JP2001105141A - スタッド溶接による部材接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接時の板状母材の熱変形などを有効に防止
することができ、余計な仕上げ加工も回避できるスタッ
ド溶接による部材接合方法を提供する。 【解決手段】 スタッド材２が接合される金属製板状母
材１を冷却しながら溶接を行う。これにより、板状母材
１の接合反対面１ｂに溶接時の凝固収縮による窪みが生
じたり、板状母材１の接合面側に段差状に変形するのが
防止され、結果、接合反対面１ｂの後処理加工などが不
要となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種機器のパネ
ルやカーテンウォルなどの製造工程において、薄肉の金
属製板状母材に対して棒材やボルトなどの金属製スタッ
ド材を接合・固定するために用いられるスタッド溶接に
よる部材接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、スタッド溶接は、図６に
示すように、例えばアルミニウムもしくはアルミニウム
合金（以下、アルミニウムという）ような金属製板状母
材１０１に対してボルトなどのスタッド材１０２の基端
を接触させ、両者１０１，１０２間に通電し、一旦スタ
ッド材１０２を離してアークを発生させ、板状母材１０
１の熱影響部１０３が適当な溶融状態になった時点で、
再度スタッド材１０２を押しつけて溶着させるもので、
スタッド材１０２を金属製板状母材１０１に比較的簡単
に固定させことができることから各種分野で採用されて
いる。

【０００３】上記母材１０１は、導電性を有する各種金
属が使用可能であるが、最近では、軽量化などに対応し
やすい点から、アルミニウム、とくにアルミニウム合金
（以下、アルミニウムという）製のものが多用されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
スタッド溶接では、板状母材１０１に肉厚ｔが、例え
ば、１ｍｍにも満たない程度の薄肉であると、この母材
１０１の肉厚ｔより大きい直径Ｒを有するスタッド材１
０２を接合した場合、熱的な悪影響を受ける。つまり、
スタッド材１０２の接合側と反対側の接合反対面１０１
ｂが溶接時に生じる熱影響部１０３に近接しているため
に、接合反対面１０１ｂに溶接後の凝固収縮による小さ
な窪み１０４が生じ、著しくは、板状母材１０１の接合
部が接合面１０１ａ側へ段差状に変形することがある。
この変形量ｄは、板状母材１０１の肉厚ｔが小さい程、
顕著になる傾向がある。

【０００５】このような変形があると、板状母材１０１
の接合反対面１０１ｂの外観が損なわれる。とくに、そ
の接合反対面１０１ｂに高い面精度が要求される製品で
は、溶接後に切削やヘアーライン加工などの仕上げ加工
を余儀なくされることになり、結果的にコスト高を招
く。

【０００６】この発明は、上記問題を解決するためにな
されたものであり、溶接時の板状母材の熱変形などを有
効に防止することができ、余計な仕上げ加工も回避でき
るスタッド溶接による部材接合方法を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、スタッド材
が接合される金属製板状母材を冷却しながら溶接を行う
ことを特徴とするスタッド溶接による部材接合方法によ
って解決される。

【０００８】この発明によれば、板状母材を冷却しなが
ら溶接を行うので、板状母材の接合反対面は、スタッド
溶接時の熱影響をほとんど受けない、このため、板状母
材の接合反対面に溶接時の凝固収縮による窪みが生じた
り、板状母材の接合部が熱変形を起こしたりするのを防
止もしくは軽減することができ、結果、接合反対面の後
処理加工などが不要となり、製作費用が低減される。

【０００９】また、板状母材に、アークを取り囲んでシ
ールドガスを充填または噴射する場合には、シールドガ
スによる冷却効果が得られると共に、板状母材の接合部
が均一的に溶解され、酸化などが抑制されて良好な接合
状態を得ることができる。上記において、シールドガス
の充填とは、接合部の周囲の雰囲気を静的なシールドガ
ス雰囲気にすることをいう。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
にしたがって説明する。

【００１１】図１は、この発明の一実施形態にかかるス
タッド溶接による部材接合方法が運用されるスタッド溶
接装置の要部を示す構成図である。

【００１２】前記板状母材１は、例えば厚みｔが０．６
〜０．８ｍｍ程度のアルミニウム製の薄肉平板からな
り、スタッド材２の接合側の表面が接合面１ａであり、
その接合面１ａの裏面が接合反対面１ｂとなっている。

【００１３】一方、前記スタッド材２は、母材１と他の
部材とを螺着接合させるためのアルミニウム製のボルト
であり、その先端部２ａが雄ねじに形成されており、そ
の直径Ｒは、板状母材１の肉厚ｔよりもかなり大きく、
３〜６ｍｍ程度である。また、このスタッド材２の基端
部２ｂの下端面２ｃにおける中心位置には、溶接時に主
に溶融する円錐状の突起部３が一体形成されている。

【００１４】前記板状母材１には、母材冷却手段とし
て、その接合反対面１ｂに母材冷却体４が当接配置され
ている。この母材冷却体４は、例えば銅製のチャンバー
５と、この銅製チャンバー５内を仕切って形成された冷
却通路ないしはこの実施形態のように内部に配設された
冷却配管６とからなる。この冷却配管６は、冷却水Ｗが
流通することにより、銅製チャンバー５のを介して板状
母材１との間で熱交換させるものであり、銅製チャンバ
ー５の全域が水冷作用を受けるように、例えば蛇行状に
形成してある。

【００１５】勿論、冷却水Ｗに限らず、他の冷却流体
（媒体）を使用してもよく。また、他の冷却手段を採用
することも可能である。例えば、接合部をシールドガス
雰囲気にすることにより、シールドガスの冷却効果によ
って冷却しても良い。このために、本実施形態では、ス
タッド材２と同軸上に、溶接時にスタッド材２の下端面
２ｃと板状母材１の接合面１ａとの間に発生するアーク
を取り囲む位置にシールドガスＧを噴出するノズル７が
配設されている。シールドガスＧとしては、Ａｒガス、
Ｎ₂ ガス、エアなどから選択可能である。

【００１６】つぎに、前記母材１とスタッド材２のスタ
ッド溶接による接合方法について、図２〜図５を参照し
て説明する。

【００１７】まず、板状母材１の接合反対面１ｂに図２
に示すように、母材冷却体４を接触配置しておく。一
方、スタッド材２の先端部２ａをスタッドガンのチャッ
ク部８に装着したあと、スタッド材２の下端面２ｃの突
起部３を、板状母材１の接合面１ａに突き付け状に接触
させて配置する。

【００１８】そして、通電を開始した際に、前記母材冷
却体４の冷却配管６に冷却水Ｗを流通させる一方、ノズ
ル７によりシールドガスとして、ＡｒガスＧを噴出させ
る。なお、通電開始により、電流急速遮断のために装備
されているコンデンサ（不図示）が充電される。

【００１９】通電を開始したのち、スタッドガン内のチ
ャック移動機構の働きで、チャック部８を上方へ僅かに
移動させ、図３に示すように、スタッド２の突起部３を
板状母材１の接合面１ａから離間させる。すると、スタ
ッド材２の突起部３と板状母材１の接合面１ａとの間に
生じる僅かな空間Ｓにアークが発生し、スタッド材２の
突起部３と板状母材１の接合面１ａの中央部とが溶融し
始める。

【００２０】そこで、これらが適当に溶融したときに、
コンデンサの充電電荷の放電により、電流を急速に遮断
するとともに、再度、スタッドガン内のチャック移動機
構の働きで、チャック部８を板状母材１から離れる方向
へ移動させ、図４に示すように、スタッド材２の下端面
２ｃを板状母材１の接合面１ａに押し付ける。この状態
を保持しながら溶融金属の冷却固化を待って、図５に示
すように、チャック部８を取り外す。これにより、スタ
ッド材２が板状母材１に対して垂直に立設する態様で確
実に接合固定された接合体Ａを得ることができる。

【００２１】上記スタッド溶接時、板状母材１は、母材
冷却体４内の冷却水Ｗで冷却されているので、溶接時に
生じる熱影響部９も冷却されることになり、板状母材１
の接合反対面１ｂは熱影響を受けにくくなる。このた
め、板状母材１の接合反対面１ｂに溶接後の凝固収縮に
よる窪みが生じたり、接合部が接合反対面１ｂ側へ段差
状に変形するのが抑止される。

【００２２】ところで、上記アークの発生により、溶融
金属、とくにアルミニウムは酸化や窒化が起こりやすい
が、この実施形態では、シールドガスとしてのＡｒガス
Ｇを噴射して前記アークを包囲させているので、このＡ
ｒガスＧが母材の冷却効果と共に空気中の酸素や窒素の
混入に対する遮蔽作用として働き、溶融金属の溶融の均
一化が図れるとともに、酸化や窒化が極力抑制される。
シールドガスの噴射は、母材冷却体４の使用と同時に行
ってもよいし、母材冷却体４を使用することなく行って
もよい。母材冷却体４を使用しながらシールドガスを噴
射すると更によい。

【００２３】このＡｒガスＧは、少なすぎると、上記遮
蔽効果が十分に発揮されにくいし、多すぎると、アーク
状態に支障を来す。このため、１〜２０ｌ／分に設定す
るのがよい。

【００２４】なお、シールドガスの噴射によることな
く、静的なシールドガス雰囲気内に溶接装置と接合部材
を配置して、溶接を行っても良い。

【００２５】［実施例］つぎに、この発明の実施例を説
明する。

【００２６】スタッド材として、直径３ｍｍおよび６ｍ
ｍの２種類で、長さ１５ｍｍのアルミニウム製（Ａ１０
５０）のスタッドボルトを準備し、一方、これを接合す
る相手材である薄肉の金属製板状母材として、厚さ０，
６ｍｍおよび０，８ｍｍの２種類で、縦１００ｍｍ×横
１００ｍｍの正方形のアルミニウム板（６０６３）を準
備した。

【００２７】そして、前記スタッド材と板状母材とを公
知のスタッド溶接装置を用いて、常法によりスタッド溶
接を実施した。スタッド材の直径が３ｍｍでは、前記コ
ンデンサの充電電圧を５０Ｖとし、直径が６ｍｍでは、
充電電圧を１００Ｖとした。

【００２８】さらに、シールドガスＧを使用して冷却す
る場合と、板状母材１を母材冷却体４で冷却するものと
に別けて実施した。シールドガスＧの流量は、５ｌ／分
とし、Ａｒガス、Ｎ₂ ガス、エアを選択的に使用した。
また、実施例７については、Ａｒガス雰囲気中に溶接装
置と母材とスタッド材とを配置して溶接を行った。

【００２９】上記による溶接後の接合部について、その
板状母材の接合反対面を観察し、その面の接合部対応部
位に生じている変形部の最大変形量ｄを測定するととも
に、前記接合状態によって良品（○印）か不良品（×
印）であるかを判定した。その結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】 上記表１より、この発明によれば、板状母材の接合反対
面に窪みが生じたり、母材の接合部が接合面側へ段差状
に変形するのを防止もしくは軽減することが確認でき
た。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、溶接時に
板状母材を冷却するので、母材の接合反対面が熱影響を
ほとんど受けなくなり、板状母材の接合反対面に溶接時
の凝固収縮による窪みが生じたり、板状母材の接合部が
接合面側へ段差状に歪み変形を起こしたりするのを防止
もしくは軽減することができる。したがって、板状母材
の接合反対面の外観を向上させることができるととも
に、変形などを是正する後加工が要らず、コストを抑え
ることができる。

【００３２】また、請求項２に係る発明によれば、溶接
時のアーク周囲にシールドガスを充填または噴射するの
で、このシールドガスによって母材が冷却されると共
に、外部空気や窒素などの侵入が遮断されて溶接部付近
の均一な溶解状態を得ることができ、外観性に優れたも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態におけるスタッド溶接に
よる部材接合方法が運用されるスタッド溶接装置の要部
を示す構成図である。

【図２】スタッド溶接時に板状母材の接合面にスタッド
材を当接した状態を示す断面図である。

【図３】スタッド溶接時に板状母材の接合面からスタッ
ド材を一旦離間した状態を示す断面図である。

【図４】スタッド溶接時に板状母材の接合面にスタッド
材を再度押し付けた状態を示す断面図である。

【図５】スタッド溶接によって得られた接合体を示す断
面図である。

【図６】従来のスタッド溶接方法ならびにそれによって
得られた接合体の説明図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・・・・・金属性板状母材 １ａ・・・・・・・・・・板状母材における接合面 ２・・・・・・・・・・・スタッド材 ４・・・・・・・・・・・母材冷却手段 Ｇ・・・・・・・・・・・シールドガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 武典 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB05 CB01 CC04 DD02 DF07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スタッド材が接合される金属製板状母材
   を冷却しながら溶接を行うことを特徴とするスタッド溶
   接による部材接合方法。
2. 【請求項２】 溶接時のアークを取り囲むように板状母
   材の接合面にシールドガスを充填または噴射してなる請
   求項１に記載のスタッド溶接による部材接合方法。