特開 2023-100531 異材接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023100531

(43)【公開日】2023-07-19

(54)【発明の名称】異材接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/11 20060101AFI20230711BHJP

【ＦＩ】

B23K11/11 540

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022001274

(22)【出願日】2022-01-06

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000110321

【氏名又は名称】トヨタ車体株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】弁理士法人あーく事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 康平

(72)【発明者】

【氏名】関口 智彦

(72)【発明者】

【氏名】黒川 翔太郎

(72)【発明者】

【氏名】長澤 克浩

(72)【発明者】

【氏名】足立 裕

(72)【発明者】

【氏名】柳橋 大祐

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】青山 真

【テーマコード（参考）】

4E165

【Ｆターム（参考）】

4E165AA32

4E165AB03

4E165AB04

4E165AB23

4E165BB02

4E165BB12

4E165BB25

(57)【要約】

【課題】貫通穴を有する金属板を接合する場合にも、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することが可能な異材接合方法を提供する。
【解決手段】笠部３１と軸部３３とを備えるリベット３０と、軸部３３よりも大きな径の貫通穴４０ａを有するアルミニウム板４０および鉄板５０，６０と、上部電極３および下部電極５と、を用意する。笠部３１、アルミニウム板４０および鉄板５０がこの順で並ぶように、軸部３３が貫通穴４０ａに挿入されたリベット３０並びにアルミニウム板４０および鉄板５０，６０を、上部電極３と下部電極５との間に挟む工程と、リベット３０並びにアルミニウム板４０および鉄板５０，６０を加圧通電する加圧通電工程と、を含んでいる。加圧通電工程では、軸部３３と鉄板５０との間にナゲット７１が生成され且つ軸部３３と貫通穴４０ａとの隙間Ｃが埋まるように、高電流値で短時間の通電を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リベットを用いて、異なる金属材料からなる金属板を含む複数の金属板を抵抗溶接により接合する異材接合方法であって、
笠部と軸部とを備える金属製のリベットと、
上記リベットの軸部の外径よりも大きな径の貫通穴を有する、当該リベットと異なる金属材料で形成された第１の金属板、および、当該リベットと同じ金属材料で形成された第２の金属板を含む複数の金属板と、
第１および第２の電極と、を用意し、
上記笠部、第１の金属板および第２の金属板がこの順で並ぶように、上記軸部が上記貫通穴に挿入された上記リベットおよび積層された上記複数の金属板を、上記第１の電極と上記第２の電極との間に挟む工程と、
上記第１および第２の電極により上記リベットおよび複数の金属板を加圧通電する加圧通電工程と、を含み、
上記加圧通電工程では、上記軸部と上記第２の金属板との間にナゲットが生成されるとともに、上記第１の金属板を溶融させることで上記軸部と上記貫通穴との隙間が埋まるように、上記第１の金属板に上記軸部を貫通させるのに必要な電流値と同程度の電流値で短時間の通電を行うことを特徴とする異材接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異材接合方法に関し、特に、リベットを用いて複数の金属板を抵抗溶接により接合する異材接合方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、笠部と軸部とを備える金属製のリベットを用いて、異種金属部材を抵抗溶接により接合する異材接合方法が知られている。この異材接合方法では、例えば、笠部、軸部、アルミニウム板、鉄板の順で並ぶように、リベット、アルミニウム板および鉄板を２つの電極の間に挟み、これらを加圧通電して、アルミニウム板を貫通した軸部と鉄板との間にナゲットを生成し、笠部と鉄板との間にアルミニウム板を挟むことで、溶接が困難なアルミニウム板と鉄板とを接合する。

【0003】

ところで、例えば接合が不完全だったためアルミニウム板と鉄板とが離れたような場合には、古いリベットを除去した後、最初の接合時にリベットが貫通することで形成された穴に、新しいリベットを挿入して補修（再溶接）を行うことが知られている。そうして、かかる再溶接の際には、既にアルミニウム板に貫通孔が形成されていることから、リベットと鉄板との間にナゲットを形成するだけでよいので、通常の鉄スポットの溶接条件（相対的に低い電流値）を適用するのが一般的である。

【0004】

しかしながら、このような通常の鉄スポットの溶接条件を適用した再溶接では、アルミニウム板（より正確には貫通穴を区画する壁面）と挿入したリベットとの間に隙間が存在するため、強度を十分に確保することが困難になるという問題がある。

【0005】

ここで、再溶接に関するものではないが、例えば特許文献１には、孔が形成された部品をボルトによって基本部品に取り外し不能に固定するための方法として、孔に挿入したボルトの先端面を基本部品の表面に電気溶接するとともに、加熱されて軟化したボルトの軸部を潰して（軸直行方向に膨らむように塑性変形させて）、孔との隙間を埋める技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８－５３８２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１の手法を、再溶接に適用すれば、潰れた軸部によってアルミニウム板とリベット（ボルト）との間の隙間が埋められることから、強度を確保することが可能とも思える。

【0008】

しかしながら、特許文献１の手法では、軸部が塑性変形することで、アルミニウム板とリベットとの間の隙間を埋めるような補強用リベットを別途用意しなければならないことから、製造コストが嵩むという問題がある。

【0009】

なお、このような問題は、接合不良が生じた場合の再溶接に限らず、元々リベットの軸部の外径よりも大きな径の貫通穴を有する金属板を接合する場合にも、当て嵌まる問題である。

【0010】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、貫通穴を有する金属板を接合する場合にも、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することが可能な異材接合方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記目的を達成するため、本発明に係る異材接合方法では、補強用リベットを別途用意することなく、高電流値で短時間の通電を行うことで、ナゲットを生成させるとともに、リベットと貫通穴との隙間を埋めるようにしている。

【0012】

具体的には、本発明は、リベットを用いて、異なる金属材料からなる金属板を含む複数の金属板を抵抗溶接により接合する異材接合方法を対象としている。

【0013】

そして、この異材接合方法は、笠部と軸部とを備える金属製のリベットと、上記リベットの軸部の外径よりも大きな径の貫通穴を有する、当該リベットと異なる金属材料で形成された第１の金属板、および、当該リベットと同じ金属材料で形成された第２の金属板を含む複数の金属板と、第１および第２の電極と、を用意し、上記笠部、第１の金属板および第２の金属板がこの順で並ぶように、上記軸部が上記貫通穴に挿入された上記リベットおよび積層された上記複数の金属板を、上記第１の電極と上記第２の電極との間に挟む工程と、上記第１および第２の電極により上記リベットおよび複数の金属板を加圧通電する加圧通電工程と、を含み、上記加圧通電工程では、上記軸部と上記第２の金属板との間にナゲットが生成されるとともに、上記第１の金属板を溶融させることで上記軸部と上記貫通穴との隙間が埋まるように、上記第１の金属板に上記軸部を貫通させるのに必要な電流値と同程度の電流値で短時間の通電を行うことを特徴とするものである。

【0014】

この構成によれば、貫通穴に挿入されたリベットの軸部と第２の金属板とを溶接する際に、第１の金属板に軸部を貫通させるのに必要な電流値と同程度の電流値で、換言すると、通常の鉄スポットの場合よりも高い電流値で通電を行うことから、軸部と第２の金属板との間にナゲットが生成されるのみならず、第１の金属板を溶融させて軸部と貫通穴との隙間を埋めることができる。

【0015】

このように、高電流値で通電を行うことで、補強用リベットを別途用意することなく、軸部と貫通穴との隙間を埋めることができるので、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することができる。

【0016】

加えて、高電流値での通電を短時間にとどめることから、溶融した第１の金属の体積膨張を、リベットの笠部で押さえることが可能となるので、溶融した第１の金属が放出してバリとなるのを抑制することができる。

【発明の効果】

【0017】

以上説明したように、本発明に係る異材接合方法によれば、貫通穴を有する金属板を接合する場合にも、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係る異材接合方法の概要を模式的に説明する図である。

【図2】図２（ａ）は抵抗溶接装置の要部を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は異材接合方法における通電パターンを模式的に示す図である。

【図3】図３（ａ）は一般的な通電パターンを模式的に示す図であり、図３（ｂ）は高電流を長時間印加した場合を模式的に説明する図である。

【図4】せん断強度の試験結果を模式的に示すグラフ図である。

【図5】従来の接合不良時の対応を模式的に説明する図である。

【図6】従来の異材接合方法の一例を模式的に説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、図１～図６では、図を見易くするために、リベット３０、アルミニウム板４０および鉄板５０，６０等を断面図で表している。

【0020】

－装置構成－
図１は、本実施形態に係る異材接合方法の概要を模式的に説明する図である。また、図２（ａ）は抵抗溶接装置１の要部を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は異材接合方法における通電パターンを模式的に示す図である。この異材接合方法は、図１（ｂ）に示すように、抵抗溶接装置１を使用して、リベット３０を用いて、異なる金属材料からなる金属板を含む複数の金属板４０，５０，６０を抵抗溶接により接合するものである。なお、本実施形態では、「複数の金属板」として、アルミニウム板４０および鉄板５０，６０を例示しているが、各金属板の材種は、アルミニウムと鉄に限定されない。

【0021】

抵抗溶接装置１は、図２（ａ）に示すように、上部電極３と、下部電極５と、を備えている。上部電極（第１の電極）３は、円柱状に形成されていて、先端面が平坦なフラット電極として構成されている。この上部電極３は、積層されたアルミニウム板４０および鉄板５０，６０に対して、リベット３０を下方に押圧するようになっている。下部電極（第２の電極）５は、略円柱状に形成されていて、先端面が球面状のラジアス電極として構成されている。この下部電極５は、上下に積層されたアルミニウム板４０および鉄板５０，６０を挟んで上部電極３と対向するように設けられていて、アルミニウム板４０および鉄板５０，６０を上方へ押圧するようになっている。

【0022】

本実施形態では、リベット３０として、図２（ａ）に示すように、略円盤状の笠部３１と、笠部３１の中央部から下方へ延びる軸部３３と、笠部３１の周縁部から軸部３３と同じ向きに延びて、軸部３３との間に溝３７を形成する外周壁部３５と、を有する鉄製のものを用いる。リベット３０は、笠部３１が積層方向と直交するように抵抗溶接装置１にセットされる。

【0023】

以上のように構成された抵抗溶接装置１およびリベット３０を用いて、異なる金属材であるアルミニウム板４０と鉄板５０，６０とを接合する場合、通常は、笠部３１、軸部３３、アルミニウム板４０、鉄板５０、鉄板６０の順で上から下に並ぶように、リベット３０、アルミニウム板４０、鉄板５０および鉄板６０を、上部電極３と下部電極５との間に挟み込んだ後、これらリベット３０、アルミニウム板４０、鉄板５０および鉄板６０に対して、上部電極３および下部電極５で圧を加えながら、電流を印加する。

【0024】

このとき、一般的には、図３（ａ）に示すように、通電初期は相対的に高い電流を短時間印加することで、リベット３０の軸部３３をアルミニウム板４０に貫通させる。そうして、通電中期以降は、リベット３０の軸部３３がアルミニウム板４０を貫通しており、鉄同士（リベット３０と鉄板５０，６０と）のスポット溶接となるため、相対的に低い電流を長時間印加することで、アルミニウム板４０を貫通した軸部３３と鉄板５０，６０との間に、図２（ａ）に示すようなナゲット７０を生成させる。

【0025】

このようにして、鉄製のリベット３０の軸部３３と鉄板５０，６０とを溶接し、リベット３０の笠部３１と鉄板５０との間にアルミニウム板４０を挟むことで、溶接が困難なアルミニウム板４０と鉄板５０とを接合するのが、一般的な異材接合方法である。

【0026】

もっとも、本実施形態では、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、抵抗溶接の前に、既にアルミニウム板４０が貫通穴４０ａを有していることから、以下に説明するように、上述した一般的な異材接合方法とは異なる手法を用いて異材同士の接合を行うようにしている。

【0027】

－従来の接合不良時の対応－
ここで、本実施形態を理解し易くするために、従来の接合不良時の対応（補修）について説明する。図５は、従来の接合不良時の対応を模式的に説明する図である。なお、図５に示す従来の対応においても、本実施形態と同じ、抵抗溶接装置１およびリベット３０を用いるものとする。

【0028】

図５（ａ）に示すように、リベット３０’と鉄板５０とに接合不良が生じた（例えば、鉄板５０と鉄板６０との間にナゲット７０は形成されたが、リベット３０’とナゲット７０とが接合されなかった）ため、アルミニウム板４０と鉄板５０とに離れが発生してしまったと仮定する。

【0029】

この場合には、古いリベット３０’を除去するとともに、新しいリベット３０を用いて補修を行うが、古いリベット３０’の除去時にアルミ母材もある程度除去するため、補修時には、図５（ｂ）に示すように、新しいリベット３０の軸部３３の外径よりも大きい内径の貫通穴４０ａが、アルミニウム板４０に形成された状態となる。それ故、補修時には、貫通穴４０ａに挿入された新しいリベット３０の軸部３３と、貫通穴４０ａとの間に隙間Ｃが生じている。

【0030】

そうして、図５（ｃ）に示すように、上部電極３および下部電極５で圧を加えながら、電流を印加するが、この場合、鉄同士（リベット３０と鉄板５０，６０と）のスポット溶接となるため、相対的に低い電流を、相対的に長い時間をかけて印加することで、鉄板５０，６０との間に生成されたナゲット７０と軸部３３とを溶接する。このように、相対的に低い電流を印加することから、アルミニウム板４０には通電による影響が及ばないため、リベット３０の軸部３３と貫通穴４０ａとの間には隙間Ｃが生じたままである。

【0031】

以上のようにして、リベット３０の軸部３３と、鉄板５０，６０との間に生成されたナゲット７０と、を再溶接することで補修が完了するが、補修後の異材接合部材１１０では、図５（ｄ）に示すように、リベット３０の軸部３３と貫通穴４０ａとの間には隙間Ｃが存在したままである。このため、従来の対応では、アルミニウム板４０とリベット３０との間から破断が生じるため、異材接合部材１１０の接合強度（せん断強度）が低下するという問題がある。

【0032】

ここで、再溶接に関するものではないが、図６に示すような異材接合方法を採用することが考えられる。図６に示す従来の異材接合方法は、孔１４０ａが形成された部品１４０をボルト１３０によって基本部品１５０に取り外し不能に固定するための方法であり、孔１４０ａに挿入したボルト１３０の先端面を基本部品１５０の表面に電気溶接するとともに、加熱されて軟化したボルト１３０の軸部１３３を潰して（軸直行方向に膨らむように塑性変形させて）、孔１４０ａとの隙間を埋めるものである。この従来の異材接合方法を、再溶接に適用すれば、潰れた軸部によってアルミニウム板４０とリベットとの間の隙間Ｃが埋められることから、強度を確保することが可能とも思える。

【0033】

しかしながら、この従来の異材接合方法では、軸部が塑性変形することで、アルミニウム板４０とリベットとの間の隙間を埋めるような補強用リベットを別途用意しなければならないことから、製造コストが嵩むという問題がある。

【0034】

－異材接合方法－
そこで、本実施形態に係る異材接合方法では、補強用リベットを別途用意することなく、高電流値で短時間の通電を行うことで、ナゲット７１を生成させるとともに、リベット３０と貫通穴４０ａとの隙間Ｃを埋めるようにしている。

【0035】

具体的には、本実施形態の異材接合方法では、図１（ａ）に示すように、笠部３１、アルミニウム板（第１の金属板）４０および鉄板（第２の金属板）５０がこの順で並ぶように、軸部３３が貫通穴４０ａに挿入された新たなリベット３０並びに積層されたアルミニウム板４０および鉄板５０，６０を、上部電極３と下部電極５との間に挟む工程と、上部電極３および下部電極５によりリベット３０およびアルミニウム板４０および鉄板５０，６０を加圧通電する加圧通電工程と、を含むようにしている。

【0036】

そうして、加圧通電工程では、図１（ｂ）に示すように、軸部３３と鉄板５０との間にナゲット７１が生成されるとともに、アルミニウム板４０における貫通穴４０ａの近傍を溶融させることで、溶融アルミニウム４１によって軸部３３と貫通穴４０ａとの隙間Ｃが埋まるように、相対的に高い電流値で短時間の通電を行うようにしている。

【0037】

ここで、軸部３３と鉄板５０との間にナゲット７１を生成するために、図３（ａ）に示すような、ナゲット７０生成のための相対的に低い電流を印加した場合には、上述の如く、アルミニウム板４０には通電による影響が及ばないので、リベット３０の軸部３３と貫通穴４０ａとの間に隙間Ｃが残ったままである。

【0038】

それ故、本実施形態における「相対的に高い電流値」とは、アルミニウム板４０に軸部３３を貫通させるのに必要な電流値と同程度の高い電流値を指す。このように、本実施形態の異材接合方法では、アルミニウム板４０に軸部３３を貫通させるのに必要な電流値と同程度の電流値で通電を行うことから、アルミニウム板４０を溶融させて、図１（ｂ）に示すように、軸部３３と貫通穴４０ａとの隙間Ｃを埋めることができる。これにより、図１（ｃ）に示すように、既に鉄板６０との間にナゲット７０が生成されている鉄板５０と、アルミニウム板４０の貫通穴４０ａに挿入されたリベット３０の軸部３３と、の間にナゲット７１が生成されるとともに、軸部３３と貫通穴４０ａとの隙間Ｃが埋められた異材接合部材１０を製造することが可能となる。

【0039】

また、図３（ａ）に示すような、ナゲット７０生成のための相対的に長時間の通電において、仮に、相対的に高い電流値（アルミニウム板４０に軸部３３を貫通させるのに必要な電流値と同程度の電流値）を用いると、「溶融アルミニウム４１の体積膨張」が「リベット３０の笠部３１で押さえる力」を超えてしまうため、図３（ｂ）の太線矢印で示すように、溶融アルミニウム４１がリベット３０の笠部３１の外に放出されてしまい、バリになるおそれがある。

【0040】

この点、本実施形態の異材接合方法では、相対的に高い電流値で短時間の通電を行うことと、古いリベット３０’の除去時にアルミ母材もある程度除去されていることとが相俟って、相対的に高い電流を流しても、膨張するアルミニウムの体積を小さくすることができる。それ故、「溶融アルミニウム４１の体積膨張」が「リベット３０の笠部３１で押さえる力」を超えないことから、バリが発生するのを抑えることができる。

【0041】

－試験結果－
次に、本実施形態の異材接合方法の効果を確認するために行った試験について説明する。試験は、接合不良のない異材接合部材、図５に示した従来の手法で補修した異材接合部材１１０（従来例）、および、本実施形態の異材接合方法で補修した異材接合部材１０（実施例）の３水準について、ＪＩＳ規格Ｚ２２０１－５号に規定されている試験片に加工した後、引張試験を行った。

【0042】

図４は、せん断強度の試験結果を模式的に示すグラフ図である。図４に示すように、軸部３３と貫通穴４０ａとの隙間Ｃが残ったままの従来例では、接合不良のない異材接合部材に比して、引張せん断強度が約２５％も低下したのに対し、実施例では接合不良のない異材接合部材と同程度の引張せん断強度を確保できることが確認された。

【0043】

以上説明したように、本実施形態に係る異材接合方法によれば、貫通穴４０ａを有する金属板を接合する場合にも、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することができる。

【0044】

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

【0045】

上記実施形態では、３枚の金属板（アルミニウム板４０および鉄板５０，６０）を接合するようにしたが、これに限らず、例えば、４枚以上の金属板を接合するようにしてもよい。

【0046】

また、上記実施形態では、接合不良時の補修に本発明を適用したが、これに限らず、例えば貫通穴を有する金属板を新規に接合する場合に、本発明を適用してもよい。

【0047】

さらに、上記実施形態では、金属板の積層方向および押圧方向が上下方向と一致するようにしたが、これに限らず、積層方向および押圧方向が、例えば上下方向から傾いた方向や水平方向と一致するようにしてもよい。

【0048】

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明によると、貫通穴を有する金属板を接合する場合にも、製造コストの増大を抑制しつつ、強度を十分に確保することができるので、リベットを用いて複数の金属板を抵抗溶接により接合する異材接合方法に適用して極めて有益である。

【符号の説明】

【0050】

３ 上部電極（第１の電極）
５ 下部電極（第２の電極）
３０ リベット
３１ 笠部
３３ 軸部
４０ アルミニウム板（第１の金属板）
４０ａ 貫通穴
５０ 鉄板（第２の金属板）
７１ ナゲット
Ｃ 隙間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】