを前提として、上記界面反応層形成抑制機能を発揮し、有機榭脂接着剤皮膜が介在しても溶接を可能ならしめる機能を発揮するためには、 Znまたは A1のめつき皮膜は、純 Zn、純 Alが好ましい。また、 Zn合金あるいは A1合金とするにしても、 Zn や Alを各々 80質量％以上含む、 Al—Zn、 Al—Si、 Zn—Feなどの合金において、各々 Znや A1を主成分とすることが好ましヽ。 Znまたは A1のめつき皮膜を合金化する場合には、添加合金元素やその含有量によって、上記融点範囲から外れないよう、また耐食性が劣らな、ようにする。

[0156] これらのめっき皮膜の内でも、特に 88質量％以上の Znを含む、純 Zn、あるいは Zn 合金めつき皮膜が推奨される。 88質量％以上の Znを含む Znめっき皮膜が鋼材表面に施されると、特に鋼材の耐食性が高くなり、また、この Znめっき皮膜は、融点を上記 350〜1000°Cの範囲に制御しやすい。更に、耐食性も高ぐ異種金属接触腐食も抑制することができる。この異種金属接触腐食防止の観点力最も良いのは純 Znめつき皮膜である。

[0157] めっき方法については、本発明では制限するものではないが、既存の湿式、乾式めっきを用いることが可能である。特に亜鉛めつきにおいては、電気めつきや溶融めつき、溶融めつき後合金化処理を行う方法などが推奨される。

[0158] (有機樹脂接着剤の皮膜）

次に、もうひとつの抑制層としての、有機榭脂接着剤の皮膜について、以下に説明する。

[0159] 前記した通り、有機榭脂接着剤の皮膜は、電気的な絶縁層として、スポット溶接時には、界面反応層形成時間を抑制制御し、更に、スポット溶接後は、鋼材とアルミ- ゥム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、異種金属接触腐食を抑制する機能を有する。

[0160] 本発明では、鋼材とアルミニウム材の互、の接合面間（、ずれかの接合面表面）に、有機榭脂接着剤の皮膜を塗布ないし形成後に、スポット接合を実施する。したがつて、有機榭脂接着剤の皮膜は、スポット溶接時には、いわゆるウエルドボンドとして機能する。即ち、鋼-アルミニウム材の界面の接触抵抗を大きくし、界面の発熱量を広範囲に均一に高めることによって、広範囲に界面反応層を形成することができ、界面反応層の厚さを制御しやくする。

[0161] 有機榭脂接着剤の種類や塗布厚さは、特に制限されず、通常、自動車の車体製作に汎用される、マスチック接着剤、ゥエルボンド用接着剤、ヘミング用接着剤、スポットウエルド用シーリング剤など力その種類や塗布厚さとともに適用できる。

[0162] 有機榭脂接着剤の種類を例示する。接着剤が水溶液系であれば、ユリア系、フエノール系、 PVAなどが適用できる。接着剤が溶液系であれば、 CR系、二トリルゴム系、酢酸ビュル、二トリセルロースなどが適用できる。接着剤がェマルジヨン系であれば、酢酸ビュル、アクリル、 EVA系、 CR系、 SBR系、二トリルゴム系、などが適用できる。接着剤が無溶剤系であれば、エポキシ、アタリレート、ポリエステル、などが適用できる。また、場合によっては、固型やテープなどの形状の有機榭脂接着剤を用いてもよい。

[0163] ウエルドボンドにおいては、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させて、スポット接合を可能とし、接合強度を高めるために、スポット接合時に接着剤を外部に押し出して、接合部における接着剤の残存量を少なくする方が好ましい。ただし、接合部における接着剤の残存を完全に無くさずとも、接合部においてスポット接合を阻害しない程度に、例えば、接着剤が層をなさない程度に、接着剤が残留してもよい。

[0164] この点、エポキシ、アクリルなどの熱硬化性榭脂接着剤皮膜であれば、スポット溶接時に、鋼材とアルミニウム材とを挟持する両電極チップ力応力（加圧力）を加えた場合に、軟質ゆえに、鋼材とアルミニウム材との溶接部分から、周囲の部分に、排出あるいは除去されやすい特性がある。熱硬化性榭脂接着剤を用いれば、この特性によつて、スポット接合時に、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができる。

[0165] また、熱可塑性榭脂接着剤皮膜であっても、スポット溶接時に加熱されれば、軟質ゆえに、鋼材とアルミニウム材との溶接部分から、その周囲の部分に、排出あるいは除去されやすい特性となる。更に、このように、加熱や加圧によっても、鋼材とアルミユウム材との溶接部分から、周囲の部分に、排出あるいは除去されないとしても、スポット溶接時の発熱によって飛散ある!ヽは焼失すれば、鋼材とアルミニウム材とを電気的〖こ導通させることができる。

[0166] スポット溶接後は、有機榭脂接着剤皮膜は、除去されたスポット溶接部のみを除いて、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、電気的な絶縁層となり、異材接合体の異種金属接触腐食を抑制する。

[0167] なお、塗布する有機樹脂接着剤厚みは、スポット溶接性には実質的に影響しない。それは、溶接部の有機榭脂接着剤厚みは、有機榭脂接着剤の組成や種類にもより若干の違いはあるが、スポット溶接時の接触面圧に実質的に支配されるためである。したがって、後述のように、接触面圧の制御が重要である。塗布する有機榭脂接着剤厚みは、耐食性の面力ピンホールが存在しにくい、 0. 1 m以上であればよぐ接合時の圧力によって接着剤がはみ出ない程度に薄く塗布することが必要である。また、スポット接合後の最終的な接着剤厚みは、腐食抑制のために、接着剤の硬化後あるいは熱硬化後の目安で 0. 1〜： LO m程度の厚みがあればよい。

[0168] これに対して、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、抑制層としてもうひとつ、 Znまたは A1の金属皮膜を予め設けた場合には、有機榭脂接着剤の皮膜があっても、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難とならずに、有機榭脂接着剤の皮膜の上機能を発揮させる。

[0169] これは、 Znまたは A1の金属皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増し、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度力アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなるためと推考される。この抵抗発熱量の増加によつて、有機榭脂接着剤の皮膜が、鋼材とアルミニウム材との溶接部分から、周囲の部分に、排出あるいは除去されやすくなつて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることがでさる。

[0170] また、 Znまたは A1の金属皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増すと、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミ -ゥムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保されると推考される。また、亜鉛めっき鋼板の場合には、融点の差により亜鉛めつき層が先行して溶融する力その結果、界面における熱分布を均一化する効果もあると推考される。これら Znまたは A1の金属皮膜の複合効果により、有機榭脂接着剤の皮膜が介在しても、従来の常識に反して、スポット溶接性が向上するものと推考される。

[0171] (界面反応層）

本発明では、異材接合体界面反応層の厚さが 0. 5〜5 /ζ πιである部分の面積が、アルミニウム材の板厚 tとの関係で、 lO X t °· ⁵mm²以上であることとする。この最適

2 2

厚さの界面反応層の面積規定は、界面反応層が薄、(無、；)程良、と、う従来の常識とは異なり、最適範囲に制御するものであり、指向する方向としてはむしろ積極的に存在させる方向でもある。そして、接合強度向上のために、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成する、言い換えると広範囲に存在させるという技術思想に基づく。

[0172] したがって、この界面反応層の厚さが 0. 5〜5 μ mである部分の面積力アルミ-ゥム材の板厚 tとの関係で、 lO X t ⁵mm²未満、より厳しくは、 50 X t ⁵mm²未満で

2 2 2

は、最適厚さ範囲の界面反応層が広範囲とならず、却って接合強度が低下する。界面反応層の厚さが 0. 5 m未満の部分では、鋼-アルミの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。逆に界面反応層の厚さが厚いほど脆弱となり、特に界面反応層の厚さが 5 mを超える部分では脆弱となり、接合強度が低くなる。このため、このような界面反応層の面積が大きくなるほど、接合部全体としての接合強度が低くなる。

[0173] よって、接合部全体としての接合強度を高めるためには、界面反応層の厚さが 0. 5 〜5 mである部分の面積力アルミニウム材の板厚 tとの関係で、 lO X t °· ⁵mm²

2 2 以上、好ましくは 50 X t ' ⁵mm²以上必要である。

2

[0174] なお、電極チップに一般的に用いられるドーム型のチップを用いた場合、中心部が最も厚い界面反応層となり、中心から離れるほど界面反応層の厚さが低減する。したがって、この中心部の界面反応層の厚さは 5 mを超えても構わない。この界面反応層の厚さは、鋼材-アルミニウム材が接合している界面の面積の、アルミニウム材側の、 2000倍の画像解析や SEM観察によって測定できる。

[0175] (スポット溶接）

異種接合体を得るためのスポット溶接方法の各要件を以下に説明する。図 3に異種接合体を得るための、前提となるスポット溶接の一態様を例示する。本発明スポット溶接方法の基本的な態様は、通常のスポット溶接の態様と同じである。図 3において、 11は鋼板、 12はアルミニウム合金板、 15はナゲット、 17と 18は電極、 13は異種接合体である。

[0176] 本発明スポット溶接方法では、前記した板厚 tの鋼材と板厚 tのアルミニウム材との

1 2

異材接合体をスポット溶接により得るに際して、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、 Znまたは A1の金属皮膜と有機榭脂接着剤の皮膜とを予め設けた状態でスポット溶接する。 [0177] この際、前記したように、鋼材-アルミニウム材の接合面側に、有機榭脂接着剤を塗布して、スポット接合を行い、その後、塗布した有機榭脂接着剤を硬化させることが、界面反応層の厚さ制御と異種金属接触腐食の抑制の両観点力は望ましい。

[0178] (加圧力）

このようなスポット溶接において、アルミニウム材 12側の電極チップ 18の先端径を 7 mm φ以上として、電極チップ 17、 18による加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3ZR>0. 05となるよう〖こ印カロする。この加圧力も大きい方がより接着剤を押し出せるため望ましいが、スポット溶接の能力限界力すると、現実的には 1 OkNまでである。

[0179] 点接触での接触面圧は (RXW)^1/3ZRにほぼ比例する力、接合部にカゝかる接触面圧が過小では接着剤の残存が大きぐ界面反応層の成長を妨げるため、接着剤を外部に押し出すだけの接触面圧が必要となる。（R X W)^1/3ZRが 0. 05以下では、接着剤が層として残存し、界面反応層が成長しない。

[0180] また、このような比較的大きな加圧力を印加することで、電極チップなどの形状によらず、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。加圧力が小さすぎると、このような効果を得られない。

[0181] (電極チップ）

前記した最適範囲厚さの界面反応層を広範囲に形成するためには、特にアルミ二ゥム材側にっ、ては先端径は 7mm φ以上で先端曲率半径 Rの大き、ドーム型などの R型形状のチップとする。また、鋼材側も同様に曲率半径 Rの大きい方が望ましい 1S スポット溶接の能力限界力もすると、現実的には Rは 250mmまでである。

[0182] また、電極形状については規定するものではないが、電極が、通電初期の電流効率を上げるために望ましい。また、極性についても規定するものではないが、直流スポットを用いる場合は、アルミニウムを陽極とし、鋼を陰極とする方が望ましい。

[0183] (電流）

スポット溶接時の電流については、比較的大きなナゲット面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るためには、前記アルミニウム材の板厚 tとの関係で、 15 Xt °·

2 2

⁵〜30Xt ⁵kAの電流を lOOXt ^{0 5}〜： LOOOXt °· ⁵msec流す工程を有し、このェ

2 2 2

程より高ヽ電流の工程が存在しな!、電流パターンであることが必要である。

[0184] このような電流パターンとすることで、予め本発明の抑制層を形成した際に、大きな入熱量が得られ、前記した通り、鋼とアルミニウム材との接合面における界面反応層を制御して、高い接合強度を得ることが可能となる。また、異種材料間と、電極と材料間との電気的接触を安定ィ匕し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。

[0185] 電流パターンの上記工程において、 15 Xt '⁵kA未満、または 100 Xt ⁵msec未

2 2 満では、表面処理層及びアルミニウム材の溶融が広範囲に行われず、最適範囲厚さの界面反応層の面積が小さい。一方、 30 Xt ⁵kA Xt °·⁵

2 を超える、あるいは 1000

2 msecを超えては、界面反応層が厚く成長するため、最適範囲厚さの界面反応層の面積が小さくなる。

[0186] この電流範囲の工程は複数あっても良いが、それらの合計時間が上記 100 Xt °· ⁵

2

〜1000Xt ⁵msecの範囲であることが重要である。なお、同種金属接合では、入

2

熱量が同一であれば近い接合構造が得られる力鋼とアルミニウム材との接合では、例えば 30Xt ⁵kA超えで 100Xt · ⁵msec未満の電流パターンや、 15 Xt · ⁵kA

2 2 2 未満で 1000 Xt °· ⁵msec超えの電流パターンでは、最適範囲厚さの界面反応層の

2

面積が広範囲に得られない。この電流条件の前後の工程に、別の電流パターンを加えて、複数段階の電流パターンとしても良いが、界面反応層が厚く成長してしまうため、この工程より高、電流の工程が存在しな!、ことが必要である。

[0187] 更に、望ましい電流パターンとして、 lXt °'⁵〜10Xt '⁵1^の電流を100 · ⁵

2 2 2

〜1000Xt °· ⁵msec流す工程をカ卩えて、ナゲットの割れを抑制することが好ましい。

2

[0188] [実施例]

鋼材として市販の 590MPa級の高張力鋼板と、アルミニウム材として市販の A606 1(6000系）アルミニウム合金板とを重ね合わせた上で、スポット溶接を行い、異材接合体を製作し、接合強度、耐食性を評価した。

[ε挲] [6810] ZZ£S0/L00Zd /lDd OP 8L£L60/L00Z OAV 〔アルミニウム材の板厚 t ₂： 1 mm

ZZ£S0/L00Zd /lDd ZV 8.C.60/.00Z OAV

[0191] (スポット溶接条件を変えたウエルドボンド材）

接合面側に溶融純 Znめっきを平均厚み 10 μ mで施した上記鋼板と上記アルミ- ゥム板とを、接合面間にエポキシ系熱硬化型接着剤を塗布した上で重ね合わせたゥエルドボンド材として、スポット溶接し、異材接合体を製作した結果を表 3、 4に示す。

[0192] 表 3はアルミニウム板の板厚が lmm、表 4はアルミニウム板の板厚が 2mmの場合を示す。表 3、 4では、鋼板の接合面側のめっき条件や熱硬化型接着剤条件は一定とし、スポット溶接における、電極条件や電流条件を種々変えて異材接合体を製作している。また、表 3、 4の例は、各例とも共通して、エポキシ系熱硬化型接着剤を、厚みが 0. 5〜1 μ m程度 (スポット接合時の圧力によって接着剤がはみ出ない程度）になるよう、刷毛にて均一に薄く塗布した。

[0193] [表 5]

っき条件や熱硬化型接着剤条件を変えたウエルドボンド材）

また、スポット溶接における電極条件や電流条件は一定とし、鋼板やアルミニウム合金板の接合面側のめっき条件や熱硬化型接着剤条件を種々変えた、鋼板とアルミ- ゥム板とのウエルドボンド材で異材接合体を製作した結果も表 5に示す。表 5で接着剤を塗布した場合の各例は、共通して、エポキシ系あるいはポリウレタン系の接着剤を、接合面間に、厚みが 0. 5〜1 μ m程度になるよう、刷毛にて均一に薄く塗布した

[0195] (使用素材）

素材として、鋼板は板厚 lmmで 0. 07質量％C— 1. 8質量％Mnを含む組成のもの、 A6061アルミニウム合金板は板厚 lmmと 2mmのものを各々準備し、これら鋼板、アルミニウム合金板とも、 JIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工し、スポット溶接を行った。

[0196] (接着剤）

エポキシ系は、市販のエポキシ系熱硬化型構造用接着剤 (サンスター技研製ペンギン # 1086)を使用した。ポリウレタン系は、市販のポリウレタン系熱硬化型構造用接着剤 (サンスター技研製ペンギンシール 980)を使用した。

[0197] (めっき）

鋼材にめっきを施す場合は、共通して、 10%硫酸にて 5分の酸洗'活性ィ匕する前処理を行った後、各種めつきを行った。 Zn電気めつきでは、硫酸亜鉛 400gZl、硫酸アルミニウム 30gZl、塩化ナトリウム 15gZl、ホウ酸 30gZlに硫酸をカ卩えて ρΗを 3 とした浴にて 20AZdm²の電流を流すことにより、純 Znめっきを 10 m施した。これを Zn— 10%Ni合金めつきとする場合には、純 Znめっきの亜鉛めつき浴に、硫酸-ッケル、塩化ニッケルを添カ卩した浴にて lOAZdm²の電流を流すことにより、 Zn—10 %Niめっきを 10 μ m施した。

[0198] 溶融めつきは鋼材のみに行い、各種溶融金属を用いて A1めっき、 A1— 9質量％Si めっき、 Znめっき、 Zn— Feめっき（Fe量 5、 10、 12、 16%)をそれぞれ 10 m施した。溶融 Znめっきでは、温度、引き上げ温度を変化させることにより、膜厚を 1、 3、 1 0、 15、 19、 20 /z mに調整した。

[0199] また、比較例 (表 5の比較例 3)としての Niめっきは、ワット浴を用いて lOAZdm²の電流を流すことにより、 10 /z m施した。 [0200] アルミニウム材にめっきを施す場合は、 10%硝酸にて 30秒酸洗し、水酸化ナトリウム 500gZl、酸ィ匕亜鉛 100g/l、塩化第二鉄 lg/l、ロッセル塩 lOg/1の処理液中にて 30秒亜鉛置換処理を行った後、 Zn、あるいは Zn—電気めつきを行った。また、その亜鉛めつき浴に硫酸ニッケル、塩ィ匕ニッケルを添カ卩した浴にて lOAZdm²の電流を流すことにより、 Zn— 10%Niめっきを 10 /z m施した。

[0201] (膜厚測定）

めっき皮膜の膜厚は、めっき後のサンプルを切断し、榭脂に埋め込み、研磨をし、スポット溶接前の状態の接合界面の SEM観察を行った。 2000倍の視野にて 3点厚さを測定し、平均して求めた。

[0202] (スポット溶接）

スポット溶接は、直流抵抗溶接試験機を用い、 Cu— Cr合金力もなるドーム型の電極を用い、陽極をアルミニウム、陰極を鋼として接合した。表 3、 4では、表 3、 4に示す電極チップ条件 [先端径、先端曲率半径 R、加圧力 Wと (RXW) ^1/3ZR]、電流パターン [溶接工程 1と 2の溶接電流、溶接時間]にて溶接を行い、異材接合体の十字引張試験体を作製した。

[0203] この際、表 3、 4の各発明例は、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ 以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3/R>0. 05となるように印カロし、力つ 15 X t ° ⁵〜30 X t。 ⁵kAの電流

2 2

を lOO X t °· ⁵〜： LOOO X t °· ⁵msec流す工程を有する電流パターンにてスポット溶接

2 2

した。

[0204] また、表 5では、各例とも共通して、表 3の Nで示す発明例のスポット溶接条件を一定にして、溶接を行い、十字引張試験体を作製した。

[0205] これら各条件について、接合強度評価用に 5体、接合界面評価用に 3体、腐食試験用に 3体作製した。本試験では、電極チップは鋼側、アルミニウム材側で同一形状のものを用いた。このうち、界面評価用のサンプルについては、スポット溶接後、 180

°Cで 30分の熱処理を行ヽ、接着剤を完全に硬化した。

[0206] (界面反応層の厚さ測定）

界面反応層の厚さ測定は、スポット溶接後のサンプルを、溶接部の中央にて切断し、榭脂に埋め込み、研磨をし、 SEM観察を行った。層の厚さが 1 m以上の場合は 2 000倍の視野にて、： m未満の場合は 10000倍の視野にて計測した。また、ここでの界面反応層とは、 Feと A1を両方含む化合物層を指し、 EDXにより、 Feと A1がともに lwt%以上検出される層をいう。すなわち、 Feと A1がともに lwt%以上検出されない層はめつき層や残留接着剤として界面反応層としな力つた。

[0207] なお、本試験では、中心部が最も界面反応層が厚ぐ端部 (周縁部)ほど界面反応層が薄くなつていたため、 10 mを超える厚さの界面反応層の径、 0. 以上の厚さの界面反応層の径を求め、面積に換算した。測定は、 3体の接合体について行い、直交した 2方向のナゲット径を測定し、平均化した。

[0208] (接合強度評価）

強度の評価には、スポット接合の強度を測定するために、接着剤硬化前の状態で、各条件について 5体の十字引張試験を実施し、平均化した。接合強度が 1. 5kN以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が 1. 0〜1. 5kNであれば〇、接合強度が 0. 5〜1. OkNであれば△、接合強度が 0. 5kN未満であれば X とした。ここで、接合強度が 1. 0〜1. 5kN(〇)以上なければ、自動車などの構造材用として使用できない。

[0209] (異種金属接触腐食製評価）

また、各種条件で接合した接合体について、アルカリ脱脂を行い、水洗後、日本べイント社製のサーフファイン 5N— 10の 0. 1 %水溶液を用いて 30秒表面調整処理を行った。その後、亜鉛イオン 1. Og/ ニッケルイオン 1. Og/l、マンガンイオン 0. 8 gZl、リン酸イオン 15. Og/U硝酸イオン 6. Og/U亜硝酸イオン 0. 12gZl、トーナ一値 2. 5pt、全酸度 22pt、遊離酸度 0. 3〜0. 5pt、 50°Cの浴にて、 2分リン酸亜鉛処理を行った。その後、カチオン電着塗料（日本ペイント社製パワートップ V50ダレ一）により塗装し、 170°C25分焼き付けし、 30 mの皮膜を形成した。

[0210] その後、複合腐食試験を行!、異種金属接触腐食防止性の評価を行った。腐食試験は、 A:塩水噴霧（35度、 5%NaCl) 2hr、 B:乾燥（60°C、 20— 30%RH) 4hr、 C: 湿潤（50°C、 95%RH以上） 2hrを 1サイクルとする試験を 90サイクル行なった。この試験後に、接合部を剥離させて観察し、耐食性 (A1の最大腐食深さ)を評価した。 [0211] 耐食性は 3体の異材接合体のアルミニウム材の最大腐食深さを測定し、平均で 0.

Olmm未満であれば◎、 0. 01〜0. 02mmであれば〇、 0. 02〜0. 1mmであれば △、 0. 1mm以上であれば Xとした。最大腐食深さが 0. 01-0. 02mm(〇)未満でなければ、自動車などの構造材用として使用できな！/、。

[0212] (表 3、 4の結果）

表 3、 4から分力ゝる通り、好適な範囲でスポット接合された発明例 I〜Pの異材接合体は、非常に高い耐食性が得られていることが分かる。これは接合面間に設けられた溶融亜鉛めつきと熱硬化型接着剤の効果である。但し、好適な範囲を外れてスポット接合された比較例 A〜Hでも、発明例と同じぐ接合面間に亜鉛めつきと熱硬化型接着剤が設けられており、同様に耐食性は高い。

[0213] 一方、接合強度に関しては、好適なスポット接合条件範囲を外れ、電極チップの先端径が小さい、先端曲率半径との関係で加圧力が低い、などの比較例 A〜Cでは、高い接合強度が得られていない。また、電流条件も本発明の範囲を満たさない比較例 D〜Hでも接合強度が低、。

[0214] 比較例 A〜Gは、溶接工程 2をしている比較例 Hを除き、溶接工程 1のみで、溶接工程 2をせずにスポット接合している。このうち、比較例 Aは電極チップの先端径が小さすぎる。比較例 B、比較例 Cは、先端曲率半径との関係で加圧力が低すぎる。

[0215] また、比較例 Dは溶接工程 1の溶接電流がアルミニウム材の板厚との関係で低すぎる。比較例 Eは溶接工程 1の溶接時間がアルミニウム材の板厚との関係で短かすぎる。比較例 Fは溶接工程 1の溶接電流がアルミニウム材の板厚との関係で高すぎる。比較例 Gは溶接工程 1の溶接時間がアルミニウム材の板厚との関係で長すぎる。比較例 Hは溶接工程はりも著しく高い電流を流す溶接工程 2が存在する。

[0216] 即ち、発明例 I〜Pは、スポット溶接にぉ、て、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3/R>0. 05となるように印カロし、力つ 15 X t °· ⁵〜30

2

X t 八の電流を100 °' ⁵〜1000 X t °· ⁵msec流す、好ましい溶接工程 1にて

2 2 2

スポット溶接している。また、発明例 I、 Kはこの溶接工程 1のみで、溶接工程 2をせずにスポット接合している。このため、各発明例は最適厚さの界面反応層を制御できており、接合強度が高い。

[0217] これら発明例のうち、上記溶接工程 1を有するとともに、この溶接工程 1より高い電流を流す溶接工程が存在しない電流パターンにてスポット溶接している発明例 N、0 、 Pは、後の溶接工程 2が I X t °· ⁵〜： LO X t °· ⁵kAの電流を lOO X t °· ⁵〜： LOOO X t ⁰

2 2 2 2

•⁵m_Sec流す好ましい条件であることもあり、最も接合強度が高い。これに対して、この溶接工程 1より高い電流を流す溶接工程 2が存在する電流パターンにてスポット溶接している発明例 L、 Mは、上記発明例 N、 0、 Pよりも接合強度が低い。

[0218] (表 5の結果）

表 5より分力る通り、榭脂接着剤が無い比較例 1、 10、 14は、耐食性が劣る。また、めっきが無い比較例 2、めっき条件 (融点)が範囲力も外れる比較例 3、 4、 5は、十字引張試験結果に劣り、接合強度が低い。なお、この条件では、めっきが無く、接着剤力 Sある比較例 2も、却って十字引張試験結果も劣る結果であった。めっき厚みが厚すぎる比較例 21も、純亜鉛めつきでありながら、かえって十字引張試験結果が劣る結果であった。

[0219] これに対して、榭脂接着剤を有し、めっき条件 (融点)が範囲内である発明例 6〜9、 11〜13、 15、 18、 19、 20、 22は、最適厚さの界面反応層を制御できており、耐食性が優れ、接合強度が高い。この内、純亜鉛めつきを施した発明例 6〜7、 11、 18、 19、 20、 22は、最も接合強度が高い。この結果から、めっきを本発明の成分、融点、膜厚に制御することによって、最適厚さの界面反応層を制御でき、高い接合強度と耐食性が得られることが分かる。また、特に、純 Znめっきにて膜厚が 5〜15 /ζ πιでゥェルドボンドとした場合、非常に高、接合強度と耐食性が両立して得られることが分かる。

[0220] 以上の実施例の結果から、異材接合体の接合強度を高めるとともに接触腐食を抑制できる本発明で規定する各要件の臨界的な意義が分かる。

[0221] [3]

(異種接合体）

1 2

による接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。

[0222] ここにおいて、 14は抑制層 (腐食抑制層)で、これら接合される鋼材 11とアルミ-ゥム材 12との互いの接合面間に予め設けられた、 Zn (純 Znの意味)または Zn合金の金属皮膜とリン酸塩皮膜との積層体である。図 2では Znまたは Zn合金皮膜とリン酸塩皮膜とを各々区分けせずに一体に示しているが、鋼材 11の接合側表面にめっきなどによって Znまたは Zn合金皮膜を設け、その上にリン酸亜鉛皮膜を施して、抑制層 14 (腐食抑制層)として!/ヽる態様を示す。

[0223] そして、図 2は、スポット溶接後の異種接合体の接合部では、スポット溶接前に予め設けられて、た、 Znまたは Zn合金皮膜とリン酸亜鉛皮膜との積層体である抑制層（腐食抑制層) 14が除去され、鋼材 11とアルミニウム材 12とが直接接合している、異種接合体の良好な接合状態を示している。更に、図 2では、異種接合体の接合部以外の界面領域には、予め形成した、これら抑制層（腐食抑制層) 14が、そのまま存在して、ることを示している。

[0224] (鋼材の板厚）

[0225] 一方、 3. Ommを越える場合は、前記した構造部材ゃ構造材料としては、他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚 tを 3. Ommを超えて厚くする必要性はない。

[0226] (鋼材）

本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなぐ構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、自動車部材などの軽量な高強度構造部材 (異材接合体)を得るためには、鋼材の引張強度が 400MPa以上である通常の高張力鋼 (ノ、ィテン)であることが好ま、。

[0227] 引張強度力 OOMPa未満の低強度鋼では一般に低合金鋼が多ぐ酸ィ匕皮膜が鉄酸ィ匕物からなるため、 Feと A1の拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度が 400MPa以上、望ましくは 500MPa以上の高張力鋼（ハイテン)であることが好まし!/、。

[0228] (アルミニウム材）

本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなぐ各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、铸造材などが適宜選択される。ただ、アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高ぐこの種構造用部材として汎用されてヽる、 A5000系、 A6000系などの使用力最適である。

[0229] ただ、本発明で使用するこれらアルミニウム材の板厚 tは 0. 5〜4. Ommの範囲と

2

して不適切であるのにカ卩え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。一方、アルミ-ゥム材の板厚 tが 4. Ommを越える場合は、前記した鋼材の板厚の場合と同様に、構

2

造部材ゃ構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、アルミニウム材の板厚 tを 4. Ommを超えて厚

2

くする必要性はない。

[0230] (抑制層）

本発明では、より高い接合強度を得るために、異種金属接触腐食を抑制し、接合強度の低下を防止するために、鋼とアルミニウム材との間に (材料に)予め抑制層 (腐食抑制層)を形成する。この抑制層は、また、スポット溶接における、鋼とアルミニウム材との間の界面反応層の形成面積や厚さ分布の制御を損なわないことが必要である [0231] 本発明では、このような機能を有する抑制層 (腐食抑制層)として、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、 Znまたは Zn合金の金属皮膜と、リン酸亜鉛皮膜との二つを予め設ける。このために、後述する通り、鋼材側あるいはアルミユウム材側のいずれかの接合面側に、金属皮膜とリン酸塩皮膜とを積層して設ける。設ける (積層する)順序はいずれでもよいが、金属皮膜を先に設けた方が、リン酸亜鉛皮膜を設けやすい。

[0232] (Znまたは Zn合金皮膜）

抑制層 (腐食抑制層)のひとつとして、まず Zn (純 Zn)または Zn合金の金属皮膜について、以下に説明する。本発明では、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、 Znまたは Zn合金の金属皮膜を予め設けられた状態でスポット溶接するため、鋼材またはアルミニウム材の少なくとも接合面側の表面に、 Znまたは Zn合金の金属皮膜を予め設ける。この Znまたは Zn合金皮膜は、アルミニウム材と融点が近ぐスポット溶接時に、リン酸塩皮膜が存在しても、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成される時間制御や、界面反応層の厚さ範囲と分布制御を阻害させない特性がある。

[0233] 裸の、あるいは Znまたは Zn合金皮膜が無、ような、鋼材とアルミニウム材とを用いた、従来のスポット溶接では、接合界面にリン酸塩の皮膜が存在すると、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難となり、高い接合強度を得ることができな力つた。

[0234] これに対して、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、抑制層として Znまたは Zn合金皮膜を予め設けた場合には、接合面間に抑制層としてもうひとつ、リン酸塩皮膜が介在していても、スポット溶接自体や界面反応層形成制御が困難とならずに、リン酸塩皮膜の上記機能を発揮させる。これは、 Znまたは Zn合金皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増し、鋼材とアルミニウム材との界面温度、特に鋼材の温度が、アルミニウムの溶融温度を越えて著しく高くなるためと推考される。この抵抗発熱量の増加によって、リン酸塩皮膜が破壊されて、溶融したアルミニウム材に溶出されやすくなつて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることがでさる。

[0235] 言、換えると、もうひとつの存在であるリン酸塩皮膜は、この Znまたは Zn合金皮膜との共存下において、スポット溶接時には、スポット溶接部部分のみにおいて破壊され、このスポット溶接部で鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができる。いずれの側に存在させるにせよ、本発明における特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜無しに、単独で、リン酸塩皮膜を鋼材とアルミニウム材との間に介在させると、前記した通り、接合体の界面反応層の形成面積や厚さ分布制御が阻害される。

[0236] また、前記した通り、 Znまたは Zn合金皮膜の存在 (介在）によって、スポット溶接時の抵抗発熱量が増すと、アルミニウムの鋼との界面での拡散速度が著しく速くなり、鋼側にアルミニウムが拡散して、良好な接合状態がいち早く確保される。また、亜鉛めっき鋼板の場合には、融点の差により亜鉛めつき層が先行して溶融する力その結果、界面における熱分布を均一化する効果もあると推考される。これら Znまたは Zn 合金皮膜の複合効果により、リン酸塩皮膜が介在しても、スポット溶接性が損なわれないものと推考される。

[0237] これらの効果を発揮するために、 Znまたは Zn合金属皮膜の融点は 350〜1000°C 、好ましくは 400〜950°Cの狭い温度範囲とする。また、更には、アルミニウム材の融点以上 900°C以下のより狭い温度範囲とすることが好ましい。純 A1の融点は 660°C 程度、純 Znの融点は 420°C程度であり、前記した、接合するアルミニウム材と融点が近いとは、例えば、純 A1の融点 660°Cに対して、上記ある程度の幅を持つことを許容する、という意味である。

[0238] また、 Znまたは Zn合金皮膜の厚みは、 3〜19 mの膜厚 (平均膜厚)、更に好ましくは 5〜 15 mの膜厚範囲とする。これら Znまたは Zn合金皮膜の厚みは、これら皮膜形成後の鋼材あるいはアルミニウム材の試料を切断し、榭脂に埋め込み、研磨をし、金属皮膜の板厚方向の SEM観察を行う。この SEM観察は 2000倍の視野にて 3 点厚さを測定し、金属皮膜の厚みは、部位の違う 5力所程度の観察結果の平均で求める。

[0239] Znまたは Zn合金皮膜の厚みが薄すぎる、ある、は、その融点が低すぎる場合は、 Znまたは Zn合金皮膜が、スポット溶接時の接合初期に、接合部から溶融排出してしまい、界面反応層の形成を抑制できない。また、抵抗発熱量の増加が少なくなり、リン酸塩皮膜を破壊しに《なり、スポット溶接部で鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができに《なる。

[0240] 一方、異材接合体の接合強度を上げるためには、接合される鋼材とアルミニウム材とが、互いの接合面同士で直接接触する必要があり、スポット溶接時には、接合部に予め介在している Znまたは Zn合金皮膜が、接合部力溶融排出する必要がある。これに対して、 Znまたは Zn合金皮膜の厚みが厚すぎる、あるいは融点が高すぎる場合は、接合部からの Znまたは Zn合金皮膜の溶融排出のために、大きな入熱量が必要となる。この入熱量が大きくなると、アルミニウム材の溶融量が増加し、チリの発生によりアルミニウム材の減肉量が大きくなるため、異材接合体を構造部材として使用できなくなる。

[0241] Znまたは Zn合金皮膜は、上記融点範囲の純 Zn、 Zn合金などが適宜選択できる。

また、鋼材またはアルミニウム材の少なくとも接合面側の表面への金属皮膜の被覆あるいは形成方法も、めっき、塗布などの汎用される公知の手段が適宜使用できる。なお、この鋼材またはアルミニウム材表面への被覆あるいは形成は、少なくとも接合面側の表面とするが、勿論、防食などのために、接合面でない鋼材またはアルミニウム材表面側に、 Znまたは Zn合金皮膜を被覆ある、は形成してもよヽ。

[0242] ただ、実用性や効率を考慮すると、 Znまたは Zn合金皮膜は、 Znまたは Zn合金のめっきが汎用されている鋼材側にめっきとして被覆あるいは形成することが好ましい。鋼材は通常、塗装を施して使用されるが、塗装に傷が入っても Znまたは Zn合金が優先腐食されるために、鋼材を保護することができる。さらに、鋼とアルミ材との電位差を小さくすることから、異種接合体での課題の一つである異種金属接触腐食をも抑制することができる。 Znまたは Zn合金めつきとした場合には、鋼材の耐食性を確保し、また鋼にもアルミにも容易にめっきが可能である。

[0243] めっきを前提として、上記界面反応層形成抑制機能を発揮し、リン酸塩皮膜が介在しても溶接を可能ならしめる機能を発揮するためには、 Znまたは Zn合金のめっき皮膜は、純 Znが好ましい。また、 Zn合金とするにしても、 Al— Zn、 Zn— Feなどの合金において、各々 Znを各々 80質量％以上含む、 Znを主成分とすることが好ましい。 Z nまたは Zn合金のめっき皮膜を合金化する場合には、添加合金元素やその含有量によって、上記融点範囲から外れないよう、また耐食性が劣らないようにする。 [0244] これらのめっき皮膜の内でも、特に 88質量％以上の Znを含む、純 Zn、あるいは Zn 合金めつき皮膜が推奨される。 88質量％以上の Znを含む Zn合金めつき皮膜が鋼材表面に施されると、特に鋼材の耐食性が高くなり、また、この Znめっき皮膜は、融点を上記 350〜： LOOO°Cの範囲に制御しやすい。更に、耐食性も高ぐ異種金属接触腐食も抑制することができる。この異種金属接触腐食防止の観点から最も良いのは純 Znめっき皮膜である。

[0245] めっき方法については、本発明では制限するものではないが、既存の湿式、乾式めっきを用いることが可能である。特に亜鉛めつきにおいては、電気めつきや溶融めつき、溶融めつき後合金化処理を行う方法などが推奨される。

[0246] (リン酸塩皮膜）

次に、もうひとつの抑制層としての、リン酸塩皮膜について、以下に説明する。前記した通り、リン酸塩皮膜は、ピンホールを通じて、あるいは、本発明における特定範囲の Znまたは Zn合金皮膜との共存下において、電気抵抗により皮膜破壊されて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させ、スポット溶接時に、接合体の界面反応層の形成面積や厚さ分布を制御できる。但し、スポット溶接の接合部において、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させるためには、接合部からリン酸塩皮膜を完全に無くす必要はない。言い換えると、鋼材とアルミニウム材とが電気的に導通すれば、スポット溶接の接合部にお、て、リン酸塩皮膜が残留して、ても良、。

[0247] また、リン酸塩皮膜は、更に、前記した通り、スポット溶接後は、皮膜破壊されたスポット溶接部の部分のみを除いて、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在して、腐食環境を遮断し、異種金属接触腐食を抑制する機能を有する。

[0248] このリン酸塩皮膜は、上記作用効果だけでなぐ実用性の点からも選択意義がある。例えば、薄膜でさえあれば、リン酸塩皮膜に限らず、リン酸塩以外の皮膜でも、そのピンホールを通じて、あるいは、電気抵抗により皮膜破壊されて、鋼材とアルミニウム材とを電気的に導通させることができそうである。しかし、本発明が対象とするスポット溶接による異材接合体は、パネルなどとして、代表的には現行の自動車の車体製造ラインで使用（製造)され、また、鋼材かアルミニウム材に施されるリン酸塩処理も、この自動車の車体塗装の下地処理として、前記自動車の車体製造ラインで使用されている実績がある。この点、リン酸塩皮膜は、鋼材とアルミニウム材との間に、広範にあるいは全面的に介在しても、加工性や塗装性などの、異材接合体に要求される他の諸特性を阻害しない、他の皮膜には無い利点がある。更に、リン酸塩処理は、スポット溶接も含めて、前記した自動車の車体製造ラインなど、現行の設備や装置、条件内で実施できる、他の皮膜には無い利点がある。更に、リン酸塩皮膜 (処理）は、上記塗装の下地処理として、異材接合体の塗膜密着性など塗装性を向上させることができる。

[0249] (リン酸塩皮膜を形成する側）

本発明では、鋼材とアルミニウム材の互いの接合面間（いずれかの接合面表面）に、リン酸塩皮膜を形成後に、スポット接合を実施する。異材接合体の接合強度を高めるためには、鋼材側表面にリン酸塩皮膜を形成し、更に鋼材側表面に設けた前記 Zn または Zn合金皮膜の表面にリン酸塩皮膜を形成することが好ましい。

[0250] ただ、アルミニウム材は、鋼材に比してリン酸塩処理性が低いという問題があり、異材接合体をリン酸塩処理した場合にも、アルミニウム材側にこの問題が生じる。しかし、本発明のように、異材接合体の少なくともアルミニウム材側に、予めリン酸塩処理を施して、リン酸塩皮膜を形成しておけば、アルミニウム材側も、鋼材側と同様に、塗装の下地処理としてリン酸塩処理性を向上できる利点もある。この際、異材接合体のァルミ-ゥム材側だけでなぐ鋼材側にも予めリン酸塩処理を施して、リン酸塩皮膜を形成しておけば、自動車の車体製造ラインでの、塗装の下地処理としてリン酸塩処理を省略できる利点もある。

[0251] (リン酸塩皮膜の厚み）

形成するリン酸塩皮膜の平均厚みは、好ましくは 0. 1〜5 /ζ πιの範囲とする。この範囲で、上記リン酸塩皮膜の作用を良好に発揮できる。リン酸塩皮膜の厚みが 0. 1 μ m未満と薄すぎると、マクロな皮膜欠陥が多く発生し、腐食環境を十分に遮断できず、異種金属接触腐食を抑制できないなど、前記したリン酸塩皮膜の効果が発揮できなくなる。一方、リン酸塩皮膜の厚みを 5 mを超えて厚くする必要はない。これ以上リン酸塩皮膜の厚みを厚くすると、スポット溶接時の電気抵抗が過大となって、チリの発生が激しくなり、特に、アルミニウム材接合部の板厚減少が大きくなり、接合強度が却って低下する。また、リン酸塩皮膜を破壊しに《なり、スポット溶接部で鋼材とアルミニゥム材とを電気的に導通させることができに《なる。

[0252] リン酸塩皮膜の平均厚さは、リン酸塩処理して皮膜形成後に、自然乾燥させた鋼材とアルミニウム材カゝら採取した試料断面を榭脂に埋め込み、研磨した試料を、そのリン酸塩皮膜断面の板厚方向の 2000倍、または 10000倍の視野にて、 SEM (走査型電子顕微鏡)観察により、 3点厚さを測定し、部位の違う 5力所程度の観察結果の平均で求める。

[0253] (リン酸塩の種類）

リン酸塩の種類は、自動車用亜鉛めつき鋼板などの塗装 (塗膜)下地処理として、最も汎用されている、リン酸亜鉛など、亜鉛を主成分とするリン酸亜鉛皮膜であることが、皮膜形成 (処理)のしやすさなど力も好ましい。このリン酸亜鉛皮膜の結晶性や配向性などを制御するために、亜鉛 (Zn)以外に、 Fe、 Ni、 Mn、 Caなどを含有させても良ぐその目的により Niを添加することが推奨される。なお、リン酸亜鉛の皮膜構造は、ホノイトでもホスホフイライトでも、これらの混合構造でも良い。リン酸塩皮膜としては、このリン酸亜鉛以外にも、公知のリン酸塩処理である、リン酸カルシウム、リン酸鉄、リン酸マンガンなどが、これら単独、あるいは混合、複合して用いることができる。

[0254] (リン酸塩皮膜の形成方法）

リン酸塩皮膜の形成方法としては、前記した塗装下地処理のような公知の方法が採用できる。即ち、亜鉛、カルシウム、鉄、マンガンなどの塩となる金属や、 Mgなどを添カロしたリン酸水溶液に、鋼材あるいはアルミニウム材を浸漬処理する。リン酸水溶液の濃度や温度、浸漬時間などの浸漬条件は、前記したリン酸塩皮膜の平均厚みとなるように調整する。

[0255] (リン酸塩皮膜の犠牲防食作用）

リン酸塩皮膜は、前記した通り、腐食環境を遮断し、異種金属接触腐食を抑制する機能を有するが、ピンホールが存在するために、完全には、水分や酸素などの腐食環境を遮断できない。これに対して、接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、抑制層としてもうひとつ、 Znまたは Zn合金皮膜を予め設けた場合には、上記ピンホールを介してアルミニウム合金が優先的に腐食するのを軽減する。したがつて、 Znまたは Zn合金皮膜のこのような電位差を小さくする効果によって、異種金属接触腐食が抑制される。

[0256] リン酸塩皮膜の異種金属接触腐食抑制効果は、リン酸塩皮膜中に Mgを含むなどの、リン酸塩皮膜自体の犠牲防食作用を強めることによって、一層高くなる。このリン酸塩皮膜の犠牲防食作用を強めるためには、リン酸塩皮膜中に 0. 01〜10質量％の Mgを含むことが好ましい。皮膜中の Mg含有量が 0. 01質量％未満と少なすぎる場合には、 Mgの効果が発揮できない。一方、皮膜中の Mg含有量を 10質量％を超えて含有させるのは困難である。したがって、リン酸塩皮膜中に選択的に含む場合の Mg含有量は 0. 01〜10質量％の範囲とする。

[0257] リン酸塩皮膜中の Mg含有量は、前記リン酸塩皮膜の厚み測定と同様に、リン酸塩処理して皮膜形成後に、自然乾燥させた鋼材とアルミニウム材から採取した試料断面を榭脂に埋め込み、研磨した試料を、蛍光 X線にてリン酸塩皮膜中の Mg強度を求め、質量％に換算する。そして、部位の違う 5力所程度の測定結果の平均で求める

[0258] (界面反応層）

2 2

[0259] したがって、この界面反応層の厚さが 0. 5〜5 μ mである部分の面積力アルミ-ゥム材の板厚 tとの関係で、 lO X t ⁵mm²未満、より厳しくは、 50 X t ⁵mm²未満で

2 2 2

は、最適厚さ範囲の界面反応層が広範囲とならず、却って接合強度が低下する。界面反応層の厚さが 0. 5 m未満の部分では、鋼-アルミの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。逆に界面反応層の厚さが厚いほど脆弱となり、特に界面反応層の厚さが 5 mを超える部分では脆弱となり、接合強度が低くなる。このため、このような界面反応層の面積が大きくなるほど、接合部全体としての接合強度が低くなる。 [0260] よって、接合部全体としての接合強度を高めるためには、界面反応層の厚さが 0. 5 〜5 mである部分の面積力アルミニウム材の板厚 tとの関係で、 lO X t °· ⁵mm²

2 2 以上、好ましくは 50 X t ⁵mm²以上必要である。

2

[0261] なお、電極チップに一般的に用いられるドーム型のチップを用いた場合、中心部が最も厚い界面反応層となり、中心から離れるほど界面反応層の厚さが低減する。したがって、この中心部の界面反応層の厚さは 5 mを超えても構わない。この界面反応層の厚さは、鋼材-アルミニウム材が接合している界面の面積の、アルミニウム材側の、 2000倍の画像解析や SEM観察によって測定できる。

[0262] (スポット溶接）

異種接合体を得るためのスポット溶接方法の各要件を以下に説明する。図 3に異種接合体を得るための、前提となるスポット溶接の一態様を例示する。本発明スポット溶接方法の基本的な態様は、通常のスポット溶接の態様と同じである。図 3において、 11は鋼板、 12はアルミニウム合金板、 13は異種接合体、 15はナゲット、 17と 18は電極である。

[0263] 本発明スポット溶接方法では、前記した板厚 tの鋼材と板厚 tのアルミニウム材との

1 2

異材接合体をスポット溶接により得るに際して、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、 Znまたは Zn合金皮膜とリン酸塩皮膜とを予め設けた状態でスポット溶接する。

[0264] (加圧力）

[0265] 点接触での接触面圧は (RX W) ^1/3ZRにほぼ比例する力接合部にかかる接触面圧が過小では接着剤の残存が大きぐ界面反応層の成長を妨げるため、接着剤を外部に押し出すだけの接触面圧が必要となる。（RXW) ^1/3ZRが 0. 05以下では、リン酸塩皮膜が層として残存し、界面反応層が成長しない。 [0266] また、このような比較的大きな加圧力を印加することで、電極チップなどの形状によらず、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。加圧力が小さすぎると、このような効果を得られない。

[0267] (電極チップ）

[0268] また、電極形状にっ、ては規定するものではな!/、が、電極が、通電初期の電流効率を上げるために望ましい。また、極性についても規定するものではないが、直流スポットを用いる場合は、アルミニウムを陽極とし、鋼を陰極とする方が望ましい。

[0269] (電流）

スポット溶接時の電流については、比較的大きなナゲット面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るためには、前記アルミニウム材の板厚 tとの関係で、 15 X t °·

2 2

⁵〜30 X t ⁵kAの電流を lOO X t ^{0 5}〜： LOOO X t °· ⁵msec流す工程を有し、このェ

2 2 2

[0270] このような電流パターンとすることで、予め本発明の抑制層を形成した際に、大きな入熱量が得られ、前記した通り、鋼とアルミニウム材との接合面における界面反応層を制御して、高い接合強度を得ることが可能となる。また、異種材料間と、電極と材料間との電気的接触を安定ィ匕し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。

[0271] 電流パターンの上記工程において、 15 X t ⁵kA未満、または 100 X t ⁵msec未

2 2 満では、表面処理層及びアルミニウム材の溶融が広範囲に行われず、最適範囲厚さの界面反応層の面積が小さい。一方、 30 X t ⁵kAを超える、あるいは 1000 X t °· ⁵

2 2 msecを超えては、界面反応層が厚く成長するため、最適範囲厚さの界面反応層の面積が小さくなる。

[0272] この電流範囲の工程は複数あっても良いが、それらの合計時間が上記 100 Xt °· ⁵

2

熱量が同一であれば近い接合構造が得られる力鋼とアルミニウム材との接合では、例えば 30Xt ^{0 5}kA超えで lOOXt · ⁵msec未満の電流パターンや、 15 Xt · ⁵kA

2

[0273] 更に、望ましい電流パターンとして、 lXt °'⁵〜10Xt '⁵1^の電流を100 · ⁵

2 2 2

2

[0274] [実施例]

[表 6]

(アルミニウム材の板厚 t ₂： 1 mm

İĲ75 (アルミニウム材の板厚 t ₂： 2mm )

[0276] 鋼材として市販の 590MPa級の高張力鋼板と、アルミニウム材として市販の A606 1(6000系)アルミニウム合金板とを重ね合わせた上で、スポット溶接を行い、異材接合体を製作し、接合強度、耐食性を評価した。結果を表 6、 7に示す。

[0277] 上記高張力鋼板の接合面側には予め、溶融純 Znめっきを平均厚み 10 μ mで施し、更に、その上に Mgを 1. 0質量％含有させたリン酸塩皮膜を平均厚み 2 mで施した。

[0278] 表 6はアルミニウム板の板厚が lmm、表 7はアルミニウム板の板厚が 2mmの場合を示す。表 6、 7では、鋼板の接合面側のめっき条件やリン酸塩皮膜条件は一定とし、スポット溶接における、電極条件や電流条件を種々変えて異材接合体を製作してヽる。

[0279] [表 8]

また、スポット溶接における電極条件や電流条件は一定とし、鋼板やアルミニウム合金板の接合面側のめっき条件やリン酸塩皮膜条件を種々変えた、鋼板とアルミニゥム板との異材接合体を製作した結果も表 8に示す。 [0281] (使用素材）

素材として、高張力鋼板は板厚 lmmで 0. 07質量％C— 1. 8質量％Mnを含む組成のもの、 A6061アルミニウム合金板は板厚 lmmと 2mmのものを各々準備し、これら鋼板、アルミニウム合金板とも、 JIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工し、スポット溶接を行った。

[0282] (Znまたは Zn合金皮膜:めっき皮膜）

鋼材に電気めつきを施す場合は、共通して、 10%硫酸にて 5分の酸洗'活性ィ匕する前処理を行った後、各種電気めつきを行った。 Zn電気めつきでは、硫酸亜鉛 400g Zl、硫酸アルミニウム 30gZl、塩ィ匕ナトリウム 15gZl、ホウ酸 30gZlに硫酸をカ卩えて pHを 3とした浴にて 20AZdm²の電流を流すことにより、純 Znめっきを 10 μ m施した。これを Zn— 10質量⁰ /₀Ni合金めつきとする場合には、純 Znめっきの亜鉛めつき浴に、硫酸ニッケル、塩ィ匕ニッケルを添カ卩した浴にて lOAZdm²の電流を流すことにより、 ∑11—10質量％?^めっきを10 111施した。また、比較例としての純 Niめっきは、ワット浴を用いて lOAZdm²の電流を流すことにより、 10 m施した。

[0283] 溶融めつきは鋼材のみに行い、各種溶融金属を用いて Znめっき、 Zn— Feめっき（ Fe量 5、 10、 12、 16の各質量％)をそれぞれ 10 m施した。溶融 Znめっきでは、温度、引き上げ温度を変化させることにより、膜厚を 1、 3、 10、 15、 19、 20 mに調整した。比較例として溶融 Al— 10%Si合金めつきも鋼材に施した。

[0284] アルミニウム材にめっきを施す場合は、 10%硝酸にて 30秒酸洗し、水酸化ナトリウム 500gZl、酸ィ匕亜鉛 100g/l、塩化第二鉄 lg/l、ロッセル塩 lOg/1の処理液中にて 30秒亜鉛置換処理あるいは電気めつきを行った。また、その亜鉛めつき浴に硫酸ニッケル、塩化ニッケルを添カ卩した浴にて lOAZdm²の電流を流すことにより、 Zn - 10%Niめっきを 10 μ m施した。

[0285] めっき皮膜の膜厚は、前記した通り、めっき後自然乾燥させたサンプルを切断し、榭脂に埋め込み、研磨をし、スポット溶接前のめっき界面の SEM観察を行った。 SE M観察は 2000倍の視野にて 3点厚さを測定し、部位の違う 5力所程度の観察結果の平均で求めた。

[0286] (リン酸塩皮膜）リン酸塩皮膜は、 Znイオン lg/l、リン酸イオン 15g/l、 Niイオン 2g/l、 Fイオン 0. 2g/ Mgイオン 0〜30gZl、の各濃度の 40°Cの水溶液に、鋼材あるいはアルミ- ゥム材を浸漬処理して形成した。リン酸塩皮膜中の Mg含有量は、前記水溶液中の Mgイオン量で調整し、リン酸塩皮膜厚みは浸漬時間を 1〜300秒の間で変えて調整した。

[0287] リン酸塩皮膜の平均厚さは、前記した通り、リン酸塩処理後自然乾燥させたサンプルを切断し、榭脂に埋め込み、研磨した試料を、スポット溶接前のリン酸塩皮膜断面 (界面）の板厚方向の 2000倍の視野にて、 SEM観察により、 3点厚さを測定し、部位の違う 5力所程度の観察結果の平均で求めた。

[0288] リン酸塩皮膜中の Mg含有量は、上記リン酸塩皮膜の平均厚さ測定用の研磨試料を、蛍光 X線分析して、リン酸塩皮膜中の Mg強度を求め、質量％に換算した。そして、部位の違う 5力所程度の測定結果の平均で求めた。

[0289] (スポット溶接）

スポット溶接は、直流抵抗溶接試験機を用い、 Cu— Cr合金力もなるドーム型の電極を用い、陽極をアルミニウム、陰極を鋼として接合した。表 6、 7では、表 6、 7に示す電極チップ条件 [先端径、先端曲率半径 R、加圧力 Wと (RXW) ^1/3ZR]、電流パターン [溶接工程 1と 2の溶接電流、溶接時間]にて溶接を行い、異材接合体の十字引張試験体を作製した。

[0290] この際、表 6、 7の各発明例は、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ 以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3ZRとなるように印加し、力つ 15 X t ⁵〜30 X t °· ⁵kAの電流を 100

2 2

X t ^{0 5}〜： LOOO X t · ⁵msec流す工程を有する電流パターンにてスポット溶接した。

2 2

本試験では、電極チップは鋼側、アルミニウム材側で同一形状のものを用いた。

[0291] また、表 8では、各例とも共通して、表 6の Nで示す発明例のスポット溶接条件を一定にして、溶接を行い、十字引張試験体を作製した。

[0292] これら各条件について、接合強度評価用に 10体、接合界面評価用に 3体作製した

[0293] (界面反応層の厚さ測定）界面反応層の厚さ測定は、スポット溶接後のサンプルを、溶接部の中央にて切断し

、榭脂に埋め込み、研磨をし、 SEM観察を行った。層の厚さが 1 m以上の場合は 2 000倍の視野にて、： m未満の場合は 10000倍の視野にて計測した。また、ここでの界面反応層とは、 Feと A1を両方含む化合物層を指し、 EDXにより、 Feと A1がともに lwt%以上検出される層をいう。すなわち、 Feと A1がともに lwt%以上検出されない層はめつき層や残留接着剤として界面反応層としな力つた。

[0294] なお、本試験では、中心部が最も界面反応層が厚ぐ端部 (周縁部)ほど界面反応層が薄くなつていたため、 10 mを超える厚さの界面反応層の径、 0. 以上の厚さの界面反応層の径を求め、面積に換算した。測定は、 3体の接合体について行い、直交した 2方向のナゲット径を測定し、平均化した。

[0295] (異種金属接触腐食製評価）

また、各種条件で接合した各異材接合体について、塗装した上で、異種金属接触腐食製評価試験を行った。各異材接合体は、採取した試験片のアルカリ脱脂を行い、水洗後、日本ペイント社製のサーフファイン 5N— 10の 0. 1 %水溶液を用いて 30秒表面調整処理を行った。その後、亜鉛イオン 1. Og/ ニッケルイオン 1. Og/Uマンガンイオン 0. 8g/ リン酸イオン 15. Og/ 硝酸イオン 6. Og/ 亜硝酸イオン 0 . 12gZl、トーナー値 2. 5pt、全酸度 22pt、遊離酸度 0. 3〜0. 5pt、 50°Cの浴にて、 2分リン酸亜鉛処理を行った。その後、カチオン電着塗料（日本ペイント社製パワートップ V50グレー）により塗装し、 170°C25分焼き付けし、 30 mの塗装皮膜を形成した。

[0296] その後、これら塗装異材接合体試験片の複合腐食試験を行! \異種金属接触腐食防止性の評価を行った。腐食試験は、 A:塩水噴霧（35°C、 5%NaCl) 2hr、 B:乾燥（60°C、 20— 30%RH) 4hr、 C:湿潤（50°C、 95%RH以上） 2hrを 1サイクルとする試験を所定サイクル数行なった。 5体の塗装異材接合体試験片は 45サイクルとし、もう 5体の塗装異材接合体試験片は 90サイクルとした。

[0297] (接合強度評価）

塗装異材接合体試験片の接合強度の評価は、上記複合腐食試験後のスポット接合の強度を測定するために、上記 45サイクルと 90サイクルとの複合腐食試験後の各 5体の十字引張試験を各々実施し、平均化した。

[0298] 十字引張試験の結果、接合強度が 1. 5kN以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が 0. 8〜1. OkNであれば〇、接合強度が 0. 5〜0. 8kNであれば△、接合強度が 0. 5kN未満であれば Xとした。ここで、上記腐食試験後の接合強度が 0. 8kN(〇)以上でなければ、自動車などの構造材用としては使用できない

[0299] (表 6、 7の結果）

表 6、 7から分力ゝる通り、好適な範囲でスポット接合された発明例 I〜Pの異材接合体は、耐食性が非常に高ぐ上記複合腐食試験後のスポット接合の強度が高いことが分かる。これは接合面間に設けられた溶融亜鉛めつきとリン酸塩皮膜の効果である。

[0300] これに対して、好適な範囲を外れてスポット接合された比較例 A〜Hでは、元々のスポット溶接時の接合強度が低、ために、上記複合腐食試験後の接合強度も低、。比較例 A〜Cでは電極チップの先端径が小さい、先端曲率半径との関係で加圧力が低いなど、好適なスポット接合条件範囲を外れている。また、比較例 D〜Hは、電流条件も本発明の範囲を満たさな、。

[0301] 比較例 A〜Gは、溶接工程 2をしている比較例 Hを除き、溶接工程 1のみで、溶接工程 2をせずにスポット接合している。このうち、比較例 Aは電極チップの先端径が小さすぎる。比較例 B、比較例 Cは、先端曲率半径との関係で加圧力が低すぎる。

[0302] また、比較例 Dは溶接工程 1の溶接電流がアルミニウム材の板厚との関係で低すぎる。比較例 Eは溶接工程 1の溶接時間がアルミニウム材の板厚との関係で短かすぎる。比較例 Fは溶接工程 1の溶接電流がアルミニウム材の板厚との関係で高すぎる。比較例 Gは溶接工程 1の溶接時間がアルミニウム材の板厚との関係で長すぎる。比較例 Hは溶接工程はりも著しく高い電流を流す溶接工程 2が存在する。

[0303] 即ち、発明例 I〜Pは、スポット溶接にぉ、て、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW) ^1/3/R>0. 05となるように印カロし、力つ 15 X t °· ⁵〜30

2

X t 八の電流を100 °· ⁵〜： LOOO X t °· ⁵msec流す、好ましい溶接工程 1にて

2 2 2

[0304] これら発明例のうち、上記溶接工程 1を有するとともに、この溶接工程 1より高い電流を流す溶接工程が存在しない電流パターンにてスポット溶接している発明例 N、0 、 Pは、後の溶接工程 2が I X t °· ⁵〜10 X t °· ⁵kAの電流を lOO X t °· ⁵〜： LOOO X t ·

2 2 2 2

⁵mse_C流す好ま、条件であることもあり、最も接合強度が高、。

[0305] これに対して、この溶接工程 1より高い電流を流す溶接工程 2が存在する電流パターンにてスポット溶接している発明例 Lは、上記発明例 N、 0、 Pよりも接合強度が低い。

[0306] (表 8の結果）

表 8より分力る通り、めっきが無い比較例 1、 2、リン酸塩皮膜が無い比較例 1、 8、 1 2は、スポット溶接時に最適厚さの界面反応層が形成されているにもかかわらず、耐食性が劣るため、上記複合腐食試験後の接合強度が低くなつている。

[0307] 金属皮膜条件 (種類と融点)が範囲から外れる比較例 3、 4、 14は、最適厚さの界面反応層がほとんど形成されていない。したがって、元々のスポット溶接時の接合強度が低いために、上記複合腐食試験後の接合強度も低い。

[0308] Znまたは Zn合金皮膜では無い、 Al— 10%Si合金めつきの比較例 7は、適当な厚さの界面反応層が形成されているにもかかわらず、耐食性が劣るため、上記複合腐食試験後の接合強度が、ずれも低くなつて、る。

[0309] 一方、 Znまたは Zn合金皮膜であっても、めっき厚みが薄すぎる比較例 15、厚すぎる比較例 19も、純亜鉛めつきでありながら、最適厚さの界面反応層が形成されていない。したがって、元々のスポット溶接時の接合強度が低いために、上記複合腐食試験後の接合強度も低い。したがって、元々のスポット溶接時の接合強度が低いために、上記複合腐食試験後の接合強度も低い。

[0310] また、または Zn合金皮膜であっても、リン酸塩皮膜が薄すぎる比較例 20では、スポット溶接時に最適厚さの界面反応層が形成されているにもかかわらず、耐食性が劣るため、上記複合腐食試験後の接合強度が低くなつている。逆に、リン酸塩皮膜が厚すぎる比較例 23にも、最適厚さの界面反応層が形成されていない。したがって、元々のスポット溶接時の接合強度が低!、ために、上記複合腐食試験後の接合強度も低い。

[0311] これに対して、リン酸塩皮膜を有し、めっき条件 (融点、成分)が範囲内である発明例 5、 6、 9〜11、 13、 16〜18、 21、 22、 24〜27は、最適厚さの界面反応層を制御できているのに加え、耐食性が非常に高いため、上記複合腐食試験後のスポット接合の強度が高いことが分かる。これは接合面間に設けられた溶融亜鉛めつきとリン酸塩皮膜の効果である。

[0312] この内、純亜鉛めつきを施した発明例の内、 5、 6、 9、 17、 21、 24〜27は、最適厚さの界面反応層の面積を 50 X t °· ⁵mm²以上と大変広、面積に制御できて、ること

2

がわかる。さらに、純亜鉛めつきの膜厚が 5〜 15 mで、かつリン酸塩皮膜の Mg含有量が 0. 1質量％以上、膜厚が： L m以上である発明例 5、 6、 9、 17、 22、 26、 27 は、耐食性も非常に高いため、上記複合腐食試験後のスポット接合の強度が高いことが分かる。この結果から、めっきを本発明の成分、融点、膜厚に制御することによつて、最適厚さの界面反応層を制御でき、高い接合強度と耐食性が得られることが分かる。

[0313] 以上の実施例の結果から、異材接合体の接合強度を高めるとともに接触腐食とそれによる接合強度の低下とを抑制できる本発明で規定する各要件の臨界的な意義が分かる。

[0314] [4]

(異材接合体）

図 4に本発明の一実施態様で規定する異材接合体 (接合部)を断面図で示す。図 4 にお、て、 23が亜鉛めつき鋼材 (亜鉛めつき鋼板) 21とアルミニウム材 (アルミニウム合金板) 22とをスポット溶接にて接合した異材接合体である。 24は鋼材 21表面の亜鉛めっき皮膜あるいは酸ィ匕皮膜である。

[0315] 接合部中央の 25は、スポット溶接における接合界面 (界面反応層) 26を有するナゲットで、図中に水平方向に矢印で示すナゲット径を有する。また、このナゲット 25は、 Sで表されるアルミニウム材側の接合界面において平面方向 (図の左右方向)に占める面積 (以下、単にナゲット面積 Sという)を有する。 [0316] tは亜鉛めつき鋼材 21の板厚、 tはアルミニウム材 22の板厚、 Atはスポット溶接に

1 2

よる接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。 29はナゲット周囲のコロナボンド部である。

[0317] なお、この図 4は、ナゲット径を確保しつつ、チリの発生を抑制してアルミニウム材の最小残存板厚を保持し、さらに鋼材の溶融を最小限に抑えた接合状態を示しており、本発明の接合体もこの図のような接合状態となる。

[0318] 以下に、本発明の各要件の限定理由と、その作用について説明する。

[0319] (亜鉛めつき鋼材の板厚）

本発明では、接合する亜鉛めつき鋼材の板厚 tは、 0. 3〜3. Ommの範囲から、ァルミ-ゥム材側の板厚に応じて、比較的厚い板厚を選択することが必要である。単一の鋼材の板厚を厚くするか、あるいは鋼材同士を直接重ね合わるなどして、鋼材 21 側の板厚を厚くすることによって、スポット溶接条件における電流値或いは通電時間を増さずとも、鋼材の抵抗発熱による入熱が増大する。更に、ナゲットの半径方向の入熱分布も変わり、これらの複合効果によって、アルミニウム材 22の残存板厚 A tの減少を防ぎながら、ナゲット端部の側の温度増大も起こりやすくなる。このため、ナゲット 25と接する接合界面部 (コロナボンド部) 29の、亜鉛めつき由来の Zn層 30の溶融排出が効果的に行なわれる。この結果、亜鉛めつきに由来して生成する特有の脆い Zn— Fe系化合物層が抑制され、また、残存 Zn層 30の割合も低下する。このため、鋼材 21とアルミニウム材 22との直接接合領域が増大し、接合強度が高まる。

[0320] また、鋼材の板厚 tが 0. 3mm未満の場合、前記した構造部材ゃ構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きぐ酸ィ匕皮膜が容易に破壊されるため、アルミニゥムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。一方、 3 . Ommを越える場合は、前記した構造部材ゃ構造材料としては、他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚 tを 3. Ommを超えて厚くする必要性はない。

[0321] (鋼材とアルミニウム材との板厚比）

ここで、より接合強度を高くするために、図 4における、鋼材 21とアルミニウム材 22との板厚比 t /t力^以上であることが好ましい。鋼材 21側の板厚を厚くすることによつ

1 2

て、スポット溶接条件における入熱量を増さずとも、鋼材の抵抗発熱による入熱が増大する。更に、ナゲットの半径方向の入熱分布も変わり、前記した通り、これらの複合効果によって、鋼材 21とアルミニウム材 22との直接接合領域が増大し、これによつて、本発明の好ましい条件である、ナゲット 25と接する接合界面部における、 Zn層 30 の合計面積 S力ナゲット 25の面積 Sの 30%以下であることが保証される。この結果

4

、接合強度を高めることができる。

[0322] これに対して、図 4における、鋼材 21とアルミニウム材 22との板厚比 t /\力^未満

1 2 の場合、残存 Zn層 30の割合を低下させ、鋼材 21とアルミニウム材 22との直接接合領域を増大させるためには、スポット溶接条件における入熱量を増す必要がある。これによって、残存 Zn層 30の割合を低下させることができても、アルミニウム材残存板厚 Atの減少を防ぐことはできない。この結果、アルミニウム材残存板厚 Atが顕著に減少して、それに伴って、接合強度が低下する。

[0323] この点、異材接合部におけるアルミニウム材側の最小残存板厚 Atが、元のアルミユウム材板厚 tの 50%以上であることが好まし、。

2

[0324] (亜鉛めつき鋼材）

本発明では、亜鉛めつき層の平均厚みが 3〜19 mである、両面、あるいは片面の亜鉛めつき鋼材を接合体の対象とする。なお、片面の亜鉛めつき鋼材の場合に、スポット溶接による接合側に亜鉛めつきされていない面が部分的にきてもよい。本発明では、亜鉛めつき層厚みがこれより薄い、あるいは亜鉛めつき層が無い鋼材は対象とはしない。

[0325] (亜鉛めつき層）

鋼材の亜鉛めつき層自体は、溶融めつき、電気めつきを問わず、また、亜鉛めつきでも、鉄との合金めつきでも良い。ただ、亜鉛めつき層の平均厚みは 3〜19 mとする。亜鉛めつき層の平均厚みが 3 /z m未満では、亜鉛めつき層自体の防食などの効果が発揮できず、裸の鋼材と大差なくなり、意味が無い。また、亜鉛めつき層の平均厚みが 19 mを越えた場合には、亜鉛めつきに由来して生成する脆い Zn—Fe系化合物層や Zn層の生成を抑制できず、これら面積を本発明規定範囲内におさえることが難しくなる。この結果、接合強度が弱くなる。

[0326] (鋼材の引張強度）

本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなぐ構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、構造部材用に、高強度な鋼材が要求される場合には、鋼材の引張強度力 OOMPa以上である高張力鋼材を用いることが好ましい。

[0327] 低強度鋼では一般に低合金鋼が多ぐ酸ィ匕皮膜がほぼ鉄酸ィ匕物であるため、 e A1の拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度力 OOMPa以上、望ましくは 500MPa以上であることが好まし!/、。

[0328] 本発明では、鋼材の成分を限定するものではないが、上記鋼材の強度を得るためには高張力鋼 (ハイテン)であることが好ましい。また、鋼の成分的には、焼き入れ性を高め、析出硬化させるために、 Cの他に、 Cr、 Mo、 Nb、 V、 Tiなどを選択的に含有する鋼も適用できる。 Cr、 Mo、 Nbは焼き入れ性を高めて強度を向上させ、 V、 Tiは析出硬化によって強度を向上させる。しかしながら、これら元素の多量の添カ卩は、溶接部周辺の靭性を低下させ、ナゲット割れが生じやすくなる。

[0329] このため、鋼の成分として、基本的には、質量％で、 C : 0. 05〜0. 5%、 Mn: 0. 1 〜2. 5%、 Si: 0. 001〜1. 5%を含み、更に、 Cr: 0〜l%、 Mo : 0〜0. 4%、 Nb : 0 〜0. 1%、V: 0〜0. l%、Ti: 0〜0. 1%の一種または二種以上を、必要により選択的に含有させることが好ましい。そして、これら鋼材の残部組成は、 Feおよび不可避的不純物からなることが好まし、。

[0330] (アルミニウム材）

本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなぐ各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、铸造材などが適宜選択される。ただ、アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高ぐこの種構造用部材として汎用されて!ヽる、 A5000系、 A6000系などの使用力最適である。 [0331] ただ、本発明で使用するこれらアルミニウム材の板厚 tは 0. 5〜4. Ommの範囲と

2

くする必要性はない。

[0332] (界面反応層における化合物）

以上の鋼材とアルミニウム材との異材接合体を前提とした上で、本発明では、スポット溶接後の異材接合体における (図 4の接合界面 26における)金属間化合物を規定する。

[0333] 本発明で規定する金属間化合物を、異材接合体接合部のナゲット中心における接合界面 4の断面を、各々図 5、 6、 7に示す。図 5は、図 6の接合界面 26の 5000倍の SEM写真を模式化した図である。なお、図 7は同じ接合界面 26の 5000倍の TEM 写真である。図 6、 7は後述する実施例における発明例 8である。

[0334] これらの図に各々示すように、接合界面 26では、鋼材側に層状の Al Fe系化合物

5 2 層、アルミニウム材側にはくさび状 (あるいは棒状または針状)の Al Fe系化合物層を

3

各々有する。

[0335] (本発明の化合物層規定）

図 4、 5に基づいて説明すると、本発明における化合物層規定の要旨は、前記した亜鉛めつき層や板厚などの前提条件を有する異材接合体 23の接合界面 26に、まず、鋼材 21側に Al Fe系化合物層、アルミニウム材 22側に Al Fe系化合物層を各々

5 2 3

有する（生成させる)。

[0336] (化合物層の厚さ）

図 5において、これら接合界面における 2層の化合物の層のナゲット深さ方向（接合界面断面方向、図の上下方向)の合計の平均厚さ 1は、鋼材 21側の Al Fe系化合

5 2 物層の各測定ポイントにおけるナゲット深さ方向の平均厚さ 1と、アルミニウム材 22側の Al Fe系化合物層の各測定ポイントにおけるナゲット深さ方向の平均厚さ 1との合

3 1 計である。

[0337] (化合物層部分の面積規定-平面方向）

ここで、まず、図 4を用いて、本発明における平面方向のナゲット面積と、接合界面において一定厚みを有する化合物層部分の面積規定の説明を行なう。図 4に示すように、鋼材 21側の Al Fe系化合物層とアルミニウム材 22側の Al Fe系化合物層との

5 2 3

平均厚さ 1(1 +1 )が0. 5〜： LO mである化合物層部分の、アルミニウム材 22側の接

1 2

合界面において平面方向に占める合計面積を S (mm²)と規定する。後述する図 9、 10に示すように、ナゲット 25のアルミニウム材 22側の接合界面において平面方向に占めるナゲット面積を S (mm²)とすると、この一定厚みを有する接合界面化合物層部分の、アルミニウム材 22側の接合界面において平面方向に占める合計面積 Sの、ナゲット面積 Sに対する、面積割合が求められる。本発明では、この合計面積 Sが、ナゲット面積 Sの 50%以上の割合を占めるものと規定する。

[0338] (化合物層部分の面積規定-断面方向）

更に、図 5、 7を用いて、本発明における、特に Zn— Fe系化合物層の断面方向の面積規定の説明を行なう。図 5、 7は、 5000倍の SEMによる、前記 Al Fe系化合物

5 2 層と Al Fe系化合物層の合計の平均厚さ 1が 0. 5〜： L0 mである接合界面部分の断

3

面観察結果を部分的に示してヽる。

[0339] ここにおいて、これら前記 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層の 2層中に各々

5 2 3

含まれる (生成した)、 Zn—Fe系化合物層の断面方向 (図の上下方向)に占める合計面積を S ( m²)とする。また、これら 2層の合計の平均厚さが 0. 5〜10 mである化

3

合物層部分の断面方向に占める面積を S ( m²)とする。本発明では、この Zn—Fe

2

系化合物層の合計面積 Sの、これら 3層の化合物層の特定厚さ部分の断面方向に

3

占める面積 S +Sの 10%以下の割合であることと規定する。

2 3

[0340] (Zn層）

次に、 Zn層につき説明すると、 Zn層は、鋼材表面における亜鉛めつき層の残存分である。このため、 Zn層が残存する場合には、図 4に示すように、ナゲット端部 (周縁部)の接合界面 26に存在する。この Zn層はその周縁部に存在する比較的厚!、亜鉛めっき層と同等の厚み力、それよりも薄い厚みとなっている。この Zn層が接合界面 26 に残存すると (残存していると)、その部分は、鋼材 21とアルミニウム材 22とが直接接合していないことを意味する。このため、本発明では、ナゲットと接する接合界面 26 における Zn層 30の平面方向に占める合計面積 S (mm²)が、前記したナゲットの平

4

面方向に占める面積 S(mm²)の 30%以下であることと規定する。この Zn層 30の平面方向に占める合計面積 Sは、後述するナゲット面積 Sなどと同様に、アルミニウム材 2

4

2側の接合界面において平面方向に占める面積である。

[0341] (Al Fe系化合物層）

3

本発明では、接合強度を高めるためには、図 5における、アルミニウム材 22側の A1

3

Fe系化合物層のナゲット中心部における、ナゲット深さ方向の平均厚さ 1を 0. 5〜1 0 μ mの範囲とすることが好ましい。

[0342] Al Fe系化合物は、アルミニウム材 22側に形成される金属間化合物 Al Feで、図 5

3 3

、 6、 7の通り、くさび状の形状に形成される。中央部 (ナゲット中心部)では、個々の化合物粒のサイズほたはくさび状、針状ィ匕合物粒の長さ)が大きぐナゲットの端部 (図 5 、 6、 7の左右方向)に向力うにつれ、徐々に厚み (粒、針のサイズと分布)が減少する。

[0343] このような Al Fe系化合物は、上記形状による効果も含めて、くさび (アンカー)効果

3

があり、アルミニウム材 22と Al Fe系化合物層との密着性を向上させ、接合強度を高

5 2

める。この効果は、 Al Fe系化合物層が薄過ぎては発揮されない。特に 1が 0. 20 μ

3 1

m未満では、上記くさび効果が不十分で、 Al Fe系化合物層との密着性が悪ぐ層

5 2

間の破断が生じやすいし、平滑な界面で破断する可能性がある。このため、アルミ- ゥム材 22側の Al Fe系化合物層のナゲット中心部における、ナゲット深さ方向の平

3

均厚さ 1を 0. 20 m以上とすることが好ましい。

[0344] 一方、 Al Fe系化合物層が成長しすぎて、層を厚く形成し過ぎると、カゝえって、個々

3

の化合物粒が破壊の起点となる。特に、 1が 10 mを超えた場合には、この傾向が顕著となる。このため、 Al Fe系化合物層のナゲット中心部における、ナゲット深さ方

3

向の平均厚さ 1の上限は 10 m以下とすることが好ましい。

[0345] (Al Fe系化合物層）

5 2

本発明では、接合強度を更に高めるために、鋼材 21側の金属間化合物 Al Feである、 Al Fe系化合物層の、ナゲット深さ方向の平均厚さ 1も 0. 20〜5 μ mの範囲

5 2 2

であることが好ましい。この Al Fe系化合物層も、ナゲットの端部 (図 5、 6、 7の左右

5 2

方向)に向力につれ、徐々に厚み (粒、針のサイズと分布)が減少する。この Al Fe

5 2 系化合物層の平均厚さ 1 この

2力範囲より薄過ぎても、また厚過ぎても接合強度を低下させる可能性があり、その理由は、上記したアルミニウム材 22側の Al Fe系化合物

3

層の場合と同様である。

[0346] (両化合物層の面積）

図 4において、以上説明した、 Al Fe系化合物層のナゲット深さ方向の平均厚さ 1と

3 1

、 Al Fe系化合物層のナゲット深さ方向の平均厚さ 1との合計平均厚さ 1がナゲット深

5 2 2

さ方向のこれら 2層の合計の平均厚さである。

[0347] 本発明では、接合強度を高めるために、この合計平均厚さ 1が 0. 5〜： LO /z mである部分の前記面積 S (アルミニウム材 22側の接合界面にぉ、て平面方向に占める面積 S )を、図 9に示す通り、大きくする。即ち、ナゲット面積 S (アルミニウム材 22側の接合界面において平面方向に占める面積 S、図 4に記載)の 50%以上であると規定する。

[0348] 即ち、 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層との特定厚み部分の接合部界面に

3 5 2

おける平面方向の面積 Sは、大きい方が接合強度が高くなる。この面積 Sが図 10に示す通り小さぐナゲット面積 Sの 50%未満では、同一強度である場合、ナゲット面積 Sが大きいほど、接合部の破断荷重 (接合強度)は低下する可能性が高い。一方、ナゲット面積 Sが小さい場合には、接合部は同じくより低い荷重にて破断しやすくなる。

[0349] 上記 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層との面積 Sが図 9に示す通り大きい場

3 5 2 1

合、接合力の高い接合部 (接合界面)面積が十分に大きいため、より大きな破断荷重となる。その結果、接合界面がアルミ基材よりも十分に破断荷重が高いため、界面破断せずアルミニウム材側が破断するようになる。

[0350] 上記した最適厚さの界面反応層の面積規定は、接合強度の観点力ではあるが、アルミニウム材側の化合物層と鋼材側の化合物層とを最適範囲に制御するものである。このため、本発明が指向する方向としては、薄い程良いという従来の常識とは異なり、むしろ積極的に存在させる方向である。そして、接合強度向上のために、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成する、言い換えると広範囲に存在させるという技術思想に基づく。

[0351] (Zn— Fe系化合物）

また、本発明では、一方で、化合物あるいは化合物層としては不純物であり、接合強度を阻害するために、金属間化合物である Zn—Fe系化合物を規制する。具体的には、これら Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層との 2層中に各々含まれる (生成

3 5 2

する) Zn—Fe系化合物を規制する。

[0352] 図 5に示したように、 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層の 2層中に各々含まれ

5 2 3

る (生成した)、 Zn—Fe系化合物層の断面方向（図の上下方向）に占める合計面積 S

3 とする。また、これら 2層の合計の平均厚さが 0. 5〜： LO mである化合物層部分の断面方向に占める面積を Sとする。本発明では、この Zn—Fe系化合物層の合計面積

2

Sの、前記 2層の化合物層の特定厚さ部分の断面方向に占める面積 Sの 10%以下

3 2

の割合であることと規定する。

[0353] 脆い Zn— Fe系化合物層の合計の面積 S力前記した面積 Sとこの Sとの合計、 S

3 2 3

+ Sの 10%を越えた場合には、接合部の接合強度が著しく低下する。なお、 Zn—

2 3

Fe系化合物は Fe— Zn系化合物とも言う。

[0354] (Zn層の面積）

更に、本発明では、好ましい条件として、前記した通り、ナゲットと接する接合界面 2 6における Zn層 30の平面方向に占める合計面積 S 1S 前記したナゲットの平面方向

4

に占める面積 Sの 30%以下であることと規定する。

[0355] Zn層は、前記した通り、鋼材表面における亜鉛めつき層の残存分であり、 Zn層が図 4に示すように、ナゲット端部 (周縁部)の接合界面 26に残存する場合には、その部分では、鋼材 21とアルミニウム材 22とが直接接合していないことを意味する。この脆い Zn層の合計面積 S力上記観察される平面方向のナゲット面積 Sの 30%を越え

4

た場合には、接合部の接合強度が著しく低下する可能性が高!、。

[0356] ナゲットと接する接合界面 26における Zn層 30の平面方向に占める合計面積 Sの

4 測定は、 Zn層 30の存在する各部位における断面方向の 200倍の光学顕微鏡での観察結果から、図 4と図 9とに示すように、 Zn層 30が、ナゲットと接する接合界面 26 にナゲットの円周方向に対称的に存在すると仮定して測定できる。

[0357] (接合強度と破断形態）

本発明の場合に、接合強度が高い場合、接合界面は破断せず、接合部がプラグ状に破断 (Al Fe系化合物層が存在する範囲より外側にて、アルミニウム材が内部に

3

て板厚方向に破断)する。言い換えると、このような接合部の破断形態は、本発明の接合強度の高さを表して!ヽる。

[0358] 一方、従来のように接合強度が低い場合、接合界面で破断し、 Al Fe系化合物層

5 2

と Al Fe系化合物層との間あるいはどちらかの化合物層内部にて破断する。言い換

3

えると、このような接合部の破断形態は、接合強度の低さを表している。

[0359] (金属間化合物の特定方法）

本発明における、 Al Fe系化合物層や Al Fe系化合物層の特定は、接合部の断

3 5 2

面を HAADF— STEM像（5000倍〜 10000倍）にて EDX(Energy Dispersive X- ra y spectroscopy)点分析による半定量分析を実施して同定される。言い換えると、以下に説明する HAADF— STEM法を用いて、接合部界面を測定しない限り、本発明で規定する金属間化合物の識別や、金属間化合物層の厚さや面積の正確な測定は難しいとも言える。

[0360] これら金属間化合物同士の区別 (識別)は、上記半定量分析において、接合部界面の複数の (できるだけ多くの)測定点の組成を測定し、 Fe、 Al、 Zn (at%)を百分率とした際の組成により行なう。即ち、表 10に示す通り、「A1 Fe系化合物」の組成は、 Fe

5 2

量が 24. 0〜29. Oat%、 Al量が 70. 0〜74. 0& ％の範囲とする。「A1 Fe系化合

3

物」の組成は、 Fe量が 18. 0〜24. Oat%、 A1量が 74. 5〜81. Oat%の範囲とする。更に、 Zn—Fe系化合物の組成は、代表的な Fe Znの組成とし、 Fe量が 31. 0〜4

3 7

0. 0at%で、 Zn量力 60. 0〜69. 0at%の範囲とする。

[0361] ここで、上記各界面反応層の組成の判断 (識別）基準は以下の通りである。即ち、「 Al Fe系化合物」や「A1 Fe系化合物」は、 EDX点分析によって、 Feと A1とがともに

5 2 3

10質量％以上検出される層とした。言い換えると、 Feと A1とがともに 10質量％未満である層は、本発明で特定する界面反応層とはしなかった。

[0362] また、 Zn—Fe系化合物は、同じく EDX点分析によって、 Feが 27. 7質量％以上検出され、かつ Znが 72. 3質量％以下検出される層とした。 Znが検出されても、 Feが 2 7. 7質量％以上検出されない層は、元々存在する Znめっき層、あるいは Zn層 30と判別し、界面反応層とはしな力つた。

[0363] Zn—Fe系化合物の組成は、代表的な Fe Zn [Fe27. 7〜36. 3質量％(Fe31. 0

3 7

〜40. Oat%)]のみの組成とし、 Znめっき層に含まれる、その他の相とは区別した。その他のネ目とは、 ζネ目 [FeZnl3 :Fe5. 8〜6. 2質量⁰ /₀ (Fe6. Ί〜Ί . 2at%)]、 δ 1 相 [FeZn： Fe7. 3〜： L I. 3質量⁰ /₀ (Fe8. 5〜13. Oat%)]、 Γ 目 [Fe Zn ： Fel6.

7 5 21

2〜20. 8質量⁰ /₀(Fel8. 5〜23. 5at%)]、 Γ相 [Fe Zn ： Fe21. 2〜27. 7質量⁰ /₀(

3 10

Fe24. 0〜31. Oat%)]である (Znメツキ層の組成に関する出展:社団法人日本鉄鋼協会編集、第 138、 139回西山記念講座「表面処理技術の進歩と今後の動向」 p.l5 (平成 3年 5月 1日発行)参照)。

[0364] また、界面反応層の相として、 Al Fe、 Al Fe、 Fe Znが認められているが、組成

5 2 3 3 7

は必ずしも化学両論組成で構成されておらず、ある程度の組成幅を持っている。それに関しては、 TEMによる電子線回折による結晶構造力相を同定し、それぞれの相に関して EDXにて Fe、 Al、 Si、 Mn、 Zn元素の測定を行った。その結果、実際には、 Al Fe、 Al Fe相に関しては化学両論組成よりも Feの割合が少ない側、 Fe Zn

5 2 3 3 7 相に関しては化学両論組成よりも Feの割合が多い側に相の組成がずれていることが判明した。これらの結果を基に、 Fe、 Al、 Znの割合が表 10に示す範囲を満たすものをそれぞれの反応層の相と判定した。

[0365] なお、上記 HAADF— STEM法（High Angle Annular Dark Field-Scanning Trans mission Electron Microscope)は、高角側に散乱された弾性散乱電子を円環状検出器で集めて像信号を得る手法である。 HAADF— STEM像は回折コントラストの影響をほとんど受けず、コントラストは原子番号 (Z)のほぼ 2乗に比例するという特徴があり、得られた像がそのまま組成情報をもつ 2次元マップとなる。微量元素も感度良く検出できるため、接合界面の微細構造解析に有効である。

[0366] より具体的には、接合体のナゲット中央部にて切断し、断面が観察できるよう榭脂に埋め込んで鏡面研磨を行ったものを、 SEMにて界面反応層の各化合物層の平均厚さを概略測定する。その後、ナゲット中心部及び Al Fe系化合物と目される層の存在境界より内側の部分、 Al Fe系化合物と目される層の存在境界の内外の部分、

3

各化合物と目される層の深さ方向長さが上限を上回ると目される箇所の内外の部分を日立製作所製集束イオンビ-ム加工装置 (FB— 2000A)を用いて TEM観察可能な厚さまで FIB加工を施すことにより試料を薄くし、観察 '分析用試料として供する。

[0367] そして、 HAADF検出器を備え^ JEOL製電界放射型透過電子顕微鏡 (JEM— 20 10F)を用い、カロ速電圧 200kVにて、視野 100 mの範囲（5000倍〜 10000倍）で観察し、各粒、異相について全て EDX点分析を行い、 Al Fe系化合物層や、 Al Fe

3 5 2 系化合物層の同定を行う。

[0368] 図 4における Al Fe系化合物の深さ方向の厚さ（長さ） 1は、得られた視野 100 m

3 1

の HAADF— STEM像より、全ての Al Fe系化合物と同定された粒 ·針の深さ方向

3

の長さを測定し、平均化した。

[0369] 図 5における Al Fe系化合物層の深さ方向の厚さ (長さ） 1は、同像より、厚さを 5点

5 2 2

測定し、平均した。以上の測定を、観察 '分析用試料全てについて実施した。

[0370] (金属間化合物平面方向面積の測定方法）

これらの測定により、 Al Fe系化合物層や Al Fe系化合物層の 2層のナゲット深さ

3 5 2

方向の合計の平均厚さ 1が 0. 5〜： LO mである部分の、アルミニウム材側の接合界面において平面方向に占める合計面積 Sを求めた。また、アルミニウム材側の接合界面において平面方向に占めるナゲット面積 Sも同様に求めた。即ち、図 9、 10に示すように、これらの層がナゲット円周方向に対称であると仮定して、断面での半径方向の存在位置から、同心円と仮定して平面方向の面積を計算した。更に、 Zn層 30の平面方向の合計面積 Sも同様な計算方法とした。即ち、前記図 4に示すように、 Zn

4

層 30が存在する場合には、ナゲットの円周 (周縁)に沿って存在する。このため、 Zn 層 30の存在を確認した場合には、 Zn層 30がナゲット円周方向に対称であると仮定して、断面での半径方向の存在位置から、同心円と仮定して平面方向の面積を計算した。

[0371] (金属間化合物断面方向面積の測定方法）

このようにして EDX点分析で同定、測定された、 Al Fe系化合物層や Al Fe系化

3 5 2 合物層の 2層のナゲット深さ方向の合計の平均厚さ 1が 0. 5〜： LO mである部分の断面方向の合計面積 S、上記 2層中に各々含まれる Zn— Fe系化合物層の断面方

2

向の合計面積 S、などの測定は、同定された接合界面の部位を前記 SEM観察、 20

3

00倍〜 10000倍 (平均厚さ 1が 1 μ m以上の場合は 2000倍、平均厚さ 1が 1 μ m未満の場合は 2000倍)の倍率での SEM観察を行い求めた。具体的には、ナゲット半径中心部より、半径方向に 500 mの各位置において、視野の幅 100 mで各反応層の断面方向の面積を測定し、その計測を反応層が存在する位置までナゲット半径方向に行い、それらを合計して求めた。

[0372] なお、これらの結果を、同じぐ 2000倍〜 10000倍の倍率での TEM観察を行い検証しても良い。例えば、図 6に示す接合界面の 5000倍の SEM写真、図 7に示す同じ接合界面の 5000倍の TEM写真で、点線で示す部分が接合界面であるが、この接合界面は TEM写真の方が目視的には判別しやすい。

[0373] (ナゲットの大きさ）

図 4におけるスポット溶接部のナゲット 25のアルミニウム材側の接合界面における平均径 tは、接合強度を確保するために、 7mm以上であることが好ましい。言い換えると、ナゲット 25の平均径が 7mm以上となるようにスポット溶接条件を選定することが好ましい。

[0374] ナゲット 25の平均径が 7mm未満では、ナゲット面積力、さ過ぎ、接合強度が不十分となる可能性が高い。一方、ナゲット 25の平均径は好ましくは 12mm以下とする。ナゲット 25の平均径が 12mmを越えると、接合強度を得るのには十分である力チリが発生しやすぐアルミニウム材の減肉量が多いため、逆に接合強度が低下する。

[0375] 従来から、同種の金属材料をスポット溶接する際には、金属材料の厚み tに対して、スポット溶接部におけるナゲット 25の面積を 20 X t ⁵mm²程度とすることが強度的にも作業性からみても、経済性からみても最適であるとされて、る。

[0376] しかし、本発明では、異種金属材料同士の接合について、これよりも、上記同種の金属材料よりも大きなナゲット面積とする。スポット溶接部におけるナゲット 3の平均径力^ mm以上となるようにスポット接合することで、十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性ともに優れる。

[0377] (ナゲット面積の測定）本発明におけるナゲット 25のアルミニウム材 22側の接合界面において平面方向に占める面積 Sや、ナゲット 25の断面方向に占める面積 S、ナゲット平均径 (アルミ-ゥ

5

ム材 22側の接合界面において平面方向に占める径)の測定は、例えば 200倍の光学顕微鏡での観察により測定可能である。即ち、接合界面にて剥離もしくは切断により分断したアルミニウム材側のナゲットを複数のサンプル画像解析して測定し、その平均を求める。この際、観察面は、ナゲット中心を中心とする断面にて行なう。ナゲット形状が略円形状の場合は、接合部を切断して断面より光学顕微鏡にて観察し、形成して、るナゲットのアルミニウム材側接合界面における径を、複数のサンプルにて測定し、その平均を求めても良い。その場合、少なくとも直交した 2方向のナゲット径を測定する。

[0378] (アルミニウム材の減肉量）

接合強度を確保する意味で、スポット溶接による接合後のアルミニウム材の減肉量できるだけ小さくすることが望ましい。この目安として、最小残存板厚 Atが元厚 t

2の 5

0%以上であることが望ましい。より望ましくは最小残存板厚 Atが元厚 tの 90%以上

2

であることが良い。このアルミニウム材の最小残存板厚 Atは、接合断面より 200倍の光学顕微鏡にて観察し、板厚減肉長さを測定して、元の板厚との差を取って求めることがでさる。

[0379] (スポット溶接）

図 11に異種接合体を得るための、前提となるスポット溶接の一態様を例示する。本発明スポット溶接方法の基本的な態様は、通常のスポット溶接の態様と同じである。図 11において、 21は鋼板、 22はアルミニウム合金板、 23は異種接合体、 25はナゲット、 27と 28は電極である。

[0380] 以下に、本発明異材接合体を得るためのスポット溶接の各条件を説明する。

(加圧力）

スポット溶接時の加圧力については、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るために、また、前記本発明で規定する最適範囲内とするためには、比較的高い加圧力を印加することが必要である。

[0381] 具体的には、接合部全体の板厚 t (図 4の t +t )との関係で、 l X t°- ⁵kN〜2. 5 X t° •⁵kNの比較的高い加圧力の範囲力選択する。但し、この比較的高い加圧力の範囲内でも、素材や他の溶接条件によって上記化合物の出来方は異なり、必ず前記本発明で規定する最適範囲内となるは限らない。このため、素材や他の溶接条件に応じて、前記比較的高い加圧力の範囲から、前記本発明で規定する最適範囲内となる最適加圧力を選択することが必要である。

[0382] 一方、上記範囲の比較的大きな加圧力を印加することで、電極チップなどの形状によらず、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。

[0383] 加圧力が 1 X t°- ⁵kN未満では、加圧力が低過ぎ、このような効果を得られな、。特に、 Rが先端にあるチップでは、接触面積が低下し、ナゲット面積の低下、電流密度の増加（=界面反応層の増大）につながるため、接合強度が低下する。また、 Al Fe

3 系化合物層の平均厚さ 1 Al Fe

1、 5 2系化合物層の平均厚さ 1

2、そして、これら 2層の合計の平均厚さ 1などが得られな、可能性が高い、。

[0384] 一方、加圧力を増加するとナゲット面積力、さくなる傾向にあり、加圧力が 2. 5 X t° •⁵kNを超えた場合、所望のナゲット面積を得ようとすると、下記最適電流を超える電流が必要となり、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。また、アルミニウム材の変形が大きぐ接合跡が大きな凹部となるため、外観上望ましくない。

[0385] (電流）

上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るためには、スポット溶接時の電流の制御を行ない、比較的高い電流を短時間流すことが必要である。

[0386] 具体的には、前記接合部の鋼材全体の板厚 t (図 4の t、但し 2枚以上鋼材が積層されている場合にはその鋼材全体の板厚)との関係で、 12 X t ' ⁵〜35 X t ⁵kAの比較的高い電流を、 320 X t °· ⁵msec以下の短時間流すことが必要である。但し、この比較的高い電流や時間の範囲内でも、素材や他の溶接条件によって上記化合物の出来方は異なり、必ず前記本発明で規定する最適範囲内となるは限らない。このため、素材や他の溶接条件に応じて、前記比較的高い電流や時間の範囲から、前記本発明で規定する最適範囲内となる最適電流や時間を選択することが必要である

[0387] また、このような比較的高、電流を短時間流すことで、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定ィ匕し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。

[0388] 12Xt °· ⁵kA未満、厳しくは 15 X t °' ⁵kA未満の低電流の場合、ナゲットが形成、成長するのに十分な入熱量が得られない。このため、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができない。また、 Al Fe系化合

3 物と Al Fe Si Mn系化合物との層の平均厚さ 1、 Al Fe系化合物層のナゲット中

19 4 2 1 5 2

心 ±0. 1mmの範囲内におけるナゲット深さ方向の平均厚さ 1、などが得られない可

2

能性が高い。

[0389] 一方、 35Xt ⁵kAを超える高い電流の場合には、余分な設備がかかり、作業'コスト面で不利となる。このため、これらの点からは電流を 35 Xt °'⁵kA以下とする。したがって、使用電流は 12 Xt °· ⁵〜35Xt °· ⁵kA、好ましくは 15Xt · ⁵〜35Xt · ⁵k Aの範囲とする。

[0390] (通電時間）

通電時間は、前記鋼材全体の板厚 tとの関係で、 320 Xt ⁵msec以下の比較的短時間とする。通電時間が 320Xt °· ⁵msecを超える長時間の場合、ナゲット径は確保できるが、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。上記のように、界面反応層を制御するには、通電時間が 320Xt °· ⁵msec以下、好ましくは 100 Xt °· ⁵msec〜280Xt °' ⁵msecとする。但し、前記した通り、素材や他の溶接条件に応じて、前記電流との関係で、前記本発明で規定する化合物制御が最適範囲内となる最適時間を選択することが必要である。

[0391] (2段通電）

接合界面の反応層を、本発明で規定する化合物層のようにするためには、通常の 1段の通電では無ぐ 2段通電あるいは 2段階スポット溶接で行なうことが好ましい。このように、スポット溶接の通電を 2段階とし、特に 2段目の通電値を 1段目の通電値よりも低くすることによって、鋼材表面の亜鉛めつき層を飛ばして (除去して)、鋼材とァルミ-ゥム材とを直接接合しやすくなる。

[0392] また、本発明化合物層規定の化合物層がより得やすくなる。即ち、異材接合体の接合界面に、鋼材側に Al Fe系化合物層、アルミニウム材側に Al Fe系化合物層が各

5 2 3

々生成しやすい。また、これら 2層の特定厚さ部分の面積 S力ナゲット面積 Sの 50 %以上となりやすい。更に、これら 2層中に各々含まれる Zn—Fe系化合物層の面積 S力断面方向の化合物面積 S +Sの 10%以下に抑制されやすい。また、ナゲット

3 2 3

と接する接合界面部における Zn層の合計面積 Sも、ナゲット面積の 30%以下に抑

4

制されやすい。

[0393] スポット溶接の通電を、この 2段階とする場合にも、前記した、 2段目の通電値を 1段目の通電値よりも低くする以外は、 1段目と 2段目とも加圧力は同じとし、かつ加圧力、電流値、合計通電時間は、前記した好ましい範囲内とすることが好ましい。これによつて、スポット溶接の効率を阻害しなヽで異材接合することができる。

[0394] (電極形状）

スポット溶接の電極チップの形状は、上記ナゲット面積と界面反応層を得られるのであれば、何れの形状でも良いし、鋼材側、アルミニウム材側の電極チップが異なる形状でも異なるサイズでも構わない。但し、鋼材側、アルミニウム材側の両側共に、図 5に示すような、先端が Rとなった「ドーム型」の電極チップが望ましい。このようなドーム型の場合、電極チップの先端径、先端 Rは、上記電流密度低下とナゲット面積増加を両立するためには、 7mm φ以上で、 lOOmmR以上である必要がある。また、極性についても規定するものではないが、直流スポット溶接を用いる場合は、アルミニゥム材側を陽極とし、鋼材側を陰極とする方が望まし、。

[0395] なお、特に先端径が 7mm φ以上で、かつ先端 Rが 120mmR以上の電極チップを双方に用いることで、上記電流密度低下とナゲット面積増加を最適に両立させることができる。このチップを用いた場合、前記鋼材板厚 tとの関係で、 1. 5 X t ' ⁵kN〜2 . 5 X t ^{0 5}kNのカロ圧力を印カロし、力つ 15 X t ^{0 5}〜35 X t · ⁵kAの電流を 3に O X t · ^&msec以下流すことが好ま、。

[0396] 最適接合条件は、以上説明したこれら各条件のバランスにあり、例えばチップ径ゃチップ加圧力の増加して、電流密度を低下した場合は、それに伴って電流量を増加して、界面反応層を最適厚さに制御する必要がある。

[0397] [実施例]

ほ 9]

[0398] [表 10]

8

(98 OMP a級高張力 G A鋼板)

12]

(98 OMP a級高張力 GA鋼板)

*+字引張試験結果で Xは接合しなかったことを意味する（以下の表も同じ）。3]

3228

(78 OMP a級高張力 G A鋼板)

* 32〜 39の鋼材板厚 t , 0. 9 mmは鋼材 1枚当たリの板厚（ 2枚の合計板厚は 1. 8 mm)] (78 OMP a級高張力 GA鋼板)

] (270-98 OMP a級 GA鍋板：亜鉛めつき膜厚 10 // m )

*42~57の鋼材板厚 t，は各々鋼材 1枚当たりの板厚（2枚の合計板厚は t , 2)

16] (270~980MP a級 GA鋼板：亜鉛めつき膜厚 1 0 flm)

異材接合体を表 11、 13、 15に示す各条件にて製作した。これら製作した各接合体にっき、各化合物の面積割合を前記した測定方法にて測定し、接合強度、アルミ二ゥム材の減肉量 (最小残存板厚）を評価した。これらのまとめとして、表 11の条件でのスポット溶接による接合結果を表 12に、表 13の条件でのスポット溶接による接合結果を表 14に、表 15の条件でのスポット溶接による接合結果を表 16に、各々示す。

[0406] (鋼材条件）

表 9に示す化学成分 (質量％)を含有する 4種類の供試鋼を溶製し、 0. 8〜1. 2m mの板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。この薄鋼板を、連続焼鈍によって 50 0〜： LOOO°Cの焼鈍後、油洗または水洗を行い、その後焼き戻しにより表 9に示す 4種類の各強度 (MPa)の鋼板を得た。

[0407] (アルミニウム材条件）

また、アルミニウム材については、全て共通して、板厚 1. Ommの市販の A6022ァルミ-ゥム合金板 (A1— 0. 6質量％— 1. 0質量⁰ /₀Si— 0. 08質量％Mn— 0. 17質量％ 6)を用いた。

[0408] (スポット溶接条件）

これら鋼板 (鋼材)とアルミニウム合金板 (アルミニウム材)とを JIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工した上で、表 10に示す条件でスポット溶接を行い、異材接合体を作成した。

[0409] スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用い、予め加圧力、溶接電流、時間など条件と、前記本発明で規定する化合物の平均厚みや面積の制御との相関関係を調查した。その上で、アルミニウム材の板厚 tに合わせて、加圧力、溶接電流、時間を

2

各々設定し、各表で示す条件にて、一点の溶接を行った。

[0410] 加圧力、溶接電流、通電時間は、用いた下記電極チップとの関係で、前記段落 03

95に記載した各好ましい範囲内で、変化させた。

[0411] そして、スポット溶接の通電を 2段階とする場合には、 2段目の通電値を 1段目の通電値よりも低くする以外は、 1段目と 2段目とも加圧力は同じとし、かつ加圧力、電流値、合計通電時間は、前記した好ましい範囲内とした。

[0412] 電極チップは全て Cu— Cr合金からなる 12mm φのドーム型で、電極先端の曲率を 150mmRとし、陽極をアルミニウム材、陰極を鋼材とした。

[0413] ナゲット径、アルミニウム最小残存板厚、 Znめっき層残存割合の測定は、スポット溶接後のサンプルを溶接部の中央にて切断し、榭脂に埋め込み、研磨、化学エツチングを施し、 200倍の光学顕微鏡での観察を行った。

[0414] 界面反応層の厚さ測定は、上記と同様の断面サンプルを用いて、前記した測定方法にて各々行った。

[0415] (接合強度の評価）

各接合体の接合強度の評価としては、異材接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、 A6022材同士の接合強度 = 1. OkNを基準にして、接合強度が 1.

5kN以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が 1. 0〜1. 5k

Nであれば〇、接合強度が 0. 5〜1. OkNであれば△、接合強度が 0. 5kN未満であれば Xとした。

[0416] なお、本実施例にて強度の評価に、十字引張試験を用いたのは、この十字引張試験の方が、剪断引張試験よりも、試験条件間での差異が大き力つたためである。但し、剪断引張試験も発明例力幾つ力選択して行なってみた結果では、この十字引張試験結果と合致しており、十字引張試験にて〇、◎の評価を得たものは、いずれも 2 . 5kN以上の高い剪断強度であった。

[0417] 表 12、 14、 16のスポット溶接による接合結果において、各発明例は、一定厚みを有する接合界面化合物層部分の平面方向に占める合計面積 Sのナゲット面積 Sに対する面積割合が 50%以上である。また、一定厚みを有する接合界面化合物層部分の断面方向に占める面積 Sに対する、 Zn—Fe系化合物層と他の 2層の合計面積

2

S +Sの割合が 10%以下である。更に、好ましい条件として、ナゲットと接する接合

2 3

界面における Zn層の平面方向に占める合計面積 S 1S ナゲット面積 Sの 30%以下

4

であり、ナゲット平均径が 7. Omm以上である。

[0418] この結果、各発明例は、表 12、 14、 16に示す通り、異材接合体の高い接合強度が得られている。そして、発明例の中でも、一定厚みを有する接合界面化合物層部分がより多いか、 Zn—Fe系化合物層部分がより少ない例ほど、異材接合体の接合強度が高い。また、好ましい条件である、ナゲット平均径が大きいほど、 Zn層の平面方向に占める合計面積 Sが少ないほど、異材接合体の接合強度が高い。

4

[0419] 一方、表 12、 14、 16のスポット溶接による接合結果において、各比較例は、平面方向に占める合計面積 Sのナゲット面積 Sに対する面積割合が 50%未満力、一定厚みを有する接合界面化合物層部分の断面方向に占める面積 Sに対する、 Zn-F

2

e系化合物層と他の 2層の合計面積 S +Sの割合が 10%を越えている。即ち、一定

2 3

厚みを有する接合界面化合物層部分が少な過ぎる力 Zn— Fe系化合物層部分が多過ぎる。このため、各対応する発明例に比して、異材接合体の接合強度が著しく低い。

[0420] ここで、表 12における発明例 8と比較例 7との接合界面糸且織の具体的な比較を行う。図 6、 7が発明例 8の接合界面組織であり、図 6は接合界面の 5000倍の SEM写真である。図 7は同じ接合界面の 5000倍の TEM写真である。図 6、 7から分かる通り、発明例 8の接合界面組織には、鋼材側に Al Fe系化合物層、アルミニウム材側に A1

5 2

Fe系化合物層を各々有して、ることが分かる。

3

[0421] 一方、図 12に、比較例 7の接合界面組織であり、接合界面の 5000倍の TEM写真を示す。図 12から分力る通り、比較例 7の接合界面組織は、アルミニウム材側に Al F

3 e系化合物層を各々有しているものの、鋼材側には、 Al Fe系化合物層が存在しな

5 2

いことが分かる。

[0422] 図 8に、これら発明例 8と比較例 7との、 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層との

3 5 2

2層の合計の平均厚さの、ナゲット中心部からの距離による分布を示す。図 8において、これら 2層の合計の平均厚さ 1が 0. 5〜： L0 mである部分は二つの点線の範囲内で示される。

[0423] 黒三角で示す発明例 8は、平均厚さが厚過ぎるナゲット中心部を除いて、ナゲット中心部からの距離が 4000 μ mの部分まで、その平均厚さ 1が 0. 5〜10 μ mである部分が延在している。これを、アルミニウム材側の接合界面において平面的に示すと、図 9のようになる。即ち、発明例 8は、ナゲットのアルミニウム材側の接合界面において平面方向に占める面積 Sに対する面積割合が 80%であり、ナゲット中心部とナゲット周縁部だけを除いて、ほとんどナゲット (面積 S)に近似 (重複)している。

[0424] これに対して、発明例 8の下方の黒丸で示す比較例 7は、その平均厚さ 1が 0. 5〜1 0 μ mである部分は、ナゲット中心部からの距離が 2000 μ mの部分までである。これを、アルミニウム材側の接合界面において平面的に示すと、図 10のようになる。即ち、比較例 7は、ナゲットのアルミニウム材側の接合界面において平面方向に占める面積 Sに対する面積割合が 36%であり、ナゲット中心部とその周辺部だけがナゲット (面積 S)と重複して、るのみである。

[0425] したがって、以上の実施例から、異材接合体の高!ヽ接合強度を得るための、本発明における接合界面での界面反応層の厚さ、構造規定の臨界的な意義が裏付けられる。

産業上の利用可能性

[0426] 本発明によれば、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材との異材接合体を形成するに際して、従来技術のように、他の材料を新たに用いることなぐまた、新たな別ェ程を追加する必要がなぐ既存のスポット溶接機を用いることができるため、大幅なコスト削減を実現できる。

[0427] また、本発明によれば、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合する際の接合強度を高めるとともに、接触腐食とそれによる接合強度の低下とを抑制できる異材接合体及びそのスポット溶接法を提供できる。

[0428] また、本発明によれば、クラッド材などの他材料を入れることなぐまた別工程を入れることなく、更に、鋼材側やアルミニウム材側、あるいはスポット溶接側条件を大きく変えることなぐ接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との異材接合体を提供できる。

このような接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。

したがって、本発明は鋼材とアルミニウムとの異材接合体の用途を大きく拡大するものである。

Claims

請求の範囲

[1] 板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5〜4. Ommである、純アルミ-

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ゥム材またはアルミニウム合金材 (以下、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材を「アルミニウム材」という。 )とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって

、接合部におけるナゲット面積が 20 X t °· ⁵〜： LOO X t °· ⁵mm²であり、界面反応層の

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厚さが 0. 5〜3 /ζ πιである部分の面積が 10 X t ⁵mm²以上であり、かつ接合部中心

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と接合部中心から接合径の 1Z4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が 5 μ m以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体。

[2] 前記界面反応層の最大厚さが、 0. 5〜： L0 mの範囲である請求項 1に記載の鋼材とアルミニウム材との接合体。

[3] 請求項 1または 2に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、被接合材との接触が、 2点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップ。

[4] 請求項 1または 2に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径 2mm以上の凹部が形成されている請求項 3に記載の電極チップ。

[5] 請求項 1または 2に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、一対の電極チップのうち少なくとも片方に請求項 3または 4に記載の電極チップを用いることを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。

[6] 請求項 1または 2に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を 5°C以下に冷却してスポット溶接することを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。

[7] 板厚 tが 0. 3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0. 5〜4. 0mmであるアルミニウム

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材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、これら接合される鋼材とアルミ二ゥム材との互いの接合面間に、融点力 S350〜1000°C、平均厚みが 3〜19 /ζ πιの Ζηまたは Ζη合金あるいは Αほたは A1合金の皮膜と、有機榭脂接着剤皮膜またはリン酸塩皮膜とが予め設けられた状態でスポット溶接されており、スポット溶接後の溶接部における界面反応層の厚さが 0. 5〜5 /ζ πιの範囲である部分の面積が 10 X t °· ⁵mm²以上であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[8] 前記界面反応層の厚さが 0.5〜5 μ mの範囲である部分の面積が 50 Xt °' ⁵mm²

2 以上である請求項 7に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[9] 前記 Zn皮膜が、鋼材側の表面に施された 88質量％以上の Znを含むめっき皮膜である請求項 7または 8に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[10] 板厚 tが 0.3〜3. Ommである鋼材と、板厚 tが 0.5〜4. Ommであるアルミニウム

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材との異材接合体のスポット溶接方法であって、これら接合される鋼材とアルミニウム材との互いの接合面間に、融点力 S350〜1000°C、平均厚みが 3〜19 μ mの Znまたは Alの金属又は合金皮膜と、有機榭脂接着剤皮膜またはリン酸塩皮膜とを予め設けた状態でスポット溶接するとともに、このスポット溶接において、アルミニウム材側の電極チップの先端径を 7mm φ以上として、電極チップによる加圧力を、先端曲率半径 Rmmと加圧力 WkNとの関係が（RXW)^1/3/R>0.05となるように印カロし、力つ 15 Xt ⁵〜30Xt 八の電流を100 °· ⁵〜： LOOOXt · ⁵msec流す工程を有する

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とともに、この工程より高い電流を流す工程が存在しない電流パターンにてスポット溶接することを特徴とする異材接合体のスポット溶接方法。

[11] 前記 15Xt °'⁵〜30Xt ⁵kAの電流を lOOXt ^{0 5}〜： LOOOXt ⁵msec流す工程

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よりも後の工程で、 lXt ° ⁵〜10Xt ^{0 5}1^の電流を100 ^{0 5}〜： LOOOXt °· ⁵mse

2 2 2 2 c流す工程を存在させた電流パターンにてスポット溶接する請求項 10に記載の異材接合体のスポット溶接方法。

[12] 板厚 tが 0.3〜3.0mmで、亜鉛めつき層の平均厚みが 3〜19 μ mである亜鉛めつき鋼材と、板厚 tが 0.5〜4.0mmであるアルミニウム材とをスポット溶接にて接合

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した異材接合体であって、

この異材接合体の接合界面において、

鋼材側に Al Fe系化合物層、アルミニウム材側に Al Fe系化合物層を各々有し、

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これら 2層のナゲット深さ方向の合計の平均厚さが 0.5〜： L0 mである部分の、ァルミ-ゥム材側の接合界面において平面方向に占める合計面積力ナゲットのアルミユウム材側の接合界面にぉ、て平面方向に占める面積の 50%以上の割合を占め、かつ、 SEMによる、前記 Al Fe系化合物層と Al Fe系化合物層のナゲット深さ方向のこ

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れら 2層の合計の平均厚さが 0. 5〜： LO mである接合界面部分の断面観察において、

これら 2層中に各々含まれる Zn— Fe系化合物層の断面方向に占める合計面積が、これら 2層の合計の平均厚さが 0. 5〜： LO mである部分の断面方向に占める面積と Zn—Fe系化合物層の断面方向に占める合計面積との合計の 10%以下の割合であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[13] 前記ナゲットのアルミニウム材側の接合界面における平均径が 7mm以上であり、このナゲットと接する接合界面における Zn層の平面方向に占める合計面積が、ナゲットのアルミニウム材側の接合界面にぉ、て平面方向に占める面積の 30%以下である請求項 12に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[14] 異材接合部における前記アルミニウム材側の最小残存板厚が元のアルミニウム材板厚の 50%以上である前記請求項 12または 13に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。

[15] 前記鋼材とアルミニウム材との板厚比 t Zt力^以上である請求項 12〜14のいず

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れカ 1項に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。