(57)【要約】【課題】ナゲットのナゲット径を拡大させて高強度の溶接部を得る。【解決手段】重ね合わせた複数の金属板Ｗ１，Ｗ２に一対の電極を当接させ、この状態を維持しながら一対の電極間に通電することで、複数の金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接を行う。さらに、一対の電極のうち少なくとも一方の電極１０の先端部を金属板Ｗ１，Ｗ２の厚さ方向一方側から当接させた状態で、一方の電極１０の姿勢を変えながら、一対の電極間に通電し続ける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させ、この状態を維持しながら前記一対の電極間に通電することで、前記複数の金属板の溶接を行うスポット溶接方法において、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の先端部を前記金属板の厚さ方向一方側から当接させた状態で、前記一方の電極の姿勢を変えながら、前記一対の電極間に通電し続けることを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項２】
前記複数の金属板のうち、前記一方の電極を当接させた領域を、前記金属板の厚さ方向他方側から支持しない状態で、溶接を行う請求項１に記載のスポット溶接方法。
【請求項３】
前記一方の電極の基端部を、前記金属板の表面に対して垂直な垂直線回りに回転させる請求項１又は２に記載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、重ね合わせた金属板を溶接するためのスポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接方法は、生産性が高く、製造コストが安価であることから、例えば自動車車体の生産に多用されている。このスポット溶接方法には、ダイレクトスポット溶接、シリーズスポット溶接、およびインダイレクトスポット溶接といった方法がある。
【０００３】
ダイレクトスポット溶接は、下記の特許文献１の図１（ａ）に示されるように、２枚の金属板を重ね合わせ、対向する一対の電極によってこれらの金属板を挟みながら加圧し、板厚方向に溶接電流を流し、この際に発生する抵抗発熱によって金属板同士の接触部を溶融させ、溶接部にナゲットを形成する方法である。
【０００４】
シリーズスポット溶接は、特許文献１の図１（ｂ）に示されるように、重ね合わせた２枚の金属板を、離間する一対の電極により一方向から加圧しながら両電極間に溶接電流を流すことによって溶接部にナゲットを形成する方法である。
【０００５】
インダイレクトスポット溶接は、特許文献１の図１（ｃ）に示されるように、重ね合わせた２枚の金属板に対し、その重合部における一方の金属板に一方の電極を押し当てて加圧し、他方の電極を給電端子（アース電極）として、他方の金属板において重ね合わせられていない位置に接触させ、電極間に溶接電流を流すことによって溶接部にナゲットを形成する方法である。
【０００６】
以上のようなダイレクトスポット溶接、シリーズスポット溶接、およびインダイレクトスポット溶接では、通常、電極は、金属板に対して垂直な方向（以下「垂直方向」という）に沿った直立姿勢でその表面に当接する。これにより、金属板は、直立姿勢の電極によって垂直方向に加圧されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１３１８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ダイレクトスポット溶接は、重ね合わせた２枚の金属板を一対の電極で挟み込んで金属板を両側から適度に加圧することで良好な溶接を行えるという利点があるものの、スペース的に余裕がない場合や、溶接する金属板が閉断面構造（袋状の構造）を有する場合には使用できない。このような場合には、シリーズスポット溶接やインダイレクトスポット溶接が好適に用いられる。
【０００９】
しかし、シリーズスポット溶接やインダイレクトスポット溶接は、重ね合わせた金属板の一方側のみから加圧を行うため、金属板の反対側には支持がなく中空の状態となる。したがって、これらの方法では、両側から一対の電極で金属板を挟むダイレクトスポット溶接のように電極直下に局部的に大きな加圧力を与えることができない。このような制限の下で、十分な強度の溶接部を得るには、例えば電極間に流す溶接電流を大きくし、通電時間を長くすることによって、ナゲット径を大きくすることが考えられる。
【００１０】
しかし、電極を直立姿勢としたままで、溶接電流を大きくし、通電時間を長くして溶接を行うと、金属板間の溶融が厚さ方向に集中的に進行し、溶接部の溶け落ちを生じるおそれがある。このことから、溶接電流を大きくしたり、通電時間を長くしたりすることを極力避けながらナゲット径を大きくすることが望ましい。
【００１１】
上記の事情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、ナゲット径を拡大させて高強度の溶接部を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させ、この状態を維持しながら前記一対の電極間に通電することで、前記複数の金属板の溶接を行うスポット溶接方法において、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の先端部を前記金属板の厚さ方向一方側から当接させた状態で、前記一方の電極の姿勢を変えながら、前記一対の電極間に通電し続けることを特徴とする。
【００１３】
電極の姿勢を変えながら一対の電極間に通電し続けると、電極の姿勢の変化に応じて金属板間における溶融部の位置も変化する。この金属板間の溶融部が、金属板の厚さ方向に直交する方向に移動しながら連続的に形成されることで、生成されるナゲットは、電極を直立姿勢で固定して通電することによって生成されたナゲットよりも、そのナゲット径が拡大する。これによって、溶接時の溶け落ちの発生を防止できるとともに、高強度の溶接部を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に係るスポット溶接方法では、前記複数の金属板のうち、前記一方の電極を当接させた領域を、前記金属板の厚さ方向他方側から支持しない状態で、溶接を行うことが望ましい。
【００１５】
電極は、その姿勢を変えながら金属板に当接することから、垂直方向に対して傾斜した姿勢で金属板を加圧することになる。すなわち、電極による加圧力は垂直方向に対して傾斜する方向に沿って金属板に作用する。この場合、この加圧力の垂直方向における分力は、電極を直立姿勢として金属板に当接させた場合の加圧力よりも小さくなる。これによって、金属板において一方の電極を当接させた領域を金属板の厚さ方向他方側から支持しない状態としても、この領域の変形を可及的に抑制できる。
【００１６】
また、本発明に係るスポット溶接方法では、前記一方の電極の基端部を、前記金属板の表面に対して垂直な垂直線回りに回転させることが望ましい。
【００１７】
このように、電極を垂直線回り回転させながら一対の電極間に通電し続けることで、ナゲット径が大きく、しかもナゲット径が全周にわたって均一なナゲットを生成できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、ナゲット径を拡大させて高強度の溶接部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電極を直立姿勢として溶接を行う場合における金属板の断面図である。
【図２】電極を傾斜させて溶接を行う場合における金属板の断面図である。
【図３】電極を傾斜させて溶接を行う場合における金属板の断面図である。
【図４】電極を傾斜させて異なる位置で溶接を行う場合における金属板の断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）図は、電極の移動態様を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明に係るスポット溶接方法は、例えばシリーズスポット溶接およびインダイレクトスポット溶接に対して好適に使用できる。以下、本発明をシリーズスポット溶接に適用した場合を例として説明する。
【００２１】
シリーズスポット溶接では、重ね合わせた２枚の金属板に対して、一対の電極を金属板の厚さ方向一方側から当接させて加圧状態とし、この加圧状態を維持しつつ、これらの電極の姿勢を変えながら、その姿勢変更中は一対の電極間に通電し続けることで、金属板間の溶接が行なわれる。
【００２２】
一対の電極は同じ形状のものであるため、そのうちの一方の電極１０を図１〜図４において例示する。電極１０は、重ね合わせた２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の厚さ方向一方側、すなわち上側の金属板Ｗ１の表面に当接している。厚さ方向他方側（下側）の金属板Ｗ２には支持が設けられておらず、この金属板Ｗ２の下方側は中空の状態となっている。
【００２３】
電極１０は、金属板Ｗ１に当接するチップ１１と、チップ１１を先端に取り付けた棒状の本体１２とを備える。電極１０の先端部であるチップ１１の外面は、球面状に構成されている。電極１０の先端部の形状は、球面状に限らず、円錐（円錐台）状その他の種々の形状であってもよい。本体１２は、その先端部がチップ１１を支持するとともに、その基端部が、例えば６軸多関節ロボット（図示しない）のロボットアームに取り付けられるように構成される。ロボットアームによる操作によって、電極１０の多様な移動態様が実現される。
【００２４】
図１は、ロボットアームによる操作により、電極１０が直立姿勢とされて金属板Ｗ１に当接した状態を示す。この場合、この電極１０と図示しない他方の電極との間に通電すると、金属板Ｗ１，Ｗ２間に円弧状又は三日月状のナゲット（以下「第１ナゲット」という）Ｎ１が生成される。この第１ナゲットＮ１は、金属板Ｗ１の表面に対して垂直な垂直線Ｖに沿って、電極１０の下方位置に形成されることになる。また、第１ナゲットＮ１は、垂直線Ｖに対してほぼ線対称となるように生成される。
【００２５】
本実施形態では、後述するように電極１０の姿勢を変えながら電極間に連続的な通電を行うが、その姿勢変更の開始、途中又は終了の際に、電極１０を一時的（瞬間的）にこのような直立姿勢にしてもよい。
【００２６】
図２は、垂直線Ｖに対して電極１０を傾斜させた状態を示す。電極１０は、所定の傾斜角度（垂直線Ｖと電極１０の中心線Ｘとが為す角度）θで、垂直線Ｖに対して右側に傾斜している。
【００２７】
傾斜姿勢にある電極１０と図示しない他方の電極との間に通電すると、図２に示すような円弧状又は三日月状のナゲット（以下「第２ナゲット」という）Ｎ２が金属板Ｗ１，Ｗ２間に生成される。第２ナゲットＮ２は、電極１０の中心線Ｘに対してほぼ線対称となるように形成される。図２に示すように、電極１０の中心線Ｘと垂直線Ｖとの交点Ｏは、第２ナゲットＮ２の生成位置よりも上側に位置している。このことから、右側に傾斜している電極１０によって生成される第２ナゲットＮ２は、垂直線Ｖに対して左側にずれた位置に生成される。すなわち、図１における第１ナゲットＮ１の位置及び形状を基準としたとき、第２ナゲットＮ２は、第１ナゲットＮ１よりも左側にずれた位置に形成される。
【００２８】
より具体的には、第２ナゲットＮ２の左端部ＬＥ（図２参照）は、第１ナゲットＮ１の左端部ＬＥ（図１参照）よりも左側に位置することになる。また、第２ナゲットＮ２の右端部ＲＥ（図２参照）は、第１ナゲットＮ１の右端部ＲＥ（図１参照）よりも垂直線Ｖ寄りの位置に形成される。また、第２ナゲットＮ２の左端部ＬＥは、第１ナゲットＮ１の左端部ＬＥよりも上側に位置し、第２ナゲットＮ２の右端部ＲＥは、第１ナゲットＮ１の右端部ＲＥよりも下側に位置することになる。このことから、第１ナゲットＮ１を基準とすると、第２ナゲットＮ２は、第１ナゲットＮ１に対して左側にずれるとともに傾斜状に形成されている。
【００２９】
なお、電極１０の傾斜角度θは特に限定されるものではないが、これが大きすぎると、生成される第２ナゲットＮ２の端部（左端部ＬＥ）が金属板Ｗ１の表面にまで達したり、電極１０を支持するロボットアームが他のロボットアームと干渉したりするおそれがある。このため、傾斜角度θはこれらの不具合が生じない範囲で設定されることが望ましい。
【００３０】
図３は、図２の電極１０とは傾斜方向を逆にして、電極１０を左側に傾斜させた状態を示す。図３における電極１０の傾斜角度θは、図２の場合と同じである。このような傾斜姿勢で電極１０と他方の電極との間に通電すると、円弧状又は三日月状のナゲット（以下「第３ナゲット」という）Ｎ３が金属板Ｗ１，Ｗ２間に生成される。
【００３１】
第３ナゲットＮ３は、第２ナゲットＮ２と同様に、電極１０の中心線Ｘに対してほぼ線対称となるように形成される。図３に示すように、電極１０の中心線Ｘと垂直線Ｖとの交点Ｏは、第２ナゲットＮ２の生成位置よりも上側に位置している。このことから、垂直線Ｖに対して左側に傾斜している電極１０によって生成される第３ナゲットＮ３は、垂直線Ｖに対して右側にずれた位置に生成される。すなわち、第３ナゲットＮ３は、第１ナゲットＮ１の位置及び形状を基準としたとき、第１ナゲットＮ１よりも右側にずれた位置に形成される。
【００３２】
より具体的には、第３ナゲットＮ３の右端部ＲＥ（図３参照）は、第１ナゲットＮ１の右端部ＲＥ（図１参照）よりも右側に位置することになる。また、第３ナゲットＮ３の左端部ＬＥ（図３参照）は、第１ナゲットＮ１の左端部ＬＥ（図１参照）よりも垂直線Ｖ寄りの位置に形成される。また、第３ナゲットＮ３の右端部ＲＥは、第１ナゲットＮ１の右端部ＲＥよりも上側に位置し、第３ナゲットＮ３の左端部ＬＥは、第１ナゲットＮ１の左端部ＬＥよりも下側に位置することになる。このことから、第１ナゲットＮ１を基準とすると、第３ナゲットＮ３は、第１ナゲットＮ１に対して右側にずれるとともに傾斜状に形成されている。
【００３３】
図４は、図２のように電極１０を右側に傾斜させた姿勢で第２ナゲットＮ２を生成した後に、電極１０を垂直線Ｖ回りに回転させ、図３のように左側に傾斜させて第３ナゲットＮ３を生成した状態を示す。この場合、図４に示すように、図２における第２ナゲットＮ２の一部と図３における第３ナゲットＮ３の一部とが重なり合って一体となることで、１つのナゲットＮが形成される。このようにして構成されるナゲットＮと図１に示す第１ナゲットＮ１とを比較した場合、上述したように、第２ナゲットＮ２の左端部ＬＥが第１ナゲットＮ１の左端部ＬＥよりも左側に位置し、第３ナゲットＮ３の右端部ＲＥが第１ナゲットＮ１の右端部ＲＥよりも右側に位置することから、これらが一体となったナゲットＮは、ナゲット径（図４におけるナゲットＮの右端部ＲＥと左端部ＬＥとの間隔）が第１ナゲットＮ１よりも大きくなる。
【００３４】
上記のように電極１０の姿勢を変えながら溶接を行う場合には、一対の電極間に断続的に通電するのではなく、連続的に通電することが望ましい。電極間に断続的に通電してしまうと、通電が断たれる度に溶融部が固化し、固化した一部がさらに次の通電によって溶融することになる。このように固化と溶融とが繰り返されると、ナゲットＮの組織が均質にならず、ナゲット径も不均一になってしまうため、好ましくない。また、電極間に断続的に通電すると、溶接予定部を溶融するために要する通電時間も長くなってしまう。
【００３５】
したがって、ナゲット径を均一に拡大させ、かつその組織も均質となるナゲットＮを短時間で形成するには、電極１０を傾斜姿勢として垂直線Ｎ回りに回転させながら、しかもその回転中は一対の電極間に連続的に通電する（通電し続ける）ことが望ましい。このような電極１０の回転移動および通電の態様について、図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら詳細に説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、電極１０を移動させた場合において、電極１０の基端部（本体１２の基端部）の位置の変化を金属板Ｗ１の表面に投影して得られる軌跡Ｔを示す。
【００３６】
図５（ａ）は、垂直線Ｖに対する電極１０の傾斜角度θを一定に維持したまま、電極１０を垂直線Ｖ回りに連続的に回転移動させた場合における基端部の軌跡Ｔを示す。なお、垂直線Ｖと電極１０の中心線Ｘとの交点Ｏは、電極１０の回転中心となっている。
【００３７】
傾斜角度θが一定に維持されることにより、電極１０の基端部は、回転中心Ｏからの距離（回転半径）が一定のままで回転移動する。具体的には、電極１０の基端部は、初期位置Ｓから時計回り（矢印Ａで示す方向）に回転中心Ｏの回りを１周（３６０°）し、再び初期位置Ｓに戻る。このような移動により、電極１０の基端部が描く軌跡Ｔは円形となる。この場合において、電極１０が回転する間、すなわち、電極１０の基端部が初期位置Ｓから回転中心Ｏ回りに一回転し、再び初期位置Ｓに戻るまでの間、一対の電極間には一定の溶接電流による連続的な通電が行なわれる。
【００３８】
このように、電極１０の先端部を金属板Ｗ１に接触させて加圧した状態とし、電極１０の基端部を垂直線Ｖ回りに回転させながら、回転中は電極１０と他方の電極との間に通電し続けることで、ナゲットＮは、その組織が均質になり、しかもそのナゲット径が拡大したものになる。また、電極１０を垂直線Ｖ回りに３６０°回転させることによって、ナゲットＮは、全周にわたって均一なナゲット径を有することになる。以上により高強度の溶接部を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、一対の電極間に断続的に通電する場合と比較して、電極間に連続的に通電することで、通電時間を短縮できる。これに加え、溶接電流を大きくしなくともナゲット径を拡大できることから、溶接に要する作業コストを大幅に低減できる。
【００３９】
また、上記のような電極１０の移動において、金属板Ｗ１に対する電極１０の接触の態様としては、ころがり接触、すべり接触のいずれもが適用可能であるが、電極１０の移動における摩擦力の影響を考慮すると、ころがり接触とすることが望ましい。本実施形態によれば、傾斜姿勢の電極１０を垂直線Ｖ回りに回転するように移動させることで、電極１０の先端部と金属板Ｗ１との間のころがり接触を実現できる。これによって、移動中における電極１０と金属板Ｗ１との間の摩擦力を低減でき、電極１０の円滑な移動が可能になる。
【００４０】
また、電極１０が傾斜姿勢のままで金属板Ｗ１の表面を加圧することから、この加圧力における垂直方向の成分（分力）は、電極１０を直立姿勢として加圧する場合の加圧力よりも小さくなる。これによって、本実施形態のように電極１０が金属板Ｗ１，Ｗ２を当接（加圧）する領域において、下側の金属板Ｗ２に支持が設けられていない場合であっても、この下側の金属板Ｗ２の下面が下方に凸状に変形することを可及的に抑制できる。
【００４１】
図５（ｂ）は、電極１０を傾斜姿勢としたままで垂直線Ｖ回りに３６０°回転させ、その後に、電極１０を傾斜姿勢から直立姿勢に変更した場合において、電極１０の基端部が描く軌跡Ｔを示す。電極１０の基端部は、図５（ａ）の場合と同様に初期位置Ｓから時計回り（矢印Ａの方向）に円形の軌跡を描くように移動するが、３６０°回転して初期位置Ｓに戻った後に、矢印Ｂで示すように、回転中心Ｏに向かって直線的な軌跡を描くように移動する。この直線的な軌跡は、電極１０を垂直線Ｖ回りに回転させることなく、その傾斜角度θのみを小さくすることによって描かれる。電極１０の基端部が回転中心Ｏに到達すると、電極１０は直立姿勢となる。この例では、電極１０が傾斜姿勢から直立姿勢になるまでの間、すなわち、電極１０の基端部が初期位置Ｓから回転中心Ｏに至るまでの間、一対の電極間に連続的な通電が行なわれる。
【００４２】
図５（ｂ）の例では、図５（ａ）の例と同じように、十分大きなナゲット径のナゲットＮが得られることに加え、電極１０が直立姿勢となったときにナゲットＮの中央部分（垂直線Ｖの近傍部分）における溶融も促進される。これにより、ナゲットＮの中央部における厚さを十分に確保することができ、より高強度の溶接部を得ることができる。
【００４３】
図５（ｃ）は、傾斜角度θを変えながら電極１０を移動させた場合において、電極１０の基端部が描く軌跡Ｔを示す。具体的には、電極１０の傾斜姿勢とするとともに、その基端部を初期位置Ｓから垂直線Ｖ回りに、かつ時計回り（矢印Ａの方向）に複数回（２回転半）の回転をさせる。このとき、電極１０の傾斜角度θを、この回転が進むにつれて徐々に小さくする。そうすると、電極１０の基端部は、図５（ｃ）に示すような渦巻き状の軌跡Ｔを描くことになる。
【００４４】
具体的には、電極１０の基端部は、渦巻き状の軌跡Ｔにおける渦の外側から内側に向かうように移動する。この軌跡Ｔの渦の中心は、回転中心Ｏと一致している。すなわち、電極１０は、図５（ｂ）の例と同じように最終的に直立姿勢となる。この例では、電極１０が傾斜姿勢から直立姿勢になるまでの間、すなわち、電極１０の基端部が初期位置Ｓから回転中心Ｏに至るまでの間、一対の電極間に連続的な通電が行なわれる。このように、電極１０を垂直線Ｖ回りに複数回回転させながら、傾斜角度θを徐々に小さくしていくとともに、その間、電極間に通電し続けることで、ナゲット径が大きく、しかもその厚さが十分に確保されたナゲットＮが生成される。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形および置換が可能である。
【００４６】
例えば、上記の実施形態では２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２を溶接する場合について説明したが、これに限定されず、３枚以上の金属板を溶接する場合にも本発明を適用できる。
【００４７】
上記の実施形態では、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して、電極１０の３種類の移動態様を説明したが、これに限定されない。例えば、電極１０を回転させることなく、電極１０の傾斜角度θのみを変化させることによって溶接を行ってもよい。この場合には、電極１０の基端部は直線軌跡のみを描くことになる。
【００４８】
本発明は、シリーズスポット溶接、インダイレクトスポット溶接だけでなく、ダイレクトスポット溶接にも適用できる。この場合には、電極による加圧力を、シリーズスポット溶接、インダイレクトスポット溶接における加圧力と同程度としても、高強度の溶接部を得ることが可能である。
【００４９】
上記の実施形態において、電極１０を回転させる場合の回転中心Ｏは、金属板Ｗ１の厚さ方向の範囲内において、ナゲットＮの生成位置よりも上側に位置するように設定されていたが、これに限らず、垂直線Ｖの方向に沿って適宜設定できる。
【符号の説明】
【００５０】
１０    電極
Ｎ      ナゲット
Ｗ１    金属板
Ｗ２    金属板
【図１】
2016055329.tif 000003
【図２】
2016055329.tif 000004
【図３】
2016055329.tif 000005
【図４】
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【図５】
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