(57)【要約】【課題】  被溶接物としてめっき鋼板を用いてスタッド溶接を行う場合、めっき鋼板の表面に形成されている無機系皮膜または有機系樹脂皮膜が通電を阻害するため、スタッド溶接が行えなかったり、溶接できても安定した接合強度が得られないことがあった。【解決手段】  鋼板とスタッドを溶接するスタッド溶接方法であって、無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を表面に有する鋼板とスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２以上の面圧で接触させつつ１００〜２００Ｖの電圧を印加して通電させ接合することを特徴とする鋼板のスタッド溶接を行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板とスタッドを溶接するスタッド溶接方法であって、
無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を表面に有する鋼板とスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２以上の面圧で接触させつつ１００〜２００Ｖの電圧を印加して通電させ接合することを特徴とする鋼板のスタッド溶接方法。
【請求項２】
前記鋼板は、炭素鋼からなる基材の上に少なくともＺｎを含有するめっき層を配し、さらに前記スタッドと接触する表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有することを特徴とする、
請求項１に記載の鋼板のスタッド溶接方法。
【請求項３】
鋼板とスタッドが溶接された接合体であって、
鋼板は炭素鋼からなる基材の上に少なくともＺｎを含有するめっき層を配し、さらに前記スタッドと接触する表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有することを特徴とする、
鋼板とスタッドが溶接された接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサースタッド溶接により鋼板とスタッドを接合するスタッド溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサースタッド溶接は、コンデンサーに蓄えられた電気を極めて短時間（約１０ｍｓｅｃ）のうちに放電して被溶接物と溶接物（スタッド）との間にアークを発生させたのち圧着することにより瞬時に両者を接合する方法であり、自動車、船舶、電機機器等の分野で広く利用されている。この場合、被溶接物を陽極としスタッドを陰極とする方法、または、その逆に被溶接物を陰極としスタッドを陽極とする方法のいずれもが用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、コンデンサースタッド溶接方法において、被溶接物を陰極とし、溶接物を陽極とする電源配置をとり、かつアーク発生時間を０．１〜２．５ｍｓｅｃとし、溶込み深さを被溶接物板厚の１％以上２５％以下とするスタッド溶接方法が開示されている。このスタッド溶接方法によれば、溶接継手強度を確保するだけでなく、被溶接物への熱影響を軽減して熱変形を抑制することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２０５２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋼板を被溶接物としてスタッド溶接するのであれば、被溶接物とスタッドの間に電圧を印加することによりアークを発生させることができる。しかし、被溶接物としてめっき鋼板を用いたい場合は、単にめっき鋼板の被溶接物とスタッドの間に電圧を印加しただけではアークが発生しないことがある。
【０００６】
これは、めっき鋼板の表面に、耐食性や耐カジリ性を向上させることを目的とした無機系皮膜または有機系樹脂皮膜が形成されており、それらの皮膜が絶縁性である場合に、めっき鋼板とスタッドの間に電圧を印加してもその絶縁性皮膜が通電を阻害するためにスタッド溶接が行えなかったり、溶接できても安定した接合強度が得られないことがあった。
【０００７】
そこで、このような問題点を回避するため、めっき鋼板に対して接合強度が求められるスタッド溶接を行おうとする場合は、あらかじめ研削や切削等によりめっき層を除去する前処理を行ってめっき鋼板の基材が露出した部位を作り、その部位にスタッド溶接を行わざるを得なかった。そして、スタッド溶接後には、塗装等の補修作業を行わなければならず、多工程、高コストの原因となっていた。
【０００８】
そこで本発明は、めっき鋼板に対しコンデンサースタッド溶接を行う場合に、あらかじめめっき層を除去する前処理を行わなくてもスタッド溶接を行うことが可能になる、省工程、低コストのスタッド溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、鋼板が無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を表面に有する鋼板であっても、その鋼板と接触させるスタッドの端面に突起を設けるとともに、その突起を介して鋼板とスタッドを接触させるときの面圧と、アークを発生させるために印加する電圧の組み合わせることによりスタッド溶接を行うことが可能であり、安定した接合強度も得られることを見出して本発明を完成した。具体的には次のとおりである。
【００１０】
［１］無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を表面に有する鋼板とスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２以上の面圧で接触させつつ１００〜２００Ｖの電圧を印加して通電させ接合することを特徴とする鋼板のスタッド溶接方法。
［２］前記鋼板は、炭素鋼からなる基材の上に少なくともＺｎを含有するめっき層を配し、さらに前記スタッドと接触する表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有することを特徴とする、［１］に記載の鋼板のスタッド溶接方法。
［３］鋼板とスタッドが溶接された接合体であって、鋼板は炭素鋼からなる基材の上に少なくともＺｎを含有するめっき層を配し、さらに前記スタッドと接触する表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有することを特徴とする、鋼板とスタッドが溶接された接合体。
【００１１】
以下、無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を「皮膜」と記載することがある。
無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を表面に有する鋼板とスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２以上の面圧で接触させることにより皮膜が厚み方向に圧縮されることによって、皮膜が絶縁性であっても、皮膜の厚みそのものが薄くなるか、または皮膜の絶縁性が低下するなどの理由により絶縁が破壊されやすくなると考えられる。
【００１２】
また、その状態で１００〜２００Ｖの電圧を印加することによって、絶縁が破壊されて通電が可能になり、アークによる発熱によって鋼板とスタッドの接合が行われると考えられる。すなわち、６０Ｎ／ｍｍ２以上の面圧で接触させた状態で１００〜２００Ｖの電圧を印加することが必要である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスタッド溶接方法を用いれば、表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有するめっき鋼板に対してもコンデンサースタッド溶接を行うことが可能になる。そのため、あらかじめめっき層を除去する前処理を行ったり、スタッド溶接後に塗装等の補修作業を行う必要がなくなるので、従来、多工程、高コストになりがちだっためっき鋼板に対するスタッド溶接を、より実用的に用いることができる、
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例に用いたスタッドの形状を示す図である。
【図２】実施例に示した接合部の破断形態を示す写真であって、ａ）スタッドが破断した例、ｂ）鋼板が破断した例、ｃ）ＣＤスタッド溶接部が破断した例である。
【図３】実施形態２における各種のスタッド溶接条件と接合良否の関係を示すグラフである。
【図４】実施形態３における各種のスタッド溶接条件と接合良否の関係を示すグラフである。
【図５】実施形態３における各種のスタッド溶接条件と接合良否の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のスタッド溶接方法には、表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有するめっき鋼板とスタッドを用いる。
鋼板は、スタッド溶接を行う部分にスタッドを立てて、スタッドを介して鋼板の板厚方向に所定の面圧を付与しつつ、スタッドの端面を鋼板の表面に接触させることができる程度に平板状の部分を有する素形材であればよい。鋼板の素材は特に限定されず、炭素鋼の冷延鋼板や熱延鋼板、ステンレス鋼板（オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系、フェライト・マルテンサイト二相系を含む）、あるいは、それらをプレス加工により成形して組み立てられた構造物や、溶接により組み立てられた形鋼等の構造部材や構造物であってもよい。または、鉄系材料から組み立てられた鋳造・鍛造物や、切削加工、粉末冶金などにより成形された金属素形材でもよい。
【００１６】
鋼板にめっきが施されている場合は、そのめっき鋼板の種類として、少なくともＺｎ（亜鉛）を含有するめっき鋼板である、亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき鋼板、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき鋼板、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板などを用いることができる。
【００１７】
めっき鋼板の表面に形成される無機系皮膜または有機系樹脂皮膜としては、次のような皮膜を用いることができる。
【００１８】
（無機系皮膜）  無機系皮膜は、バルブメタルの酸化物、バルブメタルの酸素酸塩、バルブメタルの水酸化物、バルブメタルのリン酸塩およびバルブメタルのフッ化物からなる群から選ばれる１種類または２種類以上の化合物（以下「バルブメタル化合物」ともいう）を含むものが好ましい。バルブメタルとは、その酸化物が高い絶縁抵抗を示す金属をいう。バルブメタルとしては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉおよびＡｌからなる群から選ばれる１種類または２種類以上の金属が挙げられる。バルブメタル化合物としては公知のものを用いてよい。
【００１９】
また、無機系皮膜は、バルブメタルの可溶性フッ化物を含んでいてもよく、さらに可溶性または難溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩を含んでいてもよい。可溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩に含まれる金属の例には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｍｎが含まれる。難溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩に含まれる金属の例には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎが含まれる。
【００２０】
（有機系樹脂皮膜）  有機系樹脂皮膜を構成する有機樹脂は、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、またはこれらの樹脂の組み合わせ、あるいはこれらの樹脂の共重合体または変性物などである。また、有機系樹脂皮膜にバルブメタル化合物を含ませる場合に、バルブメタル化合物を有機系樹脂皮膜中に分散させることができる。
【００２１】
有機系樹脂皮膜は、潤滑剤を含むものが好ましい。潤滑剤を含ませることで、耐カジリ性を向上させることができる。潤滑剤の種類は、特に限定されず、公知のものから選択すればよい。潤滑剤の例には、フッ素系やポリエチレン系、スチレン系などの有機ワックス、二硫化モリブデンやタルクなどの無機潤滑剤が含まれる。
【００２２】
有機系樹脂皮膜は、無機系皮膜と同様に、前述のバルブメタル化合物を含むものが好ましく、さらに可溶性または難溶性の金属リン酸塩または複合リン酸塩を含んでいてもよい。  たとえば、有機系樹脂皮膜は、柔軟性に優れるウレタン系樹脂を含むウレタン系樹脂皮膜である。
【００２３】
一方、スタッドは、略棒状の形状を有する金属部材であればよく、鉄製、アルミニウム製あるいはステンレス製が好ましい。また、スタッドの表面には必要に応じて銅めっき等のめっきを施してもよく、略棒状の部材の一部には必要に応じてネジ部を設けてもよい。
スタッドの鋼板と接触させる端面は、鋼板との接触面積が３ｍｍ２以下とする。略棒状の金属部材が３ｍｍ２を越える断面積を有する場合は、先端を加工して突起を設けるなどの方法により鋼板との接触面積が３ｍｍ２以下となるようにすればよい。
【００２４】
本発明のスタッド溶接方法に用いる溶接機は、市販されている一般的なコンデンサースタッド溶接機を用いることができる。ただし、スタッドの端面における鋼板との接触面積に応じて、接触面圧が６０Ｎ／ｍｍ２以上となるように押圧力を加えることができる必要がある。
【００２５】
また、本発明のスタッド溶接方法に用いる溶接機は、アーク放電前の充電電圧を１００〜２００Ｖに設定する。これは、通常の鋼板に対して金属部材のスタッドをスタッド溶接する場合は７０〜８０Ｖ程度の充電電圧であればよいところ、表面に絶縁性の皮膜（無機系皮膜または有機系樹脂皮膜）を有するめっき鋼板にスタッドを溶接する場合は、皮膜の絶縁を破壊して通電させるため、アーク放電前の充電電圧として１００〜２００Ｖが必要であることによる。
【実施例】
【００２６】
（実施形態１  スタッド端面と鋼板の接触面圧の検討）
（スタッド）
図１（Ａ）に、実施形態１の検討に用いたスタッド１の形状を示す。スタッド１の外径ｄ１は約６ｍｍ、長さｈ１は２０ｍｍ、材質はＳＵＳ３０４である。そして、このスタッドに機械加工を行って、スタッドと鋼板が接触する端面に突起部２を設けた。このとき、突起部２の先端の断面積は次の３通りである。
０．３１ｍｍ２、０．６１ｍｍ２、０．９０ｍｍ２
【００２７】
（めっき鋼板）
本実施例では、鋼板として、次の２種類のめっき鋼板を用いた。板厚はいずれも２．３ｍｍ、めっき付着量は片面９０ｇ／ｍ２である。
１）溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３３２３）
２）高耐食黒色めっき鋼板
【００２８】
また、１）の溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板には、バルブメタルの酸化物及びフッ化物が共存し、さらにリン酸を含有する無機系皮膜を形成した。バルブメタルの付着量は６０ｍｇ／ｍ２であった。一方、２）の高耐食黒色めっき鋼板には、ウレタン系樹脂、バルブメタルの酸化物と有機リン酸を含有する有機系樹脂皮膜を形成した。この皮膜の厚みは断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ約３μｍであった。これらのバルブメタルは、酸化物が高い絶縁抵抗を示す。
【００２９】
（溶接機、電源配置）
コンデンサースタッド溶接機として、日本ドライブイット株式会社製のＣＤスタッド溶接機、ＪＤＩ−８０を用いた。また、本実施例（実施形態１〜実施形態３）では、スタッドを陽極に、そして、めっき鋼板を陰極とした。
【００３０】
（接合体の製造）
鋼板として１）のめっき鋼板を選び、突起部２の先端の断面積が先述の３通りのスタッドのうちいずれかを用い、また、スタッドを鋼板に接触させる荷重を次の６通りのうちいずれかを用いてＣＤスタッド溶接を行ってスタッドと鋼板の接合体を得た。充電電圧は１３０Ｖとした。
３９Ｎ、４９Ｎ、５９Ｎ、６９Ｎ、７８Ｎ、９８Ｎ
【００３１】
（接合良否の判定方法）
得られた接合体に対して、鋼板からスタッド１を引き抜く形態の引張試験を行い、引張荷重を計測しながら接合体を破断させ、破断したときの引張荷重を最大引張荷重として記録するとともに、破断の形態によって接合の良否を判定した。図２に、引張試験によって破断した接合体の破断形態の一例を示す。ａ）はスタッドが破断した場合、ｂ）は鋼板が破断した場合、そしてｃ）はスタッドと鋼板の境界において破断した場合である。これらのうち、ＣＤスタッド溶接部の破断である、スタッドと鋼板の境界において破断したｃ）の場合に、「接合不良」と判断した。ａ）とｂ）の場合はＣＤスタッド溶接部の破断ではないことから、「接合良好」と判定した。
【００３２】
表１に、実施形態１により得られた接合体について引張試験を行った結果を示す。「接合良好」と判断された接合体は「○」、「接合不良」と判断された接合体は「×」と表記している。
【００３３】
【表１】
2019171464.tif 000002
【００３４】
表１の結果から、スタッドと、表面に皮膜を有する鋼板との間の接触面に対して６０Ｎ／ｍｍ２よりも大きい面圧をかければ通電させることが可能であり、接合良好と判断できる接合体が得られることが分かった。
【００３５】
（実施形態２）
（充電電圧の検討）
図１（Ｂ）は、実施形態２の検討において用いたスタッドの外形を示す模式図である。スタッドとして、ＳＵＳ３０４を素材とするＭ６おすネジスタッド（ネジ部長さｈ１：２０ｍｍ）を用いた。炭素鋼を素材としたＭ６おすネジスタッドのネジ部の外周面には、導電性の確保のため、事前に銅めっきを施したものを用いた。
また、この実施形態２においては、スタッドと鋼板を接触させる突起部２の先端の断面積が０．９０ｍｍ２となるスタッドを用いた。
【００３６】
このスタッドを用いて、鋼板１に対し、荷重は５９Ｎに固定し、ＣＤスタッド溶接機の充電電圧を次の６通りに変化させてＣＤスタッド溶接を行って、スタッドと鋼板の接合体を得た。なお、この場合の接触面圧は６５Ｎ／ｍｍ２となる。
４０Ｖ、６０Ｖ、８０Ｖ、１００Ｖ、１３０Ｖ、１６０Ｖ
ＣＤスタット溶接後の接合体を目視観察したところ、どの充電電圧によりＣＤスタッド溶接を行った接合体であっても、スタッドと鋼板は接合されていた。
【００３７】
得られた接合体について、実施形態１と同様に引張試験を行って接合良否を判定した。図４に引張試験の結果を示す。４０Ｖ〜８０Ｖの充電電圧でＣＤスタッド溶接を行った接合体は、スタッドと鋼板の境界において破断したｃ）の形態を示しており「接合不良」であった。１００Ｖ以上の充電電圧によりＣＤスタッド溶接を行った接合体は、スタッドが破断したａ）の形態を示しており「接合良好」であった。
すなわち、鋼板の表面に対してスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２の面圧で接触させつつ１００〜１６０Ｖの電圧を印加して通電させることにより、表面に皮膜を有するめっき鋼板に対してもＣＤスタッド溶接を行うことが可能であった。
【００３８】
（実施形態３）
（接合良否に及ぼす接触面圧の検討）
実施形態３では、鋼板として１）と２）のめっき鋼板に対して、ＣＤスタッド溶接機の充電電圧を１００Ｖとするとともに、鋼板とスタッドの端面を接触させる面圧を次のように種々に変えてＣＤスタッド溶接を行い、スタッドと鋼板の接合体を得た。スタッドは鉄製のスタッドに銅めっきを施したものを用いた。
【００３９】
スタッドの突起部２の面積は、次の４通りの中から選んだ。
０．３１ｍｍ２、０．６１ｍｍ２、０．９０ｍｍ２、１．３５ｍｍ２
また、鋼板とスタッドの突起部２の先端を接触させる荷重は、次の６通りの中から選んだ。
３９Ｎ、４９Ｎ、５９Ｎ、７８Ｎ、８８Ｎ、９８Ｎ
【００４０】
上記の突起部２の面積と、荷重の組み合わせにより、鋼板とスタッドの端面を接触させる面圧は次の８通りによりＣＤスタッド溶接を行った。
３６Ｎ／ｍｍ２、  ４４Ｎ／ｍｍ２、  ６５Ｎ／ｍｍ２、  ９７Ｎ／ｍｍ２、
１９０Ｎ／ｍｍ２、２５２Ｎ／ｍｍ２、２８３Ｎ／ｍｍ２、３１５Ｎ／ｍｍ２
【００４１】
得られた接合体について、実施形態１と同様に引張試験を行って接合良否を判定した。図５に鋼板として１）のめっき鋼板を用いた場合、また、図６に鋼板として２）のめっき鋼板を用いた場合の引張試験の結果を示す。いずれの鋼板を用いた場合も、６５Ｎ／ｍｍ２未満の接触面圧においてＣＤスタッド溶接を行った接合体は、スタッドと鋼板の境界において破断したｃ）の形態を示しており「接合不良」であったが、６５Ｎ／ｍｍ２以上の接触面圧においてＣＤスタッド溶接を行った接合体は、スタッドが破断したａ）の形態を示しており「接合良好」であった。
【００４２】
すなわち、めっき鋼板の種類によらず、鋼板とスタッドの端面を６０Ｎ／ｍｍ２以上の接触面圧で接触させつつ１００Ｖの電圧を印加して通電させることにより、表面に皮膜を有するめっき鋼板に対してもＣＤスタッド溶接を行うことが可能であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のスタッド溶接方法を用いれば、表面に無機系皮膜または有機系樹脂皮膜を有するめっき鋼板に対してもコンデンサースタッド溶接を行うことが可能になる。そのため、あらかじめめっき層を除去する前処理を行ったり、スタッド溶接後に塗装等の補修作業を行う必要がなくなるので、従来、多工程、高コストになりがちだっためっき鋼板に対するスタッド溶接を、より実用的に用いることができる、
【符号の説明】
【００４４】
１  スタッド
２  突起部
【図１】
2019171464.tif 000003
【図２】
2019171464.tif 000004
【図３】
2019171464.tif 000005
【図４】
2019171464.tif 000006
【図５】
2019171464.tif 000007