JPH0810964A

JPH0810964A - アルミニウム構造材の抵抗スポット溶接方法

Info

Publication number: JPH0810964A
Application number: JP6148284A
Authority: JP
Inventors: Yoshihaya Imamura; 美速今村; Hidetoshi Yamaguchi; 英俊山口; Kikuro Toyose; 喜久郎豊瀬; Seiji Sasabe; 誠二笹部
Original assignee: Shinko Alcoa Yuso Kizai KK
Current assignee: Shinko Alcoa Yuso Kizai KK
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】【目的】溶接欠陥が発生せず、安定した溶接品質を得
ることができて、自動車、車両及び航空機等のアルミニ
ウム構造材への適用が可能なアルミニウム構造材の抵抗
スポット溶接方法を提供する。【構成】先ず、アルミニウム合金板の両面に純アルミ
ニウム板をクラッドした厚さがｔ（ｍｍ）の第１のクラ
ッド板及び厚さがｔ₁ （ｍｍ）（但し、ｔ≦ｔ₁ ）の第
２のクラッド板を夫々第１及び第２の構造材とし、２つ
の構造材を１対の電極で挟んで加圧し、前記１対の電極
間に溶接電流を供給する。第１の構造材の厚さがｔ（ｍ
ｍ）である場合は、安定した溶接電流が流れる溶接時間
を０．２０ｔ（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満とする。
なお、溶接電流は、例えばナゲット径が５√ｔ（ｍｍ）
となる値を実験により予め求めておき、その値に設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム構造物を製
造する場合の抵抗スポット溶接方法に関し、特に自動
車、車両及び航空機等のように高い疲労信頼性を必要と
する構造物の抵抗スポット溶接に好適のアルミニウム構
造材の抵抗スポット溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の車体部品においては、車
体重量を軽減し燃費を向上させると共に、車体部品材料
のリサイクルの効率を高めるために、アルミニウム材の
利用が年々増加する傾向にある。鋼製の自動車の車体の
場合は、車体全体が抵抗スポット溶接によって組立てら
れている。しかし、アルミニウム材の場合は、抵抗スポ
ット溶接すると、溶接部に欠陥が生じるという欠点があ
る。図５は、アルミニウム材を抵抗スポット溶接した場
合の溶接部を示す模式的断面図である。アルミニウム材
２０，２１の溶接部には、この図５に示すように、ナゲ
ット（溶融溶接部）２２の凝固収縮時に溶接部表面に割
れ（以下、表面割れという）２３が発生すると共に、ナ
ゲット２２内部に空孔２４が発生する。

【０００３】このため、従来、高い疲労信頼性を必要と
する部位には、アルミニウム材を使用しないか、又はア
ルミニウム材を使用する場合は抵抗スポット溶接を避け
て、例えば、リベット等によりアルミニウム材を接合し
ている。

【０００４】ところで、従来、アルミニウム材の抵抗ス
ポット溶接方法において、電極チップの寿命を延長させ
る方法に関して種々の方法が提案されている。その中で
も、表面の酸化皮膜の厚さ及び表面粗さを所定の範囲に
したアルミニウム又はアルミニウム合金板材を使用する
方法は極めて有効である（特開平４−３５８０９４
号）。また、Ａｌ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のア
ルミニウム合金の片面に純アルミニウム板をクラッドし
たアルミニウム合金複合板を使用して電極のチップの寿
命を延長させる方法も提案されている（特開平４−３３
９５７１号）。

【０００５】また、従来、アルミニウム材同士を抵抗ス
ポット溶接する場合には、一般的にＷＥＳ７３０２（日
本溶接協会規格）で推奨されている通電条件が使用され
る。この通電条件は、アルミニウム材の特性を考慮して
比較的短時間に設定されており、被溶接材の板厚をｔ
（ｍｍ）とすると、通電時間は０．１ｔ（秒）程度に設
定されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−３５８０９４号に開示された方法においては、溶接
部表面に表面割れが生じるため、構造材に適用するには
不向きであるという問題点がある。また、特開平４−３
３９５７１号に開示された方法においても、抵抗スポッ
ト溶接部の品質が低く、ナゲット内部に空孔が発生し、
構造材としての信頼性に欠けるという問題点がある。更
に、ＷＥＳ７３０２で推奨されている通電条件では、ナ
ゲット内部に空孔が発生することが多い。

【０００７】なお、従来の抵抗スポット溶接方法におい
て、通電時間を長くすることによりナゲット内部の空孔
は減少する。しかし、この場合は、表面割れが発生しや
すくなるため、空孔及び表面割れの双方を抑制できる適
正な通電時間を得ることは極めて困難である。仮に、適
正な通電時間が得られたとしても、その範囲は極めて狭
く、その適正な通電時間に設定することは極めて困難で
あり、実用的ではない。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、溶接部の欠陥の発生を著しく低減でき、ア
ルミニウム構造材への抵抗スポット溶接の適用を可能に
して安定した溶接品質を得ることができるアルミニウム
構造材の抵抗スポット溶接方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム構造材の抵抗スポット溶接方法は、アルミニウム合金
材の両面に純アルミニウム材がクラッドされた厚さがｔ
（ｍｍ）の第１のクラッド材及び厚さがｔ₁ （ｍｍ）
（但し、ｔ≦ｔ₁ ）の第２のクラッド材を夫々第１及び
第２の構造材として、これらの第１及び第２の構造材を
重ねて相互に加圧した状態で、溶接時間が０．２０ｔ
（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満の条件で抵抗スポット
溶接することを特徴とする。

【００１０】なお、本発明において溶接時間とは、構造
材に流れる溶接電流が安定する時間であり、例えば溶接
開始時の溶接電流が増加している時間であるスロープ時
間及び溶接終了時の溶接電流が減少している時間である
後熱時間を含まない。本願においては、これらのスロー
プ時間及び後熱時間の長さは任意であり、またスロープ
時間及び後熱時間がゼロであってもよい。

【００１１】

【作用】本発明に係るアルミニウム構造材の抵抗スポッ
ト溶接方法においては、アルミニウム合金材の両面に純
アルミニウム材がクラッドされた第１及び第２のクラッ
ド材を夫々第１及び第２の構造材とする。この場合に、
２つのクラッド材の厚さが相互に異なるときは、厚さが
薄いほうのクラッド材を第１のクラッド材とする。従っ
て、第１のクラッド材の厚さをｔ、第２のクラッド材の
厚さをｔ₁ とすると、ｔ≦ｔ₁ の関係が成り立つ。そし
て、本発明においては、この第１及び第２の構造材を抵
抗スポット溶接する場合に、溶接時間を０．２０ｔ
（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満とする。厚さが相互に
異なる２つの構造材を抵抗スポット溶接する場合は、溶
接部（継手）の強度は厚さが薄い構造材の溶接品質で決
まる。従って、この場合は、厚さが薄いほうの第１の構
造材の厚さをｔ（ｍｍ）として溶接時間を設定する必要
がある。

【００１２】以下、溶接時間の限定理由について説明す
る。通常、アルミニウム合金板を抵抗スポット溶接する
と、アルミニウム合金板中から例えばＭｇ等が蒸発して
溶接部に空孔が発生するが、厚さがｔ（ｍｍ）のアルミ
ニウム合金板に対して０．２０ｔ（秒）間以上通電して
抵抗スポット溶接すると、空孔が発生しなくなる。即
ち、通電時間を長くすると、空孔内部の気体が散りとな
ってナゲットの外部に放出され、空孔の発生を回避でき
る。しかし、この場合に、アルミニウム合金板は過入熱
気味となり、溶接部に表面割れが発生しやすくなる。一
方、本発明においては、アルミニウム合金材の両面に純
アルミニウム材がクラッドされた第１及び第２のクラッ
ド材を夫々第１及び第２の構造材として、これらの構造
材を重ねて抵抗スポット溶接する。従って、構造材の両
面の純アルミニウム材が高熱伝導性を有しており、この
純アルミニウム材が電極により効率よく冷却され、ナゲ
ットがクラッド材の表面に到達することを回避できる。
従って、本発明方法によれば、ナゲットの凝固収縮によ
る表面割れの発生を回避できる。また、純アルミニウム
材が軟質であるため、電極加圧による応力が緩和され、
その結果、表面割れの発生を更に確実に防止することが
できる。

【００１３】しかし、前記構造材の厚さをｔ（ｍｍ）と
した場合に、溶接時間を０．５ｔ（秒）以上とすると、
電極による構造材表面の冷却が限界に達し、クラッド材
表面の純アルミニウム材が破壊される。従って、溶接時
間は０．２０ｔ（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満とする
必要がある。

【００１４】この場合に、前記純アルミニウム材の厚さ
が２０μｍ未満であると、溶接時の加圧によりアルミニ
ウム合金材と純アルミニウム材との接合界面が破壊され
やすく、溶接部（継手）の強度が不安定になる。このた
め、前記純アルミニウム材の厚さは２０μｍ以上である
ことが好ましい。なお、純アルミニウム材の厚さの上限
値は特に限定されるものではなく、クラッド材の製造コ
スト及び要求される強度等のクラッド材の材料特性に与
える影響等を考慮して決定すればよい。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して具体的に説明する。本発明の実施例に係るア
ルミニウム構造材の抵抗スポット溶接方法においては、
アルミニウム合金板の両面に純アルミニウム板をクラッ
ドした第１及び第２のアルミニウムクラッド板を夫々第
１及び第２の構造材として使用する。そして、２枚のク
ラッド板を重ね合わせ、これらのクラッド板を１対の電
極で挟み込んで加圧し、この１対の電極間に溶接電流を
通電して抵抗スポット溶接する。図１は、溶接電流の時
間変化を示す模式図である。この図１に示すように、抵
抗スポット溶接を開始すると、溶接電流は初期電流値か
ら次第に増加し、所定の溶接電流値に到達する。この溶
接電流が増加する期間をスロープ時間という。そして、
スロープ時間が経過した後、安定した溶接電流がアルミ
ニウムクラッド板に通電される。この溶接電流が安定し
た期間を溶接時間という。その後、所定の溶接時間が経
過すると、溶接電流は減少して後熱最終電流値に達す
る。この溶接電流が減少する期間を後熱時間という。本
実施例においては、第１及び第２のアルミニウムクラッ
ド板の厚さが同一の場合は、その厚さをｔ（ｍｍ）と
し、第１及び第２のアルミニウムクラッド板の厚さが相
互に異なる場合は、薄いほうのクラッド板の厚さをｔ
（ｍｍ）とする。そして、前記溶接時間を、０．２０ｔ
（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満に設定する。また、こ
の溶接時間における溶接電流は、予めナゲット径が５√
ｔ（ｍｍ）になる値を実験等により求め、その電流値に
設定する。このような条件で２枚のアルミニウムクラッ
ド板を抵抗スポット溶接する。

【００１６】次に、本実施例のアルミニウム構造材の抵
抗スポット溶接方法について更に詳細に説明する。本実
施例においては溶接時間を０．２０ｔ（秒）以上、０．
５ｔ（秒）未満とするが、この溶接時間は従来の抵抗ス
ポット溶接方法における溶接時間に比して長い。ＷＥＳ
７３０２で推奨されている抵抗スポット溶接条件を下記
表１に示す。但し、被溶接材の板厚をｔ（ｍｍ）とし、
溶接時間は電源周波数が６０Ｈｚのときのサイクル数及
びこのサイクル数を時間に換算したもの（即ち、（１／
６０）×サイクル数）を示した。また、溶接時間と板厚
との比も併せて示した。

【００１７】

【表１】

【００１８】この表１より、ＷＥＳ７３０２では溶接時
間を０．０９ｔ〜０．１２ｔ（秒）と比較的短く設定し
ていることがわかる。

【００１９】図２（ａ）は、アルミニウム材を従来設定
されている通電時間で抵抗スポット溶接した場合のナゲ
ットを示す模式的断面図である。従来は、通電時間は比
較的短く設定されており、アルミニウム材１，２の接合
部にはナゲット３が形成され、このナゲット３中には空
孔４が発生していた。この空孔４は、アルミニウム材中
の例えばＭｇ等が蒸発することにより発生するため、短
時間の通電で発生し易く、特に高強度のＡｌ−Ｍｇ系及
びＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の場合は、空孔
４の発生を回避することはできない。しかし、本実施例
においては、溶接時間が０．２０ｔ（秒）間以上の条件
で抵抗スポット溶接するため、空孔内部の気体が散りと
なってナゲット外に放出され、空孔の発生を抑制でき
る。

【００２０】一般的に、溶接時間を長くすると、過入熱
気味となり、表面割れが発生しやすくなる。図２（ｂ）
は、溶接時間を長くしてアルミニウム材を抵抗スポット
溶接した場合のナゲットを示す模式的断面図である。こ
の図２（ｂ）に示すように、溶接時間を長くすると、ア
ルミニウム材５，６の接合部にナゲット７が形成され、
このナゲット７の内部に空孔８が発生すると共に、アル
ミニウム材５，６表面に到達する表面割れ９が発生す
る。しかし、本実施例においては、アルミニウム合金板
の両面に純アルミニウム板がクラッドされたアルミニウ
ムクラッド板を使用しており、外側の純アルミニウムか
らなるクラッド層（以下、純アルミニウムクラッド層と
いう）の熱伝導性が高いため、クラッド板の表面が電極
により効率よく冷却される。従って、ナゲットがアルミ
ニウムクラッド板の表面に到達することはなく、更に純
アルミニウムクラッド層が軟質であるため電極加圧によ
る応力が緩和されることも相俟って、表面割れの発生を
抑制できる。

【００２１】しかし、溶接時間が０．５ｔ（秒）以上の
場合は、電極による冷却も限界に達し、アルミニウムク
ラッド板の表面の純アルミニウムクラッド層が破壊され
る。図３は、溶接時間が０．５ｔ（秒）以上の場合の溶
接部分を示す模式的断面図である。アルミニウム合金板
１０の両面上に純アルミニウムクラッド層１１が形成さ
れた厚さがｔ（ｍｍ）のアルミニウムクラッド板１２，
１３を抵抗スポット溶接する場合に、溶接時間を０．５
ｔ（秒）以上とすると、ナゲット１４がアルミニウムク
ラッド板１２，１３の表面まで到達してクラッド層１１
が破壊される。また、ナゲット１４には表面割れ１５も
発生する。このように、溶接時間を０．５ｔ（秒）以上
とするとアルミニウムクラッド板の溶接部に溶接欠陥が
生じるため、溶接時間は０．５ｔ（秒）未満とする。

【００２２】次に、本実施例のアルミニウム構造材の抵
抗スポット溶接方法によりアルミニウムクラッド板に対
し抵抗スポット溶接を実施し、溶接部の溶接欠陥を調べ
た結果について説明する。なお、アルミニウム合金板
（母材）の板厚は０．６〜３．０ｍｍであり、その材質
はＡ５１８２及びＡ６０６１である。また、純アルミニ
ウムクラッド層の厚さは３０μｍである。この場合の抵
抗スポット溶接条件を以下に示す。

【００２３】抵抗スポット溶接条件電極形状；直径：１６〜２０ｍｍ、先端曲率半径：４０
〜１５０ｍｍ（キャップチップ）電極材料；クロム銅合金電極内部循環冷却水量；５リットル／分電源周波数；５０Ｈｚ加圧条件；初期加圧時間：２０サイクル、加圧保持時
間：２５サイクル、加圧力：２．９〜６．９ｋＮ溶接電流；直径が５ｍｍのナゲットを生成できる値。

【００２４】このような条件で抵抗スポット溶接を実施
した結果を下記表２及び図４に示す。なお、図４は、表
２に示した溶接欠陥を調べた結果を示す模式図である。

【００２５】また、比較例１〜３、６として、本願の特
許請求の範囲から外れる溶接時間でアルミニウムクラッ
ド板を溶接し、その溶接部を調べた結果も併せて示す。
更に、比較例７〜１２として、特開平４−３５８０９４
号公報に記載されているように、表面を硝酸により洗浄
したアルミニウム合金板を使用し、溶接時間を変化させ
て抵抗スポット溶接し、溶接部における溶接欠陥を調べ
た。その結果も表２に併せて示す。なお、溶接欠陥は表
面観察及び断面観察により調査した。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２及び図４から明らかなように、硝酸洗
浄した比較例７〜１２のアルミニウム合金板は通電時間
を変化させても溶接欠陥をなくすことはできなかった。
また、純アルミニウム板をクラッドしたアルミニウムク
ラッド板の場合は、ＷＥＳ７３０２で推奨されている
０．０９ｔ〜０．１２ｔ（秒）の通電時間の範囲（比較
例２）では空孔が発生しており、更に０．１５ｔ（秒）
とした比較例３でも空孔が発生した。しかし、通電時間
を０．２０ｔ及び０．２５ｔ（秒）とした実施例４，５
においては、空孔及び長時間通電でみられるような表面
割れは発生しなかった。一方、溶接時間が０．５ｔ
（秒）である比較例６は純アルミニウムクラッド層が破
壊された。

【００２８】このように、本実施例においては、溶接欠
陥の発生を回避できる溶接時間の適正範囲が０．２０ｔ
（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満と長く、溶接時間の設
定が容易である。例えば、溶接すべき構造材の厚さが１
（ｍｍ）であれば、溶接時間は０．２０（秒）以上、
０．５（秒）未満であり、電源周波数が５０Ｈｚの地域
で、１０サイクル以上、２５サイクル未満となる。そし
て、溶接時間をこの範囲に設定して抵抗スポット溶接す
ることにより、溶接欠陥を抑制することができる。

【００２９】次に、アルミニウム合金板にクラッドした
純アルミニウム板の厚さと溶接欠陥との関係を調べた結
果について説明する。母材であるアルミニウム合金板の
厚さが同一であり、クラッド材である純アルミニウム板
の厚さが種々異なるアルミニウムクラッド板（厚さｔ
（ｍｍ））に対して、溶接時間が０．２ｔ（秒）の条件
で抵抗スポット溶接を実施し、溶接部の溶接欠陥を調べ
た。その結果を下記表３に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】この表３から明らかなように、純アルミニ
ウム板の厚さが１０μｍと薄い比較例１３は純アルミニ
ウムクラッド層が破壊された。一方、純アルミニウム板
の厚さが２０μｍ以上の実施例１４乃至１６はいずれも
溶接欠陥は発生しなかった。従って、純アルミニウム板
の厚さは２０μｍ以上であることが好ましい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るアル
ミニウム構造材の抵抗スポット溶接方法によれば、アル
ミニウム合金材の両面に純アルミニウム材がクラッドさ
れた厚さがｔ（ｍｍ）の第１のクラッド材及び厚さがｔ
₁ （ｍｍ）の第２のクラッド材（但し、ｔ≦ｔ₁ ）を構
造材とし、２つの構造材を重ねて溶接時間が０．２０ｔ
（秒）以上、０．５ｔ（秒）未満の条件で抵抗スポット
溶接するので、溶接欠陥を著しく減少でき、安定した溶
接品質が得られる。これにより、アルミニウム構造材の
抵抗スポット溶接を自動車、車両及び航空機等の構造物
に適用することができ、これらの構造物を軽量化できる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接電流の時間変化を示す模式図である。

【図２】アルミニウム材を抵抗スポット溶接して得られ
る溶接部を示す模式的断面図である。

【図３】純アルミニウム板を両面にクラッドしたアルミ
ニウムクラッド板を０．５ｔ（秒）以上の溶接時間で溶
接した場合の溶接部の断面図である。

【図４】比較例及び実施例における溶接欠陥の発生状況
を調べた結果を示す模式図である。

【図５】アルミニウム材を抵抗スポット溶接して得られ
る溶接部を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２，５，６，２０，２１；アルミニウム材３，７，１４，２２；ナゲット４，８，２４；空孔９，１５，２３；表面割れ１０，１６；アルミニウム合金板１１；純アルミニウムクラッド層１２，１３；アルミニウムクラッド板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 103:16 (72)発明者笹部誠二神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１株式会社神戸製鋼所藤沢事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金材の両面に純アルミニ
ウム材がクラッドされた厚さがｔ（ｍｍ）の第１のクラ
ッド材及び厚さがｔ₁ （ｍｍ）（但し、ｔ≦ｔ₁ ）の第
２のクラッド材を夫々第１及び第２の構造材として、こ
れらの第１及び第２の構造材を重ねて相互に加圧した状
態で、溶接時間が０．２０ｔ（秒）以上、０．５ｔ
（秒）未満の条件で抵抗スポット溶接することを特徴と
するアルミニウム構造材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項２】前記純アルミニウム材の厚さが２０μｍ
以上であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニ
ウム構造材の抵抗スポット溶接方法。