JPH04356373A - アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電極を介して被溶接体に
加圧力を加えつつ、瞬間的に電流を流してスポット溶接
する抵抗スポット溶接技術において、特にアルミニウム
又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウム
材という）を接合するアルミニウム材の抵抗スポット溶
接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】抵抗スポット溶接方法は、例えば、図３
に示すように、板状の２枚のアルミニウム材１，２を相
互に重ね、その重ね合わせ部の適所を１対の電極３，４
により挟み、この電極３，４を介してアルミニウム材１
，２の被溶接部を加圧する。そして、この電極３，４を
介して通電することにより、アルミニウム材１，２の重
ね合わせ部の電極間の位置に、ナゲット（溶融凝固部）
５を形成し、このナゲット５が凝固することによりアル
ミニウム材１，２はこの領域でスポット状に接合される
。

【０００３】図４は横軸に時間（サイクルＴ）をとり、
縦軸に加圧力及び通電電流をとって、加圧及び電流の印
加パターンを示す模式図である。１回のスポット溶接工
程は通常約２秒であり、３期に分かれる。先ず、第１期
において、アルミニウム材１，２の被接合部に比較的大
きな加圧力を印加する。次いで、第２期において、加圧
力を若干低下させると同時に、電極３，４を介して電流
Ｉを流し、ナゲット５を形成する。この電流の印加パタ
ーンは、■溶接サイクルと、■後熱サイクルとに分かれ
、溶接サイクルにおいては、通電電流が立ち上がって最
高値の溶接電流（Ｉ）まで上昇する。一方、後熱サイク
ルにおいては、電流が著しく低下するが、０にはならず
に後熱電流がしばらく流れる。この通電期（第２期）の
後、第３期において、再度加圧力を増大させてナゲット
における接合力を促進させる。

【０００４】この場合に、第２期の通電期は、１乃至１
０サイクルである。従って、交流周波数が５０Ｈｚの場
合には１／５０乃至１／５秒間である。そして、例えば
、アルミニウム材が１ｍｍ厚の場合に、ＷＥＳで推奨さ
れている溶接電流は３９ＫＡ、後熱電流は１１．５ＫＡ
、溶接サイクルは１サイクル、後熱サイクルは４サイク
ルであり、従来、アルミニウム材同士を抵抗スポット溶
接する場合には、このＷＥＳで推奨されている条件で溶
接条件が設定されていた。この場合に、アルミニウム材
は熱伝導率が高いため、電極には短時間で大電流を流す
必要があると考えられており、ＷＥＳで推奨する溶接条
件もこのように大電流及び短時間のものとなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の溶接条件は、各スポットを確実に接合するという点
で、理論的にはアルミニウム材の物理的性質を考慮した
適切ものとなっているものの、実際上、ナゲットの凝固
収縮時にアルミニウム材の表面に割れが発生し易く、実
用的ではないという欠点がある。また、従来方法では、
１個の電極を使用して十分な継ぎ手強度のスポット溶接
を連続して何回実施できるかという連続打点寿命が短い
という欠点もある。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、アルミニウム材を高接合強度で溶接できる
と共に、使用する電極の寿命を延長させることができる
アルミニウム材の抵抗スポット溶接方法を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルミニウ
ム材の抵抗スポット溶接方法は、アルミニウム又はアル
ミニウム合金材を抵抗スポット溶接する方法において、
電流立上がり時のピーク電流である溶接電流をＩ（ＫＡ
）、この溶接電流が得られるまでの通電時間をＴ（サイ
クル）とした場合に、Ｉ／Ｔが５以上、２０以下になる
ように電極に対する通電条件を設定することを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】本発明は、通電期のうち、電流が立ち上がる溶
接サイクル（図４の■）の条件を規定するものであり、
電流が低下する後熱サイクル（図４の■）における条件
は任意である。また、後熱サイクルを設けなくても良い
。即ち、図４に示すように、電流立ち上がり時のピーク
電流である溶接電流をＩ（ＫＡ）、この溶接電流の通電
時間をＴ（サイクル）とした場合に、Ｉ／Ｔを下記不等
式（１）にて規定する範囲に限定する。

【０００９】

【数１】５≦（Ｉ／Ｔ）≦２０ これにより、接合による継ぎ手強度を十分に確保しつつ
、電極寿命を著しく延長させることができる。

【００１０】なお、交流電流の商用周波数が５０Ｈｚの
場合と６０Ｈｚの場合とがあるが、Ｉ／Ｔの適正範囲は
この周波数の相違による影響を実質的に受けない。交流
周波数が変わった場合には、Ｔの外に電流Ｉも若干変動
するので、Ｉ／Ｔの値としては前記不等式（１）に規定
する範囲に入る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明について更に具体的に説明する
。

【００１２】通電期の溶接サイクル（溶接電流及び溶接
電流通電時間）は、ナゲットの生成に影響を及ぼし、継
ぎ手強度を左右するナゲットの大きさ等を決定する。一
方、後熱サイクルは、これを設けることによって、ナゲ
ット形成後にナゲットが急冷されることを防止し、この
部分を徐冷するためのものである。これにより、ナゲッ
トが凝固した部分に割れ６及びブローホール７（図３参
照）等の欠陥が発生することを防止できる。しかし、こ
の後熱サイクルはナゲットの大きさには影響を与えない
ため、その継ぎ手強度に対する影響も少ない。このため
、本発明の目的のように、十分な継ぎ手強度を確保しつ
つ、電極の寿命を向上させるためには、溶接サイクルに
おける溶接条件を規定する必要があり、またこの溶接サ
イクル条件を規定することにより本発明の目的達成上十
分であって、後熱サイクル条件はそれを設けないことも
含めて任意である。

【００１３】しかして、アルミニウム材の抵抗スポット
溶接における発熱現象は、アルミニウムが鋼に比して固
有抵抗が低く、熱伝導度が高いという物理的性質を有す
るため、ジュール熱により発生した熱が逃げ易いという
特徴を有する。このため、溶接条件は、ジュール熱によ
って発生した熱を逃がさず、アルミニウムの溶融に有効
に使用するため、熱が逃げる暇がない程度に短時間で溶
融を完了させるものであることが必要である。このため
、大電流を短時間だけ印加する。

【００１４】そこで、本発明においては、Ｉ／Ｔを５以
上に規定する。このＩ／Ｔが５未満であると、ある程度
の大きさのナゲットは得られるものの、低電流を長時間
に亘って印加することになり、これによって、熱伝導に
よりナゲット周囲の母材部分への熱影響が生じ、この母
材部分を劣化させる。このため、接合部を引張りせん断
試験した場合に、その破断荷重が低下し、継ぎ手強度を
低下させてしまう。これは、通電電流一定で時間を増加
させていった場合に、ある程度の通電時間まではナゲッ
ト径が大きくなり、ナゲットの継ぎ手強度が上昇するも
のの、それ以上時間を増加させると、逆に継ぎ手強度が
低下するという実験結果からも明かである。このため、
溶接時間Ｔを強度の低下が実質的に生じないような短い
ものにするため、Ｉ／Ｔを５以上にする。

【００１５】一方、Ｉ／Ｔの上限値は２０に規定する。 この溶接条件は、ＷＥＳで推奨されていて従来使用され
ていた条件よりも、小電流又は長時間側にある。下記表
１はアルミニウム材のスポット溶接としてＷＥＳ７３０
２で推奨されているＩ／Ｔを示すものである。

【００１６】

【表１】

【００１７】この表１に示すように、ＷＥＳ推奨値はＩ
／Ｔが平均で２４ＫＡ／サイクルであり、この値は板厚
との関連性がない。この大電流及び短時間は、前述の如
く、アルミニウム材の物理的性質にはかなっているもの
の、現実問題としては、急熱急冷サイクルとなるため、
溶融部の一部が溶接時に飛散して激しい塵が発生したり
、アルミニウム材の表面に凝固収縮割れが発生したりす
る。このため、この推奨値は実用的とはいえない。また
、電極の連続打点寿命においても、Ｉ／Ｔが２０を超え
ると、この寿命が短くなる。

【００１８】そこで、本発明においては、Ｉ／Ｔを２０
以下に限定し、従来のＷＥＳ推奨値よりも緩やかに熱を
印加する。図１は横軸に溶接時間Ｔ（サイクル）をとり
、縦軸に溶接電流Ｉ（ＫＡ）をとって、本発明にて規定
する範囲と従来の範囲とを比較して示すグラフ図である
。この図に示すように、本発明においては、従来よりも
昇熱速度が遅い。

【００１９】従来のように、急熱の程度が大きい場合は
、電極自体の昇温が激しく、水冷による冷却が間に合わ
ず、電極自体が高温軟化する。このため、電極の熱ダメ
ージが大きい。また、急熱の場合には、ナゲットの板厚
方向への溶け込みが厚くなり、アルミニウム材表面の温
度が高くなる。このため、アルミニウム材表面に接触し
ている電極の表面温度も高くなり、電極に対するダメー
ジが大きくなる。更に、この電極自体が高温になること
により、電極を構成する銅と、アルミニウムとが相互拡
散し易くなる。これにより、脆い金属間化合物が発生し
易くなり、加圧を伴う溶接時に、電極表面の銅の脱落が
発生する。そして、部分的にも電極表面の銅が脱落し出
すと、次順の溶接時には、通電が局所的にしか生じなく
なり、益々電流密度を高くする必要が生じ、悪循環であ
る。かた、電極表面の凹凸のため、加圧力が十分に働か
ず、内部欠陥（割れ及びブローホール）の発生を防止で
きなくなる。そうすると、スポット継ぎ手の引っ張りせ
ん断荷重が低下し、電極の連続打点寿命が短くなる。

【００２０】しかし、本発明のように、Ｉ／Ｔを２０以
下にすると、電極の水冷効果が有効に発揮されて、電極
及びアルミニウム材において熱的に良好なバランス状態
が得られる。これにより、ナゲットの板厚方向への溶け
込みが適当に抑制され、電極へのダメージが少なくなる
ので、電極寿命は著しく増大する。

【００２１】このような理由で、本発明においては、Ｉ
／Ｔを２０以下に規制する。図２は溶接条件と溶接品質
との関係を説明する図である。図２（ａ）に示すように
、Ｉ／Ｔが２０を超えると、ナゲットが大きくなりすぎ
、ナゲットの板厚方向への溶け込みが厚くなり、アルミ
ニウム材表面の温度が上昇して電極の熱ダメージが激し
くなる。また、成分が拡散してナゲット部にて割れ及び
ブローホールが多発する。一方、図２（ｃ）に示すよう
に、Ｉ／Ｔが５未満であると、熱伝導により母材部が熱
影響を受け、熱による劣化を受ける。このため、溶接後
の継ぎ手強度が低くなる。これに対し、図２（ｂ）に示
すように、Ｉ／Ｔが５以上、２０以下であると、水冷銅
により構成される電極の冷却効果が十分に得られ、熱的
に良好なバランスが得られるため、電極寿命が著しく向
上する。また、母材の熱影響も少なく、適切な大きさの
ナゲットが得られ、継ぎ手強度も高い。

【００２２】次ぎに、本発明の実施例について、その比
較例と比較して説明する。下記表２は被溶接材料及び電
極材料と、溶接条件と、電極寿命及び継ぎ手強度との関
係を示す。但し、電極寿命は継ぎ手の引張り強度がＪＩ
ＳＢ級に低下するまでに抵抗溶接することができた打点
数である。また、電極寿命の「比」欄に記載の数値は比
較例１の寿命を１とした場合の寿命の比である。

【００２３】但し、被溶接材のＡは、５１８２−０アル
ミニウム合金の１ｍｍ厚の板材同士を接合したものであ
り、被溶接材のＢは、同じ５１８２−０アルミニウム合
金の２ｍｍ厚の板材同士を接合したものである。また、
電極材のイは、クロム銅合金を使用して電極を成形した
場合のものであり、電極材のロは、３層構造の電極を使
用した場合のものである。この３層構造の電極は、芯材
として、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｏ−Ａｇ−Ｚｒの各金属
粉末の混合粉末に、所定量の硼化物粉末を混合した後、
焼成したものを使用し、この粉末焼結体からなる芯材に
、緩衝材として銅合金からなる中間層を配置し、更に外
層に導電性が優れたＯＦＣ（無酸素銅）を配置したもの
である。表２中、＊１は加圧力を２段に分けて印加した
場合のものであり、当初３００Ｋｇ印加し、その後８０
０Ｋｇに加圧力を上昇させた。また、Ｃはサイクルであ
る。

【００２４】

【表２】

【００２５】この表２から明らかなように、１ｍｍ厚の
アルミニウム板を、従来一般的であるクロム銅合金から
なる電極を使用して抵抗スポット溶接した場合、実施例
１乃至５はＩ／Ｔが本発明の範囲内にあるので、電極寿
命が３９０打点以上と長寿命である。これは後熱電流を
印加するか否かによらない。これに対し、Ｉ／Ｔが本発
明の範囲から外れる比較例１及び３は寿命が極めて短い
。 また、比較例２は寿命が比較的長いものの、比較例３と
共にＩ／Ｔが小さいため継ぎ手強度が低い。

【００２６】また、３層構造の電極を使用した場合には
、実施例及び比較例のいずれも前述のクロム銅合金製電
極を使用した場合に比してその寿命が著しく増大してい
る。即ち、比較例４乃至６も比較例１に比して５倍以上
の寿命を有し、更に実施例６、７は比較例１の３０倍以
上の寿命を有する。しかし、この電極を使用した場合も
、実施例６、７は２４００打点以上の極めて長い寿命を
有し、同じくこの電極を使用した比較例４の寿命の４．
３倍以上の寿命を有する。なお、比較例５も長寿命を有
するが、比較例６と共にＩ／Ｔが小さいので継ぎ手強度
が不足する。

【００２７】更に、板厚が２ｍｍの場合にも、比較例７
、８に比して実施例８は長寿命である。上述の如く、本
発明の実施例はいずれも継ぎ手強度が高いと共に、電極
寿命が著しく延長する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
抵抗スポット溶接時の立上がり時のピーク電流として把
握される溶接電流Ｉと、このときの通電時間である溶接
時間Ｔとの比Ｉ／Ｔを、５以上２０以下に規定したから
、十分に高い継ぎ手強度が得られると共に、電極の寿命
を従来に比して著しく延長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接条件と従来の溶接条件とを比較し
て説明する。

【図２】本発明の効果を比較例条件の場合と比較して説
明する模式図である。

【図３】抵抗スポット溶接法を説明する模式図である。

【図４】抵抗スポット溶接における加圧パターンと通電
パターンとの関係を示す図である。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アルミニウム又はアルミニウム合金材
   を抵抗スポット溶接する方法において、電流立上がり時
   のピーク電流である溶接電流をＩ（ＫＡ）、この溶接電
   流が得られるまでの通電時間をＴ（サイクル）とした場
   合に、Ｉ／Ｔが５以上、２０以下になるように電極に対
   する通電条件を設定することを特徴とするアルミニウム
   材の抵抗スポット溶接方法。