JPH0655280A - 抵抗スポット溶接用アルミニウム合金板の溶接前処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ａｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の
アルミニウム合金板を抵抗スポット溶接するにあたって
連続打点性を向上させ得るようにした、抵抗スポット溶
接前の前処理方法を提供する。 【構成】 抵抗スポット溶接に先立ち、アルミニウム合
金板の両面に化学的エッチング処理を施して酸化皮膜を
一旦除去し、その後改めて大気中で加熱酸化処理を施し
て両面に均一な酸化皮膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は自動車のボディシート
等に使用されるアルミニウム合金板、特にＡｌ−Ｍｇ系
もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金板につ
いて、自動車車体の組立等のために抵抗スポット溶接を
行なうにあたり、抵抗スポット溶接前に予め行なってお
く前処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車のボディシートには、従来は鋼板
を用いることが多かったが、近年は車体軽量化等の観点
からアルミニウム合金板を使用することが多くなってい
る。ボディシートとして鋼板を用いた自動車車体の組立
には、抵抗スポット溶接を用いるのが通常であるが、鋼
板に代えてアルミニウム合金板を用いる場合にも、その
アルミニウム合金板に抵抗スポット溶接を適用すること
が多い。

【０００３】ところでアルミニウム合金は、鋼と比較す
れば電気抵抗が小さいこと、また熱伝導率が高いこと、
さらに板表面に非導電性の硬くて脆い酸化皮膜が存在す
ることなど、物理的特性が鋼と異なっている。そしてこ
れらの相違点に起因して、アルミニウム合金板を抵抗ス
ポット溶接するにあたっては、溶接電流として鋼板の場
合の約３倍の大電流を流す必要があるのが通常である。
そのため、アルミニウム合金板の抵抗スポット溶接時に
は、電極の発熱が過大となって、溶接対象となるアルミ
ニウム合金板と電極との間で融着が生じやすく、その融
着部が板側に移行して電極に欠けなどの凹凸が生じ、ま
た電極表面に脆い金属間化合物層が生成されたりして、
電極を劣化させ、これによって連続打点性、すなわち電
極の保守、交換なしで連続してスポット溶接が可能とな
る程度（スポット溶接連続打点数）が鋼板の場合の１／
１０〜１／１００程度に過ぎなくなるという問題があ
る。

【０００４】このような問題は、従来からアルミニウム
合金板の抵抗スポット溶接における問題点として知られ
てはいたが、アルミニウム合金板をスポット溶接する用
途は従来は少なく、そのため従来は特に重要視はされて
いなかった。しかしながら最近では前述のように大量生
産の自動車にアルミニウム合金が適用されるようになっ
ているため、この問題が大きな欠点として重要視される
ようになってきた。

【０００５】このような問題を解決するための方法とし
ては、種々の方法が提案されている。例えば、電極面に
何らかの前処理を施したり、あるいは電極の材質を代え
たり、さらには電極の形状に工夫を凝らしたり、またス
ポット溶接時に電極と板との間あるいは板と板との間に
異種金属からなる薄板を挿入したり、また電流の立上が
り速度を制御したり、さらには板の片側のみをアルマイ
ト処理して酸化膜厚さを増しかつそのアルマイト処理面
が板と板との界面側に位置するように設定する、などの
方法が知られている。しかしながらこれらの方法は、い
ずれも前述のような問題を確実かつ充分に解決できるに
は至っておらず、また他の面で技術的困難性を招いたり
コスト上昇を招いたりする問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウム合金板を
抵抗スポット溶接する際の状況と、そのときの板厚方向
の温度分布を図２の（Ａ），（Ｂ）に示す。図２の
（Ａ）において、溶接対象となるアルミニウム合金板１
Ａ，１Ｂを、電極２Ａ，２Ｂ間に挟み、その電極２Ａ，
２Ｂによって加圧および通電すれば、電気抵抗発熱によ
ってアルミニウム合金板１Ａ，１Ｂ間でナゲット（溶接
金属）３が形成され、スポット溶接が行なわれることに
なる。このとき、アルミニウム合金板１Ａ，１Ｂの相互
の界面４の付近および各電極２Ａ，２Ｂと各アルミニウ
ム合金板１Ａ，１Ｂとの界面５の付近では、界面の接触
抵抗のほか、アルミニウム合金板表面に存在する非導電
性の酸化皮膜によって、アルミニウム合金地金部分より
も電気抵抗が格段に高くなっており、そのため通電時の
板厚方向の温度分布は図２の（Ｂ）に示すような状況と
なる。ここで、アルミニウム合金板１Ａ，１Ｂの相互間
の界面４の付近の高温は、その界面４付近でアルミニウ
ム合金を溶融させて溶接ナゲット３を形成するに寄与す
るが、各電極２Ａ，２Ｂと各アルミニウム合金板１Ａ，
１Ｂとの界面５の付近の高温は、この付近で不要な局部
的溶融を招き、前述のように電極の劣化を招いて連続打
点性を低下させる原因となっていた。

【０００７】ところで各電極２Ａ，２Ｂと各アルミニウ
ム合金板１Ａ，１Ｂとの界面５付近で高温となって局部
的溶融を招く理由は、前述のように両者間に接触抵抗が
存在するばかりでなく、特にアルミニウム合金では板表
面に酸化皮膜が存在するため、その部分の電気抵抗が著
しく高くなることにあると考えられている。しかしなが
ら本発明者等がその現象についてさらに実験・検討を進
めたところ、単に酸化皮膜が存在するという事実だけで
はなく、それよりもむしろ酸化皮膜が不均一となってい
ることに大きな原因があることが判明した。そしてこれ
は特にＪＩＳ５０００番系の合金などのＡｌ−Ｍｇ系合
金やＪＩＳ ６０００番系の合金などのＡｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系合金の場合に顕著であることが判明した。

【０００８】すなわち、Ａｌ−Ｍｇ系合金やＡｌ−Ｍｇ
−Ｓｉ系合金では、酸化し易いＭｇを多量に含有するた
め、鋳塊に対する面削後の均質化処理や熱間圧延工程、
さらにはその後の中間焼鈍などの熱処理によって板表面
が酸化され易い。そしてこれらの過程で生成された酸化
皮膜は、冷間圧延によって伸ばされることになるが、酸
化物は硬くて脆いため圧延で分断、分離されることが多
く、そのため、抵抗スポット溶接に供される段階のＡｌ
−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合
金板は、その表面の酸化皮膜における膜厚や酸化物存在
状態が不均一となっているのが通常である。そのような
不均一な酸化皮膜７の状況の代表的な例を図３に模式的
に示す。図３において、酸化皮膜７は、アルミニウム合
金地金部分６に対して密着した酸化物層７Ａの最表面
に、剥離したもしくは剥離しかかったフレーク状その他
の形状の非密着酸化物片７Ｂが斑状に存在したものとな
っている。もちろん実際には、図３に示した状況以外に
も、種々の複雑な状況があり、いずれにしても酸化皮膜
７の膜厚や酸化物存在状態が不均一となっているのが通
常である。このように酸化皮膜７における膜厚や酸化物
存在状態が不均一であれば、その膜厚方向の電気抵抗も
必然的に不均一となってしまう。

【０００９】このように酸化皮膜が不均一で膜厚方向の
電気抵抗が不均一なＡｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系のアルミニウム合金板を、従来法にしたがってそ
のまま抵抗スポット溶接に供した場合、図４に示すよう
に、各電極２Ａ，２Ｂと各アルミニウム合金板１Ａ，１
Ｂとの界面５では、溶接電流８が不均一に流れ、そのた
め局部的に電流密度が大になる部分９では局部的に板表
面温度が高くなってその部分９で局部的な溶融が生じ、
電極と溶融反応を生じて電極を劣化させる。そしてこの
ような状況が連続打点で繰返されることにより、電極が
早期に劣化するため、連続打点性が劣ることになる。

【００１０】さらにまた、アルミニウム合金板の酸化皮
膜の厚みと抵抗スポット溶接における連続打点性との関
係は一義的ではなく、主として２つの要素が影響を与え
ている。すなわち、電極とアルミニウム合金板との界面
５の側のアルミニウム合金板表面の酸化皮膜が厚いほど
その界面付近の温度が高くなって、前述のように電極を
劣化させる原因となって連続打点性が悪くなるのに対
し、重ね合せたアルミニウム合金板同士の相互間の界面
４の側の酸化皮膜は、ある程度厚い方がその部分で溶接
ナゲットを形成するに充分な発熱量が得られて、良好な
連続打点性が得られる。このような関係について本発明
者等が実験した結果を図５に示す。この図５から明らか
なように、界面４に関しての連続打点性と界面５に関し
ての連続打点性との両者を考慮すれば、総合的に良好な
連続打点性を得るための酸化皮膜厚みとして、ある適正
な領域が存在することが明らかである。しかしながら、
前述のようにＡｌ−Ｍｇ系やＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアル
ミニウム合金板では、酸化皮膜厚みが均一でないばかり
か、製造工程条件によって酸化皮膜厚みにばらつきが生
じており、そのため常に適正な酸化皮膜厚みを確保する
ことは困難であり、このことも連続打点性を悪くする原
因となっていた。

【００１１】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、特にＡｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系のアルミニウム合金板を抵抗スポット溶接するにあた
って、連続打点性を従来よりも格段に向上させ得るよう
にするための溶接前処理方法を提供することを目的とす
るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明では、前述のよ
うな課題を解決するため、基本的には、Ａｌ−Ｍｇ系も
しくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板を抵抗ス
ポット溶接するに先立ち、各アルミニウム合金板の両面
に化学的エッチング処理を施して両面の酸化皮膜を除去
した後、大気中で加熱酸化処理を施して、両面に均一な
酸化皮膜を生成させることとしている。

【００１３】

【作用】この発明の前処理方法の過程を図１の（Ａ）〜
（Ｃ）に示し、これに基いてこの発明の作用を説明す
る。

【００１４】先ず図１の（Ａ）に示すようなＡｌ−Ｍｇ
系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板１Ａ
（１Ｂ）の両面２１Ａ，２１Ｂに対して化学的エッチン
グ処理を施して、各表面の酸化皮膜７を図１の（Ｂ）に
示すように除去する。次いで化学的エッチング処理後の
アルミニウム合金板１Ａ（１Ｂ）に大気中で加熱酸化処
理を施して、図１の（Ｃ）に示すように両面に均一な酸
化皮膜１０を生成させる。

【００１５】ここで、化学的エッチング処理前の酸化皮
膜７は、図１の（Ａ）に示すようにその最表面に剥離し
たあるいは剥離しかけた非密着酸化物片７Ｂが存在する
こと等に起因して、全体の膜厚、酸化物存在状態が不均
一となっているのが通常であるが、化学的エッチング処
理によってその不均一な酸化皮膜７が除去され、さらに
改めて適度の加熱酸化処理することによって均一な酸化
皮膜１０が形成される。この新たな酸化皮膜１０は、膜
厚が均一であるばかりでなく、酸化物存在状態も均一と
なっている。そしてこのように均一な酸化皮膜１０が生
成された後には、圧延等の展伸加工は施されないから、
その均一な状態が抵抗スポット溶接まで維持される。

【００１６】上述のような均一な酸化皮膜はその膜厚方
向の電気抵抗が均一であるから、その均一な酸化皮膜１
０を有するアルミニウム合金板１Ａ，１Ｂを用いて既に
述べたような抵抗スポット溶接を行なえば、電極とアル
ミニウム合金板との界面５において電流の偏りが生じる
ことが防止されて均一に溶接電流が流れ、そのためその
界面５の付近で局部的に電流密度が高くなることがな
く、したがって局部的な温度上昇により局部溶融が生じ
て電極を劣化させるような事態の発生を有効に防止でき
る。

【００１７】また、前述のように当初の不均一な厚みの
酸化皮膜は除去して、改めて適度の加熱酸化処理によっ
て均一な厚みの酸化皮膜を生成させるため、その新たな
酸化皮膜の厚みを、図５に示したような連続打点性に対
して最適な厚み範囲内となるよう調整することができ
る。

【００１８】なおアルミニウム合金板表面の酸化皮膜除
去のための化学的エッチング処理としては、硝酸、塩
酸、硫酸などの酸液を用いた酸洗、あるいは苛性ソーダ
等のアルカリ液を用いたアルカリ洗等を適用すれば良い
が、これらに限定されるものではなく、要は板表面の酸
化皮膜を除去することができれば良い。

【００１９】また改めて均一な酸化皮膜を生成させるた
めの大気中での加熱酸化処理条件は、例えば通常の電気
炉を用いて、２５０〜３９０℃程度の範囲内で０〜５時
間保持すれば良い。なおこの加熱酸化処理によって生成
させる新たな酸化皮膜の最適厚みは、溶接条件、板厚、
合金成分組成等によって異なるが、通常は１００〜１０
００オングストローム程度とすれば良い。

【００２０】また、この発明の溶接前処理方法によって
処理したアルミニウム合金板を用いて抵抗スポット溶接
を行なう際の溶接方法、溶接条件は特に限定されるもの
ではなく、通常のアルミニウム合金板に適用されている
方法、条件を適用すれば良い。

【００２１】さらにこの発明で対象としているＡｌ−Ｍ
ｇ系合金もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の成分組成は
特に限定されるものではないが、通常はＭｇを０．２〜
６．０％含有し、さらに必要に応じてＭｎ０．１〜２．
０％、Ｃｕ０．０５〜１．０％、Ｓｉ０．１〜２．０
％、Ｃｒ０．０１〜０．２％、Ｔｉ０．０１〜０．３％
のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌおよ
び不可避的不純物よりなる合金が適当である。Ｍｇが
０．２％未満では、溶接上の観点からは過大な溶接電流
が必要となったり、スポット溶接強度が低過ぎたりする
問題が生じ、また自動車ボディシート等として強度が不
足する問題がある。またＭｇが６．０％を越えれば板の
製造が困難になってくる。さらにＭｎ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｃ
ｒ，Ｔｉの添加は合金の強度あるいは成形性を向上させ
る効果があり、それぞれその下限未満では上記の効果が
充分に得られず、またそれぞれその上限値を越えれば上
記の効果が飽和するばかりでなく、逆に成形性が低下す
るおそれがある。なお前述のような成分組成範囲を満た
す実用合金としては、ＪＩＳ Ａ ５０５２合金、５１
８２合金、５０８２合金、２０３６合金、６００９合
金、６０１０合金などがあるが、これらに限定されない
ことは勿論である。

【００２２】

【実施例】表１の合金番号１〜４に示すアルミニウム合
金を常法に従ってＤＣ鋳造法により鋳造し、面削および
均質化処理を行なった後、熱間圧延し、さらに中間焼鈍
を挟みながら冷間圧延を施して、１mmの板とした。各板
について、酸化皮膜除去のための化学的エッチング処理
として、濃度１％のフッ化水素酸に室温で１分間浸漬す
るエッチングを行ない、水洗を行なってから乾燥後、大
気中で３５０℃×２時間の加熱酸化処理を行なった。

【００２３】加熱酸化処理後の各板について、それぞれ
２枚重ねとし、３相整流式のスポット溶接機を使用し
て、連続打点方式にて電気抵抗スポット溶接試験を行な
った。このときの溶接条件は、いずれも溶接電流３２k
A、加圧力３００kg、１打点の通電時間０．１秒、連続
打点サイクル２０回／分とした。

【００２４】このような連続打点の抵抗スポット溶接試
験において、連続打点性の評価を次のようにして行なっ
た。すなわち、電極チップの清掃もしくは交換なしで連
続して溶接が行なえる限界までの打点数で評価した。具
体的には、一般に連続打点の進行に伴なって電極が劣化
し、これによってナゲット径が次第に小さくなって行く
が、この溶接試験では、最初のナゲット径が６．０mmφ
となるように設定しておき、連続打点の進行に伴なって
ナゲット径が４．８mmφよりも小さくなった段階を、前
述の限界とした。その限界までの打点数について、各板
について抵抗スポット溶接試験を２回繰返して調べた結
果を表２に示す。

【００２５】なお比較例として、ＪＩＳ Ａ ５１８２
合金板について化学的エッチング処理を行なわずに加熱
酸化処理のみを前記と同じ条件で行なった場合の限界打
点数を調べた結果も、表２中に併せて示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】表２から、この発明の溶接前処理方法を適
用した本発明例では、加熱酸化処理のみを施した比較例
の場合と比較して、限界連続打点数が約２倍もしくはそ
れ以上となっており、連続打点性が飛躍的に改善されて
いることが明らかである。

【００２９】

【発明の効果】Ａｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系合金からなるアルミニウム合金板ついて抵抗スポット
溶接を施すに先立ち、溶接対象となるアルミニウム合金
板に対してこの発明の方法による溶接前処理を施してお
けば、酸化皮膜の不均一に起因して電極とアルミニウム
合金板との界面付近における電流密度の不均一が生じる
おそれが少なくなり、その結果、上記の電流密度の不均
一による局部的な温度上昇に起因する局部溶融によって
電極の劣化を招くおそれが少くなり、また加熱酸化処理
条件を調整することによって、均一でかつ連続打点性に
対して最適な厚みの酸化皮膜を生成させることができ、
したがってこれらの理由から、抵抗スポット溶接におけ
る連続打点性を従来よりも格段に改善することができ、
そのため抵抗スポット溶接における電極の清掃や交換の
頻度を少なくして、溶接作業性を従来よりも大幅に向上
させることができるとともに、溶接コストの低減を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の溶接前処理方法を段階的に示すめた
の略解図である。

【図２】アルミニウム合金板に対する従来の抵抗スポッ
ト溶接の状況の一例と溶接時の板厚方向の温度分布の一
例を示す略解図である。

【図３】従来のアルミニウム合金板の表面付近の状況の
一例を模式的に示す断面図である。

【図４】図３に示される従来のアルミニウム合金板に対
して抵抗スポット溶接を行なう際の溶接電流の分布を模
式的に示す略解図である。

【図５】アルミニウム合金板に対して抵抗スポット溶接
を行なう際における、酸化皮膜の厚みと連続打点性との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ アルミニウム合金板 ２Ａ，２Ｂ 電極 ７ 酸化皮膜 １０ 酸化皮膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ−Ｍｇ系もしくはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
   系アルミニウム合金板を抵抗スポット溶接するに先立
   ち、各アルミニウム合金板の両面に化学的エッチング処
   理を施して両面の酸化皮膜を除去した後、大気中で加熱
   酸化処理を施して、両面に均一な酸化皮膜を生成させる
   ことを特徴とする、抵抗スポット溶接用アルミニウム合
   金板の溶接前処理方法。
2. 【請求項２】前記アルミニウム合金板として、Ｍｇを
   ０．２〜６．０％（重量％、以下同じ）を含有し、さら
   に必要に応じてＭｎ０．１〜２．０％、Ｃｕ０．０５〜
   １．０％、Ｓｉ０．１〜２．０％、Ｃｒ０．０１〜０．
   ２％、Ｔｉ０．０１〜０．３％のうちの１種または２種
   以上を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりな
   る合金を用いる、請求項１に記載の抵抗スポット溶接用
   アルミニウム合金板の溶接前処理方法。