WO2015045351A1 - 抵抗スポット溶接装置、複合電極及び抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

　積み重ねられた複数の金属板（２Ａ、２Ｂ）を含む板組（１）に抵抗スポット溶接を行う抵抗スポット溶接装置は、板組（１）を間に挟んで対向して配置される一対の複合電極（１０、２０）を備える。各複合電極（１０、２０）は、先端面が板組（１）に接触して押し付けられる棒状の電極体（１１、２１）と、電極体（１１、２１）が挿入される貫通穴（１２ｂ、２２ｂ）を有し、先端面が板組（１）に接触して押し付けられる導電体の剛体（１２、２２）と、剛体（１２、２２）の後端に連結され、板組（１）への電極体（１１、２１）及び剛体（１２、２２）の押付けに伴って、剛体（１２、２２）に押付け圧力を加える弾性体（１３、２３）と、を備える。これにより、適正電流範囲を拡大するとともに、溶接継手強度を向上することができる。

Description

抵抗スポット溶接装置、複合電極及び抵抗スポット溶接方法

　本発明は、抵抗スポット溶接の技術に関し、特に、積み重ねられた複数の金属板を含む板組に対して溶接を行う抵抗スポット溶接装置に関する。また、本発明は、その抵抗スポット溶接に利用される複合電極及び抵抗スポット溶接方法に関する。

　自動車を始めとする輸送用機械、産業用機械等は、複数の構造部品で構成される。多くの場合、構造部品の製造には、抵抗スポット溶接（以下、単に「スポット溶接」ともいう）が用いられる。

　一般に、スポット溶接は、以下のとおりに行われる。素材として板組を準備する。板組は、複数の金属板が積み重ねられた部分を有する。次に、一対の電極によって板組を挟み込み、各電極を板組に押し付ける。そして、各電極の押付けによって板組を加圧しながら、電極間に電流を印加する。これにより、板組において、電極による加圧に伴って、隣接する金属板同士が接触し、この接触領域及びこの近傍の領域に電流が流れる。これらの領域は電気抵抗によるジュール熱で溶融し、これが凝固してナゲットが形成される。ナゲットの形成により、板組の金属板同士が接合されて繋ぎ合わされ、構造部品が製造される。

　電極としては、フラット型電極チップ、ＤＲ（ダブルアール）型電極チップ、ＳＲ（シングルアール）型電極チップ等が用いられる。フラット型電極チップは、円柱状であって、平坦な先端面を有する。ＤＲ型電極チップは、先端部が凸形状に突出した概ね円柱状であって、その先端面が曲率半径の大きい凸曲面に形成されている。ＳＲ型電極チップは、概ね円柱状であって、曲率半径の大きい凸曲面の先端面を有する。

　近年、構造部品の軽量化が推進され、板組を構成する金属板として、高張力鋼、いわゆるハイテン材が採用されることが多い。ハイテン材、とりわけ引張強度が５９０～７８０ＭＰａ級以上のハイテン材（以下、「超ハイテン材」ともいう）は、塑性変形がし難く、電気抵抗が高い。

　このような材料的な性質に起因し、超ハイテン材のスポット溶接では、電極に印加する溶接電流値の適正範囲（以下、「適正電流範囲」ともいう）が狭くなる傾向にある。適正電流範囲は、設計仕様により設定される基準ナゲット径が得られる最小の電流値から、チリが発生しない最大の電流値までの電流値範囲のことをいう。適正電流範囲が広いほど、スポット溶接の安定操業及びナゲット径の確保に有利である。

　また、超ハイテン材では、スポット溶接による継手の強度が向上し難い。例えば、母材（ハイテン材）の引張強度が５９０～７８０ＭＰａを超えると、溶接継手強度の一つである剥離方向の引張強さ、いわゆる十字引張強さ（Cross-Tension Strength：ＣＴＳ）が、向上せずにむしろ低下する傾向になる。

　したがって、超ハイテン材のスポット溶接においては、適正電流範囲が狭くなること、及びＣＴＳが低下することが問題となり、適正電流範囲の拡大とともに、溶接継手強度の向上が要求される。

　適正電流範囲の拡大を図る方策としては、板組に電極を押し付ける際に加圧力を高めたり、電極間に電流を印加する際に多段階で通電を行ったりすることが考えられる。しかし、加圧力を高めることは、装置の剛性上で限界がある。また、多段階通電を行うと、溶接時間が増加し、生産性が低下する。したがって、これらの方策は、いずれも実用性に乏しい。

　一方、溶接継手強度の向上を図る方策としては、ナゲットを形成した後に追加の後通電を行ったり、ナゲット径の拡大を図ったりすることが考えられる。後通電は、形成したナゲットを焼戻し軟化させて、靭性を改善する。これにより溶接継手強度の向上が図られる。しかし、後通電を行うと、結果的に溶接時間が増加し、生産性が低下する。したがって、後通電は実用性に乏しい。

　また、ナゲット径の拡大は、溶接継手強度の向上に有効に寄与する。ナゲット径の拡大に応じて、溶接継手強度が向上するからである。ナゲット径の拡大を図る方策としては、電極間への通電を多段階で行ったり、電極先端面の直径を拡大したりすることが考えられる。しかし、多段階通電は、ナゲットの成長を徐々に進行させる処理であり、溶接時間が増加し、生産性が低下する。したがって、多段階通電は実用性に乏しい。

　電極先端径の拡大は、以下に示す問題がある。例えば、電極としてフラット型電極チップを採用する場合は、拡大した平坦な先端面を板組に均一に接触させる必要がある。このため、電極先端面の平坦度には、極めて高い寸法精度が要求される。一方、電極としてＤＲ型電極チップを採用する場合は、拡大した凸曲面の先端面を板組に大きく押し込み、全域にわたり接触させる必要がある。しかし、押し込み量が大きくなると、シートセパレーションが発生し、通電経路が制限されるため、ナゲット径の拡大には限界がある。したがって、フラット型電極チップ、ＤＲ型電極チップ等で、電極先端径の単なる拡大は、実用的とは言い難い。

　これらの施策に対し、別の観点からナゲット径の拡大を図る技術が、特開２０１２－５５８９６号公報（特許文献１）に提案されている。特許文献１は、板組を間に挟んで対向する一対の主電極と、その主電極のうちの一方の主電極（以下、説明の便宜上「第１主電極」ともいう）を包囲するように配置された円環状の補助電極と、を備える抵抗スポット溶接装置を開示する。特許文献１に開示された技術では、補助電極の極性を第１主電極の極性とは逆の極性にして、一対の主電極間、及び第１主電極と補助電極との間に電流を印加する。これにより、主電極間に加え、第１主電極と補助電極との間にも電流が流れる。

　第１主電極及び補助電極が接触する金属板の厚みが薄い場合、この薄い金属板とこれに隣接する金属板との接触領域が第１主電極及び補助電極に近いため、その接触領域には広範囲に電流が流れる。その結果として、特許文献１では、ナゲット径の大きいナゲットが形成されるとしている。

　しかし、特許文献１に開示された技術では、第１主電極及び補助電極が接触する金属板の厚みが厚い場合、ナゲット径が大きくならない。厚みの厚い金属板とこれに隣接する金属板との接触領域が第１主電極及び補助電極から離れているため、その接触領域に流れる電流の通電範囲は広がらないからである。

特開２０１２－５５８９６号公報

　上述のとおり、超ハイテン材のスポット溶接においては、適正電流範囲の拡大とともに、溶接継手強度の向上が要求される。しかし、上記の方策は、いずれも実用的でない。また、溶接継手強度の向上には、ナゲット径を拡大することが有効であるところ、ナゲット径の拡大は、前記特許文献１に開示された技術をもってしても不十分である。

　本発明の目的は、次の特性を有する抵抗スポット溶接装置、複合電極及び抵抗スポット溶接方法を提供することである：
　・超ハイテン材のスポット溶接において、適正電流範囲を拡大すること；
　・超ハイテン材のスポット溶接において、溶接継手強度を向上すること。

　本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接装置は、積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う装置であって、
　前記板組を間に挟んで対向して配置される一対の複合電極を備える。
　前記各複合電極は、
　先端面が前記板組に接触して押し付けられる棒状の電極体と、
　前記電極体が挿入される貫通穴を有し、先端面が前記板組に接触して押し付けられる剛体であって、前記電極体に対して絶縁された導電体を含む剛体と、
　前記剛体の後端に連結され、前記板組への前記電極体及び前記剛体の押付けに伴って、前記剛体に押付け圧力を加える弾性体と、を備える。

　上記の抵抗スポット溶接装置において、前記剛体の前記先端面の一部又は全部が導電体である構成とすることができる。

　上記の抵抗スポット溶接装置において、前記剛体が円筒状であることが好ましい。前記剛体は、前記先端面の内周縁の形状が円形であり、前記先端面の外周縁の形状が楕円形、長円形又は略四角形である構成とすることもできる。

　上記の抵抗スポット溶接装置において、前記弾性体が圧縮コイルバネである構成としたり、前記弾性体が円筒状の樹脂成形体である構成としたりすることができる。

　上記の抵抗スポット溶接装置のいずれも、前記電極体の前記先端面の外周縁と前記剛体の前記先端面の内周縁との間隔が７ｍｍ以下であることが好ましい。

　上記の抵抗スポット溶接装置のいずれも、前記剛体を冷却する冷却機構を備えることが好ましい。

　本発明の一実施形態による複合電極は、積み重ねられた複数の金属板を含む板組の抵抗スポット溶接に用いられる複合電極であって、
　先端面が前記板組に接触して押し付けられる棒状の電極体と、
　前記電極体が挿入される貫通穴を有し、先端面が前記板組に接触して押し付けられる剛体であって、前記電極体に対して絶縁された導電体を含む剛体と、
　前記剛体の後端に連結され、前記板組への前記電極体及び前記剛体の押付けに伴って、前記剛体に押付け圧力を加える弾性体と、を備える。

　上記の複合電極において、前記剛体の前記先端面の一部又は全部が導電体である構成とすることができる。

　上記の複合電極において、前記剛体が円筒状であることが好ましい。前記剛体は、前記先端面の内周縁の形状が円形であり、前記先端面の外周縁の形状が楕円形又は略四角形である構成とすることもできる。

　上記の複合電極において、前記弾性体が圧縮コイルバネである構成としたり、前記弾性体が円筒状の樹脂成形体である構成としたりすることができる。

　上記の複合電極のいずれも、前記電極体の前記先端面の外周縁と前記剛体の前記先端面の内周縁との間隔が７ｍｍ以下であることが好ましい。

　上記の複合電極のいずれも、前記剛体を冷却する冷却機構を備えることが好ましい。

　本発明の一実施形態による抵抗スポット溶接方法は、積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う方法であって、第１工程と、第２工程と、第３工程と、の一連の工程を含む。
　第１工程は、前記板組を間に挟んで、棒状の第１電極体と棒状の第２電極体とを対向して配置させるとともに、前記第１電極体が挿入される貫通穴を有し後端に第１弾性体が連結された導電体を含む第１剛体と、前記第２電極体が挿入される貫通穴を有し後端に第２弾性体が連結された導電体を含む第２剛体と、を対向して配置させる。
　第２工程は、前記第１電極体及び前記第２電極体の各先端面を前記板組に押し付けるとともに、前記第１弾性体から前記第１剛体に押付け圧力を加えつつ、前記第２弾性体から前記第２剛体に押付け圧力を加えながら、前記第１剛体及び前記第２剛体の各先端面を前記板組に押し付けて、前記板組を加圧する。
　第３工程は、前記板組を加圧しながら、前記第１電極体と前記第２電極体との間に電流を印加する。

　本発明の抵抗スポット溶接装置、複合電極及び抵抗スポット溶接方法は、下記の顕著な効果を有する：
　・超ハイテン材のスポット溶接において、適正電流範囲を拡大できること；
　・超ハイテン材のスポット溶接において、溶接継手強度を向上できること。

図１は、溶接対象の素材である板組の一例を示す断面図である。 図２Ａは、第１実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図であり、溶接前の状態を示す。 図２Ｂは、第１実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図であり、溶接中の状態を示す。 図３は、図２に示す抵抗スポット溶接装置を用いたスポット溶接でナゲットが形成される状況を説明する模式図である。 図４は、電極－剛体の間隔と最大ナゲット径及び適正電流範囲との関係を示す図である。 図５Ａは、第２実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図であり、溶接前の状態を示す。 図５Ｂは、第２実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図であり、溶接中の状態を示す。 図６は、実施例のスポット溶接試験の結果を示す図である。

　以下に、本発明の抵抗スポット溶接装置、複合電極及び抵抗スポット溶接方法について、その実施形態を詳述する。

　本実施形態の抵抗スポット溶接装置は、積み重ねられた複数の金属板を含む板組に対してスポット溶接を行うのに用いられる。本実施形態の複合電極は、そのスポット溶接装置に搭載され、スポット溶接に利用される。本実施形態の抵抗スポット溶接方法は、そのスポット溶接装置を用いたスポット溶接に利用される。

　＜第１実施形態＞
　１．抵抗スポット溶接装置及び複合電極の構成
　図１は、溶接対象の素材である板組の一例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態で用いられる素材としての板組１は、２枚の金属板２Ａ、２Ｂが互いに積み重ねられた部分を有する。金属板２Ａ、２Ｂの材質は、いずれも引張強度が５９０～７８０ＭＰａ級以上の超ハイテン材である。金属板２Ａ、２Ｂの厚みは、いずれも０．５～３ｍｍ程度であり、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

　もっとも、板組は、スポット溶接によって製造する構造部品の形態に応じ、３枚以上の金属板が積み重ねられた部分を有するものであっても構わない。金属板の材質は、スポット溶接が可能である限り限定はなく、引張強度が５９０ＭＰａを下回るハイテン材であっても構わないし、軟鋼であっても構わない。また、めっきの有無、種類等にも限定されない。積み重ねられた複数の金属板は、同一金属種であってもよいし、異なる金属種であってもよい。

　図２Ａ及び図２Ｂは、第１実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図である。これらの図中、図２Ａは溶接前の状態を示し、図２Ｂは溶接中の状態を示す。図２Ａ及び図２Ｂに示すスポット溶接装置は、一対の複合電極１０、２０を備える。以下、説明の便宜上、それらの複合電極１０、２０のうちの一方（図２Ａ及び図２Ｂ中の上側の複合電極）を第１複合電極１０ともいい、他方（図２Ａ及び図２Ｂ中の下側の複合電極）を第２複合電極２０ともいう。第１複合電極１０と第２複合電極２０は、互いに板組１を間に挟んで対向して配置され、その構成は同じである。すなわち、第１複合電極１０は、第１電極体１１と第１剛体１２を備え、第２複合電極２０は、第２電極体２１と第２剛体２２を備える。

　第１電極体１１は、真直ぐな棒状のシャンク１１ｂと、このシャンク１１ｂの先端に取り付けられた電極チップ１１ａとを備え、全体として棒状である。シャンク１１ｂは、電極チップ１１ａに隣接して鍔部１１ｂａを有する。電極チップ１１ａは、ＤＲ型電極チップである。すなわち、電極チップ１１ａは、先端部が凸形状に突出した概ね円柱状であって、その先端面１１ａａが曲率半径の大きい凸曲面に形成されている。電極チップ１１ａとしては、ＤＲ型電極チップ以外にも周知の電極チップを用いることができ、フラット型電極チップ、ＳＲ型電極チップ等を用いても構わない。シャンク１１ｂは、その後端部がホルダ１４に固定されている。

　第１剛体１２は、中心軸上に円形の貫通穴１２ｂを有する円筒状であり、その中心軸上に第１電極体１１が配置される。第１電極体１１の電極チップ１１ａ及び鍔部１１ｂａは、第１剛体１２に挿入されており、第１剛体１２の先端面１２ａとの間を軸方向に沿って相対的に移動が可能である。第１電極体１１の鍔部１１ｂａが第１剛体１２の後端部のストッパ面１２ｃに接触することによって、第１剛体１２は第１電極体１１から脱落しない。

　第１剛体１２と第１電極体１１は、互いに絶縁されており、電気的に接続されていない。具体的には、第１剛体１２と第１電極体１１が直接的に又は間接的に接続し得る領域に、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体が配置される。例えば、第１剛体１２の貫通穴１２ｂの領域のうちでシャンク１１ｂと摺動する領域に絶縁体が配置される。

　ホルダ１４の前端には保持板１５が固定されている。第１剛体１２の後端と保持板１５の間には、第１弾性体１３として、圧縮コイルバネ１３Ａが配置されている。第１電極体１１のシャンク１１ｂは、圧縮コイルバネ１３Ａ（第１弾性体１３）の中心軸上を貫通している。第１剛体１２は、シャンク１１ｂに沿って相対的に移動が可能である。

　同様に、第２電極体２１は、真直ぐな棒状のシャンク２１ｂと、このシャンク２１ｂの先端に取り付けられた電極チップ２１ａとを備え、全体として棒状である。シャンク２１ｂは、電極チップ２１ａに隣接して鍔部２１ｂａを有する。電極チップ２１ａは、ＤＲ型電極チップである。シャンク２１ｂは、その後端部がホルダ２４に固定されている。

　第２剛体２２は、中心軸上に円形の貫通穴２２ｂを有する円筒状であり、その中心軸上に第２電極体２１が配置される。第２電極体２１の電極チップ２１ａ及び鍔部２１ｂａは、第２剛体２２に収容されており、第２剛体２２の先端面２２ａとの間を軸方向に沿って相対的に移動が可能である。第２電極体２１の鍔部２１ｂａが第２剛体２２の後端部のストッパ面２２ｃに接触することによって、第２剛体２２は第２電極体２１から脱落しない。

　第２剛体２２と第２電極体２１は、互いに絶縁されており、電気的に接続されていない。具体的には、第２剛体２２と第２電極体２１が直接的に又は間接的に接続し得る領域に、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体が配置される。例えば、第２剛体２２の貫通穴２２ｂの領域のうちでシャンク２１ｂと摺動する領域に絶縁体が配置される。

　ホルダ２４の前端には保持板２５が固定されている。第２剛体２２の後端と保持板２５の間には、第２弾性体２３として、圧縮コイルバネ２３Ａが配置されている。第２電極体２１のシャンク２１ｂは、圧縮コイルバネ２３Ａ（第２弾性体２３）の中心軸上を貫通している。第２剛体２２は、シャンク２１ｂに沿って相対的に移動が可能である。

　第１電極体１１及び第２電極体２１をそれぞれ構成するシャンク１１ｂ、２１ｂ及び電極チップ１１ａ、１１ａの材質は、クロム銅、クロムジルコニウム銅、ベリリウム銅、アルミナ分散強化銅又は銅タングステン等である。もっとも、第１電極体１１及び第２電極体２１の材質は、電極として成り立つ限り、特に限定はない。

　第１剛体１２及び第２剛体２２は、外部からの力に対して変形しない剛体であり、金属等の導電体である。また、第１剛体１２及び第２剛体２２は、各先端面１２ａ、２２ａの全部を導電体で構成してもよいし、その一部を導電体で構成してもよい。

　第１剛体１２及び第２剛体２２の材質は、高い電気伝導率を有する限り、特に限定はなく、第１電極体１１及び第２電極体２１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。ただし、第１剛体１２及び第２剛体２２の材質は、少なくとも溶接対象の板組（金属板）よりも高い電気伝導率を有する必要がある。詳細は後述するが、スポット溶接時に板組内に流れる電流を第１剛体１２及び第２剛体２２に向けて有効に引き込むためである。

　このような構成の第１複合電極１０及び第２複合電極２０は、各々のホルダ１４、２４が図示しないスポット溶接ガンに装着される。具体的には、溶接ガンは、開閉動作が可能な一対のアームを有し、そのうちの一方のアームの先端に第１複合電極１０のホルダ１４が装着され、他方のアームの先端に第２複合電極２０のホルダ２４が装着される。両アームの開閉動作により、第１複合電極１０と第２複合電極２０は、互いに離間したり接近したりする。このとき、第１電極体１１と第２電極体２１は互いに対向して同軸上に配置され、第１剛体１２と第２剛体２２も互いに対向して同軸上に配置された状態になっている。ただし、一対のアームのうちの一方は、固定であっても構わない。

　また、第１電極体１１と第２電極体２１は、図示しない電源装置に接続されている。例えば、電源装置として直流電源装置を用いる場合、電源の正極が第１電極体１１に接続され、電源の負極が第２電極体２１に接続される。正極と負極の接続が逆でも構わない。電源装置としては、交流電源装置を用いることも可能である。

　２．抵抗スポット溶接
　前記図２及び下記の図３を参照し、本実施形態のスポット溶接装置によるスポット溶接の過程を説明する。

　先ず、図２Ａに示すように、素材として、２枚の金属板２Ａ、２Ｂが互いに積み重ねられた部分を有する板組１を準備する。次に、板組１を間に挟んで、第１複合電極１０の第１電極体１１と第２複合電極２０の第２電極体２１とを対向して配置させるとともに、それぞれの第１剛体１２と第２剛体２２とを対向して配置させる。この動作は、溶接ガンの移動又は板組１の搬送によって行われる。

　次に、溶接ガンの両アームの閉動作を実行し、板組１への第１複合電極１０及び第２複合電極２０の押付け動作を開始する。これにより、第１複合電極１０では、ホルダ１４が板組１に向けて移動し、これと同時に、第２複合電極２０では、ホルダ２４が板組１に向けて移動する。これに伴い、第１複合電極１０では、始めに、第１剛体１２の先端面１２ａが板組１の金属板２Ａの表面に接触して押し付けられ、第１剛体１２のそれ以上の移動が制限される。第２複合電極２０では、始めに、第２剛体２２の先端面２２ａが板組１の金属板２Ｂの表面に接触して押し付けられ、第２剛体２２のそれ以上の移動が制限される。

　更に、第１複合電極１０では、第１電極体１１が金属板２Ａに向けて移動し続ける。このとき、第１剛体１２と保持板１５との間隔が次第に狭まり、第１弾性体１３（圧縮コイルバネ１３Ａ）が圧縮変形する。これと同時に、第２複合電極２０では、第２電極体２１が金属板２Ｂに向けて移動し続ける。このとき、第２剛体２２と保持板２５との間隔が次第に狭まり、第２弾性体２３（圧縮コイルバネ２３Ａ）が圧縮変形する。

　そして、図２Ｂに示すように、第１複合電極１０では、第１電極体１１の先端面１１ａａが金属板２Ａの表面に接触して押し付けられ、第１電極体１１のそれ以上の移動が制限される。これと同時に、第２複合電極２０では、第２電極体２１の先端面２１ａａが金属板２Ｂの表面に接触して押し付けられ、第２電極体２１のそれ以上の移動が制限される。

　このようにして、板組１は、互いに対向する第１電極体１１と第２電極体２１によって挟み込まれるとともに、互いに対向する第１剛体１２と第２剛体２２によって挟み込まれる。このとき、板組１には、第１電極体１１及び第２電極体２１から押付け圧力が加えられ、第１剛体１２及び第２剛体２２からも押付け圧力が加えられている。

　ここで、第１剛体１２には、圧縮変形している第１弾性体１３から圧縮変形の反発力が作用し、第２剛体２２には、圧縮変形している第２弾性体２３から圧縮変形の反発力が作用している。このため、板組１を構成する金属板２Ａ、２Ｂ同士は、第１電極体１１及び第２電極体２１との接触領域を加圧されるだけでなく、その周りの環状領域（第１剛体１２及び第２剛体２２との接触領域）を加圧され、広範囲にわたり十分に接触した状態になる。これにより、シートセパレーションの発生が抑制される。

　この状態になった後、電源装置を駆動し、第１電極体１１と第２電極体２１との間に電流を印加する。

　図３は、図２に示す抵抗スポット溶接装置を用いたスポット溶接でナゲットが形成される状況を説明する模式図である。同図中、点線矢印は、溶接電流の流れを示している。

　図３に示すように、従来のスポット溶接に比べ、金属板２Ａ、２Ｂ同士の接触領域が、第１電極体１１及び第２電極体２１との接触領域のみならず、その周りの第１剛体１２及び第２剛体２２との接触領域までと広範囲にわたっている。このため、第１電極体１１と第２電極体２１との間に電流を印加すると、著しいシートセパレーションが発生することなく、板組１内、すなわち金属板２Ａ、２Ｂ内では、電流が広範囲に広がって流れる。

　具体的には、電流は、第１電極体１１から第２電極体２１に向けて単純に流れるだけでなく、第１電極体１１から第１剛体１２に向けて引き込まれた後、第２剛体２２に向けて引き込まれ、最終的に第２電極体２１に向けて流れる。金属板２Ａ、２Ｂ同士が第１剛体１２及び第２剛体２２からの強力な加圧によって第１剛体１２と第２剛体２２との対向領域で十分に接触しつつ、第１剛体１２及び第２剛体２２がいずれも高い電気伝導率を有するからである。

　一般に、チリは金属板同士の間から発生するが、電極に大電流を印加すると、電極と金属板の接触部が過加熱となり、その金属板表面からチリが発生する場合がある。本実施形態のように第１剛体１２及び第２剛体２２を導電体とすれば、電流が第１電極体１１及び第２電極体２１から導電体の第１剛体１２及び第２剛体２２へ迂回するため、電極と金属板の接触部での発熱が抑えられ、その金属板表面からのチリの発生を抑制することができるという利点もある。

　したがって、金属板２Ａ、２Ｂ同士が第１構造体１２及び第２構造体２２によって強力に加圧されているため、金属板２Ａ、２Ｂ同士の接触領域が広範囲にわたって溶融し、ナゲット径の大きいナゲット３が形成される。

　本実施形態のスポット溶接によれば、ナゲット径を拡大することができるので、ＣＴＳを含めた溶接継手強度を向上することができる。しかも、ナゲット径の拡大に伴って、適正電流範囲を拡大することができる。

　ところで、シートセパレーションの抑制効果を発現するためには、第１電極体１１の先端面１１ａａの外周縁と第１剛体１２の先端面１２ａの内周縁との間隔、及び第２電極体２１の先端面２１ａａの外周縁と第２剛体２２の先端面２２ａの内周縁との間隔が重要である。以下、これらの間隔を総称して、電極－剛体の間隔ともいう。電極－剛体の間隔は、溶接時に電極体と剛体とが接触しない範囲で、可能な限り近づけることが好ましい。電極－剛体の間隔が広過ぎると、シートセパレーションの抑制効果が小さくなる上、電流が広がり難くなる。電極－剛体の間隔は、７ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは５ｍｍ以下であり、更に好ましくは３ｍｍ以下である。一方、電極－剛体の間隔が狭過ぎると、溶接時に電極体と剛体とが不用意に接触して通電し、溶接電流が不安定になる。このため、電極－剛体の間隔は、実用的には、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは０．５ｍｍ以上であり、更に好ましくは１．０ｍｍ以上である。

　図４は、電極－剛体の間隔と最大ナゲット径及び適正電流範囲との関係を示す図である。図４に示す関係は、スポット溶接用解析ソフト（ＳＣＳＫ株式会社製の「ＳＯＲＰＡＳ（登録商標）」）を用い、スポット溶接への電極－剛体の間隔の影響について解析した結果である。解析では、電極体から剛体に向けて電流が広がる条件を設定し、電極－剛体の間隔を種々変更した。溶接対象の金属板は、板厚ｔが１．２ｍｍの引張強度１５００ＭＰａ級ホットスタンプ鋼板（非めっき）とした。電極体及び剛体の材質はクロム銅（Ｃｕ－１質量％Ｃｒ）とした。電極体の電極チップは、先端面も含めて外径が８ｍｍ、先端面の曲率半径Ｒが８０ｍｍのＳＲ型電極チップとした。電極体による加圧力は３．４３ｋＮ（３５０ｋｇｆ）とし、通電時間は１６ｃｙｃｌｅ（周波数：６０Ｈｚにて）とした。そして、変更した電極－剛体の間隔ごとに溶接電流を種々変更し、各条件でのナゲット径及びチリの発生有無を調査した。

　ここでは、電極－剛体の間隔のそれぞれにおける最大ナゲット径及び適正電流範囲を評価した。最大ナゲット径は、チリが発生しない最大のナゲット径とした。適正電流範囲は、ナゲット径が４√ｔのナゲットが得られる電流値から、チリが発生しない最大の電流値までの電流値範囲とした。図４に示すように、電極－剛体の間隔が７ｍｍであるときを境界にして、電極－剛体の間隔が狭いほど、最大ナゲット径が大きくなり、適正電流範囲が拡大することがわかる。このことから、好ましい電極－剛体の間隔は７ｍｍ以下であるといえる。

　本実施形態のスポット溶接装置において、第１電極体１１（特に、電極チップ１１ａ）は第１剛体１２に包囲された状態にある。同様に、第２電極体２１（特に、電極チップ２１ａ）は第２剛体２２に包囲された状態にある。このため、スポット溶接で生じた熱が第１電極体１１及び第２電極体２１に蓄積し易く、電極チップ１１ａ、２１ａの寿命が低下するおそれがある。そこで、第１剛体１２及び第２剛体２２を積極的に冷却して蓄熱を抑制するとともに、間接的に第１電極体１１及び第２電極体２１を冷却することが望ましい。その冷却構造としては、例えば、第１剛体１２の内部に冷却水路を設け、この冷却水路に冷却水を循環させるようにすればよい。別の冷却構造としては、第１剛体１２の外周面に冷却水を吹き付けるようにしてもよい。後者の場合、冷却水には防錆剤が添加されたものを使用する。これらの冷却構造は、第２電極体２１に対しても同様に適用できる。

　＜第２実施形態＞
　図５Ａ及び図５Ｂは、第２実施形態の抵抗スポット溶接装置の一例を示す模式図である。これらの図中、図５Ａは溶接前の状態を示し、図５Ｂは溶接中の状態を示す。図５Ａ及び図５Ｂに示す第２実施形態のスポット溶接装置は、前記図２Ａ及び図２Ｂに示す第１実施形態のスポット溶接装置の構成を基本とするものであり、重複する説明は適宜省略する。

　本第２実施形態における第１電極体１１のシャンク１１ｂは、上記第１実施形態のような鍔部１１ｂａを有しない。これに伴い、第１剛体１２は、上記第１実施形態のような後端部のストッパ面１２ｃを有しない。

　第１剛体１２の後端には可動板１６が固定され、ホルダ１４の前端には保持板１５が固定されている。第１電極体１１のシャンク１１ｂは、それらの可動板１６及び保持板１５を貫通している。可動板１６と保持板１５の間には、第１弾性体１３として、円筒状の樹脂成形体１３Ｂが配置されている。第１電極体１１のシャンク１１ｂは、樹脂成形体１３Ｂ（第１弾性体１３）の中心軸上を貫通している。保持板１５の周縁部には、可動板１６の周縁部を貫通する複数のガイドボルト１７がねじ込まれる。これによって、第１弾性体１３は、可動板１６と保持板１５の間に挟み込まれた状態で保持されている。第１剛体１２は、可動板１６と一体で、ガイドボルト１７によって案内されながら、シャンク１１ｂに沿って相対的に移動が可能である。

　第１剛体１２と第１電極体１１は、互いに絶縁されており、電気的に接続されていない。具体的には、第１剛体１２と第１電極体１１が直接的に又は間接的に接続し得る領域に、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体が配置される。例えば、シャンク１１ｂと摺動し得る可動板１６が絶縁体で成形されている。

　同様に、本第２実施形態における第２電極体２１のシャンク２１ｂは、上記第１実施形態のような鍔部２１ｂａを有しない。これに伴い、第２剛体２２は、上記第１実施形態のような後端部のストッパ面２２ｃを有しない。

　第２剛体２２の後端には可動板２６が固定され、ホルダ２４の前端には保持板２５が固定されている。第２電極体２１のシャンク２１ｂは、それらの可動板２６及び保持板２５を貫通している。可動板２６と保持板２５の間には、第２弾性体２３として、円筒状の樹脂成形体２３Ｂが配置されている。第２電極体２１のシャンク２１ｂは、樹脂成形体２３Ｂ（第２弾性体２３）の中心軸上を貫通している。保持板２５の周縁部には、可動板２６の周縁部を貫通する複数のガイドボルト２７がねじ込まれる。これによって、第２弾性体２３は、可動板２６と保持板２５の間に挟み込まれた状態で保持されている。第２剛体２２は、可動板２６と一体で、ガイドボルト２７によって案内されながら、シャンク２１ｂに沿って相対的に移動が可能である。

　第２剛体２２と第２電極体２１は、互いに絶縁されており、電気的に接続されていない。具体的には、第２剛体２２と第２電極体２１が直接的に又は間接的に接続し得る領域に、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体が配置される。例えば、シャンク２１ｂと摺動し得る可動板２６が絶縁体で成形されている。

　第１弾性体１３及び第２弾性体２３の材質は、耐久性に優れ、適度な弾性を有するウレタン樹脂等が挙げられる。

　このような構成のスポット溶接装置による溶接時、第１剛体１２及び第２剛体２２には、圧縮変形した第１弾性体１３及び第２弾性体２３、すなわち樹脂成形体１３Ｂ、２３Ｂから押付け力が加えられる。この状況は、上記第１実施形態と同じである。したがって、本第２実施形態でも上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　本発明の効果を確認するため、前記図２に示す第１実施形態のスポット溶接装置を用いてスポット溶接を行う溶接試験を実施した。供試材として、板厚が１．６ｍｍの引張強度１５００ＭＰａ級ホットスタンプ鋼板（非めっき）を用い、同鋼種、同板厚同士を２枚積み重ねた板組を多数準備した。第１電極体の電極チップ及び第２電極体の電極チップとしては、ＤＲ型電極チップを用いた。各ＤＲ型電極チップは、材質がクロム銅（Ｃｕ－１質量％Ｃｒ）であり、外径が１２ｍｍで先端径が６ｍｍ、先端面の曲率半径Ｒが４０ｍｍであった。第１剛体及び第２剛体は、材質がクロム銅（Ｃｕ－１質量％Ｃｒ）で内径が１３ｍｍであった。

　下記の表１に溶接条件を示す。スポット溶接の度に溶接電流を変更し、ナゲットが成長する挙動とチリが発生する電流を調査した。なお、表１中の１ｃｙｃｌｅは１／６０秒である。

 

　また、比較のために、従来の一般的な方法として、単純に一対の電極チップによってのみ板組を挟み込んでスポット溶接を行う試験を実施した。供試材、電極チップ及び溶接条件は、上記の本発明例の場合と同様にした。

　スポット溶接を行った後の各板組に対して、ねじり試験を実施した。ねじり試験により現れたナゲットの外観からナゲット径を測定した。具体的には、ナゲットの直径を互いに直交する２方向から測定し、両者の平均値をナゲット径とした。

　図６は、実施例の試験で得られた溶接電流値とナゲット径の相関を示す図である。供試材は、板厚ｔが１．６ｍｍの１５００ＭＰａ級ホットスタンプ鋼板（非めっき）である。

　図６に示すように、本発明例では、比較例に比べ、適性電流範囲及び最大ナゲット径が大幅に拡大する。比較例では、最大ナゲット径が５√ｔ程度であるのに対し、本発明例では、最大ナゲット径が６√ｔを超える。また、比較例では、適正電流範囲が２．６ｋＡ程度であるのに対し、本発明例では、適正電流範囲が４．０ｋＡ程度に拡大する。このことから、本発明により、超ハイテン材のスポット溶接において、適正電流範囲を拡大でき、しかもナゲット径が拡大することから、溶接継手強度を向上できることが実証された。

　その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、剛体の形状は、円筒状に限らず、溶接対象の板組の形状に応じて変更することが可能である。すなわち、剛体の先端面の内周縁の形状が円形であり、先端面の外周縁の形状が楕円形、長円形又は略四角形であるものでも構わない。

　本発明は、超ハイテン材の構造部品の製造に有効に利用できる。

　　１：板組、　　２Ａ：金属板、　　２Ｂ：金属板、　　３：ナゲット、
　　１０：第１複合電極、　　１１：第１電極体、
　　１１ａ：電極チップ、　　１１ａａ：電極チップの先端面、
　　１１ｂ：シャンク、　　１１ｂａ：シャンクの鍔部、
　　１２：第１剛体、　　１２ａ：第１剛体の先端面、
　　１２ｂ：第１剛体の貫通穴、　　１２ｃ：第１剛体のストッパ面、
　　１３：弾性体、　　１３Ａ：圧縮コイルバネ、　　
    １３Ｂ：樹脂成形体、１４：ホルダ、　　１５：保持板、　　
    １６：可動板、　　１７：ガイドボルト、
　　２０：第２複合電極、　　２１：第２電極体、
　　２１ａ：電極チップ、　　２１ａａ：電極チップの先端面、
　　２１ｂ：シャンク、　　２１ｂａ：シャンクの鍔部、
　　２２：第２剛体、　　２２ａ：第２剛体の先端面、
　　２２ｂ：第２剛体の貫通穴、　　２２ｃ：第２剛体のストッパ面、
　　２３：弾性体、　　２３Ａ：圧縮コイルバネ、　　
    ２３Ｂ：樹脂成形体、２４：ホルダ、　　２５：保持板、　　
    ２６：可動板、　　２７：ガイドボルト

Claims (17)

1. 　積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う装置であって、
   　当該抵抗スポット溶接装置は、
   　前記板組を間に挟んで対向して配置される一対の複合電極を備え、
   　前記各複合電極は、
   　先端面が前記板組に接触して押し付けられる棒状の電極体と、
   　前記電極体が挿入される貫通穴を有し、先端面が前記板組に接触して押し付けられる剛体であって、前記電極体に対して絶縁された導電体を含む剛体と、
   　前記剛体の後端に連結され、前記板組への前記電極体及び前記剛体の押付けに伴って、前記剛体に押付け圧力を加える弾性体と、を備える、抵抗スポット溶接装置。
2. 　請求項１に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記剛体の前記先端面の一部又は全部が導電体である、抵抗スポット溶接装置。
3. 　請求項１又は２に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記剛体が円筒状である、抵抗スポット溶接装置。
4. 　請求項１又は２に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記剛体は、前記先端面の内周縁の形状が円形であり、前記先端面の外周縁の形状が楕円形、長円形又は略四角形である、抵抗スポット溶接装置。
5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記弾性体が圧縮コイルバネである、抵抗スポット溶接装置。
6. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記弾性体が円筒状の樹脂成形体である、抵抗スポット溶接装置。
7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記電極体の前記先端面の外周縁と前記剛体の前記先端面の内周縁との間隔が７ｍｍ以下である、抵抗スポット溶接装置。
8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
   　前記剛体を冷却する冷却機構を備える、抵抗スポット溶接装置。
9. 　積み重ねられた複数の金属板を含む板組の抵抗スポット溶接に用いられる複合電極であって、
   　当該複合電極は、
   　先端面が前記板組に接触して押し付けられる棒状の電極体と、
   　前記電極体が挿入される貫通穴を有し、先端面が前記板組に接触して押し付けられる剛体であって、前記電極体に対して絶縁された導電体を含む剛体と、
   　前記剛体の後端に連結され、前記板組への前記電極体及び前記剛体の押付けに伴って、前記剛体に押付け圧力を加える弾性体と、を備える、複合電極。
10. 　請求項９に記載の複合電極であって、
    　前記剛体の前記先端面の一部又は全部が導電体である、複合電極。
11. 　請求項９又は１０に記載の複合電極であって、
    　前記剛体が円筒状である、複合電極。
12. 　請求項９又は１０に記載の複合電極であって、
    　前記剛体は、前記先端面の内周縁の形状が円形であり、前記先端面の外周縁の形状が楕円形又は略四角形である、複合電極。
13. 　請求項９～１２のいずれか１項に記載の複合電極であって、
    　前記弾性体が圧縮コイルバネである、複合電極。
14. 　請求項９～１２のいずれか１項に記載の複合電極であって、
    　前記弾性体が円筒状の樹脂成形体である、複合電極。
15. 　請求項９～１４のいずれか１項に記載の複合電極であって、
    　前記電極体の前記先端面の外周縁と前記剛体の前記先端面の内周縁との間隔が７ｍｍ以下である、複合電極。
16. 　請求項９～１５のいずれか１項に記載の複合電極であって、
    　前記剛体を冷却する冷却機構を備える、複合電極。
17. 　積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う方法であって、
    　当該抵抗スポット溶接方法は、
    　前記板組を間に挟んで、棒状の第１電極体と棒状の第２電極体とを対向して配置させるとともに、前記第１電極体が挿入される貫通穴を有し後端に第１弾性体が連結された導電体を含む第１剛体と、前記第２電極体が挿入される貫通穴を有し後端に第２弾性体が連結された導電体を含む第２剛体と、を対向して配置させる第１工程と、
    　前記第１電極体及び前記第２電極体の各先端面を前記板組に押し付けるとともに、前記第１弾性体から前記第１剛体に押付け圧力を加えつつ、前記第２弾性体から前記第２剛体に押付け圧力を加えながら、前記第１剛体及び前記第２剛体の各先端面を前記板組に押し付けて、前記板組を加圧する第２工程と、
    　前記板組を加圧しながら、前記第１電極体と前記第２電極体との間に電流を印加する第３工程と、を含む、抵抗スポット溶接方法。

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