JP4457602B2 - 金属球接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、受け部を有する接合物上に球状の被接合物を、溶接あるいは抵抗ろう付け法などの電気抵抗加熱により接合する金属球接合方法に関する。

従来のこの種の金属球接合方法しては、後述の特許文献１に記載のものが公知となっている。この金属球接合方法は、溶接機の上電極と下電極との間にいずれも導電金属製である小球とワークを配置し、上電極と下電極間で両ワークを挟むように圧力を加えながら通電して、溶接を行うものである。溶接の際、上電極と小球との間には金属板材である銅箔が介挿され、上電極はこの銅箔と共に下電極に向かって下降し、銅箔を小球の上に所定の押圧力のもとで押し付ける。このとき、銅箔は弾性及び塑性変形し、前述の押圧力と銅箔の変形による保持力がつりあった位置で静止する。ここで、上電極の下面には凹部が形成されており、上電極の押し付け時に、小球が銅箔を介して凹部の内面に接触しない状態で上電極が最終的に静止するように、押圧力が所定値に設定されている。

この場合、仮に上電極と下電極の軸心位置が相対的にずれていたとしても、小球は銅箔を介して下方に押圧され、上電極の凹部内面に当接しない状態で静止する、すなわち、軸心位置のずれが銅箔によって吸収可能な構成となっている。

このため、上電極と下電極の軸心位置精度が悪い溶接機を使用して溶接を行う場合であっても、互いの軸心のずれが調芯された状態のもとで溶接を行うことができ、小球とワークとを高精度に溶接することができる。
特開平９−２２５６４５号公報（図３参照）

しかしながら、上記の方法においては、上電極と下電極の軸心位置の相対的なずれを吸収するために、銅箔を上電極の凹部の内面に当接させない範囲で、銅箔を弾性及び塑性変形させながら小球とワークを押圧する構成となっている。この場合、銅箔に極端な変形が生じない程度の押圧となるように所定の押圧力が設定されている。ここで、銅箔に極端な変形が生じない状態とは、すなわち小球と銅箔とが、面接触というよりも点接触に近い状態で互いに当接していることを意味している。

通電時には、小球内には熱が発生すると共に、その放熱も同時に行われる。この時、小球と銅箔との接触部位は溶接電流が流れる通り道であると共に、小球内に発生した熱を逃がす放熱の経路としても機能する。ここで、小球と銅箔との間の当接は点接触に近い状態となっているため、互いの接触面積は非常に小さくなっている。これは、同部位間を一度に通過できる熱の量が少ないことを意味しており、小球内に発生した熱が放熱されにくい構成となっている。

通電が停止された後も、上記と同様に、小球と銅箔とが互いに接触する面積が非常に小さいため、小球内に発生した熱が放熱されにくい構成となっている。

溶接によって発生した小球内の熱を効率よく放熱することができない場合、高温状態にある小球が徐々に冷却されることになり（徐冷）、その結果、小球に焼きなまし処理がなされた状態となってしまう。この場合、小球の金属組織が変化することによって、小球の表面及び内部の硬度が当初見込んだ値に対して低くなってしまう。その結果、小球はその使用環境下で必要とされる所望の材料硬度を得ることができず、耐久性の悪化等の不具合が引き起こされる恐れがある。

よって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、溶接時に小球内に発生した熱を効率よく放熱することが可能な金属球接合方法を提供することを課題とする。

上記技術的課題を解決するために講じた技術的手段は、下側電極上に受け部を備えた接合物が設置され、上側電極の下面に凹部が形成され、球状の被接合物を前記接合物の受け部上に位置させ、前記被接合物と前記上側電極との間に金属箔を配置し、前記上側電極と下側電極により前記金属箔と前記被接合物と前記接合物間に押圧力を加えながら、前記上側電極と前記下側電極間に通電して前記被接合物と前記接合物とを接合させる金属球接合方法において、前記下側電極は、上面が開口となる凹状の収容部を備えた第二下側電極と、前記収容部内に収容された第一下側電極と、前記第一下側電極の下面に取付けられたボールプランジャと、を備え、前記第一下側電極に前記接合物が設置され、前記凹部は半球状に形成された内面を備えるとともに、前記第一下側電極と前記収容部の側面との間に隙間を形成して前記第一下側電極が前記ボールプランジャによって前記第二下側電極に対して相対的に移動可能にし、前記被接合物と前記金属箔、及び前記金属箔と前記内面とが前記凹部内で密着した状態で、前記第一下側電極を介して前記上側電極と前記第二下側電極間に通電して前記被接合物と前記接合物とを接合させる構成としたことである。
また、第２の課題解決手段は、前記被接合物と前記接合物間にろう材を介在させて抵抗ろう付けを行う構成としたことである。

請求項１に記載の発明によれば、上側電極の凹部は半球状に形成された内面を備えているため、金属箔はその内面に沿って密着するとともに、球状の被接合物の上面部に沿って密着し、凹部の内面、金属箔、被接合物とが十分になじんだ状態となっている。つまり、被接合物と金属箔、及び金属箔と凹部の内面との間で十分な接触面積を確保することができる。したがって、一度により多くの熱が同部位間を通過でき、被接合物内に発生した熱をより効率よく放熱することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１記載の発明によるのと同様に、一度により多くの熱が同部位間を通過でき、被接合物内に発生した熱をより効率よく放熱することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を基に説明する。

図１は、上側電極１と下側電極２を使用して、被接合物の球Ｂを接合物のシャフトＳ上に電気抵抗溶接をする際の断面図を示している。

上側電極１は円柱状に形成されるとともに、その下面に半球状に形成された内面ＩＳを備えた凹部１ｃを設けて形成され、昇降装置（図示なし）に取付けられ、昇降可能な構成となっている。

下側電極２は、下側電極２ｐと下側電極２ｓとを備えている。下側電極２ｐは上側電極１と同様に円柱状に形成され、上側電極１の下方に対向する状態で配設されている。また、下側電極２ｐの中央には、接合物のシャフトＳを設置するためのセット孔２ｈが設けられている。シャフトＳは、丸棒形状を呈しており、その上端部には球Ｂを受けるための凹状の受け部Ｓ１が形成されている。下側電極２ｐ上へのシャフトＳの設置は、シャフトＳがその軸方向に沿ってセット孔２ｈ内に収容される構成でなされる。

一方、下側電極２ｓも下側電極２ｐと同様に、大まかには円柱形状を呈しており、その上面が開口となる凹状の収容部２ｃが形成されている。この収容部２ｃの内部には下側電極２ｐが収容される。この場合、例えば周知のボールプランジャＢＰを下側電極２ｐの下面に取付けることによって、下側電極２ｐは、図１に示される初期セット位置と、図３に示される通電位置との間で、軸方向に関して相対移動が可能な構成となっている。さらに、下側電極２ｓの外径は、収容部２ｃの内径に対して所定の寸法だけ小さく形成されており、下側電極２ｐが収容部２ｃ内に収容された状態において、下側電極２ｐと収容部２ｃの側面との間に隙間ＣＬが形成された状態となっている。この場合、下側電極２ｐは、自身の下面に取付けられた前述のボールプランジャＢＰによって、径方向に関して、隙間ＣＬの範囲内で相対移動が可能な構成となっている。

上側電極１、下側電極２ｐ、２ｓは、クロム銅、ベリリウム銅等の導電性硬質金属により形成され、被接合物の球Ｂ、接合物のシャフトＳは、銅、鉄等の導電性金属あるいはそれらの合金により上記形状に形成される。

金属箔である銅フィルム３は、溶接の際に上側電極１と球Ｂとの間に介挿され、図１のように、上側電極１の下面に接触し、自身にテンションをかけずに水平状態を保ちながら上側電極１と共に上下に昇降するように、保持機構（図示なし）により保持されている。

上側電極１と下側電極２ｓとの間には、所定の溶接電流を供給する溶接電源４がスイッチ５を介して接続されている。

次に、上述溶接装置を使用して球ＢとシャフトＳとを溶接する方法を、以下順を追って説明する。

まず、接合物のシャフトＳを下側電極２ｐのセット孔２ｈに挿入して下側電極２ｐ上に縦に設置すると共に、被接合物の球ＢをシャフトＳ上面の凹部Ｓ１上に設置する（図１）。

そして、昇降装置（図示なし）を駆動して上側電極１を銅フィルム３と共に下側電極２ｐに向けて下降させ、銅フィルム３を球Ｂの上に押し付けていく。ここで、上側電極１を下側電極２ｐへと下降させていく過程においては、前述のボールジョイントＢＰと隙間ＣＬとが下側電極２ｐ、２ｓ間で機能し、下側電極２ｐのセット孔２ｃからシャフトＳ、球Ｂ、銅フィルム３、そして上側電極１の凹部１ｃの軸線がまっすぐに揃った状態、すなわち調芯がなされた状態のもとで、銅フィルム３を球Ｂへと押し付けることでき、球ＢとシャフトＳとを高精度に溶接することが可能な構成となっている。

上側電極１の下降にともなって、銅フィルム３は球Ｂの上面部形状に沿って徐々に変形していき、凹部１ｃの半球状の内面ＩＳに沿って密着するとともに、球Ｂの上面部に沿って密着し、凹部１ｃの内面ＩＳ、銅フィルム３、球Ｂとが十分になじんだ状態となる（図２）。

引き続いて、下側電極２ｐと下側電極２ｓとが互いに当接した状態になるまで図２に示される中間位置から、上側電極１をさらに下降させる。これは、下側電極２ｐと下側電極２ｓとが互いに当接した時点で同部位間における溶接電流の通過経路が確保される構成となっているためである。すなわち、図３に示される様に、下側電極２ｐと下側電極２ｓとが当接した時点で、通電と共に溶接が可能な状態となっている。

この状態（通電位置）で、スイッチ５をオンして溶接電源４から上側電極１、下側電極２ｓ間に通電すると、上側電極１の凹部１ｃ、銅フィルム３、球Ｂ、シャフトＳ間に溶接電流が流れ、球ＢとシャフトＳとの接触部で発生するジュール熱により当接触部が溶融し、球ＢとシャフトＳが溶接される。

ここで、球Ｂ内においては、溶接電流によって熱が発生すると共に、その放熱も同時に行われる。この時、球Ｂと銅フィルム３との接触面、及び銅フィルム３と凹部１ｃの内面ＩＳとの接触面が、溶接電流の通り道であると共に、球Ｂ内に発生した熱を逃がす放熱の経路としても機能する。本実施形態においては、凹部１ｃの内面ＩＳは半球状に形成されているため、銅フィルム３はその内面ＩＳに沿って密着するとともに、球Ｂの上面部に沿って密着し、内面ＩＳ、銅フィルム３、球Ｂとが十分になじんだ状態となっている。つまり、球Ｂと銅フィルム３、及び銅フィルム３と内面ＩＳとの間で十分な接触面積を確保することができる。これは、一度により多くの熱が同部位間を通過できることを意味している。したがって、球Ｂ内に発生した熱を効率よく放熱することができる。

また、通電が停止された後も、上記と同様に、球Ｂ内に発生した熱は銅フィルム３、内面ＩＳを介して上側電極１へと放熱されていく。この場合も、球Ｂと銅フィルム３、及び銅フィルム３と内面ＩＳとの間で十分な接触面積が確保されているため、球Ｂ内に発生した熱を効率よく放熱することができる。

なお、上記の実施形態においては、溶接する場合について説明したが、抵抗ろう付け法により球ＢとシャフトＳを接合する場合にも、本発明を適用することができる。この抵抗ろう付け法により球ＢとシャフトＳとを接合する場合、シャフトＳ上にろう材を介して球Ｂを設置し、上側電極１と下側電極２ｓ間にろう付け電源を接続し、ろう付け用電流を供給してろう材をジュール熱により溶融させ、球ＢとシャフトＳをろう付けで接合するが、上記と同様、球Ｂ内に発生した熱を効率よく放熱することができる。

本発明の実施形態における、溶接時の初期セット位置を示す断面図である。 本発明の実施形態における、溶接時の中間位置を示す断面図である。 本発明の実施形態における、溶接時の通電位置を示す断面図である。

符号の説明

１ 上側電極
１ｃ 凹部
ＩＳ 内面
２ｐ 下側電極１（第一下側電極）
２ｓ 下側電極２（第二下側電極）
Ｓ シャフト（接合物）
Ｓ１ 受け部
Ｂ 球（被接合物）
３ 銅フイルム（金属箔）

Claims (2)

1. 下側電極上に受け部を備えた接合物が設置され、上側電極の下面に凹部が形成され、球状の被接合物を前記接合物の受け部上に位置させ、前記被接合物と前記上側電極との間に金属箔を配置し、前記上側電極と下側電極により前記金属箔と前記被接合物と前記接合物間に押圧力を加えながら、前記上側電極と前記下側電極間に通電して前記被接合物と前記接合物とを接合させる金属球接合方法において、
   前記下側電極は、上面が開口となる凹状の収容部を備えた第二下側電極と、前記収容部内に収容された第一下側電極と、前記第一下側電極の下面に取付けられたボールプランジャと、を備え、前記第一下側電極に前記接合物が設置され、前記凹部は半球状に形成された内面を備えるとともに、前記第一下側電極と前記収容部の側面との間に隙間を形成して前記第一下側電極が前記ボールプランジャによって前記第二下側電極に対して相対的に移動可能にし、前記被接合物と前記金属箔、及び前記金属箔と前記内面とが前記凹部内で密着した状態で、前記第一下側電極を介して前記上側電極と前記第二下側電極間に通電して前記被接合物と前記接合物とを接合させることを特徴とする金属球接合方法。
2. 前記被接合物と前記接合物間にろう材を介在させて抵抗ろう付けを行うことを特徴とする請求項１に記載の金属球接合方法。

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