JP5477605B1 - プロジェクションボルトの溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクションボルトを薄鋼板に電気抵抗溶接で溶接する際に、薄鋼板側における溶融状態を適正に確保すること。
【解決手段】軸部２と、円形の拡径部３と、テーパ部６を有する初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂからなる溶着用突起４によって形成されたプロジェクションボルト１を、薄鋼板８に電気抵抗溶接で溶接するものであり、初期溶融部４Ａと同じ直径の鋼板部品８の体積に対する初期溶融部４Ａの体積の比を、０．０８〜０．２０に設定した状態で溶接することを特徴とするプロジェクションボルトの溶接方法。これにより、鋼板部品８の溶融量が適正に確保される。
【選択図】図４

Description

この発明は、軸部と、この軸部と一体的に形成された拡径部と、この拡径部の中央に配置された溶着用突起によって構成されたプロジェクションボルトを薄鋼板に溶接する溶接方法に関している。

特許第４０３２３１３号公報（特許文献１）には、軸部と、この軸部と一体的に形成された拡径部と、この拡径部の中央に配置された溶着用突起によって構成されたプロジェクションボルトを、鋼板部品に電気抵抗溶接で溶接することが記載されている。

上記の特許文献１に開示されているプロジェクションボルトは、図７（Ａ）に示した形状である。このプロジェクションボルト２０は鉄製であり、雄ねじが形成された軸部２１と、この軸部２１と一体的に形成され軸部２１の直径よりも大径とされた円形の拡径部２２と、前記軸部２１とは反対側の拡径部中央に配置された円形の溶着用突起２３によって構成されている。前記溶着用突起２３は、拡径部２２よりも小径とされた円形の隆起形状部であり、先端面側に小さな傾斜角のテーパ部２４と中心部が尖った形状の頂部２５を備えている。そして、溶着用突起２３以外の部分における拡径部２２の端面は、外周側が低くなったテーパ面２６とされている。

特許第４０３２３１３号公報

特許文献１に記載されている発明（以下、先行発明という）は、本件特許出願にかかる発明の発明者である、青山好高および青山省司によって実用化されている。上記発明者達は、プロジェクションボルトを自動車車体の鋼板部品に溶接することによって、上記先行発明の実用化に成功している。すなわち、前記溶着用突起２３が拡径部２２の中央部において鋼板部品２７に溶着しているとともに、前記テーパ面２６が鋼板部品２７の表面に密着している。このような中央部の溶着とそれ以外の部分の密着、すなわち「中央溶着・全面密着」によって所定の溶融状態や溶接強度とされた溶接品質が確保されている。

ところで、例えば自動車車体の分野においては、車体軽量化の重要な方策として、高張力鋼板のような鋼板の強度向上による板厚の低減が推進されおり、このような薄板化にともなってプロジェクションボルトの電気抵抗溶接にも、特別な技術的配慮が必要になってきている。

その状況は、図７（Ｂ）に示されている。進退動作をする可動電極２８に受入孔２９が開けられ、ここに軸部２１が挿入されることによってプロジェクションボルト２０が可動電極２８に保持されている。一方、固定電極３０上に高張力鋼板製の鋼板部品２７が載置してあり、そこへ可動電極２８の進出によって溶着用突起２３が鋼板部品２７に加圧されて溶接電流が通電される。これにより、溶着用突起２３と鋼板部品２７が溶融状態になって、図示のようにボルト２０が鋼板部品２７に溶接される。

図７（Ｂ）に示されている溶着状態は、異常な態様である。これは、黒く塗りつぶした溶融部３２が鋼板部品２７の板厚全域わたって形成されている。つまり、鋼板部品２７の厚さ方向で見て、板厚全体が一旦溶融状態になり、その後、凝固している。このような過剰溶融の現象は、板厚が０．６５ｍｍや０．７ｍｍのように薄くなってくると発生しやすいものであり、熱容量の小さな薄い板厚に対してプロジェクションボルト２０側の大きな熱量が影響して発生していると考えられる。つまり、プロジェクションボルト２０側の溶融体積が薄板に対して過大になり、加圧力、通電時間および電流値などの溶接条件や、溶融金属の体積を正確に管理しても薄板であるために、板厚全域にわたる過剰溶融が発生する。

通常、鋼板部品にボルトやナットを電気抵抗溶接で溶接する場合には、鋼板部品の板厚方向で見た鋼板の溶融範囲は、板厚の半分あるいは３分の２位にとどめて所要の溶接強度を確保している。すなわち、非溶融部である母材を残置している。このように溶接強度が確保できるのは、溶融範囲が上記のような領域であるので、溶融しなかった母材部分が鋼板自体の強度を維持するとともに、溶融部分と非溶融部分の境界面積が広くなって溶融部分と非溶融部分との接合強度が十分な値になるためであると考えられる。

しかしながら、図７（Ｂ）に示したような厚さ全域にわたる溶融であると、ボルト２０と鋼板部品２７の溶接強度が十分に確保できない、という問題がある。

この問題について考察すると、つぎのとおりである。溶融部（Ｎｕｇｇｅｔ）３２は通電完了後の急冷によって凝固するため、マルテンサイト組織となって著しく高い硬度となり、脆い性質となる。また、溶融部３２の近傍の領域に、組織変化部分が同図の梨地箇所のようになって現れる。このような梨地箇所は、一般に熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ／ＨＡＺ）として知られている。この部分は符号３３で示され、溶融部３２ほどの脆さではないが、母材部分よりも脆い性質となっている。

そこで、固定された鋼板部品２７に対して、ボルト２０に傾き方向の曲げ力が反復して作用すると、高硬度で脆い性質の溶融部３２と組織変化部分３３の境界箇所に応力が集中するので、この境界箇所に疲労による割れが発生する。あるいは、組織変化部分３３に割れが発生する。さらに、この問題は、板厚が薄いので溶融部３２と非溶融部との境界部分の面積が小さくなり、さらに境界面が板厚方向を向いているために、この境界部分に割れが発生しやすくなり、溶接強度が向上しないものと考えられる。

本発明は、上記の問題点を解決するために提供されたもので、プロジェクションボルトの部分形状部の体積と、鋼板部品の所定箇所の体積の関係に注目して、板厚全域にわたる溶融を防止したプロジェクションボルトの溶接方法を提供することを目的とする。

以下の説明において、プロジェクションボルトを単にボルトと表現する場合もある。

請求項１記載の発明は、雄ねじが形成された軸部と、この軸部と一体的に形成され軸部の直径よりも大径とされた円形の拡径部と、端面に外周側が低くなる小さな傾斜角のテーパ部を有する初期溶融部とこの初期溶融部に連なる主溶融部からなるとともに前記軸部とは反対側の拡径部中央に配置されている円形の溶着用突起によって形成されたプロジェクションボルトを、一対の電極間で前記溶着用突起を鋼板部品に加圧した状態で、当該鋼板部品に電気抵抗溶接で溶接するものであり、前記一対の電極は、プロジェクションボルトを保持する電極と鋼板部品が載置される電極が同軸で配置された状態で構成され、円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積に対する初期溶融部の体積の比を、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が下限所定値となる０．０８から、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない０．２０に設定した状態で溶接し、溶接完了後において、前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間に、空隙が存置されることを特徴とするプロジェクションボルトの溶接方法である。

溶着用突起は、端面に外周側が低くなる小さな傾斜角のテーパ部を有する初期溶融部と、この初期溶融部に連なる主溶融部から形成されているので、初期溶融部の体積部分の溶融と同時進行的に鋼板部品の表面が溶融を開始する。これとともに主溶融部においても溶融が進行する。このときに初期溶融部の体積が大きければ初期溶融部自体の溶融熱量が大きくなるので、それに比例して鋼板部品側の溶融量も増大する。このような鋼板部品側の溶融量増大に加えて、主溶融部の溶融熱が大体積の初期溶融部を通じて鋼板部品により多く投入される。上記のように、体積の大きな初期溶融部と主溶融部の溶融熱が相乗して鋼板部品に投入されると、板厚全域にわたる溶融が発生する。つまり、初期溶融部の体積が鋼板部品に対して過剰とならないように設定することが不可欠となる。

一方、上述のように、初期溶融部の体積部分の溶融と同時進行的に鋼板部品の表面が溶融を開始するとともに、主溶融部においても溶融が進行する。このときに初期溶融部の体積が小さければ初期溶融部自体の溶融熱量が小さくなるので、それに比例して鋼板部品側の溶融量も減少する。このような鋼板部品側の溶融量減少に加えて、主溶融部の溶融熱が小体積の初期溶融部を通じて鋼板部品により少なく投入される。上記のように、体積の小さな初期溶融部と主溶融部の溶融熱が相乗して鋼板部品に投入されると、鋼板部品に投入される熱量が過少となり、板厚方向の溶融が僅かなものとなる。つまり、初期溶融部の体積が鋼板部品に対して過少とならないように設定することが不可欠となる。

ここで重要視される点は、鋼板部品のどの箇所の体積に対して初期溶融部の体積を対応させるか、という点である。本発明においては、円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積を対応させている。円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積は、初期溶融部の溶融開始に対して最も直接的な熱影響を受ける部分である。このように鋼板部品を初期溶融部に対応させて円形部分として区切ることによって、初期溶融部側からの熱影響を定量的に特定することができる。換言すると、円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積に対する初期溶融部の体積自体が、鋼板部品の溶融領域に直接的に影響することを見いだした点に本発明の重要性がある。円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積に対する初期溶融部の体積の比を、所定の値に設定している。この所定の比が、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が下限所定値となる０．０８から、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない０．２０までに設定されている。主溶融部の溶融熱が初期溶融部を経由して鋼板部品に投入される際に、初期溶融部の体積を鋼板部品の円形部分の体積に対して適正に選定することによって、上記の良好な板厚方向の溶融量が確保できるのである。

以下、円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積を、「鋼板体積」と略称する。

上記のように、「鋼板体積」に対する初期溶融部の体積の比を、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が下限所定値となる０．０８から、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない０．２０までに設定した状態で溶接するものであるから、溶融部とその近傍の組織変化部分が板厚全域にわたって形成されることがなく、溶融部近傍の組織変化部分と鋼板表面との間に溶融していない母材部分が存置される。したがって、この母材部分が鋼板部品としての強度を維持する機能を果たし、ボルトの溶接接合強度が十分に確保できる。また、組織変化部分と母材部分の境界面積が広い領域にわたって確保できるので、この境界面積部分の接合強度を高く保つことができ、ボルトに曲げ方向の外力が作用しても、容易に割れなどが発生することがない。

初期溶融部の溶融前の形状は扁平な円錐形であるが、溶融初期の段階で円錐形の形状は消滅して、鋼板部品の表面部分の溶融部と一体になった平たい溶融域となっている。上述の主溶融部の溶融熱が鋼板部品に対して加算されるとか、主溶融部の溶融熱が初期溶融部を経由して鋼板部品に伝熱されるという現象は、上記の平たい溶融域に主溶融部の溶融熱が伝わり、その後、鋼板部品の非溶融域に伝熱され、鋼板部品の溶融範囲が拡大されることを意味している。

請求項２記載の発明は、前記鋼板部品の板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍである請求項１記載のプロジェクションボルトの溶接方法である。

上記のように、板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍであっても、０．０８から０．２０なる比率を維持することによって、前記母材部分が正常に存置される。

溶接完了後において、前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間に、塗料液によって気泡が封入されることのない大きさの空隙が存置されている。

前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間の空隙が狭すぎると、塗料液の粘性によってこの空隙における塗料液の流動性がえられないので、空隙に停滞している空気が排出されることなく、塗料液で封じ込められることとなる。この封入空気が原因となって錆が発生する、という問題がある。

しかし、本発明のように、前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間に、塗料液によって気泡が封入されることのない大きさの空隙が存置されていることによって、上記錆発生の問題が解消される。すなわち、前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間の空隙が、鋼板部品の板厚方向における前記主溶融部の高さ寸法により、十分な空間として確保できるため、この空隙への塗料液の流入が積極的に行われる。このような流動によって、当空隙の空気が排出され、塗料液は空隙を形成する拡径部、主溶融部、溶融箇所の露出部分、鋼板部品などの表面に付着し、気泡が封入されることがなく、前述のような錆発生の問題が解消される。

プロジェクションボルトの各部形状を示す側面図である。 プロジェクションボルトが溶接される状態を示す断面図である。 鋼板部品と初期溶融部の関係を示す図である。 溶接時の溶着過程を示す断面図である。 体積比とＴ１、Ｔ２の関係を示す線図である。 引っ張り試験後の状態を示す断面図である。 従来のボルト溶着状態を示す図である。

つぎに、本発明のプロジェクションボルトの溶接方法を実施するための形態を説明する。

図１〜図６は、本発明の実施例１を示す。

まず、プロジェクションボルトの寸法や形状について説明する。

鉄製のプロジェクションボルト１の形状は、図１（Ａ）に示されている。このボルト１は、雄ねじが形成された軸部２と、この軸部２と一体的に形成され軸部２の直径よりも大径とされた円形の拡径部３と、前記軸部２とは反対側の拡径部中央に配置された円形の溶着用突起４によって形成されている。そして、符号５は軸部２の外周面に形成された雄ねじであり、谷部と山部を有している。

前記溶着用突起４は、図１や図３などに示すように、初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂから構成されている。初期溶融部４Ａは、溶着用突起４の端面に外周側が低くなる小さなテーパ傾斜角のテーパ部６を設けることによって形成された平たい形状の円錐形状部である。この初期溶融部４Ａの中央部に尖った形状の頂部７が形成されている。そして、主溶融部４Ｂは、初期溶融部４Ａに連なった状態で形成された円錐台の形状部分である。ボルト１は金型成型やロール加工などが施されるので、拡大して観察すると実際には、上記の頂部７は鋭利に尖った形状ではなく、若干の丸みを帯びた形状となる。

図１（Ｂ）には、実施例の寸法状態などを理解しやすくするために、各部の寸法や傾斜角度が記載されている。この図に示すように、軸部２の直径（山径）は５．５ｍｍ、軸部２の長さは２４．５ｍｍ、拡径部３の直径と厚さはそれぞれ１３．２ｍｍと１．０ｍｍである。さらに、溶着用突起４の端面（テーパ部６）の直径は９．０ｍｍ、初期溶融部４Ａの高さ（厚さ）は０．３２ｍｍ、主溶融部４Ｂの高さ（厚さ）は０．９ｍｍ、テーパ部６の傾斜角度θは４．５度である。

つぎに、ボルト１の溶接状態を説明する。

図２は、ボルト１が鋼板部品８に溶接される状態を示す断面図である。可動電極９は、エアシリンダまたは進退出力型の電動モータなど（図示していない）で進退動作をする。その端面中央部に可動電極９の長手方向に受入孔１０があけられ、その奥部に永久磁石１１が取り付けてある。鋼板部品８は、可動電極９と同軸状態で配置された固定電極１２上に載置されている。

作業者または供給ロッドによって、軸部２が可動電極９の受入孔１０に挿入され、軸部２が永久磁石１１で吸引されてボルト１が可動電極９に保持される。このときには、可動電極９の端面１３が拡径部３の裏面に密着している。図２は、ボルト１を保持した可動電極９が進出してきて、溶着用突起４が鋼板部品８に加圧されている状態を示している。この加圧によって頂部７とその近傍のテーパ部６が、図示していないが、鋼板部品８の表面にめり込んでいる。つまり、初期溶融部４Ａのテーパ部６の先端部分が鋼板部品８の表面にわずかに食い込んで、溶着用突起４と鋼板部品８の接触面積が増大している。この状態で溶接電流が通電されて、鋼板部品８への溶接がなされる。

つぎに、初期溶融部と鋼板部品との関係について説明する。

鋼板部品８の所定箇所の体積に対するプロジェクションボルト１の部分形状部の体積の関係が、鋼板部品８における溶融状態に密接に関係している。つまり、円形の初期溶融部４Ａと同じ直径の鋼板部品８の体積と、初期溶融部４Ａの体積の関係である。円形の初期溶融部４Ａと同じ直径の鋼板部品８は、円板部分８Ａであり、この体積が前述の「鋼板体積」である。ここでの鋼板部品８は、板厚が０．６５ｍｍである。

円板部分８Ａの直径は前述の９．０ｍｍであるから、円板部分８Ａの体積、すなわち「鋼板体積」は４１．３３ｍｍ^３である。また、初期溶融部４Ａは、その高さが前述のように０．３２ｍｍ、直径が９．０ｍｍであるから、体積は６．７９ｍｍ^３である。したがって、円板部分８Ａの体積、すなわち「鋼板体積」に対する初期溶融部４Ａの体積に比は、０．１６である。

つぎに、加圧通電条件を説明する。

可動電極９による加圧力、すなわち鋼板部品８に対する溶着用突起４の加圧力は２３００Ｎであり、溶接電流は１４０００Ａ、通電時間は８サイクルである。この通電時間８サイクルは、通電開始時点から所定時間経過後の初期溶融部４Ａの溶融開始、それに引き続く主溶融部４Ｂの溶融終了までの時間である。なお、１サイクルは１／６０秒である。

上述の条件で良好な溶接が可能であるが、各条件の設定範囲は、加圧力は２０００〜３０００Ｎ、溶接電流は１００００〜１５０００Ａ、通電時間は５〜１０サイクルとするのが良好である。

つぎに、体積比０．１６の場合の溶着過程を説明する。

図４は、溶着過程を示す。同図は断面図であるが、見やすくするために断面筒所のハッチング記載は省略してある。図４（Ａ）は、図２の押し付け状態で溶接電流を通電した通電初期の段階であり、頂部７近傍とそれに対応する鋼板部品８（円板部分８Ａ）が僅かに溶融している。この溶融箇所は符号１４で示されている。

さらに加圧通電が継続されると、テーパ部６の傾斜角によって溶融箇所１４は、直径方向に放射状のほぼ平面的な溶融範囲となって円形に拡大してゆく。この拡大過渡状態が図４（Ｂ）に示されている。

その後、加圧通電が継続されることにより、初期溶融部４Ａ全域の溶融に引き続いて主溶融部４Ｂの溶融が同時進行的に開始される。初期溶融部４Ａの溶融によって初期溶融部４Ａの円形範囲に対応した鋼板部品８の表面全域、すなわち円板部分８Ａの表面に近い部分が図４（Ｃ）に示すように、溶融する。前述の通電時間８サイクルが経過した時点で、図４（Ｃ）に示す溶融状態となる。

図４（Ｃ）や（Ｄ）から明らかなように、主溶融部４Ｂは厚さ方向全体が溶融しているものではなく、主溶融部４Ｂの厚さ方向で見て２分の１から３分の１の範囲が溶融している。前述の加圧力、電流値、通電時間などの溶接条件は、このような範囲の溶融が主溶融部４Ｂにおいて遂行されるように定められている。後述のように、主溶融部４Ｂにおけるこのような溶融の熱が初期溶融部４Ａの溶融熱に加算されて鋼板部品８に投入され、鋼板部品８における溶融範囲状態が適正に確保される。

初期溶融部４Ａの溶融前の形状は、図示のように扁平な円錐形であるが、溶融初期の段階で円錐形の形状は消滅して、鋼板部品８の表面部分の溶融部と一体になった平たい溶融域となっている。上述の主溶融部４Ｂの溶融熱が鋼板部品８に対して加算されるとか、主溶融部４Ｂの溶融熱が初期溶融部４Ａを経由して鋼板部品８に伝熱されるという現象は、上記の平たい溶融域に主溶融部４Ｂの溶融熱が伝わり、その後、鋼板部品８の非溶融域（固相）に伝熱され、鋼板部品８の溶融範囲が拡大されることを意味している。

図４（Ｄ）は、溶着完了後の組織状態を示す部分的な拡大断面図であり、黒く塗りつぶされた部分が溶融箇所１４であり、前述のナゲットである。そして、溶融箇所１４の近傍に層状になって現れている部分が組織変化部分１５であり、前述の熱影響部である。組織変化部分１５は、同図に梨地を付して示されている。

符号１６は円板部分８Ａにおける非溶融部であり、組織変化部分１５と熱的影響を受けていない鋼板の母材１７によって形成されており、その厚さはＴ１で示されている。また、母材１７だけの厚さはＴ２で示されている。

上記の溶融過程は、初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂの複合した溶融現象で進行している。この点を詳しく観察すると、初期溶融部４Ａの体積部分の溶融と同時進行的に鋼板部品８の表面が溶融を開始する。これとともに主溶融部４Ｂにおいても溶融が進行する。このときに初期溶融部４Ａの体積が大きければ初期溶融部４Ａ自体の溶融熱量が大きくなるので、それに比例して鋼板部品８側の溶融量も増大する。このような鋼板部品８側の溶融量増大に加えて、主溶融部４Ｂの溶融熱が大体積の初期溶融部４Ａを通じて鋼板部品８により多く投入される。上記のように、体積の大きな初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂの溶融熱が相乗して鋼板部品８に投入されると、板厚全域にわたる溶融が発生する。つまり、初期溶融部４Ａの体積が鋼板部品８に対して過剰とならないように設定することが不可欠となる。

一方、上述のように、初期溶融部４Ａの体積部分の溶融と同時進行的に鋼板部品８の表面が溶融を開始するとともに、主溶融部４Ｂにおいても溶融が進行する。このときに初期溶融部４Ａの体積が小さければ初期溶融部４Ａ自体の溶融熱量が小さくなるので、それに比例して鋼板部品８側の溶融量も減少する。このような鋼板部品８側の溶融量減少に加えて、主溶融部４Ｂの溶融熱が小体積の初期溶融部４Ａを通じて鋼板部品８により少なく投入される。上記のように、体積の小さな初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂの溶融熱が相乗して鋼板部品８に投入されると、鋼板部品８に投入される熱量が過少となり、板厚方向の溶融が僅かなものとなる。つまり、初期溶融部４Ａの体積が鋼板部品８に対して過少とならないように設定することが不可欠となる。

鋼板部品８における溶融量は、上述のような熱流過程を経て左右されるので、円板部分８Ａに対する初期溶融部４Ａの体積比が重要な因子となる。本事例のように体積比が０．１６に設定されていることにより、初期溶融部４Ａ自体の溶融熱量と主溶融部４Ｂから供給される熱量が適正に輻輳して、鋼板部品８側の溶融量が図４（Ｄ）に示したように設定される。つまり、非溶融部１６や母材１７を適度に存置した状態が確保できる。

以上に述べた現象を包括的に述べると、上述の初期溶融部４Ａの体積が鋼板部品８の体積に対して過大になったり、過小になったりするので、初期溶融部４Ａの体積を鋼板部品８側の体積との相関で所定の範囲に設定し、鋼板部品の適正な溶融のために不足する熱量を主溶融部４Ｂから補完的に補給する。換言すると、鋼板部品８の初期溶融にとって実害のない範囲の初期溶融部４Ａの体積を「鋼板体積」との相関で設定し、鋼板部品８の適正溶融に不足している熱量が主溶融部４Ｂから補完される。

上記のような主溶融部４Ｂの溶融熱が、補完的に初期溶融部４Ａを経由して鋼板部品８に投入されるために、主溶融部４Ｂの溶融量を加減することが必要である。つまり、主溶融部４Ｂからの加算熱量が過剰になれば、鋼板部品８に過剰溶融が発生する。また、主溶融部４Ｂからの加算熱量が過少になれば、鋼板部品８は過少溶融となる。

ここでは、図１（Ｂ）に示した寸法の主溶融部４Ｂの体積が、約５８．５４ｍｍ^３であり、初期溶融部４Ａの溶融に連続して約５８．５４ｍｍ^３の２分の１〜３分の１が溶融している。この２分の１〜３分の１の溶融は、鋼板部品８の板厚方向で見たものである。約５８．５４ｍｍ^３のように「約」がついているのは、主溶融部４Ｂの外周面がテーパ面になっているためである。

上記体積比０．１６のものを、上記溶接条件、すなわち加圧力２３００Ｎ、溶接電流１４０００Ａ、通電時間８サイクルで溶接した結果、非溶融部１６の厚さＴ１は０．４ｍｍ、母材１７の厚さＴ２は０．３ｍｍであった。

つぎに、Ｔ１、Ｔ２の具体値について説明する。

図５は、「鋼板体積」に対する初期溶融部の体積の比と、Ｔ１，Ｔ２の関係を示す線図である。体積比０．１６においては、上述のように、Ｔ１が０．４ｍｍ、Ｔ２が０．３ｍｍである。この値は、鋼板部品８の厚さ方向に対する溶け込み量と、母材１７の厚さが適正なものである。

上記のＴ１、Ｔ２の値確保と同時に、溶接完了後において、拡径部３の外周近傍と鋼板部品８の表面との間に、塗料液によって気泡が封入されることのない大きさの空隙Ｃが存置されている。この空隙Ｃは、０．５ｍｍである。また、空隙Ｃの大きさを、加圧力、電流値、通電時間などの溶接条件を変更することにより、０．４ｍｍや０．６ｍｍのように加減することができる。

図６に示すように、鋼板部品８を治具（図示していない）で固定し、ボルト１を軸方向に引っ張るテストの結果、母材１７と溶融箇所１４が剪断状態で鋼板部品８から破断し、円板部分８Ａに相当する抜け穴８Ｂとなっていることが認められる。この破断は、上記引っ張り力が３０００〜３５００Ｎの範囲で発生している。

また、軸部２を傾ける反復曲げテストを行った結果、溶融箇所１４と組織変化部分１５の境界部分や、組織変化部分１５自体あるいは組織変化部分１５と母材との境界部分からの割れは発生しなかった。このようなサイズのボルト１をきわめて薄い厚さ０．６５ｍｍの鋼板部品８に溶接した場合の溶接強度として十分であると判定される。

図５から明らかなように、体積比だけを０．１１にした場合には、Ｔ１が０．５３ｍｍ、Ｔ２が０．４３ｍｍであり、体積比０．１６の場合と同様な良好な溶接強度がえられた。このように体積比を順次変更して求められたＴ１、Ｔ２の値を結ぶことによって、図５の相関線Ｔ１、Ｔ２が形成されている。

体積比０．１６に対して加圧力、電流値、通電時間などの溶接条件を上述の範囲内で変えることにより、上記Ｔ１＝０．４ｍｍ、Ｔ２＝０．３ｍｍを、例えばＴ１＝０．２８ｍｍ、Ｔ２＝０．１８ｍｍにすることができる。

つぎに、体積比の下限および上限所定値について説明する。

上述のように、体積比を変えることによりＴ１、Ｔ２を種々な値に設定することができるが、体積比が０．０８未満であると、Ｔ１が過大、すなわち溶融箇所１４の板厚方向の溶け込み量が不足したり、初期溶融部４Ａの中央部だけが溶融して初期溶融部全域の溶融がなされなかったりすることがある。したがって、所定の溶接強度が確保できないこととなる。つまり、体積比０．０８が下限所定値である。また、体積比が０．２０を超えると、Ｔ１が過少となるため、母材１７の厚さがきわめて小さくなったり、あるいはＴ１が実質的にゼロとなったりして、所定の溶接強度が確保できないこととなる。つまり、体積比０．２０が上限所定値である。

上記下限所定値０．０８に対応するＴ１、Ｔ２は、それぞれ０．６２ｍｍと０．５６ｍｍである。上記上限所定値０．２０に対応するＴ１、Ｔ２は、それぞれ０．１８ｍｍと０．１１ｍｍである。

つぎに、鋼板部品の板厚を変えた場合について説明する。

上記実施例では、板厚が０．６５ｍｍであるが、種々な実験の結果、体積比を０．０８〜０．２０の範囲内で溶接条件を変えることにより、０．６ｍｍ〜１ｍｍの範囲内の薄板において、Ｔ１、Ｔ２を適正に確保できることが確認された。

なお、初期溶融部４Ａの体積６．７９ｍｍ^３に対して主溶融部４Ｂの体積が約５８．５４ｍｍ^３とされている。主溶融部４Ｂからの溶融熱が初期溶融部４Ａを経由して補完的に鋼板部品８へ供給されるという観点からすると、初期溶融部４Ａの体積は主溶融部４Ｂの体積の１０〜２０％の範囲に設定するのが好ましい。１０％あれば十分に溶融熱供給ができるとともに、軸部２の根元部分の強度剛性が十分に維持できる。他方、２０％を超えると、溶融熱供給が過剰になる虞があるとともに、軸部２の根元部分の材料が過多となり、原価面で不利である。

上記実施例１においては、初期溶融部４Ａの形状は、テーパ部６と頂部７を有する円錐形であるが、これに換えて球形とすることができる。球形の場合、頂部７に相当する箇所が鋼板部品８に加圧されて、この加圧部分から溶融が開始される。それ以外の溶着過程は、円錐形のものと同じである。

以上に説明した実施例１の作用効果は、つぎのとおりである。

上記のように、「鋼板体積」に対する初期溶融部４Ａの体積の比を、主溶融部４Ｂの溶融熱加算によって鋼板部品８の板厚方向の溶融量が下限所定値となる０．０８から、主溶融部４Ｂの溶融熱加算によって鋼板部品８の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない０．２０までに設定した状態で溶接するものであるから、溶融部１４とその近傍の組織変化部分１５が板厚全域にわたって形成されることがなく、溶融部１４近傍の組織変化部分１５と鋼板表面との間に溶融していない母材部分１７が存置される。したがって、この母材部分１７が鋼板部品８としての強度を維持する機能を果たし、ボルト１の溶接接合強度が十分に確保できる。また、組織変化部分１５と母材部分１７の境界面積が広い領域にわたって確保できるので、この境界面積部分の接合強度を高く保つことができ、ボルト１に曲げ方向の外力が作用しても、容易に割れなどが発生することがない。

「鋼板体積」に対する初期溶融部４Ａの体積比を０．０８〜０．２０に設定することに加えて、主溶融部４Ｂに対する初期溶融部４Ａの体積比を特定することにより、良好な結果をえることができる。すなわち、初期溶融部４Ａの体積を主溶融部４Ｂの体積の１０〜２０％の範囲に設定し、１０％あれば主溶融部４Ｂから鋼板部品８に対して十分に溶融熱供給ができるとともに、軸部２の根元部分の強度剛性が十分に維持できる。他方、２０％を超えると、主溶融部４Ｂから鋼板部品８に対しての溶融熱供給が過剰になる虞があるとともに、軸部２の根元部分の材料が過多となり、原価面で不利である。したがって、２０％以下とすることによって、このような懸念を回避することができる。

鋼板部品８の板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍである。

上記のように、板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍであっても、０．０８から０．２０なる比率を維持することによって、前記母材部分１７が正常に存置される。

溶接完了後において、拡径部３の外周近傍と鋼板部品８の表面との間に、塗料液によって気泡が封入されることのない大きさの空隙Ｃが存置されている。

拡径部３の外周近傍と鋼板部品表面との間の空隙Ｃが狭すぎると、塗料液の粘性によってこの空隙Ｃにおける塗料液の流動性がえられないので、空隙Ｃに停滞している空気が排出されることなく、塗料液で封じ込められることとなる。この封入空気が原因となって錆が発生する、という問題がある。

しかし、本実施例のように、拡径部３の外周近傍と鋼板部品表面との間に、塗料液によって気泡が封入されることのない大きさの空隙Ｃが存置されていることによって、上記錆発生の問題が解消される。すなわち、拡径部３の外周近傍と鋼板部品表面との間の空隙Ｃが、鋼板部品８の板厚方向における主溶融部４Ｂの高さ寸法０．９ｍｍにより、十分な空間Ｃとして確保できるため、この空隙Ｃへの塗料液の流入が積極的に行われる。このような流動によって、空隙Ｃ内の空気が排出され、塗料液は空隙Ｃを形成する拡径部３の下面、主溶融部４Ｂの外周面、溶融箇所１４の露出部、鋼板部品８などの表面（図４（Ｄ）参照）に付着し、気泡が封入されることがなく、前述のような錆発生の問題が解消される。

上述のように、本発明の方法によれば、「鋼板体積」に対する初期溶融部の体積の比を、０．０８〜０．２０に設定したものであるから、ボルトを薄板に対して良好な状態で電気抵抗溶接をすることができ、自動車の車体溶接工程や、家庭電化製品の板金溶接工程などの広い産業分野で利用できる。

１ プロジェクションボルト
２ 軸部
３ 拡径部
４ 溶着用突起
４Ａ 初期溶融部
４Ｂ 主溶融部
６ テーパ部
７ 頂部
８ 鋼板部品
８Ａ 円板部分、「鋼板体積」
８Ｂ 抜け穴
１４ 溶融箇所、溶融部
１５ 組織変化部分、熱影響部
１６ 非溶融部
１７ 母材、母材部分
Ｔ１ 非溶融部の厚さ寸法
Ｔ２ 母材、母材部分の厚さ寸法
Ｃ 空隙

Claims (2)

1. 雄ねじが形成された軸部と、この軸部と一体的に形成され軸部の直径よりも大径とされた円形の拡径部と、端面に外周側が低くなる小さな傾斜角のテーパ部を有する初期溶融部とこの初期溶融部に連なる主溶融部からなるとともに前記軸部とは反対側の拡径部中央に配置されている円形の溶着用突起によって形成されたプロジェクションボルトを、一対の電極間で前記溶着用突起を鋼板部品に加圧した状態で、当該鋼板部品に電気抵抗溶接で溶接するものであり、
   前記一対の電極は、プロジェクションボルトを保持する電極と鋼板部品が載置される電極が同軸で配置された状態で構成され、
   円形の初期溶融部と同じ直径の鋼板部品の体積に対する初期溶融部の体積の比を、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が下限所定値となる０．０８から、主溶融部の溶融熱加算によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない０．２０に設定した状態で溶接し、
   溶接完了後において、前記拡径部の外周近傍と鋼板部品表面との間に、空隙が存置されることを特徴とするプロジェクションボルトの溶接方法。
2. 前記鋼板部品の板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍである請求項１記載のプロジェクションボルトの溶接方法。

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