JP2013252543A - シリーズスポット溶接法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】重ね合わせた少なくとも2枚の鋼板に対し、同一面側から離隔した位置に一対の電極を押し当てて溶接を行うシリーズスポット溶接法であって、特定の先端形状を有する電極を用い、特定の加圧力F(N)により加圧し、且つ通電時間を2つの時間帯t1,t2に区分し、各時間帯t1,t2においてそれぞれ電流値C1,C2で通電するものであり、t1,t2,C1,C2についての適正化を図ることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
いずれのスポット溶接も、重ね合わせた2枚の鋼板を溶接により接合する点では変わりはない。
図1(a)は、ダイレクトスポット溶接法を示したものであるが、この溶接は、同図に示すとおり、重ね合わせた2枚の鋼板1,2を挟んでその上下から一対の電極3,4を加圧しつつ電流を流し、鋼板の抵抗発熱を利用して、点状の溶接部5を得る方法である。なお、電極3,4はいずれも、加圧制御装置6,7および電流制御装置8をそなえており、これらによって加圧力と通電する電流値が制御できる仕組みになっている。
しかしながら、実際の溶接に際しては、十分なスペースがない、閉断面構造で鋼板を上下から挟むことができない場合も多く、かような場合には、シリーズスポット溶接法やインダイレクトスポット溶接法が用いられる。
特にシリーズスポット溶接法は、2点を同時に溶接することができることから、溶接の高速化が図れるという利点がある。
自動車車体の軽量化と強化を同時に達成するには、部品素材を高強度化することが効果的であると言われており、最近では引張強さ(TS)が440 MPa以上の高張力鋼板が自動車部品に使用されるようになった。すなわち、高張力鋼板を適用して、使用する鋼板の薄肉化を図り、これにより自動車車体の軽量化と強化を同時に達成しようとするものである。
a)高張力鋼板は普通鋼よりも電気抵抗が高く発熱し易いため、普通鋼の場合と同じように電流を通電すると、鋼板が局部的な発熱と過度の変形を受け、甚だしい場合には高温割れや溶け落ちが生じる。
b)上記弊害を解決するためには、重ね合わせた鋼板間の界面において満足な強度が得られる接合径及び接合状態を形成するための十分な発熱を確保しつつ、接合部周辺において高温割れや溶け落ちが生じるような過度の発熱とならないよう制御する必要がある。
c)また、高温割れ発生に関しては、接合時の温度と歪みが影響すると考えられる。すなわち、高温かつ高歪となる位置において高温割れが発生しやすい。
特許文献1及び特許文献2に開示のシリーズスポット溶接では、接合中に通電による抵抗発熱で鋼板を軟化させ電極を徐々に沈み込ませながら接合を行うことから、ダイレクトスポット溶接と比較すると、接合部に大きな変形が導入されることとなる。また、重ね合わせた鋼板の電極を押し当てる面とは反対側において、電極先端の平坦部の外縁付近で高温割れが発生しやすいことがわかり、数値解析を行った結果、この部位(電極先端の平坦部の外縁付近)における接合時の歪みが顕著に大きくなっていることが明らかとなった。
d)以上のことを踏まえ、接合部形成のために接合界面での十分な発熱を確保しつつ、さらに、接合部周辺において高温割れや溶け落ちの生じるおそれがある過度の発熱及び変形を抑制できる通電パターンについて検討を行った結果、低電流で長時間通電した後、高電流で短時間通電を行って接合を終了することが有効であると判明した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
1.重ね合わせた少なくとも2枚の鋼板に対し、同一面側から離隔した位置に一対の電極を押し当てて溶接を行うシリーズスポット溶接法であって、
円錐角が120〜165°である円錐状の先端形状を有し、該円錐の先端中心部に直径が1.5〜3mmの平坦部が形成された電極を用い、
下記式(1)で表される加圧力F(N)により加圧し、且つ通電時間を2つの時間帯t1,t2に区分し、各時間帯t1,t2においてそれぞれ電流値C1,C2で通電するものであり、最初の時間帯t1(s)は下記式(2)で表され、該時間帯t1において通電される電流値C1(kA)は下記式(3)で表され、その後の時間帯t2は0.02〜0.06sであり、該時間帯t2において通電される電流値C2(kA)は下記式(4)で表されることを特徴とするシリーズスポット溶接方法。
記
93T≦F≦ 220T ・・・(1)
0.125T≦t1≦0.375T ・・・(2)
1.25T≦C1≦2.5T ・・・(3)
3.5T≦C2≦7.5T ・・・(4)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。
記
0.025T≦tpr≦0.075T ・・・(5)
0.7C1≦Cpr≦1.5C1 ・・・(6)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。
記
0.125T≦tpo≦0.375T ・・・(7)
0.8C1≦Cpo≦1.2C1 ・・・(8)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。
本発明は、重ね合わせた少なくとも2枚の鋼板に対し、同一面側から離隔した位置に一対の電極を押し当てて溶接を行うシリーズスポット溶接法である。
そして、本発明は、特定の先端形状を有する電極を用い、電極の加圧に関しては、溶接中に一定の加圧力Fで加圧し、通電する電流値に関しては、通電時間を2つの時間帯に区分し、それぞれの時間帯において通電する電流を制御することを特徴とする。
初期に電極を重ね合わせた鋼板の一方の面側に押し当て、徐々に電極先端が沈み込み、重ね合わせた鋼板を変形させながら密着させることで、鋼板間に不純物のない清浄面を接触させることができるようにするためである。
前記円錐角を120〜165°としたのは、円錐角が120°未満の場合、通電中に電極が鋼板に急激に沈み込み、過度に鋼板が変形する結果、高温割れが発生しやすくなるからであり、一方、円錐角が165°を超えると、接合部を形成するために必要な鋼板間の清浄面が得られないからであり、好ましくは130〜155°、より好ましくは135〜150°である。
前記円錐の先端中心部に直径が1.5〜3mmの平坦部を形成したのは、通電初期に適度な発熱により鋼板を軟化させて徐々に電極を沈み込ませるためである。なお、前記平坦部の直径が1.5mm未満の場合、通電初期における電極と鋼板の接触面積が小さくなって電流密度が過度になるため、鋼板の溶融、飛散が起こり、溶接部の外観や性能を損なうおそれがあるからであり、一方、前記平坦部の直径が3mmを超えると、電極と鋼板の接触面積が大きすぎ電流密度が低下し、鋼板を軟化させるために十分な発熱が得られないためであり、好ましくは1.7〜2.7mm、より好ましくは1.8〜2.5mmである。
93T≦F≦ 220T ・・・(1)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記加圧力Fが93T未満の場合、加圧力が小さすぎるため電極の沈み込みが不十分となり、健全な接合を得ることができない。一方、前記加圧力Fが220Tを超えると、加圧力が大きくなりすぎるため、電極先端の平坦部の外縁付近での歪みが大きくなり、高温割れや溶け落ちが発生するおそれがある。
本発明において、最初の時間帯t1では、電流C1を通電する。この時間帯t1は、重ね合わせた鋼板間の界面において満足な強度が得られる接合径を確保するため、低電流で長時間通電し、電極と接触する鋼板を軟化させて鋼板間に適正な大きさの接触部を得る時間帯である。すなわち、通電により鋼板を軟化して、電極先端を沈み込ませ、2枚の鋼板を密着させる。溶接前に、鋼板間に隙間がある場合でも、この時間帯t1で解消することができる。
0.125T≦t1≦0.375T ・・・(2)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記t1(s)が0.125Tよりも小さい場合、通電時間が短すぎるため、満足な強度が得られる接合径を確保するための接触面積が得られない。一方、前記t1(s)が0.375Tを超えると、通電時間が長すぎるため、鋼板同士の接触面積が過大となり、満足な接合強度を確保する接合状態が得られない。
1.25T≦C1≦2.5T ・・・(3)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記C1(kA)が1.25Tよりも小さい場合、電流が弱すぎるため、満足な強度が得られる接合径を確保するための接触面積が得られない。一方、前記C1(kA)が2.5Tを超えると、電流が強すぎるため、鋼板同士の接触面積が過大となり、満足な接合強度を確保する接合状態が得られない。
この時間帯t2は、高電流・短時間通電し、時間帯t1で形成した鋼板間の接触部に、満足な強度が得られる接合状態を形成するための時間帯である。すなわち、時間帯t1から急激に電流を上昇させ鋼板間の接触部を抵抗発熱により高温にし、溶融接合状態もしくは溶融接合と同等の強度を有する固相接合状態を形成する。
特に、高張力鋼板については、普通鋼に比べて電気抵抗が高く発熱しやすいため、高温割れや溶け落ちが生じるという問題がある。このような課題を解決するには、重ね合わせた鋼板間の界面において満足な強度が得られる接合径と接合状態を形成する上で十分な発熱を確保しつつ、接合部周辺において高温割れや溶け落ちが生じるような過度の発熱を抑制する必要がある。
そのため、時間帯t2の長さ(s)を適宜選択することによって、電極近傍の鋼板間の接合部を形成すべき部位を満足な接合状態を形成する上で十分な高温状態とすることができ、かつ接合部周辺が過度に高温となることを抑制し、さらに上記の相当塑性歪が顕著に大きくなる部位の相当塑性歪を低く抑えることができるため、高温割れを回避することが可能となる。
そして、この時間帯t2の長さは、重ね合わせた鋼板の厚みにかかわらず、0.02〜0.06sとすべきであることが究明された。t2(s)が0.02s未満の場合、満足な強度が得られる接合状態を確保するための発熱が得られず、一方、t2(s)が0.06sを超えると、接合部周辺が過度に高温となり、電極が鋼板に沈み込み鋼板の変形が大きくなるため、高温割れが発生することとなる。
3.5T≦C2≦7.5T ・・・(4)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記電流値C2が3.5T未満の場合、満足な強度が得られる接合状態を確保するための発熱が得られず、一方、前記電流値C2が7.5Tを超えると、接合部周辺が過度に高温となり、電極が鋼板に沈み込み鋼板の変形が大きくなるため、高温割れが発生する。
0.025T≦tpr≦0.075T ・・・(5)
0.7C1≦Cpr≦1.5C1 ・・・(6)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記時間帯tprの長さが0.025T未満の場合、前記スパッタを抑制する効果及び前記接合部の隙間を解消する効果に乏しく、一方、前記時間帯tprの長さが0.075Tを超えると、時間帯t1の効果を損なうおそれがある。前記電流値Cprの大きさが0.7C1未満の場合、前記スパッタを抑制する効果及び前記接合部の隙間を解消する効果に乏しく0、一方、前記電流値Cprの大きさが1.5C1を超えると、時間帯tprの効果を損なうおそれがある。
0.125T≦tpo≦0.375T ・・・(7)
0.8C1≦Cpo≦1.2C1 ・・・(8)
ただし、Tは、重ね合わせた鋼板の総板厚(mm)である。
前記時間帯tpoの長さが0.125T未満の場合、時間が短すぎるため前記接合部の硬質部を解消することができないおそれがあり、一方、前記時間帯tpoの長さが0.375Tを超えると、時間が長すぎるため高温割れや溶け落ちを引き起こすおそれがある。前記電流値Cpoの大きさが0.8C1未満の場合、電流が小さすぎるため前記接合部の硬質部を解消することができないおそれがあり、一方、前記電流値Cpoの大きさが1.2C1を超えると、高温割れや溶け落ちを引き起こすおそれがある。
また、円錐角が140°である円錐状の先端形状を有し、該円錐の先端中心部に直径が2mmの平坦部が形成された電極を用い、さらに溶接割れ、溶け落ちの傾向を意図的に助長させることを目的とし、鋼板11と鋼板12の間に図4に示すように厚さ:0.5mmのスペーサを配置し、板隙のある状態で溶接を行った。
なお、表2において、発明例1〜8は請求項1を満たすものであるのに対し、比較例1〜8は加圧力、第1通電及び第2通電の通電時間、電流値のいずれかが請求項1を満たさないものである。
各発明例及び比較例によって得られたサンプルについて、溶接継手の外観観察により割れ、溶け落ちを確認した。
また、JIS Z 3137(1990)「スポット溶接継手の引張試験方法」に準拠する方法でU字引張試験に供した。表3に、表2に示す通電パターンで溶接したときの各継手の下板割れ、溶け落ちの観察結果及びU字引張強度の測定を行った。なお、比較例1〜8において、下板割れ、溶け落ちの発生した継手については、U字引張試験を実施しなかった。
外観観察及びU時引張試験の結果を表3に示す。
一方、比較例2、3、6、7及び8については、下板割れ、溶け落ちが確認され、比較例1、4及び5のサンプルについては、下板割れ、溶け落ちは発生しなかったものの、良好な継手引張強度が得られなかった。
3,4 電極
5 溶接部
6,7 加圧制御装置
8 電流制御装置
11,12 金属板
13,14 電極
15−1,15−2 溶接部
21,22 金属板
23 電極
24 給電端子
25 溶接部
Claims (4)
- 重ね合わせた少なくとも2枚の鋼板に対し、同一面側から離隔した位置に一対の電極を押し当てて溶接を行うシリーズスポット溶接法であって、
円錐角が120〜165°である円錐状の先端形状を有し、該円錐の先端中心部に直径が1.5〜3mmの平坦部が形成された電極を用い、
下記式(1)で表される加圧力F(N)により加圧し、且つ通電時間を2つの時間帯t1,t2に区分し、各時間帯t1,t2においてそれぞれ電流値C1,C2で通電するものであり、最初の時間帯t1(s)は下記式(2)で表され、該時間帯t1において通電される電流値C1(kA)は下記式(3)で表され、その後の時間帯t2は0.02〜0.06sであり、該時間帯t2において通電される電流値C2(kA)は下記式(4)で表されることを特徴とするシリーズスポット溶接方法。
記
93T≦F≦ 220T ・・・(1)
0.125T≦t1≦0.375T ・・・(2)
1.25T≦C1≦2.5T ・・・(3)
3.5T≦C2≦7.5T ・・・(4)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。 - 前記時間帯t1に先立って、時間帯tprを設け、該時間帯tprにおいて電流値Cprで通電を行い、該時間帯tpr(s)は下記式(5)で表され、電流値Cpr(kA)は下記式(6)で表されることを特徴とする請求項1に記載のシリーズスポット溶接方法。
記
0.025T≦tpr≦0.075T ・・・(5)
0.7C1≦Cpr≦1.5C1 ・・・(6)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。 - 前記時間帯t2の後に続いて、時間帯tpoを設け、該時間帯tpoにおいて電流値Cpoで通電を行い、該時間帯tpo(s)は下記式(7)で表され、電流値Cpo(kA)は下記式(8)で表されることを特徴とする請求項1に記載のシリーズスポット溶接方法。
記
0.125T≦tpo≦0.375T ・・・(7)
0.8C1≦Cpo≦1.2C1 ・・・(8)
ただし、Tは、重ね合わせた金属板の総板厚(mm)である。 - 前記鋼板は、引張強さ(TS)が980MPa以下の高張力鋼板であり、重ね合わせた金属板の総板厚Tが、1.0〜4.0mmであることを特徴とする請求項1に記載のシリーズスポット溶接方法。
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
JP2006198676A (ja) * | 2004-12-24 | 2006-08-03 | Daihatsu Motor Co Ltd | 抵抗溶接用電極、及び、シリーズスポット溶接装置又はインダイレクトスポット溶接装置 |
JP2008055437A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Daihatsu Motor Co Ltd | 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 |
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JP2008055437A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Daihatsu Motor Co Ltd | 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 |
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