(57)【要約】【課題】従来のスポット溶接の設備を大幅に改造することなく簡易な手段により、接合部に生成する脆弱な金属間化合物の生成を抑制して安定した高い接合強度が得られる鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法および接合継手を提供する。【解決手段】鉄系材料１側の被接合面には銅合金層３として厚さ０．１〜１μｍのコーティング膜または厚さ０．０１〜１ｍｍのＣｕ合金箔を配置し、アルミニウム系材料２側の被接合面にはフッ化物系フラックス４を塗布して、溶接電流：８〜１８ｋＡ、加圧力：１．５〜３ｋＮ、溶接時間：１ｓ以下の条件でスポット溶接する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料とアルミニウム系材料とをスポット溶接により接合する方法において、鉄系材料側の被接合面にはＣｕ合金層を配置し、アルミニウム系材料側の被接合面にはフッ化物系フラックスを塗布して接合することを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項２】
前記Ｃｕ合金層が、Ｃｕを主成分とし、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、ＴｉおよびＺｒよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有するものである請求項１に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項３】
前記Ｃｕ合金層が、前記鉄系材料の被接合面に厚さ０．１〜１μｍでコーティングされたものである請求項２に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項４】
前記Ｃｕ合金層が、厚さ０．０１〜１ｍｍの箔である請求項２に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項５】
前記フッ化物系フラックスが、Ｋ３ＡｌＦ６、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＴｉＦ６、Ｋ２ＺｒＦ６、ＺｎＦ２、ＺｎＳｉＦ６およびＣｓＡｌＦ４よりなる群から選ばれる１種以上のフッ素化合物を含有するものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項６】
前記スポット溶接の溶接条件が、溶接電流：８〜１８ｋＡ、加圧力：１．５〜３ｋＮ、溶接時間：１ｓ以下である請求項〜５のいずれか１項に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合方法により得られたスポット溶接接合継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用構造物などの組立工程の際にしばしば必要となる鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接による接合技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年環境問題の観点から、燃費低減を目的として自動車等の構造物を軽量化するためにアルミニウム等の軽合金を適用する試みがなされている。しかしながら、溶接性、耐食性、成形性等の点から自動車用部材の一部に使用されるにとどまっている。したがって自動車用鋼板との共存状態となり、Ｆｅ−Ａｌ異材接合の必要性が高まりつつある。
【０００３】
Ｆｅ−Ａｌ異材接合における問題点として、接合界面に形成される高硬度で非常に脆い金属間化合物層の形成があり、見かけ上接合されてはいても本化合物層の生成が原因で十分な接合強度が得られないことが多い。
【０００４】
そこで、このような金属間化合物の形成を防止できるアルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、両者をまとめて「アルミニウム系材料」という。）と鋼材（鉄系材料）との接合方法として、以下のような従来技術が開示されている。
【０００５】
［従来技術１］
鉄系材料とアルミニウム系材料との間に、これらの金属からなる２層クラッド材をインサート材として用い、それぞれ同種の金属が接するように狭持してスポット溶接する方法（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
［従来技術２］
鉄系材料とアルミニウム系材料の中間の融点をもつろう材を接合する界面に配置し、高周波加熱等により鉄系材料およびろう材をろう材の融点以上に加熱するとともに、アルミニウム系材料の接合界面近傍以外の部分をアルミニウム系材料の融点以下に保ってろう付けする方法（特許文献２参照）。
【０００７】
［従来技術３］
鉄系材料とアルミニウム系材料との被接合部にフッ化物系フラックスを介在させ、この被接合部をスポット溶接等により加熱・加圧することにより、アルミニウム系材料表面の酸化皮膜を溶解除去して接合する方法（特許文献３参照）。
【０００８】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。
【０００９】
従来技術１のように２層クラッド材を用いてスポット溶接する方法では、鉄系材料とアルミニウム系材料との間にクラッド材がインサートされるため、本来２枚で済む板状部材の接合に３枚の板を使用しなければならない。このため、実際の施工時にインサート材（クラッド材）の挿入工程や固定工程が必要となり、作業が煩雑になるだけでなく、工程が複雑となるため接合継手の品質に対する信頼性を欠く。また、接合に使用するクラッド材は鉄系材料とアルミニウム系材料との接合によって製造されることから製造条件が厳しく制約され、安価でかつ性能の安定したクラッド材を入手することが困難であった。さらに、現状の接合ラインに新たな設備を組み入れなければならないため設備コストが高くなる問題も生じてくる。
【００１０】
これに対し従来技術２の方法は、インサート材としてクラッド材でなくろう材を用いるため上記従来技術１のような問題はないが、ろう付時にアルミニウム系材料表面の酸化皮膜の除去が不十分となりやすく、安定して高い接合強度が得られない問題がある。
【００１１】
また従来技術３の方法は、インサート材としてクラッド材やろう材を用いることなくフッ化物系フラックスのみを用いるため上記従来技術１および２のような問題はないが、溶接時において接合面に溶融金属をほとんど生成させないため十分な接合強度が得られない問題がある。
【００１２】
【特許文献１】
特開平４−５５０６６号公報
【特許文献２】
特開平７−１４８５７１号公報
【特許文献３】
特開２００３−４８０７７号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来のスポット溶接の設備を大幅に改造することなく簡易な手段により、接合部に生成する脆弱な金属間化合物の生成を抑制して安定した高い接合強度が得られる鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法および接合継手を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、鉄系材料とアルミニウム系材料とをスポット溶接により接合する方法において、鉄系材料側の被接合面にはＣｕ合金層を配置し、アルミニウム系材料側の被接合面にはフッ化物系フラックスを塗布して接合することを特徴とする鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記Ｃｕ合金層が、Ｃｕを主成分とし、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、ＴｉおよびＺｒよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有するものである請求項１に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記Ｃｕ合金層が、前記鉄系材料の被接合面に厚さ０．１〜１μｍでコーティングされたものである請求項２に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記Ｃｕ合金層が、厚さ０．０１〜１ｍｍの箔である請求項２に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記フッ化物系フラックスが、Ｋ３ＡｌＦ６、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＴｉＦ６、Ｋ２ＺｒＦ６、ＺｎＦ２、ＺｎＳｉＦ６およびＣｓＡｌＦ４よりなる群から選ばれる１種以上のフッ素化合物を含有するものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、前記スポット溶接の溶接条件が、溶接電流：８〜１８ｋＡ、加圧力：１．５〜３ｋＮ、溶接時間：１ｓ以下である請求項〜５のいずれか１項に記載の鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接接合方法である。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスポット溶接接合方法により得られた接合継手である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
鉄系材料とアルミニウム系材料とのスポット溶接等による接合に前述したように種々の方法が提案されている背景の１つとして、鉄系材料とアルミニウム系材料とをスポット溶接等で直接接合すると接合部に脆弱な金属間化合物が生成することが問題となっており、鉄系材料とアルミニウム系材料との界面近傍に脆弱な金属間化合物層をいかにして生成させないようにするかが極めて重要となる。
【００２２】
本発明の採用するスポット溶接接合方法は、鉄系材料側の被接合面にはＣｕ合金層を配置し、アルミニウム系材料側の被接合面にはフッ化物系フラックスを塗布してスポット溶接により接合する方法である。スポット溶接には汎用のスポット溶接装置を使用し、接合部に適切な加圧力のもと適正電流を適正時間通電する。これにより、Ｃｕ合金層が溶融してろう材の役割を果たすとともにＣｕ合金層中の添加成分が接合部における脆弱なＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成を抑制する。一方、フッ化物系フラックス（以下、単に「フラックス」ともいう。）は溶融してアルミニウム系材料表面の酸化皮膜を溶解し、この酸化皮膜を溶解したフラックスは加圧により接合部の縁部に押し出される。この結果、溶接時の通電バラツキ等の原因となる酸化皮膜がアルミニウム系材料表面から効率的に除去されるとともに、溶融Ｃｕ合金とのアルミニウム系材料表面の濡れ性も改善されて良好な接合が得られる。
【００２３】
本発明において、鉄系材料側の被接合面にＣｕ合金層を配置する理由は、鉄系材料とアルミニウム系材料との接合で最も大きな問題となる脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物の生成を抑制することに加え、溶融Ｃｕ合金は鉄系材料およびアルミニウム系材料の双方に対して良好な濡れ性を示すためである。これにより溶融Ｃｕ合金はろう材として鉄系材料とアルミニウム系材料とを緊密に接合するため、剥離強度に優れた良好な接合界面が得られる。
【００２４】
本発明のＣｕ合金層に用いられるＣｕ合金は、Ｃｕを主成分とし、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、ＴｉおよびＺｒよりなる群から選ばれる１種以上の元素を含有するものとすることが好ましい。Ｃｕ合金中にこれら各元素を添加する効果は以下の通りである。
【００２５】
ａ）Ａｌ、Ｆｅ
Ｃｕ合金へ予めこれらの元素を添加しておくことによって溶融金属中のＦｅおよび／またはＡｌの活量が高まることになり、溶接母材である鉄系材料および／またはアルミニウム系材料から溶融金属中へのＦｅおよび／またはＡｌの溶解反応が抑制されることになる。その結果、母材同士が直接反応して脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が多量に生成することが防止される。なおこれらの元素のＣｕ合金層への添加量の好ましい上限値は、ＡｌおよびＦｅの合計量で３０質量％である。
【００２６】
ｂ）Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ
これらの元素は脱酸作用を有するため、スポット溶接時に通電ばらつきをもたらすアルミニウム系材料表面の酸化皮膜を除去する作用を有し、フッ化物系フラックスとの併用によりアルミニウム系材料表面の酸化皮膜を極めて効果的に除去できる。また、これらの元素は、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物の強度を改善する効果も有する。これらの元素のＣｕ合金層への添加量の好ましい上限値はＳｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｎ、ＴｉおよびＺｒの合計量で３０質量％である。
【００２７】
ｃ）Ｎｉ
ＮｉはＦｅと全率固溶体を形成する元素であるため、Ｎｉを添加することにより溶融金属中のＦｅの活量を高める効果がある。したがって、溶接母材である鉄系材料および／またはアルミニウム系材料から溶融金属中へのＦｅおよび／またはＡｌの溶解反応が抑制され、鉄系材料とアルミニウム系材料とが直接反応して脆弱なＦｅ−Ａｌ系金属間化合物が生成することが防止される。さらにＮｉも、仮に金属間化合物が生成したとしてもその強度を改善する効果を有する。ＮｉのＣｕ合金層への添加量の好ましい上限値は３０質量％である。
【００２８】
Ｃｕ合金層としては、例えば鉄系材料の被接合面にＣｕ合金をコーティングすることにより形成すること、あるいはＣｕ合金箔を用いることが好ましい。
【００２９】
鉄系材料の被接合面にＣｕ合金をコーティングして膜（Ｃｕ合金層）を形成する場合、例えばメッキまたは真空蒸着により膜形成することができ、その膜厚さは０．１〜１μｍとすることが好ましい。膜厚さが０．１μｍより薄い場合は、溶融金属量が少なすぎてろう材として接合作用が十分に発揮されず、一方膜厚さが１μｍを超える場合はコーティング膜形成時に膜が基材（鉄系材料）より剥離する問題があり、接合時にろう材としての接合作用を有効に発揮することができないためである。
【００３０】
Ｃｕ合金層としてＣｕ合金箔を用いる場合、その厚さは０．０１〜１ｍｍとすることが好ましい。銅合金箔の厚さが０．０１ｍｍを下回る場合はろう材としての接合作用が不十分であり、１ｍｍを超える場合は過剰なＣｕとＡｌとの反応が起こり継手強度の低下をもたらすためである。
【００３１】
また、接合前のアルミニウム系材料の表面には極めて強固な酸化皮膜が形成されており、これが溶接時の通電バラツキの原因となるとともに、Ｃｕ合金の濡れ性を阻害し、未処理ままでは良好な継手が得られない。したがって、アルミニウム系材料表面の酸化皮膜を溶解し除去する効果を有するフッ化物系フラックスをアルミニウム系材料表面に塗布してスポット溶接する。フッ化物系フラックスとして、例えばＫ３ＡｌＦ６、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＴｉＦ６、Ｋ２ＺｒＦ６、ＺｎＦ２、ＺｎＳｉＦ６およびＣｓＡｌＦ４よりなる群から選ばれる１種以上のフッ素化合物を含有するものを用いることが好ましい。これにより、酸化皮膜を溶解・除去できるとともに、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ等の金属元素をアルミニウム系材料表面に置換析出させることができ、Ｃｕ合金中に添加した上記各合金元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ）と同様にＣｕ−Ａｌ系金属間化合物の強度を改善する効果を発揮することができるため、より一層強度改善効果が高まる。フラックスの塗布量を過度に多くすることは、接合部に残渣が残って接合強度に悪影響をもたらすので、塗布量の上限は５．０ｇ／ｍｍ２、より好ましくは２．５ｇ／ｍｍ２に抑えるのが良い。またＡｌ酸化皮膜を効果的に溶解するとともに、この溶解物を接合部から効率的に排斥させる必要があり、塗布量の下限は０．５ｇ／ｍｍ２、より好ましくは１．０ｇ／ｍｍ２とすることが望ましい。
【００３２】
母材である鉄系材料および／またはアルミニウム系材料を過剰量溶融反応させて金属間化合物を過剰に生成させることなく健全な接合状態が得られるよう、適切な加圧力、通電によりスポット溶接を行う。
【００３３】
本発明を実施する際の好ましいスポット溶接の溶接条件としては、以下の理由により、溶接電流が８〜１８ｋＡ、加圧力が１．５〜３ｋＮ、溶接時間は１ｓ以下である。すなわち、溶接電流が８ｋＡ未満ではナゲットが十分に形成されず良好な継手が得られない。一方溶接電流が１８ｋＡを超えると、継手に穴が開くなどの溶接欠陥が発生しやすく、継手強度が低下する。加圧力が１．５ｋＮ未満では、ナゲット部で溶融した金属が凝固する際に加圧力不足となり、ブローホールや割れが発生しやすく、溶接欠陥が残留して十分な継手強度が得られない。一方加圧力が３ｋＮを超えると、元素の拡散が助長されて、Ｃｕ−Ａｌ系金属間化合物が大量に形成されるため、良好な継手が得られない。溶接時間が１ｓを超えるとＣｕ−Ａｌ系金属間化合物の成長が助長されて良好な継手が得られない。
【００３４】
さらに前述したＣｕ合金はそれ自体優れた耐食性を有するため、得られた接合継手は耐食性にも優れたものとなる。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
被接合材としては、鉄系材料として厚さ０．８〜１．６ｍｍのＳＰＣＥ軟鋼材と、アルミニウム系材料として厚さ約１ｍｍの６０００系アルミニウム合金材を用いた。軟鋼材の被接合面にはメッキまたは真空蒸着により各種銅合金（コーティング材）を厚さ０．４〜０．８μｍでコーティングした。一方、アルミニウム合金材の被接合面には各種フラックスを塗布した。そして、これら被接合材を重ね合わせてスポット溶接により溶接条件を種々変化させそれぞれの溶接条件ごとに複数個ずつの接合継手の試験片を作製した。スポット溶接に用いた溶接機は、単層整流式抵抗スポット溶接機（容量９０ｋＶＡ）である。
【００３６】
図１にはスポット溶接時の被溶接材の配置を示す。試験片の平面サイズは、軟鋼材１、アルミニウム合金材２ともに１００ｍｍ×３０ｍｍとした。溶接後、目視および簡易剥離試験によって接合部３の割れや穴の発生、剥離強度を評価して接合部の良否を判定した。簡易剥離試験は軟鋼材１側を治具で接合部３近傍まで掴んで固定し、アルミニウム合金材２側を接合部が剥離する方向に曲げ角度が６０°になるまで曲げて接合部の剥離の有無を調査した。そして、接合部の剥離強度の評価として、全試験片中、剥離が生じた試験片の個数の割合が２０％未満のものを良（○印）、２０％以上６０％未満のものをやや不良（△印）、６０％以上のものを不良（×印）とした。
【００３７】
表１に、使用した銅合金のコーティング材の種類とその厚さ、フラックスの種類、溶接条件および接合部の剥離強度と目視観察結果を示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１から明らかなように、コーティング材およびフラックスの少なくとも一方を用いない場合は、簡易剥離試験において接合部が剥離した割合が２０％以上（△または×印）に達し接合部の強度が十分でなかった（Ｎｏ．１、７、１２参照）。これに対し、コーティング材およびフラックスの両方を用いた場合は、溶接条件を適正範囲（溶接電流：８〜１８ｋＡ、加圧力：１．５〜３．０ｋＮ、溶接時間：１ｓ以下）とすれば簡易剥離試験において接合部が剥離した割合が２０％未満（○印）と少なく、十分な接合部の強度が得られた（Ｎｏ．２〜６、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３〜１６参照）。ただし、コーティング材およびフラックスの両方を用いた場合であっても、溶接条件が上記適正範囲を外れると接合部に不良が発生した。すなわち、溶接電流が過剰な場合（Ｎｏ．１８参照）や加圧力が過剰な場合（Ｎｏ．１１参照）は接合部に穴が発生し、溶接時間が過剰な場合（Ｎｏ．８参照）は過剰な反応層が生成した。一方、溶接電流が不足する場合（Ｎｏ．１７参照）は接合部にナゲットが健全に形成されず全く接合しなかった。
【００４０】
（実施例２）
軟鋼材の被接合面にはコーティング材をコーティングすることに代えて厚さ０．００１〜２．０ｍｍの銅合金箔（インサート材）を配置した他は、実施例１と同様の条件で接合継手を作製した。
【００４１】
表２に、使用した銅合金箔（インサート材）の種類とその厚み、フラックスの種類、溶接条件および接合部の剥離強度と目視観察結果を示す。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
表２から明らかなように、インサート材およびフラックスの少なくとも一方を用いない場合は、簡易剥離試験において接合部が剥離した割合が２０％以上（△または×印）に達し接合部の強度が十分でなかった（Ｎｏ．２１、３３、３４参照）。これに対し、インサート材およびフラックスの両方を用いた場合は、インサート材の厚さを適正範囲（０．０１〜１ｍｍ）とし、溶接条件を適正範囲（溶接電流：８〜１８ｋＡ、加圧力：１．５〜３．０ｋＮ、溶接時間：１ｓ以下）とすれば、簡易剥離試験において接合部が剥離した割合が２０％未満（○印）と少なく、十分な接合部の強度が得られた（Ｎｏ．２２〜２５、３５〜４０参照）。ただし、インサート材およびフラックスの両方を用いた場合であっても、インサート材の厚さまたは溶接条件が上記適正範囲を外れると接合部に不良が発生した。すなわち、インサート材の厚さが不足する場合（Ｎｏ．２７）はろう材としての接合効果がなく、インサート材の厚さが過剰な場合（Ｎｏ．２６）は過剰な反応層が生成した。また、溶接電流が過剰な場合（Ｎｏ．３１参照）や加圧力が過剰な場合（Ｎｏ．３２参照）は接合部に穴または割れが発生し、溶接時間が過剰な場合（Ｎｏ．２９参照）は過剰な反応層が生成した。一方、溶接電流が不足する場合（Ｎｏ．２８参照）は接合部にナゲットが健全に形成されず全く接合しなかった。
【００４４】
なお、表１および２からは記載を割愛したが、加圧力が不足する（１．５ｋＮを下回る）場合もナゲット部で溶融した金属が凝固する際に加圧力不足となり、ブローホールや割れが発生し、溶接欠陥が残留して十分な継手強度が得られなかった。
【００４５】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、従来のスポット溶接の設備を大幅に改造することなく簡易な手段によって、接合部に脆弱な金属間化合物などを生成させることなく、また割れなどの溶接欠陥のない高い接合強度を有する健全な接合継手を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スポット溶接時の被溶接材の配置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１…鉄系材料（軟鋼材）
２…アルミニウム系材料（アルミニウム合金材）
３…Ｃｕ合金層（コーティング材または箔）
４…フッ化物系フラックス
５…電極
【図１】
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