JP2636516B2 - 異種金属の接合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２種の異種金属、例え
ば溶接時の加熱により溶接部に脆化相を形成する２種の
異種金属の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、鋼とAl、鋼とTiのような異種金
属同士を溶接すると、接合部には溶接の際の加熱により
金属間化合物が形成されて脆化相が形成されることがあ
る。したがって、満足な接合部強度を得ることができな
い。

【０００３】従来は、このような材料を組み合わせて使
用する場合には、主としてボルト、ねじ、または嵌め合
わせ等による機械的接合によっていたが、信頼性、気密
性等に問題があった。

【０００４】そこで、固相接合法の適用が図られてきた
が、例えば摩擦圧接法はその適用が回転体同士に限られ
ていること、爆着法や熱間圧着法は設備、形状等に大き
な制約があること、さらに拡散接合法にも設備、能率面
で問題があることといった問題があり、それぞれ実用化
は容易ではなかった。

【０００５】近年に至り、このような異種金属の接合に
ついて、比較的簡便であって高能率な新たな方法が提案
されている。この方法は、略述すれば、２種の前記異種
金属と同じ２種類の金属材料からなるクラッド材を介し
て、異種金属同士を接合する方法である。例えば、雑誌
「軽金属」(vol.27(1989)No.10 、鉄道車両のハイブリ
ッド構体の構体結合構造) には、ステンレス鋼板とAl板
とを接合する場合に、図２(a) および図２(b) に示すよ
うに、ステンレス鋼板とAl板との間にステンレス鋼とAl
とからなるクラッド材を用い、ステンレス鋼板とクラッ
ド材のステンレス鋼板側とが、またAl板とクラッド材の
Al板側とがそれぞれ接するようにして挟持して接合する
方法である。なお、図２(a) は接合手段としてアーク溶
接を行った場合を、図２(b) は接合手段としてスポット
溶接を行った場合をそれぞれ示す。

【０００６】この方法では、用いるクラッド材のクラッ
ド界面の接合強度が重要であり、それが不足していると
接合強度上問題であるが、爆着、圧延等の公知方法で製
造されたクラッド材のクラッド界面は、脆化層の厚さが
極めて薄いため、全体としての接合強度には問題がない
とされている。

【０００７】したがって、前述のような異種金属同士
は、基本的には、クラッド材を用いる前記方法で接合が
可能であるが、溶接時の加熱で問題が生じることがあ
る。

【０００８】例えば、クラッド材を構成している材料の
それぞれが厚い場合には問題はないが、薄い場合には溶
接時の加熱によりクラッド界面が脆化し易くなり、せっ
かくクラッド材を介して接合を行っても、クラッド界面
が低応力で破壊されてしまうことがあるからである。

【０００９】図２(a) に示すアーク溶接を行った場合
は、入熱量が大きいために、クラッド界面での破壊が特
に顕著であり、クラッド材の構成材の厚さの下限は、２
mm程度となる。これより小さな値の場合にはクラッド界
面で脆化・破壊してしまう。

【００１０】また、図２(b) に示すスポット溶接を行っ
た場合は、入熱量が小さいために、クラッド界面で破壊
を生じる限度が若干改善されるものの、それでもクラッ
ド材の構成材の厚さの限度は1.0 〜2.0 mm程度であり、
それ以下の薄いクラッド材を用いることはできないのが
現状である。

【００１１】このように、異種金属の接合は、溶接手段
(アーク溶接、スポット溶接) には直接関係なく、クラ
ッド材の厚さが大きい場合は問題ないが、実際には例え
ば自動車、家電製品等ではクラッド材の厚さを１mm程度
に小さくする必要があるものが多数あり、この場合はク
ラッド材の構成材料の厚さがそれぞれ１mm以下となり、
従来は、高い信頼性の得られる接合方法がなかった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな接合方法を求めて種々検討を重ねた結果、抵抗溶接
を行う際の通電時間を10ms以下と極めて短くするととも
に、大電流を通電することにより、前記クラッド界面を
熱影響により全く劣化させずに抵抗溶接を行うことが可
能であることを知見して、先に特願平２−248278号によ
り提案した。

【００１３】この提案によれば、従来の通電時間は、板
厚にもよるが、５サイクル (60サイクルが１秒) 程度で
あったが、これに比較して極めて短い時間で通電するこ
とにより、前記問題を解決することができる。

【００１４】しかし、本発明者らはさらに検討を重ねた
結果、前述の提案によっても十分な接合部強度を得るこ
とができるが、この提案にかかる接合方法では、適正な
接合部強度が得られる接合条件の範囲が必ずしも広くな
く、接合条件の管理を十分に実施しないと所望の接合部
強度が得られないことになってしまうことを知見した。

【００１５】換言すれば、前述の提案にかかる方法は、
同時に両材料 (例えば、ステンレス鋼−Al) を接合する
ことは事実上困難であり、ある通電時間で一つの異種金
属とクラッド材との接合を行ってから、再度通電時間の
設定変更を行って、もう一方の異種金属の接合を行わな
ければならず、工数増を招くものであった。

【００１６】ここに、本発明の目的は、２種の異種金
属、例えば溶接時の入熱により溶接部に脆化相を形成す
る２種の異種金属を、確実にかつ低コストで接合する方
法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために種々検討を重ねた。本発明者らの検討
によれば、前述の特願平２−248278号により提案した接
合方法において、適正な接合部強度が得られる接合条件
の範囲が狭い理由は、クラッド材を介して同種金属同士
を接触させて接合する際に、それぞれの同種金属同士の
接触部間で、接触抵抗 (電気抵抗) が異なるため、抵抗
発熱量にも差異が存在して、両者を同時に満足する接合
条件を選定することが必ずしも容易でないことにあると
考えられた。

【００１８】本発明者らは、２種の異種金属それぞれと
クラッド材とから構成される２つの接合界面のうちの少
なくとも一方に、接合される金属材料との間で、例えば
脆い化合物を形成しない組成を有し、前記金属材料より
融点が低い金属からなる金属薄材を挿入することによ
り、２つの接合界面における電気抵抗値の差を小さくす
ることができ、その結果として、より確実に異種金属同
士を接合することができることを知見した。

【００１９】上記知見に基づくと、前述の特願平２−24
8278号により提案した接合方法の適正な接合条件の範囲
がより広くなり、１回の溶接で２種の異種金属とクラッ
ド材との接合を一度に完了することができるといったよ
うに、より簡便に前述の接合方法を実施することがで
き、さらに接合される金属材料よりも金属薄材の融点を
低くすることにより、前記金属材料の表面の汚染層と金
属薄材の融液とが接合時に反応し、前記汚染層を除去
し、良好な接合が行えることも知見した。

【００２０】これらの知見に基づいて、本発明者らはさ
らに検討を重ねた結果、本発明を完成した。

【００２１】ここに、本発明の要旨とするところは、２
種の異種金属同士の間に、２種の前記異種金属と同じ２
種の金属からなるクラッド材を、それぞれ同じ種類の金
属が接するようにして挟持して抵抗溶接を行う異種金属
の接合方法において、前記異種金属とクラッド材とから
構成される少なくとも一方の界面にその界面を構成する
異種金属より融点が低い金属薄材を挿入するとともに、
前記抵抗溶接の際の通電時間は10ms以下として、前記抵
抗溶接を行うことを特徴とする異種金属の接合方法であ
る。

【００２２】本発明において、「抵抗溶接」には、スポ
ット溶接、プロジェクション溶接、さらにはシーム溶接
等の重ね抵抗溶接を包含する。

【００２３】

【作用】以下、本発明を作用効果とともに詳述する。な
お、本明細書においては、特にことわりがない限り
「％」は「重量％」を意味するものとする。

【００２４】本発明は、例えば前述の雑誌「軽金属」(v
ol.27(1989) No.10 、鉄道車両のハイブリッド構体の構
体結合構造) により公知とされている技術、すなわち異
種金属同士の間に、前記異種金属と同じ金属からなるク
ラッド材を、該異種金属と同じ金属が対向して接するよ
うにして配置し、抵抗溶接する技術において、２種の前
記異種金属それぞれとクラッド材とから構成される２つ
の接合界面の少なくとも一方に、前記界面を構成する金
属より融点が低い金属薄材を挿入するとともに、抵抗溶
接時の通電時間をある特定の範囲に限定することを特徴
とする発明である。

【００２５】通電時間を特定の範囲に限定する理由を説
明する。一般的に、接合を行うためには、接合面となる
金属材料の表面に存在する汚染層 (酸化物と吸着物) を
除去して、金属原子面を露出させることが必要である。
本発明において、通電を行う主たる目的は、この汚染層
を破壊するためであり、したがって通電時間はこの汚染
層を破壊することができる程度であればよい。また、熱
伝導により接合部の広い範囲を加熱する必要は全くな
く、通電時間が長過ぎると、クラッド材のクラッド界面
に熱影響を与え易くなり、むしろ有害である。上限値で
ある10ms以下の通電時間であれば、万が一クラッド界面
に熱影響を与えたときにも、前記クラッド界面には、全
く脆化層を生じない。そこで、本発明においては、抵抗
溶接時の通電時間は10ms以下と限定する。

【００２６】通電時間を短くする場合には、適切に電流
値を上げて行う。

【００２７】本発明にかかる方法は、クラッド材の構成
材料それぞれの厚さが１mm以下であるクラッド材に対し
ても、もちろん適用できるものであり、50μm 程度の箔
のようなクラッド材に対してまでも適用することができ
る。この場合、構成材料の厚さが小さくなればなる程前
述の通電時間を短くすることが望ましいが、このような
場合に本発明の範囲の最大値である10msの通電を行って
も、特に問題は生じないことは言うまでもない。

【００２８】溶接する各材料毎に最適な電流値はおのお
の異なり、各材料毎の融点、通電時間や接合部の形状、
加圧力等により決定されるものであるので、特定の値の
範囲には限定されないが、要求する接合部強度が得られ
るように設定すればよく、通常のスポット溶接時の電流
値よりは大きい値とすることが適当である。

【００２９】ただし、電流値が過大であると接合部より
チリが飛散し、高品質の接合部は得られず接合強度が低
下するため、各材料毎に適宜通電時間に見合った適正な
電流値を選べば良い。例えば、ステンレス鋼板とAl板と
の接合を本発明により行う場合、通電時間が１msのとき
には電流値は20〜60KA程度が好適である。

【００３０】本発明にかかる方法は、基本的に、構成材
料それぞれの厚さが１mm超のクラッド材に対しても適用
することができることも言うまでもない。

【００３１】以上の説明では、異種金属として、FeとAl
とを例にとって説明してきたが、本発明にかかる方法は
溶接の際の加熱により溶接部に脆化相を形成する異種金
属の組合せ全てに対して適用することが可能である。

【００３２】具体的には、例えばFe系材料と、Al系材料
(純AlおよびAl合金を含む。以下同じ) 、Ti系材料、Zr
系材料、Ta系材料、Nb系材料との接合、またはNi系材料
(純NiおよびNi基合金を含む) と、Al系材料、Ti系材
料、Zr系材料、Ta系材料、Nb系材料との接合等に対して
も適用することが可能である。

【００３３】クラッド材は、圧延クラッド、爆着クラッ
ド等の公知方法により充分に高い強度で接合されている
クラッド材であればいずれでもよく、本発明では、用い
るクラッド材の製造方法は何ら限定を要するものではな
い。

【００３４】また、抵抗溶接に際して、クラッド材と異
種金属との接合界面の少なくとも一つに挿入する金属薄
材は、異種金属の融点、例えば図２に示すように異種金
属がステンレス鋼−Alの場合にAlとクラッド材のAl面と
の間の金属薄材の融点は、近接する異種金属のAlより低
い。好ましくは、前記融点が50℃以上低い金属薄材を使
用する。異種金属より融点が低い金属薄材を使用するこ
とによって、異種金属表面における汚染層と薄材融液と
が接合時に反応し、異種金属の表面の汚染層を除去し良
好な接合性が得られるが、異種金属の融点より50℃未満
の融点の材料ではその効果が小さいからである。

【００３５】このように、金属薄材の融点を異種金属の
融点よりも低融点とするために、前記金属薄材にSi、
Ｂ、Cu、Ｐ、Al等の融点降下元素を含有せしめる。これ
らの融点降下元素のうち、例えば、Al系材料からなる金
属薄材にはSiを使用し、Ti系材料からなる金属薄材には
Al、Cu等の融点降下元素が使用される。

【００３６】該金属薄材の厚さは、１μm 以上が好まし
い。１μm 以上の厚さとすることによって、金属薄材と
異種金属との接触抵抗によるジュール発熱により完全に
溶融し、異種金属の表面の汚染層を破壊し、接合を促進
するからである。

【００３７】なお、該金属薄材の成分は、異種金属の主
成分と同一とすることが好ましいが、異った主成分を有
する金属薄材であってもよい。その場合には、異種金属
との間の接触抵抗値、異種金属同士の接触抵抗値以上と
なる金属薄材であって、かつ前記異種金属と溶融反応し
た時に脆い層を生成させないものであればよい。

【００３８】上記、金属薄材層の厚さの上限は特に設け
る必要はないが、接合する異種金属の重量、経済性等を
勘案して適宜決定する。

【００３９】さらに、本発明を実施例を参照しながら説
明するが、これはあくまでも本発明の例示であって、こ
れにより本発明が限定されるものではない。

【００４０】

【実施例】本発明にかかる異種金属の接合方法により、
合計の厚さが0.8mm である、Fe (ステンレス鋼) とAlと
の圧延クラッド材1(Fe:0.4mm厚、Al:0.4mm厚) を用い、
図１に示すように、板厚が0.8 mmのFe板2(ステンレス
鋼)と、板厚が0.8 mmのAl板３とを異種金属として、通
電時間を 1.3msまたは1.5mm として抵抗溶接を行った。
なお、金属薄材４としては、Al−12％Si箔 (厚さ:100μ
m)またはFe−3.5 ％Si−２％Ｂ箔 (厚さ:50 μm)を用
い、これをAl同士が接触する接合界面またはFe同士が接
触する接合界面) に挟んで接合した。接合は、Fe/FeとA
l/Al との接合を同時に行う方法 (一度の溶接で行う)
と、Fe/Fe を接合した後にAl/Al を接合する方法 (２度
の溶接で行う) との２つの方法を行って、試料No.1ない
し試料No.5を得た。

【００４１】同様に、金属薄材としてTi−10Cu箔 (厚さ
100 μm)を用いて板厚が0.6mm のFe板 (ステンレス鋼)
と板厚が１mmのTi板との接合、金属薄材としてZr−10Cu
箔 (厚さ100 μm)を用いて板厚が0.6mm のNi板と板厚が
１mmのZr板との接合、さらには金属薄材としてPb−５Sn
箔 (厚さ150 μm)を用いて板厚が0.8mm のFe板と板厚が
0.8mm のAl板との接合を、通電時間を１msまたは1.3ms
として抵抗溶接を行って、試料No.6ないし試料No.8を得
た。

【００４２】また、試料No.9ないし試料No.12 は、本発
明の比較例であって、これらの試料の接合に際しては、
金属薄材は使用していない。また、試料No.9の接合時、
通電時間は20msと本発明の範囲を大幅に超えた条件であ
った。

【００４３】さらに、試料No.13 では異種金属として、
FeとTiとを用いて、接合を行った。各試料について、接
合後に、図３に示すように、十字引張試験を行って、各
試験片の破断位置により、接合部強度を評価した。結果
を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１の「破断位置／形態」の欄に、「ボタ
ン」と示されているのは、通常スポット溶接で強固な接
合が行われた際の十字引張試験で見られるものであっ
て、ナゲットの周辺から母材である異種金属にかけて破
壊が生じボタン穴のような形態となるものである。これ
に対して、スポット溶接で十分な接合が行われなかった
ものでは、平坦で塑性変形の小さいフラットな破面とな
る。

【００４６】本発明にかかる方法によれば、試料No. １
のように、Al/Al 、Fe/Fe を同時に接合しても良好な接
合部強度が得られ、またFe/Fe 、Al/Al の順に２度に分
けて接合する場合でも、30〜50KAという広い範囲の電流
値で接合が可能となることが、試料No. ２ないし試料N
o. ４からわかる。また、試料No. ５から明らかなよう
に、インサート材を両方の接合界面にいれても良好な接
合が１回の接合で得られる。試料No. ６ないし試料No.
８から明らかなように、Fe−Al以外であっても本発明は
適用することができたことがわかる。

【００４７】試料No. ８のように、母材である異種金属
と異なる塑性の金属材料であっても本発明は適用するこ
とができる。試料No. ９では、特に通電時間が長過ぎる
ために、クラッド材の界面で脆化が生じてしまった。試
料No.10 ないし試料No.12 は、金属薄材を用いていない
ため、接合部を得られる接合条件の範囲が狭く、１回の
接合では強固な接合が得られなかった。試料No.13 は、
FeとTiを用いて接合を行った例であるが、金属薄材を用
いていないため、所望の接合部強度が得られていない。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により、安
定的かつ確実に異種金属同士を接合することができる。
かかる効果を有する本発明の意義は極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明を実施する際の一例を示す略式
説明図である。

【図２】図２は、異種金属同士を接合する従来の方法を
示す略式説明図であり、図２(a) は接合手段としてアー
ク溶接を、図２(b) は接合手段としてスポット溶接をそ
れぞれ行った状況を示す略式説明図である。

【図３】図３は、本発明の実施例で行った十字引張試験
の内容を示す略式説明図である。

【符号の説明】

１: クラッド材 ２: ステンレス鋼 ３: Ａｌ ４: 金属薄材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泰山 正則 大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金 属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−230271（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２種の異種金属同士の間に、２種の前記
   異種金属と同じ２種の金属からなるクラッド材を、それ
   ぞれ同じ種類の金属が接するようにして挟持して抵抗溶
   接を行う異種金属の接合方法において、前記異種金属と
   クラッド材とから構成される少なくとも一方の界面に該
   界面を構成する異種金属より融点が低い金属薄材を挿入
   するとともに、前記抵抗溶接の際の通電時間は10ms以下
   として、前記抵抗溶接を行うことを特徴とする異種金属
   の接合方法。