JP5532466B1 - 薄鋼板へのプロジェクションボルト溶接方法 - 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、鋼板部品８の板厚に対する初期溶融部４Ａの円形面積の比を、溶融金属１４の圧力によって鋼板部品８の板厚方向の溶融量が下限所定値となる４５から、溶融金属１４の圧力によって鋼板部品８の板厚方向の溶融量が上限所定値を超えない１０５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３

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。また、このような過剰溶融は、板厚が１ｍｍを超えるような厚さになると、鋼板の熱容量が大きくなるので、発生しにくくなる。

上記過剰溶融の要因としては、２つの現象が考えられる。

１つ目の要因としては、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。このような過剰溶融は、板厚が０．６ｍｍ〜１．０ｍｍの領域において問題となる。

２つ目の要因としては、液状化した溶融金属の圧力が過大になると、板厚全域にわたる過剰溶融が発生しやすいと考えられる。溶着用突起と鋼板部品は両電極間で加圧されるので、溶融金属の分布状態によって液状金属に圧力差が大きく発生し、圧力が高い場合には、鋼板の非溶融部に対する熱伝達が積極的になされて溶融量の進行が急速になり、過剰溶融に至っていると考えられる。

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、鋼板部品の板厚に対する溶着用突起の溶融面積との関係に注目して、溶融金属の分布状態や、液状化した金属の圧力状態を適正に求めることによって、板厚全域にわたる溶融を防止した薄鋼板へのプロジェクションボルト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円形の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、鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比を、４５〜１０５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薄鋼板へのプロジェクションボルト溶接方法である。

鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比を、例えば、１００に設定した場合には、薄鋼板の板厚に対する溶融面積の比が大きなものとなる。このような広い面積の広域の溶融金属が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は低く保たれる。このため、溶融金属から鋼板の非溶融部に伝達される単位面積当たりの熱量が少量化され、非溶融部の板厚方向への溶け込み量が少なくなる。また、薄鋼板の面方向における溶融範囲が大きくなるので、溶融熱は長い溶融外周縁から広範な領域へ伝達され、板厚方向に向かう熱量が少量化されて、板厚方向への溶け込み進行が緩和される。したがって、上記の鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比が１００のように大きく設定されているときには、板厚方向への溶け込み進行が緩和されて、過剰溶融が防止でき、プロジェクションボルトの溶接強度が適正に保たれる。

以下の説明において、「鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比」を「板厚面積比」と略称することもある。

上記「板厚面積比」を、例えば、５０に設定した場合には、薄鋼板の板厚に対する溶融面積の比が小さなものとなる。このような狭い面積の狭域の溶融金属が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は高く保たれる。このため、溶融金属から鋼板の非溶融部に伝達される単位面積当たりの熱量が増量化され、非溶融部の板厚方向への溶け込み量が多くなる。また、薄鋼板の面方向における溶融範囲が小さくなるので、溶融熱は短い溶融外周縁から狭い領域へ伝達され、板厚方向に向かう熱量が増量化されて、板厚方向への溶け込み進行が促進される。したがって、上記の「板厚面積比」が５０のように小さく設定されているときには、板厚方向への溶け込み進行が促進されて、溶融深さの大きな状態となり、プロジェクションボルトの溶接強度が適正に保たれる。

上述の現象は、溶融金属が、溶融初期の段階では、初期溶融部と薄鋼板の非溶融部の間で封じ込められた状態になり、溶融後期の段階では、主溶融部と薄鋼板の非溶融部の間で封じ込められた状態になるので、液状化した金属の圧力状態を非溶融部の溶融進行に影響させていることになる。つまり、高圧溶融金属からは非溶融部に対して積極的に熱伝導がなされ、低圧溶融金属からは非溶融部に対して緩慢な熱伝導がなされる現象が重要点になっている。このような現象が上記の例示された「板厚面積比」のように展開されるので、板厚方向における過剰溶融や過少溶融が防止できて、適正な溶接強度が確保できる。

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記載の薄鋼板へのプロジェクションボルトの溶接方法である。

このように、板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍであっても、４５〜１０５なる「板厚面積比」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。 溶接時の溶着過程を示す断面図である。 「板厚面積比」の大小を対比した断面図である。 「板厚面積比」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、本発明の薄鋼板へのプロジェクションボルト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。なお、鋼板部品８の板厚は、０．６ｍｍ〜１ｍｍの範囲内である。

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、溶着過程について説明する。

図３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箇所のハッチング記載は行っていない。ここでの鋼板部品８の板厚は０．６５ｍｍであり、通常の高張力鋼板である。図３（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。溶融箇所１４の液状化した溶融金属は、可動電極９の加圧力が作用するので、初期溶融部４Ａと鋼板部品８の非溶融部の間に封じ込められた状態になっている。

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３（Ｂ）に示されている。ここでも、溶融箇所１４は、初期溶融部４Ａと鋼板部品８の非溶融部の間に封じ込められた状態になっている。

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３（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３（Ｃ）に示す溶融状態となる。

図３（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。

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１４となっている。

図３（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（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ／ＨＡＺ）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。

つぎに、初期溶融部の円形面積と鋼板部品との関係について説明する。

鋼板部品８の板厚は、前記のように、０．６５ｍｍである。一方、初期溶融部４Ａの円形面積は図１（Ｂ）に示した直径寸法９ｍｍから算出して６３．５９ｍｍ^２である。ここで、鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比、すなわち「板厚面積比」を求めると、９７．８３である。また、０．６５ｍｍの板厚を０．７ｍｍに変更して「板厚面積比」を求めると、９０．８１である。

上記「板厚面積比」９７．８３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０．６２ｍｍ、母材１７の厚さＴ２は０．５５ｍｍであった。また、板厚０．７ｍｍで「板厚面積比」９０．８１のものを上記溶接条件と同じ条件で溶接した結果、非溶融部１６の厚さＴ１は０．５５ｍｍ、母材１７の厚さＴ２は０．４８ｍｍであった。これらの値は、後述の図５に示した線図から読み取ることができる。

つぎに、Ｔ１、Ｔ２の具体値について説明する。

図５は、鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比（「板厚面積比」）と、Ｔ１，Ｔ２の関係を示す線図である。「板厚面積比」９０．８１と９７．８３の場合のＴ１およびＴ２は上記のとおりである。これらの値は、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。

つぎに、「板厚面積比」の大小と溶融の進行について説明する。

図４における（Ａ）と（Ｂ）は、初期溶融部４Ａの直径が９ｍｍ、板厚が０．７ｍｍであり、「板厚面積比」は９０．８１である。そして、上述のように、非溶融部１６の厚さＴ１は０．５５ｍｍ、母材１７の厚さＴ２は０．４８ｍｍである。同図（Ｃ）と（Ｄ）は、初期溶融部の直径が６．５ｍｍ、板厚が０．７ｍｍであり、「板厚面積比」は４７．３８である。そして、非溶融部１６の厚さＴ１は０．２４ｍｍ、母材１７の厚さＴ２は０．１８ｍｍである。なお、図４は断面図であるが、理解しやすくするために、ハッチングの記載は行っていない。

図４（Ａ）から（Ｂ）への溶融過程は、図３にしたがって説明したものと同じである。溶融箇所１４は、主溶融部４Ｂと薄鋼板の非溶融部１６の間で封じ込められていることと、可動電極９が加圧進出をすることによって、溶融金属の圧力が高く維持される。この場合、初期溶融部４Ａの円形面積が同図（Ｃ）や（Ｄ）の円形面積よりも遥かに大きいので、溶融金属の圧力は低く維持される。このような圧力状態によって、薄鋼板の板厚方向への溶融進行が緩和されて、過剰溶融が回避される。つまり、図４（Ａ）から（Ｂ）では、薄鋼板の板厚に対する溶融面積の比が大きなものとなる。このような広い面積の広域の溶融金属が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は低く保たれる。このため、溶融金属から薄鋼板の非溶融部に伝達される単位面積当たりの熱量が少量化され、非溶融部の板厚方向への溶け込み量が少なくなる。

図４（Ｃ）から（Ｄ）への溶融過程は、図３にしたがって説明したものと同じである。溶融箇所１４は、主溶融部４Ｂと薄鋼板の非溶融部１６の間で封じ込められていることと、可動電極９が加圧進出をすることによって、溶融金属の圧力が高く維持される。この場合、初期溶融部４Ａの円形面積が同図（Ａ）や（Ｂ）の円形面積よりも遥かに小さいので、溶融金属の圧力は高く維持される。このような圧力状態によって、薄鋼板の板厚方向への溶融進行が促進されて、溶融深さが大きくなる。つまり、図４（Ｃ）から（Ｄ）では、薄鋼板の板厚に対する溶融面積の比が小さなものとなる。このような狭い面積の狭域の溶融金属が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は高く保たれる。このため、溶融金属から薄鋼板の非溶融部に伝達される単位面積当たりの熱量が増量化され、非溶融部の板厚方向への溶け込み量が多くなる。

つぎに、「板厚面積比」の適正範囲について説明する。

鋼板部品の板厚は、図７にしたがって説明したように、異常溶融、すなわち板厚全体の溶融を防止して適正な溶融深さを求めることが重要なので、対象となる板厚は０．６ｍｍ〜１ｍｍである。厚さ０．６ｍｍの鋼板を「板厚面積比」４５〜１０５の範囲内に設定して溶接した結果、Ｔ１およびＴ２は良好な値がえらえた。また、厚さ１ｍｍの鋼板を「板厚面積比」４５〜１０５の範囲内に設定して溶接した結果、Ｔ１およびＴ２は良好な値がえらえた。

「板厚面積比」が、溶融金属圧力の大小によって鋼板部品の板厚方向の溶融量が上限所定値となる４５未満であると、図４（Ｃ）や（Ｄ）にしたがって説明したように、液状化した溶融金属の圧力が異常に高く維持されるために、薄鋼板の板厚方向への溶け込みが進行しすぎて、Ｔ１およびＴ２が異常に薄くなるか、ほとんどなくなってしまう。したがって、上記上限所定値は４５未満とするのが適正である。

一方、「板厚面積比」が、溶融金属圧力の大小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１０５を超えて１０６以上であると、図４（Ａ）や（Ｂ）にしたがって説明したように、液状化した溶融金属の圧力が異常に低く維持されるために、薄鋼板の板厚方向への溶け込みが緩慢すぎて、Ｔ１およびＴ２が異常に厚くなる。したがって、上記下限所定値は１０５を超えない値とするのが適正である。

なお、「板厚面積比」の大小によって液状金属の圧力に変化が生じることに着目しているが、溶接時の液状金属の圧力を計測することは、出願人において不可能なので、当該圧力の大小と薄鋼板の溶融進行度合いの関係で作用効果の説明を行っている。

「板厚面積比」を前述の９０．８１と９７．８３として溶接したボルト１の溶接強度テストを行った。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に相当する拔け穴８Ｂとなっていることが認められ、溶接強度として十分であると判定される。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１７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。

また、「板厚面積比」を前述の４７．３８として溶接したボルト１の溶接強度テストを行った結果、引っ張りテストおよび反復曲げテストのいずれにおいても、良好な値がえられた。

例えば、「板厚面積比」９７．８３のものに対して、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＝０．６２ｍｍ、Ｔ２＝０．５５ｍｍを、例えばＴ１＝０．５３ｍｍ、Ｔ２＝０．４４ｍｍにすることができる。

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。

鋼板部品８の板厚に対する初期溶融部４Ａの円形面積の比（「板厚面積比」）を、例えば、１００に設定した場合には、薄鋼板８の板厚に対する溶融面積の比が大きなものとなる。このような広い面積の広域の溶融金属１４が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は低く保たれる。このため、溶融金属１４から鋼板８の非溶融部１６に伝達される単位面積当たりの熱量が少量化され、非溶融部１６の板厚方向への溶け込み量が少なくなる。また、薄鋼板８の面方向における溶融範囲が大きくなるので、溶融熱は長い溶融外周縁から広範な領域へ伝達され、板厚方向に向かう熱量が少量化されて、板厚方向への溶け込み進行が緩和される。したがって、上記の鋼板部品８の板厚に対する初期溶融部４Ａの円形面積の比が１００のように大きく設定されているときには、板厚方向への溶け込み進行が緩和されて、過剰溶融が防止でき、プロジェクションボルト１の溶接強度が適正に保たれる

上記「板厚面積比」を、例えば、５０に設定した場合には、薄鋼板８の板厚に対する溶融面積の比が小さなものとなる。このような狭い面積の狭域の溶融金属１４が加圧状態におかれるので、液状化した金属の内圧は高く保たれる。このため、溶融金属１４から鋼板８の非溶融部１６に伝達される単位面積当たりの熱量が増量化され、非溶融部１６の板厚方向への溶け込み量が多くなる。また、薄鋼板８の面方向における溶融範囲が小さくなるので、溶融熱は短い溶融外周縁から狭い領域へ伝達され、板厚方向に向かう熱量が増量化されて、板厚方向への溶け込み進行が促進される。したがって、上記の「板厚面積比」が５０のように小さく設定されているときには、板厚方向への溶け込み進行が促進されて、溶融深さの大きな状態となり、プロジェクションボルト１の溶接強度が適正に保たれる。

上述の現象は、溶融金属１４が、溶融初期の段階では、初期溶融部４Ａと薄鋼板８の非溶融部１６の間で封じ込められた状態になり、溶融後期の段階では、主溶融部４Ｂと薄鋼板の非溶融部１６の間で封じ込められた状態になるので、液状化した金属の圧力状態を非溶融部１６の溶融進行に影響させていることになる。つまり、高圧溶融金属からは非溶融部１６に対して積極的に熱伝導がなされ、低圧溶融金属からは非溶融部１６に対して緩慢な熱伝導がなされる現象が重要点になっている。このような現象が上記の例示された「板厚面積比」のように展開されるので、板厚方向における過剰溶融や過少溶融が防止できて、適正な溶接強度が確保できる。

前記鋼板部品８の板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍである。

このように、板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍであっても、４５〜１０５なる「板厚面積比」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。

前記拡径部３の外周近傍と鋼板部品８の表面との間の空隙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、前記拡径部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、前記拡径部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前記主溶融部４Ｂ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、当空隙Ｃの空気が排出され、塗料液は空隙Ｃを形成する拡径部３、主溶融部４Ｂ、溶融箇所１４の露出部分、鋼板部品８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。

上述のように、本発明の方法によれば、溶融金属の分布状態や、液状化した金属の圧力状態を適正に求めることによって、板厚全域にわたる溶融を防止できる溶接方法であるから、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
８Ｂ 抜け穴
１４ 溶融箇所、溶融金属、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円形の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、
   鋼板部品の板厚に対する初期溶融部の円形面積の比を、４５〜１０５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薄鋼板へのプロジェクションボルト溶接方法。
2. 前記鋼板部品の板厚が０．６ｍｍ〜１ｍｍである請求項１記載の薄鋼板へのプロジェクションボルトの溶接方法。

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