JP4941876B2

JP4941876B2 - 抵抗溶接による異種金属の接合方法及び接合構造

Info

Publication number: JP4941876B2
Application number: JP2005295866A
Authority: JP
Inventors: 健二宮本; 成幸中川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP2007105737A

Description

本発明は、例えば鋼材とアルミニウム合金材との接合など、抵抗溶接による異種金属材料の接合技術に係わり、特に被接合材である両金属材料の間にインサート材として介在させた第３の金属材料と被接合材との間に生じる共晶反応を利用した異種金属の接合方法と、このような方法による異種金属の接合構造に関するものである。

一般に、異種金属を互いに接合する場合、同種金属材料同士の溶接の場合と同様に両方の被接合材料を溶融させてしまうと、脆弱な金属間化合物が生成し、十分な継手強度が得られないことがある。
例えば、異種金属として、アルミニウム合金と鋼材とを溶接する場合、高硬度で脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの金属間化合物が生成するため、継手強度を確保するためには、これら金属間化合物の制御が必要となる。

しかし、アルミニウム合金表面には、緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、それを除去するためには接合時に大きな熱量を投与することが必要となり、大入熱による溶接の結果、厚い金属間化合物層が成長し、接合部の強度が低くなってしまうという問題があった。

そこで、このような異種金属材料を組み合わせて使用する場合には、従来、ボルトやリベットなどによる機械的締結によってこれら材料を接合するようにしていたが、この場合には重量増やコスト増に繋がる点に問題があった。

また、このような異種金属の接合には、摩擦圧接が一部の部品において実用化されているが、このような摩擦圧接方法は対称性のよい回転体同士の接合など、その用途が限られてしまう。
さらに、爆着や熱間圧延なども知られているが、設備面や能率面での問題が多く、一般の異種金属接合に広く適用することはできないという問題がある。

このような異種金属接合の問題点の改善例として、異種金属材料の間に、当該異種金属と同じ２種の材料から成るクラッド材をそれぞれ同種の材料同士が接するように介在させた状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、アルミニウムと鋼の抵抗溶接において、アルミニウム材と接する鋼表面に、Ａｌ量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さとなるようにめっきし、該めっき面をアルミニウム材に重ねて通電し、めっき層を優先的に溶融させ、鋼材側をほとんど溶融させないようにして、これら材料を接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
特開平４−１２７９７３号公報特開平６−３９５５８号公報

しかしながら、クラッド材を用いる特許文献１に記載の方法の場合、２枚の板を接合すべきところが３枚の接合ということになり、実際の施工を考えた場合には、クラッド材の挿入と共に、固定の工程が必要となって、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならなくなり、コストアップ要因となる。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、アルミニウムクラッド鋼自体も異種材同士を接合することにより製造することになるため、製造条件が厳しく、性能の安定した安価なクラッド材を入手することが困難であるという問題点がある。

一方、鋼表面にアルミニウムめっきを施した上で抵抗溶接する特許文献２に記載の方法においては、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、表面の強固な酸化皮膜を破壊するために大入熱を投入することが必要となって、アルミニウムめっきと鋼の界面に脆弱な金属間化合物が生成され、これから破壊が生じる可能性があるという問題点がある。

本発明は、従来の異種金属の接合方法における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、抵抗溶接により異種金属を接合するに際して、接合過程における金属間化合物の生成を抑制しながら、接合界面における酸化被膜を効率的に除去することができ、新生面同士の強固な接合が可能な異種金属の接合方法と、このような方法による異種金属の強固な接合構造を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を繰り返した結果、接合しようとする異種金属材料の間に、これら材料の少なくとも一方の金属との間に共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、接合に際して共晶溶融を生じさせることによって、母材異種金属の融点より低い温度で酸化被膜を除去することができ、金属間化合物の生成を抑えることができると共に、被接合材の接合部位に厚肉部をあらかじめ形成しておくことによって、酸化皮膜や共晶金属など接合過程における反応生成物の接合部からの排出が円滑に行なわれるようになり、新生面同士の強固な接合が可能となることを見出し、本発明を完成するに到った。

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、互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた被接合材を抵抗溶接により接合するに際して、上記被接合材の少なくとも一方の接合部位に、非接合部位よりも大きな板厚を有し、かつ被接合面側に膨出した厚肉部を設けると共に、被接合材の間に上記金属材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、電極による加圧・通電によって上記被接合材の一方の材料の酸化皮膜を部分的に破壊して第３の材料と局部接触させ、該接触部を起点として一方の材料と第３の材料との間に生じた共晶溶融を拡大させて、接合界面の酸化皮膜を破壊し、接合界面から共晶溶融金属と共に酸化皮膜を排除して両材料を接合することを特徴としている。

また、本発明の異種金属の接合構造は、本発明の上記接合方法によって得られるものであって、互いに異なる金属材料から成る被接合材の新生面同士が直接接合されており、当該接合部の周囲に、上記第３の材料、被接合材、酸化皮膜及び共晶溶融金属のうち、少なくとも酸化皮膜と共晶溶融金属が排出されていることを特徴とする。

本発明によれば、互いに異なる異種金属材料同士を抵抗溶接によって接合するに際して、両金属材料の間にこれら金属材料の一方の金属と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させると共に、接合部に被接合面側に膨出する厚肉部を設けた状態で、第３の金属材料と一方の金属材料との間で、電極による加圧と抵抗発熱によって共晶溶融を生じさせ、接合界面から共晶溶融金属と共に酸化皮膜を排除して接合するようにしていることから、母材金属材料の融点よりも低い温度において酸化皮膜を除去することができるようになり、接合界面温度の制御が可能になって金属間化合物の生成が抑制されると共に、これら酸化皮膜や共晶金属など接合過程における反応生成物の接合部からの排出が上記厚肉部によって形成された空間部（隙間）を介して容易、かつ効率的に行なわれるようになり、被接合材の新生面同士の強固な接合状態を得ることができるようになる。

すなわち、抵抗溶接時の通電及び加圧によって、上記第３の材料や、被接合材、第３の材料と被接合材との反応生成物、接合過程に生じる反応生成物などが厚肉部によって形成された隙間から接合部の周囲に円滑に排出される結果、上記被接合材の新生面同士が直接接合されると共に、該接合部の周囲に上記のような材料やその反応生成物が排出されている接合構造となり、強固な接合状態が得られることになる。しかも、厚肉部を形成したことによって、接合部位の板厚が周囲の非接合部位よりも厚くなっていることから、接合過程における被接合部の減肉による強度低下を未然に防止することができ、継手強度の向上を図ることができる。

以下に、抵抗溶接による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。

図１は、共晶反応を生じる２元合金の一例として、Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図を示すものであって、図に示すようにＡｌ−Ｚｎ系における共晶点（Ｔ_Ｅ）は、６５５Ｋであり、Ａｌの融点９３３Ｋよりもはるかに低い温度で共晶反応が生じる。
したがって、図に示した共晶点を利用してＡｌとＺｎの共晶溶融を作り出し、アルミニウム材の接合時における酸化皮膜除去や相互拡散などの接合作用に利用することによって、低温接合が実施できるため、接合界面における金属間化合物の成長を極めて効果的に抑制することができる。

ここで、共晶溶融とは共晶反応を利用した溶融であって、２つの金属（又は合金）が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えば、上記したアルミニウムと亜鉛の場合、アルミニウムの融点は９３３Ｋ、亜鉛の融点は６９２．５Ｋであり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い６５５Ｋにて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、６５５Ｋ以上に加熱保持すると反応が生じる。これを共晶溶融といい、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、合金組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。

一方、アルミニウム材の表面には強固な酸化皮膜が存在するが、これは抵抗溶接時の通電と加圧によってアルミニウム材に塑性変形が生じることにより物理的に破壊されることになる。
すなわち、加圧によって材料表面の微視的な凸部同士が擦れ合うことから、一部の酸化皮膜の局所的な破壊によってアルミニウムと亜鉛が接触した部分から共晶溶融が生じ、この液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解されてさらに共晶溶融が全面に拡がる反応の拡大によって、酸化皮膜破壊の促進と液相を介した接合が達成される。

共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要ない。必須条件は２種の金属あるいは合金の間に、低融点の共晶反応が存在することであり、アルミニウムと亜鉛の共晶溶融の場合、亜鉛に代えてＺｎ−Ａｌ合金を用いる場合には、少なくとも亜鉛が９５％以上の組成でなければならない。

図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明による異種金属の接合プロセスを示す概略図である。
まず、図２（ａ）に示すように、その表面に、Ａｌと共晶を形成する第３の金属材料として機能する亜鉛めっき層１ｐが施された亜鉛めっき鋼板１と、アルミニウム合金材２を用意し、図２（ｂ）に示すように、これら亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金材２を亜鉛めっき層１ｐが内側になるように重ねる。なお、アルミニウム合金板材２の表面には酸化皮膜２ｃが生成している。

次に、抵抗溶接装置の電極による加圧と通電による加熱によって、図２（ｃ）に示すように材料表面の微視的な接触部で局部的な酸化皮膜２ｃの破壊を生じさせる。

これによって、亜鉛とアルミニウムの局部的な接触が生じ、そのときの温度状態に応じて、図２（ｄ）に示すように、亜鉛とアルミニウムの共晶溶融が生じ、共晶溶融金属３と共に酸化皮膜２ｃや接合界面の不純物などが接合部の外側に排出され、所定の接合面積が確保され、その結果、図２（ｅ）に示すように、アルミニウムと鋼の新生面同士が直接接合され、鋼板１とアルミニウム合金材２の強固な接合構造が得られることなる。

本発明の異種金属の接合方法における被接合材の具体的な組み合せとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合せを挙げることができ、このとき両材料の間に介在させる第３の金属材料としては、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料でありさえすれば特に限定されることはなく、例えば、上記した亜鉛（Ｚｎ）の他には、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。
すなわち、これら金属とＡｌとの共晶金属は、母材であるアルミニウム合金材の融点以下の温度で溶融するため、脆弱な金属間化合物が生成し易い鋼材とアルミニウム合金材の接合においても、低温で酸化皮膜を除去することができ、接合過程での接合界面における金属間化合物の生成が抑制でき、強固な接合が可能になる。

また、本発明の接合方法を自動車ボディの組み立てに適用することを考えた場合、被接合材は鋼材とアルミニウムとの組み合せがほとんどであるが、将来的には鋼材とマグネシウム、あるいはアルミニウムとマグネシウムとの組み合せなども考えられる。
鋼材とマグネシウムとの接合に際しては、後述する実施例と同様に鋼材側にめっきした亜鉛とマグネシウムの間に共晶反応を生じさせて接合することが可能である。さらに、アルミニウムとマグネシウムを接合する場合においても、亜鉛や銀を第３の金属材料として利用することが可能である。

なお、本発明においては、第３の金属材料として、上記したような純金属にのみ限定される訳ではなく、共晶金属は２元合金も３元合金も存在するため、これらの少なくとも１種の金属を含む合金であってもよい。

本発明の抵抗溶接による異種金属の接合方法は、上記したように接合しようとする異種金属材料間に、これら材料と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させると共に、上記異種材料の接合部における少なくとも一方の側に厚肉部を設けた上で抵抗溶接を実施し、上記異種金属材料の少なくとも一方の材料と第３の材料との間に共晶溶融を生じさせて接合するようになすものであるが、上記厚肉部の形状としては、不連続な板厚変化を避ける観点から、三角形断面や梯形（台形）断面とすること、さらには円弧状断面、言い換えると厚肉部の被接合面を曲面とすることが望ましい。

上記第３の金属材料を被接合材の間に介在させるための具体的手段としては、例えば、被接合材である両異種金属材料の間に、第３の金属材料から成るインサート材を挿入するようになすことができる。

また、被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料をあらかじめ被覆しておくこともでき、これによって第３の材料をインサート材として被接合材間に挟み込む工程を省略でき、作業効率が向上すると共に、共晶反応によって溶融された被覆層が表面の不純物と共に接合部の周囲に排出された後に、被覆層の下から極めて清浄な新生面が現れることになり、より強固な接合が可能となる。

そして、例えば、上記したアルミニウム合金材やマグネシウム合金材と鋼材との異材接合に際しては、鋼材として、アルミニウムやマグネシウムと低融点共晶を形成する第３の金属材料である亜鉛がその表面にあらかじめめっきされている、いわゆる亜鉛めっき鋼板を用いることが望ましく、この場合には、特別な準備を要することもなく、防錆目的で亜鉛めっきを施した通常の市販鋼材をそのまま使用することができ、極めて簡便かつ安価に、アルミニウムやマグネシウムなどの異種金属との強固な接合が可能になる。

本発明において、上記厚肉部は、被接合材のいずれか一方、又は双方に形成するものであるが、通電及び加圧による抵抗溶接に際して先に軟化し、変形量が大きくなることから、被接合材を構成する異種金属のうちの融点が低い方の材料に厚肉部を形成することが望ましく、これによって変形し易い低融点側材料の板厚減少を防止して、異材継手の強度低下をより効率的に防止することができ、継手強度の向上を図ることができる。

また、接合過程において厚肉部には、その先端に応力が集中し、特にその被接合面を曲面とすることによって変形量が増し、より効果的に接合部表面の酸化皮膜を破壊することができ、酸化皮膜や反応生成物の接合部からの除去が促進されることから、上記厚肉部は、被接合材を構成する異種金属のうち、大気雰囲気下で表面により強固な酸化被膜を形成する傾向の強い材料の側に形成することが望ましい。

本発明の接合方法における抵抗溶接方法としては、所望部位を断続的な点状に接合する抵抗スポット溶接や、連続的な線状に接合する抵抗シーム溶接を採用することができ、適用部材の形状や要求性能に応じた選択が可能となる。
すなわち、抵抗スポット溶接による点接合は、自動車用の車体のように３次元形状を有する構造物に広く適用することができ、抵抗シーム溶接によれば、連続的な接合が可能であり、接合部の水密性や剛性に優れた異材継手を得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、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。

（実施例１）
図３に示した交流電源タイプの抵抗スポット溶接装置を用いて、図４に示すように、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、接合部位以外の全体の板厚が１．０ｍｍであって、接合部位に円弧状断面をなす厚肉部Ｔを形成した鋳物材から成るアルミニウム合金材２との接合を行った。
このとき、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛めっき厚さについては、約２０μｍの厚さのものを使用した。一方、アルミニウム合金鋳物材２に形成した厚肉部Ｔの板厚は２．０ｍｍ（表面からの膨出高さは１．０ｍｍ）、その幅は８ｍｍとした。

そして、３ｋＮの加圧力を加えながら、２１０００Ａの交流電流を０．２秒間通電することによって抵抗スポット溶接を行い、上記アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１とを接合した。

得られた接合体からマクロ試験片を切り出し、接合部のマクロ組織を観察した結果、アルミニウム合金と鋼材の新生面同士が直接接合され、その周辺に酸化皮膜や亜鉛、共晶溶融金属などの反応生成物などが排出された状態の良好な接合構造が得られると共に、接合部位の板厚減少を少なくすることができ、強度低下の防止が可能であることが確認された。
特に本実施例のように、酸化皮膜が厚く生成される傾向のあるアルミニウム合金鋳物材や、亜鉛めっき厚さの比較的厚い亜鉛めっき鋼板を被溶接材に用いる場合は、この厚肉部の変形過程でアルミニウム合金の酸化皮膜がより破壊されやすくなり、また酸化皮膜や亜鉛、共晶溶融金属などの反応生成物をより確実に排出できるため、高強度化が得やすいことが確認された。

（実施例２）
図５に示したような交流電源タイプの抵抗シーム溶接装置を用いて、図６に示すように、亜鉛めっき鋼板１と、上記同様の厚肉部Ｔを形成したアルミニウム合金材２とを重ね合わせた。

そして、加圧力を４ｋＮの一定とし、３００００Ａの交流電流を通電しながら、１．８ｍ／分の速度で抵抗シーム溶接を行い、上記アルミニウム合金材２と亜鉛めっき鋼板１とを接合したのち、得られた接合体からマクロ試験片を切り出し、接合部のマクロ組織を観察した結果、上記実施例と同様に、板厚減少がほとんどない良好な接合構造が得られることが確認された。

上記の結果、いずれの実施例においても、第３の材料である亜鉛（亜鉛めっき層）とアルミニウムの間に共晶溶融が生じ、抵抗溶接時の加圧によってアルミニウム表面の酸化皮膜が共晶溶融金属や反応生成物などと共に、接合部にあらかじめ形成され、膨出した厚肉部によって形成された空間部（隙間）を介して接合部の外側に円滑に排出され、アルミニウム及び鋼の新生面同士が直接に接合され、良好な接合構造が得られるばかりでなく、厚肉部が被接合材にあらかじめ形成されていることによって、抵抗溶接に伴う減肉による強度低下の効果的な防止が可能であることが確認された。

Ａｌ−Ｚｎ系２元状態図における共晶点を示すグラフである。（ａ）〜（ｅ）は本発明による異種金属の接合過程を概略的に示す工程図である。本発明の実施例に使用した抵抗スポット溶接装置の全体構造を示す概略図である。本発明の第１の実施例における抵抗スポット溶接による接合要領を示す概略図である。本発明の実施例に使用した抵抗シーム溶接装置の全体構造を示す概略図である。本発明の第２の実施例における抵抗シーム溶接による接合要領を示す概略図である。

符号の説明

１亜鉛めっき鋼板（被接合材）
１ｐ亜鉛めっき層（第３の材料）
２アルミニウム合金材（被接合材）
Ｔ厚肉部

Claims

互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた被接合材を抵抗溶接により接合するに際し、上記被接合材の少なくとも一方の接合部位に、非接合部位よりも大きな板厚を有し、かつ被接合面側に膨出した厚肉部を設けると共に、被接合材の間に上記金属材料とは異なる金属から成る第３の材料を介在させ、電極による加圧・通電によって上記被接合材の一方の材料の酸化皮膜を部分的に破壊して第３の材料と局部接触させ、該接触部を起点として一方の材料と第３の材料との間に生じた共晶溶融を拡大させて、接合界面の酸化皮膜を破壊し、接合界面から共晶溶融金属と共に酸化皮膜を排除して両材料を接合することを特徴とする抵抗溶接による異種金属の接合方法。
上記厚肉部の被接合面が曲面をなしていることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
上記被接合材の接合部に第３の材料から成るインサート材を挿入することを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
上記被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料が被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
上記被接合材の一方の材料が亜鉛めっき鋼板であって、当該亜鉛めっき鋼板にめっきされている亜鉛を第３の材料として利用することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
上記被接合材のうち、融点が低い方の材料に厚肉部が形成してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の接合方法。
上記被接合材のうち、大気雰囲気下で表面により強固な酸化被膜を形成する方の材料に厚肉部が形成してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の接合方法。
抵抗スポット溶接により断続的に溶接することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の接合方法。
抵抗シーム溶接により連続的に溶接することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の接合方法。
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の接合方法によって得られる接合構造であって、上記被接合材の新生面同士が直接接合されていると共に、当該接合部の周囲に、第３の材料、被接合材、酸化皮膜及び共晶溶融金属のうち、少なくとも酸化皮膜と共晶溶融金属が排出されていることを特徴とする異種金属の接合構造。