JP6852035B2 - スポット溶接方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、重ね合わせた板材が外側から圧接された一対の対向配置された電極から通電されて内側に形成されたナゲットで接合されてなるスポット溶接物であって、前記ナゲットは、該ナゲット径(D)がD≧4√t(t:板材の厚さ)を満たすと共に、ナゲット厚さ(H)に対する該ナゲット径(D)の比率であるナゲット扁平度(D/H)が3.5〜8であり、前記板材の両外表面部には、溶融金属の膨出によりできる突起がない。
本発明は、上述した溶接物が得られるスポット溶接方法(単に「溶接方法」ともいう。)としても把握できる。例えば、扁平ナゲットが形成され易い特定形状の電極(チップ)を用いたスポット溶接方法として本発明を把握することもできる。
特に断らない限り本明細書でいう「x〜y」は下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a〜b」のような範囲を新設し得る。
(1)材質
被接合物の代表例である板材は、例えば、アルミニウムまたはその合金、鉄またはその合金(特に鋼)等からなる。鉄(合金)からなる板材は、例えば、亜鉛めっきやAl−Siめっきされた(高張力)鋼板でもよい。亜鉛めっき鋼板は、例えば、非合金溶融亜鉛めっき鋼板(GI)、合金化溶融亜鉛めっき鋼板(GA)、電気亜鉛めっき鋼板(EG)等である。溶接前の板材がアルミニウム(合金)板や上述しためっき鋼板等の場合、溶接物の(両)外表面部にはAlやZnが存在することになる。
スポット溶接される被接合物は、例えば、2枚(一対)の板を重ね合わせたものでも、3枚以上の板を重ね合わせたものでもよい。各板厚は同じでも異なっていてもよい。板厚が異なるとき、指標となるナゲット径は、最小の板厚(t)に基づいて算出する。板厚が不均一な(分布した)板材を溶接するときは、ナゲットが形成される箇所の板厚に基づいてナゲット径等を算出する。なお、ナゲット径の算出に用いる板厚は、スポット溶接前(電極の接触前)の初期板厚である。初期板厚は、例えば、0.4〜4mm程度である。
(1)形状
溶融凝固部であるナゲットは、電極の先端部(特に板材の外表面と接触する先端底部の圧接面)を反映した形状となる。板材との接触面が円形状の平面または曲面(例えば略球面)なら、ナゲットは略円盤状となる。
溶接物の接合強度(剥離強度、せん断強度/JIS Z3136、Z3137参照)は、ほぼナゲット径(厳密にはナゲットの周長)で定まることが知られている。ナゲット径または接合強度が十分な溶接物は、破面がナゲットへ進展せず、母材(板材)部分で破断するプラグ破断を生じる。その目安として、既述した板厚(t)を用いて、ナゲット径が4√t以上、5√t以上さらには6√t以上であると好ましい。
ナゲット扁平度はナゲット厚さに対するナゲット径の比率である。ナゲット扁平度は、3.5〜8、3.8〜6さらには4〜5であると好ましい。ナゲット扁平度の過大な溶接物は、溶け込みが少ない状態となり、界面破断し易くて十分な接合強度の確保が困難である。また、そのような溶接物の製造自体も困難である。一方、ナゲット扁平度が過小な場合、電極と板材の接触界面の温度が十分に低減されず、その接触界面で化合物が生成され易くなる。このように、ナゲットの形状は、電極と被接合物の接触界面における温度や化合物の生成と相関があると考えられる。
(1)形態
抵抗スポット溶接用電極(単に「電極」という。)は、シャンクに着脱できるもの(キャップチップ型)でも、シャンクと一体化したもの(一体型)でもよい。以下では、溶接コストを低減できるキャップチップ型の電極(「(電極)チップ」ともいう。)を主に想定して説明する。
電極本体(少なくとも先端部)は、導電性および強度に優れる銅合金からなる。銅合金の電気伝導度(導電率)は75〜95%IACSさらには80〜90%IACSであるとよい。導電率が高い純銅は低強度である。導電率が過小な銅合金は、通電時の自己発熱により軟化して、スポット溶接時に変形し易くなる。
本発明の電極によれば、板材との接触界面における反応が抑制され、溶接部における成分組成の変化が少ない溶接物が得られる。例えば、銅合金製の電極を用いてスポット溶接した場合、スポット溶接前の板材の成分組成に対して、溶接部におけるCuの増加分は0.2質量%以下、0.15質量%以下さらには0.1質量%以下に留まる。このような溶接物は、Cuの拡散等に起因した溶接部における耐食性の低下等が抑制される。
溶接条件は、適宜、調整され得る。例えば、溶接電流値は20〜60kAさらには30〜50kAとするとよい。溶接電流は交流でも直流でもよい。溶接電流の電源は定電流電源でも定電圧電源でもよいが、定電流電源の方が所望のナゲットを安定的に形成し易い。
《試料の製造》
(1)被接合物
スポット溶接する被接合物として、板厚0.9mmと2.0mmのアルミニウム合金板(A6016)からなる短冊状(30mm×100mm)の板片(板材)を用意した。
スポット溶接を行う電極として、図1Aに示す3タイプのDR形(JIS C9304)電極チップを用意した。電極1は、有底円筒状の先端部11と略円筒状の胴部12とを有する本体10からなる。先端部11は、先端底部111と先端筒部112を有する。先端底部111は、窪みがない凸状面からなる圧接面111cを外表面側に有する。この圧接面111cが被接合物と接触する。
胴部の外径(元径):B=φ16mm、
先端底部の厚さ(先端厚):L(H)=12mm(H/B=0.75)、
上端開口の内径:e=約φ13mm、
本体の高さ(全高):T=23mm(T/B=1.44、G/B=0.69)、
圧接面径(先端径):d=φ8mm(圧接面は半径:R=40mmの球面)、
丸め面取の半径:r=8mm
形状または諸元の異なる各電極を用いて、次のようなスポット溶接を行った。上述した板厚の異なる2枚の板片を重ね合わせ、その両外側に一対の同じ電極を対向配置する。各電極の先端部を板片の外表面に圧接した状態で通電する。溶接条件は、特に断らない限り、溶接電流値:39kA、電極加圧力:5kN、通電時間(溶接時間):32msecとした。なお、スポット溶接は、電極冷却用ホース(外径:φ6mm)から各電極の内部へ冷却水を供給(水量:3L/min)しつつ行った。
(1)ナゲット扁平度
スポット溶接して得られた各溶接物を中央で切断して、エメリー紙、アルミナ砥粒を用いて鏡面研磨した後、水酸化ナトリウム水溶液でエッチング処理して、その断面を観察した。電極1(L=3mm:L/B=0.188)を用いた溶接物(試料11)、電極2(L=3mm:L/B=0.188)を用いた溶接物(試料21)、電極C(L=12mm:L/B=0.75)を用いた溶接物(試料C1)の各断面を図1Bに示した。なお、先端底部の厚さを単に「先端厚」ともいう。また、電極1、電極2の先端厚をそれぞれL1、L2ともいう。
電極1(L=5mm:L/B=0.312)を用いた溶接物(試料12)、電極1(L=3mm:L/B=0.188)を用いた溶接物(試料13)および電極C(L=12mm:L/B=0.75)を用いた溶接物(試料C2)を、それぞれ別途製造した。各試料の表面部におけるCu増加量(質量%)を、スポット溶接前後の成分組成に基づいて算出した。溶接前の成分組成には、板片(母材)の成分組成を用いた。溶接後の溶接部の成分組成は既述した方法により特定した。こうして得られた結果を図2にまとめて示した。なお、Cu源は電極を構成する銅合金である。
(1)ナゲット扁平度
図1Bから明らかなように、先端底厚比が所定範囲内である電極1、電極2を用いることにより、従来の電極Cを用いた場合よりも、扁平なナゲットを形成できることがわかった。
図2から明らかなように、ナゲット扁平度が高くなるほど、Cu増加量が少なくなり、電極側から溶接物側へ移動(拡散、化合物生成等)するCu量を低減できることがわかった。これにより、ナゲット扁平度の高い溶接物は、CuまたはCu化合物・合金に起因して生じ得る耐食性の低下が抑制されるといえる。
(1)相関
電極形状、Cu増加量およびナゲット形状は、次のように関連していると推察される。
上述した考察を確認するため、抵抗溶接シミュレーションソフト SORPASを用いてスポット溶接したときの様子をシミュレーションした。そのとき用いた解析モデル、通電・加圧力パターンおよび解析結果(温度分布)を図4にまとめて示した。なお、このときの電極の先端底厚比(L/B)は0.19とした。電極の材質は銅合金(Cu−Cr)、板材の材質はアルミニウム合金(A6016)とした。
電極の板材に対する溶着性と電極の変形性(耐摩耗性)とに及ぼす電極の形状(先端底厚比)の影響を次のように評価した。
図1Aに示した既述の電極C(B=φ16mm、L=12mm、L/B=0.75)と、それにエンドミル加工を種々施した電極1(B=φ16mm)を用意した。電極1の先端厚(L1)は、2mm(L1/B=0.125)、3mm(L1/B=0.1875)、5mm(L1/B=0.3125)または7mm(L1/B=0.4375)のいずれかとした。
既述した重ね合わせた板材に、各電極を用いてスポット溶接を繰り返し行った。印加した電流値は、35〜50kAの範囲で種々変更した。それ以外の溶接条件は、既述した通りとした。
(1)溶着性
電極と電流値の各組み合わせ毎に、25打点のスポット溶接を、電極の整形を行わずに一気に繰り返し行った。各打点間隔は1secとした。溶接不可となる程に強溶着した場合を×、25打点のスポット溶接を行えた場合を○として、図5Aにまとめて示した。
電極と電流値の各組み合わせ毎に、1000打点のスポット溶接を行った。この際、電極の整形(ドレッシング)は12打点毎に1回行った。また各打点間隔は1secとした。1000打点のスポット溶接後の電極の変形量が0.5mm以上となる場合を×、その変形量が0.5mm未満である場合を○として、図5Bにまとめて示した。なお、ここでいう電極の変形量とは、連続するスポット溶接により電極の先端部が塑性変形(陥没等)してシャンク側へ変位した量(突出量の減少量)を意味する。
電極の板材に対する溶着性と電極の変形性(耐摩耗性)とに及ぼす電極の形状(先端内径比)の影響を次のように評価した。
図1Aに示した先端筒部112の内径(f)を種々変更した電極1(B=φ16mm、L=3〜8mm、L/B=0.19〜0.5)を用意した。これらの各電極を用いて、既述した重ね合わせた板材にスポット溶接を行った。印加した電流値は34〜50kAとした。それ以外の溶接条件は、既述した通りとした。1000打点のスポット溶接後の電極の状態を観察・評価した。なお、電極の整形(ドレッシング)は、12打点毎に1回行った。また各打点間隔は1secとした。
1000打点後の各電極の状態を図6にまとめて示した。図6中の×は、圧接面111cと板材(被接合材)が溶融反応して連続溶接できなくなる場合または連続溶接により先端筒部112に変形(座屈)が発生していた場合を意味し、○はそれらのいずれでもない場合を意味する。
上述した内容は、図1Aに例示したDR形に替えて、F形、R形、D形、CF形、CR形等のいずれの電極(チップ)を用いた場合にも該当し得る。R形の一例である電極3を図7に示した。電極3は、クロム銅素材を冷間鍛造して、先端底厚比(L3/B)を所定範囲内としたものである。図1Aと同様に、図7中に示した各記号は、B:外径(元径)、e:内径、R:先端球面の曲率半径をそれぞれ意味している。
10 本体
11 先端部
12 胴部
111 先端底部
112 先端筒部
Claims (5)
- 有底略円筒状の先端部と該先端部に連なる略円筒状の胴部とを有する本体を備える電極を用いて行うスポット溶接方法であって、
該電極の本体は、電気伝導度が75〜95%IACSである銅合金からなり、
該先端部は、圧接される被接合物に対して窪んでいない圧接面を有する先端底部と該先端底部から連なる略円筒状の先端筒部とを有し、
該胴部の外径(B)に対する該先端筒部の内径(f)の比である先端内径比(f/B)は0.4〜0.6であり、
該胴部の外径(B)に対する該先端底部の厚さ(L)の比である先端底厚比(L/B)は0.15〜0.5であり、
重ね合わせた板材が外側から圧接された一対の対向配置された該電極から通電されて内側に形成されたナゲットで接合されるスポット溶接物は、該ナゲット径(D)がD≧4√t(t:板材の厚さ)を満たすと共に、ナゲット厚さ(H)に対する該ナゲット径(D)の比率であるナゲット扁平度(D/H)が3.5〜8であり、該板材の両外表面部には溶融金属の膨出によりできる突起がないスポット溶接方法。 - 前記スポット溶接物の溶接部は、スポット溶接前の成分組成に対して、Cuの増加分が0.2質量%以下である請求項1に記載のスポット溶接方法。
- 前記スポット溶接物の溶接部の少なくとも外表面部には、AlまたはZnが含まれる請求項1または2に記載のスポット溶接方法。
- 前記銅合金は、クロム銅である請求項1〜3のいずれかに記載のスポット溶接方法。
- 溶接電流値を20〜60kAまたは電極加圧力を2〜10kNとする請求項1〜4のいずれかに記載のスポット溶接方法。
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