JP2022029726A - スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高板厚比の板組みにおいて、特に最外薄板およびこれに接する厚板を容易にかつ強固に接合可能とする。【解決手段】薄板２１とその一方側に重ね合わされた複数（ここでは２枚）の厚板２２，２３とからなる板組み２０を、一対の電極５，６で挟んで加圧した状態で一対の電極５，６間に通電することにより接合するスポット溶接方法において、一対の電極５，６のうち、正電極として機能する電極６を薄板２１に当接させた状態で一対の電極５，６間に通電する。【選択図】図２

Description

本発明は、スポット溶接方法に関する。

スポット溶接は、２枚以上の金属板（例えば、鋼板）を重ね合わせた板組みを板厚方向に挟んで加圧している一対（正負一対）の電極間に通電することにより金属板同士の接触部を溶融させ、その後、溶融部を凝固させてナゲットを形成することにより金属板同士を接合する方法である。スポット溶接は、金属板同士を容易にかつ強固に接合可能であることに加え、外観品質に悪影響が及び難いという特長を有することから、例えば自動車の外板（外板パネル）を製造する際に重用されている。

ところで、自動車の軽量化や衝突安全性向上等を目的として、自動車の外板パネルとなる板組みには、３枚以上の金属板を重ね合わせたもの、具体的には、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板厚比が大きい板組み（高板厚比の板組み）が重用される傾向にある。なお、ここでいう「板厚比」とは、重ね合わされる全ての金属板の板厚の総和（総板厚）を、最も外側に配置される薄板（最外薄板）の板厚で除して得られる値（＝総板厚／最外薄板の板厚）である。

しかしながら、上記のような高板厚比の板組みをスポット溶接で接合する際には、最外薄板への溶融金属の溶け込み量が不十分となり、最外薄板とこれに接する厚板との接触部に適正なナゲットを形成する（両者間に所定の接合強度を確保する）ことが難しいとされている。そこで、例えば下記の特許文献１においては、高板厚比の板組みにおいても金属板同士（特に、最外薄板とこれに接する厚板）を強固に接合可能とするために、スポット溶接時に板組みに付与する加圧力や、一対の電極間に流す電流値を所定態様で変化させることが提案されている。

特開２００４－３５８５００号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたスポット溶接方法では、板組み（高板厚比の板組み。当段落において以下同様。）に負荷すべき加圧力の好ましい変化態様や、一対の電極間に流すべき電流値の好ましい変化態様を、板組みを構成する金属板の枚数、板厚および材質等に応じて都度導き出し、精密に調整する必要がある。そのため、例えば自動車の外板パネルの製造ラインのように、金属板の枚数、板厚、材質等が互いに異なる種々の板組みにスポット溶接を施す必要がある場面において、特許文献１に記載されたスポット溶接方法を適用するのは容易ではない。

そこで、本発明は、高板厚比の板組みにおいて、特に最外薄板およびこれに接する厚板を容易にかつ強固に接合可能とするスポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者は、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる高板厚比の板組みをスポット溶接で接合するにあたり、上記板組みを板厚方向に挟んで加圧する正負一対の電極の極性に着目し、正電極および負電極の配置態様に応じて上記板組みを構成する薄板（最外薄板）への溶融金属の溶け込み量、つまり薄板とこれに接する厚板との接合強度が変わることを見出した。そして、同一の溶接条件の下で、正電極を上記板組みの薄板に当接させた一対の電極間に通電する場合と、負電極を上記板組みの薄板に当接させた一対の電極間に通電する場合とを比較すると、前者は後者に比べて薄板への溶融金属の溶け込み量を迅速に増加させ得ることを見出し、本発明を創案するに至った。

上記の知見に基づいて創案された本発明は、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で一対の電極間に通電することにより接合するスポット溶接方法において、一対の電極のうちの正電極を薄板に当接させた状態で一対の電極間に通電することを特徴とする。

このようにすれば、上記のとおり、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組み、すなわち高板厚比の板組みを構成する薄板への溶融金属の溶け込み量を迅速に増加させることができるので、薄板とこれに接する厚板とが強固に接合された高板厚比の板組みを容易に得ることができる。

以上より、本発明に係るスポット溶接方法によれば、いわゆる高板厚比の板組みにおいても、最外薄板およびこれに接する厚板を容易にかつ強固に接合することが可能となる。従って、隣接する金属板同士の接合強度が高められた高板厚比の板組みを容易に得ることができる。

スポット溶接装置の概略図である。 （Ａ）～（Ｃ）図は、高板厚比の板組みをスポット溶接している様子を示す断面図である。 本発明に係るスポット溶接方法を実施したときの電子の流れおよび溶融金属の成長方向を説明するための模式図である。 本発明とは異なるスポット溶接方法を実施したときの電子の流れおよび溶融金属の成長方向を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、スポット溶接装置１の概略図である。同図に示すスポット溶接装置１は、例えば、図２に示す複数の金属板を重ね合わせてなる板組み２０をスポット溶接する際に使用されるものであり、主に、溶接ロボット２と、制御装置１０とを備える。

溶接ロボット２は、ロボットアーム３と、ロボットアーム３の先端に取り付けられた溶接ガン４とを備える。ロボットアーム３は、いわゆる多関節アームであり、図示例のロボットアーム３は第１回転軸３ａ～第６回転軸３ｆを有する６軸アームである。係る構成のロボットアーム３により、その先端に取り付けられた溶接ガン４を任意の三次元位置に任意の姿勢で配置することができる。

溶接ガン４は、主に、一対の電極５，６と、加圧機構７と、トランス８と、支持アーム９とを備える。一対の電極５，６のうちの一方（図中上側に配置された電極５）は、加圧機構７に取り付けられ、支持アーム９により固定的に支持された他方（図中下側に配置された電極６）に対して接近および離反移動（昇降移動）する。このため、以下、電極５，６のそれぞれを「可動側電極５」および「固定側電極６」とも言う。可動側電極５および固定側電極６は、両者の先端部が互いに対向するように同軸配置されており（図２を併せて参照）、板組み２０の溶接中には内部を流通する冷却液により常時冷却されるようになっている。

加圧機構７は、可動側電極５を昇降移動させることにより、両電極５，６間に配置される板組み２０に板厚方向の加圧力を付与するものである。加圧機構７としては、可動側電極５の昇降移動量、すなわち板組み２０に付与すべき加圧力を精密に調整できるもの、例えば、サーボモータを駆動源とした直動アクチュエータが好ましく用いられる。

トランス８は、図示しない電源と電気的に接続されており、可動側電極５と固定側電極６の間に溶接用の高電流を発生させる。本実施形態において、固定側電極６は、アルミニウム合金等の導電性金属で形成された支持アーム９や、図示しない導電部材（例えば、シャントとも称される可とう導体）などを介してトランス８の正極端子と電気的に接続され、可動側電極５は、図示しないシャント等の導電部材を介してトランス８の負極端子と電気的に接続されている。従って、本実施形態の可動側電極５および固定側電極６は、それぞれ、負電極および正電極を構成する［図２（Ａ）を参照］。

制御装置１０は、第１制御部１１と、第２制御部１２とを備える。

第１制御部１１は、ロボットアーム３の回転軸駆動用モータ（図示省略）と電気的に接続されており、例えばロボットアーム３を手動操作することにより教示したプログラムに従って回転軸駆動用モータの動作を制御する。また、第１制御部１１は、加圧機構７を構成するサーボモータとも電気的に接続されており、板組み２０を構成する金属板の板厚や枚数等に応じて予め決定付けられた所定の加圧パターン（加圧力の経時変化）に従ってサーボモータの動作を制御する。

第２制御部１２は、トランス８と電気的に接続されており、板組み２０を構成する金属板の板厚や材質等に応じて予め決定付けられた所定の通電パターン（板組み２０の溶接時に両電極５，６間に流すべき電流値の経時変化）に従って、可動側電極５と固定側電極６の間に流す電流値を制御する。

以下、以上の構成を有するスポット溶接装置１を用いて実行される、本発明の実施形態に係るスポット溶接方法を説明する。

まず、図２（Ａ）に基づき、溶接対象物としての板組み２０の一例を説明する。同図に示す板組み２０は、薄板２１と、薄板２１の一方側（図中上側）に重ね合わされた複数の厚板（ここでは２枚の厚板２２，２３）とからなる。薄板２１および厚板２２，２３は、何れも、鋼板等の導電性を有する金属板であり、厚板２２，２３は薄板２１よりも板厚が大きい。薄板２１としては、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板が使用され、厚板２２，２３としては、例えば引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、あるいは引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板が使用される。板組み２０の板厚比（＝板組み２０の総板厚Ｔ／薄板２１の板厚ｔ）は少なくとも４以上であり、７以上となる場合もある。

板組み２０は、薄板２１を下側に配置（厚板２３を上側に配置）した横姿勢で可動側電極５と固定側電極６の間に配置され、両電極５，６によって挟持される。つまり、制御装置１０の第１制御部１１から出力された動作指令に基づき、ロボットアーム３（の回転軸駆動用モータ）と、溶接ガン４の加圧機構７（を構成するサーボモータ）とが駆動されると、板組み２０は、先端部が厚板２３に当接した負電極としての可動側電極５と、先端部が薄板２１に当接した正電極としての固定側電極６とで板厚方向に挟持される。このようにして板組み２０が挟持された後には、第１制御部１１に予め保存されていた加圧パターンと、第２制御部１２に予め保存されていた通電パターンとに従って、板組み２０に付与する加圧力と、両電極５，６間に流す電流値とを変化させながら板組み２０の溶接が行われる。

板組み２０を加圧している両電極５，６間への通電により両電極５，６間を電子が流れると、まず、板組み２０のうちで電気抵抗が大きい箇所、ここでは厚板２２，２３同士の接触部Ｃで発熱が生じるため、当該接触部Ｃにナゲット（厚板２２，２３の構成金属が溶融して混ざり合い、その後硬化したもの）Ｍが生成される［図２（Ａ）参照］。以降、板組み２０を板厚方向に加圧している両電極５，６間に通電されるのに伴い、溶融金属（ナゲットＭ）が成長する［図２（Ｂ）参照］。そして、図２（Ｃ）に示すように、成長した溶融金属が薄板２１に所定深さ溶け込むことにより、薄板２１～厚板２３に跨ったナゲットＭが生成されると、両電極５，６間への通電が停止される。これにより、薄板２１と厚板２２、および厚板２２，２３同士が接合された板組み２０が得られる。

ところで、両電極５，６間に通電しているとき、電子は、図３に模式的に示すように、接触部Ｃおよびその近傍領域で生成された溶融金属（ナゲットＭ）を避けるようにして、負電極としての可動側電極５から正電極としての固定側電極６に向けて流れる。そのため、負電極としての可動側電極５を厚板２３に当接させると共に、正電極としての固定側電極６を薄板２１に当接させた状態で両電極５，６間に通電される本実施形態では、溶融金属（ナゲットＭ）の成長とともに電子の流れ方向の下流側、つまり薄板２１側での発熱が誘発・促進される。これにより、ナゲットＭの成長速度が増すため、薄板２１に対する固定側電極６の接触力（接触面積）が小さいうちに溶融金属を薄板２１に到達させて溶け込ませること、つまり薄板２１に必要とされる溶融金属の溶け込み量を確保することが可能となる。

そのため、上記のような高板厚比の板組み２０をスポット溶接するにあたり、正負一対の電極５，６のうち正電極としての固定側電極６を薄板（最外薄板）２１に当接させた状態で一対の電極５，６間に通電すれば、薄板２１への溶融金属の溶け込み量を迅速に増加させることができる。従って、厚板２２，２３同士のみならず、薄板２１と厚板２２をも強固に接合したナゲットＭを迅速かつ適切に形成することができる。

なお、本実施形態では、上記板組み２０をスポット溶接するにあたり、板組み２０に付与する加圧力（可動側電極５のストローク量）と、両電極５，６間に流す電流値とを経時変化させるようにしているが、本発明によれば、薄板２１～厚板２３を強固に接合したナゲットＭを適切に形成することができるので、板組み２０をスポット溶接する際に板組み２０に付与する加圧力や両電極５，６間に流す電流値を必ずしも精密に制御する必要がなくなる。そのため、隣り合う金属板同士の接合強度が高められた高板厚比の板組み２０を容易にかつ迅速に得ることができる。

参考までに、以上で説明した本発明の実施形態とは異なり、例えば図４に示すように、負電極としての可動側電極５を板組み２０の薄板２１に当接させた状態（板組み２０の上下を逆にした状態）で一対の電極５，６間に通電した場合について説明する。この場合には、板組み２０に所定のナゲットＭを形成することができない場合がある。これは、前述したとおり、一対の電極５，６間に通電したときには負電極側から正電極側に向けて電子が流れるため、通電時における電極５，６間での電子の流れ方向と、厚板２２，２３同士の接触部で生成された溶融金属（ナゲットＭ）の成長方向とが互いに逆向きであることに一因があると考えられる。要するにこの場合、溶融金属が薄板２１に到達するまでに必要となる通電時間および加圧時間が長くなる分、薄板２１に対する可動側電極５のめり込み量（接触面積）が大きくなり、電流密度が低下するからである。

以上、本発明の一実施形態について説明を行ったが、本発明は、以上で説明した実施形態に限定適用されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。

例えば、以上で説明した実施形態においては、加圧機構７に連結される可動側電極５を負電極とし、支持アーム９に支持される固定側電極６を正電極としたが、これとは逆に、加圧機構７に連結される可動側電極５を正電極とし、支持アーム９に支持される固定側電極６を負電極としても良い。但しこの場合でも、高板厚比の板組み２０をスポット溶接するに当たっては、正負一対の電極５，６のうち、正電極としての可動側電極５を薄板２１に当接させた状態で一対の電極５，６間に通電するのが肝要である。

図示は省略するが、スポット溶接装置１には、可動側電極５および固定側電極６のそれぞれと電気的に接続すべきトランス８の出力端子（正極端子および負極端子）を任意に選択可能とする（換言すると、可動側電極５と固定側電極６の極性を任意に変更する）ためのスイッチング機構を設けることもできる。スイッチング機構は、電気的なものであっても良いし、機械的なものであっても良く、例えばトランス８と上記のシャントとの間に設けることができる。このようなスイッチング機構を設けておけば、例えば溶接ガン４の上下を反転可能とするような大掛かりな機構をスポット溶接装置１に設けることなく、両電極５，６の極性を容易にかつ迅速に変更することができるので、スポット溶接装置１の汎用性を飛躍的に高めることができる。

本発明の有用性を実証するため、薄板とその一方側に重ね合わされた２枚の厚板（第１および第２の厚板）とからなる高板厚比の板組み（各金属板の詳細は後述する）をスポット溶接するに当たり、同一の溶接条件の下で、最外薄板に正電極を当接させた状態で一対の電極に通電するという本発明に係る方法を適用した場合（図３参照）と、最外薄板に負電極を当接させた状態で一対の電極に通電するという本発明とは異なる方法を適用した場合（図４参照）とで溶接品質にどの程度の差が生じるかを確認した。この確認試験では、
（１）上記板組みをスポット溶接することにより生成されたナゲットのうち、最外薄板に形成された部分の最大直径[単位：ｍｍ]、および
（２）最外薄板に対する溶融金属の溶け込み率σ[単位：％]
を確認した。
上記の「溶け込み率σ」とは、最外薄板に対する溶融金属の溶け込み深さ（ナゲットのうち、最外薄板に形成された部分の厚さ）ｄを最外薄板の板厚ｔで除したときの百分率［σ＝（ｄ／ｔ）×１００）］である。

この確認試験で使用した板組みの詳細は以下の通りである。
・薄板：板厚０．５５ｍｍの冷間圧延鋼板（引張強度３４０ＭＰａ）。
・第１の厚板：板厚１．６ｍｍの冷間圧延鋼板（引張強度９８０ＭＰａ）。
・第２の厚板：板厚２．０ｍｍの冷間圧延鋼板（引張強度９８０ＭＰａ）。
板厚比：７．５４（＝４．１５／０．５５）

確認試験の結果を表１に示す。なお、表１においては、上記（１）（２）の確認項目を「最外薄板のナゲット径」および「最外薄板の溶け込み率」と表示している。また、表１に示す「実施例１」とは、本発明に係る方法を適用して上記板組みを所定の通電パターンおよび加圧パターンでスポット溶接した場合（図３）の結果であり、「比較例１」とは、本発明とは異なる方法を適用して上記板組みをスポット溶接した場合（図４）であって、実施例１と同一の通電パターンおよび加圧パターンで上記板組みをスポット溶接した場合の結果である。また、「実施例２」とは、本発明に係る方法を適用して上記板組みをスポット溶接した場合であって、実施例１（および比較例１）とは異なる通電パターンおよび加圧パターンで上記板組みをスポット溶接した場合の結果であり、「比較例２」とは、本発明とは異なる方法を適用して上記板組みをスポット溶接した場合であって、実施例２と同一の通電パターンおよび加圧パターンで上記板組みをスポット溶接した場合の結果である。

表１からも明らかなように、本発明に係るスポット溶接方法によれば、高板厚比の板組みを構成する最外薄板への溶融金属の溶け込み量の増加と、最外薄板におけるナゲット径の拡大とを同時に実現することができる。そのため、特に薄板とこれに接する厚板との接合強度が高められた高板厚比の板組みを容易に得ることが可能となる。

１ スポット溶接装置
２ 溶接ロボット
３ ロボットアーム
４ 溶接ガン
５ 電極（可動側電極）
６ 電極（固定側電極）
７ 加圧機構
８ トランス
１０ 制御装置
２０ 板組み
２１ 薄板
２２，２３ 厚板
ｔ （薄板の）板厚
Ｍ ナゲット

Claims (1)

1. 薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で前記一対の電極間に通電することにより接合するスポット溶接方法において、
   前記一対の電極のうちの正電極を前記薄板に当接させた状態で前記一対の電極間に通電することを特徴とするスポット溶接方法。

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