JP2013151018A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を高めつつ接合強度を確保できるアルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材１０と鋼材２０とを互いに重ね合わせた状態で一対の電極３０ａ，３０ｂにより挟持し当該電極３０ａ，３０ｂへの通電により抵抗スポット溶接する際に、複数のステップに分けて断続的に、かつ、前記電極３０ａ，３０ｂに供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように前記電極３０ａ，３０ｂに電流を供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と鋼材との溶接方法に関する。

従来より、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と鋼材とを接合する一つの方法として、これらを重ね合わせて一対の電極により挟持し、前記電極に電流を供給することでこれらを溶接する抵抗スポット溶接の研究が進められている。

ここで、アルミニウム系材と鋼材の溶接では、鋼材同士の抵抗スポット溶接に比べて、材料抵抗の低さから大電流が必要となる。そのため、これらを抵抗スポット溶接する場合、アルミニウム系材が過剰に加熱されてチリとなって滅失してしまうという問題がある。これに対して、例えば、特許文献１には、アルミニウム系材と鋼材とを抵抗スポット溶接する溶接方法であって、電極に、予め設定された規定の電流をそれぞれ所定時間ずつ断続的に供給して、電流が長時間にわたって連続して供給されないようにすることで、アルミニウム系材の過剰な加熱ひいてはチリの発生を抑制するようにした方法が開示されている。

特許第４４２５１５９号公報

本発明者らは、前記特許文献１に開示されている従来方法では、チリの発生を抑制してこの抑制に伴う接合強度の向上は実現できるものの、各ステップにおいて各材料、特に、アルミニウム系材が過剰に加熱されて、接合部分周辺のアルミニウム系材の変形量が大きくなるとともに電極にアルミニウム系材が凝着して以降の溶接に悪影響を及ぼすという事態が生じて生産性が悪化すること、および、アルミニウム系材の厚みが減少することを突き止めた。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、生産性を高めつつ接合強度を確保することのできるアルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接方法の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と鋼材とを、互いに重ね合わせた状態で一対の電極により挟持するとともに当該電極への通電により抵抗スポット溶接する溶接方法であって、複数のステップに分けて断続的に、かつ、前記電極に供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように、前記電極に電流を供給することを特徴とする溶接方法を提供する。

この方法によれば、電極に複数のステップに分けて断続的に電流を供給することで各材料が過剰に加熱されるのを回避しつつ、基準期間に電極に供給する積算電流量を段階的に増加させることで先のステップでのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して各材料の加熱量を増大することができ電流の供給に伴ってナゲットを適切に拡大させることができる。従って、この方法によれば、大電流の長時間通電を１ステップで行うことに伴い各材料、特にアルミニウム系材が過剰に加熱されることにより生じる、チリの発生、アルミニウム系材の変形、アルミニウム系材の厚みの減少およびアルミニウム系材の電極への凝着を抑制して生産性を高めつつ、ナゲット拡大に伴う接合強度の向上を実現することができる。

ここで、積算電流量を段階的に増加させる具体的方法としては、前記電極に供給する電流量を前記ステップ毎で段階的に増加させる方法が挙げられる。

この方法によれば、各ステップにおける電流量を変更させるという簡単な手順で、積算電流量を段階的に増加させることができ、電流制御を容易に行うことができる。

また、積算電流量を段階的に増加させる具体的方法としては、上記方法に加えて、あるいは、上記方法とは別に、前記電極を通電する電流供給時間を前記ステップ毎で段階的に増加させる方法が挙げられる。

この方法によれば、電流供給時間を段階的に変更するという簡単な方法で、積算電流量を段階的に増加させることができ、電流制御を容易に行うことができる。

また、積算電流量を段階的に増加させることと同意義である各ステップでの発熱量を段階的に増加させる具体的方法として、上記方法に加えて、あるいは、上記方法とは別に、前記各ステップ間の時間であって前記電極を通電しない通電停止時間を段階的に減少させる方法が挙げられる。これは通電停止による冷却時間を段階的に短くし、各通電ステップの初期抵抗を段階的に増加させるものである。

この方法によれば、通電停止時間を段階的に変更するという簡単な方法で、積算電流量と同意義である各ステップの発熱量を段階的に増加させることができ、電流制御を容易に行うことができる。

なお、上記の方法において、前記一対の電極の挟持圧力は略一定であってもよいが、ステップ毎の当該挟持圧力をステップの進行（ステップ数の増加）に伴い変化させるようにすれば、ナゲット形成を促進させる上で有効となる。

具体的には、前記ステップ毎の前記電極による挟持圧力を、前記ステップの進行に伴い低くするようにする。

この方法によれば、ステップの進行に伴い材料（アルミニウム系材と鋼材）間の接触抵抗が増加して各材料の発熱が促進される。その結果、ナゲット形成が効果的に促進される。また、挟持圧力をステップの進行に伴い低くすることで、アルミニウム系材の変形を抑制することが可能となる。

また、前記ステップ毎の前記電極による挟持圧力を、前記ステップの進行に伴い高くするようにしてもよい。

この方法によれば、ステップの進行による電流量の上昇に伴い発生し易くなるチリの発生を効果的に押さえ込むことが可能となる。さらに、材料同士の接触面積を拡大させることが可能となる。そのため、チリの発生を抑制しつつ比較的大きな電流を電極に供給して材料を加熱することが可能となり、これにより、ナゲット形成を促進させることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、アルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接において生産性を高めつつこれらの接合強度を確保することができる。

本発明の実施形態に係る溶接方法を説明するための図である。 抵抗スポット溶接方法を説明するための面図である。 従来の溶接方法における通電電流のタイムチャートである。 本発明の第１実施形態に係る溶接方法における通電電流のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る溶接方法における通電電流を示したタイムチャートである。 本発明の第３実施形態に係る溶接方法における通電電流を示したタイムチャートである。 本発明の第４実施形態に係る溶接方法における通電電流と電極の加圧力（挟持圧力）とを示したタイムチャートである。 本発明の第５実施形態に係る溶接方法における通電電流と電極の加圧力（挟持圧力）とを示したタイムチャートである。 実施例１〜１８の通電電流を示したタイムチャートである。 比較例１，２の通電電流を示したタイムチャートである。 比較例１の接合結果を示した写真である。 実施例１の接合結果を示した写真である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるア
ルミニウム系材と鋼材とを抵抗スポット溶接する溶接方法の好ましい実施形態について説明する。

本発明に係る溶接方法の概要を説明する。ここでは、図１に示すように、板状のアルミニウム系材１０と板状の鋼材２０とを抵抗スポット溶接する場合について説明する。各板材１０，２０の具体的な材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム系材１０としては、ＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）が用いられ、鋼材２０としては、亜鉛メッキが施された鋼材が用いられる。

まず、アルミニウム系材１０と鋼材２０とを互いに重ね合わせて配置する。次に、これら板材１０，２０を一対の電極３０ａ，３０ｂにより挟持する。このとき、電極３０ａ，３０ｂを互いに近づく方向に押圧し、電極３０ａ，３０ｂを介して板材１０，２０を互いに近づく方向に所定の加圧力（本発明の挟持圧力）で加圧する。そして、板材１０，２０への加圧を維持した状態で、電極３０ａ，３０ｂに電流を供給する。

電極３０ａ，３０ｂへ電流が供給されると、アルミニウム系材１０と鋼材２０とは、自身の材料抵抗および板材どうしの接触抵抗により、電極３０ａ，３０ｂとの接触部分を中心として発熱する。すなわち、電極３０ａ，３０ｂへの電流の供給に伴い、アルミニウム系材１０と鋼材２０とは加熱される。加熱されることで、図２に示すように、アルミニウム系材１０は溶融して鋼材２０にはりつき、これら各板材１０，２０間にナゲット４０が形成されて、アルミニウム系材１０と鋼材１０とが接合される。

ここで、アルミニウム系材１０と鋼材２０との接合強度を高めるためには、アルミニウム系材１０を十分に溶融させてナゲット径Ｒ（ナゲット４０の板面方向の直径）が大きい方が好ましい。そして、このナゲット径Ｒを大きくするためには、電極３０ａ，３０ｂに供給する電流量を大きくする必要がある。

ところが、電極３０ａ，３０ｂに電流量一定の電流を連続して供給する方法を用い、この電流量を大きくした場合には、アルミニウム系材１０が過剰に加熱されてチリとなって滅失するという問題、電極３０ａ，３０ｂの中心部分の加熱量が周囲部分に比べて過剰に大きくなりこの中心部分におけるアルミニウム系材１０の板厚が減少するという問題、電極３０ａ，３０ｂの周囲部分におけるアルミニウム系材１０が盛り上がる等してアルミニウム系材１０が大きく変形するという問題、また、溶融したアルミニウム系材１０が電極３０ａに凝着するという問題が生じる。

この問題に対して、図３に示すように、電極３０ａ，３０ｂに対して電流量一定の電流を供給する一方、これら電極３０ａ，３０ｂへの通電を瞬間的に停止させる方法がある。具体的には、この方法では、電極３０ａ，３０ｂに時間ｔ１＿ｂだけ電流量Ｉｂの電流を供給した後、時間ｔ２＿ｂ通電を停止させるというサイクルを複数回行う。本発明者らは、この方法を用いて各種試験を行った結果、この方法を用いればチリの発生をある程度抑制することができ、チリの抑制に伴って接合強度をある程度高めることができることを確認した。一方、本発明者らは、この方法、すなわち、電極３０ａ，３０ｂに対して電流量一定の電流を供給しつつ瞬間的にその通電を停止させる方法を用いても、接合強度のさらなる向上と、アルミニウム系材１０の板厚の減少の抑制、アルミニウム系材１０の変形の抑制、アルミニウム系材１０の電極への凝着の抑制とを両立させることができないことを発見した。具体的には、電極３０ａ，３０ｂへ供給する電流量を大きくする場合、アルミニウム系材１０の板厚の減少等の問題は避けられないことを発見した。

本発明者らは、この結果について鋭意研究した結果、前記のように瞬間的に通電を停止させつつ電流量一定の電流を電極３０ａ，３０ｂへ供給する方法、すなわち、複数のステップに分けて電極３０ａ，３０ｂを通電する方法では、各ステップでの加熱量が過剰となることで、アルミニウム系材１０の変形量が大きくなる、アルミニウム系材１０の板厚が減少する、アルミニウム系材１０が電極３０ａに凝着するという問題が依然として生じることを突き止めた。

そして、この知見に基づき、本発明者らは、複数のステップに分けて十分な通電停止時間を設けながら断続的に、かつ、これら電極３０ａ，３０ｂに供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように、前記電極３０ａ，３０ｂに電流を供給することで、接合強度のさらなる向上と、アルミニウム系材１０の板厚の減少の抑制、アルミニウム系材１０の変形の抑制、アルミニウム系材１０の電極への凝着の抑制との両立を実現した。なお、積算電流量は、電極３０ａ，３０ｂに供給される電流値と時間との積算値に相当する。

第１実施形態に係る溶接方法では、図４に示すような波形の電流を電極３０ａ，３０ｂに供給することで、電極３０ａ，３０ｂに複数のステップに分けて断続的に電流を供給し、かつ、積算電流量を段階的に増加させることを実現した。すなわち、第１実施形態に係る溶接方法では、一定時間ｔ１の間、電極３０ａ，３０ｂに連続的に電流を供給するというステップを、一定の通電停止時間ｔ２を挟んで複数回実施し、かつ、各ステップでの電流量Ｉを徐々に増加させる。

ここで、電極３０ａ，３０ｂに供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように前記電極３０ａ，３０ｂに電流を供給するとは、すなわち、先のステップでのナゲット形成に伴う板材１０，２０間の抵抗減少に対抗して次のステップにおいてこれら板材１０，２０間の発熱量を増大させるということであり、前記基準期間は、第１ステップＳ１の開始から第２ステップＳ２の開始までの時間以上の時間であって、全通電時間すなわち第１ステップＳ１の通電開始から最終ステップの通電終了までの時間を均等に複数に分けた時間である。例えば、第１実施形態では、通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２の和（ｔ１＋ｔ２）の値を用いることができる。

図４に示す例では、電流供給ステップを４回実施しており、第１〜第４ステップＳ１〜Ｓ４における電流量Ｉ１〜Ｉ４を、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４となるように設定している。例えば、各ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４での電流量Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、順に１５ｋＡ、１５．５ｋＡ、１６ｋＡ、１６．５ｋＡに設定される。

ここで、アルミニウム系材１０の過剰な加熱を抑制するためには、通電停止時間ｔ２を長くしてこの通電停止時間においてアルミニウム系材１０の温度をより低下させるのが好ましい。そこで、この第１実施形態では、通電停止時間ｔ２を通電時間ｔ１と同じ時間に設定して長く確保し、アルミニウム系材１０の過剰な加熱を確実に抑制している。例えば、ｔ１とｔ２とは同じ１６７ｍｓ程度に設定される。

また、前記電極３０ａ，３０ｂが、いわゆるＲ型であって先端面が曲面を呈するものでは、大電流を必要とし装置負荷が高くなる上、チリが発生しやすくなる。そこで、この実施形態では、前記電極３０ａ，３０ｂとして、先端面が平面を呈し各材と面接触するものを用いる。例えば、その先端面が直径５〜６ｍｍ（電極の直径は１３〜１６ｍｍ）のものを用いる。なお、各ステップＳ１〜Ｓ４における通電時の電極３０ａ，３０ｂによる加圧力は一定であり、例えば、４．９ｋＮに設定される。

以上のように、第１実施形態に係る溶接方法では、一定の通電停止時間ｔ２を挟んで断続的に一定の通電時間ｔ１だけ電極３０ａ，３０ｂに通電し、かつ、電極３０ａ、３０ｂへの通電電流量をステップの増加に伴って徐々に増加させる。この方法によれば、断続的に電極３０ａ，３０ｂに通電されることでアルミニウム系材１０が過剰に加熱されるのが回避され、チリの発生、アルミニウム系材の変形、ナゲットの厚みの減少およびアルミニウム系材１０の電極への凝着を抑制することができるとともに、通電電流ひいてはアルミニウム系材１０の加熱量が段階的に増加することで先のステップでのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して材料間の発熱量を確保して通電実施毎にナゲットを適切に拡大させていくことができ接合強度を高めることができる。特に、通電停止時間ｔ２が長い時間確保されているため、前記過剰な加熱を回避することができる。

なお、図４および後述する図５、図６は、インバータ式電源を用いて電極３０ａ，３０ｂを通電した場合を示しているが、電源の種類はこれに限らない。例えば、単相交流式電源を用い、１／２サイクルの交流波の一部を通電停止状態とさせてもよい。

次に、第２実施形態に係る溶接方法について説明する。この第２実施形態に係る溶接方法は、電極３０ａ，３０ｂへの具体的な通電方法においてのみ第１実施形態と異なる。そこで、ここでは、この通電方法についてのみ説明する。

第２実施形態に係る溶接方法では、図５に示すような波形の電流を電極３０ａ，３０ｂに供給することで、電極３０ａ，３０ｂに複数のステップに分けて断続的に電流を供給し、かつ、積算電流量を段階的に増加させることを実現した。すなわち、第２実施形態に係る溶接方法では、電極３０ａ，３０ｂに電流量一定の電流Ｉ２０を連続的に供給するというステップを、一定の通電停止時間ｔ２０を挟んで複数回実施し、かつ、各ステップでの通電時間を徐々に増加させる。

図５に示す例では、電流供給ステップを４回実施しており、第１〜第４ステップＳ１〜Ｓ４において、電流量Ｉ２０を一定に制御する一方、各ステップＳ１〜Ｓ４の通電時間ｔ２１〜ｔ２４を、ｔ２１＜ｔ２２＜ｔ２３＜ｔ２４となるように制御する。例えば、各ステップＳ１〜Ｓ４での通電電流Ｉ２０が１５．５ｋＡ一定とされ、通電停止時間ｔ２０が１６７ｍｓ一定とされ、各ステップＳ１〜Ｓ４での通電時間ｔ２１、ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４が、順に１６７、２００ｍｓ、２３３ｍｓ、２６６ｍｓに設定される。

この第２実施形態に係る溶接方法においても、断続的に電極３０ａ，３０ｂが通電されつつ、各ステップでの通電時間が徐々に増加されることにより板材１０，２０の加熱量が段階的に増加される。そのため、アルミニウム系材１０が過剰に加熱されるのを回避して、チリの発生、アルミニウム系材の変形、ナゲットの厚みの減少およびアルミニウム系材１０の電極への凝着を抑制することができる上に、先のステップでのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して材料間の発熱量を確保して通電実施毎にナゲットを適切に拡大させていくことができ接合強度を高めることができる。

次に、第３実施形態に係る溶接方法について説明する。この第３実施形態に係る溶接方法も、電極３０ａ，３０ｂへの具体的な通電方法においてのみ第１実施形態と異なる。そこで、ここでは、この通電方法についてのみ説明する。

第３実施形態に係る溶接方法では、図６に示すような波形の電流を電極３０ａ，３０ｂに供給することで、電極３０ａ，３０ｂに複数のステップに分けて断続的に電流を供給し、かつ、積算電流量を段階的に増加させることを実現した。すなわち、第３実施形態に係る溶接方法では、電極３０ａ，３０ｂに電流量一定の電流３０を一定時間ｔ３０連続的に供給するというステップを、所定の通電停止時間を挟んで複数回実施し、かつ、各ステップ間の通電停止時間を徐々に減少させる。

図６に示す例では、電流供給ステップを４回実施しており、第１〜第４ステップＳ１〜Ｓ４において電流量Ｉ３０および通電時間ｔ３０を一定に制御する一方、第１ステップＳ１と第２ステップＳ２の間の第１通電停止時間ｔ３１と、第２ステップＳ２と第３ステップＳ３の間の第２通電停止時間ｔ３２と、第３ステップＳ３と第４ステップＳ４の間の第３通電停止時間ｔ３３とを、ｔ３１＞ｔ３２＞ｔ３３となるように設定制御する。例えば、各ステップＳ１〜Ｓ４での通電電流量Ｉ３０が１５．５ｋＡ、通電時間ｔ３０が１６７ｍｓ一定とされ、各通電停止時間ｔ３１、ｔ３２、ｔ３３が、順に１６７、１２５ｍｓ、８３ｍｓに設定される。

この第３実施形態に係る溶接方法においても、断続的に電極３０ａ，３０ｂが通電されつつ、通電停止時間（板材１０，２０の冷却時間）が徐々に短くなることで各ステップの通電初期の材料抵抗が徐々に上昇し、その結果、板材１０，２０の加熱量が段階的に増加される。そのため、アルミニウム系材１０が過剰に加熱されるのを回避して、チリの発生、アルミニウム系材の変形、ナゲットの厚みの減少およびアルミニウム系材１０の電極への凝着を抑制することができる上に、先のステップでのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して材料間の発熱量を確保して通電実施毎にナゲットを適切に拡大させていくことができ接合強度を高めることができる。

次に、第４実施形態に係る溶接方法について説明する。

この第４実施形態に係る溶接方法は、電極３０ａ，３０ｂへの具体的な通電方法は第１〜第３実施形態の何れかと同じで、ステップ毎の電極３０ａ，３０ｂによる加圧力を、ステップが進行するに伴い（ステップ数が増加するに伴い）低くなるようにしたものである。

図７は、第４実施形態に係る溶接方法の通電電流と加圧力との関係を示したタイムチャートである。同図に示すように、この実施形態の通電方法は、上述した第１実施形態の通電方法と同じである。具体的には、一定時間ｔ１の間、電極３０ａ，３０ｂに連続的に電流を供給するというステップＳ１〜Ｓ４を、一定の通電停止時間ｔ２を挟んで複数回実施するとともに、各ステップでの電流量Ｉを徐々に増加させる。例えば電流量Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、順に１５ｋＡ、１５．５ｋＡ、１６ｋＡ、１６．５ｋＡに設定され、ｔ１とｔ２は１６７ｍｓ程度に設定される。

そして、通電時の電極３０ａ，３０ｂによる板材１０，２０の加圧力をステップ毎に、詳しくは電極３０ａ，３０ｂに時間ｔ１だけ電流を供給した後、時間ｔ２だけ通電を停止させるというサイクル毎に、一定値ずつ徐々に減少させる。例えばステップＳ１〜Ｓ４の各加圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、４．９ｋＮ、３．９２ｋＮ、２．９４ｋＮ、１．９６ｋＮに設定される。つまり、ステップ毎に０．９８ｋＮずつ加圧力を減少させる。なお、ステップＳ４の加圧力Ｐ４は、この抵抗スポット溶接における初期加圧期間中の圧力として設定される初期加圧力Ｐ０と等しく、例えば１．９６ｋＮに設定されている。

この第４実施形態に係る溶接方法によれば、ステップの進行に伴い電極３０ａ，３０ｂによる加圧力が一定値ずつ減少することで、当該ステップの進行に伴って板材１０，２０間の接触抵抗が増加する。そのため、全ステップＳ１〜Ｓ４の加圧力が略一定である第１実施形態の溶接方法に場合に比べると、ステップの進行に伴う各板材１０，２０の加熱をより良好に行わせることが可能となる。従って、この第４実施形態に係る溶接方法によれば、各ステップＳ１〜Ｓ４でのナゲット形成を効果的に促進させることができ、これにより、より大きなナゲット４０を形成して高い接合強度を得ることが可能となる。また、加圧力が一定値ずつ減少することで、アルミニウム系材１０の変形を抑制することができるという効果もある。

なお、ここでは、具体的な電極３０ａ，３０ｂに対する通電方法として第１実施形態の通電方法を適用した場合について説明したが、勿論、第２、第３実施形態の通電方法を適用するようにしてもよい。これらの場合も同様の作用効果を奏することができる。

次に、第５実施形態に係る溶接方法について説明する。

この第５実施形態に係る溶接方法は、ステップ毎の電極３０ａ，３０ｂによる加圧力を、ステップが進行するに伴い（ステップ数が増加するに伴い）高くなるようにしたものであり、それ以外は、第４実施形態に係る溶接方法と同様である。

図８は、第５実施形態に係る溶接方法の通電電流と加圧力との関係を示したタイムチャートである。同図に示すように、この実施形態は、通電時の電極３０ａ，３０ｂによる板材１０，２０の加圧力を一定値ずつ徐々に増加させる。例えばステップＳ１〜Ｓ４の各圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、１．９６ｋＮ、２．９４ｋＮ、３．９２ｋＮ、４．９ｋＮに設定される。つまり、ステップ毎に０．９８ｋＮずつ加圧力を増加させる。

この第５実施形態に係る溶接方法によれば、ステップの進行に伴い電極３０ａ，３０ｂによる板材１０，２０の加圧力が増加することで、ステップの進行による電流量の上昇に伴い発生し易くなるチリの発生を効果的に押さえ込むことが可能となる。また、材料同士の接触面積を拡大させることが可能となる。そのため、チリの発生を抑制しつつ比較的大きな電流を電極３０ａ，３０ｂに供給して板材１０，２０を加熱することができ、これにより、ナゲット形成を促進させて高い接合強度を得ることが可能となる。

つまり、第４実施形態に係る溶接方法と第５実施形態に係る溶接方法とは、電極３０ａ，３０ｂによる加圧力を徐々に減少させるか、又は増加させるかで方法および作用が異なるが、何れの場合も、結果的にはナゲット形成を促進させて、より高い接合強度を得ることが可能になるという共通の効果を奏することができる。

なお、この第５実施形態では、具体的な電極３０ａ，３０ｂに対する通電方法として第１実施形態の通電方法を適用した場合について説明したが、勿論、第２、第３実施形態の通電方法を適用してもよい。これらの場合も同様の作用効果を奏することができる。

次に、第１〜第５実施形態に係る溶接方法を用いてアルミニウム系材１０と鋼材２０とを抵抗スポット溶接した実施例１〜１８の溶接結果と、電極３０ａ，３０ｂに電流量一定の電流を連続して所定時間供給することでアルミニウム系材１０と鋼材２０とを抵抗スポット溶接した比較例１、２の溶接結果とについて、表１、２を用いて説明する。

これら実施例１〜１８および比較例１、２では、アルミニウム系材１０として、板厚０．９ｍｍの板状のＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）材を用い、鋼材２０として、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキが施された板状の鋼材を用いた。また、溶接結果として、引張強度ＴＳと、アルミニウム系材１０の変形量と、チリの発生状況とを調べた。なお、表１において、引張強度ＴＳにおけるＮ１、Ｎ２は、それぞれ、異なる試験片における値である。

まず、表１に従って、第１〜第３実施形態の溶接結果（実施例１〜６）について説明する。実施例１〜６では、図９に示すように、電極に、電流量Ｉ＿ａ，Ｉ＿ｂ，Ｉ＿ｃ，Ｉ＿ｄの電流をそれぞれ、時間ｔ＿ｏｎ＿ａ，ｔ＿ｏｎ＿ｂ，ｔ＿ｏｎ＿ｃ，ｔ＿ｏｎ＿ｄずつ供給する第１〜第４の電流供給ステップＳ１〜Ｓ４を、それぞれ、通電停止時間ｔ＿ｏｆｆ＿ａ，ｔ＿ｏｆｆ＿ｂ，ｔ＿ｏｆｆ＿ｃあけて実施した。各電流供給ステップＳ１〜Ｓ４ではそれぞれ、電極３０ａ，３０ｂにより加圧力Ｐ＿ａ、Ｐ＿ｂ、Ｐ＿ｃ、Ｐ＿ｄで試験片を挟持した。なお、加圧力Ｐ＿０は、上述した最低加圧力である。表１には、各実施例１〜６について、それぞれ、これら電流量と、通電時間と、通電停止時間の具体的値を示している。実施例１〜３は、通電時間および通電停止時間を一定として各ステップの電流値を段階的に増加させる第１実施形態に係る溶接方法を用いた結果である。実施例４、５は、各ステップの電流値および通電停止時間を一定として各ステップの通電時間を段階的に増加させる第２実施形態に係る溶接方法を用いた際の結果である。実施例６は、第３実施形態に係り、第２ステップの電流値が第１ステップの電流値よりも大きく設定され、その後の各ステップの電流値が一定、すなわち、第２ステップの電流値と同一とされ、各ステップの通電時間が一定で、かつ、各ステップ間の通電停止時間が段階的に減少されるという溶接方法を用いた結果である。なお、表１中では省略されているが、各ステップの加圧力は一定（Ｐ＿ａ＝Ｐ＿ｂ＝Ｐ＿ｃ＝Ｐ＿ｄ＝Ｐ＿０）である。

比較例１、２では、前述のように、また、図１０に示すように、電極３０ａ，３０ｂに、電流量Ｉ＿ａ一定の電流を連続して時間ｔ＿ｏｎ＿ａ供給した。表１には、比較例１、２について、これら電流値と、通電時間とを示している。

表１に示されるように、１７．５ｋＡと比較的高い電流が３００ｍｓが連続的に供給された比較例２では、アルミニウム系材１０の変形量が大きくなった上に、チリが生じ、２．５ｋＮ程度と低い引張強度しか得ることができなかった。一方、比較例２よりも供給電流が低く、１６．５ｋＡの電流が３００ｍｓ連続的に供給された比較例１では、チリの発生を回避し、かつ、２．６ｋＮ程度の引っ張り強度を得ることができたものの、比較例２と同様に、アルミニウム系材１０の変形量は大きく、適正な接合形状を得ることができなかった。

これに対して、実施例１〜６では、いずれの例においても、チリの発生を回避し、アルミニウム系材１０の変形量を中程度以下に抑えつつ、２．６ｋＮ以上の引っ張り強度を得ることができた。特に、第１実施形態に係る比較例１〜３では、チリの発生を回避し、アルミニウム系材１０の変形量をわずかな量に抑えつつ、２．９ｋＮ以上の高い引っ張り強度を得ることができた。

ここで、図１１は、比較例１の接合結果を示した写真であり、図１２は、実施例１の接合結果を示した写真であり、これらの写真の領域Ａの比較からも、比較例１では、実施例１よりも、アルミニウム系材１０の変形量が大きいことがわかる。また、これらの写真から、比較例１におけるアルミニウム系材１０の板厚ｄ１が、実施例１における板厚ｄ２よりも小さくなっていることがわかる。さらに、これらの写真から、比較例１では、領域Ｂにおいて溶融域がアルミニウム系材１０の表面まで到達しており、溶融したアルミニウム系材１０が電極３０ａに凝着する状態となっているのに対し、実施例１では、溶融域が表面に達しておらず、適正なナゲットが形成されていることがわかる。

次に、表２に従って、第４、第５実施形態の溶接結果（実施例７〜１８）について説明する。

表２には、各実施例７〜１８について、それぞれ、図７に基づき、電流量、通電時間、通電停止時間、および加圧力の具体的値を示している。

実施例７〜１２は、通電方法として第１実施形態に係る通電方法を用いた結果であり、実施例１３〜１６は、通電方法として第２実施形態に係る通電方法を用いた結果であり、実施例１７、１８は、通電方法として第３実施形態に係る通電方法を用いた結果、具体的には、上記第６実施例と同様に、第２ステップの電流値が第１ステップの電流値よりも大きく設定され、その後の各ステップの電流値が一定、すなわち、第２ステップの電流値と同一とされ、各ステップの通電時間が一定で、かつ、各ステップ間の通電停止時間が段階的に減少される方法を用いた結果である。なお、実施例番号に続くアルファベット「Ａ」は、第４実施形態、つまりステップ毎の加圧力を、ステップが進行するに伴い減少させた実施例であり、「Ｂ」は、第５実施形態、つまりステップ毎の加圧力を、ステップが進行するに伴い増加させた実施例である。比較例１、２は、表１と同じである。

表２に示されるように、実施例７〜１８のいずれの例においても、チリの発生を回避し、アルミニウム系材１０の変形量を中程度以下に抑えつつ、２．９ｋＮ以上の引っ張り強度を得ることができた。そして、実施例７〜１２の引っ張りと、これら実施例と通電方法が共通する、表１中の実施例１〜３の引っ張り強度とを比較すると、実施例１〜３が２．８９ｋＮ以上であるのに対して、実施例７〜１２は３．１５ｋＮ以上であった。同様に、実施例１３〜１６の引っ張りと、表１中の実施例４，５の引っ張り強度とを比較すると、実施例４，５が２．５ｋＮ以上であるのに対して、実施例１３〜１６は２．９ｋＮ以上であった。同様に、実施例１７、１８の引っ張りと、表１中の実施例６の引っ張り強度とを比較すると、実施例６が２．６５ｋＮ以上であるのに対して、実施例１７，１８は２．９５ｋＮ以上であった。つまり、ステップ毎の加圧力をステップの進行に伴い変化させる実施例７〜１８の溶接方法によれば、全ステップの加圧力を略一定とする実施例１〜６の溶接方法と同様の通電方法を用いながらも、当該実施例１〜６の溶接方法に比べて、効果的に接合強度を高めることができた。

以上のように、本発明に係る溶接方法によれば、チリの発生を回避し、かつ、アルミニウム系材１０の変形、アルミニウム系材１０の板厚の減少、アルミニウム系材１０の電極への凝着を抑制しつつ、高い引張強度すなわち接合強度を得ることができる。

ここで、通電時間、通電停止時間、通電電流量、加圧力、通電ステップ数は前記に限らない。

ただし、アルミニウム系材１０の過剰な加熱を確実に抑制するためには、通電停止時間を長くするのが好ましい。具体的には、通電停止時間を６０〜５００ｍｓ（６０Ｈｚにおいて４サイクル〜３０サイクル）とすれば、アルミニウム系材１０の過剰な加熱に伴うアルミニウム系材１０の変形、アルミニウム系材１０の厚みの減少、アルミニウム系材１０の電極３０ａ，３０ｂへの凝着、チリの発生といった事態を回避して高い生産性を確保することができることが分かっている。

また、アルミニウム系材１０の過剰な加熱を確実に抑制するためには、通電電流量をある程度低く抑えるのが好ましい。具体的には、通電電流量を２０ｋＡ以下、より好ましくは１７．５ｋＡ以下に抑えれば、アルミニウム系材１０の過剰な加熱に伴うアルミニウム系材１０の変形等を確実に抑えることができることが分かっている。

また、接合強度を確保するためには、電流供給ステップ数を３以上とすることが好ましい。

また、第４、第５実施形態に関し、上記実施形態では、加圧力を一定値ずつ減少又は増加させているが、加圧力の変化量は必ずしも一定である必要はない。例えばステップ毎の通電時間に対応した変化量をそれぞれ設定するようにしてもよい。

また、第４、第５実施形態では、各ステップの通電開始時点で加圧力を変化させるようにしているが、加圧力を変化させるタイミングは、通電終了時点や通電停止中であってもよい。

また、本発明は、複数のステップに分けて断続的に、かつ、前記電極に供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように、電極に電流を供給すればよく、その具体的な通電方法は、前記に限らない。例えば、前述の各実施形態に係る通電方法を組み合わせてもよい。

１０ アルミニウム系材
２０ 鋼材
３０ａ，３０ｂ 電極
４０ ナゲット
Ｒ ナゲット径

Claims (6)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と鋼材とを互いに重ね合わせた状態で一対の電極により挟持するとともに当該電極への通電によりこれら材料どうしを抵抗スポット溶接する溶接方法であって、
   複数のステップに分けて断続的に、かつ、前記電極に供給された電流量を予め設定された基準期間積算した積算電流量が段階的に増加するように、前記電極に電流を供給することを特徴とする溶接方法。
2. 請求項１に記載の溶接方法において、
   前記電極に供給する電流量を前記ステップ毎で段階的に増加させることを特徴とする溶接方法。
3. 請求項１または２に記載の溶接方法において、
   前記電極を通電する電流供給時間を前記ステップ毎で段階的に増加させることを特徴とする溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法において、
   前記各ステップ間の時間であって前記電極を通電しない通電停止時間を段階的に減少させることを特徴とする溶接方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接方法において、
   前記ステップ毎の前記電極による挟持圧力を、前記ステップが進行するに伴い低くすることを特徴とする溶接方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接方法において、
   前記ステップ毎の前記電極による挟持圧力を、前記ステップが進行するに伴い高くすることを特徴とする溶接方法。