JPH07328774A - アルミニウム系材と鋼系材との異材接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウムまたはアルミニウム合金からな
るアルミニウム系材料と炭素鋼またはステンレス鋼など
の鋼系材料とを接合するに際し、高い継手強度を得られ
る簡便な異種金属接合方法を提供する。 【構成】 アルミニウムまたはアルミニウム合金からな
るアルミニウム系材料と炭素鋼またはステンレス鋼など
の鋼系材料とを接合するに際し、アルミニウム系材料を
鋼系材料と鋼系材料の当て板により挟んで、鋼系材料の
当て板、アルミニウム系材料、鋼系材料を同時に抵抗ス
ポット溶接し、鋼系材料の抵抗発熱と溶接加圧力により
アルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融排除され、
鋼系材料の当て板と鋼系材料が抵抗スポット溶接される
ことにより継手強度の高い接合部を得る異材接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム系材と鋼系
材との異材接合方法に係り、より詳細には、アルミニウ
ムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と
炭素鋼またはステンレス鋼などからなる鋼系材とを重ね
抵抗スポット溶接方法により異材接合するアルミニウム
系材と鋼系材との異材接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】２種の異なる材料からなる部材の接合方
法、すなわち、異材接合方法としては、アーク溶接方法
や重ね抵抗スポット溶接方法が知られている。

【０００３】しかし、アーク溶接方法や重ね抵抗スポッ
ト溶接方法を、アルミニウム系材と鋼系材との異材接合
に適用すると、アルミニウム系材中のアルミニウム（Ａ
ｌ）と鋼系材中の鉄（Ｆｅ）とが溶融混合し、アルミニ
ウム系材と鋼系材との接合部の界面に非常に脆い金属間
化合物が生成してしまう。そのため、アーク溶接方法や
重ね抵抗スポット溶接方法を用いて、アルミニウム系材
と鋼系材とを直接接合することはできない。

【０００４】すなわち、アーク溶接方法や重ね抵抗スポ
ット溶接方法で見かけ上は直接接合することができたと
しても、生成したＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物は非常に
脆いため、延性のある実用的な強度を発揮する異材継手
を得ることはできない。

【０００５】そこで、他の鋼系材とアルミニウム系材と
のクラッド材を、それぞれの同種材料系材が対向するよ
うにして、被溶接材である鋼系材とアルミニウム系材と
の接合界面にインサートし、アルミニウム系材はアルミ
ニウム系材同士で、鋼系材は鋼系材同士で溶融するよう
にし、Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物を生成せしめること
無しに異材接合を完成させる方法が提案されている（た
とえば特開平４−５５０６６号公報など）。

【０００６】しかし、この他の鋼系材とアルミニウム系
材とのクラッド材を、被溶接材である鋼系材とアルミニ
ウム系材との接合界面にインサートすることによるアル
ミニウム系材と鋼系材との異材接合方法は、被溶接材同
士の接合界面にクラッド材をインサートしなければなら
ないという接合工程上非常に厄介な問題点がある。ま
た、接合界面にインサートする他の鋼系材とアルミニウ
ム系材とのクラッド材は非常に高価なものであるため最
終的な製造コストは高くなるという欠点がある。

【０００７】さらにクラッド材をインサートすることに
より異材接合することにより製造した異材継手の継手部
の引張せん断強度は、異材継手を構成する弱い方の部材
であるアルミニウム系材のスポット溶接部の引張せん断
強度に支配されるため、特に被溶接材であるアルミニウ
ム系材が薄板（３．０ｍｍ以下）の場合、引張せん断強
度が弱いという欠点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の被溶接
材の接合界面にクラッド材をインサートしなければなら
ないという問題点および高価な鋼系材とアルミニウム系
材とのクラッド材を使用することにより接合コストが高
くなるという問題点を解決するものであり、異材接合を
簡単な工程で行うことができ、しかも、製造コストを低
くすることが可能なアルミニウム系材と鋼系材との異材
接合方法を提供することを目的とする。

【０００９】さらに本発明は、クラッド材をインサート
することにより異材接合するという従来の異材接合方法
により作成した異材継手よりも高い強度を得ることが可
能なアルミニウム系材と鋼系材との異材接合方法を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のアルミニウム系材と鋼系材との異材接合方法
は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアル
ミニウム系材と鋼系材料からなる鋼系材とを異材接合す
るに際し、一方の被溶接材である該アルミニウム系材
を、他方の被溶接材である該鋼系材と鋼系材料からなる
当て板とにより挟んで抵抗スポット溶接を行うことを特
徴とする。

【００１１】

【作用】被溶接材であるアルミニウム系材と鋼系材とを
直接重ね合わせて溶接のための通電を行うと、脆いＡｌ
−Ｆｅ系の金属間化合物が生成してしまい、延性のある
実用的な強度を発揮する異材継手を得ることはできない
ことは前述した通りである。

【００１２】そこで、本発明者は、Ａｌ−Ｆｅ系の金属
間化合物が生成しない異材接合方法を探求した。

【００１３】そのために、本発明者は、アルミニウム系
材と鋼系材との融点の差に注目した。すなわち、アルミ
ニウム系材と鋼系材との融点の差を巧みに利用すればＡ
ｌ−Ｆｅ系の金属間化合物の生成を防止しえるのではな
いかとの着想を得た。

【００１４】かかる着想に基づき鋭意探求を行ったとこ
ろ、融点の高い方の被溶接材（すなわち鋼系材）と同じ
系の材料からなる当て板により両被溶接材を挟んで溶接
を行えばＡｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成しない接合
を行い得ることを見いだした。

【００１５】これは、通電の初期に融点の低いアルミニ
ウム材が溶融し、電極加圧力により溶融したアルミニウ
ムが押しつぶされて排除された後に被溶接材料である鋼
系材と鋼系材料からなる当て板とが溶融して接合される
ためとと考えられる。このように、初期に溶融したアル
ミニウムが電極加圧力により押しつぶされ排除されるた
め、Ａｌ−Ｆｅの溶融回避することができ、その結果、
Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物が生成しないものと考えら
れる。

【００１６】本発明方法においては、電極先端形状を鋭
利にすればするほど、また、溶接加圧力を高くすればす
るほどアルミニウム系材が溶融排除され易くなり、Ａｌ
−Ｆｅ系の金属間化合物が生成しない良好な溶接部が得
られることは明かである。

【００１７】一方、本発明方法により接合したアルミニ
ウム系材と鋼系材との異材継手と、クラッド材をインサ
ートすることにより接合したアルミニウム系材と鋼系材
との従来の異材継手とを引張せん断試験により比較する
と、従来の、クラッド材をインサートすることにより接
合した異材継手では、引張せん断荷重がかかるとインサ
ートしたクラッド材の板厚分のモーメントが働き継手は
変形し、アルミニウム系材側のスポット溶接部で破断す
る。

【００１８】これに対し本発明方法により接合した異材
継手では、スポット溶接部（ナゲット）が鋼系材である
ため、溶接部のせん断強度がアルミニウム系材の溶接部
にくらべ高強度であるばかりでなく、被接合材以外の材
料が継手の接合界面にインサートされている訳ではない
ので余分なモーメントが働かない。さらに鋼系材料から
なる当て板がアルミニウム系材の外側に存在することに
より引張せん断荷重がかかっても継手部が変形しにく
く、そのため非常に高強度となり、アルミニウム系材の
母材で破断する。

【００１９】

【実施態様例】

（当て板）本発明で使用する当て板は、鋼系材料からな
る。鋼系材料としては、例えば、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ
Ｃ鋼板）などの軟鋼板や亜鉛メッキ鋼板やステンレス鋼
板など、抵抗スポット溶接可能な鋼系材料であるならば
いずれでもよい。

【００２０】当て板は鋼系材料からなるが、被溶接材と
なる鋼系材と同じものである必要はない。なお、「当て
板」という以外にそれも構造物の一部となりえたとして
も何ら差し支えないし、本発明法の効果をなくしてしま
うものではない。

【００２１】当て板の厚さとしては、被溶接材であるア
ルミニウム系材の板厚の１／５〜３．０ｍｍが好まし
い。鋼系材からなる「当て板」がアルミニウム系材の板
厚の１／５より薄くなると溶接部（電極の圧痕部）近傍
に「しわ」や「ふくれ」などが発生し、溶接部の外観が
悪くなる。逆に「当て板」の板厚が３．０ｍｍを越える
と溶融アルミニウムの排除性が悪くなり、異材接合が困
難となる。

【００２２】（アルミニウム系材）本発明における被溶
接材であるアルミニウム系材は、アルミニウムまたはア
ルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、
例えば、溶接性のよいＡｌ−Ｍｇ系（５０００系）材料
やＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）材料などが挙げら
れるが、本接合方法は、溶接部のアルミニウム系材料が
溶融排除されてしまうために溶接性の悪いＡｌ−Ｃｕ−
Ｍｇ系（２０００系）材料でも可能である。

【００２３】被溶接材であるアルミニウム系材の厚さは
０．１ｍｍ〜３．０ｍｍが好ましい。クラッド材をイン
サートして接合を行う従来方法では、前述したように、
アルミニウム系材が薄板（３．０ｍｍ以下）の場合には
引張せん断強度が弱くなるという欠点があったが、本発
明方法の場合にあっては、３．０ｍｍ以下の場合であっ
てもかかる欠点はなく、従って、３．０ｍｍ以下の薄板
の場合に本発明方法は、より一層有効である。

【００２４】（鋼系材）本発明における他方の被溶接材
である鋼系材は、炭素鋼あるいはステンレス等の鋼系材
料からなる。より具体的には、例えば、自動車や電化製
品などに多用されている軟鋼薄板（ＳＰＣＣ鋼板など）
や亜鉛メッキ鋼板などが挙げられる。

【００２５】（溶接条件）本発明方法で用いる溶接方法
は抵抗スポット溶接である。溶接に際しては、電極先端
形状を鋭利にすればするほど、また、溶接加圧力を高く
すればするほどアルミニウム系材が溶融排除され易くな
り好ましい。

【００２６】

【実施例】以下、添付の図面を参照し、本発明について
更に具体的に説明する。本例では、被溶接材として、ア
ルミニウム系材には０．５ｍｍ^tのアルミニウム材Ａ５
１８２を用い、鋼系材には０．８ｍｍ^tのＳＰＣＣ鋼板
を用いた。

【００２７】また、当て板としては、０．４ｍｍ^tの軟
鋼からなる当て板を用いた。アルミニウム系材と、鋼系
材と、当て板とを、図１に示すように重ね合せ溶接して
異材継手を作成した。

【００２８】一方、比較のため、アルミニウム材と鋼系
材との間にクラッド材をインサートして異材継手を作成
した（従来例）。両者の溶接条件等を表１に示す。以上
のようにして作成した異材継手につき、引張せん断試験
を実施した。その結果も表１に示す。

【００２９】・溶接条件 溶接機：単相交流式抵抗スポット溶接機 電極：１６ｍｍφで先端径５ｍｍのＣＦ型電極（クロム
銅合金） 加圧力：３０００Ｎ一段一定加圧 通電時間：１３３ｍｓ

【００３０】

【表１】 注１：使用したクラッド材は、次の層構造を有するアル
ミニウム／鋼クラッド アルミニウム層−０．５ｍｍ^t 鋼層 −０．８ｍｍ^t 総板厚 −１．３ｍｍ^t

【００３１】０．５ｍｍ^tのアルミニウム材Ａ５１８２
と０．８ｍｍ^tのＳＰＣＣ鋼板とを異材接合するに際
し、０．４ｍｍ^tの軟鋼の当て板を使用した実施例の接
合方法とクラッド材をインサートすることによる従来例
の接合方法により作成した異材継手を比較した。

【００３２】溶接条件は同じであるが、従来例の接合方
法により接合した異材継手は、実施例の接合方法により
接合した異材継手に比べて、破断径（ナゲット径）が大
きいにもかかわらず、引張せん断荷重は小さくなった。

【００３３】この理由は、従来例で、は図７に示すよう
に引張荷重がかかりクラッド材の板厚分のモーメントが
働くため、図８に示すように継手の重ね部（ラップ部）
にて変形し、被溶接材のアルミニウム材の溶接部（ナゲ
ット外周）にて破断するためと考えられる。

【００３４】これに対し実施例により接合した異材継手
は、スポット溶接部（ナゲット）が鋼系材であるため溶
接部のせん断強度が強く、図４に示すようにアルミニウ
ム材の母材で破断した。さらに、被接合材料以外の材料
が継手の接合界面にインサートされている訳ではないの
で余分なモーメントが働かないと同時に鋼系材料の当て
板がアルミニウム系材の外側に存在することにより引張
せん断荷重がかかっても継手の重ね部（ラップ部）が変
形しにくいためクラッド材をインサートすることによる
従来例に比べ強度が高くなった。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、低コスト
でしかも簡便に高強度な異材接合継手を簡便に得ること
ができる。

【００３６】しかも、０．５ｍｍ以下の薄い板厚を有す
るアルミニウム系材を用いた場合であっても、引張せん
断力の低下が見られない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法を説明する模式図（断面図）である。

【図２】本発明法により接合した異材接合継手を説明す
る模式図（断面図）である。

【図３】本発明法により接合した異材接合継手の引張せ
ん断試験を説明する模式図（断面図）である。

【図４】本発明法により接合した異材接合継手の破断形
態を説明する模式図（断面図）である。

【図５】クラッド材をインサートすることによる異材接
合方法（従来法）を説明する模式図（断面図）である。

【図６】クラッド材をインサートすることによる異材接
合方法（従来法）により接合した異材接合継手を説明す
る模式図（断面図）である。

【図７】クラッド材をインサートすることによる異材接
合方法（従来法）により接合した異材接合継手の引張せ
ん断試験を説明する模式図（断面図）である。

【図８】クラッド材をインサートすることによる異材接
合方法（従来法）により接合した異材接合継手の破断形
態を説明する模式図（断面図）である。

【符号の説明】

１ 被溶接材（アルミニウム系材）、 ２ 被溶接材（鋼系材）、 ３ 鋼系材料からなるの当て板、 ４ 電極、 ５ クラッド材のアルミニウム層、 ６ クラッド材の鋼層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 美馬 弘満 兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸 製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 中山 敦司 兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸 製鋼所加古川製鉄所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムまたはアルミニウム合金か
   らなるアルミニウム系材と鋼系材料からなる鋼系材とを
   異材接合するに際し、一方の被溶接材である該アルミニ
   ウム系材を、他方の被溶接材である該鋼系材と鋼系材料
   からなる当て板とにより挟んで抵抗スポット溶接を行う
   ことを特徴とするアルミニウム系材と鋼系材との異材接
   合方法。
2. 【請求項２】 前記当て板の厚さは、アルミニウム系材
   の板厚の１／５〜３．０ｍｍであることを特徴とする請
   求項１記載のアルミニウム系材と鋼系材との異材接合方
   法。
3. 【請求項３】 前記アルミニウム系材の厚さは０．１ｍ
   ｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または
   ２記載のアルミニウム系材と鋼系材との異材接合方法。