(57)【要約】  ２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みに対しインバーター直流式溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行う方法であって、予備通電段階と、パルセーション通電で行う本通電段階とを含み、本通電段階での二次側電流の電流値を１０ｋＡ以下、通電時間を６０Ｈｚ基準での０．７サイクル以下とし、休止時間を二次側電流が３ｋＡ以下まで降下するような時間とする。
2020045678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みに対しインバーター直流式溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行う方法であって、
予備通電段階と、パルセーション通電で行う本通電段階とを含み、本通電段階での二次側電流の電流値を１０ｋＡ以下、通電時間を６０Ｈｚ基準での０．７サイクル以下とし、休止時間を二次側電流が３ｋＡ以下まで降下するような時間とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、本通電段階での通電時間を０．３サイクルとした方法。
【請求項３】
請求項２の方法であって、本通電段階での休止時間を０．２サイクルとした方法。
【請求項４】
請求項３の方法であって、本通電段階でのパルス数を４０回以上とした方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗スポット溶接方法に関するものであり、特にインバーター直流式溶接機を用いた抵抗スポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体の組み立てにおいて、プレス成形された鋼板は抵抗溶接の一種であるスポット溶接にて接合されることが多い。スポット溶接では板厚に応じて溶接部強度を確保できるようなナゲット径の確保が要求される。【０００３】
溶接中は、溶融した母材金属が鋼板から飛散するチリ（散り）が発生することがある。特に、鋼板どうしの重ね面から飛散するものは中チリ、鋼板と電極の接触面から飛散するものは表チリと呼ばれる。このようなチリが自動車の車体に付着すると車体の表面品質が低下するため、チリの発生抑制が求められる。また、スポット溶接部表面に針状の表チリが残ると自動車のワイヤハーネスを損傷する可能性がある。さらに、飛散したチリが溶接用ロボットの可動部に付着すると製造設備の正常な稼働を妨げる可能性がある。【０００４】
近年自動車の分野では、車体の軽量化と衝突安全性を実現するため、骨格部品に高強度鋼板を採用することが広まりつつある。中でも高強度鋼板を用いて熱間成形したホットスタンプ鋼板は高い成形精度と小さいプレス荷重を両立できるため、その採用が進んでいる。【０００５】
しかし、通電を一度だけ行う一段通電方式で高強度鋼板をスポット溶接するとチリが発生しやすく、電流値の適正範囲を広く確保することが困難となる。また、加熱成形前の鋼板の表層に亜鉛めっきやアルミニウムめっきがあると、加熱中にめっきの酸化が進んで酸化亜鉛や酸化アルミニウムなどが形成される。これら酸化物が成長すると、鋼板の接触抵抗が上昇する。その結果、車体組み立て時のスポット溶接においてチリが発生しやすくなり、ナゲット径の安定確保が困難となるという問題もある。【０００６】
このような問題に対して、特開２０１０−１８８４０８には、予備通電により鋼板の接触面同士のなじみを向上させた後に本通電を行う二段通電方式を採用することにより、高強度鋼板のスポット溶接におけるチリの発生を抑制するスポット溶接方法が開示されている。また、そのような予備通電と本通電を用いる二段通電方式をホットスタンプ鋼板のスポット溶接に適用した例として、国際公開第２０１５／００５１３４号公報では酸化亜鉛等の電気抵抗の高い被膜で覆われたホットスタンプ鋼板をスポット溶接する際に予備通電を溶接電極で鋼板を加圧しながら通電と休止を複数回繰り返すパルセーション通電で行い、その後パルセーション通電時の最大通電時間よりも長い時間で連続的に本通電するようにした方法が開示されている。また、国際公開第２０１５／０９３５６８号公報では、これ同様の鋼板をスポット溶接する際に予備通電と本通電とをパルセーション通電で行い、かつ本通電の最大電流を予備通電の最大電流より高くするようにした方法が開示されている。これらの文献の方法では、予備通電時に通電と休止とを繰り返すことにより熱膨張・収縮による振動を鋼板の電極接触面に与えて、高融点の酸化物層を効果的に溶接部の外側に排除することができるとともに、パルセーション中の通電休止により電極の冷却効果を十分に働かせて、溶接部の急激な温度上昇を抑制することができる。このため、短時間で鋼板の接触面同士のなじみを向上させることができる。また、接触界面での電流密度の上昇を抑制し急激なナゲット成長を抑制することができるため、チリの発生を抑制することができる。
【発明の概要】
【０００７】
本通電を連続通電で行うと、通電初期では抵抗の高い鋼板表面の影響で鋼板間だけでなく鋼板と電極の間でも急激に発熱する。そして、通電後期には鋼板に垂直な方向へのナゲット成長が大きくなり、表チリが発生しやすくなる。そこで、国際公開第２０１５／０９３５６８号公報にあるように、本通電においても電流をパルセーションすることで、鋼板の発熱を緩やかに促進し、チリの発生を抑制することができることがわかっている。また、パルセーションを行うと、熱膨張・収縮による振動を接触面に与えるため、高融点の酸化物層を効果的に破壊することができる。これにより電極と鋼板の間や鋼板どうしの接触界面に多数の通電点を形成することができ、界面での電流密度の上昇を抑制し急激なナゲット成長を抑制することができる。この作用によっても中チリ、表チリを発生させないようにできる。
【０００８】
しかし、上記国際公開公報のように通電を長く休止してしまうと、成長途中のナゲットが冷えすぎて一時的に小さくなってしまい、ナゲットは拡大と縮小を繰り返しながらゆっくり成長していると考えられる。つまり、必要なナゲット径を得るために本通電の継続時間が長くなってしまっている。電極が接触する鋼板表面は表チリを抑えるためある程度の冷却が必要であるが、休止時間が長いと今度はナゲットを成長させるべき鋼板どうしの界面が冷却されすぎてナゲット成長を阻害してしまうという不都合がある。
【０００９】
一般の普通鋼板の溶接では交流式溶接機を用いると休止時間の分だけ熱効率が悪いため、インバーター直流電源を用いたインバーター直流式溶接機の方が溶接時間が短くて良いと言われる。しかし、表面に酸化物があるホットスタンプ鋼板の場合は、直流で一気に加熱するとナゲットが急成長したり、鋼板表面の酸化物の存在によりナゲットが偏って形成されたりして表チリにつながりやすい。また、インバーター直流式はトランスが小さいため溶接ロボットを小型化できるという利点がある。しかし、実際にはインバーター直流式より交流式の方がチリを抑制できることがわかっている。したがって、本発明者らは交流式での通電条件に関する知見をもとに、直流電源を用いたパルセーション通電でも似たような通電条件を採用すれば溶接時間を長くせずにチリを抑えられると考え、検討を進めた。
【００１０】
本発明の一つの側面は、２枚以上の鋼板を重ね合わせた板組みに対しインバーター直流式溶接機を用いて抵抗スポット溶接を行う方法であって、予備通電段階と、パルセーション通電で行う本通電段階とを含み、本通電段階での二次側電流の電流値を１０ｋＡ以下、通電時間を６０Ｈｚ基準での０．７サイクル以下とし、休止時間を二次側電流が３ｋＡ以下まで降下するような時間とする方法である。実施形態によっては、本通電段階での通電時間を０．３サイクルとする。また実施形態によっては、本通電段階での休止時間を０．２サイクルとする。また実施形態によっては、本通電段階でのパルス数を４０回以上とする。
【００１１】
実施形態によっては、上記の方法を用いると溶接時間を長くせずにチリを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】パルセーション通電で行う本通電の通電時間を０．３サイクル、休止時間を０．２サイクルとした場合の二次側電流（実効値）の電流波形を示す図である。
【図２】図１の電流波形の部分拡大図である。
【図３】パルセーション通電で行う本通電の通電時間を０．３サイクル、休止時間を０．１サイクルとした場合の二次側電流（実効値）の電流波形を示す図である。
【図４】図３の電流波形の部分拡大図である。
【図５】予備通電と本通電を組み合わせた溶接において電源装置に入力される二次側電流の設定波形の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を以下に図面を用いて説明する。
【００１４】
［溶接に用いる鋼板］
本方法の溶接には、ホットスタンプ（熱間プレス）成形された鋼板（ここではホットスタンプ鋼板と呼ぶ）を使用するとよい。ホットスタンプは、鋼板素材を焼き入れ可能な温度まで加熱しオーステナイト化した後、金型でプレス成形と同時に冷却し焼き入れする工法である。したがって、ホットスタンプ鋼板は表面に酸化鉄等の酸化物層を有している。ホットスタンプ鋼板の引張強度は例えば１４７０ＭＰａ以上となる。また、溶接には、亜鉛系めっき、アルミニウム系めっきなどの表面処理が施された鋼板素材にホットスタンプ成形を施した鋼板（表面処理ホットスタンプ鋼板）を使用しても良い。このようなめっきは、高温に加熱したときに鋼板の表面に酸化物層（スケール）が発生するのを防止するために施される。このような表面処理ホットスタンプ鋼板は、亜鉛系またはアルミニウム系のめっき被膜と基材の鋼との合金化反応によって、金属間化合物や鉄基の固溶体がその表面に形成されており、さらにその外面にめっきに由来する金属（亜鉛やアルミニウムなど）を主成分とする酸化物層を有している。そのため、表面処理ホットスタンプ鋼板は裸の鋼板と比べて接触抵抗が１ｍΩ以上と高く、通電による発熱量が大きい。以上のようなホットスタンプ鋼板を２枚以上重ね合わせて、溶接対象となる板組みを構成する。板組みの中で溶接時に電極が当たる鋼板のいずれかは表面処理ホットスタンプ鋼板であると好ましい。
【００１５】
［溶接方法］
溶接は抵抗溶接法の一種であるスポット溶接で行う。溶接は予備通電と本通電とを組み合わせる二段通電方式で行う。図５に予備通電と本通電の例を示す。本通電は溶接部となるナゲットを成長させるためのものである。これに対し、予備通電は、鋼板表面の電極と接触する領域や鋼板どうしの界面のなじみを向上させることを主たる目的として行われるものである。溶接機はインバーター直流式のものを用いる。インバーター直流式は単相交流式など他の方式と比べてトランス（変圧器）を小さくできるため、可搬重量の小さいロボットに搭載できるという利点がある。インバーター式溶接機の電源装置は通常、インバーター回路（スイッチング素子から構成される）とトランスと整流回路を含み、インバーター回路で作り出した交流パルス電流（一次側電流）をトランスで所望の電流値を有する電流（二次側電流）に変換し、この二次側電流を溶接電流として電極間に流して溶接を行う。図５のグラフは設定された二次側電流の波形を示している。予備通電と本通電の設定波形、すなわち継続時間ｔａ、ｔｂ（あるいはパルス数）や電流Ｉａ、Ｉｂ（パルスの高さ）の設定値は、タイマーとも呼ばれる制御装置を通して入力される。インバーター直流式溶接機はさらにトランスの二次側に整流回路を備え、この整流回路で直流化された二次側電流を溶接電流として用いる。インバーター直流式溶接機は、例えば、特開２０００−１５８１４８号に開示されているものを用いることができる。電極は任意のものを用いることができる。例えばＤＲ（ドームラジアス）型電極を使用できる。ＤＲ型電極は、例えば先端径６ｍｍ、先端曲率半径４０ｍｍのものを用いることができる。しかし、曲率半径を３０ｍｍ以下とすることで電極先端部が鋼板に作用する面圧を増大させ、鋼板表面の酸化物を分散させる効果を増大させても良い。溶接を行う間、電極で鋼板の板組みを所定の加圧力で挟持する。この電極による加圧力は通常用いられる範囲に設定することができる。しかし、加圧力を大きくすることにより鋼板表面の酸化物層を破壊・分散させ、その一部を電極の接触範囲外の方向に移動（排除）させるようにして、表面の接触抵抗を低下させることができる。例えば、加圧力を４００ｋｇｆ（＝３．９ｋＮ）以上とすることができる。
【００１６】
［予備通電］
予備通電は連続通電で行っても、パルセーション通電で行ってもよい。図５は予備通電を連続通電で行った例を示している。予備通電を連続通電で行う場合、電流値Ｉａは６ｋＡ以下とすることが好ましい。これにより、チリの発生を抑えながら鋼板表面の接触抵抗を低下させることができる。また、予備通電の電流値は本通電の電流値よりも高くするのが好ましい。さらに、予備通電の通電時間ｔａは、電流値と通電時間との積Ｉａｔａが２ｋＡ・ｍｓ以下となる範囲で長めに設定することが好ましい。これにより、酸化物の分散（排除）効果が増大し、電流値の適正範囲を拡大することができる。
【００１７】
［本通電］
予備通電が終わると本通電を開始する。図５に示すように、本通電はパルス波形をもつ直流電流を用いるパルセーション通電で行う。予備通電との境目では、電流をオフにすることなく最初のパルスにつなげても、あるいは最小限の休止時間をおいてから最初のパルスに入っても良い。
【００１８】
［電流値］
本通電では二次側電流の設定値Ｉｂを１０ｋＡ以下とする。なお、必要に応じて電流値は１０ｋＡ以下の範囲内で徐々に、あるいはパルスごとに、変化させても良い。例えば、徐々に電流値を上昇させることにより、通電初期の接触抵抗が高い時期のナゲットの生成及び急成長を抑制することもできる。一般に、スポット溶接での電流は定電流制御される。
【００１９】
［通電・休止時間］
本通電では通電時間（二次側電流の設定波形のパルス幅）を０．７サイクル（１１．７ｍｓ）以下とする。なお、本願で言うサイクルは周波数６０Ｈｚに基づく単位であり、１サイクルは約１６．７ｍｓである。休止時間（二次側電流の設定波形のパルス間隔）は、インバーター直流式溶接機の電源装置の二次側電流の応答特性に基づいて決定する。二次側電流は一般に一次側電流の矩形パルスの変化に遅れて応答するため、例えば図５のように設定波形の電流値が急激に０に落ちても実際に電極間を流れる二次側電流の実効値は比較的なだらかに降下する。休止時間は、具体的には、二次側電流の実効値が３ｋＡ以下まで降下するような時間とするのが良い。このような条件を満たす休止時間は当業者であれば適当な実験で求めることができる。一例として、通電時間を０．３サイクル（５ｍｓ）、休止時間を０．２サイクル（３．３ｍｓ）とすることができる。
【００２０】
休止時間の上限は必要なナゲット径が得られるように設定すればよい。休止時間が長いと二次側電流値は０にまで降下するが、ナゲットが成長するのであればそれでも問題はない。しかし、休止時間を長くすると全体の溶接時間が長くなるため、製造効率を上げるには例えば休止時間をぎりぎり３ｋＡ以下まで下がるような時間とすればよい。
【００２１】
［パルス数］
本通電でのパルス数は、上記の他の条件に応じて、所望のナゲット径が達成できるように設定する。例えば、パルス数は４０回以上とすることができる。パルス数は板厚ｔに対してどれほどのナゲット径を目標値とするか（例えば５√ｔ）によって変える。パルス波形（すなわち通電時間と休止時間）が一定であれば、本通電の継続時間ｔｂはパルス数によって決まる。パルス数は当業者であれば実験的にあるいは総通電時間などから経験的に決定することができる。
【００２２】
以上、具体的な実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることなく、当業者であれば本発明の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。
【００２３】
［実験例］
板厚１．４ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの１４７０ＭＰａの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＡ）素材にホットスタンプを施すことにより、ホットスタンプ鋼板のサンプルを２枚作成した。この２枚のサンプルを重ね合わせた板組みに対して二段通電方式で抵抗スポット溶接を実施した。スポット溶接機は、先端曲面部の直径が６ｍｍ、曲率半径が４０ｍｍのＤＲ型電極（クロム銅製）を備えたインバーター直流式のものを用いた。予備通電は連続通電で行い、電流設定値は４ｋＡ、通電時間は６サイクル（１００ｍｓ）、加圧力は４．５ｋＮとした。本通電はパルセーション通電で行った。本通電の電流設定値は様々に変え、またパルセーションの通電時間と休止時間は０．１サイクル単位で様々に変えた。パルス数は板厚をｔ（＝１．４ｍｍ）としてナゲット径が５√ｔ（＝５．９ｍｍ）となるように設定した。本通電での加圧力は４．５ｋＮとした。各条件のもとで溶接実験を複数回行い、表チリの発生率を計算した。また、休止時間に降下する電流の下限値をグラフから読み取った。実験結果を表１に示す。代表として、条件３、４については二次側電流の電流波形（実効値）を図１、３に示す。図２、４はそれぞれ図１、３の電流波形の部分拡大図である。
【００２４】
表１からは、通電時間が０．７サイクル以下であれば、休止時間に降下した電流の下限値が３ｋＡを下回ったとき（条件３、５、６、７、９）にチリが発生しないことが読み取れる。図２、４では分かり易いように下限値３．０ｋＡを破線で表示している。特に、通電時間０．３サイクル（５ｍｓ）のときに休止時間０．２サイクル（３．３ｍｓ）とした場合（条件３）では、本通電の継続時間を非常に短くできることが分かった。これは、通電時間が短いため接触抵抗の高い鋼板間に比べて鋼板と電極の間での発熱が小さく、その分短時間で鋼板表面を冷却でき、表チリが少なくなるためであると考えられる。さらに休止時間も短いため、鋼板間のナゲット成長への影響は少ないと考えられるうえ、全体の溶接時間も短くできる。
【００２５】
これに対し、従来のように通電時間を１サイクル以上に長くした条件１、２では、二次側電流（実効値）の下限値が０にまで落ちるような休止時間を選んでもチリが発生した。通電中は接触抵抗の高い鋼板間だけでなく鋼板と電極の間でも発熱が大きく、表チリの発生につながったと考えられる。チリ発生を防ぐにはさらに休止時間を長くする必要があるが、そうすると鋼板と電極の間だけでなく鋼板間も冷却されるため、パルス数を増やし本通電の継続時間を確保する必要があり、全体の溶接時間が延びてしまう。また、通電時間を０．３サイクル（５ｍｓ）と短くしても、休止時間が長いために降下する電流の下限値が４．５〜６．０ｋＡに留まった条件４では、表チリが高頻度で発生した。
【表１】
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【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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【国際調査報告】
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