JP6811380B2 - 接合構造 - Google Patents

Description

本開示は、アークおよびプラズマを熱源として一種類以上の異種材を同種系金属材にて挟む接合構造に関する。

近年、自動車をはじめとする輸送機器のグローバル化により生産量が増加することで、製品一台当たりのトータルコスト低減、特に生産時間短縮による生産性向上に対する要望が高まってきている。

また、地球温暖化防止のためＣＯ２排出規制要求がグローバルで強く求められており、自動車業界をはじめとする輸送業界ではこの要求に応えるために燃費改善への取り組みが加速している。この燃費改善に対する具体的な取り組みとして、車両の重量の軽量化が求められており軽量素材の使用割合を増加させる検討が進められている。

このような要望が求められている中、自動車等の輸送機器に用いられている溶接方法として、スポット溶接が広く普及している。しかしながら、抵抗溶接であるスポット溶接は、スポット溶接を行うスポット用の溶接ガンである上下の電極で材料を加圧して溶接材料間の間隙を無くして上下の電極間を通電することで溶接する必要がある。このため、片側溶接には適しておらず、溶接箇所がスポット用の溶接ガンにより上下方向から挟める形状である等、製品形状に制約が発生する。また、溶接箇所を加圧するためには、スポット用の溶接ガンが、溶接材の上下に入り込むスペースが必要である。また、スポット用の溶接ガン自体の重量が重いため、スポット用の溶接ガンの移動速度が遅く、溶接位置に到着しても加圧時間が必要であり、溶接後も冷却時間を確保しなければならず、溶接以外にも多くの時間が必要である。

また、自動車に用いられる材料の軽量化に対しては、部品の一部を鋼からアルミニウム等の軽金属材料に変更する検討が進んでおり、軽金属材料と鋼を接合する技術及び構造が求められている。

従来の異種材に対する接合用部材として、リベットを用いたスポット溶接や接着剤を使用した接合等が挙げられる。例えば特許文献１では、リベットとリベット材質と同種の接合材に挟まれた異種材の加圧及びスポット溶接時の溶接熱による異種材の塑性流動を吸収するリベット形状及びかしめ及びスポット溶接方法が知られている。かしめ時およびスポット溶接時に異種材料の一部が変形して移動するスペースの確保及びスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制が可能である。

特開２０１５−４２４１７号公報

本開示に係る接合構造は、第１の突起部を有する第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第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、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材と溶接困難な異種材と、を備える。第１の突起部は、第１の貫通部に対して、第１の貫通部の径または幅より小さく、径方向または幅方向の第１のギャップを有している。第１の突起部が第１の貫通部に挿入され、第１の貫通部の板厚方向の隙間である第２のギャップを有する。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、板厚方向の隙間である第２のギャップの量は、アーク溶接のアークが照射される側の第１の同種系金属材の第１の突起部の板厚に対する所定量である。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異種材が圧縮固定されることにより、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。

図１は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図２は、本開示の実施の形態２におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図３は、本開示の実施の形態２におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図４は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合状況を説明するための図である。 図５は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合状況を説明するための図である。 図６は、本開示の実施の形態１における、第１の材料の板厚と板厚方向の隙間である第２のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。 図７は、本開示の実施の形態１における、第２の材料の材質と第１のギャップの関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。 図８は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合状況を説明するための図である。 図９は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接時の接合状況を説明するための図である。 図１０は、本開示の実施の形態３におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図１１は、本開示の実施の形態３におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図１２は、本開示の実施の形態３におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図１３は、本開示の実施の形態４におけるアーク溶接時の接合構造を説明するための図である。 図１４は、従来の異種材接合の形態を説明するための図である。

（本開示に至った経緯）
実施の形態の説明に先立ち、本開示に至った経緯を簡単に説明する。

従来の異種材の接合部材を、図１４を用いて説明する。かしめ時およびスポット溶接時に異種材２００の一部が変形して移動するスペースを確保するために、及び、スポット溶接時の電極４００の位置ズレ等による異種材２００の陥没等を防いで締結力低下の抑制を可能とするために、Ｒ（Ｒａｄｉｕｓ）形状の面取り３０や環状溝３１等の複雑なリベット形状が必要である。この場合、リベット５１の形状に精度が必要であり複雑な形状となる。そのため、リベット５１の加工に精密加工等が必要となり製造コストも高くなる。また、抵抗溶接であるスポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため作業時間が長くなる。また、接合部材１００を両側から挟みこむ必要があるので、接合部材１００の設計自由度が制限される。

また、隣のリベットに近接し過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。そのため、分流せずに所望のナゲット形成が行える最小離間ピッチ以上の接合ピッチが必要となる。よって、最小離間ピッチ以下の接合ピッチでリベットを配置できず、必要箇所での接合の剛性増加ができないという課題があった。

本開示は、異種材接合を可能とし、生産性を向上するアーク溶接またはプラズマ溶接用のシンプルな接合構造を提供する。

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。図１は、接合部材であって、本開示に係る第１の同種系金属材である第１の材料１と本開示に係る第２の同種系金属材である第３の材料３と、異種材の第２の材料２との接合構造を示している。ここで、図４は、上板としての第１の材料１が円形状である構造のものを説明するための図である。図５は、上板としての第１の材料１が角形状である構造のものを説明するための図である。そして、図４および図５に示すＩ−Ｉ断面が、図１の断面位置に対応する。

図１は材質が金属である第１の材料１および第３の材料３と異種材の材質である第２の材料２との接合に際して、第１の材料１と第３の材料３で第２の材料２を挟み込む配置とする。第１の材料１と第３の材料３は互いに溶接可能な同種系金属材であり、第２の材料２は、第１の材料１および第３の材料３の同種系金属材と溶接困難な異種材である。

ここで第２の材料２には本開示に係る第１の貫通部の一例である第１の貫通穴１１が予め加工されている。第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５がこの第１の貫通穴１１に挿入され、第１の突起部４と第２の突起部５が互いに対向して配置される。第２の材料２の第１の貫通穴１１に、第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５がそれぞれ挿入されるので、第１の貫通穴１１に対する第１の材料１および第３の材料３の相対的な位置ズレを抑制する効果がある。そのため、アーク溶接位置の目印及びビード形成位置の妥当性が目視で確認できる利点がある。

なお、本実施の形態では、第１の貫通部を第１の貫通穴１１としているが、例えば貫通溝であっても良い。

また、なお、同種系金属材とは、互いに溶接可能な金属であり、同じ材質同士だけではなく、鉄系金属材同士、非鉄系金属材同士などの溶接接合性が、言い換えると、溶接の相性が良い同種系の材料とする。具体的には、溶接時の材料の組合せとしては、例えば、第１の材料１および第３の材料３では、軟鋼と軟鋼、軟鋼とステンレス、ステンレスとステンレス、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス、ハイテンとハイテン等の鉄系金属材である。または、例えば、アルミとアルミ、アルミとアルミ合金、アルミ合金とアルミ合金等の非鉄金属である。

また、異種材としての第２の材料２は、同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３とは異なる材質の材料であり、同種系金属材に対して溶接が困難な材質である。例えば同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３をともに鉄系金属にした場合、異種材としての第２の材料２は、例えば銅材やアルミ材等の非鉄系金属である。また、第１の材料１および第３の材料３を金属材料とした場合、異種材としての第２の材料２は、例えば樹脂材としてのＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ、炭素繊維強化プラスチック）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等である。

第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の形状は、本実施例では実質的に同じとする。対向して配置される第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の突起外縁部１９と第２の材料２の第１の貫通穴１１の端部との隙間を第１のギャップ７とする。また、第１の材料１の第１の突起部４と第３の材料の第２の突起部５を第２の材料２の第１の貫通穴１１に挿入した場合、第１の突起部４と第２の突起部５との間の板厚方向の隙間を第２のギャップ８とする。また、上側から見た第１の突起部４および第２の突起部５の内縁部の領域を突起内縁部１０とする。溶接状況は図４に示すように、アーク１５を第１の材料１の上側から接合可能範囲としての第３の材料３の第２の突起部５の突起内縁部１０（図１、４参照）内に向けて照射して溶接し、その結果形成されるビードは図１に示すように溶接部１６となる。このように、アーク１５が第１の材料１に対して照射される場合、第１の材料１が本開示に係る第１の同種系金属材に該当し、第３の材料３が本開示に係る第２の同種系金属材に該当する。

ここで、板厚方向とは、溶接前の状態において第１の材料１、第２の材料２および第３の材料３の主面に垂直な方向であり、図１において矢印で示す方向である。

次に、溶接時及び溶接後の板厚方向の第２のギャップ８について図１を用いて説明する。

アーク１５を第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の突起内縁部１０内にアークスポットの溶接を行うと、溶接部１６が形成される際に第１の材料１および第３の材料３の溶接時の溶接部１６の溶融金属が凝固収縮するため、第１の材料１の第１の突起部４と第３の材料３の第２の突起部５との間の所定の隙間である第２のギャップ８が縮小する。この第２のギャップ８の大きさを、アーク１５が照射される側の上板となる第１の材料１、あるいはアーク１５が照射される側としての第１の材料１または第３の材料３の板厚に対して４〜７５％に設定すると、溶接部１６の凝固収縮が第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟む圧縮力１８となり、第１の材料１および第３の材料３により第２の材料２を圧接固定することが可能となる。このアーク１５が照射される側としての第１の材料１または第３の材料３の板厚に対して第２のギャップ８を４〜７５％とする設定は、実験データにより導き出したものであり、その実験データの一例を図６に示す。図６は、第１の材料の第１の突起部４の板厚ｔと、板厚方向の第１の突起部４と第２の突起部５との間の隙間である第２のギャップ８の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

同種系金属としての第１の材料１および第３の材料３をそれぞれ軟鋼材、異種材としての第２の材料２を樹脂材料であるＰＥＴ材とする組合せにおいて、第３の材料３に対して上側に第１の材料１を配置し上下方向に重ね合わせた状態で、アーク溶接のＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）溶接にて溶接出力（溶接電流：１００Ａ〜２５０Ａ）を０．３ｓｅｃ間行い、板厚方向の上側から、アーク溶接のアーク１５が照射される照射領域としての、第１の材料１の第１の突起部４の突起内縁部１０内にアークスポット溶接した場合の一例である。例えば、第１の材料１および第３の材料３の突起内縁部１０はφ１０ｍｍの領域とし、第２の材料２の第１の貫通穴１１はφ１２ｍｍとし、第１の突起部４および第２の突起部５に対して板厚方向から照射されるアーク１５の照射領域は、第１の突起部４および第２の突起部５の径または幅に対して所定の距離を有して小さくなるように、アーク１５が照射される側の突起内縁部１０の大きさに近く突起内縁部１０の大きさより小さいφ８ｍｍのスポット径になるようにアーク溶接したものである。

また、例えば、アーク１５が照射される側の第１の材料１の第１の突起部４の板厚が、ｔ０．８ｍｍの場合では、第２のギャップ８は０．１〜０．６ｍｍまでが溶接部１６の溶融金属の凝固収縮作用による圧接固定が可能である。第２のギャップ８が０．６ｍｍを超えて大きくなると、溶接部１６の一部が穴開き（溶接時の溶融金属の充填不足により溶接部１６に開口が形成された）状態となり、溶接不良となる。よって、第１の材料１の板厚の１３％から７５％までが有効範囲となる。

また、ｔ２．３ｍｍの板厚の場合では、第２のギャップ８は０．１〜１．４ｍｍまでが溶接部１６の溶融金属の凝固収縮作用による圧接固定が可能である。第２のギャップ８が１．４ｍｍを超えて大きくなると溶接部１６の一部が穴開き（溶接時の溶融金属の充填不足により溶接部１６に開口が形成された）状態となり、溶接不良となる。よって、アーク１５が照射される側の同種系金属材としての第１の材料１の板厚に応じた第２のギャップ８の板厚方向の所定の大きさの範囲が溶接可能範囲となる。言い換えると第１の材料１の板厚の４〜６１％まで（４％以上、６１％以下）の第２のギャップ８の大きさが溶接可能範囲となる。

これは、第１の材料１の板厚ｔの最大６０〜７５％に相当する溶融金属が第２のギャップ８に落ち込んで穴開きなく接合できることを示している。第１の材料１の板厚ｔの最大６０〜７５％を超える第２のギャップ８になると、第２のギャップ８に必要な溶融金属量を確保できないため、一部穴開きという状態を発生させてしまうのである。なお、フィラーワイヤを用いない場合のレーザ溶接やＴＩＧ溶接に比べ、消耗電極である溶接ワイヤ１４を用いるアーク溶接では、溶接ワイヤ１４の溶融による溶接部１６への溶融金属の堆積があるため、アーク１５が照射される側の第１の材料１の板厚ｔに対する第２のギャップ８の割合が大きく、ギャップ裕度が大きい。

なお、逆に、板厚方向の第１の突起部４と第２の突起部５との間の隙間である第２のギャップ８が、０．１ｍｍより小さくなると、第１の突起部４と第２の突起部５との間の隙間が小さくなりすぎて、同種系金属材である第１の材料１と第３の材料３とが互いに溶融結合して異種材である第２の材料２に対する圧縮固定される圧縮力１８が不足する。

このように、板厚方向の第１の突起部４と第２の突起部５との間の隙間である第２のギャップ８は、溶接時の溶融金属量を確保できる範囲で、言い換えると穴開き（溶接時の溶融金属の充填不足による溶接部１６の開口の形成）が発生しない範囲で、大きくなる程、第２のギャップ８における溶接時の溶接部１６の凝固収縮が増大し、第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟む固定力としての圧縮力１８が増大する。

本実施例では、第１の材料１の第１の突起部４と第３の材料３の第２の突起部５の形状を同じとしたが、必ずしも同じでなくても良い。また、アーク１５の照射方向として、第１の材料１の側からアーク１５を照射するとしたが、アーク１５が照射される側としての第１の材料１または第３の材料３の照射領域の板厚の４％以上、６１％以下の大きさに第１の突起部４と第２の突起部５との間の第２のギャップ８を設定すれば、溶融時に第２のギャップ８に必要な溶融金属量を確保でき、溶接部１６の凝固収縮が第１の材料１と第３の材料３による第２の材料２を挟んで圧縮固定することができる。このため、アーク溶接方向を例えば上側ではなく下側からとし、第３の材料３の側からアーク溶接しても問題ない。また、第１の材料１と第３の材料３の材質は同種系金属材であり、それぞれ軟鋼材と記載したが、互いに溶接が可能であり接合強度が得られる同種系金属材としての材質であれば材質が異なっていても問題ない。例えば、同種系金属材としての第１の材料１及び第３の材料３は、互いに、鉄系金属材としての軟鋼材同士、ステンレス同士、ハイテン同士等、または、軟鋼とハイテン（高張力鋼）、ハイテンとステンレス等の組合せ、あるいは、非鉄金属材としてのアルミ材同士、アルミ合金同士、または、アルミとアルミ合金等の組合せであり、アーク溶接が可能な材質である。逆に異種材としての第２の材料２はアーク溶接が難しい銅、各種樹脂材料や第１の材料１および第３の材料３との溶接接合性の相性が悪い材質（例えば、第１の材料１および第３の材料３をそれぞれ軟鋼材とした場合、第２の材料２がアルミ材との組合せである。またはその逆の組合せの場合もある。）が当てはまる。

また、図示していなが、異なる２種類の異種材である第２の材料２を接合する場合、同種系金属材同士の第１の材料１および第３の材料３で挟み、第２のギャップ８を適正にした状態でアーク溶接を実施する。すると、同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３の溶融金属の凝固収縮作用による圧縮力１８によりその間に挟まれる異種材としての第２の材料２の圧接固定が可能である。

次に、溶接時及び溶接後の第１のギャップ７について図１を用いて説明する。

アーク１５が板厚方向から照射され溶接される第１の材料１の第１の突起部４に対する溶接領域は、突起内縁部１０よりも小さく、第１の突起部４の径または幅に対して所定の距離を有して小さい接合構造を有している。

ここで溶接時の溶接入熱により溶接部１６から伝達される熱によって第２の材料２が溶融するには、第１の材料１および第３の材料３のアーク１５が照射される第１の突起部４および第２の突起部５の突起外縁部１９と第２の材料２の第１の貫通穴１１との位置関係が重要である。

第２の材料２の第１の貫通穴１１の径に対して、第１の材料１および第３の材料３の突起外縁部１９の隙間である第１のギャップ７が適正な範囲では、同種系金属材である第１の材料１および第３の材料３の溶接時の溶融入熱の熱影響を受けて溶融した異種材の第２の材料２が第２の材料２の第１の貫通穴１１が、第１のギャップ７を有して隣接する第１の突起部４および第２の突起部５の外周側の突起外縁部１９の外周側に密着固定可能に流れ込む。すなわち、アーク溶接時の第１の同種系金属材である第１の材料の第１の突起部４の溶接入熱で、異種材である第２の材料２の第１の貫通穴１１が間接的に入熱され、溶融し、第１の突起部４の外周側に密着固定可能に流動する。これにより、溶接部１６の凝固収縮作用による圧縮固定のみの効果だけでなく、第１の材料１および／または第３の材料３の突起外縁部１９と第２の材料２の板厚方向に交差する方向の間の密着固定も出来る。

アーク１５が照射される第１の突起部４および第２の突起部５の突起外縁部１９から第１の貫通穴１１までの距離が、第１のギャップ７が小さく近すぎる状態で溶接すると、アーク１５の照射による溶接部１６の溶接入熱が伝わった突起外縁部１９の外周側からの熱影響を、第１の貫通穴１１が受け過ぎる。これにより、溶接時に溶融した第２の材料２の第１の貫通穴１１の一部が、第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の板厚方向の合わせ面の隙間である第２のギャップ８に流れ込むとともに第２の材料２が樹脂などの沸点が低い材料の場合には、気化して噴き出すことで溶接部１６に溶接不良が生じる場合がある。

また、第１の貫通穴１１と突起外縁部１９との隙間である第１のギャップ７が、例えば第２の材料２の材質が樹脂材料の場合は２．０ｍｍ以上、ＣＦＲＰの場合は１．５ｍｍ以上と大きくなり、第１の貫通穴１１に対して、突起外縁部１９の距離が離れすぎると第２の材料２の第１の貫通穴１１が溶接部１６の溶接入熱を受け難くなり溶融しない。このため、同種系金属材の第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の外周側である突起外縁部１９に対して、異種材の第２の材料２が流動して密着固定することが困難となる。凝固収縮作用による圧縮固定のみの効果となる。このため、アーク１５が照射されて突起外縁部１９からの第２の材料２の第１の貫通穴１１へ熱の伝わる距離である第１のギャップ７の大きさや第２の材料２の材質によって、第１の材料１および第３の材料３の溶接時の熱影響による第２の材料２の溶融状態が変化する。

なお、図示しないクランプ固定の治具や位置決めピンやロボットアームによる支持位置決めの方式等を用いて、異種材の第１の貫通穴１１の径に対して、挿入される同種系金属材の第１の突起部４および第２の突起部５の位置決めを行っても良い。またなお、第１の突起部４および第２の突起部５がエンボス加工されて、突出している突起外縁部１９の大きさは突起内縁部１０に対して、第１の突起部４および第２の突起部５のプレス加工によりエンボス形状に外周方向に約１ｍｍ〜板厚相当のオフセットした大きさとなるが、本説明は簡略的に１ｍｍとして記載する。

その一例として、実験データの一例を図７に示す。図７は第２の材料２の材質と第１のギャップ７の関係を測定した結果を表すグラフを示す図である。

具体的には、図７は第２の材料２の材質（樹脂材料であるＰＥＴ材とＣＦＲＰ材、非鉄金属であるＡ５０００系のアルミ合金材等）と第１のギャップ７との関係の実験データである。

第１のギャップ７は、第２の材料２の第１の貫通穴１１の径に対して、第１の材料１および第３の材料３の突起外縁部１９の隙間である。

同種系金属材としての第１の材料１および第３の材料３を軟鋼材の板厚をｔ１．６ｍｍとし、これらの間に板厚ｔ２．０ｍｍの異種材としての第２の材料２の各種材料のいずれか一つを挟み上下に重ね合わせた状態にアーク溶接のＭＡＧ溶接にて溶接出力（溶接電流：１００Ａ〜２５０Ａ）を０．３ｓｅｃ間行い、上側から、アーク溶接のアーク１５が照射される照射領域としての、第１の材料１の第１の突起部４の突起内縁部１０内に溶接した場合の一例である。例えば、第１の材料１および第３の材料３の突起内縁部１０はφ１０ｍｍの領域とし、第２の材料２の第１の貫通穴１１はφ１２ｍｍとし、突起内縁部１０の大きさに近いφ８ｍｍのアーク１５のスポット径で溶接をしたものである。

第２の材料２が樹脂材料の一例であるＰＥＴ材の場合は、第１のギャップ７が０．８ｍｍ以上、すなわち、第１のギャップ７が異種材である第２の材料２の板厚の４０％以上の場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部１０への溶接による熱影響を受けても第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５の板厚方向の隙間である第２のギャップ８に溶融した第２の材料２が接合不良を起こすように流れ込むことがなく、第２の材料２の圧縮固定が可能である。

しかしながら、第１のギャップ７が０．８ｍｍを下回り、すなわち第１のギャップ７が異種材である第２の材料２の板厚の４０％を下回り、突起外縁部１９と第２の材料２の第１の貫通穴１１とが近すぎる場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部１０への溶接による熱影響を受けて第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５との間の合わせ面の板厚方向の隙間である第２のギャップ８に溶融した第２の材料２が流れ込み、異種材としての第２の材料２の樹脂材料が気化して噴き出すことで溶接不良となることもある。

第２の材料２が樹脂材料の中でも繊維強化樹脂の一例であるＣＦＲＰ材の場合は、第１のギャップ７が０．６ｍｍ以上、すなわち、第１のギャップ７が異種材である第２の材料２の板厚の３０％以上の場合であれば、第１の材料１または第３の材料３の突起内縁部１０への溶接による熱影響を受けても、第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５との間の合わせ面の板厚方向の隙間である第２のギャップ８に溶融した第２の材料が接合不良を起こすように流れ込むことがなく、第２の材料２の圧縮固定が可能である。しかしながら、第１のギャップ７が０．６ｍｍを下回り、すなわち第１のギャップ７が異種材である第２の材料２の板厚の３０％を下回り、突起外縁部１９と第２の材料２の第１の貫通穴１１と近すぎる場合であれば、第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部１０への溶接による熱影響を受けて第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５との間の合わせ面の隙間である第２のギャップ８に溶融した第２の材料２が流れ込み、気化して噴き出すことで溶接不良となる可能性がある。以上のように、同種系金属材の間に挟まれる異種材としての第２の材料２の樹脂材料の融点や沸点などの特性により、溶接時の許容される第１のギャップ７の大きさに多少の違いが出てくるものである。ちなみに、レーザ溶接に比べ、アーク溶接ではアーク熱による入熱が高いため、第１のギャップ７の裕度が狭い結果となっている。

第２の材料２が非鉄金属の一例であるＡ５０００系のアルミ合金材の場合は、第１のギャップ７の大きさに関係なく、第１の材料１及び第３の材料３の突起内縁部１０へのアーク１５の照射の溶接による熱影響を受けても第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５との間の合わせ面の隙間である第２のギャップ８に接合不良を起こすように溶融した第２の材料２が流れ込むことがなく、安定した圧縮固定が可能である。

上記内容は、第２の材料２の材質による違いの一例を示した実験データであるが、第２の材料２が樹脂材料であれば、図７に示すＰＥＴ材とほとんど同じような傾向にある。また、樹脂材料の中でも、ＣＦＲＰ材のような繊維強化樹脂であれば、ＣＦＲＰ材と同じような傾向にある。なお、第２の材料２が非鉄金属であれば、Ａ５０００系のアルミ合金材では、第１の材料１の第１の突起部４または第３の材料３の第２の突起部５へのアーク１５の照射による溶接時の溶接入熱により第２の材料２の第１の貫通穴１１が気化して噴き出すことで溶接部１６の溶接不良となる熱影響を受けることはないので、他の非鉄金属でもほとんど同じような傾向にある。したがって、第２の材料が非鉄金属の場合、第２の材料２が溶融し、第１の材料１の第１の突起部４および第３の材料３の第２の突起部５との間の合わせ面の隙間である第２のギャップ８に溶融した第２の材料２が流れ込むほどの熱影響は受けることはないと言える。

また、円形状の突起部以外の実施例を図５に示す。図５は、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３と異種材の第２の材料２との接合構造において、板厚方向の上板としての第１の材料１の溶接形状が角形状の溶接形状が直線の場合である。溶接部１６に求められる接合強度が方向性を持つ場合、必要とする接合強度が高い方向に沿うように、例えば、長方形状とした場合の接合構造の長手側を配置することで、大きな正方形の角形状の第１の突起部４および第２の突起部５を設ける場合に対して面積を縮小できる。また、図５のように溶接形状を直線状にすることで円形状の突起部を複数箇所接合するよりも短時間で溶接が可能となる。

また、さらに強度を高めるための実施例や、位置決めを容易とする実施例を図８および図９に示す。

図８において、第１の材料１は、第３の材料３と第２の材料２とを接合する際、第２の材料２を位置決めする機能を兼ねている。具体的には、第２の材料２を、段状に折り曲げた第１の材料１の段差部分に当接し、第１の材料１と第３の材料３とで挟み込む構造とすることで、第２の材料２を位置決めすることができる。

また、図８に示す接合構造は、接合部の引張強度を高める接合構造である。具体的には、溶接部１６において、第１の突起部４を持つ第１の材料１を、第２の材料２を介して第３の材料３と接合し、さらに溶接部１６とは別の溶接部１６ａにおいて第１の材料１を、第２の材料を介さずに第３の材料３に対して接合する接合構造（両持ち）である。これにより、第３の材料３に対して、第２の材料２の引張およびねじり等による外力が加わった時に、溶接部１６と溶接部１６ａとに応力が分散する。そのため、第２の材料２を介して接合される第１の材料１と第３の材料３との溶接部１６に対して集中して応力がかかることを抑制できる。これにより、接合構造全体として、同種系金属材と異種材との接合の強度を高めることが可能となる。

また図９のように、第３の材料３を折り返すことで、第１の材料１を用いないで、第１の材料１の第１の突起部４の機能を第２の材料２を挟む第３の材料３の上側の板に含めた構造にすることができる。これにより、第１の材料１を固定する固定用治具が不要となる。また、第２の材料２を第３の材料３に対して差し込んで、仮固定が可能となり、第２の材料２の位置決めも容易となる。

ここで、図９において、本開示に係る第１の同種系金属材は、第３の材料３を折り返して形成される上板部分に相当し、本開示に係る第２の同種系金属材は、第３の材料３を折り返して形成される下板部分に相当する。すなわち、本開示に係る第１の同種系金属材と第２の同種系金属材は、溶接前の状態において一体であってもよい。

以上のように本実施の形態のアーク１５による溶接での接合構造は、第１の突起部４を有する第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、第１の貫通穴１１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、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材と溶接困難な異種材と、を備える。第１の突起部４は、第１の貫通穴１１に対して、第１の貫通穴１１の径または幅より小さく、径方向または幅方向の第１のギャップ７を有している。第１の突起部４が第１の貫通穴１１に挿入され、第１の貫通穴１１の板厚方向の第１の同種系金属材と第２の第２の同種系金属材との隙間である第２のギャップ８を有する。第１の同種系金属材の第１の突起部４に対して、板厚方向からアーク溶接され、板厚方向の隙間である第２のギャップ８の量は、アーク溶接のアークが照射される側の第１の同種系金属材の第１の突起部４の板厚に対する所定量である。第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが第１の貫通穴１１を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、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。

これにより、同種系金属材に対して溶接が困難な材質である異種材と同種系金属材との信頼性の高い接合を可能とし、生産タクトタイムを大幅に短縮することもでき、更に必要箇所での剛性を増加させ設計自由度を拡げることも可能である。

なお、本実施例でのアーク溶接は、消耗電極を用いるアーク溶接として記載してきたが、非消耗電極を用いるＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接またはプラズマ溶接（図示なし）でも良い。

（実施の形態２）
次に、本実施の形態２について、図２を用いて説明する。実施の形態１と重複する部分は説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、第１の材料１には第１の突起部４が有るが、第３の材料３の形状に第２の突起部５が無い点である。第３の材料３に第２の突起部５の加工が無いことで材料の加工費用の削減が可能であり、第１の材料１と第２の材料２と位置が第３の材料３の位置ズレに影響されない利点がある。この場合も、実施の形態１と同様に、第１の貫通穴１１の板厚方向の第１の材料と第３の材料との隙間である第２のギャップ８を設けてアーク溶接することで、溶接部１６の凝固収縮が圧縮力１８となり、第１の材料１と第３の材料３との間に挟まれた第２の材料２を圧縮固定する。

本実施例では、第１の突起部４を第１の材料１の側に設けたが、逆に第３の材料３の側に第１の突起部を設けて第１の材料１側には加工を実施しないものであっても良い。この場合、本開示に係る第１の同種系金属材が第３の材料３に該当し、本開示に係る第２の同種系金属材が第１の材料１に該当する。アーク１５が照射される側の同種系金属材の第１の材料１または第３の材料３の板厚に対して、アーク１５による同種系金属材の溶け落ちが無い程度の第２のギャップ８の大きさであるため、アーク溶接方向に関して第１の材料１の側からアーク溶接しても第３の材料３の側からアーク溶接しても良い。

以上のように本実施の形態の板厚方向からアーク１５による接合構造は、第１の貫通穴１１（第１の貫通部）を介して第２の材料（異種材）を挟み込む第１の同種系金属材の第２の同種系金属材と対向する面に、第１の突起部４が形成されている。

これにより、溶接接合性が低く、溶接接合が困難な材質である異種材の信頼性の高い接合を可能とし、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３の対向する面の少なくとも一方に第１の突起部が形成されているため、第２の材料２と、第１の材料１または第３の材料３のいずれか一方に第１の突起部が形成された方の材料は、第１の突起部が形成されていない他方の材料の位置ズレに影響を受けない。

また、図３のように、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３のいずれについても突起部の加工を実施していないことも可能である。この場合も、実施の形態１と同様に、アーク１５が貫通部としての第１の貫通穴１１に向けて照射される同種系金属材の照射領域の板厚方向において、異種材の第２の材料２を間に挟む同種系金属材の第１の材料１と第３の材料３との板厚方向の隙間として、異種材の第２の材料２の板厚により形成される第２のギャップ８を設けてアーク溶接することで、溶接部１６の凝固収縮が圧縮力１８となり、第２の材料２を圧縮固定することができる。この場合、第２のギャップ８としての異種材の第２の材料２の板厚は、アーク１５の照射される側の照射領域の同種系金属材の第１の材料１の板厚ｔに対応する所定量である（図６参照）。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態３について、図１０〜図１２を用いて説明する。実施の形態１や２と重複する部分は説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、板厚方向からアーク溶接される第１の突起部４および第２の突起部５に対する溶接領域において、例えば、アーク１５が照射される側の第１の材料１の第１の突起部４の中央の一部分に、アーク１５が照射される溶接領域より小さい第２の貫通穴６（本開示に係る第２の貫通部の一例）を設け、第１の突起部４の形状を中央部の一部に穴が開いた鍔状とした点である。この第２の貫通穴６により、上板である第１の材料１をアーク熱で穴開きを作り、第３の材料３と溶融接合させる必要がなく、溶接ワイヤの溶融金属で第１の材料１と第３の材料３との溶融を促進させて、第１の突起部４および第２の突起部５の対向面を互いに強固に溶融接合させることができるものである。

実施の形態１のように、第１の材料１の第１の突起部４の中心に第２の貫通穴６を設けていない場合は、上板である第１の材料１の板厚が薄い場合（例えば、板厚ｔ１．０ｍｍ未満）のみ有効である。板厚が厚い（例えば、板厚ｔ１．０ｍｍより厚い板厚）と上板である第１の材料１を溶け落ちさせるだけの熱量が過剰に必要になってくることから、不向きである。この実施の形態３のように、第１の材料１の第１の突起部４の中心に第２の貫通穴６を設けた場合は、上板である第１の材料１の板厚が厚い場合（例えば、板厚ｔ１．０ｍｍ以上）に非常に効果的である。

なお、第１の材料１の第１の突起部４の中心に第２の貫通穴６を設けた場合において、図１１のように、実施の形態１と異なる第３の材料３の形状に第２の突起部５の加工を実施していない場合でも良い。また、図１２のように、同種系金属材の第１の材料１および第３の材料３のいずれについても突起部の加工を実施しないことも可能である。

（実施の形態４）
次に、本実施の形態４について、図１３を用いて説明する。実施の形態１と重複する部分は説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、第１の材料１の第１の突起部４や第３の材料３の第２の突起部５に接し合う箇所より板厚方向に直交する方向の外側または、異種材の第１の貫通穴１１より板厚方向に直交する方向の外側で、同種系金属材の板厚方向に貫通するに複数個の排出穴１７または排出溝を設けたことである。排出穴１７および排出溝は、本開示に係る排出部の一例である。

異種材の第２の材料２が融点、沸点の低い樹脂材料などの場合、溶接時の溶接入熱により、第２の材料２が溶融し、溶接部１６に流れ込むと気化して穴開きなどの溶接不良を発生することがある。かかる場合に、この排出穴１７を、異種材を挟んで接合固定する同種系金属材に設けることで、アーク１５の照射による溶接時の溶接部１６への溶融した第２の材料２の流れ込みを防ぎ、外部への排出を促す利点がある。

本実施例では、排出穴１７を同種系金属材の第３の材料３側に設けたが第１の材料１側に排出穴１７を設けても良いし、両側に設けても良い。また、排出穴ではなく、例えば長尺の排出溝でも良い。

（まとめ）
従来の異材接合用部材としてのリベットは、かしめ加工時およびスポット溶接時に異種材料の一部が変形して移動するスペースの確保及びスポット溶接時の電極の位置ズレ等による異種材の陥没等を防いで締結力低下の抑制を可能とするために、Ｒ形状の面取りや環状溝等の複雑なリベット形状が必要であった。

この場合、リベット形状に精度が必要であり複雑な形状となる。そのため、リベットの加工に精密加工が必要となり製造コストも高くなる。また、スポット溶接であるので、加圧、通電、冷却、移動等に時間がかかるため生産性が低い上に、両側から挟みこむ必要があるので接合部材の設計自由度が制限される。また、隣のリベットに近過ぎるとスポット溶接の電流の分流が発生して、抵抗溶接した溶接部に発生する溶接凝固した部分であるナゲット形成が不十分となる。そのため、所望のナゲット形成が行える最小限以上の接合のピッチの間隔が必要となる。よって、必要箇所での接合の剛性を増加できないという課題があった。本開示により、従来の課題を解決することができる。

以上のように、実施の形態に係る接合構造は、第１の突起部４を有する第１の同種系金属材と、第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、第１の貫通穴１１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、第１の同種系金属材および第２の同種系金属材と溶接困難な異種材と、を備える。第１の突起部４は、第１の貫通穴１１に対して、第１の貫通穴１１の径または幅より小さく、径方向または幅方向の第１のギャップ７を有する。第１の突起部４が第１の貫通穴１１に挿入され、第１の貫通穴１１の板厚方向の第１の同種系金属材と第２の同種系金属材との隙間である第２のギャップ８を有する。第１の同種系金属材の第１の突起部４に対して、板厚方向からアーク溶接され、板厚方向の隙間である第２のギャップ８の量は、アーク溶接のアークが照射される側の第１の同種系金属材の第１の突起部４の板厚に対する所定量である。

これにより、アークが照射される照射領域において、溶接前の第２のギャップが存在する状態でアークが照射されて、第１の同種系金属材と第２の同種系金属材とが第１の貫通穴１１を介して互いに溶融結合して異種材が圧縮固定されることにより、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。

この接合構造を用いると、複雑で精度が必要な構造部品は不要となる。さらに、スポット溶接ではなくアーク溶接を用いるので、溶接を含めた作業時間がスポット溶接に対して約２５％に短縮でき、著しく生産性を向上する。また、必要箇所での剛性を増加させ、設計自由度を拡げることも可能となる。

異種材の第１の貫通穴１１を介して異種材を挟み込む第１の同種系金属材の第２の同種系金属材と対向する面に、第１の突起部４が形成されていてもよい。

第２の同種系金属材は第２の突起部５を有していてもよい。この場合、異種材の第１の貫通穴１１を介して異種材を挟み込む第２の同種系金属材の第１の同種系金属材と対向する面に、第２の突起部５が形成されている。

異種材の第１の貫通穴１１は、溶融し、第１の突起部４の外周側に密着固定可能に流動していてもよい。

板厚方向からアーク溶接される第１の突起部４に対する溶接領域は第１の突起部４の径または幅に対して所定の距離を有して小さくてもよい。

板厚方向からアーク溶接される第１の突起部４の溶接領域の一部に第２の貫通穴６を設けて、第１の突起部の形状を中央部の一部に穴が開いた鍔状としてもよい。

異種材の第１の貫通穴１１より外側に対応する位置に、板厚方向に貫通する排出穴１７が、異種材を挟む第１の同種系金属材および前記第２の同種系金属材の少なくとも一方に設けられていてもよい。

アーク溶接は消耗電極を用いるアーク溶接、あるいは、非消耗電極を用いるＴＩＧ溶接またはプラズマ溶接であってもよい。

本開示に係る接合構造は、異材接合に際し、シンプルな構造で生産タクトタイムを大幅に短縮し、必要箇所での剛性を増加させることができる。そして、接合部材の設計自由度を拡げる接合構造として産業上有用である。

１ 第１の材料（第１の同種系金属材）
２ 第２の材料（異種材）
３ 第３の材料（第２の同種系金属材）
４ 第１の突起部
５ 第２の突起部
６ 第２の貫通穴（第２の貫通部）
７ 第１のギャップ
８ 第２のギャップ
９ 第２の貫通穴径
１０ 突起内縁部
１１ 第１の貫通穴（第１の貫通部）
１２ ノズル
１３ チップ
１４ 溶接ワイヤ
１５ アーク
１６，１６ａ 溶接部
１７ 排出穴(排出部)
１８ 圧縮力
１９ 突起外縁部

Claims (8)

1. 第１の突起部を有する第１の同種系金属材と、
   前記第１の同種系金属材と互いに溶接可能な第２の同種系金属材と、
   第１の貫通部が設けられ、前記第１の同種系金属材と前記第２の同種系金属材との間に挟まれ、前記第１の同種系金属材および前記第２の同種系金属材と溶接困難な異種材と、を備え、
   前記第１の突起部は、前記第１の貫通部に対して、前記第１の貫通部の径または幅より小さく、径方向または幅方向の第１のギャップを有し、
   前記第１の突起部が前記第１の貫通部に挿入され、前記第１の貫通部の板厚方向の隙間である第２のギャップを有し、
   前記第１の同種系金属材の前記第１の突起部に対して、前記板厚方向からアーク溶接され、前記板厚方向の隙間である前記第２のギャップの量は、前記アーク溶接のアークが照射される側の前記第１の同種系金属材の前記第１の突起部の板厚に対する所定量であり、
   前記第１の同種系金属材と前記第２の同種系金属材とが前記第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ることにより、前記異種材と前記第１の同種系金属材および前記第２の同種系金属材とが固定されている接合構造。
2. 前記異種材の前記第１の貫通部を介して前記異種材を挟み込む前記第１の同種系金属材の前記第２の同種系金属材と対向する面に、前記第１の突起部が形成されている請求項１に記載の接合構造。
3. 前記第２の同種系金属材は第２の突起部を有し、
   前記異種材の前記第１の貫通部を介して前記異種材を挟み込む前記第２の同種系金属材の前記第１の同種系金属材と対向する面に、前記第２の突起部が形成されている請求項２に記載の接合構造。
4. 前記異種材の前記第１の貫通部は、溶融し、前記第１の突起部の外周側に密着固定可能に流動する請求項１から３のいずれか１項に記載の接合構造。
5. 前記板厚方向からアーク溶接される前記第１の突起部に対する溶接領域は前記第１の突起部の径または幅に対して所定の距離を有して小さい請求項１から４のいずれか１項に記載の接合構造。
6. 前記板厚方向からアーク溶接される前記第１の突起部の溶接領域の一部に第２の貫通部を設けて、前記第１の突起部の形状を中央部の一部に穴が開いた鍔状とする請求項１から５のいずれか１項に記載の接合構造。
7. 前記異種材の第１の貫通部より外側に対応する位置に、前記板厚方向に貫通する排出部が、前記異種材を挟む前記第１の同種系金属材および前記第２の同種系金属材の少なくとも一方に設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の接合構造。
8. 前記アーク溶接は消耗電極を用いるアーク溶接、あるいは、非消耗電極を用いるＴＩＧ溶接またはプラズマ溶接である請求項１から７のいずれか１項に記載の接合構造。