JP4425159B2 - 異材の抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

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、鋼材にコーティング層を設けることにより、鋼材とアルミニウム系材との間の溶接部の強度を高めた技術が開示されている。

特開平４−２５１６７６号公報

しかしながら、アルミニウム系材と鋼材との異材の抵抗スポット溶接方法においては、同種材料のスポット溶接とは異なり、異種の材料の溶融形態が相互に異なるために、溶接条件の適正化が重要である。つまり、図４に示すように、鋼材１及び鋼材２を抵抗スポット溶接する場合は、両者間に適正なナゲット３が形成される。しかし、図５に示すように、鋼材５とアルミニウム系材６との間の抵抗スポット溶接においては、特に、プレス成形後の油剤９がアルミニウム系材６の表面に残存し、被接合材間に油剤９が存在する場合においては、油剤の残留（巻込み）１０が発生する。このように、油剤の残留１０があると、アルミニウム系材６側にチリが発生し、肉厚の減少７が発生する。特に、異材接合においては、アルミニウム系材が過剰に加熱されることによりチリとなって滅失していまい、アルミニウム系材の肉厚が大幅に減少することにより、接合強度が低下してしまうという問題点があった。

一方、被接合材を洗浄して油分などを除去することも可能であるが、この場合は洗浄工程が増えるため、異材複合構造材の製造工程が複雑になる。従って、異材を洗浄しないまま接合できる抵抗スポット溶接方法が要望されている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、鋼材とアルミニウム系材との異材同士を、チリの発生による肉厚の減少なしに高接合強度で接合することができ、破断エネルギが高い強固な接合部を高効率で得ることができる異種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、インバーター式又は単相交流式の溶接電源を使用し、通電時間ｔ１が停止時間ｔ２の０．６乃至１０倍、総通電時間が１２０乃至８００ｍｓｅｃである条件で、電極間に電流をパルス状に通電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、例えば、前記鋼材は、亜鉛又は亜鉛合金が被覆された被覆鋼板である。又は、例えば、前記鋼材は、アルミニウム又はアルミニウム合金がめっきされためっき鋼板である。この場合に、前記めっきは、Ｓｉ：３〜１５質量％、Ｆｅ：０．５〜５質量％を含む溶融アルミニウム合金めっきであることが好ましい。

そして、前記溶接方法に用いる溶接電源はインバーター式であり、電極間に電流をパルス状に通電する際に、通電時間ｔ１が停止時間ｔ２の０．６〜１０倍であり、かつ、ｔ１×パルス数で計算される総通電時間が１２０〜８００ｍｓｅｃであることが好ましい。

また、前記電極間に電流をパルス状に通電する際に、単相交流式電源を使用する場合も、電極間に電流をパルス状に通電する際に、通電時間ｔ１が停止時間ｔ２の０．６〜１０倍であることが好ましい。

本発明者は、異材の抵抗スポット溶接におけるアルミニウム系材のチリ発生について、種々実験研究を繰り返した結果、このチリ発生の原因が、油分等の介在物が鋼材とアルミニウム系材との間に存在することによって、両被接合材間の界面の接合部位における電流密度が過剰になり、融点が低いアルミニウム系材側が過剰に溶融し、滅失してしまうためであることを知見した。そこで、本発明においては、抵抗スポット溶接の通電に際し、電流をパルス状に通電することによって、通電電流を適度に抑制し、アルミニウムのチリの発生を防止する。これにより、アルミニウム系材の肉厚の滅失が防止され、高い継手強度の継手が得られる。

本発明によれば、抵抗スポット溶接における通電電流を、パルス状としたので、各通電期間の間に、電流が低いか、又は全く流れない期間が存在する。このため、接合界面温度が適度のものとなり、アルミニウム系材のチリ発生が防止される。その結果、アルミニウム系の減肉もなく、高強度の接合部を得ることができる。

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はその通電電流の波形図である。板状の鋼材１３とアルミニウム系材１４とを重ね、電極１１及び電極１２により、鋼材１３とアルミニウム系材１４とを接合する部分を挟持する。そして、電極１１，１２間に図２に示すような波形の電流を通電する。これにより、電流が流れた部分が抵抗発熱し、その部分でスポット溶接される。

この場合に、本発明においては、図２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、通電電流の波形が、断続的なもの、つまりパルス状になるようにする。即ち、通電期間と停止期間とが交互に現れ、通電期間の時間（通電時間）がｔ１、停止期間の時間（停止時間）がｔ２である。図２(ａ)において、通電期間は正の電流と負の電流とが交互に現れるものである。図２（ａ）は、単相交流式電源を用いた場合の波形であり、交流波の１／２サイクル（時間ｔ１＋ｔ２）の内に一定の停止時間ｔ２をおいたものである。図２（ｂ）は、インバーター式電源を用いた場合の波形であり、時間がｔ１の正の矩形波電流を、それらの間にｔ２の停止時間をおいて、断続的に通電したものである。図２（ｃ）は、最大電流でフラットな部分を有し、上昇及び下降時に徐々に立ち上がり又は立ち下がる波形のパルス状の電流を通電したものである。なお、図３は従来の通電電流の波形を示し、所謂正弦波形であり、停止期間が存在しない。停止期間とは、一瞬電流が０になることではなく、電流０の時間が有限に存在するものである。

なお、図２（ｂ）又は（ｃ）に示すようなインバーター式電源による矩形波では、通電時間の間には、全く電流が流れないことが好ましいが、電流値が０〜６ｋＡ程度の低い電流が流れていても構わない。

本発明においては、上述のように、各通電期間の間に、通電停止期間（状態）を入れることにより、電流が適度に抑えられるため、アルミニウム系材の滅失が起こらない。この場合に、通電時間ｔ１は停止時間ｔ２の０．６〜１０倍であることが好ましい。通電時間／通電停止時間ｔ１／ｔ２が０．６よりも小さい場合は、通電に対して停止時間が長すぎるため電流が不十分となり、良好な溶融状態が得られない。一方、ｔ１／ｔ２が１０を超えると、通電時間が長すぎるため、アルミニウム系材料が過剰に加熱され、チリとなって滅失してしまい、ＣＴＳ、ＴＳＳなどの強度が著しく低くなる。

更に、鋼材１３はアルミニウム又はアルミニウム合金をめっきしためっき鋼板であると、アルミニウム系材１４と同種の金属が鋼材１３の表面に被覆されていることになるため、アルミニウム系材１４と鋼材１３との間の親和性が高くなり、より強度が高い接合体が得られる。

ところで、被接合材である溶融アルミニウムめっき鋼板のめっき層組成が接合界面のＡｌ−Ｆｅ二元合金層の生成に大きな影響を及ぼす。即ち、Ｓｉ：３〜１５質量％、Ｆｅ：０．５〜５質量％を含む溶融アルミニウムめっき層が形成されている溶融アルミニウムめっき鋼板をアルミニウム材料と抵抗スポット溶接で接合する場合、合金層消失域のある接合界面が形成され、接合強度が向上する。ここでいうＳｉ、Ｆｅの含有量は、下地鋼／溶融アルミニウムめっき層の界面に形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系合金層を含まない値である。

鋼材１３表面の溶融アルミニウムめっき層のＳｉ，Ｆｅ濃度がＡｌ−Ｆｅ二元合金層の生成に及ぼす影響は、次のように推察される。

Ａｌ−Ｆｅ二元合金層は、スポット溶接時の高温過熱で生成した溶融Ａｌに溶け込んだＦｅが冷却過程で再析出した結果である。溶融Ａｌに対するＦｅの溶け込み量は、下地鋼／めっき層のＦｅの濃度勾配に影響され、濃度勾配が大きいほど、換言すれば、めっき層のＦｅ濃度が低いほど多くなる。溶出したＦｅは、拡散係数が比較的小さいことから下地鋼の近傍に存在し、冷却過程で多量のＡｌ−Ｆｅ二元合金層となって接合界面に再析出する。そこで、めっき層のＦｅ濃度を予め高くしておくと、下地鋼５からめっき層に溶け込むＦｅが少なくなり、結果としてＡｌ−Ｆｅ二元合金層の生成が抑えられる。

めっき層のＦｅ濃度が０．５質量％以上になると、電極の中心部ではＡｌ−Ｆｅ２元合金層が生成するものの、中心部に比較して投入熱量の少ない電極の周辺部ではＦｅの溶け込みが抑えられ、合金層消失域が形成される。しかし、Ｆｅ濃度が５質量％を超えると、接合強度向上効果が得られない。

めっき層に含まれるＳｉは、Ｆｅに比較して拡散係数が大きく、スポット溶接時の高温過熱でｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層から溶融Ａｌに容易に移行し、めっき層の全体に分散される。そこで、めっき層のＳｉ濃度を３〜１５質量％と高めに設定することにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元合金層から溶融ＡｌへのＳｉ拡散を遅延させ、接合界面を除く箇所で下地鋼に対するめっき層の密着性を確保する。また、Ｓｉ濃度の増加に応じてＡｌ−Ｆｅ二元合金層が減少する傾向がみられ、結果として接合強度も向上する。なお、めっき層中のＳｉ濃度は１５％を超えると、めっき浴浸漬後の凝固過程で粗大なＳｉが析出するため、めっき層自体の加工性が低下し、加工部材への適用が困難になる。このため、めっき層中のＳｉは１５質量％以下とする。また、めっき鋼板自体の加工性には、めっき層厚さも大きく影響し、膜厚：５〜８０μｍの範囲とすることが好ましい。その他、Ａｌ−Ｆｅの相互拡散反応に大きな影響を及ぼさないＴｉ、Ｓｒ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ等の元素は、スポット溶接以外の特性向上が必要な場合に、適宜含有することができる。

下地鋼から溶融ＡｌへのＦｅ拡散は、下地鋼／めっき層界面にＦｅ拡散防止層を形成することによっても抑えられる。Ｆｅ拡散防止層としては、本願出願人が開発したブレージング用アルミニウムめっき鋼板におけるＮ濃縮層が有効である。Ｎ濃縮層によって下地鋼から溶融Ａｌに溶けこむＦｅが少なくなるので、接合界面に生成する脆弱なＡｌ−Ｆｅ二元合金層がいっそう減少し、接合強度の高い接合構造体が得られる。

Ｎ：０．００２〜０．０２０質量％を含む鋼板めっき原板として、溶融アルミニウムめっきした後、特定条件下で加熱処理すると、溶融めっき時に生成した合金層と下地鋼との界面にＮ濃縮層が生成する。この濃縮層の存在によって、Ａｌ−Ｆｅの相互拡散が著しく抑制され、鋼／アルミニウムの接合構造体として好適な溶融アルミニウムめっき鋼板が得られる。Ａｌ−Ｆｅの相互拡散抑制作用は、Ｎ濃縮層のＮ濃度が高いほどＡｌ−Ｆｅの拡散抑制作用が得られるので、濃縮層のＮ濃度が３．０原子量％以上であることが好ましい。また、溶融めっき後の熱処理条件が一定の場合、下地鋼のＮ含有量が多くなるほどＡｌ−Ｆｅの相互拡散抑制作用は向上する。しかし、０．０２質量％を超える過剰量のＮを含む場合、めっき鋼板自体の製造製が低下する。

鋼材に亜鉛又は亜鉛合金を被覆しためっき鋼板を、アルミニウム又はアルミニウム合金とのスポット溶接接合体に用いた場合、通常のスポット溶接では良好な強度が得られない。しかし、本発明のパルス制御によってスポット溶接時の温度が高温まで上昇しない適切な条件を選定すれば、亜鉛又は亜鉛合金めっき層自体の融点がアルミニウム合金より低いことから、良好な接合強度を示す接合構造体を得ることが可能になる。

次に、本発明の実施例について説明して、本発明の効果を説明する。下記表１に示す厚さ１．０ｍｍのアルミニウムメッキ鋼板と厚さ１．０ｍｍのＪＩＳ６０６１Ａｌ合金板とを、いずれの板も防錆油が付着したまま使用し、溶接加圧力を２．９ｋＮとして、通電電流及び通電時間を下記表１に記載のように制御しながら、抵抗スポット溶接により接合し、異種接合体を得た。これらの溶接条件で接合した試験片における十字引張強度（ＣＴＳ）および引張剪断試験（ＴＳＳ）により破断した試験片における被溶接部の破断形態を表２に示す。また、得られた継手から図に示す引張試験片を加工し、引張剪断強度を求めた結果を表２に示す。

この表１及び表２から明らかなように、実施例１乃至６はｔ１／ｔ２が０．６乃至１０であるので、接合強度が十分に高いと共に、アルミニウムのチリ飛散も少ないものであった。これに対し、比較例１は、ｔ１／ｔ２が０．６より小さく、溶融径（ナゲット）が小さく、十分な接合強度が得られなかった。比較例２はｔ１×Ｐが１０５であるので溶融径（ナゲット）が小さく、十分な接合強度が得られなかった。比較例３，４はｔ１／ｔ２が１０を超えているので、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであった。比較例５はｔ１×Ｐが８００と高く、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであり、比較例６はパルス間電流／溶接電流が７７％と高く、同様に、アルミニウムのチリが多量であり、接合強度が低いものであった。

実施例２として、Ｃ：０．０５質量％、Ｓｉ：０．１質量％、Ｍｎ：０．２５質量％、Ｐ：０．０１２質量％、Ｓ：０．００６質量％、Ａｌ：０．００６質量％を含み残部Ｆｅからなる冷延鋼板を溶融アルミニウムめっきした。この溶融アルミニウムめっき処理では、溶融アルミニウムめっき層のＳｉ含有量を下記表３に示す値となるように調整し、厚さが２５μｍとなるように調整した。アルミニウム材には、厚さが１．０ｍｍのＪＩＳ６０６１アルミニウム合金板を使用した。

これらの被接合材に対し、溶接加圧力を２．９ｋＮとして上記実施例２の溶接条件で抵抗スポット溶接を行った。作成された構造体の接合強度を引張剪断試験及び十字引張試験で測定した。表３の試験結果にみるように、溶融アルミニウムめっき層のＳｉ、Ｆｅ濃度が適正範囲（Ｓｉ：３〜１５質量％、Ｆｅ：０．５〜５質量％）に維持されると、引張剪断強度：２．６ｋＮ以上、十字引張強度１．３ｋＮ以上と高い接合強度を持つ接合構造体が得られることがわかる。

以上詳述したように、本発明によれば、アルミニウム系材と鋼材が抵抗スポット溶接によって強固に接合され、アルミニウム系材及び鋼材の長所を活かした接合構造体を得ることができ、車輌構造体、熱交換器用など、種々の構造部材に使用することができる。

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。 本発明の通電電流の波形の一例を示す図である。 従来の通電電流の波形を示す図である。 鋼材同士の抵抗スポット溶接の断面を示す断面図である。 従来の鋼材とアルミニウム系材との抵抗スポット溶接の断面を示す断面図である。

符号の説明

１、２、５：鋼材
３：ナゲット
６：アルミニウム系材
９：油剤
１０：油剤の残留（巻込み）
１１，１２：電極
１３：鋼材
１４：アルミニウム系材

Claims (4)

1. 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、インバーター式又は単相交流式の溶接電源を使用し、通電時間ｔ１が停止時間ｔ２の０．６乃至１０倍、総通電時間が１２０乃至８００ｍｓｅｃである条件で、電極間に電流をパルス状に通電することを特徴とする異材の抵抗スポット溶接方法。
2. 前記鋼材は、亜鉛又は亜鉛合金が被覆された被覆鋼板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。
3. 前記鋼材は、アルミニウム又はアルミニウム合金がめっきされためっき鋼板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。
4. 前記めっきは、Ｓｉ：３〜１５質量％、Ｆｅ：０．５〜５質量％を含む溶融アルミニウム合金めっきであることを特徴とする請求項３に記載の異材の抵抗スポット溶接方法。

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