JP2000094135A - 金属板のスタッド溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウム板にボスを溶接する際に生じる
裏面溶接跡を、アルミニウム板より突出するように形成
できる溶接方法を提供する。 【解決手段】 穴３を有するプラテン２に被溶接金属板
１を載置する。スタッド４を穴３に対向する位置に置き
アーク放電を行う。スタッド４と、被溶接金属板１の一
部が熔融したときスタッド４を被溶接金属板１に押し付
け、アーク放電を停止する。スタッド４の押圧によって
被溶接金属板１の裏面は穴３に押し込められ、凸形状の
裏面溶接跡１１ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属板のスタッド溶
接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から半導体装置のような電子機器を
収納する外殻筐体としては、熱可塑性樹脂を射出成形で
製造したものが多く使用されている。

【０００３】ところで最近の携帯型ノートパソコンのよ
うな電子機器においては、小型化・軽量化・薄型化が飛
躍的に進んでおり、従来の成形樹脂筐体では対応できな
くなってきている。このために樹脂と金属板とを一体成
形する技術や、アルミニウム、マグネシウム合金等の金
属を利用する技術が開発されている。これらは従来の樹
脂筐体と比較すると、肉厚が薄くできる、軽量、放熱効
果が大きい等の特徴を持っている。さらに、アルミニウ
ム、マグネシウム合金等の金属を利用したものは材料の
リサイクルが容易である利点があり、最近ではマグネシ
ウム合金を利用した外殻筐体が増えている。

【０００４】マグネシウム合金外殻筐体は従来の樹脂の
ように射出成形法で精密成形品を作ることができ、外殻
筐体内面にリブやボスを設けることが容易である。この
ために、薄くても十分な強度を有し、回路基板、各種電
子デバイスを取り付けるためのボスを備えた外殻筐体の
設計が可能である。

【０００５】マグネシウム合金素材とアルミニウム素材
とを外殻筐体として比較すると、アルミニウム素材の大
きな魅力として、素材表面の美しさが挙げられる。高級
感を持たせるためステレオプレーヤや、ビデオ製品の多
くが表面をヘアライン加工したアルミニウムの前面パネ
ル面を持つ。これに対して、マグネシウム合金の成形面
には、成形時の湯流れ跡、気泡等の不均一性に加え、表
面を防錆処理する必要性がある。このため製品とするた
めには表面を塗装することが必要であった。最近の塗装
技術の進歩により、かなり自由な色合い、触感を表現で
きるようになっているがアルミニウム素材の美しさには
およばない。

【０００６】これに対して、アルミニウム材料はマグネ
シウム合金よりコストが安く、リサイクルも容易である
等の利点があるが、外殻筐体の製造法に課題があった。
アルミニウム外殻筐体はダイキャスト法、押出し成形、
板金プレス等によって製造することができる。しかし、
ダイキャスト法では肉厚が１ｍｍ以下の精度の高い外殻
筐体を製造することは難しく、押し出し成形では箱型の
外殻筐体は製造できない。

【０００７】従来のプレス技術を利用してアルミニウム
外殻筐体を作るまでは比較的容易であるが、外殻筐体内
面にリブや、ボスを取り付けることが非常に困難であ
る。

【０００８】例えば、アルミニウム外殻筐体内部にボス
や、リブを取り付ける従来技術として、外殻筐体となる
アルミニウム板にボスや、リブを設けた樹脂を一体成形
して外殻筐体とする技術がある（例えば、特開平５−１
１４６６４号公報、特開平９−４４２６９号公報参
照）。しかしこれらは金属とアルミニウムとが一体とな
っているため、リサイクル対応が困難であり、また、樹
脂とアルミニウムが二重構造となるため有効スペースが
減じ、携帯型の小型・軽量・薄型の電子機器には対応で
きないものである。

【０００９】また、ボスやリブをスポット溶接やスタッ
ド溶接等の溶接方法によってアルミニウム外殻筐体に取
り付けることは可能であるが、溶接時に溶接跡が残る問
題がある。図６に、従来のスタッド溶接によってアルミ
ニウム板にボスを溶接するとき発生する溶接跡について
説明する。図６はスタッド溶接後の溶接部の断面図であ
る。アルミニウム板１０１とボス１０２との溶接部は盛
り上がった溶接跡１０３となる。アルミニウム板１０１
の裏面には窪み状の溶接跡１０４が発生する。溶接跡１
０３は熔融したアルミニウム板１０１にボス１０２を押
し込むときに発生する盛り上がりであり、溶接跡１０４
は熔融部のアルミニウムの熱収縮によって生じるもので
ある。窪み１０４はアルミニウム板１０１の板厚の薄い
ものほど発生し易い。アルミニウム板１０１を外殻筐体
とする場合、溶接跡１０３は外殻筐体内部となるので問
題はないが、溶接跡１０４側は製品の外観面となるので
溶接跡１０４を消す必要がある。溶接跡１０４は切削に
よって除去することはできるが、このためには外殻筐体
外側全面を０．１５ｍｍから０．３ｍｍ全体的に削るこ
とが必要であり、加工工数、およびアルミニウム材料の
無駄であり、省資源・リサイクルの要請に逆行するもの
であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のアルミ
ニウム外殻筐体の製造問題点を解消することを目的とす
るものであり、リサイクル性・熱伝導性・コスト・軽さ
等の機能に加え、素材自身の美しさを有するアルミニウ
ム素材よりなる外殻筐体の提供を可能とするものであ
る。本発明の溶接方法で作成したアルミニウム外殻筐体
は、小型・軽量・薄型・リサイクル性が強く要求されて
いる電子機器用のものとして最適である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のアルミニウム溶
接方法は、アルミニウム板にボスやリブを溶接で取り付
ける際に生じる裏面溶接跡をアルミニウム板より突出す
るように形成したものであり、溶接跡を切削して除去す
るための切削部分を最小限にすることができる。これに
より、切削工数の低減とアルミニウム素材の無駄を少な
くすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、被溶接金属板と、スタッドと、前記スタッドの径よ
りも小さな径の穴を有するプラテンとを備え、プランジ
工程における前記スタッドからの押圧力によって、前記
穴に対向する前記被溶接金属板の裏面を前記穴側に凸状
にすることを特徴とするものであり、裏面溶接跡を凸形
状とすることができる。したがって、裏面溶接跡を部分
的に切削すれば平坦な金属面を得ることができるので、
裏面の平坦さが要求される場合に本発明の効果が得られ
る。

【００１３】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１に記載の発明において、被溶接金属板がアルミニウ
ム、またはアルミニウム合金であることを特徴とするも
のであり、裏面溶接跡を部分的に切削すれば平坦裏面が
得られ、さらにこの平坦面にヘアライン加工・アルマイ
ト加工・染色加工等を施せば、反対面に溶接ボスを取り
付けた、美しい化粧板が得られる。

【００１４】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
１、または請求項２の発明において、被溶接金属板が電
子機器用の外殻筐体であることを特徴とするものであ
り、リサイクル性に優れ、小型・軽量・薄型で外観の美
しい外殻筐体を提供することができる。

【００１５】以下、図１〜図５を参照しながら本発明に
おけるアルミニウム溶接方法の実施の形態を説明する。

【００１６】（実施の形態）図１は、本発明によるアル
ミニウム溶接方法を説明する概略図である。図における
溶接方法は、スタッド溶接方法と呼ばれるものである。
図において、１はアルミニウム板、２はプラテン、３は
プラテン２に設けた貫通穴、３ａは穴３の入り口に設け
た糸面取り、４はスタッド、５はスタッド４を押圧する
ばね、６はコンデンサ、７はスイッチ、８はスタッド４
とアルミニウム板１との間に電流を流すための結線であ
る。

【００１７】使用したアルミニウム板１は、ｔ＝０．８
ｍｍのＡ５０５２Ｐ、スタッドはΦ＝４．０ｍｍ、高さ
４．０ｍｍで、アルミニウム板１と同じ材質である。プ
ラテン２は絶縁物で、アルミニウム板１の載置台として
作用する。プラテン２にはΦ＝２．５ｍｍの貫通孔が開
いている。スタッド４の先端にはチップ９、後端にはば
ね５が設けられ、上下方向に移動可能である。スタッド
４とアルミニウム板１との間に電流を流すための結線８
の途中にスイッチ７が設けられている。

【００１８】溶接作業は、プラテン２の上にアルミニウ
ム板１を置きコンデンサ６、スイッチ７を介してアルミ
ニウム板１とスタッド４とを接続する。スタッド４を所
定高さにセットした後、スイッチ７を接続するとコンデ
ンサ６の負電荷がスタッド４に、コンデンサ６の正電荷
がアルミニウム板１に流れ、スタッド４が押し下げられ
てチップ９とアルミニウム板１との間にパイロットアー
クが発生する。電流が強くなり、強力なアークがスタッ
ド４の先端とアルミニウム板１の一部を溶かす。一定時
間後スタッド４は、ばね５に押圧されて、アルミニウム
板１に押し込まれる（プランジ）。押し込んだ直後に電
流が遮断されると、熔融部の熱はアルミニウム板１、プ
ラテン２等を介して放熱され熔融部が固化し溶接工程が
完了する。

【００１９】図２に溶接完了後の溶接部の断面図を示
す。溶接による溶接跡は、表面にはプランジ工程で発生
する盛り上がった表面溶接跡１０や、図には示していな
いスラッジと呼ばれる噴出固形物、高温でガス化した分
解物のしみ等が観察されるが、裏面には穴３の中に突出
した裏面溶接跡１１のみが観察されるだけである。表面
側の溶接跡１０や、他のものはアルミニウム板１を外殻
筐体として利用する場合には外殻筐体内部となり外から
は見えないので、ワイヤブラシ等で清掃すればよい。

【００２０】図６の従来例で説明した裏面溶接跡１０４
と、図２の裏面溶接跡１１とはへこみの形状が全く正反
対である。従来例でのへこみ１０４は、従来プラテンで
は穴を設けていなかったために発生したものである。即
ち、プランジ工程では従来の場合においても、スタッド
はばねによってアルミニウム板側に押さえ付けられてい
たが、プラテンが全面にあるためにアルミニウム板は下
側に変形することはできなかった。したがって、熔融部
が冷却するときに発生するアルミニウム材の収縮によっ
て、アルミニウム板の裏面が上に吸い上げられ図６のへ
こみとなっていた。

【００２１】ところが、本発明のようにプラテン２に穴
が設けてあると様子が違ってくる。プランジ工程でアル
ミニウム板１には、スタッド４に押されて下向きの力が
作用している。この下向きの力に対して室温状態ではア
ルミニウム板１の剛性が勝り変形することはないが、プ
ランジ工程ではアルミニウム板１の上部は熔融状態にあ
り、下部においても熔融状態には至らないものの剛性が
相当に低下している。したがって、穴３の真上にあるア
ルミニウム板１の下面は、プランジ工程では下向きに押
さえ付けられる力が、冷却工程では上向きに引き上げら
れる力が作用する。微視的に観察すれば、プランジ工程
では、図２に示す裏面溶接跡１１よりも突出していたも
のが、冷却工程で上向きに引き上げられて図２の位置に
納まったものと推定される。上記現象のバランスを上手
に取れば、溶接によって生じる裏面溶接跡１１の大きさ
を殆どなくすことは理論的に可能である。

【００２２】本発明者等は、ばね５の強さ、スタッド４
の先端部の形状、穴３の大きさ、溶接条件、電流を切断
するタイミング、プランジのタイミング等について詳細
に検討を進めた結果、アルミニウム板厚ｔ＝０．８ｍ
ｍ、スタッド径４．０ｍｍ、穴３の径が２．５ｍｍの場
合、最適の溶接条件は、溶接電流は、２，０００〜４，
０００Ａｍｐ、印加時間は０．００２ｓｅｃ．で、押圧
ばねの強さは、５ｋｇ・ｆであった。この条件下での裏
面溶接跡１１の高さのばらつき範囲を、＋０．０５〜＋
０．３０ｍｍの範囲に収めることができた。

【００２３】同様にして、アルミニウム板１の板厚を
１．２〜０．６ｍｍ、スタッド４の径を２．０〜８．０
ｍｍまで変えて、最適の穴径を求めた。スタッド径／穴
径の適正範囲は１．２〜２．２であることがわかった。
スタッド径よりも穴径の方が大きい場合にはアルミニウ
ム板の沈みが大きく、かつ突起の裾が広くなるので少な
くとも、スタッド径／穴径＝１．０以上あることが好ま
しい。穴径が小さすぎる場合には、冷却過程での引き上
げ力が勝り、裏面溶接跡１１は従来と同じ窪み状とな
る。また、面取り３ａを設けたことによって裏面溶接跡
１１の立ち上がりがなだらかなものとなり、切削処理が
し易くなる。

【００２４】ばね５の強さは板厚に依存するので、板厚
に合わせばねの強さを変えることが必要である。上記実
施の形態の条件では、ばね５の設定範囲は３〜１０ｋｇ
・ｆの範囲にあった。

【００２５】実施の形態の穴３は貫通孔であるが、窪み
であってもよい。プラテンは導電性のものを使用しても
よい。

【００２６】上記説明したように、本実施の形態による
溶接跡は凸状であり、凸部のみを切削することによっ
て、溶接跡のない平坦なアルミニウム面を得ることがで
きる。凸部のみを切削すればよいことによる効果は、工
数、材料の無駄を少なくすることだけでなく、実質的に
アルミニウム板１の板厚を薄くしないこと、即ち剛性を
低下させないことである。図２を見れば明らかなよう
に、裏面溶接跡１１が切削されても、切削見合い分のア
ルミニウム材がスタッド４先端の熔融物より補充されて
いるので、切削によって切削部の剛性が低下することは
ない。

【００２７】溶接した裏面溶接跡１１を切削した後、ス
タッド４にねじ穴を加工すれば、ボス付きの平面アルミ
ニウム板を作成することができる。さらに、切削面にヘ
アライン加工・アルマイト加工・染色加工等を施せば、
反対面にボスを有する美しい化粧板が得られる。

【００２８】被溶接金属板としては、アルミニウム以外
では、軟鋼板・亜鉛鉄板・ステンレス・黄銅・チタン・
マグネシウム合金等の金属板が使用できる。

【００２９】上記説明した溶接方法によって作成したボ
ス付きのアルミニウム板をノートパソコンの外殻筐体と
して利用する応用例を説明する。

【００３０】予め、アルミニウム板に外形打ち抜き、曲
げ、絞り、孔開け、バーリング加工等をして上部が開放
されたケースを作成し、ケースの内面に上記方法によっ
てスタッドを溶接した外殻筐体２０の斜視図を図３に示
す。

【００３１】図３において、ボス２１、２２は溶接した
スタッドに内ねじ加工して作成したものである。外殻筐
体２０は周囲に四つの壁２３を持つ、上面が開放した偏
平な箱であり、具体的にはノートパソコンの表示部用の
外殻筐体である。壁２３には、ヒンジカバー２４、切り
欠き（係合部）２５、穴２６等の加工が施されている。
外殻筐体２０の背面は、上記化粧板で説明した表面処理
が施されている。

【００３２】図４は、表示部全体の構成を示す斜視図で
ある。２７は駆動回路部を有する液晶パネル、２８はマ
グネシウム合金で成形した上カバーである。液晶パネル
２７を外殻筐体２０内に収容し、液晶パネル２７に設け
た四つの貫通穴２１ａをボス２１に合わせ、ねじ止めす
る。これに上カバー２８を被せ、貫通穴２２ａとボス２
２を合わせ、ねじ止めすることによってノートパソコン
の表示部が完成する。この表示部をノートパソコン本体
部３０と、表示部とをヒンジを介して結合することによ
り、ノートパソコン２９が完成する（図５）。

【００３３】図５のノートパソコンの表示部裏面２８
は、ヘアライン加工・アルマイト処理・染色処理が施さ
れている。したがって、表示部裏面２８は、従来の塗装
面とは異なったアルミニウム素材の美しさを有し、かつ
耐候性・耐傷性に優れている。表示部裏面２８の色調
は、染色処理によって通常の自然発色アルマイト、ＳＣ
アルマイト（アンバー、ブロンズ等の色調）、蓚酸アル
マイト（金色）のものが得られる。また、表面に硬質ア
ルマイト処理をしているので、表面が硬く傷が入りにく
い。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明の溶接方法によれ
ば、金属板の裏面に凸状をした裏面溶接跡ができるの
で、溶接跡を切削して除去することができる。これによ
り、従来は困難であったアルミニウム等の金属板に溶接
跡のないボス加工が可能になった。したがって、小型・
軽量・薄型・リサイクル性・熱伝導性・コストに優れ、
かつ表面硬度が高く、耐候性に優れた外殻筐体を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態における本発明の溶接方法の概要を
説明する図

【図２】実施の形態における裏面溶接跡を説明する断面
図

【図３】実施の形態の応用例を説明する斜視図

【図４】実施の形態の応用例を説明する斜視図

【図５】実施の形態の応用例であるノートパソコンを説
明する斜視図

【図６】従来の溶接方法による溶接跡を説明する断面図

【符号の説明】

１、１０１ アルミニウム板 ２ プラテン ３ 穴 ４、１０２ スタッド １１、１０４ 裏面溶接跡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 哲幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 中野 敏弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 城下 利晴 東京都港区愛宕１丁目２番２号 日本スタ ッドウェルディング株式会社内 (72)発明者 平井 正敏 大阪府大阪市鶴見区放出東１−８−16 株 式会社勝光社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被溶接金属板と、スタッドと、前記スタッ
   ドの径よりも小さな径の穴を有するプラテンとを備え、
   プランジ工程における前記スタッドからの押圧力によっ
   て、前記穴に対向する前記被溶接金属板の裏面を前記穴
   側に凸状にすることを特徴とする金属板のスタッド溶接
   方法。
2. 【請求項２】被溶接金属板がアルミニウム、またはアル
   ミニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の
   金属板のスタッド溶接方法。
3. 【請求項３】被溶接金属板が電子機器用の外殻筐体であ
   ることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の
   金属板のスタッド溶接方法。