JP7173736B2 - スポット溶接方法及び鋼板部品 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接方法及び鋼板部品に関する。

スポット溶接は、２枚以上の金属板（鋼板）を、一対の電極で挟んで加圧した状態で、一対の電極間に高電流を付与することで、金属板を抵抗発熱により部分的に溶融させ、電極内を流通する冷却水により、電極のダメージを緩和しつつ溶融部を凝固させる接合方法である。

図７に示すように、複数の金属板１０１，１０２からなる板組みを一対の電極１１０，１２０で挟持加圧すると、電極１１０，１２０の加圧により金属板１０１，１０２に凹部１０１ａ，１０２ａが形成されると共に、凹部１０１ａ，１０２ａの周囲の領域が隣接する金属板から浮き上がり、両金属板１０１，１０２の間に隙間Ｇが形成される（この現象は、「シートセパレーション」とも言われる）。例えば、自動車の車体を構成する部品において、金属板の間に大きな隙間が形成されると、自動車の乗り心地に影響を与えることがある。

例えば、軟鋼板同士を接合する場合、電極の加圧により軟鋼板を局部的に凹ませることができるため、凹部の周囲の領域の浮き上がりは比較的小さい。しかし、金属板１０１，１０２が高張力鋼板である場合、図７に点線で示すように、電極１１０，１２０の加圧により金属板１０１，１０２が曲がりにくいために、凹部１０１ａ，１０２ａの周囲が大きく浮き上がり、金属板１０１，１０２間の隙間Ｇが大きくなる。

例えば、下記の特許文献１には、重ね合わせた金属板のうち、電極の周囲の領域をリング状の部材で挟持することで、シートセパレーションの発生を抑制することが示されている。

国際公開第２０１５／１３７５１２号

しかし、溶接装置に上記のようなリング状の部材を設けると、コスト高を招く。

そこで、本発明は、複数の高張力鋼板をスポット溶接で接合するに際し、溶接装置のコスト高を招くことなく、高張力鋼板間のシートセパレーションを抑えることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、重ね合わされた複数の高張力鋼板を一対の電極で挟持加圧した状態で通電することにより接合するスポット溶接方法であって、前記複数の高張力鋼板のうち、厚さ方向で最も外側に配された高張力鋼板と前記電極との間に犠牲板を介在させることを特徴とするスポット溶接方法を提供する。

このように、最も外側に配された高張力鋼板と電極との間に犠牲板を介在させることにより、この犠牲板に凹部が形成され、犠牲板と高張力鋼板との間に隙間（シートセパレーション）が生じる。この場合、高張力鋼板は電極で直接加圧されないため、凹部の形成に伴う変形（反り）が抑えられる。その結果、高張力鋼板同士のシートセパレーションが抑えられ、これらの密着性が高められる。尚、「犠牲板」とは、高張力鋼板と電極との直接接触を回避することを主な目的とし、実質的に他の機能を有さない金属板のことを言う。

上記のスポット溶接方法によると、ナゲットを介して接合された複数の高張力鋼板と、前記複数の高張力鋼板の厚さ方向一方側の表面にナゲットを介して接合された犠牲板とを備えた鋼板部品が得られる。この鋼板部品は、高張力鋼板同士の密着性が高いため、自動車の車体の構成部品等に好適に用いることができる。

以上のように、複数の高張力鋼板をスポット溶接で接合するに際し、高張力鋼板と電極との間に犠牲板を介在させることにより、溶接装置のコスト高を招くことなく、高張力鋼板間のシートセパレーションを抑えることができる。

（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の実施形態に係るスポット溶接方法で板組みを溶接する様子を示す断面図である。 加圧通電パターンの一例を示すグラフである。 他の実施形態に係る板組みを示す断面図である。 （Ａ）は、他の実施形態に係る板組みを示す断面図であり、（Ｂ）は同斜視図である。 他の実施形態に係る板組みを示す断面図である。 他の実施形態に係る板組みを示す断面図である。 従来のスポット溶接方法を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、図１（Ａ）に示すような板組みを溶接する。この板組みからなる鋼板部品は、例えば自動車の車体の構成部品であり、具体的には、外板あるいは内板パネル（サイドアウタパネル、サイドインナパネル、フロアパネル等）として機能する薄板３１と、骨格フレーム（サイドメンバ、リーンフォースメント等）として機能する複数の厚板（図示例では２枚の厚板３２，３３）とを有する。薄板３１としては、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板が使用され、具体的には溶融亜鉛メッキ鋼板が使用される。厚板３２，３３は、薄板３１よりも板厚が厚く、薄板３１の一方側（図中下方）に重ね合わされる。厚板３２，３３としては、引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、特に引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板が使用される。本実施形態では、厚板３２，３３が、同材料からなり板厚が等しい高張力鋼板であり、具体的には冷間圧延鋼板からなる超高張力鋼板である。

この板組みでは、厚さ方向で最も外側に配された高張力鋼板（図示例では、下側の厚板３３）のさらに外側（下側）に、犠牲板４０が配されている。犠牲板４０は、厚板３２，３３よりも薄い金属板で構成される。また、犠牲板４０は、厚板３２，３３よりも引張強度の低い材料で構成され、例えば軟鋼板で構成される。犠牲板４０の厚さ及び材質は、板組み全体の組成が厚さ方向で対称となるように設定することが好ましい。本実施形態では、犠牲板４０が、薄板３１と同じ材質及び厚さの軟鋼板で構成される。上記の板組みの板厚比（板組みの総板厚Ｔ／薄板３１の板厚Ｔ１）は４以上である。

上記の板組みを一対の電極１２ａ，１２ｂで挟持加圧した状態で、一対の電極１２ａ，１２ｂ間に通電することにより、上記の板組みが接合される。本実施形態では、図２に示す同一時間軸に設定された加圧パターンＰ（実線参照）及び通電パターンＩ（鎖線参照）に従って、溶接が行われる。以下、図２に示す各ステップを詳しく説明する。

［アップスロープ、ステップＷ１］
加圧力がＰ１に達したら、その加圧力Ｐ１で保持すると共に、既定の時間通りに電流値をＩ１に達するまで徐々に上昇させる（アップスロープ：ＵＰＳＬ）。そして、電流値がＩ１に達したら、その電流値Ｉ１で保持する。こうして、板組みの被溶接部に一定の加圧力Ｐ１及び電流値Ｉ１を付与した状態で、所定時間（例えば２～４サイクル）保持する。尚、１サイクル＝１／６０秒である。

ステップＷ１における加圧力Ｐ１及び電流値Ｉ１は、薄板３１と厚板３２、及び、犠牲板４０と厚板３３とを接合するために適した値とされる。具体的に、加圧力Ｐ１はなるべく小さい値に設定され、例えば、一方の電極１２ａを駆動するサーボモータ（図示省略）で安定的に発生させることができ、且つ、鋼板３１～３３及び犠牲板４０のバラつきを抑えてこれらを確実に接触させることができる最小の圧力とされる。このように、加圧力Ｐ１を小さい値とすることで、鋼板同士の接触面積、特に、薄板３１と厚板３２、及び、犠牲板４０と厚板３３との接触面積が小さくなる。これにより、薄板３１と厚板３２、及び、犠牲板４０と厚板３３との接触部における電流密度が高くなり、この部分が優先的に発熱し、ナゲットＮ１，Ｎ２が形成される｛図１（Ａ）参照｝。ステップＷ１の通電時間は、所定の径のナゲットＮ１が得られるように設定される。

［ステップＷ２］
その後、電流値をＩ１からＩ２に上昇させると共に、これに同期させて加圧力をＰ１からＰ２に上昇させることで、厚板３２，３３同士の接触部を含む板組み３０全体の厚さ方向中央付近に、抵抗発熱による溶融部（ナゲットＮ３）が形成される｛図１（Ｂ）参照｝。ナゲットＮ１，Ｎ２，Ｎ３は、板厚方向と直交する方向で同じ位置に設けられる。このように、ステップＷ１でナゲットＮ１，Ｎ２を形成した後、電流値をＩ１から下げることなく連続してＩ２まで上昇させることで、板組み３０の被溶接部にエネルギーが供給され続けるため、鋼板同士の接触抵抗や各鋼板の母材抵抗が急変せず、厚板３２，３３の接触部にナゲットＮ３が形成されやすく、且つ、このナゲットＮ３が成長しやすい。尚、電流値を上昇させるタイミングと加圧力（特に実効加圧力：一対の電極１２ａ，１２ｂによる実際の加圧力）を上昇させるタイミングとは、一致させることが好ましいが、必ずしも完全に一致させる必要はなく、その前後の各ステップＷ１，Ｗ２において加圧力Ｐ１，Ｐ２で保持する時間が十分に確保できればよい。

このとき、電極１２ａ，１２ｂの加圧力により、これらと直接接触する薄板３１及び犠牲板４０に凹部３１ａ，４０ａが形成される。これに伴って、薄板３１及び犠牲板４０の凹部３１ａ，４０ａの周囲の領域が、隣接する厚板３２，３３から浮き上がり、薄板３１と厚板３２との間、及び、犠牲板４０と厚板３３との間に、それぞれ隙間Ｇ１，Ｇ２が形成される。

［ステップＷ３］
その後、加圧力をＰ２で維持したまま、電流値をＩ２からＩ３に少し低下させ、この電流値Ｉ３及び加圧力Ｐ２で所定時間（例えば２～４サイクル）保持する。これにより、スパッタの発生を防止しながら、ナゲットＮ３をさらに成長させることができる。

［ステップＷ４～Ｗ７］
ステップＷ４では、ステップＷ３の電流値Ｉ３から、ステップＷ２の電流値Ｉ２よりも大きい電流値Ｉ４に上昇させる。ステップＷ５では、電流値をＩ４からＩ５に低下させる。電流値Ｉ５は、ステップＷ３における電流値Ｉ３よりも大きい。さらに、ステップＷ６で、ステップＷ５の電流値Ｉ５から、ステップＷ４の電流値Ｉ４よりも大きい電流値Ｉ６に上昇させた後、ステップＷ７で、電流値をＩ６からＩ７に低下させる。電流値Ｉ７は、ステップＷ５における電流値Ｉ５よりも大きい。本実施形態では、ステップＷ３からステップＷ４に移行する際に、電流値をＩ３からＩ４に上昇させるタイミングに同期させて、加圧力をＰ２からＰ３に上昇させる。その後のステップでは、一定の加圧力Ｐ３で保持される。

以上のように、電流値を上下させながら段階的に上昇させることにより、スパッタの発生を抑制しながら、ナゲットＮ３の径（板厚と直交する方向の寸法、図１の左右方向寸法）を拡大すると共に、ナゲットＮ３を板厚方向（図１の上下方向）に成長させることができる。特に、本実施形態では、電流値をＩ３からＩ４に上昇させるときに、加圧力をＰ２からＰ３に上昇させているため、ナゲットＮ３の成長がさらに促進される。以上により、ナゲットＮ３をナゲットＮ１，Ｎ２と一体化することができる｛図１（Ｃ）参照｝。尚、板組みを接合するナゲットＮは、必ずしも一体化する必要はなく、ナゲットＮ１，Ｎ２，Ｎ３が分離していてもよい。

このナゲットＮ３の拡大に伴って、電極１２ａ，１２ｂが薄板３１及び犠牲板４０をさらに押し込んで、凹部３１ａ，４０ａが深くなり、薄板３１と厚板３２との間の隙間Ｇ１、及び、犠牲板４０と厚板３３との間の隙間Ｇ２が大きくなる。一方、厚板３２，３３は、電極１２ａ，１２ｂで直接加圧されないため、凹部がほとんど形成されず、凹部の周囲の領域の浮き上がりもほとんど生じないため、厚板３２と厚板３３とが互いに良好に密着した状態で維持される。このように、厚板３３の外側（図中下側）に犠牲板４０を配し、厚板３３を電極１２ｂで直接加圧しないようにすることで、厚板３３の変形を抑えて、高張力鋼板からなる厚板３２，３３同士の密着性を高めることができる。

この状態で、加圧力をＰ３で維持したまま、通電を停止して冷却することで（図２の「ＨＯＬＤ」参照）、一体化したナゲットＮが薄板３１、厚板３２，３３、及び犠牲板４０に溶け込んだ状態で硬化し、板組みが接合される｛図１（Ｄ）参照｝。

こうして接合された板組みからなる鋼板部品は、ナゲットＮを介して接合された鋼板３２，３３の厚さ方向一方側（図中下側）の表面に、犠牲板４０がナゲットＮを介して接合されている。この鋼板部品は、犠牲板４０が接合された状態のまま車体に組み付けられる。ただし、この板組みにおいて、犠牲板４０は、厚板３３と下側の電極１２ｂとの直接接触を回避してシートセパレーションを抑えることを主な目的とする部材であり、車体の構成部品としての機能（外板あるいは内板パネルとしての機能や、骨格フレームとしての機能）は実質的に有していない。すなわち、上記の板組みに犠牲板４０を設けなくても、自動車の車体の構成部品として要求される性能（強度等）は満たしている。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、図３に示すように、犠牲板４０を、スポット溶接を施す箇所のみに部分的に配してもよい。この場合、例えば、スポット溶接の打点（ナゲットＮ）ごとに犠牲板４０が設けられる。

また、犠牲板４０と薄板３１とを一体に設けてもよい。具体的には、図４（Ａ）（Ｂ）に鎖線で示すように、薄板３１の一部を延在し、その延在部分４０’を曲げて厚板３３の下側に配することで、この部分を犠牲板４０として機能させることができる。この場合、犠牲板４０を別途形成する必要が無いため、低コスト化が図られる。

また、図５に示すように、高張力鋼板からなる厚板３２，３３のみからなる板組みを接合するに際し、厚板３２，３３の両側に犠牲板４０を配してもよい。あるいは、図６に示すように、高張力鋼板からなる厚板３２，３３のみからなる板組みを接合するに際し、一方側のみに犠牲板４０を配してもよい。この場合、下側の厚板３３は電極１２ｂで直接加圧されるため、凹部が形成されて上側の厚板３２から離反するが、上側の厚板３２は、犠牲板４０を配することで凹部の形成が回避されるため、両厚板３２，３３を電極で直接押圧する場合と比べて、両厚板３２，３３間の隙間を小さくすることができる。

１２ａ，１２ｂ電極
３１ 薄板
３２，３３ 厚板（高張力鋼板）
４０ 犠牲板
Ｇ１，Ｇ２ 隙間
Ｎ，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ ナゲット

Claims (2)

1. 重ね合わされた複数の高張力鋼板を一方の電極と他方の電極とで挟持加圧した状態で通電することにより接合するスポット溶接方法であって、
   前記複数の高張力鋼板と前記一方の電極との間に、前記高張力鋼板よりも引張強度の低い犠牲板を介在させ、
   前記複数の高張力鋼板と前記他方の電極との間に、前記高張力鋼板よりも引張強度の低い金属板を介在させ、
   前記金属板の一部を曲げて前記複数の高張力鋼板と前記一方の電極との間に介在させ、この部分を前記犠牲板とするスポット溶接方法。
2. ナゲットを介して接合された複数の高張力鋼板と、前記複数の高張力鋼板の厚さ方向一方側の表面にナゲットを介して接合された、前記高張力鋼板よりも引張強度の低い犠牲板と、前記複数の高張力鋼板の厚さ方向他方側の表面にナゲットを介して接合された、前記高張力鋼板よりも引張強度の低い金属板とを備え、
   前記金属板の一部を曲げて前記複数の高張力鋼板の厚さ方向一方側に配し、この部分を前記犠牲板とする鋼板部品。

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