JP2023045014A - 抵抗スポット溶接方法及び抵抗スポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材質の制限を受けずに高張力鋼板の割れを抑制できる抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】本開示の一態様は、複数の鋼板が重ね合わされたワークを抵抗スポット溶接装置により溶接する工程を備える抵抗スポット溶接方法である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち高張力鋼板である第１鋼板に接触する第１電極と、複数の鋼板のうち第１鋼板よりも引張強さが小さい第２鋼板に接触し、第１電極と共にワークを挟む第２電極と、を備える。溶接する工程では、少なくともワークの溶接中からワークの溶接完了まで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮する。
【選択図】図１

Description

本開示は、抵抗スポット溶接方法及び抵抗スポット溶接装置に関する。

引張強さの大きい高張力鋼板（いわゆるハイテン材）のスポット抵抗溶接において、溶接部分には、電極による加圧が解除された際に引張応力が発生する。この引張応力は、材料の復元力と、溶融部の凝固とに起因する。

このような引張応力によって、溶接後の溶接部分に割れが生じ得る。そこで、鋼板の亜鉛成分量の規定によって割れを抑制する方法が考案されている（特許文献１参照）。

特開２０２０－１７９４１３号公報

上述の抵抗スポット溶接方法では、亜鉛成分量の調整が必要であるため、鋼板の材質が限定される。また、亜鉛成分量を規定の範囲にするために、試作を繰り返し行う必要がある。

本開示の一局面は、材質の制限を受けずに高張力鋼板の割れを抑制できる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、複数の鋼板が重ね合わされたワークを抵抗スポット溶接装置により溶接する工程を備える抵抗スポット溶接方法である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち高張力鋼板である第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、複数の鋼板のうち第１鋼板よりも引張強さが小さい第２鋼板に接触し、第１電極と共にワークを挟むように構成された第２電極と、を備える。溶接する工程では、少なくともワークの溶接中からワークの溶接完了まで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮する。

このような構成によれば、高張力鋼板である第１鋼板に圧縮応力が発生した状態でワークが溶接される。その結果、溶接後に発生する引張応力が圧縮応力によって相殺されることで、第１鋼板の割れが抑制される。

本開示の一態様では、溶接する工程では、ワークの溶接後の冷却が完了するまで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮してもよい。このような構成によれば、引張応力の発生が終了する冷却完了後まで第１鋼板に圧縮応力が発生し続けるため、割れの抑制効果を促進できる。

本開示の一態様では、溶接する工程では、ワークの溶接開始前から、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮してもよい。このような構成によれば、第１鋼板が動的に安定した状態でワークの溶接を開始することができる。その結果、溶接の品質を向上できる。

本開示の一態様では、溶接する工程では、互いに対向する第１加圧部及び第２加圧部によって第１鋼板を挟むことで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板の溶接部分を圧縮してもよい。このような構成によれば、安定して第１鋼板に圧縮応力を付与することができる。

本開示の別の態様は、複数の鋼板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち高張力鋼板である第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、複数の鋼板のうち第１鋼板よりも引張強さが小さい第２鋼板に接触し、第１電極と共にワークを挟むように構成された第２電極と、少なくともワークの溶接中からワークの溶接完了まで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮するように構成された圧縮機構と、を備える。

このような構成によれば、溶接後に発生する引張応力が圧縮応力によって相殺されることで、第１鋼板の割れが抑制される。

本開示の一態様では、圧縮機構は、ワークの溶接後の冷却が完了するまで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮するように構成されてもよい。このような構成によれば、引張応力の発生が終了する冷却完了後まで第１鋼板に圧縮応力が発生し続けるため、割れの抑制効果を促進できる。

本開示の一態様では、圧縮機構は、ワークの溶接開始前から、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板を圧縮するように構成されてもよい。このような構成によれば、第１鋼板が動的に安定した状態で溶接を開始することができる。その結果、溶接の品質を向上できる。

本開示の一態様では、圧縮機構は、互いに対向する第１加圧部及び第２加圧部を有してもよい。第１加圧部及び第２加圧部は、第１鋼板を挟むことで、第１鋼板の厚み方向と交差する方向に第１鋼板の溶接部分を圧縮するように構成されてもよい。このような構成によれば、的確に第１鋼板に圧縮応力を付与することができる。

図１は、実施形態における抵抗スポット溶接装置の模式図である。 図２Ａは、抵抗スポット溶接装置によるワークの溶接の一工程を示す模式図であり、図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す模式図であり、図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す模式図である。 図３Ａは、図２Ｃの次の工程を示す模式図であり、図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す模式図である。 図４は、実施形態における抵抗スポット溶接方法のフロー図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す抵抗スポット溶接装置１は、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とが重ね合わされたワークＷを溶接するように構成されている。抵抗スポット溶接装置１は、抵抗溶接機２と、圧縮機構３とを有する。

第１鋼板Ｐ１は、いわゆる高張力鋼板であり、引張強さが９８０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下である。第１鋼板Ｐ１の引張強さとしては、１１８０ＭＰａ以上が好ましい。第２鋼板Ｐ２は、引張強さが２７０Ｍｐａ以上９８０ＭＰａ未満である非高張力鋼板であるか、又は、引張強さが第１鋼板Ｐ１の引張強さよりも小さい高張力鋼板である。本実施形態では、第２鋼板Ｐ２が第１鋼板Ｐ１の上に重ね合わされている。

第１鋼板Ｐ１は、溶接部分Ｘにおいて、第２鋼板Ｐ２と接触している。また、第１鋼板Ｐ１は、第２鋼板Ｐ２から厚み方向に離れた領域も有する。つまり、ワークＷは、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２との間に設けられた空隙Ｓを有する。

ワークＷは、下方に突出した凸部Ｗ１を有し、溶接部分Ｘは、凸部Ｗ１内に配置されている。第２鋼板Ｐ２は、第１鋼板Ｐ１のうち、凸部Ｗ１を構成している湾曲部の内側に配置されている。

＜抵抗溶接機＞
抵抗溶接機２は、ワークＷとして配置された第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを厚み方向に抵抗スポット溶接する。

抵抗溶接機２は、第１電極２１と、第２電極２２とを備える。第１電極２１は、ワークＷの下方に配置されている。第２電極２２は、ワークＷの上方において、第１電極２１と共にワークＷを厚み方向に挟むように配置されている。第１電極２１は、第２電極２２に対し、相対的に上下方向に移動可能である。

第１電極２１及び第２電極２２は、それぞれ、溶接時にワークＷに接触する。具体的には、第１電極２１は、第１鋼板Ｐ１に接触するように構成されている。第２電極２２は、第２鋼板Ｐ２に接触するように構成されている。第１電極２１と第２電極２２との間には、溶接電流がワークＷを介して流れる。

＜圧縮機構＞
圧縮機構３は、少なくともワークＷの溶接中からワークＷの溶接完了まで、第１鋼板Ｐ１の厚み方向と交差する方向に第１鋼板Ｐ１を圧縮するように構成されている。

具体的には、圧縮機構３は、ワークＷの溶接開始前から、ワークＷの溶接後の冷却が完了するまで、第１鋼板Ｐ１を圧縮し続ける。圧縮機構３は、台座３１と、第１加圧部３２と、第２加圧部３３と、駆動部３４とを有する。

台座３１は、ワークＷを保持する部位である。台座３１には、ワークＷのうち、凸部Ｗ１の周辺部が載置されている。台座３１は、上下方向において溶接部分Ｘと重ならないように配置されている。

第１加圧部３２及び第２加圧部３３は、水平方向において互いに対向するように配置されている。第１加圧部３２及び第２加圧部３３は、第１鋼板Ｐ１のうち少なくとも溶接部分Ｘを含む部位を、厚み方向と交差する方向（具体的には厚み方向と直交する方向）に挟むことで圧縮する。

駆動部３４は、第２加圧部３３を水平方向に移動させる。駆動部３４は、例えば、油圧、気圧、電力、バネ等で動作するシリンダーである。第２加圧部３３は、駆動部３４によって、第１加圧部３２へ近づく方向、及び第１加圧部３２から離れる方向に移動する。

図２Ａに示すように、溶接の開始前（つまり、第１電極２１及び第２電極２２がワークＷから離れている状態）では、第１加圧部３２のみがワークＷに接触する。具体的には、第１加圧部３２は、ワークＷの凸部Ｗ１に対し、外側から接触している。

図２Ａの状態から、第２加圧部３３が第１加圧部３２に向かって移動することで、図２Ｂに示すように、ワークＷの凸部Ｗ１が第１加圧部３２と第２加圧部３３とによって挟まれる。これにより、凸部Ｗ１の底壁を構成する第１鋼板Ｐ１の部位が、厚み方向と交差する方向（具体的は厚み方向と直交する方向）に圧縮される。

なお、本実施形態では、第２鋼板Ｐ２は、凸部Ｗ１を構成する第１鋼板Ｐ１の内部に配置されており、第１加圧部３２及び第２加圧部３３によって厚み方向と交差する方向に直接圧縮されない。ただし、第２鋼板Ｐ２は、第１鋼板Ｐ１よりも小さい圧縮力で厚み方向と交差する方向に圧縮されてもよい。

このように第１鋼板Ｐ１が圧縮された状態で、図２Ｃに示すように、抵抗溶接機２が第１電極２１及び第２電極２２を移動させることで、第１電極２１及び第２電極２２によってワークＷが厚み方向に加圧される。

なお、第１電極２１及び第２電極２２によるワークＷの加圧後に、第１加圧部３２及び第２加圧部３３によって第１鋼板Ｐ１が圧縮されてもよい。また、本実施形態では、第１電極２１及び第２電極２２がワークＷを挟む方向は、第１鋼板Ｐ１の厚み方向に対し傾斜している。ただし、第１電極２１及び第２電極２２がワークＷを挟む方向は、第１鋼板Ｐ１の厚み方向と平行であってもよい。

抵抗スポット溶接装置１がワークＷを挟んだ第１電極２１及び第２電極２２間に電流を供給することで、ワークＷの溶接が行われる。ワークＷの溶接の進行により、ワークＷの溶接部分にナゲットＮが形成される。

つまり、抵抗スポット溶接装置１は、第１鋼板Ｐ１の溶接部分を厚み方向と交差する方向に圧縮しながら、ワークＷの溶接を行う。抵抗スポット溶接装置１による溶接により、ワークＷの溶接部分において第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とがナゲットＮによって厚み方向に接合される。

溶接完了後（つまり通電停止後）、抵抗溶接機２は、図３Ａに示すように、第１加圧部３２及び第２加圧部３３による第１鋼板Ｐ１の圧縮を維持したまま、第２電極２２をワークＷから離す。この間、例えば第１電極２１によってワークＷの溶接部分に対する冷却が行われる。

冷却完了後、図３Ｂに示すように、抵抗スポット溶接装置１は、第２加圧部３３をワークＷ及び第１加圧部３２から離れるように移動させることで、第１鋼板Ｐ１の圧縮を解除する。

［１－２．製造方法］
図４に示す抵抗スポット溶接方法は、配置工程Ｓ１０と、溶接工程Ｓ２０とを備える。本実施形態の抵抗スポット溶接方法は、例えば、図１の抵抗スポット溶接装置１を用いて実施される。

＜配置工程＞
本工程では、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを厚み方向に重ね合わせたワークＷを、第１鋼板Ｐ１が下になるように圧縮機構３の台座３１に載置する。

なお、第１鋼板Ｐ１のプレス成型に用いる金型を、第１鋼板Ｐ１に圧縮応力が発生する形状に調整してもよい。これにより、第１鋼板Ｐ１に予め圧縮応力を付与しておくことができる。

＜溶接工程＞
本工程では、重ね合わされた第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを抵抗スポット溶接装置１により溶接する。溶接工程Ｓ２０は、圧縮工程Ｓ２１と、通電工程Ｓ２２と、冷却工程Ｓ２３と、解除工程Ｓ２４とを有する。

（圧縮工程）
本工程では、通電工程Ｓ２２の前（つまり溶接開始前）に、圧縮機構３の第１加圧部３２及び第２加圧部３３によって第１鋼板Ｐ１を厚み方向と交差する方向に圧縮する。

（通電工程）
本工程では、第１鋼板Ｐ１を圧縮機構３によって圧縮した状態で、第１電極２１及び第２電極２２でワークＷを挟む。その後、第１電極２１及び第２電極２２間に通電を行い、第１鋼板Ｐ１を圧縮しながらワークＷの溶接を行う。

（冷却工程）
本工程では、第１電極２１及び第２電極２２間の通電を停止した後、第１鋼板Ｐ１を圧縮機構３によって圧縮した状態で、ワークＷの溶接部分を冷却する。

（解除工程）
本工程では、ワークＷの溶接部分の冷却完了後、圧縮機構３による第１鋼板Ｐ１の圧縮を解除する。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）高張力鋼板である第１鋼板Ｐ１に圧縮応力が発生した状態でワークＷが溶接される。その結果、溶接後に発生する引張応力が圧縮応力によって相殺されることで、第１鋼板Ｐ１の割れが抑制される。

（１ｂ）ワークＷの冷却完了まで第１鋼板Ｐ１が圧縮されることで、引張応力の発生が終了する冷却完了後まで第１鋼板Ｐ１に圧縮応力が発生し続ける。そのため、割れの抑制効果を促進できる。

（１ｃ）ワークＷの溶接開始前から第１鋼板Ｐ１が圧縮されることで、第１鋼板Ｐ１が動的に安定した状態でワークＷの溶接を開始することができる。その結果、溶接の品質を向上できる。

（１ｄ）互いに対向する第１加圧部３２及び第２加圧部３３によって第１鋼板Ｐ１を挟むことで、安定して第１鋼板Ｐ１に圧縮応力を付与することができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置及び抵抗スポット溶接方法において、ワークは、必ずしも凸部及び空隙を有しなくてもよい。例えば、ワークは平板状の複数の鋼板が隙なく重ねられたものであってもよい。

（２ｂ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置及び抵抗スポット溶接方法において、圧縮機構は、溶接開始と同時、又は溶接開始後に第１鋼板の圧縮を開始してもよい。また、圧縮機構は、溶接完了（つまり通電の停止）と同時、又は冷却中に第１鋼板の圧縮を解除してもよい。

（２ｃ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置及び抵抗スポット溶接方法において、ワークは３枚以上の鋼板を有してもよい。つまり、第１鋼板と第２鋼板との間に１枚以上の鋼板が配置されてもよい。

（２ｄ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置及び抵抗スポット溶接方法において、第１鋼板が第２鋼板の上に重ね合わされてもよい。また、第１電極と第２電極との対向方向（つまりワークを挟む方向）は、上下方向に限定されない。例えば、第１電極と第２電極とは水平方向にワークを挟むように構成されてもよい。

（２ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…抵抗スポット溶接装置、２…抵抗溶接機、３…圧縮機構、２１…第１電極、
２２…第２電極、３１…台座、３２…第１加圧部、３３…第２加圧部、３４…駆動部、
Ｎ…ナゲット、Ｐ１…第１鋼板、Ｐ２…第２鋼板、Ｓ…空隙、Ｗ…ワーク、
Ｗ１…凸部、Ｘ…溶接部分。

Claims (8)

1. 複数の鋼板が重ね合わされたワークを抵抗スポット溶接装置により溶接する工程を備える抵抗スポット溶接方法であって、
   前記抵抗スポット溶接装置は、
   前記複数の鋼板のうち高張力鋼板である第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、
   前記複数の鋼板のうち前記第１鋼板よりも引張強さが小さい第２鋼板に接触し、前記第１電極と共に前記ワークを挟むように構成された第２電極と、
   を備え、
   前記溶接する工程では、少なくとも前記ワークの溶接中から前記ワークの溶接完了まで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮する、抵抗スポット溶接方法。
2. 請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   前記溶接する工程では、前記ワークの溶接後の冷却が完了するまで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮する、抵抗スポット溶接方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   前記溶接する工程では、前記ワークの溶接開始前から、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮する、抵抗スポット溶接方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   前記溶接する工程では、互いに対向する第１加圧部及び第２加圧部によって前記第１鋼板を挟むことで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板の溶接部分を圧縮する、抵抗スポット溶接方法。
5. 複数の鋼板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置であって、
   前記複数の鋼板のうち高張力鋼板である第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、
   前記複数の鋼板のうち前記第１鋼板よりも引張強さが小さい第２鋼板に接触し、前記第１電極と共に前記ワークを挟むように構成された第２電極と、
   少なくとも前記ワークの溶接中から前記ワークの溶接完了まで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮するように構成された圧縮機構と、
   を備える、抵抗スポット溶接装置。
6. 請求項５に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   前記圧縮機構は、前記ワークの溶接後の冷却が完了するまで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮するように構成される、抵抗スポット溶接装置。
7. 請求項５又は請求項６に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   前記圧縮機構は、前記ワークの溶接開始前から、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板を圧縮するように構成される、抵抗スポット溶接装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   前記圧縮機構は、互いに対向する第１加圧部及び第２加圧部を有し、
   前記第１加圧部及び前記第２加圧部は、前記第１鋼板を挟むことで、前記第１鋼板の厚み方向と交差する方向に前記第１鋼板の溶接部分を圧縮するように構成される、抵抗スポット溶接装置。

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