JP6360056B2 - Resistance spot welding method - Google Patents
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Description
本発明は、抵抗スポット溶接方法に関し、具体的には、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みの抵抗スポット溶接方法に関する。なお、本発明において、アルミニウム板とは、純アルミニウム板とアルミニウム合金板を総称したものである。 The present invention relates to a resistance spot welding method, and specifically to a resistance spot welding method for a plate assembly in which steel plates and aluminum plates are overlapped. In the present invention, the aluminum plate is a general term for a pure aluminum plate and an aluminum alloy plate.
近年の自動車産業では、車体軽量化による燃費向上を目的として、車体へのアルミニウム合金板等の軽金属材の適用が進められている。 In recent automobile industries, the application of light metal materials such as aluminum alloy plates to the vehicle body has been promoted for the purpose of improving fuel efficiency by reducing the vehicle body weight.
現在、車体における鋼板同士の接合には、他の溶接方法に比べてコストや効率面で優位にある抵抗スポット溶接方法が最も多く用いられており、1台あたりの打点数は3000点から6000点に及ぶ。これは重ね合わせた2枚以上の鋼板を挟んでその上下から一対の電極で加圧しつつ、上下電極間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合する方法である。 Currently, the resistance spot welding method, which is superior in cost and efficiency compared to other welding methods, is most often used for joining steel plates in a vehicle body, and the number of hit points per unit is 3000 to 6000 points. It extends to. In this method, two or more stacked steel plates are sandwiched and pressed with a pair of electrodes from above and below, and a high-current welding current is passed between the upper and lower electrodes for a short time to join them by resistance heating.
車体の生産工程のコストと効率の維持という観点からは、鋼板同士の場合と同様、アルミニウム板が混在する場合の接合においても抵抗スポット溶接方法を用いることが有効である。しかし、鋼板とアルミニウム板の異種材料接合においては、電極の加圧と通電時の発熱により軟質なアルミニウム板が溶接中に大きく減厚したり、接合界面に脆弱な金属間化合物が形成したりすることで継手強度が確保できないという問題がある。 From the viewpoint of maintaining the cost and efficiency of the production process of the vehicle body, it is effective to use the resistance spot welding method also in joining when aluminum plates are mixed, as in the case of steel plates. However, in dissimilar material joining of steel plate and aluminum plate, the soft aluminum plate is greatly reduced in thickness during welding due to the pressurization of the electrode and the heat generated during energization, and fragile intermetallic compounds are formed at the joint interface. Therefore, there is a problem that the joint strength cannot be secured.
上記の問題に対応するため、以下に述べるような技術が提案されている。 In order to deal with the above problems, the following techniques have been proposed.
例えば、特許文献1には、溶接を極短時間化し、高電流を付与することで溶融部を周囲に飛散させて、正常な金属面同士の接触と原子の拡散による接合を達成させる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
For example,
また、特許文献2には、鋼板とアルミニウム板の間に鉄/アルミニウムクラッド薄板を同種材同士が向かい合うようにインサートさせることで、電極へのアルミニウムの溶着量を最小限に抑えながら、低電流でも高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
Further,
また、特許文献3には、鋼板とアルミニウム板の両側に当て板を1枚以上添えて溶接を行うことで、当て板と被接合材料との界面が抵抗発熱し、鋼とアルミニウムが抵抗拡散接合されて高強度の継手が得られる抵抗スポット溶接方法が記載されている。
また、特許文献4では、鋼板および鋼板表面酸化皮膜におけるMnおよびSiの各量を適正化することで、大きいナゲット径を得つつ散り発生を抑制する事ができると記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の抵抗スポット溶接方法では、鋼板同士の抵抗スポット溶接方法と比較して大電流を付与する必要があるため、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスの電源容量では電流値が不足するという問題点がある。
However, in the resistance spot welding method described in
また、特許文献2および3に記載の抵抗スポット溶接方法では、車体の構造上不要である当て板やクラッド薄板の使用、さらには車体の生産ラインの工程変更が必要となるため、大幅なコスト増や重量低減が十分に図れないなどの問題がある。
In addition, the resistance spot welding methods described in
また、特許文献4では、鋼板および酸化皮膜中の合金元素量および分布を限定する必要があるため、要求性能を満たす鋼板の使用が制限されるなどの課題があり、特に最近の鋼板では高強度化に伴って高合金化が進んでいる状況下では、その適用は極めて制限される。
Moreover, in
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、鋼板とアルミニウム板を重ね合わせた板組みを抵抗スポット溶接するに際して、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性が確保できる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention advantageously solves the above-described problem. When resistance plate welding is performed on a plate assembly in which a steel plate and an aluminum plate are overlapped, a current that can be output by a welding transformer generally used in an automobile production line. It is an object of the present invention to provide a resistance spot welding method that can secure joint characteristics between a steel plate and an aluminum plate by the same production process as that for joining steel plates.
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。 In order to solve the above problems, the present invention has the following features.
[1]鋼板の1ないし2枚以上とアルミニウム板の1ないし2枚以上を直接重ねて、最外側に配置される板の一方が鋼板で、他方がアルミニウム板とした板組みを抵抗スポット溶接するに際して、
鋼板と接触する電極の先端径DFeと、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlとの関係が、
DFe>DAl
を満たすことを特徴とする抵抗スポット溶接方法。[1] One or two or more steel plates and one or two or more aluminum plates are directly stacked, and a plate assembly in which one of the outermost plates is a steel plate and the other is an aluminum plate is resistance spot welded. On the occasion
The relationship between the tip diameter DFe of the electrode in contact with the steel plate and the tip diameter DAl of the electrode in contact with the aluminum plate is
DFe> DAl
The resistance spot welding method characterized by satisfy | filling.
[2]鋼板と接触する電極の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlが3mm以上16mm以下であることを特徴とする前記[1]に記載の抵抗スポット溶接方法。 [2] The resistance according to [1], wherein the tip diameter DFe of the electrode in contact with the steel plate is 4 mm or more and the tip diameter DAl of the electrode in contact with the aluminum plate is 3 mm or more and 16 mm or less. Spot welding method.
[3]アルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径RAlが40mmを超えることを特徴とする前記[1]または[2]に記載の抵抗スポット溶接方法。 [3] The resistance spot welding method according to [1] or [2], wherein the tip curvature radius RAl of the electrode in contact with the aluminum plate exceeds 40 mm.
[4]鋼板と接している各アルミニウム板において、溶接後のアルミニウム板の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2との関係が、
x1<0.8×x2
を満たすことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。[4] In each aluminum plate in contact with the steel plate, the diameter x1 at which the thickness t1 of the aluminum plate after welding is 20% or less of the plate thickness t0 before welding, and the joint diameter between the steel plate after welding and the aluminum plate The relationship with x2 is
x1 <0.8 × x2
The resistance spot welding method according to any one of [1] to [3], wherein:
[5]アルミニウム板の溶接前の板厚t0(mm)と、溶接後の鋼板とアルミニウム板との接合径x2(mm)との関係が、
3√t0<x2
を満たすことを特徴とする前記[4]に記載の抵抗スポット溶接方法。[5] The relationship between the thickness t0 (mm) of the aluminum plate before welding and the joining diameter x2 (mm) of the steel plate after welding and the aluminum plate is
3√t0 <x2
The resistance spot welding method according to [4], wherein:
[6]溶接中の電流値が20kA以下であることを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれかに記載の抵抗スポット溶接方法。 [6] The resistance spot welding method according to any one of [1] to [5], wherein a current value during welding is 20 kA or less.
本発明においては、自動車生産ラインで一般的に用いられている溶接トランスで出力可能な電流範囲で、かつ鋼板同士の接合と同じ生産工程により、鋼板とアルミニウム板の継手特性を確保することができる。 In the present invention, joint characteristics between a steel plate and an aluminum plate can be ensured in the current range that can be output by a welding transformer generally used in an automobile production line, and by the same production process as the joining of steel plates. .
本発明の実施形態を以下に述べる。 Embodiments of the present invention are described below.
図1は、本発明の一実施形態における抵抗スポット溶接方法を説明する図である。板厚t0のアルミニウム板1と板厚tsの鋼板2とを直接重ね合わせた板組み3を一対の電極(上電極4、下電極5)で挟んで加圧しつつ、上下電極4、5間に高電流の溶接電流を短時間通電して抵抗発熱により接合して、アルミニウム板1と鋼板2との抵抗スポット溶接継手を得るようにしている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a resistance spot welding method according to an embodiment of the present invention. A
その際に、アルミニウム板1と鋼板2の継手特性を確保するうえで重要となるのは、接合範囲を広げつつ、アルミニウムの溶融厚さを減少させることで、アルミニウム板1の減厚を抑制することである。
In that case, what is important in securing the joint characteristics of the
そこで、この実施形態においては、アルミニウム板1と鋼板2の重ね合わせた板組み(被溶接材)3を抵抗スポット溶接するに際して、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeと、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlとが、DFe>DAlの関係を満たすようにしている。
Therefore, in this embodiment, when resistance plate welding is performed on a plate assembly (material to be welded) 3 in which the
これによって、鋼板2側での発熱径を広く確保しつつ、アルミニウム板1側での電極4による抜熱を抑えることができ、低電流でも鋼/アルミニウム界面の幅広い範囲を昇温させることができる。また、鋼側での発熱径が広くなることで、アルミニウム板1側が局所的に過度に加熱されることが防げるため、アルミニウムの溶融厚さが減少する。そのため、加圧によるアルミニウム板1の減厚が抑制されるという効果もある。
As a result, it is possible to suppress heat removal by the
電極4、5の先端径については、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlが3mm以上16mm以下であることにより、前記効果を有効に得ることができる。
Regarding the tip diameters of the
電極5の先端径DFeが4mm未満では、鋼板2側での発熱径が不十分となる。電極4の先端径DAlが3mm未満ではアルミニウム板1中の電流密度が大きすぎるため、散り発生のリスクが高まり、電極4の先端径DAlが16mm超えではアルミニウム板1側での電極4による抜熱が大きくなるため、接合に要する電流値を増大させなければいけない。
When the tip diameter DFe of the
さらに、鋼板2側の発熱径とアルミニウム板1側の抜熱のバランスを考慮すると、電極5の先端径DFeを6mm以上、電極4の先端径DAlを4mm以上14mm以下とするのが好ましい。より好ましくは4.5mm以上12mm以下である。
Further, considering the balance between the heat generation diameter on the
なお、電極5の先端径DFeの上限は、ハンドリング性や装置の制約等を考慮して、20mmとするのが好ましい。より好ましくは18mm以下である。
Note that the upper limit of the tip diameter DFe of the
また、鋼板2と接触する電極5の先端径DFeと鋼板2の板厚tFeの関係は、3tFe≦DFeを満たし、アルミニウム板1と接触する電極4の先端径DAlとアルミニウム板1の板厚tAlの関係は、2tAl≦DAl≦14tAlを満たすことがさらに好適である。ちなみに、図1においては、tAl=t0であり、tFe=tsである。
Further, the relationship between the tip diameter DFe of the
また、アルミニウム板1の減厚抑制の観点からは、アルミニウム板1と接触する電極4の先端曲率半径RAlが40mmを超えることにより、前記効果を有効に得ることができる。電極4の先端曲率半径RAlが40mm以下であると、アルミニウム板1において電極4の中心付近と接する領域にかかる応力が過度に大きくなり、この領域でのアルミニウム板1の減厚が顕著となるからである。
Further, from the viewpoint of suppressing the thickness reduction of the
また、アルミニウム板1中の電流密度が大きくなり過ぎることを防ぐという観点からは、電極4の先端曲率半径RAlは50mm以上とするのが好ましい。より好ましくは55mm以上である。
Further, from the viewpoint of preventing the current density in the
また、アルミニウム板1側での電極4による抜熱を抑えるという観点からは、電極4の先端曲率半径RAlは400mm以下とするのが好ましい。
Further, from the viewpoint of suppressing heat removal by the
また、高強度の継手を得るために必要な電流値が大きい板組みにおいては、電極4の先端曲率半径RAlは200mm以下とするのがさらに好適である。
Further, in a plate assembly having a large current value required for obtaining a high-strength joint, it is more preferable that the tip curvature radius RAl of the
なお、電極の先端径Dと先端曲率半径Rについては、図2において、(a−1)と(a−2)がフラット形状(先端曲率半径Rは無限大)の場合の例、(b−1)と(b−2)が凸型形状の場合の例をそれぞれ示している(JIS C 9304)。 As for the tip diameter D and the tip curvature radius R of the electrode, in FIG. 2, (a-1) and (a-2) are flat shapes (tip curvature radius R is infinite), (b- Examples where 1) and (b-2) are convex shapes are shown (JIS C 9304).
つまり、アルミニウム板1に接触する電極4として、図2に示した電極を使用する場合は、図2中に示している先端径Dが電極4の先端径DAlとなり、図2中に示している先端曲率半径Rが電極4の先端曲率半径RAlとなる。同様に、鋼板2に接触する電極5として、図2に示した電極を使用する場合は、図2中に示している先端径Dが電極5の先端径DFeとなり、図2中に示している先端曲率半径Rが電極5の先端曲率半径RFeとなる。
That is, when the electrode shown in FIG. 2 is used as the
なお、アルミニウム板1の減厚については、図3に示すように、溶接後のアルミニウム板1の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板2とアルミニウム板1との接合径(ナゲット径)x2の関係が、x1<0.8×x2を満たしていれば、アルミニウム板1の減厚が生じていても問題はない。
In addition, about the thickness reduction of the
これは、ピール試験や継手の強度試験において、継手の破壊は溶接部の外周部から生じるため、溶接部中心付近の減厚量は継手特性にほとんど影響を及ぼさないためである。 This is because, in a peel test and a joint strength test, the fracture of the joint occurs from the outer periphery of the welded portion, and thus the thickness reduction near the welded center has little effect on the joint characteristics.
剥離負荷が大きい状態では、x1<0.6×x2の関係を満たすことが好ましい。さらに、x1<0.5×x2の関係を満たすことがより一層好ましい。 In a state where the peeling load is large, it is preferable to satisfy the relationship of x1 <0.6 × x2. Furthermore, it is more preferable to satisfy the relationship of x1 <0.5 × x2.
また、継手強度確保のためには、アルミニウム板1の溶接前の板厚t0(mm)と、溶接後の鋼板/アルミニウム板の接合径x2(mm)との関係が、3√t0<x2を満たすことが好ましい。さらに、3.5√t0<x2の関係を満たすことがより好ましい。
In order to secure the joint strength, the relationship between the thickness t0 (mm) of the
なお、上記の径x1については、円で無い場合には、面積が等しい等価円の径x1とすればよい。径x2についても同様である。 In addition, about said diameter x1, when it is not a circle | round | yen, what is necessary is just to set it as the diameter x1 of the equivalent circle | round | yen with equal area. The same applies to the diameter x2.
また、溶接中の電流値については20kA以下とすることで、汎用の溶接トランスで出力可能となり、前記効果を具体的に実現できる。 Further, by setting the current value during welding to 20 kA or less, it becomes possible to output with a general-purpose welding transformer, and the above-described effect can be specifically realized.
以上、この実施形態では、鋼板1とアルミニウム板2の2枚重ねの板組み(溶接継手)を例として説明したが、その2枚の板間にさらにもう1枚以上の鋼板あるいはアルミニウム板を順不同で挟んだ3枚重ね以上の板組み(溶接継手)についても適用可能である。その場合は、鋼板と接しているアルミニウム板全てにおいて上記の関係が成り立つことが好ましい。
As described above, in this embodiment, a two-layered plate assembly (welded joint) of the
また、溶接中の電流値・通電時間・加圧力は一定である必要はなく、電流値や加圧力を2段階以上に変化させてもよい。 Further, the current value, energization time, and applied pressure during welding need not be constant, and the current value and applied pressure may be changed in two or more stages.
また、溶接中の抵抗値・電圧値といったパラメータを監視し、その変動に応じて電流値や通電時間を変化させる制御方法を用いても何ら問題無い。 There is no problem even if a control method is used in which parameters such as resistance value and voltage value during welding are monitored and the current value and energization time are changed in accordance with the fluctuation.
また、本発明は、鋼板とアルミニウム板における表面のめっきの有無や厚さ、酸化皮膜の組成や厚さ、母材強度、板厚によらず適用することができる。 Further, the present invention can be applied regardless of the presence / absence and thickness of the surface of the steel plate and the aluminum plate, the composition and thickness of the oxide film, the strength of the base material, and the plate thickness.
本発明の実施例を以下に示す。 Examples of the present invention are shown below.
供試材料として、鋼板に軟鋼を用い、アルミニウム板に5000系アルミニウム合金板を用いた。溶接機はインバータ直流式抵抗スポット溶接機を用い、通電時間を40msec、加圧力2.5kNとし、電極形状および電流値を変化させて溶接を行った。 As test materials, mild steel was used for the steel plate, and a 5000 series aluminum alloy plate was used for the aluminum plate. As the welding machine, an inverter DC resistance spot welding machine was used. The welding time was 40 msec, the applied pressure was 2.5 kN, and the electrode shape and current value were changed for welding.
溶接後は継手を溶接部中央で切断して断面観察を行い、溶接後のアルミニウム板の板厚t1が溶接前の板厚t0の20%以下となる径x1と、溶接後の鋼板/アルミニウム板の接合径x2を求めた。また、JIS Z 3144に規定のピール試験によりピール径(mm)を求めた。ピール試験でボタン状に破断した継手については、図4で示すように破断部のアルミニウム板の厚さt2を計測し、母材の板厚(溶接前の板厚)t0で除することで破断部の減厚率(%)を求めた。 After welding, the joint is cut at the center of the welded portion to observe the cross section. The diameter x1 of the aluminum plate after welding is 20% or less of the plate thickness t0 before welding, and the steel plate / aluminum plate after welding. The joint diameter x2 was determined. Moreover, the peel diameter (mm) was calculated | required by the peel test prescribed | regulated to JISZ3144. For a joint that has been broken into a button shape in a peel test, as shown in FIG. 4, the thickness t2 of the aluminum plate at the fractured part is measured and divided by the base metal plate thickness (plate thickness before welding) t0. The thickness reduction ratio (%) of the part was obtained.
継手特性の評価基準としては、アルミニウム板の溶接前の板厚t0を基準板厚t(mm)として、ピール径が4√t以上かつ破断部の減厚率30%以上かつ電流値20kA以下であるものを◎、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率30%以上かつ電流値20kA以下であるものを○、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率が30%以上かつ電流値が20kAより高いものを△、ピール径が3.5√t以上かつ破断部の減厚率が30%未満、あるいはピール径が3.5√t未満であるものを×とした。表1にその結果を示す。 As the evaluation criteria for joint characteristics, the plate thickness t0 before welding of the aluminum plate is defined as the reference plate thickness t (mm), the peel diameter is 4√t or more, the thickness reduction rate of the fracture portion is 30% or more, and the current value is 20 kA or less. ◎ for some, peel diameter of 3.5√t or more, thickness reduction rate of fractured portion 30% or more and current value 20 kA or less, ○, peel diameter 3.5√t or more and thickness reduction of fractured portion When the rate is 30% or more and the current value is higher than 20 kA, the peel diameter is 3.5√t or more and the thickness reduction rate of the fracture portion is less than 30%, or the peel diameter is less than 3.5√t Was marked with x. Table 1 shows the results.
本発明例においては、全てのケースで評価は○ないし◎であった。 In the examples of the present invention, the evaluation was ○ to ◎ in all cases.
1 アルミニウム板
2 鋼板
3 板組み
4 アルミニウム板と接触する電極(上電極)
5 鋼板と接触する電極(下電極)
DESCRIPTION OF
5 Electrode in contact with steel plate (lower electrode)
Claims (5)
鋼板と接触する電極の先端径DFeと、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlとの関係が、
DFe>DAl
を満たし、
鋼板と接触する電極の先端径DFeが4mm以上であり、かつ、アルミニウム板と接触する電極の先端径DAlが9mm以上16mm以下であり、
さらにアルミニウム板と接触する電極の先端曲率半径RAlが40mmを超えることを特徴とする抵抗スポット溶接方法。 When one or more of the steel plates and one or more of the aluminum plates are directly stacked, one of the plates arranged on the outermost side is a steel plate and the other is an aluminum plate, and when resistance spot welding is performed,
The relationship between the tip diameter DFe of the electrode in contact with the steel plate and the tip diameter DAl of the electrode in contact with the aluminum plate is
DFe> DAl
The filling,
The tip diameter DFe of the electrode in contact with the steel plate is 4 mm or more, and the tip diameter DAl of the electrode in contact with the aluminum plate is 9 mm or more and 16 mm or less,
Further, the resistance spot welding method, wherein the tip radius of curvature RAl of the electrode in contact with the aluminum plate exceeds 40 mm.
x1<0.8×x2
を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗スポット溶接方法。 In each aluminum plate in contact with the steel plate, a diameter x1 at which the thickness t1 of the aluminum plate after welding is 20% or less of the plate thickness t0 before welding, and a joining diameter x2 between the steel plate after welding and the aluminum plate Relationship
x1 <0.8 × x2
The resistance spot welding method according to claim 1, wherein:
3√t0<x2
を満たすことを特徴とする請求項3に記載の抵抗スポット溶接方法。 The relationship between the plate thickness t0 (mm) before welding of the aluminum plate and the joint diameter x2 (mm) between the steel plate after welding and the aluminum plate is
3√t0 <x2
The resistance spot welding method according to claim 3, wherein:
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