JPH0790380B2 - 金属板材を挟んだ二金属部材の溶接結合方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的 （１） 産業上の利用分野 本発明は、透孔を有する金属板材の両面に、該金属板材
よりも厚肉であって前記透孔にほぼ対応する孔を有する
２つの金属部材を結合するための、金属板材を挟んだ二
金属部材の溶接結合方法に関する。

（２） 従来の技術 従来、かかる溶接結合方法は、たとえば特開昭60−2236
71号公報等により既に知られている。

（３） 発明が解決しようとする課題 上記従来のものは、両金属部材の金属板材に対向する対
向面に、複数の溶接突起をそれぞれ突設しておき、一方
の金属部材と金属板材とをプロジェクション溶接により
結合した後、所定の冷却時間をあけて、他方の金属部材
と金属板材とをプロジェクション溶接により結合するよ
うにしている。したがってプロジェクション溶接が２工
程となり、溶接能率が優れているとは言い難い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、金
属板材に２つの金属部材を同時に溶接結合し得るように
して溶接作業能率を向上した金属板材を挟んだ二金属部
材の溶接結合方法を提供することを目的とする。

B.発明の構成 （１） 課題を解決するための手段 本発明方法によれば、両金属部材の金属板材への対向面
の外周縁に環状突起を同径にそれぞれ突設するととも
に、環状突起の内側に隣接する環状溝と、環状溝のさら
に内側に隣接する平坦なストッパ面とを前記対向面にそ
れぞれ形成しておき、両金属部材を、それらのストッパ
面が金属板材に当接するまで金属板材に向けて押圧しな
がら両金属部材間に溶接電流を通電する。

（２） 作用 上記方法によると、両環状突起間で溶接電流を最短距離
で流しながら２つの金属部材がプロジェクション溶接に
より金属板材に同時に溶接結合されることになる。また
各金属部材は、金属板材への対向面の少なくとも外周縁
で金属板材に溶接結合されることになり、各金属部材の
軸線まわりのトルクや倒れに対する強度を向上可能とな
り、しかも両金属部材および金属板材の溶着部よりも外
方に水の侵入を許容する間隙が生じることはない。

さらに両金属部材が金属板材よりも厚肉であっても各環
状突起で生じた熱が環状突起以外の厚肉部に流れること
を環状溝により極力阻止し、環状突起の溶融による溶着
を確実にする。しかも環状突起を両金属部材の金属板材
への対向面の外周縁に設けたことにより、金属板材の透
孔から比較的離れた位置で両金属部材が金属板材に溶着
されることになるが、その透孔の周囲は両金属部材のス
トッパ面で挟圧されるので、溶接熱により透孔の周囲で
金属板材が歪を生じることはない。

（３） 実施例 以下、図面により本発明の一実施例について説明する。

先ず第１図において、カーボン含有量の比較的少ない金
属材料たとえばカーボン含有量が0.12％程度の冷間圧延
鋼板SPC（JIS）から成る金属板材１の表裏両面に、カー
ボン含有量の比較的多い金属材料たとえばカーボン含有
量が0.35〜0.41％程度の機械構造用炭素鋼S35C（JIS）
から成る金属部材としてのナット２と、カーボン含有量
の比較的多い金属材料たとえばカーボン含有量が0.18〜
0.23％程度の機械構造用炭素鋼S20C（JIS）から成る金
属部材としてのカラー３とが、本発明方法に従うプロジ
ェクション溶接により結合される。

金属板材１には透孔４が穿設される。またナット２は、
金属板材１に直交する方向に延びながら基本的に筒状に
形成されるものであり、その軸方向一端には、金属板材
１に対向すべく半径方向外方に張出した鍔部６が一体に
設けられる。しかも該鍔部６の軸方向他端側に臨む面は
軸方向他端側に向かうにつれて小径となるテーパ状に形
成されている。またナット２には、前記透孔４の孔径に
略対応する内径の大径孔部7aと、大径孔部7aに段部7cを
介して同軸に連なる小径孔部7bとが鍔部６側から順に同
軸に連なって成る孔７が穿設されており、小径部7bに雌
ねじが刻設される。

第２図において、ナット２の金属板材１に対向する対向
面には、その外周縁で金属板材１側に向けて環状突起８
が突設されるとともに、該環状突起８内側に隣接する環
状溝９と、さらにその環状溝９の内側に隣接する平坦な
環状のストッパ面５とが形成される。しかも前記環状突
起８は、その横断面形状が先端に向かうにつれて狭小と
なる三角形となるように形成されるものであり、環状突
起８の角度αは、プロジェクション溶接時の発熱効果を
良好とするために、80〜110度に設定される。

カラー３は、透孔４にほぼ対応する内径の孔3aを有して
金属板材１に直交する方向に延びながら基本的に円筒状
に形成されるものであり、その軸方向一端で金属板材１
に対向する対向面には、その外周縁で金属板材１側に向
けて横断面三角形状の環状突起11が突設されるととも
に、該環状突起11の内側に隣接する環状溝12と、さらに
その環状溝12の内側に隣接する平坦な環状のストッパ面
10とが形成される。而して前記環状突起11は前記環状突
起８と先端直径を同一とした同一形状を有するように形
成される。

第３図および第４図はプロジェクション溶接装置を示す
ものであり、このプロジェクション溶接装置は、固定の
下部電極13と、昇降可能な位置決めピン14と、昇降可能
な上部電極15と、位置決めピストン14に連結される昇降
用空気圧シリンダ16と、上部電極15に連結される加圧用
空気圧シリンダ17とを備える。

プロジェクション溶接装置は、上下に長い固定の枠体18
を備えるものであり、該枠体18の下部には支持ブロック
19が固設される。而して支持ブロック19の下端部に固定
されたブラケット20上に、ピストンロッド16aを上方位
置として上下に延びる軸線を有しながら昇降用空気圧シ
リンダ16が固定的に配設される。

一方、前記ピストンロッド16aに平行にして上下に延び
る軸線を有する昇降ロッド21が、上下に間隔をあけた位
置で支持ブロック19に設けられたガイド部材22,23に移
動自在に挿通さており、ピストンロッド16aと昇降ロッ
ド21とは連結部材24を介して連結される。したがって昇
降用空気圧シリンダ16の伸縮作動に応じて昇降ロッド21
が昇降作動することになる。

支持ブロック19の上部には電極ホルダ25が固定的に配設
されており、該電極ホルダ25に下部電極13が固定的に支
持される。而して下部電極13は昇降ロッド21を挿通可能
な円筒状に形成されるものであり、下部電極13の上端面
はカラー３を載せるに充分な面積を有するように形成さ
れる。

昇降ロッド21の上端には位置決めピン14が設けられる。
この位置決めピン14は、ナット２の内面形状にほぼ対応
した外面形状を有するように形成されており、ナット２
およびカラー３が位置決めピン14を介して電気的に導通
することを避けるために、位置決めピン14の外表面に
は、セラミックス等の非導電材料から成る被膜が形成さ
れる。

ところで、位置決めピン14は、第１図で示すようにカラ
ー３の上部およびナット２に嵌合した上方位置と、少な
くとも上端を金属板材１の上面よりも下方にした下方位
置との間で昇降するものであり、昇降ロッド21すなわち
ピストンロッド16aの上昇端を規制するために、ピスト
ンロッド16aの上端部にはナット26が軸方向に進退自在
に螺合されており、該ナット26に当接可能なストッパ27
がガイド部材23に固定される。

電極ホルダ25には冷却水通路28が設けられており、該冷
却水通路28は図示しない冷却水源に接続される。

枠体18の上部には、加圧用空気圧シリンダ17がそのピス
トンロッド17aを下方位置として上下に延びる軸線を有
しながら固定的に配設される。このピストンロッド17a
には導電性金属から成る昇降体29が連結され、該昇降体
29に固定された電極ホルダ30に上部電極15が固定的に支
持される。而して上部電極15は、下部電極13の軸線と同
軸の有底円筒部15aを下端に有して電極ホルダ30に固定
的に支持されるものであり、有底円筒部15aの開口端面
は、ナット２における鍔部６の環状突起８とは反対側の
面に当接する。しかも鍔部６の環状突起８とは反対側の
面がテーパ状であることに対応して有底円筒部15aの開
口端縁もテーパ状に形成されている。また上部電極15の
上端部には冷却水通路の一部となる凹所31が設けられ
る。しかも電極ホルダ30内には凹所31内に突入するパイ
プ32が配設されており、該パイプ32は図示しない冷却水
源に接続される。而して冷却水はパイプ32内から凹所31
内に導入されるとともにパイプ32および電極ホルダ30間
の環状通路33を経て導出されることになる。

枠体18の上下方向中間部に固設された受け部材34と昇降
体29との間には、複数枚の導電性板材を積層して無端状
に形成して成る導電部材35が介装されており、この導電
部材35が上下に撓むことにより昇降作動にかかわらず上
部電極15に常時通電可能となる。

また加圧用空気圧シリンダ17のシリンダ本体37にピスト
ンロッド17aと平行なガイドロッド36が挿通されてお
り、このガイドロッド36は昇降体29に連結される。この
ガイドロッド36により、昇降体29すなわち上部電極15が
ピストンロッド17aの軸線まわりに回動することが防止
される。

第５図は加圧用空気圧シリンダ17に空気圧を供給するた
めの空気圧回路を示すものであり、加圧用空気圧シリン
ダ17はタンデム型に形成されている。すなわち加圧用空
気圧シリンダ17のシリンダ本体37には隔壁38により上下
２つのシリンダ孔が隔設されており、それらのシリンダ
孔にピストン39,40が摺動可能に嵌合され、隔壁38を気
密にかつ移動自在に貫通するピストンロッド17aに各ピ
ストン39,40が共通に固定される。而してシリンダ本体3
7内には、上方のピストン39の上面を臨ませる上部ピス
トン側空気圧室41、該ピストン39の下面を臨ませる上部
ロッド側空気圧室42、下方のピストン40の上面を臨ませ
る下部ピストン側空気圧室43、ピストン40の下面を臨ま
せる下部ロッド側空気圧室44が画成されることになる。

上部ロッド側空気圧室41には、上部ピストン側空気圧室
41側に向けての加圧空気の流通のみを許容する一方向弁
45および可変絞り46から成る並列回路を備える管路47が
接続され、上部ロッド側空気圧室42にはサイレンサ48が
接続され、下部ピストン側空気圧室43には管路49が接続
され、下部ロッド側空気圧室44には、下部ロッド側空気
圧室44側に向けての加圧空気の流通のみを許容する一方
向弁50および可変絞り51から成る並列回路を備える管路
52が接続される。

一方、加圧空気源53には開閉弁54およびフィルタ55が順
に接続されており、該フィルタ55には、レギュレータ弁
56を備える管路57と、レギュレータ弁58を備える管路59
とが並列に接続される。而してレギュレータ弁56,58の
設定圧力は相互に異なるものであり、レギュレータ弁58
の設定圧力の方がレギュレータ弁56の設定圧力よりも小
さく設定される。

管路57,59と、管路60との間には、第５図で示すように
管路59を管路60に連通させる位置と、管路57を管路60に
連通させる位置とを切換可能な切換制御弁61が介設され
る。また管路47,52と、前記管路60およびサイレンサ62,
63との間には、管路60を管路52に連通させるとともに管
路47をサイレンサ63に連通させる位置と、管路60を管路
47に連通させるとともに管路52をサイレンサ62に連通さ
せる位置とを切換可能な切換制御弁64が介設される。さ
らに管路60およびサイレンサ65と、管路49との間には、
管路49をサイレンサ65に連通させる位置と、管路49,60
間を連通させる位置とを切換可能な切換制御弁66が介設
される。

かかる空気圧回路において、加圧用空気圧シリンダ17を
収縮作動させる際には、切換制御弁61,64,66の切換位置
を第５図で示すようにする。そうすると、加圧空気源53
からの加圧空気がレギュレータ弁58、切換制御弁61,64
および一方向弁50を経て下部ロッド側空気圧室44に供給
され、ピストン39,40が上動してピストンロッド17aが収
縮作動することになる。この際、上部ピストン側空気圧
室41からの空気は可変絞り46および切換制御弁64を経て
サイレンサ63から逃がされ、上部ロッド側空気圧室42に
はサイレンサ48を経て空気が導入され、下部ピストン側
空気圧室43からの空気は切換制御弁66を経てサイレンサ
65から逃がされる。

加圧用空気圧シリンダ17を伸長作動させる際には、先ず
レギュレータ弁58が管路60に連通するように切換制御弁
60の位置を切換える。次いで、切換制御弁64の位置を切
換えて、管路60を管路47に連通させるとともに管路52を
サイレンサ62に連通させる。そうすると、レギュレータ
弁58で調圧された加圧空気は、一方向弁45を経て上部ピ
ストン側空気圧室41に導入され、ピストン39,40が下動
してピストンロッド17aが伸長作動する。この際、上部
ロッド側空気圧室42からの空気はサイレンサ48から逃が
され、下部ロッド側空気圧室44からの空気は可変絞り51
および切換制御弁64を経てサイレンサ62から逃がされ、
下部ピストン側空気圧室43には、サイレンサ65および切
換制御弁66を経て空気が導入される。

上述のように切換制御弁64を切換えた後、一定時間が経
過したときには切換制御弁66が、管路60を管路49に連通
させる位置に切換られる。それにより下部ピストン側空
気圧室43にレギュレータ弁58で調圧された加圧空気が導
入されることになり、ピストンロッド17aの押圧力が一
段と高められることになる。

すなわち上述の空気圧回路によると、加圧用空気圧シリ
ンダの伸長時の押圧力は、第６図で示すようになり、第
１加圧力P₁まで加圧力が急激に増大した後、第１加圧力
P₁が一定時間持続し、次いで第２加圧力P₂まで加圧力が
急激に増大する。而して第１加圧力P₁への急激な増大
時、ならびに第２加圧力P₂への急激な増大時には、空気
圧シリンダの特性により加圧力のジャンプが生じるが、
可変絞り51を介して空気を逃がすことにより、前記ジャ
ンプを抑えることができる。

次に金属板材１の両面にナット２およびカラー３を溶接
結合するための手順について説明すると、先ず加圧用空
気シリンダ17を収縮作動させて上部電極15を上昇させて
おくとともに昇降用シリンダ16を収縮作動させて位置決
めピン14を下方位置に降下させておき、下部電13上にカ
ラー３を位置決め支持する。すなわち鉛直姿勢にある下
部電極13の上端面に、接合面10を上方位置としてカラー
３を同軸に載置する。

次いで透孔４がカラー３と同軸になるようにして金属板
材１をカラー43に配置し、昇降用シリンダ16により位置
決めピン14を上昇させる。この際、カラー３の上端の環
状突起11が金属板１の下面に当接した状態となってお
り、位置決めピン14は透孔４を貫通して金属板材１の上
方位置に突出している。

この状態で、環状突起８を下端位置とした姿勢のナット
２を、その大径孔部7aおよび小径孔部7bに位置決めピン
14を嵌挿するようにして金属板材１上に載置する。これ
によりナット２は、カラー３とほぼ同軸上に配置される
ことになり、環状突起８はカラー３の環状突起11に対し
て相互間に金属板材１を挟んだ状態でほぼ対向するよう
になる。

その後、加圧用空気圧シリンダ17を伸長作動させ、ナッ
ト２にその上方から上部電極15の有底円筒部15aを嵌合
する。この際、前記有底円筒部15aの開口端面はテーパ
状であり、ナット２における鍔部６の前記開口端面に対
向する面もテーパ状であるので、ナット２の軸線は上部
電極15の軸線に正確に一致せしめられる。したがって下
部電極13および上部電極15の軸線を同一に配置しておく
ことにより、カラー３およびナット２の軸線が正確に一
致せしめられ、それにより環状突起8,11も正確に対向配
置されることになる。この際、加圧用空気圧シリンダ17
による加圧力は第１加圧力P₁であり、この第１加圧力P₁
では、カーボン含有量が多いことにより金属板材１より
も高硬度である環状突起8,11が金属板材１に食込むこと
を回避しながら両環状突起8,11を金属板材１の両面に対
向接触させた状態となっている。

次いでナット２およびカラー３を第１加圧力P₁よりも大
きな第２加圧力P₂で金属板材１側に押圧するとともに、
その第２加圧力P₂による押圧状態で、第６図で示すよう
に、下部電極13および上部電極15間に溶接電流を通電す
る。それにより環状突起8,11および金属板材１間の抵抗
によるプロジェクション溶接が行なわれ、環状突起8,11
は、ストッパ面5,10が相互に当接するまで溶融して潰れ
ていき、第７図で示すように、ナット２およびカラー３
が金属板材１の表裏両面に同軸に溶接結合されることに
なる。

この際、環状突起8,11が正確に対向していることにより
溶接電流は金属板材１を最短距離で流れ、効率のよい溶
接が可能となる。またナット２を軸方向にのみ押圧して
おくと、前記溶着時にナット２の下端部は拡径しそうに
なるが、上部電極15はテーパ面を介してナット２の鍔部
６を押圧するので、ナット２の下端には半径方向内方に
向けての力が作用し、溶接時にナット２の下端が拡径し
てしまうことが回避される。

しかも上記プロジェクション溶接時に、ナット２および
カラー３の金属板材１への押圧力は、第６図で示すよう
に２段階に制御されるものであり、金属板材１への食込
みを回避し得る程度の第１加圧力P₁の加圧により両環状
突起8,11を金属板材１の両面に押付けて金属板材１およ
び環状突起8,11の接触面積を比較的小さい状態にしてお
き、次いで第２加圧力P₂押圧しながら溶接電流を通電す
るようにしたので、抵抗値を比較的大きい状態にしたま
まで通電して発熱効果を大きくし、溶着効果を高めて溶
接強度を向上することができる。

また環状突起8,11は両金属部材2,3の金属板材１への対
向面の外周縁に設けられるものであり、金属板材１に対
してナット２における鍔部６の少なくとも最外周が全周
にわたって確実に溶着され、金属板材１に対してカラー
３の端面の少なくとも最外周が全周にわたって確実に溶
着されることになる。したがって、ナット２およびカラ
ー３の軸線まわりのトルクに対する強度、ならびに金属
板材１に対するナット２およびカラー３の倒れに対する
強度が向上するとともに、水の浸入により錆の発生原因
となる微小間隙が金属板材１およびナット２の溶着部の
外方、ならびに金属板材１に対するカラー３の溶着部の
外方に生じることが防止される。

さらにナット２およびカラー３が金属板材１よりも厚肉
であっても各環状突起8,11の内側に隣接して環状溝9,12
が形成されているので、環状突起8,11で生じた熱が環状
溝9,12より内方の厚肉部側に流れることが極力抑えら
れ、環状突起8,11の溶融による溶着を確実にすることが
できる。

しかも環状突起8,11をナット２およびカラー３の金属板
材１への対向面の外周縁に設けたことにより、ナット２
およびカラー３の金属板材１への溶着位置Ｍ（第７図参
照）は、透孔４から比較的離れた位置となるが、環状溝
9,12に対応する部分よりも内方側における透孔４の周囲
の部分1a（第７図参照）で金属板材１はストッパ面5,10
間に挟圧されることになるので、金属板材１の透孔４の
周囲の部分1aが溶接熱により歪むことが防止される。

C.発明の効果 以上のように本発明方法によれば、金属板材を挟んで同
径の環状突起を対向させて両金属部材間に溶接電流を流
すことにより、溶接電流が最短距離で流れることにな
り、溶接効率を向上させながら２つの金属部材をプロジ
ェクション溶接により金属板材に同時に溶接結合するこ
とができ、溶接作業能率が向上する。

また環状突起は両金属部材の金属板材への対向面の外周
縁に突設されるので、両金属部材は金属板材への対向面
の少なくとも外周縁で金属板材に溶接結合されることに
なり、各金属部材の軸線まわりのトルクや倒れに対する
強度を向上することができるとともに、錆の発生原因と
なる水の浸入を許容する間隙が両金属部材および金属板
材の溶着部よりも外方に形成されることはない。

さらに環状突起の内側に隣接して環状溝をそれぞれ配設
することにより、両金属部材が金属板材よりも厚肉であ
っても各環状突起で生じた熱が環状突起以外の厚肉部に
流れることを極力抑え、環状突起の溶融による溶着を確
実にすることができる。

しかも金属板材の透孔から比較的離れた位置で両金属部
材が金属板材に溶着されるにもかかわらず、透孔の周囲
で金属板材を両金属部材のストッパ両間で挟圧すること
により、透孔の周囲で金属板材が溶接熱により歪を生じ
ることを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すものであり、第１図はプ
ロジェクション溶接実行時のプロジェクション溶接装置
の要部縦断面図、第２図は第１図のII部拡大図、第３図
はプロジェクション溶接装置の縦断正面図であって第４
図のIII−III線断面図、第４図は第３図のIV−IV線断面
図、第５図は空気圧回路図、第６図はプロジェクション
溶接時の加圧力および溶接電流制御特性図、第７図は溶
接結合完了後の縦断面図である。 １……金属板材、２……金属部材としてのナット、３…
…金属部材としてのカラー、3a,7……孔、5,10……スト
ッパ面、8,11……環状突起、9,12……環状溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透孔（４）を有する金属板材（１）の両面
   に、該金属板材（１）よりも厚肉であって前記透孔
   （４）にほぼ対応する孔（7,3a）を有する２つの金属部
   材（2,3）を結合するための、金属板材を挟んだ二金属
   部材の溶接結合方法において、両金属部材（2,3）の金
   属板材（１）への対向面の外周縁に環状突起（8,11）を
   同径にそれぞれ突設するとともに、環状突起（8,11）の
   内側に隣接する環状溝（9,12）と、環状溝（9,12）のさ
   らに内側に隣接する平坦なストッパ面（5,10）とを前記
   対向面にそれぞれ形成しておき、両金属部材（2,3）
   を、それらのストッパ面（5,10）が金属板材（１）に当
   接するまで金属板材（１）に向けて押圧しながら両金属
   部材（2,3）間に溶接電流を通電することを特徴とする
   金属板材を挟んだ二金属部材の溶接結合方法。