JP2011230129A

JP2011230129A - 薄鋼板のスポット溶接方法

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Publication number: JP2011230129A
Application number: JP2010100069A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Suzuki; 規之鈴木; Shigeru Yonemura; 繁米村; Akihiro Uenishi; 朗弘上西; Takashi Ariga; 高有賀
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: JP5766918B2

Abstract

【課題】生産性を阻害することなく、スポット溶接部における引張強さに優れ、かつ、スポット溶接による熱変形防止が実現可能な一対の薄鋼板のスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】一対の鋼板のうち一方の薄鋼板１１に対して、エンボス張出し成形を行ってエンボス張出し成形部１１ａを形成する第一の工程と、エンボス張出し成形部１１ａを押し潰して環状の突起部１１ｃを有する圧痕部１１ｂを形成する第二の工程と、一方の鋼板１１の突起部１１ｃが突出する側に他方の鋼板１２を重ね合わせて、一対の薄鋼板１１，１２をスポット溶接する第三の工程からなるスポット溶接方法を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄鋼板のスポット溶接方法に関する。

近年、低燃費化やＣＯ²排出量削減を目的とした車体の軽量化および衝突安全性向上のために、自動車分野では、車体や部品などに、薄肉の高強度鋼板を使用するニーズが高まっている。
一方、車体の組立てや部品の取付け等では、スポット溶接方法が主に用いられているが、高強度鋼板をスポット溶接した場合には、以下のような問題が生じる。
スポット溶接部（溶接継手）の品質指標としては、引張強さと疲労強度が挙げられるが、前者は部材の強度を決定するパラメーターとして非常に重要である。溶接継手の引張強さには、せん断方向に引張荷重を負荷して測定する引張せん断強さ（ＴＳＳ）と剥離方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張強さ（ＣＴＳ）がある。

一般に、溶接継手の引張せん断強さは、鋼板の引張強さとともに増加するが、十字引張強さは、鋼板の引張強さが７８０ＭＰａ位でピークを示し、それ以降は低下する。
また、高強度鋼板をスポット溶接して組み立てた部品は、溶接部に引張りの残留応力が発生し、疲労強度の低下や熱変形による寸法精度すなわち組立て精度が低下するといった問題がある。

従来、高強度鋼板溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させる方法として、スポット溶接の通電パターンを制御して、スポット溶接部（ナゲット部）と熱影響部の強度を調整する方法（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）や、スポット溶接打点数（ナゲット数）を増やす方法、また炭素等量の低い鋼板を使用する方法、などが、一般に行われている。さらに、特許文献３には、金属板表面に形成した凹部に溶接用電極を押し当ててスポット溶接する方法が開示されている。

また、溶接部の残留応力を低下させる方法として、前述した通電パターンを制御して応力緩和する方法がある。

また、スポット溶接による熱変形を低減させる方法として、スポット打点の順番を調整する方法（特許文献４参照）が開示されている。

特開2002-103048号公報特開2009-241086号公報特開2009-101399号公報特開2003-290932号公報

高張力鋼における点溶接継手疲労強度の改善「鉄と鋼第68年（1982年）第9号 P318〜325」

しかしながら、通電パターンを制御する方法は、スポット溶接部（ナゲット部）と熱影響部を焼鈍して硬さを低下させるテンパー通電など、一般に通電時間が長くなり生産性が低下すること、また被溶接金属の材質や溶接用電極磨耗などの影響により強度がばらつく、といった問題がある。

また、スポット溶接打点を増やす方法は、生産性を低下させるという問題がある。

また、炭素等量の低い材料を用いることは、高強度を確保するため、単価の高い合金を使用することから、材料コストが増大するという問題がある。

また、金属板の表面に予め付与した凹形状に溶接用電極を押し当ててスポット溶接する方法は、溶接用電極の形状が磨耗などによって変化し、安定した通電が得られない、といった問題がある。

これら、スポット溶接継ぎ手強度を向上させる方法は何れも、スポット溶接部（ナゲット部）に引張残留応力が発生するため、溶接部疲労強度の低下や複数打点で組み立てた部品の熱変形による寸法精度を低下させるなどの問題がある。

一方、スポット打点の順番を調整する方法は、例えば自動車の組立ラインでは、溶接機ヘッド（スポットガン）の移動距離が長くなり、やはり生産性が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、生産性を阻害することなく、スポット溶接部における引張強さに優れ、かつ、スポット溶接による熱変形防止を実現することが可能な薄鋼板のスポット溶接方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は以下のとおりである。

[1] 一対の薄鋼板のスポット溶接方法であって、一対の薄鋼板のうち一方の鋼板に対して、エンボス張出し成形を行ってエンボス張出し成形部を形成する第一の工程と、前記エンボス張出し成形部を押し潰して環状の突起部を有する圧痕部を形成する第二の工程と、前記一方の薄鋼板の前記突起部が突出する側に他方の薄鋼板を重ね合わせて、前記一対の薄鋼板をスポット溶接する第三の工程と、を具備してなることを特徴とする薄鋼板のスポット溶接方法。
[2] 一対の薄鋼板のスポット溶接方法であって、環状の突起部を有する一方の薄鋼板と、前記一方の薄鋼板の前記突起部が突出する側に他方の薄鋼板を重ね合わせて、前記一対の薄鋼板をスポット溶接することを特徴とする薄鋼板のスポット溶接方法。
[3] エンボス張出し成形部の形状が略球頭張出し形状であることを特徴とする[１]に記載の薄鋼板のスポット溶接方法。
[4] 前記第三の工程において、前記圧痕部を挟む位置にスポット溶接用電極を配置してスポット溶接することを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載の薄鋼板のスポット溶接方法。
[5] 前記第一の工程及び前記第二の工程を、前記一方の薄鋼板に対する複数回に渡るプレス成形工程と同時に行うことを特徴とする[１]、[３]または［４］に記載のの薄鋼板のスポット溶接方法。

本発明によれば、生産性を阻害することなく、スポット溶接部における引張強さに優れ、かつ、スポット溶接による熱変形防止が実現可能な一対の薄鋼板のスポット溶接方法を提供できる。
また、本発明によれば、自動車用部品の取付けおよび車体の組立て等で用いる高強度鋼板のスポット溶接において、良好な溶接作業性を確保しつつ溶接継手の十字引張強さを向上させることができる。
本発明の適用により、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ²排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大である。

本発明の実施形態である一対の薄鋼板のスポット溶接方法を説明する工程図である。本発明の実施形態である一対の薄鋼板のスポット溶接方法の第一の工程で用いる金型の断面模式図である。本発明の実施形態である一対の薄鋼板のスポット溶接方法の第二の工程で得られる一方の鋼板の圧痕部を示す断面模式図である。抵抗スポット溶接継手の十字引張試験方法を説明する斜視図である。

以下、本発明の薄鋼板のスポット溶接方法について、図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明の薄鋼板のスポット溶接方法を説明するための工程図である。本実施形態に係る薄鋼板のスポット溶接方法は、図１（ａ）のように、被接合材である２枚の薄鋼板（一対の薄鋼板）のうちの一方の鋼板に対して、エンボス成形用金型でエンボス張出し成形を行って略球頭張出し形状のエンボス張出し成形部を形成する第一の工程と、図１(b)に示すように、平板金型により、第一の工程で形成したエンボス張出し成形部を押し潰して環状の突起部を有する圧痕部を形成する第二の工程と、図１（ｃ）に示すように、一方の鋼板の突起部が突出する側に他方の鋼板を重ね合わせて、一対の鋼板をスポット溶接する第三の工程と、から概略構成される。なお、図１(d)は、通電後接合された一対の薄鋼板の断面を示す。

第一の工程では、図１(a)に示すように、一対の薄鋼板１１、１２のうち一方の薄鋼板１１に対してエンボス成形用金型２０で略球頭張出し形状のエンボス張出し成形を行う。

第一工程では、好ましくは図２に示すエンボス成形用金型２０を用いるとよい。図２に示すエンボス成形用金型２０は、ダイス２１およびポンチ２２から構成される。

ダイス２１には平面で見た場合、直径φDdである丸穴状の貫通孔２１aが設けられており、この貫通孔２１aの内面２１bとダイス２１の下面２１cとの間には、曲率半径がRdであるテーパー２１dが形成されている。
また、ポンチ２２の上面２２aには曲率半径Rpである球頭状の凸型突起２２bが設けられており、球頭状の凸型突起２２bの位置とダイス２１の貫通孔２１aの位置とが重なるように構成されている。また、球頭状の凸型突起２２ｂの直径φDpはφDdと同じもしくはφDdよりも小さく設計することが好ましい。

以上説明した図２に示すポンチ２２とダイス２１の間に一方の薄鋼板１１を挟み、エンボス張出し成形を行うことにより、一方の薄鋼板１１にエンボス張出し成形部１１aが形成される。

また、図１（ｃ）に示すように、スポット溶接用電極４０の先端４１は通常球殻形状であることから、断面楕円形状のナゲット６０を得るために、エンボス張出し成形部１１aの形状は略球頭張出し形状であることが望ましい。

次に、第二の工程では、図１(b)に示すように、２枚の平板金型３０で第一の工程によりエンボス張出し成形を施した一方の薄鋼板１１を挟み込み、エンボス張出し成形部１１aを押し潰して環状の突起部１１cを有する圧痕部１１bを形成する。

圧痕部１１bの断面の突起部径(φDe)は、所定のナゲット径程度であることが望ましい。一方の薄鋼板１１は、エンボス張出し成形によって塑性域まで張出された後に潰されることにより、圧痕部１１bに圧縮残留応力が印加される。なお、図３において矢印９０の方向がエンボス張出し方向である。

なお、本実施形態のスポット溶接方法は、鋼板に対して複数回に渡るプレス成形を実施して所定の形状の部品に成形した後、これら部品に対して本実施形態のスポット溶接を適用するケースが想定される。このような場合、上記の第一の工程及び第二の工程は、プレス成形工程と同時に行うことが好ましい。これにより、第一の工程及び第二の工程を部品の成形と別に実施する必要がなく、工程の効率化が図られる。

次に、第三の工程では、まず、一方の薄鋼板１１のうち環状の突起部１１cが突出する側に、平滑な他方の鋼板１２を重ね合わせる。次に、圧痕部１１bを挟む位置に銅などからなるスポット溶接用電極４０を押し付けつつ通電し、一対の薄鋼板１１、１２の間に溶融金属部を形成させる。この際に、圧痕部１１bの環状の突起部１１cが他方の鋼板１２と接触して通電されるが、この接触部分の電気抵抗が大きいことから、通電を開始すると接触部分から優先的に発熱〜溶融し、この溶融金属部は、スポット溶接通電終了後、水冷された電極への抜熱や薄鋼板の熱伝導により急速に冷却されて凝固し、一対の薄鋼板１１、１２の間に図１(d)に示す断面楕円形状のナゲット（溶接金属）６０が形成されて一対の薄鋼板１１、１２が接合される。
なお、ナゲット６０の周囲には熱影響部６１が形成される。そして、このナゲット６０と熱影響部６１によって、溶接部７０が形成される。

以上説明したように、本実施形態のスポット溶接方法によれば、一対の薄鋼板１１、１２の接触部分の形状を適正にすることで、接触部分の近傍の電流密度分布が変化し、効率よく発熱〜溶融し、より大きなナゲット６０を得ることができる。すなわち、圧痕部１１bは図１(b)に示されるような環状の突起部１１cを有しており、この環状の突起部１１cが他方の鋼板１２と接触し、優先的に発熱〜溶融していくことから、平板同士のスポット溶接に比較して、より大きなナゲット６０を得ることができる。

また、溶融金属部が凝固収縮および冷却に伴い熱収縮する際に、周囲は材料で拘束されていることから、常温に冷却された後は局所的に引張残留応力が印加されることになる。通常、この引張残留応力は、部品を変形させる駆動力となり部品の寸法精度低下や、また疲労強度低下の原因となるが、本発明の方法によれば圧痕部１１bには予め圧縮残留応力が存在することから、この圧縮残留応力によって、スポット溶接後の引張残留応力が緩和されて、溶接後の残留応力の総和を低減することが出来る。

また、一対の薄鋼板１１,１２のうち一方の薄鋼板１１に対して、エンボス張出し成形を行ってエンボス張出し成形部１１aを形成する第一の工程と、エンボス張出し成形部１１aを押し潰す第二の工程は、例えば溶接・組立てプロセスの前に実施される当該部品のプレス成形加工プロセスにおいて実施することで、追加の工程無く実施することができる。すなわち、プレス成形工程では、複雑な部品形状を形成するために、通常複数の工程、例えば粗形状を形成する成形工程と詳細形状を形成し所定寸法に仕上げるリストライク工程でプレスを行うが、このプレス工程内の金型にエンボス張出し、および押し潰し形状を組み込むことができる。

以下に実施例により本発明の効果を説明するが、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

板厚：１．２ｍｍ、引張強さ：９８０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛メッキ(GA)鋼板を用いて、本発明の方法によるスポット溶接用試験片を種々作成した。図２に示すエンボス成形用金型２０を用いてエンボス張出し成形を行った後、平板金型でエンボス張出し成形部を押し潰して、環状の突起部を有する圧痕部を形成した。続いて、この圧痕部の突起部が突出する側に同厚同鋼種の鋼板を重ね合わせ、圧痕部の突起部をはさむ位置にスポット溶接用電極を配置し、抵抗スポット溶接継手の十字引張試験方法（ＪＩＳＺ３１３７：「ＩＳＯ／ＤＩＳ１４２７２：Specimen dimensions and procedure for cross tension testing resistance spot and embossed projection weldsと一部規定の除き同一」）に基づいて十字引張試験片を作製した。溶接条件は表１の通りである。

次に、得られた溶接継手について、抵抗スポット溶接継手の十字引張試験方法（ＪＩＳＺ３１３７）に基づき、図４に示すように剥離方向（図４の符号５で示す如く上側の鋼板を上方向に下側の鋼板を下側に相互に剥離する方向）に負荷して十字引張試験を実施した。

エンボス張出し成形に用いたエンボス成形用金型の主要寸法は、φDp=φDd=10mm、Rp=Rd=6mm、H=3mm、とした。

表１にその結果を示す。条件１は、一方の鋼板の突起部の突出側に他方の鋼板を重ね合わせてスポット溶接を施した例である。条件２では、一方の鋼板に圧痕部を形成せず、平板状のままとし、これに他方の鋼板を重ね合わせてスポット溶接を施した例である。また、条件３は、一方の鋼板の突起部の突出側と反対側に他方の鋼板を重ね合わせてスポット溶接を施した例である。表１では、条件１、２および３での一対の鋼板の接合面をそれぞれ、凸、平板、凹と表記している。条件１で作成したスポット溶接用試験片は、条件２および３で作成したスポット溶接用試験片のいずれよりも、同一電流密度で大きなナゲット径が得られ、かつ十字引張強さ（ＣＴＳ）は向上していた。

また、種々の鋼種、異なる板厚の試験においても、同じ結果が得られると共に、冷延鋼板や、さらに、めっき種、目付量等を変えた実験においても、本発明に係る作用効果は同様であった。

本発明によれば、自動車用部品の取付けおよび車体の組立て等で用いる高強度鋼板のスポット溶接において、良好な溶接作業性を確保しつつ溶接継手の十字引張強さを向上させることができる。したがって、これにより、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ²排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大である。

１１…一方の薄鋼板、１１a…エンボス張出し成形部、１１b…圧痕部、１１c…環状の突起部、１２…他方の薄鋼板、２０…エンボス成形用金型、２１…ダイス、２１a…貫通孔、２１b…貫通孔の内面、２１c…ダイスの下面、２１ｄ…テーパー、２２…ポンチ、２２a…ポンチの上面、２２b…ポンチの球頭状の凸型突起、３０…平板金型、４０…スポット溶接用電極、４１…スポット溶接用電極の先端、６０…ナゲット、６１…熱影響部、７０…溶接部、８０…十字引張試験での負荷方向、９０…エンボス張出し方向。

Claims

一対の薄鋼板のスポット溶接方法であって、
一対の薄鋼板のうち一方の薄鋼板に対して、エンボス張出し成形を行ってエンボス張出し成形部を形成する第一の工程と、
前記エンボス張出し成形部を押し潰して環状の突起部を有する圧痕部を形成する第二の工程と、
前記一方の薄鋼板の前記突起部が突出する側に他方の薄鋼板を重ね合わせて、前記一対の薄鋼板をスポット溶接する第三の工程と、
を具備してなることを特徴とする薄鋼板のスポット溶接方法。
一対の薄鋼板のスポット溶接方法であって、
環状の突起部を有する一方の薄鋼板と、前記一方の薄鋼板の前記突起部が突出する側に他方の薄鋼板を重ね合わせて、前記一対の薄鋼板をスポット溶接することを特徴とする薄鋼板のスポット溶接方法。
エンボス張出し成形部の形状が略球頭張出し形状であることを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板のスポット溶接方法。
前記第三の工程において、前記圧痕部を挟む位置にスポット溶接用電極を配置してスポット溶接することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の薄鋼板のスポット溶接方法。
前記第一の工程及び前記第二の工程を、前記一方の薄鋼板に対する複数回に渡るプレス成形工程と同時に行うことを特徴とする請求項１、３または４の何れか一項に記載の薄鋼板のスポット溶接方法。