WO2022071022A1 - アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法、及びアルミニウム材の接合体 - Google Patents

Abstract

複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極によりスポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法であって、アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、電極によるアルミニウム材への加圧力を２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下、溶接電流を２５（ｋＡ）以上、５０（ｋＡ）以下にして、３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下の溶接時間でスポット溶接する。

Description

アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法、及びアルミニウム材の接合体

　本発明は、アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法、及びアルミニウム材の接合体に関する。

　アルミニウム材は、鋼材と比較して電気抵抗が小さく熱伝導率が高いため、抵抗スポット溶接を行う際、溶接電流を鋼材の場合の約３倍に相当する電流を通電し、スポット溶接用の電極の加圧力を約１．５倍にする必要がある。このようなアルミニウム材の抵抗スポット溶接においても、鋼材の場合と同様に、溶接継手の接合強度を高くする適切な溶接条件を見出す必要がある。

　一般に、スポット溶接継手の接合強度は、引張せん断強度（ＴＳＳ：Tensile Shear Strength）と、十字引張強さ（ＣＴＳ：Cross Tension Strength）等で評価され、抵抗スポット溶接を適用した構造の設計においては、ＴＳＳとＣＴＳの値が、それぞれバラつきなく一定の範囲で安定していることが求められる。

日本国特開平８－１０９６３号公報 日本国特開２００４－９８１０７号公報

　しかし、アルミニウム材をスポット溶接する場合、抵抗スポット溶接の打点数が増えてくると、ＴＳＳの強度バラつきは略一定であるが、特にＣＴＳの強度バラつきの発生が顕著になる傾向がある。これは、電極の摩耗が進行して電極先端形状が変化し、通電状態が変化するためと考えられる。このように、アルミニウム材をスポット溶接する場合、現状の溶接条件ではＣＴＳの強度バラつきを特定の小さな幅に収めることが難しく、より適切な溶接条件を模索する必要がある。

　そこで本発明は、ＣＴＳの強度を改善しつつ、ＣＴＳの強度バラつきを小さくできるアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法、及びアルミニウム材の接合体を提供することを目的とする。

　本発明は、下記の構成からなる。
（１）　複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極によりスポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法であって、
　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
　前記電極による前記アルミニウム材への加圧力を２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下とし、
　溶接電流を２５（ｋＡ）以上、５０（ｋＡ）以下とし、
　溶接時間を３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下として抵抗スポット溶接する、アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
（２）　複数のアルミニウム材が重なり合ってスポット溶接されたアルミニウム材の接合体であって、
　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
　前記アルミニウム材同士の間に形成されたナゲットの前記アルミニウム材同士の接合面に沿った端部から、該ナゲットの中心側と反対側に向けて、前記アルミニウム材の母材の硬度よりも低い前記スポット溶接による熱影響部が２．９×√ｔ（ｍｍ）以下の長さで形成されている、アルミニウム材の接合体。

　本発明によれば、ＣＴＳの強度を改善しつつ、バラつきを小さくしたアルミニウム材の接合体が得られる。

図１は、アルミニウム材を溶接するスポット溶接機の概略構成図である。 図２の（Ａ）は、溶接電流の波形及び電極による加圧力を示すタイミングチャートであり、（Ｂ）は溶接電流の波形の拡大図である。 図３は、アルミニウム材をスポット溶接した溶接継手における、ナゲット径に対するＣＴＳの分布を示すグラフである。 図４の（Ａ）～（Ｃ）は、通電条件を異ならせた溶接電流及び加圧力の波形の例を示すタイミングチャートである。 図５は、図４の各条件（Ａ）～（Ｃ）でスポット溶接した溶接継手のＣＴＳの試験結果を示すグラフである。 図６は、通常通電と短時間通電との条件でスポット溶接した溶接継手における、ＣＴＳの試験後のナゲット付近の外観写真、及び断面写真を示す説明図である。 図７は、硬度測定位置を示す説明図である。 図８は、ナゲット端部近傍における硬度分布の測定結果を示す説明図である。 図９は、試験に用いるアルミニウム溶接継手の平面図である。 図１０は、加圧力Ｐ１を３ｋＮとした試験例１～３についてのＣＴＳの測定結果を示すグラフである。 図１１は、加圧力Ｐ１を５ｋＮとした試験例４～９についてのＣＴＳの測定結果を示すグラフである。 図１２は、加圧力Ｐ１を７ｋＮとした試験例１０～１２についてのＣＴＳの測定結果をそれぞれ示すグラフである。 図１３、溶接時間を横軸とした場合の試験例１～１２のＣＴＳ平均値から３σを減じた値を示すグラフである。 図１４は、試験例１３，１４についての、ナゲット径に対するＴＳＳの分布を示すグラフである。 図１５は、試験例１５と試験例１６の溶接継手のナゲット径に対するＣＴＳの分布を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、アルミニウム材を溶接するスポット溶接機の概略構成図である。

　スポット溶接機１１は、一対の電極１３，１５と、一対の電極１３，１５に接続された溶接トランス部１７と、溶接トランス部１７に電源部１８からの溶接電力を供給する制御部１９と、一対の電極１３，１５を軸方向に移動させる電極駆動部２０とを備える。制御部１９は、電流値、溶接時間、電極の加圧力、通電タイミング、加圧タイミングを統合的に制御する。

　スポット溶接機１１は、一対の電極１３，１５の間に、アルミニウム材である第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との少なくとも２枚の板材を重ね合わせて挟み込む。そして、電極駆動部２０による電極１３，１５の駆動によって、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを板厚方向に加圧する。この加圧状態で、制御部１９からの指令に基づいて溶接トランス部１７が電極１３，１５間で通電する。これにより、電極１３，１５に挟まれた第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間にナゲット２５が形成され、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３が一体化されたアルミニウム溶接継手（接合体）が得られる。

　上記例では２枚のアルミニウム板を接合してアルミニウム溶接継手２７を得ているが、本発明は２枚のアルミニウム板を接合する場合に限らず、３枚以上のアルミニウム板を接合する場合にも好適に用いられる。

　一対の電極１３，１５は、それぞれ電極内部に冷却部を備える。冷却部の冷却方式は特に限定されないが、図１に示す構成では、電極１３（１５も同様）に形成された凹部に冷却用パイプが配置され、冷却用パイプから水等の冷却媒体が供給されることで、電極１３（１５）が冷却される。

　第１アルミニウム板２１及び第２アルミニウム板２３のアルミニウム材、及び３枚以上用いる場合の各アルミニウム板を構成するアルミニウム材は、任意の材質のアルミニウム、又はアルミニウム合金を採用できる。具体的には、５０００系、６０００系、７０００系、２０００系、４０００系のアルミニウム合金のほか、３０００系、８０００系のアルミニウム合金又は１０００系（純アルミ）のアルミニウムを採用できる。各アルミニウム板は、同一の材質であってもよく、上記した材質を組み合わせたものであってもよい。２０００系、６０００系、７０００系の熱処理型合金を用いる場合には、溶接時の入熱によって低下した強度を熱処理によって元の強度に戻すことでき、高強度な接合体が得られる。

　第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３（さらに他のアルミニウム板を用いる場合はそのアルミニウム板を含む）の板厚は、自動車の骨格部材などの構造部材の用途では０．５ｍｍ以上が好ましく、２．０ｍｍ以上がより好ましい。各アルミニウム板の板厚は等しくてもよく、いずれか一方が他方より厚くてもよい。また、アルミニウム材の形態は、上記したアルミニウム板（圧延板）に限らず、押出材又は鍛造材、鋳造材であってもよい。

　以下、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との２枚のアルミニウム板を接合する態様を説明するが、本発明はこの態様に限定されるものではない。

　制御部１９は、所定のタイミングで溶接トランス部１７から一対の電極１３，１５間に通電させる。

　図２の（Ａ）は、溶接電流の波形及び電極による加圧力Ｐ１，Ｐ２を示すタイミングチャートであり、（Ｂ）は溶接電流の波形の拡大図である。
　一対の電極１３，１５によって２枚のアルミニウム板に加圧力Ｐ１を負荷するスクイズ時間Ｔｓの後、加圧力Ｐ１を維持したまま溶接電流を線形で電流値Ｉまで増加させるアップスロープ時間Ｔｕを経て、電流値Ｉを所定の時間Ｔｃで通電し続ける。

　アルミニウム板の溶接においては、鉄系材料の場合と比較して、ナゲットが大きくなる傾向があり、溶融したアルミニウムがアルミニウム板の表面で飛散する現象が発生しやすい。アップスロープ時間Ｔｕを設けることで、このような現象を抑制する効果が期待できる。

　この電流値Ｉで通電する時間Ｔｃは、簡易的には溶接時間とみなせる。しかし、実際には溶接電流が電流値Ｉよりも小さくても、２枚のアルミニウム板の溶接は開始していると考えられる。そこで、図２の（Ｂ）に示すように、実効的な溶接時間Ｔｍを定義する。アップスロープ時間Ｔｕにおいても２枚のアルミニウム板の溶接が開始しているものとし、斜線で表す溶接電流の積分値に相当するアップスロープ時間Ｔｕの半値を、通電時間Ｔｃに加えた時間、すなわち、Ｔｃ＋Ｔｕ／２を溶接時間Ｔｍと定義する。この溶接時間Ｔｍで接合強度を評価することで、溶接の実態をより正確に反映できる。

　制御部１９は、スクイズ時間Ｔｓにおいて、電極駆動部２０に第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とを電極１３，１５によって所定の加圧力Ｐ１で挟み込むための制御信号を出力する。このスクイズ時間Ｔｓの後、制御部１９は、溶接トランス部１７に対して、第１アルミニウム板２１及び第２アルミニウム板２３を溶接する溶接電流（電流値Ｉ）を、アップスロープ時間Ｔｕの後、所定の通電時間Ｔｃにわたって流す制御信号を出力する。溶接トランス部１７が電極１３と電極１５との間で通電すると、電極１３，１５に挟まれた第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間にナゲットが形成される。これにより、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とが一体化されたアルミニウム溶接継手（接合体）２７が得られる。

　第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３とには、電極１３，１５によって、板厚方向の加圧力Ｐ１がスクイズ時間Ｔｓ、アップスロープ時間Ｔｕ及び通電時間Ｔｃにわたって負荷される。そして通電時間Ｔｃの経過後、電極１３，１５は、２枚のアルミニウム板を加圧力Ｐ１より大きい加圧力Ｐ２で加圧される。

　次に、通電時間がＣＴＳの強度バラつきに影響を及ぼすことついて説明する。
　図３は、アルミニウム材をスポット溶接した溶接継手における、ナゲット径に対するＣＴＳの分布を示すグラフである。
　ここでは、板厚２ｍｍの６０００系アルミニウム合金材（Ｔ４処理）を、電極径φ１９ｍｍ、先端曲率Ｒ１００ｍｍのクロム銅製の電極間に挟み込み、溶接電流の電流値Ｉを２５ｋＡ，３３ｋＡ，４０ｋＡとし、加圧力Ｐ１を５ｋＮとした。溶接時間Ｔｍは、一般的に慣用される通常の時間（以降は「通常通電」という）であるＴｍ＝１９０ｍｓと、通常時間より短い時間（以降は「短時間通電」という）であるＴｍ＝９０ｍｓとの２種類を設定した。

　図３から、短時間通電の溶接時間Ｔｍで溶接した溶接継手は、通常通電の溶接時間Ｔｍで溶接した溶接継手に比べて、ＣＴＳの強度バラつきが小さくなっていることがわかる。

　次に、溶接時間を異ならせた場合の溶接継手の性状について説明する。
　図４の（Ａ）～（Ｃ）は、通電条件を異ならせた溶接電流及び加圧力の波形の例を示すタイミングチャートである。
　（Ａ）に示す条件は、スクイズ時間Ｔｓを１００ｍｓ、アップスロープ時間Ｔｕを２０ｍｓ、通電時間Ｔｃを８０ｍｓとして図２に示した溶接時間Ｔｍを９０ｍｓにした短時間通電の場合である。（Ｂ）に示す条件は、スクイズ時間Ｔｓを１００ｍｓ、アップスロープ時間Ｔｕを２０ｍｓ、通電時間Ｔｃを１８０ｍｓとして溶接時間Ｔｍを１９０ｍｓにした通常通電の場合である。また、（Ｃ）の条件は、（Ｂ）の条件に加えて、電流値が線形で減少するダウンスロープ時間Ｔｄを設けている。ダウンスロープ時間Ｔｄは４００ｍｓとした。なお、ダウンスロープ時間Ｔｄを設けることで、溶接に起因する割れの発生を抑制すると考えられるが、ダウンスロープ時間Ｔｄは溶接時間Ｔｍに含めない。

　図４の（Ａ）～（Ｃ）において、通電時間Ｔｃにおける溶接電流の電流値Ｉは、いずれも４０ｋＡである。電極間の加圧力は、スクイズ時間Ｔｓ、アップスロープ時間Ｔｕ及び通電時間ＴｃにおいてＰ１＝５ｋＮとし、これらの時間経過後は、より大きい加圧力Ｐ２＝８ｋＮとしている。

　図５は、図４の各々の条件（Ａ）～（Ｃ）でスポット溶接した溶接継手のＣＴＳの試験結果を示すグラフである。ここでは、ナゲット径の狙い値を６√ｔ（８．５ｍｍ）として、各条件で１０回試験した結果を示している。これによれば、（Ａ）の条件の短時間通電による溶接継手のＣＴＳの強度バラつきは、（Ｂ），（Ｃ）の条件の通電による結果と比較して小さく抑えられている。

　図６は、通常通電と短時間通電との条件でスポット溶接した溶接継手における、ＣＴＳの試験後のナゲット付近の外観写真、及び断面写真を示す説明図である。
　通常通電の場合、断面写真に示すように、ナゲットの端部からナゲット表面に沿って一方アルミニウム板（図６の上側）が剥離し、その剥離領域が、外観写真に示すようにナゲットの周方向に連続して生じている。また、一方のアルミニウム板は、ナゲットから剥離した部分（薄肉部）で破断している。

　そして、短時間通電の場合、ナゲット表面の剥離は殆ど生じず、断面写真に示すように、ナゲット端部からアルミニウム板が破断している。そのため、通常通電の場合に比べて高い引張強度が確保される。

　ここで、溶接後のビッカース硬さと熱影響部について説明する。
　図４の（Ａ）～（Ｃ）の各条件でスポット溶接された溶接継手のビッカース硬さを測定した。図７は、硬度測定位置を示す説明図である。
　図７に示すナゲット２５の端部（位置ＮＬ）から、反ナゲット中心側に向けて、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との界面２６から第１アルミニウム板２１側に板厚方向に距離Ｓ（Ｓ＝０．６ｍｍ）を隔てた矢印Ｄの線上において硬度分布を測定した。測定した結果から得られる熱影響部（ＨＡＺ：Heat-Affected Zone）の長さを表１に示す。

　測定された硬度分布は、（Ａ）短時間通電、（Ｂ）通常通電、（Ｃ）通常通電＋ダウンスロープの各条件で、ナゲット２５に近い領域が他の領域よりも低硬度になる傾向を有していた。この低硬度となった領域が熱影響部である。つまり、スポット溶接時の入熱の影響により、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３は変性しており、所定の範囲で熱影響部が形成される。この熱影響部のビッカース硬さは、第１アルミニウム板２１、第２アルミニウム板２３の母材のビッカース硬さより低下しており、熱影響部は溶接強度の低下をもたらす要因となる。

　（Ａ）の短時間通電の条件の場合、熱影響部の長さは、（Ｂ）、（Ｃ）の条件の熱影響部の長さと比較して短くなった。これは、（Ａ）の短時間通電の場合の溶接強度が、（Ｂ），（Ｃ）の条件の場合よりも高いことを意味している。

　熱影響部の長さは、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との板厚ｔ（ｍｍ）によって変化する。好ましい熱影響部の長さは、２．９×√ｔ（ｍｍ）以下、より好ましくは２．５×√ｔ（ｍｍ）以下、さらに好ましくは２．１×√ｔ（ｍｍ）以下である。
　このような熱影響部の長さを持つアルミニウム材の接合体は、ＣＴＳの強度バラつきが小さく、所定の溶接強度が確保されている。また、接合体を引張試験した場合には、界面破断にならず、安定してプラグ破断となり、接合強度の向上が図れる。

　以上より、通常通電の場合（溶接時間Ｔｍ＝１９０ｍｓ）と短時間通電の場合（溶接時間Ｔｍ＝９０ｍｓ）とを比較した場合、短時間通電の場合が通常通電の場合に比べて、ＣＴＳの強度バラつきが小さく、かつ溶接強度が大きくなる傾向を示すことが理解される。

　この傾向は、ナゲット端部におけるアルミニウム材の硬度分布に起因すると考えられる。そこで、試験片を通常通電した場合と、短時間通電した場合とで、それぞれの試験片の硬度分布を更に詳細に測定した。
　硬度測定には、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて、試験荷重を１００ｇｆ、保持時間を１５秒、測定ピッチを板厚方向及び板の長手方向に０．３ｍｍとした。

　また、試験片及び溶接条件は次のとおりである。
　　材料：６０００系アルミニウム合金（Ｔ４処理）、板厚ｔ＝２ｍｍ
　　板組：同種２枚板組
　　電極：Ｒ型電極、電極径φ１９ｍｍ、先端曲率半径１００ｍｍ
　　電極材質：クロム銅

　図８は、ナゲット端部近傍における硬度分布の測定結果を示す説明図である。
　図８に示す点線は、ナゲットの外縁を表している。通常通電＋ダウンスロープの場合は、ナゲットの端部にビッカース硬さが４５Ｈｖ～５５Ｈｖとなる領域が発現しているが、短時間通電の場合は、ナゲットの端部を含むナゲットの外周縁のビッカース硬さが６０Ｈｖ以上となり、ナゲット内部のビッカース硬さより高くなっている。そのため、通常通電＋ダウンスロープの場合には、ナゲットの端部に低荷重で応力が集中し、ナゲットの外周縁に沿ったき裂（剥離）が生じやすくなると考えらえる。
　一方、短時間通電の場合には、ナゲットの端部での局所的な強度低下が少なく、応力の集中が緩和され、その結果、ナゲットに沿ったき裂（剥離）が生じずに、アルミニウム材側にき裂が発生すると考えられる。その場合、アルミニウム材の破断が板厚の厚い位置で生じるため、破断強度が通常通電の場合よりも高くなる。

　つまり、本アルミニウム部材の抵抗スポット溶接方法においては、
　アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
　電極によるアルミニウム材への加圧力を２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下とし、
　溶接電流を２５（ｋＡ）以上、５０（ｋＡ）以下とし、
　溶接時間を３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下として抵抗スポット溶接すればよい。

　上記の条件で短時間通電を行う場合には、ナゲット近傍のアルミニウム材の硬度低下が抑制され、ナゲットに沿ったき裂（剥離）の進展を防止できる。これにより、アルミニウム材は母材強度に近い強度が確保され、通常通電の場合に比べて高い溶接強度を確保できる。また、加圧力を上記範囲に設定することで、溶接時における溶融アルミニウムの飛び散り（チリ）の発生を防止できる。

　なお、上記は、６０００系のアルミニウム合金の場合であるが、５０００系のアルミニウム合金等の非熱処理系合金の場合も同様である。５０００系のアルミニウム合金を用いる場合には、高い溶接性で、高強度かつ耐食性の良好な接合体が得られる。

　以上説明した傾向について、溶接時の加圧力Ｐ、溶接電流の電流値Ｉ、溶接時間Ｔｍ、アルミニウム材の板厚ｔ等の各条件を変更し、種々の供試片による試験結果を確認した。

　図９は、試験に用いるアルミニウム溶接継手（接合体）の平面図である。
　アルミニウム溶接継手は、ＪＩＳ　Ｚ　３１３７に準拠した十字引張試験片であり、ここでは、熱処理型の６０００系アルミニウム合金材（Ｔ４処理）からなる２枚のアルミニウム板を十字型に組み合わせ、互いの重なり部をスポット溶接することにより得た。

　アルミニウム板の寸法は、幅Ｗが５０ｍｍ、長さＬが１５０ｍｍ、厚さｔが２ｍｍであり、重ね代を５０ｍｍとした。スポット溶接機１１（図１）に用いる一対の電極１３，１５は、クロム銅製のＲ形電極であって、電極径が１９ｍｍ、先端曲率半径が１００ｍｍである。

　溶接時間Ｔｍで電極１３と電極１５との間に通電すると、電極１３，１５に挟まれた２枚のアルミニウム板の間に、図９に示すようにナゲット２５が形成される。これにより、２枚のアルミニウム板が一体化されたアルミニウム溶接継手（接合体）が得られる。

　表２は、図９に示す形状のアルミニウム溶接継手を作製する試験例１～１２の溶接条件を示している。ここでは、加圧力Ｐ１を３ｋＮ（試験例１～３），５ｋＮ（試験例４～９），７ｋＮ（試験例１０～１２）とし、溶接時間Ｔｍを６５ｍｓ，９０ｍｓの短時間通電と、１１５ｍｓ～１９０ｍｓの通常通電とした。溶接電流は、溶接時間に応じてナゲットサイズを揃えるために、３５ｋＡ～４５ｋＡの範囲で設定した。

　図１０は、加圧力Ｐ１を３ｋＮとした試験例１～３についてのＣＴＳの測定結果を示すグラフである。図１１は、加圧力Ｐ１を５ｋＮとした試験例４～９についてのＣＴＳの測定結果を示すグラフである。図１２は、加圧力Ｐ１を７ｋＮとした試験例１０～１２についてのＣＴＳの測定結果を示すグラフである。各試験例においては、複数回測定した結果をプロットしている。

　いずれの加圧力の場合でも、溶接時間Ｔｍが短い場合にＣＴＳの強度バラつきが小さくなる傾向を示している。

　図１３は、溶接時間を横軸とした場合の試験例１～１２のＣＴＳ平均値から３σを減じた値を示すグラフである。

　ＣＴＳ平均値から３σ（σ：標準偏差）で表されるバラつきを減じた値は、その試験条件において発現する最低ＣＴＳ値とみなせる。つまり、殆どの試験結果は、±３σの範囲内に収まり、その範囲内の最低値である－３σの値（絶対値はＣＴＳ－３σ）は、実質的に発現し得る最低ＣＴＳ強度を意味する値である。図１３からは、溶接時間Ｔｍが短いほどＣＴＳが大きな値となる頻度が増加していることが認められ、高い接合強度が安定して得られる傾向があることがわかる。好ましいＣＴＳ平均値から３σを減じた値は、板厚及びナゲット径の大きさに依存するが、１．４×ｔ（ｋＮ）以上であることが好ましく、より好ましくは１．６×ｔ（ｋＮ）以上、さらに好ましくは１．８×ｔ（ｋＮ）以上である。また、総じて３ｋＮ以上であることが好ましい。

　以上の試験例はアルミニウム材の板厚が２ｍｍの場合であるが、アルミニウム材の板厚を１ｍｍとした場合も同様の傾向が認められた。

　次に、溶接時間の短縮がＴＳＳに及ぼす影響について確認した結果を示す。
　表３は、アルミニウム溶接継手の試験例１３，１４の溶接条件を示している。試験例１３，１４におけるアルミニウム溶接継手は、アルミニウム板の幅Ｗが４０ｍｍ、長さＬが１２５ｍｍ、板厚ｔが２ｍｍであり、重ね代は４０ｍｍである。その他の条件は試験例１～１２の場合と同様である。試験例１３は溶接時間Ｔｍを６５ｍｓとした短時間通電の場合であり、試験例１４は溶接時間Ｔｍを１９０ｍｓとした通常通電の場合である。いずれの場合もアップスロープ時間を設けており、ダウンスロープ時間は設けていない。試験例１３，１４では、溶接電流を変化させて互いに異なるナゲット径にしている。

　図１４は、試験例１３，１４についての、ナゲット径に対するＴＳＳの分布を示すグラフである。
　図１４によれば、ＴＳＳはナゲット径が小さいほどＴＳＳも低下している。しかし、溶接時間Ｔｍが６５ｍｓであっても１９０ｍｓであっても、ナゲット径と相関に殆ど差が見られなかった。つまり、溶接時間Ｔｍを短縮してもＴＳＳには悪影響を及ぼさないことがわかる。

　次に、非熱処理系のアルミニウム合金製の試験片により溶接継手を作製し、この溶接継手のＣＴＳの強度を測定した結果を説明する。
　試験片及び溶接条件は次のとおりである。
　　材料：５０００系アルミニウム合金、板厚ｔ＝２ｍｍ
　　板組：同種２枚板組
　　電極：Ｒ型電極、電極径１９ｍｍ、先端曲率半径１００ｍｍ
　　電極材質：クロム銅

　表４は、上記のアルミニウム溶接継手の試験例１５，１６の溶接条件を示している。
　試験例１５，１６におけるアルミニウム溶接継手は、アルミニウム板の幅Ｗが５０ｍｍ、長さＬが１５０ｍｍ、板厚ｔが２ｍｍのＪＩＳ　Ｚ　３１３７に準拠した試験片である。

　試験例１５は、図２の（Ａ）に示す加圧力及び溶接電流の波形において、加圧力Ｐ１を５ｋＮ、加圧力Ｐ２は８ｋＮとし、スクイズ時間Ｔｓを１００ｍｓ、アップスロープ時間Ｔｕを２０ｍｓ、通電時間Ｔｃを８０ｍｓとして溶接時間Ｔｍを９０ｍｓにした短時間通電の条件で、溶接電流の電流値Ｉを２６．０～３２．５ｋＡの範囲で複数回溶接した。
　試験例１６は、試験例１５の通電時間Ｔｃを１８０ｍｓとして溶接時間Ｔｍを１９０ｍｓにした通常通電の条件で、溶接電流の電流値Ｉを２５．０～３０．０ｋＡの範囲で複数回溶接した。その他の条件は試験例１５と同様である。

　図１５は、試験例１５と試験例１６の溶接継手のナゲット径に対するＣＴＳの分布を示すグラフである。
　図１５から、短時間通電の溶接時間Ｔｍで溶接した溶接継手は、通常通電の溶接時間Ｔｍで溶接した溶接継手に比べて、ナゲット径が小さくても、約３．７ｋＮ以上のＣＴＳ強度を有し、ナゲット径が４√ｔ以上では４ｋＮ以上のＣＴＳ強度を維持できていることが分かる。つまり、短時間通電の場合は、通常通電の場合よりも溶接条件の裕度が広く、より安定して必要サイズのナゲットを形成できる。そして、通常通電の場合では、ナゲット径が７ｍｍまでシェア破断のままであるが、短時間通電の場合では、ナゲット径が５ｍｍ以上でプラグ破断となり、ナゲット径が７ｍｍ以下では、短時間通電の方が相対的に高い強度となる傾向であった。このように、プラグ破断を維持できる限界のナゲット径は、短時間通電の場合が通常通電の場合よりも小さくなり、短時間通電の方がより小さなナゲット径でもＣＴＳの強度を高められることが分かる。

　以上のように、短時間通電の場合には、ナゲット径が４√ｔであっても十分なＣＴＳの強度が得られ、破断形態はプラグ破断となる。

　以上説明した各試験例の結果から、複数のアルミニウム材を重ね合わせ、一対の電極でスポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法において、溶接時間を所定の短い範囲に抑えることにより、優れたアルミニウム材の接合体を安定して得ることの知見を得た。電極によるアルミニウム材への加圧力は、一般的な２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下の範囲でよく、溶接電流は、溶接時間に応じて一般的な２５（ｋＡ）以上又は３０（ｋＡ）以上で、且つ５０（ｋＡ）以下の範囲に設定すればよい。

　適切な溶接時間は、板厚ｔ（ｍｍ）に依拠しており、板厚が大きくなるほど適切な溶接時間は長くなる。各試験例の結果から、適切な溶接時間は３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下の範囲に設定すべきことが導き出せる。

　本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

　以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）　複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極によりスポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法であって、
　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
　前記電極による前記アルミニウム材への加圧力を２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下とし、
　溶接電流を２５（ｋＡ）以上、５０（ｋＡ）以下とし、
　溶接時間を３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下として抵抗スポット溶接する、アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
　このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、ＣＴＳを改善しつつ、強度バラつきを小さくでき、良好なスポット溶接を安定して実現できる。

（２）　前記溶接時間は、アップスロープ時間を含む、（１）に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
　このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、溶接時間を、溶接の実態を反映した適切な時間に算出できる。

（３）　前記アルミニウム材は熱処理型アルミニウム合金である、（１）又は（２）に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
　このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、溶接時の入熱によって低下した強度を熱処理によって元の強度に戻すことでき、高強度な接合体が得られる。

（４）　前記アルミニウム材は非熱処理型アルミニウム合金である、（１）又は（２）に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
　このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、高い溶接性で、高強度かつ耐食性の良好な接合体が得られる。

（５）　ＣＴＳの平均値から３σで表されるバラつきを減じた値が、１．４×ｔ（ｋＮ）以上となるように抵抗スポット溶接する、（１）～（４）のいずれか１つに記載の抵抗スポット溶接方法。
　このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、高い接合強度が安定して得られる。

（６）　複数のアルミニウム材が重なり合ってスポット溶接されたアルミニウム材の接合体であって、
　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
　前記アルミニウム材同士の間に形成されたナゲットの前記アルミニウム材同士の接合面に沿った端部から、該ナゲットの中心側と反対側に向けて、前記アルミニウム材の母材の硬度よりも低い前記スポット溶接による熱影響部が２．９×√ｔ（ｍｍ）以下の長さで形成されている、アルミニウム材の接合体。
　このアルミニウム材の接合体よれば、ＣＴＳを改善しつつ、ＣＴＳの強度バラつきが小さくなる。

（７）　前記ナゲットの外周縁におけるビッカース硬さが、前記ナゲットの内部におけるビッカース硬さより高い、（６）に記載のアルミニウム材の接合体。
　このアルミニウム材の接合体よれば、ナゲットの外周縁に沿ったアルミニウム材の剥離を防止でき、高い接合強度が得られる。

（８）　ＣＴＳ平均値から３σで表されるばらつきを減じた値は、１．４×ｔ（ｋＮ）以上である、（６）又は（７）に記載のアルミニウム材の接合体。
　このアルミニウム材の接合体によれば、高い接合強度が安定して得られる。

　なお、本出願は、２０２０年１０月２日出願の日本特許出願（特願２０２０－１６７６２３）、及び２０２１年１月２９日出願の日本特許出願（特願２０２１－１３５７７）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

１１　　スポット溶接機
１３　　電極
１５　　電極
１７　　溶接トランス部
１８　　電源部
１９　　制御部
２０　　電極駆動部
２１　　第１アルミニウム板（アルミニウム材）
２３　　第２アルミニウム板（アルミニウム材）
２５　　ナゲット（スポット溶接部）

Claims (10)

1. 　複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極によりスポット溶接するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
   　前記電極による前記アルミニウム材への加圧力を２（ｋＮ）以上、８（ｋＮ）以下とし、
   　溶接電流を２５（ｋＡ）以上、５０（ｋＡ）以下とし、
   　溶接時間を３０×ｔ（ｍｓ）以上、５０×ｔ（ｍｓ）以下として抵抗スポット溶接する、アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
2. 　前記溶接時間は、アップスロープ時間を含む、
   請求項１に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
3. 　前記アルミニウム材は熱処理型アルミニウム合金である、請求項１に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
4. 　前記アルミニウム材は熱処理型アルミニウム合金である、請求項２に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
5. 　前記アルミニウム材は非熱処理型アルミニウム合金である、請求項１に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
6. 　前記アルミニウム材は非熱処理型アルミニウム合金である、請求項２に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
7. 　ＣＴＳの平均値から３σで表されるバラつきを減じた値が、１．４×ｔ（ｋＮ）以上となるように抵抗スポット溶接する、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
8. 　複数のアルミニウム材が重なり合ってスポット溶接されたアルミニウム材の接合体であって、
   　前記アルミニウム材の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
   　前記アルミニウム材同士の間に形成されたナゲットの前記アルミニウム材同士の接合面に沿った端部から、該ナゲットの中心側と反対側に向けて、前記アルミニウム材の母材の硬度よりも低い前記スポット溶接による熱影響部が２．９×√ｔ（ｍｍ）以下の長さで形成されている、アルミニウム材の接合体。
9. 　前記ナゲットの外周縁におけるビッカース硬さが、前記ナゲットの内部におけるビッカース硬さより高い、請求項８に記載のアルミニウム材の接合体。
10. 　ＣＴＳ平均値から３σで表されるばらつきを減じた値は、１．４×ｔ（ｋＮ）以上である、
    請求項８又は９に記載のアルミニウム材の接合体。

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