JP3568369B2

JP3568369B2 - 被溶接物の溶接方法

Info

Publication number: JP3568369B2
Application number: JP21127397A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　　広治
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1133737A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，導電性の良好な金属材料、又は異種金属材料同士の溶接を可能にする被溶接物、及びその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に金属材料の溶接のプロセスは、溶接電流が被溶接物を通流する際にそれらの接触抵抗などによって発熱し、その熱で金属材料が溶融して固化することにより溶接又は接合が行われるものである。
【０００３】
しかし、異種金属のプロジェクション溶接はお互いに軟化温度、熱伝導度、熱膨張係数などが異なる金属材料の軟化による拡散溶接であるために、一般に同種金属の溶接に比べて所望の溶接品質を得るのが難しいとされている。また、同種金属の場合にも、双方の被溶接物が真鍮のように導電性が高い場合には、溶接部分の熱拡散が非常に大きいためにプロジェクション溶接は困難とされている。
【０００４】
したがって、このような場合、量産ラインに採用される接合方法としては、ろう付けによるのが一般的であり、どうしても溶接を行いたいときにはプラズマアーク溶接方法が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら方法はいずれも溶接箇所に沿って熱源を移動させるので、接合に時間がかかるという大きな欠点がある。また、前処理工程において脱脂などを行うための洗浄工程や、ろう付け時の酸化膜などを除去するための後処理工程が必要であるばかりでなく、歩留りが低い、熱ひずみが大きい、作業環境を保持するための設備が必要であるなどの経済的な欠点がある。さらにまた、作業者の熟練度によりろう付け品質に大きな差異が生ずるなどの問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点を解決し，エアコン関連のバルブ部品などの異種金属材料同士、あるいは熱伝導の良好な同種金属材料同士の溶接を可能にする被溶接物、及びその溶接方法を提供することを主目的としている。
【０００７】
【問題を解決するための手段】
異種の金属材料又は熱伝導の非常に良好な金属材料からなる第１の被溶接物と第２の被溶接物とを拡散接合する方法において、前記第２の被溶接物は、前記第１の被溶接物が溶接される部分に溶接溝を備えると共に、該溶接溝に沿ってその比較的近傍に、溶接部分からの熱伝達による放熱を抑制する補助溝を備えており、前記第２の被溶接物の前記溶接溝に前記第１の被溶接物の先端面を突き合わせ、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に高速応答の加圧力を加えると共に、短時間のパルス状の溶接電流を通流させて拡散接合することを特徴とする溶接方法を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施をするための形態】
以下図面により発明の実施をするための形態について説明する。先ずこの発明は、溶接箇所での熱集中を高めると共に変形し易くして、被溶接物Ａと被溶接物Ｂとが軟化を始めたときに、被溶接物Ａの先端部分が被溶接物Ｂの溶接溝内に入り込み易くし、被溶接物Ａと被溶接物Ｂとの接合境界面積を大きくすることにより、接合強度を増大させようという考えに立脚している。
【００１３】
先ず図１（Ａ）において，Ａは軸線Ｘを中心線とする銅のように熱伝導が非常に良好な金属材料からなるパイプ状又はリング状の第１の被溶接物の一部分であり、肉厚ａのパイプの円周先端部分を、肉厚ａから厚みｂまで斜面Ａ１となるよう徐々に薄く切削加工したものである。
【００１４】
第１の被溶接物Ａの先端部分が突き合わされる真ちゅうのような第２の被溶接物Ｂの一部分には、環状の溶接溝Ｂ１，その両側の近傍には溶接溝Ｂ１に沿って環状の補助溝Ｂ２とＢ３が形成される。溶接エネルギの通電により溶接溝Ｂ１は被溶接物Ａと被溶接物Ｂとが軟化を始めたとき、被溶接物Ａの先端部分が被溶接物Ｂの溶接溝内に入り込んで、被溶接物Ａと被溶接物Ｂとの接合境界面積を大きくする働きを行う。このとき、補助溝Ｂ２とＢ３は被溶接物ＡとＢとの溶接部分からの熱伝達による放熱を抑制して、その溶接部分に熱を集中させると同時に、変形し易くする働きを行うので、被溶接物ＡとＢの拡散接合面積が拡大され、良好な拡散接合結果が得られる。
【００１５】
環状の溶接溝Ｂ１及び補助溝Ｂ２とＢ３はそれぞれの被溶接物ＡとＢの平坦面に対してほぼ垂直になるように形成され、これら溝Ｂの断面形状は、必ずしも図示のように矩形状でなくとも良いが、溶接溝Ｂ１の入口の幅ｃは、第１の被溶接物Ａの先端部の厚みｂと同程度か、あるいはそれよりも大きくなっており、また肉厚ａよりも小さくなければならない。
【００１６】
溶接溝Ｂ１の入口の幅ｃが被溶接物Ａの先端部の厚みｂよりも小さいと、接合電流の通流により被溶接物Ａの先端部分と被溶接物Ｂの溶接溝Ｂ１と補助溝Ｂ２とＢ３との間の領域が軟化したときに、被溶接物Ａの先端部分が被溶接物Ｂの溶接溝Ｂ１に入り込むのが難しいために、良好な接合境界面が得られず、また溶接溝Ｂ１の入口の幅ｃが被溶接物Ａの厚みａよりも大きいと、溶接溝の入口における被溶接物Ｂと被溶接物Ａとの接触状態が悪くなるため、十分な拡散接合強度が得られない。
【００１７】
なお、溶接溝Ｂ１の深さは、必要とされる接合強度の大きさによって異なるが、傾向として、第１の被溶接物Ａの肉厚ａが大きいほど接合面積が大きくなるので浅くてもよく、第１の被溶接物Ａの肉厚ａが小さいほど大きな接合面積が得られ難いので、深くするのが好ましい。
【００１８】
補助溝Ｂ２とＢ３の深さは接合部を含む母材の機械的強度の面から、溶接溝Ｂ１の深さと同等以下が好ましい。補助溝Ｂ２とＢ３の断面形状は任意のもので良く、形成し易い形状で良い。また、補助溝Ｂ２とＢ３の幅は溶接溝Ｂ１の入口の幅ｃと同等、若しくはそれよりも小さいのが好ましい。特に、溶接溝Ｂ１の入口の幅ｃは比較的大きい場合には、補助溝Ｂ２とＢ３の幅は幅ｃよりも小さい方が機械的強度の面から好ましい。
【００２０】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）の実施例を変更したものを示し、溶接溝Ｂ１に対して内側に位置する補助溝Ｂ３を削除して外側の補助溝Ｂ２だけにすると共に、外側の補助溝Ｂ２を入口が広く、底に向けて幅が狭くなる形状にしたものである。
【００２１】
また、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の実施例における溶接溝Ｂ１に対して外側に位置する補助溝Ｂ２を削除して内側の補助溝Ｂ３だけにすると共に、溶接溝Ｂ１を入口が広く、底に向けて幅が狭くなる形状にし、さらに第１の被溶接物Ａの先端部に斜面を形成しないものである。この実施例では、第１の被溶接物Ａの幅は第２の被溶接物Ｂの入口の幅よりも幾分小さくなるよう形成されている。
【００２２】
次に、図２に示す実施例は導伝性の良好な平板状金属部分からなる第１の被溶接物Ａと導伝性の良好な金属ブロックからなる第２の被溶接物Ｂとを接合する例を示す。被溶接物Ｂは左右両側に紙面の表裏方向にほぼ真っ直ぐに延びる溶接溝Ｂ１、Ｂ１’を備えると共に、その近傍にそれぞれの溶接溝Ｂ１、Ｂ１’に沿って補助溝Ｂ３，Ｂ３’を備える。
【００２３】
第１の被溶接物Ａは、第２の被溶接物Ｂの溶接溝Ｂ１、Ｂ１’に合致する位置にほぼ真っ直ぐに延びるプロジェクションＡ２，Ａ２’を備える。第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂとを重ね合わせたとき、プロジェクションＡ２，Ａ２’の先端部分は溶接溝Ｂ１、Ｂ１’内に位置する。互いの接合部をこのような構造にすることにより、第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂとを突き合わせたときに接触面積が比較的小さいこと、溶接電流による発熱が集中されること、及び第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂとの接合部が軟化したとき接合面積が大きくなることから、前述のように、第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂが真ちゅうや銅のように熱伝導の非常に良好な同種金属材料からなる場合でも、また異種金属材料からなる場合にも、満足し得る機械的強度を呈する接合を行うことができる。
【００２４】
次に、これら第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂとを溶接する方法について説明する。図３は、この溶接を実施するための溶接装置の一例を示す。図３において，１はシリンダ装置のような加圧機構、２は加圧機構１の底部に固定されて電極ホルダとしての役割を行う金属ブロック、３と４は左右対称のフレキシブル部材であり、それぞれの一端側は金属ブロック２に固定されている。電気絶縁材料からなる断面コの字状の第１の支持部材５は、雄ねじ６によって金属ブロック２に固定されている。第２の支持部材７は、フレキシブル部材３と４によって支えられており、第１の支持部材５の外径よりも幾分大きな内径部を持ち、第１の支持部材５の一部分がその内部まで延びている。
【００２５】
８は第２の支持部材７の上下方向の微小な動きに高速で追従して、第１の被溶接物Ａと第２の被溶接物Ｂとの溶接箇所の金属材料の軟化にかかわらず、溶接箇所に常時一定の加圧力を保持する加圧補助部材であり、一般的に応答速度の優れたスプリングなどが用いられる。加圧補助部材８は第１の支持部材５と第２の支持部材７との間に挟まれて支持されており、加圧機構１からの下方向の加圧力は加圧補助部材８を通して第２の支持部材７に伝達される。
【００２６】
上部溶接用電極として働くクランプ電極９は、第２の支持部材７に固定されており、二つ又はそれ以上に分割された電極部から構成される。これら電極部が自動的に中心線Ｙに対して開いたり閉じたりして、第１の被溶接物Ａをクランプしたり、開放したりする。１０は下部溶接用電極である。
【００２７】
また、一端が金属ブロック２の主面２Ａに対して垂直になるよう植設され、他端は固定端となっている互いに平行な２本の円筒状のガイド部材１１Ａ，１１Ｂを備える。一対の直線駆動部材１２Ａ，１２Ｂは同一構造であり、直線駆動部材１２Ａはガイド部材１１Ａにガイドされて直線運動を行う通常のリニアモーションベアリング部１２Ａ１とその外筒外面に設けられた電気絶縁部材１２Ａ２とそれらリニアモーションベアリング部１２Ａ１と電気絶縁部材１２Ａ２とが嵌入される電極支持ブロック部１２Ａ３とから構成される。
【００２８】
次にこの装置によって図１に示した構造の接合部をもつ被溶接物同士を接合する接合接動作について説明すると、先ずクランプ電極９が開いた状態から閉じて第１の被溶接物Ａをクランプする。加圧機構１が動作して下方向に動くと、図示されていない結合機構により上部溶接電極ヘッド全体が下降する。そして、加圧機構１がさらに下降するのに伴い、加圧補助部材８が収縮すると同時に、フレキシブル部材３と４が撓み、金属ブロック２と第１の支持部材５とガイド部材１１Ａ，１１Ｂは加圧機構１と一緒に下降する。したがって、クランプ電極９などが停止した後に金属ブロック２などが降下した距離だけのスプリングような加圧補助部材８が収縮し、かつフレキシブル部材３と４が撓む。加圧機構１が加圧している状態では、加圧補助部材８は下向きの機械的エネルギーを蓄え、またそれらはあるレベル以上の上向きの力を吸収する作用を行う。
【００２９】
このように加圧機構１が動作して下降運動を行っている過程で加圧補助部材８が収縮し、第１の支持部材５の外壁が第２の支持部材７の内壁に沿ってほとんど抵抗もなく降下する。この過程で、第１の被溶接物Ａの先端部は第２の被溶接物Ｂの丘部Ｂ１に設けられた環状溝Ｂ２部分に加圧され、その圧力が予め決められたレベルに達すると、給電導体（図示せず）から金属ブロック２に供給される溶接電流は、フレキシブル部材３と４、第２の支持部材７及びクランプ電極９を通してパイプ形状銅製部材Ｂ及び鉄製部材Ａに流れ、さらに下部溶接用電極１０に流れる。
【００３０】
これに伴い、先ず接触している被溶接物Ａの先端部と被溶接物Ｂの丘部Ｂ１とが軟化を始め、加圧補助部材８の高速応答の加圧力により、被溶接物Ａの先端部は被溶接物Ｂの丘部Ｂ１の溝Ｂ２に入り込み、入り組んだ面積の広い接合面を形成する。この被溶接物Ａの先端部が被溶接物Ｂの丘部Ｂ１の溝Ｂ２に入り込んだ部分の拡散接合が非常に接合強度を高めていることが確認できた。
【００３１】
次に、図４により溶接電流について述べる。図４（Ａ）において、交流電源ＡＣからの交流電力はトランスＴ１で変成され、整流器Ｒｅで整流された後、半導体スイッチＳ１を通してコンデンサバンクＣｏに流れ、このコンデンサバンクＣｏを充電する。コンデンサバンクＣｏが所定の値まで充電されると、サイリスタ又はパワーＭＯＳＦＥＴなどからなる高速半導体スイッチＳ２がオンすることにより、コンデンサバンクＣｏの充電電荷は溶接用トランスＴ２を介して放電され、溶接用電極ＷＥを図４（Ｂ）に示すようなパルス状の電流波形の溶接電流ｉを流す。
【００３２】
ここで溶接電流ｉはコンデンサバンクＣｏ、溶接トランスＴ２及び溶接電極ＷＥなどを含む放電回路のインピーダンスによって決まる放電時定数に従って減少する波形のパルス状電流となる。特に被溶接物Ａ，Ｂが異種金属、あるいは真鍮のような熱伝導の良好な金属同士の溶接の場合には、被溶接物へ電流を集中して流す必要があり、例えば、溶接電流ｉはそのほぼ立ち上がり時点からピーク値近傍までの時間幅がほぼ１０ミリ秒以下で、かつ被溶接物に加えられる加圧力の応答時間以上の範囲であるのが好ましい。
【００３３】
所定の加圧力で加圧された状態において、例えば１０ミリ秒よりも短い時間幅をもつパルス状の溶接電流ｉを流すことにより、第１の被溶接物Ａの先端部と第２の被溶接物Ｂの丘部Ｂ１は軟化をする。この際、第１の被溶接物Ａの先端部が、第２の被溶接物Ｂの本体部分に比べて十分に体積の小さい丘部Ｂ１に当接された状態でパルス状の溶接電流ｉが流れるので、被溶接物Ａ，Ｂが異種金属、あるいは熱伝導の良好な金属同士であっても、前記先端部と丘部Ｂ１の双方とも軟化し、好ましい接合を行える電流条件を与える。
【００３４】
それら双方の金属材料の溶接箇所が軟化を始めるのに伴い、例えば加圧補助部材８が高速応答のスプリングのとき、前述のようにその溶接部分の膨張を加圧補助部材８で瞬時に吸収すると共に、加圧力が働いている状態では、常時、加圧補助部材８が溶接部分に加圧力を与えているので、拡散溶接の進行に伴う金属材料の軟化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８の応答速度が速ければ速いほど、パルス幅の短い溶接電流ｉを、つまり短時間に電流エネルギーを集中させて流すことができ、熱伝導の極めて良好なものでも、さらに一層好ましい状態に軟化させることができる加圧条件を与える。ここで、加圧補助部材８の応答速度はパルス状の溶接電流ｉのパルス幅よりも速いのが好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように，本発明によれば，第１と第２の被溶接物が異種金属材料、あるいは熱伝導の非常に良好な金属材料からなる場合にも、満足の行く接合強度が得られるなど、好ましい接合結果を得ることのできる被溶接物、及びその溶接方法を提供することができる。
【００３６】
また、本発明によれば，チリ（スパッタリング）が発生し難いので、特にチリが特性に悪影響を与える小型の電子部品の気密封止に好適な被溶接物、及びその溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被溶接物の実施例を説明するための図である。
【図２】本発明の被溶接物の別の実施例を説明するための図である。
【図３】本発明の接合方法を実施するための溶接装置の一例を示す図である。
【図４】本発明の接合方法を実施するための溶接回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
Ａ・・・第１の被溶接物Ｂ・・・第２の被溶接物
Ｂ１・・・溶接溝Ｂ２，Ｂ３・・・補助溝
１・・・加圧機構２・・・金属ブロック
３、４・・・フレキシブル部材５・・・第１の支持部材
７・・・第２の支持部材８・・・弾性部材
９・・・クランプ電極１０・・・下部溶接用電極
１１・・・ガイド部材１２・・・直線駆動部材
ＡＣ・・交流電源Ｔ１・・トランス
Ｒｅ・・整流器Ｓ１・・スイッチ
Ｃｏ・・コンデンサバンクＳ２・・高速半導体スイッチ
Ｔ２・・溶接トランスＲｖ・・パルス幅調整用抵抗

Claims

異種の金属材料又は熱伝導の非常に良好な金属材料からなる第１の被溶接物と第２の被溶接物とを拡散接合する方法において、
前記第２の被溶接物は、前記第１の被溶接物が溶接される部分に溶接溝を備えると共に、該溶接溝に沿ってその比較的近傍に、溶接部分からの熱伝達による放熱を抑制する補助溝を備えており、
前記第２の被溶接物の前記溶接溝に前記第１の被溶接物の先端面を突き合わせ、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に高速応答の加圧力を加えると共に、短時間のパルス状の溶接電流を通流させて拡散接合することを特徴とする溶接方法。