(57)【要約】      （修正有）【課題】アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金と、鋼とを接合する異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、異材溶接継手、及び、接合補助部材付き板材を提供する。【解決手段】アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の上板１０と、上板１０にアーク溶接された、鋼製の下板２０と、を備え、上板１０は、円形の穴を有し、軸部とフランジ部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部及びフランジ部３２を貫通する中空部が形成され、軸部の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴の直径ＢＤよりそれぞれ大きく、軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材３０をさらに備え、接合補助部材３０は、上板１０に設けられた穴に圧入され、接合補助部材３０の中空部は、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０で充填される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第１の板と、鋼製の第２の板と、を接合する異材接合用アーク溶接法であって、
前記第１の板に円形の穴を空ける工程と、
軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板の穴に圧入する工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
以下の（ａ）〜（ｅ）のいずれかの手法によって、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填すると共に、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。
【請求項２】
前記第２の板には、絞り加工により膨出部が形成されており、
前記重ね合わせ工程において、前記第２の板の膨出部が、前記第１の板の穴内に配置される、請求項１に記載の異材接合用アーク溶接法。
【請求項３】
前記重ね合わせ工程の前に、前記第１の板と前記第２の板の少なくとも一方の重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って接着剤を塗布する工程を、さらに備える、請求項１又は２に記載の異材接合用アーク溶接法。
【請求項４】
前記圧入工程において、前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第１の板との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤を塗布する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法。
【請求項５】
前記圧入工程の際、又は、前記充填溶接工程後に、前記接合補助部材と、前記第１の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法に用いられ、
鋼製で、軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する、接合補助部材。
【請求項７】
アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第１の板と、該第１の板にアーク溶接された、鋼製の第２の板と、を備える異材溶接継手であって、
前記第１の板は、前記第２の板との重ね合わせ面に臨む円形の穴を有し、
前記第１の板に設けられた穴内に固定されている軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記接合補助部材の中空部は、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属で充填されると共に、前記溶接金属と、溶融された前記第２の板及び前記接合補助部材の一部とによって溶融部が形成される、異材溶接継手。
【請求項８】
前記第１の板の穴内には、前記第２の板に形成された膨出部が配置される、請求項７に記載の異材溶接継手。
【請求項９】
前記第１の板と前記第２の板の少なくとも一方の前記重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って設けられた接着剤を備える、請求項７又は８に記載の異材溶接継手。
【請求項１０】
前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第１の板との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備える、請求項７〜９のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１１】
前記接合補助部材と、前記第１の板の表面との境界部に設けられた接着剤を備える、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１２】
前記接合補助部材の軸部は、前記第１の板の穴に圧入して固定されている、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１３】
鋼製の板材とアーク溶接することで異材溶接継手を形成可能な接合補助部材付き板材であって、
円形の穴を有するアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の板材と、
軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記板材の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材と、を備え、
前記接合補助部材は、前記軸部が前記板材に設けられた穴内に固定されることで、前記板材に取り付けられている、接合補助部材付き板材。
【請求項１４】
前記接合補助部材の軸部は、前記板材の穴に圧入して固定されている、請求項１３に記載の接合補助部材付き板材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、異材溶接継手、及び、接合補助部材付き板材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車を代表とする輸送機器には、（ａ）有限資源である石油燃料消費、（ｂ）燃焼に伴って発生する地球温暖化ガスであるＣＯ２、（ｃ）走行コストといった各種の抑制を目的として、走行燃費の向上が常に求められている。その手段としては、電気駆動の利用など動力系技術の改善の他に、車体重量の軽量化も改善策の一つである。軽量化には現在の主要材料となっている鋼を、軽量素材であるアルミニウム合金、マグネシウム合金、炭素繊維などに置換する手段がある。しかし、全てをこれら軽量素材に置換するには、高コスト化や強度不足になる、といった課題があり、解決策として鋼と軽量素材を適材適所に組み合わせた、いわゆるマルチマテリアルと呼ばれる設計手法が注目を浴びている。
【０００３】
鋼と上記軽量素材を組み合わせるには、必然的にこれらを接合する箇所が出てくる。鋼同士やアルミニウム合金同士、マグネシウム合金同士では容易である溶接が、異材では極めて困難であることが知られている。この理由として、鋼とアルミニウムあるいはマグネシウムの溶融混合部には極めて脆い性質である金属間化合物（ＩＭＣ）が生成し、引張や衝撃といった外部応力で溶融混合部が容易に破壊してしまうことにある。このため、抵抗スポット溶接法やアーク溶接法といった溶接法が異材接合には採用できず、他の接合法を用いるのが一般的である。鋼と炭素繊維の接合も、後者が金属ではないことから溶接を用いることができない。
【０００４】
従来の異材接合技術の例としては、鋼素材と軽量素材の両方に貫通穴を設けてボルトとナットで上下から拘束する手段があげられる。また、他の例としては、かしめ部材を強力な圧力をかけて片側から挿入し、かしめ効果によって拘束する手段が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、他の例としては、アルミ合金素材に鋼製の接合部材をポンチとして押し込むことで穴あけと接合部材を仮拘束し、次に鋼素材と重ね合わせ、上下両方から銅電極にて挟み込んで、圧力と高電流を瞬間的に与えて鋼素材と接合部材を抵抗溶接する手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、他の例としては、摩擦攪拌接合ツールを用いてアルミ合金と鋼の素材同士を直接接合する手段も開発されている。（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１７４２１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２８５６７８号公報
【特許文献３】特許第５０４４１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ボルトとナットによる接合法は、鋼素材と軽量素材が閉断面構造を構成するような場合（図３２Ａ参照）、ナットを入れることができず適用できない。また、適用可能な開断面構造の継手の場合（図３２Ｂ、図３２Ｃ参照）でも、ナットを回し入れるのに時間を要し能率が悪いという課題がある。
【０００９】
また、特許文献１に記載の接合法は、比較的容易な方法ではあるが、鋼の強度が高い場合には挿入できない問題があり、且つ、接合強度は摩擦力とかしめ部材の剛性に依存するので、高い接合強度が得られないという問題がある。また、挿入に際しては表・裏両側から治具で押さえ込む必要があるため、閉断面構造には適用できないという課題もある。
【００１０】
さらに、特許文献２に記載の接合法も、閉断面構造には適用できず、また、抵抗溶接法は設備が非常に高価であるという課題がある。
【００１１】
特許文献３に記載の接合法は、アルミ合金素材を低温領域で塑性流動させながら鋼素材面に圧力をかけることで、両素材が溶融し合うことがなく、金属間化合物の生成を防止しながら金属結合力が得られるとされ、鋼と炭素繊維も接合可能という研究成果もある。しかしながら、本接合法も閉断面構造には適用できず、また高い圧力を必要とするので機械的に大型となり、高価であるという問題がある。また、接合力としてもそれほど高くならない。
【００１２】
したがって、既存の異材接合技術は、（ｉ）部材や開先形状が開断面構造に限定される、（ｉｉ）接合強度が低い、（ｉｉｉ）設備コストが高価であるといった一つ以上の問題を持っている。このため、種々の素材を組み合わせたマルチマテリアル設計を普及させるためには、（ｉ’）開断面構造と閉断面構造の両方に適用できる、（ｉｉ’）接合強度が十分に高く、かつ信頼性も高い、（ｉｉｉ’）低コストであるという全ての要素を兼ね備えた、使いやすい新技術が求められている。
【００１３】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム合金（以下「Ａｌ合金」とも言う）もしくはマグネシウム合金（以下、「Ｍｇ合金」とも言う）と鋼の異材を、既に世に普及している安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる、異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、異材溶接継手、及び、接合補助部材付き板材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
ここで、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金と鋼を溶融接合させようとすると、上述したように金属間化合物（ＩＭＣ）の生成が避けられない。一方、鋼同士の溶接は最も高い接合強度と信頼性を示すことは、科学的にも実績的にも自明である。
そこで、本発明者らは、鋼同士の溶接を結合力として用い、さらに拘束力を利用して異材の接合を達成する手段を考案した。
【００１５】
従って、本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）  アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第１の板と、鋼製の第２の板と、を接合する異材接合用アーク溶接法であって、
前記第１の板に円形の穴を空ける工程と、
軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板の穴に圧入する工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
以下の（ａ）〜（ｅ）のいずれかの手法によって、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填すると共に、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。
（２）  前記第２の板には、絞り加工により膨出部が形成されており、
前記重ね合わせ工程において、前記第２の板の膨出部が、前記第１の板の穴内に配置される、（１）に記載の異材接合用アーク溶接法。
（３）  前記重ね合わせ工程の前に、前記第１の板と前記第２の板の少なくとも一方の重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って接着剤を塗布する工程を、さらに備える、（１）又は（２）に記載の異材接合用アーク溶接法。
（４）  前記圧入工程において、前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第１の板との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤を塗布する、（１）〜（３）のいずれかに記載の異材接合用アーク溶接法。
（５）  前記圧入工程の際、又は、前記充填溶接工程後に、前記接合補助部材と、前記第１の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、（１）〜（４）のいずれかに記載の異材接合用アーク溶接法。
【００１６】
（６）  （１）〜（５）のいずれかに記載の異材接合用アーク溶接法に用いられ、
鋼製で、軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する、接合補助部材。
【００１７】
（７）  アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第１の板と、該第１の板にアーク溶接された、鋼製の第２の板と、を備える異材溶接継手であって、
前記第１の板は、前記第２の板との重ね合わせ面に臨む円形の穴を有し、
前記第１の板に設けられた穴に圧入されている軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第１の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記接合補助部材の中空部は、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属で充填されると共に、前記溶接金属と、溶融された前記第２の板及び前記接合補助部材の一部とによって溶融部が形成される、異材溶接継手。
（８）  前記第１の板の穴内には、前記第２の板に形成された膨出部が配置される、（７）に記載の異材溶接継手。
（９）  前記第１の板と前記第２の板の少なくとも一方の前記重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って設けられた接着剤を備える、（７）又は（８）に記載の異材溶接継手。
（１０）  前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第１の板との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備える、（７）〜（９）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１１）  前記接合補助部材と、前記第１の板の表面との境界部に設けられた接着剤を備える、（７）〜（１０）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１２）  前記接合補助部材の軸部は、前記第１の板の穴に圧入して固定されている、（７）〜（１１）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１３）  鋼製の板材とアーク溶接することで異材溶接継手を形成可能な接合補助部材付き板材であって、
円形の穴を有するアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の板材と、
軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記板材の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材と、を備え、
前記接合補助部材は、前記軸部が前記板材に設けられた穴内に固定されることで、前記板材に取り付けられている、接合補助部材付き板材。
（１４）  前記接合補助部材の軸部は、前記板材の穴に圧入して固定されている、（１３）に記載の接合補助部材付き板材。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金と、鋼との異材を、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る異材溶接継手の斜視図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＩ−Ｉ線に沿った異材溶接継手の断面図である。
【図２Ａ】本実施形態の接合補助部材の側面図である。
【図２Ｂ】本実施形態の接合補助部材の正面図である。
【図３Ａ】接合補助部材の第１変形例の側面図である。
【図３Ｂ】接合補助部材の第２変形例の側面図である。
【図４】第１変形例の接合補助部材を用いた異材溶接継手の図１Ｂに対応する断面図である。
【図５Ａ】接合補助部材の第３変形例の正面図である。
【図５Ｂ】接合補助部材の第４変形例の正面図である。
【図５Ｃ】接合補助部材の第５変形例の正面図である。
【図５Ｄ】接合補助部材の第６変形例の正面図である。
【図６Ａ】本実施形態の異材接合用アーク溶接法の穴開け作業を示す図である。
【図６Ｂ】本実施形態の異材接合用アーク溶接法の圧入作業を示す図である。
【図６Ｃ】本実施形態の異材接合用アーク溶接法の重ね合わせ作業を示す図である。
【図６Ｄ】本実施形態の異材接合用アーク溶接法の溶接作業を示す図である。
【図７Ａ】余盛りが形成されない異材溶接継手を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの異材溶接継手に板厚方向（３次元方向）の外部応力が作用した状態を示す断面図である。
【図８】図１Ｂの異材溶接継手に板厚方向（３次元方向）の外部応力が作用した状態を示す断面図である。
【図９Ａ】溶接金属の溶込みを説明するための異材溶接継手の断面図である。
【図９Ｂ】溶接金属の溶込みを説明するための異材溶接継手の断面図である。
【図１０Ａ】アルミ製の上板と鋼製の下板を重ねて貫通溶接した比較例としての異材溶接継手の斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの異材溶接継手の断面図である。
【図１１Ａ】図１０Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。
【図１２Ａ】図１０Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。
【図１３Ａ】穴を有するアルミ製の上板と鋼製の下板を重ねて貫通溶接した比較例としての異材溶接継手の斜視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの異材溶接継手の断面図である。
【図１４Ａ】図１３Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１４Ｂ】図１３Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用し、接合部が９０°近くずれた状態を示す斜視図である。
【図１５Ａ】図１３Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。
【図１６Ａ】本実施形態の異材溶接継手の断面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す斜視図である。
【図１７Ａ】本実施形態の異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１７Ｂ】金属間化合物が生成された本実施形態の異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。
【図１８Ａ】上板と下板との間に空隙が存在するアーク溶接前の状態を示す上板、下板、及び接合補助部材の断面図である。
【図１８Ｂ】アーク溶接後の状態を熱収縮力と共に示す異材溶接継手の断面図である。
【図１９】接合補助部材の軸部の直径が小さすぎる異材溶接継手にせん断方向の応力が作用した状態を示す断面図である。
【図２０】上向き姿勢でアーク溶接が施されている状態を示す図である。
【図２１】接合補助部材の第７変形例を示す側面図である。
【図２２Ａ】接合補助部材の寸法関係を説明するための上板、下板、及び接合補助部材の断面図である。
【図２２Ｂ】第１変形例の接合補助部材の寸法関係を説明するための上板、下板、及び接合補助部材の断面図である。
【図２３Ａ】異材接合用アーク溶接法の第１変形例を説明するための上板と下板の斜視図である。
【図２３Ｂ】異材接合用アーク溶接法の第１変形例を説明するための上板と下板の断面図である。
【図２４Ａ】異材接合用アーク溶接法の第２変形例を説明するための上板と下板の斜視図である。
【図２４Ｂ】異材接合用アーク溶接法の第２変形例を説明するための上板と下板の断面図である。
【図２５Ａ】異材接合用アーク溶接法の第３変形例を説明するための上板、下板、及び接合補助部材の斜視図である。
【図２５Ｂ】異材接合用アーク溶接法の第３変形例を説明するための上板、下板、及び接合補助部材の断面図である。
【図２６Ａ】異材接合用アーク溶接法の第４変形例を説明するための異材溶接継手の斜視図である。
【図２６Ｂ】異材接合用アーク溶接法の第４変形例を説明するための異材溶接継手の断面図である。
【図２７Ａ】図３Ａの第１変形例の接合補助部材を示す上面図、側面図、及び下面図である。
【図２７Ｂ】接合補助部材の第８変形例を示す上面図、側面図、及び下面図である。
【図２７Ｃ】接合補助部材の第９変形例を示す上面図、側面図、及び下面図である。
【図２８】接合補助部材の第１０変形例を示す側面図である。
【図２９】接合補助部材の第１１変形例を示す側面図である。
【図３０】異材接合用アーク溶接法、及び異材溶接継手の第５変形例を説明するための断面図である。
【図３１Ａ】図３０の下板に膨出部を絞り加工する前の状態を示す図である。
【図３１Ｂ】図３０の下板に膨出部が絞り加工された後の状態を示す図である。
【図３２Ａ】本実施形態の異材溶接継手が適用された閉断面構造を示す斜視図である。
【図３２Ｂ】本実施形態の異材溶接継手が適用された、Ｌ字板と平板による開断面構造を示す斜視図である。
【図３２Ｃ】本実施形態の異材溶接継手が適用された、２枚の平板による開断面構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、異材溶接継手、及び、接合補助部材付き板材を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
本実施形態の異材接合用アーク溶接法は、互いに重ね合わせされる、アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の上板１０（第１の板）と、鋼製の下板２０（第２の板）とを、鋼製の接合補助部材３０を介して、後述するアーク溶接法によって接合することで、図１Ａ及び図１Ｂに示すような異材溶接継手１を得るものである。
【００２２】
上板１０には、板厚方向に貫通して、下板２０の重ね合わせ面に臨む円形の穴１１が設けられており、この穴１１に接合補助部材３０が圧力をかけて挿入される。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、接合補助部材３０は、上板１０の穴１１に圧入固定される軸部３１と、上板１０の上面に配置され、軸部３１に対して外向きのフランジ部３２と、を持った段付きの外形形状を有する。接合補助部材３０には、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する円形の中空部３３が形成されている。
また、後述するように、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２は、上板１０の穴１１の直径ＢＤよりそれぞれ大きく設定されている（図２１Ａ参照）。
【００２４】
さらに、本実施形態では、軸部３１の外形形状は、フランジ部側でくびれ部３９を有する構成としている。具体的に、軸部３１は、外周面が先端からフランジ部１２側に向かって徐々に拡径し、最大外径ＰＤ１を規定するテーパ部３５と、該テーパ部３５の最大外径ＰＤ１よりも小径の小径円筒部３６と、を有する。したがって、小径円筒部３６によって、軸部３１の外形形状は、フランジ部側でくびれ部３９を有する。
【００２５】
軸部３１の外形形状は、フランジ部側でくびれ部３９を有することで、上板１０にかしめ拘束力を持って接合補助部材３０を固定するものであれば、特に限定されない。例えば、図３Ａに示すように、軸部３１は、外周面が先端からフランジ部３２まで徐々に縮径する縮径テーパ部３７としてもよい。また、図３Ｂに示すように、軸部３１は、先端側に設けられた大径円筒部３８と、フランジ部側に設けられた小径円筒部３６と、で構成してもよい。
なお、くびれ部３９における機能は、図２、図３Ａ、図３Ｂの接合補助部材３０のいずれであっても実質的に変わらないため、任意の接合補助部材３０を用いて以降の説明を行っている。また、図４は、図３Ａの接合補助部材３０を用いた場合の異材溶接継手１の図１Ｂに対応する断面図である。
【００２６】
接合補助部材３０のフランジ部３２の外形形状は、図２Ｂに示すような円形に限定されず、溶接後に上板１０に空けられた穴１１を塞いでいれば、任意の形状とすることができる。例えば、図５Ａ〜図５Ｄに示す四角形以上の多角形でもよい。また、図５Ｂや図５Ｄに示すように、多角形の角部を丸くしてもよい。
なお、これらの接合補助部材３０では、後述するフランジ部３２の幅ＰＤ２は、最も短い対向面間距離で規定される。
【００２７】
このように、接合補助部材３０が上板１０に圧入されることで、軸部３１及び中空部３３は上板１０の穴１１と同軸上に位置している。
【００２８】
また、接合補助部材３０の中空部３３には、アーク溶接によってフィラー材（溶接材料）が溶融した、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０が充填されると共に、溶接金属４０と、溶融された下板２０及び接合補助部材３０の一部とによって溶融部Ｗが形成される。したがって、溶融部Ｗは、上板１０の穴１１内にも配置されて、接合補助部材３０と下板２０とを溶接しており、これによって、上板１０と下板２０とが接合される。
【００２９】
以下、異材溶接継手１を構成する異材接合用アーク溶接法について、図６Ａ〜図６Ｄを参照して説明する。
まず、図６Ａに示すように、上板１０に穴１１を空ける穴開け作業を行う（ステップＳ１）。次に、図６Ｂに示すように、接合補助部材３０の軸部３１を、上板１０の上面から、上板１０の穴１１に圧入する（ステップＳ２）。さらに、図６Ｃに示すように、上板１０と下板２０を重ね合わせる重ね合わせ作業を行う（ステップＳ３）。そして、図６Ｄに示すように、以下に詳述する（ａ）溶極式ガスシールドアーク溶接法、（ｂ）ノンガスアーク溶接法、（ｃ）ガスタングステンアーク溶接法、（ｄ）プラズマアーク溶接法、（ｅ）被覆アーク溶接法のいずれかのアーク溶接作業を行うことで、上板１０と下板２０とを接合する（ステップＳ４）。なお、図６Ｄは、（ａ）溶極式ガスシールドアーク溶接法を用いてアーク溶接作業が行われた場合を示している。
【００３０】
ステップＳ１の穴開け作業の具体的な手法としては、ａ）ポンチを用いた打抜き、ｂ）金型を用いたプレス型抜き、ｃ）レーザ、プラズマ、ウォータージェット法などによる切断があげられる。
【００３１】
また、ステップＳ４のアーク溶接作業は、上板１０の穴１１内の溶接金属４０を介して接合補助部材３０と下板２０を接合し、かつ接合補助部材３０に設けられた中空部３３を充填するために必要とされる。したがって、アーク溶接には充填材となるフィラー材（溶接材料）の挿入が不可欠となる。具体的に、以下の４つのアーク溶接法により、フィラー材が溶融して溶接金属４０が形成される。
【００３２】
（ａ）  溶極式ガスシールドアーク溶接法は、一般的にＭＡＧ（マグ）やＭＩＧ（ミグ）と呼ばれる溶接法であり、ソリッドワイヤもしくはフラックス入りワイヤをフィラー兼アーク発生溶極として用い、ＣＯ２，Ａｒ，Ｈｅといったシールドガスで溶接部を大気から遮断して健全な溶接部を形成する手法である。
【００３３】
（ｂ）ノンガスアーク溶接法は、セルフシールドアーク溶接法とも呼ばれ、特殊なフラックス入りワイヤをフィラー兼アーク発生溶極として用い、一方、シールドガスを不要として、健全な溶接部を形成する手段である。
【００３４】
（ｃ）ガスタングステンアーク溶接法は、ガスシールドアーク溶接法の一種であるが非溶極式であり、一般的にＴＩＧ（ティグ）とも呼ばれる。シールドガスは、ＡｒまたはＨｅの不活性ガスが用いられる。タングステン電極と母材との間にはアークが発生し、フィラーワイヤはアークに横から送給される。
一般的に、フィラーワイヤは通電されないが、通電させて溶融速度を高めるホットワイヤ方式ＴＩＧもある。この場合、フィラーワイヤにはアークは発生しない。
【００３５】
（ｄ）プラズマアーク溶接法はＴＩＧと原理は同じであるが、ガスの２重系統化と高速化によってアークを緊縮させ、アーク力を高めた溶接法である。
【００３６】
（ｅ）被覆アーク溶接法は、金属の芯線にフラックスを塗布した被覆アーク溶接棒をフィラーとして用いるアーク溶接法であり、シールドガスは不要である。
【００３７】
フィラー材（溶接材料）の材質については、溶接金属４０がＦｅ合金となるものであれば、一般的に用いられる溶接用ワイヤまたは溶接棒が適用可能である。なお、Ｎｉ合金でも鉄との溶接には不具合を生じないので適用可能である。
具体的には、ＪＩＳとして（ａ）Ｚ３３１２，Ｚ３３１３，Ｚ３３１７，Ｚ３３１８，Ｚ３３２１，Ｚ３３２３，Ｚ３３３４、（ｂ）Ｚ３３１３、（ｃ）Ｚ３３１６，Ｚ３３２１，Ｚ３３３４，（ｄ）Ｚ３２１１，Ｚ３２２１，Ｚ３２２３，Ｚ３２２４、ＡＷＳ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）として、（ａ）Ａ５．９，Ａ５．１４，Ａ５．１８，Ａ５．２０，Ａ５．２２，Ａ５．２８，Ａ５．２９，Ａ５．３４、（ｂ）Ａ５．２０、（ｃ）Ａ５．９，Ａ５．１４，Ａ５．１８，Ａ５．２８，（ｄ）Ａ５．１，Ａ５．４，Ａ５．５，Ａ５．１１といった規格材が流通している。
【００３８】
これらのアーク溶接法を用いて接合補助部材３０の中空部３３をフィラー材で充填するが、一般的にフィラーワイヤもしくは溶接棒の狙い位置は移動させる必要がなく、適切な送給時間を経てアークを切って溶接終了させれば良い。ただし、中空部３３の面積が大きい場合は、フィラーワイヤもしくは溶接棒の狙い位置を中空部３３内で円を描くように移動させても良い。
【００３９】
溶接金属４０は接合補助部材３０の中空部３３を充填し、さらに接合補助部材３０の表面に余盛りＷａを形成するのが望ましい（図１Ｂ参照）。余盛りを形成しない、すなわち、図７Ａに示すように、中空部３３が溶接後に外観上残る状態だと、特に、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対しては、接合強度が不足となる可能性がある（図７Ｂ参照）。このため、余盛りＷａを形成することで、図８に示すように、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対しては、接合補助部材３０の変形が抑えられ、高い接合強度が得られる。
【００４０】
一方、余盛り側と反対側の溶込みについては、図９Ａに示すように、下板２０を適度に溶融していることが必要である。なお、図９Ｂに示すように、下板２０の板厚を超えて溶接金属４０が形成される、いわゆる裏波が出る状態にまで溶けても問題はない。
ただし、下板２０が溶けずに、溶接金属４０が乗っかっているだけであると、高い強度は得られない。また、溶接金属４０が深く溶け込みすぎて、溶接金属４０と下板２０が溶け落ちてしまわないように溶接する必要がある。
以上の作業によって、Ａｌ合金やＭｇ合金製の上板１０と鋼製の下板２０は高い強度で接合される。
【００４１】
以下、上記アーク溶接法において使用される鋼製の接合補助部材３０の役割について説明する。
【００４２】
まず、接合補助部材を使用せず、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、単純にアルミ製の上板１０と鋼製の下板２０とを重ね、上板側から鋼もしくはニッケル合金製溶接ワイヤを用いたアーク溶接を定点で一定時間保持したアークスポット溶接を行った場合、形成される溶接金属４０ａはアルミと鋼、もしくはアルミと鋼とニッケルの合金となる。この合金は、アルミ含有量が多いので脆性的特性である金属間化合物（ＩＭＣ）を呈している。このような異材溶接継手１００ａは、一見接合されている様に見えても、横方向に引張応力がかかる（せん断引張）と、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、溶接金属４０ａが容易に破壊して、外れてしまう。また、縦方向に引張応力がかかる（剥離引張）場合でも、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、溶接金属４０ａが破断するか、もしくは溶接金属４０ａと上板１０の境界部あるいは溶接金属４０ａと下板２０の境界部が破断し、上板１０が抜けるようにして接合が外れてしまう。
このように単にアルミ製の上板１０と鋼製の下板２０を重ねて、貫通溶接しようとしても、溶接金属４０ａは全部分が金属間化合物になってしまうので、せん断引張にも剥離引張にも弱く、溶接継手としては実用にならない。
【００４３】
また、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、上板１０に適当なサイズの穴１１を開けておき、その穴１１を埋めるように鋼もしくはニッケル合金の溶接材料を溶かし込む手法が考えられる。
この場合、溶接初期に形成される下板２０となっている鋼と溶接材料で形成される溶接金属４０ｂはアルミを溶かしていないので、金属間化合物は生成せず、高い強度と靱性を有しており、下板２０と強固に結合されている。また、上板１０に開けられた穴１１の内部に形成された溶接金属４０ｂは、アルミが溶融する割合が非常に少なく、金属間化合物の生成は大幅に抑制され、特に中心部は健全性を有している。ただし、上板１０に設けられた穴１１の近傍に限れば、アルミと鋼、あるいはアルミとニッケルの金属化合物層を形成する。このような異材溶接継手１００ｂに対し、図１４Ａに示すように、せん断引張応力がかかった場合、下板側は強固に金属結合しているため、高い応力に耐える。一方、上板側は金属間化合物が穴周囲に形成されてはいるが、それが剥離して動くことは形状的にできないため、初期には上板１０、下板２０の母材が変形する。このため、ほぼ変形せずに脆性破断する図９Ａ及び図９Ｂの異材溶接継手１００ａと比較すると、変形能力の向上が見られる。しかし、母材の変形が進み、図１４Ｂに示すように、接合部が９０°近く傾斜すると上下剥離引張と同じ状態になる。このようになると穴１１の周囲部に形成された金属間化合物が剥離し、上板１０が溶接部から容易に抜けてしまう。つまり、改善が不十分である。この結果は、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、上下引張方向試験でも無論同じである。
【００４４】
上記２つの異材溶接継手１００ａ、１００ｂにおける課題から、せん断方向の引張応力及び上下剥離方向の応力にも耐えるように本実施形態の２段階形状の接合補助部材３０が使用される。つまり、図６Ａ〜図６Ｄに示すように、上板１０に穴開けを施し、さらに接合補助部材３０の軸部３１を上板１０に設けられた穴１１に圧入して固定した後、接合すべき下板２０と重ね、上板１０および接合補助部材３０の内部を充填するようにアーク溶接にて溶接金属４０を形成する。このようにすると、断面としては接合補助部材３０、溶接金属４０、下板２０が強固な金属結合によって溶接接合されている状態になる。上板１０に設けられた穴１１よりも幅広である接合補助部材３０のフランジ部３２の最大の役割は、上下剥離応力に対する抵抗である。図８に示したように、適切なサイズの接合補助部材３０を適用することにより、上板１０と溶接金属４０の界面が剥離して抜けてしまう現象を防止することが可能となる。一般的に、溶接金属４０は、十分に塑性変形した後、破断する。なお、接合補助部材３０は、せん断方向の引張応力に対しても、初期応力に対して悪影響を及ぼすことはなく、さらに母材変形による溶接部が９０°傾斜（図１４Ｂ参照）後の剥離応力変化に対して、上板１０と溶接金属４０の界面が剥離して抜けてしまう現象を防止する。
【００４５】
また、詳細後述するが、接合補助部材３０のフランジ部３２は、面積が大きく、かつ厚さＰＨ２が大きいほど板厚方向（３次元方向）の外部応力に対して強度を増すため、望ましい。だが、必要以上に大きいと重量増要因や、上板１０の表面からの出っ張り過剰により、美的外観劣化や近接する他の部材との干渉が生じる。このため、接合補助部材３０のサイズは、必要設計に応じて決定される。
【００４６】
さらに、接合補助部材３０は、Ａｌ合金やＭｇ合金の溶融を避けるための防護壁作用を有する。この作用は、接合補助部材３０の軸部３１が主に担う。Ａｌ合金やＭｇ合金の接合部で最も溶融しやすい箇所は、穴１１の内面や、該内面の周囲の表面である。これらの面を接合補助部材３０で覆うことで、アーク溶接の熱が直接Ａｌ合金やＭｇ合金に伝わるのを防ぎ、鋼と混合して金属間化合物（ＩＭＣ）を作るのを防止する。アーク溶接の溶込み範囲が接合補助部材３０と下板２０のみとなれば、ＡｌやＭｇの溶接金属４０への希釈はゼロとなり、ＩＭＣは完全に防止される。したがって、軸部３１は、図１７Ａに示すように、板幅方向（２次元方向）の外部応力への抵抗作用として働く。
【００４７】
一方、本実施形態ではＩＭＣの発生がゼロである必要はなく、ＩＭＣの多少の形成は許容される。図１７Ｂに示すように、穴１１の内面にＩＭＣが形成されても、溶接金属４０が延性と適度な強度を有していれば、溶接金属４０が板幅方向（２次元方向）への外部応力への抵抗作用として働くので、溶接金属４０の周囲に形成されるＩＭＣ層の影響は小さいからである。また、ＩＭＣは脆性的であるが、構造体として引張応力が作用しても、接合部には圧縮応力と引張応力が同時に働く仕組みになっており、圧縮力に対してＩＭＣは十分な強さを維持することから、ＩＭＣ層の形成は破壊伝播にはならない。したがって、接合補助部材３０の軸部３１は必ずしも、上板１０の板厚と同じである必要はない。
【００４８】
また、接合補助部材３０は、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金である上板１０と鋼である下板２０とを重ね合わせる際に、重ね合わせ面に生じる空隙（ギャップ）ｇを最小化する役割を果たす（図１８Ａ参照）。アーク溶接工程では、溶接金属４０は熱収縮するため、その際、下板２０と接合補助部材３０が共に近づく方向に力が作用する。それによって、溶接前に多少の空隙ｇがあっても、図１８Ｂに示すように、溶接後には空隙ｇは減少し、接合部の設計精度が高まる。
【００４９】
以上述べたとおり、接合補助部材３０は、軸部３１とフランジ部３２それぞれに役割があるが、軸部３１の最大外径ＰＤ１、及びフランジ部３２の幅ＰＤ２は上板１０に設けた穴１１の直径ＢＤよりも大径であり、かつ軸部３１とフランジ部３２の境界部分には径が小さな”くびれ部３９”を設けることが必要である。軸部３１の最大外径ＰＤ１が上板１０の穴径よりも小さければ、接合状態においても、上板１０を水平方向に拘束する力は無いため、図１９に示すように、水平方向のせん断応力を受けると比較的容易に接合補助部材３０と上板１０の穴１１間の隙間分ずれを生じる。
【００５０】
その後、接合補助部材３０は容易には移動しないが、わずかでもずれが生じやすい状態となるのは、設計精度の劣化要因であるので、許容されない。したがって、接合状態において接合補助部材３０と上板１０の穴１１間には隙間が無い状態にする必要がある。この状態を実現するには、接合補助部材３０の軸部３１の最大外径ＰＤ１を上板１０の穴１１の直径ＢＤよりも大きく設計し、圧力をかけて挿入することで為しえる。しかし、金属には弾性という性質があり、多少の歪みは、応力が消失すると元に戻る。逆に言えば、元に戻す力があるということであり、圧力をかけて押し込んでも、押し戻される可能性がある。そこでこのような問題が起きないようにするべく、軸部３１におけるフランジ部側の境界域にくびれ部３９を設け、接合補助部材３０の押し込み時に、上板１０の母材の一部がくびれ部３９に金属流入することでかしめ効果を得て、容易に接合補助部材３０が外れないようすることができる。
【００５１】
このように接合補助部材３０を圧入させることで、いくつかの副次的効果も得られる。一つは、どのような姿勢でも接合できるようになることである。上板１０の穴１１の直径ＢＤに対して軸部３１の最大外径ＰＤ１が小さく、容易に出し入れできるようであれば、例えば、上向姿勢になった場合には接合補助部材３０が落下してしまい、接合できない。しかしながら、図２０に示すように、接合補助部材３０を上板１０の穴１１に圧入してあれば、接合補助部材３０は容易には落下しないので、接合作業が可能である。
【００５２】
また、接合工程の前、例えば、接合とは別の工場で接合補助部材３０を上板１０であるアルミニウムやマグネシウム合金にまとめて圧入しておき、容易には外れないことから、接合工場に搬送して接合工程とすることができる。
【００５３】
圧入方法については手段を問わないが、人の手で押し込んだり、ハンマー等で叩いたり、油圧、水圧、空気圧、ガス圧、電気駆動などの動力を用いるプレス機を用いたりといった実用的手段があげられる。また、接合補助部材３０は穴１１に回し入れることによって圧入も可能で、そのような手段を用いる場合は、軸部３１の先端にネジ状の規則的な起伏を設けて回し入れやすくすることができる。例えば、図２１に示すように、軸部３１のテーパ部３５には、溝３５ａが形成されてもよい。
なお、押し込み圧力が強いと軸部３１だけでなく、フランジ部３２の一部まで上板１０の母材に押し込まれることがあるが、問題は無い（図４参照）。むしろ、フランジ部３２の外径が非円形（図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ参照）であれば、フランジ部３２の一部が上板１０の母材に押し込まれることで、上板１０が下板２０に対して水平方向の回転力が作用したとき比較的弱い力でかしめ効果が外れて回転してしまう現象を防止する効果があるので、望ましい。
【００５４】
以上の理由から、接合補助部材３０は、鋼製で、軸部３１とフランジ部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する中空部３３が形成され、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴１１よりそれぞれ大きく、軸部３１がフランジ部側でくびれ部３９を有するものが使用される。
【００５５】
なお、鋼製の接合補助部材３０の材質は、純鉄および鉄合金であれば、特に制限されるものでなく、例えば、軟鋼、炭素鋼、ステンレス鋼などがあげられる。
【００５６】
また、接合補助部材３０の各種寸法は、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、上板１０との関係で次のように設定される。なお、図２２Ａは、本実施形態の接合補助部材３０を用いた場合を示し、図２２Ｂは、第１変形例の接合補助部材３０を用いた場合を示す。
【００５７】
・軸部高さＰＨ１
軸部高さＰＨ１は、上板１０の板厚ＢＨの１０％以上１００％以下に設計される。接合補助部材３０の軸部３１は、上述したＡｌ，Ｍｇの上板１０の溶接工程時の溶融量低減および、および接合補助部材３０の上板１０の穴１１への圧入によるかしめ拘束効果がある。軸部高さＰＨ１が大きいほど、アーク熱の上板１０への伝熱を防ぐため、前者の効果が高くなって望ましい。しかし、軸部高さＰＨ１が、上板１０の板厚ＢＨを超えて大きくなると、上板１０と下板２０にギャップができてしまうので望ましくない。したがって、軸部高さＰＨ１の上限は、板厚ＢＨに対し１００％である。一方、１０％より小さいと、前者の効果が得られなくなり、上板１０の溶融による溶接金属４０の脆化が著しくなる。また、後者のかしめ拘束効果も得られなくなり、容易に外れてしまう。したがって、軸部高さＰＨ１の下限は１０％である。
【００５８】
・軸部の最大外径ＰＤ１
軸部３１の最大外径ＰＤ１は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し１０２％以上１２５％以下に設計される。接合補助部材３０の軸部３１には、上板１０への圧入によるかしめ拘束をさせる働きがある。その効果を発揮させるには、上板１０の穴径よりも大きくなければならない。穴径ＢＤに対し、最低２％以上大きくなければ、上板穴近傍に適切な圧力をかけることができない。ゆえに最大１０２％以上である。一方、軸部３１の最大外径ＰＤ１が大きくなるほど、かしめ力は強くなるが、圧入に必要な力が大きくなって、簡便性が損なわれ、さらには上板穴周辺の圧力に耐えられず、亀裂発生してしまうことにもなりかねない。これらの理由から軸部３１の最大外径ＰＤ１の上限は決まり、具体的には１２５％とする。
【００５９】
・フランジ部の幅ＰＤ２
フランジ部３２の幅ＰＤ２は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し１０５％以上に設計される。接合補助部材３０のフランジ部３２は、上述したように、板厚方向への外部応力、言い換えれば引き剥がす応力が働いた際への抵抗力としての主体的役割を持つ。部材構成の中では、軸部３１も上板１０に対するかしめ拘束効果である程度、剥離応力に対する抵抗力を持つが、フランジ部３２はその役割が大きい。接合補助部材３０はフランジ部３２の幅ＰＤ２が大きく、かつ厚さが大きいほど板厚方向（３次元方向）の外部応力に対して強度を増すため、望ましい。フランジ部３２の幅ＰＤ２が穴１１の直径ＢＤＸに対し１０５％未満では、接合補助部材３０が板厚方向への外部応力に対して弾塑性変形した場合、上板１０の穴１１の大きさ以下の見かけ寸法に容易になりやすく、さすれば上板１０が抜けてしまいやすくなる。つまり、接合補助部材３０が高い抵抗力を示さない。したがって、フランジ部３２の幅ＰＤ２は、穴１１の直径ＢＤの１０５％をそれぞれ下限とする。より好ましくは、フランジ部３２の幅ＰＤ２は、穴１１の直径ＢＤの１２０％をそれぞれ下限とするとよい。一方、接合部強度の観点では上限を設ける必要は無い。
【００６０】
・フランジ部の厚さＰＨ２
フランジ部３２の厚さＰＨ２は、上板１０の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下に設計される。上記で述べたとおり、接合補助部材３０のフランジ部３２は外形寸法が大きく、かつ厚さＰＨ２が大きいほど板厚方向（３次元方向）の外部応力に対して強度を増すため、望ましい。このフランジ部３２の厚さＰＨ２は継手の上板１０の板厚ＢＨに応じて大きくすることで高い抵抗力を発揮する。フランジ部３２の厚さＰＨ２が上板１０の板厚ＢＨの５０％未満では、接合補助部材３０のフランジ部３２が板厚方向への外部応力に対して容易に弾塑性変形を生じ、上板１０の穴１１の大きさ以下の見かけ寸法になると、抜けやすくなる。つまり、接合補助部材３０が高い抵抗力を示さない。したがって、フランジ部３２の厚さＰＨ２は上板１０の板厚ＢＨの５０％を下限とする。一方、フランジ部３２の厚さＰＨ２が上板１０の板厚ＢＨの１５０％を超えて大きくすると、継手強度的には問題ないが、過剰に張り出した形状となって外観が悪いだけでなく、重量も重くなる。したがって、フランジ部３２の厚さＰＨ２は、上板１０の板厚ＢＨの１５０％以下にすることが必要である。
【００６１】
また、図１Ｂに示すように、アークによる充填溶接工程において、接合補助部材３０の表面上に余盛りＷａが形成される際、余盛りＷａの直径ＷＤは、接合補助部材３０の中空部３３の直径ＰＳの１０５％以上に設定される。
上述のとおり、接合補助部材３０は、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対して抵抗力を発揮する役割があるが、中空部３３を完全に埋めなければ高い抵抗力を発揮しない。中空部３３が完全に埋まらず、中空部３３の内側面が残った状態であると、接合補助部材３０と溶接金属４０との結合面積が不足し、容易に外れてしまうことがある。接合補助部材３０と溶接金属４０の結合面積を高めるためには、完全に充填し、余盛りＷａが形成されることが望ましい。余盛りＷａが形成されると、その直径ＷＤは接合補助部材３０の中空部３３の直径ＰＳを超えることになる。余盛りＷａの直径ＷＤは、それぞれ接合補助部材３０の中空部３３の直径ＰＳの１０５％以上とすると確実に余盛り形成されたことになるため、これを下限値とする。
【００６２】
なお、上板１０及び下板２０の板厚については、限定される必要は必ずしもないが、施工能率と、重ね溶接としての形状を考慮すると、上板１０の板厚は、４．０ｍｍ以下であることが望ましい。一方、アーク溶接の入熱を考慮すると、板厚が過度に薄いと溶接時に溶け落ちてしまい、溶接が困難であることから、上板１０、下板２０共に０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００６３】
以上の構成により、上板１０がアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金、下板２０が鋼の素材を強固に接合することができる。
【００６４】
ここで、異種金属同士を直接接合する場合の課題としては、ＩＭＣの形成という課題以外に、もう一つの課題が知られている。それは、異種金属同士が接すると、ガルバニ電池を形成する為に腐食を加速する原因になる。この原因（電池の陽極反応）による腐食は電食と呼ばれている。異種金属同士が接する面に水があると腐食が進むので、接合箇所として水が入りやすい場所に本実施形態が適用される場合は、電食防止を目的として、水の浸入を防ぐためのシーリング処理を施す必要がある。本接合法でもＡｌ合金やＭｇ合金と鋼が接する面は複数形成されるので、樹脂系の接着剤をさらなる継手強度向上の目的のみならず、シーリング材として用いることが好ましい。
【００６５】
例えば、図２３Ａ及び図２３Ｂに示す第１変形例のように、上板１０及び下板２０の接合面で、溶接部周囲に接着剤６０を全周に亘って環状に塗布してもよい。なお、接着剤６０を上板１０及び下板２０の接合面で、溶接部周囲に全周に亘って塗布する方法としては、図２４Ａ及び図２４Ｂに示す第２変形例のように、溶接箇所を除いた接合面の全面に塗布する場合も含まれる、これにより、上板１０、下板２０、及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。
【００６６】
また、図２５Ａ及び図２５Ｂに示す第３変形例のように、上板１０の穴１１の周囲と接合補助部材３０の下面との間に接着剤６０を塗布してもよい。これにより、上板１０、接合補助部材３０、及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。
【００６７】
さらに、図２６Ａ及び図２６Ｂに示す第４変形例のように、接合補助部材３０と上板１０の表面との境界部に接着剤６０を塗布してもよい。これにより、電食速度低下の効果が得られる。なお、図２５Ａ及び図２５Ｂに示す第３変形例では、塗布は溶接工程前にしか実施できないが、図２６Ａ及び図２６Ｂに示す第４変形例では、塗布は溶接工程前でも溶接工程後でも可能である。
【００６８】
なお、接合補助部材３０の上板１０との接触面は、図２７Ａに示すように、必ずしも平坦な面である必要はない。即ち、接合補助部材３０の上板１０との接触面は、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示すように、必要に応じてスリット３４ａ、３４ｂを設けて良い。特に、上板１０との接触面側に円周状のスリット３４ａ、格子状のスリット３４ｂ、又は放射状のスリット（図示せず）を設けると、接着剤６０の塗布がスリット３４ａ、３４ｂの隙間に入り込んで逃げなくなるため、安定した接着が行なわれ、シーリングの効果も確実となる。このような平坦ではない面の場合の接合補助部材３０のフランジ部３２の厚さＰＨ２の定義は、高さの最も大きな部分とする。
【００６９】
また、図２８に示すように、接合補助部材３０の辺に当たる箇所には、使用時の安全性や鍛造時の制限などの点から、丸みを持たせることには何ら問題がない。特に、中空部３３の上面端面はすり鉢状に広げておくと、溶接金属４０と接合補助部材３０の馴染み性が向上し、外観が向上する効果もある。
【００７０】
なお、接合補助部材３０に空けられる中空部３３の面は平坦な円筒面でかまわないが、図２９に示すように、ネジ溝３３ａを形成していてもかまわない。本工法では雄ネジは用いないが、ネジ溝３３ａがあることで、アーク溶接時に溶融池との接触表面積が増え、より強固に溶接金属４０と接合補助部材３０が結合される。ネジ溝３３ａなど平坦面でない場合の穴１１の直径ＰＳは、最も広い対面間距離と定義する。
【００７１】
さらに、図３０に示す第５変形例のように、下板２０に膨出部２１を設けてもよい。
Ａｌ合金やＭｇ合金製の上板１０の板厚が比較的薄い場合には、下板２０は無加工とし、上板１０は穴開けして、接合時に接合補助部材３０を穴１１に挿入するだけで良好な溶接が可能となる。しかし、上板１０の板厚が大きいと、溶接工程で、接合補助部材３０の中空部３３を充填するのに時間がかかり、能率が悪くなる。また、熱量が過大となって、充填完了するより先に下板２０の鋼板が溶け落ちしてしまいやすくなる。このため、下板２０について絞り加工で膨出部２１を設ければ、穴１１の体積が小さくなるので溶け落ち欠陥を防ぎながら、充填することができる。
【００７２】
また、第５変形例では、下板２０の膨出部２１は、上板１０と下板２０とを位置合わせをするための目印となり、下板２０の膨出部２１と上板１０の穴１１を容易に合わせることができ、重ね合わせ作業の効率向上につながる。
【００７３】
なお、膨出部２１の絞り加工は、図３１Ａに示すように、下板２０の膨出部２１が形成される部分の周辺部をダイ５２で拘束する。そして、図３１Ｂに示すように、膨出部２１が形成される部分に圧力をかけてポンチ５３を押し込むことで、膨出部２１が成形される。
【００７４】
また、本実施形態の溶接法は、接合面積が小さい点溶接と言えるので、ある程度の接合面積を有する実用部材同士の重ね合わせ部分Ｊを接合する場合は、本溶接法を図３２Ａ〜図３２Ｃに示すように、複数実施すればよい。これにより、重ね合わせ部分Ｊにおいて強固な接合が行われる。本実施形態は、図３２Ｂ及び図３２Ｃに示すような開断面構造にも使用できるが、特に、図３２Ａに示すような閉断面構造において好適に使用することができる。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態の異材接合用アーク溶接法によれば、上板１０に円形の穴１１を空ける工程と、軸部３１とフランジ部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する中空部３３が形成され、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴１１の直径ＢＤよりそれぞれ大きく、軸部３１がフランジ部側でくびれ部３９を有する鋼製の接合補助部材３０を、上板１０に設けられた穴１１に圧入する工程と、上板１０と下板２０を重ね合わせる工程と、以下の（ａ）〜（ｅ）のいずれかの手法によって、接合補助部材３０の中空部３３を溶接金属４０で充填すると共に、下板２０及び接合補助部材３０を溶接する工程と、を備える。
【００７６】
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。
これにより、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金の上板１０と鋼の下板２０を、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。
【００７７】
また、下板２０には、絞り加工により膨出部２１が形成されており、重ね合わせ工程において、下板２０の膨出部２１が、上板１０の穴１１内に配置される。これにより、上板１０の板厚が大きな場合でも溶け落ち欠陥を防止して溶接することができ、また、上板１０と下板２０を容易に位置決めすることができる。
【００７８】
また、重ね合わせ工程の前に、上板１０と下板２０の少なくとも一方の重ね合せ面には、穴１１の周囲に、全周に亘って接着剤６０を塗布する工程を、さらに備える。これにより、接着剤は、継手強度向上の他、シーリング材として作用し、上板１０、下板２０及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。
【００７９】
また、圧入工程において、接合補助部材３０と、該接合補助部材と対向する上板１０との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤６０を塗布する。これにより、上板１０、接合補助部材３０及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。
【００８０】
また、圧入工程の際、又は、充填溶接工程後に、接合補助部材３０と、上板１０の表面との境界部に接着剤６０を塗布する。これにより、上板１０と接合補助部材３０の接合強度を向上することができる。
【００８１】
また、接合補助部材３０の軸部３１の高さＰＨ１は、上板１０の板厚ＢＨの１０％以上１００％以下であるので、溶接工程時の上板１０の溶融量を低減でき、且つ、接合補助部材３０を上板１０の穴１１にかしめ拘束することができる。
【００８２】
また、接合補助部材３０の軸部３１の最大外径ＰＤ１は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し１０２％以上１２５％以下であるので、接合補助部材３０を上板１０の穴１１にかしめ拘束することができる。
【００８３】
また、接合補助部材３０のフランジ部３２の幅ＰＤ２は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し１０５％以上であるので、接合補助部材３０は、板厚方向の外部応力への抵抗力として機能することができる。
【００８４】
また、接合補助部材３０のフランジ部３２の厚さＰＨ２は、上板１０の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下であるので、接合補助部材３０は、外観性及び重量増を考慮しつつ、板厚方向の外部応力への抵抗力として機能することができる。
【００８５】
また、充填溶接工程において、接合補助部材の表面上に余盛りＷａが形成され、かつ余盛りＷａの直径ＷＤが、接合補助部材３０の中空部３３の直径ＰＳに対し、１０５％以上となるので、余盛りＷａは、板厚方向の外部応力への抵抗力として機能することができる。
【００８６】
また、本実施形態の接合補助部材３０は、鋼製で、軸部３１とフランジ部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する中空部３３が形成され、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴１１の直径ＢＤよりそれぞれ大きく、軸部３１がフランジ部側でくびれ部３９を有する。これにより、接合補助部材３０は、上述した異材接合用アーク溶接法に好適に用いられる。
【００８７】
また、本実施形態の異材溶接継手１は、アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の上板１０と、上板１０にアーク溶接された、鋼製の下板２０と、を備え、上板１０は、下板２０との重ね合わせ面に臨む円形の穴１１を有し、上板１０に設けられた穴１１に圧入されている軸部３１と、フランジ部３２と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する中空部３３が形成され、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴１１の直径ＢＤよりそれぞれ大きく、軸部３１がフランジ部側でくびれ部３９を有する鋼製の接合補助部材３０をさらに備え、接合補助部材３０の中空部３３は、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０で充填されると共に、溶接金属４０と、溶融された下板２０及び接合補助部材３０の一部とによって溶融部Ｗが形成される。
これにより、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金の上板１０と鋼の下板２０とを備えた異材溶接継手１は、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合され、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。
【００８８】
さらに、本実施形態の接合補助部材付き板材は、円形の穴１１を有するアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の上板（アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の板材）１０と、軸部３１とフランジ部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、軸部３１及びフランジ部３２を貫通する中空部３３が形成され、軸部３１の最大外径ＰＤ１及びフランジ部３２の幅ＰＤ２が上板１０の穴１１の直径ＢＤよりそれぞれ大きく、軸部３１がフランジ部側でくびれ部３９を有する鋼製の接合補助部材と、を備え、接合補助部材３０は、軸部３１が上板１０に設けられた穴１１内に固定されることで、上板１９に取り付けられている。
これにより、接合補助部材付き板材は、鋼製の下板（鋼製の板材）２０とアーク溶接することで、強固かつ信頼性の高い品質で異材溶接継手を形成することができる。
【００８９】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０    上板
１１    穴
２０    下板
３０    接合補助部材
３１    軸部
３２    フランジ部
３３    中空部
４０    溶接金属
Ｗ      溶融部
Ｗａ    余盛り
【図１Ａ】
2020179426.tif 000003
【図１Ｂ】
2020179426.tif 000004
【図２Ａ】
2020179426.tif 000005
【図２Ｂ】
2020179426.tif 000006
【図３Ａ】
2020179426.tif 000007
【図３Ｂ】
2020179426.tif 000008
【図４】
2020179426.tif 000009
【図５Ａ】
2020179426.tif 000010
【図５Ｂ】
2020179426.tif 000011
【図５Ｃ】
2020179426.tif 000012
【図５Ｄ】
2020179426.tif 000013
【図６Ａ】
2020179426.tif 000014
【図６Ｂ】
2020179426.tif 000015
【図６Ｃ】
2020179426.tif 000016
【図６Ｄ】
2020179426.tif 000017
【図７Ａ】
2020179426.tif 000018
【図７Ｂ】
2020179426.tif 000019
【図８】
2020179426.tif 000020
【図９Ａ】
2020179426.tif 000021
【図９Ｂ】
2020179426.tif 000022
【図１０Ａ】
2020179426.tif 000023
【図１０Ｂ】
2020179426.tif 000024
【図１１Ａ】
2020179426.tif 000025
【図１１Ｂ】
2020179426.tif 000026
【図１２Ａ】
2020179426.tif 000027
【図１２Ｂ】
2020179426.tif 000028
【図１３Ａ】
2020179426.tif 000029
【図１３Ｂ】
2020179426.tif 000030
【図１４Ａ】
2020179426.tif 000031
【図１４Ｂ】
2020179426.tif 000032
【図１５Ａ】
2020179426.tif 000033
【図１５Ｂ】
2020179426.tif 000034
【図１６Ａ】
2020179426.tif 000035
【図１６Ｂ】
2020179426.tif 000036
【図１７Ａ】
2020179426.tif 000037
【図１７Ｂ】
2020179426.tif 000038
【図１８Ａ】
2020179426.tif 000039
【図１８Ｂ】
2020179426.tif 000040
【図１９】
2020179426.tif 000041
【図２０】
2020179426.tif 000042
【図２１】
2020179426.tif 000043
【図２２Ａ】
2020179426.tif 000044
【図２２Ｂ】
2020179426.tif 000045
【図２３Ａ】
2020179426.tif 000046
【図２３Ｂ】
2020179426.tif 000047
【図２４Ａ】
2020179426.tif 000048
【図２４Ｂ】
2020179426.tif 000049
【図２５Ａ】
2020179426.tif 000050
【図２５Ｂ】
2020179426.tif 000051
【図２６Ａ】
2020179426.tif 000052
【図２６Ｂ】
2020179426.tif 000053
【図２７Ａ】
2020179426.tif 000054
【図２７Ｂ】
2020179426.tif 000055
【図２７Ｃ】
2020179426.tif 000056
【図２８】
2020179426.tif 000057
【図２９】
2020179426.tif 000058
【図３０】
2020179426.tif 000059
【図３１Ａ】
2020179426.tif 000060
【図３１Ｂ】
2020179426.tif 000061
【図３２Ａ】
2020179426.tif 000062
【図３２Ｂ】
2020179426.tif 000063
【図３２Ｃ】
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