鋼材とアルミニウム材との異材接合体とその接合方法
【課題】 接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供することを目的とする。
【解決手段】 特定板厚の鋼材１とアルミニウム材２とをスポット溶接にて接合した異材接合体３であって、スポット溶接部におけるナゲット５の面積をアルミニウム材２の板厚との関係で規定するとともに、このナゲット５における界面反応層６の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積をアルミニウム材２の板厚との関係で規定し、高い接合強度を得る。
【解決手段】 特定板厚の鋼材１とアルミニウム材２とをスポット溶接にて接合した異材接合体３であって、スポット溶接部におけるナゲット５の面積をアルミニウム材２の板厚との関係で規定するとともに、このナゲット５における界面反応層６の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積をアルミニウム材２の板厚との関係で規定し、高い接合強度を得る。
【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分野、機械部品、建築構造物等における鉄系材料とアルミニウム系材料との異種金属部材同士の異材接合体と、その接合方法に関するものである。
【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が、例えば鉄系材料（以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（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で、以下、単にアルミニウム材と言う）という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、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( 接合強度) を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種接合体のスポット溶接法について多くの検討がなされてきている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている（特許文献１、２参照）。また、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 法が提案されている（特許文献３、４、５参照）。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献６参照）や、部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献７参照）なども提案されている。
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、これらいずれの方法も、単なるスポット溶接ではなく、多層でのスポット溶接やめっきや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。
【０００７】
また、これらいずれの方法も、溶接条件が著しく限定されるなど作業上の問題も多い。
【０００８】
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、上記したクラッド材などの他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を必要とすることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、スポット溶接部におけるナゲット面積が前記板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 であり、このナゲットにおける界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００１０】
また、上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法の要旨は、上記板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が75mmR 以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ15×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すこととする。なお、このスポット溶接方法において、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
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、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および十字引張強度ともに高くなることが知られている。
【００１２】
また、ナゲット面積は入熱量と関係があり、電流量が高いほど、時間が長いほど大きくなるため、一般には、スポット溶接の際の入熱量にてナゲット径を制御することによって接合強度の高い接合体を得る。もちろんナゲット面積が大きくなりすぎると、被溶接材料の表面まで溶融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。
【００１３】
しかしながら、鋼材とアルミニウム材との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、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなり、まず低融点のアルミニウムが溶融する。次に鋼材の表面が溶融し、結果として界面にて、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層が形成するため、高い接合強度は得られない。
【００１４】
また、アルミニウム材料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、高い接合強度が得られない。
【００１５】
すなわち、鋼材とアルミニウム材との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、ある程度のナゲット径を形成する高い入熱量を加えることは必要であるが、それに反して、接合界面にて界面反応層を抑制し、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えることが更に必要である。
【００１６】
そのためには、まずスポット溶接条件については、高電流で短時間の溶接とすることが、大きいナゲット面積を得つつ、チリの発生を抑制できる。それに加え、接合界面での鋼材の溶融を抑えることができた結果、界面反応層を薄くすることができ、接合強度が高くなる。長時間の溶接とすると、大きいナゲット面積は得られるが、チリの発生によりアルミニウム材の減肉量が大きい。さらに、接合界面にて鋼材の溶融が大きくなって、界面反応層も厚くなるため、接合強度が低い。
【００１７】
しかしながら、高電流として電流密度が大きくなった結果、鋼材の種類によってはチリの発生が大きくなり、界面反応層が厚く形成する。すなわち高電流とするほど接合強度は高くなるが接合強度の増加に限界があり、最大でも十字引張試験で1.0kN／spot以下で界面破断が生じ、アルミ母材の破断とならない。
【００１８】
さらに、界面反応層の厚さは従来の知見（薄い程良い）とは異なり、最適範囲に制御する方が良いことも判明し、如何に最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成するかが重要であることが判明した。
【００１９】
すなわち、鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法としては、電流密度を抑えつつなるべく高電流にて接合し、接合された異材接合体の界面反応層を大面積にて最適厚さ範囲に制御することが重要となる。
【００２０】
以上のように、本発明は、スポット溶接による異材接合の際に、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する。これによって異材接合体の接合強度を向上させる。また、スポット溶接条件については、高電流で短時間の溶接として、接合強度を向上させる。この結果、鋼材とアルミニウム材との異種接合体において、前記従来技術のような、他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を必要とすることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（異種接合体）
図１に本発明で規定する異種接合体を断面図で示す。図１において、３が鋼材( 鋼板) １とアルミニウム材( アルミニウム合金板) ２とをスポット溶接にて接合した異材接合体である。４は鋼材１表面の酸化皮膜である。５はスポット溶接における界面反応層６を有するナゲットで、図中に水平方向に矢印で示すナゲット径を有する。t1は鋼材の板厚、t2はアルミニウム材２の板厚、Δt はスポット溶接による接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。この図１は、後述する実施例における発明例のように、ナゲット径を確保しつつ、チリの発生を抑制した接合状態を示している。
【００２２】
以下に、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。
【００２３】
（鋼材の板厚）
本発明では、鋼材の板厚t1が0.3 〜2.5mm である接合体であることが必要である。鋼材の板厚t1が0.3mm 未満の場合、前記した構造部材や構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。
【００２４】
一方、2.5mm を越える場合は、前記した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、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚t1を2.5mm を超えて厚くする必要性はない。
【００２５】
（鋼材の引張強度）
本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、鋼材の引張強度が400MPa以上であることが好ましい。
【００２６】
引張強度が400MPa未満の低強度鋼では一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜が鉄酸化物からなるため、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度が400MPa以上、望ましくは500MPa以上であることが好ましい。
【００２７】
本発明では、鋼材の成分を限定するものではないが、上記鋼材の強度を得るためには高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。また、鋼の成分的には、焼き入れ性を高め、析出硬化させるために、C の他に、Cr、Mo、Nb、V 、Tiなどを選択的に含有する鋼も適用できる。Cr、Mo、Nbは焼き入れ性を高めて強度を向上させ、V、Tiは析出硬化によって強度を向上させる。しかしながら、これら元素の多量添加は、溶接部周辺の靭性を低下させ、ナゲット割れが生じやすくなる。このため、鋼の成分として、基本的には、質量% で、C ：0.05〜0.5%、Mn:1〜2.5%、Si:0.5〜1.5%を含み、更に、Cr：0 〜1%、Mo：0 〜0.2%、Nb：0 〜0.1%、V ：0 〜0.1%、Ti：0 〜0.1%の一種または二種以上を、必要により選択的に含有させることが好ましい。そして、これら鋼材の残部組成は、Feおよび不可避的不純物からなることが好ましい。
【００２８】
(アルミニウム材)
本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状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される。ただ、アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、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。
【００２９】
ただ、本発明で使用するこれら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、構造材料としての強度が不 足して不適切であるのに加え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料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。一方、アルミニウム材の板厚t2が2.5mm を越える場合は、前記した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、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、アルミニウム材の板厚t2を2.5mm を超えて厚くする必要性はない。
【００３０】
(ナゲット面積)
前記図1 におけるスポット溶接部のナゲット5 の面積は、アルミニウム材の板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合する。言い換えると、ナゲット面積が20×t20.5 〜70×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。
【００３１】
従来から、同種の金属材料をスポット溶接する際には、金属材料の厚みt に対して、スポット溶接部におけるナゲット5 の面積を20×t0.5mm2 程度とすることが強度的にも作業性からみても、経済性からみても最適であるとされている。
【００３２】
しかし、本発明では、異種金属材料同士の接合について、これよりも、上記同種の金属材料よりも大きなナゲット面積とする。スポット溶接部におけるナゲット5 の面積が、アルミニウム材の板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合することで、十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性ともに優れる。
【００３３】
本発明のような異種金属材料同士の接合の場合、最適ナゲット径は、アルミニウム材側の板厚に依存しており、鋼材の板厚の影響は無視できるほど小さいことが特徴である。
【００３４】
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、接合強度が不十分である。また、ナゲット面積が70×t20.5 mm2 を越えると、接合強度を得るのには十分であるが、チリが発生しやすく、アルミニウム材の減肉量が多いため、逆に接合強度が低下する。したがって、ナゲット面積は20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲、好ましくは30×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲とする。
【００３５】
(ナゲット面積の測定)
本発明におけるナゲット面積は、鋼材−アルミ材が接合している界面の面積の測定によって得られる。接合界面の面積の測定方法は、接合界面にて剥離もしくは切断により分断したアルミ材側を画像解析し、ナゲットの面積を計測することによって求めることができる。ナゲット形状が略円形状の場合は、接合部を切断して断面より光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの界面での径を測定し、面積を求めても良い。その場合、少なくとも直交した２方向のナゲット径を測定する。
【００３６】
(界面反応層の厚さ)
前記図1 において、ナゲット５における界面反応層６は、この界面反応層６の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００３７】
この最適厚さの界面反応層の面積規定は、接合強度の観点からではあるが、薄い程良いという従来の常識とは異なり、最適範囲に制御するものであり、指向する方向としてはむしろ積極的に存在させる方向でもある。そして、前記した通り、接合強度向上のために、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成する、言い換えると広範囲に存在させるという技術思想に基づく。
【００３８】
したがって、この界面反応層の厚さが0.5 〜10μm 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、最適厚さ範囲の界面反応層が広範囲とならず、却って接合強度が低下する。界面反応層の厚さが0.5μm未満の部分では、鋼−アルミの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。逆に界面反応層の厚さが厚いほど脆弱となり、特に10μm を超える部分では脆弱となり、接合強度が低くなる。このため、このような界面反応層の面積が大きくなるほど、接合部全体としての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、界面反応層の厚さが0.5 〜10μm 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。
【００３９】
この界面反応層の厚さも、前記ナゲット面積と同様に、鋼材−アルミ材が接合している界面の面積の、アルミ材側の画像解析やSEM 観察によって測定できる。
【００４０】
(アルミニウム材の減肉量)
接合強度を確保する意味で、スポット溶接による接合後のアルミニウム材の減肉量できるだけ小さく、最小残存板厚Δt が元厚t2の50% 以上であることが望ましい。より望ましくは最小残存板厚Δt が元厚t2の90% 以上であることが良い。このアルミニウム材の最小残存板厚Δt は、断面より光学顕微鏡またはSEM にて観察し、板厚減肉長さを測定して、元の板厚との差を取って求めることができる。
【００４１】
(スポット溶接)
図２に異種接合体を得るためのスポット溶接の一態様を例示する。図2 において、１は鋼板、２はアルミニウム合金板、３は異種接合体、５はナゲット、７と８は電極である。
【００４２】
以下に、スポット溶接の要件を説明する。
(加圧力)
スポット溶接時の加圧力については、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るために、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の、比較的高い加圧力を印加することが必要である。
【００４３】
このような比較的大きな加圧力を印加することで、電極チップなどの形状によらず、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。
【００４４】
加圧力が2 ×t20.5 kN未満では、加圧力が低過ぎ、このような効果を得られない。特に、R が先端にあるチップでは、接触面積が低下し、ナゲット面積の低下、電流密度の増加（＝界面反応層の増大）につながるため、接合強度が低下する。
【００４５】
一方、加圧力を増加するとナゲット面積が小さくなる傾向にあり、加圧力が4 ×t20.5kN を超えた場合、所望のナゲット面積を得ようとすると、下記最適電流を超える電流が必要となり、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。また、アルミニウム材の変形が大きく、接合跡が大きな凹部となるため、外観上望ましくない。
【００４６】
(電流)
スポット溶接時の電流については、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るためには、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、15×t20.5 〜30×t20.5kA の比較的高い電流を、100 ×t20.5msec 以下の短時間流すことが必要である。
【００４７】
このような比較的高い電流を短時間流すことで、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。
【００４８】
15×t20.5 kA未満、厳しくは18×t20.5 kA未満の低電流の場合、ナゲットが形成、成長するのに十分な入熱量が得られない。このため、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができない。
【００４９】
一方、30×t20.5kA を超える高い電流の場合には、余分な設備がかかり、作業・コスト面で不利となる。このため、これらの点からは電流を30×t20.5kA 以下とする。したがって、使用電流は15×t20.5 〜30×t20.5kA 、好ましくは18×t20.5 〜30×t20.5kA の範囲とする。
【００５０】
(通電時間)
通電時間は、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、100 ×t2msecの比較的短時間とする。通電時間が100 ×t2msecを超える長時間の場合、ナゲット径は確保できるが、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。上記のように、界面反応層を制御するには、通電時間が100 ×t2msec以下、好ましくは20×t20.5msec 〜80×t20.5msec とする。
【００５１】
(電極形状)
スポット溶接の電極チップの形状は、上記ナゲット面積と界面反応層を得られるのであれば、何れの形状でも良いし、鋼材側、アルミニウム材側の電極チップが異なる形状でも異なるサイズでも構わない。但し、鋼材側、アルミニウム材側の両側共に、図2 に示すような、先端がR となった「ドーム型」の電極チップが望ましい。このようなドーム型の場合、電極チップの先端径、先端R は、上記電流密度低下とナゲット面積増加を両立するためには、7mm φ以上で、100mmR以上である必要がある。また、極性についても規定するものではないが、直流スポット溶接を用いる場合は、アルミニウム材側を陽極とし、鋼材側を陰極とする方が望ましい。
なお、特に先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用いることで、上記電流密度低下とナゲット面積増加を最適に両立させることができる。このチップを用いた場合、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことが好ましい。
【００５２】
最適接合条件は、以上説明したこれら各条件のバランスにあり、例えばチップ径やチップＲ、加圧力の増加して、電流密度を低下した場合は、それに伴って電流量を増加して、界面反応層を最適厚さに制御する必要がある。また、ナゲット面積、最適厚さの界面反応層の面積を阻害しない限り、このスポット溶接条件の前後に、より低電流での条件を加え、複数段の電流パターンとしてもよい。
【００５３】
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】
【００５４】
表１に示す化学成分（質量％）を含有する供試鋼を溶製し、1.2mm の板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。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980 MPa 級の高張力鋼板を得た。
【００５５】
また、アルミニウム材については板厚1.0mm と1.6mm の2 種類の市販A6022(6000系) アルミニウム合金板を用いた。
【００５６】
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。
【００５７】
スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用い、アルミニウム材の板厚t2に合わせて、加圧力、溶接電流、時間を設定し、表2 で示す条件にて一点の溶接を行った。電極チップは全てCu-Cr 合金からなるドーム型で、50mmR-12mmφ（表3:比較例）、150mmR-5mmφ（表4:比較例）、100mmR-12mm φ (表5)、150mmR-12mm φ (表6)、120mmR-7mmφ (表7)、120mmR-12mm φ (表8)の6 形状のチップを各々用いた。陽極をアルミニウム材、陰極を鋼材とし、各溶接例おいて各々両側の電極チップの形状は同一とした。
【００５８】
ナゲット面積は、スポット溶接後のサンプルを、接合部の注にて切断して樹脂に埋め込み、研磨をし、断面より光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの界面での径を測定し、面積を求めた。測定は、直交した２方向のナゲット径を測定した。
【００５９】
界面反応層の厚さ測定は、スポット溶接後のサンプルを、溶接部の中央にて切断し、樹脂に埋め込み、研磨をし、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。
【００６０】
本試験では、図1 や 2に示すように、ナゲット5 中心部が最も界面反応層が厚く、ナゲット5 端部 (周縁部) ほど界面反応層が薄くなっていたため、10μm を超える厚さの界面反応層の径、0.5 μm 以上の厚さの界面反応層の径を求め、面積に換算した。測定は、直交した２方向のナゲット径を測定した。
【００６１】
接合強度の評価としては、異種接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、A6022 材同士の接合強度＝1.0kN を基準にして、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。
【００６２】
なお、本実施例にて強度の評価に、十字引張試験を用いたのは、剪断引張試験の方が試験条件間での差異が大きかったためである。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であった。
【００６３】
表1 の各鋼種とA6022 材とのスポット溶接後の異種接合体の十字引張試験結果を表３〜8 に示す。
【００６４】
表３〜8 同士の電極チップ条件の対比により、チップ径、チップR が本発明範囲で大きくなると、異種接合体の接合強度が高くなることがわかる。
【００６５】
また、表３〜8 の各表における、表2 のスポット溶接条件同士の対比から、本発明にて規定した条件範囲に加圧力、溶接電流、時間を制御することによって、ナゲット面積と、界面反応層が最適厚さ範囲（0.5 〜10μm ）である面積が大きくなり、その結果、接合強度が高くなることがわかる。
【００６６】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が分かる。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
【表３】
【００７０】
【表４】
【００７１】
【表５】
【００７２】
【表６】
【００７３】
【表７】
【００７４】
【表８】
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明によれば、クラッド材などの他材料を入れることなく、また別工程を入れることなく、更に、鋼材側やアルミニウム材側、あるいはスポット溶接側条件を大きく変えることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との異種接合体を提供できる。このような接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、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、本発明は鋼材とアルミニウムとの異種接合体の用途を大きく拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の異種接合体を示す断面図である。
【図２】異種接合体を得るためのスポット溶接の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７７】
１：鋼板、２：アルミニウム合金板、３：異種接合体、４：酸化皮膜、
５：ナゲット、６：界面反応層、７、８：電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における鉄系材料とアルミニウム系材料との異種金属部材同士の異材接合体と、その接合方法に関するものである。
【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が、例えば鉄系材料（以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（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で、以下、単にアルミニウム材と言う）という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、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( 接合強度) を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種接合体のスポット溶接法について多くの検討がなされてきている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている（特許文献１、２参照）。また、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 法が提案されている（特許文献３、４、５参照）。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献６参照）や、部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献７参照）なども提案されている。
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、これらいずれの方法も、単なるスポット溶接ではなく、多層でのスポット溶接やめっきや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。
【０００７】
また、これらいずれの方法も、溶接条件が著しく限定されるなど作業上の問題も多い。
【０００８】
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、上記したクラッド材などの他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を必要とすることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、スポット溶接部におけるナゲット面積が前記板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 であり、このナゲットにおける界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００１０】
また、上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法の要旨は、上記板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が75mmR 以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ15×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すこととする。なお、このスポット溶接方法において、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
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、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および十字引張強度ともに高くなることが知られている。
【００１２】
また、ナゲット面積は入熱量と関係があり、電流量が高いほど、時間が長いほど大きくなるため、一般には、スポット溶接の際の入熱量にてナゲット径を制御することによって接合強度の高い接合体を得る。もちろんナゲット面積が大きくなりすぎると、被溶接材料の表面まで溶融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。
【００１３】
しかしながら、鋼材とアルミニウム材との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、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなり、まず低融点のアルミニウムが溶融する。次に鋼材の表面が溶融し、結果として界面にて、Al-Fe 系の脆い金属間化合物層が形成するため、高い接合強度は得られない。
【００１４】
また、アルミニウム材料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、高い接合強度が得られない。
【００１５】
すなわち、鋼材とアルミニウム材との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、ある程度のナゲット径を形成する高い入熱量を加えることは必要であるが、それに反して、接合界面にて界面反応層を抑制し、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えることが更に必要である。
【００１６】
そのためには、まずスポット溶接条件については、高電流で短時間の溶接とすることが、大きいナゲット面積を得つつ、チリの発生を抑制できる。それに加え、接合界面での鋼材の溶融を抑えることができた結果、界面反応層を薄くすることができ、接合強度が高くなる。長時間の溶接とすると、大きいナゲット面積は得られるが、チリの発生によりアルミニウム材の減肉量が大きい。さらに、接合界面にて鋼材の溶融が大きくなって、界面反応層も厚くなるため、接合強度が低い。
【００１７】
しかしながら、高電流として電流密度が大きくなった結果、鋼材の種類によってはチリの発生が大きくなり、界面反応層が厚く形成する。すなわち高電流とするほど接合強度は高くなるが接合強度の増加に限界があり、最大でも十字引張試験で1.0kN／spot以下で界面破断が生じ、アルミ母材の破断とならない。
【００１８】
さらに、界面反応層の厚さは従来の知見（薄い程良い）とは異なり、最適範囲に制御する方が良いことも判明し、如何に最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成するかが重要であることが判明した。
【００１９】
すなわち、鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法としては、電流密度を抑えつつなるべく高電流にて接合し、接合された異材接合体の界面反応層を大面積にて最適厚さ範囲に制御することが重要となる。
【００２０】
以上のように、本発明は、スポット溶接による異材接合の際に、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する。これによって異材接合体の接合強度を向上させる。また、スポット溶接条件については、高電流で短時間の溶接として、接合強度を向上させる。この結果、鋼材とアルミニウム材との異種接合体において、前記従来技術のような、他の材料を新たに用いることなく、また、新たな別工程を必要とすることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（異種接合体）
図１に本発明で規定する異種接合体を断面図で示す。図１において、３が鋼材( 鋼板) １とアルミニウム材( アルミニウム合金板) ２とをスポット溶接にて接合した異材接合体である。４は鋼材１表面の酸化皮膜である。５はスポット溶接における界面反応層６を有するナゲットで、図中に水平方向に矢印で示すナゲット径を有する。t1は鋼材の板厚、t2はアルミニウム材２の板厚、Δt はスポット溶接による接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。この図１は、後述する実施例における発明例のように、ナゲット径を確保しつつ、チリの発生を抑制した接合状態を示している。
【００２２】
以下に、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。
【００２３】
（鋼材の板厚）
本発明では、鋼材の板厚t1が0.3 〜2.5mm である接合体であることが必要である。鋼材の板厚t1が0.3mm 未満の場合、前記した構造部材や構造材料として必要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。
【００２４】
一方、2.5mm を越える場合は、前記した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、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚t1を2.5mm を超えて厚くする必要性はない。
【００２５】
（鋼材の引張強度）
本発明においては、使用する鋼材の形状や材料を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、鋼材の引張強度が400MPa以上であることが好ましい。
【００２６】
引張強度が400MPa未満の低強度鋼では一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜が鉄酸化物からなるため、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。このためにも引張強度が400MPa以上、望ましくは500MPa以上であることが好ましい。
【００２７】
本発明では、鋼材の成分を限定するものではないが、上記鋼材の強度を得るためには高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。また、鋼の成分的には、焼き入れ性を高め、析出硬化させるために、C の他に、Cr、Mo、Nb、V 、Tiなどを選択的に含有する鋼も適用できる。Cr、Mo、Nbは焼き入れ性を高めて強度を向上させ、V、Tiは析出硬化によって強度を向上させる。しかしながら、これら元素の多量添加は、溶接部周辺の靭性を低下させ、ナゲット割れが生じやすくなる。このため、鋼の成分として、基本的には、質量% で、C ：0.05〜0.5%、Mn:1〜2.5%、Si:0.5〜1.5%を含み、更に、Cr：0 〜1%、Mo：0 〜0.2%、Nb：0 〜0.1%、V ：0 〜0.1%、Ti：0 〜0.1%の一種または二種以上を、必要により選択的に含有させることが好ましい。そして、これら鋼材の残部組成は、Feおよび不可避的不純物からなることが好ましい。
【００２８】
(アルミニウム材)
本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状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される。ただ、アルミニウム材の強度についても、上記鋼材の場合と同様に、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。
【００２９】
ただ、本発明で使用するこれら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、構造材料としての強度が不 足して不適切であるのに加え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料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。一方、アルミニウム材の板厚t2が2.5mm を越える場合は、前記した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、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、アルミニウム材の板厚t2を2.5mm を超えて厚くする必要性はない。
【００３０】
(ナゲット面積)
前記図1 におけるスポット溶接部のナゲット5 の面積は、アルミニウム材の板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合する。言い換えると、ナゲット面積が20×t20.5 〜70×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。
【００３１】
従来から、同種の金属材料をスポット溶接する際には、金属材料の厚みt に対して、スポット溶接部におけるナゲット5 の面積を20×t0.5mm2 程度とすることが強度的にも作業性からみても、経済性からみても最適であるとされている。
【００３２】
しかし、本発明では、異種金属材料同士の接合について、これよりも、上記同種の金属材料よりも大きなナゲット面積とする。スポット溶接部におけるナゲット5 の面積が、アルミニウム材の板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲となるようにスポット接合することで、十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性ともに優れる。
【００３３】
本発明のような異種金属材料同士の接合の場合、最適ナゲット径は、アルミニウム材側の板厚に依存しており、鋼材の板厚の影響は無視できるほど小さいことが特徴である。
【００３４】
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、接合強度が不十分である。また、ナゲット面積が70×t20.5 mm2 を越えると、接合強度を得るのには十分であるが、チリが発生しやすく、アルミニウム材の減肉量が多いため、逆に接合強度が低下する。したがって、ナゲット面積は20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲、好ましくは30×t20.5 〜70×t20.5 mm2 の範囲とする。
【００３５】
(ナゲット面積の測定)
本発明におけるナゲット面積は、鋼材−アルミ材が接合している界面の面積の測定によって得られる。接合界面の面積の測定方法は、接合界面にて剥離もしくは切断により分断したアルミ材側を画像解析し、ナゲットの面積を計測することによって求めることができる。ナゲット形状が略円形状の場合は、接合部を切断して断面より光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの界面での径を測定し、面積を求めても良い。その場合、少なくとも直交した２方向のナゲット径を測定する。
【００３６】
(界面反応層の厚さ)
前記図1 において、ナゲット５における界面反応層６は、この界面反応層６の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることとする。
【００３７】
この最適厚さの界面反応層の面積規定は、接合強度の観点からではあるが、薄い程良いという従来の常識とは異なり、最適範囲に制御するものであり、指向する方向としてはむしろ積極的に存在させる方向でもある。そして、前記した通り、接合強度向上のために、最適厚さ範囲の界面反応層を大面積形成する、言い換えると広範囲に存在させるという技術思想に基づく。
【００３８】
したがって、この界面反応層の厚さが0.5 〜10μm 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、最適厚さ範囲の界面反応層が広範囲とならず、却って接合強度が低下する。界面反応層の厚さが0.5μm未満の部分では、鋼−アルミの拡散が不十分となり、接合強度が低くなる。逆に界面反応層の厚さが厚いほど脆弱となり、特に10μm を超える部分では脆弱となり、接合強度が低くなる。このため、このような界面反応層の面積が大きくなるほど、接合部全体としての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、界面反応層の厚さが0.5 〜10μm 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。
【００３９】
この界面反応層の厚さも、前記ナゲット面積と同様に、鋼材−アルミ材が接合している界面の面積の、アルミ材側の画像解析やSEM 観察によって測定できる。
【００４０】
(アルミニウム材の減肉量)
接合強度を確保する意味で、スポット溶接による接合後のアルミニウム材の減肉量できるだけ小さく、最小残存板厚Δt が元厚t2の50% 以上であることが望ましい。より望ましくは最小残存板厚Δt が元厚t2の90% 以上であることが良い。このアルミニウム材の最小残存板厚Δt は、断面より光学顕微鏡またはSEM にて観察し、板厚減肉長さを測定して、元の板厚との差を取って求めることができる。
【００４１】
(スポット溶接)
図２に異種接合体を得るためのスポット溶接の一態様を例示する。図2 において、１は鋼板、２はアルミニウム合金板、３は異種接合体、５はナゲット、７と８は電極である。
【００４２】
以下に、スポット溶接の要件を説明する。
(加圧力)
スポット溶接時の加圧力については、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るために、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の、比較的高い加圧力を印加することが必要である。
【００４３】
このような比較的大きな加圧力を印加することで、電極チップなどの形状によらず、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。
【００４４】
加圧力が2 ×t20.5 kN未満では、加圧力が低過ぎ、このような効果を得られない。特に、R が先端にあるチップでは、接触面積が低下し、ナゲット面積の低下、電流密度の増加（＝界面反応層の増大）につながるため、接合強度が低下する。
【００４５】
一方、加圧力を増加するとナゲット面積が小さくなる傾向にあり、加圧力が4 ×t20.5kN を超えた場合、所望のナゲット面積を得ようとすると、下記最適電流を超える電流が必要となり、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。また、アルミニウム材の変形が大きく、接合跡が大きな凹部となるため、外観上望ましくない。
【００４６】
(電流)
スポット溶接時の電流については、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得るためには、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、15×t20.5 〜30×t20.5kA の比較的高い電流を、100 ×t20.5msec 以下の短時間流すことが必要である。
【００４７】
このような比較的高い電流を短時間流すことで、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができる。また、チリの発生を抑制することができる。
【００４８】
15×t20.5 kA未満、厳しくは18×t20.5 kA未満の低電流の場合、ナゲットが形成、成長するのに十分な入熱量が得られない。このため、上記比較的大きなナゲット必要面積と、上記最適界面反応層の必要面積を得ることができない。
【００４９】
一方、30×t20.5kA を超える高い電流の場合には、余分な設備がかかり、作業・コスト面で不利となる。このため、これらの点からは電流を30×t20.5kA 以下とする。したがって、使用電流は15×t20.5 〜30×t20.5kA 、好ましくは18×t20.5 〜30×t20.5kA の範囲とする。
【００５０】
(通電時間)
通電時間は、前記アルミニウム材の板厚t2との関係で、100 ×t2msecの比較的短時間とする。通電時間が100 ×t2msecを超える長時間の場合、ナゲット径は確保できるが、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。上記のように、界面反応層を制御するには、通電時間が100 ×t2msec以下、好ましくは20×t20.5msec 〜80×t20.5msec とする。
【００５１】
(電極形状)
スポット溶接の電極チップの形状は、上記ナゲット面積と界面反応層を得られるのであれば、何れの形状でも良いし、鋼材側、アルミニウム材側の電極チップが異なる形状でも異なるサイズでも構わない。但し、鋼材側、アルミニウム材側の両側共に、図2 に示すような、先端がR となった「ドーム型」の電極チップが望ましい。このようなドーム型の場合、電極チップの先端径、先端R は、上記電流密度低下とナゲット面積増加を両立するためには、7mm φ以上で、100mmR以上である必要がある。また、極性についても規定するものではないが、直流スポット溶接を用いる場合は、アルミニウム材側を陽極とし、鋼材側を陰極とする方が望ましい。
なお、特に先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用いることで、上記電流密度低下とナゲット面積増加を最適に両立させることができる。このチップを用いた場合、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことが好ましい。
【００５２】
最適接合条件は、以上説明したこれら各条件のバランスにあり、例えばチップ径やチップＲ、加圧力の増加して、電流密度を低下した場合は、それに伴って電流量を増加して、界面反応層を最適厚さに制御する必要がある。また、ナゲット面積、最適厚さの界面反応層の面積を阻害しない限り、このスポット溶接条件の前後に、より低電流での条件を加え、複数段の電流パターンとしてもよい。
【００５３】
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】
【００５４】
表１に示す化学成分（質量％）を含有する供試鋼を溶製し、1.2mm の板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。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980 MPa 級の高張力鋼板を得た。
【００５５】
また、アルミニウム材については板厚1.0mm と1.6mm の2 種類の市販A6022(6000系) アルミニウム合金板を用いた。
【００５６】
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。
【００５７】
スポット溶接には、直流抵抗溶接試験機を用い、アルミニウム材の板厚t2に合わせて、加圧力、溶接電流、時間を設定し、表2 で示す条件にて一点の溶接を行った。電極チップは全てCu-Cr 合金からなるドーム型で、50mmR-12mmφ（表3:比較例）、150mmR-5mmφ（表4:比較例）、100mmR-12mm φ (表5)、150mmR-12mm φ (表6)、120mmR-7mmφ (表7)、120mmR-12mm φ (表8)の6 形状のチップを各々用いた。陽極をアルミニウム材、陰極を鋼材とし、各溶接例おいて各々両側の電極チップの形状は同一とした。
【００５８】
ナゲット面積は、スポット溶接後のサンプルを、接合部の注にて切断して樹脂に埋め込み、研磨をし、断面より光学顕微鏡にて観察し、形成しているナゲットの界面での径を測定し、面積を求めた。測定は、直交した２方向のナゲット径を測定した。
【００５９】
界面反応層の厚さ測定は、スポット溶接後のサンプルを、溶接部の中央にて切断し、樹脂に埋め込み、研磨をし、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。
【００６０】
本試験では、図1 や 2に示すように、ナゲット5 中心部が最も界面反応層が厚く、ナゲット5 端部 (周縁部) ほど界面反応層が薄くなっていたため、10μm を超える厚さの界面反応層の径、0.5 μm 以上の厚さの界面反応層の径を求め、面積に換算した。測定は、直交した２方向のナゲット径を測定した。
【００６１】
接合強度の評価としては、異種接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、A6022 材同士の接合強度＝1.0kN を基準にして、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。
【００６２】
なお、本実施例にて強度の評価に、十字引張試験を用いたのは、剪断引張試験の方が試験条件間での差異が大きかったためである。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であった。
【００６３】
表1 の各鋼種とA6022 材とのスポット溶接後の異種接合体の十字引張試験結果を表３〜8 に示す。
【００６４】
表３〜8 同士の電極チップ条件の対比により、チップ径、チップR が本発明範囲で大きくなると、異種接合体の接合強度が高くなることがわかる。
【００６５】
また、表３〜8 の各表における、表2 のスポット溶接条件同士の対比から、本発明にて規定した条件範囲に加圧力、溶接電流、時間を制御することによって、ナゲット面積と、界面反応層が最適厚さ範囲（0.5 〜10μm ）である面積が大きくなり、その結果、接合強度が高くなることがわかる。
【００６６】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が分かる。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
【表３】
【００７０】
【表４】
【００７１】
【表５】
【００７２】
【表６】
【００７３】
【表７】
【００７４】
【表８】
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明によれば、クラッド材などの他材料を入れることなく、また別工程を入れることなく、更に、鋼材側やアルミニウム材側、あるいはスポット溶接側条件を大きく変えることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との異種接合体を提供できる。このような接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、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、本発明は鋼材とアルミニウムとの異種接合体の用途を大きく拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の異種接合体を示す断面図である。
【図２】異種接合体を得るためのスポット溶接の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７７】
１：鋼板、２：アルミニウム合金板、３：異種接合体、４：酸化皮膜、
５：ナゲット、６：界面反応層、７、８：電極
【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 であるアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、スポット溶接部におけるナゲット面積が前記板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 であり、このナゲットにおける界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることを特徴とする異材接合体。
【請求項２】
前記ナゲット面積が前記板厚t2との関係で30×t20.5 〜70×t20.5 mm2 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異材接合体。
【請求項３】
前記界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が25×t20.5 mm2 以上である請求項１または２に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が75mmR 以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ15×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことを特徴とする異材接合体のスポット溶接方法。
【請求項５】
前記スポット溶接方法において、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流す請求項４に記載の異材接合体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 であるアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、スポット溶接部におけるナゲット面積が前記板厚t2との関係で20×t20.5 〜70×t20.5 mm2 であり、このナゲットにおける界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が10×t20.5 mm2 以上であることを特徴とする異材接合体。
【請求項２】
前記ナゲット面積が前記板厚t2との関係で30×t20.5 〜70×t20.5 mm2 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異材接合体。
【請求項３】
前記界面反応層の厚さが0.5 〜10μm である部分の面積が25×t20.5 mm2 以上である請求項１または２に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の板厚t1が0.3 〜2.5mm である鋼材と、板厚t2が0.5 〜2.5mm であるアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が75mmR 以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ15×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流すことを特徴とする異材接合体のスポット溶接方法。
【請求項５】
前記スポット溶接方法において、先端径が7mm φ以上で、かつ先端R が120mmR以上の電極チップを双方に用い、前記板厚t2との関係で、2.5 ×t20.5 kN〜4 ×t20.5kN の加圧力を印加し、かつ18×t20.5 〜30×t20.5kA の電流を100 ×t20.5msec 以下流す請求項４に記載の異材接合体のスポット溶接方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１６７８０１（Ｐ２００６−１６７８０１Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９５２８０（Ｐ２００５−９５２８０）
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【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１６年度 経済産業省 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）からの委託研究、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１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２９日（２００５．３．２９）
【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１６年度 経済産業省 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）からの委託研究、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）】
[ Back to top ]