JP7364849B2 - スポット溶接継手の製造方法及びスポット溶接機 - Google Patents
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Description
また、表面に被膜として亜鉛系めっきを有する鋼材を積み重ねて抵抗スポット溶接を行った場合、亜鉛が溶融して液状亜鉛が生じることで、鋼材表面の電極と接触する部分に液体金属脆化割れ(いわゆるLME割れ)が生じることがある。
このように、表面に被膜を有する鋼材を重ねて抵抗スポット溶接を行うと、被膜と電極とが接触する箇所において被膜に由来する欠陥が生じることがある。
また、本発明は、被膜と電極とが接触する箇所における被膜に由来する欠陥の発生を抑制するスポット溶接機を提供することを目的とする。
2つ以上積み重ねた鋼材に対し、両方向から2つの電極を押し当て、少なくとも一方の前記電極を駆動させることで前記鋼材との間に摩擦を生じさせる電極摩擦工程と、
前記電極を駆動させた状態及び駆動を停止した状態の少なくとも一方の状態で、前記2つの電極に通電を行って積み重ねた前記鋼材同士を溶接する通電工程と、
を有するスポット溶接継手の製造方法。
したがって、例えば酸化亜鉛被膜を有する鋼材(例えば亜鉛系めっき鋼板をホットスタンプにより加工した鋼材)又はアルミニウム系めっきを有する鋼材を積み重ねて抵抗スポット溶接を行う場合であっても、酸化亜鉛被膜又はアルミニウム系めっきの少なくとも一部が除去された後に、通電工程が行われる。よって、表チリの発生が抑制される。また、例えば亜鉛系めっきを有する鋼材を積み重ねて抵抗スポット溶接を行う場合であっても、亜鉛系めっきの少なくとも一部が除去された後に、通電工程が行われる。よって、液体金属脆化割れ(いわゆるLME割れ)の発生が抑制される。
また、通電工程で鋼材に対して通電を行う電極によって鋼材表面の被膜の除去が行われる。また、被膜除去のために鋼材に対して2つの電極を押し当て駆動させて摩擦を生じさせた後、2つの電極を押し当てた状態のまま、電極を駆動させた状態及び駆動を停止した状態の少なくとも一方の状態で電極に通電を行って溶接が行われる。そのため、通電工程において電極と接触する部分の被膜を選択的に除去することできる。つまり、スポット溶接の際に電極と接触する部分のみの被膜、又はスポット溶接の際に電極と接触する部分を含む非常に狭い範囲の被膜を除去することができる。
前記電極は、先端の径がΦ4mm以上、先端の曲率半径Rが20mm以上である<1>に記載のスポット溶接継手の製造方法。
<3>
前記鋼材は、前記電極と接する表面の表面電気抵抗が1mΩ以上である<1>又は<2に>記載のスポット溶接継手の製造方法。
<4>
前記鋼材が、亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板である<1>~<3>のいずれか1項に記載のスポット溶接継手の製造方法。
<5>
前記電極の駆動が、前記電極の前記鋼材に対する押し当て方向を軸にした回転駆動である<1>~<4>のいずれか1項に記載のスポット溶接継手の製造方法。
<6>
前記電極の回転速度が50rpm~5000rpmである<5>に記載のスポット溶接継手の製造方法。
<7>
前記電極の総回転数が1回転~100回転である<5>又は<6>に記載のスポット溶接継手の製造方法。
2つ以上積み重ねた鋼材に対し、両方向から押し当てられる2つの電極と、
前記2つの電極のうち少なくとも一方の電極を、前記鋼材に押し当てた状態のまま駆動させることで前記鋼材との間に摩擦を生じさせる電極摩擦手段と、
前記電極を駆動させた状態及び駆動を停止した状態の少なくとも一方の状態で、前記2つの電極に通電を行う通電手段と、
を有するスポット溶接機。
したがって、例えば酸化亜鉛被膜を有する鋼材又はアルミニウム系めっきを有する鋼材を積み重ねて抵抗スポット溶接を行う場合であっても、酸化亜鉛被膜又はアルミニウム系めっきの少なくとも一部を除去した後に通電を行うことで、表チリの発生を抑制することができる。また、例えば亜鉛系めっきを有する鋼材を積み重ねて抵抗スポット溶接を行う場合であっても、亜鉛系めっきの少なくとも一部を除去した後に通電を行うことで、液体金属脆化割れの発生を抑制することができる。
また、スポット溶接の通電に用いる電極によって鋼材表面の被膜の除去を行うことができる。また、被膜除去のために鋼材に対して2つの電極を押し当て駆動させて摩擦を生じさせた後、2つの電極を押し当てた状態のまま、電極を駆動させた状態及び駆動を停止した状態の少なくとも一方の状態で電極に通電を行って溶接を行うことができる。そのため、通電の際に電極と接触する部分の被膜を選択的に除去することできる。つまり、スポット溶接の際に電極と接触する部分のみの被膜、又はスポット溶接の際に電極と接触する部分を含む非常に狭い範囲の被膜を除去することができる。
また、本発明によれば、被膜と電極とが接触する箇所における被膜に由来する欠陥の発生を抑制するスポット溶接機を提供することができる。
また、本明細書中において、「~」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
まず、本実施形態に係るスポット溶接機の構成について、一例を挙げて説明する。
図1は、本実施形態に係るスポット溶接機の一例を示す側面図である。図1に示すスポット溶接機200は、一対の電極100A、100Bを有する。電極100A、100Bは、鋼板1A、1B(鋼材の一例)に押し当てられる先端部となるチップ2A、2Bと、チップ2A、2Bを装着するシャンク4A、4Bと、シャンク4A、4Bを接続するアダプター6A、6Bと、アダプター6A、6Bを保持するホルダー8A、8Bと、ホルダー8A、8Bを固定するホーン10A、10Bと、を有する。重力方向において上側となる電極100Aのアダプター6Aは、拡大断面図に示すように、アダプター接続部60Aがホルダー8Aの内部に挿入されている。そして、アダプター接続部60Aの先端側がホルダー8Aに引っ掛かる形状を有しており、これによりアダプター6Aがホルダー8Aに保持される。一方、重力方向において下側となる電極100Bのアダプター6Bは、拡大断面図に示すように、アダプター接続部60Bがホルダー8Bの内部に挿入されることでホルダー8Bに保持される。電極100A、100Bのアダプター6A、6Bには、ベルト22A、22Bが巻き付けられており、ベルト22A、22Bはモーター20A、20Bに接続されている。
次いで、本実施形態に係る抵抗スポット溶接継手の製造方法の一例について、各工程ごとに図面を用いて説明する。なお、図2、図3、及び図4は、本実施形態に係る抵抗スポット溶接継手の製造方法における各工程での、重ねた鋼板1A、1B及びチップ2A、2Bの先端部を拡大して示す拡大断面図である。
まず、図1に示すように2枚積み重ねた鋼板1A、1B(鋼材の一例)に対し、両方向から一対の電極100A、100Bのチップ2A、2Bを押し当てる。次いで、鋼板1A、1Bにチップ2A、2Bを押し当てた状態のまま、モーター20A、20Bを稼働させベルト22A、22Bを駆動させて、アダプター6A、6B、シャンク4A、4B、及びチップ2A、2Bを回転駆動させる。これにより、図2に示すように、鋼板1A、1Bに押し当てられたチップ2A、2Bがそれぞれ矢印a及び矢印bの方向に回転し、鋼板1A、1Bとチップ2A、2Bとの間に摩擦が生じる。その結果、図3に示すように、鋼板1A、1Bのチップ2A、2Bと接触する領域が削られて除去されることで、鋼板1A、1Bの表面にはそれぞれ窪み16A、16Bが形成される。
電極摩擦工程によって鋼板1A、1Bの表面の少なくとも一部が除去された後、電極100A、100Bにおけるアダプター6A、6B、シャンク4A、4B、及びチップ2A、2Bを回転駆動を停止する。その後、図4に示すように、鋼板1A、1Bにチップ2A、2Bを押し当てた状態のまま、電極100A、100Bにおけるチップ2Aとチップ2Bの間に通電を行う。これにより鋼板1Aと鋼板1Bとの通電部にはナゲット13及び熱影響部(いわゆるHAZ)14が形成され、両鋼板が溶接される。
従来から、鋼板として表面に被膜を有する鋼板が用いられている。例えば、被膜として表面にめっき(例えば亜鉛系めっき、アルミニウム系めっき等)を有する鋼板や、亜鉛系めっきを有する鋼板に対し高温での加熱加工を施した場合(例えばホットスタンプにより加工した場合など)に生じる酸化亜鉛被膜を有する鋼板(つまり亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板)等の、被膜を有する鋼板が挙げられる。
しかし、従来においては、表面に被膜を有する鋼板を積み重ねて電極を押し当て、抵抗スポット溶接を行った場合、被膜と電極とが接触する箇所において被膜に由来する欠陥が生じることがあった。例えば、被膜の存在によって表面の電気抵抗が高くなっている鋼板(特に電極と接する表面の表面電気抵抗が1mΩ以上である鋼板)を積み重ねて抵抗スポット溶接を行った場合、図6に示すように、ナゲット33の部分の金属が熱影響部(いわゆるHAZ部)34から飛び出して、鋼板1Aの表面と該表面に接触する電極(図示せず)との間から吹き出して飛び散りZが発生し、いわゆる表チリが発生することがあった。なお、酸化亜鉛被膜を有する鋼板や、アルミニウム系めっきを有する鋼板では、表面の電気抵抗が高くなり易く、そのため表チリが発生することがある。
また、その他にも、表面に被膜として亜鉛系めっきを有する鋼板を積み重ねて抵抗スポット溶接を行った場合、溶融亜鉛の影響で、鋼板における電極と接触する領域の部分に液体金属脆化割れ(いわゆるLME割れ)が生じることがある。
表面電気抵抗は、鋼板1枚をスポット溶接用の一対の電極100A、100Bで挟み、電極100A、100Bの間に1Aの電流[I]を通電する。電極100Aと鋼板との間の電圧[V1]、及び電極100Bと鋼板との間の電圧[V2]を測定する。
電極100Aと鋼板との間の電気抵抗を[R1]、電極100Bと鋼板との間の電気抵抗を[R3]、鋼板バルク(母材)そのものの固有抵抗に起因する抵抗を[R2]とする。なお、R2はR1及びR3に比べれば無視できるほど小さい。また、両電極100A、100Bの抵抗も、R1及びR3に比べれば無視できるほど小さい。よって、測定された電圧[V1]、[V2]と、電気抵抗[R1]、[R3]との間の関係は、次のように近似できる。
・V1=(R1+R2)×I≒R1×I=R1×1(A)=R1
・V2=(R2+R3)×I≒R3×I=R3×1(A)=R3
R1及びR3のいずれか大きい方の抵抗値を、本実施形態における鋼板の表面電気抵抗とする。
電極摩擦工程における、電極100A、100Bの先端のチップ2A、2Bの回転速度は、被膜除去の時間を短縮する観点から50rpm~5000rpmであることが好ましく、100rpm~3000rpmであることがより好ましい。
なお、ここで言う「深さ」とは、電極との摩擦によって鋼材の表面が除去される深さを指す。電極に通電されてスポット溶接が行われると鋼材の表面に通電による窪み(いわゆるインデンテーション)が形成されるが、このインデンテーションとは異なる。よって、鋼板1A、1Bの表面が削られて除去される深さ(図5に示す深さD1、D2)は、通電が行われる前の時点での深さとする。
図1に示すスポット溶接機、並びに図2、図3及び図4に示す抵抗スポット溶接継手の製造方法では、本実施形態に係るスポット溶接機の一例及び本実施形態に係る抵抗スポット溶接継手の製造方法の一例を示したが、本実施形態はこれらの態様に限定されるものではない。
ただし、被膜と電極とが接触する箇所における被膜に由来する欠陥の抑制の観点から、2つの電極の両方を駆動させることが好ましい。
ただし、被膜の除去面積の低減の観点から、電極の先端部の駆動としては回転駆動が好ましい。
ただし、通電の安定性の観点から、チップの駆動を停止した状態で通電を行うことが好ましい。
供試材として、板厚1.8mmの亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板を用いた。このホットスタンプ鋼板の表面の表面電気抵抗を前述の方法で測定したところ、10mΩであった。打角を3°つけた状態で、同種の鋼板を2枚重ねて板組しスポット溶接した。電極には、先端径Φ6mm、先端の曲率半径R40mmの、クロム銅製の電極を用いた。通電工程の溶接条件としては、加圧力400kgf、アップスロープ通電時間30cycle、一定通電時間20cycle、溶接電流8.0kA、保持時間10cycleとした。
なお、本発明例では、通電工程の前に両方向から電極を押し当て、両電極を回転駆動させて鋼板との間に摩擦を生じさせる電極摩擦工程を行った。具体的には、加圧力400kgfで電極を押し当て、回転速度200rpm、回転時間150cycle(総回転数10)で回転させ、その後回転を止めてから電極を押し当てた状態のまま通電を行った。
一方、比較例では、電極摩擦工程を行わずに、2枚重ねた鋼板に対し通電工程のみを行ってスポット溶接した。
また、本発明例において、電極摩擦工程後かつ通電工程前の鋼板の表面を観察したところ、電極の回転駆動の際に電極との接触があった領域にのみ窪みが観察された。その電極摩擦工程後かつ通電工程前の鋼板における表面の窪みの深さは20μmであった。
供試材として、板厚1.8mmの亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板を用いた。このホットスタンプ鋼板の表面の表面電気抵抗を前述の方法で測定したところ、10mΩであった。同種の鋼板を2枚重ねて板組しスポット溶接した。電極には、先端径Φ6mm、先端の曲率半径R40mmの、クロム銅製の電極を用いた。通電工程の溶接条件としては、加圧力400kgf、通電時間17cyc、保持時間10cycとし、溶接電流を下記表1の通り変化させて溶接を行った。
なお、本発明例では、通電工程の前に両方向から電極を押し当て、両電極を回転駆動させて鋼板との間に摩擦を生じさせる電極摩擦工程を行った。具体的には、加圧力400kgfで電極を押し当て、回転速度400rpm、回転時間99cycle(総回転数約13)で回転させ、その後回転を止めてから電極を押し当てた状態のまま通電を行った。
一方、比較例では、電極摩擦工程を行わずに、2枚重ねた鋼板に対し通電工程のみを行ってスポット溶接した。
また、本発明例において、電極摩擦工程後かつ通電工程前の鋼板の表面を観察したところ、電極の回転駆動の際に電極との接触があった領域にのみ窪みが観察された。その電極摩擦工程後かつ通電工程前の鋼板における表面の窪みの深さは10μmであった。
2A、2B チップ
4A、4B シャンク
6A、6B アダプター
8A、8B ホルダー
10A、10B ホーン
13、33 ナゲット
14、34 熱影響部(HAZ)
16A、16B 窪み
20A、20B モーター
22A、22B ベルト
60A、60B アダプター接続部
100A、100B 電極
200 スポット溶接機
Claims (7)
- 2つ以上積み重ねた鋼材に対し、両方向から2つの電極を押し当て、少なくとも一方の前記電極を駆動させることで前記鋼材との間に摩擦を生じさせる電極摩擦工程と、
前記電極を駆動させた状態で、前記2つの電極に対し通電を開始し、前記電極を駆動させた状態のまま通電を継続するか、または前記通電を継続している間に前記電極の駆動を停止して前記通電を行って、積み重ねた前記鋼材同士を溶接する通電工程と、
を有し、
前記鋼材が、亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板であるスポット溶接継手の製造方法。 - 前記電極は、先端の径がΦ4mm以上、先端の曲率半径Rが20mm以上である請求項1に記載のスポット溶接継手の製造方法。
- 前記鋼材は、前記電極と接する表面の表面電気抵抗が1mΩ以上である請求項1又は請求項2に記載のスポット溶接継手の製造方法。
- 前記電極の駆動が、前記電極の前記鋼材に対する押し当て方向を軸にした回転駆動である請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のスポット溶接継手の製造方法。
- 前記電極の回転速度が50rpm~5000rpmである請求項4に記載のスポット溶接継手の製造方法。
- 前記電極の総回転数が1回転~100回転である請求項4又は請求項5に記載のスポット溶接継手の製造方法。
- 2つ以上積み重ねた、亜鉛めっきを有するホットスタンプ鋼板である鋼材に対し、両方向から押し当てられる2つの電極と、
前記2つの電極のうち少なくとも一方の電極を、前記鋼材に押し当てた状態のまま駆動させることで前記鋼材との間に摩擦を生じさせる電極摩擦手段と、
前記電極を駆動させた状態で、前記2つの電極に対し通電を開始し、前記電極を駆動させた状態のまま通電を継続するか、または前記通電を継続している間に前記電極の駆動を停止して前記通電を行う通電手段と、
を有するスポット溶接機。
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