JP7132300B2

JP7132300B2 - 抵抗スポット溶接方法及び抵抗スポット溶接装置

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Publication number: JP7132300B2
Application number: JP2020157895A
Authority: JP
Inventors: 圭吾安田
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2040-09-18
Also published as: CN114192950B; US20220088699A1; DE102021123615A1; US11883898B2; CN114192950A; JP2022051421A

Description

本開示は、抵抗スポット溶接方法及び抵抗スポット溶接装置に関する。

板厚の異なる複数の鋼板を重ねたワークを抵抗スポット溶接する場合、ナゲットはワーク全体の厚み中心に形成される。そのため、板厚の小さい鋼板にナゲットが十分に溶け込まない可能性がある。

電流を大きくすることで、ナゲットの溶け込みを増加させることができるが、この場合、スパッタが発生し易くなる。そこで、材質の異なる２種類の電極を用いてナゲットの形成位置を調整することで、接合強度を高める方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１３－１７３１５５号公報

上述の抵抗スポット溶接方法では、２種類の電極を用いて溶接を行うため、電極を付け間違えると溶接不良が発生する。また、一方の電極が高熱伝導率の材質とする必要があることから、電極が高価となる。

本開示の一局面は、スパッタの発生を抑えつつ板厚の異なる鋼板の溶接強度を向上できる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、複数の鋼板が重ね合わされたワークを抵抗スポット溶接装置により溶接する工程を備える抵抗スポット溶接方法である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、複数の鋼板のうち第１鋼板よりも薄い第２鋼板に接触し、第１電極と共にワークを挟むように構成された第２電極と、を備える。溶接する工程では、溶接中に、第２電極を第１電極に対して第２鋼板の板面と平行な方向に相対的に移動させる。

このような構成によれば、第１鋼板よりも薄い第２鋼板に接触する第２電極が第１電極に対してずれることで、第２電極が第２鋼板にめり込む。これにより、第２電極がずれる前に形成されていたナゲットが、めり込んだ第２電極によって第２鋼板の第２電極がめり込んだ部分を避けるように第２鋼板に押し込まれる。そのため、ナゲットの第２鋼板への溶け込み量が増加する。

その結果、第１電極及び第２電極の材質が制限されることなく、電流を大きくすることによるスタッパの発生を抑制しつつ、板厚の異なる鋼板の溶接強度を向上することができる。

本開示の一態様では、第２電極は、第１電極に対しワークを挟む方向に移動可能であってもよい。溶接する工程では、ワークの厚み方向がワークを挟む方向と交差するようにワークを保持してもよい。このような構成によれば、第１電極及び第２電極がワークを挟む力を利用して溶接中に第２電極を第１電極に対し移動させることができる。

本開示の一態様では、第１電極及び第２電極がワークを挟む方向は鉛直方向と平行であってもよい。このような構成によれば、重力方向とワークの加圧方向とが一致するため、溶接品質を安定させることができる。

本開示の一態様では、第２電極は、ワークの上方に配置されてもよい。このような構成によれば、抵抗スポット溶接装置へのワークの配置（つまり溶接の準備作業）が容易になるため生産性が向上する。

本開示の別の態様は、複数の鋼板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、複数の鋼板のうち第１鋼板よりも薄い第２鋼板に接触し、第１電極と共にワークを挟むように構成された第２電極と、を備える。抵抗スポット溶接装置は、溶接中に、第２電極を第１電極に対して第２鋼板の板面と平行な方向に相対的に移動させるように構成される。

このような構成によれば、上述したようにナゲットの第２鋼板への溶け込み量が増加する。その結果、第１電極及び第２電極の材質が制限されることなく、電流を大きくすることによるスタッパの発生を抑制しつつ、板厚の異なる鋼板の溶接強度を向上することができる。

本開示の一態様では、第２電極は、第１電極に対しワークを挟む方向に移動可能であってもよい。抵抗スポット溶接装置は、ワークの厚み方向がワークを挟む方向と交差するようにワークを保持するワーク保持部をさらに備えてもよい。このような構成によれば、第１電極及び第２電極がワークを挟む力を利用して溶接中に第２電極を第１電極に対し移動させることができる。

本開示の一態様では、第２電極は、ワークの上方に配置されてもよい。このような構成によれば、抵抗スポット溶接装置へのワークの配置が容易になるため生産性が向上する。

図１は、実施形態における抵抗スポット溶接装置の模式図である。図２Ａは、抵抗スポット溶接装置による鋼板の溶接状態を示す模式図であり、図２Ｂは、図２Ａの次の溶接状態を示す模式図であり、図２Ｃは、図２Ｂの次の溶接状態を示す模式図である。図３は、実施形態における抵抗スポット溶接方法のフロー図である。図４Ａは、図２Ａとは異なる実施形態における抵抗スポット溶接装置による鋼板の溶接状態を示す模式図であり、図４Ｂは、図４Ａの次の溶接状態を示す模式図であり、図４Ｃは、図４Ｂの次の溶接状態を示す模式図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す抵抗スポット溶接装置１は、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とが重ね合わされたワークＷを溶接するように構成されている。抵抗スポット溶接装置１は、抵抗溶接機２と、ワーク保持部３とを有する。

第１鋼板Ｐ１は、第２鋼板Ｐ２よりも厚みが大きい。つまり、第２鋼板Ｐ２は、第１鋼板Ｐ１よりも薄い。本実施形態では、第２鋼板Ｐ２が第１鋼板Ｐ１の上に重ね合わされている。また、第１鋼板Ｐ１及び第２鋼板Ｐ２の材質は特に限定されない。

＜抵抗溶接機＞
抵抗溶接機２は、ワークＷとして配置された第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを厚み方向に抵抗スポット溶接する。

抵抗溶接機２は、第１電極２１と、第２電極２２とを備える。第１電極２１は、ワークＷの下方に配置されている。第２電極２２は、ワークＷの上方に配置され、第１電極２１と共にワークＷを挟んで加圧するように構成されている。

第２電極２２は、第１電極２１に対し、相対的に鉛直方向に移動可能である。本実施形態では、第１電極２１及び第２電極２２がワークＷを挟む方向（つまり第２電極２２の移動方向）は鉛直方向と平行である。

第１電極２１及び第２電極２２は、それぞれ、溶接時にワークＷに接触する。具体的には、第１電極２１は、第１鋼板Ｐ１に接触するように構成されている。第２電極２２は、第２鋼板Ｐ２に接触するように構成されている。第１電極２１と第２電極２２との間には、溶接電流がワークＷを介して流れる。

＜ワーク保持部＞
ワーク保持部３は、ワークＷの厚み方向（つまり第１鋼板Ｐ１及び第２鋼板Ｐ２の板面と直交する方向）がワークＷを挟む方向（つまり鉛直方向）と交差するように、ワークＷを保持するように構成されている。

ワークＷは、ワーク保持部３によって、第１鋼板Ｐ１の板面及び第２鋼板Ｐ２の板面が鉛直方向及び水平方向の双方に対して傾斜するように保持される。ワーク保持部３は、例えば、ワークＷを把持する治具を有する。

抵抗スポット溶接装置１は、ワーク保持部３によって保持されたワークＷを第１電極２１及び第２電極２２で挟んだ状態で、第１電極２１及び第２電極２２間に電流を供給し、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを溶接する。

溶接の初期では、図２Ａに示すように、第１電極２１の中心軸Ｃ１と第２電極２２の中心軸Ｃ２とは一致している。なお、第１電極２１の中心軸Ｃ１及び第２電極２２の中心軸Ｃ２は、それぞれの電極の水平方向における中心を通る直線であり、鉛直方向と平行である。

第１電極２１と第２電極２２との間には、通電によって溶融状態のナゲットＮが形成される。ナゲットＮの重心は、第１電極２１の中心軸Ｃ１及び第２電極２２の中心軸Ｃ２を通る。

溶接がさらに進むと、第１鋼板Ｐ１及び第２鋼板Ｐ２の溶融（つまり液化）が進む。これにより、第２鋼板Ｐ２の膨張による反発力によって第２電極２２が上方に持ち上げられる。その結果、図２Ｂに示すように、溶接の中心（つまり第１電極２１の中心軸Ｃ１）から離れるように第２鋼板Ｐ２の板面に沿って下方に第２電極２２がスライドする。

スライドした第２電極２２は、溶接の中心からずれた位置において、溶融した第２鋼板Ｐ２に上方からめり込む。なお、第２電極２２が移動している間、第２電極２２の中心軸Ｃ２は鉛直方向と平行のままである。つまり、第２電極２２は水平方向及び鉛直方向に移動するが、姿勢は変化しない。

このように第２電極２２の中心軸Ｃ２が第１電極２１の中心軸Ｃ１とずれた状態で第２電極２２が第２鋼板Ｐ２にめり込むと、図２Ｃに示すように、ナゲットＮの一部（押し込み部Ｉ）が第２電極２２から逃げるように第２鋼板Ｐ２内に押し込まれる。

押し込み部Ｉは、ナゲットＮにおいて、第１電極２１の中心軸Ｃ１を挟んで、第２電極２２の中心軸Ｃ２が通る領域とは反対側の領域の上方に形成される。押し込み部Ｉは、第２鋼板Ｐ２に押し込まれた状態で凝固する。

本実施形態では、第１電極２１は、抵抗溶接機２に固定された固定電極である。そのため、第１電極２１は、溶接中に水平方向及び鉛直方向のいずれにも移動しない。ただし、第１電極２１は、水平方向又は鉛直方向に移動可能に構成されてもよい。

このように、抵抗スポット溶接装置１は、ワークＷの溶接中に、第２電極２２を第１電極２１に対して第２鋼板Ｐ２の板面と平行な方向（つまり鉛直方向及び水平方向の双方に交差する方向）に移動させるように構成されている。

なお、「溶接中」とは、通電により鋼板内部に溶融池が形成され始めてから、溶融池の形成が完成する（つまり通電を止める）までの工程を意味する。したがって、抵抗スポット溶接装置１は、溶融池の形成が開始された後に、第２電極２２を移動させる。

［１－２．製造方法］
図３に示す抵抗スポット溶接方法は、配置工程Ｓ１０と、溶接工程Ｓ２０とを備える。本実施形態の抵抗スポット溶接方法は、例えば、図１の抵抗スポット溶接装置１を用いて実施される。

＜配置工程＞
本工程では、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを厚み方向に重ね合わせたワークＷを抵抗溶接機２の第１電極２１と第２電極２２との間に配置する。また、ワーク保持部３によって、ワークＷの厚み方向がワークＷを挟む方向と交差するようにワークＷを保持する。

＜溶接工程＞
本工程では、重ね合わされた第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２とを抵抗スポット溶接装置１により溶接する。

本工程では、溶接中に、第１電極２１及び第２電極２２間の圧力（つまり第２電極２２のワークＷへの押し付け）によって、第２電極２２を第１電極２１に対して第２鋼板Ｐ２の板面と平行に移動させる。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）第１鋼板Ｐ１よりも薄い第２鋼板Ｐ２に接触する第２電極２２が第１電極２１に対してずれることで、第２電極２２が第２鋼板Ｐ２にめり込む。これにより、第２電極２２がずれる前に形成されていたナゲットＮが、めり込んだ第２電極２２によって第２鋼板Ｐ２の第２電極２２がめり込んだ部分を避けるように第２鋼板Ｐ２に押し込まれる。

そのため、ナゲットＮの第２鋼板Ｐ２への溶け込み量が増加する。その結果、第１電極２１及び第２電極２２の材質が制限されることなく、電流を大きくすることによるスタッパの発生を抑制しつつ、板厚の異なる鋼板の溶接強度を向上することができる。

（１ｂ）厚み方向が第１電極２１及び第２電極２２によって挟まれる方向と交差するようにワークＷが保持されることで、第１電極２１及び第２電極２２がワークＷを挟む力を利用して溶接中に第２電極２２を第１電極２１に対し移動させることができる。

（１ｃ）第１電極２１及び第２電極２２によってワークＷを挟む方向を鉛直方向とすることで、重力方向とワークＷの加圧方向とが一致するため、溶接品質を安定させることができる。

（１ｄ）第２電極２２がワークＷの上方に配置されることで、抵抗スポット溶接装置１へのワークＷの配置（つまり溶接の準備作業）が容易になるため生産性が向上する。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置１及び抵抗スポット溶接方法において、ワークＷは、必ずしも厚み方向が第１電極２１及び第２電極２２によって挟まれる方向と交差するように保持されなくてもよい。

例えば、第２電極２２が機械的に第２鋼板Ｐ２の板面と平行な方向に移動可能であれば、図４Ａに示すように、ワークＷの厚み方向が電極によって挟まれる方向と平行となるようにワークＷが保持されてもよい。

図４Ａの例では、溶接の途中で、例えば抵抗溶接機２に設けられたシリンダー等のスライド機構が、図４Ｂに示すように第２電極２２を第２鋼板Ｐ２の板面と平行な方向に移動させる。第２電極２２が溶接の中心からずれると、図４Ｃに示すように、第２電極２２が溶融した第２鋼板Ｐ２に上方からめり込み、ナゲットＮの押し込み部Ｉが第２電極２２から逃げるように第２鋼板Ｐ２内に押し込まれる。

（２ｂ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置１及び抵抗スポット溶接方法において、ワークＷは３枚以上の鋼板を有してもよい。つまり、第１鋼板Ｐ１と第２鋼板Ｐ２との間に１枚以上の鋼板が配置されてもよい。

（２ｃ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置１及び抵抗スポット溶接方法において、第１電極２１及び第２電極２２によってワークＷを挟む方向は必ずしも鉛直方向でなくてもよい。ワークＷを挟む方向は、水平方向であってもよいし、鉛直方向及び水平方向の双方に交差する方向であってもよい。

（２ｄ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置１及び抵抗スポット溶接方法において、第１電極２１はワークＷに対し移動可能であってもよい。つまり、第２電極２２が第１電極２１に対して第２鋼板Ｐ２の板面と平行な方向に相対的に移動するように、溶接中に第１電極２１及び第２電極２２の双方が移動してもよい。

（２ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…抵抗スポット溶接装置、２…抵抗溶接機、３…ワーク保持部、２１…第１電極、
２２…第２電極、Ｃ１…中心軸、Ｃ２…中心軸、Ｗ…ワーク、Ｐ１…第１鋼板、
Ｐ２…第２鋼板、Ｉ…押し込み部、Ｎ…ナゲット。

Claims

複数の鋼板が重ね合わされたワークを抵抗スポット溶接装置により溶接する工程を備える抵抗スポット溶接方法であって、
前記抵抗スポット溶接装置は、
前記複数の鋼板のうち第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、
前記複数の鋼板のうち前記第１鋼板よりも薄い第２鋼板に接触し、前記第１電極と共に前記ワークを挟むように構成された第２電極と、
を備え、
前記溶接する工程では、溶接中に、前記第２電極を前記第１電極に対して前記第２鋼板の板面と平行な方向に相対的に移動させる、抵抗スポット溶接方法。
請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
前記第２電極は、前記第１電極に対し前記ワークを挟む方向に移動可能であり、
前記溶接する工程では、前記ワークの厚み方向が前記ワークを挟む方向と交差するように前記ワークを保持する、抵抗スポット溶接方法。
請求項１又は請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
前記第１電極及び前記第２電極が前記ワークを挟む方向は鉛直方向と平行である、抵抗スポット溶接方法。
請求項３に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
前記第２電極は、前記ワークの上方に配置される、抵抗スポット溶接方法。
複数の鋼板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置であって、
前記複数の鋼板のうち第１鋼板に接触するように構成された第１電極と、
前記複数の鋼板のうち前記第１鋼板よりも薄い第２鋼板に接触し、前記第１電極と共に前記ワークを挟むように構成された第２電極と、
を備え、
溶接中に、前記第２電極を前記第１電極に対して前記第２鋼板の板面と平行な方向に相対的に移動させるように構成される、抵抗スポット溶接装置。
請求項５に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記第２電極は、前記第１電極に対し前記ワークを挟む方向に移動可能であり、
前記ワークの厚み方向が前記ワークを挟む方向と交差するように前記ワークを保持するワーク保持部をさらに備える、抵抗スポット溶接装置。
請求項５又は請求項６に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記第１電極及び前記第２電極が前記ワークを挟む方向は鉛直方向と平行である、抵抗スポット溶接装置。
請求項７に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記第２電極は、前記ワークの上方に配置される、抵抗スポット溶接装置。