高張力薄鋼板の溶接継手強度を向上させる
パルススポット溶接技術の開発
谷 口 公 一1澤 西 央 海2)) 池 田 倫 正1)
小椋智1) 廣 瀬 明 夫2)

.

は じめに

自動車の軽量化および衝突安全性向上を両立する材料として高張力鋼板の適用，特に，引張強さ 980 MPa 以上の高張力鋼板の適用が進んでいる．車体の組立工程において，これらの鋼板を有効に活用し，適用推進していくためには，溶接技術，プレス技術などの利用加工技術が非常に重要となる．
自動車車体の組立溶接には，抵抗溶接，アーク溶接，レー図1

ザ溶接などが用いられるが，最も多く使用される抵抗スポッ
ト溶接は 1 台当たり 3000 ～ 6000 点の溶接箇所がある．一

鋼板引張強さと引張せん
断強さおよび十字引張強さの関係(板厚 1.6 mm)．

図2

十字引張試験後の代表的な破断形態．

方，車体の衝突安全性を確保する上では，各種車体部材における溶接部の強度確保が性能保証の面で重要となる．したがって，車体への高張力鋼板適用を進めるためには，抵抗スポ偏析の影響が指摘されており(1)，十字引張強さの劣化を解決

ット溶接部の継手強度向上技術の開発が必須といえる．

する方法としてテンパー通電法が提案されている(2)．通常，

図に板厚 1.6 mm の引張強さ 590 ～ 1180 MPa 級鋼板の抵抗スポット溶接によって得られるナゲットは硬いマルテン二枚重ね継手における引張せん断強さおよび十字引張強さ

サイト組織となるが，得られたナゲットに後通電(テンパーを，図に十字引張試験時の破断形態の一例を示す．引張せ通電)することでマルテンサイト組織を焼き戻しするというん断強さは鋼板引張強さの向上とともに増加する傾向にある方法である．しかし，テンパー通電法では，ナゲットが軟化が，十字引張強さは 980 MPa 以上では逆に低下する傾向にするために継手の引張せん断強さが低下するという問題があある．また，十字引張試験において， 590 MPa 級鋼板は母り，加えて，十分な焼き戻し効果を得るためには再通電前の材または熱影響部で延性的に破断するプラグ破断であるのに冷却時間が 1 s 程度必要になること，また，ナゲット径が小対し， 980 MPa 級以上の鋼板ではナゲット(溶接凝固部)でさくなるとテンパー電流で再溶融が生じるため焼き戻し効果脆性的に破断する界面破断を示し，継手強度低下の原因となが得られないという施工性の課題もあった．っている．

そこで，テンパー通電法よりも短時間で高張力鋼板の抵抗高張力鋼板での界面破断の要因としては，十字引張試験時

スポット溶接継手の十字引張強さを向上させ，かつ引張せんのナゲット端部での応力集中増大，およびナゲット内での P断強さの低下が生じない溶接法として，短時間・高電流通電の発熱を活用した抵抗スポット溶接技術「パルススポット溶JFE スチール株式会社 スチール研究所 接合・強度研究部
1)主任研究員 2)研究員
大阪大学 大学院工学研究科1)助教 2)教授
Development of Resistance Spot Welding Process to Improve
Joint Strength of High Strength Steel Sheets Using High Short
Current ``Pulse Spot Welding''; Koichi Taniguchi, Chikaumi
Sawanishi, Rinsei Ikeda, Tomo Ogura, Akio Hirose(JFE Steel Corporation. Osaka University)
2013年10月31日受理[doi:10.2320/materia.53.63]

ま て り あ 第53巻 第 2 号(2014)
Materia Japan接」(3)(6)を開発した．以下，本開発技術について紹介する．

.

パルススポット溶接の溶接プロセス



短時間・高電流通電における溶接部の発熱形態

板厚 1.6 mm の 1180 MPa 級高張力鋼板の二枚重ね板組みについて，図に示すような溶接電流パターンを加えた場合

図3

テンパー通電の溶接電流パターン．
図6

図7

図4

パルススポット溶接の溶接電流パターン．

従来溶接とパルススポット溶接の断面マクロ組織．

後通電電流が 6 kA の場合の溶接中の温度分布および電流密度分布(本通電電流6 kA）．

図8



ナゲット端部のミクロ組織．

新溶接プロセスによる継手強度向上機構

上述した短時間・高電流通電によるナゲット周辺での優先的発熱現象を活用して，テンパー通電よりも短い時間で継手強度向上を可能とする抵抗スポット溶接技術「パルススポット溶接」を開発した．図に新溶接プロセスの溶接電流パタ
図5

後通電電流が 20 kA の場合の溶接中の温度分布および電流密度分布(本通電電流20 kA）．

ーンを示す．ナゲットを形成する本通電の後に，冷却と短時間・高電流のパルス通電を 2 回繰り返す溶接電流パターンとすることで，本通電で得られたナゲットを効率的に短時間再加熱することを可能にしている．の数値シミュレーションを行った．図中に示す各名称はナゲ

パルススポット溶接の効果を板厚 1.6 mm の 1180 MPa 級ットを形成する本通電，無通電状態で加圧保持する冷却，ナ高張力鋼板の二枚重ね溶接で検討した．溶接条件は，本通電ゲットを再加熱する後通電である．溶接条件は，本通電電流を 電 流 5.5 kA ， 通 電 時 間 14 cycles ， パ ル ス 通 電 を 電 流 96 kA，本通電時間 16 cycles/50 Hz，冷却時間 100 cycles/50kA ，通電時間 3 cycles ，冷却時間 8 cycles とし，加圧力はHz ，電極による加圧力 4.41 kN とした．図に，後通電電3.5 kN とした．図に，従来溶接(本通電のみ)とパルスス

流 6 kA の場合の本通電後の溶接中温度分布および電流密度

ポット溶接によって得られた溶接部断面マクロ組織を示す．

分布の変化を示す．通電によって生じる抵抗発熱と電極およエッチングはピクリン酸飽和水溶液である．パルススポット

び鋼板への伝熱による冷却効果のバランスにより，ナゲット溶接では従来溶接では現れないエッチングの濃淡によるリン部分が徐々に再加熱され，通電時間 10 cycles ではナゲットグ模様が観察されており，図に示すナゲット端部における部分が焼き戻し温度に達していることが確認できる．しかミクロ組織においてもその状態は確認された．

し，後通電を 20 kA とした図の場合には， 1 cycle 通電時

図に， P の偏析状態を確認するために実施した EPMAにナゲットよりもナゲット周辺の電極近傍が高温に再加熱さマッピングの結果を示す．パルススポット溶接では従来溶接れる結果となった．後通電電流 6 kA の電流密度分布が比較の場合と比較して P 偏析が軽減されており，この差異がエ的均一であるのに対し，20 kA の場合には電極接触部近傍でッチング状態の濃淡差を生じさせたと考えられる．パルスス

高く，かつ 1 cycle 通電では電極による溶接部の冷却効果がポット溶接では，パルス通電時の再加熱によってナゲット内作用し難い状態であるため，電極近傍がより加熱されたものの P が拡散したためと推定される．と考えられる．



次に，溶接部の硬さ分布を比較した結果を図に示す．両新技術・新製品

図9

ナゲット端部での P の EPMA マッピング結果．

図11

パルススポット溶接における継手十字引張強さ．

図12
図10

十字引張試験後の溶接部の破断状態．

従来溶接とパルススポット溶接の溶接部硬さ分布．

.

実績と将来性

溶接方法とも同様な硬さ分布を示しているが，パルススポッ
ト溶接では，従来溶接と比較して，母材マルテンサイト組織

パルススポット溶接は，従来溶接に対して溶接継手強度のの焼き戻しによって生じる溶接熱影響部での軟化領域が拡大向上および破断形態の向上を可能とし，さらに，従来の継手する傾向が確認された．パルススポット溶接では，溶接熱影強度向上対策であったテンパー通電と比較して溶接時間を短響部が加熱され易い状態にあったと考えられる．一方，ナゲ縮でき，適正パルス電流範囲が広い施工性に優れた抵抗スポット硬さはほとんど低下しないことも確認された．

ット溶接技術である．

 ナゲットの以上の結果より，パルススポット溶接では，◯本技術は，自動車車体の溶接組立ラインでの適用に向け，

 熱影響域拡大によるP 偏析軽減によるナゲット靭性向上，◯既に自動車会社との検討を開始しており高い評価を得ていナゲット端部での応力集中緩和，の二つの効果による継手強る．今後，車体軽量化に向けて高張力鋼板の適用拡大を考え度向上が期待された．

る上で，非常に有効な溶接技術になるものと期待される．

.

パルススポット溶接による継手強度向上

パルススポット溶接による継手強度向上の効果を，板厚1.6 mm の 1180 MPa 級高張力鋼板の二枚重ね溶接継手にて.

工 業 所 有 権

本開発技術に関しては，基本特許として特許第5201116号を取得し，関連特許として10件を出願している．

評価した．図に，パルス電流と継手十字引張強さの関係を示す．パルス電流以外の溶接条件は前項と同様とした．従来

文

献

溶接の継手強度 7 kN に対し，パルススポット溶接ではパル
ス電流 8 kA で継手強度 12 kN を示しており，顕著な継手強度向上効果が確認された．さらに，パルス電流 7 kA から 9kA の幅広い範囲で継手強度は向上しており，溶接施工性も良好であることが確認された．
また，図にパルス電流 8 kA における十字引張試験後の破断状態を示す．従来溶接ではナゲット内にき裂が進展して破断していたが，パルススポット溶接ではナゲット内にはき裂が進展しておらず，良好なプラグ破断形態を示していた．
ナゲット靭性向上およびナゲット端部での応力集中緩和の効果により，継手強度が大幅に向上したものと考えられる．

ま て り あ 第53巻 第 2 号(2014)
Materia Japan( 1 ) 西 武史，斉藤 亨，山田有信，高橋靖雄製鉄研究，第307号，(1982), 56
62.
( 2 ) 例えば，溶接学会抵抗溶接研究委員会編スポット溶接・下抵抗溶接現象とその応用，(1982), 39など．
( 3 ) 谷口公一，沖田泰明，池田倫正，遠藤 茂溶接学会全国大会講演概要集，第87集，(2010), 96
97.
( 4 ) 谷口公一，貞末照輝，伊木 聡，池田倫正，遠藤 茂溶接学会全国大会講演概要集，第89集，(2011), 45.
( 5 ) 澤西央海，小椋 智，廣瀬明夫，谷口公一，池田倫正，遠藤茂 ， 安 田 功 一  溶 接 学 会 全 国 大 会 講 演 概 要 集 ， 第 89 集 ，(2011), 8
9.
( 6 ) 谷口公一，池田倫正，大井健次溶接学会全国大会講演概要
集，第90集，(2012), 240
241.

