(57)【要約】【課題】異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するに際し、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、継手強度の向上を実現する。【解決手段】亜鉛めっき鋼板１と、アルミニウム合金２とを重ね合わせて接合するに際して、抵抗スポット溶接により、アルミニウム合金２と亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層３との間の界面に共晶溶融を生じさせて亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２とを接合することにより、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去し、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２の新生面同士を接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際し、第１の材料と第２の材料の間にこれらの二種類の材料とは異なる第３の材料を介在させ、抵抗スポット溶接により、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項２】
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくとも一方の材料に被覆されている材料を第３の材料とすることを特徴とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
【請求項３】
第３の材料が、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくとも一方の材料にめっきされている材料であることを特徴とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
【請求項４】
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくとも一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の異種材料の接合方法。
【請求項５】
亜鉛めっき鋼板の亜鉛が、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛であることを特徴とする請求項４に記載の異種材料の接合方法。
【請求項６】
亜鉛めっき鋼板の接合面の反対面が、鉄と合金化された合金化亜鉛で形成してあることを特徴とする請求項４叉は５に記載の異種材料の接合方法。
【請求項７】
亜鉛めっき鋼板の接合面の反対面が、非めっき面であることを特徴とする請求項４叉は５に記載の異種材料の接合方法。
【請求項８】
第１の材料が鋼であると共に、第２の材料がアルミニウム合金であって、第３の材料がアルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の異種材料の接合方法。
【請求項９】
一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の先端部が曲面状を成している抵抗スポット溶接装置を用いて接合を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の異種金属の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するのに用いられる異種材料の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、アルミニウム合金と鋼を接合する場合、接合界面には高硬度で脆弱なＦｅ２Ａｌ５やＦｅＡｌ３などの金属間化合物が生成されるため、充分な継手強度を確保するためにはその制御が必要である。しかし、アルミニウム合金の表面には緻密で強固な酸化皮膜が形成されており、酸化皮膜を除去するには接合時に大きな熱量を投入することが有効であるが、接合時に大きな熱量を投入すると、接合界面における金属間化合物が成長して接合強度が低下してしまうという問題があった。
【０００３】
そこで、アルミニウム合金と鋼の接合には、ボルトやリベット等による機械的接合が行われていたが、この場合には、重量やコストが増大するという欠点があり、このほか、摩擦圧接、爆着及び熱間圧延といった接合方法もあるが、摩擦圧接は、対称性の良い回転体同士の接合などに好適であって、その用途が限られており、また、爆着や熱間圧延は、設備や製造能率の面で好ましいものではなかった。
【０００４】
従来、異種材料の接合において、上記の問題を解決すべく成されたものとしては、特開平４−１２７９７３号公報に記載されているように、一方及び他方の材料と同じ二種の材料から成るクラッド材を用意し、一方及び他方の材料の間に、同じ種類の材料同士が接するようにクラッド材を介在させて抵抗溶接を行い、この際、通電時間が１０ｍｓ以下となるように制御して一方及び他方の材料を接合するものがあった。
【０００５】
また、特開平６−０３９５５８号公報に記載されているように、アルミニウム合金と鋼の接合において、鋼の表面に、アルミニウム量が２０重量％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを２μｍ以上の厚さにめっきし、そのめっき層がアルミニウム合金に接するようにアルミニウム合金と鋼を重ね合わせて抵抗溶接をすることにより、めっき層を優先的に溶融させ、鋼の母材を殆ど溶融させることなく双方を接合するものがあった。
【特許文献１】特開平４−１２７９７３号公報
【特許文献２】特開平６−０３９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記したような従来の異種材料の接合にあっては、異種材料と同じ二種類の材料から成るクラッド材を用いる方法では、二部材の接合が三部材の接合になり、また、クラッド材自体も異種材料同士の接合により製造されるので、その製造条件が厳しく、安価で且つ性能安定したクラッド材を得ることが困難であるという問題点があった。
【０００７】
また、鋼にアルミニウムをめっきしたものを用いる方法では、めっき層とアルミニウム合金とを接合する際に、入熱によってめっき層と鋼との界面に脆い金属間化合物が生成され、その部分から破壊が生じる可能性があるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を抑制して、両材料の新生面同士を強固に接合させ、継手強度の向上を実現することができる異種材料の接合方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の異種材料の接合方法は、第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際し、第１の材料と第２の材料の間に、これらの二種類の材料とは異なる第３の材料を介在させる。そして、第１の材料及び第２の材料を両側から挟持して行う抵抗スポット溶接により、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に抵抗スポット溶接を利用して共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の異種材料の接合方法によれば、異なる二種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、抵抗スポット溶接を利用して、低温状態で酸化皮膜を除去しつつ両材料を接合することができる。したがって、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができると共に、両材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができ、継手強度の向上を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の異種材料の接合方法では、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料に被覆されている材料を第３の材料とする構成を採用することができ、被覆材料の好ましい実施形態として、第３の材料が、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくとも一方の材料にめっきされている材料である構成を採用することができる。この場合には、第１の材料と第２の材料との間に第３の材料を挟み込む工程が省かれるので、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなる。
【００１２】
この際、本発明の異種材料の接合方法では、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とする構成とすることができ、この場合には、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することが可能である。
【００１３】
さらに、本発明の異種材料の接合方法では、上記亜鉛めっき鋼板の亜鉛、より詳しくは亜鉛めっき鋼板における少なくとも相手材料との接合面の亜鉛が、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛である構成とすることができ、この場合には、両材料の接合界面での金属間化合物の生成を抑制しつつ両材料の接合を行うことが可能であり、高い接合強度を得ることができる。
【００１４】
さらに、本発明の異種材料の接合方法では、上記亜鉛めっき鋼板の接合面の反対面が、鉄と合金化された合金化亜鉛で形成してある構成とすることができ、この場合には、亜鉛めっき鋼板の接合面の反対面に電極を当接させて抵抗スポット溶接を行なったときに、電極先端に対する亜鉛の付着量を減少させることが可能となり、これにより電極の寿命を向上させることができる。
【００１５】
さらに、本発明の異種材料の接合方法では、上記亜鉛めっき鋼板の接合面の反対面が、めっきを施していない非めっき面である構成とすることができ、この場合には、亜鉛めっき鋼板の非めっき面に電極を当接させて抵抗スポット溶接を行なったときに、電極先端に対する亜鉛の付着がなくなり、これにより電極の寿命を一層向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の異種材料の接合方法では、第１の材料を鋼とし、第２の材料をアルミニウム合金とした場合、第３の材料として、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料を用いることができる。この場合、アルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料としては、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）及びニッケル（Ｎｉ）などを挙げることができる。さらに、本発明においては、第３の材料としては、上述したような純金属に限定される必要はなく、共晶金属は２元合金も三元合金も存在するため、これらの少なくとも一種の金属を含む合金でってもよい。
【００１７】
そして、鋼（第１の材料）とアルミニウム合金（第２の材料）との間に、上記の如くアルミニウム合金と低融点共晶を形成する材料（第３の材料）を介在させて、抵抗スポット溶接を行うことにより、低温状態でアルミニウム合金の表面の酸化皮膜を除去しつつ両材料を接合し、このとき、金属間化合物の生成を抑制して両材料の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。
【００１８】
さらに、本発明の異種材料の接合方法では、一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の先端部が球面状を含む曲面状を成している抵抗スポット溶接装置を用いて接合を行うことができる。この場合、例えば、第１の材料である鋼と第２の材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、先端部が曲面状を成す電極形状で加圧することにより、アルミニウム合金の表面の酸化皮膜を効果的に破壊し、アルミニウム合金と第３の材料の間に生じた共晶溶融を接合部の周囲に効果的に排出して、鋼及びアルミニウム合金の新生面同士の強固な接合状態を得ることができる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２０】
この実施例では、抵抗スポット溶接により、第１の材料である亜鉛めっき鋼板と第２の材料であるアルミニウム合金との接合を行うに際して、双方の間に介在する第３の材料として亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用い、図３のＡｌ−Ｚｎ２元系状態図における共晶点Ｐを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応を生じさせて亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金を接合させた。
【００２１】
すなわち、図１に示すように、厚さ０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、厚さ１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金２を用いると共に、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層（第３の材料）３の厚さは、約５μｍとし、上記の亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２とを上下に重ね合わせた。
【００２２】
そして、交流電源タイプの抵抗スポット溶接装置において、電源１０に接続した一対の電極１１，１２で亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を上下から挟持し、この際、両電極１１，１２による加圧力を１２０ｋｇｆにして抵抗スポット溶接を行った。
【００２３】
このとき、当該接合方法では、抵抗スポット溶接装置において、図４（ｂ）にも示すように、亜鉛めっき鋼板１に当接する電極１１については、その先端部が円錐の頭部を水平に切除した形状になるようにしてこれをコーン電極とし、アルミニウム合金２に当接する電極１２については、その先端部が曲面状の一つである球面状になるようにしてこれをドーム電極とした。
【００２４】
次に、図２に基づいて、接合過程における接合界面の状態の変化を詳細に説明する。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、第１の材料である亜鉛めっき鋼板１において、その亜鉛層３を第３の材料とする。また、第２の材料であるアルミニウム合金２には、その表面に酸化皮膜４が形成されている。そして、図２（ｂ）に示すように、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２を上下に重ね合わせて双方を密着させる。
【００２６】
次に、先述の先端部形状を有する一対の電極１１，１２で亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を上下から挟持し、この状態で抵抗スポット溶接を行うと、図２（ｃ）に示すように、両電極１１，１２による加圧力、及び加熱膨張による材料の相対変位によってアルミニウム合金２の表面の酸化皮膜４に破壊部分４ａが生じ、これにより亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層３とアルミニウム合金２とが接触し、接合時の温度に応じて双方の共晶溶融が生じる。
【００２７】
そして、図２（ｄ）に示すように、上記の共晶溶融が生じるのに伴って、アルミニウム合金と亜鉛の共晶液相５とともに酸化皮膜４が接合部の周囲に排出され、その結果、図２（ｅ）に示すように、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２は互いの新生面同士で接合する。
【００２８】
このように、上記した異種材料の接合方法では、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２に抵抗スポット溶接を行うことで、両電極１１，１２による加圧力及び加熱膨張による材料の相対変位によって酸化皮膜４の破壊が生じて共晶反応が促進され、大きな熱量を投入することなく低温状態で酸化皮膜４が除去されることとなる。
【００２９】
つまり、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を強固に接合させ得ることとなる。
【００３０】
また、上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板１にめっきされている亜鉛層３を第３の材料としているので、例えば、鋼板とアルミニウム合金との間に第３の材料を挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなるうえ、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま用い得ることとなる。
【００３１】
さらに、上記した異種材料の接合方法では、アルミニウム合金２に当接する電極１２をドーム電極（先端部が球面状を成す電極）としたことから、その電極形状を用いた加圧により、接合時におけるアルミニウム合金の酸化皮膜４を効果的に破壊して、アルミニウム合金と亜鉛層３の間に生じた共晶溶融を接合部の周囲に効果的に排出することができ、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２の新生面同士のより強固な接合に貢献し得るものとなる。
【００３２】
ここで、比較例として、図４（ａ）に示すように、一対の電極を２１，２２を共にコーン電極とした抵抗スポット溶接装置を用いて、上記実施例と同じ条件で亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２の接合を行った。比較例及び実施例の接合条件（電極形状）と強度試験の結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
比較例及び実施例のいずれも亜鉛層３とアルミニウム合金２との間に共晶溶融が生じたが、表１に示すように、一対の電極が共にコーン電極である比較例では、接合部の周囲への共晶液相５及び酸化皮膜４の排出が良好に行われず、接合界面に共晶液相及び亜鉛が残存する結果となり、接合強度が充分ではないことが判明した。
【００３５】
これに対して、一方の電極１１をコーン電極とし、他方の電極１２をドーム電極とした実施例では、接合部の周囲への共晶液相５及び酸化皮膜４の排出が非常に良好に行われ、その結果、充分な接合強度が得られることを確認した。なお、両方の電極をドーム電極とすることも共晶液相５及び酸化皮膜４の排出を良好に行う上で当然有効である。
【００３６】
図５は、本発明の異種材料の接合方法の他の実施例を説明する図である。この実施例では、接合面とその反対面に夫々異なる材料を被覆した第１の材料である亜鉛めっき鋼板６と、第２の材料であるアルミニウム合金２とを接合する。
【００３７】
亜鉛めっき鋼板６は、アルミニウム合金２との接合面（図中下側の面）に、例えば溶融亜鉛めっきや電気亜鉛めっきにより、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛めっき層７を形成し、この非合金化亜鉛めっき層７の亜鉛を第３の材料としていると共に、接合面の反対面に、例えば合金化溶融亜鉛めっきにより、鉄と合金化された合金化亜鉛めっき層８を形成したものである。
【００３８】
そして、亜鉛めっき鋼板６の接合面すなわち非合金化亜鉛めっき層７で形成した面とアルミニウム合金２とが互いに接するようにして、亜鉛めっき鋼板６とアルミニウム合金２を重合し、抵抗スポット溶接装置において、これらを上下一対の電極１１，１２で挟持して抵抗スポット溶接を行なった。
【００３９】
この実施例では、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛めっき層７との接合界面に共晶溶融が生じて接合することとなり、この際、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛（７）は、鉄と合金化された合金化亜鉛（８）に比べて、より低温で確実に共晶反応が促進されるので、接合界面における金属間化合物の生成を抑制しながら接合を行うことができ、その結果、継手強度を向上させることができる。
【００４０】
また、亜鉛めっき鋼板６の接合面の反対面すなわち電極１１が当接する面に、鉄と合金化された合金化亜鉛めっき層８を形成したことにより、抵抗スポット溶接を行なったときに、同反対面に鉄と合金化されていない非合金化亜鉛めっき（７）を施した場合よりも、電極１１に対する亜鉛等の付着量を減少させることができ、これにより電極の寿命向上を図ることができる。
【００４１】
図６は、本発明の異種材料の接合方法のさらに他の実施例を説明する図である。この実施例では、接合面のみにめっきを施した第１の材料である亜鉛めっき鋼板９と、第２の材料であるアルミニウム合金２とを接合する。
【００４２】
亜鉛めっき鋼板９は、アルミニウム合金２との接合面（図中下側の面）に、例えば溶融亜鉛めっきや電気亜鉛めっきにより、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛めっき層７を形成し、この非合金化亜鉛めっき層７の亜鉛を第３の材料としていると共に、接合面の反対面が、めっきを施していない非めっき面になっている。
【００４３】
この実施例では、先の実施例と同様に、アルミニウム合金２と非合金化亜鉛めっき層７との接合界面に共晶溶融が生じて接合することとなり、この際、鉄と合金化されていない非合金化亜鉛（７）では、低温で確実に共晶反応が促進されるので、接合界面における金属間化合物の生成を抑制しながら接合を行うことができ、その結果、継手強度を向上させることができる。
【００４４】
また、亜鉛めっき鋼板６の接合面の反対面すなわち電極１１が当接する面を非めっき面としたことにより、抵抗スポット溶接を行なったときに、電極１１に対する亜鉛等の付着がなくなり、これにより電極の寿命のさらなる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の異種材料の接合方法における一実施例を示す側面説明図である。
【図２】図１に示す異種材料の接合過程における接合界面の状態変化を順次説明する各々断面図（ａ）〜（ｅ）である。
【図３】Ａｌ−Ｚｎの２元系状態図である。
【図４】比較例の電極形状を説明する側面図（ａ）及び実施例の電極形状を説明する側面図（ｂ）である。
【図５】本発明の異種材料の接合方法における他の実施例を示す側面説明図である。
【図６】本発明の異種材料の接合方法におけるさらに他の実施例を示す側面説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１   亜鉛めっき鋼板（第１の材料）
２   アルミニウム合金（第２の材料）
３   亜鉛層（第３の材料）
６   亜鉛めっき鋼板（第１の材料）
７   非合金化亜鉛めっき層（第３の材料）
８   合金化亜鉛めっき層
９   亜鉛めっき鋼板（第１の材料）
１１  電極：コーン電極
１２  電極：ドーム電極
【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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