JP3753005B2

JP3753005B2 - シリーズスポット溶接方法

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Publication number: JP3753005B2
Application number: JP2001076054A
Authority: JP
Inventors: 慎也加藤; 誠一神谷; 一浩野間
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: US6806436B2; JP2002239742A; EP1366845B1; US20030222054A1; EP1366845A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わせた２枚の金属板の一方の表面に、離間する一対の電極を加圧接触させて両電極間に溶接電流を流し、これらの２枚の金属板を溶接するシリーズスポット溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼板同士の溶接にはダイレクトスポット溶接が広く用いられている。この溶接方法では、重ね合わせられた２枚の鋼板を直接、上下の電極チップで挟みながら加圧して板厚方向に溶接電流を流すことで発生する鋼板の抵抗発熱を利用し、点状の溶接部を得ている。即ち、電流を流した際に両鋼板の接触箇所に溶接ナゲット（以下「ナゲット」という。）と呼ばれる両鋼板の溶融した部分ができ、このナゲットによって両鋼板が点状に溶接される。
【０００３】
一方、このようなダイレクトスポット溶接に対して、シリーズスポット溶接がある。このシリーズスポット溶接は、重ね合わせられた２枚の鋼板を離間する一対の電極チップにより一方向から加圧しながら両電極間に電流を流すことによって点状の溶接部を得るものである。
一般には、電極チップの加圧側とは反対側に位置する鋼板の裏側にバック電極を配置する構成を採ることで、一方の電極チップ→重ね合わせた鋼板→バック電極→重ね合わせた鋼板→他方の電極チップという電流経路を構成し、これに溶接電流を流すことにより、ダイレクトスポット溶接と同様、重ね合わせた両鋼板に点状に溶接を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなバック電極を用いたシリーズスポット溶接では、例えば、前工程による加工箇所がバック電極の配置個所に対応する場合には、当該前工程により組み付けられた別部材等がバック電極に干渉するため、この部位にはバック電極を配置することができない。そのため、バック電極を配置することなく、シリーズスポット溶接を行わざるを得ないことになるが、バック電極なしにシリーズスポット溶接を行うと、十分なナゲットを形成することができず、かつブローホールが形成され、十分な溶接強度を得ることができないという問題を生じる。
【０００５】
即ち、図７(A) に示すように、バック電極を置くことなくシリーズスポット溶接を行うと、大半の電流（同図中の太い点線）は電極チップ１６、１７を加圧した側の鋼板Ｗａのみを流れ、反対側の鋼板Ｗｂには僅かな量の電流（同図中の細い点線）しか流すことができない。
【０００６】
このため、鋼板Ｗａのみを流れ溶接に直接寄与しない無効電流の方が、両方の鋼板Ｗａ、Ｗｂを流れて両鋼板Ｗａ、Ｗｂの接触箇所で熱エネルギーに変換され得る有効電流よりも多くなるため、当該接触箇所には十分なナゲットを形成することができず、必要な溶接強度を得られない。
【０００７】
また、このような電流の流れは、鋼板の厚さ方向のみならず、鋼板の平面方向についても生ずるから、図７(B) に示すように、両電極チップ１６、１７を結ぶ最短経路を流れる電流の量が最も多く（同図中の太い点線）、両者間の距離が長くなるほど電流量が減少する（同図中の細い点線）。
【０００８】
したがって、図７(C) に示すように、両電極チップ１６、１７の接触面の周囲（同図中に示す点線による円）には、両電極チップ１６、１７の向き合う側の所定範囲においてのみ鋼板Ｗａの溶け込みが円弧状にできるに留まり、十分なリングナゲットＲｎを形成できないことを本願発明者らは実験により確認している。
【０００９】
また、本願発明者らは、以下のようにブローホールが形成されることも実験により確認している。
即ち、図８(A) に示すように、電極チップ１６の先端部１６ａには、一般に、電極チップ１６と鋼板Ｗａの間に発生する抵抗発熱による両者の溶着を防止するため、溶接電流の通電径を拡大し単位面積当たりの発熱量を低下させる平面部１６ｂが形成されている。そのため、この平面部１６ｂと鋼板Ｗａとの接触端である周縁部１６ｃは、平面部１６ｂよりも接触抵抗が高くなる傾向にある一方で、その周縁部１６ｃのなかでも両電極チップ１６、１７を最短距離で結ぶ位置に相当する部位１６ｄには、溶接電流が最も多く流れることから（同図中の太い点線）、本来、ナゲットの形成を予定している両鋼板Ｗａ、Ｗｂの接触箇所αには、僅かな量の電流（同図中の細い点線）しか流すことができない。
【００１０】
このため、図８(B) に示すように、溶接の初期段階では、このような部位１６ｄを中心に鋼板Ｗａの上面から溶け込むナゲットＮが形成され、鋼板Ｗｂ方向（同図中に示す白抜き矢印）に向かってナゲットＮ’の形成が徐々に進展する。
そして、図８(C) に示すように、ナゲットＮの形成が、両鋼板Ｗａ、Ｗｂの接触箇所に到達する程度にまで進むと、最初にナゲットＮを形成した鋼板Ｗａの上面では溶融した金属が膨張し始めるため、溶融金属がチリＤとなって外部に飛散する事態が生ずる。
【００１１】
このようなチリＤが飛散する状態に至っては、それ以上溶接電流を流しても溶接の進展が期待できないため、この段階で溶接を中断せざるを得ず、溶接の終了後には、図８(D) に示すように、チリＤとなって飛散した分、ナゲットＮ内に空洞、つまりブローホールＢＨが形成されることになる。
【００１２】
このようなブローホールＢＨは、鋼板Ｗａの溶接箇所の表面にいわゆる「表切れ」となって現れるほか、チリＤの飛散が、両鋼板Ｗａ、Ｗｂの接触箇所には僅かなナゲットＮを形成させるに留まる原因になっている。つまり、上述したような従来のシリーズスポット溶接では、バック電極を置くことなく溶接しようとすると、十分な溶接強度を得ることができないという問題が生じていた。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、バック電極なしに十分な溶接強度を得るシリーズスポット溶接方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１のシリーズスポット溶接方法では、
重ね合わせた２枚の金属板の一方の表面に、離間する一対の電極を加圧接触させて両電極間に溶接電流を流し、これらの２枚の金属板を溶接するシリーズスポット溶接方法であって、
前記一方の金属板の前記電極を加圧接触させる部位に、部分的に一般部より一段高い円形状の座面でその径が前記電極の径の１倍を超えて３倍以下に設定される座面を形成するとともに、先端形状が球面状に形成された前記電極によって前記座面を球面状に押しつぶし前記金属板の他方に点状に加圧接触させて溶接することを技術的特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項２のシリーズスポット溶接方法では、請求項１において、前記溶接電流の通電パターンは、
通電終了時に溶接電流が、所定の傾きをもって下降するダウンスロープ部を有することを技術的特徴とする。
【００１７】
さらにまた、請求項３のシリーズスポット溶接方法では、請求項２において、
前記溶接電流の通電パターンは、
通電初期の溶接電流を高くした階段状に設定されていることを技術的特徴とする。
【００１８】
請求項１の発明では、重ね合わせた２枚のうちの一方の金属板の電極を加圧接触させる部位に、部分的に一般部より一段高い円形状の座面でその径が前記電極の径の１倍を超えて３倍以下に設定される座面を形成するとともに、先端形状が球面状に形成された前記電極によって前記座面を球面状に押しつぶし前記金属板の他方に点状に加圧接触させて溶接する。これにより、加圧された電極の先端は、一般部より一段高い座面を押しつぶすことで、まず座面を球面状に変形させ、次いでこの球面状に変形した座面を他方の金属板に対して点当たりにすることができる。そのため、一方の金属板と他方の金属板との間には、球面状に変形した座面により点状に絞られた通電経路が形成されるので、この通電経路を流れる溶接電流の密度を高めることができ、このような通電経路を流れる溶接電流によって、一方の金属板と他方の金属板との間に溶け込み、つまりナゲットを形成させることができる。また、部分的に一般部より一段高く形成する座面は、円形であり、その径は電極の径の１倍を超えて３倍以下である。これにより、座面は円形であることから、電極の先端球面による球面状の変形を容易に形成することができる。また、最小でも座面の径を電極の径の１倍を超えて設定しているので、電極と座面の位置が多少ばらついても電極の先端球面により座面を球面状に変形させることができ、また最大でも座面の径を電極の径の３倍に設定しているので、座面全体が緩やかに撓むことなく座面を部分的に球面状に変形させることができる。
【００２０】
請求項２の発明では、溶接電流の通電パターンは、通電終了時に溶接電流が、所定の傾きをもって下降するダウンスロープ部を有することから、通電終了時の溶接電流を所定の傾きをもって減少させることができる、これにより、ナゲットの温度を緩やかに下げることができるので、ナゲットが凝固するまでの時間を延ばすことができる。そのため、例えばナゲットの成長途中等にブローホールが形成されても、ナゲットが凝固するまでの間に電極の加圧力によりブローホールをつぶすことできるので、ブローホールのないナゲットを形成できる。
【００２１】
請求項３の発明では、溶接電流の通電パターンは、通電初期の溶接電流を高くした階段状に設定されていることから、通電初期の溶接電流を、通電中期あるいは通電後期よりも増加させることができる。これにより、通電初期に比較的大きな溶接電流を供給することができるので、例えば重ね合わせた２枚の金属板の他方の板厚が薄い場合であっても、通電初期における当該他方の金属板の撓みが生ずる前に、両金属板間に比較的大きな溶接電流を流すことができる。即ち、当該他方の金属板の撓みによって両金属板間の通電経路が拡がる前の通電経路（つまり狭い通電経路）に、比較的大きな溶接電流を流すことができる。そのため、当該他方の金属板の板厚が薄い場合であっても、通電初期にナゲットを形成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のシリーズスポット溶接方法の一実施形態について図を参照して説明する。
[第１実施形態]
図１には、本シリーズスポット溶接方法を適用した溶接装置２０および鋼板Ｗａ、Ｗｂが図示されている。
まず、溶接装置２０の構成を図１および図２(A) に基づいて説明する。
図１に示すように、溶接装置２０は、主に、電極チップ２６、２７と、この両電極チップ２６、２７を支持するとともにそれぞれ加圧するシリンダ２４、２５と、この両シリンダ２４、２５を手首部２２ａにより支持するロボットアーム２２を備えたロボットと、そして電極チップ２６、２７に溶接電流を供給可能な図示しない溶接トランスと、から構成されている。なお、本第１実施形態の場合、鋼板Ｗａの板厚は０．６mm、Ｗｂの板厚は２mmに設定されている。
【００２３】
電極チップ２６、２７は、その先端部２６ａ、２７ａがそれぞれ球面に形成されており（図２(A) 参照）、両電極チップ２６、２７は所定の間隔を隔てて並行に位置するように、シリンダ２４、２５にそれぞれ支持されている。例えば図２(A) に示すように、電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａの直径である先端径Ｄ0 が１６mmに形成されている場合には、両電極チップ２６、２７の離隔距離は３５mm程度に設定される。
【００２４】
シリンダ２４、２５は、支持している電極チップ２６、２７を上下方向に移動可能に構成されており、特に、下方向、即ち鋼板Ｗａ、Ｗｂ方向には、所定の加圧力によって電極チップ２６、２７を押し下げる役割を有する。これにより、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂのうちの鋼板Ｗａの表面に、離間する一対の電極チップ２６、２７を加圧接触させることができる。
【００２５】
ロボットアーム２２は、その手首部２２ａにシリンダ２４、２５を支持固定しており、それぞれのシリンダ２４、２５に支持された電極チップ２６、２７を後述する鋼板Ｗａの凸部３０上の所定位置に移動させる役割を有するものである。
【００２６】
図示しない溶接トランスは、電極チップ２６、２７に接続された電流ケーブルを介して所定の溶接電流を供給し得るように構成されている。当該溶接電流は、連続的に供給されるものではなく、例えば（１５／６０）秒間の通電を（４５／６０）秒毎に繰り返すというような断続的なもので、その値は、例えば１０ｋＡに設定されている。
【００２７】
このように溶接装置２０を構成することにより、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂのうちの一方の鋼板Ｗａの表面に、離間する一対の電極チップ２６、２７を加圧接触させて両電極チップ２６、２７間に溶接電流を流すことができる。
【００２８】
次に、鋼板Ｗａの構成を図１および図２に基づいて説明する。
図１に示すように、電極チップ２６、２７による加圧される側の鋼板Ｗａには、部分的に一般部３５よりも一段高い座面３０ａを有する凸部３０が形成されており、この凸部３０の構成が、図２(B) および図２(C) に図示されている。
図２(B) および図２(C) に示すように、鋼板Ｗａに形成されている凸部３０は中空円錐台形状に形成されており、その頂部には円形状の座面３０ａを有する。
【００２９】
即ち、凸部３０は、鋼板Ｗａの一般部３５から縮径しながら盛り上がるように形成されるテーパ部３０ｂを介して、頂部に円形状の平坦面に形成される座面３０ａを有するように構成されている。このように頂部に位置する座面３０ａは、円形に形成されているため、後述するように、電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ｂにより、座面３０ａを球面状に容易に変形させることができる。
【００３０】
具体的には、凸部３０は、鋼板Ｗａにプレス加工を施すことにより形成され、例えば、座面３０ａの直径である座面径Ｄ1 を２２mmに設定した場合、凸部３０の直径である凸部径Ｄ2 は２８mmに設定され、また一般部３５から座面３０ａまでの高さである座面高Ｈは１mmに設定される。
【００３１】
また、このような座面３０ａの座面径Ｄ1 は、前述した電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 の１倍以上３倍以下の範囲で設定される。
【００３２】
即ち、本第１実施形態の場合、先端径Ｄ0 が１６mmであるため、その１倍である１６mmからその３倍である４８mmまでの間で座面径Ｄ1 が設定される。これにより、最小でも座面径Ｄ1 を電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 と１倍、つまり同等に設定しているので、電極チップ２６、２７と座面３０ａの位置が多少ばらついても電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ｂの球面により座面３０ａを球面状に変形させることができる。また、最大でも座面径Ｄ1 を電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 の３倍に設定しているので、座面３０ａ全体が緩やかに撓むことなく座面３０ａを部分的に球面状に変形させることができる。
【００３３】
続いて本シリーズスポット溶接方法により行われるスポット溶接の各工程等を図１、図３〜図５に基づいて説明する。
図３および図４では、本シリーズスポット溶接方法により行われるスポット溶接の各工程を順番にそれぞれの各分図(A) 〜(F) により示している。また図５では本シリーズスポット溶接方法により行われたスポット溶接後に形成されるナゲットの形成状態を模式的に表している。
【００３４】
図１、図３(A) に示すように、重ね合わされた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂの一方である鋼板Ｗａの凸部３０の上方に位置するように、ロボットアーム２２による電極チップ２６、２７の移動および位置決めが完了すると、次にシリンダ２４、２５により電極チップ２６、２７が凸部３０の座面３０ａ方向に押し下げられる。
【００３５】
そして、シリンダ２４、２５による電極チップ２６、２７の押し下げにより、電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａが座面３０ａに当接しても、さらにシリンダ２４、２５によって電極チップ２６、２７の加圧が進むため、これにより、座面３０ａは鋼板Ｗｂ方向に向かって押しつぶされる。
【００３６】
即ち、図３(B) に示すように、凸部３０が存在することにより、鋼板Ｗａと鋼板Ｗｂとの間に形成される空間部Ｋを狭くするように、シリンダ２４、２５により加圧された電極チップ２６、２７が凸部３０の座面３０ａを押しつぶす。一方、電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａは、前述の如く、球面に形成されているため、座面３０ａは、先端部２６ａ、２７ａと同様の球面形状に変形しながら、鋼板Ｗｂ側に向かって押しつぶされる。これにより、座面３０ａには球面状の窪みを有する凹部が形成されるため、座面３０ａの裏側には鋼板Ｗｂに向かって球面状に突出する接触面３０ｃが形成されることになる。
【００３７】
図３(C) に示すように、さらにシリンダ２４、２５による電極チップ２６、２７の加圧が進むことによって、座面３０ａが電極チップ２６、２７により押しつぶされる。そして、座面３０ａの裏側に形成される球面状の接触面３０ｃは、その頂部が鋼板Ｗｂに接触する。つまり、接触面３０ｃのうちの最も突出した部分が他の部分よりもいち早く鋼板Ｗｂに点接触する。
【００３８】
これにより、鋼板Ｗａに形成される座面３０ａの裏側にあたる接触面３０ｃは、このような点接触部３０ｄを介して鋼板Ｗｂに点接触することができるので、ここに点状に絞られた通電経路、つまり接触抵抗の大きい通電経路が形成されることになる（同図中に示す矢印付きの太い実線）。したがって、この通電経路を流れる溶接電流は、面接触による通電経路よりも電流密度を高めることができるので、このような通電経路を流れる溶接電流によって抵抗発熱量を増大させ、一方の鋼板Ｗａと他方の鋼板Ｗｂとの間に溶け込み、つまりナゲットＮａを形成させることができる。
【００３９】
図４(D) に示すように、そしてさらにシリンダ２４、２５による加圧を続けながら、電極チップ２６、２７による通電を継続することにより、ナゲットＮａによる両鋼板Ｗａ、Ｗｂの溶融部が押し合わされる。なお、図４(E) に示す白抜きの矢印は、電極チップ２６、２７による加圧方向を示すものである。
【００４０】
これにより、図４(E) に示すように、鋼板Ｗａが鋼板Ｗｂにめり込むように沈み込むため、接触抵抗の高い部分が接触面３０ｃに沿って鋼板Ｗａの表面方向に移動する。即ち、抵抗発熱により液状化した両鋼板Ｗａ、ＷｂのナゲットＮａ部分の接触抵抗よりも、その側方に位置する鋼板Ｗａと鋼板Ｗｂとの接触部分の方が接触抵抗が高いため、接触面３０ｃに沿った表面方向に向かってナゲットＮｂが形成される。
【００４１】
そして、シリンダ２４、２５による加圧によって鋼板Ｗａが鋼板Ｗｂにめり込むように沈み込むと、このように形成されたナゲットＮｂの接触抵抗も低下するため、接触抵抗の高い部分が接触面３０ｃに沿って再び鋼板Ｗａの表面方向に移動する。これにより、接触面３０ｃに沿った表面方向に向かって、次のナゲットＮｃが形成される。
【００４２】
このように凸部３０の接触面３０ｃに沿いながら表面方向に向うナゲットの形成が順次進展することにより、図４(F) に示すようなスポット溶接が完了する。即ち、図５に示すように、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂにおいて、溶け込み範囲（Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃ）を広く確保し得るスポット溶接が完了する。
【００４３】
次に、本シリーズスポット溶接方法の効果をより明確にするため、比較例に係るシリーズスポット溶接方法によるものを図６に基づいて説明する。
図６に示す比較例は、電極チップ５６、５７の先端部５６ａ、５７ａの形状を球面形状に形成することなく、従来の電極チップと同様、平面部５６ｂ、５７ｂを設け、これにより前述した凸部３０の座面３０ａを押しつぶすように加圧接触させて溶接するものである。
【００４４】
図６に示すように、この比較例によると、電極チップ５６、５７の先端部５６ａ、５７ａには、平面部５６ｂ、５７ｂが形成されている。そのため、このような先端部５６ａ、５７ａにより押しつぶされる座面３０ａでは、押しつぶされて形成される凹部の窪みが球面状になることはなく、平面状を有する底部が当該凹部に形成される。これにより、座面３０ａの裏側に位置する接触面３０ｃも平面状に形成されるため、鋼板Ｗａと鋼板Ｗｂとはこの接触面３０ｃにより面接触することになる。したがって、当該面接触部分においては接触抵抗が抑えられるため、その周縁にあたる周縁部３０ｆに接触抵抗の高い部分が形成され、この部分において抵抗発熱によるナゲットＮａが形成される。
【００４５】
また、シリンダ２４、２５による電極チップ５６、５７が加圧されても、電極チップ５６、５７の先端部５６ａ、５７ａには、平面部５６ｂ、５７ｂが形成されているため、前述した実施形態による電極チップ２６、２７の加圧によるような鋼板Ｗａの鋼板Ｗｂへの沈み込みが生ずることはない。そのため、鋼板Ｗａが鋼板Ｗｂに沈み込むことによる鋼板Ｗａの表面方向に向うナゲット形成の進展は起きない。
【００４６】
したがって、比較例によるものでは、たとえ本第１実施形態の凸部３０が鋼板Ｗａに形成されていても、電極チップ５６、５７によって押しつぶされる座面３０ａは、球面状には変形することはなく平面状にしか変形しない。そのため、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂに対しては、接触面３０ｃの周縁部３０ｆにおいて、ある程度の溶け込み範囲を確保することはできるものの、前述した本第１実施形態によるものと比較すると、その溶け込み範囲は狭くならざるを得ない。
【００４７】
つまり、本第１実施形態による電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａに形成されている球面形状は、ナゲット形成を進展させて広範な溶け込み範囲を確保するために極めて重要な役割を果たしていることを、このような比較例によって明確にすることができる。
【００４８】
以上説明したように、本第１実施形態に係るシリーズスポット溶接方法によると、重ね合わせた２枚の鋼板Ｗａ、Ｗｂのうちの一方の鋼板Ｗａの電極チップ２６、２７を加圧接触させる部位に、部分的に一般部３５より一段高い座面３０ａを形成するとともに、電極チップ２６、２７は先端部２６ａ、２７ａを球面に形成し、電極チップ２６、２７を座面３０ａに、座面３０ａを押しつぶすように加圧接触させて溶接する。これにより、加圧された電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａは、一般部３５より一段高い座面３０ａを押しつぶすことで、まず座面３０ａを球面状に変形させ、次いでこの球面状に変形した座面３０ａを他方の鋼板Ｗｂに対して点当たりにすることができる。そのため、一方の鋼板Ｗａと他方の鋼板Ｗｂとの間には、球面状に変形した座面３０ａにより点状に絞られた通電経路が形成されるので、この通電経路を流れる溶接電流の密度を高めることができ、このような通電経路を流れる溶接電流によって、一方の鋼板Ｗａと他方の鋼板Ｗｂとの間に溶け込み、つまりナゲットＮを形成させることができる。したがって、両電極チップ２６、２７間に溶接電流を流すとともに当該電極チップ２６、２７を加圧することにより、両鋼板Ｗａ、Ｗｂの接触部分に十分なナゲットＮを形成することができるため、バック電極がなくても十分な溶接強度を得る効果がある。
【００４９】
また、本第１実施形態に係るシリーズスポット溶接方法によると、座面３０ａは、円形であり、その座面径Ｄ1 は電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 の１〜３倍である。これにより、座面３０ａは円形であることから、電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ｂの球面による球面状の変形を容易に形成することができる。また、最小でも座面径Ｄ1 を電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 の１倍に設定しているので、電極チップ２６、２７と座面３０ａの位置が多少ばらついても電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ｂの球面により座面３０ａを球面状に変形させることができ、また最大でも座面径Ｄ1 を電極チップ２６、２７の先端径Ｄ0 の３倍に設定しているので、座面３０ａ全体が緩やかに撓むことなく座面３０ａを部分的に球面状に変形させることができる。したがって、一方の鋼板Ｗａに形成された座面３０ａを電極チップ２６、２７の先端部２６ａ、２７ａにより確実に球面状に押しつぶすことができるので、バック電極がなくても十分な溶接強度を容易に得る効果がある。
【００５０】
[第２実施形態]
次に、本発明に係る第２実施形態を図９〜図１５に基づいて説明する。
上述したように、第１実施形態に係るシリーズスポット溶接方法では、一方の鋼板Ｗａの電極チップ２６、２７を加圧接触させる部位に、部分的に一般部３５より一段高い座面３０ａを形成するとともに、電極チップ２６、２７は先端部２６ａ、２７ａを球面に形成し、電極チップ２６、２７を座面３０ａに、座面３０ａを押しつぶすように加圧接触させて溶接した。これにより、一方の鋼板Ｗａと他方の鋼板Ｗｂとの間に、球面状に変形した座面３０ａにより点状に絞られた通電経路を形成することによって、一方の鋼板Ｗａと他方の鋼板Ｗｂとの間にナゲットＮを形成させ、バック電極がなくても十分な溶接強度を得ることができた。
【００５１】
ところが、本願発明者らにより、かかる溶接部位の断面分析を行ったところ、十分な溶接強度を得られるものであっても、ナゲット中にブローホールＢＨを含むものが存在することを確認した（図１０(C) 参照）。
【００５２】
即ち、第１実施形態に係るシリーズスポット溶接方法では、両電極間に流す溶接電流を例えば１０ｋＡに設定し、（１５／６０）秒間の通電を（４５／６０）秒毎に繰り返すという溶接電流の制御を行っている。つまり、図９に示すような通電パターンに基づいて溶接電流の制御を行っている。即ち、通電初期から通電中期を経て通電後期、そして通電終了に至るまでの間、溶接電流値は１０ｋＡの一定値を維持するように通電パターンを設定している。
【００５３】
一方、本願に係るシリーズスポット溶接方法では、バック電極を置かないことを前提にしているので、バック電極を置くものに比べると、電極チップ２６、２７により加圧されても、鋼鈑Ｗａ、Ｗｂの溶接部に加わる加圧力は低くなりがちである。
【００５４】
このため、既に説明したように、加圧された電極チップ２６、２７により溶接電流の供給が開始されると、座面３０ａの裏側である接触面３０ｃの頂部（点接触部３０ｄ）と鋼鈑Ｗｂとの間にはナゲットＮａが形成され（図１０(A) ）、さらに電極チップ２６、２７による加圧と溶接電流の供給とを継続することにより、接触面３０ｃに沿って鋼鈑Ｗａの表面方向にナゲットＮｂの形成が進展する（図１０(B) ）。そして、このようなナゲットＮｂでは、接触面３０ｃに沿ってナゲットＮａから離れるほど、電極チップ２６、２７による加圧力が比較的加わり難い部分において形成されるため、溶接電流の供給継続によりナゲットＮｂの熱膨張が進むと開口Ｌが形成され易く、その開口ＬからナゲットＮの溶融金属がチリＤとなって飛散することが判明した。
【００５５】
つまり、図１０(C) に示すように、接触面３０ｃと鋼鈑Ｗｂとの接触部のうち、鋼鈑Ｗａと鋼板Ｗｂとに区画形成される空間部Ｋに最も近い部分にあっては、電極チップ２６、２７による加圧力が比較的加わり難いことから、ナゲットＮｂの熱膨張に伴い開口Ｌが形成され、そこから溶融金属がチリＤとなって飛び出す。そして、飛び出したチリＤの分だけナゲットＮの溶融金属量が減少するため、通電の終了により急冷却されて凝固収縮したナゲットＮに、図１０(C) に示すようなブローホールＢＨが形成されるのである。なお、一般に、このようなブローホールＢＨは、溶接強度の低下を招く原因となり得るので、極力その発生を防止するのが望ましいとされている。
【００５６】
また、本願発明者らによるさらなる調査・分析によると、図１１(A) に示すように、下板である鋼鈑Ｗｃの板厚が薄い場合（例えば２mm未満）には、電極チップ２６、２７による加圧力（例えば約４９０Ｎ）と抵抗発熱による鋼鈑Ｗｃの軟化とによって、鋼鈑Ｗｃに撓みδが生じるため、十分な溶接強度を確保できないものが存在することを確認した（図１１(B) 参照）。
【００５７】
即ち、鋼鈑Ｗｃの板厚が比較的薄い場合においては、鋼鈑Ｗｃの面方向の電気的抵抗が高くなるため、上板である鋼鈑Ｗａのみを流れ溶接に直接寄与しない無効電流の方が、両方の鋼板Ｗａ、Ｗｃを流れて両鋼板Ｗａ、Ｗｃの接触箇所で熱エネルギーに変換され得る有効電流よりも多くなる。そのため、当該接触箇所には十分な溶接電流が流れなくなる。
【００５８】
また、溶接電流の通電初期には、両鋼板Ｗａ、Ｗｃの接触箇所の抵抗発熱による加熱軟化および電極チップ２６、２７による加圧力により、鋼鈑Ｗｃに撓みδが生じて、鋼板Ｗａと鋼鈑Ｗｃとは互い点接触ではない面接触した状態に変形する。すると、両鋼板Ｗａ、Ｗｃの接触面積が増加して当該接触箇所の電気抵抗が減少し、電流密度の低下および抵抗発熱の鈍化につながるため、十分な初期ナゲットを形成することができない。このため、図１１(B) に示すように、通電中期に形成されたナゲットＮａのみで溶接されることになるが、これでは十分な溶接強度を確保することができない。
【００５９】
そこで、本第２実施形態に係るシリーズスポット溶接方法では、図１３に示すような通電パターンによる溶接電流を、鋼鈑Ｗａ、Ｗｂあるいは鋼鈑Ｗａ、Ｗｃに供給することによって、上述したブローホールＢＨの形成、および、溶接強度の不足を解決する。
【００６０】
本第２実施形態に係るシリーズスポット溶接方法を適用した溶接装置は、既に説明した第１実施形態に係る溶接装置２０と同様であり、電気的な構成概要は、図１２に示されている。そのため、図１２において、図１に示す溶接装置２０と実質的に同一の構成部分には同一符号を付す。
【００６１】
図１および図１２に示すように、溶接装置２０は、主に、電極チップ２６、２７と、この両電極チップ２６、２７を支持するとともにそれぞれ加圧するシリンダ２４、２５と、この両シリンダ２４、２５を手首部２２ａにより支持するロボットアーム２２を備えたロボットと、電極チップ２６、２７に溶接電流を供給可能な溶接トランスＴと、電極チップ２６、２７に供給される溶接電流を任意に制御可能な溶接電流制御装置CONTから構成されている。
【００６２】
本第２実施形態では、図１３に示すように、この溶接電流制御装置CONTによる通電パターンを、通電後期Ｘ（通電終了時）に溶接電流が所定の傾き−Δｉをもって下降するダウンスロープ部を有するように設定している。これにより、ナゲットＮの温度を緩やかに下げることができる。
【００６３】
即ち、図９に示した溶接電流の通電パターンのように溶接電流を急激に遮断する場合に比べ、本第２実施形態による通電パターンでは溶接電流を緩やかに下降させるので、通電の終了によりナゲットＮが急冷却されて凝固収縮することはない。そのため、凝固収縮前のナゲットＮに、電極チップ２６、２７による加圧力を加えることができる。
【００６４】
つまり、ナゲットＮｂの熱膨張に伴い開口Ｌが形成され、そこからチリが飛び出しても、これにより生じたナゲットＮ内のブローホールＢＨを、通電後期Ｘに電極チップ２６、２７により押しつぶすことができる。したがって、ナゲットＮ内のブローホールＢＨの発生を防止できるため、ブローホールＢＨのないナゲットＮ’を形成でき、バック電極なしに十分な溶接強度を得る効果がある。
【００６５】
なお、通電後期Ｘの時間ｔ３は、例えば、通電時間全体（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）を２０サイクル（１サイクルは１／６０秒）に設定したときに、５〜１０サイクルに設定される。
【００６６】
また、本第２実施形態では、図１３に示すように、この溶接電流制御装置CONTによる通電パターンを、通電初期Ｙの溶接電流を高くした階段状に設定している。これにより、通電初期Ｙの溶接電流を、通電中期あるいは通電後期Ｘよりも増加させることができるので、比較的大きな溶接電流を通電初期Ｙに供給することができる。
【００６７】
即ち、図９に示した溶接電流の通電パターンのように通電初期から通電後期まで一定電流を供給する場合に比べ、本第２実施形態による通電パターンでは通電初期Ｙの通電電流値を１５ｋＡに設定し、通電中期の通電電流値を１０ｋＡに設定している。
【００６８】
そのため、図１５(A) に示すように、例えば下板である鋼鈑Ｗｃが１．６mmというように２mm未満であっても、通電初期における鋼鈑Ｗｃの撓みδ（図１１(A) 参照）が生じる前に、鋼鈑Ｗａ、Ｗｃ間に比較的大きな溶接電流を流すことができる。つまり、鋼鈑Ｗｃの撓みδによって両鋼鈑Ｗａ、Ｗｃ間の通電経路が拡がる前の狭い通電経路に、比較的大きな溶接電流を流すことができる。これにより、鋼鈑Ｗｃの板厚が薄い場合であっても、通電初期ＹにナゲットＮを形成することができる。したがって、図１５(B) に示すように、バック電極なしでも良好なナゲットＮを形成でき、十分な溶接強度を得る効果がある。
【００６９】
なお、当該通電初期の時間ｔ１は、例えば、通電期間全体（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）を２０サイクル（１サイクルは１／６０秒）に設定したときに、３〜８サイクルに設定される。また溶接電流は１２〜１６ｋＡ程度であっても良い。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１の発明では、重ね合わせた２枚のうちの一方の金属板の電極を加圧接触させる部位に、部分的に一般部より一段高い円形状の座面でその径が前記電極の径の１倍を超えて３倍以下に設定される座面を形成するとともに、先端形状が球面状に形成された前記電極によって前記座面を球面状に押しつぶし前記金属板の他方に点状に加圧接触させて溶接する。これにより、加圧された電極の先端は、一般部より一段高い座面を押しつぶすことで、まず座面を球面状に変形させ、次いでこの球面状に変形した座面を他方の金属板に対して点当たりにすることができる。そのため、一方の金属板と他方の金属板との間には、球面状に変形した座面により点状に絞られた通電経路が形成されるので、この通電経路を流れる溶接電流の密度を高めることができ、このような通電経路を流れる溶接電流によって、一方の金属板と他方の金属板との間に溶け込み、つまりナゲットを形成させることができる。したがって、両電極間に溶接電流を流すとともに当該電極を加圧することにより、両金属板の接触部分に十分なナゲットを形成することができるため、バック電極がなくても十分な溶接強度を得る効果がある。また、部分的に一般部より一段高く形成する座面は、円形であり、その径は電極の径の１倍を超えて３倍以下である。これにより、座面は円形であることから、電極の先端球面による球面状の変形を容易に形成することができる。また、最小でも座面の径を電極の径の１倍を超えて設定しているので、電極と座面の位置が多少ばらついても電極の先端球面により座面を球面状に変形させることができ、また最大でも座面の径を電極の径の３倍に設定しているので、座面全体が緩やかに撓むことなく座面を部分的に球面状に変形させることができる。したがって、一方の金属板に形成された座面を電極の先端により確実に球面状に押しつぶすことができるので、バック電極がなくても十分な溶接強度を容易に得る効果がある。
【００７２】
請求項２の発明では、溶接電流の通電パターンは、通電終了時に溶接電流が、所定の傾きをもって下降するダウンスロープ部を有することから、ナゲットの温度を緩やかに下げることができるので、ナゲットが凝固するまでの時間を延ばすことができる。そのため、例えばナゲットの成長途中等にブローホールが形成されても、ナゲットが凝固するまでの間に電極の加圧によりブローホールをつぶすことできるので、ブローホールのないナゲットを形成できる。したがって、バック電極なしに十分な溶接強度を得る効果がある。
【００７３】
請求項３の発明では、溶接電流の通電パターンは、通電初期の溶接電流を高くした階段状に設定されていることから、比較的大きな溶接電流を通電初期に供給することができるので、例えば重ね合わせた２枚の金属板の他方の板厚が薄い場合であっても、通電初期における当該他方の金属板の撓みが生ずる前に、両金属板間に比較的大きな溶接電流を流すことができる。即ち、当該他方の金属板の撓みによって両金属板間の通電経路が拡がる前の通電経路（つまり狭い通電経路）に、比較的大きな溶接電流を流すことができる。そのため、当該他方の金属板の板厚が薄い場合であっても、通電初期にナゲットを形成することができる。したがって、バック電極なしに十分な溶接強度を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るシリーズスポット溶接方法を示す説明図である。
【図２】図２(A) は、本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法に用いられる電極チップ先端の側面図、図２(B) は、同シリーズスポット溶接方法に用いられる鋼板に形成される座面の平面図、図２(C) は、図２(B) に示す座面の側面図である。
【図３】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図３(A) は電極チップの加圧による変形前の座面、図３(B) は電極チップの加圧による変形途中の座面、図３(C) は溶接電流の通電によるナゲット形成の初期段階、をそれぞれ示すものである。
【図４】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図４(D) は溶接電流の通電によるナゲット形成の中期段階、図４(E) は溶接電流の通電によるナゲットの形成終期段階、図４(F) は溶接電流の通電終了後、をそれぞれ示すものである。
【図５】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接後のナゲット形成状態を模式的に示す説明図である。
【図６】比較例に係るシリーズスポット溶接方法を示す説明図である。
【図７】従来のシリーズスポット溶接方法による電流経路等を示す説明図で、図７(A) は断面方向から見たもの、図７(B) は平面方向から見たもの、図７(C) はスポット溶接後のとけ込み状態を平面方向から示すものである。
【図８】従来のシリーズスポット溶接方法によるスポット溶接時のとけ込み状態を断面方向から見たもので、図８(A) は溶接途中の状態、図８(B) はβ円内拡大図で溶接初期の状態、図８(C) はβ円内拡大図で溶接後期の状態、図８(D) は示すβ円内拡大図で溶接後の状態、をそれぞれ示すものである。
【図９】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法における溶接電流の通電パターンを示す説明図である。
【図１０】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図１０(A) は溶接電流の通電開始段階、図１０(B) は通電完了段階、図１０(C) は図１０(B) に示すγ円内拡大図で溶接後期の状態、をそれぞれ示すものある。
【図１１】本第１実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図１１(A) は溶接電流の通電開始段階、図１１(B) は通電完了段階、をそれぞれ示すものある。
【図１２】本第２実施形態のシリーズスポット溶接方法を適用した溶接装置の構成を示す説明図である。
【図１３】本第２実施形態のシリーズスポット溶接方法における溶接電流の通電パターンを示す説明図である。
【図１４】本第２実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図１４(A) は溶接電流の通電完了段階、図１４(B) は図１４(A) に示すε円内拡大図で溶接後期の状態、図１４(C) は図１４(A) に示すε円内拡大図で溶接完了後の状態、をそれぞれ示すものある。
【図１５】本第２実施形態のシリーズスポット溶接方法による溶接工程を示す説明図で、図１５(A) は溶接電流の通電開始段階、図１５(B) は通電完了段階、をそれぞれ示すものある。
【符号の説明】
２０溶接装置
２２ロボットアーム
２４、２５シリンダ
２６、２７電極チップ（電極）
２６ａ、２７ａ先端部（先端）
３０凸部
３０ａ座面
３５一般部
Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ鋼板（金属板）
Ｄ0 先端径（電極の径）
Ｄ1 座面径（座面の径）
Ｄ2 凸部径
Ｈ座面高
Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃナゲット
ＢＨブローホール
Ｙ通電初期
Ｘ通電後期（通電終了時）

Claims

重ね合わせた２枚の金属板の一方の表面に、離間する一対の電極を加圧接触させて両電極間に溶接電流を流し、これらの２枚の金属板を溶接するシリーズスポット溶接方法であって、
前記一方の金属板の前記電極を加圧接触させる部位に、部分的に一般部より一段高い円形状の座面でその径が前記電極の径の１倍を超えて３倍以下に設定される座面を形成するとともに、先端形状が球面状に形成された前記電極によって前記座面を球面状に押しつぶし前記金属板の他方に点状に加圧接触させて溶接することを特徴とするシリーズスポット溶接方法。
前記溶接電流の通電パターンは、
通電終了時に溶接電流が、所定の傾きをもって下降するダウンスロープ部を有することを特徴とする請求項１記載のシリーズスポット溶接方法。
前記溶接電流の通電パターンは、
通電初期の溶接電流を高くした階段状に設定されていることを特徴とする請求項２記載のシリーズスポット溶接方法。