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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-20
(45)【発行日】2022-05-30
(54)【発明の名称】アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法
(51)【国際特許分類】
B23K 11/18 20060101AFI20220523BHJP
B23K 11/24 20060101ALI20220523BHJP
B23K 11/11 20060101ALI20220523BHJP
【ＦＩ】
B23K11/18
B23K11/24 315
B23K11/11 540
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2018081780
(22)【出願日】2018-04-20
(65)【公開番号】P2019188418
(43)【公開日】2019-10-31
【審査請求日】2020-11-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(73)【特許権者】
【識別番号】391009833
【氏名又は名称】株式会社ナ・デックス
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】青木 拓朗
(72)【発明者】
【氏名】松本 剛
(72)【発明者】
【氏名】片山 聖二
(72)【発明者】
【氏名】水野 彩香
(72)【発明者】
【氏名】佐橋 賢治
【審査官】黒石 孝志
(56)【参考文献】
【文献】特開平０５－０００３８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２４４３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１９３１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－９８１０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５０８２５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０４９９９８（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ １１／００ － １１／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
重ね合わせた複数のアルミニウム材を一対の電極で挟み込み、前記電極間に第１の通電を行って前記複数のアルミニウム材の間に偏平な形状の第１ナゲット又は新生面接合領域を形成する予備通電工程と、前記予備通電工程後の１０～５００ｍｓの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第２の通電を行って、前記第１ナゲット、又は前記第２の通電で生成されたナゲットを前記アルミニウム材の重ね方向に直交する方向へ優先的に成長させた第２ナゲットを形成する本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をＩ１、通電時間をＴ１
前記本通電工程の電流値をＩ２、通電時間をＴ２としたとき、
Ｉ１×Ｔ１＜Ｉ２×Ｔ２の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項2】
前記第１ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向の断面で測定した前記第１ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向に直交する方向のナゲット径ｄ（ｍｍ）と前記アルミニウム材の厚さｔ（ｍｍ）の比ｄ／ｔを１．０～３．０とする請求項１に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項3】
前記予備通電工程において前記電極間に通電する電流値Ｉ１は、１５～６０ｋＡである請求項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。
【請求項4】
前記本通電工程において前記電極間に通電する電流値Ｉ２は、１５～６０ｋＡである請求項１～３のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項5】
前記冷却工程は、前記予備通電工程後に１００ｍｓ以内の冷却時間で行う請求項１～４のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項6】
前記冷却工程は、前記予備通電工程後に６０ｍｓ以内の冷却時間で行う請求項５に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項7】
前記一対の電極の前記複数のアルミニウム材を挟み込む加圧力が２～１０ｋＮである請求項１～６のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項8】
前記第２ナゲットは、前記重ね方向に直交する方向のナゲット径をＤ（ｍｍ）と、前記第２ナゲットの前記アルミニウム材への溶け込み深さをＨ（ｍｍ）との寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上である請求項７に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項9】
前記一対の電極に、Ｒ形又はＤＲ形の電極を用いる請求項１～８のいずれか一項に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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、スポット溶接の電極の加圧力を約１．５倍に高めなければならない。このため、アルミニウム材の抵抗スポット溶接には、鋼材の抵抗スポット溶接の溶接条件を適用し、応用することが非常に困難であり、アルミニウム材に最適な溶接条件を新たに見出す必要がある。
アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法の一例として、例えば特許文献１には、電極の加圧力を２段階に変化させ、この加圧力に合わせて電流値を２段階（大電流から小電流）に変化させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、溶接の本通電後に冷却時間を設けて、冷却時間の後に本通電の電流よりも弱いテンパー通電を行う技術が開示されている。
アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法の一例として、例えば特許文献１には、電極の加圧力を２段階に変化させ、この加圧力に合わせて電流値を２段階（大電流から小電流）に変化させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、溶接の本通電後に冷却時間を設けて、冷却時間の後に本通電の電流よりも弱いテンパー通電を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許３８６２６４０号公報
【文献】特開平５－３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
アルミニウム材を重ね合わせて抵抗スポット溶接した継手強度は、スポット溶接により形成されるナゲット径に応じて増減する。そのため、高い継手強度を得るためには、ナゲット径を大きくすればよいが、ナゲット径を増加させると、ナゲット厚も同時に増加し、溶接条件によってはナゲットが電極先端部に接するほどの大きさに成長することがある。その場合、電極先端部に溶融アルミニウムが付着し、電極表面に金属間化合物が形成され、電極先端形状が変化してしまう。電極先端形状が変化した場合は、健全なナゲットを得るために電極のドレッシングにより電極先端形状を整える必要があるので、ドレッシングの頻度が多くなり、連続打点数が少なくなって生産性が低下する。
上記した先行文献１、２に記載の方法では、ナゲット径を大きくすることができても、これと同時にナゲットの厚さ方向の成長を抑制することは困難であった。
上記した先行文献１、２に記載の方法では、ナゲット径を大きくすることができても、これと同時にナゲットの厚さ方向の成長を抑制することは困難であった。
【0005】
本発明の目的は、アルミニウム材を重ね合わせて通電する際に、ナゲット径を大きくして継手強度を高め、且つナゲットの厚さ方向の成長を抑制するアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、下記の構成からなっている。
複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極で挟み込み、前記電極間に第１の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の１０～５００ｍｓの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第２の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をＩ1、通電時間をＴ1
前記本通電工程の電流値をＩ２、通電時間をＴ２としたとき、
Ｉ１×Ｔ１ ＜ Ｉ２×Ｔ２ の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極で挟み込み、前記電極間に第１の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の１０～５００ｍｓの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第２の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をＩ1、通電時間をＴ1
前記本通電工程の電流値をＩ２、通電時間をＴ２としたとき、
Ｉ１×Ｔ１ ＜ Ｉ２×Ｔ２ の関係を満たすアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、アルミニウム材を重ね合わせて通電する際に、ナゲット径を大きくして継手強度を高め、且つナゲットの厚さ方向の成長を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】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】溶接電流の波形の一例を示すタイミングチャートである。
【図3】（Ａ）～（Ｃ）は、予備通電工程から冷却工程までの様子を模式的に示す工程説明図である。
【図4】（Ａ），（Ｂ）は、冷却工程後の本通電工程の様子を模式的に示す工程説明図である。
【図5】アルミニウム材の抵抗スポット溶接後における溶融凝固したナゲットを模式的に示すアルミニウム溶接継手の断面図である。
【図6】（Ａ），（Ｂ）は、予備通電工程と冷却工程とを設けずにナゲットを成長させた場合のナゲット形成状況を示す参考図である。
【図7】（Ａ）はＲ形の電極の概略形状、（Ｂ）はＤＲ形の電極の概略形状を示す説明図である。
【図8】溶接電流の波形と、これにより形成されたナゲットの断面写真を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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、通電時間、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。
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、通電時間、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。
【0010】
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（スポット溶接部）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）２７が得られる。
【0011】
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。
【0012】
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、図示例の構成では、電極１３（１５も同様）に形成された凹部３１に冷却用パイプ３３が配置され、冷却用パイプ３３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。
【0013】
＜アルミニウム材＞
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とすることができる。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や１０００系（純アルミ）のアルミニウムを採用することができる。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。
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とすることができる。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や１０００系（純アルミ）のアルミニウムを採用することができる。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。
【0014】
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、押出材や鍛造材、鋳造材であってもよい。
【0015】
以下、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３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。
【0016】
＜溶接条件＞
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は、溶接電流の波形の一例を示すタイミングチャートである。
図示例の溶接電流の波形は、予備通電工程(通電時間Ｔ１)と、冷却工程（冷却時間Ｔｃ）と、本通電工程（通電時間Ｔ２）とを有する。予備通電と本通電のパルス波形は矩形状であるが、三角波や正弦波等の他の波形や、ダウンスロープ、アップスロープ制御された波形であってもよい。
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は、溶接電流の波形の一例を示すタイミングチャートである。
図示例の溶接電流の波形は、予備通電工程(通電時間Ｔ１)と、冷却工程（冷却時間Ｔｃ）と、本通電工程（通電時間Ｔ２）とを有する。予備通電と本通電のパルス波形は矩形状であるが、三角波や正弦波等の他の波形や、ダウンスロープ、アップスロープ制御された波形であってもよい。
【0017】
本通電の溶接熱量は、予備通電の溶接熱量より高く設定される。すなわち、図２に示す溶接電流においては、本通電の電流値Ｉ２と通電時間Ｔ２との積（Ｉ２×Ｔ２）が、予備通電の電流値Ｉ１と通電時間Ｔ１との積（Ｉ１×Ｔ１）より大きい。図示例では、予備通電の電流値Ｉ１と本通電の電流値Ｉ２とは略等しいが、これに限らず、電流値Ｉ１と電流値Ｉ２とは互いに異なっていてもよい。さらに、予備通電と本通電の波形は、連続した電流でもよく、単一又は複数のパルスから構成されるパルス波形でもよい。つまり、本通電の溶接熱量が予備通電の溶接熱量より大きければよく、溶接電流の電流値や電流波形の形状は任意である。
【0018】
予備通電の電流値Ｉ１と本通電の電流値Ｉ２は、いずれも１５～６０ｋＡの範囲で設定される。予備通電においては、電流値Ｉ１による通電で最終的なナゲットを形成するのではなく、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との重ね合わせ面に、又は３枚以上のアルミニウム板の場合はアルミニウム板の各重ね合わせ面に、小サイズのナゲットが形成できればよい。或いは、重ね合わせ面に存在する酸化皮膜層を除去して、一定面積以上の新生面を形成する電流を通電できればよい。
【0019】
本通電は、接合強度に必要な大きさのナゲットを形成するための通電であり、１００～３００ｍｓ程度の通電時間とするのが好ましい。予備通電、本通電の電流値Ｉ１，Ｉ２や通電時間Ｔ１，Ｔ２は、アルミニウム材の材質や板厚等に合わせて、適宜設定することができる。
【0020】
冷却工程は、予備通電で小サイズのナゲット（第１ナゲット）が形成された場合に、この第１ナゲットを冷却する。なお、冷却時間Ｔｃの電流値は、図示例では電極１３，１５間の通電を停止させた０Ａであるが、必ずしも０Ａでなくてもよい。予備通電時よりも第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３への入熱量を低下させることができれば、０Ａより高い電流であってもよい。冷却時間Ｔｃは、１０～５００ｍｓ、好ましくは１００ｍｓ以内、さらに好ましくは６０ｍｓ以内である。
【0021】
＜抵抗スポット溶接の手順＞
次に、抵抗スポット溶接の各工程を説明する。
図３の（Ａ）～（Ｃ）は予備通電工程から冷却工程までの様子を模式的に示す工程説明図である。
図３の（Ａ）に示すように、一対の電極１３，１５に挟まれる第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３に、電流値Ｉ１の予備通電を行う。このとき、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との重ね合わせ面を中心として、それぞれの板材が溶融した第１ナゲット３５が形成される。
次に、抵抗スポット溶接の各工程を説明する。
図３の（Ａ）～（Ｃ）は予備通電工程から冷却工程までの様子を模式的に示す工程説明図である。
図３の（Ａ）に示すように、一対の電極１３，１５に挟まれる第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３に、電流値Ｉ１の予備通電を行う。このとき、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との重ね合わせ面を中心として、それぞれの板材が溶融した第１ナゲット３５が形成される。
【0022】
以降の説明では、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との重ね方向を、板厚方向、ナゲットの厚さ方向（溶け込み深さの深さ方向）とも呼称する。ナゲットについては、上記の重ね方向に直交してナゲット中心から放射状に延びる方向をナゲット径方向とし、ナゲットの厚さ方向に直交する方向の最大径をナゲット径とする。なお、ナゲットの厚さ方向は、アルミニウム板の板厚方向と同じであるため、適宜、板厚方向とも呼称する。
【0023】
予備通電後の冷却工程においては、図３の（Ｂ）に示すように、電極１３，１５間の通電が停止されて、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間の加熱が停止する。このとき、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３は、電極１３，１５と接触したままであり、溶融状態の第１ナゲット３５は電極１３，１５によって抜熱される。すると、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３は、電極１３，１５との接触部付近における温度がそれぞれ下がり、第１ナゲット３５は、図３の（Ｃ）に示すように電極１３，１５に近い側から凝固が進行する。これにより、第１ナゲット３５は、部分凝固部３７が徐々に形成されて、第１ナゲット３５の溶融部分の板厚方向の厚さ（溶け込み深さ）が図３の（Ａ）のときの厚さｈ０から厚さｈに減少する。
【0024】
図４の（Ａ），（Ｂ）は冷却工程後の本通電工程の様子を模式的に示す工程説明図である。
上記した冷却工程の終了時から本通電工程を開始する。本通電工程においては、図４の（Ａ）に示すように、電極１３，１５間に電流Ｉ２を通電する。電流Ｉ２は、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３を通過する際、溶融状態である第１ナゲット３５の内部よりも、第１ナゲット３５の外縁よりも更にナゲット径方向の外側の領域３４の電気抵抗が大きい。
上記した冷却工程の終了時から本通電工程を開始する。本通電工程においては、図４の（Ａ）に示すように、電極１３，１５間に電流Ｉ２を通電する。電流Ｉ２は、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３を通過する際、溶融状態である第１ナゲット３５の内部よりも、第１ナゲット３５の外縁よりも更にナゲット径方向の外側の領域３４の電気抵抗が大きい。
【0025】
通電により加熱された高温の第１ナゲット３５は、ナゲット周囲の部材よりも電気抵抗が増加するが、領域３４の電気抵抗はそれ以上に大きい。そのため、本通電工程においては、この領域３４が大きな発熱源となって、第１ナゲット３５の外縁よりナゲット径方向の外側の領域３４が強く加熱される。このため、第１ナゲット３５はナゲット径方向への成長が板厚方向よりも優先的に促進される。
【0026】
図３の（Ｃ）に示す第１ナゲット３５は、第１アルミニウム板２１、第２アルミニウム板２３の板厚方向の断面で寸法測定した場合に、第１ナゲット３５のナゲット径ｄ（ｍｍ）と溶け込み深さｈ（ｍｍ）の比ｄ／ｈを１．０～３．０とすることが好ましい。より好ましくは１．０５～２．９、さらに好ましくは１．２～２．５である。
【0027】
このように、本通電の電流Ｉ２により、第１ナゲット３５の外縁より更にナゲット径方向外側の領域３４が優先的に加熱される。これによって、図４の（Ｂ）に示すように、第１ナゲット３５は、特に第１ナゲット３５の外周縁から外側に向けて放射状に成長し、板厚方向への成長はナゲット径方向と比較して抑制される。その結果、本通電後に偏平状の第２ナゲット３９が形成される。
【0028】
＜ナゲットの寸法＞
図５はアルミニウム材の抵抗スポット溶接後における溶融凝固したナゲット２５を模式的に示すアルミニウム溶接継手２７の断面図である。
ここで、ナゲット２５の直径をナゲット径Ｄ、ナゲット２５の溶け込み深さをＨ、第１アルミニウム板２１の板厚をｔ１、第２アルミニウム板２３の板厚をｔ２とする。
図５はアルミニウム材の抵抗スポット溶接後における溶融凝固したナゲット２５を模式的に示すアルミニウム溶接継手２７の断面図である。
ここで、ナゲット２５の直径をナゲット径Ｄ、ナゲット２５の溶け込み深さをＨ、第１アルミニウム板２１の板厚をｔ１、第２アルミニウム板２３の板厚をｔ２とする。
【0029】
上記の抵抗スポット溶接により最終的に形成されるナゲット２５は、ナゲット径Ｄ（ｍｍ）と板厚ｔ（ｍｍ）との寸法比Ｄ／ｔが３．０以上となることが好ましい。より好ましくは、３．３以上、さらに好ましくは、３．５以上である。ここで、板厚ｔは、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３のうち、いずれか薄い方の板厚である。この寸法比Ｄ／ｔにすることで、アルミニウム溶接継手２７の接合強度（引張せん断強度、十字引張強度）を十分に高められる。
【0030】
また、ナゲット２５のナゲット径Ｄとナゲット溶け込み深さＨのナゲット寸法比Ｄ／Ｈは、２．３以上が好ましい。より好ましくは、２．３～３．４である。ナゲット寸法比Ｄ／Ｈが上記範囲より小さいと、必要な接合強度が不足しやすくなる。また、ナゲット寸法比Ｄ／Ｈが上記範囲を超えても接合強度の大幅な増加は望めない。
【0031】
さらに、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３の板厚方向に関して、ナゲット２５の図中上方の外縁２５ａから第１アルミニウム板２１の外側面２１ａまでの距離をＲ１、ナゲット２５の図中下方の外縁２５ｂから第２アルミニウム板２３の外側面２３ａまでの距離をＲ２とする。この場合、距離Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ電極とナゲット２５との間隔（最短距離）であり、いずれか薄い方の板厚の１８％以上であることが好ましく、より好ましくは、いずれか薄い方の板厚の２２％以上である。距離Ｒ１，Ｒ２が上記範囲であることで、ナゲットと電極との接触を確実に防止でき、電極表面に溶融アルミニウムが付着することがなく、少ない打点数で電極先端形状が変化することを抑制できる。
【0032】
＜電極の加圧力＞
予備通電開始から本通電終了までの間は、電極１３，１５により第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３に負荷する加圧力を一定にすることが好ましい。加圧力を一定にすることで、予備通電後の冷却期間における第１アルミニウム板２１と電極１３との密着性、及び第２アルミニウム板２３と電極１５との密着性がそれぞれ均一となり、電流値や通電タイミングを変更する等の複雑な制御が不要となる。この加圧力は２～１０ｋＮの範囲が好ましく、ナゲットの形成が良好となる。
予備通電開始から本通電終了までの間は、電極１３，１５により第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３に負荷する加圧力を一定にすることが好ましい。加圧力を一定にすることで、予備通電後の冷却期間における第１アルミニウム板２１と電極１３との密着性、及び第２アルミニウム板２３と電極１５との密着性がそれぞれ均一となり、電流値や通電タイミングを変更する等の複雑な制御が不要となる。この加圧力は２～１０ｋＮの範囲が好ましく、ナゲットの形成が良好となる。
【0033】
一方、電極１３，１５に単一パルス（本通電）のみ通電した場合、形成されるナゲットは上記した寸法比にはなりにくい。図６の（Ａ），（Ｂ）は、予備通電工程と冷却工程を設けずにナゲット３５Ａを成長させた場合のナゲット４１の形成状況を示す参考図である。
【0034】
図６の（Ａ）に示すように、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３を挟む一対の電極１３，１５に溶接電流を流すと、第１アルミニウム板２１と第２アルミニウム板２３との間には、前述した図３に示す第１ナゲット３５と同様のナゲット３５Ａが形成される。ナゲット３５Ａの形成後、冷却期間を設けずにそのまま通電を続けると、ナゲット３５Ａは、図６の（Ｂ）に示すようにナゲット径方向に成長すると同時に板厚方向にも抑制されることなく成長するため、板厚方向の厚みが大きいナゲット４１となる。
【0035】
厚肉のナゲット４１が形成されると、ナゲット４１の外縁が第１アルミニウム板２１，第２アルミニウム板２３のいずれかの外側表面に達することがある。その場合、電極表面に溶融アルミニウムが付着して、電極先端形状が早期に変化し、次回のドレッシングまでの連続打点数が減少する。
【0036】
上記のように冷却工程を設けない場合と比較して、図３～図５に示すように、通電タイミングを予備通電と本通電とに分割し、予備通電と本通電との間に冷却期間を設けると、ナゲットの板厚方向への成長が抑制される。これは、予備通電で形成される第１ナゲット３５を、より薄く偏平な形状にすることで、本通電時において電気抵抗の高い領域、つまり、第１ナゲット３５外縁よりもナゲット径方向の外側の領域における抵抗発熱が、板厚方向の抵抗発熱よりも大きくなるためと推定できる。その結果、第１ナゲット３５は、ナゲット外縁よりナゲット径方向外側への成長が、板厚方向への成長よりも優先的になる。
【0037】
また、予備通電において第１ナゲット３５が形成されなくても、所定の条件で予備通電をすることで上記した板厚方向への成長が抑制されたナゲット２５が得られる。これは次のように考えられる。
【0038】
重ね合わせた複数枚のアルミニウム板の、互いの板面同士の重ね合わせ面は、酸化膜等の絶縁層で覆われている。そこで、本通電前に予備通電を実施することで、アルミニウム板表面の絶縁層が破壊され、板表面に多数の新生面同士の接合部が一定領域に形成される。
【0039】
この状態で本通電を実施すると、新生面接合領域の周囲に形成された僅かな隙間（空間、又は破壊されずに残存した絶縁層）による電気抵抗の高い部分で発熱が促進されるため、新生面接合領域からナゲット径方向への成長が促進される。一方、板厚方向へのナゲットの成長は、本通電の開始時に第１ナゲット３５が形成されていないため、板厚方向と比較してナゲット径方向の成長が大きくなる。
【0040】
いずれの場合でも、複数枚のアルミニウム板を抵抗スポット溶接する際に、アルミニウム板の溶融により形成されるナゲットが、アルミニウム板の板厚方向に過大な厚さとならず偏平状に形成される。そのため、ナゲットが、重ねられたアルミニウム板の板厚方向外側の板面（電極側）まで達することがない。また、ナゲット径を大きくしつつ、ナゲット厚さを小さく抑制することが、電極の加圧力と溶接電流の複雑な制御をしなくても簡単に実現できる。これにより、抵抗スポット溶接されたアルミニウム溶接部において溶接欠陥を生じさせることなく、高い継手強度を確保することができる。
【0041】
なお、スポット溶接機１１（図１参照）の電極１３，１５は、Ｆ形、Ｒ形、ＣＲ形、ＣＦ形、ＤＲ形等の任意の形状の電極を使用することができる。図７の（Ａ）に示す先端面の曲率半径がｒ１のＲ形、図７の（Ｂ）に示す先端面の曲率半径（先端径）がｒ２のＤＲ形等、電極１３，１５の先端面が凸状の曲面であれば、加圧力を安定させることができ、先端面が平面の電極よりもアルミニウム材表面の酸化皮膜を破壊しやすくなるため好ましい。
【実施例】
【0042】
次に、本発明に係るアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法の実施例を説明する。
＜実験条件＞
（アルミニウム板）
材質：Ａ５１８２材（Ａｌ－Ｍｇ系アルミニウム合金）
板厚ｔ：２．３ｍｍ
＜実験条件＞
（アルミニウム板）
材質：Ａ５１８２材（Ａｌ－Ｍｇ系アルミニウム合金）
板厚ｔ：２．３ｍｍ
【0043】
（電極）
種別：クロム銅 Ｒ形電極
先端曲率半径ｒ１：１００ｍｍ
電極直径（元径）：１９ｍｍ
電極間加圧力：５ｋＮ
種別：クロム銅 Ｒ形電極
先端曲率半径ｒ１：１００ｍｍ
電極直径（元径）：１９ｍｍ
電極間加圧力：５ｋＮ
【0044】
＜実験結果＞
（試験例１）
予備通電のみ実施した場合の各溶接条件と予備通電後のナゲットの測定結果を表１に示す。
試験例１－１～１－１３は、予備通電の電流値Ｉ１と通電時間Ｔ１とをそれぞれ変化させている。表１には、それぞれの場合のナゲット径ｄ、溶け込み深さｈ、アルミニウム板の板厚ｔ、ナゲット寸法比ｄ／ｈ、ｄ／ｔをそれぞれ纏めて示している。各寸法は、アルミニウム板の接合体をナゲット中心位置で切断し、その切断面を光学顕微鏡で撮影した画像から測定した。評価欄は、ナゲット寸法比ｄ／ｔが１．０～３．０の範囲のものをＡ、これ以外をＢとした。
（試験例１）
予備通電のみ実施した場合の各溶接条件と予備通電後のナゲットの測定結果を表１に示す。
試験例１－１～１－１３は、予備通電の電流値Ｉ１と通電時間Ｔ１とをそれぞれ変化させている。表１には、それぞれの場合のナゲット径ｄ、溶け込み深さｈ、アルミニウム板の板厚ｔ、ナゲット寸法比ｄ／ｈ、ｄ／ｔをそれぞれ纏めて示している。各寸法は、アルミニウム板の接合体をナゲット中心位置で切断し、その切断面を光学顕微鏡で撮影した画像から測定した。評価欄は、ナゲット寸法比ｄ／ｔが１．０～３．０の範囲のものをＡ、これ以外をＢとした。
【0045】
【表1】
【0046】
試験例１－１～１－１１のナゲットは、ナゲット径ｄ（ｍｍ）とアルミニウム板の厚さｔ（ｍｍ）の比ｄ／ｔがいずれも１．０～３．０の範囲に収まっている。
試験例１－１２，１－１３では、予備通電を行った後にナゲットが形成されなかった。しかし、次に示す試験例２で本通電を実施すると、ナゲットのナゲット径方向の成長が促進され、板厚方向の成長が抑制された良好なサイズのナゲットが形成された。
試験例１－１２，１－１３では、予備通電を行った後にナゲットが形成されなかった。しかし、次に示す試験例２で本通電を実施すると、ナゲットのナゲット径方向の成長が促進され、板厚方向の成長が抑制された良好なサイズのナゲットが形成された。
【0047】
（試験例２）
予備通電、冷却、本通電を実施した場合の、各溶接条件と本通電後のナゲットの測定結果を表２に示す。
試験例２－１～２－１３の予備通電の条件は、表１に示す試験例１―１～１－１３の場合と同様である。試験例２－１２，２－１３は、ナゲットが形成されなかった予備通電後の試験例１－１２，１－１３の板組を、冷却期間の後、本通電を実施した結果である。本通電は、電流値Ｉ２が３１ｋＡ、通電時間Ｔ２が２５０ｍｓの一定条件とした。評価欄は、ナゲット寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上であるものをＡ、これ以外をＢとした。
予備通電、冷却、本通電を実施した場合の、各溶接条件と本通電後のナゲットの測定結果を表２に示す。
試験例２－１～２－１３の予備通電の条件は、表１に示す試験例１―１～１－１３の場合と同様である。試験例２－１２，２－１３は、ナゲットが形成されなかった予備通電後の試験例１－１２，１－１３の板組を、冷却期間の後、本通電を実施した結果である。本通電は、電流値Ｉ２が３１ｋＡ、通電時間Ｔ２が２５０ｍｓの一定条件とした。評価欄は、ナゲット寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上であるものをＡ、これ以外をＢとした。
【0048】
【表2】
【0049】
試験例２－１～２－１１は、いずれもナゲット寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上であった。また、ナゲット厚さＨとアルミニウム板の板厚ｔから換算したアルミニウム板の外側板面からナゲットまでの平均距離Ｒ（＝ｔ－Ｈ／２）は、いずれも板厚の１８％以上（本実施例では０．４ｍｍ以上）であり、ナゲットと電極との接触は生じていない。
【0050】
（試験例３）
本通電のみ実施した場合と、予備通電、本通電とも実施して冷却時間を変化させた場合の、本通電後のナゲットの測定結果を表３に示す。
試験例３－１は、本通電のみ実施し、試験例３－２～３－７は、予備通電、及び本通電の条件を一定として、冷却時間Ｔｃを変化させた。評価欄は、ナゲットと電極までの平均距離Ｒが板厚の１８％以上（本実施例では０．４ｍｍ以上）をＡ，ナゲットと電極との接触が生じ得る平均距離Ｒが板厚の１８％未満（本実施例では０．４ｍｍ未満）の場合をＢとした。
本通電のみ実施した場合と、予備通電、本通電とも実施して冷却時間を変化させた場合の、本通電後のナゲットの測定結果を表３に示す。
試験例３－１は、本通電のみ実施し、試験例３－２～３－７は、予備通電、及び本通電の条件を一定として、冷却時間Ｔｃを変化させた。評価欄は、ナゲットと電極までの平均距離Ｒが板厚の１８％以上（本実施例では０．４ｍｍ以上）をＡ，ナゲットと電極との接触が生じ得る平均距離Ｒが板厚の１８％未満（本実施例では０．４ｍｍ未満）の場合をＢとした。
【0051】
【表3】
【0052】
図８は試験例３－１～３－７の溶接電流の波形と、各々の条件でナゲットを形成したナゲットの断面写真を示す説明図である。
表３及び図８に示すように、試験例３－１のナゲットは溶け込み深さＨが３．８５ｍｍと極端に大きく、ナゲット外周縁がアルミニウム板の外側板面（電極側）近くまで達し、アルミニウム板の外側板面までの平均距離Ｒが０．３８ｍｍであった。
表３及び図８に示すように、試験例３－１のナゲットは溶け込み深さＨが３．８５ｍｍと極端に大きく、ナゲット外周縁がアルミニウム板の外側板面（電極側）近くまで達し、アルミニウム板の外側板面までの平均距離Ｒが０．３８ｍｍであった。
【0053】
一方、冷却時間が６０ｍｓの試験例３－２のナゲットは、試験例３－１と比較してナゲット厚さＨが２．５７ｍｍに減少して、平均距離Ｒが１．０２ｍｍとなった。試験例３－３～３－７のナゲットも同様に試験例３－１のナゲットよりも溶け込み深さＨが小さくなって、平均距離Ｒが０．９５～１．２６の範囲となった。
【0054】
以上より、冷却時間が３０ｍｓ未満の場合、ナゲット径Ｄや溶け込み深さＨが格段に大きくなり、平均距離Ｒが小さくなった。この場合、本通電後のナゲットが電極と接触する可能性が高くなることがわかる。
【0055】
このように、予備通電を実施することにより、本通電のみ実施する場合と比較して、ナゲットの板厚方向への成長が抑制された。
【0056】
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や、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。
【0057】
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で挟み込み、前記電極間に第１の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の１０～５００ｍｓの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第２の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をＩ1、通電時間をＴ1
前記本通電工程の電流値をＩ２、通電時間をＴ２としたとき、
Ｉ１×Ｔ１ ＜ Ｉ２×Ｔ２ の関係を満たす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、通電タイミングを予備通電と本通電とに分割し、予備通電と本通電との間に冷却期間を設けることにより、ナゲット径を大きくして継手強度を高められる。また、ナゲットの板厚方向への成長が抑制され、ナゲットの外縁が、重ねられたアルミニウム材の外側の板面（電極側）に到達し難くなる。これにより、電極表面に溶融アルミニウムが付着せず、電極のドレッシングを頻繁に実施する必要がなくなり、生産効率が向上する。
（１） 複数のアルミニウム材を重ね合わせて一対の電極で挟み込み、前記電極間に第１の通電を行う予備通電工程と、
前記予備通電工程後の１０～５００ｍｓの間、前記複数のアルミニウム材への入熱量を低下させる冷却工程と、
前記冷却工程後、前記一対の電極間に第２の通電を行う本通電工程と、をこの順に実施し、
前記予備通電工程の電流値をＩ1、通電時間をＴ1
前記本通電工程の電流値をＩ２、通電時間をＴ２としたとき、
Ｉ１×Ｔ１ ＜ Ｉ２×Ｔ２ の関係を満たす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、通電タイミングを予備通電と本通電とに分割し、予備通電と本通電との間に冷却期間を設けることにより、ナゲット径を大きくして継手強度を高められる。また、ナゲットの板厚方向への成長が抑制され、ナゲットの外縁が、重ねられたアルミニウム材の外側の板面（電極側）に到達し難くなる。これにより、電極表面に溶融アルミニウムが付着せず、電極のドレッシングを頻繁に実施する必要がなくなり、生産効率が向上する。
【0058】
（２） 前記予備通電工程により第１ナゲットを形成し、前記冷却工程後の前記本通電工程により、前記第１ナゲットを前記アルミニウム材の重ね方向に直交する厚さ方向へ優先的に成長させるアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法であって、
前記第１ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向の断面で測定した前記第１ナゲット径ｄ（ｍｍ）と前記アルミニウム材の厚さｔ（ｍｍ）の比ｄ／ｔを１．０～３．０とする（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、予備通電によって比ｄ／ｔが１．０～３．０の第１ナゲットが形成されることで、本通電における第１ナゲットのナゲット径方向への成長が、板厚方向への成長と比較して大きくなる。
前記第１ナゲットの前記アルミニウム材の重ね方向の断面で測定した前記第１ナゲット径ｄ（ｍｍ）と前記アルミニウム材の厚さｔ（ｍｍ）の比ｄ／ｔを１．０～３．０とする（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、予備通電によって比ｄ／ｔが１．０～３．０の第１ナゲットが形成されることで、本通電における第１ナゲットのナゲット径方向への成長が、板厚方向への成長と比較して大きくなる。
【0059】
（３） 前記予備通電工程の電流値Ｉ1は、１５～６０ｋＡ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、第１アルミニウム材と第２アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第１ナゲット又は新生面接合領域を形成できる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、第１アルミニウム材と第２アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第１ナゲット又は新生面接合領域を形成できる。
【0060】
（４） 前記本通電工程の電流値Ｉ２は、１５～６０ｋＡである（１）～（３）のいずれか一つ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、第１ナゲット周囲の第１アルミニウム材と第２アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第２ナゲットを形成できる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、第１ナゲット周囲の第１アルミニウム材と第２アルミニウム材との接合面からの発熱を促進して、効率よく偏平な形状の第２ナゲットを形成できる。
【0061】
（５） 前記冷却工程は、前記予備通電工程後に１００ｍｓ以内の冷却時間で行う（１）～（４）のいずれか一つ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、１００ｍｓ以内の短い時間で冷却工程を行うため、生産性が向上する。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、１００ｍｓ以内の短い時間で冷却工程を行うため、生産性が向上する。
【0062】
（６） 前記冷却工程は、前記予備通電工程後に６０ｍｓ以内の冷却時間で行う（５）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、冷却工程によって第１ナゲットの溶融部分における厚さ減少量がより適正となり、第１ナゲットは、重ね方向の成長が抑制されながら、重ね方向に直交する方向に大きく成長する。これにより、第２ナゲットを、必要とされる大きなナゲット径まで安定して成長させることができる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、冷却工程によって第１ナゲットの溶融部分における厚さ減少量がより適正となり、第１ナゲットは、重ね方向の成長が抑制されながら、重ね方向に直交する方向に大きく成長する。これにより、第２ナゲットを、必要とされる大きなナゲット径まで安定して成長させることができる。
【0063】
（７） 前記一対の電極の前記複数のアルミニウム材を挟み込む加圧力が２～１０ｋＮである（１）～（６）のいずれか一つ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、本発明で特定した通電条件との組み合わせにより偏平な形状のナゲットを形成することができる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、本発明で特定した通電条件との組み合わせにより偏平な形状のナゲットを形成することができる。
【0064】
（８） 前記第１ナゲットを前記本通電工程によって成長させた第２ナゲットは、前記アルミニウム材の重ね方向に直交する方向のナゲット径Ｄ（ｍｍ）と、前記第２ナゲットの溶け込み深さＨ（ｍｍ）との寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上である（７）に記載のアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法。
このアルミニウム板の抵抗スポット溶接方法によれば、第２ナゲットの寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上であることで、溶接したアルミニウム材の継手強度を高めることができる。
このアルミニウム板の抵抗スポット溶接方法によれば、第２ナゲットの寸法比Ｄ／Ｈが２．３以上であることで、溶接したアルミニウム材の継手強度を高めることができる。
【0065】
（９） 前記一対の電極に、Ｒ形又はＤＲ形の電極を用いる（１）～（８）のいずれか一つ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、先端面が曲面形状であることで、安定した加圧ができ、先端面が平面である場合と比較して、アルミニウム材表面の新生面をより安定して形成できる。
このアルミニウム材の抵抗スポット溶接方法によれば、先端面が曲面形状であることで、安定した加圧ができ、先端面が平面である場合と比較して、アルミニウム材表面の新生面をより安定して形成できる。
【符号の説明】
【0066】
１３，１５ 電極
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
２７ アルミニウム溶接継手（接合体）
３５ 第１ナゲット
３７ 部分凝固部
３９ 第２ナゲット
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
２７ アルミニウム溶接継手（接合体）
３５ 第１ナゲット
３７ 部分凝固部
３９ 第２ナゲット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
