(57)【要約】【課題】  内部まで浸炭処理されている高炭素―高クロム鋼材からなる第１の被溶接物と第２の被溶接物とを簡単に抵抗溶接でき、大きな溶接強度を得ること。【解決手段】  内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなる第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に加圧力をかけた状態で、第１、第２の被溶接物の間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を流す第１の接合工程と、第１のパルス状溶接電流からクーリング時間Ｔｃをおいて単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を流す第２の接合工程と、第２のパルス状溶接電流を通電した後に、第１、第２のパルス状溶接電流の通電時間よりも長い時間、第１、第２のパルス状溶接電流のピーク値よりも小さなピーク値の交流溶接電流ｉを通電する第３の接合工程を順次行う高炭素鋼の抵抗溶接方法。【選択図】  図１
2008080363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなる第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に加圧力をかけた状態で溶接電流を通電して、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物とを溶接する高炭素鋼の抵抗溶接方法において、
前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を流す第１の接合工程と、
前記第１のパルス状溶接電流からクーリング時間Ｔｃをおいて単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を流す第２の接合工程と、
前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後に、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１の通電時間、及び前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２の通電時間よりも長い時間、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１及び前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値よりも小さなピーク値の交流溶接電流ｉを通電する第３の接合工程を順次行うことを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値は、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値の８０〜１３０％であることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記第２の被溶接物は、前記第１の被溶接物よりも炭素含有率が低い低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼からなることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記第２の被溶接物は、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなり、
前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に、炭素含有率が低い低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼からなる金属部材を介在させる工程を前記第１の接合工程の前に備えることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法。
【請求項５】
交流電源と、エネルギー蓄積用コンデンサと、前記交流電源と前記エネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記エネルギー蓄積用コンデンサを充電する充電回路と、第１の１次巻線と第２の１次巻線及び２次巻線とを有する溶接用トランスと、前記エネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線を介して放電するための第１のスイッチ回路と、前記交流電源と前記第２の１次巻線との間に備えられた第２のスイッチ回路とを備えて、前記２次巻線から、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼である第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に溶接電流を流して抵抗溶接を行う高炭素鋼の抵抗溶接装置であって、
前記充電回路の充電動作によって前記エネルギー蓄積用コンデンサが第１の設定電圧値まで充電された後、前記第１のスイッチ回路はオンして前記第１の被溶接物と前記２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を通電した後にオフし、
次に、前記充電回路の充電動作によって前記エネルギー蓄積用コンデンサが第２の設定電圧値まで充電された後、前記第１のスイッチ回路は、クーリング時間の経過後に再びオンして前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後にオフし、
前記第２のスイッチ回路は、前記第１のスイッチ回路の第２回目のオフ後にオンして、前記交流電源からの交流電力を前記溶接用トランスを介して供給し、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に交流溶接電流ｉを通電することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１のスイッチ回路は、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１と前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２とが前記溶接用トランスの前記第１の１次巻線を互いに逆方向に流れるように極性変換する構成を有することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置。
【請求項７】
交流電源と、第１のエネルギー蓄積用コンデンサと、第２のエネルギー蓄積用コンデンサと、前記交流電源と前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサを充電する第１の充電回路と、前記交流電源と前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサを充電する第２の充電回路と、第１の１次巻線と第２の１次巻線及び２次巻線を有する溶接用トランスと、前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線を介して放電するための第１のスイッチ回路と、前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線又は別の第３の１次巻線を介して放電するための第３のスイッチ回路と、前記交流電源と前記第２の１次巻線との間に備えられた第２のスイッチ回路とを備えて、前記２次巻線から、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼である第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に溶接電流を流して抵抗溶接を行う高炭素鋼の抵抗溶接装置であって、
前記第１の充電回路の充電動作によって前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサが第１の設定電圧まで充電された後、前記第１のスイッチ回路はオンして前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷を放電することにより、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を通電した後にオフし、
前記第２の充電回路の充電動作によって前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサが第２の設定電圧まで充電された後、前記第３のスイッチ回路はクーリング時間の経過後にオンして前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷を放電することにより、前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後にオフし、
前記第２のスイッチ回路は、前記第３のスイッチ回路のオフ後にオンして、前記交流電源から前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に交流溶接電流ｉを通電することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサ及び第２のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷は、前記第１の１次巻線に逆極性で放電、又は逆極性で前記第１の１次巻線と前記第３の１次巻線にそれぞれ放電されることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炭素鋼、特に内部まで浸炭焼入れ処理がなされている高炭素―高クロム鋼材などの抵抗溶接に適した抵抗溶接方法及び抵抗溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサ式抵抗溶接は、エネルギー蓄積用コンデンサに蓄えた電気エネルギーを極く短い期間に被溶接物間に放出し、パルス状溶接電流として流すことにより良好な溶接結果が得られる溶接方法であることで広く知られている。このような溶接にあっては、交流電流を幾サイクルにもわたって流す交流溶接とは違って、通常、ごく短い時間に溶接部及びその周りの小さい領域だけが急激に加熱され、また自然状態で急冷される。このような急熱、急冷の場合、これら被溶接物が炭素の含有率が高い高炭素鋼、あるいは表面を浸炭処理した高炭素鋼などからなると、その溶接部の硬度が増大し、脆弱になって機械的強度が大幅に低下することが知られている。
【０００３】
したがって、従来では被溶接物間に加圧力を加えた状態で、パルス状溶接電流を被溶接物間に流した後に、数十サイクル、例えば２０〜３０サイクルにもわたって交流電流を流して後熱処理を行い、溶接部の焼き戻しを行ってその硬度を許容値以下まで戻して強度の低下を抑制することが開示されている。しかし、交流電流を流して後熱処理を行った場合には、発熱時間が長くなるために被溶接物の広い範囲で高温になり、このことが被溶接物の変色、熱歪み、溶接電極の損耗などを招来し、溶接品質を低下させていた。この問題点を解決する方法として、第１のパルス状溶接電流を流した後に、単一の第２のパルス状溶接用電流を流して焼き戻しを行って高い溶接品質が得られる高炭素鋼の抵抗溶接方法も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２６０７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前掲の特許文献１に開示されている抵抗溶接方法は、表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼と通常の鋼材である低炭素鋼などを抵抗溶接する場合には非常に有効であって、被溶接物の変色、熱歪みなどを生じることなく、高い溶接強度が得られる。しかしながら、例えば、ＪＩＳ規格でＳＵＪと呼ばれているような高炭素―高クロム鋼材は、内部まで浸炭焼入れ処理されているので、前掲の特許文献１に開示されている抵抗溶接方法をもってしても、高炭素―高クロム鋼材と低炭素鋼との溶接強度は、表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼の溶接時の溶接強度に比べて大幅に低下してしまうという問題がある。また、前述したような方法、例えば単一のパルス状溶接電流を被溶接物間に流した後に、数十サイクル、例えば２０〜３０サイクルにもわたって交流電流を通電する抵抗溶接方法によっても同様に溶接強度を向上させることができない。つまり、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼の抵抗溶接にあっては、外観の問題を別にしても、表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼の溶接時の溶接強度に到底達しなかった。
【０００５】
本発明は、レーザ溶接装置のような価格の高い溶接装置を用いずに、従来広く行われている抵抗溶接方法によって、内部まで浸炭処理されている高炭素鋼材からなる第１の被溶接物と低炭素鋼又は、表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼、あるいは内部まで浸炭処理されている高炭素鋼材からなる第２の被溶接物とを簡単に抵抗溶接することができ、しかも溶接強度を大幅に向上させることができる抵抗溶接方法及び抵抗溶接装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなる第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に加圧力をかけた状態で溶接電流を通電して、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物とを溶接する高炭素鋼の抵抗溶接方法において、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を流す第１の接合工程と、前記第１のパルス状溶接電流からクーリング時間Ｔｃをおいて単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を流す第２の接合工程と、前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後に、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１の通電時間、及び前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２の通電時間よりも長い時間、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１及び前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値よりも小さなピーク値の交流溶接電流ｉを通電する第３の接合工程を順次行うことを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法を提供する。
【０００７】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値は、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値の８０〜１３０％であることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法を提供する。
【０００８】
第３の発明は、前記第１の発明又は前記第２の発明において、前記第２の被溶接物は、前記第１の被溶接物よりも炭素含有率が低い低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼からなることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法を提供する。
【０００９】
第４の発明は、前記第１の発明ないし前記第３の発明のいずれかにおいて、前記第２の被溶接物は、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなり、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に、炭素含有率が低い低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼からなる金属部材を介在させる工程を前記第１の接合工程の前に備えることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接方法を提供する。
【００１０】
第５の発明は、交流電源と、エネルギー蓄積用コンデンサと、前記交流電源と前記エネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記エネルギー蓄積用コンデンサを充電する充電回路と、第１の１次巻線と第２の１次巻線及び２次巻線とを有する溶接用トランスと、前記エネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線を介して放電するための第１のスイッチ回路と、前記交流電源と前記第２の１次巻線との間に備えられた第２のスイッチ回路とを備えて、前記２次巻線から、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼である第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に溶接電流を流して抵抗溶接を行う高炭素鋼の抵抗溶接装置であって、前記充電回路の充電動作によって前記エネルギー蓄積用コンデンサが第１の設定電圧値まで充電された後、前記第１のスイッチ回路はオンして前記第１の被溶接物と前記２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を通電した後にオフし、次に、前記充電回路の充電動作によって前記エネルギー蓄積用コンデンサが第２の設定電圧値まで充電された後、前記第１のスイッチ回路は、クーリング時間の経過後に再びオンして前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後にオフし、前記第２のスイッチ回路は、前記第１のスイッチ回路の第２回目のオフ後にオンして、前記交流電源からの交流電力を前記溶接用トランスを介して供給し、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に交流溶接電流ｉを通電することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置を提供する。
【００１１】
第６の発明は、前記第５の発明において、前記第１のスイッチ回路は、前記第１のパルス状溶接電流Ｉ１と前記第２のパルス状溶接電流Ｉ２とが前記溶接用トランスの前記第１の１次巻線を互いに逆方向に流れるように極性変換する構成を有することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置を提供する。
【００１２】
第７の発明は、交流電源と、第１のエネルギー蓄積用コンデンサと、第２のエネルギー蓄積用コンデンサと、前記交流電源と前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサを充電する第１の充電回路と、前記交流電源と前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサとの間に接続されて前記交流電源からの電力によって前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサを充電する第２の充電回路と、第１の１次巻線と第２の１次巻線及び２次巻線を有する溶接用トランスと、前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線を介して放電するための第１のスイッチ回路と、前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサに蓄えられた電荷を前記第１の１次巻線又は別の第３の１次巻線を介して放電するための第３のスイッチ回路と、前記交流電源と前記第２の１次巻線との間に備えられた第２のスイッチ回路とを備えて、前記２次巻線から、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼である第１の被溶接物と、第２の被溶接物との間に溶接電流を流して抵抗溶接を行う高炭素鋼の抵抗溶接装置であって、前記第１の充電回路の充電動作によって前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサが第１の設定電圧まで充電された後、前記第１のスイッチ回路はオンして前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷を放電することにより、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物との間に単一の第１のパルス状溶接電流Ｉ１を通電した後にオフし、前記第２の充電回路の充電動作によって前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサが第２の設定電圧まで充電された後、前記第３のスイッチ回路はクーリング時間の経過後にオンして前記第２のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷を放電することにより、前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電した後にオフし、前記第２のスイッチ回路は、前記第３のスイッチ回路のオフ後にオンして、前記交流電源から前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に交流溶接電流ｉを通電することを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置を提供する。
【００１３】
第８の発明は、前記第７の発明において、前記第１のエネルギー蓄積用コンデンサ及び第２のエネルギー蓄積用コンデンサの蓄積電荷は、前記第１の１次巻線に逆極性で放電、又は逆極性で前記第１の１次巻線と前記第３の１次巻線にそれぞれ放電されることを特徴とする高炭素鋼の抵抗溶接装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
前記第１の発明によれば、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼を、特別な構造のプロジェクションを必要とすることなく、簡便な接合方法で溶接強度を向上させることができる。
【００１５】
前記第２の発明によれば、前記第１の発明により得られる効果の他に、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼をより安定にかつ大きな溶接強度で抵抗溶接することができる。
【００１６】
前記第３の発明によれば、前記第１の発明又は前記第２の発明により得られる効果の他に、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼と低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理された高炭素鋼とを大きな溶接強度で抵抗溶接できる。
【００１７】
前記第４の発明によれば、前記第１の発明又は前記第２の発明により得られる効果の他に、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼同士を抵抗溶接でき、所期の大きな溶接強度を得ることができる。
【００１８】
前記第５の発明によれば、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼を、特別な構造のプロジェクションを必要とすることなく、所期の大きな溶接強度を得ることができる簡単で比較的経済的な抵抗溶接装置を提供できる。
【００１９】
前記第６の発明によれば、前記第５の発明により得られる効果の他に、特別な手段を施すことなく溶接用トランスの磁心を偏励磁させないので、より経済性に優れた抵抗溶接装置を提供することができる。
【００２０】
前記第７の発明によれば、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼を、特別な構造のプロジェクションを必要とすることなく、短い溶接サイクルで、所期の大きな溶接強度を得ることができる抵抗溶接装置を提供できる。
【００２１】
前記第８の発明によれば、前記第７の発明により得られる効果の他に、溶接用トランスを偏励磁させないので、特別な偏励磁用抑制手段を施すことなく、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼を、安定に抵抗溶接できる抵抗溶接装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
[実施形態１]
図１ないし図４によって、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本発明にかかる高炭素鋼の抵抗溶接方法を説明するため図であり、溶接電流を示している。図２は本発明にかかる高炭素鋼の抵抗溶接方法を実現するための抵抗溶接装置の第１の実施形態を示す図である。図３は溶接電極と被溶接物とを示す図である。図４は放電電流の極性転換を行えるスイッチ回路の一例を示す図である。図２において、交流電源１は商用交流電源又は交流発電機であり、交流電源１には制御機能を有する整流回路からなる充電回路２が接続されている。充電回路２の出力には複数の電解コンデンサを直並列に接続してなるエネルギー蓄積用コンデンサ３が接続され、エネルギー蓄積用コンデンサ３は第１のスイッチ回路４を通して溶接用トランス５の第１の１次巻線５Ａに接続されている。第１のスイッチ回路４については詳細を示さないが、駆動信号でオンオフするサイリスタ又はＩＧＢＴ、あるいはトランジスタなどのような大電流用半導体スイッチとこれのオンオフ時間を予め決めたシーケンスに従って制御するコントローラなどからなる。
【００２３】
溶接用トランス５は第２の１次巻線５Ｂを有し、その第２の１次巻線５Ｂは第２のスイッチ回路６を通して交流電源１に接続されている。第２のスイッチ回路６は第１のスイッチ回路４と同様な構成のものであるが、オンオフする時間が第１のスイッチ回路４と異なり、そのオンオフ動作については後述する。溶接用トランス５は１次巻線５Ａ、５Ｂに比べて巻数が大幅に少ない１〜２ターン程度の巻数を有する２次巻線５Ｃを備える。２次巻線５Ｃには溶接電極７、８が接続されており、溶接時にはこれら溶接電極７と８との間に第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とが挟まれ、図示しない加圧機構が溶接電極７と８とを加圧することにより、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とが加圧される。その加圧機構は一般的なものを用いているので、図示するのを省略し、説明しないが、図１に示しているような加圧力Ｐを溶接電極７と８との間に印加できるようなものである。
【００２４】
ここで第１の被溶接物Ｗ１は、従来の抵抗溶接方法では所期の溶接強度を得ることができない高炭素―高クロム鋼材からなり、第２の被溶接物Ｗ２は通常の低炭素鋼からなる。ＪＩＳ規格でＳＵＪと称されている高炭素―高クロム鋼材からなる第１の被溶接物Ｗ１は、表面浸炭焼入れ処理が施された高炭素鋼に比べて少なくとも表面よりも内部まで浸炭焼入れ処理が行われたものである。高炭素―高クロム鋼材は、ラジアルベアリング又はスラストベアリングのような軸受などに用いられている材料で、硬度が高く、耐摩耗性が非常に大きい。なお、第１、第２のスイッチ回路４、６はそれぞれ大電力用半導体スイッチであって、これら大電力用半導体スイッチを予め決められたシーケンスでオンオフ制御する共通の制御回路を別に備えても良い。また、第１、第２のスイッチ回路４、６はインバータ回路であってもよい。
【００２５】
ここで本発明を説明する前に図３を用いて、溶接電極７と８及び第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２の具体例について述べる。図３（Ａ）において、第１の被溶接物Ｗ１は例えばＪＩＳ規格でＳＵＪと称されている高炭素―高クロム鋼材からなる丸棒であり、先端部分が断面で示されているように、その先端面には一般的なリングプロジェクションＡが形成されている。第２の被溶接物Ｗ２は、低炭素鋼又は表面が浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなる。図面で上側の溶接電極７は、詳細は示さないが、複数個、例えば縦方向に等しく３分割されている一般的な構造のものであり、それら３個の把持部７Ａ、７Ｂ（他の１個は陰になるために図示されていない。）が放射方向に動くことによって、３個の把持部の内面が縮径又は拡径し、第１の被溶接物Ｗ１を把持又は開放する。下部側の溶接電極８の上には第２の被溶接物Ｗ２が載置されており、溶接電極７がリングプロジェクションＡを下側にして第１の被溶接物Ｗ１を把持した状態で、溶接電極７が下降、又は溶接電極８が上昇し、第１の被溶接物Ｗ１のリングプロジェクションＡが第２の被溶接物Ｗ２の上面に当接する。そして、図示しない加圧機構が動作して溶接電極７と溶接電極８との間に、図１に示すような加圧力Ｐを加える。なお、プロジェクションはリングプロジェクションに制限されることなく、他の一般的なプロジェクションでも勿論よい。
【００２６】
図３（Ｂ）に示す第１の被溶接物Ｗ１は、先端が球状面Ｂなっている前述の高炭素―高クロム鋼からなる丸棒であり、その球状面Ｂの先端が第２の被溶接物Ｗ２の上面に当接している。この第１の被溶接物Ｗ１の場合には球状面Ｂの先端がプロジェクションの役割を果たしている。溶接電極７は図３（Ａ）に示したものと同様な構造である。第２の被溶接物Ｗ２は低炭素鋼などの金属材料からなる丸棒であり、その上端面の中央面域は少なくとも平坦であり、その平坦な面に第１の被溶接物Ｗ１の球状面Ｂが当接される。下側の溶接電極８も溶接電極７と同様な構造であり、例えば縦方向に等しく３分割されている３個の把持部８Ａ、８Ｂ（他の１個は陰になるために図示されていない。）からなる。溶接電極８も溶接電極７と同様に、縮径と拡径との拡縮動作を行うことにより、第２の被溶接物Ｗ２の把持、開放を行う。なお、第１の被溶接物Ｗ１がボールベアリングのボールなどの玉球であっても、同様な形態で抵抗溶接することができる。図示しないが、この場合には、一例として溶接電極７はその玉球の上半分を収容できる半球状凹所を備えており、玉球を吸着保持できる吸引口又は磁石をその半球状凹所に有する。又は、下側の溶接電極８が前述の半球状凹所を有し、下側の溶接電極８に玉球を保持させても良い。
【００２７】
また、本発明の抵抗溶接方法によれば、第１の被溶接物Ｗ１が高炭素―高クロム鋼材などからなる内部まで深く浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなる他の形状の高炭素鋼材であっても、第１の被溶接物Ｗ１又は第２の被溶接物Ｗ２の溶接箇所に一般的なプロジェクションが形成されていれば、従来の抵抗溶接方法に比べて大幅に高い溶接強度を得ることができる。ただし、第１の被溶接物Ｗ１に比べて第２の被溶接物Ｗ２の硬度がかなり低い金属材料からなる場合には、前述の高炭素鋼材からなる第１の被溶接物Ｗ１にプロジェクションが形成されているのが好ましい。この場合には、抵抗溶接時にそのプロジェクションが第２の被溶接物Ｗ２に食い込み易いので、逆の場合に比べて大きな溶接強度が得られる。
【００２８】
次に溶接動作について説明しながら、本発明に係る抵抗溶接方法について説明する。先ず、充電回路２は交流電源１からの交流電力を整流して直流電力に変換し、エネルギー蓄積用コンデンサ３を第１の設定電圧まで充電する。この第１の設定電圧は、例えば４００〜４５０Ｖである。充電回路２は、予め決められた時間だけオンする構成、あるいは図示しない電圧検出器がエネルギー蓄積用コンデンサ３の充電電圧が第１の設定電圧に達したことを検出するときオフする構成のいずれであっても良い。エネルギー蓄積用コンデンサ３の充電電圧が第１の設定電圧値に達するときに、第１のスイッチ回路４がオンし、エネルギー蓄積用コンデンサ３の充電電荷を放電して溶接用トランス４の第１の１次巻線５Ａにパルス状溶接電流を流す。この溶接電流は図１に示す電流Ｉ１であり、例えば数万から数十万アンペアの電流ピーク値を有し、パルス幅は１０〜１００ミリ秒である。このパルス状溶接電流Ｉ１は、図１に示すように、溶接電極間の加圧力Ｐがほぼ直線的に増大している過程で通電され、第１の接合工程が行われる。なお、充電回路２の動作によってエネルギー蓄積用コンデンサ３の充電電圧の値を制御することにより、第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値と後述する第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値とを調整することができる。
【００２９】
この第１の接合工程では、ごく短時間に大電流を被溶接物に流して第１回目の接合を行うので、他の抵抗溶接方法と同様に接合時に一緒に焼き入れが行われてしまうが、交流抵抗溶接に比べて溶接部とその周りの狭い範囲が高温になるだけであり、接合部において焼き入れされる範囲は大幅に狭いが、接合部は脆く、溶接強度は低い。ここで第１のスイッチ回路４は、予め決めたオン時間が経過した後にオフし、エネルギー蓄積用コンデンサ３の蓄積電荷の放電を止める。例えば、溶接電流Ｉ１が溶接にあまり寄与しないピーク値の数十％程度の電流値まで減少する時点で第１のスイッチ回路４がオフするようにオフ時間の設定がなされていれば、エネルギー蓄積用コンデンサ３にある程度の量の電荷が残留し、次の第２回目の接合工程の開始時刻を早めることが可能となる。ここで、第１のスイッチ回路４のオフの直後に充電回路２はオン動作を始めて、エネルギー蓄積用コンデンサ３の充電を開始する。
【００３０】
次に、第１のパルス状溶接電流Ｉ１の通電後、第１のクーリング時間Ｔｃ１の経過直後に、第２回目の接合工程を行う。第１のクーリング時間Ｔｃ１は、パルス状溶接電流Ｉ１の通電によって塑性流動化（軟化）した溶接部が凝固するまでに要する時間であり、第２回目の接合工程で接合効果を向上させるが、あまり焼入れ処理が行われないように第１のクーリング時間Ｔｃ１が必要とされる。しかし、第２のパルス状溶接電流Ｉ２をできるだけ小さくするためには、溶接部の硬化直後の方がその温度が十分に高いので最も有利であるので、第１のクーリング時間Ｔｃ１は必要最小限であることが好ましい。しかしながら、この実施形態１では第１のパルス状溶接電流Ｉ１を流した後、エネルギー蓄積用コンデンサ３を第２の設定電圧値まで充電しなければならないので、実施形態１ではエネルギー蓄積用コンデンサ３を第２の設定電圧値まで充電するのに要する時間が最小限でも必要であるので、第１のクーリング時間Ｔｃを前記最小限の時間よりは短くできない。
【００３１】
第１のスイッチ回路４がオフすると、充電回路２がオンし、エネルギー蓄積用コンデンサ３を充電し始める。そして、エネルギー蓄積用コンデンサ３がほぼ第２の設定電圧値まで充電され、第１のクーリング時間Ｔｃ１が経過すると、第１のスイッチ回路４がオンし、エネルギー蓄積用コンデンサ３の蓄積電荷を放電する。これにより単一の第２のパルス状溶接電流Ｉ２が、継続して加圧力Ｐが印加されている溶接電極７、８間に流れる。この単一のパルス状溶接電流Ｉ２はパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値の８０〜１３０％のピーク値を有し、パルス状溶接電流Ｉ１の波形と類似である。前述のように、溶接部の硬化直後から時間が経過するのに伴い第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値を大きくする必要があるという傾向はあるが、種々の実験の結果、第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値はパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値のほぼ８０％から１３０％の範囲が良いという結果が得られた。
【００３２】
パルス状溶接電流Ｉ２のピーク値がパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値のほぼ８０％よりも小さい場合には、後述する第３の接合工程を行っても、溶接強度の向上が十分でなくなる。この原因は、高炭素―高クロム鋼材からなる第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との接合部における焼き戻しが行われないことと、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との接合部における実質的な接合深さが微調整されないことにある。他方、第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値を第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値のほぼ１３０％よりも大きくなると、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との接合部における実質的な接合深さ向上し、接合面で双方の金属が互いになじむが、接合部に注入されるエネルギーが大きすぎるために焼入れが行われ、接合部の硬度が再び上昇して脆くなり、このことが総合的には溶接強度を低下させる原因になっている。
【００３３】
この点についてもう少し詳しく述べる。第１回目の接合工程を行う前と行った後とを比較すると、第１回目の接合工程を行う前は第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とが当接されているだけであるので接触抵抗があるが、第１回目の接合工程を行った後では接触抵抗がゼロである。したがって、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との接合部分の抵抗は材料の抵抗だけになるので、当然に第１回目の接合工程を行った後の方が抵抗は小さくなる。したがって、第２回目の接合工程で、第１のパルス状溶接電流Ｉ１と同じ大きさのピーク値を有する第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電しても、接合部における発熱は第１回目の接合工程のときよりも小さくなる。このことから、第２のパルス状溶接電流Ｉ２は第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値より大きくてもよいが、第２のパルス状溶接電流Ｉ２が大きすぎると、接合部に焼入れが行われる。したがって、その焼入れによる硬度の上昇の程度と第２のパルス状溶接電流Ｉ２の増大に伴う接合部の実質的な接合深さの微調整との兼ね合いで、総合的に溶接強度を低下させない第２のパルス状溶接電流Ｉ２の上限は、種々の実験結果から第１のパルス状溶接電流Ｉ１のピーク値のほぼ１３０％となる。
【００３４】
しかしながら、高炭素―高クロム鋼材のような内部まで浸炭処理されている高炭素鋼からなる第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との抵抗溶接にあっては、前述の第１、第２の溶接工程を行っても、同じ条件で表面が浸炭処理されている高炭素鋼と低炭素鋼とを抵抗溶接したときの溶接強度の半分強から２／３程度になるだけであり、期待する溶接強度を得ることができない。したがって、本発明では前述の第２の接合工程の後に、第２のクーリング時間Ｔｃ２を経て第３の接合工程を行う。前記第２の接合工程で第１のスイッチ回路４がオフし、第２のパルス状溶接電流Ｉ２の通電が終了した後、第２のクーリング時間Ｔｃ２が経つと、第２のスイッチ回路６がオンして第３の接合工程が行われる。第２のスイッチ回路６がオンすると、交流電源１から交流電流がスイッチ回路６を通して溶接用トランス５の第２の１次巻線５Ｂを通して流れ、第２の１次巻線５Ｂの巻数と２次巻線５Ｃの巻数との比率で決まる交流電流が第３の交流溶接電流ｉとして第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２とを通して流れる。
【００３５】
第３の交流溶接電流ｉの通電期間は、第１のパルス状溶接電流Ｉ１、第２のパルス状溶接電流Ｉ２それぞれの通電期間よりも大幅に長く、例えば商用周波数の１０〜３０サイクル、つまり２００〜６００ミリ秒である。また、第３の交流溶接電流ｉのピーク値は第１、第２のパルス状溶接電流Ｉ１、Ｉ２に比べて大幅に小さい。したがって、第１、第２の接合工程に比べて徐々に温度を上げて行くことになり、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２の広い範囲が高温になり、接合部分は十分に焼き戻しが行われ、外観上は質が低下するが、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との材料が互いに十分になじみあうので、接合部の溶接強度は大幅に向上する。第２回目の接合工程の後の溶接強度と第３回目の接合工程の後の溶接強度を比較すると、例えば溶接強度がほぼ１．９倍程度に増大し、表面が浸炭処理された高炭素鋼と低炭素鋼との溶接強度と同程度の所期の溶接強度が得られた。ここで、第２回目の接合工程を省略し、第１の接合工程の後で種々の長さのクーリング時間を設けて、種々の通電期間で交流電流を通電しても接合強度がほとんど向上しなかった。
【００３６】
なお、抵抗溶接方法としては第１のパルス状溶接電流Ｉ１と第２のパルス状溶接電流Ｉ２とが同極性又は異極性であっても同じ溶接結果が得られるので、抵抗溶接装置としては溶接用トランスの偏励磁の心配がない極性転換機能を有するものが好ましい。図４に示すスイッチ回路４は、前述したような制御型の半導体スイッチ素子４Ａ〜４Ｄからなる、極性転換機能を有する回路の一例である。図１に示したように、第１のパルス状溶接電流Ｉ１と第２のパルス状溶接電流Ｉ２とを溶接用トランス５の第１の１次巻線５Ａに同極性で流すと、溶接用トランス５の磁心が一方向に強く励磁されてしまうので偏励磁を起こし、溶接装置が正常に動作できなくなることがある。この溶接用トランス５の偏励磁現象を防止又は緩和するために、第１のパルス状溶接電流Ｉ１と第２のパルス状溶接電流Ｉ２とが第１の１次巻線５Ａを流れる方向を逆にすればよい。図４に示すスイッチ回路４では、例えば、第１の接合工程で半導体スイッチ素子４Ａと４Ｂとがオンし、第２の接合工程で半導体スイッチ素子４Ｃと４Ｄとを対でオンさせることにより、溶接用トランス５の第１の１次巻線５Ａに交互に逆方向のパルス状溶接電流Ｉ１、Ｉ２を流すことができる。このように１次巻線５Ａに極性の異なるパルス状溶接電流Ｉ１、Ｉ２を交互に流すことにより、第１、第２の接合工程毎に溶接用トランス５の磁心の磁束をほぼゼロ、あるいは固定値まで低減させることができるので、偏励磁現象を防止又は緩和するための特別なリセット回路が不要になる。なお、図４において、４Ｘは半導体スイッチ素子４Ａ〜４Ｄを前述のように予め決められたシーケンスで動作させるコントローラである。
【００３７】
[実施形態２]
実施形態１の抵抗溶接装置に比べて構成が複雑にはなるが、実施形態１に比べて図１に示した第１のクーリング時間Ｔｃ１をエネルギー蓄積用コンデンサの充電時間に影響されることなく必要最初限度まで短縮できる抵抗溶接回路の実施形態２について図１及び図５により説明する。図５において、図２で用いた記号と同じ記号は同一の名称の部材を示すものとする。抵抗溶接方法は実施形態１で述べた方法とほぼ同じであるので、詳しくは説明しない。実施形態２では、第１の充電回路２とは別に第２の充電回路１０、第２の充電回路１０の充電動作によって充電される第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１、第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１の充電電荷を放電する第３のスイッチ回路１２を別途備える。第１の充電回路２と第１のエネルギー蓄積用コンデンサ３と第１のスイッチ回路４とからなる第１の給電回路２０に対して、付加された第２の充電回路１０と第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１と第３のスイッチ回路１２とからなる第２の給電回路３０は並列配置になっている。
【００３８】
次に、実施形態２に係る抵抗溶接装置の動作説明を行う。第１の給電回路２０の動作は実施形態１とほぼ同様であるので詳しい説明は省略するが、第１のエネルギー蓄積用コンデンサ３に充電された電荷は第１のスイッチ回路４のオンにより、溶接用トランス５の第１の１次巻線５Ａに矢印方向ａ１に放出される。これによって、図１に示した第１のパルス状溶接電流Ｉ１が溶接電極７と第１、第２の被溶接物Ｗ１、Ｗ２と溶接電極８とを介して流れ、第１の接合工程が行われる。このとき、第２の給電回路３０にあっては、クーリング時間Ｔｃ１の経過前までに第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１が第２の設定電圧値になるように予め充電しておく。したがって、第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１は、第１のパルス状溶接電流Ｉ１の通電後、クーリング時間Ｔｃ１の経過前に必ず第２の設定電圧値まで充電されているので、クーリング時間Ｔｃ１が必要最小限に短くても、第３のスイッチ回路１２のオンにより、クーリング時間Ｔｃ１の経過直後に所定のピーク値の第２のパルス状溶接電流Ｉ２を第１、第２の被溶接物Ｗ１、Ｗ２に通電し、第２の接合工程を行うことができる。
【００３９】
この際、第３のスイッチ回路１２のオンによって、第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１の電荷は溶接用トランス５の第１の１次巻線５Ａを矢印ａ１とは逆の矢印ａ２方向に放出される。したがって、第１のパルス状溶接電流Ｉ１が正極性であるとすると、第２のパルス状溶接電流Ｉ２は負極性となるので、前述したように、第１、第２のパルス状溶接電流Ｉ１、Ｉ２によって溶接用トランス５の磁心が一方向のみに励磁されることがなく、溶接用トランス５が偏励磁されることがない。このため、第１のスイッチ回路４及び第３のスイッチ回路１２を図４に示したような極性転換機能を有する回路構成にする必要は無いので、半導体スイッチ素子の個数を少なくでき、また駆動シーケンスも簡便にでき、コストの低減と信頼性の向上を達成できる。
【００４０】
そして、第２のパルス状溶接電流Ｉ２の通電終了後、第２のクーリング時間Ｔｃ２の経過直後に第２のスイッチ回路６がオンし、所定時間、交流溶接電流ｉを溶接電極７と８との間の第１、第２の被溶接物Ｗ１、Ｗ２に通電し、第２の接合工程を行う。この抵抗溶接装置によっても、前述の高炭素鋼材からなる第１の被溶接物Ｗ１と低炭素鋼又は表面が浸炭処理された高炭素鋼からなる第２の被溶接物Ｗ２とを抵抗溶接することができ、実施形態１と同様に満足できる溶接強度を得ることができた。なお、この抵抗溶接装置では、第１のパルス状溶接電流Ｉ１を通電するための第１の給電回路２０、第２のパルス状溶接電流Ｉ２を通電するための第２の給電回路３０を別個に設けているので、第１のパルス状溶接電流Ｉ１と第２のパルス状溶接電流Ｉ２のピーク値及び蓄積エネルーを別々に任意に決めることができ、溶接工程のサイクルタイムを短くできるばかりでなく、より最適な抵抗溶接を行うことができ、より高い溶接強度を得ることができる。
【００４１】
なお、実施形態２では、溶接工程のサイクルタイムをより短くするために、第１の充電回路２は第１のスイッチ回路４のオフ直後にオン動作を開始できるように、また、第２の充電回路１０は第３のスイッチ回路１２のオフ直後にオン動作を開始できるように、シーケンスが組まれていることが望ましい。また、図示しないが、第１の１次巻線５Ａと逆極性に巻かれた第３の１次巻線を溶接用トランス５に設け、その第３の１次巻線に第２のエネルギー蓄積用コンデンサ１１の蓄積電荷を放出してもよい。また、以上の実施形態１、２ではスイッチ回路４と６、及びスイッチ回路１２が半導体スイッチ素子とこれらを駆動するコントローラとからなるものとして説明したが、スイッチ回路４と６、及びスイッチ回路１２をそれぞれ半導体スイッチ素子とスナバ回路などから構成し、これら半導体スイッチ素子をシーケンスに従って共通に、つまり総合的に制御する制御回路をスイッチ回路４と６、及びスイッチ回路１２とは別に備えても良い。
【００４２】
以上述べた実施形態１、２においては、第１の被溶接物Ｗ１は、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼材からなり、第２の被溶接物Ｗ２は低炭素鋼又は表面が浸炭処理された高炭素鋼からからなるものとして説明したが、第２の被溶接物Ｗ２が第１の被溶接物Ｗ１と同様な内部まで深く浸炭処理されている高炭素鋼材からなるものであってもよい。この場合には、前記第１の被溶接物と前記第２の被溶接物双方が、内部まで浸炭焼入れ処理されている高炭素鋼からなるので、第１の被溶接物Ｗ１と第２の被溶接物Ｗ２との間に低炭素鋼からなる金属部材を介在させ、第１、第２の被溶接物間に挟み、加圧力Ｐをかけた状態で、前記第１、第２、第３の接合工程を順次行うことによって、前述高炭素鋼材からなる第１の被溶接物と第２の被溶接物同士を所期の溶接強度で抵抗溶接することが可能になる。実施形態１、２では電極間の加圧力Ｐを継続して印加した状態で第１から第３の接合工程を行っているので、被溶接物が熱ひずみによる変形などを抑制することができ、また、塑性流動化した高炭素鋼材と塑性流動化した低炭素鋼とが接合部において互いによりなじむので、溶接強度がより大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る高炭素鋼の抵抗溶接方法を説明するための図である。
【図２】本発明に係る抵抗溶接方法を実現し得る抵抗溶接装置の実施形態１を示す図である。
【図３】本発明に係る高炭素鋼の抵抗溶接方法を実施するための溶接電極と被溶接物との一例を示す図である。
【図４】本発明に係る抵抗溶接装置に用いられるスイッチ回路の具体的な一例を示す図である。
【図５】本発明に係る抵抗溶接方法を実現し得る抵抗溶接装置の実施形態２を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・交流電源
２・・・第１の充電回路
３・・・第１のエネルギー蓄積用コンデンサ
４・・・第１のスイッチ回路
５・・・溶接用トランス
５Ａ、５Ｂ・・・溶接用トランス５の第１、第２の１次巻線
５Ｃ・・・溶接用トランス５の２次巻線
６・・・第２のスイッチ回路
７、８・・・溶接電極
１０・・・第２の充電回路
１１・・・第２のエネルギー蓄積用コンデンサ
１２・・・第２のスイッチ回路
２０・・・第１の給電回路
３０・・・第２の給電回路
Ｗ１、Ｗ２・・・第１、第２の被溶接物
Ｉ１・・・第１のパルス状溶接電流
Ｉ２・・・第２のパルス状溶接電流
ｉ・・・交流溶接電流
Ｔｃ１・・第１のクーリング時間
Ｔｃ２・・第２のクーリング時間
Ｐ・・・溶接電極間加圧力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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