JP2004276058A

JP2004276058A - 溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接方法および抵抗スポット溶接接合体

Info

Publication number: JP2004276058A
Application number: JP2003069786A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Sakaguchi; 修一阪口; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接において、電極寿命を向上させることができる溶接方法およびその接合体を提供する。
【解決手段】溶融亜鉛めっき鋼板を抵抗スポット溶接する際に、正極側電極が清浄性の要求される側に来るように配置して、直流電流を用いて通電時間：０．１〜０．３秒の条件で溶接することにより、電極成分であるＣｕの付着のない清浄な溶接面をもった接合体を得る。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接技術に関し、特に、安定したナゲット径を長く維持できる電極寿命の長い抵抗スポット溶接方法およびその方法により得られる抵抗スポット溶接接合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車車体の外板に用いられている軟鋼板および高張力鋼板としては、車体寿命の向上を目的として、耐食性に優れた溶融亜鉛めっき鋼板が多く使用されている。しかし、溶融亜鉛めっき鋼板を抵抗スポット溶接する場合には、亜鉛の融点が低いために溶接電流の通路面積が広がって電流密度が下がるために、高い溶接電流が必要となる。また、亜鉛は電極の銅と容易に合金を生成し、鋼板との溶着を起こしやすいために、他のめっき鋼板と比較して電極寿命が著しく短くなるという問題がある。
【０００３】
上記の問題を改善するために、めっき後に加熱処理し亜鉛めっき層をＦｅとの合金とした合金化溶融亜鉛めっき鋼板が開発され、日本国内で一般的に使用されている。しかし、合金化することによりめっき層が硬化し加工性の劣化を招きやすいことや、合金化熱処理には高度の操業技術が必要となることなどのため、日本国内以外では、現在でも、耐食性が要求される自動車外板には溶融亜鉛めっき鋼板が広く用いられている。
【０００４】
そこで、電極寿命の向上を目的として、例えば、亜鉛めっき鋼板の表面にＺｎＯを主体とする酸化皮膜を付与したり、あるいは、めっき表面のＺｎ量、Ａｌ_２Ｏ_３量を規定した鋼板を用いたりすることにより抵抗スポット溶接性を改善しようとする技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。しかしながら、これらの技術は、鋼板めっき層の改善のみで溶接性を改善しようとするものであり、めっき層が容易に溶融する溶融亜鉛めっき鋼板の場合には、大きな効果が期待できないという問題がある。
【０００５】
また、亜鉛めっき層中のＡｌ量を低減することにより電極寿命の改善を図る技術（例えば、特許文献３参照。）も提案されているが、Ａｌ量の低減は、硬くて脆いＦｅ−Ｚｎ合金層の発達を促進するため、めっき性状の劣化を招くという問題があり、他の特性を害することなく溶接性を改善することは難しい。
【０００６】
一方、溶接機の面からの検討は余り行われていない。例えば、自動車の組立工程における抵抗スポット溶接には、通常、交流式の溶接機が用いられており、直流式の溶接機は、設備が高価であるために、アルミニウム合金のような高電流が必要な分野にしか用いられていなかった。一方、１９９０年代にトランスが軽量なインバータ方式の直流溶接機が開発されたことにより、ロボット搭載用として導入され始めている。しかし、高電流が比較的小型で軽量なトランスで得られること以外には際だった利点がないことから、交流式の代替となるまでには至っていない。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２３０８６１号公報
【特許文献２】特開平１０−３３０９０２号公報
【特許文献３】特開平０４−０２１７５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、溶融亜鉛めっき鋼板の電極寿命の改善は、まだまだ不十分であり、そのため、自動車のホワイトボディの組立溶接ラインにおいては、電極を頻繁に交換して対応せざるを得ず、生産性を低下させる要因となっている。また、抵抗スポット溶接の際に発生する電極先端の融着により、接合体の表面には銅が付着する。この銅が付着した部分は、後工程の外板塗装に悪影響を及ぼし塗装ムラや塗装剥離の原因ともなっている。そのため、溶融亜鉛めっき鋼板を有効に利用するためにも、抵抗スポット溶接性の改善技術すなわち電極寿命の向上技術の開発が望まれている。
【０００９】
本発明の目的は、溶融亜鉛めっき鋼板を抵抗スポット溶接する場合において、電極寿命を向上させることができる溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接方法およびその接合体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ところで、直流電流による抵抗スポット溶接では、極性効果があり、例えば、Ａｌの溶接においては、ナゲットが正極側電極に偏ること、また、電極の損耗は、正極側より負極側の方が激しくなることが知られている。そこで、発明者らは、溶融亜鉛めっき鋼板を抵抗スポット溶接する際の電極先端の消耗現象と溶接条件との関係に着目して検討を行った。その結果、溶融亜鉛めっき鋼板では、めっき過程でのめっき層へのＦｅの拡散を抑え合金化を抑制するために、Ａｌを０．１〜０．２ｍａｓｓ％めっき層に含有させているが、このＡｌ含有量によって電極寿命が大きく影響されること、すなわち、めっき層中のＡｌ量が少ない溶融亜鉛めっき鋼板や電気亜鉛めっき鋼板の場合には、抵抗スポット溶接の電極先端には保護皮膜が生成・発達するが、通常の溶融亜鉛めっき鋼板ではほとんど発達しないことを知見した。そして、上記現象は、交流溶接の場合には、溶接条件を調整しても保護層の生成は困難であるが、直流溶接の場合には、適切な溶接条件であれば、Ａｌの量に係わらず（Ａｌを多く含んでいても）正極側の電極先端には保護皮膜となる合金層が生成されることがわかった。本発明は、上記知見に基づき開発されたものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接方法であって、直流電流を用いて通電時間：０．１〜０．３秒の条件で溶接することを特徴とする抵抗スポット溶接方法である。
【００１２】
また、上記本発明の溶接方法においては、正極側電極を溶融亜鉛めっき鋼板の清浄性の要求される側に配置して溶接することが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、上記溶接方法により溶接された接合体であって、正電極が接した溶融亜鉛めっき鋼板表面の銅付着量が、負電極が接した溶融亜鉛めっき鋼板表面よりも少ないことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接接合体である。なお、上記接合体は、ピール剥離した時のボタン径が、４√ｔ（ｔ：板厚）を超えていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の開発の契機となった電極の先端に形成される合金層の保護皮膜の断面を模式的に図１に示す。この合金層は、直流電流を用いて溶接したときに、正極側電極にのみ形成されるもので、負極側電極には形成されない。合金層の断面について分析した結果、電極の表面側は、Ｆｅ−Ｚｎ−Ｏ層であり、その内部にＣｕ−Ｚｎ層が存在している。これらの合金層の存在により、鋼板表面の亜鉛めっき層と電極とが直接接触することが回避され、電極寿命を向上する効果が得られる。
【００１５】
次に、本発明に係る溶接方法について、その限定理由について説明する。
溶接電流：直流電流
溶接電流は、直流電流とする必要がある。溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接における電極寿命を改善するためには、電極表面に剥離しにくい合金層の保護皮膜を生成させることが最も効果的である。その点、交流電流を用いた場合には保護皮膜の形成は期待できないが、直流電流を用いた場合には、下記の条件を満たす場合には、正極側の電極先端には合金層が形成され、電極の消耗を有効に抑制する保護皮膜となる。なお、負極側の電極先端は、交流電流の場合より激しく損耗する傾向があるが、正極側電極に生成する合金層の効果により、通電路の面積の拡大が抑制され、電極寿命が顕著に改善される。
【００１６】
通電時間：０．１〜０．３秒
溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接では、直流電流を用いた場合に正極側電極にのみ保護皮膜である合金層が生成する。しかし、溶接電流の通電時間が０．１秒未満では、合金層を生成するためのめっき層成分（Ｚｎ，Ｆｅ）が電極に移行するには不十分であり、合金層が生成しない場合がある。一方、０．３秒を超える通電時間では、負極側電極の損耗が著しくなって電極寿命が却って短くなる。そのため、通電時間は０．１〜０．３秒に制限する必要がある。
【００１７】
本発明では、その他の溶接条件、たとえば溶接電流、スクイズ時間（初期加圧時間）、保持時間ならびに加圧力等については、特に制限を設ける必要がなく、常法に従い適宜決定すればよい。
【００１８】
なお、本発明の溶接方法は、前述したように、溶接性を劣化させると考えられる亜鉛めっき層中のＡｌ量に係わらず、正極側の電極先端に保護皮膜を形成できることに特徴があり、めっき層の清浄さや加工性の必要性からＡｌを多く含有する溶融亜鉛めっき鋼板の溶接に適用することができる。特に、本発明の溶接方法は、その効果を得るためには、亜鉛めっき層中に０．２ｇ／ｍ^２以上のＡｌを含有する溶融亜鉛めっき鋼板に適用することが望ましい。
【００１９】
また、本発明の溶接方法では、上記特徴の効果として、保護皮膜が形成される正極側では、電極が鋼板表面に融着し、鋼板表面に電極成分であるＣｕが付着するのを有効に防止し得ることから、負極側よりも清浄な溶接面をもった接合体を得ることができる。したがって、塗装品質等を重視する自動車の外板の溶接に適用する場合には、外面側に正極を配置して溶接することにより、負極側よりＣｕ付着の少ない塗装品質の優れた接合体を得ることができる。
【００２０】
【実施例】
表１に示す２種類の鋼板Ａ，Ｂを供試材とし、これらの鋼板から採取した試験片を２枚重ねて抵抗スポット溶接を行い、電極寿命の測定を行った。溶接機にはインバータ式直流溶接機および比較例に単相交流式溶接機を用いた。溶接条件は、ＤＲ型（先端径ｄ：６ｍｍφ、先端の曲率半径Ｒ：４０ｍｍ、元径Ｄ：１６ｍｍφ）の電極を用い、加圧力：１９６０Ｎ（２００ｋｇｆ）、スクイズ時間：０．６秒、保持時間：０．１秒、打点間隔：２秒で連続して溶接を行った。なお、電極寿命は、１００打点毎にピール試験片（２５×８０ｍｍ）に３点の溶接を行い、その溶接部をピール剥離し、その時のボタン径が４√ｔ以下（ｔ：板厚）になる直前の打点数とした。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表２に溶接条件と電極寿命の測定結果をまとめて示した。この表から、本発明に係るＮｏ．１〜４の条件で溶接を行った場合には、２０００打点数以上の高い電極寿命が得られている。これに対し、本発明の範囲外の条件で溶接を行った場合（Ｎｏ．５〜７）には、電極寿命が最高でも１２００打点数しかなく、電極寿命は不十分であった。
【００２３】
【表２】

【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接を、直流電流を用いて、通電時間を適正に管理することにより、正極側電極先端に保護皮膜を形成し、電極と鋼板との融着を防止することができるので、電極寿命を大幅に延長することができる。また、本発明によれば、正極側電極が接した鋼板表面をＣｕ付着のない清浄な面とすることができるので、自動車外板の溶接に適用することにより、塗装品質の優れた接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極先端部に形成される合金層の断面拡大写真である。
【図２】電極先端部に形成される合金層の断面拡大写真の模写図である。

Claims

溶融亜鉛めっき鋼板を、直流電流を用いて通電時間：０．１〜０．３秒の条件でスポット溶接することを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
上記溶接方法において、正極側電極を溶融亜鉛めっき鋼板の清浄性の要求される側に配置して溶接することを特徴とする請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
請求項１または２の溶接方法により溶接された接合体であって、正電極が接した溶融亜鉛めっき鋼板表面の銅付着量が、負電極が接した溶融亜鉛めっき鋼板表面よりも少ないことを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接接合体。