JP2005342782A

JP2005342782A - リングマッシュ溶接方法

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Publication number: JP2005342782A
Application number: JP2004168760A
Authority: JP
Inventors: Koji Sasaki; 佐々木　　広治
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】パイプ状の被溶接物と他方の被溶接物とをより大きな接合強度で確実に接合できること。

【解決手段】パイプ状の第２の被溶接物９を溶接電極７によって把持して、溶接電極６に支承された第１の被溶接物８の空部にパイプ状の第２の被溶接物９の先端部を重なり代で重ね合わせ、第１の被溶接物８とパイプ状の第２の被溶接物９との間に加圧力をかけた状態で溶接電流を流し、瞬時に第１の被溶接物８の空部にパイプ状の第２の被溶接物９の先端部を押し込んで、第１の被溶接物８の内周面とパイプ状の第２の被溶接物９の前記先端部の外周面とを接合することを特徴とするリングマッシュ溶接方法。

【選択図】図２

Description

本発明は、溶接部分を僅かに重ねておき、加圧・通電して一挙に押し込んで噛み合わせて溶接を行うリングマッシュ溶接方法に関する。

第１の被溶接物と第２の被溶接物とを溶接する一つの溶接方法として、リングマッシュ溶接が知られている。このリングマッシュ溶接方法は、第１の被溶接物の溶接部の外径を第２の被溶接物の穴部を形成する内周面の直径よりも幾分大きくしておき、第１の被溶接物の溶接部を第２の被溶接物の穴部に位置合わせして、僅かに重ねて押さえ、その状態で通常の溶接と同様に加圧・通電することによって、その溶接部分を軟化させ、第１の被溶接物の溶接部を第２の被溶接物の穴のような空部に押し込んで溶接することを特徴としている（特許文献１参照）。このようなリングマッシュ溶接方法で溶接された溶接物は、一方の溶接物の溶接部が他方の溶接物の溶接部に押し込まれているので、力の方向によっては大きな溶接強度を呈する。
特開２００４−１７０４８公報

しかしながら、図４に示すように、薄肉のパイプ状の被溶接物１１を他の被溶接物１２の空部１２ａに位置合わせして重ね、リングマッシュ溶接すると、図４（Ｂ）に示すように、薄肉のパイプ状の被溶接物１１の軟化した部分が変形したり、歪んでしまうという問題があった。これは、薄肉のパイプ状の被溶接物１１の溶接部が軟化して他の被溶接物１２の空部１２ａに押し込まれる前に、図面垂直下方向の矢印Ａで示される力によって、他の被溶接物１２の近傍で変形したり、歪んでしまうからである。

したがって、リングマッシュ溶接すると変形したり、歪んでしまう程度の薄肉のパイプ状の被溶接物１１を他の被溶接物１２に固着する場合には、プラズマアーク溶接するか、あるいはろう付けしている。しかし、プラズマアーク溶接の場合には熟練した作業者が溶接を行えば、満足する溶接強度が得られるが、熟練者が行っても溶接にかなりの時間を要するという欠点があり、また、熱によって溶接部分が変色してしまうという欠点がある。
また、ろう付けの場合には、ろう付け作業に時間がかかる割には満足の行く強度が得られないという欠点がある。

この発明では、通常の抵抗溶接のように、上下一対の溶接電極を用い、薄肉パイプ状の一方の被溶接物を変形させたり、歪ませることなく他方の被溶接物にリングマッシュ溶接する溶接方法を提供することを課題とする。

前述の課題を解決するために、第１の発明は、空部を画成する内周面を持つ第１の被溶接物の前記内周面に、少なくとも一部分が前記空部よりも幾分大きな外形を有するパイプ状の第２の被溶接物の先端部の外周面を溶接するマッシュ溶接方法において、前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部における空洞に補強部材を装着し、前記パイプ状の第２の被溶接物を一方の溶接電極によって把持して、他方の溶接電極に支承された前記第１の被溶接物の前記空部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部を重なり代で重ね合わせ、前記第１の被溶接物と前記パイプ状の第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流し、瞬時に前記第１の被溶接物の前記空部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部を押し込んで、前記第１の被溶接物の前期内周面とパイプ状の第２の被溶接物の前記先端部の前記外周面とを接合するリングマッシュ溶接方法を提供するものである。
第２の発明は、前記第１の発明において、前記補強部材は、前記空洞に適合する外形を有する閉じた板、あるいは孔の開いた板、又は筒状体であるリングマッシュ溶接方法を提供するものである。
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、前記補強部材にかかる前記パイプ状の第２の被溶接物の内側位置に相当する外側位置まで前記一方の溶接電極が延びているリングマッシュ溶接方法を提供するものである。

前述の課題を解決するために、第４の発明は、第１の被溶接物と、空洞を有するパイプ状の第２の被溶接物の先端部とを溶接するマッシュ溶接方法において、前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部における前記空洞を形成する内周面の径よりも大きな径を有する突出部を前記第１の被溶接物に形成し、一方の溶接電極が前記パイプ状の第２の被溶接物を把持し、他方の溶接電極に支承された前記第１の被溶接物の前記突出部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記内周面を重なり代で重ね合わせ、前記第１の被溶接物と前記パイプ状の第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流し、瞬時に前記第１の被溶接物の前記突出部を前記パイプ状の第２の被溶接物の前記空洞内に押し込んで、前記第１の被溶接物の前記突出部と前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部の内周面とを接合するリングマッシュ溶接方法を提供する。
第５の発明は、前記第４の発明において、前記パイプ状の第２の被溶接物が薄肉のときには、前記一方の溶接電極は、その下端面が前記パイプ状の第２の被溶接物の下端面とほぼ揃う位置にあるリングマッシュ溶接方法を提供するものである。
第６の発明は、前記第１の発明又は前記第５の発明において、前記第１の被溶接物の前記突出部は、その前記第１の被溶接物の裏側からプレスして形成されたリングマッシュ溶接方法を提供するものである。

前記第１の発明ないし第３の発明によれば、そのままリングマッシュ溶接したならば加圧力によって変形したり、歪む可能性のある薄肉のパイプ状の被溶接物を、変形させたり、歪ませることなく、互いの溶接部を深く噛み合わせることができ、大きな接合強度で確実に接合できる。

前記第４ないし第６の発明によれば、一方の被溶接物が平板状であっても、予めプレスなどによって突出部を形成しておくことにより、他方のパイプ状の被溶接物を大きな接合強度で確実にリングマッシュ溶接することができる。

[実施形態１]
先ず、本発明の実施形態に係るリングマッシュ溶接方法を説明するに当たって、本発明を実現するためのリングマッシュ溶接装置の一例を図１によって説明する。図１において、商用交流電源又は交流発電機のような交流電源１からの交流電力は、制御型スイッチ又はダイオードからなる整流回路、あるいはその整流回路と交流電圧を所定の電圧に変圧する変圧器とからなる直流電源回路２によって直流電力に変換され、複数の並列接続された電解コンデンサからなるコンデンサ３を充電する。半導体スイッチ又はインバータ回路のようなスイッチング回路４は、コンデンサ３に蓄えられた電気エネルギーを急峻な波形の電流パルスとして放電する。この電流パルスは、２次巻線Ｎ２に比べて巻数の多い１次巻線Ｎ１と１又は２ターンの巻数をもつ２次巻線Ｎ２とを有する溶接トランス５を通して溶接トランス５の２次巻線Ｎ２に接続された第１の溶接電極６、第２の溶接電極７、及びそれらによって互いに加圧される第１、第２の被溶接物８と９を通して流れ、第１、第２の被溶接物８と９とをリングマッシュ溶接する。

図１及び図２を用いて、実施形態１のリングマッシュ溶接方法について説明する。図２（Ａ）は第１、第２の被溶接物８と９を説明するための部分的な断面図であり、図２（Ｂ）は第２の溶接電極７と第２の被溶接物９との関係を説明するための図である。第１の被溶接物８は平坦面を有する金属部材であって、その平坦面に空部８ａが形成されている。空部８ａは貫通穴であっても良いし、底部をもつ凹部であってもよいが、パイプ状の第２の被溶接物９の外径ｄよりも幾分小さな内径Ｄを有するように形成されていなければならない。空部８ａの内径Ｄとパイプ状の第２の被溶接物９の外径ｄとの差（ｄ−Ｄ）の１／２は全周の重なり代となる。この重なり代については、前記特許文献１に記載された通りであるので、説明を省略する。

この発明では、第２の被溶接物９は薄肉のパイプ状のものであり、特に、そのままリングマッシュ溶接するために第２の溶接電極７で第２の被溶接物９を把持して溶接に必要な加圧力を加えたときには、前述したように歪んでしまう程度の肉厚をもつ薄肉パイプ状の金属管をリングマッシュ溶接するのに本発明は有効である。溶接に先だって、パイプ状の第２の被溶接物９における空洞部９ａの先端部分に補強部材１０を装着する。パイプ状の第２の被溶接物９の先端部分には装着部９ｂが備えられており、パイプ状の第２の被溶接物９が断面円形である場合には、装着部９ｂ、補強部材１０も円形であり、装着部９ｂの内径と補強部材１０の外径とはほぼ同じであって、僅かな力で補強部材１０は装着部９ｂに装着される。

補強部材１０は、パイプ状の第２の被溶接物９の断面内側形状と同一の形状の金属板が好ましい。したがって、パイプ状の第２の被溶接物９の断面内側形状が円形でなく、４角形、あるいは５角形など多角形である場合には、補強部材１０も同じ多角形が好ましい。また、補強部材１０は孔などが形成されていないで全面が閉じられている板である必要は無く、中央に穴が形成された円環状又は多角形環状の金属板、又は複数の孔が形成された金属板でよいが、リングマッシュ溶接時の加圧力によって、補強部材１０が外れることが無く、またパイプ状の第２の被溶接物９が歪むことのない程度の機械的強度を有している。しかし、補強部材１０は必ずしも金属板でなくともよく、機械的強度を満足できる合成樹脂板又は木板でもよく、特に後でパイプ状の第２の被溶接物９から補助板１０を外さなければならない場合には、ほとんど溶着しない合成樹脂板又は木板を用いることが好ましい。また、合成樹脂板又は木板の場合には溶接時に発生する熱が伝わりにくいので、溶接の観点からも好ましい。

リングマッシュ溶接では、第１、第２の被溶接物の溶接部のいずれか一方はある角度のテーパー面になっているのが好ましいと、前記特許文献１に記述され、図２にも示されているが、この実施形態ではパイプ状の第２の被溶接物９の外周面の先端部をある角度で削り取ってテーパー面９ｃとしている。このテーパー面９ｃに、第１の被溶接物８の空部８ａを形成する内周面と平坦面とがなすほぼ直角な円周角部が当接され、その円周角部がプロジェクションとして働き、溶接電流が円周角部に集中するので、比較的小さな溶接電流でリングマッシュ溶接が可能になる。

リングマッシュ溶接するに当たって、補強部材１０が装着部９ｂに予め装着されたパイプ状の第２の被溶接物９を第２の溶接電極７で把持する。溶接電極７は縦方向に二つ電極部７Ａ、７Ｂに分割されており、電極部７Ａと７Ｂとでパイプ状の第２の被溶接物９をその長さ方向に沿って両側から把持する。パイプ状の第２の被溶接物９を把持した状態で溶接電極７は下降を行い、パイプ状の第２の被溶接物９の先端部が第１の被溶接物８の空部８ａに当接し、前記重なり代がほぼ均等になる。この際、必要に応じて、前記重なり代が全周でほぼ均等になるように、不図示の位置合わせ部材でもって、溶接電極６上で第１の被溶接物８を図面で左右前後に動かしてその空部８ａにパイプ状の第２の被溶接物９の先端部を位置合わせしてもよい。

その位置合わせした状態で、図示しない加圧機構でもって溶接電極７を下方向に押し下げ、第１、第２の被溶接物８と９との間に所定の加圧力をかけた状態で、図１に示したコンデンサ３に蓄積された電気エネルギーをスイッチング回路４により短時間で放出して、被溶接物８と９との溶接部にパルス状溶接電流を流す。このパルス状溶接電流は、被溶接物８と９との狭い当接部分に集中して流れて瞬時に軟化させ、その軟化の進行にともなって加圧力により、パイプ状の第２の被溶接物９は第１の被溶接物８の空部８ａ内に入り込む。このようにして、パイプ状の第２の被溶接物９の先端部分が第１の被溶接物８の空部８ａの途中まで入り込んで、ほぼその全周で接合、つまりリングマッシュ溶接が行われる。このとき、補強部材１０が存在するので、パイプ状の第２の被溶接物９の先端部分が潰れたり、歪むことはなく、良好なリングマッシュ溶接結果を得ることができる。補強部材１０が金属板からなる場合には、補強部材１０もパイプ状の被溶接物９の内周面に接合されるので、外れることはない。しかし、補強部材１０が合成樹脂板又は木板である場合には、前記特許文献１に記載されているような焼き戻し工程などを行うことによって、熱の影響を受けて補強部材１０が外れ易くなり、必要があれば、パイプ状の被溶接物９の空洞９ａを通して棒などで、図面下方向の力を与えることにより補強部材１０を外すことは可能である。

この実施形態１では、溶接電極７が溶接電極６に接触すると、電気的な短絡が生じてこれら溶接電極６と７とが損傷するので、短絡することがないように、溶接電極７はパイプ状の被溶接物９の下端部まで覆っていない。つまり、溶接電極７の下面７はパイプ状の被溶接物９の強度や溶接時の加圧力の大きさなどに左右されるから一概には決められないが、その下端部から１〜７ｍｍ上の位置にあるのが好ましい。補強部材１０をパイプ状の被溶接物９の先端部分に備えていても、溶接電極７の下面７がパイプ状の被溶接物９の下端部からあまり離れていると、途中でパイプ状の被溶接物９が変形、歪みを起こすことがある。したがって、より薄肉のパイプ状の被溶接物９が確実に変形、歪みを起こさないためには、補強部材１０が１〜７ｍｍ以上の厚みを持ち、補強部材１０が位置するパイプ状の被溶接物９の内周面に相当する外周面下方の位置まで、溶接電極７が延びていて把持するのが好ましい。

なお、パイプ状の第２の被溶接物９の断面形状が円形状でなく、４角形又は５角形などの多角形のときには、第１の被溶接物８の空所８ａは同様に４角形又は５角形などの多角形であることが好ましい。また、必要に応じて、全周面ではなく部分的にパイプ状の第２の被溶接物９の外周面と第１の被溶接物８の空所８ａを形成する内周壁とが当接してマッシュ溶接されてもよい。

[実施形態２]
図３を用いて、実施形態２のリングマッシュ溶接方法について説明する。図３において、図２で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。この実施形態２では、第１の被溶接物８の平坦部に予めプレスによって突出部８ｂを形成しておき、その突出部８ｂをパイプ状の第２の被溶接物９の円筒状の空洞９ａの内面にマッシュ溶接するところに特徴がある。この実施形態によれば、平坦な金属板にプレスで突出部を形成することによって、簡単に金属板に金属パイプをリングマッシュ溶接することができる。

図３（Ｂ）に示すように、凹部２０を有する型台２１に第１の被溶接物８の平坦部を載せ、上方からプレス部材２２でプレスすることにより、プレス部材２２でプレスされた第１の被溶接物８の平坦部の下側が型台２１の凹部２０に押し出され、上側はその分だけ凹み、凹所８ｃが形成される。パイプ状の第２の被溶接物９が円筒状の空洞部９ａを有するとすれば、型台２１の凹部２０は、第２の被溶接物９の空洞部９ａの径ｈよりも必要な重ね代だけ大きな径Ｈと、好ましくは１〜５ｍｍの深さとを有する短円筒状のものである。そして、型台２１の凹部２０の内壁面と底面とは弧状又は傾斜で交わるようになっている。したがって、このようにして第１の被溶接物８の平坦部に形成された突出部８ｂは、型台２１の凹部２０の径Ｈとほぼ同じ外径と、好ましくは１〜５ｍｍの高さとを有し、また、突出部８ｂの外周面ｍと上面ｎとは弧状又は傾斜面で交わっており、重ね代の一部分を構成している。

溶接電極７は、図２に示したような２分割されたもの、あるいは等分に３分割又は４分割されたものであり、径が拡大したり、縮小する動作、つまり拡縮径動作を行って、等分の力でパイプ状の第２の被溶接物９を把持したり、又は開放する。パイプ状の第２の被溶接物９が前記実施形態のものと同様に薄肉である場合には、溶接電極７は、その下端面７ａが第２の被溶接物９の下端面９ｃとほぼ揃うか、若干上に位置するように、第２の被溶接物９を把持するのが好ましい。このように把持することによって、溶接時の加圧力によってパイプ状の第２の被溶接物９が変形したり、歪むことがない。しかし、このような注意を払わなくても溶接時の加圧力によってパイプ状の第２の被溶接物９が変形したり、歪むことがない肉厚を有する場合には、溶接電極７がパイプ状の第２の被溶接物９の更に上部を把持してもよい。

このように第２の被溶接物９を把持した状態で、溶接電極７が降下、又は溶接電極６が上昇し、第２の被溶接物９の空洞部９ａに第１の被溶接物８の突出部８ｂを合わせ、第２の被溶接物９の内周端角部が突出部８ｂの前記弧状又は傾斜部に当接され、加圧される。この際、第２の被溶接物９の内周端角部が突出部８ｂの前記弧状又は傾斜部に当接前に必要に応じて、前記重なり代が全周でほぼ均等になるように、不図示の位置合わせ部材でもって、溶接電極６上で第１の被溶接物８を図面で左右前後に動かしてその空部８ａにパイプ状の第２の被溶接物９の先端部を位置合わせしてもよい。そして、加圧状態で溶接電極６と７間にパルス状の溶接電流を流すと、第１の被溶接物８の突出部８ｂと、第２の被溶接物９の内周端角部との当接部に溶接電流が集中して流れ、瞬時にその当接部を軟化させ、その軟化の進行にともなって加圧力により、第１の被溶接物８の突出部８ｃはパイプ状の第２の被溶接物９の空洞部９ａ内に入りこむ。このようにして、第１の被溶接物８の突出部８ｃがパイプ状の第２の被溶接物９の空洞部９ａ内に入り込んで、ほぼその全周で接合、つまりリングマッシュ溶接が行われる。

このとき、パイプ状の第２の被溶接物９の先端面９ｃが、必ずしも第１の被溶接物８の平坦面８ｄまで達する必要はないが、パイプ状の第２の被溶接物９の先端面９ｃが第１の被溶接物８の平坦面８ｄまでほぼ達する程度であるのが、生産効率面、溶接強度の面から見て好ましい。この際に、溶接電極７の下端面７ａが第１の被溶接物８の平坦面８ｄに接することになるが、パルス状の溶接電流はそれまでにほとんど流れて、その接する段階では僅かな電流が流れているだけであり、またその接触面積が溶接面積に比べて格段と大きいので、全く支障ない。

なお、パイプ状の第２の被溶接物９における空洞部９ａの断面形状が円形状でなく、４角形又は５角形などの多角形のときには、第１の被溶接物８の突出部８ｃは同様に４角形又は５角形などの多角形であることが好ましい。また、必要に応じて、全周面ではなく部分的にパイプ状の第２の被溶接物９の内周面と第１の被溶接物８の突出部８ｃとがマッシュ溶接されてもよい。

本発明に係るリングマッシュ溶接方法を実現するための溶接装置の概要を示す図である。本発明に係る実施形態１のリングマッシュ溶接方法を説明するための図である。本発明に係る実施形態２のリングマッシュ溶接方法を説明するための図である。従来のリングマッシュ溶接方法を説明するための図である。

符号の説明

１・・・商用交流電源
２・・・直流電源回路
３・・・コンデンサ
４・・・スイッチング回路
５・・・溶接トランス
６・・・溶接電極
７・・・溶接電極
７ａ・・溶接電極７の下端面
７Ａ、７Ｂ・・溶接電極７の二つの部分
８・・・第１の被溶接物
８ａ・・第１の被溶接物８の空部
８ｂ・・第１の被溶接物８の突出部
８ｃ・・第１の被溶接物８の平坦部
９・・・第２のパイプ状の被溶接物
９ａ・・第２のパイプ状の被溶接物９の空洞部
９ｂ・・第２のパイプ状の被溶接物９の装着部
９ｃ・・第２のパイプ状の被溶接物９のテーパー面
９ｄ・・第２のパイプ状の被溶接物９の先端面
１０・・補強部材

Claims

空部を画成する内周面を持つ第１の被溶接物の前記内周面に、少なくとも一部分が前記空部よりも幾分大きな外形を有するパイプ状の第２の被溶接物の先端部の外周面を溶接するマッシュ溶接方法において、
前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部における空洞に補強部材を装着し、
前記パイプ状の第２の被溶接物を一方の溶接電極によって把持して、他方の溶接電極に支承された前記第１の被溶接物の空部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部を重なり代で重ね合わせ、
前記第１の被溶接物と前記パイプ状の第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流し、瞬時に前記第１の被溶接物の前記空部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部を押し込んで、前記第１の被溶接物の前記内周面とパイプ状の第２の被溶接物の前記先端部の前記外周面とを接合することを特徴とするリングマッシュ溶接方法。
請求項１において、
前記補強部材は、前記空洞に適合する外形を有する閉じた板、あるいは孔の開いた板、又は筒状体であることを特徴とするリングマッシュ溶接方法。
請求項１又は請求項２において、
前記補強部材にかかる前記パイプ状の第２の被溶接物の内側位置に相当する外側位置まで前記一方の溶接電極が延びていることを特徴とするリングマッシュ溶接方法。
第１の被溶接物と、空洞を有するパイプ状の第２の被溶接物の先端部とを溶接するマッシュ溶接方法において、
前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部における前記空洞を形成する内周面の径よりも大きな径を有する突出部を前記第１の被溶接物に形成し、
一方の溶接電極が前記パイプ状の第２の被溶接物を把持し、他方の溶接電極に支承された前記第１の被溶接物の前記突出部に前記パイプ状の第２の被溶接物の前記内周面を重なり代で重ね合わせ、
前記第１の被溶接物と前記パイプ状の第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流し、瞬時に前記第１の被溶接物の前記突出部を前記パイプ状の第２の被溶接物の前記空洞内に押し込んで、前記第１の被溶接物の前記突出部と前記パイプ状の第２の被溶接物の前記先端部の前記内周面とを接合することを特徴とするリングマッシュ溶接方法。
請求項４において、
前記パイプ状の第２の被溶接物が薄肉のときには、前記一方の溶接電極は、その下端面が前記パイプ状の第２の被溶接物の下端面とほぼ揃う位置にあることを特徴とするリングマッシュ溶接方法。
請求項４又は請求項５において、
前記第１の被溶接物の前記突出部は、その前記第１の被溶接物の裏側からプレスして形成されたことを特徴とするリングマッシュ溶接方法。