WO2015133099A1 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

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央海 澤西
松田 広志
池田 倫正
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Jfeスチール株式会社
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    • B23K2103/18Dissimilar materials
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Definitions

  • the present invention relates to a resistance spot welding method, and more specifically, to a resistance spot welding method of a plate assembly in which a steel plate and an aluminum plate are overlapped.
  • the aluminum plate is a general term for a pure aluminum plate and an aluminum alloy plate.
  • the resistance spot welding method which is superior in cost and efficiency compared to other welding methods, is most often used for joining steel plates in a vehicle body, and the number of hit points per unit is 3000 to 6000 points. It extends to.
  • this method two or more stacked steel plates are sandwiched and pressed with a pair of electrodes from above and below, and a high-current welding current is passed between the upper and lower electrodes for a short time to join them by resistance heating.
  • Patent Document 1 discloses resistance spot welding in which welding is performed in an extremely short time and a high current is applied to disperse the melted part to the surroundings, thereby achieving normal contact between metal surfaces and joining by atomic diffusion. A method is described.
  • Patent Document 2 discloses that an iron / aluminum clad thin plate is inserted between a steel plate and an aluminum plate so that the same kind of materials face each other, thereby minimizing the amount of aluminum deposited on the electrode while maintaining high strength even at a low current.
  • a resistance spot welding method is described which provides a joint of
  • Patent Document 3 discloses that welding is performed by attaching one or more contact plates on both sides of a steel plate and an aluminum plate, so that the interface between the contact plate and the material to be joined generates resistance heat, and the steel and aluminum are resistance diffusion bonded. A resistance spot welding method is described in which a high strength joint is obtained.
  • Patent Document 4 it is described that the occurrence of scattering can be suppressed while obtaining a large nugget diameter by optimizing each amount of Mn and Si in the steel plate and the steel plate surface oxide film.
  • the present invention advantageously solves the above-described problem.
  • a current that can be output by a welding transformer generally used in an automobile production line It is an object of the present invention to provide a resistance spot welding method that can secure joint characteristics between a steel plate and an aluminum plate by the same production process as that for joining steel plates.
  • the present invention has the following features.
  • joint characteristics between a steel plate and an aluminum plate can be ensured in the current range that can be output by a welding transformer generally used in an automobile production line, and by the same production process as the joining of steel plates. .
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a resistance spot welding method according to an embodiment of the present invention.
  • a plate assembly 3 in which an aluminum plate 1 having a plate thickness t0 and a steel plate 2 having a plate thickness ts are directly superimposed is sandwiched between a pair of electrodes (upper electrode 4 and lower electrode 5) and pressed between the upper and lower electrodes 4 and 5.
  • a high-current welding current is applied for a short time and joined by resistance heating to obtain a resistance spot welded joint between the aluminum plate 1 and the steel plate 2.
  • the tip diameter DFe of the electrode 5 in contact with the steel plate 2 is 4 mm or more, and the tip diameter DAl of the electrode 4 in contact with the aluminum plate 1 is 3 to 16 mm. The effect can be obtained effectively.
  • the tip diameter DFe of the electrode 5 When the tip diameter DFe of the electrode 5 is less than 4 mm, the heat generation diameter on the steel plate 2 side is insufficient. If the tip diameter DAl of the electrode 4 is less than 3 mm, the current density in the aluminum plate 1 is too large, which increases the risk of scattering. If the tip diameter DAl of the electrode 4 exceeds 16 mm, heat removal by the electrode 4 on the aluminum plate 1 side is performed. Therefore, the current value required for joining must be increased.
  • the tip diameter DFe of the electrode 5 is preferably 6 mm or more
  • the tip diameter DAl of the electrode 4 is preferably 4 mm or more and 14 mm or less. More preferably, it is 4.5 mm or more and 12 mm or less.
  • the upper limit of the tip diameter DFe of the electrode 5 is 20 mm in consideration of handling properties and device restrictions. More preferably, it is 18 mm or less.
  • the relationship between the tip diameter DFe of the electrode 5 in contact with the steel plate 2 and the plate thickness tFe of the steel plate 2 satisfies 3tFe ⁇ DFe, and the tip diameter DAl of the electrode 4 in contact with the aluminum plate 1 and the plate thickness tAl of the aluminum plate 1 More preferably, the relationship of 2tAl ⁇ DAl ⁇ 14tAl is satisfied.
  • the above-mentioned effect can be effectively obtained when the tip radius of curvature RAl of the electrode 4 in contact with the aluminum plate 1 exceeds 40 mm. If the tip curvature radius RAl of the electrode 4 is 40 mm or less, the stress applied to the region in contact with the vicinity of the center of the electrode 4 in the aluminum plate 1 becomes excessively large, and the thickness reduction of the aluminum plate 1 in this region becomes significant. It is.
  • the tip curvature radius RAl of the electrode 4 is preferably 50 mm or more. More preferably, it is 55 mm or more.
  • the tip curvature radius RAl of the electrode 4 is preferably 400 mm or less.
  • the tip radius of curvature RAl of the electrode 4 is 200 mm or less.
  • the tip diameter D shown in FIG. 2 becomes the tip diameter DAl of the electrode 4 and is shown in FIG.
  • the tip curvature radius R becomes the tip curvature radius RAl of the electrode 4.
  • the tip diameter D shown in FIG. 2 becomes the tip diameter DFe of the electrode 5, which is shown in FIG.
  • the tip curvature radius R becomes the tip curvature radius RFe of the electrode 5.
  • board thickness t1 of the aluminum plate 1 after welding becomes 20% or less of the plate thickness t0 before welding, and the steel plate 2 after welding.
  • the joining diameter (nugget diameter) x2 of the aluminum plate 1 satisfies x1 ⁇ 0.8 ⁇ x2, there is no problem even if the thickness of the aluminum plate 1 is reduced.
  • the relationship between the thickness t0 (mm) of the aluminum plate 1 before welding and the welded steel plate / aluminum plate joining diameter x2 (mm) is 3 ⁇ t0 ⁇ x2. It is preferable to satisfy. Furthermore, it is more preferable to satisfy the relationship of 3.5 ⁇ t0 ⁇ x2.
  • a two-layered plate assembly (welded joint) of the steel plate 1 and the aluminum plate 2 has been described as an example, but one or more other steel plates or aluminum plates are arranged in any order between the two plates. It can also be applied to a plate assembly (welded joint) of three or more layers sandwiched between two. In that case, it is preferable that the above relationship is satisfied in all the aluminum plates in contact with the steel plate.
  • the current value, energization time, and applied pressure during welding need not be constant, and the current value and applied pressure may be changed in two or more stages.
  • the present invention can be applied regardless of the presence or absence of surface plating and thickness, the composition and thickness of the oxide film, the strength of the base material, and the thickness of the steel plate and aluminum plate.
  • test materials mild steel was used for the steel plate, and a 5000 series aluminum alloy plate was used for the aluminum plate.
  • the welding machine an inverter DC resistance spot welding machine was used. The welding time was 40 msec, the applied pressure was 2.5 kN, and the electrode shape and current value were changed for welding.
  • the joint After welding, the joint is cut at the center of the welded portion to observe the cross section.
  • the diameter x1 of the aluminum plate after welding is 20% or less of the plate thickness t0 before welding, and the steel plate / aluminum plate after welding.
  • the joint diameter x2 was determined.
  • the peel diameter (mm) was calculated
  • the thickness t2 of the aluminum plate at the fractured part is measured and divided by the base metal plate thickness (plate thickness before welding) t0. The thickness reduction ratio (%) of the part was obtained.
  • the plate thickness t0 before welding of the aluminum plate is defined as the reference plate thickness t (mm)
  • the peel diameter is 4 ⁇ t or more
  • the thickness reduction rate of the fracture portion is 30% or more
  • the current value is 20 kA or less.
  • ⁇ , peel diameter 3.5 ⁇ t or more and thickness reduction of fractured portion When the rate is 30% or more and the current value is higher than 20 kA, the peel diameter is 3.5 ⁇ t or more and the thickness reduction rate of the fracture portion is less than 30%, or the peel diameter is less than 3.5 ⁇ t Was marked with x. Table 1 shows the results.
  • the evaluation was ⁇ to ⁇ in all cases.

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Abstract

 鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保できる抵抗スポット溶接方法を提供するものである。鋼板の1ないし2枚以上とアルミニウム板の1ないし2枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、鋼板と接触する電極の先端径DFeと、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlとの関係が、DFe>DAlを満たすようにする。

Description

抵抗スポット溶接方法
 本発明は、抵抗スポット溶接方法に関し、具体的には、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みの抵抗スポット溶接方法に関する。なお、本発明において、アルミニウム板とは、純アルミニウム板とアルミニウム合金板を総称したものである。
 近年の自動車産業では、車体軽量化による燃費向上を目的として、車体へのアルミニウム合金板等の軽金属材の適用が進められている。
 現在、車体における鋼板同士の接合には、他の溶接方法に比べてコストや効率面で優位にある抵抗スポット溶接方法が最も多く用いられており、1台あたりの打点数は3000点から6000点に及ぶ。これは重ね合わせた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抵抗発熱により接合する方法である。
 車体の生産工程のコストと効率の維持という観点からは、鋼板同士の場合と同様、アルミニウム板が混在する場合の接合においても抵抗スポット溶接方法を用いることが有効である。しかし、鋼板とアルミニウム板の異種材料接合においては、電極の加圧と通電時の発熱により軟質なアルミニウム板が溶接中に大きく減厚したり、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成したりすることで継手強度が確保できないという問題がある。
 上記の問題に対応するため、以下に述べるような技術が提案されている。
 例えば、特許文献1には、溶接を極短時間化し、高電流を付与することで溶融部を周囲に飛散させて、正常な金属面同士の接触と原子の拡散による接合を達成させる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
 また、特許文献2には、鋼板とアルミニウム板の間に鉄/アルミニウムクラッド薄板を同種材同士が向かい合うようにインサートさせることで、電極へのアルミニウムの溶着量を最小限に抑えながら、低電流でも高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
 また、特許文献3には、鋼板とアルミニウム板の両側に当て板を1枚以上添えて溶接を行うことで、当て板と被接合材料との界面が抵抗発熱し、鋼とアルミニウムが抵抗拡散接合されて高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
 また、特許文献4では、鋼板および鋼板表面酸化皮膜におけるMnおよびSiの各量を適正化することで、大きいナゲット径を得つつ散り発生を抑制する事ができると記載されている。
特開2004-17148号公報 特開平7-136774号公報 特開平9-155561号公報 特開2005-152958号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の抵抗スポット溶接方法では、鋼板同士の抵抗スポット溶接方法と比較して大電流を付与する必要があるため、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスの電源容量では電流値が不足するという問題点がある。
 また、特許文献2および3に記載の抵抗スポット溶接方法では、車体の構造上不要である当て板やクラッド薄板の使用、さらには車体の生産ラインの工程変更が必要となるため、大幅なコスト増や重量低減が十分に図れないなどの問題がある。
 また、特許文献4では、鋼板および酸化皮膜中の合金元素量および分布を限定する必要があるため、要求性能を満たす鋼板の使用が制限されるなどの課題があり、特に最近の鋼板では高強度化に伴って高合金化が進んでいる状況下では、その適用は極めて制限される。
 本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保できる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。
 [1]鋼板の1ないし2枚以上とアルミニウム板の1ないし2枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
 鋼板と接触する電極の先端径DFeと、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlとの関係が、
  DFe>DAl
を満たすことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
 [2]鋼板と接触する電極の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlが3mm以上16mm以下であることを特徴とする前記[1]に記載の抵抗スポット溶接方法。
 [3]アルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径RAlが40mmを超えることを特徴とする前記[1]または[2]に記載の抵抗スポット溶接方法。
 [4]鋼板と接している各アルミニウム板において、溶接後のアルミニウム板の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2との関係が、
  x1<0.8×x2
を満たすことを特徴とする前記[1]~[3]のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
 [5]アルミニウム板の溶接前の板厚t0(mm)と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2(mm)との関係が、
  3√t0<x2
を満たすことを特徴とする前記[4]に記載の抵抗スポット溶接方法。
 [6]溶接中の電流値が20kA以下であることを特徴とする前記[1]~[5]のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
 本発明においては、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性を確保することができる。
本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。 本発明の一実施形態において用いる電極の先端径Dと先端曲率半径Rを説明する図である。 アルミニウム板の減厚割合を評価する方法を説明する図である。 破断部の減厚率を算定する方法を説明する図である。
 本発明の実施形態を以下に述べる。
 図1は、本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。板厚t0のアルミニウム板1と板厚tsの鋼板2とを直接重ね合わせた板組み3を一対の電極(上電極4、下電極5)で挟んで加圧しつつ、上下電極4、5間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合して、アルミニウム板1と鋼板2との抵抗スポット溶接継手を得るようにしている。
 その際に、アルミニウム板1と鋼板2の継手特性を確保するうえで重要となるのは、接合範囲を広げつつ、アルミニウムの溶融厚さを減少させることで、アルミニウム板1の減厚を抑制することである。
 そこで、この実施形態においては、アルミニウム板1と鋼板2の重ね合わせた板組み(被溶接材)3を抵抗スポット溶接するに際して、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeと、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlとが、DFe>DAlの関係を満たすようにしている。
 これによって、鋼板2側での発熱径を広く確保しつつ、アルミニウム板1側での電極4による抜熱を抑えることができ、低電流でも鋼/アルミニウム界面の幅広い範囲を昇温させることができる。また、鋼側での発熱径が広くなることで、アルミニウム板1側が局所的に過度に加熱されることが防げるため、アルミニウムの溶融厚さが減少する。そのため、加圧によるアルミニウム板1の減厚が抑制されるという効果もある。
 電極4、5の先端径については、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlが3mm以上16mm以下であることにより、前記効果を有効に得ることができる。
 電極5の先端径DFeが4mm未満では、鋼板2側での発熱径が不十分となる。電極4の先端径DAlが3mm未満ではアルミニウム板1中の電流密度が大きすぎるため、散り発生のリスクが高まり、電極4の先端径DAlが16mm超えではアルミニウム板1側での電極4による抜熱が大きくなるため、接合に要する電流値を増大させなければいけない。
 さらに、鋼板2側の発熱径とアルミニウム板1側の抜熱のバランスを考慮すると、電極5の先端径DFeを6mm以上、電極4の先端径DAlを4mm以上14mm以下とするのが好ましい。より好ましくは4.5mm以上12mm以下である。
 なお、電極5の先端径DFeの上限は、ハンドリング性や装置の制約等を考慮して、20mmとするのが好ましい。より好ましくは18mm以下である。
  また、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeと鋼板2の板厚tFeの関係は、3tFe≦DFeを満たし、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlとアルミニウム板1の板厚tAlの関係は、2tAl≦DAl≦14tAlを満たすことがさらに好適である。ちなみに、図1においては、tAl=t0であり、tFe=tsである。
 また、アルミニウム板1の減厚抑制の観点からは、アルミニウム板1と接触する電極4の先端曲率半径RAlが40mmを超えることにより、前記効果を有効に得ることができる。電極4の先端曲率半径RAlが40mm以下であると、アルミニウム板1において電極4の中心付近と接する領域にかかる応力が過度に大きくなり、この領域でのアルミニウム板1の減厚が顕著となるからである。
 また、アルミニウム板1中の電流密度が大きくなり過ぎることを防ぐという観点からは、電極4の先端曲率半径RAlは50mm以上とするのが好ましい。より好ましくは55mm以上である。
 また、アルミニウム板1側での電極4による抜熱を抑えるという観点からは、電極4の先端曲率半径RAlは400mm以下とするのが好ましい。
 また、高強度の継手を得るために必要な電流値が大きい板組みにおいては、電極4の先端曲率半径RAlは200mm以下とするのがさらに好適である。
 なお、電極の先端径Dと先端曲率半径Rについては、図2において、(a-1)と(a-2)がフラット形状(先端曲率半径Rは無限大)の場合の例、(b-1)と(b-2)が凸型形状の場合の例をそれぞれ示している(JIS C 9304)。
 つまり、アルミニウム板1に接触する電極4として、図2に示した電極を使用する場合は、図2中に示している先端径Dが電極4の先端径DAlとなり、図2中に示している先端曲率半径Rが電極4の先端曲率半径RAlとなる。同様に、鋼板2に接触する電極5として、図2に示した電極を使用する場合は、図2中に示している先端径Dが電極5の先端径DFeとなり、図2中に示している先端曲率半径Rが電極5の先端曲率半径RFeとなる。
 なお、アルミニウム板1の減厚については、図3に示すように、溶接後のアルミニウム板1の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板2とアルミニウム板1との接合径(ナゲット径)x2の関係が、x1<0.8×x2を満たしていれば、アルミニウム板1の減厚が生じていても問題はない。
 これは、ピール試験や継手の強度試験において、継手の破壊は溶接部の外周部から生じるため、溶接部中心付近の減厚量は継手特性にほとんど影響を及ぼさないためである。
 剥離負荷が大きい状態では、x1<0.6×x2の関係を満たすことが好ましい。さらに、x1<0.5×x2の関係を満たすことがより一層好ましい。
 また、継手強度確保のためには、アルミニウム板1の溶接前の板厚t0(mm)と、溶接後の鋼板/アルミニウム板の接合径x2(mm)との関係が、3√t0<x2を満たすことが好ましい。さらに、3.5√t0<x2の関係を満たすことがより好ましい。
 なお、上記の径x1については、円で無い場合には、面積が等しい等価円の径x1とすればよい。径x2についても同様である。
 また、溶接中の電流値については20kA以下とすることで、汎用の溶接トランスで出力可能となり、前記効果を具体的に実現できる。
 以上、この実施形態では、鋼板1とアルミニウム板2の2枚重ねの板組み(溶接継手)を例として説明したが、その2枚の板間にさらにもう1枚以上の鋼板あるいはアルミニウム板を順不同で挟んだ3枚重ね以上の板組み(溶接継手)についても適用可能である。その場合は、鋼板と接しているアルミニウム板全てにおいて上記の関係が成り立つことが好ましい。
 また、溶接中の電流値・通電時間・加圧力は一定である必要はなく、電流値や加圧力を2段階以上に変化させてもよい。
 また、溶接中の抵抗値・電圧値といったパラメータを監視し、その変動に応じて電流値や通電時間を変化させる制御方法を用いても何ら問題無い。
 また、本発明は、鋼板とアルミニウム板における表面のめっきの有無や厚さ、酸化皮膜の組成や厚さ、母材強度、板厚によらず適用することができる。
 本発明の実施例を以下に示す。
 供試材料として、鋼板に軟鋼を用い、アルミニウム板に5000系アルミニウム合金板を用いた。溶接機はインバータ直流式抵抗スポット溶接機を用い、通電時間を40msec、加圧力2.5kNとし、電極形状および電流値を変化させて溶接を行った。
 溶接後は継手を溶接部中央で切断して断面観察を行い、溶接後のアルミニウム板の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板/アルミニウム板の接合径x2を求めた。また、JIS Z 3144に規定のピール試験によりピール径(mm)を求めた。ピール試験でボタン状に破断した継手については、図4で示すように破断部のアルミニウム板の厚さt2を計測し、母材の板厚(溶接前の板厚)t0で除することで破断部の減厚率(%)を求めた。
 継手特性の評価基準としては、アルミニウム板の溶接前の板厚t0を基準板厚t(mm)として、ピール径が4√t以上かつ破断部の減厚率30%以上かつ電流値20kA以下であるものを◎、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率30%以上かつ電流値20kA以下であるものを○、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率が30%以上かつ電流値が20kAより高いものを△、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率が30%未満、あるいはピール径が3.5√t未満であるものを×とした。表1にその結果を示す。
 本発明例においては、全てのケースで評価は○ないし◎であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
 1 アルミニウム板
 2 鋼板
 3 板組み
 4 アルミニウム板と接触する電極(上電極)
 5 鋼板と接触する電極(下電極)
 

Claims (6)

  1.  鋼板の1ないし2枚以上とアルミニウム板の1ないし2枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
     鋼板と接触する電極の先端径DFeと、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlとの関係が、
      DFe>DAl
    を満たすことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
  2.  鋼板と接触する電極の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlが3mm以上16mm以下である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.  アルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径RAlが40mmを超え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。
  4.  鋼板と接している各アルミニウム板において、溶接後のアルミニウム板の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2との関係が、
      x1<0.8×x2
    を満たすことを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
  5.  アルミニウム板の溶接前の板厚t0(mm)と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2(mm)との関係が、
      3√t0<x2
    を満たすことを特徴とする請求項4に記載の抵抗スポット溶接方法。
  6.  溶接中の電流値が20kA以下であることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。
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