JP6135703B2 - 自動車用抵抗スポット溶接方法および自動車用溶接継手の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２枚以上の鋼板を重ね合わせて行う抵抗スポット溶接方法およびこれを用いた溶接継手の製造方法に関する。

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いる。１台の車体では、数千点に及ぶ抵抗スポット溶接が行われる。

図１は、一般的な抵抗スポット溶接の例を示す図である。抵抗スポット溶接は、２枚以上の鋼板を重ね合わせ（図１では、鋼板１、２）、上下一対の溶接電極４、５で挟持し、加圧しながら通電することによって、鋼板の溶接すべき点（溶接点）に所定の大きさのナゲット６を形成して溶接継手を得る。

近年、車体の軽量化と乗客の安全性を両立させるために、高張力鋼板の採用や高剛性な車体構造の検討に加え、スポット溶接の溶接点を増加させることによる高剛性化の検討が進められている。

例えば、特許文献１には、複数溶接点を同時にスポット溶接する技術が開示されている。特許文献１では、１台の溶接機の本体先端に、電極を取り付ける揺動シャンクを複数設置し、複数の電極を同時に加圧接触させながら通電することにより、複数の溶接点において同時に溶接を行う（請求項１、［００３５］）。

特許文献２には、複数の抵抗溶接機でシリーズスポット溶接を行うステップと、複数の抵抗溶接機のうち、一の抵抗溶接機の溶接電極をインダイレクト溶接電極として用い、他の抵抗溶接機の溶接電極を、当該溶接電極でシリーズスポット溶接により予め溶接した打点に当接させることによりアース電極として用いて、インダイレクトスポット溶接を行うステップを有する抵抗溶接方法が開示されている。

特開２０１０−１７９３１８号公報 特許４８３６５１５号公報

多点溶接においては、溶接点の増加によって、溶接点間の距離が短くなり、既に溶接を行った溶接点（既溶接点）に電流が分岐してしまうという分流現象が生じる。これによって、新たに溶接を行う溶接点で、十分な電流が流れずに、所定のナゲット径が確保できないという課題がある。

このような課題に対し、発明者らは、既溶接点への分流現象の影響因子を検討した。既溶接点が有る場合、抵抗スポット溶接において通電を行うと、既溶接点と、新たに溶接を行う溶接点との並列の電気回路が形成される。既溶接点へ分流する電流値は、既溶接点までの経路および既溶接点自体の抵抗値と、新たに溶接を行う点の抵抗値との関係によって決定される。したがって、既溶接点の抵抗値を高めることによって、分流は抑制可能であると考えられる。

鋼板の温度が上昇すると、鋼板の抵抗値が増加することが広く知られている。既溶接点の温度を上昇させることができれば、分流現象を抑制し、安定的にナゲットを形成することができると考えられる。

特許文献１のように、複数の溶接点に対し、同時に溶接を行った場合であっても、複数の溶接点の温度を同時に増加させて、抵抗値を同時に高めることで、複数の溶接点の相互の分流による影響を抑制することができる。しかしながら、通電初期においては、鋼板間の接触抵抗が大きく、ナゲットの形成が不安定になる場合がある。

また、特許文献１に開示された溶接機では、特殊な形状の電極（二又電極）を用いているため、管理が困難となるという問題もある。

引用文献２では、既溶接点に改めてアース電極を当接させる工程が必要になり、作業工数が増加して、作業時間が長くなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、短時間かつ安定的にナゲットを形成することができる抵抗スポット溶接方法およびこれを用いた溶接継手の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、近接する２点の溶接点における溶接条件の検討を行った。検討の結果、近接する２点の溶接点における各々の溶接開始時間に差異を設けて溶接を行うことで、先行する溶接点の温度を上昇させて、後行する溶接点の溶接時に、先行する溶接点への分流を抑制し、溶接時間の増加を最小に抑えつつ、先行する溶接点と後行する溶接点において安定的にナゲットを形成することが可能となると考えた。

本発明の要旨は、以下に示す通りである。
［１］ 二枚以上の鋼板を重ねて近接する２点を抵抗スポット溶接する際に、一方の溶接点の溶接開始時間と他方の溶接開始時間の差を10ms以上とし、かつ、２点の溶接点の溶接時間を重複させる抵抗スポット溶接方法。
［２］ ［１］に記載の抵抗スポット溶接方法であって、２点の溶接終了時間の差が、0ms以上であり、溶接開始時間の差以下である抵抗スポット溶接方法。
［３］ ［１］または［２］に記載の抵抗スポット溶接方法であって、既溶接点が有る場合には、既溶接点に近い溶接点を先に溶接し、既溶接点から遠い溶接点を後に溶接する抵抗スポット溶接方法。
［４］ ［１］乃至［３］のうちいずれかの抵抗スポット溶接方法を用いた溶接継手の製造方法。

本発明によれば、短時間かつ安定的に溶接点にナゲットを形成することができる。

一般的な抵抗スポット溶接の例を示す図である。 本発明に係る抵抗スポット溶接の例を示す図である。 実施例における抵抗スポット溶接の様子を示した図である。 実施例における溶接条件を示す図であり、先行溶接と後行溶接の電流値を示す図である。 実施例における溶接条件を示す図である。

以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態に係る抵抗スポット溶接方法およびこれを用いた溶接継手の製造方法について説明する。

本発明は、１枚以上の高張力鋼板を含む、計２枚以上の鋼板の２点以上を、抵抗スポット溶接によって接合する抵抗スポット溶接方法およびこれを用いた溶接継手の製造方法である。図２は、本発明による抵抗スポット溶接の例を示す図である。

はじめに、２枚の鋼板を重ね合わせる。下側に配置された鋼板を下鋼板１とし、上側に配置された鋼板を上鋼板２とする。

重ね合わせた鋼板１、２を、上電極Aと下電極Bからなる電極対と、上電極Cと下電極Dからなる電極対によって挟持して、加圧しながら通電する。２組の電極対による通電には、時間差を設ける。具体的には、一方の電極対（電極A、B）の通電を、他方の電極対（電極C、D）の通電に対し、先行して開始する。

なお、電極A、Bと電極C、Dを用いて加圧する構成や、その加圧力を制御する構成は、特に限定されず、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を用いることができる。電極A、BおよびC、Dが溶接を開始する時間については問わない。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、特に限定されるものではなく、従来から知られている機器を使用することができる。また、通電の際の電流は、直流であっても交流であってもよい。

電極A、Bの軸心をP1（先行する溶接点の溶接中心に相当）とC、Dの軸心をP2（後行する溶接点の溶接中心に相当）とすると、軸心P1とP2との間の距離Lは、50mm以下とすることが望ましい。距離Lが50mmより大きければ、１打点目の溶接点が存在することによる分流の効果は相対的には小さくなる。ただし、距離Lが50mm超えであっても本発明の効果を得ることができる。Ｌは１点目の狙いとするナゲット半径よりも大きく設定すれば効果を得ることが出来るが、機械的な制約を考えると現実的には5mm以上とすることが望ましい。

先行する電極A、Bによる溶接開始時間は、後行する電極C、Dによる溶接開始時間よりも10ms以上早く設定する。10ms未満であれば、１点目の加熱が十分でなく分流を抑制する効果を得ることができない。施工性の観点からは、より望ましくは、溶接開始時間の時間差を10ms以上200ms以下の範囲で設定する。

一方の電極対（電極A、B）の溶接終了時間と、他方の電極対（電極C、D）の溶接終了時間の差は、0ms以上、かつ溶接開始時間の差以下とする。先行する溶接と、後行する溶接の終了時間は、いずれが先であってもよいが、溶接時間を十分に確保して、十分なナゲット径と得るという観点からは、後に溶接が開始される後行の溶接が、先行の溶接よりも後に終了することが好ましい。

既溶接点が有る場合には、既溶接点に近い溶接点を先に溶接し、既溶接点から遠い溶接点を後に溶接することが好ましい。後行して溶接される溶接点が、先行して溶接される溶接点に比べて既溶接点が近い場合、後行して溶接する際に既溶接点と先行して溶接される溶接点への分流が起り、十分なナゲットが得られない。また、先行する溶接時の分流によって、既溶接点での発熱が小さくなり、分流を抑制する効果が小さくなることで、後行する溶接点で十分なナゲット径が得られない。

本発明では、一方の溶接点の溶接開始時間と他方の溶接開始時間の差を10ms以上とし、一方の溶接が完了する時間までに他方の溶接が開始するものとする。すなわち溶接時間を重複させる。これによって、通電開始時において、先行して通電される溶接点に集中して電流を流し、先行して通電される溶接点の抵抗値を十分に高めることで、後行して通電される溶接点の溶接時に、先行して通電される溶接点に流れる電流を低減させることができる。これにより、２点においてナゲット径が十分に確保された溶接継手を製造することができる。

また、先行して通電される溶接点の溶接開始から10ms以上200ms以下の後に、後行して通電される溶接点の溶接を開始し、２点の溶接時間を重複させることで、溶接時間を短縮させることができる。

さらに、２点の溶接終了時間の差を、0ms以上、かつ、溶接開始時間の差以下とすることよって、３点目以降を連続で溶接する場合には、装置制約を抑制し、効率的に溶接することができる。

上記の説明では、２点の溶接点に対して溶接を行う場合を例として説明したが、３点以上の溶接点に対して溶接を行う場合にも、本発明を適用することができる。このような場合には、少なくとも２点における溶接開始時間の差を、上記の規定の範囲とすれば、本発明の効果を得ることができる。

図３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。先行して溶接を開始する電極A、Bの軸心P１から、後行して溶接を開始する電極C、Dの軸心P2とは反対方向に向ってL1の距離に、ナゲット径ｄ３が４√ｔ（ｔ：板厚）である既溶接点を形成した。なお、距離L1は、先行して溶接を開始する電極A、Bの軸心P１とナゲット径の中心P3との距離である。距離L2は、電極A、Bの軸心P１と電極C、Dの軸心P2との距離である。

電極A、B、C、D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。

上電極A、Cの加圧力の制御は、上電極A、Cを駆動するサーボモータを制御することにより行った。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、同板厚かつ同鋼種であり、形状は長辺150mm、短辺50mmの長方形である。図４に示すように、先行溶接における電流値はIa(kA)、通電時間はTa(ms)であり、後行溶接における電流値はIb(kA)、通電時間はTb(ms)である。先行溶接の溶接開始時間と後行溶接の溶接開始時間との差はT1(ms)である。先行溶接の溶接終了は、後行溶接の溶接終了よりも早く、先行溶接の溶接終了時間と後行溶接の溶接終了時間との差はTd(ms)である。それぞれの設定条件を表１に示す。

比較例１は、先行溶接と後行溶接を一点一点別に溶接を行ったものであり、T1(ms)は200msより大きい。また、比較例２は、先行溶接と後行溶接を同時に行ったものであり、T1(ms)は0msである。

各設定条件において得られた溶接継手の溶接断面を切断し、先行溶接の溶接部のナゲット径d1および後行溶接の溶接部のナゲット径d2のそれぞれを、基準の径５．０ｍｍと比較した。基準のナゲット径は、既溶接点が形成されていない状態で、電極C、Dの溶接条件で溶接を行った溶接部の径とした。

先行溶接の溶接部のナゲット径d1、後行溶接の溶接部のナゲット径d2が、基準とする溶接部の径に比べて、減少率が5%以下であるか、若しくは、基準とする溶接部のナゲット径よりも大きい場合を○、そうでない場合を×とした。この結果、本発明を適用した本発明例では、本発明を適用しなかった比較例に比べて十分なナゲット形成が認められた。

図５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。溶接を開始するより前に、２点の溶接点が存在する継手である。２点の既溶接点のナゲット径の中心P3、P4の間隔をLとする。この既溶接点のナゲット径d3、d4はともに４√ｔ（ｔ：板厚）である。片側の溶接点からL1の距離に、先行して溶接を開始する電極A、Bの軸心P1、さらにL2の距離に後行して溶接を開始する電極C、Dの軸心P2が位置するように溶接した。

電極A、B、C、D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。

上電極A、Bの加圧力の制御は、上電極A、Bを駆動するサーボモータを制御することにより行った。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、同板厚かつ同鋼種であり、形状は長辺250mm、短辺50mmの長方形である。

図４に示すように、先行溶接における電流値はIa(kA)、通電時間はTa(ms)であり、後行溶接における電流値はIb(kA)、通電時間はTb(ms)である。先行溶接の溶接開始時間と後行溶接の溶接開始時間との差はT1(ms)である。先行溶接の溶接終了は、後行溶接の溶接終了よりも早く、先行溶接の溶接終了時間と後行溶接の溶接終了時間との差はTd(ms)である。それぞれの設定条件を表２に示す。

比較例１は、先行溶接と後行溶接を一点一点別に溶接を行ったものであり、T1(ms)は200msより大きい。また、比較例２は、先行溶接と後行溶接を同時に行ったものであり、T1(ms)は0msである。

各設定条件において得られた溶接継手の溶接断面を切断し、先行溶接の溶接部のナゲット径d1および後行溶接の溶接部のナゲット径d2のそれぞれを、基準の径４√ｔと比較した。基準の径は、既溶接点が形成されていない状態で、電極C、Dの溶接条件で溶接を行った溶接部のナゲット径とした。

先行溶接の溶接部の径d1、後行溶接の溶接部の径d2が、基準とする溶接部のナゲット径に比べて、減少率が5%以下であるか、若しくは、基準とする径よも大きい場合を○、そうでない場合を×として評価した。この結果、本発明を適用した本発明例では、本発明を適用しなかった比較例に比べて十分なナゲット形成が認められた。

１ 下鋼板
２ 上鋼板
４ 下電極
５ 上電極
６ ナゲット

Claims (3)

1. 二枚以上の鋼板を重ね合わせて近接する２点を抵抗スポット溶接する際に、一方の溶接点の溶接開始時間と他方の溶接開始時間の差を10ms以上とし、かつ、２点の溶接点の溶接時間を重複させる自動車用抵抗スポット溶接方法。
2. 請求項１に記載の自動車用抵抗スポット溶接方法であって、２点の溶接終了時間の差が、0ms以上であり、溶接開始時間の差以下である自動車用抵抗スポット溶接方法。
3. 請求項１または２のうちいずれかの自動車用抵抗スポット溶接方法を用いた自動車用溶接継手の製造方法。

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