JPWO2016013212A1 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

溶接点間の距離が短い場合でも、短時間かつ安定的にナゲットを形成することができる抵抗スポット溶接方法を提供する。一方の電極対（電極Ａ、Ｂ）において、短時間で高電流の予備的な通電を行った後に、目標のナゲットを得るための本通電を行うとともに、他方の電極対（電極Ｃ、Ｄ）において、前記の予備的な通電の開始から本通電の終了までの間に通電を開始する。

Description

本発明は、２枚以上の鋼板を重ね合わせて行なう抵抗スポット溶接方法に関するものである。

自動車等の車体の組み立てには、抵抗スポット溶接（resistance spot welding）が広く使用されている。１台の車体で数千点に及ぶ抵抗スポット溶接が行なわれる。

図１は、一般的な抵抗スポット溶接の例を示す図である。抵抗スポット溶接は、２枚以上の鋼板を重ね合わせ（図１では、鋼板１、２）、上下一対の溶接電極４、５で挟持し、加圧しながら通電することによって、鋼板の溶接すべき点（溶接点）に所定の大きさのナゲット６（nugget）を形成して溶接継手を得る。

近年、車体の軽量化と乗客の安全性を両立させるために、高張力鋼板の採用や車体構造の高剛性化に加え、スポット溶接の溶接点を増加させることによる高剛性化の検討が進められている。

例えば、特許文献１には、複数の溶接点を同時にスポット溶接する技術が開示されている。これは１台の溶接機の本体先端に、電極を取り付ける揺動シャンク（shank）を複数設置し、複数の電極（二又電極等）を同時に加圧接触させながら通電することにより、複数の溶接点において同時にスポット溶接を行うものである。

また、特許文献２には、複数の抵抗溶接機でシリーズスポット溶接(series spot welding)を行うステップと、複数の抵抗溶接機のうち、一の抵抗溶接機の溶接電極をインダイレクト溶接電極として用い、他の抵抗溶接機の溶接電極を、当該溶接電極でシリーズスポット溶接により予め溶接した打点に当接させることによりアース電極として用いて、インダイレクトスポット溶接(indirect spot welding)を行うステップを有する抵抗溶接方法が開示されている。

特開２０１０−１７９３１８号公報 特許４８３６５１５号公報

しかし、上記のように溶接点を増加させると、溶接点間の距離が短くなり、既に溶接を行った点（既溶接点）に電流が分岐してしまう分流現象が生じる。これによって、新たに溶接を行った溶接点で、十分な電流が流れず、所定のナゲット径が確保できないという問題が生じる。

このような課題に対し、本発明者らは、既溶接点への分流現象に対する影響因子を検討した。既溶接点が有る場合、抵抗スポット溶接において通電を行うと、既溶接点と、新たに溶接を行う溶接点との並列の電気回路が形成される。既溶接点へ分流する電流値は、既溶接点までの経路および既溶接点自体の抵抗値と、新たに溶接を行う溶接点の抵抗値との関係によって決定される。したがって、既溶接点の抵抗値を高めることによって、分流(shunt current)は抑制可能であると考えられる。

一方、鋼板の温度が上昇すると、鋼板の抵抗値が増加することが広く知られている。すなわち、既溶接点の温度を上昇させることができれば、分流現象を抑制し、安定的にナゲットを形成することができると考えられる。

これに対して、特許文献１のように、二又電極を用いて二点の溶接点を同時にスポット溶接する方法は、その二点の溶接点の温度を同時に上昇させて、抵抗値を同時に高めることで、その二点の溶接点の相互の分流による影響を抑制することができる。しかし、溶接初期においては温度が上昇していないため、既溶接点への分流による影響は避けられず、既溶接点に近い側の溶接点でナゲットの形成が不安定になる場合がある。

しかも、特許文献１では、特殊な形状の電極（二又電極）を用いているため、通常の施工で行われている電極ドレッシング（electrode dressing）も特殊な装置を用いる必要があり、電極形状の管理が困難となるという問題がある。

一方、引用文献２では、既溶接点に改めてアース電極を当接させる工程が必要になり、作業工数が増加して、作業時間が長くなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、溶接点間の距離が短い場合でも、短時間かつ安定的にナゲットを形成することが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。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、特許文献１のような特殊な電極を備えた溶接機を用いるのではなく、通常の電極を備えた溶接機を２台用い、その２台の溶接機を同時制御することを前提として検討を行った。

その結果、２台の溶接機を用いて２点の溶接点のスポット溶接を行う際に、２台の溶接機によるそれぞれの溶接点の溶接開始時間に差を設けることで、先行して溶接を開始した溶接点（先行溶接点）の温度を上昇させて、後行して溶接を開始した溶接点（後行溶接点）からの先行溶接点への分流を抑制し、それによって後行溶接点の温度を迅速に上昇させることにより、二点の溶接点の相互の分流による影響を抑制して、溶接時間の増加を最小に抑えつつ、先行溶接点と後行溶接点の両方の溶接が可能となると考えた。

しかしながら、上記の時間差溶接方法でも、先行溶接において既溶接点への分流が起こり、ナゲット径形成の変動要因となる。特に、先行溶接点が既溶接点に近い場合（例えば、５０ｍｍ以下の場合）は、その影響は顕著であり、上記の溶接方法を用いたとしても先行溶接点のナゲット径が安定しない場合があった。

そこで、本発明者らは、発想を転換し、先行溶接点からの既溶接点への分流を活用する方法を考えた。具体的には、上記の時間差溶接方法に加えて、先行溶接点において予備的な通電を行い、その際の先行溶接点から既溶接点への分流で既溶接点を加熱して、既溶接点の抵抗値を高めてから、先行溶接点の本通電を行う方法である。

本発明は、上記のような着想に基づいたものであり、以下のような特徴を有する。

［１］二枚以上の鋼板を重ねて抵抗スポット溶接する際に、隣接する２点の溶接点における溶接開始時間に差を設けるとともに、先行して溶接を開始する溶接点では、目標のナゲットを得る本通電の前に予備的通電を行ってから本通電を行い、後行で溶接を開始する溶接点では、先行して溶接を開始する溶接点での予備的通電開始から本通電終了までの間に通電を開始する抵抗スポット溶接方法。

［２］溶接点間の距離が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である［１］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［３］予備的通電の通電時間が１０ｍｓ以上１００ｍｓ以下である［１］または［２］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［４］予備的通電の電流値が本通電の電流値以上とする［１］〜［３］のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

［５］上記先行して溶接を開始する際に先に溶接された既溶接点がある場合に、既溶接点に近い側の溶接点を先行して溶接を開始する溶接点とし、既溶接点から遠い側の溶接点を後行で溶接を開始する溶接点とする［１］〜［４］のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明によれば、溶接点間の距離が短い場合でも、短時間かつ安定的にナゲットを形成することができる。

図１は、一般的な抵抗スポット溶接の例を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る抵抗スポット溶接の例を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る抵抗スポット溶接の例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態における通電条件を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は本発明の一実施形態における基本的な溶接方法を示す図であり、図３は本発明の一実施形態における、既溶接点を含めた溶接状態を示す図である。また、図４は本発明の一実施形態における通電条件を示す図である。

図２に示すように、この実施形態における基本的な溶接方法は、下記の如くである。

まず、下側に配置される鋼板１（以下、下鋼板という）と上側に配置される鋼板２（以下、上鋼板という）とを重ね合わせる。

次いで、重ね合わせた鋼板１、２を、上電極Ａと下電極Ｂからなる電極対と、上電極Ｃと下電極Ｄからなる電極対によって挟持して、加圧しながら通電する。その際に、一方の電極対（電極Ａ、Ｂ）は２段通電を行うとともに、他方の電極対（電極Ｃ、Ｄ）よりも先行して通電を開始する。具体的には、一方の電極対（電極Ａ、Ｂ）において、短時間で高電流の予備的な通電を行った後に、目標のナゲットを得るための本通電を行うとともに、他方の電極対（電極Ｃ、Ｄ）において、一方の電極対（電極Ａ、Ｂ）の予備的な通電の開始から本通電の終了までの間に通電を開始する。

なお、電極Ａ、Ｂと電極Ｃ、Ｄを用いて加圧する構成や、その加圧力を制御する構成は、特に限定されず、エアシリンダやサーボモータ等の従来から知られている機器を用いることができる。通電の際に電流を供給し、かつ、その電流値を制御する構成は、特に限定されるものではなく、従来から知られている機器を使用することができる。また、通電の際の電流は、直流であっても交流であってもよい。

電極Ａ、Ｂの軸心をＰ１（先行する溶接点の溶接中心に相当）とし、Ｃ、Ｄの軸心をＰ２（後行する溶接点の溶接中心に相当）とすると、軸心Ｐ１とＰ２との間の距離Ｌは、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることが望ましい。距離Ｌが５０ｍｍより大きければ、先行溶接点が存在することによる分流の影響は相対的には小さくなる。ただし、距離Ｌが５０ｍｍ以上であっても本発明の効果を得ることはできる。距離Ｌは先行溶接点の狙いとするナゲット半径よりも大きく設定すれば効果を得ることができるが、機械的な制約を考えると現実的には１０ｍｍ以上とすることが望ましい。

図３は、この実施形態において、既溶接点を含めた溶接状態を示す図である。

図３に示すように、既溶接点に近い側に先行溶接を行う電極Ａ、Ｂを配置し、既溶接点から遠い側に後行溶接を行う電極Ｃ、Ｄを配置する。先行溶接における予備的通電によって既溶接点を加熱して、既溶接点への分流を抑制することが重要だからである。

また、図４はこの実施形態における通電条件を示す図である。

図４に示すように、先行溶接における予備的通電の電流値はＩｐ、通電時間はＴｐであり、本通電の電流値はＩａ、通電時間はＴａである。また、予備的通電と本通電の間の冷却時間はＴｃである。一方、後行溶接における電流値はＩｂ、通電時間はＴｂである。そして、先行溶接の溶接開始時間（予備的通電の開始時間）と後行溶接の溶接開始時間との時間差はＴｓである。また、先行溶接の溶接終了時間と後行溶接の溶接終了時間との時間差はＴｄである。

まず、先行溶接の溶接開始時間と後行溶接の溶接開始時間との時間差Ｔｓは、施工性の観点から、１０ｍｓ以上２００ｍｓ以下とすることが望ましい。時間差Ｔｓが１０ｍｓ未満では、先行溶接における予備的通電によって既溶接点を加熱して、既溶接点への分流を抑制するという本発明の効果が十分に得られない。時間差Ｔｓが２００ｍｓより大きくなると、施工時間が長くなり、生産性が悪くなる。

そして、先行溶接における予備的通電の時間Ｔｐは、望ましくは１０ｍｓ以上１００ｍｓ以下の短時間とする。予備的通電の時間Ｔｐが１０ｍｓ未満では、十分な既溶接点の温度上昇を得られず、既溶接点に分流が発生してしまう。予備的通電による既溶接点の温度上昇は、２枚の鋼板間の接触抵抗が高い状態である予備的通電初期に最も大きく得られるが、予備的通電の時間Ｔｐが１００ｍｓより大きくなると、予備的通電が長時間化して先行溶接点が必要以上に加熱されてしまい、次に続く本通電において過剰な発熱および散り（expulsion and surface flash）の発生の原因となるからである。

また、先行溶接における予備的通電の電流値Ｉｐは、望ましくは本通電の電流値Ｉａ以上とする。予備的通電の電流値Ｉｐが本通電の電流値Ｉａより低いと、予備的通電による既溶接点の温度上昇効果は小さいからである。ただし、予備的通電の電流値Ｉｐが本通電の電流値Ｉａよりも高すぎると、散りの原因ともなる。そこで、予備的通電の電流値Ｉｐは、下記（１）式の範囲とすることが望ましい。

１．０×Ｉａ≦Ｉｐ≦３．０×Ｉａ ・・・（１）

なお、電流値Ｉａが時間的に変化する場合は、その平均値とすればよい。電流値Ｉｐについても同様である。

また、先行溶接において、予備的通電と本通電の間に冷却時間を設ける場合は、その冷却時間Ｔｃが５０ｍｓ以下であることが望ましい。冷却時間Ｔｃが長すぎると、既溶接点の温度が低下してしまい、既溶接点への分流を抑制する効果が小さくなるためである。

そして、先行溶接の溶接終了時間と後行溶接の溶接終了時間の時間差Ｔｄは、０ｍｓ以上、かつ溶接開始時間の時間差Ｔｓ以下とするのが望ましい。先行溶接の終了時間と後行溶接の終了時間は、いずれが先であってもよいが、溶接時間を十分に確保して、十分なナゲット径と得るという観点からは、後行溶接が先行溶接よりも後に終了することが望ましい。

この実施形態においては、先行溶接における短時間で高電流の予備的通電によって、既溶接点を加熱して既溶接点の抵抗値を高めておくことで、先行溶接点からの既溶接点への分流を抑制するとともに、先行溶接と後行溶接との時間差溶接によって、先行溶接点の温度と後行溶接点の温度を迅速に上昇させることで、二点の溶接点の相互の分流による影響を抑制する。その結果、溶接時間の増加を最小に抑えつつ、先行溶接点と後行溶接点の両方に安定的にナゲットを形成することができる。

本発明の実施例として、前出した図３に示すように、下鋼板１と上鋼板２を重ね合わせて、抵抗スポット溶接を行なった。

下鋼板１と上鋼板２は、同板厚かつ同鋼種であり、形状は長辺１５０ｍｍ、短辺５０ｍｍの長方形である。

先行して溶接を開始する電極Ａ、Ｂの軸心Ｐ１から、後行して溶接を開始する電極Ｃ、Ｄの軸心Ｐ２とは反対方向に向ってＬ１の距離に、ナゲット径ｄ３が４√ｔ（ｔ：板厚）である既溶接点を形成した。なお、距離Ｌ１は、先行して溶接を開始する電極Ａ、Ｂの軸心Ｐ１と既溶接点のナゲット径の中心Ｐ３との距離である。距離Ｌ２は、電極Ａ、Ｂの軸心Ｐ１と電極Ｃ、Ｄの軸心Ｐ２との距離である。

電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、いずれも先端の直径６ｍｍ、曲率半径４０ｍｍとし、アルミナ分散銅製のＤＲ型電極とした。

上電極Ａ、Ｂの加圧力の制御は、上電極Ａ、Ｂを駆動するサーボモータにて行い、通電の際には周波数５０Ｈｚの単相交流電源にて行なった。

図４に示したような通電条件等は、表１に示す通りである。

表１に示ように、本発明例は、上記の本発明の一実施形態に基づいてスポット溶接を行ったものである。これに対して、比較例１は、電極Ａ、Ｂのみを用いて、溶接点を一点一点個別にスポット溶接を行ったものである。また、比較例２は、電極Ａ、Ｂの溶接と電極Ｃ、Ｄの溶接を同時に行ったものである（Ｔｓ＝０ｍｓ、Ｔｄ＝０ｍｓ）。なお、比較例１、２ともに、電極Ａ、Ｂでの予備的通電は行っていない。

そして、各設定条件において得られた溶接継手の溶接断面を切断し、電極Ａ、Ｂによる溶接点のナゲット径ｄ１および電極Ｃ、Ｄによる溶接点のナゲット径ｄ２のそれぞれを基準のナゲット径５．０ｍｍと比較した。ちなみに、基準のナゲット径５．０ｍｍは、既溶接点が形成されていなくて、電極Ａ、Ｂによる通電もない状態で、電極Ｃ、Ｄの溶接条件で溶接を行った溶接部のナゲット径である。

電極Ａ、Ｂによる溶接部の径ｄ１、電極Ｃ、Ｄによる溶接部の径ｄ２が、基準とする溶接部の径５．０ｍｍに比べて、減少率が５％以下であるか、若しくは、基準とする溶接部の径５．０ｍｍよも大きい場合を○、そうでない場合を×とした。その結果を表１に示している。

表１に示すように、本発明例では、比較例１、２に比べて十分なナゲット形成が認められた。

これによって、本発明の有効性が確認された。

１ 下鋼板
２ 上鋼板
４、Ｂ、Ｄ 下電極
５、Ａ、Ｃ 上電極
６ ナゲット

Claims (5)

1. 二枚以上の鋼板を重ねて抵抗スポット溶接する際に、隣接する２点の溶接点における溶接開始時間に差を設けるとともに、先行して溶接を開始する溶接点では、目標のナゲットを得る本通電の前に予備的通電を行ってから本通電を行い、後行で溶接を開始する溶接点では、先行して溶接を開始する溶接点での予備的通電開始から本通電終了までの間に通電を開始する抵抗スポット溶接方法。
2. 溶接点間の距離が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. 予備的通電の通電時間が１０ｍｓ以上１００ｍｓ以下である請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
4. 予備的通電の電流値が本通電の電流値以上とする請求項１〜３のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
5. 上記先行して溶接を開始する際に先に溶接された既溶接点がある場合に、既溶接点に近い側の溶接点を先行して溶接を開始する溶接点とし、既溶接点から遠い側の溶接点を後行で溶接を開始する溶接点とする請求項１〜４のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

Images