抵抗スポット溶接システムSmartRSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究
Study of Technology to Improve the Indentation of Resistance Spot Welding by Close Control of the Electrode Force
渥美健太郎 Kentarou ATSUMI
大 塚 陽 介 Yosuke OTSUKA

河 田 直 樹 Naoki KAWADA
阿 部 千 明 Chiaki ABE

ステンレス鋼製鉄道車両構体は主として抵抗スポット溶接で製造されている．その溶接施工部には圧痕が形成されるが，側構体に代表されるような箇所では圧痕の外観も製品品質に含まれてくる．そこで，圧痕の形成メカニズムをあらためて確認し，抵抗スポット溶接における加圧力，電流値に着目し従来工法よりも細かく制御することで，圧痕形状の改善を行った．
その結果，溶接プロセス中の加圧力をプロセスごとに制御することで圧痕形状の改善効果が確認できたので報告する．
The railway vehicle of stainless steel is generally manufactured from the resistance spot welding. This welding
method makes indentation at surface of material. The appearance of indentation at side body structure is included inquality of manufacture. Then, the mechanism of the indentation generation in resistance spot welding was reviewed,
and the appearance of indentation was improved by the way of close control of the electrode force.
As a result, appearance of indentation was improved by the way of control of the electrode force at every scene in
welding process.

１ はじめに２ 抵抗スポット溶接の原理

当社の主力製品である在来線通勤型車両は，ステンレ

２．１ 溶接プロセス

ス鋼製が主流となっているが，その車両構体の製造では抵抗スポット溶接の一般的な溶接プロセスを図1に示

抵抗スポット溶接を中心に接合が行われている．抵抗ス

す．抵抗スポット溶接はそのプロセスをスクイズ時間，ポット溶接は溶接施工した材料表面に圧痕が形成される

通電時間，ホールド時間の3つに分けることができる．

が，圧痕は部位によっては製品の外観にも影響を与える

材料の溶融は通電時間に行われ，その際に材料に与えらことがある．鉄道車両の側構体はその好例と言える．よれる熱エネルギは，主にジュール発熱によって定義されって，「JRIS-W0161 鉄道車両－作業標準－ステンレスており，式（1）で示される（1）．

鋼材のスポット溶接」の規準を確保しつつ，圧痕の外観
Q＝0. 24Ｉ Rt ··········································································（1）を向上することは製品の品質向上に直結するものと考え2られる．
本稿では圧痕部の外観向上を目的とし，まず抵抗スポ式（1）の各項より，ジュール発熱量 Q は電流値 I，電ット溶接機の主に加圧機構に着目して，圧痕形状に加圧気抵抗R，通電時間 t の関数である．ここで電気抵抗 R機構が与える影響について調査を実施した．その後，抵は材料の固有抵抗，電極－被接合物の表面間の接触抵抗，抗スポット溶接システムであるSmartRSW を開発し溶被接合物同士の接触面（溶接部）の接触抵抗の和である．

接プロセスを従来以上に細かく制御することで，圧痕部

このうち，接触抵抗は加圧力Pによって制御することがの外観向上について検討を実施した．その結果，溶接プでき，加圧力 P を増加させると電気抵抗Rは減少するこ

ロセス中の加圧力が圧痕部外観に大きな影響を与えることが知られている．すなわち，適正な溶接結果を得るたとを確認し，圧痕部外観の向上を達成したので報告する．

めには，溶接プロセス中の電流値I，加圧力 P，通電時Ⓡ間 t を適正な値に設定することが重要となってくる．

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Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

表1中の断面形状の波形は上が材料側，下が銅板側を[kA]示し，圧痕外観の画像は銅板側の圧痕形状を示している．
まず，空圧式で通常の電極と銅板電極を用いた際の圧痕外観は，電気サーボ式と比較して圧痕径が大きくなる

I
t1

傾向にあるが，圧痕中央部の圧痕深さは電気サーボ式とt2t3比較して浅い．一方，電気サーボ式では圧痕径は空圧式と比較して小さくできるものの，圧痕深さは空圧式と比[ms]較して深い（加圧力指令値が一定の場合）．
圧痕形状の改善を検討する場合，圧痕径を小さく抑え[kN]ることができ，加圧力を溶接プロセス中に任意に変化させることができる点で電気サーボ式の方が有利であるとP考えられる．ここで圧痕形状を改善するうえで最大の焦点となるのが電気サーボ式で施工した際の圧痕深さが空圧式と比較して深い点であるが，その原因に関する検証[ms]12を行った．

3

Φ12-100R
SUS301L-H t 0.8

図1 一般的な溶接プロセス

PI

２．２

加圧機構と圧痕外観

ステンレス鋼製鉄道車両の側構体におけるスポット溶接の例を図 2 に示す．材料（図中では骨組相当の板と外板相当の板の 2 枚）を電極（上側はΦ12，下側は表面がSUS301L-1/4H t 1.5

フラットな銅板電極）によって挟み込み，加圧力Pおよび電流値Iを材料に与えることで接合を行う．ステンレ
ス鋼製鉄道車両の側構体製造時には，図2中の点線で示Flatした面の圧痕外観が特に問題になる場合がある．

図2 溶接施工方法（側構体製造の例）

ステンレス鋼製鉄道車両の側構体における良好な圧痕
外観とは，圧痕径が小さく，圧痕高さ（外板表面から圧痕の最も高い点までの高さ）および圧痕深さ（圧痕の最も高い点と低い点との距離）が小さい状態を指す．
ところで圧痕外観は電流値Iや加圧力 P のほかに，加圧機構によっても影響を受ける．加圧機構には空圧式と電気サーボ式があるが，銅板電極を使用する場合は特に加圧機構のもつ特性によって圧痕外観は同じ溶接条件であっても大きく異なる場合がある．加圧機構ごとの圧痕部の例を表1に示す．

3

2013年１月

表1 加圧機構と圧痕形状

表面形状

圧痕外観

[µm] [µm] [mm]

20m
1.0mm

２．３ 加圧機構と電極挙動
スポット溶接時の電極の挙動について検証するため，電気サーボ式では材料に電極が接触してからホールド材料の横方向から溶接プロセス中に定点観測を行った．

終了時まで，電極の高さは変わらない．これは電気サーその際の溶接条件を表 2 に示す．なお定点観測では，電ボ式の加圧制御がトルクリミッタ機能（モータの電気子極の挙動を捉えやすくするために材料はSUS304 t 2.0電流を検出）を利用しており（2），溶接中はモータの回転の2枚合わせとした．

が止まっているため電極の高さも変化しないと考えられる．よって，ホールド時の熱収縮が生じても空圧式のよ

表2 溶接条件

(I)
(t)
(P)

(1)
1200ms

(2)
6kA
600ms
8kN

うなダンパ効果が生まれず，結果として圧痕深さが空圧(3)式と比較して大きくなるものと考えられる．
以上のことから，電気サーボ式の加圧機構と銅板電極1200msを用いたスポット溶接において，溶接プロセス全体を通して加圧力の指令値が一定の条件のもとでは，銅板側の圧痕深さが空圧式と比較して大きくなるのは加圧機構の構造上仕方ないことと言える．

電極の挙動について定点観測を行った結果を表 3 に示す．図中の矢印はスクイズ時の銅板から上部電極の溝まそこで，電気サーボ式の加圧機構で銅板電極を用いるでの基準の距離を示しており，それぞれの加圧機構の列

場合，銅板側の圧痕深さを改善するには空圧式の電極と内の矢印は全て同じ長さである．

同等の挙動をするように加圧力を設定すればよいと考え

まず空圧式では材料に電極が接触した後，通電時にはられる．つまり，ホールド時の加圧力の指令値を高く設

材料の発熱にともなう熱膨張によって電極の高さがわず定する（結果として電極を材料にさらに押し込む）ことかに上昇していることが，基準長さの矢印と電極の溝のが重要となってくるものと考えられる．

間に隙間があることから確認でき，変位量は約 290μm

そこで，電気サーボ式加圧機構を用いて溶接中の加圧であった．その後，ホールド時には材料の熱収縮にとも力をプロセスごとに変化させることを念頭に，抵抗スポなって電極の高さはふたたびわずかに下降している．こット溶接システムの開発を行った．

れは，シリンダ内部のエアーがダンパの役割を果たしているためと考えられる．この効果により空圧式ではホールド時のまだ材料が柔らかいわずかな時間に電極直下の材料が銅板側にわずかに押し出され，熱収縮によって銅板側の圧痕深さが深くなるのを軽減しているものと考えられる．

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4

Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

表3 加圧機構と電極挙動

一方可変加圧機能は，これまでの空圧式では電極加３ SmartRSW 概要Ⓡ

圧が溶接プロセス中は一定であったのに対し，電気サ

本稿で開発した抵抗スポット溶接システムSmartRSWーボ式にすることで溶接中の加圧力（P1～P3）を図3のの 主 な 仕 様 を 表 4， 溶 接 プ ロ セ ス を 図 3 に 示 す ．

ようにプロセスごとに任意に設定できるようになり，SmartRSW は状態監視機能と可変加圧機能の2つの空圧式の加圧機構より細かな加圧力制御が可能となっ特徴を有する抵抗スポット溶接システムである．状態ている．また，指令に対して空圧式よりも素早い応答監視機能は，主要部位にセンサーを取り付け，溶接時性も有している．

ⓇⓇの状態監視を可能とする機能であり，既存の技術 を
（2）

[kA]

用いて溶接中の加圧力や電流値等をリアルタイムに測定することができる．

I
表4 SmartRSW の主な仕様Ⓡ3 400Vt1

t3[ms]

50/60Hz[kN]

280kVA
12kA

2t2

P19.8kN

P2P3[ms]1123

図3 溶接プロセス（SmartRSW ）Ⓡ5

2013年１月

４ 溶接条件パラメータと溶接結果の関係
SmartRSW を用いて本章ではJRISの断面試験に関Ⓡする規定値を満足しつつ，銅板電極側の圧痕形状の改善を試みた．4.1節ではJRISの規準を満たすナゲットを得られる溶接条件範囲の探索，4.2 節ではほぼ同等のナゲット径を得られる複数の溶接条件における圧痕形状の比較，4.3 節ではホールド時の加圧力と圧痕形状の関連について検証を行い，圧痕形状の改善を試みた．
４．１

加圧力・電流値と溶接結果の関係

鉄道車両の構体製造で使用する抵抗スポット溶接の溶図4 測定位置接条件は，その溶接結果が「JRIS-W0161 鉄道車両－作業標準－ステンレス鋼材のスポット溶接」に定められ表6 断面試験の規定値（JRIS-W0161）

た規定値を満たすことが大前提となっている．そこで，代表的な 2 枚合せの板厚組合せについて，JRIS-W0161

JRIS-W0161
20 90で定められた規定値を満たす溶接結果が得られる溶接条件範囲の探索を行った．材料はSUS301L - H t 0.8 +20 903.6mm

SUS301L-1/4H t1.5を対象とし，その際の溶接条件を
表5 ，断面試験での測定位置を図 4，JRIS-W0161の断面25%試験に関する規定値を表 6，断面試験結果を図 5 に示す．
まず，それぞれの加圧力P2において電流値Iを増加させるとナゲット径は大きく増加しており，これは式（1）で電流値 I が 2 乗項であることからも当然の結果と言える．一方，通電中の加圧力P2を増加させるとナゲット径I kAは減少するが，ナゲット径に与える影響は電流値ほど大きくはないことが分かる．しかし，ナゲットを生成することができる電流値の範囲は加圧力 P2 の増加にともなって拡大しており，通電中の加圧力 P2を大きくとれば溶接条件の選択の幅が広がることを示している．ところで，今回の組合せではJRISで決められている断面試験におけるナゲット径の規定値は3.6mmである．実施工においては何らかの外乱によって同一条件であってもナゲット径が多少小さくなってしまうことが起こりうる．その点を考慮し，規定値よりも少し大きい4.1mm程度の大き

P kNさのナゲット径を得られる溶接条件を表7で示した．こ

図5 加圧力・電流値とナゲット径の関係

れらの溶接条件から施工時の溶接条件を決定するわけだが，次節ではこれらの溶接条件で施工した際の銅板電表7 溶接条件とナゲット径極側の圧痕形状について調査した．
表5 溶接条件

(1)
(I)
(t)

150ms

(P) P2
総合車両製作所技報創刊号(2)
2 13kA
(1kA)
180ms

I
単位 [kA]
5.0
5.0
6.0
6.0
7.0(3)

800ms

2 8kN
P2(1kN)
6P1[kN]P2[kN]
2.0
3.0
4.0
5.0
7.0

P3[kN][ms]
180180180180180[mm][mm]

Ⓡ

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４．２

通電中の加圧力と圧痕形状の関係

しかし，低すぎる加圧力は材料が元々持っている歪を次に，加圧力 P2 が圧痕形状に与える影響について検押さえ込むことが出来ない可能性があるため，実施工的証を行った．今回は4.1節で施工した溶接条件のうち，には加圧力 P 2 は3.0 kN以上が妥当であるものと考えられJRISの規定値（ナゲット径：3.6mm）より少し大きい

る．また，電流値Iは低い方が熱ひずみが少なく抑えら4.1mm程度のナゲット径を得られる溶接条件で圧痕形状れるため，今回実施した溶接条件の中では5.0kAが適切を比較した．その溶接条件とナゲット径を表7，粗さ計であるものと考えられる．しかし，4.0kAでは全くナゲッで測定した圧痕形状の測定結果を表 9，その際に使用しト径が得られていないため，少しでも電流値が低い方へた粗さ計の諸元を表 8 に示す．

ばらつけばすぐにナゲット径がJRISを下回る危険性が

まず，加圧力 P2を高い値に設定した場合，所望のナゲある．よって電流値Iは安全のため5.5kA程度が妥当でット径を得るには，それに付随して電流値Iも高い値にあると考えられる．次節ではホールド加圧力P3が表面形設定する必要があることが表7から分かる．これは式（1）状に与える影響について検討した．

で加圧力 P を大きくとると電気抵抗 R が減少し，同等の入熱量 Q を得るには電流値Iを大きくする必要があるこ

表8 粗さ計諸元SURFCOM 120A
0.6mm/s
5µR90°
0.2 30mm 0.1mm
0.08,0.25,0.8,2.5mm
0.8mm
0.8 8mmとと一致する．また，加圧力 P2を高く設定するほど圧痕径，圧痕高さが増加する傾向にあることが 表9から分かる．これは加圧力が高いほど，発熱によって軟化した材料が電極によって銅板側へ押され，大きな圧痕を形成することを示している．よって，より良好な圧痕（ここでは圧痕径および圧痕高さが小さい圧痕のこと）を得るには，加圧力P2を低く設定する必要があることが分かった．
表9 表面形状

表面形状[mm][µm] [µm] [mm]20µm

4.4 2252 4.7

4.1 2436 5.5

4.2 2732 5.6

4.1 2826 5.8

4.4 3028 6.31.0mm

7

2013年１月

４．3 ホールド加圧力P3と圧痕形状の関係

表10 試験条件

次にホールドの加圧力P3と圧痕形状の関係について検討を行った．その際の試験条件を表10，粗さ計で測定しI[kA]
5.5
5.5
5.5
5.5
5.55.55.5

た圧痕形状の測定結果と圧痕外観を表11に示す．ホールド加圧力 P3を増加させると圧痕深さは減少し，圧痕深さが 30μm 程度までは圧痕中央部にあるくぼみが目立つが，15μm 以下になるとほとんどくぼみの存在は目立たなくなることが分かる．また，圧痕の形状も加圧力P3を大きくするほど圧痕径が多少増加するものの，全体的になだらかな形状になることが分かった．

P1
P2[kN] [kN ]
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0

P3[kN ]
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.08.0表11 表面形状

表面形状[mm] [µm] [µm] [mm]20µ m4.122684.64.222304.54.625144.84.424164.94.52665.04.52685.24.42465.21.0mm

総合車両製作所技報創刊号

8t2
[ms]
180180180180180180180Ⓡ

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さらに，ホールド時の加圧力 P3と圧痕深さ，圧痕高さは空圧式のようなダンパ機能が構造的に無いため，およびナゲット径の関係を図 6 に示す．圧痕深さは加圧溶接中に熱膨張しても電極位置は変わらない．この力P3に反比例して減少する傾向が見られた．これはホーため，片側に銅板電極を用いて一定の加圧力指令値

ルド時の加圧力 P3を高く設定することで電極が材料に押のもとで溶接を行うと銅板側の圧痕深さは空圧式とし込まれ，空圧式のダンパ効果を再現することができ，比較して深くなる．

結果として圧痕深さが減少したと考えられる．一方で，（4）電気サーボ式の加圧機構で圧痕深さを浅くするためホールド加圧力 P3の設定値に対してナゲット径は大きにはホールド時の加圧力を高く設定することで達成な変化は見られず，ホールド加圧力 P3はナゲット径とでき，その加圧力はナゲット径に影響を与えない．

は関係なく任意に選択可能であることを示している．

（5）通電中の加圧力は低く設定することで圧痕高さや圧痕径を小さくできるが，材料の歪の影響を受けやすくなり，選択可能な電流値が狭まることが考えられる．よって，通電中の加圧力は3.0kN以上が望ましい．
本稿では代表的な板厚組合せについてJRISに基づいた検討を行ったが，実施工では数多くの板厚組合せが存在している．今後は他の組合せについても検討を進める．
参考文献（1) 奥田滝夫，他：「スポット溶接入門」，23-25，（1986），
産報出版（2) 松山欽一，他：「抵抗溶接の基礎と実際」，72-73，（2011），産報出版（3) 古川一敏，他：「新しい抵抗溶接機の開発とそのホールド加圧力適用」，溶接技術，62-68，（2008），産報出版
著者紹介

図6 ホールド加圧力P3と圧痕寸法

渥美健太郎

５ まとめ

生産本部
技術部（溶接センター）

外観が品質に含まれる箇所に施工する抵抗スポット溶
接の圧痕部に対して，加圧機構が圧痕外観に与える影響大塚陽介とその改善について検討を実施した．その結果を以下に技術士（金属部門）
生産本部
技術部（溶接センター）主任

まとめる．
（1）電気サーボ式の加圧機構により可変加圧機能を有する抵抗スポット溶接装置であるSmartRSW を開発Ⓡし，溶接プロセス中の加圧力を変化させることで従河田直樹

来よりも圧痕外観の品質向上を達成した．

博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査（2）片側が銅板電極を使用した際の銅板側の圧痕形状は，その装置の加圧機構の影響を受ける．空圧式の加圧機構の場合，シリンダのもつダンパ機能と熱膨張の影響によって溶接プロセス中に上側の電極がわ

阿部千明

ずかに上下する．このため，銅板側の圧痕深さは比生産本部技術部（溶接センター）主査

較的浅い．
（3）電気サーボ式の加圧機構の場合，サーボシリンダに9

2013年１月