JP2005262259A - 抵抗スポット溶接継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 散りを発生することなく、必要サイズのナゲットを有するスポット溶接継手の製造方法を提案する。
【解決手段】 複数枚の金属板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接により溶接接合するにあたり、第一段および第二段の二段階からなるスポット溶接とし、第二段の溶接を第一段の溶接に比べ、高加圧力で低電流、長通電時間の溶接とする。第一段の加圧力Ｐ_I、溶接電流Ｉ_Ｉ、通電時間Ｔ_Ｉを、前記複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚tmとの関係で、0.8tm≦Ｐ_Ｉ≦５tm、３tm＋５≦Ｉ_Ｉ、２≦Ｔ_Ｉ≦６（ここで、tm：複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚（mm））を満足する溶接とし、第二段の加圧力Ｐ_II、溶接電流Ｉ_II、通電時間Ｔ_IIを、1.1Ｐ_Ｉ≦Ｐ_II≦10Ｐ_Ｉ、0.5Ｉ_Ｉ≦Ｉ_II≦Ｉ_Ｉ、Ｔ_Ｉ≦Ｔ_II≦10Ｔ_Ｉを満足する溶接とすることが好ましい。これにより、散りの発生もなく、必要サイズのナゲット径を有するスポット溶接継手が得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接法に係り、とくに複数枚の薄肉の金属板（被溶接材）を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接法により、散りの発生なく所望サイズのナゲットを形成し、抵抗スポット溶接継手とする、抵抗スポット溶接継手の製造方法に関する。

一般に、重ね合わせられた金属板同士の接合には、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接法が用いられている。例えば、自動車の製造にあたっては１台あたり数千点ものスポット溶接がなされている。この溶接法は、２枚以上の金属板を重ね合わせ、その表面を直接、上下の電極で挟み加圧力を加えながら、上下電極間に大電流の溶接電流を短時間通電して接合する方法である。大電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用して、点状の溶接部が得られる。この点状の溶接部は、ナゲットと呼ばれ、両金属板に電流を流した際に両金属板の接触箇所で両金属板が溶融し、凝固した部分であり、これにより両金属板が点状に接合される。

抵抗スポット溶接部の接合強度は、ナゲット径により左右されるため、自動車部品等の高い接合強度を必要とする場合にはとくに、所定の径以上のナゲット径を確保することが重要となってくる。一般に、加圧力、通電時間を一定とした場合には、ナゲット径は、溶接電流の増加にしたがって徐々に増加するが、ある値以上になると金属板間に溶融金属が飛散する散りという現象が生じる。散りの発生は、危険である上に、溶接部周辺に散りが付着し外観を悪化させ、ナゲット径や継手引張強度にばらつきを生じさせ、継手部の品質が不安定になる。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、棒状電極間に、２枚以上の薄鋼板を任意の圧力で挟持し一回以上の散りを発生する電流を印加通電する前期通電を行った後、任意の冷却時間を与え、引き続き、散りを発生しない電流を用いて後期通電する薄鋼板重ね抵抗点溶接方法が提案されている。特許文献１に記載された技術では、散り発生を容認し、生成した空洞を後期通電時に圧縮縮小させるとしているが、前記の散り発生による問題点は残されたままである。

また、特許文献２には、溶接部外周部にのみナゲットが存在するドーナツ状ナゲットの発生を防止する抵抗スポット溶接方法が提案されている。特許文献２に記載された技術は、溶接後の溶接部最小板厚が、重ね合わされた鋼板の全体板厚の80％を下回らないように加圧力および通電量（溶接電流値×通電時間）を調節して抵抗スポット溶接を行うというものであるが、やはり、前記の散り発生による問題点を解決できない。

また、近年、自動車車体の衝突安全性の向上という要求の高まりから、例えば、車両のフロア部を構成する、フロアパネルとメンバーとの間にリインフォースメントを挟み込んだ構造が採用されるようになっている。この構造では、従来の単純な二枚重ねの鋼板をスポット溶接する場合と異なり、３枚以上の鋼板を重ね合わせてスポット溶接することが要求される。

さらに、最近では、車体の衝突安全性の更なる向上要求にともない、リインフォースメントなどの高強度化、厚肉化が進み、外側に板厚の薄いフロアパネル（薄板）を配置し、内側に板厚の厚いメンバー、リインフォースメント（厚板）を組み合わせた板組みをスポット溶接することが必要となる場合が多い。なお、ここでは、薄板とは板組みされた金属板のうち、肉厚が相対的に小さいものを薄板と記載し、肉厚の相対的に大きいものを厚板と記載することとし、以下も同様の記載とする。

このような板厚比（＝総厚（Ａ）／一番薄い板の板厚（Ｂ））の大きな板組みにおいて、従来のような、加圧力、溶接電流を一定の値としたままにするスポット溶接を行った場合には一番外側（電極チップと接触する側）の薄板と厚板の間に必要なサイズのナゲットが形成されにくいことが知られている。とくに板厚比が５を超えるような板組みでは、この傾向が強い。

これは、電極チップによる冷却によって一番外側の薄板と厚板の間では温度が上がりにくいことが原因である。ナゲットは、電極間の中央付近から鋼材の固有抵抗により体積抵抗発熱にて形成されるが、ナゲットが薄板にまで成長するまでに、電極間中央部に近い部分に位置する厚板と厚板間でのナゲットの成長が大きく、電極による加圧では抑えきれずに散りが発生するため、散り発生なく必要なサイズのナゲットを薄板・厚板間に得ることが困難となる。

また、一番外側に配置される薄板がフロアパネルの場合には、強度よりも成形性が重要となるため、使用される鋼板は軟鋼となることが多い。一方、板厚の厚い鋼板は強度補強部材であり高張力鋼板が使用される場合が多い。このような板組みでは、発熱する位置は、固有抵抗の高い高張力鋼板側に偏るため、厚板−薄板（軟鋼）間にはさらにナゲットが形成されにくくなる。また、使用される鋼板がめっき鋼板となると、低温で溶融しためっき層が鋼板間の通電経路を拡大するため電流密度が減少し、薄板側でのナゲットの形成がさらに困難となる。

このような問題に際し、例えば、特許文献３には、重ね合わされた２枚の厚板の少なくとも一方に薄板をさらに重ね合わせた板厚比の大きな板組みをスポット溶接する方法が提案されている。特許文献３に記載された技術は、薄板の溶接すべき部位に部分的に一般部より一段高い座面を形成するとともに、薄板に対抗する電極を、先端を球面に形成し、溶接初期は低加圧力で、薄板の座面を押しつぶすようにして、薄板とこれと隣り合う厚板とを溶接し、その後、高加圧力で２枚の厚板同士を溶接するスポット溶接方法である。この技術によれば、散りを発生することなく、薄板−厚板間にも必要サイズのナゲットを形成できるとしている。
特開昭58−23579号公報 特開2003−251470号公報 特開2003−71569号公報

特許文献３に記載された技術では、薄板−厚板間に必要サイズのナゲットを形成することができるが、しかし、薄板の溶接する部分に予め一般部より一段高い座面をプレスなどで形成する工程が必要となり、工程が複雑になり、生産性が低下するという問題がある。

本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、板厚比の大きな板組みにおいても余計な工程を付加することなく、また散りを発生することなく、必要サイズのナゲットを形成できる、抵抗スポット溶接継手の製造方法を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するため、抵抗スポット溶接におけるナゲット形成に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、薄板が外側に配置された板厚比の大きな板組み（スポット溶接継手）において、薄板とそれと隣り合う厚板との間、厚板−厚板間ともに必要なサイズのナゲットを形成するには
（１）薄板−厚板間にナゲットを形成するためには、溶接初期に金属板間の接触抵抗発熱を有効に活用すること、
（２）散り発生を抑制するためには、加圧力、電流の条件を溶接の途中で変化させることが肝要であること
を知見した。

本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）複数枚の金属板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接により溶接接合し抵抗スポット溶接継手を製造するにあたり、前記抵抗スポット溶接を第一段および第二段の二段階からなる溶接とし、該第二段の溶接が前記第一段の溶接に比べ、高加圧力、低電流又は同じ電流、長通電時間又は同じ通電時間の溶接とすることを特徴とする抵抗スポット溶接継手の製造方法。
（２）（１）において、前記第一段の溶接を、該溶接の加圧力Ｐ_I 、溶接電流Ｉ_Ｉ、通電時間Ｔ_Ｉが、前記複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚tmとの関係で、次（１）〜（３）式
0.8tm≦Ｐ_Ｉ≦５tm ………（１）
２≦Ｔ_Ｉ≦６ ………（２）
３tm＋５≦Ｉ_Ｉ ………（３）
（ここで、tm：複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚（mm）、Ｐ_Ｉ：加圧力（kＮ）、Ｉ_Ｉ：溶接電流（kＡ）、Ｔ_Ｉ：通電時間（cycles/50Ｈz））
を満足する溶接とし、前記第二段の溶接を、該溶接の加圧力Ｐ_II、溶接電流Ｉ_II 、通電時間Ｔ_II が次（４）〜（６）式
1.1Ｐ_Ｉ≦Ｐ_II≦10Ｐ_Ｉ ………（４）
0.5Ｉ_Ｉ≦Ｉ_II≦Ｉ_Ｉ ………（５）
Ｔ_Ｉ≦Ｔ_II≦10Ｔ_Ｉ ………（６）
（ここで、tm：複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚（mm）、Ｐ_Ｉ、Ｐ_II ：加圧力（kＮ）、Ｉ_Ｉ、Ｉ_II ：溶接電流（kＡ）、Ｔ_Ｉ、Ｔ_II ：通電時間（cycles/50Ｈz））
を満足する溶接とすることを特徴とする抵抗スポット溶接継手の製造方法。
（３）（１）または（２）において、前記板組みが、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた、板厚比５以上の板組みであることを特徴とする抵抗スポット溶接継手の製造方法。

本発明によれば、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた、板厚比が５を超えるような大きな板組みにおいても、余計な工程を付加することなく、また散りを発生することなく、必要サイズのナゲットを有するスポット溶接継手を容易に作製でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明では、複数枚の金属板を重ね合わせた板組みを、上下一対の電極チップで挟み、加圧、通電する抵抗スポット溶接により溶接接合し、必要サイズのナゲットを形成して抵抗スポット溶接継手とする。

本発明で好適に使用可能な溶接装置は、上下一対の電極チップを備え、溶接中に加圧力、溶接電流をそれぞれ任意に制御可能であれば、加圧機構（エアシリンダやサーボモータ等）、形式（定置式、ロボットガン等）、電極形状等はとくに限定されない。

本発明では、抵抗スポット溶接を第一段および第二段の二段階からなる溶接とする。

図１に示すような、重ね合わせた２枚以上の厚板12、13の外側に薄板11を重ね合わせた金属板板組みをスポット溶接する場合を例に、以下、説明する。

まず、所望の溶接位置で板組みを上下一対の電極で挟み、加圧を開始する。加圧力がかかり始めてから通電を開始する。第一段の溶接では、接触抵抗発熱が小さくならないように、加圧力、溶接電流を設定し、金属板11、12間にナゲットN1を形成する。第一段の溶接では、低加圧力で大溶接電流を短時間で加えることが好ましい。これにより、金属板11（薄板）と12（厚板）間は通電経路が狭く電流密度が高くなり、めっきの溶融等による通電経路の拡大の影響も少なく、発生する接触抵抗発熱を有効にナゲットN1形成に作用させることができるようになる。

第一段の溶接では、加圧力Ｐ_I（kN）は、複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚tm（図１では金属板11の板厚：mm）との関係で、次（１）式
0.8tm≦Ｐ_Ｉ≦５tm ………（１）
を満足するように設定することが好ましい。第一段の溶接における加圧力Ｐ_Iが５tm（kN）以上では、加圧力が高くなりすぎて、接触抵抗による発熱が小さくなり、金属板11、12間にナゲットが形成されなくなる。一方、加圧力Ｐ_Iが0.8tm以下の場合には、電極チップと金属板11との間での接触抵抗が大きくなり、スパークが発生しやすくなるとともに、金属板11、12間からも散りが発生しやすくなる。

また、第一段の溶接では、通電時間Ｔ_Ｉ（cycles／50Ｈz）は、次（２）式
２≦Ｔ_Ｉ≦６ ………（２）
を満足するように設定することが好ましい。通電時間Ｔ_Ｉが、２cycles以下では通電時間が短かすぎるため、金属板11、12間に所望サイズのナゲットが形成されなくなる。一方６cyclesよりも長くなると、散りが発生する。

また、第一段の溶接では、溶接電流Ｉ_Ｉ（kA）は、複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚tm（図１では金属板11の板厚：mm）との関係で、次（３）式
３tm＋５≦Ｉ_Ｉ ………（３）
を満足するように設定することが好ましい。第一段の溶接における溶接電流Ｉ_Ｉが、（３tm＋５）以下の小電流では、接触抵抗発熱を有効に利用できず、金属板11、12間にナゲットが形成されなくなる。第一段の溶接では、初期の数サイクルの間大電流を流すことが好ましい。

このようなことから、第一段の溶接では、前記した（１）、（２）、（３）式を満足するように加圧力Ｐ_Ｉ、溶接電流Ｉ_Ｉ、通電時間Ｔ_Ｉを設定することが、金属板11、12間に所望サイズのナゲットを形成するために好ましい。

そして、本発明では、上記した第一段の溶接に続いて第二段の溶接を行なう。第二段の溶接は、第一段の溶接に比べ、高加圧力で低電流、長通電時間の溶接とする。本発明の抵抗スポット溶接における加圧パターンを図３に、通電パターンを図４に、模式的に示す。本発明では、溶接途中で（第一段の溶接終了後）、第一段の溶接時に比べて、加圧力を増加させ、溶接電流を減少させ、通電時間を長くする。これにより、散りの発生が抑制されるとともに、体積抵抗発熱による発熱が主体となり、電極間中央部でナゲットが形成され、図２に示すように、金属板12、13間にも所定サイズのナゲットN2を形成することができる。

第二段の溶接では、加圧力Ｐ_IIは、第一段溶接の加圧力Ｐ_Ｉとの関係で、次（４）式
1.1Ｐ_Ｉ≦Ｐ_II≦10Ｐ_Ｉ ………（４）
（ここで、Ｐ_Ｉ、Ｐ_II ：加圧力（kＮ））
を満足するように設定することが好ましい。また、溶接電流Ｉ_II は、第一段溶接の溶接電流Ｉ_Ｉとの関係で、次（５）式
0.5Ｉ_Ｉ≦Ｉ_II≦Ｉ_Ｉ ………（５）
を満足するように設定することが好ましい。また、通電時間Ｔ_II は、第一段溶接の通電時間Ｔ_Ｉとの関係で、次（６）式
Ｔ_Ｉ≦Ｔ_II≦10Ｔ_Ｉ ………（６）
を満足するように設定することが好ましい。第二段の溶接の条件が上記した範囲から外れると、散りの発生防止や所定サイズのナゲット径を得ることが困難となり、また、加圧力を過大に増加するとヒートマークや浮き上がりが大きくなるという問題も生じる。

本発明の抵抗スポット溶接継手の製造方法は、図１に例示した板組みに限定されることはなく、複数枚の金属板を重ね合わせた板組みに適用できることはいうまでもない。また、被溶接材として本発明を適用する金属板には、鋼板が例示できる。鋼板としては、強度レベル（軟鋼、高張力鋼板）や表面処理の有無（表面処理なし、めっき鋼板）に限定されることはない。本発明はいずれの種類の鋼板についても適用可能である。また、本発明は、単純な２枚重ねはもちろん、板厚比（＝総板厚mm／一番薄い板の板厚mm）が５を超えるような板組みの場合においても適用可能であることはいうまでもない。

（実施例１）
表１に示す２〜４枚の薄鋼板を重ね合わせた板組みについて、表２に示す溶接条件で抵抗スポット溶接を行い、抵抗スポット溶接継手を作製した。抵抗スポット溶接は、定置式でサーボモータ加圧方式の単相交流抵抗スポット溶接機を用いて行なった。なお、使用した電極は、ＤＲ型（先端径６mm）の電極チップ（図５）とした。

得られた各溶接継手について、溶接部を切断し、断面（図２参照）をエッチング後、光学顕微鏡により観察し、ナゲット径ｄ（mm）を測定し、ナゲット径ｄが４√ｔ以上（ｔ：隣り合う２枚の鋼板のうち薄い方の鋼板の板厚（mm））である場合を、良好（○）として評価した。ナゲット径ｄが４√ｔ未満を不良（×）とした。得られた結果を表２に併記する。ただし、板組数が３以上の場合は、例えば、ナゲット径は図２のN1およびN2のように複数計測する。この場合、全てのナゲット径が４√ｔ以上を満たす場合を評価○とした。

本発明例はいずれも、散りの発生がなく、４√ｔ以上の径を有するナゲットが得られ、良好なスポット溶接継手が得られている。本発明例では、板厚比が５を超えるめっき鋼板の板組みの場合であっても散りを発生させることなく、必要なサイズのナゲットを有するスポット溶接が可能となる。一方、本発明の範囲を外れる比較例では、散りが発生するか、あるいは十分なサイズのナゲットが形成されていない。
（実施例２）
実施例１で評価○となった溶接条件について、適正溶接電流範囲を調査した。適正溶接電流範囲は、第一段あるいは第二段の溶接条件を固定し、第二段あるいは第一段の溶接における溶接電流を変化して、ナゲット径ｄが４√ｔ以上（ｔ：隣り合う２枚の鋼板のうち薄い方の鋼板の板厚（mm））となる限界電流値（下限電流値）、および散り発生限界電流値（上限電流値）を求め、その差を適正溶接電流範囲とした。

得られた結果を表３（第二段溶接の適正溶接電流範囲）、および表４（第一段溶接の適正溶接電流範囲）に示す。

実施例１で示した抵抗スポット溶接条件（本発明例）は、いずれも第一段および第二段の溶接においても２kA以上の適正溶接電流範囲を有し、抵抗スポット溶接作業が容易になることがわかる。

本発明の抵抗スポット溶接における第一段溶接時のナゲットの形成状況を模式的に示す説明図である。 本発明の抵抗スポット溶接における第二段溶接時のナゲットの形成状況を模式的に示す説明図である。 本発明の抵抗スポット溶接における加圧パターンを模式的に示す説明図である。 本発明の抵抗スポット溶接における通電パターンを模式的に示す説明図である。 電極チップの形状を模式的に示す断面図である。 実施例で使用した板組みを模式的に示す断面図である。

符号の説明

11、14 金属板(薄板)
12、13 金属板(厚板)

Claims (3)

1. 複数枚の金属板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接により溶接接合し抵抗スポット溶接継手を製造するにあたり、前記抵抗スポット溶接を第一段および第二段の二段階からなる溶接とし、該第二段の溶接が前記第一段の溶接に比べ、高加圧力、低電流又は同じ電流、長通電時間又は同じ通電時間の溶接とすることを特徴とする抵抗スポット溶接継手の製造方法。
2. 前記第一段の溶接を、該溶接の加圧力Ｐ_I、溶接電流Ｉ_Ｉ、通電時間Ｔ_Ｉが、前記複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚tmとの関係で、下記（１）〜（３）式を満足する溶接とし、前記第二段の溶接を、該溶接の加圧力Ｐ_II、溶接電流Ｉ_II、通電時間Ｔ_IIが下記（４）〜（６）式を満足する溶接と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継手の製造方法。
   記
   0.8tm≦Ｐ_Ｉ≦５tm ………（１）
   ２≦Ｔ_Ｉ≦６ ………（２）
   ３tm＋５≦Ｉ_Ｉ ………（３）
   1.1Ｐ_Ｉ≦Ｐ_II≦10Ｐ_Ｉ ………（４）
   0.5Ｉ_Ｉ≦Ｉ_II≦Ｉ_Ｉ ………（５）
   Ｔ_Ｉ≦Ｔ_II≦10Ｔ_Ｉ ………（６）
   ここで、tm：複数枚の金属板のうち最も薄肉の金属板の板厚（mm）、
   Ｐ_Ｉ、Ｐ_II ：加圧力（kＮ）、
   Ｉ_Ｉ、Ｉ_II ：溶接電流（kＡ）、
   Ｔ_Ｉ、Ｔ_II ：通電時間（cycles/50Ｈz）
3. 前記板組みが、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた、板厚比が５以上の板組みであることを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接継手の製造方法。

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