JP7201569B2 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は抵抗スポット溶接方法に係る。特に、本発明は、初期通電の後に実施される本通電の実施期間中におけるスパッタの発生を抑制するための改良に関する。

従来、自動車の車体等を製造するに当たり、複数の金属板を互いに接合する手段として抵抗スポット溶接が利用されている。この抵抗スポット溶接は、一対の電極で複数の金属板（被溶接材）を挟持しながら通電を行い、金属板自身の電気抵抗等により発生するジュール熱を利用して金属板同士を溶融させて接合するものである。

抵抗スポット溶接において溶接品質を良好に得るためにはスパッタ（溶融金属が飛散する散り）の発生を抑制する必要がある。

特許文献１には、スパッタの発生を抑制することを目的とした亜鉛めっき高張力鋼板の抵抗スポット溶接方法が開示されている。この特許文献１では、抵抗スポット溶接時におけるスパッタの発生を抑制することを目的として、電極間の本通電に先立って行われる初期通電に際し、重ね合わせた各金属板（鋼板）の合計厚みと電極対の中心間距離との関係を定めることが開示されている。

特開２０１６－４１４４１号公報

しかしながら、金属板を挟持する各電極それぞれの形状が異なっている場合や、他の鋼板に対して電気抵抗値（以下、単に抵抗という場合もある）が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板を互いに重ね合わせて抵抗スポット溶接を行う場合には、本通電の実施期間中にスパッタが発生してしまう可能性がある。

具体的に、金属板を挟持する各電極それぞれの形状が異なっている場合、初期通電が開始されると、複数の鋼板が重ね合わされて成る板組において、小型で熱容量が小さい一方の電極側に発熱が偏ることになり、温度分布が一様でなくなる。この状態で本通電に移行すると、鋼板の表面に存在するめっき層の構成材料と鉄とで成る合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比（比率）が適正に得られていない部分（例えば、溶接ナゲットの外形寸法に対する合金層の外形寸法の比が所定値未満となっている部分）においてスパッタが発生してしまう可能性がある。

図１４は、従来の抵抗スポット溶接における溶接電流値の推移、および、溶接ナゲットａおよび合金層ｂの形状変化の一例を示す各鋼板ｃ，ｄ，ｅの断面図である。図１４（ａ）は溶接電流値の推移を示している。また、図１４（ｂ）は初期通電が行われた際の溶接ナゲットａおよび合金層ｂの形状を示し、図１４（ｃ）は本通電が行われている際の溶接ナゲットａおよび合金層ｂの形状を示している。この図１４に示す例では、図１４（ｂ）（ｃ）に示すように下部電極ｆが上部電極ｇに比べて小さく、この下部電極ｆの熱容量が小さくなっている。

図１４（ａ）に示すように、従来の抵抗スポット溶接では、初期通電が所定期間行われた後（図中のタイミングｔ１～ｔ２）、連続して本通電（図中のタイミングｔ２～ｔ３）が行われる。初期通電では、徐々に溶接電流値を高くしていく。また、本通電は、初期通電の通電期間における最大電流値よりも高い電流値で行われる。このような従来の溶接電流値の推移にあっては、前述したように、小型で熱容量が小さい下部電極ｆ側に発熱が偏ることになり、図１４（ｂ）に示すように、この下部電極ｆ側で溶接ナゲットａの成長が促進される。この状態で本通電に移行すると、図１４（ｃ）に示すように、合金層ｂの外形寸法と溶接ナゲットａの外形寸法との比が適正に得られていない部分においてスパッタｈが発生してしまう可能性がある。

また、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板を互いに重ね合わせて抵抗スポット溶接を行う場合、初期通電を開始した際、材料抵抗差が大きくなっている鋼板同士の間の界面にあっては、他の鋼板同士の間の界面よりも抵抗が大きくなることに伴って発熱量が大きくなる。この場合にも、板組における温度分布が一様でなくなる。そして、この状態で本通電に移行すると、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比が適正に得られていない部分においてスパッタが発生してしまう可能性がある。

以上のことから、従来技術にあっては、スパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが可能な抵抗スポット溶接方法を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、複数の鋼板を互いに重ね合わせ、これら鋼板を電極によって挟持し、該電極間に、徐々に溶接電流値を高くしていく初期通電を行った後、該初期通電の通電期間における最大電流値よりも高い電流値で本通電を行うことで前記鋼板同士を溶融して接合する抵抗スポット溶接方法を前提とする。そして、この抵抗スポット溶接方法は、前記各電極それぞれの熱容量が互いに異なっている場合、および、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板が互いに重ね合わされている場合の少なくとも一方の場合に、前記初期通電と前記本通電との間に、前記電極間に一定の電流を通電させる定電流期間を設け、前記各鋼板の基材を構成している鉄が溶融した後に冷却されることで成形され且つ前記定電流期間中に前記各鋼板の延在方向に平行な方向での外形寸法が拡大していく溶接ナゲットにおける当該外形寸法、および、該溶接ナゲットの外側に成形され且つ前記各鋼板の表面に存在するめっき層の構成材料を前記鉄に拡散させて両成分から決定される固相線温度を上昇させることにより生成され前記定電流期間中に前記方向での外形寸法が拡大していく合金層における当該外形寸法の関係が、以下の式（１）
１．２≦合金層の外形寸法／溶接ナゲットの外形寸法≦１．５ …（１）
となった状態で、前記定電流期間を終了して当該定電流期間での電流値よりも高い電流値による前記本通電に移行することを特徴とする。

各電極それぞれの熱容量が互いに異なっている場合、および、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板が互いに重ね合わされている場合の少なくとも一方の場合にあっては、初期通電が開始されると、複数の鋼板が重ね合わされて成る板組における温度分布が一様でなくなり、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比が適正に得られていない部分が生じる可能性があるが、本解決手段では、初期通電と本通電との間に、電極間に一定の電流を通電させる定電流期間を設けたことにより、当該定電流期間中において、発熱量を抑えると共に、熱伝導によって板組における温度分布を一様にすることが可能となる。そして、前記式（１）が成立し、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比が適正に得られた状態で定電流期間を終了して本通電に移行する。これにより、本通電の実施期間中にスパッタが発生してしまうことを抑制できる。つまり、本通電でのスパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが可能になる。

本発明では、初期通電と本通電との間に、電極間に一定の電流を通電させる定電流期間を設け、この定電流期間中に、以下の式（１）
１．２≦合金層の外形寸法／溶接ナゲットの外形寸法≦１．５ …（１）
となった状態で、定電流期間を終了して本通電に移行するようにしている。これにより、定電流期間中において、発熱量を抑えると共に、熱伝導によって板組における温度分布を一様にすることが可能となり、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比が適正に得られた状態で本通電に移行させることができる。このため、本通電でのスパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが可能になる。

実施形態に係る抵抗スポット溶接装置の溶接ガンを示す概略構成図である。 溶接ガンの制御装置の概略構成を示す図である。 各鋼板が上部電極および下部電極によって挟持された状態を示す断面図である。 抵抗スポット溶接によって接合された各鋼板の断面図である。 実施形態における溶接電流値の推移、合金層および溶接ナゲットの形状変化の一例を示す各鋼板の断面図である。 定電流期間を設けない比較例１における、溶接電流値の推移、合金層および溶接ナゲットの形状の一例を示す各鋼板の断面図である。 定電流期間を設けない比較例２における、溶接電流値の推移、合金層および溶接ナゲットの形状の一例を示す各鋼板の断面図である。 定電流期間を設けた実施形態における、溶接電流値の推移、合金層および溶接ナゲットの形状の一例を示す各鋼板の断面図である。 各比較例および本発明に係る実施形態それぞれにおける溶接ナゲットの外形寸法、および、溶接ナゲットの外形寸法に対する合金層の外形寸法の比の計測結果を示す図である。 上部電極を小型にした変形例における図３相当図である。 上部電極を小型にした場合における図６（ｂ）相当図である。 上部電極を小型にした場合における図７（ｂ）相当図である。 上部電極を小型にした本発明に係る変形例における図８（ｂ）相当図である。 従来技術における溶接電流値の推移、合金層および溶接ナゲットの形状変化の一例を示す各鋼板の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、亜鉛を主成分とするめっき層（より具体的には、溶融亜鉛めっき層）を有する３枚の鋼板を重ね合わせて抵抗スポット溶接（以下、単に溶接という場合もある）する場合を例に挙げて説明する。一例として、自動車の車体の製造において３枚の鋼板同士を抵抗スポット溶接する場合が挙げられる。

－抵抗スポット溶接装置の構成－
抵抗スポット溶接方法について説明する前に、この抵抗スポット溶接方法を実施するための抵抗スポット溶接装置の概略について説明する。

図１は本実施形態に係る抵抗スポット溶接装置の溶接ガンＧを示す概略構成図である。また、図２は、溶接ガンＧの制御に用いる制御装置１０の概略構成を示す図である。

溶接ガンＧは、ロボットアームＲＡに保持されたガン本体１と、上部電極２と、ガン本体１の下部１ａに立設された下部電極３と、上部電極２を保持して昇降させる電動式の上部電極昇降装置（以下、単に電極昇降装置という）４と、電極位置検出装置５と、上部電極２と下部電極３との間に流す溶接電流値（以下、単に電流値という場合もある）を調整する電流調整装置６とを主要構成要素として構成されている。

なお、図１において、溶接される３枚の鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は、例えば最も下側に位置する鋼板Ｗ３が溶融亜鉛めっき層を有するホットスタンプ材（超高張力鋼板）であり、上側に位置する２枚の鋼板Ｗ１，Ｗ２が合金化溶融亜鉛めっき層を有する所謂ＧＡ材である。このように異種材料の鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士が重ね合わされて成る板組の構造が、本発明でいう「他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板が互いに重ね合わされている場合」に相当する。

また、本実施形態では、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の板厚寸法は共に同一である（例えば１．２ｍｍ）。なお、本発明にあっては、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３それぞれの種類は前述したものには限定されず、適宜選択が可能である。また、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の板厚寸法は必ずしも同一である必要はない。例えば、特定の１枚の鋼板Ｗ１の板厚寸法に対する他の鋼板Ｗ２，Ｗ３の板厚寸法の比がそれぞれ０．７～１．５の範囲となっている鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が適用可能である。

また、各亜鉛めっき層は、溶融めっきによって成形されたものに限らず、電気めっきによって成形されたものであってもよい。つまり、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３としては、溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気合金亜鉛めっき鋼板の何れであっても本発明に係る抵抗スポット溶接方法を適用することが可能である。なお、本発明にあっては、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の種類や枚数はこれに限定されるものではない。また、前記めっき層を構成する材料（本実施形態にあっては亜鉛）は、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の基材を構成している鉄（Ｆｅ）よりも融点の低い材料が採用される。

ガン本体１は、図１に示すように、概略コ字状の部材とされ、その下部１ａの上面に下部電極３が着脱自在に立設されている。また、ガン本体１の上部１ｂの先端には、電極昇降装置４が装着されている。

電極昇降装置４は、ガン本体１の上部１ｂの先端に装着されているサーボモータ４１と、このサーボモータ４１の駆動軸（図示省略）と結合している昇降部材４２とを備えており、この昇降部材４２の下端部４２ａに上部電極２が着脱自在に装着されている。

電極位置検出装置５は、例えばエンコーダによって構成され、前記サーボモータ４１の上端部４１ａに装着されている。そして、その検出値は制御装置１０へ送信される。

電流調整装置６は、制御装置１０から送信される電流指令値に応じて上部電極２と下部電極３との間に流す電流値を調整するものである。この電流調整装置６としては、例えば可変抵抗器を備えたものやコンバータを備えたもの等の周知の装置が適用される。

制御装置１０は、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の板厚等を入力する入力装置７（図２を参照）からの情報を取得する入力部１１と、電極位置検出装置５の検出値により電極位置を算出する電極位置算出部１２と、上部電極２と下部電極３との間に通電を行う際の電流値を算出する電流値算出部１３と、溶接に必要な加圧力（上部電極２と下部電極３とによる鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３への加圧力）を設定する加圧力設定部１４と、前記電流値算出部１３で算出された電流値の情報および加圧力設定部１４で設定された加圧力の情報を出力する出力部１５とを主要部として備えている。

この制御装置１０は、ＣＰＵを中心としてＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えて成るものに、前記機能に対応したプログラムをＲＯＭに格納することにより実現される。また、ＲＡＭには電極位置検出装置５からの検出値や板厚等の情報が一時的に格納される。なお、制御装置１０のその他の構成は、従来より溶接ガンＧについて用いられているものと同様であるので、その詳細な説明は省略する。

－抵抗スポット溶接方法－
次に、本実施形態の特徴である抵抗スポット溶接方法について説明する。

この抵抗スポット溶接方法では、電極昇降装置４の作動によって上部電極２と下部電極３との間で鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を所定の加圧力（加圧力設定部１４によって設定された加圧力）で挟持することにより、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士が隙間無く密着（各電極２，３の先端径以内の範囲で密着）された状態で、電流値算出部１３で算出された電流値による通電を行う。

図３は、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が上部電極２および下部電極３によって挟持された状態を示す断面図である。この図３に示すように、本実施形態にあっては、上部電極２と下部電極３との形状が互いに異なっている。具体的には、下部電極３が上部電極２に比べて小さく、この下部電極３の熱容量が小さくなっている。例えば、下部電極３の体積は上部電極２の体積の６５％程度となっている。この値はこれに限定されるものではなく、適宜設定される。例えば、下部電極３の体積は上部電極２の体積の５０％～９５％の範囲で適宜設定される。

この状態で、上部電極２と下部電極３との間の通電として、初期通電（プレ通電とも呼ばれる）および本通電が行われる。また、本実施形態の特徴として、初期通電と本通電との間には、電極２，３間に一定の電流を通電させる後述する定電流期間が設けられる。

初期通電は、例えば鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の表面に酸化膜（電気抵抗が高い膜）が存在する場合に、この酸化膜を除去または小さくして本通電での鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の溶融を容易にすること等を目的として実施される。また、この初期通電は、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士の当接部分に、後述する合金層の成形を開始させると共に、溶接ナゲットの成形を開始させるために実施される。

また、本通電は、鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を溶融させて接合させるための通電であって、前記合金層および溶接ナゲットを成長させるために実施される。また、この本通電における溶接電流値は、前記初期通電での溶接電流値よりも高く設定される。これら初期通電および本通電それぞれの形態（電流値および移行タイミング）については後述する。

そして、初期通電と本通電との間における定電流期間は、初期通電によって成形された溶接ナゲットの周辺部における温度分布を一様にするための通電期間である。これにより、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比の適正化を図る。この定電流期間を設けたことによる効果の詳細については後述する。

図４は、これら初期通電、定電流期間、本通電が順に実施されたことで、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が互いに接合された状態を示す断面図である。この図４に示すように、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の接合部分（溶接部分）にあっては、溶接ナゲットＮと、該溶接ナゲットＮの外周側に成形された（溶接ナゲットＮの外周囲を囲むように成形された）合金層Ａとが存在している。溶接ナゲットＮは、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の基材を構成している鉄（Ｆｅ）が溶融した後に冷却されることで成形される。合金層Ａは、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の表面のめっき層を構成している亜鉛と各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の基材を構成している鉄とが高温反応することによって成形される（これら溶接ナゲットＮおよび合金層Ａの成形過程およびその成長については後述する）。なお、図４における寸法Ｔ１は合金層Ａの外形寸法であり、寸法Ｔ２は溶接ナゲットＮの外形寸法である。

以下、初期通電、定電流期間、本通電が順に行われることに伴う合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの成形過程の概略について説明する。図５は、溶接電流値（初期通電での電流値、定電流期間での電流値および本通電での電流値）の推移、合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状変化の一例を示す各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の断面図である。図５（ａ）は溶接電流値の推移を示している。また、図５（ｂ）は初期通電が行われた際の合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状を示し、図５（ｃ）は定電流期間が経過した後の合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状を示している。

先ず、初期通電が開始され（図５におけるタイミングｔ１０）、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が加熱されて、上部電極２と下部電極３との間の領域において各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士の境界部分の温度が上昇していく。この初期通電にあっては溶接電流値が予め設定された勾配によって次第に上昇（漸増）される（図５におけるタイミングｔ１０～ｔ１１）。

この初期通電の具体的な一例としては、１～５０ｃｙｃ（サイクル）、好ましくは２～４０ｃｙｃの時間で、１．５～１０ｋＡ、好ましくは２～８ｋＡの範囲の所定の電流値から通電が開始され、この初期通電の開始時の電流値に対して１．０５～２．５倍程度の電流値まで次第に上昇されるものとなっている。これらの値はこれに限定されるものではなく、初期通電の通電期間において要求される合金層Ａおよび溶接ナゲットＮそれぞれの大きさや成長速度が達成できるように実験やシミュレーションによって適宜設定される。

そして、この初期通電による各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士の境界部分の温度上昇に伴い、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の表面のめっき層を構成している亜鉛と各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の基材を構成している鉄とが高温反応することで合金が生成される。具体的には表面層（めっき層）の主成分である亜鉛を各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の基材（鉄）に拡散させ、両成分から決定される固相線温度を上昇させることにより行われる。

この初期通電が継続されることで、この合金によって成形される合金層Ａが成長していき、該合金層Ａの外形寸法が大きくなっていく。

更に初期通電が継続されると、合金層Ａの中央部において鉄が溶融することによる溶接ナゲットＮの生成が開始される。つまり、溶融金属の中心部分には鉄による溶接ナゲットＮ（溶融状態の鉄）が、該溶接ナゲットＮの外周側には合金層Ａがそれぞれ生成され、これら溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが拡大していくことになる。なお、この溶接ナゲットＮ（溶融状態の鉄）の領域では温度が約１４００℃程度になっている。

この初期通電によって溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが成形される状況にあっては、小型で熱容量が小さい下部電極３側に発熱が偏ることになる。また、材料抵抗差が大きくなっている鋼板同士の間の界面（本実施形態では鋼板Ｗ２，Ｗ３同士の間の界面）にあっては、他の鋼板Ｗ１，Ｗ２同士の間の界面よりも抵抗が大きくなることに伴って発熱量が大きくなる。これらに起因して板組における温度分布が一様でなくなる。つまり、溶接ナゲットＮにあってはその下側（下部電極３側）が上側（上部電極２側）よりも成長が進んだ状態となる（図５（ｂ）を参照）。

そして、図５におけるタイミングｔ１１において初期通電が終了し、この時点から、電極２，３間に一定の電流を通電させる定電流期間が開始される。この定電流期間における溶接電流値は初期通電における最終電流値に一致している。

この定電流期間の開始に伴い、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が重ね合わされて成る板組における温度分布が一様となる。つまり、この定電流期間中において、溶接電流値の上昇が抑えられることで発熱量が抑えられると共に、熱伝導によって板組における温度分布が一様となる。これにより、図５（ｃ）に示すように、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａにおける上部電極２寄りの外縁部が外側に拡大するように成長していく（図５（ｃ）における矢印を参照）。

この定電流期間（図５におけるタイミングｔ１１～ｔ１２）は、合金層Ａの外形寸法と溶接ナゲットＮの外形寸法との比が所定範囲に達した時点で終了される。

この定電流期間を終了させるタイミングとしては、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の延在方向に平行な方向での溶接ナゲットＮの外形寸法および合金層Ａの外形寸法の関係が、以下の式（１）
１．２≦合金層の外形寸法／溶接ナゲットの外形寸法≦１．５ …（１）
となっている状態で、定電流期間を終了させるようにしている。

具体的には、前述したように初期通電によって溶接ナゲットＮの成形が開始されると、合金層Ａの成長と共に溶接ナゲットＮも成長していく。溶接ナゲットＮの成形が開始された初期時にあっては、溶接ナゲットＮの外形寸法に対して合金層Ａの外形寸法が大幅に大きくなっている。そして、溶接ナゲットＮの成形が開始された後、所定期間を経過すると、合金層Ａの外形寸法の拡大速度に対して、溶接ナゲットＮの外形寸法の拡大速度が大きくなっていき、溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比率が１．５以下の値となる。本実施形態では、定電流期間が開始された後、溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比率が１．２以上で且つ１．５以下の範囲にある状態で当該定電流期間を終了させるようにしている。例えば１．３となったタイミングで定電流期間を終了させるようにしている。この定電流期間を終了させるタイミングは前記比率が１．３となったタイミングに限定されるものではなく、前述したように１．２以上で且つ１．５以下の範囲における任意の値に設定可能である。このように溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比率が１．２以上で且つ１．５以下の範囲となる定電流期間の決定は、予め実験やシミュレーションによって行われている。

定電流期間を終了させるタイミングにおける溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比率を式（１）のように規定した理由について説明すると、この比率が１．２未満であった場合には、本通電の開始に伴って溶接ナゲットＮが更に拡大することに起因してスパッタが発生してしまう可能性があるためであり、この値は実験やシミュレーションによって求められた値である。また、この比率が１．５を超えている場合には、本通電によって十分な大きさの溶接ナゲットＮを成形することが困難になり、鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士の接合強度を十分に確保することができないためであり、この値も実験やシミュレーションによって求められた値である。

また、この定電流期間の終了時点において要求される溶接ナゲットＮの外形寸法は、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の材質、板厚、要求される接合強度等に応じて予め実験的に設定されている。例えば、最終的に得ようとする溶接ナゲットＮの外形寸法（本通電終了時の外形寸法）に対して約１／２程度の外形寸法に達するまで定電流期間は継続されることになる。この値はこれに限定されるものではなく、適宜設定される。この定電流期間は、例えば５～２０ｃｙｃ、好ましくは１０～１５ｃｙｃの時間に設定される。これら値はこれに限定されるものではない。

このようにして前記比率が１．２以上で且つ１．５以下の範囲となっている状態で定電流期間を終了させ、本通電を開始させる。この本通電での電流値は、初期通電の通電期間における最大電流値および定電流期間での電流値よりも高い電流値に設定されている。つまり、前述の如く所定の勾配で上昇されていく初期通電の電流値の最終電流値および定電流期間での電流値に対して０．１～８．０ｋＡの範囲、好ましくは１．０～５．０ｋＡの範囲から設定される所定値だけ高い値に設定される。この最終電流値の具体的な一例としては、表面抵抗の高い材料の場合は、小さい値を用いるのが好適である。この値はこれに限定されるものではなく、所定期間内に所定の大きさの合金層Ａおよび溶接ナゲットＮが成形されるように実験やシミュレーションによって適宜設定される。

この本通電が開始されることにより、更に、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが拡大していく。

そして、この本通電が所定期間継続（図５におけるタイミングｔ１２～ｔ１３）されることで、所定の外形寸法を有する溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが成形されることになる。例えば、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３全体の板厚寸法をｔとした場合に、溶接ナゲットＮの外形寸法が３√ｔ以上に達するまで本通電が継続されることになる。その後、本通電が終了され、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが凝固し、所定の溶接部分が成形されることになる。

この本通電では、前述したように初期通電の通電期間における最大電流値よりも僅かに高い電流値であって、一定の溶接電流が通電され、これによって、前述したように、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａが更に拡大していく。この際の本通電での溶接電流の値は、前記式（１）が成立し続けるように、つまり、溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比率が１．２を下回ることがないように、予め実験またはシミュレーションによって設定されている。

従来技術にあっては、各電極それぞれの形状が異なっている場合、および、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板が互いに重ね合わされている場合の少なくとも一方の場合にあっては、初期通電が開始されると、複数の鋼板が重ね合わされて成る板組における温度分布が一様でなくなり、この状態で本通電に移行すると、合金層の外形寸法と溶接ナゲットの外形寸法との比が適正に得られていない部分（溶接ナゲットの外形寸法に対する合金層の外形寸法の比が所定値未満となっている部分）においてスパッタが発生してしまう可能性があった。このため、スパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが困難であった。

これに対し、本実施形態にあっては、前述したように、初期通電と本通電との間に、電極２，３間に一定の電流を通電させる定電流期間を設けたことにより、当該定電流期間中において、発熱量を抑えると共に、熱伝導によって板組における温度分布を一様にすることが可能となる。そして、前記式（１）が成立し、合金層Ａの外形寸法と溶接ナゲットＮの外形寸法との比が適正に得られた状態で定電流期間を終了して本通電に移行するようにしている。これにより、本通電の実施期間中にスパッタが発生してしまうことを抑制できる。つまり、本通電でのスパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが可能になる。

－実験例－
次に、前述した効果を確認するために行った実験例について説明する。この実験例では、前記定電流期間を設けない場合と定電流期間を設けた場合とのそれぞれについて合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状を比較するものとした。

図６は、比較例１として定電流期間を設けない場合における、溶接電流値の推移（図６（ａ））、合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状の一例を示す各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の断面図（図６（ｂ））である。また、図７は、比較例２として定電流期間を設けない場合における、溶接電流値の推移（図７（ａ））、合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状の一例を示す各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の断面図（図７（ｂ））である。この比較例２では、比較例１のものに比べて初期通電の期間を長くしている。また、図８は、初期通電と本通電との間に定電流期間を設けた前記実施形態における、溶接電流値の推移（図８（ａ））、合金層Ａおよび溶接ナゲットＮの形状の一例を示す各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の断面図（図８（ｂ））である。また、図９は、各比較例（図６、図７）および本発明に係る実施形態（図８）それぞれにおける溶接ナゲットＮの外形寸法、および、溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比（外形寸法比率）の計測結果を示す図である。

これら比較例および実施形態にあっては、本通電の期間を互いに同一（例えば１５ｃｙｃ）とした。比較例１および実施形態における初期通電の期間を互いに同一（例えば１０ｃｙｃ）とした。また比較例２における初期通電の期間を例えば１５ｃｙｃとした。

また、溶接電流値として具体的には、各比較例および実施形態における初期通電の開始電流値を２．０ｋＡ、最終電流値を５．０ｋＡとし、本通電の電流値を６．０ｋＡとした。また、定電流期間を５ｃｙｃとした。各比較例および実施形態それぞれにおける本通電の電流値は、スパッタ発生限界に相当する値としてそれぞれ規定されたものである。

各図における溶接ナゲットＮの形状を比較すると、図６の比較例１のものに比べて図７の比較例２のものの方が大型の溶接ナゲットＮが成形されている。具体的に、図６の比較例１にあっては溶接ナゲットＮの外形寸法が約４．５ｍｍであり、図７の比較例２にあっては溶接ナゲットＮの外形寸法が約４．７ｍｍであった。また、前記比（溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比）は、図６の比較例１にあっては１．１４であり、図７の比較例２にあっては１．１０であった。つまり、何れの比較例にあっても溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比が小さい（１．２を下回る）ものとなっていた。

また、図７の比較例２のものに比べて図８の実施形態のものの方が大型の溶接ナゲットＮが成形されている。具体的に、図８の実施形態にあっては溶接ナゲットＮの外形寸法が約５．２ｍｍであった。つまり、図８の実施形態のものでは、より大型の（外形寸法が大きい）溶接ナゲットＮを成形することができている。また、図８の実施形態にあっては前記比（溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比）は１．２５であり、溶接ナゲットＮの外形寸法に対する合金層Ａの外形寸法の比が適正に確保されていた。

このように、定電流期間を設けないものに比べて定電流期間を設けた方が溶接ナゲットＮの大型化を図ることができることが確認できた。これにより、本実施形態の効果を確認することができた。

－変形例－
次に、変形例について説明する。前記実施形態では、下部電極３が上部電極２に比べて小さく、この下部電極３の熱容量が小さくなっているものを対象としていた。本変形例は、それに代えて、図１０に示すように、上部電極２’が下部電極３’に比べて小さく、この上部電極２’の熱容量が小さくなっているものを対象としている。また、最も上側に位置する鋼板Ｗ１が溶融亜鉛めっき層を有するホットスタンプ材であり、下側に位置する２枚の鋼板Ｗ２，Ｗ３が合金化溶融亜鉛めっき層を有する所謂ＧＡ材である。

このような構成にあっては、前記実施形態の場合とは反対に、初期通電の期間中では、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａにおける上部電極２’寄りの外縁部が外側に拡大するように成長していくことになる。

そして、本変形例にあっても、定電流期間の実施中に溶接ナゲットＮの外形寸法および合金層Ａの外形寸法の関係が前記式（１）になったことを条件に定電流期間を終了させ、本通電を開始させる。

本変形例にあっても、定電流期間の開始に伴い、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が重ね合わされて成る板組における温度分布が一様となる。つまり、この定電流期間中において、発熱量が抑えられると共に、熱伝導によって板組における温度分布が一様となる。これにより、溶接ナゲットＮおよび合金層Ａにおける下部電極３’寄りの外縁部が外側に拡大するように成長していくことになる。これにより、本通電の実施期間中にスパッタが発生してしまうことを抑制できる。つまり、本通電でのスパッタの発生を抑制しながらも効率良く溶接ナゲットを成形することが可能になる。

本変形例の如く上部電極２’を下部電極３’に比べて小さくした場合についても前述した実験例と同様の実験を行った。その結果として、図１１は図６（ｂ）相当図（比較例１に相当する図）、図１２は図７（ｂ）相当図（比較例２に相当する図）、図１３は図８（ｂ）相当図（本発明に相当する図）である。

これらの図からも明らかなように、定電流期間を設けないものに比べて定電流期間を設けた方が溶接ナゲットＮの大型化を図ることができることが確認できた。これにより、本実施形態の効果を確認することができた。

－他の実施形態－
なお、本発明は、前記実施形態および前記変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲および該範囲と均等の範囲で包含される全ての変形や応用が可能である。

例えば、前記実施形態および前記変形例では、自動車の車体の製造に利用される抵抗スポット溶接に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、その他の製品の製造に利用される抵抗スポット溶接に対しても適用が可能である。

また、前記実施形態および前記変形例では、各電極２，３それぞれの熱容量が互いに異なっていると共に、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚の鋼板が互いに重ね合わされている場合について説明した。本発明はこれに限らず、各鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が同一の材料であり、各電極２，３それぞれの熱容量が互いに異なっている場合にも適用が可能である。また、各電極２，３それぞれの熱容量が互いに等しく、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚の鋼板が互いに重ね合わされている場合にも適用が可能である。

また、前記実施形態および前記変形例では、亜鉛を主成分とするめっき層を有する鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３同士を抵抗スポット溶接する場合について説明した。本発明はこれに限らず、Ａｌ－Ｓｉめっき層を有する鋼板同士を抵抗スポット溶接する場合にも適用することが可能である。また、亜鉛酸化膜を表面層として有する鋼板同士を抵抗スポット溶接する場合にも適用することが可能である。

また、前記実施形態および前記変形例では、全ての鋼板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が、その表面にめっき層を有するものであった。本発明はこれに限らず、一部の鋼板のみが、その表面にめっき層を有するものであってもよい。

また、前記実施形態および前記変形例では、定電流期間における溶接電流値は初期通電における最終電流値に一致させていた。本発明はこれに限らず、前述した如く、発熱量が抑えられると共に、熱伝導によって板組における温度分布が一様となる溶接電流値であって、前記式（１）を成立させることができる溶接電流値であればよい。但し、この定電流期間における溶接電流値は、本通電における溶接電流値よりも低い値として設定される。

本発明は、熱容量が互いに異なっている各電極により鋼板同士を接合する抵抗スポット溶接方法や、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板を互いに重ね合わせて接合する抵抗スポット溶接方法に適用可能である。

２，２’上部電極
３，３’下部電極
６ 電流調整装置
１０ 制御装置
１３ 電流値算出部
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 鋼板
Ｎ 溶接ナゲット
Ａ 合金層

Claims (1)

1. 複数の鋼板を互いに重ね合わせ、これら鋼板を電極によって挟持し、該電極間に、徐々に溶接電流値を高くしていく初期通電を行った後、該初期通電の通電期間における最大電流値よりも高い電流値で本通電を行うことで前記鋼板同士を溶融して接合する抵抗スポット溶接方法において、
   前記各電極それぞれの熱容量が互いに異なっている場合、および、他の鋼板に対して電気抵抗値が異なる少なくとも１枚の鋼板を含む３枚以上の鋼板が互いに重ね合わされている場合の少なくとも一方の場合に、
   前記初期通電と前記本通電との間に、前記電極間に一定の電流を通電させる定電流期間を設け、
   前記各鋼板の基材を構成している鉄が溶融した後に冷却されることで成形され且つ前記定電流期間中に前記各鋼板の延在方向に平行な方向での外形寸法が拡大していく溶接ナゲットにおける当該外形寸法、および、該溶接ナゲットの外側に成形され且つ前記各鋼板の表面に存在するめっき層の構成材料を前記鉄に拡散させて両成分から決定される固相線温度を上昇させることにより生成され前記定電流期間中に前記方向での外形寸法が拡大していく合金層における当該外形寸法の関係が、以下の式（１）
   １．２≦合金層の外形寸法／溶接ナゲットの外形寸法≦１．５ …（１）
   となった状態で、前記定電流期間を終了して当該定電流期間での電流値よりも高い電流値による前記本通電に移行することを特徴とする抵抗スポット溶接方法。

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