(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高張力亜鉛系めっき鋼板を３段以上の多段通電によりスポット溶接するにあたり、形成されるナゲットが、下記（１）式で定義される所望のナゲット径ｄ0 以上でかつ溶融残厚0.05mm以上となるように、溶接条件を適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上となるように第１段通電の通電時間を２サイクル以上、６サイクル以下とし、第２段通電から最終段通電までの各段通電の間に、１サイクル以上３サイクル以下の冷却時間を設けて溶接することを特徴とする高張力亜鉛めっき鋼板のスポット溶接方法。
記
ｄ0 ＝ｋ√ｔ      ………（１）
ここで、ｄ0 ：所望のナゲット径（mm）
ｋ：係数；３〜６の間で施工条件に合わせて選択される係数
ｔ：鋼板板厚（mm）
【請求項２】
前記第２段通電から最終段通電までの合計通電時間が、第１段の通電時間の１倍以上、５倍以下となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね抵抗溶接法の一種であるスポット溶接法に係り、とくに高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接における耐溶接割れ性の改善に関する。なお、ここでいう亜鉛系めっきとは、電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき（合金化溶融亜鉛めっきを含む）に代表される、亜鉛や亜鉛合金のめっきをいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
亜鉛系めっき鋼板は、耐食性が良好であることから、自動車、家電などの分野で幅広く用いられている。特に自動車用として用いられる亜鉛系めっき鋼板は、自動車車体の軽量化、および衝突安全性の観点から、高強度化が要望され、各種の高張力亜鉛系めっき鋼板が開発されてきた。しかしながら、このような高張力亜鉛系めっき鋼板では、スポット溶接を行うと、スポット溶接部に割れが発生するという問題がある。
【０００３】
このスポット溶接部の割れは、溶接部表面の亜鉛が溶融するととともに、電極の加圧力や鋼板の熱膨張、収縮による引張応力が溶接部に加わることにより、溶融した亜鉛が鋼板の結晶粒界に侵入して粒界強度を低下させ、割れを引き起こす、いわゆる液体金属脆性に起因する割れであるといわれている。
このような液体金属脆性起因の割れを防止する対策としては、例えば、特開平10-195597 号公報には、被溶接材である鋼板の組成を特定範囲の組成、具体的には、Ｃ：0.003 〜0.01％、Mn：0.05〜0.5 ％、Ｐ：0.02％以下、sol.Al：0.1 ％以下、Ti：48×（Ｎ／14）〜48×｛（Ｎ／14）＋（Ｓ／32）｝％、Nb：93×（Ｃ／12）〜0.1 ％、Ｂ：0.0005〜0.003 ％、Ｎ：0.01％以下、Ni：0.05％以下を含有する組成とする接合性に優れた鋼板が提案されている。
【０００４】
また、特開平9-291338号公報には、液体金属脆性割れを防止できる鋼板、具体的には、組成がＣ：0.05〜0.15％、Si：0.3 ％以下、Mn：２％以下、sol.Al：0.1 ％以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、Ｓを0.01％以下に制御してなる組成を有し、α／γ２相域で圧延することによって生成させた展伸フェライトを主体とする組織が、50μm 以上の厚みで鋼板表層部に存在する鉄塔用鋼板が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年では、自動車車体の軽量化要求が厳しくなるにともない、自動車用鋼板には更なる高強度化が要望されている。一般に、亜鉛系めっき鋼板をスポット溶接した際の液体金属脆性割れは鋼板強度が高くなればなるほど発生しやすい傾向にあると言われており、引張強さ300MPa程度以上の高張力亜鉛系めっき鋼板から問題となり、引張強さ600MPa以上ではさらに顕著となる。したがって、更に高強度化された自動車用高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部における割れは、特開平10-195597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたような鋼板組成、組織を制御する方法のみでは、完全には防止することができないという問題がある。また、特開平10-195597 号公報、特開平9-291338号公報に記載されたような、鋼板組成、組織を制御する方法は、加工性や靱性等の鋼板諸特性を劣化させる場合があり、鋼板用途が限定されるという欠点もある。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接部割れを防止し、高品質のスポット溶接部を形成できる高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、スポット溶接部の液体金属脆性割れ（以下、スポット溶接部割れ、あるいは単に溶接部割れともいう）と、スポット溶接条件、および形成されるナゲット形状との関係について、鋭意研究した。高張力亜鉛系めっき鋼板を種々の溶接条件にてスポット溶接を行い溶接部割れの発生を調査したところ、図１に示すような、ナゲットの板厚方向への溶けこみが比較的少なく溶融残厚が大きい、すなわち偏平なナゲット形状が得られる場合に、溶接部割れ発生が抑制されることを見いだした。なお、ここでいう「溶融残厚」とは、図１に示すように、鋼板表面からスポット溶接により溶融した溶融面までの最短距離Δｔをいうものとする。
【０００８】
また、本発明者らは、高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接では、溶接部割れ防止のためには、溶融残厚が0.05mm以上のナゲット形状とする必要があることを見出した。
さらに、本発明者らは、上記したような偏平なナゲット形状を得て、溶接部割れの発生を防止するためには、スポット溶接に際し、溶接途中に溶接電流が変化する３段以上の多段通電とすることが、溶接効率の観点からも好ましいことを知見した。また、多段通電とし、さらに、溶接電流、通電時間等の溶接条件を調整して、適正電流範囲ΔＩが1.0kA 以上とすることが溶接作業上好ましいことを見出した。また、上記したような偏平なナゲット形状および／または上記した適正電流範囲を得るためには、多段通電のスポット溶接における通電時間、冷却時間を適正範囲内とすることがよいことを見出した。
【０００９】
本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）高張力亜鉛系めっき鋼板を３段以上の多段通電によりスポット溶接するにあたり、形成されるナゲットが、次（１）式
ｄ0 ＝ｋ√ｔ      ………（１）
（ここで、ｄ0 ：所望のナゲット径（mm）、ｋ：係数；３〜６の間で施工条件に合わせて選択される係数、ｔ：鋼板板厚（mm））
で定義される所望のナゲット径ｄ0 以上でかつ溶融残厚0.05mm以上となるように溶接条件を、適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上となるように、第１段通電の通電時間を２サイクル以上、６サイクル以下とし、第２段通電から最終段通電までの各段通電の間に、１サイクル以上３サイクル以下の冷却時間を設けて溶接することを特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。
（２）（１）において、前記第２段通電から最終段通電までの合計通電時間が、第１段の通電時間の１倍以上、５倍以下となるように設定することを特徴とする高張力亜鉛系めっき鋼板のスポット溶接方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
従来から、スポット溶接では、使用する電極、溶接電流、電極加圧力、通電時間等の溶接条件のうち、とくに溶接電流を、所望のナゲット形状が得られるように調整している。本発明では、高張力亜鉛系めっき鋼板を溶接途中に溶接電流が変化する３段以上の多段通電によりスポット溶接する際に、高品質のナゲット溶接部を得るために、形成されるナゲットが、所望のナゲット径ｄ0 以上で、かつ溶融残厚が0.05mm以上であるナゲットとなるように、スポット溶接条件を調整して、溶接する。ナゲットの溶融残厚が0.05mm未満となるようなスポット溶接条件では、溶接割れが発生する。
【００１１】
なお、所望のナゲット径ｄ0 は、被溶接材である高張力亜鉛系めっき鋼板の板厚（ｔ）に依存して決定されている。一般には、次（１）式
0003849539.tif 000002
で定義されている。係数ｋは、３〜６の間で施工条件に合わせて任意に選択されているが、ｋ＝４を選択する場合が多い。
【００１２】
所望のナゲット径ｄ0 を得るためには、一定以上の溶接電流で溶接することが必要となる。通常は、溶接電流を一定のまま保持しつづけてスポット溶接を行う。しかし、溶接電流を一定のまま保持しつづけるスポット溶接の場合は、小電流で通電時間を長くすることにより、比較的偏平なナゲット形状が得やすいが、溶接効率が低下する。一方、大電流で短時間通電すると、通電中の温度上昇にともない、鋼板の軟化、接触面積の拡大が十分起こる前にナゲットが形成、成長するため、図２に示すような、径に比べ厚みのあるナゲット形状となりやすい。
【００１３】
本発明では、溶接途中で電流値が変化する３段以上の多段通電としてスポット溶接を行う。同一板厚の高張力亜鉛系めっき鋼板を溶接電流値を変化させて、３段通電とするスポット溶接を行った場合のナゲット径と溶融残厚との関係を模式的に図３に示す。
図３中の溶接条件（ａ）、（ｂ）は通電時間、各段通電間の冷却時間が異なる条件でスポット溶接した場合である。溶接電流を増加するにしたがい、ナゲット径は増大するが、それとともに被溶接材（鋼板）の板厚方向へも溶融領域が拡大し、溶融残厚Δｔが少なくなり、ついには0.05mm未満となり、前記したような溶接割れが発生する。
【００１４】
図３の溶接条件（ａ）のように、溶接割れを発生させないで、すなわち溶融残厚Δｔが0.05mm以上で、かつ所望のナゲット径ｄ以上のナゲット径を有するナゲットが得られる条件（図３の斜線領域内となりうる条件）が広く取りうるほど、すなわち所望のナゲット径ｄが得られる電流条件（電流値）と溶接割れ（または溶着）が発生する電流条件（電流値）の差（以下、適正電流範囲：ΔＩという）が大きい溶接条件であるほど、溶接部割れの発生を安定して抑制でき、高品質スポット溶接部安定形成のために、スポット溶接作業上は好都合である。なお、多段通電における適正電流範囲△Ｉは第２段以降の通電段において、変化させる通電段の溶接電流の平均値で算出するものとする。例えば、第２段以降で溶接電流を変化させた通電段が第２段のみであった場合は、ナゲットが所望のナゲット径を超えた第２段の最小電流値をＩ2a、溶接部割れが発生した第２段の最小電流値をＩ2bとすると、適正電流範囲△Ｉは
△Ｉ＝Ｉ2b−Ｉ2a
で表される。
【００１５】
また、第２段以降で溶接電流を変化させた通電段が第２段と第３段であった場合は、第２段の電流Ｉ2 と第３段の電流Ｉ3 の平均電流Ｉave 
Ｉave ＝（Ｉ2 ＋Ｉ3 ）／２
を適正電流範囲の算出に用いる。即ち、ナゲットが所望のナゲット径を超えた第２段と第３段の平均電流Ｉave の最小電流値をＩave ａ、溶接部割れが発生した第２段と第３段の平均値の最小電流値をＩave ｂとすると、適正電流範囲△Ｉは
△Ｉ＝Ｉave ｂ−Ｉave ａ
で表される。
【００１６】
本発明では、スポット溶接作業上から、適正電流範囲ΔＩが1.0 kA以上、好ましくは2.0kA 以上である溶接条件でスポット溶接することが、高品質のスポット溶接部を安定して得るというスポット溶接作業上から好ましい。
本発明では、上記した形状のナゲット形成、および上記した適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上とするには、３段以上の多段通電の各段の溶接条件、通電時間および冷却時間を適正に調整して、スポット溶接する。
【００１７】
３段以上の多段通電のスポット溶接における電流値の変化の一例を模式的に図４に示す。
本発明における３段以上の多段通電では、第１段通電の通電時間を、２サイクル以上６サイクル以下とし、第２段通電から最終段通電までの各段通電の間に、１サイクル以上３サイクル以下の冷却時間を設け、あるいはさらに、第２段通電から最終段通電までの合計通電時間が、第１段の通電時間の１倍以上、５倍以下となるように設定することが好ましい。
【００１８】
このような３段以上の多段通電により、比較的偏平なナゲット形状が得られるようになる理由については、 現在までに十分には解明されていないが、本発明者らは以下のように考えている。
すなわち、２サイクル以上６サイクル以下の比較的短時間の第１段通電により、ナゲット形成開始前後まで鋼板の軟化、接触面積の拡大が図られ、さらに第２段通電から最終段通電までの各段通電の間に、１サイクル以上３サイクル以下の冷却時間を設けながら通電することにより、通電中の温度上昇に伴う鋼板の軟化、接触面積の拡大が十分に図られ、急激な板厚方向への溶け込みが防止されて、ナゲット形状が偏平となる、と考えられる。
【００１９】
したがって、第１段通電によりナゲットが成長しすぎると、第２段以降の通電による形状制御効果がなくなるため、第１段通電によりナゲットが成長しすぎないように、第１段通電の通電時間を、２サイクル以上６サイクル以下として、第１段通電終了後のナゲットを小さく抑えることが肝要となる。なお、第１段通電終了後のナゲットの大きさとして、溶融残厚Δｔが0.3mm 以上とすることが好ましい。
【００２０】
スポット溶接では、初期の電極加圧により鋼板の接触した部分から通電が開始され、通電経路にナゲットが形成され始める。第１段通電の通電時間が２サイクル未満では、温度上昇にともなう鋼板の軟化と接触面積の拡大が起こる以前に、通電が終了してしまう。このため、通電面積が限定され、板厚方向に厚いナゲット形状となり、第１段通電終了後の溶融残厚が0.30mm未満となりやすい。また、通電時間が短すぎると電流の制御が困難となる問題もある。一方、第１段通電の通電時間が６サイクルを超えると、第１段通電でナゲットの生成、成長が進行してしまうため、第２段以降の通電によるナゲット形状制御効果が得られなくなる。なお、より好ましくは２〜４サイクルである。
【００２１】
上記した条件で第１段通電を行ったのち、引き続いて、第２段以降最終段までの通電を行うが、本発明では、図４に示すように、第２段通電から最終段通電までの各段通電の間に、冷却時間を設けながら通電することが好ましい。冷却時間は、１サイクル以上３サイクル以下とすることが好ましい。
第２段通電以降、各段通電とその次の段の通電との間に冷却時間を設けない連続通電では、鋼板の軟化、接触面積の拡大が十分に行われないうちにナゲットの成長が進行するため、板厚方向に厚いナゲット形状となり溶融残厚が少なくなり、溶接部割れが発生しやすくなる。一方、冷却時間が３サイクルを超えて長くなると、ナゲット温度が低下し、その後の通電によるナゲット成長が不十分となる。
【００２２】
また、本発明では、第２段通電から最終段通電までの合計通電時間が、第１段の通電時間の１倍以上、５倍以下となるように設定することが好ましい。第２段通電以降の合計の通電時間が第１段通電の通電時間の１倍未満では、ナゲットの成長が十分に行われない。一方、第２段通電以降の合計の通電時間を第１段通電の通電時間の５倍を超えて延長しても、通電時間中にナゲットの凝固が開始され、ナゲットの成長には寄与しないため、溶接効率の低下を招く。
【００２３】
なお、本発明では、第２段以降の通電の溶接電流は、その合計通電時間と冷却時間に応じて所望のナゲット径が得られるように決定すれば良い。即ち、合計通電時間が長い場合や、冷却時間が短い場合は、溶接電流を比較的低く、逆に合計通電時間が短い場合や，冷却時間が長い場合は，溶接電流を比較的高く設定するのがよい。合計通電時間が長い場合や、冷却時間が短い場合に溶接電流を高くすると、通電途中でナゲットの凝固が開始して溶接効果が低下したり、通電面積の拡大が十分に行われないうちにナゲットが成長してナゲット偏平化の効果が得られない。一方、合計通電時間が短い場合や、冷却時間が長い場合に溶接電流を低くするとナゲットの成長が十分に行われない。
【００２４】
また、本発明においては第２段以降の溶接電流は、全て同一電流値、または第１段に近い通電段では比較的低めに、最終通電段に近い通電段では高めに設定するのが好ましい。通常、ナゲットの形成は、初期には板厚方向主体に成長し、それが飽和してからナゲット径方向へ成長することが知られている。したがって、板厚方向へのナゲット成長が主に起こる第１段通電に近い通電段の溶接電流を高くするとナゲットの溶融残厚が小さくなり易い。また、ナゲットが径方向へ成長する最終段に近い通電段では溶接電流を低くすると溶接効率が低くなる。
【００２５】
通電時間、あるいはさらに溶接電流を上記した範囲に調整することにより、板厚方向の溶融を調整することができ、適正電流範囲ΔＩを1.0 kA以上に調整することもできる。
なお、本発明では、使用する電極については特に限定する必要はなく、通常公知の電極がいずれも使用可能であるが、なかでも電極の先端径が所望のナゲット径ｄ0 以上で、かつ先端曲率半径が40mm以上である形状の電極を使用することが好ましい。
【００２６】
電極の先端径が所望のナゲット径ｄ0 未満では、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さく、したがって通電面積が限られるため、必要ナゲット径ｄ0 に達するまでに板厚方向への溶融も進行し、厚みのあるナゲット形状となる。このため、溶融残厚Δｔが少なくなり、溶接部割れが発生しやすくなる。なお、より好ましくはｄ0 ＋１mm以上、さらに好ましくはｄ0 ＋２mm以上である。
【００２７】
また、使用する電極の先端曲率半径が40mm未満では、スポット溶接初期に鋼板との接触面積が小さく、したがって通電面積が限られるため、先端径が小さいときと同様に、必要ナゲット径ｄに達するまでに板厚方向への溶融も進行し、厚みのあるナゲット形状となる。このため、溶融残厚Δｔが少なくなり、溶接部割れが発生しやすくなる。なお、ＣＦ型電極のような、先端端部が平面（曲率半径：無限大）である電極が特に好ましい。
【００２８】
本発明により、高張力亜鉛めっき系鋼板をスポット溶接すると、溶接部割れ性が改善される理由については、現在までのところ十分には解明されてはいないが、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、本発明のスポット溶接方法では、板厚方向への溶けこみが少ないナゲットが得られ、溶融面から鋼板表面への距離（溶融残厚Δｔ）が長くなるため、同一ナゲット径で比較して溶融残厚Δｔの小さいナゲット（図２）が得られる従来の溶接方法に比べ、鋼板表面の温度が比較的低く抑えられていると予想される。鋼板表面温度が低く抑えられていると、温度上昇が少なく粒界強度の低下も少ないことから、溶接部割れ性が改善されたと考えられる。
【００２９】
【実施例】
590MPa級高張力鋼板( 板厚：1.2mm ）の表裏面に片面当たり45g/m2の合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡめっき）を施した高張力亜鉛系めっき鋼板を重ねて合わせて、３段の多段通電とするスポット溶接を実施した。必要ナゲット径ｄ0 は、４√ｔ＝4.38mm（ｔ：鋼板板厚）と設定した。
【００３０】
なお、スポット溶接では、元径：16mmφ、先端径：６mmφで、先端曲率半径：40mmのＤＲ型電極を使用した。
溶接機は、単相交流抵抗スポット溶接機を使用した。なお、通電時の電極加圧力は2450Ｎ、溶接電流は第１段通電の電流値を10.0kAに固定し、第２段の電流値を5.0 kAから0.5 kA毎に増加させ、第３段の電流値は第２段の１.1倍として溶着発生まで溶接を行った。通電時間は第１段通電の通電時間を１、２、３、６、10サイクルとし、第２段以降の合計の通電時間を１〜60サイクルの間で変化した。また、第１段と第２段の間の冷却時間は１サイクルとし、第２段と第３段の間の冷却時間を、０（連続）、１、３、５サイクルとした。また、比較例として第１段通電の電流値を 5.0kAとし、通電時間を15、20、30、50サイクルとした溶接も行った。
【００３１】
得られたスポット溶接部について、溶接部割れの発生およびナゲット形状の調査を実施した。
溶接部割れ発生の調査は、スポット溶接部を目視観察により割れ発生の有無を判定した。また、ナゲット形状の調査は、溶接部を含む試験片を溶接部中央で切断し、研磨、エッチングして、ナゲット径と溶融残厚Δｔとを測定した。
【００３２】
また、得られたナゲット径と、溶融残厚Δｔとの関係から、ナゲット径が所望のナゲット径ｄ0 を超える溶接電流値と、溶着または溶接部割れが発生する溶接電流値との差、すなわち、適正電流範囲ΔＩ、を各溶接条件で算出した。この適正電流範囲ΔＩを、溶接部割れの発生がない、高品質スポット溶接部安定形成性（高品質溶接部形成性ともいう）の指標とした。ΔＩが２kA以上で◎、２kA未満1.0 kA以上が○、1.0 kA未満が△、0 kAが×として評価した。ΔＩ＝０kAでは、所望のナゲット径ｄ0 以上で、 溶接部割れの発生がない溶融残厚Δｔが0.05mm以上を満足するナゲットが形成されないことを意味する。
【００３３】
また、溶接施工においては、溶接効率の向上は重要項目であり、溶接施工時間の長短は溶接コストの高低に影響する。スポット溶接においては通電時間が溶接効率を支配しており、通電時間で溶接効率を評価した。通電時間：50サイクル以下を○、51サイクル以上90サイクル以下を△、91サイクル以上を×として評価した。
【００３４】
さらに、高品質溶接部形成性と溶接効率の評価を考慮して、総合評価を行った。総合評価では、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が○の場合を総合評価◎とし、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が△の場合を総合評価○、高品質溶接部形成性が○以上で溶接効率が×の場合を総合評価△、高品質溶接部形成性が△で溶接効率が○、△または×の場合を総合評価△、高品質溶接部形成性が×で溶接効率が○、△または×の場合を総合評価×とした。
【００３５】
得られた結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
0003849539.tif 000003
【００３７】
【表２】
0003849539.tif 000004
【００３８】
本発明例はいずれも、溶接部割れの発生する危険性が少なくなり、高品質溶接部形成性に優れた溶接方法となっている。これに対し、本発明の範囲を外れる比較例は、溶接部割れの発生する危険性が高く、高品質溶接部形成性が低下している。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、表面に亜鉛系めっき層を形成した高張力亜鉛めっき系鋼板をスポット溶接した際に多発する溶接部割れを安定して抑制でき、高品質のスポット溶接部を安価にしかも安定して形成でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスポット溶接方法を適用したスポット溶接部のナゲット形成状況の一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明範囲を外れる溶接方法で溶接したスポット溶接部のナゲット形成状況の一例を示す模式断面図である。
【図３】溶接電流変化による、ナゲット径と溶融残厚の関係を模式的に説明する説明図である。
【図４】本発明の多段通電とするスポット溶接における溶接電流の変化の一例を示す説明図である。
【図１】
0003849539.tif 000005
【図２】
0003849539.tif 000006
【図３】
0003849539.tif 000007
【図４】
0003849539.tif 000008