JP7479757B2 - スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接方法に関し、特に、板厚比の大きい板組みをスポット溶接により接合する方法に関する。

例えば自動車の車体の組立工程では、重ね合わせた３枚以上の鋼板からなる板組みをスポット溶接により接合することがある。このような板組みの板厚比（＝板組みの総板厚／最表面の薄板の板厚）が大きい場合、板組みの表面に設けられた薄板とこれに隣接する厚板とを接合することが困難であることが知られている。

例えば、下記の特許文献１には、スポット溶接の電流値を短時間に段階的に上昇させることで、ナゲットを縦方向（板厚方向）に成長させて薄板に溶け込ませる方法が示されている。

特開２０１９－９８３４５号公報

しかし、上記のような方法で板厚比の大きい板組みを溶接した場合でも、ナゲットを薄板に溶け込ませることができず、溶接不良となることがある。

そこで、本発明は、板厚比の大きい板組みを確実に接合できるスポット溶接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、薄板とその厚さ方向一方側に重ねて配された複数の厚板との重合部をスポット溶接で接合するための方法であって、前記重合部にダイレクトスポット溶接を施して溶接点を形成する工程と、前記溶接点に前記薄板側からインダイレクトスポット溶接を施して、前記薄板とこれに隣接する厚板とを接合する工程とを有するスポット溶接方法を提供する。

このように、薄板と複数の厚板との重合部にダイレクトスポット溶接を施すことにより、少なくとも厚板同士を接合するナゲットを形成することができる。このナゲットにより薄板とこれに隣接する厚板とが接合されていない場合でも、ナゲットの形成領域（溶接点）に対して薄板側からインダイレクトスポット溶接を施すことにより、当該溶接点の薄板とこれに隣接する厚板とを接合することができる。

上記のダイレクトスポット溶接により、薄板を含む全ての金属板が良好に接合された場合、この溶接点にインダイレクトスポット溶接を施すと、エネルギーが無駄になるだけでなく、溶接点が過剰に溶融して接合強度が低下する恐れがある。そこで、上記のスポット溶接方法では、インダイレクトスポット溶接を施す前に、溶接点の薄板とこれに隣接する厚板とが接合されているか否かを判定する工程を設けることが好ましい。この工程で、薄板とこれに隣接する厚板とが接合されていないと判定された場合にのみ、当該溶接点に前記インダイレクトスポット溶接を行うようにすれば、エネルギーの無駄が省かれると共に、溶接点の過剰な溶融による強度低下を回避できる。

上記のように、本発明のスポット溶接方法によれば、板厚比の大きい板組みを確実に接合することができる。

スポット溶接設備の側面図である。 インダイレクトスポット溶接装置の溶接電極の断面図である。 ワークに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。 上記ダイレクトスポット溶接で形成された溶接点に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。 インダイレクトスポット溶接が施されたワークの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すスポット溶接設備は、ダイレクトスポット溶接装置１と、インダイレクトスポット溶接装置２とを備える。

ダイレクトスポット溶接装置１は、同軸上で対向配置された一対の電極１１、１２と、一方の電極１１を軸方向に移動させるシリンダ１３と、一対の電極１１、１２間に流す電流を供給するトランス１４とが設けられた溶接ガン１０を備える。溶接ガン１０は、ロボットアーム１５の先端に取り付けられる。図示例の電極１１、１２の先端は、略球面状を成している。

インダイレクトスポット溶接装置２は、溶接電極２１、及び、溶接電極２１を軸方向に移動させるシリンダ２２を有する溶接ガン２０と、アース電極２３と、溶接電極２１とアース電極との間に流す電流を供給するトランス２４とを備える。溶接ガン２０は、ロボットアーム２５の先端に取り付けられる。

図２に示すように、溶接電極２１の先端には、軸心に設けられた先端面２１ａと、その周囲に設けられ、先端面２１ａから軸方向で離反するにつれて拡径した傾斜面２１ｂとが設けられる。先端面２１ａは、例えば軸方向と直交する平坦面で構成される。先端面２１ａの直径は、例えば２ｍｍ以下とされる。先端面２１ａは、平坦面の他、凸曲面（例えば球面）で構成してもよい。

溶接電極２１の傾斜面２１ｂは、略テーパ状に形成される。具体的に、傾斜面２１ｂは、上端（外周円筒面２１ｃとの境界）と下端（先端面２１ａとの境界）とを結ぶ仮想テーパ面Ｃ（点線参照）に対して、母線の中間部を凹ませた形状を成している。図示例では、傾斜面２１ｂが、第一テーパ面２１ｂ１と、第一テーパ面２１ｂ１の下方に設けられた第二テーパ面２１ｂ２とを備える。第一テーパ面２１ｂ１と第二テーパ面２１ｂ２、及び、第二テーパ面２１ｂ２と先端面２１ａは、それぞれ曲線部を介して滑らかに連続している。第一テーパ面２１ｂ１の軸方向に対する角度αは、仮想テーパ面Ｃの軸方向に対する角度θよりも大きい。第二テーパ面２１ｂ２の軸方向に対する角度βは、仮想テーパ面Ｃの軸方向に対する角度θよりも小さい。尚、傾斜面２１ｂの構成は上記に限らず、例えば、傾斜面２１ｂ全体を、仮想テーパ面Ｃと同形状のテーパ面で構成してもよい。

アース電極２３は、溶接電極２１の先端面２１ａよりも面積が大きい平坦面２３ａを有する。平坦面２３ａは、例えば多数の金属線で形成され、具体的には平編銅線で形成される。

以下、上記のスポット溶接設備でワークＷにスポット溶接を施す方法を説明する。

本実施形態で溶接を施すワークＷは、図３に示すように、薄板Ｗ１と、薄板Ｗ１の厚さ方向一方側（図中下方）に重ねて配された複数の厚板とを有する。本実施形態では、ワークＷが、薄板Ｗ１と２枚の厚板Ｗ２、Ｗ３とを備える。厚板Ｗ２、Ｗ３は、何れも薄板Ｗ１よりも肉厚が厚い。ワークＷの重合部における板厚比（重合部の総板厚／薄板Ｗ１の板厚）は、例えば４以上とされる。

薄板Ｗ１及び厚板Ｗ２、Ｗ３は、それぞれ金属板（例えば鋼板）で形成される。本実施形態では、薄板Ｗ１は厚板Ｗ２、Ｗ３よりも引張強度の低い材料で形成される。具体的には、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板（例えば溶融亜鉛メッキ鋼板）で薄板Ｗ１が形成され、引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、特に引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板で厚板Ｗ２，Ｗ３が形成される。本実施形態では、厚板Ｗ２、Ｗ３が何れも冷間圧延鋼板からなる超高張力鋼板である。

まず、ダイレクトスポット溶接装置１により、ワークＷの重合部の複数箇所に溶接点Ｐを形成する。具体的には、図３に示すように、一対の電極１１、１２でワークＷの重合部を厚さ方向で挟持加圧し、この状態で一対の電極１１、１２間に所定の値の電流を通電することによりナゲットＮ１が形成される。

上記のダイレクトスポット溶接では、薄板Ｗ１とこれに隣接する厚板Ｗ２との境界は、内部に冷却水が流通された電極１１が薄板Ｗ１を介して近接しているため、温度が上昇しにくい。また、薄板Ｗ１は剛性が低く、電極１１の加圧力で変形しやすいため、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積が大きくなって電流密度が上昇しにくい。以上により、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との境界を十分に発熱させることは難しい。その結果、厚板Ｗ２、Ｗ３の境界が優先的に溶融されてナゲットＮ１が形成されるが、このナゲットＮ１が薄板Ｗ１に溶け込まず、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とが十分な強度で接合されないことがある。本実施形態では、ナゲットＮ１により薄板Ｗ１とこれに隣接する厚板Ｗ２とが接合されているか否かに関わらず、平面視におけるナゲットＮ１の形成領域を「溶接点Ｐ」と言う。

その後、ダイレクトスポット溶接装置１の溶接ガン１０をワークＷの溶接点Ｐから離反させ、この溶接点Ｐに、インダイレクトスポット溶接装置２により、薄板Ｗ１側（図中上側）からインダイレクトスポット溶接を施す。具体的には、ワークのうち、溶接点Ｐと異なる箇所にアース電極２３を接触させると共に、溶接電極２１を溶接点Ｐに薄板Ｗ１側から接触させて溶接点Ｐを加圧する。溶接点Ｐは、溶接電極２１と反対側（図中下側）からは支持されていない。アース電極２３は、例えばワークＷの重合部の下面（厚板Ｗ３）に接触される。この状態で、溶接電極２１とアース電極２３との間に通電することにより、溶接電極２１から、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との境界、及び、ナゲットＮ１を通ってアース電極２３に至る通電経路Ｑが形成される。これにより、図５に示すように、溶接点Ｐの薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との境界にナゲットＮ２が形成され、両金属板Ｗ１、Ｗ２が接合される。

以上により、ダイレクトスポット溶接により薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とが接合されていない場合でも、ダイレクトスポット溶接で形成された溶接点Ｐに、薄板Ｗ１側から溶接電極２１を接触させてインダイレクトスポット溶接を施すことで、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とを接合することができる。

尚、インダイレクトスポット溶接は、ダイレクトスポット溶接により溶接点Ｐを一つ形成する度に行ってもよいし、ダイレクトスポット溶接により複数箇所に溶接点Ｐを形成した後、アース電極２３をワークＷの一箇所に接触させた状態で、複数の溶接点Ｐにインダイレクトスポット溶接を連続的に施してもよい。

また、インダイレクトスポット溶接を施す際に、溶接点Ｐは既にダイレクトスポット溶接において電極１１、１２で挟持加圧されているため、溶接点Ｐにおける薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との間の隙間はほぼ０になっている。このようなワークＷの溶接点Ｐを、インダイレクトスポット溶接装置２の溶接電極２１で薄板Ｗ１側から加圧すると、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積が大きくなりやすいため、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触部における電流密度が不足して、これらが接合されない恐れがある。本実施形態では、比較的低い加圧力（例えば、５０ｋｇｆ以下）で溶接電極２１を溶接点Ｐに薄板Ｗ１側から押し付けるため、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積が抑えられ、電流密度が高められる。

ところで、ダイレクトスポット溶接装置１で溶接点Ｐを形成した後、再びダイレクトスポット溶接装置１の電極１１、１２で溶接点Ｐを低い加圧力で加圧した状態で通電すれば、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とを接合できるようにも思われる。しかし、ダイレクトスポット溶接装置１に設けられるシリンダ１３は、通常、１５０～５００ｋｇｆの加圧力を発生させることができる大型のものであり、このような大型のシリンダ１３は、５０ｋｇｆ以下の低い値での加圧力の制御が困難であるものが多い。これに対し、インダイレクトスポット溶接装置２のシリンダ２２には、出力が比較的小さいもの（例えば、最大加圧力が１５０ｋｇｆ以下のもの）を使用できるため、５０ｋｇｆ以下の低い加圧力でも高精度に制御可能である。

また、図２に示すような略テーパ状の先端形状を有する溶接電極２１で加圧することで、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積がさらに抑えられる。すなわち、溶接電極２１の先端面２１ａの面積が小さいことで、溶接電極２１による薄板Ｗ１の加圧領域が小さくなり、これにより薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積が小さくなる。その後、溶接電極２１の先端が薄板Ｗ１に食い込むにつれて溶接電極２１による加圧領域が広がるが、溶接電極２１の先端に設けられた第二テーパ面２１ｂ２の軸方向に対する角度βが小さいため、溶接電極２１の先端の薄板Ｗ１への食い込みによる加圧領域の拡大が抑えられ、もって薄板Ｗ１と厚板Ｗ２との接触面積の増大が抑えられる。そして、軸方向に対する角度αが大きい第一テーパ面２１ｂ１が薄板Ｗ１に当接することで、この第一テーパ面２１ｂ１がストッパとして機能して、溶接電極２１のそれ以上の薄板Ｗ１への食い込みが抑制される。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

例えば、インダイレクトスポット溶接を施す前に、溶接点Ｐの薄板Ｗ１とこれに隣接する厚板Ｗ２とが接合されているか否かを検査する工程を設けてもよい。このような検査は、例えば、ダイレクトスポット溶接中の溶接条件（電流値、抵抗値、加圧力、電極の変位等）の測定値に基づいて行うことができる。具体的には、予め、ダイレクトスポット溶接により薄板Ｗ１、厚板Ｗ２、Ｗ３を全て接合する良好なナゲットＮ１が形成されたときの溶接条件の良品範囲を取得する。そして、量産時に、ワークＷに対するダイレクトスポット溶接中の溶接条件を測定し、この測定値が、予め取得した良品範囲内であるか否かにより、溶接点Ｐの良否を判定することができる。そして、溶接点Ｐが不良であると判定されたときのみ、当該溶接点Ｐに薄板Ｗ１側からインダイレクトスポット溶接を施して、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とを接合する。

上記のような溶接点Ｐの検査は、インダイレクトスポット溶接装置２を用いて行うこともできる。具体的には、まず、ダイレクトスポット溶接により薄板Ｗ１、厚板Ｗ２、Ｗ３を全て接合する良好なナゲットＮ１が形成されたワークＷに対し、図４と同様に溶接電極２１及びアース電極２３を接触させる。このとき、溶接電極２１は、溶接点Ｐに薄板Ｗ１側から非常に低い圧力（例えば、１０ｋｇｆ以下）で接触させる。この状態で、両電極２１、２３間の通電抵抗を測定することにより、通電抵抗値の良品範囲を取得する。

そして、量産時に、ワークＷにダイレクトスポット溶接を施して溶接点Ｐを形成した後、上記と同様にワークＷにアース電極２３を接触させた状態で、溶接電極２１を溶接点Ｐに薄板Ｗ１側から低加圧力で接触させ、この状態で両電極２１、２３間の通電抵抗を測定する。このとき、溶接点Ｐにおいて薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とが十分に接合されていれば、通電抵抗値が上記の良品範囲内となる。一方、溶接点Ｐにおいて薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とが十分に接合されていない場合、通電抵抗値が上記の良品範囲よりも大きくなる。従って、両電極２１、２３間の通電抵抗の測定値が、上記の良品範囲内であるか否かにより、溶接点Ｐの良否を判定することができる。そして、溶接点Ｐが不良であると判定されたときのみ、当該溶接点Ｐにインダイレクトスポット溶接を施して、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とを接合する。

溶接点Ｐの検査方法は上記に限らず、例えば、タガネによる剥離検査を行ってもよい。

以上の実施形態では、ダイレクトスポット溶接とインダイレクトスポット溶接とを別個の電極を用いて行う場合を示したが、これに限られない。例えば、ダイレクトスポット溶接を施した後、ダイレクトスポット溶接装置１の電極１１を用いてインダイレクトスポット溶接を行ってもよい。具体的には、ダイレクトスポット溶接により溶接点Ｐを形成した後、一方の電極１１を溶接点Ｐに薄板Ｗ１側から接触させると共に、他方の電極１２をワークＷから離反させ、さらにワークＷの溶接点Ｐ以外の箇所にアース電極２３を接触させる。この状態で、電極１１とアース電極２３間に通電することで、薄板Ｗ１と厚板Ｗ２とを接合することができる。

１ ダイレクトスポット溶接装置
２ インダイレクトスポット溶接装置
１０ 溶接ガン
１１、１２ 電極
２０ 溶接ガン
２１ 溶接電極
２３ アース電極
Ｎ１ ナゲット
Ｎ２ ナゲット
Ｐ 溶接点
Ｑ 通電経路
Ｗ ワーク
Ｗ１ 薄板
Ｗ２，Ｗ３ 厚板

Claims (2)

1. 薄板とその厚さ方向一方側に重ねて配された複数の厚板との重合部をスポット溶接で接合するための方法であって、
   前記重合部に、一対の電極で挟持加圧した状態で通電するダイレクトスポット溶接を施して溶接点を形成する工程と、
   前記溶接点に、前記薄板側のみから電極を押し付けて通電するインダイレクトスポット溶接を施して、前記薄板とこれに隣接する厚板とを接合する工程とを有するスポット溶接方法。
2. 前記インダイレクトスポット溶接を施す前に、前記溶接点の前記薄板とこれに隣接する厚板とが接合されているか否かを判定する工程を有する請求項１に記載のスポット溶接方法。

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