WO2019160141A1 - 抵抗スポット溶接方法および溶接部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

本溶接と、本溶接に先立つテスト溶接とを行うとともに、テスト溶接を２通り以上の溶接条件で行うものとし、テスト溶接では、溶接条件ごとに、通電開始前における被溶接材の加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量とを記憶させ、さらに、前記本溶接では、通電開始前に前記テスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、この際の加圧力パラメータと、前記テスト溶接にて記憶させたパラメータとを溶接条件ごとに比較することにより、本溶接の瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量の目標値を設定し、この目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行う。

Description

抵抗スポット溶接方法および溶接部材の製造方法

　本発明は抵抗スポット溶接方法に関し、とくに分流や板隙などの外乱の影響が大きい場合であっても、散りを発生させることなく安定してナゲット径を確保することを可能ならしめようとするものである。

　一般に、重ね合わせた鋼板同士の接合には、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接法が用いられている。
　この溶接法は、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接合する方法であり、高電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用して、点状の溶接部が得られる。この点状の溶接部はナゲットと呼ばれ、重ね合わせた鋼板に電流を流した際に鋼板の接触箇所で両鋼板が溶融し、凝固した部分である。このナゲットにより、鋼板同士が点状に接合される。

　良好な溶接部品質を得るためには、ナゲット径が適正な範囲で形成されることが重要である。ナゲット径は、溶接電流、通電時間、電極形状および加圧力等の溶接条件によって定まる。従って、適切なナゲット径を形成するためには、被溶接材の材質、板厚および重ね枚数等の被溶接材条件に応じて、上記の溶接条件を適正に設定する必要がある。

　例えば、自動車の製造に際しては、一台当たり数千点ものスポット溶接が施されており、また次々と流れてくる被処理材（ワーク）を溶接する必要がある。この時、各溶接箇所における被溶接材の材質、板厚および重ね枚数等の被溶接材の状態が同一であれば、溶接電流、通電時間および加圧力等の溶接条件も同一の条件で同一のナゲット径を得ることができる。しかしながら、連続した溶接では、電極の被溶接材接触面が次第に摩耗して接触面積が初期状態よりも次第に広くなる。このように接触面積が広くなった状態で、初期状態と同じ値の溶接電流を流すと、被溶接材中の電流密度が低下し、溶接部の温度上昇が低くなるため、ナゲット径は小さくなる。このため、数百～数千点の溶接毎に、電極の研磨または交換を行い、電極の先端径が拡大しすぎないようにしている。

　その他、予め定めた回数の溶接を行うと溶接電流値を増加させて、電極の摩耗に伴う電流密度の低下を補償する機能（ステッパー機能）を備えた抵抗溶接装置が、従来から使用されている。このステッパー機能を使用するには、上述した溶接電流変化パターンを予め適正に設定しておく必要がある。しかしながら、このために、数多くの溶接条件および被溶接材条件に対応した溶接電流変化パターンを、試験等によって導き出すには、多くの時間とコストが必要になる。また、実際の施工においては、電極摩耗の進行状態にはバラツキがあるため、予め定めた溶接電流変化パターンが常に適正であるとはいえない。

　さらに、溶接に際して外乱が存在する場合、例えば、溶接する点の近くにすでに溶接した点（既溶接点）がある場合や、被溶接材の表面凹凸が大きく溶接する点の近くに被溶接材の接触点が存在する場合には、溶接時に既溶接点や接触点に電流が分流する。このような状態では、所定の条件で溶接しても、電極直下の溶接したい位置における電流密度は低下するため、やはり必要な径のナゲットは得られなくなる。この発熱量不足を補償し、必要な径のナゲットを得るには、予め高い溶接電流を設定することが必要となる。

　また、表面凹凸や部材の形状などにより溶接する点の周囲が強く拘束されている場合や、溶接点周囲の鋼板間に異物が挟まっていたりする場合には、鋼板間の板隙が大きくなることで鋼板同士の接触径が狭まり、散りが発生しやすくなることもある。

　上記の問題を解決するものとして、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、高張力鋼板への通電電流を漸変的に上昇させることによりナゲット生成を行なう第１ステップと、上記第１ステップの後に電流下降させる第２ステップと、上記第２ステップ後に電流上昇させて本溶接すると共に、漸変的に通電電流を下降させる第３ステップとを備えた工程によりスポット溶接を行なうことで、通電初期のなじみ不良に起因する散りを抑制しようとする高張力鋼板のスポット溶接方法が記載されている。

　特許文献２には、通電時間の初期にスパッタの発生を抑え得る程度の電流値に所定時間維持して被溶接物の表面を軟化させ、その後に電流値を所定時間高く維持してスパッタの発生を抑えつつナゲットを成長させるスポット溶接の通電制御方法が記載されている。

　特許文献３には、推算した溶接部の温度分布と目標ナゲットを比較して溶接機の出力を制御することによって、設定したナゲット径を得ようとする抵抗溶接機の制御装置が記載されている。

　特許文献４には、溶接電流とチップ間電圧を検出し、熱伝導計算により溶接部のシミュレーションを行い、溶接中における溶接部のナゲットの形成状態を推定することによって、良好な溶接を行おうとする抵抗溶接機の溶接条件制御方法が記載されている。

　特許文献５には、被溶接物の板厚と通電時間とから、その被溶接物を良好に溶接することができる単位体積当たりの累積発熱量を計算し、計算された単位体積・単位時間当たりの発熱量を発生させる溶接電流または電圧に調整する処理を行う溶接システムを用いることにより、被溶接物の種類や電極の摩耗状態によらず良好な溶接を行おうとする抵抗溶接システムが記載されている。

特開２００３－２３６６７４号公報 特開２００６－４３７３１号公報 特開平９－２１６０７１号公報 特開平１０－９４８８３号公報 特開平１１－３３７４３号公報 国際公開２０１４／１３６５０７号

　しかしながら、特許文献１および２に記載の技術では、外乱の有無および大小によって適正となる溶接条件は変化すると考えられるため、想定以上の板隙や分流が生じた際には、散りを発生させることなく所望のナゲット径を確保することができないという問題があった。

　また、特許文献３および４に記載の技術では、熱伝導モデル（熱伝導シミュレーション）等に基づいてナゲットの温度を推定するため、複雑な計算処理が必要であり、溶接制御装置の構成が複雑になるだけでなく、溶接制御装置自体が高価になるという問題があった。

　さらに、特許文献５に記載の技術では、累積発熱量を目標値に制御することによって、電極が一定量摩耗していたとしても良好な溶接を行うことができるものと考えられる。しかしながら、設定した被溶接材条件と実際の被溶接材条件が大きく異なる場合、例えば近くに前述した既溶接点などの外乱が存在する場合や、発熱量の時間変化パターンが短時間で大きく変化する場合、例えば目付量の多い溶融亜鉛めっき鋼板の溶接の場合などには、適応制御が追随できず、最終的な累積発熱量を目標値に合わることができても、発熱の形態、つまり溶接部の温度分布の時間変化が目標とする良好な溶接部が得られる熱量パターンから外れ、必要とするナゲット径が得られなかったり、散りが発生したりする。
　例えば、分流の影響が大きな場合に累積発熱量を合わせようとすると、鋼板間ではなく電極－鋼板間近傍での発熱が著しくなり、鋼板表面からの散りが発生しやすくなるという問題がある。

　加えて、特許文献３～５の技術は全て、電極先端が摩耗した場合の変化に対してはある程度は有効であるが、既溶接点との距離が短い場合など、分流の影響が大きい場合については何ら検討がなされておらず、実際に適応制御が働かない場合があった。

　そこで、発明者らは先に、上記の問題を解決するものとして、
「複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法において、
　通電パターンを２段以上の多段ステップに分割して、溶接を実施するものとし、
　まず、本溶接に先立ち、各ステップ毎に、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化および単位体積当たりの累積発熱量を目標値として記憶させるテスト溶接を行い、
　ついで、本溶接として、該テスト溶接で得られた単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線を基準として溶接を開始し、いずれかのステップにおいて、瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合に、その差を当該ステップの残りの通電時間内で補償すべく、本溶接の累積発熱量がテスト溶接で予め求めた累積発熱量と一致するように通電量を制御する適応制御溶接を行うことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。」を開発し、特許文献６において開示した。

　特許文献６の技術により、電極先端が摩耗したり、外乱が存在するような場合であっても、良好な径のナゲットを得ることができるようになった。

　しかしながら、外乱の影響が特に大きい場合、例えば、大きなナゲット径を確保する必要がある場合や、既溶接点が直近に存在したり、既溶接点が溶接点の周囲に多数存在する場合、鋼板間の板隙が大きい場合などには、時として電極近傍での発熱が過大となって散りが発生することがあり、尚も満足のいくナゲット径が得られない場合があった。

　本発明は、上掲した特許文献６の改良発明に係るものであって、上記のように外乱の影響が特に大きい場合であっても、散りの発生や通電時間の増加なしに、適切な径のナゲットを得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。
　また、本発明は、上記の抵抗スポット溶接方法により、重ね合わせた複数枚の金属板を接合する、溶接部材の製造方法を提供することを目的とする。

　さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた。
　前述したように、外乱の影響が大きく、あるいはさらに電極先端が摩耗している場合には、特許文献６の技術に従い、テスト溶接で得られた累積発熱量を目標値に設定していわゆる適応制御溶接を行ったとしても、発熱の形態、つまり溶接部の温度分布の時間変化（以下、熱量パターンともいう）が、目標とする条件（すなわち、テスト溶接により、良好な溶接部が得られたときの溶接部の温度分布の時間変化）と異なることがあり、これによって、必要とするナゲット径が得られなかったり、散りが発生したりする。

　この点について、発明者らがさらに詳しく検討したところ、以下のような知見を得た。
　すなわち、抵抗スポット溶接開始前および溶接初期においては、溶接する点の鋼板間の抵抗が高く、通電径が確保されていない状態である。従って、外乱が存在する場合、例えば分流の影響が大きな場合に、テスト溶接で得られた瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を目標値に設定して適応制御溶接を行うと、溶接初期の鋼板間の通電径が確保されていない状態で溶接電流が大きく増加する。このため、鋼板－鋼板間ではなく電極－鋼板間近傍での発熱が著しくなって、テスト溶接と発熱形態が大きく異なってしまう。

　また、特に鋼板間の板隙が大きい場合は、電極の形状に沿うように、鋼板が大きく反るため、板隙が無い場合と比較して電極－鋼板間の接触面積が大きくなる。これにより、電極近傍における電流密度が低下し、また電極への抜熱も促されるため、板厚方向へのナゲット成長が妨げられ、薄肉のナゲットが形成されやすくなる。
　さらに、溶融部の体積が減少することで溶接部の固有抵抗が低下し、電極間電圧が下がるという現象が生じることがある。電極間電圧が低下すると、瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を目標値として適応制御溶接を行う場合、溶接制御装置は、発熱量が低下したと認識することになるため、実際には適正なナゲット径が得られていたとしても、溶接電流を急激に増加させて、散りの発生を招く。

　以上の点を踏まえ、発明者らがさらに検討を重ねた結果、
・テスト溶接をいくつかの溶接条件で行って、それぞれ単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量（以下、単に時間変化曲線等ともいう）を記憶させ、
・本溶接では、外乱の状態等を考慮し、記憶させた時間変化曲線等の中から最適なものを目標値に設定して適応制御溶接を行えば、外乱の影響が大きく、あるいはさらに電極先端が摩耗している場合であっても、散りの発生なく適切な径のナゲットが得られるのではないか、
と考えるに至った。

　そして、発明者らがさらに検討を重ねたところ、
・外乱の影響を考慮して、複数の時間変化曲線等から最適なものを選択するには、被溶接材の加圧を開始してから通電開始時点の設定加圧力に到達するまでの加圧力に関連するパラメータ（以下、加圧力パラメータともいう）、具体的には、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの時間や加圧力の変化率（増加速度）を選択基準として用いることが有効であり、
・これにより、外乱の影響が大きい場合であっても、適応制御溶接時における溶接部の熱量パターンを、テスト溶接における熱量パターンに沿わせることが可能となり、通電時間の増加や散りの発生なしに、適切な径のナゲットを得ることができる、
・また、自動車の製造などの実作業においては、次々と流れてくる被処理材を連続的に溶接するが、施工条件や被処理材の寸法誤差などによって、通常、溶接位置や被処理材ごとに外乱の状態は変動する、
・この点、上記の溶接方法によれば、加圧力パラメータを選択基準として用いることにより、外乱の状態を加味して時間変化曲線等を設定するので、外乱の状態の変動に有効に対応して所望のナゲット径を安定的に確保することが可能となり、その結果、実作業での作業効率や歩留まりの向上という点からも極めて有利になる、
との知見を得た。
　本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
　本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うとともに、該テスト溶接を２通り以上の溶接条件で行うものとし、
　前記テスト溶接では、前記溶接条件ごとに、
　　通電開始前における被溶接材の加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量とを記憶させ、
　さらに、前記本溶接では、
　　通電開始前に前記テスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、該加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、前記テスト溶接にて記憶させた加圧力パラメータとを前記テスト溶接の溶接条件ごとに比較し、その差が最も小さい溶接条件において記憶させた前記テスト溶接における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を、本溶接における目標値に設定し、該目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行う、
抵抗スポット溶接方法。

２．前記適応制御溶接において、前記目標値として設定した単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を残りの通電時間内で補償すべく、前記本溶接の本通電での単位体積当たりの累積発熱量が前記目標値として設定した単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御する、前記１に記載の抵抗スポット溶接方法。

３．前記テスト溶接において、少なくとも１つの溶接条件では外乱を模擬して溶接を行い、別の溶接条件では外乱のない状態で溶接を行う、前記１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。

４．前記テスト溶接を３通り以上の溶接条件で行う、前記１～３のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

５．前記テスト溶接のうち、少なくとも１つの溶接条件では通電パターンを２段以上の多段ステップに分割し、
　前記本溶接において、
　前記多段ステップに分割した溶接条件に基づき前記適応制御溶接の目標値を設定する場合には、前記本溶接の適応制御溶接を、前記テスト溶接において多段ステップに分割した溶接条件と同様に、多段ステップに分割して行う、前記１～４のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

６．前記１～５のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法により、重ね合わせた複数枚の金属板を接合する、溶接部材の製造方法。

　本発明によれば、大きなナゲット径を必要としたり、既溶接点が直近に存在したり、既溶接点が溶接点の周囲に多数存在したり、金属板間の板隙が大きいというような、外乱の影響が特に大きい場合であっても、散りの発生や通電時間の増加なしに、良好なナゲットを得ることができる。
　また、本発明によれば、自動車の製造などの実作業において次々と流れてくる被処理材を連続的に溶接する（溶接位置や被処理材ごとに外乱の状態が変動する）場合であっても、外乱の状態の変動に有効に対応して所望のナゲット径を安定的に確保することが可能となり、その結果、作業効率や歩留まりの向上という点でも極めて有利となる。

２枚重ねの板組みに対して外乱のない状態で溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 ３枚重ねの板組みに対して外乱のない状態で溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 板隙のある２枚重ねの板組みに対して溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 板隙のある３枚重ねの板組みに対して溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 既溶接点のある２枚重ねの板組みに対して溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 既溶接点のある３枚重ねの板組みに対して溶接を行う場合の一例を模式的に示す図である。 テスト溶接における１段ステップの通電パターンの一例を模式的に示す図である。 テスト溶接における２段ステップの通電パターンの一例を模式的に示す図である。

　本発明を、以下の実施形態に基づき説明する。
　本発明の一実施形態は、複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
　本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うとともに、該テスト溶接を２通り以上の溶接条件で行うものとし、
　前記テスト溶接では、前記溶接条件ごとに、
　　通電開始前における被溶接材の加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量とを記憶させ、
　さらに、前記本溶接では、
　　通電開始前に前記テスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、該加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、前記テスト溶接にて記憶させた加圧力パラメータとを前記テスト溶接の溶接条件ごとに比較し、その差が最も小さい溶接条件において記憶させた前記テスト溶接における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を、本溶接における目標値に設定し、該目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行うというものである。

　なお、本発明の一実施形態に係る抵抗スポット溶接方法で使用可能な溶接装置としては、上下一対の電極を備え、溶接中に加圧力および溶接電流をそれぞれ任意に制御可能であればよく、加圧機構（エアシリンダやサーボモータ等）、形式（定置式、ロボットガン等）、電極形状等はとくに限定されない。また、電極間の電気特性とは、電極間抵抗または電極間電圧を意味する。

　以下、本発明の一実施形態に係る抵抗スポット溶接方法のテスト溶接と本溶接について、説明する。

・テスト溶接
　テスト溶接では、まず、設定加圧力まで被溶接材を加圧し、設定加圧力に到達後、定電流制御による通電を行う。このようなテスト溶接を、２通り以上、好ましくは３通り以上の溶接条件（外乱の状態）で行う。なお、上限については特に限定されるものではないが、効率性を考慮すると、１０通りとすることが好ましい。そして、テスト溶接では、溶接条件ごとに、通電開始前において被溶接材の加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータを記憶させる。
　ここで、加圧力パラメータとは、例えば、図４および図５に示すような、加圧を開始してから設定加圧力（通電開始時点の設定（電極）加圧力）：Ｆに到達するまでの時間：Ｔ_Ｆや、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力の変化率（増加速度）：ΔＦ（＝Ｆ／Ｔ_Ｆ）である。
　また、加圧力パラメータは、サーボモータのトルクや回転速度、電極やガンのひずみ、電極の変位等（以下、サーボモータのトルク等ともいう）を基に設定してもよい。例えば、通電開始時点の設定加圧力をサーボモータのトルク等を基に設定して、加圧を開始してからサーボモータのトルク等が設定値に到達するまでの時間や、加圧を開始してから設定値に到達するまでのサーボモータのトルクの変化率や回転速度、さらには電極の変位速度を、加圧力パラメータとしてもよい。
　例えば、サーボモータのトルクは、電極が被溶接材である金属板に接触すると、トルクが急激に増加しはじめ、その後、鋼板に十分な加圧力が付与された時点で、トルクは安定した値に達して飽和する。よって、トルクの増加開始から飽和までの時間を、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの時間とすればよい。
　また、サーボモータの回転速度は、電極が被溶接材である金属板に接触すると、回転速度は不安定になり、その後、徐々に減少していく。そして、設定加圧力に達すると電極は動かなくなるため、回転速度は０となる。よって、回転速度が不安定になり減少を開始してから０に到達するまでの時間を、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの時間とすればよい。
　さらに、トルクの増加開始時点を加圧開始時点、回転速度が０となった時点を設定加圧力への到達時点と判断するなどしてもよい。

　また、加圧力パラメータとして、
・加圧を開始してから（加圧開始時点から）通電開始時点までの時間、
・加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの溶接ガンのひずみ量、および
・加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの電極変位量、
を使用してもよい。
　例えば、加圧を開始してから通電開始時点までの時間は、［加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの時間］＋［設定加圧力への到達時点から通電開始時点までの時間］で表せるので、［設定加圧力への到達時点から通電開始時点までの時間］を考慮しつつ、本溶接時の当該パラメータと、テスト溶接にて記憶させた当該パラメータとを比較することで、外乱の影響を考慮し、複数の瞬時発熱量の時間変化曲線等から目標値として最適なものを選択することができる。

　ついで、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させる。
　なお、瞬時発熱量の単位は、使用する抵抗スポット溶接装置の設定（例えば、Ｊ／ｃｙｃやＪ／ｍｓ）に従えばよく、特に限定されるものではない。

　ここで、複数記憶させるテスト溶接の溶接条件の組み合わせとしては、本溶接で想定される外乱のある状態を模擬して溶接を行う少なくとも１つの溶接条件と、外乱のない状態で溶接を行う溶接条件とを組み合わせることが好ましい。

　なお、本溶接で想定される外乱としては、上述したような分流や板隙などの外乱、具体的には、溶接位置（電極中心位置）から４０ｍｍ以内にある既溶接点や、被溶接材となる鋼板同士の合わせ面における０．２ｍｍ以上の隙間などが挙げられる。

　例えば、被溶接材となる金属板同士の合わせ面において０．２ｍｍ以上の隙間があり、その隙間が溶接位置ごとに変動することが想定される場合、テスト溶接の一溶接条件では、被溶接材となる金属板同士の合わせ面において０．２～３．０ｍｍ（好適には０．５～３．０ｍｍ）の隙間がある状態で溶接を行い、別の溶接条件では、外乱のない状態で溶接を行うことが好適である。なお、想定される被溶接材となる金属板同士の合わせ面の隙間の上限は、現実的に３．０ｍｍ程度である。
　また、金属板同士の合わせ面の隙間とは、電極により加圧される前の溶接位置での金属板同士の合わせ面の隙間（合わせ面間の距離）である。

　また、特に本溶接において外乱の変動が大きいことが予測される場合には、テスト溶接を３通り以上の溶接条件で行い、溶接条件ごとに、模擬する外乱の状態を異ならせることが好ましい。
　この場合、例えば、外乱のない状態で溶接を行う溶接条件と、被溶接材となる金属板同士の合わせ面において０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ未満の隙間を設けた溶接条件と、被溶接材となる金属板同士の合わせ面において１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ未満の隙間を設けた溶接条件とを組み合わせることが考えられる。

　さらに、テスト溶接の通電パターンは、１段ステップでもよいが、特に、溶接位置と既溶接点との距離が近く、既溶接点への分流の影響が大きい場合には、２段以上の多段ステップに分割することが好ましい。ステップ数の上限については特に限定されるものではないが、通常、５段程度である。
　加えて、各ステップの溶接条件は特に制限はないが、テスト溶接の１段目のステップの溶接電流をＩ１、２段目以降のステップの溶接電流をＩｘ（ｘ：２～ｎまでの整数、ｎ：合計のステップ数）としたとき、
　０．３×Ｉｘ≦Ｉ１＜Ｉｘ
の関係を満足することが好ましい。
　また、各ステップ間に冷却時間を設けてもよい。

　加えて、設定加圧力に到達後、通電開始前（２段以上の多段ステップに分割する場合には、１段目のステップの前）に予通電を行ってもよい。予通電時の電流パターンは特に限定されず、定電流制御としても、アップスロープ状の通電パターンとしてもよい。
　なお、テスト溶接において予通電を行い、当該テスト溶接条件に基づき本溶接の適応制御溶接の目標値が設定される場合には、本溶接では、当該テスト溶接条件と同じ条件で予通電を行うか、または、当該テスト溶接条件において記憶させた予通電における瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を目標値に設定して、適応制御溶接を行う。

　また、上記以外のテスト溶接条件については特に限定されず、被溶接材と同じ鋼種、厚みの予備溶接試験を、外乱のない状態、および上記のような外乱を模擬した状態で、定電流制御にて種々の条件で行うことにより、適宜、設定すればよい。

・本溶接
　上記のテスト溶接後、本溶接を行う。
　本溶接では、通電開始前に前記テスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、該加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、前記テスト溶接にて記憶させた加圧力パラメータとを前記テスト溶接の溶接条件ごとに比較し、その差が最も小さい溶接条件において記憶させたテスト溶接の本通電における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量（以下、時間変化曲線等ともいう）を、本溶接における本通電の目標値に設定する。

　ここで、加圧力パラメータを用いることにより、外乱の影響を考慮し、複数の瞬時発熱量の時間変化曲線等から目標値として最適なものを選択できるのは、次の理由によるものと発明者らは考えている。
　例えば、金属板同士の合わせ面に隙間がある場合、通電を行うには、金属板を変形させて隙間をなくし、金属板同士を溶接位置において接触させる必要がある。この際、例えば、上側の電極を押し込む力は、まずは金属板の変形に使用されるので、下側の電極には十分な力が作用しない。
　そのため、加圧を開始してから設定加圧力：Ｆに到達するまでの時間：Ｔ_Ｆや、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力の変化率：ΔＦといった加圧力パラメータは、金属板同士の合わせ面の隙間といった外乱の程度に応じて変化する。
　よって、上記の加圧力パラメータを用いることで、外乱の影響を考慮して、複数の時間変化曲線等から目標値として最適なものを選択できる、と発明者らは考えている。

　また、テスト溶接と同じ条件で被溶接材を加圧するとは、通電開始時の設定加圧力をテスト溶接の設定加圧力と同じにして、テスト溶接と同じ条件（鋼種および厚み）の被溶接材を加圧することを意味する。
　なお、一般的な抵抗スポット溶接装置では、加圧開始時点から設定加圧力に到達するまでの間のある加圧力（以下、切り替え設定値といもいう）に到達した時点で、制御方式を切り替える設定（位置制御→トルク制御）がなされており、通常、同じ加圧力手段を使用し、かつ当該切り替え設定値を同じにすれば、（通電開始時の設定加圧力が同じであることを前提に）同じ条件で加圧されていると言える。

　そして、本溶接では、上記のように設定した目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行う。
　この適応制御溶接では、例えば、目標値に設定した単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線に沿っている場合には、そのまま溶接を行って溶接を終了する。ただし、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を残りの通電時間内で補償すべく、本溶接の本通電での単位体積当たりの累積発熱量が目標値として設定した単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御する。

　なお、発熱量の算出方法については特に制限はないが、特許文献５にその一例が開示されており、本発明でもこの方法を採用することができる。この方法による単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑおよび単位体積当たりの累積発熱量Ｑの算出要領は次のとおりである。
　被溶接材の合計厚みをｔ、被溶接材の電気抵抗率をｒ、電極間電圧をＶ、溶接電流をＩとし、電極と被溶接材が接触する面積をＳとする。この場合、溶接電流は横断面積がＳで、厚みｔの柱状部分を通過して抵抗発熱を発生させる。この柱状部分における単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑは次式（１）で求められる。
　　　ｑ＝（Ｖ・Ｉ）／（Ｓ・ｔ）　　　--- （１）
　また、この柱状部分の電気抵抗Ｒは、次式（２）で求められる。
　　　Ｒ＝（ｒ・ｔ）／Ｓ　　　　　　　--- （２）
　（２）式をＳについて解いてこれを（１）式に代入すると、発熱量ｑは次式（３）
　　　ｑ＝（Ｖ・Ｉ・Ｒ）／（ｒ・ｔ^２）
　　　　＝（Ｖ^２）／（ｒ・ｔ^２）　　　--- （３）
となる。

　上掲式（３）から明らかなように、単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑは、電極間電圧Ｖと被溶接物の合計厚みｔと被溶接物の電気抵抗率ｒから算出でき、電極と被溶接物が接触する面積Ｓによる影響を受けない。なお、（３）式は電極間電圧Ｖから発熱量を計算しているが、電極間電流Ｉから発熱量ｑを計算することもでき、このときにも電極と被溶接物が接触する面積Ｓを用いる必要がない。そして、単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑを通電期間にわたって累積すれば、溶接に加えられる単位体積当たりの累積発熱量Ｑが得られる。（３）式から明らかなように、この単位体積当たりの累積発熱量Ｑもまた電極と被溶接材が接触する面積Ｓを用いないで算出することができる。
　以上、特許文献５記載の方法によって、累積発熱量Ｑを算出する場合について説明したが、その他の算出式を用いても良いのは言うまでもない。

　また、前述したように、テスト溶接において通電パターンを２段以上の多段ステップに分割し、当該多段ステップに分割した溶接条件に基づき適応制御溶接の目標値を設定する場合には、本溶接の適応制御溶接を、テスト溶接において多段ステップに分割した溶接条件と同様に、多段ステップに分割して行う、ステップ毎の適応制御溶接を行うことが好ましい。

　ステップ毎の適応制御溶接では、いずれかのステップにおいて、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を当該ステップの残りの通電時間内で補償すべく、当該ステップでの単位体積当たりの累積発熱量が、前記テスト溶接の当該ステップでの単位体積当たりの累積発熱量と一致するように、通電量を制御する。

　特に、既溶接点への分流に起因して、テスト溶接と本溶接の通電経路が大きく変化すると、１段ステップの適応制御溶接では、目標とする累積発熱量を得ようとして、溶接電流が短時間で急激に変化する場合がある。
　これにより、１段ステップの適応制御溶接では、発熱量の変化に追従できなかったり、テスト溶接に対して発熱形態が大きく変化して、散りが発生したりや目標とするナゲット径が得られないという懸念がある。
　この点、通電パターンを２段以上の多段ステップに分割することで、目標とする累積発熱量をステップごとに最適化することができ、結果的に、外乱の変動、特に既溶接点への分流が極めて大きい場合にも、外乱の変動に対応して、目標とするナゲット径が得られる。

　なお、使用する被溶接材は特に制限はなく、軟鋼から超高張力鋼板までの各種強度を有する鋼板およびめっき鋼板、アルミ合金などの軽金属板の溶接にも適用でき、３枚以上の鋼板を重ねた板組みにも適用できる。

　また、ナゲット形成のための通電の後に、溶接部の熱処理のための後通電を加えてもよい。この場合、通電条件は特に限定されず、それ以前のステップの溶接電流との大小関係も特に限定されない。なお、通電中の加圧力は一定であってもよいし、適宜、変化させてもよい。

　そして、上記した抵抗スポット溶接方法を用いて重ね合わせた複数枚の金属板を接合することで、外乱の状態の変動に有効に対応して所望のナゲット径を安定的に確保しつつ、種々の溶接部材、特には、自動車部品等の溶接部材が製造される。

　表１に示す２枚重ねまたは３枚重ねの金属板の板組みについて、表１に示す条件でテスト溶接を行い、ついで、表２に示す２枚重ねまたは３枚重ねの金属板の板組みについて、表２に示す条件で本溶接を行い、溶接継手（溶接部材）を作製した。
　ここで、テスト溶接および本溶接は、図１および図２に示すような外乱のない状態、ならびに、図３～６に示すような外乱を模擬した状態で行った。図中、符号１１、１２および１３は金属板、１４は電極、１５はスペーサ、１６は既溶接点である。なお、図３および図４では、金属板１１－１２間および金属板１２－１３間にスペーサ１５を挿入し、上下からクランプすることで（図示せず）、種々の板隙厚さtgとなる板隙を設けた。なお、板隙間距離はいずれも40mmとした。また、図５および図６に示すように、既溶接点１６は２点とし、溶接位置（電極間中心）が既溶接点同士の中間（既溶接点との距離Ｌがそれぞれ同じ）となるように調整した。
　また、テスト溶接では、加圧を開始してから設定加圧力：Ｆに到達するまでの時間：Ｔ_Ｆを記憶させた。また、図７または図８に示す通電パターンで、溶接条件ごとに定電流制御で通電し、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させた。

　さらに、本溶接では、通電開始前にテスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、加圧を開始してから設定加圧力：Ｆに到達するまでの時間：Ｔ_Ｆについて、本溶接における数値と、テスト溶接にて記憶させた数値とを溶接条件（表２に示す比較したテスト溶接No.）ごとに比較し、その差が最も小さい溶接条件において記憶させた単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を、本溶接において適応制御溶接の行う際の目標値に設定し、該目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行った。
　なお、溶接機にはインバータ直流抵抗スポット溶接機を用い、電極にはＤＲ形先端径6mmのクロム銅電極を用いた。

　得られた各継手について、溶接部を切断し断面をエッチング後、光学顕微鏡により観察し、金属板間に形成されたナゲット径が目標径である4.5√ｔ´以上（ｔ´：隣り合う２枚の金属板のうち薄い方の金属板の板厚（mm））を確保できているか否かを確認し、以下の基準で評価した。なお、３枚重ねの板組みの場合は、最も薄い外側の金属板と、これに隣接する金属板との間に形成されたナゲット径により、評価を行った。
Ａ（合格、特に優れる）：外乱によらず、全ての条件で目標とするナゲット径が確保され、かつ、散りが発生しない
Ｂ（合格、優れる）：分流の影響が極めて大きい場合（既溶接点との距離Ｌ＝１０ｍｍ）を除く全ての条件で、目標とするナゲット径が確保され、かつ、散りが発生しない
Ｃ（合格）：外乱の影響が極めて大きい場合（既溶接点との距離Ｌ＝１０ｍｍおよび板隙厚さｔｇ＝２．０ｍｍ）を除く全ての条件で、目標とするナゲット径が確保され、かつ、散りが発生しない
Ｆ（不合格）：既溶接点との距離Ｌ＝２０ｍｍ、既溶接点との距離Ｌ＝４０ｍｍ、板隙厚さｔｇ＝１．０ｍｍ、板隙厚さｔｇ＝０．５ｍｍおよび外乱なしの少なくとも１つの条件で、目標とするナゲット径が確保されない、および／または、散りが発生する

　発明例ではいずれも、殆どの外乱の変動に有効に対応して、散りの発生なしに目標とするナゲット径が得られた。特に、Ｎｏ．３、４、６および８～１１では、外乱の種類や程度によらず、外乱の変動に有効に対応して、散りの発生なしに目標とするナゲット径が得られた。
　一方、比較例では、外乱の変動に有効に対応できず、外乱の影響が特に大きくなった場合には、散りが発生するか、または、十分な径のナゲットが形成されなかった。

　また、加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力の変化率：ΔＦをテスト溶接において記憶させ、このΔＦを用いて、本溶接において適応制御溶接の行う際の瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量の目標値を設定した場合も、上記と同じ結果が得られた。

　１１，１２：金属板
　１４：電極
　１５：スペーサ
　１６：既溶接点

Claims (6)

1. 　複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
   　本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うとともに、該テスト溶接を２通り以上の溶接条件で行うものとし、
   　前記テスト溶接では、前記溶接条件ごとに、
   　　通電開始前における被溶接材の加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量とを記憶させ、
   　さらに、前記本溶接では、
   　　通電開始前に前記テスト溶接と同じ条件で被溶接材の加圧を行い、該加圧を開始してから設定加圧力に到達するまでの加圧力パラメータと、前記テスト溶接にて記憶させた加圧力パラメータとを前記テスト溶接の溶接条件ごとに比較し、その差が最も小さい溶接条件において記憶させた前記テスト溶接における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を、本溶接における目標値に設定し、該目標値に従って、通電量を制御する適応制御溶接を行う、
   抵抗スポット溶接方法。
2. 　前記適応制御溶接において、前記目標値として設定した単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を残りの通電時間内で補償すべく、前記本溶接の本通電での単位体積当たりの累積発熱量が前記目標値として設定した単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御する、請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. 　前記テスト溶接において、少なくとも１つの溶接条件では外乱を模擬して溶接を行い、別の溶接条件では外乱のない状態で溶接を行う、請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
4. 　前記テスト溶接を３通り以上の溶接条件で行う、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. 　前記テスト溶接のうち、少なくとも１つの溶接条件では通電パターンを２段以上の多段ステップに分割し、
   　前記本溶接において、
   　前記多段ステップに分割した溶接条件に基づき前記適応制御溶接の目標値を設定する場合には、前記本溶接の適応制御溶接を、前記テスト溶接において多段ステップに分割した溶接条件と同様に、多段ステップに分割して行う、請求項１～４のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
6. 　請求項１～５のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法により、重ね合わせた複数枚の金属板を接合する、溶接部材の製造方法。
    

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