(57)【要約】【課題】非破壊検査により、スポット溶接の良否判定が行える方法の提供【解決手段】スポット溶接を行う少なくとも一方の電極に、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成した電極を用い、スポット溶接を行い、スポット溶接により前記窪みに対応して金属体表面に形成された溶接痕の形状に基づいてスポット溶接の良否を判定する。【選択図】図７
2007130659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット溶接を行う少なくとも一方の電極に、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成した電極を用い、
スポット溶接を行い、スポット溶接により前記窪みに対応して金属体表面に形成された溶接痕の形状に基づいてスポット溶接の良否を判定することを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項２】
前記少なくとも一方の電極の電極面中心部に形成される窪みは最深部にマーカーが形成されており、前記溶接痕の頂部に前記マーカーに対応したマークが形成されたか否かで、スポット溶接の良否を判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接方法。
【請求項３】
電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成したことを特徴とするスポット溶接用電極。
【請求項４】
前記窪みの最深部にマーカーを設けたことを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接の良否判定電極。
【請求項５】
前記マーカーは、平坦面で形成したことを特徴とする請求項４に記載のスポット溶接用電極。
【請求項６】
前記電極面に形成する窪みは、窪みの周縁部にＲを付けて、電極面から滑らかに窪ませたことを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスポット溶接方法およびスポット溶接用電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、ナゲット径でスポット溶接の強度を評価することが知られている。具体的手法としては、スポット溶接された２枚の鋼板の間にタガネを圧入してスポット溶接部を剥がし、ナゲット径を直接計測するいわゆるタガネ検査や、スポット溶接部を切断してナゲット径を直接計測する切断検査などの個別破壊計測が行なわれている。
【０００３】
また、スポット溶接に関する非破壊計測技術としては超音波を利用したもの（特開昭６２−１１９４５３号、特開平４−２６５８５４号）、振動を利用したもの（特開平９−１７１００７号）、断続光照射に伴う音波を検出するもの（特開平３−２６５９号）、溶接電極から発した弾性波の反射波を検出するもの（特開平４−４０３５９号）などが各種提案されている。また、特開２００１−１６５９１１号公報には、スポット溶接部に磁力線を貫通させたときに測定されるスポット溶接部のナゲット周縁での環状高インダクタンス部分の直径と、前記高インダクタンス部分とナゲット中央部における低インダクタンス部分とのインダクタンス高低落差の２つの変数を用いて、ナゲット直径の予測値としての各変数を判別式で表し、ナゲット直径の良否を区別する閾値を設定するものが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１６５９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
タガネ検査は、破壊計測したものについて、スポット溶接の強度を評価することができるが、破壊計測していないものはスポット溶接の強度を直接評価することができない。また、近年、自動車のボディー等には軽量化を図るためハイテン（高張力鋼）材が多く用いられつつあるが、ハイテン材をスポット溶接した部位は通常の鋼板を溶接した部位に比べて硬いため、製造ラインで抜き打ちによるタガネ検査を行うには不向きであった。
【０００５】
従って、非破壊検査によるスポット溶接の良否評価を行えるスポット溶接方法を確立することが望まれている。非破壊検査は特開２００１−１６５９１１号公報などに開示されているが、設備コストや作業性の面を考慮すれば、より簡単な設備でより簡単に検査でき、信頼性が高い検査方法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
図１に示すように、スポット溶接を行う一対の電極１、２のうち、一方の電極２に、電極面に窪み３を形成したものを用いてスポット溶接を行うと、図１、図２に示すように、電極２の電極面に形成した窪み３に対応して鋼板４、５（金属体）の表面に凸状の溶接痕６が形成される。本発明者らは、この凸状の溶接痕６に着目し、凸状の溶接痕６の高さと、ナゲット７の直径（ナゲット径）と、引張せん断強度（ＴＳＳ）のそれぞれの相関関係を調べた。
【０００７】
図３は、凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータの一例を、図４は凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を示すデータの一例を、図５はナゲット径と引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を示すデータの一例をそれぞれ示している。
【０００８】
この実施形態では、図２に示すように、上下一対の電極３，４のうち、上側の電極３の表面に凹部５として、所定直径（３ｍｍと５ｍｍ）の円筒形状の窪みを形成した電極を用いている。図３〜図５の相関関係図は、電極３の表面に凹部５として形成した円筒形状の窪みの直径が３ｍｍのものと、５ｍｍのもので２種類の電極でデータを取った。それぞれ加圧力は２５０ｋｇｆ（約２．４５ｋＮ）と１５０ｋｇｆ（約１．４７ｋＮ）の２通り、また電流値は５ｋＡ〜１３ｋＡの間で変え、通電時間は４cycle〜１０cycleの間で変えてスポット溶接のエネルギーを変え、凸部の高さやナゲット径、引張せん断強度（TSS）が異なる試料を作成した。また異なる条件毎に複数個ずつ試料を作成した。なお、この実施形態では、周波数６０Hzの交流でスポット溶接を行っており、cycleは通電時間を設定する単位であり、１cycleは１/６０secである。
【０００９】
その結果、図３〜図５に示すように、これらには相関関係が見られ、凸状の溶接痕６の高さからナゲット径及び引張せん断強度（ＴＳＳ）が推定できるとの知見を得た。そして、斯かる知見を基に、非破壊検査により、スポット溶接の良否判定が行える方法について以下のような発明をした。
【００１０】
すなわち、本発明に係るスポット溶接方法は、スポット溶接を行う少なくとも一方の電極に、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成した電極を用い、スポット溶接を行い、スポット溶接により前記窪みに対応して金属体表面に形成された溶接痕の形状に基づいてスポット溶接の良否を判定することを特徴としている。また、本発明に係るスポット溶接用電極は、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
このスポット溶接方法によれば、スポット溶接を行う少なくとも一方の電極に、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成した電極を用いて、スポット溶接を行っている。このため、スポット溶接の良否は溶接痕の外形形状で、溶接痕が窪みの最深部に到達したか否かを判定でき、これにより、溶接痕の外形形状でスポット溶接の良否判定が可能であり、非破壊検査によりスポット溶接の良否が判定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係るスポット溶接方法およびスポット溶接用電極を図面に基づいて説明する。
【００１３】
このスポット溶接方法では、スポット溶接を行う少なくとも一方の電極に、図６（ａ）（ｂ）に示すように、電極面１１が略凸曲面で、かつ、電極面１１の中心部に窪み１２を形成したスポット溶接の良否判定用電極１０（以下、「マーク電極」という。）を用いてスポット溶接を行う。マーク電極１０の電極面１１に形成した窪み１２は、図７に示すように、スポット溶接により良好にナゲット１３が形成された場合に、金属体としての鋼板１４の表面に形成される溶接痕１５が最深部１６に到達する所定深さに設定している。なお、図７に図示する例では、スポット溶接は、一方の電極にマーク電極１０を用い、他方に通常のスポット溶接用電極２０を用いている。
【００１４】
すなわち、斯かるマーク電極１０を用いてスポット溶接を行うと、図７に示すように、鋼板１４の表面には、マーク電極１０に対応した凸状の溶接痕１５が形成される。マーク電極１０の電極面１１に形成した窪み１２は、図７に示すように、スポット溶接により良好にナゲット１３が形成された場合に、鋼板１４の表面に形成される溶接痕１５が最深部１６に到達する所定深さに設定している。このため、スポット溶接により形成されるナゲット１３が不十分な場合には、鋼板１４の表面に形成される溶接痕１５が最深部に到達せず、スポット溶接により良好にナゲット１３が形成された場合には、鋼板１４の表面に形成される溶接痕１５が最深部に到達する。斯かる窪み１２の深さは、予め基礎実験を行うことにより、斯かる機能を奏するのに適切な深さを見出して設定するとよい。
【００１５】
ナゲット１３の形成は、重ね合わせる金属体の材質や厚さ、重ね合わせる数、電極の形状、電流、通電時間、加圧力などの条件により変わる。基礎実験では、例えば、これらの条件を変えながら、スポット溶接を行い、タガネ検査等の個別破壊計測により良好にナゲット７が形成される場合の溶接痕１５の高さを見出し、マーク電極１０の電極面１１の中心部に形成する窪み１２について適切な深さを見出すとよい。
【００１６】
また、この実施形態では、マーク電極１０の電極面１１に形成する窪み１２は、図６（ａ）に示すように、窪み１２の周縁部にＲを付けて、電極面１１から滑らかに窪ませている。これにより、スポット溶接の際、マーク電極１０の窪みに沿って、鋼板１４の表面が滑らかに隆起していき、通電面積（電極の接触面積）が急激に変化した場合に生じる散り（溶融金属が飛び散る現象）を防止することができる。このように散りが生じにくい構造を採用することにより、通電する電流値を大きくすることが可能になり、スポット溶接を良好に行うことができる。
【００１７】
また、マーク電極１０は窪み１２の最深部１６にマーカーを設けてもよい。マーク電極１０は窪み１２の最深部にマーカーを設けることにより、溶接痕１５の頂部に、マーカーに対応したマークが形成されたか否かで、スポット溶接の良否を判定することができるので、スポット溶接の良否判定が容易になる。
【００１８】
例えば、図６（ａ）（ｂ）に示すマーク電極１０は、窪み１２の最深部１６にマーカーとして平坦面１７を形成している。この場合、図７に示すように、溶接痕１５の頂部に、マーク電極１０の窪み１２に形成したマーカーとしての平坦面１７に対応した平坦面１８が形成されたか否かで、スポット溶接の良否を判定することができる。
【００１９】
また、マーカーは、図８に示すように、凸起２１で形成してもよい。この場合、図９に示すように、溶接痕１５の頂部に、マーカーとしての凸起２１に対応した凹み２２が形成されたか否かで、スポット溶接の良否を判定することできる。
【００２０】
また、マーカーは、図１０に示すように、凹み２３で形成してもよい。この場合、図１１に示すように、溶接痕１５の頂部に、マーカーとしての凹み２３に対応した凸起２４が形成されたか否かで、スポット溶接の良否を判定することができる。
【００２１】
図６（ａ）、図８、図１０に示すようにマーク電極１０の窪み１２にマーカー１７、２１、２３を設けることにより、図７、図９、図１１に示すように溶接痕１５の頂部に対応するマーク１８、２２、２４が形成されるので、スポット溶接の良否判定が容易になる。スポット溶接の良否判定は、作業者の目視で行ってもよいが、溶接痕の形状をＣＣＤカメラなどの撮影装置で撮影し、コンピュータによる画像処理により、形状マッチングを行って判定するようにしてもよい。この際、図６、図８、図１０に示すようなマーカー１７、２１、２３を設けることにより、図７、図９、図１１に示すように溶接痕１５の頂部に対応するマーク１８、２２、２４が形成されるので、コンピュータによる画像処理により、形状マッチングを行って判定をする場合においても、画像処理においてマーク１８、２２、２４を識別すればよく、画像処理が比較的容易になり、スポット溶接の良否判定の精度を向上させることができる。
【００２２】
以下、本発明者らが行った一実施例を説明する。本発明者らは、図７に示すように、ＳＰＣ５９０、厚さ１．２ｍｍの鋼板１４ａ、１４ｂを２枚重ね、これを上下一対の電極１０、２０で挟み、４００ｋｇｆで加圧し、１６cycleで通電した場合に、溶接電流値と、ナゲット径の関係を調べた。上下一対の電極１０、２０は、一方にマーク電極１０を用い、他方に通常の電極２０を用いている。
【００２３】
通常の電極２０には、図１２（ｂ）に示すように、直径が１６ｍｍの電極で、先端の周縁部をＲ８の曲面とし、先端の中央部を直径１０ｍｍの領域をＲ１５の曲面として電極面２１を形成したものを用いた。マーク電極１０は、図１２（ａ）に示すように、直径が１６ｍｍの電極で、先端の周縁部をＲ８の曲面とし、先端の中央部を直径１０ｍｍの領域をＲ１５の曲面として電極面１１を形成している。マーク電極１０の電極面１１の中央部には、直径６．２ｍｍの領域に窪み１２を形成している。窪み１２の中央部に形成される最深部１６は、マーカーとして、深さを１．４ｍｍ、直径２．０ｍｍの平坦面１７を形成している。窪み１２は、窪み１２の周縁部および最深部１６の平坦面１７に掛けて、Ｒを付けて電極面１１から全体として滑らかに窪ませている。
【００２４】
試験は、上記の条件で、溶接電流値を変えて、スポット溶接を行い、切断検査などの個別破壊計測によりナゲット径を調べた。斯かる試験による溶接電流値とナゲット径との関係を図１３に示す。図１３中、黒抜きのプロット点ａは溶接痕の頂部にマーカー１７に対応したマークが形成できなかったものであり、白抜きのプロット点ｂは溶接痕の頂部にマーカー１７に対応したマークが形成されたものである。黒抜きプロット点ａではナゲット径も小さく、良好なスポット溶接とは言えない程度であるが、白抜きプロット点ｂでは、ナゲット径も十分に大きく良好なスポット溶接と言える。なお、白抜き星印のプロット点ｃは、溶接中にチリが発生したものであり、溶接電流値が高過ぎたものと考えられる。
【００２５】
また、この試験では、上下一対の電極にそれぞれ通常の電極２０を用いる場合に比べて、少なくとも一方の電極に上記のマーク電極１０を用いてスポット溶接を行う場合には、チリやスパッタが発生する条件が緩和されることがわかった。すなわち、マーク電極１０は、電極面１１の中央部に電極面１１から滑らかに窪んだ窪み１２が形成されているので、通電初期の接触面積が円形で接触面積が稼げる点、および、通電が開始され、鋼板１４が加熱されて表面が軟化されるとそれに応じて接触面積が増えていく。このためスポット溶接における散りやスパッタの発生も極めて低いレベルに抑えることができると考えられる。このように上記のマーク電極１０を用いると、チリやスパッタが発生しにくくなるので、溶接電流値を高く設定でき、溶接電流値を高く設定することにより良好なナゲットが形成され、良好なスポット溶接が行える。
【００２６】
以上、本発明の一実施形態に係るスポット溶接方法およびスポット溶接の良否判定用電極を説明したが、本発明に係るスポット溶接方法およびスポット溶接の良否判定用電極は上記の実施形態に限定されない。
【００２７】
例えば、マーク電極の窪みの最深部に形成するマーカーは上述した実施形態で例示したものに限定されず、他の形態を採用することができる。また、本発明に係るスポット溶接方法およびスポット溶接の良否判定用電極は、ダイレクトスポット溶接、インダイレクトスポット溶接、シリーズスポット溶接など、種々のスポット溶接に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】電極面に窪みを形成した電極を用いてスポット溶接を行う基礎実験を示す概略図。
【図２】凸状の溶接痕の縦断面図。
【図３】スポット溶接により形成される凸部の高さとナゲット径との相関関係の一例を示す図である。
【図４】スポット溶接により形成される凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係の一例を示す図である。
【図５】ナゲット径と引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明の一実施形態に係るスポット溶接の良否判定用電極を示す部分縦断面図。（ｂ）は本発明の一実施形態に係るスポット溶接の良否判定用電極の底面図。
【図７】スポット溶接において凸状の溶接痕が形成される状態を示す図。
【図８】本発明の他の実施形態に係るスポット溶接の良否判定用電極を示す部分縦断面図。
【図９】図８に示すスポット溶接の良否判定用電極を用いて形成された凸状の溶接痕を示す縦断面図。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るスポット溶接の良否判定用電極を示す部分縦断面図。
【図１１】図１０に示すスポット溶接の良否判定用電極を用いて形成された凸状の溶接痕を示す縦断面図。
【図１２】一実施例の試験で用いた上下一対の電極を示す縦断面図であり、（ａ）はマーク電極を示し、（ｂ）は通常の電極を示す。
【図１３】一実施例の試験で得られた溶接電流値とナゲット径との関係を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１０   マーク電極（スポット溶接の良否判定用電極）
１１   電極面
１３   ナゲット
１４   鋼板（金属体）
１５   溶接痕
１６   最深部
１７   平坦面（マーカー）
１８   平坦面（マーク）
２０   スポット溶接用電極
２１   凸起（マーカー）
２２   窪み（マーク）
２３   窪み（マーカー）
２４   凸起（マーク）
【図１】
2007130659.tif 000003
【図２】
2007130659.tif 000004
【図３】
2007130659.tif 000005
【図４】
2007130659.tif 000006
【図５】
2007130659.tif 000007
【図６】
2007130659.tif 000008
【図７】
2007130659.tif 000009
【図８】
2007130659.tif 000010
【図９】
2007130659.tif 000011
【図１０】
2007130659.tif 000012
【図１１】
2007130659.tif 000013
【図１２】
2007130659.tif 000014
【図１３】
2007130659.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月25日(2005.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
前記窪みの最深部にマーカーを設けたことを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接電極。
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月1日(2006.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
図１に示すように、スポット溶接を行う一対の電極１、２のうち、一方の電極１に、電極面に窪み３を形成したものを用いてスポット溶接を行うと、図１、図２に示すように、電極１の電極面に形成した窪み３に対応して鋼板４、５（金属体）の表面に凸状の溶接痕６が形成される。本発明者らは、この凸状の溶接痕６に着目し、凸状の溶接痕６の高さと、ナゲット７の直径（ナゲット径）と、引張せん断強度（ＴＳＳ）のそれぞれの相関関係を調べた。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この実施形態では、図１に示すように、上下一対の電極１，２のうち、上側の電極１の表面に凹部３として、所定直径（３ｍｍと５ｍｍ）の円筒形状の窪みを形成した電極を用いている。図３〜図５の相関関係図は、電極１の表面に凹部３として形成した円筒形状の窪みの直径が３ｍｍのものと、５ｍｍのもので２種類の電極でデータを取った。それぞれ加圧力は２５０ｋｇｆ（約２．４５ｋＮ）と１５０ｋｇｆ（約１．４７ｋＮ）の２通り、また電流値は５ｋＡ〜１３ｋＡの間で変え、通電時間は４cycles〜１０cyclesの間で変えてスポット溶接のエネルギーを変え、凸部の高さやナゲット径、引張せん断強度（TSS）が異なる試料を作成した。また異なる条件毎に複数個ずつ試料を作成した。なお、この実施形態では、周波数６０Hzの交流でスポット溶接を行っており、cycleは通電時間を設定する単位であり、１cycleは１/６０secである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
以下、本発明者らが行った一実施例を説明する。本発明者らは、図７に示すように、ＳＰＣ５９０、厚さ１．２ｍｍの鋼板１４ａ、１４ｂを２枚重ね、これを上下一対の電極１０、２０で挟み、４００ｋｇｆで加圧し、１６cyclesで通電した場合に、溶接電流値と、ナゲット径の関係を調べた。上下一対の電極１０、２０は、一方にマーク電極１０を用い、他方に通常の電極２０を用いている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
試験は、上記の条件で、溶接電流値を変えて、スポット溶接を行い、切断検査などの個別破壊計測によりナゲット径を調べた。斯かる試験による溶接電流値とナゲット径との関係を図１３に示す。図１３中、黒抜きのプロット点ａは溶接痕の頂部にマーカー１７に対応したマークが形成できなかったものであり、白抜きのプロット点ｂは溶接痕の頂部にマーカー１７に対応したマークが形成されたものである。黒抜きプロット点ａではナゲット径も小さく、良好なスポット溶接とは言えない程度であるが、白抜きプロット点ｂでは、ナゲット径も十分に大きく良好なスポット溶接と言える。なお、白抜き星印のプロット点ｃは、溶接中に散りが発生したものであり、溶接電流値が高過ぎたものと考えられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、この試験では、上下一対の電極にそれぞれ通常の電極２０を用いる場合に比べて、少なくとも一方の電極に上記のマーク電極１０を用いてスポット溶接を行う場合には、散りが発生する条件が緩和されることがわかった。すなわち、マーク電極１０は、電極面１１の中央部に電極面１１から滑らかに窪んだ窪み１２が形成されているので、通電初期の接触面積が円形で接触面積が稼げる点、および、通電が開始され、鋼板１４が加熱されて表面が軟化されるとそれに応じて接触面積が増えていく。このためスポット溶接における散りの発生も極めて低いレベルに抑えることができると考えられる。このように上記のマーク電極１０を用いると、散りが発生しにくくなるので、溶接電流値を高く設定でき、溶接電流値を高く設定することにより良好なナゲットが形成され、良好なスポット溶接が行える。