JPH1147946A - 鋼板とアルミニウム合金板からなるテーラードブランク材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マッシュシーム溶接法により鋼板とアルミニウ
ム合金板とを接合する、継手性能に優れ、かつ段差の小
さいテーラードブランク材の製造方法の提供。 【解決手段】（１）鋼板とアルミニウム合金板の端を重
ね合わせ、重ね合わせた部分を下記式および式の加
圧力および電流の範囲によりマッシュシーム溶接するテ
ーラードブランク材の製造方法。0.2L+0.2T+0.1L・T+1≦
加圧力(kN)≦0.6L+0.2T+0.2L・T+4・・・、 2L+6≦電流
(A)≦5L+4・・・ ここで、Lは初期重ね代（ｍｍ）を、T
はアルミニウム合金板の板厚（ｍｍ）を表す。 （２）鋼板とアルミニウム合金板の初期重ね代を鋼板お
よびアルミニウム合金板のうちの薄い方の板厚の１．５
倍以上とし、溶接部のアルミニウム合金板への圧下率が
２０〜５０％、溶接部のアルミニウム合金板の溶融部厚
さが溶接後の溶接部のアルミニウム合金板の厚さの５０
％以下となる溶接条件でマッシュシーム溶接するテーラ
ードブランク材の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車、鉄道車両、
船舶などの構造体において用いられる、鋼板とアルミニ
ウム合金板とを溶接した一体化成形用素材（以後、「テ
ーラードブランク材」と記す）の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車車体は、衝突時の乗員保護
のためにますます高い安全性が要求される傾向にある。
しかしながら、衝突安全対策が進むと車体は頑丈になる
が、反面、車体重量は増し、燃費が悪くなり、地球環境
に与える負荷が大きくなる。そこで、安全性も確保し、
かつ、車体の軽量化も実現するために、自動車車体にア
ルミニウム合金を適用する機運が高まっている。しかし
ながら、鋼とアルミニウム合金の接合が鋼同士の接合ほ
ど容易でないことが、アルミニウム合金の車体への適用
拡大の大きなネックとなっており、現在のところアルミ
ニウム合金の採用はごく一部にとどまっている。

【０００３】最近の自動車車体の製造分野では、種々の
鋼板をレーザ溶接法やマッシュシーム溶接法によりテー
ラードブランク材を作製し、その後プレス成形するテー
ラードブランク材の利用技術が普及している。そこで、
鋼板とアルミニウム合金板を複合化するテーラードブラ
ンク材の製造方法が開発されると、アルミニウム合金の
適用部位が大きく拡大すると予想される。そのために鋼
板とアルミニウム合金板との溶接技術の確立が期待され
ている。一体成形を円滑に行うためには鋼板とアルミニ
ウム合金板とは突き合わせ溶接か、溶接部にあまり段差
の生じない重ね溶接法が必要であるが、今までのとこ
ろ、鋼板とアルミニウム合金板の突き合わせ溶接法は知
られていない。

【０００４】鋼とアルミニウム合金の溶接が困難である
理由は、次の現象に起因する。

【０００５】（ａ）鋼とアルミニウム合金は高温で反応
すると非常に脆い金属間化合物を生成するため、アーク
等による溶融溶接では溶接部に金属間化合物が生成し溶
接強度が確保できない。

【０００６】（ｂ）アルミニウム合金表面には強固な酸
化皮膜が存在し、接合性を阻害する。

【０００７】このような原因を克服する接合方法とし
て、鋼板とアルミニウム合金板の重ね溶接法について、
次のような方法が提案されている。

【０００８】圧延法で作製された鋼とアルミニウムの
クラッド材（複層鋼板）をインサート金属として、アル
ミニウム合金板側にはクラッドのアルミニウム面を、鋼
板側にはクラッドの鋼板面を合わせて間に挟み、抵抗ス
ポット溶接する方法（例えば、特開平６−６３７６２号
公報）。

【０００９】直流電流を用い陽極をアルミニウム側、
陰極を鋼板側に配置するスポット溶接方法（特開平５−
１１１７７６号公報）。

【００１０】リベットを用いるなどした機械的接合方
法。

【００１１】接着による接合方法。

【００１２】また、アルミニウム板と鋼板のクラッドを
作製するための接合法としては次のような圧延接合法が
知られている。

【００１３】前処理や圧延温度などに特徴を有する圧
延による接合法（特開平３−８５８７号公報）。

【００１４】しかしながら、上記の〜の方法におい
てはいずれも、つぎのような大きな課題が残されてい
る。

【００１５】の方法では溶接前にインサート材を挿入
する手間がかかり、また、インサート材がコストを押し
上げる要因となるため、自動車車体のような大量生産部
品には不向きな方法である。

【００１６】の方法では接合界面での金属間化合物の
生成が避けられず、溶接部の強度が不足し、高度の安全
性が要求される自動車車体製造への適用には問題があ
る。

【００１７】の機械的接合方法は、リベットの頭の部
分の盛り上がりが一体成形には不向きであり、かつ外観
品質を劣化させる。また、コスト的にも高い方法であ
る。

【００１８】の接着法は溶接法に比べて強度信頼性が
低く、また、経時劣化も懸念され、強度部材には用いる
ことができない。

【００１９】の圧延接合法は板材同士を合わせる接合
法であり、本発明のように鋼板とアルミニウム合金板の
接合継手の作製には適用できない。

【００２０】したがって、上記接合方法のいずれの方法
を用いても、高能率生産が要求される製造現場におい
て、アルミニウム合金板と鋼板からなるテーラードブラ
ンク材の製造方法として採用することはできない。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、マッシュシ
ーム溶接法の適用により鋼板とアルミニウム合金板の端
面同士を接合する、継手性能に優れ、かつ小さい段差の
テーラードブランク材の製造方法を提供することを目的
とする。より具体的には下記のテーラードブランク材の
製造方法の提供を目的とする。

【００２２】鋼板とアルミニウム板またはアルミニウ
ム合金板を接合した複合材。

【００２３】上記複合材はプレス等により一体成形加
工に支障をきたさないほどの小さい段差の接合部を有す
ること。段差は、０．８ｍｍ以下とする。ここで、段差
とは溶接部の厚さとアルミニウム合金板または鋼板の厚
いほうの板厚との差である。

【００２４】接合部の引張試験において母材破断する
こと。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは自動車車体
に用いることができるテーラードブランク材の製造方法
をマッシュシーム溶接法以外の溶接方法も含めて試験し
た結果、下記の事項を確認することができた。

【００２６】（ａ）強度的に信頼性が高く、かつ段差の
小さい溶接部を有する鋼板とアルミニウム合金板からな
るテーラードブランク材は、一定範囲の加圧力と電流を
適用したマッシュシーム溶接法によってのみ得ることが
できる。

【００２７】（ｂ）溶接部の引張試験においてさらに安
定して溶接部破断を生じない接合継手を得るためには、
（b−1）接合界面の溶融を必要最小限にして、脆弱な金
属間化合物の生成を抑制すること、および（b−2）アル
ミニウム合金板表面の酸化皮膜を消失させること、の２
点が重要である。

【００２８】本発明は上記の事項を基にして実際の製造
ラインでの試作試験を経て完成されたもので、その要旨
は下記のテーラードブランク材の製造方法にある。

【００２９】（１）鋼板とアルミニウム合金板の端を重
ね合わせ、重ね合わせた部分を下記式および式の加
圧力および電流の範囲によりマッシュシーム溶接する鋼
板とアルミニウム合金板からなるテーラードブランク材
の製造方法（〔発明１〕とする）。

【００３０】 ここで、LおよびTは、それぞれ初期重ね代（ｍｍ）およ
びアルミニウム合金板の板厚（ｍｍ）を表す。

【００３１】（２）鋼板とアルミニウム合金板の初期重
ね代を鋼板およびアルミニウム合金板のうちの薄い方の
板厚の１．５倍以上とし、溶接部のアルミニウム合金板
への圧下率が２０〜５０％、溶接部のアルミニウム合金
板の溶融部厚さが溶接後の溶接部のアルミニウム合金板
の厚さの５０％以下となる溶接条件でマッシュシーム溶
接する鋼板とアルミニウム合金板からなるテーラードブ
ランク材の製造方法（〔発明２〕とする）。

【００３２】上記の〔発明１〕および〔発明２〕におけ
る鋼板とは主成分が鉄である金属板を指し、ステンレス
鋼板もその範疇に含まれる。また、本発明におけるアル
ミニウム合金板とは、主成分がアルミであればどのよう
なアルミニウム合金板でもよい。本発明は鋼板やアルミ
ニウム合金板の化学成分の変動によって左右されるもの
ではない。

【００３３】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の範囲を上記のよ
うに限定した理由について説明する。

【００３４】１．マッシュシーム溶接 図１はマッシュシーム溶接法の概要を示す図である。マ
ッシュシーム溶接は抵抗溶接の一種であるが、図１に示
すように板の端部を重ね合わせ、その部分に上下一対の
電極輪１により板厚方向に圧下を加え潰しながら通電加
熱して、連続溶接する点に特徴がある。溶接部が潰され
るので、溶接後はあたかも突き合わせ溶接したような外
観を呈する。このとき、加圧により接合界面に強変形を
与えるので、アルミニウム合金表面の酸化皮膜を破壊
し、アルミニウム合金の清浄面と鋼の表面を接触、密着
させることができる。さらに、連続溶接であるので、ス
ポット溶接のような点溶接に比べ、溶接部全体としての
信頼性が高くなる。マッシュシーム溶接は、また、材料
の抵抗発熱を利用した加熱溶接法であるので、加熱を必
要最小限に抑え、脆弱な金属間化合物の生成を抑えるこ
とができる。

【００３５】〔発明１〕においては、上記のマッシュシ
ーム溶接において加圧力を式の範囲に、また電流を
式の範囲で行う。式および式の上限および下限の数
式はこれまでに行われた試験結果に基づいて設定された
式である。加圧力が、0.2・L+ 0.2・T + 0.1・L・T + 1（ｋ
Ｎ）未満の場合には、溶接部が十分潰されず、段差を
０．８ｍｍ以下とすることができず、一体成形のとき金
型の損傷を早める。一方、加圧力が、0.6・L + 0.2・T +
0.2・L・T + 4（ｋＮ）を超えると溶接部のアルミニウム
合金の厚さが過度に薄くなり溶接部の強度を確保できな
くなる。

【００３６】また、マッシュシーム溶接の電流値が、2・
L + 6（ｋＡ） 未満では、鋼板とアルミニウム合金板の
接合部分の加熱が十分行われないために破壊された酸化
皮膜の溶融排出が不十分となり、接合界面の強度が得ら
れない。一方、電流値が、5・L + 10（ｋＡ）を超えると
接合界面付近の加熱が過大となり、脆弱な金属間化合物
が接合界面付近に発生する。

【００３７】鋼板とアルミニウム合金板からなる通常の
テーラードブランク材は、上記の〔発明１〕の方法によ
り製造することができる。

【００３８】さらに高い接合強度を安定して確保する場
合には、つぎに述べる、初期重ね代、圧下率等の条件を
課した〔発明２〕のマッシュシーム溶接方法により行
う。

【００３９】２．初期重ね代 図２はアルミニウム合金板と鋼板とのマッシュシーム溶
接部の縦断面図であり、（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接
後を示す。

【００４０】〔発明２〕においては、図２（ａ）に示す
初期重ね代４は、鋼板３およびアルミニウム合金板２の
うちの薄い方の板厚の１．５倍以上とする。初期重ね代
４が長いと溶接後の縦断面における接合界面長さも大き
くなるので、接合界面長さは長い方が継手強度の点から
望ましい。初期重ね代が上記の薄いほうの板厚の１．５
倍未満の場合には、接合界面の長さが小さくなり、単位
長さあたりの接合界面に負荷される荷重が大きくなり、
接合界面で剥離が生じやすい。より一層安定した継手強
度を得るためには、初期重ね代は鋼板およびアルミニウ
ム合金板のうち薄い方の２倍以上とすることが望まし
い。

【００４１】また、初期重ね代の上限は特に設定しない
が、重ね代が大きくなりすぎると、１回の接合では電極
輪１の圧下により段差を潰せない部分が生じ、テーラー
ドブランク材として一体成形等に不向きとなる。このよ
うな事態を避けるためには、初期重ね代は１０ｍｍ程度
以下とすることが好ましい。

【００４２】３．溶接部におけるアルミニウム合金板の
圧下率 マッシュシーム溶接法においては、鋼板に比べてアルミ
ニウム合金板の方が柔らかいので、ほとんどの変形はア
ルミニウム合金板で生じる。アルミニウム合金板の圧下
率が大きくなるほどアルミニウム合金板の溶接部での塑
性変形が大きくなるため、アルミニウム合金板表面の酸
化膜が破壊され、アルミニウム合金の清浄面が接合界面
上に露出する面積が多くなり好ましい。〔発明２〕にお
いては溶接部におけるアルミニウム合金板の圧下率は２
０〜５０％とする。圧下率が２０％未満では酸化膜の排
出が不十分となり良好な接合強度を得ることができな
い。さらに酸化膜の排出を徹底し、より高い接合強度を
得るためには圧下率は２５％以上とするのがよい。

【００４３】ここで、溶接部におけるアルミニウム合金
板の圧下率Ｒｒは、つぎの式で示される。

【００４４】 Ｒｒ(%)＝｛（Ｔ−Ｔｗ）／Ｔ｝×１００(%)・・・ Ｒｒ:アルミニウム合金板の圧下率(%) Ｔｗ:溶接部のアルミニウム合金板の厚さ Ｔ:アルミニウム合金板母材の厚さ(溶接部の最もアルミ
ニウム合金母材側で測定した厚さ） アルミニウム合金板の溶接部の圧下率が５０％を超えて
大きくなりすぎると、溶接部のアルミ合金板側の断面積
が小さくなりすぎ溶接部で破断が生じ、溶接部の信頼性
を低下させる。

【００４５】図３は、アルミニウム合金板への圧下率が
大きすぎる場合の縦断面図を示す。図３の場合、アルミ
合金板側の溶接部の止端で破断が生じるようになる。し
たがって、溶接部のアルミニウム合金板の圧下率は５０
％以下とする。

【００４６】４．溶接部のアルミニウム合金板の溶融部
厚さ 図２（ｂ）に示すアルミニウム合金板の溶融部５の厚さ
Ｔｍは、溶接入熱と相関があり、入熱が高いほど溶融部
も厚くなる。溶融部厚さが大きい場合は、接合界面上に
生成する金属間化合物層も厚く、溶接継手の強度の信頼
性が低くなる。溶融部厚さＴｍと溶接部のアルミニウム
合金板の厚さＴｗとの比、（Ｔｍ／Ｔｗ）×１００％を
溶融比Ｒｍ（％）という。後記する実施例の表２におい
ては溶融部厚さに関しては、この溶融比によって表示さ
れている。

【００４７】〔発明２〕においては、溶融部厚さは溶接
後の溶接部のアルミニウム合金板の厚さの５０％以下、
好ましくは４０％以下、すなわち溶融比Ｒｍが５０％以
下、好ましくは４０％以下に抑える。これは金属間化合
物の生成を抑制するための範囲限定である。一方、溶融
部厚さの下限値は０ｍｍでもよい。すなわち、溶接部に
は溶融部が生成していなくても、十分な接合強度を示す
場合が多い。しかし、溶接部の強度を確実にするためは
溶接部のアルミニウム合金板の厚さの１０％程度は溶融
部厚さが生じることが望ましい。

【００４８】

【実施例】つぎに本発明の効果を実施例により説明す
る。

【００４９】［実施例１］最初に、〔発明１〕の効果を
試験した実施例１について説明する。

【００５０】板厚１．０ｍｍおよび１．６ｍｍの冷延鋼
板（SPCC）および板厚１．０ｍｍおよび２．０ｍｍのア
ルミニウム合金板（A5052 ）を供試金属板としてマッシ
ュシーム溶接を行った。溶接条件は、溶接速度を４ｃｍ
／ｍｉｎと一定にして重ね代、電極加圧力および溶接電
流を変化させた。

【００５１】表１は、実施例１における試験番号Ｐ１〜
Ｐ７の溶接条件の一覧表である。また、表２は、これら
溶接条件で溶接する場合の式でしめされる加圧力の上
限と下限を、また式の電流の上限と下限を示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】溶接後に断面観察を行い、段差を測定する
とともに溶接部の性能を評価するために溶接線に垂直方
向の引張試験を行った。溶接性の良否の判定は、引張試
験後の破断位置で行った。すなわち、母材破断したもの
を合格とし、接合界面および溶接部内または溶接止端部
で破断したものを不合格とした。

【００５５】試験結果を表１に示す。

【００５６】比較例である試験番号Ｐ１、Ｐ５は加圧力
が小さいために溶接部の段差が大きい結果となった。ま
た、試験番号Ｐ１はそのうえ電流も小さいために接合界
面で破断した。試験番号Ｐ３、Ｐ７は加圧力が過大なた
めに溶接部のアルミニウム合金板の板厚が薄くなりすぎ
溶接部のアルミニウム側止端部で破断した。試験番号Ｐ
４は電流が過大であったために接合界面で破断した。

【００５７】これに対して本発明例である試験番号Ｐ
２、Ｐ６はいずれも健全な接合強度を有し、母材破断と
なった。

【００５８】［実施例２］つぎの実施例は、〔発明２〕
の効果を説明するために行った実施例である。供試鋼板
として板厚１．０ｍｍおよび１．６ｍｍの冷延鋼板（Ｓ
ＰＣＣ）と板厚１．０ｍｍおよび２．０ｍｍのアルミニ
ウム合金板（Ａ５０５２）を用い、マッシュシーム溶接
を行った。溶接条件は、溶接速度を４ｍ／ｍｉｎと一定
にして、重ね代、電極加圧力および溶接電流を変化させ
ることによりアルミニウム合金板の圧下率および溶融部
厚さを変化させた。圧下率および溶融部厚さを測定する
ために、溶接後に断面観察を行った。溶接部の性能を評
価するために溶接線に垂直方向の引張試験を行った。溶
接性の良否の判定は引張試験後の破断位置で行った。す
なわち、母材破断したものを合格とし、接合界面および
溶接部内および溶接止端部で破断したものを不合格とし
た。

【００５９】表３にその試験結果を示す。

【００６０】

【表３】

【００６１】比較例である試験番号１、２、１５、１７
は、いずれも重ね代が小さいために接合界面で破断し
た。同じく比較例である試験番号４、５、１２、１３
も、溶接部のアルミ合金板の圧下率が小さいために接合
界面で破断した。なお、試験番号４、１３は母材部で破
断する場合もありこの中では比較的高い接合強度を示し
た。試験番号８、１１はアルミ合金板への圧下率が大き
すぎる条件で溶接したものである。そのうち、試験番号
１１は溶接部のアルミ合金板側で破断した。一方、試験
番号８は、同時に溶融部厚さも過大となった例であり、
接合界面での破断が生じた。また、比較例の試験番号
７、９、１９は、溶融部厚さが大きいために接合界面で
破断した。この中で、試験番号９は母材で破断する場合
もあり、比較的高い強度を示した。

【００６２】これに対して、本発明例である試験番号
３、６、１０、１４、１６、１８、２０は、いずれも健
全な接合強度を有し、母材破断の結果が得られた。

【００６３】

【発明の効果】本発明によって、高能率かつ安価に鋼板
とアルミニウム合金板とを溶接したテーラードブランク
材が製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マッシュシーム溶接法の概要をあらわす図であ
る

【図２】マッシュシーム溶接部の縦断面をあらわす図で
ある。（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示す。

【図３】アルミニウム合金板の圧下率が大きくなりすぎ
た場合の縦断面を例示する図である。

【符号の説明】

１…電極輪 ２…アルミニウム板 ３…鋼板 ４…初期重ね代 ５…溶融部 Ｔ…アルミニウム板の厚さ Ｔw…溶接部のアルミニウム板厚さ Ｔm…アルミニウムの溶融部厚さ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼板とアルミニウム合金板の端を重ね合わ
   せ、重ね合わせた部分を下記式および式の加圧力お
   よび電流の範囲によりマッシュシーム溶接することを特
   徴とする鋼板とアルミニウム合金板からなるテーラード
   ブランク材の製造方法。 ここで、LおよびTは、それぞれ初期重ね代（ｍｍ）およ
   びアルミニウム合金板の板厚（ｍｍ）を表す。
2. 【請求項２】鋼板とアルミニウム合金板の初期重ね代を
   鋼板およびアルミニウム合金板のうちの薄い方の板厚の
   １．５倍以上とし、溶接部のアルミニウム合金板への圧
   下率が２０〜５０％、溶接部のアルミニウム合金板の溶
   融部厚さが溶接後の溶接部のアルミニウム合金板の厚さ
   の５０％以下となる溶接条件でマッシュシーム溶接する
   ことを特徴とする鋼板とアルミニウム合金板からなるテ
   ーラードブランク材の製造方法。