JP5835028B2 - 重ね抵抗スポット溶接方法 - Google Patents
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即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。
3.5√t1≦dn≦6√t1 ・・・・・(1)
{但し、上記(1)式中、t1:最も薄い鋼板の板厚(mm)、dn:ナゲット径(mm)を示す。}
[2] 前記多段通電溶接工程は、前記第2通電工程において通電時間T2、電流値I2で行う2段目の通電を、間欠通電時間:50Hz換算で1〜10サイクル、間欠休止時間:50Hz換算で1〜5サイクルの範囲として、加熱通電と通電休止冷却とを交互に繰り返すパルセーション通電とし、少なくとも3回以上繰り返すパターンとすることを特徴とする上記[1]に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。
[3] 前記最も薄い鋼板側に配置される一方の電極が、電極本体と、円すい台部と、該円すい台部の上面である先端部とからなり、前記円すい台部の側面と電極軸との直交方向に対する傾斜角度θが30°≦θ≦60°の範囲であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。
以下に、本発明の第1の実施形態である抵抗スポット溶接方法について説明する。
本実施形態の重ね抵抗スポット溶接方法は、図1及び図2に示すように、各鋼板間に隙間を有する3枚の鋼板1、2、3を重ね合わせた板組み4で、1対の電極で挟持し、加圧しながら通電して各鋼板の接触箇所を溶接する、単相交流溶接電源による溶接方法である。具体的には、図2に例示するように鋼板1〜3の各々の間の隙間Gが次式{G(mm)≦2(mm)}である場合に、鋼板1〜3の内、板厚が最も薄い鋼板3を一方の電極6側に配置する工程と、電極5、6の加圧力を一定にして多段通電溶接を行う工程と、多段通電後に鋼板1〜3(板組み4)を電極5、6で加圧保持する保持工程とをこの順で具備する。そして、上記の多段通電溶接工程は、図3のグラフに示すアップスロープ通電時間TUを3〜20サイクル(50Hz換算)の範囲としてアップスロープ通電を行う第1通電工程と、次いで、第1段の通電時に鋼板間の接触抵抗を利用した発熱形態により、図1に示すような、最も薄い鋼板3に形成されるナゲット径dn(mm:ナゲット7)と、この最も薄い鋼板3の板厚t1(mm)との関係が下記(1)式を満たすように、通電時間T1、T2及び電流値I1、I2を設定して第1〜2段の2段通電を行う第2通電工程とを備えてなり、さらに、上記の保持工程が、鋼板1〜3(板組み4)を電極5、6で加圧保持する保持時間HTが1〜15サイクル(50Hz換算)の範囲である方法である。
3.5√t1≦dn≦6√t1 ・・・・・(1)
但し、上記(1)式中、t1:最も薄い鋼板の板厚(mm)、dn:ナゲット径(mm)を示す。
本発明において、3枚以上で重ね合わされた鋼板1〜3からなる板組み4を溶接するのに用いられる抵抗スポット溶接方法について、図1を参照しながら説明する。
本発明で用いられる抵抗スポット溶接方法とは、まず、被溶接材である3枚以上の鋼板、図示例においては3枚の鋼板1、2、3を重ね合わせる。そして、鋼板1〜3の重ね合わせ部分に対して両側から、即ち、図1に示す例では上下方向から挟み込むように、銅合金等からなる電極5、6を押し付けつつ通電することにより、各鋼板1〜3の各々の間に溶接金属部(ナゲット)を形成させる。このナゲットは、通電が終了した後、水冷されたキ電極5、6による抜熱や、鋼板1〜3の熱伝導によって急速に冷却されて凝固し、3枚の鋼板1〜3の間に、断面楕円形状のナゲットが形成される。図示例においては、薄い鋼板3側に形成されるナゲット7のみを便宜的に示している。このようなナゲットが形成されることにより、3枚の鋼板1〜3の各々の間が溶接される。
本発明において、被溶接材である鋼板としては、特に限定されるものではない。例えば、鋼板の引張強さや板厚、鋼種等については、適宜選択して採用することが可能であり、何れにおいても、本発明を適用することによる効果が得られる。また、本発明で用いる鋼板は、同種異厚、異種同厚、あるいは異種異厚の組合せで行うことも可能である。また、表面にめっき層が設けられた鋼板や、さらに、めっき層の表層にまた、めっき層の表層に無機系、有機系の皮膜(例えば、潤滑皮膜等)が施された鋼板を用いることも可能である。
本発明においては、図2に示すように、鋼板1〜3の各々の間の隙間Gを最大で2(mm)に規定する。
例えば、自動車の車体の組立や部品の取付け等の工程で鋼板同士を複数重ね合わせ、スポット溶接を行う場合、各鋼板間に隙間が存在しないことが最も好ましい。一方、上述したように、通常、鋼板の形状や寸法のばらつき等により、各鋼板の間に隙間が存在することが多く、このような隙間が存在する状態でスポット溶接を行うと、電極で加圧した際の鋼板同士の接触面積が十分に得られ難く、特に、高張力鋼板を用いた場合に顕著となる。このような場合、厚い鋼板に電流が集中して発熱することから、溶け込みが厚い鋼板側に偏ってしまう。このため、形成されるナゲットも厚い鋼板側に偏在した状態となり、十分な継手強度が得られ難いという問題が生じる。
なお、各鋼板の間の隙間Gが2(mm)を超える場合は、本発明を適用しても、薄い鋼板側における溶け込みを十分に確保することができない可能性があり、本発明の適用範囲外とする。
本発明に係る方法では、重ね合わされた鋼板1〜3を抵抗スポット溶接するにあたり、まず、溶接準備工程として、最も薄い鋼板3を、電極5、6の内の一方、図1に示す例では、電極6側に配置する。
本発明に係る方法では、上記のように、板厚が最も薄い鋼板3を一方の電極6側に配置した後、電極5、6の加圧力を一定にして多段通電溶接を行う、多段通電溶接工程を備える。本実施形態の多段通電溶接工程は、アップスロープ通電を行う第1通電工程と、2段通電を行う第2通電工程とを具備し、具体的には、以下に詳述する条件で、3枚以上で重ね合わせられた鋼板の板組みを抵抗スポット溶接する。
本発明の多段通電溶接工程では、まず、図3のグラフに示すアップスロープ通電時間TUを3〜20サイクルの範囲としてアップスロープ通電を行う第1通電工程を備える。
ここで、本発明において説明するアップスロープ通電とは、初期の電流を0(kA)から、後述の第2通電工程の第1段における電流値I1(kA)の60%の範囲とし、電流値I1(kA)に達するまで、所定サイクル数の時間をかけて、暫時、電流値を徐々に上げてゆく(アップスロープ)パターンを言う。
これに対し、本実施形態では、3枚の鋼板1〜3を重ね合わせて抵抗スポット溶接を行うにあたり、まず、アップスロープ通電によって、電極5、6から少しずつ電流を流すことで、電極6−鋼板3間、電極5−鋼板1間、並びに、各鋼板1〜3の間が、各々なじむように通電する。この際、各電極−鋼板間、並びに、各鋼板間の接触径も徐々に増加するので、電流密度が急激に増大するのを防止でき、散りが発生するのを抑制することが可能となる。
本実施形態では、上記条件の第1通電工程におけるアップスロープ通電により、各電極−鋼板間並びに各鋼板間が適度になじんだ状態とされた板組み4に対し、さらに、第2通電工程において以下の条件の2段通電を行う。具体的には、上述したように、第1段の通電時に前記鋼板間の接触抵抗を利用した発熱形態により、図1に示すような、最も薄い鋼板3に形成されるナゲット径dn(mm:ナゲット7)と、最も薄い鋼板3の板厚t1(mm)との関係が下記(1)式を満たすように、図3のグラフに示す通電パターンの如く、第1段の通電時間T1及び第2段の通電時間T2、並びに、第1段の電流値I1及び第2段の電流値I2を設定し、第1段及び第2段の2段通電を行う
3.5√t1≦dn≦6√t1 ・・・・・(1)
但し、上記(1)式中、t1:最も薄い鋼板の板厚(mm)、dn:ナゲット径(mm)を示す。
次いで、第2段の通電において、第1段の通電の電流値I1に比べて低い第2段の電流値I2で通電することにより、厚い鋼板2側に溶融金属を生成させてゆく。第2段の通電では、第1段の通電で十分な溶融金属が生成された後は、徐々に溶け込ませてゆくため、第1段の通電比べて電流値I2を小さく設定する。
この際、各電極−鋼板間並びに各鋼板間は、第1通電工程におけるアップスロープ通電によって適度になじんだ状態であり、通電経路が確保されていることから、各鋼板における溶け込み(溶融金属)を効率的に生成させることが可能となる。
第1段の通電では、上記のように、この第1段の通電時に前記鋼板間の接触抵抗を利用した発熱形態により、最も薄い鋼板3に形成されるナゲット径dn(mm)と、最も薄い鋼板3の板厚t1(mm)との関係が上記(1)式を満たすように、電流値I1及び通電時間T1を設定して通電を行う。具体的には、通電時間T1を、例えば、5サイクル(50Hz換算)以下の短時間に設定し、厚い鋼板2と薄い鋼板3との間で散り発生が生じない条件で、且つ、ナゲット径dn(mm)が上記(1)式の規定範囲となるように、電流値I1を設定する。そして、この条件で第1段の通電を行うことで、各鋼板の接触部が溶解してナゲット7が形成される。ナゲット径dn(mm)が上記(1)式を下回る条件で第1段の通電を行うと、十分な継手強度が得られ難い。また、第1段の通電が上記(1)式を超える条件だと、厚い鋼板3側の圧痕及び板の浮き上がり(シートセパレーション)が大きくなり、継手形状が劣化するとともに、特に、薄い鋼板3側に配置される電極6の消耗が顕著になる等の不具合が生じるおそれがある。
本実施形態では、第2段の通電は、上記条件の第1段の通電によって形成されたナゲットを成長させる通電である。例えば、図3に例示する通電パターンのように、第2段の通電時間T2を1〜20サイクル(50Hz換算)程度とし、第1段の電流値I1と異なる電流値、例えば、図示例のように、第1段の電流値I1よりも低い電流値I2を設定して通電を行う。この際、図示例では、上述した第1段の通電において、高い電流値I1で短時間の通電を行った後、第2段の通電において、第1段の電流値I1よりも低い電流値I2で通電を行う。これにより、第1段の通電で薄い鋼板3と厚い鋼板2との間に形成されたナゲット7を維持したまま、厚い鋼板1と鋼板2との間に、十分な接合強度が得られる大きさのナゲット(図示略)を成長させることができる。
なお、第2段の通電は、ナゲットの成長のための通電であるから、所定のナゲットの成長を確保できる条件であれば、第1段の電流値I1と第2段の電流値I2との大小関係は特に限定されない。
本実施形態では、上記の多段通電溶接工程に引き続き、鋼板1〜3(板組み4)を電極5、6で加圧保持する保持工程を備える。このような保持工程を行うことにより、通電で溶接された部分、即ち、ナゲット7に対応する位置を圧縮しながら冷却する。
本実施形態では、上記条件の多段通電溶接工程で通電した後、電極5、6によって鋼板1〜3を加圧保持する保持時間HTを1〜15サイクル(50Hz換算)の範囲とする。この保持時間HTは、少なくとも1サイクル以上とすることで、溶融金属が確実に凝固し、各鋼板間にナゲットを形成することが可能となる。
一方、保持時間HTが15サイクルを超えると、水冷された電極による溶接箇所の冷却効果が過剰となり、以下に説明するような、薄い鋼板と厚い鋼板との界面における2次溶融効果が得られなくなる。
一方、通電後の溶接箇所を過剰に冷却した場合には、上述のような二次溶融効果が得られなくなる。本実施形態では、通電後の保持時間HTを上記の下限及び上限で限定することにより、溶接金属が確実に凝固して良好なナゲットが得られるとともに、さらに、二次溶融効果によって十分なナゲット径を確保することが可能になる。
本実施形態においては、電極5、6の加圧力については特に制限されず、従来公知の一般的な条件とすることができ、例えば、鋼板の板厚や枚数の他、通電条件を考慮しながら適宜設定することが可能である。
なお、本実施形態では、各工程を行っている間は、電極5、6の加圧力を変化させる必要はない。また、一般に、電極による鋼板の加圧は、溶接通電の直前から行うので、本実施形態では、この通電前加圧〜多段通電溶接工程〜保持工程の間、電極5,6によって板組み4に負荷される加圧力は一定に設定する。
本発明の重ね抵抗スポット溶接で用いる電極6は、特に限定されず、従来からこの分野で用いられている一般的な電極を適宜採用することが可能である。
一方、本実施形態では、最も薄い鋼板3側に配置される電極が、図5に示す例の電極60のように、電極本体61と、円すい台部62と、円すい台部62の上面である先端部63とからなり、さらに、円すい台部62の側面62aと電極軸Jとの直交線(直交方向)Sに対する傾斜角度θが30°≦θ≦60°の範囲であるものであることが、より好ましい。
本実施形態においては、上記形状、例えばCR形の電極を用いることにより、電極と鋼板との接触面積が増大することが無く、適度な電流密度を維持することができる。これにより、散りの発生を抑制しながら、十分なナゲット径が確保できるスポット溶接が可能になる。
以下に、本発明の第2の実施形態である重ね抵抗スポット溶接方法について説明する。
なお、以下の説明においては、上述した第1の実施形態の重ね抵抗スポット溶接方法と、一部、同じ図面を用いて説明するとともに、ともに共通する構成については、その詳しい説明を省略することがある。
なお、本実施形態においても、第2段の通電の条件は、上記効果が得られる限り、第1段の電流値I1と第2段の電流値I2との大小関係は特に限定されない。
本実施例では、まず、厚さ及び強度の異なる3枚の鋼板を、図1に示す本発明の第1の実施形態に記載の溶接方法(本発明の請求項1に記載の方法)で重ね抵抗スポット溶接を行い、散り発生の有無及び接合部のナゲット径の大きさを調べた。
下記表1に、各鋼板からなる板組み、及び、鋼板特性の一覧を示す。
本実施例の溶接条件としては、まず、溶接電源として単相交流式電源を用い、電極として、電極呼び径Dが16mm、先端の直径dが6mm、先端のRが40であるCr−Cu合金製CR形電極を用いた。また、電極による鋼板の加圧力は5.0kNとし、その他の溶接条件は下記表2に示す条件として、アップスロープ通電を含む抵抗スポット溶接を行った。
下記表2に、各本発明例及び比較例の評価結果の一覧を示す。
本実施例では、多段通電溶接工程における第2通電工程に関し、第2段の通電を、下記表3に示すようなパルセーション通電とした点を除き、上記実施例1と同様の条件及び手順で、厚さ及び強度の異なる3枚の鋼板を重ね抵抗スポット溶接し、上記同様、散り発生の有無及び接合部のナゲット径の大きさを調べた(本発明の請求項2に記載の方法)。この際、各鋼板としても、実施例1と同様、表1に示す合金化溶融亜鉛めっき鋼板を用いた。
下記表3に、各本発明例及び各実験例の評価結果の一覧を示す。
本実施例では、薄い鋼板3側に配置される電極6を、下記表4に示すものに変更した点を除き、上記実施例1と同様の条件及び手順で、厚さ及び強度の異なる3枚の鋼板を重ね抵抗スポット溶接し、上記同様、散り発生の有無及び接合部のナゲット径の大きさを調べた(本発明の請求項3に記載の方法)。また、本実施例では、便宜的に、電極5についても、電極6と同じものを用いた。
この際、各鋼板としても、実施例1と同様、表1に示す合金化溶融亜鉛めっき鋼板を用いた。
下記表4に、各本発明例及び各実験例の評価結果の一覧を示す。
2…鋼板(厚い鋼板)、
3…鋼板(薄い鋼板)、
4…板組み(鋼板)、
5…電極、
6…電極(一方の電極)、
60…電極(一方の電極)、
61…電極本体、
62…円すい台部、
62a…側面、
63…先端部(円すい台部)、
7…ナゲット(溶接金属部)、
G…隙間(鋼板間)、
TU…アップスロープ通電時間、
dn…ナゲット径(最も薄い鋼板)、
t1…板厚(最も薄い鋼板)、
T1…通電時間(第1段)、
T2…通電時間(第2段)、
I1…電流値(第1段)、
I2…電流値(第1段)、
θ…傾斜角度(円すい台部の電極軸との直交方向に対する)、
Claims (3)
- 各鋼板間に隙間を有する3枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みで、1対の電極で挟持し、加圧しながら通電して各鋼板の接触箇所を溶接する、単相交流溶接電源による重ね抵抗スポット溶接方法であって、
前記鋼板の各々の間の隙間Gが次式{G(mm)≦2(mm)}である場合に、
前記鋼板の内、板厚が最も薄い鋼板を一方の電極側に配置する工程と、電極の加圧力を一定にして多段通電溶接を行う工程と、多段通電後に前記鋼板を前記電極で加圧保持する保持工程とをこの順で具備し、
前記多段通電溶接工程は、アップスロープ通電時間TUを50Hz換算で3〜20サイクルの範囲としてアップスロープ通電を行う第1通電工程と、次いで、第1段の通電時に前記鋼板間の接触抵抗を利用した発熱形態により、前記最も薄い鋼板に形成されるナゲット径dn(mm)と、この最も薄い鋼板の板厚t1(mm)との関係が下記(1)式を満たすように、通電時間T1、T2及び電流値I1、I2を設定して第1〜2段の2段通電を行う第2通電工程とを備え、
前記保持工程は、前記鋼板を前記電極で加圧保持する保持時間HTを、50Hz換算で1〜15サイクルの範囲とすることを特徴とする重ね抵抗スポット溶接方法。
3.5√t1≦dn≦6√t1 ・・・・・(1)
{但し、上記(1)式中、t1:最も薄い鋼板の板厚(mm)、dn:ナゲット径(mm)を示す。} - 前記多段通電溶接工程は、前記第2通電工程において通電時間T2、電流値I2で行う第2段の通電を、間欠通電時間:50Hz換算で1〜10サイクル、間欠休止時間:50Hz換算で1〜5サイクルの範囲として、加熱通電と通電休止冷却とを交互に繰り返すパルセーション通電とし、少なくとも3回以上繰り返すパターンとすることを特徴とする請求項1に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。
- 前記最も薄い鋼板側に配置される一方の電極が、電極本体と、円すい台部と、該円すい台部の上面である先端部とからなり、前記円すい台部の側面と電極軸との直交方向に対する傾斜角度θが30°≦θ≦60°の範囲であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の重ね抵抗スポット溶接方法。
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