JP3095295B2 - 酸化膜を有するワークの抵抗溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム、アルミニ
ウム合金等のアルミニウム系材（以下、アルミニウム系
材という）等の酸化膜を有するワークの抵抗溶接方法に
関する。

【０００２】

【従来技術および発明が解決しようとする課題】例え
ば、アルミニウム板材（含アルミニウム合金板材）を接
合する方法の一つとして特開昭５８−４７５７６号公報
に開示された方法が知られている。この方法は、アルミ
ニウム板材の重ね合わせ部に予め陽極酸化被膜若しくは
化学的酸化被膜を形成して溶接するものであり、例えば
ワークをマージン塗装の後、硫酸浴等に浸漬して陽極酸
化被膜を形成し、さらにその部分を溶接するものであ
る。

【０００３】ところが、この方法では、溶接までの工程
数が多いばかりでなく、処理浴をも必要とするため、コ
ストが高くなるという不都合を有していた。

【０００４】また、一般的に、アルミニウム板材の抵抗
溶接を行う場合には、アルミニウム材が高電気伝導性で
あるため、加圧力や溶接電流を増大させなければならな
い傾向にある。特に、アルミニウム板材の表面には酸化
膜が形成され易く、この酸化膜が抵抗体となって電極チ
ップとワーク当接面に挟まれるようになり、この部分で
も発熱し、その結果、チリや溶着等が発生して外観品質
が悪化する等の不具合があった。なお、チリや溶着等の
発生は電極チップの寿命にも影響し、その寿命を短くす
るという欠点も有していた。

【０００５】さらに、別の従来技術として特開昭６３−
２７８６７９号公報や特開昭５５−１００８８２号公報
に開示されたものが知られている。

【０００６】上記特開昭６３−２７８６７９号公報にお
いては、予めインサート材（板材状）を溶接箇所に設け
るため、無駄が多くまたコストも高くつくという欠点が
あった。一方、上記特開昭５５−１００８８２号公報に
おいては、インサート材が円板状、プレート状といった
板状の固体物であるため、溶接ポイント毎にインサート
材をセットする必要がある。従って、ワークが単体のも
の（打点が一つで溶接完了とするもの）の場合にはよい
が、ワーク溶接部が連続してある場合にはその作業が大
変になるという欠点があった。その上、インサート材と
して板状の固体物を用いるためコストアップになるとい
う欠点もあった。

【０００７】さらにまた、被溶接板間に該板間抵抗を増
大させる物質を介在させる技術を開示しているものとし
ては、特開昭６４−６２２８４号公報、特開昭６３−１
１９９８８号公報、特開平１−２５４３８８号公報があ
る。これらの板材はいずれも亜鉛めっき鋼板であり、ま
た介在物はＡｌ₂ Ｏ₃ （粒径５０〜５００μｍ）やメン
ディングテープ（厚さ０．１ｍｍ）や食塩粒（粒径２５
０μｍ）やＭｎＳｉ₂（粒径１００μｍ）である。

【０００８】これらの方法は、介在物を入れることでそ
の部位の抵抗を増加させ、それによって小電流化および
通電時間の短縮化を図り、それら二つから亜鉛の消失量
を少なくし、耐食性を向上させることや電極の長寿命化
を図るものである。また、ナゲットを被溶接板間に形成
させることで、強度の向上もねらっている。

【０００９】しかしながら、本発明によって溶接しよう
とするアルミニウム系材に対して上記介在物を用いる
と、かえって溶接特性を悪化させてしまい、かかる介在
物を本発明に適用することはできない。その理由は次の
通りである。

【００１０】アルミニウム板材の表面は酸化され易く、
通常その酸化膜であるＡｌ₂ Ｏ₃ に覆われている。アル
ミニウムと酸素との親和力はＺｎとＯ₂ との親和力より
１００倍程度大きい。従って、アルミニウム板材表面の
Ａｌ₂ Ｏ₃ の膜厚は亜鉛めっき鋼板表面の酸化膜よりも
はるかに厚いものとなる。さらに、Ａｌ₂ Ｏ₃ の抵抗率
ρは１×１０¹⁶Ω・ｃｍ（１４℃）と大きいから介在物
としてさらにＡｌ₂ Ｏ ₃ を用いると、被溶接電極間の抵
抗が大きくなりすぎてしまい、もはや溶接を行うことが
できなくなる。この場合、特開昭６４−６２２８４号公
報のように、粒径が５０μｍ〜５００μｍと大きいのも
のを用いると、さらに抵抗が大きくなり溶接はますます
不可能となる。

【００１１】しかも、溶接後の溶接強度に関しても、介
在物を用いるので母材に対する熱影響が小さくなること
に起因する強度の向上が期待できるのみである。すなわ
ち、介在物としてＡｌ₂ Ｏ₃ を用いた場合には、介在物
であるＡｌ₂ Ｏ₃ と被溶接部材が溶接により複合化した
り合金化することがないから、該複合化または合金化に
よる溶接強度の向上を図ることができないからである。
むしろ被溶接板材がアルミニウム板材の場合には、粒径
５０〜５００μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ 粒を介在させると、かえ
って強度が劣化し、さらに応力下ではＡｌ₂ Ｏ₃ 粒が破
壊源ともなってしまう。

【００１２】また、介在物としてメンディングテープを
用いた場合には、メンディングテープ自体が厚すぎるか
らＡｌ₂ Ｏ₃ を用いた場合と同様に被溶接板材間の通電
が不能となり、やはりアルミニウム板材間の溶接は行え
ない。

【００１３】さらに、介在物として食塩粒を使用する
と、アルミニウム板材間の溶接強度が低下してしまう。

【００１４】さらにまた、被溶接板材がアルミニウム系
材であって、介在物としてＭｎＳｉ ₂ を用いた場合にお
いては、Ｍｎ、Ｓｉが針状化現象を生じ、これによって
溶接強度が低下してしまう。

【００１５】本発明は上記問題点に注目してなされたも
のであって、アルミニウム系材等の酸化膜を有するワー
クを、該酸化膜による影響を可及的に低減することがで
き、これにより効率的な抵抗溶接を遂行することが可能
な酸化膜を有するワークの抵抗溶接方法を提供すること
を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、ワークの酸化膜に覆われた部分に正極側または負極
側の電極のみを接触させる過程と、前記電極を前記酸化
膜に接触させた状態で、該電極に所定時間だけ電圧を印
加させることによって前記酸化膜を低減乃至除去させる
過程と、前記酸化膜を低減乃至除去させた後、一対の電
極でワーク同士を挟持加圧して抵抗溶接を行う過程と、
を有することを特徴とする酸化膜を有するワークの抵抗
溶接方法が得られる。

【００１７】酸化膜で覆われたワークを抵抗溶接する
際、電気抵抗の高い該酸化膜が存在するために、ＳＰ鋼
板や亜鉛めっき鋼板に比べ、大電流（ＳＰ鋼板の３〜５
倍程度）および高加圧力（ＳＰ鋼板の４〜７倍程度）を
必要とする。

【００１８】図１（ａ）に模式的に示すように、アルミ
ニウム合金材である被溶接ワーク１０、１２は、互いに
重なり合った状態で、＋側電極１４と−側電極１６とに
挟持されている。この被溶接ワーク１０、１２の表面
は、Ａｌ₂ Ｏ₃ の酸化膜１８ａ、１８ｂに覆われてお
り、電極１４、１６間の抵抗を考えると、この電極１４
と被溶接ワーク１０との接触抵抗ｒ１、この被溶接ワー
ク１０と被溶接ワーク１２との接触抵抗ｒ２および電極
１６と該被溶接ワーク１２との接触抵抗ｒ３とが存在し
ている（図１（ｂ）参照）。このため、酸化膜１８ａ、
１８ｂが重なり合う接触抵抗ｒ２では、通電性が悪く、
この酸化膜１８ａ、１８ｂを発熱させるためにある程度
の臨界電圧が必要となる（図２参照）。

【００１９】さらに、酸化膜１８ａ、１８ｂが存在する
ことにより、特に直流式抵抗溶接の場合にナゲットが＋
極側に偏ってしまう。これは、通常、以下の二つの解釈
により説明されている。すなわち、＋側電極１４から−
側電極１６に電流が流れると、被溶接ワーク１０、１２
の接触部分で発熱するが、電子の流れによって被溶接ワ
ーク１０側に偏った位置が溶け始める。そして、熱伝導
および発熱部の急激な電気抵抗の増加により、被溶接ワ
ーク１０側の発熱部分がさらに溶融し、その熱を介して
被溶接ワーク１２側も溶融を開始し、最終的に該被溶接
ワーク１０側に偏ったナゲットが生成される（第１解
釈）。

【００２０】第２解釈では、＋側電極１４から−側電極
１６に電流が流れて臨界電圧を越えると、この＋側電極
１４と被溶接ワーク１０との間に存在する酸化膜１８ａ
が絶縁破壊されて発熱し、次いで、被溶接ワーク１０、
１２の接触部分が発熱するが、前記被溶接ワーク１０側
が発熱して温度上昇が生じており、電気抵抗の増加が生
じて最終的に該被溶接ワーク１０側に偏ったナゲットが
生成されるとしている。

【００２１】上記第１および第２解釈によれば、酸化膜
が存在することによって大電流が必要となり、この大電
流を流すことで＋側に偏ったナゲットが生成されてしま
うという点で共通する。従って、この酸化膜を除去する
ことにより、高導電性ワーク、例えばアルミニウム合金
材の抵抗溶接電流の低減と、電極寿命の延長とが可能と
なる。

【００２２】該酸化膜の除去には、以下の方法を用いる
ことができる。すなわち、酸化膜は、大気中の酸素がワ
ーク材質と反応したイオン結合性の高い被膜であり、水
分を媒介すると進展し易いことが知られている。また、
その成長形態より微細な穴が存在し、このため、酸化膜
自体には通電性がないにも係わらず、通電する。ここに
電子（ｅ）を置くと、 Ａｌ³⁺＋３ｅ＝Ａｌ Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋３Ｈ₂ Ｏ＋６ｅ＝２Ａｌ＋６ＯＨ^- 等の反応が考えられる。従って、溶接しようとする部分
に電子を供給してやればよい。その際、＋極側と−極側
を連結してしまうと電子が回路内を流れてしまい、還元
作用はほとんどない。このため、還元するには、電荷を
一定時間かつ一定量以上滞留させる必要がある。

【００２３】そこで、図３を用いて還元反応の説明をす
ると、通常、還元反応は陰極で生ずるため、例えばＮｉ
メッキの場合には、ＮｉＳＯ₄ 溶液２０に、陽極２２を
Ｎｉ、陰極２４をメッキしたいワークとして回路を構成
すれば、直流電源２５の電圧印加により、この陰極２２
では、Ｎｉ²⁺イオンが還元されて析出する。これによっ
て、ｅ（電子）を導入するためには、直流電源の＋、−
のどちらか一方の極側を被溶接ワークの酸化膜に繋ぎ、
他方の極側をアースしておけばよい。ここで、金属の酸
化還元電位より、酸化膜に繋ぐべき極が判断され、酸化
還元電位が正の値であれば−極側に、負の値であれば＋
極側に繋げばよい。

【００２４】図４および図５には、一方の極側のみの酸
化膜の低減乃至除去を図るための抵抗溶接方法が示され
ている。まず酸化膜２６ａ、２６ｂに覆われた被溶接ワ
ーク２８ａ、２８ｂが接合された状態で、＋側電極３０
ａまたは−側電極３０ｂのいずれか一方のみが被溶接ワ
ーク２８ａまたは２８ｂに接触される。この状態で、図
示しない直流電源の作用下に所定時間だけ電圧が印加さ
れると、還元反応により酸化膜２６ａまたは２６ｂの低
減乃至除去が行われる。次に、電極３０ａ、３０ｂによ
り被溶接ワーク２８ａ、２８ｂが挟持加圧された状態で
溶接電流が供給されると、前記被溶接ワーク２８ａ、２
８ｂが互いに溶接される。

【００２５】また、図６Ａには、いずれか一方の極側、
または両方の極側の酸化膜を低減乃至除去するための抵
抗溶接方法の模式図が示されている。すなわち、被溶接
ワーク３２ａ、３２ｂを挟持する電極３４ａ、３４ｂと
直流電源３６とアースとを含む回路３８には、開閉用ス
イッチ４０ａ乃至４０ｇがそれぞれ所定の位置に備えら
れている。

【００２６】そこで、被溶接ワーク３２ａ側の酸化膜の
低減乃至除去を行う際には、この被溶接ワーク３２ａに
電極３４ａを接触させた状態でスイッチ４０ａ乃至４０
ｇの中、スイッチ４０ｃ、４０ｄおよび４０ｇのみを閉
じることにより電極３４ａを＋極側とし、またはスイッ
チ４０ａ、４０ｂ、４０ｅおよび４０ｇのみを閉じるこ
とにより電極３４ａを−極側とすればよい。一方、被溶
接ワーク３２ｂ側の酸化膜の低減乃至除去を行う際に
は、この被溶接ワーク３２ｂに電極３４ｂを接触させた
状態で、スイッチ４０ａ乃至４０ｇの中、スイッチ４０
ａ、４０ｃ、４０ｄおよび４０ｆのみを閉じることによ
り電極３４ｂを＋極側とし、またはスイッチ４０ｂ、４
０ｅおよび４０ｆのみを閉じることにより電極３４ｂを
−側側とすればよい。

【００２７】なお、上記操作を選択的に行うことによ
り、被溶接ワーク３２ａ、３２ｂ両方の酸化膜の低減乃
至除去が遂行される。次いで、被溶接ワーク３２ａ、３
２ｂを溶接する際には、スイッチ４０ｂ、４０ｃ、４０
ｆおよび４０ｇのみを閉じればよい。

【００２８】さらにまた、図６Ｂに示す模式図によって
も図６Ａと同様の酸化膜の低減乃至除去が図られる。す
なわち、直流電源３６ａに開閉用スイッチ４１ａ、４１
ｂが並列に接続されており、このスイッチ４１ａのみを
閉じることによって電極３４ｂが＋極側となる一方、こ
のスイッチ４１ｂのみを閉じることにより電極３４ａ側
が＋極側となるからである。

【００２９】

【実施例】実施例１ 被溶接部材は、ＪＩＳ Ａ５０５２Ｐ相当品の板厚２．
０ｍｍのアルミニウム合金材であり、溶接前にこの被溶
接部材の表面酸化膜のうち、溶接時に電極と接触する部
分の＋極側の酸化膜の低減乃至除去処理作業を行った。
図７に示すように、直流電源４２の＋極側に接続された
電極４３が、被溶接部材４４の各溶接ポイント４６に２
秒程度ずつかつ５０Ｖの印加電圧で接触した。

【００３０】そして、上記の処理を行った被溶接部材４
４と、該処理をしない被溶接部材４４とを用いて、オー
ジェ電子分光法（ＡＥＳ）により深さ方向の酸素分析を
行った。その結果が、図８および図９に示されており、
本処理済みの被溶接部材４４（図９参照）では、未処理
の被溶接部材４４（図８参照）に比べて、酸化膜が約１
／２に低減している。

【００３１】次いで、該処理済みの被溶接部材４４を２
枚重ねで溶接を行った。溶接は直流抵抗溶接機を用いて
行い、溶接条件は溶接電流が約１０ＫＡ〜４０ＫＡ、加
圧力が７５０ｋｇｆであった。電極はクロム銅φ１９ｍ
ｍ（水冷）を使用した。この結果が図１０および図１１
に示されている。

【００３２】図１０は、生成ナゲット径と溶接電流の関
係を示すもので、Ｂ級保証値５√ｔ（ｔは板厚）を基準
とすると、従来の溶接方法では２８ＫＡ以上の溶接電流
を必要とするが、本実施例では、１５ＫＡでナゲットが
生成されており、溶接電流が約１／２に低減された。ま
た、図１１は、溶接電流と溶接強度の関係を示すもの
で、本実施例では、上記従来の溶接方法に比べて安定し
た強度が得られるとともに、溶接電流の大幅な削減が可
能になるという効果が得られた。

【００３３】なお、本実施例では、被溶接部材４４とし
てアルミニウム合金材を使用したが、これに限定される
ものではなく、Ｎｉ合金、Ｔｉ合金およびＦｅ等におい
ても同様に行うことができる。また、本実施例では、溶
接時に電極と接触する部分の＋極側のみの酸化膜の低減
乃至除去を行う場合について説明したが、両極側の酸化
膜の低減乃至除去を行うことも可能である。

【００３４】さらにまた、市販のＣｒ−Ｃｕ電極を用
い、連続打点性の実験を行った。被溶接部材は、ＪＩＳ
Ａ５１８２相当品の板厚２．０ｍｍのアルミニウム合
金材であり、２枚重ねで溶接を行った。溶接電流は、酸
化膜の低減乃至除去をしないもの（従来法）で３２Ｋ
Ａ、酸化膜の低減乃至除去をしたもの（本実施例）で１
８ＫＡに設定した。この溶接電流１８ＫＡは、図９およ
び図１０より得られたデータを基に生成ナデットの安定
域および溶接強度の安定域より設定された。

【００３５】ここで、連続打点性の判定は、生成ナゲッ
トについて５√ｔのＢ級最低保証値、強度についてＡ級
引張剪断強度の７５０ｋｇｆを満足するものとした。こ
の結果を図１２に示す。図１２において、試験打点数と
は、溶接可能であったもの、有効打点数とは、ナゲット
径および引張剪断強度を含めた基準を満足するもの、保
証打点数とは、溶接の外観を加味したもので商品として
流通可能なものである。

【００３６】従来法では、有効打点数が１８０打点であ
るが、外チリ、中チリや電極チップの被溶接部材への融
着等が数打点目から生じてしまい、商品として流通可能
な保証打点数が１５打点と一挙に減少してしまう。これ
に対して、本実施例では、被溶接部材の＋極側の酸化膜
の低減乃至除去を行っているため、保証打点数が１２０
〜１３０打点と向上しており、電極の寿命の延長が可能
となっている。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、溶接前
にワークの酸化膜に一方の電極のみを接触させて電圧を
印加させて前記酸化膜の低減乃至除去を行うため、溶接
時に使用される溶接電流の小電流化並びに溶接作業の効
率化を容易に遂行することができる。しかも、連続打点
性の向上を図ることが可能となり、電極自体の耐用性が
一挙に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化膜を有する被溶接部材の溶接作業の模式図
である。

【図２】溶接における酸化膜による臨界電圧の説明図で
ある。

【図３】Ｎｉメッキを用いた還元反応の説明図である。

【図４】一方の極側の酸化膜を低減乃至除去して溶接を
行う際の説明図である。

【図５】図４に示す溶接方法を実施する際の動作タイミ
ングを説明する図である。

【図６】両極側の酸化膜を低減乃至除去して溶接を行う
際の説明図である。

【図７】本発明の実施例１における、＋極側の酸化膜の
低減乃至除去の説明図である。

【図８】処理無しの被溶接部材に対するオージェ電子分
光法による分析結果を示す図である。

【図９】処理済みの被溶接部材に対するオージェ電子分
光法による分析結果を示す図である。

【図１０】溶接電流を変化させたときの生成ナゲット径
の変化を示す図である。

【図１１】溶接電流を変化させたときの引張剪断強度の
変化を示す図である。

【図１２】従来法と本実施例との連続打点性の対応を示
す図である。

【符号の説明】

１０、１２…被溶接ワーク １４、１６…電極 １８ａ、１８ｂ、２６ａ、２６ｂ…酸化膜 ２８ａ、２８ｂ…被溶接ワーク ３０ａ、３０ｂ…電極 ３２ａ、３２ｂ…被溶接ワーク ３４ａ、３４ｂ…電極 ３６、３６ａ…直流電源 ３８…回路 ４０ａ〜４０ｇ、４１ａ、４１ｂ…スイッチ ４２…直流電源 ４３…電極 ４４…被溶接部材 ４６…溶接ポイント

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークの酸化膜に覆われた部分に正極側ま
   たは負極側の電極のみを接触させる過程と、 前記電極を前記酸化膜に接触させた状態で、該電極に所
   定時間だけ電圧を印加させることによって前記酸化膜を
   低減乃至除去させる過程と、 前記酸化膜を低減乃至除去させた後、一対の電極でワー
   ク同士を挟持加圧して抵抗溶接を行う過程と、 を有することを特徴とする酸化膜を有するワークの抵抗
   溶接方法。