JP7012205B2 - 接合構造 - Google Patents

Description

本開示は、接合構造に関する。

近年、グローバル化により自動車をはじめとする輸送機器の生産量が増加している。それに伴い、自動車などの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、ＣＯ２の排出量規制がグローバルで強く要求されており、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、車両の重量の軽量化があり、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。

このような検討が進められている中、自動車等の輸送機器の生産時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、スポット溶接を行うスポット溶接用のガンである上下の電極で溶接材を加圧して、溶接材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、スポット溶接は、片側溶接には適していない。また、溶接材を加圧するためには、スポット溶接用の電極を備えた上下のガンが、溶接材の上下に入り込むスペースが必要であるため、製品形状に制約が発生する。さらに、スポット溶接用のガン自体の重量が重いため、移動速度が遅く、溶接位置に到着しても溶接材を加圧する時間が必要であり、溶接後も溶接材を冷却する時間を確保しなければならない。つまり、スポット溶接では、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おり、軽金属材料と鋼を接合する技術および構造が求められている。

一般的に、鋼と、鋼に対して異種材であるアルミニウムとの接合は非常に困難である。そのため、従来から異種材に対する接合用部材として、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行われている。例えば特許文献１には、リベットとリベット材質と同種の接合材に挟まれた異種材の加圧、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、かしめ、およびスポット溶接方法が記載されている。この方法によれば、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をリベットに確保し、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部材を、図６を用いて説明する。図６に示すように、異材接合体１００は、リベット５１と、第１被接合材２００と、第２被接合材３００とから構成されている。ここで、リベット５１と第２被接合材３００は、同種材である。また、第１被接合材２００は、リベット５１および第１被接合材２００とは材料が異なる異種材である。リベット５１は、軸部５２と頭部５３とを備える。さらに頭部５３は、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０と、環状溝３１と、平坦部３２とを有する。面取り３０、環状溝３１、平坦部３２により、かしめ時およびスポット溶接時に第１被接合材２００の一部が変形して移動するスペースを確保し、スポット溶接時の電極４００の位置ズレ（電極４００の軸Ｚ１とリベット５１の軸Ｚ２のズレ）等による第１被接合材２００の陥没等を防ぎ、締結力低下の抑制が可能となる。しかしながら、この場合、リベット５１の形状は複雑であり精密加工等が必要となるため、製造コストが高くなる。また、リベット５１と第２被接合材３００とはスポット溶接で接合されるため、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。また、リベット５１と第２被接合材３００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。さらに、リベット同士の間隔が近接し過ぎると、スポット溶接の電流が隣のリベットに分流し、スポット溶接時に溶接部Ｘ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。このため、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を確保することが必要となり、必要か所での接合の剛性増加ができないという課題があった。

本開示は、異種材接合を可能とし生産性を向上するレーザ溶接用のシンプルな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、第１の材料と、第１の材料と溶接可能な同種系の金属材からなる第２の材料と、第１の材料と第２の材料の間に少なくとも一部が挟まっており、挟まっている部分に貫通部を有し、第１の材料および第２の材料のそれぞれに対して溶接が困難な材料からなる第３の材料と、を備え、第１の材料と第２の材料が貫通部を介して溶接された接合構造である。第１の材料および第２の材料の少なくとも一方には、貫通部に挿入された突起部が設けられている。かつ、貫通部の内周面と突起部の間には第１のギャップが設けられている。かつ、板厚方向における突起部に対応する領域において、第１の材料と第２の材料の間に、領域における第１の材料の板厚に応じた第２のギャップが設けられている。第２のギャップの大きさが、０．１ｍｍ以上、かつ、領域における第１の材料の板厚の４０％以下の状態で第１の材料側からレーザ光を照射して第１の材料と第２の材料を溶接してなる接合構造である。

また、本開示の一態様に係る接合構造は、上記に加えて、貫通部の内周面は、レーザ光による突起部に対しての溶接入熱により間接的に入熱され、溶融し、突起部の外周側に密着固定されているものである。

また、本開示の一態様に係る接合構造は、上記に加えて、レーザ光を照射する方向から見て、レーザ光の突起部に対する照射領域は、突起部の外縁部が設けられた領域より小さいものである。

また、本開示の一態様に係る接合構造は、上記に加えて、貫通部内における第１の材料と第２の材料との間に第１の材料および第２の材料のそれぞれに対して溶接可能な材料からなるスペーサが配置されている。スペーサの厚みは、領域における第１の材料の板厚より小さく、第２のギャップの大きさに応じた厚みである。

図１Ａは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。 図１Ｂは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。 図１Ｃは、本開示の実施の形態２における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。 図１Ｄは、本開示の実施の形態４における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。 図２Ａは、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説明するための斜視図である。 図２Ｂは、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説明するための斜視図である。 図２Ｃは、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説明するための斜視図である。 図３は、本開示の実施の形態１における第１の材料の板厚と板厚方向の突起部間の隙間である第２のギャップとの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。 図４Ａは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。 図４Ｂは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。 図５は、本開示の実施の形態３における異種材としての第３の材料の材質と第１のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。 図６は、従来の異種材接合の形態を示す図である。

（実施の形態１）
実施の形態１について、まず図１Ａと図２Ａを用いて説明する。図１Ａは、本開示の実施の形態１における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。図２Ａは、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説明するための斜視図である。図１Ａは、第１の材料１と、第２の材料２と、第３の材料３との接合構造を示している。また、図１Ａは、図２Ａの１Ａ－１Ａ線断面図であり、上板としての第１の材料１が円形状である接合構造を示すものである。

ここで、第１の材料１および第２の材料２の材質は、互いに溶接可能な同種系の金属材である。また、第３の材料３の材質は、第１の材料１および第２の材料２と異なる異種材であり、第１の材料および第２の材料２のそれぞれに対して溶接が困難な材質である。図１Ａに示すように、接合に際して、異種材である第３の材料３は、同種系の金属材である第１の材料１と第２の材料２とで挟み込まれて配置されている。ここで、第３の材料３には貫通部としての貫通穴１２が予め加工されている。また、第１の材料１および第２の材料２は、突起部１４を有し、それぞれの突起部１４が、互いに対向するように貫通穴１２に挿入され、配置される。第３の材料３の貫通穴１２に第１の材料１および第２の材料２のそれぞれの突起部１４が挿入されるので、貫通穴１２には、貫通穴１２に対する第１の材料１および第２の材料２の相対的な位置ズレを抑制する効果がある。また、突起部１４には、レーザ照射位置の目印およ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、本開示では、貫通部を貫通穴１２としているが、貫通溝であっても良い。

また、同種系の金属材とは、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良い金属材のことである。言い換えると、同種系の金属材とは、溶接の相性が良い同種系の材料のことである。具体的には、溶接時における第１の材料１と第２の材料２の組み合わせとしては、以下のものがあげられる。鉄系金属材の組合せとしては、軟鋼と軟鋼、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がある。また、非鉄系金属材としては、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がある。

また、異種材としての第３の材料３は、同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２とは、異なる材質の材料であり、第１の材料１および第２の材料２のそれぞれに対して溶接が困難な材質である。例えば同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２を鉄系金属材にした場合、異種材としての第３の材料３は、銅材やアルミ材等の非鉄系金属材である。また、例えばＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，炭素繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｌｅｎ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ポリエチレンテレフタレート）等といった樹脂材も金属材に対する異種材としてあげられる。

第１の材料１および第２の材料２の突起部１４の形状は、本実施の形態では実質的に同じとする。ここで、図１Ａに示すように、対向して配置される第１の材料１および第２の材料２の突起部１４の突起外縁部９と、第３の材料３の貫通穴１２の端部（内周面）との板厚方向に直交する方向の隙間を第１のギャップ４とする。また、第１の材料１の突起部１４と第２の材料２の突起部１４を第３の材料３の貫通穴１２に挿入した場合における、突起部１４間の板厚方向の隙間を第２のギャップ５とする。さらに、突起部１４の内縁部の領域を突起内縁部１０とする。図１Ａ、図２Ａに示すように、本実施の形態において、溶接はレーザ光としてのレーザ７を用いて行う。溶接は、図２Ａに示すように、レーザ７を第１の材料１の板厚方向の上側からレーザ７の照射可能な領域（接合可能範囲）である、突起部１４に対応する突起内縁部１０内に向けて円状に照射することで行われる。その結果、図１Ａに示すように、突起内縁部１０内に溶接部８の一部である溶接ビード１１が形成される。溶接部８は、第１の材料１および第２の材料２との溶接が施された部分であり、溶接中に溶融される溶融金属が凝固する溶接金属としての溶接ビード１１と溶接の熱影響を受けた熱影響部からなる。溶接ビード１１が形成される。

上述したように、本実施の形態では、レーザ７は、第１の材料１側から突起部１４に対応する突起内縁部１０の領域に照射される。この突起部１４に対応する領域において、第１の材料１と第２の材料２との間に設けられた板厚方向の隙間が、第２のギャップ５であると言える。言い換えると貫通穴１２の板厚方向における第１の材料１と第２の材料２との離間した状態の隙間が第２のギャップ５である。

次に、溶接時および溶接後の接合状況について図１Ａを用いて説明する。レーザ７を第１の材料１の突起内縁部１０内に円状に照射して溶接を行うと、溶接部８の一部である溶接ビード１１が形成される。この際に、第１の材料１の、溶接時に溶融する金属である溶接部８が凝固収縮するため、その間の第２のギャップ５が縮小する。

このように、レーザ７が照射される突起部１４に対応する領域において、溶接前の第２のギャップ５が存在する状態で板厚方向からレーザ７を照射し、同種系の金属材としての第１の材料１および第２の材料２が互いに溶融結合して凝固収縮され、その間に挟まれる異種材としての第３の材料３が圧縮固定される。

具体的には、第２のギャップ５の大きさを、レーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに対して４％以上３８％以下に設定する。この場合、溶接部８の凝固収縮が、第１の材料１と第２の材料２による第３の材料３を挟む圧縮力６となり、第３の材料３を圧縮固定することが可能となる。

このレーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに対して第２のギャップ５の大きさを４％以上３８％以下とする設定は、実験データにより導き出したものであり、その実験データの一例を図３に示す。

図３は、本開示の実施の形態１における第１の材料１の板厚ｔと突起部１４に対応する板厚方向の隙間である第２のギャップ５の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

本実験では、第１の材料１および第２の材料２をそれぞれ同種系の金属材料である軟鋼材、第３の材料３を異種材としての樹脂材料であるＰＥＴ材とした。この組合せにおいて、第２の材料２に対して上側に第１の材料１を配置し、第３の材料３を第１の材料１と第２の材料２とで挟み込んだ状態で、第１の材料１の突起内縁部１０内に板厚方向から円状にレーザ７を照射して溶接した。なお、本実験では、レーザ７の出力を３ｋＷに設定した。

また、第１の材料１および第２の材料２の突起内縁部１０の直径はφ１０ｍｍ、第３の材料３の貫通穴１２の直径はφ１２ｍｍとした。なお、突起部１４に対して板厚方向から照射されるレーザ７の照射領域は、突起内縁部１０の径に対して所定の距離を有して小さくなるようにする。つまり、レーザ７を照射する方向から見て、レーザ７の突起部１４に対する照射領域は、突起部１４の突起内縁部１０の領域より小さい。本実験においては、突起内縁部１０の直径に近づけ、かつ突起内縁部１０の直径より小さい、φ８ｍｍの円状に溶接したものである。なお、上記の数値は実施例であって、これに限定されない。

次に、図３の実験結果について、説明する。図３に示すグラフにおいて、横軸は第１の材料１の板厚ｔを示し、縦軸は第２のギャップ５の大きさを示す。例えば、板厚ｔが０．８ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさが０．１ｍｍ～０．３ｍｍまでの場合、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。また、第２のギャップ５の大きさが０．３ｍｍを超えて大きくなると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、板厚ｔが０．８ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの１３％以上３８％以下までが、圧縮固定の有効範囲となる。

また、板厚ｔが２．３ｍｍの場合では、第２のギャップ５の大きさが０．１ｍｍ～０．７ｍｍまでの場合、第３の材料３を溶接部８の溶融金属の凝固収縮作用で圧縮固定することができる。第２のギャップ５の大きさが０．７ｍｍを超えると、溶接線の一部が穴開き状態となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚ｔが２．３ｍｍの場合、第２のギャップ５の大きさは、第１の材料１の板厚ｔの４％以上３０％以下までが、圧縮固定の有効範囲となる。これより、突起部１４に対応する領域である、板厚方向における、突起内縁部１０または貫通穴１２の領域において、レーザ７が照射される側にある第１の材料１の板厚ｔに応じた第２のギャップ５の大きさが、所定の範囲内にあれば溶接可能となる。具体的には、第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚ｔの４％以上３８％以下であれば溶接可能となる。加えて、第２のギャップ５の大きさが上記所定の範囲内にあれば、第１の材料１と第２の材料２とで、第３の材料３を圧縮固定することができる。

これは、第１の材料１の板厚ｔと第２のギャップ５の大きさが、上記の関係を満たす場合、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％以下に相当する溶融金属が第２のギャップ５に落ち込んで穴開きなく第２の材料２を圧縮固定して接合できることを示している。第２のギャップ５の大きさが、第１の材料１の板厚ｔの最大３０％～３８％を超える場合では、第２のギャップ５を埋めるために必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。

逆に、第２のギャップ５が、０．１ｍｍより小さくなると突起部１４間の隙間が小さくなりすぎて、第１の材料１と第２の材料２とが互いに溶融結合して第３の材料３を圧縮固定する圧縮力６が不足する。

このように、第２のギャップ５は、溶接時の溶融金属量を確保できる範囲で、言い換えると穴開きが発生しない範囲で、大きくなる程、突起部１４間の溶接時の溶接部８の凝固収縮が増大する。これにより、第１の材料１と第２の材料２による第３の材料３を挟む固定力としての圧縮力６が増大する。

なお、上記では、第１の材料１側からレーザ７を照射した場合について述べたが、第２の材料２側からレーザ７を照射した場合でも同様の効果を得ることができる。つまり、レーザ７を第２の材料２から照射する場合、第２のギャップ５の大きさが、第２の材料２の板厚の約４％以上４０％以下であれば、第１の材料１と第２の材料２を溶接することができる。加えて、第１の材料１と第２の材料２とで、第３の材料３を圧縮固定することができる。

本実施の形態では、第１の材料１と第２の材料２の突起部１４の形状を同じとしたが、必ずしも同じでなくても良い。また、レーザ照射方向として、第１の材料１側からレーザ７を照射する構成としたが、これに限定されない。レーザ７が照射される側にある材料の板厚の４％以上３８％以下になるように、板厚方向からレーザ７が照射される側の同種系の金属材の板厚に応じて突起部１４間の第２のギャップ５を設定すれば、溶融時に第２のギャップ５を埋めるために必要な溶融金属量を確保できる。この構成によれば、溶接時の溶接部８の凝固収縮により、第１の材料１と第２の材料２で第３の材料３を挟んで圧縮固定することができる。

このため、レーザ照射方向を例えば上側ではなく下側からとし、第２の材料２の側からレーザ７を照射しても同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、第１の材料１と第２の材料２の材質は同種系の金属材であり、それぞれ軟鋼材と記載したが、互いに溶接が可能であり接合強度が得られる同種系の金属材としての材質であれば材質が異なっていても問題ない。例えば、同種系金属材としての第１の材料１および第２の材料２は以下の組合せが考えられる。鉄系金属材の組合せとしては、軟鋼材同士、ステンレス同士、ハイテン同士等、または、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス等の組合せがある。また、非鉄金属材の組合せとしては、アルミ材同士、アルミ合金同士、または、アルミとアルミ合金等の組合せがある。上記に記載した鉄系金属材および非鉄金属材は、レーザ接合が可能な材質である。また、異種材としての第３の材料３は、レーザ光の吸収率が低くレーザ接合が難しい銅、各種樹脂材料や第１の材料１および第２の材料２のそれぞれに対して溶接接合性の相性が悪い材質が当てはまる。溶接接合性の相性が悪い組合せとしては、例えば、第１の材料１および第２の材料２を軟鋼材とした場合、これらに対して溶接する材料として、第３の材料３をアルミ材とする組合せである。またはその逆の組合せの場合もある。

上記では、異種材である第３の材料３が１種類のみの場合について述べた。以下では、異なる２種類の異種材を用いた場合について説明する。

図１Ｂは、異なる２種類の異種材を用いた場合における接合構造を示す図である。図１Ｂに示すように、異なる２種類の異種材である第３の材料３と第４の材料１５を接合する場合、同種系の金属材であるの第１の材料１および第２の材料２で第３の材料３と第４の材料１５を挟む。そして、第２のギャップ５の大きさを適正にした状態でレーザ溶接を実施する。この場合においても、第１の材料１および第２の材料２の溶融金属の凝固収縮作用による圧縮力６により、第３の材料３と第４の材料１５の圧縮固定が可能である。特に異なる２種類の異種材である第３の材料３と第４の材料１５がＰＥＴ材等の樹脂材やＣＦＲＰ等の非金属材の場合は、レーザ７が透過する率が高い。言い換えるとレーザ７の吸収率が低い場合が多い。このため、異種材が１種類のみの場合と同様、第１の材料１と第２の材料２で、第３の材料３と第４の材料１５を圧縮固定する方式は有効である。具体的には、突起部１４間を離間させる板厚方向の第２のギャップ５を設け、この第２のギャップ５を埋めるのに必要な溶融金属量を供給可能な構造とする。そして、突起部１４間を溶融結合させるとともに、その突起部１４間における溶接部８の溶接時の凝固収縮による圧縮力６を用いて、第１の材料１および第２の材料２にて第３の材料３および第４の材料１５を圧縮固定する。

また、図２Ａの円状の溶接以外の実施例を、図２Ｂおよび図２Ｃに示す。図２Ｂ、図２Ｃは、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説明する為の斜視図である。図２Ｂは、レーザ７の走査の軌跡が楕円状である場合の接合状況を示す。図２Ｃは、レーザ７の走査の軌跡が直線状である場合の接合状況を示す。図２Ｂ、図２Ｃに示すように、第１の材料１の形状は、レーザ７の走査の軌跡にあわせている。つまり、図２Ａでは第１の材料１の形状は円状であるのに対して、図２Ｂでは第１の材料１の形状は楕円であり、図２Ｃでは長方形である。また、図２Ｂに示すように、第２の材料２および第３の材料３の幅Ｗ２が、図２Ａに示す第２の材料２および第３の材料３の幅Ｗ１より大きい。つまり、図２Ｂに示す溶接部８には、接合固定される第３の材料３と第２の材料２の幅Ｗ２の方向に対して、図２Ａに示す溶接部８よりも多くの接合強度を必要としている。このように、必要な接合強度分布に方向性がある場合や、ある特定の方向に高い接合強度が必要な場合に、第２の材料２および第３の材料３に重ねて接合する第１の材料１を接合強度分布に相対するように配置する。例えば、図２Ｂ、および、図２Ｃに示すように、第１の材料１の楕円の長手側または角形状の長方形状の長手側を第２の材料２および第３の材料３の幅Ｗ２の方向に配置する。言い換えると、同種系の金属材と異種材との接合強度が必要な方向（例えば耐引張り強度や耐ねじり強度が必要な方向等）に第１の材料１の楕円の長手側または角形状の長方形状の長手側を配置する。また、突起部１４の形状を大きな円状とする場合に対して、溶接形状を楕円状とすることでレーザ７の走査の軌跡の面積を縮小できる。また、図２Ｃのように溶接形状を直線状とすることで、例えば第１の材料１の突起部１４が大きな円状ではなく、長方形状とすることでレーザ７の走査の軌跡の面積を縮小することが出来る。また、レーザ７の走査の軌跡を一つ以上の直線状にすることで、例えば多くの接合強度を必要とする方向に、溶接の接合形状を円状あるいは楕円状の溶接を複数箇所接合するよりもレーザ７の走査の軌跡がシンプルとなり短時間での溶接が可能となる。

次に、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図４Ａ，図４Ｂに示す。

図４Ａ、図４Ｂは、本開示の実施の形態１における使用例を示す図である。図４Ａにおいて、第１の材料１は、第３の材料３と第２の材料２とを接合する際の位置決め機能と、引張強度を高める機能を有する。図４Ａに示すように、第３の材料３の貫通穴１２の板厚方向に所定の第２のギャップ５が設けられるように、異種材である第３の材料３を、同種系の金属材である第２の材料２と段状に折り曲げた第１の材料１とで挟み込む構造である。

また、図４Ａに示すように、第１の材料１は、以下の２箇所で第２の材料２と接合している。まず、１箇所目として、第１の材料１は、突起部１４を有する箇所が、第３の材料３を介して第２の材料２に接合される。次に、２箇所目として、第１の材料１は、１箇所目と別の場所１０Ａで、第２の材料２と直接接合される。これにより、第３の材料３に対して第２の材料２の引張およびねじり時に、第３の材料３を介して接合される第１の材料１と第２の材料２との溶接部８に対して集中して応力がかかることを抑制できる。その結果、全体として同種系の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４Ｂに示すように、第２の材料２が第１の材料１の突起部１４を含んでおり、第２の材料２を折り返すことで、第１の材料１を用いなくとも、第３の材料３を第２の材料２に接合することができる。この構造は、第１の材料１の突起部１４の機能を、第３の材料３を挟む第２の材料２の上側の板または下側の板の少なくともいずれか一方に含めた構造にすることで実施できる。この場合、第３の材料３の固定用治具が不要となる。また、第３の材料３を第２の材料２に対して差し込んで、仮固定が可能となり、第３の材料３の位置決めも容易となる。

ここで、図４Ｂにおける第２の材料２を折り返して形成される上板部分は、本実施の形態における第１の材料１に相当する。つまり、本実施の形態において、第１の材料１と第２の材料２とは、溶接前の状態において、一体であってもよい。

以上のように本実施の形態のレーザ７による溶接での接合構造は以下のような接合構造である。第１の材料１と、第１の材料と溶接可能な同種系の金属材からなる第２の材料２と、第１の材料１と第２の材料２の間に少なくとも一部が挟まっており、挟まっている部分に貫通部を有し、第１の材料１および第２の材料２のそれぞれに対して溶接が困難な材質からなる第３の材料３と、を備え、第１の材料１と第２の材料２が貫通部を介して溶接された接合構造である。第１の材料１および第２の材料２の少なくとも一方には、貫通部に挿入された突起部１４が設けられている。かつ、貫通部の内周面と突起部１４の間には第１のギャップ４が設けられている。かつ、板厚方向における突起部１４に対応する領域において、第１の材料１と第２の材料２の間に、領域における第１の材料１の板厚に応じた第２のギャップ５が設けられている。第２のギャップ５の大きさが、０．１ｍｍ以上、かつ領域における第１の材料１の板厚の３８％以下の状態で、第１の材料１側からレーザ光を照射して第１の材料１と第２の材料２を溶接してなる接合構造である。

この接合構造によれば、第１の材料１および第２の材料２を溶融結合させることで、第３の材料３を板厚方向の圧縮力６により圧縮固定することができる。

これにより、本実施の形態における接合構造では、同種系の金属材と、同種系の金属材に対して溶接が困難な材質である異種材との信頼性の高い接合を可能とし、生産タクトタイムを大幅に短縮することもできる。更に本実施の形態における接合構造では、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。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について、図１Ｃを用いて説明する。図１Ｃは、本開示の実施の形態２における溶接前後の接合構造を説明するための断面図である。なお、実施の形態１と重複する部分は説明を省略する。本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、第１の材料１には突起部１４が有るが、第２の材料２には突起部１４が無い点である。第２の材料２に突起部１４の加工が無いことで材料の加工費用の削減が可能となる。また、第１の材料１と第３の材料３との位置が第２の材料２の位置ズレに影響されない利点がある。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第２のギャップ５を設けてレーザ溶接することで、溶接部８の凝固収縮が圧縮力６となり、第１の材料１と第２の材料２との間に挟まれた第３の材料３を圧縮固定する。

本実施の形態では、突起部１４を第１の材料１側に設けたが、逆に第３の材料３側に突起部１４を設けて第１の材料１側には突起部１４を設けない構成としてもよい。レーザ７が照射される側の第１の材料１または第２の材料２の板厚に対して、第２のギャップ５の大きさを圧縮固定の有効範囲に設定すれば、溶接線の一部が穴あき状態となり、溶接不良となることはない。よって、第２のギャップ５の大きさを適切に設定すれば、レーザ照射方向に関して第１の材料１側から照射しても第２の材料２側から照射しても良い。

以上のように本実施の形態における板厚方向からのレーザ７による接合構造は、貫通部内における第１の材料と第２の材料の対向面の少なくとも一方に突起部が形成されているものである。

これにより、溶接接合性が低く、溶接接合が困難な材質である異種材である第３の材料３を信頼性の高い方法で接合することができる。本実施の形態において、同種系の金属材である第１の材料１および第２の材料２の対向面の少なくとも一方に突起部１４が形成されている。このため、第３の材料３と、第１の材料１または第２の材料２のいずれか一方に突起部１４が形成された方の材料は、突起部１４が形成されていない他方の材料の位置ズレに影響を受けない。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３について、図１Ａを用いて説明する。レーザ７が板厚方向から突起部１４に照射する照射領域は、エンボス形状の突起部１４の径または幅に対して小さい。つまり、レーザ７を照射する方向から見て、レーザ７の突起部１４に対する照射領域は、突起部１４が設けられた突起内縁部１０の領域より小さい。言い換えると突起部１４に対応する突起内縁部１０の領域より小さい。本実施の形態では、突起部１４の突起内縁部１０より、例えば径または幅で２ｍｍ程度での所定の距離を有して小さい。

ここでレーザ７が照射され溶融された溶接部８から伝達される溶接入熱により、異種材としての第３の材料３が溶融するには、第１の材料１および第２の材料２のテーパ状に押し出されたエンボス形状の突起部１４の突起内縁部１０および突起外縁部９と第３の材料３の貫通穴１２との位置関係が重要である。

なお、本開示では、同種系の金属材としての第１の材料１および／または第２の材料２の突起部１４の最外形である突起外縁部９を簡易的に突起部１４の径または幅と称している。

第３の材料３の貫通穴１２の径に対して、挿入される突起部１４の径または幅である突起外縁部９が適正な範囲にある場合、貫通穴１２の端部（内周面）は、レーザ７の照射による溶接部８への溶接入熱の熱影響を間接的に受けて軟化し、溶融する。この軟化し、溶融した第３の材料３が、第１のギャップ４に流れ込む。これにより、第３の材料３は、溶接部８の凝固収縮作用による圧縮固定に加え、第１の材料１および／または第２の材料２と第３の材料３の板厚方向に交差する方向の間の密着固定も可能となる。

レーザ７が照射される突起部１４において、突起外縁部９から貫通穴１２の端部（内周面）までの距離が近すぎる場合、端部は、レーザ７の照射による溶接部８から伝達される溶接入熱の熱影響を、直接または間接的に受けることになる。

これにより、溶融した貫通穴１２の端部である第３の材料３が、第１のギャップ４を通りこして、第２のギャップ５に流れ込んでしまう。上述したように、第２のギャップ５には、レーザ７が照射された溶融金属が落ち込む。そのため、例えば、第３の材料３が、樹脂などの沸点が低い材料の場合には、気化して噴き出すことで溶接部８の溶接不良となることもある。

また、第１のギャップ４は、第３の材料３が例えば樹脂材料の場合は２ｍｍ以上、第３の材料３がＣＦＲＰの場合は１．５ｍｍ以上大きく離れすぎると、第３の材料３の貫通穴１２の端部が、溶接部８の溶接入熱を受け難くなり溶融しない。これにより、第３の材料３は、第１のギャップ４に流れ込まず、第１の材料１の突起部１４の外周部側へ第２の材料２が流動して密着固定することが困難となる。そのため、第３の材料３は、第１の材料１と第２の材料２の凝固収縮作用による圧縮固定しか受けなくなる。

以上のことから、第１のギャップ４の大きさや第３の材料３の材質によって、突起外縁部９から貫通穴１２の端部への伝熱状況や、溶接時の熱影響による第３の材料３の溶融状態が変化する。

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支持位置決めの方式等を用いて、異種材の貫通穴１２の径に対して、挿入される同種系の金属材の突起部１４の位置決めを行っても良い。

また、突起部１４がエンボス加工されて、突出している突起外縁部９の大きさは突起内縁部１０に対して、突起部１４のプレス加工によりエンボス形状に外周方向に約１ｍｍ～板厚相当のオフセットした大きさとなるが、本説明は簡略的に１ｍｍ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倍～１．４倍程度であっても良い。

上記は実験データにより導きだしたものであり、その実験データの一例を図５に示す。

図５は、本開示の実施の形態３における異種材としての第３の材料３の材質と第１のギャップ４の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

図５に示すグラフにおいて、横軸は第３の材料３の材質を示しており、縦軸は第１のギャップ４の大きさを示す。第３の材料３の材質として、具体的には、ＰＥＴ材、ＣＦＲＰ材、Ａ５０００材を用いた。ここで、Ａ５０００材とは、非鉄金属材であるアルミ合金である。

また、本実験では、第１の材料１および第２の材料２として軟鋼材を使用し、その板厚ｔを１．６ｍｍとした。また、第３の材料３として上記に示したいずれか１つを使用し、その板厚を２．０ｍｍとした。上記組合せにおいて、第２の材料２に対して上側に第１の材料１を配置し、第３の材料３を第１の材料１と第２の材料２に対して挟み込んだ状態で、第１の材料１の突起内縁部１０内に円状にレーザ７を照射して溶接した。本実験では、レーザ７の出力を３ｋＷに設定した。例えば、第１の材料１および第２の材料２の突起内縁部１０の直径はφ１０ｍｍ、第３の材料３の貫通穴１２の直径はφ１２ｍｍとし、突起内縁部１０の直径より小さいφ８ｍｍの円状軌跡でレーザ７を板厚方向から突起部１４に向かって照射して溶接をしたものである。

次に、図５の測定結果について説明する。図５に示すように、第３の材料３が樹脂材料であるＰＥＴ材の場合は、第１のギャップ４の大きさが０．４ｍｍ以上の場合であれば、第３の材料３を圧縮固定することができる。これは、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けても、溶融した第３の材料３が第２のギャップ５に接合不良を起こすように流れ込むことがないからである。

しかしながら、第１のギャップ４の大きさが０．４ｍｍより小さい、つまり、突起外縁部９と貫通穴１２の端部とが近すぎる場合では、レーザ７による溶接の熱影響を受けて溶融した第３の材料３が、第２のギャップ５に流れ込む。これにより、第３の材料３であるＰＥＴ材が気化して噴き出すことで、溶接部８が溶接不良となる場合がある。

また、第３の材料３が樹脂材料であるＣＦＲＰ材の場合は、第１のギャップ４が０．２ｍｍ以上の場合であれば、第３の材料３を圧縮固定することができる。これは、レーザ７による溶接の熱影響を受けても、溶融した第３の材料３が第２のギャップ５に接合不良を起こすように流れ込むことがないからである。

しかしながら、第１のギャップ４が０．２ｍｍより小さい、つまり、突起外縁部９と貫通穴１２の端部とが近すぎる場合では、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けて溶融した第３の材料３が、第２のギャップ５に流れ込む。これにより、第３の材料３であるＣＦＲＰ材が気化して噴き出すことで、溶接部８が溶接不良となる場合がある。以上のように、第３の材料３である樹脂材料の融点や沸点などの特性により、溶接時に許容される第１のギャップ４の大きさに多少の違いが出てくるものである。

なお、第３の材料３が非鉄金属材であるＡ５０００材である場合は、第１のギャップ４の大きさに関係なく、突起内縁部１０へ照射されるレーザ７による溶接の熱影響を受けても、第２のギャップ５に溶融した第３の材料３が接合不良を起こすように流れ込むことはない。よって、安定した圧縮固定が可能である。

なお、突起部１４の突起外縁部９を貫通穴１２に対して挿入するためには、第１のギャップ４は、例えば０ｍｍよりも大きく、突起外縁部９を貫通穴１２に対して挿入するのに必要な大きさ以上あれば良い。

上記内容は、第３の材料３の材質による違いの一例を示した実験データであるが、第３の材料３が樹脂材料であれば、図５でのＰＥＴ材を用いた場合とほとんど同じような傾向にある。また、第３の材料３が非鉄金属材であれば、図５でのアルミ合金材であるＡ５０００材を用いた場合とほとんど同じような傾向にある。これは、他の非鉄金属材を第３の材料３として用いても、第１の材料１の突起部１４へのレーザ７の照射による溶接時の溶接入熱により、貫通穴１２の内周面が気化して噴き出すことで溶接部８の溶接不良となる熱影響を受けないからである。以上より、他の非鉄金属材でもほとんど同じような傾向にあると言える。

したがって、第３の材料３が非鉄金属材の場合、第３の材料３が溶融し、第１の材料１および第２の材料２の突起部１４間の板厚方向の隙間である第２のギャップ５に溶融した第３の材料３が流れ込むほどの熱影響は受けることはないと言える。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４について、図１Ｄを用いて説明する。これまでと重複する部分は説明を省略する。実施の形態１，２と異なる点は、第１の材料１と第２の材料２の突起部１４間の板厚方向の隙間である第２のギャップ５が大きい場合、スペーサ１３を用いて第２のギャップ５を小さくする点である。スペーサ１３の材質は、第１の材料１および第２の材料２のそれぞれに対して溶接が可能な同種系の金属材とし、スペーサ１３は第２の材料２の貫通穴１２の内部に配置される。この構成によれば、レーザ７が照射されて溶接される際の、第３の材料３の貫通穴１２内での第２のギャップ５を小さくすることができる。スペーサ１３の板厚は、スペーサ１３が配置された場合の第２のギャップ５の大きさが、レーザ７に照射される上板となる第１の材料１の板厚ｔの最大３０～３８％以下となるように設定する。なお、スペーサ１３が配置された場合の第２のギャップ５の大きさとは、第１の材料１と第２の材料２との間にスペーサ１３が配置された場合のスペーサ１３と第１の材料１との板厚方向の隙間である。

なお、第１の材料１と第２の材料２との間に配置されるスペーサ１３は、別部品として配置するだけではなく、消耗電極やフィラーなどの溶接材料を用いて、第１の材料１と第２の材料２との間に直接作成しても良い。

この場合も、実施の形態１、２と同様に、第２のギャップ５の範囲が、図３に示すようなレーザ７が照射される側の板厚に応じた所定の範囲であれば、下板となる第２の材料２まで貫通するようなキーホール型のレーザ溶接をする。これにより、溶接部８に凝固収縮が生じ、この凝固収縮が圧縮力６となり第３の材料３を圧縮固定することができる。

なお、第２のギャップ５の大きさが、板厚方向からレーザ７が照射される側の上板となる第１の材料１の板厚の最大３０％～３８％を超えるようになると、第２のギャップ５に必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまう。

逆に、第２のギャップ５の大きさが、０．１ｍｍより小さくなると突起部１４間の隙間が小さくなりすぎて、同種系の金属材としての第１の材料１と第２の材料２を互いに溶融結合して、異種材の第３の材料３が圧縮固定される圧縮固定力が不足する。

このように、異種材としての第３の材料３の貫通穴１２の板厚方向において、スペーサ１３の板厚は、板厚方向からレーザ７が照射される側の照射領域の同種系の金属材である第１の材料１の板厚ｔより小さいことが好ましい。また、異種材である第３の材料３の貫通穴１２にスペーサ１３を設置した際に、スペーサ１３と上板の第１の材料１との隙間である第２のギャップ５が第１の材料１の板厚ｔの３０～３８％以下になるような厚みとすることが好ましい。

言い換えると、スペーサ１３の厚みは、上板の第１の材料１の板厚ｔより小さく、第２のギャップ５の大きさに応じた厚みである。また、レーザ７の照射領域の板厚方向において、異種材である第３の材料３を間に挟んで、同種系の金属材の上板である第１の材料１と下板である第２の材料２の相対的な板厚方向の隙間を埋めることが出来る第２のギャップ５の大きさは、０．１ｍｍ以上、レーザ７が照射される側の同種系の金属材の板厚の３８％以下である。

例えば、具体的にスペーサ１３の厚みの設定例について説明する。図示しないが簡易的に第１の材料１と第２の材料２には共に突起部を設けず、内部にスペーサ１３が配置された貫通穴１２を有する第３の材料３を間に挟んだ状態で、板厚方向からレーザ７が貫通穴１２を介して照射し、第１の材料１と第２の材料２を溶融結合して第３の材料３を圧縮固定する場合、上板の第１の材料１の板厚ｔが１．６ｍｍ、第３の材料３の板厚が２．０ｍｍの場合、図３に示すように、第１の材料１の板厚ｔが１．６ｍｍでは、第２のギャップは、０．１ｍｍ～０．５ｍｍであるので、スペーサ１３の厚みは、１．５ｍｍ以上、１．９ｍｍ以下が好ましい。

本実施の形態では、レーザ照射方向に関して上板である第１の材料１側からレーザ７を照射しているが、下板である第３の材料３側から照射しても問題ない。

これまでの異種材に対する接合用部材としてのリベット５１は、かしめ加工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およ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する必要があった。そのため、リベット５１は、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０や環状溝３１等の複雑で高精度な形状が必要であった。

この場合、リベット５１の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、スポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため生産性が低い上に、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、隣のリベットに近過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して、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場合があった。そのため、所望のナゲット形成が行える最小限以上の接合ピッチの間隔が必要となり、必要箇所での接合の剛性を増加できないという課題があった。

本開示により、従来の課題を解決することができる。これまでの実施の形態における接合構造で示したように、本開示にかかる接合構造は、第１の材料１と、第１の材料１と溶接可能な同種系の金属材からなる第２の材料２と、第１の材料１と第２の材料２の間に少なくとも一部が挟まっており、挟まっている部分に貫通部を有し、第１の材料１および第２の材料２のそれぞれに対して溶接が困難な材質からなる第３の材料３と、を備え、第１の材料１と第２の材料２が貫通部を介して溶接された接合構造である。第１の材料１および第２の材料２の少なくとも一方には、貫通部に挿入された突起部１４が設けられ、かつ、貫通部の内周面と突起部１４の間には第１のギャップ４が設けられ、かつ、板厚方向における突起部に対応する領域において、第１の材料１と第２の材料２の間に、領域における第１の材料１の板厚に応じた第２のギャップ５が設けられている。第２のギャップ５の大きさが、０．１ｍｍ以上、かつ領域における第１の材料１の板厚の３８％以下の状態で、第１の材料１側からレーザ光を照射して第１の材料１と第２の材料２を溶接してなる接合構造である。

この構成によれば、同種系の金属材を互いに溶融結合して異種材を圧縮固定することができる。また、異種材と同種系の金属材とが固定する本開示の接合構造を用いると、異種材の接合に、複雑で精度が必要な構造部品は不要となる。

また、本開示に係るレーザ溶接方法では、第１のギャップ４の大きさと第２のギャップ５の大きさを所定の範囲に設定することで、レーザ溶接のみで第１の材料１と第２の材料２を互いに溶融結合し、第１の材料１と第２の材料２とで第３の材料３を圧縮固定できる。

さらに、スポット溶接ではなくレーザ溶接を用いるので、溶接を含めた作業時間がスポット溶接に対して約２５％に短縮でき、著しく生産性を向上する。また、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となる。

本開示は、異種材の接合に際し、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レーザ溶接用の接合構造として産業上有用である。

１ 第１の材料
２ 第２の材料
３ 第３の材料
４ 第１のギャップ
５ 第２のギャップ
６ 圧縮力
７ レーザ
８ 溶接部
９ 突起外縁部
１０ 突起内縁部
１１ 溶接ビード
１２ 貫通穴
１３ スペーサ
１４ 突起部
１５ 第４の材料

Claims (4)

1. 第１の材料と、
   前記第１の材料と溶接可能な同種系の金属材からなる第２の材料と、
   前記第１の材料と前記第２の材料の間に少なくとも一部が挟まっており、挟まっている部分に貫通部を有し、前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれに対して溶接が困難な材質からなる第３の材料と、を備え、
   前記第１の材料と前記第２の材料が前記貫通部を介して溶接された接合構造であって、
   前記第１の材料および前記第２の材料の少なくとも一方には、前記貫通部に挿入された突起部が設けられて、かつ、前記貫通部の内周面と前記突起部の間には第１のギャップが設けられ、かつ、板厚方向における前記突起部に対応する領域において、前記第１の材料と前記第２の材料の間に、前記領域における前記第１の材料の板厚に応じた第２のギャップが設けられており、前記第２のギャップの大きさが、０．１ｍｍ以上、かつ前記領域における前記第１の材料の板厚の３８％以下の状態で、前記第１の材料側からレーザ光を照射して前記第１の材料と前記第２の材料を溶接して、前記貫通部を介して前記第１の材料と前記第２の材料とが互いに溶融結合して前記第３の材料が圧縮固定されることにより、前記第３の材料と前記第１の材料と前記第２の材料とを固定してなる接合構造。
2. 前記第３の材料は樹脂材料であり、
   前記内周面は、
   前記レーザ光による前記突起部に対しての溶接入熱により間接的に入熱され、溶融し、前記所定の前記第１のギャップに流れ込み、前記突起部の外周側に密着固定されている請求項１に記載の接合構造。
3. 前記レーザ光を照射する方向から見て、前記レーザ光の前記突起部に対する照射領域は、前記突起部の突起内縁部の領域より小さい請求項１に記載の接合構造。
4. 前記貫通部内における前記第１の材料と前記第２の材料との間に前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれに対して溶接可能な材料からなるスペーサが配置され、前記スペーサの厚みは、前記領域における前記第１の材料の板厚より小さく、前記第２のギャップの大きさに応じた厚みである、請求項１に記載の接合構造。

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