JPH0550260A - アルミニウム板の直流式抵抗スポツト溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金を抵抗スポット溶接するに
あたり、電極（特には正極）の寿命を延ばし、連続使用
に優れ溶接作業性を向上せることのできる方法を提供す
る。 【構成】 重ね合わせたアルミニウム製またはアルミニ
ウム合金製の板１，１を正極２および負極３の両電極に
より挟みスポット溶接するアルミニウム板の直流式抵抗
スポット溶接方法において、正極１の板１に対する接触
部面積を負極３の板１に対する接触部面積よりも広く設
定して溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムまたはア
ルミニウム合金よりなる板体を正極および負極の両電極
により挟み、直流電源を用いた電気抵抗溶接をスポット
溶接で行なうアルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の燃費規制等の点より軽量
化の要求が強まりつつあり、これに伴いアルミニウム合
金板は鋼板に代わって自動車用の外板等に使われる例が
増加しつつある。このアルミニウム合金の外板の組立に
は鋼板と同様に電気抵抗スポット溶接により行なわれる
場合が多い。電気抵抗溶接とは、周知のように溶接部に
大電流を直接通電し、これによって生ずるジュール熱を
熱源として接合部を加熱し、同時に大きな加圧力を与え
て金属を接合する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の如き
抵抗スポット溶接によりアルミニウム（アルミニウム合
金）の溶接を行なうにあたっては下記のような問題が生
ずる。すなわち、アルミニウム合金は鋼に比べ、i) 電
気抵抗が低く、ii) 熱電導率が高く、iii) 板表面に非
電導の硬くて脆い酸化膜が存在する等の物理的性質が異
なる、といった特徴がある。かかる性質のため、通常、
アルミニウム合金板の電気抵抗スポット溶接では、溶接
電流を鋼板に比べ約３倍多く流す必要がある。また、上
記非電導の酸化膜が溶接時に部分的に割れてこの部分を
通じてのみ通電が行なわれるという現象が生じるように
なる。このため、溶接時に電極の発熱が局部的に過大と
なってアルミニウム合金板と電極とが局部的に融着し、
この融着部が板側に移行して電極が劣化しやすい。その
結果、アルミニウム合金に対し電極の保守なしに連続し
てスポット溶接を行なえる回数は鋼板の場合の１／１０
〜１／１００であり、アルミニウムの抵抗スポット溶接
は連続打点性が著しく低下するといった問題があった。
かかる問題は、従来よりアルミニウム板利用上の問題点
としてあったが、従来スポット溶接を多用する用途がさ
ほどなく、特別に問題視されてこなかった。しかしなが
ら、上記のように大量生産の自動車に使用されるように
なってくるにしたがい、その問題の重要性が高くなって
きた。

【０００４】さらに、アルミニウム合金を抵抗溶接によ
り溶接する場合には通常、直流電源を用いることが多
い。これは、交流式抵抗溶接をアルミニウム板に用いる
と、力率が低いことに加え上記のように大電流を必要と
するため変圧器が特大容量となるためである。ところが
一方、アルミニウム板の直流式抵抗溶接においては、正
極に接触する板の発熱が負極に接触する板の発熱より大
きくなる”極性効果”が認められ、連続打点に伴う電極
の劣化は正極側で大きくなる。このため、連続打点性は
正極で律速されるという問題があった。

【０００５】上記のこうした問題を解決するため、電
極，アルミニウム合金板，溶接条件および溶接方法等の
面から種々の方法が提案されている。例えば、i) 溶接
すべき板体間に高抵抗の異種材料を挿入する（特公昭５
９−２６３９３号公報），ii) 電極を軸回りに回転させ
る（Welding Journal 1985July P36），iii) 電極を傾
けて回転させる（溶接学会講演概要 1990 第４７集p15
6）等である。

【０００６】しかしながら、何れも、溶接対象をアルミ
ニウムとした場合に生ずる上記特有の問題を解決するに
は至っていない。例えば上記 ii) の方法は交流による
検討であり、そのため上記電源問題がそのまま未解決で
あり、これを直流に応用すれば極性効果の問題が残る。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、アルミニウム合金を抵抗スポット溶接するにあた
り、連続打点性に優れ溶接作業性を向上せることのでき
るアルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法を提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
重ね合わせたアルミニウム製またはアルミニウム合金製
の板体を正極および負極の両電極により挟みスポット溶
接するアルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法に
おいて、前記正極の前記板体に対する接触部面積を前記
負極の前記板体に対する接触部面積よりも大として溶接
することを特徴とするものである。

【０００９】請求項２に係る発明は、請求項１記載のア
ルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法において、
前記正極の中心軸と前記負極の中心軸とを両電極の前記
板体に対する接触部が対峙する範囲内で互いに平行にず
らし、かつ前記正極を溶接打点数の増加に伴う接触位置
での劣化の進行に応じて自身の軸中心回りに順次回転さ
せることを特徴とするものである。

【００１０】請求項３に係る発明は、請求項２記載のア
ルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法において、
前記負極を前記溶接すべき板体に対する垂直方向から所
定角度傾け、かつ該負極を溶接打点数の増加に伴う接触
位置での劣化の進行に応じて自身の軸中心回りに順次回
転させることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明では、正極の板体との接触
面積が大きくなり、その結果正極側の電流密度が低下す
る。これにより正極側の板体における抵抗発熱が分散さ
れて溶融面積も低下し、負極側の溶融量とのバランスが
とれる程度になってくる。その結果正極と板体との界面
の発熱も低下し、正極の発熱も低下して該正極の劣化が
緩和される、と考察される。

【００１２】請求項２に係る発明では、正極における一
定の打点位置が劣化したら正極を適宜回転させる。これ
により順次隣の健全部を使用した溶接が可能となり、正
極をその健全部がなくなるまで連続して使用できる。

【００１３】請求項３に係る発明では、請求項２の発明
による作用と同じ作用により負極の寿命を延ばすことが
できる。請求項２に係る発明により正極寿命が大きく向
上したこととの相乗作用により正極，負極、両電極の寿
命を飛躍的に向上させる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は請求項１に係る発明の一実施例により
アルミニウム板の抵抗スポット溶接を行なっている状態
を示すものである。この図において、符号１，１はアル
ミニウムまたはアルミニウム合金製の板体である。板体
１，１は互いに重ねられている。これら重ねられた板体
１，１のそれぞれの外面側には、図示しない抵抗溶接機
の電極（正極２，負極３）が板体１，１を挟んで対向配
置されている。

【００１５】ここで、本発明においては抵抗溶接を直流
電流により行なうものであり、したがって前記電極は一
方が正極２、他方が負極３となっている。

【００１６】前記正極２は、一般にＦ形（平面形）と称
されるもので、先端部が平坦であり、前記板体１とは円
形の面で接触している。一方、前記負極３は、一般にＲ
形（ラジアス形）と称されるもので、外径は前記正極２
と同じであるが先端が球面状となっている。このため、
図示の如く、該負極３の前記板体１に対する先端接触部
３ａの面積は前記正極２の板体１に対する先端接触部２
ａの面積よりも小さいものとなっている。言い換えれ
ば、板体１に対する接触部面積は正極２の方が負極３よ
りも大きいものとなっている。

【００１７】上記状態において前記両電極２，３間に溶
接電流を流し、板体１，１のスポット溶接を行なう。以
下に、上記実施例に基づく実験例を示す。

【００１８】〔実験例１〕 △供試材（板体１） 材質：アルミニウム合金 JIS Ａ
５１８２の焼鈍材 寸法：３００mm×３００mm×１mm △溶接機 三相整流式直流型，容量１５０KVA △電極 材質：クロム銅 形状：［正極２］Ｆ形（平面形），１６mmφ ［負極３］Ｒ形（ラジアス形），１６mmφ，先端部半径
１００mmＲ △溶接条件 電流：３０,０００Ａ 通電時間：４サイクル 加圧力：３１０Ｋｇ 上記条件の下で、連続打点性試験を行なった。連続打点
性の評価は電極チップの清掃または交換無しで連続的に
溶接が行なえる限界で判定して行なった。この限界の判
定は、図３または図５に示す最初のナゲット（溶接金
属）４の径が６．０mmφになるように溶接しておき、連
続打点の進行に伴いナゲット径が次第に低下し、５.０m
mφ未満になった時を限界とした。その結果を表１の実
験例１に示す。なお、表１は以降に述べる他の実験結果
も同時に示してある。比較例として、正極の電極形状を
負極の電極と同じラジアス形にした以外上記同一条件で
行なった実験結果を同表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】上記表１からも解るように、上記溶接方法
によれば、従来方法すなわち溶接電極として双方とも同
一形状のものを用いた場合に比べ連続打点数が２倍以上
となり、電極（正極２）の劣化が大きく抑えられる。つ
まり、電極寿命が２倍以上引き延ばされたこととなる。

【００２１】上記効果は下記の作用により生まれると考
察される。すなわち、図２は本発明に係る上記実施例の
方法による場合の溶接電流ｉの流れを示している。この
図において図１のものと同じ構成要素には同一符号を付
してある。本発明に係る方法では、正極２の板体１との
接触面積が大きくなり、その結果電流密度が低下する。
これにより正極２側の板体１における抵抗発熱が分散さ
れて溶融面積も低下し、図３に示すように負極３側の溶
融量とのバランスがとれる程度になってくる。その結果
正極２と板体１との界面の発熱も低下し、正極２の発熱
も低下して該正極２の劣化が緩和されて連続打点性が向
上する。一方、従来方法すなわち両電極２，３を同一形
状とした場合には、図４に示すように電流密度が高くな
り、これが原因して正極側での抵抗発熱が増し、その結
果図５に示すように正極２側の溶け込みが大きくなる。
そして、さらに正極２が局所的に板体１と融着し、これ
により正極２が劣化する。

【００２２】なお、上記実施例においては、正極２と負
極３として同一直径のものを用いたが、正極２の先端接
触部２ａの面積が負極３の先端接触部３ａの面積よりも
大きければよい。したがって、電極の直径について言え
ば負極３の方が正極２よりも大きくても構わないが、通
常は、両電極２，３の直径が同一か、もしくは正極２の
直径が負極３の直径よりも１〜１０mm 程度大きいのが
望ましい。

【００２３】次に、図６ないし図８は請求項２に係る発
明の一実施例を示すものである。図中、先に示したもの
と同じ構成要素には同一符号を付してある。この発明で
は、図６に示すとおり負極３の軸中心Ｃ２を正極２の軸
中心Ｃ１に対して平行にずらしている。ただし、ずれの
範囲は、負極３が正極２の対峙範囲より出ない範囲であ
る。また、本実施例においても、正極２の先端接触部２
ａの面積が負極３の先端接触部３ａの面積よりも大きい
点は上記実施例と同じである。

【００２４】また、前記正極２は図示しない電極回転機
構により、自身の軸中心Ｃ１回りに回動できる構成とな
っている。

【００２５】上記状態において前記両電極２，３間に電
圧をかけ、板体１，１のスポット溶接を行なう。正極２
は先の実施例と同じ作用によりその劣化が従来方法に比
して大幅に緩和されるが、それでもやはり劣化は生ず
る。そこで、この正極２を、図８に示す如く溶接打点数
の増加に伴う接触位置での劣化の進行に応じて順次軸中
心Ｃ１回りに回転させ溶接を行なう。図８において符号
５ａ，５ｂ，５ｃは、正極２を所定角度ずつ回転させた
ことにより順次ずれた先端接触部２ａの打点位置を示し
ている。ここで、これら打点位置のうち５ａおよび５ｂ
は既に劣化し、次に打点位置５ｃが用いられることを示
している。

【００２６】以下に、上記実施例に基づく実験例を示
す。 〔実験例２〕 △供試材（板体１） 材質：アルミニウム合金 JIS Ａ
５１８２の焼鈍材 寸法：３００mm×３００mm×１mm △溶接機 三相整流式直流型，容量１５０KVA △電極 材質：クロム銅 形状：［正極２］Ｆ形（平面形），２５mmφ ［負極３］Ｒ形（ラジアス形），１６mmφ，先端部半径
１００mmＲ 軸中心Ｃ１とＣ２のずれ量：８mm 正極２の回転：２００打点毎に１５° △溶接条件 電流：３０,０００Ａ 通電時間：４サイクル 加圧力：３１０Kg 上記条件の下で、連続打点性試験を行なった。連続打点
性の評価は先の実験例１の場合と同じである。実験結果
を表１の実験例２に示す。

【００２７】上記表１からも解るように、上記溶接方法
によれば連続打点数すなわち電極寿命が、従来方法と比
べた場合には４倍弱、上記実施例のものに比べても２倍
弱と大幅に増加し、電極（正極２）の劣化が極めて少な
くなる。

【００２８】上記効果は下記の作用による。すなわち、
上記請求項１に係る発明により正極２の劣化が改善され
打点性が向上するとはいえ、未だ正極２の劣化は負極３
の劣化に比して激しく、連続打点性は正極２の劣化状態
により律速されていた。このため、図８に示したように
正極２における一定の打点位置が劣化したら正極２を適
宜回転させることにより順次隣の健全部を使用した溶接
が可能となる。これにより正極２はその健全部がなくな
るまで連続して使用でき、正極２全体として寿命が延長
する。

【００２９】なお、この実施例において、正極２と負極
３とのずらし量については、それぞれの電極の径によっ
ても異なるが、第８図に示すように両電極の先端接触部
２ａ，３ａが共に充分に対峙する範囲で、打点位置５
ａ，５ｂ，…をなるべく多く取れるような位置がよい。
通常１〜１０mm程度となろう。また、正極２を打点位置
の劣化に伴い順次回転させる程度は、溶接条件，電極劣
化状態，電極径等の条件によって異なるが、通常、２０
〜２００打点毎に１０°〜７２°回転させるのが望まし
い。

【００３０】次に、図９ないし図１１は請求項３に係る
発明の一実施例を示すものである。図中、先に示したも
のと同じ構成要素には同一符号を付してある。この発明
は、図６等に示した先の発明においてさらに、負極３を
板体１に対する垂直方向から所定の角度θだけ傾け、か
つこの負極３を正極２と同じように、溶接打点数の増加
に伴う接触位置での電極劣化の進行に応じて自身の軸中
心Ｃ２回りに順次回転させるものである。ただし、正極
２の先端接触部２ａの面積が負極３の先端接触部３ａの
面積よりも大きい点、および、負極３のずれの範囲が正
極２と対峙する範囲を出ない点については上記実施例と
同じである。

【００３１】また、ここでは、負極３も正極２と同様に
図示しない電極回転機構により、自身の軸中心Ｃ２回り
に回動できる構成となっている。

【００３２】上記状態において前記両電極２，３間に溶
接電流を流し、板体１，１のスポット溶接を行なう。正
極２は先の請求項２に係る発明の作用により、その劣化
が従来方法に比して大幅に緩和される。ただし、負極３
についても劣化しないわけではない。その結果、今度は
負極３の劣化状況により連続打点性が律速されるように
なる。そこでこの負極３を、図１１に示す如く溶接打点
数の増加に伴う接触位置での劣化の進行に応じて順次軸
中心Ｃ２回りに回転させ溶接を行なう。

【００３３】以下に、上記実施例に基づく実験例を示
す。 〔実験例３〕 △供試材（板体１） 材質：アルミニウム合金 JIS Ａ
５１８２の焼鈍材 寸法：３００mm×３００mm×１mm △溶接機 三相整流式直流型，容量１５０KVA △電極 材質：クロム銅 形状：［正極２］Ｆ形（平面形），２５mmφ ［負極３］Ｒ形（ラジアス形），１６mmφ，先端部半径
１００mmＲ 負極３の垂直軸からの傾きθ：１０° 両電極の接触中心点のずれ量：８mm 正極２の回転：２００打点毎に１５° 負極３の回転：８００打点毎に６０° △溶接条件 電流：３０,０００Ａ 通電時間：４サイクル 加圧力：３１０Kg 上記条件の下で、連続打点性試験を行なった。連続打点
性の評価は先の実験例１および実験例２の場合と同じで
ある。実験結果を表１の実験例３に示す。

【００３４】上記表１からも解るように、上記溶接方法
によれば連続打点数すなわち電極寿命が、従来方法と比
べた場合には１２倍以上、上記実施例２のものに比べて
もさらに３倍以上と飛躍的に向上したことが解る。

【００３５】上記の実施例において、負極３の前記傾斜
角度θは、負極３の種類によっても異なるが、だいたい
３°〜４５°程度が好ましい。またこの場合、負極３お
よび正極２の板体１，１との接触位置は、それぞれ先端
部外周縁より２〜５mm内側の位置が望ましい。また、負
極３を打点位置の劣化に伴い順次回転させる程度は、正
極２の回転と同様、溶接条件，電極劣化状態，電極径等
の条件によって異なるが、通常、２００〜１０００打点
毎に１０°〜７２°回転させるのが望ましい。

【００３６】なお、本発明において、上記実施例では負
極３としてはＲ形（ラジアス形）を用いるものとして説
明したが、負極３としては上記Ｒ形のもののほか、一般
に提供されているＤ形（ドーム形），ＤＲ形（ドームラ
ジアス形），ＣＦ形（円錐台形），ＣＲ形（円錐台ラジ
アス形），Ｐ形（ポイント形）等の電極を用いることも
当然可能である。また、要は正極２の先端接触部２ａの
面積を負極３の先端接触部３ａの面積より大きくすれば
よいから、この負極３にＦ形（平面形）を使用しても構
わない。さらに、負極３を回転させなければ、ＥＦ形
（偏心形），ＥＲ形（偏心ラジアス形）のものも使用不
可能ではない。

【００３７】また、本発明に対応して、前記正極２ない
し負極３を常時連続的に回転させることも考えられ。し
かし、溶接そのものがスポット溶接で連続的でなく、ま
た、溶接時に電極が回転しているとアルミニウム製（ア
ルミニウム合金製）の板体１表面を擦る懸念も生ずるこ
とから、電極の回転は断続的の方が望ましい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したとおり、請求項１に係る発
明によれば、アルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接
を行なうにあたり、極性効果に起因する正極の劣化を緩
和して正極の寿命を延ばすことが可能となる。したがっ
て、電極の保守・交換の頻度が下がり連続打点性が向上
するため、溶接作業性の向上を実現する。そして、これ
によりアルミニウムの抵抗スポット溶接の全自動化，無
人化，省力化を促進することができる。

【００３９】また、請求項２に係る発明によれば、同じ
く正極の寿命を上記請求項１に係る発明よりもさらに大
幅に延ばすことができ、上記効果が一層強化されたもの
となる。

【００４０】そして、請求項３に係る発明によれば、請
求項２に係る発明の効果に加え、さらに負極の寿命をも
延ばすことができるものとなる。これにより、アルミニ
ウム板の直流式抵抗スポット溶接において電極寿命を従
来方法に比して１０倍程度あるいはそれ以上延ばすこと
ができる、といった優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に係る発明の一実施例を示すもので、
溶接中の板体および電極を示す側面図である。

【図２】請求項１に係る発明の作用を説明するもので、
溶接部における電流の流れを電極等と共に示す側面図で
ある。

【図３】請求項１に係る発明の効果を説明するもので、
溶接部を示す側面図である。

【図４】図２に関連して本発明に係る従来の溶接方法の
作用を説明するもので、溶接部における電流の流れを電
極等と共に示す側面図である。

【図５】図４に示す従来の溶接方法による溶接部を示す
側面図である。

【図６】請求項２に係る発明の一実施例を示すもので、
溶接中の板体および電極を示す側面図である。

【図７】図６の平面図である。

【図８】請求項２に係る発明の作用を示すもので、正極
および負極を示す斜視図である。

【図９】請求項３に係る発明の一実施例を示すもので、
溶接中の板体および電極を示す側面図である。

【図１０】図９の平面図である。

【図１１】請求項３に係る発明の作用を示すもので、正
極および負極を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 板体 ２ 正極（電極） ２ａ 先端接触部 ３ 負極（電極） ３ａ 先端接触部 Ｃ１，Ｃ２ 軸中心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹野 親二 東京都中央区日本橋室町４丁目３番18号 スカイアルミニウム株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重ね合わせたアルミニウム製またはアル
   ミニウム合金製の板体を正極および負極の両電極により
   挟みスポット溶接するアルミニウム板の直流式抵抗スポ
   ット溶接方法において、 前記正極の前記板体に対する接触部面積を前記負極の前
   記板体に対する接触部面積よりも大として溶接すること
   を特徴とするアルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接
   方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のアルミニウム板の直流式
   抵抗スポット溶接方法において、前記正極の中心軸と前
   記負極の中心軸とを両電極の前記板体に対する接触部が
   対峙する範囲内で互いに平行にずらし、かつ前記正極を
   溶接打点数の増加に伴う接触位置での劣化の進行に応じ
   て自身の軸中心回りに順次回転させることを特徴とする
   アルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のアルミニウム板の直流式
   抵抗スポット溶接方法において、前記負極を前記溶接す
   べき板体に対する垂直方向から所定角度傾け、かつ該負
   極を溶接打点数の増加に伴う接触位置での劣化の進行に
   応じて自身の軸中心回りに順次回転させることを特徴と
   するアルミニウム板の直流式抵抗スポット溶接方法。