技術論文 抵抗スポット溶接とダボ形状を用いた鋼板とアルミニウム合金の * 新しい異種金属接合法 1) 1) 2) 3) 3) 橋村橋村徹徹勝間勝間秀人岩谷二郎二郎 New Method for Dissimilar Metals Joining of Steel Sh

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1 技術論文 抵抗スポット溶接とダボ形状を用いた鋼板とアルミニウム合金の * 新しい異種金属接合法 1) 1) 2) 3) 3) 橋村橋村徹徹勝間勝間秀人岩谷二郎二郎 New Method for Dissimilar Metals Joining of Steel Sheet and Aluminum Alloy Using Resistance Spot Welding and Dimple Shape, Dimple Spot Welding (DSW) Toru Hashimura Hideto Katsuma Jiro Iwaya In order to advance multi-materialization of automotive body structure, we developed a new dissimilar metal joining method of steel and aluminum alloy sheet named Dimple Spot Welding (DSW). DSW has a laminated structure of Fe-Al-Fe, and is a welding method of dimple and backing plate. As a result of tensile shear tests and cross tensile tests using steel and aluminum specimens joined by DSW, the following results were found out: 1) Joining strength of DSW depends on combination of dimple height of steel sheet, and hole diameter of aluminum alloy sheet. 2) Bonding strength of DSW was equal to or higher than that of conventional mechanical joining methods such as SPR, FDS, Clinching, and so on. KEY WORDS: Materials, Steel materials, Aluminum alloy, Dissimilar metals joining, Resistance spot welding (D3) 1. まえがき CO 2 排出規制に伴う自動車の環境負荷の低減を目的にした車体の軽量化は重要な課題の一つである. また衝突安全性の向上も同様に重要な課題である. しかしながら, 衝突安全性を高めようとすると車体構造を強化する必要があるため, 車体重量は重くなりがちである. 車体軽量化と車体構造の強化は相反する課題であるため, 両立させるには材料と構造を合理的に検討する必要がある. そこで, 重要になるのがマルチマテリアル化による適材適所の考え方 (1) である. 例えば 高強度が必要な部分には高強度鋼板を使って軽量化し, 一方大きく軽量化が期待できる部位にはアルミニウム合金 ( 以下, アルミ, または Al と記す ) などの軽量化材料を使う. この様なマルチマテリアル化の際には, 複数の異なる材料が共存するため, それら異種材料を接合する技術が必要不可欠となる. 特に, 車体のベース材料である鋼板と, 軽量化材料の中でも比較的低コストなアルミ板との接合は重要な接合技術である. (2-4) ところが, 鋼板とアルミ板の異種金属接合は融点や熱伝導率の違いにより溶融接合は難しく, さらに接合ができたとしても鋼板とアルミ界面に脆弱な金属間化合物層が生成されるため強度特性が低くなるなど技術的課題は多い. このため, 鋼板とアルミ板の異種金属接合では, 機械的接合法が使われることが多い. 例えば,SPR(Self-Pierce Riveting) やブラインドリベットに代表されるリベットを使った接合法やねじ *2017 年 1 月 25 日受理.2016 年 10 月 19 日自動車技術会秋季学術講演会において発表. 1) 2) 神戸製鋼所自動車ソリューションセンター ( 神戸市西区高塚台 1-5-5) 3) 神戸製鋼所鉄鋼事業部門薄板商品技術部 ( 名古屋市西区名駅 ) を使った接合法がある. またポンチとダイスを使い金属板同士をかしめて接合するクリンチングも利用されている. しかしながら, 現在の車体溶接で使用される主要な設備は, 抵抗スポット溶接機やアーク溶接機であるため, これらの機械的接合には新規の設備投資が必要になる. そこで我々は, 既存設備である抵抗スポット溶接機を用いて, プレス成形したダボと呼ばれる小さい突起形状を付与した鋼板とアルミ板の異種金属の新しい接合法を開発した. この新しい接合法をダボスポット溶接 (Dimple Spot Welding, 以下,DSW) と呼ぶこととする. 本報告では,DSW 工法と継手強度の評価, および他の工法との強度の概要比較について報告する. 2. 実験方法 2.1. 供試材図 1(a),(b) の供試材は, 板厚 1.4mm の 590MPa 級の合金化溶融亜鉛めっき鋼板 ( 以下,GA590) で,(a) にはダボ形状を付与し,(b) は何も加工を施さずにそのまま使う ( 以下, 当て板,backing plate).(c) の供試材は, 板厚 2.0mm の A5052 アルミ板材で,(a) のダボを勘合させるための穴を予め空けておく. 表 1 に供試材の機械的特性を示す. Fig.1 Specimen for dimple spot welding Vol.48,No.5,September

2 Materials Table 1 Mechanical properties of test specimen Thickness (mm) YP (MPa) TS (MPa) Elongation (%) GA Al-A 鋼板ダボ形状とアルミ板穴形状 ダボ形状は, 図 2 の金型を用いたプレスで成形加工される. パンチの突き出し量を変えることにより, ダボ形状の高さ ( 図 (a) Test specimen for tensile shear test 3) を変更できる. 本試験では, ダボ高さは 2.0mm と 2.2mm, 2.4mm を用いた.Al の穴径は,φ= 10.0mm,10.5mm,11.0mm とした. Fig.2 Schematic cross section drawing of dimple forming die (b) Test specimen for cross tension test Fig.4 Test specimens for tensile tests according to JIS standard 2.4. 溶接接合方法図 5 に本試験で用いた定置型抵抗スポット溶接機の外観を, Fig.3 Schematic cross section drawing of dimple shape after forming 図 6 に電極形状を示す. 溶接電極はクロム銅 (Cr-Cu) 製で DR 形 ( 元径 :Φ19.0mm, 先端曲率半径 :9.5mm, 先端径 : 2.3. 試験片形状と DSW 工法 Φ6.0mm) である. 接合は専用の治具を使って行った. 図 4 (a) にJIS Z3136に倣った引張せん断試験片形状を示す. 長さ 82.5mm 幅 40mm の GA590 とアルミ板の端部 40mm を重ね合わせ,GA590 に付与されたダボ形状をアルミ板の穴に勘合させ, アルミ板を挟み込む様にして図 1(b) に示す当て板を被せて鋼 -Al- 鋼の積層構造にする. 積層した部位にあるダボ形状と当て板との間で鋼板間どうしのスポット溶接を施すことにより, 鋼板とアルミ板の異種金属接合試験体を作ることができる. この試験片を用いて, 試験速度を 5mm/min として引張せん断強度 (Tensile shear strength( 以下,TSS)) を求めた. また図 4 (b) に JIS Z3137 に倣った十字引張試験片を示す. 図 Fig.5 Resistance spot welding machine 4(a) と同様に, 長さ 150mm 幅 50mm の GA590 の中央部のダボ形状とアルミ試験片中央部の穴を勘合させ, アルミ板を挟み込む様にして当て板を被せて鋼 -Al- 鋼の積層構造にする. その積層した部位にあるダボ形状と当て板との間で鋼板間どうしのスポット溶接を施す. この試験片を用いて, 試験速度を 5mm/min として十字引張強度 (Cross tension strength( 以下, CTS)) を求めた. Fig.6 Shape of electrode tip (DR type) 1150 自動車技術会論文集

3 2.5. 抵抗スポット溶接の溶接条件溶接条件は加圧力を 4.5kN 一定 ( 図 7) とし, 通電条件は up-slope なしで初期電流 8.5kA で通電時間 10cycles/60Hz, 続いて 10.5kA-10cycles, 最後に 11.5kA-10cycles と段階的に上げた ( 図 8). 図 9 はその抵抗スポット溶接施工をおこなう DSW 試験体の概略図である. 図 10 は図 9 の A-A 断面の写真例である. この工程で製作された DSW 試験体の溶融径は平均約 5.8mm であった. 4.5 kn Table 2 List for test conditions and fracture appearances No. GA590 Al Test items / Fracture appearance dimple height Al-hole diameter Tensile shear test Cross tension test (mm) (mm) ( N=2 ) ( N=3 ) I,P I,I,I B,B P,P,P B,B P,P,P I,I I,P,P P,I P,I,P B,B P,P,P I,I I,P,I P,P P,I,P B,P I,P,P B: Base metal fracture,p: Plug fracture,i: Interface fracture Fig.7 Electrode force diagram for dimple spot welding Base metal fracture (B) ka Fig.8 Current conditions diagram for dimple spot welding Plug fracture (P) Interface fracture (I) Fig.11 Schematic drawing for fracture states of tensile shear tests Fig.9 Drawing of spot welding process of DSW test specimen No.3, dimple height: 2.0mm, Al-hole diameter: 11.0mm Fig.12 Base metal fracture appearance after tensile shear test Fig.10 Macro-photograph of cross section A-A in Fig.9 Plug fracture (P) Interface fracture (I) Fig.13 Schematic drawing for fracture states of cross tension test 3. 実験結果 3.1. 引張せん断強度 (TSS) 表 2 に各供試材 ( ダボ高さと穴径の組み合わせ ) の試験後の破断形態を示す. 表中の B は母材側の破断形態を示し,P はプラグ破断,I は界面破断のことを示す. 図 11 に引張試験後の破断形態の模式図, 図 12 に継手母材が破断した外観例を (a) Plug fracture (b) Interface fracture 示し ( 破断形態 B), また図 13 に十字引張試験後の破断携帯の模式図, 図 14 に同じく継手溶接部の破断面の外観を示す. (a) No.3: dimple height 2.0mm, Al-hole diameter φ11.0mm (b) No.1: dimple height 2.0mm, Al-hole diameter φ10.0mm Fig.14 Fracture appearance after cross tension tests Vol.48,No.5,September

4 図 15 に試験で得られた TSS と 2.2 で示したダボ高さ,Al 穴径の関係を示す.TSS 値はダボ高さに関係なく Al 穴径が大きくなるほど高くなった. 穴径 φ11.0mm のときダボ高さ 2.4mm の一部を除いた試験体では Al 材の破断となった. 一方, 穴径 φ10.0mm のとき TSS 値は低く, 溶接部の破断形態は界面破断であった. 穴径 φ10.5mm と φ11.0mm においては, ダボが高くなるほど TSS 値は低くなった. に鋼板であるため, 通常の抵抗スポット溶接ができる.DSW の始めは, 通電部位に局所的な高密度の電流束が発生することで高熱となり, この高温発熱により接触部位から溶融が始まる. さらに上下の電極の加圧によって溶融部周辺の軟化した鋼板が変形し易くなっているため, 接触部位面積が増大する ( 図 17(b)). ここで, 軟化した部位が拡がる ( 図 17(b) 横矢印 ) タイミングで段階的な電流の上昇が必要となる. これは, 接触部位面積の増加に伴う電流束密度の低下を抑えるためである. 電流束密度を高く保つことで増大した接触部位を溶融させることができる. そこでさらに, 電極で加圧保持すること ( 図 17(c)) によって, 溶融した接触部位を固めて接合させることができると考えている. DSW においては, ダボ形状の変形プロセスを理解し, ダボ高さと穴径の適切な量を把握することが必要である. 次節以降ではこの二つのパラメータの最適値とダボ変形プロセスに着目して考察を進める. Fig.15 Effect of dimple height and Al-hole diameter on TSS 3.2. 十字引張強度 (CTS) 図 16 に試験で得られた CTS と 2.2 で示したダボ高さ,Al 穴径の関係を示す. ダボ高さ 2.2mm を除いて Al 穴径が大きくなるほど,CTS 値は高くなることが分かる. またダボ高さの違いによって,Al 穴径が CTS 値に与える影響に差があった. ダボ高さ 2.0mm のとき,CTS 値の最大最小差は約 5.0kN であった. 一方ダボ高さ 2.4mm では,CTS 値の最大最小差は約 1.2kN であった. 破断形態は, 穴径が大きくなるにつれ界面破断からプラグ破断に移行した. (a) Start (b) Middle (c) End Fig.17 Image of dimple spot welding process Fig.18 Schematic cross section drawing for difference of dimple height Fig.16 Effect of dimple height and Al-hole diameter on CTS 4. 考察 4.1. DSW の想定接合メカニズム想定している接合メカニズムについて説明する.DSW の開始時は, 図 17 (a) に示す状態である. ダボ形状と当て板は点接触であるため通電可能であり, さらにダボ形状, 当て板とも 4.2. 引張せん断強度 (TSS) Al 穴径 φ11.0 のときダボ高さ 2.4mm の一部を除いた試験体で,Al 穴径 φ10.5mm ではダボ高さ 2.0mm のとき Al 材が破断した. このときの TSS 値は,Al 材の強度に依存していると考えることができる. その結果, ダボ高さに関係なく同様の TSS 値 ( 約 10.0kN) となった. 一方,Al 穴径が φ10.0mm のとき, 界面破断となった. この原因は,Al 穴径が小さければダボ形状と当て板の溶接される面積が小さくなるため, 界面破断となって TSS 値が低下したと考えられる. 本引張せん断試験結果より, 穴径 φ10.5mm の場合, 最適なダボ高さは 2.0mm であり, 穴径 φ11.0mm の場合の最適ダボ高さは,2.0mm から 2.2mm の範囲に存在することが推量できる 自動車技術会論文集

5 4.3. 十字引張強度 (CTS) 図 16 から分かる様に,CTS 値の最大値と最小値の差は, ダボ高さ 2.0mm のときが約 5kN に対してダボ高さ 2.4mm のときは約 1.2kN である. この差が生じた原因は抵抗スポット溶接をした接合部の鋼板どうしの結合力の違いによるものと考えている. まず, 穴径 φ10.0mm のとき, すべてのダボ高さで界面破断となり,CTS 値が低い. この原因は 4.2. でも示したとおり, 穴径が小さいために必要なサイズの溶接の面積を確保できなかったためと考えられる. 次にダボ高さ 2.0mm のとき, ダボ頂点部と当て板は図 18 に示す様に点接触状態である. この状態で通電すれば, 鋼板が軟化して溶接部を段階的に大きくでき, 結果として積層しているアルミ板を強固に挟み込むことができる. このため, 穴径を大きくするほど CTS 値が大きくなったと考えられる. 一方, ダボ高さ 2.4mm のときは, ダボの断面線長がダボ高さ 2.0mm のときよりも長くなっている ( 図 18). 断面線長の長いダボを適正サイズのダボ高さ 2.0mm と同じ溶接条件で溶接をすれば, 線長の長い分を圧接するための電流や加圧力が不足する. このためダボ高さ 2.4mm のときはダボが潰しきれておらず, 接合力が不十分で, 積層しているアルミ板を強固に挟み込むことができていない. この結果として, 穴径に関わらず, 全般に鋼板とアルミ板間のCTS 値が低くなったと考えられる. 以上検討した範囲から, DSW 接合では, ダボ側の板とアルミ板, 当て板との間に隙間がなく, かつダボ形状と当て板は点接触している状態が, 溶接前の姿として好ましいことが推定される 他の異種金属接合技術との強度比較表 3 に, 鉄鋼会社各社の公開技報やウェブサイトで公開されている鋼板とアルミ板の異種金属接合技術データを示した. これらの文献を用い, 図 19 および図 20 に DSW 法と, 他の溶融接合法および自動車に用いられるリベット系の代表的な接合法 (SPR,ImpAcT (5),FDS (6),FSSW,Clinching), 更に接着剤を使った TSS と CTS それぞれの概要値の比較を示す. ここで, DSW の TSS および CTS は, 図 15, 図 16 より破壊形態が比較的安定し, また高い強度を有していることからダボ高さ 2.0mm で Al 穴径は φ11.0mm と φ10.5mm の平均値を代表値とした. なお,DSW 継手と文献データである表 3 の鋼板とアルミ板の材質や板厚等, 板組みは統一されていない. 一般的にスポット系溶接法では TSS および CTS は板厚の影響 (9-10) を受ける. また, ナゲット径と接合強度に相関があると言われているが, ここで示した RSW-A,RSW-B は鋼板とアルミ板を抵抗スポット溶接で直接異種金属接合したものである一方, DSW は鋼板どうしのスポット接合であるため, ナゲット径での直接比較の意味は小さい. このためナゲット径等での無次元化の操作は行わず, ここでは表 3 に示す材料強度が低い方 の Al 材の板厚で除算してスポット一点当たりの強度とし, DSW 継手強度も同様に処理して図 19,20 に比較して示した. リベット系接合法もリベット径や材質, 板厚などの板組みが異なり一様ではないが, それぞれの接合法固有の得意な板組みが存在し, 文献にはそれらの強度が代表値として掲載されているものと考え, 同様に Al 板厚での無次元のみ行い, 強度の概要比較として, 図 19,20 に示した. 図 19 から DSW の TSS は機械的接合法と比較して同等以上の強度であることが分かる. また図 20 の DSW は FDS よりも約 0.3 kn/mm 劣るものの, 機械的接合法の大方と較べて同等以上の継手強度を持つと言える 本接合法の課題と展望 DSW の継手強度が従来工法である機械的接合法の継手強度と同等以上であれば, 設計上 DSW の接合点数を機械的接合法の点数よりも少なくできるメリットがある. 一方で,DSW はダボ形状をプレス成形する必要があること, かん合させる Al 穴を必要とする. これらの作業は工程増となるが, ダボ形状とアルミへの穴加工の多くは, 板のプレス工程と同じ工程で対処することができる. 鋼材とアルミの接触部に生じる電食の抑制は今後の検討課題であるが, 機械的接合方法と同様に, 接着剤を両金属間に塗付することで対策可能と考えている. ただし, 溶接条件 ( 加圧力と通電条件 ) の最適化設定は別途検証が必要である. 本技術は高張力鋼板とアルミの接合部への展開や, アルミとステンレス, アルミとチタン等他の異種金属接合への応用も可能である. なお, 電源をスポット溶接以外のものとすることも可能で, 更に発展性があるものと考えている. Table 3 Material combination in various dissimilar metals joints Material Thickness (mm) SPCC 1.0 RSW-A (4) Al- 6K Spot Alminized steel 1.0 Welding RSW-B (4) Al- 6K GA DSW Al- 5000series 2.0 SPC SPR (3) Al- 5000series 1.2 H340LAD 2.0 ImpAcT (5) AlMg3 1.2 Mechanical AC300 (Al) 1.5 joining FDS (7) * AC300 (Al) 3.0 Super Dyma 0.7 FSSW (3) Al- 6000series 1.0 CR270 unknown Clinching (3) Al- 5000series unknown Adhesive SPC Adhesive (3)(8) bonding Al- 6000series 1.2 * Al-Al similar metals joining Vol.48,No.5,September

6 Fig.19 TSS/Al-thickness of various dissimilar metals joints Fig.20 CTS/Al-thickness of various dissimilar metals joints 5. まとめ鋼板とアルミの異種金属接合において, ダボ形状と抵抗スポット溶接を使った DSW 技術を開発し検証した. 以下に, DSW 技術の特徴と今後の課題および期待を記す. 1) DSW は鋼板をプレス成形したダボ形状と鋼用抵抗スポット溶接機を用いた新しい異種金属接合法である. 2) DSW 接合構造体は鋼 -Al- 鋼の積層構造であり, ダボ側の板とアルミ, 当て板との間に隙間がなく, かつダボ形状と当て板は点接触している状態が, 溶接前の姿として好ましい. 3) DSW の継手強度はダボ高さと Al 穴径の関係に大きく影響を受ける. 4) DSW 技術の TSS および CTS は従来の機械的接合法と同等以上の強度を持つ. 5) 電食対策は接着剤塗布により対応できると考えるが, 溶接条件の最適化を別途行う必要がある. 6) DSW 技術は高張力鋼板とアルミなど異種金属接合への適用が期待される. 参考文献 (1) 橋村徹 : 自動車マルチマテリアル化技術の進展, 自動車技術会フォーラムテキスト,No.16 FORUM-Y5, p (2016). (2) 宮本健二ほか : 抵抗スポット溶接による鋼と Al 合金の異種材料接合, 溶接学会論文集, 第 32 巻, 第 2 号,p (2014). (3) 崎山達也ほか : 自動車ボディにおける鋼板とアルミニウム合金板との異種金属接合技術, 新日鉄技報, 第 393 号,p (2012). (4) 岩瀬哲ほか : 溶融アルミめっき鋼板を用いたアルミニウム合金と鋼材との異種金属接合, R&D 神戸製鋼技報,Vol.57, No.2,p (2007). (5) BÖLLHOFF: RIVTAC Automation P, pdf, ( 参照 ). (6) EJOT: FDS, Csup%3E%26reg%3B%3C-sup%3E/p/VBT_FDS, ( 参照 ). (7) Mercedes-Benz: H.Schubert, et al.: Flexible material joining technology for tomorrow s innovative lightweight design, Bad Nauheim, (2012)., 837/file/016_schubert.pdf, ( 参照 ). (8) Dow Automotive: Technical Datasheet,Dow Europe GmbH, Edition 03,p. 1-3,(2012). (9) 山崎一正ほか : 超高強度冷延鋼板のスポット溶接継手の強度特性, 溶接学会論文集, 第 17 巻, 第 4 号,p (1999). (10) 船川義正, 樺沢真事 : 十字引張強さの推定式の導出, 溶接学会全国大会講演概要, 第 54 集,p (1994) 自動車技術会論文集

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