JP6160581B2 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

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方法に関し、特に被処理材中に、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度亜鉛めっき鋼板を含む場合、さらには鋼板間に意図しない隙間（板隙ともいう）が存在する場合であっても、散りなどの発生なしに適正な大きさの溶融部（ナゲット）の形成を図ろうとするものである。

近年、車体の信頼性向上と、大気汚染物質削減のための車体重量の軽減とを併せて達成するために、鋼板の高強度化が進められている。かような高強度鋼板の採用により、車体が薄肉化、軽量化されても同程度の車体剛性が得られるようになった。しかし、いくつかの課題も指摘されている。その一つが、車体組立における溶接部の品質が、高強度化するにつれて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、以下電極対という）で挟み、加圧、通電することによって接触部を溶融させ、必要サイズのナゲット６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度（継手のせん断方向に引張試験をしたときの強さ）や十字引張強度（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。

高強度鋼板を使用した場合に継手強度を確保するための手段としては、溶接法の観点からは、打点数を増やしたり、ナゲット径を拡大することが考えられる。しかし、打点数を増加させると分流の影響が大きくなる。さらには作業時間の増加につながり生産性を悪化させる。また、ナゲット径を拡大するには、電極を大きくしたり、溶接金属の飛散（散り）を防ぐために加圧力を増加しなければならない。これは、装置的な制約が大きいだけでなく、さらには熱影響部が拡大するため母材性状が損なわれる。
特に自動車に適用する場合には、鋼板の表面に、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。そして、かような亜鉛めっき層を有する場合には、一層散りが発生し易くなることから、ナゲットの形成に悪影響を及ぼす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、二段目以降を冷却・通電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、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、アップスロープおよび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、実際の自動車組立における溶接現場では、部材位置は必ずしも安定しておらず、鋼板の加圧状態が一定となっているとは限らない。この点、特許文献１〜４に記載の方法は、板組が電極によって十分に加圧・接触している状態を前提としているため、鋼板間に意図しない隙間（板隙）が存在していた場合には、散りが発生し、満足いくナゲット径の確保が難しいという問題があった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、板組の一部に、散りが発生し易い高張力亜鉛めっき鋼板を含み、さらに鋼板間に板隙が存在して一層散りが発生し易い状態であっても、散りの発生なしに、安定して十分な径のナゲットを形成することの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。

さて、発明者らは、上記の課題を解決するために、高張力亜鉛めっき鋼板を含む板組の抵抗スポット溶接における板隙の影響について検討を重ねた。
すなわち、板隙を模擬し、図２に示すように、鋼板１，２間の片側に絶縁体７を挟み込んで、各電流値での溶接試験およびそのときの数値解析を行った。

その結果、板隙が大きく、十分に加圧・接触していない状態では、通電初期に高い電流値を印加したとしても、その通電時間が短ければ、散りは発生せず、電極直下で急激に発熱して鋼板が軟化するという現象が見られた。これは、特に通電初期では、鋼板温度は室温か、他の溶接点からの影響を受けたとしても十分に低いため、固有抵抗が低く、電流密度による発熱が主となるためであると考えられる。
一方、板隙がなく、十分に加圧されている状態で、通電初期に高い電流値を印加した場合には、逆に散りが発生することもあった。これは、電極による接触部に電流が集中することによって、急激に溶融し、散りとなって飛散したことが原因と考えられる。

そこで、次に発明者らは、上記の現象を活用し、ナゲットを形成するための本通電に先立ち、特定の電流を印加することで(初期通電)、散りの発生なしに鋼板間の接触を確保できないかについて検討を行った。その際、現場施工を考慮して、板隙の影響は電極間距離として置き換えて、鋼板の板厚に対する比で検討した。
供試鋼板としては、引張強さが７８０〜１１８０ＭＰａ、板厚が１．０〜１．６ｍｍの高張力溶融亜鉛めっき鋼板を用いた。また、鋼板間距離もしくは電極間距離を調整するために、図２に示すように所定の厚みを有する直方体状の絶縁物７を鋼板１，２間に挟み込んで、実験を行った。

図３に、ナゲットを形成するための本通電における電流値Ｉ_ｍに対する初期通電の電流値Ｉ_ｓの比について検討した結果を示す。ここに、Ｉ_ｓは、本通電の電流値Ｉ_ｍよりも電流値が上回っている時間帯における初期通電の電流値の平均値を意味する。また、図中、Ｌは初期通電開始時の電極対の中心間の距離、ｔは鋼板の合計厚みであり、散りの発生がなかった場合を○、散りが発生した場合を×，また散りが発生したとしてもその程度の小さいものを△として整理した。なお、初期通電における電流時間は６０ｍｓ、本通電における電流時間は２８０ｍｓの一定とした。

図３に示したとおり、Ｌ／ｔ比を調整した上で、Ｉ_ｓ／Ｉ_ｍ比を適正に調整することにより、散り発生の防止に関し顕著な効果が得られることが判明した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する母材引張強さが７８０ＭＰａ以上の亜鉛めっき高張力鋼板を少なくとも１枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、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において、本通電とそれに先立つ初期通電にて構成され、
(1) 重ね合わせた各鋼板の合計厚みをｔ、電極対の中心間の距離をＬとしたとき、当該ｔとＬが、次の関係式
０．９×ｔ ≦ Ｌ ≦ １．１×ｔ
を満足する状態で初期通電を開始すること、および
(2) 上記初期通電において本通電よりも高い電流値を印加する
ことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。

２．前記初期通電の電流値が前記本通電の電流値よりも上回っている時間をＴ_ｓとしたとき、このＴ_ｓが次式
１０ｍｓ ≦ Ｔ_ｓ ≦ １００ｍｓ
の範囲を満足することを特徴とする前記１に記載の抵抗スポット溶接方法。

３．前記本通電の電流値よりも上回っている時間帯における初期通電の電流値の平均をＩ_ｓとしたとき、このＩ_ｓが本通電における電流値Ｉ_ｍとの関係で、次式
Ｉ_ｍ ×１．１ ≦ Ｉ_ｓ ≦ １５．０ｋＡ
の範囲を満足することを特徴とする前記１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。

４．前記初期通電の前に、さらに予備通電を施すものとし、該予備通電における電流値Ｉ_ｐ，通電時間Ｔ_ｐがそれぞれ、次式
１０ｍｓ ≦ Ｔ_ｐ ≦ １００ｍｓ
Ｉ_ｍ ×０．６ ≦ Ｉ_ｐ ≦ Ｉ_ｍ×０．９５
の範囲を満足することを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明によれば、高張力亜鉛めっき鋼板を少なくとも１枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組に対して抵抗スポット溶接方法を施すに際し、たとえ板組間に板隙が生じていた場合であっても、散りの発生なしに十分な径のナゲットを形成することができ、産業上極めて有用である。

抵抗スポット溶接の構成を示す図である。 鋼板間の片側に絶縁体を挟み込んだ状態を示す図である。 Ｌ／ｔ比とＩ_ｓ／Ｉ_ｍ比が散りの発生に及ぼす影響を示す図である。 鋼板の合計厚みｔと電極対の中心間の距離Ｌの説明図である。 本発明における電流値・通電時間・冷却時間の関係を示す図である。 初期通電の直前に予備通電を実施した場合の電流波形を示した図である。 実施例２にてナゲット径を評価するための切断箇所を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の抵抗スポット溶接方法は、図１に示したように、亜鉛めっき鋼板や高張力鋼板を含む複数枚の鋼板を重ね合わせた（ここでは、下の鋼板１と上の鋼板２の２枚のうち、鋼板１が高張力亜鉛めっき鋼板である）板組３を、上下一対の電極４，５(電極対)で挟み、加圧しながら通電して、必要サイズのナゲット６を形成して溶接継手を得るものである。

本発明において、板組のうち少なくとも１枚を高張力亜鉛めっき鋼板としたのは、高張力亜鉛めっき鋼板は、通常の鋼板に比べると、散りが発生しやすく、ましてや板隙があるとさらに散りが発生しやすい鋼板だからである。

かかるスポット溶接の実施に供して好適な溶接装置は、上下一対の電極を備え、一対の電極で溶接する部分を挟んで、加圧、通電でき、また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な加圧力制御装置および溶接電流制御装置を有していれば、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。

本発明では、通電開始時に、図４に示す重ね合わせた各鋼板の合計厚みｔと上下電極の中心間距離Ｌとが、次式
０．９×ｔ ≦ Ｌ ≦ １．１×ｔ
の関係を満足する状態にしておくことが重要である。
Ｌ／ｔが０．９を下回ると電極接触部が広い状態であり、通電による発熱効果が小さくなり、一方１．１を上回ると発熱による軟化を生じさせたとしても板組間の接触部を確保出来ないという不都合が生じる。好ましくは０．９×ｔ≦Ｌ≦１．０×ｔの範囲である。
上記の設定は、鋼板間に板隙が存在している場合を想定しているが、かかる板隙の原因としては、例えば車体においては形状不整合によるフランジの板隙などが考えられる。
ただし、１．１≧Ｌ／ｔ＞１．０の範囲は，溶接点近傍に鋼板の接触部あるいは既溶接点、または部材全体が導体であるなどの何がしかの電流経路があることを前提としている。電流経路が存在しない場合は通電出来ないため、本発明によっても溶接することは困難である。

一方、通電開始後のＬ／ｔについては、特に制限はないが、通常は、通電による鋼板の軟化に伴ってＬ／ｔは次第に低下して行き、通電後半では形成された溶融部（ナゲット）の拡大に起因してＬ／ｔは幾分大きくなる過程を経る。なお、かような通電期間中におけるＬ／ｔの好適範囲は０．９×ｔ≦Ｌ≦１．０×ｔである。
また、通電開始時に付加される加圧力は、通常、２．０〜７．０ｋＮ程度である。

そして、初期通電を開始する。初期通電では、本通電に先立ち接触面積を十分確保させる。その後の本通電にて、適正径のナゲットを形成させる。
ここに、初期通電においては、本通電におけるよりも高い電流値を印加することが重要である。
というのは、ナゲットを形成するのに必要な電流値より相対的に高い電流値を短時間通電することにより、電極直下に電流密度による発熱が起こるため、鋼板が軟化して、電極間の距離を大幅に縮めることができるからである。

かかる実施形態における電流波形を図５に示す。
同図に示したように、本発明では、通電時間Ｔ_ｍ、通電電流Ｉ_ｍからなる本通電に先立ち、本通電の電流値よりも上回っている通電時間Ｔ_ｓ、その時間帯における平均電流値Ｉ_ｓからなる初期通電を施す。ここで平均値とは、Ｔ_ｓをＮ等分した際に，開始点（０番目）からＮ番目までのＮ＋１個の各時点における電流値を２乗したのち合算し、Ｎ＋１で割り、平方根をとった値を意味する。
本発明に従う電流制御は、例えば、設定電流に到達する前に、設定電流よりも高くなるような、言い換えればオーバーシュートを起こすように溶接機の設定を行うか、多段の電流制御が可能であればそれを用いることによって実現することができる。

ここに、初期通電における通電時間Ｔ_ｓは
１０ｍｓ ≦ Ｔ_ｓ ≦ １００ｍｓ
の範囲とすることが好ましい。
Ｔ_ｓが１０ｍｓに満たないと電流密度による十分な発熱が得られず、一方１００ｍｓを超えると、亜鉛めっき鋼板では散り発生のおそれが大きくなる。
Ｔ_ｓのより好適な範囲は、１０ｍｓ≦Ｔ_ｓ≦６０ｍｓである。

また、初期通電の通電時間Ｔ_ｓにおける平均電流値Ｉ_ｓは、本通電における電流値Ｉ_ｍとの関係で、次式
Ｉ_ｍ ×１．１ ≦ Ｉ_ｓ ≦ １５．０ｋＡ
の範囲を満足させることが好ましい。
初期通電の通電時間Ｔ_ｓにおける平均電流値Ｉ_ｓが、Ｉ_ｍ ×１．１に満たないと電流密度による十分な発熱が得られず、一方１５．０ｋＡを超えると、高張力亜鉛めっき鋼板では散りの発生が避けられない。入熱過剰を抑制するという観点からは、好適にはＩ_ｍ≦Ｉ_１≦１２．０ｋＡの範囲である。なお、本通電が２段以上の電流値制御を行う場合には、本通電における電流値Ｉ_ｍはそれらの平均値とする。

さらに、本発明では、上記した初期通電の前に、Ｌ／ｔ比を調整する手段として予備通電を施すことができる。かかる予備通電における電流値Ｉ_ｐおよび通電時間Ｔ_ｐはそれぞれ、次式
１０ｍｓ ≦ Ｔ_ｐ ≦ １００ｍｓ
Ｉ_ｍ ×０．６ ≦ Ｉ_ｐ ≦ Ｉ_ｍ×０．９５
の範囲を満足させることが好適である。

なお、本発明において、亜鉛を主成分とするめっき層とは、従来から公知の亜鉛めっき層をすべて意味し、溶融亜鉛めっき層や電気亜鉛めっき層を初めとして、Ｚｎ−Ａｌめっき層やＺｎ−Ｎｉめっき層等を含むものである。その他、Ａｌを主成分とするようなめっき層であればいずれもが適用可能である。

（実施例１）
本発明の実施例として、前述の図１に示したように、２枚の鋼板（下の鋼板１、上の鋼板２）を重ねた板組３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、図５に示したような電流波形とし、表１に示す条件で行った。なお、加圧力は４．５ｋＮ、本通電時間Ｔｍは１４サイクル（２８０ｍｓ）の一定とした。また、実験に際しては、溶接点から見て２５ｍｍ離れた位置に直方体状の絶縁体を挿入し、電極間距離が所定の距離となるように調整した。なお、絶縁体を挿入した箇所は一カ所のみである。
また、電極としては、先端の曲率半径Ｒ４０、先端径６ｍｍ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、７９３ＭＰａから１５３０ＭＰａまでの１ｍｍから２ｍｍの高張力亜鉛めっき鋼板を使用した。
表１に、溶接を行った際の散り発生の有無、およびナゲット形状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、絶縁体を挿入せず板隙の無い板組に対して、本通電のみを印可したときのナゲット径に比べて、同じかそれを超えていれば○、それ未満であれば×とした。

表１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。

（実施例２）
実施例１と同様にし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。
但し、この際の通電は、図６に示したように、初期通電の前に予備通電を付加した電流波形とし、表２に示す条件で行った。なお、加圧力は４．５ｋＮ、本通電時間Ｔ_ｍは１４サイクル（２８０ｍｓ）の一定とした。そして、鋼板間に絶縁体を挿入し、電極間距離が所定の距離となるように調整した。
ここで、電極間距離Ｌはレーザ変位計を用いてその場で計測し、予備通電前および予備通電後（初期通電前）のＬをそれぞれ計測できるようにした。そして、予備通電前のＬ／ｔをＲ1、予備通電後のＬ／ｔをＲ2とした。使用した電極および鋼板は実施例１の場合と同じである。

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、図７に示すように、ナゲット径は、絶縁体を垂直に横切るように鋼板を切断した際の断面（Ａ断面)と、その面に対して鉛直な方向に切断した際の断面（Ｂ断面）のそれぞれについて、エッチング組織で評価した。ナゲット径の評価は、板隙の無い板組に対して本通電のみを印可したときのナゲット径と比べて、Ａ断面の径が同じかそれを超えていれば○、それ未満であれば×とした。さらに、○のうち、Ｂ断面の径／Ａ断面の径が０．９〜１．０の間に入っているものを◎とした。

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。
また、予備通電を行わなかった実施例１に比べると、予備通電前に、より大きい板隙が存在していたとしても、散りの発生なく溶接が可能であるだけでなく、予備通電により本通電前の密着状態が改善され、より真円に近いナゲットを形成できる点で優れている。

１，２ 鋼板
３ 板組
４，５ 電極
６ ナゲット
７ 絶縁体

Claims (4)

1. 表面に亜鉛を主成分とするめっき層を有する母材引張強さが７８０ＭＰａ以上の亜鉛めっき高張力鋼板を少なくとも１枚含む、複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、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において、本通電とそれに先立つ初期通電にて構成され、
   (1) 重ね合わせた各鋼板の合計厚みをｔ、電極対の中心間の距離をＬとしたとき、当該ｔとＬが、次の関係式
   ０．９×ｔ ≦ Ｌ ≦ １．１×ｔ
   を満足する状態で初期通電を開始すること、および
   (2) 上記初期通電において本通電よりも高い電流値を印加する
   ことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
2. 前記初期通電の電流値が前記本通電の電流値よりも上回っている時間をＴ_sとしたとき、このＴ_sが次式
   １０ｍｓ ≦ Ｔ_s ≦ １００ｍｓ
   の範囲を満足することを特徴とする請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. 前記本通電の電流値よりも上回っている時間帯における初期通電の電流値の平均をＩ_sとしたとき、このＩ_sが本通電における電流値Ｉ_mとの関係で、次式
   Ｉ_m ×１．１ ≦ Ｉ_s ≦ １５．０ｋＡ
   の範囲を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
4. 前記初期通電の前に、さらに予備通電を施すものとし、該予備通電における電流値Ｉ_p，通電時間Ｔ_pがそれぞれ、次式
   １０ｍｓ ≦ Ｔ_p ≦ １００ｍｓ
   Ｉ_m ×０．６ ≦ Ｉ_p ≦ Ｉ_m×０．９５
   ここで、Ｉ _m は本通電における電流値
   の範囲を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。

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