(57)【要約】【課題】スポット溶接の工程を煩雑にすることなく、アルミニウム合金材を常に安定して高強度にスポット溶接できるアルミニウム合金材の接合方法、及びこれにより得られるアルミニウム合金材の接合体を提供する。【解決手段】アルミニウム合金材の接合方法は、複数枚の６０００系アルミニウム合金材からなる第１アルミニウム材２１と第２アルミニウム材２３とを互いに重ね合わせてスポット溶接する。スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲットを形成する工程と、ナゲットの溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とを連続して行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接するアルミニウム合金材の接合方法であって、
前記スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲットを形成する工程と、前記ナゲットの溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とを連続して行うアルミニウム合金材の接合方法。
【請求項２】
複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接した接合体であって、
前記スポット溶接により形成されたナゲット中央部の硬度Ｈｖnと、前記６０００系アルミニウム合金材の硬度Ｈｖbとの差の絶対値｜Ｈｖb−Ｈｖn｜が、１０以下であるアルミニウム合金材の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材の接合方法、及びアルミニウム合金材の接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム材は、鋼材と比較して電気抵抗が小さく、熱伝導率が高い特性を有する。そのため、アルミニウム材を抵抗スポット溶接する場合、溶接条件が確立された鋼材の抵抗スポット溶接とは異なり、溶接条件の調整等の手間を要する等、溶接の自動化には課題が残されている。このようなアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法として、例えば、特許文献１、非特許文献１、２等の技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３８３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】冨井洋一，菊池正夫，渡辺雅英，水野正夫，「アルミニウム合金抵抗スポット溶接部のナゲットにおける偏析」，軽金属，Vol.37，No.6，pp.405-412，(1987).
【非特許文献２】阪口  章，「アルミニウム合金の抵抗スポット溶接」，軽金属，Vol.28，No.9，pp.469-480，(1978).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アルミニウム材のスポット溶接では、溶接時の熱影響等により、特にナゲット部の硬度が母材よりも低下することが知られている。そのため、必要とされる溶接部の接手強度（接合品質）を得るためには、ナゲット部を母材と同じ強度（硬度）にすることが望まれる。しかし、非特許文献１，２には、ナゲット部の硬度低下を改善することに関する開示はない。熱処理型のアルミニウム合金であれば、溶体化処理や人工時効処理等によって、低下した強度を回復させることもできるが、アルミニウム材のスポット溶接後に熱処理工程を設けることは、工程の煩雑化を招き、製造コストが嵩む。そのため、従来ではスポット溶接後に熱処理する例は殆どなく、塗装焼き付け工程で加熱される場合もある程度であった。
【０００６】
そこで本発明は、スポット溶接の工程を煩雑にすることなく、アルミニウム合金材を常に安定して高強度にスポット溶接できるアルミニウム合金材の接合方法、及びこれにより得られるアルミニウム合金材の接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、下記の構成からなる。
（１）  複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接するアルミニウム合金材の接合方法であって、
前記スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲットを形成する工程と、前記ナゲットの溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とを連続して行うアルミニウム合金材の接合方法。
（２）  複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接した接合体であって、
前記スポット溶接により形成されたナゲット中央部の硬度Ｈｖnと、前記６０００系アルミニウム合金材の硬度Ｈｖbとの差の絶対値｜Ｈｖb−Ｈｖn｜が、１０以下であるアルミニウム合金材の接合体。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スポット溶接の工程を煩雑にすることなく、アルミニウム合金材を常に安定して高強度にスポット溶接できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アルミニウム合金材を溶接するスポット溶接機の要部を示す概略構成図である。
【図２】溶接電流と加圧力の波形の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】溶接時における通電期間とナゲットの温度変化との関係を模式的に示すグラフである。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例における溶接条件を示す溶接電流と加圧力の波形を示すタイミングチャートである。
【図５】引張剪断強度試験の結果を示すグラフである。
【図６】破断評価を示すグラフである。
【図７】溶接個所における硬さの測定点を説明する模式図である。
【図８】条件１で溶接した際の断面硬さ分布を示すグラフである。
【図９】条件２で溶接した際の断面硬さ分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜スポット溶接機＞
図１はアルミニウム合金材を溶接するスポット溶接機の要部を示す概略構成図である。
スポット溶接機１１は、一対の電極１３，１５と、一対の電極１３，１５に接続された溶接トランス部１７と、溶接トランス部１７に溶接電流を供給する電源部１８と、電流値、通電時間、電極の加圧力、通電タイミング、加圧タイミングを統合的に制御する制御部１９と、一対の電極１３，１５を軸方向に移動させる電極駆動部２０とを備える。
【００１１】
スポット溶接機１１は、一対の電極１３，１５の間に、アルミニウム合金材である第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを重ね合わせて挟み込む。そして、電極駆動部２０による電極１３，１５の駆動によって、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを板厚方向に加圧する。この加圧状態で電極１３，１５間に通電する。これにより、一対の電極１３，１５に挟まれた第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間にナゲット２５が形成され、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３が一体化されたアルミニウム溶接継手（接合体）２７が得られる。
【００１２】
上記例では２枚のアルミニウム板を接合してアルミニウム溶接継手２７を得ているが、接合枚数は２枚に限らず、３枚以上であってもよい。
【００１３】
一対の電極１３，１５は、それぞれ電極内部に冷却部を備える。冷却部の冷却方式は特に限定されないが、図示例の構成では、電極１３，１５のそれぞれに形成された凹部３１に冷却用パイプ３３が配置され、冷却用パイプ３３から水等の冷却媒体が供給されることで、電極１３，１５が冷却される。
【００１４】
＜アルミニウム合金材＞
第１アルミニウム板２１及び第２アルミニウム板２３は、熱処理系のアルミニウム合金であり、例えば、６０００系のアルミニウム合金である。第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３（さらに他のアルミニウム板を用いる場合はそのアルミニウム板を含む）の板厚は、例えば自動車の骨格部材等の構造部材の用途では、０．５ｍｍ以上が好ましく、２．０ｍｍ以上がより好ましい。また、スポット溶接性の観点からは、４ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以下がより好ましい。各アルミニウム板の板厚は等しくてもよく、いずれか一方が他方より厚くてもよい。また、アルミニウム合金材の形態は、上記したアルミニウム板（圧延板）に限らず、押出材や鍛造材、鋳造材であってもよい。
【００１５】
以下、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３の２枚のアルミニウム板を接合する態様を説明するが、本発明はこの態様に限定されるものではない。
【００１６】
＜スポット溶接の手順＞ 
互いに重ね合わせた第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３を一対の電極１３，１５の間に配置させる。
【００１７】
次に、電極駆動部２０によって、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを電極１３，１５で挟み込んで板厚方向に加圧する。
【００１８】
この加圧状態で溶接トランス部１７から電極１３，１５間に溶接電流Ｉｗを通電する。これにより、電極１３，１５に挟まれた第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間にナゲット２５が形成され、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とが一体化されたアルミニウム溶接継手２７が得られる。
【００１９】
＜溶接条件＞
図２は溶接電流と加圧力の波形の一例を示すタイミングチャートである。
図１に示す制御部１９によって、電極１３，１５による加圧開始から加圧終了までの加圧時間の間で、電極１３，１５間に溶接電流Ｉｗを通電する。電極１３，１５間に通電する溶接電流Ｉｗは、図２に示すように単一のパルス電流とする。
【００２０】
溶接電流Ｉｗの通電は、電極１３，１５による加圧開始から時間ｔａ後に開始する。その後、溶接電流Ｉｗを、電極１３，１５による加圧終了前まで連続通電する。この溶接電流Ｉｗの通電期間ｔｉは、３５０ｍｓ〜８００ｍｓ、好ましくは４５０ｍｓ〜７００ｍｓ、さらに好ましくは５５０ｍｓ〜６５０ｍｓである。そして、電極１３，１５による加圧は、溶接電流Ｉｗの通電終了時から時間ｔｂ後に停止させる。
【００２１】
上記範囲の通電期間ｔｉで溶接電流Ｉｗを流すことで、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間に、詳細を後述するナゲット形成処理Ｐ１と、強度回復処理Ｐ２と、が連続して行われる。
【００２２】
一方、溶接電流Ｉｗの通電期間ｔｉを、上記範囲より長い１０００ｍｓまで延ばすと、第１アルミニウム板２１及び第２アルミニウム板２３の表面までナゲット２５が成長することで、第１アルミニウム板２１及び第２アルミニウム板２３の表面が溶融し、電極１３，１５と溶融したアルミニウムとの固着が生じる場合がある。また、溶接電流Ｉｗの通電期間ｔｉを、上記範囲より短い２００ｍｓとすると、溶接個所の強度が低下する場合がある。
【００２３】
上記した通電時間ｔｉの溶接条件で、６０００系アルミニウム合金材からなる第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを重ね合わせ、スポット溶接したアルミニウム溶接継手２７は、形成されたナゲット２５の中央部の硬度Ｈｖnと、６０００系アルミニウム合金材の素材としての硬度Ｈｖbとの差の絶対値｜Ｈｖb−Ｈｖn｜が、１０以下になる。ここでいう６０００系アルミニウム合金材の硬度Ｈｖbは、例えば、６０２２の場合、引張強さＴＳ［Ｎ／ｍｍ２］からの換算式（Ｈｖｂ＝ＴＳ／３）によれば、７４．３（２３３［Ｎ／ｍｍ２］／３）［Ｈｖ］となる。
【００２４】
図３は溶接時における通電期間とナゲットの温度変化との関係を模式的に示すグラフである。
図２に示すナゲット形成処理Ｐ１では、図３に示す溶接電流Ｉｗの通電開始時ｔ０から第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との突き合わせ箇所が、溶接電流Ｉｗによって加熱される。そして、この溶接電流Ｉｗがナゲット２５の形成に必要な時間ｔ１まで通電されることによって、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との突き合わせ箇所の界面に所定の大きさ（径）のナゲット２５が形成される。
【００２５】
なお、溶接電流Ｉｗは、一対の電極１３，１５により第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを加圧した状態で通電する。この加圧力の付加により、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３の電極１３，１５との密着性が高まり、溶接電流の経路が安定し、溶接電流Ｉｗ通電後の冷却期間における冷却効果も良好となる。この加圧力は２ｋＮ〜１０ｋＮの範囲が好ましく、この加圧力の付加によりナゲット２５の形成が良好となる。
【００２６】
そして、図２に示す強度回復処理Ｐ２では、ナゲット２５の形成後に、溶接電流Ｉｗの通電を通電開始時ｔ１から予め設定した時間ｔ２まで継続させることで、溶接部を高い温度領域で保持させる。この処理によって、形成されたナゲット２５では、一旦溶融して凝固したアルミニウムの溶体化処理が進行し、これと併せて、化合物が析出する時効処理が進行すると考えられる。
【００２７】
ところで、スポット溶接では、一旦ナゲット２５が形成されると、電流の流れが一定の経路に定まり、電極１３，１５間における抵抗発熱が生じにくくなる。つまり、ナゲット２５の形成後は、それ以上溶接電流Ｉｗを通電しても加熱されにくく、ナゲット２５の成長も少なくなる。したがって、所望の大きさのナゲット２５が形成された直後に溶接電流Ｉｗの通電を停止させると、冷却媒体で冷却される電極１３，１５による抜熱によって、ナゲット２５が急激に冷却される（図３における点線参照）。
【００２８】
これに対して、ナゲット２５の形成後に溶接電流Ｉｗの通電を継続させると、ナゲット２５の冷却が緩和されるため、ナゲット２５の形成直後に溶接電流Ｉｗの通電を停止させる場合と比較して、溶接部では高い温度領域に保持される時間が増加する。つまり、図３のハッチング部分に相当する加熱エネルギが更に供給される。
【００２９】
一般に、６０００系のアルミニウムでは、アルミニウム母材に固溶したＭｇとＳｉが析出温度域に維持されることで、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）化合物の析出物が十分に析出される。つまり、加熱されて一旦低下した強度が、溶体化処理及び時効処理によって析出物が析出されることで、元の母材強度に回復される。
【００３０】
本構成のスポット溶接では、この６０００系のアルミニウムにおける熱処理（溶体化処理、及び人工時効処理（析出工程））と同様の処理が、スポット溶接中の強度回復処理Ｐ２の期間で生じると考えられる。つまり、一対の電極１３，１５間に通電する溶接電流Ｉｗの通電期間ｔｉを、通常の２００ｍｓ程度から、例えば６００ｍｓに延ばすことで、ナゲット２５の形成後に、ナゲット２５に析出物が十分に析出され、溶接個所の強度が向上する。
【００３１】
このように、本発明のアルミニウム合金材の接合方法によれば、スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲット２５を形成する工程と、ナゲット２５の溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とが連続して行われ、板材同士の接合と共に、溶接個所の接合強度を回復させることができる。これにより、スポット溶接の工程を煩雑にすることなく、アルミニウム合金材を常に安定して高強度にスポット溶接できる。
【００３２】
また、本発明に係るアルミニウム合金材の接合体によれば、スポット溶接により形成されたナゲット２５の中央部と素材との硬度の差が抑えられた接合品質に優れたアルミニウム溶接継手２７である接合体を提供できる。
【実施例】
【００３３】
それぞれ異なる溶接条件の下で、２枚のアルミニウム合金材をスポット溶接して接合体を作製し、作製した接合体に対して引張剪断強度、破断及び硬さの評価を行った。
【００３４】
＜実験条件＞
（アルミニウム合金材）
材質：６０２２
板厚ｔ：２．０ｍｍ
（電極）
種別：クロム銅（ＣｒＣｕ）、Ｒ形電極
先端曲率半径：１００ｍｍ
電極直径（元径）：１９ｍｍ 
電極間加圧力：４ｋＮ
【００３５】
＜溶接条件＞
（実施例１）
図２に示すように、加圧開始から時間ｔａ後に溶接電流Ｉｗの通電を開始し、通電期間ｔｉの経過後に溶接電流Ｉｗの通電を終了させ、さらに時間ｔｂ後に加圧を終了させた。
【００３６】
（比較例１）
図４の（Ａ）に示すように、加圧開始から時間ｔａ後に溶接電流Ｉｗの通電を開始し、通常のスポット溶接で設定される通電期間ｔｉの経過後に溶接電流Ｉｗの通電を終了させ、さらに時間ｔｂ後に加圧を終了させた。
【００３７】
（比較例２）
図４の（Ｂ）に示すように、加圧開始から時間ｔａ後に溶接電流Ｉｗの通電を開始し、通電期間ｔｉの経過後に溶接電流Ｉｗの通電を終了させるとともに加圧を終了させた。
【００３８】
（比較例３）
図４の（Ｃ）に示すように、加圧開始から時間ｔａ後に溶接電流Ｉｗの通電（本通電）を開始し、通常のスポット溶接で設定される通電期間ｔｉの経過後に溶接電流Ｉｗの通電を終了させ、その後、複数回パルス電流を間欠的に通電（後通電）し、時間ｔｂ後に加圧を終了させた。後通電では、休止時間ｔｒを挟んで時間ｔｐのパルス電流を間欠的に通電した。
【００３９】
上記の溶接条件において、溶接電流Ｉｗを異ならせた条件１，２で接合体を作製した。条件１では、５√ｔのサイズのナゲット形成を目標に、溶接電流Ｉｗを３０ｋＡとした。条件２では、６√ｔのサイズのナゲット形成を目標に、溶接電流Ｉｗを３９ｋＡとした。条件１の実施例１、比較例１−１〜１−３、及び条件２の実施例２−１、比較例２−１〜２−３の通電条件を表１に示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
＜評価結果＞
（引張剪断強度評価）
実施例１−１，２−１、比較例１−１〜１−３、２−１〜２−３で作製した接合体に対して、JIS  Z  3136  に基づき引張剪断強度（ＴＳＳ：Tensile Shear Strength）試験を行った。
その結果、図５に示すように、実施例１−１，２−１の接合体は、同じ条件の比較例の接合体と比べ、引張剪断強度が高かった。特に、実施例１−１の接合体の引張剪断強度は、比較例１−１〜１−３の接合体よりも１ｋＮ程度高かった。
【００４２】
（破断評価）
実施例１−１、２−１、比較例１−１〜１−３、２−１〜２−３で作製した接合体について、パラメータ（ＴＳＳ／破断径）の値を比較した。
その結果、図６に示すように、条件１の実施例１−１は、比較例１−２を僅かに下回ったものの、比較例１−１，１−３よりも高い値であった。また、条件２の実施例２−１は、比較例２−１〜２−３よりも高い値であった。
【００４３】
（硬さ評価）
実施例１−１、２−１、比較例１−１〜１−３、２−１〜２−３で作製した接合体に対して、ビッカース硬度を測定した。図７に示すように、硬度の測定は、作製した接合体Ｗにおけるアルミニウム合金材Ａ１，Ａ２の界面から一方のアルミニウム合金材Ａ１側へ寸法Ｌｓだけオフセットした位置において、ナゲットＮの中央部ＣＬから板面に沿って一定ピッチＰｃで電極密着領域Ｈの範囲（片側半径方向の領域）で行った。なお、寸法Ｌｓを０．５ｍｍ、ピッチＰｃを０．６ｍｍ、電極密着領域Ｈを１０ｍｍとし、各測定点Ｓ１〜Ｓ１８において、荷重３００ｇｆで測定した。ビッカース硬度の測定結果を表２及び図８、図９に示す。表２においては、数値に下線を付与した領域がナゲット部分を表している。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
条件１で作製した接合体では、図８に示すように、各測定点のほとんどにおいて、実施例１−１の硬度が比較例１−１〜１−３の硬度を上回った。また、条件２で作製した接合体では、図９に示すように、ナゲットＮの中央部ＣＬに近付くに従って、実施例２−１の硬度が比較例２−１〜２−３の硬度を上回った。また、実施例１−１と実施例２−１は、共にナゲットＮの中央部ＣＬ寄りの測定点と、中央部ＣＬから離れた測定点との間の硬度差が抑えられた。
【００４６】
表３にナゲットＮ領域内の硬度Ｈｖnの平均値、及び硬度Ｈｖnとアルミニウム合金材Ａ１，Ａ２の硬度Ｈｖbとの差の絶対値｜Ｈｖb−Ｈｖn｜を示す。ここで、アルミニウム合金材Ａ１，Ａ２（６０２２）の硬度Ｈｖbは、前述した７４．３［Ｈｖ］を用いた。
【００４７】
【表３】
2020163415.tif 000005
【００４８】
表３に示すように、実施例１−１，２−１では、｜Ｈｖb−Ｈｖn｜の値が１０以下となった。
【００４９】
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【００５０】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接するアルミニウム合金材の接合方法であって、
前記スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲットを形成する工程と、前記ナゲットの溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とを連続して行うアルミニウム合金材の接合方法。
このアルミニウム合金材の接合方法によれば、スポット溶接の溶接電流の通電中に、ナゲットを形成する工程と、溶体化処理及び時効処理を含む強度回復工程とを連続して行うことにより、溶接個所の接合強度を回復させることができる。これにより、スポット溶接の工程を煩雑にすることなく、アルミニウム合金材を常に安定して高強度にスポット溶接できる。
【００５１】
（２）  複数枚の６０００系アルミニウム合金材を互いに重ね合わせてスポット溶接した接合体であって、
前記スポット溶接により形成されたナゲット中央部の硬度Ｈｖnと、前記６０００系アルミニウム合金材の硬度Ｈｖbとの差の絶対値｜Ｈｖb−Ｈｖn｜が、１０以下であるアルミニウム合金材の接合体。
このアルミニウム合金材の接合体によれば、スポット溶接により形成されたナゲットの中央部と素材との硬度の差が抑えられた接合品質に優れた接合体を提供できる。
【符号の説明】
【００５２】
２１  第１アルミニウム材（アルミニウム合金材）
２３  第２アルミニウム材（アルミニウム合金材）
２５  ナゲット
２７  アルミニウム溶接継手（接合体）
Ｈｖn，Ｈｖb  硬度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020163415.tif 000012
【図８】
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【図９】
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