JP5854172B2 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

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Description

本発明は、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接方法に関する。特に被処理材中に、表面に亜鉛めっきを有する亜鉛めっき鋼板や引張強度が780MPa以上の高強度鋼板などを含む場合、さらには鋼板間に意図しない隙間(板隙ともいう)が存在する場合であっても、散りなどの発生なしに適正な大きさの溶融部(ナゲット)の形成を図ろうとするものである。
近年、車体の信頼性向上と、大気汚染物質の削減を目的とした車体重量の軽減とを併せて達成するために、鋼板の高強度化が進められている。かような高強度鋼板の採用により、従来鋼に比べ薄肉化、軽量化をしても同程度の車体剛性が得られる。しかし、いくつかの課題も指摘されている。その一つが、車体組立における溶接部の品質が、高強度化するにつれて低下するというものである。
抵抗スポット溶接は、図1に示すように、重ね合わせた2枚以上の鋼板(ここでは、下の鋼板1と上の鋼板2の2枚組)の板組3を、上下一対の電極(下の電極4と上の電極5)で挟み、加圧、通電することによって接触部を溶融させ、必要サイズのナゲット6を形成して、溶接継手を得るものである。
このようにして得られた継手の品質は、ナゲット径の大きさ、あるいはせん断引張強度(継手のせん断方向に引張試験をしたときの強さ)や十字引張強度(継手の剥離方向に引張試験をしたときの強さ)、疲労強度の大きさなどで評価されている。
高強度鋼板を使用した場合に継手強度を確保するための手段としては、溶接法の観点からは、打点数の増加やナゲット径の拡大が考えられる。しかし、打点数を増加させると分流の影響が大きくなる他、作業時間の増加につながり生産性を悪化させる。また、ナゲット径を拡大するには、電極を大きくしたり、溶接金属の飛散(散り)を防ぐために加圧力を増加しなければならない。これは、装置的な制約が大きいだけでなく、熱影響部が拡大するため母材性状が損なわれる不利もある。
特に自動車に適用する場合には、鋼板の表面に、防錆を目的として、亜鉛を主成分とする亜鉛めっき処理が行われる。そして、かような亜鉛めっき層を有する場合には、一層散りが発生し易くなることから、ナゲットの形成に悪影響を及ぼすことが知られている。
従来技術として、特許文献1には、3枚重ねの鋼板においてナゲットを形成する方法が開示されている。この方法によれば、一段目の溶接を行ったのち、二段目以降を冷却・通電のパルセーション状とすることによって、薄板・厚板・厚板といった三枚重ねの板組においても十分なナゲット径を形成できるとしている。
また、特許文献2では、Feを原子数比で50%以上80%以下含有する合金化アルミめっき層を有する鋼板を溶接するにあたり、アップスロープおよび一定の電流で維持する時間を板厚によって規定することで、安定的なナゲットが形成できるとしている。
さらに、特許文献3では、亜鉛系めっき鋼板において予備的な通電とナゲット形成の時間比を限定することによって、一定の大きさのナゲットを確保することができるとしている。
特許文献4では、亜鉛系めっき鋼板において、予備的な通電を行ったのち、その電流値よりも高い電流値で冷却・通電を繰り返すことによって、一定の大きさのナゲットを確保することができるとしている。
特許第4728926号公報 特開2011−167742号公報 特許第3849539号公報 特許第3922263号公報
しかしながら、実際の自動車組立における溶接現場では、部材位置は必ずしも安定しておらず、鋼板の加圧状態も一定とは限らない。この点、特許文献1〜4に記載の方法は、板組が電極によって十分に加圧・接触している状態を前提としているため、鋼板間に意図しない隙間(板隙)が存在していた場合には、散りが発生し、満足いくナゲット径の確保が難しいという問題があった。
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、板組の一部に亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板を含み、さらに鋼板間に意図しない隙間、それも大きさの異なる種々の隙間が存在する場合、すなわち組板の板隙が異なる場合であっても、散りの発生なしに、安定して十分な径のナゲットを形成することのできる抵抗スポット溶接方法を提供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るために、高張力亜鉛めっき鋼板を含む板組の抵抗スポット溶接における板隙の影響について検討を重ねた。
すなわち、板隙を模擬し、図2に示すように、鋼板1,2間の片側に絶縁体7を挟み込んで、各電流値での溶接試験およびそのときの数値解析を行った。
その結果、板隙が大きく、十分に加圧・接触していない状態で、低い電流値を印加した場合には、鋼板が加熱、軟化して十分な加圧状態になるまでに相当の時間が必要となる。一方、高い電流値を印加した場合には、その通電時間が短ければ、散りは発生せず、電極直下および鋼板接触面の外縁部で急激に発熱して鋼板が軟化するという現象が見られた。これは、特に通電初期では、鋼板温度は室温か、他の溶接点からの影響を受けたとしても十分に低いため、固有抵抗が低く、高電流通電を印加した場合には電流密度による発熱が顕著になるためであると考えられる。
そこで、次に発明者らは、上記の現象を活用し、ナゲットを形成するための本通電に先立ち、所定の電流を印加することで、散りの発生なしに鋼板間の接触を確保できないかについて検討を行った。この際、高電流を長時間印加するのは、当然、散りの発生原因となることから、途中で電流を下げるような二段通電の効果について検討した。
供試鋼板としては、引張強さが780〜1180MPa、板厚が1.0〜1.6mmの高張力溶融亜鉛めっき鋼板を用いた。また、鋼板間距離もしくは電極間距離を調整するために、図2に示したような所定の厚みの絶縁物7を鋼板1,2間に挟み込んで、実験を行った。
その結果、ナゲットを形成するのに必要な電流より相対的に高い電流値を短時間通電することにより、電極間の距離を大幅に縮めることができ、しかもその高電流通電後に、無通電あるいは低電流通電としてもその効果は維持されることが判明した。これは、最初の高電流通電によって電極直下に電流密度による発熱が起こった後に、その熱が伝熱により鋼板内に伝わることによるものと考えられる。
また、上記した高電流短時間通電時の電流密度による発熱を活用するには、板組を構成する鋼板の合計厚みと電極間の距離も重要で、高電流短時間通電に先立ち、これらの関係を適正範囲に調整しておく必要があることも判明した。
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.高張力鋼板、表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する亜鉛めっき鋼板、または表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する高張力亜鉛めっき鋼板を少なくとも1枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接において、
(1) 重ね合わせた各鋼板の合計厚みをt、電極対の中心間の距離をLとしたとき、当該tとLが、次の関係式
0.9×t ≦ L ≦ 1.1×t
を満足する状態で通電を開始すること、および
(2) 通電を、本通電とそれに先立つ初期通電とに分けると共に、初期通電を二段通電として、初期通電の1段目の通電における電流値I1を、本通電における電流値Imとの関係で
m ×1.1 ≦ I1 ≦ 15.0kA
を満足する範囲とし、2段目の通電における電流値I2を、
0 ≦ I2 ≦ Im×0.7
を満足する無通電または低電流通電とする抵抗スポット溶接方法。
2.前記1に記載の抵抗スポット溶接方法において、初期通電の1段目の通電における通電時間T1および引き続く2段目の通電における通電時間または無通電時間T2
10ms ≦ T1 ≦ 100ms
10ms ≦ T2 ≦ 100ms
の範囲を満足する抵抗スポット溶接方法。
3.前記1または2に記載の抵抗スポット溶接方法において、初期通電を2k段(k:2以上の整数)の通電とする抵抗スポット溶接方法。
4.前記3に記載の抵抗スポット溶接方法において、2k段(k:2以上の整数)の通電になる初期通電を施すに際し、
初期通電の2n+1段目(n:1からk−1までの整数)の通電における電流値I(2n+1)が、2n−1段目の通電における電流値I(2n-1)および本通電における電流値Imに対して、
m ≦ I(2n+1) ≦ I(2n-1)
の関係を満足する抵抗スポット溶接方法。
5.前記1乃至4のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法において、複数枚の鋼板のうち、少なくともいずれか1枚が引張強さ780MPa以上の高張力亜鉛めっき鋼板である抵抗スポット溶接方法。
本発明によれば、亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板を少なくとも1枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組に対して抵抗スポット溶接方法を施すに際し、積層鋼板間に板隙が生じていた場合であっても、散りの発生がなしに十分な径のナゲットを形成することができる。これは産業上極めて有用である。
抵抗スポット溶接の構成を示す図である。 鋼板間の片側に絶縁体を挟み込んだ状態を示す図である。 鋼板の合計厚みtと上下電極の中心間距離Lを示す図である。 本発明に従い、2段階通電になる初期通電および本通電における電流波形を示した図である。 本発明に従い、2段階通電になる初期通電を繰り返した場合の電流波形を示した図である。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の抵抗スポット溶接方法は、図1に示したように、亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板を含む複数枚の鋼板を重ね合わせた板組3を、上下一対の電極4,5で挟み、加圧しながら通電して、必要サイズのナゲット6を形成して溶接継手を得るものである。なお、ここでは下の鋼板1と上の鋼板2の2枚のうち、鋼板1が高張力亜鉛めっき鋼板である。
本発明において、その対象を、板組のうち少なくとも1枚を亜鉛めっき鋼板または高張力鋼板とした。これは、亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板は、通常の鋼板に比べると、板隙に起因した散りが発生しやすいからである。本発明は、板組に、亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板を2枚以上含む場合に、より有効なものである。
かかるスポット溶接の実施に供して好適な溶接装置は、上下一対の電極を備え、一対の電極で溶接する部分を挟んで、加圧、通電できるものであり、そして溶接中に加圧力および溶接電流をそれぞれ任意に制御可能な加圧力制御装置および溶接電流制御装置を有していればよい。加圧機構(エアシリンダやサーボモータ等)や、電流制御機構(交流や直流等)、形式(定置式、ロボットガン等)等はとくに限定されない。
本発明では、通電開始時に、図3(a)に示す重ね合わせた各鋼板の合計厚みtと、図3(b)に示す上下電極の中心間距離Lとが、次式
0.9×t ≦ L ≦ 1.1×t
の関係を満足する状態にしておくことが重要である。
L/tが0.9を下回ると電極接触部が広い状態であり、通電による発熱効果が小さくなる。一方、L/tが1.1を上回ると発熱による軟化を生じさせたとしても板組間の接触部を確保出来ないという不都合が生じる。好ましくは0.9×t≦L≦1.0×tの範囲である。
上記の設定は、鋼板間に板隙が存在している場合を想定しているが、かかる板隙の原因としては、例えば車体においては形状不整合によるフランジの板隙などが考えられる。ただし、L/t>1.0の場合は、溶接点近傍に鋼板の接触部あるいは既溶接点、または部材全体が導体であるなどの何がしかの電流経路があることを前提としている。電流経路が存在しない場合は通電出来ないため、本発明によっても溶接することは困難である。
一方、通電開始後のL/tについては、特に制限はないが、通常は、通電による鋼板の軟化に伴ってL/tは次第に低下して行き、通電後半では形成された溶融部(ナゲット)の膨張に起因してL/tは幾分大きくなる過程を経る。
また、通電開始時に付加される加圧力は、通常、3.5〜7.0kN程度である。
また、本発明の通電は、適正径のナゲットを形成するための本通電と、それに先立ち鋼板の接触面積を確保するための初期通電からなる。
さらに、本発明では、上記の初期通電を2段通電とし、1段目の通電では高電流を短時間流し、電極直下に電流密度による発熱を生じさせて鋼板を軟化することにより、電極間の距離を縮める。引き続き2段目の通電として無通電あるいは低電流を短時間流し、上記した電流密度による発熱を鋼板内に伝播させて一層の軟化、さらには一層の電極間距離の短縮化を図る。
ここに、初期通電の1段目の通電は、その電流値I1を本通電の電流値Imとの関係で
m ×1.1 ≦ I1 ≦ 15.0kA
を満足する高電流通電とし、引き続く2段目の通電は、その電流値I2
0 ≦ I2 ≦ Im×0.7
を満足する無通電または低電流通電とする。
かかる実施形態における電流波形を図4に示す。
同図に示したように、本発明では、通電電流Im、通電時間Tmからなる本通電に先立ち、電流値I1、通電時間T1の一段目の通電と、電流値I2、通電時間T2の二段目の通電からなる初期通電を施す。
なお、本通電を、2段または3段で制御する場合、本通電における通電電流Imはその平均値をとるものとする。
ここに、初期通電の1段目の通電における電流値I1が、Im ×1.1に満たないと電流密度による十分な発熱が得られない。一方、I1が15.0kAを超えると、少なくとも亜鉛めっき層を有する高張力鋼板では散りの発生が避けられない。入熱過剰を抑制するという観点からは、好適にはIm×1.1≦I1≦12.0kAの範囲である。また、初期通電の2段目の通電における電流値I2がIm×0.7を超えると、過度の温度上昇を伴うことのない好適な伝熱が望めない。よって、2段目の通電の電流値I2は、I2=0の無通電とするか、I2≦Im×0.7を満足する低電流通電とする。より好ましくは0≦I2≦Im×0.5の範囲である。
また、初期通電の1段目の通電における通電時間T1および2段目の通電における通電時間または無通電時間T2はそれぞれ
10ms ≦ T1 ≦ 100ms
10ms ≦ T2 ≦ 100ms
の範囲とすることが好ましい。
1が10msに満たないと電流密度による十分な発熱が得られず、一方100msを超えると、亜鉛めっき鋼板では散り発生のおそれが大きい。また、T2が10msに満たないと十分な発熱が得られず、さらに軟化させることが困難であり、一方100msを超えると入熱が過大となることによる散り発生の問題が生じる。
1およびT2のより好適な範囲は、それぞれ
10ms ≦ T1 ≦ 60ms
10ms ≦ T2 ≦ 60ms
である。
さらに、本発明では、上述したような初期通電を2k段(k:2以上の整数)としてもよく、かかる2k段の初期通電によって初期の板隙が大きくても散りの発生を抑制しながら鋼板を軟化させ、ナゲットの拡大を図ることができる。この実施形態における電流波形を図5に示す。
かような2k段の初期通電を施す場合には、初期通電の2n+1段目(n:1からk−1までの整数)の通電における電流値I(2n+1)は、2n−1段目の通電における電流値I(2n-1)および本通電の電流値Imに対して、
m ≦ I(2n+1) ≦ I(2n-1)
の関係を満足することが望ましい。
というのは、電流値I(2n+1)が電流値I(2n-1)よりも大きくなると、急激な入熱により散り発生のおそれが生じるからである。
また、初期通電の2n+2段目(n:1からk−1までの整数)の通電における電流値I(2n+2)がIm×0.7を超えると、過度の温度上昇を伴うことのない好適な伝熱が望めない。よって、2n+2段目の通電の電流値I(2n+2)は、I(2n+2)=0の無通電とするか、I(2n+2)≦Im×0.7を満足する低電流通電とすることが好ましい。より好ましくは、0≦I(2n+2)≦Im×0.5の範囲である。
さらに、初期通電の2n+1段目(n:1からk−1までの整数)の通電における通電時間T(2n+1)および2n+2段目の通電における通電時間または無通電時間T(2n+2)はそれぞれ
10ms ≦ T(2n+1) ≦ 100ms
10ms ≦ T(2n+2) ≦ 100ms
の範囲とすることが好ましい。
(2n+1)が10msに満たないと電流密度による十分な発熱が得られず、一方100msを超えると、亜鉛めっき鋼板では散り発生のおそれが大きい。また、T(2n+2)が10msに満たないと十分な発熱が得られず、さらに軟化させることが困難であり、一方100msを超えると入熱が過大となることによる散り発生の問題が生じる。
(2n+1)およびT(2n+2)のより好適な範囲は、それぞれ
10ms ≦ T(2n+1) ≦ 60ms
10ms ≦ T(2n+2) ≦ 60ms
である。
なお、上記したように、2k段(k:2以上の整数)の初期通電を施す場合には、ナゲットの形成も徐々に進行しているので、その分、本通電の通電時間を短くすることができる。
なお、本発明において、亜鉛を主成分とするめっき層とは、従来から公知の亜鉛めっき層をすべて意味し、溶融亜鉛めっき層や電気亜鉛めっき層を初めとして、Zn−Alめっき層やZn−Ni層等を含むものである。
また、本発明において、高張力鋼板とは、引張強さが780MPa以上の高張力鋼板を対象とする。
(実施例1)
本発明の実施例として、前述の図1に示したように、2枚の鋼板(下の鋼板1、上の鋼板2)を重ねた板組3について、Cガンに取付けられたサーボモータ加圧式で直流電源を有する抵抗溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行い、抵抗スポット溶接継手を作製した。
この時の通電は、図4に示したような電流波形(初期通電を2段で実施)とし、表1に示す条件で行った。なお、加圧力は4.5kN、本通電時間Tmは14サイクル(280ms)の一定とした。また、実験に際しては、鋼板間に絶縁体7を挿入し、電極間距離が所定の距離となるように調整した。
また、電極4,5としては、先端の曲率半径R40、先端径6mmのアルミナ分散銅のDR型電極を用いた。さらに、試験片としては、780MPa級から1470MPa級までの1.0mmから1.4mmの亜鉛めっき鋼板を使用した。
表1に、溶接を行った際の散り発生の有無、およびナゲット径について調べた結果を示す。なお、ナゲット径は、切断断面のエッチング組織で評価した。ナゲット径はtを板厚として5√t以上を◎、4√t以上5√t未満を○、4√t未満を×とした。ここで、ナゲット径が4√t以上であれば、十分な接合強度が得られるので、4√t以上を適正径とした。
Figure 0005854172
表1に示したとおり、本発明に従い抵抗スポット溶接を行った場合は、比較例に比べると、散りの発生がなく、また適正径のナゲットが形成されていることが分かる。
(実施例2)
実施例1と同様にして抵抗スポット溶接を行い、抵抗スポット溶接継手を作製した。
但し、この際の通電は、図4または図5に示したような電流波形(初期通電を2段または4段で実施)とし、表2−1および表2−2に示す条件で行った。なお、加圧力は4.5kN、本通電時間Tmは10〜14サイクル(200〜280ms)である。そして、鋼板間に絶縁体を挿入し、電極間距離が所定の距離となるように調整した。
使用した電極は実施例1の場合と同じである。鋼板は合金化溶融亜鉛めっき層を有する軟鋼1枚と溶融亜鉛めっき層を有する高強度鋼板2枚の3枚重ねとした。
表2−2に、溶接を行った際の散り発生の有無、およびナゲット径について調べた結果を示す。ナゲット径はtを板厚として5√t以上を◎、4√t以上5√t未満を○、4√t未満を×とした。4√t以上が適正径である。
Figure 0005854172
Figure 0005854172
表2に示したとおり、本発明に従い抵抗スポット溶接を行った場合は、比較例に比べると、散りの発生がなく、また適正径のナゲットが形成されていることが分かる。
また、2段階初期通電を1回しか行わなかった実施例1に比べると、実施例2は条件によっては、最後の本通電電流値が低かったとしても、大きいナゲット径を得ることができる点で勝っている。
(実施例3)
実施例1と同様にして抵抗スポット溶接を行い、抵抗スポット溶接継手を作製した。
但し、この際の通電は、図4または図5に示したような電流波形(初期通電を2段、4段または6段で実施)とし、表3−1および表3−2に示す条件で行った。なお、加圧力は5.5kN、本通電時間Tmは10〜18サイクル(200〜360ms)とした。そして、鋼板間に絶縁体を挿入し、電極間距離が所定の距離となるように調整した。
使用した電極は実施例1の場合と同じである。
表3−2に、溶接を行った際の散り発生の有無およびナゲット径について調べた結果を示す。ナゲット径はtを板厚として5√t以上を◎、4√t以上5√t未満を○、4√t未満を×とし、特に5.5√以上の場合を「◎>5.5」とした。4√t以上が適正径である。
Figure 0005854172
Figure 0005854172
表3−2に示したとおり、本発明に従い抵抗スポット溶接を行った場合は、比較例に比べると、散りの発生がなく、また適正径のナゲットが形成されていることが分かる。
また、2段階初期通電を1回または2回しか行わなかった実施例1,2に比べると、ナゲット径が拡大する効果が得られる点でより優れた効果が得られた。
1,2 鋼板
3 板組
4,5 電極
6 ナゲット
7 絶縁体

Claims (5)

  1. 高張力鋼板、表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する亜鉛めっき鋼板、または表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する高張力亜鉛めっき鋼板を少なくとも1枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接において、
    (1) 重ね合わせた各鋼板の合計厚みをt、電極対の中心間の距離をLとしたとき、当該tとLが、次の関係式
    0.9×t ≦ L ≦ 1.1×t
    を満足する状態で通電を開始すること、および
    (2) 通電を、本通電とそれに先立つ初期通電とに分けると共に、初期通電を二段通電として、初期通電の1段目の通電における電流値I1を、本通電における電流値Imとの関係で
    m ×1.1 ≦ I1 ≦ 15.0kA
    を満足する範囲とし、2段目の通電における電流値I2を、
    0 ≦ I2 ≦ Im×0.7
    を満足する無通電または低電流通電と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において、初期通電の1段目の通電における通電時間T1および引き続く2段目の通電における通電時間または無通電時間T2
    10ms ≦ T1 ≦ 100ms
    10ms ≦ T2 ≦ 100ms
    の範囲を満足する抵抗スポット溶接方法。
  3. 請求項1または2に記載の抵抗スポット溶接方法において、初期通電を2k段(k:2以上の整数)の通電とする抵抗スポット溶接方法。
  4. 請求項3に記載の抵抗スポット溶接方法において、2k段(k:2以上の整数)の通電になる初期通電を施すに際し、
    初期通電の2n+1段目(n:1からk−1までの整数)の通電における電流値I(2n+1)が、2n−1段目の通電における電流値I(2n-1)および本通電における電流値Imに対して、
    m ≦ I(2n+1) ≦ I(2n-1)
    の関係を満足する抵抗スポット溶接方法。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法において、複数枚の鋼板のうち、少なくともいずれか1枚が引張強さ780MPa以上の高張力亜鉛めっき鋼板である抵抗スポット溶接方法。
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