JP5901014B2

JP5901014B2 - めっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法

Info

Publication number: JP5901014B2
Application number: JP2012052403A
Authority: JP
Inventors: 藤田　稔; 稔藤田; 伊佐央嶋田; 朝田　博; 博朝田; 努首藤; 裕史堀川
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP2013184205A

Description

本発明は、めっき鋼板を素材とした円筒状部材を抵抗溶接する際に、抵抗溶接電極の損耗を抑制するとともに優れた接合強度と内表面形状の変形を抑制した抵抗溶接方法に関する。

近年、金属部材を接合する方法として、被接合金属部材を一対の電極で部材をはさみ、加圧しながら通電を行ってジュール熱で当該部材を加熱溶融させて接合する抵抗溶接法が一般的に用いられている。（例えば特許文献１参照）
一方、金属部材には耐食性を向上させるためめっき等の表面処理を施す場合が多いが、めっき鋼板を抵抗溶接する場合、電極材質である銅合金とめっき金属に含まれる亜鉛、アルミニウム等が溶接の熱で反応して電極先端に硬質で脆弱な合金層を形成し、これが打点の衝撃により脱落して電極が損耗していくことが知られている。

電極が損耗し、先端径が拡大していくと溶接時の電流密度の低下を招き、その結果として溶接強度が低下する。このため、めっき鋼板を連続的に抵抗溶接する際には定期的に電極の研磨、交換が必要である。交換までの打点数は電極寿命と呼ばれるが、電極寿命はめっき種や付着量により異なり、一般的な亜鉛めっき鋼板より耐食性が高いため適用が拡大しているアルミニウムを含有する亜鉛‐アルミニウム合金めっき鋼板やアルミニウムとマグネシウムを含有する亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板や耐食性・耐熱性に優れるアルミニウムめっき鋼板では電極寿命の低下が著しいという問題がある。
また、電極とめっき層の反応は製品の外観上の問題も引き起こす。電極の合金化、合金層の剥離や脱落により電極先端に不規則な凹凸が生じ、この形状が部材に転写されて溶接後の表面品質を低下させる。これらの問題により部材へのめっき鋼板、特にアルミニウムを含有するめっき鋼板の適用ができないケースがある。

特開平１１−１２３５６３号公報

ところで、溶接を行う部品には円筒状の部材にブラケットを取り付ける場合がある。このような場合、例えば図１に示すように円筒状部材の内部に電極を挿入し、この電極と外部から押し当てる電極の間に通電するスポット溶接や、図２に示すように部材に突起を設けて電流を集中させるプロジェクション溶接で取り付けることが一般的である。
しかしながら、このような抵抗溶接により接合しようとすると、スペースの問題から内部電極を十分に冷却することができないために、接合部位の温度が高くなる。このため、被接合部材としてめっき鋼材を用いた場合、電極とめっき層の合金化が著しくなる傾向がある。その結果、電極の損耗が激しくなるばかりでなく円筒部材の内表面に凹凸が発生し易くなる。

円筒状の部材は内部に部品を挿入して使われる場合が多いため、その内表面での凹凸発生が著しいと部品が挿入できず、製品化できなくなる。また、電極を頻繁に研磨、交換することは、電極に関する費用の増大、電極研磨・交換にかかわる生産性の低下を招くことになる。
電極への合金化を抑制する手段としては、前記図２に示すようにブラケットに突起を設け、電流を突起部分に集中させて短時間で接合するプロジェクション溶接が有効である。この場合、図１に示すスポット溶接に比べ電極と鋼板の間の温度上昇を抑制することができることからスポット溶接に比べて電極の損耗は少なく、電極交換頻度を少なくすることはできるものの、円筒部材内面の表面品質低下を大幅に改善することはできない。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、めっき鋼板を素材とした円筒状部材に他の部材を抵抗溶接法で接合する際に、抵抗溶接電極の損耗を抑制するとともに優れた接合強度と内表面形状の変形を抑制した抵抗溶接方法を提供することを目的とする。

本発明のめっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法は、その目的を達成するため、めっき鋼板を素材とした円筒状部材に他の部材を抵抗溶接する際に、一対の電極の内の一方の電極を前記他の部材の接合面とは反対側の表面に、また他方の電極を前記円筒状部材の外表面に当接させ、かつ前記円筒状部材の内部に前記円筒状部材よりも電気抵抗の大きな材質からなる円柱形の溶接治具を挿入し、かつ当該溶接治具を前記他の部材接合部に相対した前記円筒状部材内面に当接させた状態で前記一対の電極間に通電することを特徴とする。
この際、溶接治具の材質は導電性が無いことおよび高温強度が高いことが求められることからセラミックスが好ましい。
また、円筒状部材の内部に挿入する前記溶接治具は円筒状部材の内径の80〜97％の外径とするものとすることが好ましい。
さらに、他の部材に突起部を設けたプロジェクション溶接法を採用することが好ましい。

本発明方法により、めっき鋼板を素材とした円筒状部材に他の部材を抵抗溶接法で接合する際であっても、抵抗溶接電極の損耗を抑制することができるばかりでなく、優れた接合強度を得ることができ、さらにめっき鋼板を素材とした円筒状部材の内表面形状の変形を抑制することが可能なため、例えばめっき鋼板を素材とした円筒状部材にブラケットを溶接接合した部材を、高精度かつ低コストで効率よく製造することが可能となる。

筒状部材に他の部材を抵抗溶接する方法を説明する図（スポット溶接法）筒状部材に他の部材を抵抗溶接する方法を説明する図（プロジェクション溶接法）本発明方法を説明する図本発明方法に用いる溶接治具の変形態様を説明する図本発明方法に用いる溶接治具の径を設定する考え方を説明する図

めっき鋼板を素材とした円筒状部材に他の部材を抵抗溶接法で接合する際に、円筒状部材で特に重要な内面めっき層の品質の劣化は内部に通電のための電極を設けていることによるものと鑑み、通電のための一対の電極を円筒部材の外部に設けることを検討した。
そして、例えば図３ａに示すように、円筒状部材の内部に挿入していた電極を円筒状部材外部に移し、円筒部材の外側から通電することにした。一対の電極を円筒部材の外部に設けると、通電経路は上電極からブラケットを経て円筒部材に流れ、下電極に流れる。この場合、上電極直下の円筒部材内部表面に流れる電流は少ないため、通電及び電極との合金化によるめっき層のダメージは大幅に改善されることになる。
ここで、図３ａでは一方の電極（上電極）をブラケットの外側表面に、他方の電極（下電極）を円筒状部材のブラケットを配置した部位とは反対側の外側表面に当接させているが、他方の電極の当接部位はこれに限定されるものではなく、円筒状部材の外表面であればどこでもよい。例えば、図３ｂ、ｃに示すように、他方の電極を円筒状部材側面の外表面や、一方の電極と同じ面の外表面であっても、本発明の効果を得ることができる。
なお、抵抗溶接する際、めっき層のダメージを極力抑制するために、部材に突起を設けるプロジェクション溶接を採用することが好ましい。

しかしながら中空の円筒状部材を一対の電極で加圧しながら加熱する態様となるため、円筒部材が変形してしまう欠点がある。そこで、変形を防止するため内部に円柱形の溶接治具を挿入することとした。
溶接治具の材質としては溶接時の電極加圧に耐えられる強度は必要であり、特に鋼が溶融するほどの高熱が発生するため高温強度の高い材質が望ましい。また、円筒部材に電流を集中させるため治具には電流が流れ難くすることが必要である。これらの要求を両立させる材質としては強度、耐熱性に優れ、絶縁体であるセラミックスが最適である。
また、セラミックスは熱膨張係数が５×１０^−６程度と低いため、溶接の発熱によって熱膨張し溶接治具が抜き取りにくくなることもない。

治具全体をセラミックスで製造することも可能であるが、図４に示すように外表面にコーティングする（図４ａ）、圧入等によりはめ込むような形態（図４ｂ）も可能であり、図４ｃに示すように金属製の治具を２分割しその間にセラミックスを挟み込む形式でも有効である。
セラミックス以外の材質であっても、鉄よりも電気抵抗の大きな材質であれば治具への電流の分流が抑制され、効率よく溶接することが可能である。

なお、この溶接治具は円筒部材の内径の80〜97％の外径とすることで安定した溶接と円筒部材の変形抑制を両立することが可能である。外径が大きすぎると挿入が困難であったり、溶接後に取り外せない問題が生じる。また、小さすぎると、図５ｃに見られるように治具の挿入効果がなくなり円筒部材の変形が残ってしまう。両者を勘案したときの溶接治具の最適な外径は、円筒部材の内径の前記した80〜97％である。

ところで、部材に電流を通電させるための電極については、めっき層との反応による合金化が抑制できる材質が望ましい。本発明方法が好適に適用される鋼材としては亜鉛系のめっき鋼板及び亜鉛アルミニウム系の合金めっき鋼板であることから、亜鉛と合金化し難い材質が適しており、さらに溶接時の熱で変形、圧潰しにくいことが求められる。
種々の材質を検討した結果、タングステン、モリブデンが最も有効である。これらの材質は特開２００６‐１５３４９号公報でスポット溶接用電極として公知であるが、本発明方法にも好適に用いられる。

更に詳しく説明すると、電極材質としては純タングステン又は純モリブデン、あるいはこれらの複合材料が最も効果が高い。しかしながらこれらの金属は高価であるためその一部を銅に置き換えた銅比率10〜50％の銅‐タングステン材、銅‐モリブデン材も十分使用できる。
本方式の溶接方法では電極の加熱も抑制されることから、一般的なクロム‐銅電極を用い、研磨、交換頻度を上げて生産することも可能である。

板厚1ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（GA）およびZn‐6%Al‐2.9%Mg合金めっき鋼板（ZAM）を素材とする外径30mm長さ40ｍｍの円筒形部材に板厚1.2mmのブラケットを取り付ける溶接を図３ａの態様で行った。めっき付着量はいずれも片面45g／ｍ²のものを用いた。溶接機は定格容量35kVAの単相交流式スポット溶接機を用い、加圧力30kN、通電時間10サイクルとし、溶接電流についてはそれぞれの施工条件で母材破断となり、かつチリが発生しない電流値を抽出した。また、連続打点試験では設定した条件で連続的に溶接を行い、50個ごとにサンプリングしたサンプルで評価を行った。

連続打点試験においては引張試験においてシャー破断が発生するまでの溶接数を計測した。
また、円筒部材内面の凹凸については溶接サンプルの形状を形状測定器で計測し凹凸が0.3mmを超えるものを不良とし、シャー破断あるいは内面の凹凸過大のどちらかが発生するまでの溶接数をもって電極寿命とした。
そして、溶接時の加圧による円筒部材の変形については変形量が0.3mm未満となる場合を良とした。
電極材質としては一般的な１％クロム銅電極およびタングステンとし、内部治具はアルミナセラミックスを用い治具全体をセラミックス製としたものと（図４ｂ）に示す形態のものを用いて実験を行った。

内部治具の直径については表１に示すように種々変化をさせた。
比較例としては図１、２に示す施工法についても実験を行った。結果を表1に示す。
以上の結果に示されるように本発明の方法によると電極の損耗による溶接強度の低下、円筒部材の内表面の品質低下による電極寿命の低下が抑制され、安定した溶接結果、製品品質が得られることが明らかとなった。

Claims

めっき鋼板を素材とした円筒状部材に他の部材を抵抗溶接する際に、一対の電極の内の一方の電極を前記他の部材の接合面とは反対側の表面に、また他方の電極を前記円筒状部材の外表面に当接させ、かつ前記円筒状部材の内部に前記円筒状部材よりも電気抵抗の大きな材質からなる円柱形の溶接治具を挿入し、かつ当該溶接治具を前記他の部材接合部に相対した前記円筒状部材内面に当接させた状態で前記一対の電極間に通電することを特徴とするめっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法。
前記溶接治具がセラミックスからなる請求項１に記載のめっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法。
円筒状部材の内部に挿入する前記溶接治具は円筒状部材の内径の80〜97％の外径とする請求項１又は２に記載のめっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法。
他の部材に突起部を設けて通電する請求項１〜３のいずれか１項に記載のめっき鋼板製円筒状部材の抵抗溶接方法。