JP2019536631A

JP2019536631A - 継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法

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Publication number: JP2019536631A
Application number: JP2019522466A
Authority: JP
Inventors: レイ，ミン; パン，ファ; ズゥォ，ドゥングゥイ; スー，ヨンチャオ; ジィァン，ハオミン; シー，レイ
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2037-09-30
Also published as: US20190321907A1; US11167370B2; EP3536435A1; AU2017352642A1; CN108015401B; EP3536435A4; CN108015401A; JP7019687B2; AU2017352642B2; WO2018082425A1; BR112019008699A2; BR112019008699B1

Abstract

【解決手段】継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法であって、３つの溶接パルスが１つのスポット溶接計画内で使用され、第１の溶接パルスおよび第２の溶接パルスが、ナゲットの生成および液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れの発生の抑制に使用され、第１の溶接パルスは、直径３．７５Ｔ１／２〜４．２５Ｔ１／２（式中、Ｔは鋼板の板厚を表す）を有するナゲットを生成し、第２の溶接パルスはナゲットをゆっくり成長させ、焼戻しパルスである第３の溶接パルスが溶接スポットの塑性を改善するのに使用される。この亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法によって、高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中の液体金属ぜい化割れを効果的に抑制することができ、その一方で、溶接スポットの塑性が改善され、破断試験中の溶接スポットのボタン引き抜き破壊の確率が高まる。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車用鋼板の溶接方法に関し、特に引張強さが５９０Ｍｐａ以上である、亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接方法に関するものである。

近年、石油価格の高騰や省エネルギー、環境保護および車両全体の安全性に関する人々の意識が絶えず高まるにつれ、自動車製造業界では車体に関して種々の軽量化技術が広く使用されてきた。これを踏まえて、車体での高張力鋼の利用割合がますます増加している。抵抗スポット溶接は、高い生産効率および自動実装が容易であること等の利点に起因して自動車産業において広く使用されており、引き続き、自動車産業における高張力鋼板の主要な溶接方法であろう。したがって、高張力鋼の抵抗スポット溶接技術に広く焦点が当てられている。

高張力鋼亜鉛めっき板の継手は、スポット溶接中に以下の２つ問題を引き起こす傾向がある。
１．継手は、ＬＭＥ割れと呼ばれる液体金属ぜい化割れを生じる。
２．継手は完全な界面破壊を生じる傾向がある。

ＬＭＥ割れの問題に関しては、国内で検索したところ、関連特許は出願されていない。この問題は過去２年間において当業界での研究ホットスポットであるので、その影響因子および感受性に関する研究文献が時々公表されてきた。Scripta Materialia（Scripta Materialia 114（2016）41〜47）に公表のRouholah Ashiriらによる「liquid metal embrittlement−free welds of Zn−coated twinning induced plasticity steels」と称する文献では、１．２ｍｍ溶融亜鉛めっきＴＷＩＰ鋼に対して２回の溶接パルスを採用しているスポット溶接解決策によって、スポット溶接におけるＬＭＥ割れの発生を効果的に抑制できる。そのプロセスを図１に示す。第１のパルスは基本サイズのナゲットを生成するのに使用され、第２のパルスはナゲットをゆっくり成長させるのに使用されて、残留応力を減少させる。

高張力鋼の溶接スポットのぜい性を考慮して、溶接プロセス中の焼戻しパルスを用いる解決策は、溶接スポットの塑性を改善し、かつ破壊試験中の溶接スポットの破壊様式を改善するために当業界で一般的に使用されている。焼戻しパルスの具体的な設定様式は、オルトゴナル法による物理的試験を通して一般に得られる。関連する特許検索の結果は以下の通りである。「A method for improving mechanical property of a joint in welding spot of advanced high−strength steel」（中国公開特許第１０２４８９８５９Ａ号）、すなわち、接種合金ペーストによる方法を使用することによってナゲット金属粒子が洗練され、その結果、継手の組織が改善されて、先進高張力鋼の溶接スポットにおける継手の機械的特性が改善される。「A resistance−laser hybrid spot welding method for High−strength steel」（ＣＮ１０２５００９３６Ａ）、すなわち、高張力鋼の継手の性能は、レーザ溶接とスポット溶接のコンポジット接続様式によって改善される。

本発明の目的は、継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法であって、継手の塑性を改善でき、かつ高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中の液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れの発生を抑制しながら、破壊検出時の溶接スポットのボタン引き抜き破壊の確率を高めることができる、方法を提供することである。

上述の技術的目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決策を採用する。
継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法であって、３つの溶接パルスが１つのスポット溶接計画内で使用され、第１の溶接パルスおよび第２の溶接パルスは、ナゲットの生成および液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れの発生の抑制に使用され、第１の溶接パルスは、直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２を有するナゲットを生成し、Ｔは鋼板の板厚を表し、第２の溶接パルスはナゲットをゆっくり成長させ、第３の溶接パルスが焼戻しパルスであり、これは溶接スポットの塑性を改善するのに使用される。

第１の溶接パルスの時間ｔ1が設定され、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1が試験を行うことにより得られ、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1は直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２を有するナゲットを生成する際の溶接電流であり、第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および時間ｔ2、ならびに第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3および時間ｔ3が、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1および時間ｔ1によって算出される。

本発明の継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法によって、高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中のＬＭＥ割れを効果的に抑制することができ、かつ溶接スポットの塑性も改善することができる。本発明の抵抗スポット溶接方法によれば、３つの溶接パルスが１つのスポット溶接計画内で使用され、第１の溶接パルスおよび第２の溶接パルスは、ナゲットを生成するのに、およびＬＭＥ割れの発生を抑制するのに使用され、第３の溶接パルスは焼戻しパルスであり、これは溶接スポットの塑性を改善するのに使用され、その結果、破断試験中の溶接スポットの破壊様式が改善される。

加えて、本発明により提供されるスポット溶接方法によって、３つの溶接パルスにおける溶接電流Ｉおよび時間ｔの設定方法ならびにそれらの間の数学的関係が明確になる。第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および時間ｔ2ならびに第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3および時間ｔ3は、いくつかの試験を行うことにより得られる第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1および時間ｔ1によって便宜的に算出することができ、その結果、高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中のＬＭＥ割れを抑制することができるとともに、溶接スポットの塑性も改善することができるスポット溶接プロセスが実現する。

本発明の亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法によって、高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中の液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れを効果的に抑制することができ、その一方で、溶接スポットの塑性が改善され、破断試験中の溶接スポットのボタン引き抜き破壊の確率が高まる。したがって、より信頼性のある品質およびより優れた性能を有する高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接による継手が得られ、高張力鋼亜鉛めっき板の溶接製造に関して有用な指針を提供することができる。

研究文献におけるＴＷＩＰ鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中のＬＭＥ割れを抑制するためのプロセスパラメータの概略図である。本発明による継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法の概略図である。亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接の断面の概略図である。板厚と溶接圧力との関係の概略図である。一実施形態におけるプロセスＮｏ．１（従来のスポット溶接プロセス）による典型的なスポット溶接断面のメタログラフである。一実施形態におけるプロセスＮｏ．３（本発明によるスポット溶接方法）による典型的なスポット溶接断面のメタログラフである。

本発明を、添付の図面および特定の実施形態と併せて以下においてさらに説明する。

本発明は、引張強さが５９０ＭＰａ以上である亜鉛めっき鋼板の抵抗スポット溶接方法を開示する。この方法により、溶接スポットの塑性を改善することができ、かつ高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中の液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れの発生を抑制しながら、破断試験中の溶接スポットのボタン引き抜き破壊の確率を高めることができる。

図２に示すように、継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法では、３つの溶接パルスが１つのスポット溶接計画内で使用される。第１の溶接パルスおよび第２の溶接パルスが、ナゲットを生成するのに、およびＬＭＥ割れの発生を抑制するのに使用され、第１の溶接パルスは、直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（式中、Ｔは鋼板の板厚を表す）を有するナゲットを生成し、第２の溶接パルスはナゲットをゆっくり成長させ、第３の溶接パルスは焼戻しパルスであり、これは溶接スポットの塑性を改善するのに使用される。

第１の溶接パルスの時間ｔ1が設定され、かつ第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1が試験を行うことにより得られ、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1は、直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（Ｔ＝鋼板の板厚）を有するナゲットを生成する際の溶接電流である。第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および時間ｔ2ならびに第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3および時間ｔ3は、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1および時間ｔ1によって算出される。

本発明では、第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および時間ｔ2ならびに第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3および時間ｔ3は、いくつかの試験を行うことにより得られる第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1および時間ｔ1によって便宜的に算出することができ、その結果、高張力鋼亜鉛めっき板のスポット溶接中のＬＭＥ割れを抑制することができるとともに、溶接スポットの塑性も改善することができるスポット溶接プロセスが実現する。

本発明の継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法の作動原理は以下の通りである。
ＬＭＥ割れの発生については、応力および適切な温度範囲（亜鉛めっき高張力鋼の範囲は７００℃〜９５０℃である）が２つの条件である。亜鉛めっき高張力鋼は、スポット溶接プロセスにおいて上の２つの条件を有し、したがって、ＬＭＥ割れが発生する。

本発明の設計アイデアは、図３に示すように、スポット溶接ＬＭＥ割れの感受性領域Ｘの応力レベルを低下させることによって、ＬＭＥ割れの出現を回避することである。具体的な原理は以下の通りである。スポット溶接中の加熱の増加に連れて、ナゲットＹの直径Ｄおよび高さｈは連続的に拡大する。高張力鋼、特に超高張力鋼は、母材により多くの合金元素が添加されているので、電気抵抗率が高く、スポット溶接中の発熱速度が速く、高速でナゲットが成長する。ナゲットの高さｈが速く成長し過ぎると、その結果、未溶融母材の板厚方向の厚さＴ’は急激に低下し、未溶融母材の厚さＴ’のサイズが荷重下で断面積に直接影響する。従って、未溶融母材の厚さＴ’が小さいほど、応力は大きい。

本発明では、直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（Ｔ＝鋼板の板厚）を有するナゲットは、第１の溶接パルスによって生成される。このとき、ナゲットは比較的小さく、未溶融母材の厚さＴ’は比較的大きく、スポット溶接のＬＭＥ割れは発生していない。次いで、短時間ｔ2での第２の溶接パルスを印加してナゲットをゆっくり成長させ、したがって、未溶融母材の厚さＴ’が低下する速度を遅くして、ＬＭＥ割れの感受性領域の応力レベルを低下させ、ＬＭＥ割れの出現を回避する。

溶接スポットの塑性の改善および破断試験中の溶接スポットのボタン引き抜き破壊の確率の増大は、第３の溶接パルスによって達成される。このパルスは焼戻しパルスであり、これは、ナゲットの領域の冷却速度を効果的に低下させ、継手の硬化組織の生成を低下させ、それによって継手の塑性を改善することができる。

〔試験実施ステップ〕
１．基本パラメータの設定
１−１ Φ６ｍｍ（プレート厚≦１．４ｍｍ）またはΦ８ｍｍ（プレート厚＞１．４ｍｍ）のドーム面を有する電極を使用する。
１−２板厚に従って図４に示すように、溶接圧力を囲まれた領域内に設定する。溶接圧力の値を設定する具体的方法は、以下の通りである。溶接圧力の下限Ｆｍｉｎ＝３．１８２Ｔ＋０．０３６４ｋＮ（式中、Ｔは鋼板の板厚を表し、その単位はｍｍであり、Ｔの範囲は０．９ｍｍ〜２．０ｍｍである）、溶接圧力の上限Ｆｍａｘ＝４．０９１Ｔ−０．１８２ｋＮ（式中、Ｔは鋼板の板厚を表し、その単位はｍｍであり、Ｔの範囲は０．９ｍｍ〜２．０ｍｍである）。
１−３冷却水の流量、２Ｌ／分〜４Ｌ／分。
１−４図２のＣ1、Ｃ2およびＨＴの時間（保持時間）を表１に従って設定する。第１の溶接パルスと第２の溶接パルスとの間の時間間隔はＣ1であり、すなわち、第１の冷却時間Ｃ1であり、第２の溶接パルスと第３の溶接パルスとの間の時間間隔はＣ2であり、すなわち、第２の冷却時間Ｃ2であり、保持時間ＨＴは第３の溶接パルス後の時間であり、厚さの異なる鋼板に対するその値をそれぞれ以下の通り設定する。

２．第１の溶接パルスの設定
２−１第１の溶接パルスの時間ｔ1を板厚に従って設定し、具体的な設定方法は以下の通りである。
板厚：０．９〜１．２ｍｍ、ｔ1：８〜１２ｃｙｃ、
板厚：１．３〜１．６ｍｍ、ｔ1：１０〜１５ｃｙｃ、
板厚：１．７〜２．０ｍｍ、ｔ1：１２〜１８ｃｙｃ。
２−２第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1を設定する。直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（Ｔ＝鋼板の板厚）を有するナゲットが生成される。第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1の設定ステップは以下の通りである。
２−２−１電極、圧力、冷却水の流量およびＨＴを「１．の基本パラメータ設定」に従って設定する。Ｃ1およびＣ2を０と設定する。
２−２−２「２−１」の方法に従ってｔ1を設定する。
２−２−３４ｋＡから始めて、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1をステップ長として４００Ａで順次設定し、各電流の下で２つのスポット溶接試料を溶接する。
２−２−４２−２−３においてスポット溶接試料を、剥離法を使用することによって破壊する。
２−２−５ステップ２−２−４で破壊される各スポット溶接試料の溶接スポットのナゲットの直径を、ノギスを使用することによって測定する。
２−２−６同じ溶接電流下での２つの溶接スポットのナゲットの直径を平均し、その平均値が３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（Ｔ＝鋼板の板厚）に最も近い場合の相応する電流が「第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1」である。

３．第２の溶接パルスの時間ｔ2および第３の溶接パルスの時間ｔ3の設定
３−１電極、圧力、冷却水の流量、Ｃ1、Ｃ2およびＨＴを「１．の基本パラメータ設定」に従って設定する。
３−２ｔ2およびｔ3を、ｔ1を用いて板厚に従って設定し、具体的な方法は以下の通りである。

４．第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3の設定
４−１第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2を、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1に従って設定する。ナゲットの直径をゆっくりと成長させ、溶接スパッタが発生してないことを確実にする。第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2の設定方法は以下の通りである。
Ｉ2の下限Ｉ2ｍｉｎ＝（１．３−０．０５ｔ2）Ｉ1（式中、ｔ2は第２の溶接パルスの時間（単位、cyc）である）、
Ｉ2の上限Ｉ2ｍａｘ＝（２．２−０．１ｔ2）Ｉ1（式中、ｔ2は第２の溶接パルスの時間（単位、cyc）である）。
４−２第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3を、第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1に従って設定する。徐冷処理を溶接スポット上で行って、ナゲットの硬化組織の発生を低下させ、かつ溶接スポットの塑性を改善する。
第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3の設定方法は以下の通りである。

Ｉ3の上限Ｉ3ｍａｘ＝Ｉ1。

〔実施形態〕
スポット溶接を、３つのスポット溶接計画Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、およびＮｏ．３を使用することによって、１．６ｍｍ溶融高張力鋼（機械的特性および組成を表２に示す）上で実行する。ＬＭＥ割れの発生および破断試験中の溶接スポットの破壊様式を比較し評価する。３つのスポット溶接計画の特徴および試験結果を表３に示す。

詳細な結果は以下の通りである。
１．スポット溶接プロセスＮｏ．１による結果。
スポット溶接プロセスＮｏ．１は、具体的には表４に示す通りである。

メタログラフィックにより、溶接領域全体に重度の液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れが見られる。図５はその典型的なメタログラフである。

２．スポット溶接プロセスＮｏ．２による結果。
スポット溶接プロセスＮｏ．２は以下の通りである。

この溶接方法により、破断試験中、溶接スポットの破壊様式は主に界面破壊である。溶接スポットの引張剪断強さ（ＴＳＳ）および十字引張強さ（ＣＴＳ）は要件を満たしているが、ＴＳＳ試験後の溶接スポットはほとんど全体的に界面破壊を伴い、ＣＴＳ試験後の界面破壊の割合は５０％未満である。

３．スポット溶接プロセスＮｏ．３による結果。
スポット溶接プロセスＮｏ．３は以下の通りである。

本発明の方法によって、液体金属ぜい化（ＬＭＥ）割れはメタログラフィックにより溶接領域全体に見られない。その典型的なメタログラフは図６に示す通りである。

同時に、本発明のプロセスによって、溶接スポットの引張剪断強さ（ＴＳＳ）および十字引張強さ（ＣＴＳ）は要件を満たし、ＣＴＳ試験後に検出された破壊様式は全てボタン引き抜き破壊であり、かつＴＳＳ検出後に検出された溶接スポットでのボタン引き抜き破壊の割合も７０％超であり、これは徐冷パルスが印加されていない場合の結果よりもはるかに良好である。

以上の説明は本発明の好ましい実施形態にすぎず、本発明の保護範囲を限定することを意図するものではない。したがって、本発明の精神および原理の範囲内でなされる任意の変更形態、均等物、改良等も本発明の保護範囲内に包含されるべきである。

Claims

継手性能が良好な亜鉛めっき高張力鋼の抵抗スポット溶接方法であって、
３つの溶接パルスが１つのスポット溶接計画内で使用され、
第１の溶接パルスおよび第２の溶接パルスが、ナゲットの生成および液体金属ぜい化割れの発生の抑制に使用され、
前記第１の溶接パルスは、直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２（式中、Ｔは鋼板の板厚を表す）を有するナゲットを生成し、
前記第２の溶接パルスは、前記ナゲットをゆっくり成長させ、
焼戻しパルスである第３の溶接パルスが、溶接スポットの塑性を改善するのに使用される、
ことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
前記第１の溶接パルスの時間ｔ1が設定され、かつ前記第１の溶接パルスの溶接電流Ｉ1が試験を行うことにより得られ、前記第１の溶接パルスの前記溶接電流Ｉ1は直径３．７５Ｔ^１／２〜４．２５Ｔ^１／２を有する前記ナゲットを生成する際の溶接電流であり、
前記第２の溶接パルスの溶接電流Ｉ2および時間ｔ2、ならびに前記第３の溶接パルスの溶接電流Ｉ3および時間ｔ3が、前記第１の溶接パルスの前記溶接電流Ｉ1および前記時間ｔ1によって算出される、
請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
前記板厚が０．９〜１．２ｍｍについては、前記第１の溶接パルスの前記時間ｔ1は８〜１２cyc（cycは時間単位を表し、１cyc＝０．０２秒である）に設定され、前記第１の溶接パルスの前記溶接電流Ｉ1は試験を行うことにより得られ、
前記板厚が１．３〜１．６ｍｍについては、前記第１の溶接パルスの前記時間ｔ1は１０〜１５cycに設定され、前記第１の溶接パルスの前記溶接電流Ｉ1は試験を行うことにより得られ、
前記板厚が１．７〜２．０ｍｍについては、前記第１の溶接パルスの前記時間ｔ1は１２〜１８cycに設定され、前記第１の溶接パルスの前記溶接電流Ｉ1は試験を行うことにより得られ、
それに応じて、前記板厚が０．９〜１．２ｍｍについては、前記第２の溶接パルスの前記時間ｔ2は
に設定され、前記第３の溶接パルスの前記時間ｔ3は
に設定され、
前記板厚が１．３〜１．６ｍｍについては、前記第２の溶接パルスの前記時間ｔ2は
に設定され、前記第３の溶接パルスの前記時間ｔ3は
に設定され、
前記板厚が１．７〜２．０ｍｍについては、前記第２の溶接パルスの前記時間ｔ2は
に設定され、前記第３の溶接パルスの前記時間ｔ3は
に設定され、
前記板厚に応じて、前記電流Ｉ1によって前記電流Ｉ2およびＩ3を算出するのは、
前記第２の溶接パルスの前記電流Ｉ2の具体的な設定については、
Ｉ2の下限：Ｉ2min＝（１．３−０．０５ｔ2）Ｉ1、Ｉ2の上限：Ｉ2max＝（２．２−０．１ｔ2）Ｉ1
であり、
前記第３の溶接パルスの前記電流Ｉ3の具体的な設定については、
Ｉ3の上限：Ｉ3max＝Ｉ1
であり、
前記第１の溶接パルスと前記第２の溶接パルスとの間の時間間隔が、第１の冷却時間であるＣ1であり、
前記第２の溶接パルスと前記第３の溶接パルスとの間の時間間隔が、第２の冷却時間であるＣ2であり、
保持時間ＨＴが、前記第３の溶接パルス後の時間であり、
厚さの異なる鋼板に対して、Ｃ1、Ｃ2およびＨＴの値に関してはそれぞれ、
板厚０．９〜１．２ｍｍ、Ｃ1＝１cyc、Ｃ2＝８cyc、ＨＴ＝５cyc、
板厚１．３〜１．６ｍｍ、Ｃ1＝１cyc、Ｃ2＝１０cyc、ＨＴ＝５cyc、
板厚１．７〜２．０ｍｍ、Ｃ1＝１cyc、Ｃ2＝１２cyc、ＨＴ＝５cyc、
に設定される、
請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法。