JP6998513B2 - 接合構造 - Google Patents

Description

本開示は、レーザまたはアーク、プラズマを熱源として一種類以上の異種材を同種系金属材にて挟むリベット接合構造に関する。

近年、自動車をはじめとする輸送機器のグローバル化により生産量が増加することで、製品一台当たりのトータルコスト低減、特に生産時間短縮による生産性向上に対する要望が高まってきている。

また、地球温暖化防止のためＣＯ_２排出規制要求がグローバルで強く求められている。自動車業界をはじめとする輸送業界ではこの要求に応えるために車両の燃費改善への取り組みが加速している。この燃費改善に対する具体的な取り組みとして、車両の重量の低重軽量化が求められており軽量素材の使用割合を増加させる検討が進められている。

このような要望が求められている中、自動車等の輸送機器に用いられている溶接方法として、スポット溶接が広く普及している。抵抗溶接であるスポット溶接は、上下の電極で溶接される材料を加圧してそれら材料間の間隙を無くして上下の電極間を通電することで溶接する必要がある。このため、片側溶接には適していない。すなわち、スポット溶接には、上下方向から挟める等の製品形状に制約が発生する。また、溶接される材料を加圧するためには、スポット用の上下のガンが、それら材料の上下に入り込むスペースが必要である。また、スポット用ガン自体の重量が重いため、スポット用ガンの移動速度が遅い。しかも、溶接位置に到着しても加圧時間が必要である。溶接後も冷却時間を確保しなければならない。このように、スポット溶接には溶接以外にも多くの時間が必要である。

また、自動車に用いられる材料の低重軽量化に対しては、部品の一部を鋼からアルミニウム等の軽金属材料に変更する検討が進んでいる。したがって、軽金属材料と鋼を接合する技術及び構造が求められている。

従来の異材接合用部材として、リベットを用いたスポット溶接や接着剤を使用した接合等が挙げられる。例えば特許文献１では、リベットとリベット材質と同種の接合材とそれらに挟まれた異種材とを有する異種接合体が開示されている。より詳しくは、異種接合体の加圧及びスポット溶接時の溶接熱による異種材の塑性流動を吸収するリベット形状及びかしめ及びスポット溶接方法が開示されている。かしめ時およびスポット溶接時に異種材料の一部が変形して移動するスペースの確保が可能である。また、スポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制が可能である。

特開２０１５－４２４１７号公報

従来の異種材の接合用部材は、かしめ時およびスポット溶接時に異種材の一部が変形して移動するスペースの確保を可能とするため、及びスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制を可能とするために、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取りや環状溝等の複雑なリベット形状が必要である。この場合、リベット形状に精度が必要であり複雑であるため、精密加工等が必要となり製造コストも高くなる。

また、抵抗溶接のスポット溶接は、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため作業時間が長くなる。加えて、抵抗溶接のスポット溶接は、溶接される材料を両側から挟みこむ必要があるので設計自由度が制限される。また、隣のリベットに近接し過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生する。これにより、抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。そのため、抵抗溶接のスポット溶接には、電流が分流せずに所望のナゲット形成が行える最小離間ピッチ以上の接合ピッチが必要となる。その結果、必要箇所での接合の剛性増加ができないという課題があった。

また、亜鉛メッキ鋼板などの表面処理材料の溶接では、抵抗スポット溶接毎に電極の表面に溶融した表面処理材料の表面処理層であるメッキ層のメッキ材が付着し易い。このメッキ材の付着等により、抵抗スポット溶接時の表面処理材料の溶融バラツキやメッキ層の表面処理膜厚が溶接個所で毎回異なることが生じ得る。このことで電流密度が不安定となり、溶接品質の要となるナゲット形状が不安定となる。その結果、電極の研磨や交換などのメンテナンス作業が増大する。

本開示は、亜鉛メッキ鋼板などの表面処理材料に加え、樹脂材などの非金属材料の異種材接合にも同様の効果を発揮することができる生産性を向上するレーザ溶接またはアーク溶接、プラズマ溶接によるシンプルなリベット接合構造を提供する。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る接合構造は、互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、一つ以上の同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、同種系金属材の板厚方向に貫通する１つ以上の排出穴または排出溝を設けた同種系金属材と異種材とを固定し、ここで、熱源よりエネルギーが照射される溶接パターンとしての、スポットパターンまたは線状パターンの外側に、排出穴または排出溝を設けた接合構造である。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、熱源よりエネルギーが照射される溶接パターンとしての、サークル状またはオーバル状の環状パターンの内側または外側に、排出穴または排出溝を設けた接合構造としてもよい。

また、上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、貫通部を有する一種類以上の異種材の貫通部に、貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を一つ以上の同種系金属材にて挟み、同種系金属材の突起部に対して、板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、異種材と同種系金属材とを溶融接合して固定する接合構造としてもよい。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、熱源よりエネルギーが板厚方向から供給される、同種系金属材の突起部の熱源供給領域は突起部の径または幅に対して所定の距離を有して小さい接合構造としてもよい。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、熱源はレーザであり、レーザが板厚方向から照射され、異種材を間に挟んで同種系金属材が互いに溶融接合され、異種材と同種系金属材とを固定する接合構造としてもよい。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、熱源はアークであり、アークが板厚方向から照射され、異種材を間に挟んで同種系金属材が互いに溶融接合され、異種材と同種系金属材とを固定する接合構造としてもよい。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、熱源はプラズマであり、プラズマが板厚方向から照射され、異種材を間に挟んで同種系金属材が互いに溶融接合され、異種材と同種系金属材とを固定する接合構造としてもよい。

また、本開示の別の態様に係る接合構造は、接合構造は、互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、一つ以上の同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、同種系金属材の板厚方向に貫通する１つ以上の排出穴または排出溝を設けられ、貫通部を有する一種類以上の異種材の貫通部に、貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を一つ以上の同種系金属材にて挟み、同種系金属材の突起部に対して、板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、異種材と同種系金属材とを溶融接合して固定し、ここで、異種材の貫通部は、同種系金属材の突起部に対する溶接時の入熱で間接的に入熱され溶融し、同種系金属材の突起部の外周側に密着固定可能に流動する接合構造である。

また、本開示の別の態様に係る接合構造は、接合構造は、互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、一つ以上の同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、同種系金属材の板厚方向に貫通する１つ以上の排出穴または排出溝を設けられ、貫通部を有する一種類以上の異種材の貫通部に、貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を一つ以上の同種系金属材にて挟み、同種系金属材の突起部に対して、板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、異種材と同種系金属材とを溶融接合して固定し、ここで、
同種系金属材の突起部の外周に設けた排出穴または排出溝の端部に、異種材へ向かって突出して異種材を位置決め可能な位置決め用突起部を設けた接合構造である。

また上記に加えて、本開示の一態様に係る接合構造は、対向する同種系金属材の突起部の外周に設けた排出穴または排出溝の端部の少なくとも一方に位置決め用突起部が形成されている接合構造としてもよい。

本開示の一態様に係る接合構造によれば、信頼性の高い異種材接合を可能とし、生産タクトタイムを大幅に短縮することができ、更に接合の必要箇所での剛性を増加させ、設計自由度を拡げることも可能である。

本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１における第１の材料、第３の材料、及び第２の材料とギャップである排出部内側端位置６との接合部材構造の関係を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す斜視図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す斜視図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す斜視図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合状況を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態２におけるアーク溶接時の接合部材の構造を示す図 本開示の実施の形態２におけるアーク溶接時の接合部材の構造を示す図

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図１５を用いて熱源をレーザとして溶接した場合の説明をする。

図１は、図６から図９に示す接合構造の断面図（図６から図９におけるＡ－Ａ線断面図）である。図６から図９に示す接合構造は、接合部材である同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３と、異種材の第２の材料２との接合構造である。例えば図６および図７は、上板の第３の材料３が円形状の接合構造であり、例えば図８および図９は、上板の第３の材料３が角形状の接合構造である。

図１に示す接合構造は、材質が同種系の金属の同種系金属材である第１の材料１および第３の材料３と、同種系金属材に対して異種材の材質である第２の材料２との接合に際して、第３の材料３と同種系の金属の材質である第１の材料１で、異種材の第２の材料２を挟み込む配置とする。

ここで第２の材料２には貫通部としての貫通穴２Ｈが予め加工されている。同種系金属材の第１の材料の突起部１Ｅおよび第３の材料の突起部３Ｅがこの貫通穴２Ｈに挿入され、互いの突起部（１Ｅ、３Ｅ）が対向して配置される。第２の材料２の貫通穴２Ｈに第１の材料１および第３の材料３のそれぞれの突起部１Ｅ、３Ｅが挿入されるので、第２の材料２の貫通穴２Ｈに対する第１の材料１および第３の材料３の相対的な位置ズレを抑制する効果があり、レーザ照射位置の目印及びビード形成位置の妥当性が目視で確認できる利点がある。なお、貫通部を貫通穴２Ｈとしているが、貫通溝であっても良い。

なお、図示しないクランプ固定の治具や位置決めピンやロボットアームによる位置決めの方式等を用いて、異種材である第２の材料２の貫通穴２Ｈに対して、挿入される同種系金属材である第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の一方および両方の位置決めを行っても良い。

またなお、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）がエンボス形状にプレス加工されている。突起外縁部９は、突起内縁部８に対して板厚相当大きく、例えば約１ｍｍでプラスのオフセットした大きさとなる。本説明は簡略的に、突起外縁部９は、突起内縁部８に対して、＋１ｍｍのオフセット量として記載する。なおこのオフセット量は、板厚相当が好ましいが、溶接接合時の強度に悪影響を与えなければ板厚の０．６～１．４倍程度であっても良い。

なお、同種系金属材とは、互いに溶接可能な金属であり、同じ材質同士だけではなく、鉄系金属材同士、非鉄系金属材同士などの溶接接合性が、言い換えると溶接の相性が良い材料とする。具体的には、溶接時の材料の組合せとしては、第１の材料１および第３の材料３では、軟鋼と軟鋼（表面処理材料を含む）、軟鋼とステンレス、ステンレスとステンレス、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス、ハイテンとハイテン等の鉄系金属材であり、またはアルミとアルミ、アルミとアルミ合金、アルミ合金とアルミ合金等の非鉄金属材である。

また、異種材としての第２の材料２は、同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３とは、異なる材質の材料であり、かつ、同種系金属材に対して溶接が困難な材質である。例えば同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３を鉄系金属にした場合、異種材としての第２の材料２は、銅材やアルミ材等の非鉄系金属である。また、金属材料に対して異種材としては、例えば樹脂材としてのＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等である。

次に異種材としての第２の材料２を間に挟む同種系金属材料としての第１の材料１および第３の材料３の接合構造についてより具体的に説明する。

第１の材料１および第３の材料３の溶接部の突起部の形状は、本実施形態では同じとする。対向して配置される第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）を付き合わせた状態での突起外縁部９と第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａとの板厚方向に直交する方向のギャップを第１のギャップ４とする。

また、第１の材料１の突起部１Ｅと第３の材料３の突起部３Ｅを第２の材料２の貫通穴２Ｈに挿入した場合、板厚方向の突起部（１Ｅ、３Ｅ）間のギャップを第２のギャップ７とする。図６または図７に示す上側から見た領域であり、第３の材料３の突起部３Ｅの内縁部の径または幅としての距離（接合可能範囲）を突起内縁部８とする。溶接状況は図６または図７に示すように、レーザ１１を第３の材料３の板厚方向の上側からレーザ１１の照射可能範囲（接合可能範囲）としての突起部３Ｅの突起内縁部８内に向けて円状に照射する。その結果形成されるビードは図１に示すように溶融部１２となる。溶融部１２は、サークル状、オーバル状、または、角形状の環状のパターンを有する。

本開示の接合構造の特長は、第１の材料１および第３の材料３の突起部１Ｅ、３Ｅの周辺（内側、外側）に排出穴または排出溝１ａ、３ａを設けたことである。排出穴または排出溝１ａ、３ａは、第１の材料１および第３の材料３の材料に亜鉛メッキなどの表面処理材料を使用した場合、または第２の材料２に樹脂材などの異種材を使用した場合に効果を発揮する。

次に、溶接時及び溶接後の接合状況について図１を用いて説明する。

まず、レーザ１１を第１の材料１および第３の材料３の突起内縁部８内に円状に照射して溶接を行う。溶融部１２が形成される際に、第１の材料１および第３の材料３の溶接時の溶融金属としての溶融部１２（溶融金属）が凝固収縮する。そのため、第１の材料１と第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）間の板厚方向の所定の隙間として第２のギャップ７を開けておくことが好ましい。溶接時の凝固収縮で第１の材料１と第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）間の隙間の第２のギャップ７が縮小する。溶融部１２の凝固収縮により第２のギャップ７が縮小することで、第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟む圧縮力となり、第２の材料２を圧接固定することができる。

本実施の形態では、表面処理層がメッキ層である表面処理材料のメッキ鋼板として、例えば亜鉛メッキ鋼板を第１の材料１および第３の材料３に使用する。亜鉛メッキ鋼板は、レーザ溶接時に、気化した亜鉛メッキ１３である亜鉛蒸気を発生させる。気化した亜鉛メッキ１３は、溶接不具合の要因となる。ここでは、気化した亜鉛メッキ１３の排出について、図１を用いて説明する。

突起部（１Ｅ、３Ｅ）に対して、レーザ１１が板厚方向から照射される照射領域（熱源供給領域）は、エンボス加工による突起部（１Ｅ、３Ｅ）の径または幅に対して小さく、突起部（１Ｅ、３Ｅ）の突起内縁部８より、例えば径または幅で２ｍｍ程度の所定の距離を有して小さい。

レーザ１１が照射されることにより溶融部１２が溶融される。溶融された溶融部１２から伝達される入熱により、第１の材料１の表面処理層１ｂと第３の材料３の表面処理層３ｂが気化される。この際に、第１の材料１および第３の材料３にレーザ照射により生じるキーホール内の溶融した溶融金属の中を、表面処理層（１ｂ、３ｂ）の気化した亜鉛メッキ１３が抜けて外部へ排出されようとすることがある。第１の材料１と第３の材料３に直接表面が接して挟まれた第２の材料２との間に隙間がないと溶融金属の中を気化した亜鉛メッキ１３が顕著に抜けようとして溶融金属が吹き飛ばされ、スパッタが発生し、穴開きのビードとなってしまう。

そこで、本実施の形態では、第１の材料１と第３の材料３とが互いに溶融接合される溶接部周辺に、気化した亜鉛メッキ１３を排出するための排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）が設けられる。排出を促進するためには、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）と第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａとの位置関係が重要である。排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）は、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａの内側に配置、または内縁部２Ａと重なるように配置され、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の一方または両方の外側に配置される。図１では、この位置関係が、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の内径側の面と第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａとの位置関係を示す第２の材料２の排出部内側端位置６のことである。板厚方向から見て、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）に対して第２の材料２の貫通穴２Ｈが大きいほど、言い替えると、貫通穴２Ｈの内縁部２Ａが外側にあるほど、気化した亜鉛メッキ１３の排出経路を確保することができるため、有効である。

その一例として、実験データの一例を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａおよび図３Ｂは材質（第１の材料１／第３の材料３、または第２の材料２）と第２の材料２の排出部内側端位置６の関係を測定した結果を表す。

図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３を表面に亜鉛メッキ層を有する板厚ｔ１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板とした。異種材としての第２の材料２を板厚ｔ２．０ｍｍとした。第１の材料１および第３の材料３で第２の材料２を挟んで、上下に重ね合わせた状態にし、それらをレーザ出力３ｋＷで円状に溶接した。

例えば、第１の材料１および第３の材料３の突起内縁部８はφ１０ｍｍ、第２の材料２の貫通穴２Ｈはφ１２ｍｍとし、突起内縁部８の大きさに近くて小さいφ８ｍｍの円状軌跡の照射領域で熱源としてのレーザ１１を板厚方向から突起部（１Ｅ、３Ｅ）に向かって照射しての溶接をしたものである。

第１の材料１が亜鉛メッキ鋼板の場合は、第２の材料２に対する排出部内側端位置６が外側となる＋０．５ｍｍ以上の場合であれば、溶融部１２からの気化した亜鉛メッキ１３の排出が容易である。第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起内縁部８へレーザ１１が照射されると、この照射により溶接時の入熱の熱影響を受けて、溶融部１２から気化した亜鉛メッキ１３が発生する。気化した亜鉛メッキ１３が、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）間の合わせ面の隙間である第２のギャップ７に対して噴き出すと、溶接の接合不良を生じさせる。排出部内側端位置６が０．５ｍｍ以上の場合、気化した亜鉛メッキ１３が排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）から容易に排出されるので、そのような溶接の接合不良の発生を防止し、第２の材料２の圧縮固定が可能である。

しかしながら、第２の材料２に対する排出部内側端位置６が０．５ｍｍを下回る場合、気化した亜鉛メッキ１３の排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）からの排出が難しくなる。これは、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａと第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側の周辺に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の内側端とが近すぎる場合では、気化した亜鉛メッキ１３が通り抜ける、言い替えると排出する隙間が小さくなるからである。

このため、第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部８へのレーザ１１の照射による溶接時の熱影響を受けて、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の合わせ面の隙間である第２のギャップ７に対して、溶融した溶融部１２から気化した亜鉛メッキ１３が流れ込み、気化した亜鉛メッキ１３の噴き出しが発生することで溶接不良となる可能性がある。

以上のように、０．５ｍｍ以上の気化した亜鉛メッキ１３を排出する隙間を確保することが望ましい。第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａと第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の一方または両方の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）との位置関係が重要である。

この第２の材料２の貫通穴２Ｈに対する排出部内側端位置６は、第１の材料１および第３の材料３、または第２の材料２の板厚に関係なく、すべての板厚に当てはまる値である。

なお、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方と第２の材料２との配置バラツキを考慮し、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａに対する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の内径側の面Ｂとの位置関係である排出部内側端位置６を設計しておくことが好ましい。以上のように、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３または異種材の第２の材料２に応じて排出部内側端位置６を設定するのが好ましい。

次に、樹脂材料であるＰＥＴ材を異種材としての第２の材料２に使用してレーザ溶接した場合の樹脂材の溶接後の状態について、図２を用いて説明する。

突起外縁部９の隙間である第１のギャップ４は、異種材の貫通穴２Ｈの径と、貫通穴２Ｈに挿入される同種系金属材の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の径または幅とで定義される。第１のギャップ４が適正な範囲では、同種系金属材の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の突起内縁部８へのレーザ１１の照射による溶融部１２の入熱の熱影響を受けて、異種材の樹脂材料が軟化し液化する。この液化により、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）に、溶融した異種材としての第２の材料２の樹脂材料２ｂの一部分が排出される。

液化し溶融した異種材の第２の材料２が、第２の材料２の貫通穴２Ｈと突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外周側の突起外縁部９との隙間である第１のギャップ４に流れ込み、第１の材料１および第３の材料３の板厚方向に交差する方向において、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方と第２の材料２との密着接合固定が可能となる。これにより、溶融部１２の凝固収縮作用による圧縮固定のみだけでなく、第２の材料２による密着接合固定も実現される。

レーザ１１が照射される突起部（１Ｅ、３Ｅ）の突起外縁部９と貫通穴２Ｈの内縁部２Ａとの距離が近く、その隙間である第１のギャップ４が小さい状態で溶接すると、溶融部１２の入熱の熱影響を第２の材料２が受けることになる。すなわち、レーザ１１の照射による溶融部１２の入熱が、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起外縁部９の外周側から直接または間接的に第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａを介して、第２の材料２に伝熱される。

溶融した第２の材料２が、貫通穴２Ｈの内縁部２Ａから、溶接される第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起外縁部９の板厚方向の合わせ面の隙間である第２のギャップ７に対して、溶接時に流れ込むことがある。このとき、第２の材料２が、例えば樹脂などの沸点が低い材料の場合には、第２の材料２が液化や気化して噴き出すことで溶融部１２の溶接不良となることもある。

そこで、本実施の形態では、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）が設けられている。このことにより、第２の材料２が液化や気化をしても、それらが溶融部１２へ噴出することを抑制することが出来る。

第２の材料２の貫通穴２Ｈが小さいほど、言い換えると第１のギャップ４が小さく、貫通穴２Ｈの内縁部２Ａが突起部（１Ｅ、３Ｅ）の近くにあるほど、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方に対する第２の材料２の板厚方向に交差する方向の密着接合固定が容易となる。第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）から第２の材料２が溶融し液化や気化した樹脂材料を排出させることで、溶接時の溶融部１２から液化や気化した樹脂材料の噴き出しを抑制することができる。

その一例として、実験データの一例を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａおよび図３Ｂは、第１の材料１および第３の材料３、または第２の材料２における材質と第２の材料の貫通穴２Ｈに対する排出部内側端位置６の関係を測定した結果を表す。排出部内側端位置６は、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａに対する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の内径側の面Ｂの位置関係を示すものである。

同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３を板厚ｔ１．６ｍｍの軟鋼材とし、第２の材料２を板厚ｔ２．０ｍｍの異種材の樹脂材料とした。第１の材料１および第３の材料３の間に第２の材料２のＰＥＴ材を組合せ、上下に重ね合わせた状態にした。その後、同種系金属材の突起部（１Ｅ、３Ｅ）に対してレーザ出力３ｋＷで、円状軌跡での照射領域にて溶接した。

例えば、第１の材料１および第３の材料３の突起内縁部８はφ１０ｍｍ、第２の材料２の貫通穴２Ｈはφ１２ｍｍとした。熱源供給の領域は、突起部（１Ｅ、３Ｅ）の径または幅に対して所定の距離を有して小さくなるように、突起内縁部８の大きさより小さいφ８ｍｍの円状軌跡の照射領域で熱源としてのレーザ１１を板厚方向から突起部（１Ｅ、３Ｅ）に向かって照射して溶接をした。

第２の材料２が樹脂材料であるＰＥＴ材の場合は、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａに対する排出部内側端位置６が＋３．０ｍｍ以下の場合であれば、密着接合固定が可能である。しかも、第１の材料１及び第３の材料３の一方または両方の突起内縁部８へ照射されるレーザ１１による溶接の熱影響を受けても第１の材料１および第３の材料３の突起部１Ｅ、３Ｅ間の合わせ面の隙間である第２のギャップ７に溶融した第２の材料２が接合不良を起こすように流れ込むことがない。

この場合、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）を設けているため、第２の材料２が液化や気化をしても溶融部１２へ噴出することを抑制することが出来る。したがって、第１のギャップ４が０ｍｍで隙間がなく、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａと突起部（１Ｅ、３Ｅ）が密着している状態で溶接を行うことも可能である。

また、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａに対する排出部内側端位置６が＋３．０ｍｍを上回る場合、突起部（１Ｅ、３Ｅ）の突起外縁部９と第２の材料２の貫通穴２Ｈとが遠過ぎる、言い換えると第１のギャップ４が大きすぎる。このことにより、第２の材料２は、同種系金属材としての第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部８へのレーザ１１の照射での溶接による熱影響を受け難い。これにより第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）間の合わせ面の板厚方向の隙間である第２のギャップ７に溶融した第２の材料２が流れ込むことが無い。

しかしながら、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）から、第２の材料２の溶融した樹脂材料２ｂが排出される。このことで、樹脂材料２ｂが溶融部１２に入り込むこともなく、溶接不具合もなく、接合固定が可能となる。しかし、第２の材料２が間接的に入熱されて溶融することが生じにくくなる。その結果、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外周側に対して、第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａが密着固定する力が弱くなる、またはできなくなる。

図１および図２は、第１の材料１および第３の材料３の両方が突起部を有する例を示す。これに対し、図４および図５は、第１の材料１および第３の材料３の一方が突起部を有する。詳しくは、第１の材料１は、突起部を形成するためにエンボス加工されたものである。第１の材料１はエンボス形状とし、第３の材料３はフラット形状にしている。もちろん、逆の組合せでも問題ない。

図６および図７は、第３の材料３が円形状である場合の一例を示す。また、図８および図９は、第３の材料３が角形状である場合の一例を示す。

また、図６から図９で排出穴や排出溝（１ａ、３ａ）を複数個設けている。排出穴や排出溝の数が多いほど排出の容易性の観点で有用である。第１の材料１と第３の材料３とによる、その間に挟む第２の材料２への保持力を考慮した個数を設定することが好ましい。

また、図１０および図１１は、さらに強度を高めるための実施例や、位置決めを容易とする実施例を示す。

図１０において、第３の材料３は、第１の材料１と第２の材料２とを接合する際の位置決めを兼ねて、引張強度を高める接合構造である。板厚方向に第３の材料３と第１の材料１との間で所定の第２のギャップ７が設けられるように、異種材である第２の材料２を、同種系金属材である第１の材料１と、段状に折り曲げた第３の材料３とで挟み込む構造である。突起部３Ｅを有する第３の材料３に、第２の材料２を介して接合される第１の材料１の突起部３Ｅの接合箇所とは別の箇所８Ｃで直接、第１の材料１に対して、さらに接合することが可能な構造部品例である。

これにより引張時に、第２の材料２を介して接合される第１の材料１と第３の材料３との溶融部１２の突起部３Ｅでの１部分に対して集中して応力がかかることを抑制する。その結果、全体として同種系金属材と異種材との接合の強度を高めることが可能となる。

また、図１１のように、第１の材料１を折り返すことで、第３の材料３を用いずに第１の材料１の突起部１Ｅで第２の材料２を挟む構造にできる。これにより、第１の材料１の固定用治具が不要となり、また、第２の材料２を第１の材料１に対して差し込むことで、第２の材料２の仮固定が可能となり、第２の材料２の位置決めも容易となる。

また、図１２から図１５は、第２の材料２の位置決めと排出を容易とする実施例を示す。

これまで第１の材料１および第３の材料３の排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）を設けるにあたり、シンプルな穴加工といった内容で記載してきた。図１２および図１３では、単に貫通する穴を開けるのではなく、穴加工時の切り落とす部分を折り曲げて加工する。このことで、第３の材料３の排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の端部に位置決め用突起部３ｄを設けることができる。位置決め用突起部３ｄは、第２の材料２の位置決め用として使うことができる。

これにより、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の内径側の面Ｂと第２の材料２の貫通穴２Ｈの内縁部２Ａとの位置関係である排出部内側端位置６を確実に確保することができる。

また、第２の材料２が樹脂材料などの場合は、液化した樹脂材料を位置決め用突起部３ｄの周りに充填するように存在させることで更に密着固定が可能となる。

図１４および図１５は、プレス加工などで第３の材料３が押し出されることにより形成された位置決め用突起部３ｅを示す。位置決め用突起部３ｅは、第１の材料１および第３の材料３の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側に配置する排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）の外側に位置する。位置決め用突起部３ｅは、第２の材料２に対する位置決め用の突起である。

以上のように、図１４および図１５に示す位置決め用突起部３ｅは図１２および図１３に示す位置決め用突起部３ｄと同様な目的で有効なものである。ただし、図１２および図１３に示す位置決め用突起部３ｄの方が穴加工と位置決め用突起部３ｄの加工がシンプルな加工で出来るため合理的な方法である。

なお、図１２から図１５に示す例は、第３の材料３のみに第２の材料に対する位置決め用突起部３ｄ、３ｅを設けたが、第１の材料１のみまたは第１の材料１と第３の材料３の両側に設けることでも問題ない。また、第３の材料３の位置決め用突起部３ｄ、３ｅの突起高さは、例えば０．３ｍｍ以上で第２の材料２の板厚の半分もあれば、十分である。位置決め用突起部を第１の材料１と第３の材料３の両側に設けた場合は、第１の材料１の位置決め用突起部と第３の材料３の位置決め用突起部とが干渉しない配慮は必要である。

以上のように本実施の形態の熱源のレーザ１１による溶接での接合構造では、第１の材料１および第３の材料３は、互いに溶接可能な同種系金属材である。第１の材料１および第３の材料３の一方または両方は、突起部（１Ｅ、３Ｅ）を有する。第２の材料２は、同種系金属材に対して溶接性が低い一種類以上の異種材であり、貫通穴２Ｈや貫通溝等の貫通部を有する。第２の材料２の貫通穴２Ｈに、貫通穴２Ｈの径または幅より小さい、径方向または幅方向の所定の第１のギャップ４を有する突起部（１Ｅ、３Ｅ）が挿入される。具体的には第２の材料２の貫通穴２Ｈに対して第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）が挿入された状態で、突起部の板厚方向において、所定の第２のギャップ７が設けられるように、第２の材料２を第１の材料１および第３の材料３の一方または両方にて挟む。

また、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の内側または外側に対して、気化した亜鉛メッキ１３や溶融した樹脂材料を排出できるように、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）を設ける。板厚方向からレーザ１１を照射し、板厚方向に所定の第２のギャップ７を有している同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の一方または両方を互いに溶融結合して異種材の第２の材料２が同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の一方または両方にて圧縮固定される。このことにより、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の一方または両方とが固定される。

また、第１の材料１および第３の材料３一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の外側の周辺だけでなく内側に、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）を設けておくことも有効である。気化した亜鉛メッキ１３は、気体なので抜けやすいところから排出されようとする。そのため、突起部（１Ｅ、３Ｅ）に対して外側の周辺だけでなく、内側にも排出穴または排出溝があることで、第２のギャップ７を通じて、気化した亜鉛メッキ１３をより排出することができる。このように気化した亜鉛メッキ１３の排出を促進することで排出効率を上げることができる。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について、図１６から図１７を用いて他の熱源を用いて溶接した場合の説明をする。

実施の形態１と異なる点は、溶接の熱源をレーザとするレーザ溶接ではなく、溶接の熱源をアークとするアーク溶接に置換えたことである。図１６および図１７のように、熱源をアークに置換えることによる違いは、突起部３Ｅの先端側に、アーク溶接用開口部３ｃを設けたことである。アークは、レーザとは異なりエネルギー密度が低い。そのため、第１の材料１および第３の材料３の一方または両方の突起部（１Ｅ、３Ｅ）の中心に、言い換えると、少なくともアークが照射される側である突起部の先端側に、アーク溶接用開口部３ｃを設ける。これにより、第２のギャップ７側の溶融部１９に対してアーク熱による入熱を入りやすくできる。また溶融した溶接ワイヤ１６を互いに対向する突起部（１Ｅ、３Ｅ）の面に対して侵入しやすくできる。溶融部１９は、スポットパターンまたは線状パターンを有する。排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）は、溶融部１９の外側に設けられる。それ以外は、熱源がレーザによるレーザ溶接と同様の接合構造であり、同様の効果を得ることができる。

このように、排出穴または排出溝（１ａ、３ａ）を、異種材の第２の材料２を挟んで接合固定する同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の一方または両方に設けることで、アーク１７による溶接時の溶融部１９への気化した亜鉛メッキ１３や溶融した第２の材料２の樹脂材料の流れ込みを防ぎ、外部への排出を促す利点がある。

実施の形態１のレーザ溶接で説明してきた図６から図１５までの効果などについても、同様な効果を得ることができる。

また、熱源をプラズマとしても同様の効果を得ることができる。

以上のように、亜鉛メッキ鋼板などの表面処理材料に加え、樹脂材料などの非金属材料の異種材接合にも同様の効果を発揮し、生産性の向上が可能なレーザ溶接、アーク溶接、またはプラズマ溶接用のシンプルなリベット接合構造を実現することができる。

本開示の一態様は、異材接合に際し、シンプルな構造で生産タクトタイムを大幅に短縮し、必要箇所での剛性を増加させ、設計自由度を拡げる接合構造として産業上有用である。

１ 第１の材料
１ａ 排出穴または排出溝
１ｂ 表面処理層
１Ｅ，３Ｅ 突起部
２ 第２の材料
２Ａ 内縁部
２ｂ 樹脂材料
２Ｈ 貫通穴
３ 第３の材料
３ａ 排出穴または排出溝
３ｂ 表面処理層
３ｃ アーク溶接用開口部
３ｄ 位置決め用突起部
３ｅ 位置決め用突起部
４ 第１のギャップ
５ 第１および第３の材料の開口部幅
６ 排出部内側端位置
７ 第２のギャップ
８ 突起内縁部
９ 突起外縁部
１１ レーザ
１２，１９ 溶融部
１３ 気化した亜鉛メッキ
１４ ノズル
１５ チップ
１６ 溶接ワイヤ
１７ アーク

Claims (10)

1. 互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、前記同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、
   前記一つ以上の前記同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、前記同種系金属材の板厚方向に貫通する一つ以上の排出穴または排出溝が設けられた前記同種系金属材と前記異種材とを固定し、ここで、熱源よりエネルギーが照射される溶接パターンとしての、スポットパターンまたは線状パターンの外側に、前記一つ以上の前記排出穴または前記排出溝を設けた接合構造。
2. 熱源よりエネルギーが照射される溶接パターンとしての、サークル状またはオーバル状の環状パターンの内側または外側に、前記一つ以上の前記排出穴または前記排出溝を設けた請求項１記載の接合構造。
3. 貫通部を有する一種類以上の前記異種材の前記貫通部に、前記貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の前記同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、
   前記異種材が一つ以上の前記同種系金属材にて挟み、
   前記同種系金属材の前記突起部に対して、前記板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、前記異種材と前記同種系金属材とを溶融接合して固定する請求項１または２に記載の接合構造。
4. 前記熱源よりエネルギーが前記板厚方向から供給される、前記同種系金属材の前記突起部の熱源供給領域は前記突起部の径または幅に対して所定の距離を有して小さい請求項３記載の接合構造。
5. 前記熱源はレーザであり、前記レーザが前記板厚方向から照射され、
   前記異種材を間に挟んで前記同種系金属材が互いに溶融接合され、前記異種材と前記同種系金属材とを固定する請求項２から４のいずれかに記載の接合構造。
6. 前記熱源はアークであり、前記アークが前記板厚方向から照射され、
   前記異種材を間に挟んで前記同種系金属材が互いに溶融接合され、前記異種材と前記同種系金属材とを固定する請求項２から４のいずれかに記載の接合構造。
7. 前記熱源はプラズマであり、前記プラズマが前記板厚方向から照射され、
   前記異種材を間に挟んで前記同種系金属材が互いに溶融接合され、前記異種材と前記同種系金属材とを固定する請求項２から４のいずれかに記載の接合構造。
8. 互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、前記同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、
   前記一つ以上の前記同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、前記同種系金属材の板厚方向に貫通する一つ以上の排出穴または排出溝が設けられ、
   貫通部を有する一種類以上の前記異種材の前記貫通部に、前記貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の前記同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、
   前記異種材が一つ以上の前記同種系金属材にて挟み、
   前記同種系金属材の前記突起部に対して、前記板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、前記異種材と前記同種系金属材とを溶融接合して固定し、ここで、
   前記異種材の前記貫通部は、前記同種系金属材の前記突起部に対する溶接時の入熱で間接的に入熱され溶融し、前記同種系金属材の前記突起部の外周側に密着固定可能に流動する接合構造。
9. 互いに溶接が可能な一つ以上の同種系金属材にて、前記同種系金属材に対して溶接が困難な異種材を挟み込む重ね継手の接合構造であって、
   前記一つ以上の前記同種系金属材が互いに溶融接合される溶接部周辺に、前記同種系金属材の板厚方向に貫通する一つ以上の排出穴または排出溝が設けられ、
   貫通部を有する一種類以上の前記異種材の前記貫通部に、前記貫通部の径または幅より小さい径方向または幅方向の所定のギャップを有する、互いに溶接可能な一つ以上の前記同種系金属材の少なくとも一方に形成された突起部が挿入されて、前記異種材が一つ以上の前記同種系金属材にて挟み、
   前記同種系金属材の前記突起部に対して、前記板厚方向から熱源からのエネルギーを供給し、前記異種材と前記同種系金属材とを溶融接合して固定し、ここで、
   前記同種系金属材の前記突起部の外周に設けた前記排出穴または前記排出溝の端部に、前記異種材へ向かって突出して前記異種材を位置決め可能な位置決め用突起部を設けた接合構造。
10. 対向する前記同種系金属材の前記突起部の外周に設けた前記排出穴または排出溝の端部の少なくとも一方に前記位置決め用突起部が形成されている請求項９記載の接合構造。

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