钢材和轻合金材的异种材料的接合方法

专利名称：钢材和轻合金材的异种材料的接合方法
技术领域：
本发明涉及钢材和轻合金材的异种材料的接合方法，其并非在铝-铁 等异材之间，而是能够通过铁-铁这样的同种材之间的点焊，而且又施加以
轻合金材和铁系铆钉(rivet)的铆接，利用这种协同效果，能够得到高的 接合强度的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法。本发明中所说有所谓 轻合金材，是指作为非铁的铝合金材和镁材等。
背景技术：
钢材和铝合金材的铝-铁的异材之间的点焊，在接合部生成前述的脆 弱的金属间化合物，造成焊接部的可靠性受损的问题。因此，即使是钢材 和铝合金材的异材接合，历来提出的方法也是使点焊部为铁-铁的同种材之 间的点焊。例如，在日本专利第2954476号、美国专利第5739498号中公 开的方法是，将由铁系金属材料构成的销(卡止片)用于点焊部，该销和 钢材在铁-铁的同种材这间进行点焊，经由该销接合钢材和铝合金材。
在此日本专利第2954476号、美国专利第5739498号中共通的是，在
点焊时并且借助用于点焊的电极，将所述由铁系金属材料构成的销从铝合 金材侧按压，埋入铝合金材中，使之贯通至钢材侧。然后，使该销和钢材 接触，在铁-铁的同种材之间互相进行点焊，而不在铝-铁的异材之间进行 点焊，经由该销间接地将钢材和铝合金材加以接合。
这里，美国专利第5739498号其要旨在于，即使不在铝系金属材料或 铁系金属材料的双方或一方预先开孔，也可以进行销的接合，如其所述， 仅是借助所述电极的加压力，将所述销埋入铝合金材中并使之贯通。另外， 日本专利第2954476号也是由所述电极向销通电，使铝合金材发热熔融而 开孔，从而将所述销埋入铝合金材中并使之贯通，也可以不在铝系金属材 料或铁系金属材料的双方或一方预先开孔。此曰本专利第2954476号、美国专利第5739498号，在销和钢材的铁 -铁的同种材之间进行点焊的点上，如前述，不需要进行现有的铝-铁的异 材之间的点焊，能够解决接合部的前述脆弱的金属间化合物生成的问题， 这一点是划时代的。
但是这些专利的技术遗憾的是都没有被实用化。其理由是因为，在要 求高度的效果化的所述汽车车辆组装时的点焊工序中，不能有效地将铁系 金属材料所构成的销(卡止片)应用于点焊部。若更具体地说明，则是在 这些专利的技术中，为了使所述销和钢材接触，在铁-铁同种材之间相互进 行点焊，就需要在点焊时从铝合金材侧按压所述由铁系金属材料构成的 销，将其埋入铝合金材中，并且使之贯通到钢材侧。
但是，美国专利第5739498号如前述，因为仅是借助用于点焊的电极 的加压力，从铝合金材侧将所述销按压并埋入铝合金材中，所以电极的损 伤剧烈。这就需要铝合金材侧是一些薄板，另外所述销侧有高一些的强度， 前端形状尖锐，同时为了使所述销埋入铝合金材中且使之贯通与钢材侧接 触，还需要比较大的加压力。其结果是，从点焊自身的优点出发，其被广 泛应用在要求有导电性和耐久性(长寿命)，由Cu-Cr合金构面的圆顶型 等方面，但具有显著加速点焊电极的损伤的致使性的问题。另外，虽然也 基于前述销的形状和粗度，但将前述铁系销压入(埋入)铝合金材中时， 也不能排除铝合金材侧发生裂纹的可能性，从而丧失可靠性。
另外，前述从电极向销通电，使铝合金材发热熔融而开孔，从而将所 述销埋入铝合金材中的日本专利第2954476号，当然不牵涉焊接条件，但 为了使铝合金材瑢融，不得不采用比较大的点焊电流。因此，铝合金材的 发热熔融部不仅位于前述埋入销的局部性的部位，而是比较宽的范围，并 且其周边的HAZ (热影响部)也更大。其结果是，具有铝合金材越是薄板， 发热熔融部和HAZ的强度降低越是变大的致使性的问题。
而且，在这两个专利的技术中，在进行多点的点焊中，存在需要依次 向电极前端供给前述销这样致命性的缺陷。即，现在存在的极其现实的问 题是，还没有这样的设备和装置或者构造，从而难以以高效率在焊接中向 自动焊接机器人构成的汽车车身组装线的点焊电极前端，如上述那样连续 且短时间地持续供前述销。在这些专利中，没有其方法的具体的公开，另外，如此具体的方法无论如何也不能轻易地做出推定。而且，因为没有这 样的方法，另外例如即使假设，也只会成为相当复杂的装置，因此现实地 采用这些专利的技术几乎不可能。

发明内容
本发明为了解决这样的问题点而做，其目的在于，提供一种钢材和轻 合金材的全新的异种材料的接合方法，其没有对点焊的适用条件的制约和 问题，并非在铝-铁的异材之间，而是能够通过铁-铁的同种材彼此的点焊， 而且又施加以轻合金材和铁系铆钉的铆接，利用这种协同效果，能够得到 高的接合强度。另外，其目的还在于，分别提供根据该全新的异种材料的 接合方法制造的全新的异材接合体、和该异材接合用的轻合金材、或者该 异材接合用铆钉。
(钢材和轻合金材的异种材料的接合方法的要旨)
用于达成其目的的本发明异种材料的接合方法，是一种并用铆钉接合 法和点焊法接合钢材和轻合金材的异材彼此的方法，具有以下的a g的 要件。
a. 在点焊的前工序中，预先接合所述轻合金材和由铁系金属材料构成 的铆钉，其后对所述铆钉和所述钢材进行点焊；
b. 使所述铆钉具有由头部和轴部构成的大致T字截面形状，并且在头 部和轴部的至少一个上形成用于铆接所述轻合金材的凹部；
c. 在所述轻合金材和所述铆钉的接合时，将所述铆钉的轴部钉入所述 轻合金材与钢材进行点焊的相应位置；
d. 在所述铆钉的钉入时，通过所述铆钉的轴部对轻合金材进行冲孔， 同时，使所述铆钉轴部前端贯通至所述轻合金材与钢材的接合面侧，将铆 钉轴部埋入到所述轻合金材中；
e. 在所述铆钉的钉入时，还使所述轻合金材塑性流动到所述铆钉的用 于铆接所述轻合金材的凹部内，预先与所述铆钉铆接；
f. 在将所述轻合金材与所述铆钉铆接的基础上，使埋入有所述铆钉的 轻合金材和所述钢材在必要位置上重合，并且使所述钢材和所述铆钉轴部 前端接触；g.在所述f之后，分别通过电极向所述轻合金材侧的所述铆钉头部侧 和所述钢材侧加压，同时，经所述铆钉对这些电极之间通电，由此仅在所 述铆钉轴部和所述钢材的界面范围内进行形成焊接熔核的点焊。 (本发明的优选方式)
这里在本发明中，优选通过使用用于按压所述铆钉头部的上模，和从 相反侧按压所述轻合金材的下模的冲压成形来进行所述铆钉的钉入。另 外，所述异种材料的接合方法的所述铆钉，优选在所述轻合金材被冲压成 形时钉入所述轻合金材中。另外，优选形成于所述铆钉的外周面的用于铆 接所述轻合金材的所述凹部，是由设于所述铆钉的头部的下方侧的向上方 凹陷凹部，和设于所述铆钉的轴部的朝向下方外径逐渐扩大的锥形所形成 的空间。另外，优选在所述铆钉和所述钢材的表面被覆金属镀敷皮膜和/ 或树脂皮膜。另外，优选所述异种材料的接合方法用于汽车的车身结构的 制造。
以下的发明的效果的说明，虽然是将所述轻合金材替换为铝合金材， 但为镁材的情况也基本上与铝合金材相同。本发明在使用由铁系金属材料 构成的铆钉，在该铆钉和钢材的铁-铁的同种材之间进行点焊的点上，与所
述使用由铁系金属材料构成的销(卡止片)的前述日本专利第2954476号 和美国专利第5739498号相同。
但是，本发明与这些现有技术第一个重大不同点在于，在点焊时，并 不向电极前端供给铁系铆钉通过电极将铁系铆钉埋入铝合金材中，而是如 所述a.的要件，在点焊的前工序中(其他工序)预先接合所述铝合金材和 所述铁系铆钉这一点上。即，在铝合金材的冲压成形时等，以点焊的前工 序将该铁系铆钉的轴部预先埋入铝合金材的点焊相应位置。由此，在点焊 时，就可以克服向电极前端供给铁系铆钉再通过电极将铁系铆钉埋入铝合 金材这样的所述现有技术的非现实性的方面和局限，从而消除对点焊的适 用条件的制约和问题，可以适用铁系铆钉和钢材的铁-铁的同种材之间的点 悍。
另外，本发明与这些现有技术第二个重大不同点在于，如所述c. d. 的要件，在所述铝合金材和铆钉的接合时，将该铆钉的轴部钉入所述铝合 金材与钢材的点焊相应位置，在该铆钉钉入时，通过该铆钉的轴部对铝合
7金材进行冲孔，同时使所述铆钉轴部前端贯通所述铝合金材的与钢材的接 合面侧。由此，用于与钢材进行点焊的铁系铆钉与钢材的接触面和铝合金 材的铆钉钉入部的平坦度得到确保。如所述现有技术，仅仅通过电极将铁 系铆钉埋入铝合金材时，被所埋入的铁系铆钉挤压的铝合金材变形，形成 在钢材侧鼓出的凸部。因此，铝合金材与铁系铆钉的贯通处(与钢材的接 触面)，以及与钢材侧的重合和点焊接合所需要的平坦度受到显著阻碍。 还有，所谓该平坦度是为了可以与钢材重合(层叠)和进行点焊接合所需 要的平坦度，如果其可能，则即使有一些凹凸、倾斜、圆弧等，在本发明 中当然也得到允许。
此外，本发明与这些现有技术第三个重大不同点在于，如所述e.的要
件，通过预先埋入的铁系铆钉铆接铝合金材，在所述铁系铆钉和钢材的铁 -铁的同种材之间的点焊中，该铝合金材和铁系铆钉的铆接接合(机械接合) 也进一步施加于同样的接合处，利用这些协同效果而得到高的接合强度。
如此，为了通过预先埋入的铁系铆钉铆接铝合金材，仅仅只在铝合金 材中埋入铁系铆钉还不行，如所述b.的要件，需要设计铁系铆钉的形状， 即在铁系铆钉的外周面形成用于铆接铝合金材的凹部等。
为了在实际中高效率地进行全部满足这些要件的铆钉的钉入，需要通 过使用金属模具的冲压成形进行。g卩，需要用于按压铆钉头部的上模，和 从相反侧按压铝合金材的下模。由此也可知，单纯地通过电极将铁系铆钉 埋入铝合金材这一所述现有技术不能铆接铝合金材。另外可知在点焊的相 同工序内，无论如何都不能进行完全满足这些条件的铆钉的钉入，而是有 在点焊的前工序(其他工序)中预先接合的必要性。
由这样的冲压成形开始，在铝合金材的点焊相应位置，有效率地使铁 系铆钉预先铆接铝合金材，同时在确保用于与钢材进行点焊的铁系铆钉与 钢材的接触面和铝合金材的铆钉钉入部的平坦度的基础上，使之贯通埋 入。另外，根据如此冲压成形，通过选择最佳冲压成形条件，根据所述销 的形状和粗度，可以在将铁系铆钉压入(埋入)或铆接在铝合金材时，防 止铝合金材侧的裂纹发生。
另外，如果是这样的冲压成形，则完全没有必要如前述那样使铝合金 材发热熔融开孔，将铁系铆钉埋入铝合金材。另外，也完全没有进行现有那样的铝-铁的异材之间的点焊的必要性。因此，由铝合金材的焊接带来的 软化(强度降低)，只要选择点焊条件，以防止在铁系铆钉和钢材的铁-铁 的同材之间的点焊时，作为点焊部的铁系铆钉周围的HAZ (热影响部)的 软化即可。
根据这样的效果，本发明消除了对点焊的适用条件的制约和问题，能 够实现铁系铆钉和钢材的铁-铁的同种材之间的点焊。此外，本发明还施加 了铝合金材和铁系铆钉的铆接(机械接合)，利用此协同效果，能够将例 如异材接合体的接合强度(由十字拉伸试验片测定的剥离强度，依据JIS
Z3137)提高到2kN以上。


图1是表示本发明的铝合金板和与之接合的铁系铆钉的方式的纵剖面图。
图2是放大显示图1的铁系铆钉的立体图。
图3是例示本发明的在铝合金板上预先铆接铁系铆钉的方式在时间经
过上最初的纵剖面图。
图4是例示本发明的在铝合金板上预先铆接铁系铆钉的方式在时间经
过上演进到下一步的纵剖面图。
图5是例示本发明的在铝合金板上预先铆接铁系铆钉的方式在时间经
过上最终的纵剖面图。
图6是部分性地显示本发明的点焊前的异材接合体的纵剖面图。
图7是表示本发明的点焊的方式的纵剖面图。
图8是表示本发明的点焊后的异材接合体的纵剖面图。
图9是表示本发明的铁系铆钉的其他方式的纵剖面图。
图IO是表示本发明的铁系铆钉的其他方式的纵剖面图。
图11是表示本发明的铁系铆钉的其他方式的纵剖面图。
图12是表示本发明的铁系铆钉的其他方式的纵剖面图。
图13是表示本发明的铁系铆钉的其他方式的纵剖面图。
图14是表示将本发明应用于铝车身顶盖结构体的方式的纵剖面图。
图15是表示将本发明应用于铝车身顶盖结构体的其他方式的纵剖面图。
图16是使用铝车身顶盖结构体的汽车车身的立体图。 图17是放大显示图16的铝车身顶盖结构体的立体图。
具体实施例方式
以下，用

用于实施本发明的具体的方式。还有，以下的说明 同样在轻合金材之中以铝合金材为中心进行说明，但镁合金材的情况也基 本上与铝合金材相同。
(铁系铆钉对铝合金材的接合)
作为前提，在本发明中联合使用铆钉接合和点焊来对钢材和铝合金材
进行异材之间的接合。这时，作为所述要件a.，是在对钢材和铝合金材进 行点焊的工序的前工序(其他工序)，例如铝合金材的冲压成形工序中，
将所述铝合金材和所述铁系铆钉在铝-铁的异材之间预先机械接合。然后在 其后对该铆钉和钢材进行点焊。 (铝合金材和铆钉的接合)
在图1、 2中显示作为异材接合体的铝合金材的平板状的铝合金板20 和与之接合的铁系铆钉1。图1以纵剖面分别显示铝合金板20和与之结合 的铁系铆钉l。图2以立体图显示铁系铆钉1。
在此，如图1，另外如所述要件c.，铁系铆钉1被钉入铝合金板20 中所选择的多个与钢材进行点焊的相应位置A (埋入)。该铁系铆钉1由 通常所使用的(公知的)钢、铸铁、铸钢、不锈钢等高合金钢等的铁系金 属材料组成构成。还有，钉入该铁系铆钉1的铝合金板20的位置之所以 称为"点焊相应位置"，是由于在本发明中，铝合金板20不是与钢材直接
进行点焊，对于铝合金板20来说，钉入铁系铆钉的位置是"与点焊的位 置相应的位置"。还有，图1只例示了一处实际上有多处的点焊相应位置A。 铁系铆钉l如后述，被与钢材点焊，为了提高并确保接合强度而需要 相应的大小和重量。因此，对应使用铁系铆钉1的数量而会使铝合金材加 重。因此，从抑制由铁系铆钉l带来的重量增加的意义出发，在所选择的 多个与钢材进行点焊的相应位置A以外的铝合金板20的部位(位置)，完 全没有埋入铁系铆钉1的必要。
10另外，根据异材接合体的设计条件，和钢材与铝合金材的异材之间的 点焊的接合强度，也可以不在全部的与钢材进行点焊的相应位置A上埋入 铁系铆钉l。当然，也可以在全部的与钢材进行点焊的位置A上埋入铁系 铆钉l。但是，由于使用的铁系铆钉1的数量和大小，另外由于点焊位置 A的数量，仍会导致因铁系铆钉1带来的重量增加变大，从而有可能丧失 为了所述轻量化而使用铝合金材的意义。因此，也可以减少使用的铁系铆 钉1的数量，抑制铁系铆钉1造成的重量增加，设置不埋入铁系铆钉1的 与钢材进行点焊的相应位置A。换言之，就是在本发明的点焊中，不只是 在铁系铆钉和钢材的铁-铁的同种材之间进行的点焊，也可以是在没有铁系
铆钉的铝合金板20的部位(位置)的、在铝-铁的异材之间的进行的点焊。
(铆钉的结构)
如图l、 2所例示，铁系铆钉l，作为所述要件b.，是使该铁系铆钉l 具有由头部2和轴部3构成的大致T字截面形状，并且在此头部和/或轴 部形成有用于铆接所述铝合金材的凹部5。更具体地说，铆钉l具有大致 T字截面形状，由在水平方向上(横向)延伸的头部2，和与该头部2的 直径相比直径较小的轴部3构成。如图1、 2所例示的铆钉1的头部2具 有圆形的平面形状，但头部2的平面形状和整体形状无论是方形还是不规 则形状都可以。另外在铆钉l的垂直方向(上下方向)上延伸的轴部3也 可以不是圆形的平面形状和圆筒状，平面形状和整体形状可以是方形的平 面形状和方筒状，另外也可以是不规则的平面形状。但是，该铆钉的轴部 需要具有与钢材侧进行点焊接合(接触)所需要的、用于贯通所述铝合金
材的板厚方向的充分的长度。 (铆接用的凹部)
在此，铆钉1在其头部或/和轴部形成有用于铆接铝合金板20的凹部 (以下，也称铆接用的凹部)5。即，为了形成此凹部5，在该图l、 2所 例示的铆钉1的头部2上，在头部2的下方侧与轴部3的分叉部分的周围， 环状地设有向上方圆凹陷的凹部(槽)6。另外，另一方面，铆钉1的轴 部3形成为设置向下方其外径逐渐扩大的锥形7的形状(圆锥形状)。于 是，由包含这些凹部6的头部2的下方侧的面、和设成圆锥7的轴部3的 外周面，形成用于铆接铝合金板20的凹部5。本发明中所谓的"铆接"，是利用铝合金材料的塑性流动，从铝合金 板20侧向铁系铆钉1的凹部5内，将铁系铆钉1和铝合金材(板)进行 几何学地啮合。因此，使得铁系铆钉l的设于头部2的下方侧的外周面和
轴部3的外周面的凹凸形状和倾斜形状等相互复合或分别单独形成铆接用 的凹部5。还有，此铁系铆钉1的头部2和轴部3的外周部所设置的铆接 用的凹部，能够收容因塑性流动而移动的铝合金材料，如果能够使铝合金 板20几何学地啮合而被铆接，则不仅是后述的图9 13，其形状、结构可 以适宜选择。
如此，为了通过被埋入的铁系铆钉l铆接铝合金材，首先，需要在铁 系铆钉1上形成用于铆接铝合金材(板)20的凹部，进行所谓的铁系铆钉 l的形状的设计。相对于此，所述现有技术这样由头部2和轴部3构成的 具有单纯的大致T字截面形状的铁系铆钉1，不能几何学地使铁系铆钉1 和铝合金材(板)啮合。而且，不使用上下的模具，而仅仅通过点焊电极 等按压，仅是将铁系铆钉l埋入，如后述，并不能铆接铝合金材。 (铆钉向铝合金板的钉入)
图3 5中例示的是在铝合金板20和铁系铆钉1的接合时，将该铁系 铆钉1的轴部3预先钉入铝合金板20的点焊位置(所述图1的A)的方 式。由此，铁系铆钉l的轴部3被埋入铝合金板20中，同时轴部的底部4 贯通至与钢材的接合侧，进而铝合^板20被铆接到铁系铆钉1上。
在此，为了由铁系铆钉1铆接铝合金板20，需要有铁系铆钉1的铆接 用的凹部5的存在，并且如图3 5所示，还需要借助使用金属模具的冲 压成形，进行将铁系铆钉1向铝合金板20的钉入。
为了使铝合金材料从铝合金板20侧塑性流动到铁系铆钉1的所述铆 接用的凹部5内，首先需要用于从上侧按压该铁系铆钉头部2，将铆钉轴 部3钉入铝合金板20的上模30。与此同时，还需要从下侧按压铝合金板 20，在铝合金板20上进行开孔加工(冲孔加工)。
而且之后，针对已开孔的前端部(孔周边部)的铝材料，为了使铝合 金材料从铝合金板20侧塑性流动到该铆钉所述凹部5内，需要利用上模 30继续从上侧按压该铁系铆钉头部2，在将铆钉轴部3埋入铝合金板20 的同时，从下侧按压已开孔的前端部(孔周边部)的铝材料，使铝合金材料塑性流动到铁系铆钉1的所述凹部5内。
相对于此，例如即使在铁系铆钉1上形成凹部5，如所述现有技术那 样，通过点焊电极等单纯地按压将该铁系铆钉1埋入铝合金板20中，不 能进行所述开孔加工和从下侧按压被开孔的前端部(孔周边部)的铝材料。
其结果是，只是通过点焊电极等单纯地按压铁系铆钉1，不能使铝合
金材料塑性流动到该铁系铆钉1的所述凹部5内，不能进行铆接。g卩，不 能利用铝合金材料向铁系铆钉1的凹部5内的塑性流动，使铁系铆钉1和
铝合金材(材)几何学地啮合。因此，怎么也不能在点焊的同一工序内以
铁系铆钉1铆接铝合金材，还是存在在铝合金板20的板制造时和铝合金 板20的冲压成形时等点焊的前工序中预先接合铁系铆钉1的必要性。
首先，在图3中，由上模(冲头)30从上侧(上下方向)按压铁系铆 钉1的头部2，将铁系铆钉1的轴部3埋入铝合金板20的点焊位置(所述 图1的A)。在钉入时，下模31通过其凸部32从下侧按压(支持、固定) 铝合金板20，由铁系铆钉1的轴部3对铝合金板20进行开孔加工(冲孔 加工)，打通相当于轴部3的埋入部的铝合金材料21，形成贯通孔22。艮口， 作为所述要件d.，在铁系铆钉1钉入时，由该铆钉1的轴部3对铝材料21 进行冲孔，同时使铆钉轴部3的前端4贯通至铝合金板20的与钢材的接 合面侧，将铆钉轴部3埋入铝合金板20中。
在此，假如仅通过将铁系铆钉1的轴部3单纯地埋入铝合金板20的 点焊相应位置(所述图1的A)，如果铝材料21并没有被穿孔(如果未被 除去)，则后述的与钢材侧的重合和点焊接合困难。即，如果铝材料21没 有被冲孔，则由被埋入的铁系铆钉1的轴部3按压的铝合金板20变形， 形成沿着下模31的凹部33向图的下方侧(钢材侧)鼓出(膨胀)的凸部。 因此，铝合金板20的铁系铆钉1的轴部3的贯通处(底部4)，和后述的 与钢材侧重合和点焊接合所需要的平坦度受到显著阻碍。因此，铝材料21 必须冲孔。
接着，在时间上接续图3的图4中，继续由上模(冲头)30按压铁系 铆钉1的头部2，并且由下模31通过其凸部32从下侧按压(支持、固定) 铝合金板20。因此，随着铁系铆钉轴部3向所述贯通孔22的埋入的进行 (下降)，铁系铆钉轴部3的前端4被贯通至铝合金板20的下侧(后述的钢材侧)。
与此同时，下模31通过其凸部32，从下侧按压已开孔的前端部(孔
周边部)的铝材料23，使铝合金材料23塑性流动到铁系铆钉1的所述凹 部5内。g卩，被下模31的凸部32从下侧按压的铁系铆钉1侧的铝合金材 料23、 23塑性流动并迸入到铁系铆钉1的凹部5、 5内，该凹部由包含凹 部6的头部2的下方侧的面和设成锥形7的轴部3的外周面形成。
在时间上接续图4的图5中，表示接合铁系铆钉1并被铁系铆钉1铆 合的铝合金板20。该图5的铝合金板20如后述，与钢材组装，铁系铆钉 1和钢材被点焊。在该图5的铝合金板20中，铁系铆钉轴部3的前端4 贯通至铝合金板20的下侧(后述的钢材侧)，并且铁系铆钉l侧的铝合金 材料23、 23进入到铁系铆钉1的凹部5、 5内而被铆接。即，铝合金材料 23从铝合金板20侧向铁系铆钉1的凹部5塑性流动，铁系铆钉1和铝合 金材(板)20几何学地啮合被铆接。即，作为所述要件e.，铁系铆钉l在 钉入时，还使铝合金板20塑性流动至该铆钉1的用于铆接铝合金材的凹 部5内，预先与该铆钉l铆接。
另外，该铁系铆钉轴部3的前端4贯通至铝合金板20的与钢材的接 合面侧，该铝合金板20的铆钉轴部3的贯通部，包含其周边部，比较广 泛地确保与钢材的重合(层叠)和用于点焊接合的平坦度。还有，该铝合 金板20的铆钉轴部3的贯通部即使实际上达不到与冲压成形前以及铆钉 钉入前的平板的状态等同的平坦度，如果可以进行与钢材的重合(层叠) 和点焊接合，则当然也可以有一些凹凸、倾斜、圆弧等。
在此，由铁系铆钉1的冲压成形进行的接合，可以在铝合金板20向 汽车的车身结构材的原有的冲压成形工序之中进行，另外，也可以通过这 一冲压成形工序以外的其他途径，在其前后的工序，例如在铝合金板20 的制造工序等中进行。
在这样的铁系铆钉1带来的铝合金板20的铆接作用下，在后述的铁 系铆钉1和钢材的铁-铁的同种材之间的点焊部，会进一步施加该铝合金板 20和铁系铆钉1的铆接接合(机械接合)。因此利用这些接合的协同效果， 能够获得作为异材接合体的高的接合强度。
另外，借助这样的冲压成形，通过选择最佳冲压成形条件，根据所述
14销的形状和粗度，可以在将铁系铆钉压入(埋入)铝合金材或与铝合金材 铆接时，防止铝合金材侧的裂纹发生。 (钢板和铝合金板的组装) 图6中以剖面部分地显示所述图5的接合铁系铆钉1，并且将被铁系 铆钉1铆接的铝合金板20和钢板IO在必要位置层叠和组装的点焊前的异
材接合体。在此，铁系铆钉1的位置和钢板10的点焊位置B被整合。艮P， 作为所述要件f.，在将埋入有铆钉1的铝合金板20和钢板10在必要位置 重合，并使该钢板10与铆钉轴部3的前端4接触。作为此异材接合体， 例示有后述的车身顶盖结构体等如前述的各种汽车的车身结构材。
图6的钢板10上，在与铝合金板20的接合侧的钢材表面上被覆有锌 和锌合金等金属镀敷皮膜和/或涂料等有机树脂皮膜、润滑剂、润滑油等， 通常，钢板所实施的公知的皮膜ll被单独或复合组合、单层或多层被覆。 其中，特别是有机树脂皮膜作为电绝缘皮膜存在，可防止钢-铝的异材之间 的接触带来的被称为电蚀的腐蚀。图6中，虽然只是在钢板10的单面侧 (与铝合金板20的接合侧)施加防腐皮膜11，但当然也可以在钢板10的 两面都实施防腐皮膜11。另外，这样的皮膜可以在铁系铆钉1表面侧实施， 也可以在铝合金板20的表面(单面或两面)实施。
本发明具有的一大优点是，因为是在铁系铆钉1和钢板10的铁-铁的 同种材之间进行点焊，所以有机树脂皮膜等的电绝缘皮膜11和金属镀敷 皮膜11有相当量的厚度(防腐所需要的皮膜厚度)，即使存在于钢板10 侧或铁系铆钉1侧，也能够容易地进行点焊。相对于此，在铝-铁的异材之 间的点焊中，特别是在存在这种有机树脂皮膜等的电绝缘皮膜11的情况 下，不能够进行点焊。 (点焊)
使用图7、 8，对于钢板10和接合于所述图6的铝合金板20的铁系铆 钉1的铁-铁的同种材之间的点焊方法进行说明。图7是剖面显示点焊的方 式，图8是剖面显示该图7的点焊后的焊接部(异材接合体)的方式。
在图7中，在点焊位置B整合而重合的铝合金板20侧的铁系铆钉1 的头部2侧(从图的上侧)和钢板10侧(图的下侧)，被各个点焊电极40 (图的上侧)、41 (图的下侧)夹持并被加压。然后，经由铁系铆钉1的头部2、轴部3、钢板10向这些电极40、 41 之间通电，由此如图8所示，仅在铁系铆钉1的轴部3和钢材10的界面 范围内形成焊接熔核12。即，作为所述要件g.，通过各个电极40、 41向 铝合金板20侧的铆钉头部2侧和钢板10侧加压，同时经由铆钉1对这些 电极40、 41之间通电，由此仅在铆钉轴部3和钢板IO的界面范围内进行 使焊接熔核12形成的点焊。 (焊接熔核直径)
在此，所谓使焊接熔核12在界面范围内形成，意思是图8所示的焊 接熔核12的横向的直径dl2没有大到超过铁系铆钉1的轴部3的前端部4 的直径d4， g卩，直径d12在直径d4以下。假设如果直径d12比直径d4 大，则熔核12会从铁系铆钉1波及到点焊部周围的铝合金板20。因此， 这部分的铝合金板20发生熔融，热影响部扩大，铁系铆钉1到点焊部周 围的铝合金板20的强度显著降低，其结果是不能使通过异材接合体的十 字拉伸试验片测定的剥离强度达到2kN以上。
相应地为确保该焊接熔核12的横向的直径d12的尺寸，保证铁-铁之 间的点焊强度，需要确保铁系铆钉轴部3或轴部3的前端4的直径d4的 尺寸。该焊接熔核12的横向的直径d12，在设与后述的车身顶盖等通常的 汽车面板的薄板的铁板-铁板之间的点焊相同水平的钢材(钢板)的厚度(板 厚)为t时，优选为直径3.5Vt 7Vtmm。若铁系铆钉的轴部3过细，或 轴部3的前端部4的直径d4过小，则不能确保焊接熔核12的横向的直径 d12的上述优选尺寸和点焊强度。
另外，关于铁系铆钉1的头部2的直径d2，从尽可能减小点焊时的铁 系铆钉1至点焊部周围的铝合金板20的热影响部出发，也需要确保其大 小。但是，此直径d2和所述直径d4越大，铁系铆钉1的重量越大。因此， 由于点焊相应位置A的数量(铁系铆钉1的数量)导致重量增加大，有可 能丧失为了所述轻量化而使用铝合金材的意义。因此，铁系铆钉l的头部 2的直径d2和轴部3的前端部4的直径d4，其设计要兼顾这些焊接熔核 12的直径的确保，和减小铝合金板20的热影响部以及铁系铆钉1带来重 量增加允许量。
(铁系铆钉形状的方式)在此，铁系铆钉1形状(整体形状，截面形状)并不限定于至此说 明的图1 8的方式。即，如果其设计兼顾焊接熔核12的直径的确保，和 减小铝合金板20的热影响部以及铁系铆钉1带来的重量增加允许量，则
铁系铆钉1形状适宜选择为图9 13所例示的形状或是其以外的形状。
另夕卜，作为图9 13以外的形状，铆钉1的轴部3的直径(头部2侧 的分叉=根基的直径)即使比头部2的直径小，其外径朝向下方逐渐扩大 的锥形7的轴部前端部4的直径d4也不一定需要比头部2的直径小，可 以是同等直径，也可以是比较大的直径。
图9所示的方式与图1的铁系铆钉1形状近似，但与图1相比，只是 没有在头部2的下方侧轴部3的分叉部分的周围的向上方凹陷的圆环状的 凹部(槽)6，由头部2的下方侧的面和设置成锥形7的轴部3的外周面 形成用于铆接铝合金板20的凹部5。
图10显示的方式虽然与图9的铁系铆钉形状近似，但与图9相比， 其在轴部前端部4的中央部设有凹部，或者将轴部前端部4分割成多个。
图11显示的方式虽然与图1的铁系铆钉1形状近似，但与图1相比， 其头部2的下方侧的圆环状的凹部(槽)6的横向的宽度比较大。
图12显示的方式虽然与图1的铁系铆钉1形状近似，但与图1相比， 其在头部2和轴部3的中央部形成上下方向贯通的中空部8，从而使铁系 铆钉轻量化。在此，中空部8不必非要贯通头部2和轴部3，另外也不一 定设于所述中央部，也不一定就设置l根(l个)。总之，将中空部和凹陷 的空间部适宜设置在头部2和轴部3上，以减少铁系铆钉的中实部使之轻 量化即可。这些中空部和凹陷的空间部，从可以进行点焊，保留能够确保 铁系铆钉的强度这样的中实部的观点出发而设计。
图13显示的方式虽然与图12的铁系铆钉形状近似，但与图12相比， 中空部8的周边部形成螺纹9，以使铁系铆钉轻量化。
铁系铆钉l的重量，如所述优选轻的方面。但因为是铁系，所以与市 场销售的铝合金制的自冲铆钉0.3 0.4g/l个的重量相比较重也没有办法。 但是，若根据标准尺寸的汽车顶盖等点焊打点数，考虑铁系铆钉1的需要 个数和由此带来的重量增加，则不论其形状，优选将每l个的重量抑制在 3g以下。还有，这些铁系铆钉l，在其表面上可以被覆有锌和锌合金等金
17属镀敷皮膜和/或涂料等有机树脂皮膜、润滑剂、润滑油等，通常，钢板所 实施的公知的皮膜11被单独或复合组合、单层或多层被覆。 (汽车车顶安装构造)
接下来，以下运用附图具体地说明将这些发明的实施方式应用于汽车 车顶安装构造的例子。
作为前提的汽车的车身顶盖的构造自身的方式与以往基本相同。图17 是汽车车身的代表性的铝合金(板)制的车身顶盖24的结构的车身顶盖
整体的立体图。在图17中，24a是位于铝车身顶盖24两侧的(车身宽度 方向)的突缘部(侧缘部)。铝车身顶盖24通常被设计为大致箱型并具有 一定的曲率的形状，以具有车身顶盖中央部的车身左右方向的曲率Ra和 车身前后方向的曲率Rb。
该铝车身顶盖24如图17所示，经由钢制或铝合金制的车身顶盖加强 件19a、 19b、 19c等车顶增强材，另外，在设置钢制或铝合金制的风窗框 板(windowshield header panel) 17禾口后窗上框(back window frame upper) 18等附属框架和面板的基础上，被安装在车身侧。
位于铝车身顶盖24的所述两侧突缘部24a、 24a的安装构造的一个方 式的示例以剖面图显示在图14、 15中。该图14、 15是图16的汽车车身 60的立体图中的铝车身顶盖24的两侧面，将钢制侧梁外板(sidemember outer panel) 13横断，在该图16中只显示左侧侧面，相当于G-G部和H-H 部等的剖面图。
(图14的方式)
首先，在图14中，铝车身顶盖24在其突缘部24a上一体接合有钢制 的侧梁外板13和钢制的上边梁(roof side mil) 14及钢制的侧梁内板(side member inner panel) 15的各上部的突缘部13a、 14a、 15a。
艮口，铝车身顶盖24的突缘部24a分别经由预先铆接的铁系铆钉1的 头部2和贯通到这些钢材侧的轴部3，以三枚重合的形式与钢制的各突缘 部13a、 14a、 15a接合(点焊)。换言之，图14表示的是预先铆接在铝车 身顶盖24的突缘部24a上的铁系铆钉l与钢制的各突缘部13a、 14a、 15a 以三枚重合的形式被进行点焊的方式。通过该点焊，虽然图14中未图示， 但如所述图8，仅在铁系铆钉1贯通到钢材侧的轴部3的底部(4)和钢制的各突缘部13a、 14a、 15a在界面范围内，另外，使钢制的各突缘部13a、 14a、 15a贯通而形成一体的焊接熔核12。
为了防止异材接合造成的电蚀，在该车身顶盖24的安装部(突缘部 24a)，在铝突缘部24a和钢制突缘部13a之间设有中间树脂层50。另外， 还设置有水密封用的密封物(密封用树脂)51和外装构件52等。
如前述，在铁系铆钉1侧和钢材侧的各突缘部13a、 14a、 15a上，以 相当量的厚度存在有机树脂皮膜等电绝缘皮膜和金属镀敷皮膜。根据情 况，这些皮膜也被有意处理存在于铝车身顶盖24上。不过，本发明很大 的优点是，因为是铁系铆钉l和钢材的铁-铁的同种材之间的点焊，所以即 使设置所述中间树脂层50，另外即使是钢制的各突缘部13a、 14a、 15a三 枚重合的形式，也能够容易地进行点焊。
在图14中，钢制的侧梁外板13和钢制的上边梁14及钢制侧梁内板 15的各下部的突缘13b、 14b、 15b，在图中圆圈包围的部分，通过自冲铆 钉和通常的铆钉44等被一体地机械接合。还有，该接合也可以是点焊等 焊接接合。
(图15的方式)
在图15中以剖面图显示铝车身顶盖24的突缘部24a的其他安装构造 例。在该图15的例中，铝车身顶盖突缘部24a和从钢制的侧梁外板13拉 出的钢制的车顶流水槽(roof drip channel) 16，如所述图14那样被接合， 与侧梁外板13被接合成一体。即，预先铆接到铝车身顶盖24的突缘部24a 的铁系铆钉1和钢制的车顶流水槽16 (—枚)被点焊接合。
通过该点焊，虽然图15未图示，但是如所述图8，仅在铁系铆钉1 贯通到钢材侧的轴部3的底部(4)和钢制车顶流水槽16的界面范围内形 成焊接熔核12。另外，铝车身顶盖24的突缘部24a和钢制车顶流水槽16 与所述图14一样，经由中间树脂层50被接合。
在图15中，钢制侧梁外板13和钢制侧梁内板15，在各上部的突缘部 13a和15a中，在图中圆圈包围的部分，通过点焊等焊接接合被一体地机 械接合。另外，各下部的突缘部13b、 15b中，在图中圆圈包围的部分， 通过自冲铆钉和通常的铆钉44等被一体地机械接合。还有，此接合方法 并不限定于这一方式，可根据条件适宜选择变更。(钢材)
本发明作为对象的钢材，特别是无论钢材的组成和种类，但优选含有
Si、 Mn等的抗拉强度为450MPa以上的高强度钢材(高张力钢板)。比这
低的强度，特别是薄板时，钢材的强度不足，因此由于点焊时的电极头所
至的加压，存在钢板的变形大的可能性。钢材的种类能够适宜使用前述的
汽车车身所通用的轧制薄板和厚板或模具钢等。如前述，在这些钢材中， 在其表面单侧或两面可以被覆有锌和锌合金等金属镀敷皮膜和/或涂料等
有机树脂皮膜、润滑剂、润滑油等，通常，钢板所实施的公知的皮膜被单 独或复合组合、单层或多层被覆。 (铝合金材)
本发明中使用的铝合金材，通常适宜选择使用容易进行板的制造，成 形为车身顶盖容易，强度也优异的AA至JIS 3000系、5000系、6000系 等铝合金。特别是6000系铝合金，具有在汽车车身的涂装烘烤处理条件 下的人工时效硬化性。因此，为了获得高强度合金元素量少，具有能够以 其废料作为原6000系铝合金的熔解原料循环利用的优点。铝合金材根据 汽体的各部分用途，没有特别限定形状，可适宜选择前述通用的板材、形 材、锻造材(以上为伸展材)、铸造材、模铸材等。但是，关于该铝合金 材的强度，与上述钢材的情况相同，为了抑制因点焊时的加压造成的变形， 优选比较高的方面。如前述，这些铝合金材，在其表面单侧或两面可以被 覆有锌和锌合金等金属镀敷皮膜和/或涂料等有机树脂皮膜、润滑剂、润滑 油等，通常，钢板所实施的公知的皮膜被单独或复合组合、单层或多层被 覆。
还有，作为前述铝车身顶盖等汽车车身面板用等，还要求优异的冲压 成形性、BH性(烘烤硬化性)、强度、焊接性、耐腐蚀性等诸特性。为了 满足这样的要求，作为6000系铝合金板的组成优选Al-Mg-Si系铝合金板， 其以质量％计含有Mg: 0.4 1.0%、 Si: 0.4 1.5%、 Mn: 0.01 0.5%、 Cu: 0.001 1.0%，余量由Al和不可避免的杂质构成。另外为了使BH性 更优异，优选Si和Mg的质量比Si/Mg为1以上这种Si过剩型的6000系 铝合金板。
另外，作为所述汽车车身增强材用的挤压材等，要求有优异的弯曲破坏性和耐腐蚀性等诸特性。为了满足这样的要求，优选6000系铝合金挤
压材的组成为如下的Al-Mg-Si系铝合金，其以质量％计分别含有Mg: 0.30 1.0%、 Si: 0.30 0.95%、 Fe: 0.01 0.40%、 Cu: 0.001 0.65%，余
量由Al和不可避免的杂质构成。此外，除了所述各优选的组成以外，也 可以选择性地含有Cr: 0.001 0.2%、 Zr: 0.001 0.2%中的一种或两种合 计量为0.30%以下，或者Zn: 0.001 0.25%、 Ti: 0.001 0.10%中的一禾中 或两种。
(钢材和铝合金材的厚度) 另外，钢材和铝合金材的所焊接部分的厚度(板厚等)未特别限定， 根据汽车构件等的适用构件的需要强度和刚性等的设计条件适宜选择决 定。
但是，若假设汽车构件等，则实用上钢材的(所焊接的部分的)厚度 t从0.3 3.0mm选择。钢材的厚虔过薄时，不能确保作为汽车构件所需要 的强度和刚性而不适宜。另外，除此以外例如进行点焊时，由于该电极头 造成的加压，导致钢板的变形大，氧化皮膜容易被破坏，因此与铝的反应 促进。其结果是，容易形成脆的金属间化合物。另一方面，钢材的厚度过 厚时，点焊接合本身困难。
另外，铝合金材的(焊接的部分的)厚度t，同样若假设汽车构件等， 则从0.3 6，0mm的范围选择。铝合金材的厚度过薄时，作为汽车构件的 强度不足而不适合，除此以外，得不到熔核直径，熔融容易到达铝合金材 料表面而容易发生烟尘，有无法得到高的接合强度的可能性。另一方面， 铝合金材的厚度过厚时，铁系铆钉的铆接变得困难。 (焊接方法)
还有，在本发明中，焊接方法是作为本发明的主要用途的在汽车构件 的组装中被广泛使用的点焊。即，MIG焊接、激光焊接不适用，双方都不 熔解的超声波接合、扩散接合、磨擦压接、钎焊等焊接方法也不适用。
另外，点焊条件能够直接适用通常的铁-铁的同种之间的接合所通用 的条件。换言之，本发明的很大的优点是，无论铝-铁的异材接合，能够适 用通常的铁-铁的同种之间的接合所通用的条件。作为每个点焊的焊接位置 优选的条件，优选所述图7中的电极40、 41之间的加压力为1.5 5.0kN的范围。另外，电极间电流为5 15kA (优选为7 8kA)的范围，根据 与所接合的铝合金材部分的厚度tmm的关系，优选通电200Xtmsec以下 的时间。据此，能够使通过异材接合体的十字拉伸试验片测定的剥离强度 为2kN以上。
因此，在铝-铁的异材接合的点悍中，若铝合金材侧厚，另外若钢材 侧薄，则不能提供15kA以上这样在汽车制造工序中已有的钢材之间的点 焊机的能力，需要大的电极间电流。如此，在铝-铁的异材接合的点焊中， 不能直接适用上述通常被广泛应用的铁-铁的同种之间接合所通用的点焊 机、点焊条件和焊接方法，这成为应用到铝合金材的点焊用途的巨大的障 碍。
以上说明的各要件，不仅对于铝合金材能够适用，对于作为轻合金材 的镁合金材也能够适用。在镁合金材的情况下，优选由JIS或ASTM规格 化的通用的AZ系合金(加入A1、 Zn的合金)等。另外，镁合金材的情 况下，根据汽车车身等各部分用途，没有特别限定形状，可适宜选择板材、 形材、锻造材(以上为伸展材)、铸造材、模铸材等。
根据本发明，能够提供一种钢材和轻合金材的异种材料的接合方法， 其并非在铝-铁的异材之间，而是通过能够进行铁-铁的同种材彼此的点焊， 而且又施加以轻合金材和铁系铆钉的铆接，利用这种协同效果，能够得到 高的接合强度。另外，同样也能够提供钢材和轻合金材的异材接合体、与 钢材的异材接合用轻合金材、钢材和轻合金材的异材接合用铆钉。因此， 本发明特别有效地适用于汽车车身构造材。
另外，作为本发明的应用，不仅可以进行己说明的轻合金-铁的异材 之间的接合，也可以进行轻合金-轻合金的异材之间和同种材之间的接合。 异材之间可例示有铝合金材-镁合金材的接合，同种材之间可例示有铝合金 材-铝合金材、镁合金材-镁合金材的接合。即，预先接合(埋入)由铁系 金属材料构成的铆钉1，在所述选择的轻合金材之间的各个接合部位定位 相应的铆钉彼此(使之重合)使之接触。然后，在铁-铁的同种材之间对这 些铆钉进行点焊，从而能够接合所述轻合金材彼此。
权利要求
1.一种并用铆钉接合法和点焊法来接合作为异种材料的钢材和轻合金材的方法，其特征在于，具有以下的a～g的要件a.在点焊的前工序中，预先接合所述轻合金材和由铁系金属材料构成的铆钉，其后对所述铆钉和所述钢材进行点焊；b.使所述铆钉具有由头部和轴部构成的大致T字截面形状，并且在头部和轴部的至少一个上形成用于铆接所述轻合金材的凹部；c.在所述轻合金材和所述铆钉的接合时，将所述铆钉的轴部钉入所述轻合金材的与钢材进行点焊的相应位置；d.在钉入所述铆钉时，通过所述铆钉的轴部对轻合金材进行冲孔，同时，使所述铆钉轴部前端贯通至所述轻合金材与钢材的接合面侧，将铆钉轴部埋入到所述轻合金材中；e.在钉入所述铆钉时，还使所述轻合金材塑性流动到所述铆钉的用于铆接所述轻合金材的凹部内，预先与所述铆钉铆接；f.在将所述轻合金材与所述铆钉铆接的基础上，使埋入有所述铆钉的轻合金材和所述钢材在必要位置上重合，并且使所述钢材和所述铆钉轴部前端接触；g.在所述f之后，分别通过电极向所述轻合金材侧的所述铆钉头部侧和所述钢材侧加压，同时，经所述铆钉对这些电极之间通电，由此仅在所述铆钉轴部和所述钢材的界面范围内进行形成焊接熔核的点焊。
2. 根据权利要求1所述的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法， 其特征在于，所述异种材料的接合方法中的所述铆钉的钉入通过冲压成形 进行，该冲压成形使用用于按压所述铆钉头部的上模和从相反侧按压所述 轻合金材的下模。
3. 根据权利要求1所述的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法， 其特征在于，所述异种材料的接合方法中的所述铆钉，在所述轻合金材被 冲压成形时钉入所述轻合金材中。
4. 根据权利要求1所述的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法，其特征在于，所述异种材料的接合方法中的形成于所述铆钉的外周面的用 于铆接所述轻合金材的所述凹部，是由设于所述铆钉的头部的下方侧且向 上方凹陷的凹部和设于所述铆钉的轴部且外径朝向下方逐渐扩大的锥形 形状形成的空间。
5，根据权利要求1所述的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法， 其特征在于，在所述异种材料的接合方法中的所述铆钉和所述钢材的表面 上，被覆有金属镀敷皮膜和树脂皮膜中的至少一个皮膜。
6.根据权利要求1所述的钢材和轻合金材的异种材料的接合方法， 其特征在于，所述异种材料的接合方法用于汽车的车身结构的制造。
全文摘要
一种接合钢材和轻合金材的异材彼此的方法，在点焊的前工序中预先接合轻合金材和由铁系金属材料构成的铆钉，其后对所述铆钉和所述钢材进行点焊。在此，在铆钉上形成铆接用的凹部，将铆钉轴埋入轻合金材中，使之贯通，此时，使轻合金材料塑性流动到所述凹部内，将轻合金材预先与该铆钉铆接，其后，只在铆钉轴部和钢材的界面范围内进行使焊接熔核形成的点焊。根据这一方法，没有对点焊的适用条件的制约和问题，可以进行铁-铁的同种材彼此的点焊，而且又施加以轻合金材和所述铁系铆钉的铆接接合，利用这种协同效果，能够得到高的接合强度。
文档编号B23P23/00GK101590598SQ20091013783
公开日2009年12月2日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月28日
发明者今村美速, 岩濑哲 申请人:株式会社神户制钢所