鋼／アルミニウム接合構造体の製造方法
【課題】 スポット溶接時の通電パターンを管理することにより、接合強度の高い鋼／アルミニウム接合構造体を製造する。
【解決手段】 アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせスポット溶接で一体化する際、８〜１４ｋＡの範囲に溶接電流の設定値Ｗを定め、通電開始から設定値Ｗに溶接電流が達するまでのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1と定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2との間にＱ1／Ｑ2：０.０５〜３.０，Ｑ1＋Ｑ2：１〜５ｋＡ・秒の関係を満足させる。
【解決手段】 アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせスポット溶接で一体化する際、８〜１４ｋＡの範囲に溶接電流の設定値Ｗを定め、通電開始から設定値Ｗに溶接電流が達するまでのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1と定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2との間にＱ1／Ｑ2：０.０５〜３.０，Ｑ1＋Ｑ2：１〜５ｋＡ・秒の関係を満足させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム材料の優れた軽量性，耐食性と鋼材の優れた機械強度とを兼ね備え、軽量で高強度が要求される車両用部材，熱交換器等、各種構造材として好適な鋼／アルミニウム接合構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料は、軽量で耐食性に優れていることを活用し種々の分野で使用されているが、強度が重視される用途では厚肉化により要求強度を満足させている。しかし、厚肉化はアルミニウム材料の長所である軽量性を損ない、コンパクトな設計に対応する構造部材としても適当でない。機械強度の高い鋼材をアルミニウム材料と積層するとき、厚肉化の要なく必要強度が得られる。
【０００３】
アルミニウム材料と鋼材との積層には、ボルトナット，リベット，嵌め合せ等の機械的結合法が採用されてきたが、機械的結合法では優れた継手が得られ難く、生産性も低い。アルミニウム材料／鋼材の溶接接合が可能になると、機械的結合法に比較して生産性が格段に高く、特性の良好な鋼／アルミニウム接合構造体が得られる。ところが、通常の溶融接合法で鋼材，アルミニウム材料を接合すると、非常に脆弱な金属間化合物が接合界面に多量生成し、接合強度が著しく低下する。
【０００４】
金属間化合物は、鋼材，アルミニウム材料の原子が界面で相互拡散反応することにより生成する。拡散反応を律速する反応温度，時間等を摩擦溶接時に適正管理することにより金属間化合物の生成を抑制する方法（特許文献１）が知られているが、摩擦溶接による接合であるため継手設計に工夫を要し、接合工程を簡略化する上では改善の余地がある。溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料に抵抗溶接する方法（特許文献２）にみられるように、スポット溶接の適用も検討されている。
【特許文献１】特開2003-33885号公報
【特許文献２】特開平6-39558号公報
【０００５】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、表層に溶融アルミニウムめっき層があることから、接合時にアルミニウム材料と同様な挙動を示すと考えられがちである。しかし、接合界面がスポット溶接時にＡｌの融点(６６０℃)を超える高温に加熱されるため、高温加熱で生成した溶融Ａｌに下地鋼／めっき層界面のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層からＦｅ，Ｓｉ等が拡散する。拡散したＦｅは溶接時の冷却過程で再析出し、拡散係数の大きなＳｉはナゲット全体に分散する。その結果、冷却後の接合界面を観察すると、接合界面全域に脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が生成したナゲットが検出され、接合強度も著しく低い。
【０００６】
接合界面に占める金属間化合物の割合を規制することにより、接合強度に及ぼすＡｌ-Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑制できる（特許文献３）。金属間化合物の生成を抑制するため、溶融アルミニウムめっき鋼板を正極側，アルミニウム材料を負極側にしてスポット溶接時の発熱を溶融アルミニウムめっき鋼板に偏らせているが、依然として金属間化合物の多量生成が避けられない。
【特許文献３】特開2003-145278号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者等は、スポット溶接時の高温加熱で溶融したＡｌに拡散し再析出するＦｅ，Ｓｉの挙動を調査・検討した結果、溶融アルミニウムめっき鋼板のＦｅ，Ｓｉ濃度を適正管理することによりＡｌ-Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑え、接合強度の高い鋼／アルミニウム接合構造体が作製されることを見出し先に出願した（特許文献４）。先願では、それぞれ３〜１２質量％，０.５〜５質量％の範囲にＦｅ，Ｓｉ濃度を調整し、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の面積比を下げることにより接合強度を向上させている。
【特許文献４】特願2003-336641号
【０００８】
鋼／アルミニウム接合構造体の接合界面に形成されるナゲットと接合強度との関係について更に調査・検討を進めた。その結果、ナゲット径が大きくなるほど接合強度が高くなるが、接合強度の向上に有効なナゲット径はスポット溶接時の通電パターンで制御可能なことを見出した。
本発明は、ナゲット径と通電パターンとの関係に関する知見をベースとし、通電開始時のアップスロープが緩やかな通電パターンを採用することにより、過度に深くなく適度な径をもつ形状のナゲットを生成させ、接合強度の高い鋼／アルミニウム接合構造体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】
【０００９】
本発明は、アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせ、スポット溶接で一体化した鋼／アルミニウム接合構造体を製造する際、定電流溶接期間の積算電流Ｑ2に対して通電開始から溶接電流が設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間の積算電流Ｑ1の比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することを特徴とする。好ましくは、溶接電流の設定値Ｗを８〜１４ｋＡ，アップスロープ期間を０.０１〜０.５秒に設定する。
【００１０】
溶融アルミニウムめっき鋼板には純Ａｌ，Ａｌ-Ｓｉ等のめっき層を形成した鋼板があるが、何れの溶融アルミニウムめっき鋼板でも下地鋼／めっき層界面にＮ：３.０原子％以上のＮ濃縮層を形成したものが好ましい。Ｎ濃縮層は、Ｎ，Ａｌ含有量を調整した下地鋼をアルミニウムめっき後に熱処理することにより形成できる。溶融アルミニウムめっき鋼板と接合される相手材にはアルミニウムや種々のアルミニウム合金を使用可能であるが、強度付与に寄与するＭｇ-Ｓｉ金属間化合物を析出させるためＭｇ：０.１〜６.０質量％，Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金が好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
交流電源を用いたスポット溶接では、アップスロープを経て設定値まで高められ、ダウンスロープを経て定常状態に戻る通電パターン（図１）で溶接電流が被溶接材に供給される。被溶接材は、通電開始前の所定時間（スクイズ時間）から通電終了後の所定時間（保持時間，オフ時間）まで加圧される。被溶接材は通電によるジュール熱で昇温し、溶融状態となって相手材と溶融接合する。
【００１２】
相手材との溶融接合部にナゲットが形成されるが、ナゲット形状は通電パターンに影響される。なかでも、アップスロープの影響が大きく、緩やかなアップスロープほど浅く広いナゲットとなり、急峻なアップスロープほど深く狭いナゲットとなる。ナゲット形状がアップスロープの勾配に応じて変わることは、溶接開始直後の被溶接材に加えられる熱の伝播形態に拠るものと考えられ、次のように説明できる。
【００１３】
急峻なアップスロープで溶接電流を増加させるとき、溶接電極が被溶接材に接触している部分(溶接点)及び溶接点近傍の極狭い範囲に入熱の伝播が限られる。そのため、被溶接材が板厚方向に昇温する傾向が強く現れ、深くて狭いナゲットが形成される。他方、緩やかなアップスロープで溶接電流を増加させると、溶接点を中心とする比較的広い範囲に入熱が伝播し、比較的浅くて広いナゲットが形成される。
【００１４】
ナゲット形状は、アルミニウム材料／溶融アルミニウムめっき鋼板の異材溶接で形成される接合界面の物性，ひいては接合強度に大きな影響を及ぼす。急峻なアップスロープの溶接電流では、被溶接材の板厚方向に沿った深部まで溶融が進行し、下地鋼／めっき層界面から溶融ＡｌへのＦｅ，Ｓｉの拡散が促進される。拡散の促進は、接合強度に有効なＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層に必要なＳｉの不足をもたらし、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に占める割合を増加させる。逆に緩やかなアップスロープの溶接電流では、板厚方向（ナゲットの深さ方向）に沿ったＦｅ，Ｓｉの拡散が抑えられ、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の割合が多く、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層も比較的少なくなる。
【００１５】
次いで、ナゲット形状と通電パターンとの関係を調査し、接合強度の向上に有効なナゲット形状が形成される通電パターンを定量的に究明した。後述の実施例からも明らかなように、通電開始時点ｔ0から溶接電流が設定値Ｗに達する時点ｔ1までのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流をＱ1，定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流をＱ2とするとき、積算電流比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，積算電流和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することが目標形状のナゲットを形成する上で有効である（図２）。
また、積算電流比Ｑ1／Ｑ2：０.０５〜３.０は、従来のスポット溶接時に比べ長時間かけて溶接電流をゼロから設定値Ｗに立ち上げることを意味する。アップスロープ期間を長くしているので溶接電流の設定値Ｗを下げても十分な接合強度が得られ、能力の大きなスポット溶接機を使用する必要がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、連続溶融めっきラインで製造され、Ａｌ，Ａｌ-Ｓｉ等の溶融めっき層を原板表面に設けている。
めっき原板には低炭素鋼，中炭素鋼，低合金鋼等があり、用途に応じてＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ等を添加した鋼種が使用される。なかでも、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散反応を抑制するＮを０.００２〜０.０２０質量％添加した鋼が好ましい。Ｎ添加鋼をめっき原板に使用する場合、Ａｌ-Ｆｅの拡散抑制に有効なＮ量を確保するためＡｌ含有量を０.０３質量％以下に規制する。
【００１７】
溶融アルミニウムめっき層が厚膜になるほど脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層の成長が遅延されるが、厚すぎると溶融アルミニウムめっき鋼板の加工性が低下するので、５〜５０μｍの膜厚が好ましい。また、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の成長を抑えて接合強度に有効なＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層を下地鋼／めっき層界面に形成させる上で、溶融アルミニウムめっき層に含まれるＦｅ，Ｓｉの含有量を好ましくはそれぞれＦｅ：０.５〜５質量％，Ｓｉ：３〜１２質量％の範囲に規制する。Ｆｅ，Ｓｉ以外に、Ｔｉ，Ｓｒ，Ｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｎ等の元素を必要に応じて溶融アルミニウムめっき層に含ませることもできる。
【００１８】
相手材のアルミニウム材料は、材質に特段の制約が加わるものではないが、展伸材である限り大半のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用できる。強度が要求される用途では、Ｍｇ：０.１〜６.０質量％、Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金の使用が好ましい。合金中のＭｇ，Ｓｉは、マトリックスを固溶強化すると共に、時効処理等の熱処理で微細なＭｇ2Ｓｉとなって析出し、アルミニウム合金に強度を付与する。
【００１９】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から採取された被溶接材は、脱脂・洗浄後に相互に重ね合わされ、スポット溶接用電極間に挟み込まれる。次いで、被溶接材を加圧した状態で通電し、両者を一体的に接合する。被溶接材に供給される溶接電流は、一般的に図２の通電パターンで増減される。通電パターンは、通電開始から溶接電流の設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)，設定値Ｗの溶接電流が供給される定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)，設定値Ｗからゼロまで溶接電流を下げるダウンスロープ期間(ｔ2→ｔ3)に区分される。
【００２０】
溶接電流の設定値Ｗは、被溶接材の板厚や材質に応じ好ましくは８〜１４ｋＡの範囲で定められる。８〜１４ｋＡの溶接電流は従来の溶接電流に比較して若干低く、低電流で溶接可能なことは本発明の長所でもある。設定値Ｗ：８〜１４ｋＡの条件下で、アップスロープ期間の積算電流Ｑ1と定電流溶接期間の積算電流Ｑ2との比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒の範囲に制御する。
積算電流Ｑ1は、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)に溶接電流が直線的に設定値Ｗまで増加する通電パターンでは、Ｗ×(ｔ1−ｔ0)／２と計算される。積算電流Ｑ2は、期間(ｔ2−ｔ1)にわたり設定値Ｗの溶接電流が供給されているので、Ｗ×(ｔ2−ｔ1)と計算される。
【００２１】
積算電流比Ｑ1／Ｑ2が０.０５未満の場合、１２ｋＡ以下の比較的低い溶接電流設定値Ｗでは良好な接合強度が得られない。逆に３.０を超える積算電流比Ｑ1／Ｑ2では却って多量のＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に生成し、安定した接合強度が得られなくなるばかりでなく、溶接に時間がかかりすぎ製造コストの上昇を招く。１ｋＡ・秒未満の積算電流和Ｑ1＋Ｑ2では溶接時の入熱が不足して良好な接合強度が得られないが、積算電流和Ｑ1＋Ｑ2が５ｋＡ・秒を超えると接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の比率が９０％以上となり、十字引張後の破断形態も接合強度が不安定となる界面破断を呈する。
【００２２】
積算電流比Ｑ1／Ｑ2の増加に従い、接合界面に形成されるナゲットが深くて狭い形状から浅くて広い形状に変わり、鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度が高くなる。アップスロープ期間がナゲット形状に及ぼす影響は具体的には０.０１秒以上でみられ、特に１０ｋＡ前後の低い溶接電流でスポット溶接した接合構造体で顕著になる。低い溶接電流で高い接合強度が得られることは、能力の大きなスポット溶接機を必要としない点でも有利である。
【実施例１】
【００２３】
次の溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を被溶接材に用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)及び溶接電流設定値Ｗが鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層に及ぼす影響を調査した。
【００２４】
〔溶融アルミニウムめっき鋼板〕
Ｎ：０.０１質量％，板厚：１.０ｍｍのめっき原板にＡｌ-９.０質量％Ｓｉめっき層を膜厚：２０μｍで設けた溶融アルミニウムめっき鋼板
〔アルミニウム材料〕
Ｓｉ：１.２質量％，Ｍｇ：０.６質量％を含む板厚：１.０ｍｍのアルミニウム合金(JIS A6022)
【００２５】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から切り出した５０ｍｍ×１５０ｍｍの試験片を脱脂・洗浄した後，重ね合わせてスポット溶接機の電極間に挟み込み、荷重：３ｋＮを加えた。電極には先端径：６ｍｍ，先端アール：４０ｍｍ，肩アール：８ｍｍの銅合金チップを用い、設定値Ｗの溶接電流が供給される定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)を０.１０秒とし、溶接電流が設定値Ｗに立ち上がるアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)を０.００８秒，０.０１７秒，０.１６７秒の三様とした。
【００２６】
スポット溶接された接合構造体を十字引張試験（JIS Z2317）に供し、剥離方向に沿った接合強度を測定した。測定結果（図３）は、アップスロープ期間：０.００８秒でスポット溶接したときの接合強度Ｎ0.5に比較し、アップスロープ期間：０.０１７秒，０.１６７秒でスポット溶接したときの接合強度Ｎ1，Ｎ10が高くなっていることを示す。接合強度差ΔＮは、溶接電流の設定値Ｗが低くなるほど大きくなる傾向にあった。
【００２７】
設定値Ｗ：１０ｋＡでスポット溶接された接合構造体の接合部断面を観察し、ナゲット形状，接合界面に生じた合金層を調査した。接合部断面には、打点部でアルミニウム合金板の厚み方向に溶け込んだナゲットが生成している（図４）。打点部のアルミニウム合金の板厚をＢ2，溶融厚さをＢ1とし、板厚Ｂ2に対する溶融厚さＢ1の比を溶込み厚み比：Ｂ1／Ｂ2として算出した。溶込み厚み比：Ｂ1／Ｂ2及びナゲット径Ｌ1からナゲット形状を評価した。また、SEM・EDX (840A，日本電子株式会社製)で接合界面の合金層を観察してＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層又はＡｌ-Ｆｅ二元合金層を判定し、判定結果からナゲット径に対するＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成長さの比として接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率を算出した。
【００２８】
表１の調査結果にみられるように、アップスロープ期間が長くなるほど浅くて広い形状のナゲットが形成され、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率が小さくなっていた。
他方、アップスロープ期間：０.００８秒のスポット溶接で製造された接合構造体では、ナゲットが深くて狭い形状になっており、専ら板厚方向に入熱が伝播したことを示している。接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の割合も多くなっていた。
【００２９】
溶接電流設定値Ｗが１０ｋＡ，１４ｋＡの条件下で、ナゲット径，溶込み厚み比，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率に及ぼすアップスロープ期間の影響を調査した結果を図５〜７に示す。
以上の結果から、アップスロープ期間を長くすることにより、接合界面のＡｌ-Ｆｅ二元合金層が少なく適正形状のナゲットが形成され、接合構造体の接合強度が上昇したと推察される。
【００３０】
【実施例２】
【００３１】
次の溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を被溶接材に用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1及び定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2の比Ｑ1／Ｑ2，和Ｑ1＋Ｑ2が鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層，十字引張試験後の破断形態に及ぼす影響を調査した。
【００３２】
〔溶融アルミニウムめっき鋼板〕
Ｎ：０.００８５質量％，板厚：１.０ｍｍのめっき原板にＡｌ-９.５質量％Ｓｉめっき層を膜厚：３０μｍで設けた溶融アルミニウムめっき鋼板
〔アルミニウム材料〕
Ｓｉ：１.２質量％，Ｍｇ：０.６質量％を含む板厚：１.０ｍｍのアルミニウム合金(JIS A6022)
【００３３】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から切り出した５０ｍｍ×１５０ｍｍの試験片を脱脂・洗浄した後，重ね合わせて交流スポット溶接機の電極間に挟み込み、荷重：３ｋＮを加えた。。電極には実施例１と同じ銅合金チップを用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)，定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)，溶接電流設定値Ｗを表２に示すように種々変更しスポット溶接した。
【００３４】
【００３５】
スポット溶接された接合構造体の接合強度を十字引張試験（JIS Z2317）で測定し、接合部断面の観察結果からナゲット形状(ナゲット径，溶込み厚み比)，接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の割合を求めた。
その結果、積算電流比Ｑ1／Ｑ2：０.０５〜３.０，積算電流和Ｑ1＋Ｑ2：１〜５ｋＡ・秒の条件が満足されるようにアップスロープ期間の積算電流Ｑ1，定電流溶接期間の積算電流Ｑ2を制御するとき、良好な接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層形態が得られることが判った(表３)。十字引張試験後の破断形態も母材破断となり、安定した接合強度が得られることを確認できた。
【００３６】
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上に説明したように、溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を重ね合わせてスポット溶接する際、通電開始から設定値Ｗに溶接電流が立ち上がるアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1及び定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2を管理することにより、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に生成することを抑え、接合強度の向上に有効な形状のナゲットを形成している。そのため、作製された鋼／アルミニウム接合構造体は、従来のスポット溶接接合構造体に比較して接合強度が高く、アルミニウム材料，鋼材の長所を兼ね備え、種々の構造部材として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】被溶接材に供給される溶接電流の通電パターンを加圧状態と関連させて示す図
【図２】通電開始から通電終了までの間、溶接電流が変化することを示すグラフ
【図３】アップスロープ期間に応じて接合強度が変わることを示すグラフ
【図４】溶込み厚み比を算出するための説明図
【図５】ナゲット径に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【図６】溶込み厚さ比に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【図７】Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム材料の優れた軽量性，耐食性と鋼材の優れた機械強度とを兼ね備え、軽量で高強度が要求される車両用部材，熱交換器等、各種構造材として好適な鋼／アルミニウム接合構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料は、軽量で耐食性に優れていることを活用し種々の分野で使用されているが、強度が重視される用途では厚肉化により要求強度を満足させている。しかし、厚肉化はアルミニウム材料の長所である軽量性を損ない、コンパクトな設計に対応する構造部材としても適当でない。機械強度の高い鋼材をアルミニウム材料と積層するとき、厚肉化の要なく必要強度が得られる。
【０００３】
アルミニウム材料と鋼材との積層には、ボルトナット，リベット，嵌め合せ等の機械的結合法が採用されてきたが、機械的結合法では優れた継手が得られ難く、生産性も低い。アルミニウム材料／鋼材の溶接接合が可能になると、機械的結合法に比較して生産性が格段に高く、特性の良好な鋼／アルミニウム接合構造体が得られる。ところが、通常の溶融接合法で鋼材，アルミニウム材料を接合すると、非常に脆弱な金属間化合物が接合界面に多量生成し、接合強度が著しく低下する。
【０００４】
金属間化合物は、鋼材，アルミニウム材料の原子が界面で相互拡散反応することにより生成する。拡散反応を律速する反応温度，時間等を摩擦溶接時に適正管理することにより金属間化合物の生成を抑制する方法（特許文献１）が知られているが、摩擦溶接による接合であるため継手設計に工夫を要し、接合工程を簡略化する上では改善の余地がある。溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料に抵抗溶接する方法（特許文献２）にみられるように、スポット溶接の適用も検討されている。
【特許文献１】特開2003-33885号公報
【特許文献２】特開平6-39558号公報
【０００５】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、表層に溶融アルミニウムめっき層があることから、接合時にアルミニウム材料と同様な挙動を示すと考えられがちである。しかし、接合界面がスポット溶接時にＡｌの融点(６６０℃)を超える高温に加熱されるため、高温加熱で生成した溶融Ａｌに下地鋼／めっき層界面のＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層からＦｅ，Ｓｉ等が拡散する。拡散したＦｅは溶接時の冷却過程で再析出し、拡散係数の大きなＳｉはナゲット全体に分散する。その結果、冷却後の接合界面を観察すると、接合界面全域に脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が生成したナゲットが検出され、接合強度も著しく低い。
【０００６】
接合界面に占める金属間化合物の割合を規制することにより、接合強度に及ぼすＡｌ-Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑制できる（特許文献３）。金属間化合物の生成を抑制するため、溶融アルミニウムめっき鋼板を正極側，アルミニウム材料を負極側にしてスポット溶接時の発熱を溶融アルミニウムめっき鋼板に偏らせているが、依然として金属間化合物の多量生成が避けられない。
【特許文献３】特開2003-145278号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者等は、スポット溶接時の高温加熱で溶融したＡｌに拡散し再析出するＦｅ，Ｓｉの挙動を調査・検討した結果、溶融アルミニウムめっき鋼板のＦｅ，Ｓｉ濃度を適正管理することによりＡｌ-Ｆｅ二元合金層の悪影響を抑え、接合強度の高い鋼／アルミニウム接合構造体が作製されることを見出し先に出願した（特許文献４）。先願では、それぞれ３〜１２質量％，０.５〜５質量％の範囲にＦｅ，Ｓｉ濃度を調整し、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の面積比を下げることにより接合強度を向上させている。
【特許文献４】特願2003-336641号
【０００８】
鋼／アルミニウム接合構造体の接合界面に形成されるナゲットと接合強度との関係について更に調査・検討を進めた。その結果、ナゲット径が大きくなるほど接合強度が高くなるが、接合強度の向上に有効なナゲット径はスポット溶接時の通電パターンで制御可能なことを見出した。
本発明は、ナゲット径と通電パターンとの関係に関する知見をベースとし、通電開始時のアップスロープが緩やかな通電パターンを採用することにより、過度に深くなく適度な径をもつ形状のナゲットを生成させ、接合強度の高い鋼／アルミニウム接合構造体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】
【０００９】
本発明は、アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせ、スポット溶接で一体化した鋼／アルミニウム接合構造体を製造する際、定電流溶接期間の積算電流Ｑ2に対して通電開始から溶接電流が設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間の積算電流Ｑ1の比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することを特徴とする。好ましくは、溶接電流の設定値Ｗを８〜１４ｋＡ，アップスロープ期間を０.０１〜０.５秒に設定する。
【００１０】
溶融アルミニウムめっき鋼板には純Ａｌ，Ａｌ-Ｓｉ等のめっき層を形成した鋼板があるが、何れの溶融アルミニウムめっき鋼板でも下地鋼／めっき層界面にＮ：３.０原子％以上のＮ濃縮層を形成したものが好ましい。Ｎ濃縮層は、Ｎ，Ａｌ含有量を調整した下地鋼をアルミニウムめっき後に熱処理することにより形成できる。溶融アルミニウムめっき鋼板と接合される相手材にはアルミニウムや種々のアルミニウム合金を使用可能であるが、強度付与に寄与するＭｇ-Ｓｉ金属間化合物を析出させるためＭｇ：０.１〜６.０質量％，Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金が好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
交流電源を用いたスポット溶接では、アップスロープを経て設定値まで高められ、ダウンスロープを経て定常状態に戻る通電パターン（図１）で溶接電流が被溶接材に供給される。被溶接材は、通電開始前の所定時間（スクイズ時間）から通電終了後の所定時間（保持時間，オフ時間）まで加圧される。被溶接材は通電によるジュール熱で昇温し、溶融状態となって相手材と溶融接合する。
【００１２】
相手材との溶融接合部にナゲットが形成されるが、ナゲット形状は通電パターンに影響される。なかでも、アップスロープの影響が大きく、緩やかなアップスロープほど浅く広いナゲットとなり、急峻なアップスロープほど深く狭いナゲットとなる。ナゲット形状がアップスロープの勾配に応じて変わることは、溶接開始直後の被溶接材に加えられる熱の伝播形態に拠るものと考えられ、次のように説明できる。
【００１３】
急峻なアップスロープで溶接電流を増加させるとき、溶接電極が被溶接材に接触している部分(溶接点)及び溶接点近傍の極狭い範囲に入熱の伝播が限られる。そのため、被溶接材が板厚方向に昇温する傾向が強く現れ、深くて狭いナゲットが形成される。他方、緩やかなアップスロープで溶接電流を増加させると、溶接点を中心とする比較的広い範囲に入熱が伝播し、比較的浅くて広いナゲットが形成される。
【００１４】
ナゲット形状は、アルミニウム材料／溶融アルミニウムめっき鋼板の異材溶接で形成される接合界面の物性，ひいては接合強度に大きな影響を及ぼす。急峻なアップスロープの溶接電流では、被溶接材の板厚方向に沿った深部まで溶融が進行し、下地鋼／めっき層界面から溶融ＡｌへのＦｅ，Ｓｉの拡散が促進される。拡散の促進は、接合強度に有効なＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層に必要なＳｉの不足をもたらし、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に占める割合を増加させる。逆に緩やかなアップスロープの溶接電流では、板厚方向（ナゲットの深さ方向）に沿ったＦｅ，Ｓｉの拡散が抑えられ、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層の割合が多く、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層も比較的少なくなる。
【００１５】
次いで、ナゲット形状と通電パターンとの関係を調査し、接合強度の向上に有効なナゲット形状が形成される通電パターンを定量的に究明した。後述の実施例からも明らかなように、通電開始時点ｔ0から溶接電流が設定値Ｗに達する時点ｔ1までのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流をＱ1，定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流をＱ2とするとき、積算電流比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，積算電流和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することが目標形状のナゲットを形成する上で有効である（図２）。
また、積算電流比Ｑ1／Ｑ2：０.０５〜３.０は、従来のスポット溶接時に比べ長時間かけて溶接電流をゼロから設定値Ｗに立ち上げることを意味する。アップスロープ期間を長くしているので溶接電流の設定値Ｗを下げても十分な接合強度が得られ、能力の大きなスポット溶接機を使用する必要がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、連続溶融めっきラインで製造され、Ａｌ，Ａｌ-Ｓｉ等の溶融めっき層を原板表面に設けている。
めっき原板には低炭素鋼，中炭素鋼，低合金鋼等があり、用途に応じてＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ等を添加した鋼種が使用される。なかでも、Ａｌ-Ｆｅの相互拡散反応を抑制するＮを０.００２〜０.０２０質量％添加した鋼が好ましい。Ｎ添加鋼をめっき原板に使用する場合、Ａｌ-Ｆｅの拡散抑制に有効なＮ量を確保するためＡｌ含有量を０.０３質量％以下に規制する。
【００１７】
溶融アルミニウムめっき層が厚膜になるほど脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層の成長が遅延されるが、厚すぎると溶融アルミニウムめっき鋼板の加工性が低下するので、５〜５０μｍの膜厚が好ましい。また、Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の成長を抑えて接合強度に有効なＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層を下地鋼／めっき層界面に形成させる上で、溶融アルミニウムめっき層に含まれるＦｅ，Ｓｉの含有量を好ましくはそれぞれＦｅ：０.５〜５質量％，Ｓｉ：３〜１２質量％の範囲に規制する。Ｆｅ，Ｓｉ以外に、Ｔｉ，Ｓｒ，Ｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｎ等の元素を必要に応じて溶融アルミニウムめっき層に含ませることもできる。
【００１８】
相手材のアルミニウム材料は、材質に特段の制約が加わるものではないが、展伸材である限り大半のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用できる。強度が要求される用途では、Ｍｇ：０.１〜６.０質量％、Ｓｉ：３.０質量％以下を含むアルミニウム合金の使用が好ましい。合金中のＭｇ，Ｓｉは、マトリックスを固溶強化すると共に、時効処理等の熱処理で微細なＭｇ2Ｓｉとなって析出し、アルミニウム合金に強度を付与する。
【００１９】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から採取された被溶接材は、脱脂・洗浄後に相互に重ね合わされ、スポット溶接用電極間に挟み込まれる。次いで、被溶接材を加圧した状態で通電し、両者を一体的に接合する。被溶接材に供給される溶接電流は、一般的に図２の通電パターンで増減される。通電パターンは、通電開始から溶接電流の設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)，設定値Ｗの溶接電流が供給される定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)，設定値Ｗからゼロまで溶接電流を下げるダウンスロープ期間(ｔ2→ｔ3)に区分される。
【００２０】
溶接電流の設定値Ｗは、被溶接材の板厚や材質に応じ好ましくは８〜１４ｋＡの範囲で定められる。８〜１４ｋＡの溶接電流は従来の溶接電流に比較して若干低く、低電流で溶接可能なことは本発明の長所でもある。設定値Ｗ：８〜１４ｋＡの条件下で、アップスロープ期間の積算電流Ｑ1と定電流溶接期間の積算電流Ｑ2との比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒の範囲に制御する。
積算電流Ｑ1は、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)に溶接電流が直線的に設定値Ｗまで増加する通電パターンでは、Ｗ×(ｔ1−ｔ0)／２と計算される。積算電流Ｑ2は、期間(ｔ2−ｔ1)にわたり設定値Ｗの溶接電流が供給されているので、Ｗ×(ｔ2−ｔ1)と計算される。
【００２１】
積算電流比Ｑ1／Ｑ2が０.０５未満の場合、１２ｋＡ以下の比較的低い溶接電流設定値Ｗでは良好な接合強度が得られない。逆に３.０を超える積算電流比Ｑ1／Ｑ2では却って多量のＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に生成し、安定した接合強度が得られなくなるばかりでなく、溶接に時間がかかりすぎ製造コストの上昇を招く。１ｋＡ・秒未満の積算電流和Ｑ1＋Ｑ2では溶接時の入熱が不足して良好な接合強度が得られないが、積算電流和Ｑ1＋Ｑ2が５ｋＡ・秒を超えると接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の比率が９０％以上となり、十字引張後の破断形態も接合強度が不安定となる界面破断を呈する。
【００２２】
積算電流比Ｑ1／Ｑ2の増加に従い、接合界面に形成されるナゲットが深くて狭い形状から浅くて広い形状に変わり、鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度が高くなる。アップスロープ期間がナゲット形状に及ぼす影響は具体的には０.０１秒以上でみられ、特に１０ｋＡ前後の低い溶接電流でスポット溶接した接合構造体で顕著になる。低い溶接電流で高い接合強度が得られることは、能力の大きなスポット溶接機を必要としない点でも有利である。
【実施例１】
【００２３】
次の溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を被溶接材に用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)及び溶接電流設定値Ｗが鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層に及ぼす影響を調査した。
【００２４】
〔溶融アルミニウムめっき鋼板〕
Ｎ：０.０１質量％，板厚：１.０ｍｍのめっき原板にＡｌ-９.０質量％Ｓｉめっき層を膜厚：２０μｍで設けた溶融アルミニウムめっき鋼板
〔アルミニウム材料〕
Ｓｉ：１.２質量％，Ｍｇ：０.６質量％を含む板厚：１.０ｍｍのアルミニウム合金(JIS A6022)
【００２５】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から切り出した５０ｍｍ×１５０ｍｍの試験片を脱脂・洗浄した後，重ね合わせてスポット溶接機の電極間に挟み込み、荷重：３ｋＮを加えた。電極には先端径：６ｍｍ，先端アール：４０ｍｍ，肩アール：８ｍｍの銅合金チップを用い、設定値Ｗの溶接電流が供給される定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)を０.１０秒とし、溶接電流が設定値Ｗに立ち上がるアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)を０.００８秒，０.０１７秒，０.１６７秒の三様とした。
【００２６】
スポット溶接された接合構造体を十字引張試験（JIS Z2317）に供し、剥離方向に沿った接合強度を測定した。測定結果（図３）は、アップスロープ期間：０.００８秒でスポット溶接したときの接合強度Ｎ0.5に比較し、アップスロープ期間：０.０１７秒，０.１６７秒でスポット溶接したときの接合強度Ｎ1，Ｎ10が高くなっていることを示す。接合強度差ΔＮは、溶接電流の設定値Ｗが低くなるほど大きくなる傾向にあった。
【００２７】
設定値Ｗ：１０ｋＡでスポット溶接された接合構造体の接合部断面を観察し、ナゲット形状，接合界面に生じた合金層を調査した。接合部断面には、打点部でアルミニウム合金板の厚み方向に溶け込んだナゲットが生成している（図４）。打点部のアルミニウム合金の板厚をＢ2，溶融厚さをＢ1とし、板厚Ｂ2に対する溶融厚さＢ1の比を溶込み厚み比：Ｂ1／Ｂ2として算出した。溶込み厚み比：Ｂ1／Ｂ2及びナゲット径Ｌ1からナゲット形状を評価した。また、SEM・EDX (840A，日本電子株式会社製)で接合界面の合金層を観察してＡｌ-Ｆｅ-Ｓｉ三元合金層又はＡｌ-Ｆｅ二元合金層を判定し、判定結果からナゲット径に対するＡｌ-Ｆｅ二元合金層の生成長さの比として接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率を算出した。
【００２８】
表１の調査結果にみられるように、アップスロープ期間が長くなるほど浅くて広い形状のナゲットが形成され、接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率が小さくなっていた。
他方、アップスロープ期間：０.００８秒のスポット溶接で製造された接合構造体では、ナゲットが深くて狭い形状になっており、専ら板厚方向に入熱が伝播したことを示している。接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の割合も多くなっていた。
【００２９】
溶接電流設定値Ｗが１０ｋＡ，１４ｋＡの条件下で、ナゲット径，溶込み厚み比，Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率に及ぼすアップスロープ期間の影響を調査した結果を図５〜７に示す。
以上の結果から、アップスロープ期間を長くすることにより、接合界面のＡｌ-Ｆｅ二元合金層が少なく適正形状のナゲットが形成され、接合構造体の接合強度が上昇したと推察される。
【００３０】
【実施例２】
【００３１】
次の溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を被溶接材に用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1及び定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2の比Ｑ1／Ｑ2，和Ｑ1＋Ｑ2が鋼／アルミニウム接合構造体の接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層，十字引張試験後の破断形態に及ぼす影響を調査した。
【００３２】
〔溶融アルミニウムめっき鋼板〕
Ｎ：０.００８５質量％，板厚：１.０ｍｍのめっき原板にＡｌ-９.５質量％Ｓｉめっき層を膜厚：３０μｍで設けた溶融アルミニウムめっき鋼板
〔アルミニウム材料〕
Ｓｉ：１.２質量％，Ｍｇ：０.６質量％を含む板厚：１.０ｍｍのアルミニウム合金(JIS A6022)
【００３３】
溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料から切り出した５０ｍｍ×１５０ｍｍの試験片を脱脂・洗浄した後，重ね合わせて交流スポット溶接機の電極間に挟み込み、荷重：３ｋＮを加えた。。電極には実施例１と同じ銅合金チップを用い、アップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)，定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)，溶接電流設定値Ｗを表２に示すように種々変更しスポット溶接した。
【００３４】
【００３５】
スポット溶接された接合構造体の接合強度を十字引張試験（JIS Z2317）で測定し、接合部断面の観察結果からナゲット形状(ナゲット径，溶込み厚み比)，接合界面に占めるＡｌ-Ｆｅ二元合金層の割合を求めた。
その結果、積算電流比Ｑ1／Ｑ2：０.０５〜３.０，積算電流和Ｑ1＋Ｑ2：１〜５ｋＡ・秒の条件が満足されるようにアップスロープ期間の積算電流Ｑ1，定電流溶接期間の積算電流Ｑ2を制御するとき、良好な接合強度，ナゲット形状，接合界面の合金層形態が得られることが判った(表３)。十字引張試験後の破断形態も母材破断となり、安定した接合強度が得られることを確認できた。
【００３６】
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上に説明したように、溶融アルミニウムめっき鋼板，アルミニウム材料を重ね合わせてスポット溶接する際、通電開始から設定値Ｗに溶接電流が立ち上がるアップスロープ期間(ｔ0→ｔ1)の積算電流Ｑ1及び定電流溶接期間(ｔ1→ｔ2)の積算電流Ｑ2を管理することにより、脆弱なＡｌ-Ｆｅ二元合金層が接合界面に生成することを抑え、接合強度の向上に有効な形状のナゲットを形成している。そのため、作製された鋼／アルミニウム接合構造体は、従来のスポット溶接接合構造体に比較して接合強度が高く、アルミニウム材料，鋼材の長所を兼ね備え、種々の構造部材として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】被溶接材に供給される溶接電流の通電パターンを加圧状態と関連させて示す図
【図２】通電開始から通電終了までの間、溶接電流が変化することを示すグラフ
【図３】アップスロープ期間に応じて接合強度が変わることを示すグラフ
【図４】溶込み厚み比を算出するための説明図
【図５】ナゲット径に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【図６】溶込み厚さ比に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【図７】Ａｌ-Ｆｅ二元合金層の占有率に及ぼすアップスロープ期間の影響を示すグラフ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせ、スポット溶接で一体化する際、定電流溶接期間の積算電流Ｑ2に対して通電開始から溶接電流が設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間の積算電流Ｑ1の比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することを特徴とする鋼／アルミニウム接合構造体の製造方法。
【請求項２】
溶接電流の設定値Ｗが８〜１４ｋＡ，アップスロープ期間が０.０１〜０.５秒である請求項１記載の製造方法。
【請求項１】
アルミニウム材料と溶融アルミニウムめっき鋼板とを重ね合わせ、スポット溶接で一体化する際、定電流溶接期間の積算電流Ｑ2に対して通電開始から溶接電流が設定値Ｗに達するまでのアップスロープ期間の積算電流Ｑ1の比Ｑ1／Ｑ2を０.０５〜３.０，和Ｑ1＋Ｑ2を１〜５ｋＡ・秒とした通電パターンで溶接電流を被溶接材に供給することを特徴とする鋼／アルミニウム接合構造体の製造方法。
【請求項２】
溶接電流の設定値Ｗが８〜１４ｋＡ，アップスロープ期間が０.０１〜０.５秒である請求項１記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２２４１２７（Ｐ２００６−２２４１２７Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３９４１２（Ｐ２００５−３９４１２）
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１６日（２００５．２．１６）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
[ Back to top ]