JP3816187B2 - 表面平坦度に優れたプロジェクション溶接方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、表層材として使用される鋼製パネルの裏面に補強材を固着する際、表層材の表面に凹凸を生じさせることなく補強材をプロジェクション溶接する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
建築物等の表層パネルとして、各種表面処理鋼板が使用されている。
表層パネルの裏面には、パネルの剛性を上げるため補強材を接合する場合が多い。補強材としては、軽量形鋼等が使用されている。補強材は、表層パネルの表面平坦度を確保するため、両面テープ等によって表層パネルの裏面に接着されている。しかし、両面テープを使用する接着法は作業性が悪く、取り付けた補強材の耐久性も劣る。また、価格も高価である。
接着法の欠点を解消するものとして、スポット溶接により補強材を表層パネルの裏面に固着することが検討されている。スポット溶接は、十分な接合強度で補強材を表層パネルに固着できるため、耐久性に優れた固着法である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スポット溶接で補強材を固着した表層パネルには、溶接部の圧痕が表面に現れている。圧痕は、表面を塗装した後でも観察され、特にきれいな外観が要求される構造体等では敬遠される。
そのため、構造体の用途によっては、作業性が悪いにも拘らず、両面テープを使用して補強材を表層パネルに取り付けている現状である。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、プロジェクション溶接を採用し且つ溶接条件を特定することにより、溶接後に鋼製パネルの表面に凹凸が形成されることを防止し、良好な外観を維持したままの表層パネルの裏面に補強材を固着することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロジェクション溶接方法は、その目的を達成するため、鋼製パネルの裏面に対向するチャンネル状鋼製補強材の表面に形成した突起を介し、鋼製パネルの板厚1mm当り80〜200kgfの加圧力Fで補強材を鋼製パネルの裏面に押し付ける溶接電極に、式(1)を満足する条件下で電流密度Iの溶接電流を通電時間T=0.02〜0.5秒で供給し、鋼製パネルに鋼製補強材を溶接することを特徴とする。
−200T+350≦I≦−200T+600(A/mm2 )・・・(1)
鋼製パネルとしては、冷延鋼板,ステンレス鋼板やZnめっき鋼板,Alめっき鋼板等の表面処理鋼板が使用される。補強材に形成される突起は、鋼製パネルの板厚の1.5〜2.5倍の直径及び0.25〜0.50倍の高さをもつ球頭状であることが好ましい。これにより、形成される溶接部の突起高さが20μm以下となり、平坦性に優れた表面が得られる。裏面に補強材が固着された後、鋼製パネルの表面には適宜の塗装が施される。
【0005】
【作用】
本発明では、図1に示すように補強材1として軽量形鋼を使用する。複数個の突起2を、プレス成形等で補強材1の長手方向に沿って形成する。突起2のある補強材1の面を鋼製パネル3の裏面に対向させ、上下から溶接電極4,5で挟み加圧力Fで補強材1を鋼製パネル3に押し付ける。この状態で溶接電極4,5に溶接電流を供給し、鋼製パネル3に補強材1をプロジェクション溶接する。溶接電流は、交流電流,直流電流又はコンデンサに蓄えたエネルギを放出する際の放電電流の何れであっても良い。放電電流を使用する際には、ピーク電流値の1/3に減衰する時間を通電時間として設定する。
突起2は、溶接前では図2(a)に示すように補強材1を鋼製パネル3から離間させる形状を維持しているが、溶接時に加熱されて溶融し、図2(b)に示すように圧潰されナゲット6を形成する。プロジェクション溶接では、突起2に溶接電流及び加圧力Fが集中する。そのため、形成されたナゲット6は、スポット溶接によるナゲットに比較して小さくなる。小さいナゲット6の形成は、溶接電流及び加圧力Fが突起2に集中することと相俟つて、鋼製パネル3の表面形状に与える影響を小さくする。
【0006】
本発明は、このように鋼製パネル3の表面に与えるダメージが本来少ないプロジェクション溶接において、補強材1が溶接された後でも鋼製パネル3の表面平坦度を高く維持するように、更に溶接条件に検討を加えたものである。
加圧力Fは、接触抵抗を軽減させ通電性を向上させること、溶接時に溶融した金属が飛散する現象(散り)の発生を抑制することから、パネル板厚1mm当り80kgf以上にする必要がある。しかし、200kgfを超える加圧力Fでは、溶接時の加熱で軟化した鋼製パネル3の表面側に凹凸が生じ易くなる。そこで、加圧力Fをパネル板厚1mm当り80〜200kgfの範囲に設定する。
溶接電流は、突起2に集中して流れる。突起2に加えられる入熱量Qは、突起2の単位面積当りの電流密度I及び通電時間Tをファクターとした次式(2)で表すことができる。ただし、Rは材料の抵抗値を示す。
Q=I2 ・R・T ・・・(2)
【0007】
入熱量Qが少ないときには、十分なナゲット6が形成されず、溶け込み不足のために補強材1と鋼製パネル3との接合強度が低くなる。しかし、過度に大きな入熱量Qでは鋼製パネル3が過熱され、パネル表面が劣化する。特に、表面処理鋼板等を使用した鋼製パネル3では、めっき層が蒸発し又は欠陥が生じることもある。したがって、式(2)で計算される入熱量Qを溶接強度が得られ且つ表面凹凸の少ない範囲に設定することが必要となる。このような入熱量Qを得るため、電流密度Iが条件式(1)の範囲に、通電時間Tが0.02〜0.5秒の範囲に選定される。
条件式(1)は、本発明者等の多数の実験結果から定められたものであり、鋼製パネル3の表面を凹凸化させることなく迅速に溶接する上で有効である。また、補強材に形成する突起形状としては、表面平坦性を向上させるために、直径がパネル板厚の1.5〜2.5倍,高さが0.25〜0.5倍の球頭状とすることが望ましい。
【0008】
補強材に形成する突起が平坦性に及ぼす影響を調査したところ、図3に示すように突起2の高さH及び直径Dに応じて溶接部の凸高さが変わることが判った。なお、図3では、板厚1.6mmのめっき鋼板をパネル材3及び補強材1として使用し、溶接電流として交流を用い、通電時間,加圧力を一定とし、引張剪断強さが300kgf以上となるように電流を調整している。図3から、突起2の高さHがパネル板厚の0.25〜0.50倍の範囲にあり、突起2の直径Dがパネル板厚の1.5〜2.5倍の範囲にあるとき、平坦度がよくなっていることが判る。
また、加圧力Fと平坦性との間に、図4に示す関係が成立していることが判った。この場合も、同様に板厚1.6mmのめっき鋼板をパネル材3及び補強材1として使用し、溶接電流として交流を用い、通電時間,加圧力を一定とし、引張剪断強さが300kgf以上となるように電流を調整している。図4から、パネル板厚1mm当り80〜200kgfを加えるとき、溶接部の凸高さが20μm以下と平坦性に優れた溶接部が得られることが判る。しかし、加圧力Fが300kgfを超えると表面に20μmを超える凹凸が生じ、場合によっては外観上許容できなくなる。逆に、80kgf未満の加圧力Fでは、溶接時に溶融した金属が飛散する現象が激しくなり、作業性,強度の安定性等で問題がある。
更に、突起形状,加圧力を一定にし、溶接電流,通電時間を種々変化させて試験片を溶接し、表面の凹凸と引張剪断強さを調査した。溶接電流としては、通電時間0.04秒以下では放電電流、0.04秒を超えるものでは交流電流を使用した。また、通電時間0.2〜0.4秒では直流も併用した。そして、表面の凹凸が外観上問題とならないレベルとして20μm以下を設定し、300kgf以上の引張剪断強さが得られる溶接条件を求めた。図5の調査結果にみられるように、電流密度が大きく通電時間が長い領域では強度は満足するものの、熱影響が大きく表面にまで現れ、平坦度を悪化させる傾向がみられる。他方、電流密度が小さく、通電時間が短い領域では式(2)に示す発熱量が少なくなることから、強度が不足する。平坦性及び強度共に満足する条件は斜線で示した範囲にあり、溶接電流I及び通電時間Tが前掲した式(1)で規定される。
【0009】
【実施例】
鋼製パネル3として、板厚1.6mmの溶融Znめっき鋼板を使用した。補強材1としては、板厚2.3mmの普通鋼チャンネル材を使用し、高さH=0.5mm,直径D=4.0mmの球頭状の突起2を形成した。突起2を鋼製パネル3の裏面に接触させ、図2(a)に示すように上下からクロム銅製の溶接電極4,5で加圧した。そして、単相交流式の抵抗溶接機を用い、溶接電流,通電時間及び加圧力を変化させてスポット溶接したところ、一例を図6に示すように鋼製パネル3の表面に凸部が発生した。
高さが30μmを超える凸部は、溶接後の鋼製パネル3を観察したとき極めて明瞭に視認され、塗装した後では一層明瞭な凸部として現れる。しかし、高さが20μm以下になると凸部が視認されず、塗装後に極めて平坦度の高い表面となる。
【0010】
そこで、凸部高さが20μm以下となる溶接条件を調査したところ、通電時間T=0.1秒(一定)の下では、図7に示すように溶接電流密度I及び加圧力Fによって凸部高さが変わっていた。溶接電流密度I=330〜580A/mm2 及び加圧力F=140〜300kgfの範囲で且つ前述の式(1)が満足されたとき、始めて凸部高さが20μm以下となり、鋼製パネル3の表面平坦度が維持された。
他方、溶接電流密度Iを560A/mm2 の一定値に維持した条件下では、図8に示すように通電時間T=0.02〜0.2秒及び加圧力F=140〜300kgfの範囲で且つ前述の式(1)が満足されたとき、始めて凸部高さが20μm以下となり、鋼製パネル3の表面平坦度が維持された。
このようにして補強材1が溶接された鋼製パネル3は、実質的に平坦な表面をもち、外観を損なうことがなかった。また、前述した条件範囲で溶接した場合、補強材1と鋼製パネル3との接合強度は300kgf以上の高い値を示し、実用上十分に耐久性のある補強材1の取付けができた。
【0011】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、鋼製パネルの裏面に補強材をプロジェクション溶接する際、溶接電流密度,通電時間及び加圧力等の溶接条件を制御することにより、溶接時に生じがちな凹凸が鋼製パネルの表面に形成されることを防止している。そのため、外観を劣化させることなく鋼製パネルに補強材が固着されるため、建築構造物を始めとして各種分野において仕上りの良好な表面が得られる。また、十分な接合強度で補強材が固着されており、めっき層の損傷も軽微となり、耐久性も良好である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 鋼製パネルに補強材をプロジェクション溶接する状態
【図2】 同じく溶接前(a)及び溶接後(b)の溶接部
【図3】 溶接部の凸高さに及ぼす突起形状の影響を示す実験結果
【図4】 溶接部の凸高さに及ぼす加圧力の影響を示す実験結果
【図5】 溶接部の凸高さに及ぼす電流密度及び通電時間の影響を示す実験結果
【図6】 プロジェクション溶接による鋼製パネル表面の形状変化
【図7】 溶接後の鋼製パネル表面に生じる凸高さに与える溶接電流密度及び加圧力の影響
【図8】 溶接後の鋼製パネル表面に生じる凸高さに与える通電時間及び加圧力の影響
【符号の説明】
1:補強材 2:突起 3:鋼製パネル 4,5:溶接電極 6:ナゲット F:加圧力
Claims (3)
- 鋼製パネルの裏面に対向するチャンネル状鋼製補強材の表面に形成した突起を介し、鋼製パネルの板厚1mm当り80〜200kgfの加圧力Fで補強材を鋼製パネルの裏面に押し付ける溶接電極に、式(1)を満足する条件下で電流密度Iの溶接電流を通電時間T=0.02〜0.5秒で供給し、鋼製パネルに鋼製補強材を溶接することを特徴とする表面平坦度に優れたプロジェクション溶接方法。
−200T+350≦I≦−200T+600(A/mm2 )・・・(1) - 補強材に形成される突起が鋼製パネルの板厚の1.5〜2.5倍の直径及び0.25〜0.50倍の高さをもつ球頭状である請求項1記載のプロジェクション溶接方法。
- 請求項1又は2の何れかに記載のプロジェクション溶接方法で製造され、溶接部の凸高さが20μm以下である溶接構造体。
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