JP2015205287A - シーム溶接用ローラ電極およびシーム溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シーム溶接用のローラ電極の外輪部を軟化させることなく基板部に結合して冷却水通路からの冷却水漏れを防止する。
【解決手段】 ローラ電極１４の内部に冷却水が流通する冷却水通路１８を備えるシーム溶接用ローラ電極は、クロム銅で円環状に形成された外輪部１７と、外輪部１７の内周に嵌合する円板状の基板部１６とを備える。外輪部１７はクロム銅の軟化温度未満の温度に加熱されて基板部１６に焼嵌めされ、冷却水通路１８は基板部１６の外周面および外輪部１７の内周面間に形成されるので、クロム銅の外輪部１７が軟化温度以上の温度に加熱されて軟化し、溶接時の荷重で変形して使用不能になる事態を防止することができ、しかも焼嵌めにより基板部１６および外輪部１７を強固に結合して冷却水通路１８からの冷却水の漏れを確実に防止することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ローラ電極の内部に冷却水が流通する冷却水通路を備えるシーム溶接用ローラ電極と、そのローラ電極を用いたシーム溶接方法に関する。

クロム銅で円環状に形成された外輪部と、外輪部の内周に嵌合する円板状の基板部とを溶接により接合し、基板部の外周面および外輪部の内周面間に冷却水通路を形成したシーム溶接用のローラ電極が、下記特許文献１により公知である。

特公昭６０−４９０７８号公報

しかしながら、上記従来のものは、基板部および外輪部をレーザ等の熱エネルギー密度が高い熱源によって接合するので、クロム銅製の外輪部が軟化温度以上に加熱されて軟化してしまい、シーム溶接時に加わる荷重で外輪部が変形して使用不能になる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、シーム溶接用のローラ電極の外輪部を軟化させることなく基板部に結合して冷却水通路からの冷却水漏れを防止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に記載された発明によれば、ローラ電極の内部に冷却水が流通する冷却水通路を備えるシーム溶接用ローラ電極であって、前記ローラ電極は、クロム銅で円環状に形成された外輪部と、前記外輪部の内周に嵌合する円板状の基板部とを備え、前記外輪部はクロム銅の軟化温度未満の温度に加熱されて前記基板部に焼嵌めされ、前記冷却水通路は前記基板部の外周面および前記外輪部の内周面間に形成されることを特徴とするシーム溶接用ローラ電極が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記冷却水通路は、前記外輪部の内周面に形成された環状溝からなることを特徴とするシーム溶接用ローラ電極が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記冷却水通路は、前記基板部の外周面に形成された環状溝と、前記外輪部の内周面に形成された環状溝とからなることを特徴とするシーム溶接用ローラ電極が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項２または請求項３の構成に加えて、前記外輪部の内周面に形成された環状溝は、前記外輪部の内周面から外周面に向かって先細に形成されることを特徴とするシーム溶接用ローラ電極が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のローラ電極を用いたシーム溶接方法であって、高張力鋼板と軟鋼板とを重ね合わせ、少なくとも前記高張力鋼板に当接する側に前記ローラ電極を適用してシーム溶接することを特徴とするシーム溶接方法が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のローラ電極を用いたシーム溶接方法であって、高張力鋼板と軟鋼板とを重ね合わせ、前記高張力鋼板に当接する側に前記ローラ電極を適用するとともに、前記軟鋼板に当接する側に少なくとも外輪部がクロム銅よりも電気抵抗が高い材料を含有する第２のローラ電極を適用してシーム溶接することを特徴とするシーム溶接方法が提案される。

尚、実施の形態の第１環状溝１６ａおよび第２環状溝１７ａは本発明の環状溝に対応し、実施の形態の第１高張力鋼板２０Ａおよび第２高張力鋼板２０Ｂは本発明の高張力鋼板に対応する。

請求項１の構成によれば、ローラ電極の内部に冷却水が流通する冷却水通路を備えるシーム溶接用ローラ電極は、クロム銅で円環状に形成された外輪部と、外輪部の内周に嵌合する円板状の基板部とを備える。外輪部はクロム銅の軟化温度未満の温度に加熱されて基板部に焼嵌めされ、冷却水通路は基板部の外周面および外輪部の内周面間に形成されるので、クロム銅の外輪部が軟化温度以上の温度に加熱されて軟化し、溶接時の荷重で変形して使用不能になる事態を防止することができ、しかも焼嵌めにより基板部および外輪部を強固に結合して冷却水通路からの冷却水の漏れを確実に防止することができる。

また請求項２の構成によれば、冷却水通路は、外輪部の内周面に形成された環状溝からなるので、高温になる外輪部をその環状溝を流れる冷却水で効果的に冷却することができる。

また請求項３の構成によれば、冷却水通路は、基板部の外周面に形成された環状溝と、外輪部の内周面に形成された環状溝とからなるので、高温になる外輪部をその環状溝を流れる冷却水で効果的に冷却することできるだけでなく、基板部の環状溝および外輪部の環状溝で大きな断面の冷却水通路を形成して冷却性能を高めることができる。

また請求項４の構成によれば、外輪部の内周面に形成された環状溝は、外輪部の内周面から外周面に向かって先細に形成されるので、環状溝の形状を外輪部の溶接面（外周面）側がより広い面積で冷却水と接する形状とし、かつ環状溝の径方向外端を外輪部の溶接面に近づけて該溶接面の冷却性能を高めることができる。

また請求項５の構成によれば、高張力鋼板と軟鋼板とを重ね合わせ、少なくとも高張力鋼板に当接する側に前記ローラ電極を適用してシーム溶接するので、電気抵抗値が低い軟鋼板を充分に発熱させて溶接すべく電流値を増加させたために、電気抵抗値が高い高張力鋼が過剰に発熱してナゲットが該高張力鋼板側に成長しても、その高張力鋼板の表面を冷却性が高いローラ電極で冷却することで表チリの発生を防止し、高張力鋼板および軟鋼板の高品質な溶接を可能にすることができる。

また請求項６の構成によれば、高張力鋼板と軟鋼板とを重ね合わせ、高張力鋼板に当接する側に前記ローラ電極を適用するとともに、軟鋼板に当接する側に少なくとも外輪部がクロム銅よりも電気抵抗が高い材料を含有する第２のローラ電極を適用してシーム溶接するので、電流値を増加させることなく第２のローラ電極を積極的に発熱させて温度上昇させることで軟鋼板側にナゲットを積極的に成長させ、かつ高張力鋼板側にナゲットが成長するのを抑制して高張力鋼板に表チリが発生するのを防止し、高張力鋼板および軟鋼板の高品質な溶接を可能にすることができる。これにより、ローラ電極の小径化、薄肉化、溶接速度の高速化が可能になり、自動車部品のような複雑な形状の部品への適用が可能になる。

シーム溶接装置の要部斜視図。（第１の実施の形態） 図１の２方向矢視図。（第１の実施の形態） 図２の３−３線断面図。（第１の実施の形態） 図２の４−４線断面図。（第１の実施の形態） シーム溶接のナゲットの状態を示す図。（第１の実施の形態） 図４に対応する図。（第２の実施の形態） シーム溶接のナゲットの状態を示す図。（第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図５に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、シーム溶接装置１１はモータを内蔵した一対の駆動部１２，１２から突出する一対の回転軸１３，１３を備えており、一対の回転軸１３，１３にそれぞれローラ電極１４，１４が取り付けられる。一対のローラ電極１４，１４間に被溶接部材が挟持されて移動する間に、一方のローラ電極１４から他方のローラ電極１４へと流れる電流により被溶接材が発熱して連続的に溶接される。

図１〜図４に示すように、ローラ電極１４は径方向内側に位置する銅合金製の円板状の基板部１６と、径方向外側に位置するクロム銅製の円環状の外輪部１７とを焼嵌めにより一体に結合して構成される。基板部１６は、外周面に形成された四角形断面の第１環状溝１６ａと、中心近傍に軸方向に形成された盲孔よりなる第１冷却水供給通路１６ｂと、第１冷却水供給通路１６ｂから径方向外側に延びて第１環状溝１６ａに連通する第２冷却水供給通路１６ｃと、中心近傍に軸方向に形成された盲孔よりなる第１冷却水排出通路１６ｄと、第１冷却水排出通路１６ｄから径方向外側に延びて第１環状溝１６ａに連通する第２冷却水排出通路１６ｅと、中心を囲むように配置された複数のボルト孔１６ｆ…とを備える。一方、外輪部１７の内周面には、外周面に向けて先細にテーパーする断面三角形状の第２環状溝１７ａが形成される。第１環状溝１６ａおよび第２環状溝１７ａは径方向内外に対向して環状の冷却水通路１８を構成する。

シーム溶接装置１１の回転軸１３の先端に設けたフランジ１３ａには、冷却水供給孔１３ｂと、冷却水排出孔１３ｃと、６個の雌ねじ１３ｄ…とが形成されており、ローラ電極１４の基板部１６のボルト孔１６ｆ…を貫通する複数のボルト１９…をフランジ１３ａの雌ねじ１３ｄ…に螺合することで、ローラ電極１４が回転軸１３に固定される。この状態で、回転軸１３の冷却水供給孔１３ｂがローラ電極１４の第１冷却水供給通路１６ｂに連通するとともに、回転軸１３の冷却水排出孔１３ｃがローラ電極１４の第１冷却水排出通路１６ｄに連通する。

ローラ電極１４を組み立てる前の常温状態で、外輪部１７の内径は基板部１６の外径よりも僅かに小さく製造されており、加熱して膨張させた外輪部１７の内周に冷却して収縮させた基板部１６の内周を嵌合させて状態で常温に戻すと、基板部１６および外輪部１７が焼嵌めにより一体に結合される。このとき、外輪部１７の加熱温度を。その材料であるクロム銅の軟化温度未満に設定することで、焼き嵌め後の外輪部１７の硬度が確保される。

次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。

重ね合わせた被溶接材を回転する一対のローラ電極１４，１４間に挟持して一方向に送りながら、一方のローラ電極１４から被溶接材を介して他方のローラ電極１４に電流を流すと、電気抵抗を有する被溶接材がジュール発熱により溶融して内部にナゲットが形成されることで、被溶接材が連続的にシーム溶接される。

図５（Ｂ）に示す従来例は、ドア開口まわりの車体フランジをシーム溶接するもので、車体骨格を構成する厚板よりなる２枚重ねの第１、第２高張力鋼板２０Ａ，２０Ｂの一方の第１高張力鋼板２０Ａに、外観部品であるアウターパネルを構成する薄板よりなる１枚の軟鋼板２１を重ね合わせたものを、一対のローラ電極１４，１４間に挟持してシーム溶接する場合を考える。第１、第２高張力鋼板２０Ａ，２０Ｂは軟鋼板２１に比べて電気抵抗値が高いため、シーム溶接時の発熱量は第１、第２高張力鋼板２０Ａ，２０Ｂの方が軟鋼板２１よりも大きくなる。その結果、ナゲット２２は３枚の鋼板の厚さ方向中心から外側の第２高張力鋼板２０Ｂ側に成長してしまい、ナゲット２２は軟鋼板２１に達することができず、第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１を溶接できない問題がある。

これを回避するために、溶接電流を増加させてナゲット２２を軟鋼板２１側に成長させ、軟鋼板２１および第１高張力鋼板２０Ａを溶接することが考えられが、このように構成すると、ナゲット２２が第２高張力鋼板２０Ｂ側にも成長してしまい、第２高張力鋼板２０Ｂの表面に達して溶接品質を低下させる表チリが発生する問題がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、ローラ電極１４，１４の冷却性能が優れているため、それが当接する第２高張力鋼板２０Ｂの表面を効果的に冷却し、電流値の増加により成長したナゲット２２が第２高張力鋼板２０Ｂの表面に達して表チリが発生するのを防止しながら、第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１を強固に溶接することができる。

本実施の形態のローラ電極１４の冷却性能が優れている理由は、以下のとおりである。シーム溶接中のローラ電極１４は、発熱した被溶接材からの熱で加熱されるだけでなく、溶接電流が流れることで自身も発熱して温度上昇する。ローラ電極１４を冷却すべく、回転軸１３の冷却水供給孔１３ｂから供給された冷却水は、基板部１６の第１冷却水供給通路１６ｂ→基板部１６の第２冷却水供給通路１６ｃ→基板部１６および外輪部１７間に形成された冷却水通路１８→基板部１６の第２冷却水排出通路１６ｅ→基板部１６の第１冷却水供給通路１６ｄの経路で回転軸１３の冷却水排出孔１３ｃに排出され、その間にローラ電極１４を冷却する。

特に、環状の冷却水通路１８は、基板部１６の外周面に形成された第１環状溝１６ａと、外輪部１７の内周面に形成された第２環状溝１７ａとにより構成されるが、第２環状溝１７ａは外輪部１７の外周面に向けて先細にテーパーする断面三角形状に形成されるため、第２環状溝１７ａの先端を外輪部１７の外周面に接近させ、かつ外周面側がより広く冷却水と接するようにして被溶接材に当接する外輪部１７の外周面を効果的に冷却することで、被溶接材に表チリが発生するのを防止することができる。

図５（Ａ）は、上記したシーム溶接が理想的に行われる状態を示しており、ナゲット２２が、第１高張力鋼板２０Ａおよび第２高張力鋼板２０Ｂの接合部と、第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１の接合部とに跨がるとともに、第２高張力鋼板２０Ｂの表面および軟鋼板２１の表面に達していない。

図５（Ｂ）は、従来のローラ電極を使用してシーム溶接が適切に行われなかった状態を示しており、電流値が小さいときにはナゲット２２が第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１の接合部に跨がっておらず、電流値が大きいときにはナゲット２２が第２高張力鋼板２０Ｂの表面に達して表チリが発生している。

図５（Ｃ）は、本実施の形態のローラ電極１４，１４を使用してシーム溶接が適切に行われた状態を示しており、充分な電流値によりナゲット２２を第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１の接合部まで成長させながら、第２高張力鋼板２０Ｂおよび軟鋼板２１の表面に表チリが発生するのを、そこに接触する冷却性能の高いローラ電極１４，１４により阻止して溶接品質を高めることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、ローラ電極１４を冷却する冷却水通路１８を構成する第２環状溝１７ａの断面が、外輪部１７の内周面から外周面に向かって先細に形成されるので、第２環状溝１７ａを流れる冷却水で外輪部１７を効果的に冷却できるだけでなく、第２環状溝１７ａの先端を外輪部１７の外周の溶接面に近づけて該溶接面の冷却性能を高めることができる。これにより、高張力鋼板および軟鋼板の溶接時に、ナゲット２２が電気抵抗が大きい高張力鋼板側に偏って成長し、高張力鋼板に表チリが発生するのを、そこに当接する冷却性能が高いローラ電極１４により阻止して溶接品質を高めることができる。

また外輪部１７はクロム銅の軟化温度未満の温度に加熱されて基板部１６に焼嵌めされ、冷却水通路１８は基板部１６の外周面および外輪部１７の内周面間に形成されるので、クロム銅の外輪部１７が軟化温度以上の温度に加熱されて軟化し、溶接時の荷重で変形して使用不能になる事態を防止することができ、しかも焼嵌めにより基板部１６および外輪部１７を強固に結合して冷却水通路１８からの冷却水の漏れを確実に防止することができる。

第２の実施の形態

次に、図６に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

上述した第１の実施の形態では、ローラ電極１４の冷却水通路１８を、基板部１６の外周面に形成された第１環状溝１６ａと、外輪部１７の内周面に形成された第２環状溝１７ａとで構成しているが、第２の実施の形態では、基板部１６が第１環状溝１６ａを備えておらず、外輪部１７の内周面に形成された環状溝１７ｂだけで冷却水通路１８が構成される。環状溝１７ｂは断面五角形であるが、その径方向外側部分は外輪部１７の外周面に向けて先細にテーパーしている。

本実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同様に、環状溝１７ｂの先端を外輪部１７の外周の溶接面に近づけて該溶接面の冷却性能を高めることができる。

第３の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第３の実施の形態は、上述したローラ電極１４と、第２のローラ電極２３とを組み合わせてシーム溶接を行うものである。図５（Ｃ）で説明したように、第１高張力鋼板２０Ａ、第２高張力鋼板２０Ｂおよび軟鋼板２１を重ね合わせてシーム溶接する場合、ナゲット２２が成長し易い第２高張力鋼板２０Ｂ側は冷却性能が高いローラ電極１４で積極的に冷却して表チリの発生を防止する必要があるが、ナゲット２２が成長し難い軟鋼板２１側は積極的に冷却する必要はなく、むしろ積極的に加熱してナゲット２２を第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１の接合部まで成長させることが望ましい。

本実施の形態は、軟鋼板２１側に前記ローラ電極１４とは異なる第２のローラ電極２３を使用するものであり、その第２のローラ電極２３は外輪部１７が電気抵抗値が高い材料、例えばタングステンを含有している。その結果、溶接電流により第２のローラ電極２３の外輪部１７を発熱させ、それが当接する軟鋼板２１を加熱してナゲット２２の成長を促進することにより、第２高張力鋼板２０Ｂ側に表チリが発生するのを防止しながら第１高張力鋼板２０Ａおよび軟鋼板２１を確実にシーム溶接することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では２枚の高張力鋼板２０Ａ，２０Ｂに１枚の軟鋼板２１を重ね合わせてシーム溶接しているが、被溶接材の積層枚数や厚さや材質は任意である。

１４ ローラ電極
１６ 基板部
１６ａ 第１環状溝（環状溝）
１７ 外輪部
１７ａ 第２環状溝（環状溝）
１７ｂ 環状溝
１８ 冷却水通路
２０Ａ 第１高張力鋼板（高張力鋼板）
２０Ｂ 第２高張力鋼板（高張力鋼板）
２１ 軟鋼板
２３ 第２のローラ電極

Claims (6)

1. ローラ電極（１４）の内部に冷却水が流通する冷却水通路（１８）を備えるシーム溶接用ローラ電極であって、
   前記ローラ電極（１４）は、クロム銅で円環状に形成された外輪部（１７）と、前記外輪部（１７）の内周に嵌合する円板状の基板部（１６）とを備え、前記外輪部（１７）はクロム銅の軟化温度未満の温度に加熱されて前記基板部（１６）に焼嵌めされ、前記冷却水通路（１８）は前記基板部（１６）の外周面および前記外輪部（１７）の内周面間に形成されることを特徴とするシーム溶接用ローラ電極。
2. 前記冷却水通路（１８）は、前記外輪部（１７）の内周面に形成された環状溝（１７ｂ）からなることを特徴とする、請求項１に記載のシーム溶接用ローラ電極。
3. 前記冷却水通路（１８）は、前記基板部（１６）の外周面に形成された環状溝（１６ａ）と、前記外輪部（１７）の内周面に形成された環状溝（１７ａ）とからなることを特徴とする、請求項１に記載のシーム溶接用ローラ電極。
4. 前記外輪部（１７）の内周面に形成された環状溝（１７ａ，１７ｂ）は、前記外輪部（１７）の内周面から外周面に向かって先細に形成されることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のシーム溶接用ローラ電極。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のローラ電極（１４）を用いたシーム溶接方法であって、
   高張力鋼板（２０Ａ，２０Ｂ）と軟鋼板（２１）とを重ね合わせ、少なくとも前記高張力鋼板（２０Ａ，２０Ｂ）に当接する側に前記ローラ電極（１４）を適用してシーム溶接することを特徴とするシーム溶接方法。
6. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のローラ電極（１４）を用いたシーム溶接方法であって、
   高張力鋼板（２０Ａ，２０Ｂ）と軟鋼板（２１）とを重ね合わせ、前記高張力鋼板（２０Ａ，２０Ｂ）に当接する側に前記ローラ電極（１４）を適用するとともに、前記軟鋼板（２１）に当接する側に少なくとも外輪部（１７）がクロム銅よりも電気抵抗が高い材料を含有する第２のローラ電極（２３）を適用してシーム溶接することを特徴とするシーム溶接方法。

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