特許 6984469 異種金属板の接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6984469

(24)【登録日】2021年11月29日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】異種金属板の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/20 20060101AFI20211213BHJP

【ＦＩ】

   B23K11/20

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-21780(P2018-21780)

(22)【出願日】2018年2月9日

(65)【公開番号】特開2019-136737(P2019-136737A)

(43)【公開日】2019年8月22日

【審査請求日】2020年9月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】豊田 哲弘

【審査官】 正木 裕也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０１９５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７３７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 上田俶完、新家光雄，鉄合金と溶融Ａｌとの反応によって生成する合金層について，日本金属学会誌，1978年，42巻／6号，543-549 ，https://www.jstage.jst.go.jp/article/jinstmet1952/42/6/42_6_543/_article/-char/ja

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの異種金属板同士の接合方法であって、
前記異種金属板として、第１金属からなる第１金属板と、前記第１金属よりも体積抵抗率が高く、かつ、前記第１金属よりも融点が高い第２金属からなる第２金属板と、を前記第２金属板が載置台に載置された状態で重ね合わせ、前記第２金属板のうち、前記第１金属板に重ね合わせた部分の表面に、一対の電極を接触させる工程と、
前記一対の電極の間に、前記第２金属板を介して電流を通電することにより、前記第２金属の融点よりも低くかつ前記第１金属の融点よりも高い温度に、前記電流が通電する通電領域の前記第２金属を固相状態で抵抗発熱させて、抵抗発熱させた前記第２金属からの熱で、前記第１金属板の表面のうち前記第２金属板側の表面から、前記載置台側に向かって前記第１金属板の一部を溶融し、前記第１金属板と前記第２金属板との間に、前記第１金属と前記第２金属との金属間化合物を生成し、生成した前記金属間化合物を介して前記第１および第２金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする異種金属板の接合方法。

【請求項2】

前記一対の電極を接触させる工程において、前記一対の電極の間に、非導電性材料からなる加圧用部材を配置し、
前記第１および第２金属板を接合する工程において、前記一対の電極の間に配置された前記加圧用部材で前記第２金属板を前記第１金属板に向かって加圧しながら、前記一対の電極間への通電を行うことにより、前記金属化合物の一部を押し出しながら前記第１および第２金属板を接合することを特徴とする請求項１に記載の異種金属板の接合方法。

【請求項3】

前記第１金属板は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板であり、前記第２金属板は、鋼板であることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属板の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、体積抵抗率の異なる２つの異種金属板同士の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、アルミニウム合金板と鋼板とを接合する際には、スポット溶接などにより接合することがある。この種のスポット溶接として、例えば、特許文献１には、アルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせて、この重ね合わせた部分に一対の電極を挟み込んで、これらを加圧し、この加圧状態を保持しながら、電極間に電流を通電することにより抵抗スポット溶接を行う、異種金属板の接合方法が提案されている。この接合方法によれば、電極間に電流が通電された際に、アルミニウム合金板と鋼板のうち電流が流れる部分が、これらの電気抵抗により発熱して溶融し、これらが接合される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１５２７８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に示す接合方法で、アルミニウム合金板と鋼板のような異種金属板同士を接合する場合、一方の金属板よりも体積抵抗率の低い他方の金属板は、一方の金属板に比べて、通電により発熱し難い。このため、一方の金属板を溶融させるに必要とされる電流値よりも高い電流を通電しなければならない。

【0005】

これにより、これらの異種金属板同士を接合する際には、体積抵抗率の高い一方の金属板に溶融させるに必要とされる電流値よりも大きい電流を通電しなければ、他方の金属板を溶融することができないため、一方の金属板に過剰な電流が通電されることになる。このような結果、過剰な電流が通電された一方の金属板において、この電流により溶融した部分にはボイド等が生成されるおそれがあり、異種金属板同士の接合強度が十分に得られないことが想定される。

【0006】

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、体積抵抗率の異なる２つの異種金属板同士の接合強度を高めることができる異種金属板の接合方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を鑑みて、本発明に係る異種金属板の接合方法は、２つの異種金属板同士の接合方法であって、前記異種金属板として、第１金属からなる第１金属板と、前記第１金属よりも体積抵抗率が高く、かつ、前記第１金属よりも融点が高い第２金属からなる第２金属板とを重ね合わせ、前記第２金属板のうち、前記第１金属板に重ね合わせた部分の表面に、一対の電極を接触させる工程と、前記一対の電極の間に電流を通電することにより、前記第２金属の融点よりも低くかつ前記第１金属の融点よりも高い温度に、前記電流が通電する通電領域の前記第２金属を抵抗発熱させて、抵抗発熱させた前記第２金属からの熱で前記第１金属板の一部を溶融し、前記第１金属板と前記第２金属板との間に、前記第１金属と前記第２金属との金属間化合物を生成し、生成した前記金属間化合物を介して前記第１および第２金属板を接合する工程と、を含むことを特徴とする。

【0008】

なお、本発明でいう「第１金属からなる第１金属板」は、第１金属のみで構成される第１金属板、第１金属のみで構成される板状の母材に金属メッキ皮膜が形成されているものを含み、実質的に、第１金属を主材として構成されるものをいう。同様に、本発明でいう「第２金属からなる第２金属板」は、第２金属のみで構成される第２金属板または第２金属のみで構成される板状の母材に金属メッキ皮膜が形成されているものを含み、実質的に、第２金属を主材として構成されるものをいう。さらに、本発明でいう、「第１金属および第２金属」は、その金属元素で構成される金属のみであってもよく、他の金属が添加された合金であってもよい。

【0009】

本発明によれば、第２金属板のうち、第１金属板に重ね合わせた部分の表面に、一対の電極を接触させ、これらの電極間に電流を通電する。この際、第２金属の融点よりも低くかつ第１金属の融点よりも高い温度に、通電領域の第２金属を抵抗発熱させる。これにより、第２金属板は溶融せず、通電領域を含む部分が固相状態で昇温され、この昇温された部分の第２金属の熱が、これに隣接した第１金属板に伝達される。この結果、第１金属板は、抵抗発熱で昇温された第２金属からの熱により溶融する。この際、第１金属板の溶融した部分に接触する第２金属板の第２金属は、第１金属側に拡散し、第１金属板と第２金属板との間に、第１金属と第２金属とにより構成された金属間化合物が生成される。このような結果、この金属間化合物が接合材となって、第１金属板と第２金属板とを接合することができる。

【0010】

さらに、第２金属板の表面に含まれる不純物を、第２金属板を溶融することなく、第１金属板の溶融した部分に拡散させることができる。このため、第２金属板の表面には、第２金属からなる新生面が形成され、この新生面と第１金属板の溶融した部分が接触し、この新生面に金属間化合物を生成することができる。このような結果、第１金属板と第２金属板の接合強度を高めることができる。

【0011】

本発明によれば、これまでの接合方法のように、第１金属板に比べて体積抵抗率の高い第２金属板に、第２金属を溶融する過剰な電流を通電する必要がなく、第２金属を固相の状態で、第１金属のみを溶融し、第１および第２金属板を接合することができる。したがって、過剰加熱に起因したボイドが、第２金属板およびその接合部分にも生成され難い。さらに、過剰加熱により、高温となった接合部分を放冷すると、接合部分の組織は、粗大化し易いが、本発明では、このような過剰加熱を抑制することができるので、接合部分の組織の粗大化を回避し、接合部分の強度を確保することができる。

【0012】

さらに、電極間の通電により、第１および第２金属板の接合が確保されていれば、第１および第２金属同士を押圧しなくても良いが、より好ましい態様としては、前記一対の電極を接触させる工程において、前記一対の電極の間に、非導電性材料からなる加圧用部材を配置し、前記第１および第２金属板を接合する工程において、前記一対の電極の間に配置された前記加圧用部材で前記第２金属板を前記第１金属板に向かって加圧しながら、前記一対の電極間への通電を行う。

【0013】

この態様によれば、一対の電極間に配置された加圧用部材で、第２金属板を第１金属板に向かって加圧しながら、一対の電極間に通電を行うので、第１金属板と第２金属板との間に生成された余剰な金属間化合物を、その周りに押し出すことができる。これにより、接合部分の余剰な金属間化合物を低減し、金属間化合物の厚さを薄く保つことができるため、接合部分の強度を高めることができる。

【0014】

さらに、第２金属が、第１金属よりも体積抵抗率が高く、かつ融点が高ければ、第１および第２金属の種類は特に限定されるものではないが、より好ましい態様としては、前記第１金属板は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板であり、前記第２金属板は、鋼板である。

【0015】

ここで、第１金属板を構成するアルミニウムまたはアルミニウム合金は、融点が６００℃程度であり、第２金属板を構成する鋼は、１５００℃程度である。したがって、この態様によれば、電極間の通電により、第２金属板を溶融させずに、これを構成する第２金属を抵抗発熱させ、この抵抗発熱させた熱で、第１金属であるアルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融することができる。この際、第１金属板のうち、アルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融した部分（液相部分）に、第２金属板である鋼板（固相）の鉄等が拡散する。この結果、第１金属板と第２金属板との間に、アルミニウムおよび鉄を少なくとも含む金属間化合物が生成される。この金属化間化合物が、第１金属板と第２金属板の接合材となる。

【0016】

また、亜鉛めっき鋼板等のめっき皮膜がされた鋼板は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板に十分な接合強度で接合し難い。しかしながら、この態様では、鋼板の表面に形成されためっき皮膜の金属は、溶融したアルミニウムまたはアルミニウム合金に拡散されるため、鋼板の新生面が生成されるため、これらの接合強度を高めることができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、異なる金属材料からなる２つの異種金属板同士の接合強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置の正面図である。

【図2】図１に示す抵抗溶接装置の左側面図である。

【図3A】図１に示す抵抗溶接装置を用いた接合方法による、第２金属板の加熱状態を説明するための模式的断面図である。

【図3B】図３Ａに示す状態から、前記第１金属板を溶融し、第１金属板と第２金属板との間に生成された金属間化合物を加圧によりその周りに押し出した状態を説明するための模式的断面図である。

【図4】各実施例と各比較例の通電時間を電流との関係を示したグラフである。

【図5】実施例１−１に係る試験体の断面写真である。

【図6A】実施例１−１の試験体の接合部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した断面写真である。

【図6B】図６Ａの接合部分を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で分析した画像である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の実施形態に係る異種金属板の接合方法を説明する。

【0020】

１．抵抗溶接装置１について
まず、図１および図２を参照しながら、本発明の実施形態に係る異種金属板の接合方法を行うのに好適な抵抗溶接装置１を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１の正面図である。図２は、図１に示す抵抗溶接装置１の左側面図である。

【0021】

図１および図２に示すように、抵抗溶接装置１は、体積抵抗率および融点が異なる金属からなる異種金属板を、抵抗溶接により接合するための装置である。具体的には、抵抗溶接装置１では、後述する第１金属からなる第１金属板１１と、第１金属よりも体積抵抗率が高く、かつ第１金属よりも融点が高い第２金属からなる第２金属板１２と、を溶接する。

【0022】

抵抗溶接装置１は、装置本体４と、第１および第２金属板１１、１２を支持する支持部５と、第１および第２金属板１１、１２を溶接する溶接部６と、溶接部６を昇降させる昇降部７と、溶接部６に電流を供給する電流供給部８と、昇降部７と電流供給部８とを制御する制御部９と、を備えている。

【0023】

装置本体４は、図２に示すように、ハウジング４１と、ハウジング４１の上部から水平方向に延在した上アーム４２と、上アーム４２に対向するように、ハウジング４１の下部から水平方向に延在した下アーム４３と、を備えている。上アーム４２には、昇降部７を介して溶接部６が取り付けられており、下アーム４３には、支持部５が取り付けられている。

【0024】

支持部５は、支持ブロック５１と、第１および第２支持アーム５２、５３と、載置台５４と、を備えている。支持ブロック５１は、一対の上下ブロック５１ａ、５１ｂからなり、下ブロック５１ａは、下アーム４３に固定されている。上ブロック５１ｂは、第１支持アーム５２を挟持するように、下ブロック５１ａに取り付けられている。

【0025】

第１支持アーム５２は、支持ブロック５１から水平方向に延在しており、支持ブロック５１に取り付けられたアーム本体５２ａと、アーム本体５２ａの先端において、第２支持アーム５３を把持するようにアーム本体５２ａに取り付けられる固定部材５２ｂと、を備えている。第２支持アーム５３は、支持ブロック５１から上方に延在しており、その先端には、載置台５４が取り付けられている。この載置台５４に、被溶接材である第１金属板１１および第２金属板１２が載置される。

【0026】

溶接部６は、昇降部７を介して、上アーム４２に取り付けられている。昇降部７は、シリンダ７１と、シリンダ７１の内部を摺動するピストン７２と、シリンダ７１内に所定の作動エアを供給する空気圧回路（エア回路）７３と、を備えている。空気圧回路７３は、圧縮された空気を供給するコンプレッサ７４に接続されており、制御部９からの制御信号に基づいて、シリンダ７１内において、ピストン７２の上昇側または下降側のいずれかのポートに、所定の圧力の作動エアを供給するよう制御される。なお、昇降部７は、モータの回転により直動する機構を有した電動加圧装置であってもよい。電動加圧装置を用いた場合であっても、後述する第１および第２金属板１１、１２の接合を行うことができる。

【0027】

このようにして、ピストン７２が上下方向に昇降し、その結果、後述する溶接部６の一対の電極６６、６７、および加圧用部材６８を、載置台５４（すなわち、第１金属板１１）側に移動することができる。

【0028】

溶接部６は、シリンダ７１の先端に取り付けられた保持ブロック６１と、保持ブロック６１から水平方向に延在した一対の第３支持アーム６２、６３と、各第３支持アーム６２、６３から下方に延在した一対の第４支持アーム６４、６５を備えている。さらに、溶接部６は、第４支持アーム６４、６５の先端に、一対の電極６６、６７と、これらの間に配置された加圧用部材６８と、を備えている。

【0029】

保持ブロック６１は、固定用ブロック６１ａと、一対の把持用ブロック６１ｂ、６１ｂとを備えている。固定用ブロック６１ａは、樹脂またはセラミックス等の非導電性材料からなる。各把持用ブロック６１ｂは、電流供給部８の正極側または負極側に接続されている。各把持用ブロック６１ｂは、導電性を有した材料であり、例えば、鋼合金などの金属材料からなり、溶接される第２金属板１２を構成する第２金属の体積抵抗率よりも低い材料からなることが好ましい。これにより、溶接時における把持用ブロック６１ｂの発熱を抑えることができる。

【0030】

固定用ブロック６１ａには、各第３支持アーム６２、６３の一部を収容する一対の凹部が形成されており、各把持用ブロック６１ｂは、各第３支持アーム６２、６３を把持するように、固定用ブロック６１ａに取り付けられている。さらに、各把持用ブロック６１ｂは、離間しており、相互に接触していない。これにより、第３支持アーム６２、６３同士は、直接的には、非導通状態になっている。

【0031】

各第３支持アーム６２（６３）は、把持用ブロック６１ｂで例示した金属材料などの導電性材料からなり、アーム本体６２ａ（６３ａ）と、アーム本体６２ａ（６３ａ）の先端において、第４支持アーム６４（６５）を挟持するように、アーム本体６２ａ（６３ａ）に取り付けられた固定部材６２ｂ（６３ｂ）と、を備えている。

【0032】

第４支持アーム６４（６５）は、把持用ブロック６１ｂで例示した金属材料などの導電性材料からなり、第３支持アーム６２（６３）から下方に延在しており、その先端には、電極６６（６７）が取り付けられている。本実施形態では、各電極６６、６７の内部には、冷却水が流れる冷却流路（図示せず）が形成されており、冷却流路に、冷却水を流すことにより、溶接時に、各電極６６、６７を冷却することができる。

【0033】

一対の電極６６、６７は、クロム銅（Ｃｕ−Ｃｒ）、クロム・ジルコニウム銅（Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ）、ベリリウム銅（Ｃｕ−Ｂｅ）、タングステン銅（Ｃｕ−Ｗ）などの銅合金からなり、これらは、離間した状態で対向して配置されている。このような配置状態で、一対の電極６６、６７の間には、加圧用部材６８を収容する空間が形成され、この空間に、加圧用部材６８が収容されている。本実施形態では、加圧用部材６８は、一対の電極６６、６７に挟持されている。加圧用部材６８は、セラミックスまたは熱硬化性樹脂などの非導電性材料からなる。これにより、加圧用部材６８には、一対の電極６６、６７間の電流は流れない。

【0034】

このように構成することにより、本実施形態では、加圧用部材６８は、昇降部７の昇降により、一対の電極６６、６７とともに上下方向に移動する。なお、本実施形態では、一対の電極６６、６７と、加圧用部材６８とは、１つの昇降部７により一体的に移動するため、一対の電極６６、６７と、加圧用部材６８とにより、同時に加圧されるが、例えば、加圧用部材６８を、上述した昇降部７とは別の昇降部をさらに設けてもよい。これにより、一対の電極６６、６７と異なるタイミングで加圧用部材６８を昇降し、かつ、一対の電極６６、６７が第１金属板１１と接触する接触圧に依存しない加圧力（例えば、一対の電極６６、６７より高い加圧力）で、加圧用部材６８を第１金属板１１に加圧することができる。

【0035】

電流供給部８は、一対の電極６６、６７間に、電流を供給するものであり、電源８４に接続された電気回路８３と、電気回路８３に接続された一次コイル８１と、一次コイル８１に通電された電流を増大させる二次コイル８２と、を備えている。二次コイル８２は、一対の把持用ブロック６１ｂ、６１ｂに電気的に接続されている。溶接を行う際には、制御部９からの制御信号が、電気回路８３に入力され、電源８４からの電流が一次コイル８１に流れることにより、一次コイル８１が励磁され、これにより生成された磁束が、コア内を流れ、二次コイル８２に電流が流れる。これにより、一対の電極６６、６７が第１金属板１１に接触した状態で、一対の電極６６、６７間に電流を通電することができる。

【0036】

２．異種金属板の接合方法について
以下に、図１および図２に加え、図３Ａおよび図３Ｂをさらに参照しながら、抵抗溶接装置１を用いた２つの異種金属板同士の接合方法について説明する。図３Ａは、図１に示す抵抗溶接装置を用いた接合方法による、第２金属板の加熱状態を説明するための模式的断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す状態から、前記第１金属板を溶融し、第１金属板と第２金属板との間に生成された金属間化合物を加圧によりその周りに押し出した状態を説明するための模式的断面図である。

【0037】

２−１．異種金属板を準備する工程について
まず、本実施形態では、溶接される２つの異種金属板として、体積抵抗率および融点が異なる金属からなる第１金属板１１と、第２金属板１２を準備する。第１金属板１１は、第１金属からなり、第２金属板１２は、第１金属とは異なる第２金属からなり、第２金属の体積抵抗率は、第１金属の体積抵抗率よりも高く、かつ、第２金属の融点は、第１金属の融点よりも高い。なお、第１金属板１１または第２金属板１２の間にメッキ皮膜などの金属皮膜が形成されていてもよい。また、第１金属板１１の板厚は、０．５〜５．０ｍｍであることが好ましく、第２金属板１２の板厚は、０．５〜５．０ｍｍであることが好ましい。

【0038】

本実施形態では、その一例として、第１金属板１１は、アルミニウム板またはアルミニウム合金板であり、第１金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。第２金属板１２は、鋼板であり、第２金属は、鋼である。例えば、２０℃において、アルミニウムまたはアルミニウム合金の体積抵抗率は、２〜６×１０^−８Ω・ｍであり、鋼の体積抵抗率は、１０〜２０×１０^−８Ω・ｍであり、アルミニウムまたはアルミニウム合金が溶融する温度帯においても、アルミニウムまたはアルミニウム合金の体積抵抗率に対して、鋼の体積抵抗率は高い。また、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点は、６００℃程度であり、鋼の融点は、１５００℃程度であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金の融点に対して、鋼の融点は高い。

【0039】

なお、後述するような接合を好適に行うためには、第１金属板１１の第１金属の融点において、第１金属板を構成する第１金属の体積抵抗率に対して、第２金属を構成する第２金属の体積抵抗率が、５×１０^−８Ω・ｍ以上大きいことが好ましく、さらに、第１金属の融点に対して、第２金属の融点は、４００℃以上大きいことが好ましい。これにより、第２金属板１２に通電される電流が第１金属板１１に電流が流れることを低減し、第２金属の抵抗発熱により、第１金属板１１を溶融することを好適に行うことができる。このような組み合わせとしては、第１金属板がアルミニウム板またはアルミニウム合金板であり、第２金属板が鋼板である場合の他に、例えば、第１金属板がマグネシウム板であり、第２金属板が鋼板である場合を挙げることができる。

【0040】

２−２．接触工程について
次に、図１および図３Ａ等に示すように、第１金属板１１と、第２金属板１２とを重ね合わせ、第２金属板１２のうち、第１金属板に重ね合わせた重なり部分１２ａの表面に、一対の電極６６、６７を接触させる。

【0041】

具体的には、図１に示すように、第１金属板１１、第２金属板１２の順に、載置台５４に載置する。これにより、一対の電極６６、６７に対向する位置に、第２金属板１２が配置される。この状態で、制御部９からの制御信号に基づいて、空気圧回路７３を制御し、シリンダ７１に、作動エアを供給し、ピストン７２を降下させる。これに伴い、溶接部６が降下し、一対の電極６６、６７で、第２金属板１２の重なり部分１２ａが、所定の圧力で加圧される。さらに、これと同時に、一対の電極６６、６７の間に配置された加圧用部材６８で、第２金属板１２の重なり部分１２ａが所定の圧力で押圧される。

【0042】

なお、本実施形態では、一対の電極６６、６７と、加圧用部材６８とで、第２金属板１２の重なり部分１２ａを加圧したが、例えば、加圧用部材６８のみで、所定の圧力で第２金属板１２の重なり部分１２ａを加圧し、一対の電極６６、６７は、それよりも低い加圧力で接触させてもよい。このような接触状態は、加圧用部材６８の上面と、この上面に接触する各電極６６、６７の下面との間に、例えばバネ材などの弾性部材を配置することにより、実現することができる。すなわち、電極６６、６７を第２金属板１２の重なり部分１２ａに接触する位置まで下降させた際に、加圧用部材６８は、弾性部材の圧縮変形により、第２金属板１２の重なり部分１２ａに向かって付勢される。この付勢された力により、加圧用部材６８を第２金属板１２の重なり部分１２ａに押圧することができる。

【0043】

２−３．接合工程について
接合工程では、一対の電極６６、６７の間に電流を通電することにより、第２金属の融点よりも低くかつ第１金属の融点よりも高い温度に、電流が通電する通電領域１２ｂの第２金属を抵抗発熱させる。ここで、通電領域１２ｂが抵抗発熱するが、抵抗発熱する温度は、第２金属の融点よりも低いため、第２金属は溶融しない。しかしながら、通電領域１２ｂは、第１金属の融点以上に加熱されているため、この抵抗発熱させた第２金属からの熱で、第１金属板１１の一部が溶融する。これにより、第１金属板１１と第２金属板１２との間に、第１金属と第２金属との金属間化合物１３を生成し、金属間化合物１３を介して、第１および第２金属板１１、１２を接合する。

【0044】

より具体的には、制御部９からの制御信号に基づいて、電気回路８３を制御し、一次コイル８１に電流を通電することにより、二次コイル８２で電流を生成し、一対の電極６６、６７に電流を通電する。本実施形態では、一対の電極６６、６７の間に配置された加圧用部材６８で、第１金属板１１を第２金属板１２に向かって加圧しながら、一対の電極６６、６７間への通電を行う。

【0045】

この際、制御部９が電気回路８３を制御することにより、予め設定された電流の大きさおよび通電時間となるように、一対の電極６６、６７間に通電される電流の大きさおよび通電時間を制御する。この予め設定された電流の大きさおよび通電時間の条件は、第２金属の融点よりも低くかつ第１金属の融点よりも高い温度に、通電領域１２ｂの第２金属を抵抗発熱させることができる条件であり、事前に実験等を行うことにより求めることができる。

【0046】

これにより、第２金属板１２は溶融せず、通電領域を含む部分が固相状態で昇温され（図３Ａ参照）、この昇温された部分の第２金属の熱が、これに隣接した第１金属板１１に伝達される。この結果、第１金属板１１の一部（具体的には、通電領域１２ｂ近傍の第２金属板１２と接触する第１金属板１１の部分）は、抵抗発熱で昇温された第２金属からの熱により溶融する。なお、第２金属板１２は、第１金属板１１の第１金属よりも体積抵抗率が高く、かつ第１金属よりも融点が高い第２金属からなるので、第１金属板１１には、溶接時の電流が流れ難く、この電流により第１金属板１１が抵抗発熱により溶融しない。

【0047】

さらに、この時、第１金属板１１の溶融した部分１１ａに接触する第２金属板１２の第２金属は、第１金属板１１側（具体的には溶融した部分１１ａ）に拡散し、第１金属板１１と第２金属板１２との間に、第１金属と第２金属とにより構成された金属間化合物１３が生成される。このような結果、この金属間化合物１３が接合材となって、第１金属板１１と第２金属板１２とを接合することができる。

【0048】

さらに、第２金属板１２の表面の含まれる不純物を、第２金属板１２を溶融することなく、第１金属板１１の溶融した部分１１ａに拡散させることができる。このため、第２金属板１２の表面には、第２金属からなる新生面が形成され、この新生面と第１金属板１１の溶融した部分が接触し、この新生面に金属間化合物１３を生成することができる。このような結果、第１金属板１１と第２金属板１２の接合強度を高めることができる。

【0049】

このようにして、第２金属を固相の状態で、第１金属のみを溶融し、第１および第２金属板１１、１２を接合することができる。したがって、過剰加熱に起因したボイドが、第２金属板１２およびその接合部分にも生成され難く、接合部分の組織の粗大化を回避し、接合部分の強度を確保することができる。

【0050】

なお、溶接時には、各々の電極６６、６７は内部を流れる冷却水により冷却されており、第１金属板１１の表層は、電極６６、６７により冷却される。このため、電極６６、６７に接触する第２金属板１２の表面は、溶接時に電流が流れるその他の通電領域１２ｂに比べて昇温され難い。これにより、電極６６、６７が接触する第２金属板１２の表面が局所的に加熱することを低減することができる。

【0051】

ここで、例えば、金属間化合物１３は、第１金属および第２金属よりも脆いため、数μｍ以上成長すると、第１金属板１１と第２金属板１２との接合部分の強度が低下することがある。しかしながら、本実施形態では、上述した如く、図３Ｂに示すように、加圧用部材６８で、第２金属板１２を第１金属板１１に向かって加圧しながら、一対の電極６６、６７間に通電を行うので、第１金属板１１と第２金属板１２との間に生成された余剰な金属間化合物１３を、加圧用部材６８により、その周り（加圧範囲外）に押し出すことができる。これにより、接合部分の余剰な金属間化合物１３を低減し、金属間化合物１３の厚さを薄く保つことができるため、接合部分の強度を高めることができる。

【実施例】

【0052】

本発明の実施例を以下に説明する。

【0053】

［実施例１−１］
図１に示す抵抗溶接装置を用いて、第１金属板と第２金属板を接合した。まず、第１金属板に、板厚１．０ｍｍの６０００系アルミニウム合金を準備し、第２金属板に、板厚０．７ｍｍの合金化亜鉛メッキの超張力鋼板を準備した。次に、これらを重ね合わせて、表１に示すように、一対の電極および加圧用部材による加圧力を３．５ｋＮとし、通電時間を０．４２ｍｓｅｃとし、溶接電流を８．４ｋＡとして、一対の電極を第２金属板に接触させて、第１金属板と第２金属板を接合した試験体を作製した。

【0054】

［実施例１−２〜１−８］
実施例１−１と同様にして、実施例１−２〜１−８に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。なお、実施例１−８の場合、溶接時に第２金属板が過剰に発熱したために第１金属板が過剰に加熱され、第１金属板と第２金属板の間から溶融した第１金属が飛散した。なお、実施例１−１〜１−７の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散はなかった。これらの結果を表１に示す。なお、表１に示す、溶接時の第２金属板の溶融の有無は、電極の融着および後述する組織観察により確認した結果である。

【0055】

［比較例１−１、１−２］
実施例１−１と同様にして、比較例１−１、１−２に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。なお、比較例１−１、１−２では、実施例１−１〜１−８のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が小さい。なお、比較例１−１、１−２の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0056】

［実施例２−１〜２−６］
実施例１−１と同様にして、実施例２−１〜２−６に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値および通電時間の条件である。なお、実施例２−１〜２−６の通電時間は、すべて０．５０ｍｓｅｃである。また、実施例２−６の場合、実施例１−８と同様に、溶接時に第１金属板の第１金属が過剰に加熱され、第１金属板と第２金属板の間から溶融した第１金属が飛散した。一方、実施例２−１〜２−５の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これら結果を表１に示す。

【0057】

［比較例２−１〜２−５］
実施例２−１と同様にして、比較例２−１〜２−５に係る試験体を作製した。実施例２−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。比較例２−１〜２−５では、実施例２−１〜２−６のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が小さい。なお、比較例２−１〜２−５の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0058】

［実施例３−１〜３−５］
実施例１−１と同様にして、実施例３−１〜３−５に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値および通電時間の条件である。なお、実施例３−１〜３−５の通電時間は、すべて０．５８ｍｓｅｃである。また、実施例３−４、３−５の場合、実施例１−８と同様に、溶接時に第１金属板の第１金属が過剰に加熱され、第１金属板と第２金属板の間から溶融した第１金属が飛散した。なお、実施例３−１〜３−３の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0059】

［比較例３−１〜３−５］
実施例３−１と同様にして、比較例３−１〜３−５に係る試験体を作製した。実施例３−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。比較例３−１〜３−５では、実施例３−１〜３−３のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が小さい。なお、比較例３−１〜３−５の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0060】

［実施例４−１〜４−５］
実施例１−１と同様にして、実施例４−１〜４−５に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値および通電時間の条件である。実施例４−１〜４−５の通電時間は、すべて０．３３ｍｓｅｃである。なお、実施例４−１〜４−５の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0061】

［比較例４−１〜４−５］
実施例４−１と同様にして、比較例４−１〜４−５に係る試験体を作製した。実施例４−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。比較例４−１〜４−４では、実施例４−１〜４−５のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が小さく、比較例４−５は、実施例４−１〜３−５のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が大きい。なお、比較例４−５の場合、第１金属が過剰に加熱され、溶融した第１金属が飛散したことに加え、溶接時に第２金属板が溶融し、電極に第２金属板が溶着していた。比較例４−１〜４−４の場合、溶接時に溶融した第１金属の飛散は無かった。これらの結果を表１に示す。

【0062】

［実施例５−１］
実施例１−１と同様にして、実施例５−１に係る試験体を作製した。実施例１−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値および通電時間の条件である。なお、実施例５−１の通電時間は、０．２５ｍｓｅｃである。

【0063】

［比較例５−１〜５−８］
実施例５−１と同様にして、比較例５−１〜５−８に係る試験体を作製した。実施例５−１と相違する点は、表１および図４に示すように溶接時に通電する電流値の条件である。比較例５−１〜５−６では、実施例５−１の電流値よりも、溶接時の電流値が小さく、比較例５−７、５−８は、実施例５−１のいずれの電流値よりも、溶接時の電流値が大きい。なお、比較例５−７、５−８の場合、第１金属が過剰に加熱され、溶融した第１金属が飛散したことに加え、溶接時に第２金属板が溶融し、電極に第２金属板が溶着していた。

【0064】

（せん断強度試験）
上述したすべての試験体に対して、一方側に第１金属板を把持し、他方側に第２金属板を把持し、これらが離れる方向に荷重を作用させた。この時の試験体がせん断破壊した強度を、せん断強度とした。この結果を表１に示す。

【0065】

【表1】

【0066】

（顕微鏡観察等）
上述したすべての試験体を厚さ方向に切断し、その断面を、顕微鏡で観察するとともに、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で分析した。図５は、実施例１−１に係る試験体の断面写真である。図６Ａは、実施例１−１の試験体の接合部分を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した断面写真である。図６Ｂは、図６Ａの接合部分を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で分析した画像である。なお、表１には、すべての試験体に対して、第１金属板と第２金属板との間の金属間化合物の有無を記載した。

【0067】

（結果および考察）
表１に示すように、実施例１−１〜１−８、実施例２−１〜２−６、実施例３−１〜３−５、実施例４−１〜４−５、実施例５−１に係る試験体では、せん断強度が、１．４ｋＮを超えていた。しかしながら、比較例１−１、１−２、比較例２−１〜２−５、比較例３−１〜３−５、比較例４−１〜４−４、比較例５−１〜５−６に係る試験体では、せん断強度が、１．０ｋＮを下回っていた。

【0068】

さらに、図５に示すように、実施例１−１に係る試験体では、第１金属板のアルミニウム合金が溶接により溶融していたが、第２金属である鋼は、溶融していなかった。さらに、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、第１金属板と第２金属板との間には、Ｆｅ−Ａｌによる金属間化合物が生成されていた。なお、その他の実施例に係る試験体も同様に、第１金属であるアルミニウム合金は溶接により溶融し、第２金属板の鋼は溶融せず、第１金属板と第２金属板との間に金属間化合物が生成されていた。一方、せん断強度が１．０ｋＮを下回った比較例１−１、１−２、比較例２−１〜２−５、比較例３−１〜３−５、比較例４−１〜４−４、比較例５−１〜５−６に係る試験体では、第１金属板と第２金属板との間には、金属間化合物が生成されていなかった。

【0069】

これらの結果から、上述した実施例では、溶接時に、第２金属板が通電により加熱され（抵抗発熱し）、この熱により、第１金属板の一部が溶融したと考えられる。この第１金属板の第１金属の溶融により、第２金属板の第２金属が、第１金属の溶融した部分に拡散し、第１金属板と第２金属板との間に、金属間化合物が生成されたと考えられる。この結果、第１金属板と第２金属板との接合強度が向上したと考えられる。なお、第２金属板から第１金属板を押圧した部分の金属間化合物の厚さは、その周りの金属間化合物の厚さよりも薄くなっていた。

【0070】

一方、比較例１−１、１−２、比較例２−１〜２−５、比較例３−１〜３−５、比較例４−１〜４−４、比較例５−１〜５−６の場合、溶接時に通電される電流値、または、通電時間が十分でないため、第１金属板と第２金属板との間に、金属間化合物が生成されなかったと考えられる。

【0071】

なお、実施例１−８、実施例２−６、実施例３−４、３−５の場合、溶融した第１金属が飛散したが、第２金属板は溶融していなかったため、第１および第２金属板の加熱が過剰な加熱とならず、せん断強度が確保されたと考えられる。また、比較例４−５、比較例５−７、５−８の場合、第１金属板と第２金属板との間に、金属間化合物が形成されているのでせん断強度が１．４ｋＮを超えている。しかしながら、これらの場合には、溶融した第１金属の飛散だけでなく、第２金属板が溶融したため、第１および第２金属板にボイド等が生成されている可能性が高く、せん断強度も安定せず、せん断強度以外の強度が、上述したすべての実施例のものよりも低くなるおそれがある。

【0072】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

【0073】

１：抵抗溶接装置、１１：第１金属板、１２：第２金属板、１２ａ：重なり部分、１２ｂ：通電領域、１３：金属間化合物、６６，６７：電極、６９：加圧用部材

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】