特許 6999015 異材接合用アーク溶接法

(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】

(24)【登録日】2021-12-23

(45)【発行日】2022-01-18

(54)【発明の名称】異材接合用アーク溶接法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/23 20060101AFI20220111BHJP

   B23K 9/02 20060101ALI20220111BHJP

【ＦＩ】

B23K9/23 H

B23K9/02 M

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020202990

(22)【出願日】2020-12-07

(62)【分割の表示】P 2018035397の分割

【原出願日】2018-02-28

(65)【公開番号】P2021037550

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2020-12-07

(73)【特許権者】

【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】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 励一

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第３０９５９５１（ＵＳ，Ａ）

【文献】実開昭６４－７９１１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００１－１３２７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２６６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１７０２１３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／２３

Ｂ２３Ｋ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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溶接法であって、
大径部と、該大径部よりも最大外径が小さい小径部とを持った段付きの外形形状を有し、前記小径部の外周面には少なくとも１つの圧入用突起部が設けられ、且つ、該大径部及び該小径部を貫通する中空部が形成され、該大径部及び該小径部の合計高さが前記第１の板の板厚以上である鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に拘束保持する工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
以下の（ａ）～（ｅ）のいずれかの手法によって、前記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て、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する、充填溶接工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。

【請求項2】

前記少なくとも１つの圧入用突起部は、前記小径部の軸方向に平行である、請求項１に記載の異材接合用アーク溶接法。

【請求項3】

前記少なくとも１つの圧入用突起部は、前記大径部から離れて位置する、請求項１または２に記載の異材接合用アーク溶接法。

【請求項4】

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溶接法であって、
大径部と、該大径部よりも最大外径が小さい小径部とを持った段付きの外形形状を有し、前記小径部の外周面には、前記大径部の最大外径よりも小さい中径部が、該大径部と接触することなく、且つ、該外周面に沿って連続的または断続的に設けられ、且つ、該大径部及び該小径部を貫通する中空部が形成され、該大径部及び該小径部の合計高さが前記第１の板の板厚以上である鋼製の接合補助部材を、前記第１の板に拘束保持する工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
以下の（ａ）～（ｅ）のいずれかの手法によって、前記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て、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する、充填溶接工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。

【請求項5】

前記接合補助部材の小径部における前記第１の板からの張り出し量が、前記第１の板の板厚に対し２５％以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法。

【請求項6】

前記充填溶接工程において、前記第１の板及び前記第２の板が互いに密着する方向に押圧可能な加圧機構を有し、
前記加圧機構が前記第１の板及び前記第２の板が互いに密着するように押圧しながら、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する、請求項１～５のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法。

【請求項7】

前記加圧機構は、前記充填溶接工程において使用する溶接トーチに備えられ、前記第１の板及び前記接合補助部材の少なくとも一方と当接する押し付け部を有する、請求項６に記載の異材接合用アーク溶接法。

【請求項8】

前記充填溶接工程において、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填するに際し、前記接合補助部材の表面上に余盛りを形成する、請求項１～７のいずれか１項に記載の異材接合用アーク溶接法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異材接合用アーク溶接法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車を代表とする輸送機器には、（ａ）有限資源である石油燃料消費、（ｂ）燃焼に伴って発生する地球温暖化ガスであるＣＯ_２、（ｃ）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合金、マグネシウム合金、炭素繊維など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】

鋼と上記軽量素材を組み合わせるには、必然的にこれらを接合する箇所が出てくる。鋼同士やアルミニウム合金同士、マグネシウム合金同士では容易である溶接が、異材では極めて困難であることが知られている。この理由として、鋼とアルミニウムあるいはマグネシウムの溶融混合部には極めて脆い性質である金属間化合物（ＩＭＣ）が生成し、引張や衝撃といった外部応力で溶融混合部が容易に破壊してしまうことにある。このため、抵抗スポット溶接法やアーク溶接法といった溶接法が異材接合には採用できず、他の接合法を用いるのが一般的である。鋼と炭素繊維の接合も、後者が金属ではないことから溶接を用いることができない。

【0004】

従来の異材接合技術の例としては、鋼素材と軽量素材の両方に貫通穴を設けてボルトとナットで上下から拘束する手段があげられる。また、他の例としては、かしめ部材を強力な圧力をかけて片側から挿入し、かしめ効果によって拘束する手段が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

さらに、他の例としては、アルミ合金素材に鋼製の接合部材をポンチとして押し込むことで穴あけと接合部材を仮拘束し、次に鋼素材と重ね合わせ、上下両方から銅電極にて挟み込んで、圧力と高電流を瞬間的に与えて鋼素材と接合部材を抵抗溶接する手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【0006】

また、他の例としては、摩擦攪拌接合ツールを用いてアルミ合金と鋼の素材同士を直接接合する手段も開発されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００２－１７４２１９号公報

【文献】特開２００９－２８５６７８号公報

【文献】特許第５０４４１２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ボルトとナットによる接合法は、鋼素材と軽量素材が閉断面構造を構成するような場合（図３９Ａ参照）、ナットを入れることができず適用できない。また、適用可能な開断面構造の継手の場合（図３９Ｂ、図３９Ｃ参照）でも、ナットを回し入れるのに時間を要し能率が悪いという課題がある。

【0009】

また、特許文献１に記載の接合法は、比較的容易な方法ではあるが、鋼の強度が高い場合には挿入できない問題があり、且つ、接合強度は摩擦力とかしめ部材の剛性に依存するので、高い接合強度が得られないという問題がある。また、挿入に際しては表・裏両側から治具で押さえ込む必要があるため、閉断面構造には適用できないという課題もある。

【0010】

さらに、特許文献２に記載の接合法も、閉断面構造には適用できず、また、抵抗溶接法は設備が非常に高価であるという課題がある。

【0011】

特許文献３に記載の接合法は、アルミ合金素材を低温領域で塑性流動させながら鋼素材面に圧力をかけることで、両素材が溶融し合うことがなく、金属間化合物の生成を防止しながら金属結合力が得られるとされ、鋼と炭素繊維も接合可能という研究成果もある。しかしながら、本接合法も閉断面構造には適用できず、また高い圧力を必要とするので機械的に大型となり、高価であるという問題がある。また、接合力としてもそれほど高くならない。

【0012】

したがって、既存の異材接合技術は、（ｉ）部材や開先形状が開断面構造に限定される、（ｉｉ）接合強度が低い、（ｉｉｉ）設備コストが高価であるといった一つ以上の問題を持っている。このため、種々の素材を組み合わせたマルチマテリアル設計を普及させるためには、（ｉ’）開断面構造と閉断面構造の両方に適用できる、（ｉｉ’）接合強度が十分に高く、かつ信頼性も高い、（ｉｉｉ’）低コストであるという全ての要素を兼ね備えた、使いやすい新技術が求められている。

【0013】

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム合金（以下「Ａｌ合金」とも言う）もしくはマグネシウム合金（以下、「Ｍｇ合金」とも言う）と鋼の異材を、既に世に普及している安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる、異材接合用アーク溶接法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

ここで、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金と鋼を溶融接合させようとすると、上述したように金属間化合物（ＩＭＣ）の生成が避けられない。一方、鋼同士の溶接は最も高い接合強度と信頼性を示すことは、科学的にも実績的にも自明である。
そこで、本発明者は、鋼同士の溶接を結合力として用い、さらに拘束力を利用して異材の接合を達成する手段を考案した。

【0015】

従って、本発明の上記目的は、下記（１）の構成により達成される。
（１） 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溶接法であって、
大径部と、該大径部よりも最大外径が小さい小径部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、該大径部及び該小径部を貫通する中空部が形成され、該大径部及び該小径部の合計高さが前記第１の板の板厚以上である鋼製の接合補助部材を、前記小径部が前記第１の板に面するように配置し、前記接合補助部材に圧力をかけて前記第１の板を打ち抜く工程と、
前記第１の板と前記第２の板を重ね合わせる工程と、
以下の（ａ）～（ｅ）のいずれかの手法によって、前記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て、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
（ａ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
（ｂ）前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
（ｃ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
（ｄ）前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
（ｅ）鉄合金、または、Ｎｉ合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。

【0016】

また、本発明の好ましい実施形態は、以下の（２）～（１１）に関するものである。
（２） 前記小径部の外周面には、少なくとも１つの圧入用突起部が設けられる、上記（１）に記載の異材接合用アーク溶接法。
（３） 前記小径部の外周面には、前記大径部の最大外径よりも小さい中径部が、該大径部と接触することなく、且つ、該外周面に沿って連続的または断続的に設けられる、上記（１）に記載の異材接合用アーク溶接法。
（４） 前記重ね合わせ工程の前に、前記第１の板と前記第２の板の少なくとも一方の重ね合わせ面に対し、前記打ち抜き工程により形成された前記第１の板における穴の周囲に、全周に亘って接着剤を塗布する工程を、さらに備える、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（５） 前記打ち抜き工程において、前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第１の板との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤を塗布する、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（６） 前記打ち抜き工程の際、または、前記充填溶接工程後に、少なくとも前記接合補助部材と前記第１の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（７） 前記接合補助部材の小径部における前記第１の板からの張り出し量が、前記第１の板の板厚に対し２５％以下である、上記（１）～（６）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（８） 前記充填溶接工程において、前記第１の板及び前記第２の板が互いに密着する方向に押圧可能な加圧機構を有し、
前記加圧機構が前記第１の板及び前記第２の板が互いに密着するように押圧しながら、前記第２の板及び前記接合補助部材を溶接する、上記（１）～（７）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（９） 前記加圧機構は、前記充填溶接工程において使用する溶接トーチに備えられ、前記第１の板及び前記接合補助部材の少なくとも一方と当接する押し付け部を有する、上記（８）に記載の異材接合用アーク溶接法。
（１０） 前記接合補助部材の大径部の露出面が、前記第１の板の表面と略同一または外側に位置するようにして前記第１の板を打ち抜く、上記（１）～（９）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。
（１１） 前記充填溶接工程において、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填するに際し、前記接合補助部材の表面上に余盛りを形成する、上記（１）～（１０）のいずれか１つに記載の異材接合用アーク溶接法。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金と、鋼との異材を、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】図１Ａは、本発明の一実施形態に係る異材溶接継手の斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、図１ＡのＩ－Ｉ線に沿った異材溶接継手の断面図である。

【図2】図２は、本実施形態の接合補助部材の斜視図及び断面図である。

【図3A】図３Ａは、本実施形態の異材接合用アーク溶接法の打ち抜き作業（ステップＳ１）を示す図である。

【図3B】図３Ｂは、打ち抜き作業の一例の第１工程を示す図である。

【図3C】図３Ｃは、打ち抜き作業の一例の第２工程を示す図である。

【図3D】図３Ｄは、打ち抜き作業の一例の第３工程を示す図である。

【図3E】図３Ｅは、打ち抜き作業の一例の第４工程を示す図である。

【図3F】図３Ｆは、本実施形態の異材接合用アーク溶接法の重ね合わせ作業（ステップＳ２）を示す図である。

【図3G】図３Ｇは、本実施形態の異材接合用アーク溶接法の溶接作業（ステップＳ３）を示す図である。

【図4A】図４Ａは、アルミ製の上板と鋼製の下板を重ねて貫通溶接した比較例としての異材溶接継手の斜視図である。

【図4B】図４Ｂは、図４Ａの異材溶接継手の断面図である。

【図5A】図５Ａは、図４Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。

【図5B】図５Ｂは、図５Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。

【図6A】図６Ａは、図４Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す断面図である。

【図6B】図６Ｂは、図６Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。

【図7A】図７Ａは、穴を有するアルミ製の上板と鋼製の下板を重ねて貫通溶接した比較例としての異材溶接継手の斜視図である。

【図7B】図７Ｂは、図７Ａの異材溶接継手の断面図である。

【図8A】図８Ａは、図７Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用した状態を示す断面図である。

【図8B】図８Ｂは、図７Ａの異材溶接継手にせん断引張が作用し、接合部が９０°近くずれた状態を示す斜視図である。

【図9A】図９Ａは、図７Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す断面図である。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａの異材溶接継手を示す斜視図である。

【図10A】図１０Ａは、上台座、下台座及び加圧機構により構成される圧入装置を用いた打ち抜き作業の一例を示す図である。

【図10B】図１０Ｂは、上台座、下台座及び加圧機構により構成される圧入装置を用いた打ち抜き作業の別例を示す図である。

【図10C】図１０Ｃは、打ち抜き作業により接合補助部材が圧入された状態のアルミ製の上板を示す図である。

【図11】図１１は、下板に、接合補助部材が圧入された上板を重ね合わせた状態における、ギャップＧを説明するための断面図である。

【図12A】図１２Ａは、充填溶接工程において、上板及び下板を加圧するための加圧機構の第１例を示す斜視図である。

【図12B】図１２Ｂは、充填溶接工程において、上板及び下板を加圧するための加圧機構の第２例を示す斜視図である。

【図12C】図１２Ｃは、充填溶接工程において、上板及び下板を加圧するための加圧機構の第３例を示す斜視図である。

【図12D】図１２Ｄは、充填溶接工程において、上板及び下板を加圧するための加圧機構の第４例を示す斜視図である。

【図13】図１３は、下板に、接合補助部材が圧入された上板を重ね合わせた状態における張り出し量Ｐを説明するための断面図である。

【図14A】図１４Ａは、本実施形態の異材溶接継手の断面図である。

【図14B】図１４Ｂは、図１４Ａの異材溶接継手に上下剥離引張が作用した状態を示す斜視図である。

【図15A】図１５Ａは、本実施形態の接合補助部材の正面図である。

【図15B】図１５Ｂは、接合補助部材の第１変形例を示す正面図である。

【図15C】図１５Ｃは、接合補助部材の第２変形例を示す正面図である。

【図15D】図１５Ｄは、接合補助部材の第３変形例を示す正面図である。

【図15E】図１５Ｅは、接合補助部材の第４変形例を示す正面図である。

【図16A】図１６Ａは、接合補助部材の第５変形例を示す側面図である。

【図16B】図１６Ｂは、接合補助部材の第６変形例を示す側面図である。

【図16C】図１６Ｃは、接合補助部材の第７変形例を示す側面図である。

【図17】図１７は、接合補助部材の他の役割を説明するための本実施形態の異材溶接継手の断面図である。

【図18A】図１８Ａは、接合補助部材の上板への押込み量を説明するための第１例を示す図である。

【図18B】図１８Ｂは、接合補助部材の上板への押込み量を説明するための第２例を示す図である。

【図18C】図１８Ｃは、接合補助部材の上板への押込み量を説明するための第３例を示す図である。

【図18D】図１８Ｄは、接合補助部材の上板への押込み量を説明するための第４例を示す図である。

【図19A】図１９Ａは、接合補助部材の第８変形例を示す正面図である。

【図19B】図１９Ｂは、接合補助部材の第９変形例を示す正面図である。

【図19C】図１９Ｃは、接合補助部材の第１０変形例を示す正面図である。

【図19D】図１９Ｄは、接合補助部材の第１１変形例を示す正面図である。

【図19E】図１９Ｅは、接合補助部材の第１２変形例を示す正面図である。

【図19F】図１９Ｆは、接合補助部材の第１３変形例を示す正面図である。

【図19G】図１９Ｇは、接合補助部材の第１４変形例を示す正面図である。

【図20】図２０は、接合補助部材の第１５変形例を示す斜視図である。

【図21】図２１は、接合補助部材の第１６変形例を示す側面図である。

【図22A】図２２Ａは、余盛りが形成されない異材溶接継手を示す断面図である。

【図22B】図２２Ｂは、図２２Ａの異材溶接継手に板厚方向（３次元方向）の外部応力が作用した状態を示す断面図である。

【図23】図２３は、余盛りが形成された異材溶接継手に板厚方向（３次元方向）の外部応力が作用した状態を示す断面図である。

【図24A】図２４Ａは、溶接金属の溶込みを説明するための異材溶接継手の断面図（裏波を有する場合）である。

【図24B】図２４Ｂは、溶接金属の溶込みを説明するための異材溶接継手の断面図（裏波を有さない場合）である。

【図25】図２５は、横向き姿勢でアーク溶接が施されている状態を示す図である。

【図26A】図２６Ａは、本実施形態の圧入用突起部を有する接合補助部材を示す斜視図である。

【図26B】図２６Ｂは、圧入用突起部を有する接合補助部材の側面図、及びＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。

【図27】図２７は、圧入用突起部を有する接合補助部材が上板に圧入される場合の保持機構を説明するための図である。

【図28A】図２８Ａは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１変形例の要部側面図である。

【図28B】図２８Ｂは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第２変形例の要部側面図である。

【図28C】図２８Ｃは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第３変形例の要部側面図である。

【図28D】図２８Ｄは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第４変形例の要部側面図である。

【図28E】図２８Ｅは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第５変形例の要部側面図である。

【図28F】図２８Ｆは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第６変形例の要部側面図である。

【図28G】図２８Ｇは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第７変形例の要部側面図である。

【図28H】図２８Ｈは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第８変形例の要部側面図である。

【図28I】図２８Ｉは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第９変形例の要部側面図である。

【図28J】図２８Ｊは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１０変形例の要部側面図である。

【図28K】図２８Ｋは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１１変形例の要部側面図である。

【図29A】図２９Ａは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１２変形例の斜視図である。

【図29B】図２９Ｂは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１３変形例の斜視図である。

【図29C】図２９Ｃは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１４変形例の斜視図である。

【図30A】図３０Ａは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１４変形例の側面図、及びＸＸＸａ－ＸＸＸａ線に沿った断面図である。

【図30B】図３０Ｂは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１５変形例の側面図、及びＸＸＸｂ－ＸＸＸｂ線に沿った断面図である。

【図30C】図３０Ｃは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１６変形例の側面図、及びＸＸＸｃ－ＸＸＸｃ線に沿った断面図である。

【図30D】図３０Ｄは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１７変形例の側面図、及びＸＸＸｄ－ＸＸＸｄ線に沿った断面図である。

【図30E】図３０Ｅは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１８変形例の側面図、及びＸＸＸｅ－ＸＸＸｅ線に沿った断面図である。

【図31A】図３１Ａは、本実施形態の異材溶接継手の断面図である。

【図31B】図３１Ｂは、図３１ＡのＸＸＸＩ－ＸＸＸＩ線に沿った断面図である。

【図32A】図３２Ａは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第１９変形例の要部側面図である。

【図32B】図３２Ｂは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第２０変形例の要部側面図である。

【図32C】図３２Ｃは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第２１変形例の要部側面図である。

【図32D】図３２Ｄは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第２２変形例の要部側面図である。

【図32E】図３２Ｅは、圧入用突起部を有する接合補助部材の第２３変形例の要部側面図である。

【図33A】図３３Ａは、本実施形態の中径部を有する接合補助部材の斜視図及び側面図である。

【図33B】図３３Ｂは、中径部を有する接合補助部材の第１変形例の斜視図及び側面図である。

【図33C】図３３Ｃは、中径部を有する接合補助部材の第２変形例の斜視図及び側面図である。

【図33D】図３３Ｄは、中径部を有する接合補助部材の第３変形例の斜視図及び側面図である。

【図33E】図３３Ｅは、中径部を有する接合補助部材の第４変形例の斜視図及び側面図である。

【図33F】図３３Ｆは、中径部を有する接合補助部材の第５変形例の斜視図及び側面図である。

【図33G】図３３Ｇは、中径部を有する接合補助部材の第６変形例の斜視図及び側面図である。

【図33H】図３３Ｈは、中径部を有する接合補助部材の第７変形例の斜視図及び側面図である。

【図34A】図３４Ａは、中径部を有する接合補助部材の第８変形例の斜視図及び側面図である。

【図34B】図３４Ｂは、中径部を有する接合補助部材の第９変形例の斜視図及び側面図である。

【図34C】図３４Ｃは、中径部を有する接合補助部材の第１０変形例の斜視図及び側面図である。

【図34D】図３４Ｄは、中径部を有する接合補助部材の第１１変形例の斜視図及び側面図である。

【図35A】図３５Ａは、接合補助部材の第２４変形例を示す側面図である。

【図35B】図３５Ｂは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第１例を示す図である。

【図35C】図３５Ｃは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第２例を示す図である。

【図35D】図３５Ｄは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第３例を示す図である。

【図35E】図３５Ｅは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第４例を示す図である。

【図35F】図３５Ｆは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第５例を示す図である。

【図35G】図３５Ｇは、継手強度に影響を及ぼさない、接合補助部材における突出部を説明するための第６例を示す図である。

【図36A】図３６Ａは、異材接合用アーク溶接法の第１変形例を説明するための上板と下板の斜視図である。

【図36B】図３６Ｂは、異材接合用アーク溶接法の第１変形例を説明するための上板と下板の断面図である。

【図37A】図３７Ａは、異材接合用アーク溶接法の第２変形例を説明するための上板と下板の斜視図である。

【図37B】図３７Ｂは、異材接合用アーク溶接法の第２変形例を説明するための上板と下板の断面図である。

【図38A】図３８Ａは、異材接合用アーク溶接法の第３変形例を説明するための異材溶接継手の斜視図である。

【図38B】図３８Ｂは、異材接合用アーク溶接法の第３変形例を説明するための異材溶接継手の断面図である。

【図38C】図３８Ｃは、異材接合用アーク溶接法の第４変形例を説明するための異材溶接継手の断面図である。

【図39A】図３９Ａは、本実施形態の異材溶接継手が適用された閉断面構造を示す斜視図である。

【図39B】図３９Ｂは、本実施形態の異材溶接継手が適用された、Ｌ字板と平板による開断面構造を示す斜視図である。

【図39C】図３９Ｃは、本実施形態の異材溶接継手が適用された、２枚の平板による開断面構造を示す斜視図である。

【図40】図４０は、異材接合用アーク溶接法の第５変形例（開断面部材の製造方法）を示す図である。

【図41】図４１は、異材接合用アーク溶接法の第６変形例（閉断面部材の製造方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の一実施形態に係る異材接合用アーク溶接法を図面に基づいて詳細に説明する。

【0020】

本実施形態の異材接合用アーク溶接法は、互いに重ね合わせされる、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金製の上板１０（第１の板）と、鋼製の下板２０（第２の板）とを、鋼製の接合補助部材３０を介して、後述するアーク溶接法によって接合することで、図１Ａ及び図１Ｂに示すような異材溶接継手１を得るものである。

【0021】

上板１０の板厚以上の高さを有する接合補助部材３０を上板１０上に配置し、接合補助部材３０に圧力をかけて上板１０を打ち抜くことにより、上板１０に穴１１を形成する。打ち抜き加工により圧入された接合補助部材３０は、穴１１の周囲のＡｌ合金もしくはＭｇ合金材料から圧力を受けて、軽く拘束された状態となって固定される。

【0022】

図２に示すように、接合補助部材３０は、大径部３２と、大径部３２よりも最大外径が小さい小径部３１とを持った段付きの外形形状を有する。また、接合補助部材３０には、小径部３１及び大径部３２を貫通する中空部３３が形成される。なお、大径部３２の外形形状は、図２や図１５Ａに示すような円形に限定されず、接合補助部材３０の圧入により形成された貫通部（穴１１）をアーク溶接後に塞いでいれば、任意の形状とすることができる。つまり、図１５Ｂ～図１５Ｅに示す四角形以上の多角形でもよい。また、図１５Ｃに示すように、多角形の角部を丸くしてもよい。

【0023】

さらに、接合補助部材３０の中空部３３には、アーク溶接によってフィラー材（溶接材料）が溶融した、鉄合金、または、Ｎｉ合金の溶接金属４０が充填されると共に、溶接金属４０と、溶融された下板２０及び接合補助部材３０の一部とによって溶融部Ｗが形成される。

【0024】

以下、異材溶接継手１を構成する異材接合用アーク溶接法について、図３Ａ～図３Ｇを参照して説明する。
まず、図３Ａに示すように、上板（第１の板）１０の板厚以上の高さを有する接合補助部材３０を上板１０上に配置し、接合補助部材３０に圧力をかけて上板１０を打ち抜くことにより、上板１０に穴１１を形成しつつ、接合補助部材３０を上板１０に圧入する（ステップＳ１）。
次に、図３Ｆに示すように、接合補助部材３０が圧入された上板１０と、下板２０を重ね合わせる重ね合わせ作業を行う（ステップＳ２）。そして、図３Ｇに示すように、以下に詳述する（ａ）溶極式ガスシールドアーク溶接法、（ｂ）ノンガスアーク溶接法、（ｃ）ガスタングステンアーク溶接法、（ｄ）プラズマアーク溶接法、（ｅ）被覆アーク溶接法のいずれかのアーク溶接作業を行うことで、上板１０と下板２０とを接合する（ステップＳ３）。なお、図３Ｇは、（ａ）溶極式ガスシールドアーク溶接法を用いてアーク溶接作業が行われた場合を示している。

【0025】

ステップＳ１の打ち抜き作業を行うにあたり、接合補助部材３０は大径部３２及び小径部３１を有しており、大径部３２及び小径部３１の合計高さが上板１０の板厚以上となっている。また、接合補助部材３０における小径部３１が上板１０に面するように配置される。
ステップＳ１の打ち抜き作業の具体的な手法としては、図３Ｂ～図３Ｅに示すように、接合補助部材３０自体をポンチとして、上板１０が配置された下台座５０に対して、接合補助部材３０が固定された上台座５１を接近させ、打抜き加工を施すことが挙げられる。この場合、中空部３３に母材片Ｍが入り込んだままとなることが希にあり、アーク溶接時の邪魔になるので、その場合には母材片Ｍを取り除くことが必要である。

【0026】

また、ステップＳ３のアーク溶接作業は、上板１０の穴１１内の溶接金属４０を介して接合補助部材３０と下板２０を接合し、かつ接合補助部材３０に設けられた中空部３３を充填するために必要とされる。したがって、アーク溶接には充填材となるフィラー材（溶接材料）の挿入が不可欠となる。具体的に、以下の４つのアーク溶接法により、フィラー材が溶融して溶接金属４０が形成される。

【0027】

（ａ） 溶極式ガスシールドアーク溶接法は、一般的にＭＡＧ（マグ）やＭＩＧ（ミグ）と呼ばれる溶接法であり、ソリッドワイヤもしくはフラックス入りワイヤをフィラー兼アーク発生溶極として用い、ＣＯ_２，Ａｒ，Ｈｅといったシールドガスで溶接部を大気から遮断して健全な溶接部を形成する手法である。

【0028】

（ｂ）ノンガスアーク溶接法は、セルフシールドアーク溶接法とも呼ばれ、特殊なフラックス入りワイヤをフィラー兼アーク発生溶極として用い、一方、シールドガスを不要として、健全な溶接部を形成する手段である。

【0029】

（ｃ）ガスタングステンアーク溶接法は、ガスシールドアーク溶接法の一種であるが非溶極式であり、一般的にＴＩＧ（ティグ）とも呼ばれる。シールドガスは、ＡｒまたはＨｅの不活性ガスが用いられる。タングステン電極と母材との間にはアークが発生し、フィラーワイヤはアークに横から送給される。
一般的に、フィラーワイヤは通電されないが、通電させて溶融速度を高めるホットワイヤ方式ＴＩＧもある。この場合、フィラーワイヤにはアークは発生しない。

【0030】

（ｄ）プラズマアーク溶接法はＴＩＧと原理は同じであるが、ガスの２重系統化と高速化によってアークを緊縮させ、アーク力を高めた溶接法である。

【0031】

（ｅ）被覆アーク溶接法は、金属の芯線にフラックスを塗布した被覆アーク溶接棒をフィラーとして用いるアーク溶接法であり、シールドガスは不要である。

【0032】

フィラー材（溶接材料）の材質については、溶接金属４０がＦｅ合金となるものであれば、一般的に用いられる溶接用ワイヤまたは溶接棒が適用可能である。なお、Ｎｉ合金でも鉄との溶接には不具合を生じないので適用可能である。
具体的には、ＪＩＳとして（ａ）Ｚ３３１２，Ｚ３３１３，Ｚ３３１７，Ｚ３３１８，Ｚ３３２１，Ｚ３３２３，Ｚ３３３４、（ｂ）Ｚ３３１３、（ｃ）Ｚ３３１６，Ｚ３３２１，Ｚ３３３４，（ｄ）Ｚ３２１１，Ｚ３２２１，Ｚ３２２３，Ｚ３２２４、ＡＷＳ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ）として、（ａ）Ａ５．９，Ａ５．１４，Ａ５．１８，Ａ５．２０，Ａ５．２２，Ａ５．２８，Ａ５．２９，Ａ５．３４、（ｂ）Ａ５．２０、（ｃ）Ａ５．９，Ａ５．１４，Ａ５．１８，Ａ５．２８，（ｄ）Ａ５．１，Ａ５．４，Ａ５．５，Ａ５．１１といった規格材が流通している。

【0033】

これらのアーク溶接法を用いて接合補助部材３０の中空部３３をフィラー材で充填するが、一般的にフィラーワイヤもしくは溶接棒の狙い位置は移動させる必要がなく、適切な送給時間を経てアークを切って溶接終了させれば良い。ただし、中空部３３の面積が大きい場合は、フィラーワイヤもしくは溶接棒の狙い位置を中空部３３内で円を描くように移動させても良い。

【0034】

以上の作業によって、Ａｌ合金やＭｇ合金製の上板１０と鋼製の下板２０は高い強度で接合される。

【0035】

以下、上記アーク溶接法において使用される鋼製の接合補助部材３０の役割について説明する。

【0036】

まず、接合補助部材を使用せず、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、単純にアルミ製の上板１０と鋼製の下板２０とを重ね、上板側から鋼もしくはニッケル合金製溶接ワイヤを用いたアーク溶接を定点で一定時間保持したアークスポット溶接を行った場合、形成される溶接金属４０ａはアルミと鋼、もしくはアルミと鋼とニッケルの合金となる。この合金は、アルミ含有量が多いので脆性的特性である金属間化合物（ＩＭＣ）を呈している。

【0037】

このような異材溶接継手１００ａは、一見接合されている様に見えても、横方向に引張応力がかかる（せん断引張）と、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、溶接金属４０ａが容易に破壊して、外れてしまう。また、縦方向に引張応力がかかる（剥離引張）場合でも、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、溶接金属４０ａが破断するか、もしくは溶接金属４０ａと上板１０の境界部あるいは溶接金属４０ａと下板２０の境界部が破断し、上板１０が抜けるようにして接合が外れてしまう。
このように単にアルミ製の上板１０と鋼製の下板２０を重ねて、貫通溶接しようとしても、溶接金属４０ａは全部分が金属間化合物になってしまうので、せん断引張にも剥離引張にも弱く、溶接継手としては実用にならない。

【0038】

また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、上板１０に適当なサイズの穴１１を開けておき、その穴１１を埋めるように鋼もしくはニッケル合金の溶接材料を溶かし込む手法が考えられる。
この場合、溶接初期に形成される下板２０となっている鋼と溶接材料で形成される溶接金属４０ｂはアルミを溶かしていないので、金属間化合物は生成せず、高い強度と靱性を有しており、下板２０と強固に結合されている。また、上板１０に開けられた穴１１の内部に形成された溶接金属４０ｂは、アルミが溶融する割合が非常に少なく、金属間化合物の生成は大幅に抑制され、特に中心部は健全性を有している。

【0039】

ただし、上板１０に設けられた穴１１の近傍に限れば、アルミと鋼、あるいはアルミとニッケルの金属化合物層を形成する。このような異材溶接継手１００ｂに対し、図８Ａに示すように、せん断引張応力がかかった場合、下板側は強固に金属結合しているため、高い応力に耐える。一方、上板側は金属間化合物が穴周囲に形成されてはいるが、それが剥離して動くことは形状的にできないため、初期には上板１０、下板２０の母材が変形する。
このため、ほぼ変形せずに脆性破断する図５Ａ及び図５Ｂの異材溶接継手１００ａと比較すると、変形能力の向上が見られる。しかし、母材の変形が進み、図８Ｂに示すように、接合部が９０°近く傾斜すると上下剥離引張と同じ状態になる。このようになると穴１１の周囲部に形成された金属間化合物が剥離し、上板１０が溶接部から容易に抜けてしまう。つまり、改善が不十分である。
この結果は、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、上下引張方向試験でも無論同じである。

【0040】

上記２つの異材溶接継手１００ａ、１００ｂにおける課題から、せん断方向及び上下剥離方向の応力にも耐えるように、さらなる改良を施したのが本実施形態である。
すなわち、図３Ａ～図３Ｄに示すように、上板１０となるアルミ板に対して、中心に穴が空いている鋼製の接合補助部材３０を圧入する。接合補助部材３０は上板１０の板厚以上の高さを有するため、接合補助部材３０が圧入された個所のその箇所のアルミ板は抜け落ちる（ステップＳ１：打ち抜き工程）。さらに、接合補助部材３０は周囲のアルミ板から圧力を受けて、軽く拘束された状態となって固定される（図１０Ｃ参照）。

【0041】

接合補助部材３０を上板１０に圧入するための圧入装置としては、例えば、図１０Ａまたは図１０Ｂに示すように、接合補助部材３０を上板１０に押し込むための上台座５１と、それを動かすための加圧機構８０、及び上板１０の裏側を受け止めるための下台座５０で構成される。なお、図１０Ａは接合補助部材３０を１個ずつ圧入するための圧入装置を示しており、図１０Ｂは接合補助部材３０を複数同時に圧入するための圧入装置を示している。
上台座５１と接合補助部材３０は、例えば、磁力や機械的機構によって一時的に保持され、圧入完了後は加圧方向（図１０Ａまたは図１０Ｂ中の矢印）と逆方向に上台座５１を引き上げることで、接合補助部材３０を離脱させることができる。ここで、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、下台座５０は接合補助部材３０の挿入径以上の中空部を有しており、圧入によって抜き打ちされたＡｌ合金もしくはＭｇ合金の不要部を蓄積、あるいは排除することができる。なお、負圧による吸引機構を設けても良い。
また、これら一対の機構（上台座５１，下台座５０）は単独で装置としても良いし、複数を同時に駆動させる機構を持った装置としても良い。また、これらは定置式としても良いし、産業用多関節ロボットに持たせ、自由に場所を移動出来るようにしても良い。

【0042】

次のステップとして、接合補助部材３０が仮固定されたＡｌ合金もしくはＭｇ合金製の上板１０と鋼製の下板２０を、接合すべき位置に合わせて重ね合わせる（ステップＳ２：重ね合わせ工程）。このとき、接合補助部材３０が仮固定された上板１０と下板２０とは出来る限り互いに密着している方が好ましい。
図１１に示すように、上板１０と下板２０との間にギャップＧが存在している場合、後の工程において上板１０と下板２０とが溶接されたとしても、上板１０は下板２０との隙間分だけ自由移動が可能な状態となってしまい、接合精度が悪くなる（がたつきが生じてしまう）からである。

【0043】

加圧せずとも、上板１０及び下板２０の密着性が確保される場合には必ずしも充填溶接工程時における加圧機構は必要ないが、上板１０及び下板２０は充填溶接工程時において、互いに密着する方向に加圧されていることが好ましい。
具体的には、加圧機構８０であるクランプ機構を使って上下から加圧する場合（図１２Ａを参照）、あるいは片側から加圧する場合（図１２Ｂを参照）が例として挙げられる。また、溶接トーチ９０に加圧用脚９２を設けて、ロボットなどの力で加圧する場合（図１２Ｃまたは図１２Ｄを参照）が例として挙げられる。

【0044】

上板１０と下板２０との間にギャップＧが存在している場合と同様の観点より、図１３に示すように、接合補助部材３０で上板１０を打ち抜いたときの、接合補助部材３０の小径部３１における上板１０からの張り出し量Ｐは少ないほど良い。張り出し量Ｐが多いほど、充填溶接後において、がたつきが生じる原因となり得る。具体的には、張り出し量Ｐは上板１０の板厚Ｂ_Ｈに対し２５％以下とするのが良い（ただし、上板１０を確実に打ち抜くために、０％以上とする）。なお、より好ましくは１０％以下、さらに好ましくは５％以下である。

【0045】

このように溶接前準備が整ったら、接合補助部材３０における中空部３３内を充填するようにアーク溶接にて溶接金属４０を形成する。なお、アーク溶接用ワイヤや溶接棒先端の狙い位置は接合補助部材３０ではなく、上板１０の穴１１における下面と接する、鋼製の下板２０である。言い換えれば、接合補助部材３０における中空部３３内の壁と、下板２０に囲われた”るつぼ”状の空間は、アーク溶接によって鋳造された状態になる。
このようにすると、断面としては接合補助部材３０、溶接金属４０、下板２０が強固な金属結合によって溶接接合されている状態になる。
接合補助部材３０における先端部（小径部３１）による打ち抜き加工によって形成された穴径よりも幅広である接合補助部材３０の大径部３２は、上板１０表面と面一、もしくは外側に配置される。この大径部３２の最大の役割は、上下剥離応力に対する抵抗である。図１４Ａに示したように、外側に大径部３２を有する接合補助部材３０を適用することにより、上板１０と溶接金属４０の界面が剥離して抜けてしまう現象を防止することが可能となる。一般的には、図１４Ｂに示したように、溶接金属４０は、十分に塑性変形した後、破断する。なお、接合補助部材３０は、せん断方向の引張応力に対しても、初期応力に対して何ら悪影響を及ぼさないことは自明である。

【0046】

接合補助部材３０における大径部３２の外形形状は、そのメカニズム上、圧入による打ち抜きにより形成された穴１１を溶接後に塞いでいれば、任意の形状とすることができる。例えば、最も一般的な形状は図１５Ａに示すような円形であるが、図１５Ｂ～図１５Ｅに示す四角形以上の多角形でもよい。また、図１５Ｃに示すように、多角形の角部を丸くしてもよい。

【0047】

また、接合補助部材３０における大径部３２の断面形状は、図１６Ａに示すような、平たい円柱状だけでなく、図１６Ｂに示すような、上側（小径部３１側とは反対側）にテーパーが付いた形状、あるいは図１６Ｃに示すような、上側に丸みを持たせた形状など特に問わない。

【0048】

接合補助部材３０は面積が大きく、かつ厚さが大きいほど板厚方向(３次元方向)の外部応力に対して強度を増すため、好ましい。しかし、必要以上に大きいと重量増の要因や、上板１０表面からの張り出し量が過剰となることにより、美的外観劣化や近接する他の部材との干渉が生じるため、必要とされる設計に応じてサイズを決めることが好ましい。

【0049】

接合補助部材３０には、他にもいくつかの役割がある。その一つが上板１０の材料であるＡｌ合金やＭｇ合金の溶融を避けるための防護壁作用である。融点が低いＡｌ合金やＭｇ合金は、アークが当たることにより、その高熱で溶融してしまう。しかし、接合補助部材３０を介在させることで、アークがＡｌ合金やＭｇ合金に当たるのを物理的に防ぎ、溶融することを防止することができる。
また、アークにより形成される溶融金属４０は高温であり、接触したＡｌ合金やＭｇ合金を侵食する場合があるため、アーク溶接中も接合補助部材３０が介在していることが好ましい。すなわち、アーク溶接の終了後に、接合補助部材３０の小径部３１が溶接金属４０と上板１０の間に残っていることが好ましい。
アーク溶接の溶込み範囲が接合補助部材３０と下板２０のみとなれば、ＡｌやＭｇの溶接金属４０への希釈はゼロとなり、ＩＭＣは完全に防止される。なお、図１７に示すように、接合補助部材３０の半径方向における厚みが薄すぎると、アーク溶接時の入熱により、接合補助部材３０が融点に達して溶けてしまうおそれがある。この場合、さらにＡｌ合金やＭｇ合金まで溶かす可能性があることから、溶接入熱を鑑みて、適切な厚みの設計とする必要がある。

【0050】

接合補助部材３０における、上板１０への押込み量は特に制限されない。しかし、図１８Ａに示すように、接合部が上板１０の表面に対して凹んでしまうと、溶接後の継手に応力がかかった際、溶接金属４０が応力集中部となって、低強度で破壊するおそれがある。よって、図１８Ｂに示すように、少なくとも上板１０の表面と接合補助部材３０の表面が面一であるか、図１８Ｃに示すように、接合補助部材３０の大径部３２が上板１０の表面に対し、部分的に飛び出している状態が好ましい。さらには、図１８Ｄに示すように、接合補助部材３０の大径部３２が上板１０の表面に対し、完全に飛び出していることが最も好ましい。

【0051】

接合補助部材３０の小径部３１の断面形状は、図２に示すように、最も一般的な形状として真円形が使われるが、特に限定されず、任意の形状とすることができる。例えば、図１９Ａ～図１９Ｆに示す四角形以上の多角形でもよい。また、図１９Ｂに示すように、多角形の角部を丸くしてもよい。さらに、接合補助部材３０における中空部３３の内面形状についても、上記と同様、真円形である必要はなく、１９Ａ～図１９Ｅまたは図１９Ｇに示すように、任意の形状とすることができる。なお、図１９Ａ～図１９Ｄに示すように、小径部３１の断面形状と中空部の内面形状とが同一である必要はなく、図１９Ｆや図１９Ｇのように、異なっていても良い。

【0052】

また、接合補助部材３０を上板１０に対して圧入して打ち抜く際には、接合補助部材３０を回しながら圧力をかけることも可能である。そのような手段を用いる場合は、図２０に示すように、大径部３２の上面にネジ回し用ドライバーがフィットするような切り欠き３７を設けると、接合補助部材３０を上板１０に回し入れやすくすることができる。

【0053】

接合補助部材３０に空けられる中空部３３の面は平坦でかまわないが、図２１に示すように、ネジ溝３３ａを形成していてもかまわない。本工法において雄ネジは用いられないが、ネジ溝３３ａがあることで、アーク溶接時に溶融池との接触表面積が増え、より強固に溶接金属４０と接合補助部材３０が結合される。ネジ溝３３ａなど円筒面でない場合の穴の直径Ｐ_Ｓは、最も広い対面間距離と定義する。

【0054】

接合補助部材３０の材質は、純鉄及び鉄合金であれば制限は無く、詳しくは軟鋼、炭素鋼、ステンレス鋼などがあげられる。

【0055】

溶接金属４０は接合補助部材３０の中空部３３を充填し、さらに接合補助部材３０の表面、より具体的には大径部３２の表面に余盛りＷａを形成するのが望ましい（図１Ｂ参照）。余盛りＷａを形成しない、すなわち、図２２Ａに示すように、中空部３３が溶接後に外観上残る状態だと、特に、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対しては、接合強度が不足となる可能性がある（図２２Ｂ参照）。このため、余盛りＷａを形成することで、図２３に示すように、板厚方向（３次元方向）の外部応力に対しては、接合補助部材３０の変形が抑えられ、高い接合強度が得られる。なお、板厚方向の引張応力に対して接合補助部材３０を上板１０に確実に固定するため、余盛りＷａを板厚方向上側（上板１０側）から見た場合の、余盛りＷａの最大外径は、上板１０に設けられる穴１１の最大外径よりも大きくすることが好ましい。

【0056】

一方、余盛り側と反対側の溶込みについては、図２４Ａに示すように、下板２０の板厚を超えて溶接金属４０が形成される、いわゆる裏波が出る状態にする必要がある。その理由は以下のとおりである。
溶接条件の設定不良あるいは溶接機器の動作不良等により溶込みが浅くなり、接合補助部材３０に形成される表側の余盛りＷａが外観的に正常であるにもかかわらず、下板２０が溶けずに、溶接金属４０が乗りかかっているだけという状態になることがある。このような場合、接合補助部材３０と下板２０は接合されていないことになり、つまり下板２０と上板１０も接合されていないことになる。
一方、下板２０に裏波が生じている場合、それは溶接金属４０が上板１０側から会合面を通過して下板２０側まで到達したことを意味しているので、接合補助部材３０と下板２０が金属結合されていることを保証することになる。さらに、それは間接的に上板１０と下板２０が接合されていることを保証することになる。すなわち、下板２０に裏波が生じていれば、溶接工程直後にそれを目視あるいはセンサー等で容易に確認することが出来、接合不良をそのままにして後工程に進むことを防止することができる。
さらには、下板２０に形成された裏波のサイズから、接合補助部材３０と下板２０の接合強度をおおよそ予想することができる。これらの間の接合強度は、用いられる材質を一定とした場合、上板１０と下板２０の界面に形成される溶接金属４０の断面積、いわゆるナゲット径の大きさに比例する。ナゲット径は、接合補助部材３０に設けられた中空部３３が溶接金属４０で満たされているとすると、中空部３３の上面側（大径部３２側）に形成された溶接金属４０の直径（最大外径）を上底、裏波の直径（最大外径）を下底とした左右対称の台形断面として推定することができる。すなわち、ナゲット径は裏波の直径とおおよそ比例する。この関係性を利用して、単に接合されているか否かという２択論ではなく、必要強度を満たして接合されているか否かというレベルの高い品質保証を、下板２０の裏波サイズの測定から実施することができる。このような品質保証性の点から、溶接金属４０を下板２０の外側に裏波が出る状態まで溶け込ませて、下板２０と接合補助部材３０を溶接することが必須である。
ただし、溶接金属４０が深く溶け込みすぎて、溶接金属４０と下板２０が溶け落ちてしまわないように溶接する必要がある。
なお、図２４Ｂに示すように、溶接金属４０が下板２０に適度に溶け込んでいるが、下板２０に裏波が生じていない場合には、上記した品質保証のための検出を行うことができないため好ましくない。

【0057】

続いて、上記アーク溶接法において使用される接合補助部材３０についての好ましい実施形態について説明する。
上述のように、上記打ち抜き工程（ステップＳ１）において、接合補助部材３０を加圧して、上板１０を打ち抜くと同時に、接合補助部材３０を上板１０に一時的に拘束保持することが可能である。しかし、稀に、溶接工程前に振動がかかる、あるいは上向姿勢になった際（図２５を参照）に、拘束保持力の弱さが原因で脱落してしまうことがある。

【0058】

この問題を防ぎ、確実にアーク溶接工程（ステップＳ３）まで接合補助部材３０を上板１０に保持させるためには、接合補助部材３０の保持力を高める手段が有効である。具体的には、接合補助部材３０において、圧入後にかしめ機構を発揮させることのできる外観形状とすることで実現される。その手段の一つとして、図２６Ａ及び図２６Ｂに示すように、接合補助部材３０における小径部３１の外周面には、羽根状に形成された、少なくとも１つ（本実施形態では４つ）の圧入用突起部３９が設けられている。

【0059】

図２７は、圧入用突起部３９を有する接合補助部材３０が上板１０に圧入される場合の保持機構を説明するための図である。図２７に示すように、接合補助部材３０を上板１０へ圧入する際は、接合補助部材３０と接する上板１０が押し広げられる方向に弾性変形し、さらには塑性変形する。圧入用突起部３９の先端部が通過した後は、弾性変形分が元の位置に戻る、すなわち上板１０の材料であるＡｌ合金もしくはＭｇ合金の流入が起こり、接合補助部材３０が押し戻される力に対して障壁要因となる。したがって、容易に接合補助部材３０が外れることはない。

【0060】

圧入用突起部３９の形状は、図２８Ａに示すような２等辺三角形でもよいが、図２８Ｂ～図２８Ｋに示すように、変形三角形、直角三角形、長方形、不定形状、ノコ刃状、半円、１／４円、対称台形、非対称台形、かぎ針状などが典型的で、その形状に制限はない。また、圧入用突起部３９は、大径部３２の下面とも接続されていることで、圧入用突起部３９の強度を向上できる。さらに、圧入用突起部３９は、図２９Ａに示すように、小径部３１の軸方向に平行でもよいし、図２９Ｂに示すように軸方向に対して傾きを持たせてもよい。この場合、接合補助部材３０を回転させながら圧入するのに好適である。また、図２９Ｃに示すように、圧入用突起部３９は、基部から先端部に向けて円周方向幅が狭くなるような山形状であってもよい。さらに、圧入用突起部３９の位置は、金属流入させる空間を設けるために大径部３２から離れていることが好ましい。

【0061】

圧入用突起部３９の数は、図２６Ｂに示すような４枚に限定されず、少なくとも１枚あればよく、上限は特に設ける必要はない。すなわち、図３０Ａ～図３０Ｅに示すように、１枚、２枚、３枚、６枚、８枚の圧入用突起部３９を有するものであってもよい。ただし、圧入用突起部３９の枚数が増えると、接合補助部材３０を用いて上板１０を打ち抜くために必要な圧力が上がるので、圧入用突起部３９の数を、必要以上に増やすべきではない。圧入用突起部３９の数は、８枚以下とするのが好ましい。
また、図２６Ｂや図３０Ｂ～図３０Ｅに示すように、少なくとも２つの圧入用突起部３９の最大外径部と接する最大円Ｃの直径、あるいは、図３０Ａに示すように、１つの圧入用突起部３９の最大外径部と小径部３１の外周面と接する円Ｃの直径が大きすぎる場合にも、上板１０を打ち抜くために必要な圧力が上がるので、小径部３１の外周面からの圧入用突起部３９の突出量を、必要以上に増やすべきではない。

【0062】

接合補助部材３０の小径部３１に圧入用突起部３９を設けることには、他にも長所がある。第二の効果は接合対象である上板１０と下板２０が相互に回転しにくくなることである。接合補助部材３０の小径部３１の断面形状が真円形では、披接合部材（上板１０及び下板２０）が本接合法のみで接合される場合、例えば上板１０に強い水平方向の回転力Ｆ_Ｒが加わると、接合補助部材３０を中心に回るように上板１０が回転してしまう可能性がある。しかしながら、図３１Ａ及び図３１Ｂに示すように、接合補助部材３０には圧入用突起部３９が設けられていて、圧入用突起部３９が上板１０の穴１１の周囲に食い込むことで、容易に回転を防止することができる。

【0063】

なお、図３２Ａ～図３２Ｅにそれぞれ示される、直角三角形、長方形、１／４円、凹、非対称台形の圧入用突起部３９のように、圧入用突起部３９が大径部３２と連続的となっていて、くびれ箇所を持たないものであっても、適用することは許容される。しかし、上述したような、接合補助部材３０を上板１０に圧入する際における、金属流入箇所が確保できないため、一時拘束性向上の効果はあまり期待できない。ただし、上記した回転抑制効果は期待できるため、このような形態であっても、小径部３１の外周面には圧入用突起部３９を有していることが好ましい。

【0064】

さらに、上記アーク溶接法において使用される接合補助部材３０についての別の好ましい実施形態について説明する。
上記で説明したのと同様に、確実にアーク溶接工程（ステップＳ３）まで接合補助部材３０を上板１０に保持させるための別の手段として、小径部３１に圧入用突起部３９を設けるのではなく、小径部３１の胴径を多段化し、部分的に”くびれ”を設ける策も有効である。
具体的には、図３３Ａ～図３３Ｈに示すように、接合補助部材３０における小径部３１の外周面に、大径部３２の最大外径よりも小さい中径部３４を設ける。なお、中径部３４は、大径部３２とは接触することなく、かつ、小径部３１の外周面に沿って連続的（図３３Ａ、図３３Ｃ、図３３Ｅ～図３３Ｈ）または断続的（図３３Ｂまたは図３３Ｄ）に設けられる。
上記要件を満足する中径部３４を小径部３１の外周面に設けることにより、上板１０に圧入される接合補助部材３０の一部にくびれ部３８が存在することとなる。

【0065】

これらの例に共通することは、［１］小径部３１の先端側に中径部３４を有すること、［２］中径部３４と大径部３２の間に小径部３１を有すること、［３］非挿入側に大径部３２を有すること、の相対関係が成立していることである。なお、図３３Ｆに示すように、中径部３４と小径部３１がそれぞれ複数存在する場合も考えられるが、このことは上記各要件から無視して問題はなく、あくまで接合補助部材３０の長手方向（挿入方向）に大径－小径－中径の関係が成立している並びが１箇所以上存在していれば、上記要件を満足する。

【0066】

このような状態となれば、接合補助部材３０に圧入用突起部３９を設ける場合の実施形態で説明したと同じ原理により、容易に接合補助部材３０が外れることはない。すなわち、接合補助部材３０の圧入時に中径部３４が通過する際にＡｌ合金もしくはＭｇ合金が弾性変形、さらには塑性変形し、さらに圧入が進み小径部３１になると弾性変形分が戻る。これにより、金属流入が起きて、接合補助部材３０が押し戻される力に対して障壁要因となる。

【0067】

なお、小径部３１の全周に渡って中径部３４を設けるのではなく、図３３Ｂや図３３Ｄに示すように、部分的にのみ中径部３４を設けること、すなわち断続状にしてもよい。断続状にすると、圧入用突起部３９を設けた場合と同様、接合補助部材３０の挿入部分である小径部３１が真円形状の場合に、上板１０と下板２０が溶接後にも相対的に容易に回転することを防ぐ効果が期待される。

【0068】

なお、図３４Ａ～図３４Ｄに示すように、大径部３２と中径部３４が、接合補助部材３０の長手方向（挿入方向）から見て連続的となっている接合補助部材３０であっても、適用することは許容される。しかし、上述したような、接合補助部材３０を上板１０に圧入する際における、金属流入箇所が確保できないため、一時拘束性向上の効果や回転抑制効果は期待できない。ただし、中径部３４が断続状であれば、回転抑制効果のみ得られる。

【0069】

ところで、本実施形態における接合補助部材３０は、図３５Ａに示すように、大径部３２の上側に小径部３１を積み重ねた形状とすることもできる。しかし、大径部３２から見てＡｌ合金やＭｇ合金に打ち込まれる挿入方向反対側は、それが上板１０の表面よりも高い位置にある場合（図３５Ｂや図３５Ｃにおいて、突出部３５と定義する）は、継手強度には影響を及ぼさない。
一方、図３５Ｄ～図３５Ｇに示すように、大径部３２の上側に設けられた小径部３１または中径部３４の少なくとも一部が、上板１０の表面よりも低い位置にある場合には、その部位が少なからず継手強度に影響を及ぼす。

【0070】

なお、上板１０及び下板２０の板厚については、限定される必要は必ずしもないが、施工能率と、重ね溶接としての形状を考慮すると、上板１０の板厚は、５．０ｍｍ以下であることが望ましい。一方、アーク溶接の入熱を考慮すると、板厚が過度に薄いと溶接時に溶け落ちてしまい、溶接が困難であることから、上板１０、下板２０共に０．５ｍｍ以上とすることが望ましい。

【0071】

以上の構成により、上板１０がＡｌ合金もしくはＭｇ合金、下板２０が鋼の素材を強固に接合することができる。

【0072】

ここで、異種金属同士を直接接合する場合の課題としては、ＩＭＣの形成という課題以外に、もう一つの課題が知られている。それは、異種金属同士が接すると、ガルバニ電池を形成する為に腐食を加速する原因になる。この原因（電池の陽極反応）による腐食は電食と呼ばれている。異種金属同士が接する面に水があると腐食が進むので、接合箇所として水が入りやすい場所に本実施形態が適用される場合は、電食防止を目的として、水の浸入を防ぐためのシーリング処理を施す必要がある。本接合法でもＡｌ合金やＭｇ合金と鋼が接する面は複数形成されるので、樹脂系の接着剤をさらなる継手強度向上の目的のみならず、シーリング材として用いることが好ましい。

【0073】

例えば、図３６Ａ及び図３６Ｂに示す変形例のように、上板１０と下板２０との重ね合わせ工程の前に、上板１０及び下板２０の接合面で、溶接部周囲に接着剤６０を全周に亘って環状に塗布してもよい。なお、接着剤６０を上板１０及び下板２０の接合面で、溶接部周囲に全周に亘って塗布する方法としては、図３７Ａ及び図３７Ｂに示す変形例のように、溶接箇所を除いた接合面の全面に塗布する場合も含まれる。これにより、上板１０、下板２０、及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。

【0074】

また、上述の打ち抜き工程において、接合補助部材３０と、接合補助部材３０と対向する上板１０との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤６０を塗布してもよい。これにより、上板１０、接合補助部材３０、及び溶接金属４０の電食速度を下げることができる。
この場合、副次的効果として、アーク溶接前に接合補助部材３０を上板１０に仮止めしておく作用がある。特に、図２５に示すように、アーク溶接が、横向や上向姿勢になる場合、接着剤６０を塗布しておくことで、接合補助部材３０が重力によって落下するのを防ぐことができ、溶接を適切に施工することができる。

【0075】

さらに、図３８Ａ及び図３８Ｂに示す変形例のように、接合補助部材３０の大径部３２と上板１０の表面との境界部に接着剤６０を塗布してもよい。また、図３８Ｃに示すように、大径部３２全体を覆い隠してしまうように接着剤６０を塗布してもよい。これにより、接合補助部材３０と、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金の接する露出面側の表面、接合補助部材３０における大径部３２の下になっている隠れ面、さらに接合補助部材３０による打ち抜き端面における、電食速度低下の効果が得られる。また、接着剤塗布をアーク溶接前に行えば、接合補助部材３０を上板１０に仮止めしておく効果も得られる。なお、本変形例では、接着剤の塗布は、溶接工程前（打ち抜き工程の際）でも充填溶接工程後でも可能である。
なお、接合補助部材３０には、接着剤やシーリング材による電食抑制手段だけではなく、自身の錆防止や、アルミニウム板との間に生じる電食を防ぐために、電気的卑の元素や加工物、絶縁性物質、不動態といった皮膜を形成する表面処理を施すことが、さらに良い。例えば、亜鉛めっき、クロムめっき、ニッケルめっき、アルミめっき、錫(すず)めっき、樹脂塗装、セラミックコーティングなどがあげられる。

【0076】

以上の構成により、上板１０がＡｌ合金もしくはＭｇ合金、下板２０が鋼の素材を開断面構造、閉断面構造にかかわらず強固に接合することができる。さらには接着剤を併用することにより、接合強度の向上と共に腐食を防ぐことも出来る。
また、本実施形態の溶接法は、接合面積が小さい点溶接と言えるので、ある程度の接合面積を有する実用部材同士の重ね合わせ部分Ｊを接合する場合は、本溶接法を図３９Ａ～図３９Ｃに示すように、複数実施すればよい。これにより、重ね合わせ部分Ｊにおいて強固な接合が行われる。本実施形態は、図３９Ｂ及び図３９Ｃに示すような開断面構造にも使用できるが、特に、図３９Ａに示すような閉断面構造において好適に使用することができる。

【0077】

また、図４０に示される開断面部材の製造プロセス及び図４１に示される閉断面部材の製造プロセスのように、本接合法では溶接前工程として、接合補助部材３０を上板１０内に埋め込んでしまうことも可能である。上板１０内に埋め込まれた接合補助部材３０は、上板１０の表面上に突き出ないことから、埋め込み後に金型等を用いてＡｌやＭｇ母材をプレス成形することが容易であり、その後工程として、下板２０と合わせて接合することが可能である。本溶接法は、無論、開断面部材、閉断面部材を分け隔てることなく、いずれも製造可能である。

【0078】

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

【符号の説明】

【0079】

１ 異材溶接継手
１０ 上板（第１の板）
１１ 穴
２０ 下板（第２の板）
３０ 接合補助部材
３１ 小径部
３２ 大径部
３３ 中空部
３４ 中径部
３５ 突出部
３７ 切り欠き
３８ くびれ部
３９ 圧入用突起部
４０ 溶接金属
５０ 下台座
５１ 上台座
６０ 接着剤
８０ 加圧機構
９０ 溶接トーチ
９２ 加圧用脚
Ｗ 溶融部
Ｗａ 余盛り
Ｍ 母材片
Ｇ ギャップ
Ｐ 張り出し量
Ｊ 重ね合わせ部分

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図3G】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図15D】

【図15E】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図18D】

【図19A】

【図19B】

【図19C】

【図19D】

【図19E】

【図19F】

【図19G】

【図20】

【図21】

【図22A】

【図22B】

【図23】

【図24A】

【図24B】

【図25】

【図26A】

【図26B】

【図27】

【図28A】

【図28B】

【図28C】

【図28D】

【図28E】

【図28F】

【図28G】

【図28H】

【図28I】

【図28J】

【図28K】

【図29A】

【図29B】

【図29C】

【図30A】

【図30B】

【図30C】

【図30D】

【図30E】

【図31A】

【図31B】

【図32A】

【図32B】

【図32C】

【図32D】

【図32E】

【図33A】

【図33B】

【図33C】

【図33D】

【図33E】

【図33F】

【図33G】

【図33H】

【図34A】

【図34B】

【図34C】

【図34D】

【図35A】

【図35B】

【図35C】

【図35D】

【図35E】

【図35F】

【図35G】

【図36A】

【図36B】

【図37A】

【図37B】

【図38A】

【図38B】

【図38C】

【図39A】

【図39B】

【図39C】

【図40】

【図41】