(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】P2024146147
(43)【公開日】2024-10-15
(54)【発明の名称】異種金属材の接合方法及び異種金属接合構造体
(51)【国際特許分類】
B23K 9/23 20060101AFI20241004BHJP
B23K 9/007 20060101ALI20241004BHJP
【ＦＩ】
B23K9/23 H
B23K9/007
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023058879
(22)【出願日】2023-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】大志田 達郎
(72)【発明者】
【氏名】下田 陽一朗
【テーマコード（参考）】
4E001
【Ｆターム（参考）】
4E001AA03
4E001BB09
4E001CA01
4E001CB01
4E001CC02
4E001DD04
4E001EA01
4E001EA03
4E001EA04
4E001EA08
(57)【要約】
【課題】第１部材と第２部材との間に絶縁層が介在している場合に、接合不良を発生させることなく、容易な工程で第１部材と第２部材とを接合することができる、異種金属材の接合方法を提供する。
【解決手段】鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有し第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２を配置する第１工程と、第１穴２ａの内部又は底部に、第２部材に通電される導電性の底部材（通電部材）５を配置し、第２穴４ｃを有し第１部材１と等しい主成分を有する接合補助部材４を第１穴２ａに挿入する第２工程と、第２穴４ｃの内部に第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９を形成する第３工程と、を有する。第１部材１と第２部材２との間には、絶縁層３が介在している。第３工程では、溶接ワイヤ７の先端を底部材に接触させ、溶接ワイヤ７と第２部材２とを底部材５を介して通電させて、アークを発生させる。
【選択図】図１Ｂ
【解決手段】鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有し第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２を配置する第１工程と、第１穴２ａの内部又は底部に、第２部材に通電される導電性の底部材（通電部材）５を配置し、第２穴４ｃを有し第１部材１と等しい主成分を有する接合補助部材４を第１穴２ａに挿入する第２工程と、第２穴４ｃの内部に第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９を形成する第３工程と、を有する。第１部材１と第２部材２との間には、絶縁層３が介在している。第３工程では、溶接ワイヤ７の先端を底部材に接触させ、溶接ワイヤ７と第２部材２とを底部材５を介して通電させて、アークを発生させる。
【選択図】図１Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鋼製の第１部材の上に、板厚方向に貫通する第１穴を有し前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材を配置する第１工程と、
前記第１穴の内部又は底部に、前記第２部材に通電される導電性の通電部材を配置するとともに、第２穴を有し前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材を前記第１穴に挿入する第２工程と、
アーク溶接により、前記第２穴の内部に、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属を形成する第３工程と、を有する異種金属材の接合方法であって、
前記第１部材と前記第２部材との間には、絶縁層が介在し、
前記接合補助部材は、前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、を備え、前記第２穴は前記軸部の軸方向に延びるように形成されており、
前記第３工程において、溶接ワイヤの先端を前記通電部材に接触させ、前記溶接ワイヤと前記第２部材とを前記通電部材を介して通電させて、アークを発生させることを特徴とする、異種金属材の接合方法。
前記第１穴の内部又は底部に、前記第２部材に通電される導電性の通電部材を配置するとともに、第２穴を有し前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材を前記第１穴に挿入する第２工程と、
アーク溶接により、前記第２穴の内部に、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属を形成する第３工程と、を有する異種金属材の接合方法であって、
前記第１部材と前記第２部材との間には、絶縁層が介在し、
前記接合補助部材は、前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、を備え、前記第２穴は前記軸部の軸方向に延びるように形成されており、
前記第３工程において、溶接ワイヤの先端を前記通電部材に接触させ、前記溶接ワイヤと前記第２部材とを前記通電部材を介して通電させて、アークを発生させることを特徴とする、異種金属材の接合方法。
【請求項2】
前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、請求項１に記載の異種金属材の接合方法。
【請求項3】
前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属材の接合方法。
【請求項4】
前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属材の接合方法。
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属材の接合方法。
【請求項5】
前記通電部材の厚さは、前記接合補助部材の前記フランジ部の厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の異種金属材の接合方法。
【請求項6】
前記通電部材の厚さは、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項５に記載の異種金属材の接合方法。
【請求項7】
鋼製の第１部材と、
前記第１部材の上に配置され、板厚方向に貫通する第１穴を有し、前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に介在する絶縁層と、
前記第１穴の内部又は底部に配置され、導電性を有する通電部材と、
前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、前記軸部の軸方向に平行な第２穴と、を有し、前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材と、
前記第２穴の内部に形成され、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属と、を有することを特徴とする、異種金属接合構造体。
前記第１部材の上に配置され、板厚方向に貫通する第１穴を有し、前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に介在する絶縁層と、
前記第１穴の内部又は底部に配置され、導電性を有する通電部材と、
前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、前記軸部の軸方向に平行な第２穴と、を有し、前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材と、
前記第２穴の内部に形成され、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属と、を有することを特徴とする、異種金属接合構造体。
【請求項8】
前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、請求項７に記載の異種金属接合構造体。
【請求項9】
前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項７又は８に記載の異種金属接合構造体。
【請求項10】
前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項７又は８に記載の異種金属接合構造体。
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、請求項７又は８に記載の異種金属接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、互いに異なる材料からなる板材を高強度で接合することができる異種金属材の接合方法、及び上記接合方法により接合された異種金属接合構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車を代表とする輸送機器には、（１）有限資源である石油燃料消費、（２）燃焼に伴って発生する地球温暖化ガスであるＣＯ２、（３）走行コストといった各種の抑制を目的として、走行燃費の向上が常に求められている。その手段としては、電気駆動の利用など動力系技術の改善の他に、車体重量の軽量化も改善策の一つである。軽量化には現在の主要材料となっている鋼を、軽量素材であるアルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、炭素繊維、樹脂、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等に置換する手段がある。しかし、全てをこれら軽量素材に置換するには、高コスト化や強度不足になる、といった課題があり、解決策として鋼と軽量素材を適材適所に組み合わせた、いわゆるマルチマテリアルと呼ばれる設計手法が注目を浴びている。
【0003】
特許文献１には、例えば鋼材と、鋼材と溶接困難な非鉄金属材とが接合された接合構造が開示されている。上記接合構造は、突起部を有する第１の同種系金属材と、第２の同種系金属材と、第１の貫通部が設けられ、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との間に挟まれた異種材と、を備える。また、第１の同種系金属材の第１の突起部に対して、板厚方向からアーク溶接され、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが第１の貫通部を介して互いに溶融結合して前記異種材が圧縮固定されている。これにより、異種材と第１の同種系金属材および第２の同種系金属材とが固定されている。
【0004】
また、特許文献２には、アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第１の板と、鋼製の第２の板と、を接合する異材接合用アークスポット溶接法が開示されている。上記特許文献２に記載の溶接法は、第１の板に穴を空ける工程と、第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、挿入部と非挿入部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、挿入部及び非挿入部を貫通する中空部が形成される鋼製の接合補助部材を、第１の板に設けられた穴に挿入する工程と、特定の方法によって、接合補助部材の中空部を溶接金属で充填すると共に、前記溶接金属を前記第２の板に裏波が出る状態まで溶け込ませ、且つ、接合補助部材の挿入部は、その外周面を溶融させずに、部分的に溶融して、第２の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第６８１１３８０号公報
【特許文献2】特許第６４６１０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、自動車の製造工程では、車体素材の表面に防錆を目的とした電着塗装を行う工程がある。この塗装膜は絶縁性であるため、塗装が施された鋼板においてはアーク溶接に必須となる通電が不可能となる。したがって、上記特許文献１に記載の接合構造において、電着塗装被膜が形成された鋼板を適用しようとしても、電着塗装被膜が絶縁性であるため通電できず、アークを発生させることができない。上記特許文献２に記載の接合補助部材を用いる方法によっても、鋼製の第２の板に対して電着塗装を施した後にアーク溶接を実施しようとすると、絶縁性の電着塗装被膜がアークの発生を妨げるため、接合不可又は接合不良となる。
【0007】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、鋼製の第１部材と、この第１部材とは異なる材料からなる第２部材とをアーク溶接により接合する方法であって、第１部材と第２部材との間に絶縁層が介在している場合であっても、接合不良を発生させることなく、容易な工程で第１部材と第２部材とを接合することができる、異種金属材の接合方法、及び上記接合方法により接合された異種金属材の接合構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の上記目的は、異種金属材の接合方法に係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 鋼製の第１部材の上に、板厚方向に貫通する第１穴を有し前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材を配置する第１工程と、
前記第１穴の内部又は底部に、前記第２部材に通電される導電性の通電部材を配置するとともに、第２穴を有し前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材を前記第１穴に挿入する第２工程と、
アーク溶接により、前記第２穴の内部に、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属を形成する第３工程と、を有する異種金属材の接合方法であって、
前記第１部材と前記第２部材との間には、絶縁層が介在し、
前記接合補助部材は、前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、を備え、前記第２穴は前記軸部の軸方向に延びるように形成されており、
前記第３工程において、溶接ワイヤの先端を前記通電部材に接触させ、前記溶接ワイヤと前記第２部材とを前記通電部材を介して通電させて、アークを発生させることを特徴とする、異種金属材の接合方法。
［１］ 鋼製の第１部材の上に、板厚方向に貫通する第１穴を有し前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材を配置する第１工程と、
前記第１穴の内部又は底部に、前記第２部材に通電される導電性の通電部材を配置するとともに、第２穴を有し前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材を前記第１穴に挿入する第２工程と、
アーク溶接により、前記第２穴の内部に、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属を形成する第３工程と、を有する異種金属材の接合方法であって、
前記第１部材と前記第２部材との間には、絶縁層が介在し、
前記接合補助部材は、前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、を備え、前記第２穴は前記軸部の軸方向に延びるように形成されており、
前記第３工程において、溶接ワイヤの先端を前記通電部材に接触させ、前記溶接ワイヤと前記第２部材とを前記通電部材を介して通電させて、アークを発生させることを特徴とする、異種金属材の接合方法。
【0009】
また、異種金属材の接合方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［６］に関する。
［２］ 前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、［１］に記載の異種金属材の接合方法。
［３］ 前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［４］ 前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［５］ 前記通電部材の厚さは、前記接合補助部材の前記フランジ部の厚さよりも薄いことを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［６］ 前記通電部材の厚さは、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、［５］に記載の異種金属材の接合方法。
本発明の上記目的は、異種金属接合構造体に係る下記［７］の構成により達成される。
［２］ 前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、［１］に記載の異種金属材の接合方法。
［３］ 前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［４］ 前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［５］ 前記通電部材の厚さは、前記接合補助部材の前記フランジ部の厚さよりも薄いことを特徴とする、［１］又は［２］に記載の異種金属材の接合方法。
［６］ 前記通電部材の厚さは、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、［５］に記載の異種金属材の接合方法。
本発明の上記目的は、異種金属接合構造体に係る下記［７］の構成により達成される。
【0010】
［７］ 鋼製の第１部材と、
前記第１部材の上に配置され、板厚方向に貫通する第１穴を有し、前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に介在する絶縁層と、
前記第１穴の内部又は底部に配置され、導電性を有する通電部材と、
前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、前記軸部の軸方向に平行な第２穴と、を有し、前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材と、
前記第２穴の内部に形成され、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属と、を有することを特徴とする、異種金属接合構造体。
前記第１部材の上に配置され、板厚方向に貫通する第１穴を有し、前記第１部材とは異なる材料からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間に介在する絶縁層と、
前記第１穴の内部又は底部に配置され、導電性を有する通電部材と、
前記第２部材における前記第１部材との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部と、前記第１穴内に挿入される軸部と、前記軸部の軸方向に平行な第２穴と、を有し、前記第１部材と等しい主成分を有する接合補助部材と、
前記第２穴の内部に形成され、前記第１部材と等しい主成分を有する溶接金属と、を有することを特徴とする、異種金属接合構造体。
【0011】
また、異種金属接合構造体に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［８］～［１０］に関する。
［８］ 前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、［７］に記載の異種金属接合構造体。
［９］ 前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、［７］又は［８］に記載の異種金属接合構造体。
［１０］ 前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、［７］又は［８］に記載の異種金属接合構造体。
［８］ 前記絶縁層は、前記第１部材の表面に形成された電着塗装被膜であることを特徴とする、［７］に記載の異種金属接合構造体。
［９］ 前記通電部材は前記接合補助部材に一体化され、前記第２穴が有底形状に形成されており、前記通電部材及び前記接合補助部材の少なくとも一方が、前記第２部材に接触していることを特徴とする、［７］又は［８］に記載の異種金属接合構造体。
［１０］ 前記通電部材と前記接合補助部材とは、離隔して配置されており、
前記通電部材は前記第２部材に接触していることを特徴とする、［７］又は［８］に記載の異種金属接合構造体。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、第１部材と第２部材との間に絶縁層が介在している場合であっても、接合不良を発生させることなく、容易な工程で第１部材と第２部材とを接合することができる、異種金属材の接合方法、及び上記接合方法により接合された異種金属材の接合構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
本願発明者らは、鋼製の第１部材と、この第１部材とは異なる材料からなる第２部材とをアーク溶接により接合する際に、第１部材と第２部材との間に絶縁層が介在する場合であっても、アークを発生させることができる方法について、鋭意検討を行った。
【0015】
接合不良となる原因として、アーク溶接時には、通電する度に溶接ワイヤの先端に凝固球が形成されるため、溶接ワイヤの先端を下板の表面に接触させても、絶縁層を貫通させて、溶接ワイヤを下板に到達させることができず、通電の妨げとなることが挙げられる。仮に、溶接を実施する度に溶接ワイヤの先端を切断して、先端を鋭く加工すると、溶接ワイヤが絶縁層を貫通して下板である第１部材に到達するため、アークの発生が可能となる。
【0016】
しかしながら、量産を考慮した際には溶接を実施する度に溶接ワイヤの先端を切断することは困難であるため、より一層容易にアークを発生させることができる方法について、さらに検討を行った。その結果、本願発明者らは、第２部材に形成された第１穴に、第２部材に通電される導電性の通電部材を配置し、溶接ワイヤと第２部材とに電圧を印加した状態で溶接ワイヤを通電部材に接触させることにより、アークを発生させることができることを見出した。
本発明は、これら知見に基づいてなされたものである。
本発明は、これら知見に基づいてなされたものである。
【0017】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。
【0018】
【0019】
（第１工程）
図１Ａに示すように、まず、表面に電着塗装被膜（絶縁層）３が形成された鋼製の第１部材１と、板厚方向に貫通する第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を準備する。そして、第１部材１の板厚方向に直交する面上に、第２部材２を重ねて配置する。
図１Ａに示すように、まず、表面に電着塗装被膜（絶縁層）３が形成された鋼製の第１部材１と、板厚方向に貫通する第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を準備する。そして、第１部材１の板厚方向に直交する面上に、第２部材２を重ねて配置する。
【0020】
（第２工程）
次に、鋼製の接合補助部材４を第１穴２ａに挿入する。接合補助部材４は、円板形状のフランジ部４ａと、この円板形状の中心軸と同一軸方向に軸を有する軸部４ｂとを有する。また、接合補助部材４には、フランジ部４ａの上面から軸部４ｂ側に向かって、軸部４ｂの軸方向に平行な方向に延びる第２穴４ｃが形成されている。さらに、接合補助部材４の軸部４ｂ側の端部には底部材（通電部材）５が一体化されて形成されている。したがって、第２穴４ｃにおける軸部４ｂ側の端部は閉塞した有底形状となっている。なお、接合補助部材４を第１穴２ａに挿入するということは、接合補助部材４の軸部４ｂを第１穴２ａに挿入することを示し、このとき、フランジ部４ａは、第２部材２における第１部材１との接触面と反対側の面上、すなわち第２部材２の上面２ｂの上に配置される。
本実施形態においては、底部材５と第１部材１とは接触しておらず、離隔して配置されている。また、底部材５と第１部材１とは、直接、又は軸部４ｂやフランジ部４ａ等を介して間接的に第２部材２に接触している。つまり、底部材５及び接合補助部材４の少なくとも一方が、第２部材２に接触している。
次に、鋼製の接合補助部材４を第１穴２ａに挿入する。接合補助部材４は、円板形状のフランジ部４ａと、この円板形状の中心軸と同一軸方向に軸を有する軸部４ｂとを有する。また、接合補助部材４には、フランジ部４ａの上面から軸部４ｂ側に向かって、軸部４ｂの軸方向に平行な方向に延びる第２穴４ｃが形成されている。さらに、接合補助部材４の軸部４ｂ側の端部には底部材（通電部材）５が一体化されて形成されている。したがって、第２穴４ｃにおける軸部４ｂ側の端部は閉塞した有底形状となっている。なお、接合補助部材４を第１穴２ａに挿入するということは、接合補助部材４の軸部４ｂを第１穴２ａに挿入することを示し、このとき、フランジ部４ａは、第２部材２における第１部材１との接触面と反対側の面上、すなわち第２部材２の上面２ｂの上に配置される。
本実施形態においては、底部材５と第１部材１とは接触しておらず、離隔して配置されている。また、底部材５と第１部材１とは、直接、又は軸部４ｂやフランジ部４ａ等を介して間接的に第２部材２に接触している。つまり、底部材５及び接合補助部材４の少なくとも一方が、第２部材２に接触している。
【0021】
（第３工程）
その後、アーク溶接により、第２穴４ｃの内部に、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９を形成する。具体的には、図１Ｂに示すように、溶接ノズル６によって保持された溶接ワイヤ７を接合補助部材４の上に配置するとともに、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続し、電圧を印加する。その後、溶接ワイヤ７の先端を底部材５に接触させて、アークを発生させる。このとき、溶接ワイヤ７の先端には凝固球８が形成されていることがあるが、これを切断する必要はない。
その後、アーク溶接により、第２穴４ｃの内部に、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９を形成する。具体的には、図１Ｂに示すように、溶接ノズル６によって保持された溶接ワイヤ７を接合補助部材４の上に配置するとともに、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続し、電圧を印加する。その後、溶接ワイヤ７の先端を底部材５に接触させて、アークを発生させる。このとき、溶接ワイヤ７の先端には凝固球８が形成されていることがあるが、これを切断する必要はない。
【0022】
その後、溶接ワイヤ７を溶融させつつ、第２穴４ｃに溶融金属を充填する。これにより、図１Ｃに示すように、電着塗装被膜３を有する第１部材１の少なくとも一部、底部材５の少なくとも一部及び接合補助部材４の少なくとも一部が溶融して、鋼製の溶接金属９が形成され、異種金属接合構造体１０が得られる。
【0023】
上述のとおり、従来の接合方法では、鋼製の第１部材１がその表面に電着塗装被膜３を有していると、溶接ワイヤ７と第１部材１との間で通電されず、アークを発生させることができないことがある。仮に、溶接ワイヤ７の先端に形成される凝固球８を、溶接を実施する度に切断し、先端を鋭利に加工すると、溶接ワイヤ７で電着塗装被膜３を貫通させることができるため、溶接ワイヤ７と第１部材１とを通電させることができる。しかし、溶接する度に溶接ワイヤ７の先端を切断することは、工程数の増加につながり、製造コストの上昇や歩留まりが低下する原因となる。
【0024】
これに対して、本実施形態においては、底部材５を介して溶接ワイヤ７と第２部材２とを通電させるため、電着塗装被膜３のように、第１部材１と第２部材２との間に絶縁層が介在している場合であっても、確実にアークを発生させることができる。また、接合補助部材４及び溶接ワイヤ７はいずれも鋼製であり、溶接金属９は第１部材１に接合可能な材料により構成されたものとなる。そして、溶接金属９は電着塗装被膜３を有する第１部材１の少なくとも一部、底部材５の少なくとも一部及び接合補助部材４の少なくとも一部を含んでいるため、溶接金属９によって接合補助部材４と第１部材１とが強固に固定される。さらに、第２部材２は、接合補助部材４のフランジ部４ａにより物理的に第１部材１に固定される。したがって、電着塗装被膜３を有する第１部材１と、この第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２とを容易に高品質な状態で接合することができる。
【0025】
本実施形態においては、第２部材２としてアルミニウム合金板を使用した例を示したが、第２部材２が第１部材１とは異なる材質からなるものであれば、特に限定されない。第２部材２としては、種々の導電性材料からなるものを採用することができ、具体的には、アルミニウム又はアルミニウム合金材、マグネシウム合金等を採用することができる。接合補助部材４としては、第１部材１とともに、溶接金属９を形成することができる材料からなることが必要であるため、接合補助部材４と第１部材１とは、互いに等しい主成分を有するものとする。このため、得られる溶接金属９も第１部材１と等しい主成分を有するものとなる。
【0026】
また、本発明において、第１部材１及び第２部材２の形状も特に限定されない。特に第２部材２については、第１穴２ａが形成されている領域が板状であれば、その他の領域はどのような形状であってもよく、一部で屈曲した形状や、部分的に厚さが異なる形状のもの等、自由に選択することができる。すなわち、本明細書における第２部材２の「板厚方向」とは、第２部材２における第１部材１と接合する領域における板状部分の厚さ方向を表す。
【0027】
＜第２実施形態＞
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第２実施形態に係る異種金属材の接合方法を工程順に示す模式的断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示す第２実施形態において、図１Ａ～図１Ｃに示す第１実施形態と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略又は簡略化する。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第２実施形態に係る異種金属材の接合方法を工程順に示す模式的断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示す第２実施形態において、図１Ａ～図１Ｃに示す第１実施形態と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略又は簡略化する。
【0028】
（第１工程）
図２Ａに示すように、鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を重ねて配置する。
図２Ａに示すように、鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を重ねて配置する。
【0029】
（第２工程）
次に、第１穴２ａの底部における第１部材１の上に、通電部材として、第２部材２に接触するようにアルミニウム合金箔１５を配置する。その後、鋼製の接合補助部材１４を第１穴２ａに挿入する。本実施形態において、接合補助部材１４は、円板形状のフランジ部１４ａと、この円板形状の中心軸と同一軸方向に軸を有する軸部１４ｂとを有する。また、接合補助部材１４には、フランジ部１４ａの上面から軸部１４ｂ側に向かって、軸部１４ｂの軸方向に平行な方向に貫通する第２穴１４ｃが形成されている。すなわち、本実施形態においては、接合補助部材１４と通電部材であるアルミニウム合金箔１５とは一体化されておらず、離隔して配置している。アルミニウム合金箔１５は、第１穴２ａに嵌合させるように配置してもよいし、第１部材１における電着塗装被膜３と第２部材２との間に挟むように配置してもよい。
次に、第１穴２ａの底部における第１部材１の上に、通電部材として、第２部材２に接触するようにアルミニウム合金箔１５を配置する。その後、鋼製の接合補助部材１４を第１穴２ａに挿入する。本実施形態において、接合補助部材１４は、円板形状のフランジ部１４ａと、この円板形状の中心軸と同一軸方向に軸を有する軸部１４ｂとを有する。また、接合補助部材１４には、フランジ部１４ａの上面から軸部１４ｂ側に向かって、軸部１４ｂの軸方向に平行な方向に貫通する第２穴１４ｃが形成されている。すなわち、本実施形態においては、接合補助部材１４と通電部材であるアルミニウム合金箔１５とは一体化されておらず、離隔して配置している。アルミニウム合金箔１５は、第１穴２ａに嵌合させるように配置してもよいし、第１部材１における電着塗装被膜３と第２部材２との間に挟むように配置してもよい。
【0030】
（第３工程）
その後、アーク溶接により、第２穴１４ｃの内部に、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属を形成する。具体的には、図２Ｂに示すように、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続し、電圧を印加する。その後、溶接ワイヤ７の先端をアルミニウム合金箔１５に接触させ、溶接ワイヤ７と第２部材２とを、アルミニウム合金箔１５を介して通電させて、アークを発生させる。そして、溶接ワイヤ７を溶融させつつ、第２穴１４ｃに溶融金属を充填する。これにより、図１Ｃと同様に、第１部材１と第２部材２とを接合補助部材１４を介して接合する溶接金属９が形成され、異種金属接合構造体１０が得られる。
その後、アーク溶接により、第２穴１４ｃの内部に、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属を形成する。具体的には、図２Ｂに示すように、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続し、電圧を印加する。その後、溶接ワイヤ７の先端をアルミニウム合金箔１５に接触させ、溶接ワイヤ７と第２部材２とを、アルミニウム合金箔１５を介して通電させて、アークを発生させる。そして、溶接ワイヤ７を溶融させつつ、第２穴１４ｃに溶融金属を充填する。これにより、図１Ｃと同様に、第１部材１と第２部材２とを接合補助部材１４を介して接合する溶接金属９が形成され、異種金属接合構造体１０が得られる。
【0031】
上記第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、確実にアークを発生させることができ、これにより、電着塗装被膜３を有する第１部材１と、この第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２とを容易に高品質な状態で接合することができる。
【0032】
上記第１実施形態では、底部材（通電部材）５と接合補助部材４とが一体化しており、底部材５を第１部材１から離隔させて配置している。また、第２実施形態では、アルミニウム合金箔（通電部材）１５と接合補助部材１４とが別部材となっており、両者を互いに離隔させて配置している。このように、本発明において、通電部材である底部材５やアルミニウム合金箔１５は、第２部材２における第１穴２ａの内部に配置されていても、底部に配置されていてもよい。
【0033】
また、通電部材である底部材５やアルミニウム合金箔１５は、第２穴４ｃ、１４ｃにおける軸方向に直交する方向の全面を覆うものである必要はなく、部分的に穴が開いていてもよい。すなわち溶接ワイヤ７を通電部材に容易に接触させることができ、このとき、通電部材が直接又は間接的に第２部材２に接続されていればよく、通電部材と第２部材２とが通電されればよい。
【0034】
さらに、上記第１実施形態及び第２実施形態においては、表面に電着塗装被膜３が形成された第２部材２を用いた例を示したが、絶縁層としては電着塗装被膜３に限定されない。第１部材１と第２部材２との間に、例えば、フッ素樹脂シートや樹脂コーティング等のように、絶縁性の板や膜が第１部材１と第２部材２との間に介在している状態であっても、本発明を適用することができる。
【0035】
上記第１及び第２実施形態において、底部材５やアルミニウム合金箔１５で表される通電部材の厚さは特に限定されず、通電部材を介して溶接ワイヤ７と第２部材２とが通電可能となるような厚さであればよい。ただし、第１実施形態に示すように、通電部材としての底部材５が、接合補助部材４に一体化されている場合に、板材を絞り加工することにより接合補助部材４を作成しようとすると、フランジ部４ａの厚さと底部材５の厚さとが略同一の厚さとなる。このように、底部材５の厚さがフランジ部４ａの厚さと同一程度に厚くなると、通電部材を溶融させるための熱が必要となり、第１部材１を十分に溶融させることが困難となる可能性がある。したがって、通電部材の厚さは、接合補助部材のフランジ部の厚さよりも薄いことが好ましく、０．５ｍｍ以下とすることがより好ましく、０．３ｍｍ以下とすることがさらに好ましく、０．１ｍｍ以下とすることが特に好ましい。
【0036】
次に、上記実施形態に係る異種金属材の接合方法により接合された異種金属接合構造体１０について説明する。
【0037】
［異種金属接合構造体］
図１Ｃに示すように、本実施形態に係る異種金属接合構造体１０は、鋼製の第１部材１と、第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２と、第１部材１と第２部材２との間に介在する電着塗装被膜３と、導電性を有する底部材（通電部材）５と、第１部材１と等しい主成分を有する接合補助部材４と、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９と、を有する。第２部材２は、第１部材１の上に重ねて配置され、板厚方向に貫通する第１穴２ａを有する。接合補助部材４は、第２部材２における第１部材１との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部４ａと、第１穴２ａ内に挿入される軸部４ｂと、軸部４ｂの軸方向に平行な第２穴４ｃと、を有する。底部材５は接合補助部材４に一体化されて、第２穴４ｃが有底形状に形成されており、底部材５及び接合補助部材４の少なくとも一方が第２部材２に接触している。溶接金属９は、第２穴４ｃの内部に形成され、第１部材１の少なくとも一部、電着塗装被膜３の少なくとも一部、底部材５の少なくとも一部及び接合補助部材４の少なくとも一部が溶融した溶融部を含む。
図１Ｃに示すように、本実施形態に係る異種金属接合構造体１０は、鋼製の第１部材１と、第１部材１とは異なる材料からなる第２部材２と、第１部材１と第２部材２との間に介在する電着塗装被膜３と、導電性を有する底部材（通電部材）５と、第１部材１と等しい主成分を有する接合補助部材４と、第１部材１と等しい主成分を有する溶接金属９と、を有する。第２部材２は、第１部材１の上に重ねて配置され、板厚方向に貫通する第１穴２ａを有する。接合補助部材４は、第２部材２における第１部材１との接触面と反対側の面上に配置されるフランジ部４ａと、第１穴２ａ内に挿入される軸部４ｂと、軸部４ｂの軸方向に平行な第２穴４ｃと、を有する。底部材５は接合補助部材４に一体化されて、第２穴４ｃが有底形状に形成されており、底部材５及び接合補助部材４の少なくとも一方が第２部材２に接触している。溶接金属９は、第２穴４ｃの内部に形成され、第１部材１の少なくとも一部、電着塗装被膜３の少なくとも一部、底部材５の少なくとも一部及び接合補助部材４の少なくとも一部が溶融した溶融部を含む。
【0038】
本実施形態に係る異種金属接合構造体１０は、第１部材１の表面に電着塗装被膜３が形成されていても、アークを発生させることができる上記方法により得られたものであるため、溶接金属９及び接合補助部材４によって第１部材１と第２部材２とが確実に接合されたものとなる。
【0039】
なお、上記接合方法の欄で示した通り、上記異種金属接合構造体１０は、表面に電着塗装被膜３が形成された第１部材１が使用された例であるが、本発明における絶縁層としては電着塗装被膜３に限定されない。例えば、フッ素樹脂シートや樹脂コーティング等のように、絶縁性の板や膜が第１部材１と第２部材２との間に介在している場合も本発明に含まれる。また、底部材５は接合補助部材４に一体化されている必要はない。本発明は、図２Ｂに示すように、接合補助部材１４とアルミニウム合金箔１５のような通電部材とが離隔している場合の他に、通電部材と第１部材１とが離隔している場合や、通電部材が第１部材１と第２部材２との間に挟まれている場合等、種々の場合を含む。すなわち、底部材５やアルミニウム合金箔１５のような通電部材は、第２穴４ｃの内部又は底部に配置されていて、第２部材２に直接又は間接的に通電されるように配置されていればよい。
【実施例0040】
以下、本実施形態に係る異種金属材の接合方法の実施例について、具体的に説明する。
【0041】
［異種金属接合構造体の製造］
図１Ａ～図１Ｃに示すように、表面に電着塗装被膜３が形成された鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を重ねて配置した。次に、鋼製の接合補助部材４を第１穴２ａに挿入した。その後、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続した後、溶接ワイヤ７の先端を底部材５に接触させて、アークを発生させ、アーク溶接を実施することにより、第２穴４ｃに溶融金属を充填した。これにより、第１部材１と第２部材２とが接合補助部材４及び溶接金属９により接合された異種金属接合構造体１０を得た。
図１Ａ～図１Ｃに示すように、表面に電着塗装被膜３が形成された鋼製の第１部材１の上に、第１穴２ａを有するアルミニウム合金製の第２部材２を重ねて配置した。次に、鋼製の接合補助部材４を第１穴２ａに挿入した。その後、溶接ワイヤ７と第２部材２とに電源１１を接続した後、溶接ワイヤ７の先端を底部材５に接触させて、アークを発生させ、アーク溶接を実施することにより、第２穴４ｃに溶融金属を充填した。これにより、第１部材１と第２部材２とが接合補助部材４及び溶接金属９により接合された異種金属接合構造体１０を得た。
【0042】
図３Ａは、発明例として使用した接合補助部材４を示す上面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示す接合補助部材のサイズを示す断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、接合補助部材４としては、円板形状のフランジ部４ａと、この円板形状の中心軸と同一軸方向に軸を有する軸部４ｂと、フランジ部４ａの上面から軸部４ｂ側に向かって、軸部４ｂの軸方向に平行な方向に延びる第２穴４ｃを有するものを使用した。なお、第２穴４ｃにおける軸部４ｂ側の端部は底部材５によって閉塞されており、この底部材５が本発明における通電部材に相当するものとした。その他の溶接条件を以下に示す。
【0043】
（接合補助部材のサイズ）
フランジ部４ａの外径：１２．４ｍｍ
フランジ部４ａの厚さ：１．８ｍｍ
軸部４ｂの軸方向の長さ：１．９ｍｍ
軸部４ｂの外径：８．４ｍｍ
軸部４ｂの内径：６．４ｍｍ
底部材５の厚さ：０．３ｍｍ
フランジ部４ａの外径：１２．４ｍｍ
フランジ部４ａの厚さ：１．８ｍｍ
軸部４ｂの軸方向の長さ：１．９ｍｍ
軸部４ｂの外径：８．４ｍｍ
軸部４ｂの内径：６．４ｍｍ
底部材５の厚さ：０．３ｍｍ
【0044】
（その他の溶接条件）
第１部材１の種類：合金化溶融亜鉛めっき９８０ＭＰａ級高張力鋼板（電着塗装被膜あり）
第１部材１の板厚：１．４ｍｍ
第２部材２の種類：Ａ６０２２－Ｔ４調質板材
第２部材２の板厚：２．０ｍｍ
接合補助部材４（及び底部材５）の材質：ＳＳ４００
溶接ワイヤ７の種類：ＪＩＳ Ｚ３３１７ Ｇ ５５Ａ－１ＣＭ３
溶接ワイヤ７の直径：１．２ｍｍ
シールドガスの種類・流量：１００％ＣＯ２、２５リットル／分
溶接電源：パルスＭＡＧ／ＭＩＧ 溶接電源 Ｐ５００Ｌ（株式会社ダイヘン製）
溶接モード：ワイヤ送給制御モード
アップスロープ初期設定電流：５０Ａ
アップスロープ初期設定電圧：１８．０Ｖ
アップスロープ時間：０．２秒
本通電設定電流：１９０Ａ
本通電設定電圧：１９．６Ｖ
本通電アークタイム：１．４秒
平均電流：１５５～１６５Ａ
平均電圧：１６．５～１７．０Ｖ
トータルアークタイム：１．６秒
第１部材１の種類：合金化溶融亜鉛めっき９８０ＭＰａ級高張力鋼板（電着塗装被膜あり）
第１部材１の板厚：１．４ｍｍ
第２部材２の種類：Ａ６０２２－Ｔ４調質板材
第２部材２の板厚：２．０ｍｍ
接合補助部材４（及び底部材５）の材質：ＳＳ４００
溶接ワイヤ７の種類：ＪＩＳ Ｚ３３１７ Ｇ ５５Ａ－１ＣＭ３
溶接ワイヤ７の直径：１．２ｍｍ
シールドガスの種類・流量：１００％ＣＯ２、２５リットル／分
溶接電源：パルスＭＡＧ／ＭＩＧ 溶接電源 Ｐ５００Ｌ（株式会社ダイヘン製）
溶接モード：ワイヤ送給制御モード
アップスロープ初期設定電流：５０Ａ
アップスロープ初期設定電圧：１８．０Ｖ
アップスロープ時間：０．２秒
本通電設定電流：１９０Ａ
本通電設定電圧：１９．６Ｖ
本通電アークタイム：１．４秒
平均電流：１５５～１６５Ａ
平均電圧：１６．５～１７．０Ｖ
トータルアークタイム：１．６秒
【0045】
［アーク発生の様子及び外観評価］
図４Ａは、本発明に係る異種金属材の接合方法により製造された発明例１の異種金属接合構造体の上面側を示す図面代用写真であり、図４Ｂは、その裏面側を示す図面代用写真である。また、図５は、発明例１の異種金属接合構造体を、溶接金属９の中心を通る切断線で切断した断面を示す図面代用写真である。なお、切断線は、第１部材１及び第２部材２の短手方向に平行な方向とした。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、第１部材１に形成された穴２０は、電着塗装被膜３を形成するための吊り下げ用の穴である。
図４Ａは、本発明に係る異種金属材の接合方法により製造された発明例１の異種金属接合構造体の上面側を示す図面代用写真であり、図４Ｂは、その裏面側を示す図面代用写真である。また、図５は、発明例１の異種金属接合構造体を、溶接金属９の中心を通る切断線で切断した断面を示す図面代用写真である。なお、切断線は、第１部材１及び第２部材２の短手方向に平行な方向とした。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、第１部材１に形成された穴２０は、電着塗装被膜３を形成するための吊り下げ用の穴である。
【0046】
発明例１においては、第２部材２として、Ａ６０２２－Ｔ４調質板材を使用した。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本発明の接合方法によると、アーク溶接時に確実にアークを発生させることができ、電着塗装被膜３を有する鋼板を使用した場合であっても、十分な溶込みを確保することができた。
【0047】
［引張せん断試験による評価］
上記発明例１と同様の方法で、鋼製の第１部材１とアルミニウム合金製の第２部材２とを接合し、異種金属接合構造体を製造した。次に、得られた異種金属接合構造体に対して、ＪＩＳ Ｚ ３１３６：１９９９に記載の「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」に準拠して引張せん断試験を実施し、引張せん断強さ（ＴＳＳ：Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を評価した。なお、発明例２、発明例３及び発明例４は、全て上記発明例１と同一の材料及び同一の溶接条件設定値を使用して、溶接を実施した。
上記発明例１と同様の方法で、鋼製の第１部材１とアルミニウム合金製の第２部材２とを接合し、異種金属接合構造体を製造した。次に、得られた異種金属接合構造体に対して、ＪＩＳ Ｚ ３１３６：１９９９に記載の「抵抗スポット及びプロジェクション溶接継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法」に準拠して引張せん断試験を実施し、引張せん断強さ（ＴＳＳ：Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を評価した。なお、発明例２、発明例３及び発明例４は、全て上記発明例１と同一の材料及び同一の溶接条件設定値を使用して、溶接を実施した。
【0048】
図６は、発明例２～４について、引張せん断試験後の上面側の様子を示す図面代用写真である。また、溶接時の電流及び電圧の実効値、並びに引張せん断試験の測定結果を下記表に示す。なお、図６は、引張せん断試験後の様子を示しているため、第１部材１（図中左側）と第２部材２（図中右側）とに分割されているが、符号は省略する。
【0049】
【表1】
【0050】
図６に示すように、発明例２～発明例４はいずれも、良好な溶接金属を得ることができ、引張せん断試験によって溶接金属が第１部材から抜けることはなかった。また、表１に示すように、発明例２～発明例４はいずれも、優れた引張せん断強さを得ることができた。
【0051】
このように、本発明による異種金属材の接合方法を用いることにより、第１部材１と第２部材２との間に電着塗装被膜３のような絶縁層が介在している場合であっても、確実にアークを発生させることができ、第１部材１と第２部材２とを高い品質で接合することができることが示された。
【符号の説明】
【0052】
１ 第１部材
２ 第２部材
２ａ 第１穴
３ 電着塗装被膜
４、１４ 接合補助部材
４ａ、１４ａ フランジ部
４ｂ、１４ｂ 軸部
４ｃ、１４ｃ 第２穴
５ 底部材
７ 溶接ワイヤ
９ 溶接金属
１０ 異種金属接合構造体
１１ 電源
１５ アルミニウム合金箔
２ 第２部材
２ａ 第１穴
３ 電着塗装被膜
４、１４ 接合補助部材
４ａ、１４ａ フランジ部
４ｂ、１４ｂ 軸部
４ｃ、１４ｃ 第２穴
５ 底部材
７ 溶接ワイヤ
９ 溶接金属
１０ 異種金属接合構造体
１１ 電源
１５ アルミニウム合金箔
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
