表面電気抵抗測定によるスポット溶接の品質評価
埼玉工業大学 島本聡＊，山下恵太郎＊，○神尾嘉太＊＊
電子磁気工業 赤松里志＊＊＊，岩田成弘＊＊＊
Quality evaluation of spot welding by surface electric resistance measurement
Akira SHIMAMOTO*,Keitaro YAMASHITA*,Yositaka KAMIO**,
Satosi AKAMATSU***, Masahiro IWATA***
Abstract: The spot welding is suitable for efficiently connecting lamina, and applied to the car
and the consumer electronic, etc. voluminously. The tension shear test and the peel test, etc. aredone .the confirmation of fixed strength of the spot welding in the past. However, these are thedestructive tests and needing the inspection time and the inspection cost. Then, we did theexamination that evaluated fixed strength of the spot welding nondestructive measuring thechange in surface electric resistance in the weld. As a result, it has been understood spot welding
fixation strength of a lamina is efficiently appreciable nondestructive by this method.
Keywords: Spot welding, Nondestructive testing, Surface electric resistance, tension shear test,
Nugget, Maximum tension shear force, Spot welding electrode
１．緒言
スポット溶接は被溶接材を重ね、局部的に電流を流しジュール加熱して溶融させる溶接方法である。薄板を能率よく接合することに適し自動車や家電などの製造に多量に用いられている。従来から、溶接固定強度の検査方法としては引張りせん断試験や簡易的には接合部の引き剥がしによるピールテストなどが行われている〔1,2〕。しかし、これらはいずれも破壊試験であり検査時間や経済的（検査費）のロスの多いものである。そこで我々は、スポット溶接の固定強度を表面電気抵抗の測定から非破壊的に評価することを検討した。
その結果、スポット溶接の固定強度と溶接部における表面電気抵抗の変化の間に密接な相関関係を見出し、本方法で薄板のスポット溶接固定強度を非破壊的に能率よく評価でき,あらかじめ許容固定強度に対応する表面電気抵抗の低下率レベルを設定することにより溶接品質を管理できることがわかった。
*

Advanced Science Laboratory, Saitama Institute of Technology, Saitama**Student, Dept. of Computer Science, Saitama Institute of Technology, Saitama***Development Dept. Development Sect., Denshijiki Industry Co., LTD., Tokyo２．実験方法
2.1 試験片の作成
実験に用いた試験片の形状を図 1 に示す。片側 40mm は引張りせん断試験時の試験片クランプのために付加したスペーサであり中央部が被測定箇所である。表 1 に示すように材質は冷間圧延鋼板 SPCC と表面を Zn-Al-Mg のめっき処理鋼板 ZAM（日新製鋼商品名）としSPCC は厚みを 4 種類に組み合わせした。溶接の固定強度品質には溶接電流、溶接電流の通電時間、溶接電極の圧接力の 3 種類のパラメータが大きく影響するが、予め溶接電極径を2mm から 6mm まで変化させたときの最適溶接条件について汎用の交流溶接機を用いて予備検討を行いほぼ最適と思われる溶接条件で溶接した。
溶接接合部に生じた溶融凝固部分(ナゲット)で電極径にほぼ比例して大きくなり固定強度も増大するので小溶接電極による溶接は溶接不良の条件に相当する。
30959530ｔ２ｔ140Fig.1 Shape and dimensions of the specimens [mm]Table 1 Materials and thickness of specimens
Specimen

Materials

ＡＢＣＤＥ

ＳＰＣＣ
ＳＰＣＣ
ＳＰＣＣ
ＳＰＣＣ
ＺＡＭ

Thickness (mm)ｔ１
t20.52122223.2
1
12.2 実験装置及び測定方法
試験片の引張りせん断試験は容量５mm2Ton の単軸引張り試験機を用いて引V○張り速度 0.5mm/min で実施した。

３mmI

電気抵抗は図 2 に示すように電流探Electrode

針間距離 5mm、電圧探針間距離 3mm を基本条件とし直線状に配置された 4 探
ｔ1

針が試験片表面にばねにより一定圧力

ｔ20.3N）で接触するようにして測定した。

Nugget探針は直径0.6mm のSK 材で先端が三角
錘形状のロジュームめっき処理品である。

Fig.2 Measuring conditions of surface electricresistance３．実験結果及び考察
3.1 引張りせん断特性
図 3(a)に試験片 A(t1=0.5mm,t2=2mm)の引張りせん断試験の結果を示す。スポット電極径が 2mm の場合はナゲット部でのせん断破壊で破断（シャー切断）しているがスポット電極径が 3mm 以上となって形成されるナゲットが大きくなると接合部の近傍で最も応力の集中するところから破壊し始め、接合部の円周方向に破壊が進行して破断するもので、破断後、板の一方に接合部が栓状に残ることからプラグ破断と呼ばれている。本試験片の引っ張りせん断強度は約 2.5〜3KN である。図 3(b)に引張りせん断試験後の試験片の状況を示す。
(a)

(b)

Ten sion she ar forc e ( kN)

3.5
32.5
Dia. of ele ctrode (mm)62541.5
310.52002468Elongation ( mm)101214Max.tension shear force (kN)

Fig.3 Tension shear test results of Type-A specimens
図４には 5 種類の試験片の最大14D12せん断荷重とスポット電極径のC10関係を示す。最大せん断荷重は

8スポット電極の径および試験片EB6の厚みと共に増大する。試験片

4厚みが 2mm 程度になると 12kN

A2程度の大きな引張りせん断荷重

0123456Dia.of spot welding electrods （mm）

7の値を示す。この値は JIS3140の規定値〔3〕をほぼ満足する。

Fig.4 Maximum tension shear force of each specimen
3.2 表面電気抵抗分布
図 5(a)(b)にはスポット電極径(φ)が 2mm と 5mm の試験片 A のスポット溶接部 15mm 四方の表面電気抵抗を 0.5mm ごとに測定した結果である。探針が X 方向に直線状に配置した条件で測定しているので Y 方向と条件が異なるため、本来なら同心状の分布であるものが変形した分布で測定される。スポット溶接の影響を受けていない周辺部の電気抵抗は両試験片ともに約 120μΩであるが溶接部分の電気抵抗の分布は両者で大きく異なる。溶接中央部の X−Z 面で切断した分布を図６に示すが溶接電極 2mm の場合は 80μΩまで電気抵抗の1211Distance (mm)109876543210R (μΩ)

234567809 10 11 12 13 14 15m)

φ５（ｂ）
140130120110100908070605040301512.52010107.5050 1 23 4 52.56 7 89 10 11Distance
12 13 14 0(mm)15(mm)

ce(mtance84.5Dis

Di stanR (μΩ)

4 5 6 718Distance (m 9 10 11 12 13 14m)
151Distance (mm)1511.50 1 2 31413φ２（ｂ）
140
130120110
10090807060
50
4030
20
10015

φ5(a)

Distance (mm)15141312111098765432
100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Distance (mm)φ2(a)

Fig.5 Distribution of surface electric resistance of Type-A specimen (φ2mm,φ5mm)
14090

Center of spot welding

80

12070
ABCDE10080

R (μΩ)R (μΩ)

6060φ(mm)2345640205040302010000246810Distance (mm)121416-8-6-4-202Distance (mm)46Fig.6 Influence on R distribution

Fig.7 R distribution of each test pieceby electrode diameter(Electrode diameter φ5)8低下を示すのに対して溶接電極径 5mm の場合では大きく 40μΩまで低下している。図 7 はスポット電極径が 5mm の場合の各試験片の表面電気抵抗分布を示す。試験片の厚みが増加するにつれて表面電気抵抗は全体的に低下し、スポット溶接部の電気抵抗の低下量も減少して周辺部との差が少なくなる。これは薄板の場合にはスポット溶接部で形成されたナゲットにより裏側の材料と電気的にも接合されて見かけ状上側（被測定側）のスポット部分の厚みが増したことと考えることが出来る。本測定では表面電気抵抗は探針の配列使用検討のため電流探針間距離 13mm、電圧探針間距離 5mm で測定しているため、いずれも低抵抗に測定されている。
3.3 表面電気抵抗落込み率と引張りせん断強度の関係
前項に示したように表面電気抵抗は測定条件や材料の厚さおよび材質などにより基準レベルやスポット溶接部の低下量が変動するので基準レベルの表面電気抵抗値 R1 に対するスポット溶接部の電気抵抗値 R2 の低下量の比を(1)式のように電気抵抗低下率αと定義し相対的な比較ができるようにして引張りせん断強度との関係を検討した。
α＝（Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ１×100 (%)（１）

図 8 には Type-A 試験片のスポット電極径φと電気抵抗低下率αの関係であり、φが 5mm以上ではαは 60%以上の値を示す。同様に70して求めた各試験片のスポット電極径φが60α (%)

505mm の時の電気抵抗低下率αを表 2 に示す。

3040Table 2 α of each specimens (φ5)

3020TypeABCDE10α (%)

65.247.8

5.98.130.2t1 mm)

0.51.02.02.01.0001234φ (mm)567Fig.8 Influence ofφonα (Type-A)
表 2 および図 7 で示したように試験片の厚さが 2mm 程度まで増大するとスポット溶接部の電気抵抗低下率αが 10%以下となり検出精度の低下を招く。そこで、測定精度を確認する
ため t=3.2mm の SPCC 表面の電気抵抗を 800 回繰り返し測定した結果を図 9 に示す。
37.5AVERAGE＝34.97
STDEV ＝0.369

37R (μΩ）

36.5
3635.53534.53433.50100200300
400500Measurment number600

Fig.9 Measurement accuracy of R ( SPCC, t=3.2mm)

700800図 9 によると測定値は測定ばらつきを考慮すると 6〜7%変動することが予測されるので、
表 2 中に示したように 2mmの厚さのType-C,Dの試験片のごとくの厚い測定物には、複数回測定の平均値を用いても本 4 探針法による表面電気抵抗測定による低下率を適切に判断することは困難であることがわかる。そこでαが 30%以上の高い値を示しているType-A,B,Eの３試験片について電気抵抗低下率αと引張りせん断強度との関係を求めてみると図 10のごとくとなる。すなわち各材料の電気抵抗低下率がたとえばβ（βA、βB、βE）以上であれば溶接固定強度が所定の値以上であることを非破壊的に確認できることを示している。
すなわち、所定の材質と厚みの材料をスポット溶接する場合、あらかじめ図 10 のごとく引Max.tension shear force （kN）

張りせん断荷重特性
7と溶接部の表面電気ABE

βB65
βE4

抵抗低下率αの関係を求めておけば表面電気抵抗の測定によ

βAり非破壊的に接合強3度を管理できる。な2お、本 4 探針法による表面電気抵抗測定

1010203040506070
Ratio of electric resistance drop α (%)

80

Fig.10 Relation between maximum tension share force andα （Type-A,B,E）と同様な手段で鋼の焼入れ深さの非破壊検査法の検討が進んでいる〔4,5〕。

４．結言
厚さおよび材質の異なる鋼板のスポット溶接の固定強度と表面電気抵抗の変化を詳細に評価して次の結論を得た。
１．所定の材質と厚さの鋼板のスポット溶接固定品質は、溶接部の表面電気抵抗の低下率と溶接固定強度の関係から、あらかじめ許容固定強度に対応する電気抵抗低下率のレベルを設定すれば非破壊的に溶接品質を管理できる。
２．鋼板の場合、本方法は 2mm 以下の薄板に適用できる。
参考文献〔1〕及川初彦,村山元,崎山達也,高橋靖雄,石川忠：新日鉄技法,385(2006),36-41〔2〕日本溶接協会編：スポット及びプロジェクション溶接部の現場試験方法(WES 1110:1995)〔3〕JIS Z3140:スポット溶接部の検査方法,(1989)〔4〕武尾文雄,中島佳奈子：非破壊検査,52-1(2003),39-44〔5〕小島隆,赤松里志,岩田成弘：非破壊検査,55-11(2006),558-562