(57)【要約】      （修正有）【課題】接合強度を確保できる異種金属材の抵抗スポット溶接方法を提供する。【解決手段】板材を互いに重ね合わせた状態で一対の電極により挟持し当該電極への通電により抵抗スポット溶接する際に、複数のステップに分けて断続的に、通電量の増減を繰り返して電流を供給する。各ステップは、ステップＡにて材料を軟化し、ステップＢの通電にて異種金属材を密着させ、ステップＣにてナゲットを生成又は増加させて溶接するものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気抵抗が異なる異種金属材を互いに重ね合わせた状態で一対の電極により加圧するとともに、当該電極への通電により溶接する溶接方法であって、一点の溶接において前記電極に複数回のステップに分けて断続的に電流を供給する通電工程を有し、上記通電工程はステップＡ、ステップＢ、ステップＣの順に構成され、  上記ステップＡが、金属材の少なくとも一方の金属が軟化に要する通電量以上となるように通電する通電ステップであり、上記ステップＢが、少なくとも通電していて、かつ上記ステップＡの通電量未満である通電ステップであり、上記ステップＣが、上記ステップＡの通電量以上となるように通電する通電ステップであることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項２】
請求項１において、上記各ステップに通電時間と通電停止時間を少なくとも一度ずつ含み、上記通電時間が一定であることを特徴とする、  異種金属材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記各ステップに通電時間と通電停止時間を少なくとも一度ずつ含み、上記通電停止時間が一定であることを特徴とする、  異種金属材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一において、上記異種金属材が二種の板材からなり、上記金属材の少なくとも一が軽合金であり、少なくとも一つがめっき鋼板であることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一において、上記異種金属材が三種の板材からなり、上記金属材の少なくとも一が軽合金であり、少なくとも一つがめっき鋼板であり、少なくとも一つが非めっき鋼板であることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一において、  上記の通電工程に、ステップＣより後の通電ステップの通電量はステップＣの通電量よりも大きく設定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、異種金属材の抵抗スポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、異種金属材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開発が進められている。  
【０００３】
上記抵抗スポット溶接にて接合する異種金属としてよく用いられるのは、アルミニウム系材と鋼板である。アルミニウム系材を抵抗スポット溶接する際、大きい電流を１ステップで長時間通電すると、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。
【０００４】
アルミニウム系材が過剰に加熱されてチリが発生すると、材料がチリとして揮散する。チリの揮散により、接合部のナゲットの減少や欠陥が生じるため、強度にバラツキが大きくなる。  
【０００５】
そこで、特許文献１には、アルミニウム系材とアルミニウムめっき鋼板材とを抵抗スポット溶接する技術において、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方法が開示されている。上記の効果は、断続的に電流を供給することで、電流を断っている期間にアルミニウム系材の抵抗や温度が適度に低下し、過剰な加熱が抑制されるため得られるものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４４２５１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１では、チリの発生による肉厚の減少なしに接合するための溶接方法であり、チリの減少により接合強度を上げる一定の効果が期待できる。しかし、例えば自動車等の材料として使用する場合は、さらに強度の高い、接合強度にバラツキのない接合材料が必要とされている。
【０００８】
接合強度を高めるには、ナゲットを増加させるという方法が挙げられる。ナゲットを増加させるには、通電量を多くし発熱を促す必要があるが、ナゲットが成長するとともに発熱し辛くなり、通電量を増やさなければならない。また、接合強度のバラツキを抑えるには、接合時のナゲットの量・大きさのバラツキを減らさなければならない。
【０００９】
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、更なる接合強度の向上と、バラツキのない接合強度をもつ生産性の良い異種金属材の抵抗スポット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】
【００１０】
前記課題を解決するための本発明の形態は、電気抵抗が異なる異種金属材を互いに重ね合わせた状態で一対の電極により加圧するとともに、当該電極への通電により溶接するスポット溶接方法であって、一点の溶接において前記電極に複数のステップに分けて断続的に電流を供給する通電方法であり、少なくとも一方の材料が軟化状態となるまで通電する「ステップＡ」により加熱した後、スポット電極による加圧によって材料同士の接触面を密着させるための通電である「ステップＢ」を行い、その後、更に通電加熱して、ナゲットを成長させるための通電である「ステップＣ」を行うようにしたものである。
【００１１】
すなわち、本発明の請求項1に記載の発明は、電気抵抗が異なる異種金属材を互いに重ね合わせた状態で一対の電極により加圧するとともに、当該電極への通電により溶接する溶接方法であって、一点の溶接において前記電極に複数回のステップに分けて断続的に電流を供給する通電工程を有し、上記通電工程はステップＡ、ステップＢ、ステップＣの順に構成され、  上記ステップＡが、金属材の少なくとも一方の金属が軟化に要する通電量以上となるように通電する通電ステップであり、上記ステップＢが、少なくとも通電していて、かつ上記ステップＡの通電量未満である通電ステップであり、上記ステップＣが、上記ステップＡの通電量以上となるように通電する通電ステップであることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法である。  
【００１２】
上記発明は、本発明のステップＡの通電により、電極ａ、ｂ間に位置する板材１，２は発熱し、板材１、板材２の温度が上昇し、図１に示す板材１側に小さいナゲット３が形成される。次にステップＢにより、小さいナゲット３がナゲットが増加しない程度の通電と、電極ａ、ｂの圧力により、Ｒを拡大する方向に流動するため、板材１，２の接合面積を更に広くすることができ、さらに金属の境界面に存在する微小な凹凸に入り込み板材１、２を密着させることができる。
【００１３】
また、ステップＢの通電量が小さいので、ステップＡ又はＢで生成されるナゲットは小さい。ナゲットが小さい時点で通電すると、良く発熱しナゲットが大きく生成するので、ステップＣの通電にてステップＡ又はステップＢで生成したナゲットを、効率よく増加させることができる。加えて、ステップＣで効率よくナゲットを増加させるには、少なくともステップＡ以上の電流量を通電し、小さいナゲット３の発熱をステップＡ以上にする方が好ましい。
【００１４】
上記ステップにより、板材１、２の接合強度を更に向上させることができる。なお、上記ナゲットの増加の形態として、例えばナゲットの質量の増加・径の増加・表面積の増加が挙げられる。
【００１５】
また、本発明によれば、電極に複数のステップに分けて断続的に電流を供給しているので、各材料が過剰に加熱されるのを防ぎ、チリの発生を抑制することができる。通電工程において通電が断続的であれば、通電時間や通電量を０とせずに増減を繰り返すよりも制御が簡易であり生産性が高まる。また、ここで言う通電量とは、各ステップ中に通電した単位時間当たりの通電量を含む。
【００１６】
本発明の請求項２は、上記各ステップに通電時間と通電停止時間を少なくとも一度ずつ含み、上記通電時間が一定であることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接である。  
【００１７】
本発明の請求項３は、請求項１又は２において、上記各ステップに通電時間と通電停止時間を少なくとも一度ずつ含み、上記通電停止時間が一定であることを特徴とする、  異種金属材の抵抗スポット溶接である。  
【００１８】
上記発明であれば、通電又は通電停止時間の制御が簡易にできるため、生産性のよい溶接を行うことができる。  
【００１９】
請求項１乃至３のいずれか一において、上記異種金属材が二種の板材からなり、上記金属材の少なくとも一が軽合金であり、少なくとも一つがめっき鋼板であることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法。  
【００２０】
本発明の請求項４は、請求項１乃至３のいずれか一において、上記異種金属材が三種の板材からなり、上記金属材の少なくとも一が軽合金であり、少なくとも一つがめっき鋼板であり、少なくとも一つが非めっき鋼板であることを特徴とする、異種金属材の抵抗スポット溶接方法である。  
【００２１】
上記発明であれば、鋼板に比べてチリが発生し易い軽金属を用いるためスポット溶接が難しい軽金属と鋼板の接合において、接合強度の高いスポット溶接が可能となるため、軽量で強度が高い接合材料を得ることができ自動車の車体のように軽量でかつ強度が必要で、更に生産効率向上が必要とされる金属材の溶接に最適な方法を提供することができる。また、抵抗値の異なる異種金属が複数枚の場合であっても、同様に強度の高い溶接をすることができる。
【００２２】
本発明の請求項５は、上記の通電工程に、ステップＣより後の通電ステップの通電量はステップＣの通電量よりも大きく設定することを特徴とする溶接方法。  
【００２３】
この方法によれば、連続する２つのステップ（ステップＣとステップＣより後の通電ステップ）にて、徐々に通電量を増加させるので、ナゲットを円滑に拡大させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明によれば、電気抵抗が異なる異種金属材との抵抗スポット溶接においてこれらの接合強度を確保することができる。また、密着した個所を中心にナゲットを円滑に生成・拡大させることができるため、接合具合にバラツキが少なくなり生産性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】スポット溶接方法を説明するための図である。
【図２】従来の抵抗スポット溶接方法における通電電流量のタイムチャートである。
【図３】実施例１の通電電流量を示したタイムチャートである。
【図４】実施例２の通電電流量を示したタイムチャートである。
【図５】実施例５の通電電流量を示したタイムチャートである。
【図６】実施例６の通電電流量を示したタイムチャートである。
【図７】比較例１の通電電流量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】
【００２６】
以下、本発明の、異種金属材を抵抗スポット溶接するスポット溶接方法の好ましい実施形態について説明する。  
【００２７】
図１は、本実施例に用いた抵抗スポット溶接の概略図であり、以下に抵抗スポット溶接において、電気抵抗が異なる異種金属材のうち、電気抵抗の低い方の材料でできた低抵抗の板材１と、電気抵抗の高い方の材料でできた高抵抗の板材２とを溶接する場合について説明する。  
【００２８】
まず、板材１と板材２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ａ，ｂにより挟持する。このとき、電極ａ，ｂを互いに近づく方向に押圧し、電極ａ，ｂ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ａ，ｂに電流を供給する。電極ａ，ｂへの電流の供給に伴い、板材１，２は加熱される。加熱されることで、板材１は溶融して板材２にはりつき、これら各板材１，２間にナゲット３が形成されて、板材１，２が接合される。  
【００２９】
＜実施例＞以下に、本発明の実施形態として実施例１〜６を示す。実施例１、２、３、６および比較例１、では、低抵抗の板材１として、板厚０．９ｍｍの板状のＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）材を用い、板材２として、板厚０．８ｍｍの亜鉛メッキが施された板状の鋼材（ＧＡ）を用いた。また、実施例４，５と比較例２には、板材１として、板厚０．９ｍｍの板状のＪＩＳ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）材を用い、板材２として、合金化溶融亜鉛めっき鋼板板厚０．８ｍｍの板状の鋼材（ＧＡ）と、板厚１．４ｍｍの板状の非めっきの鋼板を用いた。
【００３０】
以下に示す実施例１〜６と比較例１、２では、電流供給ステップを４回実施しており、ステップの通電時間、通電電流量と通電停止時間を制御する。
【００３１】
また、前記電極ａ，ｂが、いわゆるＲ型であって先端面が曲面を呈するものでは、大電流を必要とし装置負荷が高くなる上、チリが発生しやすくなる。そこで、この実施形態では、前記電極ａ，ｂとして、先端面が平面を呈し各材と面接触するものを用いる。例えば、その先端面が直径５〜６ｍｍ（電極の直径は１３〜１６ｍｍ）のものを用いる。溶接加圧力は、５００ｋｇｆ（４．９０ｋＮ）とした。  
【００３２】
なお、後述する実施例は、インバータ式電源を用いて電極ａ，ｂを通電した場合を示しているが、電源の種類はこれに限らない。例えば、単相交流式電源を用い、１／２サイクルの交流波の一部を通電停止状態とさせてもよい。  
【００３３】
実施例１の通電電流量を示したタイムチャートを図３に示す。図３のｔ１の通電時間内にＩ１の電流を通電するＳ１は上記ステップＡに該当し、ｔ２の通電停止時間とＩ２の電流をｔ１の時間通電するＳ２は上記ステップＢに該当し、ｔ２の通電停止時間とＩ３の電流をｔ１の時間通電するＳ３はステップＣに該当する。本実施例１では、通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を一定とし通電電流量Ｉ１〜Ｉ４を制御した。Ｓ２に示す通電がＳ１の通電量よりも少なく通電させるように、電極に電流を供給した。つまり、各ステップＳ１〜Ｓ４に供給した通電電流量Ｉ１〜Ｉ４は、Ｉ４＞Ｉ３＞Ｉ１＞Ｉ２である。  
【００３４】
実施例２の通電電流量を示したタイムチャートを図４に示す。図４のｔ１１の通電時間内にＩ１１の電流を通電するＳ１１とｔ１
１の通電時間内にＩ１２の電流を通電するＳ１２は、それぞれ上記ステップＡに該当し、ｔ１２の通電停止時間とＩ１３の電流をｔ１１の時間通電するＳ１３は上記ステップＢに該当し、ｔ１２の通電停止時間とＩ１４の電流をｔ１の時間通電するＳ１４はステップＣに該当する。本実施例２では、通電時間ｔ１１、通電停止時間ｔ１２を一定とし、Ｓ１１〜Ｓ１４の通電電流量Ｉ１１〜Ｉ１４を制御した。実施例２は、Ｓ１３の通電がＳ１２の通電量よりも少なく通電させるように、電極に電流を供給したほかは、実施例１と同様である。つまり、各ステップＳ１１〜Ｓ１４に供給した通電電流量Ｉ１１〜Ｉ１４は、Ｉ１４＞Ｉ１２＞Ｉ１１＞Ｉ１３である。  
【００３５】
実施例３は、異種金属材のうち、板材１，２と板厚１．４ｍｍの板状の非めっきの鋼板を接合したことと、板材に合わせて通電電流量の絶対値を制御した以外は、実施例１と同様である。
【００３６】
実施例４は、異種金属材のうち、板材１，２と板厚１．４ｍｍの板状の非めっきの鋼板を接合したことと、板材に合わせて通電電流量の絶対値を制御した以外は、実施例２と同様である。
【００３７】
実施例５の通電電流量を示したタイムチャートを図５に示す。図５のＩ２１の電流をｔ２１の時間通電するＳ２１は上記ステップＡに該当し、ｔ２０の通電停止時間とＩ２１の電流をｔ２２の時間通電するＳ２２は上記ステップＢに該当し、ｔ２０の通電停止時間とＩ２１の電流をｔ２３の時間通電するＳ２３はステップＣに該当する。本実施例では、通電停止時間ｔ２２と通電電流量Ｉ２１を一定とし、Ｓ２１〜Ｓ２４の通電時間ｔ２１〜２４を制御した。Ｓ２２の積算電流量がＳ２１の通電量よりも少なくなるように、通電時間を短くしたものである。つまり、各ステップＳ２１〜Ｓ２４に通電電流量Ｉ２１を供給した通電時間は、ｔ２１〜ｔ２４は、ｔ２２＜ｔ２１＜ｔ２３＜ｔ２４である。
【００３８】
実施例６の通電電流量を示したタイムチャートを図６に示す。図６のＩ３１の電流をｔ３０の時間通電するＳ３１と、Ｉ３０の電流をｔ３０の時間通電するＳ３２は、それぞれ上記ステップＡに該当し、ｔ３２の通電停止時間とＩ３０の電流をｔ３０の時間通電するＳ３３は上記ステップＢに該当し、ｔ３３の通電停止時間とＩ３０の電流をｔ３０の時間通電するＳ３４はステップＣに該当する。Ｓ３３の積算電流量とＳ３２の通電量が等しくなるように通電し、Ｓ３３の通電の前の通電停止時間ｔ３２を長くした。停止時間ｔ３２を長くすることで、Ｓ３３の通電が始まるまでにＳ３２以前の通電による熱エネルギーが逃げて板材１が冷却し抵抗値が下がる。抵抗値が下がると発熱し難くなるため、Ｓ３３通電時の板材１の実際の発熱がＳ３２より低くなり、上記ステップＢとなる。つまり、Ｓ３１に通電電流量Ｉ３１を、Ｓ３２〜Ｓ３４に通電電流量Ｉ３０を供給した。通電停止時間は、ｔ３３＜ｔ３１＜ｔ３２である。  
【００３９】
このように電流量を制御すれば、通電開始時の板材１，２の急減な温度上昇を抑制しながらトータル的な発熱量を増加させることができる。そのため、板材１の変形を抑制しながらナゲット形成を促進させることができ、結果的に、板材１，２の接合強度を高めることができる。
【００４０】
比較例１の通電電流量を示したタイムチャートを図７に示す。本比較例は、通電時間ｔ４１、通電停止時間ｔ４０を一定とし、上記ステップＢを設けず、徐々に通電電流量を上昇させたものである。つまり、各ステップＳ４１〜Ｓ４４に供給した通電電流量Ｉ４１〜Ｉ４４は、Ｉ４１＜Ｉ４２＜Ｉ４３＜Ｉ４４である。  
【００４１】
比較例２は、異種金属材のうち、板材１，２と板厚１．４ｍｍの板状の非めっきの鋼板を接合したことと、板材に合わせて通電電流量の絶対値を制御した以外は、実施例１と同様である。  
【００４２】
次に、本発明の抵抗スポット溶接方法を用いて板材１，２を抵抗スポット溶接した実施例１〜６と、電極ａ，ｂに徐々に通電電流量を上げて板材１，２を抵抗スポット溶接した比較例１、２の、引張強度を表１に示す。なお、表１において引張強度におけるｎ１、ｎ２、ｎ３は、それぞれ異なる試験片における値である。また、表１には、各実施例１〜６について、それぞれこれら電流量と通電時間と通電停止時間の具体的値を示している。
【００４３】
【表１】
2014205174.tif 000003
【００４４】
表１に示されるように、ステップＢを有する実施例１〜６において、Ａｌ/ＧＡ板組では２．７０〜２．８５ｋＮ、Ａｌ/ＧＡ/非めっき鋼板板組では３．２４〜３．２８ｋＮ程度の引張強度を示している。これに対してステップＢを有さない比較例１、２では、両比較例とも板材１のチリが生じ、Ａｌ/ＧＡ板組では２．３ｋＮ、Ａｌ/ＧＡ/非めっき鋼板板組では２．９ｋＮ程度と低い引張強度しか得ることができなかった。  
【００４５】
このように実施例１〜６では、いずれの例においても比較例１、２より高い引っ張り強度が実現されており、これは上記実施例の通電工程中にステップＢを有しているためであると考察できる。  
【００４６】
上記のように、本発明に係るスポット溶接方法によれば、高い引張強度すなわち接合強度を得ることができる。特に、通電工程において、ステップＡの後にステップＢを有することにより、板材１，２の急減な温度上昇を抑制しながら板材１と板材２の軟化したナゲット部をより密着させることができ、結果的に、板材１，２の接合強度を高めていると考えられる。  
【００４７】
ここで、上記実施例では通電を断続的に行った制御を示したが、上記通電停止時間には通電を完全に停止するのではなく、わずかな通電を行うような制御にしても良い。また、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前記に限らない。また、例えば板材１には、マグネシウム合金、チタン合金などが考えられ、板材２については、亜鉛めっき銅板等が考えられる。  
【００４８】
板材１が本実施例のようなアルミニウム系材の場合、過剰な加熱を確実に抑制するためには、通電停止時間を長くするのが好ましい。過剰な加熱に伴うアルミニウム系材の変形、厚みの減少、電極ａ，ｂへの凝着、チリの発生といった事態を回避して高い生産性を確保することができることが分かっている。また、アルミニウム系材の過剰な加熱を確実に抑制するためには、通電電流量をある程度低く抑えるのが好ましい。具体的には、通電電流量を２０ｋＡ以下、より好ましくは１７．５ｋＡ以下に抑えれば、板材１の過剰な加熱に伴うアルミニウム系材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。  
【００４９】
また、接合強度を確保するためには、断続的に電流を供給する通電工程の電流供給ステップ数を３以上とすることが好ましい。  
【００５０】
また本発明は、少なくとも一方の金属を軟化状態とするステップＡと、電極の加圧で金属の接触面をなじませるステップＢと、その後のナゲット増加を目的とするステップＣとを上記順序で有していれば良く、その具体的な通電方法は前記に限らない。例えば、前述の各実施形態に係る通電方法を組み合わせてもよい。  
【００５１】
また、上記ステップＡ、ステップＢ、ステップＣの通電回数は複数回でも良く、ステップ全体として上記効果を得られれば良い。
【符号の説明】
【００５２】
１  板材１  ２  板材２  ａ，ｂ  電極  ３  ナゲット  Ｒ  ナゲット径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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