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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-203292(P2020-203292A)
(43)【公開日】2020年12月24日
(54)【発明の名称】スポット溶接方法
(51)【国際特許分類】
   B23K 11/11 20060101AFI20201127BHJP
【FI】
   B23K11/11 540
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2019-111308(P2019-111308)
(22)【出願日】2019年6月14日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)「平成30年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 革新的新構造材料等研究開発マルチマテリアル接合技術の基盤研究(FS研究) 委託研究、産業技術力強化法第17条の適用を受ける特許出願」
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099623
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一
(74)【代理人】
【識別番号】100107319
【弁理士】
【氏名又は名称】松島 鉄男
(74)【代理人】
【識別番号】100125380
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 綾子
(74)【代理人】
【識別番号】100142996
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 聡二
(74)【代理人】
【識別番号】100166268
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 祐
(74)【代理人】
【識別番号】100170379
【弁理士】
【氏名又は名称】徳本 浩一
(74)【代理人】
【識別番号】100096769
【弁理士】
【氏名又は名称】有原 幸一
(72)【発明者】
【氏名】阿部 陽介
(72)【発明者】
【氏名】吉岡 信頼
【テーマコード(参考)】
4E165
【Fターム(参考)】
4E165AA01
4E165AA02
4E165AA03
4E165AB02
4E165AB03
4E165AB04
4E165AC01
4E165BB02
4E165BB22
4E165CA02
4E165CA06
4E165CA13
4E165CA14
4E165CA18
4E165DA13
4E165EA12
(57)【要約】
【課題】 より確実に散りの発生を防止し、スポット溶接の適正電流範囲を拡大しうるスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】 鉄を主成分とする2枚以上の金属板を重ね合わせて溶接するスポット溶接方法であって、10kA以上25kAの以下の第一電流で、2〜50msec通電する第一通電工程と、5〜100msecの冷却工程と、5kA以上25kA以下の第二電流で、20〜200msec通電する第二通電工程とを含む、方法、並びに当該方法により製造されたスポット溶接継手。
【選択図】 図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄を主成分とする2枚以上の金属板を重ね合わせて溶接するスポット溶接方法であって、
10kA以上25kAの以下の第一電流値で、2〜50msec通電する第一通電工程と、
5〜100msecの冷却工程と、
5kA以上25kA以下の第二電流値で、20〜200msec通電する第二通電工程と
を含む、方法。
【請求項2】
前記金属板が、引張強さが200MPa〜1200MPaの鋼板である、請求項1に記載のスポット溶接方法。
【請求項3】
前記第二通電工程における最終通電電流値を、初期通電電流値に対し、70〜95%とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項4】
前記第二通電工程における初期通電電流値を、前記第一電流値に対し、50〜80%とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項5】
前記第一通電工程、冷却工程、並びに前記第二通電工程を、50〜150msec以内に実施する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項6】
前記第一通電工程または前記第二通電工程において、電流の出力制御を1msec〜10msec単位で行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載のスポット溶接方法法。
【請求項7】
前記第一通電工程の開始から第二通電工程の完了までを、一定の加圧力下で実施する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項8】
前記第二通電工程後に、焼き戻しのための第三通電工程を実施する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項9】
前記2枚以上の金属板の少なくとも1枚がめっき皮膜を有する鋼板であり、
前記第一通電工程において、15kA以上23kA以下の第一電流値で、4〜10msec通電し、
前記冷却工程を、7〜12msec実施し、
前記第二通電工程において、9kA以上15kA以下の第二電流値で、70〜120msec通電する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項10】
前記2枚以上の金属板がめっき皮膜を有さない裸鋼板であり、
前記第一通電工程において、12kA以上25kA以下の第一電流値で、4〜10msec通電し、
前記冷却工程を、4〜10msec実施し、
前記第二通電工程において、9kA以上15kA以下の第二電流値で、40〜120msec通電する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のスポット溶接方法。
【請求項11】
請求項1〜10のいずれか1項に記載のスポット溶接方法により製造されたスポット溶接継ぎ手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スポット溶接方法に関する。本発明は、特には、短時間で散りの発生なく適正なナゲット形成が可能なスポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
スポット溶接は、一般的には2枚以上の金属版を重ねた後に、その合わせ部の両面から電極を挟み込み、電流を通電することによる抵抗発熱(ジュール熱)により接合界面を溶融させて接合する方法である。スポット溶接はアーク溶接などに比べて熱変形などが少なく、被接合物以外の材料を必要としない。溶接条件の設定が適切に行われていれば溶接品質が保たれるため、自動化生産ラインに適しており、自動車の組み立て工程等に広く用いられている。
【0003】
溶接パラメータとしては加圧力、通電電流、通電時間等があり、適切な溶接体を得るための条件の検討が必要である。一般的に適切な溶接体とは、散りの発生が無く、溶融部であるナゲットが十分な径を有していることを指すことが多い。特に散りは外観不良となるだけでなくナゲット径に影響を与えるため、出来る限り発生を抑制することが望ましい。
【0004】
製品の量産工程においては溶接の工程数を減らし生産効率を上げることが重要な課題であるが、そのためには溶接時間の短縮化が必要であり、実現のためには高電流の溶接が必要となる場合が多い。しかしながら高電流の溶接では板材表面の溶融、または板−板間の溶融による散りが発生する場合が多く、適正溶接範囲が限定されてしまう問題がある。
【0005】
散りの発生を抑制するため、中心部分が銅系材料、外縁部分が電気抵抗の高い材料からなることを特徴とする電極チップを用いる溶接方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1では、この構成の電極チップを用いてナゲット領域の外周部を加圧することで、溶融金属が板間から吹き出すことを阻止して中散りの発生を防止するとともに、外縁部分から被溶接金属板の表面を効率的に冷却することで溶融金属が該被溶接金属板の表面まで広がることを阻止し、表面散りの発生を抑制することができると提案している。
【0006】
電極チップの周りに駆動機構、加圧力制御を含む部材を設置することで加圧力をそれぞれ独立して制御し、散りの発生を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。
【0007】
また、第一通電により鋼板にナゲットを形成させた後に、第二通電により焼き戻しを行う2段通電方式を採用することによって溶接時の靭性の低下を改善し、高強度な溶接体を得る方法が開示されている(例えば、特許文献3を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2014−14861号公報
【特許文献2】特開2012−66284号公報
【特許文献3】国際公開第2014/171495号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら特許文献1に開示された電極チップでは、同一電極内に特性が異なる2つの材料が含まれているため製作方法が煩雑になる。また、連続使用に伴う表面の劣化が、2つの材料間で異なるため、連続使用による電極材質の安定性が悪いという欠点を有する。特許文献2では、加圧力の制御を個別にするということで、溶接装置が煩雑になるという欠点を有する。また溶接部の径が大きくなるため溶接領域が限定される箇所に適用することは困難である。さらに、特許文献3では、焼戻しにより硬さ低減のばらつきを抑制し、高い耐遅れ破壊特性を安定して得ることができるものの、散りの発生を抑えることができる方法についての開示はない。
【0010】
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、特別な器具を必要とせずに簡便に散りの無いスポット溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは鋭意検討の結果、所定の高電流を短時間で通電する二段階通電により課題を解決し得ることに想到し、本発明を完成するに至った。
【0012】
すなわち、本発明は一実施形態によれば、鉄を主成分とする2枚以上の金属板を重ね合わせて溶接するスポット溶接方法であって、10kA以上25kAの以下の第一電流値で、2〜50msec通電する第一通電工程と、5〜100msecの冷却工程と、5kA以上25kA以下の第二電流値で、20〜200msec通電する第二通電工程とを含む。
【0013】
前記スポット溶接方法において、前記金属板が、引張強さが200MPa〜1200MPaの鋼板であることが好ましい。
【0014】
前記スポット溶接方法において、前記第二通電工程における最終通電電流値を、第二通電工程における初期通電電流値に対し、70〜95%とすることが好ましい。
【0015】
前記スポット溶接方法において、前記第二通電工程における初期通電電流値を、前記第一電流値に対し、50〜80%とすることが好ましい。
【0016】
前記スポット溶接方法において、前記第一通電工程、冷却工程、並びに前記第二通電工程を、50〜150msec以内に実施することが好ましい。
【0017】
前記スポット溶接方法の前記第一通電工程または前記第二通電工程において、電流の出力制御を1msec〜10msec単位で行うことが好ましい。
【0018】
前記スポット溶接方法において、前記第一通電工程の開始から第二通電工程の完了までを、一定の加圧力下で実施することが好ましい。
【0019】
前記スポット溶接方法において、前記第二通電工程後に、焼き戻しのための第三通電工程を実施することが好ましい。
【0020】
前記いずれかのスポット溶接方法において、前記2枚以上の金属板の少なくとも1枚がめっき皮膜を有する鋼板であり、前記第一通電工程において、15kA以上23kA以下の第一電流値で、4〜10msec通電し、前記冷却工程を、7〜12msec実施し、前記第二通電工程において、9kA以上15kA以下の第二電流値で、70〜120msec通電することが好ましい。
【0021】
あるいは、前記いずれかのスポット溶接方法において、前記2枚以上の金属板がめっき皮膜を有さない裸鋼板であり、前記第一通電工程において、12kA以上25kA以下の第一電流値で、4〜10msec通電し、前記冷却工程を、4〜10msec実施し、前記第二通電工程において、9kA以上15kA以下の第二電流値で、40〜120msec通電することが好ましい。
【0022】
本発明は別の実施形態によれば、前述のいずれかに記載のスポット溶接方法により製造されたスポット溶接継ぎ手に関する。
【発明の効果】
【0023】
本発明のスポット溶接方法によれば、表面散り及び中散りの発生や、ナゲット中へのボイド混入を抑制し、短時間で良好な特性を備えるスポット溶接継ぎ手を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1図1は、本発明の一実施形態に係る溶接方法を実施することができるスポット溶接装置を概念的に示す説明図である。
図2図2は、本発明の一実施形態に係る溶接方法における、通電波形の模式図である。
図3図3は、本発明の一実施形態に係る溶接方法における、金属板の加熱状態を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【0026】
[第1実施形態:スポット溶接方法]
本発明は、第1実施形態によれば、スポット溶接方法に関する。スポット溶接方法は、スポット溶接継ぎ手の製造方法ということもできる。本実施形態によるスポット溶接方法は、鉄やアルミニウムを主成分とする2枚以上の金属板を重ね合わせて溶接する方法であり、以下に詳述する、第一通電工程と、冷却工程と、第二通電工程とを少なくとも含む。
【0027】
本実施形態において、溶接対象となる金属板は、鉄を主成分とする鋼材であってよく、例えば軟鋼、高張力鋼であってよい。好ましくは、引張強さが200MPa〜1200MPa程度、さらに好ましくは、引張強さが500MPa〜1200MPa程度の鋼材を溶接対象とすることができる。鋼材の組成は特には限定されず、鉄を主成分とし、C、Si、Mn等を含むものであってよい。例えば、自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板(SPFC鋼板)、自動車用冷間圧延鋼板(JSC鋼板)等であってよく、ホットスタンプ加工された鋼板であってもよいが、これらには限定されない。
【0028】
また、金属板の厚さは、一般的には、0.5〜2.5mm程度であるが、特定の厚さには限定されない。金属板はまた、溶接により他の金属板と接触する面もしくは接触しない面あるいは両面にめっき皮膜を有するものであってよく、例えば亜鉛めっき皮膜を有するものであってよいが、めっき皮膜の組成は特定の組成には限定されない。めっき皮膜を有する金属板は市販のものであってよい。
【0029】
重ね合わせて溶接する金属板の枚数は特には限定されない。例えば、重ね合わせる金属板は、2枚、3枚、4枚あるいはそれ以上であってもよい。2枚以上の金属板は、その厚さ、組成、種類(鋼板の種類)、及び/または引張強さが同一であってもよく、異なってもよく、任意の組み合わせであってよい。一例として、自動車用鋼板を溶接する場合に、厚さが同一の比較的厚い鋼板2枚と、これらに比較して厚さが薄い鋼板一枚とを、3枚重ねて溶接することがある。2枚以上の金属板は、めっき皮膜を有するものどうしを重ね合わせても、めっき皮膜を有するものと有さないものを重ね合わせてもよい。また、板と板との間に隙間が生じる条件での溶接としてもよく、隙間のない条件での溶接としてもよい。なお、本明細書において、板と板との間に隙間が生じる場合の溶接を、板隙がある場合という。板隙の有無の定義については、後述する。
【0030】
本実施形態による方法は、スポット溶接装置を用いて実施することができる。スポット溶接装置は、重ね合せる金属板を加圧把持し、所定の波形にて通電制御することができるものであれば特には限定されない。図1は、本実施形態において使用することができるスポット溶接装置、及びこれを用いた金属板の溶接方法の一例を示す概念図である。図1に示すスポット溶接装置10は、サーボガン11と、電源・制御部13と、上部電極16、下部電極17とから主として構成される。上部電極16は、連結ロッド14及びシャンク15により、上下方向に移動可能にサーボガン11に支持される。下部電極17は固定アーム12とシャンク18によりサーボガン11に固定される。電源・制御部13は、サーボガン11及び上部電極16、下部電極17に接続される。スポット溶接対象となる金属板としては、2枚の金属板1a、1bを例示する。なお、図示する装置及び溶接する金属板の態様は一例であって、本発明の方法は特定の装置を用いた方法には限定されない。
【0031】
サーボガン11は、上部電極16位置並びに金属板への加圧力を制御し、電源・制御部13は、上部電極16及び下部電極17間の通電波形を与える。これにより、重ね合せた2枚以上の金属板1a、1bに所定の強さの電流を、所定の時間間隔にて印加することができる。電源・制御部13は、電流の出力制御を、1msec〜10msec単位、好ましくは、1msec〜5msec単位、より好ましくは1msec単位で行うことができるものを用いることが好ましい。これにより、金属板への正確な入熱管理が可能となるためである。しかしながら、本発明の方法においては、より長い時間単位で電流の出力制御を実施することもありうる。
【0032】
上部電極16及び下部電極17は、2枚以上の金属板1a、1bを把持、加圧して、金属板1a、1bどうしを接触させるとともに、これらの金属板1a、1bに通電を行い発熱・接合させる。上部電極16から印加した電流は金属板1a、1bを通じて反対側の下部電極17に通電し、接触抵抗、母材抵抗により発熱し溶融し接合する。上部電極16及び下部電極17は、その内部に図示しない水冷装置を備えており、冷却水Wを循環させて電極16、17、並びに電極16、17に接する金属板1a、1bの表面を冷却することができるように構成される。
【0033】
次に、本実施形態によるスポット溶接方法における溶接の条件について説明する。本実施形態の溶接方法は、重ね合せた金属板1a、1bを、上部及び下部の電極16、17により、接触面に対して略垂直な方向から加圧した状態で、第一通電工程、冷却工程、並びに第二通電工程をこの順に実施する。加圧力Fa、Fbは、第一通電工程の開始前に金属板1a、1bに与えることができ、特には限定されないが、例えば、3〜7kNとすることができ、3.5〜6kNとすることが好ましく、3.5〜4.5kNとすることがさらに好ましいが、特定の圧力には限定されない。また、加圧力Fa、Fbは、第一通電工程の開始から、第二通電工程の完了まで、実質的に一定とすることもでき、あるいは変化させることもできる。加圧力Fa、Fbは第一通電工程の開始から、第二通電工程の完了まで、一定の値とすることが好ましい。
【0034】
次いで、本実施形態によるスポット溶接方法の通電の波形について説明する。図2は、本実施形態に係る方法における通電波形を模式的に示す図であり、横軸が時間、縦軸が電流値である。左側の波形が第一通電工程であり、高電流を比較的短時間印加することができる。次いで、通電を停止する冷却工程を経て、右側の波形が第二通電工程である。第二通電工程では、第一通電工程と同じかあるいはこれよりも低い電流を比較的長時間印加することができる。以下に各工程の通電条件を詳述する。
【0035】
第一通電工程は、10kA以上25kAの以下の第一電流値で、2〜50msec通電する。10kA程度以上の高い電流値では電極16、17端部に接している金属板金属板1a、1bの表面部(以下、電極端接触部と指称することもある)の温度が高くなるため、当該部分が溶融しない範囲とする観点から、上記電流値範囲並びに時間範囲とする。10kA未満とすると、金属板1aと金属板1bとの間の接触部(以下、金属板の板−板間接触部と指称することもある)が加熱するまで長い通電時間が必要となる。いっぽう、25kAより大きくすると、わずかな通電時間で、金属板1a、1bの電極端接触部の温度が高くなり、表面散りが発生してしまうおそれがある。第一通電工程において、電流値は通電期間にわたって略一定とすることが好ましい。また、通電時間は、2〜15msecとすることがさらに好ましい。表面散りを生じさせない範囲で十分な入熱を行うためである。
【0036】
第一通電工程による作用について説明する。通電を開始すると、上部電極16及び下部電極17間に電流が流れ、電流密度の大きい接触面を中心に発熱を開始する。図3は、図1の上部電極16及び下部電極17と、金属板1a、1bが接触する部分の拡大概念図である。図3中、電流密度の大きい接触面としては、金属板1aと金属板1bとの板−板間接触部s、電極端部に接している金属板1a、1bの表面である電極端接触部eがあり、これらの領域の温度が上昇しやすい。
【0037】
第一通電工程の終了後、冷却工程を実施する。冷却工程は、第一通電工程と第二通電工程の間に、約5〜100msecの無通電の期間を設けることで実施することができる。冷却工程を実施する時間は、第一通電工程における電流値によって設定することができ、第一通電工程の通電電流値が0になるまでに必要な時間を目安として設定することもできる。冷却工程は、第一通電工程時の加圧力を保持したままで実施することが好ましい。
【0038】
冷却工程による作用について説明する。通電を停止することで、板−板間接触部s、電極端接触部eはいずれも冷却される。このうち、高温になった電極端接触部eは冷却水Wの通った上部電極16及び下部電極17に接しているため冷却速度が極めて早い。一方で板−板間接触部sは温度勾配が低いため冷却速度が遅くなる。そのためこの冷却工程を経ることで、板−板間接触部sの温度が、電極端接触部eと比較して高くなる。そのためこの冷却時間は板−板間接触部sと、電極端接触部eとの間にある程度の温度差がつく上記範囲内とすることができる。冷却時間が5msec未満だと冷却が不十分で両部に温度差が十分につかず、100msecを超えると過冷却となり温度差が十分でなくなる。冷却工程の時間間隔は、好ましくは、5〜20msecとすることができる。このように、冷却工程の時間を制御することにより、電極端接触部eを冷却して表面溶融を抑制することができ、板−板間接触部sは、ある程度温度を維持することができる。
【0039】
第二通電工程は、5kA以上25kA以下の第二電流値で、20〜90msec通電する。第二電流値が、5kA未満だとナゲットの形成が不十分となり、25kAよりも大きいと、わずかな通電時間で、第一通電で実現した板−板間接触部sと、電極端接触部eとの温度差が無くなり、ナゲットの急成長に伴う中散りが発生してしまうためである。通電時間は、上記の電流値の範囲内で、中散りを発生させずにナゲットを成長させることができる範囲で任意に設定することができる。第二通電工程の総通電時間は、例えば、20〜200msecとすることができ、30〜150msecとすることがさらに好ましい。
【0040】
第二通電工程の通電開始時の電流値である初期通電電流値は、第一通電工程における電流値に対し、50〜100%とすることができ、50〜80%とすることが好ましい。また、第二通電工程においては、通電開始から通電終了まで同一電流値としてもよく、通電開始時の電流値である初期通電電流値に対し、通電終了時の電流値である最終通電電流値が異なっていてもよい。第二通電工程では、第一通電工程と比較して長期間にわたって通電を行う間に、電流値を変化させるように制御することが可能である。好ましくは、初期通電電流値と比較して、最終通電電流値が小さくなるように制御することができる。第二通電工程において、初期通電電流値から、好ましくは特定の波形にて電流値を減少させた後、所定の電流値で所定時間維持することで、ナゲットの急成長を抑え、中散りを抑えながら安定してナゲットを成長させることができるという効果が得られる。一般的には、維持する所定の電流値は、最終通電電流の電流値と同程度であってよく、この電流値を、ナゲット成長電流値と指称することもある。第二通電工程においては、例えば、最終通電電流値が、初期通電電流値に対し、70〜100%とすることができ、70〜95%とすることが好ましい。また、この間の電流制御は、10msecから40msec単位で行うことができる。ナゲット成長電流値の維持時間は、ナゲットが規定値以上まで成長するまでの時間を適宜設定することができる。
【0041】
第二通電工程による作用について説明する。第二通電工程は、冷却工程を経て、電極端接触部eの温度に比べて、板−板間接触部sの温度が高い状態で開始される。そのため、板−板間接触部sから重点的に加熱が始まる。電極端接触部eにおいても発熱があるが、第一通電工程において接触面がなじんでおり、その結果、接触抵抗も低くなっているため、表面散りを抑えることができる。そして、第二通電時間の経過とともに板−板間接触部sの温度がさらに上昇して溶融する。この溶融部が凝固する結果、図1に示すように、金属板1a、1b間にナゲット2が形成する。時間経過とともにこのナゲット2を十分に成長させることができる。
【0042】
なお、図1においては、2枚の金属板を重ね合わせる態様について説明したが、本発明において重ね合わせる金属板は3枚もしくはそれ以上であってもよい。金属板が3枚以上であっても、上記の範囲の条件で第一通電工程、冷却工程、第二通電工程を行うことにより、同様の作用を得ることができる。特には、第二通電工程において、ナゲットの急成長に伴う中散りが発生しにくく、ナゲット内に大きなボイドが発生し難いという利点がある。
【0043】
第二通電の停止後に、上部電極16を除荷して離間させ、本実施形態による溶接方法を終了することができる。本実施形態による方法は、上記第一通電工程の開始から第二通電工程の完了までを従来技術と比較して短時間で、例えば、概ね70〜150msecといった短時間でも実施することができる高電流短時間方式とすることができる。しかしながら、本発明は特定の時間内に完了する方法には限定されない。
【0044】
任意選択的に、第二通電工程の完了後に、第三通電工程を実施して焼き戻しを行うことができる。第三通電工程は、第二通電工程の完了後、加圧力を維持したまま、100〜1000msecの冷却工程を設け、5〜25kAで、5〜100msecの第三通電を行うことにより実施することができる。
【0045】
溶接対象である金属板の態様により、第一通電工程、冷却工程、並びに第二通電工程の条件をより詳細に設定することができる。以下の第1態様から第4態様は、溶接対象である金属板が2枚の場合である。第1態様から第4態様の溶接条件は、特には2枚の金属板の厚さが同一であり、0.6〜2.0mm程度である場合に好ましい。しかしながら、本発明の溶接条件は、以下の第1態様から第4態様に限定されるものではない。
【0046】
[第1態様]
本実施形態の第1態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が2枚の場合であって、金属板が裸鋼板であり、板隙がない溶接条件の場合である。板隙がない溶接条件とは、無加圧の状態で溶接箇所が接触する程度に重ね合わせることができる金属板を溶接する場合をいう。この場合、第一通電工程は、20〜25kAで、5〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、9〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の70〜80%とすることができ、初期通電電流値から、5〜10msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の80〜90%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は10〜15kA、最終通電電流値は10〜13kA、第二通電工程の総通電時間は、40〜80msecとすることが好ましい。本態様においては、他の態様と比較して、第二通電工程の総通電時間を短くすることが好ましい。
【0047】
[第2態様]
本実施形態の第2態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が2枚の場合であって、2枚の金属板が裸鋼板であり、板隙がある溶接条件の場合である。板隙がある溶接条件とは、溶接前に2枚の金属板を重ね合わせた際に、溶接部の周囲に空隙が生じる場合、例えば、溶接部の周囲約30mm以内に、約1mm程度の空隙が生じる場合をいうことができ、実験上は、例えば、重ね合せる2枚の金属板の間に1mmの導電性の金属を挟み込んだ条件で溶接を行うことをいうものとする。この場合、第一通電工程は、12〜19kAで、4〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、第一通電工程の電流値が15kA以上の場合は9〜10msec、15kA未満の場合は4〜5msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の50〜70%とすることができ、初期通電電流値から、10〜30msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、第二通電工程の初期通電電流値の80〜95%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は10〜12kA、最終通電電流値は9〜10kA、第二通電工程の総通電時間は、80〜100msecとすることが好ましい。
【0048】
[第3態様]
本実施形態の第3態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が2枚の場合であって、2枚の金属板が両者ともめっき鋼板であり、板隙がない溶接条件の場合である。めっき鋼板とは、溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板などをさすものとする。この場合、第一通電工程は、18〜23kAで、5〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、9〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の60〜70%とすることができ、第二通電工程の初期通電電流値から、10〜40msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、第二通電工程の初期通電電流値の75〜85%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は12〜15kA、最終通電電流値は11〜13kA、第二通電工程の総通電時間は、80〜100msecとすることが好ましい。
【0049】
[第4態様]
本実施形態の第4態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が2枚の場合であって、2枚の金属板が両者ともがめっき鋼板であり、板隙がある溶接条件の場合である。この場合、第一通電工程は、20〜23kAで、4〜5msecとすることが好ましい。冷却工程は、9〜12msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の40〜50%程度とすることができ、第二通電工程の初期通電電流値から、10〜40msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の80〜90%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は10〜12kA、最終通電電流値は9〜11kA、第二通電工程の総通電時間は、80〜100msecとすることが好ましい。
【0050】
次に、第5態様から第8態様は、溶接対象である金属板が3枚の場合である。第5態様から第8態様の溶接条件は、特には3枚の金属板中、一枚が薄く、0.5〜0.6mm程度であり、残りの2枚の厚さが同一で、1.0〜2.0mm程度である場合に好ましい。薄板一枚と、厚板2枚との3枚の金属板を、薄板/厚板/厚板の順に積層してスポット溶接する用途が知られているが、この場合、特には薄板と厚板との接触面におけるナゲットの成長が進みにくいという問題があった。本発明の以下の態様の条件により溶接することで、従来の問題を解決し、良好なスポット溶接継ぎ手を得ることができる。しかしながら、本発明の溶接条件は、以下の第5態様から第8態様に限定されるものではない。
【0051】
[第5態様]
本実施形態の第5態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が3枚の場合であって、3枚の金属板の全てが裸鋼板であり、板隙がない溶接条件の場合である。この場合、第一通電工程は、24〜25kAで、9〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、9〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の50〜60%とすることができ、初期通電電流値から、5〜10msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の60〜70%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は14〜15kA、最終通電電流値は10〜11kA、第二通電工程の総通電時間は、50〜80msecとすることが好ましい。本態様においては、他の態様と比較して、第二通電工程の総通電時間を短くすることが好ましい。
【0052】
[第6態様]
本実施形態の第6態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が3枚の場合であって、3枚の金属板の全てが裸鋼板であり、板隙がある溶接条件の場合である。板隙がある溶接条件とは、先の第2態様と同様に定義することができ、実験上は、例えば、上層/中層/下層と三層に重ね合せた金属板の、上層と中層の間、中層と下層の間に、それぞれ1mmのスペーサを挟み込んだ条件で溶接を行うことをいうものとする。なお、ここでいう、上層、中層、下層とは溶接を実施する際の金属板の相対的な位置関係を指称するものであり、本発明を限定するものではない。この場合、第一通電工程は、15〜17kAで、7〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、7〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の60〜70%とすることができ、初期通電電流値から、5〜30msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の80〜90%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は10〜11kA、最終通電電流値は9〜10kA、第二通電工程の総通電時間は、70〜120msecとすることが好ましい。
【0053】
[第7態様]
本実施形態の第7態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が3枚の場合であって、少なくとも一枚の金属板、例えば最も薄い金属板がめっき鋼板であり、板隙がない溶接条件の場合である。めっきの態様は、第2態様と同様とする。この場合、第一通電工程は、16〜18kAで、9〜10msecとすることが好ましい。冷却工程は、7〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の50〜60%とすることができ、初期通電電流値から、5〜20msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の80〜90%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は11〜12kA、最終通電電流値は9〜10kA、第二通電工程の総通電時間は、70〜100msecとすることが好ましい。
【0054】
[第8態様]
本実施形態の第8態様による溶接条件は、溶接対象である金属板が3枚の場合であって、少なくとも一枚の金属板、例えば最も薄い金属板がめっき鋼板であり、板隙がある溶接条件の場合である。板隙の態様は、第6態様と同様とする。この場合、第一通電工程は、15〜16kAで、7〜8msecとすることが好ましい。冷却工程は、7〜10msecとすることが好ましい。第二通電工程の初期通電電流値は第一電流値の40〜70%とすることができ、初期通電電流値から、10〜40msec単位、0.5〜1kA単位で、ナゲット成長電流値まで電流値を下げるように制御することが好ましい。第二通電工程のナゲット成長電流値(最終通電電流値)は、初期通電電流値の80〜90%程度とすることができる。具体的には、第二通電工程の初期通電電流値は10〜11kA、最終通電電流値は9〜10kA、第二通電工程の総通電時間は、80〜120msecとすることが好ましい。
【0055】
溶接条件の全体的な傾向としては、少なくとも一枚の金属板がめっき鋼板である場合、めっき鋼板を使用しない溶接条件と比較して、第一電流を小さくすることが好ましい。これは、めっき皮膜の存在により、散りを発生させるおそれがあるためである。少なくとも一枚の金属板がめっき鋼板である場合、めっき鋼板を使用しない溶接条件と比較して、通電時間が長くなる傾向がある。
【0056】
本発明の第1実施形態によるスポット溶接方法によれば、高電流を短時間通電する二段階の通電方法により、表面散り、中散りがなく、適切なナゲット径を備えるスポット溶接継ぎ手を製造することができる。従来技術においては、本発明と比較して小さい一定電流を長時間通電することによる溶接方法が知られている。従来の方法では通電の時間とともに、一気にナゲットが成長し、コロナボンド部を突き破って溶融金属が噴出し、中散りが発生するとともに、ナゲット内に大きなボイドが発生しやすいという問題があった。本発明ではそれらの課題を解決した溶接方法となっている。
【0057】
[第2実施形態:スポット溶接継ぎ手]
本発明は、第2実施形態によれば、スポット溶接継ぎ手であって、第1実施形態の溶接方法により製造されたスポット溶接継ぎ手である。本実施形態による溶接継ぎ手は、先に詳述した方法により製造されることで、表面溶融、表面散り、中散りがなく、十分なナゲット径並びに引張強度を備えている。また、本実施形態によるスポット溶接継ぎ手は、疲労試験の結果、ナゲットの周囲で破断しナゲットが完全に抜けるプラグ破断を生ずるものである。
【実施例】
【0058】
以下、本発明を実施例を参照してより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は一例であり、本発明を限定するものではない。
【0059】
[実施例A:2枚合わせ板組]
板厚が1.0〜1.4mm、590〜1180MPa高張力鋼を2枚用意し、これらを用いて、2枚合わせ板組のスポット溶接継ぎ手を作製した。スポット溶接には、水冷可能なR100の電極チップを備える、図1に示す装置を用いた。板材の仕様、通電、冷却条件、並びに得られた継手のナゲット径を表1に示す。本実施例Aにおいては、上下とも、同じ板厚、同じ材質の金属板を用い、試料番号6は亜鉛めっき鋼板、それ以外は裸鋼板を用いた。表1中の板厚は、一枚の板厚を示す。いずれの試料においても、第一通電工程の開始から、第二通電工程の終了までは、100msecとし、この間、加圧力は変化させず、試料番号2は、6kN、それ以外は4kNとした。表1中、板隙有とは、溶接する2枚の金属板間に、厚さが1mmのコの字状の治具を、溶接箇所を三方から囲む態様で配置し、2枚の金属板間でこの治具を挟みこみ、加圧して溶接を行ったことを示す。板隙無とは、2枚の金属板間を密着させて溶接を行ったことを示す。母材強度は、溶接される高張力鋼の強度を示す。
【0060】
いずれの溶接継ぎ手も、十分なナゲットが形成していたことがわかった。また、いずれの試料も、表面散り、及び中散りの発生は無く、表面溶融もなかった。引張せん断試験を行った結果、すべての試料について、破断形態はプラグ破断であった。また、結果は具体的には示さないが、十分な引張強度を備えることも確認した。
【0061】
【表1】
【0062】
[実施例B:3枚合わせ板組]
板厚が1.2〜2.0mm、780MPaの高張力鋼からなる厚板2枚と、板厚が0.6mm、270MPaの薄板1枚を用意し、これらを用いて、3枚合わせ板組のスポット溶接継ぎ手を作製した。装置は実施例Aと同じものを用いた。板材の仕様は表2に、通電、冷却条件、並びに得られた継手のナゲット径は表3に示す。試料番号9〜12の下板は亜鉛めっき鋼板、それ以外は裸鋼板を用いた。いずれの試料においても、第一通電工程の開始から、第二通電工程の終了までは、100msecとし、この間、加圧力は変化させず、全ての試料について4kNとした。表中、板隙有とは、上板と中板、及び中板と下板のそれぞれの間に、実施例Aで記載したのと同じ治具を挟んで溶接を行ったことを示し、板隙無は、治具を使用せずに3枚の板を密着させて接合を行ったことを示す。表3より、いずれの溶接継ぎ手も、十分なナゲットが形成していたことがわかった。また、いずれの試料も、表面散り、及び中散りの発生は無く、表面溶融もなく、破断形態はプラグ破断であった。
【表2】
【0063】
【表3】
【0064】
[比較例]
比較例として、板厚が1.2mm、1180MPa高張力鋼からなる裸鋼板を2枚用意し、これらを用いて、実施例Aと同じ装置を用いて、2枚合わせ板組のスポット溶接継ぎ手を作製した。加圧力は6kNとし、電流値25〜15kA、通電時間20〜100msecの一段階の通電にて溶接を行った。冷却工程並びに第二通電は行わなかった。結果を表4に示す。その結果、ほとんどの条件にて表面溶融が発生し、散りの発生が見られ、ナゲットが形成していた条件は無かった。表中、金属板材質は、金属板の引張強度を示す。×は通電しても接合しなかったものを示す。
【0065】
【表4】
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明によるスポット溶接方法は、例えば自動車用鋼板の溶接などにおいて好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【0067】
1a、1b 金属板、2 ナゲット
10 スポット溶接装置、11 サーボガン、12 固定アーム、13 電源・制御部
14 連結ロッド、15、18 シャンク、16 上部電極、17 下部電極
W 冷却水、Fa、Fb 加圧力、s 板−板間接触部、e 電極端接触部
図1
図2
図3