JPH0747477A - Ａｌ部材と鋼部材との接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ａｌ部材と鋼部材との接合において、接合継
手の強度を高いものとすることが可能である接合方法を
提供する。 【構成】 Ａｌ部材１１と鋼部材１２とを接合するに際
し、Ａｌ １３ａと鋼１３ｆのクラッド材１３を用い、
クラッド材１３のＡｌ １３ａ側表面にＡｌとＳｉの合
金ないし混合物１４を配し、Ａｌ部材１１と鋼部材１２
との間にＡｌ同士および鋼同士が接触する向きにクラッ
ド材１３を介在させて抵抗スポット溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムやアルミ
ニウム合金などよりなるＡｌ部材と、炭素鋼や低合金鋼
などよりなる鋼部材とを強固に接合するのに利用される
Ａｌ部材と鋼部材との接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車に対する社会的ニーズの中でも、
近年、地球温暖化に対する主な原因であるＣＯ_２低減の
ため、また、安全設備の追加による車両重量の増大、さ
らには、もちろんエネルギ事情の面からも、燃費の向上
が強く望まれている。

【０００３】自動車の燃費向上には、エンジンの改善、
摩擦損失の低減以外に、車両重量の軽減が最も効果的で
あるとされている。

【０００４】車両重量の軽減は、各部材の肉厚配分の見
直しや複数部材の一体化等によってもある程度可能であ
るが、材料置換、すなわち、従来の鋼部材をアルミニウ
ム，チタン，マグネシウム，プラスチックスなどといっ
た軽量材料に置き換えることが有効である。

【０００５】なかでも、諸性質とコストとのバランス，
リサイクル性の面から言って、アルミニウム系材料が最
も使いやすく、すでに一部の乗用車には採用されてい
る。

【０００６】今後共、アルミニウム系材料は、自動車車
体により多く使われることになると予想されるが、全面
的にアルミニウム車体となるよりもＡｌ部材と鋼部材と
を組み合わせたハイブリッド車体となるものが多くなる
と見込まれる。

【０００７】そして、その場合には、Ａｌ部材と鋼部材
との接合が不可欠なものとなる。また、全面的にアルミ
ニウム車体となった場合でも補強部材や金具類は鋼製で
あることが多いため、やはり、Ａｌ部材と鋼部材との接
合を行う必要がある。

【０００８】このように、車体重量軽減のため、アルミ
ニウム系材料を使用すると、必らず、Ａｌ部材と鋼部材
との接合が必要となる。

【０００９】一般に、Ａｌ部材と鋼部材とを直接的に溶
融接合すると、接合部分において脆弱なＡｌ−Ｆｅ化合
物が形成されるので、満足な継手を得ることが困難であ
ることから、様々な工夫を加えることが必要である。

【００１０】この場合に良く使用される手法は、ボルト
締め，リベット，かしめ等の機械的な締結であったり、
接着剤による接合であったりするが、これらは溶融接合
ではない。

【００１１】そして、溶融接合を行うために、鋼部材の
接合部表面に何んらかの処理を施したり（例えば、特開
昭５８−９３５８３号公報，「材料とプロセス」 Ｖｏ
ｌ．４ Ｎｏ．２ １９９１ 日本鉄鋼協会）、船舶や
鉄道車両のように厚肉のＡｌ部材と鋼部材とを接合する
場合には、Ａｌと鋼の爆発圧接により製造したクラッド
材（合わせ板材）をインサート材として用いてＡｌ部材
と鋼部材との間にＡｌ同士および鋼同士が接触する向き
にインサート材を介在させてアーク溶接やスポット溶接
などによって溶融接合したり（例えば、「軽金属溶接」
Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１０，１９８９，「軽金属溶接」Ｖ
ｏｌ．１８ Ｎｏ．３，１９８０）している。

【００１２】一方、自動車車体のような薄肉のＡｌ部材
と鋼部材との接合に際しては、生産性や溶接歪などの面
から、抵抗スポット溶接による接合手法を採用すること
が望ましく、このような接合手法においても使用できる
圧延による薄肉のＡｌと鋼のクラッド材が開発されつつ
ある。

【００１３】そして、このような薄肉のＡｌと鋼とのク
ラッド材を用い、Ａｌ部材と鋼部材との間にＡｌ同士お
よび鋼同士が接触する向きにクラッド材を介在させて抵
抗スポット溶接することによりＡｌ側ナゲットと鋼側ナ
ゲットからなる２個のナゲットを形成した状態で接合す
ることができ、これによって、Ａｌ同士の場合とほぼ同
じ程度の接合強度を得ることができる（例えば、「溶接
学会全国大会講演概要集」Ｖｏｌ．５１（１９９２）３
０２頁，「溶接技術」Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．３（１９９
３）８３〜８７頁）。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ部
材と鋼部材との間にＡｌ同士および鋼同士が接触する向
きにＡｌと鋼とのクラッド材を介在させて抵抗スポット
溶接する方法では、図２に示すように、Ａｌ部材２１と
鋼部材２２との間に、Ａｌ２３ａと鋼２３ｆとのクラッ
ド材２３が介在していてＡｌ同士および鋼同士が接触し
た状態で抵抗溶接されることとなり、Ａｌ側ナゲット２
５と鋼側ナゲット２６を介して接合されることとなる
が、Ａｌ部材２１とクラッド材２３のＡｌ２３ａとの界
面で形成される溶融Ａｌ側ナゲット２５がクラッド材２
３のＡｌ２３ａと鋼２３ｆとの界面に接するように偏っ
て形成されてしまい（これは、Ｆｅの熱伝導率がＡｌの
熱伝導率よりも小さいためである。）、クラッド材２３
のＡｌ２３ａと鋼２３ｆとの界面にまで溶融Ａｌ側ナゲ
ット２５が達することによりＡｌとＦｅとの脆弱な化合
物（Ａｌ−Ｆｅ化合物２４）が形成されてしまうので、
この部分での接合強度が不安定なものになってしまうと
いう問題点があり、したがって、Ａｌと鋼のクラッド材
をＡｌ部材と鋼部材との間にＡｌ同士，鋼同士が接触す
る向きにインサートして抵抗溶接して接合する場合に形
成されるＡｌ同士の界面でのＡｌ側ナゲットがクラッド
材のＡｌと鋼の界面にまで偏らせないようにすることが
課題であった。

【００１５】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、Ａｌと鋼のクラッド材をＡ
ｌ部材とＦｅ部材との間にＡｌ同士，鋼同士が接触する
向きにして介在させて抵抗溶接する場合において、接合
部で形成されるナゲットのうちとくにＡｌ同士の界面で
形成されるＡｌ側ナゲットがクラッド材のＡｌと鋼の界
面に偏らせないようにし、したがって、Ａｌ同士の界面
で形成されるＡｌ側ナゲットがクラッド材の鋼にまで到
達しないようにしてＡｌとＦｅとの脆弱な化合物（Ａｌ
−Ｆｅ化合物）が形成されないようにして、接合強度を
向上させることができるようにしたＡｌ部材と鋼部材と
の接合方法を提供することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ａｌ部材と鋼
部材とを接合するに際し、Ａｌと鋼のクラッド材を用
い、前記クラッド材のＡｌ側表面にＡｌとＳｉの合金な
いし混合物を配し、前記Ａｌ部材と鋼部材との間にＡｌ
同士および鋼同士が接触する向きにクラッド材を介在さ
せて抵抗溶接する構成としたことを特徴としており、実
施態様において、ＡｌとＳｉの合金ないし混合物は、Ｓ
ｉ含有量ないし配合量が１０〜２５重量％であるものと
することが可能であり、また、同じく実施態様におい
て、抵抗溶接に用いる電極のうち、Ａｌ部材側の電極の
冷却能を鋼部材側の電極の冷却能よりも小さくするよう
になすことが可能である。

【００１７】本発明に係わるＡｌ部材と鋼部材との接合
方法において、Ａｌと鋼のクラッド材を用いるにあた
り、クラッド材のＡｌ側表面にＡｌとＳｉの合金ないし
混合物を配し、Ａｌ部材と鋼部材との間にＡｌ同士およ
び鋼同士が接触する向きにクラッド材を介在させて抵抗
溶接を行うと、合金であってもまた混合物であってもＡ
ｌにＳｉが含まれていると、抵抗溶接においてナゲット
の形成に対し支配的な因子である電気抵抗値が大きくな
り、発熱・溶融が助長される。例えば、実用合金として
良く知られているＡ５１８２合金では、導電率ＩＡＣＳ
が３０％であるのに対して、Ｓｉを約１７重量％含有す
るＡ３９０合金では、導電率ＩＡＣＳが２５〜２７％に
低下する。

【００１８】また、合金である場合に、Ａｌ−Ｓｉ合金
は共晶型の合金であり、溶融開始温度は低く、ＭｇやＮ
ｉ，Ｃｕ等の合金元素を微量含むことによって溶融開始
温度はさらに低下して溶融しやすくなる。例えば、Ａ５
１８２合金では、溶融開始温度が約５８０℃であるのに
対し、Ｓｉを約１７重量％含有するＡ３９０合金では、
溶融開始温度が約５１０℃である。

【００１９】すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金ないし混合物
が、Ａｌ部材とクラッド材のＡｌとの間に介在すること
により、スポット溶接の通電時における発熱が、上記Ａ
ｌ−Ｓｉ合金ないし混合物が介在しない場合に比べて大
きくなり、この位置でＡｌ側ナゲットがクラッド材のＡ
ｌと鋼との界面へ成長していくよりも短時間で偏平に成
長する。したがって、Ａｌ同士の界面で形成されるＡｌ
側ナゲットが偏平に成長する時間で且つＡｌ側ナゲット
がクラッド材のＡｌと鋼との界面へ達しない時間で通電
をとめればよく、これによって、クラッド材のＡｌと鋼
との界面で脆弱な化合物（Ａｌ−Ｆｅ化合物）が形成さ
れるのが防止できることによって、安定した接合強度を
もつ継手を得ることが可能となる。

【００２０】ＡｌとＳｉの合金ないし混合物において、
Ｓｉの含有量ないし配合量が少なすぎると、電気抵抗の
上昇が小さいため溶融助長の作用が十分に得られないこ
ととなるため、１０重量％以上とすることが望ましい。

【００２１】また、Ｓｉの含有量ないし配合量が多すぎ
ると、電気抵抗が大きくなりすぎて電流の流れが不安定
になり、局所的に電流が集中して流れることによって、
飛散を生じたり、著しい場合には通電されないためナゲ
ットが形成されないときもある。また、ＡｌとＳｉの混
合物である場合、Ｓｉ単体の融点はＡｌに比べてかなり
高く、合金の場合でもＳｉ含有量の増加と共に溶融終了
温度が上昇し、ナゲットの形成が不安定なものとなる。
したがって、Ｓｉの含有量ないし配合量は２５重量％以
下とすることが望ましい。

【００２２】ＡｌとＳｉの合金ないし混合物をクラッド
材のＡｌ側に配する方法としては、粉体やワイヤを使っ
て溶射したり、粉体をバインダと共に塗布したり、箔や
薄板を接着したりする手段を採用することが可能であ
る。ただし、バインダや接着剤等が多く残存すると溶接
欠陥の原因となるので、事前に乾燥させることが必要で
ある。また、Ａｌと鋼のクラッド材のＡｌ側に、Ａｌ−
Ｓｉ合金の薄板をさらに重ねてあらかじめ３層よりなる
クラッド材として形成しておくと、そのままＡｌ部材と
鋼部材との間にインサートすれば良いので、より効率が
高いものとなる。一方、Ａｌ−Ｓｉ合金ないし混合物の
厚さについては格別な制限はないが、あまり薄いと抵抗
が不足することとなるため、０．１ｍｍ程度以上とする
ことが望ましい。しかし、厚すぎると不経済になるだけ
でなく、飛散等の原因となる。

【００２３】さらに、クラッド材のＡｌ側とＡｌ部材と
の間に形成されるＡｌ側ナゲットの偏りを是正する手段
として、抵抗溶接に用いる電極の冷却能のバランスを考
慮することも有効である。

【００２４】すなわち、ナゲットの生成時に生じる熱の
流れは、一部は被溶接材のナゲット周辺方向へ生じる
が、大部分は両側の電極、厳密には電極内部を流れる冷
却水へと生じるのであるから、Ａｌ部材側の電極の冷却
能を鋼部材側の電極の冷却能よりも小さくすることによ
って、Ａｌ側ナゲットの生成時にＡｌ部材側の表面方向
の熱がこもりやすくなり、Ａｌ側ナゲットが鋼部材側に
偏って生成するのを抑えることができるようになる。

【００２５】そして、Ａｌ部材側の電極の冷却能を鋼部
材側の電極の冷却能よりも小さくする方法としては、
（１）Ａｌ部材側の電極の直径を鋼部材側の電極の直径
より小さくし、Ａｌ側ナゲットからの熱がＡｌ部材側電
極内の冷却水へ伝達される部分の断面積を小さくして熱
伝導量を低下させ、熱のこもり量を多くする。この方法
を採用するのが最も簡便であるが、このほかには、
（２）Ａｌ部材側の電極の冷却水の流量を鋼部材側の電
極の冷却水の流量よりも少なくしてＡｌ部材側の電極内
の熱伝導量を低下させる。

【００２６】（３）Ａｌ部材側の電極の材質を鋼部材側
の電極の材質よりも熱伝導率の低いものにする。例え
ば、Ａｌ部材側の電極として、ベリリウム−コバルト−
銅合金，タングステン−銅焼結合金を用い、鋼部材側の
電極として、カドミウム−銅合金，クロム−銅合金を用
いる。

【００２７】このようにして、Ａｌ部材側の電極の冷却
能を鋼部材側の電極の冷却能よりも小さくすることによ
って、抵抗溶接時に発生した熱がＡｌ部材側にこもり易
くなることとなり、クラッド材のＡｌ側とＡｌ部材との
間に形成されるＡｌ側ナゲットがクラッド材のＡｌと鋼
との界面側に偏るのを抑制することができるようにな
り、クラッド材のＡｌと鋼の界面で脆弱な化合物が形成
されるのを防止して、接合強度が安定した継手となるよ
うにするのが良い。

【００２８】

【発明の作用】本発明に係わるＡｌ部材と鋼部材との接
合方法では、上述した構成としたから、クラッド材のＡ
ｌとＡｌ部材との間にＡｌとＳｉの合金ないし混合物が
配されることとなるので、抵抗溶接の際の発熱が前記Ａ
ｌとＳｉの合金ないし混合物を配しない場合に比べて大
きくなり、この位置でＡｌ側ナゲットがクラッド材のＡ
ｌと鋼の界面への成長よりも短時間のうちに偏平に成長
することとなり、Ａｌ側ナゲットがＡｌ同士の界面で偏
平に成長し、且つクラッド材のＡｌと鋼の界面に達しな
い時間で通電を止めることによって、クラッド材のＡｌ
と鋼の界面で脆弱な化合物（Ａｌ−Ｆｅ化合物）が形成
されないこととなり、安定した接合強度を有する継手が
得られることとなる。

【００２９】

【実施例】実施例１ 図１に示すように、アルミニウム合金板（ＪＩＳ Ｈ
４０００，Ａ５０５２）よりなる板厚１．０ｍｍのＡｌ
部材１１と、冷間圧延鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１４１，Ｓ
ＰＣＣ）よりなる板厚０．８ｍｍの鋼部材１２とを接合
するに際し、Ａｌ １３ａと鋼１３ｆのクラッド材１３
を用い、Ａｌ部材１１と鋼部材１２との間にＡｌ同士お
よび鋼同士が接触する向きにクラッド材１３を介在させ
て抵抗スポット溶接を行った。この場合、クラッド材１
３は、圧延法により作製したものであって、Ａｌ １３
ａとして厚さ０．５ｍｍの純Ａｌを用い、鋼１３ｆとし
て厚さ０．５ｍｍのＳＰＣＣ相当材を用い、クラッド厚
さが１．０ｍｍのものを使用した。

【００３０】そして、クラッド材１３をＡｌ部材１１と
鋼部材１２との間に介在させるのに先立ち、クラッド材
１３のＡｌ １３ａ側の表面に溶射法によってＡｌ−Ｓ
ｉコーティング層（ＡｌとＳｉの合金ないし混合物１
４）を形成したのち、Ａｌ部材１１と鋼部材１２との間
に上記コーティング後のクラッド材１３を介在させて抵
抗スポット溶接を行うことによって、同じく図１に示す
ように、Ａｌ側ナゲット１５と鋼側ナゲット１６とが形
成された継手を得た。

【００３１】表１にコーティング層（ＡｌとＳｉの合金
ないし混合物１４）の仕様を示し、表２に抵抗スポット
溶接条件を示し、表３にスポット溶接部の継手強度測定
結果を示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【表３】

【００３５】表１ないし表３に示す結果より明らかなよ
うに、クラッド材のＡｌ側に、Ｓｉ含有量が１２重量
％，１７重量％，２２重量％のＡｌ−Ｓｉ合金を配した
Ｎｏ．１〜４の場合には、クラッド材界面に脆弱なＡｌ
−Ｆｅ化合物が形成されておらず、継手の強度が良好な
値を示すものとなっていた。

【００３６】一方、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉ含有量が５
重量％と少ないＮｏ．５の場合には、電気抵抗の上昇が
小さく溶融助長が得がたいため、クラッド材の界面に若
干のＡｌ−Ｆｅ系化合物が形成され、Ｎｏ．１〜４の継
手よりも強度が低いものがあった。

【００３７】また、Ａｌ−Ｓｉ混合物中のＳｉ含有量が
２７重量％と多いＮｏ．６の場合には、クラッド材の界
面にＡｌ−Ｆｅ化合物が形成されていないものの、電気
抵抗が高くなると共に融点の高いＳｉ量が多くなるた
め、Ａｌ側ナゲットの形成が不安定になりＮｏ．１〜４
の継手よりも強度が低いものがあった。

【００３８】さらに、クラッド材のＡｌ側にコーティン
グ層を設けないＮｏ．７の場合には、クラッド材界面に
脆弱なＡｌ−Ｆｅ化合物が形成されていて、Ｎｏ．１〜
４よりも強度がかなり低下したものがあった。

【００３９】実施例２ 図１に示したと同様に、アルミニウム合金板（ＪＩＳ
Ｈ ４０００，Ａ５０５２）よりなる板厚１．０ｍｍの
Ａｌ部材１１と、冷間圧延鋼板（ＪＩＳ Ｇ３１４１，
ＳＰＣＣ）よりなる板厚０．８ｍｍの鋼部材１２とを接
合するに際し、Ａｌ １３ａと鋼１３ｆのクラッド材１
３を用い、Ａｌ部材１１と鋼部材１２との間にＡｌ同士
および鋼同士が接触する向きにクラッド材１３を介在さ
せて抵抗スポット溶接を行った。

【００４０】この場合、クラッド材１３は、圧延法によ
り作製したものであって、Ａｌ １３ａとして厚さ０．
５ｍｍの純Ａｌを用い、鋼１３ｆとして厚さ０．５ｍｍ
のＳＰＣＣ相当材を用い、クラッド厚さが１．０ｍｍの
ものを使用した。

【００４１】そして、クラッド材１３をＡｌ部材１１と
鋼部材１２との間に介在させるのに先立ち、クラッド材
１３のＡｌ １３ａ側の表面に溶射法によってＡｌ−Ｓ
ｉコーティング層（ＡｌとＳｉの合金ないし混合物１
４）を形成したのち、Ａｌ部材１１と鋼部材１２との間
にクラッド材１３を介在させて抵抗スポット溶接を行う
ことによって、図１に示したようにＡｌ側ナゲット１５
と鋼側ナゲット１６とが形成された継手を得た。

【００４２】また、抵抗スポット溶接の際に用いた電極
は、Ａｌ部材１１側と鋼部材１２側とで直径を変えたも
のを使用した。

【００４３】表４にコーティング層（ＡｌとＳｉの合金
ないし混合物１４）の仕様と電極の直径を示し、表５に
抵抗スポット溶接条件を示し、表６にスポット溶接部の
継手強度測定結果を示す。

【００４４】

【表４】

【００４５】

【表５】

【００４６】

【表６】

【００４７】表４ないし表６に示す結果より明らかなよ
うに、電極の冷却能に差を設けないＮｏ．１１に比べ
て、Ａｌ部材側の電極の直径を鋼部材側の電極の直径よ
りも小さくして冷却能を小さくしたＮｏ．１２．１３の
方が、継手強度が高めで安定したものとすることが可能
であった。

【００４８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、Ａｌ部材と鋼部材とを接合するに際し、Ａｌと鋼の
クラッド材を用い、前記クラッド材のＡｌ側表面にＡｌ
とＳｉの合金ないし混合物を配し、前記Ａｌ部材と鋼部
材との間にＡｌ同士および鋼同士が接触する向きにクラ
ッド材を介在させて抵抗溶接するようにしたから、接合
部で形成されるナゲットのうちとくにＡｌ同士の界面で
形成されるＡｌ側ナゲットがクラッド材のＡｌと鋼の界
面に偏らないようにすることが可能であり、Ａｌ同士の
界面で形成されるＡｌ側ナゲットがクラッド材の鋼にま
で到達しないようにすることが可能であって、ＡｌとＦ
ｅとの脆弱な化合物（Ａｌ−Ｆｅ化合物）が形成されな
いようにすることが可能であり、接合強度が高いＡｌ部
材と鋼部材との接合継手を得ることが可能であるという
著しく優れた効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＡｌ部材と鋼部材との接合方法に
よって得られる継手の一例を示す断面説明図である。

【図２】従来によるＡｌ部材と鋼部材との接合方法によ
って得られる継手の一例を示す断面説明図である。

【符号の説明】

１１ Ａｌ部材 １２ 鋼部材 １３ Ａｌと鋼のクラッド材 １３ａ クラッド材のＡｌ １３ｆ クラッド材の鋼 １４ ＡｌとＳｉの合金ないし混合物 １５ Ａｌ側ナゲット １６ 鋼側ナゲット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ部材と鋼部材とを接合するに際し、
   Ａｌと鋼のクラッド材を用い、前記クラッド材のＡｌ側
   表面にＡｌとＳｉの合金ないし混合物を配し、前記Ａｌ
   部材と鋼部材との間にＡｌ同士および鋼同士が接触する
   向きにクラッド材を介在させて抵抗溶接することを特徴
   とするＡｌ部材と鋼部材との接合方法。
2. 【請求項２】 ＡｌとＳｉの合金ないし混合物は、Ｓｉ
   含有量ないし配合量が１０〜２５重量％である請求項１
   に記載のＡｌ部材と鋼部材との接合方法。
3. 【請求項３】 抵抗溶接に用いる電極のうち、Ａｌ部材
   側の電極の冷却能を鋼部材側の電極の冷却能よりも小さ
   くする請求項１または２に記載のＡｌ部材と鋼部材との
   接合方法。