JP2021159973A - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、打角の傾斜に対して寛容であり、超ハイテン材を含む積層板材（板組みワーク）にも適用可能な抵抗スポット溶接方法を提供する。【解決手段】板厚の異なる複数の金属板が積層されてなる板組みワークを一対の電極によって板組みワークの表面に対して垂直な方向から挟み所定の加圧力を与えつつ一対の電極の間に所定の電流値にて溶接電流を流して複数の板材を接合する抵抗スポット溶接方法において、一対の電極の板組みワークに当接する側の端部である先端部の表面の形状を球面とし、球面の半径を板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下とし、溶接電流の電流値を６ｋＡ以上且つ７ｋＡ以下とする。加圧力は４．５ｋＮ未満であることが好ましい。【選択図】図４

Description

本発明は、抵抗スポット溶接方法に関する。より具体的には、本発明は、簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、打角の傾斜に対して寛容であり、超ハイテン材を含む積層板材（板組みワーク）にも適用可能な抵抗スポット溶接方法に関する。

例えば自動車の車体を構成する部材等において複数の金属板を積層して抵抗スポット溶接によって互いに固定することが広く行われている。昨今では、積層数の増大（例えば３枚乃至５枚）及び積層される複数の金属板の間における引張強度の差異の増大（例えば軟鋼とハイテン材（「高張力鋼」とも称呼される。）との積層）に起因して抵抗スポット溶接の難度が高まっている。更に、超ハイテン材（「超強力鋼」とも称呼される。）の普及に伴ってスポット溶接の難度が益々高まっている。

上記のように抵抗スポット溶接の難度が高まる原因は以下のように考えられている。先ず、ハイテン材及び超ハイテン材は、軟鋼に比べて電気抵抗が大きいため、抵抗スポット溶接における通電によって生ずる熱量が軟鋼よりも大きくなる。従って、通電に伴って金属が熔融して形成されるナゲットは、軟鋼側よりもハイテン材及び超ハイテン材側に偏って形成される。ナゲットの形成の偏りが大きく軟鋼に及ばない場合、当該軟鋼と隣接するハイテン材又は超ハイテン材とを溶着することができない。

上記問題の対策としては、より大きいナゲットを形成させることが考えられる。抵抗スポット溶接においては、通電電流（以降、「溶接電流」と称呼される場合がある。）を増大させることによってナゲットの大きさを増大させることができる。しかしながら、溶接電流が過剰に大きくなると、溶融金属が鋼板の間等に飛散する所謂「散り」又は「スパッタ」と呼ばれる現象が起こる。散りの発生は危険であると共に、溶接部の周辺に散りが付着して外観が悪化したり、ナゲットの大きさ及び溶接部の引張強度のバラツキが増大したりして、溶接部の品質が不良及び／又は不安定になる虞がある。

また、溶接電流が大きくなるほど発生する熱量も大きくなり通電の前後における温度変化が大きくなるため、図１に例示するように、電極の間に流れる溶接電流が過剰に大きくなると、ナゲットの周辺（例えば、図１において斜め格子状のハッチングが施された領域）において金属板に亀裂が生ずる「割れ」と呼ばれる現象が起こる虞が高まる。

そこで、特許文献１（特許第５２６１９８４号公報）においては、重ね合わせた２枚の厚板の上に薄板を重ね合わせた板組みワークを一対の電極によって挟み加圧力を与えつつ抵抗スポット溶接を行うに当たり、板組みワークを固定し、薄板と接する側の電極を溶接ガンの固定電極とし、厚板と接する側の電極を可動電極とすると共に電極の先端を薄板と接する側の電極の先端よりも大きな曲率半径をもつ曲面とし、溶接工程を２段階に分け、第１の工程において低加圧・高電流で溶接を行い、第２の工程において第１の工程における加圧力よりも大きな加圧力にて溶接する技術が提案されている。当該技術によれば、重ね合わせた２枚以上の厚板の一方に薄板を重ね合わせた板厚比の大きな板組みを抵抗スポット溶接する場合においても、板組みワークの何れかの鋼板と鋼板との間の隙間（ギャップ）の存在の有無に拘わらず、薄板−厚板間、厚板−厚板間のそれぞれの溶接継手強度を高めることができるとされている。

しかしながら、上記のように板組みワークの薄板側には先端の曲率半径が相対的に小さい固定電極を配し厚板側には先端の曲率半径が相対的に大きい可動電極を配することは、溶接装置の構成上の制約（設計自由度の低下）、溶接工程の複雑化及び溶接作業の煩雑化等の問題に繋がる虞がある。また、上記のように溶接工程を２段階に分けて第１の工程における加圧力よりも第２の工程における加圧力を大きくすることもまた、溶接装置の構成上の制約（設計自由度の低下）、溶接工程の複雑化及び溶接作業の煩雑化等の問題に繋がる虞がある。更に、上記のような高電流（大電流）による溶接においては、金属が熔融する領域が大きくなり分流も発生し易くなるため本来的にナゲットの形成を制御することが難しい。加えて、上述したように、高電流（大電流）による溶接においては散り又はスパッタが起こり易くなる。

そこで、特許文献２（特許第６１０４０１３号公報）においては、２枚以上の金属板を重ね合わせると共に少なくとも最表面が厚板と薄板とからなるワークをスポット溶接するに当たり、最表面の厚板に対向する第１の電極と最表面の薄板に対向し第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極とによってワークを加圧挟持した状態において第１の電極と第２の電極との間に通電し、スパッタが発生し始める大きさをナゲットの大きさが超える前に第２の電極の外周に設けられた押圧部材によりナゲットの外周側においてワークを押圧する技術が提案されている。当該技術によれば、スパッタの発生を抑制することができるとされている。しかしながら、当該技術においても、板組みワークの薄板側と厚板側とで異なる接触面積を有する電極を配設したり押圧部材を設けて所定のタイミングにて押圧部材によってワークを押圧したりすることは、溶接装置の構成上の制約（設計自由度の低下）、溶接工程の複雑化及び溶接作業の煩雑化等の問題に繋がる虞がある。

上記に加えて、実際の溶接工程においては、例えば図２に示すように、板組みワークと両電極とが相対的に傾斜して、板組みワークの表面に対する電極の打角が直角にならない「打角ずれ」と呼ばれる状況が生ずる場合がある。図２に示す例においては、板組みワーク１０の表面に対する電極の打角が０°である「面直」と呼ばれる状況ではなく、板組みワーク１０と２つの電極２１及び２２とが相対的に傾斜して打角が所定の角度（α）となり、打角ずれが生じている。このような状況においては、例えば電極２１及び２２の先端以外の部分が板組みワーク１０に接触する等して意図せぬ通電状態となったり、板組みワーク１０の内部における通電路が変化したりして、良好なナゲットを安定的に形成させることが困難となる虞がある（図２に示す白抜きの矢印を参照）。また、打角ずれに起因して電極２１及び２２から板組みワーク１０の両面に作用する応力が正確に対向しなくなり（図２に示す黒抜きの矢印を参照）、剪断応力が作用して上述した割れが生じ易くなる虞もある。更に、特許文献２に記載された押圧部材をワークに適切に押圧することが困難となる虞もある。

特許第５２６１９８４号公報 特許第６１０４０１３号公報

上述したように、当該技術分野においては、簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、打角の傾斜に対して寛容であり、超ハイテン材を含む積層金属板（板組みワーク）にも適用可能な抵抗スポット溶接方法が求められている。

上記課題に鑑み、本発明者は鋭意研究の結果、板厚の異なる複数の金属板が積層されてなる板組みワークを接合する抵抗スポット溶接において、板組みワークを挟む一対の電極の先端部をワークの総厚に対して十分に大きい所定の範囲の半径を有する球面形状とし、従来に比べて小さい溶接電流を流すことにより、上記要求に応えることができることを見出した。

具体的には、本発明に係る抵抗スポット溶接方法（以降、「本発明方法」と称呼される場合がある。）は、板厚の異なる複数の金属板が積層されてなる板組みワークを一対の電極によって板組みワークの表面に対して垂直な方向から挟み所定の加圧力を与えつつ一対の電極の間に所定の電流値にて溶接電流を流して複数の金属板を接合する抵抗スポット溶接方法である。本発明方法において、一対の電極の板組みワークに当接する側の端部である先端部の表面の形状は球面である。また、当該球面の半径は板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下である。更に、溶接電流の電流値は６ｋＡ以上且つ７ｋＡ以下である。好ましくは、加圧力は４．５ｋＮ未満である。

本発明によれば、簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、打角の傾斜に対して寛容であり、超ハイテン材を含む積層金属板（板組みワーク）にも適用可能な抵抗スポット溶接方法が達成される。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

抵抗スポット溶接によって接合される板組みワークの内部構造を示す模式的な断面図である。 抵抗スポット溶接において打角ずれが生じた状況を示す模式図である。 抵抗スポット溶接方法を実行することが可能な一般的な抵抗スポット溶接装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る抵抗スポット溶接方法（第１方法）において使用される一対の電極の先端部と曲率半径と板組みワークの総厚との関係を示す模式図である。

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に抵抗スポット溶接方法（以降、「第１方法」と称呼される場合がある。）について説明する。

〈構成〉
第１方法は、板厚の異なる複数の金属板が積層されてなる板組みワークを一対の電極によって板組みワークの表面に対して垂直な方向から挟み所定の加圧力を与えつつ一対の電極の間に所定の電流値にて溶接電流を流して複数の板材を接合する抵抗スポット溶接方法である。このような抵抗スポット溶接方法を実行するための抵抗スポット溶接装置については当業者に周知であるが、その概略につき以下に説明する。

図３は、抵抗スポット溶接方法を実行することが可能な一般的な抵抗スポット溶接装置の構成の一例を示す模式図である。図３においては、クランプ１１０によって固定された厚板１２１、厚板１２２及び薄板１２３の３枚の金属板からなる板組みワーク１２０が抵抗スポット溶接装置１００によって溶接される様子が描かれている。抵抗スポット溶接装置１００は、ロボット１３１の手首部１３１ａに取り付けられたスポット溶接ガン１３０、溶接電流を供給するトランス１３２、図示しないサーボモータを駆動源とする加圧機構１３３、スポット溶接ガン１３０の本体に取り付けられたＣ型アーム１３４、Ｃ型アーム１３４に固定された固定電極１３５ｆ、加圧機構１３３によって移動し板組みワーク１２０を加圧する可動電極１３５ｍ、並びにトランス１３６等によって構成されている。

抵抗スポット溶接方法の実行に当たっては、先ずクランプ１１０によって板組みワーク１２０を固定する。そして、ロボット１３１によって固定電極１３５ｆの位置を制御して固定電極１３５ｆを厚板１２１に当接させる。その後、加圧機構１３３によって可動電極１３５ｍを動かし、電極１３５ｆ及び１３５ｍによって板組みワーク１２０を挟む。次に、トランス１３６によって電極１３５ｆと電極１３５ｍとの間に溶接電流を流すことによりナゲットが形成され、薄板１２１、厚板１２２及び厚板１２３が接合される。

尚、図３に示した例においては、厚板１２１と厚板１２２との間及び厚板１２２と薄板１２３との間にギャップ１２４ａ及び１２４ｂがそれぞれ存在するが、このようなギャップの存在は本発明の必須の構成要件ではない。即ち、板組みワークを構成する複数の金属板の何れかの間におけるギャップの有無は、例えば板組みワークを構成する複数の金属板の組み合わせ、板組みワークの構造及びクランプによる板組みワークの把持状態等、様々な要因によって影響される。また、図３に示した例においては、上述したようにクランプ１１０によって板組みワーク１２０が固定され、板組みワーク１２０の溶接されるべき箇所に固定電極１３５ｆが当接するようにスポット溶接ガン１３０がロボット１３１によって動かされる。しかしながら、これとは逆に、スポット溶接ガンが固定され、板組みワークの溶接されるべき箇所に電極が当接するように板組みワークがロボットによって動かされるように、抵抗スポット溶接装置が構成されていてもよい。

上記において、薄板１２１、厚板１２２及び厚板１２３を確実に接合するためには、薄板１２１、厚板１２２及び厚板１２３に亘る程度に十分に大きいナゲットを形成する必要がある。前述したように、抵抗スポット溶接においては、溶接電流を増大させることによってナゲットの大きさを増大させることができる。しかしながら、溶接電流が過剰上に大きくなると上述したように散り及び／又は割れが発生し、溶接部の品質が不良及び／又は不安定になる虞がある。

そこで、特許文献１（特許第５２６１９８４号公報）及び特許文献２（特許第６１０４０１３号公報）においては、前述したように、板組みワークの薄板側と厚板側とで異なる仕様を有する電極を配設したり押圧部材を設けてワークを押圧したりしている。しかしながら、このような対策は、溶接装置の構成上の制約（設計自由度の低下）、溶接工程の複雑化及び溶接作業の煩雑化等の問題に繋がる虞がある。また、上述した打角ずれが生ずると、例えば電極の先端以外の部分がワークに接触する等して意図せぬ通電状態となったり、板組みワーク１０の内部における通電路が変化したりして、良好なナゲットを安定的に形成させることが困難となる虞がある。

そこで、第１方法においては、前述したように、板組みワークを挟む一対の電極の先端部をワークの総厚に対して十分に大きい所定の範囲の半径を有する球面形状とし、従来に比べて小さい溶接電流を流すことにより、上記問題を低減することに成功した。図４は、第１方法において使用される一対の電極の先端部と曲率半径と板組みワークの総厚との関係を示す模式図である。

図４に例示するように、第１方法においては、一対の電極２１及び２２の板組みワーク１０に当接する側の端部である先端部の表面の形状は球面である。従って、打角ずれが生じても、一対の電極２１及び２２の先端部と板組みワーク１０の表面との接触状態の変化は小さいため、良好なナゲットを安定的に形成させることができ、板組みワーク１０を構成する複数（図４に示す例においては３枚）の金属板１１乃至１３を良好且つ安定的に接合することができる。

また、第１方法においては、一対の電極２１及び２２の先端部の表面を構成する上記球面の半径（ＳＲ）は板組みワーク１０の総厚（Ｔ）の３倍以上且つ７倍以下である。従って、一対の電極２１及び２２の先端部と板組みワーク１０の表面との接触面積が大きく、単位面積当たりの押圧力（圧力）が小さいため、たとえ板組みワーク１０を構成する金属板１１乃至１３の何れかの間にギャップが存在する場合においても、押圧された金属板の撓みが発生する虞が低減される。その結果、押圧された金属板の撓みに起因する電極２１及び２２の先端部と板組みワーク１０の表面との接触面積の変化が低減され、溶接電流の電流密度の変動が低減され、溶接工程におけるナゲットの形成を容易に制御することができる。即ち、板組みワーク１０を構成する金属板１１乃至１３を良好且つ安定的に接合することができる。好ましくは、一対の電極の先端部の表面を構成する球面の半径（ＳＲ）は板組みワークの総厚（Ｔ）の４倍以上且つ６倍以下である。

更に、第１方法においては、溶接電流の電流値は６ｋＡ以上且つ７ｋＡ以下である。このように溶接電流の電流値が小さいため、上述した散り及び／又は割れの発生を低減することができる。しかも、上記のように一対の電極２１及び２２の先端部と板組みワーク１０の表面との接触面積が大きいので、一対の電極２１及び２２の間に流れる溶接電流の電流密度が更に小さくなり、上述した散り及び／又は割れの発生を更に低減することができる。その結果、溶接工程の安全性を更に高め、溶接部の外観の悪化を更に低減し、ナゲットの大きさ及び溶接部の引張強度のバラツキを更に低減することができるので、溶接部の良好な品質を更に安定的に達成することができる。

溶接電流の電流値を６ｋＡ以上とすることにより、板組みワーク１０を構成する金属板１１乃至１３に亘る程度に十分に大きいナゲットを形成することができ、金属板１１乃至１３を良好且つ安定的に接合することができる。一方、溶接電流の電流値を７ｋＡ以下とすることにより、散り及び／又は割れの発生を十分に低減することができる。

〈効果〉
以上のように、第１方法においては、前述した従来技術のような溶接装置の構成上の制約（設計自由度の低下）、溶接工程の複雑化及び溶接作業の煩雑化等の問題を招く特別な構成を有する装置及び工程は必要とすること無く、板組みワークを構成する複数の金属板を良好且つ安定的に接合することができる。即ち、第１方法によれば、簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、打角の傾斜に対して寛容であり、超ハイテン材を含む積層金属板（板組みワーク）にも適用可能な抵抗スポット溶接方法が達成される。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に抵抗スポット溶接方法（以降、「第２方法」と称呼される場合がある。）について説明する。

上述したように、第１方法においては、一対の電極の先端部の表面を構成する球面の半径は板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下である。これにより、一対の電極の先端部と板組みワークの表面との接触面積が大きく、単位面積当たりの押圧力（圧力）が小さいため、たとえ板組みワークを構成する複数の金属板の何れかの間にギャップが存在する場合においても、押圧された金属板の撓みが発生する虞が低減される。その結果、押圧された金属板の撓みに起因する電極の先端部と板組みワークの表面との接触面積の変化が低減され、溶接電流の電流密度の変動が低減され、溶接工程におけるナゲットの形成を容易に制御することができる。

しかしながら、例えば図３に示した例のように板組みワークを構成する複数の金属板の間にギャップが存在し且つ薄い金属板（１２３）に可動電極（１３５ｍ）が当接する場合等、押圧された金属板の撓みが発生する虞が高い場合においては、加圧力そのものを小さくすることが望ましい。

〈構成〉
そこで、第２方法は、上述した第１方法であって、加圧力は４．５ｋＮ未満である、抵抗スポット溶接方法である。

〈効果〉
第２方法においては、上述した第１方法と同様に一対の電極の先端部の表面を構成する球面の半径が板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下と大きいことにより、一対の電極の先端部と板組みワークの表面との接触面積が大きく、単位面積当たりの押圧力（圧力）が小さい。これに加えて、第２方法においては、上記のように加圧力が４．５ｋＮ未満である。これら２つの特徴により、第２方法によれば、たとえ押圧された金属板の撓みが発生する虞が高い場合においても、金属板の撓みをより確実に低減することができる。その結果、押圧された金属板の撓みに起因する電極の先端部と板組みワークの表面との接触面積の変化が低減され、溶接電流の電流密度の変動が低減され、溶接工程におけるナゲットの形成を容易に制御することができる。即ち、第２方法によれば、板組みワークを構成する複数の金属板を更に良好且つ安定的に接合することができる。

以下、本発明の実施例に係る抵抗スポット溶接方法（以降、「実施例方法」と称呼される場合がある。）について説明する。本実施例においては、球状の先端部が様々な半径を有する電極を用いて抵抗スポット溶接を行い、上述した割れの発生頻度に基づいて評価を行った。

〈試料〉
１ｍｍの厚さを有する２枚の金属板の間に２ｍｍの厚さを有する１枚の金属板が挟まれている４ｍｍの総厚を有する板組みワークを調製した。金属板としては、１４７０ＭＰａの引張強度を有する溶融亜鉛メッキ鋼板（ＳＣＧＡ）である超ハイテン材を採用した。また、各々の金属板の間にギャップが存在しない群と１．０ｍｍのギャップが存在する群とを用意した。

〈溶接〉
図３に例示した抵抗スポット溶接装置１００と同様の装置に球状の先端部が様々な半径を有する電極を装着し、６．５ｋＡの溶接電流及び４．４ｋＮの加圧力にて、上記板組みワークの抵抗スポット溶接を行った。

〈評価〉
上記条件下における抵抗スポット溶接によって形成されるナゲットの直径が板組みワークの総厚Ｔの平方根の４倍（４√Ｔ）以下であり且つ上述した割れが発生していないことを合格基準として、上述した試料の溶接部の品質を評価した。当該評価の結果を以下の表１に列挙する。

表１から明らかであるように、電極先端部の半径ＳＲの板組みワークの総厚Ｔが本発明において規定される範囲内にある電極Ｄ、Ｅ及びＦを用いる抵抗スポット溶接においては、板組みワークを構成する金属板の間におけるギャップの有無に拘わらず、溶接部の品質が良又は可であった。一方、電極先端部の半径ＳＲの板組みワークの総厚Ｔが本発明において規定される範囲内にはない電極Ａ乃至Ｃ及びＧを用いる抵抗スポット溶接においては、板組みワークを構成する金属板の間におけるギャップの有無の何れかの場合において、溶接部の品質が不可であった。

〈まとめ〉
以上のように、実施例方法において用いられる電極の先端部の形状は球面であり、当該球面の半径は板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下であり、且つ溶接電流の電流値は６ｋＡ以上且つ７ｋＡ以下である実施例方法によれば、割れの発生を低減しつつ良好なナゲットを安定的に形成させることができる。その結果、実施例方法によれば、板組みワークを構成する複数の金属板を良好且つ安定的に接合することができた。即ち、実施例方法によれば、簡便な装置及び工程により良好なナゲットを安定的に形成させることができ、超ハイテン材を含む板組みワークにも適用可能な抵抗スポット溶接方法を提供することができる。

また、実施例方法において用いられる電極の先端部の形状は球状であるので、板組みワークの表面に対する電極の角度が０°（面直）からずれる打角ずれが生じても、一対の電極の先端部と板組みワークの表面との接触状態の変化は小さく、良好なナゲットを安定的に形成させることができる。従って、実施例方法によれば、板組みワークを構成する複数の金属板を良好且つ安定的に接合することができる。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び実施例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び実施例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

１０…板組みワーク、１１、１２及び１３…金属板、２１及び２２…電極、３０…ナゲット、１００…抵抗スポット溶接装置、１１０…クランプ、１２０…板組みワーク、１２１及び１２２…厚板、１２３…薄板、１２４ａ及び１２４ｂ…ギャップ、１３０…スポット溶接ガン、１３１…ロボット、１３１ａ…手首部、１３２…トランス、１３３…加圧機構、１３４…Ｃ型アーム、１３５ｆ…固定電極、１３５ｍ…可動電極、並びに１３６…トランス。

Claims (2)

1. 板厚の異なる複数の金属板が積層されてなる板組みワークを一対の電極によって前記板組みワークの表面に対して垂直な方向から挟み所定の加圧力を与えつつ一対の前記電極の間に所定の電流値にて溶接電流を流して複数の前記板材を接合する抵抗スポット溶接方法において、
   一対の前記電極の前記板組みワークに当接する側の端部である先端部の表面の形状は球面であり、
   前記球面の半径は前記板組みワークの総厚の３倍以上且つ７倍以下であり、
   前記溶接電流の電流値は６ｋＡ以上且つ７ｋＡ以下である、
   ことを特徴とする、抵抗スポット溶接方法。
2. 請求項１に記載された抵抗スポット溶接方法であって、
   前記加圧力は４．５ｋＮ未満である、
   ことを特徴とする、抵抗スポット溶接方法。

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