(57)【要約】【課題】軽金属材と鋼板との接合強度をより効果的にかつ効率良く高める。【解決手段】アルミニウム系材１と鋼材２とを互いに重ね合わせた状態で一対の電極３ａ，３ｂにより挟持するとともに、当該電極３ａ，３ｂへの通電によりこれら材料同士を抵抗スポット溶接する。この際、第１〜第４のステップＳ１〜Ｓ４に分けて断続的に、かつ電流値が段階的に増加するように前記電極３ａ，３ｂに電流を供給するとともに、第２ステップの電流値Ｉ２が、第４ステップＩ４の電流値Ｉ４の２０〜４０％分だけ第１ステップＳ１に対して増加するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属材と鋼材とを互いに重ね合わせた状態で一対の電極により挟持するとともに、当該電極への通電によりこれら材料同士を抵抗スポット溶接する溶接方法であって、
複数のステップに分けて断続的に、かつ電流値が段階的に増加するように前記電極に電流を供給するとともに、前記複数のステップの一つとして、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップを含むことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法において、
最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップを特定ステップと定義したときに、
当該特定ステップの電流値は、最終ステップの電流値の略８０〜９０％の値であることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項２に記載の溶接方法において、
前記複数のステップは３つ以上であり、かつ、前記特定ステップは第２番目のステップであることを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の溶接方法において、
前記軽金属材は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系材であることを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の溶接方法において、
前記軽金属材および前記鋼材を各一枚重ね合わせた状態、又は前記軽金属一枚と前記鋼材二枚とを、当該鋼材同士が隣接するように重ね合わせた状態で一対の前記電極により挟持することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムやアルミニウム合金等の軽金属材と鋼材との溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材と鋼材とを接合する一つの方法として、これらを重ね合わせて一対の電極により挟持し、前記電極に電流を供給することでこれらを溶接する抵抗スポット溶接の研究が進められている。
【０００３】
ここで、アルミニウム系材と鋼材の溶接では、鋼材同士の抵抗スポット溶接に比べて、材料抵抗の低さから大電流が必要となる。しかし、これらを抵抗スポット溶接する際、大電流の長時間通電を行うと、アルミニウム系材が過剰に加熱されてチリとなって滅失してしまうという問題がある。そこで、このような問題の対策として、例えば、特許文献１には、電極に予め設定された規定の電流をそれぞれ所定時間ずつ断続的に（すなわち、複数のステップに分けて）供給して、電流が長時間にわたって連続して供給されないようにすることで、アルミニウム系材の過剰な加熱ひいてはチリの発生を抑制するようにした溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２４１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、アルミニウム系材と鋼材との抵抗スポット溶接において接合強度を高めるには、これらの接合面積（ナゲット径）を大きくすることが重要であり、それには通電量を多くすることが必要となる。しかし、電流値を高くすると、特許文献１に記載の溶接方法のように、複数のステップに分けて通電を行う場合であってもチリの発生を抑えることが難しくなる。他方、これを回避するために、電流値を抑えてステップ数を増やすことも考えられるが、これではステップ数が多くなる分、生産性が悪くなる。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、アルミニウム系材などの軽金属材と鋼板との接合強度をより効果的にかつ効率良く高めることができる溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、出願人は、鋭意検討を重ねた結果、複数のステップに分けて断続的に、かつ電流値を段階的に増加させることで、チリの発生を抑制しながらナゲットを良好に拡大させることができることを見出した。そしてその場合、特に、電流値の増加量を特定の範囲にすることで、ナゲットの拡大を効果的に促進させ得ることを見出した。すなわち、本発明は、軽金属材と鋼材とを互いに重ね合わせた状態で一対の電極により挟持するとともに、当該電極への通電によりこれら材料同士を抵抗スポット溶接する溶接方法であって、複数のステップに分けて断続的に、かつ電流値が段階的に増加するように前記電極に電流を供給するとともに、前記複数のステップの一つとして、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップを含むようにしたものである。
【０００８】
この溶接方法によれば、複数のステップに分けて断続的に電流を供給するため、各材料が過剰に加熱されることを回避することが可能となる。また、段階的に電流値を増加させるので、先のステップのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して各材料の加熱量を増大させることができ、電流の供給に伴ってナゲットを適切に拡大させることができる。特に、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップを含むことで、当該ステップにおいて、ナゲット拡大を効果的に促進させることが可能となり、軽金属材と鋼材との接合強度を効果的にかつ効率良く高めることが可能となる。すなわち、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップでは、その直前のステップに比して電流値の差が比較的大きい電流が供給されることとなり、これにより、直前のステップで形成されたナゲット周囲の溶融が促進されてナゲット径の拡大が促進される。
【０００９】
この場合、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップを特定ステップと定義したときに、当該特定ステップの電流値は、最終ステップの電流値の略８０〜９０％の値であるのが好適である。
【００１０】
つまり、この方法は、前記直前のステップにおいて電極に供給する電流値を最終ステップの電流値の５０〜６０％の値とし、前記特定ステップにおいて電極に供給する電流値を最終ステップの電流値の略８０〜９０％の値とするものである。この方法によれば、前記直前のステップにおいて良好にナゲットを形成しながら、当該ナゲットを前記特定ステップにおいて効果的に拡大させることが可能となる。
【００１１】
なお、上記溶接方法において、前記複数のステップは３つ以上であり、かつ、前記特定ステップは第２番目のステップであるのが好適である。
【００１２】
この構成によれば、溶接作業の初期段階でナゲットを効果的に拡大させることが可能となる。そのため、溶接作業を通じてナゲット径の拡大が緩慢になることを防止して、軽金属材と鋼材との接合強度を効果的に高めることが可能となる。
【００１３】
なお、上記のような各溶接方法は、例えば、前記軽金属材がアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム系材である場合に有用である。
【００１４】
すなわち、上記の溶接方法によれば、材料間のナゲット形成が効果的に促進されるため、異種金属であるアルミニウム系材と鋼材との接合強度を良好に高めることが可能となる。
【００１５】
なお、上記のような溶接方法は、前記軽金属材および前記鋼材を各一枚重ね合わせてスポット溶接を行う場合に加え、前記軽金属一枚と前記鋼材二枚とを、当該鋼材同士が隣接するように重ね合わせた状態で一対の前記電極により挟持してスポット溶接を行う場合にも有効である。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、アルミニウム系材などの軽金属材と鋼板との接合強度をより効果的にかつ効率良く高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】溶接方法を説明するための図である。
【図２】本発明の溶接方法における通電電流のタイムチャートである。
【図３】比較例の通電電流を示したタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の溶接方法の好ましい実施形態について説明する。
【００１９】
ここでは、図１に示すように、板状のアルミニウム系材１と板状の鋼材２とを抵抗スポット溶接する場合について説明する。例えば、アルミニウム系材１としては、ＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）が用いられ、鋼材２としては、亜鉛メッキが施された鋼材（ＧＡ）が用いられる。なお、当例では、軽金属材としてアルミニウム系材を用いる場合について説明するが、本発明は、アルミニウム系材以外の軽金属材、例えばチタン等と鋼材との抵抗スポット溶接にも適用可能である。
【００２０】
まず、アルミニウム系材１と鋼材２とを互いに重ね合わせて配置する。次に、これら板材１，２を一対の電極３ａ，３ｂにより挟持する。このとき、電極３ａ，３ｂを互いに近づく方向に押圧し、電極３ａ，３ｂを介して板材１，２を互いに近づく方向に加圧する。そして、板材１，２への加圧を維持した状態で、電極３ａ，３ｂに電流を供給する。
【００２１】
電極３ａ，３ｂへ電流が供給されると、アルミニウム系材１と鋼材２とは、自身の材料抵抗および板材１，２同士の接触抵抗により発熱する。すなわち、電極３ａ，３ｂへの電流の供給に伴い、アルミニウム系材１と鋼材２とは加熱される。加熱されることで、同図に示すように、アルミニウム系材１が主に溶融して巨視的に鋼材２にはりつき、これら各板材１，２間にナゲット４が形成されて、アルミニウム系材１と鋼材１０とが接合される。
【００２２】
ここで、アルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を高めるためには、アルミニウム系材１と鋼材２との間に形成される溶融凝固部分の径、つまりナゲット径Ｒ（ナゲット４の板面方向の直径）が大きい方が好ましい。そして、このナゲット径Ｒを大きくするためには、電極３ａ，３ｂに供給する電流量を大きくする必要がある。
【００２３】
ところが、電極３ａ，３ｂに一定値の電流を連続して供給する方法を用い、この電流値を大きくした場合には、アルミニウム系材１が過剰に加熱されてチリとなって滅失するという問題が生じる。この問題に対しては、電極３ａ，３ｂに対して一定値の電流を供給する一方、これら電極３ａ，３ｂへの通電を瞬間的に停止させる方法がある（背景技術の特許文献１に開示される技術）。具体的には、一定値の電流を一定時間だけ供給するというステップを、一定の通電停止時間を隔てて複数回行う。しかし、この方法を用いた場合でも、アルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を十分に高めようとすると、電流値をある程度大きくする必要があり、結局、各ステップの加熱量が過剰となることで、チリの発生やこれに伴うアルミニウム系材１の板厚の減少の問題を回避することが難しい。なお、電流値を抑えて上記ステップの数を増やせば、ナゲット径Ｒをある程度大きくして接合強度を高めることが可能となるが、この場合には、ステップ数が増える分、生産性が悪くなるという弊害を伴うことになる。
【００２４】
本発明者らは、このような観点から鋭意検討を重ねた結果、複数のステップに分けて断続的に電極３ａ，３ｂに電流を供給し、かつ、各ステップの電流値を段階的に増加させることで、生産性と接合強度の向上との両立を実現した。具体的には、図２に示すように、一定時間ｔ１の間、電極３ａ，３ｂに連続的に電流（例えば矩形波の電流）を供給するというステップを、一定の通電停止時間ｔ０を挟んで複数回実施するとともに、各ステップでの電流値Ｉ（すなわち溶接電流値）を段階的に増加させる。つまり、先のステップでのナゲット形成に伴う板材１，２間の抵抗減少に対抗して次のステップにおいてこれら板材１，２間の発熱量が増大するように電極３ａ，３ｂに電流を供給する。ここで、注目すべき点は、これらステップの一つに、最終ステップにおける電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップ（以下、特定ステップと称す）を含み、かつ、当該特定ステップの電流値が、第４ステップ４の電流値の略８０〜９０％の値となるように、各ステップの電流値を設定することである。
【００２５】
当例では、同図に示すように、電流供給ステップを４回実施しており、第１〜第４ステップＳ１〜Ｓ４における電流値Ｉ１〜Ｉ４を、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４となるように設定している。そして、第４ステップＳ４の電流値を限界電流値、すなわちアルミニウム系材１が過剰過熱されることよるチリの発生やこれに伴う変形等を伴うことなく通電することが可能な値として試験等に基づき求められた電流値、又はこの限界電流値に近い値に設定した上で、第１ステップＳ１における電流値Ｉ１をこの第４ステップＳ４の電流値Ｉ４の５０〜６０％の値とし、第２ステップＳ２における電流値Ｉ２を、第４ステップＳ４の電流値Ｉ４の略８０〜９０％の値とすることにより、第２ステップＳ２にける電流値Ｉ２が、第４ステップＩ４の電流値の２０〜４０％分だけ第１ステップＳ１に対して増加するようにしている。具体的には、後述する実施例（実施例１／表１）に示すように、各ステップＳ１〜Ｓ４における電流値Ｉ１〜Ｉ４は、順に１０．０ｋＡ、１５．０ｋＡ、１６．０ｋＡ、１７．０ｋＡに設定している。すなわち、第１ステップＳ１の電流値Ｉ１（１０．０ｋＡ）は、第４ステップＳ４の電流値Ｉ４の５８．８％の値である。そして、第２ステップＳ２が上記特定ステップであり、この第２ステップＳ２の電流値Ｉ２（１５．０ｋＡ）は、第４ステップＳ４の電流値Ｉ４（１７．０ｋＡ）の８８．２％の値であり、第４ステップＳ４の電流値Ｉ４（１７．０ｋＡ）の２９．４％（５．０ｋＡ）分だけ第１ステップＳ１に対して増加する値となっている。
【００２６】
第３、第４のステップＳ３、Ｓ４は、各々直前のステップ（第２、第３のステップＳ２、Ｓ３）に対して一定値だけ電流値が増加するように設定している。この電流値の変化量は、第１ステップＳ１に対する第２ステップＳ２の電流値Ｉ２の増加量（５．０ｋＡ）よりも小さい値であり、当例では、上記の通り１．０ｋＡだけ増加するように設定している。
【００２７】
なお、アルミニウム系材１の過剰な加熱を抑制するためには、通電停止時間ｔ０を長くしてこの通電停止時間においてアルミニウム系材１の温度をより低下させるのが好ましい。そこで、図２の例では、通電停止時間ｔ０を通電時間ｔ１と同じ時間に設定して長く確保し、アルミニウム系材１の過剰な加熱を確実に抑制している。例えば、後述する実施例（実施例１／表１）では、ｔ１とｔ０とは同じ０．１７ｓｅｃに設定される。
【００２８】
以上のように、この溶接方法では、一定の通電停止時間ｔ０を挟んで断続的に一定の通電時間ｔ１だけ電極３ａ，３ｂに通電し、かつ、電極３ａ，３ｂへの通電電流値をステップの増加に伴って徐々に増加させている。このような方法によれば、断続的に電極３ａ，３ｂに通電されることでアルミニウム系材１が過剰に加熱されるのが回避され、チリの発生やこれに伴うアルミニウム系材１の板厚の減少を抑制することができる。
【００２９】
また、段階的に電流値を増加させるので、先のステップのナゲット形成に伴う材料間の抵抗低下に対抗して各材料の加熱量を増大させることができ、電流の供給に伴ってナゲットを適切に拡大させることができる。特に、第１ステップＳ１における電流値Ｉ１を第４ステップＳ４の電流値Ｉ４の５０〜６０％の値（１５．０ｋＡ）とした上で、第２ステップＳ２にける電流値Ｉ２が、第４ステップの電流値Ｉ４の２０〜４０％分（５．０ｋＡ）だけ第１ステップＳ１に対して増加するようにしているため、溶接作業の初期段階でナゲット径Ｒを効果的に拡大させることができる。これは、第１ステップＳ１の通電により良好な比較的小さなナゲット４が形成された状態で、第２ステップＳ２において電流値の差が比較的大きい電流が供給されることで、ナゲット４の周囲の溶融が促進されてナゲット径Ｒの拡大が飛躍的に進むためと考えられる。
【００３０】
従って、上記のように、複数のステップに分けて断続的に、かつ電流値が段階的に増加するように前記電極３ａ，３ｂに対して電流を供給するとともに、これら複数のステップの一つに、上記特定ステップ（最終ステップにおける電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップ）を含み、さらに、当該特定ステップの電流値が、第４ステップ４の電流値の略８０〜９０％の値となるように、各ステップの電流値を設定して溶接方法によれば、比較的少ないステップ数でアルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を効果的に高めることができる。すなわち、アルミニウム系材１の過剰加熱によるチリの発生を回避する観点から、電極３ａ，３ｂに供給する電流の値（最も電流値が大きくなる最終ステップの電流値）にもある程度制約がある。そのため、この制約の中でステップ数と各ステップの電流値を設定する必要があるが、上記のように最終ステップの電流値を限界電流値又はこれに近い値にした上で、最終ステップの電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加する上記特定ステップを含む溶接方法によれば、上述した通り、特定ステップにおいて効果的にナゲット４を拡大させることが可能であり、アルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を効果的にかつ効率良く高めることが可能となる。なお、特定ステップ（第２ステップＳ２）の電流値を、最終ステップ（第４ステップＳ４）の電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップ（第１ステップＳ１）対して増加させているのは、２０％未満ではナゲットＲの拡大が緩慢になり、４０％を超えると、アルミニウム系材１の過剰加熱によりチリが発生し易くなるためである。
【実施例】
【００３１】
次に、上述した溶接方法（図２）を用いてアルミニウム系材１と鋼材２とを抵抗スポット溶接した実施例１、２の溶接結果と、図３に示すように、単に、各ステップの電流値を一定値ずつ段階的に増加させて抵抗スポット溶接した比較例１、２の溶接結果と、実施例１と同様の溶接方法（図２）ではあるが、第１ステップＳ１に対する電流値の増加分が第４ステップＳ４の電流値の４０％を超えるように第２ステップＳ２の電流値を設定して抵抗スポット溶接を行った比較例３の溶接結果について、表１を用いて説明する。
【００３２】
実施例１、２及び比較例１〜３では、アルミニウム系材１として、板厚０．９ｍｍの板状のＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）材を用い、鋼材２として、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキが施された板状の鋼材（亜鉛めっき鋼板（ＧＡ））と板厚１．４ｍｍの板状の非めっき鋼材を用いた。そして、実施例１及び比較例１、３では、アルミニウム系材１と亜鉛めっき鋼板（鋼板２０）とを各一枚重ね合わせてこれらを溶接し、実施例２及び比較例２では、アルミニウム系材１、亜鉛めっき鋼板（鋼板２０）及び非めっき鋼板（鋼板２０）を、鋼材２同士が隣接するように重ね合わせてこれらを溶接し、各々の溶接結果として、各接合試験体のせん断方向の引張強度（試験速度１０ｍｍ／ｍｉｎ）と、アルミニウム系材１のチリの発生状況とを調べた。
【００３３】
なお、各実施例１、２及び比較例１〜３の各ステップＳ１〜Ｓ４における電極３ａ，３ｂの挟持圧力は略４．９ｋＮである。また、各ステップＳ１〜Ｓ４の各通電時間ｔ１、および通電停止時間ｔ０は同じであり、表１には、各ステップＳ１〜Ｓ４の電流値Ｉ１〜Ｉ４と、通電時間ｔ１と、通電停止時間ｔ０の具体的な値を示している。また、表１において、引張強度におけるＮ１〜Ｎ３は、それぞれ、異なる試験体の値である。
【００３４】
表１に示されるように、各ステップＳ１〜Ｓ４の電流値Ｉ１〜Ｉ４を段階的に増加させて抵抗スポット溶接を行う実施例１及び比較例１の溶接方法では、チリの発生を伴うことなくアルミニウム系材１と鋼材２とを良好に接合することができた。しかし、本発明の溶接方法（図２）に基づく実施例１によれば、単に、各ステップＳ１〜Ｓ４の電流値Ｉ１〜Ｉ４を一定値ずつ段階的に増加させて抵抗スポット溶接した比較例１のものに比べて高い引張強度を得ることができた。これは、実施例１と比較例１とは共にステップ数が４であるが、上述の通り、実施例１は、第２ステップＳ２の電流値が、第４ステップＳ４の電流値の２０〜４０％分だけ第１ステップＳ１に対して増加するように設定されていることで、当該第２ステップＳ２においてナゲット径Ｒの拡大が効果的に促進されたものと考察することができる。この点は、表１に示されるように、３枚の板材１，２を抵抗スポット溶接した実施例２および比較例２との関係においても同様である。
【００３５】
一方、第２ステップＳ２の電流値が、第４ステップＳ４の電流値の５８．８％（１０ｋＡ）分だけ第１ステップＳ１に対して増加するようにした比較例３の場合には、表１に示されるように、チリが発生し、第１実施例や第１比較例に比して低い引張強度しか得ることができなかった。これは、第１ステップＳ１から第２ステップＳ２への電流値の増加が大きすぎ、第２ステップＳ２におけるアルミニウム系材１の加熱量が過剰となった結果、チリが発生し、これに伴いアルミニウム系材１と鋼材２との接合面積が減少したためと考えられる。
【００３６】
【表１】
2014221479.tif 000003
【００３７】
以上のように、複数のステップに分けて断続的に、かつ電流値が段階的に増加するように前記電極３ａ，３ｂに対して電流を供給するとともに、これら複数のステップの一つに、最終ステップにおける電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップ（特定ステップ）を含み、さらに、当該特定ステップの電流値が、第４ステップ４の電流値の略８０〜９０％の値となるように、各ステップの電流値を設定している本発明の溶接方法によれば、上記のように、ナゲット径Ｒの拡大を効果的に促進させることができ、従って、アルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を効果的にかつ効率良く高めることができる。
【００３８】
なお、上述した溶接方法は、本発明にかかる溶接方向の好ましい実施形態の例示であって、その具体的な方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００３９】
例えば、上記溶接方法では、特定ステップ（最終ステップにおける電流値の２０〜４０％分だけ直前のステップに対して電流値が増加するステップ）は第２ステップＳ２であるが、他のステップ（例えば第３ステップ）を特定ステップとしてもよい。但し、第２ステップＳ２を特定ステップとすれば、溶接作業の初期段階でナゲット４を効果的に拡大させることが可能となるため、溶接作業を通じてナゲット４の拡大が緩慢になることを防止して、アルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を効果的に高めることが可能となる。
【００４０】
また、上記溶接方法における通電時間、通電停止時間、溶接電流値、電流供給ステップ数は上記実施形態の値に限らない。ただし、アルミニウム系材１の過剰な加熱を確実に抑制するためには、通電電流値をある程度低く抑えるのが好ましい。具体的には、通電電流値を２０ｋＡ以下、より好ましくは１７．５ｋＡ以下に抑えれば、アルミニウム系材１の過剰な加熱に伴うアルミニウム系材１の変形等を確実に抑えることができることが分かっている。また、接合強度を確保するためには、電流供給ステップ数を３以上とすることが好ましい。また、各ステップの通電時間（ｔ１）やステップ間の通電停止時間（ｔ０）を一定にすれば、電極３ａ，３ｂに対する簡単な通電制御で安定的にアルミニウム系材１と鋼材２との接合強度を高めることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  アルミニウム系材
２  鋼材
３ａ，３ｂ  電極
４  ナゲット
Ｒ  ナゲット径
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014221479.tif 000006