JP7038279B2 - 接合構造およびそのアーク溶接方法 - Google Patents

接合構造およびそのアーク溶接方法 Download PDF

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Description

本開示は、アークおよびプラズマを熱源として、金属材にて、材質の異なる一種類以上の異種材を固定する接合構造およびそのアーク溶接方法に関する。
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ＣＯ２排出規制要求がグローバルで強く求められており、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。しかしながら、抵抗溶接であるスポット溶接は、上下の電極で、材料を加圧して溶接材料間の間隙を無くして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おらず、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、加圧するためには、スポット用の上下の電極であるガンが、溶接材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く、溶接位置に到着しても加圧時間が必要であり、溶接後も冷却時間を確保しなければならず、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及び構造が求められている。
従来の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に挟まれた異種材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知られている。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が可能である。
特開２０１５－４２４１７号公報
従来の異種材の接合部材は、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であるので、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り、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ため、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アーク溶接またはプラズマ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、本開示の接合構造は、第一の金属材に対して、第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から貫通部を介してアーク溶接し、溶融した溶接ワイヤが第一の金属材と溶融結合し、溶融した溶接ワイヤをさらに異種材の貫通部に積層させ、溶融した溶接ワイヤにて異種材の貫通部の上面側の外周部に覆い被さるようにつば部分を形成し、第一の金属材に対する溶接ワイヤの凝固収縮によるつば部分と第一の金属材との圧縮固定力により異種材と第一の金属材とを固定するものであって、異種材に凹形状を有し、凹形状の底部には第一の金属材と接合するための貫通部を有し、異種材は第一の金属材に貫通部のある凹形状が上になるように重ね合わせ、スパイラル状の軌跡でアーク溶接することによりつば部分の全体が凹形状の内部に収まった状態で異種材と第一の金属材とを固定する接合構造を有するものである。
また、本開示の接合構造は、第一の金属材に対して、第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から貫通部を介して第一の金属材に対して同種金属材である溶接ワイヤと第一の金属材とをアーク溶接し、溶融した溶接ワイヤが第一の金属材と溶融結合し、溶融した溶接ワイヤをさらに異種材の貫通部に積層させ、溶融した溶接ワイヤにて異種材の貫通部の上面側の外周部に覆い被さるようにつば部分を形成し、第一の金属材に対する溶接ワイヤの凝固収縮によるつば部分と第一の金属材との圧縮固定力により異種材と前記第一の金属材とを固定するものであって、第一の金属材の接合部を凸形状にし、異種材には第一の金属材の接合部の凸形状よりも大きい凹形状を形成し、凹形状の底部には第一の金属材と接合するための貫通部を有し、凹形状と凸形状とが互いに係合するように異種材と第一の金属材の凹凸形状を重ね合わせるようにし、貫通部の径は凸形状の頂部の径より小さく、異種材の貫通部を介して、第一の金属材の凸形状の接合部の上面側の中央部分に対して溶接ワイヤを溶融接合してつば部分は凹形状よりも内側に収まる状態で固定する接合構造を有するものである。
また、本開示のアーク溶接方法は、第一の金属材に対して、第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する一種類以上の異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から前記貫通部を介してアーク溶接し、溶融した溶接ワイヤが第一の金属材と溶融結合し、溶融した溶接ワイヤをさらに異種材の貫通部に積層させ、異種材の貫通部の上面側に外周部に覆い被さるように形成し、溶接法または溶接条件が異なる複数工程に分けて、貫通部の外周部に溶融した溶接ワイヤが密着固定可能とし、異種材と第一の金属材と、を固定するものであって、異種材の貫通部を介して第一の金属材に対して、短絡状態とアーク状態を繰り返し、アークの広がりが小さい短絡溶接により溶融した溶接ワイヤを貫通部に積層させる第一工程と、異種材の貫通部の上面側の外周部に覆い被さるように、第一工程の短絡溶接よりもアークの広がりが大きいパルス溶接またはスパイラル状の軌跡で行う短絡溶接により溶融した溶接ワイヤを積層させる第二工程を有して固定するアーク溶接方法を有するものである。
本開示の接合構造によれば、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もでき、更に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におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１における、溶接電流と第２の材料の板厚ｔ２との関係を測定した結果を表すグラフ 本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 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構造を示す図 本開示の実施の形態１および２におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 本開示の実施の形態１および２におけるアーク溶接時の接合構造を示す図 従来の異種材接合の形態を示す図
（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。図１は、溶接ワイヤである第３の材料１３と互いに溶接が可能な同種系金属材である第１の材料１と、同種系金属材に対して溶接が困難な材質の異種材である第２の材料２との接合構造を示す。図１１に示される通り、上板としての異種材である第２の材料２に円形状の貫通部３がある構造でもよく、図１２に示される通り、上板としての異種材である第２の材料２に角形状の貫通部３がある構造でもよい。図１は、図１１および図１２に示された構造の断面図（Ａ－Ａ）を示すものである。
図１に示すように、同種系金属としての、溶接ワイヤである第３の材料１３と第１の材料１（請求項では第一の金属材と称す）とを接合して、異種材である第２の材料２を第１の材料１に固定する。これに際して、同種系金属材である第１の材料１と異種材である第２の材料２を重ね合うように配置する。次に、板厚方向から、異種材である第２の材料２の予め加工されている貫通部３に、アーク溶接により溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３の溶融金属を積層する。溶接ワイヤの溶融した溶融金属が、異種材である第２の材料２の貫通部３に埋まった後は第２の材料２の貫通部３の上面側の外周部である押え面２２に流れ込む。アーク溶接は、図示しない溶接トーチの先端側に、溶接される溶接対象物の溶接個所である溶接部にシールドガス等を供給するノズル１１と、溶接部に溶接ワイヤを送給する際にガイドして案内するとともに溶接電流を溶接ワイヤに通電するチップ１２とを備えたアーク溶接機により実施される。なお、シールドガスを溶接部に供給しない場合はノズル１１を必ずしも用いなくとも良い。
このように、同種系金属材である第１の材料１に対して、第１の材料１とは溶接が困難であり、貫通部３を有する一種類以上の異種材である第２の材料２を重ね合わせた状態にし、板厚方向から貫通部３を介してアーク溶接し、同種系金属材としての、溶融した溶接ワイヤの第３の材料１３と第１の材料１とを溶融結合する。この溶融した溶接ワイヤの第３の材料１３をさらに異種材の第２の材料２の貫通部３に積層させ、異種材の第２の材料２の貫通部３の上面側の外周部に覆い被さるように形成する。これにより、貫通部３の上面側の外周部である押え面２２に密着固定可能なフランジ形状（つば部分）のビード２１を形成し、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料１とを固定するものである。
貫通部３は、異種材である第２の材料２の貫通部３に対する第１の材料１の相対的な位置ズレを抑制する効果があり、アーク溶接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、異種材である第２の材料２の貫通部３を円状の貫通穴４としているが、貫通溝であっても良い。また、楕円状や長穴状の形状であっても良い。
また、同種系金属材としての、溶接ワイヤの第３の材料１３および／または第１の材料１における溶融金属は、押え面２２での凝固収縮により、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料１とを密着固定させる。この押え面２２は、図１に示すような貫通部３の上面側の外周部であるとしたが、図２に示すように、貫通部３の内壁に形成しても良く、テーパ形状で形成しても良い。これにより押え面２２に密着固定可能なテーパ形状のビード２３を形成するものである。
テーパ形状とすることで、フランジ形状のようなつば部分を形成しなくとも同種系金属材としての、溶接ワイヤの第３の材料１３および／または第１の材料１における溶融金属の、押え面２２に対する凝固収縮により、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料とを密着固定させることが出来る。これにより、つば部分の厚みを抑制することが出来るため、異種材の第２の材料２の上面から飛び出るビード２３の高さを抑制することが出来る。また、溶接時間も短縮することができる。
また、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、同種系金属材である第１の材料１および溶接ワイヤである第３の材料１３では、軟鋼と軟鋼、ハイテン（高張力鋼）と軟鋼、ステンレスとステンレス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である。
また、異種材である第２の材料２は、同種系金属材である第１の材料１とは、異なる材質の材料であり、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である第１の材料１を鉄系金属にした場合、異種材である第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、金属材料とは異なる異種材としては、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。
また、逆の組み合わせも可能であり、溶接ワイヤの第３の材料１３に対して同種系金属材である第１の材料１を銅材やアルミ材等の非鉄系金属にし、異種材である第２の材料２は、鉄系金属とすることも可能である。
溶接状況は図１に示すように、異種材である第２の材料２の貫通部３を同種系金属材としての第１の材料１との接合可能範囲として、溶接ワイヤである第３の材料１３にて板厚方向から貫通部３を介してアーク溶接する。その結果、形成される溶融金属は図１に示すようにフランジ状のビード２１となる。
次に、溶接時及び溶接後のビード形成について図１を用いて説明する。
異種材である第２の材料２の貫通部３内へ向けてアーク１４によるアークスポットの溶接を行うと、ビード２１が形成される。その際に、溶接ワイヤである第３の材料１３が溶融し、その溶融金属がビード２１となる過程で凝固収縮する。そのため、同種系金属材としての、第１の材料１と溶接ワイヤである第３の材料１３により、異種材としての第２の材料２を圧縮し挟み込むことができる。
入熱が高い溶接条件ほど、溶接ワイヤである第３の材料１３の溶融した溶融金属の凝固収縮が強まり、異種材である第２の材料２を挟む圧縮力が高まり、異種材である第２の材料２を強固に圧接固定することができる。
溶接ワイヤの第３の材料１３によるアーク１４が照射される同種系金属材である第１の材料１の金属材料に対して、異種材の第２の材料２をアルミ材とした時の適正条件は、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６に示す。
図６は、異種材である第２の材料２の板厚ｔ２（貫通部３の厚み）と溶接電流Ｉとの関係を測定した結果を表すグラフである。同種系金属としての、第１の材料１および溶接ワイヤの第３の材料１３をそれぞれ軟鋼材、異種材の第２の材料２を非鉄金属であるアルミ材とした。この組合せにおいて、異種材の第２の材料２を同種系金属材の第１の材料１の上側に配置し上下方向に重ね合わせた状態にし、板厚方向から貫通部３を介してアーク溶接のＭＡＧ（ｍｅｔａｌ ａｃｔｉｖｅ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接を行った。
具体的には、溶接電流Ｉが５０Ａ～２００Ａにおける、溶融した溶接ワイヤの第３の材料１３が第１の材料１と溶融結合して、同種系金属材の第１の材料１と異種材の第２の材料２を固定するように、アークスポット溶接した場合の一例である。例えば、異種材である第２の材料２の貫通部３の貫通穴４の穴径はφ１０ｍｍとし、貫通穴４に対して板厚方向から照射されるアーク１４の照射領域は、貫通部３の貫通穴４に納まる穴径φ１０ｍｍ未満のスポット径になるようにアーク溶接したものである。
また、溶接時間は、異種材である第２の材料２の板厚により異なり、フランジ状またはテーパ状のビードが形成できるまでの時間である。
図６に示すように、同種系金属材としての第１の材料１が軟鋼で板厚ｔ１が１．２ｍｍ、異種材料としての第２の材料２がＡ５０００番系のアルミ合金材の組み合わせにおいて、異種材としての第２の材料２の貫通部３の厚みである板厚ｔ２が１．２ｍｍ以上であれば、溶接電流Ｉが５０Ａで第１の材料１の溶け落ちがない。しかも、第２の材料２の予め加工されている貫通部３に溶接ワイヤである第３の材料１３が、溶融した溶融金属を積層し、第１の材料１に対して第２の材料２を間に挟む様に、溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３にてフランジ状またはテーパ状のビード２１、２３を形成することができる。
また、溶接電流Ｉが１００Ａであれば、異種材である第２の材料２の板厚ｔ２が２．０ｍｍ以上、また、溶接電流Ｉが１５０Ａであれば、異種材である第２の材料２の板厚ｔ２が２．５ｍｍ以上、また、溶接電流Ｉが２００Ａであれば、異種材である第２の材料２の板厚ｔ２が３．０ｍｍ以上であれば、それぞれ、第２の材料２の溶け落ちを防止してフランジ状またはテーパ状のビード（２１、２３）を安定して接合良好に形成することができる。
また、同種系金属材における、溶融した溶接ワイヤの第３の材料１３が第１の材料１と溶融結合して、同種系金属材の第１の材料１と異種材の第２の材料２を固定する接合構造のため、溶接ワイヤと溶融結合する第１の材料１である軟鋼の板厚が厚くなれば、より溶接電流を高めることができ、より溶接電流を高めた状態で溶け落ちなく溶接することもできる。
これにより、第１の材料１に対する溶接ワイヤの凝固収縮によるフランジ状（言い換えるとつば状）のビード２１またはテーパ状のビード２３と第１の金属材との圧縮固定力により、その間に挟んだ異種材を第１の材料１に対して固定することが出来る。
第２の材料２の溶け落ちは、第２の材料２が薄いと溶け落ちしやすくなり、逆に厚いと溶け落ちしにくくなる。これは、第２の材料２が薄いと熱容量が小さく、溶接時の熱の逃げ場が少ないので熱がこもり易いためであり、厚いと熱の逃げ場が多いためである。
また、第１の材料１に対して第２の材料２の融点が低い場合、第１の材料１より第２の材料２の板厚が厚いのが好ましい。これは第２の材料２が第１の材料１に比べて薄いと、第３の材料１３である溶接ワイヤと第１の材料１とが溶融接合している間に第２の材料２が溶け落ちる恐れがあるからである。第２の材料２を第１の材料１より厚くし、相対的な熱容量を高めるのが好ましい。
なお、第１の材料１と第２の材料２の板厚の比は、１：１以上が好ましいが、裕度を考慮すると１：１．５以上ある方がより好ましい。
上記により、第２の材料２を溶け落ちなく、異材接合することができる。
なお、アーク１４の照射領域であるアークのスポット径が貫通穴４の穴径の例えばφ１０ｍｍを超えた場合、第２の材料２を余分に溶融してしまい、溶接ワイヤの第３の材料１３による固定が不十分となるため、アークのスポット径が異種材としての第２の材料２の貫通穴４の穴径未満であることが好ましい。
なお、溶接方法は図１と同じであるが、図１と異なる構造として、図３から図５のような接合構造であっても良い。
図３は、異種材である第２の材料２の貫通部３には凹形状を設けており、同種系金属材である第１の材料１に異種材である第２の材料２を、貫通部３に設けられた凹形状が上になるように重ね合わせ、異種材である第２の材料２と同種系金属材である第１の材料１とを固定する接合構造である。第２の材料２の上面における凹形状のサイズは、第２の材料２の下面における貫通穴４のサイズよりも大きい。また、例えば、貫通穴４が円状で凹形状も円状というように、凹形状の形状が貫通穴４の形状と同じでもよい。また、例えば、貫通穴４が円状で凹形状が溝状というように、凹形状の形状が貫通穴４の形状と異なっていてもよい。
なお、図４が、図３と異なる点は、凹形状の内面（異種材の第２の材料２の貫通穴４の板厚ｔ２の部分よりも上面側）をテーパ形状としたことである。
これにより、フランジ形状のようなつば部分を形成しなくとも同種系金属材としての、溶接ワイヤの第３の材料１３および／または第１の材料１における溶融金属の、押え面２２での凝固収縮により、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料１とを密着固定させることが出来る。これにより、つば部分の厚みを抑制することが出来、異種材の第２の材料２の上面から飛び出るビード２１の高さを抑制することが出来る。また、溶接時間も短縮することができる。
図５に他の接合構造を示す。同種系金属材である第１の材料１の接合部６を凸形状にし、異種材である第２の材料２の貫通部３には同種系金属材である第１の材料１の接合部６の凸形状よりも大きい凹形状を設ける。次に、同種系金属材である第１の材料１に異種材である第２の材料２を、貫通部３に設けられた凹形状が下向きになるように配置することで接合部６と凹形状の凹凸形状を重ね合わせる。凹凸形状が互いに係合することで同種系金属材である第１の材料１と異種材である第２の材料２の位置合わせが容易となる。次に、異種材である第２の材料２の貫通部３を介して、第１の材料１の凸形状の接合部６の上面側の中央部分に対して溶接ワイヤにて、第２の材料２を間に挟むように、フランジ状またはテーパ状のビード（２１、２３）を形成させて、溶融接合する。
これにより、第１の材料１に対する溶接ワイヤの凝固収縮により、間に挟んだ異種材に対して圧縮固定力を発生させて、異種材である第２の材料２と同種系金属材である第１の材料１とを固定する。
したがって、第１の材料１を凸形状であるエンボス形状とすることで、アーク溶接時の第１の材料１の接合部６の裏面へのビードの裏波の出っ張り等を第１の材料１の底面側に対して吸収可能である。また凸形状が段形状となっており、異種材の接合部分の板厚を小さくすることが出来るため、溶接時間を短縮し、溶接時の異種材への熱影響をより抑制出来る。なお、凸形状は、上面が上向きに突出した分だけ、その下面が上向きに凹むエンボス形状に限られない。第１の材料１を部分的に厚くすることで、凸形状を形成してもよい。
また、図５に示される接合構造では、第２の材料２の上面は平坦である。しかしながら、これに限らず、第２の材料２の上面が、図３および図４に示されるように、貫通部３に連なる凹形状を有してもよい。これにより、図５に示される接合構造の利点に加え、図３および図４に示される接合構造の利点も享受することができる。
なお、凸形状の中央部分とは、広く解釈され、凸形状の両端以外の部分を意味する。凸形状の両端間を２等分する中心のみを意味するものではない。
図１から図５において、同種系金属材である第１の材料１や溶接ワイヤである第３の材料１３の溶接時の溶融金属の温度に対して、異種材である第２の材料２の融点が低い場合、アーク溶接時において、異種材である第２の材料２の貫通部３の上面側の外周部または貫通部３の内壁での押え面２２に対して、金属材と接合可能な溶融した溶接ワイヤを覆い被さるように積層する。これにより、直接的に入熱が入り、第２の材料２の押え面２２が溶融し、第３の材料１３と第２の材料２の押え面２２との密着固定を可能にすることもできる。
しかしながら、例えば、軟鋼材とアルミ材等の非鉄金属とでは溶融金属が混じり合うことで金属間化合物が形成し、密着面は非常に脆い状態の場合もある。
同種系金属材である溶接ワイヤの第３の材料１３と異種材である第２の材料２の押え面２２の密着面での溶融接合のみで、同種系金属材と異種材との接合の強度確保をさせているのではないので、フランジ状またはテーパ状のビード２１、２３による同種系金属材の第１の材料１と異種材の第２の材料２との接合は、強度的に問題はない。
また、異種材である第２の材料２が樹脂の場合、同種系金属材としての、溶接ワイヤの第３の材料１３や第１の材料１に比べて、異種材としての第２の材料２の樹脂材料の方が融点は大幅に低いので、樹脂材料の溶融箇所に溶接ワイヤである第３の材料１３が食い込むような状態となり、溶接後に凝固した時にはくさび効果により、接合力は大きくなる。
また、異種材である第２の材料２によっては、図７のように異種材である第２の材料２の押え面２２に対して低入熱である交流溶接や短絡溶接によるスパイラル状の軌跡でアーク溶接することで、入熱を抑えながらのフランジ状のビード２１を形成することもできる。
以上のように本実施の形態のアーク１４によるアーク溶接での接合構造は、溶接ワイヤである第３の材料１３の材質と同種系金属材である第１の材料１と異種材である第２の材料２との接合に際して、同種系金属材である第１の材料１に対して、同種系金属材の第１の材料１とは溶接が困難であり、一種類以上の異種材である第２の材料２を重ね合うように配置する。異種材である第２の材料２は、同種系金属材の第１の材料１に対して貫通している貫通部３を有する。そして、板厚方向からこの貫通部３を介して同種系金属材としての第１の材料１に溶接ワイヤである第３の材料１３をアーク溶接し、同種系金属材としての、溶融した溶接ワイヤの第３の材料１３と第１の材料１とを溶融結合し、異種材である第２の材料２の貫通部３にアーク溶接による溶接ワイヤである第３の材料１３が溶融した溶融金属を積層する。これにより、異種材の第２の材料２と同種系金属材の第１の材料１とを固定するフランジ状またはテーパ状のビード２１、２３を形成するものである。
これにより、同種系金属材同士の溶接工程と、同種系金属材と異種材との接合工程を１つのシステムとしての溶接機でアーク溶接工程として行うことができる。これにより、同種系金属材としての、第１の材料１または溶接ワイヤである第３の材料１３を互いに溶融結合して、異種材である第２の材料２が同種系金属材である第１の材料１および／または溶接ワイヤである第３の材料１３にて、溶融金属の凝固収縮により圧縮固定される。
また、これにより、同種系金属材に対して溶接が困難な材質である異種材と同種系金属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、更に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。
なお、本実施例でのアーク溶接は、消耗電極を用いるアーク溶接として記載してきたが、非消耗電極を用いるＴＩＧ溶接またはプラズマ溶接（図示なし）でも良い。
（実施の形態２）
次に、本実施の形態２について、図８から図１０を用いて説明する。実施の形態１と重複する部分は説明を省略する。
実施の形態１と異なる点は、図１から図５のビード２１、２３による接合構造に対して、異種材である第２の材料２の貫通部３に溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３を積層させる第一工程と、異種材である第２の材料２の押え面２２に覆い被さるように溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３を積層させる第二工程との複数の工程に分けて、工程毎に溶接法または溶接条件を異ならせて、固定する接合構造にした点である。第一工程と第二工程との少なくとも２つの工程に分けることにより、異種材である第２の材料２の材料特性を考慮した溶接法または溶接条件の使い分けに有用である。
例えば、異種材である第２の材料２の貫通部３に溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３を積層させる第一工程には、入熱量を抑制するように、短絡とアーク状態を交互に繰り返す短絡溶接を行い、ビード２１ａを形成する。第一工程の後に、異種材である第２の材料２の押え面２２に覆い被さるように溶融した溶接ワイヤである第３の材料１３を積層させる第二工程を行う。第二工程では、フランジ状を形成しやすい広めのアークのパルス溶接で入熱量を制御し、フランジ状部分のビード２１ｂを形成して、フランジ状のビード２１を形成することも可能である。
また逆に、第１の材料１の板厚が厚い場合は、溶込みが得られるだけの入熱が必要となる。しかし、溶込みを得ることができる高めの電流にて単一の工程のみで溶接してしまうと、第２の材料２が溶融してしまう可能性がある。そこで、複数の工程に分けることで解消することができる。第一工程では、溶込みを得ることができる入熱が高めの溶接法（例えば、溶け込みに必要な入熱で、アークの広がりが小さい短絡溶接など）で溶接する。第一工程の後に行う、第一工程とは溶接条件が異なる第二工程では第２の材料２を溶融しない程度の入熱が低めの溶接法（例えば、低入熱で、アークの広がりが大きい正極性や交流によるパルス溶接など）で溶接する。これにより、第２の材料２上に入熱を抑えながらのフランジ状またはテーパ状のビード２１、２３を形成することもできる。
また上記のように工程を複数に分けて、異種材である第２の材料２によっては、図示していないが実施の形態１の図７と同様に異種材である第２の材料２の押え面２２に対して、第二工程として、例えば低入熱である正極性によるアーク溶接や交流溶接、短絡溶接によるスパイラル状にアーク溶接することで、入熱量を調整し、入熱を抑えながらのフランジ状またはテーパ状のビード（２１、２３）を形成することもできる。
また、図示していないが、実施の形態１の図４と同様に凹形状の異種材の第２の材料２の貫通穴４の板厚ｔ２の上側をテーパ形状とした場合であれば、第２の材料２のこのテーパ形状部分に入熱を抑えながらのフランジ状またはテーパ状のビード２１、２３を形成する。これにより、溶接ワイヤの溶剤の溶融時の粘性の影響を受け難く、予め形成された第２の材料２のテーパ形状に沿って貫通部３の孔の中央側に寄せる様にフランジ状またはテーパ形状の傘状の溶接ワイヤのビードが形成出来る。したがって、第３の材料１３である溶接ワイヤと第１の材料１との間に挟む第２の材料２への圧縮固定の信頼性が向上する。
また、第二工程は、第一工程と同じ溶接法であり第一工程と異なる溶接条件（例えば、電流などのパラメータ）で溶接してもよい。
なお、この２工程に分ける溶接法は、アーク溶接でのアークを出力したまま切り換えても良いし、一旦アークをＯＦＦしてから再アークスタートをする（すなわちＯＦＦ／ＯＮをする）切り換えでも良い。
またさらには、３工程や４工程といった複数工程に分けて行うことでも良い。
本開示により、従来の課題を解決することができる。これまでの実施例で示したように、本開示を用いると、複雑で精度が必要な構造部品は不要となる。さらに、抵抗スポット溶接ではなくアーク溶接を用いるので、溶接を含めた作業時間が抵抗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、およびそのアーク溶接方法として産業上有用である。
１ 第１の材料
２ 第２の材料
３ 貫通部
４ 貫通穴
ｔ１，ｔ２ 板厚
６ 接合部
１１ ノズル
１２ チップ
１３ 第３の材料
１４ アーク
２１，２１ａ，２１ｂ，２３ ビード
２２ 押え面

Claims (7)

  1. 第一の金属材に対して、前記第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から前記貫通部を介して前記第一の金属材に対して同種金属材である溶接ワイヤと前記第一の金属材とをアーク溶接し、
    溶融した前記溶接ワイヤが前記第一の金属材と溶融結合し、
    前記溶融した溶接ワイヤをさらに前記異種材の前記貫通部に積層させ、
    前記溶融した溶接ワイヤにて前記異種材の前記貫通部の上面側の外周部に覆い被さるようにつば部分を形成し、前記第一の金属材に対する前記溶接ワイヤの凝固収縮による前記つば部分と前記第一の金属材との圧縮固定力により前記異種材と前記第一の金属材とを固定するものであって、
    前記異種材に凹形状を有し、前記凹形状の底部には前記第一の金属材と接合するための前記貫通部を有し、前記異種材は前記第一の金属材に前記貫通部のある凹形状が上になるように重ね合わせ、スパイラル状の軌跡でアーク溶接することにより前記つば部分の全体が前記凹形状の内部に収まった状態で前記異種材と前記第一の金属材とを固定する接合構造。
  2. 前記凹形状の底部をテーパー形状とした請求項１に記載の接合構造。
  3. 第一の金属材に対して、前記第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から前記貫通部を介して前記第一の金属材に対して同種金属材である溶接ワイヤと前記第一の金属材とをアーク溶接し、
    溶融した前記溶接ワイヤが前記第一の金属材と溶融結合し、
    前記溶融した溶接ワイヤをさらに前記異種材の前記貫通部に積層させ、
    前記溶融した溶接ワイヤにて前記異種材の前記貫通部の上面側の外周部に覆い被さるようにつば部分を形成し、前記第一の金属材に対する前記溶接ワイヤの凝固収縮による前記つば部分と前記第一の金属材との圧縮固定力により前記異種材と前記第一の金属材とを固定するものであって、
    前記第一の金属材の接合部を凸形状にし、前記異種材には前記第一の金属材の接合部の凸形状よりも大きい凹形状を形成し、前記凹形状の底部には前記第一の金属材と接合するための前記貫通部を有し、前記凹形状と前記凸形状とが互いに係合するように前記異種材と前記第一の金属材の凹凸形状を重ね合わせるようにし、前記貫通部の径は前記凸形状の頂部の径より小さく、前記異種材の前記貫通部を介して、前記第一の金属材の前記凸形状の前記接合部の上面側の中央部分に対して前記溶接ワイヤを溶融接合して前記つば部分は前記凹形状よりも内側に収まる状態で固定する接合構造。
  4. アーク溶接時に、前記異種材が樹脂材料である場合は、前記異種材の上面側の外周部に対して低入熱である交流溶接またはスパイラル状の軌跡で行う短絡溶接でアーク溶接し、前記異種材の前記貫通部の上面側の外周部に、前記第一の金属材と接合可能な溶融した前記溶接ワイヤを覆い被さるように積層することで直接的に前記外周部に入熱し、前記貫通部の前記外周部に溶融した前記溶接ワイヤを食い込ませて密着固定を可能にする請求項１から３のいずれかに記載の接合構造。
  5. 前記アーク溶接は消耗電極を用いるアーク溶接、あるいは、非消耗電極を用いるＴＩＧ溶接またはプラズマ溶接である請求項１から４のいずれかに記載の接合構造。
  6. 第一の金属材に対して、前記第一の金属材とは溶接が困難であり、貫通部を有する一種類以上の異種材を重ね合わせた状態にし、板厚方向から前記貫通部を介してアーク溶接するアーク溶接方法において、
    溶融した溶接ワイヤが前記第一の金属材と溶融結合し、
    溶融した前記溶接ワイヤをさらに前記異種材の前記貫通部に積層させ、
    前記異種材の前記貫通部の上面側の外周部に覆い被さるように形成し、溶接法または溶接条件が異なる複数工程に分けて、前記貫通部の前記外周部に溶融した前記溶接ワイヤが密着固定可能とし、前記異種材と前記第一の金属材とを固定するものであって、
    前記異種材の前記貫通部を介して第一の金属材に対して、短絡状態とアーク状態を繰り返し、アークの広がりが小さい短絡溶接により溶融した前記溶接ワイヤを前記貫通部に積層させる第一工程と、前記異種材の前記貫通部の上面側の前記外周部に覆い被さるように、第一工程の短絡溶接よりもアークの広がりが大きいパルス溶接またはスパイラル状の軌跡で行う短絡溶接により溶融した前記溶接ワイヤを積層させる第二工程を有して固定するアーク溶接方法。
  7. 前記異種材の前記貫通部に前記溶融した溶接ワイヤを積層させる第一工程と、前記異種材の上面に覆い被さるように前記溶融した溶接ワイヤを積層させる第二工程との切り換えは、アーク溶接のアークを出力したまま切り換える、または一旦、前記アークのＯＦＦ／ＯＮをしてから切り換える請求項６に記載のアーク溶接方法。
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