JP2014205156A - 接合体の製造方法、抵抗スポット溶接装置及びそれに用いられる複合電極 - Google Patents

Abstract

【課題】３枚以上の金属板を含む板組をスポット溶接する場合であっても、ナゲットを安定して形成できる接合体の製造方法を提供する。【解決手段】本実施形態による接合体の製造方法では、薄板（２）と複数の厚板（３）とを含む板組（１）のうち、薄板（２）の表面に、凸形状の先端面を有する集中電極（３０）を接触し、厚板（３Ｂ）の表面に、中心軸（ＣＬ４０）の周りに通電領域（４１０）が配置された先端面（４００）を有する分散電極（４０）を接触して抵抗スポット溶接を実施する。続いて、分散電極（４０）に替えて、新たな集中電極を厚板（３Ｂ）の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する。【選択図】図９

Description

本発明は、接合体の製造方法に関し、さらに詳しくは、積層された複数の金属板を含む板組に対して抵抗スポット溶接を実施して製造される接合体の製造方法、抵抗スポット溶接装置、及び、抵抗スポット溶接装置に利用される複合電極に関する。

自動車等の輸送用機械及び産業用機械等の製造では、抵抗スポット溶接が利用される。輸送用機械及び産業用機械等は、複数の構造部品を備え、構造部品は、複数の接合体で構成される。接合体は、抵抗スポット溶接により製造される。

抵抗スポット溶接は、たとえば、次のとおり行われる。接合体の素材である板組を準備する。板組は、複数の金属板が積層されている。一対の電極で、板組を挟んで加圧する。電極の加圧力が基準値を超えると、一方の電極から他方の電極へ大電流（溶接電流）が流れる。板組内において、加圧により隣り合う金属板が接触した部分（以下、接触部という）で抵抗熱が発生し、接触部が溶融してナゲットが形成される。ナゲットの形成により、金属板同士が接合され、接合体が製造される。

輸送用機械の分野では、車体の衝突安全性の向上を目的として、たとえば、車体にリインフォースメントを含む構造が採用される場合がある。車体の外装であるパネルと、車体の骨組みであるメンバーとの間に、リインフォースメントが配置される。この場合、３枚以上の金属板（パネル、リインフォースメント及びメンバー）を重ね合わせた板組が抵抗スポット溶接される。通常、パネルは、メンバー及びリインフォースメントよりも薄い。したがって、板組を構成する複数の金属板のうち、板組の一方の表面側に最も薄い金属板（パネル）が配置され、反対側の表面側にパネルよりも厚い金属板が配置される。以降、板組を構成する複数の金属板のうち、最も薄い金属板を「薄板」といい、「薄板」よりも厚い金属板を「厚板」という。

車体等の組み立てに使用される抵抗スポット溶接では、板厚に応じたナゲット径を有するナゲットの形成が要求される。上述のような３枚以上の金属板を含む板組では、板厚比が大きくなる。板厚比は、次の式で定義される。
板厚比＝板組の総板厚／板組のうち外側に配置された最も薄い金属板（薄板）の板厚

板厚比が大きい場合、厚板同士の接触部（以下、厚板接触部という）では、熱抵抗が高いため発熱しやすく、溶融しやすい。そのため、厚板接触部に形成されるナゲットのナゲット径は大きくなりやすい。しかしながら、薄板と厚板との接触部（以下、薄板接触部という）では、熱抵抗が小さいため、薄板接触部では、ナゲット径を大きくしにくい。

溶接電流を増加すれば、ナゲット径も大きくなる。しかしながら、溶接電流が過剰に大きくなれば、厚板接触部や薄板接触部から、溶融した金属が飛散する。このような飛散する溶融金属は「チリ」と呼ばれる。

チリが発生すれば、ナゲットの体積が減少して接合部の品質が低下する。さらに、飛散したチリが板組の表面に付着すれば、外観品質が低下する。したがって、抵抗スポット溶接においては、チリの発生を抑制しつつ、板厚に応じたナゲット径を満たすナゲットを安定して形成することが要求される。

３枚以上の金属板を含む板組において、チリの発生を抑制しつつ十分な大きさのナゲットを形成する技術が、特開２００８−１６１８７８号公報（特許文献１）、特開２００３−２５１４６８号公報（特許文献２）、及び、特開２００８−９３７０７号公報（特許文献３）に提案されている。

特許文献１に開示された抵抗スポット溶接方法では、初めに、薄板のうち接合すべき部分を他の部分よりも一段高く形成する。先端面が球面の電極で、一段高く形成された部分を押しつぶして、薄板接触部を溶接する。その後、２つの電極で板組を加圧して厚板接触部を溶接する。

特許文献２に開示された抵抗スポット溶接方法では、板組の一方の表面の薄板に当接する電極チップの先端径を、板組の他方の表面の厚板と当接する電極チップの先端径よりも小さくする。この場合、薄板と電極チップとの接触面積は、厚板と電極チップとの接触面積よりも小さい。そのため、電流密度は薄板側から厚板側に向かうにしたがって小さくなる。そのため、薄板接触部も溶接され、薄板の溶接強度を高めることができる、と特許文献２では記載されている。

特許文献３に開示された抵抗スポット溶接方法では、薄板表面に、凸曲面状の先端面を有する電極を接触し、厚板表面に、窪みを設けた先端を有する電極を接触する。この場合、電極と薄板との接触面積は、電極と厚板との接触面積よりも小さい。そのため、薄板接触部においてもナゲットが形成され易くなり、ナゲットが広範囲にわたって成長する、と特許文献３には記載されている。

特開２００８−１６１８７８号公報 特開２００３−２５１４６８号公報 特開２００８−９３７０７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、抵抗スポット溶接を実施する前に、薄板の一部を加工する必要がある。また、加工部分を電極で押しつぶすため、溶接後の加工部分には痕が残る。

特許文献２及び特許文献３の方法では、厚板接触部においてナゲットが優先的に成長する。そのため、薄板接触部におけるナゲットが十分に成長する前に、厚板接触部のナゲットが過剰に成長し、この部分からチリが発生する場合がある。

本発明の目的は、３枚以上の金属板を含む板組をスポット溶接する場合であっても、ナゲットを安定して形成できる接合体の製造方法を提供することである。

本実施の形態による接合体の製造方法は、積層された複数の金属板を含み、最も薄い金属板が第１最外層に配置される板組を準備する工程と、凸形状の先端面を有する第１集中電極を第１最外層の表面に接触し、自身の中心軸周りに配置される１又は複数の通電領域を先端面に有する分散電極を板組の第１最外層と反対側の第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第１溶接工程と、第１溶接工程の後、第１集中電極を第１最外層の表面に接触し、分散電極に替えて、凸形状の先端面を有する第２集中電極を第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第２溶接工程とを備える。

本実施の形態による接合体の製造方法では、３枚以上の金属板を含む板組をスポット溶接する場合であっても、ナゲットを安定して形成できる。

図１は、接合体の素材である板組の断面図である。 図２は、第１の実施の形態で使用する抵抗スポット溶接装置の模式図である。 図３は、集中電極の一例を示す側面図である。 図４は、分散電極の先端部の側面の断面図及び平面図である。 図５は、図４に示す分散電極と異なる他の分散電極の先端部の側面図及び平面図である。 図６は、図４及び図５に示す分散電極と異なる他の分散電極の先端部の側面の断面図及び平面図である。 図７は、第１の実施の形態による接合体の製造方法の第１溶接工程を示す模式図である。 図８は、図７を集中電極の中心軸方向から見た場合における、集中電極と板組との接触領域と、分散電極の通電領域との位置関係を示す図である。 図９は、第１溶接工程における溶接電流の流れを示す模式図である。 図１０は、第１溶接工程においてナゲット形成過程を説明するための模式図である。 図１１は、図１０に続く、ナゲット形成過程を説明するための模式図である。 図１２は、第２溶接工程を説明するための模式図である。 図１３は、第２溶接工程においてナゲット形成過程を説明するための模式図である。 図１４は、比較例１の抵抗スポット溶接を説明するための模式図である。 図１５は、比較例２の抵抗スポット溶接を説明するための模式図である。 図１６は、比較例３の抵抗スポット溶接を説明するための模式図である。 図１７は、ねじり試験におけるナゲット径の算出方法を説明するための模式図である。 図１８は、実施例のナゲット径と溶接電流との関係を示す図である。 図１９は、比較例１のナゲット径と溶接電流との関係を示す図である。 図２０は、比較例２のナゲット径と溶接電流との関係を示す図である。 図２１は、比較例３のナゲット径と溶接電流との関係を示す図である。 図２２は、比較例４のナゲット径と溶接電流との関係を示す図である。 図２３は、第２の実施の形態による抵抗スポット溶接装置の模式図である。 図２４は、図２３中の複合電極の側面図及び平面図である。 図２５は、図２４に示す複合電極の動作を説明するための模式図である。 図２６は、第３の実施の形態による抵抗スポット溶接装置の模式図である。 図２７は、図２６を用いて接合体の製造方法のうち、第１溶接工程初期の組板と電極との関係を説明するための模式図である。 図２８は、図２６を用いて接合体の製造方法のうち、第２溶接工程初期の組板と電極との関係を説明するための模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本実施の形態による接合体の製造方法は、積層された複数の金属板を含み、最も薄い金属板が第１最外層に配置される板組を準備する工程と、凸形状の先端面を有する第１集中電極を第１最外層の表面に接触し、自身の中心軸周りに配置される１又は複数の通電領域を先端面に有する分散電極を板組の第１最外層と反対側の第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第１溶接工程と、第１溶接工程の後、第１集中電極を第１最外層の表面に接触し、分散電極に替えて、凸形状の先端面を有する第２集中電極を第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第２溶接工程とを備える。

本実施の形態による接合体の製造方法では、第１溶接工程において、第１集中電極と分散電極とで板組を挟んで抵抗スポット溶接を実施する。このとき、第１集中電極の先端面のうち、第１最外層の表面と接触する部分（以下、接触領域という）は、１又は複数の通電領域と同軸に配置されない。つまり、１又は複数の通電領域は、接触領域とずれて配置される。この場合、板組のうち、薄板接触部（最も薄い金属板と、その金属板に隣接する金属板との接触部分）では、１つの束状の溶接電流が流れる。しかしながら、厚板接触部（最も薄い金属板以外の金属板同士の接触部分）では、電流は放射状又は分岐して流れる。そのため、第１溶接工程では、第１集中電極の中心軸上の薄板接触部ではナゲットが形成されるものの、第１集中電極の中心軸上の厚板接触部ではナゲットが形成されない。

一方、第２溶接工程では、第１及び第２集中電極を用いて抵抗スポット溶接を実施する。この場合、第１集中電極の中心軸上の厚板接触部に溶接電流が流れ、過剰な溶接電流を流さなくても、厚板接触部に適切なサイズのナゲットが形成される。

以上のとおり、上記製造方法では、第１溶接工程で薄板接触部にナゲットを形成でき、第２溶接工程で厚板接触部にナゲットを形成できる。そのため、過剰な溶接電流を流すことなく、薄板接触部及び厚板接触部に適切なサイズのナゲットを形成でき、チリの発生も抑制できる。

上記製造方法において、第１溶接工程では、前記第１集中電極の中心軸方向から見たとき、通電領域は、通電開始時において、第１集中電極の先端面のうち前記第１最外層の表面と接触する接触領域の周りに配置される。

この場合、第１溶接工程において、溶接電流は、第１集中電極の中心軸上の薄板接触部を通過するものの、第１集中電極の中心軸上の厚板接触部を避けて流れる。そのため、薄板接触部にはナゲットが形成されるが、厚板接触部にはナゲットが形成されない。そのため、第２溶接工程において、厚板接触部で抵抗発熱を効率よく発生させることができ、厚板接触部において適切なサイズのナゲットを形成できる。

上記製造方法において、分散電極は、第２集中電極の周りに配置されてもよい。この場合、第１溶接工程では、通電領域を第２最外層の表面と接触し、第２集中電極の先端面を第２最外層の表面から離して配置した後、抵抗スポット溶接を実施する。第２溶接工程では、第２集中電極を分散電極に対して相対的に移動して、通電領域を第２最外層の表面から離し、第２集中電極の先端面を第２最外層の表面に接触した後、抵抗スポット溶接を実施する。

この場合、第２溶接工程を実施するために、分散電極を第２集中電極と取り替えなくてもよい。そのため、作業効率が高まる。

上記製造方法において、分散電極は、第２集中電極の周りに配置され、第２集中電極の先端面は、通電領域よりも第２最外層の表面から離れて配置されてもよい。この場合、第１溶接工程では、通電領域を第２最外層の表面に接触した後、前記抵抗スポット溶接を実施する。第２溶接工程では、第１溶接工程での抵抗スポット溶接により板組が変形して第２最外層の表面が第２集中電極の先端面に接触した後、抵抗スポット溶接を実施する。

この場合、第２溶接工程を実施するために、分散電極を第２集中電極と取り替えなくてもよい。

本実施の形態による抵抗スポット溶接装置は、集中電極と、複合電極とを備える。集中電極部は、凸状の先端面を有する。複合電極は、第１集中電極と対向して配置される。複合電極は、集中電極部と、分散電極部とを備える。集中電極部は、凸状の先端面を有する。分散電極部は、集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する。集中電極部及び分散電極部の一方は、他方に対して複合電極の軸方向に相対的に移動可能である。

本実施の形態による抵抗スポット溶接装置では、上述の第２溶接工程において、分散電極部を第２集中電極部と交換して取り付ける必要がない。そのため、作業効率が高まる。

本実施の形態による抵抗スポット溶接装置は、集中電極と、複合電極とを備える。集中電極は、凸形状の先端面を有する。複合電極は、集中電極と対向して配置される。複合電極は、集中電極部と、分散電極部とを備える。集中電極部は、凸状の先端面を有する。分散電極部は、集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する。通電領域は、集中電極部の先端面よりも集中電極の先端面の近くに配置される。

本実施の形態による抵抗スポット溶接装置では、上述の第２溶接工程において、分散電極部を第２集中電極部と交換して取り付ける必要がない。そのため、作業効率が高まる。

本実施形態による複合電極は、上述の製造方法及び抵抗スポット溶接装置に利用される。

上述の特徴を有する本実施形態による接合体の製造方法について、詳しく説明する。

［第１の実施の形態］
［接合体の製造方法］
本実施の形態による接合体の製造方法は、複数枚の金属板が積層された板組を準備する工程（準備工程）と、板組のうち薄板接触部にナゲットを形成する工程（第１溶接工程）と、板組のうち厚板接触部にナゲットを形成する工程（第２溶接工程）とを備える。本実施形態では、抵抗スポット溶接を２段階で実施することにより、薄板接触部及び厚板接触部のそれぞれに、チリの発生を抑制しつつ適切なサイズのナゲットを形成する。以下、各工程について詳述する。

［準備工程］
初めに、図１に示す板組１を準備する。板組１は、積層された複数の金属板２、３Ａ及び３Ｂを含む。板組のうち最外層には、複数の金属板のうち最も薄い金属板２が配置される。各金属板３Ａ、３Ｂの厚みは異なっていてもよいし、同じであってもよい。以降の説明では、最も薄い金属板２を薄板２と称し、他の金属板３Ａ、３Ｂを厚板３Ａ、３Ｂと称する。以降の説明において、厚板３Ａ及び３Ｂを区別する必要がない場合、厚板３と称する。

たとえば、接合体が車体に利用される場合、厚板３はリインフォースメントとメンバーであり、薄板２はパネルである。図１中の板組１は３枚の金属板を備えるが、板組１は４枚以上の金属板を含んでいてもよい。この場合であっても、板組１の一方の最外層には、最も薄い金属板２が配置される。

［第１溶接工程］
続いて、準備された板組１に対して抵抗スポット溶接を実施する（第１溶接工程）。第１溶接工程では、板組１のうち、薄板２と厚板３Ａとの接触部分（薄板接触部）を溶接してナゲットを形成し、厚板３Ａと厚板３Ｂとの接触部分（厚板接触部）にはナゲットを形成しない。

図２は、抵抗スポット溶接装置１０の模式図である。抵抗スポット溶接装置１０は、図示しないロボットアームと、溶接ガン２０とを備える。溶接ガン２０は、ロボットアームの手首の先端に取り付けられる。

溶接ガン２０は、ガンアーム２１と、集中電極３０と、分散電極４０と、昇降装置２２と、電流制御装置２３とを備える。

集中電極３０は、ガンアーム２１の可動側に配置される。具体的には、集中電極３０は、昇降装置２２が配置されるガンアーム２１の上部に配置される。集中電極３０は、シャンク３１と、電極チップ３２とを備える。シャンク３１は棒状の部材であり、先端に電極チップ３２が装着される。電極チップ３２はたとえば、周知のキャップチップである。

分散電極４０は、ガンアーム２１の固定側に配置され、集中電極３０と対向して配置される。分散電極４０は、棒状のシャンク４１と、電極チップ４２とを備える。電極チップ４２は、分散電極４０の先端部分（シャンク４１の先端）に配置される。

昇降装置２２は、集中電極３０の後端部に結合され、集中電極３０を昇降する。より具体的には、昇降装置２２は、集中電極３０を、集中電極３０の中心軸方向にスライドする。これにより、集中電極３０及び分散電極４０は、板組１を挟み、かつ、加圧できる。

図２では、集中電極３０をガンアーム２１の可動側に配置し、分散電極４０をガンアーム２１の固定側に配置する。しかしながら、集中電極３０をガンアーム２１の固定側に配置し、分散電極４０をガンアーム２１の可動側に配置してもよい。

電流制御装置２３は、集中電極３０に電流を供給する。これにより、集中電極３０から分散電極４０に電流が流れる。

電極チップ３２と、電極チップ４２とは、形状が異なる。電極チップ３２は、凸状の先端面３００を有する。先端面３００は単一の曲率を有していてもよいし、複数の曲率を有してもよい。たとえば、先端面の最先端部分の曲率が他の部分の曲率よりも小さくてもよい。また、先端面の最先端部分が平坦であってもよい。電極チップ３２の先端面３００は、図３に示すように円錐台状であってもよいし、円柱状（図示せず）であってもよい。

図２及び図４を参照して、電極チップ４２の先端面４００は、中心軸ＣＬ４０周りに配置される通電領域４１０を含む。図４では、通電領域４１０は円環状である。先端面４００のうち、通電領域４１０の内側の表面部分４２０は窪んでいる。そのため、抵抗スポット溶接時において、表面部分４２０は、板組１と接触せず、通電しない領域（非通電領域）となる。表面部分４２０は、中心軸ＣＬ４０上に配置されるため、中心軸ＣＬ４０上の表面部分は非通電領域となる。

先端面４００は図４の形状に限られない。たとえば、図５に示すとおり、通電領域４１０は、中心軸ＣＬ４０周りに複数形成されてもよい。図５では、通電領域４１０は、先端面４１０の他の部分４２０よりも、先端側に突出して配置されている。図５では、通電領域４１０が２つ配置されているが、通電領域４１０が３つ以上配置されてもよい。図５では、通電領域４１０よりも電極チップ４２の後端側に配置された表面部分４２０が、非通電領域となる。本例においても、中心軸上の表面部分は非通電領域である。

図６に示すとおり、先端面４１０のうち、通電領域４１０以外の部分に、絶縁体が充填されてもよい。この場合、通電領域４１０以外の表面部分４２０は、通電領域４１０と同じ高さに配置される。この場合、中心軸ＣＬ４０を含む表面部分４２０が、非通電領域となる。

要するに、先端面４００では、中心軸ＣＬ４０を含む領域（表面部分４２０）では、通電せず、中心軸ＣＬ４０から離れて、中心軸ＣＬ４０周りに配置される１又は複数の通電領域４１０で通電する。

以上の構成を有する抵抗スポット溶接装置１０を用いて、第１溶接工程を実施する。初めに、図７に示すとおり、集中電極３０と分散電極４０とで、板組１を挟む。具体的には、昇降装置２２で集中電極３０を分散電極４０側にスライドして、板組１を挟んで加圧する。このとき、分散電極４０は、集中電極３０と同軸に配置される。集中電極３０の先端面３００の先端部分は、組板１の最外層である薄板２の表面と接触して接触領域３５０を形成する。

図８は、図７を集中電極３０の中心軸ＣＬ３０方向から見た場合（つまり、平面視の場合）における、接触領域３５０と、分散電極４０の通電領域４１０との位置関係を示す図である。図８を参照して、接触領域３５０は、電極３０の中心軸ＣＬ３０上（中心軸ＣＬ３０を含む領域）に形成される。一方、通電領域４１０は、中心軸ＣＬ３０から離れて、中心軸ＣＬ３０周りに配置される。通電領域４１０が板組１のうち薄板２と反対側の最外層である厚板３Ｂと接触する。

このように、通電領域４１０は、接触領域３５０の周りに配置される。特に、通電開始時において、通電領域４１０は接触領域３５０の外側に配置される。そのため、集中電極３０と分散電極４０との間で通電すると、溶接電流Ｉの流れは、図９に示すとおりとなる。

図９を参照して、陽極である集中電極３０の接触領域３５０から、陰極である分散電極４０の通電領域４１０に向かって、電流Ｉが流れる。この場合、電流Ｉは、１つの束となって流れ、中心軸ＣＬ３０上の薄板接触部２００を通過する。そのため、薄板接触部２００は溶融しやすく、ナゲットが形成されやすい。

一方、通電領域４１０は、中心軸ＣＬ３０から離れて中心軸ＣＬ３０周りに配置される。そのため、薄板接触部２００を通過した溶接電流は１つの束から放射状又は分岐して流れ、通電領域４１０に至る。したがって、薄板接触部２００と同軸上（つまり、中心軸ＣＬ３０上）の厚板接触部２５０には、溶接電流Ｉは流れない。そのため、第１溶接工程では、厚板接触部２５０は溶融しにくく、ナゲットが形成されにくい。

厚板接触部のうち、溶接電流Ｉが流れる厚板接触部２６０では、溶接電流Ｉが分岐しているため、電流密度が小さい。そのため、接触部２６０も溶融しにくい。

上述のとおり、薄板接触部２００では１つの束の溶接電流Ｉが流れる。そのため、図１０に示すとおり、薄板接触部２００では、ナゲット２０１を形成しやすく、通電時間が長くなるに従い、図１１に示すとおり、薄板接触部２００のナゲット２０１は増大する。一方、溶接電流Ｉは厚板接触部２５０を避けて流れるため、厚板接触部２５０は溶融しにくく、通電時間が長くなっても、厚板接触部２５０にはナゲットが形成されにくい。

以上のとおり、第１溶接工程では、溶接電流値を過剰に高くしなくても、薄板接触部２００に所定のサイズを満たすナゲット２０１を形成しやすい。そのため、ナゲット２０１を形成するときにチリが発生するのを抑制できる。

さらに、厚板接触部２５０に溶接電流Ｉが流れないため、厚板接触部２５０が溶着しにくい。そのため、溶着により厚板接触部の通電性が高まるのを抑制できる。

［第２溶接工程］
第１溶接工程の後、第２溶接工程を実施する。第２溶接工程では、図１２に示すとおり、分散電極４０に替えて、集中電極５０を配置する。集中電極５０は、集中電極３０と同様に、凸形状の先端面を有する。

集中電極３０及び５０で板組１を挟み、加圧する。具体的には、集中電極３０を、板組１の最外層である薄板２の表面に接触し、集中電極５０を、反対側の最外層である厚板３Ｂの表面に接触する。このとき、集中電極５０は、集中電極４０と同軸に配置される。

抵抗スポット溶接を開始すると、集中電極３０から集中電極５０に向かって、１つの束の溶接電流Ｉが流れる。このとき、溶接電流Ｉは分岐しない。そのため、厚板接触部２５０には溶接電流Ｉが流れる。

薄板接触部２００にはナゲット２０１が既に形成されるものの、厚板接触部２５０にはナゲットが形成されておらず、溶着もほぼ発生していない。そのため、電流Ｉが流れると、厚板接触部２５０では抵抗発熱が発生し、厚板接触部２５０が溶融する。そのため、図１２に示すとおり、厚板接触部２５０にナゲット２５１が形成される。図１３に示すとおり、通電時間の増大とともに、ナゲット２５１が増大し、所定のナゲット径を満たす。

薄板接触部２００には既に十分な大きさのナゲット２０１が形成されている。そのため、ナゲット２０１をさらに成長させるために溶接電流値を上げたり、通電時間を長くしたりする必要がない。そのため、過剰な溶接電流値及び通電時間により、ナゲット２５１又はナゲット２０１からチリが発生するのを抑制できる。

以上の工程により接合体が製造される。第１及び第２溶接工程は、複数回繰り返して実施してもよい。製造された接合体では、薄板接触部２００及び厚板接触部２５０に、十分なナゲット径を有するナゲットが形成される。さらに、形成時に過剰な電流値及び通電時間を必要としないため、チリが発生しにくい。そのため、本実施形態の製造方法では、チリの発生を抑制しながら、十分な大きさのナゲットを安定して製造できる。以下、この点について実験結果を示して詳述する。

［実験方法］
種々の電極を用いて、抵抗スポット溶接を実施した。

［実施例］
実施例では、上述の本実施形態による接合体の製造方法であり、第１溶接工程として、図１０に示すとおり、集中電極３０と分散電極４０とで板組１を挟んで加圧し、抵抗スポット溶接を実施した。続いて、第２溶接工程として、図１２に示すように、集中電極３０及び５０で板組１を挟んで加圧し、抵抗スポット溶接を実施した。

集中電極３０（電極チップ３２）の直径Ｄ３２（図１０参照）は１６ｍｍであり、先端面のうち、接触領域３５０を形成する最先端部分以外の表面部分の曲率半径は８ｍｍであった。最先端部分の直径Ｄ３５０（図１０参照）は６ｍｍであり、曲率半径は４０ｍｍであった。集中電極５０の形状も、集中電極３０と同じであった。分散電極４０の電極チップ４２の直径Ｄ４２は３０ｍｍであり、非通電領域である表面部分４２０の直径Ｄ４２０は１１ｍｍであった。

使用した板組１は、厚さ１．８ｍｍであって５９０ＭＰａの引張強度を有する２枚の厚板３Ａ、３Ｂと、厚さ０．７ｍｍであって２７０ＭＰａの引張強度を有する１枚の薄板２とを備えた。

第１及び第２溶接工程における加圧力は３２０ｋｇｆであった。第１溶接工程での溶接電流値は９．４ｋＡで一定であり、通電時間は７ｃｙｃｌｅであった（１ｃｙｃｌｅは１／６０秒）。第２溶接工程での溶接電流値を変化させた。第２溶接工程での通電時間は２５ｃｙｃｌｅであった。

［比較例１］
比較例１では、図１４に示すとおり、集中電極３０及び５０で板組１を挟んで加圧し、抵抗スポット溶接を１工程のみ実施した。板組１の素材及び構成は実施例と同じであった。また、抵抗スポット溶接時の加圧力も実施例と同じであった。比較例１においても抵抗スポット溶接時の溶接電流値を変化させた。通電時間は２５ｃｙｃｌｅであった。

［比較例２］
比較例２では、図１５に示すとおり、集中電極３０と分散電極４０とで板組１を挟んで加圧し、抵抗スポット溶接を１工程のみ実施した。板組１の素材及び構成、加圧力、通電時間の条件は比較例１と同じであった。比較例２においても、抵抗スポット溶接時の溶接電流値を変化させた。

［比較例３］
比較例３では、図１６に示すとおり、集中電極３０と、円盤電極６０とで板組１を挟んで加圧し、抵抗スポット溶接を１工程のみ実施した。図１６に示すとおり、円盤電極６０の先端面は平坦な円形状であり、その直径は４０ｍｍであった。その他の条件は比較例１と同じであった。

［比較例４］
比較例４では、実施例での第１溶接工程と第２溶接工程との順番を逆にした。すなわち、初めに、集中電極３０及び５０で板組１を挟み、抵抗スポット溶接を実施した（第１溶接工程）。その後、集中電極５０に替えて分散電極４０を板組１に接触し、集中電極３０と分散電極４０とで板組１を挟み、抵抗スポット溶接を実施した（第２溶接工程）。

第１溶接工程での溶接電流値は７ｋＡで一定あり、通電時間は１８ｃｙｃｌｅであった。第２溶接工程での通電時間は７ｃｙｃｌｅであり、溶接電流値を変化させた。

実施例及び比較例１〜４の抵抗スポット溶接時において、チリの発生有無を目視により判断した。

［ねじり試験］
実施例及び比較例１〜４の抵抗スポット溶接により製造された接合体に対して、ねじり試験を実施した。具体的には、薄板２に対して厚板３をねじって、薄板接触部２００に形成されたナゲット２０１を破断させた。図１７は試験後の厚板３Ａの平面図である。ナゲットの破断面２４０のうち、互いに直交する２方向の直径Ｄ１及びＤ２の平均値を、薄板接触部２００でのナゲット径Ｄ２００と定義した。

同様に、厚板３Ａ及び厚板３Ｂの接合部分に対しても、ねじり試験を実施し、厚板接触部２５０でのナゲットの破断面のうち、互いに直交する２方向の直径の平均値を、厚板接触部２５０でのナゲット径Ｄ２５０と定義した。

本試験では、薄板接触部２００及び厚板接触部２５０のナゲット径が、４．５√（ｔ）以上であれば、十分なサイズのナゲットが形成されたと判断した。上述のとおり、薄板接触部２００でのｔは、薄板２の厚さ０．７ｍｍであり、厚板接触部２５０でのｔは、厚板３の厚さ１．８ｍｍであった。したがって、本試験では、薄板接触部２００でのナゲット径が３．７６ｍｍ以上であり、かつ、厚板接触部２５０でのナゲット径が６．０４ｍｍ以上であれば、十分なサイズのナゲットが形成されたと判断した。以降の説明では、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００＝３．７６ｍｍと定義し、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２５０＝６．０４ｍｍと定義する。

［試験結果］
図１８は、実施例のナゲット径Ｄ２００、Ｄ２５０と溶接電流との関係を示す図である。図１９〜２１は、比較例１〜比較例４のナゲット径Ｄ２００、Ｄ２５０と溶接電流との関係を示す図である。図１８（実施例）及び図２２（比較例４）の横軸は、第２溶接工程
での溶接電流値を意味する。
図中の「Ｓｐｌａｓｈ」が示された地点は、その地点からチリが発生したことを意味する。また、図中で「Ｄｒｅｆ２００」と記載された破線は、薄板接触部２００における基準ナゲット径（＝４．５√（ｔ）＝３．７６ｍｍ）を示し、「Ｄｒｅｆ２５０」と記載された破線は、厚板接触部２５０における基準ナゲット径（＝４．５√（ｔ）＝６．０４ｍｍ）を示す。図中の白丸印（Ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｌｅ ｍａｒｋ）は、ナゲット径Ｄ２００を意味し、白ダイヤ印（Ｏｐｅｎ ｄｉａｍｏｎｄ ｍａｒｋ）は、ナゲット径Ｄ２５０を意味する。

図１８を参照して、本実施形態の接合体の製造方法の実施例の場合、ナゲット径Ｄ２００は、いずれの溶接電流値においても、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００を大きく超えた。さらに、ナゲット径Ｄ２５０は、溶接電流７ｋＡ〜８ｋＡの広い範囲ＳＲで、基準ナゲット径ｄｒｅｆ２５０を超えた。なお、溶接電流が８ｋＡを超えると、厚板接触部２５０でチリが発生した。

以上のとおり、本実施形態の場合、溶接電流の広い範囲ＳＲで、チリが発生することなく、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００、Ｄｒｅｆ２５０を満たすナゲット径を有するナゲットを形成できる。基準ナゲット径を満たすナゲットを形成可能な溶接電流範囲ＳＲが広いほど、安定してナゲットが形成されることを示す。したがって、本実施形態では、チリの発生を抑制しつつ、サイズの大きなナゲットを安定して形成できる。

図１９を参照して、比較例１では、溶接電流を増加させると、チリが発生する前にナゲット径Ｄ２５０が基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２５０よりも大きくなった。しかしながら、ナゲット径２００が基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００を超える前に、厚板接触部２５０でチリが発生した。一対の集中電極を用いた抵抗スポット溶接の場合、厚板接触部２５０での抵抗発熱が薄板接触部２００での抵抗発熱よりも大きい。そのため、厚板接触部２５０で優先的にナゲットが形成、成長する。そして、薄板接触部２００でナゲットが十分に形成する前に、厚板接触部２５０でナゲットが過剰に成長し、チリが発生すると考えられる。

図２０を参照して、比較例２では、ナゲット径Ｄ２００は基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００を大きく超えるものの、厚板接触部２５０ではナゲットが形成されなかった。抵抗スポット溶接時の溶接電流の流れは、図９のとおりになり、中心軸ＣＬ３０上の厚板接触部２５０に溶接電流が流れないため、厚板溶接部２５０でナゲットが形成されなかったと考えられる。

図２１を参照して、比較例３では、ナゲット径Ｄ２００及びＤ２５０共に、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２００、Ｄｒｅｆ２５０を超えなかった。溶接電流は、集中電極３０から円盤電極６０に電流が流れるに従い、放射状に広がる。そのため、集中電極３０から円盤電極６０に向かうに従い、電流密度は若干小さくなる。しかしながら、集中電極３０の中心軸ＣＬ３０上には、円盤電極６０が配置されるため、集中電極３０から流れた電流の大部分は、中心軸ＣＬ３０上の厚板接触部２５０を通過する。そのため、ナゲットは厚板接触部２５０を中心に形成及び成長し、薄板接触部２００のナゲットが十分に形成する前に、厚板接触部２５０からチリが発生すると考えられる。

図２２を参照して、比較例４では、第１溶接工程の溶接電流を適切な範囲（本例では７ｋＡ）に設定することにより、第２溶接工程後のナゲット径Ｄ２５０が基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２５０を超えた。しかしながら、ナゲット径Ｄ２００は、基準ナゲット径Ｄｒｅｆ２５０を超えなかった。比較例４では、第１溶接工程で厚板接触部２５０に大きなナゲットが形成される。一方、薄板接触部２００は溶融には至らないものの、加圧及び加熱（抵抗発熱）により圧接部を形成する。厚板接触部２５０に形成されたナゲットと、薄板接触部２００に形成された圧接部とは、第２溶接工程で通電パスとなり、薄板接触部２００での電流密度が、厚板接触部２５０での電流密度よりも高くならない。そのため、第２溶接工程において薄板接触部２００で抵抗発熱が発生しにくく、薄板接触部２００でナゲットが十分に形成されなかったと考えられる。

以上のとおり、本実施の形態による製造方法では、第１溶接工程において集中電極３０と分散電極５０を用いて抵抗スポット溶接を実施し、薄板接触部２００にナゲットを形成する。そして、第２溶接工程において集中電極３０及び５０を用いて抵抗スポット溶接を実施し、厚板接触部２５０にナゲットを形成する。このように段階的にナゲットを形成することにより、チリの発生を抑制しつつ、薄板接触部２００及び厚板接触部２５０共にナゲット径の大きいナゲットを安定して形成することができる。

上述の実施の形態では、集中電極３０を陽極とし、分散電極４０及び集中電極５０を陰極とする。しかしながら、集中電極３０を陰極とし、分散電極４０及び集中電極５０を陽極としてもよい。

また、上述の実施の形態では、図８に示すとおり、通電開始時において、通電領域４１０は接触領域３５０から離れて中心軸ＣＬ３０周りに配置されている。製造された接合体の薄板接触部２００に形成すべき基準ナゲット径をＤｒｅｆ２００とした場合、好ましくは、中心軸ＣＬ３０方向から見た場合、通電領域４１０は、中心軸ＣＬ３０を中心とした半径Ｒ０よりも外側の位置に配置される。半径Ｒ０は式（１）で定義される。
Ｒ０＝１．２×（Ｄｒｅｆ２００／２） （１）

なお、抵抗スポット溶接の実施中、通電時間の増加に従い、接触領域３５０も増大する。そして、第１溶接工程での通電終了時における接触領域３５０の直径は、薄板接触部２００に形成されたナゲット２０１のナゲット径とほぼ同じになる。したがって、好ましくは、中心軸ＣＬ３０方向から見た場合、通電領域４１０は、通電終了時の接触領域３５０よりも外側に配置される。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、第２溶接工程において、分散電極３０を集中電極５０と取り替えて、抵抗スポット溶接を実施する。しかしながら、取り換え作業を行うことなく、第２溶接工程を実施できる方が好ましい。

第２の実施の形態による接合体の製造方法では、図２に示した抵抗スポット溶接装置１０に代えて、図２３に示す抵抗スポット溶接装置７０を使用する。抵抗スポット溶接装置７０は、抵抗スポット溶接装置１０と比較して、分散電極４０に代えて、複合電極８０と、昇降装置８３とを備える。抵抗スポット溶接装置７０のその他の構成は、抵抗スポット溶接装置１０と同じである。

複合電極８０は、集中電極部８１と、分散電極部８２とを備える。図２４は、複合電極８０の側面図及び平面図である。図２３及び図２４を参照して、集中電極部８１は、集中電極３０と同様に、凸形状の先端面を有する。分散電極部８２は、集中電極部８１の周りに配置される。より具体的には、分散電極部８２は、複合電極８０の中心軸ＣＬ８０周りであって、集中電極部８１の外周面よりも外側に配置される。本例では、分散電極部８２は筒状である。しかしながら、分散電極部８２の形状はこれに限定されない。集中電極部８１と分散電極部８２とは中心軸ＣＬ８０と同軸に配置される。

分散電極部８２の先端面８２０は、分散電極４０と同様に、中心軸ＣＬ８０周りに配置される１又は複数の通電領域８２１を含む。図２４では、先端面８２０全体が、通電領域８２１を構成する。しかしながら、先端面８２０の一部が、１又は複数の通電領域８２１であってもよい。

昇降装置８３は、集中電極部８１を分散電極部８２に対して、中心軸ＣＬ８０方向に相対的に移動する。したがって、集中電極部８１は、分散電極部８２に対して相対的に移動可能である。昇降装置８３はたとえば、電動式又は油圧式のシリンダである。

以上の構成を有する抵抗スポット溶接装置７０を用いた接合体の製造方法は次のとおりである。

準備工程及び第１溶接工程は、第１の実施の形態と同じである。なお、第１溶接工程において、複合電極８０の集中電極部８１の先端面は、分散電極部８２の先端面８２０よりも下方に配置される。換言すれば、集中電極部８１の先端面は、分散電極部８２の先端面８２０よりも、対向する集中電極３０の先端面から離れて配置される。したがって、第１溶接工程では、分散電極部８２の通電領域８２１（先端面８２０）が板組１の最外層の厚板３Ｂの表面と接触し、集中電極部８１の先端面は厚板３Ｂの表面から離れて配置される。そのため、第１の実施の形態と同様の抵抗スポット溶接が実施される。

第２溶接工程において、抵抗スポット溶接装置７０では、図２５に示すとおり、昇降装置８３を用いて集中電極部８１を分散電極部８２に対して相対的にスライドし、軸方向ＣＬ８０方向に上昇させる。このとき、集中電極部８１の先端面は、分散電極部８２の通電領域８２１よりも、対向する集中電極３０の先端面側に配置される。要するに、集中電極部８１が分散電極部８２よりも板組１側に突出する。

その後、集中電極３０と集中電極部８１とで板組１を挟む。このとき、集中電極部８１は、板組１の厚板３Ｂの表面と接触し、通電領域８２１は厚板３Ｂの表面から離れて配置される。これにより、第１の実施の形態と同様に、集中電極同士で挟んだ抵抗スポット溶接を実施できる。

以上のとおり、第２の実施の形態では、第２溶接工程において分散電極４０を集中電極３０に取り替える手間が省ける。

上述の説明では、集中電極部８１が、分散電極部８２に対して中心軸ＣＬ８０方向に移動する。しかしながら、分散電極部８２が昇降装置８３と接続され、集中電極部８１に対して相対的に移動してもよい。集中電極部８１及び分散電極部８２が共に、中心軸ＣＬ８０方向に移動可能であってもよい。

［第３の実施の形態］
図２６は、第３の実施の形態による接合体の製造方法に使用される抵抗スポット溶接装置９０の模式図である。図２６を参照して、抵抗スポット溶接装置９０は、抵抗スポット溶接装置７０と比較して、複合電極８０に代えて、複合電極１１０を備える。抵抗スポット溶接装置９０のその他の構成は、抵抗スポット溶接装置７０と同じである。

複合電極１１０は、集中電極部１２０と、分散電極部１３０とを備える。集中電極部１２０の構成は集中電極部８１と同じであり、分散電極部１３０の構成は分散電極部８２と同じである。

抵抗スポット溶接装置９０は、昇降装置８３を有さない。したがって、集中電極部１２０は分散電極部１３０に対して固定されている。具体的には、分散電極部１３０の通電領域（先端面）は、集中電極部１２０の先端面よりも複合電極１１０の先端側に配置される。したがって、分散電極部１３０の通電領域は、集中電極部の先端面よりも、対向して配置される集中電極３０の先端面の近くに配置される。

第３の実施の形態による接合体の製造方法は次のとおりである。

準備工程及び第１溶接工程は、第１及び第２の実施の形態と同じである。第１溶接工程において、抵抗スポット溶接開始時では、図２７に示すとおり、集中電極３０は、板組１の薄板２の表面と接触する。一方、分散電極部１３０の通電領域（先端面）が板組１の厚板３Ｂの表面と接触し、集中電極部１２０の先端面は、板組１の厚板３Ｂの表面から離れて配置される。したがって、集中電極３０と分散電極部１３０とで板組１を挟み、加圧する。この場合、溶接電流は、図９に示すとおりに板組１内を流れる。

通電時間が長くなるに従い、板組１のうち、集中電極３０と分散電極部１３０とで挟まれた部分が発熱により軟化し、変形する。そして、図２８に示すとおり、板組１の変形により、集中電極部１２０の先端面に、板組１のうちの厚板３Ｂの表面が接触する。このとき、集中電極３０と集中電極部１２０との間で溶接電流が流れる。したがって、第２溶接工程が開始され、第１及び第２の実施の形態と同様に、厚板接触部においてナゲットが形成される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ 板組
２ 薄板
３Ａ、３Ｂ 厚板
１０，７０、９０ 抵抗スポット溶接装置
３０，５０ 集中電極
４０ 分散電極
８０，１１０ 複合電極

Claims (8)

1. 積層された複数の金属板を含み、最も薄い金属板が第１最外層に配置される板組を準備する工程と、
   凸形状の先端面を有する第１集中電極を前記第１最外層の表面に接触し、自身の中心軸周りに配置される１又は複数の通電領域を先端面に有する分散電極を前記板組の前記第１最外層と反対側の第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第１溶接工程と、
   前記第１溶接工程の後、前記第１集中電極を前記第１最外層の表面に接触し、前記分散電極に替えて、凸形状の先端面を有する第２集中電極を前記第２最外層の表面に接触して、抵抗スポット溶接を実施する第２溶接工程とを備える、接合体の製造方法。
2. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
   前記第１溶接工程では、前記第１集中電極の中心軸方向から見たとき、前記通電領域は、前記第１集中電極の先端面のうち前記第１最外層の表面と接触する接触領域の周りに配置される、接合体の製造方法。
3. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
   前記分散電極は、前記第２集中電極の周りに配置され、
   前記第１溶接工程では、前記通電領域を前記第２最外層の表面と接触し、前記第２集中電極の先端面を前記第２最外層の表面から離して配置した後、前記抵抗スポット溶接を実施し、
   前記第２溶接工程では、前記第２集中電極を前記分散電極に対して相対的に移動して、前記通電領域を前記第２最外層の表面から離し、前記第２集中電極の先端面を前記第２最外層の表面に接触した後、前記抵抗スポット溶接を実施する、接合体の製造方法。
4. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
   前記分散電極は、前記第２集中電極の周りに配置され、
   前記第２集中電極の先端面は、前記通電領域よりも前記第２最外層の表面から離れて配置され、
   前記第１溶接工程では、前記通電領域を前記第２最外層の表面に接触した後、前記抵抗スポット溶接を実施し、
   前記第２溶接工程では、前記第１溶接工程での前記抵抗スポット溶接により前記板組が変形して前記第２最外層の表面が前記第２集中電極の先端面に接触した後、前記抵抗スポット溶接を実施する、接合体の製造方法。
5. 凸形状の先端面を有する集中電極と、
   前記集中電極と対向して配置される複合電極とを備え、
   前記複合電極は、
   凸形状の先端面を有する集中電極部と、
   前記集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する分散電極部とを備え、
   前記集中電極部及び前記分散電極部の一方は、他方に対して前記複合電極の軸方向に相対的に移動可能である、抵抗スポット溶接装置。
6. 凸形状の先端面を有する集中電極と、
   前記集中電極と対向して配置される複合電極とを備え、
   前記複合電極は、
   凸形状の先端面を有する集中電極部と、
   前記集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する分散電極部とを備え、
   前記通電領域は、前記集中電極部の先端面よりも前記集中電極の先端面の近くに配置される、抵抗スポット溶接装置。
7. 抵抗スポット溶接に利用される複合電極であって、
   凸形状の先端面を有する集中電極部と、
   前記集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する分散電極部とを備え、
   前記集中電極部及び前記分散電極部の一方は、他方に対して前記複合電極の軸方向に相対的に移動可能である、複合電極。
8. 抵抗スポット溶接に利用される複合電極であって、
   凸形状の先端面を有する集中電極部と、
   前記集中電極部の周りに配置され、１又は複数の通電領域を含む先端面を有する分散電極部とを備え、
   前記通電領域は、前記集中電極部の先端面よりも前記複合電極の先端側に配置される、複合電極。

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