JP2011031267A - 抵抗溶接装置、抵抗溶接方法、及びこれらに用いる電極 - Google Patents

Abstract

【課題】同軸電極の外側電極をワークに確実に接触させることにより、高硬度材料であっても、割れを発生させることなく、且つ、確実に接合する。
【解決手段】外側電極１０の先端部１１の肉厚を先端側へ向けて徐々に小さくすることで、外側電極１０の先端部１１をワークＷに食い込ませることが可能となる。これにより、ワークＷと外側電極１０との間に形成される隙間が吸収され、外側電極１０の先端部１１を確実にワークに接触させることができる。また、外側電極１０の先端部１１の面積が小さくなることで、外側電極１０とワークＷとの接触部における面圧を高めることができるため、電極をワークＷに押し付ける力を小さくすることができ、ワークＷの変形を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、抵抗溶接装置、抵抗溶接方法、及びこれらに用いる電極に関する。

抵抗溶接方法として、例えば図１５（ａ）に示すように、２枚の金属板を重ねたワークＷの一方の面に２本の電極１０１・１０２を接触させて通電する、いわゆる片側スポット溶接が知られている。この場合、電極１０１・１０２間には図１５（ｂ）に点線で示すような経路で電流が流れるため、各電極１０１・１０２とワークＷとの接触部のうち、相手電極側部分の電流密度が高くなって高温となり（高温部をＳ１で示す）、その反対側の電流密度が低くなって低温となる（低温部をＳ２で示す）。ワークの温度が高くなりすぎると、ワーク表面が部分的に溶融してワーク表面に割れが発生する恐れがあり、ワークの温度が低すぎると、ワークが十分に軟化せず、接合されない恐れがある。このため、電極に流す電流値は、前記接触部の高温部Ｓ１で割れが発生しないように、且つ、前記接触部の低温部Ｓ２でワークが十分に接合されるように設定する必要がある。

しかし、高張力鋼（ハイテン鋼）のように融点の高い材料を溶接する場合は、温度を少なくとも１０００℃以上まで高める必要がある。このため、前記接触部の低温部Ｓ２が１０００℃以上となるように電流値を大きくすると、高温部Ｓ１で割れが発生し、高温部Ｓ１で割れが発生しないように電流値を抑えると、低温部Ｓ２でワークが接合されないというジレンマが生じ、電流値を適切に設定することが極めて困難であった。

例えば特許文献１には、図１６（ａ）に示すように、筒状の外側電極２０１（第２の部分９）の内周に絶縁体２０２（電気的絶縁体８）を介して内側電極２０３（第１中央円筒形部分７）が同軸状に設けられた電極（以下、同軸電極と言う。）を有する溶接装置が示されている。このような同軸電極によれば、図１６（ｂ）に示すように、外側電極２０１と内側電極２０３との間における電流密度を周方向で均等に分布させることができるため、電極とワークとの接触部において、上記の高温部Ｓ１及び低温部Ｓ２のように温度差は形成されず、温度を均一化できる。従って、高張力鋼のような材料を溶接する場合であっても、ワークに割れを生じさせず、且つ、ワークを確実に接合することができる電流値を、比較的容易に設定することが可能となる。

特開平４−２８４９８０号公報 特開昭５１−１４２４５３号公報

上記特許文献１の構成において、内側電極２０３と外側電極２０１との間で電流密度を周方向で均一にするためには、内側電極２０３及び外側電極２０１の先端部を確実にワークに接触させる必要がある。しかし、例えば内側電極２０３と外側電極２０１との先端部がずれていると、図１７に示すように内側電極２０３がワークＷから浮いたり、図１８に示すように外側電極２０１がワークＷから浮いたりする恐れがある。また、図１９に示すようにワークＷに微小な凹部Ｐがあったり、外側電極２０１の先端部に微小な凹部が形成されたり（図示省略）すると、外側電極２０１の先端部の一部がワークに接触しない恐れがある。

また、同軸電極を用いて溶接を行う際には、同軸電極を所定の圧力でワークに押し付ける必要があるが、外側電極は通常の電極（図１５参照）と比べて大径となるため、所定の面圧を確保するためには強い力でワークに押し付ける必要がある。このように電極をワークに強く押し付けると、ワークが撓んで、電極の先端部の一部がワークと非接触となる恐れがある。

以上のように、各電極とワークとの接触状態が悪化すると、各電極間の電流密度が不均一となり、同軸電極を採用したメリットが没却されることとなる。

例えば、特許文献２に示されている溶接装置では、外側電極を内側電極に対して摺動自在とし、それぞれ別個に昇降可能とした構成が示されている。この溶接装置によれば、図１７や図１８に示すような場合には、内側電極と外側電極とを相対的に昇降させることで各電極をワークに接触させることができる。しかし、図１９に示すように、外側電極の先端部の一部がワークに接触しないような場合には対応することができない。

本発明の解決すべき課題は、同軸電極を用いた抵抗溶接において、各電極（特に外側電極）の先端部をワークに確実に接触させることにより、高硬度材料であっても、割れを発生させることなく、且つ、確実に接合することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、筒状に形成された外側電極と、外側電極の内周に同軸状に配され、外側電極に対して中心軸方向に相対移動可能な内側電極とを備え、内側電極及び外側電極の先端部をワークに接触させて通電することでワークの溶接を行う抵抗溶接装置であって、外側電極の先端部の肉厚を先端側へ向けて徐々に小さくしたことを特徴とするものである。

このように、外側電極の先端部の肉厚を先端側へ向けて徐々に小さくすることで、外側電極の先端部の面積が小さくなるため、ワークとの当接部における面圧を高めることができ、外側電極の先端部をワークに食い込ませることが可能となる。これにより、ワークの表面や外側電極の先端部に微小な凹部が形成されている場合でも、外側電極をワークに食い込ませることによりその凹部が吸収され、外側電極の先端部を確実にワークに接触させることができる。また、外側電極の先端部の面積が小さくなることで、外側電極とワークとの接触部における面圧を高めることができるため、電極をワークに押し付ける力を小さくすることができる。これにより、電極の押し付け力でワークが変形することで電極の先端部の一部がワークと非接触となる事態を回避できる。

すなわち、本発明は、筒状に形成された外側電極と、外側電極の内周に同軸状に配され、外側電極に対して中心軸方向に相対移動可能な内側電極とを有する抵抗溶接装置で溶接を行う方法であって、外側電極の先端部をワークに当接させて食い込ませると共に、内側電極の先端部をワークに当接させ、この状態で内側電極と外側電極との間で通電することにより溶接を行う溶接方法として特徴づけることもできる。

また、上記の抵抗溶接装置において、筒状の外側電極の先端部に、ワークと接触しない非接触部を積極的に設ければ、外側電極とワークとの接触面積をさらに小さくすることができ、外側電極をより一層ワークに食い込みやすくすることができる。このとき、外側電極とワークとが接触する接触部と、両者が接触しない非接触部とを周方向等間隔に設けることで、内側電極と外側電極との間における電流密度を周方向で均等に分布させることができる。

以上のように、本発明によれば、外側電極の全面をワークに確実に接触させることができるため、高硬度材料であっても、割れを発生させることなく、且つ、確実に溶接することができる。

溶接装置の断面図である。 同軸電極の断面図である。 同軸電極の正面図である。 同軸電極の下面図である。 内側電極の先端部の断面図である。 同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 外側電極とワークとの当接部を拡大して示す断面図である。 外側電極をワークに食い込ませた状態を示す断面図である。 第２実施形態に係る溶接装置の同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 第２実施形態に係る溶接装置の同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 第３実施形態に係る溶接装置の同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 第３実施形態に係る溶接装置の同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 第３実施形態に係る溶接装置の同軸電極をワークに当接させる手順を示す断面図である。 （ａ）は、従来の電極による抵抗溶接の様子を示す断面図であり、（ｂ）は、ワーク表面における電流密度の分布を示す平面図である。 （ａ）は、従来の同軸電極による抵抗溶接の様子を示す断面図であり、（ｂ）は、ワーク表面における電流密度の分布を示す平面図である。 従来の同軸電極をワークに当接させた状態を示す断面図である。 従来の同軸電極をワークに当接させた状態を示す断面図である。 従来の同軸電極をワークに当接させた状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の第１実施形態に係る抵抗溶接装置は、図１に示すように、筒状の外側電極１０、及び外側電極１０の内周に配された内側電極２０を有する同軸電極３０と、同軸電極３０を支持する支持部４０と、支持部４０に対して外側電極１０を軸方向に移動させるための外側電極移動手段（本実施形態ではスプリング５０）と、支持部４０に対して内側電極２０を軸方向に移動させるための内側電極移動手段（本実施形態ではシリンダ６０）と、支持部４０を介して同軸電極３０全体を中心軸方向に移動させる同軸電極移動手段（本実施形態では昇降機７０）とを備える。外側電極１０及び内側電極２０は、図２に示すように、コイル８１を介して電源８０に接続される。外側電極１０と内側電極２０との径方向間には、円筒状の絶縁部材９０が配される。尚、本実施形態では、同軸電極３０の中心軸方向を鉛直方向とし、同軸電極３０を降下させて外側電極１０及び内側電極２０の先端部をワークＷの上面に当接させる場合を示す。

外側電極１０は、金属材料（例えばＣｒ−Ｃｕ合金）で略円筒形状に形成され、先端部を下方に向けて配される。外側電極１０の先端部１１は、図２に示すように、先端側（下方）へ向けて徐々に肉厚が小さくなっており、本実施形態では軸方向断面で下向きに膨らんだ円弧状を成している。外側電極１０には、図３及び図４に示すように、先端部１１から基端側（上方）に延びた切り欠き部１２が、円周方向等間隔の複数箇所（図示例では６箇所）に形成される。本実施形態では、切り欠き部１２の円周方向幅Ｌ₁は、隣り合う切り欠き部１２間の円周方向間隔Ｌ₂よりも小さくなるように設定される（図４参照）。

外側電極移動手段としてのスプリング５０は、図２に示すように、外側電極１０の上端部と支持部４０との軸方向間に圧縮状態で配され、これにより外側電極１０が常に下向きに付勢される。また、外側電極１０の下方への移動は、支持部４０に設けられた保持部４１で規制される。具体的には、外側電極１０の上端部に外径へ突出した係止部１３が形成され、保持部４１の下端部に内径向きの突出部４２が形成され、これらの係止部１３と突出部４２とが軸方向で係合することで、この係合部より下方への外側電極１０の移動が規制される。

内側電極２０は、金属材料（例えばＣｒ−Ｃｕ合金）で中実に形成され、外側電極１０の内周面に固定された円筒形状の絶縁部材９０の内周に挿入される。内側電極２０は外側電極１０に対して軸方向に相対移動可能に設けられ、本実施形態では、内側電極２０は絶縁部材９０に対して摺動可能に設けられる。内側電極２０の先端部（下端部）２１は、図５に示すように先細り形状とされ、詳しくは、先端部に形成された平坦面２２と、平坦面２２から上方へ向けて外径を徐々に大きくした円すい面２３とが形成される。円すい面２３の頂角αは１００〜１７０度の範囲内に設定され、例えば１４０度に設定される。

内側電極移動手段としてのシリンダ６０は、図１に示すように支持部４０に取付けられ、シリンダ６０内の圧力を高めると、支持部４０に対して内側電極２０が下方に押し出される。

以下、上記構成の抵抗溶接装置による溶接方法の一例を説明する。

まず、図１に示すように、内側電極２０の先端部を外側電極１０の先端部よりも下方に突出させた状態とし、この状態で同軸電極３０全体を昇降機７０により降下させ、図６に示すように、内側電極２０の先端部２１をワークＷの上面に当接させる。続けて同軸電極３０を降下させると、内側電極２０がシリンダ６０内部の圧力に抗して相対的に後退する（実際は、内側電極２０がワークＷに当接して静止した状態で、シリンダ６０等が降下する）。このとき、内側電極２０の先端部２１はシリンダ６０内部の圧力によりワークＷに押し付けられている。

さらに同軸電極３０を降下させると、図７に示すように、外側電極１０の先端部１１がワークＷに当接し、スプリング５０の弾性力に抗して外側電極１０が支持部４０に近づく側に相対的に移動する（実際は、外側電極１０及び内側電極２０がワークＷに当接して静止した状態で、支持部４０等が降下する）。

このとき、外側電極１０をワークＷに押し付ける力は、スプリング５０が圧縮されるにつれて、スプリング５０の弾性係数に従って大きくなる。上記のように、外側電極１０の先端部１１の肉厚が下方に向けて小さくなっているため、外側電極１０とワークＷとの当接部における接触面積を小さくすることができる。特に、本実施形態のように、先端部１１を断面円弧状に形成すれば、図８に示すように、外側電極１０とワークＷとを軸方向断面で点接触（接触点をＴで示す）させることができるため、両者の接触面積が非常に小さくなる。さらに、本実施形態では、外側電極１０の先端部１１に切り欠き部１２を設けているため（図２参照）、外側電極１０とワークＷとの接触面積がより一層小さくなる。このように、外側電極１０とワークＷとの接触面積を小さくすることにより、両者の接触部における面圧が高まる。このため、外側電極１０がスプリング５０の弾性反力でワークＷに押し付けられると、図９に示すように、外側電極１０の先端部１１をワークＷに僅かに食い込ませることが可能となる。従って、ワークＷの表面や外側電極１０の先端部１１に微妙な凹部が形成されている場合でも、外側電極１０をワークＷへ食い込ませることにより凹部を吸収して、外側電極１０とワークＷとを確実に接触させることができる。また、外側電極１０とワークＷとの面圧が高まることにより、外側電極１０を下方に押し込む力（本実施形態ではスプリング５０の弾性反力）が比較的小さくても足りるため、外側電極１０の押し付け力によるワークＷの変形を防止できる。

以上により、外側電極１０及び内側電極２０のワークＷへの当接が完了する。このとき、外側電極１０はスプリング５０の弾性反力によりワークＷに押し付けられ、内側電極２０はシリンダ６０内の圧力によりワークＷに押し付けられている。

この状態で外側電極１０と内側電極２０との間に通電することにより、溶接が行われる。上記のように、外側電極１０及び内側電極２０が確実にワークＷに当接しているため、電流密度を周方向で均一化することができる。本実施形態では、外側電極１０とワークＷとの面圧を高めるために外側電極１０に切り欠き部１２を設けているが、この切り欠き部１２を周方向等間隔に設けているため、すなわち、外側電極１０の先端部に、ワークに接触する接触部（断面円弧状曲面）とワークに接触しない非接触部（切り欠き部１２）とを周方向等間隔に設けているため、電流密度を周方向で均等に分布させることができる。

ところで、同軸電極３０を用いて溶接すると、内側電極２０とワークＷとの接触部でスパッタが発生することがある。このスパッタが外側電極１０の内周面に付着し、溶接中にワークＷ上に落下すると、通電を阻害する恐れがある。本実施形態では、外側電極１０に切り欠き部１２を形成しているため、外側電極１０の内周で発生したスパッタが切り欠き部１２を抜けて外部に抜けるため、外側電極１０の内周面に付着するスパッタの量が低減され、通電を阻害する恐れを減じることができる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を示す。

上記の第１実施形態では、昇降機７０により同軸電極３０を降下させて内側電極２０をワークＷに当接させているが、これに限られない。例えば、下記の第２実施形態に示すように、シリンダ６０の押し出しにより内側電極２０をワークＷに当接させてもよい。

具体的には、まず、図１０に示すように、シリンダ６０を後退させて内側電極２０の先端部２１を外側電極１０の先端部１１よりも上方に配置した状態で、昇降機７０により同軸電極３０を降下させる。そして、図１１に示すように、外側電極１０の先端部１１をワークＷに当接させ、スプリング５０の弾性反力により先端部１１をワークＷに食い込ませる（図９参照）。その後、昇降機７０を停止させ、シリンダ６０で内側電極２０を下方に押し出すことにより、内側電極２０の先端部２１をワークＷに当接させる（図７参照）。

第１実施形態（図５〜図７参照）のように、昇降機７０の降下により内側電極２０をワークＷに当接させると、昇降機７０をゆっくり降下させることで、内側電極２０をワークＷにソフトに当接させることができる。これにより、内側電極２０が当接する際にワークＷに加わる衝撃が低減されるため、通電開始前におけるワークＷの変形を抑えることができ、外観不良を回避されと共に、通電状態を良好にして溶接品質の向上を図ることができる。

一方、第２実施形態（図１０〜図１１参照）のように、シリンダ６０の押し出しで内側電極２０をワークＷに当接させる場合は、内側電極２０がシリンダ６０の圧力で一気に押し出されるため、ワークＷが分厚い場合など、ワークＷの変形の恐れが少ない場合に採用することができる。この場合、シリンダ６０の押し出しによる内側電極２０の衝撃により、ワークＷを構成する２枚の金属板の間に形成された隙間を詰めることも考えられる。

また、ワークＷの金属板の間に隙間が形成されている場合、以下のような第３実施形態を採用することも可能である。すなわち、図１２に示すように、内側電極２０を外側電極１０よりも上方に後退させた状態とし、この状態で同軸電極３０を降下させ、外側電極１０をワークＷに当接させる。そして、さらに同軸電極３０を降下させると、図１３に示すようにスプリング５０が圧縮され、このスプリング５０の弾性反力により外側電極１０が下方に付勢され、上側の板Ｗ１を押し下げる。これにより、上側の板Ｗ１と下側の板Ｗ２との間の隙間を埋めて両者が接触する。その後、図１４に示すように、内側電極２０をシリンダ（図示省略）で下方に押し出してワークＷに当接させ、電極間に通電して溶接を行う。このように、外側電極１０でワークＷに形成されている隙間を埋めることで、溶接が行われる内側電極２０の直下でワークＷの板Ｗ１・Ｗ２を平面同士で接触させることができるため、良好な状態で溶接を行うことができる。尚、内側電極２０のワークＷへの当接方法は、上記のようにシリンダの押し出しにより行っても良いし、あるいは、スプリング５０の圧縮により内側電極２０を外側電極１０に対して相対的に降下させることで行ってもよい。

上記の第１〜第３実施形態の何れを採用するかは、昇降機７０の降下やシリンダ６０の押し出しのタイミングを設定することで簡単に変更することができるため、ワークＷの材質や溶接品の用途に応じて、適宜使い分けを行えばよい。

また、上記の実施形態では、外側電極１０の先端部１１の形状が、軸方向断面で半円弧形状を成している場合を示しているが、肉厚が先端側へ向けて徐々に小さくなってさえいればこれに限定されず、例えば楕円弧状や台形状の軸方向断面を有する形状としてもよい（図示省略）。

また、上記では、外側電極移動手段としてスプリング５０が設けられ、内側電極移動手段としてシリンダ６０が設けられているが、これに限らず、例えば、外側電極移動手段としてシリンダを設けても良い。この場合、シリンダ内の圧力を調整することで、外側電極１０のワークＷへの当接圧力を調整することができる。

１０ 外側電極
１１ 先端部
１２ 切り欠き部
２０ 内側電極
３０ 同軸電極
４０ 支持部
５０ スプリング
６０ シリンダ
７０ 昇降機
８０ 電源
９０ 絶縁部材

Claims (4)

1. 筒状に形成された外側電極と、外側電極の内周に同軸状に配され、外側電極に対して中心軸方向に相対移動可能な内側電極とを備え、内側電極及び外側電極の先端部をワークに接触させて通電することで溶接を行う抵抗溶接装置であって、
   外側電極の先端部の肉厚を、先端側へ向けて徐々に小さくしたことを特徴とする抵抗溶接装置。
2. 筒状の外側電極の先端部に、ワークと接触する接触部と、ワークと接触しない非接触部とを、周方向等間隔に設けた請求項１記載の抵抗溶接装置。
3. 筒状に形成された外側電極と、外側電極の内周に同軸状に配され、外側電極に対して中心軸方向に相対移動可能な内側電極とを有する抵抗溶接装置で溶接を行う方法であって、
   外側電極の先端部をワークに当接させて食い込ませると共に、内側電極の先端部をワークに当接させ、この状態で内側電極と外側電極との間で通電することにより溶接を行う抵抗溶接方法。
4. 筒状に形成された外側電極であって、先端部をワークに接触させ、内周に同軸状に配した内側電極との間で通電することによりワークの溶接を行う外側電極において、
   先端部の肉厚を、先端側へ向けて徐々に小さくしたことを特徴とする外側電極。

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