WO2010038779A1 - 金属材の溶接装置及び金属材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

スポット溶接において部分昇温による焼戻し処理等の加熱処理が可能になる、金属材の溶接装置を提供する。金属材（９）を一対の電極（４，４）にて挟み、一対の電極（４，４）の金属材（９）に対する位置を同一領域に維持した状態で通電し、金属材（９）の異なる領域を加熱する金属材の溶接装置（１）であって、一対の電極（４，４）に接続され金属材（９）へ低い第１の周波数の電力を印加して電極の軸断面を金属材に投影した円形内部を加熱して溶接する第１の加熱手段（６）と、第１の周波数より高い第２の周波数の電力を印加して上記円形に沿ったリング状をなす領域を加熱する第２の加熱手段（８）と、第１及び第２の加熱手段（６，８）を、それぞれ独立して制御する通電制御部（１０）と、を備えている。

Description

金属材の溶接装置及び金属材の溶接方法

　本発明は金属材の溶接装置及び金属材の溶接方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、金属材であるワークにスポット溶接用電源からの電力でナゲットを形成し、さらに高周波電源からの電力でワークの加熱を行う、金属材の溶接装置及び金属材の溶接方法に関する。

　スポット溶接装置は、重ね合わせた鋼板同士を溶接するために用いられている。図２４は、鋼板５０同士のスポット溶接を模式的に示す断面図である。図２４に示すように、鋼板５０同士のスポット溶接は、鋼板５０同士の重ね合わせ部分を一対の電極５２で挟み、この電極５２に矢印方向に所定の力を作用させて鋼板５０同士を加圧する。
　次に、加圧状態を保持しながら電極５２へｋＡオーダーの大電流を通電し、鋼板５０同士の圧着部分をジュール発熱にて瞬間溶融し、ナゲット５４と呼ばれる所定径の溶融した塊を形成することにより行われる（例えば、非特許文献１参照）。

　ところで、近年、車両の生産ラインで使用されるスポット溶接では、車両の軽量化及び安全性の両立を図るため車体用素材として超高張力鋼板が用いられるようになってきた。
　図２５は、高張力鋼板のスポット溶接強度を調べるための引張試験に用いられる試料の平面図であり、（Ａ）が重ね合わせ継ぎ手の試料を、（Ｂ）が十字継ぎ手の試料を示している。図２５（Ａ）に示す重ね合わせ継ぎ手の試料では、２枚の長方形の鋼板５０がその長手方向の端部で重ね合わせられ、端部でスポット溶接されている。図２５（Ｂ）に示す十字継ぎの試料では、２枚の長方形の鋼板５０を十字形状に交差させ、この交差する箇所がスポット溶接されている。点線で囲んだ略楕円状部が溶接で形成されたナゲット５４であり、引張試験で印加される力５６を矢印で示している。

　高張力鋼板のスポット溶接強度において、重ね合わせ継ぎ手は材料強度の増加に伴い、その引張り強度も向上するが、十字継ぎ手の剥離強度は材料強度の向上に伴い増加し難く、寧ろ安定した強度が得難くなることが報告されている。十字継ぎ手の剥離型の負荷で安定した引張り強度が得られない理由は、ナゲット５４の円周上の応力集中の度合いが極めて高いこと、及び、母材の強度が高くなることで、ナゲット５４の周囲の拘束力が増加することが同時に起きることに起因すると考えられている。このような事情により、溶接領域強度の靭性を確保する点から、実際の車体に強度の高い鋼板を適用するにあたっては、溶接領域が硬くなり過ぎないよう炭素量を一定水準以下とするなど、組成面で規制しているのが現状である。

　一方、高張力鋼板の使用は、効率的に車体を軽量化できる方法であり、さらに、強度と延性の双方を向上させた高張力鋼板が望まれている。車体用鋼板の強度をさらに向上させることにより、一層の軽量化が見込める。車体用鋼板の延性を向上させることによりプレス成形性や製品状態での衝突時の十分な変形能を確保することができる。通常、車体用鋼板は強度を上げると延性は低下する傾向を示す。車体用鋼板の強度と延性を同時に向上させる為には材料の炭素含有量を高めることは効果的であるが、スポット溶接領域が著しく硬く、脆くなるため安定した十分な強度を得難くなっていた。

　このようなスポット溶接部の強度を溶接工法で解決しようとする取り組みが、これまで種々なされてきている。例えば、溶融接合部を所定の大きさに形成した後、後通電で焼戻しを施すことが試みられている。しかしながら、車体組み立ての抵抗スポット溶接では、一打点あたりに要する工程時間は高々１秒以内で行うことが求められており、現状の溶接設備で後通電などで焼戻した場合、その焼戻し効果は極めて限定されたものとなる。あるいは、焼戻しで十分な効果を得ようとした場合、工程の要求時間を大幅に超える時間が必要となる。これは、ナゲット５４が形成されてからは通電面積の増加により溶接部の電流密度も低下するため、短時間で効率的な発熱が得られないという抵抗溶接の基本的な問題に基づくものである。

　さらに、特許文献１には、高張力鋼板のスポット溶接部の疲労強度向上させるために、スポット溶接機と高周波誘導加熱手段とを備えたスポット溶接装置が開示されている。この高周波誘導加熱手段は、ワークの被溶接部分を誘導加熱する加熱コイルと加熱コイルへ高周波電力を供給する高周波電源とから構成されている。

特開２００５－２１１９３４号公報

社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成２年９月３０日、ｐｐ．３９２－３９８

　金属材に一対の電極を挟んで加熱すると共に溶接する装置において、加熱場所は電極の中心を頂点とする方法でしかなく温度プロファイルは単一的なものでしかなかった。例えば、特許文献１のスポット溶接装置では、ワークの被溶接部分を誘導加熱する加熱コイルを設置するための空間が必要となる。しかしながら、スポット溶接装置の電極の周囲は非常に狭いので、新たな加熱手段を別途設置することは困難である。つまり、加熱コイルがスポット溶接機の電極直径よりも大きくなる。このため、最も再加熱が必要であるナゲット５４の外周のみを加熱することができないという課題がある。

　本発明の一目的は、上記課題に鑑み、スポット溶接において部分昇温による焼戻し処理等の加熱処理が可能になる、金属材の溶接装置を提供することにある。本発明の他の目的は、金属材の予熱やスポット溶接されたナゲット外周領域の加熱処理を短時間で行う溶接方法を提供することである。

　上記一目的を達成するため、本発明の金属材の溶接装置は、金属材を一対の電極にて挟み、金属材に対して一対の電極を同一位置に維持した状態で通電して金属材の異なる領域を加熱する金属材の溶接装置であって、一対の電極に接続され金属材へ第１の周波数の電力を印加して所定領域を加熱する第１の加熱手段と、一対の電極に接続され金属材へ第２の周波数の電力を印加して所定領域とは異なる領域を加熱する第２の加熱手段と、第１の加熱手段及び第２の加熱手段を、それぞれ独立して制御する通電制御部と、を備えたことを特徴とする。
　上記構成において、金属材の所定領域の内部が第１の加熱手段により加熱され、金属材の前記所定領域の近傍が第２の加熱手段により加熱され、第１の加熱手段による加熱と第２の加熱手段による加熱とが、通電制御部により独立して制御されてもよい。
　第１の加熱手段は、電極の軸断面を前記金属材に投影した領域の内部を加熱する加熱手段であり、第２の加熱手段は、前記電極の軸断面を金属材に投影した領域の輪郭に沿ってリング状をなす領域を加熱する加熱手段であり、第１の加熱手段による加熱と第２の加熱手段による加熱とが、通電制御部により独立して制御されてもよい。
　第１の周波数は第２の周波数よりも周波数が低く、金属材へ第１の周波数の電力を通電することで、円形内部が溶接されてもよい。第２の周波数は第１の周波数よりも周波数が高く、金属材へ第２の周波数の電力を通電することで、リング状をなす領域が抵抗加熱され、あるいは、抵抗加熱及び高周波誘導加熱されてもよい。

　上記目的を達成するため、本発明の金属材の溶接装置は、金属材を挟むように配置される一対の電極と、一対の電極に溶接用電力を供給する溶接用電源と、一対の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、を備え、一対の電極に溶接用電源と高周波電源とがそれぞれ並列に接続され、溶接用電源と一対の電極との間に電流阻止用インダクタンスが接続され、高周波電源と一対の電極との間に電流阻止用コンデンサが接続され、電流阻止用インダクタンスは、高周波電源から一対の電極に供給される高周波電流が溶接用電源に流れ込まないように阻止し、電流阻止用コンデンサは、溶接用電源から一対の電極に供給される電流が高周波電源側に流れ込まないように阻止することを特徴とする。電流防止用インダクタンスはガンアームの浮遊インダクタンスを利用しても良い。

　上記構成によれば、電流阻止用インダクタンスを介して接続されたスポット溶接用電源と、電流阻止用コンデンサを介して一対の電極に接続された高周波電源とを有し、スポット溶接用電源と高周波電源とから金属材へそれぞれの電力を供給できる溶接装置が得られる。このため、スポット溶接をするための一対の電極を介して高周波電圧を印加することができ、電極外周の直接通電にて金属材を加熱することができる。

　さらに、金属材の溶接装置は、ガンアームを備え、スポット溶接用電源と高周波電源とが、ガンアームを介して一対の電極に接続されてもよい。溶接用電源と高周波電源に対し、それぞれ、出力時間及び出力電流を制御する通電制御部を備えてもよい。溶接用電源は低周波電源であってもよい。この低周波電源はトランスを介して一対の電極に接続され、トランスの一対の電極側の巻き線にバイパスコンデンサが並列接続されて構成することができる。

　溶接用電源は直流電源でもよい。電流阻止用コンデンサと電流阻止用インダクタンスとで直列共振回路を構成することができる。電流阻止用インダクタンスとガンアームの上部及び下部に接続される並列共振用コンデンサとで並列共振回路を構成してもよい。電流阻止用インダクタンスは、ガンアームの浮遊インダクタンスを用いることができる。高周波電源は、電流阻止用コンデンサを介して前記電極側に直接給電されてよく、ガンアーム側根元から給電してもよい。

　上記構成によれば、金属材の材質に応じてスポット溶接を行うと共に、金属材のスポット溶接で形成されたナゲット外周を高周波電源によって直接通電加熱を、効率良く短時間で行うことができる。

　上記他の目的を達成するため、本発明の金属材の溶接方法は、金属材を一対の電極で挟んで通電し金属材を加熱する金属材の溶接方法であって、一対の電極への第１の通電によって金属材の所定領域を加熱する第１ステップと、一対の電極で金属材を挟圧している位置を第１ステップと同じ位置に維持した状態で、一対の電極への第２の通電によって第１ステップとは異なる領域を加熱する第２ステップと、を備え、第１ステップと第２ステップとの加熱時間をそれぞれ独立して制御して溶接することを特徴とする。
　上記第１ステップにおいて、第１の加熱手段により金属材の所定領域の内部を加熱し、第２ステップにおいて、第２の加熱手段により金属材の所定領域の近傍を加熱し、第１の加熱手段による加熱と第２の加熱手段による加熱とを独立して制御することで溶接してもよい。
　第１の加熱手段で加熱する所定領域が、電極の軸断面を金属材に投影した円形の内部であり、第２の加熱手段で加熱する前記異なる領域が、電極の軸断面を金属材に投影した円形に沿ったリング状の近傍領域であり、第１の加熱手段による加熱と第２の加熱手段による加熱とを独立して制御してもよい。
　第２の加熱手段による加熱を第１の加熱手段による加熱よりも周波数の高い高周波で行うことで、リング状の領域を抵抗加熱しあるいは抵抗加熱及び高周波誘導加熱することができる。第１の加熱手段による加熱を第２の加熱手段による加熱よりも周波数の低い低周波で行うことで、円形内部を溶接することができる。

　上記他の目的を達成するため、本発明の金属材の溶接方法は、溶接する金属材を一対の電極で挟み、一対の電極間に溶接用電力を供給し、金属材をスポット溶接するステップと、一対の電極に高周波電力を供給し、金属材の溶接された領域又は溶接されるべき領域を加熱処理するステップと、を含む。

　本発明の金属材の溶接方法は、具体的には、溶接する金属材を一対の電極で挟み、一対の電極間に溶接用電力を供給し、金属材をスポット溶接する溶接ステップと、一対の電極に高周波電力を供給時間と供給量を制御して供給し、金属材のスポット溶接された領域を加熱処理するステップと、を含む。
　溶接ステップでは、溶接用電力の供給が終了する前に、加熱処理するステップにおける一対の電極への高周波電力の供給を開始してもよい。

　本発明の金属材の溶接方法は、溶接する金属材を一対の電極で挟み、当該一対の電極に高周波電力を供給し、金属材の溶接されるべき領域を予熱する予熱ステップと、一対の電極に溶接用電力を供給し、金属材をスポット溶接する溶接ステップとを含む。
　予熱ステップでは、高周波電力の供給が終了する前に、溶接ステップにおける一対の電極間への溶接用電力の供給を開始してもよい。溶接ステップに続き、供給時間及び供給量を制御して一対の電極に高周波電力を供給し、金属材のスポット溶接された領域を加熱処理するステップを含んでもよい。

　本発明の金属材の溶接方法は、溶接する金属材を一対の電極で挟み、一対の電極に溶接用電力を供給し、かつ供給時間及び供給量を制御してこの一対の電極に高周波電力を重畳して供給する。

　上記構成によれば、溶接用電力及び高周波電力によって金属材へそれぞれの電力を供給できると共に、スポット溶接をするための一対の電極を介して金属材へ高周波電力を印加することができ、電極外周付近に対して直接通電を行って金属材を加熱処理することができる。
　さらに、金属材の材質に応じてスポット溶接を行うと共に、金属材のスポット溶接で形成されたナゲット外周領域を高周波電源によって直接通電加熱を効率良く短時間で行うことができる。

　本発明によれば、簡単な装置構成で、金属材の溶接装置の電極に高周波電源が接続され、同じ電極を介して電極の外周の加熱を行うことができ、スポット溶接されたナゲット外周の熱処理を短時間で行うことができる金属材の溶接装置を提供することができる。さらに、高周波の周波数を変化させることにより自在な加熱処理を行うことができる。

　本発明の金属材の溶接方法によれば、スポット溶接用の電極に高周波電源を接続し、電極を介して金属材を加熱することができ、金属材の予熱やスポット溶接されたナゲット外周領域の加熱処理を短時間で行うことができる。

本発明の実施形態に係る金属材の溶接装置の構成の一例を模式的に示す図である。 図１に示す金属材の溶接装置の電気回路図である。 金属材の溶接装置の変形例１を示す電気回路図である。 金属材の溶接装置の変形例２を示す電気回路図である。 （Ａ）は重ね合わせた２枚の鋼板へ低周波電源と高周波電源とから電力を同時に印加したとき鋼板に生じる電流分布を模式的に示す断面図、（Ｂ）は鋼板を３枚重ね合わせた場合の高周波電流による加熱状態を示す断面図である。 鋼板の加熱状態を示す図である。 低周波電源からの電力と高周波電源からの電力とによりスポット溶接と加熱処理とを同時に行う場合の加熱波形を示す図である。 低周波電源からの電力を印加した後に高周波電源からの電力を印加する場合の加熱波形を示す図である。 低周波電源から電力を印加する前に高周波電源を用いた予熱を行う場合の加熱波形を示す図である。 高周波電源を用いた予熱と低周波電源を用いた加熱と高周波電源を用いた後熱を連続して行う場合の加熱波形を示す図である。 高周波電源を用いて予熱を行うと共に、高周波電源と低周波電源とを用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。 低周波電源を用いた加熱と高周波電源を用いた後熱とを行い、さらに、低周波電源と高周波電源を用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。 金属材の溶接装置の変形例３を示す電気回路図である。 金属材の溶接装置の変形例４を示す電気回路図である。 直流電源と高周波電源とを用いた同時加熱の加熱波形を示す図である。 高周波電源を後熱のために用いた加熱波形を示す図である。 高周波電源を予熱のために用いた加熱波形を示す図である。 高周波電源を用いた予熱と直流電源を用いた加熱と高周波電源を用いた後熱を連続して行う場合の加熱波形を示す図である。 高周波電源によって予熱を行うと共に、高周波電源と直流電源とを用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。 高周波電源と直流電源とを用いて部分的に同時加熱を行い、高周波電源によって後熱を行う場合の加熱波形を示す図である。 低周波電源と高周波電源からの電力印加を模式的に説明する図である。 実施例４の焼入れ処理をしたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）表面の硬さ分布を示す図である。 実施例５の焼戻し処理をしたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）表面の硬さ分布を示す図である。 鋼板同士のスポット溶接を模式的に示す断面図である。 高張力鋼板のスポット溶接強度を調べるための引張試験に用いられる試料の平面図であり、（Ａ）が重ね合わせ継ぎ手の試料を、（Ｂ）が十字継ぎ手の試料を示している。

１，２５，３０，３５，４０：金属材の溶接装置
１Ａ，２５Ａ，３０Ａ，３５Ａ，４０Ａ：溶接装置の溶接用回路部
１Ｂ，２５Ｂ，３０Ｂ，３５Ｂ，４０Ｂ：溶接装置の溶接部
　２：ガンアーム
２Ａ：ガンアームの上部
２Ｂ：ガンアームの上部
　３：電極支持部
　４：電極
　５：浮遊インダクタンス
　６：低周波電源
　７：整合コンデンサ
　８：高周波電源
　９：ワーク
９Ａ：円形内部
９Ｂ：リング状領域
１０：通電制御部
１１：バイパスコンデンサ
１２：商用電源
１３：高周波電流阻止インダクタンス
１４：低周波電源制御部
１６：溶接トランス
１８：発振器
２０：整合トランス
２２：高周波電流
２４：低周波電流
２６：直流電流
３６：直流電源

　以下、図面を参照しながら本発明を実施形態に沿って説明する。
（金属材の溶接装置）
　図１は、本発明の実施形態に係る金属材の溶接装置１の構成の一例を模式的に示す図である。金属材の溶接装置１は、電極アーム２と、電極アーム２の上部２Ａ、下部２Ｂにそれぞれ一端が接続されている電極支持部３と、各電極支持部３の他端にそれぞれ接続される一対の電極４と、電極アーム２にインダクタンス５を介して接続される溶接用電源６と、電極アーム２にコンデンサ７を介して接続される高周波電源８と、溶接用電源６及び高周波電源８の各出力制御を行う通電制御部１０と、を含んで構成されている。
　なお、金属材の溶接装置１は、図示していないが、電極アーム２を支持する固定ベース、電極アーム２を駆動する駆動機構、電極支持部３から一方の電極４を押し出す押圧機構（図示せず）などをさらに備えている。押圧機構は、後述する被溶接部材となる金属材９を電極４，４で加圧するために使用される。

　電極アーム２は上部２Ａと下部２Ｂとを備え、各電極支持部３を介して電極４，４にそれぞれ接続されている。電極アーム２はガンアームとも呼ばれている。図示するガンアーム２は、所謂Ｃ字形状を有しているので、Ｃ型ガンアームと呼ばれている。ポータブル型やロボット型等の溶接装置において、Ｃ型ガンアーム２以外にはＸ型ガン等も使用されている。電極アーム２の形状はどのようなものでも適用可能であるが、以下の説明においては、Ｃ型ガンアーム２を前提にして説明する。

　一対の電極４，４は隙間を有して対向しており、その隙間に金属材９として２枚の鋼板９が挿入される。電極４は例えば銅材で、円や楕円の形状やロッド状をなしている。

　図２は図１に示す金属材の溶接装置１の電気回路図である。図２に示すように、金属材の溶接装置１の電気回路は、点線で囲んだ溶接用回路部１Ａと溶接部１Ｂとからなる。溶接用回路部１Ａは、溶接用電源６と高周波電源８とインダクタンス５とコンデンサ７と溶接用電源６及び高周波電源８の各出力制御を行う通電制御部１０等の電気回路とからなる。溶接部１Ｂは、溶接用回路部１Ａに電気的に接続される回路であり、ガンアーム２とガンアーム２に電気的に接続される一対の電極４，４と一対の電極４，４に挟まれる金属材９とから構成される。
　溶接用電源６は低周波電源であり、例えば出力周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである商用電源１２と、商用電源１２の一端に接続される低周波電源制御部１４と、商用電源１２の他端と低周波電源制御部１４の出力端に接続される溶接トランス１６と、から構成されている。溶接トランス１６の２次巻き線の両端が、それぞれ、Ｃ型ガンアーム２の上部２Ａの左側端部及び下部２Ｂの左側端部に接続されている。低周波電源制御部１４は、サイリスタなどの電力制御用半導体素子及びゲート駆動回路等から構成されており、商用電源１２から電極４への通電制御などを行う。

　溶接トランス１６のＣ型ガンアーム２側、即ち二次側巻き線１６Ａに並列にバイパスコンデンサ１１が接続されている。バイパスコンデンサ１１は、高周波電源８の周波数に対して低い容量性インピーダンスを有している。このため、高周波電源８からの高周波電圧が二次側巻き線１６Ａに印加される電圧を最小限にし、溶接トランス１６の一次側への高周波誘起電圧を低くすることができる。

　高周波電源８は、発振器１８と発振器１８の出力端に接続される整合トランス２０とから構成されている。整合トランス２０の一端はＣ型ガンアーム２の上部２Ａに接続されている。整合トランス２０の他端は、コンデンサ７を介してＣ型ガンアーム２の下部２Ｂに接続されている。このコンデンサ７は、後述する直列共振回路の整合用コンデンサを兼ねることができる。コンデンサ７の容量値は、発振器１８の発振周波数とＣ型ガンアーム２の浮遊インダクタンス５に依存する。発振器１８は、各種のトランジスタを用いたインバータなどから構成されており、電極４への高周波電源８の通電電力等を制御する。

　図２に示すように、溶接トランス１６の２次巻き線に接続されるＣ型ガンアーム２から電極４，４までの経路は、インダクタンス５を有している。インダクタンス５はＣ型ガンアーム２で形成される浮遊インダクタンスを利用することができる。

　コンデンサ７が整合用コンデンサを兼ねる場合には、この整合用コンデンサ７とインダクタンス５とによる直列共振回路を構成してもよい。

（金属材の溶接装置の変形例１）
　図３は金属材の溶接装置の変形例１を示す電気回路図である。図３に示す金属材の溶接装置２５の電気回路は、図２に示す金属材の溶接装置１の電気回路では高周波電源８がＣ型ガンアーム２を介して電極４，４に接続されているのに対して、Ｃ型ガンアーム２を介さないで直接一対の電極４、４に接続されている。高周波電源８は、コンデンサ７を介して電極４、４の根本に接続されてもよい。他の回路構成は図２に示す電気回路と同じであるので、説明を省略する。

（金属材の溶接装置の変形例２）
　図４は金属材の溶接装置の変形例２を示す電気回路図である。図４に示す金属材の溶接装置３０の電気回路は、一対の電極４、４の間に並列共振用のコンデンサ３２を並列接続した点で、図２に示す金属材の溶接装置１と異なっている。即ち、並列共振用のコンデンサ３２は、Ｃ型ガンアーム２の上部２Ａと下部２Ｂに並列に接続されている。これにより、並列共振用のコンデンサ３２とインダクタンス５とは並列共振回路を構成する。この場合、コンデンサ７は、低周波電源６からの低周波電流を阻止する作用を有している。他の回路構成は図２に示す回路と同じであるので、説明は省略する。

（低周波電源６と高周波電源８との分離）
　低周波電源６と高周波電源８との関係について説明する。
　低周波電源６と高周波電源８との間には、インダクタンス５とコンデンサ７とが接続されており、低周波数（ｆ_Ｌ）におけるインダクタンス５（Ｌ）による誘導性リアクタンスＸ_Ｌ（Ｘ_Ｌ＝２πｆ_ＬＬ、ここで、ｆ_Ｌは低周波電源６の周波数であり、Ｌはインダクタンス５の値である。）は低周波数では小さい。一方、コンデンサ７（Ｃ）による容量性リアクタンスＸ_Ｃ（Ｘ_Ｃ＝１／（２πｆ_ＬＣ））は低周波数（ｆ_Ｌ）では大きな値となる。このため、低周波電源６の高周波電源８への電流漏洩は、低周波数（ｆ_Ｌ）におけるコンデンサ７の大きい容量性リアクタンスＸ_Ｃで阻止される。つまり、コンデンサ７は低周波電流阻止用コンデンサとなる。

　高周波電源８から低周波電源６を見た場合のインピーダンスの内、高周波数（ｆ_Ｈ）の容量性リアクタンスＸ_Ｃ（Ｘ_Ｌ＝１／（２πｆ_ＨＣ）、ここで、ｆ_Ｌは高周波電源８の周波数である。）は高周波数では小さな値となる。
　一方、高周波数では、インダクタンス５による誘導性リアクタンスＸ_Ｌ（Ｘ_Ｌ＝２πｆ_ＨＬ、ここで、ｆ_Ｈは高周波電源８の周波数である。）は大きな値となる。このため、高周波電源８の低周波電源６への電流漏洩は、高周波数（ｆ_Ｈ）におけるインダクタンス５の大きい誘導性リアクタンスＸ_Ｌで阻止される。つまり、インダクタンス５は、高周波電流阻止用インダクタンスとなる。

　金属材の溶接装置１，２５，３０において、コンデンサ７は低周波電源６から高周波電源８への電流阻止用コンデンサとして作用し、インダクタンス５は高周波電源８から低周波電源６への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。

　Ｃ型ガンアーム２はスポット溶接する鋼板９の大きさに応じて種々の形状のものが使用されている。したがって、Ｃ型ガンアーム２の浮遊インダクタンス５が大きくない場合には、金属材の溶接装置１，２５，３０において、高周波数で所定の誘導性リアクタンスＸ_Ｌとなるように高周波電流阻止用のインダクタンス１３をさらに追加してもよい。この外付けインダクタンス１３は、例えば、低周波電源６側の溶接トランス１６の２次巻き線側に接続することができる。

　本発明の金属材の溶接装置１，２５，３０の特徴は、低周波電源６と高周波電源８との分離をインダクタンス５及びコンデンサ７で行っている点と、電極４に低周波電源６と高周波電源８の周波数の異なる２周波数の電源を同時に印加できる点にある。

（鋼板に生じる電流分布）
　図５（Ａ）は、重ね合わせた２枚の鋼板９へ低周波電源６と高周波電源８とから電力を同時に印加したとき鋼板９に生じる電流分布を模式的に示す断面図であり、図６は、鋼板９の加熱状態を示す図である。
　図５（Ａ）において、実線は高周波電源８による高周波電流２２を示し、点線は低周波電源６による低周波電流２４を示している。電極４は銅からなり、直径は６ｍｍであり、低周波電源６の周波数は５０Ｈｚである。１枚の鋼板９の厚さは２ｍｍであり、高周波電源８の周波数は４０ｋＨｚである。低周波電流２４は電極４，４の内部全体を流れ、鋼板９は、おおよそナゲット径の断面積幅で通電される。

　図６（Ａ）は、低周波電流２４だけによる鋼板９の加熱領域を示す平面図で、電極４の軸断面を鋼板９に投影した円形内部９Ａが主たる加熱領域となる。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＸ－Ｘ方向の温度分布であり、鋼板９において、電極４の軸断面を鋼板９に投影した円形内部９Ａが集中的に加熱される。

　一方、高周波電流２２は電極４の表面及びナゲット外周領域に電流が集中する。低周波電流２４と高周波電流２２の分布が異なるのは、所謂表皮厚さに関係している。
　図６（Ｃ）は、高周波電流２２だけによる鋼板９の加熱領域を示す平面図であり、電極４の軸断面を鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍、つまり、リング状をなす円形外部となるリング状の近傍領域９Ｂが主たる加熱領域となる。図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）のＸ－Ｘ方向の温度分布であり、鋼板９において、電極４の軸断面を鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍の略リング状領域９Ｂが抵抗加熱される。この場合、高周波電流２２による加熱は、電極４の表面を流れる高周波電流２２により近接する鋼板９が誘導加熱される領域も含まれる。この誘導加熱は、誘導加熱コイルを用いた通常の誘導加熱とは異なる。従って、高周波電流２２による鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍のリング状領域９Ｂの加熱は、高周波電流２２による抵抗加熱、又は、この抵抗加熱と共に上記高周波誘導加熱が重畳した加熱によって行うことができる。

　図６（Ｄ）において、さらに高周波電源８の動作周波数を変化させることによって、リング状領域９Ｂの幅を変化させることができる。実際に、低周波電流２４を通電してスポット溶接を行った場合、高周波電源８の動作周波数を変化させると、ナゲット外周領域の高温領域の幅が変化することも確認できた。従って、高周波電流２２による鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍のリング状領域９Ｂの加熱は、高周波電流２２による抵抗加熱、又は、この抵抗加熱と共に上記高周波誘導加熱が重畳した加熱によって行うことができる。

　従って、重ね合わせた２枚の鋼板９へ低周波電源６と高周波電源８とから電力を同時に印加したとき鋼板９の加熱領域は、図６（Ｅ）に示すように低周波電流２４の通過領域となる円形内部９Ａと高周波電流２２の通過領域となるリング状領域９Ｂを重畳したものとなる。さらに、これらの電流２２，２４で生じる鋼板９の温度分布は、図６（Ｆ）に示すように低周波電流２４による温度分布（図６（Ｂ）参照）と高周波電流２２による温度分布（図６（Ｄ）参照）を重畳したものとなる。つまり、鋼板９においては、電極４の軸断面を鋼板９に投影した円形内部９Ａと、電極４の軸断面を鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍のリング状領域９Ｂとが加熱される。

（表皮厚さ）
　表皮厚さ（δ）は、下記（１）式で表わされる。
　　　　δ＝５０３．３×（ρ／（μ×ｆ））^１／２　（ｍ）　　　　（１）
　ここで、ρは材料の抵抗率（Ω・ｍ）、μは材料の比透磁率、ｆは周波数（Ｈｚ）である。
　表皮厚さは、周波数の１／２乗で変化するので、同じ材料であれば低周波数程厚くなり、高周波数になれば薄くなる。一般にスポット溶接用の電源は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなので直径６ｍｍ程度の電極であれば、電流は電極全体に流れる。

　一方、鋼板９の表面だけを加熱する場合の高周波電源８の周波数は、上記（１）式により所定の表皮厚さとなるように周波数を設定することができる。よって、ナゲット外周領域の加熱幅を選択するには、周波数を設定すればよい。つまり、高周波電流２２の周波数を変えることによって、ナゲット外周領域の加熱幅が変えられ、リング状領域９Ｂに焼戻し等の加熱処理をすることができる。従って、鋼板９として比較的柔らかい材料、例えばＳ２０Ｃ焼鈍材等を用いた場合には、リング状領域９Ｂを軟化させることができる。
　なお、材料内部において、表皮厚さの深さにおける高周波電流２２の大きさは、最表面の１／ｅ（ここで、ｅは自然対数である。）、つまり約１／３程度である。鋼板９の表皮厚さは、周波数が５０Ｈｚで約９．３ｍｍであり、周波数が４０ｋＨｚで約０．３ｍｍである。

（高周波電源の周波数選定）
　高周波電源８の周波数は、溶接トランス１６の２次巻き線側に接続されるインダクタンス５と必要に応じてさらに挿入されるインダクタンス１３と整合コンデンサ７の容量で決まる。ガンアーム２の浮遊インダクタンスをインダクタンス５として利用する場合、インダクタンス５はガンアーム２の形状で決まる。このため、周波数を決めるのは整合コンデンサ７の値となる。周波数を上げると表皮効果の影響で外周領域の昇温パターンは、加熱幅が狭くなり、局所的となる。しかし、ガンアーム２のインダクタンス５（ωＬ）は周波数に比例するので、整合コンデンサ７の電圧も上昇する。高周波電源８から電極４，４を見た回路は、直列共振回路である。直列共振周波数においては、インダクタンス５の電圧と整合コンデンサ７の電圧は同じとなるので整合コンデンサ７の電圧が上がると、低周波数と高周波数の２周波数合成が困難となり、大きな電流阻止用インダクタンス５やインダクタンス１３が必要となる。大きな電流阻止用インダクタンス５，１３は、低周波電流２４にも影響を及ぼすこととなり、従来のスポット溶接機の２次電圧を大幅に上げる必要がある。

　逆に、直列共振周波数を下げると、ナゲット外周領域の昇温パターンは加熱幅が広くなるが、整合コンデンサ７の電圧が低くなるので２周波数合成は容易となる。また、ガンアーム２には溶接トランス１６、バイパスコンデンサ１１、必要に応じて電流阻止用インダクタンス１３を搭載する必要がある。この中で、溶接トランス１６の重量が最も重い。溶接トランス１６の重量は周波数に反比例する。以上を勘案すると、動作周波数は５ｋＨｚから４０ｋＨｚが最適である。但し、ガンアーム２を溶接ロボット等の溶接装置に搭載しない場合はこの限りではない。また、低周波数と高周波数との周波数の差は、２周波数合成回路の観点から１０倍以上の差が好ましい。

（金属材の溶接装置を用いた加熱処理）
　本発明の金属材の溶接装置１，２５，３０によるスポット溶接及び加熱処理について説明する。
　金属材９の溶接は、金属材９を一対の電極４，４にて挟み通電して金属材９を加熱することによって行われる。一例として、一対の電４，４極への第１の通電によって金属材９の所定領域を加熱する第１ステップと、金属材９を挟む一対の電極４，４の位置を第１ステップと同一位置に維持した状態で、一対の電極４，４への第２の通電によって第１ステップとは異なる領域を加熱する第２ステップと、を備えていればよい。ここで、第１ステップと第２ステップとの加熱時間は、それぞれ独立して制御することができる。第１通電が低周波電源６からの通電である場合には、第１の通電による金属材９の所定の加熱領域は、上記した円形内部９Ａである。第２の通電が高周波電源８からの通電である場合には、第１の通電による金属材９の所定の加熱領域は、上記したリング状領域９Ｂである。上記の第１ステップ及び第２ステップは組み合わせてもよい。

　図７～図９は、一対の電極４，４に流れる電流波形を模式的に示す図である。図７～図９において、横軸は時間（任意目盛）を示し、縦軸は低周波電源６及び高周波電源８から印加される電流波形２２，２４（任意目盛）を示している。
　図７は、低周波電源６からの電力と高周波電源８からの電力とによりスポット溶接と加熱処理とを同時に行う場合の加熱波形を示す図である。図７に示すように、溶接で形成されるナゲットは低周波電源６からの電力でその全体が加熱されると共に、ナゲット外周領域は高周波電源８からの電力によって同時に加熱される。ここで、ナゲット全体は、電極４の軸断面を鋼板９に投影した円形内部９Ａに対応している。また、ナゲット外周領域は、電極４の軸断面を鋼板９に投影した外周円及び外周円近傍のリング状領域９Ｂに対応している。

　本発明の金属材の溶接装置１，２５，３０によれば、低周波電源６と高周波電源８とからの電力を同時印加したときの電流分布から、低周波電源６により鋼板９同士のスポット溶接を行う共に、２枚の鋼板９の電極４に接していない領域の電極外周面を高周波電源８によって加熱を行うことができる。

　図８は、低周波電源６からの電力を印加した後に高周波電源８からの電力を印加する場合の加熱波形を示す図である。図８に示すように、低周波電源６から電力を印加しこれを停止後に高周波電源８から電力を印加する場合には、低周・BR>G電源６からの電力印加によって、鋼板９同士がスポット溶接される。その後の高周波電源８からの電力印加によって、２枚の鋼板９のナゲット外周領域の電極４に接していない領域の表面が加熱される。
　これにより、本発明の金属材の溶接装置１，２５，３０によれば、低周波電源６からの電力印加の後に高周波電源８から電力を印加することによって、スポット溶接されて形成されたナゲットの外周領域の加熱処理（アニールとも呼ばれることがある。）を行うことができる。この加熱処理の温度と加熱時間を調整することで、鋼板９等の焼戻し処理等の加熱処理に適用することができる。

　図９は低周波電源６から電力を印加する前に高周波電源８を用いた予熱を行う場合の加熱波形を示す図である。図９に示すように、高周波電源８からの電力印加の後に低周波電源６から電力を印加する場合には、最初に鋼板９同士のスポット溶接されない領域の表面、つまり、銅電極４に接触していない近傍領域が加熱される。この予備加熱後に低周波電源６からの電力印加によって、２枚の鋼板９がスポット溶接される。
　このようにして、本発明の金属材の溶接装置１，２５，３０によれば、高周波電源８から電力を印加した後に低周波電源６から電力を印加することによって、スポット溶接される領域の近傍を、溶接される前に以前に予備加熱することもできる。予備加熱の温度と加熱時間を調整することで、スポット溶接で生じる焼入れを防止することができる。

　鋼板９を２枚重ねたときに鋼板９に生じる電流分布を説明したが、鋼板９を複数枚重ねたときに鋼板９に生じる電流分布について説明する。
　図５（Ｂ）は、鋼板９を３枚重ね合わせた場合の高周波電流２２による加熱状態を示す断面図である。図５（Ｂ）に示すように、鋼板９を３枚重ね合わせた場合には、２箇所のリング状領域Ｂと、２箇所の鋼板９の接合面の端部Ｃと、からなる４箇所のリング状領域が高周波電流２２によって加熱される。
（表皮厚さ）
　鋼板９へ低周波数又は高周波数の電力を印加した場合の表皮厚さは周波数の－１／２乗で変化するので、同じ材料であれば低周波数程厚くなり、高周波数になれば薄くなる。一般にスポット溶接用の電源は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなので直径６ｍｍ程度の電極であれば電流は電極全体に流れる。
　一方、鋼板９の表面だけを加熱する場合の高周波電源１８の周波数は、所定の表皮厚さとなるように周波数を設定することができる。よって、外周領域の加熱幅を選択するには、周波数を設定すればよい。つまり、高周波電流２２の周波数を変えることによって、外周領域の加熱幅が変えられ、リング状領域Ｂに焼戻し等の加熱処理をして、リング状領域２Ｂを軟化させることができる。
　なお、鋼板９等の材料内部において、表皮厚さの深さにおける高周波電流２２の大きさは、最表面の１／ｅ（ここで、ｅは自然対数である。）、つまり約１／３程度である。鋼板２の表皮厚さは、周波数が５０Ｈｚで約９．３ｍｍであり、周波数が４０ｋＨｚで約０．３ｍｍである。

（金属材の溶接装置を用いた加熱処理の変形例）
　金属材の溶接装置１によるさらに別の加熱方法を説明する。
　図１０～図１２は、一対の電極に流す電流波形の一例を示す図である。横軸は時間（任意目盛）を示し、縦軸は低周波電源６及び高周波電源８から一対の電極に印加される電流波形２２，２４（任意目盛）を示している。
　図１０は、高周波電源８を用いた予熱と低周波電源６を用いた加熱と高周波電源８を用いた後熱を連続して行う場合の加熱波形を示す図である。後熱という用語は予熱の後で行う加熱の意味で用いている。つまり、後熱は、鋼板９を低周波電源６を用いてスポット溶接をした後の加熱処理を示している。
　高周波電源８からの電力の印加後に低周波電源６からの電力を印加する場合には、最初に鋼板９同士のスポット溶接されない領域の表面が加熱される。この予備加熱後の低周波電源６からの電力の印加によって、２枚の鋼板９がスポット溶接される。さらに、高周波電源８からの電力による後熱によりスポット溶接によって形成されたナゲットの外周領域の加熱処理を行うことができる。この加熱処理の温度と加熱時間を調整することで、鋼板９等の焼戻し処理等の熱処理に適用することができる。

　図１１は、高周波電源８を用いて予熱を行うと共に、高周波電源８と低周波電源６とを用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。図１１に示すように、高周波電源８からの電力は、予熱の時間と低周波電源６からの電力の印加時間直後の所定時間とに印加される。つまり、低周波電源６からの電力の印加時間の初期だけ、高周波電源８から電力が重畳される。予熱の効果は図６の加熱方法と同様な効果がある。また、低周波電源６及び高周波電源８からの電力が部分的に重畳されて鋼板９に印加されるので、図７の同時加熱方法と同様にスポット溶接を行うと共に、２枚の鋼板９の電極４に接していない領域の電極４の外周面を高周波電源８からの電力によって加熱することができる。

　図１２は、低周波電源６を用いた加熱と高周波電源８を用いた後熱とを行い、さらに、低周波電源６と高周波電源８を用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。図１２に示すように、高周波電源８からの電力は、低周波電源６の印加終了前の所定時間とその後の後熱の時間に印加される。低周波電源６及び高周波電源８からの電力が部分的に重畳されるので、図７の加熱波形と同様にスポット溶接を行う共に、２枚の鋼板９の電極４に接していない領域の電極４の外周面を高周波電源８によって加熱することができる。後熱の効果は図８の加熱方法と同様な効果がある。

　上記の高周波電源８による鋼板９の加熱時間は通電制御部１０で制御することができるので、スポット溶接する鋼板９等のスポット溶接箇所だけの部分昇温ができ、加熱に要する電力消費を低減することができる。

（金属材の溶接装置の変形例３）
　次に、金属材の溶接装置の変形例３を示す。
　図１３は、金属材の溶接装置の変形例３を示す電気回路図である。図１３に示す金属材の溶接装置３５が、図２に示す金属材の溶接装置１と異なるのは、スポット溶接用電源６として、低周波電源ではなく直流電源３６を用いた点にある。直流電源３６は、インバータ等を用いた直流電源から構成され、通電制御部１０によって直流電流の大きさや通電時間等が制御される。他の構成は、金属材の溶接装置１と同様であるので説明は省略する。

（金属材の溶接装置の変形例４）
　次に、金属材の溶接装置の変形例４を示す。
　図１４は金属材の溶接装置の変形例４を示す電気回路図である。図１４に示す金属材の溶接装置４０が図４の金属材の溶接装置３０と異なるのは、低周波電源６を直流電源３６とした点にある。直流電源３６は、インバータ等を用いた電源から構成され、通電制御部１０によって直流電流の大きさや通電時間等が制御される。他の構成は金属材の溶接装置３０と同様であるので説明は省略する。

　金属材の溶接装置３５，４０においても、コンデンサ７は直流電源３６から高周波電源８への電流阻止用コンデンサの作用をし、インダクタンス５は高周波電源８から直流電源３６への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。

　金属材の溶接装置３５，４０によれば、電極４，４に直流を流してスポット溶接をするので、低周波電源６を用いた場合とは異なり、表皮効果がないから、電極４，４の大きさをワーク９に応じて選定することができる。

（溶接用電源として直流電源を用いた場合の加熱方法）
　溶接用電源６として直流電源３６を用いた金属材の溶接装置３５，４０においても、金属材の溶接装置１，２５，３０と同様な加熱方法を採用することができる。
　図１５～図１９は、金属材の溶接装置３５，４０の加熱波形を示す図である。各図の横軸は時間（任意目盛）を示し、縦軸は直流電源３６及び高周波電源８から印加される電流波形２６，２２（任意目盛）を示している。
　図１５は、直流電源３６と高周波電源８とを用いた同時加熱の加熱波形を示す図である。同時加熱の効果は、図７に示した低周波電源６と高周波電源８とを用いた同時加熱の効果と同じである。

　図１６は、高周波電源８を後熱のために用いた加熱波形を示す図である。高周波電源８の後熱の効果は、図８に示した高周波電源８を用いた後熱の効果と同じである。

　図１７は、高周波電源８を予熱のために用いた加熱波形を示す図である。高周波電源８の予熱の効果は、図９に示した高周波電源８を用いた予熱の効果と同じである。

　図１８は、高周波電源８を用いた予熱と直流電源３６を用いた加熱と高周波電源８を用いた後熱を連続して行う場合の加熱波形を示す図である。この場合の加熱効果は、図１０に示した加熱方法の効果と同じである。

　図１９は、高周波電源８によって予熱を行うと共に、高周波電源８と直流電源３６とを用いて部分的に同時加熱を行う場合の加熱波形を示す図である。この場合、高周波電源８を用いて予熱をし、さらに、高周波電源８は、直流電源３６からの電力の印加時間直後の所定時間に印加される。つまり、低周波電源６からの電力の印加時間の初期だけ、高周波電源８から電力が重畳される。予熱の効果は図１１の加熱方法と同じである。

　図２０は、高周波電源８と直流電源３６とを用いて部分的に同時加熱を行い、高周波電源８によって後熱を行う場合の加熱波形を示す図である。この場合、高周波電源８は、直流電源３６からの電力の印加終了直後の所定時間に印加される。つまり、低周波電源６からの電力の印加時間の終了直前に高周波電源８から電力が重畳される。予熱の効果は図１２の加熱方法と同じである。

　上記の高周波電源８による鋼板９の加熱時間は通電制御部１０で制御することができるので、スポット溶接する鋼板９等のスポット溶接箇所だけの部分昇温ができ、加熱に要する電力消費を低減することができる。

　本発明によれば、金属材の溶接装置１，２５，３０，３５，４０の電極４，４を介してワーク９に高周波電源８を接続することによって、接触しない近傍領域の部分加熱を行うことができる。ワーク９の高周波加熱は、低周波電源６又は直流電源３６からの電力の印加の前又は後、或いは低周波電源６又は直流電源３６の印加と同時に行う方法等を選定することができる。

　金属材の溶接装置１，２５，３０，３５，４０は、溶接後の急冷によって鋼板９に焼きが入る。この場合、冷却方向としては鋼板９上の横方向（図7参照）からの放熱と、電極４，４の縦方向からの熱移動がある。電極４，４からの縦方向の熱移動は、電極４，４を水冷しているために効果としては大きい。熱溜の具体例は、スポット溶接後、高周波通電を行い、ナゲット外周領域に熱溜を作り、ナゲットの冷却を電極４，４の縦方向への熱移動によって行う。これにより、高周波通電を行わない場合に生じる縦と横の両方向への熱移動が、縦方向だけになるので、鋼板９の凝固時の組織形成を制御することができる。

　従来式のスポット溶接機では、鋼板９の昇温プロファイルは、電極４，４と鋼板９が接する中央領域で鋼板９が重なりあった領域が最も高温となり、この高温となった領域にナゲットが形成される。つまり、従来式のスポット溶接機では電極４，４直下領域が加熱される。しかし、高周波電流２２を電極４，４に通電すると、表皮効果のため高周波電流２２は電極４，４の表面に集中し、この高周波電流２２は鋼板９に接触すると表皮効果により鋼板９の表面を流れる。この電流経路によって、鋼板９が最も昇温される領域は電極４，４の外周、つまり、ナゲット外周領域となる。

　このように、高周波電源８から供給される高周波電流２２を電極４，４に通電することによりナゲットの外周領域だけの部分加熱ができ、この部分加熱範囲は、最も昇温させた範囲となる。また、部分加熱範囲を絞ることにより電極４，４の直下全体を加熱するよりも効率のよい加熱方法となる。高周波通電は、電極４，４の外周円状で加熱できるため、熱的に井戸状態を形成できる。従って、鋼板９の板面内の抜熱を抑制した状態で溶融凝固させることができるため短時間で溶接が可能である。

　これにより、溶接領域強度を決定づけるナゲット外周領域を選択的に高周波通電により加熱処理することによって、鋼板の炭素含有量が高くても十分に強度があるスポット溶接接合部を短時間で作ることができる。

　金属材の溶接装置１，２５，３０，３５，４０によれば、２周波数の通電を行うことで、スポット溶接用電源６からの電力は主として鋼板９の溶融凝固部を形成するのに用い、高周波電源８を用いた加熱は強度を決定づけるナゲット外周領域の円部を集中的に加熱処理するために用いることができる。このため、鋼板９の溶接箇所を集中的に独立して加熱することができ、従来のスポット溶接では得られない圧倒的に短い時間で、所望のスポット溶接品質を得ることができる。

　従来式のサイリスタ位相制御方式を用いたスポット溶接では、電流が途切れる部分があり溶接品質上好ましくないが、金属材の溶接装置１，２５，３０，３５，４０によれば、高周波電流２２の振幅制御を行っているので、高周波電流２２が途切れることがなくなり、鋼板９のスポット溶接の品質を向上させることができる。

（本発明に使用できるワーク）
　上記説明においては、スポット溶接される金属材９が例えば鋼板９である場合を示したが、金属材９であれば如何なる材料でもよい。また、ワーク９の形状は板に限らず如何なる形状でもよい。また、鋼板９は２枚をスポット溶接する例を示したが、複数の板の溶接であってもよい。

　さらに、スポット溶接される金属材９は、互いに異なる金属材同士のスポット溶接でもよい。

（本発明に使用できる電極）
　上記説明において、電極４の軸断面を鋼板９に投影した領域の形状が円形である場合を例示したが、電極４の軸断面の形状は円形に限らず、楕円、角が丸い四角や三角などの多角形状であってもよい。

　以下、本発明の金属材の溶接装置１によって鋼板９をスポット溶接する具体例について詳細に説明する。
　２枚の鋼板９のスポット溶接を行った。図２１は、低周波電源６と高周波電源８からの電力印加を模式的に説明する図である。用いた鋼板９、低周波電源６、高周波電源８等の条件を以下に示す。
　鋼板９：厚さ２ｍｍ，大きさ５ｃｍ×１５ｃｍ
　低周波電源６：５０Ｈｚ，電極４は銅製で直径が６ｍｍ、電源容量５０ｋＶＡ
　低周波電源６の通電時間：０．３～０．５秒
　高周波電源８：３０ｋＨｚ，５０ｋＷ出力
　高周波電源８の通電時間：０．３～０．６秒

　鋼板９の組成は、鉄以外の成分として、Ｃ（炭素）が０．１９～０．２９重量％含有されている。

　最初に、図２１に示すように、高周波電源８からの電力によって予熱を０．３秒間行った。高周波の投入電力は４．９ｋＷから３７ｋＷまで変化させた。
　次に、低周波電源６からの電力を印加して溶接を行った。低周波電源６の投入は、図１８に示すように、第１電流及び第２電流の２段階の通電で行った。第１電流の立ち上がりを１サイクルとし、第１通電を２サイクルとし、第１電流値は１１ｋＡである。１サイクルの冷却をした後、第２電流値を８．ｋＡとして１６サイクル通電した。低周波電源６による２段階の通電は冷却等も含めて２０サイクルであり、溶接時間は０．４秒であった。

　実施例２においては、高周波電源８からの電力を低周波電源６からの電力と同時に０．３秒間印加した。高周波の投入電力は２．７ｋＷから３９．９ｋＷまで変化させた。低周波電源６からの電力の通電は実施例1と同じである。

　実施例３においては、高周波電源８からの電力を低周波電源６からの電力の通電終了直後に０．３秒間印加した。高周波の投入電力は２．７ｋＷから３９．９ｋＷまで変化させた。低周波電源６の通電は実施例1と同じである。

（比較例）
　実施例１～３に対する比較例として、高周波電源８を印加せず、低周波電源６の通電によって溶接をした。つまり、通常のスポット溶接を行った。

　実施例及び比較例の溶接試料の十字引張試験を行い、破断荷重を求めた。表１は、実施例及び比較例の溶接試料の高周波通電パターンと高周波投入電力と破断荷重と平均破断荷重を示している。

　実施例１で高周波投入電力を４．９ｋＷとした溶接試料のサンプル数は３つである。各溶接試料の破断荷重は、それぞれ、１９．５４ｋＮ，１８．４６ｋＮ，２０．２８ｋＮであった。高周波投入電力を８．６ｋＷ，２０．９ｋＷ，２８．５ｋＷ，３７ｋＷとした溶接試料の破断荷重は、それぞれ、２１．２６ｋＮ，１９．５９ｋＮ，１７．９８ｋＮ，１９．５８ｋＮであった。これから、高周波通電によって予熱をしてから低周波電源６でスポット溶接をした実施例１の溶接試料の平均破断荷重は、１９．５ｋＮであることが分かった。

　実施例２で高周波投入電力を２．７～３．８ｋＷとした溶接試料のサンプル数は２つであり、破断荷重は、それぞれ、１５．９７ｋＮ，１７．７０ｋＮであった。高周波投入電力を２２．８～２５ｋＷ，３３．３～３９．９ｋＷとした溶接試料の破断荷重は、それぞれ、２０．５ｋＮ，２１．０５ｋＮであった。これから、低周波電源６を用い、同時に高周波通電をしながらスポット溶接をした実施例２の溶接試料の平均破断荷重は、１８．８ｋＮであることが分かった。

　実施例３で高周波投入電力を４．２ｋＷ，８．６ｋＷ，３０．８ｋＷ，３９．９ｋＷとした溶接試料の破断荷重は、それぞれ、１８．７ｋＮ，１８．３５ｋＮ，１７．９４ｋＮ，１９．７３ｋＮであった。これから、低周波電源６を用いた溶接の後で、高周波通電をした実施例３の溶接試料の平均破断荷重は、１８．７ｋＮであることが分かった。

　比較例の溶接試料のサンプル数は２つで、破断荷重は、それぞれ、１２．４７ｋＮ，１２．８８ｋＮであった。これから、比較例の２段階通電による従来のスポット溶接をした溶接試料の平均破断荷重は、１２．７ｋＮであることが分かった。

　実施例１の予熱、実施例２の同時加熱及び実施例３の後熱を行った溶接試料で得た平均破断荷重は、比較例の平均破断荷重に対して、それぞれ、１．５４倍，１．４８倍，１．４７倍の大きさである。従って、実施例１～３の溶接試料で得た平均破断荷重は、低周波電源６だけのスポット溶接の場合に比較して、約５０％向上していることが判明した。実施例１～３においては、高周波通電が予熱、同時、後熱の違いはあるが、何れの加熱方法でも比較例の低周波電源６だけによるスポット溶接に比較して、破断荷重を著しく高めることができた。
　なお、鋼板９の炭素含有量が０．１９重量％～０．２６重量％程度の範囲内であれば、比較例よりも破断荷重を著しく高めることができた。

　実施例1と同じ金属材の溶接装置１を用い、高周波電源８単独の加熱効果を確認するためにクロムモリブデン鋼９の焼入れ処理を行った。用いたクロムモリブデン鋼９はＳＣＭ４３５であり、実施例１の鋼板と同じ寸法である。実施例１と同じ周波数で高周波電源８から０．３秒間の通電を行い、焼入れ処理を行った。

　図２２は、実施例４の焼入れ処理をしたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）９表面の硬さ分布を示す図である。図の横軸はクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５９）の表面における電極４の軸断面方向の位置を示しており、電極４の位置及びその外径寸法も示している。図の縦軸はビッカース硬度（ＨＶ）である。
　図２２から明らかなように、実施例４のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）の電極４の最外周に相当する領域の硬度が最も高く約６７０ＨＶであり、焼入れされていない領域の硬度である約３７０ＨＶよりも高くなっていることが分かった。これにより、高周波電源８からの電力印加でクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）において電極４の外周領域のリング状領域だけを焼入れできることが判明した。

　予め焼入れ処理がされ、硬度が約６２０ＨＶのクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）を、実施例１と同じ金属材の溶接装置１を用いて加熱し、焼戻し処理を行った。実施例１と同じ周波数で高周波電源８から０．３秒間の通電を行い、焼戻し処理を行った。

　図２３は、実施例５の焼戻し処理をしたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）９表面の硬さ分布を示す図である。図２３の横軸及び縦軸は、図２３と同じである。図２３から明らかなように、実施例５のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）９の電極４の最外周に相当する領域の硬度が最も低く約５５０ＨＶであり、焼戻し前の硬度（約６２０ＨＶ）よりも低くなっていることが分かった。これにより、高周波電源８からの電力印加でクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）９において電極４の外周領域のリング状領域だけを焼戻しできることが判明した。

　本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態における、ガンアーム２や電極４の形状、インダクタンス５やコンデンサ７の値などは、ワーク９の種類や形状に応じて適宜に設計することが可能である。

Claims (14)

1. 　金属材を一対の電極にて挟み、金属材に対して該一対の電極を同一位置に維持した状態で通電して上記金属材の異なる領域を加熱する金属材の溶接装置であって、
   　上記一対の電極に接続され上記金属材へ第１の周波数の電力を印加して所定領域を加熱する第１の加熱手段と、
   　上記一対の電極に接続され上記金属材へ第２の周波数の電力を印加して上記所定領域とは異なる領域を加熱する第２の加熱手段と、
   　上記第１の加熱手段及び上記第２の加熱手段を、それぞれ独立して制御する通電制御部と、
   を備えたことを特徴とする、金属材の溶接装置。
2. 　前記金属材の前記所定領域の内部が、前記第１の加熱手段により加熱され、
   　前記金属材の前記所定領域の近傍が、前記第２の加熱手段により加熱され、
   　前記第１の加熱手段による加熱と前記第２の加熱手段による加熱とが、前記通電制御部により独立して制御されることを特徴とする、請求項１に記載の金属材の溶接装置。
3. 　前記第１の加熱手段は、前記電極の軸断面を前記金属材に投影した領域の内部を加熱する加熱手段であり、
   　前記第２の加熱手段は、前記電極の軸断面を前記金属材に投影した領域の輪郭に沿ってリング状をなす領域を加熱する加熱手段であり、
   　前記第１の加熱手段による加熱と前記第２の加熱手段による加熱とが、前記通電制御部により独立して制御されることを特徴とする、請求項２に記載の金属材の溶接装置。
4. 　前記第１周波数は前記第２周波数よりも周波数が低く、前記金属材へ該第１周波数の電力を通電することで、前記円形内部が溶接されることを特徴とする、請求項３に記載の金属材の溶接装置。
5. 　前記第２周波数は前記第１周波数よりも周波数が高く、前記金属材へ該第２周波数の電力を通電することで、前記リング状をなす領域が抵抗加熱され、あるいは、抵抗加熱及び誘導加熱されることを特徴とする、請求項３に記載の金属材の溶接装置。
6. 　前記第１の加熱手段は、前記一対の電極に電力を供給する溶接用電源であり、
   　前記第２の加熱手段は、前記一対の電極に高周波電力を供給する高周波電源であり、
   　前記一対の電極に上記溶接用電源と上記高周波電源とがそれぞれ並列に接続され、
   　上記溶接用電源と前記一対の電極との間に電流阻止用インダクタンスが接続され、
   　上記高周波電源と前記一対の電極との間に電流阻止用コンデンサが接続され、
   　上記電流阻止用インダクタンスが、上記高周波電源から前記一対の電極に供給される高周波電流が上記溶接用電源に流れ込まないように阻止し、
   　上記電流阻止用コンデンサが、上記溶接用電源から前記一対の電極に供給される電流が上記高周波電源側に流れ込まないように阻止することを特徴とする、請求項１に記載の金属材の溶接装置。
7. 　さらに、ガンアームを備えており、前記スポット溶接用電源と前記高周波電源とが、該ガンアームを介して前記１対の電極に接続されることを特徴とする、請求項６に記載の金属材の溶接装置。
8. 　前記溶接用電源は低周波電源または直流電源であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の金属材の溶接装置。
9. 　前記低周波電源はトランスを介して前記一対の電極に接続され、該トランスの前記一対の電極側の巻き線にバイパスコンデンサが並列接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の金属材の溶接装置。
10. 　金属材を一対の電極にて挟み通電して金属材を加熱する金属材の溶接方法であって、
    　上記一対の電極への第１の通電によって上記金属材の所定領域を加熱する第１ステップと、
    　上記金属材を挟む上記一対の電極を上記第１ステップと同一位置に維持した状態で、上記一対の電極への第２の通電によって上記第１ステップとは異なる領域を加熱する第２ステップと、を、備え、
    　上記第１ステップと上記第２ステップとの加熱時間を、それぞれ独立して制御することを特徴とする、金属材の溶接方法。
11. 　前記第１ステップにおいて、第１の加熱手段により前記金属材の前記所定領域の内部を加熱し、
    　前記第２ステップにおいて、第２の加熱手段により前記金属材の前記所定領域の近傍を加熱し、
    　上記第１の加熱手段による加熱と上記第の２加熱手段による加熱とを、独立して制御することを特徴とする、請求項１０に記載の金属板の溶接方法。
12. 　前記第１の加熱手段で加熱する前記所定領域が、前記電極の軸断面を前記金属材に投影した円形の内部領域であり、
    　前記第２の加熱手段で加熱する前記異なる領域が、前記電極の軸断面を前記金属材に投影した円形に沿ったリング状の近傍領域であり、
    　前記第１の加熱手段による加熱と前記第２の加熱手段による加熱とを、独立して制御することを特徴とする、請求項１１に記載の金属板の溶接方法。
13. 　前記第１の加熱手段による加熱を前記第２の加熱手段による加熱よりも周波数の低い低周波で行うことで、前記円形内部を溶接することを特徴とする、請求項１２に記載の金属板の溶接方法。
14. 　前記第２の加熱手段による加熱を前記第１の加熱手段による加熱よりも周波数の高い高周波で行うことで、前記リング状をなす円形外部を、抵抗加熱し、あるいは抵抗加熱及び誘導加熱することを特徴とする、請求項１２に記載の金属板の溶接方法。

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