クローズアップ スポット溶接条件の諸因子が 溶接品質に及ぼす影響 −ステンレス鋼製車両− （社）日本溶接協会 車両部会 車両用薄板溶接施工委員会・ステンレス鋼溶接研究委員会 ＊ 化，耐食性ならびにメンテナンスフリー化の効果が大き １ はじめに いアルミニウム合金製，ステンレス鋼製に二極化されて 鉄道車両の車体を構成する構造部分を構体と称してい いる。 る。構体の材質は主に鋼，アルミニウム合金，ステンレ とくにステンレス鋼は外板として意匠性を持ち，無塗 ス鋼の３種類であるが，近年製造されている車両は軽量 装化が図れることから，通勤用車両の多くに採用されて いる。ステンレス鋼製車両（以下ステンレス車両という） 表１ SUS301LおよびSUS304の機械的性質 SUS304 テンレス鋼が用いられている。そのステンレス鋼は耐食 耐力 2 N/mm 引張強さ 2 N/mm 伸び ％ 鉄道車両用記号 （参考） − 215以上 550以上 45以上 SUS301L−LT SUS301LとSUS304の２種類である。表１にこれらの機 1 H 4 345以上 690以上 40以上 SUS301L−DLT 械的性質を示す。ステンレス鋼は熱伝導率がきわめて小 1 H 2 410以上 760以上 35以上 SUS301L−ST 3 H 4 480以上 820以上 25以上 SUS301L−MT 主接合方法として用いている。図１にステンレス車両の H 685以上 930以上 20以上 SUS301L−HT 主な構体構造例を示す。 205以上 520以上 40以上 SUS304 種類の記号 記号 SUS301L は台枠の一部を除き他の構造部材や外板などすべてにス 性が高く，塑性加工に適しているオーステナイト系の さいため，溶接時の熱影響で歪の発生も大きくなること から，外板と骨組や外板同士の接合にはスポット溶接を 社団法人日本溶接協会車両部会の車両用薄板溶接施 ＊現在は，鉄・SUS車体溶接研究委員会に統合 図１ ステンレス車両の主な構体構造例 68 溶 接 技 術 表２ 溶接継手の種別と継手形状 ※種別１は，側外板＋骨組のスポット溶接を想定。 ※種別２は，出入口フレーム＋側外板＋骨組のスポット溶接を想定。 ※種別３は，骨組＋骨組＋側外板＋側外板のスポット溶接を想定。 工研究委員会とステンレス鋼溶接研究委員会では合同 で，より歪が少なく安定した品質となるスポット溶接を 行うため， 「ステンレス車両側外板スポット溶接施工に 関する調査結果」をまとめたところ，施工の要となる溶 ２ 試験片製作条件 表２に溶接継手の材質と板厚組合せによる種別とその 継手形状を示し，以下に製作要領を述べる。 接条件は，それまでの各社の選定思想，ノウハウ，設備 供試材の寸法は125mm×40mmとし，各社担当する板 等により差異が見られた。近年，委員会を構成する各社 厚組合せに対し，各社が使用している溶接機を使用し， の委員が代替わりする傾向にあり，これまでの技術資産 ナゲット径が社団法人日本鉄道車輌工業会規格JRIS の伝承という点から，スポット溶接条件選定過程におけ W0161（鉄道車両−作業標準−：ステンレス鋼材のスポ る溶接条件の諸因子が溶接品質に及ぼす影響について再 ット溶接）規定最低値＋１mm以内となるよう標準条件 認識すべき，との声が上がり「溶接条件の諸因子が溶接 を選定した後，「加圧力」，「溶接電流」，「通電時間」， 品質に及ぼす影響調査」を実施する運びとなり，今回は その結果について報告する。 2006年12月号 「電極先端形状」 ， 「冷却時間」について，各数値を決め られた幅で変動させ，単点試験片を製作した。表３に詳 69 クローズアップ 表３ 継手変動因子 継手種別１ 変 動 因 子 加圧力 （kN） 溶接電流 （kA） 継手種別２，３ 通電時間 （cyc） 電極形状 （mm） 標準 標準 標準 標準 冷却時間 （cyc） 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 ＋２ −２ −２ −１ −１ 標準 電極形状 （mm） ＋１ ＋１ ＋２ 溶 接 電 流 通電時間 （cyc） −１ −１ 標準 溶接電流 （kA） −２ −２ 加 圧 力 加圧力 （kN） 標準 標準 標準 標準 標準 ＋１ ＋１ ＋２ ＋２ −10 −10 通 電 時 間 −５ −５ 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 ＋５ ＋５ ＋10 ＋10 −50R（−60R） −50R 電 極 形 状 −25R（−30R） −25R 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 標準 ＋25R ＋25R（＋50R） ＋50R ＋50R（＋75R） −４ 冷 却 時 間 −２ 標準 標準 標準 標準 標準 ＋２ ＋４ ＊１社のみ（ ）内の電極形状 細を示す。なお，種別１についてはＡ社が製作した継手 ばらつき（％）＝ 引張せん断荷重の最大値，最小値−平均引張せん断荷重 をＢ社にて試験した。種別２と種別３については各社が 製作と試験の両方を実施した。 ３ 継手試験方法 以下の試験項目に対し，変動因子ごとに計測，記録を 行った。 （1）外観試験（平滑度試験） 割れ，ピット，表散りの有無を確認し記録する。また， 平均引張せん断荷重 ×100 （3）断面マクロ試験 JIS Z 3139（スポット溶接継手の断面試験方法）に基 づいて断面マクロ試験を行う。ナゲット径，溶込み深さ および内部欠陥率を計測，記録する。n数は変動因子ご とに３とし，平均値を算出する。 （4）硬さ試験 JIS Z 2244（ビッカース硬さ試験−試験方法）に基づ 平滑度試験を行い，記録する。n数は変動因子ごとに13 いてビッカース硬さ試験を行う。試験力9.8N，測定ピッ とし，平均値を算出する。 チ0.4mmとし，電流を変動因子とした断面マクロ試験片 （2）引張せん断試験 JIS Z 3136（抵抗スポット及びプロジェクション溶接 継手のせん断試験に対する試験片寸法及び試験方法）に 基づいて引張せん断試験を行う。種別２および種別３の 試験片における荷重負担は，それぞれ上板と中板，中板 ２枚とする。n数は変動因子ごとに10とし，平均値とば の標準条件，最大電流および最小電流の３片について計 測，記録する。図２（以下，次ページ）に継手種別ごと の計測位置を太線で示す。 ４ 溶接継手製作結果 表４に各社が使用した溶接機と標準条件を示す。 らつきを算出する。なお，ばらつきの算出には次式を用 いる。 70 溶 接 技 術 した。また，中散りが発生した試験片では引張せん断荷 ５ 継手試験結果 重が低下し，ばらつきも大きくなった。 表５∼８に結果の一例として，種別２（３枚重ね）に （3）断面マクロ試験 おける結果詳細を示す。 標準条件の試験片では規定されたナゲット径，溶込み （1）外観試験（平滑度試験） 率，許容内部欠陥率を満足した。引張せん断試験と同様 いずれの試験片においても割れ・ピット・表散りはな に溶接電流の大小が引張せん断荷重に最も大きく影響し かった。平滑度試験では電極先端半径が大きくなると， た。また，中散りが発生した試験片では内部欠陥率が許 圧痕深さが小さくなった。溶接電流が大きい場合は圧痕 容値を超え，ナゲット径および溶込み率も低下した。 が深く，中散りが発生する条件では極端に深くなってい （4）硬さ試験 る。 いずれの試験片においても異常な硬度上昇等は見られ また，種別１の場合，HT側の圧痕が深かったので， なかった。全般的にコロナボンド部で若干の硬度上昇が 材料の上下を入替て追加実験を行ったが，HT側の圧痕 見受けられる。 が深い傾向に変化はなかった。 ６ まとめ （2）引張せん断試験 ナゲットが形成されていない継手以外はすべて規定さ 変動因子が平滑度試験，引張せん断試験，断面マクロ れた最小引張せん断荷重を満足した。変動因子の中では 試験，硬さ試験結果に与える影響について，以下に概括 溶接電流の大小が引張せん断荷重にもっとも大きく影響 を記す。 平滑度試験において圧痕深さを小さくするには，電極 先端半径を大きくするとよい。平滑度を要求される部位 には先端半径が大きいものもしくはフラットな電極を使 用することが有効であることを示している。 引張せん断荷重とナゲット径には正の相関があり，こ れらを大きくするには，溶接電流および通電時間を大き くするとよい。溶接電流の大小が最も影響するが，通電 時間については一定値をこえると増加が鈍化する。ただ し，溶接電流が大きくなりすぎると中散りが発生するた め注意が必要である。中散りが発生する溶接条件では， 外観，引張せん断，断面マクロ試験のすべてに悪い影響 があるので，多少溶接条件が上下しても中散りの出にく い条件を選ぶことが重要である。 図２ 硬さ計測位置 表４ 溶接機と標準条件 継 手 種 別 製作 溶接機 加圧力 （kN） 電極形状 （mm） スクイズ （cyc） 溶接 電流① （kA） 通電 時間① （cyc） 冷却時間 （cyc） 溶接 電流② （kA） 通電 時間② （cyc） ホールド 時間 （cyc） １ A社 直流インバータ Cガン・ エア加圧タイプ 6.9 75 60 6.5 20 − − − 60 C社 単相交流 ポータブル機 8.0 100 70 7.2 ６ ５ 7.2 30 70 D社 単相整流 定置式 7.5 100 70 6.0 ５ ５ 6.0 30 70 E社 直流インバータ 定置式 7.5 100 70 5.0 ５ ５ 5.0 18×２ 70 F社 インバータ NCダイレクト スポット 9.0 75 80 8.4 18.5 − − − 80 ２ ３ 2006年12月号 71 クローズアップ 表５ 外観試験および引張せん断試験結果 72 溶 接 技 術 表６ 断面マクロ試験結果 2006年12月号 73 クローズアップ 表７ 断面マクロ写真 74 溶 接 技 術 表８ 硬さ試験結果 表９ 試験協力者 委員長 幹 事 所 属 宮本 勉 近畿車輛㈱ 北野 嘉男 東急車輌製造㈱ ＊内田 博行 東急車輌製造㈱ では溶接機形態が異なること（定置式とNCダイレクト スポット），標準条件が大きく異なる（通電回数，溶接 木下征一郎 近畿車輛㈱ ＊越知 誠 近畿車輛㈱ ＊岩木 俊一 東急車輌製造㈱ ＊丸谷 武央 川崎重工業㈱ ＊荒木 純 新日鐵住金ステンレス㈱ ＊大塚 陽介 東急車輌製造㈱ ＊側垣 正 東急車輌製造㈱ 駒形 敏昭 委員及び協力者 事務局 ２枚重ねおよび３枚重ねの継手についてはいずれの試 氏 名 吉田 崇 東日本旅客鉄道㈱ 新津車両製作所 東日本旅客鉄道㈱ 新津車両製作所 原 裕茂 日本車輌製造㈱ ＊須田 俊之 日本車輌製造㈱ ＊水本 盛士 ㈱日立製作所 武市 徹也 ㈱日立製作所 ＊樅木 浩司 アルナ車両㈱ ＊田中 誠 日本溶接協会 備考：＊印付きは現在の鉄・SUS車体溶接研究委員会のメンバーである。 験結果においてもほぼ同じ傾向を示したが，４枚重ねで は同じ組合せでも傾向が異なる部分もあった。４枚重ね 電流値）ことが影響していると思われる。また，重ね枚 数が多い継手では，溶接条件の選定が難しいことを示し ているといえる。 溶接機と標準条件は各社において差異が見られるが， 変動因子の影響については同様な傾向となり，最も影響 する変動因子は溶接電流であることを再確認した。今後， 得られた知見を各社の溶接条件選定業務に生かし，スポ ット溶接品質の向上に努める所存である。 ７ 試験協力者の構成表 表９に本試験協力者の構成表を示す。なお，車両用薄 板溶接施工研究委員会とステンレス鋼溶接研究委員会は 平成18年に統合され，鉄・SUS車体溶接研究委員会とし て活動を行っている。 2006年12月号 75
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