JP2003145278A - 異種接合体及び抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い効率で破断エネルギが高い強固な接合を
得ることができる異種接合体及びスポット溶接方法を提
供する。 【解決手段】 アルミニウムメッキ鋼板１とアルミニウ
ム板２との接合部３は、接合前にメッキ層１ｂの一部が
存在していた領域に存在する金属間化合物層３ａと、こ
の金属間化合物層３ａを取り囲むようにアルミニウム板
２側に存在するアルミニウム溶融部３ｂとから構成さ
れ、アルミニウム溶融部３ｂの表面に存在する原子は、
平面視で金属間化合物層３ａが存在する領域を除いて鋼
板１の表面に存在する原子と金属結合している。そし
て、アルミニウムメッキ鋼板１とアルミニウム板２との
界面において、金属間化合物層３ａの面積が接合部３全
体の面積の６０％以下に規制されている。従って、アル
ミニウム溶融部３ｂの面積は接合部３全体の面積の４０
％を超えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム又はア
ルミニウム合金（以下、アルミニウム及びアルミニウム
合金を総称してアルミニウムという。）とアルミニウム
メッキ鋼材との異種接合体及び抵抗スポット溶接方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム材は軽量な構造材料として
車両及び自動車等に使用されている。その際、コスト、
強度及び剛性等の種々の要因から、鋼材と組合せて使用
される場合がある。鋼材同士を接合する簡便な方法とし
て抵抗スポット溶接が広く使用されており、アルミニウ
ム材と鋼材との接合体についても、抵抗スポット溶接で
接合することが要求されている。

【０００３】従来、アルミニウム材と鋼材との接合につ
いては、同種材料同士のように直接抵抗スポット溶接す
ると、硬く脆い金属間化合物が接合界面に生成し、強度
を大きく低下させることが知られていた。

【０００４】そこで、十分な強度を確保するために、例
えば特開平４−２５１６７６号公報には、鋼材にコーテ
ィング層を設ける技術が開示されている。

【０００５】また、アルミニウム材と鋼材との間にイン
サート材を介在させて抵抗スポット溶接する使用する方
法等も知られている（例えば、特開平４−２５３５７８
号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鋼材に
コーティング層を設ける技術でも、接合後の強度は十分
とはいえない。更に、強度が高くても、破断する際の破
断エネルギが低いため、車両及び自動車等の構造物に適
した接合体は得られないという問題点がある。

【０００７】また、インサート材を介在させた抵抗スポ
ット溶接は、大量の接合を行うには効率が悪く不向きで
ある。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高い効率で破断エネルギが高い強固な接合
を得ることができる異種接合体及び抵抗スポット溶接方
法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る異種接合体
は、アルミニウム又はアルミニウム合金材とアルミニウ
ムメッキ鋼材とを抵抗スポット溶接することにより得ら
れる異種接合体において、アルミニウム又はアルミニウ
ム合金材とアルミニウムメッキ鋼材との接合界面におい
て金属間化合物が存在する領域の面積は、その面積と前
記抵抗スポット溶接により形成された溶融部の面積とを
足し合わせて得た面積の６０％以下であることを特徴と
する。

【００１０】本発明に係る抵抗スポット溶接方法は、ア
ルミニウム又はアルミニウム合金材とアルミニウムメッ
キ鋼材とを接合する抵抗スポット溶接方法において、ア
ルミニウム又はアルミニウム合金材とアルミニウムメッ
キ鋼材との接合界面において金属間化合物が存在する領
域の面積がその面積と前記抵抗スポット溶接により形成
される溶融部の面積とを足し合わせて得た面積の６０％
以下となる条件で溶接を行うことを特徴とする。

【００１１】本発明においては、接合界面において金属
間化合物が存在する領域の面積が接合部の総面積に対し
て適切に規定されているので、延性破断エネルギが高く
強固な接合部が得られる。

【００１２】なお、上記アルミニウムメッキ鋼材には、
芯材である鋼材の表面にアルミニウムメッキ層が形成さ
れたものだけではなく、鋼材の表面にアルミニウム合金
メッキ層が形成されたものも含まれる。

【００１３】直流式溶接機又はコンデンサ式溶接機を使
用する場合には、陽極側の電極チップを前記アルミニウ
ムメッキ鋼材に押し当て、陰極側の電極チップを前記ア
ルミニウム又はアルミニウム合金材に押し当てて溶接を
行うことにより、確実に上述のような面積率を得ること
ができる。

【００１４】また、前記アルミニウムメッキ鋼材のアル
ミニウムメッキ層のＳｉ含有量は５質量％以上であるこ
と、前記アルミニウムメッキ鋼材のアルミニウムメッキ
層の厚さは１５μｍ以上であること及び前記アルミニウ
ムメッキ鋼材の芯材である鋼材のＮ含有量は０．００２
質量％以上であることが望ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る異種
接合体について、添付の図面を参照して具体的に説明す
る。図１は本発明の実施例に係る異種接合体を示す断面
図である。また、図２はアルミニウムメッキ鋼板１とア
ルミニウム板２との接合界面における接合部３を示す模
式図である。

【００１６】本実施例においては、芯材である鋼板１ａ
の両面にアルミニウムメッキ層１ｂ及び１ｃが形成され
て構成されたアルミニウムメッキ鋼板１と、アルミニウ
ム板２とが抵抗スポット溶接により接合されている。な
お、アルミニウムメッキ鋼板１のメッキ層１ｂ及び１ｃ
と鋼板１ａとの界面には、アルミニウム板２との接合前
からＡｌ−Ｆｅ系等の金属間化合物層（図示せず）が存
在する。

【００１７】また、アルミニウムメッキ鋼板１とアルミ
ニウム板２との接合部３は、接合前にメッキ層１ｂの一
部が存在していた領域に存在する金属間化合物層３ａ
と、この金属間化合物層３ａを取り囲むようにアルミニ
ウム板２側に存在するアルミニウム溶融部３ｂとから構
成され、アルミニウム溶融部３ｂの表面に存在する原子
は、平面視で金属間化合物層３ａが存在する領域を除い
て鋼板１の表面に存在する原子と金属結合している。即
ち、アルミニウム溶融部３ｂと鋼板１とが直接接してい
る領域には、接合前に存在していたＡｌ−Ｆｅ系等の金
属間化合物が消失している。また、金属間化合物層３ａ
は、接合前に存在していた金属間化合物がそのまま残存
したか、又は接合の際に新たに生成したものである。

【００１８】そして、本実施例においては、アルミニウ
ムメッキ鋼板１とアルミニウム板２との界面において、
金属間化合物層３ａの面積が接合部３全体の面積の６０
％以下に規制されている。従って、アルミニウム溶融部
３ｂの面積は接合部３全体の面積の４０％を超えてい
る。

【００１９】このような本実施例によれば、広い範囲で
アルミニウム板２と鋼板１との金属結合が得られるの
で、インサート材を使用しなくても、破断エネルギが高
い強固な接合が得られる。

【００２０】次に、上述のような異種接合体を得るため
の抵抗スポット溶接方法について説明する。本願発明者
は、抵抗スポット溶接においては、電極チップから正の
電荷が流れ込む被接合材に発熱が偏る傾向があり、一点
の溶接の間、このような発熱がアルミニウム板２に偏る
と、アルミニウム板２の溶融が過剰になって金属間化合
物が多量に発生し、接合部３を占める金属間化合物層３
ａの面積の割合が増加することを知見した。従って、ア
ルミニウム板２における必要以上の発熱を回避すること
が必要である。このための抵抗スポット溶接方法では、
種々の条件の下で、交流式溶接機、直流式溶接機又はコ
ンデンサ式溶接機のいずれの方式の溶接機でも使用する
ことができる。

【００２１】先ず、交流式溶接機を使用した抵抗スポッ
ト溶接方法について説明する。図３（ａ）は単相交流式
における電流波形を示す図、（ｂ）は三相低周波式の奇
数番目の打点における電流波形を示す図、（ｃ）はイン
バータ式（交流）における電流波形を示す図である。

【００２２】単相交流式又はインバータ式の場合、図３
（ａ）及び（ｃ）に示すように、正の電流は＋側の電極
チップ及び−側の電極チップに交互に流れる。従って、
アルミニウムメッキ鋼板１及びアルミニウム板２に押し
当てられる電極チップの極性をいずれにしても、発熱の
偏りは生じないので、電極チップの極性はいずれであっ
てもよい。

【００２３】また、三相低周波方式の場合、図３（ｂ）
に示すように、奇数番目の打点では、＋極側に正の電流
が流れ、偶数番目の打点では、図示しないが、−極側に
正の電流が流れる。このような三相低周波方式におい
て、奇数番目の打点でアルミニウムメッキ鋼板１に−極
の電極チップを押し当て、アルミニウム板２に＋極側の
電極チップを押し当てると、前述のように、アルミニウ
ム板２に発熱が偏って所望の接合体を得ることができな
い。偶数番目の打点でアルミニウムメッキ鋼板１に＋極
の電極チップを押し当て、アルミニウム板２に−極側の
電極チップを押し当てた場合も同様である。従って、三
相低周波方式を採用する場合には、一打点毎に電極チッ
プの極性を変更する必要がある。

【００２４】次に、直流式溶接機を使用した抵抗スポッ
ト溶接方法について説明する。図４（ａ）は単相整流式
における電流波形を示す図、（ｂ）は三相整流式におけ
る電流波形を示す図、（ｃ）はインバータ式（直流）に
おける電流波形を示す図である。

【００２５】直流式の場合、単相整流式、三相整流式又
はインバータ式のいずれの場合でも、図４（ａ）乃至
（ｃ）に示すように、正の電流は＋側の電極チップにの
み流れる。従って、アルミニウムメッキ鋼板１に＋側の
電極チップを押し当て、アルミニウム板２に−側の電極
チップを押し当てる必要がある。

【００２６】次に、コンデンサ式溶接機を使用した抵抗
スポット溶接方法について説明する。図５はコンデンサ
式における電流波形を示す図である。コンデンサ式で
は、コンデンサに蓄積された正の電荷が最初のパルスで
＋側の電極チップに流れ、その後減衰していく。従っ
て、アルミニウムメッキ鋼板１に＋側の電極チップを押
し当て、アルミニウム板２に−側の電極チップを押し当
てておけば、発熱はアルミニウムメッキ鋼板１に偏るた
め、金属間化合物の多量の発生を回避できる。

【００２７】次に、被接合材の形状及び組成の数値限定
理由について説明する。

【００２８】アルミニウムメッキ層のＳｉ含有量：５質量％以上 アルミニウムメッキ層のＳｉ含有量が５質量％未満であ
ると、接合部内に金属間化合物が増加することがある。
従って、アルミニウムメッキ層の組成は、特に限定され
るものではないが、そのＳｉ含有量は５質量％以上であ
ることが望ましい。

【００２９】アルミニウムメッキ層の厚さ：１５μｍ以上 アルミニウムメッキ層の厚さが１５μｍ未満であると、
接合部内に金属間化合物が増加することがある。従っ
て、アルミニウムメッキ層の厚さは、特に限定されるも
のではないが、１５μｍ以上であることが望ましい。

【００３０】鋼材のＮ含有量：０．００２０乃至０．０２００質量％ 鋼材のＮ含有量が０．００２０質量％未満であると、接
合部内に金属間化合物が増加することがある。また、鋼
材のＮ含有量が０．０２００質量％を超えても、接合の
強固さは向上しない。従って、鋼材の組成は、特に限定
されるものではなく、従来の種々の鋼材を使用すること
ができるが、そのＮ含有量は０．００２０乃至０．０２
００質量％であることが望ましい。

【００３１】また、アルミニウム材の組成は、特に限定
されるものではなく、例えば１０００系、３０００系又
は５０００系等の種々のアルミニウム又はアルミニウム
合金材を使用することができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、その特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。

【００３３】下記表１に示すアルミニウムメッキ鋼板と
ＪＩＳ５０５６Ａｌ合金板とを、溶接電流及び通電時間
等の条件を制御しながら、抵抗スポット溶接により接合
することにより、種々の面積率（接合部の面積に対する
金属間化合物層の面積の割合）の異種接合体を得た。な
お、アルミニウムメッキ鋼板及びＡｌ合金板の厚さは、
いずれも１．０ｍｍである。

【００３４】

【表１】

【００３５】そして、各接合体についてせん断引張り試
験を行い、得られた荷重−変位曲線から破断までに要し
たエネルギを延性破断エネルギとして測定した。この結
果を、下記表２に示す。表２の延性破断エネルギの欄に
おいては、延性破断エネルギが８Ｊ以上のものを◎と表
し、７．７Ｊ以上８Ｊ未満のものを○と表し、７．５Ｊ
以上７．７Ｊ未満のものを△と表し、７．５Ｊ未満のも
のを×と表している。図６は横軸に変位をとり、縦軸に
荷重をとって、実施例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．１８に
おける荷重−変位曲線を示すグラフ図である。図６中で
実線は実施例Ｎｏ．１の曲線を示し、破線は比較例Ｎ
ｏ．１８の曲線を示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】上記表２に示すように、実施例Ｎｏ．１乃
至１５においては、面積率が６０％以下であるので、
７．５Ｊ以上の高い延性破断エネルギが得られ、これに
伴って破断の形態が母材破断となった。但し、実施例Ｎ
ｏ．８では、メッキ層のＳｉ含有量が本願請求項４に規
定する範囲未満であるため、実施例Ｎｏ．１３では、メ
ッキ層の厚さが本願請求項５に規定する範囲未満である
ため、実施例Ｎｏ．１５では、鋼板のＮ含有量が本願請
求項６に規定する範囲未満であるため、夫々他の実施例
と比較すると延性破断エネルギが低くなった。

【００３８】一方、比較例Ｎｏ．１６乃至１８において
は、面積率が本願発明範囲の上限を超えているので、延
性破断エネルギが低く、その中でも比較例Ｎｏ．１７及
び１８において界面破断が発生した。

【００３９】なお、これらの実施例と比較例との間の延
性破断エネルギの差は、主に図６中にハッチングを入れ
て示す領域の面積に相当する。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
接合界面において金属間化合物が存在する領域の面積を
接合部の総面積に対して適切に規定しているので、延性
破断エネルギが高く強固な接合部を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る異種接合体を示す断面図
である。

【図２】アルミニウムメッキ鋼板１とアルミニウム板２
との接合界面における接合部３を示す模式図である。

【図３】（ａ）は単相交流式における電流波形を示す
図、（ｂ）は三相低周波式の奇数番目の打点における電
流波形を示す図、（ｃ）はインバータ式（交流）におけ
る電流波形を示す図である。

【図４】（ａ）は単相整流式における電流波形を示す
図、（ｂ）は三相整流式における電流波形を示す図、
（ｃ）はインバータ式（直流）における電流波形を示す
図である。

【図５】コンデンサ式における電流波形を示す図であ
る。

【図６】横軸に変位をとり、縦軸に荷重をとって、実施
例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．１８における荷重−変位曲
線を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；アルミニウムメッキ鋼板 １ａ；鋼板 １ｂ；アルミニウムメッキ層 ２；アルミニウム板 ３；接合部 ３ａ；金属間化合物層 ３ｂ；溶融部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹部 誠二 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者 日野 光雄 愛知県名古屋市中村区名駅南２丁目14番19 号住友生命名古屋ビル 神鋼アルコア輸送 機材株式会社内 (72)発明者 坪田 賢亮 東京都品川区北品川５丁目９番12号 神鋼 アルコア輸送機材株式会社内 (72)発明者 佐藤 文博 栃木県真岡市鬼怒ヶ丘15番地 株式会社神 戸製鋼所真岡製造所内 (72)発明者 橋本 俊一 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 加藤 淳 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 武田 裕之 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム又はアルミニウム合金材と
   アルミニウムメッキ鋼材とを抵抗スポット溶接すること
   により得られる異種接合体において、アルミニウム又は
   アルミニウム合金材とアルミニウムメッキ鋼材との接合
   界面において金属間化合物が存在する領域の面積は、そ
   の面積と前記抵抗スポット溶接により形成された溶融部
   の面積とを足し合わせて得た面積の６０％以下であるこ
   とを特徴とする異種接合体。
2. 【請求項２】 アルミニウム又はアルミニウム合金材と
   アルミニウムメッキ鋼材とを接合する抵抗スポット溶接
   方法において、アルミニウム又はアルミニウム合金材と
   アルミニウムメッキ鋼材との接合界面において金属間化
   合物が存在する領域の面積がその面積と前記抵抗スポッ
   ト溶接により形成される溶融部の面積とを足し合わせて
   得た面積の６０％以下となる条件で溶接を行うことを特
   徴とする抵抗スポット溶接方法。
3. 【請求項３】 直流式溶接機又はコンデンサ式溶接機を
   使用する場合には、陽極側の電極チップを前記アルミニ
   ウムメッキ鋼材に押し当て、陰極側の電極チップを前記
   アルミニウム又はアルミニウム合金材に押し当てて溶接
   を行うことを特徴とする請求項２に記載の抵抗スポット
   溶接方法。
4. 【請求項４】 前記アルミニウムメッキ鋼材のアルミニ
   ウムメッキ層のＳｉ含有量は５質量％以上であることを
   特徴とする請求項２又は３に記載の抵抗スポット溶接方
   法。
5. 【請求項５】 前記アルミニウムメッキ鋼材のアルミニ
   ウムメッキ層の厚さは１５μｍ以上であることを特徴と
   する請求項２乃至４のいずれか１項に記載の抵抗スポッ
   ト溶接方法。
6. 【請求項６】 前記アルミニウムメッキ鋼材の芯材であ
   る鋼材のＮ含有量は０．００２質量％以上であることを
   特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の抵抗
   スポット溶接方法。