JP5339248B2

JP5339248B2 - 金属材の溶接方法

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Publication number: JP5339248B2
Application number: JP2009129708A
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Inventors: 昌幸三宅; 栄三郎中西; 隆彦金井; 宗久八田; 文昭生田; 一博川嵜
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Description

本発明は金属材の溶接方法に係り、詳しくは、重ね合わせたワークをシーム溶接する方法に関する。

一般的な鋼板の溶接においては、図１２（Ａ）〜（Ｄ）に４通りのシーム溶接の方法が示されている。図において、１０４はローラ電極で一対有し、１０６は点線で示す継手部（又は溶接部と呼ぶ）であり、１０９はワークを示す。図１２（Ａ）は大径管に小径管を差し込み、嵌合部を周方向にシーム溶接するところを示している。図１２（Ｂ）は鋼板を円筒形状に曲成し円周方向の端面同士を重ね合わせてこの重ね合わせ面をシーム溶接するところを示している。図１２（Ｃ）は鋼板の長辺の端縁同士を重ねシーム溶接するところを示している。図１２（Ｄ）は、鋼板の端辺の端縁同士を重ねシーム溶接するところを示している。このように、シーム溶接は、様々な形状の鋼板を溶接するために使用されている。

従来、ワーク１０９の重ね合わせ方に応じて、ラップシーム溶接方法やマッシュシーム溶接方法が使用されている（非特許文献１参照）。
図１３（ａ）はラップシーム溶接方法を示す模式図である。ラップシーム溶接方法は、図１３（ａ）に示すように、ワーク１０９の重ね部分を十分に広くし、ワーク１０９の重ね部分の中央だけを局所的に溶接する方法である。図１３（ｂ）はマッシュシーム溶接方法を示す模式図であり、図１４は図１３（ｂ）のマッシュシーム溶接を示す拡大斜視図である。マッシュシーム溶接方法は、鋼板１０９の端部同士を重ね合わせて溶接する方法である。ラップシーム溶接とマッシュシーム溶接の違いは、ワーク１０９となる鋼板の重ね代で区別されている。つまり、溶接線の両端に未溶着部分を残すことが少ない溶接方法がマッシュシーム溶接方法である。ラップシーム溶接の場合、溶接部において、溶接がされない未溶着部分（未溶接部分とも呼ばれている。）が発生することが知られている（例えば、特許文献１、段落［００２３］参照）。

図１５は端縁同士を重ね合わせた鋼板を従来のマッシュシーム溶接方法により得られる溶接部の断面図である。図１５に示すように、鋼板１０９同士をマッシュシーム溶接した溶接部１１０の断面では、溶接部１１０の中央に溶接箇所１１１とこの溶接箇所１１１の両側に未溶着部分１１２とが生じる。なお、溶接箇所１１１はナゲット又は溶融凝固部とも呼ばれている。マッシュシーム溶接方法は、ラップシーム溶接方法に比べて重ね代が少ないので未溶着部分１１２が少ない。

マッシュシーム溶接は高速溶接が可能であるが、ワーク１０９の板厚差や強度差が大きい場合には適さない。特許文献２には、板厚の異なる板状ワークをマッシュシーム溶接するために、一対のローラ電極において、上部電極と下部電極のワークに対する押圧力を変えて印加するマッシュシーム溶接装置が開示されている。

特開２００２−１６００７０号公報特許第３３５０９３３号

社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成２年９月３０日、ｐｐ．１３４−１３５

ラップシーム溶接やマッシュシーム溶接等のシーム溶接においては、溶接部で発生する未溶着部分の存在が欠点となっている。この未溶着部分に曲げモーメントが発生し、加えて重ね部分に応力が集中してき裂が進展する可能性があるので、シーム溶接は重要部品には適さず、用途が制限されている。

従って、従来のマッシュシーム溶接はワークの重ね部分に応力が集中するので溶接されたワークは疲労強度に弱いという課題がある。

また、近年、自動車鋼板は車体の軽量化及び衝突安全性向上の要請から高張力鋼板が使用されているが、高張力綱板をマッシュシーム溶接すると継手部（溶接部）の硬化が大きく溶接はできないという問題があった。つまり、高張力鋼板はカーボン量が多いため焼きが入り、溶接強度が得られない。このため、マッシュシーム溶接された溶接部で破断し、所謂母材破断となる所定の溶接強度は得られなかった。

本発明は、上記課題に鑑み案出されたもので、一般の鋼板製のワークの重ね部分のシーム溶接において未溶着部を無くすことができる金属材の溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する溶接方法であって、一対のローラ電極により重ね合わせ部分を挟んで、一対の第１ローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して重ね合わせ部分の所定領域を加熱すると共に、一対のローラ電極間に第１の周波数とは異なる第２の周波数の電力を印加して所定領域の周縁領域を加熱することで、第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の他の構成は、第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する溶接方法であって、一対の第１ローラ電極と、一対の第１ローラ電極から離れた位置で重ね合わせ部分を挟む一対の第２ローラ電極とにより重ね合わせ部分を挟んで、一対の第１ローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して重ね合わせ部分の所定領域を加熱し、一対の第２ローラ電極間に第１の周波数とは異なる第２の周波数の電力を印加して重ね合わせ部分を加熱することで、第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする。

上記構成において、一対の第２ローラ電極を、一対の第１ローラ電極の溶接進行方向の上流側へ離れた位置に設け、一対の第２ローラ電極間に第２の周波数を印加して重ね合わせ部分を予熱し、一対の第１ローラ電極間に第１の周波数に重畳して第１の周波数と異なる第２の周波数の電力を印加して本加熱してもよい。
一対の第２ローラ電極を、一対の第１ローラ電極の溶接進行方向の下流側へ離れた位置に設け、一対の第１ローラ電極間に第１の周波数の電力を印加して本加熱し、本加熱の後で、一対の第２ローラ電極間に第２の周波数を印加して重ね合わせ部分の加熱を行ってもよい。
一対の第２ローラ電極間に、第２の周波数に重畳して第１の周波数を印加してもよい。

上記目的を達成するため、本発明のさらに他の構成は、第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する溶接方法であって、一対の第１ローラ電極により重ね合わせ部分を挟んで、一対の第１ローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して上記重ね合わせ部分の所定領域を加熱すると共に、一対の第１ローラ電極により第１の周波数と異なる第２の周波数の周波数の電力によって上記所定領域の周縁領域を加熱し、一対の第１ローラ電極の中の一方のローラ電極と、該一方の第１ローラ電極から離れた位置で同一面上を転動する少なくとも１個の第２ローラ電極と、の間に第１の周波数とは異なる第２の周波数を印加して重ね合わせ部分の予熱又は後熱を行い、第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする。
上記各構成において、第２の周波数を第１の周波数よりも高くし、第２の周波数の電力によって所定領域の周縁領域を加熱してもよい。

本発明によれば、従来において一般の鋼板製のワークの重ね部分のシーム溶接においてナゲット外周に生じた未溶着部を無くすことができる、金属材の溶接方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。重ね合わせた２枚の鋼板へ低周波電源と高周波電源とから電力を同時に印加したとき鋼板に生じる電流分布を模式的に示す断面図である。鋼板の加熱状態を示す図である。一対の電極に流れる電流波形を模式的に示す図である。マッシュシーム溶接したときの金属材の断面を模式的に示す図である。他の実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。図６の実施形態に係る金属材の溶接方法における加熱波形を示す図である。他の実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。他の実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。他の実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。他の実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置を模式的に示す図である。従来のシーム溶接方法を示す図である。（ａ）はラップシーム溶接方法を実施するための溶接装置の模式図であり、（ｂ）はマッシュシーム溶接方法を示す模式図である。図１３（ｂ）のマッシュシーム溶接方法を示す拡大斜視図である。従来の重ね合わせた鋼板をマッシュシーム溶接方法で溶接した溶接部の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１に示すように、この実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置１は、重ね合わせられた第１ワーク（鋼板）９と第２ワーク（鋼板）９を挟む一対のローラ電極４，４と、電源部１０と、電源部１０の出力制御を行う通電制御部１１と、を含んで構成されている。電源部１０は、ローラ電極４，４にインダクタンス５を介して接続される溶接用電源６と、ローラ電極４，４にコンデンサ７を介して接続される高周波電源８とを有してなる。通電制御部１１は、溶接用電源６及び高周波電源８の各出力制御を行う。なお、金属材の溶接装置１は、図示していないが、一対のローラ電極４，４を回転駆動する駆動機構、一対のローラ電極４，４で第１ワーク９と第２ワーク９を押圧するローラシャフト加圧機構、第１ワーク９と第２ワーク９を両側から押圧するワーク押圧機構（図示せず）等をさらに備えている。一対のローラ電極４，４をワーク方向に押圧するローラシャフト加圧機構は、被溶接部材となる第１ワーク９と第２ワーク９を加圧するために使用される。

金属材の溶接装置１は、重ね合わせた第１ワーク９及び第２ワーク９をシーム溶接する装置であればよく、ラップシーム溶接やマッシュシーム溶接ができる装置である。
以下の説明では、金属材の溶接装置１をマッシュシーム溶接用の金属材の溶接装置として説明する。この金属材の溶接装置１は、ローラ電極４，４が転動してワーク９，９の重ね部分を溶接するものとして説明する。しかし、ローラ電極４，４を一定の位置で固定して、第１ワーク９及び第２ワーク９を溶接方向に移動して溶接する構成とすることもできる。

一対のローラ電極４，４は隙間を空けて対向しており、その隙間にワーク９となる金属材として２枚の鋼板が挿入される。ローラ電極４，４は例えば銅材で、円板形状に形成されている。

図１に示すように、金属材の溶接装置１の電気回路は、溶接用電源６と高周波電源８とからなる電源部１０と、インダクタンス５と、コンデンサ７と、通電制御部１１と、を含んで構成されている。溶接用電源６は低周波電源（第１電源部とも呼ぶ）であり、該溶接用電源６は例えば出力周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである商用電源１２と、商用電源１２の一端に接続される低周波電源制御部１４と、商用電源１２の他端と低周波電源制御部１４の出力端に接続される溶接トランス１６と、から構成されている。低周波電源制御部１４は、サイリスタなどの電力制御用半導体素子及びゲート駆動回路等から構成されており、商用電源１２からローラ電極４への通電制御などを行う。

高周波電源８（第２電源部とも呼ぶ）は、発振器１８と、発振器１８の出力端に接続される整合トランス２０とから構成されている。整合トランス２０は、一端が上部側ローラ電極４に接続され、他端がコンデンサ７を介して下部側ローラ電極４に接続されている。発振器１８は、各種のトランジスタを用いたインバータなどから構成されており、ローラ電極４，４への高周波電源８の通電電力等を制御する。高周波電源８の通電電力は、通電制御部１１によって制御される。

図１に示すように、溶接トランス１６の２次巻き線から上部側ローラ電極及び下部側ローラ電極４，４までの配線経路には、インダクタンス５が挿入されている。インダクタンス５は上記配線経路で形成される浮遊インダクタンスを利用することができる。

コンデンサ７は、後述する直列共振回路の整合用コンデンサを兼ねることができる。コンデンサ７が整合用コンデンサを兼ねる場合には、この整合用コンデンサ７とインダクタンス５とによる直列共振回路を構成してもよい。コンデンサ７の容量値は、発振器１８の発振周波数とインダクタンス５に依存する。

（低周波電源６と高周波電源８との分離）
低周波電源６と高周波電源８との関係について説明する。
低周波電源６と高周波電源８との間には、インダクタンス５とコンデンサ７とが接続されており、低周波数（ｆ_Ｌ）におけるインダクタンス５（Ｌ）による誘導性リアクタンスＸ_Ｌ（Ｘ_Ｌ＝２πｆ_ＬＬ、ここで、ｆ_Ｌは低周波電源６の周波数であり、Ｌはインダクタンス５の値である。）は低周波数では小さい。
一方、コンデンサ７（Ｃ）による容量性リアクタンスＸ_Ｃ（Ｘ_Ｃ＝１／（２πｆ_ＬＣ））は低周波数（ｆ_Ｌ）では大きな値となる。このため、低周波電源６の高周波電源８への電流漏洩は、低周波数（ｆ_Ｌ）におけるコンデンサ７の大きい容量性リアクタンスＸ_Ｃで阻止される。つまり、コンデンサ７は低周波電流阻止用コンデンサとなる。

高周波電源８から低周波電源６を見た場合のインピーダンスの内、高周波数（ｆ_Ｈ）の容量性リアクタンスＸ_Ｃ（Ｘ_Ｌ＝１／（２πｆ_ＨＣ）、ここで、ｆ_Ｌは高周波電源８の周波数である。）は高周波数では小さな値となる。
一方、高周波数では、インダクタンス５による誘導性リアクタンスＸ_Ｌ（Ｘ_Ｌ＝２πｆ_ＨＬ、ここで、ｆ_Ｈは高周波電源８の周波数である。）は大きな値となる。このため、高周波電源８の低周波電源６への電流漏洩は、高周波数（ｆ_Ｈ）におけるインダクタンス５の大きい誘導性リアクタンスＸ_Ｌで阻止される。つまり、インダクタンス５は、高周波電流阻止用インダクタンスとなる。

金属材の溶接装置１において、コンデンサ７は低周波電源６から高周波電源８への電流阻止用コンデンサとして作用し、インダクタンス５は高周波電源８から低周波電源６への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。

溶接トランス１６からローラ電極４，４への配線で生じる浮遊インダクタンス５が大きくない場合には、金属材の溶接装置１において高周波数で所定の誘導性リアクタンスＸ_Ｌとなるように、高周波電流阻止用のインダクタンス１３をさらに追加してもよい。この外付けインダクタンス１３は、例えば、低周波電源６側の溶接トランス１６の２次巻き線側に接続することができる。

本発明の金属材の溶接装置１の特徴は、低周波電源６と高周波電源８との分離をインダクタンス５及びコンデンサ７で行っている点と、ローラ電極４，４に低周波電源６と高周波電源８の周波数の異なる２周波数の電源を同時に印加できる点にある。

（ワーク（以下、ここでは鋼板という。）に生じる電流分布）
図２は、重ね合わせた２枚の鋼板９，９へ低周波電源６と高周波電源８とから電力を同時に印加したとき鋼板９，９に生じる電流分布を模式的に示す断面図であり、図３は鋼板９の加熱状態を示す図である。
図２において、実線は高周波電源８による高周波電流２２を示し、点線は低周波電源６による低周波電流２４を示している。ローラ電極４は銅からなり、低周波電源６の周波数は５０Ｈｚである。１枚の鋼板９の厚さは２ｍｍであり、高周波電源８の周波数は４０ｋＨｚである。低周波電流２４はローラ電極４，４の内部全体を流れ、鋼板９は、おおよそナゲット径の断面積幅で通電される。

図３（Ａ）は、低周波電流２４だけによる鋼板９の加熱領域を示す平面図であり、ローラ電極４が鋼板９と接触している面を表している。図２に示すローラ電極４と鋼板９との接触領域は、図３（Ａ）に示すように四角形になり、四角形の内部９Ａが主たる加熱領域となる。ここで、四角形は、各頂部が丸みを帯びた形状を有している。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＸ−Ｘ方向の温度分布であり、鋼板９において、四角形内部９Ａが集中的に加熱される。Ｘ−Ｘ方向は、ローラ電極４の進行方向に対して垂直である。

一方、図２に示すように、高周波電流２２はローラ電極４の表面及びナゲット外周領域に電流が集中する。低周波電流２４と高周波電流２２の分布が異なるのは、所謂表皮厚さに関係している。
図３（Ｃ）は、図２に示す高周波電流２２だけによる鋼板９の加熱領域を示す平面図であり、ローラ電極４が鋼板９と接触している面を表している。ローラ電極４と鋼板９との接触領域は、図に示すように四角形の外周及び四角形の外周近傍、つまり、四角形のリング状の領域９Ｂが主たる加熱領域となる。リング状の領域９Ｂを、四角形内部９Ａの周縁領域又は近傍領域とも呼ぶ。
図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＸ−Ｘ方向の温度分布であり、鋼板９において、四角形の外周及び四角形の外周近傍のリング状領域９Ｂが抵抗加熱される。この場合、図２に示す高周波電流２２による加熱は、ローラ電極４の表面を流れる高周波電流２２により近接する鋼板９が誘導加熱される領域も含まれる。この誘導加熱は、誘導加熱コイルを用いた通常の誘導加熱とは異なる。
従って、リング状領域９Ｂの加熱は、高周波電流２２による抵抗加熱、又は、この抵抗加熱と共に上記高周波誘導加熱が重畳した加熱によって行うことができる。

図３（Ｄ）において、さらに図１の高周波電源８の動作周波数を変化させることによって、リング状領域９Ｂの幅を変化させることができる。実際に、図２に示す低周波電流２４を通電してマッシュシーム溶接を行った場合、高周波電源８の動作周波数を変化させると、ナゲット外周領域の高温領域の幅が変化することも確認できた。従って、高周波電流２２によるリング状領域９Ｂの加熱は、図２に示す高周波電流２２による抵抗加熱、又はこの抵抗加熱と共に上記高周波誘導加熱を重畳した加熱によって行うことができる。

従って、重ね合わせた２枚の鋼板９へ低周波電源６と高周波電源８とから電力を同時に印加したとき鋼板９の加熱領域は、図３（Ｅ）に示すように低周波電流２４の通過領域となる四角形内部９Ａと高周波電流２２の通過領域となるリング状領域９Ｂを重畳したものとなる。さらに、これらの電流２２，２４で生じる鋼板９の温度分布は、図３（Ｆ）に示すように低周波電流２４による温度分布（図３（Ｂ）参照）と高周波電流２２による温度分布（図３（Ｄ）参照）を重畳したものとなる。

（表皮厚さ）
表皮厚さ（δ）は、下記（１）式で表わされる。
δ＝５０３．３×（ρ／（μ×ｆ））^１／２（ｍ）（１）
ここで、ρは材料の抵抗率（Ω・ｍ）、μは材料の比透磁率、ｆは周波数（Ｈｚ）である。変数であるρは材料温度の関数であり、μは温度及び磁界強度の関数である。
表皮厚さは、周波数の−１／２乗で変化するので、同じ材料であれば低周波数程厚くなり、高周波数になれば薄くなる。一般にマッシュシーム溶接用の電源は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなので溶接の進行方向の厚さが６ｍｍ程度のローラ電極４，４であれば電流は、ローラ電極４，４全体に流れる。

高周波電流を導体（ここでは鋼のローラ電極４，４）に通電すると表皮効果により銅のローラ電極４，４の表面のみを流れる。銅のローラ電極４，４間で鋼板９を挟み高周波で通電すると高周波電流は鋼板９の表面のみに流れようとするが、反対側のローラ電極４の近傍に集まるので電流密度としてはローラ電極４近傍が高く、結果的にローラ電極４近傍がドーナツ状に昇温される。つまり、鋼板９のローラ電極４，４近傍において、ローラ電極４，４に高周波の大電流が流れているので、この電流によって発生する磁束により鋼板９は誘導加熱される。誘導加熱部分と直接通電部分の加算によりローラ電極４，４近傍の鋼板９がドーナツ状に昇温される。鋼板９のエッジ部分は直接通電と誘導加熱による昇温によるが、誘導加熱による昇温分は鋼板９の板厚と動作周波数とが密接な関係にある。つまり動作周波数を最適なものとしなければ効率の悪い装置となってしまう。

ここで、厚さが２ｍｍの鋼板９同士での加熱を考えると、誘導加熱による効率の良い電源周波数は２００ｋＨｚ位の周波数になるが、高周波加熱では送電ロスが多くなり、装置全体の効率を考えると１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ位が最適となる。
電源周波数決定において上記式（１）の変数を決める必要がある。この時に最も必要となるのが昇温部分の昇温値である。
本実施形態では高周波にて予熱加熱と本加熱との働きを持っており、予熱加熱の昇温値は３００℃前後となり本加熱は７００℃前後となる。高周波の働きを予熱、本加熱のどちらを主眼とするかで電源周波数は異なるが、厚さが２ｍｍの鋼板９同士を加熱する場合に予熱、本加熱を考慮し計算すると、電源周波数は３０ｋHz〜２００kHzとなる。しかし、一般的に周波数が高いと送電損失が増加し、電源そのものの価格も上昇するので、実際の使用範囲は１０kHz〜１００kHzの範囲が望ましい。

（第１の実施形態の作用・効果）
この実施形態の金属材の溶接装置１によるマッシュシーム溶接について説明する。
金属材９の溶接は、金属材９を一対のローラ電極４，４にて挟み、通電して金属材９を加熱することによって行われる。一対のローラ電極４，４への第１周波数の通電によって金属材９の所定領域を加熱すると共に、一対のローラ電極４，４への第２周波数の通電によって第１周波数とは異なる領域を加熱することができる。
ここで、第１周波数と第２周波数の電力は、それぞれ独立して制御することができる。第１周波数が低周波電源６からの通電である場合には、第１の通電による金属材９の所定の加熱領域は、上記した四角形内部９Ａである。第２周波数の通電が高周波電源８からの通電である場合には、第１の通電による金属材９の所定の加熱領域は、上記したリング状領域９Ｂであり、四角形内部９Ａの周縁領域である。

図４は、一対のローラ電極４，４に流れる電流波形を模式的に示す図である。図４において、横軸は時間（任意目盛）を示し、縦軸は低周波電源６及び高周波電源８から印加される電流波形２２，２４（任意目盛）を示している。
図４は、低周波電源６からの電力と高周波電源８からの電力とによりマッシュシーム溶接と加熱処理とを連続的に行う場合の加熱波形を示す図である。図４に示すように、溶接で形成されるナゲットは低周波電源６からの電力でその全体が加熱されると共に、ナゲット外周領域は高周波電源８からの電力によって同時に加熱される。ここで、ナゲット全体は、四角形内部９Ａに対応している。また、ナゲット外周領域は、リング状領域９Ｂに対応している。

本発明に用いる金属材の溶接装置１によれば、低周波電源６と高周波電源８とからの電力を同時印加したときの電流分布から、低周波電源６により鋼板９同士のマッシュシーム溶接を行う共に、２枚の鋼板９のローラ電極４，４に接していない領域の外周面を高周波電源８によって加熱を行うことができる。
図５は、マッシュシーム溶接したときの金属材９の断面を模式的に示す図である。図５に示すように、マッシュシーム溶接したときに金属材９，９の重ね合わせ部分にナゲット２５が生じるだけで、図１５に示す従来のマッシュシーム溶接で生じた未溶着部１１０は生じない。

（第２の実施形態）
図６は、金属材の溶接方法を実施するための溶接装置３０の一部のみを示している。この一部は直流電源３６であり、これは、図１に示すマッシュシーム溶接用電源６に替えて採用している。他の構成は、第１の実施形態の金属材の溶接装置１と同様であるので図及び説明を省略する。この実施形態では、直流電源３６が第１電源となり、図１に示す高周波電源８が第２電源となる。直流電源３６は、溶接トランス１６の２次側に接続した整流用ダイオード３５，３５やインバータ等を用いた直流電源から構成され、図１に示す通電制御部１１によって直流電流の大きさや通電時間等が制御される。

金属材の溶接装置３０においても、図１に示すコンデンサ７は直流電源３６から高周波電源８への電流阻止用コンデンサの作用をし、インダクタンス５は高周波電源８から直流電源３６への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。

金属材の溶接装置３０によれば、図１に示すローラ電極４，４に直流を流してマッシュシーム溶接をするので、低周波電源６を用いた場合とは異なり、表皮効果がないので、ローラ電極４，４の大きさをワーク９に応じて選定することができる。

（溶接用電源として直流電源を用いた場合の加熱方法）
溶接用電源６として直流電源３６を用いた金属材の溶接装置３０においても、図１に示す金属材の溶接装置１と同様な加熱方法を採用することができる。
図７は金属材の溶接装置３０の加熱波形を示す図である。図の横軸は時間（任意目盛）を示し、縦軸は直流電源３６及び高周波電源８から印加される電流波形２６，２２（任意目盛）を示している。図７に示すように、直流電源３６と高周波電源８とを用いた同時加熱の効果は、図４に示した低周波電源６と高周波電源８とを用いた同時加熱の効果と同じである。

（第１及び第２の実施形態の作用・効果）
上記の高周波電源８によるワーク（鋼板）９の加熱電力は通電制御部１１で制御することができるので、マッシュシーム溶接するワーク９等のマッシュシーム溶接箇所だけの部分昇温ができ、加熱に要する電力消費を低減することができる。

本発明によれば、金属材の溶接装置１，３０のローラ電極４，４を介してワーク９に高周波電源８を接続することによって、ワーク９のローラ電極４，４に接触しない近傍領域の部分加熱を行うことができる。ワーク９の高周波加熱は、低周波電源６又は直流電源３６の印加と同時に行うことができる。

金属材の溶接装置１，３０によれば、加熱において、低周波と高周波の２周波数又は直流と高周波を用いるので、従来のマッシュシーム溶接で生じた未溶着部分や溶着できない箇所が生じなくなる。このため、ワーク９のマッシュシーム溶接した箇所の溶接強度を向上させることができる。この場合、溶接強度は従来のマッシュシーム溶接の約２倍となり、マッシュシーム溶接の適用範囲を拡大することができる。
なお、加熱は、低周波又は直流と共に高周波を使用し同等の効果が得られるので、特に断らない限り、２周波数として説明する。

さらに、溶接強度がばらつく要因の低下と、未溶着部分で錆への対策を不要とすることができる。

金属材の溶接装置１，３０によれば、２周波数を用いるので、従来のマッシュシーム溶接で溶接できなかった炭素を含有した高張力鋼板９のマッシュシーム溶接を行うことができる。２周波通電によって、従来のマッシュシーム溶接で生じた未溶着部分が生じなくなり、高靱性のマッシュシーム溶接部が得られる。

従来のマッシュシーム溶接ではワークが硬く、伸びが小さい場合には溶接寸法の精度の確保ができなかったので、ワークのクランプ機構を大型にして力によって溶接寸法の確保をしていた。本発明に用いる金属材の溶接装置１，３０によれば、２周波数を用いたマッシュシーム溶接によって効果的な予熱等を行うことで未溶着部分が生じないので、ワーク９のクランプ機構を大型にして溶接寸法の確保をする必要がなくなる。このため、金属材の溶接装置１，３０の簡素化を図ることができると共に、マッシュシーム溶接部の溶接精度を向上させることができる。予熱は、低周波電源６、直流電源３６、高周波電源の何れかを用いて行うことができる。

従来のマッシュシーム溶接ではローラ電極を押圧してマッシュシーム溶接を行っていたが、押圧のための圧力を減少させると、溶接自体や溶接寸法の精度の確保ができなかった。本発明に用いる金属材の溶接装置１，３０によれば、２周波数を用いたマッシュシーム溶接によって効果的な予熱を行うことでワーク９の軟化させることができるので、ローラ電極４，４を加圧する圧力を低減化できる。このため、金属材の溶接装置１，３０の簡素化を図ることができる。

金属材の溶接装置１，３０によれば、２周波数を用いたマッシュシーム溶接によって効果的な予熱を行うことで予熱範囲を拡大することができるので、本加熱により、従来において、ワークの重ね部分のシーム溶接においてナゲット外周に生じていた未溶着部を無くすことができる。従来のマッシュシーム溶接では、原理的に予熱範囲を拡大は行うことができなかった。

従来のマッシュシーム溶接では、マッシュシーム溶接の進行と伴い、ワーク間のずれ、例えばワークが板材の場合には板ずれが生じていた。これを防止するためにローラ電極を押圧してマッシュシーム溶接を行っていた。しかしながら、本発明において、金属材の溶接装置１，３０を用いれば、２周波数を用いたマッシュシーム溶接によって効果的な予熱を行うことでワーク９の軟化させることができ、接触状態が良好ではない領域への通電ができるので、マッシュシーム溶接を効果的に行うことができる。さらに、重ね合わせたワーク９の先端部近傍までマッシュシーム溶接ができるので、原理的に板ずれが生じない。

従来のマッシュシーム溶接では、ワークの板ずれ等を防止するために、ワークを設定する精度が得難く、ワークへの加圧圧力を増大させる必要があった。これに対して、本発明においては、金属材の溶接装置１，３０により、２周波数を用いたマッシュシーム溶接によって効果的な予熱を行うことで、ワーク９を軟化させることができ、接触状態が良好ではない領域への通電ができるので、ワーク９への加圧圧力を増大させることなく、マッシュシーム溶接を行うことができる。このため、ワーク９の加圧機構の簡素化を図ることができる。

従来のマッシュシーム溶接では、ワークの重ね合わせた先端部分に溶着できない箇所が生じ、溶接強度低下の原因となっていた。このため、マッシュシーム溶接中にローラ電極の加圧圧力等を動的に変化させ、最適化させる方法も検討されているが、ワークの板合わせ精度のばらつきもあり、量産化への対応が困難であった。金属材の溶接装置１，３０によれば、２周波数のマッシュシーム溶接によって未溶着部分が無くなり、マッシュシーム溶接の信頼性を向上させることができる。

従来のマッシュシーム溶接では、ワークの板厚差が大きく、大きなナゲットを形成しようとした場合、ワークの表面割れが生じるので、大きなナゲットを形成することができなかった。これに対し、金属材の溶接装置１，３０を用いれば、２周波数通電のマッシュシーム溶接によってワーク９への入熱分布を平準化できるので、表面割れを確実に回避することができる。このため、ワーク９の重ね合わせ面に対して十分に大きな溶接部、つまりナゲットを形成することができる。

（第３の実施形態）
図８に示すように、この実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置４０は、二対のローラ電極４，４４を備えている。これは、図１に示す金属材の溶接装置１が一対の加熱ローラ電極４のみを備えていることと相違している。つまり、一対の本加熱ローラ電極４，４の溶接進行方向の下流側へ離れた位置に、さらに、一対の予熱ローラ電極４４，４４を設けた構成としている。本加熱ローラ電極４，４を主ローラ電極、予熱ローラ電極４４，４４を副ローラ電極とも呼ぶ。本加熱ローラ電極４，４は、金属材の溶接装置１と同様に、金属材９へ低周波の電力を印加して所定領域を加熱する第１の加熱手段６と、高周波の電力を印加して所定領域を加熱する第２の加熱手段８と、を備えている。予熱ローラ電極４４は、金属材９へ低周波の電力を印加して所定領域を加熱する第３の加熱手段４６と、高周波の電力を印加して所定領域を加熱する第４の加熱手段４８と、を備えている。電源部１０は、第１〜第４加熱手段６，８，４６，４８によって構成されている。さらに、第１〜第４加熱手段６，８，４６，４８を制御する通電制御部４２を備えている。
なお、図８及び後述する図９〜１１において、ローラ電極４，４４が回転して移動する、つまり転動する向きを進行方向として矢印（→）で示している。

金属材の溶接装置４０によれば、二対のローラ電極４，４４を設けているので、ワーク９の板ずれを防止することができる。さらに、一対の予熱ローラ電極４４，４４でワーク９の予熱を行った後に、一対の本加熱ローラ電極４，４によってマッシュシーム溶接を行うことができ、一対のローラ電極４，４によるマッシュシーム溶接よりもさらに精度良くマッシュシーム溶接を行うことができる。

（第４の実施形態）
図９に示すように、この実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置４５は、一対の予熱ローラ電極４４を備え、この予熱ローラ電極４４の電極間に、高周波の電力だけを印加する第４の加熱手段４８を備え、図８に示す第３の加熱手段４６を備えていない構成である。従って、電源部１０は、第１，第２，第４の加熱手段６，８，４８からなる。この場合、金属材の溶接装置４５は、第１，２，４の加熱手段６，８，４８が、通電制御部４３によってそれぞれ独立に制御される。

金属材の溶接装置４５によれば、ワーク９の予熱を高周波で行った後に、本加熱でマッシュシーム溶接を行うことができ、一対のローラ電極４，４によるマッシュシーム溶接よりもさらに精度良くマッシュシーム溶接を行うことができる。

（第５の実施形態）
図１０に示すように、この実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置５０は、一対の後熱ローラ電極５４，５４を本加熱ローラ電極４，４に対して溶接進行方向の上流側へ離れた位置に設けて、本加熱ローラ電極４，４には低周波の電力を第１の加熱手段６によって印加し、後熱ローラ電極５４，５４には、高周波の電力を第４の加熱手段４８によって印加する構成としている。この構成部分のみが、図８に示す金属材の溶接装置４０と相違している。
電源部１０は、第１及び第４の加熱手段６，４８からなる。この場合、金属材の溶接装置５０は、第１及び第４の加熱手段６，４８が、通電制御部５２によってそれぞれ独立に制御される。
金属材の溶接装置５０によれば、ワーク９の溶接を、一対の本加熱ローラ電極４，４によって低周波で行った後に、一対の後熱ローラ電極５４，５４へ高周波を印加して加熱することによって低周波溶接の未溶着部分を確実にマッシュシーム溶接することができる。これにより、一対のローラ電極４，４によるマッシュシーム溶接よりもさらに精度良くマッシュシーム溶接を行うことができる。

（第６の実施形態）
図１１に示すように、この実施形態に係る金属材の溶接方法を実施するための溶接装置５５は、図８に示す金属材の溶接装置４０と同様に、本加熱ローラ電極４，４を備え、そして、図８に示す金属材の溶接装置４０と相違して、本加熱ローラ電極の上部電極４と予熱ローラ電極の上部電極４４との間に高周波の電力だけを印加する第４の加熱手段４８を接続した構成である。予熱ローラ電極４４は、本加熱のローラ電極４，４に対して、溶接進行方向へ離れた位置に配置されている。つまり、少なくとも１個の予熱用ローラ電極４４は、本加熱ローラ電極４，４に対して溶接の進行方向側に配置され、ワーク９の重ね合わせ部分上を転動する。金属材の溶接装置５５は、第１，第２，第４の加熱手段６，８，４８が、通電制御部５３によってそれぞれ独立に制御される。
ここで、さらに、高周波の電力を印加する第５の加熱手段４９を、予熱ローラ電極の下部電極４４と本加熱ローラ電極の下部電極４との間に接続してもよい。第４の加熱手段４８等に使用する予熱ローラ電極４４は、必ずしも一対でなくともよく、上記電極４４としてもよい。また、予熱ローラ電極４４は、上部に１個、下部に２個配置してもよい。これらの場合には、予熱ローラ電極４４は、複数個又は組として配置してもよい。また、予熱ローラ電極４４を後熱用として設けてもよい。この場合、予熱用ローラ電極４４は、本加熱ローラ電極４，４に対して溶接の進行方向とは逆側に配置すればよい。

金属材の溶接装置５５によれば、ワーク９の予熱を本加熱ローラ電極４の上部電極と予熱ローラ電極４４の上部電極との間に設けた高周波の通電で行い、本加熱でマッシュシーム溶接を行うことができ、一対のローラ電極４，４によるマッシュシーム溶接よりもさらに精度良くマッシュシーム溶接を行うことができる。

上記の金属材の溶接装置４０，４５，５５によれば、ワーク９の予熱を行うことによって、ワーク９が軟化し、ワーク９の接合状態が良くなる。金属材の溶接装置５０によれば、ワーク９の後熱を行うことによって、ワーク９の接合状態が良くなる。このため、本加熱におけるワーク９の押圧状態を、予熱や後熱をしない場合と比較して低減することができる。従って、ローラ電極４，４の押圧機構やワーク９の押圧機構を、従来よりも小型化することができる。さらに、ワーク９への押圧する力が低減できるので、ローラ電極４，４の消耗も減少し、金属材の溶接装置４０，４５，５０，５５の保守も容易となり、運転コストの低減化も図れる。

（本発明に使用できるワーク）
上記説明においては、重ね合わせた鋼板９をシーム溶接やマッシュシーム溶接する場合を示したが、金属材９であれば如何なる材料でもよい。また、ワーク９の形状は板に限らず如何なる形状でもよい。また、鋼板９は２枚をマッシュシーム溶接する例を示したが、複数の板の溶接であってもよい。

さらに、マッシュシーム溶接される金属材９は、互いに異なる金属材同士のマッシュシーム溶接でもよい。

以下、上記第１の実施形態の金属材の溶接方法を実施する溶接装置１によって鋼板９をマッシュシーム溶接する具体例について詳細に説明する。
２枚の鋼板９のマッシュシーム溶接を行った。このとき用いた鋼板９、低周波電源６、高周波電源８等の条件を以下に示す。
鋼板９：高張力鋼板（ハイテン材）、厚さ１．２ｍｍ同士の溶接、大きさ５ｃｍ×１７ｃｍ
低周波電源６：５０Ｈｚ，電源容量３００ｋＶＡ、ローラ電極４，４は銅製で直径が３００ｍｍ、幅が１８ｍｍ
低周波電源６の通電時間：連続
高周波電源８：１００ｋＨｚ，１００ｋＷ出力
高周波電源８の通電時間：連続

鋼板９の組成は、鉄以外の成分として、Ｃ（炭素）が０．１９〜０．２９重量％含有されている。

マッシュシーム溶接の幅はＷ＝３０ｍｍであり、長さが１００ｍｍとして溶接試験用の試料を作製した。この溶接試験用試料（３試料）を用いて、溶接試料の十字引張試験を行い、破断荷重と破断形態を調べた。

（比較例）
実施例に対する比較例として、高周波電源８を印加せず、低周波電源６の通電によって溶接をした。つまり、通常のマッシュシーム溶接を行った。

実施例及び比較例の溶接試料の十字引張試験を行い、破断荷重を求めた。実施例では、比較例の約２倍程度の疲労強度が得られた。表１は、実施例及び比較例の溶接試料の破断形態を示している。

表１から明らかなように、実施例では破断の形態は何れも母材破断であり、２周波数通電によって良好なマッシュシーム溶接ができた。一方、比較例では破断の形態は何れも溶接部破断であった。
以上のように、実施例のマッシュシーム溶接では、比較例の溶接部破断に比較して、母材破断となり溶接が十分に行なわれたことが分かった。

本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。上述した実施形態における、ローラ電極４，４の形状、インダクタンス５やコンデンサ７の値などは、ワーク９の種類や形状に応じて適宜に設計することが可能である。第２〜第６実施の形態の金属材の溶接方法において、カーボン量が多い高張力鋼板についてマッシュシーム溶接を適用したときには焼きが入らないことは、第１実施の形態と同様である。

１，３０，４０，４５，５０，５５金属材の溶接装置
４，４４，５４ローラ電極
５浮遊インダクタンス
６，４６低周波電源
７整合コンデンサ
８，４８高周波電源
９ワーク（鋼板）
９Ａ四角形内部
９Ｂリング状領域
１０電源部
１１，４２，４３，５２，５３通電制御部
１２商用電源
１３高周波電流阻止インダクタンス
１６溶接トランス
１８，４９発振器
２０整合トランス
２２高周波電流
２４低周波電流
２５ナゲット
２６直流電流
３６直流電源

Claims

第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する溶接方法であって、
一対のローラ電極により上記重ね合わせ部分を挟んで、上記一対のローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して上記重ね合わせ部分の所定領域を加熱すると共に、上記一対のローラ電極間に該第１の周波数とは異なる第２の周波数の電力を印加して上記所定領域の周縁領域を加熱することで、上記第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする、金属材の溶接方法。
第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する溶接方法であって、
一対の第１ローラ電極と、当該一対の第１ローラ電極から離れた位置で上記重ね合わせ部分を挟む一対の第２ローラ電極とにより上記重ね合わせ部分を挟んで、
上記一対の第１ローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して上記重ね合わせ部分の所定領域を加熱し、
上記一対の第２ローラ電極間に上記第１の周波数とは異なる第２の周波数の電力を印加して上記重ね合わせ部分を加熱することで、上記第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする、金属材の溶接方法。
前記一対の第２ローラ電極を、前記一対の第１ローラ電極の溶接進行方向の下流側へ離れた位置に設け、
前記一対の第２ローラ電極間に前記第２の周波数を印加して前記重ね合わせ部分を予熱し、
前記一対の第１ローラ電極間に前記第１の周波数に重畳して該第１の周波数と異なる第２の周波数の電力を印加して本加熱することを特徴とする、請求項２に記載の金属材の溶接方法。
前記一対の第２ローラ電極を、前記一対の第１ローラ電極の溶接進行方向の上流側へ離れた位置に設け、
前記一対の第１ローラ電極間に第１の周波数の電力を印加して本加熱し、
上記本加熱の後で、前記一対の第２ローラ電極間に前記第２の周波数を印加して前記重ね合わせ部分の加熱を行うことを特徴とする、請求項３に記載の金属材の溶接方法。
前記一対の第２ローラ電極間に、前記第２の周波数に重畳して前記第１の周波数も印加することを特徴とする、請求項４に記載の金属材の溶接方法。
第１ワークと第２ワークとの重ね合わせ部分をシーム溶接する金属材の溶接方法であって、
一対の第１ローラ電極により上記重ね合わせ部分を挟んで、一対の第１ローラ電極間に直流又は第１の周波数の電力を印加して上記重ね合わせ部分の所定領域を加熱すると共に、上記一対の第１ローラ電極により該第１の周波数と異なる第２の周波数の電力によって上記所定領域の周縁領域を加熱し、
上記一対の第１ローラ電極の中の一方のローラ電極と、該一方の第１ローラ電極から離れた位置で同一面上を転動する少なくとも１個の第２ローラ電極と、の間に第１の周波数とは異なる第２の周波数を印加して上記重ね合わせ部分の予熱又は後熱を行い、上記第１ワークと第２ワークとを溶接することを特徴とする、金属材の溶接方法。
前記第２の周波数を前記第１の周波数よりも高くし、該第２の周波数の電力によって前記所定領域の周縁領域を加熱することを特徴とする、請求項１，２，６の何れかに記載の金属材の溶接方法。