JP2016155153A - 溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種材料に貫通形成された孔部に挿入し易く、容易に嵌合して安定した設置状態を得ることができる溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法を提供すること。【解決手段】板状金属部材である第１の材料１２−１、１２−２の間に炭素繊維強化プラスチックからなる板状部材である第２の材料１４を挟んで行われるスポット溶接に用いられる溶接補助部材１０であって、第２の材料１４に貫通形成された孔部１６に装填されて、孔部１６の部分で両側から第１の材料１２−１、１２−２相互のスポット溶接を可能とする溶接補助部材１０において、孔部１６内に位置させることが可能な大きさを有し、かつ、少なくともスポット溶接時に必要な押圧力で伸長状態となり、該伸長状態において孔部１６内に嵌合された状態となる大きさを有する溶接補助部材１０及びこれを用いたスポット溶接方法である。これにより、安定した溶接作業を簡単な構成によって達成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法に関し、特に、異種材料同士をスポット溶接を活用し接合する際に用いられる溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法に関する。

導通性のある２枚の材料の間に異種材料を挟んでスポット溶接をするときは、
異種材料に孔部を貫通形成し、その孔部に両側の材料と同じく導通性のある材料からなる溶接補助部材を装填し、その孔部の部分で両側からスポット溶接を行う技術が知られている。

この種のスポット溶接では、溶接補助部材が装填された孔部は両側の導通性の材料によって挟まれている状態であり、孔部内に設置されている溶接補助部材の装填状態、すなわち装填位置を確認することはできない。このため、孔部の中心に溶接補助部材が配置されていなかったり、孔部の中心に配置された溶接補助部材が作業の途中でその位置が動いてしまったりすると、スポット溶接が溶接補助部材の中心で行われず、偏った位置で溶融が生じ、溶接が的確に行われないことがある。

例えば、特許文献１には、異種材料に貫通形成された孔部に溶接補助部材をかしめ締結して装填させて行うスポット溶接方法が開示されている。この技術によれば、異種材料の上に溶接補助部材を設置した後、ポンチを溶接補助部材の真上から押し下げることによって、異種材料の溶接補助部材と重なる部分を打ち抜き、異種材料に孔部を形成すると同時に、その孔部に溶接補助部材をかしめ締結して装填させている。これにより、溶接補助部材が溶接部分の外側に露出しないので接合部の外観性に優れ、高い接合強度を有するスポット溶接方法を提供することが図られている。

特開２０１４−１０４５０２号公報

上記特許文献１に係る技術においては、異種材料に貫通形成された孔部内に溶接補助部材がしっかりとかしめ固定されている。しかし、異種材料上に溶接補助部材を設置した状態で、その溶接補助部材の真上からポンチで押し下げることによって異種材料に孔部を形成し、その孔部の形成と同時に溶接補助部材をかしめ締結して装填させるという作業は、煩雑である。また、大きな力を溶接補助部材に加える必要があり、そのために、相応の設備を必要とする。このため、スポット溶接作業全体のコストが増える。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異種材料に貫通形成された孔部に挿入し易く、容易に嵌合して安定した設置状態を得ることができる溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法を提供することにある。

上記目的を解決するため請求項１に係る発明は、
導通性のある２枚の第１の材料の間に異種材料である第２の材料を挟んで行われるスポット溶接に用いられる溶接補助部材であって、前記第２の材料に貫通形成された孔部に装填されて、当該孔部の部分で前記第１の材料相互のスポット溶接を可能とする溶接補助部材おいて、
前記孔部内に位置させることが可能な大きさを有し、かつ、スポット溶接時の押圧力以下の力で伸張状態となり、該伸張状態で前記孔部内に嵌合された状態となる大きさを有することを特徴とする。

この構成によれば、孔部が予め第２の材料に貫通形成されており、溶接補助部材の大きさは、押圧されて伸張状態となったときに孔部に嵌合状態となる大きさであり、すなわち、押圧されていない状態では、孔部の大きさよりも小さい。したがって、簡単に孔部内に位置させることができ、その後、少なくともスポット溶接時に必要な押圧力で溶接補助部材を伸長状態にし、孔部内に嵌合させることができるので、大きな力を必要とせずに容易に溶接補助部材を孔部内にしっかりと固定することができる。なお、上記溶接補助部材を伸張状態にするための力は、実際のスポット溶接作業時における電極の挟持動作による必要はなく、事前に溶接補助部材を押圧して伸張状態としてもよいことは勿論である。

請求項２に係る溶接補助部材は、請求項１に記載の溶接補助部材において、厚さ方向の断面形状が常態にて曲がった形状を有していることを特徴とする。

この構成によれば、溶接補助部材の曲げを伸ばす方向の圧力を両側から加えることによって溶接補助部材を伸張状態とすることができる。したがって、大きな力を必要とせずに容易に伸長状態にし、孔部に嵌合させることができる。

請求項３に係る溶接補助部材は、請求項１又は２に記載の溶接補助部材において、
前記第３の材料の孔部が略円形の貫通孔として形成されたものにおける溶接補助部材であって、平面視形状略円形のお椀型の形状を有し、前記伸張状態において、前記略円形の孔部に嵌合された状態となることを特徴とする。

この構成によれば、溶接補助部材は、平面視形状略円形のお椀型の形状を有しているので、平面視方向から押圧力を加えることで、お碗形状をつぶすことができ、これによって、溶接補助部材の平面視形状の外径が大きくなる。すなわち、伸張状態となる。この伸長状態において、略円形状で潰された溶接補助部材はその側面全体が略円形の貫通孔である孔部の内側面と嵌合して接触し、溶接補助部材は孔部にしっかりと固定される。

請求項４に係るスポット溶接方法は、上記請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接補助部材を用いたスポット溶接方法において、
前記第２の材料に孔部を貫通形成する孔部形成工程と、前記孔部内に前記溶接補助部材を位置させ、該溶接補助部材を加圧して伸長状態にすることで前記孔部に嵌合させる嵌合工程と、前記溶接補助部材が嵌合された前記第２の材料を前記第１の材料によって両側から挟む材料設置工程と、前記第２の材料を挟んだ状態の前記第１の材料を積層方向の両側から電極で挟んで加圧し、電流を流すことによって前記第１の材料を相互に溶融接着する溶接工程と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、孔部は予め第２の材料に貫通形成され、溶接補助部材の大きさは、押圧されて伸張状態となったときに孔部に嵌合状態となる大きさであるため、押圧前の状態では、孔部の大きさよりも小さい。これにより、溶接補助部材を簡単に孔部内に位置させることができる。また、少なくともスポット溶接時に必要な押圧力で溶接補助部材を伸長状態にし、孔部内に嵌合させることができるので、大きな力を必要せずに容易に溶接補助部材を孔部内にしっかりと固定することができる。これにより、スポット溶接を簡易な設備で容易に行うことができ、低コストかつ高生産性を達成することができる。

請求項５に係るスポット溶接方法は、上記請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接補助部材を用いたスポット溶接方法において、
前記第２の材料に孔部を貫通形成する孔部形成工程と、前記孔部が貫通形成された第２の材料を一方の前記第１の材料の上に積層設置して、前記孔部に前記溶接補助部材を装填する装填工程と、前記溶接補助部材が装填された前記第２の材料の上面に他方の前記第１の材料を積層設置して前記溶接補助部材を挟む挟み工程と、該挟み工程後、前記第２の材料を挟んでいる前記第１の材料を積層方向の両側から電極で挟んで加圧することで前記溶接補助部材を伸長状態にし、前記孔部に前記溶接補助部材を嵌合させる挟み嵌合工程と、前記加圧した状態で電流を流すことによって前記第１の材料を相互に溶融接着する溶接工程と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、孔部は予め第２の材料に貫通形成され、溶接補助部材の大きさは、押圧されて伸張状態となったときに孔部に嵌合状態となる大きさであるため、押圧前の状態では、孔部の大きさよりも小さい。これにより、溶接補助部材を簡単に孔部内に位置させることができる。また、少なくともスポット溶接時に必要な押圧力で溶接補助部材を伸長状態にし、孔部内に嵌合させることができるので、大きな力を必要しない。さらに、溶接補助部材を伸張状態にする動作をスポット溶接作業過程における電極による対象材料の挟み動作の際に、この電極の押圧力によって一気に行っている。したがって、スポット溶接作業の一連の動作の中で他の工程を付加することなく、溶接補助部材の伸張動作及び孔部への嵌合動作が行われる。

本発明に係る溶接補助部材及び該溶接補助部材を用いたスポット溶接方法によれば、容易に溶接補助部材を孔部内に位置させることができ、かつ、容易に孔部内に嵌合し、しっかりと固定させることができる。これにより、安定した溶接作業を簡単な構成によって達成することができる。

（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る溶接補助部材の斜視図、（Ｂ）は同じく、厚さ方向の断面図である。 （Ａ）は、第２の材料に孔部を貫通形成する方法を説明するための貫通前の説明図であり、（Ｂ）は同じく、貫通後の説明図である。 （Ａ）は、孔部に溶接補助部材を位置させる方法を説明するための配置前の説明図であり、（Ｂ）は同じく、配置後の説明図である。 孔部に溶接補助部材を嵌合させる方法の説明図である。 接合材料を設置する方法の説明図である。 溶接材料を溶融接着する方法の説明図である。 （Ａ）は、第１の材料の上に積層設置された第２の材料の孔部内に溶接補助部材を位置させる方法を説明するための配置前の説明図であり、（Ｂ）は同じく、配置後の説明図である。 （Ａ）は、溶接補助部材が配置された第２の材料の上面に第１の材料を積層設置して溶接補助部材を挟む方法の説明図であり、（Ｂ）は、孔部内に配置された溶接補助部材を孔部に嵌合させる方法の説明図である。

以下、本発明に係る溶接補助部材の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る溶接補助部材の構成を示しており、同図（Ａ）は下方から見た斜視図、同図（Ｂ）は厚さ方向の断面図である。溶接補助部材１０は、平面視形状略円形であり、全体として厚さ方向に所定の曲率で湾曲した形状、本実施の形態では、底の浅いお椀型の形状を有している。その外径は本実施の形態では、約１０ｍｍ程度のものを示している。材質は、導電性のある材料が用いられ、例えば、鉄を主成分とする金属材等である。

上述のように、溶接補助部材１０は、常態において厚さ方向に湾曲したお椀型の形状を有しており、この曲率は、後述する様に所定の押圧力によって円滑に潰されてより平らな円形の伸張状態となる曲率が設定される。

以下に、溶接補助部材１０を用いた本発明の第１の実施の形態に係るスポット溶接方法について図２〜６に基づいて説明する。

本実施の形態に係るスポット溶接方法は、最終的に導通性のある２枚の第１の材料１２−１、１２−２の間に異種材料である第２の材料１４を挟んでスポット溶接をするものである。第１の材料１２−１、１２−２は、例えば、導電性のある鉄を主成分とする厚みが約０．５ｍｍの板状金属部材である。第２の材料１４は、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ）からなる厚みが約１．０ｍｍの板状部材である。

図２は、第２の材料１４に孔部１６を貫通形成する方法の説明図であり、同図（Ａ）は形成前、同図（Ｂ）は形成後の状態を示している。

例えば、プレス金型のダイ１００上に第２の材料１４を設置し、パンチ１０４をそのガイド１０６と共に下降させる（同図（Ａ））。そして、同図（Ｂ）に示すようにパンチ１０４で打ち抜いて孔分を形成する。

打ち抜かれた部分１０９は、そのままダイ１００側に貫通形成された排出口１０８からエアーブローの風圧によって外に排出される（孔部形成工程）。

図３は、孔部１６に溶接補助部材１０を位置させるための本実施の形態における方法の説明図であり、同図（Ａ）は配置前、同図（Ｂ）は配置後（押圧動作前）を示している。

上述の孔部形成工程の後、パンチ１０４を第２の材料１４の上面の位置まで上昇させる。

なお、ダイ１００には、略水平方向に溶接補助部材１０を供給するための補助部材供給口１１２が貫通形成されている。また、ダイ１００の中央部分には上下動可能に圧縮用の圧縮用パンチ１１０が設置されており、この補助部材供給口１１２から図１に示したお椀型の溶接補助部材１０が供給され、ほぼ同じ高さまで上昇した圧縮用パンチ１１０の上端面に溶接補助部材１０が移動される（図３（Ａ））。本実施の形態では、溶接補助部材１０の凸側が上方を向くように配置されている。

また、この溶接補助部材１０の常態における外径は、孔部１６の内径よりも小さく設定されており、この溶接補助部材１０をその上端面に載せた状態で圧縮用パンチ１１０を上昇させることで、溶接補助部材１０を孔部１６内に位置させることができる。この状態では、溶接補助部材１０は孔分１６に対して周囲に隙間を持ちうる余裕を持った状態で配置されている（同図（Ｂ））。

図４は、孔部１６に溶接補助部材１０を嵌合させる段階を示している。上述の図３（Ｂ）の状態で、圧縮用ポンチ１１０を上昇させることによって、溶接補助部材１０は、孔開け用パンチ１０４と圧縮用パンチ１１０の間に挟まれて加圧される。お椀型の溶接補助部材１０は、その凸部が押されて潰され、ほぼ平らな円形状体に変形される。この段階の圧縮用ポンチ１１０の外径の増大によって圧縮用ポンチ１１０は孔部１６に嵌合された状態となる。すなわち、溶接補助部材１０は大きな力を必要とすることなく、且つ円滑に伸張状態となり、しっかりと固定された状態が得られる（嵌合工程）。

また、伸長状態となった溶接補助部材１０の厚みは、第２の材料１４の厚みよりも小さく設定されている。なお、溶接補助部材１０の湾曲率及び平面視における外径は、上記嵌合状態に合わせて調整して設定される。

図５は、第２の材料１４を挟んで両側に第１の材料１２−１、１２−２を設置した状態を示している。図４の動作によって溶接補助部材１０が孔部１６に嵌合された状態の第２の材料１４を、その両側から２枚の第１の材料１２−１、１２−２で挟んで積層状態とすることで接合材料の設置が行われている。本実施の形態では、伸張状態となった円形状の溶接補助部材１０の厚さは、第２の材料１４よりもやや小さい構成がとられており、第１の材料１２−１、１２−２との間には僅かな隙間が存在した状態となっている。（材料設置工程）。

図６は、接合材料を溶融接着する段階を示している。上述の接合材料を、溶接補助部材１０が嵌合されている孔部１６の中心となる位置で積層方向の両側から２本の電極１１４−１、１１４−２で挟んだ状態で加圧する。上述のように溶接補助部材１０と第１の材料１２−１、１２−２との間には隙間が存在しており、２本の電極１１４−１、１１４−２によって押圧された第１の材料１２−１、１２−２は、若干撓み適度な接触状態となり、スポット溶接時における的確な導通状態によって溶融が生じる。この溶融箇所が凝固してナゲット１１６ができることにより接合される。（溶接工程）。

以上のように、溶接補助部材１０の孔部１６への安定した固定状態を比較的軽微な力で得ることができる。これにより、異種材料間におけるスポット溶接を簡易な設備で行うことができ、低コストかつ高生産性が達成されている。

以下、図７及び図８に基づいて、溶接補助部材１０を用いた本発明の他の実施の形態に係るスポット溶接方法について説明する。なお、上記実施の形態と同様の要素には同一の符合を付しその詳細な説明は省略する。

図７（Ａ）は、第１の材料１２−２の上に、予め溶接箇所に孔部１６の形成された第２の材料１４が積層設置されている状態を示している。なお、孔部１６は上述の孔部形成工程と同様の方法で形成されている。

本実施の形態において特徴的なことは、この状態において、第２の材料１４の孔部１６内に溶接補助部材１０を位置させていることである。すなわち、第２の材料１４を第１の材料１２−２の上に積層設置した後、孔部１６内に溶接補助部材１０を装填して配置している。常態時の溶接補助部材１０の平面視における外径は、孔部１６の内径よりも小さいので、溶接補助部材１０は容易に孔部１６内に収まる。この状態で、溶接補助部材１０の凸部側は、孔部１６から突出した状態となっている（配置工程）。

図８（Ａ）は、孔部１６内に溶接補助部材１０が配置された図７（Ｂ）の状態から、第２の材料１４の上面に第１の材料１２−１を積層設置して挟んだ状態の部分断面図である。

図示のように、孔部１６からは、お椀型の溶接補助部材１０が突出した状態にあるため、少なくとも孔部１６の付近では、第２の材料１４とその上面に積層設置されている第１の材料１２−１は接触していない状態となっている（挟み工程）。

図８（Ｂ）は、孔部１６内に配置された溶接補助部材１０を孔部１６に嵌合させる段階を示した部分断面図である。本実施の形態で特徴的なことは、スポット溶接の実質的な工程の中の動作で、この溶接補助部材１０の伸張動作を行うようにしたことである。

すなわち、溶接工程において、第２の材料１４を挟んだ状態の第１の材料１２−１、１２−２は、溶接補助部材１０が配置されている位置でその積層方向の両側から２本の電極（１１４−１、１１４−２）で挟んで加圧される。この通常行われるスポット溶接の電極の加圧動作時の押圧力により、溶接補助部材１０を伸張させるようにしたものである。

孔部１６内に装填されている溶接補助部材１０は、この電極による押圧力によって伸長状態となる様に強度が調整されており、別途異なる工程を付加することなく、伸張状態となる。これにより、上記第１の実施の形態に係る方法と同様に溶接補助部材１０はほぼ平らな円形に変形し、その径を増大させる。これにより孔部１６に嵌合してしっかりと固定される。

この様に、溶接補助部材１０が平らに変形するために必要な押圧力を通常、スポット溶接で材料同士を加圧して圧着するときの圧力と同程度に設定しておくことで、スポット溶接の一連の工程の中で、特別な大きな力を必要とせずに容易に溶接補助部材１０を孔部１６に嵌合させることができる。この状態で電極（１１４−１、１１４−２）によって電流を流すことで第１の材料１２及び溶接補助部材１０を溶融させて接合することができる（溶接工程）。

これにより、孔部１６に溶接補助部材１０を嵌合させるために、特別な装置を必要とすることがなく、また、そのための工程も増えることがないので、異種材料間のスポット溶接を低コストかつ少ない工程で行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に示した範囲に限定されるものではなく、発明の要旨内で種々の変形が可能である。例えば、溶接補助部材１０が平面視形状略円形のお椀型の形状である例を示したが、これに限られず、押圧力で変形して平面方向の大きさを増大させることのできるものであれば種々の形状、材料のものを用いることができる。

また、孔部１６の形状が円形でない場合には、その形状に対応した平面形状とされ、単に、厚さ方向の曲げ部を形成することでも足りる。例えば、長方形状の孔部で有れば、単に曲げられた板状の溶接補助部材を用いることも可能である。また、溶接補助部材を伸張状態とする動作は上記実施の形態の動作に限定されるものではなく、何らかの動作で溶接補助部材に押圧力を加えて伸張する動作を種々選択することが可能である。

１０ 溶接補助部材
１２ 第１の材料
１４ 第２の材料
１６ 孔部

Claims (5)

1. 導通性のある２枚の第１の材料の間に異種材料である第２の材料を挟んで行われるスポット溶接に用いられる溶接補助部材であって、前記第２の材料に貫通形成された孔部に装填されて、当該孔部の部分で両側から前記第１の材料相互のスポット溶接を可能とする溶接補助部材において、
   孔部内に位置させることが可能な大きさを有し、かつ、少なくともスポット溶接時に必要な押圧力で伸長状態となり、該伸長状態において前記孔部内に嵌合された状態となる大きさを有することを特徴とする溶接補助部材。
2. 厚さ方向の断面形状が常態にて曲がった形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の溶接補助部材。
3. 前記第２の材料の孔部が略円形の貫通孔として形成されたものにおける溶接補助部材であって、
   平面視形状略円形のお椀型の形状を有し、前記伸張状態において、前記略円形の孔部に嵌合された状態となることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接補助部材。
4. 上記請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接補助部材を用いたスポット溶接方法において、
   前記第２の材料に孔部を貫通形成する孔部形成工程と、
   前記孔部内に前記溶接補助部材を位置させ、該溶接補助部材を加圧して伸長状態にすることで前記孔部に嵌合させる嵌合工程と、
   前記溶接補助部材が嵌合された前記第２の材料を前記第１の材料によって両側から挟む材料設置工程と、
   前記第２の材料を挟んだ状態の前記第１の材料を積層方向の両側から電極で挟んで加圧し、電流を流すことによって前記第１の材料を相互に溶融接着する溶接工程と、
   を有することを特徴とするスポット溶接方法。
5. 上記請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接補助部材を用いたスポット溶接方法において、
   前記第２の材料に孔部を貫通形成する孔部形成工程と、
   前記孔部が貫通形成された第２の材料を一方の前記第１の材料の上に積層設置して、前記孔部に前記溶接補助部材を位置させる配置工程と、
   前記溶接補助部材が配置された前記第２の材料の上面に他方の前記第１の材料を積層設置して前記溶接補助部材を挟む挟み工程と、
   該挟み工程後、前記第２の材料を挟んでいる前記第１の材料を積層方向の両側から電極で挟んで加圧することで前記溶接補助部材を伸長状態にし、前記孔部に前記溶接補助部材を嵌合させる挟み嵌合工程と、
   前記加圧した状態で電流を流すことによって前記第１の材料を相互に溶融接着する溶接工程と、
   を有することを特徴とするスポット溶接方法。

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