JP2006224148A

JP2006224148A - 異材の抵抗スポット溶接方法

Info

Publication number: JP2006224148A
Application number: JP2005041350A
Authority: JP
Inventors: Satoru Iwase; 哲岩瀬
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】アルミニウム系材と鋼材との異種接合においても、低電流で抵抗スポット溶接することができ、鋼材用の電源を使用することができ、低コストで異種接合することができる異材の抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】鋼材（被溶接材４）とアルミニウム又はアルミニウム合金材（被溶接材３）とを抵抗スポット溶接する異材の抵抗スポット溶接方法である。少なくとも一方の電極１は、電極径がＤであり、その電極先端部における被溶接材と接触する部分の直径ｄ（ｄ＜Ｄ）が、３．６乃至７．５ｍｍである。この異材の抵抗スポット溶接方法において、電極１，２に印加する電流は、１５ｋＡ以下と低電流である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車及び車輌等の各種構造材等として使用される鋼材とアルミニウム系（アルミニウム又はアルミニウム合金）材との複合構造体を得るための異材の抵抗スポット溶接方法に関する。

アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、総称してアルミニウム系という）材は、軽量な構造材料として、自動車及び車輌等に使用されている。この場合に、コスト、強度及び車体剛性等の種々の要因から、アルミニウム系材は、鋼材と組み合わせた複合材として使用されることが多い。このためには、アルミニウム系材と鋼材とを接合する必要がある。

鋼材同士の場合は、その簡便な接合方法として、抵抗スポット溶接方法が広く使用されている。そこで、アルミニウム系材と鋼材との接合にも、抵抗スポット溶接の適用が要望されている。この異種材料（以下、異材という）の抵抗スポット溶接方法として、特許文献１には、アルミニウムメッキした鋼材と、アルミニウム合金材とを抵抗スポット溶接する技術が開示されている。

特開２００３−１４５２７８

しかしながら、アルミニウム系材の抵抗スポット溶接方法には、アルミニウム系材の熱伝導性が良好なために、大電流が必要であるという難点がある。これは、アルミニウム系材同士ではなく、被溶接材の一方が鋼材である場合も同様である。従って、アルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接方法においては、大電流の溶接電源が必要であり、鋼材用の溶接電源を使用することはできない。このため、アルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接には、アルミニウム系材専用の溶接電源を使用する必要があり、コストが高くなるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム系材と鋼材との異種接合においても、低電流で抵抗スポット溶接することができ、鋼材用の電源を使用することができ、低コストで異種接合することができる異材の抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る異材の抵抗スポット溶接方法は、鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを抵抗スポット溶接する異材の抵抗スポット溶接方法において、少なくとも一方の電極は、電極径がＤであり、かつその電極先端部が曲率半径を持つ凸状の曲面を持ち、更に前記電極先端部の先端径ｄが、３．６乃至７．５ｍｍである電極を使用することを特徴とする。

この異材の抵抗スポット溶接方法において、前記電極に印加する電流は、例えば、１５ｋＡ以下と低電流である。

本発明によれば、電極先端の被溶接材と接触する部分の直径を小さく設定すると共に、電極先端部に丸みを設けたので、１５ｋＡ以下という低電流であっても、電流密度は十分に高く、安定して抵抗スポット溶接することができる。

以下、本発明の実施の形態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、本発明の実施形態に係る異材の抵抗スポット溶接方法を示す縦断面図、図２はその電極の縦断面図である。アルミニウム系材からなる被溶接材３と鋼材からなる被溶接材４とを重ね、これらの被溶接材３，４を１対の電極１，２により挟持する。電極の材質は、クロム銅、ジルコン銅等の銅合金を使用することができる。被溶接材３の厚さをｔ１、被溶接材４の厚さをｔ２とした場合、図示例はｔ２＞ｔ１であるが、被溶接材３，４の厚さは同一（ｔ１＝ｔ２）でもよく、また、ｔ１＞ｔ２でもよい。図示例は、電極１が電極２よりも小径であり、小径の電極１が厚さｔ１の被溶接材に接触しているが、電極１、２と被溶接材３，４との組合せは、この図示例に限らず、全ての態様が可能であり、また電極１と電極２の直径が同一でもよい。そして、少なくとも一方の電極１は、その曲率半径を持つ曲面部分の径（先端径）ｄが３．６乃至７．５ｍｍを満足するものを使用し、被溶接材３，４を加圧する加圧力と、電極１と被溶接材３又は４との組合せを設定する。なお、加圧力は、通常、１．０ｋＮ乃至１０．０ｋＮである。

本発明においては、１対の電極のうちの少なくとも一方の電極１の先端部における曲率半径を持つ曲面部分の径ｄを３．６乃至７．５ｍｍの範囲を満足するように設定する。これにより、電極１と被溶接材３とが接触する面積が従来の電極の場合よりも小さくなり、このため、１５ｋＡ以下という低電流であっても、電流密度は十分に大きなものとなる。従って、抵抗スポット溶接の際に、高電流密度で通電することができるので、安定して良好な抵抗スポット溶接を行うことができる。電極先端径ｄが３．６ｍｍより小さい場合は、抵抗スポット溶接により生じるナゲットが小さくなりすぎ、接合部の強度が十分に高いものとならない。一方、電極先端径ｄが７．５ｍｍより大きい場合は、後述する表１に記載されているように、溶接接合部の破断強度がアルミニウム系材同士の抵抗スポット溶接の接合強度以上であって、十分に高い接合部強度を得るために必要な最低電流値が１５ｋＡを超えてしまい、溶接電源として、鋼材用の溶接電源を使用することができなくなる。このため、少なくとも一方の電極１は、その先端部の電極先端径ｄが３．６乃至７．５ｍｍの範囲を満足するように設定する。なお、電極１，２は、図１に示すように、直径が異なる場合に限らず、同一のものを使用しても良いことは勿論である。

本発明においては、電極先端部の電極先端径ｄが３．６乃至７．５ｍｍを満足すると共に、その電極先端部が曲率半径を持つ凸状の曲面を持つことが必要である。電極先端部が丸みを有していることにより、次の効果がある。図３（ａ）に示すように、スポット溶接の施工の際には、電極同士の電極間の中心がずれていることが多々ある。その場合、ずれた電極間で挟持された被溶接材は、やや傾いた状態で電極と接することになる。そのような場合でも、電極先端が凸状曲面を持っていることにより、接触部位の面積は大きく変化することなく適切面積に保たれ、適切な溶接電流密度とすることができる。一方、先端が平坦な電極では、図３（ｂ）に示すように、電極間の中心のずれが生じ、費用説材と電極間の傾いた場合には、接触部位の面積は大きく減少することになり、電流密度の過大を招きチリ発生は溶接不良の原因となる。従って、電極の先端は曲率半径を持つ凸状の曲面であることが必要である。

抵抗溶接用電極の形状は、ＪＩＳＣ９３０４の表１に規定されている。ＪＩＳＣ９３０４の表１に規定された電極形状を図４に示す。この規定の中で、ＤＲ（ドームラジアス）型、ＣＲ（円錐ラジアス）型及びＥＲ（偏心ラジアス）型は、電極先端に、被溶接材と面で接触する接触部を有し、しかも電極先端部が曲率半径を持つ凸状の曲面を持って、丸みを帯びているので、本発明の抵抗スポット溶接方法で使用することができる。しかし、例えば、Ｒ（ラジアス）型のように電極先端が半球状をなし、被溶接材と点接触する電極の場合は、有限の直径を有する接触部がなく、電極寿命が確実に劣るため、実用的ではない。また、ＣＦ（円錐台）型のように、先端部に被溶接材との有限直径の接触部がある場合でも、電極先端部が平坦な場合は、上述のように電極同士の合いが悪くなる場合があり、このような電極の場合は、電極先端が被接合材に対して垂直に当たらず、局部的に接触して電流密度が高まり、塵の発生頻度が極めて高くなるために、溶接品質を維持する上で適切ではない。偏心形及びポイント形も同様である。

次に、上述の如く構成された異材の抵抗スポット溶接方法の動作について説明する。本発明においては、少なくとも一方の電極１の先端部の電極先端径ｄが３．６乃至７．５ｍｍを満足するので、この電極１の接触部を流れる電流が１５ｋＡ以下であっても、電流密度が十分に高いものとなり、アルミニウム系材に対して高電流密度の電流を供給することができ、安定して高接合強度の抵抗スポット溶接部を得ることができる。これにより、電流密度はアルミニウム系材の抵抗スポット溶接により高接合強度を得るに十分な大きさを確保すると共に、電流自体は、１５ｋＡ以下と鋼材の抵抗スポット溶接と同程度に低電流にすることができ、鋼材用の電源を使用することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、電極１，２は同一形状であっても良いし、また先端部の電極先端径がｄである電極１は上記実施形態のようにアルミニウム系材と接触するのではなく、鋼材と接触するようにしてもよい。

被溶接材４の鋼板には、その表面にアルミニウム系被覆層が被覆されていることが好ましい。この被覆層は、溶融めっき又は溶射等の手段により形成することができる。この被覆層は、純アルミニウム又は、例えば、１５％以下のＳｉ及び５％以下のＦｅが含まれたアルミニウム合金である。鋼板としては、軟鋼、高張力鋼、ステンレス鋼等種々の鋼材を適用することができ、また、鉄系被溶接材としては、その形状は板材に限らず、形鋼等にも適用できる。なお、鋼中にＮを０.００２〜０.０２０質量％を含む下地鋼と、溶融アルミめっき層との界面に、Ｎ：３．０原子％以上のＮ濃縮層が形成されていることが好ましい。

被溶接材３のアルミニウム系材としては、純アルミニウム及び種々のアルミニウム合金を適用することができる。また、アルミニウム系材の形状としては、全体が板材である場合に限らず、種々の形状の押出形材又は鋳物材等にも適用することができる。

以下、本発明の実施例について説明し、本発明の効果を説明する。図１に示すように、被溶接材３，４を１対の電極１，２により抵抗スポット溶接した。電極は直径Ｄが１６ｍｍであった。被溶接材４として厚さが１．０ｍｍのアルミニウムめっき鋼板を使用し、被溶接材３として厚さが１．０ｍｍのＪＩＳＡ６０６１アルミニウム合金板を使用した。使用した電極の先端径と、抵抗スポット溶接にて通電した最小電流値Ｉｍｉｎ（ｋＡ）を下記表１に示す。電極形状を示すＤＲ型及びＲ型は、ＪＩＳＣ９３０４に規定する電極形状である。なお、通電時間は８０ｍｓｅｃ〜８００ｍｓｅｃの範囲で、良好な接合部が得られるように調整した。

この最小電流値Ｉｍｉｎは、抵抗スポット溶接した材料から切り出した試験片に対し、十字引張試験を行い、破断強度が１．５ｋＮ以上であって、破断箇所がアルミニウム系母材となるような接合部が得られたときの最小電流値である。表中「−」は、破断強度が１．５ｋＮに達するだけの接合部が得られなかったものである。

表１からわかるように、鋼材側電極及びアルミニウム系材側電極の少なくとも一方の電極の先端部の電極先端径ｄが３．６〜７．５ｍｍの範囲を満足するものは、最小電流値Ｉｍｉｎが、１１．５〜１５．０ｋＡであり、このような低電流でも、十字引張試験での破断強度が１．５ｋＮ以上であり、破断位置がアルミニウム系母材側となるような優れた強度特性を得ることができた。

これに対し、双方の電極の先端部の電極先端径ｄが３．３ｍｍの場合は、小径化により電流密度を高くしても、電流自体が少なすぎて、良好な接合部が得られなかった。また、双方の電極の先端部の電極先端径ｄが８．０ｍｍ及びＲ型電極の場合は所望の接合強度を得るためには、１６．０ｋＡ以上という比較的高電流が必要であった。また、一方の電極の先端部の電極先端径ｄが３．３ｍｍ、他方の電極の先端部の電極先端径ｄが８．０ｍｍ及びＲ型電極の場合と、その逆の場合も、小径化により電流密度を高くしようとしても、電流自体が少なすぎて、良好な接合部が得られなかった。

本発明によれば、アルミニウム材と鋼材料とのスポット溶接が、従来、広く用いられている鋼材用の低電流溶接電源によって行うことができるため、アルミニウム系材及び鋼材の双方の長所をいかした接合構造体を簡便に得ることができ、車輌構造体及び熱交換器用等の種々の構造部材の製造に有益である。

本発明の実施形態に係る異材の抵抗スポット溶接方法を示す縦方向断面図である。同じく、その電極接触部分の縦断面図である。電極の中心がずれた場合の当たり方を示す図である。ＪＩＳＣ９３０４の表１に規定された電極形状を示す図である。

符号の説明

１、２：電極
３，４：被溶接材

Claims

鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材とを抵抗スポット溶接する異材の抵抗スポット溶接方法において、少なくとも一方の電極は、電極径がＤであり、かつその電極先端部が曲率半径を持つ凸状の曲面を持ち、更に前記電極先端部の先端径ｄが、３．６乃至７．５ｍｍである電極を使用することを特徴とする異材の抵抗スポット溶接方法。
前記電極に印加する電流は、１５ｋＡ以下であることを特徴とする請求項１に記載の異材の抵抗スポット溶接方法。