WO2024057602A1 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

スパッタの発生を抑制しつつ、短時間でナゲットを所望の大きさに成長させることができる技術を提供する。抵抗スポット溶接方法は、溶接部分においてナゲットの外周に形成され、溶接対象である金属板におけるめっき層の構成材料と金属板の母材とで成る合金層の直径である合金層径が予め定めた目標径になるまで通電を行うプレ通電工程と、プレ通電工程の後に通電を行う本通電工程と、を含む。プレ通電工程は、予め定められた閾値電流よりも高い電流で通電を行う高電流通電と閾値電流以下の電流で通電を行う低電流通電とを１０ｍｓ未満の間隔で繰り返し行うパルセーション通電を含む。パルセーション通電は、高電流通電を２回以上含む。

Description

抵抗スポット溶接方法 関連出願の相互参照

　本願は、その全ての開示が参照により組み込まれる、２０２２年９月１６日に出願され出願番号２０２２－１４７７２０の日本国特許出願に基づく優先権を主張する。

　本開示は、抵抗スポット溶接方法に関する。

　抵抗スポット溶接において、通電を、本通電と本通電に先立つプレ通電とに分ける技術が知られている。国際公開２０１５／０８３３８１号公報には、高い電流で通電を行う高電流通電と、低い電流通電を行う低電流通電とで複数段にわけてプレ通電（初期通電）を行う技術が記載されている。

　高電流通電を長時間行うと、ナゲットが急成長してスパッタが発生するおそれがあるが、低電流通電のみでは、ナゲットを所望の大きさに成長させるまでに時間がかかりすぎるおそれがある。そのため、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間でナゲットを所望の大きさに成長させることができる技術が求められていた。

　本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、抵抗スポット溶接方法が提供される。この抵抗スポット溶接方法は、溶接部分においてナゲットの外周に形成され、溶接対象である金属板におけるめっき層の構成材料と前記金属板の母材とで成る合金層の直径である合金層径が予め定めた目標径になるまで通電を行うプレ通電工程と、前記プレ通電工程の後に通電を行う本通電工程と、を含む。前記プレ通電工程は、予め定められた閾値電流よりも高い電流で通電を行う高電流通電と前記閾値電流以下の電流で通電を行う低電流通電とを１０ｍｓ未満の間隔で繰り返し行うパルセーション通電を含む。前記パルセーション通電は、前記高電流通電を２回以上含む。
　この形態の抵抗スポット溶接方法によれば、プレ通電工程において、１０ｍｓ未満の短い時間間隔で高電流通電と低電流通電とを繰り返すため、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。
（２）上記形態の抵抗スポット溶接方法において、前記本通電工程は、時間経過と共に電流を増加させながら通電を行うスロープ通電と、一定の電流で通電を行う定電流通電とを含んでもよい。
　この形態の抵抗スポット溶接によれば、スロープ通電のみまたは定電流通電のみの場合と比べて、ワークの溶融部の急激な温度上昇を抑えつつ、短時間でナゲットを成長させることができる。
（３）上記形態の抵抗スポット溶接方法であって、前記本通電工程は、前記ナゲットの直径であるナゲット径が予め定めた狙いナゲット径になるまで通電を行い、前記目標径は、前記狙いナゲット径の１．２倍以上でもよい。
　この形態の抵抗スポット溶接によれば、スパッタの発生を抑制できる。
（４）上記形態の抵抗スポット溶接方法であって、前記低電流通電における電流は、前記高電流通電における電流の１／３倍以上かつ２／３倍以下でもよい。
　この形態の抵抗スポット溶接によれば、低電流で通電した後に、高電流まで電流が上がりきらないことや、合金層が形成されないことを抑制できる。
（５）上記形態の抵抗スポット溶接方法であって、前記本通電工程は、前記高電流通電における電流以下であり、かつ前記低電流通電における電流以上である一定の電流で通電を行う定電流通電を含んでもよい。
　この形態の抵抗スポット溶接によれば、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。
（６）上記形態の抵抗スポット溶接方法であって、前記本通電工程は、前記スロープ通電において予め定められた第１電流まで電流を増加させながら通電を行った後に、前記第１電流以上の電流で前記定電流通電を行ってもよい。
　この形態の抵抗スポット溶接によれば、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。

　なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、抵抗スポット溶接装置等の態様で実現することが可能である。

本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
抵抗スポット溶接装置の構成を示す図である。 抵抗スポット溶接の一例を示すフローチャートである。 ナゲット径に対する合金層径の比率と、スパッタの発生の有無との関係を確認するために行った実験結果を示す図である。 電流の変化の一例を示したグラフである。 第２実施形態における電流の変化の一例を示したグラフである。 第３実施形態における電流の変化の一例を示したグラフである。

Ａ．第１実施形態：
　図１は、本実施形態における、抵抗スポット溶接装置１００の構成を示す模式図である。以下の説明において、上下方向は、図１に示すように、可動電極である後述する上側電極チップ２１が昇降する昇降方向と平行な方向である。抵抗スポット溶接装置１００は、２以上の金属板が重ね合わされた被接合部材Ｗを抵抗スポット溶接により接合する。抵抗スポット溶接装置１００は、溶接ガン１０と、電源装置３０と、電流センサ５３と、電圧センサ５４と、制御部８０とを備えている。

　被接合部材Ｗは、鋼鉄板であり、例えば、表面が溶融亜鉛メッキ、合金化溶融亜鉛メッキ、亜鉛酸化膜、アルミニウム・シリコン合金からなるめっき層を有する鋼鉄板が挙げられる。本実施形態において、被接合部材Ｗとして、２以上の金属板である第１金属板Ｗ１と、第２金属板Ｗ２とが重ね合わされている場合を例示している。

　溶接ガン１０は、図示しないロボットアームの先端に取り付けられている。ガン本体１１は、ロボットアームにより被接合部材Ｗの目的の溶接点まで移動される。溶接ガン１０は、ガン本体１１と、移動機構２０と、対向する一対の電極チップ２１、２２と、加圧装置４０とを有する。上側電極チップ２１は、可動電極であり、ガン本体１１の上部に取り付けられている。下側電極チップ２２は、固定電極であり、ガン本体１１の下部であって上側電極チップ２１と対向する位置に取り付けられている。なお、上側電極チップ２１が固定電極で、下側電極チップ２２が可動電極であってもよい。

　移動機構２０は、上側電極チップ２１を昇降させる。移動機構２０は、図示しないサーボモータを有し、サーボモータの回転力を昇降方向の直線移動力に変換し、変換した直線移動力を上側電極チップ２１に伝達することにより、上側電極チップ２１を昇降させる。電源装置３０は、目標の電流値の溶接電流を一対の電極チップ２１、２２間に供給する。加圧装置４０は、図示しないシリンダーを備え、電極チップ２１、２２を被接合部材Ｗに押し付けて加圧する。

　電流センサ５３は、電源装置３０から供給される溶接電流の電流値を検出し、予め定められた時間毎に、電流値を示す信号を制御部８０に送信する。電流センサ５３は、例えば、トロイダルコイルを用いて実現される。電圧センサ５４は、予め定められた時間毎に、上側電極チップ２１と下側電極チップ２２との間の電圧値を検出し、電圧値を示す信号を制御部８０に送信する。

　制御部８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭにより構成されたマイクロコンピュータ等からなる。制御部８０は、予めインストールされたプログラムをマイクロコンピュータが実行することによって、抵抗スポット溶接装置１００の動作を制御する。より具体的には、電流値、通電時間、電極の加圧力、通電タイミング、および加圧タイミング等を統合的に制御する。ただし、機能の一部又は全部をハードウエア回路で実現してもよい。

　図２は、抵抗スポット溶接の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１００で、抵抗スポット溶接装置１００は、プレ通電による溶接を行う。この工程をプレ通電工程ともいう。本実施形態において、プレ通電とは、被接合部材Ｗに形成される合金層の直径である合金層径が予め定めた目標径になるまで行う通電である。より具体的には、プレ通電は、予め実験的経験的に求められた、合金層径が目標径になるまでの時間および電流で行う通電である。

　合金層は、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２とが溶融して合金が形成されている層である。より具体的には、合金層は、溶接部分においてナゲットの外周に成形され、溶接対象である第１金属板Ｗ１および第２金属板Ｗ２におけるめっき層の構成材料と、第１金属板Ｗ１および第２金属板Ｗ２の母材とで成る層である。合金層径は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察して合金層であると判定した箇所を計測することで、求められる。

　合金層は、通電によって第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との境界部分の温度上昇に伴い、形成される。例えば、合金層は、被接合部材Ｗの温度が１２００度以上であり、かつ１５００度以下において、形成される。通電が継続されることで、合金層が成長して、合金層径が大きくなる。さらに通電が継続されることで、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との溶融部分の温度上昇に伴い、合金層の中央部にナゲットが形成される。

　本実施形態において、目標径は、後述する本通電工程において形成する所望のナゲットの直径である狙いナゲット径の１．２倍である。目標径は狙いナゲット径の１．２倍以上であり、１．５倍以下であることが好ましい。ナゲット径は、例えば、被接合部材Ｗの面方向に対する垂線方向での膨張量と、一対の電極チップ２１および電極チップ２２間の電気抵抗値を用いて推定できる。

　図３は、ナゲット径に対する合金層径の比率と、スパッタの発生の有無との関係を確認するために行った実験結果を示す図である。図３において、×印はスパッタが発生したことを示し、○印はスパッタが発生しなかったことを示す。図３に示すように、通電を行った時間にかかわらず、ナゲット径に対する合金層径の比率が１．２を下回る場合、スパッタの発生頻度が高い。また、通電を行った時間にかかわらず、ナゲット径に対する合金層径の比率が１．２を上回る場合、スパッタの発生が抑制されている。すなわち、合金層径が狙いナゲット径の１．２倍以上である場合、合金層径が狙いナゲット径の１．２倍未満である場合よりもスパッタの発生が抑制されることが、実験的に確認された。

　本実施形態において、プレ通電工程は、予め定められた閾値電流よりも高い電流で通電を行う高電流通電と閾値電流以下の電流で通電を行う低電流通電とを１０ｍｓ未満の間隔で繰り返し行うパルセーション通電を行う。閾値電流は、予め、実験的または経験的に定めることができる。

　ステップＳ１１０（図２参照）において、抵抗スポット溶接装置１００は、本通電による溶接を行う。この工程を本通電工程ともいう。本実施形態において、本通電工程は、ナゲット径が予め定めた狙いナゲット径になるまで通電を行う工程である。また、本実施形態において、本通電工程は、一定の電流で通電を行う定電流通電を行う。定電流通電における電流は、予め、実験的または経験的に定めることができる。

　図４は、抵抗スポット溶接における電流の変化の一例を示したグラフである。図４において、縦軸は電流を示し、横軸は時間を示す。本実施形態において、抵抗スポット溶接装置１００は、３０ｍｓプレ通電工程を行った後、２００ｍｓ本通電工程を行っている。

　本実施形態において、パルセーション通電は、３回の高電流通電と２回の低電流通電を含んでいる。より具体的には、高電流通電を６ｍｓ行った後に、低電流通電を６ｍｓ行い、再度、高電流通電を６ｍｓ行った後に、低電流通電を６ｍｓ行い、最後に高電流通電を６ｍｓ行う。いずれの高電流通電も同じ高電流Ｉ１で通電を行い、いずれの低電流通電も同じ低電流Ｉ２で通電を行う。

　高電流Ｉ１は、８ｋＡ以上であって、１５ｋＡ以下であることが好ましい。高電流Ｉ１での通電時間ｔ１は、４ｍｓ以上であって、８ｍｓ以下であることが好ましい。低電流Ｉ２は、高電流Ｉ１の１／３以上であって、高電流Ｉ１の２／３以下であることが好ましい。高電流Ｉ１と低電流Ｉ２との差が大きすぎると、低電流Ｉ２で通電した後に、高電流Ｉ１まで電流が上がりきらず、溶接できないおそれがある。また、高電流Ｉ１と低電流Ｉ２との差が小さすぎると、低電流Ｉ２での通電によって合金層が形成されずに、ナゲットが形成されるおそれがある。そのため、高電流Ｉ１と低電流Ｉ２との差は５ｋＡ程度であることが好ましい。低電流Ｉ２での通電時間ｔ２は、４ｍｓ以上であって、８ｍｓ以下であることが好ましい。パルセーション通電は、高電流通電を２回以上であって、５回以下含んでいることが好ましい。パルセーション通電における総合通電時間ｔ３は、２０ｍｓ以上であって、４０ｍｓ以下であることが好ましい。

　本実施形態において、本通電は、一定の電流Ｉｅで２００ｍｓ通電を行う定電流通電を行う。電流Ｉｅは、高電流Ｉ１以下であって、低電流Ｉ２以上であることが好ましい。

　以上で説明した本実施形態の抵抗スポット溶接方法によれば、プレ通電工程において、１０ｍｓ未満の短い時間間隔で高電流通電と低電流通電とを繰り返すため、高電流通電によって被接合部材Ｗの溶接点の温度を合金層が生成する温度域に上昇させつつ、低電流通電によってスパッタの発生を抑制出来る。すなわち、スパッタが発生することを抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。

　また、プレ通電工程では、最後に高電流通電を行い、本通電工程へと進んでいる。そのため、プレ通電工程から本通電工程へと進む際に、電流が急に高くなることを回避できる。この結果、本通電工程において被接合部材Ｗの溶融部の温度が急激に上昇することを抑制出来るため、スパッタが発生することを抑制できる。

　また、プレ通電で形成する合金層径は、本通電で形成する所望のナゲット径の１．２倍以上である。そのため、合金層径が所望するナゲット径の１．２倍未満である場合よりもスパッタの発生を抑制できる。

　また、低電流Ｉ２は、高電流Ｉ１の１／３倍以上かつ２／３倍以下である。そのため、低電流Ｉ２で通電した後に、高電流Ｉ１まで電流が上がりきらないことや、合金層が形成されないことを抑制できる。

　また、本通電工程における電流Ｉｅは、高電流Ｉ１以下であり、かつ低電流Ｉ２以上である。そのため、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。

Ｂ．第２実施形態：
　第２実施形態におけるスポット溶接方法は、プレ通電工程（図２のステップＳ１００参照）が、時間経過と共に電流を増加させながら通電を行うスロープ通電を含む点が第１実施形態におけるスポット溶接方法と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。第２実施形態の抵抗スポット溶接装置１００の構成は、第１実施形態の抵抗スポット溶接装置１００の構成と同一であるため、抵抗スポット溶接装置１００の構成の説明は省略する。

　図５は、第２実施形態における電流の変化の一例を示したグラフである。図５において、縦軸は電流を示し、横軸は時間を示す。本実施形態において、抵抗スポット溶接装置１００は、２００ｍｓプレ通電工程を行った後、２００ｍｓ本通電工程を行っている。

　第２実施形態におけるスロープ通電は、低電流Ｉ２以上であって高電流Ｉ１以下の電流Ｉ３から、電流Ｉ３より大きく高電流Ｉ１以下の電流Ｉ４まで時間経過と共に電流を増加させながら通電を行う。

　以上で説明した第２実施形態の抵抗スポット溶接方法によれば、パルセーション通電の後にスロープ通電を行うため、ナゲット径と合金層径との比率を保ちつつ、より大きな合金層を生成することができる。

Ｃ：第３実施形態：
　第３実施形態におけるスポット溶接方法は、本通電工程（図２のステップＳ１１０参照）が、スロープ通電を含む点が第１実施形態におけるスポット溶接方法と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。第３実施形態の抵抗スポット溶接装置１００の構成は、第１実施形態の抵抗スポット溶接装置１００の構成と同一であるため、抵抗スポット溶接装置１００の構成の説明は省略する。

　図６は、第３実施形態における電流の変化の一例を示したグラフである。図６において、縦軸は電流を示し、横軸は時間を示す。本実施形態において、抵抗スポット溶接装置１００は、３０ｍｓプレ通電工程を行った後、２００ｍｓ本通電工程を行っている。

　第３実施形態における本通電は、スロープ通電を１００ｍｓ行った後に電流Ｉｅでの定電流通電を１００ｍｓ行う。スロープ通電は、低電流Ｉ２以上であって電流Ｉｅ以下の電流Ｉｓから、電流Ｉｅまで電流を増加させながら通電を行う。スロープ通電は、定電流通電における電流以下まで電流を増加させる通電を行うことが好ましい。すなわち、定電流通電における電流は、スロープ通電において増加させた電流以上であることが好ましい。

　以上で説明した第３実施形態の抵抗スポット溶接方法によれば、本通電がスロープ通電のみまたは定電流通電のみの場合と比べて、ワークの溶融部の急激な温度上昇を抑えつつ、短時間でナゲットを成長させることができる。

　また、スロープ通電において予め定められた第１電流、すなわち、電流Ｉｅまで電流を増加させて通電を行い、電流Ｉｅで定電流通電を行っている。そのため、スパッタの発生を抑制しつつ、短時間で所望の大きさのナゲットを生成できる。

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上述した実施形態において、パルセーション通電は、３回の高電流通電と２回の低電流通電を含んでいる。これに限らず、パルセーション通電は、２回以上の高電流通電を含んでいればよい。より具体的には、パルセーション通電は、第１高電流で１０ｍｓ未満の通電を行う第１高電流通電と、第１高電流より低い低電流で１０ｍｓ未満通電を行う第１低電流通電と、低電流より高い第２高電流で１０ｍｓ未満通電を行う第２高電流通電とを、これらの順で行う通電を含んでいればよい。

（Ｄ２）上述した実施形態において、パルセーション通電は高電流通電から始まっている。これに限らず、パルセーション通電は低電流通電から始まってもよい。

（Ｄ３）上述した実施形態において、いずれの高電流通電も同じ高電流Ｉ１で同じ通電時間ｔ１通電を行い、いずれの低電流通電も同じ低電流Ｉ２で同じ通電時間ｔ２通電を行っている。これに限らず、高電流通電が常に低電流通電より高い電流で通電する通電であれば、パルセーション通電における各高電流通電の電流と通電時間および各低電流通電における電流と通電時間は任意に定めることができる。

（Ｄ４）上述した第２実施形態において、プレ通電工程は、パルセーション通電の後にスロープ通電を行う通電である。これに限らず、スロープ通電の後にパルセーション通電を行う通電でもよい。また、パルセーション通電とスロープ通電とを複数回行う通電でもよい。

（Ｄ５）上述した第３実施形態において、本通電工程は、スロープ通電の後に定電流通電を行う通電である。これに限らず、本通電工程は、定電流通電の後にスロープ通電を行う通電でもよく、スロープ通電のみを行う通電でもよい。また、本通電工程は、定電流通電とスロープ通電とをそれぞれ複数回行う通電でもよい。

（Ｄ４）上述した第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせた通電を行ってもよい。より具体的には、プレ通電工程は、パルセーション通電の後にスロープ通電を行う通電であり、本通電工程には、スロープ通電の後に定電流通電を行う通電でもよい。

　本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…溶接ガン、１１…ガン本体、２０…移動機構、２１…上側電極チップ、２２…下側電極チップ、３０…電源装置、４０…加圧装置、５３…電流センサ、５４…電圧センサ、８０…制御部、１００…抵抗スポット溶接装置、Ｗ…被接合部材、Ｗ１…第１金属板、Ｗ２…第２金属板

Claims (6)

1. 　抵抗スポット溶接方法であって、
   　溶接部分においてナゲットの外周に形成され、溶接対象である金属板におけるめっき層の構成材料と前記金属板の母材とで成る合金層の直径である合金層径が予め定めた目標径になるまで通電を行うプレ通電工程と、
   　前記プレ通電工程の後に通電を行う本通電工程と、を含み、
   　前記プレ通電工程は、予め定められた閾値電流よりも高い電流で通電を行う高電流通電と前記閾値電流以下の電流で通電を行う低電流通電とを１０ｍｓ未満の間隔で繰り返し行うパルセーション通電を含み、
   　前記パルセーション通電は、前記高電流通電を２回以上含む、抵抗スポット溶接方法。
2. 　請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記本通電工程は、時間経過と共に電流を増加させながら通電を行うスロープ通電と、一定の電流で通電を行う定電流通電とを含む、抵抗スポット溶接方法。
3. 　請求項１または請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記本通電工程は、前記ナゲットの直径であるナゲット径が予め定めた狙いナゲット径になるまで通電を行い、
   　前記目標径は、前記狙いナゲット径の１．２倍以上である、抵抗スポット溶接方法。
4. 　請求項１または請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記低電流通電における電流は、前記高電流通電における電流の１／３倍以上かつ２／３倍以下である、抵抗スポット溶接方法。
5. 　請求項１または請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記本通電工程は、前記高電流通電における電流以下であり、かつ前記低電流通電における電流以上である一定の電流で通電を行う定電流通電を含む、抵抗スポット溶接方法。
6. 　請求項２に記載の抵抗スポット溶接方法であって、
   　前記本通電工程は、前記スロープ通電において予め定められた第１電流まで電流を増加させながら通電を行った後に、前記第１電流以上の電流で前記定電流通電を行う、抵抗スポット溶接方法。

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