JP6903385B2

JP6903385B2 - スポット溶接方法及びスポット溶接の溶接条件設定方法

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Publication number: JP6903385B2
Application number: JP2018223593A
Authority: JP
Inventors: 智也森田; 孝行草部
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: JP2020082168A

Description

本発明は、スポット溶接方法及びスポット溶接の溶接条件の設定方法に関する。

一般に、板厚比（＝板組みの総板厚／最表層の鋼板の板厚）が大きい板組みをスポット溶接により接合することは難しいことが知られている。特に、最表層の鋼板が軟鋼板で形成され、他の鋼板が高張力鋼板で形成される場合、まず、通電抵抗の高い高張力鋼板同士の接合予定部にナゲットが形成され、このナゲットを板厚方向に成長させて最表層の鋼板に溶け込ませる必要があるが、このようにナゲットを板厚方向に成長させることは容易ではない。

例えば、下記の特許文献１には、通電時間内に、ナゲットを成長させる程度の高い電流値を維持する時間帯と、スパッタを発生させずに鋼板を軟化させる程度の低い電流値を維持する時間帯を交互に繰り返しながら、電流値を徐々に高くする通電パターンが示されている。これにより、ナゲットが急成長するのを抑え、スパッタの発生を抑えることができるので、溶接部位の品質を確保し、効率良くスポット抵抗溶接を行うことができる、と記載されている。

特開２００６−１８１６２１号公報

しかし、板厚比の大きい複数の金属板を接合するにあたり、上記のような通電パターンで通電すると、ナゲット横方向（板厚方向と直交する方向）に成長させることはできるが、ナゲットを縦方向（板厚方向）に成長させて全ての金属板を接合することは非常に難しい。

そこで、本発明は、板厚比の大きい複数の金属板をスポット溶接で接合するにあたり、ナゲットを縦方向に成長させて全ての金属板を確実に接合することを目的とする。

本発明者らの検証によれば、板厚比が大きい板組みをスポット溶接で接合する際、通電開始から所定以上の時間が経過すると、いくら通電し続けてもナゲットは縦方向にほとんど成長しなかった。従って、隣接する金属板同士の接触面積が小さい通電初期（縦成長期）に大きな電流を流してナゲットの縦方向の成長を完了させることが、ナゲットを全ての金属板に溶け込ませるための重要な条件であることが明らかになった。

上記の知見に基づいてなされた本発明は、３枚以上の金属板からなる板厚比５以上の板組みをスポット溶接により接合するための方法であって、通電開始から０．１秒以内の期間に設定された縦成長期に、ナゲットを成長させる電流を流し続けることにより、ナゲットを板厚方向に成長させて全ての金属板に溶け込ませることを特徴とするものである。

ところで、従来、スポット溶接の溶接条件（通電パターン）を設定する際には、板組みのサンプルに対してスポット溶接を施した後、ナゲット径等を評価し、その評価結果に基づいて通電パターンを調整していた。しかし、上記のように、通電初期の短時間に大電流を流してナゲットを縦方向に成長させる場合、従来のようにスポット溶接後のナゲットを評価するだけでは、縦成長期における通電パターン（電流値及び通電時間）を適切に設定することは非常に困難である。

そこで、上記のスポット溶接方法の溶接条件を設定するにあたっては、縦成長期の複数の時刻において、隣接する金属板同士の接触部のエネルギー密度を取得し、このエネルギー密度に基づいて縦成長期の通電パターンを設定することが好ましい。すなわち、通電時間の経過に伴って、金属板が軟化して隣接する金属板同士の接触面積が増大し、エネルギー密度が時々刻々と低下するため、複数の時刻におけるエネルギー密度を取得し、エネルギー密度の低下を抑えるように各時刻の電流値を設定することにより、ナゲットを縦方向に成長させて全ての金属板に溶け込ませるための最適な通電パターンを設定することができる。尚、金属板同士の接触部のエネルギー密度とは、当該接触部に投入された単位時間あたりのエネルギーＥを当該接触部の接触面積Ｓで割った値（Ｅ／Ｓ）である。

以上のように、本発明のスポット溶接方法によれば、板厚比の大きい複数の金属板をスポット溶接で接合するにあたり、ナゲットを縦方向に成長させて全ての金属板を確実に接合することができる。

スポット溶接装置の模式図である。本実施形態で溶接する板組みの断面図である。本発明の一実施形態に係る通電パターンを示すグラフである。図３の通電パターンの時刻ｔ２における板組みの断面図である。図３の通電パターンの時刻ｔ３における板組みの断面図である。図３の通電パターンの時刻ｔ５における板組みの断面図である。図３の通電パターンの時刻ｔ９における板組みの断面図である。上記通電パターンで溶接したときの実測電流値及び金属板同士の接触部におけるエネルギー密度を示すグラフである。通電パターンの他の例を示すグラフである。通電パターンの他の例を示すグラフである。通電パターンの他の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態で用いられるスポット溶接装置は、図１に示すように、一対の電極１０、２０と、一対の電極１０、２０間に通電する電流値を制御する電流制御部３０と、一対の電極１０、２０による加圧力を制御する加圧制御部４０と、一対の電極１０，２０間に流れる電流を測定する電流計５０とを備える。図示例のスポット溶接装置は、一対の電極１０、２０を同軸上に配置して互いに対向させ、板組みを板厚方向両側から挟持して通電する、いわゆるダイレクトスポット溶接装置である。

本実施形態で溶接を施す板組みは、図２に示すように、４枚の金属板（例えば鋼板）Ｗ１〜Ｗ４からなる板組みに溶接を施す場合を示す。この板組みの板厚比（板組みの総板厚ｈ／最表層の金属板Ｗ１の板厚ｈ１）は５以上である。最表層の金属板Ｗ１は、他の金属板Ｗ２〜Ｗ４よりも板厚が薄く、例えば、金属板Ｗ１の板厚が０．６ｍｍ、他の金属板Ｗ２〜Ｗ４の板厚が１．０ｍｍとされる。金属板１〜４としては、例えば鋼板、特に亜鉛メッキ鋼板や冷間圧延鋼板が使用できる。最表層の金属板Ｗ１としては、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板が使用される。他の金属板Ｗ２〜Ｗ４としては、例えば引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板や、引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板が使用される。本実施形態では、金属板Ｗ２〜Ｗ４のうち、一枚が超高張力鋼板であり、他の二枚が高張力鋼板である。

上記の金属板Ｗ１〜Ｗ４からなる板組みを電極１０、２０で挟持加圧しながら、電極１０、２０間に通電する。本実施形態では、加圧力を一定とした状態で、図３に示す通電パターンで通電される。この通電パターンのうち、前半がナゲットを主に縦方向（板厚方向）に成長させる縦成長期であり、後半がナゲットを主に横方向（板厚と直交する方向）に成長させる横成長期である。縦成長期は、通電開始から０．１秒（６サイクル（１サイクル＝１／６０秒））以内の期間に設定され、例えば通電開始から５サイクルの期間が縦成長期とされる。全通電時間は、例えば１５サイクル以下、特に１２サイクル以下とされる。

縦成長期では、アップスロープＳ０の後、ナゲットを成長させる電流値を流し続ける。図示例では、縦成長期が、アップスロープＳ０及びステップＳ１〜Ｓ３からなる通電パターンで構成される。

ステップＳ１（時刻ｔ１〜ｔ３）では、金属板Ｗ１〜Ｗ４を電極１０，２０で挟持加圧しながら、電極１０，２０間に電流値Ｉ１を通電する。ステップＳ１の途中（時刻ｔ２）に、図４に示すように、電極２０が当接する金属板Ｗ４とこれに隣接する金属板Ｗ３との接触点がスパッタを生じることなく溶融し、ナゲットＮが形成される。そして、通電が進むにつれて、ナゲットＮが縦方向、特に、電極１０側（図中上側）に向けて成長すると共に、ナゲットＮが横方向に成長してナゲット径が拡大する。ステップＳ１の終了時（時刻ｔ３）では、図５に示すように、ナゲットＮが金属板Ｗ２に溶け込んでいる。

ステップＳ２（時刻ｔ３〜ｔ４）では、ステップＳ１の電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２を通電し、ステップＳ３（時刻ｔ４〜ｔ５）では、ステップＳ２の電流値Ｉ２よりも大きい電流値Ｉ３を通電する（図３参照）。これにより、図６に示すように、ナゲットＮがさらに電極１０側（図中上側）に成長して最表層の金属板Ｗ１に溶け込むと同時に、ナゲットＮが横方向に成長してナゲット径が拡大する。

以上のように、通電初期の短時間（０．１秒以内）に、ナゲットを成長させる程度の大きな電流を流し、隣接する金属板同士の接触部にエネルギーを供給し続けることで、ナゲットＮの縦方向の成長を促してナゲットＮを全ての金属板Ｗ１〜Ｗ４に溶け込ませることができる。

上記のように、縦成長期でナゲットＮを全ての金属板Ｗ１〜Ｗ４に溶け込ませた後、その後の横成長期において、やや電流値を下げて通電し続けることにより、ナゲットＮを主に横方向に成長させる（図７参照）。本実施形態では、横成長期において、ステップＳ３の電流値Ｉ３よりも小さい電流値を通電する。具体的には、図３に示すように、横成長期が、ステップＳ３の電流値Ｉ３よりも小さい電流値Ｉ４を通電するステップＳ４（時刻ｔ５〜ｔ６）と、ステップＳ４の電流値Ｉ４よりも小さい電流値Ｉ５を通電するステップＳ５（時刻ｔ６〜ｔ９）とで構成される。以上により、金属板Ｗ１〜Ｗ４からなる板厚比の大きい板組みが、ナゲットＮにより接合される。

以下、上記のスポット溶接方法の溶接条件（通電パターン）を設定する手順を説明する。

（１）サンプルの作成
まず、上記と同じ構成の金属板Ｗ１〜Ｗ４からなる板組みを、電極１０、２０で挟持加圧しながら図３に示す通電パターンで通電し、通電開始から複数の時刻（本実施形態では、時刻ｔ２〜ｔ９）で通電を止めた複数のサンプルを作成する。

（２）接触面積の測定
上記の各サンプルを溶接点で切断し、各サンプルにおいて、隣接する金属板の接触面積（金属板Ｗ１−Ｗ２間の接触面積、金属板Ｗ２−Ｗ３間の接触面積、及び、金属板Ｗ３−Ｗ４間の接触面積）をそれぞれ測定する。具体的には、各サンプルの断面から、隣接する金属板同士の接触部の直径を測定し、この直径から当該接触部の面積を算出する。尚、このときの接触部とは、各サンプルの断面において金属板同士が実際に接触している領域（例えばナゲット形成部）だけでなく、両電極１０，２０で加圧することで圧接していた痕跡のある領域を含む。

（３）エネルギー密度の算出
上記（２）で測定した各サンプルの金属板同士の接触面積及びそのときの実測電流値とから、各時刻ｔ２〜ｔ９における各接触部のエネルギー密度を算出する。実測電流値とは、隣接する金属板同士の接触部を流れる実際の電流値であり、本実施形態では図１に示す電流計５０により測定される。エネルギー密度は、各時刻に板組みに投入されたエネルギーＥを、その時刻における各接触部の接触面積Ｓで割った値（Ｅ／Ｓ）である。エネルギー密度は、例えばＩ^２ｔ／Ｓ（Ｉは電流値Ｉ、ｔは単位時間）で表される。この他、エネルギー密度として、簡易的に電流密度（Ｉ／Ｓ）を使用することもできる。

（４）通電パターンの設定
上記（３）で取得した各時刻ｔ２〜ｔ９における各接触部のエネルギー密度に基づいて、通電パターン、特に縦成長期における通電パターンを調整する。例えば、図８に、通電中における実測電流値及び各接触部のエネルギー密度（Ｉ^２ｔ／Ｓ）の時間変化を示す。図示のように、縦成長期では、時間の経過に伴ってエネルギー密度が低下する。このとき、図３に示すように、縦成長期の後期（例えば時刻ｔ３（通電開始から３サイクル目）以降）に電流値を上昇させることで、エネルギー密度の低下を抑制することができる。特に、上記のように、縦成長期の複数の時刻におけるサンプルのエネルギー密度を取得し、このエネルギー密度に基づいて縦成長期の各時刻における電流値を調整することで、各時刻に応じた最適な電流値を設定できるため、ナゲットＮを縦方向に成長させる最適な通電パターンを設定することができる。

このように、各時刻のエネルギー密度に基づいて通電パターンを調整する結果、通電パターンの形状そのものが変わることもある。例えば、当初は図３に示す通電パターンを設定していた場合でも、各時刻のエネルギー密度に基づいて電流値を調整した結果、ステップＳ２の電流値Ｉ２がステップＳ３の電流値Ｉ３よりも高い通電パターン（図９参照）や、ステップＳ１からステップＳ３にかけて電流値が徐々に低下する通電パターン（図１０参照）、あるいは、ステップＳ１〜Ｓ３の電流値が一定である通電パターン（図１１参照）となることもある。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、本発明に係るスポット溶接方法は、図２に示す板組みに限らず、板厚比５以上の他の板組み（例えば、３枚の金属板あるいは５枚以上の金属板からなる板組み）に適用することもできる。また、通電パターンは上記に限らず、例えば、縦成長期のみで所望のナゲットが得られれば、その後の横成長期を省略してもよい。

１０，２０電極
３０電流制御部
４０加圧制御部
５０電流計
Ｎナゲット
Ｗ１-Ｗ４金属板

Claims

３枚以上の金属板からなる板厚比５以上の板組みをスポット溶接により接合するための方法であって、
通電開始から０．１秒以内の期間に設定された縦成長期に、ナゲットを成長させる電流を流し続けることにより、ナゲットを板厚方向に成長させて全ての金属板に溶け込ませ、
前記縦成長期が、電流値Ｉ１で通電するステップＳ１と、ステップＳ１の後に続けて行われ、電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２で通電するステップＳ２と、ステップＳ２の後に続けて行われ、電流値Ｉ２よりも大きい電流値Ｉ３で通電するステップＳ３とを有するスポット溶接方法。
３枚以上の金属板からなる板厚比５以上の板組みをスポット溶接により接合する際の溶接条件を設定する際に、通電開始から０．１秒以内の期間に設定された縦成長期に、ナゲットを成長させる電流を流し続けることにより、ナゲットを縦方向に成長させて全ての金属板に溶け込ませる通電パターンを作成するための方法であって、
前記縦成長期が、電流値Ｉ１で通電するステップＳ１と、ステップＳ１の後に続けて行われ、電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２で通電するステップＳ２と、ステップＳ２の後に続けて行われ、電流値Ｉ２よりも大きい電流値Ｉ３で通電するステップＳ３とを有し、
前記縦成長期の複数の時刻において、隣接する金属板同士の接触部のエネルギー密度を取得する工程と、
前記エネルギー密度に基づいて前記縦成長期の通電パターンを設定する工程とを有するスポット溶接の溶接条件設定方法。