(57)【要約】【課題】プロジェクション溶接による接合強度を従来法よりも向上させることが可能な溶接構造物の製造方法、及び銅系ワークを提供すること。【解決手段】鉄系ワーク及び銅系ワークがプロジェクション溶接法によって接合されてなる溶接構造物を製造する方法であって、銅系ワークの接合面には凸部が設けられ、凸部の周囲には環状凹部が設けられる。凸部は円錐台状に形成され、上底の面積は下底の面積の０．３倍−０．７倍とされ、円錐台における母線と下底のなす角度は４５度−７０度とされる。【選択図】図１
2018202422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄又は鉄合金によって形成される鉄系ワークと銅又は銅合金によって形成される銅系ワークとを重ね合わせて、前記鉄系ワーク側の接合面とされる第一面と前記銅系ワーク側の接合面とされる第二面とを接触させ、前記鉄系ワークに第一電極を接触させるとともに前記銅系ワークに第二電極を接触させて、前記第一電極と前記第二電極との間に前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークを挟み込んで圧力を加えるとともに前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークに通電することにより、前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークがプロジェクション溶接法によって接合されてなる溶接構造物を製造する方法であって、
前記銅系ワークの前記第二面には、前記第二面に対して直交する方向へ突出する凸部が設けられ、
前記第二面における前記凸部の周囲には、前記第二面に直交する方向から見て環状に形成された環状凹部が設けられ、
前記凸部は、前記凸部の突出方向先端面が上底で、前記第二面と一致する高さ位置における断面が前記上底よりも大径の下底となる円錐台状に形成され、
前記上底の面積は、前記下底の面積の０．３倍−０．７倍とされ、
前記円錐台における母線と前記下底のなす角度は、４５度−７０度とされる
溶接構造物の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接構造物の製造方法であって、
前記凸部は、前記下底における直径が１．０ｍｍ−３．０ｍｍとされ、前記第二面からの突出高さが０．３ｍｍ−０．５ｍｍとされ、
前記環状凹部は、前記第二面からの深さが０．３ｍｍ−０．６ｍｍとされる
溶接構造物の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の溶接構造物の製造方法であって、
前記環状凹部の容積は、前記凸部の体積の１．１倍−１．５倍とされる
溶接構造物の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の溶接構造物の製造方法であって、
前記環状凹部の外周側にある内壁面と前記第二面とが交差する位置にある角部には、当該角部を斜めに削り落とした形状のＣ面が設けられる
溶接構造物の製造方法。
【請求項５】
銅又は銅合金によって形成される銅系ワークであって、
前記銅系ワークは、鉄又は鉄合金によって形成される鉄系ワークと前記銅系ワークとを重ね合わせて、前記鉄系ワーク側の接合面とされる第一面と前記銅系ワーク側の接合面とされる第二面とを接触させ、前記鉄系ワークに第一電極を接触させるとともに前記銅系ワークに第二電極を接触させて、前記第一電極と前記第二電極との間に前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークを挟み込んで圧力を加えるとともに前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークに通電することにより、前記鉄系ワーク及び前記銅系ワークがプロジェクション溶接法によって接合されてなる溶接構造物を製造する際に使用される部材であり、
前記銅系ワークの前記第二面には、前記第二面に対して直交する方向へ突出する凸部が設けられ、
前記第二面における前記凸部の周囲には、前記第二面に直交する方向から見て環状に形成された環状凹部が設けられ、
前記凸部は、前記凸部の突出方向先端面が上底で、前記第二面と一致する高さ位置における断面が前記上底よりも大径の下底となる円錐台状に形成され、
前記上底の面積は、前記下底の面積の０．３倍−０．７倍とされ、
前記円錐台における母線と前記下底のなす角度は、４５度−７０度とされる
銅系ワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、溶接構造物の製造方法、及び銅系ワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
高導電性被接合物（例えば銅。）と他の被接合物（例えば鉄。）を、プロジェクション溶接によって接合する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の技術の場合、接合箇所には環状の凸部が設けられている。また、高導電性被接合物（例えば銅。）同士を、プロジェクション溶接によって接合する技術においては、環状の凸部の周囲に環状の凹部を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３７０４７号公報
【特許文献２】特開２００８−２００７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、鉄又は鉄合金によって形成される鉄系ワークと、銅又は銅合金によって形成される銅系ワークとを、プロジェクション溶接によって接合する場合、上記従来技術では十分な接合強度を確保できないことがあった。特に、接合箇所を引き離す方向へ力を作用させた際、鉄と銅との界面において鉄と銅とが分離しやすく、この点で改善の余地があった。
【０００５】
本開示の一局面においては、プロジェクション溶接による接合強度を従来法よりも向上させることが可能な溶接構造物の製造方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様は、鉄又は鉄合金によって形成される鉄系ワークと銅又は銅合金によって形成される銅系ワークとを重ね合わせて、鉄系ワーク側の接合面とされる第一面と銅系ワーク側の接合面とされる第二面とを接触させ、鉄系ワークに第一電極を接触させるとともに銅系ワークに第二電極を接触させて、第一電極と第二電極との間に鉄系ワーク及び銅系ワークを挟み込んで圧力を加えるとともに鉄系ワーク及び銅系ワークに通電することにより、鉄系ワーク及び銅系ワークがプロジェクション溶接法によって接合されてなる溶接構造物を製造する方法であって、銅系ワークの第二面には、第二面に対して直交する方向へ突出する凸部が設けられ、第二面における凸部の周囲には、第二面に直交する方向から見て環状に形成された環状凹部が設けられ、凸部は、凸部の突出方向先端面が上底で、第二面と一致する高さ位置における断面が上底よりも大径の下底となる円錐台状に形成され、上底の面積は、下底の面積の０．３倍−０．７倍とされ、円錐台における母線と下底のなす角度は、４５度−７０度とされる。
【０００７】
このように構成された溶接構造物の製造方法によれば、上述した通りの条件が設定された状態でプロジェクション溶接が実施される。これにより、溶接構造物の接合強度を従来法よりも向上させることができる。接合強度が向上することは、本件発明者が実験的に確認した事実であって、現時点では接合強度が向上する理由を明確に解明するには至っていない。ただし、接合箇所の状態を観察した結果に基づいて推測すれば、例えば、以下のような仕組みで接合強度が向上している可能性がある。
【０００８】
上述のような形状の凸部及び凹部を設けてプロジェクション溶接を実施した場合、溶接を開始した段階では、先に鉄系ワークの内部で発熱する。ただし、鉄系ワークの温度が上昇する過程で、鉄系ワークに当接している銅系ワークの凸部が先に可塑化され、銅系材料が当接箇所から外周方向へと流れ出る。その後、発熱が続くうちに鉄系ワークも軟化温度に到達する。
【０００９】
このとき、銅系ワークの凸部はまだ残っているため、可塑化された銅系材料が引き続き外周方向へと流れる。また、可塑化された鉄系材料も、銅系材料が外周方向へと流れるのに引きずられるかたちで、銅系ワークに設けられている環状凹部へ銅系材料と一緒に流れ込む。その結果、環状凹部内では、鉄系材料が銅系ワークの凸部を鉄が包み込むような形になり、その状態を維持したまま冷えて固まることで、銅系ワークと鉄系ワークとが接合される。
【００１０】
このような状態で両ワークが接合されると、接合箇所を引き離す方向へ力を作用させた際にも、鉄と銅との噛み合いが生じているため、両者の界面において鉄と銅が分離するのを抑制する。その結果、接合箇所を引き離す方向へ力を作用させても、銅系ワークと鉄系ワークはいずれか一方の破断を伴うかたちでしか分離しなくなる。すなわち、銅系ワークと鉄系ワークとの接合強度を、いずれか一方の破断を伴うかたちでしか分離しなくなる程度まで向上させることができる。
【００１１】
円錐台状に形成される凸部は、上底の面積を下底の面積の０．３倍以上とすることにより、拡散接合を実施するのに必要な電流を適正に流すことができ、所期の接合強度を確保することができる。また、上底の面積を下底の面積の０．７倍以下とすることにより、可塑化された銅系材料が外周方向へと流れる作用を促すことができ、鉄系材料が筒状になって所期の接合強度を確保することができる。
【００１２】
上底と下底との面積比を上述の通りに設定しながら、更に円錐台における母線と下底のなす角度を４５度以上にすることにより、円錐台状に形成される部分の突出高さを適正に確保することができる。また、円錐台における母線と下底のなす角度を７０度以下とすることにより、可塑化された銅系材料が外周方向へと流れる作用を促すことができ、鉄系材料が筒状になって所期の接合強度を確保することができる。
【００１３】
また、本開示の別の一態様は、銅又は銅合金によって形成される銅系ワークであって、銅系ワークは、鉄又は鉄合金によって形成される鉄系ワークと銅系ワークとを重ね合わせて、鉄系ワーク側の接合面とされる第一面と銅系ワーク側の接合面とされる第二面とを接触させ、鉄系ワークに第一電極を接触させるとともに銅系ワークに第二電極を接触させて、第一電極と第二電極との間に鉄系ワーク及び銅系ワークを挟み込んで圧力を加えるとともに鉄系ワーク及び銅系ワークに通電することにより、鉄系ワーク及び銅系ワークがプロジェクション溶接法によって接合されてなる溶接構造物を製造する際に使用される部材であり、銅系ワークの第二面には、第二面に対して直交する方向へ突出する凸部が設けられ、第二面における凸部の周囲には、第二面に直交する方向から見て環状に形成された環状凹部が設けられ、凸部は、凸部の突出方向先端面が上底で、第二面と一致する高さ位置における断面が上底よりも大径の下底となる円錐台状に形成され、上底の面積は、下底の面積の０．３倍−０．７倍とされ、円錐台における母線と下底のなす角度は、４５度−７０度とされる。
【００１４】
このように構成された銅系ワークによれば、上述した溶接構造物の製造方法で使用可能な銅系ワークとなる。したがって、このような銅系ワークを使用し、上述した製造方法によって所期の溶接構造物を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１Ａは第一実施形態の銅系ワークの斜視図である。図１Ｂは第一実施形態の銅系ワークの平面図である。図１Ｃは第一実施形態の銅系ワークのＩＣ−ＩＣ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、上述の溶接構造物の製造方法、及び銅系ワークについて、例示的な実施形態を挙げて説明する。
（１）第一実施形態
図１Ａから図１Ｃまでの各図に示すように、銅系ワーク１（材質：Ｃ１１００（タフピッチ銅）、厚さ１ｍｍ。）の接合面３に、凸部１１と環状凹部１３を形成した。凸部１１は、円錐台状に形成され、接合面３と同じ高さ位置における断面である下底の直径Ｒ１が１．５ｍｍとされている。また、凸部１１の突出高さＨ１は０．３ｍｍとされ、円錐台の母線と下底とがなす角度θは４５度とされている。したがって、凸部１１の突出方向先端面となる上底の直径Ｒ２は０．９ｍｍとなり、上底の面積Ｓ２は、下底の面積Ｓ１の０．３６倍（すなわち、Ｓ２／Ｓ１＝０．３６。）となっている。また、凸部１１の体積Ｖ１は、０．３５ｍｍ3となる。
【００１７】
環状凹部１３は、凸部１１の外周に沿って設けられている。環状凹部１３は、深さＤ１が０．３ｍｍとされ、溝の幅（すなわち、環状凹部１３の内周と外周との間の距離。）が０．３ｍｍとされている。そのため、環状凹部１３の内径は凸部１１の下底の直径Ｒ１に一致し（すなわち、本実施形態では１．５ｍｍ。）、環状凹部１３の外径Ｒ３は２．１ｍｍとなる。また、環状凹部１３の内面において、底面と外周壁面との境界となる箇所、及び底面と内周壁面との境界となる箇所には、曲率半径０．１ｍｍのＲ面が設けられている。環状凹部１３の容積Ｖ２は、０．４８ｍｍ3となっており、凸部の体積Ｖ１の１．３７倍（すなわち、Ｖ２／Ｖ１＝１．３７。）となっている。
【００１８】
以上のような銅系ワーク１と鉄系ワーク（材質：Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）＋Ｓｎめっき（厚さ５μｍ））とを重ね合わせて、プロジェクション溶接を行った。溶接条件は、電流１４ｋＡ、加圧力４００Ｎ、通電時間４０ｍｓ（昇電時間２０ｍｓ）とした。第一電極（鉄系ワーク側、固定側）としては、クロム銅電極（直径８ｍｍ）を利用し、第二電極（銅系ワーク１側、追従側）としては、タングステン電極（直径６ｍｍ）を利用した。
【００１９】
次に、溶接構造物の接合強度を評価した。接合強度を測定するために、縦７０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ２ｍｍの銅系ワークと、縦７０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ３ｍｍの鉄系ワークを準備した。銅系ワークは、長手方向の一端から縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの範囲において、それぞれの凸部を設ける位置を避けながら、当該表面から厚さ方向へ１ｍｍ削ることにより、接合面３を設けた。鉄系ワークに対しては追加加工を行わず、長手方向の一端から縦２０ｍｍ×横２０ｍｍの範囲を接合面とした。
【００２０】
銅系ワークに設けられた接合面３と鉄系ワークとに設けられた接合面を向かい合わせるようにして、銅系ワークの長手方向の一端と鉄系ワークの長手方向の一端とを重ねることにより、両ワークの接合面同士を接触させた。銅系ワークの長手方向の他端と鉄系ワークの長手方向の他端については、それぞれの一端から他端へと向かう方向が互いに逆方向となるように配置することにより、銅系ワークの長手方向の他端と鉄系ワークの長手方向の他端との間の中間位置において、銅系ワークの長手方向の一端と鉄系ワークの長手方向の一端が重なるようにした。この状態で銅系ワークと鉄系ワークとを接合して、縦１２０ｍｍ×横２０ｍｍの接合済み試験片を作成した。
【００２１】
接合済み試験片の長手方向の両端を引張圧縮試験機のチャックで挟み、その両端の間の距離が拡がる方向（接合箇所に対してせん断力が作用する方向。）に力を加えて接合箇所が破断するまでの力を測定し、引張強度とした。なお、この測定におけるクロスヘッドスピードは１ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００２２】
その結果、引張強度は２３４７Ｎであった。硬鋼の単位面積あたりの引張強度（５２０Ｎ／ｍｍ2）と接合箇所の断面積（３．４６ｍｍ2）とから算出された接合箇所の計算強度は１４４０Ｎであった。これに対して測定値は計算強度の１６３％であったことから、本発明品は計算強度より強い接合になっていることが確認できた。
【００２３】
（２）他の実施形態
凸部１１及び環状凹部１３の形状及び寸法を下記表１に示すように変更し、第一実施形態と同様の手法で溶接構造物の接合強度を評価した。評価結果を表１中に併記する。
【００２４】
【表１】
2018202422.tif 000003
【００２５】
表１中には、上述の第一実施形態で示した例（表１中の試料１。）についても併記する。試料１，２，３，４，５は、いずれも十分に高い接合強度を示した例である。これら試料１−５の場合、凸部１１は、上底の面積Ｓ２が下底の面積Ｓ１の０．３倍以上かつ０．７倍以内の範囲内に設定され、かつ、側面の角度θ（円錐台状側面の母線と下底のなす角度θ。）が、４５度以上かつ７０度以内の範囲内に設定されている。
【００２６】
一方、試料６，７，８，９，１０は、いずれも接合強度が十分に高い値にならなかった例である。試料６，７の場合、凸部１１の側面の角度θは４５度未満の値となっており、試料８，９の場合、凸部１１の側面の角度θは７０度を超過する値となっている。また、試料９，１０の場合、凸部１１は、上底の面積Ｓ２が下底の面積Ｓ１の０．７倍を超過する値となっている。
【００２７】
また、試料１−５においては、凸部１１の下底の直径Ｒ１が１．０ｍｍ以上かつ３．０ｍｍ以下の範囲内に設定され、凸部１１の突出高さＨ１が０．３ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下の範囲内に設定され、環状凹部１３の深さＤ１が０．３ｍｍ以上かつ０．６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、試料１−５においては、環状凹部１３の容積Ｖ２が、凸部１１の体積Ｖ１の１．１倍以上かつ１．５倍以下の範囲内に設定されている。
【００２８】
したがって、凸部１１や環状凹部１３の形状及び寸法を、試料１−５と同様な形状とすることにより、溶接構造物の接合強度を向上させることができるものと考えられる。
以上、溶接構造物の製造方法、及び銅系ワークについて、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。
【００２９】
（３）補足
なお、以上説明した例示的な実施形態から明らかなように、本開示の溶接構造物の製造方法、及び銅系ワークは、更に以下に挙げるような構成を備えていてもよい。
【００３０】
まず、本開示の溶接構造物の製造方法において、凸部は、下底における直径が１．０ｍｍ−３．０ｍｍとされ、第二面からの突出高さが０．３ｍｍ−０．５ｍｍとされ、環状凹部は、第二面からの深さが０．３ｍｍ−０．６ｍｍとされてもよい。
【００３１】
また、本開示の溶接構造物の製造方法において、環状凹部の容積は、凸部の体積の１．１倍−１．５倍とされてもよい。このように構成された溶接構造物の製造方法によれば、環状凹部の容積が凸部の体積の１．１倍以上とされているので、可塑化された銅系材料を適正に凹部へ収容することができる。また、環状凹部の容積が凸部の体積の１．５倍以下とされているので、環状凹部に入り込んだ鉄系材料が筒状になるのを促すことができるとともに、その鉄系材料の周囲では銅系材料によって鉄系材料を保持することができ、接合強度が高くなる。
【００３２】
また、本開示の溶接構造物の製造方法において、第一電極は、少なくとも鉄系ワークとの接触箇所がクロム銅によって構成されており、軸方向に直交する断面の面積が、円錐台の下底の面積の４倍−５．３倍とされ、第二電極は、少なくとも銅系ワークとの接触箇所がタングステンによって構成されており、軸方向に直交する断面の面積が、円錐台の下底の面積の３．３倍−４倍とされ、第一電極及び第二電極は、第二電極の軸方向に直交する断面の面積が、第一電極の軸方向に直交する断面の面積の０．７倍−１倍とされてもよい。
【００３３】
このように構成された溶接構造物の製造方法によれば、第一電極と第二電極との間に温度差を生じさせることができ、銅系ワークから第二電極へと移動する熱の量を減らすことができる。また、第二電極の軸方向に直交する断面の面積を、第一電極の軸方向に直交する断面の面積の０．７倍以上とすることにより、銅系ワークと電極がくっついてしまうのを抑制することができる。
【００３４】
また、本開示の溶接構造物の製造方法において、環状凹部の外周側にある内壁面と第二面とが交差する位置にある角部には、当該角部を斜めに削り落とした形状のＣ面が設けられてもよい。このように構成された溶接構造物の製造方法によれば、上述のようなＣ面を設けることにより、Ｃ面が設けられていない場合に比べ、可塑化された銅系材料が環状凹部へ流れ込みやすくなる。
【符号の説明】
【００３５】
１…銅系ワーク、３…接合面、１１…凸部、１３…環状凹部。
【図１】
2018202422.tif 000004