JP5907122B2 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、２枚以上の鋼板を重ね合わせて行なう抵抗スポット溶接方法に関するものであり、特にC含有量の高い高張力鋼板を１枚以上含む鋼板（合計２枚以上）の抵抗スポット溶接方法に関するものである。

自動車等の車体の組み立てには抵抗スポット溶接が広く使用されており、１台の車体で数千点に及ぶ抵抗スポット溶接が行なわれる。
抵抗スポット溶接は、２枚以上の鋼板を重ね合わせて、上下１対の溶接電極で挟持して加圧しながら通電することによって、鋼板の接合部に所定の大きさのナゲットを形成して溶接継手を得るものである。図１は、抵抗スポット溶接で２枚の鋼板を接合する例を示す断面図である。

近年、環境保護の観点から自動車のCO₂排出量の低減が要求されており、車体に高張力鋼板を採用して薄肉化することによって、車体の軽量化、すなわち燃費の向上を図っている。しかし、高張力鋼板は多量のCのみならず種々の合金元素を添加して強度を高めたものであるから、炭素当量Ceqが高くなる。
C含有量や炭素量Ceqの高い高張力鋼板は、抵抗スポット溶接による溶接継手の強度が向上するという利点を有するが、短時間で局部的に溶融と凝固が生じることから、通常の鋼板に比べて溶接継手の残留応力が大きくなる。また高張力鋼板は、抵抗スポット溶接にて熱影響部が硬化し易いので、溶接継手の拘束力も通常の鋼板に比べて大きくなる。このような特性を有する高張力鋼板は、抵抗スポット溶接で形成した溶接継手に水素が侵入することによって、遅れ破壊が発生し易いことが知られている。

したがって高張力鋼板の抵抗スポット溶接では、溶接継手の強度を高める一方で、溶接継手の残留応力を低減する必要があり、そのための技術が種々検討されている。
たとえば特許文献１、２には、抵抗スポット溶接による接合部を冷却した後に、大電流の通電を行なうことによって、溶接継手の強度を向上する技術が開示されている。しかしこの技術は、残留応力を低減するものではなく、特に高張力鋼板に適用した場合に、溶接継手の遅れ破壊が発生し易い。

また特許文献３には、抵抗スポット溶接のナゲットを形成するための通電が終了した後に、電極チップによる加圧力を上げることによって、溶接継手の強度を向上する技術が開示されている。しかしこの技術は、残留応力を低減するものではなく、特に高張力鋼板に適用した場合に、溶接継手の遅れ破壊が発生し易い。
特許文献４には、900〜1850MPa級の鋼板の抵抗スポット溶接にて溶接継手の強度を高めるための様々な通電条件が開示されている。しかしこの技術は、通常の鋼板に適用するものであり、高張力鋼板における溶接継手の遅れ破壊を防止する効果は期待できない。

特許文献５には、抵抗スポット溶接のナゲットを形成するための通電を２段階に分けて行ない、第１段階では低加圧力かつ大電流とし、第２段階では高加圧力かつ小電流とすることによって、溶接継手の強度を向上する技術が開示されている。しかしこの技術は、通常の鋼板に適用するものであり、高張力鋼板における溶接継手の遅れ破壊を防止する効果は期待できない。

特開2010-115706号公報 特開2010-172946号公報 特開2010-149187号公報 特開2009-241086号公報 特許第3922263号公報 特許第5201116号公報

本発明は、高張力鋼板の溶接継手の遅れ破壊を防止することが可能な抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者は、C含有量や炭素当量Ceqの高い高張力鋼板の抵抗スポット溶接における溶接継手の遅れ破壊を防止するために、まず遅れ破壊と密接な関係を有する残留応力が発生する原因を調査し、以下のような知見を得た。
抵抗スポット溶接によって形成されたナゲットが凝固する時には、外周部から中心部に向けて凝固していくので、低温の外周部と高温の中心部との温度差が大きく、かつ不均一に分布することから、溶接継手の残留応力が大きくなる。これに対してナゲットが形成された後に通電して接触抵抗発熱を起し、ナゲット内の温度差を低減するとともに温度を均一に分布させることによって、溶接継手の残留応力を低減することができる。

また、溶融したナゲットの温度分布を全く均一に保ちながら凝固させることは不可能であるから、ナゲット内の温度差に起因して残留応力が僅かでも発生するのは避けられない。しかし、その残留応力を緩和するために、ナゲットに歪みを付与しておくことが遅れ破壊の防止に有効である。つまり、ナゲットが形成される時に電極チップによる加圧力を増加することによって、ナゲットに歪みを付与しておき、凝固時の温度差で生じる応力がその歪みを解消することによって残留応力を減少させることができる。

そこで本発明者は、種々の数値解析を行ない、高張力鋼板の抵抗スポット溶接に好適な設定条件について鋭意検討した。その結果を以下に説明する。
図２に示すように、コロナボンド６近傍のナゲット端部７（評価位置Ａ）における残留応力、およびナゲット端部７を含む板厚方向の線分８（評価位置Ｂ）上での最大応力と最小応力の比率を評価した。その評価は、標準条件となる一定電流、一定加圧の通電方式における評価値を１として正規化して行なった。その結果を図３に示す。

図３中のａは、ナゲットを形成するための通電（以下、主通電という）の途中で電極チップによる加圧力を変更した場合の解析結果、ｂは、主通電を一定電流、一定加圧とし、ナゲットを形成した後の通電（以下、後通電という）の途中で電流を変更した場合の解析結果、ｃは、ａとｂを併用した場合の解析結果である。
図３から明らかなように、解析結果ｃでは解析結果ａ，ｂ両方の効果が得られたものの、一部の設定条件では、評価位置Ｂの評価値が標準条件（すなわち評価値＝１）と同じ程度まで増加した。この解析結果を詳細に調査したところ、加圧力を変更するタイミングが早過ぎたために歪みが過剰に付与されたことが分かった。

そこで、種々のタイミングで加圧力を変更して同様の数値解析を行なった結果を図４に示す。図４中のｄは、主通電工程の総時間Ｔ_TO（秒）と主通電工程の開始から加圧力を変更するまでの時間Ｔ_CH（秒）との比率Ｔ_CH／Ｔ_TOを0.7未満とした場合の解析結果、ｅは、比率Ｔ_CH／Ｔ_TOを0.7以上とした場合の解析結果である。
図４から明らかなように、解析結果ｄでは評価位置Ｂの評価値が標準条件（すなわち評価値＝１）よりも大きくなった。これに対して解析結果ｅでは、全ての評価値が標準条件（すなわち評価値＝１）よりも小さくなり、残留応力を低減できることが分かった。

本発明は以上のような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、１枚以上の高張力鋼板を含む合計２枚以上の鋼板を重ね合わせて１対の溶接電極で挟持し、溶接電極で前記鋼板を加圧しながら電流Ｉ_M（kA）を供給してナゲットを形成する主通電工程の途中で加圧力を変更し、電流Ｉ_Mの供給を開始した後の第１主通電工程における初期加圧力Ｆ_M1（kN）と加圧力を変更した後の第２主通電工程における変更後加圧力Ｆ_M2（kN）とが下記の(1)式を満足し、かつ第１主通電工程の所要時間Ｔ_M1（秒）と主通電工程の総時間Ｔ_TO（秒）とが下記の(2)式を満足するとともに、主通電工程の終了後に供給する電流値を変更してナゲットの径を変化させずに加熱する後通電工程を設け、後通電工程の途中で電流を再変更し、再変更する前の第１後通電工程の電流Ｉ_P1（kA）が下記の(3)式を満足し、かつ再変更した後の第２後通電工程の電流Ｉ_P2（kA）が下記の(4)式を満足する抵抗スポット溶接方法である。
Ｆ_M1＜Ｆ_M2≦３×Ｆ_M1 ・・・(1)
1.0＞Ｔ_M1／Ｔ_TO≧0.7 ・・・(2)
０≦Ｉ_P1＜Ｉ_M ・・・(3)
３×Ｉ_M＞Ｉ_P2＞Ｉ_M ・・・(4)
本発明の抵抗スポット溶接方法においては、第１後通電工程と第２後通電工程からなる後通電工程が終了した後に、第１後通電工程と第２後通電工程とを繰り返し行なうことが好ましい。また、高張力鋼板の炭素当量Ceqが下記の(5)式を満足することが好ましい。ここで炭素当量Ceq（％）は、高張力鋼板のC、Si、Mn含有量（質量％）をそれぞれ［C］［Si］［Mn］として下記の(6)式で算出される値である。
0.2％≦Ceq≦0.5％ ・・・(5)
Ceq＝［C］＋（［Si］／24）＋（［Mn］／６） ・・・(6)

本発明によれば、高張力鋼板の抵抗スポット溶接を行なうにあたって、溶接継手の遅れ破壊を防止することができるので、産業上格段の効果を奏する。

抵抗スポット溶接の例を模式的に示す断面図である。 図１中のナゲット近辺を拡大して示す断面図である。 数値解析の結果を示すグラフである。 数値解析の他の結果を示すグラフである。 抵抗スポット溶接の試験片を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。

本発明は、１枚以上の高張力鋼板を含む合計２枚以上の鋼板を抵抗スポット溶接によって接合するものである。図１に、２枚の鋼板の抵抗スポット溶接を行なう例を示す。以下に図１を参照して、本発明によって２枚の鋼板を重ね合わせて接合する例について説明する。
図１に示すように、まず、下側に配置される鋼板１（以下、下鋼板という）と上側に配置される鋼板２（以下、上鋼板という）とを重ね合わせる。下鋼板１および／または上鋼板２が高張力鋼板である。

次いで、下側に配置される電極４（以下、下電極という）および上側に配置される電極５（以下、上電極という）で下鋼板１と上鋼板２を挟持して、加圧しながら通電する。下電極４と上電極５によって加圧し、かつその加圧力を制御する構成は特に限定せず、エアシリンダやサーボモータ等の従来から知られている機器が使用できる。通電の際に電流を供給し、かつその電流値を制御する構成は特に限定せず、従来から知られている機器が使用できる。また、直流、交流のいずれにも本発明を適用できる。

ここで、下電極４と上電極５を用いて下鋼板１と上鋼板２に通電する工程を、
(A)主通電工程：下鋼板１と上鋼板２の重ね合わせ部を溶融してナゲット３を形成する通電工程
(B)後通電工程：主通電工程で形成されたナゲット３の径を変化させずに加熱する通電工程
に分けて説明する。

主通電工程では、その工程の途中で加圧力を変更する一方で、供給する電流Ｉ_M（kA）は変更せず一定とする。そして、主通電工程開始から加圧力変更前までの第１主通電工程における加圧力を初期加圧力Ｆ_M1（kN）とし、加圧力変更後から主通電工程終了までの第２主通電工程における加圧力を変更後加圧力Ｆ_M2（kN）として、下記の(1)式を満足するように設定する。
Ｆ_M1＜Ｆ_M2≦３×Ｆ_M1 ・・・(1)
主通電工程における加圧力がＦ_M1≧Ｆ_M2であれば、ナゲット３に十分な歪みを付与できないので、溶接継手に生じる残留応力を軽減できない。

Ｆ_M1とＦ_M2が(1)式を満足すれば、残留応力を軽減することが可能であるが、その効果を顕著に発揮するためには、1.1×Ｆ_M1≦Ｆ_M2が好ましい。一方で、過大な加圧力の設定は、逆に溶接部に歪みを導入する原因となる。したがって、Ｆ_M2≦３×Ｆ_M1と上限を限定する必要がある。加圧力と歪みのバランスをとる観点からは、Ｆ_M2≦2.5×Ｆ_M1が望ましい。

また主通電工程では、第１主通電工程の所要時間をＴ_M1（秒）とし、主通電工程の総時間をＴ_TO（秒）として、下記の(2)式を満足するように設定する。
1.0＞Ｔ_M1／Ｔ_TO≧0.7 ・・・(2)
第１主通電工程の所要時間と主通電工程の総時間がＴ_M1／Ｔ_TO＜0.7であれば、十分な大きさのナゲット３が形成されず、しかも第２主通電工程が長くなることから、ナゲット３に過剰な歪みが付与されるので、接合不良が発生し易くなる。

Ｔ_M1とＴ_TOが (2)式を満足すれば、健全な溶接継手を形成することが可能であるが、その効果を顕著に発揮するためには、0.95≧Ｔ_M1／Ｔ_TO≧0.8が好ましい。
ここで、第２主通電工程の所要時間をＴ_M2（秒）とすれば、Ｔ_TO＝Ｔ_M1＋Ｔ_M2であるから、Ｔ_M1／Ｔ_TOは１を超えることはない。
主通電工程が終了した後に、供給する電流をＩ_M（kA）からＩ_P1（kA）に変更して、後通電工程を開始する。ここで、主通電工程の終了時の電流Ｉ_Mと後通電工程の開始時の電流Ｉ_P1が下記の(3)式を満足するように設定する。つまり、後通電工程を開始することによってナゲット３を凝固させて、歪みをナゲット３に定着させる。
０≦Ｉ_P1＜Ｉ_M ・・・(3)
主通電工程から後通電工程に移行する段階で、電流がＩ_P1≧Ｉ_Mであれば、後通電工程においてもナゲット３が溶融した状態となるので、後述するような残留応力を軽減する効果が得られない。

後通電工程では、その工程の途中で電流値を再変更する一方で、加圧力は変更せず、上記の第２主通電工程における加圧力Ｆ_M2（kN）を維持する。そして、後通電工程開始から電流再変更前までの第１後通電工程における電流をＩ_P1（kA）とし、上記の(3)式を満足するように設定する。
第１後通電工程は、主通電工程で形成されたナゲット３を凝固させるための工程であるから、無通電（すなわちＩ_P1＝０）であっても良い。

ただし、通電による入熱が過剰となり、熱影響部を過度に硬化させた場合、逆に歪みを誘起する結果となる。したがって、より好適には０≦Ｉ_P1≦0.5×Ｉ_Mの範囲が好ましい。
また、第１後通電工程の所要時間が0.1秒未満では、ナゲット３が凝固しない。第１後通電工程の所要時間が0.2秒を超えると、ナゲット３の温度が低下しすぎるので、後述する第２後通電工程にて残留応力を軽減する効果が得られない。したがって、第１後通電工程は0.1〜0.2秒の範囲内が好ましい。

電流再変更後から後通電工程終了までの第２後通電工程における電流をＩ_P2（kA）とし、下記の(4)式を満足するように設定する。
３×Ｉ_M＞Ｉ_P2＞Ｉ_M ・・・(4)
第２後通電工程は、第１後通電工程で凝固しかつ好適な温度範囲に保持されたナゲット３を加熱して、ナゲット３内の温度差を減少するとともに、歪みを解消することによって、溶接継手の残留応力を軽減する工程であるから、電流Ｉ_P2は上記の(4)式を満足すれば良いが、その効果を顕著に発揮するためには、Ｉ_P2を1.3×Ｉ_M≦Ｉ_P2≦2.0×Ｉ_Mの範囲内とすることが好ましい。

また第２後通電工程の所要時間が0.02秒未満では、ナゲット３が十分に加熱されず、歪みを解消できない。第２後通電工程の所要時間が0.1秒を超えると、ナゲット３が再び溶融して、接合不良が発生し易くなる。したがって、第２後通電工程は0.02〜0.1秒の範囲内が好ましい。
この第２後通電工程においても、上記の加圧力Ｆ_M2を維持するので、下鋼板１と上鋼板２の反りや溶接継手の剥離を防止できる。

このようにして主通電工程および後通電工程が終了した後に、後通電工程（すなわち第１後通電工程と第２後通電工程）を繰り返し行なうことによって、溶接継手の残留応力を大幅に軽減できるので、遅れ破壊を防止する効果が一層向上する。
ただし、後通電工程を繰り返し行なうことは、抵抗スポット溶接の施工能率の低下を招く。そのため、後通電工程の繰り返しは３回以下が好ましい。

また本発明は、抵抗スポット溶接によって溶接継手に遅れ破壊が発生し易い高張力鋼板、とりわけ炭素当量Ceqが(5)式を満足する鋼種に適用するのが好ましい。ここで、炭素当量Ceq（％）は、高張力鋼板のC、Si、Mn含有量（質量％）をそれぞれ［C］［Si］［Mn］として下記の(6)式で算出される値である。
0.2％≦Ceq≦0.5％ ・・・(5)
Ceq＝［C］＋（［Si］／24）＋（［Mn］／６） ・・・(6)
以上に下鋼板１と上鋼板２の抵抗スポット溶接を行なう例について説明したが、本発明は３枚以上の鋼板の抵抗スポット溶接にも適用でき、上記と同様に抵抗スポット溶接を行なうことによって、溶接継手の遅れ破壊を防止することができる。

図１に示すように、下鋼板１と上鋼板２を重ね合わせて、抵抗スポット溶接を行なった。下電極４と上電極５は、いずれも先端の直径６mm、曲率半径40mmとし、アルミナ分散銅製のＤＲ型電極とした。また、下電極４と上電極５をサーボモータで駆動することによって加圧力を制御し、通電の際には周波数50Hzの単相交流を供給した。下鋼板１と上鋼板２は、いずれも引張強さが1470MPa級の高張力鋼板（長辺150mm、短辺50mm）であり、表１に示すように、Ceqが0.2〜0.5質量％、板厚が1.2〜2.0mmであった。その他の設定条件は表１、２に示す通りである。抵抗スポット溶接の溶接点は、図５に示すように長手方向150mm、短手方向50mmの試験片を用意し、50mm四方のスペーサ９を両側に挟み込んで仮溶接し、板組中心を溶接した。図５中の符号10は溶接点、11は仮溶接点である。なお表１、２では時間の単位として、上記の単相交流（周波数50Hz）のサイクルで記す。つまり、１サイクルは0.02秒に相当する。

表２中の比較例のうち、αは定加圧にて溶接を行ない、後通電を行なわない溶接パターンを実施した例である。βは特許文献６に記載された溶接パターンを実施した例である。γは溶接終了後に加圧力を増加する溶接パターンを実施した例である。
得られた溶接継手を常温で大気中に静置して、24時間経過した後に遅れ破壊の有無を調査した。遅れ破壊が認められなかったものを○、発生したものを×として表２に示す。表２から明らかなように、発明例は全て遅れ破壊が認められなかったのに対して、比較例では遅れ破壊が発生した。

１ 下鋼板
２ 上鋼板
３ ナゲット
４ 下電極
５ 上電極
６ コロナボンド
７ ナゲット端部（評価位置Ａ）
８ 板厚方向の線分（評価位置Ｂ）
９ スペーサ
10 溶接点
11 仮溶接点

Claims (3)

1. １枚以上の高張力鋼板を含む合計２枚以上の鋼板を重ね合わせて１対の溶接電極で挟持し、該溶接電極で前記鋼板を加圧しながら電流Ｉ_M（kA）を供給してナゲットを形成する主通電工程の途中で加圧力を変更し、前記電流Ｉ_Mの供給を開始した後の第１主通電工程における初期加圧力Ｆ_M1（kN）と前記加圧力を変更した後の第２主通電工程における変更後加圧力Ｆ_M2（kN）とが下記の(1)式を満足し、かつ前記第１主通電工程の所要時間Ｔ_M1（秒）と前記主通電工程の総時間Ｔ_TO（秒）とが下記の(2)式を満足するとともに、前記主通電工程の終了後に供給する電流値を変更して前記ナゲットの径を変化させずに加熱する後通電工程を設け、該後通電工程の途中で電流を再変更し、該再変更する前の第１後通電工程の電流Ｉ_P1（kA）が下記の(3)式を満足し、かつ前記再変更した後の第２後通電工程の電流Ｉ_P2（kA）が下記の(4)式を満足することを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
   Ｆ_M1＜Ｆ_M2≦３×Ｆ_M1 ・・・(1)
   1.0＞Ｔ_M1／Ｔ_TO≧0.7 ・・・(2)
   ０≦Ｉ_P1＜Ｉ_M ・・・(3)
   ３×Ｉ_M＞Ｉ_P2＞Ｉ_M ・・・(4)
2. 前記第１後通電工程と前記第２後通電工程からなる後通電工程が終了した後に、前記第１後通電工程と前記第２後通電工程とを繰り返し行なう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. 前記高張力鋼板の炭素当量Ceq（％）が下記の(5)式を満足する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。
   0.2％≦Ceq≦0.5％ ・・・(5)

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