JP4351365B2 - アルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに当接させた両アルミニウム合金製丸棒材を対向する電極で挟んだ状態で通電し、この溶接電流によるジュール熱を利用して両アルミニウム合金製丸棒材を接合するバット溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バット溶接は、抵抗溶接の中で最も早く開発され、同じ断面の二つの被溶接材を突き合わせて押し付け、通電すると接合面に抵抗加熱（ジュール熱）を生じ、温度が上昇する。適当な温度に達したとき、強く押し付けて圧接し、両被溶接材を接合する。接合部が凝固することにより両被溶接材が接合される。
【０００３】
バット溶接は、主として軟鋼を対象に行われているが、銅やアルミニウム合金にも適用されている。アルミニウム合金を対象とした従来のバット溶接方法として、特開平４−３６５８３１号公報に示すアルミニウム合金の直流バット溶接方法、特開平７−１１５１号公報に示すアルミニウム合金板の直流バット溶接方法、特開平６−３２８２６２号公報に示すアルミニウム合金のアプセットバット溶接方法、特開平６−１４２９３８号公報に示すホイール用アルミニウム合金のＤＣ−バット溶接方法等がある。
【０００４】
しかし、上記のバット溶接方法は、いずれも板状のアルミニウム合金製被溶接物を対象しているので、アルミニウム合金製丸棒材のバット溶接条件として、適正なものは開示されていなかった。
【０００５】
又、アルミニウム合金製丸棒材のバット溶接に関する第１の従来例として、特開昭６０−７２６８６号公報「鎖環溶接方法」があり、第２の従来例として特開昭５７−１８７１８１号公報「加熱圧接用の被溶接材料」が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来例「鎖環溶接方法」に開示されたバット溶接方法の溶接条件は、素材鎖環の線径６ｍｍのアルミニウムについて、予熱加熱の第１次電流を８００Ａ、第２次電流を６２０Ａとし、最終通電を９００Ａと、それぞれの待ち時間を０．５秒，０．０５秒，０．６秒としている。
【０００７】
しかしながら、上記の溶接条件ではごく一部の材質のアルミニウム合金を溶接することはできるが、その他の接合強度が充分ではないことが判明した。すなわち、熱伝導率及び電気伝導率が軟鋼等の他金属に比べて非常に高い例えば５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）、６０００系（Ａｌ−ＭＧ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金の棒材の溶接を行うことができないという問題があった。
【０００８】
又、第２の従来例「加熱圧接用の被溶接材料」に開示されているバット溶接方法は、両アルミニウム合金製丸棒材の突き合わせ端面の外周をテーパ状に加工して、圧接面の面積を小さくすることによりアルミニウムを安定性の良い小電流域で加熱圧接することができるとしている。
【０００９】
しかしながら、上記のバット溶接方法は、溶接作業の前工程で丸棒材の突き合わせ面の加工を行う必要があるので、作業コストが高くなるという問題があった。
【００１０】
さらに、第２の従来例の公報には、本件公報の発明の従来のバット溶接方法が開示され、丸棒材の突き合わせ端面の加工を行わないようになっている。そして、固有抵抗の低いアルミニウム、銅及び銅合金等で接合面積の断面積がより大きな場合には、より高い電流密度が必要となると記載されている。しかし、このバット溶接において、両棒材の具体的な材質及び溶接条件は明記されていない。
【００１１】
以上のように５０００系、６０００系のアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法に関する技術は、事例が比較的少なく、一般的にバット溶接には向かないものとして実施されることも少なかった。
【００１２】
従って、アルミニウム合金製丸棒材を溶接する場合には、アルミニウム合金製丸棒材の接触面に発生するジュール熱を利用しないアルゴンアークスポット溶接が従来から多く利用されている。ところが、このアルゴンアークスポット溶接は、バット溶接に比べて、作業時間がかかると共に、溶接１点当たりのコストが高くなる。このため、特に溶接箇所の多い製品については製品単価が増大する傾向がある。
【００１３】
本発明は前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ＪＩＳ規格で５０００系又は６０００系のアルミニウム合金製丸棒材を強固に接合することができるアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）を直線状又はＴ字状に突き合わせ、両丸棒材（１４、１５）を加圧装置で加圧しながら通電し、この溶接電流によるジュール熱を利用して、前記両丸棒材（１４、１５）を接合するアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法において、前記丸棒材（１４、１５）の材質をＪＩＳ規格で５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）又は６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）とし、両丸棒材（１４、１５）の直径寸法は３〜８ｍｍの範囲に設定され、バット溶接条件をコンデンサによる１８５〜１３２２Ｖの充電電圧を用いて電流密度が８５９〜１３２０Ａ／平方ミリメートルで所定時間通電することを要旨とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記両丸棒材の接合形態は直線状に突き合わされるＩバット溶接であって、直径寸法が３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍの異なる各丸棒材の溶接条件である初期加圧力、二次加圧力、充電電圧、溶接電流及び通電時間のうち少なくとも溶接電流を発明の実施の形態の項に示す表１の数値に設定したことを要旨とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記両丸棒材の接合形態はＴ字状に突き合わされるＴバット溶接であって、直径寸法が３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍの異なる各丸棒材の溶接条件である初期加圧力、二次加圧力、充電電圧、溶接電流及び通電時間のうち少なくとも溶接電流を発明の実施の形態の項に示す表２の数値に設定したことを要旨とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記両アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）の材質は、ＪＩＳ規格でＡ５０５６，Ａ５０５２，Ａ５０８２，Ａ５１８２，Ａ６００９，Ａ６０１０，Ａ６０６３の各材質と同じかそれらの異種材質を組合せたものであることを要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項２において、前記両アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）のＩバット溶接に際し、突き合わせ部を外周側から形状保持筒により被覆して行われるものであることを要旨とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記形状保持筒は、溶接作業の完了後に複数のセグメント（３１ａ、３１ｂ）に分離可能に組み付けられていることを要旨とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６において、前記棒材（１４、１５）と形状保持筒の内周面との間には所定の隙間が設けられ、溶接作業中に前記突き合わせ部が膨張して前記隙間に充填されることを要旨とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
図１の模式図によりバット溶接機について説明すると、ベッド１１の上面には第１及び第２の把持体１２，１３が装着され、アルミニウム合金製の第１及び第２の丸棒材１４、１５をそれぞれ水平状態で、かつ両棒材１４、１５が同一軸線上に位置するように対向して堅持するようにしている。前記第１の把持体１２は、第１の丸棒材１４を所定位置において把持し、第２の把持体１３は第２の丸棒材１５を把持するとともに、流体圧方式の加圧装置１６により第２の丸棒材１５の先端面１５ａをその軸線方向に移動して第１の丸棒材１４の先端面１４ａに押圧し得るようになっている。
【００２２】
前記第１の把持体１２及び第２の把持体１３の近傍には、第１の電極１７及び第２の電極１８が配設され、両電極１７，１８には高電圧印加装置１９から高電圧を印加するようにしている。前記高電圧印加装置１９はコンデンサ２０を備えていて、それに充電された電圧を第１の電極１７及び第２の電極１８に印加して第１及び第２の丸棒材１４、１５に通電し溶接を行うようにしている。
【００２３】
前記丸棒材１４、１５の材質は、それぞれＪＩＳ規格の５０００番系合金として知られるＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム非熱処理合金（Ａ５０５２Ｐ，Ａ５０５６Ｐ，Ａ５０８２Ｐ，Ａ５１８２Ｐ合金等）である。又、ＪＩＳ規格の６０００番系合金として知られるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム熱処理合金（Ａ６００９Ｐ，Ａ６０１０Ｐ，Ａ６０６３Ｐ）としてもよい。
【００２４】
第１及び第２の丸棒材１４，１５の円形断面の直径は、３〜８ｍｍの範囲に設定されている。
次に、バット溶接機を用いて丸棒材１４，１５を直線状に、つまりＩ字状に接合する方法（Ｉバット溶接）及びＴ字状に接合する方法（Ｔバット溶接）を順次説明する。
【００２５】
上記のＩバット溶接方法の諸条件を表１に示す。
【００２６】
【表１】

図１に示すように、第１の把持体１２により第１の丸棒材１４の先端部をクランプするとともに、第１の電極１７を丸棒材１４に電気的に接続する。加圧装置１６の加圧状態を解除した状態で、第２の把持体１３により第２の丸棒材１５の中間部を把持し、第２の電極１８を丸棒材１５に電気的に接続する。
【００２７】
次に、高電圧印加装置１９を起動する前に加圧装置１６を作動し、所定の初期加圧力で第１の丸棒材１４の先端面１４ａに対し第２の丸棒材１５の先端面１５ａを押圧する。
【００２８】
図３は初期加圧力、二次加圧力、充電電圧、溶接電流及び保持時間等の相関関係を示す。前記通電前の初期加圧により両丸棒材１４，１５の接触抵抗の分布が均一化し、良好な溶接が可能となる。この初期加圧時間は両丸棒材１４，１５が確実に圧接されるのに十分な時間に設定され、本実施形態においては、両丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍφ〜８ｍｍφのいずれの場合も１０／６０秒かそれ以上に設定されている。
【００２９】
次に、初期加圧時間が経過した後、両丸棒材１４，１５に二次加圧力（表１の二次加圧力参照）を発生させて加圧状態を保持しながら高電圧印加装置１９を起動し、表１に示す所定の充電電圧を第１の電極１７及び第２の電極１８を介して両丸棒材１４，１５に印加する。この電圧印加により表１に示す所定の溶接電流が両丸棒材１４，１５の押圧接触面に流れる。これにより接触界面はジュール熱により直ちに溶融軟化し、両接触面が互いに融合接合される。
【００３０】
表１に示すように、本実施形態において、溶接電流の大きさは丸棒材１４，１５の直径が例えば４ｍｍφの場合、１４．６ｋＡ、５ｍｍの場合２０．０ｋＡに設定されている。各場合における溶接電流はそれぞれ±２．０ｋＡの範囲において変更可能である。溶接電流が許容範囲を越える場合、溶融部が過剰に大きくなり、溶けたアルミニウム合金が丸棒材１４，１５の外周面に大きく膨らむおそれがある。又、溶接電流が許容範囲未満の場合、接触部位が十分に発熱せず、溶接不良となるおそれがある。これらは、両丸棒材１４，１５の接触部位における発熱量が、電流の２乗に比例することに起因する。なお、前記電極１７, １８は内部に冷却水が循環され、この冷却水により通電時の電極１７, １８が冷却される。
【００３１】
所定の通電時間経過後、両電極１７, １８間の電圧印加を停止して溶接電流を遮断する。表１に示すように、本実施形態において、溶接電流の通電時間は丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍ〜８ｍｍのいずれの場合も（４２±３）／６０秒に設定されている。
【００３２】
前記二次加圧力を付与する時間は通電時間〔（４２±３ ）／６０〕よりも長く、両丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍφ〜８ｍｍφのいずれの場合も（４６〜６０）／６０秒に設定されている。接合部が所定温度以下に冷却されると、溶融部は凝固され、両丸棒材１４，１５は強固に溶接結合される。
【００３３】
そして、溶接電流を遮断した後、所定の加圧保持時間が経過するまで両丸棒材１４，１５の加圧状態を保持する。両丸棒材１４，１５の溶融部は、通電時間が１秒に満たない短時間であること、及び水冷式の電極１７, １８の冷却作用により、加圧保持時間内に両丸棒材１４，１５の表面に拡大することなく凝固する。そして、所定の加圧保持時間が経過した後、両丸棒材１４，１５への加圧を解除する。すると、両丸棒材１４，１５は十分な溶接強度にて溶接される。
【００３４】
本実施形態において、溶接電流を遮断した後の加圧保持時間は、両丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍ〜８ｍｍのいずれの場合も４／６０秒に設定されている。
以上で、両丸棒材１４，１５の直線状（Ｉ）バット溶接による接合が完了となる。
【００３５】
従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） ＪＩＳ規格で５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）又は６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）のアルミニウム合金製丸棒材１４、１５を直線状に突き合わせ、その直径は３〜８ｍｍの範囲に設定され、各直径の丸棒材の溶接条件を表１のように設定した。このため、接触部位はジュール熱により適度に溶融する。即ち、適度な溶接強度を確保可能な程度の溶融部が形成される。従って、両丸棒材１４，１５をＩバット溶接により強固に接合することができる。
【００３６】
（２） Ｉバット溶接により５０００系又は６０００系のアルミニウム合金製丸棒材同士の接合を可能とした。バット溶接は従来のアルゴンアークスポット溶接による接合の場合に比べて、溶接１点当たりの加工コストが安くなると共に、加工時間が短縮される。従って、溶接箇所の多い商品の製品単価を低減することができる。
【００３７】
次に、図４に基づいて前記両丸棒材１４，１５をＴ字状に突き合わせるＴバット溶接方法について説明する。
図４に示すように、両丸棒材１４，１５をＴ字状に突き合わせるため、第１の把持体１２の構成を変更する。第２の丸棒材１５の先端面１５ａは加工することなく円形平面とする。
【００３８】
この状態で、両丸棒材１４，１５同士をそれぞれの外側から両電極１７, １８により挟持すると共に、両丸棒材１４，１５を互いに近接する方向に加圧する。この溶接条件は、表２のとおりである。
【００３９】
【表２】

本実施形態においても、通電前の初期加圧力を付与する時間は両丸棒材１４，１５の直径が３〜８ｍｍの場合、１０／６０秒かそれ以上に設定されている。
【００４０】
初期加圧時間が経過した後、加圧状態を保持しながら両電極１７, １８間に表２に示す所定の電圧を印加すると、両丸棒材１４，１５の接触部分には溶接電流がほぼ均等に流れる。このため、両丸棒材１４，１５の接触部分には十分なジュール熱が発生する。以下、前述したＩバット溶接方法と同様の作用によりＴバット溶接が完了する。
【００４１】
前記二次加圧力を付与する時間は通電時間（４２／６０秒）よりも長く、両丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍφ〜８ｍｍφのいずれの場合も（４６〜６０）／６０秒に設定されている。接合部が所定温度以下に冷却されると、溶融部は凝固され、両丸棒材１４，１５は強固に溶接結合される。
【００４２】
溶接電流を遮断した後、所定の二次加圧力を保持する加圧保持時間が経過するまで両丸棒材１４，１５の加圧状態を保持する。両丸棒材１４，１５の溶融部は、通電時間が１秒に満たない短時間であること、及び水冷式の電極１７, １８の冷却作用により、加圧保持時間内に両丸棒材１４，１５の表面に拡大することなく凝固する。そして、所定の加圧保持時間が経過した後、両丸棒材１４，１５への加圧を解除する。すると、両丸棒材１４，１５は十分な溶接強度にて溶接される。
【００４３】
溶接電流を遮断した後の加圧保持時間は、両丸棒材１４，１５の直径が３ｍｍ〜８ｍｍのいずれの場合も４／６０秒に設定されている。
なお、前記実施形態は以下のように変更して実施してもよい。
【００４４】
・ 図５及び図６に示すように、Ｉバット溶接において、両丸棒材１４，１５の接合部に対し絶縁材料よりなる複数に分割した形状保持筒３１を接近・離隔可能に配設してもよい。すなわち、第１の把持体１２を半円筒状の把持片１２ａ，１２ｂに二分割し、両把持片１２ａ，１２ｂに形状保持半円筒３１ａ，３１ｂを連結する。そして、第１の丸棒材１４の先端面１４ａに対し第２の丸棒材１５の先端面１５ａを接触する工程で形状保持筒３１の先端テーパ面３１ｃに第２の丸棒材１５の先端部を案内させつつ形状保持筒３１内に導き、第１の丸棒材１４、第２の丸棒材１５の突き合わせ部を覆う。
【００４５】
この別例では、両丸棒材１４，１５の突き合わせ部の外方への膨らみを防止して溶接終了後の接合部のバリ取り作業や外径を調整する切削作業を不要にすることができる。
【００４６】
・ 図５、６に示す実施形態において、前記棒材１４、１５と形状保持筒３１の内周面との間に所定の隙間を設け、溶接作業中に前記突き合わせ部が膨張して前記隙間に充填されるようにしてもよい。この場合には、接合部の径が大きくなるので、接合強度を向上することができる。
【００４７】
・ 図１に示す実施形態において、第１の把持体１２に対し第１の電極１７の機能を兼用させ、第２の把持体１３に対し第２の電極１８の機能を兼用させるように構成してもよい。
【００４８】
・ バット溶接機に代えて交流抵抗溶接機にバット溶接用電極アダプタを装着してバット溶接を行うようにしてもよい。
・ バット溶接機に代えてコンデンサ式スポット溶接機を用いてもよい。
（定義） この明細書では丸棒材は、三角棒材、四角棒材あるいは五角棒材等を総称して意味し、これらを丸棒材の横断面積に置き換えて溶接条件を設定するものとする。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１〜７に記載の発明によれば、ＪＩＳ規格で５０００系又は６０００系の両アルミニウム合金製丸棒材の接触部位における電流密度が適正となり、アルミニウム合金製丸棒材を強固に効率良く接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のバット溶接方法に用いる溶接装置の非溶接状態の正面図。
【図２】 同じくバット溶接装置の溶接状態の正面図。
【図３】 時間と加圧力、充電電圧及び溶接電流の関係を示すグラフ。
【図４】 Ｔバット溶接の棒材の把持装置を示す正面図。
【図５】 バット溶接装置の別例を示す部分断面図。
【図６】 図５の形状保持筒の横断面図。
【符号の説明】
１６…加圧装置、３１…形状保持筒。

Claims (7)

1. アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）を直線状又はＴ字状に突き合わせ、両丸棒材（１４、１５）を加圧装置（１６）で加圧しながら通電し、この溶接電流によるジュール熱を利用して、前記両丸棒材（１４、１５）を接合するアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法において、
   前記丸棒材（１４、１５）の材質をＪＩＳ規格で５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）又は６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）とし、両丸棒材（１４、１５）の直径寸法は３〜８ｍｍの範囲に設定され、バット溶接条件をコンデンサによる１８５〜１３２２Ｖの充電電圧を用いて電流密度が８５９〜１３２０Ａ／平方ミリメートルで所定時間通電することを特徴とするアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
2. 請求項１において、前記両丸棒材の接合形態は直線状に突き合わされるＩバット溶接であって、直径寸法が３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍの異なる各丸棒材の溶接条件である初期加圧力、二次加圧力、充電電圧、溶接電流及び通電時間のうち少なくとも溶接電流を発明の実施の形態の項に示す表１の数値に設定したアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
3. 請求項１において、前記両丸棒材の接合形態はＴ字状に突き合わされるＴバット溶接であって、直径寸法が３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍの異なる各丸棒材の溶接条件である初期加圧力、二次加圧力、充電電圧、溶接電流及び通電時間のうち少なくとも溶接電流を発明の実施の形態の項に示す表２の数値に設定したアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記両アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）の材質は、ＪＩＳ規格でＡ５０５６，Ａ５０５２，Ａ５０８２，Ａ５１８２，Ａ６００９，Ａ６０１０，Ａ６０６３の各材質と同じかそれらの異種材質を組合せたものであるアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
5. 請求項２において、前記両アルミニウム合金製丸棒材（１４、１５）のＩバット溶接に際し、突き合わせ部を外周側から形状保持筒（３１）により被覆して行われるものであるアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
6. 請求項５において、前記形状保持筒（３１）は、溶接作業の完了後に複数のセグメント（３１ａ、３１ｂ）に分離可能に組み付けられているアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。
7. 請求項５又は６において、前記棒材（１４、１５）と形状保持筒（３１）の内周面との間には所定の隙間が設けられ、溶接作業中に前記突き合わせ部が膨張して前記隙間に充填されるアルミニウム合金製丸棒材のバット溶接方法。

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