JP2011088213A - 高導電性金属材料の抵抗溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】銅又は銅合金からなる被溶接物同士を拡散接合する高導電性金属材料の抵抗溶接方法において、第2の被溶接物W2のプロジェクションPの頂部と第1の被溶接物W1の低融点金属膜Mとの接触抵抗により生じる熱によって低融点金属膜を溶融し、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との間にかけられている加圧力によって、プロジェクションの頂部P1に当接している溶融した低融点金属膜Mを排除し、プロジェクションの頂部P1を第1の被溶接物W1に当接させて、それらの接触面にパルス状の電流を流して、前記プロジェクションP及び当該プロジェクションの頂部P1が当接している第1の被溶接物W1の面域を塑性流動させて、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2を拡散接合する。
【選択図】図1
Description
抗が大きくなるという欠点がある。また、相互の金属が溶融することによって形成されるナゲットの熱によって接合部の周囲のスズ層がチリとなって飛散し、その飛散量が多くなるだけでなく、接合部周囲の銅材料とアルミニウム材料とを変色させたり、歪みを生ずるという問題点がある。また、前掲の特許文献2〜5に記載されている接合部の構造は特定の構造の異種金属材料からなる被溶接物に適しているが、特に銅材料と銅材料、又はアルミニウム材料とアルミニウム材料、あるいは銅材料とアルミニウム材料との抵抗溶接にはそのまま適用することは難しく、前掲特許文献に開示されている抵抗溶接装置をもってしても良好な溶接結果が得られない。また、前掲の特許文献6に記載されているように、銅材料とアルミニウム材料との双方にプロジェクションを設けて互いに突合せて溶接しても、アルミニウム材料に比べて銅材料の溶融又は軟化が遅いために満足の行く溶接結果は得られず、実際の製造ラインに特許文献6に記載されている抵抗溶接方法を用いることは今のところ難しい場合が多い。
図1及び図2によって本発明に係る抵抗溶接の実施形態1について説明する。図1は実施形態1に係る抵抗溶接方法を実現するのに用いられる被溶接物の一例を説明するための図、図2は実施形態1に係る抵抗溶接方法を実現するのに適したコンデンサ蓄勢式抵抗溶接装置の一例を示す図である。先ず、本発明が適用できる範囲は一般的な様々な同種の金属材料同士、あるいは様々な異種の金属材料からなる被溶接物などの抵抗溶接であるが、
実施形態1では特に抵抗溶接が難しいとされている銅又は銅合金同士の抵抗溶接(拡散接合)を例として以下に説明する。したがって、本明細書において「銅材料」とは「銅又は銅合金」を意味する。
プの先端部分の外側と内側を研磨して先細りの環状先端部A、つまり環状のプロジェクションPが形成されている。プロジェクションPは円環状の頂部P1と外側の傾斜部P2と内側の傾斜部P3とからなる。環状のプロジェクションPの高さは特に限定されないが、つまり頂部P1の高さは特に限定されないが、環状の先細りの環状先端部Aの造り易さや強度などの面から0.3〜0.8mm程度が好ましい。また、外側の傾斜部P2と内側の傾斜部P3とがなす角度は任意でよいが、例えば60〜120度である。ここで環状のプロジェクションPの大切な要件は、図1(B)に示す円環状の頂部P1の幅Dが0.8mm以下でなければならないということである。後述からも分かるように、円環状の頂部P1の幅Dが0.8mmを超えると、溶接強度が低下するなど溶接品質が低下することが確認されている。この原因は円環状の頂部P1の幅Dが0.8mmを超えると、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との接合面に低融点金属膜Mの金属材料の層が形成され易くなるからである。なお、円環状の頂部P1はその断面が任意の円弧状であっても勿論よい。
2の環状のプロジェクションPとこれに当接する面域の第1の被溶接物W1との塑性流動による上部溶接電極7と第1の被溶接物W1との間の微妙な加圧力の変化に対して、上部溶接電極7が即応することができる。なお、記号18〜20は3相交流入力端子を示す。
な抵抗溶接(拡散接合)が行われる。
1の部分の塑性流動化が始まるに伴って、図2に示した加圧補助部材5がスプリングのような弾性部材であるときに、溶接初期の接合部分の膨張を弾性部材が瞬時に吸収すると共に、常時、弾性部材が接合部分に加圧力を与えているので、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との塑性流動による沈みに対しても極めて応答の速い加圧を与えることができる。この加圧補助部材5の応答速度が速ければ速いほど、パルス幅の短いパルス溶接電流を、つまり短時間に電流エネルギーを集中して第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との間に流すことができ、銅材料のような熱伝導の極めて良好なものでも、好ましい状態に塑性流動させることができるので、銅部材同士でも満足の行く抵抗接合ができる。加圧補助部材5の応答速度を従来よりも低下させないように働く一方の手段が、撓み易い第1のフレキシブル部材10であり、他方の手段が加圧補助部材5である。そして、加圧補助部材5の応答速度はパルス状の溶接電流のパルス幅よりも速いのが好ましい。このように、溶接電極の応答速度が速く、かつパルス状の溶接電流の幅が電流がピーク値までに立ち上がるのに要する時間Tが10ms程度以下と狭く、更に詳述したような環状のプロジェクションPを一方の銅部材に形成し、他方の銅部材に融点の低い金属材料からなる低融点金属膜を形成しているので、銅部材同士をより安定に、かつ良好に抵抗溶接することができる。
、M2はいずれか一方だけが形成されていても勿論よい。
この実施形態2は、図7に示すように双方とも銅板からなる第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との抵抗溶接方法である。この実施形態2では、図7(A)に示すように、第2の被溶接物W2の片面には低融点金属膜Mが形成されている。この低融点金属膜Mは、銅材料の表面が酸化されて接合面域が酸化銅膜で覆われるのを防ぐ働きを行うものであり、銅材料の融点よりも低く、メッキ工程で形成し易いスズ(Sn)、あるいは亜鉛(Zn)が好ましい。実施形態2における低融点金属膜Mはスズ材料又は亜鉛材料からなるものとする。このとき、第2の被溶接物W2の他方の面には低融点金属膜Mが形成されていない方が、溶接時に溶接電極にスズ膜が付着せず、汚れないという面から好ましい。しかし、低融点金属膜Mが第2の被溶接物W2の両面に形成されていても、溶接品質に悪影響を与えることはない。実施形態1と同様に、低融点金属膜Mの厚みは1μmから12μmの範囲にあることが好ましい。低融点金属膜Mが1μmよりも薄い膜厚の場合には、低融点金属膜Mの膜厚の不均一性や、第2の被溶接物W2の搬送過程などで低融点金属膜M
が損傷することによって酸化膜が形成される場合があり、この場合には銅部材と銅部材との抵抗溶接は不完全なものになり、満足できる溶接結果が得られない。また、低融点金属膜Mが12μmよりも厚い膜厚の場合には、抵抗溶接部位の断面を顕微鏡で観察すると、第1の被溶接物W1である銅部材と第2の被溶接物W2である銅部材との接合面にスズ材料の薄い層が形成されたり、低融点金属膜Mの金属材料が混入された薄層が形成されることがあり、接合面での抵抗値の増加や接合面の脆弱化といった影響が生じるから低融点金属膜Mが12μm以下の膜厚であるのが好ましい。
ス14の1次巻線N1に放出する。これに伴い、1次巻線N1に比べて巻数が大幅に少ない1ターン又2ターン程度の2次巻線N2に大きな溶接電流が発生し、そのパルス状の溶接電流が第2の被溶接物W2と低融点金属膜Mとを介して第1の被溶接物W1の環状のプロジェクションPの頂部P1に集中して流れる。このパルス状の溶接電流は、前述したようにほぼ10ms以下の時間で急激にピーク値まで増大し、短時間で急激に低下する単一の電流パルスである。
側傾斜部P2と環状の内側傾斜部P3とからなる環状のプロジェクションPをそれぞれ有する。第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2とに形成される環状のプロジェクションPは実質的に互いに等しい構造である。環状の頂部P1の幅Dは、実施形態1と同様に0.8mm以下である。この形態の場合には、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との環状のプロジェクションP同士を位置合わせするという工程が必要ではあるが、第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2との環状のプロジェクションPがそれぞれ低融点金属膜M1、M2で被覆されているので、高導電性金属材料同士をより確実かつ安定に抵抗溶接することができる。なお、図10(B)は第1の被溶接物W1と第2の被溶接物W2における環状のプロジェクションPの平面図を示している。
W2・・・第2の被溶接物
P・・・プロジェクション
P1・・・プロジェクションPの頂部
M・・・低融点金属膜
1・・・ベース部材
2・・・支持機構
3・・・加圧機構
4・・・可動ブロック
5・・・加圧補助部材
6・・・支持部材
7・・・上部溶接電極
8・・・下部溶接電極
9・・・L字形の中間接続部材
10・・・第1のフレキシブル導電部材
11・・・第2のフレキシブル導電部材
12、13・・・給電導体
14・・・溶接トランス
15・・・放電回路
16・・・エネルギー蓄積用コンデンサ
17・・・充電回路
18〜20・・・3相交流入力端子
Claims (3)
- 銅又は銅合金からなる第1の被溶接物と第2の被溶接物との間にパルス状の電流を流して前記被溶接物同士を拡散接合する高導電性金属材料の抵抗溶接方法において、
銅材料よりも融点が低い低融点金属材料からなる低融点金属膜を前記第1の被溶接物に形成する工程と、
前記第2の被溶接物にプロジェクションを形成する工程と、
前記第2の被溶接物に形成されている前記プロジェクションを前記第1の被溶接物に形成されている前記低融点金属膜に当接させる工程と、
互いに当接している前記第1の被溶接物と前記第2の被溶接物とを、弾性力を含む加圧力で加圧した状態でパルス状溶接電流を通電する工程と、
を備え、
前記プロジェクションは環状であり、幅が0.8mm以下である環状の頂部を有し、
前記パルス状溶接電流を通電する工程において、前記第2の被溶接物の前記プロジェクションの前記頂部と前記第1の被溶接物の前記低融点金属膜との接触抵抗により生じる熱によって前記低融点金属膜を溶融し、
前記第1の被溶接物と前記第2の被溶接物との間にかけられている加圧力によって、前記プロジェクションの前記頂部に当接している溶融した前記低融点金属膜を排除し、
前記プロジェクションの前記頂部を前記第1の被溶接物に当接させて、それらの接触面にパルス状の電流を流して、前記プロジェクション及び当該プロジェクションの前記頂部が当接している前記第1の被溶接物の面域を塑性流動させて、前記第1の被溶接物と前記第2の被溶接物を拡散接合することを特徴とする高導電性金属材料の抵抗溶接方法。 - 請求項1において、
前記第2の被溶接物に形成されている前記プロジェクションが、銅材料よりも融点の低い低融点金属材料からなる低融点金属膜で被覆する工程を備えることを特徴とする高導電性金属材料の抵抗溶接方法。 - 請求項1又は請求項2において、
前記低融点金属膜は、メッキ工程によって形成された錫又は亜鉛からなる金属膜であることを特徴とする高導電性金属材料の抵抗溶接方法。
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