マグネシウム合金と鋼の異種金属接合方法及び接合構造
【課題】Ｆｅ−Ｍｇ二元状態図が二相分離型を示し、直接的な接合が冶金的なには困難なマグネシウム合金と鋼との組合せであっても、強固な接合が可能な抵抗スポット溶接によるマグネシウム合金と鋼の異種金属接合方法を提供すること。
【解決手段】抵抗スポット溶接によってマグネシウム合金材と鋼材を接合するに際して、Ｍｇと共晶溶融を生じる亜鉛を含むめっき層１ｃを第３の材料として備えた亜鉛めっき鋼板１とＡｌ含有するマグネシウム合金材１を使用すると共に、マグネシウム合金材１の板厚ｔに応じた曲率半径Ｒの先端曲面を有する電極を用いて通電加熱及び加圧を行うことによって、ＭｇとＺｎの共晶溶融を生じさせて酸化皮膜２ｆや不純物などを排出物Ｗとして接合界面から排出すると共に、Ａｌとの金属間化合物を接合面に生成させ、Ａｌ−Ｍｇ系やＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層３を介して両材料１，２を接合する。
【解決手段】抵抗スポット溶接によってマグネシウム合金材と鋼材を接合するに際して、Ｍｇと共晶溶融を生じる亜鉛を含むめっき層１ｃを第３の材料として備えた亜鉛めっき鋼板１とＡｌ含有するマグネシウム合金材１を使用すると共に、マグネシウム合金材１の板厚ｔに応じた曲率半径Ｒの先端曲面を有する電極を用いて通電加熱及び加圧を行うことによって、ＭｇとＺｎの共晶溶融を生じさせて酸化皮膜２ｆや不純物などを排出物Ｗとして接合界面から排出すると共に、Ａｌとの金属間化合物を接合面に生成させ、Ａｌ−Ｍｇ系やＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層３を介して両材料１，２を接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合面に酸化皮膜が存在し、しかも直接的な接合が冶金的に困難な異種金属材料の組み合わせであるマグネシウム合金と鋼との抵抗スポット溶接による接合技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異種金属材料の種々の組み合わせの中で、マグネシウム合金材と鋼材とを組み合せて接合する場合、マグネシウム合金材の表面には酸化皮膜が存在し、さらに接合時の加熱過程で鋼表面の酸化皮膜が成長することから、大気中での接合が困難となる。
しかも、Ｆｅ−Ｍｇ二元状態図は二相分離型を示し、互いの固溶限も非常に小さいことから、これら金属を主成分とする上記材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。
【０００３】
そこで、従来、このようなマグネシウム系材料と鋼とを組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベット等による機械的締結によっていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２７２５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、接合に用いる部品点数が増加することから、接合部材の重量やコストが増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このようなマグネシウム系材料と鋼との接合における上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、抵抗スポット溶接装置を用いて、冶金的な接合が直接的には困難なマグネシウム合金と鋼とを強固に接合することができる異種金属接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的の達成に向けて、鋭意検討を重ねた。その結果、マグネシウム合金材の板厚に応じた曲率半径の先端曲面を備えた電極を用いて、接合界面に生じさせた共晶溶融による反応生成物を排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を生成させることによって上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際し、上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させておく。そして、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜２．３ｍｍの場合には６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００、ｔ≧２．３ｍｍの場合には１００≦Ｒ≦１５０の電極を使用し、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介してマグネシウム合金と鋼とを接合するようにしている。
【０００８】
また、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜０．５ｍｍの場合は４０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ＜０．８ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．８ｍｍ≦ｔ＜１．６ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１２５ｍｍ、１．６ｍｍ≦ｔ＜２．３ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍ、２．３ｍｍ≦ｔ≦４．０ｍｍの場合は１００ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍの電極を使用し、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介してマグネシウム合金と鋼とを接合するようにしている。
【０００９】
また、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造は、上記方法によって得られるものであって、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士がＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物及びＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の一方又は双方を含む化合物層を介して接合されており、この接合部の周囲には共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されている。そして、マグネシウム合金材の表面には、その板厚ｔに応じた曲率半径Ｒ、すなわちｔ＜２．３ｍｍの場合には６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００、ｔ≧２．３ｍｍの場合には１００≦Ｒ≦１５０の圧痕が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、抵抗スポット溶接によりマグネシウム合金材と鋼材とを接合するに際し、両材料の間にＭｇ及び／又はＦｅと共晶溶融を生じる金属を含む第３の材料を介在させると共に、マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを添加しておき、マグネシウム合金材に当接する電極先端面の曲率をその板厚に応じて選択するようにしている。したがって、共晶溶融反応に伴って、酸化皮膜が低温で容易に接合界面から排出できると共に、Ａｌとの金属間化合物を含む化合物層が接合界面に介在することによって、マグネシウム合金と鋼の組み合わせにおいても、強固な接合が達成されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の異種金属接合方法や、これによって得られる接合構造について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を表すものとする。
【００１２】
本発明の異種金属接合方法においては、上記したように、マグネシウム合金材（Ｍｇが主成分）と鋼材（Ｆｅが主成分）を接合するに際して、まず、両材料の間にＭｇ及びＦｅの一方又は双方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させる。このとき、マグネシウム合金材及び第３の材料の一方又は双方には、両材料の主成分であるＭｇ及びＦｅのそれぞれと金属間化合物を形成するＡｌを予め添加しておく。
そして、接合に際しては、抵抗スポット溶接装置による通電加熱及び加圧によって共晶溶融を生じさせ、その反応生成物を接合界面から排出するようにしているが、マグネシウム合金材側の電極として、その先端当接面の曲率半径Ｒがマグネシウム合金材の板厚ｔに応じて定まる最適なものを用いるようにしている。
【００１３】
すなわち、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には、（６．２５ｔ＋３７．５）ｍｍ以上、（３１．２５ｔ＋１００）ｍｍ以下の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が２．３ｍｍ以上の場合には、１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の曲率半径の電極を使用するようにしている。
言い換えると、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が０．５ｍｍに満たない場合は４０ｍｍ以上１００ｍｍ未満の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１００ｍｍ未満の曲率半径の電極、板厚が０．８ｍｍ以上１．６ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１２５ｍｍ未満の曲率半径の電極、板厚が１．６ｍｍ以上２．３ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満の電極、板厚が２．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の場合は１００ｍｍ以上１５０ｍｍ未満の電極をそれぞれ使用する。
【００１４】
したがって、接合面の温度分布や加圧力分布が均一なものとなり、両材料の融点よりも低い温度で、接合の阻害要因である酸化皮膜が共晶溶融生成物と共に接合界面から容易に除去されることになる。また、接合界面にＡｌが存在することによって、Ａｌとの金属間化合物が生成され、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層が接合界面に介在することによって、冶金的に直接接合が困難なマグネシウム合金と鋼の組み合せであっても相互拡散が可能となり、高強度な接合が可能になる。
【００１５】
このとき、継手強度をより向上させる観点からは、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には（２０．８３ｔ＋８３．３３）ｍｍ以上、（１５．６２５ｔ＋４３．７５）ｍｍ以下の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が２．３ｍｍ以上の場合には１００ｍｍを超え、１５０ｍｍ未満の曲率半径の電極を用いることが望ましい。
【００１６】
ここで、第３の材料中に含まれる金属としては、ＭｇやＦｅと共晶溶融を生じる金属でありさえすれば、特に限定されず、代表的にはＺｎ（亜鉛）を用いることができるが、この他には、Ｃｕ（銅）やＳｎ（錫）、Ｎｉ（ニッケル）を用いることもできる。また、これらは単独でも、これらの２種以上を併せて用いることもできる。
すなわち、Ｍｇ−Ｚｎ系合金は３４１℃及び３６４℃に２点、Ｍｇ−Ｃｕ系合金は４８５℃及び５５２℃に２点の共晶点をそれぞれ有している。また、Ｍｇ−Ｓｎ系合金及びＭｇ−Ｎｉ系合金にはそれぞれ５６１℃及び５０６℃の共晶点があることが知られている。
【００１７】
このような第３の材料は、マグネシウム合金材や鋼材のいずれか一方、あるいは双方の接合面に予めめっきしておくことが望ましい。すなわち、洗浄後の清浄面にめっきしておくことによって、第３の材料をインサート材として挟み込む工程が不要になって、作業効率が向上する。また、共晶反応により溶融されためっき層が、表面の酸化皮膜や不純物と共に接合部周囲に排出された後は、めっき層の下から極めて清浄な新生面が現れるため強固な接合を可能とすることができる。
【００１８】
さらに、上記第３の材料として、鋼材に施された亜鉛めっき層を用いること、言い換えると、例えばＪＩＳ Ｇ ３３０２やＧ ３３１３に規定されている亜鉛めっき鋼板を用いることができる。
これによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、防錆目的でめっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、マグネシウム合金材との強固な接合を行うことができるようになる。
【００１９】
本発明の異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材と鋼材とをＭｇ及びＦｅの一方、又はそれぞれとＡｌとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合する。そのためには、接合界面にＡｌが存在すること、具体的にはマグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方に予めＡｌを添加しておくことが必要となる。
【００２０】
Ａｌを含有するマグネシウム合金材として、例えばＡＳＴＭ（アメリカ材料試験協会）には、ＡＺ３１（約３％Ａｌ）、ＡＺ６１（約６％Ａｌ）、ＡＺ８１（約８％Ａｌ）、ＡＺ９１（約９％Ａｌ）、ＡＺ１０１（約１０％Ａｌ）などのＡｌ−Ｚｎ系マグネシウム合金や、ＡＭ６０（約６％Ａｌ）、ＡＭ１００（約１０％Ａｌ）などのＡｌ−Ｍｎ系マグネシウム合金が規定されている。
したがって、マグネシウム合金材としてこれらの合金を利用することによって、改めて合金調合することなく、Ａｌ含有のマグネシウム合金材を安価に入手し、本発明に適用することができる。
【００２１】
一方、表面にＺｎ−Ａｌ合金から成るめっきを施しためっき鋼板がＪＩＳ Ｇ ３３１７（Ｚｎ−５％Ａｌ）やＧ ３３２１（５５％Ａｌ−Ｚｎ）に規定されており、このような市販鋼板を鋼材として使用することもでき、Ａｌを含有しないマグネシウム合金との接合に好適に用いることができる。
【００２２】
ここで、共晶溶融について、Ｍｇ−Ｚｎ系合金の例について説明する。
図１は、Ｍｇ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＭｇ−Ｚｎ系には、共晶点が２点（Ｔｅ１及びＴｅ２）あり、それぞれ３４１℃及び３６４℃であり、マグネシウムの融点６５０℃よりも遙かに低い温度で共晶反応を生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してＭｇとＺｎの共晶溶融を作り出し、接合時の酸化皮膜除去に利用することによって、接合性を阻害するマグネシウムの酸化皮膜を低温で確実に除去できると共に、接合時の界面温度をより均一に保持できるようになり、安定した接合が実施できる。
【００２３】
なお、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、共晶温度以上に加熱保持すると反応が生じ、これを共晶溶融といい、共晶組成は相互拡散によって自発的に達成されるため、組成のコントロールは必要ない。
【００２４】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明によるマグネシウム合金材と鋼材（亜鉛めっき鋼板）との接合過程を示す概略工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Ｍｇと共晶を形成する金属として亜鉛を含む亜鉛めっき層（第３の材料）１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、マグネシウム合金材２を用意する。そして、図２（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とマグネシウム合金材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ねる。なお、マグネシウム合金材１には、予め適量のＡｌ（例えば、６％程度）が添加されており、表面には酸化皮膜２ｆが生成している。なお、亜鉛めっき鋼板１に替えて、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板を用いることも可能である。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に矢印で示すように、これらに抵抗溶接用電極による加圧と通電加熱による塑性変形などが加えられると、図２（ｃ）に示すように、酸化皮膜２ｆが局部的に破壊される。
このように酸化皮膜１ｆが破壊されると、ＭｇとＺｎの局部的な接触が起こり、所定の温度状態に保持されると、図２（ｄ）に示すように、ＭｇとＺｎの共晶液相Ｅが生じ、これと共に、マグネシウム合金材２の表面の酸化皮膜２ｆが接合界面から順次、効果的に除去される。
【００２６】
そして、押圧によって共晶液相Ｅと共に酸化皮膜２ｆや接合界面の不純物（図示せず）が接合部周囲に排出される。この時、接合界面では共晶溶融によりＺｎと共にＭｇが優先的に溶融して、排出される。その結果、マグネシウム合金中に添加されたＡｌ成分が取り残され、接合界面だけ相対的にＡｌリッチな相ができ、さらにこのＡｌ原子がＦｅ及びＭｇと反応し、Ａｌ−Ｍｇ系やＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物を含む化合物層３が形成される。
【００２７】
さらに、接合時間が経過すると、図２（ｅ）に示すように、界面に形成したＭｇ−Ｚｎ共晶溶融反応生成物が完全に排出され、接合界面には上記のような金属間化合物を含む化合物層３を介して亜鉛めっき鋼板１とマグネシウム合金材２との強固な接合が完了する。
このとき、接合界面における共晶溶融生成物や酸化皮膜等の残存は強度低下の要因となる。そこで、本発明においては、先端に曲面を備えた電極を使用することによって、これらの接合界面からの排出を促進するようにしている。
【００２８】
しかしながら、電極の先端面に曲率を持たせることによって、加圧力や密度が電極の中心に集中し、接合面内の温度分布や応力分布が不均一となって、不均一な形状のナゲットが生じやすくなる。
電極の先端曲率半径Ｒの増大は、均一な電流密度分布領域、加圧分布領域の増大に寄与し、強度向上に効果的である一方、亜鉛、共晶溶融物、除去された酸化皮膜等の排出性が損なわれる傾向があり、これらが接合界面に残存した場合には強度の低下を招く。したがって、これら均一性と排出性を両立させる領域の先端曲率半径Ｒの電極を用いることによって高強度を実現できる。
【００２９】
固有抵抗値が比較的大きいマグネシウム系材料と鋼の接合においては、接合面内の温度分布や加圧分布が不均一となりやすいという性質があった。
一方、Ｍｇ−Ｚｎ系合金の共晶点温度は、上記したように３４１℃、３６４℃と極めて低く、より低い温度から容易に接合界面から反応生成物を排出でき、排出工程の時間も長い。
【００３０】
通常、電極先端の曲率半径が大きくなると、反応生成物の排出性が悪くなる傾向にあるが、上記理由によって、マグネシウム系材料と鋼の接合においては、電極先端の曲率半径を大きくしても排出性はさほど悪くならない。
したがって、電極先端の曲率半径を大きくすることにより、接合面内での電流密度、加圧力の分散、均一化による有効ナゲット径の拡大が実現でき、排出性と均一性とを両立することが可能となり、高い継手強度をえることができるようになる。
【００３１】
図３は、上記した方法を適用した抵抗スポット溶接による接合部構造を示すものであって、少なくとも接合界面側の表面には亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１に、マグネシウム合金材２がその表面に酸化皮膜２ｆが生成された状態で重ねられている。
【００３２】
そして、接合面には前述したように、少なくともＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物（Ａｌ３Ｍｇ２）及びＦｅ−Ａｌ系金属間化合物（ＦｅＡｌ３）の一方を含む化合物層３が形成され、これを介して鋼板１とマグネシウム合金材２とが接合されている。
さらに、亜鉛めっき鋼板１のめっき層１ｐ中のＺｎとＭｇの間に形成された共晶溶融物や、酸化皮膜２ｆに由来する酸化物などを含む排出物Ｗが接合部、すなわち化合物層３の周囲に排出され、両板材１，２間に介在している。なお、上記排出物Ｗには、接合界面の不純物や、被接合材に含まれる成分、余剰のＺｎなども含まれることがある。
【００３３】
そして、マグネシウム合金材２の表面側（反接合面側）には、その板厚ｔに応じて選択した電極の先端面の曲率半径Ｒに基づく曲率半径の圧痕Ｄが形成されている。
すなわち、上記圧痕Ｄの曲率半径は、マグネシウム合金材２の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には、（６．２５ｔ＋３７．５）ｍｍ以上、（３１．２５ｔ＋１００）ｍｍ以下、板厚（ｔ）が２．３ｍｍ以上の場合には１００〜１５０ｍｍのものとなる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
すなわち、抵抗スポット溶接により、マグネシウム合金材と鋼材との異種金属接合を行うに際して、鋼材としては、亜鉛めっき層を備えた板厚０．４〜２．３ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いた。
また、マグネシウム合金材としては、約６％のＡｌを含有するマグネシウム合金材（ＡＺ６１）であって、板厚０．４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．６、２．０、２．３、３．０、３．２、４．０ｍｍのものを用意した。
【００３６】
図４は、当該実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の構造を示す概略図である。図に示す接合装置１０は、１対の電極１１、１２により被接合材であるマグネシウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を所定の加圧力で加圧しながら、交流電源１３により所定時間だけ通電し、接合界面の電気抵抗発熱を利用して接合するものである。
なお、電極１１、１２としては、図５に示すようなＲ型電極であって、電極先端の曲率半径Ｒが５、１０、２０、４０、５０、７５、１００、１２５、１５０、２００ｍｍの都合１０種類のものをそれぞれ用いた。
【００３７】
そして、マグネシウム合金材２及び鋼材１とをそれぞれの板厚に応じて重ね合わせ、上記した曲率半径Ｒの異なる１０種類の電極を用いてそれぞれ接合した。
このときの接合条件としては、マグネシウム合金材２及び鋼材１の板厚に応じて、加圧力を１００〜３００ｋｇｆ、通電時間を１０サイクル（２００ｍｓｅｃ）〜２５サイクル（５００ｍｓｅｃ）、溶接電流を１００００〜３５０００Ａの範囲で調整した。
【００３８】
具体的な接合条件としては、例えば、板厚ｔが１．０ｍｍのマグネシウム合金材の場合には、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板と重ねて、上記１０種類のＲ型電極を用い、それぞれ溶接電流２００００Ａ、通電時間１２サイクル（２４０ｍｓｅｃ）、加圧力１２０ｋｇｆにて接合を実施した。また、板厚ｔが１．６ｍｍのマグネシウム合金材の場合には、０．９ｍｍの板厚の亜鉛めっき鋼板と組み合わせて、同様に上記１０種類のＲ型電極を用い、それぞれ溶接電流２５０００Ａ、通電時間１６サイクル（３２０ｍｓｅｃ）、加圧力１９０ｋｇｆの条件を採用した。さらに、グネシウム合金材の板厚ｔが２．０ｍｍの場合には、板厚１．１ｍｍの亜鉛めっき鋼板を重ねて、溶接電流を３００００Ａ、通電時間を２０サイクル（４００ｍｓｅｃ）、加圧力を２６０ｋｇｆとして接合を行った。
【００３９】
得られたスポット溶接継手の強度を測定し、その結果を表１及び図６に示す。
なお、表中においては、ナゲット径が５√ｔ（ｔは板厚）となるように接合条件を設定し、マグネシウム合金材同士を溶接した場合の継手強度を継手強度基準とし、当該基準をクリアしたもの（上記基準の１００％以上）を極めて良好として「◎」、上記基準と同等のもの（上記基準の９０％以上）を良好として「○」、上記基準値に及ばないもの（上記基準の８０％未満）を「×」、上記基準値に若干及ばないもの（上記基準の８０％以上）を「△」と表した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１の結果から、マグネシウム合金材２の板厚ｔが０．４ｍｍの場合には、これに当接する電極１２の先端面の曲率半径Ｒが４０ｍｍ〜１００ｍｍの場合に、マグネシウム合金材同士の継手強度基準と同等以上の強度が得られた。
また、マグネシウム合金材２の板厚ｔが０．６ｍｍの場合には、曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１００ｍｍの場合に、板厚ｔが０．８ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．２ｍｍの場合には、曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１２５ｍｍの場合に、上記強度基準値と同等以上の強度が得られることが確認された。
【００４２】
さらに、マグネシウム合金材２の板厚ｔが１．６ｍｍ及び２．０ｍｍの場合には、電極１２の先端面の曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１５０ｍｍの場合に、板厚ｔが２．３ｍｍ、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ及び４．０ｍｍの場合には、１００ｍｍ〜１５０ｍｍの曲率半径Ｒの先端面を有する電極１２を用いた場合に、強度基準値と同等以上の強度が得られることが確認された。
【００４３】
また、図６に示すように、マグネシウム合金材２の板厚ｔが２．３ｍｍ未満の場合には、継手強度が良好（○印）な範囲の上限を示す直線ＡがＲ＝３１．２５ｔ＋１００、下限を示す直線ＢがＲ＝６．２５ｔ＋３７．５として表されることが判明した。また、極めて良好（◎印）な範囲の上限を示す直線ＣがＲ＝２０．８３ｔ＋８８．３３、下限を示す直線ＤがＲ＝１５．６２５ｔ＋４３．７５として表されることが確認された。
また、マグネシウム合金材２の板厚ｔが２．３ｍｍ以上の場合においては、電極先端面の曲率半径Ｒが１００〜１５０ｍｍで良好な継手強度が得られると共に、曲率半径Ｒが１００ｍｍを超え、１５０ｍｍ未満のときに極めて良好な継手強度となることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】Ｍｇ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法における接合過程を概略的に示す工程図である。
【図３】本発明の接合方法を適用した抵抗スポット溶接による接合部構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の構造を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例に用いた電極の形状を示す図４の要部拡大図である。
【図６】本発明の実施例結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１ 亜鉛めっき鋼板（鋼材）
１ｃ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ マグネシウム合金材
２ｆ 酸化皮膜
３ 化合物層
１２ 電極（マグネシウム合金材に当接する電極）
ｔ マグネシウム合金材の板厚
Ｒ 曲率半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合面に酸化皮膜が存在し、しかも直接的な接合が冶金的に困難な異種金属材料の組み合わせであるマグネシウム合金と鋼との抵抗スポット溶接による接合技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異種金属材料の種々の組み合わせの中で、マグネシウム合金材と鋼材とを組み合せて接合する場合、マグネシウム合金材の表面には酸化皮膜が存在し、さらに接合時の加熱過程で鋼表面の酸化皮膜が成長することから、大気中での接合が困難となる。
しかも、Ｆｅ−Ｍｇ二元状態図は二相分離型を示し、互いの固溶限も非常に小さいことから、これら金属を主成分とする上記材料同士を直接接合することは、冶金的に極めて困難である。
【０００３】
そこで、従来、このようなマグネシウム系材料と鋼とを組み合わせて使用する場合には、ボルトやリベット等による機械的締結によっていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２７２５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法においては、接合に用いる部品点数が増加することから、接合部材の重量やコストが増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このようなマグネシウム系材料と鋼との接合における上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、抵抗スポット溶接装置を用いて、冶金的な接合が直接的には困難なマグネシウム合金と鋼とを強固に接合することができる異種金属接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的の達成に向けて、鋭意検討を重ねた。その結果、マグネシウム合金材の板厚に応じた曲率半径の先端曲面を備えた電極を用いて、接合界面に生じさせた共晶溶融による反応生成物を排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を生成させることによって上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【０００７】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際し、上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させておく。そして、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜２．３ｍｍの場合には６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００、ｔ≧２．３ｍｍの場合には１００≦Ｒ≦１５０の電極を使用し、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介してマグネシウム合金と鋼とを接合するようにしている。
【０００８】
また、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜０．５ｍｍの場合は４０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ＜０．８ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．８ｍｍ≦ｔ＜１．６ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１２５ｍｍ、１．６ｍｍ≦ｔ＜２．３ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍ、２．３ｍｍ≦ｔ≦４．０ｍｍの場合は１００ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍの電極を使用し、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介してマグネシウム合金と鋼とを接合するようにしている。
【０００９】
また、本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造は、上記方法によって得られるものであって、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士がＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物及びＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の一方又は双方を含む化合物層を介して接合されており、この接合部の周囲には共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されている。そして、マグネシウム合金材の表面には、その板厚ｔに応じた曲率半径Ｒ、すなわちｔ＜２．３ｍｍの場合には６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００、ｔ≧２．３ｍｍの場合には１００≦Ｒ≦１５０の圧痕が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、抵抗スポット溶接によりマグネシウム合金材と鋼材とを接合するに際し、両材料の間にＭｇ及び／又はＦｅと共晶溶融を生じる金属を含む第３の材料を介在させると共に、マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを添加しておき、マグネシウム合金材に当接する電極先端面の曲率をその板厚に応じて選択するようにしている。したがって、共晶溶融反応に伴って、酸化皮膜が低温で容易に接合界面から排出できると共に、Ａｌとの金属間化合物を含む化合物層が接合界面に介在することによって、マグネシウム合金と鋼の組み合わせにおいても、強固な接合が達成されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の異種金属接合方法や、これによって得られる接合構造について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り、質量百分率を表すものとする。
【００１２】
本発明の異種金属接合方法においては、上記したように、マグネシウム合金材（Ｍｇが主成分）と鋼材（Ｆｅが主成分）を接合するに際して、まず、両材料の間にＭｇ及びＦｅの一方又は双方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させる。このとき、マグネシウム合金材及び第３の材料の一方又は双方には、両材料の主成分であるＭｇ及びＦｅのそれぞれと金属間化合物を形成するＡｌを予め添加しておく。
そして、接合に際しては、抵抗スポット溶接装置による通電加熱及び加圧によって共晶溶融を生じさせ、その反応生成物を接合界面から排出するようにしているが、マグネシウム合金材側の電極として、その先端当接面の曲率半径Ｒがマグネシウム合金材の板厚ｔに応じて定まる最適なものを用いるようにしている。
【００１３】
すなわち、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には、（６．２５ｔ＋３７．５）ｍｍ以上、（３１．２５ｔ＋１００）ｍｍ以下の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が２．３ｍｍ以上の場合には、１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の曲率半径の電極を使用するようにしている。
言い換えると、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が０．５ｍｍに満たない場合は４０ｍｍ以上１００ｍｍ未満の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１００ｍｍ未満の曲率半径の電極、板厚が０．８ｍｍ以上１．６ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１２５ｍｍ未満の曲率半径の電極、板厚が１．６ｍｍ以上２．３ｍｍ未満の場合は５０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満の電極、板厚が２．３ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の場合は１００ｍｍ以上１５０ｍｍ未満の電極をそれぞれ使用する。
【００１４】
したがって、接合面の温度分布や加圧力分布が均一なものとなり、両材料の融点よりも低い温度で、接合の阻害要因である酸化皮膜が共晶溶融生成物と共に接合界面から容易に除去されることになる。また、接合界面にＡｌが存在することによって、Ａｌとの金属間化合物が生成され、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層が接合界面に介在することによって、冶金的に直接接合が困難なマグネシウム合金と鋼の組み合せであっても相互拡散が可能となり、高強度な接合が可能になる。
【００１５】
このとき、継手強度をより向上させる観点からは、マグネシウム合金材の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には（２０．８３ｔ＋８３．３３）ｍｍ以上、（１５．６２５ｔ＋４３．７５）ｍｍ以下の曲率半径（Ｒ）の電極、板厚が２．３ｍｍ以上の場合には１００ｍｍを超え、１５０ｍｍ未満の曲率半径の電極を用いることが望ましい。
【００１６】
ここで、第３の材料中に含まれる金属としては、ＭｇやＦｅと共晶溶融を生じる金属でありさえすれば、特に限定されず、代表的にはＺｎ（亜鉛）を用いることができるが、この他には、Ｃｕ（銅）やＳｎ（錫）、Ｎｉ（ニッケル）を用いることもできる。また、これらは単独でも、これらの２種以上を併せて用いることもできる。
すなわち、Ｍｇ−Ｚｎ系合金は３４１℃及び３６４℃に２点、Ｍｇ−Ｃｕ系合金は４８５℃及び５５２℃に２点の共晶点をそれぞれ有している。また、Ｍｇ−Ｓｎ系合金及びＭｇ−Ｎｉ系合金にはそれぞれ５６１℃及び５０６℃の共晶点があることが知られている。
【００１７】
このような第３の材料は、マグネシウム合金材や鋼材のいずれか一方、あるいは双方の接合面に予めめっきしておくことが望ましい。すなわち、洗浄後の清浄面にめっきしておくことによって、第３の材料をインサート材として挟み込む工程が不要になって、作業効率が向上する。また、共晶反応により溶融されためっき層が、表面の酸化皮膜や不純物と共に接合部周囲に排出された後は、めっき層の下から極めて清浄な新生面が現れるため強固な接合を可能とすることができる。
【００１８】
さらに、上記第３の材料として、鋼材に施された亜鉛めっき層を用いること、言い換えると、例えばＪＩＳ Ｇ ３３０２やＧ ３３１３に規定されている亜鉛めっき鋼板を用いることができる。
これによって、新たにめっきを施したり、特別な準備を要したりすることもなく、防錆目的でめっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、マグネシウム合金材との強固な接合を行うことができるようになる。
【００１９】
本発明の異種金属接合方法においては、マグネシウム合金材と鋼材とをＭｇ及びＦｅの一方、又はそれぞれとＡｌとの金属間化合物を含む化合物層を介して接合する。そのためには、接合界面にＡｌが存在すること、具体的にはマグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方に予めＡｌを添加しておくことが必要となる。
【００２０】
Ａｌを含有するマグネシウム合金材として、例えばＡＳＴＭ（アメリカ材料試験協会）には、ＡＺ３１（約３％Ａｌ）、ＡＺ６１（約６％Ａｌ）、ＡＺ８１（約８％Ａｌ）、ＡＺ９１（約９％Ａｌ）、ＡＺ１０１（約１０％Ａｌ）などのＡｌ−Ｚｎ系マグネシウム合金や、ＡＭ６０（約６％Ａｌ）、ＡＭ１００（約１０％Ａｌ）などのＡｌ−Ｍｎ系マグネシウム合金が規定されている。
したがって、マグネシウム合金材としてこれらの合金を利用することによって、改めて合金調合することなく、Ａｌ含有のマグネシウム合金材を安価に入手し、本発明に適用することができる。
【００２１】
一方、表面にＺｎ−Ａｌ合金から成るめっきを施しためっき鋼板がＪＩＳ Ｇ ３３１７（Ｚｎ−５％Ａｌ）やＧ ３３２１（５５％Ａｌ−Ｚｎ）に規定されており、このような市販鋼板を鋼材として使用することもでき、Ａｌを含有しないマグネシウム合金との接合に好適に用いることができる。
【００２２】
ここで、共晶溶融について、Ｍｇ−Ｚｎ系合金の例について説明する。
図１は、Ｍｇ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＭｇ−Ｚｎ系には、共晶点が２点（Ｔｅ１及びＴｅ２）あり、それぞれ３４１℃及び３６４℃であり、マグネシウムの融点６５０℃よりも遙かに低い温度で共晶反応を生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してＭｇとＺｎの共晶溶融を作り出し、接合時の酸化皮膜除去に利用することによって、接合性を阻害するマグネシウムの酸化皮膜を低温で確実に除去できると共に、接合時の界面温度をより均一に保持できるようになり、安定した接合が実施できる。
【００２３】
なお、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融を意味し、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、共晶温度以上に加熱保持すると反応が生じ、これを共晶溶融といい、共晶組成は相互拡散によって自発的に達成されるため、組成のコントロールは必要ない。
【００２４】
図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明によるマグネシウム合金材と鋼材（亜鉛めっき鋼板）との接合過程を示す概略工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように、少なくとも接合界面側の表面に、Ｍｇと共晶を形成する金属として亜鉛を含む亜鉛めっき層（第３の材料）１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、マグネシウム合金材２を用意する。そして、図２（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とマグネシウム合金材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ねる。なお、マグネシウム合金材１には、予め適量のＡｌ（例えば、６％程度）が添加されており、表面には酸化皮膜２ｆが生成している。なお、亜鉛めっき鋼板１に替えて、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板を用いることも可能である。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に矢印で示すように、これらに抵抗溶接用電極による加圧と通電加熱による塑性変形などが加えられると、図２（ｃ）に示すように、酸化皮膜２ｆが局部的に破壊される。
このように酸化皮膜１ｆが破壊されると、ＭｇとＺｎの局部的な接触が起こり、所定の温度状態に保持されると、図２（ｄ）に示すように、ＭｇとＺｎの共晶液相Ｅが生じ、これと共に、マグネシウム合金材２の表面の酸化皮膜２ｆが接合界面から順次、効果的に除去される。
【００２６】
そして、押圧によって共晶液相Ｅと共に酸化皮膜２ｆや接合界面の不純物（図示せず）が接合部周囲に排出される。この時、接合界面では共晶溶融によりＺｎと共にＭｇが優先的に溶融して、排出される。その結果、マグネシウム合金中に添加されたＡｌ成分が取り残され、接合界面だけ相対的にＡｌリッチな相ができ、さらにこのＡｌ原子がＦｅ及びＭｇと反応し、Ａｌ−Ｍｇ系やＦｅ−Ａｌ系の金属間化合物を含む化合物層３が形成される。
【００２７】
さらに、接合時間が経過すると、図２（ｅ）に示すように、界面に形成したＭｇ−Ｚｎ共晶溶融反応生成物が完全に排出され、接合界面には上記のような金属間化合物を含む化合物層３を介して亜鉛めっき鋼板１とマグネシウム合金材２との強固な接合が完了する。
このとき、接合界面における共晶溶融生成物や酸化皮膜等の残存は強度低下の要因となる。そこで、本発明においては、先端に曲面を備えた電極を使用することによって、これらの接合界面からの排出を促進するようにしている。
【００２８】
しかしながら、電極の先端面に曲率を持たせることによって、加圧力や密度が電極の中心に集中し、接合面内の温度分布や応力分布が不均一となって、不均一な形状のナゲットが生じやすくなる。
電極の先端曲率半径Ｒの増大は、均一な電流密度分布領域、加圧分布領域の増大に寄与し、強度向上に効果的である一方、亜鉛、共晶溶融物、除去された酸化皮膜等の排出性が損なわれる傾向があり、これらが接合界面に残存した場合には強度の低下を招く。したがって、これら均一性と排出性を両立させる領域の先端曲率半径Ｒの電極を用いることによって高強度を実現できる。
【００２９】
固有抵抗値が比較的大きいマグネシウム系材料と鋼の接合においては、接合面内の温度分布や加圧分布が不均一となりやすいという性質があった。
一方、Ｍｇ−Ｚｎ系合金の共晶点温度は、上記したように３４１℃、３６４℃と極めて低く、より低い温度から容易に接合界面から反応生成物を排出でき、排出工程の時間も長い。
【００３０】
通常、電極先端の曲率半径が大きくなると、反応生成物の排出性が悪くなる傾向にあるが、上記理由によって、マグネシウム系材料と鋼の接合においては、電極先端の曲率半径を大きくしても排出性はさほど悪くならない。
したがって、電極先端の曲率半径を大きくすることにより、接合面内での電流密度、加圧力の分散、均一化による有効ナゲット径の拡大が実現でき、排出性と均一性とを両立することが可能となり、高い継手強度をえることができるようになる。
【００３１】
図３は、上記した方法を適用した抵抗スポット溶接による接合部構造を示すものであって、少なくとも接合界面側の表面には亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１に、マグネシウム合金材２がその表面に酸化皮膜２ｆが生成された状態で重ねられている。
【００３２】
そして、接合面には前述したように、少なくともＡｌ−Ｍｇ系金属間化合物（Ａｌ３Ｍｇ２）及びＦｅ−Ａｌ系金属間化合物（ＦｅＡｌ３）の一方を含む化合物層３が形成され、これを介して鋼板１とマグネシウム合金材２とが接合されている。
さらに、亜鉛めっき鋼板１のめっき層１ｐ中のＺｎとＭｇの間に形成された共晶溶融物や、酸化皮膜２ｆに由来する酸化物などを含む排出物Ｗが接合部、すなわち化合物層３の周囲に排出され、両板材１，２間に介在している。なお、上記排出物Ｗには、接合界面の不純物や、被接合材に含まれる成分、余剰のＺｎなども含まれることがある。
【００３３】
そして、マグネシウム合金材２の表面側（反接合面側）には、その板厚ｔに応じて選択した電極の先端面の曲率半径Ｒに基づく曲率半径の圧痕Ｄが形成されている。
すなわち、上記圧痕Ｄの曲率半径は、マグネシウム合金材２の板厚（ｔ）が２．３ｍｍに満たない場合には、（６．２５ｔ＋３７．５）ｍｍ以上、（３１．２５ｔ＋１００）ｍｍ以下、板厚（ｔ）が２．３ｍｍ以上の場合には１００〜１５０ｍｍのものとなる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３５】
すなわち、抵抗スポット溶接により、マグネシウム合金材と鋼材との異種金属接合を行うに際して、鋼材としては、亜鉛めっき層を備えた板厚０．４〜２．３ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いた。
また、マグネシウム合金材としては、約６％のＡｌを含有するマグネシウム合金材（ＡＺ６１）であって、板厚０．４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．６、２．０、２．３、３．０、３．２、４．０ｍｍのものを用意した。
【００３６】
図４は、当該実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の構造を示す概略図である。図に示す接合装置１０は、１対の電極１１、１２により被接合材であるマグネシウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１を所定の加圧力で加圧しながら、交流電源１３により所定時間だけ通電し、接合界面の電気抵抗発熱を利用して接合するものである。
なお、電極１１、１２としては、図５に示すようなＲ型電極であって、電極先端の曲率半径Ｒが５、１０、２０、４０、５０、７５、１００、１２５、１５０、２００ｍｍの都合１０種類のものをそれぞれ用いた。
【００３７】
そして、マグネシウム合金材２及び鋼材１とをそれぞれの板厚に応じて重ね合わせ、上記した曲率半径Ｒの異なる１０種類の電極を用いてそれぞれ接合した。
このときの接合条件としては、マグネシウム合金材２及び鋼材１の板厚に応じて、加圧力を１００〜３００ｋｇｆ、通電時間を１０サイクル（２００ｍｓｅｃ）〜２５サイクル（５００ｍｓｅｃ）、溶接電流を１００００〜３５０００Ａの範囲で調整した。
【００３８】
具体的な接合条件としては、例えば、板厚ｔが１．０ｍｍのマグネシウム合金材の場合には、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板と重ねて、上記１０種類のＲ型電極を用い、それぞれ溶接電流２００００Ａ、通電時間１２サイクル（２４０ｍｓｅｃ）、加圧力１２０ｋｇｆにて接合を実施した。また、板厚ｔが１．６ｍｍのマグネシウム合金材の場合には、０．９ｍｍの板厚の亜鉛めっき鋼板と組み合わせて、同様に上記１０種類のＲ型電極を用い、それぞれ溶接電流２５０００Ａ、通電時間１６サイクル（３２０ｍｓｅｃ）、加圧力１９０ｋｇｆの条件を採用した。さらに、グネシウム合金材の板厚ｔが２．０ｍｍの場合には、板厚１．１ｍｍの亜鉛めっき鋼板を重ねて、溶接電流を３００００Ａ、通電時間を２０サイクル（４００ｍｓｅｃ）、加圧力を２６０ｋｇｆとして接合を行った。
【００３９】
得られたスポット溶接継手の強度を測定し、その結果を表１及び図６に示す。
なお、表中においては、ナゲット径が５√ｔ（ｔは板厚）となるように接合条件を設定し、マグネシウム合金材同士を溶接した場合の継手強度を継手強度基準とし、当該基準をクリアしたもの（上記基準の１００％以上）を極めて良好として「◎」、上記基準と同等のもの（上記基準の９０％以上）を良好として「○」、上記基準値に及ばないもの（上記基準の８０％未満）を「×」、上記基準値に若干及ばないもの（上記基準の８０％以上）を「△」と表した。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１の結果から、マグネシウム合金材２の板厚ｔが０．４ｍｍの場合には、これに当接する電極１２の先端面の曲率半径Ｒが４０ｍｍ〜１００ｍｍの場合に、マグネシウム合金材同士の継手強度基準と同等以上の強度が得られた。
また、マグネシウム合金材２の板厚ｔが０．６ｍｍの場合には、曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１００ｍｍの場合に、板厚ｔが０．８ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．２ｍｍの場合には、曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１２５ｍｍの場合に、上記強度基準値と同等以上の強度が得られることが確認された。
【００４２】
さらに、マグネシウム合金材２の板厚ｔが１．６ｍｍ及び２．０ｍｍの場合には、電極１２の先端面の曲率半径Ｒが５０ｍｍ〜１５０ｍｍの場合に、板厚ｔが２．３ｍｍ、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ及び４．０ｍｍの場合には、１００ｍｍ〜１５０ｍｍの曲率半径Ｒの先端面を有する電極１２を用いた場合に、強度基準値と同等以上の強度が得られることが確認された。
【００４３】
また、図６に示すように、マグネシウム合金材２の板厚ｔが２．３ｍｍ未満の場合には、継手強度が良好（○印）な範囲の上限を示す直線ＡがＲ＝３１．２５ｔ＋１００、下限を示す直線ＢがＲ＝６．２５ｔ＋３７．５として表されることが判明した。また、極めて良好（◎印）な範囲の上限を示す直線ＣがＲ＝２０．８３ｔ＋８８．３３、下限を示す直線ＤがＲ＝１５．６２５ｔ＋４３．７５として表されることが確認された。
また、マグネシウム合金材２の板厚ｔが２．３ｍｍ以上の場合においては、電極先端面の曲率半径Ｒが１００〜１５０ｍｍで良好な継手強度が得られると共に、曲率半径Ｒが１００ｍｍを超え、１５０ｍｍ未満のときに極めて良好な継手強度となることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】Ｍｇ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明のマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法における接合過程を概略的に示す工程図である。
【図３】本発明の接合方法を適用した抵抗スポット溶接による接合部構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施例に用いた抵抗スポット溶接装置の構造を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例に用いた電極の形状を示す図４の要部拡大図である。
【図６】本発明の実施例結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
１ 亜鉛めっき鋼板（鋼材）
１ｃ 亜鉛めっき層（第３の材料）
２ マグネシウム合金材
２ｆ 酸化皮膜
３ 化合物層
１２ 電極（マグネシウム合金材に当接する電極）
ｔ マグネシウム合金材の板厚
Ｒ 曲率半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際して、
上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させると共に、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、以下の関係式を満たす電極を用い、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。
ｔ＜２．３ｍｍの場合、６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００
ｔ≧２．３ｍｍの場合、１００≦Ｒ≦１５０
【請求項２】
以下の関係式を満たす電極を用いることを特徴とする請求項１に記載の異種金属接合方法。
ｔ＜２．３ｍｍの場合、２０．８３ｔ＋８３．３３≦Ｒ≦１５．６２５ｔ＋４３．７５
ｔ≧２．３ｍｍの場合、１００＜Ｒ＜１５０
【請求項３】
マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際して、
上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させると共に、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜０．５ｍｍの場合は４０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ＜０．８ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．８ｍｍ≦ｔ＜１．６ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１２５ｍｍ、１．６ｍｍ≦ｔ＜２．３ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍ、２．３ｍｍ≦ｔ≦４．０ｍｍの場合は１００ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍの電極を用い、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。
【請求項４】
上記第３の材料がマグネシウム合金材及び鋼材の少なくとも一方に施されためっき層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項５】
上記第３の材料が鋼材に施された亜鉛めっき層であることを特徴とする請求項４に記載の異種金属接合方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士がＡｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていると共に、当該接合部の周囲に共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されており、マグネシウム合金材の表面には、その板厚ｔに応じた上記曲率半径Ｒの圧痕が形成されていることを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造。
【請求項１】
マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際して、
上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させると共に、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、以下の関係式を満たす電極を用い、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。
ｔ＜２．３ｍｍの場合、６．２５ｔ＋３７．５≦Ｒ≦３１．２５ｔ＋１００
ｔ≧２．３ｍｍの場合、１００≦Ｒ≦１５０
【請求項２】
以下の関係式を満たす電極を用いることを特徴とする請求項１に記載の異種金属接合方法。
ｔ＜２．３ｍｍの場合、２０．８３ｔ＋８３．３３≦Ｒ≦１５．６２５ｔ＋４３．７５
ｔ≧２．３ｍｍの場合、１００＜Ｒ＜１５０
【請求項３】
マグネシウム合金材と鋼材との間に、Ｍｇ及びＦｅの少なくとも一方と共晶溶融を生じる金属を含有する第３の材料を介在させ、接合界面に共晶溶融を生じさせて上記マグネシウム合金材と鋼材を抵抗スポット溶接するに際して、
上記マグネシウム合金材及び第３の材料の少なくとも一方にＡｌを含有させると共に、マグネシウム合金材の板厚をｔとし、マグネシウム合金材に当接する電極の当接面における曲率半径をＲとするとき、ｔ＜０．５ｍｍの場合は４０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．５ｍｍ≦ｔ＜０．８ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１００ｍｍ、０．８ｍｍ≦ｔ＜１．６ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１２５ｍｍ、１．６ｍｍ≦ｔ＜２．３ｍｍの場合は５０ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍ、２．３ｍｍ≦ｔ≦４．０ｍｍの場合は１００ｍｍ≦Ｒ＜１５０ｍｍの電極を用い、上記共晶溶融による反応生成物を接合界面から排出すると共に、接合界面にＡｌとの金属間化合物を形成させ、Ａｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合することを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合方法。
【請求項４】
上記第３の材料がマグネシウム合金材及び鋼材の少なくとも一方に施されためっき層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項５】
上記第３の材料が鋼材に施された亜鉛めっき層であることを特徴とする請求項４に記載の異種金属接合方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の方法によって得られる接合構造であって、マグネシウム合金材と鋼材の新生面同士がＡｌ−Ｍｇ系及び／又はＦｅ−Ａｌ系金属間化合物を含む化合物層を介して接合されていると共に、当該接合部の周囲に共晶溶融反応生成物を含む排出物が排出されており、マグネシウム合金材の表面には、その板厚ｔに応じた上記曲率半径Ｒの圧痕が形成されていることを特徴とするマグネシウム合金と鋼との異種金属接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−９４７００（Ｐ２０１０−９４７００Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６６３９６（Ｐ２００８−２６６３９６）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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