JP6065564B2

JP6065564B2 - スポット溶接方法

Info

Publication number: JP6065564B2
Application number: JP2012269367A
Authority: JP
Inventors: 耕二郎田中
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014113616A

Description

本発明は、異種金属部材同士のスポット溶接方法に関する。

従来から、車体構造体において、鋼板とアルミニウム合金板を組み合わせることで軽量化を図ることが考えられている。この場合、異材の接合技術が必要となるが、一つの手法として従来から自動車の組み立てに多用されるスポット溶接の研究が進められている。

しかし、アルミニウム合金板と鋼板とは、融点、熱伝導率、抵抗等の物性値が相互に大きく異なるため、通常のスポット溶接方法では、アルミニウム合金板と鋼板とを良好に接合することが難しく、アルミニウム合金板の電食も懸念される。そこで近年では、例えば特許文献１に開示されるように、接着剤を併用した、所謂ウェルドボンド法等の手法が考えられている。この方法によれば、アルミニウム合金板と鋼板とを溶接する場合でも、通常のスポット溶接だけの場合に比べて接合強度を改善でき、また、疲労特性、剛性等も改善することが可能となる。

特開２００９−１９００５１号公報

ところが、ウェルボンド法では、鋼板とアルミニウム合金板との間に予め接着剤を塗布しておく必要があり、この場合、溶接ポイント毎の接着剤の塗布量（重量、厚み）を一定に保つことは難しく、塗布量のバラツキによって各溶接ポイントの接合強度にもバラツキが生じている。従って、接着剤を用いることなく、スポット溶接によりアルミニウム合金板と鋼板とをより良好に接合できるようにすることが望まれる。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、アルミニウム合金等の軽金属板と鋼板とのスポット溶接による接合強度を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明のスポット溶接方法は、異種金属部材同士をスポット溶接する方法であって、鋼製の第１パネル部材と前記第１パネル部材よりも低融点を有する軽金属製の第２パネル部材とを準備する準備工程と、前記第１パネル部材と前記第２パネル部材とを、間にスペーサを介在させた状態で重ね合わせ、前記スペーサの介在により前記第１パネル部材と前記第２パネル部材との間に所定寸法の隙間が形成される状態とする重層工程と、前記両パネル部材を一対の電極により挟持して加圧し、該挟持された部分で前記第１パネル部材の一部と前記第２パネル部材の一部とが接触し、その周辺部分に前記隙間の一部が残るようにする加圧工程と、前記一対の電極に電流を供給することにより両パネル部材を接合する溶接工程と、を含み、前記重層工程では、前記第１パネル部材又は前記第２パネル部材の主面に直交する方向からの平面視において、前記加圧工程で前記一対の電極により挟持して加圧する加圧領域の周囲領域に前記スペーサを配置し、前記スペーサにおける前記加圧領域側の縦壁部により前記隙間が形成され、前記重層工程で用いる前記スペーサは、前記縦壁部が前記加圧工程における前記加圧の方向に沿うものであり、前記加圧工程では、前記加圧の力に対して、前記縦壁部の抗力により前記隙間の一部が残り、前記溶接工程では、前記電極に対して複数のステップに分けて断続的に電流を供給するとともに、各ステップの電流値を漸増させ、前記溶接工程の後に前記スペーサを除去するようにしたものである。

この方法によれば、各パネル部材が一度に過剰に加熱することなく各パネル部材の加熱量が増大し、これにより散りの発生が抑制されることに加え、溶接過程で、第１パネル部材と第２パネル部材とが電極の部分でのみ互いに接触し、その周囲に隙間が形成された状態で両パネル部材の加熱が進行することで、電極を中心として、融点の低い第２パネル部材が第１パネル部材の面に沿って外側に拡大することが促進される。そのため、パネル部材同士を隙間無く重ね合わせた状態で電極に一定値の電流を供給する従来の一般的なスポット溶接方法と比べると、両パネル部材の間により大きいなナゲットを形成することが可能であり、これにより鋼製の第１パネル部材と軽金属製の第２パネル部材との接合強度が高められる。

また、上記方法では、重層工程において、第１パネル部材と第２パネル部材との間にスペーサを介在させるので、上記所定寸法の隙間を両パネル部材の間に安定的に確保することができる。

以上説明したように、本発明のスポット溶接方法によれば、鋼製の第１パネル部材と軽金属製の第２パネル部材とのスポット溶接による接合強度を効果的に高めることができる。

本発明のスポット溶接方法を説明する説明図である。本発明のスポット溶接方法の効果を説明する説明図（（ａ）は、従来の隙間を形成しない場合のスポット溶接方法により接合された鋼板とアルミニウム合金板の断面を示し、（ｂ）は、本発明のスポット溶接方法により接合され鋼板とアルミニウム合金板の断面を示している）である。（ａ）は、鋼板とアルミニウム合金板との隙間（板間隙）寸法と接合強度（剪断強度）との関係を測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は、電極に対する通電条件を示している。（ａ）、（ｂ）は、本発明のスポット溶接方法の変形例を説明する説明図である。複数の溶接ポイントを溶接する場合の溶接順序を説明する説明図である。

以下、本発明のスポット溶接方法の好ましい実施形態について説明する。

この実施形態では、鋼板と、軽金属板の一つであって前記鋼板よりも融点が低いアルミニウム合金板とをスポット溶接する方法について説明する。

まず、互いに接合する鋼板１０（本発明の第１パネル部材に相当する）とアルミニウム合金板１２（本発明の第２パネル部材に相当する）とを準備する（準備工程）。当例では、アルミニウム合金板１２としてＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）を用い、鋼板１０として亜鉛メッキが施されたものを使用する。

次に、図１に示すように、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを互いに重ね合わせて配置する（重層工程）。この際、溶接ポイントにおいて、鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に所定寸法の初期隙間Ｓが形成されるように、これら鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に、スペーサ（治具）１４を介在させる。なお、このスペーサ１４は、溶接作業終了後に取り外す。

この状態で、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを前記溶接ポイントにおいて一対の電極２０ａ，２０ｂにより挟持する。このとき、電極２０ａ，２０ｂを押圧し、電極２０ａ，２０ｂを介して鋼板１０とアルミニウム合金板１２とが互いに近づく方向に加圧する。当実施形態では、この段階では、電極２０ａ，２０ｂの先端領域で鋼板１０とアルミニウム合金板１２とが接触し、スペーサによりその周囲に隙間が形成された状態となる。そして、鋼板１０とアルミニウム合金板１２への加圧を維持した状態で、電極２０ａ，２０ｂに電流を供給する（溶接工程）。なお、詳しく図示していないが、当例では電極２０ａ，２０ｂは、例えば円錐台球面形（ＣＲ形）である。

電極２０ａ，２０ｂへ電流が供給されると、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とが自身の材料抵抗およびそれらの接触抵抗により、電極２０ａ，２０ｂとの接触部分を中心として発熱する。すなわち、電極２０ａ，２０ｂへの電流の供給に伴い、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とは加熱される。このように加熱されることで、アルミニウム合金板１２は溶融してマクロ的には鋼板１０の表面に溶着する形で、これら鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間にナゲットが形成されて、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とが接合される。

ここで、当実施形態のスポット溶接方法では、前記電極２０ａ，２０ｂに対し、複数のステップに分けて断続的に、かつ、電流値が段階的に増加するように電流を供給する。このように電極２０ａ，２０ｂに電流を供給すると、鋼板１０およびアルミニウム合金板１２が一度に過剰に加熱されることなく両板１０、１２の総加熱量が増大し、これにより散りの発生が抑制されつつ両板１０、１２の溶接が良好に行われる。特に、上記のように、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とが電極２０ａ，２０ｂの部分でのみ互いに接触し、その周囲に隙間が形成された状態で両板１０、１２が圧力を受けつつ加熱されることで、融点の低いアルミニウム合金板１２が電極２０ａ，２０ｂを中心として鋼板１０の面に沿って外側に拡大することが促進される。そのため、鋼板とアルミニウム合金板とを隙間無く重ね合わせた状態で電極に一定値の電流を供給する従来の一般的なスポット溶接方法を行う場合と比べると、鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間により大きいナゲットが形成されることとなり、これにより鋼板１０とアルミニウム合金板１２との接合強度が高められる。

図２は、鋼板１０とアルミニウム合金板１２との接合状態を断面図で模式的に示したものであり、（ａ）は、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを隙間無く重ね合わせてスポット溶接を実施した場合（従来のスポット溶接方法）、（ｂ）は、図１に示したように、予め鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に初期隙間Ｓを形成してスポット溶接を実施した場合の接合状態を断面図で示している。つまり、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを隙間無く重ね合わせてスポット溶接を実施した場合には、アルミニウム合金板１２が鋼板１０の面に沿って外側に拡大する現象は殆ど見られず、よって、接合部分の外側に形成される隙間の断面形状は、同図（ａ）に示すように、接合部分に向かって先細りに尖った楔形となる。これに対して、上記のように、予め鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に初期隙間Ｓを形成してスポット溶接を実施した場合には、鋼板１０に対するアルミニウム合金板１２の接合部分の周縁に、接合部分の中心から外側に向かって鋼板１０に沿って拡がるように延びた拡大部１３が形成される結果、接合部分の外側に形成される隙間の断面形状は、同図（ｂ）に示すように接合部分に向かって先端が丸味を帯びた形状となる。これにより同図（ａ）に比べてアルミ溶着エリア（ナゲット）が拡大する。

図３（ａ）は、板厚０．８ｍｍの鋼板１０と板厚０．９ｍｍのアルミニウム合金板１２とを、これらの間に形成される初期隙間Ｓの寸法を変えて、先端直径が６ｍｍの電極２０ａ，２０ｂを用いてスポット溶接し、その接合強度（剪断強度）を測定した結果を示している。同図（ａ）中の丸付き数字１の各結果は、同図（ｂ）に示すように、電極２０ａ，２０ｂに連続的に２０ｃｙｃ（１ｃｙｃ＝１／６０ｓ）だけ一定の電流値（１６ｋＡ）で電流を供給した場合（一回通電）の接合強度を示しており、同図（ａ）中の丸付き数字２の各結果は、１０ｃｙｃ毎に電極２０ａ，２０ｂに供給する電流値を１１．５ｋＡから１．５ｋＡずつ４ステップに分けて５ｃｙｃ間隔で段階的に上げた場合（多段通電）の接合強度を各々示している。なお、一回通電の場合および多段通電の場合の何れについても、同一の隙間寸法につき３個の試験体を製作して測定を行った。

同図に示すように、一回通電の場合（図中の丸付き数字１の結果参照）には、接合強度の多少の誤差があるだけで、初期隙間Ｓの有無による接合強度への影響は殆ど見られない。これに対して、多段通電の場合（図中の丸付き数字２の結果参照）には、前記初期隙間Ｓを形成しない場合に比べて、初期隙間Ｓを形成した場合の接合強度がかなり向上している。特に、最も結果が良好であった初期隙間Ｓ＝０．７ｍｍの場合の接合強度は、初期隙間Ｓを形成せずに一回通電を行った場合、つまり従来の一般的なスポット溶接に比べて１．５倍近く向上している。これは、上記の通りアルミニウム合金板１２が鋼板１０の面に沿って外側に拡大することで、ナゲットの拡大が効果的に促進されるためと考えられる。また、同図に示すように、初期隙間Ｓを形成して多段通電を行う場合には、接合強度のバラツキが少なく、従って、このように初期隙間Ｓを形成して多段通電を行う場合には、比較的安定した接合強度を得ることができることが考察できる。

なお、一回通電の場合（図中の丸付き数字１の結果）には、上記の通り、初期隙間Ｓの有無による接合強度への影響が殆ど見られないが、これは、多段通電に比べて入熱が少ないため、初期隙間Ｓの有無に関わらずナゲットの拡大が促進されないためである。

以上のように、上記実施形態のスポット溶接方法によれば、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを隙間無く重ねた状態で電極２０ａ，２０ｂに一定値の電流を供給する従来のスポット溶接方法に比べ、接合強度を効果的に高めることができる。従って、上記実施形態のスポット溶接方法によれば、ウェルボンド法のように接着剤を併用することなく、鋼板１０とアルミニウム合金板１２との接合強度を確保することができる。そして、このように接着剤が不要となることで、接着剤の塗布量（重量、厚み）のバラツキに起因して各溶接ポイントの接合強度にバラツキが生じることが回避され、その結果、複数の溶接ポイントの接合強度をより均一化することができる。特に、上記実施形態のスポット溶接方法によれば、図３の測定結果（図３（ａ）の隙間寸法０．４ｍｍ、０．７ｍｍ、１．４ｍｍの各結果参照）に示すように、初期隙間Ｓが同一であれば接合強度のバラツキが比較的少ないため、この点も接合強度の均一化に寄与する。

なお、上述した実施形態のスポット溶接方法では、図１に示すように、鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に初期隙間Ｓを形成するために、両板１０、１２の間にスペーサ（治具）１４を介在させているが、例えば、図４（ａ）に示すように、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを重ね合わせたときに、両板１０、１２の間に隙間が形成されるように、予めアルミニウム合金板１２に突出部１２ａを形成しておくようにしてもよい（本発明のパネル加工工程に相当する）。具体的には、同図に示すように、アルミニウム合金板１２のうち、鋼板１０への対向面が当該鋼板１０から離反する方向に凹むように、アルミニウム合金板１２の溶接ポイントに突出部１２ａを形成しておく、または、図４（ｂ）に示すように、溶接ポイントの周囲に鋼板１０側に向かって突出する連続的な、又は断続的な突出部１２ａをアルミニウム合金板１２に形成しておくようにしてもよい。このような方法によれば、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを重ね合わせるだけで自ずと溶接ポイント、つまり電極２０ａ，２０ｂの接触位置に上記隙間を形成することができる。従って、上記スペーサ１４を用いることなく上記実施形態のスポット溶接方法を実施することが可能となり、溶接作業の作業性が向上するという利点がある。

また、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを複数の溶接ポイントにおいて互いにスポット溶接する場合には、以下の方法が有効である。すなわち、図５に示すように、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とを、一列に並ぶ９つの溶接ポイントａ〜ｉでスポット溶接する場合には、同図中に丸付き数字で示すように、まず、両端の溶接ポイントａ、ｉを溶接する。この場合、両端の溶接ポイントａ、ｉについては、上記スペーサ１４を用いる、又はアルミニウム合金板１２に予め上記突出部１２ａを形成しておくことにより、上述したスポット溶接方法に基づきスポット溶接を行う。又は隙間形成無しでスポット溶接を行う。次に、これらの溶接ポイントａ、ｉの中間の溶接ポイントｅを溶接し、さらにこの溶接ポイントｅと最初の溶接ポイントａ、ｉとの中間の溶接ポイントｃ、ｇを順次溶接するといった具合に、先に行った一対の溶接ポイントの中間位置の溶接ポイントを溶接するようにする。

このようなスポット溶接方法によれば、最初の溶接ポイントａ、ｉのスポット溶接を行うと、各溶接ポイントａ、ｉでアルミニウム合金板１２が若干変形することで（図２参照）、最初の溶接ポイントａ、ｉの間に適度の隙間が形成される。そのため、その後の溶接ポイントｂ〜ｈについては、上記スペーサ１４を用いたり、アルミニウム合金板１２に予め上記突出部１２ａを形成しておくことなく、上記実施形態にかかるスポット溶接方法に基づきスポット溶接を行うことが可能となる。この場合、隙間形成無しでａ、ｉにスポット溶接を行った場合でも、少なくともｂ〜ｈについては隙間形成の工程無しで、高強度でバラツキの少ないスポット溶接を行うことができる。

ところで、上述したスポット溶接方法は、本発明にかかる溶接方法の好ましい実施形態の例示であって、その具体的な溶接方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態のスポット溶接方法では、電極２０ａ，２０ｂに電流を供給する際のステップ数は４ステップであり、１０ｃｙｃ（＝１／６ｓ）毎に電流値を１．５ｋＡずつ段階的に上げているが、この電流供給時間や電流値は、板厚が０．９ｍｍのアルミニウム合金板１２と板厚が０．８ｍｍの鋼板１０とを、それらの間に０．４ｍｍ〜１．４ｍｍの隙間を形成した状態でスポット溶接する際に適した値の一例であり、各ステップの電流供給の時間や電流値は、アルミニウム合金板１２や鋼板１０の具体的な板厚や組成に応じて、溶接ポイントの接合強度を適切に確保できるように適宜設定すればよい。スポット溶接の際に鋼板１０とアルミニウム合金板１２との間に形成する隙初期間Ｓの寸法についても同様である。

また、上記実施形態では、本発明にかかるスポット溶接の適用例として、鋼板１０とアルミニウム合金板１２とをスポット溶接する場合について説明したが、本発明にかかるスポット溶接は、アルミニウム合金板１２以外の軽金属板、例えばマグネシウム板等と鋼板とのスポット溶接についても勿論適用可能である。

なお、本発明は、電食の懸念の少ない車室内構造物に適用されることが好ましいが、さらに接着剤と組み合わせたウェルドボンドとすることで、強度及び防食性を高めることも可能である。

１０アルミニウム合金板
１２鋼板
１２ａ突出部
１４スペーサ
Ｓ隙間

Claims

異種金属部材同士をスポット溶接する方法であって、
鋼製の第１パネル部材と前記第１パネル部材よりも低融点を有する軽金属製の第２パネル部材とを準備する準備工程と、
前記第１パネル部材と前記第２パネル部材とを、間にスペーサを介在させた状態で重ね合わせ、前記スペーサの介在により前記第１パネル部材と前記第２パネル部材との間に所定寸法の隙間が形成される状態とする重層工程と、
前記両パネル部材を一対の電極により挟持して加圧し、該挟持された部分で前記第１パネル部材の一部と前記第２パネル部材の一部とが接触し、その周辺部分に前記隙間の一部が残るようにする加圧工程と、
前記一対の電極に電流を供給することにより両パネル部材を接合する溶接工程と、を含み、
前記重層工程では、前記第１パネル部材又は前記第２パネル部材の主面に直交する方向からの平面視において、前記加圧工程で前記一対の電極により挟持して加圧する領域の周囲の領域に前記スペーサを配置し、前記スペーサにおける前記加圧領域側の縦壁部により前記隙間が形成され、
前記重層工程で用いる前記スペーサは、前記縦壁部が前記加圧工程における前記加圧の方向に沿うものであり、
前記加圧工程では、前記加圧の力に対して、前記縦壁部の抗力により前記隙間の一部が残り、
前記溶接工程では、前記電極に対して複数のステップに分けて断続的に電流を供給するとともに、各ステップの電流値を漸増させ、
前記溶接工程の後に前記スペーサを除去する、
ことを特徴とするスポット溶接方法。