JPH0328268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は熱によつて軟化するような絶縁層を有
した金属材料を簡単かつ安定して綺麗に抵抗溶接
する方法を提供するものである。 金属材料と各種の非金属材料とを組み合わせ
て、金属材料の特性を改良した複合材料が提案さ
れている。たとえば金属の腐蝕を防止するために
金属材料の表面に合成樹脂フイルムを積層した
り、合成樹脂塗料を塗布したりした被覆金属材
料、または防振性を高めるために金属材料の内部
にゴムのような振動吸収材を薄い層として有した
制振材料、あるいは金属材料と同等の剛性を持た
せながら軽量化を図るために合成樹脂の内層に薄
い金属層を外層として積層した軽量複合材料など
が例示できる。ここに掲げた各種の複合金属材料
は、いずれも非金属材料が絶縁層であるために、
通常の抵抗溶接を行う方法を使用してもうまく通
電できず、溶接ができない。そこで既存の溶接方
法を改良した各種の溶接方法が提案され実施され
ている。その一例として合成樹脂製の被覆層を有
した被覆金属材料の場合には、溶接を行おうとす
る部分の被覆層を人手やヤスリでもつて剥離して
内部の金属材料を露出させたのちに抵抗溶接を行
つている。しかし、この方法は、内部に絶縁層を
有した制振材料や軽量複合材料などの場合には利
用できない。このような内部に絶縁層を有した金
属材料を溶接する方法として、プロジエクシヨン
溶接を応用して、第１図に示すように、溶接しよ
うとする２枚の金属材料１および２の相接する金
属層３ｂおよび５ａに電極７および８を接触させ
てプロジエクシヨン溶接する方法がある。この方
法を利用すれば、内部に絶縁層を有した金属材料
はうまく溶接することができるものの、溶接部は
２枚の金属材料全体で溶接されているのではな
く、２枚の金属材料の一部の金属層でしか溶接さ
れていないために溶接強度が著しく弱いという問
題がある。したがつて金属層が薄い軽量複合材料
の場合には、実用上強度が充分にならず使用でき
ない。また別には第２図に示すように溶接しよう
とする２枚の金属材料９および１０の表側を結ぶ
バイパス回路１５を利用して溶接する方法があ
る。すなわち圧接されている電極１６および１７
の間を流れる電流は、初期通電時は金属層１１ａ
からバイパス回路１５、そして金属層１３ｂを通
つて流れる。この際金属層１１ａと１３ｂはジユ
ール熱を発生するため、内層の絶縁層１２および
１４は金属層から熱を吸収して溶融する。そして
電極部付近で溶融している絶縁層は、圧接された
電極の力によつて横方向に押し流されて金属層が
変形し、１１ａの層は１１ｂの層に、および１３
ｂの層は１３ａの層に圧接され、結果的に両電極
の先端部間は１１ａ，１１ｂ，１３ａおよび１３
ｂの金属層が直接的に接触しあつて溶接電流が流
れて溶接ができることとなる。しかし、この方法
は外層の金属層が厚く内層の絶縁層の薄い制振材
料の場合には綺麗に溶接できるものの、外層の金
属層が薄く内層の絶縁層が厚い軽量複合材料に利
用すると、加熱されて溶融される範囲が電極付近
だけでなく電極とバイパス回路を結ぶ範囲にまで
広がるために、内層の樹脂層の軟化範囲が広が
り、また電極の圧接によつて押し流される樹脂の
量が多くなりすぎて、溶融部付近を中心として広
い範囲に亘つて波をうつたように面が歪み綺麗な
溶接物が得られないという問題がある。また溶接
点の位置によつて、いちいちバイパス回路の位置
を動かしてやらねばならないという繁雑な作業が
必要となり、さらに装置的な制約によつて溶接で
きる金属材料形状が制限されるという問題があ
る。しかも以上説明した溶接方法のうち後者の二
つは、外層が絶縁層であるような金属材料には適
用できない。 更に別の方法として、電極に発熱回路を設けて
発熱させ、絶縁物を加熱溶融して絶縁破壊を行つ
たのち溶接電流を流して溶接する方法も知られる
（特公昭45−15856号）。この方法によれば、絶縁
物の軟化範囲を比較的狭い範囲に留めることがで
きるうえ金属材料の形状に制約もなく、しかも外
層が絶縁層であるような金属材料にも適用できる
利点があるが、金属材料や電極の加熱温度によつ
ては、作業速度が低下したり、溶接強度が十分に
得られなかつたりし、また溶接部の熱変形が大き
く、きれいに溶接することができなかつたりす
る。 本発明者らは、この問題を解決するべく種々実
験を重ねた結果、金属材料に関しては、熱により
軟化する絶縁層の両側を金属層とした金属層／絶
縁層／金属層のような三層構造の積層体に利用す
るとその効果が大きく、とくに金属層（外層にお
ける両金属層の合計）の厚さt₁と積層体の厚さt₂
との比t₁／t₂が１／３〜２／３で、かつ少なくと
も一方の金属層の厚みが0.5mm以下、好ましくは
0.1〜0.3mmであるような金属層が薄い積層体に利
用すると著しい効果を発現すること、更に電極温
度に関しては、絶縁材の融点よりも50〜200℃高
い温度、好ましくは100〜150℃高い温度にすると
よい結果が得られること、また電極に関しては、
金属材料との接触面積が溶接部の熱変形面積より
も広いと、溶接部が平滑で、外観が非常にきれい
になることなどを見出し、本発明に到達した。 したがつて本発明は、熱により軟化する絶縁層
と金属層とからなる金属材料に対し、電極を絶縁
層が軟化する温度以上の温度に加熱して金属材料
に圧接し、絶縁破壊を行つて溶接する金属材料の
溶接方法において、金属材料として絶縁層の両側
を金属層とした三層構造の積層体よりなり、金属
層の厚さt₁と積層体の厚さt₂との比t₁／t₂が１／
３〜２／３であり、しかも少なくとも片側の金属
の厚さが0.5mm以下をなす金属材料を使用し、ま
た一対の電極のうち、少なくとも一方を金属材料
との接触面積が溶接部の熱変形面積よりも広い電
極とし、かつ該電極を絶縁材の融点よりも50〜
200℃高い温度に加熱して溶接するようにしたこ
とを特徴とするものである。 熱により軟化する絶縁層としては、たとえば熱
可塑性樹脂がある。熱可塑性樹脂としては、ポリ
オレフイン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデ
ン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネー
ト、ポリ酢酸ビニル、ポリアセタール、ポリスチ
レン、ABS樹脂、ポリメタクリル酸メチル、フ
ツ素樹脂などがあるが、この中ではポリオレフイ
ンが成形性、溶接加工性の面から好ましい。ポリ
オレフインとしてはエチレン、プロピレン、１−
ブテン、１−ペンテン、３−メチル−１−ブテ
ン、１−ヘキセン、４−メチル−１−ペンテン、
−１ヘプテン、１−オクテンなどのα−オレフイ
ンの単独重合体または共重合体、あるいはこれら
のα−オレフインと少量の他の共重合可能なモノ
マー、たとえば酢酸ビニル、アクリル酸、メタク
リル酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル
などとの共重合体、前記したポリオレフインに酢
酸ビニル、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン
酸、フマル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エ
チル、マレイン酸エチル、無水マレイン酸などの
モノマーをグラフトせしめたグラフト変性ポリオ
レフインでもよい。そのほかゴム状物質でもよ
い。ゴム状物質としては、天然ゴム、ブタジエ
ン・スチレン共重合体、ニトリルゴム、クロロプ
レンラバー、ポリイソプレン、ブチルゴム、ポリ
イソブチレンなどが例示できる。以上述べたもの
のほか、熱により軟化して流動化する絶縁材であ
ればいずれも使用できる。 金属層に用いられる金属は、鉄、亜鉛、鉛、ア
ルミニウムなどのほかに、これらを主成分として
他の元素たとえば炭素、クロム、チタンなどを含
んだ合金類が例示できる。また、この金属層には
各種の通電性を有する表面処理、即ち金属メツキ
や化成処理等を施こされたものであつてもかまわ
ない。 前記の絶縁層と金属層を積層するには、絶縁層
を融解状態にして金属層を積層接着するか、接着
剤でもつて両層を接着するなどの方法によつて積
層することができる。 前記に示した絶縁層と金属層の積層構造からな
る金属材料を溶接する具体的な方法を第３図によ
り説明する。第３図においては絶縁層が厚さ0.42
mmのポリプロピレン、金属層が厚さ0.2mmの鉄箔
であつて、ポリプロピレン層の両面に接着性官能
基を有した変性ポリオレフインを接着層として鉄
箔が積層された金属材料を溶接対象としている。 ２枚の金属材料１８および１９を溶接するにあ
たり、スポツト溶接機の電極チツプ２６および２
８は加熱機２７および２９によつて予め加熱され
る。加熱温度は絶縁層が軟化する温度以上が溶接
時間の短縮化、溶接点の外観上に綺麗さから好適
である。本実施例においては、絶縁層がポリプロ
ピレンであるため、ポリプロピレンの融点165℃
より115℃高い280℃に加熱してある。280℃に加
熱された電極チツプは、通常のスポツト溶接の如
く金属材料に加圧接触する。この時金属材料内部
では、電極チツプの熱が金属層２１ａおよび２４
ｂを伝熱して絶縁層２３および２５に伝わり、絶
縁層が順次軟化流動化してゆく現象が生じてゆ
く。この時の現象は、熱源が点接触または点接触
に近い面接触によつて金属材料に接触している電
極チツプのため、軟化流動化していく絶縁層の範
囲は電極チツプが接触している直下部分が主であ
る。この結果、加圧されている電極チツプは、絶
縁層の軟化流動化した部分を横方向に押しのけな
がら加圧方向に進んでゆく。加圧方向に進むこと
によつて、最終的に電極チツプは絶縁層を押しの
けて金属層２１ａ，２４ｂを変形させて、２１
ａ，２１ｂ，２４ａおよび２４ｂが直接接触する
ような形を形成する。一方押しのけられた絶縁層
は溶接点を中心にして丸く盛り上がり、冷却固化
する。四層の金属層が直性接触すると電極チツプ
にかけられている電流が通じて溶接が完了するこ
とになり、第４図に示すような溶接点を形成す
る。以上の方法によると溶接点は、直接溶接され
た部分３０を中心に押し流された絶縁層が均一な
凸部を形成し、外観上綺麗な溶接部を形成する。 第５図は本発明の溶接方法に関する態様を示す
もので、１対の電極チツプのうち片面の電極チツ
プ３５の周囲に、金属材料と平滑な面で接触する
ような治具３７をあてる。このほかバツクバー電
極を用いてもよい。治具３７の金属材料との接触
面積は、溶接部の熱変形面積よりも広いことが必
要である。また治具３７および電極チツプ３５か
らなる片側の電極部の温度は、絶縁層が軟化する
温度以上が溶接速度及び片側の溶接点の綺麗さか
ら好適である。本実施例においては絶縁層がポリ
プロピレンであることから240℃に加熱してある。
具体的に溶接方法を述べると、絶縁層が軟化流動
化する温度以上に加熱された一方の電極チツプ３
３を金属材料３１に圧接する。一方の電極チツプ
３５は治具３７と共に絶縁層が軟化する温度以上
（電極チツプ３３と同一温度である必要はない）
に加熱されて金属材料３２に接触している。電極
チツプ３３側より絶縁層が軟化流動化してゆくと
ともに電極チツプ３３が加圧方向に進み、やがて
金属材料３２の絶縁層も軟化流動して、最終的に
金属材料３１および３２の全ての金属層が接触し
第６図のように溶接される。このようにして得ら
れた溶接部は片側が平滑であつて外観が非常に綺
麗である。 以上述べた方法は、前述した如き絶縁層と金属
層の三層構造からなる特定の金属材料と金属板と
の溶接にも適用可能である（第７図及び第８図）。
この金属板との溶接の例を第７図及び第８図に示
す。第７図は平滑な金属板４４との溶接例であ
り、第８図は金属板５０の溶接部をポンチにて凹
凸加工して、積層板４９との接触面積を最少必要
限度にした例である。さらに使用できる溶接方法
も実施例図に示したスポツト溶接のほかにシーム
溶接およびプロジエクシヨン溶接といつた他の抵
抗溶接にも応用可能である。 本発明の溶接方法によれば、金属層／絶縁層／
金属層の三層構造の金属材料を十分な溶接強度
で、しかもきれいにかつ短時間で溶接することが
できるようになる。 実施例 本実施例に用いた軽量複合材料の構成は以下の
とおりである。即ち両外層の金属にそれぞれ0.2
mm厚みの軟質冷延鋼板の電解クロム処理板（テイ
ンクリースチール）を用い、内層を0.42mm厚みの
ポリプロピレン樹脂とした。なお、両外層金属と
内層樹脂との接着には、接着性官能基を有した変
性ポリオレフインを用い、複合材料の全体厚みを
0.85cmとした。 また本実施例に用いた溶接機は西独ダレツクス
社製交流スポツト溶接機3111−３形に同社製電源
制御装置Ａ−11型を接続し、さらに溶接機トラン
スの１次側に加える電圧を変更可能とすべく
200V20Aの可変電圧トランスを附加したものと
した。 また、溶接機の上下溶接電極（直径12mm）に
は、温度制御装置を有する容量600Wのリング状
ヒーターを取付け、それぞれの電極先端形状は、
先端の平面部直径４mm、円錐角度60゜の台形円錐
とした。上記溶接装置を用い、上記軽量複合板２
枚の重ね合せ溶接を種々の条件下で実施した。 表１は上下電極の温度を上げて溶接を行つた結
果を示すものである。即ち溶接電極の温度につい
て、220℃までは電極の加圧後、通電可能となる
までの時間が１分以上かかり、作業速度の点から
実用点でなく、且つ、240℃までは溶接点での内
層樹脂の加熱、加圧による排除が不充分で、溶接
時の高温により溶接点の内層樹脂が気化し溶接点
周辺の金属層を押し上げフクレを生じる。このフ
クレは外観および溶接部の強度上好ましくない。
本実施例では、上下電極の温度として260℃以上
が好ましく、且つ、電極温度が高温になるほど、
電極先端の消耗が進み易くなるために必要充分な
温度範囲として260〜300℃が好適であつた。 ついで下部の電極を第５図に示すような電極と
し、治具の直径を35mmとして溶接を実施した。 この結果は表２に示すように、上下電極温度の
溶接外観に及ぼす影響は、同傾向を示した。ただ
し、好適電極温度範囲は、下部電極に対して240
〜300℃と低温側に範囲が広がつた。この好適温
度範囲で溶接した複合板の下部溶接点周辺は、ほ
とんど熱変形が見られず、ほぼ平面できれいなも
のが得られた。 参考例 実施例と同じ溶接物と溶接装置を用い、第５図
に示す治具３７の平面部の直径を12mmとし、種々
の条件下で溶接を試みたが、溶接点下面にリング
状の熱変形を生じ、溶接点の片面をきれいにする
ことはできなかつた。

【表】 ない ×…変形がはなはだしく、実用
上使用できない

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図〜第２図は従来の溶接法を示す図。第３
図〜第８図は本発明の溶接法を示す図。 １，２，９，１０，１８，１９，３１，３２，
４３，４９……積層金属材料、７，８，１６，１
７，２７，２８，３３，３５，４５，４７，５
１，５３……電極、２７，２９，３４，３６，４
６，４８，５２，５４……加熱機、２０ａ，２０
ｂ，３７，５５……当て治具、４４，５０……金
属板、３０，４２……溶接点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱により軟化する絶縁層と金属層とからなる
   金属材料に対し、電極を絶縁層が軟化する温度以
   上の温度に加熱して金属材料に圧接し、絶縁破壊
   を行つて溶接する金属材料の溶接方法において、
   金属材料として絶縁層の両側を金属層とした三層
   構造の積層体よりなり、金属層の厚さt₁と積層体
   の厚さt₂との比t₁／t₂が１／３〜２／３であり、
   しかも少なくとも片側の金属の厚さが0.5mm以下
   をなす金属材料を使用し、また一対の電極のう
   ち、少なくとも一方を金属材料との接触面積が溶
   接部の熱変形面積よりも広い電極とし、かつ該電
   極を絶縁材の融点よりも50〜200℃高い温度に加
   熱して溶接することを特徴とする絶縁層を有した
   金属材料の溶接方法。 ２ 電極は絶縁材の融点よりも100〜150℃高い温
   度に加熱される特許請求の範囲第１項記載の絶縁
   層を有した金属材料の溶接方法。