JP2010172946A

JP2010172946A - 高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法

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Publication number: JP2010172946A
Application number: JP2009019065A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Okita; 泰明沖田; Koichi Taniguchi; 公一谷口; Tomomasa Ikeda; 倫正池田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP5293227B2

Abstract

【課題】継手引張特性に優れた高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】２枚以上の高強度の薄鋼板を重ね合わせた板組を一対の電極によって挟み加圧力を加えながら電流を流して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、本通電にてナゲットを形成する第１ステップと、前記第１ステップの終了後、電極で狭持したまま保持することにより溶接部を冷却する第２ステップと、前記第２ステップの終了後、極短時間で散りの出ない範囲内で本通電よりも高い電流を流す第３ステップとを備えた工程により抵抗スポット溶接を行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は、高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法に関するものである。

一般に、重ね合わせられた鋼板同士の接合には、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接法が用いられている。例えば、自動車の製造にあたっては１台あたり数千点もの抵抗スポット溶接がなされている。

この抵抗スポット溶接法は、図３に示すように、２枚以上の鋼板（ここでは、鋼板３と鋼板４の２枚の鋼板）を重ね合わせ、その表面を直接、上下の電極１、２で挟み加圧力を加えながら、上下電極１、２間に大電流の溶接電流を短時間通電して接合する方法である。この電極１、２はその電極寿命を延長させるために水冷されており、大電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱と電極による抜熱とのバランスにより、点状の溶融部が得られる。この点状の溶融部は、通電停止後は急速に冷却され、ナゲット６と呼ばれる接合部が形成される。

近年、特に自動車に使用される鋼板においては、衝突安全性の向上や、車体軽量化のために高強度の鋼板の使用が拡大しつつある。しかし、高強度の鋼板においてはより多くの合金成分が添加されており、抵抗スポット溶接のような急熱、急冷の熱サイクルを受けた場合、溶融、凝固したナゲットはもちろん、周辺の熱影響部も非常に硬く脆い材質となりやすく、特に十字引張において高い強度が得られにくくなることが知られている。

このような問題に対して、高い十字引張強度を得るためには、単純にナゲット径を大きくすることで十字引張強度はある程度向上させることができる。

また、特許文献１には、溶接通電終了後、板厚の関数で規定された溶接後保持時間経過後に電極を鋼板から離すことを特徴とする高強度鋼板のスポット溶接方法および、溶接通電終了後も後通電を継続し、スポット溶接部の冷却中の温度降下速度を調整することを特徴とする高強度鋼板のスポット溶接方法によって、十字引張強さを改善できることが開示されている。

また、非特許文献１においては、本通電終了後、一定時間冷却した後に再度通電を行い、ナゲット部と熱影響部を焼き戻すことにより、硬さを低下させ、残留応力を変化させることにより、スポット溶接部の疲労強度を向上させる方法が開示されている。この中で同時にテンパー通電により十字引張強度も改善することが開示されている。

特開２００２−１０３０４８号公報

「鉄と鋼」、第６８巻、第９号、第１４４４頁〜第１４５１頁

しかしながら、ナゲット径の拡大においては、大きなナゲットを得ようとすると電極で押さえきれずにスパッタが発生しやすくなり、溶接部に残るくぼみも大きくなる。また、溶接するために確保しているフランジ部も狭くすることが困難となるなどの問題がある。

また、特許文献１に記載の方法では、溶接後保持時間を板厚の関数として規定しているが、実際のロボットでの溶接を考えると、溶接タイマーに設定できる保持時間と抵抗スポット溶接ロボットが加圧を終了して電極が鋼板から離れるまでの時間は異なり、各溶接ロボットにて確認が必要となる。

また、非特許文献１に記載の方法においては、適切なテンパー通電条件範囲が狭いことから実用性に課題があった。また、一般的にはテンパー通電は本通電よりも低い電流を長時間通電することにより行なわれており、溶接時間が長くなるという問題もあった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、継手引張特性に優れた高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を達成するため、高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接における十字引張特性を向上させる手法について鋭意検討した。特に、テンパー通電時の通電条件と発熱位置の関係に注目した。

図１は従来のテンパー通電の溶接条件の模式図である。図１に示すように、従来のテンパー通電では、本通電でナゲットを形成させた後、長時間の冷却時間をおき、その後テンパー通電を行なう。テンパー通電は、一般的に、本通電と同程度あるいは本通電よりも長い時間、本通電の電流値未満の電流を流すことによって行なわれる。この場合、電極による抜熱と通電による抵抗発熱のバランスによって、電極間中央部からの発熱となる。入熱が過剰になるとナゲット中央部から再溶融してしまうため、テンパー（焼き戻し）とならず、再度焼入れされることになり、高強度薄鋼板では溶接部は脆くなり継手強度は向上しない。一方、テンパー通電電流を低く設定した場合、ナゲット中央部からの発熱で継手強度に影響を与えるナゲット端部付近の温度をテンパーに必要な温度に制御するためには、長い通電時間が必要となる。また、本通電で形成されるナゲットの径が変化すると、適正なテンパー通電電流も変化するため、実施工を考えると条件範囲が狭く、適用が困難であった。

これに対して、テンパー通電として短時間で高い電流をかけた場合の溶接条件の模式図を図２に示す。

図１に示したような従来のテンパー通電の場合は、前述したように、電極による抜熱と通電による抵抗発熱のバランスによって、電極間中央部からの発熱となる。これに対して、図２に示すように、短時間に高いテンパー通電電流をかけた場合は、電極の近傍に最も発熱する領域が形成され、この領域から熱伝導で溶接部に熱が加わることになる。つまり、短時間で効率的に広い領域を加熱でき、また、テンパー通電電流が過大となっても発熱の中心が鋼板間の境界部と異なるため、鋼板間にて散りが発生し難く、広い適正範囲をもつテンパー通電を行なえると考えた。

また、上記のテンパー通電として短時間で高い電流をかける場合においても、本通電で形成されたナゲットが高温のうちに通電しようとすると、高温のナゲット部が再溶融して散りが発生しやすくなってしまう。更に、テンパー通電のプロセスを取る以上、一旦焼きが入ることが必要であり、そのために長い冷却時間が必要となる。この場合、一点当りに必要とされる溶接時間がテンパー通電を行なわない場合と比較して大幅に増加してしまうことも解決したい問題点の一つであった。なお、この短時間高電流のプロセスで溶接部に加えられる熱処理がオーステンパーであってもＡｃ１変態点（７２３℃付近）以下に冷却する必要があるため同様である。

溶接部の冷却は鋼板を挟んでいる電極への放熱により急速に行なわれるため、電極と鋼板との接触面積が広いほど早く冷却することができる。一般的に、抵抗スポット溶接の電極は、図４に模式図を示すように、電極先端が曲率を持った形状をしている。従って、本通電後の冷却を速める方法としては、高い加圧力で溶接を行ない、電極と鋼板との間の接触面積を広くすればよい。すなわち、本通電の途中あるいは本通電後に加圧力を増加させれば電極と鋼板との接触面積を拡大することができ、冷却速度が増加し、冷却時間を短縮することができる。テンパー通電を行なうときは加圧力が高い必要はないため、冷却が完了後は加圧力を低減してから極短時間高電流の通電を行なってもよく、むしろこの場合、通電時の発熱による熱膨張により電極と鋼板との接触面が減少し、極短時間高電流を流すテンパー通電の電流値を低減できる利点がある。

また、自動車の部品構造をみると、例えばセンターピラーでは、高強度の鋼板を用いたピラーアウターとピラーインナーの組み合わせの外側に軟質の薄鋼板を用いたパネルアウターが組み合わされた構造が採用されており、この三枚重ねの構造の溶接が必要となる。

この構造に対して短時間高電流のテンパー通電を行なったときの発熱位置は軟質薄鋼板と高強度鋼板の間付近となるが、軟質薄鋼板は固有抵抗が高強度鋼板よりも低く発熱しにくいため、散り発生の問題は生じにくいので、全く問題は無く、高強度鋼板間の継手強度を向上させることができる。さらに、発熱位置が軟質薄鋼板と高強度鋼板の間付近となるため、薄板と厚板の間の接合状態が良くなり、薄板がはがれにくくなるという利点もある。

上記のような検討結果に基づいて、本発明は以下のような特徴を有している。

［１］２枚以上の高強度の薄鋼板を重ね合わせた板組を一対の電極によって挟み加圧力を加えながら電流を流して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、
本通電にてナゲットを形成する第１ステップと、前記第１ステップの終了後、電極で狭持したまま保持することにより溶接部を冷却する第２ステップと、前記第２ステップの終了後、極短時間で散りの出ない範囲内で本通電よりも高い電流を流す第３ステップとを備えた工程により抵抗スポット溶接を行なうことを特徴とする高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。

［２］電極の先端の形状が曲面であることを特徴とする前記［１］に記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。

［３］前記第１ステップの途中から、または前記第１ステップの終了後から、加圧力を増加させることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。

［４］前記第２ステップの終了後、加圧力を低減してから、前記第３ステップを行うことを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。

［５］前記２枚以上の高強度の薄鋼板を重ね合わせた板組の少なくとも一方側に、前記高強度の薄鋼板よりも板厚が薄く強度も低い薄鋼板をさらに重ね合わせた板組を抵抗スポット溶接することを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。

本発明は、高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接において、テンパー通電のプロセスとして、従来のテンパー通電条件とは正反対に、極短時間に高い電流を流すというテンパー通電条件を用いることにより、テンパー通電時の発熱の形態を従来のテンパー通電とは異なる形に制御でき、短時間で効率的にかつ適正電流範囲の広いテンパー通電を行なうことができるようになり、高強度鋼板の抵抗スポット溶接にて問題となっていた継手強度、特に十字引張強を改善することが可能となる。

また、先端の形状が曲面である電極を用いることにより、本通電後テンパー通電を行なうまでの冷却時間の短時間化ができるようになり、従来のテンパー通電を行なう場合に比較して大幅なタクトタイムの短縮が可能となる。

また、板厚比の大きな三枚重ねの板組（例えば、板厚０．７ｍｍの薄板、板厚１．６ｍｍの厚板、板厚１．６ｍｍの厚板を重ね合わせた板組）の溶接においても適用可能であり、発熱位置が薄板と厚板の境界付近となるため、薄板と厚板の接合状態を改善する効果もある。

従来のテンパー通電の溶接条件を示す模式図である。本発明の一実施形態におけるテンパー通電の溶接条件を示す模式図である。抵抗スポット溶接の模式図である。先端が曲面になった電極を示す図である。本発明の実施例１における板組を示す図である。

本発明の実施の形態を以下に述べる。

本発明の一実施形態に係る高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法は、前述の図３に示した模式図と同様である。そして、その溶接条件は前述の図２に示した模式図と同様である。

すなわち、この実施形態においては、図３と図２に示すように、２枚の高強度薄鋼板３、４を重ね合わせた板組を上下一対の電極１、２によって挟み、加圧力を加えながら電流を流して抵抗スポット溶接方法を行うに際して、第１ステップとして、本通電にてナゲット６を形成し、第２ステップとして、電極で狭持したまま保持することにより溶接部を冷却し、第３ステップとして、極短時間で散りの出ない範囲内で本通電よりも高い電流を流すようにしている。

以下に、各ステップについて詳しく述べる。

まず、第１ステップにおいては、高強度薄鋼板３と高強度薄鋼板４とを重ね、電極１と電極２により、高強度薄鋼板３と高強度薄鋼板４とを接合する部分を挟持する。そして、電極１、２間に電流を通電する。もちろん、この電流は直流、交流どちらでも構わない。これにより、電流が流れた部分が抵抗発熱し、電極による抜熱とのバランスによって、電極１、２間の中央部付近に溶融部（ナゲット）６が形成される。このとき、ナゲット６の径は十分に大きければ１点だけでも高い十字引張強度が得られるため、散りの発生しない範囲で大きい径のナゲットの方が好ましい。ナゲット径が小さくても、第３ステップでの短時間高電流のテンパー通電を行なうことにより、十字引張特性に優れた継手を得られることがこの溶接方法の特徴である。

次に、第２ステップにおいて、冷却時間はナゲットが十分に冷却（Ａｃ１点以下に冷却）されるまでとる必要があり、冷却が足りないと、第３ステップのテンパーの効果が得られなかったり、散りが発生したりする。冷却時間を短時間化するために、冷却時間の間は加圧力を増加させ、電極１、２と鋼板３、４との接触面積を増加させることが好ましい。この効果を得るには、図４に示したように、電極１、２の先端が平面ではなく曲面である（曲率を持っている）ことが好ましい。

次に、第３ステップにおいて、テンパー通電の電流値を決定するに当っては、強度を保証したい最小の径（例えば、板厚をtとしたときの３√ｔ〜４√ｔ程度）のナゲットが形成される本通電条件にてテンパー条件を決定するのがよい。このとき、発熱の中心が鋼板３、４間の境界部と異なるため、散りが発生し難く、広い適正範囲を持つテンパー通電を行なえるため、適正範囲内の高電流側でテンパー電流を決定するのが好ましい。高電流側にテンパー電流を設定することにより、本通電で形成されるナゲット径が大きな場合においても、テンパー通電の効果を得ることができる。また、このときテンパー通電時間は、長くなると発熱の中心の位置が鋼板間の境界部付近になるため、極短時間の通電が好ましい。具体的には０．１ｓｅｃ以下のテンパー通電時間が好ましい。一方、０．０２ｓｅｃ以下のテンパー通電時間では高電流での電流の制御が困難となる。したがって、テンパー通電時間Ｔ１については、０．０２ｓｅｃ<Ｔ１≦０．１ｓｅｃが好ましい。

ちなみに、本発明において用いる溶接装置は、加圧機構の種類（エアシリンダによるもの、サーボモータによるもの）、形状（定置式、ロボットガン）、電源の種類（単相交流、交流インバータ、直流インバータ）など特に限定されるものではない。また、溶接される高強度鋼板は、そのタイプ（固溶強化型、析出強化型、２相組織型、加工誘起変態型など）にも限定されず、板組（軟鋼との組み合わせや三枚重ねなど）にも限定されない。

本発明の効果を確認するために本発明例と比較例を実施した。

その際に、板組は表１と図５に示すものを用いた。すなわち、板組Ａ〜Ｅは、一枚目と二枚目ともに、同じ種類で同じ板厚の高強度鋼板を２枚重ね合わせた板組であり（図５（ａ））、板組Ｆは、二枚目と三枚目として同じ種類で同じ板厚の高強度鋼板を２枚重ね合わせた上に、一枚目として軟質薄鋼板を１枚重ね合わせた板組である（図５（ｂ））。

そして、本発明例と比較例の溶接条件は表２に示すとおりである。

なお、溶接装置は単相交流のサーボモータ加圧式抵抗スポット溶接ロボットを使用した。

そして、溶接後の試験体について、ＪＩＳＺ３１３７に規定される十字引張試験を行い、評価した。プラグ破断となるものを合格（○）、界面破断となるものを不合格（×）と判断した。

表２に、本発明例と比較例の結果（散り発生の有無、十字引張強度、破断形態）を示す。

まず、番号１０（比較例）は、テンパー通電を行なわなかった場合であり、十字引張試験を行なうと界面破断となり、十字引張強度も低い。

次に、番号１〜４は、極短時間高電流のテンパー通電をかけた場合であり、冷却時間だけ変化させたものである。この板組におけるこの本通電と冷却の条件のもとでは、番号４（比較例）は、冷却時間が短すぎるため散りが発生してしまい、界面破断で十字引張破断強度も低い。一方、番号１〜３（本発明例）は、プラグ破断となり、高い強度を示している。

次に、番号５〜９は、テンパー通電の電流値を変化させたもので、電流が１８ｋＡの番号９（比較例）では、電流が高すぎるために散りが発生し、界面破断で十字引張破断強度も低いが、番号５〜８（本発明例）では、プラグ破断で高い強度が得られており、また、テンパー電流の適正範囲が広いことも分かる。

次に、番号１１〜１９は、電極先端径を拡大し、さらに冷却中の加圧力を上げることで冷却速度を向上させたものである。テンパー通電を加えていない番号１１（比較例）では、界面破断で強度が低いが、番号１２〜１９（本発明例）では、プラグ破断で高い強度を示すだけでなく、冷却時間も短くすることができることが分かる。

次に、番号２０〜２４は、テンパー通電の通電時間を変化させたものであるが、番号２０（比較例）では、通電時間が短すぎるために、高いテンパー電流を与えても効果が得られていない。一方、テンパー通電時間が０．１２ｓｅｃと長い番号２３、３４（比較例）では、散りが発生し、界面破断となり、強度も低い。

次に、番号２５〜３２は、適用する鋼板の板厚、強度、めっきの有無の影響を調べたものであり、テンパー通電を行なわない番号２６、２８、３０、３２（比較例）では、界面破断で低い強度であったものが、番号２５、２７、２９、３１（本発明例）では、極短時間高電流のテンパー通電を行なうことによって、プラグ破断で高い強度が得られるようになり、本発明の効果が確認できる。

また、番号３３〜３５は、軟鋼のめっき鋼板（板厚０．７ｍｍ）１枚と９８０ＭＰａ級高張力めっき鋼板（板厚１．６ｍｍ）２枚をあわせた三枚重ねの板組の場合である。テンパー通電を行なわない番号３５（比較例）では、１．６ｍｍの高張力鋼板間の十字引張強度は低く界面破断であったが、番号３３、３４（本発明例）では、プラグ破断となり、高い強度が得られており、三枚重ねの板組みに対しても本発明の効果が確認できた。

さらに、表２には記載していないが、番号３５（比較例）では、軟鋼めっき鋼板（薄板）と高張力めっき鋼板（厚板）の間の接合状態が悪く、簡単に界面破断していたが、番号３３、３４（本発明例）では、軟鋼めっき鋼板（薄板）と高張力めっき鋼板（厚板）の間でもプラグ破断となっており、このような板厚比の大きな板組みにおいてよく問題となる薄板のはがれの問題も本発明を用いることによって解決できることが分かる。

１電極
２電極
３鋼板（高強度鋼板）
４鋼板（高強度鋼板）
６ナゲット

Claims

２枚以上の高強度の薄鋼板を重ね合わせた板組を一対の電極によって挟み加圧力を加えながら電流を流して溶接する抵抗スポット溶接方法であって、
本通電にてナゲットを形成する第１ステップと、前記第１ステップの終了後、電極で狭持したまま保持することにより溶接部を冷却する第２ステップと、前記第２ステップの終了後、極短時間で散りの出ない範囲内で本通電よりも高い電流を流す第３ステップとを備えた工程により抵抗スポット溶接を行なうことを特徴とする高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。
電極の先端の形状が曲面であることを特徴とする請求項１に記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。
前記第１ステップの途中から、または前記第１ステップの終了後から、加圧力を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。
前記第２ステップの終了後、加圧力を低減してから、前記第３ステップを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。
前記２枚以上の高強度の薄鋼板を重ね合わせた板組の少なくとも一方側に、前記高強度の薄鋼板よりも板厚が薄く強度も低い薄鋼板をさらに重ね合わせた板組を抵抗スポット溶接することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高強度薄鋼板の抵抗スポット溶接方法。