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発明の名称 アルミニウム合金製部材のスポット溶接方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−193132
公開日 平成10年(1998)7月28日
出願番号 特願平9−327150
出願日 平成9年(1997)11月11日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 覚
発明者 高木 順 / 森 信行
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法において、その厚さがtmmのアルミニウム合金製部材を、同じくアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間通電し、しかる後に、上記主電流値(I)に対して0.9Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を、0.7t×nないし2t×nの時間だけ二次通電するようにしたことを特徴とするアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法。
【請求項2】 単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法において、その厚さがtmmのものであって銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材を、同じく銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間通電し、しかる後に、上記主電流値(I)に対して0.85Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を、1.5t×nないし2t×nの時間だけ二次通電するようにしたことを特徴とするアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法。
【請求項3】 単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法において、その厚さがtmmのものであってマグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有するアルミニウム合金製部材を、同じくマグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有するアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間通電し、しかる後に、上記主電流値(I)に対して0.9Iないし0.7Iの電流値を有する二次電流を、0.7t×nないし2.5t×nの時間だけ二次通電するようにしたことを特徴とするアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金製部材、特に、アルミニウム合金製板材を抵抗スポット溶接手段にて接合する場合の、その溶接方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、アルミニウム合金製部材、特に、Al−Mg系の板材は、材料そのものの熱伝導率及び熱膨張係数が大きいにもかかわらず、その伸び変形能が小さな値を有するものであるところから、これら材料からなる板材を抵抗スポット溶接手段にて溶接を行なおうとすると、溶接ナゲット部にブローホールあるいはひけ割れ等の欠陥の生ずるおそれがある。そこで、これら欠陥が生じないようにするため、一般にはWES7302(日本溶接協会規格)で推奨されている通電条件が採用されている。しかしながら、このような条件においても、スポット溶接ナゲット部にブローホールや、表面割れ等の欠陥の生ずるおそれがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような問題点を解決するために、抵抗スポット溶接の成されるアルミニウム合金製部材の、その表面部に、純アルミニウム材をクラッド手段にて設けるようにしたものが開発されている。これによって、マグネシウム(Mg)系合金材からなるアルミニウム合金製部材の抵抗スポット溶接において、ナゲット部に空孔及び表面割れ等の生じさせないようにした溶接方法が、例えば特開平8−10964号公報等により、公表されている。ところで、この公知のものは、スポット溶接を行なうに際して、まず、アルミニウム合金製部材の、その表面部に熱伝達性の良い純アルミニウム材をクラッドさせて、いわゆるクラッド材を形成させるようにしているものである。従って、スポット溶接手段を施す前に、複雑で、かつ、手間のかかる作業を行なわなければならないという問題点がある。このことは、作業効率の向上を目的に採られているスポット溶接手段本来のねらいを逸脱させるものである。このような問題点を解決するために、マグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材を、そのまま接合することのできるようにしたスポット溶接方法を提供しようとするのが、本発明の目的(課題)である。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明においては次のような手段を講ずることとした。すなわち、請求項1記載の発明においては、単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法に関して、その厚さがtmmのアルミニウム合金製部材を、同じくアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において、上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間通電をし、しかる後に、上記主電流値(I)に対して、0.9Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を、0.7t×nないし2t×nの時間だけ二次通電するようにした手順(工程)を採ることとした。
【0005】このような手順からなるスポット溶接方法を採ることにより、本発明のものにおいては、次のような作用を呈することとなる。すなわち、このような手順によるスポット溶接においては、それによって形成される溶接ナゲット部及び当該溶接ナゲットの周辺部の、いずれの部分においても、表面割れ等からなる欠陥が生じないようになる。具体的には、上記主電流値(I)からなる電流の通電によって、上記電極の設けられるところには所定の大きさの溶接ナゲットが形成されることとなる。そして、この部分が、まだ溶融状態にある間に、上記二次電流を所定時間流すことによって、溶融状態にある上記溶接ナゲット部及びその周辺部を、ある程度量のジュール熱発生による加熱状態(保温状態)に保持する。その結果、溶接ナゲット部の、その周辺の部分は、徐々に冷却されることとなり、この部分における温度勾配は小さな値となる。従って、溶接ナゲットの周辺部には熱歪みに起因する欠陥等の生ずることが無くなる。このような温度勾配を得るようにするために、上記発熱量に影響を与える二次通電時の電流値としては、最低限0.77I程度の電流値が必要となるとともに、その通電時間も最小限0.7t×n程度は必要となる。
【0006】また、このような二次電流の通電(二次通電)による上記冷却に関する温度勾配の低減化を図る工程において、この二次通電時におけるジュール熱の発生量が大きすぎても種々の欠陥が生ずるおそれがあるので、その上限値が設定されることとなる。すなわち、二次電流の電流値を上げすぎると発熱量が大きくなり過ぎ、溶接ナゲット部からは大きなスパッタが発生することとなる。その結果、溶接部に孔があく等の欠陥の生ずるおそれがある。これを避けるために、二次電流の上限値としては0.9Iの値が設定されることとなる。また、二次通電時間を長く採り過ぎると、溶接ナゲット内部の溶融部が電極の加圧力によって押し潰されて、当該溶接ナゲットを形成する電極圧痕部における厚さ(板厚)が低下するという問題点が生ずる。そして、この電極圧痕部における板厚の薄くなった部分は、切欠効果あるいは応力集中を受けることとなり、構造部材においては欠陥となる。このような点を考慮して、上記二次通電時間の上限値は2t×nの値に規制することとしている。このような二次電流値及び二次通電時間を制御することによって、溶接ナゲット部及びその周辺部において欠陥の無いスポット溶接手段(方法)が得られることとなる。
【0007】次に、請求項2記載の発明について説明する。このものも、その基本的な点は、上記請求項1記載のものと同じである。その特徴とするところは、銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有する、いわゆる2000系のものについてもスポット溶接が可能なようにしたことである。すなわち、単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法に関して、その厚さがtmmのものであって銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材を、同じく銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において、上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間(nサイクル)通電をし、しかる後に、上記主電流値(I)に対して、0.85Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を、1.5t×nないし2t×nの時間だけ二次通電するようにした手順(工程)を採ることとした。このような手順からなる溶接方法を採ることにより、本発明のものにおいては、銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有する2000系のアルミニウム合金製部材についても、上記請求項1記載のものと同様、スポット溶接が可能となる。すなわち、上記のような二次電流値及びその通電時間(通電サイクル数)に制御することによって、欠陥の無いスポット溶接結果を得ることができるようになる。
【0008】次に、請求項3記載の発明について説明する。このものも、その基本的な点は、上記請求項1または請求項2記載のものと同じである。その特徴とするところは、マグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有する、いわゆる6000系のものについてもスポット溶接が可能なようにしたことである。すなわち、単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法に関して、その厚さがtmmのものであってマグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有するアルミニウム合金製部材を、同じくマグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有するアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間(nサイクル)通電し、しかる後に、上記主電流値(I)に対して0.9Iないし0.7Iの電流値を有する二次電流を、0.7t×nないし2.5t×nの時間だけ二次通電するようにした手順(工程)を採ることとした。このような手順からなる溶接方法を採ることにより、本発明のものにおいては、マグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有する6000系のアルミニウム合金製部材についても、上記請求項1記載のものと同様、スポット溶接が可能となる。すなわち、上記のような二次電流値及びその通電時間(通電サイクル数)に制御することによって、欠陥の無い溶接結果を得ることができるようになる。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図1ないし図5を基に説明する。本発明の実施の形態に関するものの、そのスポット溶接の手順(方法)は、次のような工程からなるものである。すなわち、まず、図2に示す如く、その厚さがtmmの値を有するものであってマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製板材1を、同じくマグネシウム(Mg)を含有するアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等程度の値を有するもの(アルミニウム合金製板材)2と重ね合せた状態で、単相交流溶接機に設置(セット)する工程と、次に、このような状態のものを、一対の電極をもって所定の加圧力(P)にて加圧した状態に保持する工程と、更に、このような状態において、上記両電極の間に、図1に示す如く、所定の電流値(I)からなる主電流をnサイクルからなる所定時間(nサイクル)通電する工程と、しかる後に、上記主電流値(I)に対して0.9Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を、0.7t×nないし2t×nの時間だけ二次通電する工程と、からなるようにしたことを基本とするものである(図1参照)。
【0010】このような手順(工程)において、上記重ね合されるアルミニウム合金製板材1、2の板厚としては、本実施の形態のものにおいては、双方とも同じ厚さであるt=1mmのものを用いることとする。また、上記主電流値(I)及びそのときの通電時間(nサイクル)等については、下記表1に示すような値のものを採用することとする。なお、この場合における単相交流のサイクル数としては60Hzのものを採用することとする。
【表1】

【0011】なお、このような溶接条件にてスポット溶接の行なわれた部分について、X線透過による検査を行なった結果、例えば図2に示すような溶接部断面における溶接ナゲット3及びその周辺部において、何んら欠陥が見い出されない。特に、下限値の限界条件である表1の(D)に示すようなものにおいても、表1の(B)、(C)に示すような条件の場合と同様、上記溶接ナゲット3及びその周辺部において、特に欠陥は見い出されない。また、このような条件下にてスポット溶接の成された部材(試験片)についての疲労強度試験結果は、図3に示すような状態となっている。これによると、従来のWES7302による溶接条件にてスポット溶接の成されたものと比較して、約2倍ないし3倍、疲労強度が向上していることが判る。特に、二次通電の下限条件である表1の(B)、(C)に示すような二次電流値及び通電時間からなるものにおいても、図3に示す如く、従来のものに較べて、可成り優れた疲労強度を有していることが判る。これらのことから、二次通電に関する電流の下限値としては、主電流値(I)に対して0.77Iの値が、また、通電時間(サイクル数)の下限値としては、主電流の通電サイクル数(n)に対して1t×nの値が、推測されることとなる。なお、二次通電時間(サイクル数)の上限値としては、表1の(E)、(F)に示すような条件下でのスポット溶接時において欠陥が認められたところから、主電流の通電サイクル数(n)に対して2t×nの値が規定されることとなる。
【0012】なお、本実施の形態においては、上記アルミニウム合金製部材のうち、特に、銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有する2000系のアルミニウム合金について、並びに、マグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有する6000系のアルミニウム合金について、そのスポット溶接可能な条件(方法)を考察することとする。まず、銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有する2000系のものについて考察することとする。すなわち、主電流値(I)及びそのときの通電時間(nサイクル数)に対して、所定の二次電流値及び通電時間(サイクル数)を与えるようにした条件下でスポット溶接を行なった場合における、その結果を下記表2に示す。
【表2】

【0013】その結果によれば、表2中において○印の付されたものについては、溶接に供せられた双方の部材(試料)ともに、欠陥は見い出されなかった(認められなかった)。これらのことから、本2000系のアルミニウム合金製部材のスポット溶接条件、特に、二次通電の条件としては、電流値が0.85Iないし0.77Iの範囲内であって、通電時間(サイクル数)は、1.5t×nないし2t×nの範囲内であることが最適であると推測される。なお、このような条件にてスポット溶接の成された部材(試料)のうち、例えば表2のNO.24のものについての疲労強度試験結果を図4に示す。その結果によれば、従来のWES7302による溶接条件にてスポット溶接の成されたものに対して、約2倍ないし3倍、疲労強度の向上していることが判る。
【0014】次に、マグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有する6000系のものについて考察することとする。すなわち、主電流値(I)及びそのときの通電時間(nサイクル数)に対して、所定の二次電流値及び通電時間(サイクル数)を与えるようにした条件下でスポット溶接を行なった場合における、その結果を下記表3に示す。
【表3】

【0015】その結果によれば、表3中において○印の付されたものについては、溶接に供せられた双方の部材(試料)ともに、欠陥は見い出されなかった(認められなかった)。これらのことから、6000系のアルミニウム合金製部材のスポット溶接条件、特に二次通電の条件としては、電流値が0.9Iないし0.7Iの範囲内であって、通電時間(サイクル数)は、0.7t×nないし2.5t×nの範囲内であることが最適であると推測される。なお、このような条件下にてスポット溶接の成された部材(試料)のうち、例えば表3のNO.3のものについての疲労強度試験結果を図5に示す。その結果によれば、従来のWES7302による溶接条件にてスポット溶接の成されたものに対して、約2倍程度、疲労強度の向上していることが判る。
【0016】このように、本実施の形態においては、図1に示す如く、主電流の通電に続いて二次電流を通電するようにするとともに、当該二次電流の値を主電流値(I)に近づけるようにし、更には、その通電時間(通電サイクル数)をできる限り長く、場合によっては主電流通電時間よりも長く採るようにしている。すなわち、溶接ナゲットが完全凝固するまでの間、当該溶接ナゲット部周りの非溶融部の加熱(保温)状態をできるだけ長く維持するようにしている。これによって、溶接ナゲット部周りの熱応力の発生を最小限に抑えることができるようになる。その結果、溶接ナゲット及びその周辺部における欠陥の発生を抑止することができるようになる。なお、このような溶接条件において、本実施の形態においては、上記両電極間における加圧力(P)を250Kgf(2450N)の値としているが、この加圧力(P)については、これよりも小さな値を採るようにした方が良い場合がある。すなわち、加圧力(P)を低減化させることによって、図2に示す溶接ナゲット3のところに形成される電極圧痕部の深さの増大化を回避することができるようになるとともに、加圧力(P)の低下に基づく電極との接触部における電気抵抗の増大化により発熱量が増加し、これによって二次通電時間を短縮化することができるようになる。すなわち、上記の通電時間(サイクル数)の下限値1t×nの値を、0.7t×n程度まで短縮化することができるようになる。その結果、全体の溶接時間を短縮化することができるようになり、生産性の向上を図ることができるようになる。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、単相交流溶接手段を用いたアルミニウム合金製部材のスポット溶接方法に関して、その厚さがtmmのアルミニウム合金製部材を、同じくアルミニウム合金製部材からなるものであって、その厚さが上記tmmと同等若しくはそれよりも大きな値を有するものと重ね合せし、このような状態のものを一対の電極をもって加圧した状態にて保持し、更に、このような状態において、上記両電極の間に所定の電流値(I)からなる主電流を所定時間(nサイクル数)通電をし、しかる後に、上記主電流値(I)に対して、0.9Iないし0.77Iの電流値を有する二次電流を0.7t×nないし2.5t×nの時間だけ二次通電するようにした手順(工程)を採ることとしたので、溶接ナゲット及びその周辺部のところには欠陥が生じないようになった。また、銅(Cu)及びマグネシウム(Mg)を含有する2000系の合金、及びマグネシウム(Mg)及びシリコン(Si)を含有する6000系の合金についても、それぞれ固有の二次通電条件を設定することによって、欠陥の無いスポット溶接を行なうことができるようになった。その結果、自動車を初めとした各種車両、更には航空機等の構造物に、アルミニウム合金製部材を基礎としたスポット溶接手段を採用することができるようになり、これら構造物の軽量化を促進することができるようになった。
【0018】特に、本発明においては、主電流の通電に続いて二次電流を通電するようにするとともに、当該二次電流の値を主電流値(I)に近づけるようにし、更には、その通電時間(通電サイクル数)もできるだけ長く採るようにしたので、溶接ナゲットが完全凝固するまでの間、当該溶接ナゲット部周りの非溶融部の加熱(保温)状態を長く維持することができるようになった。その結果、溶接ナゲット部周りの熱応力の発生を最小限に抑えることができるようになり、溶接ナゲット及びその周辺部における欠陥の発生を抑止することができるようになった。




 

 


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