JP2008055437A - シリーズスポット溶接方法、およびこの溶接で得られる接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの種類あるいはその組み合わせに依らず溶接部を安定して形成でき、これによりワーク間に高い接合強度を付与する。
【解決手段】第一通電区間において、金属板２、３に電極５がめり込み、かつ金属板２、３間で溶接部が形成されない大きさの電流で金属板２、３を加圧通電する。この状態から、第二通電区間において、第一通電区間における電流値よりも高くかつ金属板２、３間で溶接可能な大きさの電流を流すことにより、金属板２、３間に環状の溶接部１１を形成してなる接合体を得る。
【選択図】図５

Description

本発明は、シリーズスポット溶接方法、およびこの溶接で得られる接合体に関する。

シリーズスポット溶接は、重ね合わせた複数枚のワーク（例えば金属板など）を、直列に配した一対の電極で一方の側から加圧通電することで点状の溶接部を得る手段である。このシリーズスポット溶接は、ダイレクトスポット溶接のように、一対の電極で溶接対象物を挟み込んで溶接を行うのではなく、直列に配した一対の電極で２点を同時に溶接するものであることから、近年では、自動車のボデーの溶接等、溶接の益々の高速化が求められる分野に好適に用いられる傾向にある。

一方で、この種のスポット溶接を採用する場合には、ダイレクトスポット溶接とは異なり、一方の電極の、溶接対象物を挟む位置に他方の電極がなく、あるいは溶接対象物（金属板）の形状的な理由から、当該挟持する位置に適当な受け部材を配置することができないことも少なくない。そのため、複数の金属板間に隙間がある場合でも十分な加圧力でこれらを挟持することができず、満足な溶接が行えない恐れがある。また、仮に溶接が行えたとしても、その接触面積（密着面積）は小さいため、十分な溶接強度を得ることは難しい。

例えば、特開２００６−１９８６７６号公報には、加圧通電に供する一対の電極間に、相対的に電流値の高い領域と低い領域とが隣り合って交互に現れるパターンで電流を流すことにより溶接を行う方法が開示されている。この方法によれば、密着面積が小さい場合であっても溶接部の安定的な成長を促し、これにより十分な溶接強度が得られる。
特開２００６−１９８６７６号公報

しかしながら、上述のように、繰り返し高電流で加圧通電する場合、ワークの種類やその組み合わせによってはワークへの加熱が局所的に過大となることがあり、これにより、スパッタや板切れ等の溶接不良が生じる恐れがある。上述の不具合を避けて溶接を行うには電流値を下げればよいが、その場合には、十分な大きさの溶接部が得られず、所要の溶接強度を得ることは難しい。例えば、メッキ鋼板など、表層をコーティングしたワークを溶接する場合には、溶接に先立ってメッキ層が溶け（あるいは蒸発し）、かかる部分が外径側に逃げることで、外径側のメッキ層厚みが増すため、溶接部の形成は非常に困難なものとなる。この場合にも十分な接合強度を得ることは難しい。

以上の事情に鑑み、本発明では、ワークの種類あるいはその組み合わせによらず溶接部を安定して形成でき、これにより高い接合強度を付与し得るシリーズスポット溶接方法、およびこの溶接で得られる接合体を提供することを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、先端に向けて縮径する形状の電極を用い、互いに重ね合わせた複数のワークを加圧通電することで、ワーク間の溶接を行うシリーズスポット溶接方法であって、ワークに電極をめり込ませ、かつ複数のワーク間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する第一通電区間と、第一通電区間の後に設けられ、第一通電区間における電流値よりも高くかつ複数のワーク間で溶接可能な大きさに電流値を設定する第二通電区間とを有する通電パターンで、加圧通電を行うことを特徴とするシリーズスポット溶接方法を提供する。

また、前記課題を解決するため、本発明は、先端に向けて縮径する形状をなし、互いに重ね合わせた複数のワークを加圧通電する電極と、電極による通電パターンを設定する電流制御部とを備えたシリーズスポット溶接装置であって、電流制御部は、ワークに電極をめり込ませ、かつ複数のワーク間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する第一通電区間と、第一通電区間の後に設けられ、第一通電区間における電流値よりも高くかつ複数のワーク間で溶接可能な大きさに電流値を設定する第二通電区間とを有する通電パターンを設定することを特徴とするシリーズスポット溶接装置を提供する。

このように、本発明は、先端に向けて縮径した形状の電極を使用した点、およびその電極をワークにめり込ませつつも、ワーク間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する通電区間を、ワーク溶接のための通電区間の前に設けた点を特徴とするものである。この方法によれば、まず、ワークに対して電極がめり込むにつれて、電極によるワークの加圧領域が外径側へと移動する。この段階（第一通電区間）では、ワーク間で溶接部が形成されない程度の電流値に抑えているため、ワーク間で溶接部が形成されることはない。メッキ鋼板等を溶接する場合であっても、表層メッキが溶けて、溶けたメッキによりワーク同士が若干接着される程度に過ぎず、鋼板（ワーク）間に溶接部は形成されない。そして第一通電区間が終了し、第二通電区間に入った段階では、電極は所定深さまでワークにめり込んでおり、ワークは、電極の先端直下よりも外側（先端周縁）で加圧密着されている。よって、この状態で、第一通電区間における電流値よりも高くかつワーク間で溶接可能な大きさの電流を流すことにより、他所に比べて電気抵抗が低い加圧領域に電流が集中し、この部分のみ、すなわち電極押し込み部分の周縁部のみに溶接部が形成される。従って、この溶接方法あるいは溶接装置であれば、上述のように、電極押し込み部の中央が入熱過大となる事態を極力避けて、ワークの種類やその組み合わせによらず、溶接部を安定的に形成することができる。

また、本発明は、本発明者らの、電極の押し込み直下部分での接合がなくてもその周縁部分のみでの接合（溶接部）が得られれば、高い接合強度が得られるとの知見に基づき創作し得たものである。すなわち、従来の溶接方法であれば、電極の押し込み部分の直下に、いわゆるナゲットと呼ばれる断面楕円状の溶接部が形成される。これは、中央から外径側に向けて徐々に成長させることで高い接合強度を得るものであるが、上述の如く、ワークの種類やその組み合わせによっては、ナゲットの成長が不十分となり、あるいはナゲットが満足に形成できず、所要の接合強度を得ることが難しいことがあった。これに対して、本発明に係る接合体であれば、すなわち、互いに重ね合わせた複数のワークからなり、ワークの一方側に配した電極でワークを加圧通電することにより、複数のワーク間に溶接部を形成してなる接合体であって、溶接部が、電極の加圧直下部を除く環状に形成されていることを特徴とする接合体であれば、ナゲットのような溶接部を有する接合体と比べて非常に高い接合強度を発揮することができる。

従い、本発明に係る上述の溶接方法であれば、上記環状の溶接部を有する接合体を形成することができるので、これにより従来に比べて高い接合強度をワーク間に付与することが可能となる。

さらに、この場合、第一通電区間の通電時間によりワーク間に形成される溶接部の大きさを設定するのがよい。これは、後述する実験結果より得た、接合強度を支配する溶接部の外径寸法（接合外径）が第一通電区間の通電時間に比例するとの知見に基づきなされたものである。従って、第一通電領域の通電時間を調整するだけで、接合強度をほぼリニアに制御することが可能となる。また、同区間の通電時間は例えば既存の制御設備（タイマコンタクタなど）で容易に制御可能であるから、この方法によれば、接合強度を容易かつ高精度に制御することができる。

上述の第一通電区間および第二通電区間を有する通電パターンは、第二通電区間の後に、第二通電区間における電流値より低くなるよう電流値を設定する第三通電区間をさらに有するものであってもよい。かかる通電区間を設けることで、急冷によるワークの脆化を防いで、溶接部組織の安定化を図り、これにより接合強度の一層の向上を図ることが可能となる。

また、上記通電パターンは、第一通電区間の前に、第一通電区間における電流値より低くなるよう電流値を設定する予備通電区間をさらに有するものであってもよい。このように、第一通電区間の前に予備通電区間を設けることで、電極をワークに対して軽くなじませておき、これにより溶接部形成領域における熱の集中を緩和させることができる。従って、比較的溶接が困難なワークやその組み合わせであっても、安定した溶接部を形成することが可能となる。

このように、本発明によれば、ワークの種類あるいはその組み合わせに依らず溶接部を安定して形成でき、これによりワーク間に高い接合強度を付与することが可能となる。

以下、本発明に係るシリーズスポット溶接装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る溶接方法に用いるシリーズスポット溶接装置１の一構成例を示している。このシリーズスポット溶接装置１は、ワークとしての複数の金属板２、３を加圧通電するための一対の電極５、６と、各電極５、６に溶接トランス７を介して接続される電流制御部８と、電源９とを主に備える。

一対の電極５、６は、所定のピッチを介して、金属板２の一方の面４の側に配設されており、図示しない適当な加圧制御手段によって一方の面４を加圧しながら金属板２、３を通電するようになっている。当該一対の電極５、６は、溶接対象物の形状、あるいは溶接すべき箇所に合わせて複数組設置することができる。

電極５は、先端に向けて縮径する形状をなしている。この実施形態では、図２に示すように、電極５の加圧側先端は、円状の平坦な端面５ａと、端面５ａと小径側で連続する円錘面５ｂとからなる、いわゆる截頭円錘状をなしている。この場合、電極５の押し込み量（めり込ませた量）に比例して円錘面５ｂによる金属板２の接触面積（加圧面積）が増加し、かかる面積は、後述する溶接部１１の外径（接合外径Ｄ）を左右する。そのため、円錘面５ｂの先端角度（言い換えると端面５ａから離れるにつれて拡径する割合）は、なるべく大きめ（例えば１２０°以上１６５°以下）にとっておくのが望ましい。

電流制御部８は、図示しないタイマコンタクタ等を組み込んでなるもので、電源９から供給される電流を、溶接トランス７を介して、電極５、６に対して所望の電流波形、および所望の通電パターンで流すことができるようになっている。

以下、電流制御部８により制御可能な通電パターンについて説明する。

図３は、電極５、６間に通電する通電パターンの一例を示している。通電パターンは、ワークとしての金属板２、３に電極５、６をめり込ませ、かつ金属板２、３間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する第一通電区間Ａ１と、第一通電区間Ａ１よりも高くかつ金属板２、３間に溶接可能な大きさに電流値を設定する第二通電区間Ａ２とを有している。第一通電区間Ａ１の通電時間（サイクル数）は、第二通電区間Ａ２の通電時間より長く設定される。

また、この実施形態で設定される通電パターンは、第一および第二通電区間Ａ１、Ａ２に加えて、第二通電区間Ａ２の後に、第二通電区間Ａ２における電流値より低くなるよう電流値を設定する第三通電区間Ａ３と、第一通電区間Ａ１の前に、第一通電区間Ａ１における電流値より低くなるよう電流値を設定する予備通電区間Ａ０とをさらに有している。

具体的には、通電開始時から一定の割合で電流値を上昇させ、所定値まで上昇させた電流値を一定時間維持する（ここでは４ｋＡで３サイクル）予備通電区間Ａ０と、上述の条件を満たす範囲内で予備通電区間Ａ０より電流値を上げた状態を一定時間維持する（ここでは４．５ｋＡで２０サイクル）第一通電区間Ａ１と、上述の条件を満たす範囲内で第一通電区間Ａ１より電流値を上げた状態を一定時間維持する（ここでは９ｋＡで３サイクル）第二通電区間Ａ２と、第二通電区間Ａ２より電流値を下げた状態を一定時間維持する（ここでは４．５ｋＡで１６サイクル）第三通電区間Ａ３とで通電パターンが構成される。なお、この実施形態では、周波数６０Ｈｚの交流電流を使用しており、この場合、通電時間の設定単位となる１サイクルは、１/６０ｓｅｃである。また、使用する電流の波形としては、電流値が０近くになる時間が極力少なくなる波形（矩形状のパルス波形など）が好ましく使用される。

次に、上記通電パターンで加圧通電を行い、互いに重なり合う金属板２、３間に溶接部１１を形成する工程（プロセス）について説明する。

まず、予備通電区間Ａ０にて金属板２、３を加圧通電することで、金属板２、３に電極５、６の先端をなじませる。そして、第一通電区間Ａ１において、金属板２、３に電極５、６がめり込み、かつ金属板２、３間で溶接部が形成されない大きさの電流値（ここでは４．５ｋＡ）で金属板２、３を加圧通電する。これにより、例えば図４に示すように、電極５、６が金属板２、３に対してめり込んでいき、深くめり込むにつれて電極５、６による金属板２、３への加圧領域が外径側へと移動する。この段階（第一通電区間Ａ１）では、金属板２、３間で溶接部が形成されない程度の電流値に抑えているため、これら金属板２、３間で溶接部が形成されることはない。

この状態から、第二通電区間Ａ２において、第一通電区間Ａ１における電流値よりも高くかつ金属板２、３間で溶接可能な大きさの電流（ここでは９ｋＡ）を流すことにより、金属板２、３間の加圧密着領域に電流が集中し、電極５、６直下の周縁部分が溶接される。この実施形態では、さらに第三通電区間Ａ３を経ることで、金属板２、３間に溶接部１１を形成してなる接合体が得られる。図５はその一例を示すもので、同図における溶接部１１は、金属板２、３間の、電極５、６の加圧直下部（ここでは端面５ａの加圧直下部）を除く環状領域に形成されている。そのため、電極５の加圧直下において溶接部が形成されることはなく、場合によっては、同図に示すように間隙１０が残る。

このような通電パターンで通電することにより、例えばメッキ鋼板のように、電極５、６の加圧直下から順次外径側に溶接部１１を成長させる方法では形成できないワーク（金属板２、３）あるいはその組み合わせであっても、板切れ等の不具合を生じることなく溶接することができる。また、この通電パターンに係る溶接方法であれば、通電パターン全体を通じて非常に少ない電流量で済むため、溶接時の入熱量を減じることができる。これにより、局所的に入熱が過大となって生じる板切れ等の不具合を極力避けて、安定した溶接が可能となる。

また、この方法であれば、溶接部１１が、電極５、６の加圧直下を避けてその周縁部に環状に形成される。そのため、従来のように、電極５の加圧直下にナゲットを形成し、これを成長させることで得られる溶接部と比べて、板厚等の制限を受けることなく比較的自由にその大きさを変えることができ、これにより高い接合強度（せん断引張り強度）を金属板２、３間に付与することができる。

また、この実施形態では、第二通電区間Ａ２の後に、溶接部１１形成時の電流値よりも低い電流値を一定時間維持する区間（第三通電区間Ａ３）を設けたので、溶接部１１の急冷による脆化を防いで、溶接部１１組織の安定化、ひいては溶接部１１の更なる強度向上を図ることができる。

また、この実施形態では、第一通電区間Ａ１の前に、溶接部を形成することなく電極５、６をめり込ませるための電流値よりさらに低い電流値を一定時間維持する区間（予備通電区間Ａ０）を設けた。これによれば、電極５、６を金属板２、３に対して軽くなじませ、これにより溶接部１１形成領域における熱の集中を緩和させることができる。従って、板切れ等の不具合が生じる可能性を一層抑えて、安定した溶接部１１を形成することができる。かかる区間の設定は、メッキ鋼板のように、表層にコーティングを施した板状ワークやその組み合わせに対して特に有効に作用する。

あるいは、特にメッキ層等を有しない通常の板材同士を溶接する場合であれば、予備通電区間Ａ０における電流値を、第一通電区間Ａ１における電流値より高く設定しておくほうが好ましい場合もある。これは、比較的高めの電流値で通電を行うことで、電極５、６の直下部分のみが溶接されるため、第二通電区間Ａ２において先に電極５、６直下部に形成された溶接部にも電流が流れ、環状の溶接部１１形成領域に電流が過度に集中するのを避けることができるためである。

また、この実施形態では、第一通電区間Ａ１の通電時間（サイクル数）を第二通電区間Ａ２の通電時間に比べて長くとった場合（区間Ａ１で２０サイクル、区間Ａ２で３サイクル）を説明したが、更なる接合強度の向上を図るのであれば、区間Ａ１における通電時間をこれより長くとるのがよい。これは、後述する実験結果から、第一通電区間Ａ１の長さ（サイクル数）と環状に形成される溶接部１１の外径寸法（接合外径Ｄ）との間には一定の比例関係が存在し、また、第一通電区間Ａ１のサイクル数と接合強度との間にも一定の比例関係が存在するためである。

以上のことから、本発明に係る通電パターンであれば、第一通電区間Ａ１のサイクル数を設定するだけで、金属板２、３間の接合強度を容易に制御することができる。また、サイクル数は、電流制御部８に組み込まれるタイマコンタクタでばらつきなく容易に設定可能であるから、例えば電流値の上下で調整する場合と比べて高精度に制御することができる。特に、電極５、６の先端形状を、図２に示す截頭円錐状としたことで、接合外径Ｄを、第一通電区間Ａ１のサイクル数でリニアに調整することができ、かかる制御を一層容易かつ高精度に行うことが可能となる。

なお、以上の説明では、通電パターンとして、第一通電区間Ａ１、第二通電区間Ａ２に加え、第三通電区間Ａ３、あるいは第一通電区間Ａ１前の予備通電区間Ａ０を含めたものを例示したが、これに限る必要はない。また、各通電区間Ａ０〜Ａ３の長さ（サイクル数）についても、溶接するワークの種類や板厚、あるいはその組み合わせに応じて設定すればよい。

また、以上の説明では、シリーズスポット溶接用の電極として、図２に示す形状の電極５、６を例示したが、もちろんこれに限る必要はない。先端に向けて縮径する形状をなすものであれば、言い換えると、加圧通電に伴い、ワークに対するめり込み径（当接面積）が増加する形状をなすものであれば、任意の形状のものが選択可能である。

また、以上の説明では、少なくとも第一通電区間Ａ１と、第二通電区間Ａ２とを有する通電パターンで加圧通電した場合に、溶接部１１が環状をなす接合体が得られる場合を例示したが、当該溶接部を有する接合体は、上記以外の溶接方法で形成することも可能である。

本発明の有用性について検証を行うため、本発明に係る溶接方法で得られた接合体と、従来の方法で得られた接合体とで強度比較を行った。以下に詳細を記す。

ワークとして、材質および板厚の異なる２枚の金属板（上板：ＳＧＣ４４０ Ｆ０６、ｔ＝１．４ｍｍ、下板：ＳＧＣＤ１ Ｆ０６、ｔ＝０．６５ｍｍ）を用い、これを互いに重ね合わせたものに対して本発明に係る溶接方法を適用し、溶接を行った。溶接時の通電パターンは、第一通電区間Ａ１を除いて図３に示すサイクル数および電流値で行った。第一通電区間Ａ１は１５〜４０サイクルの間で変動させて実験を行った。電極には、図２に示す形状のものを使用した。また、加圧通電時における電極の加圧力は３９２Ｎで一定とした。

また、ワークとして上記と同様のものを使用し、これを互いに重ね合わせたものに対して従来技術に係る溶接方法（例えば、特許文献１中に記載の多段階通電パターン）を適用し、溶接を行った。その他の条件、構成については本発明に係る溶接方法と同様である。

図６に、従来方法で溶接されたワークのせん断引張り強度を、図７に、本発明に係る方法で溶接されたワークのせん断引張り強度を示す。図６中の横軸は溶接部としてのナゲットの外径寸法［単位 √ｔ（ｔ：板厚）］を示し、図７中の横軸は、第一通電区間Ａ１のサイクル数を示す。両図共に、縦軸は溶接されたワークのせん断引張り強度［Ｎ］を示す。また、図７に、本発明に係る方法で得られた接合体の、第一通電区間Ａ１に対するせん断引張り強度の関係を示す。図６を見ると、ナゲット径とせん断引張り強度との間に正の相関は見られるものの、ナゲット径が５√ｔの場合で４０００Ｎにも達していない。これに対して、本発明に係る方法で溶接されたワークであれば、図７に示すように、第一通電区間のサイクル数ｎ＝１５で４０００Ｎ、ｎ＝４０で５２００Ｎと非常に高い強度が得られた。この結果から、第一通電区間のサイクル数を増すにつれて、せん断引張り強度が向上することがわかった。

次に、第一通電区間の長さと、その際に形成される溶接部１１の接合外径Ｄとの相関を調べた。ワークには、実施例１と同様の金属板を使用した。この実験では、互いに重ね合わせた２枚の上記金属板の間のすき間（いわゆる板隙）が０ｍｍ、０．５ｍｍの二種類の場合について上記溶接を行った。通電パターンを含め、その他の溶接条件は上記実施例１と同じである。

図８に、第一通電区間のサイクル数を変化させた場合に得られた溶接部の接合外径Ｄの値を示す。同図より、第一通電区間のサイクル数を増すにつれて、接合外径Ｄが増加することがわかった。また、以上の結果から、本発明に係る溶接方法であれば、第一通電区間のサイクル数を調整することで接合外径Ｄが定まり、これにより接合強度が決定されることがわかった。

本発明に係るシリーズスポット溶接装置の一構成例を示す図である。 電極の先端付近を示す拡大図である。 通電パターンの一例を示す図である。 第一通電区間時における電極とワークとの位置関係を示す図である。 溶接完了後のワークの断面図である。 従来方法に係る溶接部のせん断引張り強度を示す図である。 本発明に係る溶接部のせん断引張り強度を示す図である。 第一通電区間のサイクル数と接合外径との関係を示す図である。

符号の説明

１ シリーズスポット溶接装置
２、３ 金属板（ワーク）
５、６ 電極
５ａ 端面
５ｂ 円錐面
８ 電流制御部
１１ 溶接部（環状）
Ａ１ 第一通電区間
Ａ２ 第二通電区間
Ｄ 接合外径

Claims (6)

1. 先端に向けて縮径する形状の電極を用い、互いに重ね合わせた複数のワークを加圧通電することで、前記ワーク間の溶接を行うシリーズスポット溶接方法であって、
   前記ワークに前記電極をめり込ませ、かつ前記複数のワーク間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する第一通電区間と、
   前記第一通電区間の後に設けられ、前記第一通電区間における電流値よりも高くかつ前記複数のワーク間で溶接可能な大きさに前記電流値を設定する第二通電区間とを有する通電パターンで、前記加圧通電を行うことを特徴とするシリーズスポット溶接方法。
2. 前記第一通電区間の通電時間により前記ワーク間に形成される溶接部の大きさを設定する請求項１記載のシリーズスポット溶接方法。
3. 前記通電パターンは、前記第二通電区間の後に、前記第二通電区間における電流値より低くなるよう前記電流値を設定する第三通電区間をさらに有する請求項１記載のシリーズスポット溶接方法。
4. 前記通電パターンは、前記第一通電区間の前に、前記第一通電区間における電流値より低くなるよう前記電流値を設定する予備通電区間をさらに有する請求項１又は３記載のシリーズスポット溶接方法。
5. 先端に向けて縮径する形状をなし、互いに重ね合わせた複数のワークを加圧通電する電極と、該電極による通電パターンを設定する電流制御部とを備えたシリーズスポット溶接装置であって、
   前記電流制御部は、前記ワークに前記電極をめり込ませ、かつ前記複数のワーク間に溶接部が形成されない大きさに電流値を設定する第一通電区間と、
   前記第一通電区間の後に設けられ、前記第一通電区間における電流値よりも高くかつ前記複数のワーク間で溶接可能な大きさに電流値を設定する第二通電区間とを有する前記通電パターンを設定することを特徴とするシリーズスポット溶接装置。
6. 互いに重ね合わせた複数のワークからなり、該ワークの一方側に配した電極で前記ワークを加圧通電することにより、前記複数のワーク間に溶接部を形成してなる接合体であって、
   前記溶接部が、前記電極の加圧直下部を除く環状に形成されていることを特徴とする接合体。

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