JP5891741B2 - 高強度鋼板の抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、継手強度に優れる溶接部を形成する高強度鋼板の抵抗スポット溶接方法に関する。

近年、車体の高信頼性と、エミッション削減を目的とした車体重量の軽減を両立して達成するための鋼板の高強度化が進められている。自動車の車体組立てにおいては、抵抗スポット溶接が広く用いられている。

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）の板組３を、上下一対の電極チップ（下の電極チップ４と上の電極チップ５）で挟み、加圧、通電することにより溶融させ、必要サイズの径ｄ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溶接継手の品質は、ナゲットの径ｄや溶け込みが得られているか、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）、または疲労強度などで評価されている。その中でも、せん断引張強度や十字引張強度を代表とする静的強度は、溶接継手の品質の指標として非常に重要視されている。

このうち、スポット溶接部の引張せん断強度は、鋼板の引張強度の増加とともに増加する傾向にある。しかし、十字引張強度は鋼板の引張強度の増加にかかわらずほとんど増加せず、逆に減少する。その原因として、高強度鋼板は、その強度を達成するために下記（ア）式などで表される炭素等量Ｃｅｑが大きくならざるを得ず、加えて溶接は急熱急冷現象を伴うために、溶接部及び熱影響部において硬度が上昇し、靭性が低下するからだと考えられている。

Ｃｅｑ＝Ｃ＋１／２４×Ｓｉ＋１／６×Ｍｎ（％）・・・（ア）
高強度鋼板を使用する際に溶接継手強度を確保するためには、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、打点数の増加はスペースが必要であり、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ｄ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、チリ）を防ぐために加圧力を増加しなければならず、装置的な制約も受けるほか、熱影響部が拡大するため溶接継手部および近傍の母材特性が損なわれる欠点もある。

そこで、抵抗スポット溶接時、従来と同様、あるいはそれ以下の打点数およびナゲット径で強度を確保するために、ナゲットを形成する本通電の後に通電を行う後熱通電方式に対して様々な試みがなされてきた。そのうち、一度溶接部を凝固、変態させた後に再加熱することにより、ナゲットおよびＨＡＺ部分を軟化させることで、ナゲットの靭性向上や溶接部近傍の応力集中緩和をはかり、継手強度向上を実現する方法が多く検討されてきた。

その一例として特許文献１では、テンパー通電における通電時間Ｔｔ・通電電流Ｉｔと本通電における通電時間Ｔo・通電電流Ｉoを用いて、（Ｉｔ／Ｉo）の二乗と（Ｔｔ／Ｔｏ）の積が０．２５〜０．８２の範囲に入っている事が望ましいとしている。

特許文献２では、溶接後保持時間HTを、板厚tを用いて下記（イ）式
300−500ｔ＋250ｔ^２≦ ＨＴ ≦ 560−900ｔ＋500ｔ^２・・・（イ）
で表す範囲にし、また、後熱通電を後通電電流を溶接通電電流の７０％以上９０％以下の範囲とし、後通電時間を溶接通電時間の６０％以上１００％以下の範囲に規定することで溶接部の冷却中の温度降下速度を調整することにより引張強さを向上させることができることが開示されている。

また、特許文献３には、冷却と通電を繰り返すことによって短時間にて焼戻しの効果が得られることが開示されている。

特開昭５８−００３７９２号公報 特開２００２−１０３０４８号公報 特開２０１０−１１５７０６号公報

しかしながら、前記特許文献１および２に記載されているような通電方法は、本通電以下の電流値で、十分な抵抗発熱が可能な範囲を選ぶことが必要となるために、利用可能な電流範囲は狭く、わずかな電流値・電流時間の変化で抵抗発熱に大きく影響を及ぼすため、実施する上でその適用範囲が狭い。

さらに、特許文献３に記載されているような通電方法は、後熱通電を含め全ての通電が同じ条件であるがために、高張力鋼板において最適な条件とはいいがたく、また、特許文献１および２と同様、溶接条件等の適正化には多くの検討課題がある。

本発明は、高強度鋼板を含む板組の抵抗スポット溶接において、前記問題を解決し、条件決定のし易さ、適用範囲の適正化と、溶接時間の短縮を同時に達成し、高い継手強度を実現する抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために、継手強度とナゲット組織、プロセス温度、電流密度の関係を詳細に検討した。その結果、以下の知見を得た。なお、以下の式において図２に示すように、第1ステップの本通電を通電電流IA（kA）、通電時間TA（ｍｓ）、さらに後熱通電である第2ステップの無通電で保持する時間を保持時間Th（ｍｓ）、その後、通電している時間および電流をそれぞれ通電時間TB（ｍｓ）、通電電流IB（kA）とした。なお、図２では、交流電源を例に取っているため、電流波形のRMS値（実効電流値）を電流値としている。

まず、本発明者らは、発熱の指標となる電流二乗時間積（I²×時間）に着目し、後通電に対する本通電の電流二乗時間積の比が下記（１）式の関係にあることが必要であることを見出した。

０．０５＜（ＩＢ^２×ＴＢ）／（ＩＡ^２×ＴＡ）＜１．０・・・（１）
（１）式は本通電に対する後通電の発熱量を立式化したものである。この式の上限の設定は、不必要な入熱を抑制し、継手強度を高めると同時に施工性を向上する観点から定めた。下限値は効果を得るための最小限の加熱を得る観点から定めた。

また、通電時間ＴＢ（ｍｓ）は下記（２）式の関係にあることが必要である。

２０≦ＴＢ≦１００・・・（２）
この（２）式は、施工上の観点から（１）式を制限するものである。

さらに、保持時間Ｔｈ（ｍｓ）は下記（３）式の関係にあることが必要である。ここで、ナゲットの径であるナゲット径ｄ（ｍｍ）、電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ^２）、総板厚ｔ（ｍｍ）とした。

１０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ＜Ｔｈ＜２００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ・・・ （３）
本（３）式は、冷却速度を遅くするファクタとしてナゲットの持つ熱量をナゲット径ｄ（ｍｍ）とし、速くするファクタとして電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ^２）を，総板厚ｔ（ｍｍ）で立式化したものである。

さらに、第２ステップの後に再度電極で加圧したまま無通電で保持して溶接部を冷却することにより、次に続く通電での過度の高温化を抑制できることも知見した。この時の条件として、一回目の保持時間で溶接部の冷却は進んでいるわけであるから、二回目の保持時間は一回目よりも短く、次に続く通電も一回目と同等か、それよりも高い必要がある。

したがって、本発明は、下記を構成要件としている。
[１]二枚以上の鋼板を重ね合せた総板厚ｔ（ｍｍ）の板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、
ナゲットを形成する第１ステップと、
電極で加圧したまま、無通電で保持することにより溶接部を冷却した後通電する第２ステップとを備え、
前記第１ステップにおける通電時間ＴＡ（ｍｓ）、通電電流ＩＡ（ｋＡ）、第２ステップにおける通電時間ＴＢ（ｍｓ）、通電電流ＩＢ（ｋＡ）が、
（１）及び（２）式を満足し、
前記第２ステップの無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）が、板組の総板厚ｔ（ｍｍ）、前記ナゲットの径ｄ（ｍｍ）、前記溶接電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ^２）との関係で、
（３）式を満足すること、
を特徴とする抵抗スポット溶接方法。

０．０５＜（ＩＢ^２×ＴＢ）／（ＩＡ^２×ＴＡ）＜１．０・・・（１）
２０≦ＴＢ≦１００・・・（２）
１０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ＜Ｔｈ＜２００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ・・・（３）
[２]前記第２ステップの後、さらに、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電する第３ステップを備え、
該第３ステップにおける無通電で保持する保持時間Ｔｈｃ（ｍｓ）、その後の通電の通電電流値ＩＣ（ｋＡ）及び通電時間ＴＣ（ｍｓ）が下記（４）〜（６）式を満足することを特徴とする［１]に記載の抵抗スポット溶接方法。

１０＜Ｔｈｃ＜Ｔｈ・・・（４）
１．０≦（ＩＣ^２×ＴＣ）／（ＩＢ^２×ＴＢ）≦３．０・・・（５）
２０≦ＴＣ≦１００・・・（６）
［３]前記第３ステップの後、さらに、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電するステップを複数備えることを特徴とする［２]に記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明によれば、ナゲットを形成する本通電の後に加圧を維持したまま無通電で冷却する保持時間と、その後の通電時間から成る後熱通電を負荷する通電パターンにおいて、本通電の通電時間、電流値、保持時間、後熱通電の通電時間および電流値を整理したことで、条件決定までの工程を短縮し、かつ、高強度の継手強度が得られる。また、後熱通電においては、電流値を本通電よりも高く設定し、通電時間は保持時間よりも短く設定することを要件としたことから、条件範囲を広く設定することができるとともに、溶接時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態における板組と電極の配置位置を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態における施工手順を模式的に示す図である。 本発明の実施例で使用した電極チップ形状を示すものである。

本発明は、まず、二枚以上の鋼板を重ね合せた総板厚ｔ（ｍｍ）の板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接方法である。このような抵抗スポット溶接方法が産業界で広く使用されているからである。本発明で高強度鋼板とは５９０〜１９６０ＭＰａの強度を有する鋼板を対象とする。

本発明の第１ステップでは、ナゲットを形成する。このときの通電を本電流と呼ぶ場合がある。第１ステップにおける通電時間をＴＡ（ｍｓ）とし、通電電流をＩＡ（ｋＡ）を記号化する。

つぎの、電極で加圧したまま、無通電で保持することにより溶接部を冷却した後通電する第２ステップでは、冷却を主たる目的とする。第２ステップの無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）においては電極で加圧したままとする。加圧力は１．５ｋＮ以上１０ｋN以下の範囲が好ましい。

第２ステップにおいては無通電で保持した後、通電時間ＴＢ（ｍｓ）、通電電流ＩＢ（ｋＡ）が、本通電の通電時間、通電電流の関係において（１）及び（２）式を満足することが必要である。

さらには、板組の総板厚ｔ（ｍｍ）、前記ナゲットの径ｄ（ｍｍ）、前記溶接電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ^２）との関係で、
（３）式を満足することが必要である。

０．０５＜（ＩＢ^２×ＴＢ）／（ＩＡ^２×ＴＡ）＜１．０・・・（１）
２０≦ＴＢ≦１００・・・（２）
１０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ＜Ｔｈ＜２００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ・・・（３）
（１）式の技術的意義は前述したように、不必要な入熱を抑制し、継手強度を高めると同時に施工性を向上する観点から立式化したものである。入熱量が過小もしくは過大となることを避けるため、さらに好ましくは
０．４≦（ＩＢ^２×ＴＢ）／（ＩＡ^２×ＴＡ）＜１．０である。

（２）式の通電時間ＴＢが２０未満であれば入熱量が過小となり、
１００を超えると入熱量が過大となり溶接部の機械的特性が劣化するので、上記の範囲とした。さらに、好ましくは４０≦ＴＢ≦８０である。

また、（３）式において第２ステップの無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）が１０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓを超えるようにしなければならないのは、溶接部の冷却状態が不完全となるのを防止するためである。溶接部端部（溶融部と熱影響部の境界，ヒュージョンライン）の冷却温度は少なくとも１３００℃以下にすることが好ましい。また、無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）は、２００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ未満とするのは、溶接部が冷却過剰となるのを防止するためである。溶接部端部の温度はＡｃ_１温度以上にすることが好ましい。
また、確実に溶接部の温度を制御するためには、
２０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ＜Ｔｈ＜１００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ
とすることがさらに好ましい。

さらに、第２ステップの後、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電する第３ステップを備えることが好ましい。
この第３ステップを採用する場合は、無通電で保持する保持時間Ｔｈｃ（ｍｓ）、その後の通電の通電電流値ＩＣ（ｋＡ）及び通電時間ＴＣ（ｍｓ）が下記（４）〜（６）式を満足することが必要である。

１０＜Ｔｈｃ＜Ｔｈ・・・（４）
１．０≦（ＩＣ^２×ＴＣ）／（ＩＢ^２×ＴＢ）≦３．０・・・（５）
２０≦ＴＣ≦１００・・・（６）
一回目の保持時間で溶接部の冷却は進んでいるわけであるから、二回目の保持時間は一回目よりも短く、次に続く通電も一回目と同等か、それよりも高い必要がある。

さらに、３回目の通電による過剰入熱を避けるため、
１．０≦（ＩＣ^２×ＴＣ）／（ＩＢ^２×ＴＢ）≦２．０
とすることが好ましい。

なお、この第３ステップに関して、テンパーの効果が得られない際には冷却−通電を２回以上繰り返すことで確実に得ることが出来る場合があり、第３ステップの後、さらに、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電するステップを複数行うこともできる。この場合、第４ステップの条件は第３ステップの条件との関係を考慮して第３ステップに準じて行うことが好ましい。すなわち、さらに複数回行う場合には第Ｎステップの条件は第（Ｎ−１）ステップとの関係を考慮して決定することが好ましい。

本発明の実施例１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、溶接ガンに取付けられたサーボモータ加圧式で単相交流（５０Ｈｚ）の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。なお、使用した一対の電極チップ（下の電極チップ４、上の電極チップ５）は、ともに図３に示すように、先端の曲率半径Ｒ４０ｍｍ、先端径６ｍｍを有するアルミナ分散銅のＤＲ型電極とした。

試験片として、鋼板１、２ともに、板厚１．６ｍｍの１１８０ＭＰａ級二相組織裸鋼板を使用した。ＪＩＳ Ｚ３１３７に基づき溶接および引張試験を行った。スクイズ時間あるいはスロープ時間については特に設定しなかった。

そして、本発明例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて抵抗スポット溶接を行った。その際の通電パターンを、図２（ａ）に示す。第１ステップとして電流値ＩＡをＴＡの間通電し、ナゲットを形成した後、第２ステップ、第３ステップの通電をそれぞれ行った。通電終了後ガンが開き加圧力が０になるまでの保持時間は１サイクルに設定した。

一方、比較例（１）として、本通電のみで後熱通電を行わない抵抗スポット溶接、比較例（２）として一般的なテンパー通電を行った。

表１に、本発明例および各比較例の溶接条件と溶接結果を示す。まず、条件式に適合するかを評価し、適合した場合を○、適合しない場合を×とした。次に、継手強度の観点から、十字引張強度（ＣＴＳ、JISZ３１３７に記載される十字引張試験を行った際の破断荷重）を比較例（１）と比較し、1kN以上上回った場合を○、増加が1kN未満であった場合を△、下回った場合を×とした。なお、請求項１に基づく実施例は１、４、７、１０、１３、１６である．さらに、本通電終了後から最後の通電が終了するまでの時間が、比較例（２）と比較して、1/2未満に短縮された場合を◎、1/2以上であるが短縮されたものを○とした。本発明例においては、比較例（１）に比べて、十字引張強度の向上が認められた。

本発明の実施例２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、溶接ガンに取付けられたサーボモータ加圧式で単相交流（５０Ｈｚ）の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。なお、使用した一対の電極チップ（下の電極チップ４、上の電極チップ５）は、ともに図３に示すように、先端の曲率半径Ｒ４０ｍｍ、先端径６ｍｍを有するアルミナ分散銅のＤＲ型電極とした。

試験片として、鋼板１、２ともに、板厚１．６ｍｍの１１８０ＭＰａ級二相組織裸鋼板を使用した。ＪＩＳ Ｚ３１３７に基づき溶接および引張試験を行った。スクイズ時間あるいはスロープ時間については特に設定しなかった。

そして、本発明例として、上記の本発明の一実施形態に基づいて抵抗スポット溶接を行った。その際の通電パターンを、図２（ｂ）に示す。第１ステップとして電流値ＩＡをＴＡの間通電し、ナゲットを形成した後、第２ステップ、複数回の第３ステップの通電をそれぞれ行った。通電終了後ガンが開き加圧力が０になるまでの保持時間は１サイクルに設定した。

一方、比較例（１）として、本通電のみで後熱通電を行わない抵抗スポット溶接、比較例（２）として一般的なテンパー通電を行った。

表２に、本発明例および各比較例の溶接条件と溶接結果を示す。まず、条件式に適合するかを評価し、適合した場合を○、適合しない場合を×とした。次に、継手強度の観点から、十字引張強度（ＣＴＳ、JISZ３１３７に記載される十字引張試験を行った際の破断荷重）を比較例（１）と比較し、1kN以上上回った場合を○、増加が1kN未満であった場合を△、下回った場合を×とした。さらに、本通電終了後から最後の通電が終了するまでの時間が、比較例（２）と比較して、1/2未満に短縮された場合を◎、1/2以上であるが短縮されたものを○とした。本発明例においては、比較例（１）に比べて、十字引張強度の向上が認められた。

１ 下の鋼板
２ 上の鋼板
３ 板組
４ 下の電極チップ
５ 上の電極チップ
６ ナゲット
ｔ 総板厚（ｍｍ）
ｄ ナゲット径

Claims (3)

1. 二枚以上の鋼板を重ね合せた総板厚ｔ（ｍｍ）の板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、
   ナゲットを形成する第１ステップと、
   電極で加圧したまま、無通電で保持することにより溶接部を冷却した後、通電する第２ステップとを備え、
   前記第１ステップにおける通電時間ＴＡ（ｍｓ）、通電電流ＩＡ（ｋＡ）、第２ステップにおける通電時間ＴＢ（ｍｓ）、通電電流ＩＢ（ｋＡ）が、
   （１）及び（２）式を満足し、
   前記第２ステップの無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）が、板組の総板厚ｔ（ｍｍ）、前記ナゲットの径ｄ（ｍｍ）、前記溶接電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ^２）との関係で、
   （３）式を満足すること、
   を特徴とする抵抗スポット溶接方法。
   ０．０５＜（ＩＢ^２×ＴＢ）／（ＩＡ^２×ＴＡ）＜１．０・・・（１）
   ２０≦ＴＢ≦１００・・・（２）
   １０×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ＜Ｔｈ＜２００×（ｔ×ｄ^２）／Ｓ・・・（３）
   ただし、前記通電電流ＩＢ（ｋＡ）は、前記通電電流ＩＡ（ｋＡ）よりも高い。
2. 二枚以上の鋼板を重ね合せた総板厚ｔ（ｍｍ）の板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、
   ナゲットを形成する第１ステップと、
   電極で加圧したまま、無通電で保持することにより溶接部を冷却した後、通電する第２ステップと、
   該第２ステップの後、さらに、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電する第３ステップと、
   を備え、
   前記第１ステップにおける通電時間ＴＡ（ｍｓ）、通電電流ＩＡ（ｋＡ）、第２ステップにおける通電時間ＴＢ（ｍｓ）、通電電流ＩＢ（ｋＡ）が、
   （１）及び（２）式を満足し、
   前記第２ステップの無通電の保持時間Ｔｈ（ｍｓ）が、板組の総板厚ｔ（ｍｍ）、前記ナゲットの径ｄ（ｍｍ）、前記溶接電極の先端部面積Ｓ（ｍｍ ^２ ）との関係で、
   （３）式を満足し、
   前記第３ステップにおける無通電で保持する保持時間Ｔｈｃ（ｍｓ）、その後の通電の通電電流値ＩＣ（ｋＡ）及び通電時間ＴＣ（ｍｓ）が下記（４）〜（６）式を満足すること
   を特徴とする抵抗スポット溶接方法。
   ０．０５＜（ＩＢ ^２ ×ＴＢ）／（ＩＡ ^２ ×ＴＡ）＜１．０・・・（１）
   ２０≦ＴＢ≦１００・・・（２）
   １０×（ｔ×ｄ ^２ ）／Ｓ＜Ｔｈ＜２００×（ｔ×ｄ ^２ ）／Ｓ・・・（３）
   １０＜Ｔｈｃ＜Ｔｈ・・・（４）
   １．０≦（ＩＣ^２×ＴＣ）／（ＩＢ^２×ＴＢ）≦３．０・・・（５）
   ２０≦ＴＣ≦１００・・・（６）
3. 前記第３ステップの後、さらに、電極で加圧したまま無通電で保持することにより溶接部を冷却し、その後、通電するステップを複数備えることを特徴とする請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法。

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