JPS587393B2 - 鋼板の抵抗溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鋼板の重ね合わせ部を電極により加圧挾持し
つつ電流を流し、ジュール熱によるナゲット（融接部）
を形成して鋼板を溶接する抵抗点溶接に８いて、ナゲッ
トか板厚力向に必袈以上に成長することを抑制し、必要
な強度をもつ溶接部を比較的少ない入熱で形成されるこ
とを目的とする鋼板の抵抗溶接力法であって、ナゲット
の径に対する厚さの比が０．２５を超えやすい板厚１，
２ミリメートル以上の鋼板の抵抗溶接に好適な方法であ
る。

抵抗点溶接の接着メカニズムは、いうまでもなく抵抗発
熱（ジュール熱）による融接である。

この発熱は電極の先端形状、加圧力、溶接電流、通電時
間等の溶接条件に大きく左右される。

このため合理的な溶接条件として日本工業規格（ＪＩＳ
）、米国抵抗溶接機製造者協会（ＲＷＭＡ）あるいは米
国溶接協会（ＡＷＳ）などの推奨条件が示されている。

これらの推奨条件で溶接する場合、生成するナゲットは
一般にいわゆる基石状の形態となる。

ナゲットは直径方向に成長するとともに板厚方向にも十
分成長する。

第１図にはこれらの推奨条件で作られるナゲットの厚さ
のナゲット径に対する比と板厚との関係を示した。

点溶接すべき板厚が薄い（１ミリメートル前後）場合に
は上記の比は比較的小さいが、板厚の増加とともにこの
比は大きな値を示すようになる。

一力、点溶接部の強度は、その一例を第２図に示すよう
に、ナゲットの直径の大小と非常によい相関がある。

このときのナゲット厚さはいずれも１．６ミリメートル
前後であり、ナゲット厚さは静的強度とは直接結びつか
ない。

むしろナゲット厚さが必要以上に大きくなることは融接
部周辺の熱影響部を過大に拡げることとなり、疲労強度
上好ましいことではない。

そこでナゲット厚さのナゲット径に対する比に注目する
ことが必要となってくる。

本発明者らの研究によると、板厚が比較的薄い厚さ１ミ
リメートル以下の鋼板の点溶接に８いては、溶接開始直
後に必要ナゲット径に見合う通電通路が形成され、その
後ナゲットは主に板厚力向に成長するのに対し、鋼板の
厚さが１ミリメートルを超えさらに大きくなると、溶接
開始直後には所要ナゲット径に比し面積の挾い融接域即
ち通電通路が形成されるのみであり、以後の通電により
ナゲットは厚さを増しながら直径力向にも成長するので
、所要のナゲット径に達する際にはナゲット厚さもかな
りの厚さに成長する。

本発明者らはこれらの実験研究から、薄板と厚板とでナ
ゲット生成過程に大きな違いが生ずる理由として、薄板
の点溶接に８いては板厚が薄いことによって電極により
重ねた鋼板を加圧挾着した際に電極面積に対する鋼板ど
うしの接触面積の比が大きく、従って溶接開始直後から
所要ナゲット径に近い通電通路が得られ、ナゲット厚さ
は通電時間によって調整をすることが可能であるが、溶
接すべき板が厚くなると、電極による加圧挾持に際して
薄板に比して剛性が高く可撓性に欠けるため電極面積に
対する鋼板どうしの接触面積の比が小さく、従って溶接
開始時に鋼板どうしの接触部を通じて通電して融接域を
拡大してゆくので、溶接開始直後は所要ナゲット径に比
して小さい面積の通電通路しか得られず、しかも熱の放
散の良好な薄板に比して厚さが厚くなるに従って融接部
の熱の外気への放散が悪くなるので、溶接開始直後の通
電通路となる融接域から厚さ力向と電極の直径力向とに
融接域を拡げる結果、所要のナゲット径を得ようとすれ
は？のすと板厚力向にも十分に成長したナゲットとなっ
てしまうという知見を得た。

そして前記実験研究の成果からナゲット厚さのナゲット
径に対する比が０．２５を超えないように溶接条件を制
御すれば、点溶接部の融着部周辺の熱影響が強度に悪影
響を及ぼさないことを見出すとともに、前記した点溶接
の推奨条件等によるときは、第１図に示すように、鋼板
の板厚が１．１ミリメートル以下に８いてはナゲット厚
さのナゲット径に対する比が０．２５を超えないが、板
厚が１． ２ミリメートルを超えると当該比が０，２５
を超えてしまうことを見出した。

そこで本発明者らは、板厚が１．２ミリメートルを超え
る鋼板を点溶接で溶接するにあたり、溶接開始当初には
、鋼板の材質で定まるジュール熱による融接を生ずる電
流の大きさ、通常の点抵抗溶接に郭ける主溶接電流の大
きさの４０％ないし７０％の大きさの電流を、通電によ
る発熱量と逸散される発熱量とが平衡状態に達するまで
通電することにより、電極加圧力のもとて所要ナゲット
径に見合う面積の通電通路即ち前記電流値に見合った融
接部を確保する通電を行い、しかるのち主溶接電流を通
じて主として前記融接部の厚さ方向への拡大を行わせる
技術を開発した。

即ち、本発明によるときは、溶接初期に主溶接電流の４
０％ないし７０％の大きさの電流を通電するときは、電
極によ仝挾着面積の範囲内で鋼板の接触部から融接が開
始されるが、通電電流の大きさが小さいため、接触面の
軟化が優先し、次第に通電通路を拡大して融接域の面積
を拡大し、溶融域の厚みを増す前に所要のナゲット径に
見合う通電通路を形成することを見出したのである。

そしてこの通電が開始されてから時間が経過するにつれ
、通電電流の大きさに見合って通電通路の拡がりが止ま
り平衡に達する状態がみらわるが、通電通路確保のため
の上記初期通電の時間はこの最小値が好ましい。

勿論上記平衡に達してから前記初期通電を継続しても悪
い影響は発生しないが、エネルギーと時間の無駄となる
。

上記した平衡状態に達したとき、鋼板の融接域は未だそ
の面積の拡張が行われ厚さ力向にその大きさを増す傾向
は極めて僅かであるから、融着域は厚さ方向の断面で極
めて偏平であることが観察される。

そこで次に前記の主溶接電流を電極に加えると、以後は
融着域の厚さの拡大と集中抵抗による径の拡大が行われ
るので、適切な厚さに成長したとき溶接を終了せしめる
。

本発明により得られるナゲットの厚さ力向断面形状はほ
ぼ一様の厚さを示し、通電時間によってナゲット厚さを
制御することが可能であることを示している。

以下、各種の溶接条件と対比して本発明を説明する。

先ず、通常用いられる点溶接電極を用い、各種推奨条件
等のなかから次の溶接条件を選び厚さ３ミリメートル前
後の鋼板試片を二枚重ねて同一の抑圧条件の下に溶接し
てそのナゲットの成長過程を試片を切断して観察した。

第３図はその溶接条件の通電電流と通電時間との関係を
線図であらわしたもので、主溶接電流の大きさは各溶接
条件とも同じである。

第３図Ｉは推奨条件等にみられる最も一般的な溶接法で
、溶接電流の大きさは通電時間中一定である。

この溶接法で作られるナゲットは、第４図に示すごとく
、通電初期（第４図ａ）は鋼板間の電極加圧範囲の中心
部の接触点から発熱が進み、その後ナゲットは通電通路
の直径力向への拡張が進まずに通電中期（第４図ｂ）か
ら通電終期（第４図ｃ）にかけて板厚力向へ大きく成長
し、通電時間とともに直径が所要の寸法に近づくと厚さ
も極めて厚く成長する。

このため鋼板の発熱による軟化も厚さ力向全域に及び溶
接終了時（第４図ｄ）には電極の押圧力の影響をも受け
て電極による圧痕も大きい。

即ち、この溶接法では数箇所の発熱起点を中心に板厚お
よび直径力向へ成長し、ほぼ板厚に近い厚さのナゲット
を形成する。

第３図■は、溶接初期Ｆこ直線的に通電電流の大きさを
溶接電流の大きさまで傾斜的に増大させ、しかる後一定
電流の通電を行う溶接法である。

溶接初期の傾斜的増大の時間は全通電時間の１０％前後
が普通である。

傾斜的増大の目的は散りの防止にあり、ナゲットの形成
過程は第４図と大差がない。

第３図■は溶接電流の通電と休止を繰返して行ういわゆ
るパルセーション溶接法を示す。

この方式の場合は第５図に示すように、各パルス毎に溶
融凝固が繰返され、各パルス毎にナゲットの生成が認め
られる。

即ち第５図ａは第１パルス投入の初期に生成されたナゲ
ットであって、第３図Ｉの溶接力法の初期と同様に数箇
所の鋼板接触点から発熱が進む結果第４図ａとほぼ同様
のナゲットを形成している。

そして第１パルスの通電の終期には第５図ｂに示すナゲ
ットが形成される。

しかも第１のパルスでは最終的に必要なナゲット径に見
合う通電通路の確保が十分でなく厚さ方向により早く成
長した傾向が見られる。

第２のパルス通電に２いては第１のパルス通電で形成さ
れたナゲットを通電通路として発熱が進む傾向がみられ
、そのため第５図Ｃに示すように、第１のパルス通電に
おけるような板厚方向への成長は少く、直径力向への成
長が多く見られる。

このような繰返しで最終的には第５図ｄに示すようにパ
ルス数だけのナゲットの重なり合った溶融凝固ゾーンが
形成され、結果的には直径力向へも板厚力向へも十分に
成長したナゲットが形成される。

以上の事実から、溶接すべき鋼板が１ミリメートル以下
のように比較的薄い場合には、第６図に示すように上下
の電極Ｐ，Ｑにより加圧通電を行うとき、溶接開始直後
に所要ナゲット径に見合う通電通路か形成され、その後
ナゲットは主に板厚力向へ成長するのに対し、溶接すべ
き鋼板が厚い場合には従来の推奨条件の何れの溶接法に
よっても、第７図に示すように溶接開始直後に形成され
る通電通路は所要ナゲット径に比して拡がりが少く、以
後はナゲットは厚さを増しながら直径力向にも成長する
ことがわかる。

従って板厚が１．２ミリメートルを超える鋼板の抵抗点
溶接において、溶接開始直後に先ず第６図に見られるよ
うな所要ナゲット径に見合う、板厚力向には薄い通電通
路を形成することに成功すれば、板厚の大きな鋼板の抵
抗点溶接に８いてナゲット厚さを通電時間によって調整
することも可能となり、ナゲット厚さのナゲット径に対
する比を０．２５以下にすることもできる。

本発明は溶接開始直後の所要ナゲット径に見合う通電通
路の形成を、主溶接電流の４０％ないし７０％の大きさ
の電流を通電することによって成功したものであって、
前記推奨条件と対比するために第３図と同様の溶接電流
の大きさと通電時間との関係をあらわす線図を第８図に
示す。

本発明においては溶接電流を二段階に制御し、溶接初期
の第一段階においては所定の電極加圧力の下で所要のナ
ゲット径に見合う通電通路を確保するため、該鋼板がジ
ュール熱による融接を生ずる溶接電流（これを主溶接電
流という）の４０％ないし７０％の大きさの電流を、接
合部における発熱量と逸散する熱量とが平衡し、通電通
路の拡がりがほぼ完了するような熱的平衡状態に達する
まで流し、次いで第二段階として前記主溶接電流を投入
するものである。

前記第一段階における電流値は鋼板のナゲット生成部表
面の軟化による拡がりのある面積での密着を目的とする
から、溶接しようとする箇所の温度が融点を超える必要
はないので、主溶接電流の７０％以上の大きさを必要と
せず、また所定の加圧力で鋼板間の十分な軟化接触状態
を得るには最小限主溶接電流の４０係の大きさが必要で
ある。

本発明の溶接力法によるときは、ナゲットの成長は第９
図に示すごとく、第一段階の通電を終了し第二段階の主
溶接電流の通電初期には第９図ａを示すように極めて拡
がりがあって厚さがほぼ均一の薄い融接域が出現し、主
溶接電流の通電中期（第９図ｂ）から終期にかけて通電
通路の厚さ力向へ主に成長し、集中抵抗による直径力向
への成長も伴って、通電終了時（第９図ｄ）には所要の
ナケット径で厚さのほぼ均一なナゲットを得るのである
。

第９図から本発明によるときは、第二段階の主溶接電流
の通電後期に８ける通電時間の制御によりナゲットの厚
みを調整し得ることは明らかである。

以下本発明の実施例を説明する。

本発明を自動車用ディスクホイルのディスクおよびリム
の抵抗点溶接に応用した。

ディスクは板厚３．２ミリメートルのＳＨＰ材、リムは
板厚３．５ミリメートルのＳＨＰ材の組合せである。

溶接に使用した電極の寸法は上部電極が直径２５ミリメ
ートル、加圧面の球面の曲率が半径１８０ミリメートル
、下部電極は直径２５ミリメートル、球面曲率の半径が
１００ミリメートルで、電極加圧力は１．７トンである
。

通電時間は溶接装置に接続する商業電源のサイクル数に
よってこれを定めた。

第１０図は実施例に使用した単相交流溶接装置の回路図
であって、溶接回路■は、加熱用及び溶接用の電流を供
給する電源回路■と、これと溶接部■との間を適宜開閉
制御する開閉電流制御回路■とからなる。

すなわち、この制御回路■は溶接部材■を軟化すべく加
熱用制御信号と溶接すべき溶接用制御信号とを順次発す
るものである。

そして、この回路■は、ボリューム等で溶接電流値を設
定する電流設定器１と、適用周波数に合せて電流設定器
１の抵抗値に見合った進角を決める位相制御回路２と、
この回路２で決められた進角（時間）の時差でサイリス
タ６のゲートへ加熱用または溶接用の制御信号を送るた
めの信号発生を行うサイリスク点弧回路３と、上述のよ
うに制御された適用周波数の溶接電流を所定の時間流す
かを決める通電時間設定回路４とが２系列より成る回路
及びサイリスタ５とを備えている。

上記溶接装置を用い、第一段階の通電電流を２５キロア
ンペア、通電時間を商業電源の５０サイクル、第二段階
の通電電流を３２キロアンペア、通電時間を商業電源の
３０サイクルないし４５サイクルに設定して本発明を実
施した。

この実施例に３いては第二段階の通電初期に所望ナゲッ
ト径の１８ミリメートルにほぼ近い通電通路が得られて
おり、すべての溶接部分で偏平な所望のナゲットを得ら
れた。

これらのナゲット中第二段階の通電時間を４５サイクル
として実施したものの断面を第１１図に模写した。

なお参考として第一段階の通電時間を接合部における通
電通路が生成途上の状態の３０サイクルの通電に止めた
場合には、第一段階で鋼板間の接触部分が十分に軟化せ
ず、目標とするナゲット径は得られないばかりか、ナゲ
ットの厚さが厚いものとなった。

その一例の断面を第１２図に模写で示す。

また比較のため推奨条件等によるパルセーション溶接を
試みた。

この溶接法は溶接電流を３２キロアンペア、通電時間を
商業電源の３６サイクルを１パルスとし、商業電源の１
２サイクルの休止時間をはさんで３パルス投入した。

この結果は第１３図に溶接部断面の模写の一例を示すよ
うに、ナゲットが３回にわたり形成されていること、お
よび１回目、２回目のパルスで板厚方向にはそのほぼ全
域まで成長していることがわかる。

第１４図は本発明の実施例（黒丸で示す）および比較の
ために行った第一段階の通電時間を短縮した実施例（白
丸で示す）ならびにパルセーション溶接法（三角で示す
）による人熱量（ ＫＡ ｘｓｅｃ：と形成したナゲッ
ト径との関係を示す図である。

図からわかるように本発明方法によると、従来のパルセ
ーション溶接法に比して約２／３の人熱量で同等あるい
はそれ以上の直径をもつナゲットが得られ、しかもナゲ
ットの偏平度は従来法よりはるかに良好であった。

以上要するに本発明によれば、鋼板の接合個所を第一段
階の通電加熱により軟化させ、所要の電極加圧力の下で
所要のナゲット径に見合う通電通路を確保し、然る後に
主溶接電流を投入する第二段階の通電加熱を行うので、
従来法の如く通電通路が十分に確保されない状態で大電
流を継続して投入することにより起る板厚方向へのナゲ
ットの成長あるいは散りを防止でき、所要ナゲット径に
見合う通電通路を確保した後のナゲットの成長は主に板
厚力向に行われるので通電時間の調整でナゲットの厚さ
を調整することができ、消費電力が少く、あわせて電極
への熱負荷も軽くなるため、電極の寿命向上をも達成す
ることができる有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は点溶接部に２ける鋼板の板厚と生成したナゲッ
ト厚のナゲット径との比との関係を示す線図、第２図は
点溶接部に８けるナゲット径とナゲットのせん断強度の
関係を示す線図、第３図は各種の推奨条件等による溶接
力法の通電電流と通電時間の関係を示す線図、第４図お
よび第５図は第３図の溶接力法によって形成されるナゲ
ットを示す断面図、第６図郭よび第７図は鋼板の溶接部
に２けるナゲットの成長を示す模式図、第８図は本発明
による通電電流と通電時間との関係を示す線図、第９図
は本発明により形成されるナゲットを示す断面図、第１
０図は本発明の実施に使用した溶接装置の回路図、第１
１図は本発明の実施によって得られたナゲットの断面を
模写した図、第１２図２よび第１３図は比較例のナゲッ
トの断面を模写した図、第１４図はナゲット径と人熱量
の関係を示す線図である。 なお図中、Ｐ，ＥよびＱは電極、１は電流設定器、２は
位相制御向路、３はサイリスク点弧回路、４は通電時間
設定回路、５はサイリスクを夫々示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジュール熱を利用した鋼板の抵抗溶接力法において
   、 板厚が１． ２ ミリメートルを超える鋼板の重ね合せ
   部を電極で加圧挾着せしめつつ該鋼板がジュール熱によ
   り融接を生ずる大きさの溶接電流の４０％ないし７０％
   の大きさの電流を、該重ね合せ部の接合面に該電流値に
   見合った融接部を形成させかつ当該融接部の拡がりがほ
   ぼ飽和に達するまで通電し、 しかる後前記電極による加圧挾着を維持しつつ、前記溶
   接電流を通電せしめて最終的な溶接状態を形成すること
   を特徴とする鋼板の抵抗溶接力法。