JP4852269B2 - スタッド溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金製の母材に、マグネシウム又はマグネシウム合金製のスタッドを溶接する方法に関する。

マグネシウム又はその合金は、材料表面に強力な酸化皮膜を形成することと、酸化し易いことで、極めて溶接しにくい金属であると言える。一方、例えば、特許文献１などで、母材の上にスタッドを植設するスタッド溶接法が開示されている。このスタッド溶接法では、大容量のコンデンサーに電荷を蓄積しておき、先端に突起が設けられたスタッドを母材に接触した状態で、コンデンサーの電荷を急速放電し、スタッド先端と母材との間に瞬間的にアークを発生させ、スタッドの先端を母材に溶接するものである。

特開２００２−１７２４６５号公報

しかしながら、上記したスタッド溶接法をそのまま適用して、マグネシウム又はマグネシウム合金製の母材（以下、単に「母材」という）にマグネシウム又はマグネシウム合金製のスタッド（以下、単に「スタッド」という）を溶接することは難しく、スタッドに実質有効な接合強度を要求することは極めて困難であった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、マグネシウム又はその合金からなるスタッド及び母材を、十分な接合強度を有して溶接するスタッド溶接方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るスタッド溶接方法は、マグネシウム又はマグネシウム合金製の母材に、マグネシウム又はマグネシウム合金製のスタッドを溶接する方法であって、
先端に突起を備えた前記スタッドを前記母材に対して０．５〜１２ｍｍのギャップを開けて配置する第１工程と、
溶接開始スイッチの作動により、前記スタッドを急速に下げる第２工程と、
前記スタッドの急速下降による衝突で表面の酸化皮膜が破れた前記母材及び前記スタッドの突起の間に、コンデンサーに充電させた電荷を放電してアークを発生させて周囲に非酸化性の雰囲気を形成し、前記スタッドの先端を前記母材に溶接する第３工程とを有し、
しかも、前記コンデンサーの放電は、前記コンデンサーの放電のスイッチとなるサイリスタのゲートに溶接開始の信号として前記溶接開始スイッチの作動から０．５〜２秒の期間の長いパルス信号を用いて行い、前記スタッドの突起の直径は、前記スタッドの溶接部径の１／１２〜１／９であり、
更に、前記スタッドの突起は、スタッド材を不活性ガス中で、２５０〜４００℃に加熱してヘッダー加工によって行われている。

このスタッド溶接方法においては、スタッドを急速に下げて母材とスタッドとの間に放電させて、酸化皮膜を破りかつ放電によって非酸化雰囲気を作って溶接を行うので、より清純な溶接部となる。なお、母材とスタッドとのギャップが０．５ｍｍ未満の場合には、衝撃による十分な加速が得にくく、１２ｍｍを超えると間隔が有りすぎて装置自体がコンパクトにならず、しかも、スタッドと母材との衝突力にバラツキが生じやすい。
そして、コンデンサーの放電のスイッチとなる０．５〜２秒のパルス信号をゲートに加えてサイリスタを通電させるので、サイリスタの放電が確実となる。

第１の発明に係るスタッド溶接方法において、前記第２工程でのスタッドの下降は、前記スタッドが装着されスプリングによって下方に付勢された昇降部材を、前記スプリングに抗して引上げ、電磁石によって保持した後、前記電磁石の電流を遮断して前記昇降部材を急速下降することによって行うこともできる。これによって、電磁石の電源を切るとスプリングによって付勢された昇降部材が下降するので、構造が簡単となる。

また、第１の発明に係るスタッド溶接方法において、前記第２工程のスタッドの下降は、前記スタッドが装着された昇降部材をリニアモータによって下降させることもできる。これによって、下降速度等を細かく制御できるので、スタッドに応じた適切な制御が可能となる。

第１の発明に係るスタッド溶接方法において、前記スタッドの突起の直径は、前記スタッドの溶接部径の１／１２〜１／９である。なお、ここでスタッドの溶接部径とは、スタッドの下端にフランジが設けられている場合にはフランジの直径と等しく、フランジがない場合にはスタッドの直径と等しくなる。この理由は、突起の直径がより大きい場合、より大きなエネルギーが必要となって、入熱が過剰となり薄板溶接ができない。また、突起の直径がより小さい場合、抵抗が大きくなって全体的な入熱は増えるがスタッド下降時に突起が潰れたり折れたりして、溶接強度にバラツキが生じる。

また、前記スタッドの突起は、スタッド材を不活性ガス中で、２５０〜４００℃（２５０℃〜３００℃が更に好ましい）に加熱してヘッダー加工によって行う。これによってスタッドの塑性加工ができる。

そして、第２の発明に係るスタッド溶接方法は、第１の発明に係るスタッド溶接方法において、前記母材の溶接箇所が滑らかな曲がり面である場合、前記スタッドの前記突起を除く下端面を前記母材の溶接箇所に合わせている。これによって、溶接部がより母材に馴染み接合強度が向上する。
なお、以上の発明において、「下げる」及び「下降」とはスタッドを母材に近づける方向に移動（又は衝突）させることをいう。

請求項１、２記載のスタッド溶接方法は、母材と間に０．５〜１２ｍｍの間隔を開けて配置したスタッドを急速下降させながら、放電を開始するので、母材及びスタッドの表面に形成されている酸化皮膜が壊れる。母材及びスタッドの酸化皮膜が破壊された状態で、サイリスタのゲートにパルス信号を加えてコンデンサーの電荷が確実に放電してアークが発生して周囲に非酸化性の雰囲気を形成し、これによって従来困難であったマグネシウム又はその合金からなる母材とスタッドとの溶接が行われる。
更には、母材とスタッドとの間に形成された溶接部には、比較的酸化物が少なく、より強度を有する接合となる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係るスタッド溶接方法の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ同実施の形態に係る方法に使用するスタッドの一部切欠き側面図、図３（Ａ）は更に同実施の形態に係る方法に使用するスタッドの説明図、（Ｂ）及び（Ｃ）は同スタッドの正面図及び側面図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るスタッド溶接方法に使用するスタッド溶接装置１０は、複数のコンデンサー単位を並列に接続して構成される大容量のコンデンサー１１と、コンデンサー１１に商用電源から電荷を充電する充電回路１２と、コンデンサー１１の放電開始用のスイッチとなるサイリスタ１３と、母材１４の上に配置されるスタッド１５を保持し、所定の衝撃圧力でスタッド１５を母材１４に押し付けるスタッド溶接治具１６と、これらの制御回路１７とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。

スタッド溶接治具１６は、ガイド部材１８に沿って上下動可能な昇降部材の一例であるロッド（導体からなる）１９と、ロッド１９の下端に設けられ、スタッド１５を保持するホルダー２０とを有している。ロッド１９の中間にはバネ受け座２１が設けられ、バネ受け座２１と固定バネ受け板２２との間に設けられた圧縮バネ（スプリングの一例）２３によって下方に付勢されている。また、ロッド１９の上端には磁性物２４が設けられ、磁性物２４が貫通する電磁石２５が設けられ、この電磁石２５に通電した場合には、磁性物２４の取付けられたロッド１９が圧縮バネ２３に抗して上昇するが、電磁石２５の通電が遮断されると圧縮バネ２３の付勢力によってロッド１９、即ち、ロッド１９の先部に設けられたホルダー２０に装着されたスタッド１５が母材１４に衝突するようになっている。
なお、ガイド部材１８、固定バネ受け板２２及び電磁石２５は図示しない支持部材によって所定位置に固定されている。

コンデンサー１１に逆流防止用のダイオード２６を介して接続される充電回路１２は、コンデンサー１１の放電が終了し、サイリスタ１３がオフになったことを検知して作動し、所定電圧までコンデンサー１１を充電する構造となっている。サイリスタ１３のカソード（出力側）は導電性を有するロッド１９に可撓性のある導体で連結されている。制御回路１７は常時電磁石２５に通電電流を供給し、磁性物２４を吸引して、スタッド１５を引き上げておく構造となっている。

また、制御回路１７には、溶接開始スイッチ２７が設けられ、溶接開始スイッチ２７を作動させると、電磁石２５の通電を遮断すると共に、サイリスタ１３のゲートにパルス電流（パルス信号）を供給するようになっている。このパルス電流は比較的通電時間が長く（０．１秒を超え２秒以下）、スタッド１５が下降後、母材１４に先端の突起２８が当接して、コンデンサー１１の放電が行われるようになっている。
なお、スタッド１５の突起２８と母材１４の表面とのギャップＧは、常時０．５〜１２ｍｍの範囲のいずれかの距離に調整できる構造となっている。即ち、上部に設けられている電磁石２５の高さ位置を調整して、そのギャップＧを調整できるようになっている。

図２（Ａ）〜（Ｃ）にこのスタッド溶接方法に使用するスタッドの他の例を示すが、（Ａ）に示すスタッド３０はストレート型であるが、（Ｂ）に示すスタッド３１には下部にフランジ３２が設けられている。また、（Ｃ）に示すスタッド３３においては、下部が縮径しその下端に突起２８が設けられている。
次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）示すような特殊形状のスタッド３５もある。このスタッド３５は例えば、（Ａ）に示すように緩やかな曲線で形成される溝３６を有する母材３７の溝３６にスタッドを溶接する場合、（Ｂ）及び（Ｃ）に示すようにスタッド３５の下部のフランジ３８の底面（下端面）３９を溝３６の滑らかな曲がり面に沿わせることによって、より均等に強い強度でスタッド３５を母材３７に溶接できる。

なお、スタッド１５、３０、３１、３３、３５の突起２８の直径は、スタッドの溶接部径の１／１２〜１／８（より好ましくは、１／１０〜１／９）であるのがよい。なお、ここで溶接部径はフランジ３２を有するスタッド３１の場合はフランジ３２の直径、段付きのスタッド３３の場合は段の付いた部分の直径、ストレート型のスタッド３０の場合はスタッドの直径をいう。ここで、突起２８の直径が小さいとスタッドを下降させて母材１４等に衝突させた場合、突起２８が潰れてしまい、突起２８の直径が大きいと溶接電流が不足し、仮に十分な溶接電流を供給できるとしても、過剰な入熱が溶接部に供給されて歪みが発生する等の問題がある。
また、マグネシウム合金（又はマグネシウム）からなるスタッド材からスタッドをヘッダー加工（プレス加工）によって形成する場合、常温では加工しにくいので、不活性ガス又は真空中で２５０〜４００℃程度に加熱してから行うのがよい。

続いて、図１を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るスタッド溶接方法について説明する。
先端に突起２８を備えたスタッド１５をホルダー２０に装着し、スタッド１５の突起２８を母材１４に対して０．５〜１２ｍｍ（例えば、３ｍｍ）のギャップを開けて配置する。この状態では電磁石２５は通電されてロッド１９は上昇している。また、コンデンサー１１は所定の電圧に充電されている。
この状態で溶接開始スイッチ２７を押すと、電磁石２５の励磁は解除され、サイリスタ１３のゲートにパルス電流が通電される。電磁石２５の通電が遮断されると、スタッド１５は圧縮バネ２３によって押されて急速下降し、母材１４に衝突して、スタッド１５の突起２８及び母材１４の酸化皮膜が瞬間的に破壊され、次に、コンデンサー１１からの放電が開始する。このコンデンサー１１の放電回路にはリアクトル等、コンデンサー１１の放電を緩和する素子は設けられていない。従って、放電電流は極めて短時間の間に急速放電し、更なる酸化皮膜を形成することなく、溶接が完了する。

前記実施の形態においては、ロッド１９の下降及び上昇は電磁石２５と圧縮バネ２３が行っているが、例えば、リニアモータを使用してロッド（昇降部材）の制御を行うこともでき、これによってより厳密な制御ができ、より品質のよい溶接部を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るスタッド溶接方法の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ同実施の形態に係る方法に使用するスタッドの一部切欠き側面図である。 （Ａ）は更に同実施の形態に係る方法に使用するスタッドの説明図、（Ｂ）及び（Ｃ）は同スタッドの正面図及び側面図である。

１０：スタッド溶接装置、１１：コンデンサー、１２：充電回路、１３：サイリスタ、１４：母材、１５：スタッド、１６：スタッド溶接治具、１７：制御回路、１８：ガイド部材、１９：ロッド、２０：ホルダー、２１：バネ受け座、２２：固定バネ受け板、２３：圧縮バネ、２４：磁性物、２５：電磁石、２６：ダイオード、２７：溶接開始スイッチ、２８：突起、３０、３１：スタッド、３２：フランジ、３３、３５：スタッド、３６：溝、３７：母材、３８：フランジ、３９：底面

Claims (2)

1. マグネシウム又はマグネシウム合金製の母材に、マグネシウム又はマグネシウム合金製のスタッドを溶接する方法であって、
   先端に突起を備えた前記スタッドを前記母材に対して０．５〜１２ｍｍのギャップを開けて配置する第１工程と、
   溶接開始スイッチの作動により、前記スタッドを急速に下げる第２工程と、
   前記スタッドの急速下降による衝突で表面の酸化皮膜が破れた前記母材及び前記スタッドの突起の間に、コンデンサーに充電させた電荷を放電してアークを発生させて周囲に非酸化性の雰囲気を形成し、前記スタッドの先端を前記母材に溶接する第３工程とを有し、
   しかも、前記コンデンサーの放電は、前記コンデンサーの放電のスイッチとなるサイリスタのゲートに溶接開始の信号として前記溶接開始スイッチの作動から０．５〜２秒の期間の長いパルス信号を用いて行い、前記スタッドの突起の直径は、前記スタッドの溶接部径の１／１２〜１／９であり、
   更に、前記スタッドの突起は、スタッド材を不活性ガス中で、２５０〜４００℃に加熱してヘッダー加工によって行われていることを特徴とするスタッド溶接方法。
2. 請求項１記載のスタッド溶接方法において、前記母材の溶接箇所が滑らかな曲がり面である場合、前記スタッドの前記突起を除く下端面を前記母材の溶接箇所に合わせていることを特徴とするスタッド溶接方法。

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