JP5977034B2 - 金属板の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板の接合方法に関する。

２枚の厚肉金属板に１枚の薄肉金属板を重ね、これら３枚の金属板に抵抗溶接を施すことで、３枚の金属板を一体化させる接合技術が各種提案されている（例えば、特許文献１（図３、図４）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１１は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、厚肉の第１の金属板１０１に厚肉の第２の金属板１０２を重ね、この第２の金属板１０２に第１の金属板１０１及び第２の金属板１０２よりも薄肉の第３の金属板１０３を重ねる。そして、第１の金属板１０１に固定側電極１０４を当て、移動側電極１０５を矢印（１）のように第３の金属板１０３の凸部１０６へ向けて移動させる。

結果、（ｂ）に示すように、凸部１０６が移動側電極１０５により押し潰され、凸部１０６の内面１０７が第２の金属板１０２の外面１０８に接触する。

ところで、自動車の車体の外観部材には、薄板が適用され、構造部材には、厚板が適用される。すなわち、特許文献１では、第３の金属板１０３が外観部材に適用され、第２の金属板１０２及び第１の金属板１０１が強度部材に適用される。

第３の金属板１０３は、デザインを構成するため、比較的複雑な形状であり、且つ高い外観性が要求される。しかしながら、第３の金属板１０３の凸部１０６には、移動側電極１０５で押し潰された凹部１０９が形成される。第３の金属板１０３に凹部１０９が残ると、外観性の低下を招く。
また、第３の金属板１０３に、凸部１０６が設けることにより、外観部材の形状がより複雑になり、成形がより難しくなる。

そこで、厚肉の第１の金属板及び第２の金属板と、薄肉の第３の金属板とを重ね接合したとき、薄肉金属板の外観性が良好に保たれ、且つ薄肉金属板の成形がより容易になることが求められる。

特開２００３−７１５６９公報

本発明は、２枚の厚肉金属板と１枚の薄肉金属板を重ね接合する際、薄肉金属板の外観性を良好に保つことができ、且つ薄肉金属板の成形をより容易に行うことができる金属板の接合技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、厚肉の第１の金属板に、厚肉の第２の金属板を重ね、この第２の金属板に、前記第１の金属板及び前記第２の金属板よりも薄肉となる第３の金属板を重ね、一対の電極のうち一方の電極で、前記第１の金属板の被接合部を加圧し、他方の電極で、前記第３の金属板を加圧し、前記一方の電極及び前記他方の電極に通電することにより、前記第１〜３の金属板を抵抗溶接する溶接工程を有する金属板の接合方法において、前記溶接工程の前に、前記第１の金属板の被接合部の強度を低下させる強度低下工程を実施することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、溶接工程の前に、第１の金属板の一部に加工を施し、電極当接面が平坦になるように薄肉部を形成させる薄肉化工程を実施する。
第１の金属板の一部に、工具で加工を施し、平坦な電極当接面が得られる。電極当接面が平坦であるため、電極の先端形状の種類を問わずに、電極の当たりを向上させることができる。

請求項１に係る発明では、溶接工程の前に、第１の金属板の被接合部の強度を低下させる強度低下工程を実施する。
被接合部の強度を低下させた第１の金属板と、第２の金属板と、第３の金属板を重ねる。第１の金属板の被接合部を一方の電極で加圧し、第３の金属板を他方の電極で加圧する。電極による加圧力で、第１の金属板の被接合部の板厚が減少し、第１の金属板に薄肉部が形成される。電極による加圧は、溶接工程中に実施されるため、溶接装置の他に加圧装置を別途用意する必要がなく、装置費用の増加を抑えることができる。

本発明に係る溶接工程のうち金属板を準備して金属板を重ねるまでの作業を説明する図である。 溶接工程のうち金属板に電極を当てて金属板に溶接を施すまでの作業を説明する図である。 薄肉化工程を説明する図である。 金属板の接合方法のフロー図である。 別の薄肉化工程を説明する図である。 強度低下工程を説明する図である。 強度低下済みの金属板を加圧して金属板の板厚を薄くするまでの作業を説明する図である。 別の金属板の接合方法のフロー図である。 別の強度低下工程を説明する図である。 別の強度低下済みの金属板を加圧して金属板の板厚を薄くするまでの作業を説明する図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明に係る金属板の接合方法を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る溶接工程のうち金属板を準備して金属板を重ねるまでの作業を説明する図であり、（ａ）に示すように、厚肉であると共に局部的に薄肉とした第１の金属板１０（詳細後述）と、厚肉の第２の金属板１１と、第１の金属板１０及び第２の金属板１１よりも薄肉の第３の金属板１２とを準備する。

第１の金属板１０は、板厚をＴ１とする厚肉部１５と、この厚肉部１５に加工を施す（詳細後述）ことにより高さＨ１だけ小さくなるように形成され厚肉部１５よりも板厚が薄い薄肉部２０とからなる。薄肉部２０の板厚をＴ２とする。このような第１の金属板１０に、矢印（２）のように第２の金属板１１を重ね、この第２の金属板１１に、矢印（３）のように第３の金属板１２を重ねる。

（ｂ）に示すように、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２を、第１金属板側押さえ部材２１と第３金属板側押さえ部材２２で押さえる。次に、第１の金属板１０側に位置する第１金属板側電極１３を、矢印（４）のように第１の金属板１０の薄肉部２０へ向けて移動させ、第３の金属板１２側に位置する第３金属板側電極１４を、矢印（５）のように第３の金属板１２へ向けて移動させる。

一対の電極１３、１４は、抵抗溶接装置に備えられる。抵抗溶接装置は、電極１３、１４を金属板側へ移動させる機構や溶接電源等を備える。実施例では、抵抗溶接にスポット溶接を適用する。

溶接工程のうち金属板に電極を当てて金属板に溶接を施すまでの作業を図２に基づいて説明する。
図２（ａ）に示すように、第１金属板側電極１３を第１の金属板１０の薄肉部２０に当て、第３金属板側電極１４を第３の金属板１２に当てる。第１の金属板１０、第２の金属板１１、第３の金属板１２を一対の電極１３、１４で挟んで、一対の電極１３、１４に通電する。

（ｂ）に示すように、先ず第１の金属板１０と第２の金属板１１の接触部が溶融する。つまり、２３は溶融部である。
溶融部２３から第１金属板側電極１３までの距離Ｈ２が小さいため、第１金属板側電極１３により溶融部２３の冷却が促進され、溶融部２３が第３の金属板１２側へ向かって成長する。

結果、（ｃ）に示すように、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２とにナゲット２４が形成される。第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２が溶接で一体化することにより、溶接構造体３０が形成される。

溶接構造体３０の構成を説明する。
溶接構造体３０は、（ａ）において、第１の金属板１０に、第２の金属板１１を重ね、この第２の金属板１１に、第１の金属板１０及び第２の金属板１１よりも薄肉となる第３の金属板１２を重ね、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２を抵抗溶接で結合することにより構成される。

加えて、溶接構造体３０は、（ｃ）に示すように、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２の結合部４０にて、第１の金属板１０は、局部的に板厚が薄い薄肉部２０を備える。薄肉部２０には、第１金属板側電極１３が当接する。

ところで、第１の金属板１０には、厚肉部１５よりも板厚が薄い薄肉部２０が設けた。この薄肉部２０を形成する薄肉化工程の一例を次に説明する。

図３（ａ）に示すように、第１の金属板１０を準備する。矢印（６）のように回転する工具３２及びその他工具を用いて、第１の金属板１０に機械加工を施す。
結果、（ｂ）に示すように、第１の金属板１０に薄肉部２０が形成される。

次に金属板の接合方法の手順を図４に基づいて説明する。
図４に示すように、ステップ（以下ＳＴと記す。）０１において、薄肉化工程を実施する。具体的には図３（ａ）において、溶接工程の前に、第１の金属板１０の一部５０に工具３２等を用いて加工を施し、（ｂ）に示すように、第１金属板側電極（図２、符号１３）が当接する電極当接面６０が平坦になるように薄肉部２０を形成させる。

ＳＴ０２において、溶接工程を実施する。具体的には図２（ａ）に示すように、第１金属板側電極１３を、第１の金属板１０の薄肉部２０に当て、第３金属板側電極１４を、第３の金属板１２に当てて、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２を溶接する。

上記の薄肉化工程では、工具を用いて第１の金属板１０に機械加工を施した。薄肉化工程には、機械加工以外の加工法を用いることも可能である。その例を次に説明する。

図５において、金属板にしごき加工を施して、金属板に薄肉部を形成する例を説明する。（ａ）に示すように、第１の金属板３８の一部６４に、ポンチ３３が押し当てられる。このポンチ３３の反加工側面には、ポンチ側傾斜面３４が形成される。このポンチ側傾斜面３４に、ポンチ３３を金属板３８の長手方向に沿って移動させる押し部材３５が載せられる。押し部材３５のポンチ側面には、ポンチ側傾斜面３４の傾斜角と同一の傾斜角を有する押し側傾斜面３６が形成される。

押し部材３５を矢印（７）のように押し、ポンチ３３を矢印（８）のように移動させる。
結果、（ｂ）に示すように、第１の金属板３８に薄肉部３７が形成される。
第１の金属板３８は、（ｃ）に示すように、板厚Ｔ３を有する厚肉部３９と、この厚肉部３９よりも高さＨ３だけ小さくなるように形成され板厚Ｔ４を有する薄肉部３７とからなる。

なお、薄肉化工程で用いる加工法は、実施例では、図３に示される機械加工と図５に示されるしごき加工で説明したが、一対の金型を用いたプレス加工を適用してもよい。

これまでに説明した例では、第１の金属板に薄肉部を設けるために、単に第１の金属板を板厚方向に圧縮するようにした。その他の加工法で第１の金属板に薄肉部を設ける例を次に説明する。

図６において、第１の金属板の被接合部の強度を低下させる強度低下工程を説明する。（ａ）に示すように、第１の金属板４１を準備する。
（ｂ）に示すように、第１の金属板４１を加工台４２にセットし、第１の金属板４１の両端をクランプ部材４３、４３で押さえる。次に矢印（９）のように回転するドリル４４を用いて、第１の金属板４１の被接合部４６に穴加工を施す。
（ｃ）に示すように、被接合部４６に複数の穴４５が開けられる。

次に、第１の金属板４１と、第２の金属板（図１、符号１１）と、第３の金属板（図１、符号１２）とを重ねた状態で、第１の金属板４１の被接合部４６を板厚方向に圧縮し、薄肉部を得る手順を説明する。

図７（ａ）に示すように、第１の金属板４１と第２の金属板１１と第３の金属板１２が重ねられ、これら金属板４１、１１、１２が第１金属板側押さえ部材２１と第３金属板側押さえ部材２２で押さえられる。第１金属板側電極１３を矢印（１０）のように第１の金属板４１の被接合部４６へ向けて移動させ、第３金属板側電極１４を、矢印（１１）のように第３の金属板１２へ向けて移動させる。

（ｂ）に示すように、被接合部４６に第１金属板側電極１３が当てられ、第３の金属板１２に第３金属板側電極１４が当てられる。このとき、被接合部４６の板厚はＴ５となる。第１金属板側電極１３と第３金属板側電極１４を互いに近づけるようにしてさらに移動させる。

第１金属板側電極１３及び第３金属板側電極１４の加圧力により、被接合部４６が第１の金属板４１の板厚方向に圧縮され、（ｃ）に示すように、壁部４７が潰される。第１金属板側電極１３と第３金属板側電極１４を互いに近づけるようにしてさらに移動させる。

結果、（ｄ）に示すように、壁部４７が押し潰され、第１の金属板４１に板厚Ｔ６の薄肉部４８が形成される。薄肉部４８は、板厚Ｔ５の被接合部４６を高さＨ４だけ押し潰して形成される。

次に強度低下工程を有する金属板の接合方法の手順を図８に基づいて説明する。
図８に示すように、ＳＴ０３において、強度低下工程を実施する。具体的には図６（ｂ）に示すように、矢印（９）のように回転するドリル４４を用いて、第１の金属板４１に穴加工を施すことで、（ｃ）に示される複数の穴４５が第１の金属板４１に形成される。すなわち、溶接工程の前に、第１の金属板４１の被接合部４６の強度を低下させる。

ＳＴ０４において、溶接工程を実施する。具体的には図７（ｄ）において、第１の金属板４１の薄肉部４８に、第１金属板側電極１３を当て、第３の金属板１２に第３金属板側電極１４を当てて、第１の金属板４１と第２の金属板１１と第３の金属板１２に抵抗溶接を施す。

上述の強度低下工程では、第１の金属板４１に穴加工を施し、第１の金属板４１の強度を低下させた。加えて、第１の金属板４１と第２の金属板１１と第３の金属板１２を重ね、電極１３で第１の金属板４１の被接合部４６を加圧し、電極１４で第３の金属板１２を加圧して、第１の金属板４１の被接合部４６を押し潰すようにした。ところで、第１の金属板の強度を低下させる加工法は他にもある。その例を次に説明する。

図９において、別の強度低下工程を説明する。（ａ）に示すように、中央に大径の穴５１が形成された第１の金属板５２を準備する。

（ｂ）に示すように、複数の突起５３を有する下型５４に、第１の金属板５２をセットする。第１の金属板５２の上方には、下型５４の突起５３とは水平方向位置をずらした複数の突起５５を有する上型５６が待機している。つまり、第１の金属板５２の被接合部６５を下型５４と上型５６との間に配置した。上型５６を矢印（１２）のように下降させる。

結果、（ｃ）に示すように、第１の金属板５２の下面に複数の溝５７が形成され、第１の金属板５２の上面に複数の溝５８が形成される。

次に、第１の金属板５２と、第２の金属板（図１、符号１１）と、第３の金属板（図１、符号１２）とを重ねた状態で、第１の金属板５２の被接合部６５を板厚方向に圧縮し、薄肉部を得る手順を説明する。

図１０（ａ）に示すように、第１の金属板５２と第２の金属板１１と第３の金属板１２が重ねられ、これら金属板５２、１１、１２が第１金属板側押さえ部材２１と第３金属板側押さえ部材２２で押さえられる。第１金属板側電極１３を矢印（１３）のように第１の金属板５２の被接合部６５へ向けて移動させ、第３金属板側電極１４を矢印（１４）のように第３の金属板１２へ向けて移動させる。

（ｂ）に示すように、被接合部６５に第１金属板側電極１３が当てられ、第３の金属板１２に第３金属板側電極１４が当てられる。このとき、被接合部６５の厚さはＴ７となる。第１金属板側電極１３と第３金属板側電極１４を互いに近づけるようにしてさらに移動させる。

第１金属板側電極１３及び第３金属板側電極１４の加圧力により、被接合部６５が第１の金属板５２の板厚方向に圧縮され、（ｃ）に示すように、被接合部６５の厚さ寸法が小さくなると共に溝５７、５８の幅寸法が大きくなる。加えて、穴５１が押し潰される。第１金属板側電極１３と第３金属板側電極１４を互いに近づけるようにしてさらに移動させる。

結果、穴５１や溝５７、５８がなくなり、（ｄ）に示すように、第１の金属板５２に板厚Ｔ８の薄肉部６２が形成される。薄肉部６２は、被接合部６５を厚さＨ５だけ押し潰して形成される。

なお、強度低下工程は、実施例では、図６に示されるドリルによる穴開けと、図９に示されるエンボス加工とを挙げて説明したが、この他にプレス加工や鍛造加工を用いてもよい。

以上に述べた金属板の接合方法及び溶接構造体の作用効果を以下に記載する。
図２（ａ）において、抵抗溶接を実施すると、（ｂ）に示すように、先ず第１の金属板１０と第２の金属板１１の接触部が溶融する。溶融部２３から一方の電極１３までの距離Ｈ２が小さいため、一方の電極１３により溶融部２３の冷却が促進され、溶融部２３が第３の金属板１２側へ向かって成長する。結果、（ｃ）に示すように、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２とにナゲット２４が形成される。外観部材となる第３の金属板１２に加工を施さなくても、厚肉の第１の金属板１０及び第２の金属板１１と、薄肉の第３の金属板１２とを接合できるから、薄肉金属板（第３の金属板１２）の外観性を良好に保つことができる。

また、第３の金属板１２に対する加工が不要であるから、薄肉金属板（第３の金属板１２）の成形性に影響を及ぼすことがなく、薄肉金属板（第３の金属板１２）の成形をより容易に行うことができる。したがって、薄肉金属板の外観性を良好に保つことができ、且つ薄肉金属板の成形をより容易に行うことができる金属板の接合方法を提供できる。

図３（ａ）において、第１の金属板１０の一部５０に、工具３２で加工を施し、（ｂ）に示される平坦な電極当接面６０が得られる。電極当接面６０が平坦であるため、電極の先端形状の種類を問わずに、電極の当たりを向上させることができる。

図７（ａ）において、被接合部４６の強度を低下させた第１の金属板４１と、第２の金属板１１と、第３の金属板１２を重ねる。（ｂ）において、第１の金属板４１の被接合部４６を一方の電極１３で加圧し、第３の金属板１２を他方の電極１４で加圧する。電極１３、１４による加圧力で、第１の金属板４１の被接合部４６の板厚が減少し、（ｄ）に示すように第１の金属板４１に薄肉部４８が形成される。電極１３、１４による加圧は、溶接工程中に実施されるため、溶接装置の他に加圧装置を別途用意する必要がなく、装置費用の増加を抑えることができる。

図２に示す構成により、（ａ）において、抵抗溶接を実施すると、（ｂ）に示すように、先ず第１の金属板１０と第２の金属板１１の接触部が溶融する。溶融部２３から一方の電極１３までの距離Ｈ２が小さいため、一方の電極１３により溶融部２３の冷却が促進され、溶融部２３が第３の金属板１２側へ向かって成長する。結果、（ｃ）に示すように、第１の金属板１０と第２の金属板１１と第３の金属板１２とにナゲット２４が形成される。外観部材となる第３の金属板１２に加工を施さなくても、厚肉の第１の金属板１０及び第２の金属板１１と、薄肉の第３の金属板１２とを接合できるから、薄肉金属板（第３の金属板１２）の外観性を良好に保つことができる。

また、第３の金属板１２に対する加工が不要であるから、薄肉金属板（第３の金属板１２）の成形性に影響を及ぼすことがなく、薄肉金属板（第３の金属板１２）の成形をより容易に行うことができる。したがって、薄肉金属板の外観性を良好に保つことができ、且つ薄肉金属板の成形をより容易に行うことができる溶接構造体３０を提供できる。

尚、本発明に係る抵抗溶接は、実施の形態ではスポット溶接を適用して説明したが、シーム溶接を適用してもよい。

本発明の金属板の接合方法は、自動車の車体溶接に好適である。

１０、４１…第１の金属板、１１…第２の金属板、１２…第３の金属板、１３…一方の電極（第１金属板側電極）、１４…他方の電極（第３金属板側電極）、２０…薄肉部、３０…溶接構造体、４０…結合部、４６…被接合部、５０…一部、６０…電極当接面。

Claims (1)

1. 厚肉の第１の金属板に、厚肉の第２の金属板を重ね、この第２の金属板に、前記第１の金属板及び前記第２の金属板よりも薄肉となる第３の金属板を重ね、
   一対の電極のうち一方の電極で、前記第１の金属板の被接合部を加圧し、他方の電極で、前記第３の金属板を加圧し、前記一方の電極及び前記他方の電極に通電することにより、
   前記第１〜３の金属板を抵抗溶接する溶接工程を有する金属板の接合方法において、
   前記溶接工程の前に、前記第１の金属板の被接合部の強度を低下させる強度低下工程を実施することを特徴とする金属板の接合方法。

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