(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接金属板と、スタッドと、前記スタッドの径よりも小さな径の穴を有するプラテンとを備え、プランジ工程における前記スタッドからの押圧力によって、前記穴に対向する前記被溶接金属板の裏面を前記穴側に凸状にすることを特徴とする金属板のスタッド溶接方法。
【請求項２】
被溶接金属板がアルミニウム、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属板のスタッド溶接方法。
【請求項３】
被溶接金属板が電子機器用の外殻筐体であることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の金属板のスタッド溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属板のスタッド溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体装置のような電子機器を収納する外殻筐体としては、熱可塑性樹脂を射出成形で製造したものが多く使用されている。
【０００３】
ところで最近の携帯型ノートパソコンのような電子機器においては、小型化・軽量化・薄型化が飛躍的に進んでおり、従来の成形樹脂筐体では対応できなくなってきている。このために樹脂と金属板とを一体成形する技術や、アルミニウム、マグネシウム合金等の金属を利用する技術が開発されている。これらは従来の樹脂筐体と比較すると、肉厚が薄くできる、軽量、放熱効果が大きい等の特徴を持っている。さらに、アルミニウム、マグネシウム合金等の金属を利用したものは材料のリサイクルが容易である利点があり、最近ではマグネシウム合金を利用した外殻筐体が増えている。
【０００４】
マグネシウム合金外殻筐体は従来の樹脂のように射出成形法で精密成形品を作ることができ、外殻筐体内面にリブやボスを設けることが容易である。このために、薄くても十分な強度を有し、回路基板、各種電子デバイスを取り付けるためのボスを備えた外殻筐体の設計が可能である。
【０００５】
マグネシウム合金素材とアルミニウム素材とを外殻筐体として比較すると、アルミニウム素材の大きな魅力として、素材表面の美しさが挙げられる。高級感を持たせるためステレオプレーヤや、ビデオ製品の多くが表面をヘアライン加工したアルミニウムの前面パネル面を持つ。これに対して、マグネシウム合金の成形面には、成形時の湯流れ跡、気泡等の不均一性に加え、表面を防錆処理する必要性がある。このため製品とするためには表面を塗装することが必要であった。最近の塗装技術の進歩により、かなり自由な色合い、触感を表現できるようになっているがアルミニウム素材の美しさにはおよばない。
【０００６】
これに対して、アルミニウム材料はマグネシウム合金よりコストが安く、リサイクルも容易である等の利点があるが、外殻筐体の製造法に課題があった。アルミニウム外殻筐体はダイキャスト法、押出し成形、板金プレス等によって製造することができる。しかし、ダイキャスト法では肉厚が１ｍｍ以下の精度の高い外殻筐体を製造することは難しく、押し出し成形では箱型の外殻筐体は製造できない。
【０００７】
従来のプレス技術を利用してアルミニウム外殻筐体を作るまでは比較的容易であるが、外殻筐体内面にリブや、ボスを取り付けることが非常に困難である。
【０００８】
例えば、アルミニウム外殻筐体内部にボスや、リブを取り付ける従来技術として、外殻筐体となるアルミニウム板にボスや、リブを設けた樹脂を一体成形して外殻筐体とする技術がある（例えば、特開平５−１１４６６４号公報、特開平９−４４２６９号公報参照）。しかしこれらは金属とアルミニウムとが一体となっているため、リサイクル対応が困難であり、また、樹脂とアルミニウムが二重構造となるため有効スペースが減じ、携帯型の小型・軽量・薄型の電子機器には対応できないものである。
【０００９】
また、ボスやリブをスポット溶接やスタッド溶接等の溶接方法によってアルミニウム外殻筐体に取り付けることは可能であるが、溶接時に溶接跡が残る問題がある。図６に、従来のスタッド溶接によってアルミニウム板にボスを溶接するとき発生する溶接跡について説明する。図６はスタッド溶接後の溶接部の断面図である。アルミニウム板１０１とボス１０２との溶接部は盛り上がった溶接跡１０３となる。アルミニウム板１０１の裏面には窪み状の溶接跡１０４が発生する。溶接跡１０３は熔融したアルミニウム板１０１にボス１０２を押し込むときに発生する盛り上がりであり、溶接跡１０４は熔融部のアルミニウムの熱収縮によって生じるものである。窪み１０４はアルミニウム板１０１の板厚の薄いものほど発生し易い。アルミニウム板１０１を外殻筐体とする場合、溶接跡１０３は外殻筐体内部となるので問題はないが、溶接跡１０４側は製品の外観面となるので溶接跡１０４を消す必要がある。溶接跡１０４は切削によって除去することはできるが、このためには外殻筐体外側全面を０．１５ｍｍから０．３ｍｍ全体的に削ることが必要であり、加工工数、およびアルミニウム材料の無駄であり、省資源・リサイクルの要請に逆行するものであった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のアルミニウム外殻筐体の製造問題点を解消することを目的とするものであり、リサイクル性・熱伝導性・コスト・軽さ等の機能に加え、素材自身の美しさを有するアルミニウム素材よりなる外殻筐体の提供を可能とするものである。本発明の溶接方法で作成したアルミニウム外殻筐体は、小型・軽量・薄型・リサイクル性が強く要求されている電子機器用のものとして最適である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム溶接方法は、アルミニウム板にボスやリブを溶接で取り付ける際に生じる裏面溶接跡をアルミニウム板より突出するように形成したものであり、溶接跡を切削して除去するための切削部分を最小限にすることができる。これにより、切削工数の低減とアルミニウム素材の無駄を少なくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、被溶接金属板と、スタッドと、前記スタッドの径よりも小さな径の穴を有するプラテンとを備え、プランジ工程における前記スタッドからの押圧力によって、前記穴に対向する前記被溶接金属板の裏面を前記穴側に凸状にすることを特徴とするものであり、裏面溶接跡を凸形状とすることができる。したがって、裏面溶接跡を部分的に切削すれば平坦な金属面を得ることができるので、裏面の平坦さが要求される場合に本発明の効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、被溶接金属板がアルミニウム、またはアルミニウム合金であることを特徴とするものであり、裏面溶接跡を部分的に切削すれば平坦裏面が得られ、さらにこの平坦面にヘアライン加工・アルマイト加工・染色加工等を施せば、反対面に溶接ボスを取り付けた、美しい化粧板が得られる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１、または請求項２の発明において、被溶接金属板が電子機器用の外殻筐体であることを特徴とするものであり、リサイクル性に優れ、小型・軽量・薄型で外観の美しい外殻筐体を提供することができる。
【００１５】
以下、図１〜図５を参照しながら本発明におけるアルミニウム溶接方法の実施の形態を説明する。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明によるアルミニウム溶接方法を説明する概略図である。図における溶接方法は、スタッド溶接方法と呼ばれるものである。図において、１はアルミニウム板、２はプラテン、３はプラテン２に設けた貫通穴、３ａは穴３の入り口に設けた糸面取り、４はスタッド、５はスタッド４を押圧するばね、６はコンデンサ、７はスイッチ、８はスタッド４とアルミニウム板１との間に電流を流すための結線である。
【００１７】
使用したアルミニウム板１は、ｔ＝０．８ｍｍのＡ５０５２Ｐ、スタッドはΦ＝４．０ｍｍ、高さ４．０ｍｍで、アルミニウム板１と同じ材質である。プラテン２は絶縁物で、アルミニウム板１の載置台として作用する。プラテン２にはΦ＝２．５ｍｍの貫通孔が開いている。スタッド４の先端にはチップ９、後端にはばね５が設けられ、上下方向に移動可能である。スタッド４とアルミニウム板１との間に電流を流すための結線８の途中にスイッチ７が設けられている。
【００１８】
溶接作業は、プラテン２の上にアルミニウム板１を置きコンデンサ６、スイッチ７を介してアルミニウム板１とスタッド４とを接続する。スタッド４を所定高さにセットした後、スイッチ７を接続するとコンデンサ６の負電荷がスタッド４に、コンデンサ６の正電荷がアルミニウム板１に流れ、スタッド４が押し下げられてチップ９とアルミニウム板１との間にパイロットアークが発生する。電流が強くなり、強力なアークがスタッド４の先端とアルミニウム板１の一部を溶かす。一定時間後スタッド４は、ばね５に押圧されて、アルミニウム板１に押し込まれる（プランジ）。押し込んだ直後に電流が遮断されると、熔融部の熱はアルミニウム板１、プラテン２等を介して放熱され熔融部が固化し溶接工程が完了する。
【００１９】
図２に溶接完了後の溶接部の断面図を示す。溶接による溶接跡は、表面にはプランジ工程で発生する盛り上がった表面溶接跡１０や、図には示していないスラッジと呼ばれる噴出固形物、高温でガス化した分解物のしみ等が観察されるが、裏面には穴３の中に突出した裏面溶接跡１１のみが観察されるだけである。表面側の溶接跡１０や、他のものはアルミニウム板１を外殻筐体として利用する場合には外殻筐体内部となり外からは見えないので、ワイヤブラシ等で清掃すればよい。
【００２０】
図６の従来例で説明した裏面溶接跡１０４と、図２の裏面溶接跡１１とはへこみの形状が全く正反対である。従来例でのへこみ１０４は、従来プラテンでは穴を設けていなかったために発生したものである。即ち、プランジ工程では従来の場合においても、スタッドはばねによってアルミニウム板側に押さえ付けられていたが、プラテンが全面にあるためにアルミニウム板は下側に変形することはできなかった。したがって、熔融部が冷却するときに発生するアルミニウム材の収縮によって、アルミニウム板の裏面が上に吸い上げられ図６のへこみとなっていた。
【００２１】
ところが、本発明のようにプラテン２に穴が設けてあると様子が違ってくる。プランジ工程でアルミニウム板１には、スタッド４に押されて下向きの力が作用している。この下向きの力に対して室温状態ではアルミニウム板１の剛性が勝り変形することはないが、プランジ工程ではアルミニウム板１の上部は熔融状態にあり、下部においても熔融状態には至らないものの剛性が相当に低下している。したがって、穴３の真上にあるアルミニウム板１の下面は、プランジ工程では下向きに押さえ付けられる力が、冷却工程では上向きに引き上げられる力が作用する。微視的に観察すれば、プランジ工程では、図２に示す裏面溶接跡１１よりも突出していたものが、冷却工程で上向きに引き上げられて図２の位置に納まったものと推定される。上記現象のバランスを上手に取れば、溶接によって生じる裏面溶接跡１１の大きさを殆どなくすことは理論的に可能である。
【００２２】
本発明者等は、ばね５の強さ、スタッド４の先端部の形状、穴３の大きさ、溶接条件、電流を切断するタイミング、プランジのタイミング等について詳細に検討を進めた結果、アルミニウム板厚ｔ＝０．８ｍｍ、スタッド径４．０ｍｍ、穴３の径が２．５ｍｍの場合、最適の溶接条件は、溶接電流は、２，０００〜４，０００Ａｍｐ、印加時間は０．００２ｓｅｃ．で、押圧ばねの強さは、５ｋｇ・ｆであった。この条件下での裏面溶接跡１１の高さのばらつき範囲を、＋０．０５〜＋０．３０ｍｍの範囲に収めることができた。
【００２３】
同様にして、アルミニウム板１の板厚を１．２〜０．６ｍｍ、スタッド４の径を２．０〜８．０ｍｍまで変えて、最適の穴径を求めた。スタッド径／穴径の適正範囲は１．２〜２．２であることがわかった。スタッド径よりも穴径の方が大きい場合にはアルミニウム板の沈みが大きく、かつ突起の裾が広くなるので少なくとも、スタッド径／穴径＝１．０以上あることが好ましい。穴径が小さすぎる場合には、冷却過程での引き上げ力が勝り、裏面溶接跡１１は従来と同じ窪み状となる。また、面取り３ａを設けたことによって裏面溶接跡１１の立ち上がりがなだらかなものとなり、切削処理がし易くなる。
【００２４】
ばね５の強さは板厚に依存するので、板厚に合わせばねの強さを変えることが必要である。上記実施の形態の条件では、ばね５の設定範囲は３〜１０ｋｇ・ｆの範囲にあった。
【００２５】
実施の形態の穴３は貫通孔であるが、窪みであってもよい。
プラテンは導電性のものを使用してもよい。
【００２６】
上記説明したように、本実施の形態による溶接跡は凸状であり、凸部のみを切削することによって、溶接跡のない平坦なアルミニウム面を得ることができる。凸部のみを切削すればよいことによる効果は、工数、材料の無駄を少なくすることだけでなく、実質的にアルミニウム板１の板厚を薄くしないこと、即ち剛性を低下させないことである。図２を見れば明らかなように、裏面溶接跡１１が切削されても、切削見合い分のアルミニウム材がスタッド４先端の熔融物より補充されているので、切削によって切削部の剛性が低下することはない。
【００２７】
溶接した裏面溶接跡１１を切削した後、スタッド４にねじ穴を加工すれば、ボス付きの平面アルミニウム板を作成することができる。さらに、切削面にヘアライン加工・アルマイト加工・染色加工等を施せば、反対面にボスを有する美しい化粧板が得られる。
【００２８】
被溶接金属板としては、アルミニウム以外では、軟鋼板・亜鉛鉄板・ステンレス・黄銅・チタン・マグネシウム合金等の金属板が使用できる。
【００２９】
上記説明した溶接方法によって作成したボス付きのアルミニウム板をノートパソコンの外殻筐体として利用する応用例を説明する。
【００３０】
予め、アルミニウム板に外形打ち抜き、曲げ、絞り、孔開け、バーリング加工等をして上部が開放されたケースを作成し、ケースの内面に上記方法によってスタッドを溶接した外殻筐体２０の斜視図を図３に示す。
【００３１】
図３において、ボス２１、２２は溶接したスタッドに内ねじ加工して作成したものである。外殻筐体２０は周囲に四つの壁２３を持つ、上面が開放した偏平な箱であり、具体的にはノートパソコンの表示部用の外殻筐体である。壁２３には、ヒンジカバー２４、切り欠き（係合部）２５、穴２６等の加工が施されている。外殻筐体２０の背面は、上記化粧板で説明した表面処理が施されている。
【００３２】
図４は、表示部全体の構成を示す斜視図である。２７は駆動回路部を有する液晶パネル、２８はマグネシウム合金で成形した上カバーである。液晶パネル２７を外殻筐体２０内に収容し、液晶パネル２７に設けた四つの貫通穴２１ａをボス２１に合わせ、ねじ止めする。これに上カバー２８を被せ、貫通穴２２ａとボス２２を合わせ、ねじ止めすることによってノートパソコンの表示部が完成する。この表示部をノートパソコン本体部３０と、表示部とをヒンジを介して結合することにより、ノートパソコン２９が完成する（図５）。
【００３３】
図５のノートパソコンの表示部裏面２８は、ヘアライン加工・アルマイト処理・染色処理が施されている。したがって、表示部裏面２８は、従来の塗装面とは異なったアルミニウム素材の美しさを有し、かつ耐候性・耐傷性に優れている。表示部裏面２８の色調は、染色処理によって通常の自然発色アルマイト、ＳＣアルマイト（アンバー、ブロンズ等の色調）、蓚酸アルマイト（金色）のものが得られる。また、表面に硬質アルマイト処理をしているので、表面が硬く傷が入りにくい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明の溶接方法によれば、金属板の裏面に凸状をした裏面溶接跡ができるので、溶接跡を切削して除去することができる。これにより、従来は困難であったアルミニウム等の金属板に溶接跡のないボス加工が可能になった。したがって、小型・軽量・薄型・リサイクル性・熱伝導性・コストに優れ、かつ表面硬度が高く、耐候性に優れた外殻筐体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における本発明の溶接方法の概要を説明する図
【図２】実施の形態における裏面溶接跡を説明する断面図
【図３】実施の形態の応用例を説明する斜視図
【図４】実施の形態の応用例を説明する斜視図
【図５】実施の形態の応用例であるノートパソコンを説明する斜視図
【図６】従来の溶接方法による溶接跡を説明する断面図
【符号の説明】
１、１０１  アルミニウム板
２  プラテン
３  穴
４、１０２  スタッド
１１、１０４  裏面溶接跡
【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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【図６】
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