異種板材のスポット溶接方法
【課題】本発明は、異種板材のスポット溶接方法において、直流型溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に生成される金属間化合物を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できるスポット溶接方法を提供することを目的とする。
【解決手段】アルミニウム合金板（６ａ）側を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）側を陽極側電極４とすると、高張力鋼板（１０ａ）側に生成される鋼板側ナゲットＦＮ（溶融部）は、アルミニウム合金板（６ａ）側に突出することなく、高張力鋼板（１０ａ）側でのみ成形されることになる。このため、アルミニウム側ナゲットＡＮ（溶融部）も局所的に生じることなく、広い範囲で均一に生じる
【解決手段】アルミニウム合金板（６ａ）側を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）側を陽極側電極４とすると、高張力鋼板（１０ａ）側に生成される鋼板側ナゲットＦＮ（溶融部）は、アルミニウム合金板（６ａ）側に突出することなく、高張力鋼板（１０ａ）側でのみ成形されることになる。このため、アルミニウム側ナゲットＡＮ（溶融部）も局所的に生じることなく、広い範囲で均一に生じる
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異種板材のスポット溶接方法に関し、特に、アルミニウム合金と鋼材とを電気抵抗溶接により溶接するスポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミニウム合金と鋼材との溶接方法としては、アルミニウム合金材を摩擦攪拌して接合する摩擦攪拌接合が知られている。
しかし、自動車の車体等を溶接する場合には、一般に電気抵抗によるスポット溶接が主として用いられるため、アルミニウム合金と鋼材とを接合するためには、別途、サブラインを設けなければならず、生産性が悪化するという問題がある。
【０００３】
そこで、アルミニウム合金と鋼材との溶接においても、電気抵抗によるスポット溶接を行なうことができるように、様々な研究がなされている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、スポット溶接の際、アルミニウム合金と鋼材との間に形成される金属間化合物を適正な量に抑えることで、接合強度を高める接合方法が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、鋼板二枚又は亜鉛めっき鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚の合計三枚を、重ね合わせてスポット溶接することで、抵抗発熱量が増して、アルミニウム合金と鋼材との界面での拡散速度を速めて、良好な接合状態を得る溶接方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８９４５２号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、アルミニウム合金板と鋼板とを、電気抵抗スポット溶接する場合には、アルミニウム合金が、電流を通し易く、熱が逃げ易いという特質を有するため、一般の鋼板同士の電気抵抗スポット溶接よりも、電流値を高くする必要がある。
そして、こうしたスポット溶接を行なう場合には、発熱効率が高い直流型溶接機を用いることが考えられる。
また、例えば、特許文献２にも記載されるように、鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせて溶接することで、抵抗発熱量を増加させて、比較的低い電流値でも溶接できるように構成することが考えられる。
【０００７】
特に、この特許文献２では、直流型溶接機を用いる場合には、「アルミニウム合金材側を陽極として、鋼材側を陰極とする方が望ましい」と記載されている（段落［００４３］参照）。
【０００８】
こうした前提の下、実際に、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせて、アルミニウム合金板側を陽極電極として、鋼板側を陰極電極として、スポット溶接を行った溶接部分の断面を、図５に示す。
この断面図では、最上層にアルミニウム合金板、次層に亜鉛メッキ鋼板、最下層に高張力鋼板を積層している。そして、一点鎖線で示すように、上面側に陽極側電極を位置させて、下面側に陰極側電極を位置させて、合計三枚の溶接を行なうように構成している。
【０００９】
この断面図から分かるように、アルミニウム合金板側に陽極を位置させた場合には、高張力鋼板側に生成される鋼板側ナゲット（溶融部）が、アルミニウム合金板側の方に大きく盛り上がるため、アルミニウム合金板にも局所的に溶融が生じて、アルミニウム側ナゲット（溶融部）も局所的に生成されることになる。
【００１０】
このように、アルミニウム側ナゲットが局所的に生じると、図６の詳細図に示すように、アルミニウム合金と鋼材との間の界面には、アルミニウムと鉄等との合成物で構成される金属間化合物が多く発生する。
【００１１】
このように、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に、金属間化合物が多く発生すると、金属間化合物が脆い性質を有するため、アルミニウム合金と鋼材との間の接合強度が低下してしまい、十分な接合力を発揮できないおそれがある。
【００１２】
そこで、本発明は、異種板材のスポット溶接方法において、直流型溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に生成される金属間化合物を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できるスポット溶接方法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】
【００１３】
この発明の異種板材のスポット溶接方法は、アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて電気抵抗スポット溶接する方法において、アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板とを重ね合わせて、直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極をアルミニウム合金板に当接させる共に、陽極側電極を鋼板に当接させて、前記陽極側電極から前記陰極側電極に電流を通電することで、二枚の鋼板同士を溶接すると共にアルミニウム合金板と鋼板との境界を溶接するスポット溶接方法である。
【００１４】
上記構成によれば、アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板の合計三枚を、アルミニウム合金板側に陰極側電極を当接させて、鋼板に陽極側電極を当接させることで、電気抵抗スポット溶接することになる。
このため、陽極側電極が当接する鋼板側に発熱中心が移動して、鋼板側ナゲットの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットがアルミニウム合金側に盛り上がらないため、アルミニウム合金側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物の発生を抑えることができる。
また、付随的な効果として、アルミニウム合金側の発熱を抑えることで、陰極側電極へのアルミニウム合金への溶着を抑えることができる。これにより、生産性の向上も図ることができる。
なお、この金属間化合物は、適正な量（例えば、化合物厚さ１〜１３μｍ）が発生しなければ、アルミニウム合金と鋼材との間の接合力が発生しないため、アルミニウム合金側をある程度溶融させる必要もある。
【００１５】
この発明の一実施態様においては、前記二枚の鋼板は、アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板であり、陽極側電極側が高張力鋼板であるスポット溶接方法である。
上記構成によれば、二枚の鋼材を、アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板として、陽極側電極側が高張力鋼板とすることにより、スポット溶接の発熱中心を、より確実に、アルミニウム合金板から離れた高張力鋼板側に発生させて、アルミニウム合金側の局所的な溶融を防ぐことができる。
すなわち、高張力鋼板と軟鋼板とを比較すると、高張力鋼板の方が電流抵抗値が高いため、同じ電流を流した場合には、高張力鋼板の方が発熱しやすくなり、発熱中心が高張力鋼板側に生じやすくなるからである。
また、亜鉛メッキ層を軟鋼板が備えていることにより、軟鋼板の表面には酸化皮膜が形成されないため、アルミニウム合金板と軟鋼板との境界には、不純物が混入しにくく、金属間化合物の性質を一定のものにでき、接合力を安定して確保することができる。
よって、アルミニウム合金板と鋼板との間の金属間化合物の発生をより抑制することができ、より確実に、接合力を高めることができる。
【００１６】
この発明の一実施態様においては、前記アルミニウム合金板及び前記亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板が、車体の外板であり、前記高張力鋼板が、車体の補強板であるスポット溶接方法である。
【００１７】
上記構成によれば、アルミニウム合金板及び亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板を、車体の外板として設定して、高張力鋼板を車体の補強板として設定したことで、車体側の要求を達成する適切な板組みとすることができる。
【００１８】
すなわち、アルミニウム合金板では車体の軽量化が図れ、軟鋼板ではプレスの成形性が向上し、亜鉛メッキ層では耐食性が向上すると共に、高張力鋼板では車体の剛性向上を図ることができるからである。
【００１９】
よって、車体側の様々な要求を達成しつつも、金属間化合物の発生を抑制して、アルミニウム合金板と鋼板との接合力を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、陽極側電極が当接する鋼板側に発熱中心が移動して、鋼板側ナゲットの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットがアルミニウム合金側に盛り上がらないため、アルミニウム合金側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物の発生を抑えることができる。
よって、異種板材のスポット溶接方法において、直流型溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に生成される金属間化合物を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
図１は本発明の異種板材のスポット溶接を行なう溶接機の全体模式図である。このスポット溶接を行なう電気抵抗スポット溶接装置Ｍは、溶接ガン１を装備したロボット２と、この溶接ガン１とロボット２とを駆動制御する制御装置３と、溶接ガン１でスポット接合する際に金属板材を重ね合わせた状態で位置決め保持する位置決め治具（図示略）とを備えている。
この電気抵抗スポット溶接装置Ｍは、いわゆる直流型の溶接機であり、溶接ガン１の先端に取り付けられる電極は、陽極側電極４と、陰極側電極５とで構成される。
なお、その他の構成要素については、周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００２２】
図２は、スポット溶接を行なう自動車の車体構造の部位の詳細断面図である。
図２に示す車体構造は、ルーフパネルとルーフサイドレールの間の接合部位を示したものである。
車幅方向に延びるルーフパネル６の側端には、一段下方側に落ち込んだ接合フランジ６ａを設けている。この接合フランジ６ａの下方には、ルーフサイドレール７の車幅内方側フランジ７Ａを、重ね合わせて配置している。
【００２３】
ルーフサイドレール７は、車幅外方側に位置するアウターパネル８と、車幅内方側に位置するインナーパネル９とを、車幅内方側フランジ７Ａと車幅外方側フランジ７Ｂで接合することで、閉断面Ｓを構成しており、この閉断面Ｓ内に剛性の高いルーフレールレインフォースメント１０を介装している。
【００２４】
また、このルーフサイドレール７は、予め前工程で接合固定されており、図２に示す接合工程では、ルーフパネル６の接合フランジ６ａとアウターパネル８の車幅内方側フランジ８ａとルーフレールレインフォースメント１０の車幅内方側フランジ１０ａとを接合するように構成している。
【００２５】
なお、ルーフパネル６は、軽量化のため、板厚１．２ｍｍの６０００系アルミニウム合金で成形したアルミニウム合金板で構成している。また、ルーフサイドレール７のアウターパネル８は、防錆性や成形性等に優れる、板厚０．８ｍｍの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板（以下、軟鋼板）で構成している。さらに、ルーフレールレインフォースメント１０は、車体剛性を高める、板厚１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級高張力鋼板（以下、高張力鋼板）で構成している。
【００２６】
このように構成される車体構造は、ルーフパネル６の接合フランジ６ａと、アウターパネル８の車幅内方側フランジ８ａと、ルーフレールレインフォースメント１０の車幅内方側フランジ１０ａとを、上下方向に三枚重合するように重ね合わせている。
【００２７】
そして、この三枚を重ね合わせた部分を、上方側から延びる陰極側電極５と、下方側から延びる陽極側電極４とで挟持して、加圧通電することで、スポット溶接するように構成している。
【００２８】
具体的なスポット溶接方法は、まず初めに、アルミニウム合金板（６ａ）に当接する電極を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）に当接する電極を陽極側電極４とした上で、各電極４，５を、前述のロボット２によって、所定の位置にセットする。
そして、前述の溶接ガン１を駆動することで、陰極側電極５と陽極側電極４によって、前記三枚の板材（６ａ,８ａ,１０ａ）を挟持して加圧する。
その後、この加圧状態で、比較的高電流（例えば１１ｋＡ）の電流値を通電することで、前記三枚の板材（６ａ,８ａ,１０ａ）をスポット溶接する。
以上の工程により、スポット溶接作業は完了する。
【００２９】
図３は、この実施形態によって溶接された溶接部の断面図である。
この図３に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）側を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）側を陽極側電極４とすると、高張力鋼板（１０ａ）側に生成される鋼板側ナゲットＦＮ（溶融部）は、アルミニウム合金板（６ａ）側に突出することなく、高張力鋼板（１０ａ）側でのみ成形されることになる。
【００３０】
特に、軟鋼板（８ａ）を挟んで高張力鋼板（１０ａ）とアルミニウム合金板（６ａ）とをスポット溶接していることで、電気抵抗値が高く発熱し易い高張力鋼板（１０ａ）側に、スポット溶接の発熱中心Ｐが発生するため、アルミニウム合金板（６ａ）側には、居所的な熱が付与されることがない。
【００３１】
このため、アルミニウム合金板（６ａ）側に生成されるアルミニウム側ナゲットＡＮ（溶融部）も局所的に生じることなく、広い範囲で均一に生じることになる（図４参照）。
【００３２】
よって、図４にも示すように、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ１の層は、全体にほぼ均一になり、例えば、化合物厚さｈは１μｍ〜１３μｍの範囲で、適切な量が生成されることになる。
【００３３】
一方、仮に、図５に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）に当接する電極を陽極側電極４として、高張力鋼板（１０ａ）に当接する電極を陰極側電極５とした場合には、スポット溶接の発熱中心Ｐがアルミニウム合金板（６ａ）側に移動して発生するため、鋼板側ナゲットＦＮがアルミニウム合金板（６ａ）側に突出する。これにより、アルミニウム合金板（６ａ）側には、居所的な熱が付与されることになる。
【００３４】
このため、アルミニウム合金板（６ａ）側に生成されるアルミニウム側ナゲットＡＮも、局所的に生じて、図６に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ２の層は、局所的に大きくなり、化合物厚さｈが１３μｍを越えて大きく形成される部分も生じる。
【００３５】
次に、こうした現象の違いによる、各溶接部の接合力の差を、図７に示すグラフによって説明する。
【００３６】
このグラフは、溶接時間（通電時間）を１０／６０秒の一定値にして、加圧力も５００ｋｇの一定値にした場合の、電流値とせん断力の相関を示したグラフである。横軸が電流値（ｋＡ）を示して、縦軸がせん断力（ｋＮ）を示している。
【００３７】
また、○印が陰極側電極５をアルミニウム合金板側に設定したもの、□印が陽極側電極４をアルミニウム合金板側に設定したものである。そして、実線で示したラインが○印の平均特性ラインで、一点鎖線で示したラインが□印の平均特性ラインである。また、×がアルミニウム合金と軟鋼板との界面からチリ（散り）が発生した場合を示している。
【００３８】
この図に示すように、○印の陰極側電極５をアルミニウム合金板側に設定したものは、低い電流値から比較的高いせん断力を有する。このため、８ｋＡ程度でも、一般の車体構造で要求される溶接強度の２．０ｋＮを得ることができる。
これは、前述したように、金属間化合物が均一に生じるため、比較的低い電流値でも接合力を高くできると考えられるからである。
【００３９】
一方、□印の陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、高い電流値にならなければ、せん断力は高まらず、一般の車体構造で要求される溶接強度の２．０ｋＮを得るためには、１０ｋＡ程度の電流値が必要となる。
これは、金属間化合物が局所的に生じることで、低い電流値の場合には、接合力が高まらず、金属間化合物で剥離等が生じるからだと考えられる。
【００４０】
また、この陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、１０ｋＡを越えたあたりで、せん断力が急激に高まっている。これは、アルミニウム合金板側のアルミニウム側ナゲットが大型化して、金属間化合物の脆弱性を上回る強度が得られるためと考えられる。
【００４１】
もっとも、この□印の陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、１４ｋＡ以上の高電流値において、チリが発生して、せん断力が低下する。これは、アルミニウム合金板側の加熱量が増大することで、アルミニウム側ナゲット内の溶融アルミニウムがナゲット外部に飛散することで、板厚が減少して接合強度が低下するからだと考えられる。
【００４２】
次に、このように構成した本実施形態の作用効果について説明する。
この実施形態のスポット溶接方法は、アルミニウム合金板（６ａ）と重ねた軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とを重ね合わせて、直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極５をアルミニウム合金板（６ａ）に当接させる共に、陽極側電極４を高張力鋼板（１０ａ）に当接させて、陽極側電極４から陰極側電極５に電流を通電することで、軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とを溶接すると共にアルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との境界を溶接するスポット溶接方法である。
【００４３】
これにより、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）の合計三枚を、アルミニウム合金板（６ａ）側に陰極側電極５を当接させて、高張力鋼板（１０ａ）に陽極側電極４を当接させることで、電気抵抗スポット溶接することになる。
このため、陽極側電極４が当接する高張力鋼板（１０ａ）側に発熱中心Ｐが移動して、鋼板側ナゲットＦＮの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットＦＮがアルミニウム合金板（６ａ）側に盛り上がらないため、アルミニウム合金板（６ａ）側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物Ｘ１の発生を抑えることができる。
また、付随的な効果として、アルミニウム合金板（６ａ）側の発熱を抑えることで、陰極側電極５へのアルミニウム合金板（６ａ）への溶着を抑えることができる。これにより、スポット溶接の連続打点性が向上し、生産性の向上も図ることができる。
よって、異種板材のスポット溶接方法において、直流型スポット溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とアルミニウム合金板（６ａ）を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ１を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できる。
【００４４】
特に、この実施形態では、アルミニウム合金板（６ａ）側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板（８ａ）であり、陽極側電極４側が高張力鋼板（１０ａ）であるスポット溶接方法である。
これにより、スポット溶接の発熱中心Ｐを、より確実に、アルミニウム合金板（６ａ）から離れた高張力鋼板（１０ａ）側に発生させて、アルミニウム合金板（６ａ）側の局所的な溶融を防ぐことができる。
また、軟鋼板（８ａ）が亜鉛メッキ層を備えていることにより、軟鋼板（８ａ）の表面には酸化皮膜が形成されないため、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との境界には、不純物が混入しにくく、金属間化合物Ｘ１の性質を一定のものにでき、接合力を安定して確保することができる。
よって、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の金属間化合物Ｘ１の発生をより抑制することができ、より確実に、接合力を高めることができる。
【００４５】
また、この実施形態では、アルミニウム合金板（６ａ）がルーフパネル６であり、亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板（８ａ）がルーフサイドレール７のアウターパネル８であり、高張力鋼板（１０）が、ルーフレールレインフォースメント１０であるスポット溶接方法である。
これにより、車体側の要求を達成する適切な板組みとすることができる。
すなわち、アルミニウム合金板（６ａ）では車体の軽量化が図れ、軟鋼板（８ａ）ではプレスの成形性が向上し、亜鉛メッキ層では耐食性が向上すると共に、高張力鋼板（１０ａ）では車体の剛性向上を図ることができるからである。
【００４６】
よって、車体側の様々な要求を達成しつつも、金属間化合物Ｘ１の発生を抑制して、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との接合力を高めることができる。
なお、亜鉛メッキ層は、前述の合金化亜鉛メッキに限らず、単に溶融亜鉛メッキ層でもよく、亜鉛合金メッキ層でもよい。
【００４７】
以上、この発明の構成と前述の実施形態との対応において、
この発明の鋼板は、実施形態の軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）に対応し、
以下、同様に、
車体の外板は、ルーフパネル６、アウターパネル８に対応し、
車体の補強板は、ルーフレールレインフォースメント１０に対応するも、
この発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる異種板材のスポット溶接方法に適用する実施形態を含むものである。
【００４８】
例えば、高張力鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を接合する場合や、軟鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を接合する場合などに用いてもよい。また、接合部位もフロントフェンダーとフロントエプロンとエプロンレインフォースメントの接合部位や、ドアのアウターパネルとインナーパネルとドアレインフォースメントの接合部位などに用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】異種板材のスポット溶接を行なう溶接機の全体模式図。
【図２】スポット溶接を行なう自動車の車体構造の部位の詳細断面図。
【図３】本実施形態によって溶接された溶接部の断面図。
【図４】図３のＡ部詳細図。
【図５】陽極側電極をアルミニウム側に当接させて陰極側電極を鋼材側に当接された場合の溶接部の断面図。
【図６】図５のＢ部詳細図。
【図７】電流値とせん断力の相関を示したグラフ。
【符号の説明】
【００５０】
１…溶接ガン
４…陽極側電極
５…陰極側電極
６ａ…アルミニウム合金板
８ａ…軟鋼板
１０ａ…高張力鋼板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異種板材のスポット溶接方法に関し、特に、アルミニウム合金と鋼材とを電気抵抗溶接により溶接するスポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミニウム合金と鋼材との溶接方法としては、アルミニウム合金材を摩擦攪拌して接合する摩擦攪拌接合が知られている。
しかし、自動車の車体等を溶接する場合には、一般に電気抵抗によるスポット溶接が主として用いられるため、アルミニウム合金と鋼材とを接合するためには、別途、サブラインを設けなければならず、生産性が悪化するという問題がある。
【０００３】
そこで、アルミニウム合金と鋼材との溶接においても、電気抵抗によるスポット溶接を行なうことができるように、様々な研究がなされている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、スポット溶接の際、アルミニウム合金と鋼材との間に形成される金属間化合物を適正な量に抑えることで、接合強度を高める接合方法が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、鋼板二枚又は亜鉛めっき鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚の合計三枚を、重ね合わせてスポット溶接することで、抵抗発熱量が増して、アルミニウム合金と鋼材との界面での拡散速度を速めて、良好な接合状態を得る溶接方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２８９４５２号公報
【特許文献２】特開２００７−１４４４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、アルミニウム合金板と鋼板とを、電気抵抗スポット溶接する場合には、アルミニウム合金が、電流を通し易く、熱が逃げ易いという特質を有するため、一般の鋼板同士の電気抵抗スポット溶接よりも、電流値を高くする必要がある。
そして、こうしたスポット溶接を行なう場合には、発熱効率が高い直流型溶接機を用いることが考えられる。
また、例えば、特許文献２にも記載されるように、鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせて溶接することで、抵抗発熱量を増加させて、比較的低い電流値でも溶接できるように構成することが考えられる。
【０００７】
特に、この特許文献２では、直流型溶接機を用いる場合には、「アルミニウム合金材側を陽極として、鋼材側を陰極とする方が望ましい」と記載されている（段落［００４３］参照）。
【０００８】
こうした前提の下、実際に、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせて、アルミニウム合金板側を陽極電極として、鋼板側を陰極電極として、スポット溶接を行った溶接部分の断面を、図５に示す。
この断面図では、最上層にアルミニウム合金板、次層に亜鉛メッキ鋼板、最下層に高張力鋼板を積層している。そして、一点鎖線で示すように、上面側に陽極側電極を位置させて、下面側に陰極側電極を位置させて、合計三枚の溶接を行なうように構成している。
【０００９】
この断面図から分かるように、アルミニウム合金板側に陽極を位置させた場合には、高張力鋼板側に生成される鋼板側ナゲット（溶融部）が、アルミニウム合金板側の方に大きく盛り上がるため、アルミニウム合金板にも局所的に溶融が生じて、アルミニウム側ナゲット（溶融部）も局所的に生成されることになる。
【００１０】
このように、アルミニウム側ナゲットが局所的に生じると、図６の詳細図に示すように、アルミニウム合金と鋼材との間の界面には、アルミニウムと鉄等との合成物で構成される金属間化合物が多く発生する。
【００１１】
このように、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に、金属間化合物が多く発生すると、金属間化合物が脆い性質を有するため、アルミニウム合金と鋼材との間の接合強度が低下してしまい、十分な接合力を発揮できないおそれがある。
【００１２】
そこで、本発明は、異種板材のスポット溶接方法において、直流型溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に生成される金属間化合物を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できるスポット溶接方法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】
【００１３】
この発明の異種板材のスポット溶接方法は、アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて電気抵抗スポット溶接する方法において、アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板とを重ね合わせて、直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極をアルミニウム合金板に当接させる共に、陽極側電極を鋼板に当接させて、前記陽極側電極から前記陰極側電極に電流を通電することで、二枚の鋼板同士を溶接すると共にアルミニウム合金板と鋼板との境界を溶接するスポット溶接方法である。
【００１４】
上記構成によれば、アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板の合計三枚を、アルミニウム合金板側に陰極側電極を当接させて、鋼板に陽極側電極を当接させることで、電気抵抗スポット溶接することになる。
このため、陽極側電極が当接する鋼板側に発熱中心が移動して、鋼板側ナゲットの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットがアルミニウム合金側に盛り上がらないため、アルミニウム合金側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物の発生を抑えることができる。
また、付随的な効果として、アルミニウム合金側の発熱を抑えることで、陰極側電極へのアルミニウム合金への溶着を抑えることができる。これにより、生産性の向上も図ることができる。
なお、この金属間化合物は、適正な量（例えば、化合物厚さ１〜１３μｍ）が発生しなければ、アルミニウム合金と鋼材との間の接合力が発生しないため、アルミニウム合金側をある程度溶融させる必要もある。
【００１５】
この発明の一実施態様においては、前記二枚の鋼板は、アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板であり、陽極側電極側が高張力鋼板であるスポット溶接方法である。
上記構成によれば、二枚の鋼材を、アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板として、陽極側電極側が高張力鋼板とすることにより、スポット溶接の発熱中心を、より確実に、アルミニウム合金板から離れた高張力鋼板側に発生させて、アルミニウム合金側の局所的な溶融を防ぐことができる。
すなわち、高張力鋼板と軟鋼板とを比較すると、高張力鋼板の方が電流抵抗値が高いため、同じ電流を流した場合には、高張力鋼板の方が発熱しやすくなり、発熱中心が高張力鋼板側に生じやすくなるからである。
また、亜鉛メッキ層を軟鋼板が備えていることにより、軟鋼板の表面には酸化皮膜が形成されないため、アルミニウム合金板と軟鋼板との境界には、不純物が混入しにくく、金属間化合物の性質を一定のものにでき、接合力を安定して確保することができる。
よって、アルミニウム合金板と鋼板との間の金属間化合物の発生をより抑制することができ、より確実に、接合力を高めることができる。
【００１６】
この発明の一実施態様においては、前記アルミニウム合金板及び前記亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板が、車体の外板であり、前記高張力鋼板が、車体の補強板であるスポット溶接方法である。
【００１７】
上記構成によれば、アルミニウム合金板及び亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板を、車体の外板として設定して、高張力鋼板を車体の補強板として設定したことで、車体側の要求を達成する適切な板組みとすることができる。
【００１８】
すなわち、アルミニウム合金板では車体の軽量化が図れ、軟鋼板ではプレスの成形性が向上し、亜鉛メッキ層では耐食性が向上すると共に、高張力鋼板では車体の剛性向上を図ることができるからである。
【００１９】
よって、車体側の様々な要求を達成しつつも、金属間化合物の発生を抑制して、アルミニウム合金板と鋼板との接合力を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、陽極側電極が当接する鋼板側に発熱中心が移動して、鋼板側ナゲットの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットがアルミニウム合金側に盛り上がらないため、アルミニウム合金側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物の発生を抑えることができる。
よって、異種板材のスポット溶接方法において、直流型溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、鋼材二枚とアルミニウム合金板一枚を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金と鋼材との間の界面に生成される金属間化合物を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
図１は本発明の異種板材のスポット溶接を行なう溶接機の全体模式図である。このスポット溶接を行なう電気抵抗スポット溶接装置Ｍは、溶接ガン１を装備したロボット２と、この溶接ガン１とロボット２とを駆動制御する制御装置３と、溶接ガン１でスポット接合する際に金属板材を重ね合わせた状態で位置決め保持する位置決め治具（図示略）とを備えている。
この電気抵抗スポット溶接装置Ｍは、いわゆる直流型の溶接機であり、溶接ガン１の先端に取り付けられる電極は、陽極側電極４と、陰極側電極５とで構成される。
なお、その他の構成要素については、周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００２２】
図２は、スポット溶接を行なう自動車の車体構造の部位の詳細断面図である。
図２に示す車体構造は、ルーフパネルとルーフサイドレールの間の接合部位を示したものである。
車幅方向に延びるルーフパネル６の側端には、一段下方側に落ち込んだ接合フランジ６ａを設けている。この接合フランジ６ａの下方には、ルーフサイドレール７の車幅内方側フランジ７Ａを、重ね合わせて配置している。
【００２３】
ルーフサイドレール７は、車幅外方側に位置するアウターパネル８と、車幅内方側に位置するインナーパネル９とを、車幅内方側フランジ７Ａと車幅外方側フランジ７Ｂで接合することで、閉断面Ｓを構成しており、この閉断面Ｓ内に剛性の高いルーフレールレインフォースメント１０を介装している。
【００２４】
また、このルーフサイドレール７は、予め前工程で接合固定されており、図２に示す接合工程では、ルーフパネル６の接合フランジ６ａとアウターパネル８の車幅内方側フランジ８ａとルーフレールレインフォースメント１０の車幅内方側フランジ１０ａとを接合するように構成している。
【００２５】
なお、ルーフパネル６は、軽量化のため、板厚１．２ｍｍの６０００系アルミニウム合金で成形したアルミニウム合金板で構成している。また、ルーフサイドレール７のアウターパネル８は、防錆性や成形性等に優れる、板厚０．８ｍｍの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板（以下、軟鋼板）で構成している。さらに、ルーフレールレインフォースメント１０は、車体剛性を高める、板厚１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級高張力鋼板（以下、高張力鋼板）で構成している。
【００２６】
このように構成される車体構造は、ルーフパネル６の接合フランジ６ａと、アウターパネル８の車幅内方側フランジ８ａと、ルーフレールレインフォースメント１０の車幅内方側フランジ１０ａとを、上下方向に三枚重合するように重ね合わせている。
【００２７】
そして、この三枚を重ね合わせた部分を、上方側から延びる陰極側電極５と、下方側から延びる陽極側電極４とで挟持して、加圧通電することで、スポット溶接するように構成している。
【００２８】
具体的なスポット溶接方法は、まず初めに、アルミニウム合金板（６ａ）に当接する電極を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）に当接する電極を陽極側電極４とした上で、各電極４，５を、前述のロボット２によって、所定の位置にセットする。
そして、前述の溶接ガン１を駆動することで、陰極側電極５と陽極側電極４によって、前記三枚の板材（６ａ,８ａ,１０ａ）を挟持して加圧する。
その後、この加圧状態で、比較的高電流（例えば１１ｋＡ）の電流値を通電することで、前記三枚の板材（６ａ,８ａ,１０ａ）をスポット溶接する。
以上の工程により、スポット溶接作業は完了する。
【００２９】
図３は、この実施形態によって溶接された溶接部の断面図である。
この図３に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）側を陰極側電極５として、高張力鋼板（１０ａ）側を陽極側電極４とすると、高張力鋼板（１０ａ）側に生成される鋼板側ナゲットＦＮ（溶融部）は、アルミニウム合金板（６ａ）側に突出することなく、高張力鋼板（１０ａ）側でのみ成形されることになる。
【００３０】
特に、軟鋼板（８ａ）を挟んで高張力鋼板（１０ａ）とアルミニウム合金板（６ａ）とをスポット溶接していることで、電気抵抗値が高く発熱し易い高張力鋼板（１０ａ）側に、スポット溶接の発熱中心Ｐが発生するため、アルミニウム合金板（６ａ）側には、居所的な熱が付与されることがない。
【００３１】
このため、アルミニウム合金板（６ａ）側に生成されるアルミニウム側ナゲットＡＮ（溶融部）も局所的に生じることなく、広い範囲で均一に生じることになる（図４参照）。
【００３２】
よって、図４にも示すように、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ１の層は、全体にほぼ均一になり、例えば、化合物厚さｈは１μｍ〜１３μｍの範囲で、適切な量が生成されることになる。
【００３３】
一方、仮に、図５に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）に当接する電極を陽極側電極４として、高張力鋼板（１０ａ）に当接する電極を陰極側電極５とした場合には、スポット溶接の発熱中心Ｐがアルミニウム合金板（６ａ）側に移動して発生するため、鋼板側ナゲットＦＮがアルミニウム合金板（６ａ）側に突出する。これにより、アルミニウム合金板（６ａ）側には、居所的な熱が付与されることになる。
【００３４】
このため、アルミニウム合金板（６ａ）側に生成されるアルミニウム側ナゲットＡＮも、局所的に生じて、図６に示すように、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ２の層は、局所的に大きくなり、化合物厚さｈが１３μｍを越えて大きく形成される部分も生じる。
【００３５】
次に、こうした現象の違いによる、各溶接部の接合力の差を、図７に示すグラフによって説明する。
【００３６】
このグラフは、溶接時間（通電時間）を１０／６０秒の一定値にして、加圧力も５００ｋｇの一定値にした場合の、電流値とせん断力の相関を示したグラフである。横軸が電流値（ｋＡ）を示して、縦軸がせん断力（ｋＮ）を示している。
【００３７】
また、○印が陰極側電極５をアルミニウム合金板側に設定したもの、□印が陽極側電極４をアルミニウム合金板側に設定したものである。そして、実線で示したラインが○印の平均特性ラインで、一点鎖線で示したラインが□印の平均特性ラインである。また、×がアルミニウム合金と軟鋼板との界面からチリ（散り）が発生した場合を示している。
【００３８】
この図に示すように、○印の陰極側電極５をアルミニウム合金板側に設定したものは、低い電流値から比較的高いせん断力を有する。このため、８ｋＡ程度でも、一般の車体構造で要求される溶接強度の２．０ｋＮを得ることができる。
これは、前述したように、金属間化合物が均一に生じるため、比較的低い電流値でも接合力を高くできると考えられるからである。
【００３９】
一方、□印の陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、高い電流値にならなければ、せん断力は高まらず、一般の車体構造で要求される溶接強度の２．０ｋＮを得るためには、１０ｋＡ程度の電流値が必要となる。
これは、金属間化合物が局所的に生じることで、低い電流値の場合には、接合力が高まらず、金属間化合物で剥離等が生じるからだと考えられる。
【００４０】
また、この陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、１０ｋＡを越えたあたりで、せん断力が急激に高まっている。これは、アルミニウム合金板側のアルミニウム側ナゲットが大型化して、金属間化合物の脆弱性を上回る強度が得られるためと考えられる。
【００４１】
もっとも、この□印の陽極側電流をアルミニウム合金板側に設定したものでは、１４ｋＡ以上の高電流値において、チリが発生して、せん断力が低下する。これは、アルミニウム合金板側の加熱量が増大することで、アルミニウム側ナゲット内の溶融アルミニウムがナゲット外部に飛散することで、板厚が減少して接合強度が低下するからだと考えられる。
【００４２】
次に、このように構成した本実施形態の作用効果について説明する。
この実施形態のスポット溶接方法は、アルミニウム合金板（６ａ）と重ねた軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とを重ね合わせて、直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極５をアルミニウム合金板（６ａ）に当接させる共に、陽極側電極４を高張力鋼板（１０ａ）に当接させて、陽極側電極４から陰極側電極５に電流を通電することで、軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とを溶接すると共にアルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との境界を溶接するスポット溶接方法である。
【００４３】
これにより、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）の合計三枚を、アルミニウム合金板（６ａ）側に陰極側電極５を当接させて、高張力鋼板（１０ａ）に陽極側電極４を当接させることで、電気抵抗スポット溶接することになる。
このため、陽極側電極４が当接する高張力鋼板（１０ａ）側に発熱中心Ｐが移動して、鋼板側ナゲットＦＮの生成を抑えることができる。これにより、鋼板側ナゲットＦＮがアルミニウム合金板（６ａ）側に盛り上がらないため、アルミニウム合金板（６ａ）側には、局所的な溶融が生じにくくなり、金属間化合物Ｘ１の発生を抑えることができる。
また、付随的な効果として、アルミニウム合金板（６ａ）側の発熱を抑えることで、陰極側電極５へのアルミニウム合金板（６ａ）への溶着を抑えることができる。これにより、スポット溶接の連続打点性が向上し、生産性の向上も図ることができる。
よって、異種板材のスポット溶接方法において、直流型スポット溶接機を用いることにより発熱効率を高めつつ、軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）とアルミニウム合金板（６ａ）を重ね合わせ接合することで、必要電流値を抑えつつも、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の界面に生成される金属間化合物Ｘ１を発生を抑えて、十分な接合力を発揮できる。
【００４４】
特に、この実施形態では、アルミニウム合金板（６ａ）側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板（８ａ）であり、陽極側電極４側が高張力鋼板（１０ａ）であるスポット溶接方法である。
これにより、スポット溶接の発熱中心Ｐを、より確実に、アルミニウム合金板（６ａ）から離れた高張力鋼板（１０ａ）側に発生させて、アルミニウム合金板（６ａ）側の局所的な溶融を防ぐことができる。
また、軟鋼板（８ａ）が亜鉛メッキ層を備えていることにより、軟鋼板（８ａ）の表面には酸化皮膜が形成されないため、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との境界には、不純物が混入しにくく、金属間化合物Ｘ１の性質を一定のものにでき、接合力を安定して確保することができる。
よって、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との間の金属間化合物Ｘ１の発生をより抑制することができ、より確実に、接合力を高めることができる。
【００４５】
また、この実施形態では、アルミニウム合金板（６ａ）がルーフパネル６であり、亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板（８ａ）がルーフサイドレール７のアウターパネル８であり、高張力鋼板（１０）が、ルーフレールレインフォースメント１０であるスポット溶接方法である。
これにより、車体側の要求を達成する適切な板組みとすることができる。
すなわち、アルミニウム合金板（６ａ）では車体の軽量化が図れ、軟鋼板（８ａ）ではプレスの成形性が向上し、亜鉛メッキ層では耐食性が向上すると共に、高張力鋼板（１０ａ）では車体の剛性向上を図ることができるからである。
【００４６】
よって、車体側の様々な要求を達成しつつも、金属間化合物Ｘ１の発生を抑制して、アルミニウム合金板（６ａ）と軟鋼板（８ａ）との接合力を高めることができる。
なお、亜鉛メッキ層は、前述の合金化亜鉛メッキに限らず、単に溶融亜鉛メッキ層でもよく、亜鉛合金メッキ層でもよい。
【００４７】
以上、この発明の構成と前述の実施形態との対応において、
この発明の鋼板は、実施形態の軟鋼板（８ａ）と高張力鋼板（１０ａ）に対応し、
以下、同様に、
車体の外板は、ルーフパネル６、アウターパネル８に対応し、
車体の補強板は、ルーフレールレインフォースメント１０に対応するも、
この発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる異種板材のスポット溶接方法に適用する実施形態を含むものである。
【００４８】
例えば、高張力鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を接合する場合や、軟鋼板二枚とアルミニウム合金板一枚を接合する場合などに用いてもよい。また、接合部位もフロントフェンダーとフロントエプロンとエプロンレインフォースメントの接合部位や、ドアのアウターパネルとインナーパネルとドアレインフォースメントの接合部位などに用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】異種板材のスポット溶接を行なう溶接機の全体模式図。
【図２】スポット溶接を行なう自動車の車体構造の部位の詳細断面図。
【図３】本実施形態によって溶接された溶接部の断面図。
【図４】図３のＡ部詳細図。
【図５】陽極側電極をアルミニウム側に当接させて陰極側電極を鋼材側に当接された場合の溶接部の断面図。
【図６】図５のＢ部詳細図。
【図７】電流値とせん断力の相関を示したグラフ。
【符号の説明】
【００５０】
１…溶接ガン
４…陽極側電極
５…陰極側電極
６ａ…アルミニウム合金板
８ａ…軟鋼板
１０ａ…高張力鋼板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて電気抵抗スポット溶接する方法において、
アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板とを重ね合わせて、
直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極をアルミニウム合金板に当接させる共に、
陽極側電極を鋼板に当接させて、
前記陽極側電極から前記陰極側電極に電流を通電することで、二枚の鋼板同士を溶接すると共にアルミニウム合金板と鋼板との境界を溶接する
異種板材のスポット溶接方法。
【請求項２】
前記二枚の鋼板は、
アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板であり、
陽極側電極側が高張力鋼板である
請求項１記載の異種板材のスポット溶接方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金板及び前記亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板が、車体の外板であり、
前記高張力鋼板が、車体の補強板である
請求項２記載の異種板材のスポット溶接方法。
【請求項１】
アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて電気抵抗スポット溶接する方法において、
アルミニウム合金板と重ねた二枚の鋼板とを重ね合わせて、
直流式抵抗スポット溶接機の陰極側電極をアルミニウム合金板に当接させる共に、
陽極側電極を鋼板に当接させて、
前記陽極側電極から前記陰極側電極に電流を通電することで、二枚の鋼板同士を溶接すると共にアルミニウム合金板と鋼板との境界を溶接する
異種板材のスポット溶接方法。
【請求項２】
前記二枚の鋼板は、
アルミニウム合金板側が亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板であり、
陽極側電極側が高張力鋼板である
請求項１記載の異種板材のスポット溶接方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金板及び前記亜鉛メッキ層を備えた軟鋼板が、車体の外板であり、
前記高張力鋼板が、車体の補強板である
請求項２記載の異種板材のスポット溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２２６４２５（Ｐ２００９−２２６４２５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７２８０４（Ｐ２００８−７２８０４）
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]