JP6828404B2

JP6828404B2 - スポット溶接方法

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Publication number: JP6828404B2
Application number: JP2016237964A
Authority: JP
Inventors: 裕史堀川; 仲子　武文; 武文仲子
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP2018094557A

Description

本発明は、複数枚の鋼板を重ね合せてスポット溶接するスポット溶接方法に関する。さらに詳しくは、表面に有機皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法に関する。

従来、家電、自動車、建材等の分野において、亜鉛系めっき鋼板が広く使用されている。これらの用途に用いられる亜鉛系めっき鋼板には、加工性、後塗装性、防眩性等を向上させるため、めっき層表面に有機皮膜が塗装される。

有機皮膜は絶縁性を有するため、表面に有機皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接する際には、一般的な溶接条件では通電不良を起こし溶接することが困難である。
そのため、電極の先端を曲率半径５０ｍｍ以下の球面形状とし、被溶接部における電極の加圧力の作用する面積を制限して、単位体面積あたりの加圧力を高めることにより、電極先端で有機皮膜を破壊して通電経路を確保し、スポット溶接する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２１９５７８号公報

しかしながら、有機皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板において、より好適にスポット溶接を行える技術が求められている。

従って、本発明は、このような絶縁性の高い有機皮膜を表面に有する亜鉛系めっき鋼板においてスポット溶接を可能とするため、より適切な溶接条件を備えるスポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数枚の鋼板を重ね合わせてスポット溶接するスポット溶接方法であって、前記複数枚の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は、片面又は両面に０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みの有機皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板であり、前記亜鉛系めっき鋼板に接触する電極の形状は、先端に円状の平坦部を備えるフラット形状、又は、先端が球面で構成されるラジアス形状であり、前記電極の形状が前記フラット形状の場合は下記（１）式で、前記ラジアス形状の場合は下記（１）´式で算出される前記電極の先端周長で、前記電極の加圧力を除した下記（２）式で定義される前記電極の先端における線荷重の値が４００Ｎ／ｍｍ以上となる条件で溶接するスポット溶接方法に関する。
Ｌ＝πＤ・・・・・（１）
Ｌ＝２π（２Ｒｈ−ｈ^２）^１／２・・・・・（１）´
ｐ＝Ｆ／Ｌ・・・・・（２）
ここで、Ｌ：電極の先端周長（ｍｍ）、Ｄ：電極の先端がフラット形状の場合の円状の平坦部の直径（ｍｍ）、Ｒ：電極の先端がラジアス形状の場合の球面の曲率半径（ｍｍ）、ｈ：電極の先端がラジアス形状の場合の電極の先端における等価先端直径を求めるための定数（母材強度、めっき付着量に応じて０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下）、ｐ：線荷重（Ｎ／ｍｍ）、Ｆ：電極の加圧力（Ｎ）

また、前記線荷重の値が５５０Ｎ／ｍｍ以下となる条件で溶接することが好ましい。

また、前記線荷重の値が５００Ｎ／ｍｍ以上となる条件で溶接することが好ましい。

また、前記電極の前記亜鉛系めっき鋼板への衝突速度を５００ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。

また、前記複数枚の鋼板は、両面に０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みの有機皮膜を有する２枚の亜鉛系めっき鋼板であることが好ましい。

本発明によれば、表面に有機皮膜を有する亜鉛めっき系鋼板であっても、電極加圧力を電極の先端周長で除した線荷重を適切な条件とすることにより、スポット溶接が可能となる。

本発明のスポット溶接方法によるフラット形状の電極及び被溶接鋼板の配置関係を示す模式図である。本発明のスポット溶接方法によるラジアス形状の電極及び被溶接鋼板の配置関係を示す模式図である。ラジアス形状の電極における等価先端周長を算出するための説明図である。線荷重と通電率との関係を示す図である。線荷重と引張せん断荷重との関係を示す図である。

以下、本発明のスポット溶接方法の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
一般的に、抵抗スポット溶接においては、被溶接部の冷却やナゲット成長を適正に制御することを目的に、溶接電極の先端で被溶接部を保持する。そのため、溶接電極には加圧力が付与される。

また、有機皮膜を表面に備える亜鉛系めっき鋼板においては、溶接電極の先端で被溶接部に荷重をかけることにより、高い絶縁性を有する有機皮膜を破壊して通電経路を確保する必要がある。

本発明者らは、抵抗スポット溶接に広く用いられている先端に平坦部を備えるコーンフラット型（ＣＦ型）電極を亜鉛系めっき鋼板に押し付けた場合、電極先端の平坦部における周辺部位が亜鉛系めっき鋼板と強く接触することに着目した。そして、電極先端の平坦部周辺の狭い範囲に生じる高い接触荷重によって、絶縁性の高い有機皮膜を破壊して通電経路を確保できることを見出した。すなわち、電極の加圧力をこの電極先端の平坦部の面積ではなく、電極先端の平坦部の外周長（電極の先端周長）で除した値を一定値以上とすることにより通電経路を確保することが可能なことを見出して本発明に到ったものである。

図１は、本発明のスポット溶接方法によるフラット形状の溶接電極及び被溶接鋼板の配置関係を示す模式図である。図１（ａ）は、両面に有機皮膜１１０を備える２枚の亜鉛系めっき鋼板１０を重ね合わせる。重ね合わせられた２枚の亜鉛系めっき鋼板１０を上下から一対のＣＦ型電極２０Ａで挟んだ状態を示す。図１（ｂ）は、２枚の亜鉛系めっき鋼板１０の被溶接部を挟持するように、ＣＦ型電極２０Ａに加圧力Ｆが付与された状態を示す。このように適正な電極の加圧力Ｆが付与された状態で、一対のＣＦ型電極２０Ａに通電させる。

上述したように、適正なＣＦ型電極２０Ａの加圧力は電極先端の平坦部における面積ではなく電極先端の輪郭の長さ、すなわちＣＦ型電極２０Ａの先端周長に比例する。従って、ＣＦ型電極２０Ａに付与される加圧力をＦ（Ｎ）とし、電極の先端における円状の平坦部の直径をＤ（ｍｍ）とすると、ＣＦ型電極２０Ａの先端周長Ｌは下記（１）式で算出され、ＣＦ型電極２０Ａの先端における線荷重ｐは下記（２）式で定義され、線荷重ｐの値が算出される。
Ｌ＝πＤ（ｍｍ）・・・・・（１）
ｐ＝Ｆ／Ｌ（Ｎ／ｍｍ）・・・・・（２）

次に、先端が球面で構成されるラジアス形状の電極について、図２及び図３を参照して説明する。スポット溶接においては、電極の先端がラジアス形状のラジアス型（Ｒ型）電極も広く用いられている。

図２は、本発明のスポット溶接方法によるラジアス形状の溶接電極及び被溶接鋼板の配置関係を示す模式図である。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、溶接電極としてＲ型電極２０Ｂを用いる以外は、図１の場合と同様であるので、説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、ラジアス形状のＲ型電極２０Ｂにおいては、先端に平坦な部分が存在しないため、電極先端のうち、被溶接部に接触する球面の外周長さを近似計算して、電極の等価先端周長Ｌとする。ここでは、図３（ｂ）に示すように、電極先端よりｈ（ｍｍ）入った部分を通る平面で半径Ｒ（ｍｍ）の球を切断した切断面の直径を電極の等価先端直径Ｄ（ｍｍ）とする。等価先端直径Ｄは、下記（３）式で算出され、電極の等価先端周長Ｌは下記（１）´式で算出される。よって、Ｒ型電極２０Ｂの先端における線荷重ｐの値は、下記（１）´式及び上記（２）式を用いて算出される。
このように電極の先端がラジアス形状の場合であっても、電極の先端直径として、電極の等価先端直径Ｄ（ｍｍ）を用いることにより、ＣＦ型の電極と同様に扱うことができる。
Ｄ＝（２Ｒｈ−ｈ^２）^１／２（ｍｍ）・・・・・（３）
Ｌ＝２π（２Ｒｈ−ｈ^２）^１／２（ｍｍ）・・・・・（１）´

上述のｈは、鋼板の母材の強度及びめっき付着量に応じて、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲で定められる定数である。母材の強度が大きいほど、また、めっきの付着量が少ないほど、Ｒ型電極２０Ｂの先端の沈み込みが小さくなるので定数ｈを小さく設定すればよく、反対に母材の強度が小さいほど、また、めっきの付着量が多いほど、定数ｈを大きく設定すればよい。

このような指標を用いて適正な電極の加圧条件を検討したところ、電極先端の線荷重ｐを４００Ｎ／ｍｍ以上とすることで良好な通電状態が得られることがわかった。さらに安定的な通電状態を確保するためには線荷重を５００Ｎ／ｍｍ以上とすることが好ましい。
なお、線荷重ｐを高くし過ぎると、被溶接部の凹みが顕著となり、かえって接合強度が低下することがある。そのため、線荷重ｐの最大値は５５０Ｎ／ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、亜鉛系めっき鋼板１０の表面が接触する際の衝撃も有機皮膜１１０を破壊する一因となることから、亜鉛系めっき鋼板１０への衝突速度を５００ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましく、１，０００ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることがさらに好ましい。

また、本発明はスポット溶接において通電を可能とする方法に関するものであるが、実際のスポット溶接作業において鋼板の板厚ｔに対して、電極の先端周長Ｌが小さすぎると形成されるナゲット径が小さくなり、設計上十分な強度が得られない。そのため、一定以上の電極の先端径が必要である。
溶接ニュース第２６１４号（２００５年４月１２日発刊）によれば、めっき処理が施されていない裸鋼板をスポット溶接するための条件は、板厚ｔ（ｍｍ）の鋼板をＣＦ型の電極を用いて溶接する場合、電極の直径を５√ｔ（ｍｍ）とし、電極の加圧力を２．５√ｔ（ｋＮ）とすることが推奨されている。また、めっき鋼板の場合は裸鋼板に比べて電極の加圧力を高め、電流、通電時間共に増加させることが一般的である。本実施形態においては、一般的な条件であるＣＦ型電極の先端直径５√ｔ（ｍｍ）から、十分な強度を有することができる直径の範囲の中で、電極の加圧力Ｆ（Ｎ）を変化させて線荷重ｐが４００Ｎ／ｍｍ以上となるように溶接条件を設定する。

以下に実施例を示す。
両面に厚さ１．６μｍの有機皮膜を備える板厚が１．６ｍｍの溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板（めっき付着量６０ｇ／ｍｍ^２）２枚を重ねたものを試験材として準備し、定置式直上加圧型の単相交流溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行い、通電率を測定した。
なお、本実施例では、溶接電極はクロム銅製で、前述したＣＦ型（コーンフラット型）電極およびＲ型（ラジアス型）電極を用いた。初期加圧時間を３５／６０秒、通電時間を１２／６０秒、冷却水流量を３Ｌ／ｍｉｎに設定して溶接した。

溶接電流は、電極の形状ごとに予め適正溶接電流範囲を調査して、ナゲット径≧４√ｔ（ｔ：板厚）となる下限電流を求め、下限電流＋０．５ｋＡに設定した。また、通電率は次のように測定し、８０％以上となるものについて評価を○とした。通電率は、電極の形状ごとに少なくとも１０回以上の溶接試行のうち通電した回数を溶接試行回数に対して百分率で表した。なお、通電率が電極の加圧力を電極先端の面積で除した面荷重ｑに依存しないことを示すため、参考として面荷重ｑの値も示した。
それらの結果を表１に、通電率と線荷重との関係を図４に示した。また、実施例の試料Ｎｏ．１〜４、比較例の試料Ｎｏ．１１について、線荷重と引張せん断荷重との関係について図５に示した。

表１に示すように、本発明の条件を満たす試料Ｎｏ．１〜６の実施例では、いずれの条件でも良好な通電状態が得られた。一方、線荷重ｐが４００Ｎ／ｍｍ未満となる試料Ｎｏ．７〜１４の比較例では、通電率は改善されなかった。なお表１の電極の種類における３ＣＦの表記は、先端直径が３ｍｍのＣＦ型電極であることを表し、６Ｒの表記は、曲率半径が６ｍｍのＲ型電極であることを表す。他の数値の表記についても同様である。

また、面荷重ｑと通電率の関係についてみると、比較例の試料Ｎｏ．１３においては、面荷重ｑの値が６０４Ｎ／ｍｍ^２となっており、実施例の試料Ｎｏ．１〜６の面荷重ｑと同程度に大きい値にもかかわらず、通電率は５０％で評価は×となった。すなわち、単に面荷重ｑを大きくするだけでは、有機皮膜を破壊して通電経路を確保すること困難であることが示された。

図４に示すように、線荷重ｐの増加につれて、通電率も増加する傾向を示した。また、線荷重ｐが４００Ｎ／ｍｍ以上においては、通電率が８０％以上となり、良好な通電状態を示した。

図５に示すように、線荷重ｐが５５０Ｎ／ｍｍ付近で、接合強度の指標となる引張せん断荷重はピークを示した。これは、前述したように線荷重ｑを高くし過ぎると、被溶接部の凹みが顕著となることが原因と考えられる。そのため、線荷重ｐの最大値は５５０Ｎ／ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上、本発明のスポット溶接方法の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態におけるフラット形状を備える電極として、コーンフラット型（ＣＦ型）のものを示したが、これに限らない。フラット型（Ｆ型）の電極を用いてもよい。また、電極の先端が曲率半径の大きい曲面を備えるドームラジアス型（ＤＲ型）の電極を用いる場合には、先端の曲面はほぼ平坦であるので、先端径を先端直径Ｄとして用いればよい。

また、上述の実施形態及び実施例においては、両面に有機皮膜を備える亜鉛系めっき鋼板を２枚重ね合わせてスポット溶接する一例を示したが、これに限らない。複数枚の鋼板のうち、少なくとも１枚の鋼板が、片面に有機皮膜を備える亜鉛系めっき鋼板であっても、本発明を適用可能である。

１０亜鉛系めっき鋼板
２０Ａコーンフラット型電極
２０Ｂラジアス型電極
１１０有機皮膜

Claims

複数枚の鋼板を重ね合わせてスポット溶接するスポット溶接方法であって、
前記複数枚の鋼板のうち少なくとも１枚の鋼板は、片面又は両面に０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みの有機皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板であり、
前記亜鉛系めっき鋼板に接触する電極の形状は、先端に円状の平坦部を備えるフラット形状、又は、先端が球面で構成されるラジアス形状であり、
前記電極の形状が前記フラット形状の場合は下記（１）式で、前記ラジアス形状の場合は下記（１）´式で算出される前記電極の先端周長で、前記電極の加圧力を除した下記（２）式で定義される前記電極の先端における線荷重の値が４００Ｎ／ｍｍ以上となる条件で溶接するスポット溶接方法。
Ｌ＝πＤ・・・・・（１）
Ｌ＝２π（２Ｒｈ−ｈ^２）^１／２・・・・・（１）´
ｐ＝Ｆ／Ｌ・・・・・（２）
ここで、Ｌ：電極の先端周長（ｍｍ）、Ｄ：電極の先端がフラット形状の場合の円状の平坦部の直径（ｍｍ）、Ｒ：電極の先端がラジアス形状の場合の球面の曲率半径（ｍｍ）、ｈ：電極の先端がラジアス形状の場合の電極の先端における等価先端直径を求めるための定数（母材強度、めっき付着量に応じて０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ）、ｐ：線荷重（Ｎ／ｍｍ）、Ｆ：電極の加圧力（Ｎ）
前記線荷重の値が５５０Ｎ／ｍｍ以下となる条件で溶接する請求項１に記載のスポット溶接方法。
前記線荷重の値が５００Ｎ／ｍｍ以上となる条件で溶接する請求項１又は２に記載のスポット溶接方法。
前記電極の前記亜鉛系めっき鋼板への衝突速度を５００ｍｍ／ｓｅｃ以上とする請求項１〜３のいずれかに記載のスポット溶接方法。
前記複数枚の鋼板は、両面に０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みの有機皮膜を有する２枚の亜鉛系めっき鋼板である請求項１〜４のいずれかに記載のスポット溶接方法。