JP7473861B1 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

抵抗スポット溶接方法の提供を目的とする。本発明は、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組を接合する抵抗スポット溶接方法であって、高強度鋼板として特定の成分組成を有する鋼板を用い、板組を電流値Ｉｗで通電することにより抵抗スポット溶接部を形成する主通電工程と、主通電工程後に、８００ｍｓ超えの冷却時間ｔｃの間、抵抗スポット溶接部を冷却する冷却過程と、次いで１．０５×Ｉｗ≦Ｉｔ≦１．８０×Ｉｗの電流値Ｉｔで、１００ｍｓ超え３００ｍｓ以下の通電時間ｔｔの間、抵抗スポット溶接部の通電を行う昇温過程とを有する、後熱処理工程とを備える。

Description

本発明は、抵抗スポット溶接方法に関する。

近年、自動車車体には、燃費改善のための軽量化および衝突安全性の確保の観点から、種々の高強度鋼板（ハイテン）の適用が進められている。また、自動車の組み立てラインにおいては、部材の接合として主に抵抗スポット溶接が用いられている。

抵抗スポット溶接で接合された抵抗スポット溶接部の継手強度は、せん断方向への引張強度であるせん断引張強度（TSS：Tensile shear strength）と剥離方向への引張強度である十字引張強度（CTS：Cross tension strength）で評価される。抵抗スポット溶接部におけるＴＳＳは母材の引張強度と共に増加する傾向があるが、ＣＴＳは母材の引張強度が７８０ＭＰａ以上では低下する場合があるとされている。ＣＴＳが低下する場合、抵抗スポット溶接部（溶接部）の破断形態は、抵抗スポット溶接部の周囲の母材または熱影響部（以下、「ＨＡＺ」と称する場合もある。）で延性的に破断するプラグ破断から、ナゲット内で脆性的に破断する界面破断もしくは部分プラグ破断へ、遷移する。ＣＴＳが低下する原因としては、例えば急冷後のナゲット端部の硬化によって脆性的な破壊が起こること等が挙げられる。そこで、このような問題を解決するため、本通電後に再度通電を行う後通電法の検討が様々になされている。

このような問題を解決する技術として、例えば特許文献１～３が挙げられる。特許文献１の溶接方法には、本通電後に、ナゲットに短時間の冷却を行い、次いで短時間で高電流を与える通電条件の後通電を行うことにより、ＣＴＳを改善する技術が開示されている。

特許文献２の溶接方法には、溶接通電を行った直後に、短時間で高電流を溶接部に与える通電条件の後加熱通電、あるいは、溶接通電を行った直後に、短時間の冷却を行い、引き続き、短時間で高電流を溶接部に与える通電条件の後加熱通電を行うことにより、ＣＴＳを改善する技術が開示されている。

特許文献３の溶接方法には、溶接通電直後に、引き続き所定の条件式を満たす後加熱通電、あるいは、溶接通電直後に、引き続き２０ｍｓ～４０ｍｓの冷却時間を設け、引き続き所定の条件式を満たす後加熱通電を行うことにより、ＣＴＳを向上させる技術が開示されている。

特許第５２９３２２７号公報 特開２０１１－６７８５３号公報 特許第５１５１６１５号公報

しかしながら、特許文献１では、後通電の後通電時間が極短時間である。また特許文献１には、後通電が長すぎる場合は、ＣＴＳを向上する効果が得られないと記載されているが、特許文献１では溶接に用いる鋼板の成分組成の具体的な規定が無い。そのため、後述する本発明の成分組成からなる鋼板（高強度鋼板）を用いて特許文献１の技術で溶接する場合、後通電が短いために、ナゲットの外側を焼戻すことができない。

特許文献２、３では、冷却を有さずに溶接通電後に連続して後加熱通電（後通電）を行う溶接方法、あるいは溶接通電直後に極短時間の冷却を有し、引き続き後加熱通電（後通電）を行う溶接方法を、提案している。しかしながら、本発明の高強度鋼板では継手強度を向上することができない。

具体的には、後述の本発明では、高強度鋼板の適用に伴うＣＴＳの低下を課題としており、本発明で用いる成分組成の鋼板ではＣ当量が高い。そのために、特許文献２、３に記載される短時間の冷却では、本発明で用いる鋼板におけるマルテンサイト変態を促進することができない。その結果、本発明で目的とするＣＴＳを確保することができない。さらに特許文献２の技術では、脆性破面率を減らすことで継手の信頼性を向上させるとしているが、本発明で用いる鋼板ではマルテンサイトが焼戻されず、脆性破面が残存してしまい、その結果、ＣＴＳおよびＴＳＳの強度を確保することができない。

さらに、引用文献２、３と本発明では技術的思想が異なる。本発明では、ナゲットを生成した後、ナゲットの外側をＡc₁点直上付近の温度に昇温することによって、ナゲットの外側のみを発熱することができる。ナゲットの外側のみを発熱することにより、ナゲット端部の靭性向上およびナゲット端部の偏析を緩和することができる。更に本発明では、短時間の後通電により、ＨＡＺはあまり熱影響を受けない。そのため、ＴＳＳも維持することができる。

そして、上述のとおり、引張強度が７８０ＭＰａ以上、かつＣ含有量が０．１０～０．６０質量％の高強度鋼板を単通電のみで溶接するスポット溶接方法では、ＣＴＳが低下する問題があり、改善することが求められている。更に、この高強度鋼板にテンパー通電を行うことで、ＨＡＺ軟化が生じ、その結果ＴＳＳが低下する場合があるという問題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、継手強度（ＣＴＳおよびＴＳＳ）を向上させることが可能な、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む複数の鋼板を接合する抵抗スポット溶接方法の提供を目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む板組を用いて、抵抗スポット溶接における十字引張強度（以下、「ＣＴＳ」と称する場合もある。）の低下メカニズムおよび十字引張強度の向上方法について、鋭意検討した。更に、せん断引張強度（以下、「ＴＳＳ」と称する場合もある。）が低下しない方法についても、鋭意検討した。

上述のように、鋼板の高強度化が進むにつれ、ＣＴＳは低下する。ＣＴＳが低い場合の破断形態は、抵抗スポット溶接部の周囲の母材またはＨＡＺで延性的に破断するプラグ破断から、ナゲット内で脆性的に破断する界面破断もしくは部分プラグ破断へ、遷移する。これにより、高強度鋼板ではＣＴＳの確保が困難となる。

界面破断となる原因は、（ｉ）ナゲット形成後の急冷によって硬化組織が形成されてナゲット端部が脆化すること、（ii）ナゲット端部でのＰ、Ｓの偏析によりナゲット端部が脆化することによって、ナゲット端部に亀裂が入ること、が挙げられる。この脆性破壊を起こさないためには、ナゲット端部を焼戻すことにより、ナゲット端部の組織の靱性を高め、かつ、ナゲット端部に偏析するＰ、Ｓを緩和することが有効である。それらの効果により、き裂がナゲット内部に侵入しないようにすることが必要となる。

ＴＳＳは、界面破断の場合でも、破面が延性であればＴＳＳが高い傾向にある。しかし、ＨＡＺ軟化が生じた場合には、破断形態が界面破断から部分プラグ破断へ変化するとともに、き裂の進展経路が変化することによって、ＴＳＳが低下する場合がある。

そこで、本発明では、このような高強度鋼板を用いた抵抗スポット溶接部のＣＴＳとＴＳＳを向上させるために、さらに鋭意検討を重ねた結果、次の知見を得た。

ＣＴＳを向上させるためには、ナゲット端部の靱性が向上することが必要である。靱性の向上には、ナゲット端部を焼戻すことが有効である。

そのための方法として、本通電（後述の主通電工程）に続いて行う冷却過程によってナゲットのマルテンサイト変態を進めた後、高電流の後通電によってナゲットの外側が発熱することで、ナゲット外側のみを焼戻すことが可能であることが明らかになった。また、ナゲット外側の発熱によってＰ、Ｓ等の偏析も緩和することができ、総合的にナゲット外側の靭性を向上させることが可能となった。そして、高電流を流すことで、後通電（後述の後熱処理工程）を短くすることが可能となり、このことから、短時間で高電流の後通電を行うことによって、ナゲット外側近傍のＨＡＺの軟化を防ぐことが可能となった。これにより、目標とするＣＴＳを確保しながら、目標とするＴＳＳも確保することが可能であることが明らかになった。

本発明は、上記の知見に基づいて成されたものであり、以下を要旨とするものである。
［１］ 少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の溶接電極で狭持し、加圧しながら通電して接合する、抵抗スポット溶接方法であって、
前記高強度鋼板として、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．６０％、
Ｓｉ：０．１～２．０％、
Ｍｎ：１．５～４．０％、
Ｐ：０．１０％以下、
Ｓ：０．００５％以下、
Ｎ：０．００１～０．０１０％、および
Ｏ：０．０３％以下
を含有し、残部がＦeおよび不可避的不純物である成分組成の鋼板を用い、
前記板組を電流値Ｉｗ（ｋＡ）で通電することにより抵抗スポット溶接部を形成する主通電工程と、
前記主通電工程の後に、式（１）に示す冷却時間ｔｃ（ｍｓ）の間、前記抵抗スポット溶接部を冷却する冷却過程と、
次いで、式（２）に示す電流値Ｉｔ（ｋＡ）で、式（３）に示す通電時間ｔｔ（ｍｓ）の間、前記抵抗スポット溶接部の通電を行う昇温過程と、を有する後熱処理工程と、
を備える、抵抗スポット溶接方法。
８００＜ｔｃ …（１）
１．０５×Ｉｗ≦Ｉｔ≦１．８０×Ｉｗ …（２）
１００＜ｔｔ≦３００ …（３）
［２］ 前記高強度鋼板の前記成分組成は、さらに質量％で、
Ｃｕ：０．００５～１．０％、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｍｏ：０．００５～１．０％、
Ａｌ：２．０％以下、
Ｂ：０．０００５～０．００５％、
Ｃａ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１．０％以下、
Ｔｉ：０．００３～０．２０％、
Ｖ：０．００５～０．５０％、および
Ｎｂ：０．００５～０．２０％
のうちから選択される１種または２種以上を含有する、［１］に記載の抵抗スポット溶接方法。
［３］ 前記高強度鋼板は、鋼板表面に亜鉛めっき層を有する、［１］または［２］に記載の抵抗スポット溶接方法。
［４］ 前記主通電工程および前記後熱処理工程における加圧力が一定である、［１］～［３］のいずれか１つに記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明の抵抗スポット溶接方法によれば、短時間かつ高電流で通電する後熱処理工程によってナゲット外側の靭性が向上する。これにより、得られる溶接継手の継手強度を向上することができるため、産業上格段の効果を奏する。

図１は、本発明の抵抗スポット溶接方法の一例を説明する断面図である。 図２は、本発明の抵抗スポット溶接方法の通電パターンの一例を説明する図である。

以下、各図を参照して、本発明の抵抗スポット溶接方法について説明する。なお、本発明は、この実施形態に限定されない。

最初に、本発明の技術思想について詳細に説明する。

上述のように、引張強度が７８０ＭＰａ以上、かつＣ含有量が０．１０～０．６０質量％の高強度鋼板を単通電のみで溶接するスポット溶接方法では、ＣＴＳが低下することが知られている。更に、この高強度鋼板にテンパー通電を行うことで、ＨＡＺ軟化に起因してＴＳＳが低下する場合があるということも知られている。

そこで、本発明では、これらの課題を解決するために、溶接時の温度制御として、特に後熱処理工程の通電条件に着目した。具体的には、ナゲット外側の組織をマルテンサイト変態させるための冷却を行う工程（後述の冷却過程）と、ナゲットの外側のみを発熱させるための通電を行う工程（後述の昇温過程）と、に着目した。

まず、主通電工程として、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組の鋼板重ね面にナゲットを形成するために、溶融点以上の温度まで加熱する通電を行う。その後、後熱処理工程として、溶融ナゲットのマルテンサイト変態を促進させるための冷却過程に続き、ナゲット外側のみを再発熱させるための後通電である昇温過程を行うことで、ナゲット外側の靭性を向上させる。この後通電では、急速に昇温する。

この後通電により、ナゲット端部の外側が発熱（再発熱）することで、ナゲット端部の外側のみが焼き戻される。その結果、ナゲット端部の靭性が向上する。これにより、ＣＴＳの向上が可能となる。

さらに、短時間の後通電のため、ＨＡＺの組織にはほとんど影響を与えず、ＨＡＺは軟化しない。その結果、ＴＳＳの低下を防ぐことが可能となる。そして、後通電が１段通電であることから、後通電による焼戻しの効果を最小限の工程で得ている。これにより、ＨＡＺ軟化することなく、ＴＳＳを低下させないことが可能である。また、通電時間を短縮できる。

このように、本発明者らは、溶接時、特に後熱処理工程での温度制御を適切に行うことで、上記の高強度鋼板を用いて抵抗スポット溶接する場合であっても、ＣＴＳおよびＴＳＳを兼備できる溶接条件があることを見出した。

次に、本発明の抵抗スポット溶接方法の一実施形態について説明する。

本発明は、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせて板組とし、この板組を一対の溶接電極で挟持し、該溶接電極で加圧しながら後述する通電パターンで通電してナゲットを形成するとともに、鋼板同士を接合する抵抗スポット溶接方法である。上記高強度鋼板とは、後述する成分組成を有する鋼板である。また、重ね合わせる上記鋼板の枚数は特に限定されず、２枚以上であればよい。重ね合わせる上記鋼板の枚数の上限は特に規定しないが、４枚以下とすることが好ましい。

図１には２枚の鋼板を抵抗スポット溶接する一例を示す。図１に示すように、まず、２枚の鋼板１、２を重ね合わせて板組とする。次いで、板組の下側および上側に配置される一対の溶接電極４、５（下電極、上電極）で、該板組を挟持した状態で加圧しながら、所定の溶接条件となるように制御して通電を行う。これにより、抵抗発熱により鋼板重ね面７となる板間を接合することによって抵抗スポット溶接部を形成することで、溶接継手が得られる。例えば、高強度冷延鋼板と亜鉛めっき鋼板とを重ね合わせて板組とする場合には、該高強度亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっき層を有する面が高強度冷延鋼板と対向するように２枚の鋼板を重ね合わせればよい。

なお、本発明の抵抗スポット溶接方法を実施する装置は、下電極と上電極によって加圧し、且つその加圧力を制御する構成であればよく、この構成は特に限定されない。例えば、エアシリンダやサーボモータ等の機器が使用できる。また、通電の際に電流を供給し、且つ電流値を制御する構成も特に限定されず、直流、交流のいずれにも本発明を適用できる。交流の場合は、「電流」は「実効電流」を意味する。

また、下電極や上電極の先端の形式も特に限定されない。例えば、ＪＩＳ Ｃ ９３０４：１９９９に記載されるＤＲ形（ドームラジアス形）、Ｒ形（ラジアス形）、Ｄ形（ドーム形）等が挙げられる。各電極の先端径は、例えば４ｍｍ～１６ｍｍである。曲率半径は例えば１０ｍｍ～４００ｍｍであり、先端が平坦なＦｌａｔ型電極とすることもできる。

[高強度鋼板]
本発明で用いる高強度鋼板の母材の成分組成の限定理由について説明する。なお、以下の説明において、成分組成の「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を指すものとする。

Ｃ：０．１０～０．６０％
Ｃは鋼の強化に寄与する元素である。Ｃ含有量が０．１０％未満では、鋼の強度が低くなり、引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼板を製作することは極めて困難である。一方、Ｃ含有量が０．６０％を超えると、鋼板の強度は高くなるものの、溶接継手における溶融部の硬質なマルテンサイト量が過大となり、マイクロボイドが増加する。更にナゲットとその周辺のＨＡＺが過度に硬化し、脆化も進むため、ＣＴＳを向上させることは困難である。そのため、Ｃ含有量は０．１０～０．６０％とする。Ｃ含有量は、好ましくは０．１２％以上であり、好ましくは０．４５％以下である。

Ｓｉ：０．１～２．０％
Ｓｉ含有量が０．１％以上であると、鋼の強化に有効に作用する。また、Ｓｉはフェライトフォーマー元素であることからナゲット端部のフェライトの生成に優位に働く。一方、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると、鋼は強化されるものの、靱性に悪影響を与えることがある。そのため、Ｓｉ含有量は０．１～２．０％とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．２％以上であり、好ましくは１．８％以下である。

Ｍｎ：１．５～４．０％
Ｍｎ含有量が１．５％未満であると、本発明のように長時間の冷却を行わずとも、高い継手強度を得ることができる。一方、Ｍｎ含有量が４．０％を超えると、抵抗スポット溶接部の脆化あるいは脆化に伴う割れが顕著に現れるため、継手強度を向上させることは困難である。そのため、Ｍｎ含有量は１．５～４．０％とする。Ｍｎ含有量は、好ましくは２．０％以上であり、好ましくは３．５％以下である。

Ｐ：０．１０％以下
Ｐは不可避的不純物であるが、Ｐ含有量が０．１０％を超えると、抵抗スポット溶接部のナゲット端部に強偏析が現れるため、継手強度を向上させることは困難である。そのため、Ｐ含有量は０．１０％以下とする。Ｐ含有量は、好ましくは０．０５％以下であり、より好ましくは０．０２％以下である。なお、Ｐ含有量の下限は特に限定されない。ただし、過度の低減はコストの増加を招くので、Ｐ含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。

Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、粒界に偏析して鋼を脆化させる元素である。さらに、Ｓは、硫化物と鋼板の局部変形能を低下させる。そのため、Ｓ含有量は０．００５％以下とする。Ｓ含有量は、好ましくは０．００４％以下とし、より好ましくは０．００３％以下とする。なお、Ｓ含有量の下限は特に限定されない。ただし、過度の低減はコストの増加を招くので、Ｓ含有量は０．００１％以上とすることが好ましい。

Ｎ：０．００１～０．０１０％
Ｎは、鋼の耐時効性を劣化させる元素である。Ｎは不可避的に含まれる元素である。そのため、Ｎ含有量は０．００１～０．０１０％とする。Ｎ含有量は、好ましくは０．００８％以下とする。

Ｏ：０．０３％以下
Ｏ（酸素）は非金属介在物を生成することにより、鋼の清浄度、靭性を劣化させる元素である。Ｏ含有量は０．０３％以下とする。Ｏ含有量は、０．０２％以下とすることがより好ましい。また、Ｏ含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。

本発明に用いる高強度鋼板は、上記各元素を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。

本発明では、上記成分組成が高強度鋼板の基本の成分組成である。本発明では、上記成分組成に加え、必要に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、およびＮｂのうちから選択される１種または２種以上の元素を加えることができる。

Ｃｕ：０．００５～１．０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｍｏ：０．００５～１．０％
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏは、鋼の強度向上に寄与することができる元素である。しかし、多量に添加すると靭性が劣化する。このため、これらの元素を含有する場合、それぞれ、Ｃｕ含有量は０．００５～１．０％とし、Ｎｉ：１．０％以下とし、Ｍｏ：０．００５～１．０％とすることが好ましい。Ｃｕ含有量は、より好ましくは０．８％以下とし、好ましくは０．００６％以上とする。Ｎｉ含有量は、より好ましくは０．８％以下とし、好ましくは０．０１％以上とする。Ｍｏ含有量は、より好ましくは０．８％以下とし、好ましくは０．００６％以上とする。

Ａｌ：２．０％以下
Ａｌは、オーステナイト細粒化のため組織制御をすることができる元素であるが、多量に添加すると靭性が劣化する。このため、Ａｌを含有する場合、Ａｌ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は、より好ましくは１．５％以下とする。Ａｌ含有量は、好ましくは０．０１％以上とし、より好ましくは０．０３％以上とする。

Ｂ：０．０００５～０．００５％
Ｂは、焼入れ性を改善して鋼を強化することができる元素である。このため、Ｂを含有する場合、Ｂ含有量は０．０００５％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０００７％以上とする。しかし、Ｂを多量に添加しても、上記効果は飽和することから、Ｂ含有量は０．００５％以下とする。Ｂ含有量は、より好ましくは０．００１０％以下とする。

Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、鋼の加工性向上に寄与することができる元素である。しかし、多量に添加すると靭性が劣化する。このため、Ｃａを含有する場合、Ｃａ含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。Ｃａ含有量は、より好ましくは０．００４％以下とし、好ましくは０．００１％以上とする。

Ｃｒ：１．０％以下
Ｃｒは、焼入れ性の向上により強度を向上させることができる元素である。しかし、Ｃｒは１．０％を超えて過剰に含有すると、ＨＡＺの靱性が劣化する恐れがある。このため、Ｃｒを含有する場合、Ｃｒ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．８％以下とし、好ましくは０．０１％以上とする。

Ｔｉ：０．００３～０．２０％
Ｔｉは、焼入れ性を改善して鋼を強化することができる元素である。しかし、多量に添加すると炭化物を形成し、その析出硬化によって靭性が著しく劣化する。このため、Ｔｉを含有する場合、Ｔｉ含有量は０．００３～０．２０％とすることが好ましい。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．１５％以下とし、より好ましくは０．００４％以上とする。

Ｖ：０．００５～０．５０％
Ｖは、析出硬化により組織制御をして鋼を強化することができる元素である。しかし、多量に添加するとＨＡＺ靱性の劣化につながる。このため、Ｖを含有する場合、Ｖ含有量は０．００５～０．５０％とすることが好ましい。Ｖ含有量は、より好ましくは０．３０％以下とし、より好ましくは０．００６％以上とする。

Ｎｂ：０．００５～０．２０％
Ｎｂは、微細な炭窒化物を形成することで抵抗スポット溶接後のＣＴＳおよび耐遅れ破壊特性を向上させる。その効果を得るためにはＮｂを０．００５％以上含有させる。一方、多量にＮｂを添加すると、伸びが著しく低下するだけでなく、靭性を著しく損ねることから、Ｎｂ含有量は０．２０％以下とする。このため、Ｎｂを含有する場合、Ｎｂ含有量は０．００５～０．２０％とすることが好ましい。Ｎｂ含有量は、より好ましくは０．１８％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下であり、さらに一層好ましくは０．１０％以下である。Ｎｂ含有量は、より好ましくは０．００６％以上であり、さらに好ましくは０．００７％以上とする。

上記した成分組成を有する高強度鋼板は、引張強度を７８０ＭＰａ級以上とすることができる。高強度鋼板の引張強度は、好ましくは１１８０ＭＰａ級以上とする。引張強度の上限は特に規定しないが、高強度鋼板の引張強度は１８００ＭＰａ級以下とすることが好ましい。ここで、「７８０ＭＰａ級」とは引張強度が６００～８５０ＭＰａであることを指し、「１１８０ＭＰａ級」とは引張強度が１０５０～１３００ＭＰａであることを指し、「１８００ＭＰａ級」とは引張強度が１７００～１９００ＭＰａであることを指す。

上述のように、特に母材の引張強度が７８０ＭＰａ以上の場合、ＣＴＳが低下する恐れがある。本発明によれば、引張強度が７８０ＭＰａ級以上の高強度鋼板であっても、ナゲット端部の外側を焼戻すことによりナゲット端部の靭性が向上する。さらに、短時間かつ高電流の通電によりＨＡＺへの影響が少ないことから、ＴＳＳの低下を防ぐことが可能となる。このことから、ナゲット端部の脆性的な破壊を防止できる。これにより、抵抗スポット溶接部はＣＴＳの低下およびＴＳＳの低下を抑制できる。なお、引張強度が７８０ＭＰａ未満の高強度鋼板でも、当然に上記の効果は得られる。

[高強度鋼板のめっき種]
本発明の高強度鋼板は、亜鉛めっき処理を施して、鋼板表面に亜鉛めっき層を有する鋼板（亜鉛めっき鋼板）であっても、上記の効果を得ることができる。亜鉛めっき層とは、亜鉛を主成分とするめっき層を指す。亜鉛を主成分とするめっき層には、例えば、溶融亜鉛めっき層、電気亜鉛めっき層、Ｚｎ－Ａｌめっき層およびＺｎ－Ｎｉ層等が含まれる。また、本発明の高強度鋼板は、上記の亜鉛めっき処理を施した後に合金化処理を施して、母材表面に合金化亜鉛めっき層を有する合金化亜鉛めっき鋼板（ＧＡ鋼板）であってもよい。

なお、本発明において重ね合わせる鋼板は、同種の鋼板を２枚以上重ねてもよく、あるいは異種の鋼板を２枚以上重ねてもよい。鋼板表面に亜鉛めっき層を有する鋼板（表面処理鋼板）と鋼板表面に亜鉛めっき層を有さない鋼板（冷延鋼板）とを重ね合わせてもよい。各鋼板の板厚は同じでも異なっていても何ら問題はない。一般的な自動車用鋼板を対象とする観点から、例えば鋼板の板厚は０．４ｍｍ～２．２ｍｍとすることが好ましい。

次に、本発明のスポット抵抗溶接方法における通電パターンについて説明する。

本発明では、少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の溶接電極で狭持し、加圧しながら通電して接合する。この通電として、主通電工程と後熱処理工程とを有する。以下に、本発明の各工程について詳細に説明する。

＜主通電工程＞
主通電工程とは、板組を構成する鋼板１、２の鋼板重ね面７を溶融して必要サイズのナゲット３を形成する工程である（図１を参照）。主通電工程では、板組を電流値Ｉｗ（ｋＡ）で通電することにより抵抗スポット溶接部（ナゲット）を形成する。

自動車鋼板の抵抗スポット溶接部に採用されるナゲット径は、３．０√ｔ（ｍｍ）～６．０√ｔ（ｍｍ）（ｔ（ｍｍ）は板厚である）が一般的である。本発明では、この数値範囲を「目標のナゲット径」とする。本発明の主通電工程では、目標のナゲット径となるナゲット３を得られればよく、このナゲット３を形成するための通電条件および加圧条件は特に限定しない。

重ね合わせる鋼板に本発明の高強度鋼板を用い、鋼板重ね面に目標のナゲット径となるナゲット３を安定して形成する観点からは、主通電工程の通電条件および加圧条件を次のように制御することが好ましい。

主通電工程の電流値Ｉｗ（ｋＡ）は、好ましくは３．０ｋＡ～８．０ｋＡとする。電流値Ｉｗが小さすぎると目標のナゲット径を安定的に得られない。一方、電流値Ｉｗが大きすぎると、ナゲット径が大きくなりすぎる可能性、あるいは、鋼板の溶融度合いが大きくなり、散りとして溶けた抵抗スポット溶接部が板間より外に出てしまい、ナゲット径が小さくなる可能性がある。このような理由から電流値Ｉｗは３．０ｋＡ～８．０ｋＡとする。電流値Ｉｗは、より好ましくは４．５ｋＡ以上とし、より好ましくは７．５ｋＡ以下とする。しかしながら、必要とするナゲット径が得られれば、電流値Ｉｗは上記数値範囲に対して短くても、あるいは長くてもよい。

主通電工程の通電時間ｔｗ（ｍｓ）は、好ましくは１２０ｍｓ～４００ｍｓとする。これは、電流値Ｉｗと同様に、安定的に目標のナゲット径となるナゲット３を形成するための時間である。通電時間ｔｗが１２０ｍｓ未満では、ナゲットが生成しにくくなることが懸念される。一方、通電時間ｔｗが４００ｍｓを超えると、形成されるナゲット径が目標のナゲット径に比べて大きくなる可能性と、施工性の低下とが懸念される。しかしながら、必要とするナゲット径が得られれば、通電時間ｔｗは上記数値範囲に対して短くても、あるいは長くてもよい。

主通電工程での加圧条件は、好ましくは加圧力を２．０ｋＮ～７．０ｋＮとする。加圧力が大き過ぎると通電径が拡大するため、ナゲット径の確保が難しくなる。一方、加圧力が小さ過ぎると、通電径が小さくなり、散りが発生しやすい。このような理由から加圧力は２．０ｋＮ～７．０ｋＮとする。加圧力は、より好ましくは３．０ｋＮ以上とし、より好ましくは６．５ｋＮ以下とする。加圧力は、使用する装置能力によって制限される場合がある。必要とするナゲット径が得られる加圧力であれば、加圧力は上記数値範囲に対して低くても、あるいは高くても良い。

＜後熱処理工程＞
後熱処理工程とは、主通電工程で形成された抵抗スポット溶接部における、ナゲット端部の外側を焼戻すための後熱処理の工程である。主通電工程後に行う後熱処理工程では、ナゲット端部に対して冷却過程および昇温過程をこの順に施す。ナゲット端部の外側の靭性を向上させる効果を得るためには、後熱処理工程における各過程の溶接条件を次のように制御することが重要である。

[冷却過程]
まず、ナゲット端部がマルテンサイト変態を生じる温度まで、ナゲット外側の温度を下げる冷却を行う（冷却過程）。この冷却過程では、後述の焼戻し効果を得るために、式（１）に示す冷却時間ｔｃ（ｍｓ）の間、無通電状態を保持することで、抵抗スポット溶接部を冷却する。
８００＜ｔｃ …（１）

冷却過程の冷却時間ｔｃ（ｍｓ）が８００ｍｓ以下の場合、マルテンサイト変態が十分に起こらず、ナゲット外側にマルテンサイトが現出しないことによってオーステナイトが残存したままの組織となる。これにより、後続の昇温過程を行っても、そのままオーステナイトが残存し、最終的にはマルテンサイト組織となる。その結果、ナゲット端部は脆化した組織となるため、ＣＴＳおよびＴＳＳが向上しない。したがって、冷却時間ｔｃ（ｍｓ）は８００ｍｓ超えとする。冷却時間ｔｃは、好ましくは８５０ｍｓ以上とし、より好ましくは９００ｍｓ以上とする。

冷却過程の冷却時間ｔｃ（ｍｓ）の上限は、特に限定しない。本発明で対象とする鋼板は自動車用鋼板であることから、溶接時間が長いと施行効率の低下が生じる。そのため、冷却時間ｔｃ（ｍｓ）は、好ましくは２２００ｍｓ以下とし、より好ましくは２０００ｍｓ以下とし、さらに好ましくは１９００ｍｓ以下とする。

後熱処理工程の冷却過程での加圧条件は、加圧力を一定とすることが好ましい。加圧力が高い程、冷却が促進されマルテンサイト変態しやすくなるが、７．０ｋＮを超えると、加圧力が高過ぎるために電極が損耗しやすくなる可能性がある。そのため、状況によっては、電極交換の回数を増やす必要が生じ、生産能力が低下する可能性がある。一方、加圧力が３．０ｋＮ未満では、マルテンサイト変態が生じにくくなるため、後の後通電工程において規定の溶接部を得ることができない。このような理由から冷却過程での加圧力は３．０ｋＮ～７．０ｋＮとする。冷却過程での加圧力は、より好ましくは３．５ｋＮ以上であり、より好ましくは６．５ｋＮ以下である。

[昇温過程]
冷却過程後、昇温過程を行う。昇温過程では、冷却過程によってマルテンサイト変態を生じる温度までナゲット端部を冷却した後、マルテンサイトとなった組織を焼戻すために、適切な温度域に昇温する通電（後通電）を行う。この「適切な温度域」とは、ナゲット端部の外側のみが焼戻されるための温度域を指す。

具体的には、昇温過程では、式（２）に示す電流値Ｉｔ（ｋＡ）で、式（３）に示す通電時間ｔｔ（ｍｓ）の間、抵抗スポット溶接部を通電する。
１．０５×Ｉｗ≦Ｉｔ≦１．８０×Ｉｗ …（２）
１００＜ｔｔ≦３００ …（３）

本発明では、昇温過程において短時間で高電流の通電を行うことによって、ナゲット端部の外側のみを焼戻すことが可能である。これは、Ａc₁直下の温度まで急激に温度を上げることにより、ナゲットの端部の外側を僅かに焼戻すことができるからである。更に、短時間の高電流での通電により、ＨＡＺはほとんど焼戻しの影響を受けない。そのため、ＨＡＺの軟化が生じず、ＴＳＳの破断形態が変化しにくくなり、その結果、ＴＳＳを低下させないことが可能となる。

この過程での電流値Ｉｔが低過ぎると、ナゲット端部の外側をほとんど焼戻すことができず、脆化したマルテンサイトとなることに起因してＣＴＳを向上させることができない。一方、この過程での電流値Ｉｔが高過ぎると融点を超えてしまい、チリが発生することに起因して、所定のナゲット径を確保することができない。それゆえに、ナゲット端部の外側のみが発熱するように、適切に温度制御することが重要となる。

この過程の通電時間ｔｔが長すぎると後通電の温度が上昇しすぎてしまい、ナゲットの外側が再度オーステナイト単相領域まで温度上昇する。その結果、最終的にマルテンサイト変態する可能性が高い。また、温度が高すぎると散りが発生し、必要なナゲット径を得ることができない可能性がある。一方、この過程の通電時間ｔｔが短すぎるとナゲット端部の外側をほとんど焼戻すことができなくなる。

このような理由から、昇温過程の電流値Ｉｔ（ｋＡ）は、上記式（２）の関係を満たすものとする。昇温過程の電流値Ｉｔが、主通電工程の電流値Ｉｗに対して（１．０５×Ｉｗ）（ｋＡ）未満となる場合、ナゲット端部の外側がＡc₁点未満の温度となり、ナゲット端部を効果的に焼戻すことができない。昇温過程の電流値Ｉｔは、好ましくは（１．０６×Ｉｗ）（ｋＡ）以上とし、より好ましくは（１．１０×Ｉｗ）（ｋＡ）以上とする。

一方、昇温過程の電流値Ｉｔが、主通電工程の電流値Ｉｗに対して（１．８０×Ｉｗ）（ｋＡ）を超える場合、鋼板のＡc₃点を超えてしまい、ナゲット端部の外側がオーステナイト単相まで温度上昇する。これにより、ナゲット端部の外側は、最終的にマルテンサイトとなる。あるいは、融点を超えてしまう可能性が高く、昇温過程においてチリが発生し、これにより、所定のナゲット径を得ることができない。すなわち、ナゲット端部の外側を焼戻すことができない結果、ナゲット端部の靭性を得られない。昇温過程の電流値Ｉｔは、好ましくは（１．７５×Ｉｗ）（ｋＡ）以下とし、より好ましくは（１．５０×Ｉｗ）（ｋＡ）以下とする。

上述のように、短時間で急速に温度を上げるため、昇温過程の通電時間ｔｔ（ｍｓ）は、上記式（３）の関係を満たすものとする。通電時間ｔｔが１００ｍｓ以下の場合、Ａc₁点以下となる温度が短か過ぎるため、ナゲット端部の外側を焼戻すことができない。一方、通電時間ｔｔが３００ｍｓを超える場合、鋼板のＡc₃点を超えてしまい、ナゲット端部の外側がオーステナイト単相まで温度上昇し、その結果、最終的にマルテンサイトとなる。あるいは、昇温過程においてチリが発生し、その結果、所定のナゲット径を得ることができない。通電時間ｔｔは、好ましくは１２０ｍｓ以上とし、好ましくは２８０ｍｓ以下とする。

後熱処理工程の昇温過程での加圧条件は、加圧力を一定とすることが好ましい。加圧力が７．０ｋＮを超えると、後通電時にチリが発生する温度域まで温度上昇する可能性がある。その結果、後通電でナゲット外側を焼戻せず、後通電後にマルテンサイト変態してしまう。また、必要なナゲット径を得られない可能性がある。一方、加圧力が３．０ｋＮ未満では、低い電流値で散りが発生してしまい、必要なナゲット径を得ることができない。このような理由から昇温過程の加圧力は３．０ｋＮ～７．０ｋＮとする。昇温過程の加圧力は、より好ましくは３．５ｋＮ以上であり、より好ましくは６．５ｋＮ以下である。

なお本発明では、加圧力が上述の各工程の数値範囲内にあり、かつ、主通電工程および後熱処理工程における加圧力を一定とすることが、さらに好ましい。目標の温度とするために上記各関係式を満たすように溶接条件を設定すればよく、制御が簡単になるからである。主通電工程および後熱処理工程における加圧を可変に制御してしまうと後通電の通電時間および電流値の最適範囲が変わってしまうことから、目標の温度となる最適溶接条件を見つけ出すことが難しくなる。このような理由から、全工程（主通電工程および後熱処理工程）における加圧力は一定とすることが好ましい。

本発明では、十分な継手強度（ＣＴＳおよびＴＳＳ）を確保するために、後熱処理工程後に得られる抵抗スポット溶接部のナゲット径は、３．０√t（ｍｍ）～５．５√t（ｍｍ）の範囲とすることが好ましい。なお、ナゲット径が大きい程、継手強度は向上することから、上記数値範囲に対してナゲット径が大きくても問題はない。

以上説明したように、本発明の抵抗スポット溶接方法によれば、後熱処理工程の溶接条件を適切に制御することによって、ナゲット端部の外側がＡc₁点超えの温度となり、ナゲット端部の外側のみが焼戻される。これにより、得られる溶接継手は、ナゲット端部の外側の靭性が向上され、ＣＴＳを向上できる。これとともに、短時間で高電流の通電により、ＨＡＺはほとんど後通電による焼戻しの影響を受けないため、ＨＡＺの軟化が生じず、ＴＳＳの低下を防止できる。すなわち、上記成分組成の高強度鋼板を含む板組を溶接する場合でも、継手強度（ＣＴＳおよびＴＳＳ）を向上させることができる。

以下、本発明の作用および効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。

試験片には、表１および表２に示した、引張強度が７８０ＭＰａ級～１８００ＭＰａ級で、かつ板厚が０．８～１．２ｍｍの鋼板（鋼板Ａ～鋼板Ｎ）を使用した。試験片のサイズは、長辺：１５０ｍｍ、短辺：５０ｍｍとした。表１には鋼板Ａ～鋼板Ｎの成分組成を示した。なお、表１の「－」は、意図的に元素を添加しないことを表しており、元素を含有しない（０％）場合だけでなく、不可避的に含有する場合も含む。表２に示した「ＧＡ鋼板」とは、上記合金化亜鉛めっき鋼板を表すものとした。引張強度が「７８０ＭＰａ級」、「１１８０ＭＰａ級」および「１８００ＭＰａ級」は上述のため省略するが、引張強度が「９８０ＭＰａ級」とは９００～１０５０ＭＰａであることを指し、引張強度が「１４７０ＭＰａ級」とは１４００～１５５０ＭＰａであることを指す。

本実施例では、図１に示したように、２枚以上の鋼板（ここで、図１に示す例では、下側の鋼板１と上側の鋼板２）を重ね合わせた板組について、Ｃガンに取付けられたサーボモータ加圧式で直流電源を有する抵抗溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行った。

まず、得られた試験片を用いて表２に示すように重ねて配置し、板組とした。なお、表２中の「鋼板の重ね位置」は、下側の鋼板から順に「一枚目」、「二枚目」と数えるものとする。一部の板組は、３枚の鋼板を重ね合わせた。次に、各板組を用いて、表３に示す溶接条件で抵抗スポット溶接を行い、板間に必要サイズのナゲット３を形成して、抵抗スポット溶接継手を作製した。なお、表３中の「－」は、その過程を実施していないことを表すものとした。

なお、その他の溶接条件は、以下に示す条件で行った。通電中の加圧力は一定とし、ここでは３．５ｋＮで行った。板組に対して下側の溶接電極４および上側の溶接電極５は、いずれも先端の直径：６ｍｍ、先端の曲率半径：４０ｍｍとし、クロム銅製のＤＲ型電極を用いた。下側の溶接電極４および上側の溶接電極５で加圧力を制御し、直流電源を用いて溶接を行った。溶接終了後の抵抗スポット溶接部のナゲット径は、板厚：ｔ（ｍｍ）とするとき５．５√ｔ（ｍｍ）以下となるように形成した。

得られた抵抗スポット溶接継手を用いて、以下に記載の方法で十字引張試験を行い、ＣＴＳの評価を行った。また、以下に記載の方法でせん断引張試験を行い、ＴＳＳの評価を行った。

［ＣＴＳの評価］
ＣＴＳの評価は、十字引張試験に基づき行った。作製した抵抗スポット溶接継手を用いて、ＪＩＳＺ３１３７に規定の方法で十字引張試験を行い、ＣＴＳ（十字引張強度）を測定した。測定値がＪＩＳ Ａ級（３．４ｋＮ）以上であったものに対して記号「○」を付し、ＪＩＳ Ａ級未満であったものに対して記号「×」を付した。なお、本実施例では、記号「○」の場合を良好と評価し、記号「×」の場合を劣ると評価する。評価結果は表３に示した。

［ＴＳＳの評価］
ＴＳＳの評価は、せん断引張試験に基づき行った。まず、作製した抵抗スポット溶接継手を用いて、ＪＩＳＺ３１３６に規定の方法で十字引張試験を行い、ＴＳＳ（せん断引張強度）を測定した。そして、測定値がＪＩＳ Ａ級以上であったものに対して記号「○」を付し、ＪＩＳ Ａ級未満であったものに対して記号「×」を付した。

具体的には、鋼板の引張強度が７８０ＭＰａ級の場合には、１１．２ｋＮ以上のものに対して記号「〇」を付し、鋼板の引張強度が９８０ＭＰａ級の場合には、１１．９ｋＮ以上のものに対して記号「〇」を付し、鋼板の引張強度が１１８０ＭＰａ級の場合には、１２．１ｋＮ以上のものに対して記号「〇」を付し、鋼板の引張強度が１４７０ＭＰａ級の場合には、１１．４ｋＮ以上のものに対して記号「〇」を付し、鋼板の引張強度が１８００ＭＰａ級の場合には、９．４ｋＮ以上のものに対して記号「〇」を付した。
異なる引張強度の鋼板を重ね合わせた板組（板組ｄ、ｅ、ｋ、ｌ）の場合には、基準値（ＪＩＳ Ａ級の値）が高い方を基準として判断した。

なお、本実施例では、記号「○」の場合を良好と評価し、記号「×」の場合を劣ると評価する。評価結果は表３に示した。

［継手評価］
本実施例では、上述のＣＴＳおよびＴＳＳの評価を用いて、継手の評価を行った。表３中、ＣＴＳおよびＴＳＳの各評価がいずれも「〇」の場合に、継手評価を「〇（合格）」とした。一方、ＣＴＳおよびＴＳＳの各評価のうちいずれか１つが「×」の場合、あるいはＣＴＳおよびＴＳＳの両方の評価が「×」の場合に、継手評価を「×（不合格）」とした。

表３から明らかなように、本発明例では、少なくとも１枚の亜鉛めっき鋼板を含む２枚以上の鋼板が抵抗スポット溶接された抵抗スポット溶接継手は、優れたせん断引張強度および優れた十字引張強度を兼ね備えた良好な溶接継手であった。これに対し、比較例では良好な溶接継手を得られなかった。

１、２ 鋼板
３ ナゲット
４、５ 溶接電極
７ 鋼板重ね面

Claims (5)

1. 少なくとも１枚の高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の溶接電極で狭持し、加圧しながら通電して接合する、抵抗スポット溶接方法であって、
   前記高強度鋼板として、質量％で、
   Ｃ：０．１０～０．６０％、
   Ｓｉ：０．１～２．０％、
   Ｍｎ：１．５～４．０％、
   Ｐ：０．１０％以下、
   Ｓ：０．００５％以下、
   Ｎ：０．００１～０．０１０％、および
   Ｏ：０．０３％以下
   を含有し、残部がＦeおよび不可避的不純物である成分組成の鋼板を用い、
   前記板組を電流値Ｉｗ（ｋＡ）で通電することにより抵抗スポット溶接部を形成する主通電工程と、
   前記主通電工程の後に、式（１）に示す冷却時間ｔｃ（ｍｓ）の間、前記抵抗スポット溶接部を冷却する冷却過程と、
   次いで、式（２）に示す電流値Ｉｔ（ｋＡ）で、式（３）に示す通電時間ｔｔ（ｍｓ）の間、前記抵抗スポット溶接部の通電を行う昇温過程と、を有する後熱処理工程と、
   を備える、抵抗スポット溶接方法。
   ８００＜ｔｃ …（１）
   １．０５×Ｉｗ≦Ｉｔ≦１．８０×Ｉｗ …（２）
   １００＜ｔｔ≦３００ …（３）
2. 前記高強度鋼板の前記成分組成は、さらに質量％で、
   Ｃｕ：０．００５～１．０％、
   Ｎｉ：１．０％以下、
   Ｍｏ：０．００５～１．０％、
   Ａｌ：２．０％以下、
   Ｂ：０．０００５～０．００５％、
   Ｃａ：０．００５％以下、
   Ｃｒ：１．０％以下、
   Ｔｉ：０．００３～０．２０％、
   Ｖ：０．００５～０．５０％、および
   Ｎｂ：０．００５～０．２０％
   のうちから選択される１種または２種以上を含有する、請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. 前記高強度鋼板は、鋼板表面に亜鉛めっき層を有する、請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
4. 前記主通電工程および前記後熱処理工程における加圧力が一定である、請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
5. 前記主通電工程および前記後熱処理工程における加圧力が一定である、請求項３に記載の抵抗スポット溶接方法。

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