JP2003200269A

JP2003200269A - 高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法

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Publication number: JP2003200269A
Application number: JP2001398907A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kamakura; 和彦鎌倉; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-15
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP3849525B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部
割れを防止し、高品質溶接部を形成できる高張力亜鉛系
めっき鋼板のスポット溶接方法を提案する。【解決手段】高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接
するにあたり、所望のナゲット径ｄ以上で、かつ溶融残
厚が0.05mm以上であるナゲットを安定して形成できる、
適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上、好ましくは2.0kA 以上
となるように、通電時間、溶接電流等の溶接条件を調整
して２段通電によるスポット溶接で溶接する。第１段通
電の通電時間は２サイクル以上６サイクル以下、第２段
通電の通電時間を第１段の通電時間の１倍以上５倍以下
とし、第２段通電の溶接電流を、第１段通電の溶接電流
の0.3 倍以上0.9 倍以下とすることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重ね抵抗溶接法の
一種であるスポット溶接法に係り、とくに高張力亜鉛系
めっき鋼板のスポット溶接における耐溶接割れ性の改善
に関する。なお、ここでいう亜鉛系めっきとは、電気亜
鉛めっき、溶融亜鉛めっき（合金化溶融亜鉛めっきを含
む）に代表される、亜鉛や亜鉛合金のめっきをいうもの
とする。

【０００２】

【従来の技術】亜鉛系めっき鋼板は、耐食性が良好であ
ることから、自動車、家電などの分野で幅広く用いられ
ている。特に自動車用として用いられる亜鉛系めっき鋼
板は、自動車車体の軽量化、および衝突安全性の観点か
ら、高強度化が要望され、各種の高張力亜鉛系めっき鋼
板が開発されてきた。しかしながら、このような高張力
亜鉛系めっき鋼板では、スポット溶接を行うと、スポッ
ト溶接部に割れが発生するという問題がある。

【０００３】このスポット溶接部の割れは、溶接部表面
の亜鉛が溶融するとともに、電極の加圧力や鋼板の熱膨
張、収縮による引張応力が溶接部に加わることにより、
溶融した亜鉛が鋼板の結晶粒界に侵入して粒界強度を低
下させ、割れを引き起こす、いわゆる液体金属脆性に起
因する割れであるといわれている。このような液体金属
脆性起因の割れを防止する対策としては、例えば、特開
平10-195597 号公報には、被溶接材である鋼板の組成を
特定範囲の組成、具体的には、Ｃ：0.003 〜0.01％、M
n：0.05〜0.5 ％、Ｐ：0.02％以下、sol.Al：0.1 ％以
下、Ti：48×（Ｎ／14）〜48×｛（Ｎ／14）＋（Ｓ／3
2）｝％、Nb：93×（Ｃ／12）〜0.1 ％、Ｂ：0.0005〜
0.003 ％、Ｎ：0.01％以下、Ni：0.05％以下を含有する
組成とする接合性に優れた鋼板が提案されている。

【０００４】また、特開平9-291338号公報には、液体金
属脆性割れを防止できる鋼板、具体的には、組成がＣ：
0.05〜0.15％、Si：0.3 ％以下、Mn：２％以下、sol.A
l：0.1 ％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物
からなり、Ｓを0.01％以下に制御してなる組成を有し、
α／γ２相域で圧延することによって生成させた展伸フ
ェライトを主体とする組織が、50μm 以上の厚みで鋼板
表層部に存在する鉄塔用鋼板が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、自動車車体の軽
量化要求が厳しくなるにともない、自動車用鋼板には更
なる高強度化が要望されている。一般に、液体金属脆性
割れは鋼板強度が高くなればなるほど発生しやすい傾向
にあると言われており、引張強さ300MPa程度から問題と
なり、引張強さ600MPa以上ではさらに顕著となる。した
がって、更に高強度化された自動車用高張力亜鉛系めっ
き鋼板のスポット溶接部における割れは、特開平10-195
597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたような
鋼板組成、組織を制御する方法のみでは、完全には防止
することができないという問題がある。また、特開平10
-195597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたよ
うな、鋼板組成、組織を制御する方法は、加工性や靱性
等の鋼板諸特性を劣化させる場合があり、鋼板用途が限
定されるという欠点もある。

【０００６】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部割
れを防止し、高品質のスポット溶接部を形成できる高張
力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法を提案すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、スポット溶接部の液体金属脆性
割れ（以下、スポット溶接部割れ、あるいは単に溶接部
割れともいう）と、スポット溶接条件、および形成され
るナゲット形状との関係について、鋭意研究した。その
結果、高張力亜鉛系めっき鋼板を種々の溶接条件にてス
ポット溶接を行い溶接部割れの発生を調査したところ、
図１に示すような、ナゲットの板厚方向への溶けこみが
比較的少なく溶融残厚が大きい、すなわち偏平なナゲッ
ト形状が得られる場合に、溶接部割れ発生が抑制される
ことを見いだした。なお、ここでいう「溶融残厚」と
は、図１に示すように、鋼板表面からスポット溶接によ
り溶融した溶融面までの最短距離Δｔをいうものとす
る。

【０００８】また、本発明者らは、高張力亜鉛系めっき
鋼板のスポット溶接では、溶接部割れ防止のためには、
溶融残厚が0.05mm以上のナゲット形状とする必要がある
ことを見出した。さらに、本発明者らは、上記したよう
な偏平なナゲット形状を得て、溶接部割れを防止するた
めには、スポット溶接に際し、溶接途中に溶接電流が変
化する２段通電とすることが、溶接効率上からも好まし
いことを知見した。また、２段通電とし、さらに、溶接
電流、通電時間等の溶接条件を調整して、適正電流範囲
ΔＩが1.0kA 以上とすることが溶接作業上好ましいこと
を見出した。また、上記したような偏平なナゲット形状
および／または上記した適正電流範囲を得るためには、
２段通電のスポット溶接における通電時間、および溶接
電流を適正範囲内とすることがよいことを見出した。

【０００９】本発明は、かかる知見に基づいて、さらに
検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明
は、高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接するにあた
り、形成されるナゲットが、次（１）式ｄ＝ｋ√ｔ ………（１）（ここで、ｄ：所望のナゲット径（mm）、ｋ：係数、３
〜６の間で施工条件に合わせて選択される係数、ｔ：鋼
板板厚（mm））で定義される所望のナゲット径ｄ以上
で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲットとなるよ
うに、溶接条件を調整して２段通電とするスポット溶接
で、溶接することを特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板
のスポット溶接方法である。

【００１０】また、本発明では、前記溶接条件を、適正
電流範囲ΔＩが1.0 kA以上となるように調整することが
好ましい。また、本発明では、前記溶接条件を、第１段
通電の通電時間が２サイクル以上、６サイクル以下と
し、第２段通電の通電時間が第１段の通電時間の１倍以
上、５倍以下となるように設定することが好ましい。ま
た、本発明では、前記溶接条件を第２段通電の溶接電流
が、第１段通電の溶接電流よりも低くなるように設定す
ることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。従来から、スポット溶接では、使用する電極、溶
接電流、電極加圧力、通電時間等を所望のナゲット形状
が得られるように、とくに溶接電流を調整している。本
発明では、高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接する
際に、溶接部割れの発生もなく、高品質のナゲット溶接
部を得るために、形成されるナゲットが、所望のナゲッ
ト径ｄ以上で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲッ
トとなるように、スポット溶接条件を調整して、溶接途
中に溶接電流が変化する２段通電とするスポット溶接で
溶接する。ナゲットの溶融残厚が0.05mm未満となるよう
なスポット溶接条件では、溶接割れが発生する。

【００１２】なお、所望のナゲット径ｄは、被溶接材で
ある高張力亜鉛系めっき鋼板の板厚（ｔ）に依存して決
定されている。一般には、所望のナゲット径ｄは、次
（１）式ｄ＝ｋ√ｔ ………（１）ここで、ｄ：所望のナゲット径（mm）、ｋ：係数ｔ：鋼板板厚（mm）を用いて決定されている。係数ｋは、３〜６の間の施工
条件に合わせて任意に選択されているが、ｋ＝４を選択
する場合が多い。

【００１３】所望のナゲット径ｄを得るためには、一定
以上の溶接電流で溶接することが必要となる。通常は、
溶接電流を一定のまま保持しつづけてスポット溶接を行
う。しかし、溶接電流を一定のまま保持しつづけるスポ
ット溶接の場合は、小電流で通電時間を長くすることに
より、比較的偏平なナゲット形状が得やすいが、溶接効
率が低下する。一方、大電流で短時間通電すると通電中
の温度上昇にともない、鋼板の軟化、接触面積の拡大が
十分起こる前にナゲットが形成、成長するため、図２に
示すような、径に比べ厚みのあるナゲット形状となりや
すい。

【００１４】本発明では、溶接途中で電流値が変化する
２段通電としてスポット溶接を行う。同一板厚の高張力
亜鉛系めっき鋼板を溶接電流値を変化させて、２段通電
とするスポット溶接を行った場合のナゲット径と溶融残
厚との関係を模式的に図３に示す。図３中の溶接条件
（ａ）、（ｂ）は通電時間、（第１段の通電時間）／
（第２段の通電時間）が異なる条件でスポット溶接した
場合である。溶接電流を増加するにしたがい、ナゲット
径は増大するが、それとともに被溶接材（鋼板）の板厚
方向へも溶融領域が拡大し、溶融残厚Δｔが少なくな
り、ついには0.05mm未満となり、前記したような溶接部
割れが発生する。

【００１５】図３の溶接条件（ａ）のように、溶接部割
れを発生させないで、すなわち溶融残厚Δｔが0.05mm以
上で、かつ所望のナゲット径ｄ以上のナゲット径を有す
るナゲットが得られる条件（図３の斜線領域内となりう
る条件）が広く取りうるほど、すなわち所望のナゲット
径ｄが得られる電流条件（電流値）と溶接部割れ（また
は溶着）が発生する電流条件（電流値）の差（以下、適
正電流範囲：ΔＩという）が大きい溶接条件であるほ
ど、溶接部割れの発生を安定して抑制でき、高品質スポ
ット溶接部を安定して得るというスポット溶接作業上は
好都合である。

【００１６】なお、適正電流範囲ΔＩは、２段通電の第
２段通電における電流値で算出するものとする。２段通
電における適正電流範囲ΔＩは、第１段通電の溶接電流
を固定、または（第１段溶接電流）／（第２段溶接電
流）を一定として、第２段通電の溶接電流を変化させ、
ナゲット径が所望のナゲット径ｄを超えた第２段電流の
最小電流をＩａ、溶接割れが発生した第２段通電の最小
電流をＩｂとすると、ΔＩ＝Ｉｂ−Ｉａで表される。

【００１７】本発明では、スポット溶接作業上から、適
正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上、好ましくは2.0kA 以上で
ある溶接条件でスポット溶接することが、高品質のスポ
ット溶接部を安定して得るというスポット溶接作業上か
ら好ましい。２段通電のスポット溶接における電流値の
変化の一例を模式的に図４に示す。本発明における２段
通電では、第２段通電の溶接電流を第１段通電の溶接電
流よりも下げることが好ましい。これにより、比較的偏
平なナゲット形状がより短時間通電でも得られるように
なる。

【００１８】２段通電により、比較的偏平なナゲット形
状が短時間通電でも得られるようになる理由について
は、現在までに十分には解明されていないが、本発明者
らは以下のように考えている。すなわち、第１段通電に
より、ナゲット形成開始前後まで鋼板の軟化、接触面積
の拡大が図られ、第２段通電により、ナゲットの成長速
度を抑えることにより急激な板厚方向への溶けこみが防
止され、扁平なナゲット形状となると考えられる。第２
段通電の溶接電流を第１段に比べ低くすることがナゲッ
トの成長速度を抑えることに有効であると考えられる。

【００１９】本発明では、上記した形状のナゲット形
成、あるいは上記した適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上と
するには、２段通電の各段の、通電時間および／または
溶接電流を適正に調整して、スポット溶接することが好
ましい。スポット溶接では、初期の電極加圧により鋼板
の接触した部分から通電が開始され、通電経路にナゲッ
トが形成され始める。第１段通電の通電時間が２サイク
ル未満では、温度上昇にともなう鋼板の軟化と接触面積
の拡大が起こる以前に、通電が終了してしまう。このた
め、通電面積が限定され、板厚方向に厚いナゲット形状
となり、溶融残厚が0.05mm未満となりやすい。また、通
電時間が短すぎると電流の制御が困難となる問題もあ
る。一方、第１段通電の通電時間が６サイクルを超える
と、第１段通電でナゲットの生成、成長が進行してしま
うため、第２段通電の効果が得られなくなる。なお、よ
り好ましくは２〜４サイクルである。

【００２０】本発明では、上記した条件で第１段通電を
行ったのち、引き続いて、第２段通電を行う。本発明で
は、第２段通電の通電時間は、第１段通電の通電時間の
１倍以上、５倍以下とすることが好ましい。第２段通電
の通電時間が第１段通電の通電時間の１倍未満では、ナ
ゲットの成長が十分に行われない。一方、第２段通電の
通電時間を第１段通電の通電時間の５倍を超えて延長し
ても、通電時間中にナゲットの凝固が開始され、ナゲッ
トの成長には寄与しないため、溶接効率の低下を招く。

【００２１】また、本発明では、第２段通電の溶接電流
を第１段通電の溶接電流よりも低くすることが好ましい
が、より好ましくは、第２段通電の溶接電流を第１段通
電の溶接電流の0.3 倍以上、0.9 倍以下とすることが好
ましい。第２段通電の溶接電流が第１段通電の溶接電流
の0.9 倍を超えると、ナゲットの成長速度を抑える効果
が低下する。一方、第２段通電の溶接電流が第１段通電
の溶接電流の0.3 倍未満では第２段通電の溶接電流が過
小となり、第２段通電時のナゲット径の成長が十分に行
われなくなる。

【００２２】通電時間および／または溶接電流を上記し
た範囲に調整することにより、板厚方向の溶融を調整す
ることができ、適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上に調整す
ることもできる。なお、本発明では、使用する電極につ
いては特に限定する必要はなく、通常公知の電極がいず
れも使用可能であるが、なかでも電極の先端径が所望の
ナゲット径ｄ以上で、かつ先端曲率半径が40mm以上であ
る形状の電極を使用することが好ましい。

【００２３】電極の先端径が所望のナゲット径ｄ未満で
は、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さく、し
たがって通電面積が限られるため、必要ナゲット径ｄに
達するまでに板厚方向への溶融も進行し、厚みのあるナ
ゲット形状となる。このため、溶融残厚Δｔが少なくな
り、溶接部割れが発生しやすくなる。なお、より好まし
くはｄ＋１mm以上、さらに好ましくはｄ＋２mm以上であ
る。

【００２４】また、使用する電極の先端曲率半径が40mm
未満では、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さ
く、したがって通電面積が限られるため、先端径が小さ
いときと同様に、必要ナゲット径ｄに達するまでに板厚
方向への溶融も進行し、厚みのあるナゲット形状とな
る。このため、溶融残厚Δｔが少なくなり、溶接部割れ
が発生しやすくなる。

【００２５】本発明により、高張力亜鉛めっき系鋼板を
スポット溶接すると、溶接部割れ性が改善される理由に
ついては、現在までのところ十分には解明されてはいな
いが、本発明者らは以下のように推測している。すなわ
ち、本発明のスポット溶接方法では、板厚方向への溶け
こみが少ないナゲットが得られ、溶融面から鋼板表面へ
の距離（溶融残厚Δｔ）が長くなるため、同一ナゲット
径で比較して溶融残厚Δｔの小さいナゲット（図２）が
得られる従来の溶接方法に比べ、鋼板表面の温度が比較
的低く抑えられていると予想される。鋼板表面温度が低
く抑えられていると、温度上昇が少なく粒界強度の低下
も少ないことから、溶接部割れ性が改善されたと考えら
れる。

【００２６】

【実施例】590MPa級高張力鋼板( 板厚：1.2mm ）の表裏
面に片面当たり45g/m²の合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡめ
っき）を施した高張力亜鉛系めっき鋼板を重ね合わせ
て、２段通電とするスポット溶接を実施した。必要ナゲ
ット径は、４√ｔ＝4.38mm（ｔ：鋼板板厚）と設定し
た。

【００２７】なお、スポット溶接では、元径：16mmφ、
先端径：６mmφで、先端曲率半径：40mmのＤＲ型電極を
使用した。溶接機は、単相交流抵抗スポット溶接機を使
用した。なお、通電時の電極加圧力は2450Ｎ、溶接電流
は第１段通電の電流値を5.0 kAから0.5 kA毎に増加さ
せ、第２段通電の電流値は第１段通電の電流値と一定の
比になるように設定し、溶着発生まで溶接を行った。な
お、（第２段通電の溶接電流値）／（第１段通電の溶接
電流値）の比は、0.2 、0.3 、0.5 、0.8 、1.0 に変化
させた。また、通電時間は第１段通電の通電時間を１、
２、３、６、10サイクルとし、第２段通電の通電時間を
第１段通電の通電時間と一定の比になるように設定し
た。なお、（第２段通電の通電時間）／（第１段通電の
通電時間）の値は、0.5 、0.67、0.83、1.0 、3.0 、4.
0 、6.0 に変化させた。

【００２８】得られたスポット溶接部について、溶接部
割れの発生およびナゲット形状の調査を実施した。溶接
部割れ発生の調査は、スポット溶接部を目視観察により
割れ発生の有無を調査した。また、ナゲット形状の調査
は、溶接部を含む試験片を溶接部中央で切断し、研磨、
エッチングして、ナゲット径を測定した。これらの結果
からナゲット径が所望のナゲット径ｄを超える溶接電流
値と、溶着または溶接部割れが発生する溶接電流値との
差、すなわち、適正電流範囲ΔＩ、を各溶接条件で算出
した。この適正電流範囲ΔＩを、溶接部割れの発生がな
い、高品質スポット溶接部安定形成性（高品質溶接部形
成性ともいう）の指標とした。ΔＩが２kA以上で◎、２
kA未満1.0 kA以上が○、1.0 kA未満が△、0 kAが×とし
て評価した。ΔＩ＝０kAでは、所望のナゲット径ｄ以上
で、溶接割れなしを満足するナゲットが形成されないこ
とを意味する。

【００２９】また、溶接施工においては、溶接効率の向
上は重要項目であり、溶接施工時間の長短は溶接コスト
の高低に影響する。スポット溶接においては通電時間が
溶接効率を支配しており、通電時間で溶接効率を評価し
た。通電時間：15サイクル以下を○、16サイクル以上30
サイクル以下を△、31サイクル以上を×として評価し
た。

【００３０】また、さらに、高品質溶接部形成性と溶接
効率の評価を考慮して、総合評価を行った。総合評価で
は、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が○の場合
を総合評価◎とし、高品質溶接部形成性が○以上で溶接
効率が△の場合を総合評価○、高品質溶接部形成性が○
以上で溶接効率が×の場合を総合評価△、高品質溶接部
形成性が△で溶接効率が○または△、または×の場合を
総合評価△、高品質溶接部形成性が×で溶接効率が○、
または△、または×の場合を総合評価×とした。

【００３１】得られた結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【表３】

【００３５】本発明例はいずれも、溶接部割れの発生す
る危険性が少なくなり、高品質溶接部形成性に優れた溶
接方法となっている。これに対し、本発明の範囲を外れ
る比較例は、溶接部割れの発生する危険性が高く、高品
質溶接部形成性が低下している。通電時間、溶接電流の
いずれかまたは全部が本発明の好適範囲を外れると溶接
部割れが発生しやすくなり、高品質溶接部形成性が低下
または顕著に低下する。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、表面に
亜鉛系めっき層を形成した高張力亜鉛めっき系鋼板をス
ポット溶接した際に多発する溶接部割れを安定して抑制
でき、高品質のスポット溶接部を安価にしかも安定して
形成でき、産業上格段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスポット溶接方法を適用したスポット
溶接部のナゲット形成状況の一例を示す模式断面図であ
る。

【図２】本発明範囲を外れる溶接方法で溶接したスポッ
ト溶接部のナゲット形成状況の一例を示す模式断面図で
ある。

【図３】溶接電流変化による、ナゲット径と溶融残厚の
関係を模式的に説明する説明図である。

【図４】本発明の２段通電とするスポット溶接における
溶接電流の変化の一例を示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接
するにあたり、形成されるナゲットが、下記（１）式で
定義される所望のナゲット径ｄ以上で、かつ溶融残厚が
0.05mm以上であるナゲットとなるように、溶接条件を調
整して、２段通電とするスポット溶接で溶接することを
特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方
法。記ｄ＝ｋ√ｔ ………（１）ここで、ｄ：所望のナゲット径（mm）ｋ：係数；３〜６の間で施工条件に合わせて選択される
係数ｔ：鋼板板厚（mm）
【請求項２】前記溶接条件を、適正電流範囲ΔＩが1.
0 kA以上となるように調整することを特徴とする請求項
１に記載の高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方
法。
【請求項３】前記溶接条件を、第１段通電の通電時間
が２サイクル以上、６サイクル以下とし、第２段通電の
通電時間が第１段の通電時間の１倍以上、５倍以下とな
るように設定することを特徴とする請求項１または２に
記載の高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。
【請求項４】前記溶接条件を、第２段通電の溶接電流
が、第１段通電の溶接電流よりも低くなるように設定す
ることを特徴とする請求項３に記載の高張力亜鉛系めっ
き鋼板のスポット溶接方法。