JP7477399B2 - 溶接条件設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接の溶接条件設定方法に関する。

自動車の車体は、複数の金属板（鋼板）をスポット溶接により接合することで製造される。このとき、金属板同士を所定以上の強度で接合する良好なナゲットが形成されるように、適切な溶接条件（加圧力、通電量、通電時間等）を設定することが重要となる。

例えば、様々な板組み（金属板の材質、枚数、板厚等）からなるテストピースに対してオフラインで溶接試験を行って、各板組みにおいて良好なナゲットが得られる溶接条件を取得し、実際の組立ライン上でワークの各部位にスポット溶接を施す際には、当該部位と同じ板組みのテストピースで設定した溶接条件を適用することが行われている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１２－１１５８８８号公報

上記のように、テストピースを用いた溶接試験により溶接条件を設定するためには、テストピースを、実際のワークの各部位とできるだけ同じ状態にすることが好ましい。例えば、金属板の材質や板厚だけでなく、例えば金属板間の隙間を、テストピースとワークとで一致させることがある。この場合、溶接前のワークの溶接予定部における金属板間の隙間を測定し、これと同様の隙間が形成されるように、テストピースの金属板間のシムの厚さが調整される。

しかし、上記のようなテストピースに対する溶接試験では良好なナゲットが形成される溶接条件であっても、当該溶接条件で同じ板組みからなる実際のワークにスポット溶接を施したときに、溶接不良が生じることがある。特に、ワークを板厚方向一方側から電極で加圧し、板厚方向他方側から支持されていない状態でワークに通電する、いわゆる片側スポット溶接（例えば、インダイレクトスポット溶接）では、テストピースと実際のワークに同じ溶接条件でスポット溶接を施しても、溶接結果が異なる事態が生じやすい。このように、テストピースを用いて設定した溶接条件の信頼性が低いと、実際のワークの溶接時に溶接不良が発生し、歩留まりの低下を招く。

そこで、本発明が解決すべき技術的課題は、テストピースを用いて設定した溶接条件の信頼性を高めることで、ワークの溶接不良を低減することにある。

本発明者らは、電極で加圧したときの金属板の変形態様が溶接状態（ナゲットの良否）に影響していると考え、テストピースに、実際のワークの張り剛性を再現するという着想に至った。

上記の着想に基づいてなされた本発明は、ワークの所定部位にスポット溶接を施す際の溶接条件を設定するための方法であって、前記ワークの所定部位と同等の張り剛性を有するテストピースを作製する工程と、前記テストピースに所定の溶接条件でスポット溶接を施して溶接点を形成する工程と、前記溶接点の状態に基づいて前記溶接条件を評価する工程とを有する。

このように、テストピースにワークと同等の張り剛性を付与することで、電極で加圧したときのワークとテストピースの変形態様が略一致するため、同じ溶接条件で溶接を施したときの溶接状態が略一致する。従って、テストピースで良好な溶接状態が得られる溶接条件を設定し、この溶接条件でワークにスポット溶接を施せば、テストピースと同様に良好な溶接状態を得ることができる。

ワーク及びテストピースの張り剛性は、例えば、押圧部材により所定の加圧力で加圧したときの圧痕の深さにより評価することができる。このとき、押圧部材として、スポット溶接装置の電極を用いれば、圧痕を形成するための別途の部材が不要となる。

ワークを板厚方向一方側から電極で加圧すると共に、ワークを板厚方向他方側から支持しない状態でスポット溶接を施す、いわゆる片側スポット溶接では、張り剛性が溶接状態に与える影響が大きいと考えられる。従って、片側スポット溶接の溶接条件を評価する際に、本発明を適用することが特に好ましい。

以上のように、実際のワークの張り剛性を再現したテストピースを用いて溶接条件を設定することで、溶接条件の信頼性が高められるため、ワークの溶接不良が低減され、歩留まりが向上して製造コストが低減される。

ワークの断面図である。 電極による圧痕が形成されたワークの拡大断面図である。 テストピースの断面図である。 テストピースの平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、自動車の車体を構成する部品に片側スポット溶接、特にインダイレクトスポット溶接を施す場合を示し、具体的には、図１に示すようなワーク１００（車体の骨格部品）を溶接する場合を示す。ワーク１００は、紙面直交方向に延びるフレーム状の部品であり、略平板状を成した第１の金属板１０１と、断面ハット形状を成した第２の金属板１０２と、第１の金属板１０１と第２の金属板１０２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板１０３とで構成される。第１の金属板１０１と第２の金属板１０２とは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ１を介して接合されている。第２の金属板１０２と第３の金属板１０３とは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ２を介して接合されている。金属板１０１～１０３としては、例えば鋼板が使用され、具体的には軟鋼板、高張力鋼板（引張強度４９０ＭＰａ以上）、超高張力鋼板（引張強度９８０ＭＰａ以上）等が使用される。

そして、第１の金属板１０１と第３の金属板１０３との接合予定部Ｐを、インダイレクトスポット溶接により接合する。このときの溶接条件（加圧力、電流値、通電時間）は、オフラインでの溶接試験により設定される。具体的な溶接条件の設定は、以下の手順で行われる。

まず、図１のワーク１００の接合予定部Ｐを、電極１０により所定の加圧力で押圧する。これにより、図２に示すように、接合予定部Ｐに圧痕Ｍが形成される。次に、この圧痕Ｍの深さを測定する。圧痕Ｍの深さは、溶接前の第１の金属板１０１の上面（点線参照）と溶接後の圧痕Ｍの最深部との板厚方向距離である。図示例では、第１の金属板１０１の上面の平坦部と圧痕Ｍの最深部との板厚方向距離を、圧痕Ｍの深さＤとしている。

次に、図３、４に示すテストピース２００を作製する。テストピース２００は、図１のワーク１００の接合予定部Ｐと同じ板組みを有し、具体的には、第１の金属板１０１と同じ材質及び板厚の上板２０１と、第３の金属板１０３と同じ材質及び板厚の下板２０２とを有する。上板２０１と下板２０２との間には、絶縁体からなるシム２０３が挟まれている。シム２０３は、板厚方向と直交する方向（図３の左右方向）で接合予定部Ｐ’の両側に設けられる。シム２０３の厚さは、溶接前のワーク１００の接合予定部Ｐにおける金属板１０１、１０３の間の隙間と同等に設定される。上板２０１、下板２０２、及びシム２０３からなるテストピース２００を台２０４の上に載置すると共に、図４に示す平面視で接合予定部Ｐ’の両側をクランプ２０５で押さえることで、テストピース２００がセットされる。尚、図３では、上板２０１、下板２０２、及びシム２０３の板厚を誇張して示している。また、シム２０３の厚さの設定方法は上記に限らず、例えば、ワーク１００の金属板１０１、１０３の間の隙間の大きさに関わらず、一定の厚さ（例えば、想定される最大隙間よりも大きい厚さ）に設定してもよい。

テストピース２００は、金属板の枚数、材質、板厚だけでなく、張り剛性も実際のワーク１００と一致させる。具体的には、テストピース２００の接合予定部Ｐ’を、電極１０により所定の加圧力で押圧する。このときの加圧力は、上記のワーク１００の接合予定部Ｐに対する加圧力と同じ値とされる。これにより、テストピース２００の接合予定部Ｐ’に圧痕Ｍ’が形成される（図３の点線参照）。この圧痕Ｍ’の深さが、ワーク１００の接合予定部Ｐの圧痕Ｍの深さと同等となるように、テストピース２００を調整する。例えば、テストピース２００の圧痕Ｍ’の深さとシム間ピッチＬ（一対のシム２０３の間の距離。図３参照。）との間には相関関係があるため、テストピース２００のシム間ピッチＬを調整することにより、テストピース２００の圧痕Ｍ’の深さ（すなわち張り剛性）を調整することができる。具体的に、ワーク１００の圧痕Ｍの深さＤとテストピース２００の圧痕Ｍ’の深さＤ’との比Ｄ／Ｄ’が０．９≦Ｄ／Ｄ’≦１．１を満たせば、圧痕Ｍ、Ｍ’の深さが同等であり、ワーク１００とテストピース２００の張り剛性が同等であると評価できる。

その後、上記のテストピース２００の接合予定部Ｐ’にスポット溶接を施す。本実施形態では、テストピース２００の上板２０１を電極１０で上方から加圧すると共に、テストピース２００の下板２０２のうち、電極１０と対向しない位置にアース電極２０を接触させた状態で、両電極１０、２０間に通電する。これにより、上板２０１と下板２０２とが電極１０の直下で接触、溶融し、溶接点（ナゲット）が形成される。この溶接点の状態に基づいて、溶接条件の良否を判定する。例えば、電極１０の軸心を含む断面におけるナゲットの直径（ナゲット径）を測定し、ナゲット径が所定値以上であれば、そのときの溶接条件が良好であると判定され、ワークの接合予定部Ｐを溶接する際の溶接条件として設定される。一方、ナゲット径が所定値未満であれば、溶接条件が不良であると判定される。この場合、溶接条件を変更して再びテストピース２００に対してスポット溶接を施して、ナゲット径が所定値以上であるか否かを確認する作業を、ナゲット径が所定値以上となるまで繰り返す。そして、ナゲット径が所定値以上となったときの溶接条件が、ワークの接合予定部Ｐを溶接する際の溶接条件として設定される。

こうして設定された溶接条件で、ワーク１００の接合予定部Ｐにスポット溶接を施す。 具体的には、図１に示すように、ワーク１００のうち、接合予定部Ｐと異なる部位にアース電極２０を当接させた状態で、第１の金属板１０１と第３の金属板１０３との接合予定部Ｐを厚さ方向一方側（図中上側）から電極１０で加圧しながら、両電極１０，２０間に通電することにより、接合予定部Ｐを溶接する。

上記のように、ワーク１００の張り剛性が再現されたテストピース２００を用いて溶接条件を設定することで、テストピース２００とワーク１００との溶接状態の再現性が高められるため、ワーク１００の溶接不良が減じられ、歩留まりが向上して製造コストが低減される。その後、上記と同様のワーク１００に対してスポット溶接を施す際には、上記のテストピース２００で設定した溶接条件を用いればよい。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

例えば、張り剛性（電極で所定の加圧力で加圧した際の圧痕深さ等）の異なる複数のテストピースを作製し、各テストピースにスポット溶接を施して適切な溶接条件を設定することにより、張り剛性とこれに対応する溶接条件のデータベースを作成してもよい。この場合、ワークの接合予定部の張り剛性を測定して、このワークの張り剛性と同等の張り剛性に対応する溶接条件を上記のデータベースから取得し、この溶接条件を、当該ワークの接合予定部にスポット溶接を施す際の溶接条件として設定する。

上記の実施形態では、ワークやテストピースの張り剛性を、電極で所定の加圧力で加圧した際の圧痕深さで評価する場合を示したが、これに限られない。例えば、ワークやテストピースに圧痕を形成する押圧部材として、電極ではなく、別途の部材を用いてもよい。また、電極１０の加圧力及び押し込み量（変位量）によりワークやテストピースの張り剛性を評価してもよい。

本発明は、インダイレクトスポット溶接等の片側スポット溶接に限らず、ダイレクトスポット溶接の溶接条件の設定に適用してもよい。

１０ 電極
２０ アース電極
１００ ワーク
１０１、１０２、１０３ 金属板
２００ テストピース
２０１ 上板
２０２ 下板
２０３ シム
Ｍ、Ｍ’ 圧痕
Ｐ、Ｐ’ 接合予定部
Ｑ１、Ｑ２ 既接合点

Claims (3)

1. ワークの所定部位にスポット溶接を施す際の溶接条件を設定するための方法であって、
   前記ワークの所定部位と同等の張り剛性を有するテストピースを作製する工程と、
   前記テストピースに所定の溶接条件でスポット溶接を施して溶接点を形成する工程と、
   前記溶接点の状態に基づいて前記溶接条件を評価する工程とを有し、
   前記スポット溶接が、前記ワークの前記所定部位を板厚方向一方側から電極で加圧すると共に、前記ワークの前記所定部位を板厚方向他方側から電極によって支持しない片側スポット溶接である溶接条件設定方法。
2. 前記ワーク及び前記テストピースの張り剛性を、押圧部材により所定の加圧力で加圧したときの圧痕の深さにより評価する請求項１に記載の溶接条件設定方法。
3. ワークの所定部位にスポット溶接を施す際の溶接条件を設定するための方法であって、
   前記ワークの所定部位と同等の張り剛性を有するテストピースを作製する工程と、
   前記テストピースに所定の溶接条件でスポット溶接を施して溶接点を形成する工程と、
   前記溶接点の状態に基づいて前記溶接条件を評価する工程とを有し、
   前記ワーク及び前記テストピースの張り剛性を、押圧部材により所定の加圧力で加圧したときの圧痕の深さにより評価する溶接条件設定方法。

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