特許 7570998 金属接合体の製造方法

(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】

(24)【登録日】2024-10-11

(45)【発行日】2024-10-22

(54)【発明の名称】金属接合体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/20 20060101AFI20241015BHJP

   B23K 11/11 20060101ALI20241015BHJP

   B23K 11/16 20060101ALI20241015BHJP

   B23K 103/20 20060101ALN20241015BHJP

【ＦＩ】

B23K11/20

B23K11/11 540

B23K11/16 311

B23K103:20

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021177025

(22)【出願日】2021-10-29

(65)【公開番号】P2023066438

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2023-04-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(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】100113664

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 正往

(74)【代理人】

【識別番号】110001324

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＡＮＳＵＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松岡 秀明

(72)【発明者】

【氏名】門浦 弘明

(72)【発明者】

【氏名】浅田 崇史

(72)【発明者】

【氏名】森 広行

(72)【発明者】

【氏名】尼子 龍幸

(72)【発明者】

【氏名】各務 綾加

(72)【発明者】

【氏名】泉野 亨輔

(72)【発明者】

【氏名】小倉 修平

(72)【発明者】

【氏名】関口 智彦

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１８１２３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００５３６５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１９－５０８２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２８９４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２６８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８８５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１３７８２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ １１／００－１１／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

接合する鉄基体とアルミニウム基体の各外表面に圧接させた電極から通電して、該鉄基体と該アルミニウム基体の被接合部で、該鉄基体の固相上に該アルミニウム基体の液相を生成させる加熱工程と、
該加熱工程後の被接合部を冷却する冷却工程とを備え、
該加熱工程前に、該被接合部の接触を馴染ませるプレ通電工程が電流値：５～９．５ｋＡでなされ、
該加熱工程は、電流値：１０～１５ｋＡで、該プレ通電工程よりも長い通電時間：２００～５００ｍｓでなされた金属接合体が得られる製造方法。

【請求項2】

前記加熱工程は、前記通電時間に対して前記電流値を単調増加させてなされる請求項１に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項3】

前記プレ通電工程後で前記加熱工程前に、非通電または該プレ通電工程よりも低い電流値の通電を行い、前記鉄基体と前記アルミニウム基体を降温させる請求項１または２に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項4】

前記降温は、１０～２００ｍｓなされる請求項３に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項5】

前記電極による前記鉄基体と前記アルミニウム基体への加圧力は、２～６ｋＮである請求項１～４のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項6】

前記金属接合体は、前記鉄基体と前記アルミニウム基体が接合層を介して接合されてなり、
該接合層は、該鉄基体側にできた第１金属間化合物からなる第１層と、該アルミニウム基体側にできた第２金属間化合物からなる第２層とを有し、
該第１層は、該アルミニウム基体の液相が該鉄基体の結晶粒界から浸透してできた該第１金属間化合物中に、未反応な状態で残存した該鉄基体の結晶粒の一部が該鉄基体側から一体的に連なって延びる第１突起を有する請求項１～５のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項7】

前記第２層は、前記第２金属間化合物からなり、前記アルミニウム基体中に延びる第２突起を有する請求項６に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項8】

前記第１金属間化合物は、Ａｌ_５Ｆｅ_２を含み、
前記第２金属間化合物は、Ａｌ_３Ｆｅを含む請求項６または７に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項9】

前記第１層の厚さは１～１０μｍである請求項６～８のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項10】

前記第１層と前記第２層を合せた厚さは２～１５μｍである請求項６～９のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項11】

前記第１突起は、前記第１層の基準長（５０μｍ）あたり２～６０本ある請求項６～１０のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項12】

前記第１突起の幅（ｗ）に対する前記第１層の厚さ（ｔ１）の比率（ｔ１／ｗ）は１～２０である請求項６～１１のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項13】

前記鉄基体は、鋼板であり、
前記アルミニウム基体は、アルミニウム合金板であり、
該鋼板と該アルミニウム合金板がスポット接合されてなる請求項６～１２のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【請求項14】

前記鋼板は、前記アルミニウム合金板側に表面処理層を有する請求項１３に記載の金属接合体の製造方法。

【請求項15】

車両用パネルに用いられる請求項６～１４のいずれかに記載の金属接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄基体とアルミニウム基体の接合体等に関する。

【背景技術】

【0002】

軽量化や高機能化を図るため、異種金属を接合した部材（異種金属接合体という。）が用いられる。例えば、骨格やフレームをなす鋼板に、外装面を構成する軽量なアルミニウム合金板を接合したルーフ、アウターパネル等が自動車に用いられつつある。

【0003】

異種な金属板は、これまで主に、リベット接合（Self-Pirceing Rivet接合等）やカシメ接合（クリンチング）等されてきた。このような機械的な接合法は、副資材（リベット等）や専用設備を必要とし、接合体の重量やコストを増加させ得る。また、機械的に接合された部位にできる突起は、周辺部材との干渉や作業性の低下等を招き得る。

【0004】

そこで異種な金属板（特に鋼板とアルミニウム合金板）も、鋼板同士と同様に、スポット溶接で接合する提案がなされており、例えば、下記の特許文献に関連した記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００６－２８９４５２

【文献】特開２０１３－７８８０４

【文献】特開２０１３－２７８９０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１～３には、鋼板とアルミニウム合金板の間に、一定な大電流を短時間だけ通電して、それらをスポット溶接した接合体に関する記載がある。電流（密度）値は、アルミニウム合金板自体を抵抗加熱（ジュール加熱）により直接溶融させるために、大きく設定されている。また通電時間は、脆弱な金属間化合物からなる接合層を薄くするために、短く設定されている。

【0007】

いずれの接合体も、略均質的なＡｌ_５Ｆｅ_２層が接合界面近傍の鋼板側に、略一定の厚さで形成されていた。本発明者が調査研究したところ、そのような接合体は、接合品質（接合強度、耐久性等）が安定せず、信頼性に欠けるため、殆ど実用化がされていなかった。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、実用に適した異種金属の接合体等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】

【0009】

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、鉄基体とアルミニウム基体の接合層を、金属間化合物中に鉄基体の一部が杭状に突出した構造（「パイル（Pile）構造」という。）とすることで、信頼性に優れる金属接合体を得ることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成させるに至った。

【0010】

《金属接合体》
本発明は、鉄基体とアルミニウム基体が接合層を介して接合された金属接合体であって、該接合層は、該鉄基体側にできた第１金属間化合物からなる第１層と該アルミニウム基体側にできた第２金属間化合物からなる第２層とを有し、該第１層は、該鉄基体から一体的に連なって該第１金属間化合物中へ杭状に延びる第１突起を有する金属接合体である。

【0011】

本発明の金属接合体は、安定した接合強度が得られ、信頼性が高く、実用化が可能となる。このような優れた効果が得られる理由は次のように考えられる。本発明に係る第１層は、鉄基体から連なる杭状の第１突起（パイル）が、第１金属間化合物中へ延びた複合組織（パイル構造）からなる。第１金属間化合物は、第１突起により櫛歯状となった鉄基体とアンカー効果等により強固に接合される。さらに、鉄基材からなる高靱性または高延性な第１突起により、第１金属間化合物内に生じる亀裂の進展や伝播が十分に抑止され得る。こうして本発明の金属接合体は、少なくとも鉄基体側において、強固な接合状態が安定して維持されるようになったと考えられる。

【0012】

《金属接合体の製造方法》
本発明は金属接合体の製造方法としても把握される。例えば、本発明は、接合する鉄基体とアルミニウム基体の各外表面に圧接させた電極から通電して、該鉄基体と該アルミニウム基体の被接合部で、該鉄基体の固相上に該アルミニウム基体の液相を生成させる加熱工程と、該加熱工程後の被接合部を冷却する冷却工程とを備え、上述した金属接合体が得られる製造方法でもよい。

【0013】

この製造方法によれば、加熱工程で被接合部（接合界面近傍）に生成したアルミニウム基体の液相が鉄基体の固相と反応して、上述した第１金属間化合物が生成される。このとき、例えば、加熱の時間や程度（抵抗加熱時の電流値等）などを調整すれば、鉄基体の固相の未反応部分が第１金属間化合物内に杭状に残存して第１突起が形成され、ひいては上述した第１層が形成され得る。

【0014】

冷却工程では、第１層上に残存したＡｌとＦｅを含む液相が、アルミニウム基体の固相と反応しつつ凝固して、上述した第２金属間化合物からなる第２層が形成され得る。こうして、第１層と第２層を含む接合層により、鉄基体とアルミニウム基体は強固に安定して接合された金属接合体となり得る。

【0015】

《その他》
（１）説明の便宜上、適宜、鉄基体側にあるものに「第１」を付し、アルミニウム基体側にあるものに「第２」を付す。

【0016】

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。また、特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ～ｙμｍ」はｘμｍ～ｙμｍを意味する。他の単位系（ｍｓ、ｋＡ等）についても同様である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】スポット溶接の概要を示す模式図である。

【図2】スポット溶接に係るタイムチャート例である。

【図3A】試料１について、接合部の断面を示す顕微鏡写真である。

【図3B】試料１について、Ａｌ合金板と鋼板の接合層の断面を示す顕微鏡写真である。

【図3C】試料１を参考に、パラメータを特定する領域例を示す顕微鏡写真である。

【図3D】試料１を参考に、第１層の厚さ（ｔ１）と第１突起の幅（ｗ）を例示した顕微鏡写真である。

【図3E】接合層の形態例を模式的に示す参考図である。

【図4A】試料２について、接合部の断面を示す顕微鏡写真である。

【図4B】試料２について、Ａｌ合金板と鋼板の接合層の断面を示す顕微鏡写真である。

【図5】試料２と試料Ｃについて、Ａｌ合金板と鋼板の接合層にできた亀裂の断面を示す顕微鏡写真である。

【図6】試料１をモデルにしたシミュレーションにより得られた加熱工程中の温度分布図である。

【図7】接合層の生成過程（機序）を示す模式図である。

【図8】接合強度の評価試験を示す模式図である。

【図9】金属接合体の用途例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、金属接合体の他、その製造方法等にも適宜該当し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

【0019】

《鉄基体とアルミニウム基体》
鉄基体とアルミニウム基体は、材質（成分組成）や形態を問わない。鉄基体は、純鉄でも鉄合金（特に鋼材）でもよい。アルミニウム基体は、純アルミニウムでもアルミニウム合金でもよい。鉄基体とアルミニウム基体は、同形態でも異形態でもよい。以下では、説明の便宜上、適宜、鉄基体とアルミニウム基体の代表例である鋼板とアルミニウム合金板（「Ａｌ合金板」という。）を取り上げつつ説明する。

【0020】

鋼板やＡｌ合金板は、それぞれ１枚ずつでもよいし、少なくとも一方が複数枚でもよい。複数枚の板材は、板厚、成分組成、表面処理状態（めっきの有無等）等が同じでも、異なっていてもよい。

【0021】

鋼板は、例えば、冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板、高強度鋼板、ホットスタンプ鋼板等である。少なくとも１枚の鋼板は、片面または両面に表面処理がなされていてもよい。鋼板の表面処理層として、例えば、亜鉛めっき層、Ａｌ－Ｓｉ系めっき層、酸化亜鉛層、Ｚｎ－Ｆｅ合金層等がある。代表例である亜鉛めっき鋼板には、例えば、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板等がある。なお、合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、アルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板（いわゆるガルバリウム鋼板（登録商標））でもよい。

【0022】

少なくとも被接合面側にある表面処理層は、アルミニウム基体を構成するＡｌ基材（Ａｌ合金等）よりも低融点な金属からなってもよい。このような表面処理層（めっき層）は、アルミニウム基体よりも先行（優先）して溶融して、被接合面間で濡れ拡がり、余分な低融点金属は接合部の外周囲に排出される。このため、表面処理された鉄基体でも、ほぼ所望の金属間化合物からなる接合層によってアルミニウム基体と接合され得る。

【0023】

アルミニウム基体（Ａｌ合金板）は、例えば、２０００系～８０００系、特に５０００系または６０００系のＡｌ合金からなる。５０００系なら、例えば、ＪＩＳに規定されているＡ５０５２、Ａ５０８３、Ａ５００５等に相当するＡｌ合金が用いられる。６０００系なら、例えば、ＪＩＳに規定されているＡ６０２２、Ａ６０１６、Ａ６Ｎ０１、Ａ６０６１、Ａ６０８２等に相当するＡｌ合金が用いられる。なお、本明細書でいうＡｌ合金には、Ａ１０００系も含まれる。

【0024】

鉄基体が鋼板の場合、その板厚は、例えば０．４～２．５ｍｍさらには０．６～１．８ｍｍである。アルミニウム基体がＡｌ合金板の場合、その板厚は、例えば０．８～３ｍｍさらには１～２ｍｍである。各板厚は同じでも異なっていてもよい。

【0025】

《接合層》
鉄基体とアルミニウム基体の間に形成される接合層は、少なくとも、鉄基体側にできた第１金属間化合物からなる第１層と、アルミニウム基体側にできた第２金属間化合物からなる第２層とを有する。以下、第１層と第２層について、それぞれ説明する。

【0026】

（１）第１層
第１層は、接合層の鉄基体側にあり、第１金属間化合物と第１突起を有する。第１金属間化合物は、例えば、Ａｌ_５Ｆｅ_２から主になる。第１突起は、鉄基体から一体的に連なっており、層状の第１金属間化合物中に杭状に突出してなる。換言すると、第１突起は鉄基体から櫛歯状に延びており、第１金属間化合物が第１突起間を埋めつつ、鉄基体の接合界面を覆っている。なお、第１突起は鉄基体と同様に鉄基材からなるが、それらの成分組成は同一でなくてもよい。例えば、第１突起は、鉄基体自体よりも、Ａｌやめっき成分（例えばＺｎ）を多く含む鉄合金でもよい。

【0027】

第１金属間化合物層中に複数（多数）の第１突起が均一的に分布しているほど、第１層は鉄基体と強固に接合されると共に、第１層に生じ得る亀裂の伝播や進展が抑止され得る。このような第１突起は、例えば、第１層に沿う基準長（５０μｍ）あたりの本数（「突起分布」という。）が２～６０本、１０～５５本、２０～５０本さらには３０～４５本あるとよい。突起分布が過小であると、第１突起（pile）間隔が広くなり、第１層に生じた亀裂が進展し易くなる。突起分布が過大であると、第１金属間化合物（特にＡｌ_５Ｆｅ_２）からなる第１層の成長が不十分となり、接合強度の安定性が低下し得る。

【0028】

第１突起は、第１金属間化合物を貫通していても、第１金属間化合物内に埋設された状態でもよい。いずれの場合でも、第１層の厚さと第１突起の太さ（断面でいうなら「幅」）が所望範囲内であるとよい。例えば、第１突起の幅（ｗ）に対する第１層の厚さ（ｔ１）の比率（「幅厚比」という。）は１～２０、２～１０さらには３～５であるとよい。幅厚比（ｔ１／ｗ）が過小であると、第１金属間化合物（特にＡｌ_５Ｆｅ_２）からなる第１層の成長が不十分となり、接合強度が低下し得る。幅厚比が過大であると、第１突起（pile）が細くなり、第１層に生じた亀裂が進展し易くなる。

【0029】

安定した接合性を確保するため、第１層の厚さは、例えば、１～１０μｍ、２～７μｍさらには３～５μｍである。また、第１層と第２層を合せた厚さは、例えば、２～１５μｍ、３～１０μｍさらには４～８μｍである。

【0030】

本明細書でいう突起分布、幅厚比、各層の厚さ、突起の形態等は、特に断らない限り、接合部（特にナゲットの中央域（例えばナゲット径の４０％以内）を除く外周域）の断面を顕微鏡で観察した画像（ＳＥＭ像）に基づいて決定される。詳細は後述する（図３Ｃ～図３Ｅ参照）。

【0031】

（２）第２層
第２層は、接合層のアルミニウム基体側にあり、第２金属間化合物からなる。第２金属間化合物は、例えば、Ａｌ_３Ｆｅから主になる。第２層は、厚さが略一定な層状でも、櫛歯状でもよい。櫛歯状の第２層は、例えば、第２金属間化合物からなる基層に加えて、アルミニウム基体側へ柱状に延びる第２突起をさらに有する。第２突起は、アンカー効果を高めて、第２層をアルミニウム基体に強固に接合する。また、複数（多数）の第２突起間に存在するアルミニウム基体が、第２層（特に第２金属間化合物層）に生じ得る亀裂の伝播や進展を抑止し得る。

【0032】

《製造方法》
金属接合体は、例えば、鉄基体の固相上にアルミニウム基体の液相を生成させる加熱工程と、加熱工程後の被接合部を冷却する冷却工程とを経て得られる。以下、加熱工程と冷却工程について、それぞれ説明する。なお、説明の便宜上、適宜、鋼板とＡｌ合金板をスポット接合（溶接）する場合を例示しつつ説明する。

【0033】

（１）加熱工程
加熱工程は、例えば、接合する鉄基体とアルミニウム基体の各外表面に圧接させた電極から通電してなされる。この通電は、アルミニウム基体自体が抵抗加熱だけで直接溶融しない範囲でなされるとよい。つまり、抵抗加熱された鉄基体からの伝熱も併せて、アルミニウム基体が接合界面近傍で液相を生じる範囲で通電がなされるとよい。

【0034】

加熱工程により、アルミニウム基体の液相と鉄基体の固相との溶融反応（固液相互拡散層反応）が生じる。こうして、第１金属間化合物（例えばＡｌ_５Ｆｅ_２）から主になる第１層（固液相互拡散層）が被接合部の鉄基体側に生成される。

【0035】

被接合部を流れる電流値は、例えば、１０～１５ｋＡ（さらには１５ｋＡ未満）、１１～１４．５ｋＡ、１１．５～１４ｋＡさらには１２～１３ｋＡである。Ａｌ合金板側にある電極（第２電極）の先端面積（第２先端面積）で電流値を除して算出される電流密度なら、例えば、５０～３００Ａ／ｍｍ^２さらには１００～２５０Ａ／ｍｍ^２でもよい。

【0036】

通電時間は、例えば、２００～５００ｍｓ、２５０～４５０ｍｓさらには３００～４００ｍｓである。また、通電時間に対して電流値が変化してもよい。例えば、電流値が単調増加（微分係数≧０）するアップスロープ通電を行ってもよい。これにより、スパッタやチリを抑制しつつ、接合界面近傍で、アルミニウム基体の液相を効率的に生成させ得る。

【0037】

なお、電流値が変化するとき、その上限値と下限値が上記範囲にあるとよい。指標となる電流値として、例えば、通電時間に関する電流値（絶対値）の積分値を、その通電時間で除した平均値を用いることができる。この際、その平均値が上記範囲にあるとよい。

【0038】

上記の通電（加熱工程）前に、鉄基体とアルミニウム基体の接触状態を馴染ませるプレ通電工程を行ってもよい。プレ通電工程は、接合界面近傍で液相を生じない程度の通電によりなされるとよい。例えば、プレ通電工程は、加熱工程よりも小さい電流値（例えば、３～１０ｋＡ未満さらには５～９．５ｋＡ）で通電されるとよい。プレ通電工程後（加熱工程の本通電前）は、電極への通電を遮断（非通電）または低減し、接合界面近傍を降温させて、その電気抵抗値を低下させるとよい。その期間は、例えば、１０～２００ｍｓさらには５０～１５０ｍｓである。

【0039】

（２）冷却工程
冷却工程は、加熱工程後に通電を遮断（非通電）したり、小さい電流値（一定でも、単調減少等してもよい。）で通電したりして、加熱工程後の被接合部を電極を通じて冷却する。冷却工程により、第１層の生成後またはその生成と併行して、少なくともＦｅとＡｌを含む残存液相が凝固したり、その液相がアルミニウム基体とさらに溶融反応する。こうして第２金属間化合物（例えばＡｌ_３Ｆｅ）から主になる第２層が被接合部のアルミニウム基体側に生成され得る。

【0040】

《電極》
鉄基体とアルミニウム基体への通電は、通常、それらに圧接した電極を通じてなされる。鉄基体やアルミニウム基体の特性（形状、サイズ、材質等）に適した電極が用いられるとよい。一例として、鋼板とＡｌ合金板のスポット接合（溶接）に用いる電極を取り上げて説明する。

【0041】

（１）形態
スポット溶接用の電極は、シャンクに着脱できるもの（キャップチップ型）でも、シャンクと一体化したもの（一体型）でもよい。通常、コストを低減するため、キャップチップ型の電極（「チップ」ともいう。）が用いられる。

【0042】

電極（チップ）は、例えば、有底略円筒状の先端部と、その先端部から連なる略円筒状の胴部とを有する。先端部の外表面（圧接面）は、凸状の他、窪んだ凹状でもよい。電極の大きさは問わない。胴部の外径（呼び径／Ｄ２）は、例えば、φ１０～２０ｍｍさらにはφ１２～１８ｍｍである。先端径（Ｄ１）は、例えば、φ６～１４ｍｍさらにはφ８～１２ｍｍである。

【0043】

電極は、その先端部内側にある内筒部に冷媒（冷却液／冷却水）が導入されるとよい。冷媒が強制的に循環されると、電極の昇温抑制や電極を通じた板材の冷却を安定して行える。

【0044】

電極（特に凸状電極）の先端部の基本形状は、ＪＩＳ Ｃ９３０４（１９９９）に規定されている。例えば、平面形（Ｆ形）、ラジアス形（Ｒ形）、ドーム形（Ｄ形）、ドームラジアス形（ＤＲ形）、円錐台形（ＣＦ形）、円錐台ラジアス形（ＣＲ形）等がある。鋼板とＡｌ合金板のスポット溶接には、汎用性の観点から、例えばＤＲ形、Ｒ形の電極を用いるとよい。

【0045】

（２）材質
電極（少なくとも先端部）は、熱伝導性、導電性、強度等に優れる材質からなるとよい。例えば、導電率が７５～９５％ＩＡＣＳさらには８０～９０％ＩＡＣＳである銅合金からなる電極が用いられる。銅合金は、例えば、クロム銅、ジルコニウム銅、クロム・ジルコニウム銅、アルミナ分散銅、ベリリウム銅等である。

【0046】

なお、鋼板に接する電極とＡｌ合金板に接する電極は、形態（形状、サイズ（径））や材質が同じでも、異なっていてもよい。

【0047】

（３）加圧力
鋼板またはＡｌ合金板に電極を圧接する加圧力は、例えば、２～６ｋＮさらには３～５ｋＮである。加圧力が過小であると、チリやスパッタが発生し易くなる。加圧力が過大になると、電極による深い打痕（陥没）が生じたり、電極の変形や摩耗が生じ易くなる。なお、電流密度の算出に必要となる板材と電極の接触面積（電極の先端面積）は、接合後の板材にできる圧痕の投影面積で代替され得る。

【0048】

《その他》
（１）通電する電流値（電流密度）は一定でもよいが、所望のパターンに沿って変化してもよい。例えば、通電開始時（通電初期）に、通電量を緩やかに増加させる上昇過程（アップスロープ過程）を設けることで、電流値の急上昇によるチリの発生等が抑止され得る。また、通電終了時（通電終期）に、通電量を緩やかに減少させる下降過程（ダウンスロープ過程）を設けることで、電流値の急降下による溶接割れ（溶融池の凝固収縮に伴う凝固割れ、再結晶温度付近で生じ得る熱間割れ等）が抑止され得る。

【0049】

電極の加圧力は、通電や冷却に必要な接触状態を維持でき、過度な板厚減少等を生じない範囲内であれば足る。その加圧力は工程中に変化してもよいが、通常、工程を通じて略一定であれば足る。

【0050】

（２）鉄基体とアルミニウム基体は、接合後に、焼鈍または焼戻し等の熱処理がなされてもよい。熱処理により、接合部（ナゲット）やその近傍（熱影響部）の組織調整や残留応力除去等がなされ得る。その加熱温度は、例えば、１２０～２５０℃さらには１５０～２００℃である。その加熱時間は、例えば、１０～１８０分さらには３０～１２０分である。加熱範囲は、接合体の全体でもよいし一部（接合部等）でもよい。

【0051】

《用途》
本発明の金属接合体は、種々の部材や構造物に用いられる。例えば、本発明の金属接合体で車両用パネル等を構成すると、車両の軽量化等が図られる。車両用パネルは、例えば、鋼板からなる骨格（プラットフォーム等）に、外装面を構成するＡｌ合金板を接合してなる。車両の上部構造物である車両用パネルとして、例えば、ルーフパネル、サイドアウタパネル等がある（図９参照）。

【実施例】

【0052】

鋼板とＡｌ合金板を重ねた板組をスポット溶接した金属接合体を製作し、その接合組織や接合強度等を評価した。このような具体例を例示しつつ、本発明をさらに詳しく説明する。

【0053】

［第１実施例］
本実施例に係るスポット溶接の概要を図１に示した。図１には、被溶接材として、第１鋼板、第２鋼板およびＡｌ合金板を順に積層した板組を例示した。スポット溶接は、板組の各表面（第１鋼板の下面とＡｌ合金板の上面）に圧接された一対の電極へ通電してなされる。なお、本実施例では、説明の便宜上、特に断らない限り、図１に示した矢印の方向を、上下方向または左右方向とする。

【0054】

《試料の製作》
（１）板材
第１鋼板には非めっき鋼板である冷間圧延鋼板（４４０ＭＰａ級／板厚：１．４ｍｍ）を、第２鋼板には合金化溶融亜鉛めっき鋼板（２７０ＭＰａ級／板厚：０．８ｍｍ）を、Ａｌ合金板には（ＪＩＳ Ａ６０２２相当の展伸材／板厚：１．２ｍｍ）を用いた。なお、亜鉛めっき鋼板には、厚さ約８μｍの亜鉛めっき層（金属層）が形成されている。亜鉛めっき層自体の融点は約４２０℃、Ａｌ合金板の融点は約６５０℃である。

【0055】

各板材は、表面研磨等を行わず、そのままスポット溶接に供した。また、各板材は短冊状（３０ｍｍ×１００ｍｍ）に切断加工して用いた。

【0056】

（２）電極
第１鋼板側の第１電極とＡｌ合金板側の第２電極には、同じＤＲ形（ＪＩＳ Ｃ９３０４）の市販チップ（ＯＢＡＲＡ株式会社製）を用いた。チップの内側（内円筒部）には強制循環された冷却水（流量：２．７Ｌ／ｍｉｎ）を供給して、チップを強制冷却した。電極はクロム銅（Ｃｒ：１質量％、Ｃｕ：残部）製であり、その電気伝導度は８０％ＩＡＣＳであった。

【0057】

電極のサイズは、図１の拡大図に示すように、チップ径（呼び径Ｄ２）：φ１６ｍｍ、先端底部の厚さは１２ｍｍ、先端肩部の曲率半径（Ｒ）：８ｍｍ、先端面の曲率半径（Ｒ１）：４０ｍｍとし、先端径（Ｄ１）は１２ｍｍとした。

【0058】

（３）溶接条件
スポット溶接はサーボ加圧式スポット溶接機（ＡＲＯ社製ＰＡ２３５ＫＶＡＭＦ）を用いて行った。通電パターンの一例を図２に示した。この場合、電極による板組の加圧力（Ｆ）は４ｋＮで一定とした。通電は、直流電流を制御して次のように行った。

【0059】

第１電流値（Ｉ_１）：８ｋＡ、通電時間：１００ｍｓとする第１通電工程（プレ通電工程）を行った。この通電後、１００ｍｓ間を非通電状態として、両電極を通じて板組を冷却した（第１冷却工程）。これにより、各板材間（特に第２鋼板とＡｌ合金板の間）の電気抵抗値を所定範囲まで低下させ、後続の第２通電工程を安定して行えるようにした。

【0060】

第１冷却工程後、第２電流値（Ｉ_２）：１０～１４ｋＡ（電流密度：８８～１２３．８Ａ／ｍｍ^２）、通電時間：４００ｍｓとする第２通電工程（加熱工程／本通電工程）を行った。第２通電工程は、初期値（Ｉ_２i）：１０ｋＡから終期値（Ｉ_２f）：１４ｋＡまで、電流値が直線的に単調増加するアップスロープ通電により行った。これにより、チリの発生等を抑止しつつ通電量を確保して、接合層やナゲットを成長させた。こうして得られた金属接合体を「試料１」という。

【0061】

《観察》
（１）試料１の接合部の断面を倒立金属顕微鏡（オリンパス株式会社製ＧＸ５３）で観察した写真を図３Ａに示した。図３Ａから明らかなように、第１鋼板と第２鋼板はそれらの対面間にある第１ナゲットを介して接合されており、第２鋼板とＡｌ合金板はそれらの対面間にある第２ナゲットを介して接合されていることが確認された。

【0062】

図３Ａから、第１ナゲットは、第１鋼板と第２鋼板が共に溶融した後に凝固して生成したことがわかる。また第２ナゲットは、溶融したＡｌ合金板が第２鋼板と反応（固液相互拡散／溶融反応）して生成したことがわかる。図３Ａからわかるように、第１ナゲットも第２ナゲットも十分な大きさ（径）および厚さ（板厚方向の長さ）を有していた。なお、電極によるＡｌ合金板側の圧痕（窪み、陥没）は、深さが約０．３ｍｍ程度（板厚減少：約２５％）に留まっていた。

【0063】

（２）第２鋼板とＡｌ合金板の接合界面付近の組織を走査電子顕微鏡（株式会社日立ハイテク製Ｓ－３６００Ｎ）で観察した写真（ＳＥＭ像）を図３Ｂに示した。また、その組織をその顕微鏡に付属のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）で観察したところ、金属間化合物として、Ａｌ_５Ｆｅ_２相およびＡｌ_３Ｆｅ相の他、Ｆｅ－Ａｌ－Ｚｎ相（主にＡｌ_５Ｆｅ_２にＺｎが固溶）またはＡｌ－Ｚｎ相も観察された。

【0064】

もっとも、第２鋼板とＡｌ合金板の接合層は、第２鋼板側にあるＡｌ_５Ｆｅ_２相（第１金属間化合物）からなる第１層と、Ａｌ合金板側にあるＡｌ_３Ｆｅ相（第２金属間化合物）からなる第２層とにより、主に構成されていることが確認された。

【0065】

図３Ｂから明らかなように、第１層は、Ａｌ_５Ｆｅ_２相中に、第２鋼板から一体的に延びる細長い杭状の第１突起（適宜、「ｐｉｌｅ」と表記する。）が略均一的に分布していた。一方、第２層は、第１層（Ａｌ_５Ｆｅ_２相）上に形成されたＡｌ_３Ｆｅ相から一体的に延びて、Ａｌ合金板中へ食い込むように成長した比較的太い柱状の第２突起が略均一的に分布していた。

【0066】

（３）一般的に、金属間化合物層（界面反応層）は脆弱であるため、その厚さは１～２μｍ以下であると好ましいといわれる。しかし、本実施例の場合、金属間化合物からなる接合層の厚さは約４．６μｍ（第１層（Ａｌ_５Ｆｅ_２相）の厚さ：約３．５μｍ、第２層（Ａｌ_３Ｆｅ相）の厚さ：約１．１μｍ）あった。

【0067】

また、ｐｉｌｅの分布（突起分布）は、第１層の面方向に沿った長さ５０μｍ（基準長：Ｌ）あたり４１．６本あり、十分であった。さらに、ｐｉｌｅの幅（ｗ）に対する第１層の厚さ（ｔ１）の比率（幅厚比：ｔ１／ｗ）は３．１あり、所望範囲内であった。

【0068】

上述した各層の厚さ、突起分布、幅厚比は次のように特定した。先ず、図３Ｃおよび図３Ｄに示すように、鉄基体とアルミニウム基体の接合部（ナゲット）について、その外周域の接合層付近を拡大観察する。次に、その観察像（ＳＥＭ像）から切り取った所定サイズの視野（例えば２５μｍ×４０μｍ）内で、層の厚さ、ｐｉｌｅの幅、ｐｉｌｅの本数を特定する。具体的には次の通りである（図３Ｅ参照）。

【0069】

層の厚さは、鉄基体と第１層の境界（「基底ライン」という。）と、第１層と第２層の境界（「層界面」という。）との間の最短距離とする。一視野毎に定まる「層の厚さ」は、基底ラインに沿って連続的または離散的（例えば０．５μｍ間隔）に測定される最短距離の最大値とする。

【0070】

ｐｉｌｅの幅は、基底ラインに接するｐｉｌｅの根元長（接点間距離）とする。一視野毎に定まる「ｐｉｌｅの幅」は、基底ラインに沿って測定される各ｐｉｌｅの根元長の算術平均値とする。一視野毎に定まる「ｐｉｌｅの本数」は、同視野内でカウントされる総数とする。

【0071】

接合部の外周域から適当に選択した１０視野それぞれについて、上記した層の厚さ、ｐｉｌｅの幅、ｐｉｌｅの本数をそれぞれ求める。１０視野に関する各算術平均値をそれぞれ、本明細書でいう層の厚さ（ｔ１、ｔ２）、ｐｉｌｅの幅（ｗ）、ｐｉｌｅの本数（Ｎ）とする。本明細書でいう突起分布および幅厚比は、それらに基づいて算出される。なお、観察視野の幅がｘμｍ（≠５０μｍ）のとき、ｐｉｌｅの本数（Ｎ）に係数（５０／ｘ）を掛けた換算値を求め、その１０視野分の平均値を突起分布とする。

【0072】

《評価》
上述した条件でスポット溶接を行い、図８（ａ）、（ｂ）に示す２種類の試験片を製作した。各試験片を用いて引張試験を行ったところ、引張せん断強度（５回の平均値）は４７８０Ｎ、十字引張強度（５回の平均値）は１０８０Ｎであった。上述したように、厚い接合層が形成される場合でも、十分な接合強度が得られることが確認された。なお、各接合強度は破断時の荷重である。

【0073】

［第２実施例］
第１実施例で用いた合計３枚の板組からなる被溶接材を、１枚の鋼板（第１鋼板）と１枚のＡｌ合金板を順に積層した合計２枚の板組に替えてスポット溶接した。鋼板とＡｌ合金板には、それぞれ、冷間圧延鋼板（４４０ＭＰａ級／板厚：１．０ｍｍ）とアルミニウム押出材（６Ｎ０１／板厚：３．０ｍｍ）を用いた。

【0074】

《試料の製作》
図１に示したスポット溶接装置を用いて、下記に示す溶接条件で、試料２と試料Ｃを製作した。なお、いずれの場合も、直流通電を行い、加圧力（Ｆ）は４ｋＮ（一定）とした。

【0075】

試料２は、試料１と同様に、第１電流値（Ｉ_１）：８ｋＡ、第１通電時間：１００ｍｓ、第１冷却時間：１００ｍｓ、第２電流値（Ｉ_２）：１０～１４ｋＡ（電流密度：８８～１２３．８Ａ／ｍｍ^２）、第２通電時間：４００ｍｓとした。第２通電工程は、第１実施例と同様に、図２に示したチャートに沿って、初期電流値（Ｉ_２i）：１０ｋＡから終期電流値（Ｉ_２f）：１４ｋＡまでアップスロープ通電とした。

【0076】

試料Ｃは、第１電流値（Ｉ_１）：８ｋＡ、第１通電時間：１００ｍｓ、第１冷却時間：１００ｍｓ、第２電流値（Ｉ_２）：１３ｋＡ（電流密度：１１５Ａ／ｍｍ^２）、第２通電時間：５００ｍｓとした。第２通電工程は、第２電流値を一定にして通電した。

【0077】

《観察》
各試料の接合部の断面を既述した倒立金属顕微鏡で観察した。また、各試料について、鋼板とＡｌ合金板の接合界面付近の組織を既述した走査電子顕微鏡により拡大して観察した。一例として、試料２に係る各観察像を、図４Ａ、図４Ｂ（両図を併せて単に「図４」という。）にそれぞれ示した。

【0078】

図４から明らかなように、鋼板とＡｌ合金板の２枚組からなる金属接合体でも、第１実施例に係る金属接合体と同様な接合層が確認された。つまり、第１実施例と同様にＥＤＸで観察したところ、Ａｌ_５Ｆｅ_２相（第１金属間化合物）から主になる第１層が鋼板側で確認され、Ａｌ_３Ｆｅ相（第２金属間化合物）から主になる第２層がＡｌ合金板側で確認された。

【0079】

さらに、その第１層では、鋼板から一体的に延びる杭状の第１突起（ｐｉｌｅ）がＡｌ_５Ｆｅ_２相中に略均一的に分布していた。また第２層では、第１層上に形成されたＡｌ_３Ｆｅ相から一体的に延びてＡｌ合金板中へ成長した柱状の第２突起が略均一的に分布していた。

【0080】

一方、試料Ｃの第１層には、第１突起（ｐｉｌｅ）が観られなかった（図５参照）。長時間の通電により、ｐｉｌｅが消滅して、第１層の全体がＡｌ_５Ｆｅ_２相になったと考えられる。なお、試料Ｃの第２層には、Ａｌ_３Ｆｅ相から一体的に延びてＡｌ合金板中へ成長した細かな突起が多数観られた。

【0081】

《評価》
（１）試料２と試料Ｃについても、図８に示した引張試験を行った。試料２の場合、引張せん断強度：４８７０Ｎであった。試料Ｃの場合、引張せん断強度：４２３０Ｎ、十字引張強度：５００Ｎであった。試料２は接合強度が十分に大きかったが、試料Ｃは試料２によりも接合強度が小さくなった。

【0082】

（２）試料１と試料Ｃについて、破壊した十字引張試験片（図８（ｂ））の接合部の外周付近を、既述した走査電子顕微鏡で観察した。両観察像を図５に併せて示した。図５から明らかなように、試料１では、破壊時に接合層で生じる亀裂がｐｉｌｅを迂回して進展し、ｐｉｌｅにより亀裂の進展が抑制されていた。このような破壊過程により、試料１は高い接合強度を発揮したと考えられる。このようは破壊過程は、試料２についても同様であった。

【0083】

一方、試料Ｃは、第１層中にｐｉｌｅがないため、破壊時に生じる亀裂が第１層を伝播して長く進展し、鋼板まで到達していた。このため、試料Ｃは接合強度が低くなったと考えられる。

【0084】

［考察］
本発明に係る接合層が形成される機序を検討した。

【0085】

（１）温度分布
試料１（第１実施例）のスポット溶接時における被接合部の温度分布を、抵抗溶接シミュレーションソフトＳＯＲＰＡＳを用いて数値解析した。このとき用いた解析モデルと、解析結果例（第２通電中の温度分布）を図６にまとめて示した。

【0086】

図６から明らかなように、第２通電により、第１鋼板と第２鋼板の接合界面間で、それらが溶融した第１液相が生じることがわかる。第１液相は、第２通電後の第２冷却により凝固して第１鋼板と第２鋼板を接合する第１ナゲットとなる。

【0087】

また第２通電により、第２鋼板とＡｌ合金板の接合界面間で、Ａｌ合金板が溶融した第２液相が生じることがわかる。ここで、第１実施例で示した溶接条件下（第２電流値）では、Ａｌ合金板が抵抗加熱（ジュール加熱）のみで直接溶融することはない。従って、Ａｌ合金板は、それ自身の抵抗加熱と第２鋼板側からの伝導熱とにより溶融したと考えられる。その第２液相は、第２通電後の第２冷却により凝固して、Ａｌ合金板と第２鋼板を接合する第２ナゲット（接合部）となる。

【0088】

（２）接合層の生成
上述したシミュレーション結果に基づいて、Ａｌ合金板と鋼板間の接合層（第１層と第２層）は、次のようにして生成されたと考えられる。

【0089】

先ず、第２通電による加熱工程において、Ａｌ合金板が溶融してできたＡｌ合金の液相（第２液相）は、鋼板（固相）表面と接触して、溶融反応（固液相互拡散反応：ＳＬＩＤ）を生じる。具体的にいうと、Ａｌ合金の液相は鋼板の結晶粒界から浸透して拡散し、鋼板側に第１金属間化合物からなる第１層が形成される。このとき、加熱工程から冷却工程への移行時期（第２通電の終期／第２冷却の始期）を調整することにより、鋼板のＦｅ基結晶粒の一部が未反応な状態で残存し、鋼板と一体化したｐｉｌｅ（第１突起）となる。

【0090】

次に、第２通電後の冷却工程において、鋼板上に残存するＦｅとＡｌを含む液相が凝固する。これによりＡｌ合金板側に、第２金属間化合物からなる第２層が形成される。この際、その液相はＡｌ合金板と反応しつつ凝固するため、第２金属間化合物からなる柱状の第２突起がＡｌ合金板へ食い込むように形成される。

【0091】

こうして、第１層と第２層からなる接合層が、Ａｌ合金板と鋼板の接合界面近傍に形成されるようになったと考えられる。このような接合層を有する異種金属接合体は、安定した接合強度を発揮し、信頼性に優れる。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】