JP5215986B2 - 異材接合継手および異材接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合強度に優れた異材接合継手および異材接合方法に関する。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車などの輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が追求されている。また、この軽量化をできるだけ阻害せずに、自動車の車体衝突時の安全性を高めることも追求されている。このため、特に、自動車の車体構造に対し、従来から使用されている鋼板などの鋼材に代わって、より軽量で、エネルギー吸収性にも優れたアルミニウム合金板などのアルミニウム合金材の適用が増加しつつある。ここで言う、アルミニウム合金板とは、アルミニウム合金の熱延板、冷延板（圧延上がりだけでなく、調質された板を含む）などの圧延板の総称である。

例えば、自動車のフード、フェンダー、ドア、ルーフ、トランクリッドなどのパネル構造体の、アウタパネル (外板) やインナパネル（内板) 等のパネルには、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ乃至ＪＩＳ６０００系 (以下、単に６０００系と言う) やＡｌ−Ｍｇ系のＡＡ乃至ＪＩＳ５０００系 (以下、単に５０００系と言う) などのアルミニウム合金板の使用が検討されている。

これらのアルミニウム合金板は、オールアルミニウムの自動車車体で無い限り、通常の自動車の車体では、元々汎用されている鋼板や型鋼などの鋼材（鋼部材）と接合して用いられる。したがって、自動車の車体にアルミニウム合金材を使用する場合（鋼材とアルミニウム合金材とを組み合わせた部材）には、これも必然的に、Ｆｅ−Ａｌの異材接合（鉄ーアルミの異種金属部材同士の接合）の必要性がある。

しかし、このＦｅ−Ａｌ異材接合を溶接により行う際の問題点として、周知の通り、互いの接合界面（以下、単に界面とも言う）における高硬度で非常に脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（反応層）の生成がある。このため、見かけ上では、互いに異材接合されてはいても、この金属間化合物層の界面での生成が原因となって、溶接によるＦｅ−Ａｌ異材接合では、異材接合継手や異材溶接接合体に、十分な接合強度が得られないことが多い。

これを反映して、従来から、これら異材接合体（異種金属部材同士の接合体）の接合には、溶接だけでなく、ボルトやリベット等、あるいは接着剤を併用した接合がなされているが、接合作業の煩雑さや接合コスト上昇等の問題がある。

そこで、従来より、Ｆｅ−Ａｌ異材接合の溶接法につき、通常の自動車の車体の鋼板同士の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接を用いることが検討されている。

このようなスポット溶接として、前記した脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層の界面での生成を抑制するために、例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている。また、鋼材側に融点の低い金属をめっきしたり、インサートしたりする方法が提案されている。更に、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法や、部材に予め凹凸を付ける方法なども提案されている。更に、アルミニウム材の不均一な酸化膜を除去した後、大気中で加熱して均一な酸化膜を形成し、アルミニウム表面の接触抵抗が高められた状態で、アルミニウム−鋼の２層の複層鋼板をインサート材に用いてスポット溶接する方法も提案されている。

一方、鋼材側でも、鋼板の高強度化のために、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌなどの酸化物を形成しやすい元素を添加すると、母材表面には、これらＳｉ、Ｍｎ、Ａｌなどを含む酸化物が生成することが公知である。そして、これらＳｉ、Ｍｎ、Ａｌなどを含む酸化物が、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性を阻害することも知られている。更に一方では、鋼板を酸洗などして、これらＳｉ、Ｍｎ、Ａｌなどを含む酸化物層の厚みを０．０５〜１μm の範囲とすれば、亜鉛めっきなどの表面被覆と鋼板との密着性および鋼板同士のスポット溶接性が向上されることも知られている（特許文献１参照）。

しかし、これらの従来技術では、通常の自動車の車体の接合に汎用されている、効率的なスポット溶接による接合条件では、溶接接合されたＦｅ−Ａｌの異材溶接接合体に、十分な接合強度が得られない。言い換えると、接合強度を得るためのスポット溶接条件が煩雑にならざるを得ず、現実的では無い。

これに対して、特に、自動車車体用として汎用される、６０００系アルミニウム合金材などと、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼板（ハイテン材）との、異材溶接接合体のスポット溶接を意図した技術も種々提案されている。

例えば、特許文献２、３では、板厚を３ｍｍ以下に制限した鋼材とアルミニウム合金材とを、鋼材を２枚以上重ね合わせるか、鋼材をアルミニウム合金材間に挟み込んだ形でスポット溶接することが提案されている。特許文献４では、スポット溶接部におけるナゲット面積や界面反応層の厚さを規定して接合強度を向上させることが提案されている。また、特許文献５、６では、溶接界面における、鋼材側とアルミニウム合金材側の、各生成化合物の組成や厚み、面積などを各々細かく規定して、接合強度を向上させることが提案されている。

更に、特許文献７では、特定組成の高強度鋼板において、鋼板表面上の既存の酸化物層を一旦除去した上で新たに生成させた外部酸化物層と、鋼生地表面直下の内部酸化物層を規定して、適切なスポット溶接条件下において、異材接合体の高い接合強度を得ることが提案されている。この特許文献７は、前記外部酸化物層と内部酸化物層とによって、スポット溶接時のＦｅ、Ａｌの拡散を抑えて、接合界面における、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制するものである。

また、特許文献８では、鉄系材料側の被接合面に、厚さ０．１〜１μｍでコーティングするか、厚さ０．０１〜１ｍｍの箔として、Ｃｕ合金層を配置し、このＣｕ合金層をスポット溶接におけるろう材として活用し、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制しようとしている。そして、このＣｕ合金層の効果を保証するために、スポット溶接により接合するに際して、アルミニウム系材料側の被接合面にフッ化物系フラックスを塗布し、アルミニウム系材料側の酸化皮膜を除去して接合することを必須としている。

特開２００２−２９４４８７号公報 特開２００７−１４４４７３号公報 特開２００７−２８３３１３号公報 特開２００６−１６７８０１号公報 特開２００６−２８９４５２号公報 特開２００７−２６０７７７号公報 特開２００６−３３６０７０号公報 特開２００４−３５１５０７号公報

これら特許文献２〜７は、共通して、アルミニウム合金材と高強度鋼板との異材溶接接合体のスポット溶接を意図し、適用条件などの制約が少なく汎用性に優れ、接合部での脆弱な金属間化合物生成を抑制して、接合強度を向上させることを目的としている。

しかし、これら特許文献２〜８でも、アルミニウム合金材と高強度鋼板との異材溶接接合体のスポット溶接に関しては、未だ接合強度が２ｋＮ未満程度で決して高くなく、不十分で、改良の余地がある。これらの従来技術では、共通して、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の過剰生成を抑制しているものの、実質量の生成が不可避である。すなわち、これらの従来技術は、共通して、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成自体を無くせてはいない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成自体を無くして、高い接合強度とできる、鋼板とアルミニウム合金板との異材接合継手および異材接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するための、本発明の異材接合継手の要旨は、アルミニウム合金板と被接合面に予めＣｕめっきが施された鋼板とを重ね合わせてスポット溶接により接合した異材接合継手であって、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された界面反応層がＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織からなり、この共晶組織における前記各相の割合として、前記界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相が７０〜９０％であるとともに、前記金属Ａｌ相が１０〜３０％であることとする。

また、上記目的を達成するための、本発明の異材接合方法の要旨は、鋼板とアルミニウム合金板とを重ね合わせてスポット溶接により接合する異材接合方法であって、前記鋼板の被接合面に予め厚さ３〜１０μｍのＣｕめっきを施した上で、加圧力：３ｋＮを超え、６ｋＮ以下、溶接電流：１８ｋＡを超え、３０ｋＡ以下、溶接時間４０〜５００ｍｓｅｃの各条件を満足するように、かつフラックスを用いずにスポット溶接し、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織とし、この共晶組織における前記各相の割合として、前記界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相を７０〜９０％とするとともに、前記金属Ａｌ相を１０〜３０％としたことである。

ここで、本発明の前記界面反応層は、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織のみからなるだけではなく、この共晶組織の残部に、あるいは、この共晶組織以外に、他の金属間化合物相や金属相を含んでも良い。ただ、本発明の前記界面反応層あるいは共晶組織は、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との前記面積率の規定からして、他の金属間化合物相や金属相とともに、特に、前記有害なＦｅとＡｌとの金属間化合物を規制した組織である。すなわち、本発明の前記界面反応層は、前記共晶組織の残部として、前記有害なＦｅとＡｌとの金属間化合物を、僅かな量含むか、または全く含まない。

本発明者は、鉄系材料側の被接合面にＣｕ合金層を配置した前記特許文献８において、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を依然として抑制できない理由につき、改めて調査した。この結果、前記Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制することができ、接合強度に優れた異材接合継手を得られる、新規な界面反応層組織（組成）があり、この界面反応層組成が得られるスポット溶接条件が、今までのスポット溶接条件の外に別途あることを知見した。

すなわち、鉄系材料側の被接合面に純Ｃｕめっきを配置した場合、前記特別なスポット溶接条件で溶接すれば、スポット溶接によって形成された異材同士の界面反応層において、通常とは全く異なる、前記本発明で規定する新規な界面反応層組織が得られることを知見した。このような新規な界面反応層組織では、前記Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成が抑制されており、接合強度に優れた異材接合継手を得られる。言い換えると、鉄系材料側の被接合面にＣｕ合金層を配置しても、あるいは純Ｃｕめっきを配置しても、前記特許文献８に記載されたスポット溶接条件の範囲で溶接した場合には、前記本発明で規定する新規な界面反応層組織とはならず、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制することができない。

本発明によれば、鋼板側の被接合面に予めＣｕめっきを施した上で、加圧力や溶接電流を高くし、溶接時間を短くした特別な条件を満足するように、かつ、フラックスを用いずにスポット溶接することで、形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とする。これによって、この界面反応層の残りがＦｅとＡｌとの金属間化合物であるか、または、この界面反応層にＦｅとＡｌとの金属間化合物を有さないものとすることができ、接合強度に優れた異材接合継手を得られる。

本発明異材接合継手の界面組織を示す図面代用写真である。 図１における界面組織の各部位における組成を示す説明図である。

（界面組織）
図１は、後述する実施例において、ハイテン鋼板と高強度６０００系アルミニウム合金板とのスポット溶接による重ね合わせ継手のナゲットの板厚方向断面を、後述する実施例の通り、ＳＥＭの反射電子像にて組織観察したもので、表４の発明例１（溶接条件は表３のｇ）である。

この図１において、図の上側の平坦部と不定形の凹み（クレータ）とが混在する白っぽい密な部分がハイテン鋼板の領域である。そして、図の下側の根っこ状に下方に向かって枝分かれしている白っぽい粗な部分が６０００系アルミニウム合金板の領域である。

一方、これらの領域の中間の（図１の中間部分の）領域においては、白っぽい畝状（峰状）の部分と、これら白っぽい畝状の部分に挟まれた黒く細長い谷状（溝状）の部分とが、層状（地層状）あるいは縞模様状に折り重なっている（重なり合っている）。

この中間の領域の組織が本発明で規定する界面反応層の組織であって、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された、ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織からなる界面反応層である。すなわち、この界面反応層は、スポット溶接による溶融後の冷却の過程で晶出（凝固）した二つの固相（ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相）が前記図１のように規則的に（層状に）混在（混合）する、材料用語で言う所謂「共晶」組織となっている。

ここで、本発明では、前記共晶組織における二つの固相「相」であるＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相とを「相」（ｐｈａｓｅ）なる用語を用いて、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の「層」とは区別して用いている。これは、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層は、界面反応層として、比較的大きな厚みと面積とを有して存在する「層」であるので、従前の言い方通り「層」（ｌａｙｅｒ）なる用語を用い、前記「相」とは、技術的に別のものとして、使い分けて表現しているからである。

本発明における、この共晶組織では、前記各相の割合として、前記界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相が７０〜９０％であるとともに、前記金属Ａｌ相が１０〜３０％である。すなわち、この共晶組織の残部に、僅かなＦｅとＡｌとの金属間化合物を含むか、またはＦｅとＡｌとの金属間化合物を分析（定量）可能な量としては含まず、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制した組織となっていることが特徴である。

図２は、図１の前記層状に折り重なっている界面反応層の４−１、４−２、４−３の番号の各部位におけるＥＤＸ分析による、Ｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕの各原子濃度（原子濃度％）での組成を示している。図１の前記界面反応層において、前記各番号が付けられている白っぽい畝状の部分は、図２の通り、４−１、４−２、４−３の各部位とも共通して、Ａｌ、Ｃｕが多くを占め、Ｆｅが著しく少ない。この事実が、前記白っぽい畝状の部分はＡｌとＣｕとの金属間化合物相からなるとともに、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制した組織となっていることを裏付けている。なお、図２において、４−１部位におけるＦｅの量が、４−２、４−３の各部位におけるＦｅの量よりも多いのは、４−１部位が鋼板組織に近く、鋼板のＦｅを検出したためであると考えられる。

また、前記層状に折り重なっている界面反応層において、白っぽい畝状の部分に挟まれた黒く細長い谷状の部分は、同じく前記ＥＤＸ分析によると、やはり、Ｆｅが著しく少なく、また、Ｃｕも著しく少ない一方で、Ａｌが多くを占めていた。この事実が、前記黒く細長い谷状の部分は金属Ａｌのみからなるとともに、Ａｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制した組織となっていることを裏付けている。

これらのことから、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された界面反応層は、白っぽい畝状の部分がＡｌとＣｕとの金属間化合物からなり、白っぽい畝状の部分に挟まれた黒く細長い部分が金属Ａｌのみからなっていることが分かる。そして、これらスポット溶接によって形成された界面反応層が、ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相とが互いに重なりあった（折り重なった）層状の組織となっていることが分かる。

そして、スポット溶接条件を変えた種々の例における、図１の界面組織の前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相（白っぽい畝状の部分）と、前記金属Ａｌ相（白っぽい畝状の部分に挟まれた黒く細長い部分）との占める面積率を各々測定した。その結果、図１の界面組織の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率として、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相が７０〜９０％であり、前記金属Ａｌ相が１０〜３０％からなる組成となる場合に、異材接合継手の接合強度が向上することを知見した。

すなわち、これら規定の平均面積率の範囲では、前記図１の共晶組織（界面反応組織）は、殆ど、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相と前記金属Ａｌ相とから構成されており、この平均面積率の残りだけ、前記共晶組織にＦｅとＡｌとの金属間化合物（層）を含むか、または、前記共晶組織に（界面反応層に）ＦｅとＡｌとの金属間化合物（層）を分析（定量）可能な量としては含まないことを意味する。

これに対して、前記共晶組織（界面反応組織）において、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物が７０％未満で、前記金属Ａｌが１０％未満となる場合には、この残りがＦｅとＡｌとの金属間化合物（層）となって、ＦｅとＡｌとの脆い金属間化合物の割合が増して、従来の界面反応組織と同様となり、継手の接合強度が低下する。言い換えると、これら規定の平均面積率未満に前記共晶組織がある場合には、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制できない。

一方、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物が９０％を超えたり、前記金属Ａｌが３０％を超えたりするような界面反応組織をつくることは、後述するＣｕめっき層の厚さやスポット溶接条件の適正化によっても中々困難であり、また、これ以上、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物や前記金属Ａｌの割合を増す必要も無い。したがって、界面反応組織の組成は前記した範囲とする。

（鋼板のＣｕめっき）
本発明では、前記鋼板の被接合面に、スポット溶接される前に、予めＣｕめっきを施す。鋼板の被接合面に予めＣｕめっきを施すことで、加圧力や溶接電流を高くし、溶接時間を短くした特別な条件のスポット溶接との組み合わせで、形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とできる。すなわち、この界面反応層の残りがＦｅとＡｌとの金属間化合物であるか、または、この界面反応層にＦｅとＡｌとの金属間化合物を有さないものとすることができ、接合強度に優れた異材接合継手を得られる。

スポット溶接は通電加熱であるが、鋼板とアルミニウム合金板とを接触させると複数での点接触になるため、一般的に、接合部（界面部）の均一な加熱が難しい。ここで、鋼板側の被接合面（表面）にＣｕめっきを施すことで、アルミニウム合金板とＣｕめっきとは、やはり点接触になるものの、Ｃｕの導電性が良いために、鋼板側が均一に発熱し、より均一な前記組成の界面反応層が得られる。

Ｃｕめっきの厚み：
このためのＣｕめっきの平均厚みは３〜１０μｍの範囲とする。このＣｕめっきの平均厚みが３μｍ未満では、アルミニウム合金板と点接触するＣｕの量が少なすぎて、前記Ｃｕの良導電性による効果が発揮されずに、鋼板側が均一に発熱せず、前記図１のような、組成が均一で薄いあるいは層状な界面反応層（スポット溶接後の界面層）が得られない。すなわち、前記特別な条件のスポット溶接との組み合わせでも、界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とできなくなり、ＦｅとＡｌとの金属間化合物が増した組成で、しかも、この金属間化合物のみの部分が現れるなど、不均一な層状界面反応層となって、接合強度が不足する。

一方、このＣｕめっきの平均厚みが１０μｍを超えると、箔などのように厚みが厚くなり、却って、前記Ｃｕの良導電性による効果が得られない。すなわち、前記特別な条件のスポット溶接との組み合わせでも、界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とできず、前記図１のような、組成が均一で薄いあるいは層状な界面反応層が得られない。すなわち、ＦｅとＡｌとの金属間化合物が増して、しかも、この金属間化合物のみの部分が現れるなど、不均一な層状界面反応層となって、接合強度が不足する。

Ｃｕめっきの組成：
本発明におけるＣｕめっきは、界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とするための原材料でもあり、前記Ｃｕの良導電性による効果を発揮させるためにも、Ｃｕめっきの組成は好ましくは純Ｃｕ（純銅）めっきとする。すなわち、前記特許文献８に記載されたような、第三の元素を多く含むＣｕ合金とした場合には、却って、アルミニウム合金板と点接触するＣｕ合金めっきの導電性が低下して、界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とできにくくなる。

前記特許文献８に記載されたスポット溶接では、記載されているように、鉄系材料の被接合面にコーティングされたＣｕ合金自体が、ろう材となって界面反応層を形成し、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層の形成を抑制する。このために、前記特許文献８では、界面反応層の組成と継ぎ手の接合強度とが、このコーティングされたＣｕ合金層によって大きく支配される。

それゆえ、前記特許文献８で鉄系材料の被接合面にコーティングするのは、強度が低い純Ｃｕではなく、Ｃｕを主成分とし、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、ＴｉおよびＺｒよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有する、強度が高いＣｕ合金としている。例えば、ＡｌおよびＦｅの合計添加量は３０質量％以下の多量である。また、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉなどのＣｕ合金層への合計添加量も３０質量％以下の多量である。

しかし、本発明におけるＣｕめっきでは、前記した通り、純Ｃｕのめっきが好ましく、これらの合金元素は全て不要であり、合金元素の含有量は少ないほど好ましく、Ｃｕめっきにおけるこれらの元素全ての合計含有量で５質量％以下（０％を含む）とする。因みに、本発明におけるＣｕめっきは、常法による浸漬あるいは電気メッキ、または真空蒸着などの公知の、常法によるめっき方法によって鋼板の被接合面に形成することができる。

Ｃｕめっきは、アルミニウム合金板との接合面となる、鋼板の被接合面（一面あるいは片面）に施されていることが必要であるが、もう一方の面（両面）に施されている必要は必ずしもない。ただ、鋼板をめっき液に浸漬してめっきするなど、鋼板の片面だけにめっきするのが困難であれば、両面にめっきしても良く、また、必要であれば、もう一方の面（両面）に亜鉛めっきなどの他のめっきや塗装を適宜施しても良い。

（スポット溶接条件）
本発明におけるスポット溶接条件も、前記鋼板の接合面に予め施すＣｕめっき層との組み合わせで、形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とするために重要である。すなわち、この界面反応層の残りがＦｅとＡｌとの金属間化合物であるか、または、この界面反応層にＦｅとＡｌとの金属間化合物を有さないものとすることができ、接合強度に優れた異材接合継手を得るために重要である。

本発明におけるスポット溶接条件は、常法や特許文献８のスポット溶接条件とは異なり、加圧力や溶接電流を高くし、溶接時間を短くした特別な条件とする。具体的には、加圧力：３ｋＮを超え、６ｋＮ以下、溶接電流：１８ｋＡを超え、３０ｋＡ以下、溶接時間４０〜５００ｍｓｅｃの各条件を全て満足するとともに、フラックスを用いないものとする。このような条件のスポット溶接には汎用のスポット溶接装置が使用できる。

前記範囲を外れて、加圧力が低すぎると、鋼板（Ｃｕめっき）とアルミニウム合金板との接触点が少ないため、スポット溶接時の界面反応が不均一になり、界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とできず、前記図１のような、組成が均一で薄いあるいは層状な界面反応層が得られない。すなわち、ＦｅとＡｌとの金属間化合物が増して、しかも、この金属間化合物のみの部分が現れるなど、不均一な層状界面反応層となって、接合強度が不足する。一方、加圧力が高すぎると、スポット溶接時に溶解部がナゲットから飛散するため、接合強度が不足する。

前記範囲を外れて、溶接電流が低すぎたり、溶接時間が短すぎたり、あるいは逆に長すぎたりしても、スポット溶接時の界面反応が不足して、ナゲットが十分に形成されたとしても、界面反応層を、前記したＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなり、前記ＦｅとＡｌとの金属間化合物を含まないような組成とはできないため、やはり接合強度が不足する。

一方、溶接電流を前記範囲を外れて高くしたり、溶接時間を前記範囲を外れて長くする、大電流あるいは長時間のスポット溶接では、界面反応が進みすぎて、却って形成された界面反応層を前記ＦｅとＡｌとの金属間化合物を含まない組成とはできずに、接合強度が不足する。

因みに、前記特許文献８では、好ましいスポット溶接条件として、溶接電流が８〜１８ｋＡ、加圧力が１．５〜３ｋＮ、溶接時間は１ｓ以下としている。そして、加圧力が３ｋＮを超えると、元素の拡散が助長されて、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物が大量に形成されるため、良好な継手が得られないとしている。また、溶接時間が１ｓを超えると、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物の成長が助長されて良好な継手が得られないとしている。したがって、本発明のように形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとからなる組成とすることの有用性については認識しておらず、また、本発明から外れた前記スポット溶接条件を採用しているがゆえに、本発明のような組成とはならない。

このように、前記特許文献８では、スポット溶接条件によって、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物の生成や成長が助長されることを認識している。しかし、このＣｕ−Ａｌ系金属間化合物の有用性については全く認識してはおらず、それどころか、逆に、有害な金属間化合物として、積極的に排除しようとしている。

本発明におけるスポット溶接接合方法では、特許文献８のようなフラックスの使用は不要であり、却って有害でもある。本発明における前記スポット溶接条件によれば、前記フッ化物系などのフラックスをアルミニウム合金板の被接合面に塗布せずとも、アルミニウム合金板の被接合面からの酸化皮膜の除去は可能である。また、前記鋼板のＣｕめっきからの溶融Ｃｕとアルミニウム合金板表面との濡れ性の改善も不要である。前記フッ化物系などのフラックスを使用すると、本発明における前記スポット溶接条件では、形成された界面反応層を本発明における前記ＦｅとＡｌとの金属間化合物を含まない前記組成と却ってできにくくなる。

（素材鋼板）
本発明異材接合継手に使用する素材鋼板について、本発明では通常の軟鋼板が使用できる。ただ、自動車部材などの軽量化と高強度が要求される用途からして、引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼板（ハイテン）を使用することが好ましい。

また、通常の軟鋼板では、高強度鋼板に比して、スポット溶接の際に、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（反応層）が形成しやすいという傾向もある。例えば、軟鋼板は、一般には低合金鋼が多く、酸化皮膜がほぼ鉄酸化物であるため、ＦｅとＡｌの拡散が容易となり、高強度鋼板に比して、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（反応層）が形成しやすい。また、軟鋼板は、高強度鋼板に比して、母材のＦｅとＡｌの拡散を抑制する効果があるＳｉ、Ｍｎの含有量が少ないために、やはりＦｅとＡｌの拡散が容易となり、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層が形成しやすい。更に、軟鋼板は、高強度鋼板に比して、鋼板の強度が低いために、板厚にもよるが、スポット溶接時の電極チップによる加圧によって、鋼板の変形が大きくなりやすく、この加圧力を大きくできずに（限界があるので）、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層が形成しやすいという傾向もある。

鋼板の成分組成：
前記高強度鋼板の成分組成としては、Ｓｉ、Ｍｎなどを所定量含む鋼板組成が好ましく、例えば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：０．１〜３．００％、Ｍｎ：０．１〜３．００％を各々含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。これに加えて、更に、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有しても良い。また、更に、このＡｌに加えて、あるいはＡｌの代わりに、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．０５〜３．００％、Ｍｏ：０．０１〜３．００％、Ｃｕ：０．０１〜３．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、の１種または２種以上を含有しても良い。なお、本発明における化学成分の単位（各元素の含有量）は、アルミニウム合金を含めて、すべて質量％である。

鋼板の板厚：
接合する鋼板の板厚ｔ1 は０．５〜５．０ｍｍの範囲から、アルミニウム材側の板厚ｔ2 に応じて選択することが好ましい。鋼板の板厚ｔ1 が０．５ｍｍ未満と薄過ぎる場合、前記自動車部材などとして必要な強度や剛性を確保できない。また、スポット溶接時の鋼材の熱変形が大きくなって、これが著しい場合には、鋼材の材料が抜け落ち、健全な溶接継ぎ手が得られなくなる。一方、鋼材の板厚ｔ1 が５．０ｍｍを越えて厚過ぎると、入熱量の制御が難しくなり、スポット溶接が困難となり、継手の異材化の利点の一つである軽量化も犠牲になる。

(アルミニウム合金板)
本発明異材接合継手に使用する素材アルミニウム合金板は、その合金の種類を特に限定するものではないが、上記鋼板の場合と同様に、自動車部材などの軽量化と高強度が要求される用途からして、強度が高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも、強度が高く、この種構造用材として汎用されている、ＡＡ（あるいはＪＩＳ）６０００系、７０００系、あるいは５０００系などのアルミニウム合金板の使用が最適である。

使用するアルミニウム合金板の板厚ｔ2 は好ましくは０．５〜４．０ｍｍの範囲とする。アルミニウム合金板の板厚ｔ2 が０．５ｍｍ未満と薄過ぎる場合、構造材料としての強度が不足して不適切である。また、溶融溶接時のアルミニウム材の熱変形が大きくなって、これが著しい場合には、アルミニウム材の材料が抜け落ち、健全な溶接継ぎ手が得られなくなる。一方、アルミニウム材の板厚ｔ2 が４．０ｍｍを越えて厚過ぎる場合は、異材継手の利点の一つである軽量化が犠牲になる。その上、適正な厚みの界面反応層の生成に要する入熱量の制御が難しくなる。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。

板厚が１．２ｍｍである９８０ＭＰａ級ハイテン鋼板と、板厚が１．０ｍｍで０．２％耐力が２５０ＭＰａ以上の６０００系アルミニウム合金板とを重ね合わせ、フラックスを用いずにスポット溶接して、異材接合継手を製作し、組織や性能を調査、評価した。

より具体的には、表１に示す成分組成の鋼板と、表２に示す成分組成のアルミニウム合金板とを、ＪＩＳ Ａ ３１３７記載の十字引張試験片形状に加工して重ね合わせ、表３に示すａ〜ｎの各条件でスポット溶接を行い、異材接合した。ここで、後述する表４に示す剥離強度から評価される通り、表３に示すａ〜ｆ、ｌ〜ｎは、加圧力、溶接電流、溶接時間のいずれかが適切な範囲から外れる不適切なスポット溶接条件、ｇ〜ｋは適切なスポット溶接条件である。

鋼板とアルミニウム合金板とは、共に前記十字引張試験片形状（５０ｍｍ幅×１５０ｍｍ長さの大きさ）に加工し、互いに重ね合わせた上で、重ね合わせた中央部を幅方向にスポット溶接した。スポット溶接は、共通して、単層整流式抵抗スポット溶接機（容量９０KVA)を用い、表３に示す加圧力、溶接電流、溶接時間の各１点当たりの条件にて、１０点のスポット溶接を行った。この際、共通して、Ｃｕ−Ｃｒ合金からなるドーム型の電極を用い、正極をアルミニウム材、負極を鋼材とした。

前記鋼板の被接合面には、スポット溶接される前に、予め純Ｃｕめっきを共通して５μｍ施した。なお、被接合面に純Ｃｕめっきを施していない鋼板も比較のために試験した。

（界面反応層の厚さと形成範囲）
このようにして製作した各異材接合継手の、界面反応層の厚さと形成範囲とを測定した。これらの結果も表４に示す。界面反応層の板厚方向の厚さ測定は、各スポット溶接部の中央にて板厚方向に切断し、樹脂に埋め込んで研磨をし、スポット溶接部全体に渡り０．５ｍｍ間隔でのＳＥＭ（反射電子像）による観察を行った。界面反応層の厚さが１μｍ以上の場合は３０００倍の視野にて、１μｍ未満の場合は１００００倍の視野にて測定し、各スポット溶接部ごとに平均値を求め、これらを前記１０箇所のスポット溶接部で平均化した値を界面反応層の平均厚みとした。この結果を表４に示す。

更に、このＳＥＭ観察の際に、界面反応層をＥＤＸにて、前記図２のように元素分析して、図１に示される各層状の組織が何であるかを判別し、界面反応層における、これらＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとの存在状態と、板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率とを求めた。すなわち、前記３０００倍のＳＥＭ（反射電子像）写真から、鋼板と界面反応層との境界に対して、界面反応層の板厚方向（図１の上下垂直方向）に幅１μｍの領域を取り、この領域における界面反応層中のＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとの各々の面積を求めた。そして、この各々の面積を前記各間隔での各観察結果で平均化し、界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率（％）を求めた。この結果を表４に示すが、これらの残りが、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物と見なして、表４には、これらの平均面積率も記載する。

これら製作した各継手を引張り試験機で十字引張試験を行い、剥離強度（最大荷重）を求めた。これらの結果も表５に示す。剥離強度は、Ａ６０２２アルミニウム材同士のスポット溶接接合強度＝１．０ｋＮを参考にして、２．０ｋＮ以上であれば○、２．０ｋＮ未満であれば×とした。

表４から明らかな通り、発明例の異材接合継手は、鋼板の被接合面に予め適切な純Ｃｕめっきが施されており、前記適切な条件でスポット溶接されている。この結果、形成された界面反応層が、この界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で７０〜９０％のＡｌとＣｕとの金属間化合物と、前記平均面積率で１０〜３０％の金属Ａｌとの均一な層状組織からなる。そして、この界面反応層の残りがＦｅとＡｌとの金属間化合物であるか、または、この界面反応層にＦｅとＡｌとの金属間化合物を有さない。この結果、前記発明例の異材接合継手は優れた接合強度（剥離強度）を有する。

一方、表４から明らかな通り、比較例の異材接合継手は、鋼板の被接合面の純Ｃｕめっきが無いか、前記スポット溶接条件が適切でない。この結果、形成された界面反応層が、前記所定面積範囲からなる、ＡｌとＣｕとの金属間化合物と金属Ａｌとの均一な層状組織ではない。また、この界面反応層の残りのＦｅとＡｌとの金属間化合物の量も比較的多い。この結果、前記比較例の異材接合継手は接合強度（剥離強度）が発明例に比して著しく劣っている。

言い換えると、鋼板側の被接合面に純Ｃｕめっきを予め配置しても（施しても）、表３にｇ〜ｋで示す適切なスポット溶接条件でなければ、前記本発明で規定する新規な共晶組織からなる界面反応層とはならない。この結果、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成を抑制することができず、異材接合継手の接合強度が低下することが分かる。

したがって、これらの事実から、異材接合継手の接合強度に対する、本発明の鋼板の被接合面の純Ｃｕめっきや、高加圧力、高電流、溶接短時間である、前記スポット溶接条件の臨界的な意義が裏付けられる。

本発明によれば、スポット溶接の接合界面におけるＡｌ−Ｆｅ系の脆い金属間化合物層の生成自体を無くして、高い接合強度とできる、鋼板とアルミニウム合金板との異材接合継手および異材接合方法を提供できる。このような異材接合継手および異材接合方法は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種構造部材およびその溶接方法として有用に適用できる。

Claims (3)

1. アルミニウム合金板と被接合面に予めＣｕめっきが施された鋼板とを重ね合わせてスポット溶接により接合した異材接合継手であって、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された界面反応層がＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織からなり、この共晶組織における前記各相の割合として、前記界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相が７０〜９０％であるとともに、前記金属Ａｌ相が１０〜３０％であることを特徴とする接合強度に優れた異材接合継手。
2. 前記鋼板の接合面に予め施すＣｕめっき層の平均厚みが３〜１０μｍであり、前記スポット溶接が、加圧力：３ｋＮを超え、６ｋＮ以下、溶接電流：１８ｋＡを超え、３０ｋＡ以下、溶接時間４０〜５００ｍｓｅｃの各条件を満足するとともに、フラックスを用いないものである、請求項１に記載の接合強度に優れた異材接合継手。
3. 鋼板とアルミニウム合金板とを重ね合わせてスポット溶接により接合する異材接合方法であって、前記鋼板の被接合面に予め厚さ３〜１０μｍのＣｕめっきを施した上で、加圧力：３ｋＮを超え、６ｋＮ以下、溶接電流：１８ｋＡを超え、３０ｋＡ以下、溶接時間４０〜５００ｍｓｅｃの各条件を満足するように、かつフラックスを用いずにスポット溶接し、前記鋼板とアルミニウム合金板との界面に前記スポット溶接によって形成された界面反応層をＡｌとＣｕとの金属間化合物相と金属Ａｌ相との共晶組織とし、この共晶組織における前記各相の割合として、前記界面反応層の板厚方向断面の単位面積当たりの平均面積率で、前記ＡｌとＣｕとの金属間化合物相を７０〜９０％とするとともに、前記金属Ａｌ相を１０〜３０％としたことを特徴とする、接合強度に優れた異材接合方法。

Images