JP3849508B2

JP3849508B2 - 高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法

Info

Publication number: JP3849508B2
Application number: JP2001367591A
Authority: JP
Inventors: 和彦鎌倉; 功一安田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP2003164975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね抵抗溶接法の一種であるスポット溶接法に係り、とくに高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接における耐溶接割れ性の改善に関する。なお、ここでいう亜鉛系めっきとは、電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき（合金化溶融亜鉛めっきを含む）に代表される、亜鉛や亜鉛合金のめっきをいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
亜鉛系めっき鋼板は、耐食性が良好であることから、自動車、家電などの分野で幅広く用いられている。特に自動車用として用いられる亜鉛系めっき鋼板は、自動車車体の軽量化、および衝突安全性の観点から、高強度化が要望され、各種の高張力亜鉛系めっき鋼板が開発されてきた。しかしながら、このような高張力亜鉛系めっき鋼板では、スポット溶接を行うと、スポット溶接部に割れが発生するという問題がある。
【０００３】
このスポット溶接部の割れは、溶接部表面の亜鉛が溶融するとともに、電極の加圧力や鋼板の熱膨張、収縮による引張応力が溶接部に加わることにより、溶融した亜鉛が鋼板の結晶粒界に侵入して粒界強度を低下させ、割れを引き起こす、いわゆる液体金属脆性に起因する割れであるといわれている。
このような液体金属脆性起因の割れを防止する対策としては、例えば、特開平10-195597 号公報には、被溶接材である鋼板の組成を特定範囲の組成、具体的には、Ｃ：0.003 〜0.01％、Mn：0.05〜 0.5％、Ｐ：0.02％以下、sol Al： 0.1％以下、Ti：48×（Ｎ／14）〜48×｛（Ｎ／14）＋（Ｓ／32）｝％、Nb：93×（Ｃ／12）〜 0.1％、Ｂ：0.0005〜 0.003％、Ｎ：0.01％以下、Ni：0.05％以下を含有する組成とする接合性に優れた鋼板が提案されている。
【０００４】
また、特開平9-291338号公報には、液体金属脆性割れを防止できる鋼板、具体的には、Ｃ：0.05〜0.15％、Si：0.3 ％以下、Mn：２％以下、Sol Al：0.1 ％以下を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、Ｓを0.01％以下に制御してなる組成を有し、α／γ２相域で圧延することによって生成させた展伸フェライトを主体とする組織が、50μｍ以上の厚みで鋼板表層部に存在する鉄塔用鋼板が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自動車車体の軽量化要求が厳しくなるにともない、自動車用鋼板には更なる高強度化が要望されている。一般に、液体金属脆性割れは鋼板強度が高くなればなるほど発生しやすい傾向にあると言われており、更に高強度化された自動車用高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部における割れは、特開平10-195597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたような、鋼板組成、組織を制御する方法のみでは、完全には防止することができないという問題がある。また、特開平10-195597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたような、鋼板組成、組織を制御する方法は、加工性や靱性等の鋼板諸特性を劣化させる場合があり、鋼板用途が限定されるという欠点もある。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部割れを防止し、高品質のスポット溶接部を形成できる高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、スポット溶接部の液体金属脆性割れ（以下、スポット溶接部割れ、あるいは単に溶接部割れともいう）と、スポット溶接条件、および形成されるナゲット形状との関係について、鋭意研究した。その結果、高張力亜鉛系めっき鋼板を種々の溶接条件にてスポット溶接を行い溶接部割れの発生を調査した結果、図１に示すような、ナゲットの板厚方向への溶けこみが比較的少なく溶融残厚が大きい、すなわち偏平なナゲット形状が得られる場合に、溶接部割れ発生が抑制されることを見いだした。なお、ここでいう「溶融残厚」とは、図１に示すように、鋼板表面からスポット溶接により溶融した溶融面までの最短距離Δｔをいうものとする。
【０００８】
また、本発明者らは、高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接では、溶接部割れ防止のためには、溶融残厚が0.05mm以上のナゲット形状とする必要があることを見出した。
さらに、本発明者らは、溶接部割れを防止するためには、スポット溶接に際し、使用する電極、溶接電流、電極加圧力、通電時間等の溶接条件を調整して、適正電流範囲ΔＩが1.0kA 以上とすることが溶接作業上好ましいことも見出した。また、上記したような偏平なナゲット形状および上記した適正電流範囲を得るためには、スポット溶接における通電時間を適正範囲内とすること、あるいはさらに特定形状の電極を使用することがよいことを見出した。
【０００９】
本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明は、高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接するにあたり、形成されるナゲットが、次（１）式
ｄ＝ｋ√ｔ・・・・・・（１）
ここで、ｄ：所望のナゲット径（mm）
ｔ：鋼板板厚（mm）
ｋ：３〜６の間で施工条件に合わせて任意に選択される係数
で表される所望のナゲット径ｄ以上で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲットとなるように、使用する電極、溶接電流、電極加圧力、通電時間等の溶接条件を調整してスポット溶接することを特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法である。本発明では、前記スポット溶接するにあたり、前記溶接条件を適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上、好ましくは2.0kA 以上となるように、通電時間を２サイクル以上、好ましくは３サイクル以上15サイクル以下に調整してスポット溶接する。また、本発明では、前記スポット溶接するにあたり、先端径が所望のナゲット径ｄ以上で、かつ先端曲率半径Ｒが40mm以上である電極形状を有する電極を用いることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
従来から、スポット溶接では、使用する電極、溶接電流、電極加圧力、通電時間等を所望のナゲット形状が得られるようにとくに溶接電流を調整している。本発明では、高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接する際に、高品質のスポット溶接部を得るために、形成されるナゲットが、所望のナゲット径ｄ以上で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲットとなるように、スポット溶接条件を調整する。ナゲットの溶融残厚が0.05mm未満となるようなスポット溶接条件では、溶接割れが発生する。
【００１１】
なお、所望のナゲット径ｄとは、次式（１）式

で表される。
【００１２】
一般には、所望のナゲット径ｄは、ｄ＝４√ｔで表され、被溶接材である高張力亜鉛系めっき鋼板の板厚（ｔ）に依存して決定される。なお、係数ｋは、４に限定されず、３〜６の間で施工条件に合わせて任意に選択される。
所望のナゲット径ｄを得るためには、一定以上の溶接電流で溶接することが必要となる。同一板厚の高張力亜鉛系めっき鋼板を電流値を変化させてスポット溶接した場合のナゲット径ｄと溶融残厚Δｔとの関係を模式的に図３に示す。溶接条件（ａ）、（ｂ）は使用する電極、通電時間が異なる条件でスポット溶接した場合である。溶接電流を増加するにしたがい、ナゲット径ｄは増大するが、それとともに被溶接材（鋼板）の板厚方向へも溶融領域が拡大し、溶融残厚Δｔが少なくなり、ついには0.05mm未満となり、前記したような溶接割れが発生する。
【００１３】
図３の溶接条件（ａ）のように、溶接割れを発生させないで、すなわち溶融残厚Δｔが0.05mm以上で、かつ所望のナゲット径ｄ以上のナゲット径を有するナゲットが得られる条件（図３の斜線領域内となりうる条件）が広く取りうるほど、すなわち所望のナゲット径ｄが得られる最小の電流値と溶接割れ（または溶着）が発生する最小の電流値の差（以下、適正電流範囲：ΔＩという）が大きい溶接条件であることが、溶接部割れの発生を安定して抑制でき、高品質スポット溶接部安定形成のために、スポット溶接作業上は好都合である。本発明では、適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上、好ましくは2.0kA 以上である溶接条件でスポット溶接することが、高品質のスポット溶接部を安定して得るというスポット溶接作業上から好ましい。
【００１４】
本発明では、上記した形状のナゲット形成、および適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上とするには、通電時間を適正に調整して、あるいはさらに特定形状の電極を使用して、スポット溶接する。
本発明では、スポット溶接における適正な通電時間として、２サイクル以上、15サイクル以下とする。
【００１５】
スポット溶接では、初期の電極加圧により鋼板の接触した部分から通電が開始され、通電経路にナゲットが形成されはじめる。通電時間が２サイクル未満では、温度上昇にともなう鋼板の軟化と接触面積の拡大が起こる以前に、通電が終了してしまう。このため、通電面積が限定され、板厚方向に厚いナゲット形状となり、溶融残厚が0.05mm未満となりやすい。また、通電時間が短すぎると電流の制御が困難となるという問題もある。なお、より好ましくは、通電時間は３サイクル以上である。
【００１６】
一方、通電時間を15サイクル以上に延長しても、通電中にナゲットの冷却、凝固が始まるため、ナゲット径の成長が飽和し、それ以降の通電は、溶接部のせん断引張強度の向上にはなんら寄与しない。このため、通電時間は２サイクル以上、好ましくは３サイクル以上15サイクル以下とする。なおより好ましくは13サイクル以下、さらに好ましくは10サイクル以下である。通電時間を上記した範囲に調整することにより、板厚方向の溶融を調整することができ、適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上に調整することもできる。
【００１７】
本発明では、また、特定形状の電極を使用することが好ましい。本発明で使用する電極は、電極の先端径が所望のナゲット径ｄ以上で、かつ先端曲率半径Ｒが40mm以上である電極形状を有する電極を用いることが好ましい。
電極の先端径が所望のナゲット径ｄ未満では、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さく、したがって通電面積が限られるため、必要ナゲット径ｄに達するまでに板厚方向への溶融も進行し、厚みのあるナゲット形状となる。このため、溶融残厚Δｔが少なくなり、溶接部割れが発生しやすくなる。したがって、使用する電極は先端径が所望のナゲット径ｄ以上とすることが好ましい。なお、より好ましくはｄ＋１mm以上、さらに好ましくはｄ＋２mm以上である。
【００１８】
また、使用する電極の先端曲率半径は、40mm以上とすることが好ましい。先端曲率半径が40mm未満では、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さく、したがって通電面積が限られるため、先端径が小さいときと同様に、必要ナゲット径ｄに達するまでに板厚方向への溶融も進行し、厚みのあるナゲット形状となる。このため、溶融残厚Δｔが少なくなり、溶接部割れが発生しやすくなる。したがって、使用する電極の先端曲率半径は40mm以上とすることが好ましい。なお、より好ましくは50mm以上であり、さらに好ましくは60mm以上である。なお、ＣＦ型電極のような、先端端部が平面（曲率半径：無限大）である電極が特に好ましい。
【００１９】
本発明により、高張力亜鉛めっき系鋼板をスポット溶接すると、溶接部割れ性が改善される理由については、現在までのところ十分には解明されてはいないが、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、本発明のスポット溶接方法では、板厚方向への溶けこみが少ないナゲットが得られ、溶融面から鋼板表面への距離（溶融残厚Δｔ）が長くなるため、同一ナゲット径で比較して溶融残厚Δｔの小さいナゲット（図２）が得られる従来の溶接方法に比べ、鋼板表面の温度が比較的低く抑えられていると予想される。鋼板表面温度が低く抑えられていると、亜鉛めっきが溶融して生成される溶融亜鉛の量が少なくなり、また、温度上昇が少なく粒界強度の低下も少ないことから、耐溶接部割れ性が改善されたと考えられる。
【００２０】
【実施例】
590MPa級高張力鋼板( 板厚：1.2mm ）の表裏面に片面当たり40g/m²の合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡめっき）を施した高張力亜鉛系めっき鋼板を重ね合わせて、スポット溶接を実施した。所望のナゲット径ｄは、４√ｔ＝4.38mm（ｔ：鋼板板厚）と設定した。
【００２１】
なお、スポット溶接では、先端曲率半径を30〜60mmに各種変化させた先端径６mmのＤＲ型電極、および先端径を４〜８mmに各種変化させたＣＦ型電極（先端端面は平面）を使用した。ＤＲ型電極、ＣＦ型電極の形状を模式的に図４に示す。なお、ＣＦ型電極の先端端面は平面である。
溶接機は、単相交流スポット溶接機を使用した。なお、通電時の電極加圧力は2450Ｎ、溶接電流は5.0 kAから0.5 kA毎に増加させて、溶着発生まで溶接を行った。通電時間は、１〜18サイクルの範囲で７水準実施した。なお、交流電源の周波数は50Hzであった。
【００２２】
得られたスポット溶接部について、溶接部割れの発生およびナゲット形状の調査を実施した。
溶接部割れ発生の調査は、スポット溶接部を目視観察により割れ発生の有無を調査した。また、ナゲット形状の調査は、溶接部を含む試験片を溶接部中央で切断し、研磨、エッチングして、ナゲット径と溶融残厚Δｔを測定した。
【００２３】
また、得られたナゲット径と、溶接残厚Δｔとの関係から、ナゲット径が所望のナゲット径ｄを超える溶接電流値と、溶融残厚Δｔが0.05mm未満となる溶接電流値との差、すなわち、適正電流範囲ΔＩを各溶接条件で算出した。この適正電流範囲ΔＩを、溶接部割れの発生がない、高品質スポット溶接部安定形成性（高品質溶接部形成性ともいう）の指標とした。ΔＩが２kA以上で◎、２kA未満1.0 kA以上が○、1.0 kA未満が△、０kAが×として評価した。ΔＩ＝０kAでは、所望のナゲット径ｄ以上で、溶融残厚△ｔが0.05mm以上を満足するナゲットが形成されないことを意味する。
【００２４】
また、溶接施工においては、溶接効率の向上は重要項目であり、溶接施工時間の長短は溶接コストの高低に影響する。スポット溶接においては通電時間が溶接効率を支配しており、通電時間で溶接効率を評価した。通電時間：10サイクル以下を○、11サイクル以上15サイクル以下をΔ、16サイクル以上を×として評価した。
【００２５】
また、高品質溶接部形成性と溶接効率の評価を考慮して、総合評価を行った。総合評価では、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が○の場合を総合評価◎とし、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が△の場合を総合評価○、高品質溶接部形成性が○で溶接効率が○の場合を総合評価○、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が×の場合を総合評価△、高品質溶接部形成性が△で溶接効率が○、△または×の場合を総合評価△、高品質溶接部形成性が×で溶接効率が○、△または×の場合を総合評価×とした。
【００２６】
得られた結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
本発明例はいずれも、溶接部割れの発生する危険性が少なくなり、高品質溶接部形成性に優れた溶接方法となっている。これに対し、本発明の範囲を外れる比較例は、溶接部割れの発生する危険性が高く、高品質溶接部形成性が低下している。電極先端径、電極先端の曲率半径、通電時間のいずれかまたは全部が本発明の好適範囲を外れると溶接部割れが発生しやすくなり、高品質溶接部形成性が低下または顕著に低下する。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、表面に亜鉛系めっき層を形成した高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接した際に多発する溶接部割れを安定して抑制でき、高品質のスポット溶接部を安価にしかも安定して形成でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスポット溶接方法を適用した偏平ナゲットの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明範囲を外れる溶接方法で溶接したスポット溶接部のナゲット形状の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】溶接電流変化による、ナゲット径と溶融残厚の関係を模式的に示す説明図である。
【図４】実施例で使用した電極の形状を模式的に示す説明図である。

Claims

高張力亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接するにあたり、形成されるナゲットが、下記（１）式で表される所望のナゲット径ｄ以上で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲットとなるように、溶接条件を適正電流範囲ΔＩが 1.0kA 以上となるように、通電時間を２サイクル以上、 15 サイクル以下に調整してスポット溶接することを特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。
記
ｄ＝ｋ√ｔ・・・・・・（１）
ここで、ｄ：所望のナゲット径（mm）
ｔ：鋼板板厚（mm）
ｋ：３〜６の間で施工条件に合わせて選択される係数
前記スポット溶接するにあたり、先端径が所望のナゲット径ｄ以上で、かつ先端曲率半径Ｒが40mm以上である電極形状を有する電極を用いることを特徴とする請求項１に記載の高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。