JP2014213339A - 積層金属板の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２枚以上、好ましくは３枚以上の積層金属板に適用可能な溶接法を提供することを課題とする。
【解決手段】図（ａ）に示すように、プラズマトーチ３０で発生するプラズマジェット３６を第４金属板２４に当てる。プラズマジェット３６は、ノズル３２で絞られつつ、プラズマガス３４の熱的ピンチ力の絞り作用により、広がりの少ない流れとなる。プラズマジェット３６は極めて高温であるため、図（ｂ）に示すように、第４金属板２４及び第３金属板２３が局部的に溶かされる。溶融金属３７が発生する。さらに、図（ｃ）に示すように、最下層の第１金属板２１へプラズマジェット３６が到達し、第１金属板２１も局部的に溶かされる。この時点で、プラズマジェット３６の噴射を停止する。溶融金属３７が凝固し、図（ｄ）に示す溶着金属３８ができあがる。
【効果】３枚以上の積層金属板のスポット溶接が実施できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、重ねた少なくとも２枚の金属板を互いに接合する積層金属板の接合方法に関する。

複数の金属板を接合する手法の１つが溶接であり、広く普及している。この溶接にスポット溶接があり、このスポット溶接を発展させた手法が各種提案されている（例えば、特許文献１（第５図）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来のアークスポット溶接法の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、下板１０１に上板１０２を重ね、この上板１０２の上方にアーク溶接トーチ１０３を配置する。このアーク溶接トーチ１０３はアーク熱を発生し、このアーク熱で消耗電極を溶融しつつ上板１０２及び下板１０１へ供給する。

特許文献１の技術では溶接電流を、通常より大電流とすることで、上板１０２に貫通穴を開ける。
結果、（ｂ）に示すように、溶着金属１０４で下板１０１と上板１０２とを接合することができる。

ところで、図９（ａ）にてアーク１０５は、直進しながら広がる性質を有するため、貫通穴はすり鉢状になり、（ｂ）に示すように、溶着金属１０４の大部分が上板１０２に留まり、下板１０１に到達する分は少ない。

このことから特許文献１のアークスポット溶接法には、次に述べるような改良すべき点がある。
３枚以上の板を積層すると、最も下の板まで溶着金属１０４が到達しない、又は到達させ難い。
対策として溶接電流を増大すると、上板１０２の貫通穴が更に大径になり、消耗電極の消費量が増大する。
また、２枚の板を積層した場合でも、下板１０１に十分な量の溶着金属１０４が溶け込むことが望まれる。

よって、アークスポット溶接に代わる溶接法が求められる。

特開昭６１−２７９３６０号公報

本発明は、２枚以上、好ましくは３枚以上の積層金属板に適用可能な溶接法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、重ねた少なくとも２枚の金属板を互いに接合する積層金属板の接合方法であって、
前記積層金属板の一方の側にプラズマトーチを配置し、このプラズマトーチで発生するプラズマジェットで前記積層金属板をスポット的に溶融した後に凝固させ、得られた溶着金属で前記少なくとも２枚の金属板同士を接合する第１溶接工程と、
前記積層金属板の一方の側にろう材を消耗電極とするガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチを配置し、アーク熱で溶かした前記ろう材を、前記溶着金属の一端に被せる又は前記溶着金属に混合する第２溶接工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１溶接工程の後期に、第２溶接工程の前期を重ねることを特徴とする。

請求項１に係る発明は、第１溶接工程でプラズマジェットを使用する。プラズマジェットは広がらないため、一番下層、すなわちプラズマトーチから最も遠い金属板までプラズマジェットが到達し、溶着金属で全ての金属板同士を接合することができる。ただし、溶融した金属の一部が隣り合う金属板間の隙間に滲み出るため、溶着金属の一端、すなわちプラズマトーチ側の端面が窪む。
そこで、本発明では第２溶接工程にて、ろう材を溶着金属の一端に被せることで肉盛りを施す、又は溶着金属に混合することで増量する。結果、窪みが発生する心配はなく、接合部分の外観性が向上する。

請求項２に係る発明では、第１溶接工程中に、第２溶接工程を開始する。第１溶接工程ではプラズマジェットにより溶融金属が撹拌される。この状態でろう材を供給すると、ろう材の一部が溶融金属に混じる。溶融金属にろう成分が混じるため、溶着金属の改質を図ることができる。また、溶着金属の一端にろう材が混じり合い、溶着金属への接合強度が高まるため、ろう材が溶着金属から外れる心配が無くなる。

車体の要部断面図である。 プラズマトーチの原理図である。 プラズマ溶接の工程図である。 ガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチの原理図である。 積層金属板における接合部の断面図である。 溶接工程のタイムチャート図である。 タイムチャートの変更例を示す図である。 一体型溶接トーチの原理図である。 従来のアークスポット溶接法の基本原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、車体のサイドパネルとルーフパネルとの合わせ部１０には、ルーフパネル１１とサイドアウターパネル１２と補強板１３とサイドインナーパネル１４とが重なっている。ルーフパネル１１やサイドアウターパネル１２を局部的に切り欠き、そこへスポットガンを合わせることでスポット抵抗溶接は実施できる。しかし、切欠きが水漏れを誘発する虞がある。
そこで、４枚の板を重ねた合わせ部１０を良好に溶接する技術が必要となる。

そのために、図２に示すようなプラズマトーチ３０を準備する。
プラズマトーチ３０の下方に置かれる積層金属板２０は、サイドインナーパネルに相当する第１金属板２１と、この第１金属板２１に載せられ補強板に相当する第２金属板２２と、この第２金属板２２に載せられサイドアウターパネルに相当する第３金属板２３と、この第３金属板２３に載せられルーフパネルに相当する第４金属板２４とからなる。

第１〜第４金属板２１〜２４は、普通炭素鋼板、高張力鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウムなどの非鉄金属板の何れであっても良い。

プラズマトーチ３０は、中央に配置するタングステン電極３１と、このタングステン電極３１を囲うノズル３２と、このノズル３２の先端を囲うシールドキャップ３３とからなる。タングステン電極３１とノズル３２及び／又は積層金属板２０との間に高電圧を印可すると、プラズマガス３４が生成されノズル３２からプラズマジェットの形態で噴出される。このときに、シールドキャップ３３とノズル３２の間からシールドガス３５が噴射され、溶融金属の酸化が防止される。

プラズマトーチ３０の作用を次に述べる
図３（ａ）に示すように、第４金属板２４の上方にプラズマトーチ３０を置き、このプラズマトーチ３０で発生するプラズマジェット３６を第４金属板２４に当てる。
プラズマジェット３６は、ノズル３２で絞られつつ、プラズマガス３４の熱的ピンチ力の絞り作用により、広がりの少ない流れとなる。

プラズマジェット３６は極めて高温であるため、図３（ｂ）に示すように、第４金属板２４及び第３金属板２３が局部的に溶かされ、ボンドとも呼ばれる溶融金属３７が発生する。さらに、図３（ｃ）に示すように、最下層の第１金属板２１へプラズマジェット３６の先端が到達し、第１金属板２１も局部的に溶かされる。この時点で、プラズマジェット３６の噴射を停止する。

すると、溶融金属３７が凝固し、図３（ｄ）に示すように、ナゲットと呼ばれる溶着金属３８ができあがる。なお、第１〜第４金属板２１〜２４の相互間に、僅かではあるが隙間が不可避的に発生し、この隙間から溶融金属３７の一部が滲み出るため、溶着金属３８の一端（上面）に窪み３９ができる。

この窪み３９を、次に述べる手順で塞ぐことにする。
そのために、ガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチを準備する。
図４に示すように、ガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチ４０は、電極ワイヤ４１と、この電極ワイヤ４１を送る送給ローラ４２、４２と、送給される電極ワイヤ４１を案内する電極ガイド４３と、この電極ガイド４３を囲うガスノズル４４とからなる。

電極ガイド４３とガスノズル４４との間からシールドガス４５が噴射される。このシールドガス４５は、溶融金属が大気中の酸素で酸化することを防ぐ役割を果たす。
シールドガス４５としてアルゴンに代表される不活性ガスを用いるものを「ミグ（ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ）溶接」、炭酸ガスを用いるものを「炭酸ガスアーク溶接」、炭酸ガスとアルゴンガスを混合したガスを用いるものを「マグ（ｍｅｔａｌ ａｃｔｉｖｅ ｇａｓ）溶接」と呼ぶ。

電極ワイヤ４１は、溶接棒に相当する材料で構成される線材であるが、本発明ではろう材とした。
電極ワイヤ４１と積層金属板２０の間に高電圧を印可すると、アーク４６が飛ぶ。このアーク４６は極めて高温であるため、電極ワイヤ４１を溶かす。
電極が溶かされて消耗するため、この溶接は「ガスシールド消耗電極式アーク溶接法」と呼ばれる。

なお、アーク４６は、傘のように広がる。一方、図３（ａ）に示すプラズマジェット３６は広がらない。アーク４６が広がるため、アーク流れによって溶けたろう材４７を広げて、窪み３９を均等に被せる作用も発揮する。

結果、図５に示すように、窪み３９がろう材４７で塞がれた積層金属板２０が得られる。この積層金属板２０は、第１〜第４金属板２１〜２４が溶着金属３８で良好に接合され、その上、溶着金属３８の一端がろう材４７で肉盛りされているため、外観が良好となる。ろう材４７は強度向上にも寄与する。

以上に述べたように、積層金属板２０の溶接方法は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、積層金属板２０の一方の側にプラズマトーチ３０を配置し、このプラズマトーチ３０で発生するプラズマジェット３６で積層金属板２０をスポット的に溶融した後に凝固させ、得られた溶着金属３８で少なくとも２枚の金属板同士（この例では４枚）を接合する第１溶接工程と、図４に示すように、積層金属板２０の一方の側にろう材４７を消耗電極とするガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチ４０を配置し、アーク熱で溶かしたろう材４７を溶着金属３８の一端に被せる又は溶着金属３８に混合する第２溶接工程とからなる。

このときの第１溶接工程と第２溶接工程は、図６に示すように、第１溶接工程が終了したら、引き続いて第２溶接工程を実施することを基本とする。ただし、次に述べるような変更例に基づいて溶接を実施することもできる。

図７（ａ）に示すように、第１溶接工程の後期に、第２溶接工程の前期を重ねる（ラップさせる）。すなわち、第１溶接工程中に、第２溶接工程を開始する。第１溶接工程ではプラズマジェットにより溶融金属が撹拌される。この状態でろう材を供給すると、ろう材の一部が溶融金属に混じる。溶融金属にろう成分が混じるため、溶着金属の改質を図ることができる。

さらには、図７（ｂ）に示すように、第１溶接工程の後期に、第２溶接工程の前期を重ねる上に、第１溶接工程の後期では出力（出力＝溶接電流×溶接電圧）を下げる。この図７（ｂ）の形態は、第１溶接工程の前期での出力を高めることができるため、高張力鋼やステンレス鋼など普通鋼より硬い又は溶けにくい金属板に適用できる。

次に、図６及び図７を、ろう材と母材（金属板）の特性の面から検討する。
ろう材と母材が同一材料である場合と、ろう材より母材の方が軟らかい場合と、ろう材より母材の方が硬い場合の三通りを説明する。
ろう材と母材が同一材料である場合は、撹拌による強度向上は不要であって撹拌は必須ではない。そのため、図６が推奨される。

ろう材より母材の方が軟らかい場合は、ろう材の強度が十分であるため、図６と図７（ａ）の何れであってもよい。

一方、ろう材より母材の方が硬い場合は、図７（ｂ）が推奨される。図７（ｂ）のように、ろう材を溶融させ溶融プールに供給すると共に、ガス圧を下げ、出力を下げたプラズマジェットを当て、溶融したろう材を撹拌する。溶着金属にろう成分が混合するため、溶着金属の強度が高まる。

加えて、第２溶接工程の終了前に第１溶接工程が終了する。すなわち、プラズマジェットによる撹拌が終了しても一定期間ろう材が供給される。
プラズマジェットが停止することでプラズマジェットから最も遠い部位から凝固が始まり、凝固完了時に窪みが生成されるが、この窪みがろう材で塞がれる。図５にて、溶着金属３８は撹拌により強度向上が図られ、窪み３９がろう材４７で塞がれ、肉盛りされる。
よって、硬い高張力鋼の接合に、図７（ｂ）が好適であると言える。

本発明の溶接方法を実施するために、図２に示すプラズマトーチ３０と図４に示すガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチ４０を各々準備するが、両トーチ３０、４０を連続又は同時並行して使用することを考えると、次に述べる複合トーチが推奨される。

すなわち、図８に示すように、複合トーチ５０は、トーチ筒５１と、このトーチ筒５１に収納されるノズル３２と、このノズル３２に収納されるタングステン電極３１と、ノズル３２の外側に且つトーチ筒５１に収納される電極ガイド４３と、この電極ガイド４３で案内される電極ワイヤ４１とからなる。

なお、電極ワイヤ４１の中心軸５２とタングステン電極３１の中心軸５３とがＶ字をなすように電極ワイヤ４１とタングステン電極３１が配置される。
中心軸５２と中心軸５３の交点５４又は交点５４近傍を、積層金属板２０の上面に合わせることで、複合トーチ５０を、殆ど移動させることなく、第１溶接工程と第２溶接工程が実施でき、段取り替えの必要がないため、生産性の向上を図ることができる。

尚、実施例では、４枚の金属板を積層した積層金属板に溶接を施したが、２枚以上の金属板を積層した積層金属板に本発明は適用できる。

また、本発明は、スポット溶接を施す車体に好適であるが、一般の筐体、製缶物のスポット溶接に適用することは差し支えない。

さらには、プラズマ溶接には、発生するプラズマ流をプラズマアークと呼ぶ形式のものがあるが、この場合であってもプラズマアークはプラズマジェットに含まれるものとする。

本発明は、車体のスポット溶接に好適である。

２０…積層金属板、２１…金属板（第１金属板）、２２…金属板（第２金属板）、２３…金属板（第３金属板）、２４…金属板（第４金属板）、３０…プラズマトーチ、３６…プラズマジェット、３８…溶着金属、３９…窪み、４０…ガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチ、４６…アーク、４７…ろう材。

Claims (2)

1. 重ねた少なくとも２枚の金属板を互いに接合する積層金属板の接合方法であって、
   前記積層金属板の一方の側にプラズマトーチを配置し、このプラズマトーチで発生するプラズマジェットで前記積層金属板をスポット的に溶融した後に凝固させ、得られた溶着金属で前記少なくとも２枚の金属板同士を接合する第１溶接工程と、
   前記積層金属板の一方の側にろう材を消耗電極とするガスシールド消耗電極式アーク溶接トーチを配置し、アーク熱で溶かした前記ろう材を、前記溶着金属の一端に被せる又は前記溶着金属に混合する第２溶接工程と、からなることを特徴とする積層金属板の接合方法。
2. 前記第１溶接工程の後期に、前記第２溶接工程の前期を重ねることを特徴とする請求項１記載の積層金属板の接合方法。

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