JP5704798B2 - Dissimilar material joining method - Google Patents
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Description
本発明は、自動車及び鉄道車両等の構造体の製造時に、鋼材とアルミニウム又はアルミニウム合金材等の軽合金材とを接合するために使用される鋼製の異材接合用リベットと、この異材接合用リベットを使用して鋼材と軽合金材とを接合する異材接合方法と、前記異材接合用リベットを使用して接合された異材接合体とに関し、特に、軽合金材と鋼製リベットとのかしめ接合も加えた相乗効果によって、高い接合強度を得ることができる鋼材と軽合金材との異材接合用リベット、そのリベットを使用してスポット溶接する異材接合方法及びそのリベットによりスポット溶接された異材接合体に関する。 The present invention relates to a steel dissimilar material joining rivet used for joining a steel material and a light alloy material such as aluminum or aluminum alloy material when manufacturing a structure such as an automobile and a railway vehicle, and the dissimilar material joining method. The present invention relates to a dissimilar material joining method in which a steel material and a light alloy material are joined using rivets, and a dissimilar material joined body joined using the rivet for dissimilar material joining, and in particular, caulking joining between a light alloy material and a steel rivet. Rivets for joining different materials between steel and light alloy materials that can achieve high joint strength due to the added synergistic effect, a method for joining different materials by spot welding using the rivets, and a dissimilar material joint spot-welded with the rivets About.
近時、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車等の輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が図られている。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課題として盛んに研究されている。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材及びマグネシウム材等の軽合金材の適用が増加しつつある。なお、自動車の車体等に使用されるアルミニウム合金材は、圧延板材、押出材、又は鍛造材等の形態がある。また、車体等にマグネシウム材を使用する場合も増えてきているが、以下、軽合金材として代表的なアルミニウム合金材を例にとって、従来技術について説明する。 Recently, with respect to global environmental problems caused by exhaust gas and the like, fuel efficiency has been improved by reducing the weight of the body of a transport aircraft such as an automobile. In addition, increasing the safety at the time of automobile body collision without hindering the weight reduction as much as possible has been actively studied as a subject. For this reason, the use of light alloy materials such as aluminum alloy materials and magnesium materials, which are lighter in weight and superior in energy absorption, in place of steel materials that have been used in the past, is increasing, particularly for automobile body structures. It's getting on. In addition, the aluminum alloy material used for the vehicle body etc. of a vehicle has forms, such as a rolling plate material, an extrusion material, or a forging material. In addition, the use of magnesium materials for vehicle bodies and the like has been increasing, but the prior art will be described below taking a typical aluminum alloy material as an example of a light alloy material.
例えば、自動車のルーフ、フード、フェンダー、ドア、トランクリッド等の大型のパネル構造体のアウタパネル(外板)及びインナパネル（内板)等のパネルには、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡＡ又はＪＩＳ規格の６０００系(以下、単に６０００系という)と、Ａｌ−Ｍｇ系のＡＡ又はＪＩＳ規格の５０００系(以下、単に５０００系という)等のアルミニウム合金板の使用が検討されている。 For example, panels such as outer panels (outer plates) and inner panels (inner plates) of large panel structures such as automobile roofs, hoods, fenders, doors, trunk lids, etc. are made of Al-Mg-Si AA or JIS. The use of aluminum alloy plates such as the standard 6000 series (hereinafter simply referred to as 6000 series) and Al-Mg based AA or JIS standard 5000 series (hereinafter simply referred to as 5000 series) has been studied.
また、自動車の車体衝突時の安全性を確保するため、バンパ補強材（バンパリインフォースメント、バンパアマチャアともいう）及びドア補強材（ドアガードバー、ドアビームともいう）等のエネルギー吸収作用を有する補強材としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系のＡＡ又はＪＩＳ規格で７０００系(以下、単に７０００系という)のアルミニウム合金材と、６０００系合金等のアルミニウム合金押出形材とが使用されている。更に、サスペンションアーム等の自動車の足回り部品には、前記６０００系合金のアルミニウム合金鍛造材が使用されている。 In addition, as a reinforcing material having an energy absorbing action such as a bumper reinforcing material (also called bumper reinforcement or a bumper armchair) and a door reinforcing material (also called a door guard bar or a door beam) in order to ensure safety at the time of a vehicle body collision. Al-Zn-Mg type AA or JIS standard 7000 series (hereinafter simply referred to as 7000 series) aluminum alloy materials and aluminum alloy extruded shapes such as 6000 series alloys are used. Furthermore, the aluminum alloy forging material of the 6000 series alloy is used for automobile undercarriage parts such as suspension arms.
これらのアルミニウム合金材は、車体の全ての部分をアルミニウム合金材で構成しない限り、通常の自動車の車体では、元々汎用されている鋼板又は型鋼等の鋼材（鋼部材）と組み合わせて使用する必要があり、必然的に、アルミニウム合金材と鋼材とを接合する必要がある。従って、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車体）には、鋼材とアルミニウム合金材との異種金属同士の接合（異材接合）が必要となる。 These aluminum alloy materials must be used in combination with steel materials (steel members) such as steel plates or mold steels that are generally used in ordinary automobile bodies unless all parts of the vehicle body are made of aluminum alloy materials. Inevitably, it is necessary to join an aluminum alloy material and a steel material. Accordingly, when an aluminum alloy material is used for a vehicle body (a vehicle body in which a steel material and an aluminum alloy material are combined), joining of dissimilar metals between the steel material and the aluminum alloy material (dissimilar material joining) is required.
しかし、この鋼材とアルミニウム合金材との異材接合をスポット溶接により行おうとすると、互いの接合界面において、高硬度で極めて脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物層（以下、反応層ともいう）が生成するという問題点がある。このため、見かけ上互いに接合されてはいても、得られた複合構造体は、前記金属間化合物層の生成が原因となって、十分な接合強度が得られていないことが多い。 However, when this dissimilar material joining of steel and aluminum alloy material is performed by spot welding, an intermetallic compound layer (hereinafter also referred to as a reaction layer) of Fe and Al having high hardness and extremely brittle is formed at the joint interface. There is a problem of doing. For this reason, even if they are apparently bonded to each other, the resulting composite structure often does not have sufficient bonding strength due to the formation of the intermetallic compound layer.
このため、従来から、これらの鋼材とアルミニウム合金材との異材接合には、スポット溶接だけでなく、ボルトによる接合、リベットによる接合、又は接着剤を使用した接合が併用されているが、接合作業の煩雑さ及び接合コストの上昇等の問題点がある。 For this reason, conventionally, the dissimilar material joining of these steel materials and aluminum alloy materials is not only spot welding, but also joints using bolts, joints using rivets, or joints using adhesives. There are problems such as complexity and increase in bonding cost.
いずれにしても、鋼材とアルミニウム合金材とを直接スポット溶接する限り、接合部においては、前述の脆弱な金属間化合物が生成して、溶接部の信頼性が損なわれるという問題点が生じる。このため、鋼材とアルミニウム合金材との異材接合であっても、これらの鋼材とアルミニウム合金材とを、鋼製のピンと鋼材との間のスポット溶接により接合するようにし、スポット溶接自体は、鋼−鋼の同種材同士の接合とする方法が、従来から提案されている（特許文献１、２）。特許文献１、２には、鋼製金属材料からなるピン（係止ピース）をスポット溶接部に用いて、このピンと鋼材とを鉄−鉄の同種材同士でスポット溶接し、このピンを介して、鋼材とアルミニウム合金材とを接合する方法が開示されている。
In any case, as long as the steel material and the aluminum alloy material are directly spot-welded, the above-described fragile intermetallic compound is generated at the joint, and the reliability of the weld is impaired. For this reason, even in the dissimilar joining of steel and aluminum alloy materials, these steel materials and aluminum alloy materials are joined by spot welding between steel pins and steel materials. -The method of joining the same kind material of steel is proposed conventionally (
これらの特許文献１、２は、いずれも、鋼製のピンを、スポット溶接時に、スポット溶接に使用する電極によって、アルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材内に埋め込み、更にアルミニウム合金材を貫通して鋼材と接触させている。そして、このピンと鋼材との接触により、鋼−鋼の同種材同士で互いにスポット溶接し、アルミニウム−鋼の異材同士はスポット溶接せずに、このピンを介して、鋼材とアルミニウム合金材とを間接的に接合している。
In these
なお、特許文献２には、アルミニウム系金属材料又は鋼製金属材料の双方又は一方に予め穴を開けておかなくとも、ピンの接合が可能であると記載されている。即ち、前記電極の加圧力のみにて、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、貫通させている。また、特許文献１も、前記電極からピンに通電して、アルミニウム合金材を発熱溶融させて孔をあけ、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、貫通させており、アルミニウム系金属材料及び鉄系金属材料の双方又は一方に予め穴を開けておかなくともよいようになっている。
In
上述の特許文献１、２に記載の異材接合方法は、ピンと鋼材との鋼−鋼の同種材同士でスポット溶接する点で、従前のように、アルミニウム−鋼の異材同士を直接スポット溶接する必要がなく、接合部での脆弱な金属間化合物生成の問題を解決できるという利点がある。
The dissimilar material joining method described in
しかし、これらの特許文献１、２の技術は実用化が困難であり、現実に実用化されていない。その理由は、高度な効率化が要求される自動車車体組み立ての際のスポット溶接工程では、鋼製金属材料からなるピン（係止ピース）を、効率的にスポット溶接部に適用することができないためである。より具体的に説明すると、これらの特許文献１、２において、前記ピンと鋼材とを接触させて、鋼−鋼の同種材同士で互いにスポット溶接するためには、前記鋼製ピンを、スポット溶接時に、アルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材内に埋め込み、かつ鋼材側に貫通させる必要がある。
However, these techniques of
しかし、特許文献２は、前述のとおり、スポット溶接に使用する電極の加圧力のみにて、前記ピンをアルミニウム合金材側から押圧して、アルミニウム合金材に埋め込もうとしているため、電極の損傷が激しくなる。アルミニウム合金材が薄板であっても、また、前記ピンが高強度であり、先端形状が先鋭となっていても、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込み、かつ貫通させて鋼材側と接触させるためには、かなり大きな加圧力が必要となる。スポット溶接自体に要求される利点として、スポット溶接電極には導電性と耐久性（長寿命）とが要求され、このため、スポット溶接電極は、Ｃｕ−Ｃｒ合金からなるドーム型のもの等が汎用されている。しかし、特許文献２に記載の技術は、このスポット溶接電極の損傷を著しく速めるため、スポット溶接自体に要求される利点を損なってしまうという致命的な問題点を有する。また、前記ピンの形状及び太さにもよるが、前記鉄系ピンをアルミニウム合金材に押し込む（埋め込む）際のアルミニウム合金材の割れ発生の可能性も否定できず、信頼性が無い。
However, as described above, since
また、前記電極からピンに通電して、アルミニウム合金材を発熱溶融させて孔をあけ、前記ピンをアルミニウム合金材に埋め込んでいる特許文献１の技術においても、溶接条件にも勿論依存するが、アルミニウム合金材を溶融させるためには、比較的大きなスポット溶接電流とならざるを得ない。このため、アルミニウム合金材の発熱溶融部が、前記ピンを埋め込むような局所的な部位にとどまらず、比較的広範囲となり、かつその周辺のＨＡＺ（熱影響部）もまた大きくなる。この結果、アルミニウム合金材が薄板となるほど、その発熱溶融部及びＨＡＺの強度低下が大きくなるという致命的な問題点を有する。
Also, in the technique of
しかも、これらの特許文献１、２に記載の技術は、多打点を行うスポット溶接中に、逐次、電極先端に前記ピンを供給する必要があるという致命的な欠陥がある。即ち、現状のスポット溶接ラインにおいては、そのような設備又は装置もなく、また構造にもなっていない。このため、高効率にて溶接中の自動溶接ロボットによる自動車車体組み立てラインにおいて、スポット溶接電極先端に前記ピンをどのようにして、連続的かつ短時間で、供給し続けていくのかという極めて現実的な問題がある。特許文献１、２には、その手段の具体的な開示が無く、また、そのような具体的な手段を設置することは、到底容易なことではない。そして、そのような手段が無いがゆえに、また、例え、仮にあってとしても、かなり複雑で煩雑な装置とならざるを得ないだけに、これらの特許文献１、２に記載の技術を現実に採用することは極めて困難である。
In addition, the techniques described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ＦｅとＡｌとの脆弱な金属間化合物層が形成されることなく、高強度の異材接合が可能であり、しかも、スポット溶接電極によりリベットをアルミニウム合金材に押し込み、アルミニウム合金材を貫通させる必要がなく、また、リベットに通電してアルミニウム合金材を発熱溶融させて孔を開ける必要がなく、鋼材と軽合金材とを異材接合することができる異材接合用リベット、異材接合方法及び異材接合体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and can form a high-strength dissimilar material joining without forming a brittle intermetallic compound layer of Fe and Al, and by using a spot welding electrode. There is no need to push the rivet into the aluminum alloy material and penetrate the aluminum alloy material, and there is no need to energize the rivet to heat and melt the aluminum alloy material to open a hole. An object of the present invention is to provide a rivet for joining different materials, a method for joining different materials, and a joined product of different materials.
また、本発明の第１及び第２の異材接合用リベットにおいて、前記軸部の先端面は、円錐状に中央部が盛り上がり、円錐状突起を有するように構成し、又は前記軸部の先端面は、縦断面が楕円状になるように盛り上がっているように構成することができる。 Also, in the first and second dissimilar material rivets of the present invention, the tip end surface of the shaft portion is configured to have a conical protrusion at the center and a conical protrusion, or the tip end surface of the shaft portion Can be configured to rise so that the longitudinal section is elliptical.
本発明に係る異材接合方法は、
鋼製の異材接合用リベットを使用して鋼材と軽合金材とを接合する異材接合方法において、
前記リベットは、
前記軽合金材を打ち抜くことにより前記軽合金材内に挿通するように設けられた軸部と、前記軽合金材を挿通せずにその表面上に残る板状の頭部とを有し、前記頭部はその前記軽合金材に重なる面に、前記軸部を取り囲むように形成された溝と、この溝を取り囲むように形成された平坦部とを有し、前記軸部の先端面はその周縁部よりも内側部分が盛り上がっているものであり、
ポンチと支持台との間に前記異材接合用リベットと前記軽合金材とをこの順序で配置し、
前記ポンチによって前記異材接合用リベットをその軸部の先端側から前記軽合金材に打ち込んで前記頭部を前記軽合金材表面に残すと共に前記軸部先端を前記軽合金材の下面から露出させ、前記頭部の前記平坦部と前記支持台との間に挟まれた前記軽合金材の部分を押圧して前記頭部の溝内に塑性流動させることにより、前記軽合金材の前記リベット頭部側の面を、前記溝内の部分がそれ以外の部分よりも前記リベット頭部側に突出するようにして、前記リベットを前記軽合金材にかしめ固定する工程と、
前記異材接合用リベットの前記頭部と前記鋼材とを１対の電極で挟み、前記電極を前記異材接合用リベット及び前記鋼材に向けて加圧しつつ前記電極に通電することにより、前記リベットの前記軸部と前記鋼材とをスポット溶接する工程と、を有することを特徴とする。
The dissimilar material joining method according to the present invention is:
In the dissimilar material joining method of joining steel and light alloy materials using steel rivets for dissimilar materials joining,
The rivet is
A shaft portion provided so as to be inserted into the light alloy material by punching the light alloy material, and a plate-shaped head portion which remains on the surface without inserting the light alloy material, The head has a groove formed so as to surround the shaft portion and a flat portion formed so as to surround the groove on a surface overlapping the light alloy material, and a tip surface of the shaft portion is The inner part is raised from the peripheral part,
The dissimilar material joining rivet and the light alloy material are arranged in this order between the punch and the support base,
The shaft tip is exposed from the lower surface of the light metal product with remaining to the head dedicated to the light metal of the dissimilar materials bonded rivet from the front end side of the shaft section into the light metal surface by said punch by Rukoto is 塑 fluidizing the portion of the light metal sandwiched in the groove of the press to the head between the support base and the flat portion of the head, the said light metal product Caulking and fixing the rivet to the light alloy material such that the surface on the rivet head side protrudes to the rivet head side from the other part in the groove ;
By the dissimilar sandwiched between the head and the steel product and a pair of electrodes of the joining rivet, energizing the electrode while pressing towards the electrode on the dissimilar materials bonded rivet and the steel product, the said rivet And a step of spot welding the shaft portion and the steel material.
この本発明に係る異材接合方法において、例えば、
前記かしめ工程は、前記軽合金材のプレス成形工程で、同時に、前記異材接合用リベットの前記頭部を前記軽合金材表面に残し、前記軸部を前記軽合金材に打ち抜いて行い、
前記スポット溶接する工程では、前記異材接合用リベットが打ち込まれた前記軽合金材をスポット溶接装置に搬入して前記鋼材とスポット溶接するものである。
また、例えば、前記軸部はその前記頭部側の基端から先端側に向けて横断面積が大きくなっている。そして、例えば、前記軸部の先端面は、円錐状に中央部が盛り上がり、円錐状突起を有するか、又は前記軸部の先端面は、縦断面が楕円状になるように盛り上がっている。
In the dissimilar material joining method according to the present invention, for example,
The caulking step is a press molding step of the light alloy material, and at the same time , the head of the dissimilar material joining rivet is left on the surface of the light alloy material, and the shaft portion is punched into the light alloy material ,
Wherein in the step of spot welding, in which it said steel and spot welded to carry the light metal product to the dissimilar bonding rivet is driven into a spot welding device.
In addition, for example, the shaft portion has a larger cross-sectional area from the proximal end on the head side toward the distal end side. For example, the tip surface of the shaft portion is conically shaped so that the central portion is raised and has a conical protrusion, or the tip surface of the shaft portion is raised so that the longitudinal section is elliptical.
本発明によれば、異材接合用リベットの軸部が、その頭部側の基端から先端側に向けて横断面積が大きくなっており（第１の異材接合用リベット）、又は頭部がその軽合金材に重なる面に、軸部を取り囲むように溝が形成されている（第２の異材接合用リベット）ので、この異材接合用リベットを軽合金材に打ち込むと、異材接合用リベットはこの軽合金材にかしめ固定される。このリベットの打ち込みは、スポット溶接用電極を使用して打ち込むのではなく、スポット溶接工程とは別の工程で行う。例えば、軽合金材としてのアルミニウム合金材のプレス工程等において、アルミニウム合金材をプレス成形する際に、リベットをアルミニウム合金材内に打ち込むことができる。 According to the present invention, the shaft part of the rivet for dissimilar material joining has a cross-sectional area that increases from the proximal end on the head side toward the distal end side (first rivet for dissimilar material joining), or the head part thereof Since a groove is formed on the surface overlapping the light alloy material so as to surround the shaft portion (second dissimilar material joining rivet), when this dissimilar material joining rivet is driven into the light alloy material, the dissimilar material joining rivet becomes this It is fixed by caulking to a light alloy material. The driving of the rivet is not performed using a spot welding electrode, but is performed in a process different from the spot welding process. For example, a rivet can be driven into the aluminum alloy material when the aluminum alloy material is press-molded in a pressing step of an aluminum alloy material as a light alloy material.
その後、スポット溶接装置において、軽合金材におけるリベットの軸部先端側の面に鋼材を重ねて、前記軸部先端を前記鋼材に接触させ、リベットの頭部と鋼材とを１対の電極で挟み、電極をリベット及び鋼材に向けて加圧しつつ、電極に通電することにより、鋼製リベットと鋼材とをスポット溶接により接合することができる。このスポット溶接は、鋼−鋼の同種材同士の接合である。このため、アルミニウム合金材と鋼材との界面にＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成することはない。しかも、スポット溶接用電極によりリベットを軽合金材に打ち込む必要はないので、スポット溶接装置に格別の装置を付加する必要はなく、実施が容易である。また、電極に通電してアルミニウム合金材を局部的に溶融させることにより孔を形成する必要もない。 Thereafter, in a spot welding apparatus, a steel material is stacked on the surface of the light alloy material on the tip side of the shaft portion of the rivet, the tip of the shaft portion is brought into contact with the steel material, and the head portion of the rivet and the steel material are sandwiched between a pair of electrodes. The steel rivet and the steel material can be joined by spot welding by energizing the electrode while pressing the electrode toward the rivet and the steel material. This spot welding is the joining of the same kind of steel-steel. For this reason, an Fe—Al intermetallic compound is not generated at the interface between the aluminum alloy material and the steel material. In addition, since it is not necessary to drive the rivet into the light alloy material with the electrode for spot welding, it is not necessary to add a special device to the spot welding apparatus, and the implementation is easy. Moreover, it is not necessary to form a hole by energizing the electrode to melt the aluminum alloy material locally.
而して、プレス装置等における軽合金材へのリベットの打ち込みの後、スポット溶接装置まで軽合金材を搬送する際に、リベットが傾く可能性がある。また、スポット溶接装置において、軽合金材を鋼材上に配置したときに、このセッティングのバラツキにより、スポット溶接電極とリベットの軸心とがずれる可能性がある。このような理由により、スポット溶接電極とリベットとの間の芯ずれが生じた場合には、スポット溶接時の通電により、リベットの中心軸ではなく、端部に電流が集中する。そして、鋼材のスポット溶接において、鋼材溶融部の温度は、約１５００℃にも達するため、電流集中部（リベット端部）の近傍のアルミニウム材が容易に軟化し、その結果、継手強度が著しく低下する。 Thus, after the rivet is driven into the light alloy material in a press device or the like, the rivet may tilt when the light alloy material is conveyed to the spot welding device. Further, in a spot welding apparatus, when a light alloy material is disposed on a steel material, the spot welding electrode and the rivet axis may be misaligned due to the variation in the setting. For these reasons, when a misalignment occurs between the spot welding electrode and the rivet, current is concentrated on the end portion of the rivet, not on the central axis, due to energization during spot welding. In spot welding of steel, the temperature of the steel melted part reaches about 1500 ° C., so the aluminum material near the current concentrated part (rivet end part) is easily softened, and as a result, the joint strength is significantly reduced. To do.
しかし、本発明においては、リベットの軸部の先端面は、周縁部よりも内側部分が盛り上がっているので、リベット軸部の先端面の盛り上がり部が、スポット溶接時に鋼材に接触するため、リベットの傾き及びリベットと電極の芯ずれが生じたとしても、リベットの軸芯部分を電流が流れ、通電電流により抵抗発熱して、リベット軸部の先端面の盛り上がり部と鋼材との接触部を中心として、鋼の溶融が生じる。このため、電流がリベット軸心部ではなく周辺部を通流して、このリベット周辺部を加熱し、リベット周辺部の近傍の軽合金材の部分を溶融させてしまうことはない。 However, in the present invention, the tip surface of the shaft portion of the rivet is raised on the inner side of the peripheral portion, so the raised portion of the tip surface of the rivet shaft portion contacts the steel material during spot welding, so that the rivet shaft Even if tilt and misalignment of the rivet and electrode occur, current flows through the shaft core of the rivet, resistance heat is generated by the energizing current, and the contact portion between the raised portion of the tip surface of the rivet shaft and the steel material is the center. Steel melting occurs. For this reason, current does not flow through the peripheral portion of the rivet, but the peripheral portion of the rivet is heated and the portion of the light alloy material in the vicinity of the peripheral portion of the rivet is not melted.
このリベット周辺部は、リベットの軸部の基端側の細い部分又は頭部における軸部を取り囲むように形成された溝に近く、これらの部分に存在する軽合金材が加熱されて溶融又は軟化すると、この部分は、リベットが軽合金材にかしめ固定される部分であるため、かしめによる接合力が消失してしまう。本発明においては、リベットはその軸部先端面の中心部の盛り上がり部分で鋼材に接触するので、このリベットの周辺部に電流が集中的に流れて、リベット周辺部がもっぱら加熱されるという事態が回避されるため、リベットと軽合金材とのかしめ固定力は低下することがない。また、この軽合金材のかしめ部の溶融又は熱軟化による損傷を防止することができる。更に、スポット溶接用電極として、異材接合用リベットの頭部よりも大きなものを使用し、電極がリベット頭部の全体を覆うようにすることができ、これにより、リベットと電極との接触面積を広げることができ、また、溶接狙い位置がずれた場合の許容範囲を著しく大きくすることができる。更にまた、本発明においては、リベットの軸部の先端面が盛り上がり、突起を形成しているので、このリベット軸部先端に電極に押圧されたときに、軸部先端の電極に対する接触領域は限られたものとなり、溶接電流がこの限られた接触領域を流れやすくなる。よって、抵抗スポット溶接時に溶接電流が通過する通電点を確保しやすくなる。これにより、シリーズ溶接（一つの溶接機に電極の組み合わせが２対以上）が容易になり、一度の通電で、同時多点接合が可能となり、生産性が高まる。 The peripheral part of the rivet is close to a narrow part on the proximal end side of the shaft part of the rivet or a groove formed so as to surround the shaft part in the head part, and the light alloy material existing in these parts is heated to be melted or softened. Then, since this part is a part where the rivet is caulked and fixed to the light alloy material, the joining force due to caulking disappears. In the present invention, since the rivet comes into contact with the steel material at the raised portion at the center of the tip end surface of the shaft portion, a current flows intensively around the periphery of the rivet and the rivet periphery is heated exclusively. Since it is avoided, the caulking fixing force between the rivet and the light alloy material does not decrease. In addition, damage due to melting or thermal softening of the caulking portion of the light alloy material can be prevented. Furthermore, as the electrode for spot welding, an electrode larger than the head of the rivet for dissimilar material joining can be used so that the electrode covers the entire rivet head, thereby reducing the contact area between the rivet and the electrode. In addition, the allowable range when the welding target position is shifted can be remarkably increased. Furthermore, in the present invention, since the tip surface of the shaft portion of the rivet is raised and forms a protrusion, when the electrode is pressed against the tip of the rivet shaft portion, the contact area with the electrode at the tip of the shaft portion is limited. As a result, the welding current easily flows through this limited contact area. Therefore, it becomes easy to ensure the energization point where a welding current passes at the time of resistance spot welding. This facilitates series welding (two or more pairs of electrodes in one welder), enables simultaneous multipoint joining with a single energization, and increases productivity.
以上説明した発明の効果は、アルミニウム合金材に限らず、マグネシウム材においても同様に奏される。 The effects of the invention described above are not limited to the aluminum alloy material, but are similarly achieved in the magnesium material.
以下、添付の図面を使用して、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。なお、以下、軽合金材としてアルミニウム合金材を一例として説明するが、マグネシウム材の場合も基本的には同様の構成及び作用効果を奏する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の実施の形態に係る異材接合用リベットの形状の例を示す縦断面図である。これらのリベットは鋼製である。図１（ａ）に示すリベット１０は、円板状の頭部１１と、この頭部１１の中心と同軸的に形成された軸部１２とから構成されており、軸部１２はその頭部１１側の基端から先端側に向けて横断面積が大きくなっている。具体的には、軸部１２は円板状をなすが、その直径が先端側に向けて徐々に大きくなっている。よって、軸部１２の側面１３は頭部から離れるに従って広がっている。また、軸部１２の先端面１４、即ち、軸部１２の下面は、周縁部よりも内側部分が盛り上がっている。従って、このリベット１０は、その中心部で最も厚くなっている。先端面１４は緩やかに湾曲しているが、この湾曲の曲率及び湾曲の形状は、任意である。リベット１０の最も厚い部分が、リベット１０の軸心を含む領域となるようにすることが好ましい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, an aluminum alloy material will be described as an example of a light alloy material. However, a magnesium material basically exhibits the same configuration and operational effects. FIGS. 1A, 1B, and 1C are longitudinal sectional views showing examples of the shape of the rivet for dissimilar material bonding according to the embodiment of the present invention. These rivets are made of steel. A
一方、図１（ｂ）に示す異材接合用リベット２０は、基本的には円板状をなす頭部２１と、この頭部２１と同軸的に形成された円柱状の軸部２２とから構成されているが、軸部２２はその半径が一定であり、側面２３は頭部２１に対して垂直である。この軸部２２の先端面２４は、リベット１０と同様に、周縁部よりも内側部分が盛り上がっており、リベット１０はその中心部で最も厚くなっている。リベット２０は、頭部２１におけるアルミニウム合金材に重なる面、即ち、下面に、軸部２２を取り囲むように円周に沿って溝２５が形成されている。溝２５はその断面が台形状をなしているが、溝２５の形状は任意である。
On the other hand, the dissimilar
図１（ｃ）に示す異材接合用リベット３０は、頭部３１と軸部３２とからなり、図１（ａ）と同様に、軸部３２は先端側に向けて大径となる円柱状をなし、側面３３が末広がりになっている。また、頭部３１の軽合金材と重ねられる面には、図１（ｂ）と同様に、軸部３２を取り囲むようにして溝３５が形成されている。そして、軸部３２の先端面３４は、その中央部分が周縁部よりも盛り上がっており、リベット３０は中心部で最も厚くなっている。即ち、図１（ｃ）に示すリベット３０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すリベット１０，２０の双方の特徴的形状を有している。
The dissimilar
軸部の先端面の盛り上がり形状は、図１に示すものは、縦断面が楕円状をなすように、緩やかに湾曲していた。しかし、この先端面の盛り上がり形状は、これに限らず、内側部分が周縁部に比べて盛り上がっていればよく、種々の形状が考えられる。例えば、図２（ａ）は、軸部４２の側面４３が末広がりに傾斜していると共に、先端面４４の形状が、縦断面において、図１よりも小さな曲率半径で湾曲したものである。 The raised shape of the tip end surface of the shaft portion was gently curved so that the longitudinal cross section was an ellipse as shown in FIG. However, the rising shape of the tip surface is not limited to this, and it is sufficient that the inner portion is raised as compared with the peripheral portion, and various shapes are conceivable. For example, in FIG. 2A, the side surface 43 of the shaft portion 42 is inclined in a divergent manner, and the shape of the tip surface 44 is curved with a smaller radius of curvature than that of FIG.
図２（ｂ）は、軸部５２の側面５３が末広がりに傾斜していると共に、その先端面５４が円錐形状を有しているものである。図２（ｃ）は軸部６２の斜面６３が同様に傾斜しており、その先端面６４は、中央部分が円錐状をなし、周縁部６５が水平の平面になっている。図２（ｄ）に示す軸部７２は、その側面７３が末広がりに傾斜していると共に、その先端面７４は中央部分が水平の平面であるが、周縁部７５は縦断面で傾斜している。この先端面７４も周縁部７５が傾斜しているため、軸部７２の縁部よりも盛り上がっている。いずれの場合も、図２の各分図の下図に示すように、軸部の水平断面は円形でも良いし、楕円形でもよい。また、いずれの場合も、リベット頭部については、リベットにめっきを施す場合に、そのめっき施工性を高めるために、その上面に若干の盛り上がりを形成してもよい。このめっき施工性とは、めっき時のリベット同士の付着を防止することであり、リベットの頭部同士が付着することにより、めっき施工性が劣化する。
In FIG. 2B, the
次に、上述のリベットを使用する本発明の異材接合方法について説明する。図３はリベットの打ち込み工程を示す断面図、図４は抵抗スポット溶接工程を示す断面図である。先ず、図３（ａ）に示すように、円筒状の支持台８１の上にアルミニウム合金材１が載置され、リベット３０がこの支持台８１の上方に配置される。このリベット３０はポンチ８０によりアルミニウム合金材１に向けて打ち込まれる。リベット３０は適宜の支持装置により支持された状態でアルミニウム合金材１の上に配置することもできるが、ポンチ８０を磁力をもつ材料により製造することにより、ポンチ８０にリベット３０を磁気的に付着させてアルミニウム合金材１の上に配置することもできる。そして、図３（ｂ）に示すように、ポンチ３０を下降させて、異材接合用リベット３０をアルミニウム合金材１に押し込むと、アルミニウム合金材１における軸部３２に対応する部分が軸部３２により打ち抜かれ、この打ち抜かれた部分２が支持部材８１内に落下する。リベット３０はポンチ８０によりアルミニウム合金材１に向けて押圧されるので、頭部３１と支持台８１との間に挟まれたアルミニウム合金材１の部分が、頭部３１の軸部周囲に形成された溝３５内に塑性流動して、進入する。これにより、軸部３２がアルミニウム合金材１を貫通し、その先端面３４がアルミニウム合金材１の下面に露出する。また、頭部３１の下面の軸部３２の周囲の溝３５内にアルミニウム合金材１が入り込み、リベット３０がアルミニウム合金材１にかしめ固定される。
Next, the dissimilar material joining method of the present invention using the above-described rivet will be described. FIG. 3 is a sectional view showing a rivet driving process, and FIG. 4 is a sectional view showing a resistance spot welding process. First, as shown in FIG. 3A, the
このリベットの打ち込みは、例えば、アルミニウム合金材１のプレス成形工程（トリミング工程）にて、プレス成形と同時に行うことができる。即ち、アルミニウム合金材１をプレス成形する際に、プレスの型にポンチを設置し、又はポンチの代わりにプレス型自体を使用して、鋼製リベット３０をプレス型の下降と同時に打ち抜く。これにより、鋼製リベット３０がアルミニウム合金材１にかしめ固定され、鋼とアルミニウム合金との間が機械的に接合される。この状態で、アルミニウム合金材１が抵抗スポット溶接ラインに搬送される。リベット３０はアルミニウム合金材１にかしめ固定されているので、この搬送の過程で、落下することはない。
The rivet can be driven at the same time as the press forming in the press forming step (trimming step) of the
図４はこの抵抗スポット溶接工程を示す縦断面図である。リベット３０がかしめ固定されたアルミニウム合金材１は、抵抗スポット溶接装置に搬入され、鋼材３の上に重ねられる。このとき、スポット電極９０，９１の間に、リベット３０が位置するように、アルミニウム合金材１及び鋼材３が配置される。そして、上下の電極９０，９１を相互に接近するように駆動して、アルミニウム合金材１と鋼材３との間に挟持力を作用させ、電極９０，９１間にパルス電流を印加することにより、リベット３０と鋼材３とを抵抗スポット溶接する。このとき、リベット３０は軸部３２が貫通しているので、軸部３２の先端面３４と鋼材３とが接触する。従って、この先端面３４は、中央部分が周辺部分よりも盛り上がった形状に成形されているので、軸部３２の先端面３４はその中央部で鋼材３と接触する。よって、通電電流は、この軸部３２の先端面３４の中央部を通流して流れるので、軸部３２の軸心を中心とした領域で、リベット３０と鋼材３とが接合される。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing this resistance spot welding process. The
即ち、図６（ａ）に示すように、電極９０，９１の軸心と、リベット３０の軸心とが一致している場合は、電流は白抜き矢印にて示すように、これらの軸心を通って流れる。このため、鋼製リベット３０と鋼材３との鋼−鋼間のスポット溶接において、軸部周辺のアルミニウム合金材１が過剰に加熱されて、アルミニウム合金材１が軟化したり、溶融したりすることがなく、得られた継手の強度が低下することはない。
That is, as shown in FIG. 6A, when the axial centers of the
これは、図８（ａ）に示すように、リベット３０ａの軸部３２ａの先端面が平坦である場合も同様である。即ち、軸部３２ａの先端面が平坦であっても、軸部３２ａの軸心と、電極９０，９１の軸心とが一致している場合は、通電電流は、これらの軸心を通って流れるので、軸部３２ａの周辺のアルミニウム合金材１が過剰に加熱されて軟化したり、溶融したりすることはない。
This is the same when the tip surface of the
しかし、図８（ｂ）に示すように、リベット３０ａの位置が電極９０，９１の位置からずれて配置された場合には、リベット３０ａにおける電極９０，９１との接触位置が相対的にリベット３０ａの周縁部になり、通電電流はリベット３０ａの周縁部を通って流れる。このため、リベット３０ａの周縁部が加熱され、この周縁部に近いアルミニウム合金材１の部分が過剰に加熱されて軟化し、又は溶融する。この部分は、リベット３０ａにかしめられている部分であるので、アルミニウム合金材１の軟化又は溶融により、かしめ力が消失し、接合強度が低下する。
However, as shown in FIG. 8B, when the position of the
しかし、本発明においては、軸部の先端面は中央部が周縁部よりも盛り上がっているので、図６（ｂ）に示すように、リベット３０の軸部３２はその中心部で鋼材３に接触する。このため、白抜き矢印にて示すように、電極９０，９１間の電流は、リベット３０の軸心を通って鋼材３に流れる。よって、リベット３０と鋼材３との鋼−鋼のスポット溶接は、リベット３０の中心部で鋼が溶融して、接合されるので、リベット３０の軸部３２の周辺のかしめに寄与するアルミニウム合金材１の部分が過剰に加熱されて軟化したり、溶融したりすることがない。即ち、本発明においては、リベット３０の軸心と、電極９０，９１の軸心とがずれたとしても、電流は、リベットの軸部３２の先端面の中央部を通って流れ、低融点のアルミニウム合金材１が軟化したり溶融したりすることがない。
However, in the present invention, since the center portion of the tip surface of the shaft portion is higher than the peripheral portion, the
この抵抗スポット溶接により、本発明によれば、リベットの位置のずれが生じても、図７に示すように、溶融ナゲットは正常であり、健全な継手が得られる。即ち、アルミニウム合金材１の軟化又は溶融等の問題がなく、かしめ強度が維持されて高接合強度の異材接合体が得られる。
By this resistance spot welding, according to the present invention, even if the position of the rivet is displaced, the molten nugget is normal and a healthy joint can be obtained as shown in FIG. That is, there is no problem such as softening or melting of the
これに対し、図８（ｂ）に示すように、リベット３０ａの位置のずれにより、リベット３０ａの周縁部を電流が流れた場合には、図９に示すように、溶融ナゲットの周縁部にアルミニウム合金材の軟化又は溶融部４が形成され、接合強度が損なわれる。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when a current flows through the peripheral portion of the
なお、上述の説明は、電流が電極９０から電極９１に流れた場合のものであるが、この通電方向は、上記形態に限らないことは勿論である。
Although the above description is for a case where a current flows from the
図５（ａ）乃至（ｃ）は、夫々、図１（ａ）乃至（ｃ）に示す異材接合用リベット１０，２０，３０を使用して、上述の工程により異材接合した場合の異材接合体（継手）の形状を示す図である。図５（ａ）に示すように、軸部の側面が末広がりに傾斜している場合は、この末広がりの部分で、リベット１０がアルミニウム合金材１にかしめ固定される。
FIGS. 5 (a) to 5 (c) show different-material bonded bodies when different-material bonding is performed by the above-described steps using the different-material bonding rivets 10, 20, and 30 shown in FIGS. 1 (a) to (c), respectively. It is a figure which shows the shape of (joint). As shown in FIG. 5 (a), when the side surface of the shaft portion is inclined toward the end, the
また、図５（ｂ）に示すように、リベット２０の頭部２１に溝２５が形成されている場合は、この溝２５内にアルミニウム合金材が塑性流動して進入することにより、リベット２０がかしめ固定される。更に、図５（ｃ）に示すように、リベット３０の軸部３２が末広がりで側面が傾斜していると共に、頭部に溝が形成されている場合は、双方の作用により、リベット３０がアルミニウム合金材１にかしめ固定される。いずれの場合もリベット１０，２０，３０と鋼材３とがスポット溶接されている。
As shown in FIG. 5B, when a
このように構成された異材接合体は、アルミニウム合金材と鋼材との間の溶融接合はなく、機械的接合（かしめ）だけであるので、脆いＦｅとＡｌとの金属間化合物は生成しない。また、スポット溶接時にリベットの位置が電極位置からずれていたとしても、アルミニウム合金材の軟化及び溶融による接合力の低下は生じない。 The dissimilar material joined body configured as described above has no melt bonding between the aluminum alloy material and the steel material, but only mechanical bonding (caulking), and therefore, a brittle intermetallic compound of Fe and Al is not generated. Further, even if the position of the rivet is deviated from the electrode position during spot welding, the joining force does not decrease due to softening and melting of the aluminum alloy material.
鋼製リベット１０等は、鋼材３とのスポット溶接による接合強度を高めるためには、それなりの大きさと重量が必要である。このため、鋼製リベット１０等を使用する数に応じて、アルミニウム合金材１と鋼材３との異材接合体の重量を重くする。従って、打ち抜き工程においては、鋼製リベット１０等による重量増加を抑制する意味からも、アルミニウム合金材１と鋼材３との間の設計上又は強度上必要なスポット溶接位置（以下、所定のスポット溶接位置Ａという）以外のアルミニウム合金板の部位（位置）には、鋼製リベット１０等を埋め込む必要はない。
The
また、異材接合体の設計条件と、鋼材とアルミニウム合金材との異材同士のスポット溶接の接合強度に応じて、アルミニウム合金材１と鋼材３との間の所定のスポット溶接位置Ａの全てに、鋼製リベット１０等を埋め込む必要はない。勿論、重量軽減がそれほど厳しくない場合は、全ての所定のスポット溶接位置Ａに、鋼製リベット１０等を埋め込んでも良い。しかし、使用する鋼製リベット１０等の数と大きさによって、また所定のスポット溶接位置Ａの数によって、鋼製リベット１０等による重量増加が大きくなると、軽量化のためにアルミニウム合金材を使用した意義が失われる虞もある。このため、所定のスポット溶接位置Ａのうち、一部の位置にのみ、鋼製リベット１０等を埋め込み（打ち込み）、その他の位置には、鋼製リベット１０等を埋め込まないようにして、使用する鋼製リベット１の数を減らすことにより、鋼製リベット１０等による重量増加を抑制することもできる。鋼製リベット１０等を埋め込まない所定のスポット位置Ａにおいては、アルミニウム合金材１と鋼材３との異材同士のスポット溶接が行われる。
Further, depending on the design conditions of the dissimilar material joined body and the joint strength of spot welding between the dissimilar materials of the steel material and the aluminum alloy material, all of the predetermined spot welding positions A between the
打ち込み工程においては、図３に示すように、鋼製リベット１０等の軸部１２等はアルミニウム合金板１に埋め込まれるとともに、軸部１２等がアルミニウム合金板１を貫通し、軸部１２等の先端面が鋼材３との接合側に露出した状態で、アルミニウム合金板が鋼製リベット１０等にかしめられる。
In the driving process, as shown in FIG. 3, the
この鋼製リベット１０等の頭部１１等を上側から押圧して、リベット軸部１２等をアルミニウム合金板１に打ち込むため、上型としてのポンチ８０とアルミニウム合金板１を下側から押圧する下型としての支持台８１とで、アルミニウム合金板１に穴あけ加工（打ち抜き加工）をする。
In order to press the
そして、その後に、穴あけされた孔の周縁部のアルミニウム材料を、リベット１０の軸部１１の基部細径部内又はリベット２０，３０の溝２５，３５内に、アルミニウム合金材１側からアルミニウム合金材料を塑性流動させるために、上型（ポンチ８０）によって、引き続き、この鋼製リベット頭部１１、２１、３１を上側から押圧して、リベット軸部１２，２２，３２をアルミニウム合金材１に埋め込むと同時に、穴あけされた先端部（穴周縁部）のアルミニウム材料を下側から押圧して、鋼製リベット１０の軸部細径部内又は鋼製リベット２０、３０の溝２５，３５内に、アルミニウム合金材料を塑性流動させる。
And after that, the aluminum material of the peripheral part of the pierced hole is made into the aluminum alloy material from the
この場合に、鋼製リベット１０等のプレス成形によるアルミニウム合金材１への接合は、アルミニウム合金材１の自動車の車体構造材等への本来のプレス成形工程の中で行われても良く、また、このようなプレス成形工程とは別途に、その前後の工程、例えばアルミニウム合金板の製造工程などにて行われても良い。
In this case, the joining of the
このような、鋼製リベット１０等によるアルミニウム合金材１のかしめ作用によって、鋼製リベット１０等と鋼材３との鋼−鋼の同種材同士でのスポット溶接部に、このアルミニウム合金材１と鋼製リベット１０等とのかしめによる接合力（機械的な接合力）が更に加わることとなる。このために、これらのスポット溶接とかしめとの両接合の相乗効果によって、異材接合体としての高い接合強度を得ることができる。
By such caulking action of the
また、このようなプレス成形によって、最適プレス成形条件を選択することで、前記ピンの形状及び太さに応じて、鋼製リベットをアルミニウム合金材に押し込む（埋め込む）と共に、かしめる際に、アルミニウム合金材側の割れ発生を防止することが可能となる。 In addition, by selecting the optimum press forming conditions by such press forming, the steel rivet is pushed (embedded) into the aluminum alloy material according to the shape and thickness of the pin, and the aluminum is used when caulking. It is possible to prevent cracking on the alloy material side.
鋼材３には、アルミニウム合金材１との接合側の表面に、亜鉛又は亜鉛合金等の金属めっき皮膜、塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、及び／又は潤滑油など、通常、鋼板に施される公知の皮膜を形成することができる。これらは、単独でも良いし、また複数の皮膜を組み合わせても良い。また、単層又は複層のいずれに被覆しても良い。これらのうち、特に、有機樹脂皮膜は、電気的な絶縁皮膜として介在して、鋼−アルミニウムの異材同士の接触による腐食、即ち電食を防止する。なお、上述のごとく、鋼板の片面側（アルミニウム合金板との接合側）にのみ防食皮膜を施しても良いし、また、鋼板の両面に防食皮膜を施しても良い。また、このような皮膜は鋼製リベット１０等の表面にも施すことができ、更に、アルミニウム合金材１の表面（片面又は両面）に施しても良い。
The
本発明では、鋼製リベット１と鋼板との、鋼−鋼の同種材同士でのスポット溶接なので、有機樹脂皮膜等の電気的な絶縁皮膜及び金属めっき皮膜が、相当量の厚さ（防食に必要な皮膜厚さ）だけ、鋼材３側か鋼製リベット１０等側に存在していても、容易にスポット溶接できるという大きな利点がある。これに対して、アルミニウム−鋼との異材同士でのスポット溶接では、特に、このような有機樹脂皮膜等の電気的な絶縁皮膜がある場合には、スポット溶接ができなくなる。
In the present invention, since the
なお、スポット溶接条件は、通常の鉄−鉄の同種材同士の接合に汎用されている条件をそのまま適用できる。換言すると、本発明は、アルミ−鉄の異材接合であるにも拘わらず、通常の鋼−鋼の同種材同士のスポット接合に汎用されている条件が適用できる点が大きな利点である。このように、スポット溶接の溶接箇所毎の好ましい条件としては、電極の間の加圧力を１．０〜５．０ｋＮの範囲とすることが好ましい。また、電極間電流を５〜１５ｋＡ（好ましくは７〜８ｋＡ）の範囲とし、接合されるアルミニウム合金材部分の厚さｔ（ｍｍ）との関係で、２００×ｔ（ｍｓｅｃ）以下の時間、通電することが好ましい。 In addition, the spot welding conditions can apply the conditions currently used generally for joining the same kind of normal iron-iron materials. In other words, the present invention has a great advantage in that, although it is an aluminum-iron dissimilar material joining, the conditions commonly used for spot joining of the same kind of normal steel-steel materials can be applied. Thus, as a preferable condition for each spot of spot welding, it is preferable that the pressure between the electrodes is in the range of 1.0 to 5.0 kN. Further, the current between the electrodes is set in the range of 5 to 15 kA (preferably 7 to 8 kA), and the current is applied for a time of 200 × t (msec) or less in relation to the thickness t (mm) of the aluminum alloy material part to be joined. It is preferable to do.
本発明が対象とする鋼材は、その組成及び種類等を問わず、種々の鋼種を使用することができる。例えば、Ｓｉ、Ｍｎなどを含む引張強度が４５０ＭＰａ以上の高強度鋼材（ハイテン）も使用できる。鋼材の種類は、前述の自動車車体用に汎用される圧延薄板、又は厚板若しくは型鋼等を適宜使用できる。前述の如く、これらの鋼材には、その表面片側又は両面に、亜鉛又は亜鉛合金等の金属めっき皮膜、塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、及び／又は潤滑油など、通常、鋼材に施される公知の皮膜を、単独又は複合して組み合せて、単層又は複層に被覆することができる。 The steel material which this invention makes object can use various steel types regardless of the composition and kind. For example, a high-strength steel material (high tension) containing Si, Mn, etc. and having a tensile strength of 450 MPa or more can be used. As the type of the steel material, a rolled thin plate, a thick plate, a steel plate, or the like that is generally used for the above-described automobile body can be used as appropriate. As described above, these steel materials are usually applied to one or both surfaces of the steel materials, such as metal plating films such as zinc or zinc alloys, organic resin films such as paints, lubricants, and / or lubricating oils. These known coatings can be coated in a single layer or multiple layers, alone or in combination.
本発明で使用するアルミニウム合金材は、通常、板の製造がしやすく、ルーフパネルへの成形が容易で、強度にも優れたＡＡ乃至ＪＩＳ規格の３０００系、５０００系、６０００系等のアルミニウム合金を適宜選択して使用することができる。特に、６０００系アルミニウム合金は、自動車車体の塗装焼き付け処理条件での人工時効硬化性を有する。このため、高強度を得るのに合金元素量が少なくて済み、そのスクラップを元の６０００系アルミニウム合金の溶解原料としてリサイクルできる利点がある。アルミニウム合金材は、自動車車体の各部用途に応じて、形状を特に限定するものではなく、前述の汎用されている板材、形材、鍛造材（以上が展伸材）、鋳造材、ダイカスト材等を適宜選択することができる。 The aluminum alloy material used in the present invention is usually an AA to JIS standard 3000 series, 5000 series, 6000 series aluminum alloy that is easy to manufacture a plate, easy to form into a roof panel, and excellent in strength. Can be appropriately selected and used. In particular, the 6000 series aluminum alloy has artificial age-hardening properties under the paint baking treatment conditions of an automobile body. For this reason, there is an advantage that the amount of alloy elements is small to obtain high strength, and the scrap can be recycled as a melting raw material of the original 6000 series aluminum alloy. The aluminum alloy material is not particularly limited in shape depending on the use of each part of the automobile body, and the above-mentioned general-purpose plate material, shape material, forged material (above wrought material), cast material, die cast material, etc. Can be appropriately selected.
前述のごとく、これらのアルミニウム合金材には、その表面片側又は両面に、亜鉛又は亜鉛合金等の金属めっき皮膜、塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、及び／又は潤滑油等、通常、アルミニウム合金材に施される公知の皮膜が、単独又は複合して組み合わされて、単層又は複層にて被覆されていて良い。 As described above, these aluminum alloy materials include a metal plating film such as zinc or a zinc alloy, an organic resin film such as a paint, a lubricant, and / or a lubricating oil, usually an aluminum alloy on one or both surfaces. The well-known film | membrane applied to a material may be coat | covered with the single layer or the multiple layer combining single or composite.
なお、前述のアルミニウム製ルーフパネル等の自動車車体パネル用などとしては、優れたプレス成形性、ＢＨ性（ベークハード性）、強度、溶接性、及び耐食性等の諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金板としての組成は、質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．５％、Ｃｕ：０．００１〜１．０％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板とすることが好ましい。また、ＢＨ性をより優れさせるためには、ＳｉとＭｇとの質量比Ｓｉ／Ｍｇが１以上であるような過剰Ｓｉ型の６０００系アルミニウム合金板とすることが好ましい。 For automobile body panels such as the above-mentioned aluminum roof panels, various properties such as excellent press formability, BH property (bake hard property), strength, weldability, and corrosion resistance are required. In order to satisfy such a requirement, the composition of the 6000 series aluminum alloy plate is, in mass%, Mg: 0.4 to 1.0%, Si: 0.4 to 1.5%, Mn: 0.00. It is preferable to use an Al—Mg—Si based aluminum alloy plate containing 01 to 0.5%, Cu: 0.001 to 1.0%, with the balance being Al and inevitable impurities. In order to further improve the BH property, it is preferable to use an excess Si type 6000 series aluminum alloy plate in which the mass ratio Si / Mg between Si and Mg is 1 or more.
また、前記自動車車体補強材用の押出材等としては、優れた曲げ圧壊性及び耐食性等の諸特性が要求される。このような要求を満足するために、６０００系アルミニウム合金押出材の組成は、質量％で、Ｍｇ：０．３０〜１．０％、Ｓｉ：０．３０〜０．９５％、Ｆｅ：０．０１〜０．４０％、Ｃｕ：０．００１〜０．６５％を各々含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金とすることが好ましい。更に、前述の好ましい組成に加えて、Ｃｒ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％の１種又は２種を合計量で０．３０％以下、又はＺｎ：０．００１〜０．２５％、Ｔｉ：０．００１〜０．１０％の１種又は２種を選択的に含有させても良い。 Further, as the extruded material for the automobile body reinforcing material, various properties such as excellent bending crushability and corrosion resistance are required. In order to satisfy such requirements, the composition of the extruded material of the 6000 series aluminum alloy is, by mass, Mg: 0.30 to 1.0%, Si: 0.30 to 0.95%, Fe: 0.00. An Al—Mg—Si-based aluminum alloy containing 01 to 0.40% and Cu: 0.001 to 0.65%, respectively, the balance being made of Al and inevitable impurities is preferable. Furthermore, in addition to the above-mentioned preferable composition, Cr: 0.001 to 0.2%, Zr: 0.001 to 0.2% of one or two of the total amount is 0.30% or less, or Zn: One or two of 0.001 to 0.25% and Ti: 0.001 to 0.10% may be selectively contained.
また、鋼材及びアルミニウム合金材は、通常、板材であるが、この板材の溶接される部分の厚さ（板厚等）は、特に限定されず、自動車部材等の適用部材の必要強度及び剛性等の設計条件から適宜選択し、決定すればよい。 Moreover, although steel materials and aluminum alloy materials are usually plate materials, the thickness (plate thickness, etc.) of the welded portion of the plate materials is not particularly limited, and the required strength and rigidity, etc. of applicable members such as automobile members The design conditions may be appropriately selected and determined.
但し、自動車部材等を想定すると、実用的には鋼材の（溶接される部分の）厚さｔは０．３〜３．０ｍｍであることが好ましい。鋼材の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての必要な強度及び剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、例えば、スポット溶接による場合には、その電極チップによる加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進されてしまう。その結果、Ｆｅ−Ａｌの脆い金属間化合物が形成しやすくなる。一方、鋼材の厚さが厚すぎる場合、スポット溶接接合自体が難しくなる。 However, when an automobile member or the like is assumed, it is practically preferable that the thickness t (of the portion to be welded) of the steel material is 0.3 to 3.0 mm. When the thickness of the steel material is too thin, the necessary strength and rigidity as an automobile member cannot be ensured, which is inappropriate. In addition, in the case of spot welding, for example, due to the pressurization by the electrode tip, the steel material is greatly deformed and the oxide film is easily destroyed, and thus the reaction with aluminum is promoted. As a result, a Fe—Al brittle intermetallic compound is easily formed. On the other hand, if the thickness of the steel material is too thick, spot welding joining itself becomes difficult.
また、アルミニウム合金材の（溶接される部分の）厚さｔは、同様に自動車部材等を想定すると、０．３〜６．０ｍｍの範囲から選択される。アルミニウム合金材の厚さが薄すぎる場合、自動車部材としての強度が不足して不適切であるのに加え、十分大きな健全なナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しやすく、チリが発生しやすいため、高い接合強度が得られない可能性がある。一方、アルミニウム合金材の厚さが厚すぎる場合、鋼製リベットのかしめが困難になる。 In addition, the thickness t (of the part to be welded) of the aluminum alloy material is selected from a range of 0.3 to 6.0 mm when similarly assuming an automobile member or the like. If the thickness of the aluminum alloy material is too thin, the strength as an automobile member is insufficient and inappropriate, and a sufficiently large and healthy nugget diameter cannot be obtained. Since it is easy to generate | occur | produce, there exists a possibility that high joint strength may not be obtained. On the other hand, when the aluminum alloy material is too thick, it is difficult to caulk the steel rivets.
以上説明した各要件は、アルミニウム合金材だけでなく、軽合金材としてのマグネシウム材についても適用できる。マグネシウム材の場合には、ＪＩＳ又はＡＳＴＭに規格化された汎用されるＡＺ系合金（Ａｌ、Ｚｎ入り合金）等が好適である。また、マグネシウム材の場合も、自動車車体等の各部用途に応じて、形状を特に限定するものではなく、板材、形材、鍛造材（以上が展伸材）、鋳造材、又はダイカスト材等を適宜選択することができる。 Each requirement described above can be applied not only to an aluminum alloy material but also to a magnesium material as a light alloy material. In the case of a magnesium material, a general-purpose AZ-based alloy (Al, Zn-containing alloy) standardized by JIS or ASTM is suitable. Also, in the case of magnesium material, the shape is not particularly limited depending on the use of each part such as an automobile body, and plate material, shape material, forging material (the above is wrought material), casting material, die casting material, etc. It can be selected appropriately.
更に、本発明では、この鋼製リベットの軸部を、アルミニウム合金材のプレス成形時など、スポット溶接の前工程にて、アルミニウム合金材のスポット溶接相当位置に予め打ち込み、かしめ係合したものに鋼材を合せてスポット溶接を施す。これによって、スポット溶接時に、電極先端に鋼製リベットを供給し、更に、電極によって鋼製リベットをアルミニウム合金材に埋め込むような従来技術の非現実的な面及び限界を克服して、スポット溶接への適用条件の制約及び問題を解消し、鋼製リベットと鋼材との鋼−鋼の同種材同士でのスポット溶接を適用可能とする。 Further, according to the present invention, the shaft portion of the steel rivet is previously driven into the spot welding equivalent position of the aluminum alloy material in a pre-spot welding process such as press forming of the aluminum alloy material, and is caulked and engaged. Spot welding is performed on steel materials. In this way, during spot welding, a steel rivet is supplied to the tip of the electrode, and further, overcoming the unrealistic aspects and limitations of the prior art in which the steel rivet is embedded in the aluminum alloy material by the electrode, to the spot welding. This eliminates the restrictions and problems of the application conditions of the above, and makes it possible to apply spot welding of steel rivets and steel with the same kind of steel-steel.
これらの条件を全て満たすようなリベットの打ち込みを、実際に効率的に行うためには、金型を用いたプレス成形（好ましくは、プレストリミング加工）によって行うことが好ましい。即ち、リベット頭部を押圧するための上型と、アルミニウム合金材を反対側から押圧する下型とが必要となる。このことからも、電極によって鋼製リベットをアルミニウム合金材に単純に埋め込むような前述の従来技術では、アルミニウム合金材をかしめることができないことが明らかである。また、スポット溶接の同じ工程内では、とてもこれらの条件を全て満たすようなリベットの打ち込みができず、スポット溶接の前工程（別工程）にて予め接合しておく必要性がある。 In order to actually efficiently drive rivets that satisfy all of these conditions, it is preferable to perform press molding (preferably press trimming) using a mold. That is, an upper mold for pressing the rivet head and a lower mold for pressing the aluminum alloy material from the opposite side are required. Also from this, it is clear that the above-described conventional technique in which the steel rivet is simply embedded in the aluminum alloy material by the electrode cannot caulk the aluminum alloy material. Further, in the same process of spot welding, rivets that satisfy all these conditions cannot be driven, and it is necessary to join them in advance in the previous process (separate process) of spot welding.
このような効果によって、本発明は、スポット溶接への適用条件の制約及び問題を解消し、鋼製リベットと鋼材との鋼−鋼の同種材同士でのスポット溶接を実現できる。更に、本発明は、アルミニウム合金材と鋼製リベットとのかしめ接合（機械的な接合）も加えた相乗効果によって、例えば、異材接合体の接合強度を３ｋＮ以上に高くすることができる。 Due to such effects, the present invention eliminates restrictions and problems of application conditions for spot welding, and can realize spot welding of steel-steel similar materials of steel rivets and steel materials. Furthermore, according to the present invention, for example, the joint strength of the dissimilar material joined body can be increased to 3 kN or more by a synergistic effect including the caulking joining (mechanical joining) of the aluminum alloy material and the steel rivet.
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して、その効果を説明する。６０００系アルミニウム合金材（板厚１．２ｍｍ）に、図６（ａ）、（ｂ）に示すような縦断面形状からなるリベットを打ち込み、アルミニウム合金材にかしめ加工を行い、更に、リベットを鋼材ＳＰＣＣ（板厚１．０ｍｍ）にスポット溶接した。 Next, the effect of the embodiment of the present invention will be described in comparison with a comparative example that is out of the scope of the present invention. A rivet having a longitudinal cross-sectional shape as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) is driven into a 6000 series aluminum alloy material (plate thickness 1.2 mm), and caulking is performed on the aluminum alloy material. Spot welded to SPCC (plate thickness 1.0 mm).
溶接条件としては、電極にはクロム銅合金（直径１６ｍｍ、先端面の曲率半径８０ｍｍ）の電極を使用し、リベットと鋼板とを電極で挟持した後、加圧力１．９６ｋＮ、溶接電流７０００Ａ、通電時間１０ｃｙｃｌｅの条件でスポット溶接を施した。 As welding conditions, an electrode made of a chrome copper alloy (diameter: 16 mm, radius of curvature of the tip surface: 80 mm) is used as the electrode, and after sandwiching the rivet and the steel plate between the electrodes, a pressurizing force of 1.96 kN, a welding current of 7000 A, energization Spot welding was performed under conditions of a time of 10 cycles.
溶接施行において量産時のバラツキ等を想定して、図６（ｂ）に示すように、電極がリベット軸芯から外れた状態で接触させ、通電した。その後、図１０に示す引張試験片を採取して引張試験を行い、ナゲットの形成状態の観察、引張強度の測定及び破断形態の観察を行った。 Assuming variations during mass production during welding, as shown in FIG. 6 (b), the electrodes were brought into contact with the rivet shaft core and energized. Thereafter, a tensile test piece shown in FIG. 10 was collected and subjected to a tensile test, and the nugget formation state was observed, the tensile strength was measured, and the fracture mode was observed.
また、同様に、図８（ａ）、（ｂ）に示す断面形状の比較例リベットを使用して、同様の試験を実施した。この比較例リベットは、軸部の先端面が平坦である。 Similarly, the same test was performed using the comparative example rivet having the cross-sectional shape shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). This comparative example rivet has a flat tip end surface.
その結果、本発明の実施例においては、ナゲットがほぼリベット軸芯部と一致し、引張強度は５．５ｋＮと高く、アルミニウム材の破断形態も鋼材側母材での破断であり、良好な破断形態を示した。即ち、本発明の実施例においては、スポット溶接による溶融部が健全に形成されることから、鋼板側スポット溶接部外周での破断、所謂ボタン破断又はプラグ破断となった。一方、比較例リベットにおいては、図８（ｂ）に示すように、リベットの位置ずれが生じた場合には、ナゲットがアルミニウム母材の近傍に形成され、引張強度は２．５ｋＮと、本発明の半分以下と低く、破断形態も鋼溶融部内での破断となった。即ち、比較例では、鋼板スポット溶接溶融部内での破断となり、所謂シェア破断となった。これはスポット溶接溶融形状が不均一になることに起因する。また、比較例の接合部の断面観察を行った結果、図９に示すように、リベット軸部外周の通電点に近い側のアルミニウム合金材１のかしめ部が、鋼材３の溶融発熱の影響で溶融し、損傷を受けていた。符号４は、アルミニウム合金材かしめ部の溶融損傷を示す。
As a result, in the embodiment of the present invention, the nugget almost coincides with the rivet shaft core, the tensile strength is as high as 5.5 kN, and the fracture form of the aluminum material is also a fracture at the steel side base material, which is a good fracture The form was shown. That is, in the examples of the present invention, since the melted part by spot welding was formed soundly, the fracture occurred at the outer periphery of the spot welded part on the steel sheet side, so-called button fracture or plug fracture. On the other hand, in the comparative example rivet, as shown in FIG. 8B, when the rivet is displaced, the nugget is formed in the vicinity of the aluminum base material, and the tensile strength is 2.5 kN. The fracture form was also a fracture in the steel melt zone. That is, in the comparative example, the fracture occurred within the spot welded zone of the steel plate, so-called shear fracture. This is due to the spot weld melt shape becoming non-uniform. Further, as a result of the cross-sectional observation of the joint portion of the comparative example, as shown in FIG. It was melted and damaged. The code |
１：アルミニウム合金材
３：鋼材
４：アルミニウム合金材かしめ部の溶融損傷
１０、２０，３０、３０ａ：リベット
１１，２１，３１：頭部
１２，２２，３２、３２ａ：軸部
１３，２３，３３：側面
１４，２４，３４：先端面
２５，３５：溝
８０：ポンチ
８１：支持台
９０，９１：電極
1: Aluminum alloy material 3: Steel material 4: Melt damage of caulking portion of
Claims (5)
前記リベットは、
前記軽合金材を打ち抜くことにより前記軽合金材内に挿通するように設けられた軸部と、前記軽合金材を挿通せずにその表面上に残る板状の頭部とを有し、前記頭部はその前記軽合金材に重なる面に、前記軸部を取り囲むように形成された溝と、この溝を取り囲むように形成された平坦部とを有し、前記軸部の先端面はその周縁部よりも内側部分が盛り上がっているものであり、
ポンチと支持台との間に前記異材接合用リベットと前記軽合金材とをこの順序で配置し、
前記ポンチによって前記異材接合用リベットをその軸部の先端側から前記軽合金材に打ち込んで前記頭部を前記軽合金材表面に残すと共に前記軸部先端を前記軽合金材の下面から露出させ、前記頭部の前記平坦部と前記支持台との間に挟まれた前記軽合金材の部分を押圧して前記頭部の溝内に塑性流動させることにより、前記軽合金材の前記リベット頭部側の面を、前記溝内の部分がそれ以外の部分よりも前記リベット頭部側に突出するようにして、前記リベットを前記軽合金材にかしめ固定する工程と、
前記異材接合用リベットの前記頭部と前記鋼材とを１対の電極で挟み、前記電極を前記異材接合用リベット及び前記鋼材に向けて加圧しつつ前記電極に通電することにより、前記リベットの前記軸部と前記鋼材とをスポット溶接する工程と、を有することを特徴とする異材接合方法。 In the dissimilar material joining method of joining steel and light alloy materials using steel rivets for dissimilar materials joining,
The rivet is
A shaft portion provided so as to be inserted into the light alloy material by punching the light alloy material, and a plate-shaped head portion which remains on the surface without inserting the light alloy material, The head has a groove formed so as to surround the shaft portion and a flat portion formed so as to surround the groove on a surface overlapping the light alloy material, and a tip surface of the shaft portion is The inner part is raised from the peripheral part,
The dissimilar material joining rivet and the light alloy material are arranged in this order between the punch and the support base,
The shaft tip is exposed from the lower surface of the light metal product with remaining to the head dedicated to the light metal of the dissimilar materials bonded rivet from the front end side of the shaft section into the light metal surface by said punch by Rukoto is 塑 fluidizing the portion of the light metal sandwiched in the groove of the press to the head between the support base and the flat portion of the head, the said light metal product Caulking and fixing the rivet to the light alloy material such that the surface on the rivet head side protrudes to the rivet head side from the other part in the groove ;
By the dissimilar sandwiched between the head and the steel product and a pair of electrodes of the joining rivet, energizing the electrode while pressing towards the electrode on the dissimilar materials bonded rivet and the steel product, the said rivet And a step of spot welding the shaft portion and the steel material.
前記スポット溶接する工程では、前記異材接合用リベットが打ち込まれた前記軽合金材をスポット溶接装置に搬入して前記鋼材とスポット溶接することを特徴とする請求項１に記載の異材接合方法。 The caulking step is a press molding step of the light alloy material, and at the same time , the head of the dissimilar material joining rivet is left on the surface of the light alloy material, and the shaft portion is punched into the light alloy material ,
Wherein in the step of spot welding, dissimilar bonding method according to claim 1, characterized in that said steel and spot welded by carrying the light metal product to the dissimilar bonding rivet is driven into a spot welding device.
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