JP2026006291A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備費用の増加と設備の煩雑化を抑えつつ、板材の周縁部を高品質に溶接でき、板材同士の高い接合強度が得られる溶接方法を提供する。
【解決手段】互いに重ね合わせた一対の板材１１，１３をスポット溶接する溶接方法であって、いずれか一方の板材１１の周縁部に、その板材１１の板面上で円形状となるエンボス２１を、周縁部の外縁から板面の内側に向けてエンボスの半径Ｒ以上、３Ｒ以下の領域にエンボス中心が配置されるように形成する。エンボス２１が形成された一方の板材１１１と他方の板材１３とを、一対の板材同士の間にエンボス２１を配置して重ね合わせる。そして、一対の板材１１，１３におけるエンボス２１の形成位置にスポット溶接電極２７，２９を加圧しながら通電して溶接する。
【選択図】図９

Description

本発明は、溶接方法に関する。

従来より、車両における乗員の安全性向上が求められており、係る目的のために車体の強度を向上させてきた。他方、地球温暖化問題等の深刻化を背景に、自動車の燃費改善の動きが加速している。燃費改善には車体の軽量化が有効であることが知られている。そこで、車体の構造材料に従来の鋼材に代えてアルミニウム合金が使用されつつある。

アルミニウム合金同士の接合には、抵抗スポット溶接が広く用いられている。しかし、アルミニウム合金は、熱伝導率及び導電率が高いため、鋼材の場合と比較して加圧力及び溶接電流を大きくし、通電時間を短くする必要がある。汎用的なスポット溶接では、溶接材料の端部(溶接代の短い部位)を溶接する場合、加圧時に変形することで、電流密度が低減する。その結果、溶接できなくなることや、分流によって溶融部の形成が不安定になることが一般的によく知られている。このような材料の端部における、溶接点中心位置から部材の最も近い端までの距離は、縁距離として定義されている（ＪＩＳ Ｚ ３００１－６（２０１３））。

縁距離（溶接代）の短いアルミニウム合金板の溶接には、一般的にレーザ溶接が用いられていた。しかしながら、レーザ溶接では設備費用が膨大である上に、安全設備の導入により工場レイアウトに制約が生じてしまう。

一方、近年になって、抵抗スポット溶接においても細長い山型のエンボスプロジェクションを採用することで溶接が可能であることが分かってきた（特許文献１参照）。また、その場合には、汎用的なスポット溶接と比較して、アルミニウム合金板のより外縁に近い位置での溶接が可能となる。このような外縁に近い位置で溶接する場合、溶接痕を小さくでき、仕上げ加工の煩雑化を抑制できる。また、窓枠（サッシュ）のような細長形状の部位を、少ない溶接代で接合できる。

特許第４７０８５１９号公報

しかしながら、抵抗スポット溶接では、上記した設備費用や制約は少ないが、溶接時の発熱によってアルミニウム自体が変形して美的外観を損なうおそれがある。その上、変形によって溶接電流の分流を誘発してナゲット品質が安定しないという不利がある。また、特許文献１のようなエンボスプロジェクション溶接を活用した手法では、アルミニウム板にエンボス形状を高い加圧力で付与するため、エンボス形状の加工位置に制約がある。

そこで本発明は、設備費用の増加と設備の煩雑化を抑えつつ、板材の周縁部を高品質に溶接でき、板材同士の高い接合強度が得られる溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
互いに重ね合わせた一対の板材をスポット溶接する溶接方法であって、
いずれか一方の前記板材の周縁部に、当該板材の板面上で円形状となるエンボスを、前記周縁部の外縁から板面の内側に向けて前記エンボスの半径Ｒ以上、３Ｒ以下の領域にエンボス中心が配置されるように形成し、
前記エンボスが形成された一方の前記板材と他方の前記板材とを、前記一対の板材同士の間に前記エンボスを配置して重ね合わせ、
前記一対の板材における前記エンボスの形成位置にスポット溶接電極を加圧しながら通電して溶接する、
溶接方法。

本発明によれば、設備費用の増加と設備の煩雑化を抑えつつ、板材の周縁部を高品質に溶接でき、板材同士の高い接合強度が得られる。

図１は、一対の板材をスポット溶接した接合体の一部を示す斜視図である。 図２は、図１に示す接合体のII－II線に沿った断面図である。 図３は、図１に示す接合体のIII－III線に沿った断面図である。 図４は、一対の板材をスポット溶接して接合体を得るまでの手順を模式的に示す工程説明図である。 図５は、板材と、板材にエンボスを形成するパンチ及びダイスとの断面図である。 図６は、ダイスを上方から見た平面図である。 図７は、エンボスをプレス成形した様子を示す板材とパンチとダイスの断面図である。 図８は、エンボスの形成例を示す写真である。 図９は、エンボスを形成した一方の板材と他方の板材とを重ね合わせてスポット溶接する様子を示す断面図である。 図１０は、スポット溶接電極の一例を示す外観斜視図である。 図１１は、スポット溶接の加圧及び通電パターンの一例を概略的に示す説明図である。 図１２は、図４に示す板材の外縁と平行なXII－XII線に沿った断面における、板材の断面写真である。 図１３は、図３に対応する板材同士の接合結果であって、板材の外縁から板面の内側に向かう方向に切断した板材の断面写真である。 図１４は、１つのエンボスを形成した板材の外観写真である。 図１５は、実施例１と同様のエンボスと比較例としての細長形状のエンボスとを、加圧力を揃えて形成した板材を示す説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで示す溶接方法は、互いに重ね合わせた一対の板材をプロジェクションスポット溶接するものであるが、板材の形状、厚さ等の条件は適宜変更が可能である。

図１は、一対の板材１１，１３をスポット溶接した接合体１００の一部を示す斜視図である。図２は、図１に示す接合体１００のII－II線に沿った断面図である。図３は、図１に示す接合体１００のIII－III線に沿った断面図である。

図１に示すように、接合体１００は、互いに重ね合わせた一対の板材１１，１３を、板面の外縁近傍の周縁部でスポット溶接して形成されている。板面に形成されたスポット溶接痕（くぼみ）１５の位置では、図２，図３に示すように、板材１１と板材１３との間にナゲット１７が形成されている。ナゲット１７は、以下に説明するエンボスプロジェクション溶接によって形成され、板材１１，１３の外縁から板面内側に向けた所定寸法の範囲Ｗ内に、ナゲット中心が配置されている。

ここで用いる板材１１，１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金の展伸材等であり、例えば、ＪＩＳ又はＡＡ規格でいう５０００系、６０００系、７０００系等のアルミニウム合金が好ましい。板材１１，１３は、均質化熱処理、熱間押出、溶体化及び焼入れ処理、人工時効処理、等の調質処理を適宜組み合わせて製造したものを好適に使用できる。

上記したように、板材１１，１３の周縁部をスポット溶接することで、幅の狭い部材同士の接合が可能となり、溶接の施工自由度を向上できる。

図４は、一対の板材１１，１３をスポット溶接して接合体１００を得るまでの手順を模式的に示す工程説明図である。まず、一対の板材１１，１３のうち一方の板材１１にエンボス２１を形成する（Ｓｔ．１）。エンボス２１は、プレス成形（ダボ出し加工等）により形成できるが、切削等の他の工法によって突起を設けることでも構わない。

図５は、板材１１と、板材１１にエンボスを形成するパンチ２３及びダイス２５との断面図である。図６は、ダイス２５を上方から見た平面図である。パンチ２３には２つの凸部２３ａが形成され、ダイス２５にはパンチ２３の凸部２３ａに対応する位置に、それぞれ凹部２５ａが形成されている。ここでは、凸部２３ａと凹部２５ａの組が２つ存在し、各組は、後述するスポット溶接電極による加圧領域（電極先端面）内で、互いに離れた位置に配置されるように、それぞれの配置位置が設定されている。

上記したパンチ２３とダイス２５との間に平坦状の板材１１を配置して、パンチ２３をダイス２５に向けて押し込む。これにより、凸部２３ａ及び凹部２５ａの形状に応じたエンボス２１が板材１１に形成される。

図７は、エンボス２１をプレス成形した様子を示す板材１１とパンチ２３とダイス２５の断面図である。板材１１には、プレス成形によりパンチ２３の凸部２３ａとダイス２５の凹部２５ａによって板材１１の一方の板面（図７の下面）から突起するエンボス２１が形成される。ここでは２つのエンボス２１を一度に形成した例を示すが、エンボス２１の数は１つ又は３つ以上であってもよい。エンボス２１の突出高さは、板材１１のエンボス２１の突起側の板面から０．２ｍｍ以上が好ましく、０．４ｍｍ以上がより好ましい。また、１．０ｍｍ以下が好ましく、０．８ｍｍ以下がより好ましい。エンボス２１の突出高さが上記範囲であることで、スポット溶接時のナゲットの形成が良好となる。

図８は、エンボス２１の形成例を示す写真である。エンボス２１は、板材１１の周縁部における外縁１１ａの近傍に形成され、板材１１の板面上でそれぞれ円形状となる。具体的には、エンボス２１の板面上での中心（エンボス中心）が、板材１１の外縁１１ａから板面の内側（矢印Ｄ１）に向けて、エンボス２１の半径Ｒ以上、３Ｒ以下の領域に配置されるようにする。図８の矢印Ｐ１で示す部位のエンボス２１は、エンボス中心Ｏが、板材１１の外縁１１ａから板面の内側に向けてエンボス２１の半径Ｒの１．３倍の位置に形成されている。また、矢印Ｐ２に示す部位のエンボス２１は、エンボス中心Ｏが、板材１１の外縁１１ａから約２Ｒの位置に形成されている。

各エンボス２１のエンボス中心Ｏを、板材１１の外縁１１ａからＲ以上、３Ｒ以下の領域に設けることで、エンボス２１の外周縁２１ａが板材１１の外縁１１ａからはみ出さない範囲で、エンボス２１を外縁１１ａに近付けて配置できる。

また、隣り合うエンボス２１の中心同士の間隔は、エンボス２１の半径Ｒの２倍以上、４倍以下が好ましく、３倍以下がより好ましい。なお２倍の場合としてエンボス２１は隣接していても良い。これによれば、後述するスポット溶接時に、各エンボス２１に形成される溶融部同士が繋がりやすくなる。しかも、ナゲットがエンボス２１の並び方向に沿って延びて形成されるため、接合面積が増大し、板材同士の接合強度を向上できる。

図９は、エンボス２１を形成した一方の板材１１と他方の板材１３とを重ね合わせてスポット溶接する様子を示す断面図である。前述したエンボス２１が形成された一方の板材１１と、他方の板材１３とを、板材同士の間にエンボス２１を配置させて重ね合わせる。そして、重ね合わせた板材１１，１３のエンボス２１の形成位置を一対のスポット溶接電極２７，２９で挟み込み、スポット溶接電極２７，２９により板材１１，１３を加圧する（Ｓｔ．２）。

図１０は、スポット溶接電極２７，２９の一例を示す外観斜視図である。スポット溶接電極２７，２９は、「両面カットチップ」であって、取付孔３１ａを有する取付部３１と、取付部３１と反対側の電極先端部３３とを有する。

電極先端部３３は、電極中心軸Ａｘを残して、その外周面における直径方向の一方と他方から径方向内側に向けてそれぞれ減肉して形成されている。電極先端部３３は、一対の長方形側面３３ａと、略長方形に形成された先端面３３ｂとを有する。先端面３３ｂは、所定の曲率を有する凸曲面で形成されている。一対のスポット溶接電極２７，２９は、先端面３３ｂの一方向に延びる延び方向を互いに平行にして、不図示のチャック機構に固定される。板材１１，１３は、２つのエンボス２１の並び方向を先端面３３ｂの延び方向と一致するように配置される。つまり、板材１１の外縁に沿ってエンボス２１が並んで形成されるようにする。

図１１は、スポット溶接の加圧及び通電パターンの一例を概略的に示す説明図である。板材１１，１３をスポット溶接するには、例えば、時刻ｔ０から加圧力Ｐで加圧を開始し、加圧したままスクイズ時間経過後の時刻ｔ１から電流値Ｉを通電する（Ｓｔ．３）。時刻ｔ１からｔ２までの間、加圧した状態で通電（本通電）し、時刻ｔ２で通電を終了する。そして、時刻ｔ２からホールド時間経過後の時刻ｔ３まで加圧力Ｐを継続した後、時刻ｔ３で加圧を解除する。なお、時刻ｔ１に至る前にアップスロープ期間を設けてもよい。

上記した加圧及び通電パターンによれば、図４に示す溶接初期（Ｓｔ．３）の時刻ｔ１にて、板材１１に設けた２つのエンボス２１の各先端と板材１３との接触点が溶融して、２箇所で溶融部の起点が形成される。そして、溶接後期（Ｓｔ．４）に向けた通電に伴って、２つの溶融部がそれぞれ成長し、各溶融部が拡大して、エンボス同士の間が溶融金属で満たされる。つまり、２つの溶融部が１つに纏まり、溶接後期の時刻ｔ２では溶融金属が１つの塊状となる。溶接完了時（Ｓｔ．５）では、溶融部が凝固してナゲット１７が形成される。

上記のように２つのエンボス２１を一度に加圧、通電することで、各エンボス２１の位置と、その間の領域とを含む一つの大きなナゲットが形成される。このような溶融面積が拡大されたナゲットにより、板材１１，１３同士をより高強度に接合できる。また、形成されるナゲットは、２つのエンボス２１の並び方向に延びて形成されるため、板材１１の外縁１１ａに沿って接合部分が延びた形状となる。しがって、板材１１，１３が板厚方向に引張荷重が負荷された場合でも、板材１１，１３同士が周縁部で剥離することを抑制でき、板材１１，１３同士の剥離強度（例えば、重ね継手十字引張強度）を高められる。

次に、エンボスを有する板材と他の板材とを重ね合わせてスポット溶接した結果を説明する。
＜実施例１＞
（供試材）
材質：６０００系アルミニウム展伸材
板厚：１．６ｍｍ（上板、エンボス加工）、１．２ｍｍ（下板、平板）
（エンボス）
パンチのエンボス形成凸部の直径：２．５７ｍｍ
パンチのエンボス形成凸部の突出高さ：０．６ｍｍ
エンボス中心間距離：３．８ｍｍ（２点エンボス）
（溶接条件）
溶接条件を表１に纏めて示した。

図１２は、図４に示す板材１１の外縁１１ａと平行なXII－XII線に沿った断面における、板材１１，１３の断面写真である。図１３は、図３に対応する板材１１，１３同士の接合結果であって、板材１１の外縁１１ａから板面の内側に向かう方向に切断した板材１１，１３の断面写真である。なお、図１２、図１３には、ナゲット１７の外縁を表す太線を付している。

図１２に示すように、ナゲット１７は、外縁１１ａに沿って延びて形成され、エンボス２１が溶融した良好な溶融状態が得られている。また、図１３に示すように、ナゲット１７は板材１１，１３の外縁１１ａ，１３ａから突出せず、チリの発生もない。さらに、板面での表面溶融や内部欠陥は確認されなかった。

＜実施例２＞
実施例１では、板材１１に２つのエンボス２１を形成した例を示したが、実施例２では、実施例１と同じ加工条件で板材１１に１つのエンボス２１を形成した例を示す。
図１４は、１つのエンボス２１を形成した板材１１の外観写真である。本実施例のように板材１１の周縁部の外縁１１ａ近傍にエンボス２１の外周縁２１ａが配置されても、板材１１に大きな変形が生じなかった。実施例1及び２は、いずれもエンボス形状が平面視で円形であって、加工時の変形が等方的となる。そのため材料の変形が歪になりにくく、特に実施例１の２つのエンボス２１が近接して配置される場合には、溶接性が良好となることも相まって、板材のより端部での溶接を実現しやすくなる。

＜比較例＞
図１５は、実施例１と同様のエンボス２１と比較例としての細長形状のエンボス２２とを、加圧力を揃えて形成した板材を示す説明図である。比較例では、上記した実施例１，２における円形のエンボス２１の代わりに細長形状のエンボス２２を形成した。各エンボス２２は、それぞれ板材１１の外縁１１ａから内側へ約２ｍｍの位置にエンボス中心が配置されるように形成した。各エンボスは、不図示のパンチとダイスにより４ｋＮ、５ｋＮの荷重を負荷して形成した。比較例のエンボス２２を所定の突出高さとなるように形成すると、板材１１の外縁１１ａが外側に大きく膨らんだ。

このような比較例のエンボス形状では、板材１１の外縁１１ａが外側に突出するため、板材１１の端部が直線上に揃わなくなり、設計時の寸法精度を再現できなくなる。

一方、実施例１と同様の円形のエンボス２１は、板材１１の外縁１１ａの膨らみが抑えられることを確認でき、突出高さも良好で設計通りのナゲットが得られやすい結果となった。なお、図１５には板材１１の外縁１１ａの大きな変形が認められた場合を「×」、許容範囲内である場合を「○」で示し、エンボス形状の高さが許容範囲である場合を「○」で示している。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、上記した実施形態では、板材の外周縁部にエンボスを形成する例を示したが、エンボスは板材に形成された開口孔の内周縁に形成してもよく、板材に形成された切欠きに沿って形成してもよい。つまり、エンボスは板材の端部近傍のいずれの位置に形成してもよい。
また、重ね合わせる板材は２枚に限らず、３枚以上であってもよく、各板材の厚さは同じであってもよく、異なっていてもよい。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 互いに重ね合わせた一対の板材をスポット溶接する溶接方法であって、
いずれか一方の前記板材の周縁部に、当該板材の板面上で円形状となるエンボスを、前記周縁部の外縁から板面の内側に向けて前記エンボスの半径Ｒ以上、３Ｒ以下の領域にエンボス中心が配置されるように形成し、
前記エンボスが形成された一方の前記板材と他方の前記板材とを、前記一対の板材同士の間に前記エンボスを配置して重ね合わせ、
前記一対の板材における前記エンボスの形成位置にスポット溶接電極を加圧しながら通電して溶接する、
溶接方法。
この溶接方法によれば、板材のエンボスが円形状であることで、スポット溶接時に形成される溶融部が板面内で等方的に発生、成長し、板材同士の間に良好なナゲットが形成される。

（２） 一方の前記板材の前記スポット溶接電極による加圧領域内で、互いに離れた位置に複数の前記エンボスを形成する、（１）に記載の溶接方法。
この溶接方法によれば、複数のエンボスがスポット溶接電極によって同時に加圧され、通電時にはエンボス間に溶融部が延びて形成される。

（３） 複数の前記エンボスは、一方の前記板材の外縁に沿って並んで配置された２つのエンボスである、（２）に記載の溶接方法。
この溶接方法によれば、板材の外縁に沿って２つのエンボスを接続するように、一方向に延びたナゲットが形成される。

（４） 隣り合う前記エンボスの中心同士の間隔を、前記エンボスの半径Ｒの２倍以上、４倍以下にする、（３）に記載の溶接方法。
この溶接方法によれば、隣り合うエンボスの中心同士の間隔を適正に保つことで、スポット溶接時に各エンボスに形成される溶融部が繋がりやすくなる。しかも、ナゲットがエンボスの並び方向に沿って延びて形成されるため、接合面積が増大し、板材同士の接合強度を向上できる。

（５） 前記エンボスを、一方の前記板材の板面から０．２ｍｍ～１．０ｍｍ突出させて形成する、（１）から（４）のいずれか１項に記載の溶接方法。
この溶接方法によれば、エンボスの突出量を適正に保つことで、スポット溶接時のナゲットの形成が良好となる。

１１，１３ 板材
１１ａ，１３ａ 外縁
１５ スポット溶接痕
１７ ナゲット
２１，２２ エンボス
２１ａ 外周縁
２３ パンチ
２３ａ 凸部
２５ ダイス
２５ａ 凹部
２７，２９ スポット溶接電極
３１ 取付部
３１ａ 取付孔
３３ 電極先端部
３３ａ 長方形側面
３３ｂ 先端面
１００ 接合体

Claims (5)

1. 互いに重ね合わせた一対の板材をスポット溶接する溶接方法であって、
   いずれか一方の前記板材の周縁部に、当該板材の板面上で円形状となるエンボスを、前記周縁部の外縁から板面の内側に向けて前記エンボスの半径Ｒ以上、３Ｒ以下の領域にエンボス中心が配置されるように形成し、
   前記エンボスが形成された一方の前記板材と他方の前記板材とを、前記一対の板材同士の間に前記エンボスを配置して重ね合わせ、
   前記一対の板材における前記エンボスの形成位置にスポット溶接電極を加圧しながら通電して溶接する、
   溶接方法。
2. 一方の前記板材の前記スポット溶接電極による加圧領域内で、互いに離れた位置に複数の前記エンボスを形成する、
   請求項１に記載の溶接方法。
3. 複数の前記エンボスは、一方の前記板材の外縁に沿って並んで配置された２つのエンボスである、
   請求項２に記載の溶接方法。
4. 隣り合う前記エンボスの中心同士の間隔を、前記エンボスの半径Ｒの２倍以上、４倍以下にする、
   請求項３に記載の溶接方法。
5. 前記エンボスを、一方の前記板材の板面から０．２ｍｍ～１．０ｍｍ突出させて形成する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接方法。