JP6702135B2

JP6702135B2 - 異種金属板の接合方法

Info

Publication number: JP6702135B2
Application number: JP2016211663A
Authority: JP
Inventors: 哲弘豊田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: JP2018069289A

Description

本発明は、異種金属板の接合方法に関するものである。

鋼板とアルミニウム板等の異種金属板の接合方法が特許文献１，２に開示されている。

特許文献１で開示する方法は、鋼板とアルミニウム合金板とを抵抗スポット溶接する際、通電時間Ｂｔ（ｍｓ）、休止時間Ｒｔ（ｍｓ）を、次式｛２≦Ｂｔ≦１０｝、｛１≦Ｒｔ≦５｝を満たす条件とし、加圧力ＥＦ（ｋＮ）でのパルセーション通電を２〜８回の範囲で行い、休止時間Ｒｔ（ｍｓ）での最後の通電休止が完了した後、直ちに加圧力を次式｛１．２×ＥＦ≦ＦＦ≦２．０×ＥＦ｝を満たす通電完了後の加圧力ＦＦ（ｋＮ）まで増加させ、その後、次式｛５０≦Ｈｔ≦３００｝を満足する保持時間Ｈｔ（ｍｓ）で加圧保持した後、加圧力を除荷する方法である。

一方、特許文献２で開示する方法は、異種金属材料の抵抗溶接において、高電流をごく短時間流すことにより異種材料間に微少の溶融部分を生成させ、同時に高加圧力を加えることでこの溶融部分をチリとして飛散させ、清浄な金属面同士の接触と原子の拡散による固相接合部を得る方法である。

特開２０１２−１５２７８６号公報特開２００４−１７１４８号公報

特許文献１に記載の接合方法によれば、接合界面に金属間化合物が生成するのを抑制でき、継手強度、疲労強度および耐食性を向上させることができるとしている。

一方、特許文献２に記載の接合方法によれば、従来の製造工程を大きく変更することなく、また、中間層やクラッド材を用いないで金属間化合物を生じることを解消でき、従って、例えば自動車の車体溶接工程などに適用すれば、従来のラインを大幅に変更することなく、異種金属材料の溶接を行うことができるので、車両軽量化の要求に効率よく対応することができるとしている。

しかしながら、特許文献１に記載の接合方法では、本通電にパルセーション通電を採用していることから、通電休止時間を挟むために加工時間が増大するといった課題や、通電制御系の構築や設定が煩雑になり易いといった課題がある。さらに、前通電によってチリを発生させ、被接合材表面の酸化物等の異物を除去することが可能であるものの、通電によって生じた溶融部をチリとして飛散させるために作業環境が悪化することが懸念される。

一方、特許文献２に記載の接合方法でも、特許文献１に記載の接合方法と同様、溶融部をチリとして飛散させるために作業環境の悪化が懸念される。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、異種金属板の接合に当たり、通電によって被接合材表面の酸化物等が溶融した場合でもチリとして飛散させない状態で被接合材同士の接合をおこなうことができ、作業環境を悪化させることのない異種金属板の接合方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による異種金属板の接合方法は、被接合材である鋼板とアルミニウム板を重ね合わせ、一対の電極で挟持して第一電流を流して該被接合材の表面の酸化物を溶融させて酸化物溶融物を形成し、該酸化物溶融物を飛散させない第一加圧力にて双方の被接合材を加圧する第一通電加圧ステップと、前記第一電流よりも小さな第二電流を通電し、かつ、前記第一加圧力以上の第二加圧力で双方の被接合材を加圧し、前記アルミニウム板における前記鋼板との接触界面から該アルミニウム板を溶融させて双方の被接合材を接合する第二通電加圧ステップと、を備えるものである。

本発明の異種金属板の接合方法は、被接合材である鋼板とアルミニウム板を接合する方法であり、通電する際の電流値と被接合材に付加する加圧力を変化させた二段階の接合方法を適用するものである。

まず、第一通電加圧ステップでは、被接合材である鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた状態で第一電流を流して被接合材の表面の酸化物を溶融させて酸化物溶融物を形成し、酸化物溶融物を飛散させない第一加圧力にて双方の被接合材を加圧する。

ここでは、比較的短時間で大電流を通電することで被接合材の表面に存在する酸化物を溶融させ、比較的弱い第一加圧力で双方の被接合材を加圧することにより、酸化物が溶融してなる酸化物溶融物がチリとなって飛散するのを解消することができる。

次に、第二通電加圧ステップでは、第一電流よりも小さな第二電流を通電し、かつ、第一加圧力以上の第二加圧力で双方の被接合材を加圧し、アルミニウム板における鋼板との接触界面からアルミニウム板を溶融させて双方の被接合材を接合する。

第二通電加圧ステップでは、アルミニウム板のみを溶融させ、鋼板を溶融させない大きさの第二電流を通電させる。この際に、第一通電加圧ステップにて生成され、チリとして飛散せずに残存している酸化物溶融物によって被接合材同士の界面の温度が高温に保たれ、第二電流の通電に対して余熱効果が期待できる。なお、酸化物溶融物がチリと飛散すると、この飛散する量によって溶融部に残存する熱量が変化し、最終的に安定した被接合材同士の接合状態を得ることが難しくなる。

また、残存する酸化物溶融物による余熱箇所からアルミニウム板の溶融が始まることで第二通電加圧ステップにおける通電面積が安定し、局所的な電流集中による異常発熱が抑制され、酸化物溶融物がチリとして飛散するのが抑制される。さらに、残存する酸化物溶融物は、第二通電加圧ステップの際に生じた溶融した（液相の）アルミニウム中に拡散することで無害化される。

さらに、第二通電加圧ステップの際に生じた溶融した（液相の）アルミニウム中に鋼板の固相鉄元素が拡散することから、高い加圧力を要することなく、鋼板とアルミニウム板を強固に接合することができる。なお、電極加圧力による面圧を利用した固相接合の場合には、高い加圧力が必要となり、高い設備能力を要するが、本発明の接合方法では、高い加圧力が不要であることから高い設備能力も必要ない。

また、本発明の接合方法では、従来技術のようなパルセーション通電を採用しておらず、通電制御が煩雑でない単一通電を採用することから、加工時間も増大しない。

以上の説明から理解できるように、本発明の異種金属板の接合方法によれば、比較的大電流である第一電流を通電しながら被接合材の表面の酸化物を溶融させて酸化物溶融物を形成し、酸化物溶融物を飛散させない第一加圧力にて双方の被接合材を加圧し、次いで、第一電流よりも小さな第二電流を通電し、かつ、第一加圧力以上の第二加圧力で双方の被接合材を加圧し、アルミニウム板における鋼板との接触界面からアルミニウム板を溶融させて双方の被接合材を接合するものである。この接合方法により、酸化物が溶融してなる酸化物溶融物がチリとなって飛散するのを解消しながら、チリとして飛散せずに残存している酸化物溶融物によって被接合材同士の界面の温度が高温に保たれ、その余熱効果を享受しながら、高い加圧力を要することなく、鋼板とアルミニウム板を強固に接合することができる。

本発明の異種金属板の接合方法を説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の異種金属板の接合方法の実施の形態を説明する。

（異種金属板の接合方法の実施の形態）
図１は本発明の異種金属板の接合方法を説明した模式図である。より具体的には、図１の上図は、第一通電加圧ステップと第二通電加圧ステップにおける第一電流と第二電流の時系列および第一加圧力と第二加圧力の時系列を示しており、下図は、第一通電加圧ステップに含まれる時刻ｔ１、第二通電加圧ステップの初期の時刻ｔ２、第二通電加圧ステップの中期の時刻ｔ３における、各被接合材の界面の状態を示している。

まず、第一通電加圧ステップでは、被接合材である鋼板Ｓとアルミニウム板Ａを重ね合わせ、一対の電極Ｅで挟持して第一電流Ｃ１を流す。図示するように、第一電流Ｃ１は大電流であり、この大電流を比較的短時間通電する。

たとえば被接合材の一方の鋼板Ｓの表面には数ｎｍ程度の厚みの酸化物が存在しているが、大電流を比較的短時間通電することにより、酸化物が溶融して酸化物溶融物ＯＭが形成される。

また、第一通電加圧ステップでは、酸化物溶融物ＯＭを飛散させない、比較的低い第一加圧力Ｐ１を一対の電極Ｅに付与し、この第一加圧力Ｐ１にて双方の被接合材Ｓ，Ａを加圧する。

このように、比較的低い第一加圧力Ｐ１にて双方の被接合材Ｓ，Ａを加圧した状態を保持することにより、酸化物溶融物ＯＭがチリとなって飛散するのを解消することができる。

また、第一通電加圧ステップの終了時点で酸化物溶融物ＯＭが被接合材Ｓ，Ａの接触界面に残存することで被接合材Ｓ，Ａの界面の温度が高温に保たれ、次の第二通電加圧ステップに対する余熱効果が得られる。

さらに、酸化物溶融物ＯＭが被接合材Ｓ，Ａの接触界面に残存することで、残存する酸化物溶融物による余熱箇所からアルミニウム板Ａの溶融が始まることで第二通電加圧ステップにおける通電面積が安定する。そのため、異常発熱によるチリの発生を抑制することができる。

次に、第二通電加圧ステップに移る。この第二通電加圧ステップでは、第一電流Ｃ１よりも小さな第二電流Ｃ２を通電し、かつ、第一加圧力Ｐ１以上の第二加圧力Ｐ２で双方の被接合材Ｓ，Ａを加圧する。

ここで、第二電流Ｃ２の大きさは、アルミニウム板Ａのみを溶融させ、鋼板Ｓを溶融させない大きさに設定する。

図示するように、第二通電加圧ステップの初期段階では、酸化物溶融物ＯＭによる余熱箇所からアルミニウム板Ａが徐々に溶融し、アルミニウム溶融物ＡＭが形成されていく。

既述するように、残存する酸化物溶融物ＯＭによる余熱箇所からアルミニウム板Ａの溶融が始まることで、酸化物溶融物ＯＭが溶融したアルミニウム中に拡散して無害化される。

第二通電加圧ステップの中期段階〜後期段階では、アルミニウム溶融物が拡散してアルミニウム溶融物拡散部ＡＭ’が形成される。

そして、被接合材Ｓ，Ａが第二加圧力Ｐ２で加圧され続けることにより、第二通電加圧ステップの際に生じた溶融した（液相の）アルミニウム中に鋼板Ｓの固相鉄元素が拡散し、鋼板Ｓとアルミニウム板Ａが強固に接合される。

このように、液相のアルミニウム中に鋼板Ｓの固相鉄元素が拡散することから、たとえば電極加圧力による面圧を利用した固相接合の場合に比して、高い加圧力は不要であり、したがって高能力の設備も不要となる。

図示する接合方法では、たとえばパルセーション通電を採用せず、通電制御が煩雑でない単一通電を採用することから、加工時間が増大することなく、比較的短時間で鋼板Ｓとアルミニウム板Ａの接合をおこなうことができる。

（本発明の接合方法によって接合された接合部材の界面のせん断強度と破壊モードを検証した実験とその結果）
本発明者等は、本発明の接合方法によって接合された接合部材の界面のせん断強度と破壊モードを検証する実験をおこなった。本実験では、実施例として第一通電加圧ステップと第二通電加圧ステップからなる接合方法にて６００系アルミニウム板と冷延軟鋼を接合し、比較例として第二通電加圧ステップのみからなる接合方法にて６００系アルミニウム板と冷延軟鋼を接合した。各ステップにおける電流値、通電時間、加圧力と、接合部材のせん断強度および破壊モードに関する測定結果を以下の表１に示す。

表１より、比較例では接合界面のせん断強度が弱く、界面破断に至ったが、実施例では接合界面のせん断強度が高く、界面破断に至らないことが実証されている。これは、実施例が第一通電加圧ステップと第二通電加圧ステップからなる接合方法にて二つの板材を接合したことによるものと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

Ｅ…電極、Ａ…アルミニウム板（被接合材）、Ｓ…鋼板（被接合材）、ＯＭ…酸化物溶融物、ＡＭ…アルミニウム溶融物、ＡＭ’…アルミニウム溶融物拡散部

Claims

被接合材である鋼板とアルミニウム板を重ね合わせ、一対の電極で挟持して第一電流を流して該被接合材の表面の酸化物を溶融させて酸化物溶融物を形成し、該酸化物溶融物を飛散させない第一加圧力にて双方の被接合材を加圧する第一通電加圧ステップと、
前記第一電流よりも小さな第二電流を通電し、かつ、前記第一加圧力以上の第二加圧力で双方の被接合材を加圧し、前記アルミニウム板における前記酸化物溶融物との接触界面から該アルミニウム板を溶融させて双方の被接合材を接合する第二通電加圧ステップと、を備え、
前記第二電流は、前記第二通電加圧ステップにおいて、前記アルミニウム板を溶融させ、前記鋼板を溶融させない大きさであり、
前記第二通電加圧ステップにおいて、溶融したアルミニウム中に、前記酸化物溶融物を拡散させるとともに、前記鋼板の固相鉄元素を拡散させることにより、前記鋼板と前記アルミニウム板とを接合する異種金属板の接合方法。