JP2023016653A - 電気抵抗溶接用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板部品を電極本体上へ載置したり、溶接後の鋼板部品を取り出したりすることを円滑に行うとともに、溶接熱の伝熱を改善して放熱性を向上すること。【解決手段】軸部２０と、円形のフランジ２１と、フランジ面に設けた溶着用突起２２を有するプロジェクションボルト１９が溶接の対象とされ、電極本体１の端面から突出し、鋼板部品３の下孔１０に挿入される断面円形のガイドピン１２が、軸部２０の受入孔３５を有する中空形状とされているとともに、耐熱硬質材料で構成され、ガイドピン１２に一体化され、電極本体１のガイド孔６に摺動できる状態で嵌め込まれている断面円形の摺動部材１３が、絶縁性合成樹脂材料で構成され、ガイドピン１２が電極本体１の端面から突出している長さを、鋼板部品３の厚さよりも短く設定した。【選択図】図１

Description

この発明は、分厚い鋼板部品に適したプロジェクション溶接の電極に関する。

特開２０１９－０３４３３５号公報には、電極本体に鋼板部品を載置したとき、電極本体から突出している中空形状のガイドピンが、鋼板部品の下孔を相対的に貫通して、鋼板部品の上側に突き出ていることが記載されている。

特開２０１９－０３４３３５号公報

上記特許文献１に記載された発明は、中空ガイドピンが鋼板部品の下孔を貫通して鋼板部品の上側に突き出ているので、鋼板部品を電極本体上に載置したり、溶接後に鋼板部品を取り出したりする際には、下孔の内周角部が中空ガイドピンの外周面にひっかかって、円滑な鋼板部品の載置や取り出しに困難をきたす、という問題がある。このような問題は、鋼板部品の板厚が大きくなれば、さらに発生しやすくなるし、鋼板部品を載置したり溶接後に取り出したりするときに、ガイドピンの中心軸線が鋼板部品に対して垂直でなかったりすると発生する。また、上記のようなひっかかりを防止するために、中空ガイドピンの外周面と鋼板部品の下孔の内周面との間の間隙が大きく設定してある。しかし、このような大きな間隙にしてあると、溶融部の熱を中空ガイドピン側へ伝熱させることが十分に行えない、とい問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するために提供されたもので、鋼板部品を電極本体上へ載置したり、溶接後の鋼板部品を取り出したりすることを円滑に行うとともに、溶接熱の伝熱を改善して放熱性を向上することを目的としている。

請求項１記載の発明は、
雄ねじが形成された軸部と、軸部に一体的に設けられた円形のフランジと、軸部側のフランジ面に設けた複数の溶着用突起を有するプロジェクションボルトが溶接の対象とされ、
円形断面とされた電極本体の端面から突出し、鋼板部品の下孔に相対的に挿入される断面円形のガイドピンが、軸部の受入孔を有する中空形状とされているとともに、耐熱硬質材料で構成され、
ガイドピンに一体化され、電極本体のガイド孔に摺動できる状態で嵌め込まれている断面円形の摺動部材が、絶縁性合成樹脂材料で構成され、
ガイドピンが電極本体の端面から突出している長さは、鋼板部品の厚さよりも短く設定されていることを特徴とする電気抵抗溶接用電極である。

ガイドピンが電極本体の端面から突出している長さは、鋼板部品の厚さよりも短く設定されているので、鋼板部品の下孔に対するガイドピンの挿入長さが短くなる。したがって、鋼板部品を電極本体上に載置したり、溶接後に鋼板部品を取り出したりする際に、下孔の内周角部が中空ガイドピンの外周面にひっかかったりすることがなく、円滑な電気抵抗溶接が実現する。また、仮にひっかかった場合でも、下孔に対するガイドピンの挿入長さが短いので、ひっかかりの度合いが軽度なものとなり、そのまま鋼板部品が電極本体の端面に密着するまでの、ガイドピンの完全挿入がえられる。そして、溶接後の鋼板部品の取り出しにおいても、同様な現象で問題なく取り出しがなされる。

なお、補足すると、上述のひっかかりの度合いが軽度というのは、鋼板部品の下孔の開口角部がガイドピンの外周面に対して、食い込む度合いが軽度であることを意味している。食い込む度合いが重度というのは、上記開口角部がガイドピン外周面に対して、深く食い込むことを意味し、このようになると、ガイドピンはそれ以上下孔に入らないこととなり、鋼板部品の載置が不可能となる。

上記のようにひっかかりが発生しないので、また発生しても軽度なものなので、ガイドピンを鋼板部品の下孔に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができる。このような差し込み状態であるため、溶接熱は下孔の内面からガイドピンの外面に対して積極的に伝熱される。これによって、溶接熱はガイドピンの長手方向に伝熱されるとともに、ガイドピンに一体化されている断面円形の摺動部材へも伝熱される。このような伝熱によって、溶接熱はガイドピンから摺動部材にいたる広い領域に伝熱されるので、特定の箇所に集中的に伝熱されるようなことがなく、電極としての熱分布が良好となり、熱的耐久性が向上する。

電気抵抗溶接用電極における溶接熱の熱伝達は、鋼板部品から電極本体に伝えられた熱が大気中に放熱されるものもあるが、溶接熱の一部は電極内部においてできるだけ広い領域へ熱伝達されることが重要である。つまり、電極内部における溶接熱の残留は放熱しにくいので、特定の箇所に局部的に熱集中が起こらないようにすることが重要である。このような意味で上述のように、下孔の内面からガイドピンの外面に対して積極的に伝熱し、この伝熱を起点にしたような形態でガイドピンや摺動部材の全域に伝熱することが重要視される。

ガイドピンを鋼板部品の下孔に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができるので、常温状態の鋼板部品の下孔の内面に、残熱が蓄熱されているガイドピンが接触することによって、ガイドピンの冷却が促進され、中空化によって薄肉となったガイドピンへの熱的影響を低減し、ガイドピンの耐久性を向上することができる。つまり、ガイドピンが電極本体の端面から突出している長さは、鋼板部品の厚さよりも短く設定されているために、ガイドピンを鋼板部品の下孔に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができるのである。

電極全体の断面図と部分箇所の断面図である。 ガイドピンと下孔の関係を示す断面図である。 ガイドピンと下孔の関係を示す断面図である。

本発明にかかる電気抵抗溶接用電極を実施するための形態を説明する。

図１～図３は、本発明の実施例を示す。

最初に、一方の溶接対象部品について説明する。

一方の溶接対象部品としては、種々なものが挙げられるが、ここでは鉄製のプロジェクションボルト１９である。これは、雄ねじが形成された軸部２０と、軸部２０に一体的に設けられた円形で平板状のフランジ２１と、軸部２０側のフランジ面に設けた複数の溶着用突起２２から構成されている。溶着用突起２２は、疣状の小突起がフランジ２１の外周近くに１２０度間隔で３個形成されている。以下の説明において、プロジェクションボルトを単にボルトと表現する場合もある。本実施例における溶着用突起２２の高さＨ１は１．１ｍｍ、直径Ｄ１は３ｍｍであり、半球形の形をしている。

他方の溶接対象部品は、鋼板部品３である。鋼板部品３の厚さＴ１は、溶着用突起２２の高さＨ１の４～５倍とされ、ここでは５．５ｍｍである。なお、自動車の車体外板に使用される通常の鋼板部品の厚さは、０．６５ｍｍや０．７ｍｍである。

つぎに、電極の基本構造を説明する。

クロム銅のような銅合金製導電性材料で作られた電極本体１は、円筒状の形状であり、断面円形とされ、静止部材１１に差し込まれる円筒状の固定部２と、鋼板部品３が載置される円筒状のキャップ部４がねじ部５において結合されて、断面円形の電極本体１が形成されている。電極本体１には、断面円形のガイド孔６が形成され、このガイド孔６は、固定部２に形成された大径孔７と、この大径孔７よりも小径でキャップ部４に形成された中径孔８、この中径孔８よりも小径の小径孔９が形成され、大径孔７、中径孔８、小径孔９は、電極本体１の中心軸線Ｏ－Ｏ上に整列した同軸状態で配置されている。

図示の電極は、固定電極であり、これと対をなす可動電極の図示は省略してある。

つぎに、ガイドピンについて説明する。

鋼板部品３が載置される電極本体１の端面から突出し、鋼板部品３の下孔１０内に進入する断面円形のガイドピン１２が、ステンレス鋼のような金属材料またはセラミック材料などの耐熱硬質材料で構成されている。ガイドピン１２には、軸部２０が挿入される受入孔３５が設けてあり、その深さ寸法は図１（Ａ）に示すように、軸部２０の長さよりも短く設定してある。このため、可動電極がフランジ２１を加圧する前には、軸部２０の先端が受入孔３５の底面に突き当たっており、図１（Ａ）に示すように、溶着用突起２２と鋼板部品３の間に空隙が存在している。

ガイドピン１２の受入孔３５が形成されている中空部３７に連続した状態で中実部３８が一体化されている。一つの製作事例としては、１本のステンレス鋼製丸棒材に片側から受入孔３５を機械加工で開けることによって、簡単に製作することができる。したがって、ガイドピン１２は、全長にわたって同じ直径とされた断面円形の部材となっている。
ガイドピン１２の中空部３７の長さＬ１に対して、中空部３７に連続している中実部３８の長さＬ２の方が、長くしてある。

ガイドピン１２に一体化され電極本体１のガイド孔６に摺動できる状態で嵌め込まれている断面円形の摺動部材１３が、絶縁性合成樹脂材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（商品名＝テフロン・登録商標）によって構成されている。別の材料として、ポリアミド樹脂の中から、耐熱性、耐摩耗性にすぐれた樹脂を採用することも可能である。

つぎに、ガイドピンと摺動部材の一体化構造を説明する。

摺動部材１３の中心部に設けた挿入孔にガイドピン１２を差し込んで、ガイドピン１２と摺動部材１３の一体化が図られている。ガイドピン１２を摺動部材１３に一体化する構造としては、摺動部材１３のインジェクション成型時に、ガイドピン１２を一緒にモールドインする方法や、ガイドピン１２に結合ボルト構造部を設ける方法など、種々なものが採用できる。ここでは、後者の結合ボルト構造部のタイプである。

すなわち、ガイドピン１２の下端部にこれと一体的にボルト１４が形成され、摺動部材１３の底部材１５にボルト１４を貫通し、ワッシャ１６を組み付けてロックナット１７で締め付けてある。摺動部材１３は、電極本体１と対をなす可動電極が動作して溶接電流が通電されたときに、電流がフランジ２１の溶着用突起２２から鋼板部品３にのみ流れるように、絶縁機能を果たしている。可動電極の動作で溶着用突起２２が鋼板部品３の表面に接触するときには、ガイドピン１２の先端部が下孔１０から抜け出して、ガイドピン１２と下孔１０の内面とは離隔されている。このような離隔は、ガイドピン１２が下孔１０に進入している長さの方が、前述の溶着用突起２２と鋼板部品３の表面間の寸法よりも、短く設定してあるためである。

摺動部材１３の長さは、中空部３７よりも長い中実部３８とほぼ同じ長さに設定してあり、前述の絶縁性合成樹脂材料の体積を多くして、摺動部材１３の全域における蓄熱性を向上している。

圧縮コイルスプリング２３は、ワッシャ１６とガイド孔６の内底面の間に嵌め込まれており、その張力が摺動部材１３に作用している。なお、符号２４は、ガイド孔６の内底面に嵌め込んだ絶縁シートを示している。圧縮コイルスプリング２３の張力が、後述の静止内端面に対する可動端面の加圧密着を成立させている。圧縮コイルスプリング２３は、加圧手段であり、これに換えて圧縮空気の圧力を利用することも可能である。

つぎに、摺動部材の各部とガイド孔各部の対応関係を説明する。

摺動部材１３には、大径部２６と中径部２７が形成され、中径部２７よりも小径のガイドピン１２が一体化されている。大径部２６が、大径孔７の内面との間に実質的に隙間がなくて摺動できる状態で大径孔７に嵌め込んであり、中径部２７が、中径孔８の内面との間に冷却空気の通気隙間２８を残して挿入されている。上述の「・・実質的に隙間がなくて摺動できる状態・・」というのは、摺動部材１３に電極本体１の直径方向の力を作用させても、隙間感覚のあるカタカタといったがたつき感触がなく、しかも中心軸線Ｏ－Ｏ方向の摺動が可能な状態を意味している。小径孔９を貫通してガイドピン１２が電極本体１の上面から突き出ている。ガイドピン１２が押し下げられたとき、冷却空気が通過する通気隙間２９が、小径孔９とガイドピン１２の間に形成してある。

つぎに、冷却空気の通気構造について説明する。

冷却空気をガイド孔６に導く通気口３０が固定部２に形成してある。大径部２６と大径孔７の摺動箇所の空気通路を確保するために、大径部２６の外周面に中心軸線Ｏ－Ｏ方向の凹溝を形成することもできるが、ここでは図１（Ｂ）に示すように、大径部２６の外周面に中心軸線Ｏ－Ｏ方向の平面部３１を形成して、平面部３１と大径孔７の円弧型内面で構成された空気通路３２が形成されている。このような平面部３１を９０度間隔で形成して、４箇所に空気通路３２を設けている。

ガイド孔６の中径孔８と大径孔７の境界部に環状の静止内端面３３が形成されている。また、摺動部材１３の中径部２７と大径部２６の境界部に環状の可動端面３４が形成されている。静止内端面３３と可動端面３４は電極本体１の中心軸線Ｏ－Ｏが垂直に交わる仮想平面上に配置してあり、圧縮コイルスプリング２３の張力によって可動端面３４が静止内端面３３に対して環状状態で密着し、この密着によって冷却空気の封止がなされている。

なお、静止内端面３３と可動端面３４や、その近辺の通気構造は、その拡大図を図１（Ｄ）に図示してある。

通気孔３０から送り込まれた冷却空気は、可動電極の進出動作で可動端面３４が静止内端面３３から離れるので、空気通路３２から可動端面３４と静止内端面３３との離隔隙間を通過し、通気隙間２８、通気隙間２９を通過して空冷作用を果たす。この空冷時に、摺動部材１３やガイドピン１２に蓄熱されている溶接熱を下孔１０から放散する。また、この空冷時にスパッタを外部へ排除する機能も果たされている。溶着用突起２２が完全に溶融してフランジ２１が鋼板部品３の表面に密着すると、上記の空気流は停止する。

つぎに、鋼板部品の挙動について説明する。

図２に示したものは、電極本体１の端面から突出しているガイドピン１２の突出長さが、鋼板部品３の厚さよりも長くなっている場合であり、このような事例において、前述の特許文献１に関して述べたようなひっかかりの問題が発生する。図２（Ａ）は鋼板部品３が正しく電極本体１の端面に載置されている場合である。

他方、同図（Ｂ）は、鋼板部品３を載置する途上で、鋼板部品３に傾きがあり、下孔１０の下側角部１０ａがガイドピン１２の外周面に食い込んだような状態でひっかかっており、ガイドピン１２の上側角部１２ａが下孔１０の内周面に食い込んだような状態でひっかかっており、円滑な鋼板載置が実現していない。

図３に示したものは、電極本体１の端面から突出しているガイドピン１２の突出長さＬ３が、鋼板部品３の厚さＴ１よりも短くなっている。このように短くしてあるので、同図（Ｂ）に示すように、鋼板部品３を電極本体１に載置する際に、図２（Ｂ）に示したようなひっかかりが仮に発生した場合でも、下孔１０の長さに対するガイドピン１２の挿入長さが短いので、ひっかかりの度合いが軽度なものとなり、そのまま鋼板部品が電極本体１の端面に密着するまでの、ガイドピン１２の完全挿入がえられる。そして、溶接後の鋼板部品３の取り出しにおいても、同様な現象で問題なく取り出しがなされる。

図３（Ａ）は鋼板部品３が電極本体１に正しく載置されている状態を示している。上述のようにしてひっかかりの問題が解消されるので、同図（Ｃ）に示すように、ガイドピン１２を鋼板部品３の下孔１０に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができる。よって、ガイドピン１２の直径方向に鋼板部品３が移動する量を実質的にゼロとすることができ、鋼板部品３とガイドピン１２の相対位置が正確に追求できる。

上述のひっかかりの度合いが軽度というのは、下孔１０の開口角部がガイドピン１２の外周面に対して、食い込む度合いが軽度であることを意味している。食い込む度合いが重度というのは、上記開口角部１０ａがガイドピン外周面に対して、深く食い込むことを意味し、このようになると、開口角部１０ａが食い込み箇所から滑り出ることができず、ガイドピン１２はそれ以上下孔１０に入らないこととなり、鋼板部品３の載置が不可能となる。

以上に説明した実施例の作用効果は、つぎのとおりである。

ガイドピン１２が電極本体１の端面から突出している長さは、鋼板部品３の厚さよりも短く設定されているので、鋼板部品３の下孔１０に対するガイドピン１２の挿入長さが短くなる。したがって、鋼板部品３を電極本体１上に載置したり、溶接後に鋼板部品３を取り出したりする際に、下孔１０の内周角部が中空ガイドピン１２の外周面にひっかかったりすることがなく、円滑な電気抵抗溶接が実現する。また、仮にひっかかった場合でも、下孔１０に対するガイドピン１２の挿入長さが短いので、ひっかかりの度合いが軽度なものとなり、そのまま鋼板部品３が電極本体１の端面に密着するまでの、ガイドピン１２の完全挿入がえられる。そして、溶接後の鋼板部品３の取り出しにおいても、同様な現象で問題なく取り出しがなされる。

上記のようにひっかかりが発生しないので、また発生しても軽度なものなので、ガイドピン１２を鋼板部品３の下孔１０に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができる。このような差し込み状態であるため、溶接熱は下孔１０の内面からガイドピン１２の外面に対して積極的に伝熱される。これによって、溶接熱はガイドピン１２の長手方向に伝熱されるとともに、ガイドピン１２に一体化されている断面円形の摺動部材１３へも伝熱される。このような伝熱によって、溶接熱はガイドピン１２から摺動部材１３にいたる広い領域に伝熱されるので、特定の箇所に集中的に伝熱されるようなことがなく、電極としての熱分布が良好となり、熱的耐久性が向上する。

電気抵抗溶接用電極における溶接熱の熱伝達は、鋼板部品３から電極本体１に伝えられた熱が大気中に放熱されるものもあるが、溶接熱の一部は電極内部においてできるだけ広い領域へ熱伝達されることが重要である。つまり、電極内部における溶接熱の残留は放熱しにくいので、特定の箇所に局部的に熱集中が起こらないようにすることが重要である。このような意味で上述のように、下孔１０の内面からガイドピン１２の外面に対して積極的に伝熱し、この伝熱を起点にしたような形態でガイドピン１２や摺動部材１３の全域に伝熱することが重要視される。

ガイドピン１２を鋼板部品３の下孔１０に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができるので、常温状態の鋼板部品３の下孔１０の内面に、残熱が蓄熱されているガイドピン１２が接触することによって、ガイドピン１２の冷却が促進され、中空化によって薄肉となったガイドピン１２への熱的影響を低減し、ガイドピン１２の耐久性を向上することができる。つまり、ガイドピン１２が電極本体１の端面から突出している長さは、鋼板部品３の厚さよりも短く設定されているために、ガイドピン１２を鋼板部品３の下孔１０に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができるのである。

ガイドピン１２の受入孔３５が形成されている箇所の長さに対して、受入孔３５が形成されている箇所に連続している中実部３８の長さの方が、長くしてある。したがって、中実部３８の熱量が大きくなるので、溶接熱の吸収にとって好都合である。また、絶縁性合成樹脂材料製の摺動部材１３も中実部３８の長さにわたって形成されているので、摺動部材１３自体の熱容量を大きくすることができ、摺動部材１３における熱分散も良好なものとなり、電極内部における熱分布が片寄ることなく、局部的な過熱現象が回避できる。

ガイドピン１２が電極本体１の端面から突出している長さは、鋼板部品３の厚さよりも短く設定されているため、ガイドピン１２を鋼板部品３の下孔１０に対して実質的に隙間がなくて摺動できる状態で差し込むことができる。よって、ガイドピン１２の直径方向に鋼板部品３が移動する量を実質的にゼロとすることができ、鋼板部品３とガイドピン１２の相対位置が正確に追求でき、鋼板部品３の下孔１０とガイドピン１２の同軸性を著しく高めることが可能となり、下孔１０の中心部にプロジェクションボルト１９を位置づけることができ、良好な溶接品質が確保できる。

上述のようにしてガイドピン１２の中実部３８や摺動部材１３に伝えられた溶接熱は、電極本体１内を通過する冷却空気によって下孔１０の方へ放散されるので、電極全体として冷却性が向上する。

さらに、空気通路３２は、中空部３７よりも長い中実部３８に沿って配置されているので、その長さを摺動部材１３の冷却にとって十分な長さにすることができ、金属よりも耐熱性の低い材料でできた摺動部材１３の冷却が良好に果たされる。

上述のように、本発明の装置によれば、鋼板部品を電極本体上へ載置したり、溶接後の鋼板部品を取り出したりすることを円滑に行うとともに、溶接熱の伝熱を改善して、放熱性を向上する。したがって、自動車の車体溶接工程や、家庭電化製品の板金溶接工程などの広い産業分野で利用できる。

１ 電極本体
２ 固定部
３ 鋼板部品
４ キャップ部
６ ガイド孔
７ 大径孔
８ 中径孔
９ 小径孔
１０ 下孔
１０ａ 角部
１２ ガイドピン
１３ 摺動部材
１９ プロジェクションボルト、ボルト
２０ 軸部
２１ フランジ
２２ 溶着用突起
２６ 大径部
２７ 中径部
２８ 通気隙間
２９ 通気隙間
３０ 通気口
３２ 通気通路
３３ 静止内端面
３４ 可動端面
３５ 受入孔
３７ 中空部
３８ 中実部
Ｌ１ 中空部の長さ
Ｌ２ 中実部の長さ
Ｌ３ ガイドピンの突出長さ
Ｔ１ 鋼板部品の厚さ
Ｈ１ 溶着用突起の高さ
Ｄ１ 溶着用突起の直径
Ｏ－Ｏ 中心軸線

Claims (1)

1. 雄ねじが形成された軸部と、軸部に一体的に設けられた円形のフランジと、軸部側のフランジ面に設けた複数の溶着用突起を有するプロジェクションボルトが溶接の対象とされ、
   円形断面とされた電極本体の端面から突出し、鋼板部品の下孔に相対的に挿入される断面円形のガイドピンが、軸部の受入孔を有する中空形状とされているとともに、耐熱硬質材料で構成され、
   ガイドピンに一体化され、電極本体のガイド孔に摺動できる状態で嵌め込まれている断面円形の摺動部材が、絶縁性合成樹脂材料で構成され、
   ガイドピンが電極本体の端面から突出している長さは、鋼板部品の厚さよりも短く設定されていることを特徴とする電気抵抗溶接用電極。

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