JP2006326613A - 異種金属の抵抗シーム溶接方法及び溶接構造 - Google Patents

Abstract

【課題】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除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の抵抗シーム溶接方法と、このような抵抗シーム溶接による異種金属の溶接構造を提供する。
【解決手段】例えば、鋼材とアルミニウム合金材の抵抗シーム溶接において、これら被接合材の間に第３の材料として亜鉛を介在させるべく、望ましくは鋼材として亜鉛めっき鋼板１を使用すると共に、通電及び加圧用のローラー電極Ｒ１，Ｒ２として、その円周上に断続的な凹部ｄを備えた電極を用いて、接合界面にＡｌとＺｎの共晶溶融金属３を生じさせて接合する。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えばスチール材とアルミニウム合金材など、異種金属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抵抗シーム溶接方法と、このような方法によって得られる異材抵抗シーム溶接構造に関するものである。

異種金属を接合する場合、同種材の溶接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、アルミニウム合金材と鋼材とを溶接する場合には、硬度が高くて脆弱な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る結果、厚い金属間化合物層が成長し、低強度な接合部になってしまうことが問題となっていた。

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ことが行なわれていたが、この場合には重量やコストが増加する点に問題があった。

ボルトやリベット以外には、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、その用途が実質的に限られている。
また、爆着や熱間圧延なども知られているが、設備面や能率面で解決しなければならない問題が多く、一般の異種金属接合に広く適用することはできない。

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が接するように挟持した状態で、１０ｍｓ以下の通電時間で抵抗溶接を行うようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開平４−１２７９７３号公報

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、鋼材側をほとんど溶融させることなしに、めっき層を優先的に溶融させることによって接合する方法が開示されている（特許文献２参照）。
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る。また、例えばアルミニウムと鋼を接合する場合、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されるため、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状態で抵抗溶接する特許文献２に記載の方法では、アルミニウムめっき面とアルミニウム材を接合する際、アルミニウムの表面には強固な酸化皮膜が形成されているため、この酸化被膜を破壊し、接合する際の入熱によってアルミニウムめっき層とアルミニウム材が溶融するため、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、鋼とアルミニウムを始めとする従来の異種金属の接合方法における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、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除去することができ、強固な接合が可能な異種金属の抵抗シーム溶接方法と、このような溶接方法による溶接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各種材料の組み合わせや溶接条件の最適化などについて鋭意検討を重ねた結果、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が除去でき、金属間化合物の生成を抑えることができると共に、加圧通電用のローラー電極形状を調整することによって、酸化皮膜や共晶反応生成物などを接合界面から効果的に排出でき、接合強度を向上させることができることを見出し、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抵抗シーム溶接方法においては、互いに異なる金属材料同士を重ね合わせて成る被接合材の間にこれら材料とは異なる金属から成る第３の材料をインサート材として介在させ、上記被接合材の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて抵抗シーム溶接するに際して、少なくとも一方の溶接用ローラー電極として、その円周上に断続的な凹部を備えた電極を用いるようにすることを特徴としている。

また、本発明の異種金属の抵抗シーム溶接構造は、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し、接合線に沿って断続的に接合されており、さらに断続する当該接合部の前後左右に上記第３の材料、被接合材、第３の材料と被接合材との反応生成物及び接合過程に生成される反応物の群から選ばれる少なくとも１種が排出されていることを特徴としている。

本発明によれば、互いに異なる異種金属材料同士を抵抗シーム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少なくとも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、この第３の金属材料と一方の金属材料との間で、抵抗発熱によい共晶溶融を生じさせて溶接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低温状態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、被接合材の新生面同士の強固な接合状態が得られると共に、シーム溶接に際して被接合材を加圧し、通電するためのローラー電極として、その外周部における接合材との当接先端部に円周に沿って断続的な凹部を備えた電極を用いるようにしていることから、加圧が効果的に行なわれる結果、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、接合過程に生成される反応物などが断続する接合部の両側のみならず、前後方向にも円滑に排出されるようになり、被接合材の新生面同士が直接接合されると共に、該接合部の前後左右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溶接構造となり、強固な接合状態が得られることになる。

以下に、抵抗シーム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、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有効に抑制することができる。

ここで、共晶溶融について説明する。
すなわち、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酸化皮膜が存在するが、これは抵抗シーム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、組成をコントロールすることは必要ない。
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溶接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、アルミニウム合金板材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板材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、抵抗シーム溶接装置のローラー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板材２の強固な金属接合が得られることなる。
このとき、ローラー電極として、その外周部における接合材との当接面に断続的な凹部を備えた歯車状の電極を用いるようにしていることから、加圧が極めて効果的に行なわれるようになり、図３に示すように、亜鉛（第３の材料）や、アルミニウム（被接合材）、亜鉛とアルミニウムの反応生成物、その他接合過程に生成される反応物などから成る夾雑物Ｉが断続する接合部Ｊの両側はもとより、その前後方向にも円滑に排出されるようになる結果、被接合材の新生面同士がより効果的に接合されることになる。

本発明の異種金属の抵抗シーム溶接方法における被接合材の具体的な組み合わせとしては、例えば鋼材とアルミニウム合金材の組み合わ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、亜鉛（Ｚｎ）、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、低温で酸化皮膜の除去ができ、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。

なお、本発明の抵抗シーム溶接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わ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わ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限定される必要はなく、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。

本発明の抵抗シーム溶接による異種金属の溶接方法は、上記したように接合しようとする異種金属材料間に、これら材料の一方又は両方と共晶反応を生じる第３の金属材料を介在させ、溶接に際して共晶溶融を生じさせるようになすものであるが、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、被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料をめっきすることが望ましく、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めっき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でき、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、異種金属の強固な溶接が可能になる。

また、本発明の異種金属の抵抗シーム溶接方法においては、溶接時の通電及び加圧に際して使用するローラー電極形状について、上記のように外周部に凹部を断続的に形成したものを使用するものであるが、被接合材との接触面を平らにすることなく、軸方向に丸みを帯びた凸状曲面とすることが望ましく、これによって上記した反応生成物などの夾雑物Ｉを接合部Ｊから溶接進行方向の両側にも、より円滑に排出することができるようになり、新生面同士のより強固な接合が可能になる。

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）
図４に示すような交流電源タイプの抵抗シーム溶接装置を用いて、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金板材２と、板厚０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１との接合を行なった。
なお、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛めっき厚さについては、約５．０μｍの厚さのものを使用した。

当該実施例においては、ローラー電極Ｒ１及びＲ２として、図６に示すように、電極Ｒ１，Ｒ２の軸に沿った断面において、被接合材１，２との当接面である外周部先端がフラットな台形形状を有するコーン型の電極であって、その外周部に凹部ｄを形成したローラー電極を使用し、加圧力を２６０ｋｇｆ一定とし、２．７ｍ／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板材２と亜鉛めっき鋼板１とを溶接した。

溶接後、得られた溶接継手から、継手引張試験片と共にマクロ試験片を切り出し、接合強度を調査すると共に、破断位置、接合部のマクロ組織を観察した。
この結果を表１に示す。

（比較例）
上記実施例と同じ材料を用い、ローラー電極Ｒ１及びＲ２として、図５に示すように、外周部に凹部を形成することなく、外周部先端がフラットな台形形状をなすコーン型の電極ローラー電極を使用したこと以外は、上記同様の操作を繰り返すことによって、上記アルミニウム合金板材２と亜鉛めっき鋼板１とを溶接し、上記実施例と同様の評価を行なった。
その結果を表１に併せて示す。

上記の結果、実施例及び比較例、いずれの場合においても、第３の材料である亜鉛とアルミニウムの間に共晶溶融が生じるものの、外周部に凹部ｄを設けたローラー電極Ｒ１，Ｒ２を用いた本発明の実施例の場合には、図３に示したように、共晶溶融金属や酸化皮膜、亜鉛などの夾雑物Ｉが接合部Ｊの前後左右方向に極めて円滑に排出され、接合部Ｊにおいて鋼板１とアルミニウム合金板材２の新生面同士が直接接合され、引張試験においてアルミニウム合金板材２での母材破断が確認されているように、良好な接合が達成された。
これに対し、外周部に凹部がないコーン型のローラー電極Ｒ１，Ｒ２を用いた比較例の場合には、上記のような夾雑物Ｉの排出が必ずしも円滑に行なわれないことから、接合界面にこれら夾雑物Ｉが残存する結果となった。

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抵抗シーム溶接過程を概略的に示す工程図である。 図２に示した工程によって得られた本発明の抵抗シーム溶接構造を模式的に説明する平面図である。 本発明の実施例及び比較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。 比較例に用いたローラー電極の形状を示す説明図である。 本発明の実施例に用いたローラー電極の形状を示す説明図である。

符号の説明

１ 亜鉛めっき鋼板（被接合材）
１ｚ 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）
３ 共晶溶融金属
Ｊ 接合部
Ｒ１，Ｒ２ ローラー電極
ｄ 凹部

Claims (5)

1. 互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた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、上記被接合材の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて抵抗シーム溶接するに際し、少なくとも一方の溶接用ローラー電極として、その円周上に沿って断続的に凹部を設けた電極を用いることを特徴とする異種金属の抵抗シーム溶接方法。
2. 上記被接合材の少なくとも一方の材料に第３の材料がめっきされていることを特徴とする請求項１に記載の抵抗シーム溶接方法。
3. 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２に記載の抵抗シーム溶接方法。
4. 溶接用ローラー電極の少なくとも一方に、被接合材との接触面に凸状曲面を備えた電極を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の抵抗シーム溶接方法。
5. 互いに異なる金属材料から成る被接合材の抵抗シーム溶接によ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し、接合線に沿って断続的に接合されていると共に、断続する当該接合部の前後左右に、上記金属材料とは異なる金属から成り、被接合材の少なくとも一方の材料との間で共晶溶融を生じる第３の材料、被接合材、上記第３の材料と被接合材との反応生成物及び接合過程に生成される反応物の群から選ばれる少なくとも１種が排出されていることを特徴とする異種金属の抵抗シーム溶接構造。
   

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