JPWO2016139952A1 - 抵抗スポット溶接装置 - Google Patents

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Abstract

散りの発生を抑制しながら、大きなナゲットを形成することができる抵抗スポット溶接装置を提供する。本発明に係る抵抗スポット溶接装置は、2枚以上の鋼板(1,2)を重ねて一対の電極(4,5)間で溶接する抵抗スポット溶接装置であって、一対の電極(4,5)と、加圧力を測定する加圧力計測装置(6)と、加圧力計測装置(6)によって測定された電極(4,5)間の加圧に基づいて、電極(4,5)間の通電を制御する制御装置(7)を備え、制御装置(7)は、加圧力計測装置(6)によって測定された通電開始後の加圧力(F)が所定の値となるよう制御する。

Description

本発明は、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接を行う抵抗スポット溶接装置に関する。
近年、車体の信頼性向上と、燃費向上を目的とした車体重量の軽減を達成するために、鋼板の高強度化が進められている。高強度鋼板の採用により、従来鋼に比べて、薄肉化、軽量化しても同程度の車体剛性が得られる。しかしながら、いくつかの課題も指摘されている。その一つが、溶接部強度が低下するというものである。
抵抗スポット溶接は、図1に示すように、重ね合わせた2枚以上の鋼板(ここでは、下の鋼板1と上の鋼板2の2枚組)の板組3を、上下一対の電極(下の電極4と上の電極5)で挟み、加圧しながら通電することによって鋼板1、2の接触部を溶融させ、必要サイズのナゲット9を形成して、溶接継手を得るものである。
このようにして得られた継手の品質は、ナゲット径の大きさ、あるいはせん断引張強さ(継手のせん断方向に引張試験をしたときの強さ)や十字引張強さ(継手の剥離方向に引張試験をしたときの強さ)、疲労強度の大きさなどで評価されている。特に、高強度化にともない鋼板中のC量は増加する傾向にある。一方で、C量が多い高強度鋼板では十字引張強さが低下することが知られている。
高強度鋼板を使用した場合に十字引張強さを確保するための手段としては、溶接法の観点からは、ナゲット径の拡大が考えられる。しかし、一般的にナゲットを大きくするためには電流を高くする必要があり、その際には散りが発生する可能性が高くなる。散りが発生した場合は逆にナゲットが縮小し、継手強度の低下要因となる。
特に、自動車用鋼板の表面には、防錆を目的として、亜鉛を主成分とする亜鉛めっき処理が行われる。鋼板がかような亜鉛めっき層を有する場合には、自動車組立時に自動車に抵抗スポット溶接を適用する際に、散りが発生し易くなることから、大きいナゲットの確保が困難になることが知られている。
従来技術として、特許文献1には、3枚重ねの鋼板においてナゲットを形成する方法が開示されている。この方法によれば、一段の溶接を行ったのち、二段目以降の溶接を、通電・休止のパルセーション状とすることによって、薄板・厚板・厚板といった三枚重ねの板組においても十分なナゲット径を形成できるとしている。
また、特許文献2では、表面に、Feを原子数比で50%以上80%以下含有する合金化アルミめっき層を有する鋼板を溶接するにあたり、アップスロープ通電後、一定の電流で維持する時間を板厚によって規定することで、安定的なナゲットが形成できるとしている。
さらに、特許文献3では、亜鉛系めっき鋼板において予備的な通電とナゲット形成の時間比を限定することによって、一定の大きさのナゲットを確保することができるとしている。
特許文献4では、亜鉛系めっき鋼板において、予備的な通電を行ったのち、その電流値よりも高い電流値で冷却・通電を繰り返すことによって、一定の大きさのナゲットを確保することができるとしている。
特許第4728926号公報 特開2011−167742号公報 特許第3849539号公報 特許第3922263号公報
しかしながら、特許文献1〜4に記載の方法では、依然として、安定したナゲット径の確保が難しいという課題がある。特に、実際の自動車組立における溶接現場では、意図しない板隙などの施工外乱が存在し、ナゲットの形成に影響を及ぼす。特許文献1〜4に記載の方法では、施工外乱が存在していた場合には、さらに、安定したナゲット径の確保が難しくなる。
本発明は、上記の課題を解決するものであって、散りの発生を抑制し、大きなナゲットを形成することで、板隙などの施工外乱が存在する場合でも、安定したナゲット径を確保できる抵抗スポット溶接装置を提供することを目的とする。
発明者らは、高強度鋼板を含む板組の抵抗スポット溶接について検討を重ねた。検討にあたって、溶接中に電極間にかかる加圧力をリアルタイム測定した。すなわち上電極を加圧する加圧機構を用い、この加圧機構を用いて、溶接中の電極間にかかる荷重値(計測加圧力、若しくは、単に、加圧力と呼ぶ)をリアルタイム測定した。上電極による加圧力は、指定値(指定加圧力と呼ぶ)にて設定が可能である。測定の結果、指定加圧力と、溶接中の電極間にかかる加圧力とには、差が生じていることが判明した。
さらに、散りの発生と加圧力の間には、密接な関係があることが分かった。具体的には、初期の通電中に、加圧力が急増した場合、一定の値を超えると散りが発生する。しかし、その後通電を休止させ、加圧力を減少させた後、再度通電すると、最初の通電時よりも高い加圧力になったとしても散りが発生しなかった。
この検討で得られた結果の一例を、図2および図3に示す。図2は、通電と休止を繰返して抵抗スポット溶接を行った場合の初期加圧力に対する加圧力の変化を示す図である。図3は、一定電流で通電して抵抗スポット溶接を行った場合の初期加圧力に対する加圧力の変化を示す図である。なお、この実験においては通電前に10サイクル(200ms)程度の加圧を行い、安定状態としたのち、通電開始1サイクル(20ms)間の平均加圧力を初期加圧力と呼称した。
図2に示されるように、通電と休止を繰返した場合では散りは発生せず、得られたナゲット径も大きかった。一方で、図3に示されるように、一定電流で通電しつづけた場合では散りが発生し、ナゲット径が小さくなった。
このメカニズムは、以下のように考えられる。通電初期においてナゲットが急激に形成されて膨張することで、計測加圧力が増大する。散り発生はナゲット周囲の加圧状態が不十分となったときに起きると考えられる。すなわち、通電中の計測加圧力が一定値以上になった場合には、ナゲット周囲の加圧が相対的に低下し、散りの発生に繋がったものと考えられる。一方で加圧力の増大が小さい場合には、ナゲット形成による熱膨張が小さいことを示しており、結果的にナゲット径が十分でない原因となる。
そして、この通電を休止すると、ナゲットは凝固収縮し、計測加圧力は下がる。それとともに伝熱により周囲に熱が伝わることで、ナゲット周囲の部分の温度が上昇して軟化し、電極による加圧状態が確保され、散りが抑制されるものと考えられる。しかし、通電休止から時間が経って、冷却が進んでしまうと、次の通電ではナゲットが形成し難くなる。
以上の検討から、発明者らは、上記の現象を活用し、加圧力を制御することで、散りの発生なしに大きなナゲット径を形成できないか検討を行った。その結果、通電初期において通電と休止を繰り返し、その間の加圧力を適正に制御することによって、散りの発生を抑制しながら、最終的にナゲット径を大きくできるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものであり、以下のような特徴を有している。
[1] 二枚以上の鋼板を重ね合せた板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接装置であって、
一対の電極と、
電極による加圧力Fを測定する加圧力計測装置と、
加圧力計測装置によって測定された加圧力Fに基づいて、電極間の通電を制御する制御装置を備え、
制御装置は、加圧力計測装置によって測定された通電開始後の加圧力Fが、初期加圧力Fiに対し、通電開始からの経過時間が20ms以上80ms以下の間で式(1)に示す加圧力F (1)となったら、20ms以上60ms以下の通電の休止を行い、
その後、加圧力Fが、式(2)に示す加圧力F (1)となったら、再度通電を開始するように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
1.03×Fi≦F (1)≦1.15×Fi (1)
1.01×Fi≦F (1)≦0.99×F (1) (2)
[2] [1]に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
制御装置はさらに、
前記通電の休止後に、20ms以上80ms以下の通電と、20ms以上60ms以下の休止を1回以上繰り返し、
(N−1)回目の休止直後の加圧力F (N−1)に対して、加圧力FがN回目の通電により式(3)に示す加圧力F (N)となったら、通電を休止し、
その後、加圧力Fが、式(4)に示す加圧力F (N)に到達となったら、再度通電を開始するように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
1.04×F (N−1)≦F (N)≦1.15×F (N−1) (3)
(N−1)≦F (N)≦0.99×F (N) (4)
N:2以上の自然数
[3] [1]または[2]に記載の抵抗スポット溶接装置であって、制御装置は、最後のN+1回目の通電時間は100ms以上300ms以下となるように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
[4] [1]から[3]のうちいずれかに記載の抵抗スポット溶接装置であって、
一対の電極が設置されたガンアームをさらに備え、
加圧力計測装置は、ガンアームのひずみを測定するひずみ計である抵抗スポット溶接装置。
本発明によれば、2枚以上の鋼板を重ね合わせた板組に対して抵抗スポット溶接を施すに際し、散りの発生を抑制しながら、大きなナゲットを形成することができる。
図1は、抵抗スポット溶接の概要を示す図である。 図2は、通電と休止を繰返して抵抗スポット溶接を行った場合の初期加圧力に対する加圧力の変化を示す図である。 図3は、一定電流で通電して抵抗スポット溶接を行った場合の初期加圧力に対する加圧力の変化を示す図である。 図4は、本発明の実施の形態に係る抵抗スポット溶接装置の構成を示す図である。 図5は、本発明の実施の形態に係る抵抗スポット溶接装置の構成を示す図であり、加圧力計測装置がひずみ計によって構成された例を示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図4は、本発明の実施の形態に係る抵抗スポット溶接装置の構成を示す図である。この装置は、二枚以上の鋼板(1、2)を重ね合せた板組3を、一対の電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接する装置である。この装置は、一対の電極(下電極4、上電極5)と、加圧力計測装置6と、制御装置7を備えている。
加圧力計測装置6は、電極4、5による加圧力F(以下、単に加圧力Fという)を測定し、測定した加圧力Fを制御装置7に出力する。例えば、加圧力計測装置6は、図5に示すような、下電極4および上電極5が設置されたガンアーム8のひずみを測定するひずみ計61として構成することができる。加圧時には、加圧力Fにほぼ比例して、ガンアーム8にひずみが生じる。このひずみ量をひずみ計61により測定し、加圧力Fに換算することで、加圧力Fを測定することができる。
なお、加圧力計測装置6としては、ひずみ計61の他にも、加圧力Fを測定できるロードセルを用いてもよく、ひずみ計61とロードセルを組み合わせて用いてもよい。
制御装置7は、加圧力計測装置6によって測定された加圧力Fに基づいて、加圧力Fを以下のように制御する。具体的には、制御装置7は、通電開始後の加圧力Fが、初期加圧力Fiに対し、通電開始からの経過時間が20ms以上80ms以下の間で式(1)に示す加圧力F (1)となったら、20ms以上60ms以下の通電の休止を行う。
1.03×Fi≦F (1)≦1.15×Fi (1)
(1)が1.03×Fiより小さいとナゲット近傍の加圧が十分に得られず、散りの発生確率が高くなり、1.15×Fiより高いとナゲットの成長が阻害される。
その後、加圧力Fが、式(2)に示す加圧力F (1)となったら、再度通電を開始するように通電を制御する。
1.01×Fi≦F (1)≦0.99×F (1) (2)
(1)が1.01×Fiより低くなると冷却が進行するため次の加熱による効果が小さくなり、0.99×F (1)より高いとナゲットの温度が高く再通電時に散り発生の可能性が高まる。
なお、初期加圧力Fiは、通電前に10サイクル(200ms)程度の加圧を行い、安定状態とした後の通電開始1サイクル(20ms)間の平均加圧力を用いた。通電開始直後の加圧力は、サーボガンに設定する加圧力(指定加圧力)とほぼ等しいため、指定加圧力を、初期加圧力Fiとしてもよい。若しくは、通電開始から0ms〜20msの平均加圧力を、初期加圧力Fiとしてもよい。
また、制御装置7は、上記の通電の休止後に、さらに20ms以上80ms以下の通電と、20ms以上60ms以下の休止を1回以上繰り返すように通電を制御する。
そして、制御装置7は、(N−1)回目の休止直後の加圧力F (N−1)に対して、加圧力FがN回目の通電により式(3)に示す加圧力F (N)となったら、通電を休止する。
1.04×F (N−1)≦F (N)≦1.15×F (N−1) (3)
(N)が1.04×F (N−1)より小さいと散りの発生確率が高くなり、1.15×F (N−1)より高いとナゲットの成長が阻害される。
その後、制御装置7は、加圧力Fが、式(4)に示す加圧力F (N)に到達したときに、再度通電を開始するように通電を制御する。Nは2以上の自然数である。
(N−1)≦F (N)≦0.99×F (N) (4)
(N)がF (N−1)より低くなると冷却が進行するため次の加熱による効果が小さくなり、0.99×F (N)より高いと再通電時に散り発生の可能性が高まる。
なお、本発明において、最後の通電時間は、100ms以上300ms以下とすることが好ましい。上記の式で、最後の通電はN+1回目の通電を意味する。100ms未満の場合は、ナゲット形成が不十分となる。300msを超える時間の通電は施工性を悪化させるほか、ナゲット形成への寄与が小さい。最後の通電時間は、上記の範囲において、最初の通電と、その後の通電と休止の繰返しにかかる時間に合わせて、最適な通電時間を選択すればよい。
なお、本発明に係る抵抗スポット溶接装置としては、図4および図5の構成に何ら限定されない。本発明に係る抵抗スポット溶接装置は、上下一対の電極を備え、当該一対の電極で溶接する部分を挟んで、加圧、通電がなされ、しかも溶接中の溶接電流を任意に制御可能な溶接電流制御装置を有していればよい。加圧機構(エアシリンダやサーボモータ等)や、電流制御機構(交流や直流等)、形式(定置式、ロボットガン等)等はとくに限定されない。
本発明は、亜鉛めっき鋼板や高強度鋼板を含む複数枚の板組の溶接装置に適用することが好ましい。亜鉛めっき鋼板や高強度鋼板は、通常の鋼板に比べると、板隙に起因した散りが発生しやすい。しかしながら、本発明は、散りの発生を抑制できるという効果を有するため、このような鋼板を少なくとも1枚含む板組の溶接に対して適用すると、より効果的である。
そのため、溶接を行う板組のうち、少なくとも1枚の鋼板の引張強さが980MPa以上の高強度鋼板であっても、散りの発生を抑制し、大きなナゲット径を形成することができる。
溶接を行う板組のうち、少なくとも1枚の鋼板が、0.15≦C≦0.30(質量%)、1.9≦Mn≦5.0(質量%)、0.2≦Si≦2.0(質量%)の成分を有する引張強さが980MPa以上の高強度鋼板であっても、散りの発生を抑制し、大きなナゲット径を形成することができる。
また、溶接を行う板組のうち、少なくとも1枚の鋼板が、亜鉛めっき鋼板であっても、散りの発生を抑制し、大きなナゲット径を形成することができる。なお、亜鉛めっき鋼板とは、亜鉛を主成分とするめっき層を有する鋼板を示し、亜鉛を主成分とするめっき層には、従来から公知の亜鉛めっき層をすべて含むものとする。具体的には、亜鉛を主成分とするめっき層としては、溶融亜鉛めっき層や電気亜鉛めっき層をはじめとして、Alめっき層、Zn−Alめっき層やZn−Ni層等が含まれる。
本発明に係る抵抗スポット溶接装置は、上記のように、加圧力を測定し、測定された加圧力に基づいて、通電中の加圧力を適切に制御しながら通電と休止を行うことによって、散りの発生を抑制し、大きなナゲットを形成することができる。そのため、板隙などの施工外乱が存在する場合でも、安定してナゲット径を確保することができる。
本発明の実施例として、図5に示す装置を用い、2枚の合金化溶融亜鉛めっき鋼板(下の鋼板1、上の鋼板2)を重ねた板組3について、抵抗スポット溶接継手を作製した。具体的に、実施例で用いた装置は、サーボモータにより電極を加圧するCガンタイプの溶接装置である。なお、電源は、直流電源を用いた。
この時の通電は、表1に示す条件で行った。
また、電極4、5としては、先端の曲率半径R40mm、先端径8mmのアルミナ分散銅のDR型電極を用いた。さらに、試験片としては、引張強さ980MPa級の板厚0.8〜2.6mm、1470MPa級の板厚2.0mmの高強度鋼板を使用した。同じ種類および板厚の鋼板を2枚重ねて溶接を行った。
通電中の加圧力はCガンに取付けたひずみ計61を用いて測定した。測定された加圧力が所定の値になるように通電を変化させた。
表1に、溶接を行った際の散り発生の有無、およびナゲット径について調べた結果を示す。なお、ナゲット径は切断断面のエッチング組織で評価した。ナゲット径の評価は、板厚をt(mm)として、5.5√t以上を○、5.5√t未満を×とした。すなわち、ナゲット径5.5√t以上を、適正径と設定した。
Figure 2016139952
表1において、I(kA)は第1通電の電流値、T(ms)は第1通電の通電時間、F (1)/Fは、初期加圧力Fiに対する加圧力F (1)の比である。また、Tc(ms)は第1休止の時間、F (1)/Fは、初期加圧力Fiに対する加圧力F (1)の比、F (1)/F (1)は通電を休止する加圧力F (1)に対する通電を再開する加圧力F (1)の比である。また、I(kA)は第2通電の電流値、T(ms)は第2通電の通電時間である。
表1に示したとおり、本発明に係る抵抗スポット溶接装置により溶接を行った場合は、比較例に比べると、散りの発生がなく、また適正径のナゲットが形成されていることが分かる。
本発明の実施例として、3枚の合金化溶融亜鉛めっき鋼板を重ねた板組について、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い、抵抗スポット溶接継手を作製した。
この時の通電は、表2に示す条件で行った。
また、電極4、5としては、先端の曲率半径R40mm、先端径8mmのアルミナ分散銅のDR型電極を用いた。さらに、試験片としては、980MPa級の板厚0.8〜2.3mm、1800MPa級の板厚1.2mmの高強度鋼板を使用した。同じ種類および板厚の鋼板を3枚重ねて溶接を行った。
通電中の加圧力はCガンに取付けたひずみ計を用いて測定した。計測加圧力が所定の値になるように加圧力を変化させた。
表2に、溶接を行った際の散り発生の有無、およびナゲット径について調べた結果を示す。なお、ナゲット径は切断断面のエッチング組織で評価した。ナゲット径の評価は、板厚をt(mm)として、5.5√t以上を○、5.5√t未満を×とした。すなわち、ナゲット径5.5√t以上を、適正径と設定した。
さらに、同じ試験を10回繰返し行い、そのナゲット径の変動を評価した。適正径が得られており、ナゲット径の変動の幅が0.1√t以下になっている場合を◎とした。
Figure 2016139952
表2において、I(kA)は第1通電の電流値、T(ms)は第1通電の通電時間、F (1)/Fは、初期加圧力Fiに対する加圧力F (1)の比である。また、Tc(ms)は第1休止の時間、F (1)/Fは、初期加圧力Fiに対する加圧力F (1)の比、F (1)/F (1)は通電を休止する加圧力に対する通電を再開する加圧力の比である。同様に、F (2)/F (1)は一回目の休止直後の加圧力に対する第2通電後の通電休止時の加圧力の比、F (2)/F (1)は一回目の休止直後の加圧力に対する二回目の休止直後の加圧力の比、F (2)/F (2)は第2通電後の通電休止時の加圧力に対する二回目の休止直後の加圧力の比、I(kA)およびI(kA)は第2および第3通電の電流値、T(ms)およびT(ms)は第2および第3通電の通電時間、Tc(ms)は第2休止の時間、である。
表2に示したとおり、本発明に従い抵抗スポット溶接を行った場合は、比較例に比べると、散りの発生がなく、また適正径のナゲットが形成されていることが分かる。さらに、第2通電を本発明法の条件とすることにより、そうでない場合に比べて、ナゲット径が安定化する効果が示された。
1 下の鋼板
2 上の鋼板
3 板組
4 下の電極
5 上の電極
6 加圧力計測装置
61 ひずみ計
7 制御装置
8 ガンアーム
9 ナゲット

Claims (4)

  1. 二枚以上の鋼板を重ね合せた板組を、一対の溶接電極で挟持し、加圧しながら通電して溶接する抵抗スポット溶接装置であって、
    一対の電極と、
    電極による加圧力Fを測定する加圧力計測装置と、
    加圧力計測装置によって測定された加圧力Fに基づいて、電極間の通電を制御する制御装置を備え、
    制御装置は、加圧力計測装置によって測定された通電開始後の加圧力Fが、初期加圧力Fiに対し、通電開始からの経過時間が20ms以上80ms以下の間で式(1)に示す加圧力F (1)となったら、20ms以上60ms以下の通電の休止を行い、
    その後、加圧力Fが、式(2)に示す加圧力F (1)となったら、再度通電を開始するように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
    1.03×Fi≦F (1)≦1.15×Fi (1)
    1.01×Fi≦F (1)≦0.99×F (1) (2)
  2. 請求項1に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
    制御装置はさらに、
    前記通電の休止後に、20ms以上80ms以下の通電と、20ms以上60ms以下の休止を1回以上繰り返し、
    (N−1)回目の休止直後の加圧力F (N−1)に対して、加圧力FがN回目の通電により式(3)に示す加圧力F (N)となったら、通電を休止し、
    その後、加圧力Fが、式(4)に示す加圧力F (N)に到達となったら、再度通電を開始するように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
    1.04×F (N−1)≦F (N)≦1.15×F (N−1) (3)
    (N−1)≦F (N)≦0.99×F (N) (4)
    N:2以上の自然数
  3. 請求項1または2に記載の抵抗スポット溶接装置であって、制御装置は、最後のN+1回目の通電時間は100ms以上300ms以下となるように通電を制御する抵抗スポット溶接装置。
  4. 請求項1から3のうちいずれかに記載の抵抗スポット溶接装置であって、
    一対の電極が設置されたガンアームをさらに備え、
    加圧力計測装置は、ガンアームのひずみを測定するひずみ計である抵抗スポット溶接装置。
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