异种材料接合用锻造铆钉、异种材料接合方法以及异种材料接合体与流程

本发明涉及异种材料接合用锻造铆钉、异种材料接合方法、以及通过所述接合方法而得到的异种材料接合体。

背景技术：

近年来，针对由废气等引起的地球环境问题，谋求基于机动车等输送设备的车身的轻量化而实现的燃油消耗率的改善。另外，为了在尽量不阻碍该轻量化的情况下提高机动车的车身碰撞时的安全性，针对机动车的车身构造，对以往使用的钢材的一部分应用更轻量且能量吸收性也优异的铝合金材以及镁材等轻合金材的情况逐渐增加。

机动车的车身等所使用的铝合金材存在轧板材、挤压材、或锻材等形态。作为机动车的顶盖、机罩、挡泥板、门、行李箱盖等大型的板构造体的外板以及内板等，正在研究使用aa或jis基准的6000系(al-mg-si系)以及5000系(al-mg系)等铝合金板。

只要不由铝合金材构成车身的所有的部分，就需要将上述铝合金材与原本通常使用的钢板或型钢等钢材(钢构件)组合使用，必然地需要将铝合金材与钢材接合。

专利文献1～5公开了如下技术：在将钢制的铆钉预先接合于铝合金材等轻合金材之后，利用一对电极夹持所述铆钉的头部和钢材，通过通电而对所述铆钉的轴部与钢材进行点焊，由此将轻合金材与钢材接合。

在专利文献1中，将钢制铆钉钉入轻合金材，在轴部钉穿所述轻合金材的同时将所述铆钉与所述轻合金材铆接接合，接着对所述铆钉的轴部与所述钢材进行点焊。在所述铆钉的头部形成有凹部(环状槽)。

在专利文献2中也同样，将钢制铆钉钉入轻合金材，在利用轴部钉穿所述轻合金材的同时将所述铆钉与所述轻合金材铆接接合，接着对所述铆钉的轴部与所述钢材进行点焊。所述铆钉在头部形成有凹部(环状槽)，轴部形成为横截面积朝向前端侧而变大，而且在所述铆钉的轴部的前端面形成有突起(鼓起部)。

专利文献3记载了如下内容：在钢制铆钉的轴部的前端的周面形成凹部，并且在将该铆钉钉入轻合金材时，在所述轻合金材形成与所述凹部相连的凹部。另外，在专利文献3中记载了如下内容：在所述铆钉的头部以及轴部的表面中的、在钉入所述轻合金材之后与所述轻合金材接触的部分形成具有比所述钢材高的电阻的皮膜(绝缘层)。

在专利文献4中，将钢制铆钉按入形成于轻合金材的底孔并将所述铆钉与所述轻合金材铆接接合，接着对所述铆钉的轴部与所述钢材进行点焊。所述铆钉的轴部包括直径比所述底孔的直径小的前端部、直径比底孔的直径大的基端部、以及所述前端部与基端部之间的曲面状的缩径部(直径比所述前端部的直径小)。

在专利文献5中，将钢制铆钉钉入轻合金材，在利用轴部钉穿所述轻合金材的同时将所述铆钉与所述轻合金材铆接接合，接着对所述铆钉的轴部与所述钢材进行点焊。所述铆钉在头部和轴部前端具备隆起部。另外，在专利文献5中记载了：在头部形成凹部(环状槽)，并且在钉入所述轻合金材之后与所述轻合金材接触的部分形成具有比所述钢材高的电阻的皮膜(绝缘层)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-285678号公报

专利文献2：日本特开2010-207898号公报

专利文献3：日本特开2014-580号公报

专利文献4：日本特开2014-121710号公报

专利文献5：日本特开2014-173683号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在专利文献1～5所记载的方法中，为了得到规定的焊接强度，需要在点焊时使焊接电流高效地流入被接合材即钢材而形成规定的大小的熔核。此时，需要防止从铆钉不朝向钢材而向轻合金材流动的所谓的分流。

因此，在专利文献2～5中公开了为了使通过铆钉的电流聚集于中央而在轴部的前端设置有突起部或隆起部的铆钉，在专利文献3、5公开了在钉入轻合金材之后与轻合金材接触的部分设置有绝缘层的铆钉。

然而，在将钢制铆钉钉入轻合金材且利用轴部钉穿轻合金材的同时将铆钉与轻合金材铆接接合的情况下，在钉入时铆钉的轴部一边对轻合金材进行剪切一边进行钉入。因此，有时形成于轴部的绝缘层沿着轴向被剥离，铆钉的基底(钢材)外露。在该情况下，有时无法有效地防止焊接电流的分流而使熔核比规定的尺寸小。

如专利文献3、5所记载那样，钢制铆钉可以通过切削、磨削等机械加工或锻造加工来成形。然而，如专利文献5所记载那样，从铆钉的生产性、强度、尺寸精度方面出发，铆钉优选通过锻造加工而且不同时使用切削、磨削等机械加工地成形。因此，专利文献3、5所记载的铆钉不具有咬边部，而形成为仅通过通常的锻造加工容易成形的剖面形状。

另一方面，专利文献1、2所记载的铆钉形成为轴部的前端部侧(钉入轻合金材时成为剪切的刃尖的部分)的直径比基端部侧的直径大。在该铆钉形成有专利文献3、5所记载的绝缘层的情况下，比轴部的前端部靠后方侧(基端部侧)的部分在钉入铆钉时不直接参与轻合金材的剪切。其结果是，认为能够防止该部分的绝缘层被剥离。然而，这种异种材料接合用铆钉通常也存在极其小型(参照后述的实施例)且厚度极薄的情况，这样具有深的咬边部的铆钉难以仅通过锻造加工来成形。因此，存在需要仅通过切削、磨削等机械加工来从原料成形为产品形状、或需要在将原料锻造加工成半产品(nearnetshape)之后施加所述机械加工来实现产品化这样的问题。

本发明的目的在于，以使用通过锻造加工而从原料成形为产品形状并在表面形成有绝缘层(具有电阻比钢材的电阻高的皮膜)的钢制的异种材料接合用铆钉为前提，在将所述铆钉钉入轻合金材时不使形成于所述铆钉的绝缘层剥离，由此防止点焊时的分流。

用于解决课题的方案

本发明的钢制的异种材料接合用锻造铆钉包括板状的头部和从所述头部延伸的轴部，在被钉入轻合金材利用所述轴部钉穿所述轻合金材的同时与所述轻合金材铆接接合，接着与钢材进行点焊，其特征在于，所述轴部包括：第一轴部，其从所述头部延伸；环状的突出部，其在所述第一轴部的前端部向外周方向突出；以及第二轴部，其截面积比所述第一轴部的截面积小，且从所述突出部进一步向前端方向延伸，在所述轴部以及所述头部中的与所述轻合金材相接的面上形成有电阻比所述钢材的电阻高的皮膜。

在本发明中，锻造铆钉是指仅通过锻造加工而由原料成形为最终产品形状(netshape)的铆钉。

在本发明中，轻合金材除了包含铝、镁以外，还包含钛。所述铆钉优选在所述头部形成有环绕所述第一轴部的环状的槽，和/或在所述第二轴部的前端形成有突起。

本发明的异种材料接合方法使用上述异种材料接合用锻造铆钉对钢材与轻合金材进行接合，其特征在于，将所述异种材料接合用锻造铆钉钉入所述轻合金材，在利用所述轴部钉穿所述轻合金材的同时与所述轻合金材铆接接合，接着将所述轻合金材与钢材重叠，利用一对电极夹持所述异种材料接合用锻造铆钉的头部和所述钢材，利用所述电极对所述异种材料接合用锻造铆钉以及所述钢材进行加压并对所述电极通电，对所述异种材料接合用锻造铆钉的轴部与所述钢材进行点焊。

本发明的异种材料接合体通过将所述异种材料接合用锻造铆钉与轻合金材铆接接合，使所述轻合金材重叠于钢材，并利用点焊将所述异种材料接合用锻造铆钉的轴部与所述钢材接合而成，其特征在于，所述异种材料接合用锻造铆钉被钉入所述轻合金材，且在所述头部与突出部之间与所述轻合金材铆接接合，在所述轻合金材与所述第二轴部之间形成有间隙。

发明效果

本发明的异种材料接合用锻造铆钉的轴部包括从头部延伸的第一轴部、在所述第一轴部的前端部向外周方向突出的环状的突出部、以及截面积比所述第一轴部的截面积小且从所述突出部进一步向前端方向延伸的第二轴部。基于该特征性的形状，本发明的异种材料接合用锻造铆钉尽管具有咬边部，但也能够如后所述仅通过通常的锻造加工而成形为产品形状。

在将所述异种材料接合用锻造铆钉钉入轻合金材时，所述轻合金材被所述轴部钉穿，同时钉穿孔的周围的材料在所述头部与所述突出部之间进行塑性流动，所述异种材料接合用锻造铆钉与所述轻合金材铆接接合。进行塑性流动的轻合金材的材料向所述头部与所述突出部之间的凹处(第一轴部)流动并填充，因此容易进行铆接接合。因此，与不存在所述突出部的情况相比，即便使所述头部薄壁化，也能够确保铆接接合的强度。需要说明的是，若所述异种材料接合用锻造铆钉的头部薄壁化，则头部的从轻合金材突出的突出高度减少，从而提高异种材料接合体的外观性。

在将本发明的异种材料接合用锻造铆钉钉入轻合金材时，形成于所述第一轴部的前端部的环状的突出部成为刃尖而钉穿所述轻合金材。此时，所述第一轴部(比所述突出部靠基端部侧)的轮廓在沿轴向观察时位于所述突出部的轮廓的内侧，因此所述第一轴部不直接参与所述轻合金材的剪切。由此，能够防止绝缘层从所述第一轴部(比所述突出部靠基端部侧的部分)的表面剥离。其结果是，在使所述异种材料接合用锻造铆钉与所述轻合金材铆接接合之后，也能够将电阻比所述钢材的电阻高的皮膜维持在与所述轻合金材相接的面上，能够防止点焊时的分流。以上所说明的本发明的效果除了对于钢材与铝的接合奏效以外，还对钢材与镁以及钢材与钛的接合奏效。

附图说明

图1是示出本发明的铆钉的一例的立体图。

图2是图1所示的铆钉的i-i剖视图。

图3a是说明图1所示的铆钉的锻造方法的剖视图。

图3b是示出铆钉的产品的剖视图。

图4a是示出本发明的铆钉的钉入工序的示意图。

图4b是示出本发明的铆钉的钉入工序的示意图。

图5是示出本发明的电阻点焊工序的纵剖视图。

图6a是示出本发明的实施方式的异种材料接合体的纵剖视图。

图6b是示出本发明的实施方式的异种材料接合体的纵剖视图。

图7a是示出本发明的铆钉的另一例的剖视图。

图7b是示出本发明的铆钉的另一例的剖视图。

图7c是示出本发明的铆钉的另一例的剖视图。

图8a是通过实施例制造的本发明的铆钉的剖面示意图。

图8b是通过实施例制造的本发明的铆钉的剖面示意图。

图8c是比较例的铆钉的剖面示意图。

图8d是比较例的铆钉的剖面示意图。

具体实施方式

以下，参照图1～8来更具体地说明本发明的异种材料接合用锻造铆钉(以下，简称作铆钉)、使用所述铆钉的异种材料接合方法、以及通过所述接合方法而得到的异种材料接合体。

图1、2所示的铆钉1包括板状的头部2和从头部2延伸的轴部3，实质上具有旋转体(与轴垂直的剖面呈圆形或环形)的立体形状。轴部3包括从头部2直接延伸的第一轴部4、在第一轴部4的前端部向外周方向突出的环状的突出部5、以及截面积比第一轴部4的截面积小且从突出部5进一步向前端方向延伸的第二轴部6，在第二轴部6的前端形成有低的圆锥形的突起7。在头部2的第一轴部4侧形成有环绕第一轴部4的环状的槽8。

另外，铆钉1在除了头部2的端面2a和第二轴部6的端面(包括突起7的端面)6a以外的表面整体形成有绝缘层(电阻比钢材的电阻高的皮膜)9。绝缘层9例如通过disgo(注册商标)、lafre(注册商标)、geomet(注册商标)、聚酯系树脂预涂覆(precoat)、硅酮弹性体等具有比钢材高的电阻率(电阻)的涂料形成。需要说明的是，绝缘层9至少形成在将铆钉1钉入后述的轻合金材时铆钉1与所述轻合金材相接的部位即可。

铆钉1的主体部分(除绝缘层9以外的部分)通过锻造加工由原料成形。参照图3a、图3b、图3c、图3d说明锻造加工的一例，首先从原料(钢板)通过单个工序或多个工序的锻造加工，成形出图3a所示的铆钉中间产品11。铆钉中间产品11包括头部12、轴部13以及轴部13的前端的突起14。头部12以及突起14分别形成为与铆钉1的头部2以及突起7实质相同的形状，轴部13具有与铆钉1的第一轴部4实质相同的直径，长度稍长。需要说明的是，轴部13在全长的范围实质上为相同的直径，但具有些许的起模斜度。

接着，由上下模具15、16进行沿着轴向对铆钉中间产品11的轴部13的前端外周部13a(图3a中用点标记出的部位)进行加压的锻造加工(一种镦顶加工)。通过该锻造加工，轴部13的外周部的材料沿着横向流动(扩展)而形成环状的突出部5，形成所述第二轴部6，如图3b所示，形成产品即铆钉1。第一轴部4的轮廓在沿轴向观察时位于突出部5的轮廓的内侧，第二轴部6的轮廓在沿轴向观察时位于第一轴部的轮廓的内侧。对铆钉中间产品11进行的该锻造加工能够通过自由锻造进行，因此在锻造加工后的铆钉1存在咬边部，但无需复杂的模具构造(仅上下模具15、16)就能够成形。

接着，参照图4a、图4b、图4c、图4d、图5来说明本发明的异种材料接合方法。

首先，如图4a所示，将轻合金材22载置在圆筒状的下模具21上，将铆钉1配置于下模具21的上方，通过上模具(冲头)23将铆钉1钉入轻合金材22。铆钉1也可以在由适当的支承装置支承的状态下配置于轻合金材22上，也可以使冲头23磁化，使铆钉1磁附着于冲头23而将铆钉1配置于轻合金材22上。

在使冲头23朝向轻合金材22下降并将铆钉1钉入轻合金材22时，如图4b所示，轻合金材被轴部3钉穿，落料24向下模具21内落下，轴部3的前端部(第二轴部6和突出部5)贯通轻合金材22。同时，形成于轻合金材22的钉穿孔的周围的材料夹持于铆钉1的头部2与下模具21之间并进行塑性流动，进入形成于铆钉1的头部2的槽8内，并进一步进入头部2与突出部5之间，紧贴于第一轴部4的周围。通过该钉入，铆钉1与轻合金材22铆接接合。

第一轴部4的直径比突出部5的直径小，其轮廓在沿轴向观察时位于突出部5的轮廓的内侧。因此，能够防止在轴部3钉穿轻合金材时形成于第一轴部4的表面绝缘层9被轻合金材22的钉穿孔的内周刮去。

铆接接合有铆钉1的轻合金材22被搬入电阻点焊装置，如图5所示重叠于钢材25上。此时，以铆钉1位于点电极26、27之间的方式配置轻合金材22和钢材25。由于铆钉1的第二轴部6贯通轻合金材22，因此第二轴部6的前端的突起7与钢材25接触。

接下来，使上下的电极26、27彼此接近，夹持铆钉1的头部2与钢材25并作用加压力。并且，向电极26、27之间施加脉冲电流，对铆钉1与钢材25进行电阻点焊。

在点焊时，在铆钉1的与轻合金材22相接的面上，绝缘层9(参照图2)不被剥离而存在于该面。因此，通电电流不会从铆钉1向轻合金材22流动(分流)，而在铆钉1内流向钢材25。另外，第二轴部6的前端的突起7与钢材25接触，因此通电电流在以所述突起7为中心的区域中流动，在该区域中铆钉1的第二轴部6与钢材25熔融，并彼此接合。

图6a中将铆钉接合以及点焊后的轻合金材22和钢材25(异种材料接合体)与上下的电极26、27一并示出。在铆钉1的与轻合金材22相接的面存在有绝缘层9(参照图2)，且在第二轴部6形成有突起7，由此焊接电流集中在以突起7为中心的区域。因而，熔核28容易以规定的大小形成于第二轴部6的中心。

通过在第二轴部6与轻合金材22之间存在有突出部5，从而在轻合金材22与第二轴部6之间形成间隙29。由于存在该间隙29，因此焊接时的热量不容易从形成有熔核28的第二轴部6传递至轴部3周边的轻合金材22，轴部3的周边的轻合金材22不会过度地软化或熔融。其结果是，能够防止铆钉接合强度降低。

在图6a中，铆钉1的轴与电极26、27的轴一致，但在图6b中铆钉1的轴与电极26、27的轴偏移。在图6b的情况下，电极26、27与铆钉1以及钢材25接触的接触位置相对地从铆钉1的轴偏移而成为周缘部，通电电流经由铆钉1的周缘部而流动。因此，熔核31容易形成于与铆钉1的第二轴部6的轴偏移的位置(第二轴部6的周缘部)。然而，在该情况下，也在轻合金材22与第二轴部6之间形成有间隙32，因此轴部3的周边的轻合金材22不会过度软化或者熔融，能够防止铆钉接合强度降低。

需要说明的是，点焊的条件能够直接应用通常的钢材-钢材的同种材料彼此的接合所通常使用的条件。换言之，本发明不限于轻合金材-铁材的异种材料接合，也能够应用通常的钢材-钢材的同种材料彼此的点接合所通常使用的条件。作为点焊的优选的条件，优选将一对电极之间的加压力设为1.0～5.0kn的范围。另外，将电极间电流设为5～15ka的范围，优选设为7～8ka的范围，从与接合部处的轻合金材的厚度t(mm)的关系出发优选通电200×t(msec)以下的时间。需要说明的是，使该通电时间与轻合金材的厚度t成比例是为了对经由与铆钉1铆接接合的轻合金材(热传导率高)散溢的热量进行补偿，在接合部形成恒定尺寸的熔核。

图7a、图7b、图7c中示出本发明的铆钉的另一例。

图7a的铆钉33与铆钉1的不同之处在于，第一轴部34的直径越趋于前端部则越大且形成有浅的咬边，其他方面与铆钉1相同。由于第一轴部34的表面稍微倾斜，从而铆钉33与轻合金材的铆接接合被强化。

为了制造铆钉33，首先，作为第一工序，由在内表面带有斜度的分割模具对原料的轴部的周围进行保持，在该状态下进行头部的镦锻，成形出轴部倾斜的铆钉中间产品(参照图3a所示的铆钉中间产品11)。接着，作为第二工序，对所述铆钉中间产品的轴部的前端外周部施加自由锻造(参照图3a)，成形出突出部35以及第二轴部36。

图7b的铆钉37与铆钉1的不同之处在于，头部38的上部外周部38a向轴部39侧倾斜且头部38整体薄壁化。其他方面与铆钉1相同。由于头部38薄壁化，从而铆钉37轻量化，由于头部38的上部外周部38a倾斜，从而与铆接接合后的轻合金材的台阶变小。

图7c的铆钉41是本发明的铆钉的基本形，与铆钉1的不同之处在于，在头部42不存在环绕第一轴部43的环状的槽，在第二轴部44的前端未形成突起。其他方面与铆钉1相同。需要说明的是，形成于铆钉1的头部2的槽8具备在铆钉钉入时轻合金材供材料流入从而提高铆接接合的强度的作用。另外，形成于铆钉的第二轴部6的突起7具有使点焊时的焊接电流集中在以突起7为中心的区域从而使熔核容易形成于铆钉中心部的作用。

实施例

接着，与脱离本发明的范围的比较例相比较地说明本发明的实施例的效果。

<铆钉的锻造加工性>

尝试仅通过锻造加工来成形通过轴中心的剖面的轮廓为图8a、图8b、图8c、图8d所示的形状的铆钉(均为旋转体)。这些铆钉均是：头部的直径为10mm，从头部上端到轴部前端(除了突起以外)的高度为3.5mm。图8a的铆钉是本发明的铆钉，第一轴部的直径为5.8mm，第二轴部的直径为4.8mm。在图8b的铆钉中，轴部的直径为5.8mm，直径沿着轴向实质上未变化。在图8c的铆钉中，轴部的直径形成为越趋于前端部则越大，轴部的前端部的直径(最大径)为5.8mm。该铆钉的剖面形状与专利文献1、2所记载的铆钉的剖面形状类似。在图8d的铆钉中，轴部的中心部向内弯曲而缩径，下端的直径为5.8mm。

上述图8a、图8b的铆钉能够仅通过锻造加工而无问题地成形。另外，在头部的厚度(th)为0.8mm～1.5mm的范围内，能够仅通过锻造加工而成形。另一方面，图8c、图8d的铆钉均在轴部存在深的咬边部，仅通过锻造加工无法得到目标形状。

<接合强度试验>

接着，使用能够通过锻造加工形成的上述图8a、图8b的铆钉进行了接合试验。准备铆钉头部的厚度(th)分别为0.8mm、1.2mm的铆钉。另外，在上述图8a、图8b的各铆钉的表面，如图2所示由lafre(注册商标)形成了绝缘层。

向板厚1.2mm的6000系铝合金材钉入上述图8a、图8b的各铆钉，并将其与铝合金材铆接接合。

接着，将铆钉以重叠余量30mm重叠于板厚1.0mm的冷轧钢板(spcc)并对铆钉与钢板进行点焊，制作出铝合金材-钢材的异种材料接合体。作为焊接条件，电极使用铬铜合金(直径16mm、前端面的曲率半径80mm)的dr形电极，在由一对电极夹持铆钉和钢板之后，设为加压力为3kn、焊接电流为7000a、通电时间为200msec这样的条件。

接着，从该点焊后的异种材料接合体以点焊部中心切出宽度30mm×长度200mm的接头试验片，把持钢板和铝合金板而进行拉伸试验直到断裂为止，测定出拉伸强度。在点焊部产生了断裂。

而且，使用与拉伸试验同样地获取的试验片，由夹具夹持铝合金板并扭转直到与铆钉之间产生旋转为止，测定出转矩(铆接力)。

表1中示出制作出的图8a、图8b的各铆钉的头部的厚度、点焊的熔核直径、拉伸强度(接合强度)、以及转矩(铆接力)。

[表1]

如表1所示，在使用了图8a的铆钉的情况下，即使头部薄壁化也呈现出高的拉伸强度(接合强度)，铆接力(转矩)几乎未降低。

另一方面，在使用了图8b的铆钉的情况下，发现了认为因点焊时的分流而引起的熔核直径的减小。拉伸强度(接合强度)也大幅降低，对于使头部薄壁化的铆钉，发现了铆接力(转矩)的降低。

本申请以2015年1月20日申请的日本专利申请(特愿2015-8435)为基础，将其内容作为参照而援引于此。

附图标记说明

1异种材料接合用锻造铆钉

2头部

3轴部

4第一轴部

5突出部

6第二轴部

7突起

8槽

9绝缘层