JP5691395B2

JP5691395B2 - インダイレクトスポット溶接方法

Info

Publication number: JP5691395B2
Application number: JP2010240623A
Authority: JP
Inventors: 松下　宗生; 宗生松下; 池田　倫正; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012091203A

Description

本発明は、少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には離れた位置で給電端子を取り付け、これら溶接電極と給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接方法に関するものである。

自動車ボディーや自動車部品の溶接に際しては、従来から抵抗スポット溶接、主にダイレクトスポット溶接が使用されてきたが、最近では、シリーズスポット溶接やインダイレクトスポット溶接等が使用されるようになってきた。

上記した３種類のスポット溶接の特徴を、図１を用いて説明する。
いずれのスポット溶接も、重ね合わせた少なくとも２枚の金属板を溶接により接合する点では変わりはない。
図１（ａ）は、ダイレクトスポット溶接法を示したものである。この溶接は、同図に示すとおり、重ね合わせた２枚の金属板１，２を挟んでその上下から一対の電極３，４を加圧しつつ電流を流し、金属板の抵抗発熱を利用して、点状の溶接部５を得る方法である。なお、電極３，４はいずれも、加圧制御装置６，７および電流制御装置８をそなえており、これらによって加圧力と通電する電流値が制御できる仕組みになっている。

図１（ｂ）に示すシリーズスポット溶接法は、重ね合わせた２枚の金属板11，12に対し、離れた位置で、同一面側（同一方向）から一対の電極13，14を加圧しつつ電流を流し、点状の溶接部15-1，15-2を得る方法である。

図１（ｃ）に示すインダイレクトスポット溶接法は、重ね合わせた２枚の金属板21，22に対し、一方の金属板21には電極23を加圧しながら押し当て、他方の金属板22には離れた位置で給電端子24を取り付け、これらの間で通電することにより、金属板21，22に点状の溶接部25を形成する方法である。

上記した３種類の溶接法のうち、スペース的に余裕があり、金属板を上下から挟む開口部が得られる場合には、ダイレクトスポット溶接法が用いられる。
しかしながら、実際の溶接に際しては、十分なスペースがなかったり、閉断面構造で金属板を上下から挟むことができない場合も多く、かような場合には、シリーズスポット溶接法やインダイレクトスポット溶接法が用いられる。

しかしながら、シリーズスポット溶接法やインダイレクトスポット溶接法を上記のような用途に使用する際には、重ね合わせた金属板は一方向からのみ電極により加圧され、その反対側は支持の無い中空の状態になっている。従って、両側から電極で挟むダイレクトスポット溶接法のように電極直下に局部的に高い加圧力を与えることができない。また、通電中に電極が金属板に沈み込んでいくため、電極−金属板、金属板−金属板間の接触状態が変化する。このような理由により、重ね合わせた金属板間で電流の通電経路が安定せず、溶融接合部が形成されにくいという問題があった。

上記の問題を解決するものとして、シリーズスポット溶接については、特許文献１に、「金属板を重ねた接触点にナゲットを形成するため、溶接初期に大電流を流して電極ナゲットを形成してから、定常電流を流す」ことが記載されている。また、特許文献２では、「電極を接触させる位置に他の部分よりも一段高い座面を形成し、座面を押しつぶすように加圧接触させて溶接することにより、バック電極なしに十分な溶接強度が得られる」ことが記載されている。

一方、インダイレクトスポット溶接については、シリーズスポット溶接にも適用できる技術として、特許文献３に、「シリーズスポット溶接又はインダイレクトスポット溶接の通電時に、電流値を高く維持する時間帯と電流値を低く維持する時間帯を交互に繰り返す」ことからなる溶接法、さらには「電流値を高く維持する時間帯と電流値を低く維持する時間帯を交互に繰り返すにつれて、電流値を高く維持する時間帯の電流値を徐々に高くする」ことからなる溶接方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１は、シリーズスポット溶接については有効であると考えられるが、溶接方法の異なるインダイレクトスポット溶接に対しては有効であるとは限らないという問題があった。
また、特許文献２も、シリーズスポット溶接については有効であると考えられるが、インダイレクトスポット溶接に対しては有効であるとは限らず、しかも電極を接触させる位置に他の部分よりも一段高い座面をプレスなどで形成する工程が必要になるという問題があった。

さらに、特許文献３には、同文献に開示の技術に従う通電パターンによって溶接された「金属板11，12の重合部の金属組織を観察すると、金属板11，12の重合部の金属が、従来の通常のナゲットに比べて細かく部分的に溶融して再結晶したものが多数形成される事象が見られ、所謂、拡散接合の状態で接合している場合であり、従来の通常のナゲットとは異なる事象で接合している場合もある。」（同文献３の段落〔００３８〕）とあり、必ずしもダイレクトスポット溶接で見られるナゲットのように完全に溶融した状態で碁石形に形成されているとは限らないという問題があった。
輸送機器メーカーにおける現状のスポット溶接部の管理基準では、ダイレクトスポット溶接で得られるような完全に溶融した状態を経た碁石形のナゲットであることを要求されることが多いため、接合強度が得られても完全に溶融した状態で形成された碁石形のナゲットが得られなければ管理基準を満足しないという問題がある。

上記の問題を解決するものとして、発明者らは先に、特許文献４において
「少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、通電する電流値については通電開始から終了まで一定にする一方、電極の加圧力に関しては、通電開始から２つの時間帯ｔ₁，ｔ₂に区分し、最初の時間帯ｔ₁では加圧力Ｆ₁で加圧したのち、次の時間帯ｔ₂では、Ｆ₁よりも低い加圧力Ｆ₂で加圧することを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。」
という、２段階制御になるインダイレクトスポット溶接方法を開発した。

さらに、発明者らは、上記の技術を進展させたものとして、２段階制御から３段階制御になる
「少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、電極の加圧力および通電する電流値に関して、通電開始から３つの時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に区分し、最初の時間帯ｔ₁では、加圧力Ｆ₁で加圧しかつ電流値Ｃ₁で通電し、次の時間帯ｔ₂では、Ｆ₁よりも低い加圧力Ｆ₂で加圧しかつＣ₁よりも高い電流値Ｃ₂で通電し、さらに次の時間帯ｔ₃では、Ｆ₂と同じかまたはＦ₂よりも低い加圧力Ｆ₃で加圧しかつＣ₂よりも高い電流値Ｃ₃で通電することを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。」
を開発し、特許文献５において開示した。

特開平11-333569号公報特開2002-239742号公報特開2006-198676号公報特開2010-194609号公報特願2010-066709号明細書

本発明は、上掲した特許文献５に開示の技術の改良に係り、３段階制御になるインダイレクトスポット溶接において、重ね合わせた金属板の厚みの如何にかかわらず、好適な碁石形ナゲットを安定して得ることができるインダイレクトスポット溶接方法を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
ａ）重ね合わせた金属板を一方向からのみ電極で加圧し、その反対側は支持の無い中空の状態でインダイレクトスポット溶接を行う場合、両側から電極で挟むダイレクトスポット溶接法のように電極直下に局部的に高い加圧力を与えることができないため、電極直下の重ね合わせた金属板間で高い電流密度が得られず、また通電中に電極が金属板に沈み込んでいくため、電極−金属板、金属板−金属板間の接触面積が増大し、電極−金属板、金属板−金属板間の電流密度が低下する。そのため、インダイレクトスポット溶接では、ダイレクトスポット溶接法のように電極直下の重ね合わせた金属板間に溶融部が形成されるのに十分な発熱が得難く、溶融接合部が形成されにくい。

ｂ）上記の問題を解決するには、通電中の電流値およびその時間を細かく制御する、または通電中の電極の加圧力およびその時間を細かく制御する、さらには通電中の電流値と電極の加圧力およびその時間を細かく制御することが有効である。

ｃ）特に、通電開始からの通電時間、加圧時間をそれぞれ独立に３段階に分け、通電時間、加圧時間の各段階における電流値および電極の加圧力を個別に制御することにより、健全な碁石形のナゲットからなる溶融接合部を安定して形成することができる。

ｄ）さらに、上述したような適正な電流値や加圧力は、対象とする金属板の厚みによって変化し、従って、真に健全な碁石形のナゲットを得るには、金属板の厚みも考慮して電流値や加圧力を調整する必要がある。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、電極の加圧力および通電する電流値に関して、通電開始から３つの時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に区分し、各時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃でそれぞれ加圧力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃及び電流値Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ₁では、下記式（１）で表される加圧力Ｆ₁（Ｎ）で加圧しかつ下記式（２）で表される電流値Ｃ₁（kA）で通電して、金属板間の通電経路を安定化させたのち、次の時間帯ｔ₂では、下記式（３）で表される加圧力Ｆ₂（Ｎ）で加圧しかつ下記式（４）で表される電流値Ｃ₂（kA）で通電して、金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させ、さらに次の時間帯ｔ₃では、下記式（５）で表される加圧力Ｆ₃（Ｎ）で加圧しかつ下記式（６）で表される電流値Ｃ₃（kA）で通電して、金属板間の溶融ナゲットをさらに成長させていくことを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。
記
1.2 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ ３Ｆ₂ ・・・（１）
0.25 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.9 Ｃ₂ ・・・（２）
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ ３Ｆ₃ ・・・（３）
0.5 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.9 Ｃ₃ ・・・（４）
30 Ｔ^2.1 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.9 ・・・（５）
２Ｔ^0.5 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.9 ・・・（６）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。

２．少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、電極の加圧力に関しては、通電開始から３つの時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3に区分し、各時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3でそれぞれ加圧力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ_F1では、下記式（１）で表される加圧力Ｆ₁（Ｎ）で加圧したのち、次の時間帯ｔ_F2では、下記式（３）で表される加圧力Ｆ₂（Ｎ）で加圧し、さらに次の時間帯ｔ_F3では、下記式（５）で表される加圧力Ｆ₃（Ｎ）で加圧する一方、通電する電流値に関しては、時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3とは独立して、通電開始から３つの時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3に区分し、各時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3でそれぞれ電流値Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ_C1では、下記式（２）で表される電流値Ｃ₁（kA）で通電して、金属板間の通電経路を安定化させたのち、次の時間帯ｔ_C2では、下記式（４）で表される電流値Ｃ₂（kA）で通電して、金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させ、さらに次の時間帯ｔ_C3では、下記式（６）で表される電流値Ｃ₃（kA）で通電して、金属板間の溶融ナゲットをさらに成長させていくことを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。
記
1.2 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ ３Ｆ₂ ・・・（１）
0.25 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.9 Ｃ₂ ・・・（２）
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ ３Ｆ₃ ・・・（３）
0.5 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.9 Ｃ₃ ・・・（４）
30 Ｔ^2.1 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.9 ・・・（５）
２Ｔ^0.5 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.9 ・・・（６）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。

３．上記１又は２において、上記溶接電極として、先端が曲面形状であり、曲率半径が30〜70mmになる電極を使用することを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。

本発明によれば、インダイレクトスポット溶接では、従来難しいとされた、溶融した状態で形成された碁石形のナゲットを、対象とする金属板の厚みの如何にかかわらず、安定して得ることができる。

ダイレクトスポット溶接法（ａ）、シリーズスポット溶接法（ｂ）およびインダイレクトスポット溶接法（ｃ）の溶接要領の説明図である。本発明の一実施形態に従う通電時間と加圧力の関係（ａ）および通電時間と電流値の関係（b）の一例を示した図である。本発明の他の実施形態に従う通電時間と加圧力の関係（ａ）および通電時間と電流値の関係（b）の一例を示した図である。電極の先端に近い側を比較的大きな曲率半径、先端から遠い側を比較的小さな曲率半径とした場合の一例を示した図である。実施例の溶接要領の説明図である。

以下、本発明を図面に従い具体的に説明する。
図２（ａ）、（ｂ）に、本発明の通電時間と加圧力の関係および通電時間と電流値の関係をそれぞれ示す。
本発明では、電極の加圧力、通電する電流値に関して、通電開始からの時間帯を同時にまたはそれぞれ独立して３つに区分し、それぞれの時間帯において加圧力Ｆと電流値Ｃを制御する。ここで、加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御する場合には、区分した各時間帯をｔ₁，ｔ₂，ｔ₃とし、また加圧力Ｆと電流値Ｃを独立して制御する場合には、加圧力Ｆを区分する時間帯をｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3、電流値Ｃを区分する時間帯をｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3とする。また、各時間帯での加圧力はＦ₁，Ｆ₂，Ｆ₃、電流値はＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃で示す。

加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御する場合、時間帯ｔ₁では、加圧力Ｆ₁で加圧し、電流値Ｃ₁を通電する。
この時間帯ｔ₁は、電極を重ね合わせた金属板に加圧しながら押し当てつつ、通電を開始し、金属板間の通電経路を安定化させる時間帯である。この加圧力Ｆ₁を時間帯ｔ₂の加圧力Ｆ₂より高くすることにより、金属板間の接触面積を十分に確保し、通電経路の安定化を促進することができる。しかし、加圧力Ｆ₁が加圧力Ｆ₂の1.2倍より小さい場合は、その効果が乏しく、一方、３倍を超えると接触面積が大きくなりすぎて電流密度の低下を招き、後に続く時間帯ｔ₂，ｔ₃で溶融ナゲット形成に必要な集中した発熱が得られなくなる。よって、時間帯ｔ₁における加圧力Ｆ₁（Ｎ）は、次式（１）の範囲に限定した。
1.2 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ ３Ｆ₂ ・・・（１）
ただし、Ｆ₂（Ｎ）は、後掲の式（３）または式（３）′で表される。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（１）′のとおりである。
1.5 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ 2.5 Ｆ₂ ・・・（１）′

また、電流値Ｃ₁を時間帯ｔ₂の電流値Ｃ₂より低くすることにより、金属板間に溶融ナゲットが形成される前に、発熱による熱膨張で金属板間を接触、密着させ、接触面積を確保し、通電経路を安定化させることができる。しかし、電流値Ｃ₁が電流値Ｃ₂よりも低すぎるとその効果に乏しく、一方、高すぎると接触面積が大きくなりすぎて電流密度の低下を招き、やはり、後に続く時間帯ｔ₂，ｔ₃で溶融ナゲット形成に必要な集中した発熱が得られなくなる。よって、時間帯ｔ₁における電流値Ｃ₁（kA）は、次式（２）の範囲に限定した。
0.25 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.9 Ｃ₂ ・・・（２）
ただし、Ｃ₂（kA）は、後掲の式（４）または式（４）′で表される。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（２）′のとおりである。
0.3 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.8 Ｃ₂ ・・・（２）′

次に、時間帯ｔ₂では、加圧力Ｆ₂で加圧し、電流値Ｃ₂を通電する。
この時間帯ｔ₂は、時間帯ｔ₁で形成された金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させる段階である。しかしながら、電極の反対側は支持の無い中空の状態でインダイレクトスポット溶接を行う際には、通電による発熱で電極周辺の金属板が軟化すると電極先端が金属板に沈み込み、電極と金属板、金属板と金属板の間の接触面積が増大し電流密度が低下するため、溶融ナゲットを成長させるに十分な発熱が得られない。従って、この時間帯ｔ₂では、加圧力Ｆ₂は加圧力Ｆ₁よりも低い加圧力とし、電極先端が金属板に沈み込むのを抑える必要があることは、前述したとおりである。しかし、加圧力が低すぎると電極と金属板との間の接触面積が極度に小さくなり、電流密度が過度に上昇して金属板表面が溶融飛散し、表面形状が著しく損なわれる不具合が発生する。特に、溶融ナゲットが形成し始める時間帯ｔ₂では、上述の金属板表面の溶融飛散が起こりやすい。よって、加圧力Ｆ₂を時間帯ｔ₃の加圧力Ｆ₃と同じもしくは加圧力Ｆ₃より高くすることにより、上述の金属板表面の溶融飛散を抑制することができる。一方、加圧力Ｆ₂が加圧力Ｆ₃の３倍を超えると接触面積が大きくなりすぎて電流密度の低下を招き、溶融ナゲット形成に必要な集中した発熱が得られなくなる。よって、時間帯ｔ₂における加圧力Ｆ₂（Ｎ）は、次式（３）の範囲に限定した。
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ ３Ｆ₃ ・・・（３）
ただし、Ｆ₃（Ｎ）は、後掲の式（５）または式（５）′で表される。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（３）′のとおりである。
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ 2.5 Ｆ₃ ・・・（３）′

一方、電流値Ｃ₂については、前述したとおり、電流値Ｃ₁よりも高い電流値として金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させる。電流値が低すぎると溶融ナゲットの形成に必要な発熱が十分に得られない。一方、電流値があまりに高過ぎると電極の反対側の金属板表面から溶融金属が飛散し、溶け落ちて、外観が著しく損なわれるばかりか、継手強度も低下する不具合が発生する。特に、溶融ナゲットが形成し始める時間帯ｔ₂では、上述の金属板表面の溶融飛散が起こりやすいことは、前述したとおりである。ここに、電流値Ｃ₂を時間帯ｔ₃の電流値Ｃ₃の0.9倍以下とすることにより、上述の金属板表面の溶融飛散を抑制することができる。しかし、電流値Ｃ₂が電流値Ｃ₃の0.5倍よりも低くなると、上述したとおり、溶融ナゲットの形成に必要な発熱が十分に得られない。よって、時間帯ｔ₂における電流値Ｃ₂（kA）は、次式（４）の範囲に限定した。
0.5 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.9 Ｃ₃ ・・・（４）
ただし、Ｃ₃（kA）は、後掲の式（６）または式（６）′で表される。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（４）′のとおりである。
0.6 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.88 Ｃ₃ ・・・（４）′

さらに次に、時間帯ｔ₃では、加圧力Ｆ₃で加圧し、電流値Ｃ₃を通電する。
この時間帯ｔ₃は、時間帯ｔ₂で形成された金属板間の溶融ナゲットをさらに成長させていく段階である。しかしながら、電極の反対側は支持の無い中空の状態でインダイレクトスポット溶接を行う際には、通電による発熱で電極周辺の金属板が軟化すると電極先端が金属板に沈み込み、電極と金属板、金属板と金属板の間の接触面積が増大し電流密度が低下するため、ナゲットを成長させるに十分な発熱が得られない。従って、この時間帯ｔ₃では、加圧力Ｆ₃は加圧力Ｆ₂と同じもしくは加圧力Ｆ₂よりもさらに低い加圧力とし、電極先端が金属板に沈み込むのを抑える必要があることは、前述したとおりである。しかし、加圧力が低すぎると電極と金属板との間の接触面積が極度に小さくなり、電流密度が過度に上昇して金属板表面が溶融飛散し、表面形状が著しく損なわれる不具合が発生する。さらに、一方向からのみ電極により加圧し、その反対側は支持の無い中空の状態で行うインダイレクトスポット溶接では、付与する加圧力は、重ね合わせた金属板の厚みと相関関係にあることが判明した。
そこで、発明者らは、金属板の厚みを加味した加圧力Ｆ ₃の適正値について検討したところ、この加圧力Ｆ₃は、金属板の総厚みＴとの関係で、次式（５）の範囲に制御すべきことが究明されたのである。
30 Ｔ^2.1 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.9 ・・・（５）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（５）′のとおりである。
30 Ｔ^2.2 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.8 ・・・（５）′
なお、本発明が対象とする金属板の総板厚Ｔは、1.0〜10.0 mm程度である。

一方、電流値Ｃ₃については、前述したとおり、電流値Ｃ₂よりも高い電流値として金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を促進させる。電流値が低すぎると溶融ナゲットの成長に必要な発熱が十分に得られない。一方、電流値があまりに高過ぎると電極の反対側の金属板表面から溶融金属が飛散し、溶け落ちて、外観が著しく損なわれるばかりか、継手強度も低下する不具合が発生する。それ故、電流値Ｃ₃は適正な範囲に設定することが重要であるが、この電流値Ｃ₃は、上記した加圧力Ｆ₃と同様、金属板の厚みと相関関係にある。
そこで、発明者らは、電流値Ｃ₃の適正な範囲についても板厚を加味して検討したところ、この電流値Ｃ₃は、金属板の総厚みＴとの関係で、次式（６）の範囲に制御すべきことが判明した。
２Ｔ^0.5 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.9 ・・・（６）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。
さらに、上記効果を得る上で、より好ましい範囲は次式（６）′のとおりである。
２Ｔ^0.6 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.85・・・（６）′

以上、通電開始から３つの時間帯に区分し、各時間帯で加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御する場合について説明したが、本発明は、図３に示すように、加圧力Ｆに関しては、通電開始から時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3に区分し、最初の時間帯ｔ_F1では、前掲の式（１）で表される加圧力Ｆ₁（Ｎ）で加圧したのち、次の時間帯ｔ_F2では、前掲の式（３）で表される加圧力Ｆ₂（Ｎ）で加圧し、さらに次の時間帯ｔ_F3では、前掲の式（５）で表される加圧力Ｆ₃（Ｎ）で加圧する一方、電流値Ｃに関しては、時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3とは別に独立して、通電開始から時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3に区分し、最初の時間帯ｔ_C1では、前掲の式（２）で表される電流値電流値Ｃ₁（kA）で通電したのち、次の時間帯ｔ_C2では、前掲の式（４）で表される電流値Ｃ₂（kA）で通電し、さらに次の時間帯ｔ_C3では、前掲の式（６）で表される電流値Ｃ₃（kA）で通電する方法とすることもでき、このように加圧力の変化、電流の変化を独立した時間帯で最適に行うことによって、より高い効果を得ることができる。

ここに、通電開始から３つの時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に区分し、各時間帯で加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御する場合、時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃における通電時間はそれぞれ、ｔ₁：0.02〜0.30ｓ、ｔ₂：0.02〜0.30ｓ、ｔ₃：0.10〜0.60ｓとすることが好ましい。さらに、加圧力Ｆと電流値Ｃを独立して制御する場合には、加圧力Ｆに関しては、ｔ_F1：0.02〜0.30ｓ、ｔ_F2：0.02〜0.30ｓ、ｔ_F3：0.10〜0.60ｓ、また電流値Ｃに関しては、ｔ_C1：0.02〜0.30ｓ、ｔ_C2：0.02〜0.30ｓ、ｔ_C3：0.10〜0.60ｓとすることが好ましい。

さらに、本発明のインダイレクトスポット溶接では、溶接電極として、先端が曲面形状になる電極を使用することが好ましい。電極の先端を曲面形状とすることにより、通電初期に、電極と金属板との間の十分な接触面積を確保し、電流密度が過度に上昇して金属板表面が溶融飛散し、表面形状が著しく損なわれる不具合を回避することができ、さらに金属板と金属板の間で必要十分な加圧接触状態を形成し、電流密度を適正に保持し、溶融を開始させるために十分な発熱が得られる。また、通電後期には、金属板の発熱、軟化により、電極先端が金属板に沈み込み、電極と金属板、金属板と金属板の間の接触面積が増大するため、電流密度が低下し溶融ナゲットを成長させるのに十分な発熱が得られないことがあるが、電極の先端を曲面形状とすることにより、電極先端の沈み込みに対し、一様な接触面積の増大を回避することができる。電極先端の曲面形状の曲率半径が30mmより小さくなると金属板表面で発生する溶融飛散が顕著になり、一方、70mmより大きくなると電極と金属板、金属板と金属板の間の接触面積が増大して電流密度が低下し、溶融ナゲットを成長させるのに十分な発熱が得られない。よって、電極先端の曲面形状の曲率半径は30〜70mmとすることが好ましい。

電極先端の曲面は、上述したように、一様な曲率の場合だけではなく、先端を中心とする所定の半径の円を境界に先端に近い側では比較的大きな曲率半径、先端から遠い側では比較的小さな曲率半径とすることもできる。
図４に、先端に近い側を比較的大きな曲率半径、先端から遠い側を比較的小さな曲率半径とした場合の一例を示す。この例は、直径16mmの電極について、先端に近い側（６mm径）をＲ40mm、一方、先端から遠い側をＲ８mmとした場合である。

インダイレクトスポット溶接法を、図５に示すような構成で実施した。板厚が0.7mm、1.2mm、1.6mmの、表１に示す化学成分になる引張強さ：270MPa以上のSPC270冷延鋼板３種からそれぞれ２種を選び、上鋼板、下鋼板として組み合わせて、図５に示すような凹形状の金属製治具の上に配置し、支持間隔を30mmとし、治具下部にアース電極を取付け、上方から電極で加圧し、溶接を行った。また、上記のように重ねた上、下鋼板の両端をクランプで治具上で拘束し、上、下鋼板間を密着させることにより、通電時に鋼板間で分流を起こりやすくし、意図的に電極直下にナゲットが形成されにくい条件を設定した。
加圧力、電流値の通電開始からの時間帯、それぞれの時間帯での加圧力、電流値の条件を表２に示す。なお、全ての条件において、通電開始から終了までの時間を0.28ｓとした。
なお、溶接に際しては、クロム銅合金を材質とし、先端にＲ40mmの曲面を持つ形状の電極および直流インバータ式の電源を使用した。

表２中、発明例１、３、４、７〜10は、時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃において、加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御した場合である。発明例２、５、６は、電極の加圧力に関しては、通電開始から３つの時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3に区分する一方、通電する電流値に関しては、時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3とは独立して、通電開始から３つの時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3に区分して、加圧力Ｆと電流値Ｃを独立して制御した場合である。

なお、比較例１〜４は、加圧力Ｆ、電流値Ｃを通電開始から終了まで一定で実施した場合であるが、時間帯ｔ₁を0.06ｓ、ｔ₂を0.06ｓ、ｔ₃を0.16ｓとして、加圧力Ｆと電流値Ｃを同時に制御したと考えると、比較例１、３では、加圧力Ｆ₁が前掲の式（１）の下限値より小さくなり、かつ電流値Ｃ₁，Ｃ₂が前掲の式（２）、式（４）の上限値より大きくなる。さらに、比較例２、４では、加圧力Ｆ₁が前掲の式（１）の下限値より小さくなり、電流値Ｃ₁，Ｃ₂が前掲の式（２）、式（４）の上限値より大きくなり、加圧力Ｆ₃が前掲の式（５）の上限値より大きくなる。

比較例５〜13はいずれも、加圧力Ｆまたは電流値Ｃ、もしくは加圧力Ｆ、電流値Ｃを両方変化させて実施した場合である。
比較例５は、電流値Ｃ₂が前掲の式（４）の上限値より大きくなる。比較例６は、電流値Ｃ₂が前掲の式（４）の下限値より小さくなる。比較例７は、加圧力Ｆ₁が前掲の式（１）の下限値より小さくなる。比較例８は、加圧力Ｆ₁が前掲の式（１）の上限値より大きくなる。比較例９は、電流値Ｃ₁が前掲の式（２）の下限値より小さくなる。比較例10は、電流値Ｃ₁が前掲の式（２）の上限値より大きくなる。比較例11は、加圧力Ｆ₃が前掲の式（５）の上限値より大きくなる。比較例12は、電流値Ｃ₃が前掲の式（６）の下限値より小さくなる。比較例13は、電流値Ｃ₃が前掲の式（６）の上限値より大きくなる。

表３に、表２に示す通電パターンで溶接したときの各継手のナゲット径、ナゲット厚さ、ナゲット厚さ／径および外観不具合について調べた結果を示す。
なお、表３においてナゲット径は、溶接部を中心で切断した断面において、上鋼板、下鋼板間で形成される溶融ナゲットの重ね線上での長さとした。ナゲット厚さは、溶接部を中心で切断した断面において、上鋼板、下鋼板間に形成される溶融ナゲットの最大厚さとした。また、ナゲット厚さ／径は、上述したナゲット厚さをナゲット径で除したものである。ここに、ナゲット径ＮＤが次式（７）を満たし、かつナゲット厚さ／径が0.22以上であれば、溶融した状態で形成された碁石形の好適なナゲットと判断することができる。
ＮＤ ≧ 1.5 Ｔ・・・（７）
ただし、ＮＤ：ナゲット径（mm）
Ｔ：重ね合わせた金属板の総板厚（mm）
さらに、ナゲット径ＮＤが次式（７）′を満たし、かつナゲット厚さ／径が0.26以上であれば、溶融した状態で形成された碁石形の最適なナゲットと判断することができる。
ＮＤ ≧ 1.86 Ｔ・・・（７）′

また、溶接部が溶融飛散しておこる外観不具合に関しては、電極と上鋼板間で起こる表面散りの発生に関して開示した。
総合評価では、ナゲット径ＮＤが上掲式（７）を満たし、ナゲット厚さ／径が0.22以上で、かつ外観不具合がないものを○、またナゲット径ＮＤが上掲式（７）′を満たし、ナゲット厚さ／径が0.26以上で、かつ外観不具合がないものを◎、上記のいずれにも属さないものを×とした。

表３に示したとおり、本発明に従いインダイレクトスポット溶接を行った発明例１〜10は、いずれも、意図的に設定された電極直下にナゲットが形成されにくい条件下においても、十分なナゲット径と、この径に対して十分な厚さを有する溶融ナゲットを得ることができ、また外観不具合は全く観察されなかった。
これに対し、比較例１、３、５〜７、９、10、13では、表面散りが発生した。また、比較例８は、ナゲット径は前掲の式（５）を満たさず、さらに十分なナゲット厚さが得られず、ナゲット厚さ／径が0.22より小さくなった。比較例２、４、10、12ではいずれもナゲットの形成は観察されなかった。

本発明によれば、重ね合わせた金属板を一方向からのみ電極で加圧し、その反対側は支持の無い中空の状態で行うインダイレクトスポット溶接において、金属板の厚みの如何にかかわらず、十分なナゲット径と、この径に対して十分な厚さを有する碁石形の溶融ナゲットを安定して形成することができる。

１，２金属板
３，４電極
５溶接部
６，７加圧制御装置
８電流制御装置
11，12 金属板
13，14 電極
15-1，15-2 溶接部
21，22 金属板
23 電極
24 給電端子
25 溶接部

Claims

少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、電極の加圧力および通電する電流値に関して、通電開始から３つの時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に区分し、各時間帯ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃でそれぞれ加圧力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃及び電流値Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ₁では、下記式（１）で表される加圧力Ｆ₁（Ｎ）で加圧しかつ下記式（２）で表される電流値Ｃ₁（kA）で通電して、金属板間の通電経路を安定化させたのち、次の時間帯ｔ₂では、下記式（３）で表される加圧力Ｆ₂（Ｎ）で加圧しかつ下記式（４）で表される電流値Ｃ₂（kA）で通電して、金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させ、さらに次の時間帯ｔ₃では、下記式（５）で表される加圧力Ｆ₃（Ｎ）で加圧しかつ下記式（６）で表される電流値Ｃ₃（kA）で通電して、金属板間の溶融ナゲットをさらに成長させていくことを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。
記
1.2 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ ３Ｆ₂ ・・・（１）
0.25 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.9 Ｃ₂ ・・・（２）
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ ３Ｆ₃ ・・・（３）
0.5 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.9 Ｃ₃ ・・・（４）
30 Ｔ^2.1 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.9 ・・・（５）
２Ｔ^0.5 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.9 ・・・（６）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。
少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた部材に対し、一方の面側から金属板に溶接電極を加圧しながら押し当て、他方の面側の金属板には該溶接電極と離隔した位置に給電端子を取り付け、該溶接電極と該給電端子との間で通電して溶接を行うインダイレクトスポット溶接法において、電極の加圧力に関しては、通電開始から３つの時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3に区分し、各時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3でそれぞれ加圧力Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ_F1では、下記式（１）で表される加圧力Ｆ₁（Ｎ）で加圧したのち、次の時間帯ｔ_F2では、下記式（３）で表される加圧力Ｆ₂（Ｎ）で加圧し、さらに次の時間帯ｔ_F3では、下記式（５）で表される加圧力Ｆ₃（Ｎ）で加圧する一方、通電する電流値に関しては、時間帯ｔ_F1，ｔ_F2，ｔ_F3とは独立して、通電開始から３つの時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3に区分し、各時間帯ｔ_C1，ｔ_C2，ｔ_C3でそれぞれ電流値Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃を制御するものとし、最初の時間帯ｔ_C1では、下記式（２）で表される電流値Ｃ₁（kA）で通電して、金属板間の通電経路を安定化させたのち、次の時間帯ｔ_C2では、下記式（４）で表される電流値Ｃ₂（kA）で通電して、金属板間の接触部に溶融ナゲットの形成を開始させ、さらに次の時間帯ｔ_C3では、下記式（６）で表される電流値Ｃ₃（kA）で通電して、金属板間の溶融ナゲットをさらに成長させていくことを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。
記
1.2 Ｆ₂ ≦ Ｆ₁ ≦ ３Ｆ₂ ・・・（１）
0.25 Ｃ₂ ≦ Ｃ₁ ≦ 0.9 Ｃ₂ ・・・（２）
Ｆ₃ ≦ Ｆ₂ ≦ ３Ｆ₃ ・・・（３）
0.5 Ｃ₃ ≦ Ｃ₂ ≦ 0.9 Ｃ₃ ・・・（４）
30 Ｔ^2.1 ≦ Ｆ₃ ≦ 170 Ｔ^1.9 ・・・（５）
２Ｔ^0.5 ≦ Ｃ₃ ≦ 5.5 Ｔ^0.9 ・・・（６）
ただし、Ｔは、重ね合わせた金属板の総板厚（mm）である。
請求項１又は２において、上記溶接電極として、先端が曲面形状であり、曲率半径が30〜70mmになる電極を使用することを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。