抵抗スポット溶接方法

【課題】板厚比の大きい板組みに対しても十分な大きさのナゲットを適正な位置に形成することができ、かつこのナゲットの形成を伴う溶接作業を非常に簡易な設備および制御で行い得る抵抗スポット溶接方法を提供する。
【解決手段】重ね合わせた複数の金属板４、５のうち、最も薄い薄板４を一方の最外層に配してなる板組み３を一対の電極１、２で挟み、加圧しながら通電することで抵抗スポット溶接を行うに際し、一対の電極１、２のうち、一方の電極１にその先端を凸曲面状としたものを、他方の電極２にその先端に窪み６を設けたものをそれぞれ用い、かつ、窪み６を設けた電極２を板組み３の他方の最外層を構成する厚板５と接触させた状態で加圧通電する。

【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し、特に板厚の異なる複数の金属板を重ね合わせてなる板組みに対して良好なナゲット形成を可能とする抵抗スポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、重ね合わせた複数枚の金属板の接合には、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接方法が用いられる。この溶接方法は、複数枚の金属板を重ね合わせてなる板組みを一対の電極で挟み、当該一対の電極で加圧通電することで、ナゲットと呼ばれる溶接部を得る手段である。そのため、近年では、自動車のボデーの溶接等、多数の溶接を要し、かつ溶接作業の高速化が求められる分野に好適に用いられる傾向にある。
【０００３】
また、近年、自動車製造業の分野などにおいては、車体の衝突安全性の向上という要求の高まりから、例えば、車両のフロア部を構成する、フロアパネルとメンバーとの間にリインフォースメントを挟み込んだ構造が採用されるようになっている。この構造では、従来の単純な二枚重ねの鋼板をスポット溶接する場合と異なり、３枚以上の鋼板を重ね合わせてスポット溶接することが要求される。
【０００４】
さらに、最近では、車体の衝突安全性の更なる向上要求に伴い、リインフォースメ
ントなどの高強度化、厚肉化が進み、一方側に板厚の薄いフロアパネル（薄板）を配置し、他方側に板厚の厚い１枚又は複数枚のメンバー、リインフォースメント（厚板）を組み合わせた板組みをスポット溶接することが必要となる場合も多い。
【０００５】
このような板厚比（＝板組みの総厚／最も薄い金属板の板厚）の大きな板組みに対して、従来の如く、加圧力、通電量を一定の値に保ってスポット溶接を行った場合には一番外側（電極と接触する側）の薄板と厚板の間に必要なサイズのナゲットが形成され難い。そのため、上述の板組みに対しては十分な接合強度が得られないのが実情であった。
【０００６】
かかる問題を解決するための手段として、例えば特開２００３-２５１４６８号公報には、２枚の厚板の上に薄板を重ね合わせたワークを一対の電極により挟んでスポット溶接するに際し、薄板側に位置する一方の電極とワークとの接触面積が、厚板側に位置する他方の電極とワークとの接触面積よりも小さくなるようにして溶接を行うことを特徴とする抵抗スポット溶接方法が提案されている（特許文献１を参照）。
【０００７】
また、特開２００６−５５８９８号公報には、重ね合わせた２枚以上の厚金属板の一方に薄金属板を重ね合わせた板組みを一対の電極で挟み、抵抗スポット溶接により溶接接合するにあたり、一対の電極のうちの一方の、薄金属板に接する電極を先端が所定の曲率半径Ｒ１を有する曲面である電極とし、他方の厚金属板に接する電極を先端が平面又は薄金属板に接する電極の先端の曲率半径Ｒ１より大きな曲率半径を有する曲面である電極とし、抵抗スポット溶接を第一段および第二段の二段階からなる溶接とし、第二段の溶接が第一段の溶接に比べ高加圧力の溶接とすることを特徴とする抵抗スポット溶接方法が提案されている（特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５１４６８号公報
【特許文献２】特開２００６−５５８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の方法は、薄板を含めて３枚の金属板からなる板組みを溶接対象としたものである。そのため、単に薄板に当接する電極の先端径を、厚板に当接する電極の先端径より小さくしただけでは、板厚比が大きい板組み、例えば板厚比が５を超えるような場合には、薄板側にまで到る大きさのナゲットを形成することは難しい。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法であっても溶接可能な板厚比は６〜７程度である。そのため、さらに板厚比の大きい板組み（例えば１０程度）に対して、薄板側に到る適正な大きさのナゲットを形成するとなると、この方法では不十分である。また、上述の方法は、初期加圧力を高める等、加圧力の変更、制御を必須とするものであるから、制御の設定に手間がかかり、また高い加圧力を付与するための設備の増大を招く。設備スペースの増大は溶接箇所の制約につながり、これにより設計自由度の低下を招く恐れが生じる。
【００１０】
以上の事情に鑑み、本発明では、板厚比の大きい板組みに対しても十分な大きさのナゲットを適正な位置に形成することができ、かつこのナゲットの形成を伴う溶接作業を非常に簡易な設備および制御で行い得る抵抗スポット溶接方法を提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するため、本発明は、重ね合わせた複数の金属板のうち、最も薄い金属板を一方の最外層に配してなる板組みを一対の電極で挟み、加圧しながら通電することで溶接を行う抵抗スポット溶接方法において、一対の電極のうち、一方の電極にその先端を凸曲面状としたものを、他方の電極にその先端を窪ませたものをそれぞれ用い、かつ、窪みを設けた電極を板組みの他方の最外層と接触させた状態で加圧通電することを特徴とする抵抗スポット溶接方法を提供する。
【００１２】
このように、本発明は、板組みの加圧通電に際し、先端が凸曲面をなす電極と先端に窪みを設けた電極とを用い、かつ窪みを設けた側の電極を厚板側に配した点を技術的特徴とするものである。すなわち、通電初期において、薄板側では、凸曲面状の先端を有する電極が点状に接触する一方、厚板側では、先端の窪み周縁が金属板表面に接触するため、電極は環状に接触し易い。この場合、厚板側に比べて薄板側では電極との接触面積が小さくなり、その分電流密度が高まるため、薄板側に優先的に発熱が生じる。それ故に、薄板側においてもナゲットが形成され易くなる。加えて、厚板側では環状の接触状態が生じることで、従来とは異なる過程を経てナゲットの核となる部分が形成され、成長することになる。そのため、結果としてナゲットが広範囲にわたって成長し、薄板側で確実かつ強固な接合が生じると共に、非常に大径の（表面積の大きい）ナゲットを得ることができる。
【００１３】
また、この方法であれば、加圧力、通電量（電流量）を一定に保った状態であっても適正なナゲットを形成することができるので、製品ごとの溶接品質のばらつきを小さくして、高品質の溶接作業を安定的に行うことができる。また、従来の方法だと、加圧力の調整および制御の設定に手間やコストがかかるが、今回の方法であれば、上述の理由から特段の制御や設備を必要としないので、簡易な設備および制御でもって容易に溶接を行うことができる。また、かかる方法であれば、それほど高い加圧力を必要としないので、加圧設備に要するスペースも小さくて済む。また、溶接箇所の制約を受けることがないため、設計自由度を向上させることができる。
【００１４】
上述の如く、窪みを設けた電極を用いて板組みの溶接を行う場合、板組みの最外層に位置し、窪みを設けた電極と接触する厚板の表面には、通常、溶接痕と呼ばれる突出部が形成される。この際、溶接痕の高さとナゲット径（溶接の良否）との間には、一定の相関が認められることから、本発明者らは、窪みに応じて形成される溶接痕の形状でもって例えば目視で、より正確には溶接痕の高さでもって溶接の良否（薄板側にまで到るナゲットが形成されているか否か）を判定することができるとの知見を得るに到った。
【００１５】
従い、窪みの深さを、適正にナゲットが形成された場合に、窪みを設けた電極との接触面に形成される溶接痕の高さに相当する大きさに設定しておくのがよい。かかるサイズの窪みを設けた電極を用いて溶接を行うことで、適正にナゲットが形成された場合、溶接痕が窪みに倣った形状に形成される。そのため、容易に溶接の良否を目視で確認することができる。また、好ましくは、窪みの底部に形成されたマーカー（一種の目印）に対応した模様が溶接痕に形成されるように窪みを形成しておくのがよい。窪み底面に設けたマーカーに対応するマークが溶接痕に形成されることで、目視でもってより容易に溶接の良否を確認することができる。なお、ここでいう「適正にナゲットが形成される」とは、薄板を含め、板組みを構成する全ての金属板にわたってナゲットが形成されることを意味する。
【００１６】
また、溶接時におけるワーク（板組み）の抵抗から、溶接の良否を定量的に判定することも可能である。すなわち、窪みを設けた電極を用いて抵抗スポット溶接を行う場合、通電開始時からワークの抵抗（電気抵抗）は徐々に低下していき、適正にナゲットが形成された状態では平衡状態に至る傾向が知られている。よって、この知見に基づき判定を行うことで、具体的には、溶接時に計測される抵抗値が平衡状態に至ったことを確認することで、適正なナゲット形成が適正に行われたものと判断することができる。また、この判定作業は、予め平衡状態の判断基準を求めておくことで、電気抵抗の計測値に基づき容易かつ自動的に行うことができる。かかる手段によれば、溶接の良否判定、ひいては溶接部の品質管理を容易かつ高精度に行うことができるので、量産加工に対して非常に好適である。もちろん、この判定手段を、前述の目視による判定手段と組み合わせて用いてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、板厚比の大きい板組みに対しても、例えば板厚比が１０となるような板組みに対しても、十分な大きさのナゲットを適正な位置に形成することができる。併せて、このナゲットの形成を伴う溶接作業を非常に簡易な設備および簡単な制御で行うことができ、これにより、接合部品質の安定化、および設計自由度の向上を図ることができる。
【００１８】
また、窪みを設けた電極に設ける窪みの深さを、ナゲットが適正に形成された際の、金属板表面に形成される溶接痕の高さに応じて設定することで、溶接部の品質管理を容易かつ高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る抵抗スポット溶接方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る溶接方法を概念的に示している。同図に示すように、この溶接方法は、一対の電極１、２で、複数の金属板からなるワークとしての板組み３を挟持し、加圧しながら通電することでスポット溶接を行うものである。
【００２１】
溶接対象となる板組み３は、複数の金属板、詳細には、互いに板厚の異なる複数の金属板４、５を重ね合わせてなる。ここで、重ね合わせた複数の金属板４、５のうち、最も板厚の薄いもの（以下、薄板４という。）は、板組み３の一方の最外層に配置されており、他方の最外層には、薄板４以外の金属板（以下、厚板５という。）が配置されている。ここで、板組み３は、互いに板厚の異なる２枚以上の金属板からなり、薄板４が一方の最外層に配されていればよく、厚板５の枚数は問わない。また、複数枚の厚板５が用いられる場合、各厚板５、５間で板厚が異なっていてもよい。
【００２２】
一対の電極１、２は、所定のピッチを介して、板組み３をその厚み方向に挟む位置に配設されており、図示しない適当な加圧制御手段によって板組み３を加圧しながら通電するようになっている。一対の電極１、２のうち、一方の電極１には、その先端を凸曲面状としたものが用いられると共に、他方の電極２には、その先端に窪み６を設けたものが用いられる。この実施形態では、双方の電極１、２共に、先端を凸球面形状とし、他方の電極２のみ、その中央（頂部）に円状の窪み６を設けている。
【００２３】
上記構成の電極１、２のうち、一方の電極１は、板組み３の最外層を構成する厚板５の表面５ａと接触し、かつ、窪み６を設けた電極２は、薄板４の表面４ａに接触するように配置される。
【００２４】
この状態から、図示しない加圧制御手段により一対の電極１、２を板組み３に押し付ける（加圧する）と共に、同じく図示しない電流制御手段により一対の電極１、２間に挟持した板組み３に通電する。ここで、一方の電極１と薄板４の表面４ａとは、図２（ａ）に示す接触状態にある（同図中、Ｃ１で示す領域において接触している）。また、先端に窪み６を設けた他方の電極２と、最外層に位置する厚板５の表面５ａとは、図２（ｂ）に示す接触状態にある（同図中、Ｃ２で示す領域において接触している）。すなわち、通電初期において、凸曲面状の先端をなす電極１は薄板４と点状に接触するのに対し、窪み６を設けた電極２はその窪み６の周縁でもって厚板５と接触する。そのため、厚板５側に比べて薄板４側では電極との接触面積が小さくなり、薄板４の側で電流密度が高まる。さらに、厚板５側で環状の接触領域Ｃ２が形成されることで、ナゲットの形成、成長もこの接触領域Ｃ２に応じて進行する。これらの理由から、図３に示すように、薄板４側にまで到る大径のナゲット７が得られ、これにより、薄板４と厚板５との間に強固な接合部を得ることが可能となる。
【００２５】
また、この方法であれば、例えば、加圧力、通電量（電流量）を一定とする加圧通電でもって適正にナゲット７を形成することができる。そのため、溶接部の品質のばらつきを小さくして、高品質の溶接部を安定して形成することが可能となる。また、この方法によれば、簡易な設備および制御でもって容易に溶接を行うことができるので、例えば加圧設備に要するスペースに関しても小さくできる。従って、溶接箇所の制約を受けることなく溶接作業を行うことができ、溶接自由度の向上、ひいては溶接可能品種の拡大を図ることが可能となる。
【００２６】
なお、通電パターンに関し、上述の溶接方法であれば最も単純な一段通電であっても特に問題なく溶接可能であるが、例えば多段通電など、通電期間中に電流量を変化させて通電を行っても構わない。
【００２７】
また、上記構成の電極１、２を用いて加圧通電を行う場合、電極２と接する厚板５の表面５ａの、窪み６に対応する位置には、図３に示すように、溶接痕８が突出して形成される。ここで、図４に示すように、窪み６の深さｄｐを、適正にナゲット７が形成された場合に、窪み６を設けた電極２との接触面（表面５ａ）に形成される溶接痕８の高さｈに相当する大きさに設定しておけば、溶接痕８の高さｈでもってナゲット７の形成良否を判定することができる。つまり、かかるサイズ（深さｄｐ＝高さｈ）の窪み６を設けた電極２を厚板５の側に用いて溶接を行うことで、適正にナゲット７が形成された場合、溶接痕８が窪み６に倣った形状に形成される。そのため、容易に溶接の良否を目視で確認することができる。
【００２８】
この場合、窪み６の底面６ａを例えば平坦に形成しておくことで、図４に示すように、底面６ａに倣って平坦な面８ａを有する溶接痕８が形成される。従い、窪み６の底面６ａが溶接痕８に対する一種のマーカーとして機能し、より容易に目視で溶接の良否を確認することができる。マーカーの形状は特に問わないが、平坦な底面６ａをマーカーとすれば、溶接痕８の高さｈの目測およびマークの確認が非常に容易となるため、好適である。
【００２９】
このように、溶接作業後、溶接痕８から得られる情報に基づき溶接良否判定を行うことができるが、この他に、溶接時におけるワーク（板組み３）の抵抗に基づき溶接の良否を判定することも可能である。この判定手段の概念は、例えば図５に示す通電時間と電気抵抗との相関図を用いて説明することができる。すなわち、図５に示すように、通電開始に伴い、板組み３間で計測される電気抵抗は徐々に低下していくが、上述の如くナゲット７が適正に形成され、またこのことに対応した溶接痕８が形成されると、かかる抵抗は平衡状態に至る。従い、この溶接良否判定手段では、電気抵抗が平衡状態に至る点を判定基準とし、通電中における抵抗の変動をチェックすることで、ナゲット７が適正に形成されたことを確認することができる。この判定手段であれば、板組み３間の電気抵抗の計測値に基づき判定を行うことができるので、かかる良否判定を自動的に、さらには溶接時に行うことができる。そのため、溶接部の良否判定、ひいては溶接部の品質管理を容易かつ高精度に行うことができ、量産加工に非常に好適である。
【００３０】
もちろん、より溶接部の品質管理を確実かつ高精度に行いたいのであれば、この抵抗に基づく判定手段を、先述の溶接痕８の態様に基づく判定手段と組み合わせて使用することもできる。この際、抵抗が平衡状態にあることと、電極窪みの底面に設けられたマーカーによって溶接痕に対応するマークが形成されていることとの間には一定の相関が見られることを利用して溶接の良否を判定することもできる。
【００３１】
なお、かかる判定手段を用いて溶接の良否判定を行う場合には、平衡状態の判断基準をどのように設定するかが問題となる。具体的には、抵抗値の上下幅（変動幅）および平衡状態とみなす期間（図中、Ｔｅで示す期間）でもって平衡状態を規定する必要があるが、これらは、溶接する金属板（薄板４、厚板５）の種類や厚み、あるいはこれらの重ね合わせの順序等によっても変化する。そのため、各々の溶接態様に応じて予め校正を取っておき、これに基づき、実際の溶接作業における平衡状態の判定基準を定めるのがよい。
【００３２】
以上の説明では、抵抗スポット溶接用の電極として、図１に示す形状の電極１、２、すなわち、双方の電極１、２共に先端を凸球面形状とし、他方の電極２のみ、その中央（頂部）に円状の窪み６を設けたものを例示したが、これに限る必要はない。薄板４の側で使用する電極１に関していえば、先端が凸曲面形状をなすものである限り、任意形状の電極を使用することができる。また、厚板５の側で使用する電極２に関していえば、先端に窪み６を設けたものである限り、特に制限なく任意形状の電極（例えば、平坦面に窪み６を設けたものであってもよい）を使用することができる。もちろん、上述の実施形態の如く、それほど加圧力を高めることなく、かつ一段通電でもって良好なナゲットを形成するのであれば、電流密度を適度に高めるような構成とするのが好ましい。すなわち、図１に示すように、電極２の先端形状を凸曲面とし、この中央部（頂部）に窪みを設けた形状とすれば、初期通電時、窪み６の周縁部が優先的に接触し、かつその際の接触面積（図２で示す領域Ｃ２の面積）を適度な大きさに抑えることができる。
【実施例１】
【００３３】
本発明の有用性について検証を行うため、本発明に係る溶接方法で得られた接合体と、従来の方法で得られた接合体とにつき、ナゲットの良否判定を行った。以下に詳細を記す。
【００３４】
本発明に係る方法、従来方法共に、ワークとしての板組みには、厚板としての４枚の金属板（何れもＳＣＧＡ５９０厚み１．６ｍｍ）を重ね合わせたものに、薄板としての１枚の金属板（ＳＣＧＡ２７０厚み０．６５ｍｍ）さらに重ね合わせたものを使用した。この場合の板厚比は１０．８であった。
【００３５】
また、本発明に係る方法に使用する電極として、厚板側に配して使用する電極には、図６に示す先端形状をなすものを使用した。薄板側に配して使用する電極には、図６に示す先端形状であって、窪みに対応する箇所を取り除いた形状（先端は、破線で示すように凸球面状）のものを使用した。これに対して、従来方法に使用する電極には、双方の電極共に、図６中窪みを取り除いた形状をなすものを使用した。
【００３６】
また、加圧通電条件に関し、本発明に係る方法、従来方法共に、加圧力：３００ｋｇｆ、１段通電（通電時間：２８ｃｙｃｌｅ１ｃｙｃｌｅ＝１／６０ｓｅｃ）とした。一段通電時の電流値に関しては、それぞれ本発明方法：９．６ｋＡ、従来方法：７．４ｋＡとした。なお、電流値は、散りが発生する直前の電流値とした。
【００３７】
図７に、従来方法で溶接された板組み内部に形成されたナゲットの断面写真を、図８に、本発明に係る方法で溶接されたナゲットの断面写真をそれぞれ示す。これらの結果から、従来の方法で得られたナゲットは、最外層に位置する薄板にまで至ることなく形成されているのに対し、本発明に係る方法で得られたナゲットは、厚板はもちろん、最外層の薄板に到るまで板組みの全厚み方向にわたって形成されていることがわかる。また、ナゲット径（通常、板の延展方向における大きさ）に関しても、本発明に係る方法で得られたナゲットは、薄板側で最も大きく、またナゲット径が最も小さい厚み方向中央においても、十分な大きさのナゲット径を有していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る抵抗スポット溶接方法を概念的に示す断面図である。
【図２】（ａ）は図１中矢印ａの方向から薄板の電極との接触部分を見た図、（ｂ）は図１中矢印ｂの方向から厚板の電極との接触部分を見た図である。
【図３】適正なナゲットが形成された場合の板組みの断面図である。
【図４】電極の窪みとこれにより形成される溶接痕との関係を示す拡大図である。
【図５】通電時間と電気抵抗との関係を示す相関図である。
【図６】実施例に使用する電極の先端形状を示す側面図である。
【図７】従来方法で得られたナゲットの断面写真である。
【図８】本発明に係る方法で得られたナゲットの断面写真である。
【符号の説明】
【００３９】
１電極（薄板側）
２電極（厚板側）
３板組み
４薄板
５厚板
６窪み
６ａ底面
７ナゲット
８溶接痕
Ｃ１接触領域（薄板）
Ｃ２接触領域（厚板）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた複数の金属板のうち、最も薄い金属板を一方の最外層に配してなる板組みを一対の電極で挟み、加圧しながら通電することで溶接を行う抵抗スポット溶接方法において、
前記一対の電極のうち、一方の電極にその先端を凸曲面状としたものを、他方の電極にその先端を窪ませたものをそれぞれ用い、かつ、
前記窪みを設けた電極を前記板組みの他方の最外層と接触させた状態で加圧通電することを特徴とする抵抗スポット溶接方法。
【請求項２】
前記窪みの深さを、適正にナゲットが形成された場合に、前記窪みを設けた電極との接触面に形成される溶接痕の高さに相当する大きさに設定した請求項１記載の抵抗スポット溶接方法。

【図１】