異種金属の接合方法
【課題】例えば、軽合金製のルーフパネルを用いた自動車の車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの加熱により、外観やデザインの自由度を損なうことなくこれら異種金属材料を互いに接合することができ、必要に応じてシール材の適用により、接合部への水分の侵入を防止することができる異種金属の接合方法を提供する。
【解決手段】高融点材料から成る第１の板材１に重ねた低融点材料から成る第２の板材２に、第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材３をさらに重ね、この表面にデフォーカスした高エネルギービームＢｐを照射して第２の板材２を軟化させ、軟化した第２の板材２を加圧ローラ８の加圧により切断して接合界面から排除し、第１の板材１と第３の板材３を直接接触させ、この接触部分に高エネルギービームＢｗを照射し、これら第１及び第３の板材１、３を溶融接合する。必要に応じて、これら板材の間にシール材を介在させる。
【解決手段】高融点材料から成る第１の板材１に重ねた低融点材料から成る第２の板材２に、第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材３をさらに重ね、この表面にデフォーカスした高エネルギービームＢｐを照射して第２の板材２を軟化させ、軟化した第２の板材２を加圧ローラ８の加圧により切断して接合界面から排除し、第１の板材１と第３の板材３を直接接触させ、この接触部分に高エネルギービームＢｗを照射し、これら第１及び第３の板材１、３を溶融接合する。必要に応じて、これら板材の間にシール材を介在させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属、例えばスチール材のような高融点金属材料から成る板材の間に、これらよりも融点の低い金属材料、例えばアルミニウム合金などから成る板材と、必要に応じてシール材を挟んだ継手を重ね接合する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子ビームやレーザビーム等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料の表面に照射し、ビーム照射によって加熱された高融点材料の側からの伝熱によって接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。
【０００３】
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において、片側の材料（低融点材料）のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することにより金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、例えば非特許文献１には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相／液相状態として異種材の接合を行う方法が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献２には、機械的締結による方法、すなわちアルミニウム合金側からリベットなどを打ち込むことによって、アルミニウム合金製パネルを鋼製車体骨格構造に接合する方法が記載されている。
【非特許文献１】「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００３年４月、第７２集、ｐ．１５２
【非特許文献２】三菱自動車 テクニカルレビュー ２００４、Ｎｏ．１６、ｐ．８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に記載の方法においては、鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金だけを溶融させるため、必然的にアルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製ルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となる。また、ルーフパネルに限らず、他の車体外板パネルにアルミニウム合金を用いた場合も、鋼製の車体骨格構造の上にアルミニウム合金製の車体パネルを重ねる構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
【０００６】
そこで、実用的には、上記非特許文献２に記載の機械的締結による方法の採用が考えられるが、この方法では、外観やデザインの自由度などに制約が生じる場合があるという問題点があった。
また一方、上記のような異種材料継手においては、異種金属同士が接触する接合端部に水が浸入した場合、異種金属接触腐食が進行する可能性があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、異種金属材料の接合技術における上記課題に鑑みてなされたものであって、例えば、軽合金製のルーフパネルを用いた自動車の車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの加熱によって、外観やデザインの自由度などを損なうことなくこれら異種金属材料を互いに接合することができると共に、必要に応じてシール材を適用することにより、接合部への水分の侵入を防止することができる異種金属の接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、鋼製車体部材の上に重ねた軽合金製ルーフパネルの上に、さらに鋼製板材を重ねて接合す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。
【０００９】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属の接合方法においては、高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際して、第２の板材にさらに第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材を重ね、第３の板材を加熱して、その伝熱により第２の板材を軟化させ、第３の板材側からの加圧によって軟化した第２の板材を切断して第１の板材と第３の板材を直接接触させ、この接触部位にさらに高エネルギービームを照射して第１の板材と第３の板材を溶融接合することを特徴とする。
【００１０】
また、接合部の水密性を確保すべく、板材間にシール材を介在させた場合には、このシール材を第３の板材側からの加熱及び加圧によって第２の板材と共に切断するようになすことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際し、第２の板材に第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材をさらに重ね、第３の板材を加熱し、これからの伝熱によって第２の板材を軟化させると共に、軟化した第２の板材を第３の板材側からの加圧によって切断して、第１の板材と第３の板材を直接接触させたのち、これら第１及び第３の板材を溶接するようにしたことから、例えば低重心化を図った上記のような骨格構造を備えた車体の組み立てにおいても、車体の外側からの加熱によって異種材料の重ね接合が可能になるため、継手構造上の制約が解消され、自由度の高い構造設計が可能になり、外観やデザインの自由度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の異種金属の接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。
【００１３】
本発明の異種金属の接合方法においては、上記したように、第１の板材に重ねた第２の板材に、第１の板材と同種の材料から成る第３の板材をさらに重ね、この第３の板材を加熱し、これからの伝熱によって、その下の第２の板材を軟化させ、軟化した第２の板材を第３の板材側からの加圧によって切断して接合界面から排除し、第１の板材と第３の板材を直接接触させた状態で、これら第１及び第３の板材を溶接するようにしており、一つの工程内で低融点材料（第２の板材）の切断と、高融点材料同士（第１及び第３の板材）の溶接を行うことができ、しかも低融点材料が高融点材料同士の接合強度の高い接合部に挟まれていることによって、低融点材料を高融点材料の間に強固に固定することができる。
【００１４】
そして、高融点材料（第１及び第３の板材）の間に、低融点材料（第２の板材）を挟んだ状態の継手形状としていることから、いずれの側からでも加熱や加圧を行うことができるようになり、例えば、低重心骨格構造の自動車車体の組み立てにおいては、車体の外側からの加熱、加圧によって異材接合に対応することができるようになり、構造設計や溶接施工上の制約が解消されることになる。
【００１５】
なお、本発明においては、第１の板材と第３の板材を同種の高融点材料から成るものとしているが、本発明において『同種』とは、金属組織や成分系が同じものを意味し、同一規格に属するものはもとより、例えば、炭素鋼と合金鋼、軟鋼と高張力鋼などのように別規格のものであってもフェライト組織である限り、本発明では『同種』ということになる。
【００１６】
また、本発明において、第２の板材を第３の板材を介して加熱する手段や、第２の板材を切断すべく、第３の板材側から加圧する手段、さらに直接接触した第１と第３の板材を溶接する手段としては、いずれも特に限定されず、例えば加熱手段としては、レーザビームや、抵抗加熱、ヒータやバーナーなどによる加熱を適用することができる。また、加圧手段としては、円筒状の圧子や加圧ローラなどを用いることができ、これらの内部にヒータを組み込むことによって、加熱手段と加圧手段を兼ねることができる。
そして、溶接手段としては、例えばレーザ溶接や抵抗溶接などを適用することができる。
【００１７】
本発明の異種金属の接合方法においては、板材間、すなわち第１の板材と第２の板材の間、又は第３の板材と第２の板材の間、あるいはその両方にシール材を挟持した状態でも、同様に重ね接合を行うことができる。
すなわち、シール材は、第３の板材に対する加熱及び加圧によって、第２の板材と共に切断され、共に接合部から排出される結果、第１の板材と第３の板材が直接接触し、これら第１及び第３の板材、すなわち高融点材料同士の溶接が可能になる。そして、接合部から排出されたシール材によって、接合部端部の異種金属接触部分への水の浸入を防ぐことができ、防錆対策と接合強度向上を同時に実現することができる。
【００１８】
なお、本発明において、上記シール材としては、例えば、エポキシ樹脂系、合成ゴム系、合成ゴム／ＰＶＣ系材料などを用いることができ、このような材料を溶液状にして被接合材料の接合面に塗布したり、シート状にしたものを両材料の間に挟んだりすることができる。
【００１９】
図１及び図２は、本発明における異種金属の接合要領を説明するためのものであって、図１は、加熱手段としての高エネルギービーム、加圧手段としての加圧ローラ及び溶接手段としての高エネルギービームの移動方向、すなわち接合線と直交する方向から見た側面図、図２（ａ）〜（ｃ）は、図１における切断線ａ、ｂ、ｃにおけるそれぞれ断面図である。
【００２０】
これら図に示すように、高融点材料（例えば、鋼材）から成る第１の板材１の上に、低融点材料（例えば、アルミニウム合金材）から成る第２の板材２が重ねられ、さらにこの第２の板材２の上には、高融点材料（例えば、鋼材）から成る第３の板材３が重ねられている。
【００２１】
先ず、高融点材料である第３の板材３の側から、図２（ａ）に示すように、その表面上に、加熱手段として、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを接合線に沿って移動させながら照射して第３の板材３を加熱し、高温となった第３の板材３からの伝熱によって、これよりも低融点の第２の板材２を加熱して軟化させる。
【００２２】
続いて、上記レーザビームＢｐによる照射位置の直後を加圧ローラ５によって、第３の板材３を第１の板材１に押し付ける方向に加圧し、これによって、図２（ｂ）に示すように、低融点材料である第２の板材２を部分的に切断し、溶接進行方向の両側に向けて排出して、第３の板材３と第１の板材１とを直接接触させる。
【００２３】
そして、加圧ローラ５によって第３の板材３と第１の板材１とを接触させた部位に、図２（ｃ）に示すように、第３の板材３の表面に焦点を合わせた第２のレーザビームＢｗを照射して、第３の板材３と第１の板材１とを溶接する。
【００２４】
上記手順によって、低融点材料である第２の板材２を第１の板材１と第３の板材３との間で固定することができ、一つの工程内で第２の板材２の切断と高融点材料同士、すなわち第１及び第３の板材１、３の接合が行われる。
【００２５】
なお、上記レーザビームＢｐ、加圧ローラ５及びレーザビームＢｗは、被接合材に対して、相対的に移動可能に構成されており、これらレーザビームの照射や、加圧、相対移動を断続的に行うことによって、これら板材１，２，３を断続的なステッチ状に接合することができる。
また、加圧ローラ５の加圧面５ａ（板材との接触面）には、中央部が凸となるような曲率を設けることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化した低融点材料を加圧部においてより効率的に切断すると共に、溶接進行方向の両側に向けて容易に排出することができるようになり、高融点材料同士が接触し易くなって、第１及び第３の板材１，３を容易に接合することができるようになる。
【００２６】
さらにまた、レーザビームＢｐ及びＢｗの照射と加圧ローラ５による加圧を連続的に行うことによって、第１及び第３の板材１，３を連続的に溶融接合すると、多くの場合、低融点材料（第２の板材）が完全に切断されてしまい、第１及び第３の板材１，３の間で第２の板材２を固定することができなくなってしまう可能性があるため、上記したようにレーザビームＢｐ及びＢｗの照射と加圧ローラ５による加圧を断続的に行うことによって、第１の板材１と第３の板材３とをステッチ状に溶融接合することが望ましい。なお、板の端部を接合するような場合には、連続的に加圧、接合を行うようにしてもよい。
【００２７】
図３（ａ）〜（ｃ）は、第１の板材１と第２の板材２の間及び第３の板材３と第２の板材２の間にシール材Ｓをそれぞれ挟んで接合する手順を示すものであって、高融点材料である第３の板材３の側から、同様に、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを照射して第３の板材３を加熱し、加熱された第３の板材３からの伝熱によって第２の板材２を加熱して軟化させる（図３（ａ））。
続いて、第３の板材３を加圧ローラ５によって第１の板材１に押し付ける方向に加圧し、図３（ｂ）に示すように、低融点材料である第２の板材２とシール材Ｓとを部分的に切断して進行方向両側に排出し、第１及び第３の板材を直接接触させ、当該部分に溶接手段であるレーザビームＢｐを照射することによって、第３の板材３と第１の板材１とを溶接する（図３（ｃ））。
【００２８】
このとき、加圧ローラ５の加圧によって、接合界面から排出され、押出されたシール材Ｓは接合界面の水密性を確保し、防錆機構として機能する。
【００２９】
本発明の異種金属の接合方法においては、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３の板材３に、あらかじめ第２の板材２の側に向けて突出する凸形状をなし、中央部に所定幅の平面を備えた凸部３ａと、該凸部３ａの両側に凹部３ｂ，３ｂを有する逆Ｗ字形の断面形状をなすエンボスを接合線に沿って断続的に形成しておくことが望ましい。
【００３０】
すなわち、当該エンボスの中央部が第２の板材２の側に突出していることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化した低融点材料（第２の板材）を加圧部においてより効率的に切断して、横方向に排出することが容易となり、加えてその両脇が凹形状となっていることによって、加圧中央部より排出された低融点材料が凹部３ｂに入り込むようになるため、排出された低融点材料が第３の板材３を押し上げてしまうようなことが防止され、加圧ローラ５による加圧によって第３の板材３がＶ字状断面に変形してしまうような不都合を防止することができるようになる。
また、凸部３ａに幅（所定幅の平面）を持たせることによって、第３の板材３から第１の板材１への伝熱が効率的に行われるようになり、高融点材料同士の溶融接合を容易に行うことができるようになる。なお、この幅の寸法としては、熱が十分に伝わり、かつ見栄えが悪くならない程度とすることが望ましく、具体的には２〜５ｍｍ程度にすることが適当である。
【００３１】
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、第１の板材１と第２の板材２との間、第２の板材２と第３の板材３との間に、それぞれシール材Ｓを配置すると共に、第３の板材３に図４に示したようなエンボスを接合線に沿って断続的に形成し、断続的なステッチ状に溶接する手順を示すものであって、上記したように加圧ローラ５による第２の板材２及びシール材Ｓの切断及び排出が効率的のものとなって、板材の変形が防止できると共に、排出されたシール材Ｓが接合端部に密着して異種金属間の接触部への水の浸入を防止し、図３に示したものと同様に、防錆機能を発揮する。
【００３２】
上記においては、加熱手段としてデフォーカスしたレーザビームＢｐを用い、加圧手段として加圧ローラ５を用いた例を示したが、本発明の異種金属の接合方法においては、加熱手段と加圧手段を兼ねたホットローラを用いることもできる。
【００３３】
すなわち、図６は、ホットローラを用いた接合要領を示すものであって、ヒータを内蔵したホットローラ６、７によって、第１の板材１と共に第３の板材３を加熱し、これらからの伝熱によって第２の板材２が軟化した時点で、これらホットローラ６、７で加圧することによって、第２の板材２を切断すると共に、接合部から排出し、この後、溶接手段として、レーザビームＢｗを第３の板材３に照射することによって、第１の板材１と第３の板材３を溶接することができる。
このとき、上記ホットローラ６、７の加圧面（板材との接触面）は、加圧ローラ５と同様に、中央部が凸となるような曲面状に形成することが望ましく、これによって、軟化した低融点材料をより効率的に切断し、接合部から排出することができるようになる。
【００３４】
さらに、溶接手段としては、レーザ溶接に代えて、抵抗溶接を採用することもできる。
例えば、図７に示すように、加熱手段及び加圧手段としては、上記同様にヒータ付きのホットローラ６、７を使用し、溶接手段として抵抗シーム溶接を用いることができる。
【００３５】
すなわち、ホットローラ６、７を用いて接合部を加熱、加圧することによって、同様に第２の板材２を切断、排出した後、ローラ電極１０、１１によって挟持し、接合部を加圧しながら第１及び第３の板材１及び３の間に通電すると共に、ローラ電極１０、１１を回転させることによって、抵抗溶接が連続的に進行し、両材料を線状に接合することができる。
【００３６】
さらに、本発明の異種金属の接合方法においては、溶接手段として、抵抗スポット溶接をも適用することができる。
図８は、加熱及び加圧手段として円筒状の圧子１４、１５を用い、溶接手段として抵抗スポット溶接機を用いた例を示す。圧子１４、１５には、内部にヒータが組み込まれており、熱伝達により第１及び第３の板材１及び３に挟持された第２の板材２を加熱することができるようになっている。また、必要に応じて、被接合材料を挟持した状態で圧子１４、１５の間に微弱な電流を流し、材料間に抵抗発熱を生じさせるような構造とすることも可能である。
【００３７】
圧子１４、１５による加熱及び加圧によって、軟化した第２の材料を切断して、合部位から排出され、直接接触した第１及び第３の板材１及び３を１対のスポット溶接電極１６、１７で挟み、両板材１、３を相対加圧することによってスポット溶接が完了する。
【００３８】
そして、図９は、加熱手段として高周波加熱を利用し、加圧及び溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した例を示す。
すなわち、高周波コイル１８、１９に通電することによって、第１及び第３の板材１及び３を介して第２の板材２を加熱したのち、加熱された部位を１対のスポット溶接電極１６、１７で挟み、これら板材を相対的に加圧する。これによって、第２の板材２は切断されて、接合部位から排出され、その後、両電極１６、１７間に通電することにより、スポット溶接され、接合が完了する。
【００３９】
なお、本発明の異種金属の接合方法においては、具体的な金属材料の組み合わせとして、例えば第１及び第３の板材（高融点材料）を鋼板とし、第２の板材（低融点材料）としてアルミニウム合金板を用いることができ、自動車用を始めとする各種機械部品における異種接合に適用することが可能になる。
すなわち、接合に先立って鋼板を過熱した際に、外側の鋼板を溶融させずに、間に挟まれたアルミニウム合金板のみを溶融ないしは軟化させることができ、鋼板側からの加圧によって、アルミニウム合金板のみを加圧部位で切断して、接合部位から排出することができる。
【実施例】
【００４０】
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。
【００４１】
図１０及び図１１は、本発明の異種金属の接合方法を自動車車体のルーフ構造に適用した例を示すものであって、図１０は、当該車体の接合構造を示す斜視図、図１１はその接合要領を示す断面図である。
図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ２１（板厚：１．４ｍｍ）と、レールアウタ２２（板厚：０．８ｍｍ）と、サイドアウタ２３（板厚：０．８ｍｍ）が溶接により組み立てられた車体部材２０の上方から、６０００系アルミニウム合金から成るルーフパネル３１（板厚：１．０ｍｍ）が重ねられる。
【００４２】
車体部材２０のサイドアウタ２３（第１の部材）には接合面２３ａが設けてあり、ルーフパネル３１（第２の部材）の端部に形成された接合フランジ３１ａがこの部分に重ねられる。
さらに、ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａの上には、第３の板材として鋼製のリテーナ４１（板厚：０．８ｍｍ）が重ねられる。
【００４３】
レーザビームＢｐ、レーザビームＢｗは、リテーナ４１の側から照射される。加圧ローラ５は、リテーナ４１とルーフパネル３１の接合フランジ３１ａをリテーナ４１の側から車体部材２０のサイドアウタ２３に押し付ける方向に加圧するようになっている。
なお、これらレーザビームＢｐ、レーザビームＢｗ及び加圧ローラ５は、車体部材２０に対して相対的に移動可能に配置されている。
【００４４】
まず、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを移動させながら、リテーナ４１の方向からその表面に照射して、リテーナ４１を加熱する。そして加熱されたリテーナ４１からの伝熱によりルーフパネル３１の接合フランジ３１ａが加熱され、これによって当該接合フランジ３１ａが軟化する。
続いて、デフォーカスさせた上記レーザビームＢｐによる照射位置の直後を、加圧面を凸状曲面とした加圧ローラ５を用いて、リテーナ４１を車体部材２０に対して押し付ける方向に加圧し、これによってルーフパネル３１の接合フランジ３１ａを部分的に切断すると共に、これを溶接進行方向の両側に向かって排出し、リテーナ４１と車体部材２０のサイドアウタ２３を直接接触させる。
【００４５】
そして、加圧ローラ５の加圧によってリテーナ４１とサイドアウタ２３とが直接接触した部位に、当該リテーナ４１の表面に焦点を合わせたをレーザビームＢｐを照射し、リテーナ４１と車体部材２０のサイドアウタ２３とを溶融接合部Ｗ（図１１参照）で断続的に溶接する。
【００４６】
なお、レーザビームとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、照射条件については、リテーナ４１の表面に先行レーザビームＢｐを照射して、加熱されたリテーナ４１からの伝熱によってアルミニウム合金製ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａが軟化し、後続する加圧ローラ５の加圧によって切断すると共に、その両側に排出でき、さらに後行レーザビームＢｗによってリテーナ４１とサイドアウタ２３が接触部位において溶融接合できるように、各レーザビームＢｐ，Ｂｗの焦点位置、レーザ出力、ローラ加圧力、送り速度などを設定した。
具体的には、最大出力３ｋＷのレーザ発振器と、焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、先行レーザビームＢｄについては、レーザ出力を２．０ｋWとし、リテーナ４１の表面上でのスポット径がφ５ｍｍとなるようにデフォーカスすると共に、後行レーザビームＢｗについては、レーザ出力を１．０ｋWとし、リテーナ４１の表面上においてジャストフォーカスとなるよう焦点を調整し、加圧ローラ５の加圧力を２．５ｋＮ、送り速度０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。また、レーザ照射中はアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流し接合部をシールドした。
【００４７】
上記した手順に基づいて接合することにより、ルーフパネル３１に予備加工などを施すことなく、アルミニウム合金製ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａを車体部材２０のサイドアウタ２３とリテーナ４１との間で固定することができる。
なお、加圧ローラ５の加圧面に、中央部が凸状となる曲面を設けることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化したルーフパネル３１の接合フランジ３１ａに加圧力を効果的に付与して、当該フランジ３１ａの切断及び接合部位からの排出をよ効率的におこなうことができるようになる。
【００４８】
ここで、リテーナ４１とアルミニウム合金製のルーフパネル３１における接合フランジ３１ａの剛性に比較し、鋼製の構造部材である車体部材２０の剛性が十分に高いため、加圧ローラ５による加圧に対して、図１２に示すようなリベットＲによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えＴが必要ないことから、ルーフパネル３１と車体部材の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅Ｗ１もリベット接合に比べて狭くできるため、車体としての外観品質も向上する。
【００４９】
なお、後行レーザビームＢｗの照射に際しては、必要に応じてフィラーワイヤを供給しながら溶接することもでき、これによってリテーナ４１と車体部材２０の間に隙間が生じたとしても、溶接不良を回避することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による異種金属の接合方法の一例として、２つのレーザビームの間に加圧ローラを配置した場合の接合要領を示す側面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は図１における切断線ａ、ｂ、ｃについてのそれぞれ断面図である。
【図３】低融点材料と高融点材料の間にシール材を介在させた場合の接合過程を説明する断面図である。
【図４】第３の材料にエンボスを形成した場合における接合過程を説明する断面図である。
【図５】第３の材料にエンボスを形成すると共に、低融点材料と高融点材料の間にシール材を介在させた場合の接合過程を説明する断面図である。
【図６】加熱及び加圧手段としてホットローラを用い、溶接手段としてレーザ溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図７】加熱及び加圧手段としてホットローラを用い、溶接手段として抵抗シーム溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図８】加熱及び加圧手段としてヒータ内蔵の円筒状圧子を用い、溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図９】加熱手段として高周波加熱、加圧及び溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施例による鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルの接合構造を示す斜視図である。
【図１１】図１１に示した鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルの接合要領を示す断面図である。
【図１２】鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルのリベットによる接合構造例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１、２３ 第１の板材（鋼板：高融点材料）
２、３１ 第２の板材（アルミニウム合金板：低融点材料）
３、４１ 第３の板材（鋼板：高融点材料）
３ａ 凸部（凸形状）
３ｂ 凹部（凹形状）
Ｓ シール材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属、例えばスチール材のような高融点金属材料から成る板材の間に、これらよりも融点の低い金属材料、例えばアルミニウム合金などから成る板材と、必要に応じてシール材を挟んだ継手を重ね接合する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子ビームやレーザビーム等のような高エネルギービームを用いた異種材料の接合においては、脆い金属間化合物の生成を抑制するために、デフォーカスさせた高エネルギービームを高融点材料の表面に照射し、ビーム照射によって加熱された高融点材料の側からの伝熱によって接合界面の低融点材料側を溶融させて接合する方法がとられていた。
【０００３】
このような場合、溶接条件をコントロールし、接合界面において、片側の材料（低融点材料）のみを溶融させ、材料の拡散を利用して接合することにより金属間化合物層の成長を抑制し、その厚さを薄くすることによって、両方の材料を共に溶融させて接合した場合に較べて、接合部の単位面積当りの強度を高くすることができると考えられており、例えば非特許文献１には、アルミニウム合金の上に鋼板を重ね、鋼板の上方からレーザビームを照射することによって、界面を固相／液相状態として異種材の接合を行う方法が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献２には、機械的締結による方法、すなわちアルミニウム合金側からリベットなどを打ち込むことによって、アルミニウム合金製パネルを鋼製車体骨格構造に接合する方法が記載されている。
【非特許文献１】「溶接学会全国大会講演概要」、社団法人日本溶接学会、２００３年４月、第７２集、ｐ．１５２
【非特許文献２】三菱自動車 テクニカルレビュー ２００４、Ｎｏ．１６、ｐ．８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に記載の方法においては、鋼板からの伝熱により接合界面のアルミニウム合金だけを溶融させるため、必然的にアルミニウム合金の上に鋼板を重ねて、鋼板側の外側方向からレーザビームを照射しなければならないという接合継手の構造設計上の制約があった。
すなわち、車両の軽量化による燃費向上や運動性能向上を目的として、車体パネルにアルミニウム合金などの軽合金を用いた車体構造が求められているが、例えば低重心化による性能向上効果を高めるために、ルーフパネルにアルミニウム合金を用いた場合、車体骨格構造である鋼部材とアルミニウム合金部材との接合構造は、鋼部材の上から、アルミニウム合金から成るルーフパネルが重ねられ、レーザヘッドの近接性から、車体骨格構造の外側、つまりアルミニウム合金製ルーフパネルの側からレーザビームを照射しなければならない接合構造となる。また、ルーフパネルに限らず、他の車体外板パネルにアルミニウム合金を用いた場合も、鋼製の車体骨格構造の上にアルミニウム合金製の車体パネルを重ねる構造となるため、上記のように、鋼板側からレーザビームを照射するような方法は適用できないことになる。
【０００６】
そこで、実用的には、上記非特許文献２に記載の機械的締結による方法の採用が考えられるが、この方法では、外観やデザインの自由度などに制約が生じる場合があるという問題点があった。
また一方、上記のような異種材料継手においては、異種金属同士が接触する接合端部に水が浸入した場合、異種金属接触腐食が進行する可能性があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、異種金属材料の接合技術における上記課題に鑑みてなされたものであって、例えば、軽合金製のルーフパネルを用いた自動車の車体構造の接合に適用した場合に、車体の外側からの加熱によって、外観やデザインの自由度などを損なうことなくこれら異種金属材料を互いに接合することができると共に、必要に応じてシール材を適用することにより、接合部への水分の侵入を防止することができる異種金属の接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、鋼製車体部材の上に重ねた軽合金製ルーフパネルの上に、さらに鋼製板材を重ねて接合す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。
【０００９】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の異種金属の接合方法においては、高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際して、第２の板材にさらに第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材を重ね、第３の板材を加熱して、その伝熱により第２の板材を軟化させ、第３の板材側からの加圧によって軟化した第２の板材を切断して第１の板材と第３の板材を直接接触させ、この接触部位にさらに高エネルギービームを照射して第１の板材と第３の板材を溶融接合することを特徴とする。
【００１０】
また、接合部の水密性を確保すべく、板材間にシール材を介在させた場合には、このシール材を第３の板材側からの加熱及び加圧によって第２の板材と共に切断するようになすことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際し、第２の板材に第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材をさらに重ね、第３の板材を加熱し、これからの伝熱によって第２の板材を軟化させると共に、軟化した第２の板材を第３の板材側からの加圧によって切断して、第１の板材と第３の板材を直接接触させたのち、これら第１及び第３の板材を溶接するようにしたことから、例えば低重心化を図った上記のような骨格構造を備えた車体の組み立てにおいても、車体の外側からの加熱によって異種材料の重ね接合が可能になるため、継手構造上の制約が解消され、自由度の高い構造設計が可能になり、外観やデザインの自由度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の異種金属の接合方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。
【００１３】
本発明の異種金属の接合方法においては、上記したように、第１の板材に重ねた第２の板材に、第１の板材と同種の材料から成る第３の板材をさらに重ね、この第３の板材を加熱し、これからの伝熱によって、その下の第２の板材を軟化させ、軟化した第２の板材を第３の板材側からの加圧によって切断して接合界面から排除し、第１の板材と第３の板材を直接接触させた状態で、これら第１及び第３の板材を溶接するようにしており、一つの工程内で低融点材料（第２の板材）の切断と、高融点材料同士（第１及び第３の板材）の溶接を行うことができ、しかも低融点材料が高融点材料同士の接合強度の高い接合部に挟まれていることによって、低融点材料を高融点材料の間に強固に固定することができる。
【００１４】
そして、高融点材料（第１及び第３の板材）の間に、低融点材料（第２の板材）を挟んだ状態の継手形状としていることから、いずれの側からでも加熱や加圧を行うことができるようになり、例えば、低重心骨格構造の自動車車体の組み立てにおいては、車体の外側からの加熱、加圧によって異材接合に対応することができるようになり、構造設計や溶接施工上の制約が解消されることになる。
【００１５】
なお、本発明においては、第１の板材と第３の板材を同種の高融点材料から成るものとしているが、本発明において『同種』とは、金属組織や成分系が同じものを意味し、同一規格に属するものはもとより、例えば、炭素鋼と合金鋼、軟鋼と高張力鋼などのように別規格のものであってもフェライト組織である限り、本発明では『同種』ということになる。
【００１６】
また、本発明において、第２の板材を第３の板材を介して加熱する手段や、第２の板材を切断すべく、第３の板材側から加圧する手段、さらに直接接触した第１と第３の板材を溶接する手段としては、いずれも特に限定されず、例えば加熱手段としては、レーザビームや、抵抗加熱、ヒータやバーナーなどによる加熱を適用することができる。また、加圧手段としては、円筒状の圧子や加圧ローラなどを用いることができ、これらの内部にヒータを組み込むことによって、加熱手段と加圧手段を兼ねることができる。
そして、溶接手段としては、例えばレーザ溶接や抵抗溶接などを適用することができる。
【００１７】
本発明の異種金属の接合方法においては、板材間、すなわち第１の板材と第２の板材の間、又は第３の板材と第２の板材の間、あるいはその両方にシール材を挟持した状態でも、同様に重ね接合を行うことができる。
すなわち、シール材は、第３の板材に対する加熱及び加圧によって、第２の板材と共に切断され、共に接合部から排出される結果、第１の板材と第３の板材が直接接触し、これら第１及び第３の板材、すなわち高融点材料同士の溶接が可能になる。そして、接合部から排出されたシール材によって、接合部端部の異種金属接触部分への水の浸入を防ぐことができ、防錆対策と接合強度向上を同時に実現することができる。
【００１８】
なお、本発明において、上記シール材としては、例えば、エポキシ樹脂系、合成ゴム系、合成ゴム／ＰＶＣ系材料などを用いることができ、このような材料を溶液状にして被接合材料の接合面に塗布したり、シート状にしたものを両材料の間に挟んだりすることができる。
【００１９】
図１及び図２は、本発明における異種金属の接合要領を説明するためのものであって、図１は、加熱手段としての高エネルギービーム、加圧手段としての加圧ローラ及び溶接手段としての高エネルギービームの移動方向、すなわち接合線と直交する方向から見た側面図、図２（ａ）〜（ｃ）は、図１における切断線ａ、ｂ、ｃにおけるそれぞれ断面図である。
【００２０】
これら図に示すように、高融点材料（例えば、鋼材）から成る第１の板材１の上に、低融点材料（例えば、アルミニウム合金材）から成る第２の板材２が重ねられ、さらにこの第２の板材２の上には、高融点材料（例えば、鋼材）から成る第３の板材３が重ねられている。
【００２１】
先ず、高融点材料である第３の板材３の側から、図２（ａ）に示すように、その表面上に、加熱手段として、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを接合線に沿って移動させながら照射して第３の板材３を加熱し、高温となった第３の板材３からの伝熱によって、これよりも低融点の第２の板材２を加熱して軟化させる。
【００２２】
続いて、上記レーザビームＢｐによる照射位置の直後を加圧ローラ５によって、第３の板材３を第１の板材１に押し付ける方向に加圧し、これによって、図２（ｂ）に示すように、低融点材料である第２の板材２を部分的に切断し、溶接進行方向の両側に向けて排出して、第３の板材３と第１の板材１とを直接接触させる。
【００２３】
そして、加圧ローラ５によって第３の板材３と第１の板材１とを接触させた部位に、図２（ｃ）に示すように、第３の板材３の表面に焦点を合わせた第２のレーザビームＢｗを照射して、第３の板材３と第１の板材１とを溶接する。
【００２４】
上記手順によって、低融点材料である第２の板材２を第１の板材１と第３の板材３との間で固定することができ、一つの工程内で第２の板材２の切断と高融点材料同士、すなわち第１及び第３の板材１、３の接合が行われる。
【００２５】
なお、上記レーザビームＢｐ、加圧ローラ５及びレーザビームＢｗは、被接合材に対して、相対的に移動可能に構成されており、これらレーザビームの照射や、加圧、相対移動を断続的に行うことによって、これら板材１，２，３を断続的なステッチ状に接合することができる。
また、加圧ローラ５の加圧面５ａ（板材との接触面）には、中央部が凸となるような曲率を設けることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化した低融点材料を加圧部においてより効率的に切断すると共に、溶接進行方向の両側に向けて容易に排出することができるようになり、高融点材料同士が接触し易くなって、第１及び第３の板材１，３を容易に接合することができるようになる。
【００２６】
さらにまた、レーザビームＢｐ及びＢｗの照射と加圧ローラ５による加圧を連続的に行うことによって、第１及び第３の板材１，３を連続的に溶融接合すると、多くの場合、低融点材料（第２の板材）が完全に切断されてしまい、第１及び第３の板材１，３の間で第２の板材２を固定することができなくなってしまう可能性があるため、上記したようにレーザビームＢｐ及びＢｗの照射と加圧ローラ５による加圧を断続的に行うことによって、第１の板材１と第３の板材３とをステッチ状に溶融接合することが望ましい。なお、板の端部を接合するような場合には、連続的に加圧、接合を行うようにしてもよい。
【００２７】
図３（ａ）〜（ｃ）は、第１の板材１と第２の板材２の間及び第３の板材３と第２の板材２の間にシール材Ｓをそれぞれ挟んで接合する手順を示すものであって、高融点材料である第３の板材３の側から、同様に、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを照射して第３の板材３を加熱し、加熱された第３の板材３からの伝熱によって第２の板材２を加熱して軟化させる（図３（ａ））。
続いて、第３の板材３を加圧ローラ５によって第１の板材１に押し付ける方向に加圧し、図３（ｂ）に示すように、低融点材料である第２の板材２とシール材Ｓとを部分的に切断して進行方向両側に排出し、第１及び第３の板材を直接接触させ、当該部分に溶接手段であるレーザビームＢｐを照射することによって、第３の板材３と第１の板材１とを溶接する（図３（ｃ））。
【００２８】
このとき、加圧ローラ５の加圧によって、接合界面から排出され、押出されたシール材Ｓは接合界面の水密性を確保し、防錆機構として機能する。
【００２９】
本発明の異種金属の接合方法においては、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３の板材３に、あらかじめ第２の板材２の側に向けて突出する凸形状をなし、中央部に所定幅の平面を備えた凸部３ａと、該凸部３ａの両側に凹部３ｂ，３ｂを有する逆Ｗ字形の断面形状をなすエンボスを接合線に沿って断続的に形成しておくことが望ましい。
【００３０】
すなわち、当該エンボスの中央部が第２の板材２の側に突出していることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化した低融点材料（第２の板材）を加圧部においてより効率的に切断して、横方向に排出することが容易となり、加えてその両脇が凹形状となっていることによって、加圧中央部より排出された低融点材料が凹部３ｂに入り込むようになるため、排出された低融点材料が第３の板材３を押し上げてしまうようなことが防止され、加圧ローラ５による加圧によって第３の板材３がＶ字状断面に変形してしまうような不都合を防止することができるようになる。
また、凸部３ａに幅（所定幅の平面）を持たせることによって、第３の板材３から第１の板材１への伝熱が効率的に行われるようになり、高融点材料同士の溶融接合を容易に行うことができるようになる。なお、この幅の寸法としては、熱が十分に伝わり、かつ見栄えが悪くならない程度とすることが望ましく、具体的には２〜５ｍｍ程度にすることが適当である。
【００３１】
また、図５（ａ）〜（ｃ）は、第１の板材１と第２の板材２との間、第２の板材２と第３の板材３との間に、それぞれシール材Ｓを配置すると共に、第３の板材３に図４に示したようなエンボスを接合線に沿って断続的に形成し、断続的なステッチ状に溶接する手順を示すものであって、上記したように加圧ローラ５による第２の板材２及びシール材Ｓの切断及び排出が効率的のものとなって、板材の変形が防止できると共に、排出されたシール材Ｓが接合端部に密着して異種金属間の接触部への水の浸入を防止し、図３に示したものと同様に、防錆機能を発揮する。
【００３２】
上記においては、加熱手段としてデフォーカスしたレーザビームＢｐを用い、加圧手段として加圧ローラ５を用いた例を示したが、本発明の異種金属の接合方法においては、加熱手段と加圧手段を兼ねたホットローラを用いることもできる。
【００３３】
すなわち、図６は、ホットローラを用いた接合要領を示すものであって、ヒータを内蔵したホットローラ６、７によって、第１の板材１と共に第３の板材３を加熱し、これらからの伝熱によって第２の板材２が軟化した時点で、これらホットローラ６、７で加圧することによって、第２の板材２を切断すると共に、接合部から排出し、この後、溶接手段として、レーザビームＢｗを第３の板材３に照射することによって、第１の板材１と第３の板材３を溶接することができる。
このとき、上記ホットローラ６、７の加圧面（板材との接触面）は、加圧ローラ５と同様に、中央部が凸となるような曲面状に形成することが望ましく、これによって、軟化した低融点材料をより効率的に切断し、接合部から排出することができるようになる。
【００３４】
さらに、溶接手段としては、レーザ溶接に代えて、抵抗溶接を採用することもできる。
例えば、図７に示すように、加熱手段及び加圧手段としては、上記同様にヒータ付きのホットローラ６、７を使用し、溶接手段として抵抗シーム溶接を用いることができる。
【００３５】
すなわち、ホットローラ６、７を用いて接合部を加熱、加圧することによって、同様に第２の板材２を切断、排出した後、ローラ電極１０、１１によって挟持し、接合部を加圧しながら第１及び第３の板材１及び３の間に通電すると共に、ローラ電極１０、１１を回転させることによって、抵抗溶接が連続的に進行し、両材料を線状に接合することができる。
【００３６】
さらに、本発明の異種金属の接合方法においては、溶接手段として、抵抗スポット溶接をも適用することができる。
図８は、加熱及び加圧手段として円筒状の圧子１４、１５を用い、溶接手段として抵抗スポット溶接機を用いた例を示す。圧子１４、１５には、内部にヒータが組み込まれており、熱伝達により第１及び第３の板材１及び３に挟持された第２の板材２を加熱することができるようになっている。また、必要に応じて、被接合材料を挟持した状態で圧子１４、１５の間に微弱な電流を流し、材料間に抵抗発熱を生じさせるような構造とすることも可能である。
【００３７】
圧子１４、１５による加熱及び加圧によって、軟化した第２の材料を切断して、合部位から排出され、直接接触した第１及び第３の板材１及び３を１対のスポット溶接電極１６、１７で挟み、両板材１、３を相対加圧することによってスポット溶接が完了する。
【００３８】
そして、図９は、加熱手段として高周波加熱を利用し、加圧及び溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した例を示す。
すなわち、高周波コイル１８、１９に通電することによって、第１及び第３の板材１及び３を介して第２の板材２を加熱したのち、加熱された部位を１対のスポット溶接電極１６、１７で挟み、これら板材を相対的に加圧する。これによって、第２の板材２は切断されて、接合部位から排出され、その後、両電極１６、１７間に通電することにより、スポット溶接され、接合が完了する。
【００３９】
なお、本発明の異種金属の接合方法においては、具体的な金属材料の組み合わせとして、例えば第１及び第３の板材（高融点材料）を鋼板とし、第２の板材（低融点材料）としてアルミニウム合金板を用いることができ、自動車用を始めとする各種機械部品における異種接合に適用することが可能になる。
すなわち、接合に先立って鋼板を過熱した際に、外側の鋼板を溶融させずに、間に挟まれたアルミニウム合金板のみを溶融ないしは軟化させることができ、鋼板側からの加圧によって、アルミニウム合金板のみを加圧部位で切断して、接合部位から排出することができる。
【実施例】
【００４０】
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。
【００４１】
図１０及び図１１は、本発明の異種金属の接合方法を自動車車体のルーフ構造に適用した例を示すものであって、図１０は、当該車体の接合構造を示す斜視図、図１１はその接合要領を示す断面図である。
図に示すように、いずれも鋼製のレールインナ２１（板厚：１．４ｍｍ）と、レールアウタ２２（板厚：０．８ｍｍ）と、サイドアウタ２３（板厚：０．８ｍｍ）が溶接により組み立てられた車体部材２０の上方から、６０００系アルミニウム合金から成るルーフパネル３１（板厚：１．０ｍｍ）が重ねられる。
【００４２】
車体部材２０のサイドアウタ２３（第１の部材）には接合面２３ａが設けてあり、ルーフパネル３１（第２の部材）の端部に形成された接合フランジ３１ａがこの部分に重ねられる。
さらに、ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａの上には、第３の板材として鋼製のリテーナ４１（板厚：０．８ｍｍ）が重ねられる。
【００４３】
レーザビームＢｐ、レーザビームＢｗは、リテーナ４１の側から照射される。加圧ローラ５は、リテーナ４１とルーフパネル３１の接合フランジ３１ａをリテーナ４１の側から車体部材２０のサイドアウタ２３に押し付ける方向に加圧するようになっている。
なお、これらレーザビームＢｐ、レーザビームＢｗ及び加圧ローラ５は、車体部材２０に対して相対的に移動可能に配置されている。
【００４４】
まず、デフォーカスさせたレーザビームＢｐを移動させながら、リテーナ４１の方向からその表面に照射して、リテーナ４１を加熱する。そして加熱されたリテーナ４１からの伝熱によりルーフパネル３１の接合フランジ３１ａが加熱され、これによって当該接合フランジ３１ａが軟化する。
続いて、デフォーカスさせた上記レーザビームＢｐによる照射位置の直後を、加圧面を凸状曲面とした加圧ローラ５を用いて、リテーナ４１を車体部材２０に対して押し付ける方向に加圧し、これによってルーフパネル３１の接合フランジ３１ａを部分的に切断すると共に、これを溶接進行方向の両側に向かって排出し、リテーナ４１と車体部材２０のサイドアウタ２３を直接接触させる。
【００４５】
そして、加圧ローラ５の加圧によってリテーナ４１とサイドアウタ２３とが直接接触した部位に、当該リテーナ４１の表面に焦点を合わせたをレーザビームＢｐを照射し、リテーナ４１と車体部材２０のサイドアウタ２３とを溶融接合部Ｗ（図１１参照）で断続的に溶接する。
【００４６】
なお、レーザビームとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、照射条件については、リテーナ４１の表面に先行レーザビームＢｐを照射して、加熱されたリテーナ４１からの伝熱によってアルミニウム合金製ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａが軟化し、後続する加圧ローラ５の加圧によって切断すると共に、その両側に排出でき、さらに後行レーザビームＢｗによってリテーナ４１とサイドアウタ２３が接触部位において溶融接合できるように、各レーザビームＢｐ，Ｂｗの焦点位置、レーザ出力、ローラ加圧力、送り速度などを設定した。
具体的には、最大出力３ｋＷのレーザ発振器と、焦点距離１５０ｍｍのレンズを用い、先行レーザビームＢｄについては、レーザ出力を２．０ｋWとし、リテーナ４１の表面上でのスポット径がφ５ｍｍとなるようにデフォーカスすると共に、後行レーザビームＢｗについては、レーザ出力を１．０ｋWとし、リテーナ４１の表面上においてジャストフォーカスとなるよう焦点を調整し、加圧ローラ５の加圧力を２．５ｋＮ、送り速度０．７〜１．０ ｍ／ｍｉｎとして照射した。また、レーザ照射中はアルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流し接合部をシールドした。
【００４７】
上記した手順に基づいて接合することにより、ルーフパネル３１に予備加工などを施すことなく、アルミニウム合金製ルーフパネル３１の接合フランジ３１ａを車体部材２０のサイドアウタ２３とリテーナ４１との間で固定することができる。
なお、加圧ローラ５の加圧面に、中央部が凸状となる曲面を設けることによって、加圧部に中央部が高くなるような圧力分布を与えることができ、軟化したルーフパネル３１の接合フランジ３１ａに加圧力を効果的に付与して、当該フランジ３１ａの切断及び接合部位からの排出をよ効率的におこなうことができるようになる。
【００４８】
ここで、リテーナ４１とアルミニウム合金製のルーフパネル３１における接合フランジ３１ａの剛性に比較し、鋼製の構造部材である車体部材２０の剛性が十分に高いため、加圧ローラ５による加圧に対して、図１２に示すようなリベットＲによる接合の場合に較べて、車室内側からの押えＴが必要ないことから、ルーフパネル３１と車体部材の接合位置や構造を比較的自由に設定できるので設計自由度が高く、しかも接合フランジ幅Ｗ１もリベット接合に比べて狭くできるため、車体としての外観品質も向上する。
【００４９】
なお、後行レーザビームＢｗの照射に際しては、必要に応じてフィラーワイヤを供給しながら溶接することもでき、これによってリテーナ４１と車体部材２０の間に隙間が生じたとしても、溶接不良を回避することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による異種金属の接合方法の一例として、２つのレーザビームの間に加圧ローラを配置した場合の接合要領を示す側面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は図１における切断線ａ、ｂ、ｃについてのそれぞれ断面図である。
【図３】低融点材料と高融点材料の間にシール材を介在させた場合の接合過程を説明する断面図である。
【図４】第３の材料にエンボスを形成した場合における接合過程を説明する断面図である。
【図５】第３の材料にエンボスを形成すると共に、低融点材料と高融点材料の間にシール材を介在させた場合の接合過程を説明する断面図である。
【図６】加熱及び加圧手段としてホットローラを用い、溶接手段としてレーザ溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図７】加熱及び加圧手段としてホットローラを用い、溶接手段として抵抗シーム溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図８】加熱及び加圧手段としてヒータ内蔵の円筒状圧子を用い、溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図９】加熱手段として高周波加熱、加圧及び溶接手段として抵抗スポット溶接を適用した場合の接合要領を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施例による鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルの接合構造を示す斜視図である。
【図１１】図１１に示した鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルの接合要領を示す断面図である。
【図１２】鋼製車体部材とアルミニウム製ルーフパネルのリベットによる接合構造例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１、２３ 第１の板材（鋼板：高融点材料）
２、３１ 第２の板材（アルミニウム合金板：低融点材料）
３、４１ 第３の板材（鋼板：高融点材料）
３ａ 凸部（凸形状）
３ｂ 凹部（凹形状）
Ｓ シール材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際し、第２の板材にさらに第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材を重ね、第３の板材を加熱して伝熱により第２の板材を軟化させると共に、第３の板材側から加圧して軟化した第２の板材を切断して第１の板材と第３の板材を直接接触させ、これら第１及び第３の板材を溶接することを特徴とする異種金属の接合方法。
【請求項２】
第１及び第３の板材と第２の板材の間にシール材を介在させ、該シール材を第２の板材と共に切断することを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
【請求項３】
板材との接触面の中央部が突出した形状のローラを用いて加圧することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
【請求項４】
第３の板材に対する加熱と加圧とを断続的に行い、ステッチ状に接合す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の接合方法。
【請求項５】
上記第３の板材の接合線に沿って、第２の板材に向けて突出する凸形状をなすと共に、中央部に所定幅の平面を有し、さらにその両側が凹形状をなす断面形状のエンボスを断続的に形成しておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
【請求項６】
上記第１及び第３の板材が鋼板であると共に、第２の板材がアルミニウム合金板であ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の接合方法。
【請求項１】
高融点材料から成る第１の板材と低融点材料から成る第２の板材を重ね合わせて接合するに際し、第２の板材にさらに第１の板材と同種の高融点材料から成る第３の板材を重ね、第３の板材を加熱して伝熱により第２の板材を軟化させると共に、第３の板材側から加圧して軟化した第２の板材を切断して第１の板材と第３の板材を直接接触させ、これら第１及び第３の板材を溶接することを特徴とする異種金属の接合方法。
【請求項２】
第１及び第３の板材と第２の板材の間にシール材を介在させ、該シール材を第２の板材と共に切断することを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
【請求項３】
板材との接触面の中央部が突出した形状のローラを用いて加圧することを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属の接合方法。
【請求項４】
第３の板材に対する加熱と加圧とを断続的に行い、ステッチ状に接合す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の接合方法。
【請求項５】
上記第３の板材の接合線に沿って、第２の板材に向けて突出する凸形状をなすと共に、中央部に所定幅の平面を有し、さらにその両側が凹形状をなす断面形状のエンボスを断続的に形成しておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の異種金属の接合方法。
【請求項６】
上記第１及び第３の板材が鋼板であると共に、第２の板材がアルミニウム合金板であ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の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−３０１１３（Ｐ２００８−３０１１３Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５５２２１（Ｐ２００６−２５５２２１）
【出願日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【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２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]