JP2783046B2 - Clad insert welding method - Google Patents

Clad insert welding method

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムと鋼、ア
ルミニウムとチタニウムのように、接合すべき一方の金
属がアルミニウムである異種金属のスポット溶接方法に
関し、更に詳しくは、接合面間にクラッド材をインサー
トさせたクラッドインサート溶接方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spot welding method for dissimilar metals, such as aluminum and steel, aluminum and titanium, in which one metal to be joined is aluminum. The present invention relates to a clad insert welding method in which is inserted.

【0002】[0002]

【従来の技術】アルミニウムと鋼、アルミニウムとチタ
ニウムのような異種金属の溶接では、接合界面に金属間
化合物が形成されて脆化が生じるために、充分な接合強
度が得られないことが知られている。このような異種金
属の接合では、従来はボルト、ネジ、はめ合わせなどの
機械的接合法が用いられてきたが、信頼性、気密性に問
題があった。そのため、各種の固相接合法による接合が
試みられてきたが、それぞれに適用の限界があった。例
えば、摩擦圧接法では、対称性のよい回転体同士に限ら
れ、爆着法や熱間圧延法は、特別な設備や前処理を必要
とし、形状面でも制約される。また、拡散接合法では、
設備面、能率面にそれぞれ欠点がみられた。
2. Description of the Related Art It is known that in the welding of dissimilar metals such as aluminum and steel and aluminum and titanium, sufficient joining strength cannot be obtained because an intermetallic compound is formed at the joining interface to cause embrittlement. ing. Conventionally, in joining such dissimilar metals, mechanical joining methods such as bolts, screws, and fitting have been used, but there have been problems in reliability and airtightness. For this reason, joining by various solid-state joining methods has been attempted, but each has its limitations. For example, the friction welding method is limited to rotating bodies having good symmetry, and the explosion method and the hot rolling method require special equipment and pretreatment, and are limited in shape. In the diffusion bonding method,
There were shortcomings in equipment and efficiency, respectively.

【0003】そこで、最近になって、クラッド材を使用
する比較的簡単で確実性の高い異種金属の溶接方法が提
案された。これは、接合すべきそれぞれの異種金属と同
じ2種類の金属材料を両面に持つクラッド材を介して溶
接を行う方法であり、例えば、「軽金属」(vol.2
7(1989)No. 10鉄道車両のハイブリット構体の
構体結合構造)には、図6に示すように、ステンレス鋼
とアルミニウムを接合する場合に、ステンレス鋼とアル
ミニウムからなるクラッド材をインサート材として使用
する溶接方法が開示されている。そして、溶接として
は、アーク溶接法、スポット溶接法などが用いられてい
る。
Therefore, a relatively simple and highly reliable welding method of dissimilar metals using a clad material has recently been proposed. This is a method in which welding is performed via a clad material having the same two kinds of metal materials as the respective dissimilar metals to be joined on both sides. For example, “light metal” (vol. 2)
7 (1989) No. 10 In the case of joining stainless steel and aluminum, a cladding material made of stainless steel and aluminum is used as an insert material when joining stainless steel and aluminum as shown in FIG. A welding method is disclosed. As the welding, an arc welding method, a spot welding method, or the like is used.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このようなクラッドイ
ンサート材を用いた異種金属の溶接方法は、接合すべき
それぞれの異種金属と同じ2種類の金属材料を両面に持
つクラッド材を使用することによって、異種金属の溶接
を同種金属の溶接に置き換えることが特徴である。ここ
で、溶接がアーク溶接の場合、クラッド材が厚ければ問
題はない。しかし、板厚の小さいクラッド材(例えば3
mm厚以下)を用いるときは、溶接時の入熱により、ク
ラッド材の界面が広い範囲にわたって熱影響を受け、そ
こに脆弱な金属間化合物が形成される。その結果、同種
金属同士は良好に接合されても、クラッド界面の接合強
度が失われるために、高強度の接合継手を得ることは困
難となる。
A method for welding dissimilar metals using such a clad insert material uses a clad material having the same two types of metal materials on both surfaces as the respective dissimilar metals to be joined. The feature is that welding of dissimilar metals is replaced by welding of the same metals. Here, when the welding is arc welding, there is no problem if the clad material is thick. However, a clad material having a small thickness (for example, 3
When the thickness is equal to or less than mm, the interface of the clad material is affected by heat over a wide range due to heat input during welding, and a brittle intermetallic compound is formed there. As a result, even if the same kind of metal is satisfactorily joined, the joining strength at the clad interface is lost, so that it is difficult to obtain a high-strength joint.

【0005】また、薄板の接合に多用されるスポット溶
接を用いた場合には、アーク溶接と比べ、溶接時の入熱
が少ないために、金属間化合物の形成によるクラッド界
面の脆化領域は狭くなるが、それでも高い強度を安定に
得ることは困難であった。
Further, when spot welding, which is frequently used for joining thin plates, is used, since the heat input during welding is smaller than that of arc welding, the embrittlement region at the clad interface due to the formation of an intermetallic compound is narrow. However, it was still difficult to stably obtain high strength.

【0006】本発明の目的は、クラッド界面での接合強
度の低下を抑えて、安定した高強度の接合継手を得るア
ルミニウムと非アルミ金属のクラッドインサート溶接方
法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a clad insert welding method of aluminum and a non-aluminum metal which can obtain a stable and high-strength joint by suppressing a decrease in joint strength at a clad interface.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】被接合面間にクラッド材
をインサートさせたアルミニウムと非アルミ金属の溶接
には、溶接時の入熱量が小さいスポット溶接が好適と考
えられる。スポット溶接を用いた鋼とアルミニウムのク
ラッドインサート溶接における接合形態を図1に示す。
In order to weld aluminum and a non-aluminum metal with a clad material inserted between the surfaces to be joined, spot welding with a small heat input during welding is considered to be suitable. FIG. 1 shows a joining form in clad insert welding of steel and aluminum using spot welding.

【0008】1および2は被溶接材としての鋼およびア
ルミニウム、3は鋼1とアルミニウム2の接合面間にイ
ンサートされたクラッド材である。クラッド材3は、鋼
3aとアルミニウム3bとからなり、鋼3aが鋼1に、
アルミニウム3bがアルミニウム2にそれぞれスポット
溶接されている。そして、接合界面には、2つのナゲッ
ト4aおよび4bが形成されている。
Reference numerals 1 and 2 denote steel and aluminum as materials to be welded, and reference numeral 3 denotes a clad material inserted between the joining surfaces of steel 1 and aluminum 2. The clad material 3 is composed of steel 3a and aluminum 3b.
Aluminum 3b is spot-welded to aluminum 2 respectively. And two nuggets 4a and 4b are formed at the joint interface.

【0009】ここで、鋼同士の接合は強度的な問題はな
い。そのため、接合継手の強度は、アルミニウム側のナ
ゲット4bの強度と、溶接時の熱影響を受けていない領
域のクラッド界面の接合強度に支配され、これらの強度
が充分な場合は、アルミニウムが母材破断をおこす。一
方、板厚Tの板材のスポット溶接においては、その継手
強度を保証するために、ナゲット径を4・T1/2 以上に
する必要のあることが知られている。
[0009] Here, there is no problem in the strength of joining steels. Therefore, the strength of the joint is governed by the strength of the nugget 4b on the aluminum side and the bonding strength of the clad interface in a region not affected by heat during welding. If these strengths are sufficient, the aluminum Causes rupture. On the other hand, in spot welding of a sheet material having a sheet thickness T, it is known that the nugget diameter needs to be 4 · T 1/2 or more in order to guarantee the joint strength.

【0010】本発明者らは、アルミニウムと非アルミ金
属のクラッドインサートスポット溶接において、充分な
接合強度の得られる条件を、主にナゲット径の観点から
調査した。その結果、アルミニウムの母材破断を生じさ
せるためには、アルミニウム側のナゲット径dが、アル
ミニウムの板厚Tに対して4・T1/2 以上である必要の
あること、また、その条件下では、クラッド面に形成さ
れる熱影響部の径Dは、D=1.2×dで表わされ、これ
らの結果、アルミニウムの母材破断を生じさせる条件
が、クラッド材の面積Sと、アルミニウム側のナゲット
径dもしくはアルミニウムの板厚Tとの簡単な関係で表
わされることが判明した。
The present inventors investigated conditions for obtaining sufficient joining strength in clad insert spot welding of aluminum and a non-aluminum metal mainly from the viewpoint of nugget diameter. As a result, in order to cause aluminum base material fracture, the nugget diameter d on the aluminum side needs to be 4 · T 1/2 or more with respect to the aluminum plate thickness T. Then, the diameter D of the heat-affected zone formed on the clad surface is represented by D = 1.2 × d. As a result, the conditions that cause the base material fracture of aluminum are as follows: It has been found that it can be represented by a simple relationship with the nugget diameter d on the aluminum side or the aluminum plate thickness T.

【0011】即ち、クラッド界面の強さをσclad、アル
ミニウムの強さをσAlとすれば、アルミニウムの母材破
断の条件は、クラッド界面の接合強さがアルミニウム同
士の接合強さよりも大きければよいことから、数式1と
なる。そして、dおよびD=1.2×dを用いれば、数式
1は数式2となり、数式3に整理される。更に、dの最
低必要条件として4・T1/2 を用いれば、継手強度を保
証する条件は、数式4となる。
That is, assuming that the strength of the cladding interface is σ clad and the strength of aluminum is σ Al , the condition for breaking the base metal of aluminum is that if the bonding strength of the cladding interface is greater than the bonding strength of aluminum to each other. From good, Equation 1 is obtained. If d and D = 1.2 × d are used, Equation 1 becomes Equation 2 and is rearranged into Equation 3. Furthermore, if 4 · T 1/2 is used as the minimum necessary condition of d, the condition for guaranteeing the joint strength is represented by Expression 4.

【0012】[0012]

【数1】 (クラッド材の面積−クラッド界面の熱影響面積)×σ
clad>(アルミニウム側のナゲット面積)×σAl
[Equation 1] (Area of clad material−Affected area of clad interface) × σ
clad > (nugget area on aluminum side) x σ Al

【0013】[0013]

【数2】{S−(1.2・d/2)2 ・π}・σclad
(d/2)2 ・π・σAl
[Equation 2] {S− (1.2 · d / 2) 2 · π} · σ clad >
(D / 2) 2 · π · σ Al

【0014】[0014]

【数3】S>(σAl/σclad+1.4)・πd2 /4[Number 3] S> (σ Al / σ clad +1.4) · πd 2/4

【0015】[0015]

【数4】S>(σAl/σclad+1.4)・4πTS> (σ Al / σ clad +1.4) · 4πT

【0016】つまり、数式3または4を満足させるクラ
ッド材の面積Sを確保すれば、クラッド界面での金属間
化合物の形成による接合強度低下の影響を受けずに、ア
ルミニウムと非アルミ金属のクラッドインサートスポッ
ト溶接が行われるのである。
That is, if the area S of the clad material that satisfies Equation 3 or 4 is secured, the clad insert made of aluminum and a non-aluminum metal can be formed without being affected by the decrease in bonding strength due to the formation of an intermetallic compound at the clad interface. Spot welding is performed.

【0017】本発明はかかる知見に基づきなされたもの
で、比抵抗がアルミニウムの2倍以上の非アルミ金属と
アルミニウムとの間に、それぞれの異種金属を主成分と
するクラッド材を同種金属が接するように挟んで、非ア
ルミ金属アルミニウムとを抵抗溶接する際に、前記クラ
ッド材の面積Sを、 S>(σAl/σclad+1.4)・πd2 /4 または、 S>(σAl/σclad+1.4)・4πT σAl :アルミニウムの強さ(kgf/mm2 ) σclad:クラッド材の界面強さ(kgf/mm2 ) d :アルミニウム側のナゲット径(mm) T :アルミニウムの板厚(mm) とすることを特徴とするクラッドインサート溶接方法を
要旨とする。
The present invention has been made based on this finding, and a cladding material mainly composed of each dissimilar metal is contacted between aluminum and a non-aluminum metal having a specific resistance of at least twice that of aluminum. sandwiching manner, when resistance welding the non-aluminum metallic aluminum, the area S of the cladding material, S> (σ Al / σ clad +1.4) · πd 2/4 or, S> (sigma Al / σ clad +1.4) · 4πT σ Al : strength of aluminum (kgf / mm 2 ) σ clad : interface strength of clad material (kgf / mm 2 ) d: nugget diameter on the aluminum side (mm) T: aluminum The gist of the present invention is a clad insert welding method characterized in that the thickness is (mm).

【0018】[0018]

【作用】図2は本発明の実施態様を示し、5,5はスポ
ット溶接用の電極である。インサート材3は、図3に示
すように、円形であり、電極5,5に対して同心の状態
で、鋼1(非アルミ金属)とアルミニウム2の間に介在
されている。インサート材3の面積Sは、前記条件を満
足している。最低必要な面積Sは、電極5,5の軸心を
中心とする円形の面積であり、この円形を含むならば、
インサート材3の形状は問わない。インサート材3の面
積Sが前記条件を満足しない場合は、クラッド材3の界
面で金属間化合物の形成による界面接合強度低下の影響
のために、継手強度が低下する。
FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. Reference numerals 5 and 5 denote electrodes for spot welding. As shown in FIG. 3, the insert material 3 is circular and is interposed between the steel 1 (non-aluminum metal) and the aluminum 2 in a state of being concentric with the electrodes 5 and 5. The area S of the insert 3 satisfies the above condition. The minimum required area S is a circular area centered on the axis of the electrodes 5 and 5, and if this circular area is included,
The shape of the insert material 3 does not matter. When the area S of the insert material 3 does not satisfy the above condition, the joint strength decreases due to the effect of the decrease in the interface bonding strength due to the formation of the intermetallic compound at the interface of the clad material 3.

【0019】本発明において、アルミニウムとは、純A
lはもちろん、Al−Mg(5000系)、Al−Mg
−Si(6000系)などのAl合金を含む全てのAl
系金属を指す。
In the present invention, aluminum refers to pure A
l, of course, Al-Mg (5000 series), Al-Mg
All Al including Al alloys such as -Si (6000 series)
Refers to base metals.

【0020】アルミニウムに溶接される非アルミニウム
金属としては、比抵抗がアルミニウムの2倍程度(6μ
Ω・cm)以上の金属であればよく、例えばFe(9.7
1μΩ・cm)、ステンレス鋼(70μΩ・cm)、T
a(12.45μΩ・cm)、Ti(42μΩ・cm)、
Zr(40μΩ・cm)等をあげることができる。
As a non-aluminum metal to be welded to aluminum, the specific resistance is about twice that of aluminum (6 μm).
Ω · cm) or more, such as Fe (9.7
1μΩ ・ cm), stainless steel (70μΩ ・ cm), T
a (12.45 μΩ · cm), Ti (42 μΩ · cm),
Zr (40 μΩ · cm) and the like.

【0021】クラッド材は、製法面からは特に制限せ
ず、圧延クラッド、爆着クラッド、拡散クラッド等の公
知の方法により、充分に高い強度で接合されているもの
であれば良い。また、クラッド材を構成するアルミニウ
ムおよび非アルミ金属は、接合すべきこれらの金属と同
一である必要はなく、同種接合に支障のない類似組成で
あれば良い。
The cladding material is not particularly limited in terms of the manufacturing method, and may be any material as long as it is joined with a sufficiently high strength by a known method such as a rolling cladding, an explosion cladding, or a diffusion cladding. The aluminum and non-aluminum metal constituting the clad material need not be the same as these metals to be joined, and may be any similar composition that does not hinder the same kind of joining.

【0022】クラッド材の板厚は、溶接時の入熱量が小
さいスポット溶接を用いるため、2mm以下がよい。被
溶接材の板厚も、同じ理由から2mm以下がよい。
The thickness of the clad material is preferably 2 mm or less because spot welding is used, which has a small heat input during welding. The plate thickness of the material to be welded is preferably 2 mm or less for the same reason.

【0023】クラッド材の面積の上限は、継手強度の保
証の点からは特に規定する必要がない。しかし、クラッ
ド材が広くなると、コスト高、継手の大型化を招くの
で、これらの点からは小さいほうがよい。
The upper limit of the area of the clad material does not need to be particularly defined from the viewpoint of guaranteeing the joint strength. However, if the clad material is widened, the cost and the size of the joint are increased. Therefore, the smaller the size, the better.

【0024】[0024]

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0025】厚みが0.5〜2.0mmのアルミニウム−鋼
クラッド材を直径が6,10,14,18,22mmの
円形に機械加工してインサート材とした。そして、板厚
が1.0mmのJIS5000系アルミニウムと板厚が0.
8mmの鋼板(JIS G3141のSPCD)をスポ
ット溶接するにあたり、これらのインサート材を使用し
た。また、鋼以外の異種金属としてFe、Ti、Ta、
Zr、Niを採用し、それぞれのアルミニウムクラッド
材を用意して、同様にクラッドインサート溶接を行っ
た。溶接用電極は直径6mmのRR型とし、200kg
fの荷重を加えた。
An aluminum-steel clad material having a thickness of 0.5 to 2.0 mm was machined into a circular shape having a diameter of 6, 10, 14, 18, and 22 mm to obtain an insert material. And JIS 5000 series aluminum with a thickness of 1.0 mm and a thickness of 0.
These inserts were used for spot welding 8 mm steel plates (SPCD of JIS G3141). Further, as a dissimilar metal other than steel, Fe, Ti, Ta,
Zr and Ni were adopted, each aluminum clad material was prepared, and clad insert welding was performed similarly. The welding electrode is RR type with a diameter of 6mm, 200kg
A load of f was applied.

【0026】溶接後に図4に示す十字引張試験を行な
い、試験片の破断形態、判断荷重により継手強度の評価
を行った。結果を表1に示す。ボタンは、図5に示すよ
うに、スポット溶接において強度な接合が得られたとき
に十字引張試験にて見られる破断形態で、ナゲットの周
辺から母材にかけてボタン穴のような形に破壊を生じた
ものである。
After the welding, a cross tension test shown in FIG. 4 was performed, and the joint strength was evaluated based on the fracture form of the test piece and the judgment load. Table 1 shows the results. As shown in Fig. 5, the button breaks in the form of a buttonhole from the periphery of the nugget to the base metal in the form of a fracture seen in a cross tension test when a strong joint is obtained in spot welding. It is a thing.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】インサート材の面積Sが前記条件を満足す
ることにより、高強度の異材継手が安定よく得られる。
しかし、前記条件が満足されない場合は、溶接熱による
クラッド界面の脆化により、高強度が得られない。
When the area S of the insert material satisfies the above condition, a high-strength dissimilar material joint can be stably obtained.
However, if the above conditions are not satisfied, high strength cannot be obtained due to embrittlement of the clad interface due to welding heat.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のクラッドインサート溶接方法は、アルミニウムと非ア
ルミニウム金属のスポット溶接において、高強度の継手
を安定よく得る効果がある。しかも、この効果をクラッ
ドインサート材の面積規定によって得るので、必要以上
に大きいクラッド材を使用する必要がなくなり、現在は
高価なクラッド材を効率よく使用できる。従って、継手
コストが低減され、更に継手の小型化が図られる効果も
ある。
As apparent from the above description, the clad insert welding method of the present invention has an effect of stably obtaining a high-strength joint in spot welding of aluminum and a non-aluminum metal. In addition, since this effect is obtained by defining the area of the clad insert material, it is not necessary to use an unnecessarily large clad material, and a currently expensive clad material can be used efficiently. Therefore, there is an effect that the cost of the joint is reduced and the size of the joint is further reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】クラッド材をインサートさせた異種金属のスポ
ット溶接での接合形態を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a joining form of a dissimilar metal with a clad material inserted therein by spot welding.

【図2】本発明の一実施態様を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing one embodiment of the present invention.

【図3】インサート材の平面図である。FIG. 3 is a plan view of an insert material.

【図4】十字引張試験を説明するための斜視図である。FIG. 4 is a perspective view for explaining a cross tension test.

【図5】ボタン破断を模式的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing button breakage.

【図6】クラッドインサート溶接方法の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of a clad insert welding method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 鋼(非アルミ金属) 2 アルミニウム 3 クラッド材 4a,4b ナゲット 5 電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steel (non-aluminum metal) 2 Aluminum 3 Clad material 4a, 4b Nugget 5 Electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 11/20──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) B23K 11/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 比抵抗がアルミニウムの2倍以上の非ア
ルミ金属とアルミニウムとの間に、それぞれの異種金属
を主成分とするクラッド材を同種金属が接するように挟
んで、非アルミ金属とアルミニウムをスポット溶接する
際に、前記クラッド材の面積Sを、 S>(σAl/σclad+1.4)・πd2 /4 σAl :アルミニウムの強さ(kgf/mm2 ) σclad:クラッド材の界面強さ(kgf/mm2 ) d :アルミニウム側のナゲット径(mm) とすることを特徴とするクラッドインサート溶接方法。
1. A non-aluminum metal having a specific resistance of at least twice that of aluminum and an aluminum, and a clad material mainly composed of different metals is sandwiched between the non-aluminum metal and the aluminum so as to be in contact with the non-aluminum metal. the when spot welding, the area S of the cladding material, S> (σ Al / σ clad +1.4) · πd 2/4 σ Al: aluminum strength (kgf / mm 2) σ clad : cladding material interfacial strength (kgf / mm 2) d: clad insert welding method characterized in that the aluminum side nugget diameter (mm).
【請求項2】 比抵抗がアルミニウムの2倍以上の非ア
ルミ金属とアルミニウムとの間に、それぞれの異種金属
を主成分とするクラッド材を同種金属が接するように挟
んで、非アルミ金属とアルミニウムをスポット溶接する
際に、前記クラッド材の面積Sを、 S>(σAl/σclad+1.4)・4πT σAl :アルミニウムの強さ(kgf/mm2 ) σclad:クラッド材の界面強さ(kgf/mm2 ) T :アルミニウムの板厚(mm) とすることを特徴とするクラッドインサート溶接方法。
2. A non-aluminum metal having a specific resistance of at least twice that of aluminum and aluminum, a cladding material mainly composed of different metals being sandwiched between the non-aluminum metal and the aluminum so as to be in contact with the non-aluminum metal. When spot welding is performed, the area S of the clad material is calculated as follows: S> (σ Al / σ clad +1.4) · 4πT σ Al : strength of aluminum (kgf / mm 2 ) σ clad : interface strength of the clad material A clad insert welding method characterized in that the thickness (kgf / mm 2 ) T is the thickness of aluminum (mm).
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