鋼材とアルミニウム材との接合体、およびそのスポット溶接方法
【課題】スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材とを接合するに際して、クラッド材など他の材料を新たに用いることなく、また、新たに別工程を追加することなく、既存のスポット溶接装置にて低コストで形成しうる、接合強度に優れた異材接合体およびそのスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材１と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材２とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径DCの1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体。
【解決手段】板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材１と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材２とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径DCの1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等の組立工程の際に必要となる鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、一般には同種の金属部材同士を接合するのに用いられるが、鋼材とアルミニウム材（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもの。）といった異種の金属部材の接合( 異材接合体) に適用することができれば、組立品の軽量化等に著しく寄与することができる。
【０００３】
しかし、鋼材とアルミニウム材とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために信頼性のある高強度を有する接合部を得ることは非常に困難であった。したがって、従来は、これらの異種金属部材の接合にはやむを得ずボルトやリベット等機械的接合方法による接合が用いられているが、接合継手の強度に対する信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種金属部材のスポット溶接方法について多くの検討がなされてきている。例えば、鋼材とアルミニウム材との間にアルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法（特許文献１、２参照）、鋼材側に 融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法（特許文献３〜５参照）、鋼材とアルミニウム材との間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献６参照）、被接合部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献７参照）などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、上記いずれの方法も、単なるスポット溶接を用いた方法ではなく、多層でのスポット溶接やめっき、加工など別の工程が必要であり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない問題があり、溶接コストも高くなる。また、溶接条件が著しく限定されるなど作業上の問題も多い。
【０００６】
そこで、本発明者らは、スポット溶接により形成される接合部の界面反応層の構造を最適化することに着目して検討を続けてきており、界面反応層の厚さや面積、構造を制御することにより、高い接合強度を有する異材接合体の作製が可能であることを見出した。しかしながら、組立品の強度のさらなる増大、スポット点数の省力化の要望に応えるために、より高い接合強度が得られるスポット溶接技術の完成が求められている。
【特許文献１】特開平６−６３７６３号公報
【特許文献２】特開平７−１７８５６３号公報
【特許文献３】特開平４−２５１６７６号公報
【特許文献４】特開平７−２４５８１号公報
【特許文献５】特開平４−１４３８３号公報
【特許文献６】特開平５−２２８６４３号公報
【特許文献７】特開平９−１７４２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材とを接合するに際して、上記従来技術のように、クラッド材など他の材料を新たに用いることなく、また、新たに別工程を追加することなく、既存のスポット溶接装置にて低コストで形成しうる、接合強度に優れた鋼材とアルミニウム材との接合体およびそのスポット溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、以下に述べるように、上記課題を解決するためさらに検討を進め、本願発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、鋼材同士やアルミニウム材同士など同種の材料同士を高い接合強度にてスポット溶接するには、一般的には、ナゲットの形成を促進すればよく、ナゲット面積が大きいほど剪断強度、十字引張強度ともに高くなることが知られている。
【００１０】
また、ナゲット面積は、入熱量と強い相関関係があり、電流量が高いほど、時間が長いほど大きくなるため、一般的には、スポット溶接の際の入熱量にてナゲット面積を制御することによって接合強度の高い接合体を得ている。もちろんナゲット面積が大きくなりすぎると、被接合材の反接合表面（接合面とは反対側の表面）まで溶融部が達してチリができるため、適正なナゲット面積を得ることが重要となる。
【００１１】
しかしながら、鋼材とアルミニウム材という異材を接合する場合、鋼材はアルミニウム材と比較して、融点、電気抵抗がともに高く、熱伝導率が小さいため、アルミニウム材側より鋼材側の方の発熱が大きくなり、まず鋼材と接する表面から低融点のアルミニウム材が溶融する。次に鋼材のアルミニウム材と接する表面が溶融し、結果として接合界面にて、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層（以下、「界面反応層」という。）が形成するため、高い接合強度は得られない。
【００１２】
また、アルミニウム材の反接合表面まで溶融が達してチリができると、アルミニウム材の減肉量が増大し、やはり高い接合強度が得られない。
【００１３】
すなわち、鋼材とアルミニウム材という異材をスポット溶接にて接合する場合、高い接合強度を得るためには、所定のナゲット面積を形成するだけの入熱量を加えることは必要であるが、接合界面にて界面反応層の形成を抑制するために鋼材の溶融を最小限に抑制し、かつチリの発生を最小量に抑制することが要求される。
【００１４】
このため、まずスポット溶接条件については、高電流で大きいナゲット面積を得つつ、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、接合界面での鋼材の溶融をできるだけ一様にかつ少なく抑えることができれば、界面反応層を薄く広く形成することができ、高い接合強度が得られると考えられる。
【００１５】
しかしながら、従来のスポット溶接方法で高電流を加えると接合部中心部において電流密度が高くなり、鋼材の発熱・溶融およびアルミニウム材の溶融も大きくなるため、接合部中心部にて界面反応層が厚く形成する。電極チップの先端Rを大きくすることによって、接合部中心部への電流の集中を軽減して、広い面積にて接合することが可能であるが、やはり接合部中心部の界面反応層は厚く、溶接条件によっては接合部中心部にてアルミニウム材に欠陥が発生する。
【００１６】
従来の検討では、接合強度を決定付けているのは、接合部の中心部ではなく、周辺部と考えて、中心部の界面反応層厚さが厚くなることは軽視してきたが、より詳細に解析すると、周辺部が同程度の界面反応層厚さでも、中心部の界面反応層がある程度以上厚いと接合強度が低下すること、さらには、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層の厚さ分布も変化して、接合強度のばらつきの要因となることが明らかとなった。
【００１７】
すなわち、接合強度を従来よりさらに向上させるには、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、電流密度を分散しつつ、できるだけ高電流にて接合し、接合された異材接合体の界面反応層を接合部中心部も含めて大面積にて最適厚さ範囲に制御することが重要となることがわかった。
【００１８】
そして上記知見に基づいて、以下の発明を完成した。
【００１９】
請求項１に記載の発明は、板厚t1が0.3〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm である、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材（以下、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材を「アルミニウム材」という。）とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体である。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記界面反応層の最大厚さが、0.5〜10μmの範囲である請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との接合体である。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、被接合材との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップである。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径2mm以上の凹部が形成されている請求項３に記載の電極チップである。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、一対の電極チップのうち少なくとも片方に請求項３または４に記載の電極チップを用いることを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法である。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を5℃以下に冷却してスポット溶接することを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は以上のように構成されており、スポット溶接による鋼材とアルミニウム材との異材接合の際に、比較的大きいナゲット面積を得つつ、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積に形成し、異材接合体の接合強度を向上させることができる。この結果、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材との異材接合体を形成するに際して、従来技術のように、他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を追加する必要がなく、既存のスポット溶接機を用いることができるため、大幅なコスト削減を実現できる。
【００２６】
この結果、本発明に係る接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。したがって、本発明により、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の用途を大きく拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（接合体の構成）
本発明に係る接合体の構成を説明するために、図１に本発明に係る接合体の接合部の断面写真を示す。同図において、符号１は鋼材、符号２はアルミニウム材、符号３はナゲット、符号４は界面反応層、符号５は接合部中心をそれぞれ示す。
【００２８】
以下、本発明の各要件の限定理由とその作用について説明する。
【００２９】
［鋼材］
本発明に用いる鋼材の板厚t1は0.3 〜2.5mm とする。鋼材の板厚t1が0.3mm 未満の場合、組立品である構造部材や構造材料として必要な母材強度や剛性を確保できず、他方2.5mm を超える場合は、構造部材や構造材料としては、通常他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少ないからである。
【００３０】
なお、本発明においては、使用する鋼材の形状や材質は特に限定されるものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択できる。
【００３１】
［アルミニウム材］
本発明で使用するアルミニウム材の板厚t2は0.5 〜2.5mm の範囲とする。アルミニウム材の板厚t2が0.5mm 未満の場合、構造材料としての母材強度が不足するのに加え、所定の大きさのナゲット面積が得られず、しかもアルミニウム材の反接合表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。他方、アルミニウム材の板厚t2が2.5mm を超える場合は、上記鋼材の板厚の場合と同様に、構造部材や構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少ないからである。
【００３２】
なお、本発明においては、使用するアルミニウム材の形状や材質（合金の種類）を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択できる。また、アルミニウム材の強度は、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、A5000 系、A6000 系などの使用が最適である。
【００３３】
［ナゲット面積］
図1 に示すスポット溶接にて形成されたナゲット３の面積は、アルミニウム材２の板厚t2で規定された、20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲とする。言い換えると、ナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット溶接条件を選定することが必要である。
【００３４】
従来から、同種の金属部材をスポット溶接する際には、金属部材の厚みt に対して、スポット溶接にて形成されたナゲットの面積を20×t0.5mm2 程度とすることが接合強度の面からも作業性および経済性の面からみても最適であるとされている。
【００３５】
これに対し、本発明では、異種金属部材同士の接合について、上記同種の金属部材同士の接合よりも大きなナゲット面積とすることを特徴とする。すなわち、スポット溶接にて形成されたナゲット３の面積が、アルミニウム材２の板厚t2で規定された20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合することで、異材接合体であっても十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性にも優れる。
【００３６】
本発明のような異種金属部材同士の接合の場合、最適なナゲット面積は、アルミニウム材２側の板厚t2に依存しており、鋼材１の板厚t1の影響は無視できるほど小さいことが特徴である。
【００３７】
ここで、ナゲット面積が20×t20.5mm2未満、より厳しくは30×t20.5mm2未満では、ナゲット面積が小さ過ぎ、接合強度が不十分となる。他方、ナゲット面積が100×t20.5 mm2 を超えると、接合強度を得るのには十分であるが、きわめて高い電流量が必要となるため、現行のスポット溶接装置を用いることができず、特別な装置が必要となる。したがって、ナゲット面積は20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲、好ましくは30×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲とする。
【００３８】
本発明におけるナゲット面積は、鋼材１とアルミニウム材２との接合界面の面積を測定することによって得られる。接合界面の面積の測定方法は、接合体を接合界面にて剥離または切断により分断し、アルミニウム材２側を画像解析して、ナゲット３の面積を計測することによって求めることができる。ナゲットの形状が略円形状の場合は、接合部を接合部中心５にて縦に（板厚方向に）切断して切断面を光学顕微鏡にて観察し、ナゲット３の接合界面での径（ナゲット径）ＤＮを測定して面積を求めてもよい。この場合、例えば直交する２方向の縦断面についてナゲット径ＤＮを測定し、これらを長径および短径とする楕円の面積を計算し、これをナゲット面積とするとよい。
【００３９】
［界面反応層の厚さ］
図１に示す界面反応層４は、その最適厚さを0.5 〜3 μmとし、この最適厚さを有する部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００４０】
このように、最適厚さを有する界面反応層４の面積を規定するのは、上述したように、接合強度向上のために、最適厚さを有する界面反応層４をできるだけ広く形成するという技術思想に基づく。
【００４１】
つまり、界面反応層４の厚さが0.5 〜3μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 未満、より厳しくは、25×t20.5 mm2 未満では、最適厚さを有する界面反応層４の形成される範囲が狭く、接合強度が低下する。また、界面反応層４の厚さが0.5μm未満の部分は、鋼−アルミニウムの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。他方、界面反応層４の厚さが3μm を超える部分は脆弱となり、接合強度が低くなる。よって、接合部全体としての接合強度を高めるためには、界面反応層４の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上、好ましくは25×t20.5 mm2 以上必要である。
【００４２】
さらに、接合部中心５と接合部中心５から接合径ＤＣの1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内、望ましくは3μm以内であることを必要とする。ここでの接合径ＤＣとは、界面反応層４が形成されている範囲の径をいう。通常のドーム型電極チップ（以下、「電極チップ」を単に「チップ」ともいう。）を用いた接合では、接合部中心（以下、単に「中心」ともいう。）５は最も界面反応層４が厚くなる部位であるのに対し、中心５から接合径ＤＣの1/4の距離だけ離れた点では界面反応層４が薄くなるが、両地点での厚さの差が小さいほど、接合強度が高くなる。上記厚さの差が5μmより大きいと、中心５での界面反応層４が周辺部の界面反応層４より過度に厚くなり、接合強度が低下することに加えて、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層４の厚さ分布も変化して、強度ばらつきの要因となる。
【００４３】
さらに、界面反応層４の最大厚さは、0.5〜10μm、さらには1.5〜5μmの範囲とするのが望ましい。通常のドーム型チップを用いた接合では、接合部中心５が上記最大厚さとなる位置に相当する。上記最大厚さが10μmを超えると、その部位の強度が低く、全体の接合強度が低下するばかりか、チリの発生により、周辺部の界面反応層４の厚さ分布にも悪影響を及ぼし、強度ばらつきの要因となる。他方、上記最大厚さが0.5μm未満の場合は、上記0.5 〜3 μmの最適厚さ範囲が得られない。
【００４４】
この界面反応層４の厚さも、上記ナゲット面積と同様、鋼材１とアルミニウム材２との接合界面の面積を測定することによって得られ、アルミニウム材２側の画像解析や光学顕微鏡観察によって求めることができる。
【００４５】
以下に、スポット溶接の要件を説明する。
【００４６】
［電極チップ］
スポット溶接に用いる電極チップについては、被接合材である板との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われるものであることが望ましい。すなわち、板との極大加圧部が、従来のように１点のみでなく、２点以上のものとするか、あるいは線状もしくは面状となるようなチップを用いることにより、上記比較的大きな最適ナゲット面積および上記界面反応層の最適構造を得ることができる。ここで、線状とは3mm以上の連続線となるものを、面状とは5mm2以上の連続面となるものをそれぞれいい、これらに満たないものは点とする。
【００４７】
チップの極大加圧部を確認するには、市販の加圧紙を板とチップの間に挟み、0.1kNの加圧力にて挟むことによって、加圧紙に残る跡を確認すればよい。通常のドーム型チップでは、接触した１点のみ跡が残る。
【００４８】
上記望ましい電極チップの一例としては、ドーム型チップの先端部の中央（チップの軸上）に直径2mm以上の凹部が形成されている電極チップが推奨される。スポット溶接の際の連続打点によりチップ先端部は消耗するため、研磨紙、研削器等にてチップ先端部を定期的にメンテナンスすることが必要であるが、その際、先端部の形状が軸対称でないチップでは、メンテナンスがしにくい。チップの軸上（すなわち、軸と同心）に凹部を設けることにより、チップの加工が容易であるだけでなく、研磨紙や研削器を円周方向に回転させることで容易にメンテナンスを行うことができる。また、チップ先端部が完全に平面であるフラット型チップでは、板に対して面状に当接するため、電流密度を低下させることができるが、このように板に対して面状に当接する場合、チップの粗度が電流経路に及ぼす影響が大きく、チップのメンテナンス頻度を高くする必要が生じる。したがって、チップのメンテナンス性と界面反応層４の均一化効果をともに満たすためには、ドーム型チップの先端部に凹部を設けたものの方が良く、凹部の径は2mm以上とするのが望ましい。2mm未満では、中心部への電流集中を十分に抑制できず、界面反応層４の均一化効果が小さい。また、凹部の径の上限は設けないが、チップのサイズとメンテナンス性を考えると、15〜20mmが最大と考えられる。凹部の深さは浅くとも0.5mm以上とするのが望ましく、また凹部の深さが深いとチップが長くなり、冷却水での冷却効率が低下するため、3mmより大きくする必要はない。また、ドーム型チップの先端径、先端Rは特に規定しないが、ナゲット面積を確保するために、先端径が7mm以上で、かつ先端R が75mm以上であることが望ましい。
【００４９】
なお、このようなチップを用いる場合、片当たりをしないよう、予め感圧紙で確認し、メンテナンスを行うことが必要である。
【００５０】
そして、スポット溶接に用いる一対（２個）の電極チップのうち少なくとも片方に、上記のような先端部に凹部を設けたチップを用いることで、板内を通過する溶接電流経路を複数とすることによって電流の集中を抑制し、チリや欠陥の発生を防止するとともに、界面反応層４の厚さを均一にすることができる。チップを片方のみに用いる場合は、鋼材１側に用いる方が発熱をより抑制することができるが、チップを両方ともに用いる方がさらに電流の集中を抑制することができ、界面反応層４の厚さをより確実に均一化できる。
【００５１】
［溶接温度］
また、鋼材１およびアルミニウム材２の少なくとも一方を5℃以下に冷却することによっても、両部材の発熱を抑制し、チリや欠陥の発生を防止し、界面反応層厚さを均一にすることができる。いずれか一方のみ冷却する場合は、鋼を冷却する方が発熱をより抑制することができるが、両方を冷却する方がさらに発熱を抑制でき、界面反応層４の厚さをより確実に均一化ができる。この発熱抑制効果を十分に発揮させるには溶接温度（板温度）を5℃以下とするのが望ましい。溶接温度は低ければ低いほど発熱を抑制することができるため下限は設けないが、作業性を考慮すると-5℃以上が適している。
【００５２】
板の冷却方法としては、予め板を液体または気体冷媒によって冷やした後に溶接する方法、溶接しながら板を気体冷媒によって冷やす方法のいずれでもよい。なお、予め板を冷却する場合は、板に付着した霜等を除去してから溶接することが必要である。
【００５３】
なお、上記先端部形状を工夫したチップの使用と上記板の冷却の両手段を適用することで、電流の集中が抑制できるとともに、より確実に板の発熱を防止できるようになり、チリや欠陥の発生をさらに抑制し、界面反応層４の厚さをより均一にすることができる。
【００５４】
(接合条件)
本発明で用いるスポット溶接の接合条件は、加圧力や電流パターンを特に限定するものではなく、鋼材１やアルミニウム材２の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ先端部形状等によって適宜選択できる。ただし、ナゲット面積および界面反応層４の構造は本発明の規定する範囲を満足させる必要があり、ナゲット面積の確保には、比較的高い加圧力と電流量が必要であり、界面反応層４の厚み増加の抑制には、板に表面処理層が存在しない場合は短時間の溶接が、表面処理層を有する場合は接合部の表面処理層を一様に排出した上で、できるだけ短時間の溶接が求められる。
【００５５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５６】
鋼材としては、以下のようにして得られた鋼板を用いた。すなわち、化学成分として、質量%で0.06%C-0.5%Si-1.2%Mnを含有し、P、S等の不可避的不純物を除き、残部が実質的にFeである供試鋼を溶製し、1.2mm の板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。そして、連続焼鈍においては、500 〜1000℃の焼鈍後、油洗または水洗を行い、その後焼き戻しにより590 MPa 級の高張力鋼板を得た。
【００５７】
また、アルミニウム材としては、板厚1.0mm と1.6mm の2 種類の市販のA6022（6000系）アルミニウム合金板を用いた。
【００５８】
これら鋼板（鋼材）とアルミニウム合金板（アルミニウム材）とをJIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工した上でスポット溶接を行い、異種接合体を作成した。予め鋼板とアルミニウム合金板を水や氷水で冷却し、接合直前に各試験温度になるように調整してから溶接を行った。すべての溶接試験において鋼板の温度とアルミニウム合金板の温度は同じとした。また、板の表面に付着した液体や霜は溶接直前に拭き取った。
【００５９】
スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用いた。電極チップは全てCu-Cr 合金からなるドーム型チップ（先端径12mm、先端R150mm）を用い、加工のないもの（チップＡ、比較例：１点で当接）、チップ先端部中心に5mm幅1mm深さの溝加工をしたもの（チップＢ：２点で当接）、チップ先端部中心にそれぞれ直径1mm、2mm、5mmで1mm深さの凹部を加工したもの（それぞれチップＣ、Ｄ、Ｅ：円周で線状に当接）の５形状のチップを用いた。陽極をアルミニウム合金板、陰極を鋼板とし、すべての溶接試験において一対の電極チップの両方の形状は同一とした。チップＢを用いる場合は、加工溝の方向を一定方向に揃えた。表１に試験条件（アルミニウム板厚t2、溶接直前の板温度、電極チップの種類、加圧力、および電流パターン［溶接電流、溶接時間］）を示す。
【００６０】
ナゲット面積は、スポット溶接後の接合体サンプルを、接合部の中心にて縦に切断して樹脂に埋め込み、研磨後、切断面を光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの接合界面における径を測定することにより求めた。直交した２方向のナゲット径を測定し、これらを長径および短径とする楕円の面積を算出し、これをナゲット面積とした。
【００６１】
界面反応層の厚さは、チップＡ，Ｃ，ＤおよびＥについては、スポット溶接による接合体サンプルを１条件につき３個作製し、それぞれ接合部の中心にて縦に切断し、樹脂に埋め込み、研磨後、SEM観察により求めた。界面反応層の厚さが1μm以上の場合は2000倍の視野にて、1μm未満の場合は10000倍の視野にて計測を行った。そして、３個のサンプルについての測定での最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、それぞれ接合部中心の厚さ、および接合部中心からそれぞれ左右に接合径の1/4の距離だけ離れた２点（中間点）の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、３個のサンプルにつき各２点の合計６点の値を平均して得た値を、接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。界面反応層の厚さが0.5〜3μmである部分の面積は、各断面における0.5〜3μmである部分の線分を、接合部中心の周りに一周させて描かれる図形の面積を計算し、この面積を３個のサンプルについて平均して求めた。
【００６２】
また、チップＢについては、凹部の形状が円状ではなく上記の方法では測定できないため、スポット溶接による接合体サンプルを１条件につき６個作製し、チップが板に当接する２点間を結ぶ直線に対して、それぞれ0度、15度、30度、45度、60度、75度、90度傾く方向に沿って接合部の中心にて縦に切断し、樹脂に埋め込み、研磨後、SEM観察を行った。層の厚さが1μm以上の場合は2000倍の視野にて、1μm未満の場合は10000倍の視野にて計測した。そして、６個のサンプルの各角度方向の測定のうちの最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、各サンプルについて、接合部中心の厚さ、接合部中心からそれぞれ左右に接合径の1/4の長さ離れた２点（中間点）の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、これらの差の中で最大のものを、接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。なお、チップＢでは90度傾いた断面で測定したときが最大差異となった。また、界面反応層の厚さが0.5〜3μmである部分の面積は、0〜90度の各角度方向における0.5〜3μmとなる範囲を各角度方向ごとにプロットし、各角度方向間は各プロットを直線にて結ぶことによって、0〜90度の範囲の0.5〜3μmである部分の面積を算出した。中心を対象軸として、90度の範囲の面積を２つ求めることができるので、求めた90度の範囲の0.5〜3μmである部分の面積２つを加算し、さらにそれを２倍することにより、全体の0.5〜3μmである部分の面積を算出した。
【００６３】
接合強度の評価としては、異材接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、接合強度が1.5kN 以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が1.0 〜1.5kN であれば○、接合強度が0.5 〜1.0kN であれば△、接合強度が0.5kN 未満であれば×とした。
【００６４】
なお、本実施例において接合強度の評価に、剪断引張試験でなく十字引張試験を採用したのは、十字引張試験の方が試験条件間での接合強度の相対的な差異が大きかったので、良否の判定により適していたためである。剪断引張試験の傾向は十字引張試験結果と合致しており、十字引張試験にて○、◎の評価を得たものは、いずれも2.5kN 以上の高い剪断強度が得られた。
【００６５】
表１に示す各試験条件にてスポット溶接により得られた異材接合体の十字引張試験結果を表２に示す。
【００６６】
試験No.1〜6を比較すると、板の温度が５℃より高い試験No.1〜3に比べて、板の温度が５℃以下と低い試験No.4〜6では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積が大きくなり、しかも接合部中心と接合径の1/4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異種接合体の接合強度が高くなることがわかる。
【００６７】
また、試験No.1，2と試験No.7〜11を比較すると、先端部に加工を施さない通常のドーム型チップを用いた試験No．1，2に比べて、本発明にて規定したチップを適用した試験No.7〜11では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積が大きくなり、接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異材接合体の接合強度が高くなることがわかる。特に、ドーム型チップの先端部中央に直径2mm以上の凹部が形成された電極チップを用いた、試験No.9〜11では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積、および接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差をより望ましい範囲に制御できているため、異材接合体の接合強度が極めて高い。さらに板の温度を５℃以下に低くした試験No.12、13では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積、および接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差を、一層より望ましい範囲に制御できていることがわかる。
【００６８】
したがって、上記実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が明らかである。
【００６９】
しかしながら、本発明で好適なものとして規定するチップを用い５℃以下の低温の部材を用いても、接合条件が適していない試験No.14〜16では、ナゲット面積や界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm ）である部分の面積、最大界面反応層厚さ、接合部中心と接合径の1/4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差のうち１つ以上が規定範囲になく、接合強度が低くなる。
【００７０】
すなわち、最適接合条件（加圧力、電流パターン）を鋼板やアルミニウム合金板の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ形状によって、ナゲット面積、界面反応層の構造について本発明の規定する範囲を満足するように適宜選択する必要がある。
【表１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る接合体の断面の状態を示す断面写真である。
【符号の説明】
【００７２】
１…鋼材
２…アルミニウム材
３…ナゲット
４…界面反応層
５…接合部中心
ＤＮ…ナゲット径
ＤＣ…接合径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等の組立工程の際に必要となる鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、一般には同種の金属部材同士を接合するのに用いられるが、鋼材とアルミニウム材（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもの。）といった異種の金属部材の接合( 異材接合体) に適用することができれば、組立品の軽量化等に著しく寄与することができる。
【０００３】
しかし、鋼材とアルミニウム材とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために信頼性のある高強度を有する接合部を得ることは非常に困難であった。したがって、従来は、これらの異種金属部材の接合にはやむを得ずボルトやリベット等機械的接合方法による接合が用いられているが、接合継手の強度に対する信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種金属部材のスポット溶接方法について多くの検討がなされてきている。例えば、鋼材とアルミニウム材との間にアルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法（特許文献１、２参照）、鋼材側に 融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法（特許文献３〜５参照）、鋼材とアルミニウム材との間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献６参照）、被接合部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献７参照）などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、上記いずれの方法も、単なるスポット溶接を用いた方法ではなく、多層でのスポット溶接やめっき、加工など別の工程が必要であり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない問題があり、溶接コストも高くなる。また、溶接条件が著しく限定されるなど作業上の問題も多い。
【０００６】
そこで、本発明者らは、スポット溶接により形成される接合部の界面反応層の構造を最適化することに着目して検討を続けてきており、界面反応層の厚さや面積、構造を制御することにより、高い接合強度を有する異材接合体の作製が可能であることを見出した。しかしながら、組立品の強度のさらなる増大、スポット点数の省力化の要望に応えるために、より高い接合強度が得られるスポット溶接技術の完成が求められている。
【特許文献１】特開平６−６３７６３号公報
【特許文献２】特開平７−１７８５６３号公報
【特許文献３】特開平４−２５１６７６号公報
【特許文献４】特開平７−２４５８１号公報
【特許文献５】特開平４−１４３８３号公報
【特許文献６】特開平５−２２８６４３号公報
【特許文献７】特開平９−１７４２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材とを接合するに際して、上記従来技術のように、クラッド材など他の材料を新たに用いることなく、また、新たに別工程を追加することなく、既存のスポット溶接装置にて低コストで形成しうる、接合強度に優れた鋼材とアルミニウム材との接合体およびそのスポット溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、以下に述べるように、上記課題を解決するためさらに検討を進め、本願発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、鋼材同士やアルミニウム材同士など同種の材料同士を高い接合強度にてスポット溶接するには、一般的には、ナゲットの形成を促進すればよく、ナゲット面積が大きいほど剪断強度、十字引張強度ともに高くなることが知られている。
【００１０】
また、ナゲット面積は、入熱量と強い相関関係があり、電流量が高いほど、時間が長いほど大きくなるため、一般的には、スポット溶接の際の入熱量にてナゲット面積を制御することによって接合強度の高い接合体を得ている。もちろんナゲット面積が大きくなりすぎると、被接合材の反接合表面（接合面とは反対側の表面）まで溶融部が達してチリができるため、適正なナゲット面積を得ることが重要となる。
【００１１】
しかしながら、鋼材とアルミニウム材という異材を接合する場合、鋼材はアルミニウム材と比較して、融点、電気抵抗がともに高く、熱伝導率が小さいため、アルミニウム材側より鋼材側の方の発熱が大きくなり、まず鋼材と接する表面から低融点のアルミニウム材が溶融する。次に鋼材のアルミニウム材と接する表面が溶融し、結果として接合界面にて、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層（以下、「界面反応層」という。）が形成するため、高い接合強度は得られない。
【００１２】
また、アルミニウム材の反接合表面まで溶融が達してチリができると、アルミニウム材の減肉量が増大し、やはり高い接合強度が得られない。
【００１３】
すなわち、鋼材とアルミニウム材という異材をスポット溶接にて接合する場合、高い接合強度を得るためには、所定のナゲット面積を形成するだけの入熱量を加えることは必要であるが、接合界面にて界面反応層の形成を抑制するために鋼材の溶融を最小限に抑制し、かつチリの発生を最小量に抑制することが要求される。
【００１４】
このため、まずスポット溶接条件については、高電流で大きいナゲット面積を得つつ、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、接合界面での鋼材の溶融をできるだけ一様にかつ少なく抑えることができれば、界面反応層を薄く広く形成することができ、高い接合強度が得られると考えられる。
【００１５】
しかしながら、従来のスポット溶接方法で高電流を加えると接合部中心部において電流密度が高くなり、鋼材の発熱・溶融およびアルミニウム材の溶融も大きくなるため、接合部中心部にて界面反応層が厚く形成する。電極チップの先端Rを大きくすることによって、接合部中心部への電流の集中を軽減して、広い面積にて接合することが可能であるが、やはり接合部中心部の界面反応層は厚く、溶接条件によっては接合部中心部にてアルミニウム材に欠陥が発生する。
【００１６】
従来の検討では、接合強度を決定付けているのは、接合部の中心部ではなく、周辺部と考えて、中心部の界面反応層厚さが厚くなることは軽視してきたが、より詳細に解析すると、周辺部が同程度の界面反応層厚さでも、中心部の界面反応層がある程度以上厚いと接合強度が低下すること、さらには、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層の厚さ分布も変化して、接合強度のばらつきの要因となることが明らかとなった。
【００１７】
すなわち、接合強度を従来よりさらに向上させるには、鋼材およびアルミニウム材の発熱を抑制し、電流密度を分散しつつ、できるだけ高電流にて接合し、接合された異材接合体の界面反応層を接合部中心部も含めて大面積にて最適厚さ範囲に制御することが重要となることがわかった。
【００１８】
そして上記知見に基づいて、以下の発明を完成した。
【００１９】
請求項１に記載の発明は、板厚t1が0.3〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm である、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材（以下、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材を「アルミニウム材」という。）とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体である。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記界面反応層の最大厚さが、0.5〜10μmの範囲である請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との接合体である。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、被接合材との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップである。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径2mm以上の凹部が形成されている請求項３に記載の電極チップである。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、一対の電極チップのうち少なくとも片方に請求項３または４に記載の電極チップを用いることを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法である。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を5℃以下に冷却してスポット溶接することを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は以上のように構成されており、スポット溶接による鋼材とアルミニウム材との異材接合の際に、比較的大きいナゲット面積を得つつ、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積に形成し、異材接合体の接合強度を向上させることができる。この結果、スポット溶接にて鋼材とアルミニウム材との異材接合体を形成するに際して、従来技術のように、他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を追加する必要がなく、既存のスポット溶接機を用いることができるため、大幅なコスト削減を実現できる。
【００２６】
この結果、本発明に係る接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送車両、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。したがって、本発明により、鋼材とアルミニウム材との異材接合体の用途を大きく拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（接合体の構成）
本発明に係る接合体の構成を説明するために、図１に本発明に係る接合体の接合部の断面写真を示す。同図において、符号１は鋼材、符号２はアルミニウム材、符号３はナゲット、符号４は界面反応層、符号５は接合部中心をそれぞれ示す。
【００２８】
以下、本発明の各要件の限定理由とその作用について説明する。
【００２９】
［鋼材］
本発明に用いる鋼材の板厚t1は0.3 〜2.5mm とする。鋼材の板厚t1が0.3mm 未満の場合、組立品である構造部材や構造材料として必要な母材強度や剛性を確保できず、他方2.5mm を超える場合は、構造部材や構造材料としては、通常他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少ないからである。
【００３０】
なお、本発明においては、使用する鋼材の形状や材質は特に限定されるものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択できる。
【００３１】
［アルミニウム材］
本発明で使用するアルミニウム材の板厚t2は0.5 〜2.5mm の範囲とする。アルミニウム材の板厚t2が0.5mm 未満の場合、構造材料としての母材強度が不足するのに加え、所定の大きさのナゲット面積が得られず、しかもアルミニウム材の反接合表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。他方、アルミニウム材の板厚t2が2.5mm を超える場合は、上記鋼材の板厚の場合と同様に、構造部材や構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接にて接合する必要性が少ないからである。
【００３２】
なお、本発明においては、使用するアルミニウム材の形状や材質（合金の種類）を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択できる。また、アルミニウム材の強度は、スポット溶接時の加圧による変形を抑えるために高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、A5000 系、A6000 系などの使用が最適である。
【００３３】
［ナゲット面積］
図1 に示すスポット溶接にて形成されたナゲット３の面積は、アルミニウム材２の板厚t2で規定された、20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲とする。言い換えると、ナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット溶接条件を選定することが必要である。
【００３４】
従来から、同種の金属部材をスポット溶接する際には、金属部材の厚みt に対して、スポット溶接にて形成されたナゲットの面積を20×t0.5mm2 程度とすることが接合強度の面からも作業性および経済性の面からみても最適であるとされている。
【００３５】
これに対し、本発明では、異種金属部材同士の接合について、上記同種の金属部材同士の接合よりも大きなナゲット面積とすることを特徴とする。すなわち、スポット溶接にて形成されたナゲット３の面積が、アルミニウム材２の板厚t2で規定された20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合することで、異材接合体であっても十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性にも優れる。
【００３６】
本発明のような異種金属部材同士の接合の場合、最適なナゲット面積は、アルミニウム材２側の板厚t2に依存しており、鋼材１の板厚t1の影響は無視できるほど小さいことが特徴である。
【００３７】
ここで、ナゲット面積が20×t20.5mm2未満、より厳しくは30×t20.5mm2未満では、ナゲット面積が小さ過ぎ、接合強度が不十分となる。他方、ナゲット面積が100×t20.5 mm2 を超えると、接合強度を得るのには十分であるが、きわめて高い電流量が必要となるため、現行のスポット溶接装置を用いることができず、特別な装置が必要となる。したがって、ナゲット面積は20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲、好ましくは30×t20.5 〜100×t20.5 mm2 の範囲とする。
【００３８】
本発明におけるナゲット面積は、鋼材１とアルミニウム材２との接合界面の面積を測定することによって得られる。接合界面の面積の測定方法は、接合体を接合界面にて剥離または切断により分断し、アルミニウム材２側を画像解析して、ナゲット３の面積を計測することによって求めることができる。ナゲットの形状が略円形状の場合は、接合部を接合部中心５にて縦に（板厚方向に）切断して切断面を光学顕微鏡にて観察し、ナゲット３の接合界面での径（ナゲット径）ＤＮを測定して面積を求めてもよい。この場合、例えば直交する２方向の縦断面についてナゲット径ＤＮを測定し、これらを長径および短径とする楕円の面積を計算し、これをナゲット面積とするとよい。
【００３９】
［界面反応層の厚さ］
図１に示す界面反応層４は、その最適厚さを0.5 〜3 μmとし、この最適厚さを有する部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００４０】
このように、最適厚さを有する界面反応層４の面積を規定するのは、上述したように、接合強度向上のために、最適厚さを有する界面反応層４をできるだけ広く形成するという技術思想に基づく。
【００４１】
つまり、界面反応層４の厚さが0.5 〜3μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 未満、より厳しくは、25×t20.5 mm2 未満では、最適厚さを有する界面反応層４の形成される範囲が狭く、接合強度が低下する。また、界面反応層４の厚さが0.5μm未満の部分は、鋼−アルミニウムの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。他方、界面反応層４の厚さが3μm を超える部分は脆弱となり、接合強度が低くなる。よって、接合部全体としての接合強度を高めるためには、界面反応層４の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上、好ましくは25×t20.5 mm2 以上必要である。
【００４２】
さらに、接合部中心５と接合部中心５から接合径ＤＣの1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内、望ましくは3μm以内であることを必要とする。ここでの接合径ＤＣとは、界面反応層４が形成されている範囲の径をいう。通常のドーム型電極チップ（以下、「電極チップ」を単に「チップ」ともいう。）を用いた接合では、接合部中心（以下、単に「中心」ともいう。）５は最も界面反応層４が厚くなる部位であるのに対し、中心５から接合径ＤＣの1/4の距離だけ離れた点では界面反応層４が薄くなるが、両地点での厚さの差が小さいほど、接合強度が高くなる。上記厚さの差が5μmより大きいと、中心５での界面反応層４が周辺部の界面反応層４より過度に厚くなり、接合強度が低下することに加えて、チリの発生により外観が損なわれるのみならず、周辺部の界面反応層４の厚さ分布も変化して、強度ばらつきの要因となる。
【００４３】
さらに、界面反応層４の最大厚さは、0.5〜10μm、さらには1.5〜5μmの範囲とするのが望ましい。通常のドーム型チップを用いた接合では、接合部中心５が上記最大厚さとなる位置に相当する。上記最大厚さが10μmを超えると、その部位の強度が低く、全体の接合強度が低下するばかりか、チリの発生により、周辺部の界面反応層４の厚さ分布にも悪影響を及ぼし、強度ばらつきの要因となる。他方、上記最大厚さが0.5μm未満の場合は、上記0.5 〜3 μmの最適厚さ範囲が得られない。
【００４４】
この界面反応層４の厚さも、上記ナゲット面積と同様、鋼材１とアルミニウム材２との接合界面の面積を測定することによって得られ、アルミニウム材２側の画像解析や光学顕微鏡観察によって求めることができる。
【００４５】
以下に、スポット溶接の要件を説明する。
【００４６】
［電極チップ］
スポット溶接に用いる電極チップについては、被接合材である板との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われるものであることが望ましい。すなわち、板との極大加圧部が、従来のように１点のみでなく、２点以上のものとするか、あるいは線状もしくは面状となるようなチップを用いることにより、上記比較的大きな最適ナゲット面積および上記界面反応層の最適構造を得ることができる。ここで、線状とは3mm以上の連続線となるものを、面状とは5mm2以上の連続面となるものをそれぞれいい、これらに満たないものは点とする。
【００４７】
チップの極大加圧部を確認するには、市販の加圧紙を板とチップの間に挟み、0.1kNの加圧力にて挟むことによって、加圧紙に残る跡を確認すればよい。通常のドーム型チップでは、接触した１点のみ跡が残る。
【００４８】
上記望ましい電極チップの一例としては、ドーム型チップの先端部の中央（チップの軸上）に直径2mm以上の凹部が形成されている電極チップが推奨される。スポット溶接の際の連続打点によりチップ先端部は消耗するため、研磨紙、研削器等にてチップ先端部を定期的にメンテナンスすることが必要であるが、その際、先端部の形状が軸対称でないチップでは、メンテナンスがしにくい。チップの軸上（すなわち、軸と同心）に凹部を設けることにより、チップの加工が容易であるだけでなく、研磨紙や研削器を円周方向に回転させることで容易にメンテナンスを行うことができる。また、チップ先端部が完全に平面であるフラット型チップでは、板に対して面状に当接するため、電流密度を低下させることができるが、このように板に対して面状に当接する場合、チップの粗度が電流経路に及ぼす影響が大きく、チップのメンテナンス頻度を高くする必要が生じる。したがって、チップのメンテナンス性と界面反応層４の均一化効果をともに満たすためには、ドーム型チップの先端部に凹部を設けたものの方が良く、凹部の径は2mm以上とするのが望ましい。2mm未満では、中心部への電流集中を十分に抑制できず、界面反応層４の均一化効果が小さい。また、凹部の径の上限は設けないが、チップのサイズとメンテナンス性を考えると、15〜20mmが最大と考えられる。凹部の深さは浅くとも0.5mm以上とするのが望ましく、また凹部の深さが深いとチップが長くなり、冷却水での冷却効率が低下するため、3mmより大きくする必要はない。また、ドーム型チップの先端径、先端Rは特に規定しないが、ナゲット面積を確保するために、先端径が7mm以上で、かつ先端R が75mm以上であることが望ましい。
【００４９】
なお、このようなチップを用いる場合、片当たりをしないよう、予め感圧紙で確認し、メンテナンスを行うことが必要である。
【００５０】
そして、スポット溶接に用いる一対（２個）の電極チップのうち少なくとも片方に、上記のような先端部に凹部を設けたチップを用いることで、板内を通過する溶接電流経路を複数とすることによって電流の集中を抑制し、チリや欠陥の発生を防止するとともに、界面反応層４の厚さを均一にすることができる。チップを片方のみに用いる場合は、鋼材１側に用いる方が発熱をより抑制することができるが、チップを両方ともに用いる方がさらに電流の集中を抑制することができ、界面反応層４の厚さをより確実に均一化できる。
【００５１】
［溶接温度］
また、鋼材１およびアルミニウム材２の少なくとも一方を5℃以下に冷却することによっても、両部材の発熱を抑制し、チリや欠陥の発生を防止し、界面反応層厚さを均一にすることができる。いずれか一方のみ冷却する場合は、鋼を冷却する方が発熱をより抑制することができるが、両方を冷却する方がさらに発熱を抑制でき、界面反応層４の厚さをより確実に均一化ができる。この発熱抑制効果を十分に発揮させるには溶接温度（板温度）を5℃以下とするのが望ましい。溶接温度は低ければ低いほど発熱を抑制することができるため下限は設けないが、作業性を考慮すると-5℃以上が適している。
【００５２】
板の冷却方法としては、予め板を液体または気体冷媒によって冷やした後に溶接する方法、溶接しながら板を気体冷媒によって冷やす方法のいずれでもよい。なお、予め板を冷却する場合は、板に付着した霜等を除去してから溶接することが必要である。
【００５３】
なお、上記先端部形状を工夫したチップの使用と上記板の冷却の両手段を適用することで、電流の集中が抑制できるとともに、より確実に板の発熱を防止できるようになり、チリや欠陥の発生をさらに抑制し、界面反応層４の厚さをより均一にすることができる。
【００５４】
(接合条件)
本発明で用いるスポット溶接の接合条件は、加圧力や電流パターンを特に限定するものではなく、鋼材１やアルミニウム材２の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ先端部形状等によって適宜選択できる。ただし、ナゲット面積および界面反応層４の構造は本発明の規定する範囲を満足させる必要があり、ナゲット面積の確保には、比較的高い加圧力と電流量が必要であり、界面反応層４の厚み増加の抑制には、板に表面処理層が存在しない場合は短時間の溶接が、表面処理層を有する場合は接合部の表面処理層を一様に排出した上で、できるだけ短時間の溶接が求められる。
【００５５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５６】
鋼材としては、以下のようにして得られた鋼板を用いた。すなわち、化学成分として、質量%で0.06%C-0.5%Si-1.2%Mnを含有し、P、S等の不可避的不純物を除き、残部が実質的にFeである供試鋼を溶製し、1.2mm の板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。そして、連続焼鈍においては、500 〜1000℃の焼鈍後、油洗または水洗を行い、その後焼き戻しにより590 MPa 級の高張力鋼板を得た。
【００５７】
また、アルミニウム材としては、板厚1.0mm と1.6mm の2 種類の市販のA6022（6000系）アルミニウム合金板を用いた。
【００５８】
これら鋼板（鋼材）とアルミニウム合金板（アルミニウム材）とをJIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工した上でスポット溶接を行い、異種接合体を作成した。予め鋼板とアルミニウム合金板を水や氷水で冷却し、接合直前に各試験温度になるように調整してから溶接を行った。すべての溶接試験において鋼板の温度とアルミニウム合金板の温度は同じとした。また、板の表面に付着した液体や霜は溶接直前に拭き取った。
【００５９】
スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用いた。電極チップは全てCu-Cr 合金からなるドーム型チップ（先端径12mm、先端R150mm）を用い、加工のないもの（チップＡ、比較例：１点で当接）、チップ先端部中心に5mm幅1mm深さの溝加工をしたもの（チップＢ：２点で当接）、チップ先端部中心にそれぞれ直径1mm、2mm、5mmで1mm深さの凹部を加工したもの（それぞれチップＣ、Ｄ、Ｅ：円周で線状に当接）の５形状のチップを用いた。陽極をアルミニウム合金板、陰極を鋼板とし、すべての溶接試験において一対の電極チップの両方の形状は同一とした。チップＢを用いる場合は、加工溝の方向を一定方向に揃えた。表１に試験条件（アルミニウム板厚t2、溶接直前の板温度、電極チップの種類、加圧力、および電流パターン［溶接電流、溶接時間］）を示す。
【００６０】
ナゲット面積は、スポット溶接後の接合体サンプルを、接合部の中心にて縦に切断して樹脂に埋め込み、研磨後、切断面を光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの接合界面における径を測定することにより求めた。直交した２方向のナゲット径を測定し、これらを長径および短径とする楕円の面積を算出し、これをナゲット面積とした。
【００６１】
界面反応層の厚さは、チップＡ，Ｃ，ＤおよびＥについては、スポット溶接による接合体サンプルを１条件につき３個作製し、それぞれ接合部の中心にて縦に切断し、樹脂に埋め込み、研磨後、SEM観察により求めた。界面反応層の厚さが1μm以上の場合は2000倍の視野にて、1μm未満の場合は10000倍の視野にて計測を行った。そして、３個のサンプルについての測定での最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、それぞれ接合部中心の厚さ、および接合部中心からそれぞれ左右に接合径の1/4の距離だけ離れた２点（中間点）の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、３個のサンプルにつき各２点の合計６点の値を平均して得た値を、接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。界面反応層の厚さが0.5〜3μmである部分の面積は、各断面における0.5〜3μmである部分の線分を、接合部中心の周りに一周させて描かれる図形の面積を計算し、この面積を３個のサンプルについて平均して求めた。
【００６２】
また、チップＢについては、凹部の形状が円状ではなく上記の方法では測定できないため、スポット溶接による接合体サンプルを１条件につき６個作製し、チップが板に当接する２点間を結ぶ直線に対して、それぞれ0度、15度、30度、45度、60度、75度、90度傾く方向に沿って接合部の中心にて縦に切断し、樹脂に埋め込み、研磨後、SEM観察を行った。層の厚さが1μm以上の場合は2000倍の視野にて、1μm未満の場合は10000倍の視野にて計測した。そして、６個のサンプルの各角度方向の測定のうちの最大厚さを、界面反応層の最大厚さとした。また、各サンプルについて、接合部中心の厚さ、接合部中心からそれぞれ左右に接合径の1/4の長さ離れた２点（中間点）の界面反応層の厚さを測定し、中心と中間点の厚さの差を求め、これらの差の中で最大のものを、接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差とした。なお、チップＢでは90度傾いた断面で測定したときが最大差異となった。また、界面反応層の厚さが0.5〜3μmである部分の面積は、0〜90度の各角度方向における0.5〜3μmとなる範囲を各角度方向ごとにプロットし、各角度方向間は各プロットを直線にて結ぶことによって、0〜90度の範囲の0.5〜3μmである部分の面積を算出した。中心を対象軸として、90度の範囲の面積を２つ求めることができるので、求めた90度の範囲の0.5〜3μmである部分の面積２つを加算し、さらにそれを２倍することにより、全体の0.5〜3μmである部分の面積を算出した。
【００６３】
接合強度の評価としては、異材接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、接合強度が1.5kN 以上または破断形態がアルミ母材破断であれば◎、接合強度が1.0 〜1.5kN であれば○、接合強度が0.5 〜1.0kN であれば△、接合強度が0.5kN 未満であれば×とした。
【００６４】
なお、本実施例において接合強度の評価に、剪断引張試験でなく十字引張試験を採用したのは、十字引張試験の方が試験条件間での接合強度の相対的な差異が大きかったので、良否の判定により適していたためである。剪断引張試験の傾向は十字引張試験結果と合致しており、十字引張試験にて○、◎の評価を得たものは、いずれも2.5kN 以上の高い剪断強度が得られた。
【００６５】
表１に示す各試験条件にてスポット溶接により得られた異材接合体の十字引張試験結果を表２に示す。
【００６６】
試験No.1〜6を比較すると、板の温度が５℃より高い試験No.1〜3に比べて、板の温度が５℃以下と低い試験No.4〜6では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積が大きくなり、しかも接合部中心と接合径の1/4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異種接合体の接合強度が高くなることがわかる。
【００６７】
また、試験No.1，2と試験No.7〜11を比較すると、先端部に加工を施さない通常のドーム型チップを用いた試験No．1，2に比べて、本発明にて規定したチップを適用した試験No.7〜11では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積が大きくなり、接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が小さくなり、異材接合体の接合強度が高くなることがわかる。特に、ドーム型チップの先端部中央に直径2mm以上の凹部が形成された電極チップを用いた、試験No.9〜11では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積、および接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差をより望ましい範囲に制御できているため、異材接合体の接合強度が極めて高い。さらに板の温度を５℃以下に低くした試験No.12、13では、界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm）である部分の面積、および接合部中心と接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差を、一層より望ましい範囲に制御できていることがわかる。
【００６８】
したがって、上記実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が明らかである。
【００６９】
しかしながら、本発明で好適なものとして規定するチップを用い５℃以下の低温の部材を用いても、接合条件が適していない試験No.14〜16では、ナゲット面積や界面反応層の最適厚さ範囲（0.5 〜3μm ）である部分の面積、最大界面反応層厚さ、接合部中心と接合径の1/4の長さ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差のうち１つ以上が規定範囲になく、接合強度が低くなる。
【００７０】
すなわち、最適接合条件（加圧力、電流パターン）を鋼板やアルミニウム合金板の材質や板厚、表面処理の違い、またチップ形状によって、ナゲット面積、界面反応層の構造について本発明の規定する範囲を満足するように適宜選択する必要がある。
【表１】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る接合体の断面の状態を示す断面写真である。
【符号の説明】
【００７２】
１…鋼材
２…アルミニウム材
３…ナゲット
４…界面反応層
５…接合部中心
ＤＮ…ナゲット径
ＤＣ…接合径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm である、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材（以下、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材を「アルミニウム材」という。）とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体。
【請求項２】
前記界面反応層の最大厚さが、0.5〜10μmの範囲である請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との接合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、被接合材との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径2mm以上の凹部が形成されている請求項３に記載の電極チップ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、一対の電極チップのうち少なくとも片方に請求項３または４に記載の電極チップを用いることを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を5℃以下に冷却してスポット溶接することを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。
【請求項１】
板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm である、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材（以下、純アルミニウム材またはアルミニウム合金材を「アルミニウム材」という。）とをスポット溶接にて接合して形成された接合体であって、接合部におけるナゲット面積が20×t20.5 〜100×t20.5 mm2 であり、界面反応層の厚さが0.5 〜3 μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であり、かつ接合部中心と接合部中心から接合径の1/4の距離だけ離れた点とにおける界面反応層の厚さの差が5μm以内であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との接合体。
【請求項２】
前記界面反応層の最大厚さが、0.5〜10μmの範囲である請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との接合体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、被接合材との接触が、２点以上または線状もしくは面状で行われる電極チップ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接に用いられる電極チップであって、先端部がドーム型に形成されるとともに、前記先端部の中央に直径2mm以上の凹部が形成されている請求項３に記載の電極チップ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、一対の電極チップのうち少なくとも片方に請求項３または４に記載の電極チップを用いることを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の接合体を形成するためのスポット溶接方法であって、前記鋼材と前記アルミニウム材のうち少なくとも一方を5℃以下に冷却してスポット溶接することを特徴とする鋼材とアルミニウム材とのスポット溶接方法。
【図１】
【公開番号】特開２００７−２２２９０８（Ｐ２００７−２２２９０８Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４７０９０（Ｐ２００６−４７０９０）
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「地球温暖化防止新技術プログラム／自動車軽量化のためのアルミニウム合金高度加工・形成技術の開発事業（２．アルミニウム／鋼ハイブリッド構造の開発）プロジェクト」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「地球温暖化防止新技術プログラム／自動車軽量化のためのアルミニウム合金高度加工・形成技術の開発事業（２．アルミニウム／鋼ハイブリッド構造の開発）プロジェクト」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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