JP2005342771A - 抵抗溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気抵抗値が低い被接合部材と電極との間に抵抗部材を介在させる抵抗溶接方法において、抵抗部材の被接合部材への付着が低く、かつ、溶接外観が良好で、簡易な抵抗溶接方法を提供する。
【解決手段】 電気抵抗値が被接合部材１，２よりも高く、かつ、融点が被接合部材１，２の沸点よりも高い抵抗部材５，５を、被接合部材１，２と電極３，３との間に介在させることで、スパッタＳの発生を少なくし、かつ、抵抗部材５，５の被接合部材１，２への付着を抑える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被接合部材を抵抗溶接する方法に関し、特に、電気抵抗値が低い被接合部材を溶接するために、被接合部材と電極との間に抵抗部材を介在させる抵抗溶接方法に関する。

抵抗溶接は、重ね合わせた被接合部材の接触部を通じて電流を流し、ここに発生する抵抗熱によって被接合部材を加熱し、さらに圧力を加えて行う溶接方法である。この抵抗溶接には、電極として棒状の電極チップを用いる点溶接（スポット溶接）や、ローラ電極を用いて連続的に溶接を行うシーム溶接などがある。

この抵抗溶接は、被接合部材の電気抵抗による抵抗熱を利用して溶接を行うため、被接合部材の電気抵抗値が高い方が望ましいと言える。なぜならば、電気抵抗値が低い被接合部材を抵抗溶接するには、必要とされる溶融熱（抵抗熱）を得るために、より大きな電流が必要になるからである。

例えば一般に、鉄系金属板同士を抵抗溶接するには、７，０００〜１２，０００アンペアの印加電流で溶接できるが、アルミニウム系金属（アルミニウム、または、その合金）板同士を抵抗溶接するには、２２，０００〜４０，０００アンペアの印加電流が必要となる。このため、アルミニウムなど電気抵抗値が低い被接合部材を溶接するには、大きな電力容量を有する電源設備が必要となる。特に、鉄など電気抵抗値が高い被接合部材を溶接するために用いられている電源設備を転用して、電気抵抗値が低い被接合部材を溶接することができないという問題が生じていた。

このため、電気抵抗値が低い被接合部材に対しても、鉄系金属板同士を抵抗溶接する場合と同程度の電流で溶接が行えるよう、被接合部材（例えば、アルミニウム系金属板）と電極との間に、電気抵抗値が高い鉄系の抵抗部材を介在させる方法がある（例えば、特許文献１、２参照。）。これは、低い印加電流であっても、この抵抗部材によって高い抵抗熱を発生させ、この抵抗熱からの熱伝達によって被接合部材を溶接するものである。

しかしながら、この方法では、抵抗熱によって抵抗部材と被接合部材との間で合金化（固体拡散）が生じ、抵抗部材が被接合部材に付着（部分的に溶着）してしまうという不具合が生じる。

このため、このような合金化による付着を防止するために、抵抗部材の表面に黒鉛微粒子をコーティングしたものがある（例えば、特許文献３参照。）。これは、黒鉛微粒子が被接合部材の成分金属と親和性が低いことを利用し、合金化による付着を防止するものである。
特開平８−３０９５５１号公報 特開平６−２２６４５６号公報 特開平７−５１８６５号公報

ところで、黒鉛微粒子がコーティングされた抵抗部材を介在させて抵抗溶接を行うと、黒鉛微粒子がスパッタ（一般には、スラグおよび金属粒）となって飛散し、被接合部材の溶接外観を害してしまう。また、抵抗部材の表面に黒鉛微粒子をコーティングするには、専用の製造設備（噴霧機、乾燥機など）および製造工程が必要となり、抵抗部材の製造コストがかさむこととなる。同様に、抵抗部材を再利用する場合に、黒鉛微粒子を取り除く必要があり、このための除去設備および除去工程が必要となる。

そこで本発明は、電気抵抗値が低い被接合部材と電極との間に抵抗部材を介在させる抵抗溶接方法において、抵抗部材の被接合部材への付着が低く、かつ、溶接外観が良好で、簡易な抵抗溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電極を介して被接合部材に電流を流し、この電流によって発生する抵抗熱によって被接合部材を接合する抵抗溶接方法であって、電気抵抗値が被接合部材よりも高く、かつ、融点が被接合部材の沸点よりも高い抵抗部材を、被接合部材と電極との間に介在させることを特徴としている。
（作用）
接合時に、一時的あるいは局部的に被接合部材の接合部表面温度が被接合部材の沸点以上に上昇しても、抵抗部材の融点が被接合部材の沸点よりも高いため、抵抗部材が溶融することがなく、被接合部材と抵抗部材との接触部における合金化（固体拡散）が抑制される。

請求項１に記載の発明によれば、抵抗部材の被接合部材への付着（部分的な溶着）を抑制することができる。また、黒鉛微粒子のような微粒子を介在させないため、スパッタの発生が少なく、溶接外観が良好となる。さらに、電気抵抗値が被接合部材よりも高く、かつ、融点が被接合部材の沸点よりも高い抵抗部材を介在させるだけなので、極めて簡易であり、製造設備や製造工程などの増加を伴わない。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る抵抗溶接方法を示す斜視図である。

図中１、２は、被接合部材であり、材質は５０００系のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ系の非熱処理形合金、展伸材）である。その板厚は、被接合部材１が１ｍｍで、被接合部材２が１．５ｍｍである。なお、被接合部材１、２の沸点は、約２，０６０℃である。

図中４は、点溶接機（スポット溶接機）のホルダーで、このホルダー４に電極チップ３が取り付けられている。この電極チップ３はクロム銅やアルミナ分散銅製で、胴部（ホルダー４に取り付けられる部分）が丸棒状で、被接合部材１，２と接触する先端部は、円弧状のドームラジアス型である。この先端部が被接合部材１，２と接触する接触面（円形）の直径は、φ６ｍｍである。

この被接合部材１，２と電極チップ３，３との間に、抵抗部材５，５がそれぞれ介在されている。この抵抗部材５の板厚は１ｍｍで、その大きさ（面積）は、５０ｍｍ×５０ｍｍである。

このように抵抗部材５、５を介在させて、アルミニウム合金製の被接合部材１，２を点溶接する方法において、数種の抵抗部材５、５を用いて点溶接した結果を図３に示す。なお、すべての溶接条件において、印加電流は１２，０００アンペアである。

まず、各溶接条件における、抵抗部材５の材質、その表面への微粒子塗布の有無は、以下のとおりである。
溶接条件１
抵抗部材５の材質：引張強さが２７０Ｎ／ｍｍ²の圧延鋼板
抵抗部材５の融点：約１，５５０℃
微粒子の塗布：なし
溶接条件２
抵抗部材５の材質：引張強さが２７０Ｎ／ｍｍ²の圧延鋼板
抵抗部材５の融点：約１，５５０℃
微粒子の塗布：絶縁性の粉末状ボロンナイトライド（窒化ほう素）を塗布
溶接条件３
抵抗部材５の材質：引張強さが２７０Ｎ／ｍｍ²の圧延鋼板
抵抗部材５の融点：約１，５５０℃
微粒子の塗布：導電性の粉末状二硫化モリブデンを塗布
溶接条件４
抵抗部材５の材質：ニオブ（Ｎｂ）板
抵抗部材５の融点：約２，４３０℃
微粒子の塗布：なし
各溶接条件による溶接結果は、図３に示すように、溶接条件１では、スパッタＳの飛散量は少ない（実用上問題にならない）ものの、抵抗部材５が被接合部材１，２に張り付いた（実用上問題になる）。
なお、スパッタＳは、被接合部材１，２と抵抗部材５，５との間で発生し、図２に示すように、被接合部材１，２のナゲット表面（電極チップ３によるくぼみ）の周りに飛散するものである。
溶接条件２では、被接合部材１，２へのスパッタＳの飛散量が多かった（実用上問題になる）。また、抵抗部材５が被接合部材１，２に付着したが、手で剥がれる程度であり、溶接条件１よりも付着が緩やかであった（実用上問題にならない程度であった）。
溶接条件３では、溶接条件２と同一結果となり、スパッタＳの飛散量が多く、抵抗部材５が被接合部材１，２にやや付着した。このように、溶接条件２、３の結果が同じことから、スパッタＳの飛散量や抵抗部材５の付着度は、粉末材（微粒子）の導電性に関わりがないことが確認された。
溶接条件４では、被接合部材１，２へのスパッタＳの飛散量が、溶接条件１〜３に比べても少なかった（実用上問題にならない）。また、抵抗部材５が被接合部材１，２にやや付着したが、溶接条件１に比べて緩やかであり、実用上問題にならない程度であった。

なお、すべての溶接条件１〜４において、被接合部材１，２の溶接（接合）は良好であった。

上記溶接条件４のように、ニオブ板を抵抗部材５として用いることによって、抵抗部材５の被接合部材１，２への付着が低く、実用上問題にならない程度に抑えることができた。これは、以下の理由によるものと考えられる。
一般に、溶接時において、被接合部材１，２の溶接部（ナゲット）の表面に、図５に示すような小さなくぼみ（ピットＰ）が生じ、表面が柚子肌になる場合がある。この現象は、溶接時に、一時的あるいは局部的に被接合部材１，２の溶接部の表面温度が被接合部材１，２の沸点以上に上昇したことが、要因のひとつであると考えられる。そして、そのように考えると、上記溶接条件１〜３のように、抵抗部材５の融点（約１，５５０℃）が被接合部材１、２の沸点（約２，０６０℃）よりも低い場合、被接合部材１，２の溶接部の表面温度が沸点以上に上昇することによって、抵抗部材５が局部的に融点し、被接合部材１，２と抵抗部材５，５との接触部における合金化（固体拡散）が促進される。この結果、抵抗部材５が被接合部材１，２に付着するものと考えられる。
これに対し、上記溶接条件４のように、抵抗部材５の融点（約２，４３０℃）が被接合部材１、２の沸点（約２，０６０℃）よりも高い場合には、被接合部材１，２の溶接部の表面温度が沸点以上に上昇したとしても、抵抗部材５が局部的に融点することはなく、被接合部材１，２と抵抗部材５，５との接触部における合金化が抑制される。この結果、抵抗部材５の被接合部材１，２への付着が抑えられると考えられる。
従って、本実施形態では、抵抗部材５としてニオブ板を用いているが、これに限らず、電気抵抗値が被接合部材１，２よりも高く、かつ、融点が被接合部材１，２の沸点よりも高ければよく、モリブテン（Ｍｏ）板やタングステン（Ｗ）板などを用いてもよい。
また、溶接条件４では、抵抗部材５であるニオブ板に微粒子を塗布しないため、スパッタＳの発生が少なく、良好な溶接品質を得ることができる。さらに、単にニオブ板を抵抗部材５として介在させるだけなので、極めて簡易であり、製造設備や製造工程などの増加を伴わない。

次に、アルミニウム合金製の被接合部材１，２の板厚を変えて、抵抗溶接を行った結果を図４に示す。各溶接条件における、抵抗部材５の材質、被接合部材１、２の板厚などは、以下のとおりである。
溶接条件５
抵抗部材５の材質：モリブテン（Ｍｏ）板
抵抗部材５の融点：約２，６８０℃
微粒子の塗布：なし
被接合部材１の板厚：０．９ｍｍ
被接合部材２の板厚：１．４ｍｍ
溶接条件６
抵抗部材５の材質：タングステン（Ｗ）板
抵抗部材５の融点：約３，４３０℃
微粒子の塗布：なし
被接合部材１の板厚：０．９ｍｍ
被接合部材２の板厚：２．０ｍｍ
各溶接条件による溶接結果は、図４に示すように、溶接条件５では、スパッタＳの飛散量は、上記の溶接条件１〜３に比べて少なかった。また、被接合部材１，２への抵抗部材５の付着はややあったが、手で剥がせる程度であり（実用上問題にならない）、上記の溶接条件１〜４の場合よりも付着が低かった。

溶接条件６では、スパッタＳの飛散量は、溶接条件１〜３に比べて少なかった。被接合部材１，２への抵抗部材５の付着は、溶接条件５の場合に比べてさらに低かった。なお、溶接条件５，６ともに、被接合部材１，２の溶接（接合）は良好であった。
このように、被接合部材１，２の板厚が異なる場合であっても、良好な溶接結果が得られ、かつ、抵抗部材５の付着、スパッタＳの飛散を低減できることが確認された。さらに、上記のように、溶接条件４，５，６の順に、抵抗部材５の付着が低くなっている（溶接条件６の場合が最も低い）ことから、抵抗部材５の融点が高いほど、付着が低いことがわかる。すなわち、被接合部材１、２の沸点と抵抗部材５の融点との差によって、付着抑制の効果の程度が異なり、その差が大きいほど、抵抗部材５の付着が低い（抑制効果が大きい）と言える。このことから、例えば、純モリブテン板や純タングステン板の代わりに、モリブテン合金板やタングステン合金板を抵抗部材５として用いた場合には、融点がやや低下するために付着抑制の効果がやや低下するものの、抵抗部材５の融点が被接合部材１，２の沸点よりも高ければ、付着抑制の効果は、実用上問題にならない程度に得られる。従って、扱い易さや価格などを考慮して、タングステン合金板などを用いることも有効である。
ところで、モリブテン板（溶接条件５）とタングステン板（溶接条件６）との電気抵抗値に大差がないも係わらず、タングステン板に比べてモリブテン板の付着がやや強かったことから、同じ印加電流の下では、電気抵抗値が同等の抵抗部材５を用いる場合、被接合部材１，２の板厚が薄い方が、抵抗部材５が付着し易いことがわかる。このことから、電気抵抗値が同等の抵抗部材５を用いて、薄板の被接合部材１，２を溶接する場合には、厚板の被接合部材１，２を溶接する場合に比べて、低い印加電流で抵抗溶接することが、抵抗部材５の付着低減に効果があると言える。このことは、以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、被接合部材１，２を溶接するのに必要な抵抗熱は、主として抵抗値が高い抵抗部材５によって発生するが、抵抗部材５での抵抗熱は抵抗部材５の電気抵抗値に比例する。一方、被接合部材１，２を溶接するのに必要な熱量は、被接合部材１，２の板厚が増すに従って増加する。従って、同じ電気抵抗値の抵抗部材５を用いて、同じ印加電流を与えた場合、（薄板、厚板ともに、溶接が良好であるとすると、）厚板の被接合部材１，２に比べて薄板の被接合部材１，２には、過剰な抵抗熱が加わることとなる。この結果、この過剰な抵抗熱によって、被接合部材１，２のみならず、抵抗部材５，５までもが部分的に溶融（再結晶温度以上で軟化）し、抵抗部材５、５が被接合部材１，２に付着し易くなるものである。これに対し、厚板の被接合部材１，２の場合には、抵抗熱量が適正であり、過剰熱がないため、被接合部材１，２のみを溶融し、抵抗部材５，５を溶融、軟化させることはない。この結果、抵抗部材５、５の被接合部材１，２への付着が抑制されるものである。

以上のことから、被接合部材１，２の板厚および、抵抗部材５，５の電気抵抗値（板厚）に応じて、適正な印加電流で抵抗溶接することによって、抵抗部材５、５を被接合部材１，２に付着させず、かつ、良好に被接合部材１，２を溶接することができる。
ところで、この実施形態では、点溶接について説明しているが、シーム溶接においても適用することができる。この場合例えば、ローラ電極と被接合部材との間に、帯状のニオブ板などを介在させる。そして、この帯に沿ってローラ電極を回転させながら連続的に溶接するものである。

本発明の実施形態に係る抵抗溶接方法を示す斜視図。 抵抗溶接によるスパッタの飛散状態を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る抵抗溶接方法における溶接結果を示す図。 本発明の実施形態に係る抵抗溶接方法において、被接合部材の板厚が異なる場合の溶接結果を示す図。 被接合部材の溶接部表面に発生するピットを示す断面図。

符号の説明

１、２ 被接合部材（アルミニウム合金板）
３ 電極チップ
４ ホルダー
５ 抵抗部材（ニオブ板）
Ｓ スパッタ

Claims (1)

1. 電極を介して被接合部材に電流を流し、この電流によって発生する抵抗熱によって被接合部材を接合する抵抗溶接方法であって、
   電気抵抗値が前記被接合部材よりも高く、かつ、融点が前記被接合部材の沸点よりも高い抵抗部材を、前記被接合部材と前記電極との間に介在させる、ことを特徴とする抵抗溶接方法。
   
   

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