JPH11342474A - 平板状部材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】平板状部材を平板状母材にア−クスタッド溶接
法に準じた方法で溶接できるようにする。 【解決手段】周囲にほぼ垂直な側面１２を有する溶接用
凸部１１を平板状部材１に加工し、該凸部１１の前面を
平板状母材２に接触させて通電し、課電したままで接触
面にギャップｇを形成してア−クを発生させることによ
り上記凸部１１を溶融させ、而るのち、該溶融凸部を平
板状母材２に密着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は平板状部材を平板状
母材にア−ク溶接する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、平板材の重ね溶接には、重ねた平
板材を電極で挾持加圧して通電し、接触面を通電加熱に
より溶融させて溶着させる、いわゆる抵抗溶接法が使用
されており、図１０に示すように一方の平板材１’に凸
部（プロジェクション）１１’を加工して電流及び加圧
力を集中させることが知られている（プロジェクション
溶接方法。図１０において、１’及び２’は平板材、３
１’は電極である）。

【０００３】しかしながら、この抵抗溶接法では高い加
圧力を必要とし、圧潰強度の低い母材、例えば薄い中空
管への部材の溶接が難しい。周知の通り、ア−クスタッ
ド溶接では、図１１の（イ）に示すようにスタッド１’
の先端をフエル−ル４１’を嵌めて平板状母材２’に押
し付け、図１１の（ロ）に示すように通電後スタッド
１’を引き上げア−クを発生させてスタッド先端とその
直下の母材部分を溶融させ、所定時間のア−ク放電後図
１１の（ハ）に示すようにスタッド先端を母材に押し込
んで溶接を終結し、最終的にフエル−ルを取外してい
る。

【０００４】このア−クスタッド溶接法では、通常、ボ
ルト、ジベル、ピン等の中実棒や中空棒を平板状母材に
溶接するのに用いられているが、図１２の（イ）に示す
ように上側平板材１’に孔１１’を加工し、スタッド先
端５１’をその孔１１’の内周との間にギャツプを隔て
て下側平板材２’に接触させ、図１２の（ロ）に示すよ
うに上記ア−クスタッド溶接によりスタッド先端部５
１’と下側平板材２’を溶接するとともにその溶接時の
加熱でスタッド先端部５１’と上側平板材１’の孔１
１’周辺とを溶接し、図１２の（ハ）に示すようにスタ
ッドを溶融先端部を残して除去することが公知である
（特開昭６０−１６２５８１号、特開平７−３２３３７
３号等）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のア−クスタッド法利用の溶接方法は平板材間を直接溶
接するものではなく、前記の抵抗溶接法に較べスタッド
を必要とし、作業工数も増し、不利である。ところで、
上記ア−クスタッド溶接でのア−クの挙動を観察する
と、溶接面で回転しつつ中心部から外方向に向かって拡
がっていき、スタッド先端面外周でその拡がりが停止さ
れ、ア−クプラズマがスタッド先端外周を越えるとして
も極く僅かであり、実質上スタッド先端に集中される。

【０００６】而るに、上記のプロジェクション溶接方法
では、凸部を加工して溶接電流を集中させているが、電
流とア−クプラズマとでは拡がりの機構が全く異なり、
プロジェクション溶接方法をア−クスタッド溶接と関連
付けて考察乃至は評価することは行われていない。本発
明の目的は、平板状部材を平板状母材にア−クスタッド
溶接法に準じた方法で溶接できるようにすることにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る平板状部材
の溶接方法は、周囲にほぼ垂直な側面を有する溶接用凸
部を平板状部材に加工し、該凸部の前面を平板状母材に
接触させて通電し、課電したままで接触面にギャップを
形成してア−クを発生させることにより上記凸部を溶融
させ、而るのち、該溶融凸部を平板状母材に密着させる
ことを特徴とする方法であり、凸部の前面を中央を頂点
とするテ−パ面または凸曲面とすること、更には凸部の
前面中央に小突起を加工すること、更には凸部の付け根
の曲率半径を凸部周囲の側面の高さのほぼ１／２以下と
することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１の（イ）は請求項１
に係る発明において使用する平板状部材１の一例の平面
図を、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面
図をそれぞれ示し、周囲にほぼ垂直な側面１２を有する
凸部１１を溶接面側に加工してあり、凸部付け根のコ−
ナ角度は９０°〜１２０°の範囲、好ましくは９０°と
されている。この凸部１１は、通常プレス金型を使用し
て一挙に絞り出し加工することにより形成されるが、鋳
造や削り出し加工でも、当然、このような形状加工は可
能であり、必要に応じ、適切な加工法を選択することが
可能である。

【０００９】凸部は通常円形とされるが、必ずしも、こ
の形状に限定されるものではない。請求項１に係る発明
により、上記の平板状部材を母材に溶接するには、図２
の（イ）に示すように溶接ガンの電極３１に平板状部材
１を止着し、平板状部材１の凸部１１を母材２に接触さ
せて通電し、図２の（ロ）に示すように加電したままで
電極３１を上昇させて平板状部材１の凸部１１と平板状
母材２との間にギャツプｇを形成してそのギャツプｇに
ア−クを発生させる。

【００１０】このとき、平板状部材１の凸部１１と母材
２との間のギャツプ厚みｔに較べて凸部１１周囲の平板
状部材平面１１１’と母材２との間のギャツプ厚みＴが
大であり、後者のギャツプＧでの絶縁耐力が前者のギャ
ツプｇに較べ高く、また後者のギャツプＧでの電位傾度
が前者のギャツプｇに較べて弱く、しかも両者Ｇ，ｇ間
にほぼ垂直な急峻な境界１２が存在し前者ｇでのア−ク
の拡がり（ア−クはア−ク電流により生じる磁界により
外側に拡がろうとする）がよく境界１２でくい止められ
るために、後者Ｇでのア−クの発生を抑えて前者ｇのみ
にア−クを発生させることができる。即ち、ア−クを凸
部１１に集中的に発生させてそのア−ク密度を高くでき
るから、凸部１１及び該凸部に対向する母材部分２１を
充分に溶け込ませることができる。

【００１１】このようにしてア−クを所定の時間継続さ
せ、而るのち、図２の（ハ）に示すように電極３１を降
下させて溶融凸部１１２をその直下の溶融母材部分２１
に接触させ通電状態のままで溶融金属を凝固させ、通電
を遮断しこれにて本発明による溶接を終了する。この
間、通電開始から通電遮断までの時間は通常１秒以内で
ある。

【００１２】図２の（ロ）において、ア−ク放電を平板
状部材１の凸部１１直下のみにとどめ得る条件として
は、平板状部材１と母材２との間隔Ｔ、従って凸部１１
の高さ以外に、電流値、ア−ク放電時間等の溶接条件も
関与し、凸部高さが１ｍｍの場合、ア−ク放電時間が
０．１８秒以下では１４００Ａ以下にする必要があり、
またア−ク放電時間が０．１８秒以上では凸部が溶融す
ることで凸部高さが低くなることに鑑みて、電流値を低
くする手法が必要になる。

【００１３】しかし、溶接完了時の状態を示す図２の
（ハ）のように、凸部部分１１２が母材部分２１と溶け
込み合い、平板状部材１と母材２との間隔Ｔ’が、図２
の（ロ）のｈで示した凸部高さよりも僅か小さくなり、
この間隔Ｔ’が小さすぎると、その間隙へのスパッタや
ゴミのかみこみが生じるので、材質や表面状態や溶接条
件等の要因によって異なるが、凸部の高さｈは１．０ｍ
ｍ程度とすることが適切である。

【００１４】上記凸部でのア−ク放電は中央から外側に
向けて進行させ溶融をこれに追従させて中央から外側に
生じさせることが溶接界面での巣の発生防止に有効であ
る。而るに、凸部１１をプレス金型により一挙に絞り出
し加工するとスプリングバック作用により凸部中央部が
凹み易く、ア−クの初期発生点を凸部前面の中央に位置
させ難くなる。

【００１５】請求項２に係る発明では、図３に示すよう
に凸部１１の前面（溶接面）中央に小突起１１１を加工
してア−クの初期発生点をこの小突起位置に確保してア
−クの初期発生点を凸部１１の中央に確実に位置させる
ようにしてある。図４は請求項３に係る発明において使
用する平板状部材を示し、凸部１１の前面を中央点ａを
頂点とするテ−パ面（円錐面）１１０に加工してア−ク
の初期発生点を中央の頂点ａに位置させるようにしてい
る。

【００１６】今、図３及び図４において、凸部１１の中
心線と母材（図示せず）との角度が正規の９０°よりや
や傾いた状態を想定すると、図４に示すものでは凸部１
２の前面中央を頂点ａとする円錐面１１０に形成してい
るから、図３に示す凸部１１の前面が平坦で中央に小突
起１１１を有する場合に較べ、中央点から半径方向に沿
っての凸部１１−母材間のギャツプ状態が何れの半径方
向であっても殆ど相違しない。これに対し、図３に示す
凸部１１の前面が平坦面の場合は、小突起１１１を中心
とした上記傾きに対して順方向と逆方向とでは、ギャツ
プ状態が完全に逆勾配になり、半径方向への溶融金属の
流れ性が大きく相違することになる。

【００１７】従って、凸部１１の加工精度や凸部１１の
母材へのセッティング精度上、凸部の中心線と母材との
角度が正規の９０°よりやや傾いても、図４に示すもの
では円錐面先端ａを中心として溶融された金属の電極に
よる加圧やプラズマ気流や表面張力による半径方向への
拡がりを、図３に示すものに較べ一様にできるから、巣
などの発生をより確実に防止できる。

【００１８】もっとも、テ−パ角を大きくし過ぎると、
ア−ク放電時間によっては凸部中央が完全に溶融して穴
が開いた状態になったり、また溶接箇所の凸部と母材と
の間に切欠きが残る畏れもある。従って、凸部１１の高
さ（小突起１１１の高さを含まない）１〜２ｍｍに対
し、凸部前面の円錐面１１０のテ−パ−角は３°〜１５
°とすることが適当である。

【００１９】図５に示すように、凸部１１の前面円錐面
１１０の中央に小突起１１１を加工することもできる。
図４に示す実施例及び図５に示す実施例に対し、テ−パ
面１１０に変え凸曲面（球面）を用いることもできる。
本発明において、凸部１１の径（溶接面積）は、溶接機
の電源特性及び部材板厚やその凸部加工方法によって対
応させて設定する必要があり、本発明のように板厚２〜
５ｍｍ程度であればφ１２ｍｍ程度が適切である。上記
小突起１１１の高さは０．５ｍｍ、径はφ１ｍｍとする
ことが適切である。

【００２０】本発明において、凸部１１の付け根の曲率
半径Ｒを大きくするほど、ア−クが凸部の周囲を越えて
ア−ク密度の減少・溶け込み深さの減退が生じるため溶
接界面の破断強度Ｓが低下するようになり、他方、小に
するほど、凸部付け根での応力集中度が高くなり凸部の
破断強度ｓが低下し結局は溶接部の機械的強度が低下す
るようになる。

【００２１】しかるに、後述のとおり本発明により溶接
した溶接部のＪＩＳ Ｚ３１３６（スポット溶接継手の
引張剪断強度試験）規定の強度試験の結果によれば、凸
部付け根の曲率半径Ｒが凸部高さｈの１倍の場合の引張
剪断強度が実質的にＲ＝０のときの引張剪断強度及び、
Ｒ＝０．５ｈの場合の引張剪断強度よりも低くなり、引
張剪断強度の最大値はＲ＝０とＲ＝０．５ｈとの間のＲ
のときに生じ、Ｒが１ｈに近づくにつれ凸部からア−ク
がはみ出て溶接界面の破断強度が低下していくことが推
察される。従って、図６の（イ）、（ロ）において、Ｒ
を０．７ｈとすること、特にほぼ０．５ｈ以下にするこ
とが好ましい。

【００２２】本発明においても通常のア−ク溶接の場合
と同様、ア−クを安定化し溶接強度のバラツキを抑える
ために図７の（イ）に示すように凸部１１の溶接面全
体、または図７の（ロ）に示すように局部的にフラック
スｆを塗布することもできる。なお、フラックスは脱酸
作用を呈するから、溶接部周辺のギャツプの存在下、防
錆効果も期待できる。

【００２３】本発明に係る溶接方法においては、平板状
部材の外、平板部を有する溶接用部材、例えば、図８に
示すように、溶接電極取付け用耳部ｂを有する溶接用部
材の平板部１に凸部１１を加工し、当該凸部を母材にア
−クスタッド溶接することによっても実施できる。この
溶接用部材の溶接電極への着脱自在の止着には、溶接用
部材の形状に応じた治具により行うことができる。

【００２４】図９は本発明において使用する溶接設備の
一例を示している。図９において、３０は溶接ガンであ
る。３１は電極であり、平板状部材１を止着するための
止めピン３１１を取り付けた角ブロック型としてある。
３２は電極３１を電磁石のオン・オフにより上下動され
るロッドである。３００は溶接機本体であり、コンデン
サや制御装置を装備し、コンデンサの出力端が電力ケ−
ブル３０１により電極３１に接続され、制御系が電磁石
の電磁回路にコントロ−ルケ−ブル３０２により接続さ
れる。３０３はア−スケ−ブルであり母材２に接続され
る。

【００２５】本発明によりこの設備を使用して溶接する
場合の溶接手順は次の通りである。 溶接電極に平板状部材をセットし、ア−スケ−ブルを
平板状母材に接続する。 ロッドを降下させ、平板状部材の凸部を平板状母材に
押し付ける。 溶接ガンのトリガ−を引くと電極に電流が流れ、引き
続きロッドが上昇されて平板状部材の凸部と平板状母材
との間にア−クが発生される。 所定の時間後、ロッドが降下され平板状部材の凸部が
平板状母材に押し付けられる。 この時点でア−ク放電が終了されて溶接が終結され
る。

【００２６】上記ア−ク放電の継続時間は０．１〜０．
３秒であり、ア−ク放電の終了後も０．１秒以上は通電
される。

【００２７】

【実施例】何れの実施例及び比較例においても、溶接条
件は電流値１２８０Ａ、ア−ク放電時間０．１７５秒と
し、通電極性はア−クの安定性、溶融部の溶け込み深さ
とも逆極性が正極性よりも優れていることを確認のうえ
逆極性とした。また、平板状部材及び平板状母材の何れ
も厚さ３．２ｍｍ、巾５０ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板製
とし、平板状部材には図に示す取付け用耳部を有するも
のを使用した。

【００２８】〔実施例１〕図１に示す形状の平板状部材
を使用し、凸部１１の直径を１２．０ｍｍ、高さを１．
０ｍｍとし、凸部１１付け根のＲは実質上０としてア−
クスタッド溶接した。ＪＩＳ Ｚ３１３６（スポット溶
接継手の引張剪断強度試験）規定の強度試験により引張
剪断強度を測定したところ（試料数２０個）、表１の通
りであった。

【００２９】〔実施例２〕図３に示す形状の平板状部材
を使用し、凸部１１の直径を１２．０ｍｍ、凸部の高さ
を１．０ｍｍ、小突起１１１の直径を１．０ｍｍ、小突
起の高さを０．５ｍｍとした。Ｒは実質上０とした。上
記と同様にア−クスタッド溶接し、ＪＩＳ Ｚ３１３６
規定の強度試験により引張剪断強度を測定したところ
（試料数２０個）、表１の通りであった。

【００３０】〔実施例３〕図４に示す形状の平板状部材
を使用し、凸部１１の直径を１２．０ｍｍ、凸部側面の
高さｈを１．０ｍｍ、テ−パ高さｃを０．５ｍｍとし
た。Ｒは実質上０とした。上記と同様にア−クスタッド
溶接し、ＪＩＳ Ｚ３１３６規定の強度試験により引張
剪断強度を測定したところ（試料数２０個）、表１の通
りであった。

【００３１】〔実施例４〕図５に示す形状の平板状部材
を使用し、凸部１１の直径を１２．０ｍｍ、凸部の側面
高さｈを１．０ｍｍ、テ−パ高さｃを０．５ｍｍ、小突
起１１１の直径を１．０ｍｍ、小突起の高さｄを０．５
ｍｍとした。Ｒは実質上０とした。上記と同様にア−ク
スタッド溶接し、ＪＩＳ Ｚ３１３６規定の強度試験に
より引張剪断強度を測定したところ（試料数１００
個）、表１の通りであった。

【００３２】〔実施例５〕図６の（ロ）に示す形状の平
板状部材を使用し、凸部１１の直径を１２．０ｍｍ、凸
部１１の側面高さｈを１．０ｍｍ、テ−パ高さｃを０．
５ｍｍ、小突起１１１の直径を１．０ｍｍ、小突起１１
１の高さｄを０．５ｍｍ、Ｒを０．５ｍｍとした。

【００３３】上記と同様にア−クスタッド溶接し、ＪＩ
Ｓ Ｚ３１３６規定の強度試験により引張剪断強度を測
定したところ（試料数２０個）、表１の通りであった。
〔比較例〕実施例５に対し、Ｒを１．０ｍｍとして上記
と同様にア−クスタッド溶接し、同引張剪断強度を測定
したところ（試料数２０個）、表１の参考例の通りであ
った。

【００３４】〔実施例６〕実施例２に対し、図７の
（イ）に示すように凸部１１のテ−パ前面全体にライム
チタニア系被覆ア−ク溶接棒のフラックスｆを塗布した
以外、実施例２に同じとした。上記と同様にア−クスタ
ッド溶接し、ＪＩＳ Ｚ３１３６規定の強度試験により
引張剪断強度を測定したところ（試料数２０個）、表１
の通りであった。これらの実施例及び比較例の溶接部断
面を写真で観察したところ、何れの実施例についても凸
部をはみ出してのア−ク跡は認められなかったが、比較
例では凸部を約数ミリはみ出してのア−ク跡が観察され
た。これは比較例では凸部の付け根のア−ルが大きくそ
の影響が凸部外周の境界に現れて当該境界の急峻性が失
われたためである。

【００３５】この比較例と実施例との対比から、本発明
による凸部でのア−ク集中による優れた溶接強度の発現
効果を確認できた。特に、実施例３〜６は実施例１及び
２に較べ平均強度およびバラツキがともに向上してお
り、凸部前面をテ−パ面とすることによる巣の発生抑制
効果が確認できた。

【００３６】また、実施例１（凸部前面平坦）に対する
実施例２（実施例１の凸部前面中央に小突起を加工した
もの）の溶接強度の増加率（１．１２）が実施例３（凸
部前面テ−パ面）に対する実施例２（実施例３の凸部前
面中央に小突起を加工したもの）の溶接強度の増加率
（１．０７）よりも高いことから、小突起の効果は凸部
前面が平坦面の場合に顕著であることが認められる。

【００３７】また、実施例５では凸部付け根にア−ルを
つけたにもかかわやず、凸部高さの１／２と小さくした
ために凸部の周囲を越えてのア−クの拡がりが実質上な
いことを溶接部の断面写真から確認した。而して、実施
例５と実施例６（ア−ルが実質的に０）との比較から、
ア−ルが凸部高さの１／２以下であれば、確実にア−ク
の凸部集中効果を保持しつつ応力集中緩和効果により溶
接強度を向上できることが明らかである。

【００３８】なお、実施例６から通常のア−ク溶接と同
様フラックスの効果もあることが明らかである。 表１ 剪断強度（ｋｇｆ） 平均値 偏差 実施例１ ２４７３ ８９３ 実施例２ ２７７３ ７０５ 実施例３ ２９６５ ５７３ 実施例４ ３１６４ ５０３ 実施例５ ３２８８ ５５８ 実施例６ ３３５９ ２２５ 比較例 ２０３２ ８４９

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば平板状部材を平板状母材
に良好に直接ア−クスタッド溶接することができ、抵抗
溶接とは異なり加圧力を著しく小さくできるので（１／
１００程度）薄い中空材でも溶接でき、また、特別の電
源装置を必要とせず、更に作業時間が短く作業者の熟練
度に左右されることないので母材への熱的影響を激減で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明において使用する平板状部材を
示す図面である。

【図２】本発明に係る溶接方法を示す図面である。

【図３】請求項３の発明において使用する平板状部材の
一例を示す図面である。

【図４】請求項２の発明において使用する平板状部材の
一例を示す図面である。

【図５】請求項３の発明において使用する平板状部材の
別例を示す図面である。

【図６】請求項４の発明において使用する平板状部材を
示す図面である。

【図７】本発明において使用する上記とは別の平板状部
材を示す図面である。

【図８】本発明において使用する耳部付きの平板状部材
を示す図面である。

【図９】本発明において使用する溶接機の一例を示す図
面である。

【図１０】プロダクション溶接方法を示す図面である。

【図１１】通常のア−クスタッド溶接方法を示す図面で
ある。

【図１２】ア−クスタッド溶接方法を利用した従来の平
板状部材の溶接方法を示す図面である。

【符号の説明】

１ 平板状部材 １１ 凸部 １２ 垂直側面 １１０ テ−パ面 １１１ 小突起 Ｒ 凸部付け根のア−ル ２ 平板状母材 ３１ 溶接電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周囲にほぼ垂直な側面を有する溶接用凸部
   を平板状部材に加工し、該凸部の前面を平板状母材に接
   触させて通電し、課電したままで接触面にギャップを形
   成してア−クを発生させることにより上記凸部を溶融さ
   せ、而るのち、該溶融凸部を平板状母材に密着させるこ
   とを特徴とする平板状部材の溶接方法。
2. 【請求項２】凸部の前面を中央を頂点とするテ−パ面ま
   たは凸曲面とする請求項１記載の平板状部材の溶接方
   法。
3. 【請求項３】凸部の前面中央に小突起を加工する請求項
   １または２記載の平板状部材の溶接方法。
4. 【請求項４】凸部の付け根の曲率半径を凸部周囲の側面
   の高さの１／２以下とする請求項１〜３何れか記載の平
   板状部材の溶接方法。