異種金属の接合方法及び接合構造
【課題】異種金属から成る材料同士を直接、強固に接合することができ、しかも材料同士が接触することによる電食の防止が可能であって、接合強度と耐食性共に優れた異材継手を安価に得ることができる異種金属接合方法と、このような方法によって得られる異種金属接合構造を提供すること。
【解決手段】シール材Ｓを介して重ね合わせた異種の金属材料１，２を接合するに際して、両材料１，２とシール材Ｓの間にシール材の排出を促進する第３の材料、例えば上記金属材料１，２のいずれよりも低融点の材料３ａ及び３ｂをそれぞれ介在させ、シール材Ｓ及び第３の材料３ａ，３ｂを接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合する。
【解決手段】シール材Ｓを介して重ね合わせた異種の金属材料１，２を接合するに際して、両材料１，２とシール材Ｓの間にシール材の排出を促進する第３の材料、例えば上記金属材料１，２のいずれよりも低融点の材料３ａ及び３ｂをそれぞれ介在させ、シール材Ｓ及び第３の材料３ａ，３ｂを接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼材とアルミニウム合金材など、異種金属材料の接合技術に係わり、特に材料間のイオン化傾向の違いによって生じる電食を防止するために、接合面にシール材を介在させた状態で接合する異種金属接合方法方法と、このような方法によって得られる異種金属接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異種金属を接合する場合、同種材同士の溶接の場合と同様に両方の被接合材を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度が得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼を溶接する場合、高硬度で、しかも脆弱なＦｅ２Ａｌ５やＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するには、これら金属間化合物の生成を制御することが必要となる。
【０００３】
しかし、アルミニウム合金の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、それを除去するためには接合時に大きな熱量を投与することが必要となる結果、厚い金属間化合物層が成長し、接合部の強度が低くなってしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、従来では、このような異種金属材料を組合わせて使用する場合には、ボルトやリベットなどによる機械的締結によってこれら材料を接合するようにしていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題があった。
【０００５】
また、このような異種金属の接合には、摩擦圧接が一部の部品において実用化されているが、このような摩擦圧接方法は対称性のよい回転体同士の接合など、その用途が限られている。
さらに、爆着や熱間圧延などによる接合も知られているが、設備や能率の面での問題が多く、実際上、一般の異種金属接合に広く適用することができないという問題がある。
【０００６】
このような異種金属接合の改善例として、接合しようとする異種金属材料の間に、これら異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材をそれぞれ同種の材料同士が接するように介在させた状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接を行うようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、アルミニウムと鋼の抵抗溶接において、アルミニウム材と接する鋼表面に、Ａｌ含有量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さとなるようにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ、鋼材側をほとんど溶融させないようにして、これら材料を接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、上記のような異種金属を組合わせて接合すると、異種金属が互いに接触して電気的に導通するために腐食が促進されることが知られている。
このような異種金属の接触による腐食は、金属のイオン化傾向の違いによってこれら金属間に電位差が生じ、腐食電流が流れることによって発生するとされており、従来、異種金属接触による腐食を防止するために、例えば以下のような対策が採られている。
【０００９】
すなわち、例えば鋼製の第１の部材と、例えばアルミニウムやその合金から成る第２の部材を両部材の間にシール材を介在させた状態で、例えばリベットや補強部材などの接合手段によって接合するようにした車体部材の接合構造が提案されている（特許文献３参照）。
また、鉄系材料とアルミニウム又はアルミニウム合金材料を接合した部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬して、接合部近傍に緻密かつ強固で密着性が高く、しかもアルミニウムと鉄との中間的なイオン化傾向を有する金属亜鉛を析出させ、もって接合部における異種金属間の接触による耐食性を向上させることが記載されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平４−１２７９７３号公報
【特許文献２】特開平６−３９５５８号公報
【特許文献３】特開２０００−２７２５４１号公報
【特許文献４】特開２００５−１５４８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、クラッド材を用いる特許文献１に記載の方法の場合、２枚の板を接合すべきところが３枚を接合することになり、実際の施工を考えた場合には、クラッド材を挿入して固定するという工程が必要となり、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くなって、コストアップ要因となる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、アルミニウムクラッド鋼自体も異種材同士を接合することにより製造されるため、製造条件が厳しく、安価で性能の安定したクラッド材を入手することが困難であるという問題点がある。
【００１１】
また、鋼表面にアルミニウムめっきを施した状態で抵抗溶接するという上記特許文献２に記載の方法においては、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、表面に存在する強固な酸化皮膜を破壊するために大入熱を投入することが必要となることから、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆い金属間化合物が生成され、これから破壊が生じる可能性があるという問題点がある。
【００１２】
一方、上記特許文献３に記載の技術においては、両材料の融点や線膨張係数が異なることから、スポット溶接等による溶融接合を避け、リベットやボルトなどによる機械的締結を採用しているため、接合された部材の重量やコストの増加が避けられないという問題点がある。
また、接合された部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬するようにした特許文献４に記載の技術においては、接合材表面に析出した亜鉛だけでは、自動車部品に求められる耐食性能を十分に満足させることができず、しかも自動車の生産過程において、車体部品をこのような溶液中に浸漬する工程を組み込むことは、浸漬タンク等の新設備が必要となり、設備コストや管理コストが増え、製造コストの増加を招くことが問題となる。
【００１３】
本発明は、従来の異種金属接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、異種金属から成る材料同士を直接、強固に接合することができ、しかも材料同士が接触することによる電食の防止が可能であって、接合強度と耐食性共に優れた異材継手を安価に得ることができる異種金属接合方法と、このような方法によって得られる異種金属接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記目的の達成に向けて、鋭意検討を重ねた結果、両異種金属材料の間にシール材を介挿した状態で両材料を接合するに際して、両材料とシール材の間に、接合面からのシール材の排出を促進させる第３の材料をそれぞれ介在させるようになすことによって、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。
【００１５】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属接合方法においては、シール材を介して重ね合わせた異種金属から成る材料同士を接合するに際して、両材料とシール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料をそれぞれ介在させ、シール材及び第３の材料を接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の異種金属接合構造は、上記接合方法により得られるものであって、異種金属材料の新生面同士が直接接合されていると共に、この接合部の周囲に、第３の材料、異種金属材料、シール材、第３の材料と異種金属材料との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種が排出されており、その最外周部がさらにシール材によってシールされていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、両異種金属材料とシール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料、例えば異種金属材料のいずれよりも融点の低い材料や、接する異種金属材料とそれぞれ共晶溶融を生じる材料をそれぞれ介在させるようにしたため、接合に際してシール材を第３の材料と共に接合部から容易に排出することができるようになり、接合部におけるシール材の残存を大幅に低減することができ、異なる材料の新生面同士を直接接合して、設備コストなどを増加させることなく、接合強度と耐食性を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の異種金属接合方法及び接合構造について、さらに詳細かつ具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の異種金属接合方法の実施の形態を説明するための概略断面図であって、図示したように、互いに異なる異種金属から成る第１の金属材料１と第２の金属材料２の間にシール材Ｓが介挿されていると共に、当該シール材Ｓと第１金属材料１の間にはこれら金属材料１及び２とは異なる第３の材料３ａを介在させると共に、上記シール材Ｓと第２金属材料２の間にもこれら金属材料１及び２と異なる第３の材料３ｂを介在させてある。
【００２０】
本発明においては、例えば図示するような交流タイプのスポット溶接機を使用し、このように重ね合わせた被接合材料を当該溶接機の電極Ｅ１及びＥ２によって通電加熱しながら加圧することによって、シール材Ｓが第３の材料３ａ及び３ｂと共に接合界面から排出されて第１及び第２の金属材料１及び２が互いに接触し、シール材Ｓを巻き込むことなく、これら金属材料１と２を直接接合することができ、新生面同士の強固な接合界面が得られると共に、シール材Ｓによってイオン化傾向等の材料特性が違う両金属材材料同士の接触を回避することができ、電食に対する耐腐食性能を向上させることができる。
このとき、第３の材料３ａ及び３ｂとしては、シール材Ｓの接合界面からの排出の促進に寄与する材料であれば特に限定されることはなく、例えば、上記金属材料１及び２のいずれよりも低い融点を有する材料や、接している金属材料、すなわち第３の材料３ａについては上記金属材料１との間で、第３の材料３ｂについては上記金属材料２との間でそれぞれ共晶溶融を生じるような材料を用いることができる。
【００２１】
上記第３の材料３ａ及び３ｂの融点については、上記金属材料１及び２の融点よりも低いことが必要であることは上記のとおりであるが、互いの融点や粘度の温度特性が近似しているほど望ましく、この意味では、同種あるいは同一規格の材料を用いることが合理的ではあるが、互いの融点や粘度の温度特性が実質的に同じであれば、同じ材料であることは必ずしも必要ではない。
これによって、金属材料１及び２の側におけるシール材Ｓやこれら第３金属３ａ及び３ｂの排出の偏りを防止し、これら排出を同程度に進行させることができるようになり、これら介在材料（第３の金属）の排出と並行しながら、より効果的なシール材Ｓの排出を行うことができ、シール材Ｓの接合部からの排出前に第３の金属３ａ及び３ｂが切れてしまうことなく、シール材Ｓの排出が介在材料３ａ及び３ｂよりも先に完了するようになって、効果的にシール材の排出を行うことができるようになる。
【００２２】
また、上記第３の材料３ａ及び３ｂとして、それぞれ第１金属材料１及び第２金属材料２との間で共晶溶融を生じるような材料を用いることによって、上記第１金属材料１及び第２金属材料２の少なくとも一方の接合面に、接合を阻害するような強固な酸化皮膜が生成しているような場合においても、脆い金属間化合物を生成させることなく、酸化皮膜を共晶溶融金属と共に接合部から周囲に排出することができるようになり、被接合材の新生面を露出させて新生面同士の強固な接合界面を得ることができる。
このとき、第１の金属材料１の側で生じる共晶溶融温度と、第２の金属材料２の側で生じる共晶溶融の温度についても、上記同様の理由によって、その温度差が少ない程好ましい。
【００２３】
アルミニウムとの間で共晶反応を生じる金属としては、Ｚｎ（共晶点温度：３７８℃）、Ｃｕ（共晶点温度：５４８℃）、Ｓｎ（共晶点温度：２３１．９７℃）、Ａｇ（共晶点温度：５６６℃）、マグネシウムとの間で共晶反応を生じる金属としては、Ｚｎ（共晶点温度：３２５℃）、Ｃｕ（共晶点温度：５５２℃、４８５℃）、Ｓｎ（共晶点温度：２３２℃）、Ａｇ（共晶点温度：４５０℃）、Ｎｉ（共晶点温度：５０６℃）等を挙げることができる。
【００２４】
そして、上記第３の材料３ａ及び３ｂの少なくとも一方は、それぞれ第１金属材料１及び第２金属材料２の表面に被覆されていることが望ましい。すなわち、これら第３の材料から成る被覆層が接合部から除去されることによって、被接合材である金属材料表面に新生面が露出されることになり、新生面同士のより強固な接合が可能になる。
【００２５】
上記異種金属材料としての第１の金属材料１及び第２の金属材料２と、第３の材料３ａ、３ｂの具体的な組合せとしては、第１及び第２の金属材料がそれぞれアルミニウム合金及び鋼、第３の材料が亜鉛又は亜鉛合金である組合せとすることができる。
すなわち、被接合材として、自動車用車体部材に用いられ、防錆鋼板として広く市販されている亜鉛めっき鋼板を用いることによって、第３の材料として亜鉛を挟んだり、新たに亜鉛めっきを施したりすることなく、そのまま使用することが可能となる。また、亜鉛とアルミニウムの共晶反応を利用することができ、これによってアルミニウム合金表面の強固な酸化皮膜を比較的低温で除去及び排出することができるようになり、接合界面におけるＦｅ２Ａｌ５やＦｅＡｌ３などの金属間化合物の成長を抑えて、良好な異材継手を得ることができる。
【００２６】
なお、図１においては、接合手段として、交流タイプのスポット溶接機を使用する例を示したが、この時の溶接電極として、先端に所定の曲率を有する曲面Ｃを備えた電極Ｅ１及びＥ２を用いることが望ましく、これによってシール材Ｓ及び第３の材料３ａ及び３ｂの接合界面からの排出を容易にすることができる。
また、ローラ状の電極を使用することによって、抵抗シーム溶接を行うことも可能である。もちろん、交流タイプに代えて直流タイプを用いることも差し支えない。
【００２７】
また、上記のような抵抗溶接に代えて、加熱手段としてのレーザビーム照射ヘッドと、加圧手段としての圧子、又は加圧ローラを備えたレーザ溶接装置を用いることも可能である。
【００２８】
上記シール材Ｓとしては、被接合材や接合部を腐食環境からシールして、異種金属の接触による電食を防止できるものである限り、特に限定はなく、各種の樹脂から成るペースト状の接着剤や塗料を用いることができる。
また、ペースト状のみならずシート状の接着剤を用いることができる。なお、シート状の接着剤は、一般に常温での粘性が高く、加圧だけでは排出し難い場合には、予備加熱（抵抗溶接の場合には予備通電）を実施することによって変形抵抗を低減するようになすこともでき、これによってシール材の排出を容易に行うことができるようになる。
【００２９】
本発明の異種金属接合構造は、上記した方法によって接合されたものであって、異種金属から成る第１と第２の金属材料１，２それぞれの新生面同士が直接接合されていると共に、この接合部の周囲に、第３の材料３ａ，３ｂ、上記異種金属材料１，２、シール材Ｓ、第３の材料３ａ，３ｂと異種金属材料１，２との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種を含む排出物Ｄが排出されており、その最外周部がさらにシール材Ｓによってシールされているので、優れた強度と共に、異種金属の接触による電食に対する高い耐食性を発揮するものとなる。
【実施例】
【００３０】
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、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
亜鉛めっきが施され、厚さ２０μｍの亜鉛めっき層１１を備えた板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１０と、厚さ２０μｍの亜鉛めっき層２１を有する板厚０．５５ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板２０を用意し、これらの間にシール材Ｓとしてペースト状の熱硬化性構造用接着剤を２〜３ｍｍの厚さとなるように塗布して、図２に示すように重ね合わせた。
すなわち、当該実施例においては、シール材の排出を促進する第３の材料として、アルミニウム合金板１０の側、鋼板２０の側共に、亜鉛から成るめっき層１１，１２を配置するようにした。
【００３２】
そして、図１に示したような交流電源タイプのスポット溶接装置を用い、加圧力３ｋＮ、電流２４０００Ａ、通電時間０．２秒の溶接条件のもとで、抵抗スポット溶接を実施した。このとき、電極Ｅ１，Ｅ２としては、先端に曲面Ｃを有する直径１５ｍｍのものを用いた。
【００３３】
図３は、この時の接合プロセスを示す断面図であって、図３（ａ）に示す初期状態から、図３（ｂ）に示すように、スポット溶接装置の電極Ｅ１，Ｅ２によって通電しながら加圧が開始されると、シール材Ｓは、接合中央部から外周部に排出される。このとき、電極Ｅ１，Ｅ２の先端部にはそれぞれ曲面加工が施してあるので、シール材Ｓの排出が効率的に進行する。
【００３４】
通電による界面の温度上昇とさらなる加圧によって、図３（ｃ）に示すように、亜鉛めっき層１１，２１が溶融し始め、これによってシール材Ｓの排出が促進される。
このとき、亜鉛めっき層１１，２１は、シール材Ｓの排出が完了するまでは途切れることなく、接合界面に介在している。
【００３５】
そして、図３（ｄ）に示すように、シール材Ｓが亜鉛と共に接合部位から排出物Ｄとなって排出され、アルミニウム合金板１０及び鋼板２０の新生面同士が接触し、所定の接合面積が確保される。
次いで、通電及び加圧によって、アルミニウム合金板１０と鋼板２０の新生面同士が直接接合され、図３（ｅ）に示すように、拡散反応層を伴う接合部Ｊが形成され、アルミニウム合金と鋼の強固な異材接手を得ることができる。
【００３６】
図４は、上記によって得られた異種金属接合構造を示す拡大断面図である。
このような亜鉛めっき鋼板２０及び亜鉛めっきアルミニウム合金板１０から成る異材継手において、鋼とアルミニウム合金との直接接合部Ｊは、排出物Ｄと、さらにはシール材Ｓによって周囲を囲われた構造となっているため、腐食環境から完全に遮断されることになって、異種金属の接触腐食に対する優れた耐食性が得られる。
また、鋼とアルミニウム合金の直接接合部Ｊは、シール材Ｓや亜鉛めっき、接合界面の不純物などがその周囲に排出されているため、高強度な接合がなされており、強度と耐食性とを両立させることができる。さらに、双方の金属材料には、それぞれめっきが施されているため、電食に対する耐腐食性能をより向上させることができる。
【００３７】
なお、当該実施例においては、シール材の排出を促進する第３の材料として、アルミニウム合金板１０の側、鋼板２０の側共に、亜鉛から成るめっき層１１，１２を配置し、融点及び粘性の温度特性が同じものとしたことから、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出に際して、アルミニウム合金板１０の側のみ、あるいは鋼板２０の側のみというような偏った排出を防止し、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出を同程度に進行させることができ、当該材料の排出を並行させてより効果的なシール材Ｓの排出を行うことが可能となった。
また、シール材Ｓの接合部周囲への排出の完了時点を第３の材料の接合部周囲への排出の完了時点より先とすることができ、シール材Ｓの接合部周囲への完了前に第３の材料が切れることなく、第３の材料の排出が完了した時点には、シール材Ｓの排出がすでに完了していることによって、効果的にシール材Ｓの排出を行うことが可能となった。
【００３８】
（実施例２）
上記実施例１と同様に、アルミニウム合金板と亜鉛めっき鋼板との異材接合を行うに際し、図５に示すように、亜鉛めっきアルミニウム合金に代えて、板厚１．０ｍｍの無めっき６０００系アルミニウム合金板１５を用い、当該合金板１５とシール材Ｓの間に、第３の材料として亜鉛箔３０を介在させ、これ以外は上記実施例１と同様の条件の下に、これらアルミニウム合金板１５と亜鉛めっき鋼板２０の抵抗スポット溶接を実施した。
なお、無めっきであるからして、上記アルミニウム合金板１５には、その表面に酸化皮膜１６が生成している。
【００３９】
図６は、この時の接合プロセスを示す断面図であって、図６（ａ）に示した重ね合わせ状態から、図６（ｂ）に示すように、図１に示したスポット溶接装置の電極Ｅ１，Ｅ２によって通電及び加圧を開始すると、シール材Ｓは、接合中央部から外周部に向けて排出され、接合中心部においては亜鉛箔３０の亜鉛とアルミニウム合金板１５の表面の酸化皮膜１６とが直接接触する。
【００４０】
ここで、加圧及び通電によって、電極Ｅ１，Ｅ２から機械的又は熱的な衝撃が負荷されると、図６（ｃ）に示すように、酸化皮膜１６が局部的に破壊され、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、この状態で亜鉛とアルミニウムの共晶点温度（３７８℃）以上に保持されると、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融物や酸化皮膜と共にシール材Ｓの排出が始まる。
このとき、シール材Ｓの排出が完了するまで、亜鉛箔３０及び亜鉛めっき層２１は途切れることなく接合界面に介在している。
【００４１】
そして、さらなる押圧によって共晶溶融物と共に、酸化皮膜や接合界面の不純物（図示せず）がシール材Ｓと共に、接合部の周囲に排出物Ｄとなって排出され、図６（ｄ）に示すように、アルミニウム合金板１５と鋼板２０の新生面同士が接触し、所定の接合面積が確保される。
次いで、アルミニウム合金板１５と鋼板２０の新生面同士が直接接合され、図６（ｅ）に示すように、拡散反応層を伴う接合部Ｊが形成され、アルミニウム合金と鋼の強固な異材接手を得ることができる。
【００４２】
図７は、上記した手順によって得られた異種金属接合構造を示す拡大断面図であって、亜鉛めっき鋼板２０とアルミニウム合金板１５の接合構造において、鋼とアルミニウム合金との直接接合部Ｊは、排出物Ｄと、さらにはシール材Ｓによってその周囲を囲われた構造となっているため、腐食環境から完全に遮断されることになり、異種金属の接触腐食に対する優れた耐食性が確保できる。
また、鋼とアルミニウム合金の直接接合部Ｊは、シール材Ｓや共晶溶融金属、酸化皮膜、接合界面の不純物などがその周囲に排出されているため、高強度な接合が可能であり、強度と耐食性の両立が達成される。
【００４３】
なお、当該実施例においては、アルミニウム合金板１５の側には亜鉛箔３０を配置すると共に、鋼板として亜鉛めっき鋼板２０を使用することによって、シール材の排出を促進する第３の材料として、いずれも亜鉛を適用したことから、融点及び粘性の温度特性が同じであることから、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出に際して、偏った排出を防止して第３の材料の排出をシール材の両側で同程度に進行させることができ、シール材Ｓのより効果的な排出が可能となった。
また、シール材Ｓの接合部周囲への排出を第３の材料の接合部周囲への排出よりも先に完了させることができ、効果的にシール材Ｓの排出を行うことができた。
【００４４】
（比較例１）
上記溶融亜鉛めっき鋼板２０を裸鋼板に替え、亜鉛めっきアルミニウム合金板１０を無めっきのアルミニウム合金板１５としたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の異材接合を実施した。
【００４５】
（比較例２）
上記亜鉛めっきアルミニウム合金板１０を無めっきのアルミニウム合金板１５としたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の異材接合を実施した。
【００４６】
上記実施例１，２及び比較例１，２により得られた各異材継手について、接合界面におけるシール材の残存状態や、接手強度、耐食性能について調査し、その結果を表１に併せて示す。
【００４７】
なお、表中において、シール材の残存状態については、接合部にシール材の残存が認められないものを「◎」、ほとんど認められないものを「○」、かなり残存しているものを「×」として評価した。
また、接ぎ手強度については、ＪＩＳ Ｚ ３１４０に基づき、平均値以上のものを「◎」、平均値レベルのものを「○」、接合できなかったものを「×」として表した。
【００４８】
その結果、無めっきの異種金属材料をシール材との間に第３の材料を配置することなく接合した比較例１においては、アルミニウム合金の表面に存在する酸化皮膜除去のために大きな入熱が必要となり、金属間化合物が厚く成長すると共に、シール材が接合部に残存していることから、継手強度が得られなかった。
また、シール材を介してアルミニウム合金板と亜鉛めっき鋼板を接合した比較例２においては、めっき層の亜鉛とアルミニウムとの共晶溶融を利用することによって、酸化皮膜の除去、接合部周囲への排出が比較的低温で速やかに行われることから、厚い金属間化合物層の生成を回避することができ、比較的強固な異材継手が得られた。しかしながら、シール材の一部が接合界面に残存し、目標強度は達成するものの、継手強度が若干低下する傾向が認められた。
【００４９】
これらに対し、本発明の実施例１，２においては、亜鉛めっき鋼板の鋼とアルミニウム合金の直接接合部は、排出物とシール材によって周囲を囲われた構造となり、腐食環境から完全に遮断されているため、電食に対する優れた耐食性が得られると共に、シール材や共晶溶融金属、酸化皮膜、接合界面の不純物などが排出されているため、高強度な接合が得られ、強度と耐食性を両立することができた。
特に実施例１については、異種金属材料のそれぞれに亜鉛がめっきされていることから、シール材とめっきの双方の効果により電食に対する耐食性が増すことが確認された。
【００５０】
【表１】
【００５１】
（実施例３）
上記した板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１５（無めっき）と、板厚０．５５ｍｍの裸鋼板を間に上記同様のシール材Ｓを介して重ね合わせると共に、両金属板とシール材Ｓの間に、第３の材料として、厚さ０．１ｍｍの鉛箔（融点３２７．５℃）を配置した。
そして、図１に示した交流電源タイプのスポット溶接装置と、電極Ｅ１及びＥ２を同様に使用して３００ｋＮの加圧力を加えながら、２４０００Ａの交流電流を０．２秒間通電することによって、本例の異材接合を実施した。
【００５２】
その結果、シール材Ｓは、鉛と共に接合界面から円滑に排出することができ、両金属材料同士が直接接合された強固な接合状態が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例に用いた交流電源タイプの抵抗溶接装置の全体を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１の接合要領を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１における接合プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明の実施例１により得られた接合構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例２の接合要領を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２における接合プロセスを示す断面図である。
【図７】本発明の実施例２により得られた接合構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 第１の金属材料（異種金属材料）
２ 第２の金属材料（異種金属材料）
３ａ、３ｂ 第３の材料
１０ 亜鉛めっきアルミニウム合金板（異種金属材料）
１１ 亜鉛めっき層（第３の材料）
１５ アルミニウム合金板（異種金属材料）
２０ 亜鉛めっき鋼板（異種金属材料）
２１ 亜鉛めっき層（第３の材料）
３０ 亜鉛箔（第３の材料）
Ｓ シール材
Ｄ 排出物
Ｊ 接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼材とアルミニウム合金材など、異種金属材料の接合技術に係わり、特に材料間のイオン化傾向の違いによって生じる電食を防止するために、接合面にシール材を介在させた状態で接合する異種金属接合方法方法と、このような方法によって得られる異種金属接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異種金属を接合する場合、同種材同士の溶接の場合と同様に両方の被接合材を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度が得られないことがある。
例えば、アルミニウム合金と鋼を溶接する場合、高硬度で、しかも脆弱なＦｅ２Ａｌ５やＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するには、これら金属間化合物の生成を制御することが必要となる。
【０００３】
しかし、アルミニウム合金の表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、それを除去するためには接合時に大きな熱量を投与することが必要となる結果、厚い金属間化合物層が成長し、接合部の強度が低くなってしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、従来では、このような異種金属材料を組合わせて使用する場合には、ボルトやリベットなどによる機械的締結によってこれら材料を接合するようにしていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題があった。
【０００５】
また、このような異種金属の接合には、摩擦圧接が一部の部品において実用化されているが、このような摩擦圧接方法は対称性のよい回転体同士の接合など、その用途が限られている。
さらに、爆着や熱間圧延などによる接合も知られているが、設備や能率の面での問題が多く、実際上、一般の異種金属接合に広く適用することができないという問題がある。
【０００６】
このような異種金属接合の改善例として、接合しようとする異種金属材料の間に、これら異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材をそれぞれ同種の材料同士が接するように介在させた状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接を行うようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、アルミニウムと鋼の抵抗溶接において、アルミニウム材と接する鋼表面に、Ａｌ含有量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さとなるようにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ、鋼材側をほとんど溶融させないようにして、これら材料を接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、上記のような異種金属を組合わせて接合すると、異種金属が互いに接触して電気的に導通するために腐食が促進されることが知られている。
このような異種金属の接触による腐食は、金属のイオン化傾向の違いによってこれら金属間に電位差が生じ、腐食電流が流れることによって発生するとされており、従来、異種金属接触による腐食を防止するために、例えば以下のような対策が採られている。
【０００９】
すなわち、例えば鋼製の第１の部材と、例えばアルミニウムやその合金から成る第２の部材を両部材の間にシール材を介在させた状態で、例えばリベットや補強部材などの接合手段によって接合するようにした車体部材の接合構造が提案されている（特許文献３参照）。
また、鉄系材料とアルミニウム又はアルミニウム合金材料を接合した部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬して、接合部近傍に緻密かつ強固で密着性が高く、しかもアルミニウムと鉄との中間的なイオン化傾向を有する金属亜鉛を析出させ、もって接合部における異種金属間の接触による耐食性を向上させることが記載されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平４−１２７９７３号公報
【特許文献２】特開平６−３９５５８号公報
【特許文献３】特開２０００−２７２５４１号公報
【特許文献４】特開２００５−１５４８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、クラッド材を用いる特許文献１に記載の方法の場合、２枚の板を接合すべきところが３枚を接合することになり、実際の施工を考えた場合には、クラッド材を挿入して固定するという工程が必要となり、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くなって、コストアップ要因となる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、アルミニウムクラッド鋼自体も異種材同士を接合することにより製造されるため、製造条件が厳しく、安価で性能の安定したクラッド材を入手することが困難であるという問題点がある。
【００１１】
また、鋼表面にアルミニウムめっきを施した状態で抵抗溶接するという上記特許文献２に記載の方法においては、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、表面に存在する強固な酸化皮膜を破壊するために大入熱を投入することが必要となることから、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆い金属間化合物が生成され、これから破壊が生じる可能性があるという問題点がある。
【００１２】
一方、上記特許文献３に記載の技術においては、両材料の融点や線膨張係数が異なることから、スポット溶接等による溶融接合を避け、リベットやボルトなどによる機械的締結を採用しているため、接合された部材の重量やコストの増加が避けられないという問題点がある。
また、接合された部材をフルオロ錯イオン及び亜鉛イオンを含有する溶液中に浸漬するようにした特許文献４に記載の技術においては、接合材表面に析出した亜鉛だけでは、自動車部品に求められる耐食性能を十分に満足させることができず、しかも自動車の生産過程において、車体部品をこのような溶液中に浸漬する工程を組み込むことは、浸漬タンク等の新設備が必要となり、設備コストや管理コストが増え、製造コストの増加を招くことが問題となる。
【００１３】
本発明は、従来の異種金属接合における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、異種金属から成る材料同士を直接、強固に接合することができ、しかも材料同士が接触することによる電食の防止が可能であって、接合強度と耐食性共に優れた異材継手を安価に得ることができる異種金属接合方法と、このような方法によって得られる異種金属接合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記目的の達成に向けて、鋭意検討を重ねた結果、両異種金属材料の間にシール材を介挿した状態で両材料を接合するに際して、両材料とシール材の間に、接合面からのシール材の排出を促進させる第３の材料をそれぞれ介在させるようになすことによって、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。
【００１５】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属接合方法においては、シール材を介して重ね合わせた異種金属から成る材料同士を接合するに際して、両材料とシール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料をそれぞれ介在させ、シール材及び第３の材料を接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の異種金属接合構造は、上記接合方法により得られるものであって、異種金属材料の新生面同士が直接接合されていると共に、この接合部の周囲に、第３の材料、異種金属材料、シール材、第３の材料と異種金属材料との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種が排出されており、その最外周部がさらにシール材によってシールされていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、両異種金属材料とシール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料、例えば異種金属材料のいずれよりも融点の低い材料や、接する異種金属材料とそれぞれ共晶溶融を生じる材料をそれぞれ介在させるようにしたため、接合に際してシール材を第３の材料と共に接合部から容易に排出することができるようになり、接合部におけるシール材の残存を大幅に低減することができ、異なる材料の新生面同士を直接接合して、設備コストなどを増加させることなく、接合強度と耐食性を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の異種金属接合方法及び接合構造について、さらに詳細かつ具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の異種金属接合方法の実施の形態を説明するための概略断面図であって、図示したように、互いに異なる異種金属から成る第１の金属材料１と第２の金属材料２の間にシール材Ｓが介挿されていると共に、当該シール材Ｓと第１金属材料１の間にはこれら金属材料１及び２とは異なる第３の材料３ａを介在させると共に、上記シール材Ｓと第２金属材料２の間にもこれら金属材料１及び２と異なる第３の材料３ｂを介在させてある。
【００２０】
本発明においては、例えば図示するような交流タイプのスポット溶接機を使用し、このように重ね合わせた被接合材料を当該溶接機の電極Ｅ１及びＥ２によって通電加熱しながら加圧することによって、シール材Ｓが第３の材料３ａ及び３ｂと共に接合界面から排出されて第１及び第２の金属材料１及び２が互いに接触し、シール材Ｓを巻き込むことなく、これら金属材料１と２を直接接合することができ、新生面同士の強固な接合界面が得られると共に、シール材Ｓによってイオン化傾向等の材料特性が違う両金属材材料同士の接触を回避することができ、電食に対する耐腐食性能を向上させることができる。
このとき、第３の材料３ａ及び３ｂとしては、シール材Ｓの接合界面からの排出の促進に寄与する材料であれば特に限定されることはなく、例えば、上記金属材料１及び２のいずれよりも低い融点を有する材料や、接している金属材料、すなわち第３の材料３ａについては上記金属材料１との間で、第３の材料３ｂについては上記金属材料２との間でそれぞれ共晶溶融を生じるような材料を用いることができる。
【００２１】
上記第３の材料３ａ及び３ｂの融点については、上記金属材料１及び２の融点よりも低いことが必要であることは上記のとおりであるが、互いの融点や粘度の温度特性が近似しているほど望ましく、この意味では、同種あるいは同一規格の材料を用いることが合理的ではあるが、互いの融点や粘度の温度特性が実質的に同じであれば、同じ材料であることは必ずしも必要ではない。
これによって、金属材料１及び２の側におけるシール材Ｓやこれら第３金属３ａ及び３ｂの排出の偏りを防止し、これら排出を同程度に進行させることができるようになり、これら介在材料（第３の金属）の排出と並行しながら、より効果的なシール材Ｓの排出を行うことができ、シール材Ｓの接合部からの排出前に第３の金属３ａ及び３ｂが切れてしまうことなく、シール材Ｓの排出が介在材料３ａ及び３ｂよりも先に完了するようになって、効果的にシール材の排出を行うことができるようになる。
【００２２】
また、上記第３の材料３ａ及び３ｂとして、それぞれ第１金属材料１及び第２金属材料２との間で共晶溶融を生じるような材料を用いることによって、上記第１金属材料１及び第２金属材料２の少なくとも一方の接合面に、接合を阻害するような強固な酸化皮膜が生成しているような場合においても、脆い金属間化合物を生成させることなく、酸化皮膜を共晶溶融金属と共に接合部から周囲に排出することができるようになり、被接合材の新生面を露出させて新生面同士の強固な接合界面を得ることができる。
このとき、第１の金属材料１の側で生じる共晶溶融温度と、第２の金属材料２の側で生じる共晶溶融の温度についても、上記同様の理由によって、その温度差が少ない程好ましい。
【００２３】
アルミニウムとの間で共晶反応を生じる金属としては、Ｚｎ（共晶点温度：３７８℃）、Ｃｕ（共晶点温度：５４８℃）、Ｓｎ（共晶点温度：２３１．９７℃）、Ａｇ（共晶点温度：５６６℃）、マグネシウムとの間で共晶反応を生じる金属としては、Ｚｎ（共晶点温度：３２５℃）、Ｃｕ（共晶点温度：５５２℃、４８５℃）、Ｓｎ（共晶点温度：２３２℃）、Ａｇ（共晶点温度：４５０℃）、Ｎｉ（共晶点温度：５０６℃）等を挙げることができる。
【００２４】
そして、上記第３の材料３ａ及び３ｂの少なくとも一方は、それぞれ第１金属材料１及び第２金属材料２の表面に被覆されていることが望ましい。すなわち、これら第３の材料から成る被覆層が接合部から除去されることによって、被接合材である金属材料表面に新生面が露出されることになり、新生面同士のより強固な接合が可能になる。
【００２５】
上記異種金属材料としての第１の金属材料１及び第２の金属材料２と、第３の材料３ａ、３ｂの具体的な組合せとしては、第１及び第２の金属材料がそれぞれアルミニウム合金及び鋼、第３の材料が亜鉛又は亜鉛合金である組合せとすることができる。
すなわち、被接合材として、自動車用車体部材に用いられ、防錆鋼板として広く市販されている亜鉛めっき鋼板を用いることによって、第３の材料として亜鉛を挟んだり、新たに亜鉛めっきを施したりすることなく、そのまま使用することが可能となる。また、亜鉛とアルミニウムの共晶反応を利用することができ、これによってアルミニウム合金表面の強固な酸化皮膜を比較的低温で除去及び排出することができるようになり、接合界面におけるＦｅ２Ａｌ５やＦｅＡｌ３などの金属間化合物の成長を抑えて、良好な異材継手を得ることができる。
【００２６】
なお、図１においては、接合手段として、交流タイプのスポット溶接機を使用する例を示したが、この時の溶接電極として、先端に所定の曲率を有する曲面Ｃを備えた電極Ｅ１及びＥ２を用いることが望ましく、これによってシール材Ｓ及び第３の材料３ａ及び３ｂの接合界面からの排出を容易にすることができる。
また、ローラ状の電極を使用することによって、抵抗シーム溶接を行うことも可能である。もちろん、交流タイプに代えて直流タイプを用いることも差し支えない。
【００２７】
また、上記のような抵抗溶接に代えて、加熱手段としてのレーザビーム照射ヘッドと、加圧手段としての圧子、又は加圧ローラを備えたレーザ溶接装置を用いることも可能である。
【００２８】
上記シール材Ｓとしては、被接合材や接合部を腐食環境からシールして、異種金属の接触による電食を防止できるものである限り、特に限定はなく、各種の樹脂から成るペースト状の接着剤や塗料を用いることができる。
また、ペースト状のみならずシート状の接着剤を用いることができる。なお、シート状の接着剤は、一般に常温での粘性が高く、加圧だけでは排出し難い場合には、予備加熱（抵抗溶接の場合には予備通電）を実施することによって変形抵抗を低減するようになすこともでき、これによってシール材の排出を容易に行うことができるようになる。
【００２９】
本発明の異種金属接合構造は、上記した方法によって接合されたものであって、異種金属から成る第１と第２の金属材料１，２それぞれの新生面同士が直接接合されていると共に、この接合部の周囲に、第３の材料３ａ，３ｂ、上記異種金属材料１，２、シール材Ｓ、第３の材料３ａ，３ｂと異種金属材料１，２との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種を含む排出物Ｄが排出されており、その最外周部がさらにシール材Ｓによってシールされているので、優れた強度と共に、異種金属の接触による電食に対する高い耐食性を発揮するものとなる。
【実施例】
【００３０】
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、これら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
亜鉛めっきが施され、厚さ２０μｍの亜鉛めっき層１１を備えた板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１０と、厚さ２０μｍの亜鉛めっき層２１を有する板厚０．５５ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板２０を用意し、これらの間にシール材Ｓとしてペースト状の熱硬化性構造用接着剤を２〜３ｍｍの厚さとなるように塗布して、図２に示すように重ね合わせた。
すなわち、当該実施例においては、シール材の排出を促進する第３の材料として、アルミニウム合金板１０の側、鋼板２０の側共に、亜鉛から成るめっき層１１，１２を配置するようにした。
【００３２】
そして、図１に示したような交流電源タイプのスポット溶接装置を用い、加圧力３ｋＮ、電流２４０００Ａ、通電時間０．２秒の溶接条件のもとで、抵抗スポット溶接を実施した。このとき、電極Ｅ１，Ｅ２としては、先端に曲面Ｃを有する直径１５ｍｍのものを用いた。
【００３３】
図３は、この時の接合プロセスを示す断面図であって、図３（ａ）に示す初期状態から、図３（ｂ）に示すように、スポット溶接装置の電極Ｅ１，Ｅ２によって通電しながら加圧が開始されると、シール材Ｓは、接合中央部から外周部に排出される。このとき、電極Ｅ１，Ｅ２の先端部にはそれぞれ曲面加工が施してあるので、シール材Ｓの排出が効率的に進行する。
【００３４】
通電による界面の温度上昇とさらなる加圧によって、図３（ｃ）に示すように、亜鉛めっき層１１，２１が溶融し始め、これによってシール材Ｓの排出が促進される。
このとき、亜鉛めっき層１１，２１は、シール材Ｓの排出が完了するまでは途切れることなく、接合界面に介在している。
【００３５】
そして、図３（ｄ）に示すように、シール材Ｓが亜鉛と共に接合部位から排出物Ｄとなって排出され、アルミニウム合金板１０及び鋼板２０の新生面同士が接触し、所定の接合面積が確保される。
次いで、通電及び加圧によって、アルミニウム合金板１０と鋼板２０の新生面同士が直接接合され、図３（ｅ）に示すように、拡散反応層を伴う接合部Ｊが形成され、アルミニウム合金と鋼の強固な異材接手を得ることができる。
【００３６】
図４は、上記によって得られた異種金属接合構造を示す拡大断面図である。
このような亜鉛めっき鋼板２０及び亜鉛めっきアルミニウム合金板１０から成る異材継手において、鋼とアルミニウム合金との直接接合部Ｊは、排出物Ｄと、さらにはシール材Ｓによって周囲を囲われた構造となっているため、腐食環境から完全に遮断されることになって、異種金属の接触腐食に対する優れた耐食性が得られる。
また、鋼とアルミニウム合金の直接接合部Ｊは、シール材Ｓや亜鉛めっき、接合界面の不純物などがその周囲に排出されているため、高強度な接合がなされており、強度と耐食性とを両立させることができる。さらに、双方の金属材料には、それぞれめっきが施されているため、電食に対する耐腐食性能をより向上させることができる。
【００３７】
なお、当該実施例においては、シール材の排出を促進する第３の材料として、アルミニウム合金板１０の側、鋼板２０の側共に、亜鉛から成るめっき層１１，１２を配置し、融点及び粘性の温度特性が同じものとしたことから、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出に際して、アルミニウム合金板１０の側のみ、あるいは鋼板２０の側のみというような偏った排出を防止し、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出を同程度に進行させることができ、当該材料の排出を並行させてより効果的なシール材Ｓの排出を行うことが可能となった。
また、シール材Ｓの接合部周囲への排出の完了時点を第３の材料の接合部周囲への排出の完了時点より先とすることができ、シール材Ｓの接合部周囲への完了前に第３の材料が切れることなく、第３の材料の排出が完了した時点には、シール材Ｓの排出がすでに完了していることによって、効果的にシール材Ｓの排出を行うことが可能となった。
【００３８】
（実施例２）
上記実施例１と同様に、アルミニウム合金板と亜鉛めっき鋼板との異材接合を行うに際し、図５に示すように、亜鉛めっきアルミニウム合金に代えて、板厚１．０ｍｍの無めっき６０００系アルミニウム合金板１５を用い、当該合金板１５とシール材Ｓの間に、第３の材料として亜鉛箔３０を介在させ、これ以外は上記実施例１と同様の条件の下に、これらアルミニウム合金板１５と亜鉛めっき鋼板２０の抵抗スポット溶接を実施した。
なお、無めっきであるからして、上記アルミニウム合金板１５には、その表面に酸化皮膜１６が生成している。
【００３９】
図６は、この時の接合プロセスを示す断面図であって、図６（ａ）に示した重ね合わせ状態から、図６（ｂ）に示すように、図１に示したスポット溶接装置の電極Ｅ１，Ｅ２によって通電及び加圧を開始すると、シール材Ｓは、接合中央部から外周部に向けて排出され、接合中心部においては亜鉛箔３０の亜鉛とアルミニウム合金板１５の表面の酸化皮膜１６とが直接接触する。
【００４０】
ここで、加圧及び通電によって、電極Ｅ１，Ｅ２から機械的又は熱的な衝撃が負荷されると、図６（ｃ）に示すように、酸化皮膜１６が局部的に破壊され、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、この状態で亜鉛とアルミニウムの共晶点温度（３７８℃）以上に保持されると、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融物や酸化皮膜と共にシール材Ｓの排出が始まる。
このとき、シール材Ｓの排出が完了するまで、亜鉛箔３０及び亜鉛めっき層２１は途切れることなく接合界面に介在している。
【００４１】
そして、さらなる押圧によって共晶溶融物と共に、酸化皮膜や接合界面の不純物（図示せず）がシール材Ｓと共に、接合部の周囲に排出物Ｄとなって排出され、図６（ｄ）に示すように、アルミニウム合金板１５と鋼板２０の新生面同士が接触し、所定の接合面積が確保される。
次いで、アルミニウム合金板１５と鋼板２０の新生面同士が直接接合され、図６（ｅ）に示すように、拡散反応層を伴う接合部Ｊが形成され、アルミニウム合金と鋼の強固な異材接手を得ることができる。
【００４２】
図７は、上記した手順によって得られた異種金属接合構造を示す拡大断面図であって、亜鉛めっき鋼板２０とアルミニウム合金板１５の接合構造において、鋼とアルミニウム合金との直接接合部Ｊは、排出物Ｄと、さらにはシール材Ｓによってその周囲を囲われた構造となっているため、腐食環境から完全に遮断されることになり、異種金属の接触腐食に対する優れた耐食性が確保できる。
また、鋼とアルミニウム合金の直接接合部Ｊは、シール材Ｓや共晶溶融金属、酸化皮膜、接合界面の不純物などがその周囲に排出されているため、高強度な接合が可能であり、強度と耐食性の両立が達成される。
【００４３】
なお、当該実施例においては、アルミニウム合金板１５の側には亜鉛箔３０を配置すると共に、鋼板として亜鉛めっき鋼板２０を使用することによって、シール材の排出を促進する第３の材料として、いずれも亜鉛を適用したことから、融点及び粘性の温度特性が同じであることから、シール材Ｓの両側に介在する第３の材料の排出に際して、偏った排出を防止して第３の材料の排出をシール材の両側で同程度に進行させることができ、シール材Ｓのより効果的な排出が可能となった。
また、シール材Ｓの接合部周囲への排出を第３の材料の接合部周囲への排出よりも先に完了させることができ、効果的にシール材Ｓの排出を行うことができた。
【００４４】
（比較例１）
上記溶融亜鉛めっき鋼板２０を裸鋼板に替え、亜鉛めっきアルミニウム合金板１０を無めっきのアルミニウム合金板１５としたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の異材接合を実施した。
【００４５】
（比較例２）
上記亜鉛めっきアルミニウム合金板１０を無めっきのアルミニウム合金板１５としたこと以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の異材接合を実施した。
【００４６】
上記実施例１，２及び比較例１，２により得られた各異材継手について、接合界面におけるシール材の残存状態や、接手強度、耐食性能について調査し、その結果を表１に併せて示す。
【００４７】
なお、表中において、シール材の残存状態については、接合部にシール材の残存が認められないものを「◎」、ほとんど認められないものを「○」、かなり残存しているものを「×」として評価した。
また、接ぎ手強度については、ＪＩＳ Ｚ ３１４０に基づき、平均値以上のものを「◎」、平均値レベルのものを「○」、接合できなかったものを「×」として表した。
【００４８】
その結果、無めっきの異種金属材料をシール材との間に第３の材料を配置することなく接合した比較例１においては、アルミニウム合金の表面に存在する酸化皮膜除去のために大きな入熱が必要となり、金属間化合物が厚く成長すると共に、シール材が接合部に残存していることから、継手強度が得られなかった。
また、シール材を介してアルミニウム合金板と亜鉛めっき鋼板を接合した比較例２においては、めっき層の亜鉛とアルミニウムとの共晶溶融を利用することによって、酸化皮膜の除去、接合部周囲への排出が比較的低温で速やかに行われることから、厚い金属間化合物層の生成を回避することができ、比較的強固な異材継手が得られた。しかしながら、シール材の一部が接合界面に残存し、目標強度は達成するものの、継手強度が若干低下する傾向が認められた。
【００４９】
これらに対し、本発明の実施例１，２においては、亜鉛めっき鋼板の鋼とアルミニウム合金の直接接合部は、排出物とシール材によって周囲を囲われた構造となり、腐食環境から完全に遮断されているため、電食に対する優れた耐食性が得られると共に、シール材や共晶溶融金属、酸化皮膜、接合界面の不純物などが排出されているため、高強度な接合が得られ、強度と耐食性を両立することができた。
特に実施例１については、異種金属材料のそれぞれに亜鉛がめっきされていることから、シール材とめっきの双方の効果により電食に対する耐食性が増すことが確認された。
【００５０】
【表１】
【００５１】
（実施例３）
上記した板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板１５（無めっき）と、板厚０．５５ｍｍの裸鋼板を間に上記同様のシール材Ｓを介して重ね合わせると共に、両金属板とシール材Ｓの間に、第３の材料として、厚さ０．１ｍｍの鉛箔（融点３２７．５℃）を配置した。
そして、図１に示した交流電源タイプのスポット溶接装置と、電極Ｅ１及びＥ２を同様に使用して３００ｋＮの加圧力を加えながら、２４０００Ａの交流電流を０．２秒間通電することによって、本例の異材接合を実施した。
【００５２】
その結果、シール材Ｓは、鉛と共に接合界面から円滑に排出することができ、両金属材料同士が直接接合された強固な接合状態が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例に用いた交流電源タイプの抵抗溶接装置の全体を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１の接合要領を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１における接合プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明の実施例１により得られた接合構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例２の接合要領を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２における接合プロセスを示す断面図である。
【図７】本発明の実施例２により得られた接合構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 第１の金属材料（異種金属材料）
２ 第２の金属材料（異種金属材料）
３ａ、３ｂ 第３の材料
１０ 亜鉛めっきアルミニウム合金板（異種金属材料）
１１ 亜鉛めっき層（第３の材料）
１５ アルミニウム合金板（異種金属材料）
２０ 亜鉛めっき鋼板（異種金属材料）
２１ 亜鉛めっき層（第３の材料）
３０ 亜鉛箔（第３の材料）
Ｓ シール材
Ｄ 排出物
Ｊ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シール材を介して重ね合わせた異種金属から成る材料同士を接合するに際して、両材料と上記シール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料をそれぞれ介在させ、シール材及び第３の材料を接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合することを特徴とする異種金属接合方法。
【請求項２】
上記第３の材料の融点が異種金属材料のいずれの融点よりも低い材料であ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。
【請求項３】
上記第３の材料が当該材料に接する異種金属材料とそれぞれ共晶溶融を生じる材料であ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。
【請求項４】
上記シール材と両異種金属材料の間にそれぞれ介在する第３の材料の融点及び／又は粘性の温度特性が近似してい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】
上記シール材と両異種金属材料と間にそれぞれ介在する第３の材料が同じ材料から成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６】
上記第３の材料の接合部からの排出が終了した時点で、上記シール材の接合部からの排出が完了していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項７】
上記異種金属材料の少なくとも一方の表面に第３の材料が被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項８】
上記異種金属材料がアルミニウム合金及び鋼であると共に、上記第３の材料が亜鉛又は亜鉛合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項９】
請求項１〜８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、上記異種金属材料の新生面同士が直接接合されていると共に、当該接合部の周囲に、上記第３の材料、異種金属材料、シール材、上記第３の材料と異種金属材料との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種が排出されており、さらにその最外周部がシール材によってシールされていることを特徴とする異種金属接合構造。
【請求項１】
シール材を介して重ね合わせた異種金属から成る材料同士を接合するに際して、両材料と上記シール材の間にシール材の排出を促進する第３の材料をそれぞれ介在させ、シール材及び第３の材料を接合部から排出させた状態で上記異種材料同士を直接接合することを特徴とする異種金属接合方法。
【請求項２】
上記第３の材料の融点が異種金属材料のいずれの融点よりも低い材料であ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。
【請求項３】
上記第３の材料が当該材料に接する異種金属材料とそれぞれ共晶溶融を生じる材料であ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。
【請求項４】
上記シール材と両異種金属材料の間にそれぞれ介在する第３の材料の融点及び／又は粘性の温度特性が近似してい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】
上記シール材と両異種金属材料と間にそれぞれ介在する第３の材料が同じ材料から成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６】
上記第３の材料の接合部からの排出が終了した時点で、上記シール材の接合部からの排出が完了していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項７】
上記異種金属材料の少なくとも一方の表面に第３の材料が被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項８】
上記異種金属材料がアルミニウム合金及び鋼であると共に、上記第３の材料が亜鉛又は亜鉛合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種金属接合方法。
【請求項９】
請求項１〜８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、上記異種金属材料の新生面同士が直接接合されていると共に、当該接合部の周囲に、上記第３の材料、異種金属材料、シール材、上記第３の材料と異種金属材料との反応生成物及び接合過程で生成される反応物から成る群より選ばれる少なくとも１種が排出されており、さらにその最外周部がシール材によってシールされていることを特徴とする異種金属接合構造。
【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２００８−２２９６５８（Ｐ２００８−２２９６５８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７２４８３（Ｐ２００７−７２４８３）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【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２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【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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