JP7208193B2

JP7208193B2 - 抵抗スポット溶接方法及び抵抗スポット溶接装置

Info

Publication number: JP7208193B2
Application number: JP2020117775A
Authority: JP
Inventors: 圭吾安田
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: CN113909660B; DE102021117508A1; JP2022015124A; US20220009020A1; CN113909660A

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。

亜鉛メッキされた高張力鋼板を抵抗スポット溶接する方法が公知である（特許文献１参照）。

特開２００３－１６４９７５号公報

上述の抵抗スポット溶接方法では、ナゲットを一定以上の大きさとすることよって、亜鉛メッキに起因する高張力鋼板のＬＭＥ（液体金属脆化）割れが抑制される。しかし、鋼板の板厚によっては必要なナゲット径が確保できない場合がある。

本開示の一局面は、板厚に依らずに亜鉛メッキ鋼板のＬＭＥ割れを抑制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。複数の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は亜鉛メッキされた鋼板である。溶接する工程では、複数の鋼板のうち他の鋼板よりも引張強度の大きい高張力鋼板の冷却速度を、他の鋼板の冷却速度よりも大きくする。

このような構成によれば、高張力鋼板を他の鋼板よりも早く冷却することで、他の鋼板よりも高張力鋼板の歪（つまり引張応力）を小さくできる。その結果、溶接される複数の鋼板の板厚に依らずに、高張力鋼板におけるＬＭＥ割れを抑制することができる。

本開示の一態様では、抵抗スポット溶接装置は、高張力鋼板に接触するように構成された第１電極と、他の鋼板に接触するように構成された第２電極と、を備えてもよい。高張力鋼板における第１電極の接触面積は、他の鋼板における第２電極の接触面積よりも大きくてもよい。このような構成によれば、比較的簡潔な構造で高張力鋼板の冷却速度を他の鋼板の冷却速度よりも大きくできる。そのため、抵抗スポット溶接装置の設備費用を低減しつつ、的確にＬＭＥ割れを抑制できる。

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。複数の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は亜鉛メッキされた鋼板である。抵抗スポット溶接装置は、複数の鋼板のうち他の鋼板よりも引張強度の大きい高張力鋼板の溶接時の冷却速度を、他の鋼板の溶接時の冷却速度よりも大きくするように構成される。

このような構成によれば、溶接される複数の鋼板の板厚に依らずに、高張力鋼板におけるＬＭＥ割れを抑制することができる。

本開示の一態様は、高張力鋼板に接触するように構成された第１電極と、他の鋼板に接触するように構成された第２電極と、を備えてもよい。高張力鋼板における第１電極の接触面積は、他の鋼板における第２電極の接触面積よりも大きくてもよい。このような構成によれば、抵抗スポット溶接装置の設備費用を低減しつつ、的確にＬＭＥ割れを抑制できる。

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、図１の抵抗溶接機の第１電極を示す模式的な断面図であり、図２Ｂは、図１の抵抗溶接機の第２電極を示す模式的な断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、溶接された鋼板の模式的な断面図である。図４Ａは、図１の抵抗溶接機の第１電極を示す模式的な断面図であり、図４Ｂは、図１の抵抗溶接機の第２電極を示す模式的な断面図である。図５は、図１の抵抗溶接機の第１電極、第２電極及びバックアップを示す模式図である。図６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。

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、高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板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を有する。

高張力鋼板Ｐ１は、低張力鋼板Ｐ２よりも引張強さが大きい。高張力鋼板Ｐ１は、例えば引張強さが１４７０ＭＰａの鋼板である。低張力鋼板Ｐ２は、例えば引張強さが４４０ＭＰａ又は２７０ＭＰａの鋼板である。本実施形態では、低張力鋼板Ｐ２が高張力鋼板Ｐ１の上に重ね合わされている。

高張力鋼板Ｐ１及び低張力鋼板Ｐ２のうち少なくとも１枚の鋼板は亜鉛メッキされている。本実施形態では、高張力鋼板Ｐ１のみが亜鉛メッキされ、低張力鋼板Ｐ２は亜鉛メッキされていない。ただし、高張力鋼板Ｐ１が亜鉛メッキされずに、低張力鋼板Ｐ２のみが亜鉛メッキされてもよいし、高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板Ｐ２との双方が亜鉛メッキされていてもよい。また、「亜鉛メッキ」には、亜鉛合金メッキも含まれる。

＜抵抗溶接機＞
抵抗溶接機２は、ワークＷとして配置された高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板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の上方において、第１電極２１と共にワークＷを厚み方向に挟むように配置されている。第２電極２２は、第１電極２１に対し、相対的に上下方向に移動可能である。

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、高張力鋼板Ｐ１に接触するように構成されている。第２電極２２は、低張力鋼板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。

図２Ａに示すように、第１電極２１の内部には、冷媒供給路２３Ａと、冷媒回収路２３Ｂとが配置されている。溶接の実行中、冷媒供給路２３Ａから冷媒（例えば水）が第１電極２１の内部に供給されることで、第１電極２１が冷却される。第１電極２１を冷却した冷媒は、冷媒回収路２３Ｂから回収され、抵抗溶接機２の熱交換器（図示省略）によって冷却され、再び冷媒供給路２３Ａに送り込まれる。

図２Ｂに示すように、第２電極２２の内部にも、冷媒供給路２４Ａと、冷媒回収路２４Ｂとが配置されている。第２電極２２は、第１電極２１と同様に、溶接の実行中に冷媒の循環によって冷却される。

本実施形態では、高張力鋼板Ｐ１における第１電極２１の接触面積は、低張力鋼板Ｐ２における第２電極２２の接触面積よりも大きい。具体的には、第１電極２１の先端における鋼板に対する接触部位は、フラット形状である。一方、第２電極２２の先端における鋼板に対する接触部位は、ラウンド形状である。第１電極２１の接触部位の径Ｄ１は、第２電極２２の接触部位の径Ｄ２よりも大きい。

高張力鋼板Ｐ１における第１電極２１の接触面積が低張力鋼板Ｐ２における第２電極２２の接触面積よりも大きいことで、高張力鋼板Ｐ１の第１電極２１との熱交換による冷却速度が、低張力鋼板Ｐ２の第２電極２２との熱交換による冷却速度よりも大きくなる。

つまり、抵抗スポット溶接装置１は、高張力鋼板Ｐ１の溶接時の（つまり溶接中及び溶接後の）溶接部位における冷却速度を、低張力鋼板Ｐ２の溶接時の溶接部位における冷却速度よりも大きくするように構成されている。

図３Ａに示すように、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度と低張力鋼板Ｐ２の冷却速度が同じ場合、溶接で形成されるナゲットＮにおける冷却時の最終凝固部位Ｆは、ナゲットＮの中心に発生する。一方、図３Ｂに示すように、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度が低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きい場合、最終凝固部位Ｆは、低張力鋼板Ｐ２に近い位置に発生する。

つまり、高張力鋼板Ｐ１を低張力鋼板Ｐ２よりも早く冷却することで、最終凝固部位Ｆの位置を高張力鋼板Ｐ１の表面から離すことができる。その結果、高張力鋼板Ｐ１における冷却歪の集中が抑制される。

抵抗スポット溶接装置１は、第１電極２１及び第２電極２２の鋼板との接触面積の調整以外にも、以下に例示する手段によって、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度を低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きくしてもよい。

例えば、抵抗スポット溶接装置１は、電極の構造又は材質によって冷却速度を調整してもよい。具体的には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１電極２１の厚みＴ１（つまり、冷媒が循環する内部空間Ｓから高張力鋼板Ｐ１との接触部位までの距離）が、第２電極２２の厚みＴ２（つまり、内部空間Ｓから低張力鋼板Ｐ２との接触部位までの距離）よりも小さくされてもよい。また、第１電極２１の熱伝導率が、第２電極２２の熱伝導率よりも大きくされてもよい。

また例えば、抵抗スポット溶接装置１は、冷媒の温度、流量又は種類によって冷却速度を調整してもよい。具体的には、第１電極２１を冷却する冷媒の温度が、第２電極２２を冷却する冷媒の温度よりも低くされてもよい。また、第１電極２１における冷媒の流量が、第２電極２２における冷媒の流量よりも大きくされてもよい。さらに、第１電極２１を冷却する冷媒の熱吸収率（つまり熱伝導率）が、第２電極２２を冷却する冷媒の熱吸収率よりも高くされてもよい。例えば、第１電極２１の冷媒を水、第２電極２２の冷媒をグリセリンとしてもよい。

また例えば、抵抗スポット溶接装置１は、電極の鋼板に対する圧力によって冷却速度を調整してもよい。具体的には、図５に示すように、ワークＷを低張力鋼板Ｐ２側から（つまり、第２電極２２と共に）バックアップ２５で第１電極２１に向けて押圧することで、第１電極２１の高張力鋼板Ｐ１に対する圧力が、第２電極２２の低張力鋼板Ｐ２に対する圧力よりも大きくされてもよい。

バックアップ２５は、第２電極２２を囲むように配置された円筒、又は第２電極２２を囲むように等間隔で配置された複数の柱状体である。バックアップ２５の材質としては、例えば金属、ゴム等が使用できる。

また、抵抗スポット溶接装置１は、高張力鋼板Ｐ１、又は高張力鋼板Ｐ１に接触した第１電極２１に水をかけるように構成された散水装置によって、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度を低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きくしてもよい。

さらに、抵抗スポット溶接装置１は、第１電極２１に取り付けられ、通電によって第１電極２１を冷却するペルチェ素子によって、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度を低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きくしてもよい。

また、抵抗スポット溶接装置１は、高張力鋼板Ｐ１、又は高張力鋼板Ｐ１に接触した第１電極２１を空気等の冷却ガスで冷却する冷却装置によって、高張力鋼板Ｐ１の冷却速度を低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きくしてもよい。

［１－２．製造方法］
図６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、高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板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。

＜溶接工程＞
本工程では、重ね合わされた高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板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、例えば上述した第１電極２１及び第２電極２２の鋼板との接触面積の調整により、高張力鋼板Ｐ１の溶接部位における冷却速度を、低張力鋼板Ｐ２の溶接部位における冷却速度よりも大きくする。

［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）高張力鋼板Ｐ１を低張力鋼板Ｐ２よりも早く冷却することで、低張力鋼板Ｐ２よりも高張力鋼板Ｐ１の歪（つまり引張応力）を小さくできる。その結果、溶接される複数の鋼板Ｐ１，Ｐ２の板厚に依らずに、高張力鋼板Ｐ１におけるＬＭＥ割れを抑制することができる。

（１ｂ）高張力鋼板Ｐ１における第１電極２１の接触面積が低張力鋼板Ｐ２における第２電極２２の接触面積よりも大きいことで、比較的簡潔な構造で高張力鋼板Ｐ１の冷却速度を低張力鋼板Ｐ２の冷却速度よりも大きくできる。そのため、抵抗スポット溶接装置１の設備費用を低減しつつ、的確にＬＭＥ割れを抑制できる。

（１ｃ）ナゲットＮの重心が低張力鋼板Ｐ２側に寄ることで、高張力鋼板Ｐ１よりも割れにくい低張力鋼板Ｐ２に割れ応力が集中する。その結果、ワークＷにおける割れを抑制することができる。

［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３枚以上の鋼板を有してもよい。つまり、高張力鋼板Ｐ１と低張力鋼板Ｐ２との間に１枚以上の鋼板が配置されてもよい。

（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、高張力鋼板Ｐ１が低張力鋼板Ｐ２の上に重ね合わされてもよい。また、第１電極２１と第２電極２２との対向方向（つまりワークＷを挟む方向）は、上下方向に限定されない。例えば、第１電極２１と第２電極２２とは、水平方向にワークＷを挟むように配置されてもよい。

（２ｃ）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、２１…第１電極、２２…第２電極、
２３Ａ…冷媒供給路、２３Ｂ…冷媒回収路、２４Ａ…冷媒供給路、
２４Ｂ…冷媒回収路、２５…バックアップ、Ｗ…ワーク、Ｐ１…高張力鋼板、
Ｐ２…低張力鋼板、Ｎ…ナゲット、Ｆ…最終凝固部位。

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他の鋼板よりも引張強度の大きい高張力鋼板に接触するように構成された第１電極と、
前記他の鋼板に接触するように構成された第２電極と、
を備え、
前記複数の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は亜鉛メッキされた鋼板であり、
前記第１電極の先端における前記高張力鋼板に対する接触部位の形状と、前記第２電極の先端における前記他の鋼板に対する接触部位の形状とは互いに異なり、
前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ、内部における冷媒の循環によって冷却され、
前記第１電極を循環する冷媒と前記第２電極を循環する冷媒とは、温度、流量又は種類が互いに異なり、
前記溶接する工程では、前記高張力鋼板の冷却速度を、前記他の鋼板の冷却速度よりも大きくする、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、
前記高張力鋼板における前記第１電極の接触面積は、前記他の鋼板における前記第２電極の接触面積よりも大きい、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電極の先端における前記高張力鋼板に対する接触部位の径は、前記第２電極の先端における前記他の鋼板に対する接触部位の径よりも大きい、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他の鋼板よりも引張強度の大きい高張力鋼板に接触するように構成された第１電極と、
前記他の鋼板に接触するように構成された第２電極と、
を備え、
前記複数の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は亜鉛メッキされた鋼板であり、
前記第１電極の先端における前記高張力鋼板に対する接触部位の形状と、前記第２電極の先端における前記他の鋼板に対する接触部位の形状とは互いに異なり、
前記第１電極及び前記第２電極は、それぞれ、内部における冷媒の循環によって冷却され、
前記第１電極を循環する冷媒と前記第２電極を循環する冷媒とは、温度、流量又は種類が互いに異なり、
前記高張力鋼板の溶接時の冷却速度を、前記他の鋼板の溶接時の冷却速度よりも大きくするように構成される、抵抗スポット溶接装置。
請求項４に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記高張力鋼板における前記第１電極の接触面積は、前記他の鋼板における前記第２電極の接触面積よりも大きい、抵抗スポット溶接装置。
請求項４又は請求項５に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記第１電極の先端における前記高張力鋼板に対する接触部位の径は、前記第２電極の先端における前記他の鋼板に対する接触部位の径よりも大きい、抵抗スポット溶接装置。