JP7158115B2

JP7158115B2 - スポット溶接の接合点の評価方法

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Publication number: JP7158115B2
Application number: JP2018142667A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎木許; 知嗣加藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: JP2020019028A

Description

本発明は、スポット溶接により形成された接合点の品質を評価するための方法に関する。

スポット溶接により形成された接合点（ナゲット）の品質を評価する方法として、たがね試験が知られている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、断面ハット形状の金属板で覆われた袋構造（図１参照）に溶接を施す場合、たがねを挿入することが不可能な場所にナゲットが形成されることがある。このような場所に形成されたナゲットには、たがね試験を適用することができないため、他の評価方法として、例えば超音波検査が適用される（例えば、特許文献２参照）。超音波検査は、ナゲットに向けて超音波を発振し、その反射波を受信することにより、ナゲットの大きさを測定するものである。

特開２０１１－０４７７３８号公報特開２００８－２０３０８２号公報

スポット溶接では、金属板が電極で加圧されるため、金属板に凹状の打痕が形成される。特に、インダイレクトスポット溶接では、電極で加圧される金属板が反対側から支持されていないため、打痕が深くなる。このような深い凹状の打痕に超音波を発振すると、超音波が打痕の表面を通過する際に分散してしまい、反射した超音波を正常に受信することができず、ナゲットの大きさの正確な測定ができない恐れがある。

そこで、本発明は、たがね試験や超音波検査では評価できない接合点であっても、品質を正確に評価できる方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより前記複数の金属板を接合するスポット溶接を行うにあたり、前記一対の電極間を流れる電流値をＩ、前記一対の電極間の電圧をＶ、前記複数の金属板の接合予定部における接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄを用いて接合点の品質を評価するスポット溶接の接合点の評価方法を提供する。

スポット溶接（抵抗溶接）は、金属板同士の接触部における電流密度（電流値Ｉ／金属板同士の接触面積Ｓ）と抵抗値との関係によって、この接触部を抵抗発熱させて溶接する工法である。本発明では、上記の抵抗溶接の原理原則を考慮して、電流値Ｉと、温度によって変化する抵抗値Ｒと、溶接の進行に伴って変化する金属板同士の接触面積Ｓとの関係から、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓ（＝Ｉ^２・Ｒ／Ｓ）で表される発熱密度Ｄを定義した。この発熱密度Ｄを用いて接合点の品質を評価することで、金属板同士の接触部の実際の発熱状態を把握することができるため、接合点の品質を正確に評価することができる。

以上のように、本発明によれば、たがね試験や超音波検査を適用することができない接合点であっても、接合点の品質を正確に評価することができる。

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。上記インダイレクトスポット溶接の溶接中の電流値、加圧力、及び発熱密度を示すグラフである。（Ａ）～（Ｅ）は、図２の各ステップＳ１～Ｓ５終了時におけるワークの接合予定部周辺の断面図である。溶接電極の変位量と金属板同士の接触面積との関係を示すグラフである。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。

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接合点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た既接合点Ｑ２を介して接合されている。

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。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極１０及びアース電極２０と、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）と、加圧手段による溶接電極１０の加圧力及び両電極１０，２０間の電流値を制御する制御部（図示省略）とを備える。

接合予定部Ｐに対するインダイレクトスポット溶接は、以下の手順で行われる。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との既接合点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、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。具体的には、図２に示す加圧通電パターンに従って溶接が行われる。以下、この加圧通電パターンを詳しく説明する。

［第１のステップＳ１］
第１のステップＳ１では、溶接電極１０で接合予定部Ｐを、相対的に高い第１の加圧力Ｆ１で加圧する。これにより、金属板１，３間の隙間を詰めて両金属板１，３を確実に接触させると共に、溶接電極１０と第１の金属板１との接触面積、及び、第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積を確保することができる。この状態で、電極１０，２０間に、相対的に低い第１の電流値Ｉ１を通電することにより、電流密度を抑えて金属板１，３表面の溶融飛散を防止しながら、金属板１を軟化させて、溶接電極１０と第１の金属板１との接触面積、及び、第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積を拡大することができる｛図３（Ａ）参照｝。尚、図３に散点で示す領域は、熱影響部である。

［第２のステップＳ２］
第２のステップＳ２では、始めに、溶接電極１０に加圧力を付与する加圧手段に対して加圧力低下の指令を出す（図２参照）。このとき、加圧手段の構造上、指令を受けると同時に実際の加圧力がＦ１からＦ２まで瞬時に降下するのではなく、Ｆ１からＦ２まで徐々に低下する移行期間が必然的に設けられる。こうして加圧力をＦ１からＦ２まで徐々に降下させながら、第１のステップの電流値Ｉ１よりも低い電流値Ｉ２で通電する。このように、加圧力が不安定な状態での投入熱量を抑えることで、溶接電極１０及び金属板１，３を適度に冷却あるいは保温してヒートバランスを調整することができる。この第２のステップＳ２では、金属板１，３の接合予定部Ｐ周辺の状態はほとんど変化しない｛図３（Ｂ）参照｝。

［第３のステップＳ３］
その後、加圧手段の加圧力を検知する加圧力検知部（図示省略）が、加圧力がＦ２まで降下したことを検知したら、電流値を上昇させる。本実施形態では、加圧力がＦ２まで降下すると同時に、電流値を上昇させる（図２参照）。このとき、第２のステップＳ２の低電流値Ｉ２から、ナゲットを形成する本通電の電流値（次の第４のステップＳ４の電流値Ｉ４）まで一気に高めると、スパッタが発生する恐れがある。そこで、第３のステップＳ３において、低加圧力Ｆ２で加圧しながら、まずは本通電の電流値Ｉ４よりも低い電流値Ｉ３で通電することにより、金属板１，３を軟化させてこれらの接触面積を拡大することができる｛図３（Ｃ）参照｝。

［第４のステップＳ４］
こうして金属板１，３同士の接触面積を確保した状態で、続く第４のステップＳ４で本通電の電流値Ｉ４まで上昇させて通電する（図２参照）。これにより、スパッタを発生させることなくナゲットの種（所望の大きさには至らないナゲット）を確実に形成することができる｛図３（Ｄ）参照｝。図示例では、第４のステップＳ４で、両金属板１，３の接合予定部Ｐに環状のナゲットＮが形成される。

［第５のステップＳ５］
上記のステップＳ４でナゲットの種を形成した後、第５のステップＳ５で、溶接電極１０により第２の加圧力Ｆ２で加圧しながら、両電極１０，２０間に、第４の電流値Ｉ４よりも低い第５の電流値Ｉ５を通電する（図２参照）。これにより、金属板１，３への投入熱量を抑えながら、第４のステップＳ４で加熱した金属板１，３の予熱を利用して、ナゲットの状態を安定化させることができる｛図３（Ｅ）参照｝。図示例では、第４のステップＳ４で形成された環状のナゲットＮが第５のステップＳ５で内径側に成長し、中空部が埋められて略円盤状となる。

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接合点としてのナゲットＮが形成され、このナゲットＮを介して両金属板１，３が接合される。

上記のインダイレクトスポット溶接により形成された接合点の品質を、溶接中の発熱密度Ｄを用いて評価する。具体的には、両電極１０，２０間に通電を開始してから終了するまでの間、両電極１０，２０間を流れる電流値Ｉと、両電極１０，２０間の電圧Ｖと、金属板１，３同士の接触面積Ｓとを測定する。

このとき、金属板１，３同士の接触面積Ｓを直接測定することは困難であるため、溶接電極１０の変位量ｘで代替する。本実施形態では、通電開始時における溶接電極１０の位置を基準とし、ここからの溶接電極１０の軸方向（加圧方向）移動量を変位量ｘとする。溶接中の接触面積Ｓの具体的な取得方法は以下の通りである。まず、予め、溶接電極１０の変位量ｘと金属板１，３の接触面積Ｓとの相関関係を取得する。例えば、上記のワーク１００と同様のサンプルの接合予定部にインダイレクトスポット溶接を施し、通電を途中の複数段階で止めた複数のサンプルを作製する。そして、各サンプルの切断面から金属板１，３の接触面積Ｓを測定すると共に、そのときの溶接電極１０の変位量ｘを記録し、グラフ上に（ｘ，Ｓ）をプロットする（図４参照）。このグラフから、変位量ｘと接触面積Ｓとの相関関係を算出する。図示例では、接触面積Ｓと変位量ｘとがおおよそ比例関係にあり、Ｓ＝ａ・ｘ＋ｂで表される（ａ，ｂは定数）。この関係式を用いることにより、実際の製品にインダイレクトスポット溶接を施す際に、測定が容易な溶接電極１０の変位量ｘから、直接測定することが困難な金属板１，３同士の接触面積Ｓを取得することができる。

これらの電流値Ｉ、電圧Ｖ、及び接触面積Ｓ（溶接電極１０の変位量ｘ）から、Ｄ＝Ｖ・Ｉ／Ｓ＝Ｖ・Ｉ／（ａ・ｘ＋ｂ）で表される発熱密度Ｄを算出する（図２の鎖線参照）。この発熱密度Ｄを用いて、ナゲットＮの品質を評価する。以下、発熱密度Ｄを用いたナゲットＮの評価方法の具体的手順の一例を説明する。

まず、通電開始から終了までの期間を複数の区間に分ける。本実施形態では、電流値が一定の各ステップＳ１～Ｓ５の少なくとも一つを複数の区間に分け、具体的には、図２に示すように、第１～第５のステップＳ５をそれぞれ２つの区間に等分して区間Ｃ１～Ｃ１０を形成する。そして、予め、様々な条件でインダイレクトスポット溶接を行った多数のサンプルを作成し、このときの各区間Ｃ１～Ｃ１０の発熱密度の値（例えば、各区間の発熱密度の平均値や積分値等）を取得すると共に、各サンプルの切断面から接合点の不良の有無を確認する。そして、発熱密度と接合点の品質との相関が高い区間、すなわち、接合点が良好である場合と不良である場合とで発熱密度の値に明確な差が生じている一又は複数の区間を選択し、選択した区間において発熱密度の値の許容範囲を設定する。

そして、実際の製品において、インダイレクトスポット溶接を施した接合点の品質を評価する。すなわち、選択した区間の発熱密度の値が許容範囲内であれば、金属板１，３の接合予定部Ｐに良好なナゲットＮが形成されていると判定し、選択した区間の発熱密度の値が許容範囲外であれば、ナゲットＮに何らかの不良（ナゲット径不足、金属板の割れ、ブローホール等）が生じていると判定する。

尚、接合点を評価するにあたり、上記で選択した区間の発熱密度の値（平均値、積分値等）をそのまま用いるのではなく、これらの区間の発熱密度から統計的手法（例えば判別分析法）により作成した評価式を用いてもよい。例えば、各区間Ｃ１～Ｃ１０の発熱密度の値をｃ１～ｃ１０としたとき、Ｆ＝ｋ１・ｃ１＋ｋ２・ｃ２＋・・・＋ｋ１０・ｃ１０で表される評価式Ｆを用いてもよい。ｋ１～ｋ１０は、各項の寄与率を踏まえた係数である。このような評価式を用いることで、接合点の品質をより正確に評価することが可能となる。この評価式には、上記のような各区間の発熱密度の値の項の他、何れかの区間の発熱密度の値の累乗（例えばｃ１^２等）の項や、複数の区間の発熱密度の値の積（例えばｃ１・ｃ２等）や比（例えばｃ１／ｃ２等）の項を加えてもよい。

上記のように、溶接中の電流値Ｉ、電圧Ｖ、及び金属板１，３同士の接触面積Ｓ（溶接電極１０の変位量ｘ）の関係を表す発熱密度Ｄを用いてナゲットＮの品質を評価することで、たがね試験や超音波検査を適用できないナゲットＮの品質であっても評価できる。

また、発熱密度Ｄ（＝Ｉ・Ｖ／Ｓ＝Ｉ^２・Ｒ／Ｓ）は、電流密度（＝Ｉ／Ｓ）だけでなく、金属板１，３の温度や接触面積Ｓに伴って時々刻々と変化する抵抗値Ｒを考慮したパラメータである。この発熱密度Ｄを用いることで、金属板１，３の接触部における抵抗発熱による発熱状態をモニタリングできるため、ナゲットＮの品質を正確に評価することができる。

尚、上記のようなナゲットＮの品質評価は、インダイレクトスポット溶接工程とは別に設けた検査工程で行ってもよいし、インダイレクトスポット溶接工程内で行ってもよい。後者の場合、例えば、インダイレクトスポット溶接の完了と同時に、発熱密度Ｄの算出及びナゲットＮの良否判定を自動で行うことができる。この場合、サイクルタイムの短縮が図られ、製造コストを低減できる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、接合点の品質を評価するにあたり、発熱密度Ｄに有効電流率Ｋを乗じた指標を用いてもよい。有効電流率Ｋは、電極間を流れる全電流のうち、溶接に寄与する有効電流の流れやすさを表す指標である。以下、有効電流率Ｋの測定方法の一例を詳しく説明する。

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５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、接合予定部Ｐ以外の部位、例えば、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１参照）を当接させる部位に当接させる。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の既接合点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。このとき、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、接合予定部Ｐにほとんど電流が流れないため、一方の端子３１→第１の金属板１→既接合点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Ｌ１が形成される。この電流経路Ｌ１を、溶接に寄与しない無効電流の電流経路とみなし、このときの電流値及び電圧から電流経路Ｌ１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。

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６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３の金属板３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、予め第１の金属板１に設けられたスリット１ａ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の既接合点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→既接合点Ｑ２→第２の金属板２→他方の端子３２という電流経路Ｌ２が形成され、この電流経路Ｌ２の抵抗値を測定する。この電流経路Ｌ２の抵抗値は、インダイレクトスポット溶接（図１参照）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ため、この電流経路Ｌ２の抵抗値を有効電流経路の抵抗値Ｒ_Ａとみなす。

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。具体的には、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の比率とする（Ｋ＝Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ｔ）。尚、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。

そして、発熱密度Ｄに有効電流率Ｋを乗じた実質発熱密度Ｄ’（＝Ｋ・Ｄ）を用いて、ナゲットＮの品質を評価する。これにより、金属板１，３の接触部における発熱状態をより正確に評価することができるため、接触部の溶融状態、ひいてはナゲットＮの品質をより正確に評価することができる。

また、上記の実施形態では、金属板同士の接触面積Ｓを変位量ｘで代替して発熱密度Ｄを算出した場合を示したが、これに限られない。例えば、通電を途中で止めた複数のサンプルを作製し、各サンプルの接合点の断面から金属板同士の接触面積を測定してもよい。

また、本発明に係る評価方法は、インダイレクトスポット溶接の接合点に限らず、ダイレクトスポット溶接やシリーズ溶接等の他のスポット溶接の接合点の評価に適用することができる。

１-３金属板
１０溶接電極
２０アース電極
１００ワーク
Ｎナゲット（接合点）
Ｐ接合予定部
Ｑ１，Ｑ２既接合点

Claims

重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより前記複数の金属板を接合するスポット溶接を行うにあたり、
前記一対の電極間を流れる電流値をＩ、前記一対の電極間の電圧をＶ、前記複数の金属板の接合予定部における接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄに、前記一対の電極間を流れる全電流のうち、溶接に寄与する有効電流の流れやすさを表す指標である有効電流率Ｋを乗じた実質発熱密度Ｄ’（＝Ｋ・Ｄ）を用いて接合点の品質を評価するスポット溶接の接合点の評価方法。