JP2019034319A - プロジェクション溶接方法及びプロジェクション溶接用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板に絶縁膜が形成されている場合においても、電極の摩耗及び溶接後の接合鋼板の外観の劣化を低減可能なプロジェクション溶接方法及びプロジェクション溶接用電極を提供する。【解決手段】プロジェクション溶接方法は、第１電極２と前記第１電極２に対して対向配置された第２電極３との間に、第１鋼板１０と、突起部２４が形成された接合面２１、絶縁膜を有する非接合面２２、及び前記接合面２１と前記非接合面２２との間に設けられ且つ絶縁膜を有さない外側面２３を備える第２鋼板２０とを、前記第２鋼板２０の前記接合面２１が前記第１鋼板１０に対向するように配置し、前記第２電極３を前記第１電極２に相対的に押圧することにより前記第２鋼板２０を前記第１鋼板１０に押圧し、前記第２電極３より前記第２鋼板２０の前記外側面２３を介して通電させることにより、前記第１鋼板１０と第２鋼板２０とを溶接する。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板を重ね合せてプロジェクション溶接を行うプロジェクション溶接方法及びプロジェクション溶接用電極に関する。

第１の鋼板に第２の鋼板をプロジェクション溶接する方法としては、第２の鋼板に打ち出し加工によって形成された突起部を利用するエンボスプロジェクション溶接法や、第２の鋼板の角部等を突起部として利用するソリッドプロジェクション溶接法がある。
エンボスプロジェクション溶接は、あらかじめ第２の鋼板に打ち出し加工によって突起部を形成しておき、第１の鋼板にこれを重ね、平面形電極で加圧後、通電して接合するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５０２８０号公報

このようなプロジェクション溶接を行う場合、第１の鋼板と第２の鋼板とを２枚の平面形電極で挟み込んで電極間に通電経路を確保することが必要である。
この際、第２の鋼板に絶縁膜が形成されていると、通電経路が確保されにくい。このため、絶縁膜における最も通電しやすい（例えば膜厚が最も薄い）狭い領域に通電経路が形成され、過電流密度となりスパークが発生する。そして、このスパークによって、電極が損耗するとともに、溶接後の接合鋼板の外観も著しく劣化する。

従って、本発明は、鋼板に絶縁膜が形成されている場合においても、電極の摩耗、及び溶接後の接合鋼板の外観の劣化を低減可能なプロジェクション溶接方法及びプロジェクション溶接用電極を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のものを提供する。
第１電極と前記第１電極に対して対向配置された第２電極との間に、第１鋼板と、突起部が形成された接合面、絶縁膜を有する非接合面、及び前記接合面と前記非接合面との間に設けられ且つ絶縁膜を有さない外側面を備える第２鋼板とを、前記第２鋼板の前記接合面が前記第１鋼板に対向するように配置し、前記第２電極を前記第１電極に相対的に押圧することにより前記第２鋼板を前記第１鋼板に押圧し、前記第２電極より前記第２鋼板の前記外側面を介して通電させることにより、前記第１鋼板と第２鋼板とを溶接するプロジェクション溶接方法。

前記第２電極の前記第１電極側の対向面には凹部が設けられ、前記第２鋼板における前記外側面と前記非接合面との間の角部が、前記凹部の内側面と当接するようにして、前記第１鋼板と前記第２鋼板とを、前記第１電極と前記第２電極との間に配置することが好ましい。

また、本発明は、上記課題を解決するために、以下のものを提供する。
第１電極と、前記第１電極に対して対向配置され、且つ、前記第１電極側の第１対向面に凹部が設けられた第２電極とを備え、第１鋼板と、突起部が形成された接合面、絶縁膜を有する非接合面、及び前記接合面と前記非接合面との間に設けられ且つ前記絶縁膜を有さない外側面を備える第２鋼板とを、前記第２鋼板の前記接合面が前記第１鋼板に対向するように配置し、前記第２鋼板における前記外側面と前記非接合面との間の角部が、前記凹部の内側面と当接するようにして、前記第１鋼板と前記第２鋼板とを、前記第１電極と前記第２電極との間に配置し、前記第２電極を前記第１電極に相対的に押圧することにより前記第２鋼板を前記第１鋼板に押圧し、前記第２電極より前記第２鋼板の前記外側面を介して通電させることにより、前記第１鋼板と第２鋼板とを溶接するプロジェクション溶接用電極。

本発明によれば、鋼板に絶縁膜が形成されている場合においても、電極の摩耗及び溶接後の接合鋼板の外観の劣化を低減可能なプロジェクション溶接方法及びプロジェクション溶接用電極を提供することができる。

プロジェクション溶接用電極と、第１鋼板及び第２鋼板との、溶接時の位置関係を示す概略断面図である。 実施形態と対比するための比較形態における、図１に相当する図である。 第２電極の断面図である。 第１鋼板と第２鋼板との鋼板形状を示す図であり、（ａ）は外観比較用の第１鋼板と第２鋼板、（ｂ）は引っ張りせん断力比較用の第１鋼板と第２鋼板である。 第２鋼板の突起部の寸法を示した図である。 プロジェクション溶接を連続６０打点行った場合の、１打点目と６０打点目の第２鋼板の非接合面の外観を示した写真である。 プロジェクション溶接を連続６０打点行った場合の、第２電極の外観を示した写真である。 通電する電流値を変えて溶接された第１鋼板と第２鋼板との間の引っ張りせん断力を測定した結果である。 ５ｋＡでの溶接を複数回行って接合鋼板を複数作成し、何打点目の溶接によって作成された接合鋼板であるかを横軸、それぞれの接合鋼板の引っ張りせん断荷重を縦軸にした結果である。 ６ｋＡでの溶接を複数回行って接合鋼板を複数作成し、何打点目の溶接によって作成された接合鋼板であるかを横軸、それぞれの接合鋼板の引っ張りせん断荷重を縦軸にした結果である。

（装置の説明）
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態における、プロジェクション溶接用電極１と、そのプロジェクション溶接用電極１によりプロジェクション溶接される第１鋼板１０と及び第２鋼板２０との、溶接時の位置関係を示す概略断面図である。

なお、以下の説明では、第１鋼板１０と第２鋼板２０とがそれぞれ両面に絶縁膜を備える形態について説明するが、本発明は、少なくとも第２鋼板２０の後述の第２非接合面２２が絶縁膜２６を備える場合に効果を発揮するもので、他の面は絶縁膜を備えていなくてもよい。

（第１鋼板１０）
第１鋼板１０は、本実施形態において、無機耐食クロムフリー処理が行われた、平板状の合金化溶融Ｚｎめっき鋼板である。第１鋼板１０は、第２鋼板２０に接合される第１接合面１１を有する。

（第２鋼板２０）
第２鋼板２０は、本実施形態において、リン酸塩クロムフリー処理が行われてリン酸塩クロムフリーの絶縁膜が形成された、長尺平板状の溶融Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっき鋼板から切り出されたものである。
第２鋼板２０は、第１接合面１１と対向する第２接合面２１と、第２接合面２１の反対側の面である第２非接合面２２と、第２接合面２１と第２非接合面２２との間に設けられた外側面２３と、を備える。
第２接合面２１と、第２非接合面２２とには、リン酸塩クロムフリーの絶縁膜２６が設けられているが、外側面２３には絶縁膜は設けられていない。
また、第２鋼板２０は、第２非接合面２２から第２接合面２１側に向かって打ち出し加工を施すことにより、第２接合面２１側に突起部２４が形成されている。

プロジェクション溶接用電極１は、第１電極２と第２電極３とを有する。
（第１電極２）
第１電極２は、平板状であり、第１鋼板１０が載置されるとともに第２電極と対向する平坦な第１対向面４を有する。

（第２電極３）
第２電極３は、第１電極２の第１対向面４と対向する第２対向面５を有し、第１対向面４と第２対向面５との間に、第１鋼板１０と第２鋼板２０とが配置される。
第２対向面５には凹部６が設けられている。凹部６は、第２対向面５の表面から窪んだ位置に設けられた底面６１と、底面６１から第２対向面５の表面へ延びる内側面６２とを有する。
底面６１と内側面６２との間の角度θ（空間側の角度）は鈍角であり、図１に示す断面において底面６１の両側において同じ角度である。
本実施形態では、内側面６２は平面で、底面６１から第２対向面５の表面に向かうにつれて、凹部６の開口幅は漸増している。
そして、図１に示す断面において、凹部６の底面６１の幅ａは、第２鋼板２０の幅ｃより狭く、凹部６の第２対向面５の表面における開口幅ｂは、第２鋼板２０の幅ｃより広い。すなわち、ａ＜ｃ＜ｂの関係である。
これにより、第２鋼板２０の上に第２電極３を配置すると、非接合面２２と外側面２３との角部２５（第２鋼板２０の非接合面２２の両端）は、第２電極３の内側面６２と当接する。

なお、凹部６の底面６１の幅ａが第２鋼板２０の幅ｃより狭く、凹部６の第２対向面５の表面における開口幅ｂが、第２鋼板２０の幅ｃより広く、第２鋼板２０の上に第２電極３を配置したときに、非接合面２２と外側面２３との角部２５が、凹部６の内側面６２と当接するのであれば、内側面６２は平面に限定されない。例えば内側面６２は曲面、階段状であってもよい。

次に、本実施形態のプロジェクション溶接方法について説明する。まず、第１電極２の第１対向面４の上に、第１鋼板１０を配置する。その上に、第２鋼板２０を突起部２４が下を向くように配置する。さらにその上に第２電極３を配置する。このとき、第２鋼板２０における、非接合面２２と外側面２３との角部２５が、第２電極３の内側面６２と当接するようする。

次いで、第２電極３を第１電極２側に押圧（第２電極３と第１電極２とを、互いの距離が縮まる方向に加圧）することにより第２鋼板２０を第１鋼板１０側に押圧する。そうすると、その押圧によって、第２鋼板２０の角部２５がわずかに変形し、第２鋼板２０の外側面２３と、第２電極３の凹部６の内側面６２とが当接する。
ここで、第２鋼板２０の外側面２３には絶縁膜が設けられておらず鋼板面が露出している。したがって、第２電極３と第２鋼板２０とは通電可能となる。そうすると、第２電極３から第２鋼板２０に、絶縁膜を破壊することなく電流が流れることが可能となる。

そして、第２鋼板２０の突起部２４では、第２電極３から流れ込んだ電流が集中して流れ、第２鋼板２０の突起部２４と第１鋼板１０の当接面の近傍で抵抗発熱が生じる。これによって、第２鋼板２０と第１鋼板１０との間にナゲット（溶接部に生じる溶融凝固した部分）が形成され、第２鋼板２０と第１鋼板１０とが溶接される。

（効果）
図２は、実施形態と対比するための比較形態における、プロジェクション溶接用電極１０１と、そのプロジェクション溶接用電極１０１によりプロジェクション溶接される第１鋼板１０と及び第２鋼板２０との、溶接時の位置関係を示す概略断面図であり、図１に相当する。
比較形態が本実施形態と異なる点は、第２電極１０３に凹部が設けられていない点である。すなわち第２電極３の第２対向面１０５は平坦である。他の部分については本実施形態と同様であるので同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

比較形態において、第１電極２の上に、第１鋼板１０を配置する。
その上に、第２鋼板２０を、実施形態と同様に、突起部２４が下を向くように配置する。さらにその上に第２電極１０３を配置する。

次いで、第２電極１０３を第１電極２に相対的に押圧することにより第２鋼板２０を第１鋼板１０に押圧する。
比較形態では、第２電極１０３の第２対向面１０５は第２鋼板２０の絶縁膜２６が設けられている非接合面２２と接触している。
この場合、電流の流路を確保するために、第２鋼板２０の非接合面２２の絶縁膜２６のうちの、比較的脆弱（例えば膜厚が薄い）部分において、スパークが発生して絶縁膜２６が破壊されて剥がれる。
そうすると、剥がれた絶縁膜２６が第２電極１０３の第２対向面１０５に付着して第２電極１０３が劣化する。また、絶縁膜２６は、加工性、後塗装性、防眩性等を向上させるため設けられているため、絶縁膜２６が剥がれると、第１鋼板１０と第２鋼板２０との接合鋼板の性能が劣化することになる。

しかし、本実施形態によると、上述したように、第２電極３の内側面６２と、第２鋼板２０の非接合面２２と外側面２３との角部２５とが接触し、第２電極３と第２鋼板２０とは絶縁膜２６を破壊することなく通電可能であるので、比較形態のような第２電極３の第２対向面１０５の劣化や、接合鋼板の性能劣化が生じない。

（実施例）
次に、本実施形態のプロジェクション溶接用電極１を用いて、実際に第１鋼板１０と第２鋼板２０とを溶接した実施例と、比較形態のプロジェクション溶接用電極１０１を用いて、実際に第１鋼板１０と第２鋼板２０とを溶接した比較例との接合鋼板及び第２電極３の外観、及び接合鋼板の引張りせん断力を観察及び測定結果について説明する。
第１電極２と第２電極３，１０３との間には、単相の交流電流を印加した。通電時間は１サイクル１／６０秒として８サイクルである。また、第１電極２と第２電極３，１０３との間の加圧力（押圧力）は２．０ｋＮである。

（電極形状）
図３は、第２電極３の断面図であり、第２電極３の径はφ２０ｍｍ、凹部６の底面６１の幅ａは１０ｍｍ、凹部６の深さは２．０ｍｍ、底面６１と側面との間の角度は１３５°である。また、第１電極２の径はφ２０ｍｍである。

（鋼板形状）
図４は第１鋼板１０と第２鋼板２０との鋼板形状を示す図であり、図４（ａ）は外観比較用の第１鋼板１０と第２鋼板２０、図４（ｂ）は引っ張りせん断力比較用の第１鋼板１０と第２鋼板２０である。
なお、外観比較においては、非接合面２２が、第２鋼板２０を打ち抜く際のダレ側である場合（ダレ側）と、第２鋼板２０を打ち抜く際のバリ側である場合（バリ側）との２種類を用いた。

（第２鋼板２０）
第２鋼板２０は、厚さ１．６ｍの溶融Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっき鋼板でリン酸塩クロムフリー処理により絶縁膜が形成されている板材から打ち抜かれたものである。図４（ａ）に示すように外観比較用の第２鋼板２０の大きさは、１２ｍｍ×２０ｍｍである。図４（ｂ）に示すように引っ張りせん断力比較用の第２鋼板２０の大きさは、１２ｍｍ×７５ｍｍである。
図５は、第２鋼板２０の突起部２４の寸法を示した図であり、突起部２４は、第２非接合面２２より第２接合面２１側に打ち出すことにより形成されている。突起部２４の高さは０．５ｍｍ、幅は３．０ｍである。
打ち出す際に形成された非接合面２２側の窪み２７の幅は１．６ｍｍ、深さは０．６ｍｍ、窪み２７の部分の非接合面２２に対する角度は４５°である。

（第１鋼板１０）
第１鋼板１０は、厚さ２．３ｍｍの合金化溶融Ｚｎめっき鋼板で無機耐食クロムフリー処理が行われている。図４（ａ）に示すように、外観比較用の第１鋼板１０の大きさは５０ｍｍ×３００ｍｍである。図４（ｂ）に示すように、引っ張りせん断力比較用の第１鋼板１０の大きさは１２ｍｍ×７５ｍｍである。

図６は、プロジェクション溶接を連続６０打点行った場合の、１打点目と６０打点目の第２鋼板２０の非接合面２２の外観を示した写真である。
写真に示すように、第２鋼板２０のダレ側が第２電極３と接触する場合（実施例１）、及び第２鋼板２０のバリ側が第２電極３と接触する場合（実施例２）のいずれにおいても、第２鋼板２０の非接合面２２にめっきの剥がれ等が生じず、外観における著しい劣化が見られない。
一方、比較例においては、６０打点目のみならず１打点目においても第２鋼板２０の非接合面２２にめっきの剥がれが生じ、外観における著しい劣化が見られた。

図７は、プロジェクション溶接を連続６０打点行った場合の、第２電極３，１０３の第２対向面５，１０５の外観を示した写真である。
写真に示すように、第２鋼板２０のダレ側が第２電極３と接触する場合（実施例１）、及び第２鋼板２０のバリ側が第２電極３と接触する場合（実施例２）のいずれにおいても、第２電極３の第２対向面５（底面６１）に著しい劣化は見られない。
一方、比較例においては、第２電極３の第２対向面５に剥がれためっきが付着し、著しい劣化が見られた。

図８は、通電する電流値を変えて溶接された第１鋼板１０と第２鋼板２０との間の引っ張りせん断力を測定した結果である。
具体的には、図４（ｂ）に示した引っ張りせん断力比較用の第１鋼板１０と第２鋼板２０を複数用意し、通電する電流値を３ｋＡから１０ｋＡに変えて第１鋼板１０と第２鋼板２０とを溶接し複数の接合鋼板を作成した後、それぞれの接合鋼板を、第１鋼板１０と第２鋼板２０とが互いに離れるように引っ張り、互いに離れたときの引っ張りせん断荷重を測定した。
図示するように全体的に実施例のほうが、比較例に比べて高い引張り荷重に耐えうることが示された。

図９は、５ｋＡでの溶接を複数回行って接合鋼板を複数作成し、何打点目の溶接によって作成された接合鋼板であるかを横軸、それぞれの接合鋼板の引っ張りせん断荷重を縦軸にした結果である。
具体的には、引っ張りせん断力比較用の第１鋼板１０と第２鋼板２０とを５０組用意し、それぞれ５ｋＡで１打点目から５０打点目まで溶接を行って接合鋼板を５０個作成し、それぞれの接合鋼板を、第１鋼板１０と第２鋼板２０とが互いに離れるよう力を加えて、離れたときの引っ張りせん断力を測定した。

実施例の場合、打点数にかかわらず、第１鋼板１０と第２鋼板２０との間の引っ張りせん断荷重は略一定で安定していうる。
比較例の場合、１０打点目における第１鋼板１０と第２鋼板２０との間の引っ張りせん断荷重は、１打点目における第１鋼板１０と第２鋼板２０との間の引っ張りせん断荷重の約半分になった。また、比較例においては、２０打点以降、第１鋼板１０と第２鋼板２０とを接合することができなかった。

図１０は、６ｋＡでの溶接を複数回行って接合鋼板を複数作成し、何打点目の溶接によって作成された接合鋼板であるかを横軸、それぞれの接合鋼板の引っ張りせん断荷重を縦軸にした結果である。
具体的には、引っ張りせん断力比較用の第１鋼板１０と第２鋼板２０とを６０組用意し、それぞれ６ｋＡで１打点目から６０打点目まで溶接を行い、接合鋼板を６０個作成し、それぞれの接合鋼板を、第１鋼板１０と第２鋼板２０とが互いに離れるよう力を加えて、離れたときの引っ張りせん断力を測定した。

実施例の場合、打点数にかかわらず、第１鋼板１０と第２鋼板２０との間の引っ張りせん断荷重は略一定で安定している。
比較例の場合、２０打点目までは実施例と略同様であるが、３０打点目から４０打点目においては実施例より引張りせん断荷重が小さく、６０打点目以降、第１鋼板１０と第２鋼板２０とを接合することができなかった。

以上、図６から図１０に示した実施例と比較例との比較結果において示したように、実施形態のように、第２電極３より第２鋼板２０の外側面２３を介して通電させることにより、前記第１鋼板１０と第２鋼板２０とを溶接すると、第２電極３の摩耗及び溶接後の接合鋼板の外観の劣化を低減することができる。

１ プロジェクション溶接用電極
２ 第１電極
３ 第２電極
４ 第１対向面
５ 第２対向面
６ 凹部
１０ 第１鋼板
１１ 第１接合面
２０ 第２鋼板
２０ 鋼板
２１ 外側面
２１ 第２接合面
２２ 第２非接合面
２３ 外側面
２４ 突起部
２５ 角部
２６ 窪み
６１ 底面
６２ 内側面

Claims (3)

1. 第１電極と前記第１電極に対して対向配置された第２電極との間に、第１鋼板と、突起部が形成された接合面、絶縁膜を有する非接合面、及び前記接合面と前記非接合面との間に設けられ且つ絶縁膜を有さない外側面を備える第２鋼板とを、前記第２鋼板の前記接合面が前記第１鋼板に対向するように配置し、
   前記第２電極を前記第１電極に相対的に押圧することにより前記第２鋼板を前記第１鋼板に押圧し、
   前記第２電極より前記第２鋼板の前記外側面を介して通電させることにより、前記第１鋼板と第２鋼板とを溶接するプロジェクション溶接方法。
2. 前記第２電極の前記第１電極側の対向面には凹部が設けられ、
   前記第２鋼板における前記外側面と前記非接合面との間の角部が、前記凹部の内側面と当接するようにして、前記第１鋼板と前記第２鋼板とを、前記第１電極と前記第２電極との間に配置する、
   請求項１に記載のプロジェクション溶接方法。
3. 第１電極と、
   前記第１電極に対して対向配置され、且つ、前記第１電極側の第１対向面に凹部が設けられた第２電極と、を備え、
   第１鋼板と、突起部が形成された接合面、絶縁膜を有する非接合面、及び前記接合面と前記非接合面との間に設けられ且つ前記絶縁膜を有さない外側面を備える第２鋼板とを、
   前記第２鋼板の前記接合面が前記第１鋼板に対向するように配置し、
   前記第２鋼板における前記外側面と前記非接合面との間の角部が、前記凹部の内側面と当接するようにして、前記第１鋼板と前記第２鋼板とを、前記第１電極と前記第２電極との間に配置し、
   前記第２電極を前記第１電極に相対的に押圧することにより前記第２鋼板を前記第１鋼板に押圧し、
   前記第２電極より前記第２鋼板の前記外側面を介して通電させることにより、前記第１鋼板と第２鋼板とを溶接するプロジェクション溶接用電極。