(57)【要約】【課題】アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金と、鋼との異材を、高能率に、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、異材接合用スポット溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手を提供する。【解決手段】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にスポット溶接された、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穴１１を有し、上板１０に設けられた穴１１に挿入される挿入部３１と、非挿入部３２と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ凹部３３を有する鋼製の接合補助部材３０をさらに備え、下板２０及び接合補助部材３０の挿入部３１によって溶接部Ｗが形成される。【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スポット溶接法であって、
前記第１の板に穴を空ける工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に設けられた穴に挿入する工程と、
レーザ光を前記接合補助部材の前記凹部に照射し、前記第２の板及び前記接合補助部材を接合する工程と、
を備える異材接合用スポット溶接法。
【請求項２】
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スポット溶接法であって、
前記第１の板に穴を空ける工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に設けられた穴に挿入する工程と、
前記接合補助部材の前記凹部にレーザ光を照射し、且つ、前記レーザ光の照射と同時、前記レーザ光の照射中、及び前記レーザ光の照射後のいずれかにおいて、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの手法によってアーク溶接を行い、前記第２の板及び前記接合補助部材を接合すると共に、前記接合補助部材の凹部の少なくとも一部を溶接金属で充填する工程と、
を備える異材接合用スポット溶接法。
（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。
（ｃ）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。
【請求項３】
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又は２に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項４】
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１〜３のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項５】
前記挿入工程において、前記接合補助部材の非挿入部と、該非挿入部と対向する前記第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１〜４のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項６】
前記挿入工程の際、又は、前記溶接工程後に、前記接合補助部材の非挿入部と、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１〜５のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項７】
前記接合補助部材の挿入部の底部の高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と前記第１の板の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい方の値以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項８】
前記挿入部の外壁面が水平方向となす角度θは、８０〜９５°である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項９】
前記接合補助部材の挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項１０】
前記接合補助部材の非挿入部の直径ＰＤ２は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し１０５％以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項１１】
前記接合補助部材の非挿入部の高さＰＨ２は、前記第１の板の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の異材接合用スポット溶接法に用いられ、
鋼製で、挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する、接合補助部材。
【請求項１３】
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の板にスポット溶接された、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穴を有し、
前記第１の板に設けられた穴に挿入される挿入部と、非挿入部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記第２の板と前記接合補助部材の挿入部との界面には、前記第２の板及び前記接合補助部材によって溶接部が形成される、異材溶接継手。
【請求項１４】
前記溶接部は、前記接合補助部材の凹部の少なくとも一部をさらに充填している、請求項１３に記載の異材溶接継手。
【請求項１５】
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１３又は１４に記載の異材溶接継手。
【請求項１６】
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１３〜１５のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１７】
前記接合補助部材の非挿入部と、該非挿入部と対向する前記第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１３〜１６のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１８】
前記接合補助部材の非挿入部と、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１３〜１７のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項１９】
前記接合補助部材の挿入部の底部の高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と前記第１の板の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい値以下である、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項２０】
前記挿入部の外壁面が、水平方向となす角度θは、８０〜９５°である、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項２１】
前記接合補助部材の挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下である、請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項２２】
前記接合補助部材の非挿入部の直径ＰＤ２は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し１０５％以上である、請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【請求項２３】
前記接合補助部材の非挿入部の高さＰＨ２は、前記第１の板の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下である、請求項１３〜２２のいずれか１項に記載の異材溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異材接合用スポット溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手に関する。
【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２３Ａ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２３Ｂ、図２３Ｃ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ないという課題がある。
【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。さらに、施工速度が遅いという課題も存在する。
【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）施工速度が遅い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’）高速度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、高能率に、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、異材接合用スポット溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手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、一方、Ａｌ合金やＭｇ合金を溶融させず、拘束力で鋼と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スポット溶接法であって、
前記第１の板に穴を空ける工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に設けられた穴に挿入する工程と、
レーザ光を前記接合補助部材の前記凹部に照射し、前記第２の板及び前記接合補助部材を接合する工程と、
を備える異材接合用スポット溶接法。
（２）  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スポット溶接法であって、
前記第１の板に穴を空ける工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に設けられた穴に挿入する工程と、
前記接合補助部材の前記凹部にレーザ光を照射し、且つ、前記レーザ光の照射と同時、前記レーザ光の照射中、及び前記レーザ光の照射後のいずれかにおいて、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの手法によってアーク溶接を行い、記第２の板及び前記接合補助部材を接合すると共に、前記接合補助部材の凹部の少なくとも一部を溶接金属で充填する工程と、
を備える、（１）に記載の異材接合用スポット溶接法。
（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。
（ｃ）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。
（３）  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）又は（２）に記載の異材接合用スポット溶接法。
（４）  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）〜（３）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（５）  前記挿入工程において、前記接合補助部材の非挿入部と、該非挿入部と対向する前記第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）〜（４）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（６）  前記挿入工程の際、又は、前記溶接工程後に、前記接合補助部材の非挿入部と、前記第１の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、（１）〜（５）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（７）  前記接合補助部材の挿入部の底部の高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と前記第１の板の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい値以下である、（１）〜（６）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（８）  前記挿入部の外壁面が、水平方向となす角度θは、８０〜９５°である、（１）〜（７）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（９）  前記接合補助部材の挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下である、（１）〜（８）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（１０）  前記接合補助部材の非挿入部の直径ＰＤ２は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し１０５％以上である、（１）〜（９）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
（１１）  前記接合補助部材の非挿入部の高さＰＨ２は、前記第１の板の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下である、（１）〜（１０）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法。
【００１６】
（１２）  （１）〜（１１）のいずれかに記載の異材接合用スポット溶接法に用いられ、
鋼製で、挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する、接合補助部材。
【００１７】
（１３）  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の板にスポット溶接された、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穴を有し、
前記第１の板に設けられた穴に挿入される挿入部と、非挿入部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に前記非挿入部から前記挿入部に向かって凹んだ凹部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記第２の板と前記接合補助部材の挿入部との界面には、前記第２の板及び前記接合補助部材とによって溶接部が形成される、異材溶接継手。
（１４）  前記溶接部は、前記接合補助部材の凹部の少なくとも一部をさらに充填している、（１３）に記載の異材溶接継手。
（１５）  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、（１３）又は（１４）に記載の異材溶接継手。
（１６）  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、（１３）〜（１５）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１７）  前記接合補助部材の非挿入部と、該非挿入部と対向する前記第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、（１３）〜（１６）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１８）  前記接合補助部材の非挿入部と、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、（１３）〜（１７）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（１９）  前記接合補助部材の挿入部の底部の高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と前記第１の板の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい値以下である、（１３）〜（１８）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（２０）  前記挿入部の外壁面が、水平方向となす角度θは、８０〜９５°である、（１３）〜（１９）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（２１）  前記接合補助部材の挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下である、（１３）〜（２０）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（２２）  前記接合補助部材の非挿入部の直径ＰＤ２は、前記第１の板の穴の直径ＢＤに対し１０５％以上である、（１３）〜（２１）のいずれかに記載の異材溶接継手。
（２３）  前記接合補助部材の非挿入部の高さＰＨ２は、前記第１の板の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下である、（１３）〜（２２）のいずれかに記載の異材溶接継手。
【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、高能率に、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】本発明の第１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】本実施形態の異材接合用スポット溶接法の穴開け作業を示す図である。
【図２Ｂ】本実施形態の異材接合用スポット溶接法の重ね合わせ作業を示す図である。
【図２Ｃ】本実施形態の異材接合用スポット溶接法の挿入作業を示す図である。
【図２Ｄ】本実施形態の異材接合用スポット溶接法の溶接作業を示す図である。
【図３】図１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４Ａ】接合補助部材の第１変形例を示す上面図である。
【図４Ｂ】接合補助部材の第２変形例を示す上面図である。
【図４Ｃ】接合補助部材の第３変形例を示す上面図である。
【図４Ｄ】接合補助部材の第４変形例を示す上面図である。
【図４Ｅ】接合補助部材の第５変形例を示す上面図である。
【図４Ｆ】接合補助部材の第６変形例を示す上面図である。
【図５Ａ】穴開け作業の一例の第１工程を示す図である。
【図５Ｂ】穴開け作業の一例の第２工程を示す図である。
【図５Ｃ】穴開け作業の一例の第３工程を示す図である。
【図６Ａ】レーザ照射の狙い位置がスクリュー運動させた場合を示す図である。
【図６Ｂ】レーザ照射の狙い位置が往復運動させた場合を示す図である。
【図７Ａ】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７Ｂ】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８Ａ】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８Ｂ】図８Ａの異材溶接継手の断面図である。
【図９Ａ】図８Ａ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９Ｂ】図９Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。
【図１０Ａ】図８Ａ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１０Ｂ】図１０Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。
【図１１】上板と下板に互いに離間する板厚方向の外力が作用した状態を示す異材溶接継手の断面図である。
【図１２Ａ】上板と下板に互いに離間するせん断方向の応力が作用した状態を示す異材溶接継手の断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの異材接合継手にせん断方向の応力が強く作用して、接合部が９０°近く位置ずれした状態を示す斜視図である。
【図１３Ａ】上板と下板との間に空隙が存在するレーザ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１３Ｂ】レーザ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１４Ａ】凹部を有する接合補助部材をレーザ溶接する状態を示す異材溶接継手の断面図である。
【図１４Ｂ】凹部を有しない接合補助部材をレーザ溶接する状態を示す比較例としての異材溶接継手の断面図である。
【図１５Ａ】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１５Ｂ】図１５ＡのＸＶ部拡大図である。
【図１６Ａ】異材接合用スポット溶接法の第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１６Ｂ】異材接合用スポット溶接法の第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１７Ａ】異材接合用スポット溶接法の第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１７Ｂ】異材接合用スポット溶接法の第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１８Ａ】異材接合用スポット溶接法の第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１８Ｂ】異材接合用スポット溶接法の第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１９】第３変形例において、横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２０Ａ】異材接合用スポット溶接法の第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２０Ｂ】異材接合用スポット溶接法の第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２１Ａ】接合補助部材の第７変形例を示す上面図、側面図、及び下面図である。
【図２１Ｂ】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２２】接合補助部材の第９変形例を示す断面図である。
【図２３Ａ】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２３Ｂ】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２３Ｃ】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。
【図２４Ａ】本発明の第２実施形態に係る異材溶接継手の断面図である。
【図２４Ｂ】本発明の第２実施形態に係る溶接金属が余盛りされた異材溶接継手の断面図である。
【図２５】図２４Ｂの異材溶接継手において、上板と下板に互いに離間する板厚方向の外力が作用した状態を示す断面図である。
【図２６Ａ】第２実施形態において、レーザ溶接と、マグ溶接又はミグ溶接が行われている状態を示す異材溶接継手の斜視図である。
【図２６Ｂ】第２実施形態において、レーザ溶接と、ティグ溶接又はプラズマ溶接が行われている状態を示す異材溶接継手の斜視図である。
【図２７】レーザ溶接と、アーク溶接が行われるタイミングを説明する３つのパターンを示す図である。
【図２８】第２実施形態の変形例に係る異材溶接継手を示す断面図である。
【図２９Ａ】図２８の下板に、絞り加工により膨出部を形成する前の状態を示す断面図である。
【図２９Ｂ】図２８の下板に、絞り加工により膨出部を形成した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態に係る異材接合用スポット溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手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スポット溶接法は、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、後述するレーザスポット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穴１１が設けられており、この穴１１に接合補助部材３０が挿入される。
【００２３】
接合補助部材３０は、図３に示すように、上板１０の穴１１に挿入される挿入部３１と、上板１０の上面に配置されるフランジ形状で、円形の非挿入部３２と、を持った段付きの外形形状を有する。また、接合補助部材３０には、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ、上面視円形の凹部３３が形成される。
【００２４】
なお、非挿入部３２の外形形状は、円形に限定されず、溶接後に上板１０の穴１１を塞ぐものであれば、任意の形状とすることができる。例えば、図４Ａに示す楕円形や、図４Ｂに示す正方形、図４Ｃに示す角丸の正方形、図４Ｄに示す六角形、図４Ｅに示す八角形、図４Ｆに示す角丸の長方形でもよい。
【００２５】
また、非挿入部３２が非円形の場合、後述する非挿入部３２の直径ＰＤ２は、最も短い対向距離間として規定する。
さらに、凹部３３の底面３３ａの高さは、非挿入部３２の下面の高さと略等しくてもよく、或いは、非挿入部３２の下面の高さより高くてもよいし、非挿入部３２の下面の高さより低くてもよい。
【００２６】
また、レーザ光Ｌを接合補助部材３０の凹部３３に照射することで（図２Ｄ参照）、下板２０及び接合補助部材３０の挿入部３１との界面には、下板２０及び接合補助部材３０とが溶融した溶接金属４０によって溶接部Ｗが形成される。この場合、溶接部Ｗは、接合補助部材３０の凹部３３の底面３３ａから、上記界面を越えて、該底面３３ａの下方に位置する下板２０の一部に形成される。
【００２７】
以下、異材溶接継手１を構成する異材接合用スポット溶接法について、図２Ａ〜図２Ｄを参照して説明する。
まず、図２Ａ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２Ｂ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Ｓ２）。さらに、図２Ｃに示すように、接合補助部材３０の挿入部３１を、上板１０の上面から、上板１０の穴１１に挿入する（ステップＳ３）。そして、図２Ｄに示すように、レーザ光Ｌを接合補助部材３０の凹部３３に照射し、形成された溶接金属４０によって下板２０及び接合補助部材３０をレーザ溶接する（ステップＳ４）。
【００２８】
ステップＳ１の穴開け作業の具体的な手法としては、ａ）電動ドリルやボール盤といった回転工具を用いた切削、ｂ）ポンチを用いた打抜き、ｃ）金型を用いたプレス型抜きがあげられる。
また、特殊な手法としては、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、接合補助部材３０自体をポンチとして、上板１０が配置された下台座５０に対して、接合補助部材３０が固定された上台座５１を接近させ、打抜き加工を施すことで、ステップＳ１の穴開け作業とステップＳ３の接合補助部材３０の挿入作業とが同時に行なわれる。
したがって、この手法の場合には、ステップＳ２の重ね合わせ作業とステップＳ３の接合補助部材３０の挿入作業とは、工程順が入れ替わる。
【００２９】
また、ステップＳ４で使用される溶接用レーザでは、発振器として、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ(ダイオードレーザとも言う)、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザといった種類があるが、いずれも本施工法に適用可能である。また、レーザ照射の方法については、狙い位置固定では溶融範囲が狭く、溶接金属を広く形成させることが困難なので、ガルバノスキャナと呼ばれるレンズ系動作や、溶接ロボットの機械的移動により、図６Ａに示すように、渦巻き状に狙い位置を高速移動させるスクリュー運動や、図６Ｂに示すように、往復運動などをさせて適当な面積の溶込み範囲を得る方法を用いる。
【００３０】
なお、レーザ溶接による溶込みは、図７Ａ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７Ｂ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。
レーザ溶接の条件は、接合補助部材３０の挿入部３１の底部３１ａ（図３参照）の板厚、下板２０の板厚、それぞれの材質などを考慮して選定される。
【００３１】
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。
【００３２】
以下、上記レーザスポット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。
【００３３】
まず、接合補助部材を使用せず、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、単純にアルミ製の上板１０と鋼製の下板２０を重ね、レーザを直上から照射して両板１０、２０を部分的に溶融して一体化するレーザ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９Ａ及び図９Ｂに示すように、溶接金属が容易に破壊して、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１０Ａ及び図１０Ｂ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４０と下板２０の境界部が破断し、上板１０が抜けてしまうようにして接合が外れてしまう。
このように単にアルミニウム製やマグネシウム製の上板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。
【００３４】
上記異材溶接継手１００ａにおける課題から、金属間化合物を形成させず、且つ、せん断、上下剥離の両方向の応力にも耐えるように、本実施形態の接合補助部材３０が使用される。つまり、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、上板１０に穴開けを施し、次に、接合補助部材３０の挿入部３１を上板１０に設けられた穴１１に挿入して、凹部３３の底面３３ａにレーザを照射して接合補助部材３０と下板２０との界面に溶接金属４０による溶接部Ｗ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。
【００３５】
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の非挿入部３２の役割は、上下剥離応力に対する抵抗である。図１１に示すように、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。一般的には、溶接金属４０は、十分に塑性変形した後、破断する。
【００３６】
一方、接合補助部材３０の挿入部３１の役割は、上述の健全なる溶接部Ｗの形成だけでなく、せん断方向の応力に対する初期期間の抵抗体の役目を持つ。すなわち、図１２Ａに示すように、上板１０の穴１１に挿入された接合補助部材３０の挿入部３１の外壁面３１ｂが物理的障害となり、上板１０の水平移動を妨げる。なお、せん断方向の応力が強いと終局期間では母材が変形し、図１２Ｂ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。このようになれば、既に述べた上下剥離応力に対する抵抗体として接合補助部材３０の非挿入部３２が作用しはじめ、さらに強い抵抗力を発揮する。
【００３７】
また、接合補助部材３０には継手強度を高める以外に、上板１０と下板２０の重ね合わせ面に生じる空隙(ギャップ)ｇを縮小させる効果もある（図１３Ａ参照）。溶接工程では溶接金属４０が熱収縮するため、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１３Ｂ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。
【００３８】
次に、接合補助部材３０に凹部３３を設ける理由について述べる。挿入部３１と非挿入部３２の２段階形状を有すれば、上述の上下剥離応力、せん断引張応力、空隙縮小効果は得られ、必ずしも中央部を凹ませる必要性は生じない。しかしながら、図１４Ｂに示すように、溶接部の板厚が大きければ、それを貫通し、下板２０まで溶融させるに必要なエネルギーが大きくなる。レーザ溶接法は出力を高めると、それを発生するレーザ発振器の価格が増大する。したがって、コスト面で不利になる。また、高出力レーザは掘り下げる力が大きいが、それは溶融池を大きく外周に吹き飛ばす短所も発生させ、スパッタを増大して製造物品質を劣化させるだけでなく、レーザ溶接装置の保護ガラスやレンズに付着して汚し、集光の阻害要因となって長時間運転性も劣化させる。低出力レーザで長時間かけて溶接すれば、これらの問題は生じにくくなるが、能率は低下し、レーザ溶接の長所は消失する。これらの理由から、図１４Ａに示すように、レーザを照射し、溶接部を形成する面は、適度に凹ますことが必要となる。形状的にも、凹部３３にレーザを照射し、スパッタが発生しても凹部３３部の壁面がスパッタをキャッチする効果があり、周囲にまき散らさない効果がある。
【００３９】
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。接合補助部材３０の製造手段としては、鍛造や鋳造、切削で製造することが可能である。なお、深絞りでも類似の形状を製造することが可能であるが、後述するとおり、挿入部壁面角度θを大きくすることが技術的に難しく、製造方法として望ましくない。
【００４０】
また、接合補助部材３０の各種寸法は、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、上板１０との関係で次のように設定される。
【００４１】
・挿入部の底部の高さＰＨ１
挿入部３１の底部３１ａの高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と上板１０の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい方の値以下に設計される。挿入部３１の底部３１ａはレーザ溶接によって下板２０の一部と共に溶融し、一体化する箇所である。底部の厚みが薄いほど低出力レーザを用いてかつ高速に溶融させることができるが、継手引張性能は小さくなる。そのため、アーク溶接を組み合わせなければならなくなり、結果的に能率が悪くなる。これらのバランスから、最低０．５ｍｍが望ましい。一方、底部の板厚を厚くすると、アーク溶接を組み合わせなくとも、部材剛性が向上して継手引張性能も向上する。ただし、板厚が厚くなるに応じて高い出力性能を持つレーザを必要とする。コスト面で工業的実用性が失われる。また、スパッタも多く発生する。低出力レーザでは下板２０を溶融させることが出来なくなる場合もある。普及度の高い６ｋＷ出力のレーザ発振器を用いて高能率に溶接できる板厚上限が２．５ｍｍであるため、これを絶対値としての上限とする。ただし、上板１０の板厚ＢＨに対し１２５％を超えても継手強度としてはこれ以上高くならず、重量増要因になるだけなので、ＢＨ×１．２５が２．５ｍｍより小さい場合は、ＢＨ×１．２５を上限とする。
【００４２】
・挿入部の外壁面が水平方向となす角度θ
挿入部３１の外壁面３１ｂが水平方向となす角度θ（図１５Ｂ参照）は、８０〜９５°に設計される。上板１０に穴開けする場合、一般に切削、打抜き、型抜きといった普及手段では板面に対し垂直に壁面が形成される。これに対し、接合補助部材３０が接触してせん断方向の応力への抵抗力となるのは挿入部３１の外壁面３１ｂである。接合補助部材３０の挿入部３１の外壁面３１ｂに角度が付くと、断面で捉えた場合、点接触となる。一方、垂直になっていれば面接触となる。点接触では応力に対し応力集中することから、接合補助部材３０の変形が起きやすく、強度的に低くなる。また、同じ溶接面積を取ろうとすると外壁面３１ｂの角度θが小さいほど、接合補助部材３０の非挿入部３２の外径ＰＤ２が大きくなる。これは、重量増要因でもあり、無駄である。接合しようとする箇所により大きな面積を必要とするので、狭隘箇所への適用性も悪くなる。これらのことから、接合補助部材３０の挿入部３１の外壁面３１ｂは、垂直に近いほど望ましく、角度θの下限を８０°とする。なお、この角度θを得るためには、接合補助部材３０の製造法は、鍛造や鋳造、切削加工に限定され、深絞り加工では当該角度θを得ることは困難である。一方、９０°超とするのは、鋼製接合補助部材の製造面で難しくなるが、９５°までは工業的誤差分含めて許容される。
【００４３】
・挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１
挿入部と非挿入部との境界部の直径ＰＤ１は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下に設計される。上板１０の横方向（二次元方向）の移動への主な抵抗力は、上板１０に設けられた穴１１の壁面と接合補助部材３０の挿入部３１の物理的接触である。したがって、接合状態で接合補助部材３０の挿入部３１と上板１０の穴１１に隙間が無い状態が、即ち、挿入部３１の直径ＰＤ１と穴１１の直径ＢＤとが同一（１００％）であるのが最善である。ただし、接合補助部材３０の挿入部３１の径が多少大きくても、上板１０の穴１１まわりの弾性変形分を強引に押し込むことができるので問題は無い。挿入部直径ＰＤ１の実用的な上限は穴１１の直径ＢＤに対し１０５％である。一方、隙間が生じていると容易に横方向の力に対してずれが生じやすくなるので、望ましくないが、隙間分移動した後は、双方接触して大きな抵抗力を発揮する。また、後述するとおり、近接して複数箇所に本実施形態の溶接法を適用すると、個々の溶接部における隙間が一様の方向性を持つことはほとんどなく、確率論的には数が増えるほど隙間の方向は分散され、ある方向の引張応力に対して、いずれかが抵抗力になり、容易にずれることはない。したがって設計精度に応じてある程度の隙間は一般的に許容される。挿入部直径ＰＤ１の下限は、穴１１の直径ＢＤに対し８０％とするが、精度の観点では下限は９０％がより好ましい。
【００４４】
・非挿入部直径ＰＤ２
非挿入部直径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の非挿入部３２は、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果たす。非挿入部３２は直径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。非挿入部直径ＰＤ２が穴１１の直径ＢＤに対し１０５％未満では、非挿入部３２が板厚方向への外部応力に対して弾塑性変形した場合に、上板１０の穴１１の直径ＢＤ以下の見かけ直径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、非挿入部３２が高い抵抗力を示さない。したがって、非挿入部直径ＰＤ２は、穴１１の直径ＢＤの１０５％を下限とする。より好ましくは、非挿入部直径ＰＤ２は、穴１１の直径ＢＤの１２０％を下限とするとよい。一方、接合部強度の観点では上限を設ける必要は無い。
【００４５】
・非挿入部高さＰＨ２
非挿入部高さ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、非挿入部３２は直径が大きく、かつ高さ（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。この非挿入部高さ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。非挿入部高さＰＨ２が上板１０の板厚ＢＨの５０％未満では、非挿入部３２の外周部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の直径ＢＤ以下の見かけ直径になると、抜けやすくなる。つまり、非挿入部３２が高い抵抗力を示さない。したがって、非挿入部高さＰＨ２は上板１０の板厚ＢＨの５０％を下限とする。一方、非挿入部高さ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、非挿入部高さＰＨ２は、上板１０の板厚ＢＨの１５０％以下にすることが必要である。
【００４６】
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、レーザ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０．３ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
例えば、図１６Ａ及び図１６Ｂ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１７Ａ及び図１７Ｂ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。
【００５０】
また、図１８Ａ及び図１８Ｂ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の非挿入部３２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。
この場合、副次的効果として、レーザ溶接前に接合補助部材３０を上板１０に仮止めしておく作用がある。特に、図１９に示すように、レーザ溶接が、横向や上向姿勢になる場合、接着剤６０を塗布しておくことで、接合補助部材３０が重力によって落下するのを防ぐことができ、溶接を適切に施工することができる。
【００５１】
さらに、図２０Ａ及び図２０Ｂに示す第４変形例のように、接合補助部材３０の非挿入部３２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と共に、接着剤塗布をレーザ溶接前に行えば、接合補助部材３０を上板１０に仮止めしておく作用が得られる。なお、図１８Ａ及び図１８Ｂ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２０Ａ及び図２０Ｂ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。
【００５２】
なお、接合補助部材３０において、非挿入部３２の上板１０との接触面は、図３に示すように、必ずしも平坦な面である必要はない。即ち、非挿入部３２の上板１０との接触面は、図２１Ａ及び図２１Ｂ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又は放射状のスリット３４ｂ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非挿入部高さＰＨ２の定義は、高さの最も大きな部分とする。
【００５３】
また、図２２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、曲面部Ｒを持たせることには何ら問題がない。
【００５４】
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２３Ａ〜図２３Ｃ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２３Ｂ及び図２３Ｃに示すような開断面構造にも使用できるが、特に、図２３Ａ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。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態の異材接合用スポット溶接法によれば、上板１０に穴１１を空ける工程と、上板１０と下板２０を重ね合わせる工程と、挿入部３１と非挿入部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ凹部３３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に挿入する工程と、レーザ光Ｌを接合補助部材３０の凹部３３に照射し、形成された溶接金属４０によって下板２０及び接合補助部材３０の挿入部３１を接合する工程と、を備える。
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を、高能率に、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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、挿入工程において、接合補助部材３０の非挿入部３２と、該非挿入部３２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。
【００５８】
また、挿入工程の際、又は、溶接工程後に、接合補助部材３０の非挿入部３２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。なお、挿入工程の際に、接着剤６０を塗布すれば、接合補助部材３０を仮止めできる作用が得られる。
【００５９】
また、接合補助部材３０の挿入部３１の底部３１ａの高さＰＨ１は、０．５ｍｍ以上であり、且つ、２．５ｍｍ以下と前記第１の板の板厚ＢＨの１２５％とのいずれか小さい方の値以下であるので、継手強度を確保しつつ、高能率にレーザ溶接を行うことができる。
【００６０】
さらに、挿入部３１の外壁面３１ｂが水平方向となす角度θは、８０〜９５°であるので、せん断方向への応力に対する強度を有し、且つ、非挿入部３２の外径を大きくすることなく、溶接面積を確保できる接合補助部材３０を得ることができる。
【００６１】
また、接合補助部材３０の挿入部３１と非挿入部３２との境界部の直径ＰＤ１は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し８０％以上１０５％以下であるので、上板１０の板幅方向の外部応力への抵抗力、及び、接合補助部材３０の挿入性を両立することができる。
【００６２】
また、接合補助部材３０の非挿入部３２の直径ＰＤ２は、上板１０の穴１１の直径ＢＤに対し１０５％以上であるので、非挿入部３２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。
【００６３】
また、接合補助部材３０の非挿入部３２の高さＰＨ２は、前記第１の板の板厚ＢＨの５０％以上１５０％以下であるので、非挿入部３２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。
【００６４】
また、本実施形態の接合補助部材３０は、鋼製で、挿入部３１と非挿入部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ凹部３３を有する。これにより、接合補助部材３０は、上述したレーザ溶接による異材接合用スポット溶接法に好適に用いられる。
【００６５】
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にスポット溶接された、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穴１１を有し、上板１０に設けられた穴１１に挿入される挿入部３１と、非挿入部３２と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ凹部３３を有する鋼製の接合補助部材３０をさらに備え、下板２０と前記接合補助部材３０の挿入部３１との界面には、下板２０及び接合補助部材３０によって溶接部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、高効率に、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。
【００６６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る異材接合用スポット溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手を図面に基づいて詳細に説明する。
【００６７】
第１実施形態で述べたように、基本的には、レーザ溶接だけで、健全なＡｌ合金又はＭｇ合金製の上板１０と鋼製の下板２０とは溶接接合されるが、板厚が大きくなる、あるいは母材強度が高くなると、レーザ溶接による溶接金属形成だけでは、継手強度が不足することがある。その理由は、接合補助部材３０の中央部を凹ませることで剛性が低下するため、剥離方向への強い応力によって変形し、接合補助部材３０から上板１０が抜けやすくなるためである。
【００６８】
このような現象が生じて継手強度が不足すると判断される場合は、接合補助部材３０の板厚を高めることでも改善が図れるが、本実施形態では、レーザ溶接と合わせて、溶接材料（後述する溶接ワイヤ又はフィラー）を用いるアーク溶接を加えたレーザ・アークハイブリッド溶接を行うことで、凹部３３を溶接金属４０で充填し、接合部の剛性を高めている。
【００６９】
具体的には、第１実施形態の異材接合用スポット溶接法と同様に、ステップＳ１の穴開け作業、ステップＳ２の重ね合わせ作業、及びステップＳ３の接合補助部材３０の挿入作業を行うと共に、上述したレーザ溶接とアーク溶接とが図２７に示すいずれかのパターンのタイミングで行なわれる（ステップＳ４）。
【００７０】
したがって、図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、異材接合継手１ａにおいて、溶接部Ｗを形成する溶接金属４０は、鋼製の接合補助部材３０、鋼製の下板２０、及び、鉄合金、または、Ｎｉ合金となる溶接材料が溶融混合したものとなり、接合補助部材３０の凹部３３内を充填する。
特に、図２４Ｂに示すように、溶接金属４０は接合補助部材３０の凹部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。余盛りＷａを形成することで、図２５に示すように、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対して、高い強度が得られる。
【００７１】
なお、レーザと組み合わせることが可能、かつ溶接材料が溶融して溶接金属が形成される具体的なアーク溶接法として、（ａ）溶極式ガスシールドアーク溶接法（マグ・ミグ法）、（ｂ）ガスタングステンアーク溶接法、（ｃ）プラズマアーク溶接法があげられる。
図２６Ａは、レーザ溶接と、マグ溶接又はミグ溶接が行われている状態を示し、図２６Ｂは、レーザ溶接と、ティグ溶接又はプラズマ溶接が行われている状態を示す。
【００７２】
（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，Ｏ２，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。
【００７３】
（ｂ）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Ｆ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。
【００７４】
（ｃ）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。
【００７５】
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。
【００７６】
これらのアーク溶接法を用いて接合補助部材３０の凹部３３を溶接材料で充填するが、一般的に溶接材料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を終了させれば良い。
【００７７】
レーザ溶接とアーク溶接のタイミングについては、図２７に示すとおり、レーザ光照射後（パターン１）、レーザ光照射と同時（パターン３）、またはレーザ光照射中のアーク発生（パターン２）のいずれかが選択できる。いずれもレーザ光Ｌによる深い溶込み作用を阻害しない。一方、アーク溶接後あるいはアーク溶接中にレーザ光Ｌを照射すると、形成されたフィラーワイヤによる溶融池がレーザ光Ｌによる強い溶込み作用を阻害し、溶込み不足となる。なお、図２６Ａ及び図２６Ｂは、アーク溶接がレーザ光照射と同時に開始、またはレーザ光照射中に開始した場合を示している。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態の異材接合用スポット溶接法によれば、上板１０に穴１１を空ける工程と、上板１０と下板２０を重ね合わせる工程と、挿入部３１と非挿入部３２とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、中央部に非挿入部３２から挿入部３１に向かって凹んだ凹部３３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に挿入する工程と、接合補助部材３０の凹部３３にレーザ光を照射し、且つ、レーザ光Ｌの照射と同時、レーザ光Ｌの照射中、及びレーザ光Ｌの照射後のいずれかにおいて、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの手法によってアーク溶接を行い、下板２０及び接合補助部材３０を接合すると共に、接合補助部材３０の凹部３３の少なくとも一部を溶接金属４０で充填する工程をさらに備える。
（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。
（ｃ）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。
これにより、接合補助部材３０の凹部３３を溶接金属４０で充填して、接合部の剛性を高めることができる。
【００７９】
なお、図２８に示す変形例のように、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、レーザ溶接とアーク溶接を組み合わせると、接合補助部材３０の凹部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、溶け落ち不良が発生したり、大きな熱歪みが発生しやすくなる。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、凹部３３の体積が小さくなるので、溶接能率が向上し、溶け落ち不良を減らすことができる。
【００８０】
また、この変形例では、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。
【００８１】
なお、膨出部２１の絞り加工は、図２９Ａ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２９Ｂ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。また、ポンチ５３の先端形状は、上板１０に設けられた穴１１と相似形状であることが望ましい。
【００８２】
また、下板２０に膨出部２１を形成するこの変形例は、上板１０の板厚に関係なく、重ね合わせ作業の効率化の観点から、第１実施形態のレーザ溶接と組合せて適用することも可能である。
【００８３】
尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例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。
【実施例】
【００８４】
ここで、以下の実施例Ａ〜Ｅを用いて、本実施形態の有効性を確認した。
【００８５】
＜実施例Ａ＞
実施例Ａでは、上板１０を板厚１．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ５０８３、下板２０を板厚１．４ｍｍの５９０ＭＰａ級高張力鋼板とした組合せの重ね継手とし、４ｋＷのファイバーレーザ溶接を行って接合した。照射位置でのレーザビーム径は直径０．４ｍｍとし、鋼製接合補助部材の有無にかかわらず直径５ｍｍの円を塗りつぶすように渦巻き状に照射位置を動作させた。
【００８６】
この溶接継手１に対して、ＪＩＳ  Ｚ３１３６「抵抗スポット及びプロジェクション  溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」、およびＪＩＳ  Ｚ３１３７「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手の十字引張試験」に従って、破壊試験を行った。ここでは、Ｚ３１３６の引張強度をＴＳＳとして表し、Ｚ３１３７の引張強度をＣＴＳとして表す。合否判定値として、ＴＳＳ≧８ｋＮ、ＣＴＳ≧５ｋＮとした。
【００８７】
さらに、必須ではないが好ましい性能値として、溶接継手を塩水噴霧→乾燥→湿潤を繰り替えして加速腐食させるＪＡＳＯ−ＣＣＴ（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｙｃｌｉｃ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｔｅｓｔ）を２８日間実施し、その後同様に破壊試験を実施して、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳを取得した。これら好ましい性能値の合格判定値は腐食無し試験の値に対し８０％以上とした。また、溶接時のスパッタ発生量を母材付着状態で評価し、ほとんど付着がないものを○、多少付着があるが許容範囲と判断されるものを△、付着が多くて許容できないと判断するものを×とした。
【００８８】
表１では、比較例をＮｏ．Ａ１〜Ａ６、本実施例をＮｏ．Ａ７〜Ａ１６に示す。
【００８９】
【表１】
2018051570.tif 000003
【００９０】
Ｎｏ．Ａ１は、接合補助部材を用いず、上板１０に穴も開けず、上板１０に対して直接レーザ溶接を実施したものである。また、接着剤も用いていない。上板であるアルミ合金と下板である鋼が溶融混合するので、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【００９１】
Ｎｏ．Ａ２は、穴開けをしていない上板１０の上に一段形状である直径１４．０ｍｍの円板状の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ溶接したものである。接合補助部材３０の材質はＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ｃである。(以降、実施例Ａの材質は同じ)。この結果、上板であるアルミ合金と、鋼製の接合補助部材および下板の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【００９２】
Ｎｏ．Ａ３は、直径１０ｍｍの穴開けをした上板１０の上に一段形状である直径１４．０ｍｍの円板状の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ照射したものである。接合補助部材３０と下板２０の間には上板１０の板厚分の隙間が生じているので、レーザ照射してもこれらを一体化することができず、溶接自体ができなかった。鉄とアルミの化学反応は起こさなかったものの、溶融池形成が不安定であり、かつレーザ照射面が平坦なためスパッタ飛散が多かった。
【００９３】
Ｎｏ．Ａ４は、Ｎｏ．Ａ３に対し、レーザ照射と同時に、直径１．２ｍｍのＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１６の溶接ワイヤと、Ａｒ８０％＋ＣＯ２２０％シールドガスを用いて溶極式ガスシールドアーク溶接（マグ溶接）を重畳させたものであるが、接合補助部材３０と下板２０の間の空隙を埋める役割は担ったが、下板２０への溶込みを確保するには至らず、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。
【００９４】
Ｎｏ．Ａ５は、直径１０ｍｍの穴開けをした上板１０に、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持つ円形の接合補助部材３０を挿入して、その上からレーザ照射したものである。ただし、接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が９．５ｍｍであり、凹部を持たず、上面は平坦である。接合補助部材３０と下板２０が溶接され、継手強度も良好であったが、照射面が平坦であり、かつ照射時間が長いので、スパッタが多く発生かつ飛散し、周囲の母材に付着して製品品質を低下させた。
【００９５】
Ｎｏ．Ａ６は、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持ち、かつ上部に凹部３３を有する円形の接合補助部材３０を上板１０に載置し、凹部３３の円形の底面をレーザ照射したものである。接合補助部材３０の挿入部３１の外径ＰＤ１は、９．５ｍｍであり、凹部３３の内径は、５．５ｍｍである。ただし、上板１０には穴開けをしていない。そのため、上板１０であるアルミ合金と、鋼製の接合補助部材３０および下板２０の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすので、照射面が凹にも係わらずスパッタが多かった。
【００９６】
一方、Ｎｏ．Ａ７〜Ａ１６は、直径１０ｍｍの円形に穴開けをした上板１０に、凹部３３を設けた、二段階形状の円形の鋼製の接合補助部材３０を挿入し、その上から凹部３３の円形の面内をレーザ照射して下板２０と溶接したものである。また、Ｎｏ．Ａ１１、Ｎｏ．Ａ１４は、さらにレーザ溶接終了と同時にアーク溶接法の一種であるマグ溶接法を行い、凹部３３を余盛りが生じるまで充填した。マグ溶接の条件はＮｏ．Ａ４と同じである。
【００９７】
試験体Ｎｏ．Ａ７〜Ａ１６では、形成される溶接金属へのアルミ流入がゼロとなり、高品質の溶接金属が形成されるうえ、接合補助部材３０の非挿入部３２が上板１０の穴１１に対して広い面積を有する構造となっているため、十字引張試験ではすっぽ抜けが防げて高いＣＴＳも得られた。また、照射位置に凹みを持たせることでスパッタ飛散を減らすことが出来た。
【００９８】
さらにまた、適切な箇所に金属用常温速硬化型２液混合接着材を塗布した試験体（Ａ８〜Ａ１１，Ａ１４，Ａ１６）では、アルミと鋼界面の電食を防ぐ作用があり、腐食によるＣＴＳやＴＳＳの低下が抑制されて、高い腐食後ＣＴＳ，ＴＳＳを示した。具体的にはＮｏ．Ａ７に対して、Ｎｏ．Ａ８、Ｎｏ．Ａ９、Ｎｏ．Ａ１０と接着剤塗布箇所を増やすにつれ、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳが順に高まっていることがわかる。また、Ｎｏ．Ａ１０に対し、アーク溶接を加えたＮｏ．Ａ１１はＣＴＳ，ＴＳＳ共にさらに継手強度が向上していることがわかる。
【００９９】
＜実施例Ｂ＞
実施例Ｂでは、上板１０を板厚０．８ｍｍのマグネシウム合金ＡＳＴＭ  ＡＺ３１Ｂ、下板２０を板厚１．０ｍｍの７８０ＭＰａ級高張力鋼板とした組合せの重ね継手とし、３ｋＷの半導体（ダイオード）レーザ溶接を行って接合した。照射位置でのレーザビーム径は、直径０．６５ｍｍとし、接合補助部材３０の有無にかかわらず、直径３．５ｍｍの円を塗りつぶすように渦巻き状に照射位置を動作させた。
【０１００】
この溶接継手１に対して、ＪＩＳ  Ｚ３１３６およびＪＩＳ  Ｚ３１３７に従って、破壊試験を行った。ここではＺ３１３６の引張強度をＴＳＳとして表し、Ｚ３１３７の引張強度をＣＴＳと表す。合否判定値として、ＴＳＳ≧４ｋＮ、ＣＴＳ≧３ｋＮとした。
【０１０１】
さらに、必須ではないが好ましい性能値として、実施例Ａと同様に、溶接継手１に対してＪＡＳＯ−ＣＣＴを２８日間実施し、その後同様に破壊試験を実施して、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳを取得した。これら好ましい性能値の合格判定値は腐食無し試験の値に対し８０％以上とした。また、溶接時のスパッタ発生量を母材付着状態で評価し、ほとんど付着がないものを○、多少付着があるが許容範囲と判断されるものを△、付着が多くて許容できないと判断するものを×とした。
【０１０２】
表２では、比較例をＮｏ．Ｂ１〜Ｂ５、本実施例をＮｏ．Ｂ６〜Ｂ１２に示す。
【０１０３】
【表２】
2018051570.tif 000004
【０１０４】
Ｎｏ．Ｂ１は、接合補助部材を用いず、上板１０に穴も開けず、上板１０に対して直接レーザ溶接を実施したものである。接着剤も用いていない。上板であるマグネシウム合金と下板である鋼が溶融混合するので、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。マグネシウムと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【０１０５】
Ｎｏ．Ｂ２は、穴開けをしていない上板１０の上に一段形状である直径７．８ｍｍの円板状の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ溶接したものである。接合補助部材３０の材質はＪＩＳ  Ｇ３１０１  ＳＳ４００である。（以降、実施例Ｂの材質は同じ）。この結果、上板であるマグネシウム合金と、鋼製接合補助部材および下板の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。マグネシウムと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【０１０６】
Ｎｏ．Ｂ３は、直径６．５ｍｍの穴開けをした上板１０の上に一段形状である直径７．８ｍｍの円板状の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ照射したものである。接合補助部材３０と下板２０の間には上板１０の板厚分の隙間が生じているので、レーザ照射してもこれらを一体化することができず、溶接自体ができなかった。鉄とマグネシウムの化学反応は起こさなかったものの、溶融池形成が不安定であり、かつレーザ照射面が平坦なためスパッタ飛散が多かった。
【０１０７】
Ｎｏ．Ｂ４は、直径６．５ｍｍの穴開けをした上板１０に、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持つ接合補助部材３０を挿入して、その上からレーザ照射したものである。ただし、接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が６．５ｍｍで、凹部を持たず、上面は平坦である。接合補助部材３０と下板２０が溶接され、継手強度も良好であったが、照射面が平坦であり、かつ照射時間が長いので、スパッタが多く発生かつ飛散し、周囲の母材に付着して製品品質を低下させた。
【０１０８】
Ｎｏ．Ｂ５は、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持ち、かつ上部に円形の凹部３３を有する接合補助部材３０を上板１０に載置して凹部３３の底面をレーザ照射したものである。接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が６．５ｍｍで、凹部３３の内径が３．８ｍｍである。ただし、上板１０には穴開けをしていない。そのため、上板１０であるマグネシウム合金と、鋼製の接合補助部材３０および下板２０の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。マグネシウムと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすので、照射面が凹にも係わらずスパッタが多かった。
【０１０９】
一方、Ｎｏ．Ｂ６〜Ｂ１２は、直径６．５ｍｍの円形の穴開けをした上板１０に、凹部３３を設けた、二段階形状の円形の鋼製の接合補助部材３０を挿入し、その上から凹部３３の円形の面内をレーザ照射して下板２０と溶接したものである。これらの試験体では形成される溶接金属へのマグネシウム流入がゼロとなり、高品質の溶接金属が形成されるうえ、接合補助部材３０の非挿入部３２が上板１０の穴１１に対して広い面積を有する構造となっているため、十字引張試験ではすっぽ抜けが防げて高いＣＴＳも得られた。また、照射位置に凹みを持たせることでスパッタ飛散を減らすことが出来た。
【０１１０】
さらにまた、適切な箇所に金属用常温速硬化型２液混合接着材を塗布した試験体（Ｂ７〜Ｂ１２）では、マグネシウムと鋼界面の電食を防ぐ作用があり、腐食によるＣＴＳやＴＳＳの低下が抑制されて、高い腐食後ＣＴＳ，ＴＳＳを示した。具体的にはＮｏ．Ｂ６に対して、Ｎｏ．Ｂ７、Ｎｏ．Ｂ８、Ｎｏ．Ｂ９と接着剤塗布箇所を増やすにつれ、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳが順に高まっていることがわかる。
【０１１１】
＜実施例Ｃ＞
実施例Ｃでは、上板１０が板厚２．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ６０６１、下板２０が板厚２．２ｍｍの４００ＭＰａ級鋼板とした組合せの重ね継手とし、５ｋＷのＹＡＧレーザ溶接を行って接合した。照射位置でのレーザビーム径は直径０．５ｍｍとし、接合補助部材３０の有無にかかわらず直径６ｍｍの円を塗りつぶすように渦巻き状に照射位置を動作させた。
【０１１２】
この溶接継手１に対して、ＪＩＳ  Ｚ３１３６およびＪＩＳ  Ｚ３１３７に従って、破壊試験を行った。ここではＺ３１３６の引張強度をＴＳＳとして表し、Ｚ３１３７の引張強度をＣＴＳと表す。合否判定値として、ＴＳＳ≧９ｋＮ、ＣＴＳ≧６ｋＮとした。
【０１１３】
さらに、必須ではないが好ましい性能値として、実施例Ａ、Ｂと同様に、溶接継手１に対して、ＪＡＳＯ−ＣＣＴを２８日間実施し、その後同様に破壊試験を実施して、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳを取得した。これら好ましい性能値の合格判定値は腐食無し試験の値に対し８０％以上とした。また、溶接時のスパッタ発生量を母材付着状態で評価し、ほとんど付着がないものを○、多少付着があるが許容範囲と判断されるものを△、付着が多くて許容できないと判断するものを×とした。
【０１１４】
表３では、比較例をＮｏ．Ｃ１〜Ｃ８、本実施例をＮｏ．Ｃ９〜Ｃ１５に示す。
【０１１５】
【表３】
2018051570.tif 000005
【０１１６】
Ｎｏ．Ｃ１は、接合補助部材を用いず、上板１０に穴も開けず、上板１０に対して直接レーザ溶接を実施したものである。接着剤も用いていない。上板であるアルミ合金と下板である鋼が溶融混合するので、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【０１１７】
Ｎｏ．Ｃ２は、穴開けをしていない上板１０の上に一段形状である一辺１４．３ｍｍの角丸正方形の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ溶接したものである。接合補助部材３０の材質はＪＩＳ  Ｇ４３０５  ＳＵＳ３０４Ｌである（以降、実施例Ｃの材質は同じ）。この結果、上板１０であるアルミ合金と、鋼製の接合補助部材３０および下板２０の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【０１１８】
Ｎｏ．Ｃ３は、直径１１．０ｍｍの円形の穴開けをした上板１０の上に一段形状である一辺１４．３ｍｍの角丸正方形の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ照射したものである。接合補助部材３０と下板２０の間には上板１０の板厚分の隙間が生じているので、レーザ照射してもこれらを一体化することができず、溶接自体ができなかった。鉄とアルミの化学反応は起こさなかったものの、溶融池形成が不安定であり、かつレーザ照射面が平坦なためスパッタ飛散が多かった。
【０１１９】
Ｎｏ．Ｃ４は、Ｎｏ．Ｃ３に対し、下板２０を凸加工したものである。しかし、凸加工してもなお、上板の板厚である２．６ｍｍの空隙を埋めることができず、レーザ照射してもこれらを一体化することができなかった。溶込み不足のため、低いＴＳＳ，ＣＴＳに留まった。
【０１２０】
Ｎｏ．Ｃ５は、直径１１．０ｍｍの円形の穴開けをした上板１０に、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持つ一辺１４．３ｍｍの角丸正方形の接合補助部材３０を挿入して、その上からレーザ照射したものである。ただし、接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が１１．０ｍｍで、凹部を持たず、上面は平坦である。凹部がないので、接合補助部材３０の厚みが大きく、ゆえにレーザ照射では下板２０への溶込みが浅く、ＣＴＳ，ＴＳＳ共に高い値は得られなかった。また、照射面が平坦であり、かつ照射時間が長いので、スパッタが多く発生かつ飛散し、周囲の母材に付着して製品品質を低下させた。
【０１２１】
Ｎｏ．Ｃ６は、Ｎｏ．Ｃ５に対し、レーザ照射時間の中間時点からアーク溶接を同時に行ったものである。アーク溶接は、ＪＩＳ  Ｚ３３３４  Ｓ  Ｎｉ６６２５規格の直径１．２ｍｍのＮｉ合金ワイヤをフィラーとし、シールドガス組成をＡｒ１００％としたＴＩＧ溶接法とした。しかし、それでもなお下板２０への溶込みを深くすることはできず、フィラーワイヤが溶けた溶接金属が接合補助部材３０の周囲に流れ出てしまい、外観が著しく悪化した。
【０１２２】
Ｎｏ．Ｃ７は、挿入部３１と非挿入部３２の二段構造を持ち、かつ上部に円形の凹部３３を有する一辺１４．３ｍｍの角丸正方形の接合補助部材３０を上板１０に載置して、凹部３３の底面をレーザ照射したものである。接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が１１．０ｍｍで、凹部３３の内径が６．４ｍｍである。ただし、上板１０には穴開けをしていない。そのため、上板であるアルミ合金と、鋼製接合補助部材および下板の鋼の３つが溶融混合し、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすので、照射面が凹にも係わらずスパッタが多かった。
【０１２３】
Ｎｏ．Ｃ８は、直径１１．０ｍｍの円形の穴開けをした上板１０に、Ｎｏ．７と同様の、円形の凹部３３を設けた二段階形状の一辺１４．３ｍｍの角丸正方形の接合補助部材３０を挿入し、その上から凹部３３の面内をアーク溶接にて接合補助部材３０の非挿入部３２の厚みＰＨ２中央まで溶接金属を充填し、アークを切った後レーザ溶接したものである。レーザ溶接よりアークを先行させたため、レーザによる深い溶込み効果が消失し、接合補助部材３０と下板２０の溶込みが不足したことで低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。
【０１２４】
一方、Ｎｏ．Ｃ９〜Ｃ１５は、直径１１．０ｍｍの円形の穴開けをした上板１０に、円形の凹部３３を設けた、二段階形状で、非挿入部３２の形状が角丸正方形の接合補助部材３０を挿入し、その上から凹部３３の面内をレーザ照射して下板２０と溶接したものである。接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が１１．０ｍｍで、凹部３３の内径が６．４ｍｍである。これらの試験体では、形成される溶接金属へのアルミ流入がゼロとなり、高品質の溶接金属が形成されるうえ、接合補助部材３０の非挿入部３２が上板１０の穴１１に対して広い面積を有する構造となっているため、十字引張試験ではすっぽ抜けが防げて高いＣＴＳも得られた。また、照射位置に凹みを持たせることでスパッタ飛散を減らすことが出来た。
【０１２５】
さらに、Ｎｏ．Ｃ１３，Ｃ１４は、Ｎｏ．Ｃ１０に対してさらにレーザ溶接照射時間の中間時点からアーク溶接を同時に行ったものである。アーク溶接の条件はＮｏ．Ｃ６と同じである。Ｎｏ．Ｃ１３は、接合補助部材３０の非挿入部３２の厚みＰＨ２中央まで溶接金属を充填し、Ｎｏ．Ｃ１４は、余盛りが出るまで充填した。溶接金属充填に伴ってＣＴＳ，ＴＳＳは共に向上することがわかる。
【０１２６】
さらにまた、適切な箇所に金属用常温速硬化型２液混合接着材を塗布した試験体（Ｃ１０〜Ｃ１４）では、アルミと鋼界面の電食を防ぐ作用があり、腐食によるＣＴＳやＴＳＳの低下が抑制されて、高い腐食後ＣＴＳ，ＴＳＳを示した。具体的にはＮｏ．Ｃ９に対して、Ｎｏ．Ｃ１０、Ｎｏ．Ｃ１１、Ｎｏ．Ｃ１２と接着剤塗布箇所を増やすにつれ、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳが順に高まっていることがわかる。
【０１２７】
＜実施例Ｄ＞
実施例Ｄでは、上板１０が板厚１．２ｍｍのアルミニウム合金Ａ６Ｎ０１、下板２０が板厚１．２ｍｍの１４８０ＭＰａ級熱処理済鋼板とした組合せの重ね継手とし、３ｋＷのディスクレーザ溶接を行って接合した。照射位置でのレーザビーム径は直径０．５ｍｍとし、接合補助部材の有無にかかわらず直径４．０ｍｍの円を塗りつぶすように往復運動の照射位置動作をさせた。
【０１２８】
この溶接継手１に対して、ＪＩＳ  Ｚ３１３６およびＪＩＳ  Ｚ３１３７に従って、破壊試験を行った。ここではＺ３１３６の引張強度をＴＳＳとして表し、Ｚ３１３７の引張強度をＣＴＳと表す。合否判定値として、ＴＳＳ≧６ｋＮ、ＣＴＳ≧４ｋＮとした。
【０１２９】
さらに、必須ではないが好ましい性能値として、実施例Ａ，Ｂ，Ｃと同様に、溶接継手１に対して、ＪＡＳＯ−ＣＣＴを２８日間実施し、その後同様に破壊試験を実施して、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳを取得した。これら好ましい性能値の合格判定値は腐食無し試験の値に対し８０％以上とした。また、溶接時のスパッタ発生量を母材付着状態で評価し、ほとんど付着がないものを○、多少付着があるが許容範囲と判断されるものを△、付着が多くて許容できないと判断するものを×とした。
【０１３０】
表４では、比較例をＮｏ．Ｄ１〜Ｄ２、本実施例をＮｏ．Ｄ３〜Ｄ５に示す。
【０１３１】
【表４】
2018051570.tif 000006
【０１３２】
Ｎｏ．Ｄ１は、接合補助部材を用いず、上板１０に穴も開けず、上板１０に対して直接レーザ溶接を実施したものである。接着剤も用いていない。上板であるアルミ合金と下板である鋼が溶融混合するので、形成された溶接金属は極めて脆い金属間化合物となり、低いＴＳＳ，ＣＴＳとなった。アルミと鉄が溶融して混合する際に激しい化学反応を起こすのでスパッタも多かった。
【０１３３】
Ｎｏ．Ｄ２は、直径６．５ｍｍの円形の穴開けをした上板１０の上に一段形状である直径９．７５ｍｍの正八角形の接合補助部材３０を載せて、その上からレーザ照射したものである。接合補助部材３０と下板２０の間には上板１０の板厚分の隙間が生じているので、レーザ照射してもこれらを一体化することができず、溶接自体ができなかった。鉄とアルミの化学反応は起こさなかったものの、溶融池形成が不安定であり、かつレーザ照射面が平坦なためスパッタ飛散が多かった。
【０１３４】
一方、Ｎｏ．Ｄ３〜Ｄ５は、直径６．５ｍｍの円形の穴開けをした上板１０に、円形の凹部３３を設けた、二段階形状で、非挿入部３２の形状が直径９．７５ｍｍの正八角形の鋼製の接合補助部材３０を挿入し、その上から凹部３３の面内をレーザ照射して下板２０と溶接したものである。接合補助部材３０は、挿入部３１の外径ＰＤ１が６．２４ｍｍであり、凹部３３の内径が４．４ｍｍである。これらの試験体では形成される溶接金属へのアルミ流入がゼロとなり、高品質の溶接金属が形成されるうえ、接合補助部材３０の非挿入部３２が上板１０の穴１１に対して広い面積を有する構造となっているため、十字引張試験ではすっぽ抜けが防げて高いＣＴＳも得られた。また、照射位置に凹みを持たせることでスパッタ飛散を減らすことが出来た。
【０１３５】
さらにまた、適切な箇所に接着材を塗布した試験体Ｎｏ．Ｄ４，Ｄ５では、アルミと鋼界面の電食を防ぐ作用があり、腐食によるＣＴＳやＴＳＳの低下が抑制されて、接着材無しの試験体Ｎｏ．Ｄ３に比べて接着剤を塗布したＮｏ．Ｄ４は高い腐食後ＣＴＳ，ＴＳＳを示した。
【０１３６】
＜実施例Ｅ＞
実施例Ｅでは、上板１０を板厚４．０ｍｍのアルミニウム合金Ａ７Ｎ０１、下板２０を板厚３．０ｍｍの１１８０ＭＰａ級高張力鋼板とした組合せの重ね継手とし、鋼製の接合補助部材３０を用いて７ｋＷの炭酸ガスレーザ溶接とアーク溶接を併用して接合した。上板１０には直径１２．５ｍｍの円形に穴開けをし、一方、下板２０の溶接すべき箇所には、絞り加工によって高さ１．５ｍｍの膨出部２１を形成し、膨出部２１を上板１０の穴１１に侵入させるように同軸上に重ねた。接合補助部材３０には材質として７８０ＭＰａ級高張力鋼を用い、円形の凹部３３を設けた二段階形状の円形形状とした。
照射位置でのレーザビーム径は直径０．７ｍｍとし、接合補助部材３０の凹部３３の底面を円状に塗りつぶすように渦巻き状に照射位置を動作させた。アーク溶接は、具体的にはプラズマガス：Ａｒ１００％、シールドガス：Ａｒ９９％＋Ｈ２１％としたプラズマアーク溶接法とし、フィラーには、直径が１．２ｍｍのＪＩＳ  Ｚ３３１２  Ｇ７８Ａ４ＭＮ５ＣＭ３Ｔの鋼製溶接ワイヤを用いた。
【０１３７】
この溶接継手１に対して、ＪＩＳ  Ｚ３１３６「抵抗スポット及びプロジェクション  
溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」、およびＪＩＳ  Ｚ３１３７「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手の十字引張試験」に従って、破壊試験を行った。ここでは、Ｚ３１３６の引張強度をＴＳＳとして表し、Ｚ３１３７の引張強度をＣＴＳとして表す。合否判定値として、ＴＳＳ≧１０ｋＮ、ＣＴＳ≧８ｋＮとした。
【０１３８】
さらに、必須ではないが好ましい性能値として、実施例Ａ〜Ｄと同様に、溶接継手１に対してＪＡＳＯ−ＣＣＴを２８日間実施し、その後同様に破壊試験を実施して、腐食後ＴＳＳおよび腐食後ＣＴＳを取得した。これら好ましい性能値の合格判定値は腐食無し試験の値に対し８０％以上とした。また、溶接時のスパッタ発生量を母材付着状態で評価し、ほとんど付着がないものを○、多少付着があるが許容範囲と判断されるものを△、付着が多くて許容できないと判断するものを×とした。
【０１３９】
表５では、比較例をＮｏ．Ｅ１、本実施例をＮｏ．Ｅ２〜Ｅ４に示す。
【０１４０】
【表５】
2018051570.tif 000007
【０１４１】
Ｎｏ．Ｅ１はレーザとアークの併用に際し、アークを先行させて溶接金属で接合補助部材３０の凹部３３を満たし、その中間地点からレーザを照射してアーク終了と同時にレーザも照射終了させたものである。溶接金属が凹部３３の底部に溜まることで、レーザ照射による深い溶込み効果が得られなかったため、接合補助部材３０と下板鋼板の接合が不十分となり、ＴＳＳ，ＣＴＳ共に低い値となった。また、溶接金属が接合補助部材３０の凹部３３を満たしたため、レーザによって発生するスパッタを接合補助部材３０の凹部３３の内壁面がキャッチする効果が消失し、スパッタが周囲に多く飛散した。
【０１４２】
一方、Ｎｏ．Ｅ２〜Ｅ４はレーザを先行照射し、十分に接合補助部材３０と下板２０を溶融、一体化してから、アークを照射した。形成される溶接金属へのアルミ流入がゼロとなり、高品質の溶接金属が形成されるうえ、接合補助部材３０の非挿入部３２が上板１０の穴１１に対して広い面積を有する構造となっているため、十字引張試験ではすっぽ抜けが防げて高いＣＴＳも得られた。アークは接合補助部材３０の凹部３３を満たすまで発生させたが、レーザはその途中段階で照射終了した。したがって、レーザ溶接で発生するスパッタは、接合補助部材３０の凹部３３の壁面でキャッチされ、周囲への飛散が無かった。下板２０の膨出部２１の形成は、上板１０と下板２０の合わせ作業を容易にするだけでなく、溶接断面積を減少させ、高能率化に貢献した。
【０１４３】
さらにまた、適切な箇所に接着材を塗布した試験体Ｎｏ．Ｅ３，Ｅ４では、アルミと鋼界面の電食を防ぐ作用があり、腐食によるＣＴＳやＴＳＳの低下が抑制されて、接着材無しの試験体Ｎｏ．Ｅ２に比べて接着剤を塗布したＮｏ．Ｅ３は高い腐食後ＣＴＳ，ＴＳＳを示した。
【符号の説明】
【０１４４】
１０    上板
１１    穴
２０    下板
３０    接合補助部材
３１    挿入部
３２    非挿入部
３３    凹部
４０    溶接金属
Ｗ      溶接部
Ｗａ    余盛り
【図１Ａ】
2018051570.tif 000008
【図１Ｂ】
2018051570.tif 000009
【図２Ａ】
2018051570.tif 000010
【図２Ｂ】
2018051570.tif 000011
【図２Ｃ】
2018051570.tif 000012
【図２Ｄ】
2018051570.tif 000013
【図３】
2018051570.tif 000014
【図４Ａ】
2018051570.tif 000015
【図４Ｂ】
2018051570.tif 000016
【図４Ｃ】
2018051570.tif 000017
【図４Ｄ】
2018051570.tif 000018
【図４Ｅ】
2018051570.tif 000019
【図４Ｆ】
2018051570.tif 000020
【図５Ａ】
2018051570.tif 000021
【図５Ｂ】
2018051570.tif 000022
【図５Ｃ】
2018051570.tif 000023
【図６Ａ】
2018051570.tif 000024
【図６Ｂ】
2018051570.tif 000025
【図７Ａ】
2018051570.tif 000026
【図７Ｂ】
2018051570.tif 000027
【図８Ａ】
2018051570.tif 000028
【図８Ｂ】
2018051570.tif 000029
【図９Ａ】
2018051570.tif 000030
【図９Ｂ】
2018051570.tif 000031
【図１０Ａ】
2018051570.tif 000032
【図１０Ｂ】
2018051570.tif 000033
【図１１】
2018051570.tif 000034
【図１２Ａ】
2018051570.tif 000035
【図１２Ｂ】
2018051570.tif 000036
【図１３Ａ】
2018051570.tif 000037
【図１３Ｂ】
2018051570.tif 000038
【図１４Ａ】
2018051570.tif 000039
【図１４Ｂ】
2018051570.tif 000040
【図１５Ａ】
2018051570.tif 000041
【図１５Ｂ】
2018051570.tif 000042
【図１６Ａ】
2018051570.tif 000043
【図１６Ｂ】
2018051570.tif 000044
【図１７Ａ】
2018051570.tif 000045
【図１７Ｂ】
2018051570.tif 000046
【図１８Ａ】
2018051570.tif 000047
【図１８Ｂ】
2018051570.tif 000048
【図１９】
2018051570.tif 000049
【図２０Ａ】
2018051570.tif 000050
【図２０Ｂ】
2018051570.tif 000051
【図２１Ａ】
2018051570.tif 000052
【図２１Ｂ】
2018051570.tif 000053
【図２２】
2018051570.tif 000054
【図２３Ａ】
2018051570.tif 000055
【図２３Ｂ】
2018051570.tif 000056
【図２３Ｃ】
2018051570.tif 000057
【図２４Ａ】
2018051570.tif 000058
【図２４Ｂ】
2018051570.tif 000059
【図２５】
2018051570.tif 000060
【図２６Ａ】
2018051570.tif 000061
【図２６Ｂ】
2018051570.tif 000062
【図２７】
2018051570.tif 000063
【図２８】
2018051570.tif 000064
【図２９Ａ】
2018051570.tif 000065
【図２９Ｂ】
2018051570.tif 000066