JPS63278679A - アルミニウム系材の抵抗溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる
被溶接材を抵抗溶接するアルミニウム系材の抵抗溶接方
法に関する。

［従来の技術］ アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、アルミニウ
ム系材という）の抵抗スポット溶接方法においては、板
状のアルミニウム系材を重ね合わせて１対の電極で挟持
し、アルミニウム系材を電極により加圧しつつ電極に通
電することによって、アルミニウム系材を抵抗発熱させ
て溶融接合する。

ところで、アルミニウム系材は鋼に比して電気伝導率が
高いと共に、熱伝導率も高いので、従来、大電流を短時
間通電することにより、アルミニウム系材を抵抗スポッ
ト溶接している。

［発明が解決しようとする問題点コ しかしながら、アルミニウム系材の抵抗スポット溶接に
おいては、鋼の場合の約３倍の通電電流値が必要となり
、大容量の溶接機を導入する必要があって、そのイニシ
ャルコスト及びランニングコストが高いという欠点があ
る。

このように所要電流が高いことによる不都合は、板厚が
厚くなるにつれて、また、被溶接材が大きくなるにつれ
て顕著になる。このため、厚板又は大板の構造物をスポ
ット溶接する場合には、トランス容量の点からポータプ
ル式溶接機では溶接不可能のときがある６そうすると、
大容量の定置式溶接機を使用する必要があり、これが生
産ラインの設計上ネックとなっている。

一方、アルミニウム系材は、熱伝導率が高いために、板
厚方向についての温度勾配が小さいにのため、スポット
溶接部における断面溶は込み形状は、第６図に示すよう
に、板厚方向への溶は込みが大きいものになり、溶融領
域（以下、ナゲツトという）１は被溶接材３の表面近傍
にまで拡がる。ところで、ナゲツト１にて発生した凝固
割れ４は、その大部分が結晶粒界のみが溶融する半溶融
領域２内に止まって存在する。この半溶融領域２はナゲ
ツト１を取り囲むようにして形成されるが、ナゲツト１
が被溶接材３の表面近傍にまで拡がっているため、半溶
融領域２は被溶接材３の表面に到達する。このため、凝
固割れ４は被溶接材３の表面に現れ、外観上問題となる
ことが多い。

＞７　ｊ：、２、この凝固割れの発生を防止するために
は、第７図に示すように、溶接電流においてヒート電流
期間の直後にディケイ電流期間を付与して、溶融領域を
徐冷することか考えられるが、この方法によって凝固割
れを完全に防止するということは困難である。従って、
この方法は溶接部の表面に割れが発生することを防止す
る有効な方法とはいえない、このため、外観に割れが現
れることをきらう場合には、継手強度を犠牲にして溶接
入熱を低くせざるを得ないという問題点がある。

また、アルミニウム系材を連続打点溶接する場合には、
銅合金電極と被溶接材のアルミニウム系材との間の溶着
が激しいため、電極表面を頻繁にドレッシングする必要
がある。このため、生産性が悪いという問題点がある。

この被溶接材の電極表面への付着（電極ピックアップ）
は、前述の如く、アルミニウム系材の熱伝導率が高いた
めに、板厚方向の温度勾配が小さいので、適度の継手強
度を得ることができる溶接条件下では、アルミニウム系
材の表面温度が極めて高くなり、このため９アルミニウ
ム系材が容易に銅合金電極と圧着してしまうことにより
生じると推定される。

このようは、従来のアルミニウム系材の抵抗スポット溶
接においては、所要電流が高いことによる溶接機の問題
点、被溶接材表面に現れる割れの問題点、及び連続打点
溶接における電極ドレッシングに起因する生産性の低下
という問題点がある。

そして、これらの問題点が抵抗スポット溶接を大量生産
方式に導入することを遅らせる要因になっている。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ア
ルミニウム系材を低電流で抵抗溶接することができると
共に、溶接部表面に割れが現れることを防止することが
でき、また、被溶接材の電極表面への付着を防止するこ
とができるアルミニウム系材の抵抗溶接方法を提供する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係るアルミニウム系材の抵抗溶接方法において
は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる被溶接
材をその接合部界面間にアルミニウム合金からなるイン
サート材を配設して抵抗溶接する。この場合に、前記イ
ンサート材は、電気伝導率が高い方の被溶接材よりも低
い電気伝導率を有し、いずれの被溶接材よりも板厚が薄
いという特徴を有する。

［作用］ 本発明においては、アルミニウム又はアルミニウム合金
からなる被溶接材の間にアルミニウム合金からなるイン
サート材を介して抵抗溶接する。

このインサート材は、電気伝導率が高い方の被溶接材よ
りも電気伝導率が低く、従って、固有抵抗が高い、また
、インサート材の厚さはいずれの被溶接材よりも薄い。

このため、インサート材は、被溶接材よりも発熱効率が
高く、ジュール発熱量が多い、従って、このインサート
材が主として溶融する結果、板厚方向への溶は込みが抑
制されて、扁平形状のナゲツトが形成される。これによ
り、通電時における被溶接材の表面温度が低下すると共
に、凝固割れが表面に到達することを防止することがで
きる。また、インサート材の発熱効率が高いので、所要
溶接電流を低減することができる。

［実施例］ 以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について具
体的に説明する。第１図は本発明の実施例を示す断面図
である。アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板
状の１対の被溶接材１１゜１２間にアルミニウム合金か
らなるインサート材１３を介装し、この積層体を調合金
製の１対の棒状電極１４により挟持する。そして、電極
１４間に所定の電流を通電すると、被溶接材１１．１２
の接合部界面にて抵抗発熱（ジュール発熱）し、この接
合部界面近傍の被溶接材１１．１２及びインサート材１
３が溶融して被溶接材１１．１２が接合される。

本発明においては、インサート材１３は、アルミニウム
又はアルミニウム合金からなる被溶接材１１．１２のう
ち、その電気伝導率が高い方の被溶接材よりも低い電気
伝導率を有している。また、このインサート材１３の厚
さは、いずれか薄い方の被溶接材１１．１２の厚さより
も薄い。

以下、本発明において、このような条件のインサート材
を使用する理由について説明する。

電気伝導率を低くするということは、固有抵抗を高める
ことになり、その結果、抵抗スポット溶接において、ジ
ュール発熱量が増加し、発熱効率が高くなる。従って、
第２図に示すように、被溶接材１１．１２間に介装され
たインサート材１３の電気伝導率を低下させると、イン
サート材１３の発熱効率が高くなり、通電時にこのイン
サート材１３において主として溶融する。この結果、こ
の溶接部におけるナゲツト（溶融領域）１５は、第２図
に示すように、インサート材１３を中心とする扁平なも
のになり、従来の場合（第７図参照）と異なり、ナゲツ
ト１５が被溶接材１１．１２の表面近傍まで拡大するこ
とはない。

また、インサート材の厚さは、溶接部に形成されるナゲ
ツトを１つにするために、被溶接材１１゜１２のうちの
薄い方のものの厚さよりも薄くすることが必要である。

第３図に示すように、インサート材１７の板厚が被溶接
材１１．１２の板厚よりも厚いと、インサート材１７と
各被溶接材１１゜１２との間の接合部界面で、２つのナ
ゲツト１８゜１９が形成される。このため、固有抵抗が
高いインサート材を使用しているにも拘らず、発熱効率
が低くなり、直径が小さいナゲツト１８．１９ｔ。

か得ることができない。

本願発明者等は、アルミニウム系材の溶接電流の低電流
化、表面割れの防止及び電極表面のＡ１付着の防止を図
るべく種々検討した結果、被溶接材の接合部界面に被溶
接材に比して固有抵抗が高いアルミニウム合金をインサ
ートし、接合部界面における発熱量を被溶接材のバルク
中の発熱量に比して増大させることによって、上記目的
を達成することができることに想到した。

抵抗スポット溶接部の継手強度はナゲツト径の大きさに
依存するので、この継手強度を確保するためにはナゲツ
ト径を小さくすることはできない。

従って、第２図に示すように、ナゲツト径りを従来の溶
接方法におけるナゲツト１（第７図参照）と同様にしつ
つ、板厚方向への溶は込みを抑制することが必要である
０本発明によれば、前述のごとく、固有抵抗が大きいイ
ンサート材１３を使用するから、第２図に示すように、
直径りが大きく板厚方向への溶は込みが小さい扁平のナ
ゲツト１５を得ることができる。

このように板厚方向への溶は込みを抑制することによっ
て、結晶粒界のみが溶融する半溶融領域１６（第２図に
破線にて示す）が、板厚方向に拡大することを抑制する
ことができる。ナゲツト１５内に発生する凝固割れは結
晶粒界を伝播するから、半溶融領域１６の抑制によって
、割れの伝播領域も接合部界面の近傍に閉じ込めること
ができ、割れが被溶接材１１．１２の表面に到達するこ
とを防止することができる。

第４図（ａ）及び（ｂ）は、ナゲツトの形状と被溶接材
の板厚方向についての温度分布との関係を示す模式図で
ある。図中、Ｔ１及びＴ３は被溶接材の表面温度であり
、Ｔ２は被溶接材の溶融温度である。従来のように、ナ
ゲツト２１が被溶接材２０の板厚方向に広がって形成さ
れる場合には〔第４図（ａ）］、板厚方向についての温
度勾配は緩やかであり、表面温度Ｔｌが高い。これに対
し、本願発明のように、ナゲツト２２が扁平に形成され
る場合には［第４図（ｂ）］、被溶接材２０の板厚方向
についての温度勾配が急峻になるので、被溶接材２０の
表面温度Ｔ３が低くなる。この結果、電極に対する被溶
接材の付着又は圧着を左右する因子である加圧力及び温
度のうちの温度を抑制することができるので、被溶接材
の付着を防止し、銅合金製電極表面の損傷を抑制し、電
極の寿命を延長させることができる。

なお、本発明においては、前述のように、発熱効率が高
いインサート材１３を使用するから、従来に比して低い
電流又は短い通電時間で、第２図に示すように扁平のナ
ゲツト１５を形成することができる。即ち、被溶接材界
面にて発生した熱がその厚さ方向に伝導する前に、界面
に沿う方向に溶融領域を拡大させて所望のナゲツト径を
得ることが可能となるためである。従って、小容量の溶
接機を生産ラインに導入することができるから、生産ラ
インの設計上、大きな裕度を確保することができ、本発
明は、工業上、多大の実益がある。

このように、本発明は、被溶接材に比して電気伝導率が
小さいインサート材を使用することを特徴とする。この
ようなインサート材としては、Ｆｅが０，０５乃至２．
０重量％、Ｍｎが０．５乃至２．０重量％、Ｍｇが０．
７重量％以下、残部がＡｆｆｌであるアルミニウム合金
を使用することが好ましい。

Ｍｇは、アルミニウム合金の電気伝導率を低下させる元
素である。このため、Ｍｇは、インサート材用アルミニ
ウム合金の添加成分として好ましいが、一方、Ｍｇは酸
素と結合して被溶接材の表面に強固な酸化被膜を形成す
る。このときに、著しい発熱を伴うので、Ｍｇの含有量
が高いと所謂散りが発生し易くなる。このため、Ｍｇの
含有量は０．７重量％以下にする。

Ｍｎもアルミニウム合金の電気伝導率を低下させる。し
かしながら、Ｍｎ含有量が２．０重量％を超えると、ア
ルミニウム合金を板状に加工してインサート材を製造す
る際の加工性が劣化する。

一方、Ｍｎ含有量が０．５重量％未満の場合には、上述
の電気伝導率の低下という効果が得られない。

このため、Ｍｎの含有量は、０．５乃至２．０重量％に
する。

Ｆｅは、アルミニウム母材中への固溶量が少ないために
、通常、晶出物として存在する。この晶出物がインサー
ト材表面に存在すると、表面酸化膜に細孔が生じ易い。

そうすると、この細孔の存在により、溶接時の加圧力を
受けて酸化膜が破壊され、上述の散りを防止することが
できる。このような効果は、Ｆｅの含有量が０．０５重
量％未満では得ることができず、一方、Ｆｅの含有量が
２．０重量％を超えると、アルミニウム合金を板状に加
工する際に、その加工性が劣化する。従って、Ｆｅの含
有量は、０．０５乃至２．０重量％に設定する。

このような組成を有し、残部がＡｆｆｌであるアルミニ
ウム合金をインサート材として使用すれば、被溶接材に
比して電気伝導率が低いインサート材を容易に得ること
ができる。

なお、溶接施工時のハンドリングを円滑にするためには
、第５図に示すように、予め、被溶接材３１の接合界面
側にインサート材３２を被覆して、被溶接材３１を所謂
片面クラツド材としておくことが好ましい。これにより
、各被溶接材３１をそのインサート材３２側を重ねた後
、電極３３で挟持することによって、容易に溶接するこ
とができるので、そのハンドリング性が向上する。

次に、本発明方法によりスポット抵抗溶接した場合の実
施例について、その比較例と共に説明する。各実施例及
び比較例における被溶接材の品種、板厚及び電気伝導率
と、インサート材の板厚、電気伝導率及び組成とを下記
第１表に示す。

但し、電気伝導率は純銅焼鈍材の電気伝導率を１００％
とした場合の値（ＩＡＣ３％）である。

この第１表に示すように、各実施例１乃至１２は、本願
の特許請求の範囲第１項にて規定した条件に適合するも
のであり、そのうち実施例１乃至７については、そのイ
ンサート材の組成が特許請求の範囲第２項にて規定した
範囲に入るものである。一方、比較例１，５．６はイン
サート材を使用しない場合のものである。また、比較例
２．７は電気伝導率が被溶接材と同一（品種が同一）の
場合であり、比較例３はインサート材の電気伝導率が被
溶接材より高い場合である。更に、比較例４．８はイン
サート材の板厚が少なくとも一方の被溶接材よりも厚い
場合である。

このような被溶接材及びインサート材に対し、ＪＩＳ　
　Ａ級を得るための所要の溶接電流（ＫＡ）を第１表の
「溶接電流］欄に示した。つまり、板厚をｔ（ａｍ）と
すると、ＪＩＳ　　Ａ級を満足するナゲツト径は、５．
／′Ｔとなる０例えば、板厚が２ｍｍの場合にはこの所
要ナゲツト径は７．１ｍｍになり、板厚が１１１１１１
の場合にはナゲツト径は５．０ｍｍになる。第１表に記
載の溶接電流は、このナゲツト径を得ることができるも
のである。但し、溶接条件は、加圧力が３００ｋｇ、通
電時間が３１５０秒である。なお、この「溶接電流」欄
には、インサート材を使用しない場合の電流値に対する
前記溶接電流の割合（％）も併せて記載した。

第１表の「散り」欄は、散りかない場合を○、若干数り
がある場合をΔ、大きな散りがある場合を×で現した。

また、第１表の「表面割れ」欄は、溶接後、肉眼観察に
より割れが認められなかった場合をＯ１微小な割れが認
められた場合をΔ、割れが明瞭に観察された場合を×で
示した。

更に、第１表の「電極のピックアップ」欄は、電極表面
のＡｆｆｌ付着状況を肉眼観察した場合に、付着が認め
られなかったものを○、若干付着が認められたものを△
、明瞭な付着が見られたものを×で示した。

この第１表から明らかなように、実施例１乃至７におい
ては、所定のナゲツト径を得るための所要溶接電流がい
ずれも低いのに加え、散り、表面割れ及び電極のピック
アップが防止され、◎の総合評価を得ている。また、実
施例９及び１２はＭｇの含有量が高いために、散りが発
生したが、溶接電流の低下効果、並びに表面割れ及び電
極ピックアップの防止効果は得られている。他の実施例
８，１０．１１も所期の目的が達成されており、総合評
価はＯである。

これに対し、比較例１乃至１３は、所要溶接電流が高い
か、又は散り、表面割れ若しくは電極ピックアップが発
生し、総合評価が×である。

なお、上記実施例は、抵抗スポット溶接についてのもの
であるが、本発明を、シーム溶接又は突起溶接等の他の
抵抗溶接法に適用することができることは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、溶接電流を低下させることができるか
ら、小容量の溶接機を使用することができるので、生産
ラインの設計上極めて実益が高い。

また、扁平のナゲツトが得られるから、継手強度を高く
維持しつつ表面割れを確実に防止することができると共
に、被溶接材による電極表面の付着を防止することがで
きるので、電極表面のドレッシングを軽減することがで
き、生産性を向上させることができる。このように、本
発明は、実用上、多大の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施状態を示す模式図、第２図は本発
明におけるナゲツトの形状を示す模式図、第３図はイン
サート材の板厚が厚い場合のナゲツト形状を示す模式図
、第４図（ａ）及び（ｂ）はナゲツト形状と温度分布と
の関係を示す図、第５図は片面クラツド材による溶接状
態を示す模式図、第６図は従来の方法によるナゲツト形
状を示す模式図、第７図は溶接電流を示すグラフ図であ
る。 １．１５，１８，１９，２１．２２：ナゲツト、２．１
６；半溶融領域、３，１１．１２，２０゜３１；被溶接
材、１３．３２；インサート材、１４；電極 出願人　　株式会社　神戸製鋼所 代理人　弁理士　藤　巻　正　憲 第１図　　　第２図 第３図 （ａ） （ｂ） 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミニウム又はアルミニウム合金からなる被溶
   接材をその接合部界面間にアルミニウム合金からなるイ
   ンサート材を配設して抵抗溶接するアルミニウム系材の
   抵抗溶接方法において、前記インサート材は、電気伝導
   率が高い方の被溶接材よりも低い電気伝導率を有し、い
   ずれの被溶接材よりも板厚が薄いことを特徴とするアル
   ミニウム系材の抵抗溶接方法。
2. （２）前記インサート材は、Ｆｅが０．０５乃至２．０
   重量％、Ｍｎが０．５乃至２．０重量％、Ｍｇが０．７
   重量％以下、残部がＡｌであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載のアルミニウム系材の抵抗溶接方
   法。
3. （３）前記インサート材を、予め被溶接材の接合部界面
   に片面クラッドしてあることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項に記載のアルミニウム系材の抵抗溶
   接方法。