JP6037018B2 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗スポット溶接方法に関し、具体的には、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みの抵抗スポット溶接方法に関する。なお、本発明において、アルミニウム板とは、純アルミニウム板とアルミニウム合金板を総称したものである。

近年の自動車産業では、車体軽量化による燃費向上を目的として、高強度鋼板の適用による鋼板の薄肉化や、車体へのアルミニウム合金板等の軽金属材の適用が進められている。

現在、車体における鋼板同士の接合には、他の溶接方法に比べてコストや効率面で優位にある抵抗スポット溶接方法が最も多く用いられており、１台あたりの打点数は３０００点から６０００点に及ぶ。これは重ね合わせた２枚以上の鋼板を挟んでその上下から一対の電極で加圧しつつ、上下電極間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合する方法である。

車体の生産工程のコストと効率の維持という観点からは、鋼板同士の場合と同様、アルミニウム板が混在する場合の接合においても抵抗スポット溶接方法を用いることが有効である。しかし、鋼板とアルミニウム板の異種材料接合においては、電極の加圧と通電時の発熱により軟質なアルミニウム板が溶接中に大きく減厚したり、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成したりすることで継手強度が確保できないという問題がある。

上記の問題に対応するため、以下に述べるような技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、溶接を極短時間化し、高電流を付与することで溶融部を周囲に飛散させて、正常な金属面同士の接触と原子の拡散による接合を達成させる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献２には、鋼板とアルミニウム板の間に鉄／アルミニウムクラッド薄板を同種材同士が向かい合うようにインサートさせることで、電極へのアルミニウムの溶着量を最小限に抑えながら、低電流でも高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献３には、鋼板とアルミニウム板の両側に当て板を１枚以上添えて溶接を行うことで、当て板と被接合材料の界面が抵抗発熱し、鋼とアルミニウムが抵抗拡散接合されて高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。

また、特許文献４では、鋼板および鋼板表面酸化皮膜におけるＭｎおよびＳｉの各量を適正化することで、大きいナゲット径を得つつ散り発生を抑制する事ができると記載されている。

また、特許文献５では、融点の異なる複数の金属体の溶接において、融点の低い金属体に接する電極として先端面中央に凹部を設けた電極で溶接することにより、中散りによるバリの形成を防止して、高い生産性と高品質の溶接部を得る溶接方法が提案されている。

また、特許文献６では、ＧＡ鋼板とアルミニウム材とのスポット溶接時にアルミニウム材側に使用する凸型電極の先端曲率半径を鋼板側よりも２倍〜６倍大きくすることにより、アルミニウムの溶融部の排除を起こりにくくし、溶融プールを接合面に形成しやすくし、かつ溶融亜鉛めっきを比較的容易に接合面から溶融除去することにより、接合強度を確保する方法が提案されている。

特開２００４−１７１４８号公報 特開平７−１３６７７４号公報 特開平９−１５５５６１号公報 特開２００５−１５２９５８号公報 特開平１１−３４２４７７号公報 特開２００８−２００６８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の抵抗スポット溶接方法では、鋼板同士の抵抗スポット溶接方法と比較して大電流を付与する必要があるため、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスの電源容量では電流値が不足するという問題点がある。

また、特許文献２および３に記載の抵抗スポット溶接方法では、車体の構造上不要である当て板やクラッド薄板の使用、さらには車体の生産ラインの工程変更が必要となるため、大幅なコスト増や重量低減が十分に図れないなどの問題がある。

また、特許文献４では、鋼板および酸化皮膜中の合金元素量および分布を限定する必要があるため、要求性能を満たす鋼板の使用が制限されるなどの課題があり、特に最近の鋼板では高強度化にともなって高合金化が進んでいる状況下では、その適用は極めて制限される。

また、特許文献５、６の場合、溶接点数の増加に伴って低融点材もしくはアルミニウム材と接する側の電極先端の損耗が進むが、その時の低融点材もしくはアルミニウム材側電極の先端損耗が著しく進んでいくために、溶接自体が不安定になる。その結果電極を極めて高頻度に交換する必要が生じるなどの問題がある。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保でき、かつ連続溶接時の電極損耗時においても溶接の安定性を確保し得る抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明者らは電極先端形状と溶接後の鋼板およびアルミニウム板のインデンテーション（減厚）の状態ならびに継手強度の関係について研究を行った。その結果、鋼板に接する電極とアルミニウム板に接する電極を適切に選択して、溶接後の溶接部のインデンテーション量（減厚量）を適正化することにより健全な溶接部が得られることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を重ねて完成されたもので、その要旨構成は次のとおりである。

［１］鋼板とアルミニウム板を複数枚重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
鋼板と接する電極の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板と接する電極の先端径ＤＡｌとの関係が、
ＤＦｅ＜ＤＡｌ
を満たし、
かつ、アルミニウム板と接する電極の先端形状が、フラット形状か、先端曲率半径が１７０ｍｍ以上の凸型形状か、先端曲率半径が１０ｍｍ以上の凹型形状かのいずれかとすることを特徴とする抵抗スポット溶接方法。

［２］アルミニウム板と接する電極の先端形状が、先端曲率半径が１７０ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の凸型形状か、先端曲率半径が１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の凹型形状かのいずれかとすることを特徴とする前記［１］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［３］アルミニウム板と接する電極の先端径ＤＡｌと、当該アルミニウム板の板厚ｔＡｌの関係が、
ＤＡｌ≧３ｔＡｌ
を満たすことを特徴とする前記［１］または［２］に記載の抵抗スポット溶接方法。

［４］接合部中心におけるアルミニウム板のインデンテーション量が減厚率（接合部中央の板厚／元板厚）で０．８以上の溶接部を形成させることを特徴とする前記［１］乃至［３］に記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明においては、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保でき、かつ連続溶接時の電極損耗時においても溶接の安定性を確保することができる。

すなわち、本発明によれば、鋼板同士を抵抗スポット溶接している一般的な自動車のアセンブリラインで、新たな設備導入によるコスト増加などを引き起こすことなく、鋼板とアルミニウム板を安定して接合することが可能となる。

本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。 本発明の一実施形態において用いる電極の先端径Ｄと先端曲率半径Ｒを説明する図である。

本発明をその実施形態によって詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。板厚ｔＦｅの鋼板１と板厚ｔＡｌのアルミニウム板２を直接重ね合わせた板組み３を一対の電極（上電極４、下電極５）で挟んで加圧しつつ、上下電極４、５間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合して、鋼板１とアルミニウム板２の抵抗スポット溶接継手を得るようにしている。

そして、上記で得られた、鋼板１とアルミニウム板２の抵抗スポット溶接継手を変形させた場合、より軟質なアルミニウム板２側、もしくは鋼板１とアルミニウム板２との接合界面で破壊が生じる。このため、十分な継手強度を確保するには、溶接部（接合部）でのアルミニウム板２の減厚を抑制することと、接合界面での脆弱な金属間化合物の生成を極力抑制することが必要となり、特に、溶接部でのアルミニウム板２の減厚を抑制することが重要である。これは、接合界面での金属間化合物の生成を抑制しつつ十分な接合面積を得られるような条件を見出して、接合界面の強度を十分に確保できた場合においても、アルミニウム板２が減厚してアルミニウム板２の減厚部から破断し、結果的に十分な強度が確保できなくなることが問題であるからである。

そこで、この実施形態においては、電極の先端径と先端形状を以下に述べるように限定することによって、上記の問題を解決するようにしている。

すなわち、鋼板１と接する電極（上電極）４の先端径ＤＦｅとアルミニウム板２と接触する電極（下電極）５の先端径ＤＡｌの関係を、ＤＦｅ＜ＤＡｌを満足させることにより、アルミニウム板２を溶接部より広い領域で加圧・支持し、かつアルミニウム板２側での電極（下電極５）からの抜熱を十分に安定して確保することにより、アルミニウム板２の表面および内部の極端な軟質化を抑えて、溶接部のアルミニウム２側の減厚を抑制することが可能となる。

さらに、アルミニウム板２側の電極５の先端形状をフラット形状（先端曲率半径Ｒは無限大）とするか、もしくは凸型形状の場合は先端曲率半径Ｒを１７０ｍｍ以上とするか、凹型形状の場合は先端曲率半径Ｒを１０ｍｍ以上とするかのいずれかとすることにより、上記効果を安定して得られると同時に、電極損耗時においても、溶接時、特に通電初期におけるアルミニウム板２側の通電を接合部よりかなり広い範囲でリング状にすることができ、アルミニウム板２の減厚を安定して抑制でき、安定した溶接部を確保しやすくなる。

そして、上記の効果は、アルミニウム板２側の電極５の先端形状を先端曲率半径が１７０ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の凸型形状か、先端曲率半径が１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の凹型形状かのいずれかとすることにより、より一層発揮される。これにより、組立てラインなどの実工程で必ずしも面直（溶接面に対して電極の中心軸が直交）が精度よく得られていない状態でも、安定した溶接が可能となる。

これは以下の理由による。すなわち、アルミニウム板２側の電極５の先端形状を先端曲率半径が１５００ｍｍ超えの凸型形状とした場合、電極５が新品の時やドレッシング直後の時には、溶接時の面直精度（溶接面と電極の中心軸との直交度合）を高精度に調整しないと、電極５の先端がアルミニウム板２の表面に片当りして、想定した効果が得られない可能性がある。これに対して、電極５の先端形状を先端曲率半径が１７０ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の凸型形状とした場合は、電極５の先端が比較的尖った形状となるため、上記のような電極５が初期状態の時（新品の時やドレッシング直後の時）に生じる片当りを的確に抑制することができる。好ましくは２００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の範囲である。また、電極５の先端形状を先端曲率半径が１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の凹型形状とした場合は、電極５の先端がアルミニウム板２の表面に片当りしても、溶融したアルミニウムが電極５の内側（中心軸側）へ押されるために、溶接が安定する。好ましくは４０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲である。

なお、電極の先端径Ｄと先端曲率半径Ｒについては、図２において、（ａ−１）と（ａ−２）がフラット形状（先端曲率半径Ｒは無限大）の場合の例、（ｂ−１）と（ｂ−２）が凸型形状の場合の例、（ｃ−１）と（ｃ−２）が凹型形状の場合の例をそれぞれ示している（ＪＩＳ Ｃ ９３０４）。ちなみに、（ｃ−１）は凹型部分の周囲がフラットになっている凹型形状である。

したがって、アルミニウム板と接する電極の先端曲率半径をＲＡｌ、鋼板と接する電極の先端曲率半径をＲＦｅとした場合、鋼板１に接触する電極４として、図２に示した電極を使用する場合は、図２中に示している先端径Ｄが電極４の先端径ＤＦｅとなり、図２中に示している先端曲率半径Ｒが電極４の先端曲率半径ＲＦｅとなる。同様に、アルミニウム板２に接触する電極５として、図２に示した電極を使用する場合は、図２中に示している先端径Ｄが電極５の先端径ＤＡｌとなり、図２中に示している先端曲率半径Ｒが電極５の先端曲率半径ＲＡｌとなる。

なお、この効果については、アルミニウム板２と接する電極５の先端径ＤＡｌと、そのアルミニウム板２の板厚ｔＡｌの関係をＤＡｌ≧３ｔＡｌとすることにより、アルミニウム板２の板厚に対して十分な強度を安定して得ることができる。

上述した状態で溶接した場合、接合部中心におけるアルミニウム板２側のインデンテーション量が減厚率（接合部中央の板厚／元板厚）で０．８以上となる溶接部を形成させることが可能となり、継手強度の確保に極めて有効である。

なお、この実施形態では、鋼板１とアルミニウム板２の２枚重ねの板組み（溶接継手）を例として説明したが、その２枚の板間にさらにもう１枚以上の鋼板あるいはアルミニウム板を順不同で挟んだ３枚重ね以上の板組み（溶接継手）についても適用可能である。

また、本発明の規定を満たしていれば、溶接中の電流値・通電時間・加圧力は一定である必要はなく、電流値や加圧力を２段階以上に変化させても問題はない。

また、溶接中の抵抗値・電圧値といったパラメータを監視し、その変動に応じて電流値や通電時間を変化させる制御方法を用いてもよい。

なお、本発明の接合方法で対象とする鋼板は、軟質鋼から高強度鋼、またステンレスや高合金鋼など鋼板であれば特段の限定はされない。さらに、その表面にＺｎやＡｌ、Ｍｇおよびその合金の溶融めっき、合金化溶融めっき、電気めっきを施したもの、加えて、さらに表面にクロメート処理を施したものや、樹脂皮膜を形成させたものも含まれる。また、アルミニウム板に関しても同様で、特に限定されない。

本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。なお、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、本発明の要旨を満足する限りいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

供試材として、鋼板に軟鋼を用い、アルミニウム板に５０００系アルミニウム合金板を用いた。そして、これらを直接重ね合わせた板組みとした。溶接機はインバータ直流式抵抗スポット溶接機を用い、加圧力２．５ｋＮとし、電極形状と溶接電流、通電時間を変化させて溶接を行った。

溶接後は継手を溶接部中央で切断して断面観察を行い、アルミニウム板の接合部中央の厚みを測定し、元板厚との比から減厚率（接合部中央の板厚／元板厚）を求めた。また、継手品質は、ＪＩＳ Ｚ ３１４４に規定のピール試験によりピール径（ｍｍ）を測定して判断した。ピール時に円状に剥離しなかった場合は、プラグ状に残った面積の円相当直径をピール径と判断した。

継手特性の評価基準としては、アルミニウム板の溶接前の板厚を基準板厚ｔ（ｍｍ）として、ピール径が４√ｔ以上でかつ減厚率が０．８以上であるものを◎、ピール径が４√ｔ以上でかつ減厚率が０．７以上０．８未満であるものを○、ピール径が４√ｔ未満であるかまたは減厚率が０．７未満であるものを×とした。

表１に面直誤差０％の場合における結果を示し、表２に面直誤差５％の場合における結果を示す。表１、表２に示すように、本発明例においては、全てのケースで評価は○ないし◎であった。

１ 鋼板
２ アルミニウム板
３ 板組み
４ 鋼板と接する電極（上電極）
５ アルミニウム板と接触する電極（下電極）

Claims (4)

1. 鋼板とアルミニウム板を複数枚重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接する（ただし、溶接中の通電時間が２００ｍｓｅｃ以上を除く）に際して、
   鋼板と接する電極の先端径ＤＦｅと、アルミニウム板と接する電極の先端径ＤＡｌとの関係が、
   ＤＦｅ＜ＤＡｌ
   を満たし、
   かつ、アルミニウム板と接する電極の先端形状が、フラット形状か、先端曲率半径が１７０ｍｍ以上の凸型形状か、先端曲率半径が１０ｍｍ以上の凹型形状かのいずれかとすることを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
2. アルミニウム板と接する電極の先端形状が、先端曲率半径が１７０ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の凸型形状か、先端曲率半径が１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下の凹型形状かのいずれかとすることを特徴とする請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. アルミニウム板と接する電極の先端径ＤＡｌと、当該アルミニウム板の板厚ｔＡｌの関係が、
   ＤＡｌ≧３ｔＡｌ
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。
4. 接合部中心におけるアルミニウム板のインデンテーション量が減厚率（接合部中央の板厚／元板厚）で０．８以上の溶接部を形成させることを特徴とする請求項１乃至３に記載の抵抗スポット溶接方法。

Images