JP4825056B2

JP4825056B2 - 高導電性被溶接物及びその抵抗溶接方法

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Publication number: JP4825056B2
Application number: JP2006159098A
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Inventors: 佐々木　　広治
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Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2011-11-30
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Description

本発明は、様々な同種又は異種の金属材料からなる被溶接物、特に導電性が高い銅部材と銅部材など従来の抵抗溶接方法では接合が極めて困難とされていた高導電部材同士を抵抗溶接するのに適したプロジェクション構造を有する高導電性金属部材及びその抵抗溶接方法に関する。

同種の金属材料同士や、鉄系材料とステンレス材料、あるいは鉄系材料と銅部材、又は鉄系材料とアルミニウム材料など、融点や導電率など特性の異なる異種金属材料を接合する方法が種々提案されているが、異種金属材料の接合は硬ロウによる接合、あるいは超音波接合、又はかしめ、ボルト締めなど機械的な結合などによって、接合される場合が多かった。また、同種の金属材料同士の抵抗溶接でも、導電率が非常に良好な銅材料と銅材料同士、又はアルミニウム材料とアルミニウム材料同士の接合なども同様の手段で行われていたが、このような接合方法では、導電率が非常に良好な銅材料、アルミニウム材料を用いるという用途から見て、それらの接合部の抵抗を無視できるほどには小さくできない。このような理由もあって、導電率が非常に良好な銅材料同士、アルミニウム材料同士、又は銅材料とアルミニウム材料との抵抗溶接は特に難しいとされている中、界面抵抗を小さくできる抵抗溶接を行う努力が既に行われており、下記のような処理工程を予め行うことによって銅部材とアルミニウム材料との抵抗溶接を可能にする改良技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法は、銅部材とアルミニウム部材とを直接抵抗溶接することはできないので、抵抗溶接前に予め銅部材の接合表面にスズ膜を形成し、更に処理を行ってその銅部材とスズとの界面に銅とスズとの固溶を生成させたスズ被覆層を形成した後に、そのスズ被覆層とアルミニウム部材とを接触させ、その固溶生成させたスズ被覆層を銅部材とアルミニウム部材との間に介在させた状態で加圧し、溶接電流を流して抵抗溶接を行うものである。この溶接方法を実現するのは、コンデンサ蓄勢式溶接機ではなくインバータ式溶接機を用いて、高周波の溶接電流を銅部材とアルミニウム部材とに流し、銅部材とアルミニウム部材との接合部を溶融させて互いの溶融した銅とアルミニウムとを混じり合わせたナゲットを形成して溶接を行うものである。また、異種金属の抵抗溶接に当たっては、予め異種金属の接合部を最適な特殊形状に加工することによって良好な溶接結果が得られる抵抗溶接方法、及び抵抗溶接装置が既に報告されている（例えば、特許文献２〜５参照）。また、拡散接合時にアルミニウム又はマグネシウムなどの接合面の酸化膜や汚れを除去する酸洗いなどの前処理を不要にするために、被溶接物双方にプロジェクションを形成し、それらプロジェクションの頂部同士を当接させて溶接する方法も開示されている（例えば、特許文献６参照）。更に、電気絶縁被膜又は高抵抗被膜が形成された鋼板同士を溶接するのに好都合なプロジェクション構造を有する被溶接物についても開示されている（例えば、特許文献７参照）。
特開２００１−０８７８６６公報特開平０８−１１８０４０号公報特開平１０−１２８５５０号公報特開平１０−１５６５４８号公報特開平１１−０３３７３７号公報特開２００２−１０３０５６公報特開平０８−７１７６６号公報

しかし、前掲特許文献１で開示された抵抗溶接方法にあっては、銅部材の接合表面にスズを形成し、銅部材とアルミニウム材料との接合部にナゲットを形成する溶接方法であるので、溶接前に低融点金属膜であるスズ膜を形成しなければならない。このことはスズ膜をメッキなどで形成する工程が必要であること、及び銅部材とアルミニウム材料との接合部にスズ材料が混入するために、接合部での抵抗が大きくなるという欠点がある。また、相互の金属が溶融することによって形成されるナゲットの熱によって接合部の周囲のスズがチリとなって飛散するという問題点がある。また、前掲の特許文献２〜５に記載されている接合部の構造は特定の構造の異種金属材料からなる被溶接物に適しているが、特に銅部材と銅部材、又はアルミニウム部材とアルミニウム部材、あるいは銅部材とアルミニウム部材との抵抗溶接にはそのまま適用することは難しく、前掲特許文献に開示されている抵抗溶接装置をもってしても安定な溶接結果が得られない。

また、前掲の特許文献６に記載されているように、銅部材とアルミニウム部材との双方にプロジェクションを設けて互いに突合せて溶接しても、アルミニウム部材に比べて銅部材の塑性流動化が遅いために安定な溶接結果は得られず、実際の製造ラインに特許文献６に記載されている抵抗溶接方法を用いることは今のところ難しい場合が多い。更にまた、前掲の特許文献７に記載されている被溶接物は、表面被覆鋼板のように被溶接物を覆う電気絶縁被膜又は高抵抗被膜を溶接時に突き破るのに好都合な鋭い断面３角形状突起を有するプロジェクションを備えているが、このような鋭い断面３角形状突起を有するプロジェクション構造の場合、電気絶縁被膜又は高抵抗被膜で表面が被覆されていない被溶接物同士の抵抗溶接にあっては、鋭い断面３角形状突起を有するプロジェクションが相手の金属材料に直接当接するので、溶接時に被溶接物間に加えられるか圧力によって前記鋭い断面３角形状突起が圧潰し、このような鋭い断面３角形状突起は表面被覆鋼板以外の溶接ではプロジェクションの役割を果たさない場合が多い。

本発明は前述の問題点を解決し、拡散接合面にスズ膜のような低融点金属膜を形成しなくても、銅部材のように導電率が非常に高い高導電性被溶接物同士の抵抗溶接を行うことができ、かつ簡単で安価に溶接品質の高い接合結果が得られる実際的な抵抗溶接を提供することを主目的としている。また、本発明によれば、低融点金属膜を形成しなくても２ｍｍ以下の板厚の銅材料又はアルミニウム材料からなる薄板を拡散接合することもできる。

第１の発明は、溶接電流を通電することにより銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる他の金属部材と拡散接合される銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる高導電性被溶接物において、前記高導電性被溶接物は、該高導電性被溶接物の接合面から突出する第１のプロジェクションと、該第１のプロジェクションの接合面側の一部分から突出し、前記第１のプロジェクションの前記面積よりも小さい面積の格子状模様のプロジェクションであって、格子状部分が突出している格子状突起である第２のプロジェクションとからなる上下２段構造のプロジェクションを備えることを特徴とする高導電性被溶接物を提供する。

第２の発明は、銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる高導電性被溶接物と銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる他の金属部材との間に電流を流して拡散接合する高導電性被溶接物の溶接方法において、前記高導電性被溶接物に、該高導電性被溶接物の接合面から突出する第１のプロジェクションと、該第１のプロジェクションの接合面側の一部分から突出し、前記第１のプロジェクションの前記面積よりも小さい面積の格子状模様のプロジェクションであって、格子状部分が突出している格子状突起である第２のプロジェクションとからなる上下２段構造のプロジェクションを形成する工程と、前記高導電性被溶接物に形成されている前記上下２段構造のプロジェクションを前記他の金属部材に当接させる工程と、互いに当接している前記高導電性被溶接物と前記他の金属部材とを、弾性力を含む加圧力で加圧した状態でパルス状溶接電流を通電する工程と、を備えることを特徴とする高導電性被溶接物の溶接方法を提供する。

前記第１の発明は、第１のプロジェクションの上に第２のプロジェクションを形成した上下２段構造のプロジェクションを有するので、スズのような低融点金属膜を接合面に形成することなく、簡便に大きな溶接強度を得ることのできる銅部材又はアルミニウム部材などの高導電性被溶接物を提供することができる。また、従来のように高導電性被溶接物よりも導電率の低い低融点金属膜を形成しなくても安定に抵抗溶接できるので、低融点金属がチリとして飛散することは無く、更に接合部に低融点金属が混入することがないので、接合部の抵抗が増大することはない。

前記第２の発明によれば、高導電性被溶接物が上下２段構造のプロジェクションを有するだけでなく、弾性力を含む加圧力で加圧した状態でパルス状溶接電流が通電されるので、スズのような低融点金属膜を接合面に形成することなく、銅部材又はアルミニウム部材などの高導電性被溶接物を簡便に抵抗溶接でき、安定かつ良好な溶接結果を得ることができる。特に導電率が非常に高い銅部材同士又はアルミニウム部材同士、あるいは銅部材とアルミニウム部材との抵抗溶接であって、一方の部材が２ｍｍ以下の薄板であっても、溶接電極との間で接合を生じることなく、安定かつ良好に抵抗溶接することができる。

[実施形態１]
図１によって本発明に係る被溶接物の実施形態１について説明する。図１は実施形態１に係る高導電性被溶接物の上下２段構造のプロジェクションの基本的な構造を説明するための図である。先ず、本発明が適用できる範囲は一般的な様々な同種の金属材料同士、あるいは様々な異種の金属材料からなる被溶接物などの抵抗溶接であるが、特に実施形態１では抵抗溶接（本発明では拡散接合と同意義である。）が極めて難しいとされている銅又は銅合金同士の抵抗溶接を例として以下に説明する。本明細書においては、「銅部材」とは「銅又は銅合金」を意味する。銅部材又はアルミニウム部材は、一般に鋼板やステンレス材料に比べて導電率が高いので、銅部材同士又はアルミニウム部材同士、あるいは銅部材とアルミニウム部材との抵抗溶接は特に難しいとされており、実施形態１を説明する前にこの点について説明する。

金属材料の抵抗溶接は、溶接電流が流れるときに金属材料の有する抵抗が生じる発熱によって双方の金属材料の当接面で塑性流動、つまり軟化が起こり、接合が行われる。しかしながら、銅部材の抵抗は極めて小さいためにその抵抗により発熱する発熱量が不足し、要求される接合強度が極めて小さい場合を除いて、満足の行く抵抗溶接結果を得るのは難しいというのが大きな理由である。要求される接合強度が極めて小さい拡散接合は可能であっても、現実に要求される接合強度を満足するには、高導電性被溶接物である銅部材の接合部の形状や表面状態、溶接電流の条件、溶接装置の諸々の特性など種々の制約が厳しい上に、予めスズ膜のような低融点金属膜を形成しておかなければならないために実際の製造ラインに適用することは難しかった。例えば、銅部材が純銅であるとすれば、広く使用されている銅合金からなる溶接電極の抵抗率は銅部材よりも高くなるので、銅部材における発熱よりも溶接電極での発熱の方が大きくなり、当然に銅部材間の接合面に比べて溶接電極と銅部材との界面でより大きな発熱が生じ、溶接電極と銅部材との間で接合が起こるという不都合が生じる。このことは、銅部材が数ｍｍ以下の厚みの薄板、特に２ｍｍ程度以下の薄板の場合、銅部材の厚み方向の抵抗が極めて小さくなるために顕著であり、銅部材のプロジェクション、溶接電流波形、抵抗溶接装置などの諸条件を選定しても、銅部材同士の接合面にスズ膜のような比較的抵抗の大きな低融点金属膜が介在しなければ、安定性も含めて満足の行く溶接結果は得られなかった。実施形態１では、銅部材同士の接合面にスズ膜のような低融点金属膜を形成しなくても、抵抗溶接工程を実際の製造ラインに容易かつ簡便に適用することを可能にする上下２段構造のプロジェクションを有する銅部材及びその抵抗溶接方法を提供する。

図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、銅部材である第１の被溶接物Ｗ１の片面には上下２段構造のプロジェクションＰが形成されている。上下２段構造のプロジェクションＰは、第１の被溶接物Ｗ１の片面の小面域から突起するように形成されている第１のプロジェクションＰ１及び第１のプロジェクションＰ１の上面から突起するように形成されている複数個の第２のプロジェクションＰ２からなる。第１のプロジェクションＰ１は作り易い高さ、例えば一般的なプロジェクションと同程度である０．５〜１．０ｍｍの高さを有する小円板状のものである。その面積は要求される接合強度などの条件によって決まり、要求される接合強度が得られる大きさであるので様々である。この第１のプロジェクションＰ１は溶接電流、つまり発熱が接合面で横方向に広がるのを制限する働きを行い、溶接時には塑性流動化する突起であるので、小円板状に限らず、形状は任意の形状の角形（菱形を含む）、環状などの突起であってもよい。ここでは小円板状又は小角形板状の突起を小台座状の突起と言う。この第１のプロジェクションＰ１は第１の被溶接物Ｗ１を加工して形成した突起であるから当然に第１の被溶接物Ｗ１と材質は同一である。なお、前記小台座状の突起は、その断面が図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すような任意の台形状、あるいは図示されていない矩形状などであっても構わない。

第１のプロジェクションＰ１の上には、図１（Ａ）に示すように格子状模様の第２のプロジェクションＰ２が形成されている。格子状部分をＰａで示し、格子状部分Ｐａで囲まれている島状部分をＰｂで示す。格子状部分Ｐａが突起部分なっていて、島状部分Ｐｂが格子状部分Ｐａよりも凹んでいるのが、図１（Ｂ）に示す格子状突起であり、格子状部分Ｐａが溝になっていて、島状部分Ｐｂが格子状部分Ｐａよりも突出していて高くなっているのが、図１（Ｃ）に示す島状突起である。実施形態１においては、第２のプロジェクションＰ２が前述の格子状突起又は島状突起のいずれからなってもよい。ここで格子状模様とは、格子状部分Ｐａで囲まれている島状部分Ｐｂが図１（Ａ）に示すような４角形に限られず、菱形、円形状、３角形状、あるいは５角形以上の任意の多角形状となるように、格子状部分Ｐａが任意の形状で形成されていればよい。第２のプロジェクションＰ２の上端面が破線で示す第２の被溶接物Ｗ２に当接し、初期の接合面Ａを形成する。

接合部にナゲットが形成される鋼板同士などの抵抗溶接の場合と違って、高導電性被溶接物の抵抗溶接は実質的にプロジェクションの面域で接合が行われるから、前述したように、第１のプロジェクションＰ１は要求される接合強度を得ることができる程度以上の大きさの面積を接合面側に有していなければならず、所望の接合強度を得るには従来のようにそれだけ大きな電流を流さなければならない。第２のプロジェクションＰ２は、第２の被溶接物Ｗ２との当接する初期の当接面積を低減するためのものである。例えば、第２のプロジェクションＰ２における第２の被溶接物Ｗ２との初期の当接面積が第１のプロジェクションＰ１の接合面側の面積に比べて１／３であるとすれば、第２のプロジェクションＰ２と第２の被溶接物Ｗ２との初期の当接面積を流れる溶接電流の電流密度をほぼ３倍にすることができ、第２のプロジェクションＰ２は大幅に塑性流動化し易くなる。しかし、一般的に抵抗溶接時には第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との間に大きな加圧力（鍛圧）がかけられるので、第２のプロジェクションＰ２が溶接電流で塑性流動化する前に、その加圧力で変形するのは容認できるとしても、圧潰して、つまり潰れてしまっては第２のプロジェクションＰ２の役割を十分に果たせず、第２のプロジェクションＰ２を設けた効果が薄れてしまう。したがって、第２のプロジェクションＰ２は、前記初期の当接面積、つまり接合面積Ａが所望の接合強度を得るのには小さいが、溶接時に印加される加圧力に対して圧潰し難い大きさの突起構造でなければならない。したがって、第２のプロジェクションＰ２を形成する突起の高さは制限されないが、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との間に大きな加圧力がかけられたときに、図１（Ｂ）に示す格子状突起のときには格子部分Ｐａが変形しても島状部分Ｐｂが第２の被溶接物Ｗ２に当接しない程度の高さを少なくとも持ち、また、図１（Ｃ）に示す島状突起のときには島状部分Ｐｂが変形しても格子部分Ｐａが第２の被溶接物Ｗ２に当接しない程度の高さを持たなければならない。

次に、図２によって別の上下２段構造のプロジェクションを有する実施形態２の被溶接物について説明する。図２は、上下２段構造のプロジェクションＰ近傍の断面を拡大して示している。図２において、図１で用いた記号と同じ記号は同一の名称を示すものとする。銅部材のような高導電性被溶接物である第１の被溶接物Ｗ１の片側の小面域に形成された上下２段構造のプロジェクションＰの第１のプロジェクションＰ１は、図１に示したものと同じであるので説明を省略する。第１のプロジェクションＰ１上に形成された第２のプロジェクションＰ２は中央が第１のプロジェクションＰ１の上面に等しくなるよう凹んでいる環状の突起からなる。環状の第２のプロジェクションＰ２は円環状突起であっても良いし、あるいは任意の多角形状の環状突起であっても良い。また、環状突起は連続する環状でなくともよく、不図示の溝によって分断された環状の突起であっても良い。任意の形状の環状突起である第２のプロジェクションＰ２は、実施形態１と同様にその上端面、つまり初期の接合面Ａの面積が所望の接合強度を得るのには小さいが、溶接時に印加される加圧力に対して圧潰し難い大きさの突起構造でなければならない。第１のプロジェクションＰ１の周囲には環状の外周溝Ｘが形成されている。環状の外周溝Ｘの形状は、断面が台形状、Ｖ字形状、Ｕ字形状、角形状など任意の形状でよい。この環状の外周溝Ｘについては後述する抵抗溶接の一例の箇所で詳しく述べるが、溶接時に主に塑性流動化するプロジェクションＰの一部分を受け入れるものであり、溶接時に塑性流動化して外側に拡がるプロジェクションＰが外周溝Ｘに収容されるために、溶接の過程でプロジェクションＰの面積の拡大が抑制されるので、溶接電流の電流密度が減少するのを抑えることができる。また、外周溝Ｘはその深さだけ実質的に第１のプロジェクションＰ１の高さを高くするので、溶接時の第１のプロジェクションＰ１における熱が横方向に四散する量を低減させる。このことは、特に導電率が極めて高く、熱伝導も極めて良好な高導電性被溶接物同士の抵抗溶接にとっては溶接強度などに影響を与えるので大切である。

[実施形態３]
次に、図３によって別の上下２段構造のプロジェクションを有する実施形態３の被溶接物について説明する。図３は、上下２段構造のプロジェクションＰ近傍の断面を拡大して示している。図３において、図１、図２で用いた記号と同じ記号は同一の名称を示すものとする。銅部材のような高導電性被溶接物である第１の被溶接物Ｗ１の片側の小面域に形成された上下２段構造のプロジェクションＰの第１のプロジェクションＰ１の中央には中央孔Ｙが形成されている。したがって、この実施形態３の第１のプロジェクションＰ１は環状の突起からなる。その環状の突起は円環状又は任意の多角形状の突起で構わない。環状の第１のプロジェクションＰ１の上面には複数の島状の突起である第２のプロジェクションＰ２が形成されている。第１のプロジェクションＰ１が環状の突起からなる場合、第１のプロジェクションＰ１の接合側の上面の面積が環状でない従来の台座形状のプロジェクションと同程度の大きさであるとき、溶接電流の電流密度を低減せずに中央孔Ｙの面積分だけ環状の第１のプロジェクションＰ１の外径を台座形状のプロジェクションに比べて大きくできる。

そして、溶接時における第２のプロジェクションＰ２と第１のプロジェクションＰ１と図示しない第２の被溶接物の接合箇所との塑性流動化の過程で、第２の被溶接物も同じ銅部材であるときには、第２のプロジェクションＰ２と第１のプロジェクションＰ１との塑性流動化した一部分は中央孔Ｙに収容される。また、接合面を微視的に観察すると、プロジェクションＰが塑性流動化する過程で、プロジェクションＰが第２の被溶接物に食い込み、中央孔Ｙに対応する第２の被溶接物の面域部分は溶接電流がほとんど流れないので塑性流動化しないから、プロジェクションＰの塑性流動化に伴って第２の被溶接物の前記面域部分が中央孔Ｙ内に進入する。このことは、第１のプロジェクションＰ１における中央孔Ｙを囲む内周部分で少なくとも接合を生じ、この結果、台座形状のプロジェクションに比べて接合面積が大きくなるので、台座形状のプロジェクションよりも接合強度を向上させることができる。第２の被溶接物がアルミニウム部材からなる場合には、アルミニウムは銅に比べて硬度が小さくかつ抵抗率が大きいから、第２被溶接物は塑性流動化し易いので、プロジェクションＰは第２の被溶接物により食い込み易い。

中央孔Ｙは、プロジェクションＰの高さよりも深いこと、つまり第１の被溶接物Ｗ１の上面Ｂよりも深く形成されることが望ましい。このように深い場合には、図示しない第２の被溶接物の前記面域部分が第１のプロジェクションＰ１の塑性流動化の過程で中央孔Ｙ内に、第１の被溶接物Ｗ１の上面Ｂよりも深く進入できるから、より一層接合強度を向上させることができる。また、図示しない第２の被溶接物の前記面域部分が中央孔Ｙに進入する過程で、プロジェクションＰの塑性流動化した一部分も中央孔Ｙ内に収まるので、より抵抗溶接（拡散接合）面積を拡大し、溶接強度をさらに向上させる。なお、前述したように、第２のプロジェクションＰ２はその上端面、つまり初期の接合面Ａが所望の接合強度を得るのには小さいが、溶接時に印加される加圧力に対して圧潰し難い大きさの突起構造である。

[実施形態４]
次に、図４によって好ましい別の上下２段構造のプロジェクションを有する実施形態４の被溶接物について説明する。図４は、上下２段構造のプロジェクションＰ近傍の断面を拡大して示している。図４において、図１ないし図３で用いた記号と同じ記号は同一の名称を示すものとする。銅部材のような高導電性被溶接物である第１の被溶接物Ｗ１の片側の小面域に形成された上下２段構造のプロジェクションＰの第１のプロジェクションＰ１の周りには、環状の外周溝Ｘが形成されていると共に、第１のプロジェクションＰ１の中央には中央孔Ｙが形成されている。したがって、実施形態４の第１のプロジェクションＰ１も環状の突起からなる。環状の第１のプロジェクションＰ１の上面には複数の島状又は任意の形状の細い環状、格子状などの突起からなる第２のプロジェクションＰ２が形成されている。環状の第１のプロジェクションＰ１は断面が台形状であり、したがって、外周溝Ｘ及び中央孔Ｙの断面は作り易くかつ塑性流動化したプロジェクションＰが進入し易い逆の台形状となる。

環状の第１のプロジェクションＰ１の周囲に形成された外周溝Ｘは、実施形態２で説明したのと同様な働きを行い、溶接時に主に塑性流動化するプロジェクションＰの一部分を受け入れ、溶接強度などを改善する。また、中央孔Ｙは実施形態３で説明したのと同様な働きを行い、図示しない第２の被溶接物における中央孔Ｙに対応する面域部分が第１のプロジェクションＰ１の塑性流動化の過程で、中央孔Ｙ内に第１の被溶接物Ｗ１の上面Ｂよりも深く進入することも可能であるから、より一層溶接強度を向上させ得る。中央孔Ｙは、プロジェクションＰの高さよりも深く、つまり第１の被溶接物Ｗ１の上面Ｂよりも深くまで形成されるのが好ましい。

[実施形態５]
次に、このような環状の２段構造のプロジェクションＰが形成された銅部材のような高導電性被溶接物である第１の被溶接物Ｗ１と銅部材のような高導電性被溶接物である第２の被溶接物Ｗ２との抵抗溶接（拡散接合）を実現するのに好適なコンデンサ蓄勢式の抵抗溶接装置の一例を図５によって簡潔に説明する。この抵抗溶接装置が設置される床又はベース部材１に支持機構２が固定されている。支持機構２にはシリンダ装置などからなる加圧機構３が取り付けられ、加圧機構３の先端部には金属材料からなる可動ブロック４が取り付けられている。スプリング又は電磁加圧装置のような加圧補助部材５が可動ブロック４と支持部材６との間に備えられ、溶接電極の加圧応答を向上させる補助的な役割を行っている。高導電性部材同士、特に銅部材と銅部材との抵抗溶接ではこの加圧補助部材５の働きは大きい。ここで、支持部材６は直接又は間接的に加圧補助部材５の下端部に結合され、給電部としても作用する銅のような金属材料からなる。上部溶接電極７は支持部材６に支承されており、上部溶接電極７と向かい合った位置には下部溶接電極８が配置されている。加圧補助部材５の伸縮の影響を受けない高さに位置する可動ブロック４にはＬ字形の中間接続部材９が固定されている。支持部材６とＬ字形中間接続部材９との間を接続する撓み易い第１のフレキシブル導電部材１０が備えられ、Ｌ字形の中間接続部材９と一方の給電導体１２との間は第２のフレキシブル導電部材１１によって接続されている。上部溶接電極７と下部溶接電極８とは、例えば銅合金からなる。

給電導体１２と、下部溶接電極８に接続された他方の給電導体１３との間に溶接トランス１４の２次巻線Ｎ２が接続され、これに磁気的に結合された１次巻線Ｎ１にはインバータ回路又は半導体スイッチ回路のような放電回路１５が接続される。放電回路１５にはエネルギー蓄積用コンデンサ１６とそのコンデンサを充電する充電回路１７とが接続されている。抵抗溶接にあっては、溶接に寄与する溶接電流のほとんどは立ち上がりからピーク値近傍までの電流であるので、実施形態５の抵抗溶接では溶接電流がピーク値近傍まで立ち上がる時間が１０ｍｓ程度以下であり、７ｍｓであることが好ましい。このようなパルス幅の狭い急峻なパルス状電流が銅部材と銅部材との間に流れることができるように、放電回路１５、溶接トランス１４及び給電導体１２、１３など、エネルギー蓄積用コンデンサ１６の放電電流が流れる通電路はインダクタンスを最小にする回路構成になっている。そして、この構造では上部溶接電極７は僅かな外力で上下方向に上下動できる支持部材６に支えられていると同時に、即応性の高い弾性力を与えることができる加圧補助部材５に結合されているので、第１の被溶接物Ｗ１の上下２段構造のプロジェクションＰとこれに当接する面域の第２の被溶接物Ｗ２との塑性流動による上部溶接電極７と第２の被溶接物Ｗ２との間の微妙な加圧力の変化に対して、上部溶接電極７が即応することができる。なお、記号１８〜２０は３相交流入力端子を示す。

次に、抵抗溶接回路の概略を示す図６も用いて実施形態５に係る抵抗溶接について説明する。先ず、第１の被溶接物Ｗ１を下部溶接電極８上に載置し、その上に第２の被溶接物Ｗ２を載置する。次に、図５における加圧機構３が下方向に動作し、これに伴い、可動ブロック４、加圧補助部材５、支持部材６及び上部溶接電極７からなる上部溶接ヘッド全体が下降し、上部溶接電極７が第２の被溶接物Ｗ２に所定の加圧力を加える。このとき、第２の被溶接物Ｗ２の下面の一部面域は第１の被溶接物Ｗ１の第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面Ａ（図１〜図４）に加圧される。この所定の加圧力を加えている途中、あるいは加圧力がほぼ一定になった段階で、放電回路１５がオンして、充電回路１７により既にエネルギー蓄積用コンデンサ１６に充電されている電荷を、溶接トランス１４の１次巻線Ｎ１に放出する。これに伴い、１次巻線Ｎ１に比べて巻数が大幅に少ない１ターン又２ターン程度の２次巻線Ｎ２に大きな電流が発生し、上部溶接電極７と下部溶接電極８とその間に挟まれている第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とを介して急峻なパルス状の溶接電流が流れる。

溶接時に印加される前記加圧力によって第１の被溶接物Ｗ１の第２のプロジェクションＰ２は変形しても圧潰することはないから、前述のようなパルス状の溶接電流は、先ず第１の被溶接物Ｗ１の第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面Ａとこれに当接している第１の被溶接物Ｗ１の面域とに集中して短時間流れる。前述したように、第１の被溶接物Ｗ１の第１のプロジェクションＰ１に比べて面積の小さな第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面Ａは、上部溶接電極７と第２の被溶接物Ｗ２との当接面積、及び下部溶接電極８と第１の被溶接物Ｗ１との当接面積に比べて大幅に小さいので、それら当接面積を流れる溶接電流の電流密度に比べて、第１の被溶接物Ｗ１における第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面Ａと第２の被溶接物Ｗ２とが当接する当接面域を流れる溶接電流の電流密度は大幅に大きい。したがって、導電率が非常に高い銅部材同士、特に第２の被溶接物Ｗ２が２ｍｍ以下の厚みの薄板であっても、上部溶接電極７と第２の被溶接物Ｗ２との当接面、及び下部溶接電極８と第１の被溶接物Ｗ１との当接面で生じる発熱に比べて、第１の被溶接物Ｗ１における第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面Ａと第２の被溶接物Ｗ２との当接面で生じる発熱は大幅に大きくなる。また、その発熱は接合面において横方向に伝達されないので、先ずその発熱によって第２のプロジェクションＰ２が塑性流動し、そして第２のプロジェクションＰ２の塑性流動に伴い、その熱が第１のプロジェクションＰ１に伝達されると共に、第１のプロジェクションＰ１でも発熱するから、第１のプロジェクションＰ１が塑性流動を開始する。同様に、第２のプロジェクションＰ２に当接している第２の被溶接物Ｗ２の小面域、さらには第１のプロジェクションＰ１に当接する第２の被溶接物Ｗ２の当接面で塑性流動が生じる。

この塑性流動の過程で、第２のプロジェクションＰ２のほとんどは外周溝Ｘ及び中央孔Ｙに流入し、第１のプロジェクションＰ１の一部分は第２の被溶接物Ｗ２に食い込み、他の部分は外周溝Ｘ及び中央孔Ｙに収容され、良好な抵抗溶接（拡散接合）が行われる。仮に第２の被溶接物Ｗ２が２ｍｍ以下の厚みの銅の薄板であっても、その薄板と上部溶接電極７との当接面で接合が生じることはない。第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との抵抗溶接で、良好な溶接品質及び溶接強度が得られるのは前述したように、上下２段構造のプロジェクションＰに拠るところが大きいが、図５で述べた抵抗溶接装置の特性に負うところも大きい。したがって、図５に示した抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法について更に詳しく説明する。

先ず、加圧機構３が動作して下方向に動作すると、これに伴い、可動ブロック４、加圧補助部材５、支持部材６及び上部溶接電極７からなる上部溶接ヘッド全体が下降する。一方、図５には示さないが、図６を用いて前述したように、第１、第２の被溶接物Ｗ１、Ｗ２が下部溶接用電極８上にセットされ、上部溶接電極７下降して第２の被溶接物Ｗ２に当接される。上部溶接電極７と支持部材６とはその位置で停止するが、加圧機構３がさらに下降するのに伴い、加圧補助部材５が収縮され、可動ブロック４は加圧機構３と一緒に下降する。また、可動ブロック４が下降するのに伴い、第２のフレキシブル導電部材１１は大きく撓み、第１のフレキシブル導電部材１０は可動ブロック４と支持部材６と一緒に動くので最初の状態で下降するが、前述のように支持部材６が停止し、可動ブロック４が加圧補助部材５を収縮させながら下降するとき、最初の状態から少し変形する。しかし、前述のように第１のフレキシブル導電部材１０は第２のフレキシブル導電部材１１に比べて撓み易く作られているから、支持部材６と上部溶接電極７との動きに対する抵抗が軽減される。したがって、上部溶接電極７の即応性が改善される。

このように、加圧機構３が動作して下降運動を行っている過程で加圧補助部材５が収縮し、そして上部溶接電極７と下部溶接電極８間の圧力が予め決められたレベルに達すると、溶接トランス１４及び給電導体１２、１３から上部溶接電極７と下部溶接電極８とに短いパルス幅のパルス状溶接電流が供給され、前述したように第１の被溶接物Ｗ１の２段構造のプロジェクションＰと第２の被溶接物Ｗ２との当接部分が塑性流動化して抵抗溶接が行われる。ここで、溶接断面を観察すると、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との接合面にはナゲットは形成されておらず、この抵抗溶接は拡散接合であることを確認している。

説明が少し戻るが、第１の被溶接物Ｗ１の上下２段構造のプロジェクションＰの塑性流動化、さらにはプロジェクションＰに当接している第２の被溶接物Ｗ２の当接部分の塑性流動化が始まるのに伴ってその接合部分が先ず膨張するが、図５に示した加圧補助部材５がスプリングのような弾性部材であるときには、その溶接初期の接合部分の膨張を弾性部材が瞬時に吸収すると共に、常時、弾性部材が接合部分に加圧力を与えているので、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との塑性流動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５の応答速度が速ければ速いほど、パルス幅の短いパルス溶接電流を、つまり短時間に電流エネルギーを集中して第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との間に流すことができ、銅部材のような熱伝導の極めて良好なものでも、好ましい状態に塑性流動化させることができ、このことが銅部材同士でも満足の行く抵抗接合をできる一因となっている。このように、前述の上下２段構造のプロジェクションＰを一方の高導電性被溶接物に形成し、かつ溶接電極の応答速度が速く、ピーク値までに立ち上がるのに要する時間Ｔが１０ｍｓ程度以下と幅の狭いパルス状の溶接電流を用いているので、銅部材同士であっても低融点金属膜を形成することなくより安定に、かつ良好に抵抗溶接することができる。

なお、実施形態５では銅部材同士の抵抗溶接について述べたが、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とがアルミウム材料、あるいは第１の被溶接物Ｗ１が銅材料で、第２の被溶接物Ｗ２がアルミウム材料であっても同様に抵抗溶接できる。銅材料とアルミニウム材料とを溶接する場合には、前述の上下２段構造のプロジェクションを、硬度及び導電率が高い銅材料に形成することが大切である。前述の上下２段構造のプロジェクションは高導電性被溶接物同士の抵抗溶接に限ることなく、高導電性被溶接物とそれ以外の金属材料、又は通常の鋼板同士、あるいはステンレス部材と鋼板などの同種、異種の金属材料などにも適用でき、満足の行く抵抗溶接結果を得ることができるので、必要があればこれらにも本発明を適用できる。また、高導電性被溶接物は板状の部材に限られず、パイプ状、丸棒状、角棒状など種々の形状であっても同様に安定にかつ良好な溶接結果を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る上下２段構造のプロジェクションを有する高導電性被溶接物を示す図である。本発明の実施形態２に係る上下２段構造のプロジェクションを説明するための図である。本発明の実施形態３に係る上下２段構造のプロジェクションを説明するための図である。本発明の実施形態４に係る上下２段構造のプロジェクションを説明するための図である。本発明の実施形態５に係る抵抗溶接方法を実現するための抵抗溶接装置の一例を示す図である。本発明の実施形態５に係る抵抗溶接方法を説明するための図である。

符号の説明

Ｗ１・・・第１の被溶接物（高導電性被溶接物）
Ｗ２・・・第２の被溶接物
Ｐ・・・上下２段構造のプロジェクション
Ｐ１・・・第１のプロジェクション
Ｐ２・・・第２のプロジェクション
Ｐａ・・・格子状部分
Ｐｂ・・・島状部分
Ｘ・・・第１のプロジェクションＰ１の周囲に形成された外周溝
Ｙ・・・第１のプロジェクションＰ１の中央部に形成された中央孔
Ａ・・・第２のプロジェクションＰ２の初期の接合面
Ｂ・・・第１の被溶接物Ｗ１の上面
１・・・ベース部材
２・・・支持機構
３・・・加圧機構
４・・・可動ブロック
５・・・加圧補助部材
６・・・支持部材
７・・・上部溶接電極
８・・・下部溶接電極
９・・・Ｌ字形の中間接続部材
１０・・・第１のフレキシブル導電部材
１１・・・第２のフレキシブル導電部材
１２、１３・・・給電導体
１４・・・溶接トランス
１５・・・放電回路
１６・・・エネルギー蓄積用コンデンサ
１７・・・充電回路
１８〜２０・・・３相交流入力端子

Claims

溶接電流を通電することにより銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる他の金属部材と拡散接合される銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる高導電性被溶接物において、
前記高導電性被溶接物は、該高導電性被溶接物の接合面から突出する第１のプロジェクションと、該第１のプロジェクションの接合面側の一部分から突出し、前記第１のプロジェクションの前記面積よりも小さい面積の格子状模様のプロジェクションであって、格子状部分が突出している格子状突起である第２のプロジェクションとからなる上下２段構造のプロジェクションを備えることを特徴とする高導電性被溶接物。
銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる高導電性被溶接物と銅、銅合金又はアルミニウム材料からなる他の金属部材との間に電流を流して拡散接合する高導電性被溶接物の溶接方法において、
前記高導電性被溶接物に、該高導電性被溶接物の接合面から突出する第１のプロジェクションと、該第１のプロジェクションの接合面側の一部分から突出し、前記第１のプロジェクションの前記面積よりも小さい面積の格子状模様のプロジェクションであって、格子状部分が突出している格子状突起である第２のプロジェクションとからなる上下２段構造のプロジェクションを形成する工程と、
前記高導電性被溶接物に形成されている前記上下２段構造のプロジェクションを前記他の金属部材に当接させる工程と、
互いに当接している前記高導電性被溶接物と前記他の金属部材とを、弾性力を含む加圧力で加圧した状態でパルス状溶接電流を通電する工程と、
を備えることを特徴とする高導電性被溶接物の溶接方法。