JP6658992B1 - 抵抗スポット溶接方法および溶接部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この溶接法は、重ね合わせた2枚以上の鋼板を挟んでその上下から一対の電極で加圧しつつ、上下電極間に高電流の溶接電流を短時間通電して接合する方法であり、高電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用して、点状の溶接部が得られる。この点状の溶接部はナゲットと呼ばれ、重ね合わせた鋼板に電流を流した際に鋼板の接触箇所で両鋼板が溶融し、凝固した部分である。このナゲットにより、鋼板同士が点状に接合される。
例えば、特許文献1には、高張力鋼板への通電電流を漸変的に上昇させることによりナゲット生成を行なう第1ステップと、上記第1ステップの後に電流を下降させる第2ステップと、上記第2ステップ後に電流を上昇させて本溶接すると共に、漸変的に通電電流を下降させる第3ステップとを備えた工程によりスポット溶接を行なうことで、通電初期のなじみ不良に起因する散りを抑制しようとする高張力鋼板のスポット溶接方法が記載されている。
また、本発明は、上記の抵抗スポット溶接方法により、重ね合わせた複数枚の金属板を接合する、溶接部材の製造方法を提供することを目的とする。
前述したように、分流や板隙といった外乱が存在すると、外乱が無い場合と同じ条件で定電流制御による溶接を行ったとしても、得られるナゲット径は変動する。
この点、事前にテスト溶接を行い、本溶接を、当該テスト溶接で得られた累積発熱量を目標値に設定して通電量(電流および電極間電圧)を制御するいわゆる適応制御溶接を行うことで、外乱の影響を加味した適切な通電を行うことが可能となり、その結果、外乱によらず一定のナゲット径を得ることが可能となる。
しかし、外乱の存在下で適応制御による後通電を行うと、外乱により溶接部の電流密度分布、ひいては発熱形態が変化し、所定の熱処理効果が得られない場合がある。例えば、分流の影響が顕著な状態で適応制御による後通電を行うと、分流の影響で電極との接触端近傍での電流密度が過剰に増加して、表散りが生じ、所定の熱処理効果が得られない場合がある。
外乱がある場合には、外乱が無い場合と比較して、より厳密に後通電の条件を設定することが必要となる。そこで、適応制御溶接における電流値を決定するための重要な指針となるパラメータのひとつである電極間電圧に着目して検討を進めた。
その結果、
・本溶接の本通電のみを、適応制御溶接により実施するとともに、
・テスト溶接における本通電の電極間電圧の平均値に対する後通電の電極間電圧の平均値の比(以下、テスト溶接時の本通電と後通電の電圧比ともいう)を適正化し、そのうえで、本溶接の後通電を定電流制御により行い、その際の電流値を、上記した適正なテスト溶接時の本通電と後通電の電圧比が得られる際のテスト溶接の後通電の電流値を基準として設定する、
ことによって、上述した表散りの発生を有効に抑制して十分な熱処理効果が得られ、初期した目的を達成できる、
との知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
1.複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うものとし、
(a)前記テスト溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記テスト溶接の本通電では、
定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させ、
前記テスト溶接の後通電では、
前記テスト溶接における本通電の電極間電圧の平均値をVtm、前記テスト溶接における後通電の電極間電圧の平均値をVtp、前記テスト溶接における本通電と後通電の間の通電休止時間をtcとしたとき、
tc<800msの場合:
0.5≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.5−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.2≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足する条件で、定電流制御により通電し、
(b)ついで、前記本溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記本溶接の本通電では、
前記テスト溶接の本通電における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値に設定し、該目標値に従って通電量を制御する適応制御溶接を行い、
前記本溶接の後通電では、
前記テスト溶接の後通電の電流値をItp、前記本溶接の後通電の電流値をImpとしたとき、
0.8×Itp≦Imp≦1.2×Itp
の関係を満足する条件で、定電流制御による通電を行う、
抵抗スポット溶接方法。
また、本発明によれば、自動車の製造などの実作業において次々と流れてくる被処理材を連続的に溶接する(溶接位置や被処理材ごとに外乱の状態が変動する)場合であっても、外乱の状態の変動に有効に対応して所望のナゲット径を安定的に確保することが可能となり、その結果、作業効率や歩留まりの向上という点でも極めて有利となる。
本発明の一実施形態は、複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うものとし、
(a)前記テスト溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記テスト溶接の本通電では、
定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させ、
前記テスト溶接の後通電では、
前記テスト溶接における本通電の電極間電圧の平均値をVtm、前記テスト溶接における後通電の電極間電圧の平均値をVtp、前記テスト溶接における本通電と後通電の間の通電休止時間をtcとしたとき、
tc<800msの場合:
0.5≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.5−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.2≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足する条件で、定電流制御により通電し、
(b)ついで、前記本溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記本溶接の本通電では、
前記テスト溶接の本通電における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値に設定し、該目標値に従って通電量を制御する適応制御溶接を行い、
前記本溶接の後通電では、
前記テスト溶接の後通電の電流値をItp、前記本溶接の後通電の電流値をImpとしたとき、
0.8×Itp≦Imp≦1.2×Itp
の関係を満足する条件で、定電流制御による通電を行う、というものである。
テスト溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電をそれぞれ定電流制御により行う。
そして、テスト溶接の本通電では、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させる。
なお、テスト溶接は、外乱のない状態で行っても、分流や板隙などの外乱がある状態(外乱を想定した状態)で行ってもよい。
なお、定電流制御には、通電中にわたり電流値を一定とする通電パターンはもとより、上記した図1(a)〜(f)に示すような通電パターン、さらに、これらを組み合わせた通電パターンも含むものとする。テスト溶接および本溶接の後通電で行う定電流制御についても同様である。
tc<800msの場合:
0.5≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.5−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.2≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足する条件で、定電流制御により通電することが重要となる。
すなわち、前述したとおり、後述の本溶接において、外乱の存在下で適応制御による後通電を行うと、外乱により溶接部の電流密度分布、ひいては発熱形態が変化し、所定の熱処理効果が得られない場合がある。
この点、後述の本溶接の後通電を定電流制御で実施することとし、その際の電流値を、上記の関係を満足したときに得られるテスト溶接の後通電の電流値を基準として設定することにより、分流などの外乱の影響を加味した適切な通電を行うことが可能となる、すなわち、本溶接の後通電において適切な発熱量が得られ、所望の熱処理効果を得ることができる。また、分流が生じた場合に過度に電流値を増加させることがないので、表散りの発生を防止できる。その結果、上述した表散りの発生を有効に抑制しながら、一定以上の発熱量を確保して所定の熱処理効果が得られるようになる。
ただし、テスト溶接における本通電と後通電間の通電休止時間tcが長い場合、具体的には、tc≧800msとなる場合、通電休止中に溶接部の冷却が進行する。そのため、後通電を開始する時点での溶接部の温度が低下して、固有抵抗値が減少する、換言すれば、電極間電圧が低下しやすくなる。
このように、tcの値に応じて、所望の熱処理効果が得られるVtp/Vtmの範囲が変化する。よって、テスト溶接では、tcの値に応じて、所望の熱処理効果が得られるようVtp/Vtmを制御する、具体的には、
tc<800msの場合:
0.5≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.5−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.2≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足する条件で、定電流制御により通電することが重要となる。
tc<800msの場合:
0.7≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.7−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.4≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足することが好適である。
なお、テスト溶接の後通電における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量は、記憶させても、記憶させなくてもよい。
すなわち、本通電および後通電における電極間電圧の時間積分値をそれぞれ、(通電休止時間を除いた)本通電および後通電における合計の通電時間で除した値を、本通電および後通電における電極間電圧の平均値とする。
加えて、テスト溶接の本通電における合計の通電時間(通電休止時間を除く)は、60〜1000msとすることが好適である。
また、テスト溶接の1回あたりの後通電における通電時間は、20〜3000msとすることが好適である。より好ましくは60〜3000msである。
上記のテスト溶接後、本溶接を行う。
本溶接の本通電では、上記テスト溶接の本通電で記憶させた単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値に設定し、該目標値に従って通電量を制御する適応制御溶接を行う。
この本溶接の本通電における適応制御溶接では、例えば、上記のテスト溶接の本通電で目標値に設定した単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線に沿っている場合には、そのまま溶接を行って溶接を終了する。ただし、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を残りの本溶接の本通電における通電時間内で補償すべく、本溶接の本通電での単位体積当たりの累積発熱量が、目標値として設定した単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御する。
被溶接材の合計厚みをt、被溶接材の電気抵抗率をr、電極間電圧をV、溶接電流をIとし、電極と被溶接材が接触する面積をSとする。この場合、溶接電流は横断面積がSで、厚みtの柱状部分を通過して抵抗発熱を発生させる。この柱状部分における単位体積・単位時間当たりの発熱量qは次式(1)で求められる。
q=(V・I)/(S・t) --- (1)
また、この柱状部分の電気抵抗Rは、次式(2)で求められる。
R=(r・t)/S --- (2)
(2)式をSについて解いてこれを(1)式に代入すると、発熱量qは次式(3)
q=(V・I・R)/(r・t2)
=(V2)/(r・t2) --- (3)
となる。
以上、特許文献5記載の方法によって、累積発熱量Qを算出する場合について説明したが、その他の算出式を用いても良いのは言うまでもない。
0.8×Itp≦Imp≦1.2×Itp
の関係を満足させることが重要である。
すなわち、前述したとおり、本溶接において、外乱の存在下で適応制御溶接による後通電を行うと、外乱により溶接部の電流密度分布、ひいては発熱形態が変化し、所定の熱処理効果が得られない場合がある。
この点、本溶接の後通電を、tc<800msの場合には0.5≦Vtp/Vtm≦2.0という関係を、tc≧800msの場合には0.2≦Vtp/Vtm≦1.5という関係を満足するときのテスト溶接の後通電の電流値Itpを基準として、所定の電流値で定電流制御により実施する、具体的には、本溶接の後通電の電流値ImpをItpの0.8〜1.2倍の範囲として定電流制御による通電を行うことで、上述した表散りの発生を有効に抑制しながら、一定以上の発熱量を確保して所定の熱処理効果が得られるのである。
そのため、本溶接の後通電は、
0.8×Itp≦Imp≦1.2×Itp
の関係を満たす条件で、定電流制御により行うことが重要となる。
0.9×Itp≦Imp≦1.1×Itp
の範囲である。
さらに、図2(a)および(b)に示すように、テスト溶接および本溶接とも、本通電後の通電休止および後通電を2回以上繰り返してもよい。これによって、より有利に所定の熱処理効果が得られる。すなわち、仮に1回目の後通電で過剰発熱となり再溶融が生じたとしても、2回目の後通電で熱処理を行い、継手強度を向上させる効果が得られる。繰り返し回数の上限は特に限定されるものではないが、10回程度である。また、回ごとに、通電時間や通電休止時間、電流値をそれぞれ違う値に設定してもよい。
ここで、テスト溶接の後通電の電流値Itpおよび本溶接の後通電の電流値Impは、当該後通電における電流の時間積分値を、(通電休止時間を除いた)後通電における合計の通電時間で除した値とする。
テスト溶接の通電パターンを図2に示す。図2(a)は本通電を1段通電とした場合、図2(b)は本通電を2段通電とした場合である。
ここで、テスト溶接は、図3(a)、図4(a)に示すように、外乱の無い状態で行い、本溶接は、テスト溶接と同様の外乱の無い状態、および、図3(b)、図4(b)に示すように、外乱の存在する状態で行った。
図3(a)は2枚重ねで既打点が無い状態、図3(b)は2枚重ねで既打点がある状態であり、既打点と溶接点との打点間隔L(中心間距離)は種々変化させた。
また、図4(a)は3枚重ねで既打点が無い状態、図4(b)は3枚重ねで既打点がある状態である。
なお、表2のテスト溶接条件および表3の本溶接条件における「後通電の通電時間」は1回あたりの後通電の通電時間である。また、表2のテスト溶接条件および表3の本溶接条件における通電休止時間、後通電の電流値および後通電の通電時間は、後通電の全ての回で同じとした。
さらに、表3の本溶接条件における「本通電の制御方式」で「定電流制御」と記載されているものについては、テスト溶接と同じ条件の定電流制御を行った。
なお、既打点がある状態で本溶接を行った場合には、L字引張試験片から既打点部分を切除したうえで、後述する引張試験を行った。
得られたL字引張試験片を用いて、引張速度(長手方向):10mm/minの条件で引張試験を行い、継手強度(LTS:L字引張強さ)を測定した。そして、溶接時の散り有無および継手強度から、以下の3段階で評価した。
・A: 打点間隔LによらずLTSが2.0kN以上、かつすべて散り無し。
・B: 既打点無しまたは打点間隔L≧10mmでLTSが2.0kN以上、打点間隔L<10mmでLTSが2.0kN未満、かつすべて散り無し。
・F: 既打点無しまたは打点間隔L≧10mmでLTSが2.0kN未満、または散りあり。
これに対し、適正条件を満たさない比較例はいずれも、評価はFであり、十分な継手強度を得ることができなかった。
Claims (4)
- 複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であって、
本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行うものとし、
(a)前記テスト溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記テスト溶接の本通電では、
定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を記憶させ、
前記テスト溶接の後通電では、
前記テスト溶接における本通電の電極間電圧の平均値をVtm、前記テスト溶接における後通電の電極間電圧の平均値をVtp、前記テスト溶接における本通電と後通電の間の通電休止時間をtcとしたとき、
tc<800msの場合:
0.5≦Vtp/Vtm≦2.0
800ms≦tc<1600msの場合:
0.5−0.3×(tc-800)/800≦Vtp/Vtm≦2.0−0.5×(tc-800)/800
tc≧1600msの場合:
0.2≦Vtp/Vtm≦1.5
の関係を満足する条件で、定電流制御により通電し、
(b)ついで、前記本溶接では、ナゲットを形成するための本通電および後熱処理のための後通電を行い、
前記本溶接の本通電では、
前記テスト溶接の本通電における単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値に設定し、該目標値に従って通電量を制御する適応制御溶接を行い、
前記本溶接の後通電では、
前記テスト溶接の後通電の電流値をItp、前記本溶接の後通電の電流値をImpとしたとき、
0.8×Itp≦Imp≦1.2×Itp
の関係を満足する条件で、定電流制御による通電を行う、
抵抗スポット溶接方法。 - 前記本溶接の本通電における適応制御溶接において、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が、前記目標値に設定した単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を残りの前記本溶接の本通電における通電時間内で補償すべく、前記本溶接の本通電での単位体積当たりの累積発熱量が前記目標値に設定した単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御する、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記本溶接の本通電と後通電の間にそれぞれ、通電休止時間を設定し、かつ、前記本溶接の本通電後の通電休止および後通電を2回以上繰り返す、請求項1または2に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法により、重ね合わせた複数枚の金属板を接合する、溶接部材の製造方法。
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