JPH04253578A - 異種金属の接合方法 - Google Patents

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、２種の異種金属、例え
ば溶接時の加熱により溶接部に脆化相を形成する２種の
異種金属の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、鋼とＡｌ、鋼とＴｉのような異
種金属同士を溶接すると、接合部には溶接の際の加熱に
より金属間化合物が形成されて脆化相が形成されること
がある。したがって、満足な接合部強度を得ることがで
きない。

【０００３】従来は、このような材料を組み合わせて使
用する場合には、主としてボルト、ねじ、または嵌め合
わせ等による機械的接合によっていたが、信頼性、気密
性等に問題があった。

【０００４】そこで、固相接合法の適用が図られてきた
が、例えば摩擦圧接法はその適用が回転体同士に限られ
ていること、爆着法や熱間圧着法は設備、形状等に大き
な制約があること、さらに拡散接合法にも設備、能率面
で問題があることといった問題があり、それぞれ実用化
は容易ではなかった。

【０００５】近年に至り、このような異種金属の接合に
ついて、比較的簡便であって高能率な新たな方法が提案
されている。この方法は、略述すれば、２種の前記異種
金属と同じ２種類の金属材料からなるクラッド材を介し
て、異種金属同士を接合する方法である。例えば、雑誌
「軽金属」（ｖｏｌ．２７（１９８９）Ｎｏ．１０　、
鉄道車両のハイブリッド構体の構体結合構造）　には、
ステンレス鋼板とＡｌ板とを接合する場合に、図２（ａ
）　および図２（ｂ）　に示すように、ステンレス鋼板
とＡｌ板との間にステンレス鋼とＡｌとからなるクラッ
ド材を用い、ステンレス鋼板とクラッド材のステンレス
鋼板側とが、またＡｌ板とクラッド材のＡｌ板側とがそ
れぞれ接するようにして挟持して接合する方法である。 なお、図２（ａ）　は接合手段としてアーク溶接を行っ
た場合を、図２（ｂ）　は接合手段としてスポット溶接
を行った場合をそれぞれ示す。

【０００６】この方法では、用いるクラッド材のクラッ
ド界面の接合強度が重要であり、それが不足していると
接合強度上問題であるが、爆着、圧延等の公知方法で製
造されたクラッド材のクラッド界面は、脆化層の厚さが
極めて薄いため、全体としての接合強度には問題がない
とされている。

【０００７】したがって、前述のような異種金属同士は
、基本的には、クラッド材を用いる前記方法で接合が可
能であるが、溶接時の加熱で問題が生じることがある。

【０００８】例えば、クラッド材を構成している材料の
それぞれが厚い場合には問題はないが、薄い場合には溶
接時の加熱によりクラッド界面が脆化し易くなり、せっ
かくクラッド材を介して接合を行っても、クラッド界面
が低応力で破壊されてしまうことがあるからである。

【０００９】図２（ａ）　に示すアーク溶接を行った場
合は、入熱量が大きいために、クラッド界面での破壊が
特に顕著であり、クラッド材の構成材の厚さの下限は、
２ｍｍ程度となる。これより小さな値の場合にはクラッ
ド界面で脆化・破壊してしまう。

【００１０】また、図２（ｂ）　に示すスポット溶接を
行った場合は、入熱量が小さいために、クラッド界面で
破壊を生じる限度が若干改善されるものの、それでもク
ラッド材の構成材の厚さの限度は１．０　〜２．０　ｍ
ｍ程度であり、それ以下の薄いクラッド材を用いること
はできないのが現状である。

【００１１】このように、異種金属の接合は、溶接手段
　（アーク溶接、スポット溶接）　には直接関係なく、
クラッド材の厚さが大きい場合は問題ないが、実際には
例えば自動車、家電製品等ではクラッド材の厚さを１ｍ
ｍ程度に小さくする必要があるものが多数あり、この場
合はクラッド材の構成材料の厚さがそれぞれ１ｍｍ以下
となり、従来は、高い信頼性の得られる接合方法がなか
った。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな接合方法を求めて種々検討を重ねた結果、抵抗溶接
を行う際の通電時間を１０ｍｓ以下と極めて短くすると
ともに、大電流を通電することにより、前記クラッド界
面を熱影響により全く劣化させずに抵抗溶接を行うこと
が可能であることを知見して、先に特願平２−２４８２
７８号により提案した。

【００１３】この提案によれば、従来の通電時間は、板
厚にもよるが、５サイクル　（６０サイクルが１秒）　
程度であったが、これに比較して極めて短い時間で通電
することにより、前記問題を解決することができる。

【００１４】しかし、本発明者らはさらに検討を重ねた
結果、前述の提案によっても十分な接合部強度を得るこ
とができるが、この提案にかかる接合方法では、適正な
接合部強度が得られる接合条件の範囲が必ずしも広くな
く、接合条件の管理を十分に実施しないと所望の接合部
強度が得られないことになってしまうことを知見した。

【００１５】換言すれば、前述の提案にかかる方法は、
同時に両材料　（例えば、ステンレス鋼−Ａｌ）　を接
合することは事実上困難であり、ある通電時間で一つの
異種金属とクラッド材との接合を行ってから、再度通電
時間の設定変更を行って、もう一方の異種金属の接合を
行わなければならず、工数増を招くものであった。

【００１６】ここに、本発明の目的は、２種の異種金属
、例えば溶接時の入熱により溶接部に脆化相を形成する
２種の異種金属を、確実にかつ低コストで接合する方法
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために種々検討を重ねた。本発明者らの検討
によれば、前述の特願平２−２４８２７８号により提案
した接合方法において、適正な接合部強度が得られる接
合条件の範囲が狭い理由は、クラッド材を介して同種金
属同士を接触させて接合する際に、それぞれの同種金属
同士の接触部間で、接触抵抗　（電気抵抗）　が異なる
ため、抵抗発熱量にも差異が存在して、両者を同時に満
足する接合条件を選定することが必ずしも容易でないこ
とにあると考えられた。

【００１８】本発明者らは、２種の異種金属それぞれと
クラッド材とから構成される２つの接合界面のうちの少
なくとも一方に、接合される金属材料との間で、例えば
脆い化合物を形成しない組成を有し、前記金属材料より
融点が低い金属からなる金属薄材を挿入することにより
、２つの接合界面における電気抵抗値の差を小さくする
ことができ、その結果として、より確実に異種金属同士
を接合することができることを知見した。

【００１９】上記知見に基づくと、前述の特願平２−２
４８２７８号により提案した接合方法の適正な接合条件
の範囲がより広くなり、１回の溶接で２種の異種金属と
クラッド材との接合を一度に完了することができるとい
ったように、より簡便に前述の接合方法を実施すること
ができ、さらに接合される金属材料よりも金属薄材の融
点を低くすることにより、前記金属材料の表面の汚染層
と金属薄材の融液とが接合時に反応し、前記汚染層を除
去し、良好な接合が行えることも知見した。

【００２０】これらの知見に基づいて、本発明者らはさ
らに検討を重ねた結果、本発明を完成した。

【００２１】ここに、本発明の要旨とするところは、２
種の異種金属同士の間に、２種の前記異種金属と同じ２
種の金属からなるクラッド材を、それぞれ同じ種類の金
属が接するようにして挟持して抵抗溶接を行う異種金属
の接合方法において、前記異種金属とクラッド材とから
構成される少なくとも一方の界面にその界面を構成する
異種金属より融点が低い金属薄材を挿入するとともに、
前記抵抗溶接の際の通電時間は１０ｍｓ以下として、前
記抵抗溶接を行うことを特徴とする異種金属の接合方法
である。

【００２２】本発明において、「抵抗溶接」には、スポ
ット溶接、プロジェクション溶接、さらにはシーム溶接
等の重ね抵抗溶接を包含する。

【００２３】

【作用】以下、本発明を作用効果とともに詳述する。な
お、本明細書においては、特にことわりがない限り「％
」は「重量％」を意味するものとする。

【００２４】本発明は、例えば前述の雑誌「軽金属」（
ｖｏｌ．２７（１９８９）　Ｎｏ．１０　、鉄道車両の
ハイブリッド構体の構体結合構造）　により公知とされ
ている技術、すなわち異種金属同士の間に、前記異種金
属と同じ金属からなるクラッド材を、該異種金属と同じ
金属が対向して接するようにして配置し、抵抗溶接する
技術において、２種の前記異種金属それぞれとクラッド
材とから構成される２つの接合界面の少なくとも一方に
、前記界面を構成する金属より融点が低い金属薄材を挿
入するとともに、抵抗溶接時の通電時間をある特定の範
囲に限定することを特徴とする発明である。

【００２５】通電時間を特定の範囲に限定する理由を説
明する。一般的に、接合を行うためには、接合面となる
金属材料の表面に存在する汚染層　（酸化物と吸着物）
　を除去して、金属原子面を露出させることが必要であ
る。 本発明において、通電を行う主たる目的は、この汚染層
を破壊するためであり、したがって通電時間はこの汚染
層を破壊することができる程度であればよい。また、熱
伝導により接合部の広い範囲を加熱する必要は全くなく
、通電時間が長過ぎると、クラッド材のクラッド界面に
熱影響を与え易くなり、むしろ有害である。上限値であ
る１０ｍｓ以下の通電時間であれば、万が一クラッド界
面に熱影響を与えたときにも、前記クラッド界面には、
全く脆化層を生じない。そこで、本発明においては、抵
抗溶接時の通電時間は１０ｍｓ以下と限定する。

【００２６】通電時間を短くする場合には、適切に電流
値を上げて行う。

【００２７】本発明にかかる方法は、クラッド材の構成
材料それぞれの厚さが１ｍｍ以下であるクラッド材に対
しても、もちろん適用できるものであり、５０μｍ　程
度の箔のようなクラッド材に対してまでも適用すること
ができる。この場合、構成材料の厚さが小さくなればな
る程前述の通電時間を短くすることが望ましいが、この
ような場合に本発明の範囲の最大値である１０ｍｓの通
電を行っても、特に問題は生じないことは言うまでもな
い。

【００２８】溶接する各材料毎に最適な電流値はおのお
の異なり、各材料毎の融点、通電時間や接合部の形状、
加圧力等により決定されるものであるので、特定の値の
範囲には限定されないが、要求する接合部強度が得られ
るように設定すればよく、通常のスポット溶接時の電流
値よりは大きい値とすることが適当である。

【００２９】ただし、電流値が過大であると接合部より
チリが飛散し、高品質の接合部は得られず接合強度が低
下するため、各材料毎に適宜通電時間に見合った適正な
電流値を選べば良い。例えば、ステンレス鋼板とＡｌ板
との接合を本発明により行う場合、通電時間が１ｍｓの
ときには電流値は２０〜６０ＫＡ程度が好適である。

【００３０】本発明にかかる方法は、基本的に、構成材
料それぞれの厚さが１ｍｍ超のクラッド材に対しても適
用することができることも言うまでもない。

【００３１】以上の説明では、異種金属として、Ｆｅと
Ａｌとを例にとって説明してきたが、本発明にかかる方
法は溶接の際の加熱により溶接部に脆化相を形成する異
種金属の組合せ全てに対して適用することが可能である
。

【００３２】具体的には、例えばＦｅ系材料と、Ａｌ系
材料　（純ＡｌおよびＡｌ合金を含む。以下同じ）　、
Ｔｉ系材料、Ｚｒ系材料、Ｔａ系材料、Ｎｂ系材料との
接合、またはＮｉ系材料　（純ＮｉおよびＮｉ基合金を
含む）　と、Ａｌ系材料、Ｔｉ系材料、Ｚｒ系材料、Ｔ
ａ系材料、Ｎｂ系材料との接合等に対しても適用するこ
とが可能である。

【００３３】クラッド材は、圧延クラッド、爆着クラッ
ド等の公知方法により充分に高い強度で接合されている
クラッド材であればいずれでもよく、本発明では、用い
るクラッド材の製造方法は何ら限定を要するものではな
い。

【００３４】また、抵抗溶接に際して、クラッド材と異
種金属との接合界面の少なくとも一つに挿入する金属薄
材は、異種金属の融点、例えば図２に示すように異種金
属がステンレス鋼−Ａｌの場合にＡｌとクラッド材のＡ
ｌ面との間の金属薄材の融点は、近接する異種金属のＡ
ｌより低い。好ましくは、前記融点が５０℃以上低い金
属薄材を使用する。異種金属より融点が低い金属薄材を
使用することによって、異種金属表面における汚染層と
薄材融液とが接合時に反応し、異種金属の表面の汚染層
を除去し良好な接合性が得られるが、異種金属の融点よ
り５０℃未満の融点の材料ではその効果が小さいからで
ある。

【００３５】このように、金属薄材の融点を異種金属の
融点よりも低融点とするために、前記金属薄材にＳｉ、
Ｂ、Ｃｕ、Ｐ、Ａｌ等の融点降下元素を含有せしめる。 これらの融点降下元素のうち、例えば、Ａｌ系材料から
なる金属薄材にはＳｉを使用し、Ｔｉ系材料からなる金
属薄材にはＡｌ、Ｃｕ等の融点降下元素が使用される。

【００３６】該金属薄材の厚さは、１μｍ　以上が好ま
しい。１μｍ　以上の厚さとすることによって、金属薄
材と異種金属との接触抵抗によるジュール発熱により完
全に溶融し、異種金属の表面の汚染層を破壊し、接合を
促進するからである。

【００３７】なお、該金属薄材の成分は、異種金属の主
成分と同一とすることが好ましいが、異った主成分を有
する金属薄材であってもよい。その場合には、異種金属
との間の接触抵抗値、異種金属同士の接触抵抗値以上と
なる金属薄材であって、かつ前記異種金属と溶融反応し
た時に脆い層を生成させないものであればよい。

【００３８】上記、金属薄材層の厚さの上限は特に設け
る必要はないが、接合する異種金属の重量、経済性等を
勘案して適宜決定する。

【００３９】さらに、本発明を実施例を参照しながら説
明するが、これはあくまでも本発明の例示であって、こ
れにより本発明が限定されるものではない。

【００４０】

【実施例】本発明にかかる異種金属の接合方法により、
合計の厚さが０．８ｍｍ　である、Ｆｅ　（ステンレス
鋼）　とＡｌとの圧延クラッド材１（Ｆｅ：０．４ｍｍ
厚、Ａｌ：０．４ｍｍ厚）　を用い、図１に示すように
、板厚が０．８　ｍｍのＦｅ板２（ステンレス鋼）と、
板厚が０．８　ｍｍのＡｌ板３とを異種金属として、通
電時間を　１．３ｍｓまたは１．５ｍｍ　として抵抗溶
接を行った。 なお、金属薄材４としては、Ａｌ−１２％Ｓｉ箔　（厚
さ：１００μｍ）またはＦｅ−３．５　％Ｓｉ−２％Ｂ
箔　（厚さ：５０　μｍ）を用い、これをＡｌ同士が接
触する接合界面またはＦｅ同士が接触する接合界面）　
に挟んで接合した。接合は、Ｆｅ／ＦｅとＡｌ／Ａｌ　
との接合を同時に行う方法　（一度の溶接で行う）と、
Ｆｅ／Ｆｅ　を接合した後にＡｌ／Ａｌ　を接合する方
法　（２度の溶接で行う）　との２つの方法を行って、
試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．５を得た。

【００４１】同様に、金属薄材としてＴｉ−１０Ｃｕ箔
　（厚さ１００　μｍ）を用いて板厚が０．６ｍｍ　の
Ｆｅ板　（ステンレス鋼）　と板厚が１ｍｍのＴｉ板と
の接合、金属薄材としてＺｒ−１０Ｃｕ箔　（厚さ１０
０　μｍ）を用いて板厚が０．６ｍｍ　のＮｉ板と板厚
が１ｍｍのＺｒ板との接合、さらには金属薄材としてＰ
ｂ−５Ｓｎ箔　（厚さ１５０　μｍ）を用いて板厚が０
．８ｍｍ　のＦｅ板と板厚が０．８ｍｍ　のＡｌ板との
接合を、通電時間を１ｍｓまたは１．３ｍｓ　として抵
抗溶接を行って、試料Ｎｏ．６ないし試料Ｎｏ．８を得
た。

【００４２】また、試料Ｎｏ．９ないし試料Ｎｏ．１２
　は、本発明の比較例であって、これらの試料の接合に
際しては、金属薄材は使用していない。また、試料Ｎｏ
．９の接合時、通電時間は２０ｍｓと本発明の範囲を大
幅に超えた条件であった。

【００４３】さらに、試料Ｎｏ．１３　では異種金属と
して、ＦｅとＴｉとを用いて、接合を行った。各試料に
ついて、接合後に、図３に示すように、十字引張試験を
行って、各試験片の破断位置により、接合部強度を評価
した。結果を表１に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１の「破断位置／形態」の欄に、「ボタ
ン」と示されているのは、通常スポット溶接で強固な接
合が行われた際の十字引張試験で見られるものであって
、ナゲットの周辺から母材である異種金属にかけて破壊
が生じボタン穴のような形態となるものである。これに
対して、スポット溶接で十分な接合が行われなかったも
のでは、平坦で塑性変形の小さいフラットな破面となる
。

【００４６】本発明にかかる方法によれば、試料Ｎｏ．
　１のように、Ａｌ／Ａｌ　、Ｆｅ／Ｆｅ　を同時に接
合しても良好な接合部強度が得られ、またＦｅ／Ｆｅ　
、Ａｌ／Ａｌ　の順に２度に分けて接合する場合でも、
３０〜５０ＫＡという広い範囲の電流値で接合が可能と
なることが、試料Ｎｏ．　２ないし試料Ｎｏ．　４から
わかる。また、試料Ｎｏ．　５から明らかなように、イ
ンサート材を両方の接合界面にいれても良好な接合が１
回の接合で得られる。試料Ｎｏ．　６ないし試料Ｎｏ．
　８から明らかなように、Ｆｅ−Ａｌ以外であっても本
発明は適用することができたことがわかる。

【００４７】試料Ｎｏ．　８のように、母材である異種
金属と異なる塑性の金属材料であっても本発明は適用す
ることができる。試料Ｎｏ．　９では、特に通電時間が
長過ぎるために、クラッド材の界面で脆化が生じてしま
った。試料Ｎｏ．１０　ないし試料Ｎｏ．１２　は、金
属薄材を用いていないため、接合部を得られる接合条件
の範囲が狭く、１回の接合では強固な接合が得られなか
った。試料Ｎｏ．１３　は、ＦｅとＴｉを用いて接合を
行った例であるが、金属薄材を用いていないため、所望
の接合部強度が得られていない。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により、安
定的かつ確実に異種金属同士を接合することができる。 かかる効果を有する本発明の意義は極めて著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明を実施する際の一例を示す略式
説明図である。

【図２】図２は、異種金属同士を接合する従来の方法を
示す略式説明図であり、図２（ａ）　は接合手段として
アーク溶接を、図２（ｂ）　は接合手段としてスポット
溶接をそれぞれ行った状況を示す略式説明図である。

【図３】図３は、本発明の実施例で行った十字引張試験
の内容を示す略式説明図である。

【符号の説明】

１：　クラッド材 ２：　ステンレス鋼 ３：　Ａｌ ４：　金属薄材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２種の異種金属同士の間に、２種の前
   記異種金属と同じ２種の金属からなるクラッド材を、そ
   れぞれ同じ種類の金属が接するようにして挟持して抵抗
   溶接を行う異種金属の接合方法において、前記異種金属
   とクラッド材とから構成される少なくとも一方の界面に
   該界面を構成する異種金属より融点が低い金属薄材を挿
   入するとともに、前記抵抗溶接の際の通電時間は１０ｍ
   ｓ以下として、前記抵抗溶接を行うことを特徴とする異
   種金属の接合方法。