JP2008161877A

JP2008161877A - 重ね抵抗スポット溶接方法

Info

Publication number: JP2008161877A
Application number: JP2006350988A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Takahashi; 靖雄高橋; Hatsuhiko Oikawa; 初彦及川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】３枚以上の鋼板を重ね抵抗スポット溶接する際に、溶接時の加圧力を一定にしても、散りを発生させることなく薄鋼板側にも必要な溶け込みを形成でき、更に電極の消耗も防止できる重ね抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】板厚が最も薄い鋼板３がプラス側電極６に接触するように板組みし、更に、このプラス側電極６にＷ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップが埋め込まれたインサート電極を使用して溶接する。その際、プラス側電極６と鋼板３との接触面積（Ｓ^＋）をマイナス側電極５と鋼板１との接触面積（Ｓ⁻）の１／２以上、３／４以下を満たすようにすることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数枚の鋼板を重ね合わせて抵抗溶接法でスポット溶接する重ね抵抗スポット溶接方法に関し、特に、３枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みを１対の電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する重ね抵抗スポット溶接方法に関する。

重ね抵抗スポット溶接方法は、複数の被接合材を重ね合わせた板組みを１対の電極で挟み、この１対の電極で加圧しながら通電して被接合材同士を接合する溶接方法であり、通電により生じる抵抗発熱によって、被接合材の接触箇所には点状の溶融部分（ナゲット）が形成される。

このような重ね抵抗スポット溶接方法を行う溶接機には、電源方式から、単相交流方式、単相及び三相整流方式、インバータ直流式及びコンデンサ式等があるが、近年、装置の軽量化及び省電力化の面から、インバータ式の直流抵抗スポット溶接が主流となりつつある。しかしながら、直流式の抵抗溶接方法は、交流式の抵抗溶接方法に比べて、電極寿命が短いという問題点がある。そこで、従来、電極寿命を延ばすために、亜鉛系片面表面処理鋼板同士を重ね合わせ溶接する際に、プラス側電極に亜鉛系表面処理面が、マイナス側電極に非表面処理面が接する配置で直流抵抗スポット溶接を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来の重ね抵抗スポット溶接方法で３枚以上の被接合材を溶接すると、最も外側に薄板を配置した場合に、この薄板と隣接する厚板との間に良好なナゲットが形成されず、充分な接合強度が得られないという問題点がある。また、最も外側の薄板までナゲットが成長するように溶接条件を設定すると、内側の厚板間に形成されるナゲットが成長しすぎて散りが発生してしまう。

そこで、従来、３枚以上の被接合材を重ね抵抗スポット溶接した際に、充分な接合強度を得るための方法が提案されている（例えば、特許文献２〜６参照。）。例えば、特許文献２には、２枚の厚板に薄板を重ね合わせて溶接する際に、薄板の溶接すべき部位に凸部を形成し、溶接初期は低加圧力でこの凸部を押しつぶすようにして薄板と厚板とを溶接し、その後、高加圧力で２枚の厚板を溶接するスポット溶接方法が開示されている。

また、特許文献３に記載のスポット溶接方法では、薄板と電極チップとの接触面積を、厚板と電極チップとの接触面積よりも小さくすることで、溶接強度向上を図っている。図２は特許文献３に記載のスポット溶接方法を模式的に示す図である。図２に示すように、特許文献３に記載の溶接方法では、剛性が高い厚鋼板１０１，１０２の上に剛性の低い薄鋼板１０３を重ね合わせた板組み１０４を溶接する際に、薄鋼板１０３に当接する電極チップ１０６の先端径を、厚鋼板１０１に当接する電極チップ１０５の先端径よりも小さくすることにより、薄鋼板１０３と電極チップ１０６との接触面積が厚鋼板１０１と電極チップ１０５との接触面積よりも小さくしている。

更に、特許文献４に記載のスポット溶接方法では、薄板側と厚板側で加圧力を変えることにより接合強度向上を図っており、特許文献５に記載の抵抗スポット溶接継手の製造方法では、散りの発生を防止するために、２段階でスポット溶接を行い、第２段の溶接を第１段の溶接よりも高加圧力、低電流又は同電流、長通電時間又は同じ通電時間としている。更にまた、特許文献５及び６に記載の抵抗スポット溶接方法では、板圧比が大きな板組みであっても、必要サイズのナゲットを散りの発生なく形成することを目的として、厚金属板に接する電極チップの先端を平面又は薄金属板に接する電極チップの先端の曲率半径よりも曲率半径が大きい曲面とすると共に、２段階でスポット溶接を行い、第２段の溶接を第１段の溶接よりも高加圧力で行っている。

一方、アルミニウム合金材同士を抵抗スポット溶接する際に、良好なナゲットを形成するため、被溶接材（アルミニウム合金材）との接触部分における厚さ５μｍ以上の部分を純銀とした電極を使用する技術も提案されている（例えば、特許文献７参照。）。

特開平４−９４８７７号公報特開２００３−７１５６９号公報特開２００３−２５１４６８号公報特開２００３−２５１４６９号公報特開２００５−２６２２５９号公報特開２００６−５５８９８号公報特開平９−８５４６５号公報

しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、前述した特許文献２に記載のスポット溶接方法は、薄板側の溶接すべき箇所に予め凸部を設ける必要があり、溶接箇所がこれにより限定されるという問題点があり、更に、凸部を形成するための工程が溶接前に必要であり、かつ凸部の中央部に正確に電極を当接させる精度が要求される等、作業工数の増大と精度の確保・維持に相当の費用が必要となるという問題点もある。

特許文献３に記載のスポット溶接方法は、薄鋼板１０３側に当接する電極１０６の接触面積が小さく、電流密度が相対的に大きくなるため、薄鋼板１０３側のシートセパレーション（板の浮き上がり）が大きくなり、製品の仕上がり精度が悪くなるという問題点がある。また、薄鋼板１０３側の電極１０６の電流密度が高くなるため、電極の汚損及び磨耗が著しくなり、その結果、頻繁に電極のドレッシング又は交換が必要となり、生産工程上の遅延及び費用の増大等が多く発生するという問題点もある。

特許文献４に記載のスポット溶接方法は、薄板側に当接する電極の加圧力を厚板側に当接する電極の加圧力よりも小さくすることで、厚板側の接触抵抗値よりも薄板側の接触抵抗値の方が小さくなるように制御して発熱を促進しているが、そのためには、ガン本体に下部から押し上げる力を作用させるために、サーボモーターとこれを作動させるガンコントローラーが必要であり、更に溶接機は、定置式のスポット溶接機は適用できず、ロボット形スポットガンに限定される等のように、生産工程上、その設備に関わる余分な負担及び煩雑さが増し、費用が増加するという問題点がある。

特許文献５及び６に記載のスポット溶接方法は、第１段及び第２段と、２段階からなる溶接工程を実施するためには、スポット溶接機に一般には具備されていない短時間で作動する可変加圧機構を備えておく必要があり、設備が高価になるという問題点がある。また、これらの溶接方法では、第１段階で薄板側にナゲットを形成させた後に、第２段階で厚板側に散り発生なしにナゲットを形成するため、第１段階に比べて特に高加圧条件を適用し、かつ低電流又は同電流で長時間通電又は同通電時間条件にする必要がある。このため、第１段階目の溶接で既に溶接は完了しているが、まだ高温状態にある薄板側に、第２段階目の溶接で大きな加圧力と余分な入熱及び負荷を生じる。これにより、薄板側の圧痕が大きくなり、製品としての変形程度も大きくなるという問題点がある。特に、特許文献６に記載の溶接方法では、薄板側電極の曲率半径が小さいため、この傾向が大きくなる。更に、特許文献５及び６に記載の溶接方法では、薄板側の電極の汚損及び磨耗が激しく、頻繁に電極のドレッシング又は交換が必要となるため、生産工程上の管理及び費用の面でも問題がある。

一方、特許文献７に記載されているようなアルミニウム合金材との接触部分を純銀で形成した電極を、鋼板の重ね抵抗スポット溶接方法に適用した場合、電極寿命延長等のアルミニウム合金材に適用したときに得られる効果は全く得られないばかりか、純銀が軟質材であるため、かえって電極損耗が激しくなるという問題点がある。また、特許文献７に記載された電極は、純銀を複合しているため製造コストが高く、打点数増加によって変形した場合に再整形（ドレッシング）が不可能である等、実用上多くの問題点がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなさなれたものであって、３枚以上の鋼板を重ね抵抗スポット溶接する際に、溶接時の加圧力を一定にしても、散りを発生させることなく薄鋼板側にも必要な溶け込みを形成でき、更に電極の消耗も防止できる重ね抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る重ね抵抗スポット溶接方法は、３枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みを、１対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して各鋼板の接触箇所を溶接するインバータ制御直流電流式による重ね抵抗スポット溶接方法において、プラス側電極にＷ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップが埋め込まれたインサート電極を使用し、前記鋼板のうち板厚が最も薄いものが前記プラス側電極に接触するように板組みして溶接することを特徴とする。

この重ね抵抗スポット溶接方法は、前記プラス側電極における板厚が最も薄い鋼板との接触面積（Ｓ^＋）と、マイナス側電極におけるこのマイナス側電極に接触する鋼板との接触面積（Ｓ⁻）との関係が、下記数式（１）を満たすことが好ましい。

また、本発明の重ね抵抗スポット溶接方法では、パルセーション通電又は多段通電方式で溶接してもよい。

本発明によれば、プラス側電極にＷ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップが埋め込まれたインサート電極を使用し、板厚が最も薄いものがこのプラス側電極に接触するように板組みして溶接しているため、溶接時の加圧力を一定にしても、散りを発生させずに薄鋼板側に充分な接合強度が得られる程度の溶け込みを形成できると共に、電極消耗も防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の重ね抵抗スポット溶接方法を模式的に示す図である。図１に示すように、本発明の重ね抵抗スポット溶接方法（以下、単に溶接方法ともいう。）においては、先ず、厚さが異なる３枚の鋼板１，２，３を、板厚が最も薄い鋼板３が外側になるように重ね合わせる。これらの鋼板の板厚は特に限定されるものではないが、板厚が最も薄い鋼板３の板厚ｔ_１が例えば１．０ｍｍ未満であり、それよりも厚い鋼板１，２の厚さが例えば１．０ｍｍ以上である。そして、１対の溶接電極５，６により、この３枚の鋼板１，２，３からなる板組み４を挟持すると共に加圧しつつ、インバータ制御直流電流式により、板厚が最も薄い鋼板３に接触する電極６がプラスとなるようにして電極５，６間に通電して溶接する。

このとき、プラス側電極となる電極６には、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップ６ａが埋め込まれたインサート電極を使用する。Ｗ及びＷ合金、並びにＭｏ及びＭｏ合金は、鋼材の抵抗溶接用電極材料として一般に使用されているＣｕ及びＣｕ合金に比べて、電気抵抗が大きく、熱伝導度が低いという特徴がある。このため、電極６の鋼板３に接触する部分を、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの合金で構成することにより、Ｃｕ製電極を使用した場合に比べて、鋼板３の表面での発熱が大きくなり、鋼板２と鋼板３との間にナゲットが形成されやすくなる。その結果、溶接時の加圧力を変化させなくても、散りを発生させずに、充分な接合強度が得られる大きさのナゲットを形成することができる。

また、本発明の溶接方法においては、プラス側電極となる電極６と鋼板３との接触面積をＳ^＋、マイナス側電極となる電極５と鋼板１との接触面積をＳ⁻としたとき、これらの関係が下記数式（２）を満たすことが望ましい。

これにより、電極５側の接触面積よりも電極６側の接触面積が小さくなり、電極６側における電流密度が高まるため、特に、電極６側の発熱を高め、ひいては両電極間における発熱を促進することができる。ただし、プラス側電極６と鋼板３との接触面積（Ｓ^＋）が、マイナス側電極５と鋼板１との接触面積（Ｓ⁻）の１／２未満の場合、圧痕が深くなって溶接後の形状が劣化したり、電極の消耗が早くなったりすることがある。また、プラス側電極６と鋼板３との接触面積（Ｓ^＋）が、マイナス側電極５と鋼板１との接触面積（Ｓ⁻）の３／４を超えると、電流密度を高める効果が低下する。よって、プラス側電極６と鋼板３との接触面積（Ｓ^＋）は、マイナス側電極５と鋼板１との接触面積（Ｓ⁻）の１／２〜３／４とすることが望ましい。

本発明の溶接方法で使用する電極５，６の形状は特に限定されるものではなく、ＣＦ形、ＤＲ形、Ｒ形、Ｆ形及びその他種々の形状のものを適用することができ、例えばＪＩＳＺ３１４０及びＩＳＯ５１８４等に規定されている公知の電極等を使用することができる。また、インサート電極（電極６）のチップ６ａの形状も特に限定されるものではないが、例えば、電極６がラジアス形の場合はチップ６ａの先端も電極６のＲと同一のＲに、ＣＦ形の場合はチップ６ａの直径を電極先端径の５０〜８０％（例えば、先端径が６ｍｍの場合はチップ径を約３〜５ｍｍ）にすることが好ましい。これにより、板厚が最も薄い鋼板３に接する電極６側での抵抗発熱が促進されるため、電極５と電極６との間の溶接入熱をより大きくすることができる。

なお、本実施形態おいては、３枚の鋼板を重ね合わせた板組みの溶接を例にして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、３枚以上の鋼板の重ね抵抗スポット溶接方法であれば、上述した効果が得られる。また、溶接対象の鋼板１，２，３の種類も特に限定されるものではなく、例えば、引張強さが３４０ＭＰａ以上の高張力鋼板、及び冷延鋼板又は熱延鋼板からなる鋼素材の表面にめっきを施しためっき鋼板等、種々の鋼板に適用することができる。

更に、溶接方法についても特に限定されるものではなく、パルセーション通電及び多段通電方式で溶接することもできる。例えば、パルセーション通電で溶接する場合は、通電時間を１０〜１００ミリ秒間、休止時間を１０〜１００ミリ秒間として通電及び休止を３回以上繰り返す。また、多段通電の場合は、例えば、鋼板２と鋼板３との間にナゲットが形成される条件で第１段の通電（電流値Ｉ_ａ）をして所要のナゲットを形成した後、第２段の電流値Ｉ_ｂを第１段の通電の電流値Ｉ_ａの１／３以上でかつ電流値Ｉ_ａ以下の値に設定すると共に、第２段の通電時間Ｔ_ｂを第１段の通電時間Ｔ_ａ以上でかつ（６×Ｔ_ａ）以下の範囲に設定して第２段の通電を行い、鋼板１と鋼板２との間に形成されたナゲットを成長させることもできる。

上述の如く、本発明の重ね抵抗スポット溶接方法においては、板厚が最も薄い鋼板３をプラス側電極６と接触するように最も外側に配置しているため、各鋼板間で発生した溶接熱は、直流電流による電子の流れに乗って、マイナス側電極５からプラ側電極６へと溶接熱が移動する形態を生む。この現象によって、鋼板２と鋼板３との間に充分な大きさのナゲットが形成される。また、プラス側電極となる電極６に、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップ６ａが埋め込まれたインサート電極を使用しているため、チップ６ａが接触している部分で抵抗発熱しやすくなる。その結果、従来の電極を使用した場合よりも、鋼板２と鋼板３との間にナゲットが形成されやすくなるため、溶接時の加圧力を変化させなくても、散りを発生させずに、充分な接合強度が得られる大きさのナゲットを形成することができる。更に、電極６の接触面積を電極５の接触面積よりも小さくして、電極６側の電流密度を高くすることにより、チップ６ａがより抵抗発熱しやすくなるため、上述した効果をより高めることができる。更にまた、一般に、プラス側電極の方はマイナス側電極よりも電極先端部が損耗しやすいが、本発明の重ね抵抗スポット溶接方法で使用するプラス側電極６には、通常電極材料として使用されている銅に比べて、硬さがはるかに大きいＷ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップ６ａが埋め込まれているため、電極の消耗も防止することができる。

以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、厚さ及び強度が異なる３枚の鋼板を、図１に示す溶接方法で重ねスポット溶接し、散り発生の有無及び接合部のナゲット径の大きさを調べた。その際の板組を下記表１に示す。本実施例においては、鋼板１，２には高張力鋼板の両面に片面あたりの付着量４５ｇ／ｍ^２で亜鉛めっきした合金化溶融亜鉛めっき鋼板を使用し、板厚が最も薄い鋼板３にはめっきが施されていない裸鋼板を使用した。

また、溶接条件としては、溶接電源にはインバータ直流式電源を使用し、電極には（Ａ）電極径Ｄが１６ｍｍ、先端の直径が６ｍｍ、先端のＲが４０であるＣｒ−Ｃｕ合金製ＤＲ形電極で、先端部に直径３．５ｍｍのＷ合金が埋め込まれているインサート電極、又は（Ｂ）電極径Ｄが１６ｍｍ、先端の直径が６ｍｍ、先端のＲが４０であるＣｒ−Ｃｕ合金製ＤＲ形電極（従来品）を使用した。また、電極配置は、鋼板３側をプラス極に、鋼板１側をマイナス極とした。その他の溶接条件は下記表２に示す。また、下記表２には、上記方法で溶接した際の評価結果（散り発生の有無及び接合部のナゲット径）を併せて示す。

上記表２に示すように、プラス側電極にＷ合金チップが埋め込まれたインサート電極（Ａ）を使用した実施例１、実施例２の供試材は、散りの発生がなく、各鋼板の接合部において充分な大きさのナゲットが得られた。特に、プラス側電極６と鋼板３との接触面積（Ｓ^＋）を、マイナス側電極５と鋼板１との接触面積（Ｓ⁻）の１／２〜３／４とした実施例２の供試材は、プラス側電極６の接触面積が小さいため、加圧力を５．５ｋＮに、溶接電流を７．５ｋＡに夫々低減したが、鋼板２と鋼板３との間には、直径が３．７ｍｍのナゲットが形成された。これに対して、プラス側電極及びマイナス側電極共に従来品（Ｂ）を使用した比較例１の供試材は、散りは発生しなかったものの、ナゲット径が実施例１の供試材の半分以下であり、良好なナゲットを形成することはできなかった。

本発明の重ね抵抗スポット溶接方法を模式的に示す図である。特許文献３に記載のスポット溶接方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１、２、３、１０１、１０２、１０３鋼板
４、１０４板組み
５、６、１０５、１０６電極
６ａチップ

Claims

３枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みを、１対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して各鋼板の接触箇所を溶接するインバータ制御直流電流式による重ね抵抗スポット溶接方法において、
プラス側電極にＷ、Ｍｏ又はこれらの合金からなるチップが埋め込まれたインサート電極を使用し、前記鋼板のうち板厚が最も薄いものが前記プラス側電極に接触するように板組みして溶接することを特徴とする重ね抵抗スポット溶接方法。
前記プラス側電極における板厚が最も薄い鋼板との接触面積（Ｓ^＋）と、マイナス側電極におけるこのマイナス側電極に接触する鋼板との接触面積（Ｓ⁻）との関係が、下記数式（Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。
パルセーション通電又は多段通電方式で溶接することを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。