JP7112819B2 - スポット溶接方法及びスポット溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接方法に関し、特に、板厚比の大きい板組みをスポット溶接により接合する方法に関する。

例えば自動車の車体の組立工程では、複数の鋼板をスポット溶接により接合することが行われている。昨今、自動車の操縦安定性、乗り心地、及び車体剛性の向上のために、３枚以上の鋼板からなる板組みを溶接するニーズがある。このような３枚以上の鋼板のうち、一方の表面に設けられた鋼板が薄板である場合、すなわち、板厚比（＝板組みの総板厚／薄板の板厚）が大きい場合、これらの鋼板を一括して溶接することは困難であることが知られている。これは、薄板とこれに隣接する鋼板との接合予定部と、薄板に当接する一方の電極との距離が近いため、上記の接合予定部の熱が一方の電極に奪われやすく、接合予定部が溶融しにくいためである。特に、薄板が軟鋼板で形成され、他の鋼板が高張力鋼板で形成される場合、まず、通電抵抗の高い高張力鋼板同士の接合予定部にナゲットが形成され、このナゲットを板厚方向に成長させて薄板に溶け込ませる必要があるが、このようにナゲットを板厚方向に成長させることは容易ではない。

従来、板厚比の大きい板組みを溶接するための様々な方法が検討されている。例えば、下記の特許文献１には、薄板の溶接すべき部位に一段高い座面を形成し、電極で薄板の座面を押しつぶしてこれと隣接する厚板に接触させて通電することで、板厚比の大きい板組みを溶接する方法が示されている。

また、下記の特許文献２には、板組みを挟持する一対の溶接電極に加えて、薄板に当接するアース電極を設けたスポット溶接装置が示されている。第１溶接工程では、薄板に当接させた一方の溶接電極とアース電極との間に通電することで、薄板とこれに隣接する第１厚板とを溶接し、第２溶接工程では、一対の溶接電極間に通電することで、第１厚板と第２厚板とを溶接する。これにより、薄板、第１厚板、及び第２厚板からなる板組みを接合することができる。

また、下記の特許文献３には、ナゲットを成長させる高電流値と、スパッタを発生させずに鋼板を軟化させる低電流値とを交互に繰り返すことで、スパッタを生じさせることなくナゲット径を拡大する方法が示されている。

特開２００３－７１５６９号公報 特開２００３－２５１４６８号公報 特許第４７５３４１１号公報

しかし、上記特許文献１に記載の方法では、予め薄板に座面を形成する加工を施す必要があり、工数が増える。また、下記特許文献２に記載の方法では、一対の溶接電極及びアース電極を有する特殊なスポット溶接装置が必要となるため、装置の大型化及びコスト高を招く。

また、本発明者は、上記特許文献３に記載の方法で、板厚比の大きい板組みの溶接を試みた。具体的には、図９に示すような４枚の鋼板１０１～１０４からなる板組みを用意した。一方の表面の鋼板１０１は軟鋼板からなる薄板であり、他の鋼板１０２～１０３は超高張力鋼板からなる厚板である。これらの鋼板１０１～１０４からなる板組みを、電極１１０、１２０で挟持加圧して、図８に示す通電パターンで通電した。具体的に、通電初期は、スパッタが生じないように比較的低い電流値で通電する（ステップＳ１’）。そして、通電量を上げてナゲット径を拡大し（ステップＳ２’）、その後、通電量を若干下げてスパッタを抑制する（ステップＳ３’）。その後、通電量の上昇及び下降を繰り返しながら、全体として通電量を上げていく（ステップＳ４’～Ｓ７’）。

上記の通電パターンのうち、ステップＳ１’、Ｓ２’、Ｓ４’、Ｓ７’終了後における板組みの断面を、それぞれ図９～１２に示す（実際には、これらのステップで溶接を止めたサンプルをそれぞれ作製し、各サンプルの断面を観察した）。図９に示すように、ステップＳ１’では、鋼板１０３、１０４間にナゲットＮ’が生成している。そして、ステップＳ２’では、図１０に示すように、ナゲットＮ’が板厚方向（以下、縦方向）に成長して鋼板１０２、１０３を接合し、薄板からなる鋼板１０１の直下まで達している。その後のステップＳ３’～Ｓ７’では、図１１及び１２に示すように、ナゲットＮ’は板厚方向と直交する方向（以下、横方向）には成長しているが、縦方向の成長は鋼板１０１と鋼板１０２との境界で止まっている。すなわち、ナゲットＮ’の縦方向の成長が、鋼板１０１、１０２の境界で頭打ちとなり、ナゲットＮ’は鋼板１０１に溶け込んでいない。このように、図８に示す通電パターンでは、薄板からなる鋼板１０１とその直下の鋼板１０２とを接合することができなかった。

そこで、本発明は、金属板に予め加工を施したり、特殊な溶接装置を用いたりすることなく、既存の装置を用いて板厚比の大きい板組みを接合するスポット溶接方法（特に、通電パターン）を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で加圧通電することにより接合するスポット溶接方法であって、前記一対の電極間の通電量を、最大値になるまで（あるいは、ナゲットが薄板に溶け込むまで）途中で下げることなく段階的に上昇させ続けることを特徴とするスポット溶接方法を提供する。

上記のスポット溶接方法は、一対の電極と、前記一対の電極間に通電する際の通電パターンを制御する制御部とを備えたスポット溶接装置であって、前記制御部により、前記一対の電極間の通電量を、最大値になるまで（あるいは、ナゲットが薄板に溶け込むまで）途中で下げることなく段階的に上昇させ続けることを特徴とするスポット溶接装置を用いて実現することができる。このスポット溶接装置は、前記一対の電極間の通電量を、最大値になるまで（あるいは、ナゲットが薄板に溶け込むまで）途中で下げることなく段階的に上昇させ続ける制御部を有する。

上記のように、板厚比の大きい板組みを溶接するにあたり、エネルギー（通電量）を上昇させ続けながら通電することにより、ナゲットＮが途中で冷却されることなく、ナゲットＮにエネルギーが与え続けられる。これにより、ナゲットの縦方向の成長が促進されるため、ナゲットを薄板に溶け込ませることができる。従って、金属板の予備加工や特殊な溶接装置を要することなく、既存の設備の通電パターンを変更するだけで、板厚比の大きい板組みを溶接することができる。

スポット溶接装置の模式図である。 一対の電極で板組みを挟持した状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態のスポット溶接方法における通電パターンを示すグラフである。 図３の通電パターンのステップＳ１終了時点における板組みの断面図である。 図３の通電パターンのステップＳ２終了時点における板組みの断面図である。 図３の通電パターンのステップＳ３終了時点における板組みの断面図である。 図３の通電パターンのステップＳ４終了時点における板組みの断面図である。 従来のスポット溶接方法の通電パターンを示すグラフである。 図８の通電パターンのステップＳ１’ 終了時点における板組みの断面図である。 図８の通電パターンのステップＳ２’ 終了時点における板組みの断面図である。 図８の通電パターンのステップＳ４’ 終了時点における板組みの断面図である。 図８の通電パターンのステップＳ７’ 終了時点における板組みの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態で用いられるスポット溶接装置は、図１に示すように、一対の電極１０、２０と、一対の電極１０、２０間に通電する際の通電パターン（電流値及び通電時間）を制御する電流制御部３０と、一対の電極１０、２０による加圧力を制御する加圧制御部４０とを備える。図示例のスポット溶接装置は、一対の電極１０、２０を同軸上に配置して互いに対向させ、板組みを板厚方向両側から挟持して通電する、いわゆるダイレクトスポット溶接装置である。

本実施形態で溶接を施す板組みは、図２に示すように、薄板１と、薄板１よりも板厚が厚く、薄板１の一方側（図中下方）に重ね合わされた複数の厚板を有する。本実施形態では、薄板１と、３枚の厚板２～４からなる４枚の金属板（例えば鋼板）からなる板組みに溶接を施す場合を示す。薄板１としては、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板が使用され、具体的には溶融亜鉛メッキ鋼板が使用される。厚板２～４としては、例えば引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、特に引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板が使用される。本実施形態では、厚板２～４が何れも冷間圧延鋼板からなる超高張力鋼板である。上記の板組みの板厚比（板組みの層板厚ｔ／薄板１の板厚ｔ１）は５以上であり、本実施形態では、薄板１の板厚が０．６５ｍｍ、厚板２～４の板厚が何れも１．４ｍｍである。

上記の薄板１及び厚板２～４からなる板組みを、電極１０、２０で挟持加圧し、図３に示す通電パターンで電極１０、２０間に通電する。本実施形態では、電極１０、２０による加圧力は、通電中は一定とされる。本実施形態の通電パターンは、通電時間が２０サイクル以下であり、電流値を、最大値Ｉ４になるまで途中で下げることなく段階的に上昇させている。以下、通電パターンの各ステップを詳しく説明する。尚、１サイクル＝１／６０秒である。

ステップＳ１では、電極１０、２０間に比較的低い電流値Ｉ１で通電する。本実施形態では、電流値Ｉ１に達するまで電流値を徐々に上げ（いわゆるアップスロープ）、電流値Ｉ１で所定時間（例えば４サイクル）通電される。これにより、図４に示すように、薄板１から最も遠い厚板４とこれに隣接する厚板３との接触点が、スパッタを生じることなく溶融し、ナゲットＮが形成される。

ステップＳ２では、電極１０、２０間に、ステップＳ１の電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２で通電する（図３参照）。これにより、図５に示すように、ナゲットＮが縦方向、特に、電極１０側（図中上側）に向けて成長して厚板２に溶け込み、厚板２、３を接合する。これと同時に、ナゲットＮのうち、特に厚板３、４を接合する接合部Ｎ１が横方向に成長し、この接合部Ｎ１におけるナゲット径が拡大する。本実施形態のステップＳ２の通電時間は、ステップＳ１の通電時間よりも短く、例えば２サイクルとされる。

ステップＳ３では、電極１０、２０間に、ステップＳ２の電流値Ｉ２よりも大きい電流値Ｉ３で通電する（図３参照）。これにより、図６に示すように、ナゲットＮがさらに電極１０側（図中上側）に成長して薄板１に溶け込む。これと同時に、ナゲットＮのうち、特に厚板３、４を接合する接合部Ｎ１及び厚板２、３を接合する接合部Ｎ２が横方向に成長し、これらの接合部Ｎ１、Ｎ２におけるナゲット径が拡大する。本実施形態のステップＳ３の通電時間は、ステップＳ２の通電時間よりも長く、例えば３サイクルとされる。

ステップＳ４では、電極１０、２０間に、ステップＳ３の電流値Ｉ３よりも大きい電流値Ｉ４で通電する（図３参照）。このステップＳ４では、ナゲットＮが主に横方向に成長する。具体的には、ナゲットＮのうち、特に厚板２、３を接合する接合部Ｎ２及び薄板１と厚板２を接合する接合部Ｎ３が横方向に成長し、これらの接合部Ｎ２、Ｎ３におけるナゲット径が拡大する。これと同時に、ナゲットＮが電極１０側（図中上側）に僅かに成長して薄板１への溶け込みが進み、ある時点でナゲットＮの縦方向の成長が頭打ちとなり、その後、ナゲットＮは横方向のみに成長する。本実施形態のステップＳ４の通電時間は、ステップＳ３の通電時間よりも短く、例えば２サイクルとされる。以上により、薄板１及び厚板２～４からなる板組みがナゲットＮにより接合される。

上記のように、電極１０、２０間の通電量を、途中で下げることなく段階的に上げ続けることにより、ナゲットＮが途中で冷却されることなく、ナゲットＮにエネルギーが与え続けられる。特に、本実施形態では、通電の全行程が短時間で完了し、具体的には２０サイクル（１／３秒）以内、好ましくは１６サイクル以内、より好ましくは１２サイクル以内に完了する。これにより、ナゲットＮの縦方向の成長を促進して、ナゲットＮを薄板１に溶け込ませることができる。すなわち、上記の通電パターンでは、電極１０、２０間の通電量を、少なくともナゲットＮが薄板１に溶け込むステップＳ３の通電量Ｉ３まで段階的に上げ続け、本実施形態では最大値Ｉ４となるまで段階的に上げ続けている。本発明者の検証によれば、上記の通電パターンにより、ナゲットＮの薄板１への溶け込み量（ナゲットＮのうち、薄板１に溶け込んだ部分の板厚方向寸法Ｌの、薄板１の肉厚ｔ１に対する割合。図７参照。）を２０％以上とすることができた。以上により、板厚比が大きい（特に板厚比５以上）の板組みであっても、特殊な装置を要することなく、既存の設備の通電パターンを変更するだけで、全ての金属板、特に薄板１と厚板２とを接合することができる。しかも、図８に示す従来の通電パターンと比べて、通電時間が格段に短いため、消費エネルギーを大幅に抑えることができる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、最終ステップＳ４でナゲットＮの縦方向の成長が頭打ちを生じた場合を示したが、これに限られない。例えば、最終ステップＳ４よりも前のステップ（例えばステップＳ３）で、ナゲットＮの縦方向の成長を頭打ちさせ、最終ステップＳ４ではナゲットＮを横方向のみに成長させるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、通電量を４段階で上昇させる場合を示したが、これに限らず、３段階、あるいは５段階以上で通電量を上昇させてもよい。尚、スパッタを生じさせずに板厚比の大きい板組みを溶接するためには、通電量を３段階以上、好ましくは４段階以上で段階的に上昇させることが好ましい。

また、上記の実施形態では、通電量が最大となるステップＳ４で通電を終了した場合を示したが、これに限らず、通電量が最大となるステップＳ４の後に、ステップＳ４の通電量Ｉ４よりも小さい通電量で通電するステップを設けてもよい（図示省略）。

１ 薄板
２、３、４ 厚板
１０、２０ 電極
３０ 電流制御部
４０ 加圧制御部
Ｎ ナゲット

Claims (2)

1. 薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で加圧通電することにより接合するスポット溶接方法であって、
   通電開始から２０サイクル以内に、前記一対の電極間の通電量を、最大値になるまで途中で下げることなく３段階以上で段階的に上昇させ続け、
   通電中は、前記一対の電極による加圧力を一定とし、
   通電量が最大値となるステップで通電を終了することを特徴とするスポット溶接方法。
2. 薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で加圧通電することにより接合するスポット溶接方法であって、
   通電開始から２０サイクル以内に、前記一対の電極間の通電量を、ナゲットが前記薄板に溶け込むまで途中で下げることなく３段階以上で段階的に上昇させ続け、
   通電中は、前記一対の電極による加圧力を一定とし、
   通電量が最大値となるステップで通電を終了することを特徴とするスポット溶接方法。

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