JP7207068B2

JP7207068B2 - 絶縁性被膜を有する被溶接物の抵抗溶接方法

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Publication number: JP7207068B2
Application number: JP2019060334A
Authority: JP
Inventors: 隼司山口; 雅人鈴木; 宏紀冨村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020157346A

Description

本発明は、母材の表面に絶縁性被膜を有する被溶接物の抵抗溶接方法に関する。

金属部材同士を溶接する方法として様々な加熱手段が用いられる。そのうち、抵抗溶接は、重ね合わせた被溶接物を抵抗溶接電極で挟み、抵抗溶接電極から被溶接物の表面を通して溶接電流を付与し、ジュール熱を発生させることにより、被溶接物の接合面付近を加熱して溶融接着させる方法である。抵抗溶接方法は、短時間で効率的に溶接できるので、多くの分野で使用されている。

被溶接物が表面に電気的に絶縁性の被膜（本明細書では、「絶縁性被膜」と記載する。）を有する場合、それに抵抗溶接方法を適用すると、被溶接物に溶接電流を流すために十分な通電経路を確保できない。そのため、被溶接物の接合面を十分に加熱することできず、抵抗溶接を行うのが困難であった。また、必要な抵抗発熱量を得るために通電量を過度に高くすると、スパッタが発生して、外観不良や作業環境の悪化を招く恐れがあった。

上記の問題を解決するため、被溶接物の表面の絶縁性皮膜をレーザ光の照射によって予め除去する方法を提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１の図５は、片面に陽極酸化皮膜を有するアルミニウム合金の被溶接物を例にした実施形態３を記載している。絶縁性の陽極酸化皮膜が外側に位置するように２つの被溶接物を重ね合わせた後、被溶接物の表面にレーザ光を照射して陽極酸化皮膜が除去された。次いで、陽極酸化皮膜が除去された部分に抵抗溶接電極を接触させて被溶接物を挟み、被溶接物の接合面で溶接された。

特開平１０－２２５７７０号公報

特許文献１の方法は、抵抗溶接電極を接触させる部分において、溶接する前に絶縁性被膜を除去する必要があり、そのための作業に手間が掛かる。また、特許文献１の方法は、両面に絶縁性被膜を有する被溶接物に適用することができない。そのため、絶縁性被膜を有する被溶接物に抵抗溶接を適用する場合、溶接前の作業を簡略に行うことが望まれる。さらに、両面に絶縁性被膜を有する被溶接物に適用することが望まれる。

本発明は、絶縁性被膜を有する被溶接物に抵抗溶接を適用する場合、溶接前の作業を簡略に行うことができ、さらに、両面に絶縁性被膜を有する被溶接物に適用することができる抵抗溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するために検討した結果、被溶接物を重ね合わせた接合面側の絶縁性被膜に損傷を与えることにより、抵抗溶接を行うに必要な通電性を確保できることを見出して、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、表面に絶縁性被膜を有する複数の被溶接物を重ね合わせて組立体を形成する第１工程と、前記組立体に溶接電極を接触させる領域を介して加熱する手段により、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える第２工程と、前記損傷が与えられた前記組立体の表面において当該組立体を挟んで対向する位置に一対の溶接電極を接触させて通電し、抵抗溶接を行う第３工程と、を含む、抵抗溶接方法である。

（２）本発明は、前記第２工程は、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える面積が、０．３×４πｔ（ｔ：板厚）で示される数値以上である、（１）に記載の抵抗溶接方法である。

（３）本発明は、前記第２工程における前記加熱する手段は、レーザ光の照射である、（１）または（２）に記載の抵抗溶接方法である。

（４）本発明は、前記絶縁性被膜は、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）の少なくとも１種を含む酸化被膜である、（１）～（３）のいずれかに記載の抵抗溶接方法である。

本発明によれば、絶縁性被膜を有する被溶接物に抵抗溶接を適用する場合、溶接前の作業を簡略に行うことができ、さらに、両面に絶縁性被膜を有する被溶接物に適用することができる。

本実施形態の第１工程において両面めっき鋼板による態様を説明するための図である。本実施形態の第２工程においてレーザ光を照射する態様を説明するための図である。図２のレーザ光の照射により形成された被溶接物の凝固部及び損傷部を説明するための図である。本実施形態の第３工程において抵抗溶接電極を接触させた態様を説明するための図である。本実施形態を片面めっき鋼板に適用し、めっき面を対向させた例を示す図である。本実施形態を片面めっき鋼板に適用し、めっき面と非めっき面とを対向させた例を示す図である。本実施形態のレーザ照射で形成された被溶接物の損傷部を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されるものではない。

用途に応じて、絶縁性被膜を有する両面めっき鋼板のような被溶接物を重ね合わせて組立体を形成した後、それを接合するため、一対の溶接電極を挟んでスポット溶接などの抵抗溶接が施される。溶接電極から供給される電流の通電性は、絶縁性被膜によって低下する。そのため、従来技術のように、溶接する前に、溶接電極に接触する領域の縁性被膜を除去することは、抵抗溶接の通電性を向上させる上で効果的である。しかし、溶接電極に接触する領域の絶縁性被膜を除去するだけでは、十分な通電性が得られなかった。

本発明者らは、溶接による接合箇所が被溶接物の絶縁性被膜が対向する領域であることから、この対向領域における通電性に着目した。２枚の両面めっき鋼板を重ね合わせた組立体の場合、各めっき鋼板の絶縁性被膜が対向し、接合部には二重の絶縁性被膜が配置しているので、通電性が大きく阻害される。そこで、この対向領域における絶縁性被膜の一部を除去して通電経路を形成することを試みた。その結果、溶接電極と接触する表面に絶縁性被膜が残存したとしても、鋼板間の通電性を確保することにより、良好な溶接性が得られるという知見を見出した。

本実施形態に係る抵抗溶接方法は、表面に絶縁性被膜を有する複数の被溶接物を重ね合わせて組立体を形成する第１工程と、前記組立体に溶接電極を接触させる領域を介して加熱する手段により、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える第２工程と、前記損傷が与えられた前記組立体の表面において当該組立体を挟んで対向する位置に一対の溶接電極を接触させて通電し、抵抗溶接を行う第３工程と、を含むものである。

（第１工程）
被溶接物は、母材の表面に絶縁性被膜を有する。本実施形態の第１工程では、複数の被溶接物を重ね合わせて組立体を形成する。組立体を治具（図示を省略する。）によって固定することが好ましい。被溶接物は、板材、形材、管材など、その表面に電気的な絶縁性の被膜を有する物品であれば、特に限定されない。めっき層を鋼板の表面に有する両面めっき鋼板や片面めっき鋼板の被溶接物が好ましい。板厚が０．４～２．３ｍｍの鋼板に適用してもよい。

本実施形態に係る絶縁性被膜は、被膜全体が絶縁性を有するものに限られない。表面側部分が絶縁性を有し、内側部分が導電性を有する被膜である場合も含まれる。

図１は、本実施形態の第１工程を模式的に示した図である。被溶接物として、絶縁性被膜２を鋼板１の両面に有する両面めっき鋼板３を用いた例である。２枚の両面めっき鋼板３を重ね合わせて組立体４が形成される。当該組立体４の内部では、めっき鋼板３の絶縁性被膜２が対向するように接している。当該組立体４の外表面にも絶縁性被膜２を有している。

被溶接物として、鋼板の片面に絶縁性被膜を有する片面めっき鋼板を用いる例を、図５と図６に示す。図５に示す例は、各片面めっき鋼板５のめっき面が対向し、組立体４の内部に絶縁性被膜２が配置された形態である。図６は、めっき面と非めっき面とが対向し、一方の片面めっき鋼板５の絶縁性被膜２が組立体４の内部に配置され、他方の片面めっき鋼板５の絶縁性被膜２が該組立体４の外表面に配置されている形態である。

本実施形態の抵抗溶接方法は、表面が絶縁性である絶縁性めっき被膜を母材の両面または片面に含む物品に適用することができる。絶縁性めっき被膜の付着量が両面当たりまたは片面当たり、３０～３５０ｇ／ｍ^２の範囲である、めっき鋼板に適用してもよい。

（第２工程）
図２及び図３は、本実施形態の第２工程を模式的に示した図である。本実施形態の第２工程では、前記組立体４に溶接電極９を接触させる領域を介して加熱する手段６により、前記組立体４の内部の絶縁性被膜２に損傷を与える処理が行われる。第３工程において組立体の表面に溶接電極を接触させて抵抗溶接を行うので、第２工程は、その前処理として、溶接電極が接触する領域を介して試験体内部が加熱される。組立体を局所的に加熱することにより、組立体の内部に含まれる絶縁性被膜の一部が除去され、それによって組立体内部に通電経路を形成することができる。

本実施形態の第２工程は、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える面積が、０．３×４πｔ（ｔ：板厚）で示される数値以上であることが好ましい。溶接により接合部に生じる溶融・凝固した部分であるナゲットについては、一般に、その直径（ナゲット径）が４√ｔ（ｔ：板厚）で表され、ナゲット面積が４πｔで表される。上記の「０．３×４πｔ」は、ナゲット面積に対する損傷面積の比率を示しており、ナゲットにおける損傷部が通電経路を提供することから、損傷部分の面積は、ナゲット面積（４πｔ）に対して３０％以上であると、十分な通電性が得られる。他方、損傷部分の面積比率が３０％より小さいと、過大な電流密度が必要になり、ナゲット径や接合強度に影響を与える恐れがある。

当該加熱する手段としては、レーザ光の照射による方法が好ましい。図２に示すように、組立体４の一方の表面に向けて、第３工程で溶接電極９を接触させる領域にレーザ光６が照射される。レーザ光６が所定時間で照射されると、図３に示すように、組立体４のレーザ光６が照射されて通過する表面の絶縁性被膜２が局所的に加熱されることにより、その一部が溶融し凝固して、絶縁性被膜が除去された領域７が形成される。本明細書では、この領域７を「凝固部」という。当該凝固部７は、組立体４の表面から溶接電流を付与するための通電経路を形成する。

さらに、レーザ光の焦点を組立体４の内部の絶縁性被膜２の付近に設定するなど適正な条件でレーザ光の照射を行うと、当該絶縁性被膜２が局所的に加熱される。その加熱により、当該絶縁性被膜２が溶融または蒸発して、当該絶縁性被膜２の一部が除去されて損傷が与えられる。このように、本実施形態の第２工程における当該「損傷」なる記載は、絶縁性被膜の一部が除去された状態を意味する。組立体４の内部の絶縁性被膜２において損傷した部分８を「損傷部」という。当該損傷部８の形成により、絶縁性被膜２が２層で重なる板間において通電経路を確保することができる。

レーザ光を照射する条件としては、例えば、照射出力を６００Ｗ、照射時間を５００ｍｓで行うことができる。

第２工程における加熱手段は、レーザ光照射のほかに、誘導加熱、渦電流などの局所的な入熱を可能とする手段を使用してもよい。

（第３工程）
図４は、本実施形態の第３工程を模式的に示した図である。図４に示すように、本実施形態の第３工程では、前記損傷を与えられた前記組立体４の表面において当該組立体４を挟んで対向する位置に一対の溶接電極８を接触させて通電して、スポット溶接などの抵抗溶接が行われる。第２工程の加熱処理によって、組立体４の表面に凝固部７が形成されることに加えて、組立体４の内部に絶縁性被膜２の損傷部８が形成されることにより、十分な通電経路が形成される、そのため、溶接電極９を組立体４の表面に接触させて通電すると、電圧を過大に印加することなく、適度な条件で抵抗溶接を施すことが可能となる。

抵抗溶接は、スポット溶接など公知の溶接手段を使用することができる。組立体を溶接電極で挟み、所定の加圧力を加えて、所定の電流を印加することにより局部的に加熱し、点状の溶接部（ナゲット）を形成する。溶接条件は、例えば、通電時間：１２／６０秒、電流：８．０ｋＡ、加圧力：２．０ｋＮを使用することができる。

本実施形態に係る抵抗溶接方法は、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）の少なくとも１種を含む酸化被膜である絶縁性被膜を有する被溶接物に適用できる。例えば、黒色溶融めっき鋼板を挙げることができる。この鋼板は、原板として、Ａｌ：１．０～２２．０質量％、Ｍｇ：１．３～１０．０質量％を含む溶融Ｚｎめっき層を有するめっき鋼板を用いて、当該めっき鋼板を密封容器中で水蒸気と接触させる処理を施して得られた黒色めっき鋼板である。この水蒸気と接触させる処理により、めっき層の表面からＺｎ、ＡｌやＭｇの酸化反応が起こり、その結果、めっき層中に黒色酸化物が形成され、黒色溶融亜鉛めっき鋼板が得られる。黒色酸化物が絶縁性物質であるため、黒色溶融亜鉛めっき層は、その表面側部分が絶縁性を示し、内側部分が導電性を有する。この黒色溶融亜鉛めっき層は、鋼板の両面または片面に形成されており、絶縁性被膜に相当する。

以下、本発明の実施例について説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
（１）板間被膜損傷面積率の測定
板厚が０．８ｍｍの黒色溶融亜鉛めっき鋼板の２枚を重ね合わせて、上板及び下板からなる試験体を作製した。使用した当該めっき鋼板は、質量％でＺｎ－６％Ａｌ－３％Ｍｇ組成のめっき層を有する両面めっき鋼板であり、寸法が１００ｍｍ×３０ｍｍ、めっき付着量が６０～８０ｇ／ｍ^２であった。当該めっき鋼板のめっき層は、その表面側部分が絶縁性を示し、内側部分が導電性を有する。試験体の上板の外側表面へ向けて１ｋＷレーザ溶接機でレーザ光を照射し、上板及び下板の双方が対向する側の絶縁性被膜を部分的に損傷させた。

レーザ光の照射は、レーザ溶接機のフォーカスを２４５ｍｍ（ジャストフォーカス２２５ｍｍ＋２０ｍｍ）で固定し、照射出力を２００Ｗ～８００Ｗ、照射時間を２００ｍｓ～１０００ｍｓの範囲内で、レーザ光を照射した。

次いで、試験体の上板と下板における絶縁性被膜の損傷部における損傷面積を測定した。重ね合わせた上板及び下板にレーザ光が照射されるので、上板及び下板の両方で同程度の損傷が生じると考えられる。そこで、上板の損傷面積を測定した。ただし、基準とするナゲット面積が板厚に依存するので、２枚の板厚が同じでない場合は、板厚の薄い方の板における損傷面積を測定した。

上板と下板とを分離した後、下板に対向する上板表面の絶縁性被膜について損傷面積を測定した。マイクロスコープで観察した画像を用いて、めっき残存部分とめっき除去部分とが異なる色で判別できる。その一例を図７に示す。図７では、めっき残存部分が黒色で表示され、めっき除去部分が銀白色で表示されている。

ナゲット面積（４πｔ）に相当する領域において、めっき除去部分の面積を測定し、その合計値を損傷面積とした。ナゲット面積（４πｔ）に対する損傷面積の割合（％）を算出した。その割合を「板間被膜損傷面積率」という。実施例１で用いた試験体は、めっき鋼板の板厚が０．８ｍｍであるから、基準ナゲット径（４√ｔ）に基づくナゲット面積（４πｔ）は、約１０．１ｍｍ^２に相当する。

（２）溶接性の評価
上記（１）の板間被膜損傷面積率の測定に用いた試験体と同様の手順により、試験体Ｎｏ．１～Ｎｏ．９を作製し、当該試験体に対してレーザ光を照射した。次いで、得られた試験体は、レーザ光が照射された箇所において単相交流式溶接機（交流周波数６０Ｈｚ）を用いて、スポット溶接による抵抗溶接が行われた。

スポット溶接は、初期加圧時間を３５ｃｙｃｌｅ、通電時間を１２ｃｙｃｌｅ、電流値を７．０ｋＡ、加圧力を２．０ｋＮ、冷却水量を３Ｌ／ｍｉｎで行った。溶接電極は、クロム銅製の６ＤＲ形（ドームラジアス形ＪＩＳＣ９３０４）電極を用いた。なお、初期加圧時間及び通電時間は、そのｃｙｃｌｅ値を周波数の６０Ｈｚで除した時間に相当する。例えば、１２ｃｙｃｌｅは、０．２ｓ（＝１２／６０）に相当する。

従来例として、レーザ光の照射処理を行わなかった両面めっき鋼板からなる試験体Ｎｏ．１０を準備し、他の試験体と同様の条件でスポット溶接を施した。試験体Ｎｏ．１０の両面めっき鋼板は、試験体Ｎｏ．１～Ｎｏ．９と同様の両面めっき鋼板を使用した。

接合部の溶接性を評価するため、スポット溶接を施した試験体を用いて、ＪＩＳＺ３１４０に準拠する引張せん断試験を行い、引張せん断強さ（ｋＮ）を測定した。その測定結果を表１に示す。表１に「－」で表示された試験体は、引張せん断試験機に取り付ける前に接合部が分離したため、引張せん断強さを測定することができなかった。

ＪＩＳＺ３１４０によると、鋼におけるＪＩＳＡ級の引張せん断強さは、板厚０．８ｍｍの場合は、３．６２ｋＮに相当する。そこで、試験体の引張せん断強さが３．６２ｋＮを超えた場合は、その試験体を溶接性が良好である（〇）と判定した。３．６２ｋＮ以下であった場合や接合されなかった場合は、その試験体を溶接性が不良である（×）と判定した。その評価結果を表１に示す。

表１における板間被膜損傷面積率（％）は、スポット溶接を行う前の試験体について測定して算出した数値を記載している。スポット溶接を行った試験体Ｎｏ．１～Ｎｏ．９においても、それらの測定結果と同程度の板間被膜損傷面積率を有すると推定できる。

表１に示すように、試験体Ｎｏ．１～Ｎｏ．５は、絶縁性被膜の板間損傷面積率が３０％以上であるため、いずれも良好な溶接性が得られた。それに対し、試験体Ｎｏ．７～Ｎｏ．９は、板間被膜損傷面積率が３０％未満であるため、溶接性が不良であった。

＜実施例２＞
めっき付着量が異なる両面めっき鋼板を用いて、実施例１と同様の手順で、試験体Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２５を作製し、レーザ光照射及びスポット溶接を行い、板間被膜損傷面積率及び引張せん断強さを測定し、溶接性を評価した。鋼板のめっき付着量を３０～３５０ｇ／ｍ^２の範囲で変化させて試験体を作製した。レーザ光照射及びスポット溶接は、実施例１と同様の条件で行なった。スポット溶接を施した試験体の引張せん断強さを測定し、実施例１と同様の基準で溶接性を評価した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、３０～３５０ｇ／ｍ^２の付着量のサンプルについて、板間被膜損傷面積率が３０％以上である試験体が得られ、いずれも良好な溶接が得られ、実用上のスポット溶接を適用することが可能であった。

＜実施例３＞
板厚の異なる両面めっき鋼板を用いて、実施例１と同様の手順で、試験体Ｎｏ．３１～Ｎｏ．３５を作製し、レーザ光照射及びスポット溶接を行い、板間被膜損傷面積率及び引張せん断強さを測定し、溶接性を評価した。両面めっき鋼板の板厚を０．４～２．３ｍｍの範囲で変化させて試験体を作製した。両面めっき鋼板の寸法、めっき付着量は、実施例１と同様である。

レーザ光の照射は、出力を２００～１０００Ｗ、照射時間を２００～２０００ｍｓとし、その他の条件を実施例１と同様とした。

スポット溶接は、通電時間を６～３０ｃｙｃｌｅ、電流値を６．０～１３．０ｋＡ、加圧力を１．５～５．０ｋＮとし、その他の条件を実施例１と同様とした。スポット溶接を施した試験体の引張せん断強さを測定し、実施例１と同様の手順で溶接性を評価した。その結果を表３に示す。

表３に示すように、０．４～２．３ｍｍの板厚の試験体について、板間被膜損傷面積率が３０％以上である試験体が得られ、いずれも良好な溶接が得られ、実用上のスポット溶接を行うことが可能であった。

実施例１～３は、両面めっき鋼板による試験結果を示したものである。片面めっき鋼板を重ね合わせた組立体の内部には、図５に示すように、両面めっき鋼板の組立体と同様に２層の絶縁性被膜が重なって配される形態と、図６に示すように、１層の絶縁性被膜が配される形態とがあり、組立体内部の絶縁性被膜の厚みが実施例１～３の試験体と同程度あるいは薄いといえる。そのため、これらの片面めっき鋼板の組立体を用いて、実施例１～３と同様の手順で、レーザ光の照射処理とスポット溶接を行えば、実施例１～３と同様に、板間被膜損傷率が３０％以上であるときは、良好な溶接性が得られる。

１鋼板
２めっき層（絶縁性被膜）
３両面めっき鋼板（被溶接物）
４組立体
５片面めっき鋼板（被溶接物）
６レーザ光
７凝固部
８損傷部
９溶接電極

Claims

表面に絶縁性被膜を有する複数の被溶接物を重ね合わせて組立体を形成する第１工程と、
前記組立体に溶接電極を接触させる領域を介して加熱する手段により、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える第２工程と、
前記損傷が与えられた前記組立体の表面において当該組立体を挟んで対向する位置に一対の溶接電極を接触させて通電し、抵抗溶接を行う第３工程と、を含み、
前記第２工程における前記加熱する手段は、レーザ光の照射である、抵抗溶接方法。
前記第２工程は、前記組立体の内部の絶縁性被膜に損傷を与える面積が、０．３×４πｔ（ｔ：板厚）で示される数値以上である、請求項１に記載の抵抗溶接方法。
前記絶縁性被膜は、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）の少なくとも１種を含む酸化被膜である、請求項１または２に記載の抵抗溶接方法。