(57)【要約】【課題】  溶融亜鉛めっき鋼板を連続してスポット溶接する場合において、めっき鋼板の外観や加工性等を損なうことなく電極寿命を向上させることができる溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接方法を提案する。【解決手段】  少なくとも一方の鋼板表面に片面当たりの目付量が30g／m2以上の溶融亜鉛めっき層を有し、鋼板母材の500℃における荷重50ｇで測定したビッカース硬さが70以上である溶融亜鉛めっき鋼板を、電極先端径が８mmφ以下で、電極先端の当たり面が凸曲面である円錐台形電極を用いてスポット溶接する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の鋼板表面に片面当たりの目付量が30g／m2以上の溶融亜鉛めっき層を有し、鋼板母材の500℃における荷重50ｇで測定したビッカース硬さが70以上である溶融亜鉛めっき鋼板を、電極先端径が８mm以下で、電極先端が凸曲面である円錐台形電極を用いてスポット溶接することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板表面に溶融亜鉛めっき層を形成した溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接技術に関し、特に、溶接部の強度を確保するのに必要なナゲット径が安定して得られる、電極寿命の長いスポット溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車車体の外板に用いられている引張強度が270〜440 MPaクラスの鋼板には、車体寿命の向上を目的として、鋼板母材の表面に耐食性に優れた溶融亜鉛めっき層を形成させた溶融亜鉛めっき鋼板が多く使用されている。しかしこの溶融亜鉛めっき鋼板は、連続してスポット溶接する場合には電極の消耗が激しく、連続打点数が少ない、即ち、電極寿命が短いという問題がある。特に、優れた加工性（プレス性）が要求される溶融亜鉛めっき鋼板の場合には、適正なナゲット径を得るのに必要な溶接電流が大きくなるため、電極寿命が著しく短い。
【０００３】
すなわち、溶融亜鉛めっき鋼板のめっき層の融点は、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の亜鉛と鉄の合金を主体とするめっき層の融点より低いため、めっき層が容易に溶融してスポット溶接の通電経路が拡大する結果、溶接電流密度が低下し、ナゲットの形成に必要な溶接電流が大きくなる傾向がある。また、電極の素材である銅とめっき層の亜鉛(鉄と合金化していない亜鉛)とは合金を形成するため、電極と溶融亜鉛めっき鋼板との溶着が起こりやすく、電極先端の合金化とその剥離によって電極の損耗が著しい。さらに、溶融亜鉛めっき溶融亜鉛めっき鋼板では、めっき層中のFeの拡散を抑えて合金化を抑制するために、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の場合より多い量のAlをめっき層中に含有させているため、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の場合に形成されるような酸化物層が電極表面には生じない。そのため、溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接における電極寿命は、合金化溶融亜鉛めっき鋼板より著しく劣るといわれている。
【０００４】
上記の問題点を解決するために、例えば、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の表面にZnＯを主体とする酸化皮膜を付与することで電極寿命を改善しようとする技術（例えば、特許文献１参照。）や合金化溶融亜鉛めっき表面のZn量、Al2Ｏ3量を規定した鋼板を用いる技術（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。しかしながら、これらの技術は、めっき層の改善のみで溶接性を改善しようとするものであり、めっき層が容易に溶融する溶融亜鉛めっき鋼板の場合には大きな効果が期待できないという問題がある。
【０００５】
また、溶融亜鉛めっき層中のAl量を低減することにより電極寿命の改善を図る技術（例えば、特許文献３参照。）も提案されているが、Al量の低減は、硬くて脆い合金層の発達を促進するため、めっき性状の劣化を招くという問題がる。
【特許文献１】特開昭63-230861号公報
【特許文献２】特開平10-330902号公報
【特許文献３】特開平04-021750号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、溶融亜鉛めっき鋼板の電極寿命の改善は、まだまだ不十分であり、自動車のホワイトボディの組立溶接ラインにおいては、溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接に用いる電極は、頻繁に交換せざるを得ない。そのため国内では、溶融亜鉛めっき鋼板は、スポット溶接の電極寿命が重視される自動車外板用にはほとんど用いられていない。そこで、溶融亜鉛めっき鋼板を有効に利用するためにも、スポット溶接の電極寿命の改善技術が望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、溶融亜鉛めっき鋼板を連続してスポット溶接する場合において、めっき鋼板の外観や加工性等を損なうことなく電極寿命を向上することができる溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記従来技術が抱える問題点を解決するため、溶融亜鉛めっき鋼板の電極寿命に及ぼす諸因子として、めっき組成、鋼板母材特性、電極の組成や形状などに注目し、総合的な検討を行った。その結果、鋼板母材の高温硬さを制限したうえで、電極形状を好適なものとすることにより、電極寿命を改善できることを見出し、本発明を開発するに至った。
【０００９】
上記知見に基づき開発された本発明は、少なくとも一方の鋼板表面に片面当たりの目付量が30g／m2以上の溶融亜鉛めっき層を有し、鋼板母材の500℃における荷重50ｇで測定したビッカース硬さが70以上である溶融亜鉛めっき鋼板を、電極先端径が８mm以下で、電極先端が凸曲面である円錐台形電極を用いてスポット溶接することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶融亜鉛めっき鋼板を連続してスポット溶接しても、十分な電極寿命を得ることができる。さらに、溶融亜鉛めっき鋼板と合金化溶融亜鉛めっき鋼板とを同じ組立溶接ラインで施工することもできるので、生産性の向上に大いに寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接においては、めっき層の融点が低いために通電経路が拡大し、適正なナゲット径を得るのに必要な溶接電流が大きくなるため、また、電極の素材である銅とめっき層の亜鉛とが損耗し易い合金を形成するため、電極寿命が著しく短くなること、また、めっき層中のAl量の低減は、電極寿命の改善には有効であるものの、合金化を促進し、めっき性状の劣化を招くことは先述した通りである。そこで、めっき層中のAl量が片面当たりの目付量で0.23g/m2を超えるような、Alの多い場合であっても良好な電極寿命が得られる溶融亜鉛めっき鋼板及び電極について検討を行った。その結果、上述した本発明の構成に想到したのである。以下、本発明について、説明する。
【００１２】
電極形状：円錐台形かつ先端径が８mmφ以下
発明者らは、電極寿命の延長を図るためには、電極の損耗を抑制することと、ナゲット形成能を向上することが有効であるとの考えから、損耗速度を低減するのに有効な電極形状について検討した。その結果、溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接に用いられる電極は、従来から多く用いられている球面形(ドームラジアス形)の電極形状ではなく、図１に示すような円錐台形である必要があることがわかった。この理由は、球面形の電極では、電極が溶融亜鉛めっき鋼板に容易に沈み込み(食い込み)を起こすため、通電面積が容易に増加して電流密度の低下を招くが、この電流密度の低下をカバーするためには、大きな溶接電流が必要となり、結果として電極の損耗速度を速めることになるからである。これに対して、円錐台形電極では、電極の沈み込みが少なく、また、損耗したときの径の拡大が小さいため、電極の損耗を小さく抑えることができる。
【００１３】
さらに、従来の円錐台形電極は、図１にθで示した先端角度は、90〜120°のものが用いられていた。しかし、θが90°以上では、上記と同じ理由により電極の損耗にともなう通電面積が変化量（増加量）が大きい、すなわち通電面積の安定性に劣るため小さい方が好ましく、90°未満であることがさらに好ましい。また、この円錐台形の先端径は、８mmφ以下である必要がある。これは、先端径が８mmを超えると、電極を溶融亜鉛めっき鋼板に押し付ける加圧力が通常の溶接機では不足するという問題があるからである。一方、最小径は、板厚0.8mm程度の溶融亜鉛めっき鋼板を溶接して良好なナゲット径を得るためには、５mmφ以上であることがより好ましい。
【００１４】
さらに、本発明においては、当たり面となる電極先端は、凸な曲面、加工の容易さからは、30〜100mmの曲率半径の球面とすることが好ましい。というのは、電極を取換えた時の電極の当たり面は、溶融亜鉛めっき鋼板の表面に対して必ずしも平行にセットされるわけではないため、電極先端の当たり面が平面であると、電極先端と溶融亜鉛めっき鋼板との接触面積が小さくなり、良好なナゲット径が得られないことが多い。そのため、電極を何回もセットし直す必要があり、連続して流れる生産ラインにおいては、生産性を阻害する要因の１つとなっている。この点、電極先端の当たり面を凸な曲面とした場合には、上記問題点を解消することができるので、１回の電極取換えのみで当初から所期したナゲット径の溶接接合体を得ることができるからである。この球面の曲率半径は、30mm未満の場合には、曲率が大きすぎて、電極と溶融亜鉛めっき鋼板との接触面積を十分に確保することが難しくなる。一方、上限の100mmを超える場合には、電極のセットやり直しを回避する効果が電極先端が平面の場合と同じとなり、問題点を解消できない。なお、上記の上限は、溶接機のキャップとアダプタとの和に近い値とするのがよく、汎用される溶接機では、前記和は100mm程度である。よって、電極先端の当たり面を球面とする場合には、30〜100mmの曲率半径とすることが好ましい。
【００１５】
次に、発明者らは、被溶接材である溶融亜鉛めっき鋼板ついての検討を行い、ナゲット形成能の向上のためには、以下の条件を満たす必要があることを見出した。
亜鉛めっき目付量：片面当たり30g／m2以上
まず、本発明の条件を満たす溶融亜鉛めっき鋼板は、その目付量は、30g／m2以上である必要がある。目付量が、30g／m2未満では、溶融亜鉛めっき鋼板としての耐食性が不十分だからである。好ましくは、50g／m2以上である。なお、めっき層が形成されている面は、鋼板の２つある表面のうち、両面が一般的であるが、用途によっては片面のみとしてもよい。
【００１６】
500℃における高温硬さ：Ｈv(50g)≧70
スポット溶接でナゲットを形成するためには、電極の沈み込みが起こり難い、引張強度が高い母材鋼板の方が有利である。つまり、電極寿命向上ためには高強度鋼板の方が有利であると考えられる。しかし、発明者らの調査では、軟鋼に近い引張強度440MPa以下の溶融亜鉛めっき鋼板の場合には、室温での強度と電極寿命とは必ずしも相関がないことがわかった。
【００１７】
そこで、円錐台形状の電極(呼び径：16mm、先端角度θ：90°、電極先端径：５mmφ)を用いて、室温での引張強度が270〜440MPaクラスの両面をめっきした溶融亜鉛めっき鋼板を対象として、電極寿命に及ぼす鋼板母材の高温強度の影響について調査した。なお、全ての溶融亜鉛めっき鋼板は、硬くて脆い合金層の発達はないなど、めっき性状の良好なものを用いた。ここで、高温強度は、500℃における硬さで評価することとし、この高温硬さには、鋼板母材の断面を測定面とし、高温硬さ計を用いて、Ar雰囲気炉中で500℃まで昇温し、荷重50gで測定したビッカース硬さを用いた。測定の詳細は、JIS Z 2252に準拠した。また、電極寿命は、連続打点数が2000回以上を良(○)、2000回未満を不良(●)として評価した。結果を、図２に示す。この図から明らかなように、500℃における高温硬さが70以上であれば、連続打点数が2000回以上の良好な電極寿命が得られることがわかった。
【実施例１】
【００１８】
図１に示す形状を有する呼び径が16mm、先端角度θが90°、電極先端径が５mmφである本発明の条件を満たす円錐台電極を用いて、表１に示すＡ〜Ｈの溶融亜鉛めっき鋼板のスポット溶接実験を行い、連続打点数を測定した。実験は、各溶融亜鉛めっき鋼板を２枚重ね、加圧力：2000Ｎ、加圧時間：30サイクル(１サイクルは１/50秒、以下同じ)、通電時間：10サイクル、保持時間：５サイクル、打点間隔：２秒以下の条件とした。なお、電極寿命は、100打点毎に別途用意したナゲット径測定用の試験片（25×80mm）に３点の溶接を行い、その溶接部を剥離して測定したナゲット径が、必要な溶接部の強度を得ることができる下限の４√ｔ未満（ｔ：板厚）になる直前の累積打点数で判断した。すなわち、連続打点数は、100打点単位で評価した。また、参考例として、従来のドームラジアス形電極（呼び径：16mm、電極先端Ｒ：40mm）を用いた溶接実験も行った。なお、Ｒは、JIS C 9304の定義による。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表２に溶接実験の結果をまとめて示す。本発明の条件を満たす電極を用い、本発明の条件である500℃における高温硬さＨv(50g)≧70を満たすNo.Ａ〜Ｅの溶融亜鉛めっき鋼板を溶接したNo.１〜５の場合には、連続打点数が2000以上と良好な電極寿命が得られた。これに対して、高温硬さがＨv(50g)＜70であるNo.Ｆ〜Ｈの溶融亜鉛めっき鋼板を溶接したNo.６〜８の場合では、連続打点数が2000に達せず、不十分な電極寿命であった。一方、ドームラジアス形電極を用いたNo.９〜１３の場合には、本発明の条件を満たす溶融亜鉛めっき鋼板であっても、連続打点数が2000に達しなかった。
【００２１】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、自動車の組立溶接ラインをはじめとするスポット溶接を用いる分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の条件を満たす電極形状を示す図である。
【図２】鋼板母材の高温硬さと、電極寿命との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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