(57)【要約】【目的】保守・管理の容易なフラット型電極を用いて抵抗スポット溶接しても、溶接部の外周部のみに溶融・凝固部が存在するようなドーナツ状ナゲットを発生させることがない鋼板の抵抗スポット溶接方法を提供する。【構成】重ね合わされた鋼板１ａ，１ｂを両側から先端がフラット形状の電極４によって挟み込み、圧力を加えた状態で電極間に溶接電流を通電して抵抗スポット溶接を行う際に、先端が必要とするナゲット径以上の直径７を有するフラット部と、そのフラット部分の外周部のみに円弧８を設けた電極４を使用する。【効果】応力集中が緩和され、電極外周部の電流密度分布が緩和される。その結果、初期に形成される溶融部の領域を広げることができ、ドーナツ状ナゲットの発生が抑制される。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた鋼板を両側から先端がフラット形状の電極によって挟み込み、圧力を加えた状態で電極間に溶接電流を通電して抵抗スポット溶接を行う際に、先端が必要とするナゲット径以上の直径を有するフラット部と、そのフラット部分の外周部のみに円弧を設けた電極を使用することを特徴とする鋼板の抵抗スポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、重ね合わされた各種鋼板をスポット溶接する際、溶接部の外周部のみにナゲットが存在するいわゆるドーナツ状ナゲットの発生を防止する抵抗スポット溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
重ね合わされた各種鋼板の抵抗スポット溶接は、前記鋼板を電極で挟み込み、圧力を加えた状態で電極間に溶接電流を通電して前記鋼板を溶融接合することによって行われる。
抵抗スポット溶接部の品質は、溶接する部位や溶接された製品の使用状態によって様々な方法で基準を決定している。例えば自動車用部品などでは、溶接に伴う溶融・凝固によって生成されたナゲット径が接合強度を左右することになるので、ナゲット径で接合強度を評価している。すなわち、上記のような基準での溶接作業では、必要なナゲット径を確保することが重要となる。
【０００３】
ところで、抵抗スポット溶接する際の電極としては、先端を円弧形状としたＤＲ型やＣＲ型，Ｒ型と、先端をフラット形状にしたフラット型のものが使用されている。先端を円弧形状としたものを使用する場合、電極再生のためのドレッシングの際に、電極先端の形状に合わせた曲率半径を有するドレッシング工具を用いる必要がある（図１のａ参照）。しかも、上下電極の円弧の先端位置や先端径が変わると溶接時の溶接電流密度も変わるため、先端位置や先端径の管理が必要となり、その測定・管理にかなりの手間を要することになる。これに対して、フラット型の場合、特殊なドレッシング工具を必要とせず（図１のｂ参照）、しかも先端径の管理のみで十分なので、比較的容易にドレッシングを行うことができる。このため、薄鋼板を抵抗スポット溶接する際の電極として、先端がフラット形状のものを使用することが多くなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先端がフラットな電極を用いて板厚の薄い、特に０．７ｍｍ未満の鋼板を抵抗スポット溶接すると、溶接開始後の初期に、図２に示すような、溶接部の外周付近にのみ溶融・凝固部２が存在するドーナツ状ナゲット３が発生する。例えば図３に示すように、板厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４を抵抗スポット溶接した場合、溶接開始後の初期にドーナツ状ナゲットが発生しているが、板厚０．７ｍｍのものを溶接した場合にはドーナツ状ナゲットは発生していない。
【０００５】
一般的に、ドーナツ状ナゲットは、電極先端の中央部分のみが大きく摩耗した場合、つまり電極寿命に達した電極で抵抗スポット溶接を実施した場合に発生しやすいと考えらており、特開平４−３７１３７１号公報では、摩耗を抑えるために抵抗スポット溶接の際の電極が材料に衝突するエネルギーを０．４Ｊ以下にすることが提案されている。
しかしながら、図３に示した結果からわかるように、ドーナツ状ナゲットは電極が寿命に達したために発生するのではなく、連続打点の初期の段階で発生している。このため、特開平４−３７１３７１号公報で提案された技術ではドーナツ状ナゲットの発生を防ぐことはできない。
【０００６】
ドーナツ状ナゲットの発生は、ナゲット径の減少が極端に多くなるような、通常の電極寿命に達したことが直接の原因ではないが、ナゲット径によって溶接部の品質を評価している場合には、基準ナゲット径を確保し難いために品質不良となる場合が多い。したがって、連続打点の初期に馴らし溶接を行う必要があり、生産効率を悪くしている。また、ドーナツ状ナゲットの発生を防止するため、高い溶接電流で抵抗スポット溶接する方法も知られているが、高溶接電流での溶接になるために電極損耗が大きくなり、電極寿命が短いと言う問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、高い溶接電流を通電することなしに、しかも保守・管理の容易なフラット型電極を用いて抵抗スポット溶接しても、溶接部の外周部のみに溶融・凝固部が存在するようなドーナツ状ナゲットを発生させることなく電極寿命を長くすることが可能で、十分な接合強度を得ることができる鋼板の抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の鋼板の抵抗スポット溶接方法は、その目的を達成するため、重ね合わされた鋼板を両側から先端がフラット形状の電極によって挟み込み、圧力を加えた状態で電極間に溶接電流を通電して抵抗スポット溶接を行う際に、先端が必要とするナゲット径以上の直径を有するフラット部と、そのフラット部分の外周部のみに円弧を設けた電極を使用することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明者等は、板厚の薄い、特に０．７ｍｍ未満の鋼板を先端がフラットな電極を用いて抵抗スポット溶接する際のドーナツ状ナゲットの発生状態について検討した。その結果、初期の溶融部分が電極中央から外れた位置に形成される場合があることと、前記位置から溶接部全体に溶融部分が成長する過程で電極からの冷却状態が大きく影響することを見出して本発明に到達した。
【００１０】
先端がフラットな形状の電極を用いて抵抗スポット溶接する場合、電極先端の外周部分の溶接電流密度が高くなることが知られている。その原因の一つとして表皮効果が挙げられている。他の原因として、外周部分での電極間の抵抗が低くなり溶接電流が流れやすくなることが考えられる。つまり、電極先端の外周部分の応力集中によりその部分の加圧力が高くなり（図４参照）、その部分の鋼板板厚方向の変形量が増加して電極間の抵抗が低くなったため、溶接電流が流れやすくなったものである。
この現象により、鋼板の板間での溶接電流は電極外周部分の位置で高くなり、そのために初期の溶融部分は電極先端の外周部分が位置する鋼板の板間に形成される。電極先端の外周部分が位置する鋼板の板間に形成された溶融部分は、その後電極の中央方向および電極先端外周部分の外側方向に成長していく。
【００１１】
また、一般的に、抵抗スポット溶接に用いられる電極は、電極と鋼板間の焼付きや溶着を防いで電極寿命を向上させるために、内側から冷却している。その冷却は、溶接電流が通電されている時間内にも行われており、鋼板の板厚が薄い場合には板間の溶融部分の成長に大きく影響することになる。
同じ発熱量になるように抵抗スポット溶接しても、板厚が厚い鋼板の場合、板厚が薄い鋼板の場合に比べて、電極による溶融部分の抜熱量が少なくなる。つまり、電極は内側で循環する冷却水によって冷却されているが、板厚が厚い場合、電極から板間までの距離が比較的長くなり、電極で冷却される領域の板厚方向で占める比率が小さくなるため、電極による溶融部分の抜熱量が少なくなる。これによって、板厚が厚い鋼板の場合は、熱量が周辺部から移動しやすくなり、溶融部が中央部まで到達して健全なナゲットを生成する（図５の上段の矢印参照）。一方、板厚が薄い場合は、板厚が薄い場合の逆で、電極で冷却される領域の板厚方向で占める比率が大きくなり、電極からの抜熱量が大きくて溶融部が中央にまで進みきれずにドーナツ状ナゲットとなる（図５の下段の矢印参照）。
【００１２】
本発明者等が調査したところ、溶接条件等によっても変わるが、通常実施されている、加圧力；１ｋＮ，通電時間；５サイクル，溶接電流；２．５ｋＡ程度の条件下では、鋼板の板厚が０．７ｍｍ以上であると、電極の冷却の影響は比較的小さく、溶融部分が電極先端外周部分から成長して健全なナゲットとなる。しかし、鋼板の板厚が０．７ｍｍに満たないと、周辺部分からの移動熱量よりも電極からの抜熱量の方が上回って溶融部分の成長が阻害され、ドーナツ状ナゲットが発生しやすくなることがわかった。
【００１３】
そこで、ドーナツ状ナゲットの発生を抑制するために、電極の冷却能力を低くすることが考えられるが、電極と鋼板間の焼付きや溶着を防止し、電極寿命を長くする観点から、電極の冷却能力を下げることはできない。
したがって、先端がフラットな形状の電極を用いて抵抗スポット溶接してもドーナツ状ナゲットを発生させないためには、電極先端のフラット部分外周部に発生する極端に高い溶接電流を和らげて初期に形成される溶融部分の領域を広げる必要があることに到達した。
【００１４】
溶接電流の分布を和らげるには、電極先端のフラット部分外周部に円弧を形成してその外周部の応力集中を緩和したり、上下電極間の距離を長くして電極間の抵抗を高くして溶接電流分布をなだらかにすればよい（図６参照）。その際、電極先端フラット部部分の直径は通電領域の大部分を占めることになるから、必要とするナゲット径以上にする必要があることは当然である。
前記図３に示した結果から、先端がフラット形状の電極を用いて抵抗スポット溶接した際、ある程度の打点以降からドーナツ状ナゲットが発生しなくなった理由を、打点を重ねることによって応力が高くなるフラット部分の外周部が摩耗して僅かな円弧が形成されたためと考えると、電極先端のフラット部分外周部に円弧を形成することに有用性があることを理解することができる。
【００１５】
【実施例】
板厚が０．５ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板を重ね合わせて抵抗スポット溶接を行った。電極として、先端のフラット部分の直径が４ｍｍで、その外周に、円弧部分がないもの、０．１ｍｍから１．０ｍｍまで曲率半径を変えた円弧部分を付与したもの、の各種を使用した。円弧部分が付与されていない電極は径が４ｍｍのものであり、例えば０．５ｍｍの円弧部分が付与された電極は５ｍｍの最大径をもつことを意味している。
溶接機には、定置型の単相交流式のものを使用した。溶接条件は、加圧力が１ｋＮ、通電時間が５サイクルであり、溶接電流は２．５ｋＡとした。なお、電極の冷却は、電極の内側に３Ｌ／ｍｉｎの冷却水を循環させて行った。
【００１６】
上記の条件で、２００打点までの連続抵抗スポット溶接を行った。
その結果、円弧部分が付与されていない４ｍｍ径の電極を使用した抵抗スポット溶接では、５０打点までドーナツ状ナゲットが発生し、良好な溶接部品質を得ることができなかった。
これに対して、円弧部分を付与した電極を使用した抵抗スポット溶接では、２００打点までドーナツ状ナゲットの発生はなく、健全なナゲットを得ることができた。
図７に示す通りである。
以上の結果から、電極のフラット部分外周部に付与する円弧部分の曲率半径は、溶接電流分布をなだらかにすればすれば幾らでも良いことがわかる。確実に円弧部を付与すると言う観点では、０．１ｍｍ以上のものとすることが好ましい。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の鋼板の抵抗スポット溶接方法により、ドレッシングが容易で、管理負担が軽いフラット型電極を用いて薄鋼板スポット溶接しても、溶接開始直後に発生しやすいドーナツ状ナゲットの発生を抑制することができたので、良好な溶接部品質を溶接開始直後から長期の打点まで確保することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極先端形状の違いによるドレッシング態様の違いを説明する図
【図２】ドーナツ状ナゲットを説明する図
【図３】連続抵抗スポット溶接における板厚に違いによるドーナツ状ナゲットの発生頻度を説明する図
【図４】先端フラット電極を用いて抵抗スポット溶接する際の電流密度と応力の分布を説明する図
【図５】板厚の違いによるドーナツ状ナゲットの成長状況を説明する図
【図６】本発明電極を用いて抵抗スポット溶接する際の電流密度と応力の分布を説明する図
【図７】各種円弧を付与した電極を用いて抵抗スポット溶接した際のドーナツ状ナゲットの発生状況を説明する図
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ：鋼板      ２：溶融・凝固部      ３：ドーナツ状ナゲット
４：電極      ５：ドレッシング工具      ６：研磨材
７：所定ナゲット径      ８：角部の円弧
【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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