(57)【要約】                                                                【課題】  接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供することを目的とする。【解決手段】  鋼材1とアルミニウム材2とをスポット溶接にて接合した異材接合体３であって、前記鋼材1がMn:0.1〜3.0質量%を含み、板厚t1が0.3〜2.5mmの範囲であるとともに、前記アルミニウム材2がSi:0.4〜2質量%を含み、板厚t2が0.5〜2.5mmの範囲であり、前記鋼材1またはアルミニウム材2の表面に、3〜15μmの膜厚で、融点が350〜950℃のZn及び/またはAlからなるめっき皮膜4を予め有し、前記スポット溶接におけるナゲット径が、前記板厚t2との関係で、4×t20.5〜7×t20.5の範囲であることとする。【選択図】        図１
2005305504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、前記鋼材がMn:0.1〜3.0質量%を含み、板厚t1が0.3〜2.5mmの範囲であるとともに、前記アルミニウム材がSi:0.4〜2質量%を含み、板厚t2が0.5〜2.5mmの範囲であり、前記鋼材またはアルミニウム材の接合側表面に、3〜15μmの膜厚で、融点が350〜950℃のZn及び/またはAlからなるめっき皮膜を予め有し、前記スポット溶接におけるナゲット径が、前記板厚t2との関係で、4×t20.5〜7×t20.5の範囲であることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項２】
前記めっき皮膜が、鋼材接合側表面に施された、88質量%以上のZnを含む亜鉛めっき皮膜である請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項３】
前記亜鉛めっき皮膜が8〜12質量%のFeを含む請求項２に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項４】
前記スポット溶接部におけるアルミニウム材の最小残存板厚が、前記元の板厚t2の50%以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項５】
前記スポット溶接によるナゲットの鋼材との接合界面に0.1〜5μmの厚みの界面反応層を有しており、この界面反応層中の厚み方向の中間点において、Mn元素量が鋼材のMn元素量との比で1.5倍以上、Si元素量がアルミニウム材のSi元素量との比で1.1倍以上で、かつ鋼材のSi元素量との比で1.1倍以上である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、スポット溶接工程の総入熱量を1000〜10000Asecの範囲とすることを特徴とする鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法。
【請求項７】
前記スポット溶接が複数の工程からなるとともに、溶接電流値及び／または溶接時間の異なる2以上の工程を有し、最初の工程を除く少なくとも一つの工程において、アルミニウム材の板厚t2との関係で、ナゲット径が4×t20.5〜7 ×t20.5の範囲となるように、10kA以上の電流を100×t2msec以下流す、高電流工程とする請求項６に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法。
【請求項８】
前記高電流工程の前工程までのスポット溶接総入熱量を1000〜10000Asecの範囲とする請求項６または７に記載の鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等の構造部材などとして好適な、鋼材とアルミニウム材との異材接合体と、異材接合体の接合に必要な接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、一般には同種の金属部材同士を接合するが、例えば鉄系材料（以下、単に鋼材と言う）とアルミニウム系材料（純アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもので、以下、単にアルミニウム材と言う）という異種の金属部材の接合(異材接合体)に適用することができれば、軽量化等に著しく寄与することができる。
【０００３】
しかし、鋼材とアルミニウム材とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために信頼性のある高強度を有する接合部(接合強度)を得ることは非常に困難であった。したがって、従来では、これら異種接合体（異種金属部材）の接合にはボルトやリベット等による接合がなされているが、接合継手の信頼性、気密性、コスト等の問題がある。
【０００４】
そこで、従来より、これら異種接合体のスポット溶接法について多くの検討がなされてきている。例えば、アルミニウム材と鋼材の間に、アルミニウム−鋼クラッド材をインサートする方法が提案されている（特許文献１、２参照）。また、アルミニウム材と鋼材の間に絶縁体粒子を挟む方法（特許文献３参照）や、部材に予め凹凸を付ける方法（特許文献４参照）なども提案されている。
【特許文献１】特開平６−６３７６３号公報（請求項）
【特許文献２】特開平７−１７８５６３号公報（請求項）
【特許文献３】特開平５−２２８６４３号公報（請求項）
【特許文献４】特開平９−１７４２４９号公報（請求項）
【０００５】
しかしながら、これらいずれの方法も、単なるスポット溶接ではなく、スポット溶接ラインの効率を著しく阻害するため、現実的な方法ではない。例えば、多層でのスポット溶接が必要となったり、インサート材などの抵抗体を挟むための新たな設備を溶接ラインに組み込む必要や、部材の加工など別の工程が必要である。このため、溶接コストも高くなり、溶接条件が著しく限定されるなど、作業上の問題も多い。
【０００６】
また、これらいずれの方法も、素材である鋼材側やアルミニウム材側の因子の影響を考慮しておらず、スポット溶接条件を改善しても、素材の種類や、素材側の因子のばらつきによって、接合強度には大きな差異が生じるため、再現性に乏しいという大きな問題もある。
【０００７】
これらの方法とは別の手法として、鋼材側に、鋼材よりも融点の低いMg、Alなどの金属の、中間層やめっき皮膜を設けたりする方法が提案されている（特許文献５、６、７、８、９参照）。これらの方法は、前記インサートなどの特別な手段を付加することなく、鋼材とアルミニウム材との異材を、鋼材と鋼材との同種の接合のように、直接スポット溶接にて接合することを目指している。このため、共通して、低融点である膜や層を鋼材とアルミニウム材との間に形成することで、脆い界面反応層を低減したり、界面に凹凸を形成をさせ、接合強度を高めようとしている。
【特許文献５】特開平４−１４３０８３号公報(請求項)
【特許文献６】特開平４−２５１６７６号公報(請求項)
【特許文献７】特開平７−２４５８１号公報(請求項、図1)
【特許文献８】特開平７−１７８５６５号公報(請求項、第1〜5頁、第8〜15頁、図1)
【特許文献９】特開２００３−１４５２７８号公報(請求項、第1〜6頁、図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
鋼材とアルミニウム材との異材を、直接スポット溶接にて接合できれば、既存の鋼材と鋼材とのスポット溶接ラインを、溶接条件はともかく、そのまま用いることができるため、利点が大きい。
【０００９】
しかし、上記低融点である膜や層を鋼材とアルミニウム材との間に形成する方法には、未だ一長一短があり、実用的とは言い難い。例えば、Mgなどの中間層を設けた場合(特許文献5)は、母材での破断であっても、接合強度が80kgf程度と不十分である。
【００１０】
Alなどをコーティングした場合(特許文献6)は、剪断引張強度としては上記Mgなどの場合よりも高くなっているものの、ナゲットが形成されない。このため、微視的な結合によるアンカー効果のみでは、剪断引張強度は確保できても、十字引張強度(剥離強度)の方が確保できず、用途は、剪断引張しか生じない特殊な用途に限定される。
【００１１】
鋼材にAlめっきした上で、抵抗発熱体をインサートする場合(特許文献7)は、やはり、抵抗発熱体を挟むための新たな設備を溶接ラインに組み込む必要や、部材の加工など別の工程が必要である。
【００１２】
中間層金属の融点を、鋼材とアルミニウム材との融点との関係で規定した特許文献8は、接合界面に形成される金属間化合物を無くし、鋼材とアルミニウム材との活性面を直接接合している。このため、十字引張強度(剥離強度)で母材での破断を得ている。しかし、ナゲットが形成されず、相互拡散による密着層(中間層)が無いため、上記特許文献6と同様に、微視的な結合によるアンカー効果のみとなる。したがって、母材破断によって、一定の十字引張強度を有するものの、接合強度は低くならざるを得ず、要求特性に見合った、十分な十字引張強度が確保できない。
【００１３】
更に、上記特許文献9は、アルミめっき鋼材とアルミニウム材との接合界面に形成される金属間化合物が存在する領域の面積を、スポット溶接による溶融部面積全体との関係で、一定値(60%)以下に規定している。これによって、Al-Fe金属間化合物の周囲に、アルミニウム材側から供給されるアルミニウム溶融部を形成させている。そして、このアルミニウム溶融部が、Al-Fe金属間化合物が介在することなしに、鋼材と直接金属結合することで、剪断引張強度における母材での破断と、延性破断エネルギー8J以上を得ている。
【００１４】
ただ、この方法でも、アルミめっき鋼材やアルミニウム材などの母材側の成分組成や、アルミめっきの成分組成や厚みなどの影響を考慮していない。これらは、後述する通り、ナゲットを形成させる場合の接合強度や、必要溶接入熱量に大きな影響を与える。このため、高い接合強度が安定して得られる再現性や、必要溶接入熱量増大によるアルミニウム材の減肉量増大に基づく接合強度低下など、未だ多くの課題を残している。
【００１５】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、鋼材とアルミニウム材との異材を、直接スポット溶接にて接合するに際し、再現性良く、また、アルミニウム材の減肉量増大など新たな問題が生じることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との接合体及びそのスポット溶接法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体の要旨は、鋼材とアルミニウム材とをスポット溶接にて接合した異材接合体であって、前記鋼材がMn:0.1〜3.0質量%を含み、板厚t1が0.3〜2.5mmの範囲であるとともに、前記アルミニウム材がSi:0.4〜2質量%を含み、板厚t2が0.5〜2.5mmの範囲であり、前記鋼材またはアルミニウム材の接合側表面に、3〜15μmの膜厚で、融点が350〜950℃のZn及び/またはAlからなるめっき皮膜を予め有し、前記スポット溶接におけるナゲット径が、前記板厚t2との関係で、4×t20.5〜7×t20.5の範囲であることとする。
【００１７】
また、上記目的を達成するための、本発明における鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法の要旨は、上記鋼材とアルミニウム材との異材接合体のスポット溶接方法であって、スポット溶接工程の総入熱量を1000〜10000Asecの範囲とすることである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明者らは、上記従来技術の問題点を解決するために、スポット溶接による異材接合の際の素材条件の影響、特に、鋼材やアルミニウム材などの母材側の成分組成や板厚、溶接前に予め設けるめっき皮膜の融点、成分、膜厚などの因子と、接合の際に生成する界面反応層との関係に着目して鋭意研究を重ねた。この結果、これらの因子が、ナゲットを形成させる場合の接合強度に大きな影響を与えることを知見した。言い換えると、これらの因子を制御すれば、スポット溶接における異材接合の接合強度が向上することを知見した。
【００１９】
本発明では、これらの因子を制御し、接合界面にて鋼材の溶融を制御することにより、界面反応層を最適厚さに抑制し、かつチリの発生を最小量に抑える。また、それに加えて、鋼材のMn含有量や、アルミ材のSi含有量を制御することにより、界面反応層中にMnやSiを濃化させて、界面反応層が容易に破壊されない金属間化合物層を形成する。
【００２０】
一般に、高い接合強度にてスポット溶接するには、ナゲットの形成を促進すればよく、ナゲット径が大きいほど剪断強度および十字引張強度ともに高くなることが知られている。また、ナゲット径は溶接の際の入熱量と関係があり、溶接の際の電流量が高いほど、また時間が長いほどナゲット径が大きくなる。このため、一般には、入熱量にてナゲット径を制御することによって、ナゲットの形成時に、界面拡散層を形成させ、接合強度の高い接合体を得るようにしている。勿論、一方でナゲット径が大きくなりすぎると、被溶接材料の表面まで溶融が達してチリができるため、適正なナゲット径を得ることが重要となる。
【００２１】
しかしながら、鋼材とアルミニウム材との異材を接合する場合、鋼はアルミニウムと比較して融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、鋼側の発熱が大きくなる。このため、まず低融点のアルミニウム材が溶融し、次に鋼材の表面が溶融する。この結果として界面にて、Al-Fe系の脆い金属間化合物層が形成するため、高い接合強度は得られない。また、アルミニウム材の表面まで溶融が達してチリができると、アルミニウム材の減肉量が増大し、これによっても、高い接合強度が得られない。
【００２２】
これに対して、溶融したアルミニウムと接触する鋼材との間に中間層を介在させることで、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成する時間を制御し、適正な界面反応層厚さとすることができる。この中間層として、鋼材またはアルミニウム材表面に、アルミニウム材と融点が近いめっき皮膜を、溶接前に予め施す。これが前記した鋼材側に低融点のめっき皮膜を施す従来の方法である。
【００２３】
ただ、このめっき皮膜を溶接前に予め施すなど、中間層を介在させることのみでは、素材条件やスポット溶接条件の変動によっては、界面反応層が容易に破壊されるような脆い金属間化合物層が形成される可能性がある。
【００２４】
これに対して、本発明異材接合体では、前記した通り、鋼材のMn含有量や、アルミ材のSi含有量を制御し、界面反応層中にMnやSiを濃化させて、脆い金属間化合物層の形成を抑制して、界面反応層が容易に破壊されない金属間化合物層を形成する。
【００２５】
また、本発明異材接合体では、鋼材やアルミニウム材などの母材側の板厚、溶接前に予め設けるめっき皮膜の融点、成分、膜厚などの因子を制御して、接合界面にて鋼材の溶融を制御することにより、界面反応層を最適厚さに抑制し、大きいナゲット径を得つつ、かつチリの発生を最小量に抑える。
【００２６】
更に、本発明異材接合体のスポット溶接方法では、このような異材接合体を得るスポット溶接条件として、特に、スポット溶接各工程の総入熱量を抑制して、適正化する。
【００２７】
前記した通り、一般的には、ナゲットの形成を促進するために、高い入熱量によってスポット溶接する。しかし、高い入熱量になった場合、素材側の溶接条件によっては、ナゲット径が大きくなりすぎ、アルミニウム材の表面まで溶融が達してチリができてしまう。このようなチリができると、アルミニウム材の減肉量が増大し、高い接合強度が得られない。
【００２８】
即ち、ある程度のナゲット径を形成する高い入熱量を加えることは、高い接合強度を得るためには必要であるが、一方で、接合界面にて鋼材の溶融を最小限に抑制し、かつチリの発生を最小量に抑える必要がある。また、それに加えて、界面に形成する金属間化合物層の脆化を抑制する必要がある。
【００２９】
このため、本発明では。スポット溶接条件として、特に、スポット溶接各工程の総入熱量を抑制して、適正化する。
【００３０】
以上のように、本発明は、鋼材とアルミニウム材との異材を、直接スポット溶接にて接合するに際し、再現性良く、また、アルミニウム材の減肉量増大など新たな問題が生じることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の限定理由とを具体的に説明する。
【００３２】
（異種接合体）
図１に本発明で規定する異種接合体の一態様を断面図で示す。図１において、３が鋼材(鋼板)１とアルミニウム材(アルミニウム合金板)２とをスポット溶接にて接合した異材接合体である。４は鋼材１の接合側表面に予め設けためっき皮膜である。なお、めっき皮膜４は、その目的からして、鋼材またはアルミニウム材のいずれかの接合側表面に少なくとも設けるが、このような接合側表面の片側（片面）だけではなく、接合側とは反対側の表面に（鋼材またはアルミニウム材の両面に）設けても勿論良い。５はスポット溶接における界面反応層６を有するナゲットで、図中に水平方向に矢印で示すナゲット径を有する。t1は鋼材の板厚、t2はアルミニウム材２の板厚、Δtはスポット溶接による接合後のアルミニウム材の最小残存板厚を示す。
【００３３】
この図１は、後述する実施例における発明例のように、ナゲット径を確保しつつ、チリの発生を抑制してアルミニウム材の最小残存板厚を保持し、さらに鋼材の溶融を最小限に抑えた接合状態を示している。
【００３４】
（鋼材）
本発明においては、使用する鋼材の形状を特に限定するものではなく、構造部材に汎用される、あるいは構造部材用途から選択される、鋼板、鋼形材、鋼管などの適宜の形状、材料が使用可能である。ただ、本発明では、鋼材のMn含有量と板厚t1とを規定する。即ち、本発明では、接合強度を向上させるために、鋼材がMn:0.1〜3.0質量%を含み、板厚t1が0.3〜2.5mmの範囲であることが必要である。
【００３５】
（鋼材のMn量）
鋼材中のMnは、後述するアルミ材中のSiとともに、接合界面に存在することにより、溶融したアルミニウムと鋼材との接触を遅らせるバリア効果がある。更に、界面反応層中に、Siとともに濃化して、脆い金属間化合物の形成を最小限に抑制し、界面反応層が容易に破壊されない金属間化合物層を形成する効果がある。鋼材中のMn含有量が0.1質量%未満では、この効果が得られず、界面反応層の形成を抑制することができず、接合強度が低下する。一方、鋼材中のMn含有量が3.0質量%を超えた場合、靭性が劣化して溶接部周辺にて割れやすくなり、接合強度が低下する。したがって、鋼材中のMn含有量は、0.1〜3.0質量%、好ましくは0.5〜3.0質量%、より好ましくは1〜2.5質量%の範囲とする。
【００３６】
本発明では、上記Mn以外の鋼材の成分組成、組織を限定するものではないが、上記鋼材の強度を得るためには高張力鋼（ハイテン）であることが好ましい。この点、高張力鋼の基本成分として、上記Mn以外に、C：0.05〜1%、Si:0.5〜3%を含むことが好ましい。なお、更に、Cr：0〜1%、Mo：0〜0.2%、Nb：0〜0.1%、V：0〜0.1%、Ti：0〜0.1%の一種または二種以上を、必要により選択的に含有させた鋼も適用できる。Cr、Mo、Nbは焼き入れ性を高めて強度を向上させ、V、Tiは析出硬化によって強度を向上させる。しかしながら、これら元素の過度の添加は、溶接部周辺の靭性を低下させ、ナゲット割れが生じやすくなる。
【００３７】
（鋼材の板厚）
また、本発明では、鋼材の板厚t1が0.3〜2.5mmである接合体であることが必要である。鋼材の板厚t1が0.3mm未満の場合、前記した構造部材や構造材料として必 要な強度や剛性を確保できず不適正である。また、それに加えて、スポット溶接による加圧によって、鋼材の変形が大きく、酸化皮膜が容易に破壊されるため、アルミニウムとの反応が促進される。その結果、金属間化合物が形成しやすくなる。一方、2.5mmを越える場合は、前記した構造部材や構造材料としては、他の接合 手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、鋼材の板厚t1を2.5mmを超えて厚くする必要性はない。
【００３８】
（鋼材の強度）
なお、鋼材の強度については、本発明では制限するものではないが、引張強度が400MPa以上の高強度、更には500MPa以上の高強度であることが好ましい。引張強度が400MPa未満の場合、加圧によって鋼材の変形が大きく、アルミニウムとの反応が促進される結果、金属間化合物が形成しやすくなる。また、軟鋼では、一般に低合金鋼が多く、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。更には、構造部材としての接合体の要求剛性、強度を満足した上で、比較的薄肉の上記板厚t1として、軽量化するためにも、引張強度が400MPa以上、好ましくは500MPa以上の高強度であることが好ましい。例えば、軟鋼など、鋼材の引張強度が低い場合、比較的薄肉の上記板厚t1とした上で、構造部材としての接合体の要求剛性、強度を満足し、軽量化することが難しくなる。
【００３９】
(アルミニウム材)
本発明で用いるアルミニウム材は、その合金の種類や形状を特に限定するものではなく、各構造用部材としての要求特性に応じて、汎用されている板材、形材、鍛造材、鋳造材などが適宜選択される。ただ、本発明では、アルミニウム材鋼材のSi含有量と板厚t2とを規定する。即ち、本発明では、接合強度を向上させるために、アルミニウム材がSi:0.4〜2質量%を含み、板厚t2が0.5〜2.5mmの範囲であることが必要である。
【００４０】
（アルミニウム材のSi量）
アルミニウム材中のSiは、前記した鋼材中のMnとともに、接合界面に存在することにより、溶融したアルミニウムと鋼材との接触を遅らせるバリア効果がある。更に、界面反応層中に、Mnとともに濃化して、脆い金属間化合物の形成を最小限に抑制し、界面反応層が容易に破壊されない金属間化合物層を形成する効果がある。アルミニウム材中のSi含有量が0.4質量%未満では、この効果が得られず、界面反応層の形成を抑制することができず、接合強度が低下する。一方、アルミニウム材中のSi含有量が２質量%を超えた場合、靭性が劣化して、ナゲット周辺にて割れやすくなり、接合強度が低下する。したがって、アルミニウム材中のSi含有量は、0.4〜2質量%の範囲とする。
【００４１】
（アルミニウム材の板厚）
本発明で使用するアルミニウム材の板厚t2は0.5〜2.5mmの範囲とする。アルミニウム材の板厚t2が0.5mm未満の場合、構造材料としての強度が不足して不適切であるのに加え、ナゲット径が得られず、アルミニウム材料表面まで溶融が達しやすくチリができやすいため、高い接合強度が得られない。一方、アルミニウム材の板厚t2が2.5mmを越える場合は、前記した鋼材の板厚の場合と 同様に、構造部材や構造材料としては他の接合手段が採用されるため、スポット溶接を行って接合する必要性が少ない。このため、アルミニウム材の板厚t2を2.5mmを超えて厚くする必要性はない。
【００４２】
(アルミニウム材の種類)
アルミニウム材の強度についても、本発明では制限するものではないが、上記鋼材の場合と同様に、加圧による変形を抑えるために、強度(耐力)が高い方が望ましい。また、構造部材としての接合体の要求剛性、強度を満足した上で、比較的薄肉の上記板厚t2として、軽量化するためにも、強度(耐力)が高い方が望ましい。この点、アルミニウム合金の中でも強度が高く、この種構造用部材として汎用されている、A5000系、A6000系などの使用が最適である。
【００４３】
(めっき皮膜）
本発明では、前記した鋼材またはアルミニウム材のいずれかの接合側表面に、3〜15μmの膜厚で、融点が350〜950℃のZn及び/またはAlからなるめっき皮膜を、溶接前に予め設ける。鋼材とアルミニウム材との中間層となるよう、アルミニウム材と融点が近く、かつ適正な膜厚のめっき皮膜を施すことによって、鋼とアルミの金属間化合物である界面反応層が形成する時間を制御し、0.1〜5μmの適正な界面反応層厚さとすることができる。
【００４４】
この点、めっき皮膜の膜厚が3μm未満、あるいはめっき皮膜の融点が350℃未満の場合は、めっき皮膜が接合初期に系外に溶融排出してしまい、脆い界面反応層の形成を抑制できない。逆に、めっき皮膜の膜厚が15μm越え、あるいはめっき皮膜の融点が950℃を越えた場合は、めっき皮膜の系外への溶融排出に大きな溶接入熱量が必要となる。このため、アルミニウム材の溶融量が増加し、チリの発生によりアルミニウムの減肉量が大きくなる。したがって、めっき皮膜の膜厚は3〜15μm、好ましくは5〜10μmの範囲、めっき皮膜の融点は350〜950℃、好ましくは400〜900℃、更に好ましくはアルミの融点以上で900℃以下の範囲とする。
【００４５】
なお、めっき皮膜の膜厚は、めっき後のサンプルを切断し、樹脂に埋め込み、研磨をし、SEM観察を行って求める。この際には、2000倍の視野にて、３点厚さを測定し、これらを平均化して求めるのが好ましい。
【００４６】
上記のような条件を満足するめっきの種類としては、鋼材に施す場合には鋼材の耐食性を確保でき、また、鋼材にもアルミニウム材にも容易にめっきが可能であることから、ZnやAlを主成分としためっき皮膜、好ましくは、Zn、Alの一種または二種を合計で80%以上含むめっき皮膜とすることが望ましい。
【００４７】
ZnやAlを主成分としためっき皮膜を、予め鋼材側に設けておけば、構造部材としての鋼材の耐食性も向上できる。鋼材は通常、塗装を施して使用されるが、例え、この塗装に傷が入っても、めっき皮膜中のZnやAlが優先的に腐食されるために、母材である鋼材を保護することができる。さらに、鋼材とアルミ材との電位差を小さくすることから、異種接合体での課題の一つである異種金属の接触腐食をも抑制することができる。
【００４８】
このようなZnやAlを主成分としためっき皮膜の種類は、例えば、Al、Al-Zn、Al-Si、Zn、Zn-Feなどが該当する。なお、本発明では、界面反応層中にMnやSiを濃化させて、脆い金属間化合物層の形成を抑制して、界面反応層が容易に破壊されない金属間化合物層を形成する。このためには、予め設けるめっき側に、SiやMnを含有する方が効率が良いようにみえる。この点、界面反応層中にMnやSiを濃化させようとすれば、ZnやAlを主成分としためっき中に、SiやMnを5質量%以上含有させる必要がある。しかし、一方で、めっき中のSiやMnが多すぎると、却って、ナゲット周辺で割れが生じやすくなる。この傾向はめっき中にMnを含む場合に、特に顕著であり、この意味で、Al-Siめっき皮膜以外の、MnやSiを含むZnやAlを主成分とするめっきは実用的ではない。言い換えると、この点からも、鋼材のMn含有量やアルミ材のSi含有量の制御で、界面反応層中にMnやSiを濃化させることの意義が分かる。
【００４９】
これらの事項も踏まえ、本発明のめっき皮膜には、上記ZnやAlを主成分としためっき皮膜の内でも、特に88質量%以上のZnを含む亜鉛めっき皮膜が推奨される。また、その上で、更に8〜12質量%のFeを含む亜鉛めっき皮膜が鋼材の表面に施されていることが推奨される。
【００５０】
88質量%以上のZnを含む亜鉛めっき皮膜が鋼材表面に施されると、特に鋼材の耐食性が高く、亜鉛めっき皮膜は、融点を350〜950℃に制御しやすい。また、88質量%以上のZnを含む上に、更に8〜12質量%のFeを含む亜鉛めっきは、めっき皮膜の溶融排出時に残るFe成分とアルミ材とが効率よく反応する。これによって、短時間にて界面反応層の形成を制御し、0.1〜5μmの適正な界面反応層厚さとすることができる。もちろん耐食性も高く、異種金属接触腐食も抑制することができる。
【００５１】
なお、めっき皮膜に、上記した成分以外の他の成分も含有しても良い。但し、融点範囲が本発明範囲から外れないように、また、耐食性が劣らないように、更には、ナゲット周辺での割れなどの溶接不良が生じないような、添加成分、添加量とする。
【００５２】
鋼材やアルミニウム材のめっき方法については、本発明では制限するものではないが、既存の湿式、乾式などのめっき方法を用いることが可能である。特に、鋼材の亜鉛めっきにおいては、電気めっきや溶融めっき、溶融めっき後合金化処理を行う方法などが推奨される。また、アルミニウム材の亜鉛めっきにおいては、電気めっきや亜鉛置換めっきなどが例示される。
【００５３】
以上、スポット溶接の材料側の必須乃至好ましい条件について説明したが、以下に、スポット溶接部の必須乃至好ましい条件について説明する。
【００５４】
(ナゲット径)
スポット溶接におけるナゲット径は、アルミニウム材の板厚t2との関係で、4 ×t20.5〜7×t20.5の範囲となるようにスポット接合する。言い換えると、ナゲ ット径が4×t20.5〜7×t20.5の範囲となるようにスポット溶接条件を選定することが必要である。                                                       
【００５５】
従来から、同種の金属材料をスポット溶接する際には、金属材料tに対して、5×t0.5とすることが強度的にも作業性からみても、経済性からみても最適であるとされている。しかし、本発明のような異種金属材料同士の接合については報告が無い。この点、本発明者らは、スポット溶接におけるナゲット径が、アルミニウム材の板厚t2との関係で、4×t20.5〜7×t20.5の範囲であると十分な接合強度が得られ、さらに作業性、経済性ともに優れることを、新たに明らかにした。
即ち、本発明のような異種金属材料同士の接合の場合、最適ナゲット径は、アルミニウム材の板厚に依存しており、鋼材の板厚の影響は無視できるほど小さい。また、同種の金属材料のスポット溶接時の最適ナゲット径よりも大きい方に広く最適範囲が存在する。
【００５６】
ここで、ナゲット径が4×t20.5未満では、ナゲット径が小さく、接合強度が不十分である。また、ナゲット径が7×t20.5を越えると、ナゲット径は接合強度を得るのに十分であるが、チリが発生しやすく、アルミニウム材の減肉量が多いため、逆に接合強度が低下する。したがって、ナゲット径は4×t20.5〜7×t20.5の範囲とする必要があり、好ましくは5×t20.5〜7×t20.5の範囲とする。
【００５７】
(界面反応層)
また、本発明においては、前記した通り、スポット溶接において生成する界面反応層を制御する。この制御目安として、界面反応層の平均厚みを0.1〜5μmとすることが好ましい。脆い界面反応層の平均厚みが5μmを越えると、接合強度は著しく低下する。一方で、界面反応層の平均厚みが0.1μm未満の場合には、鋼材の酸化皮膜の影響が大きくなり、鋼材とアルミニウム材との金属間での接触が少なくなるために、逆に却って接合強度が低下する。したがって、界面反応層の平均厚みは0.1〜5μm、更には、0.1〜3μmとすることが好ましい。
この界面反応層の厚さの分析には、溶接部断面をSEM観察し、複数箇所の厚さを測定して平均化するのが簡便である。
【００５８】
また、本発明では、界面反応層中にMn、Siを所望のレベルに濃化させ、接合強度を高める。接合強度を高めるための、このMn、Siの濃化のレベルとしては、界面反応層中の厚み方向の中間点(厚み中心)での、Mn元素量とSi元素量とで規定することが好ましい。そして、接合強度を高めるための濃化レベルの目安として、この界面反応層中の厚み方向の中間点において、Mn元素量が鋼材のMn元素量との比で1.5倍以上、Si元素量がアルミニウム材のSi元素量との比で1.1倍以上で、かつ鋼材のSi元素量との比で1.1倍以上であることが好ましい。
【００５９】
これらMn、Siを上記所望のレベルに、界面反応層中に濃化させるためには、鋼材とアルミニウム材とのMn、Si含有量やスポット溶接条件などを適正化する必要がある。実際に試験したところでは、スポット溶接条件を適正化することにより、Mnは最大2.5倍、Siは最大1.8倍とすることができており、得られている濃化度の範囲では、これらMn、Siを濃化するほど接合強度が高くなる傾向にある。
【００６０】
界面反応層のMnやSiの濃化の程度は、溶接接合部の断面からのTEM-EDX分析やSIMSによる各々の二次イオン強度分析によって分析が可能であるが、SIMS（二次イオン質量分析装置）によってMnやSiの二次イオン強度を分析するのが誤差が少ないため推奨される。その上で、界面反応層の中間点でのMn、Si強度と、SIMSによって同様に求めたアルミニウム材、鋼材でのMn、Si強度との比から、界面反応層中のMn元素量/鋼材のMn元素量、界面反応層中のSi元素量/鋼材のSi元素量、界面反応層中のSi元素量/アルミニウム材のSi元素量として、各々求める。
【００６１】
(アルミニウム材の減肉量)
上記した通り、接合強度を確保する意味で、スポット溶接による接合後のアルミニウム材の減肉量できるだけ小さくすることが望ましい。この一つの目安として、アルミニウム材の最小残存板厚Δtが、元の板厚t2の50%以上であることが望ましい。より望ましくは最小残存板厚Δtが元厚t2の90%以上であることが良い。このアルミニウム材の最小残存板厚Δtは、断面より光学顕微鏡また はSEMにて観察し、板厚減肉長さを測定し、元の板厚との差を取って求める。
【００６２】
(スポット溶接)
図２に、本発明異種接合体を得るためのスポット溶接の一態様を例示する。図2におい て、１は鋼板、２はアルミニウム合金板、３は異種接合体、５はナゲット、７と８は電極である。
【００６３】
界面反応層の最適の制御として、界面反応層にめっき皮膜を残存させず、界面反応層の厚みを上記薄さに制御し、更に、界面反応層中にMnやSiを濃化させるには、スポット溶接条件も制御することが重要である。
【００６４】
(溶接入熱量)
この際、最も重要となるのが溶接入熱量である。上記界面反応層の最適制御のためには、スポット溶接における入熱量の合計を、スポット溶接工程の総入熱量として、1000〜10000Asecの範囲、望ましくは2500〜7500Asecの範囲とする。
【００６５】
この総入熱量が1000Asec未満、厳しくは2500Asec未満の場合は、界面からめっき皮膜層が完全に溶融排出せず、界面反応層が形成されず、めっき皮膜層が残存し、または界面反応層中へのめっき皮膜成分の残存が多くなり、また、ナゲットが十分に形成されない。このため、接合強度が低くなる。
【００６６】
一方、この総入熱量が10000Asecを越える、厳しくは7500Asecを越える場合は、めっき皮膜成分は十分に溶融排出されるが、界面反応層が厚く成長する。また、チリの発生が増加することから、アルミニウム材の板厚が減少する。このため接合強度が低くなる。
【００６７】
なお、スポット溶接工程の総入熱量は、溶接電流をI1、I2、‥‥（単位A）、溶接時間をT1、T2、‥‥（単位sec、ただし下付数字は溶接電流パターンのステップ）として、I1×T1＋I2×T2＋‥‥で表される。
【００６８】
(溶接電流値、時間)
ナゲット径が、上記したように、4×t20.5〜7 ×t20.5の範囲となるためには                                                                      スポット溶接の選択される工程を高電流工程とすることが好ましい。このような高電流工程を設けることで、ナゲットの割れも抑制される。
【００６９】
より具体的には、スポット溶接が複数の工程からなるとともに、溶接電流値及び／または溶接時間の異なる2以上の工程を有し、最初の工程を除く少なくとも一つの工程において高電流工程とする。そして、この高電流工程では、調整した10kA以上の電流を、アルミニウム材の板厚t2との関係で、100×t2msec以下流すこととする。
【００７０】
前記した通り、高電流で短時間のスポット溶接が、ナゲット径の確保、チリの低減、界面反応層の低減をいずれも満たす。10kA未満の低電流の場合、ナゲッ  トが形成、成長するのに十分な入熱量が得られない。ナゲット径を本発明の規定範囲内に保持するには、10kA以上に電流量を大きく増加することが必要である。また、100×t2msecを超える長時間の場合、ナゲット径は確保できるが 、チリの発生や界面反応層の成長をもたらすため、接合強度が低くなる。
【００７１】
(高電流工程と総入熱量)
更に、このような高電流工程を設ける場合、上記界面反応層の最適制御のためには、高電流工程の前工程までのスポット溶接総入熱量を1000〜10000Asecの範囲とすることが好ましい。
【００７２】
なお、通常の同種金属での溶接と同様に、接合される鋼材やアルミニウム材の板厚の増加に伴って、上記各範囲内で、通電時間のみならず、電流量も増加させることが好ましい。
【００７３】
(加圧力)
スポット溶接時の加圧力については、特に規定するものではないが、異種材料間、電極と材料間の電気的接触を安定化し、ナゲット内の溶融金属をナゲット周辺の未溶融部で支え、さらにチリの発生を抑制するために、ある程度高い加圧力を必要とする。ただし、加圧力を増加するとナゲット径が小さくなる傾向にあるので、それに伴って電流量を増加する必要がある。 
【００７４】
(電極形状)
スポット溶接の電極形状についても、特に規定するものではないが、特にアルミニウム材側の電極８については、Ｒの大きいＲ型形状の電極が、通電初期の電流効率を上げるために望ましい。鋼材側の電極７はドーム型などのＲ型でもＦ型でも構わないが、同様にＲの大きい方が望ましい。また、極性についても規定するものではないが、直流スポット溶接を用いる場合は、アルミニウム材側を陽極とし、鋼材側を陰極とする方が望ましい。
【００７５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例１】
【００７６】
表１に示す化学成分（質量％）を含有する供試鋼を溶製し、1.2mmの板厚となるまで圧延を行い、薄鋼板を得た。圧延後の連続焼鈍においては、500〜1000℃の焼鈍後 、油洗または水洗を行い、その後焼き戻しにより各供試鋼の目標強度に調整した。
【００７７】
また、アルミニウム材については板厚1mmの市販のA1050-O(Si:0.05質量%、Mn:含有無し、Al:99.50以上)、A6022-T4(Si:1.01質量%、Mn:0.07質量%、Mg:0.6質量%)、A6061-T4(Si:0.7質量%、Mn:0.07質量%、Mg:1.0質量%)の各アルミニウム合金板を用いた。
【００７８】
鋼材に亜鉛めっきを施す場合は、10%硫酸にて5分の酸洗・活性化後、以下の条件で、各種めっきを行った。 電気亜鉛めっきは、硫酸亜鉛400g/l、硫酸アルミニウム30g/l、塩化ナトリウム15g/l、ホウ酸30g/lに硫酸を加えてpHを3とした亜鉛めっき浴にて、20A/dm2の電流を流すことにより、亜鉛めっきを10μm施した。
Zn-10%Niめっきは、上記亜鉛めっき浴に硫酸ニッケル、塩化ニッケルを添加した浴にて10A/dm2の電流を流すことにより、Zn-10%Niめっきを10μm施した。また、比較例としてワット浴を用いて10A/dm2の電流を流すことにより、Niめっきを10μm施した。
【００７９】
溶融めっきは鋼材のみに行い、各種溶融金属を用いて、Alめっき、Al-9%Siめっき、Zn-Feめっき（Fe量5、8、10、15の各%）をそれぞれ10μm施した。溶融Zn-10%Feめっきでは、溶融金属中のFe成分、温度、引き上げ温度を変化させることにより、膜厚を1、3、10、15、20μmに調整した。
【００８０】
また、アルミニウム材に亜鉛めっきを施す場合は、10%硝酸にて30秒酸洗した後、水酸化ナトリウム500g/l、酸化亜鉛100g/l、塩化第二鉄1g/l、ロッセル塩10g/lの処理液中にて30秒亜鉛置換処理を行った後に、亜鉛（亜鉛合金を含む）電気めっきを行った。
【００８１】
各めっき膜厚は、めっき後のサンプルを切断し、樹脂に埋め込み、研磨をし、SEM観察を行った。この際、2000倍の視野にて３点厚さを測定し、平均化して求めた。
【００８２】
これら鋼板(鋼材)とアルミニウム合金板(アルミニウム材)とをJIS A 3137記載の十字引張試験片形状に加工した上で、スポット溶接を行い、異種接合体を作成した。
【００８３】
スポット溶接は、表２に示すように、溶接工程1〜3の3つの溶接工程を、選択的に、かつ各溶接電流(kA)、各溶接時間(msec)にて、一点の溶接を行った。この際、溶接工程2を高電流工程と設定した。なお、各スポット溶接工程には、直流抵抗溶接試験機を用い、共通して、加圧力1.5kNとし、Cu-Cr合金からなるドーム型の電極を用い、陽極をアルミニウム材、陰極を鋼材とした。
【００８４】
溶接後の異種接合体の、ナゲット径、アルミニウム材の最小残存板厚、界面反応層の厚さ、界面反応層へのMn、Siへの濃化度、接合強度、耐食性などを評価した。これらの結果を、表3〜7に各々示す。
【００８５】
ナゲット径は、下記十字引張試験後の異種接合体のサンプルを用い、JIS A 3137記載の方法により、光学顕微鏡を用いた断面分析によって、鋼材側にて測定した。
【００８６】
アルミニウム最小残存板厚も、下記十字引張試験後の異種接合体のサンプルを用い、ナゲット径と同様に、JIS A 3137記載の方法により、光学顕微鏡を用いた断面分析によって、但し、アルミニウム材側にて3点測定し平均化した。そして、元のアルミニウム材の板厚との比(%)で求めた。なお、本実施例では鋼材の酸化皮膜の差異によっては、ナゲット径、アルミニウム材の最小残存板厚はほとんど変化しなかった。
【００８７】
界面反応層(図1の6)の厚さ測定は、スポット溶接後の異種接合体のサンプルを用い、溶接部の中央にて切断し、樹脂に埋め込み、表面を研磨し、SEM観察を行った。この際、界面反応層の厚さが1μm以上の場合は2000倍の視野にて、界面反応層の厚さが1μm未満の場合は10000倍の視野にて、３点の厚さを測定し、平均化して求めた。
【００８８】
ここでの界面反応層とは、FeとAlの化合物層を指し、EDXにより、FeとAlがともに1wt%以上検出され、かつZnやNiの検出量がFe、Alよりも低い層をいう。即ち、FeとAlがともに1wt%以上検出されない層、またはZnやNiの検出量がFe、Alのいずれかより多い層はめっき層として界面反応層とはしなかった。
【００８９】
界面反応層のMnやSiの濃化の程度は、上記厚さ測定と同様に、埋め込みサンプルを作製し、断面からSIMS（CAMECA製ims5f）による二次イオン強度を測定した。一次イオンには8keVの酸素イオンを用い、接合界面を含む50×50μmの領域にて酸素イオンを照射して、正の二次イオンを検出することにより、界面と垂直方向にMn、Siの二次イオン強度を線分析した。測定は３回行い、界面反応層の中間点でのMn、Siの二次イオン強度と、アルミニウム材、鋼材でのMn、Siの二次イオン強度との比を各々MnやSiの濃化度として求め、平均化した。
【００９０】
接合強度の評価としては、異種接合体の十字引張試験を実施した。十字引張試験は、予め求めたA6022のアルミニウム材同士のスポット溶接における接合強度＝1.0kNを基準にした。そして、接合強度が0.9kN 以上であれば◎、0.7〜0.9kNであれば○、0.5〜0.7kNであれば△、0.5kN未満であれば×とした。
【００９１】
この接合強度の評価において、○以上は、剪断引張が生じる用途は勿論、十字引張が生じる用途にも適用可能であることを示す。一方、△のレベルは、剪断引張強度は確保できても、十字引張強度(剥離強度)の方が確保できず、用途は、剪断引張しか生じない特殊な用途に限定されるレベルであることを示している。
【００９２】
本実施例にて、接合強度の評価に十字引張試験を用いたのは、十字引張試験の方が、試験条件間での差異が大きかったためである。スポット溶接部は接合面に対して垂直方向の接合強度の方が、接合面に対して水平方向の接合強度に比して、強度が弱い。このため、接合面に対して水平方向に引っ張る剪断引張試験結果が良くても、接合面に対して垂直方向に引っ張る十字引張試験の結果が良いとは限らない。一方、十字引張試験の結果が良ければ、剪断引張試験結果の方も良いと言える。本実施例にても、剪断引張試験してみた結果は、上記十字引張試験結果と合致しており、十字引張試験にて○、◎の評価を得たものは、いずれも2.5kN以上の高い剪断強度であった。
【００９３】
表3の耐食性試験は、上記スポット溶接後の各異種接合体を、自動車材などでの使用を模擬して、リン酸亜鉛処理後に塗装処理を行なったものについて、行なった。即ち、各異種接合体のアルカリ脱脂を行い、水洗後、日本ペイント社製のサーフファイン5N-10の0.1%水溶液を用いて30秒表面調整処理を行った。その後、亜鉛イオン1.0g/l、ニッケルイオン1.0g/l、マンガンイオン0.8g/l、リン酸イオン15.0g/l、硝酸イオン6.0g/l、亜硝酸イオン0.12g/l、トーナー値2.5pt、全酸度22pt、遊離酸度0.3〜0.5pt、50℃の浴にて、2分リン酸亜鉛処理を行った。その後、カチオン電着塗料（日本ペイント社製パワートップV50グレー）により塗装し、170℃25分焼き付けし、30μmの塗装皮膜を形成した。
【００９４】
耐食性評価は、これらの塗装試験片の複合腐食試験にて行った。複合腐食試験は、塩水噴霧２時間、乾燥２時間、湿潤２時間を１サイクルとする試験をくり返し１００回行なった。そして、複合腐食試験後の接合部を剥離させて観察し、Alの最大腐食深さを測定した。耐食性評価は、Alの最大腐食深さが0.01mm未満であれば○、0.01〜0.1mmであれば△、0.1mm以上であれば×とした。
【００９５】
表3は、鋼材側かアルミニウム材側かに種々のめっきを施した際の、めっき条件による接合強度への影響を示している。具体的には、表1の980MPa級高張力鋼板に各種めっきを施し、A6022のアルミニウム合金板と、表２のＥの発明例の最適条件にてスポット溶接接合した場合の、溶接部の状況や接合強度を示す。
【００９６】
表３の比較例1から、最適条件にてスポット溶接接合しても、鋼材側かアルミニウム材側かに、めっきを設けない場合には、接合強度(十字引張試験結果)に劣るだけでなく、耐食性が劣ることが分かる。
【００９７】
一方、発明例3、4、7〜10、12〜14は、鋼材またはアルミニウム材の表面に、3〜15μmの膜厚で、かつ融点が350〜950℃の範囲内にある、Zn及び/またはAlからなるめっき皮膜を予め施している。このため、比較的大きいナゲット径を得つつ、界面反応層を最適厚さに抑制し得ている。この結果、接合強度が高い。また、アルミニウム材の最小残存板厚も比較的厚く、減肉量も比較的小さいことから、チリの発生を最小量に抑えていることが分かる。
【００９８】
これに対して、比較例2、5、6、11、15、16は、鋼材またはアルミニウム材の表面に、Zn及び/またはAlからなるめっき皮膜を予め施しているものの、めっきの膜厚、融点、などが本発明範囲から外れる。
【００９９】
このため、例えば、めっきの融点が高すぎる比較例2、5、6、16は、最適条件にてスポット溶接接合しても、比較的大きいナゲット径は得られているものの、界面反応層が殆ど形成されていない。この結果、接合強度が著しく劣っている。また、アルミニウム材の最小残存板厚が比較的薄く、減肉量が比較的大きい。
【０１００】
めっきの膜厚が薄すぎる比較例11は、めっきが無い比較例1と同様に、最適条件にてスポット溶接接合しても、接合強度に劣るだけでなく、耐食性が劣る。
【０１０１】
逆に、めっきの膜厚が厚すぎる比較例15は、比較的大きいナゲット径は得られているものの、界面反応層が殆ど形成されていない。この結果、接合強度が著しく劣っている。また、アルミニウム材の最小残存板厚が比較的薄く、減肉量が比較的大きい。
【０１０２】
以上の結果から、本発明は、鋼材とアルミニウム材との異材を、直接スポット溶接にて接合するに際し、再現性良く、また、アルミニウム材の減肉量増大など新たな問題が生じることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる効果を有することが分かる。また、本発明異材接合体における、鋼材やアルミニウム材などの母材側に、溶接前に予め設けるめっき皮膜の融点、成分、膜厚などの因子の臨界的な意義が分かる。
【０１０３】
次に、表4〜7は、表1の種々の強度の鋼板を用い、スポット溶接条件を表2のA〜Gまで変えた場合の、スポット溶接条件による接合強度への影響を示している。より具体的には、表1の270〜980MPa級までの種々の強度の鋼板を、溶融Zn-10%Feめっきを10μm予め施す、同じめっき条件にして、前記各種アルミニウム合金板と、表2のA〜Gまでのスポット溶接接合した場合の、溶接部の状況や接合強度を示す。
【０１０４】
表4は、270MPa級鋼板とA1050-Oのアルミニウム合金板との組み合わせの異材接合体である。表5は、440MPa級鋼板とA6022-T4のアルミニウム合金板との組み合わせの異材接合体である。表6は、590MPa級鋼板とA6061-T4のアルミニウム合金板との組み合わせの異材接合体である。表7は、980MPa級鋼板とA6022-T4のアルミニウム合金板との組み合わせの異材接合体である。なお、表4〜7において、耐食性試験結果は全て○であったため、各表には記載していない。
【０１０５】
表4において、A1050の純アルミ系のアルミニウム合金板を用いた場合(鋼中のMn量は本発明範囲内)、素材アルミニウム材中のSi量が本発明範囲よりも低すぎる。この結果、界面反応層中のSiの対アルミニウム材Si比が比較的低く、界面反応層中にSiが濃化していない。このため、表4から分かる通り、表2のA〜Gまでのスポット溶接条件によらず、高い接合強度を得られない。
【０１０６】
表5において、上の比較例二つは、表2のA(総入熱量が小さすぎる)、B(高電流工程2の入熱量が小さすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、A6022のアルミニウム合金板を用い、素材アルミニウム材中のSi量が本発明範囲内であり、鋼中のMn量も本発明範囲内であっても、界面反応層自体が生成していない。この結果、その下の4つの発明例に比較して、接合強度が著しく低くなっている。
【０１０７】
また、表5において、一番下の比較例は、表2のG(総入熱量が大きすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、界面反応層の平均厚みが5μmを越えて厚くなっており、接合強度は低下している。これは、アルミニウム材の最小残存板厚が50%未満と著しく薄く、減肉量が著しく大きいことにもよる。
【０１０８】
これに対して、表5の4つの発明例は、ナゲット径が4×t20.5〜7 ×t20.5の範囲となっており、界面反応層の厚みも好ましい範囲内で、界面反応層のMnやSiの濃化度も比較的高い。このため、比較例に比して接合強度が著しく高い。
【０１０９】
ただ、表5の4つの発明例の中でも、表2のD、Eの最適スポット溶接条件で接合している発明例は、溶接電流値、時間の異なる工程1〜3、あるいは1、2を有し、工程2において、10kA以上の電流を100×t2msec以下流す高電流工程としている。また、高電流工程2の前工程である工程1のスポット溶接総入熱量を1000〜10000Asecの範囲としている。この結果、表2のC(工程1のスポット溶接総入熱量小)、とF(総入熱量大)など、これらの最適条件から外れたスポット溶接条件で接合している発明例に比して、接合強度が比較的高い。
【０１１０】
表6においても、上の比較例二つは、表2のA(総入熱量が小さすぎる)、B(高電流工程2の入熱量が小さすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、A6061のアルミニウム合金板を用い、素材アルミニウム材中のSi量が本発明範囲内であり、鋼中のMn量も本発明範囲内であっても、A溶接条件では、界面反応層自体が生成しておらず、B溶接条件では、界面反応層自体が生成しているものの界面反応層のMnやSiの濃化度が低い。この結果、その下の4つの発明例に比較して、接合強度が著しく低くなっている。
【０１１１】
また、表6において、一番下の比較例は、表2のG(総入熱量が大きすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、界面反応層の平均厚みが5μmを越えて厚くなっており、接合強度は低下している。これは、アルミニウム材の最小残存板厚が0%であり、減肉量が著しく大きいことにもよる。
【０１１２】
これに対して、表6の4つの発明例は、ナゲット径が4×t20.5〜7 ×t20.5の範囲となっており、界面反応層の厚みも好ましい範囲内で、界面反応層のMnやSiの濃化度も比較的高い。このため、比較例に比して接合強度が著しく高い。
【０１１３】
ただ、表6の4つの発明例の中でも、表2のD、Eの最適スポット溶接条件で接合している発明例は、溶接電流値、時間の異なる工程1〜3、あるいは1、2を有し、工程2において、10kA以上の電流を100×t2msec以下流す高電流工程としている。また、高電流工程2の前工程である工程1のスポット溶接総入熱量を1000〜10000Asecの範囲としている。この結果、表2のF(総入熱量大)など、これらの最適条件から外れたスポット溶接条件で接合している発明例に比して、接合強度が比較的高い。
【０１１４】
なお、C(工程1のスポット溶接総入熱量小)の最適条件から外れたスポット溶接条件で接合している発明例も、D、Eの最適スポット溶接条件で接合している発明例と同様に接合強度が高く、表5の同じく、Cのスポット溶接条件で接合している発明例とは違った結果となっている。これは、同じく総入熱量小であっても、表6の方の鋼板の強度が比較的高いためであり、工程1の総入熱量小の場合に、より高強度な鋼板を用いることの、溶接制約条件の緩和も含めた利点を示している。
【０１１５】
表7においても、上の比較例二つは、表2のA(総入熱量が小さすぎる)、B(高電流工程2の入熱量が小さすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、A6022のアルミニウム合金板を用い、素材アルミニウム材中のSi量が本発明範囲内であり、鋼中のMn量も本発明範囲内であっても、A溶接条件では、界面反応層自体が生成しておらず、B溶接条件では、界面反応層自体が生成しているものの界面反応層のMnやSiの濃化度が低い。この結果、その下の3つの発明例に比較して、接合強度が著しく低くなっている。
【０１１６】
また、表7において、一番下の比較例は、表2のG(総入熱量が大きすぎる)のスポット溶接条件で接合している。このため、界面反応層の平均厚みが5μmを越えて厚くなっており、接合強度は低下している。これは、アルミニウム材の最小残存板厚が0%であり、減肉量が著しく大きいことにもよる。
【０１１７】
これに対して、表7の3つの発明例は、ナゲット径が4×t20.5〜7 ×t20.5の範囲となっており、界面反応層の厚みも好ましい範囲内で、界面反応層のMnやSiの濃化度も比較的高い。このため、比較例に比して接合強度が著しく高い。3つの発明例の中でも2つは、表2のD、Eの最適スポット溶接条件で接合している発明例は、溶接電流値、時間の異なる工程1〜3、あるいは1、2を有し、工程2において、10kA以上の電流を100×t2msec以下流す高電流工程としている。また、高電流工程2の前工程である工程1のスポット溶接総入熱量を1000〜10000Asecの範囲としている。
【０１１８】
また、C(工程1のスポット溶接総入熱量小)の最適条件から外れたスポット溶接条件で接合している発明例も、D、Eの最適スポット溶接条件で接合している発明例と同様に接合強度が高い。これは、表6と同様の鋼板の強度効果であり、工程1の総入熱量小の場合に、より高強度な鋼板を用いることの、溶接制約条件の緩和も含めた利点を示している。
【０１１９】
なお、表7の表2のF(総入熱量大)の最適条件から外れたスポット溶接条件で接合している比較例は、表7の他の発明例に比して接合強度が比較的低い。この結果は、前記表5、6の同じFのスポット溶接条件で接合している発明例の結果と異なる。また、比較例は、このアルミニウム材の最小残存板厚が30%と著しく薄く、減肉量が著しく大きい。これは、表7の980MPa級鋼板のような高強度になると、総入熱量が大きい場合の、アルミニウム材の減肉量などへの悪影響がより大きくなるものと推考される。
【０１２０】
以上の表4〜7の結果から、素材条件を満たした上で、高い接合強度を得られるスポット溶接条件としては、総入熱量が必須であることが分かる。また、電流値が10kA以上であり、接合時間が100×t2msec以下（実施例ではアルミ材の板厚が1mmであるから100msec以下）流す、高電流工程が有効であることが望ましいことが分かる。
【０１２１】
また、鋼中のMn量、アルミニウム材中のSi量が請求項範囲内でも、スポット溶接条件によって、界面反応層の厚さが5μmを越える場合や、アルミニウム材の最小残存板厚が50%未満の場合、界面反応層のMn、Si濃化度やナゲット径が本発明の請求範囲を満たさない場合は、接合強度が低くなることがわかる。言い換えると、本発明で規定する要旨を満たすことによって、界面反応層を最適範囲に制御でき、界面反応層のMn、Si濃化度を高くできて、アルミニウム材の減肉量を抑制した、高い接合強度の接合体を得ることができる。
【０１２２】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明で規定する各要件の臨界的な意義が分かる。
【０１２３】
【表１】
2005305504.tif 000003
【０１２４】
【表２】
2005305504.tif 000004
【０１２５】
【表３】
2005305504.tif 000005
【０１２６】
【表４】
2005305504.tif 000006
【０１２７】
【表５】
2005305504.tif 000007
【０１２８】
【表６】
2005305504.tif 000008
【０１２９】
【表７】
2005305504.tif 000009
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明によれば、クラッド材などの他材料を入れることなく、また別工程を入れることなく、更に、鋼材側やアルミニウム材側、あるいはスポット溶接側条件を大きく変えることなく、接合強度の高いスポット溶接をなしうる、鋼材とアルミニウム材との異種接合体を提供できる。このような接合体は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築構造物等における各種構造部材として大変有用に適用できる。したがって、本発明は鋼材とアルミニウムとの異種接合体の用途を大きく拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の異種接合体を示す断面図である。
【図２】異種接合体を得るためのスポット溶接の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１：鋼板、２：アルミニウム合金板、３：異種接合体、４：酸化皮膜、
５：ナゲット、６：界面反応層、７、８：電極  
【図１】
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【図２】
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