2020.08.24 2024.02.26

【生産技術のツボ】スポット溶接の欠陥・不具合の定番は？パターン別に原因と対策を解説

今回は、抵抗溶接の中でも広く使用されている「スポット溶接」の欠陥（不良・不具合）と対策について説明します。

１．「スポット溶接」と溶接の4条件

「抵抗溶接」は、溶接したい母材を電極で挟み込んで加圧し、電極間に電流を流した時に発熱する抵抗発熱によって母材を溶融します。
溶融部が冷却凝固し、2つの金属を接合することができます。
溶融部が冷却凝固した部分を「ナゲット」と呼びます。

抵抗溶接

「スポット溶接」は、抵抗溶接のなかで最も広く使用されている溶接で、”圧接”の中の”重ね溶接”に属します。
溶接は、［加圧 ⇒ 通電 ⇒ 保持］のステップで実施します。
（※「保持」は、通電を中止し、加圧を続けることです）

［関連コラム：抵抗溶接の前提知識は「抵抗溶接の基本を総整理！ナゲットって何？」もご参照ください。］

図1に示すようにスポット溶接は、重ね合わせた金属板を電極で挟み、適当な加圧力を加えて電流を流すことによる金属の抵抗発熱を利用します。

この抵抗発熱は、ジュールの法則により次のように計算することができます。

Q=I^²RT[J]　【発熱（J）、電流I（A），抵抗R，時間T（秒）】

スポット溶接の殆どが、母材間の接触抵抗から発生する抵抗発熱を利用する場合が殆どです。
従って、適正な電極による加圧力の設定が必要です。

良好な溶接品質の確保には、上記の抵抗発熱のみでなく、電極と母材表面からの放熱によるヒートバランスも必要になります。

そこで、溶接品質には以下の4条件の適切な設定が必要となります。
4条件を適切に設定すると良好なナゲット形成され、良い溶接品質が確保されることになります。

抵抗溶接の欠陥は、ほぼ全てナゲットとその周辺で発生します。
主な欠陥を以下に示します。

ナゲットは、母材に挟まっているので目視確認はできません。
少し手間がかかりますが断面切断による観察が必要です。

なお、殆どの溶接欠陥・溶接不良の対策は、上記の溶接の4条件の見直となります。

引っ張り強度は、ナゲット径と直接関係があります。
一般にナゲット径は、重ね合わせた板厚の合計をTとすると5√T以上といわれていますが、製品の要求品質により変化します。

ナゲット径が小さくなると、強度不足になるので改善が必要です。

原因①：通電の速い時間でナゲットの厚さは飽和しますが、ナゲット径は通電時間とともに、成長しやがて飽和します。ナゲット径が小さいのは、ナゲット径が十分成長する前に通電を停止した可能性があります。つまり、通電不足によるものです。
原因②：通電時間を長くしても、所定のナゲット径が確保できない場合は、電極の先端径が小さいことが原因と考えられます。電極の先端径が得られるナゲット径にほぼ一致するためです。

原因①は、通電時間を長くし、原因②は、電極の先端径を大きくする対応が必要です。

母材間で溶け込み深さが大きく異なる欠陥です。
片方の母材の溶け込みが進み、他方の母材の溶け込みが極端に少ないと、ナゲット径が適正でも引っ張り強度が不足してしまいます。

原因①については、上下対称な電極を選定する必要があります。

スポット溶接は、母材を電極で挟み込んで加圧するため、くぼみは当然発生します。
適正なくぼみは溶接品質には関係しませんが、過大なくぼみは、板厚を必要以上に薄くし、強度の低下へと繋がります。

原因①は、加圧力と溶接電流を下げる必要があります。
原因②は、電極の先端をR型にする必要があります。

母材間に残っている不純物が溶融時にガスを発生させ、凝固時にナゲットの内部に残留しまうことによってブローホールが発生します。
母材表面まで達した大きいブローホールは強度に影響します。

原因①：錆や防錆油などの不純物が母材に残った状態でスポット溶接すると、ブローホールの原因になります。
原因②；スポット溶接の保持ステップは、通電を中止し加圧を続けるステップです。保持ステップで溶融部は次第に冷却凝固し､ナゲットの形成が完了します。この時にナゲット部は加圧力によって組織が緻密になります。この保持の時間が短いと、凝固時にガスが残ってしまいます。