特開 2024-135891 異種材料の接合方法

(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】P2024135891

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】異種材料の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/20 20060101AFI20240927BHJP

   B23K 11/11 20060101ALI20240927BHJP

   B23K 103/18 20060101ALN20240927BHJP

   B23K 103/20 20060101ALN20240927BHJP

【ＦＩ】

B23K11/20

B23K11/11 540

B23K103:18

B23K103:20

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046791

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000486

【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平出 卓也

(72)【発明者】

【氏名】近藤 崇公

(72)【発明者】

【氏名】木下 圭介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 宗夫

(72)【発明者】

【氏名】宮本 健二

【テーマコード（参考）】

4E165

【Ｆターム（参考）】

4E165AA01

4E165AA03

4E165AA12

4E165AA32

4E165AB02

4E165AC02

4E165AC03

4E165BB02

4E165BB12

4E165BB21

4E165BB25

4E165CA05

4E165CA06

4E165EA16

(57)【要約】      （修正有）

【課題】安定した温度で材料同士を接合することができる異種材料の接合方法を提供する。
【解決手段】異種材料の接合方法は、第１材料からなる第１部材１００と、第１材料と異なる第２材料からなる第２部材２００と、を重ね合わせる第１工程と、第１部材１００に第１電極１０を当接させると共に第２部材２００に第２電極２０を当接させ、重ね合わせた第１部材１００と第２部材２００を第１電極１０と第２電極２０で挟み込んで加圧する第２工程と、第１電極１０と第２電極２０の間に通電することにより第１部材１００と第２部材２００とを抵抗スポット接合する第３工程と、を備える異種材料の接合方法であって、第３工程において、通電により第１部材１００の内部を最も高温に発熱させることで第１部材１００と第２部材２００とを接合する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１材料からなる第１部材と、前記第１材料と異なる第２材料からなる第２部材と、を重ね合わせる第１工程と、
前記第１部材に第１電極を当接させると共に前記第２部材に第２電極を当接させ、前記重ね合わせた第１部材と第２部材を前記第１電極と前記第２電極で挟み込んで加圧する第２工程と、
前記第１電極と前記第２電極の間に通電することにより前記第１部材と前記第２部材とを抵抗スポット接合する第３工程と、を備える異種材料の接合方法であって、
前記第３工程において、通電により前記第１部材の内部を最も高温に発熱させることで前記第１部材と前記第２部材とを接合する異種材料の接合方法。

【請求項2】

請求項１に記載の異種材料の接合方法において、
前記第１材料の電気抵抗は、前記第２材料の電気抵抗よりも高く、
前記第２材料の融点は、前記第１材料の融点よりも低く、
前記第３工程は、通電により前記第１部材の内部を最も高温に発熱させることで前記第２部材の表層を溶融させることを含む異種材料の接合方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の異種材料の接合方法において、
前記第１電極の直径を、前記第２電極の直径よりも小さくすることにより、前記第３工程において、前記第１部材の内部における電流密度を前記第２部材の内部における電流密度より高くする異種材料の接合方法。

【請求項4】

請求項３に記載の異種材料の接合方法において、
前記第３工程において、前記第１電極の前記第１部材との接触面積を、前記第２電極の前記第２部材との接触面積よりも小さくする異種材料の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異種材料の接合方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料と、を重ね合わせて抵抗スポット溶接により接合する異種材料の接合方法が知られている（例えば、特許文献１）。この異種材料の接合方法では、第１の材料と第２の材料の接触面における抵抗発熱により、第１の材料と第２の材料とを溶融して接合している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５１２０８６４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、接触面における抵抗は材料同士の接触状態によって変化するので、従来の接合方法では接触面における発熱量が不安定となってしまい、温度が安定しないことがあるという問題がある。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、安定した温度で材料同士を接合することができる異種材料の接合方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、通電により第１部材の内部を最も高温に発熱させることで第１部材と第２部材とを接合することによって上記課題を解決する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、通電により第１部材の内部を最も高温に発熱させることで安定した温度で第１部材と第２部材とを接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の異種材料の接合方法の一実施形態を示す側面図である。

【図2】図２は、図１の異種材料及び電極の近傍を示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本実施形態に係る電源システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態における異種材料の接合方法の一例を示す側面図である。図２は、図１の異種材料及び電極の近傍を示す拡大図である。

【0010】

図１に示すように、本実施形態の異種材料の接合方法において使用される接合装置１は、第１材料からなる第１部材１００と、第１材料と異なる第２材料からなる第２部材２００と、を溶融により接合する接合装置である。第１部材１００の一部と第２部材２００の一部は互いに重ねられており、接合装置１は第１部材１００と第２部材２００の重ね合わせられた部分を溶融により接合する。

【0011】

第１材料としては、特に限定されないが、鋼等を例示することができ、この第１材料からなる第１部材１００としては、鋼板を例示することができる。この鋼板としては、特に限定されないが、亜鉛めっき鋼板（ＧＩ鋼板）、合金化亜鉛めっき鋼板（ＧＡ鋼板）、及び、裸鋼板等を例示することができる。この第１部材１００は、例えば、車両の骨格として使用される。

【0012】

一方で、第２材料としては、特に限定されないが、アルミニウム合金等を例示することができ、この第２材料からなる第２部材２００としては、アルミニウム合金板等を例示することができる。この第２部材２００は、例えば、車両のパネルとして使用される。

【0013】

また、本実施形態では、第１材料を第２材料よりも電気抵抗の高い材料とすることができる。例えば、第１材料を鋼とすると共に第２材料をアルミニウム合金とした場合、第１材料の電気抵抗は第２材料の電気抵抗よりも高くなる。

【0014】

また、本実施形態では、第２材料を第１材料よりも融点の低い材料とすることができる。例えば、第１材料を鋼とすると共に第２材料をアルミニウム合金とした場合、第２材料の融点は第１材料の融点よりも低くなる。

【0015】

本実施形態における接合装置１は、第１電極１０と、第２電極２０と、電源３０と、を備えている。なお、特に図示していないが、第１電極１０と第２電極２０は、多関節ロボットの先端に設けられていてもよく、当該多関節ロボットにより移動可能に構成されていてもよい。

【0016】

第１電極１０は、金属などの導電性を有する材料から構成された電極チップである。この第１電極１０は、第２電極２０と共に積層体３００を挟み込むことにより、当該積層体３００を第１部材１００側から加圧する。

【0017】

本実施形態における第１電極１０の形状は、特に限定されないが、ドームラジアス型（ＤＲ型）である。図２に示すように、この第１電極１０は、第１柱状部１１と、第１先端部１２と、を含んでいる。第１柱状部１１は、円柱状の部分であり、円筒状側面１１ａを含んでいる。

【0018】

この第１柱状部１１の下端に第１先端部１２が接続している。第１電極１０の第１先端部１２は、ドーム部１３と、ラジアス部１４と、を含んでいる。ドーム部１３は、第１柱状部１１の下端に設けられており、本実施形態におけるドーム部１３は下方に向かうに従って徐々に縮径するドーム形状を有している。このドーム部１３は、側面としてドーム面１３ａを含んでいる。このドーム面１３ａの曲率は後述のラジアス部１４のラジアス面１４ａの曲率よりも大きくなっている。このドーム面１３ａの曲率半径は、特に限定されないが、５ｍｍ～１０ｍｍであってもよい。

【0019】

このドーム部１３の下端に第１ラジアス部１４が配置されている。この第１ラジアス部１４は、下方に向かって僅かに突出するラジアス形状を有している。本実施形態における第１ラジアス部１４は、第１部材１００に接触する部分であり、下端面として第１ラジアス面１４ａを含んでいる。この第１ラジアス面１４ａの曲率はドーム面１３ａの曲率よりも小さくなっている。この第１ラジアス面１４ａの曲率半径は、特に限定されないが、１０ｍｍ～１００ｍｍであってもよい。

【0020】

また、この第１ラジアス部１４の直径ｄ_１は、上記の第１柱状部１１の直径Ｄ_１よりも小さくなっている（ｄ_１＜Ｄ_１）。特に限定されないが、直径Ｄ_１を８ｍｍ～１６ｍｍとすることができ、直径ｄ_１を６ｍｍ～８ｍｍとすることができる。

【0021】

なお、特に限定されないが、接合時の加圧力によっては、第１ラジアス面１４ａのみならずドーム面１３ａの下部領域も第１部材１００に接触してもよい。

【0022】

第２電極２０は、金属などの導電性を有する材料から構成された電極チップである。この第２電極２０は、第１電極１０と共に積層体３００を挟み込むことにより、当該積層体３００を第２部材２００側から加圧する。

【0023】

本実施形態における第２電極２０の形状は、特に限定されないが、ラジアス型（Ｒ型）である。この第２電極２０は、第２柱状部２１と、第２先端部２２と、を含んでいる。第２柱状部２１は、円柱状の部分であり、円筒状側面２１ａを含んでいる。

【0024】

第２先端部２２は、第２ラジアス部２４を含んでいる。この第２ラジアス部２４は、第２柱状部２１の下端に配置されている。この第２ラジアス部２４は、上方に向かって僅かに突出するラジアス形状を有している。本実施形態における第２ラジアス部２４は、第２部材２００に接触する部分であり、上端面として第２ラジアス面２４ａを含んでいる。この第２ラジアス面２４ａの曲率は、第１ラジアス面１４ａの曲率よりも小さくなっている。この第２ラジアス面２４ａの曲率半径は、特に限定されないが、２０ｍｍ～３００ｍｍであってもよい。

【0025】

また、この第２ラジアス部２４の直径ｄ_２は、上記の第２柱状部２１の直径Ｄ_２と同じとなっている（ｄ_２＝Ｄ_２）。そして、この第２ラジアス部２４の直径ｄ_２は、上記の第１ラジアス部１４の直径ｄ_１と第１柱状部１１の直径Ｄ_１よりも大きくなっている（ｄ_１＜Ｄ_１＜ｄ_２）。直径Ｄ_２，ｄ_２は、特に限定されないが、１９ｍｍ以上であってもよい。

【0026】

本実施形態では、第１電極１０をＤＲ型の電極とすると共に、第２電極２０をＲ型の電極とすることにより、第１部材１００と第２部材２００の接合部の中心に最も圧力をかけることができる。このため、後述する酸化膜やめっき層を接合時に接合界面から排出し易くなり、接合強度を向上できる。また、ＤＲ型の電極とＲ型の電極は、先端面に角部を含んでおらず、当該角部が繰り返しの使用により潰れて電極が変形することがないので、経時的な接合品質の劣化を抑制することもできる。

【0027】

電源３０は、第１電極１０及び第２電極３０と電気的に接続されている。この電源３０は、第１電極１０及び第２電極２０が第１部材１００及び第２部材２００を加圧している状態で、第１電極１０及び第２電極２０の間に電圧を印加して、第１電極１０及び第２電極２０の間に電流を流す。図２に、第１電極１０及び第２電極２０の間に流れる電流ｃを破線矢印で示す。図２に示すように、本実施形態における電源３０は、特に限定されないが、第１電極１０から第２電極２０に向けて電流を流している。

【0028】

以上のような接合装置１を用いた異種材料の接合方法について説明する。まず、第１工程において、上述の第１部材１００と第２部材２００を重ね合わせる。この重ね合わせ作業には、特に図示しないが、第１部材１００と第２部材２００を重ね合わせた状態で保持することが可能な治具を用いることができる。

【0029】

次いで、図１に示すように、第２工程において、第１部材１００に第１電極１０を当接させると共に第２部材２００に第２電極２０を当接させることで、重ね合わせた第１部材１００と第２部材２００を第１電極１０と第２電極２０で挟み込んで加圧する。この時の加圧力は、特に限定されないが、４ｋＮ～８ｋＮとすることができる。また、スクイズタイムは、特に限定されないが、５０ｍｓｅｃ～２００ｍｓｅｃとすることができる。

【0030】

次いで、第３工程において、電源３０により、第１電極１０と第２電極２０の間に通電することにより第１部材１００と第２部材２００とを抵抗スポット接合する。このとき、通電により第１部材１００の内部を最も高温に発熱させることにより第１部材１００と第２部材２００とを接合する。この時の通電時間は、特に限定されないが、１５０ｍｓｅｃ～３００ｍｓｅｃとすることができる。

【0031】

図２に示すように、本実施形態では、第１電極１０の直径（第１柱状部１１の直径Ｄ_１）を、第２電極２０の直径（第２柱状部２１の直径Ｄ_２）よりも小さく設定していると共に、第１ラジアス部１４の直径ｄ_１を第２ラジアス部２４の直径ｄ_２よりも小さく設定していることで、結果的に、第１電極１０の第１部材１００との接触面積を、第２電極２０の第２部材２００との接触面積よりも小さくできる。このため、図２の破線矢印で示す電流ｃの密度は、第１電極１０に当接している第１部材１００において相対的に高くなり、第２電極２０に当接している第２部材２００において相対的に低くなる。

【0032】

このとき、第１部材１００と第２部材２００の接合界面における発熱量及び第２部材２００の内部における発熱量よりも、第１部材１００の内部における発熱量が大きくなる。よって、第１部材１００と第２部材２００の接合界面の温度及び第２部材２００の内部の温度と比較して、第１部材１００の内部の温度は最も高温となる。

【0033】

例えば、第１部材１０を裸鋼板、第２部材２０をアルミニウム合金板とする場合、図２中の第１部材１０における最高温度部１０１の温度は約１５００℃となる。そして、この最高温度部１０１からの伝熱により、第１部材１０と第２部材２０との界面における温度は、例えば、約７００℃となる。このとき、接合界面では、加圧及び温度上昇によって、鉄とアルミニウムの共晶溶融（或いは、拡散溶融）が生じ、表層の酸化膜が溶融されて接合界面の外に排出される。そして、鋼板の新生面とアルミニウム合金板の新生面とが接触して接合することによって、第１部材１０と第２部材２０が接合される。なお、第１部材１０がめっき層を有するＧＡ鋼板又はＧＩ鋼板である場合には、めっき層も溶融して接合界面の外に排出される。

【0034】

通電を終了した後、第４工程において、溶接終了後の第１部材１００と第２部材２００を第１電極１０と第２電極２０によって所定時間保持し続ける。この時のホールドタイムは、特に限定されないが、２００ｍｓｅｃ～４００ｍｓｅｃとすることができる。その後、第１部材１００と第２部材２００を、第１電極１０と第２電極２０とから解放する。

【0035】

以上のような本実施形態における異種材料の接合方法では、通電により第１部材１０の内部を最も高温に発熱させることで第１部材１００と第２部材２００とを接合する。この第１部材１００の内部は、異種材料同士が重なり合う第２部材２００との接合界面とは異なり略均一な電気抵抗を有するので、安定した発熱量を得ることができ、接合界面の温度を安定化させることができる。これにより、接合界面から酸化膜やめっき層を効果的に排出できると共に、第１部材１０と第２部材２０を接合することができる。

【0036】

また、本実施形態では、相対的に高い電気抵抗を有する第１部材１０の内部を最も高温に発熱させることによって、相対的に低い融点を有する第２部材２０の発熱量を抑制していると共に第２部材２０の極表層を溶融している。これにより、加圧下の発熱による第２部材２０の厚さの減少を抑制することができ、接合後の第２部材２００の強度の低下を抑制することができる。

【0037】

また、本実施形態では、第１電極１０の直径Ｄ_１を、第２電極２０の直径Ｄ_２よりも小さくすることにより、第１電極１０の第１部材１００との接触面積を第２電極２０の第２部材との接触面積よりも確実に小さくすることができる。これにより、第１部材１００の内部における電流密度を、第２部材２００の内部の電流密度よりも確実に高くすることができる。

【0038】

同時に、第２電極２０の直径Ｄ_２が相対的に大きいので、第２電極２０の熱容量も相対的に大きくなっている。よって、この第２電極２０が第２部材２００に当接していることにより、第２電極２０による第２部材２００の冷却性能を向上させることができ、第２部材２０の厚さの減少を抑制することができる。

【0039】

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

【0040】

例えば、上記実施形態では、第１電極１０と第２電極２０を上下方向において対向配置した状態で接合を行っているがこれに限定されない。第１電極１０と第２電極２０は、上下方向以外の方向において対向配置されていてもよい。

【0041】

また、上記実施形態では、電極としてＤＲ型とＲ型の電極チップを使用しているがこれに限定されない。電極の種類は、第１部材１００の内部を最も高温にすることができればどのような型式の電極チップを使用してもよい。第１電極１０及び第２電極２０としては、ＤＲ型とＲ型以外に、ドーム型（Ｄ型）、コーンラジアス型（ＣＲ型）、フラット型（Ｆ型）、コーンフラット型（ＣＦ型）、又は、オフセット型（Ｅ型）の電極チップを使用してもよい。

【符号の説明】

【0042】

１…接合装置
１０…第１電極
１１…第１柱状部
１１ａ…円筒状側面
１２…第１先端部
１３…ドーム部
１３ａ…ドーム面
１４…第１ラジアス部
１４ａ…第１ラジアス面
２０…第２電極
２１…第２柱状部
２１ａ…円筒状側面
２２…第２先端部
２４…第２ラジアス部
２４ａ…第２ラジアス面
３０…電源

【図1】

【図2】