JP7084680B2 - インダイレクトスポット溶接の溶接点の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、インダイレクトスポット溶接により形成される溶接点を評価するための方法に関する。

自動車の組立工程では、金属板からなる複数の部品をスポット溶接で接合することにより車体が組み立てられる。スポット溶接としては、複数の金属板を一対の電極で挟み込んで通電するダイレクトスポット溶接が多く用いられる。しかし、部品の形状によっては、複数の金属板を一対の電極で挟み込むことができず、ダイレクトスポット溶接を適用することができないことがある。この場合、複数の金属板の接合予定部を溶接電極で加圧すると共に、接合予定部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で両電極間に通電することにより溶接するインダイレクトスポット溶接が適用される。

しかし、インダイレクトスポット溶接では、溶接電極とアース電極とが離れて配置されることが多く、接合予定部以外の金属板同士の接触部（例えば、先に溶接された溶接点）を介して流れる電流（無効電流）が生じやすいため、良好なナゲットを形成することが困難であることが問題となっている。

例えば、下記の特許文献１には、金属板に予め座面を設け、この座面を溶接電極で押しつぶしながら加圧することにより、金属板同士の接触面積を小さくして電流密度を高めることで、ナゲットを形成しやすくする方法が示されている。

また、下記の特許文献２には、加圧力及び電流値を制御することにより、ナゲットを安定して得ることができるインダイレクトスポット溶接方法が示されている。

特開２００２－２３９７４２号公報 特開２０１０－１９４６０９号公報

しかしながら、現状では、溶接点におけるナゲットのできやすさを定量的に評価する手法はないため、上記のような手法を試しながら試行錯誤を繰り返し、適切なナゲットが形成される溶接条件を探し出すしかなかった。

そこで、本発明は、インダイレクトスポット溶接において、溶接点の品質（ナゲットのできやすさ）を定量的に評価することを目的とする。

インダイレクトスポット溶接において、溶接に寄与しない無効電流は、溶接点の品質に影響を与える一つの要素として知られていたが、これを溶接点の定量的な評価に用いられることはなかった。

本発明者らは、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値と、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値とに基づいて設定される有効電流率に基づいて、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価することを試みた。具体的に、図４に示すような２枚の金属板（上板１０１及び下板１０２）の接合予定部Ｐ’を溶接電極１１０で加圧すると共に、既溶接点Ｑ’にアース電極１２０を当接させてインダイレクトスポット溶接を施すにあたり、接合予定部Ｐ’（両金属板１０１，１０２の界面）を通って主に下板１０２を流れる電流経路Ｃ２’の抵抗値を有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａとし、接合予定部Ｐ’を通らずに主に上板１０１を流れる電流経路Ｃ１’の抵抗値を無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとした。そして、これらの有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとから、有効電流の流れやすさ（全電流に対する有効電流の比率）を表す指標である有効電流率を算出した。ここでは、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとの和を全体抵抗Ｒ_Ｔ（＝Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂ）とし、全体抵抗Ｒ_Ｔに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの比率を有効電流率Ｋとした（Ｋ＝Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｔ）。

そして、上板１０１あるいは下板１０２の形状を異ならせることで、有効電流率Ｋを異ならせた複数のワークを用意した。例えば、図５（Ａ）に示すように、上板１０１を断面ハット形状とすると、無効電流経路Ｃ１’の経路長が長くなるため、無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂが大きくなり、その結果、有効電流率Ｋが大きくなる。一方、図５（Ｂ）に示すように、下板１０２を断面ハット形状とすると、有効電流経路Ｃ２’の経路長が長くなるため、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａが大きくなり、その結果、有効電流率Ｋが小さくなる。

そして、有効電流率Ｋが異なる複数のワークに対して同一の溶接条件（加圧力及び電流値）でインダイレクトスポット溶接を行い、ナゲットの状態を観察した。その結果、有効電流率Ｋが小さい程、ナゲット径が小さく且つナゲットの溶け込み深さが浅くなっており、有効電流率Ｋが大きい程、ナゲット径が大きく且つナゲットの溶け込み深さが深くなっていることが明らかになった。すなわち、インダイレクトスポット溶接では、有効電流率Ｋと溶接点の品質（ナゲットのできやすさ）との間に強い相関関係があることが分かった。従って、インダイレクトスポット溶接を施すにあたり、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａ及び無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂを測定あるいはシミュレーションにより取得し、これらから得られる有効電流率Ｋにより、溶接点の品質を定量的に評価することができる。

このような知見に基づいて、本発明は、複数の金属板の接合予定部を溶接電極で加圧すると共に、前記接合予定部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接により形成される溶接点を評価するための方法であって、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値と溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値とに基づいて設定された有効電流率により溶接点を評価するインダイレクトスポット溶接の溶接点の評価方法を提供する。

有効電流率は、例えば、有効電流経路の抵抗値と無効電流経路の抵抗値との和（全体抵抗）と、無効電流経路の抵抗値との比で表すことができる。

例えば、複数の金属板のうち、溶接電極を当接させる金属板を「一方の金属板」とし、これに接合される金属板を「他方の金属板」としたとき、一方の金属板のうちの接合予定部又はその付近と、複数の金属板のうちのアース電極を当接させる部位との間の電流経路の抵抗値を測定し、この抵抗値を無効電流経路の抵抗値とすることができる。また、他方の金属板のうちの接合予定部又はその付近と、複数の金属板のうちのアース電極を当接させる部位との間の電流経路の抵抗値を測定し、この抵抗値を有効電流経路の抵抗値とすることができる。

以上のように、本発明によれば、インダイレクトスポット溶接の溶接点の品質（ナゲットのできやすさ）を、有効電流率により定量的に評価することができる。

ワークの無効電流経路の抵抗値を測定する様子を示す断面図である。 ワークの有効電流経路の抵抗値を測定する様子を示す断面図である。 ワークに対してインダイレクトスポット溶接を施す様子を示す断面図である。 インダイレクトスポット溶接における電流経路を示す断面図である。 （Ａ）は、有効電流率の値の大きいワークの電流経路を示す断面図である。（Ｂ）は、有効電流率の値の小さいワークの電流経路を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、自動車の車体の組立工程において行われるインダイレクトスポット溶接方法を示し、具体的には、図１に示すようなワーク１００（車体の骨格部品）を溶接する場合を示す。ワーク１００は、紙面直交方向に延びるフレーム状の部品であり、略平板状を成した第１の金属板１と、断面ハット形状を成した第２の金属板２と、第１の金属板１と第２の金属板２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板３とで構成される。金属板１～３としては、例えば鋼板が使用され、具体的には軟鋼板、高張力鋼板（引張強度４９０ＭＰａ以上）、超高張力鋼板（引張強度９８０ＭＰａ以上）等が使用される。

第１の金属板１と第２の金属板２のフランジ部２ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既溶接点Ｑ１を介して接合されている。第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接され既溶接点Ｑ２を介して接合されている。第３の金属板３の天板部３ｂと第１の金属板１との接合予定部Ｐが、インダイレクトスポット溶接方法により接合される。第１の金属板１のうち、第３の金属板３との接合予定部Ｐ付近には、厚さ方向の貫通穴（図示例ではスリットＳ）が設けられている。

第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐにインダイレクトスポット溶接を施す前に、当該接合予定部Ｐ（溶接点）におけるナゲットのできやすさを評価する。以下、溶接点の評価方法の手順を詳しく説明する。

まず、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂを測定する。具体的には、図１に示すように、抵抗測定器３０の一方の端子３１を、ワーク１００のうち、後のインダイレクトスポット溶接において溶接電極１０（図３参照）を当接させる部位、すなわち第１の金属板１の接合予定部Ｐあるいはその付近に上方から当接させる。また、抵抗測定器３０の他方の端子３２を、ワーク１００のうち、後のインダイレクトスポット溶接においてアース電極２０（図３参照）を当接させる部位（接合予定部Ｐ以外の部位）に当接させる。本実施形態では、他方の端子３２を、第２の金属板２の底部２ｂの既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。この状態で、ワーク１００の接合予定部Ｐを加圧することなく、両端子３１，３２間の電流経路の抵抗値を測定する。

本発明者らは、上記の状態で、両金属板１，３の接合予定部Ｐを絶縁した場合と絶縁しない場合とで無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂを測定した。その結果、何れの場合でも無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの値に大きな差はなかった。これは、接合予定部Ｐを加圧していないことで、両金属板１，３の接合予定部Ｐは実質的に接触しておらず、絶縁しなくても接合予定部Ｐにほとんど電流が流れないためと考えられる。従って、図１に示すように、両金属板１，３間を絶縁しない場合でも、一方の端子３１→第１の金属板１→既溶接点Ｑ１→第２の金属板２→他方の端子３２という、接合予定部Ｐ（両金属板１，３の界面）を通らない電流経路Ｃ１が形成され、この電流経路Ｃ１を、溶接に寄与しない無効電流の電流経路とみなすことができる。このときの電流値及び電圧から電流経路Ｃ１の抵抗値を測定し、この抵抗値を無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとする。尚、両端子３１，３２間の抵抗値を測定することで、図１に示されていない既溶接点や金属板同士の接触部を介した他の電流経路を含めた全ての無効電流経路の合成抵抗値が測定され、その値が無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとなる。

次に、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａを測定する。具体的には、図２に示すように、抵抗測定器３０の一方の端子３１を、ワーク１００のうち、第１の金属板１に接合される金属板（第３の金属板３の天板部３ｂ）の接合予定部Ｐあるいはその付近に当接させる。本実施形態では、抵抗測定器３０の一方の端子３１を、第１の金属板１に設けられたスリットＳに挿入して、第３の金属板３の天板部３ｂの接合予定部Ｐ付近に上方から当接させる。また、抵抗測定器３０の他方の端子３２を、第２の金属板２の底部２ｂの既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。これにより、一方の端子３１→第３の金属板３→既溶接点Ｑ２→第２の金属板２→他方の端子３２という電流経路Ｃ２が形成され、この電流経路Ｃ２の抵抗値を測定する。この電流経路Ｃ２の抵抗値は、後述するインダイレクトスポット溶接（図３参照）において溶接電極１０及びアース電極２０をワーク１００に接触させて通電したときに、接合予定部Ｐ（両金属板１，３の界面）を流れる有効電流の電流経路の抵抗値と略同様である。従って、この電流経路Ｃ２の抵抗値を、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａとみなすことができる。尚、両端子３１，３２間の抵抗値を測定することで、図１に示されていない既溶接点や金属板同士の接触部を介した他の電流経路を含めた全ての有効電流経路の合成抵抗値が測定され、その値が有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａとなる。

こうして測定された無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂ及び有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａに基づいて、有効電流率Ｋを算出する。有効電流率Ｋは、有効電流の流れやすさを表す指標、すなわち、溶接時に両電極１０，２０間に流れる全電流に対する有効電流の比率を表す指標である。本実施形態は、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとの和を全体抵抗Ｒ_Ｔ（＝Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂ）とし、有効電流率Ｋを、全体抵抗Ｒ_Ｔに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの比率とした（Ｋ＝Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｔ）。

そして、有効電流率Ｋの値に基づいて、接合予定部Ｐにおけるナゲットのできやすさを評価する。これにより、インダイレクトスポット溶接の溶接点を定量的に評価することができるため、必要に応じて、溶接条件（加圧力及び／又は電流値）やワーク１００の設計及び組立工程（溶接点の位置・数・溶接順序、金属板の形状等）を適切に調整することができる。

そして、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐを、インダイレクトスポット溶接により接合する。この溶接工程は、溶接電極１０及びアース電極２０（図３参照）を有するインダイレクトスポット溶接装置と、インダイレクトスポット溶接装置に接続され、溶接電極１０の加圧力及び両電極１０，２０間の電流値を制御する制御装置（図示省略）とを備えた設備で行われる。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極１０を軸線方向に駆動して金属板を加圧する加圧手段（エアシリンダや電動シリンダ等）を備える。

溶接工程では、まず、ワーク１００のうち、接合予定部Ｐと異なる部位にアース電極２０を当接させる。図示例では、第２の金属板２の底部２ｂ、特に、第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとの既溶接点Ｑ２に、アース電極２０を下方から当接させている。この状態で、制御装置からの指令により、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐを厚さ方向一方側（図中上側）から溶接電極１０で加圧しながら、両電極１０，２０間に通電することにより、接合予定部Ｐを溶接する。本実施形態では、溶接電極１０による加圧力及び両電極１０，２０間の電流値の一方又は双方を変化させながら、溶接が行われる。

以上により、金属板１と金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐに、所望の大きさ及び形状を有するナゲットが形成され、このナゲットを介して両金属板１，３が接合される。尚、ワーク１００の複数箇所にインダイレクトスポット溶接を施す場合は、アース電極２０をワーク１００の所定箇所に当接させた状態のまま、溶接電極１０のみを移動させて複数点の溶接を行ってもよい。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。

例えば、第１の金属板１にスリットＳが設けられていない場合は、溶接点を評価する工程で、一方の端子３１を差し込むための貫通穴を形成してもよい。具体的には、無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂを測定した後、第１の金属板１の接合予定部Ｐに貫通穴を形成し、この貫通穴を利用して有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａを測定することができる。その後、第１の金属板１の貫通穴を埋める補修作業を行って接合予定部Ｐを復元させ、その接合予定部Ｐにインダイレクトスポット溶接を施す。

また、上記の実施形態では、有効電流率Ｋを、全体抵抗Ｒ_Ｔに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの比率とした場合を示したが、これに限られない。例えば、有効電流率Ｋを、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの比率（Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ａ）としてもよい。あるいは、ワーク１００の接合予定部Ｐの溶接時における全電流経路の抵抗値をＲ_{ＴＯＴＡＬ}としたとき、有効電流率Ｋを、溶接時における全電流経路の合成抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}に対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂの比率（Ｒ_Ｂ／Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}）とすることもできる。

ところで、通常、溶接する複数の金属板１，３の間には微小な隙間があるため、溶接時には、溶接電極１０で第１の金属板１を加圧して両金属板１，３間の隙間を詰める必要がある。このため、溶接時における全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}は、複数の金属板１，３の接合予定部Ｐを所定の加圧力で加圧しながら、溶接電極１０及びアース電極２０を当接させる部位にそれぞれ抵抗測定器の端子３１，３２を当接させた状態で測定する必要がある。しかし、溶接電極１０による加圧力は非常に大きく、このような大きな加圧力で接合予定部Ｐを加圧しながら、その部位に抵抗測定器の一方の端子３１を当接させることは極めて困難である。

そこで、全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}を直接測定するのではなく、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとをそれぞれ測定した後、これらを用いて全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}を算出してもよい（１／Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}＝１／Ｒ_Ａ＋１／Ｒ_Ｂ）。これにより、複数の金属板１，３の接合予定部Ｐを加圧しながら抵抗測定器の端子３１を当接させるという困難な測定作業を要することなく、溶接時における全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}を取得することができる。あるいは、上記の実施形態のように、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂとの和で表される全体抵抗Ｒ_Ｔを用いて有効電流率Ｋを定義することで、有効電流率Ｋをより簡単に取得することができる。

また、上記の実施形態では、抵抗測定器３０を用いて実際に有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａ及び無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂを測定した場合を示したが、これらをシミュレーションにより算出してもよい。これにより、自動車の設計段階で、有効電流率Ｋに基づいて溶接点ごとにナゲットのできやすさを評価することができるため、各溶接点に所望のナゲットが形成されるように、各溶接点の溶接条件（加圧力及び／又は電流値）やワーク１００の設計及び組立工程（溶接点の位置・数・溶接順序、金属板の形状等）を調整することができる。また、シミュレーションでは、接合予定部Ｐを加圧しながら、両電極１０，２０間の全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}を算出することができるため、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａを算出することなく、無効電流経路の抵抗値Ｒ_Ｂと全電流経路の抵抗値Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}とから有効電流率Ｋを算出することができる。

１ 第１の金属板
２ 第２の金属板
３ 第３の金属板
１０ 溶接電極
２０ アース電極
３０ 抵抗測定器
３１，３２ 端子
Ｐ 接合予定部
Ｑ１，Ｑ２ 既溶接点
Ｓ スリット
Ｃ１ 無効電流経路
Ｃ２ 有効電流経路
Ｒ_Ａ 有効電流経路の抵抗値
Ｒ_Ｂ 無効電流経路の抵抗値
Ｋ 有効電流率

Claims (1)

1. 複数の金属板の接合予定部を溶接電極で加圧すると共に、前記接合予定部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接により形成される溶接点を評価するための方法であって、
   溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値と溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値とに基づいて設定された有効電流率により溶接点を評価し、
   前記無効電流経路の抵抗値が、前記複数の金属板に含まれる一方の金属板と前記他方の金属板が前記接合予定部において実質的に接触していない状態で、前記複数の金属板のうち、前記溶接電極を当接させる一方の金属板の接合予定部あるいはその付近と、前記アース電極を当接させる部位とを通る電流経路の抵抗値であり、
   前記有効電流経路の抵抗値が、前記複数の金属板のうち、前記他方の金属板の前記接合予定部あるいはその付近と、前記アース電極を当接させる部位とを通り、前記一方の金属板を通らない電流経路の抵抗値であるインダイレクトスポット溶接の溶接点の評価方法。

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