JPH04251676A

JPH04251676A - 鋼材とアルミニウム系材料との抵抗溶接方法

Info

Publication number: JPH04251676A
Application number: JP3025079A
Authority: JP
Inventors: Shoji Inoue; 正二井上; Satoshi Soga; 曽我　聡
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1991-01-28
Filing date: 1991-01-28
Publication date: 1992-09-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スポット溶接等の抵抗
溶接法によって鋼材とアルミニウム系材料とを接合する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材とアルミニウム系材料とを接合する
手段としては、摩擦溶接，爆発溶接，拡散接合等が採用
されて来た。しかし、これらの方法は、形状等の制約が
多く、また生産性，価格等に問題があり、自動車用車体
等の製造には適用されない。

【０００３】そこで、スポット溶接に代表される重ね抵
抗溶接によって、鋼材とアルミニウム系材料とを接合す
ることが望まれている。重ね抵抗溶接では、溶接される
材料を重ね合わせた状態で溶接電流を供給する。被溶接
材料は、内部を流れる電流に起因するジュール熱によっ
て、融点以上の高温に加熱される。この高温状態で加圧
力を加えることにより、被溶接材料が接合される。

【０００４】しかし、この方法によって鋼材とアルミニ
ウム系材料等の異種金属同士を接合することは困難であ
る。また、溶接されたとしても、接合強度が低く、実用
性に乏しいものであった。これは、鋼材及びアルミニウ
ム系材料で融点，熱伝導度，固有抵抗等の物性が大きく
異なることが一つの原因である。たとえば、アルミニウ
ム系材料側の接合界面近傍が融点以上に加熱されても、
鋼材側の接合界面が融点以下である。そのため、鋼板相
互のスポット溶接部に通常形成されるナゲットが、鋼材
とアルミニウム系材料との間に形成されない。また、鋼
材側の接合界面を融点以上に加熱するため電流を増加さ
せると、アルミニウム系材料が過度に加熱され、溶融し
たＡｌが飛散する傾向が顕著に現れる。その結果、溶接
強度が却って低下する。更には、電極に対するＡｌの融
着が盛んに行われ、溶接自体も不可能になる。

【０００５】そこで、接合界面に入熱を集中させること
により必要部分のみ高温に加熱する手段として、コンデ
ンサー式スポット溶接機の使用が「軽金属溶接」第１７
巻第１号（１９７９年発行）第１０〜１７頁で、高電流
・短時間通電方式のスポット溶接機の使用が「溶接学会
論文集」第２巻第１号（１９８４年発行）第１４３〜１
４９頁で報告されている。

【０００６】また、特開昭５６−１１７８８８号公報，
特開昭６３−２３０２７１号公報等では、鋼材とアルミ
ニウム系材料との間に適宜のインサートを介在させた状
態でスポット溶接することが提案されている。たとえば
、特開昭５６−１１７８８８号公報では、ナゲットの径
よりも多少大きなアルミニウム薄板をアルミニウム合金
薄板と軟鋼板との間に挟むことが紹介されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、コンデンサー
式スポット溶接機や高電流・短時間通電方式のスポット
溶接機は、従来から汎用されている交流スポット溶接機
に比較し、設備費が高価になることは勿論、容量面から
大きな板厚の材料を溶接することが困難である。しかも
、コンデンサーへの充電を必要とするため、生産性に劣
る欠点がある。

【０００８】他方、インサートを使用する方法では、ア
ルミニウム薄板等のインサートを別途用意することが必
要になり、その分だけコストがかさむ。また、溶接時に
インサートを鋼材とアルミニウム系材料との間に介装さ
せるため、手数がかかり、生産性が低下する。

【０００９】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、一方の被溶接材料である鋼材表面
に低融点のコーティングを施すことにより、生産性を低
下させることなく、鋼材とアルミニウム系材料との間に
十分な強度をもった溶接部を形成させると共に、汎用的
な交流スポット溶接機の使用を可能にすることを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の抵抗溶接方法は
、その目的を達成するため、鋼材とアルミニウム系材料
とを接合する際、アルミニウム系材料に接する鋼板の表
面に、アルミニウム系材料の融点以下の融点を有する金
属又は合金を厚み２〜２０μｍでコーティングした後、
鋼材とアルミニウム系材料とを抵抗溶接することを特徴
とする。

【００１１】被溶接材料である鋼材としては、軟鋼，低
合金鋼，ステンレス鋼等がある。他方、アルミニウム系
材料としては、純Ａｌや、Ａｌ−Ｍｇ合金，Ａｌ−Ｓｉ
合金等の各種Ａｌ合金がある。これら材料の形状も、板
状に限らず、パイプ状に加工したものや曲げ加工したも
の等もある。

【００１２】鋼材表面に形成されるコーティングは、そ
の融点がアルミニウム系材料と同等或いはそれ以下の材
料である限り、特に制限されるものではない。たとえば
、Ａｌ，Ａｌ−Ｚｎ合金，Ａｌ−Ｓｉ合金，Ｚｎ，Ｚｎ
合金等でコーティングが形成される。

【００１３】コーティングは、めっき，溶射，蒸着，ク
ラッド等の手段により形成される。数μｍ程度の厚みを
もつコーティングで十分な効果が発揮されることから、
めっき法が経済的な手段である。しかし、これに拘束さ
れることなく、他の手段を採用することもできる。或い
は、適宜の手段でコーティングした後、コーティング層
の一部を除去することにより、所定の厚さに調整しても
良い。コーティングする箇所は、溶接される個所だけで
十分である。しかし、めっき等のように鋼材全面を処理
する方が効率的な場合、鋼材全面にコーティングを施す
こともできる。

【００１４】

【作　　用】本発明者等は、鋼材とアルミニウム系材料
との抵抗溶接性に与えるコーティングの影響について調
査・研究し、次の結果を得た。

【００１５】汎用的な交流式スポット溶接機を使用して
、加圧力１９６０〜２６５０Ｎ，通電時間１２サイクル
，溶接電流１０〜１６ｋＡの条件で、鋼材とアルミニウ
ム系材料とを抵抗溶接した。アルミニウム系材料として
は、板厚１．０ｍｍのＡｌ−Ｍｇ合金５０５２を使用し
た。他方、鋼材としては、板厚０．８ｍｍの冷延鋼板を
使用した。

【００１６】冷延鋼板の表面に、次のように各種手段に
より厚み７〜１０μｍのコーティングを施したものを供
試材として用意した。・Ｚｎ，Ｚｎ−５％Ａｌ，Ａｌ−９％Ｓｉ等を溶融めっ
きしたもの。・Ｚｎ−１０％Ｆｅを溶融めっきした後、合金化処理し
たもの。・Ｆｅ，ニッケル，Ｚｎ−１０％Ｆｅを電気めっきした
もの。

【００１７】コーティングが施された冷延鋼板１に、図
１に示すようにアルミニウム系材料２を重ね合わせ、上
下両面から溶接電極３，４を押し付けた。溶接電極３，
４により供給される電流を種々変化させながら、コーテ
ィング５を介して冷延鋼板１とアルミニウム系材料２と
をスポット溶接した。溶接後、ＪＩＳ　　Ｚ３１３６に
準拠して引張り剪断強さを求めた。電流を変化させた中
で得られた最大の引張り剪断強さを表１に示す。また、
得られた結果から、コーティング層の融点と引張り剪断
強さとの関係を求めたところ、両者の間には図２に示す
関係が成立していた。

【００１８】

【表１】

【００１９】図２から明らかなように、Ａｌ−Ｍｇ合金
５０５２の融点６５０℃と同等或いはそれ以下の融点を
有する材料でコーティングした鋼板では、Ａｌ−Ｍｇ合
金５０５２の融点を超える高い融点を有する材料でコー
ティングした鋼板に比較して、高い引張り剪断強さが得
られていることが判る。この引張り剪断強さは、アルミ
ニウム系材料相互をスポット溶接したとき得られる値に
匹敵する。

【００２０】また、接合部を観察したところ、何れの組
合せにおいても通常の鋼板同士を溶接したときに生じる
ナゲットが形成されておらず、接合は界面の微小領域に
おける金属間の反応によるものであることが判った。次
いで、接合された界面の状態を詳細に調査するため、走
査型顕微鏡で観察した。観察結果を図３に示す。図３か
ら明らかなように、Ａｌ−Ｍｇ合金５０５２とＦｅ−Ｚ
ｎめっき鋼板との間に形成された接合界面が平坦である
のに対し、Ａｌ−Ｍｇ合金５０５２とＡｌ−Ｓｉめっき
鋼板との間に形成された接合界面には微小な凹凸が形成
されている。

【００２１】更に、これら接合界面をＥＰＭＡによって
成分分析した。図４及び図５は、それぞれＡｌ−９％Ｓ
ｉ及びＺｎ−１０％Ｆｅをコーティングした鋼板とＡｌ
−Ｍｇ合金５０５２とを溶接したときの接合界面の分析
結果を示す。何れの接合界面においても、Ａｌ−Ｆｅの
合金層が認められる。しかし、Ｆｅ−Ｚｎめっき鋼板を
使用した場合には、接合界面にコーティング層の厚さに
相当するＺｎの残存が検出された。

【００２２】以上の結果から、アルミニウム系材料の融
点と同等或いはそれ以下の融点をもつ材料をコーティン
グした鋼材とアルミニウム系材料とを溶接するとき、溶
接時に発生するジュール熱によって接合界面のコーティ
ング層及びアルミニウム系材料が融点以上に加熱され、
溶接電極３，４を介して付与されている加圧力によって
界面に微小な凹凸が形成される。この界面における凹凸
は、いわゆるアンカー効果を発揮し、接合強度を向上さ
せる原因となる。このような凹凸状の接合界面を得るた
めには、溶接電流を１４ｋＡ以上とすることが好ましい
。これに対し、アルミニウム系材料の融点を超える材料
でコーティングした鋼板とアルミニウム系材料とを溶接
した場合には、同様に接合力の一因となるＦｅ−Ａｌの
合金層が接合界面に形成される。しかし、コーティング
層の融点が高いため、接合界面に凹凸が形成されず、接
合強度が低く実用性に乏しい接合部が得られる。

【００２３】図３に示すような凹凸のある接合界面を形
成するためには、コーティング層の厚みを２μｍ以上に
することが必要である。しかし、コーティング層の厚み
が２０μｍを超えると、鋼板の母材とＡｌとの反応、す
なわちＦｅ−Ａｌ合金層の形成が接合界面全体に均一に
進行せず、強度の低下やバラツキが多くなる。このこと
から、コーティングは、２〜２０μｍの厚みで設けるこ
とが必要である。

【００２４】なお、本発明の抵抗溶接方法は、スポット
溶接を始めとする各種抵抗溶接に適用することができる
。また、接着剤を併用したウェルドボンディングに適用
することも可能である。

【００２５】

【実施例】以下、実施例により、本発明を具体的に説明
する。 −実施例１− 板厚０．８ｍｍの冷延鋼板を溶融めっきし、両面に厚み
７μｍのＡｌ−９％Ｓｉめっき層，Ｚｎめっき層，Ｚｎ
−１０％Ｆｅめっき層をそれぞれ形成した。これらめっ
き鋼板と板厚１．０ｍｍのＡｌ−Ｍｇ合金５０５２（Ｈ
３４）を、加圧力１９６０Ｎ，通電時間１２サイクル，
電流１０〜１６ｋＡの溶接条件で交流式スポット溶接機
を使用して溶接した。得られた継ぎ手の引張り剪断強さ
を、ＪＩＳＺ３１３６に準拠して調査した。試験結果を
、表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から明らかなように、Ａｌ−９％Ｓｉ
めっき及びＺｎめっきした鋼板では、溶接電流１４ｋＡ
以上においてＡｌ−Ｍｇ合金同士を溶接した場合にほぼ
匹敵する引張り剪断強さが得られた。これに対し、Ｚｎ
−１０％Ｆｅ合金めっきを施した鋼板では、約１０００
Ｎ低い引張り強度に過ぎなかった。

【００２８】−実施例２− 板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の両面に１．５〜３０μｍの
厚みでＺｎを電気めっきした。このＺｎめっき鋼板とＡ
ｌ−Ｍｇ合金とを、同様なスポット溶接機を使用して、
加圧力１９６０Ｎ，通電時間１０サイクル，電流１４ｋ
Ａの条件下で溶接した。得られた継ぎ手に対し、ＪＩＳ
　　Ｚ３１３６に準拠して引張り剪断強さを調査した。試験結果を、表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】表３から明らかなように、Ｚｎのコーティ
ング厚さが１．５μｍ，２４．５μｍ及び３０．０μｍ
の場合、得られた引張り剪断強さは、７μｍのコーティ
ングを施したものに比較して１０００Ｎ以上低下してい
た。

【００３１】−実施例３− 溶融めっき法によって板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の両面
にＡｌ−９％Ｓｉ及びＺｎ−１０％Ｆｅをそれぞれ１０
μｍの厚みでコーティングした。これらめっき鋼板と板
厚１．０ｍｍのＡｌ板（１１００）とを、加圧力４００
０Ｎ，溶接速度２．５ｍ／分，溶接電流３５０Ａの条件
下でシーム溶接した。溶接後に幅５０ｍｍに切断し、引
張り試験を行った。その結果、Ａｌ−９％Ｓｉをコーテ
ィングした鋼板では、十分な接合強度が得られ、破断は
Ａｌ材に生じた。これに対し、Ｚｎ−１０％Ｆｅをコー
ティングしたものでは、接合界面から破断し、十分な強
度が得られなかった。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、鋼材とアルミニウム系材料とを接合するに当たり、
アルミニウム系材料に接する側の鋼材表面にアルミニウ
ム系材料の融点と同等或いはそれ以下の融点をもつ材料
を２〜２０μｍの厚みでコーティングしている。このコ
ーティング層は、溶接時に溶融し、接合界面に微小な凹
凸を形成させる。その結果、特別な溶接機を使用するこ
となく、従来の方法に比較して接合強度に優れた溶接継
ぎ手を得ることができる。このように、軽量性が要求さ
れる部分及び構造強度が要求される部分をそれぞれアル
ミニウム系材料及び鋼材で製作でき、しかも両者が強固
に接合された構造体が得られる。したがって、本発明の
抵抗溶接方法は、自動車組立て工程を始めとして各種産
業において利用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に従った溶接状態を示す。

【図２】　　コーティング層の融点が溶接部の引張り剪
断強さに与える影響を示したグラフ

【図３】　　コーティング層の種類により接合界面が異
なることを示した組織写真

【図４】　　Ａｌ−９％Ｓｉをコーティングした鋼板と
Ａｌ−Ｍｇ合金を溶接したときの溶接部の成分分析を示
したグラフ

【図５】　　Ｚｎ−１０％Ｆｅをコーティングした鋼板
とＡｌ−Ｍｇ合金を溶接したときの溶接部の成分分析を
示したグラフ

【符号の説明】

１　　冷延鋼板　　　　　　　　　　２　　アルミニウ
ム系材料　　　　　　３，４　　溶接電極５　　コーティング層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　鋼材とアルミニウム系材料とを接合す
る際、前記アルミニウム系材料に接する前記鋼板の表面
に、前記アルミニウム系材料の融点以下の融点を有する
金属又は合金を２〜２０μｍの厚みでコーティングした
後、前記鋼材と前記アルミニウム系材料とを抵抗溶接す
ることを特徴とする鋼材とアルミニウム系材料との抵抗
溶接方法。