JP6108017B2 - スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛系めっき鋼板を含む複数枚の鋼板のスポット溶接方法に関する。

近年、自動車分野では、低燃費化やＣＯ_２排出量の削減のため、車体を軽量化することや、衝突安全性の向上のため、車体部材を高強度化することが求められている。これらの要求を満たすためには、車体部材や各種部品などに高強度鋼板を使用することが有効である。

また、車体の高防錆化の観点から、部材を耐食性に優れた鋼板で構成する必要がある。亜鉛系めっき鋼板は、耐食性が良好であることが幅広く知られており、上記の軽量化や高強度化の観点から、自動車用として用いられる亜鉛系めっき鋼板においては、めっき原板に高強度鋼板を用いた亜鉛系めっき高強度鋼板が使用されている。

自動車の車体の組立や部品の取付けなどでは、主として、スポット溶接が使われている。しかしながら、亜鉛系めっき高強度鋼板にスポット溶接を行うと、溶接電極と接する鋼板の外側面から、ナゲットに向かって、割れが発生するという問題がある。図１に、亜鉛系めっき鋼板にスポット溶接を行った場合の溶接箇所の割れの概略を示す。亜鉛系めっき鋼板１にスポット溶接を行うと、溶接電極と接する鋼板１の外側面からナゲット２に向かって進展する割れ３や、電極肩部から熱影響部４に進展する割れ５が発生することが知られている。

この割れは、電極の加圧力や鋼板の熱膨張、収縮による引張応力が溶接箇所に加わり、該溶接箇所の鋼板表面で溶融した亜鉛や、亜鉛と電極の銅との合金が、鋼板の結晶粒界に侵入して粒界強度を低下させて引き起こされる、いわゆる液体金属脆性に起因する割れであるといわれている。自動車車体では、溶接箇所の割れが著しいと強度が低下するという問題があり、鋼板の成分組成や組織を制御することにより、溶接箇所の割れを抑制する技術が知られている。

たとえば、特許文献１には、鋼板の成分組成を調整し、スポット溶接時に生成されるオーステナイト相を微細な結晶粒にして、他の相の結晶粒と複雑に入り組んだ金属組織を有するものとすることで、結晶粒界への溶融亜鉛の拡散浸入経路を複雑にして、溶融亜鉛を侵入し難くして、スポット溶接時の液体金属脆化割れを抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、鋼板の組織制御によって結晶粒界を複雑化するだけでは、溶接部の割れ発生を充分に抑制できないことがあるとして、鋼板の成分組成を調整し、熱間圧延鋼板の粒界酸化深さを５μｍ以下とし、合金化溶融亜鉛めっき処理前の冷間圧延鋼板にＦｅ系電気めっき処理を行うことによって、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の粒界侵食深さを５μｍ以下にすることで、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の溶接箇所における割れの発生を抑制する技術が開示されている。

また、特許文献３には、亜鉛などのめっきを施した鋼板から電縫鋼管を製造する際に、液体金属脆化抑制のために、ストリップ端部の突合せ部のめっきを除去する技術が開示されている。

特開２００６−２６５６７１号公報 特開２００８−２３１４９３号公報 特開平０５−２７７５５２号公報

このようにスポット溶接箇所の割れの対策は検討されているものの、一部の亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接継手において、又は、一部の非めっき鋼板と亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接継手において、依然として、所望の接合強度が得られないことがあった。
本発明は、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制し、継手強度を確保することが可能なスポット溶接方法を提供することを課題とする。

（１）本発明の一態様に係るスポット溶接方法は、少なくとも溶接箇所が重ね合わされた複数枚の鋼板で構成される被溶接部材にスポット溶接をする方法であって、前記複数枚の鋼板の少なくとも一つが、引張強度が７８０ＭＰａ以上である高強度鋼板であり、前記複数枚の鋼板の少なくとも一つについて、少なくとも前記溶接箇所の重ね合わせ面が亜鉛系めっきで被覆され、前記複数枚の鋼板の総板厚ｔ（ｍｍ）が１．３５ｍｍ以上であり、前記溶接電極間の溶接通電終了時から、前記溶接電極と前記被溶接部材とを非接触とするまでの溶接後保持時間Ｈｔ（秒）を下記（４）式の範囲内とする。
０．０１５ｔ^２＋０．１１０≦Ｈｔ≦０．１０ｔ^２−０．４０ｔ＋０．８０・・・（４）
上記の構成からなるスポット溶接方法によれば、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制し、継手強度を確保することができる。

（２）本発明の他の態様によれば、上記（１）のスポット溶接方法において、前記複数枚の鋼板の総板厚ｔ（ｍｍ）が２．４ｍｍ以上３．２ｍｍ以下である。
上記態様では、割れの抑制効果と継手強度の確保に加え、被溶接部材の軽量化、高強度化が可能となる。

（３）本発明の他の態様によれば、上記（１）又は（２）のスポット溶接方法において、前記溶接電極を前記被溶接部材に接触させる直前に、下記（ａ）〜（ｄ）の条件のうち、一つまたは二つ以上を満たす。
（ａ）前記溶接電極の軸芯と、前記溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない状態、
（ｂ）一方の前記溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離と、他方の前記溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離が異なる状態、
（ｃ）一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態、及び、
（ｄ）前記溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態。
上記態様に規定される外乱因子がある場合に、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが顕著になるが、上記（１）又は（２）のスポット溶接方法によれば、このような割れを抑制し、かつ継手強度を確保することができる。

（４）本発明の他の態様によれば、上記（１）から（３）のいずれかのスポット溶接方法において、予め、前記被溶接部材に前記溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、前記溶接電極と前記被溶接部材とを非接触とするスポット溶接を行い、鋼板の重ね合わせ面のコロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生の有無を確認し、コロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの少なくとも一方の割れが発生したとき、前記溶接後保持時間Ｈｔ（秒）の範囲内でさらに溶接する。
上記態様では、割れが発生した溶接箇所に対して、上記（１）から（３）のいずれかのスポット溶接方法を適用するため、効率的である。

本発明によれば、亜鉛系めっき鋼板を含む板組のスポット溶接において、外乱因子が存在する場合であっても、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制し、継手強度を確保することができる。

亜鉛系めっき鋼板にスポット溶接を行った溶接箇所の板厚方向の断面における割れの概略を示す図である。 亜鉛系めっき鋼板にスポット溶接を行った溶接箇所の板厚方向の断面におけるコロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れを示す概略図である。 コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れと継手強度における、総板厚ｔに対する溶接後保持時間Ｈｔの関係を示す図である。 溶接電極の軸芯と、該溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない状態を説明するための概略図である。 対向する溶接電極の各先端部から各鋼板表面までの各距離が異なる状態を説明するための概略図である。 一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態を説明するための概略図である。 溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態を説明するための概略図である。 溶接電極の軸芯と、該溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない状態でスポット溶接を行った溶接箇所の断面写真である。 対向する溶接電極の各先端部から各鋼板表面までの各距離が異なる状態でスポット溶接を行った溶接箇所の断面写真である。 一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態でスポット溶接を行った溶接箇所の断面写真である。 溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態でスポット溶接を行った溶接箇所の断面写真である。

本発明の発明者らは、スポット溶接継手において、所望の接合強度が得られない理由について調査した。図２に、亜鉛系めっき鋼板にスポット溶接を行った後の溶接箇所における、ナゲットを含む板厚方向の断面の概略図を示す。図２に示すように、所望の引張強度が得られないスポット溶接継手には、鋼板の重ね合わせ面のコロナボンド直外の割れ６が生じていた。また、コロナボンドのナゲット際の割れ７が生じていることもあった。

そして、スポット溶接の直前における溶接電極と被溶接部材との位置関係において、次の（ａ）〜（ｄ）のような外乱因子が存在する状態で溶接を行う場合に、鋼板が重ね合わされた内面側で生じるコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが発生し易いことがわかった。
（ａ）溶接電極の軸芯と、該溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない状態
（ｂ）一方の溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離と、他方の溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離が異なる状態
（ｃ）一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態
（ｄ）溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態

上記のような外乱因子が存在する場合、溶接電極の加圧保持終了後（電極開放後）において、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際に、残留応力が高くなる箇所が生じる。この現象について、本発明者らは、当該箇所の鋼板の結晶粒界に、溶融した亜鉛系めっきが侵入し、粒界強度を低下させ、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れを発生させていると考えた。

従来、溶接電極間の通電終了後、直ちに、鋼板と溶接電極を非接触としていた。しかし、通電終了後に溶接電極の加圧保持を継続し、電極開放前に溶融した亜鉛系めっきを凝固させたところ、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れが生じない場合があることを見出した。また、加圧保持を継続すると、継手強度が低下する傾向を見出し、割れを抑制でき、かつ継手強度も落とさない加圧保持の時間を検討したところ、溶接電極の加圧保持の時間を総板厚の関数とすることで、割れを抑制できるとともに十分な継手強度が得られることを知見した。

本実施形態に係るスポット溶接方法によれば、亜鉛系めっき鋼板を含む板組のスポット溶接において、鋼板の重ね合わせ面のコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際に発生する割れを抑制し、高品質のスポット溶接継手を形成できる。

以下に、本発明の実施形態を説明するが、本発明がこれらの実施形態のみに限られないことは自明である。

本実施形態に係るスポット溶接方法は、少なくとも溶接箇所が重ね合わされた複数枚の鋼板で構成される被溶接部材にスポット溶接をする方法であって、前記複数枚の鋼板の少なくとも一つについて、少なくとも溶接箇所の重ね合わせ面が亜鉛系めっきで被覆され、複数枚の鋼板の総板厚ｔ（ｍｍ）が１．３５ｍｍ以上であり、溶接電極間の溶接通電終了時から、溶接電極と被溶接部材とを非接触とするまでの溶接後保持時間Ｈｔ（秒）を下記（１）式の範囲内とする。

０．０１５ｔ^２＋０．０２０≦Ｈｔ≦０．１６ｔ^２−０．４０ｔ＋０．７０・・・（１）

次に、（１）式について説明するが、この式は、実験的に求められた式である。
図３に、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れと継手強度における、総板厚ｔに対する溶接後保持時間Ｈｔの関係を示す。図３は、後述の実施例及び種々の板組みでの実験結果から作成されたものである。また、総板厚１．３５ｍｍ未満の被溶接部材においては、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れの発生率が少ないため、（１）式は、総板厚１．３５ｍｍ以上の場合に適用するものとした。

実施例において詳述するが、この結果は、亜鉛系めっきが被覆された種々の鋼種の鋼板を２枚用いてスポット溶接する際に、鋼板の総板厚ｔと、溶接電極間の溶接通電終了時から溶接電極と被溶接部材とを非接触とするまでの溶接後保持時間Ｈｔとを種々変更して実施したものである。そして、得られた溶接継手について、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れの有無と、剥離方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張強さ（ＣＴＳ）を確認したものである。

コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れは、ナゲットを含む板厚方向の断面を観察して確認し、十字引張強さ（ＣＴＳ）は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に規定されている方法により確認した。

図３に示す、三角又は丸のマーカーの総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔにおいては、溶接継手にコロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れは無く、十分なＣＴＳを有していた。それに対して、図３の線Ａよりも下に位置する四角のマーカーの総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔにおいては、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れを有していた。これより、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れが発生する境界（三角又は丸のマーカーと四角のマーカーとの境界）は、線Ａ（Ｈｔ＝０．０１５ｔ^２＋０ ．０２０）となることが判明した。

総板厚ｔに対して、溶接後保持時間Ｈｔを線Ａ以上（（１）式の左辺以上）の数値となるように設定することで、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れが無くなる理由は、次のように考えられる。

まず、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の溶接残留応力が高くなる箇所は、スポット溶接の際に溶接電極により押しつぶされる過程で圧縮状態にあるが、溶接電極が鋼板表面から離れると引張り状態になり引張応力が生じる。コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生は、コロナボンド直外で溶融した亜鉛系めっき金属が、溶接後にコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の溶接残留応力が高い箇所の鋼板の結晶粒界に侵入して、粒界強度を低下させることにより引き起こされる。

残留応力が高くなる箇所が生じるのは、溶接電極が鋼板表面から離れた後（電極開放後）であるため、通電終了後に溶接電極の加圧保持を継続（溶接後保持時間Ｈｔを延長）し、電極開放前に溶融した亜鉛系めっきを凝固させることで、溶融した亜鉛系めっきが溶接残留応力の高い箇所の鋼板の結晶粒界に侵入せず、割れを抑制できる。そして、亜鉛系めっきの凝固は、鋼板の冷却のされやすさ、つまり、被溶接部材の総板厚ｔに関係するため、溶接電極の溶接後保持時間Ｈｔを総板厚ｔの関数として調整することで、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れを抑制できる。

また、図３の線Ｂよりも上に位置する四角のマーカーの総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔにおいては、溶接継手にコロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れは無いが、ＣＴＳの低下が大きかった。これより、十分なＣＴＳが得られる境界（四角のマーカーと三角又は丸のマーカーとの境界）は、図３に示す線Ｂ（Ｈｔ＝０．１６ｔ^２−０．４０ｔ＋０．７０）となることが判明した。

総板厚ｔに対して、溶接後保持時間Ｈｔを線Ｂ以下（（１）式の右辺以下）の数値となるように設定することで、十分なＣＴＳを得ることができる理由は、溶接部の冷却速度が速くなりすぎず、ナゲットと熱影響部の硬さが増加しないため、十字引張強さが低下しないものと考えられる。

よって、総板厚ｔ（ｍｍ）を関数として、溶接後保持時間Ｈｔ（秒）を、（１）式の左辺以上、かつ、（１）式の右辺以下に設定すると、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際の割れを抑制することができ、十分なＣＴＳを得ることができることを知見し、 上記（１）式を見出した。

上記実施形態に係るスポット溶接方法では、溶接後保持時間Ｈｔ（秒）が、さらに下記（２）式を満たすことがより好ましい。
Ｈｔ≦０．１０ｔ^２−０．４０ｔ＋０．８０・・・（２）

溶接後保持時間Ｈｔが、総板厚ｔの関数である（２）式の条件を満たすことで、より高い十字引張強度（ＣＴＳ）を得ることができ、より信頼性の高いスポット溶接継手を提供できる。

さらに、上記実施形態に係るスポット溶接方法では、溶接後保持時間Ｈｔが、さらに下記（３）式を満たすことがより好ましい。
０．０１５ｔ^２＋０．１１０≦Ｈｔ・・・（３）

溶接電極による冷却は、電極の材料や冷却水の水量によって異なり、冷却の態様にバラツキが生じる場合がある。溶接後保持時間Ｈｔが、総板厚ｔの関数である（３）式の条件を満たすことで、電極の材料や冷却性能によるバラツキを抑え、生産性を確保しながらも所望の継手強度を得ることができる。

上記実施形態に係るスポット溶接方法では、溶接後保持時間Ｈｔが、さらに下記（４）式を満たすことがさらに好ましい。
０．０１５ｔ^２＋０．１１０≦Ｈｔ≦０．１０ｔ^２−０．４０ｔ＋０．８０・・・（４）

上記実施形態に係るスポット溶接では、２枚の鋼板を重ね合わせて、両側から、２枚の鋼板を挟み込むように、銅合金などからなる電極を押し付けつつ通電して、溶融金属を形成し、通電の終了後に水冷された電極による抜熱や鋼板自体への熱伝導によって、溶融金属を急速に冷却して凝固させ、鋼板の間に、断面楕円形状のナゲットを形成する。

この際のスポット溶接の条件は、総板厚ｔに対する溶接後保持時間Ｈｔが上記（１）式を満足するものとすれば、特に限定されるものでない。たとえば、総板厚ｔが４．０ｍｍの場合、溶接後保持時間Ｈｔを０．２４〜１．６６秒とし、電極をドームラジアス型の先端直径６〜８ｍｍのものとし、加圧力１．５〜６．０ｋＮ、通電時間５〜５０サイクル（ 電源周波数５０Ｈｚ）、通電電流４〜１５ｋＡとしてもよい。

これにより、溶接残留応力の高い箇所に溶融した亜鉛系めっきが侵入しなくなるので、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際において液体金属割れの発生を防ぐことができ、十分なＣＴＳを得ることができる。

本実施形態に係るスポット溶接方法では、溶接電極を被溶接部材に接触させる直前において、以下の外乱因子（ａ）〜（ｄ）の条件のうち、１又は２以上の条件を満たす場合であっても、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制し、かつ継手強度を確保することができる。よって、以下の外乱因子がある場合に、請求項１から５の発明のスポット溶接方法を行なうことが好ましい。

外乱因子（ａ）：溶接電極の軸芯と、該溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない（非平行である）状態
スポット溶接において、鋼板表面に対して溶接電極を垂直に当てるのが基本である。しかし、被溶接部材に溶接箇所が複数あり、様々な溶接姿勢での溶接を要する場合がある。このような場合、スポット溶接機のティーチング不良や作業時間の制約などのため、溶接姿勢を正す時間を確保できず、溶接電極の軸芯と、当該溶接電極と接触する鋼板表面とが垂直から傾いたままスポット溶接している場合がある。図４の（ａ）に、溶接電極８の軸芯９と、該溶接電極８と接触する鋼板１の表面の垂線１０とが平行でない状態の概略図を示す。

上記のように、溶接電極８の軸芯９と、該溶接電極８と接触する鋼板１の表面との角度が垂直から外れた状態で溶接する場合には、該溶接電極８と接触する鋼板１の表面の垂線１０に対して溶接電極８の軸芯９が打角という角度を有する。この打角が０度より大きい状態（溶接電極８の軸芯９が鋼板１の表面に対して垂直ではない状態）で溶接電極８を鋼板１の表面に接触させると、図４の（ｂ）のように鋼板１が変形する。このような変形により、コロナボンドの近傍に比較的応力が高くなる箇所が生じ、この箇所に割れが生じやすくなる。

打角が３度以上の場合に、特にコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが生じやすいが、本実施形態のスポット溶接方法では、これら割れの抑制効果がある。また、打角が５度以上の場合、さらにコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが生じて継手強度が著しく低下する傾向があるが、本実施形態のスポット溶接方法では、このような品質低下も抑制することができる。なお、溶接電極８と鋼板１との間に感圧紙を挟み、溶接電極８を空打ち（通電をせずに加圧のみをかける）をすることで、溶接電極８の軸芯９と、該溶接電極８と接触する鋼板１の表面との角度が垂直から外れた状態であるか否か検知することができる。

外乱因子（ｂ）：一方の溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離と、他方の溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離が異なる状態
スポット溶接中に、溶接電極挟み込みに対し、保持された板の中心位置を保つために、イコライジング機構を設けることがある。イコライジング機構を設ける場合、その分だけスポット溶接ガンが大形化し、溶接ロボットをそれに対応したものにしなければならず、溶接ロボットのコストが上がる。そのため、スポット溶接ガンにイコライジング機構を設けずに溶接する場合がある。

この場合、図５の（ａ）に示すように、溶接電極８を被溶接部材（鋼板１）に接触させる直前において、一方の溶接電極８の先端部からこの先端部に近い側の鋼板１の表面までの距離と、他方の溶接電極８の先端部からこの先端部に近い側の鋼板１の表面までの距離が異なる状態にある。このような状態で溶接電極８の接触・加圧を行うと、図５の（ｂ）に示すように、溶接箇所において、一方の鋼板１（図５の場合には、上側の鋼板１）が他方の鋼板１側へ変形させられる。このように変形した状態で溶接を行うと、コロナボンドの近傍に局所的な応力が発生する。そして、この箇所に割れが生じやすくなる。

上記のように、スポット溶接ガンにイコライジング機構を設けずに溶接する場合や、被溶接部材の構成上、溶接電極と鋼板表面との距離を適切に設定できない場合には、溶接電極の軸芯方向において、スポット溶接ガンと被溶接部材との位置ズレが吸収されず、コロナボンド直外やコロナボンドのナゲット際の割れが発生し易い。
イコライジング機構が無く、クリアランスが１ｍｍ以上ある場合に、特にコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが生じやすいが、このような場合であっても、本実施形態のスポット溶接方法では、コロナボンド直外やコロナボンドのナゲット際の割れの抑制効果がある。

外乱因子（ｃ）：一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態（一方の前記溶接電極の軸芯の延長線に対し、他方の前記溶接電極の軸芯がずれている状態）
多数の打点を溶接すると、溶接電極軸の挫屈やスポット溶接ガンの可動部の摩耗により、図６の（ａ）に示すように、一方の前記溶接電極８の軸芯９の延長線上に他方の前記溶接電極８の軸芯９がなく、ズレ（以下、「電極芯ズレ」という）が発生することがある。このような電極芯ズレが発生したまま溶接を行うと、図６（ｂ）に示すような変形が加わり、コロナボンドの近傍で応力が生じる場合がある。

溶接電極の電極芯ズレが０．２ｍｍ以上である場合、特に、コロナボンド直外やコロナボンドのナゲット際の割れが発生し易い。しかし、本実施形態のスポット溶接方法では、これら割れの抑制効果がある。また、溶接電極の電極芯ズレが１ｍｍ以上であり、より大きな応力が生じる場合にも、本実施形態のスポット溶接方法による割れの抑制効果がある。

外乱因子（ｄ）：溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態
図７の（ａ）には、２枚の鋼板１の右側に大きな隙間がある例を示している。隙間は、左右で偏りがない場合もある。これらの現象は、たとえば、プレス成形した際、スプリングバックが起こった場合や、スポット溶接を隣り合う位置で順番に行なわないときに、１枚の鋼板が部分的に盛り上がったりする場合に起こる。図７（ａ）では、鋼板１の間に他の部材１１が挿入されている場合を図示している。溶接箇所の重ね合わせ面の鋼板１間に隙間（以下、「板隙」ともいう）を有したままスポット溶接する場合がある。このような板隙が存在する状態で接触・加圧をすると、図７の（ｂ）に示すように、溶接箇所において、鋼板１の局所的な変形が見られる。このように変形した状態で溶接を行うと、コロナボンドの近傍に局所的な応力が発生する。そして、この箇所に割れが生じやすくなる。
被溶接部材において、溶接電極の打点位置における軸芯方向の板隙が１ｍｍ以上である場合、特に、コロナボンド直外やコロナボンドのナゲット際の割れが発生し易い。このような場合であっても、本実施形態のスポット溶接方法では、このような割れの抑制効果がある。

次に、上記実施形態に係るスポット溶接方法について、さらに、必要な要件や好ましい要件について順次説明する。まず、被溶接部材について、説明する。

（被溶接部材）
上記実施形態に係るスポット溶接方法では、被溶接部材として、溶接箇所が重ね合わされた複数枚の鋼板であって、そのうちの少なくとも１枚以上の鋼板が、亜鉛系めっきが被覆された鋼板であるものを準備する。たとえば、亜鉛系めっきが被覆された、引張強度７８０ＭＰａ以上、Ｃｅｑが０．１５質量％以上、板厚０．５〜３．０ｍｍの鋼板を２枚準備する。なお、Ｃｅｑは下記（５）式に示すものである。

Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋［Ｍｎ］／２０＋２［Ｐ］＋４［Ｓ］・・・（５）
ただし、［Ｃ］、「Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｐ］、［Ｓ］は、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、及びＳの含有量（質量％）である。
軽量化及び高強度化の観点からは、好ましいＣｅｑは０．１８質量％以上である、より好ましくは０．２０質量％以上である。

スポット溶接される被溶接部材は、少なくとも溶接箇所が重ね合わされた複数枚の鋼板で構成され、そのうちの少なくとも１枚以上の鋼板の重ね合わせ面に亜鉛系めっきが被覆されていれば、特に限定されるものでない。たとえば、全てのスポット溶接される鋼板の重ね合わせ面に亜鉛系めっきが被覆された複数枚の鋼板や、スポット溶接される鋼板の重ね合わせ面に亜鉛系めっきが被覆された鋼板とスポット溶接される鋼板に亜鉛系めっきが被覆されていない鋼板を含む複数枚の鋼板などが例示される。

また、スポット溶接される重ね合わせ面に亜鉛系めっきが被覆された鋼板において、スポット溶接される鋼板の重ね合わせ面と反対側の面、つまり、溶接電極との接触面に亜鉛系めっきが、被覆されていても、被覆されていなくもよい。ただし、スポット溶接継手の耐食性を考慮すれば、溶接電極との接触面にも亜鉛系めっきが被覆されていることが好ましい。

スポット溶接される複数枚の鋼板として、図２等では、２枚の鋼板を記載しているが、接合する構造部品の形態に応じて、３枚以上の複数枚の鋼板とすることができる。スポット溶接される各鋼板の板厚は、特に限定されるものでなく、０．５〜３．０ｍｍとすることができる。また、複数枚の鋼板の全体の総板厚ｔは、１．３５ｍｍ以上とし、上限は特に限定されるものでなく、総板厚ｔを７．０ｍｍ以下とすることができる。

より好ましい総板厚ｔの範囲は、２．４ｍｍ以上３．２ｍｍ以下であり、さらに好ましい範囲は、２．７ｍｍ以上３．２ｍｍ以下である。総板厚ｔをこの範囲とすることで、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制し、継手強度を確保し、さらには被溶接部材の軽量化と高強度化が図れる。

また、鋼板は、少なくとも一部に板状部を有し、当該板状部が互いに積み重ね合わされる部分を有するものであればよく、全体が板でなくともよい。また、複数枚の鋼板は、別々の鋼板から構成されるものに限定されず、１枚の鋼板を管状などの所定の形状に成形したものを重ね合わせたものでもよい。

また、スポット溶接される被溶接部材の鋼板は、成分組成や、金属組織など、特に限定されるものでない。ただし、溶接される重ね合わせ面に亜鉛系めっきが被覆された鋼板、又は、亜鉛系めっきが被覆された鋼板と亜鉛系めっきを介して重ね合わされている鋼板に対して、ＴＲＩＰ鋼板などでは特に上記の割れが発生しやすいが、それ以外の高強度鋼板でＣｅｑが０．１５質量％以上の鋼板を用いたときなどにも、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際での割れが発生しやすいため、本発明の溶接法において、特に、このような鋼板を対象としてもよい。

また、溶接される鋼板に被覆される亜鉛系めっきは、亜鉛を含むめっきであれば、特に限定するものでなく、たとえば、めっき種として、合金化溶融亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっき、亜鉛・ニッケルめっきが例示される。また、亜鉛・アルミニウム・マグネシウム系のめっきも含むことができる。

（予め行うスポット溶接）
上記実施形態に係るスポット溶接方法は、コロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの少なくとも一方の割れが発生する溶接箇所に対して採用することが効率的で望ましい。そこで、被溶接部材に溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、溶接電極と被溶接部材とを非接触とするスポット溶接を予め行い、コロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れを確認し、割れが発生したとき、以降、その溶接箇所に対する溶接において、溶接後保持時間を上記（１）式の範囲内としてスポット溶接すると良い。

被溶接部材に予め行うスポット溶接は、溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、溶接電極と被溶接部材とを非接触にして、溶接後保持時間Ｈｔを延長せず、上述のスポット溶接と同様に、２枚の鋼板を重ね合わせて、両側から、２枚の鋼板を挟み込むように、電極を押し付けつつ通電して、断面楕円形状のナゲットを形成する。この際のスポット溶接の条件は、上述と同様の条件を採用することができる。

そして、重ね合わせ面のコロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生の有無を確認する。割れの確認は、たとえば、ナゲットを含むように、板厚方向に切断して、その断面を確認して行う。図２に示すような、重ね合わせ面のコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の少なくとも一方に割れを確認したとき、総板厚ｔに対する溶接後保持時間Ｈｔが上記（１）式を満足するようにして、以降のスポット溶接を実施する。

特に、溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、溶接電極と被溶接部材とを非接触とするスポット溶接を予め行い、コロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの少なくとも一方の割れが発生するか否かを確認し、割れが発生した溶接箇所に対して、以降、本発明の溶接法を採用することが効率的で望ましい。

予め行う被溶接部材へのスポット溶接は、溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、溶接電極と被溶接部材とを非接触にして、溶接後保持時間Ｈｔを延長しないこと以外、それ以降のスポット溶接と、溶接条件を同等にして実施する。たとえば、溶接条件は、特に限定されるものでなく、通常の溶接条件を採用することができる。たとえば、電極をドームラジアス型の先端直径６〜８ｍｍのものとし、加圧力１．５〜６．０ｋＮ、通電時間５〜５０サイクル、通電電流４〜１５ｋＡとすることができる。

また、溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、溶接電極と被溶接部材とを非接触にするとは、（１）式の左辺未満の溶接後保持時間Ｈｔで溶接電極と被溶接部材とを非接触とすることである。

（コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れの確認）
予め行うスポット溶接によって得られたスポット溶接継手のコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生の有無を確認する場合、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生の有無の確認方法は、特に限定されるものでなく、ナゲットを含む板厚方向の断面を観察して行う方法や、スポット溶接継手の引張試験を実施して所定の引張強度が得られるか否かで判定して行う方法を用いることができる。または、スポット溶接部を含む板厚方向の断面の切断位置によっては、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れが観察できない場合もあるため、Ｘ線透過試験を行って割れを確認してもよい。

コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れは、亜鉛系めっきが被覆された鋼板の重ね合わせ面、又は、亜鉛系めっきが被覆された鋼板と亜鉛系めっきを介して重ね合わされている鋼板の面に発生する。そして、これらの鋼板の面のうち、コロナボンド内及びその近傍に発生する。コロナボンド内及びその近傍とは、前記鋼板の面のうち、コロナボンドのナゲット側端部から、コロナボンド直径Ｄｃのおよそ１．２倍の範囲までのことである。

（ａ）から（ｄ）までの１つまたは２つ以上の外乱因子がある場合に、上記実施形態のスポット溶接方法（溶接後保持時間を適正範囲とするスポット溶接方法）を行なう場合、あるいは、予めスポット溶接を行ってから上記実施形態のスポット溶接方法（溶接後保持時間を適正範囲とするスポット溶接方法）を行なう場合を説明した。しかしながら、実機の生産ラインにおいては、打角を測定したり、クリアランスを測定したり、電極の軸芯のずれ量を測定したり、鋼板板間の隙間を測定したりすることが手間である場合がある。これら前提条件なしに、最初から上記実施形態のスポット溶接方法を行なえば、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れを抑制することができ、より好ましい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
表１に、試験に供した鋼板Ａ〜Ｉについて示す。表１に示す鋼板Ａ〜Ｆ、Ｈ及びＩは、いずれも、合金化溶融亜鉛めっき鋼板であり、その両面に亜鉛めっきが被覆されている。
鋼板Ａ〜Ｆ、Ｈ及びＩに施された合金化溶融亜鉛めっきの被覆層は、焼鈍後に亜鉛めっき浴につけ合金化処理をして形成した。

表２〜５に示すような鋼板の組み合わせについて、表２〜５に示す種々の溶接条件と外乱因子にて、サーボガンタイプの溶接機を用いてスポット溶接を行った。また、全てのスポット溶接において、先端の曲率半径：４０（ｍｍ）の銅製のドームラジアス型で、先端径８（ｍｍ）の電極を用いて溶接した。なお、加圧中は、加圧力を変えないようにした。

そして、得られた各々の溶接継手を溶接部の中心線に沿って切断し、断面を観察することで、割れの有無を判断した。さらに、同溶接条件にてＪＩＳ Ｚ ３１３７に規定の方法で、スポット溶接継手のＣＴＳ（十字引張力）を測定した。表２〜５に、割れの有無、ＣＴＳ及び溶接継手強度比の結果を示す。

溶接継手強度比は、溶接後保持時間Ｈｔ以外の溶接条件と外乱因子を同じにして形成したスポット溶接継手のＣＴＳを基準とした比である。たとえば、番号１ａの溶接継手強度比は、溶接後保持時間Ｈｔ以外同じ溶接条件にてスポット溶接継手を形成した番号１のＣＴＳから番号１ａのＣＴＳを減算し、番号１のＣＴＳで割った値に、１００を掛けて得られた数値である。同様に番号２ｂの溶接継手強度比は、番号２のＣＴＳを基準として計算される値である。なお、溶接継手強度比が３０以上の場合、ＣＴＳが低下したと判定した。表２〜５において、クリアランス１ｍｍとは、イコライジング機構を設けず、電極と鋼板間に１ｍｍのクリアランスが生じた状態を意味する。

表２及び３からわかるように、番号１〜２６、番号１ａ〜２２ａの結果では、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際に割れが発生していない。これは、総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔとの関係が（１）式を満足するためであると考えられる。
また、表３の実験例よりも表２の実験例の方が比較的ＣＴＳが高い傾向にあることがわかる。これは、総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔとの関係が（２）式を満足するためであると考えられる。

これに対して、表４の番号１ｂ〜２２ｂでは、コロナボンド直外又はコロナボンドのナゲット際に割れが発生した。この割れによって、ＣＴＳの低下も生じた場合があった。これは、総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔとの関係が（１）式の左辺の関係を満足しないためであると考えられる。

また、表５の番号１ｃ〜２２ｃでは、上記のような割れは見られなかったものの、十分なＣＴＳが得られなかった。これは、総板厚ｔと溶接後保持時間Ｈｔとの関係が（１）式の右辺の関係を満足しないためであると考えられる。

次に、各外乱因子による、溶接箇所の変形態様について説明する。図８は、打角５度でスポット溶接を行った溶接箇所における、板厚方向の断面を光学顕微鏡で撮影した断面写真である。打角を有することにより、ナゲットの左右で鋼板の変形の様子が異なることがわかる。
図９は、イコライジング機構を設けずに、鋼板と電極の間に１ｍｍのクリアランスを設けてスポット溶接を行った場合の断面写真である。溶接箇所において、下側の鋼板と上側の鋼板の変形の様子が異なることがわかる。図９の場合、溶接電極の先端部から鋼板表面までの距離が、下側よりも上側の方が小さい。

図１０は、対抗する溶接電極の軸芯が１．５ｍｍずれた状態でスポット溶接を行った場合の断面写真である。ナゲットの上下のインデンテーションが非対称となっていることがわかる。
図１１は、溶接箇所の重ね合わせ面の間に片側に打点から２０ｍｍの場所に高さ２ｍｍの板隙がある状態でスポット溶接を行った場合の断面写真である。ナゲットの左右で鋼板の変形の様子が異なることがわかる。

本発明によれば、スポット溶接において、溶接電極の溶接後保持時間を総板厚の関数とするので、コロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際の割れ抑制と継手強度の確保をすることができる。特に、自動車用の亜鉛系めっき高強度鋼板を含む複数枚の鋼板を対象とし、継手の強度に直接影響を与える、鋼板の重ね合わせ面のコロナボンド直外及びコロナボンドのナゲット際に発生する液体金属割れを防ぎ、継手強度を確保することができるスポット溶接方法に関するものである。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

１ 鋼板
２ ナゲット
３ 鋼板の表面からナゲットに向かって進展する割れ
４ 熱影響部
５ 肩部から熱影響部に向かって進展する割れ
６ コロナボンド直外の割れ
７ コロナボンドのナゲット際の割れ
８ 溶接電極
９ 軸芯
１０ 垂線
１１ 他の部材
Ａ 総板厚と溶接後保持時間の関係における割れ発生が無くなる境界線
Ｂ 総板厚と溶接後保持時間の関係における十分なＣＴＳとなる境界線
Ｄｃ コロナボンド直径

Claims (4)

1. 少なくとも溶接箇所が重ね合わされた複数枚の鋼板で構成される被溶接部材にスポット溶接をする方法であって、
   前記複数枚の鋼板の少なくとも一つが、引張強度が７８０ＭＰａ以上である高強度鋼板であり、
   前記複数枚の鋼板の少なくとも一つについて、少なくとも前記溶接箇所の重ね合わせ面が亜鉛系めっきで被覆され、前記複数枚の鋼板の総板厚ｔ（ｍｍ）が１．３５ｍｍ以上であり、
   前記溶接電極間の溶接通電終了時から、前記溶接電極と前記被溶接部材とを非接触とするまでの溶接後保持時間Ｈｔ（秒）を下記（４）式の範囲内とすることを特徴とするスポット溶接方法。
   ０．０１５ｔ^２＋０．１１０≦Ｈｔ≦０．１０ｔ^２−０．４０ｔ＋０．８０・・・（４）
2. 前記複数枚の鋼板の総板厚ｔ（ｍｍ）が２．４ｍｍ以上３．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接方法。
3. 前記溶接電極を前記被溶接部材に接触させる直前に、下記（ａ）〜（ｄ）の条件のうち、一つまたは二つ以上を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポット溶接方法。
   （ａ）前記溶接電極の軸芯と、前記溶接電極と接触する鋼板表面の垂線とが平行でない状態、
   （ｂ）一方の前記溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離と、他方の前記溶接電極の先端部から該先端部に最も近い鋼板表面までの距離が異なる状態、
   （ｃ）一方の前記溶接電極の軸芯の延長線上に他方の前記溶接電極の軸芯がない状態、及び、
   （ｄ）前記溶接箇所の重ね合わせ面の間に隙間を有した状態
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のスポット溶接方法において、
   予め、前記被溶接部材に前記溶接電極間の溶接通電終了後、直ちに、前記溶接電極と前記被溶接部材とを非接触とするスポット溶接を行い、鋼板の重ね合わせ面のコロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの発生の有無を確認し、コロナボンド直外の割れ及びコロナボンドのナゲット際の割れの少なくとも一方の割れが発生したとき、
   前記溶接後保持時間Ｈｔ（秒）の範囲内でさらに溶接することを特徴とするスポット溶接方法。