JP7076703B2 - アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法 - Google Patents
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Description
アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法の一例として、例えば特許文献1には、電極の加圧力を2段階に変化させ、この加圧力に合わせて電流値を2段階(大電流から小電流)に変化させる技術が開示されている。
また、特許文献2には、溶接の本通電後に冷却時間を設けて、冷却時間の後に本通電の電流よりも弱いテンパー通電を行う技術が開示されている。
上記した先行文献1、2に記載の方法では、ナゲット径を大きくすることができても、これと同時にナゲットの厚さ方向の成長を抑制することは困難であった。
複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極で挟み込み、前記電極間に第1の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の10~500msの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第2の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をI1、通電時間をT1
前記本通電工程の電流値をI2、通電時間をT2としたとき、
I1×T1 < I2×T2 の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
図1は、アルミニウム材を溶接するスポット溶接機の概略構成図である。
スポット溶接機11は、一対の電極13,15と、一対の電極13,15に接続された溶接トランス部17と、溶接トランス部17に電源部18からの溶接電力を供給する制御部19と、一対の電極13,15を軸方向に移動させる電極駆動部20とを備える。制御部19は、電流値、通電時間、電極の加圧力、通電タイミング、加圧タイミングを統合的に制御する。
第1アルミニウム板21及び第2アルミニウム板23のアルミニウム材、及び3枚以上用いる場合の各アルミニウム板を構成するアルミニウム材は、任意の材質のアルミニウム、又はアルミニウム合金とすることができる。具体的には、5000系、6000系、7000系、2000系、4000系のアルミニウム合金のほか、3000系、8000系のアルミニウム合金や1000系(純アルミ)のアルミニウムを採用することができる。各アルミニウム板は、同一の材質であってもよく、上記した材質を組み合わせたものであってもよい。
制御部19は、所定のタイミングで溶接トランス部17から一対の電極13,15間に通電させる。図2は、溶接電流の波形の一例を示すタイミングチャートである。
図示例の溶接電流の波形は、予備通電工程(通電時間T1)と、冷却工程(冷却時間Tc)と、本通電工程(通電時間T2)とを有する。予備通電と本通電のパルス波形は矩形状であるが、三角波や正弦波等の他の波形や、ダウンスロープ、アップスロープ制御された波形であってもよい。
次に、抵抗スポット溶接の各工程を説明する。
図3の(A)~(C)は予備通電工程から冷却工程までの様子を模式的に示す工程説明図である。
図3の(A)に示すように、一対の電極13,15に挟まれる第1アルミニウム板21と第2アルミニウム板23に、電流値I1の予備通電を行う。このとき、第1アルミニウム板21と第2アルミニウム板23との重ね合わせ面を中心として、それぞれの板材が溶融した第1ナゲット35が形成される。
上記した冷却工程の終了時から本通電工程を開始する。本通電工程においては、図4の(A)に示すように、電極13,15間に電流I2を通電する。電流I2は、第1アルミニウム板21と第2アルミニウム板23を通過する際、溶融状態である第1ナゲット35の内部よりも、第1ナゲット35の外縁よりも更にナゲット径方向の外側の領域34の電気抵抗が大きい。
図5はアルミニウム材の抵抗スポット溶接後における溶融凝固したナゲット25を模式的に示すアルミニウム溶接継手27の断面図である。
ここで、ナゲット25の直径をナゲット径D、ナゲット25の溶け込み深さをH、第1アルミニウム板21の板厚をt1、第2アルミニウム板23の板厚をt2とする。
予備通電開始から本通電終了までの間は、電極13,15により第1アルミニウム板21と第2アルミニウム板23に負荷する加圧力を一定にすることが好ましい。加圧力を一定にすることで、予備通電後の冷却期間における第1アルミニウム板21と電極13との密着性、及び第2アルミニウム板23と電極15との密着性がそれぞれ均一となり、電流値や通電タイミングを変更する等の複雑な制御が不要となる。この加圧力は2~10kNの範囲が好ましく、ナゲットの形成が良好となる。
<実験条件>
(アルミニウム板)
材質:A5182材(Al-Mg系アルミニウム合金)
板厚t:2.3mm
種別:クロム銅 R形電極
先端曲率半径r1:100mm
電極直径(元径):19mm
電極間加圧力:5kN
(試験例1)
予備通電のみ実施した場合の各溶接条件と予備通電後のナゲットの測定結果を表1に示す。
試験例1-1~1-13は、予備通電の電流値I1と通電時間T1とをそれぞれ変化させている。表1には、それぞれの場合のナゲット径d、溶け込み深さh、アルミニウム板の板厚t、ナゲット寸法比d/h、d/tをそれぞれ纏めて示している。各寸法は、アルミニウム板の接合体をナゲット中心位置で切断し、その切断面を光学顕微鏡で撮影した画像から測定した。評価欄は、ナゲット寸法比d/tが1.0~3.0の範囲のものをA、これ以外をBとした。
試験例1-12,1-13では、予備通電を行った後にナゲットが形成されなかった。しかし、次に示す試験例2で本通電を実施すると、ナゲットのナゲット径方向の成長が促進され、板厚方向の成長が抑制された良好なサイズのナゲットが形成された。
予備通電、冷却、本通電を実施した場合の、各溶接条件と本通電後のナゲットの測定結果を表2に示す。
試験例2-1~2-13の予備通電の条件は、表1に示す試験例1―1~1-13の場合と同様である。試験例2-12,2-13は、ナゲットが形成されなかった予備通電後の試験例1-12,1-13の板組を、冷却期間の後、本通電を実施した結果である。本通電は、電流値I2が31kA、通電時間T2が250msの一定条件とした。評価欄は、ナゲット寸法比D/Hが2.3以上であるものをA、これ以外をBとした。
本通電のみ実施した場合と、予備通電、本通電とも実施して冷却時間を変化させた場合の、本通電後のナゲットの測定結果を表3に示す。
試験例3-1は、本通電のみ実施し、試験例3-2~3-7は、予備通電、及び本通電の条件を一定として、冷却時間Tcを変化させた。評価欄は、ナゲットと電極までの平均距離Rが板厚の18%以上(本実施例では0.4mm以上)をA,ナゲットと電極との接触が生じ得る平均距離Rが板厚の18%未満(本実施例では0.4mm未満)の場合をBとした。
表3及び図8に示すように、試験例3-1のナゲットは溶け込み深さHが3.85mmと極端に大きく、ナゲット外周縁がアルミニウム板の外側板面(電極側)近くまで達し、アルミニウム板の外側板面までの平均距離Rが0.38mmであった。
(1) 複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極で挟み込み、前記電極間に第1の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の10~500msの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第2の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をI1、通電時間をT1
前記本通電工程の電流値をI2、通電時間をT2としたとき、
I1×T1 < I2×T2 の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、通電タイミングを予備通電と本通電とに分割し、予備通電と本通電との間に冷却期間を設けることにより、ナゲット径を大きくして継手強度を高められる。また、ナゲットの板厚方向への成長が抑制され、ナゲットの外縁が、重ねられたアルミニウム材の外側の板面(電極側)に到達し難くなる。これにより、電極表面に溶融アルミニウムが付着せず、電極のドレッシングを頻繁に実施する必要がなくなり、生産効率が向上する。
前記第1ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向の断面で測定した前記第1ナゲット径d(mm)と前記アルミニウム材の厚さt(mm)の比d/tを1.0~3.0とする(1)に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、予備通電によって比d/tが1.0~3.0の第1ナゲットが形成されることで、本通電における第1ナゲットのナゲット径方向への成長が、板厚方向への成長と比較して大きくなる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、第1アルミニウム材と第2アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第1ナゲット又は新生面接合領域を形成できる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、第1ナゲット周囲の第1アルミニウム材と第2アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第2ナゲットを形成できる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、100ms以内の短い時間で冷却工程を行うため、生産性が向上する。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、冷却工程によって第1ナゲットの溶融部分における厚さ減少量がより適正となり、第1ナゲットは、重ね方向の成長が抑制されながら、重ね方向に直交する方向に大きく成長する。これにより、第2ナゲットを、必要とされる大きなナゲット径まで安定して成長させることができる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、本発明で特定した通電条件との組み合わせにより偏平な形状のナゲットを形成することができる。
このアルミニウム板の抵抗スポット溶接方法によれば、第2ナゲットの寸法比D/Hが2.3以上であることで、溶接したアルミニウム材の継手強度を高めることができる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、先端面が曲面形状であることで、安定した加圧ができ、先端面が平面である場合と比較して、アルミニウム材表面の新生面をより安定して形成できる。
21 第1アルミニウム板(アルミニウム材)
23 第2アルミニウム板(アルミニウム材)
25 ナゲット
27 アルミニウム溶接継手(接合体)
35 第1ナゲット
37 部分凝固部
39 第2ナゲット
Claims (9)
- 重ね合わせた複数のアルミニウム材を一対の電極で挟み込み、前記電極間に第1の通電を行って前記複数のアルミニウム材の間に偏平な形状の第1ナゲット又は新生面接合領域を形成する予備通電工程と、
前記予備通電工程後の10~500msの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第2の通電を行って、前記第1ナゲット、又は前記第2の通電で生成されたナゲットを前記アルミニウム材の重ね方向に直交する方向へ優先的に成長させた第2ナゲットを形成する本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をI1、通電時間をT1
前記本通電工程の電流値をI2、通電時間をT2としたとき、
I1×T1<I2×T2の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。 - 前記第1ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向の断面で測定した前記第1ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向に直交する方向のナゲット径d(mm)と前記アルミニウム材の厚さt(mm)の比d/tを1.0~3.0とする請求項1に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記予備通電工程において前記電極間に通電する電流値I1は、15~60kAである請求項1又は2に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記本通電工程において前記電極間に通電する電流値I2は、15~60kAである請求項1~3のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記冷却工程は、前記予備通電工程後に100ms以内の冷却時間で行う請求項1~4のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記冷却工程は、前記予備通電工程後に60ms以内の冷却時間で行う請求項5に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記一対の電極の前記複数のアルミニウム材を挟み込む加圧力が2~10kNである請求項1~6のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記第2ナゲットは、前記重ね方向に直交する方向のナゲット径をD(mm)と、前記第2ナゲットの前記アルミニウム材への溶け込み深さをH(mm)との寸法比D/Hが2.3以上である請求項7に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
- 前記一対の電極に、R形又はDR形の電極を用いる請求項1~8のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
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