JP5645033B2 - 薄板用プロジェクションボルトおよびその溶接方法 - Google Patents

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薄板用プロジェクションボルトおよびその溶接方法に関するものであり、プロジェクションボルトの軸部における熱吸収機能を活用するものである。

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６（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に記載されている特許発明（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、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６（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６（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。このような現象は、板厚が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、溶接電流の通電時間、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。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、溶融しなかった鋼板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６（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。さらに、溶融部３２と非溶融部との間に急冷が原因となる組織変化部分が同図の梨地箇所のようになって現れる。この部分は符号３３で示されており、この組織変化部分３３は脆性が低く、ここからも割れが発生すると考えられる。組織変化部分３３は、マルテンサイト組織である。

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、溶融局部からの熱流を改善して、薄板に対するプロジェクションボルト溶接を良好な状態で実施できる薄板用プロジェクションボルトおよびそ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。

問題を解決するための手段

請求項１記載の発明は、薄板用プロジェクションボルトであり、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テーパ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、この溶着用突起はそれだけが溶融する溶接電流が通電されるものであり、前記溶着用突起を鋼板部品に加圧後通電することにより、溶着用突起の領域が鋼板部品に溶着しその外周側の拡径部の端面が鋼板部品の表面に密着するように構成したものであって、前記拡径部の端面に、拡径部の外周部と前記溶着用突起の基部とを前記外周部側が低くなる拡径部傾斜面で接続することによって塑性変形部が形成され、この塑性変形部の体積は前記溶着用突起の体積よりも小さく設定され、前記塑性変形部は、前記拡径部傾斜面の傾斜角に応じた厚さを有し前記溶着用突起の溶融にともなって溶融する中央部の円形の溶融部と、前記基部から外周部に向かう前記拡径部傾斜面によって厚さが次第にうすくなるとともに前記溶融部の外周側に配置された環状の軟化部からなり、前記テーパ傾斜角は前記テーパ部と前記軸部の軸線に垂直な仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記拡径部傾斜面と前記仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記テーパ傾斜角よりも小さく設定され、前記軟化部は溶融部からの溶融熱によって軟化するとともに前記加圧によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動するように構成され、前記溶着用突起の溶融熱が溶着用突起よりも小さな体積とされた塑性変形部を経て拡径部から前記軸部へ伝達されることを特徴としている。

発明の効果

前記溶着用突起が鋼板部品に加圧されると、初期溶融部のテーパ部の先端部分が鋼板部品の表面にわずかに食い込んで、溶着用突起と鋼板部品の接触面積が増大する。このような状態で溶接電流が通電されると、前記の増大した接触面積全域の温度上昇がなされ、その後、所定温度に達すると溶融が開始される。このように大きな接触面積部分が溶融を開始するので、確実な溶融開始が確保できる。そして、広い面積部分が溶融開始をするので、未溶融域への溶融拡大が確実になされ、通電初期の段階で初期溶融部がその全域にわたって溶融する。

この溶融は、初期溶融部にテーパ傾斜角の小さなテーパ部が形成されているので、加圧にともなって直径方向に放射状のほぼ平面的な溶融範囲が円形に拡大してゆく。このような初期溶融部の全域溶融は、主溶融部の円形断面全体の溶融に移行してボルトの軸線方向に溶融が進行する。このような溶融進行が完了する時期には、溶着用突起の面積範囲で鋼板部品においても溶融が進行している。この時期に通電が停止されることにより、溶融範囲が溶着用突起の領域に限定された状態となる。そして、前記加圧によって溶着用突起の外周側の端面、すなわち拡径部傾斜面が鋼板部品の表面に密着する。

上述のように、初期溶融部の全面的な溶融が主溶融部の円形断面全体の溶融と化してボルトの軸線方向に進行するものであるから、それにともなって鋼板部品側に生じる溶融は溶着用突起の領域に限定されたものとなる。このように限定された溶融であるから、鋼板部品側の溶融深さが大きくなり溶接強度が向上する。同時に、溶着用突起の外周側の拡径部傾斜面が鋼板部品の表面に密着するので、中央部における十分な溶接強度と前記密着が複合して、ボルトの傾きのない高い溶接強度が確保できる。したがって、曲げ荷重が作用したりしても、容易に溶着部が剥離するようなことがない。さらに、溶着用突起だけを溶融させる通電条件であるから、溶着用突起の体積に適合した電流値や通電時間などの通電条件を設定すればよく、通電条件を設定する因子が単純化されて通電制御が行いやすくなり、溶接品質が安定する。同時に、電力消費が少なくなって経済的である。

すなわち、中央部における溶融深さの大きな溶着状態が狭い領域において形成され、この溶着部分から離隔した拡径部の周縁部分までの端面領域が鋼板部品に密着している。したがって、溶接強度は中央部において確保され、曲げ荷重に対しては前記密着と中央部の溶着によって高い剛性が得られる。

前記塑性変形部は、前記傾斜面の傾斜角に応じた厚さを有する中央部の円形の溶融部と、前記基部から外周部に向かって厚さが次第にうすくなる環状の軟化部とによって構成されている。溶着用突起だけが溶融されてもそれに連なる塑性変形部の溶融部も溶融状態になり、この溶融熱が前記軟化部に伝熱されてこの部分が軟化する。加圧力は継続的に作用しているので、軟化部の金属材料が中央の溶融部分の方へ流動しながら、拡径部傾斜面、すなわち軟化部の端面が鋼板部品の表面に密着してゆく。

上記の軟化部の金属材料は、加圧によって外周側に流動しようとするが、その反力によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動し、前記密着がなされるのである。このとき中央の溶融部分に対して外周側から金属材料の流動圧が作用するので、溶融部分はボルトの軸方向に拡大成長し、それによって鋼板部品の溶融深さが増大する。そして、軟化部は溶融部に近い厚さの大きな部分の方が外周側に比して高温であるから、肉厚の大きな箇所の変形性が十分に得られ、溶融部側への金属材料の流動が良好に確保できる。このような金属材料の流動現象は、軟化部の体積が溶融部の体積よりも大きく設定されていることによって、良好になされている。つまり、軟化部の溶融部に対する熱容量が大きくなり、軟化部は溶融部からの加熱で溶融状態にいたることがなく、軟化促進に適した加熱を受けることになる。

上述のような塑性変形部の溶融と変形挙動であるから、溶着用突起の領域に限定された部分の溶融が形成され、しかもその溶融深さが溶接強度面で十分な値になる。また、軟化部は溶着用突起や溶融部の溶融熱で加熱されているので、その変形性が良好なものとなり、拡径部傾斜面が鋼板部品の表面に確実に密着する。

特に重要な作用効果について説明する。

前記塑性変形部の体積が溶着用突起の体積よりも小さく設定されているので、溶着用突起から鋼板部品に及ぶ溶融が鋼板部品の厚さ方向において所定の溶融深さに達すると、その後は直ちに溶融熱を前記軸部側に伝達することができる。すなわち、溶着用突起や鋼板部品における溶融熱は鋼板部品が載置されている固定電極側にも伝熱されるが、他方、塑性変形部から拡径部を経て軸部の方へ伝達される。この軸部側への熱伝達の途上で塑性変形部を経由するのであるが、塑性変形部の体積が溶着用突起の体積よりも小さく設定されているので、塑性変形部の熱容量が小さくなり、塑性変形部を通過する熱流が迅速に拡径部ないしは軸部に対してなされる。

とくに、反復継続的に行われる溶接によって、固定電極や可動電極の温度は高温化しているのであるが、電極に保持されるボルトは常温状態であり、しかもボルトの軸部の昇温が拡径部よりも大幅に緩慢であるから、前記溶融熱をいち早く軸部へ伝達することが、鋼板部品の過剰溶融を防止する点で得策である。このような観点から、塑性変形部の体積を溶着用突起の体積よりも小さくなるように設定し、塑性変形部における熱滞留を最小化して熱流を迅速化し、低温である軸部側への熱流を促進している。すなわち、低温状態の熱容量の大きな軸部に溶融熱を蓄熱させることによって、溶融熱を効果的に軸部へ伝熱し、鋼板部品の過剰溶融が回避されているのである。拡径部は可動電極の端面で加圧されるので、可動電極の残留熱により短時間で加熱されるが、このような短時間では軸部の昇温はわずかな値となり、しかも軸部は受入孔内に空隙をおいて挿入されているので、通電前における軸部の温度は拡径部よりも低く維持されている。このような低温状態の軸部が蓄熱部材として活用されている。

上記のように溶着用突起および鋼板部品における溶融熱が早期の内に軸部の方へ伝熱されるので、鋼板部品における溶融域が板厚全体に及ぶようなことがなく、例えば、溶融深さが板厚の１／２〜２／３となり、残余の部分は溶融していない板材となる。このような溶融域状態のボルトについて後述のような曲げ衝撃テストや引っ張りテストを行った結果、良好な溶接強度がえられた。これは、溶融深さがこのような領域であると、溶融しなかった鋼板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に確保できるためであると考えられる。

さらに、前記拡径部傾斜面の傾斜角がテーパ傾斜角よりも小さく設定されているので、塑性変形部の体積を溶着用突起のそれよりも小さくすることが行いやすくなるとともに、拡径部傾斜面が鋼板部品の表面に密着しやすくなる。上述のように、軟化部の金属材料は、加圧によって外周側に流動しようとするが、その反力によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動し、前記密着がなされるのであるが、拡径部傾斜面の傾斜角がテーパ傾斜角よりも小さく設定されているので、軟化部の金属材料が溶融部側に流動すると、直ちに拡径部傾斜面が鋼板部品の表面に密着する。したがって、密着不足といった現象が皆無となる。

前記テーパ傾斜角は、加圧によって適度の食い込みが鋼板部品表面に対してなされるように設定されている。このように設定されたテーパ傾斜角よりも拡径部傾斜面の傾斜角を小さく設定するということは、塑性変形部の体積を溶着用突起のそれよりも小さくすることを確実に行って、軸部側への熱移動を促進することと、小さな拡径部傾斜面の傾斜角によって、より一層鋼板部品表面への密着性を確実化している。換言すると、もしも拡径部傾斜面の傾斜角がテーパ傾斜角よりも大きければ、塑性変形部の体積を溶着用突起のそれよりも小さくすることが不可能となる虞があり、また、拡径部傾斜面が鋼板部品表面に密着しにくくなる、という問題が発生する。さらに、もしも拡径部傾斜面の傾斜角がテーパ傾斜角よりも大きければ、塑性変形部の体積を小さくすることが行いにくくなるので、塑性変形部に溶融熱が滞留しやすくなる。このため、軸部に向かう熱流が塑性変形部において阻害され、軸部を蓄熱部材として十分に活用できないこととなる。

請求項２記載の発明は、前記軟化部の体積が前記溶融部の体積よりも大きく設定されている請求項１記載の薄板用プロジェクションボルトである。

軟化部は溶融部に近い厚さの大きな部分の方が外周側に比して高温であるから、肉厚の大きな箇所の変形性が十分に得られ、溶融部側への金属材料の流動が良好に確保できる。このような金属材料の流動現象は、軟化部の体積が溶融部の体積よりも大きく設定されていることによって、良好になされている。つまり、軟化部の溶融部に対する熱容量が大きくなり、軟化部は溶融部からの加熱で溶融状態にいたることがなく、軟化促進に適した加熱を受けることになる。

請求項３記載の発明は、前記拡径部傾斜面の外周側に傾斜のない平面部が設けられている請求項１または請求項２記載の薄板用プロジェクションボルトである。このような平面部も鋼板部品の表面に密着して、前述のような作用効果を発揮する。

請求項４記載の発明は、薄板用プロジェクションボルトの溶接方法であり、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テーパ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準備し、前記溶着用突起を鋼板部品に加圧後通電し、この加圧通電条件を前記溶着用突起だけが溶融してその領域が鋼板部品に溶着しその外周側の拡径部の端面が鋼板部品の表面に密着するように設定して溶接するものであって、前記プロジェクションボルトには、前記拡径部の外周部と前記溶着用突起の基部とを前記外周部側が低くなる拡径部傾斜面で接続した塑性変形部が形成され、この塑性変形部の体積は前記溶着用突起の体積よりも小さく設定され、前記塑性変形部は、前記拡径部傾斜面の傾斜角に応じた厚さを有し前記溶着用突起の溶融にともなって溶融する中央部の円形の溶融部と、前記基部から外周部に向かう前記拡径部傾斜面によって厚さが次第にうすくなるとともに前記溶融部の外周側に配置された環状の軟化部からなり、前記テーパ傾斜角は前記テーパ部と前記軸部の軸線に垂直な仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記拡径部傾斜面と前記仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記テーパ傾斜角よりも小さく設定され、前記加圧により円形の前記溶融部の溶融熱によって前記軟化部の変形を促進し軟化部を中央の変形性のある溶融部分の方へ流動させるとともに、前記溶着用突起の溶融熱を溶着用突起よりも小さな体積とされた塑性変形部を経て拡径部から前記軸部へ伝達することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、前記軟化部の体積が前記溶融部の体積よりも大きく設定されている請求項４記載の薄板用プロジェクションボルトの溶接方法である。

請求項６記載の発明は、前記拡径部傾斜面の外周側に傾斜のない平面部が設けられている請求項４または請求項５記載の薄板用プロジェクションボルトの溶接方法である。

上記の各溶接方法の発明の作用効果は、前述のプロジェクションボルトの発明における作用効果と同じである。

プロジェクションボルトの各部形状を示す図である。 ボルトが溶接される状態を示す断面図である。 溶融状態を段階的に示す断面図である。 ボルトの各部の体積区分状態を示す図である。 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、本発明の薄板用プロジェクションボルトおよびその溶接方法を実施するための形態を説明する。

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と、前記拡径部３の外周部と前記溶着用突起４の基部５とを前記外周部側が低くなる拡径部傾斜面６で接続することによって形成された塑性変形部７によって形成されている。なお、前記の「外周部側が低くなる」というのは、図１（Ａ）において、外周部側が軸部２の上端側に接近した傾斜方向であることを意味している。そして、符号８は軸部２の外周面に形成された雄ねじであり、ねじ山は谷部と山部を有している。

前記溶着用突起４は、図４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。前記初期溶融部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１５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１６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１６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。

つぎに、塑性変形部７の形状について説明する。

図４に示すように、塑性変形部７は、溶着用突起４（主溶融部４Ｂ）と拡径部３との間の扁平な円形の金属材料部であり、その部分だけを抽出して示した断面形状が図４（Ｂ）である。拡径部傾斜面６の傾斜角に応じた厚さを有する中央部の円形の部分が、溶融部７Ａである。この溶融部７Ａ（基部５の箇所）から外周部に向かって厚さが次第にうすくなる環状の部分が、軟化部７Ｂである。この軟化部７Ｂの断面は、図４（Ｂ）に示すように、楔型である。

なお、前記拡径部傾斜面６の傾斜角度は、軸部２の軸線が垂直に交わっている仮想平面との間で形成される角度を意味している。溶着用突起４のテーパ部１５の傾斜角度も同様である。フランジ状の拡径部３と塑性変形部７と溶着用突起４によってボルト１の頭部が形成されている。前記拡径部傾斜面６が拡径部３の端面である。図１（Ｂ）には、拡径部傾斜面６の外周側に設けられた傾斜のない平面部３Ａが図示され、これも拡径部３の端面である。

図２は、ボルト１が鋼板部品９に溶接される状態を示す断面図である。可動電極１０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１０の長手方向に受入孔１１があけられ、その奥部に永久磁石１２が取り付けてある。鋼板部品９は、可動電極１０と同軸状態で配置された固定電極１３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１０の受入孔１１に挿入され、永久磁石１２で吸引されてボルト１が可動電極１０に保持される。このときには、可動電極１０の端面１４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１０が進出してきて、溶着用突起４が鋼板部品９に加圧されている状態を示している。この加圧状態は図３（Ｈ）に示されており、頂部１６が鋼板部品９の表面にめり込んでいるので、テーパ部１５が広い領域にわたって鋼板部品９と密着している。つまり、初期溶融部４Ａのテーパ部１５の先端部分が鋼板部品９の表面にわずかに食い込んで、溶着用突起４と鋼板部品９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９への溶接がなされる。接触部分が大きくなった密着部分は、符号１６Ａで示されている。

図１（Ａ）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の直径は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１３．５ｍｍと１．０ｍｍ、溶着用突起４の基部５すなわち溶着用突起４の付け根部分の直径は７ｍｍである。

さらに、溶着用突起４の端面（テーパ部１５）の直径は５．５ｍｍ、初期溶融部４Ａの高さ（厚さ）は０．７９ｍｍ、主溶融部４Ｂの高さ（厚さ）は０．８ｍｍ、溶着用突起４の基部５から頂部１６までの高さは１．５９ｍｍ、塑性変形部７の高さ（厚さ）は０．２６ｍｍ、拡径部傾斜面６の傾斜角度θ１は５度、溶着用突起４のテーパ部１５の傾斜角度θ２は９度である。

したがって、拡径部３の直径に対する溶着用突起４の直径の比は、０．５２である。また、軸部２の直径に対する拡径部３の直径の比は、２．７である。

図４は、拡径部３、塑性変形部７、溶着用突起４および溶着用突起４を構成する初期溶融部４Ａと主溶融部４Ｂの各部分の体積を示すための区分図である。図１に示した寸法や傾斜角度を有するボルト１の各部体積は、拡径部３が１４３．１４ｍｍ^３、塑性変形部７が２２．１７ｍｍ^３、溶着用突起４が３０．９２ｍｍ^３、初期溶融部４Ａが６．２６ｍｍ^３、主溶融部４Ｂが２４．６６ｍｍ^３である。そして、塑性変形部７における溶融部７Ａが１０ｍｍ^３、軟化部が１２．１７ｍｍ^３である。上記数値から明らかなように、塑性変形部７の体積は溶着用突起４の体積よりも小さく設定されている。

そして、初期溶融部４Ａの体積に対する主溶融部４Ｂの体積の比は、３．９４である。塑性変形部７の体積に対する溶着用突起４の体積の比は、１．３９である。また、溶着用突起４の体積と塑性変形部７の体積の和に対する拡径部３の体積の比は、２．７０である。そして、溶着用突起４の体積と塑性変形部７の体積との合計体積は、拡径部３の体積よりも小さく設定されている。

上述の各部寸法から明らかなように、このボルト１はいわゆる小物部品である。このように小物であるから、溶融の進行状態や溶着部分（ナゲット）の大きさなどが溶接品質に大きく影響するのである。

つぎに、このボルト１の溶着現象について説明する。

溶接は前述のように、図２に示す状態で行われる。加圧通電条件は、溶着用突起４だけが溶融するとともに、溶着用突起４の範囲面積に対応する鋼板部品９の部分が溶融するように設定される。ここで、相手方部材である鋼板部品９の板厚は、０．６５ｍｍである。そして、可動電極１０による加圧力すなわち鋼板部品９に対する溶着用突起４の加圧力は、２２００Ｎであり、溶接電流は１１０００Ａ、通電時間は１２サイクルである。前記通電時間１２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り、この時点では溶融部７Ａと鋼板部品９側においても溶融がなされている。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９０００〜１３０００Ａ、通電時間は５〜１５サイクルとするのが良好である。

上述の溶接条件で進行する溶融過程が、図３に示されている。図３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省略してある。図３（Ａ）は、溶着用突起４の頂部１６が鋼板部品９に加圧されている状態を示す。この状態では同図（Ｈ）に示すように、頂部１６が鋼板部品９にわずかにめり込んでいて、テーパ部１５と鋼板部品９との密着面積が大きくなっている。この密着部分は、符号１６Ａで示されている。

上述の加圧状態のところへ通電されると、前記のめり込んでいる箇所、すなわち密着部分１６Ａから溶融が開始され、図３（Ｂ）に示すように、通電初期の段階で前記初期溶融部４Ａがその全域にわたって溶融する。溶融箇所は符号１７で示されている。この密着部分１６Ａから開始される溶融は、初期溶融部４Ａのテーパ部１５にテーパ傾斜角θ２＝９度のテーパ角が形成されているので、加圧にともなって直径方向に放射状のほぼ平面的な溶融範囲が円形に拡大してゆく。つまり、傾斜角θ２が９度であるから、わずかな溶融であっても通電面積が急増しそれにともなって電流密度は急減する。そのため、溶融拡大は熱容量の大きなボルト１の軸方向よりも直径方向に進行しやすくなる。なお、溶融部分、溶着部分、溶着箇所および溶融範囲は、溶融箇所と同義語であり、それらにも符号１７が用いてある。

このような初期溶融部４Ａの全域溶融は、主溶融部４Ｂの円形断面全体の溶融に移行して、図３（Ｃ）に示すように、ボルト１の軸線方向に溶融が進行する。このような溶融進行が完了する時期には、加圧にともなって溶着用突起４の断面積範囲で鋼板部品９においても溶融が進行し、この時期に通電が停止される。その結果、溶融範囲が溶着用突起４の領域に限定された状態となる。この段階では、図３（Ｃ）に示すように、拡径部傾斜面６と鋼板部品９の表面９Ａとの間にわずかな隙間１９が存在しているが、可動電極１０の加圧によって通電停止とほぼ同時にこの隙間１９は消滅し、図３（Ｄ）に示すように、拡径部傾斜面６は鋼板部品９の表面９Ａに密着する。

図３（Ｄ）の密着部分を鋼板部品９の面方向に切断した平面図が、同図（Ｅ）である。この切断状態から明らかなように、溶融箇所１７すなわち溶着箇所が溶着用突起４の直径とほぼ同じ大きさになっていることが認められる。この溶融箇所１７の直径は、７．２ｍｍである。１０本のボルト１を溶接した結果、この寸法は、６．９〜８．２ｍｍの範囲に分布しており、溶着範囲は適正であることが認められた。

つぎに、塑性変形部７の変形挙動について説明する。

上述の加圧および溶融の過程においては、次のような塑性変形部７の変形挙動がなされている。この変形挙動は、図３（Ｆ）および（Ｇ）に示されているが、理解しやすくするために、図（Ｆ）における拡径部傾斜面６の傾斜角度を大きく図示してある。なお、溶融箇所１７をくわしく観察するために、溶融箇所１７の部分を切断した。図（Ｇ）は、この切断面を示している。

前記塑性変形部７は、前記拡径部傾斜面６の傾斜角θ１に応じた厚さを有する中央部の円形の溶融部７Ａと、前記基部５から外周部に向かって厚さが次第にうすくなる環状の軟化部７Ｂとによって構成されている。溶着用突起４だけが溶融されても、それに連なる塑性変形部７の溶融部７Ａも溶融状態になり、この溶融熱が前記軟化部７Ｂに伝熱されてこの部分が軟化する。加圧力は継続的に作用しているので、軟化部７Ｂの金属材料が中央の溶融部分１７の方へ流動しながら、傾斜した拡径部３すなわち軟化部７Ｂの端面６が鋼板部品９の表面９Ａに密着してゆく。

上記の軟化部７Ｂの金属材料は、加圧によって外周側に流動しようとするが、その反力によって矢線７Ｃのように中央の変形性のある溶融部分１７の方へ流動し、前記密着がなされるのである。このとき中央の溶融部分１７に対して外周側から金属材料の流動圧が作用するので、溶融部分１７はボルト１の軸方向に拡大成長し、それによって鋼板部品９の溶融深さが増大する。そして、軟化部７Ｂは溶融部７Ａに近い厚さの大きな部分の方が外周側に比して高温であるから、肉厚の大きな箇所の変形性が十分に得られ、溶融部分１７側への金属材料の流動が良好に確保できる。

上述のような塑性変形部７の溶融と変形挙動であるから、溶着用突起４の領域に限定された部分の溶融が形成され、しかもその溶融深さＬ２が溶接強度面で十分な値になる。また、軟化部７Ｂは溶着用突起４や溶融部７Ａの溶融熱で加熱されているので、その変形性が良好なものとなり、傾斜した拡径部傾斜面６が鋼板部品９の表面９Ａに確実に密着する。

鋼板部品９の板厚は前記のように０．６５ｍｍであり、上述のような過程をへて形成された図３（Ｇ）に示す溶融深さＬ２は、約０．３７ｍｍである。前述の図６（Ｂ）に示したような板厚全域にわたる溶融ではなく、上記約０．３７ｍｍは後述の強度テストの結果から見て、適正な溶融深さであると判定できる。そして、鋼板部品９の非溶融厚さＬ５が約０．２８ｍｍであるから、鋼板部品９自体としての剛性も損なわれていないことが認められる。このように非溶融厚さＬ５が０．２８ｍｍ存在することは、鋼板部品９自体の強度が後述のテスト結果に反映されているものと判断できる。

また、溶融箇所１７の拡径部３側と鋼板部品９側におよぶ全体の厚さＬ４は約０．６ｍｍであり、拡径部３側への溶け込み深さとして適正であると判断される。

１０本のボルト１を溶接した結果、上記Ｌ２は０．３５〜０．４２ｍｍの範囲に分布している。また、上記Ｌ４は０．５８〜０．６３に分布している。これらの分布状況から、良好な溶融深さであると判定できる。

上述のようにして溶着した鋼板部品９を治具などで固定し、軸部２の直径方向にハンマーで叩く曲げ衝撃テストを行った結果、軸部２は屈曲変形をしたが、溶着箇所１７の部分は剥離などが発生しないとともに、拡径部傾斜面６と鋼板の表面９Ａとの密着状態は維持され、完全な溶着状態が確保されていることが確認された。したがって、十分な溶接強度が確保されていることが認められた。

さらに、鋼板部品９を治具で固定し、軸部２を軸方向に引っ張るテストの結果、図５に示す破断状態となった。このように溶着用突起４側に溶着している鋼板部品９の部分９Ｂ（非溶融部）が、剪断状態で鋼板部品９の本体９Ｃから破断して抜け穴９Ｄの状態になっていることが認められる。この破断は、上記引っ張り荷重が２０００〜２８００Ｎの範囲で発生しており、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９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。

なお、前述の加圧力、電流値、通電時間などの溶接条件を変えることにより、溶融深さＬ２、Ｌ４、非溶融部Ｌ５の各値および拡径部傾斜面６と鋼板部品表面９Ａの密着状態にバラツキが発生するが、上記の分布状況であれば曲げ衝撃テストや引っ張りテストなどの溶接強度は十分に確保できる。また、拡径部傾斜面６と鋼板部品表面９Ａの密着状態においても、両面６と９Ａの密着圧に高低差が発生したり、あるいは目視しても判別できない程度のわずかな隙間が発生したりするが、上記曲げ衝撃テストや引っ張りテストの結果には影響しないことが確認された。

また、溶融部７Ａの体積に対する軟化部７Ｂの体積の比は、１．２である。このように軟化部７Ｂの体積が大きく設定されているために、軟化部７Ｂの溶融部７Ａに対する熱容量が大きくなり、軟化部７Ｂは溶融部７Ａからの加熱で溶融状態にいたることがなく、軟化促進に適した加熱を受けることになる。溶融部７Ａの体積に対する軟化部７Ｂの比は、１．２〜１．８に設定するのが望ましい。

前記の拡径部３の直径に対する溶着用突起４の直径の比が、０．３未満であると、溶融範囲が過小になり、溶接強度が不十分になる。また、前記の比が０．６を超えると、溶融範囲は十分に確保できるが、拡径部傾斜面６と鋼板部品９の表面９Ａとの密着部分における直径方向の寸法が不足し、軸部２の曲げ荷重に対する剛性が確保できなくなる。したがって、上述の比が０．３〜０．６に設定されることにより、十分な溶接強度が確保できる。

上述の比は、０．３〜０．６に設定されるが、好ましくは０．３５〜０．５５であり、最適値は本実施例における０．５２である。

前記の初期溶融部４Ａの体積に対する主溶融部４Ｂの体積の比が、３．５未満であると、初期溶融部４Ａの体積が過大となってそれ自体の熱容量が過剰になるとともに溶着用突起４としての体積も過大となるので、溶着用突起４全体の溶融によって鋼板部品９の厚さ方向の溶融量が過剰になって、板厚全体が溶融し、適正な溶接強度が得られない。また、前記の比が６．５を超えると、初期溶融部４Ａの体積が過小となってそれ自体の熱容量が不十分となるので、主溶融部４Ｂを連続的に溶融させることが不可能となり、結果的には鋼板部品９の溶融深さに不足が生じる。したがって、上述の比が３．５〜６．５に設定されることにより、十分な溶接強度が確保できる。

上述の比は、３．５〜６．５に設定されるが、好ましくは３．８〜６．０であり、最適値は本実施例における３．９である。

前記初期溶融部４Ａのテーパ部１５のテーパ傾斜角θ２が、５度未満であると、わずかな加圧変位であっても溶着部分１７の拡大が急速に進行するので、加圧力の制御が困難となる。また、加圧にともなって電流密度の低下が急速に進行するので、ジュール熱の発生が緩慢になり、それによって主溶融部４Ｂへの溶融移行が円滑に行われない状態になる。また、傾斜角度が１４度を超えると、大きな加圧変位であっても溶着部分１７の拡大進行が緩慢となるので、やはり加圧力の制御が困難となり、同時に主溶融部４Ｂへの溶融移行が円滑に行われない状態になる。さらに、傾斜角度が１４度を超えて大きくなると、溶着用突起４の体積が大きくなり、溶着用突起４の熱容量が過大になって鋼板部品９の板厚全体が溶融してしまう虞がある。したがって、上述の傾斜角度が５〜１４度に設定されることにより、良好な品質のボルト溶接が確保できる。

上述の傾斜角度θ２は、５〜１４度に設定されるが、好ましくは７〜１２度であり、最適値は本実施例における９度である。

前記塑性変形部７の拡径部傾斜面６の傾斜角度θ１が、３度未満であると、軟化している傾斜部分の金属材料７Ａが加圧によって中央の溶融部分１７の方へ流動する力成分（図３（Ｆ）の矢線７Ｃ参照）が小さくなるので、溶融部分１７に対する外周側から加圧力が不足し、溶融部分１７のボルト軸方向の拡大成長が緩慢になって溶融深さＬ２が十分に確保できない。同時に、溶着用突起４の体積に対する塑性変形部７の体積が過小になり、両体積の比が適正に求められなくなる。また、前記の傾斜角度θ１が８度を超えると、溶着用突起４の体積に対する塑性変形部７の体積が過大になり、溶着用突起４の溶融熱で塑性変形部７を十分に加熱することが困難になる。同時に、塑性変形部７の方へ溶着用突起４の溶融熱が奪われるので、鋼板部品９の溶融深さＬ２が不十分になる。したがって、上述の傾斜角度θ１が３〜８度に設定されることにより、良好な品質のボルト溶接が確保できる。

上述の傾斜角度θ１は、３〜８度に設定されるが、好ましくは４〜７度であり、最適値は本実施例における５度である。

拡径部傾斜面６の角度θ１は、テーパ傾斜角θ２よりも小さく設定してある。したがって、本実施例のようにθ２を９度とした場合には、θ１は５度とされている。あるいは、θ２を１１度とした場合には、θ１は例えば６．５度に設定される。このように拡径部傾斜面６の傾斜角θ１がテーパ傾斜角θ２よりも小さく設定されているので、塑性変形部７の体積を溶着用突起４のそれよりも小さくすることが行いやすくなるとともに、拡径部傾斜面６が鋼板部品の表面９Ａに密着しやすくなる。

テーパ傾斜角θ２は、加圧によって適度の食い込みが鋼板部品表面９Ａに対してなされるように設定されている。このように設定されたテーパ傾斜角θ２よりも拡径部傾斜面６の傾斜角θ１を小さく設定するということは、塑性変形部７の体積を溶着用突起４のそれよりも小さくすることを確実に行って後述の軸部２側への熱移動を促進することと、小さな拡径部傾斜面６の傾斜角θ１によって、より一層鋼板部品表面９Ａへの密着性を確実化している。

つぎに、溶着用突起の体積について説明する。

溶着用突起４の体積は、鋼板部品９に適度の溶融深さが形成されるのに必要な熱容量が確保できるように設定されている。溶接電流の電流値、通電時間および加圧力は、溶着用突起４の部分だけを溶融するのに必要な値に設定され、この溶融にともなって鋼板部品９に適度の溶融深さが確保されるようになっている。したがって、溶着用突起４の溶融による熱量は、鋼板部品９に適度の溶融深さを形成できる値とされている。溶着用突起４の溶融熱は、鋼板部品９、固定電極１３および拡径部３の方などへ流れるので、鋼板部品９を溶融させるに足りる熱量を確保するためには、溶着用突起４の体積を大きく設定しておく必要がある。そのために、軸部２に直交する方向に切断した溶着用突起４の面積に対応する鋼板部品９の部分の体積、すなわち図３（Ｈ）の梨地部分の体積Ｖよりも溶着用突起４の体積が大きく設定されている。梨地部分Ｖは円形でありその直径は７ｍｍである。溶着用突起４の円形断面の直径にほぼ等しい直径の梨地部分Ｖとされている。

溶着用突起４の体積は、上記のような鋼板部品９における適度の溶融深さを確保するために、梨地部分の体積Ｖの１．２４倍とされている。前述のように溶着用突起４の体積は３０．９２ｍｍ^３、体積Ｖは２５．０１ｍｍ^３であるから、１．２４倍となる。このような体積Ｖに対する溶着用突起４の体積の比は、１．１〜１．４の範囲に設定されるが、好ましくは１．２〜１．３であり、本実施例では１．２４である。

上記の比が１．１未満であると、溶着用突起４の体積が体積Ｖの部分に対して過小になり、溶着用突起４の溶融熱量が不足し、鋼板部品９側に溶融不足が発生しやすくなる。また、１．４を超えると、溶着用突起４の体積が体積Ｖの部分に対して過大になり、溶着用突起４の溶融熱量が過剰となり、鋼板部品９側に過剰溶融が発生しやすくなり、溶融が板厚全域におよぶ虞がある。

つぎに、溶着用突起の溶融熱の熱流について説明する。

溶着用突起４の溶融熱は、鋼板部品９を経て可動電極１３へ流れたり、塑性変形部７を経て拡径部３側へ流れたりする。ところで、この種のボルト溶接では、生産性を上げるために短時間で多数のボルトが連続的に溶接される。そのために、固定電極１３側の温度が高温となり、固定電極１３側へは溶融熱が逃げにくい状態となる。一方、ボルト１は常温状態のものが受入孔１１に差し込まれるので、可動電極１０の残留温度が高温であってもボルト１側への熱流を促進することが、鋼板部品９の過剰溶融防止の面から得策である。図２に示すように、ボルト１はその軸部２が受入孔１１に差し込まれ、拡径部３の端面が可動電極１０の端面１４に密着しているので、拡径部３は可動電極１０の残留熱で直ちに加熱されるが、受入孔１１内に挿入された軸部２に向かう熱流は拡径部３で熱吸収がなされるので、緩慢となる。そして、所定の空隙１１Ａが存在するので、受入孔１１の内面から軸部２への熱伝達はわずかなものとなり、軸部２の低温状態が維持される。

図２は、可動電極１０が進出して溶着用突起４の頂部１６が鋼板部品９の表面に接触した段階であり、可動電極１０の端面１４は拡径部３の軸部側の端面に密着している。この密着状態で加圧が開始され、０．３秒間の加圧後に溶接電流が通電される。この溶接条件は、前述のように加圧力は２２００Ｎ、溶接電流は１１０００Ａ、通電時間は１２サイクルである。上記０．３秒間の加圧がなされているときに可動電極１０の残留熱によって拡径部３が加熱されるが、軸部２までは０．３秒という短時間であるからほとんど加熱されない状態となっている。また、軸部２は受入孔１１内に空隙１１Ａをおいて挿入されているので、この空隙１１Ａが断熱層になって昇温の度合いはわずかである。

この０．３秒間の加圧終了後に上記条件で溶接電流が通電される。この通電によって溶着用突起４や鋼板部品９が溶着用突起４の面積相当箇所において溶融し、図３（Ｅ）に示す中央部の溶着がなされる。この溶着における溶融熱は塑性変形部７を経由して拡径部３に伝えられるが、拡径部３は可動電極１０の残留熱ですでに加熱されているので、溶融熱は主として体積の小さい塑性変形部７と拡径部３を経由して、温度が低くて体積の大きな軸部２の方へ伝熱される。したがって、低温状態の軸部２に溶融熱が蓄熱される現象がえられて、鋼板部品９の過剰溶融が防止される。

換言すると、熱容量が大きくて低温の軸部２が、一種の冷やし金の役割を果たすように、塑性変形部７の小体積が機能しているのである。つまり、塑性変形部７の役割は、拡径部傾斜面６を確実に鋼板部品の表面９Ａに密着させたり、溶着部分１７の厚さを確保したりすることであり、他方、溶融部７Ａや軟化部７Ｂの一部は溶着部分１７に包含されるが、塑性変形部７の体積を小さく設定しているので、塑性変形部７における蓄熱熱量はわずかな量となる。したがって、溶融熱の主な熱流は可動電極の端面１４で予熱されている拡径部３を経由して、低温の軸部２に到達することとなる。

上記加圧時間は０．３秒であるが、種々な条件を考慮して、０．２〜０．８秒とすることができる。

上述のように、昇温が緩慢であるとともに熱容量の大きな軸部２の方へ迅速に溶融熱を流すために、塑性変形部７の体積を溶着用突起４の体積よりも小さくしてある。こうすることにより、溶融熱は熱容量の小さい塑性変形部７や予熱されている拡径部３において滞留することなく迅速に低温の軸部２へ伝熱され、鋼板部品９におよんでいる溶融熱を効率的に軸部２へ流すこととなる。このような熱流によって、鋼板部品９における過剰溶融が抑制され、板厚全域にわたる異常溶融が防止される。

なお、拡径部３の体積を小さくして軸部２への熱移動を促進することも考えられるが、拡径部３自体は拡径部傾斜面６が鋼板部品９に密着して溶接強度、特に曲げ衝撃力に対する強度を維持するために、所定の厚さを付与する必要がある。したがって、拡径部３の体積の少量化は困難なこととなる。また、拡径部３の端面を可動電極の端面１４が加圧するので、拡径部３自体に所定の強度を持たせる必要があり、このような理由からも拡径部３の体積の少量化が困難になる。

上記空隙１１Ａについて説明すると、軸部２のねじ山の直径が５ｍｍであり、受入孔１１の内径が５．３ｍｍである。したがって、軸部２が偏心していなければ、全周にわたって０．１５ｍｍの空隙が確保され、この部分が断熱層の役割を果たしている。もし、軸部２が偏心していて受入孔１１の内面に接触していても、空隙１１Ａの断熱層としての機能はわずかに低減するだけで、実質的には問題にならない値である。

以上に説明した実施例の作用効果を列記すると、つぎのとおりである。

前記溶着用突起４が鋼板部品９に加圧されると、初期溶融部４Ａのテーパ部１５の先端部分が鋼板部品９の表面にわずかに食い込んで、溶着用突起４と鋼板部品９の接触面積１６Ａが増大する。このような状態で溶接電流が通電されると、前記の増大した接触面積全域の温度上昇がなされ、その後、所定温度に達すると溶融が開始される。このように大きな接触面積部分１６Ａが溶融を開始するので、確実な溶融開始が確保できる。そして、広い面積部分が溶融開始をするので、未溶融域への溶融拡大が確実になされ、通電初期の段階で初期溶融部４Ａがその全域にわたって溶融する。

この溶融は、初期溶融部４Ａにテーパ傾斜角θ２の小さなテーパ部１５が形成されているので、加圧にともなって直径方向に放射状のほぼ平面的な溶融範囲１７が円形に拡大してゆく。このような初期溶融部４Ａの全域溶融は、主溶融部４Ｂの円形断面全体の溶融に移行してボルト１の軸線方向に溶融が進行する。このような溶融進行が完了する時期には、溶着用突起４の面積範囲で鋼板部品９においても溶融が進行している。この時期に通電が停止されることにより、溶融範囲１７が溶着用突起４の領域に限定された状態となる。そして、前記加圧によって溶着用突起４の外周側の端面、すなわち拡径部傾斜面６が鋼板部品９の表面に密着する。

上述のように、初期溶融部４Ａの全面的な溶融が主溶融部４Ｂの円形断面全体の溶融と化してボルト１の軸線方向に進行するものであるから、それにともなって鋼板部品９側に生じる溶融は溶着用突起４の領域に限定されたものとなる。このように限定された溶融であるから、鋼板部品９側の溶融深さＬ２が大きくなり溶接強度が向上する。同時に、溶着用突起４の外周側の拡径部傾斜面６が鋼板部品の表面９Ａに密着するので、中央部における十分な溶接強度と前記密着が複合して、ボルト１の傾きのない高い溶接強度が確保できる。したがって、曲げ荷重が作用したりしても、容易に溶着部が剥離するようなことがない。さらに、溶着用突起４だけを溶融させる通電条件であるから、溶着用突起４の体積に適合した電流値や通電時間などの通電条件を設定すればよく、通電条件を設定する因子が単純化されて通電制御が行いやすくなり、溶接品質が安定する。同時に、電力消費が少なくなって経済的である。

すなわち、中央部における溶融深さＬ２の大きな溶着状態が狭い領域において形成され、この溶着部分１７から離隔した拡径部３の周縁部分までの端面領域が鋼板部品に密着している。したがって、溶接強度は中央部において確保され、曲げ荷重に対しては前記密着と中央部の溶着によって高い剛性が得られる。

前記塑性変形部７は、前記拡径部傾斜面６の傾斜角θ１に応じた厚さを有する中央部の円形の溶融部７Ａと、前記基部５から外周部に向かって厚さが次第にうすくなる環状の軟化部７Ｂとによって構成されている。溶着用突起４だけが溶融されてもそれに連なる塑性変形部７の溶融部７Ａも溶融状態になり、この溶融熱が前記軟化部７Ｂに伝熱されてこの部分が軟化する。加圧力は継続的に作用しているので、軟化部７Ｂの金属材料が中央の溶融部分の方へ流動しながら、拡径部傾斜面６、すなわち軟化部７Ａの端面が鋼板部品の表面９Ａに密着してゆく。

上記の軟化部７Ａの金属材料は、加圧によって外周側に流動しようとするが、その反力によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動し、前記密着がなされるのである。このとき中央の溶融部分に対して外周側から金属材料の流動圧が作用するので、溶融部分はボルトの軸方向に拡大成長し、それによって鋼板部品９の溶融深さＬ２が増大する。そして、軟化部７Ｂは溶融部７Ａに近い厚さの大きな部分の方が外周側に比して高温であるから、肉厚の大きな箇所の変形性が十分に得られ、溶融部７Ａ側への金属材料の流動が良好に確保できる。このような金属材料の流動現象は、軟化部７Ｂの体積が溶融部７Ａの体積よりも大きく設定されていることによって、良好になされている。つまり、軟化部７Ｂの溶融部７Ａに対する熱容量が大きくなり、軟化部７Ｂは溶融部７Ａからの加熱で溶融状態にいたることがなく、軟化促進に適した加熱を受けることになる。最終的には、溶融部７Ａや軟化部７Ｂの一部は、溶着箇所１７に包含された状態となる。

上述のような塑性変形部７の溶融と変形挙動であるから、溶着用突起４の領域に限定された部分の溶融が形成され、しかもその溶融深さＬ２が溶接強度面で十分な値になる。また、軟化部７Ｂは溶着用突起４や溶融部７Ａの溶融熱で加熱されているので、その変形性が良好なものとなり、拡径部傾斜面６が鋼板部品の表面９Ａに確実に密着する。

特に重要な作用効果について説明する。

前記塑性変形部７の体積が溶着用突起４の体積よりも小さく設定されているので、溶着用突起４から鋼板部品９に及ぶ溶融が鋼板部品９の厚さ方向において所定の溶融深さに達すると、その後は直ちに溶融熱を前記軸部側に伝達することができる。すなわち、溶着用突起４や鋼板部品９における溶融熱は鋼板部品９が載置されている固定電極１３側にも伝熱されるが、他方、塑性変形部７から拡径部３を経て軸部２の方へ伝達される。この軸部２側への熱伝達の途上で塑性変形部７を経由するのであるが、塑性変形部７の体積が溶着用突起４の体積よりも小さく設定されているので、塑性変形部７の熱容量が小さくなり、塑性変形部７を通過する熱流が迅速に拡径部３ないしは軸部２に対してなされる。

とくに、反復継続的に行われる溶接によって、固定電極１３や可動電極１０の温度は高温化しているのであるが、電極に保持されるボルト１は常温状態であり、しかもボルト１の軸部２の昇温が拡径部３よりも大幅に緩慢であるから、前記溶融熱をいち早く軸部２へ伝達することが、鋼板部品９の過剰溶融を防止する点で得策である。このような観点から、塑性変形部７の体積を溶着用突起４の体積よりも小さくなるように設定し、塑性変形部７における熱滞留を最小化して熱流を迅速化し、低温である軸部２側への熱流を促進している。すなわち、低温状態の熱容量の大きな軸部２に溶融熱を蓄熱させることによって、溶融熱を効果的に軸部２へ伝熱し、鋼板部品９の過剰溶融が回避されているのである。拡径部３は可動電極１０の端面１４で加圧されるので、可動電極１０の残留熱により短時間のうちに加熱されるが、軸部２は受入孔１１内に空隙１１Ａをおいて挿入されているので、通電前における軸部２の温度は拡径部３よりも低く維持されている。このような低温状態の軸部２が蓄熱部材として活用されている。

上記のように溶着用突起４および鋼板部品９における溶融熱が早期の内に軸部２の方へ伝熱されるので、鋼板部品９における溶融域が板厚全体に及ぶようなことがなく、例えば、溶融深さＬ２が板厚の１／２〜２／３となり、残余の部分は溶融していない板材となる。このような溶融域状態のボルト１について前述のような曲げ衝撃テストや引っ張りテストを行った結果、良好な溶接強度がえられた。これは、溶融深さＬ２がこのような領域であると、溶融しなかった鋼板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に確保できるためであると考えられる。

さらに、前記拡径部傾斜面６の傾斜角θ１がテーパ傾斜角θ２よりも小さく設定されているので、塑性変形部７の体積を溶着用突起４のそれよりも小さくすることが行いやすくなるとともに、拡径部傾斜面６が鋼板部品９の表面に密着しやすくなる。上述のように、軟化部７Ｂの金属材料は、加圧によって外周側に流動しようとするが、その反力によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動し、前記密着がなされるのであるが、拡径部傾斜面６の傾斜角θ１がテーパ傾斜角θ２よりも小さく設定されているので、軟化部７Ｂの金属材料が溶融部７Ａ側に流動すると、直ちに拡径部傾斜面６が鋼板部品の表面９Ａに密着する。したがって、密着不足といった現象が皆無となる。

前記テーパ傾斜角θ２は、加圧によって適度の食い込みが鋼板部品表面９Ａに対してなされるように設定されている。このように設定されたテーパ傾斜角θ２よりも拡径部傾斜面６の傾斜角θ１を小さく設定するということは、塑性変形部７の体積を溶着用突起４のそれよりも小さくすることを確実に行って軸部２側への熱移動を促進することと、小さな拡径部傾斜面６の傾斜角θ１によって、より一層鋼板部品表面９Ａへの密着性を確実化している。換言すると、もしも拡径部傾斜面６の傾斜角θ１がテーパ傾斜角θ２よりも大きければ、塑性変形部７の体積を溶着用突起４のそれよりも小さくすることが不可能となる虞があり、また、拡径部傾斜面６が鋼板部品表面９Ａに密着しにくくなる、という問題が発生する。さらに、もしも拡径部傾斜面６の傾斜角θ１がテーパ傾斜角θ２よりも大きければ、塑性変形部７の体積を小さくすることが行いにくくなるので、塑性変形部７に溶融熱が滞留しやすくなる。このため、軸部２に向かう熱流が塑性変形部７において阻害され、軸部２を蓄熱部材として十分に活用できないこととなる。

前記軟化部７Ｂの体積が前記溶融部７Ａの体積よりも大きく設定されている。

軟化部７Ｂは溶融部７Ａに近い厚さの大きな部分の方が外周側に比して高温であるから、肉厚の大きな箇所の変形性が十分に得られ、溶融部７Ａ側への金属材料の流動が良好に確保できる。このような金属材料の流動現象は、軟化部７Ｂの体積が溶融部７Ａの体積よりも大きく設定されていることによって、良好になされている。つまり、軟化部７Ｂの溶融部７Ａに対する熱容量が大きくなり、軟化部７Ｂは溶融部７Ａからの加熱で溶融状態にいたることがなく、軟化促進に適した加熱を受けることになる。

前記拡径部傾斜面６の外周側に傾斜のない平面部３Ａが設けられている。このような平面部３Ａも鋼板部品９の表面９Ａに密着して、前述のような作用効果を発揮する。

溶接方法の実施例における作用効果は、プロジェクションボルトの実施例における作用効果と同じである。

上述のように、本発明によれば、溶融局部からの熱流を改善して、薄板に対するプロジェクションボルト溶接を良好な状態で実施できるものであるから、薄板へのボルト溶接を良好な溶接品質のもとで実施でき、自動車の車体溶接工程や家電製品の鋼板溶接工程などにおいて、広く活用できるものである。

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
５ 基部
６ 拡径部傾斜面、端面
７ 塑性変形部
７Ａ 溶融部
７Ｂ 軟化部
９ 鋼板部品
９Ａ 表面
１０ 可動電極
１１ 受入孔
１１Ａ 空隙
１３ 固定電極
１４ 端面
１５ テーパ部
１６ 頂部
１６Ａ 密着部分
１７ 溶融箇所、溶融部分、溶着部分、溶融範囲
θ１ 拡径部傾斜面の傾斜角度
θ２ テーパ傾斜角
Ｖ 溶着用突起に対応する鋼板部品の体積

Claims (6)

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テーパ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、この溶着用突起はそれだけが溶融する溶接電流が通電されるものであり、前記溶着用突起を鋼板部品に加圧後通電することにより、溶着用突起の領域が鋼板部品に溶着しその外周側の拡径部の端面が鋼板部品の表面に密着するように構成したものであって、前記拡径部の端面に、拡径部の外周部と前記溶着用突起の基部とを前記外周部側が低くなる拡径部傾斜面で接続することによって塑性変形部が形成され、この塑性変形部の体積は前記溶着用突起の体積よりも小さく設定され、前記塑性変形部は、前記拡径部傾斜面の傾斜角に応じた厚さを有し前記溶着用突起の溶融にともなって溶融する中央部の円形の溶融部と、前記基部から外周部に向かう前記拡径部傾斜面によって厚さが次第にうすくなるとともに前記溶融部の外周側に配置された環状の軟化部からなり、前記テーパ傾斜角は前記テーパ部と前記軸部の軸線に垂直な仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記拡径部傾斜面と前記仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記テーパ傾斜角よりも小さく設定され、前記軟化部は溶融部からの溶融熱によって軟化するとともに前記加圧によって中央の変形性のある溶融部分の方へ流動するように構成され、前記溶着用突起の溶融熱が溶着用突起よりも小さな体積とされた塑性変形部を経て拡径部から前記軸部へ伝達されることを特徴とする薄板用プロジェクションボルト。
2. 前記軟化部の体積が前記溶融部の体積よりも大きく設定されている請求項１記載の薄板用プロジェクションボルト。
3. 前記拡径部傾斜面の外周側に傾斜のない平面部が設けられている請求項１または請求項２記載の薄板用プロジェクションボルト。
4. 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テーパ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準備し、前記溶着用突起を鋼板部品に加圧後通電し、この加圧通電条件を前記溶着用突起だけが溶融してその領域が鋼板部品に溶着しその外周側の拡径部の端面が鋼板部品の表面に密着するように設定して溶接するものであって、前記プロジェクションボルトには、前記拡径部の外周部と前記溶着用突起の基部とを前記外周部側が低くなる拡径部傾斜面で接続した塑性変形部が形成され、この塑性変形部の体積は前記溶着用突起の体積よりも小さく設定され、前記塑性変形部は、前記拡径部傾斜面の傾斜角に応じた厚さを有し前記溶着用突起の溶融にともなって溶融する中央部の円形の溶融部と、前記基部から外周部に向かう前記拡径部傾斜面によって厚さが次第にうすくなるとともに前記溶融部の外周側に配置された環状の軟化部からなり、前記テーパ傾斜角は前記テーパ部と前記軸部の軸線に垂直な仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記拡径部傾斜面と前記仮想平面との間で形成されており、前記拡径部傾斜面の傾斜角は前記テーパ傾斜角よりも小さく設定され、前記加圧により円形の前記溶融部の溶融熱によって前記軟化部の変形を促進し軟化部を中央の変形性のある溶融部分の方へ流動させるとともに、前記溶着用突起の溶融熱を溶着用突起よりも小さな体積とされた塑性変形部を経て拡径部から前記軸部へ伝達することを特徴とする薄板用プロジェクションボルトの溶接方法。
5. 前記軟化部の体積が前記溶融部の体積よりも大きく設定されている請求項４記載の薄板用プロジェクションボルトの溶接方法。
6. 前記拡径部傾斜面の外周側に傾斜のない平面部が設けられている請求項４または請求項５記載の薄板用プロジェクションボルトの溶接方法。

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