JP2010029916A

JP2010029916A - Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法

Info

Publication number: JP2010029916A
Application number: JP2008195604A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Goto; 靖人後藤; Masao Kurosaki; 将夫黒崎; Masamoto Tanaka; 将元田中; Shinichi Terajima; 晋一寺嶋; Tsutomu Sasaki; 勉佐々木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】
難溶性の素材、特にＳｎを主成分とするめっき鋼板を使用した時の連続打点性に優れたＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】
Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接を向上させるもので、溶接電極内に棒状Ｎｉが電極チップの先端に面積率として5％以上50％以下埋設された電極チップを用いることによりＳｎと電極のＣｕの合金化を防止する。棒状Ｎｉの1本あたりの断面積が0.13mm²以下であると更に効果的である。
【選択図】なし

Description

本発明は、Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法に関するものである。

従来技術として、スポット溶接用の電極に関する技術を開示したものとして、特開平2−263956号公報、特開平5−77061号公報、特開平7−314153号公報、特開平7-290255号公報等がある。特開平2−263956号公報（下記特許文献１）はCr-Ｃｕ製電極の製造方法に関するもの、特開平5−77061号公報（下記特許文献２）はアルミナ分散銅電極のアルミナの分布を規定したもの、特開平7−314153号公報（下記特許文献３）、特開平7-290255号公報（下記特許文献４）は電極の組成を規定したものである。後者2つの特許文献には、Al板を溶接する際に良好な特性を示す旨が記述されているが、Al板の溶融温度が600℃程度であるのに対してめっき鋼板を溶接する際の鋼板の溶融温度は1500℃以上で、電極の熱負荷という意味ではめっき鋼板の方が遥かに大きい。従って従来の開示技術からはＳｎ系めっき鋼板のような難溶接性材料の溶接は極めて困難であった。

また、Ｎｉを電極に含有させてスポット溶接性を向上させる技術を開示したものとして、特開昭60-187482、特開平2-166249、特開平3-97818、特開平4-28484号公報等がある。特開昭60-187482（下記特許文献５）はＮｉめっきを電極表面に施し、Ｚｎ系めっき鋼板を溶接するときにＺｎ-Fe系の合金層を電極表面に生成させる技術である。

しかしながら、Ｎｉめっきを電極表面に施した場合、電極チップドレッシング時にＮｉめっき層も研削してしまうため、繰り返しの使用に適さない。特開平2-166249号公報（下記特許文献６）、特開平3-97818号公報（下記特許文献７）には電極にＮｉを含有させて電極の機械強度上昇させる技術が記載されているが、Ｎｉ含有により電極基材の固有抵抗が上昇するために、溶接時の電極の熱負荷が大きくなるためにＳｎ系めっき鋼板には十分ではない。特開平4-28484号公報（下記特許文献８）にはＮｉを電極表面に形成し、Ｚｎ系めっき鋼板の溶接時に溶着を抑制させる技術が記載されている。これらの開示技術でもＳｎ系めっき鋼板のような難溶接性材料の溶接に着眼したものではなく、溶接性向上には十分ではなかった。

Ｓｎ系めっき鋼板のような難溶接性材料に対応した電極としては電極組織に着目した文献としては、特開2005-111483号公報（下記特許文献９）があるが、生産性の観点から更なるスポット溶接の連続打点性の向上は望まれている。また特許第1207799号公報（下記特許文献１０）には、電極と被溶接材料の間に、被溶接材料よりも電極の汚損耗度が少なく、かつ耐食性を有する導電性金属材料の薄小片を介して溶接する方法が提案されているが、Ｓｎ系めっき鋼板に特化したものはない。先行技術として、Ｎｉを含有した電極は多いが、電極の電気伝導度と硬度をバランスさせ、難溶接材料であるＳｎ系めっきの連続打点性を向上させる電極はない。また、電極を“Ｎｉめっき”あるいは“Ｎｉを先端に埋め込む”場合は電極をドレッシングし、再利用する場合に難あり。
特開平2−263956号公報特開平5−77061号公報特開平7−314153号公報特開平7−290255号公報特開昭60-187482号公報特開平2-166249号公報特開平3-97818号公報特開平4-28484号公報特開2005−111483号公報特許第1207799号公報

本発明は、難溶性の素材、特にＳｎを主成分とするめっき鋼板を使用した時の連続打点性に優れたＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法を提供することを課題とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。本発明者らはスポット溶接における電極チップの寿命に影響する鋼板側の因子、電極側の因子、溶接条件の因子について詳細に検討した結果、電極チップの寿命を向上させることに成功した。すなわち電極チップ先端とめっき最表面の界面状態および電極チップ母材の電気導電率と硬度が電極チップの寿命に及ぼす影響が大きいという知見を得て、本発明はなされたものである。

本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接にあたり、電極チップの軸方向に伸びた棒状Ｎｉが電極チップの先端に面積率として5％以上50％以下埋設されたＣｕ系合金からなる電極チップを用いて接合することを特徴とする、Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
（２）前記棒状Ｎｉの1本あたりの断面積が0.13mm²以下であることを特徴とする、（１）に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
（３）前記Ｓｎ系めっき鋼板のＳｎ付着量が鋼板片面あたり5ｇ/m²以上であることを特徴とする、（１）または（２）に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
（４）前記Ｓｎ系めっき鋼板のめっき層が不可避的不純物を含む純Ｓｎめっき、Ｓｎ-Ａｇめっき、Ｓｎ-Ｃｕめっき、Ｓｎ-Ｚｎめっき、Ｓｎ-Ｂｉめっき、Ｓｎ-Ｐｂめっきのいずれかであることを特徴とする、請求項（１）〜（３）のいずれか一項に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。

本発明はＳｎ系めっき鋼板のような難溶接性材料を使用する際に電極チップの寿命を従来よりも長く安定させることができるので、連続打点性に優れたＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法を提供することができるうえ、自動車組立工程等におけるライン停止を少なくすることが可能で、今後のより効率的な生産に寄与することができるなど産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明方法で、Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接にあたり、Ｃｕ系合金に電極チップの軸方向に伸びた棒状Ｎｉが電極チップ先端に面積率として5％以上50％以下埋設された電極チップにより接合することを特徴とする。

ここで電極チップ先端とは実際のスポット溶接時に、鋼板と現に接するスポット溶接電極の領域を示す。棒状Ｎｉが好適な理由は、ＣｕとＮｉの周期律表上の関係と考えられる。すなわち、Ｓｎ系めっきの難溶接性はＣｕ-Ｓｎ合金の易生成性が主因であるが、Ｃｕ-Ｓｎ合金のＣｕの一部がＮｉに置換されると状況が変わる。このＣｕの一部がＮｉに置換されること、すなわち生成する合金がＣｕ-Ｎｉ-Ｓｎ系合金となると、合金層内のＣｕの拡散が抑制される。ＮｉとＣｕの原子番号はそれぞれ28と29と隣接しており、その原子半径はＮｉの方が約3％小さい。すなわちＮｉはＣｕと容易に置換するが、原子半径が僅かに小さいため合金層内に発生していた圧縮応力を緩和する作用が生じる。圧縮応力の緩和はＣｕの拡散の駆動力を減じるものである。この機構によりＣｕ-Ｓｎ系合金の成長は抑制され、Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接性は向上する。

棒状Ｎｉを電極チップの軸方向に延伸して分布させることは、電極の再利用のために必要である。これは製品の製造工程においてスポット溶接の品質を維持するため、定期的に電極チップのドレッシングをしているためである。このドレッシングは約0.1mmから1mm程度、電極の先端を研削することにより、形状を整えかつ新生面を出しているものである。したがって、ドレッシングにより新生面を出したとき初期の電極チップ先端状態と異なるとスポット溶接の品位も変わってくる。スポット溶接の品位を安定化させ、何度もドレッシングにより電極チップを再利用するためには、棒状Ｎｉを電極チップの軸方向に延伸して分布させることが必要である。

次に棒状Ｎｉが電極チップ先端に面積率として5％以上50％以下とする理由を述べる。面積率5％未満では上述したＮｉによるＣｕ-Ｓｎ系合金の成長抑制が不十分なためである。棒状Ｎｉが電極チップ先端に面積率として5％未満であると、Ｃｕ−Ｓｎ合金のＣｕに置き換わるＮｉの供給量が不十分となり、Ｃｕ-Ｓｎ合金の成長抑制が十分に機能しない。

また、面積率50％超では電極全体の導電率が低下するために好ましくない。電極チップ全体の導電率が低下すると、抵抗溶接時の通電による発熱が大きくなり、その結果、電極チップの損傷も大きくなる。一般に、抵抗溶接用電極に要求される特性は2つあり、室温で測定したビッカース硬度が150Hv（変形防止）以上、かつ、導電率が少なくともIACS 30％以上（異常発熱防止）であることが必要である。（IACS International Annealed Ｃｕpper Standard）の抵抗率1.72μΩ・cm）。Ｃｕ系合金に電極チップに棒状Ｎｉを埋設した本発明の電極チップでは、導電率が低いＮｉの面積率が50％を超えると、ＣｕとＮｉの複合則により、電極チップ全体の導電率がIACS 30％以上を確保できなくなる。

棒状Ｎｉは不可避的不純物を含むＮｉでもＮｉ合金でも種類・組成は特に限定するものではないが、著しく電気抵抗率が高くなった場合、棒状Ｎｉで異常発熱を引き起こし、かえってスポット溶接性を阻害することもあるから留意が必要である。

次に棒状Ｎｉの1本あたりの断面積を0.13mm²以下に限定する理由を述べる。上述のようにＮｉとＣｕでは、Ｎｉの導電率が低いため、スポット溶接の通電時に、Ｃｕ側に電流が集中するようになる。さらには、棒状Ｎｉの1本あたりの断面積が0.13mm²超えると、Ｃｕ側で異常発熱する現象が認められるようになった。このため、棒状Ｎｉの1本あたりの断面積を0.13mm²以下に限定する。棒状Ｎｉの1本あたりの断面積の下限は特に限定するものではないが、細線化により電極チップのコストアップにつながるので経済的な理由で合理的な直径を決めれば良い。

次に被溶接材料はＳｎ系めっき鋼板とする。Ｓｎ系めっき以外ではＺｎ系めっき、Al系めっきもＳｎと同様に電極のＣｕと合金化する懸念はあるが、本発明によるスポット溶接方法ではＳｎとＣｕの合金化抑制の効果が最も大きく、実用上の意義は大きい。Ｓｎ系めっきの種類は特に限定するものではないが、不可避的不純物を含む純Ｓｎめっき、Ｓｎ-Ａｇめっき、Ｓｎ-Ｃｕめっき、Ｓｎ-Ｚｎめっき、Ｓｎ-Ｂｉめっき、Ｓｎ-Ｐｂめっきなどが挙げられる。特に二元系以上の多元系めっきの共晶系は純Ｓｎの融点（232℃）より低い温度でめっき層が溶融する組成域があり、ＳｎとＣｕの合金化を促進するため、本発明によるスポット溶接方法の効果は大きい。このようなめっき組成の例として、Ｓｎ-3.5mass％Ａｇ（共晶温度221℃）、Ｓｎ-0.7mass％Ｃｕめっき（共晶温度227℃）、Ｓｎ-8.8mass％Ｚｎめっき（共晶温度199℃）、Ｓｎ-57mass％Ｂｉめっき（共晶温度139℃）、Ｓｎ-38.1mass％Ｐｂめっき（共晶温度183℃）などが挙げられる。また、電極のＣｕと合金化するＳｎの絶対量も影響が大きく、電極と接する面のＳｎの絶対量として、主に片面あたり5g/m²相当以上のＳｎが付着しているＳｎ系めっき鋼板を対象とする。

片面あたり5ｇ/m²未満のＳｎが付着している場合は、電極のＣｕと合金化するＳｎの絶対量が少ないため、Ｃｕ-Ｓｎ合金の成長があまり進展せず、本発明による方法を採らなくても、スポット溶接の連続打点数は十分長く、また、本発明による方法を採っても、合金化するＳｎの絶対量が少ないため、効果は大きくない。

なお、この溶接に使用する溶接機は単相交流式抵抗溶接機、単相整流式抵抗溶接機、三相整流式抵抗溶接機、直流インバータ式抵抗溶接機、コンデンサー式抵抗溶接機等のいずれでも良い。また、差厚のスポット溶接の場合は薄板側の電極損耗が激しくなるのが一般的であるが、このような場合は薄板側の電極チップだけに本発明の電極を使用しても良い。電極チップの基材材質（Cr-Ｃｕ、アルミナ分散銅、ベリリウム銅など）、形状（R形、DR形、CF形など）、溶接条件（加圧力、溶接電流、溶接時間、スクイズ時間、保持時間、タクトタイムなど）も特に限定するものではない。一般に、抵抗溶接用電極に要求される特性は２つあり、室温で測定したビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上、かつ、導電率が少なくとも３０％以上、より好ましくは７５％以上であることが必要である。前述のように、従来のクロム銅は0.01〜1.0wt.%のCrを含有するＣｕ合金から成るが、この理由は、主成分であるＣｕが前記導電率の確保に寄与し、添加したＣｒを初晶として晶出させることで前記硬度の確保に寄与させるためである。

スポット溶接試験の被溶接材として、溶融Ｓｎめっき鋼板（材質：極低炭素鋼、板厚：0.8mm、めっき付着量：片面あたり50g／m^２、後処理皮膜量（SiO2）：片面100mg／ｍ^２、塗油）を使用した。スポット溶接条件は、加圧力は200kgf、溶接電流8.0kA、溶接通電時間10サイクル（60Hz地帯）、連続溶接タクトを3s／回とし、溶接前の上下電極の間隔は30mmとした。使用した電極は上下ともCr-Ｃｕ製のDR形で先端の形状は6φ40Rとした。連続打点の電極寿命は、25点毎にピール法で溶接部を剥離してボタン径を測定し、ボタン径が3.6mmを切った時点でNGとし、3.6mmを切る25点前の打点数をその試験水準での連続打点とした。連続打点性は本発明を使用しない状況を基準としたとき、1.5倍超長の連続打点性が確保されれば、有意に連続打点性が向上したと判断した。

＜棒状Ｎｉの占有面積率、1本あたりの断面積＞
電極と鋼板が現に接する電極先端の6φ中に占める棒状Ｎｉの面積率と棒状Ｎｉの著慶賀スポット溶接の連続打点数に及ぼす影響を表1に示す。

1〜4は棒状Ｎｉの占有面積率が不十分であり、ＮｉによるＣｕ-Ｓｎ系合金の成長抑制効果に乏しい。一方、16〜18は面積率50％超では電極全体の導電率が低下するために、抵抗溶接時の通電による発熱が大きくなり、その結果、電極チップの損傷も大きくなり連続打点性も不足している。

23、24および29、30は棒状Ｎｉの1本あたりの断面積が0.13mm²を超えており、Ｃｕ側で異常発熱する現象が認められるようになり、連続打点性も不足している。

＜Ｓｎ系めっきのＳｎ付着量＞
スポット溶接試験の被溶接材として、Ｓｎめっき鋼板（材質：極低炭素鋼、板厚：0.8mm、後処理皮膜量（SiO2）：片面100mg／ｍ^２、塗油）のめっき付着量（片面あたり）を変更し使用した。それぞれのめっき鋼板につき、占有面積率20％の1本あたりの断面積が0.03mm²の棒状Ｎｉ埋め込み電極を使用した場合と使用しなかった場合の結果を表2に示した。いずれの場合でも棒状Ｎｉ埋め込み電極使用で、連続打点性は向上したが、Ｓｎめっきの付着量が5ｇ/m²より小さくなると（番号34、36）、棒状Ｎｉ埋め込み電極を使用しなくても、連続打点500点を確保できており、実生産上はあまり問題ではなく、かつＮｉとＳｎの相互作用による効果も薄れるためあまり意味はない。

また、溶融Ｓｎ系合金めっき鋼板（材質：極低炭素鋼、板厚：0.8mm、めっき付着量：片面あたり50g／m^２、後処理皮膜量（SiO₂）：片面100mg／ｍ^２、塗油）を各種作製し、スポット溶接に供した。溶融Ｓｎ系合金めっきとしてはＳｎ-Ａｇめっき、Ｓｎ-Ｃｕめっき、Ｓｎ-Ｚｎめっき、Ｓｎ-Ｂｉめっき、Ｓｎ-Ｐｂめっきとした。また、溶融Ｚｎめっきと溶融Alめっきも試験に供した。それぞれのめっき鋼板につき、占有面積率20％の1本あたりの断面積が0.03mm²の棒状Ｎｉ埋め込み電極を使用した場合と使用しなかった場合の結果を表3に示した。溶融Ｓｎ系合金めっき鋼板はいずれのめっき種類も棒状Ｎｉ埋め込み電極使用により、連続打点性が明らかに向上したが、難溶接材であるＺｎめっき鋼板、Alめっき鋼板は僅かに向上するものの効果は限定的であった。

Claims

Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接にあたり、電極チップの軸方向に伸びた棒状Ｎｉが電極チップの先端に面積率として5％以上50％以下埋設されたＣｕ系合金からなる電極チップを用いて接合することを特徴とする、Ｓｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
前記棒状Ｎｉの1本あたりの断面積が0.13mm²以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
前記Ｓｎ系めっき鋼板のＳｎ付着量が鋼板片面あたり5ｇ/m²以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。
前記Ｓｎ系めっき鋼板のめっき層が不可避的不純物を含む純Ｓｎめっき、Ｓｎ-Ａｇめっき、Ｓｎ-Ｃｕめっき、Ｓｎ-Ｚｎめっき、Ｓｎ-Ｂｉめっき、Ｓｎ-Ｐｂめっきのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳｎ系めっき鋼板のスポット溶接方法。