JP5897770B2 - 抵抗スポット溶接電極、及びそれを利用した抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

抵抗スポット溶接電極、及びそれを利用した抵抗スポット溶接方法 Download PDF

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Description

本発明は、溶接電極及びそれを利用した溶接方法に係り、さらに詳細には、抵抗スポット溶接電極、及びそれを利用した抵抗スポット溶接方法に関する。
抵抗溶接法には、プロジェクション(projection)溶接、抵抗シーム(resistance seam)溶接、抵抗バット(resistance butt)溶接、バットシーム(butt seam)溶接、スポット(spot)溶接などがある。特に、電極の形状によって電流密度を高めるスポット溶接と溶接母材の形状によって電流密度を高めるプロジェクション溶接とが多く使われている。
しかし、従来の抵抗スポット溶接では、溶接過程でナゲットを大きく誘導するほど、高い接合強度を有するので、溶接電流を上げるか、通電時間を長くして、ナゲットを成長させようと試みるが、ナゲットが過度に大きくなれば、散り(expulsion)が発生して、ナゲット内部の溶融金属が2つの金属素材の間に爆発して飛んでしまうので、むしろ接合部の強度が落ちる問題点を有する。
これにより、本発明は、前述した問題点を解決するために案出されたものであって、通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるための抵抗スポット溶接電極、及び抵抗スポット溶接方法を提供する。このような本発明の課題は、例示的に提示され、したがって、本発明が、このような課題に制限されるものではない。
本発明の一観点による抵抗スポット溶接電極が提供される。前記抵抗スポット溶接電極は、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲む環状の突起構造体を含み、前記溶接母材と接触する前記突起構造体の端部は、曲率半径Rを有し、前記突起構造体は、下記の数式1ないし数式3の関係を満足する。ここで、w5は、前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の内径であり、w6は、前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の外径である。


前記抵抗スポット溶接電極で、前記突起構造体は、前記対向面の中央部を囲む環状の突起構造体を含みうる。
前記抵抗スポット溶接電極で、前記突起構造体は、前記突起構造体の前記端部の曲率半径Rは、下記の数式4の関係をさらに満足することができる。
前記抵抗スポット溶接電極で、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小さい。
前記抵抗スポット溶接電極で、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径と同一であり得る。
前記抵抗スポット溶接電極で、前記対向面の中心で前記溶接母材と逆方向に凹部が形成されうる。この場合、前記突起構造体の内径は、前記凹部の直径よりもさらに大きく、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小さいか、それと同じであり得る。または、前記突起構造体の内径は、前記凹部の直径と同一であり、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小さい。
前記突起構造体に対応する前記溶接母材にナゲット(nugget)が形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電がなされうる。
本発明の他の観点による抵抗スポット溶接方法が提供される。前記抵抗スポット溶接方法は、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲み、前記溶接母材と接触することができる端部が曲率半径Rを有し、前記数式1ないし数式3の関係を満足する突起構造体を備える第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の両面上にそれぞれ配置する段階と、前記第1抵抗スポット溶接電極を用いて前記溶接母材内にナゲットを形成する段階と、を含む。
前記抵抗スポット溶接方法で、前記突起構造体の前記端部の曲率半径Rは、前記数式4の関係をさらに満足することができる。
前記抵抗スポット溶接方法で、前記第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の両面上にそれぞれ配置する段階は、前記溶接母材の一面上に配された前記突起構造体と、前記溶接母材の他面上に配された前記突起構造体とを前記溶接母材を基準に互いに対応して対称的に配置する段階を含みうる。
前記抵抗スポット溶接方法で、前記溶接母材内にナゲットを形成する段階は、前記突起構造体に対応する前記溶接母材に前記ナゲットが形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電を行う段階を含みうる。
本発明のさらに他の観点による抵抗スポット溶接方法が提供される。前記抵抗スポット溶接方法は、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲み、前記溶接母材と接触することができる端部が曲率半径Rを有し、前記数式1ないし数式3の関係を満足する突起構造体を備える第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の一面上に配置する段階と、前記溶接母材と対向する対向面が平坦であり、前記溶接母材と直接接触する第2抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の他面上に配置する段階と、前記第1抵抗スポット溶接電極及び前記第2抵抗スポット溶接電極を用いて前記溶接母材内にナゲットを形成する段階と、を含む。
前記抵抗スポット溶接方法で、前記突起構造体の前記端部の曲率半径Rは、前記数式4の関係をさらに満足することができる。
前記抵抗スポット溶接方法で、前記溶接母材内にナゲットを形成する段階は、前記突起構造体に対応する前記溶接母材に前記ナゲットが形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電を行う段階を含みうる。
前記のようになされた本発明の一実施形態によれば、通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるための抵抗スポット溶接電極、及び抵抗スポット溶接方法を提供することができる。
本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接方法を図解する断面図である。 溶接母材の界面で発生したナゲットを図式的に図解した部分切開斜視図である。 本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接方法を図解する断面図である。 本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図である。 図4のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図である。 本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。 本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図である。 図7のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図である。 本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図である。 図10のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の引張強度を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の断面を図式的に図解した図面である。 表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の断面を図式的に図解した図面である。 本発明の実験例と比較するために、ドーム型電極の扁平部の直径が6mmの場合の溶接部の引張強度とナゲットのサイズとを評価した結果を図式的に図解した図面である。 本発明の実験例と比較するために、ドーム型電極の扁平部の直径が8mmの場合の溶接部の引張強度とナゲットのサイズとを評価した結果を図式的に図解した図面である。 本願の一実施形態による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した連続打点による溶接部の引張強度を図式的に図解した図面である。 ドーム型電極を使って抵抗スポット溶接を行った後、引張せん断試験を評価した条件及び結果を図式的に図解した図面である。 ドーム型電極を使って抵抗スポット溶接を行った後、引張せん断試験を評価した溶接部の断面写真を図式的に図解した図面である。 本願の一実施形態による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した引張せん断強度、溶接部の圧痕、溶接部の断面写真、ピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を図解する断面図である。 突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の表面を図式的に図解した図面である。 突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の表面を図式的に図解した図面である。 突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の引張強度を図式的に図解したグラフである。 突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数によるピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号11ないし22による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の引張強度を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号11ないし22による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号11ないし22による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号11ないし22による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号11ないし22による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号23ないし26による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の引張強度を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号23ないし26による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面である。 表2の実験番号23ないし26による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。
以下、添付図面を参照して、本発明による望ましい実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され、単に本実施形態は、本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面で、構成要素は、説明の便宜上、その大きさが誇張または縮小されうる。
本実施形態を説明する過程で言及する“上の”または“下の”のような用語は、図面で図解されているように、他の要素に対するある要素の相対的な関係を記述するために使われる。すなわち、相対的用語は、図面で描写される方向と別途に構造体の他の方向を含むものと理解されることもある。例えば、図面で構造体の上下がひっくり返されれば、他の要素の上面上に存在するものと描写される要素は、前記他の要素の下面上に方向を有する。したがって、例として挙げた“上の”という用語は、図面の特定の方向に依存して“上の”及び“下の”方向いずれもを含みうる。
また、本実施形態を説明する過程で、如何なる構成要素が他の構成要素“上に”位置するか、他の構成要素に“(電気的に)連結”されると言及する時は、前記構成要素は、前記他の構成要素の直上に位置するか、前記他の構成要素に直接(電気的に)連結されることを意味するが、さらに、1つまたは2つ以上の介在する構成要素が、その間に存在することをも意味する。しかし、如何なる構成要素が他の構成要素の“直上に”位置するか、他の構成要素に“直接(電気的に)連結”されるか、または他の構成要素に“直接接触”すると言及する時は、別途の言及がなければ、その間に介在する構成要素が存在しないということを意味する。
以下の実施形態で、x軸、y軸及びz軸は、直交座標系上の3つの軸に限定されず、それを含む広い意味として解釈されうる。例えば、x軸、y軸及びz軸は、互いに直交してもよく、互いに直交しない互いに異なる方向を称してもよい。
図1は、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接方法を図解する断面図であり、図2は、溶接母材の界面で発生したナゲットを図式的に図解した部分切開斜視図である。
図1及び図2を参照すれば、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接方法で、一対の抵抗スポット溶接電極20が溶接母材12、14の上面及び下面上に対称的に配される。抵抗スポット溶接は、上下の電極20間に導電性の溶接母材12、14を重ねて配置した後で、適切な圧力を印加した状態で一定時間上下の電極20に電圧を供給して、溶接母材12、14に電流を通電させて溶接する方法である。電流の経路のうち、2つの溶接母材12、14の界面15で抵抗が相対的に高いので、適切な条件下では、溶接母材12、14の界面15で抵抗発熱による溶融混合領域であるナゲット16が発生する。
抵抗スポット溶接でナゲット16のサイズは、接合強度と比例すると知られている。ナゲット16を拡大するためには、通電面積を増大することが最も効果的である。通電面積が広くなれば、電流密度が低くなって、同じ溶接電流で溶融が発生しなくなる。したがって、通電面積を広げてナゲット16を成長させようとすれば、面積に比例する量ほど溶接電流をさらに増加させなければならない。しかし、ナゲット16が大きくなれば、より大きくなった溶融物質に圧力が加えられ、また電流の二乗に比例する電磁気力によって溶融物質が爆発する散りが発生して、むしろ接合強度が低くなる。溶融領域が一箇所にのみ発生して、電磁気力や圧力のような外力が作用する時、容易に爆発する原因を提供し、爆発が発生すれば、ナゲット16の相当量の溶融物質が溶接母材12、14の間に飛散して、ナゲット16の一部領域に大きな気孔が発生しうる。
したがって、抵抗スポット溶接において、最も重要な制御技術は、ナゲット16を大きく成長させることと散りとを抑制することである。本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接方法では、通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるための抵抗スポット溶接電極20を提供する。
抵抗スポット溶接電極20は、溶接母材12、14と対向する対向面25上に突出する突起構造体24を含む。対向面25は、抵抗スポット溶接電極の下面に該当するが、溶接母材12、14と直接接触せず、所定の距離を置いて溶接母材12、14と離隔している。
対向面25上に突出する突起構造体24は、対向面25の少なくとも一部、例えば、対向面25の中央部を囲む構造を有しうる。一例として、突起構造体24は、対向面25の中心を囲む環状の突起構造体を含みうる。しかし、本発明の技術的思想による突起構造体は、環状の突起構造体に限定されず、任意の形状を有しうるが、例えば、対向面25の中心を囲む楕円形、多角形または非定型の突起構造体を含みうる。一方、突起構造体24は、対向面25の中央部を連続して、または不連続的に囲みうる。
突起構造体24は、対向面25から突出して延びる第1部分24aと溶接母材12、14と直接接触される第2部分24bとを含みうる。突起構造体24の第1部分24aは、対向面25と直ちに連結される部分である。一方、突起構造体24の第2部分24bは、第1部分24aと溶接母材12、14との間に介在され、溶接母材12、14と接触することができる部分に対応し、突起構造体24の端部に該当する。この際、突起構造体24の端部に該当する第2部分24bは、平らな面を有さず、ラウンド(round)状を有する。変形された実施形態で、突起構造体24は、第1部分24aがなしにラウンド状を有した第2部分24bのみで構成することもできる。
突起構造体24を通じて溶接母材12、14に圧力が印加され、接触通電がなされる。溶接母材12、14の界面15に発生するナゲット16は、溶接母材12、14の上下に対称的に配された突起構造体24間に対応して位置しうる。突起構造体24は、対向面25の中心から離隔して突出した構造体を含みうる。
抵抗スポット溶接電極20は、対向面25で溶接母材12、14と逆方向にリセス(recess)された凹部22が形成されうる。凹部22は、突起構造体24内の対向面25の特定位置、例えば、対向面25の中心で、溶接母材12、14と逆方向に伸びるように抵抗スポット溶接電極20のボディー部26内に形成されうる。凹部22は、溶接母材12、14と接触するか、隣接した抵抗スポット溶接電極20の部分が汚染された場合に行われるドレッシング工程を容易にする。
一般的に、抵抗スポット溶接を繰り返して行えば、発生する高熱によって抵抗スポット溶接電極20の対向面25と突起構造体24の表面とに汚染皮膜が形成されうる。ドレッシング工程は、前記汚染皮膜を研磨して除去する工程を含む。このようなドレッシング工程を行うためのドレッシング装置(図示せず)は、抵抗スポット溶接電極20の対向面25と突起構造体24とを前記ドレッシング装置の収容部内に収容した後で、高速で回転して抵抗スポット溶接電極20の対向面25と突起構造体24とに形成された汚染皮膜を研磨して除去することができる。
しかし、突起構造体24の内部に、例えば、対向面25の中心部上に、形成された汚染皮膜は、突出した突起構造体24によって研磨されて除去することが容易ではない。これは、対向面25上に突出した突起構造体24に起因して、ドレッシング装置の研磨部が対向面25の中心部と接触することが容易ではないためである。このような点を考慮する時、対向面25の中心で溶接母材12、14と逆方向に伸びるように、抵抗スポット溶接電極20のボディー部26内に形成された凹部22がある場合、少なくとも凹部22が形成された部分では、汚染皮膜を除去する必要がないので、ドレッシング工程を相対的に容易にする。
一方、抵抗スポット溶接電極20は、溶接母材12、14に圧力を印加し、電流を供給できるように構成された所定の装置部28をさらに含みうる。
図3は、本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接方法を図解する断面図である。
図3を参照すれば、本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接方法で溶接母材12上に第1抵抗スポット溶接電極20が配され、溶接母材14上に第2抵抗スポット溶接電極30が配される。第1抵抗スポット溶接電極20は、図1で説明した抵抗スポット溶接電極20と同一である。第2抵抗スポット溶接電極30は、溶接母材14と直接接触する対向面35が突起構造体を有さないながらも、全面に亙って平坦な(flat)構造を有しうる。すなわち、第2抵抗スポット溶接電極30は、第1抵抗スポット溶接電極20と異なって、突起構造体を有さない。第2抵抗スポット溶接電極30の装置部38、凹部32は、第1抵抗スポット溶接電極20の装置部28、凹部22と同一なので、重複説明は省略する。
本発明の変形された実施形態による抵抗スポット溶接方法では、溶接母材12、14の上面及び下面のうちから何れか1つの面と接触する抵抗スポット溶接電極でのみ端部がラウンド状を有する突起構造体を提供することができる。このような抵抗スポット溶接方法でも、通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく改善することができるということを確認した。
以下、本発明の多様な実施形態による抵抗スポット溶接電極の構成と、これによる実験例を提供する。但し、下記の実験例は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明が、下記の実験例によって限定されるものではない。
図4は、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図であり、図5は、図4のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図であり、図6は、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。
図4ないし図6を参照すれば、抵抗スポット溶接電極20は、対向面25の中心に第1長さw1を直径とする凹部22が形成される。対向面25上で第4長さw4を高さとし、第3長さw3を断面の幅として有する突起構造体24が提供される。突起構造体24は、第1距離w1の内径を有し、第6距離w6の外径を有する。突起構造体24の第1部分24aは、対向面25と直ちに連結される部分である。突起構造体24の第1部分24aの断面(zx平面に平行な断面)の直径は、第3長さw3に該当する。突起構造体24の第2部分24bは、第1部分24aと溶接母材との間に介在され、突起構造体24の端部に該当し、ラウンド状を有する。抵抗スポット溶接電極20の全体外径は、第8距離w8を有する。第8距離w8と第6距離w6との差は、第7距離w7の2倍に該当する。突起構造体24の外径w6は、対向面25の直径w8よりも小さい。
図4ないし図6による本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接電極で、突起構造体24の内径は、凹部22の直径(すなわち、第1長さw1)と同一になるように、凹部22の側面と突起構造体24の側面は、同一面を形成する。
図7は、本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図であり、図8は、図7のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図であり、図9は、本発明の他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。
図7ないし図9を参照すれば、抵抗スポット溶接電極20は、対向面25の中心に第1長さw1を直径とする凹部22が形成される。突起構造体24は、凹部22の側面で第2長さw2ほど離隔して配される。対向面25上で第4長さw4を高さとし、第3長さw3を断面の幅として有する突起構造体24が提供される。突起構造体24は、第5距離w5の内径を有し、第6距離w6の外径を有する。突起構造体24の第1部分24aは、対向面25と直ちに連結される部分である。突起構造体24の第1部分24aの断面(zx平面に平行な断面)の直径は、第3長さw3に該当する。突起構造体24の第2部分24bは、第1部分24aと溶接母材との間に介在され、突起構造体24の端部に該当し、ラウンド状を有する。突起構造体24の第2部分24bは、一定の曲率半径Rを有する。突起構造体24の第2部分24bのこのような曲率半径Rは、図4及び図10でも適用可能である。抵抗スポット溶接電極20の全体外径は、第8距離w8を有する。第8距離w8と第6距離w6との差は、第7距離w7の2倍に該当する。
図7ないし図9による本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極で、突起構造体24の内径である第5距離w5は、凹部22の直径である第1長さw1よりもさらに大きく、突起構造体24の外径である第6距離w6は、抵抗スポット溶接電極20の全体外径である第8距離w8よりもさらに小さいように、突起構造体24が構成される。
図10は、本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する断面図であり、図11は、図10のQ−Qラインに沿って切り取った断面を図解する断面図であり、図12は、本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極を図解する切開斜視図である。
図10ないし図12を参照すれば、抵抗スポット溶接電極20は、対向面25の中心に第1長さw1を直径とする凹部22が形成される。突起構造体24は、凹部22の側面で第2長さw2ほど離隔して配される。対向面25上で第4長さw4を高さとし、第3長さw3を断面の幅として有する突起構造体24が提供される。突起構造体24は、第5距離w5の内径を有し、第6距離w6の外径を有する。突起構造体24の第1部分24aは、対向面25と直ちに連結される部分である。突起構造体24の第1部分24aの断面(zx平面に平行な断面)の直径は、第3長さw3に該当する。突起構造体24の第2部分24bは、第1部分24aと溶接母材との間に介在され、突起構造体24の端部に該当し、ラウンド状を有する。
図10ないし図12による本発明のさらに他の実施形態による抵抗スポット溶接電極で、突起構造体24の内径である第5距離w5は、凹部22の直径である第1長さw1よりもさらに大きく、突起構造体24の外径である第6距離w6は、抵抗スポット溶接電極20の全体外径と同一になるように、突起構造体24が構成される。
表1は、本発明の多様な実施形態による抵抗スポット溶接電極の構成及び抵抗スポット溶接方法の構成を具現した実験例を表わしたものである。本発明による抵抗スポット溶接方法は、少なくとも1つの第1抵抗スポット溶接電極20を含むが、表1では、便宜上、ラウンド電極と表示した。第1抵抗スポット溶接電極20の構成要素に対する寸法である第1長さw1ないし第8長さw8も共に表示した。表1で記載した寸法の単位は、ミリメートル(mm)である。
図13は、表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の引張強度を図式的に図解した図面であり、図14A及び図14Bは、表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面であり、図15A及び図15Bは、表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテスト(peel test)の結果を図式的に図解した図面であり、図16A及び図16Bは、表1による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の断面を図式的に図解した図面である。
一方、図17A及び図17Bは、本発明の実験例と比較するために、ドーム型電極の扁平部の直径がそれぞれ6mm及び8mmである場合の溶接部の引張強度とナゲットのサイズとを評価した結果を図式的に図解した図面である。
図13ないし図17Bを参照して説明する本発明の実験例と比較例で、溶接母材は、1180MPa級超高強度メッキ鋼板(GA)1.2mm厚さの素材を使い、この鋼板の最小引張せん断強度は、9.7kNである。加圧力は、300Kgfを印加し、溶接時間は、21cycleの条件を適用した。
まず、図17Aを参照すれば、扁平部の直径が6mmである場合、適正溶接電流の範囲が6〜7kAで溶接部の引張せん断強度が10.2〜12.7kNであることを確認することができた(規格要求強度10.7kN)。溶接電流が8kAになれば、散りが発生するということが分かる。一方、図17Bを参照すれば、扁平部の直径が8mmである場合、接触面積が増加するにつれて、適正溶接電流の区間が7〜8kAに増加するということが分かり、またナゲットのサイズが増加するにつれて、引張せん断強度も、約14kNまで増加するということが分かる。しかし、ナゲットの成長は、散りの発生と密接して溶接電流が9kAになれば、散りが発生する。したがって、ナゲットをさらに大きく成長させようとしても、散りが発生して、強度増加に制約がかかることが分かる。
次いで、図14A及び図14Bを参照すれば、環状の突起構造体を含む電極形状全体が溶接母材に接触、通電されていない部分が多くあるということが分かる。しかし、図13でのように、引張せん断強度の評価結果によれば、接触通電が多少少なくとも、全体的な溶接の面積と長さとが増加するために、強度値は顕著に上昇するということが分かる。特に、一部適正区間では、従来の引張せん断強度の2倍以上の値を表わすということが分かり、また、散りが発生する領域においても、溶融金属が一箇所に凝集されていないために、飛散して飛ばされる量も少なくなって、強度の低下が全く発生しないことが分かる。一方、図17A及び図17Bで示された比較例に比べて、適正溶接区間が非常に広くなって、最適溶接条件の選定による品質偏差も非常に少なくなるということが分かる。
一方、図16A及び図16Bを参照すれば、溶融部位が環状電極の環状に溶融されるために、断面写真では、中心部の溶融はなく、中心を対称に両側に溶融されたナゲットが存在することが分かる。溶接電流の増加と共に、ナゲットが成長し、特に、中心方向に成長も発生するために、環状突起の直径が小さい場合、中心部の溶融を誘発することもできる。しかし、本発明は、中心の溶融を可能な限り起こさないようにしながら、総ナゲットの面積を大きく作って、溶接部の引張せん断強度を増加させることであって、技術的意義がある。
図15A及び図15Bを参照すれば、溶接後、破断形状を見るためのピールテストした結果を示し、それによれば、ほとんどの溶接において、ボタン(button)破断が発生した。これは、母材または熱影響部で破断が発生したことを意味し、従来のドーム型電極を使って1180MPa級超高強度メッキ鋼板を溶接した時、よく発生する2つの試験片の界面が分離される界面破断の発生がほとんどない。
図18は、本願の一実施形態による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した連続打点による溶接部の引張強度を図式的に図解した図面である。評価試片は、表1の実験番号8による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて980MPa級超高強度メッキ鋼板の連続打点抵抗スポット溶接試験を行った。
図18を参照すれば、従来の6mmドーム型電極の場合、500打点になるまで、14kN程度の強度を有することが分かるが、本実施形態による電極は、17〜18kNで380打点まで高い強度を有することが分かる。現場では、250打点ごとに電極をドレッシングするので、380打点まで高強度を有すれば、現場適用性でも問題がない。
前述した内容のように、一定直径を有する環状の突起状を有する抵抗スポット溶接電極は、既存の電極に比べて、鋼板の溶接部の強度が著しく優れていることを確認することができた。以下、これを検証することができる他の比較例を説明する。
図19Aは、従来のドーム型電極を使って抵抗スポット溶接を行った後、引張せん断試験を評価した条件及び結果を図式的に図解した図面であり、図19Bは、従来のドーム型電極を使って抵抗スポット溶接を行った後、引張せん断試験を評価した溶接部の断面写真を図式的に図解した図面である。前記評価で使った溶接母材は、440MPa級1.2mmtのメッキ鋼板である。
図20は、本願の一実施形態による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した引張せん断強度、溶接部の圧痕、溶接部の断面写真、ピールテストの結果を図式的に図解した図面である。評価試片は、表1の実験番号9による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて440MPa級1.2mmtをメッキ鋼板で行った。
全般的に、溶接部の引張せん断強度は、ほぼ7.5kNに比べて、12kN程度なので、比較例に比べて、60%程度の強度が増加するということが分かる。また、破断形状も、ボタン破断がよく発生し、溶接部の断面は、中心部位が溶接されず、環状の突起部分が溶接されて、全体的に強度を増加させることが分かる。結果的に、一定直径を有する環状の突起状を有する抵抗スポット溶接電極は、既存の電極に比べて、低強度及び高強度鋼板の溶接部の強度が著しく優れていることが分かる。
一方、発明者は、突起構造体を有する抵抗スポット溶接電極でも、突起構造体の端部の形状によって連続打点による電極の寿命、溶接部の引張強度、溶接部の接合状態が顕著に影響を受けることを見つけた。突起構造体の端部が扁平状である時よりもラウンド状を有する場合で、連続打点による電極の寿命、溶接部の引張強度及び溶接部の接合状態の側面で有利であることを確認した。
図21は、突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を図解する断面図であり、図22Aは、突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の表面を図式的に図解した図面であり、図22Bは、突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の表面を図式的に図解した図面であり、図22Cは、突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数による溶接部の引張強度を図式的に図解したグラフであり、図22Dは、突起構造体の端部の形状が平らな抵抗スポット溶接電極を利用した連続打点電極寿命評価で打点数によるピールテストの結果を図式的に図解した図面である。
図21を参照すれば、抵抗スポット溶接電極21は、溶接母材と対向する対向面25から突出した突起構造体24を含む。突起構造体24の端部24bは、溶接母材と広い面積を有し、接触できるように平らな面を有する。溶接母材は、1180MPa級超高強度メッキ鋼板(GA)1.2mmt厚さの素材を使い、この鋼板の最小引張せん断強度は、9.7kNである。溶接電流は、12kAであり、加圧力は、300Kgfを印加し、溶接時間は、21cycleの条件を適用した。まず、連続打点試片に30mm間隔で7回溶接を行い、8打点以後にピールテストを行い、9打点以後にナゲットサイズを評価し、10打点以後に溶接部の引張強度を評価した。このような作業を繰り返して、最大200打点の溶接を行った。
図22A及び図22Bを参照すれば、図21の環状の突起構造体を含む電極形状全体が溶接母材に接触、通電されていない部分が多くあるということが分かる。また、図22Cでのように、引張せん断強度の評価結果によれば、溶接部の引張強度が連続打点数によって一定していない問題点を露出した。結局、全体的な溶接の面積と長さとが増加することができなかったと推定され、散りが発生する領域においても、溶融金属が一箇所に凝集されていて、飛散して飛ばされる量が多くて、強度の低下が発生すると推定される。また、適正溶接区間が非常に狭くて、溶接条件の選定による品質偏差も非常に大きく表われる問題点を有している。図22Dを参照すれば、あらゆる打点で界面破断が発生することを確認することができたが、これは、抵抗スポット溶接工程で接合状態が改善されなければならない余地が多いことを意味する。結局、環状の突起構造体の端部が扁平状よりもラウンド状を有する時、抵抗スポット溶接の品質が顕著に改善されることを確認することができた。
表2は、本発明の多様な実施形態による抵抗スポット溶接電極の構成を具現した他の実験例を表わしたものである。表2のような実験例で、抵抗スポット溶接電極20は、図7ないし図9に示された構成を適用し、抵抗スポット溶接方法は、図1に示された構成を適用した(もちろん、本実験例による技術的思想が、図1に示された構成に限定されるものではなく、図3に示された構成に適用されることもある)。表2に開示された抵抗スポット溶接電極20の構成要素に対する寸法である第1長さw1ないし第12長さw12及び突起構造体24の半径Rの単位は、ミリメートル(mm)である。
本発明者は、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させる抵抗スポット溶接電極の突起構造体の形態を下記の数式1ないし数式4によって提案しようとし、これを表2による多様な実験例で具体的に確認した。下記の数式で、w5は、抵抗スポット溶接電極20の対向面25の中心を基準とする突起構造体24の内径であり、w6は、抵抗スポット溶接電極20の対向面25の中心を基準とする突起構造体24の外径であり、Rは、突起構造体24の端部の曲率半径である。
数式1によれば、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させる抵抗スポット溶接電極の突起構造体の形態を具現するために、突起構造体24の内径w5は、突起構造体24の外径w6に比べて、25%以上であるものが要求される。表2に表われた実験例によれば、実験番号11ないし実験番号24、及び実験番号26が、数式1の条件を満足する。
一方、突起構造体24の内径w5は、突起構造体24の外径w6に比べて、25%未満である場合は、表2の実験番号25の条件で溶接試験した。その結果を、図26、図26A及び図27Bにそれぞれ示した。結果を説明すれば、図26で溶接が全くなされなくて、引張強度がほとんどない結果を示し、図27Aで溶接部に圧痕がほとんど発生せず、図27Bで母材が分離されて結果を示すことができない程度の問題が発生した。
また、数式2によれば、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させる抵抗スポット溶接電極の突起構造体の形態を具現するために、突起構造体24の内径w5は、4mm以上であり、同時に突起構造体24の外径w6よりは小さなものが要求される。表2に表われた実験例によれば、実験番号11ないし実験番号24、及び実験番号26が、数式2の条件を満足する。
突起構造体24の内径w5が4mm未満である場合には、実際適用性に問題が発生することを確認したが、具体的に説明すれば、表1の実験番号1の場合、突起部分が折れる結果が発生し、表1の実験番号2の場合、突起部分が溶接部に埋め込まれて、溶接後、抜け出すことができない結果を引き起こす問題点が発生した。
また、数式3によれば、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させる抵抗スポット溶接電極の突起構造体の形態を具現するために、突起構造体24の厚さ(すなわち、突起構造体24の外径w6と突起構造体24の内径w5との差の半分)は、2mm〜4mmの範囲を有するものが要求される。表2に表われた実験例によれば、実験番号15ないし実験番号24及び実験番号26が、数式3の条件を満足する。
突起構造体24の厚さが2mm未満である場合には、表2の実験番号11、12、13、14及び25の条件で溶接実験した。これについての溶接実験の結果を、図24Aに示した。図24A及び図27Aから分かるように、これら条件では、溶接がよくできないか、あるいは適正溶接区間が非常に狭く、溶接部の強度も相対的に非常に低く表われていることが分かる。
さらに、数式4によれば、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させる抵抗スポット溶接電極の突起構造体の形態を具現するために、突起構造体24の端部の曲率半径Rは、前記突起構造体24の厚さの半分よりも大きく、前記突起構造体24の厚さ以下であるものが要求される。表2に表われた実験例によれば、実験番号15ないし実験番号22が、数式4の条件を満足する。
突起構造体24の端部の曲率半径Rが、前記突起構造体24の厚さの半分以下である場合には、突起構造体24上にまた1つの突起を形成して、溶接時、曲率部(図7の24b)だけではなく、突起部分(図7の24a)まで接触が発生して、溶接品質に重大な影響を及ぼす。一方、曲率半径が、前記突起構造体24の厚さよりも大きな場合に対して、表2の実験番号23、24、25、26のように実験した。その結果を、図26と図27A、図27Bとに整理した。結果を説明すれば、突起構造体24の厚さw3が相対的に厚い場合で、曲率を全く与えない場合(実験番号23)は、図26でのように、溶接がほとんど行われず、引張強度が非常に低いことが分かる。また、例えば、実験番号24ないし26のように、10または100の値を有する曲率半径でも、引張強度はある程度高い値を有するが、適正溶接範囲が非常に狭く、他の適正な曲率半径(実験番号15ないし実験番号22)での結果に比べて、相対的に低い強度を表わすことが分かる。
表2による多様な形態の抵抗スポット溶接電極を利用した溶接部の引張強度、溶接部の表面様態、溶接部のピルテストの結果を下記で説明する。
図23は、表2による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の引張強度を図式的に図解した図面であり、図24A及び図24Bは、表2による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部の表面写真を図式的に図解した図面であり、図25A及び図25Bは、表2による抵抗スポット溶接方法及び電極を用いて評価した溶接部のピールテストの結果を図式的に図解した図面である。
図23ないし図25Bを参照して説明する本発明の実験例で、溶接母材は、GI980CP鋼板で1.0mm厚さの素材を使い、この鋼板に要求される引張強度は、6.6kNである。加圧力は、300Kgfを印加し、溶接時間は、21cycleの条件を適用した。
まず、図23を参照すれば、表2の実験番号11及び実験番号12による抵抗スポット溶接電極を使った場合、溶接電流が16kA〜18kAである場合でも、引張強度の要求条件を満足することができないことを確認した。一方、表2の実験番号15ないし実験番号22による抵抗スポット溶接電極を使った場合、適正溶接電流の範囲で引張強度の要求条件をほとんど満足することを確認した。一方、表2の実験番号13ないし実験番号22による抵抗スポット溶接電極を使った場合、溶接電流が高い条件で一部散りが発生することがあるが、ボタン破断が同時に表われるので、界面破断が発生しないことを確認することができた。
一方、図24A及び図24Bを参照すれば、環状の突起構造体を含む電極形状全体が溶接母材に接触、通電されていない部分があっても、図23でのように、引張せん断強度の評価結果によれば、接触通電が多少少なくとも全体的な溶接の面積と長さとが増加するために、強度値は顕著に上昇するということが分かる。また、散りが発生する領域においても、溶融金属が一箇所に凝集されていないために、飛散して飛ばされる量も少なくなって、強度の低下が全く発生しないことが分かる。
図25A及び図25Bを参照すれば、溶接後、破断形状を見るためのピールテストした結果を表わし、それによれば、表2の実験番号13ないし実験番号22の溶接において、ボタン破断が発生した。これは、母材または熱影響部で破断が発生したことを意味し、従来の電極を使ってGI980CP鋼板を溶接した時、よく発生する2つの試験片の界面が分離される界面破断の発生がほとんどなかった。但し、表2の実験番号11及び実験番号12では、溶接電流がそれぞれ22kA及び19kAである場合でボタン破断が発生せずとも、散りが発生したので、界面破断が発生すると確認した。
前述した内容を整理すれば、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるために、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極で突起構造体24の内径w5は、突起構造体24の外径w6に比べて、25%以上であるものが要求されている。または、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極で突起構造体24の内径w5は、4mm以上であり、同時に突起構造体24の外径w6よりは小さなものが要求されている。または、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極で突起構造体24の厚さ(すなわち、突起構造体24の外径w6と突起構造体24の内径w5との差の半分)は、2mm〜4mmの範囲を有するものが要求されている。さらに、通電面積を拡大しながらも、同時に散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるために、本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接電極で突起構造体24の端部の曲率半径Rは、前記突起構造体24の厚さの半分よりも大きく、前記突起構造体24の厚さ以下であるものが要求されている。
発明の特定の実施形態についての以上の説明は、例示及び説明を目的として提供された。したがって、本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で当業者によって、前記実施形態を組み合わせて実施するなどさまざまな多くの修正及び変更が可能であるということは明白である。
本発明は、抵抗スポット溶接電極、及びそれを利用した抵抗スポット溶接方法関連の技術分野に適用可能である。
20:抵抗スポット溶接電極
24:突起構造体
24b:突起構造体の端部
12、14:溶接母材
16:ナゲット

Claims (9)

  1. 通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるために、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲む環状の突起構造体を含み、
    前記突起構造体は、前記対向面に平行な方向への断面直径が一定に延びる第1部分と、前記第1部分の端部に形成されて、前記溶接母材に接触される部分であって、曲率半径Rを有する第2部分と、を含み、
    溶接の繰り返し遂行によって発生した汚染皮膜を除去するドレッシング工程を容易にするために、前記対向面の中心で前記溶接母材と逆方向に凹部が形成され、
    前記突起構造体に対応する前記溶接母材にナゲットが形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電がなされ、
    前記突起構造体は、下記の数式1ないし数式4の関係を同時にいずれも満足する抵抗スポット溶接電極。

    w5:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の内径
    w6:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の外径
  2. 前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小径である請求項1に記載の抵抗スポット溶接電極。
  3. 前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径と同径である請求項1に記載の抵抗スポット溶接電極。
  4. 前記突起構造体の内径は、前記凹部の直径よりもさらに大きく、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小径である請求項に記載の抵抗スポット溶接電極。
  5. 前記突起構造体の内径は、前記凹部の直径よりもさらに大きく、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径と同径である請求項に記載の抵抗スポット溶接電極。
  6. 前記突起構造体の内径は、前記凹部の直径と同一であり、前記突起構造体の外径は、前記対向面の外径よりもさらに小径である請求項に記載の抵抗スポット溶接電極。
  7. 通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるために、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲む環状の突起構造体を含み、前記突起構造体は、前記対向面に平行な方向への断面直径が一定に延びる第1部分と、前記第1部分の端部に形成されて、前記溶接母材に接触される部分であって、曲率半径Rを有する第2部分と、を含み、溶接の繰り返し遂行によって発生した汚染皮膜を除去するドレッシング工程を容易にするために、前記対向面の中心で前記溶接母材と逆方向に凹部が形成され、前記突起構造体に対応する前記溶接母材にナゲットが形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電がなされ、前記突起構造体は、下記の数式1ないし数式4の関係を同時にいずれも満足する第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の両面上にそれぞれ配置する段階と、
    前記第1抵抗スポット溶接電極を用いて前記溶接母材内にナゲットを形成する段階と、
    を含む抵抗スポット溶接方法。

    w5:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の内径
    w6:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の外径
  8. 前記第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の両面上にそれぞれ配置する段階は、
    前記溶接母材の一面上に配された前記突起構造体と、前記溶接母材の他面上に配された前記突起構造体とを前記溶接母材を基準に互いに対応して対称的に配置する段階を含む請求項に記載の抵抗スポット溶接方法。
  9. 通電面積を拡大しながらも、散りの発生を最小化させ、同時に溶接部の強度を大きく増加させるために、溶接母材と対向する対向面上に突出し、前記対向面の中央部を囲む環状の突起構造体を含み、前記突起構造体は、前記対向面に平行な方向への断面直径が一定に延びる第1部分と、前記第1部分の端部に形成されて、前記溶接母材に接触される部分であって、曲率半径Rを有する第2部分と、を含み、溶接の繰り返し遂行によって発生した汚染皮膜を除去するドレッシング工程を容易にするために、前記対向面の中心で前記溶接母材と逆方向に凹部が形成され、前記突起構造体に対応する前記溶接母材にナゲットが形成されるように、前記突起構造体を通じて前記溶接母材に圧力が印加され、接触通電がなされ、前記突起構造体は、下記の数式1ないし数式4の関係を同時にいずれも満足する第1抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の一面上に配置する段階と、
    前記溶接母材と対向する対向面が平坦であり、前記溶接母材と直接接触する第2抵抗スポット溶接電極を前記溶接母材の他面上に配置する段階と、
    前記第1抵抗スポット溶接電極及び前記第2抵抗スポット溶接電極を用いて前記溶接母材内にナゲットを形成する段階と、
    を含む抵抗スポット溶接方法。

    w5:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の内径
    w6:前記対向面の中心を基準とする前記突起構造体の外径
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