JPWO2015133099A1

JPWO2015133099A1 - 抵抗スポット溶接方法

Info

Publication number: JPWO2015133099A1
Application number: JP2015528472A
Authority: JP
Inventors: 央海澤西; 松田　広志; 広志松田; 池田　倫正; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: WO2015133099A1; JP6360056B2

Abstract

鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保できる抵抗スポット溶接方法を提供するものである。鋼板の１ないし２枚以上とアルミニウム板の１ないし２枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、鋼板と接触する電極の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板と接触する電極の先端径ＤＡｌとの関係が、ＤＦｅ＞ＤＡｌを満たすようにする。

Description

本発明は、抵抗スポット溶接方法に関し、具体的には、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みの抵抗スポット溶接方法に関する。なお、本発明において、アルミニウム板とは、純アルミニウム板とアルミニウム合金板を総称したものである。

近年の自動車産業では、車体軽量化による燃費向上を目的として、車体へのアルミニウム合金板等の軽金属材の適用が進められている。

現在、車体における鋼板同士の接合には、他の溶接方法に比べてコストや効率面で優位にある抵抗スポット溶接方法が最も多く用いられており、１台あたりの打点数は３０００点から６０００点に及ぶ。これは重ね合わせた２枚以上の鋼板を挟んでその上下から一対の電極で加圧しつつ、上下電極間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合する方法である。

車体の生産工程のコストと効率の維持という観点からは、鋼板同士の場合と同様、アルミニウム板が混在する場合の接合においても抵抗スポット溶接方法を用いることが有効である。しかし、鋼板とアルミニウム板の異種材料接合においては、電極の加圧と通電時の発熱により軟質なアルミニウム板が溶接中に大きく減厚したり、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成したりすることで継手強度が確保できないという問題がある。

上記の問題に対応するため、以下に述べるような技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、溶接を極短時間化し、高電流を付与することで溶融部を周囲に飛散させて、正常な金属面同士の接触と原子の拡散による接合を達成させる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献２には、鋼板とアルミニウム板の間に鉄／アルミニウムクラッド薄板を同種材同士が向かい合うようにインサートさせることで、電極へのアルミニウムの溶着量を最小限に抑えながら、低電流でも高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献３には、鋼板とアルミニウム板の両側に当て板を１枚以上添えて溶接を行うことで、当て板と被接合材料との界面が抵抗発熱し、鋼とアルミニウムが抵抗拡散接合されて高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献４では、鋼板および鋼板表面酸化皮膜におけるＭｎおよびＳｉの各量を適正化することで、大きいナゲット径を得つつ散り発生を抑制する事ができると記載されている。

特開２００４−１７１４８号公報特開平７−１３６７７４号公報特開平９−１５５５６１号公報特開２００５−１５２９５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の抵抗スポット溶接方法では、鋼板同士の抵抗スポット溶接方法と比較して大電流を付与する必要があるため、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスの電源容量では電流値が不足するという問題点がある。

また、特許文献２および３に記載の抵抗スポット溶接方法では、車体の構造上不要である当て板やクラッド薄板の使用、さらには車体の生産ラインの工程変更が必要となるため、大幅なコスト増や重量低減が十分に図れないなどの問題がある。

また、特許文献４では、鋼板および酸化皮膜中の合金元素量および分布を限定する必要があるため、要求性能を満たす鋼板の使用が制限されるなどの課題があり、特に最近の鋼板では高強度化に伴って高合金化が進んでいる状況下では、その適用は極めて制限される。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保できる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］鋼板の１ないし２枚以上とアルミニウム板の１ないし２枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
鋼板と接触する電極の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板と接触する電極の先端径ＤＡｌとの関係が、
ＤＦｅ＞ＤＡｌ
を満たすことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。

［２］鋼板と接触する電極の先端径ＤＦｅが４ｍｍ以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径ＤＡｌが３ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることを特徴とする前記［１］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［３］アルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径ＲＡｌが４０ｍｍを超えることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［４］鋼板と接している各アルミニウム板において、溶接後のアルミニウム板の板厚ｔ１が溶接前の板厚ｔ０の２０％以下となる径ｘ１と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径ｘ２との関係が、
ｘ１＜０．８×ｘ２
を満たすことを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

［５］アルミニウム板の溶接前の板厚ｔ０（ｍｍ）と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径ｘ２（ｍｍ）との関係が、
３√ｔ０＜ｘ２
を満たすことを特徴とする前記［４］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［６］溶接中の電流値が２０ｋＡ以下であることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明においては、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性を確保することができる。

本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。本発明の一実施形態において用いる電極の先端径Ｄと先端曲率半径Ｒを説明する図である。アルミニウム板の減厚割合を評価する方法を説明する図である。破断部の減厚率を算定する方法を説明する図である。

本発明の実施形態を以下に述べる。

図１は、本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。板厚ｔ０のアルミニウム板１と板厚ｔｓの鋼板２とを直接重ね合わせた板組み３を一対の電極（上電極４、下電極５）で挟んで加圧しつつ、上下電極４、５間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合して、アルミニウム板１と鋼板２との抵抗スポット溶接継手を得るようにしている。

その際に、アルミニウム板１と鋼板２の継手特性を確保するうえで重要となるのは、接合範囲を広げつつ、アルミニウムの溶融厚さを減少させることで、アルミニウム板１の減厚を抑制することである。

そこで、この実施形態においては、アルミニウム板１と鋼板２の重ね合わせた板組み（被溶接材）３を抵抗スポット溶接するに際して、鋼板２と接触する電極５の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板１と接触する電極４の先端径ＤＡｌとが、ＤＦｅ＞ＤＡｌの関係を満たすようにしている。

これによって、鋼板２側での発熱径を広く確保しつつ、アルミニウム板１側での電極４による抜熱を抑えることができ、低電流でも鋼／アルミニウム界面の幅広い範囲を昇温させることができる。また、鋼側での発熱径が広くなることで、アルミニウム板１側が局所的に過度に加熱されることが防げるため、アルミニウムの溶融厚さが減少する。そのため、加圧によるアルミニウム板１の減厚が抑制されるという効果もある。

電極４、５の先端径については、鋼板２と接触する電極５の先端径ＤＦｅが４ｍｍ以上であり、かつ、アルミニウム板１と接触する電極４の先端径ＤＡｌが３ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることにより、前記効果を有効に得ることができる。

電極５の先端径ＤＦｅが４ｍｍ未満では、鋼板２側での発熱径が不十分となる。電極４の先端径ＤＡｌが３ｍｍ未満ではアルミニウム板１中の電流密度が大きすぎるため、散り発生のリスクが高まり、電極４の先端径ＤＡｌが１６ｍｍ超えではアルミニウム板１側での電極４による抜熱が大きくなるため、接合に要する電流値を増大させなければいけない。

さらに、鋼板２側の発熱径とアルミニウム板１側の抜熱のバランスを考慮すると、電極５の先端径ＤＦｅを６ｍｍ以上、電極４の先端径ＤＡｌを４ｍｍ以上１４ｍｍ以下とするのが好ましい。より好ましくは４．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。

なお、電極５の先端径ＤＦｅの上限は、ハンドリング性や装置の制約等を考慮して、２０ｍｍとするのが好ましい。より好ましくは１８ｍｍ以下である。

また、鋼板２と接触する電極５の先端径ＤＦｅと鋼板２の板厚ｔＦｅの関係は、３ｔＦｅ≦ＤＦｅを満たし、アルミニウム板１と接触する電極４の先端径ＤＡｌとアルミニウム板１の板厚ｔＡｌの関係は、２ｔＡｌ≦ＤＡｌ≦１４ｔＡｌを満たすことがさらに好適である。ちなみに、図１においては、ｔＡｌ＝ｔ０であり、ｔＦｅ＝ｔｓである。

また、アルミニウム板１の減厚抑制の観点からは、アルミニウム板１と接触する電極４の先端曲率半径ＲＡｌが４０ｍｍを超えることにより、前記効果を有効に得ることができる。電極４の先端曲率半径ＲＡｌが４０ｍｍ以下であると、アルミニウム板１において電極４の中心付近と接する領域にかかる応力が過度に大きくなり、この領域でのアルミニウム板１の減厚が顕著となるからである。

また、アルミニウム板１中の電流密度が大きくなり過ぎることを防ぐという観点からは、電極４の先端曲率半径ＲＡｌは５０ｍｍ以上とするのが好ましい。より好ましくは５５mm以上である。

また、アルミニウム板１側での電極４による抜熱を抑えるという観点からは、電極４の先端曲率半径ＲＡｌは４００ｍｍ以下とするのが好ましい。

また、高強度の継手を得るために必要な電流値が大きい板組みにおいては、電極４の先端曲率半径ＲＡｌは２００ｍｍ以下とするのがさらに好適である。

なお、電極の先端径Ｄと先端曲率半径Ｒについては、図２において、（ａ−１）と（ａ−２）がフラット形状（先端曲率半径Ｒは無限大）の場合の例、（ｂ−１）と（ｂ−２）が凸型形状の場合の例をそれぞれ示している（ＪＩＳＣ９３０４）。

つまり、アルミニウム板１に接触する電極４として、図２に示した電極を使用する場合は、図２中に示している先端径Ｄが電極４の先端径ＤＡｌとなり、図２中に示している先端曲率半径Ｒが電極４の先端曲率半径ＲＡｌとなる。同様に、鋼板２に接触する電極５として、図２に示した電極を使用する場合は、図２中に示している先端径Ｄが電極５の先端径ＤＦｅとなり、図２中に示している先端曲率半径Ｒが電極５の先端曲率半径ＲＦｅとなる。

なお、アルミニウム板１の減厚については、図３に示すように、溶接後のアルミニウム板１の板厚ｔ１が溶接前の板厚ｔ０の２０％以下となる径ｘ１と、溶接後の鋼板２とアルミニウム板１との接合径（ナゲット径）ｘ２の関係が、ｘ１＜０．８×ｘ２を満たしていれば、アルミニウム板１の減厚が生じていても問題はない。

これは、ピール試験や継手の強度試験において、継手の破壊は溶接部の外周部から生じるため、溶接部中心付近の減厚量は継手特性にほとんど影響を及ぼさないためである。

剥離負荷が大きい状態では、ｘ１＜０．６×ｘ２の関係を満たすことが好ましい。さらに、ｘ１＜０．５×ｘ２の関係を満たすことがより一層好ましい。

また、継手強度確保のためには、アルミニウム板１の溶接前の板厚ｔ０（ｍｍ）と、溶接後の鋼板／アルミニウム板の接合径ｘ２（ｍｍ）との関係が、３√ｔ０＜ｘ２を満たすことが好ましい。さらに、３．５√ｔ０＜ｘ２の関係を満たすことがより好ましい。

なお、上記の径ｘ１については、円で無い場合には、面積が等しい等価円の径ｘ１とすればよい。径ｘ２についても同様である。

また、溶接中の電流値については２０ｋＡ以下とすることで、汎用の溶接トランスで出力可能となり、前記効果を具体的に実現できる。

以上、この実施形態では、鋼板１とアルミニウム板２の２枚重ねの板組み（溶接継手）を例として説明したが、その２枚の板間にさらにもう１枚以上の鋼板あるいはアルミニウム板を順不同で挟んだ３枚重ね以上の板組み（溶接継手）についても適用可能である。その場合は、鋼板と接しているアルミニウム板全てにおいて上記の関係が成り立つことが好ましい。

また、溶接中の電流値・通電時間・加圧力は一定である必要はなく、電流値や加圧力を２段階以上に変化させてもよい。

また、溶接中の抵抗値・電圧値といったパラメータを監視し、その変動に応じて電流値や通電時間を変化させる制御方法を用いても何ら問題無い。

また、本発明は、鋼板とアルミニウム板における表面のめっきの有無や厚さ、酸化皮膜の組成や厚さ、母材強度、板厚によらず適用することができる。

本発明の実施例を以下に示す。

供試材料として、鋼板に軟鋼を用い、アルミニウム板に５０００系アルミニウム合金板を用いた。溶接機はインバータ直流式抵抗スポット溶接機を用い、通電時間を４０ｍｓｅｃ、加圧力２．５ｋＮとし、電極形状および電流値を変化させて溶接を行った。

溶接後は継手を溶接部中央で切断して断面観察を行い、溶接後のアルミニウム板の板厚ｔ１が溶接前の板厚ｔ０の２０％以下となる径ｘ１と、溶接後の鋼板／アルミニウム板の接合径ｘ２を求めた。また、ＪＩＳＺ３１４４に規定のピール試験によりピール径（ｍｍ）を求めた。ピール試験でボタン状に破断した継手については、図４で示すように破断部のアルミニウム板の厚さｔ２を計測し、母材の板厚（溶接前の板厚）ｔ０で除することで破断部の減厚率（％）を求めた。

継手特性の評価基準としては、アルミニウム板の溶接前の板厚ｔ０を基準板厚ｔ（ｍｍ）として、ピール径が４√ｔ以上かつ破断部の減厚率３０％以上かつ電流値２０ｋＡ以下であるものを◎、ピール径が３．５√ｔ以上かつ破断部の減厚率３０％以上かつ電流値２０ｋＡ以下であるものを○、ピール径が３．５√ｔ以上かつ破断部の減厚率が３０％以上かつ電流値が２０ｋＡより高いものを△、ピール径が３．５√ｔ以上かつ破断部の減厚率が３０％未満、あるいはピール径が３．５√ｔ未満であるものを×とした。表１にその結果を示す。

本発明例においては、全てのケースで評価は○ないし◎であった。

１アルミニウム板
２鋼板
３板組み
４アルミニウム板と接触する電極（上電極）
５鋼板と接触する電極（下電極）

Claims

鋼板の１ないし２枚以上とアルミニウム板の１ないし２枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
鋼板と接触する電極の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板と接触する電極の先端径ＤＡｌとの関係が、
ＤＦｅ＞ＤＡｌ
を満たすことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
鋼板と接触する電極の先端径ＤＦｅが４ｍｍ以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径ＤＡｌが３ｍｍ以上１６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
アルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径ＲＡｌが４０ｍｍを超えることを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
鋼板と接している各アルミニウム板において、溶接後のアルミニウム板の板厚ｔ１が溶接前の板厚ｔ０の２０％以下となる径ｘ１と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径ｘ２との関係が、
ｘ１＜０．８×ｘ２
を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
アルミニウム板の溶接前の板厚ｔ０（ｍｍ）と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径ｘ２（ｍｍ）との関係が、
３√ｔ０＜ｘ２
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の抵抗スポット溶接方法。
溶接中の電流値が２０ｋＡ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。