JP6156034B2 - 金属板積層体の接合方法および金属板積層体 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚の金属板を重ね合わせて接合する方法、および該接合方法によって得られる金属板積層体に関する。

積層した金属板を一体化させる方法としては、リベットによりかしめ接合する方法、プレス加工でかしめ突起と打ち抜き孔を形成し、かしめ突起を打ち抜き孔に嵌合してかしめ接合する方法（特許文献１参照）、クラッド鋼の製造に利用される異種金属を高温下で圧着させる方法（特許文献２参照）などが知られている。

しかし、従来の方法はそれぞれ課題があった。リベットによりかしめ接合する方法では、リベットの頭部を圧潰しても若干の突出が残るため、周辺部品に干渉する問題があるうえ、生産工程においてリベットを積層体にセットする工程が必要となる。

また、特許文献１の方法では、断面Ｖ形の突起と打ち抜き孔の嵌合のみで接合されるため、接合強度が不足し、加工工程や搬送工程において積層体に負荷がかかると分離する虞があり、改善が望まれていた。特許文献２の方法では、金属板が高温で圧接されるため、鋼板の場合には表面の脱炭および焼鈍しが生じ、表面および内部の硬度が低下する問題があった。

積層した金属板を一体化させる他の方法として、スポット溶接があるが、実施の際に高い電流や加圧力が印加されるため、熱影響により金属組織が変化して表面硬さが低下し、部品強度が低下する問題もある。また、溶接の際に、複数枚の金属板を外周部などで位置決めするための専用治具が必要となる。

特開２００３−２３１２０６号公報 特開２０１１−２０６９１８号公報

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、追加部品を必要とせずに接合強度および表面硬度を確保できる金属板積層体の接合方法および金属板積層体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る金属板積層体の接合方法は、
複数の金属板のうち１枚の第１の金属板（１１）の所定位置に貫通孔としてダボ穴（１２）が形成され、他の複数の第２の金属板（２１）のそれぞれの所定位置にダボ突起（２３）が形成されるように、前記複数枚の金属板（１１，２１）をプレス加工するステップと、
前記第１の金属板の前記ダボ穴（１２）に、前記第２の金属板の前記ダボ突起（２３）が嵌合され、そのダボ突起の反対側の面に形成された凹部（２２）に、他の前記第２の金属板のダボ突起（２３）が嵌合されるように、前記第１の金属板（１１）に前記複数の第２の金属板（２１）を順に重ねて積層体を形成するステップと、
前記積層体の前記第１の金属板の前記ダボ穴内に位置した前記第２の金属板のダボ突起（２３）に第１の電極チップ（５１）を当接させ、前記積層体の前記第１の金属板と反対側の最表面に位置した前記第２の金属板の前記凹部（２２）に第２の電極チップ（５２）を当接させ、前記第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加して挟持した状態で通電してスポット溶接するステップと、
を含む。

本発明に係る金属板積層体の接合方法は、上述のような工程を採用したことにより、以下に記載されるような作用・効果を有する。
スポット溶接する嵌合部内では金属板の枚数が、積層体の枚数よりも１枚少なくなるため、その分、溶接の際の消費エネルギーを低減できる。
スポット溶接時のジュール熱をダボ穴／ダボ突起の嵌合部に集中させることができるため、少量の消費エネルギーで複数枚の金属板を溶接することができる。
ダボ穴／ダボ突起の嵌合部内でスポット溶接が行われるので、外表面に溶接跡が残ることがなく、良好な外観および寸法精度が得られる。
外表面への熱影響がほぼ無いため、金属組織への影響を低減することができ、表面硬さの低下を抑制できる。
スポット溶接を行う以前に、積層体がダボ穴／ダボ突起の嵌合により固定もしくは仮止めされているので、接合すべき複数枚の金属板の外周部を位置決めする必要が無く、専用治具を作成する工数や、材料のコストが必要無い。

本発明において、前記第１、第２の電極チップが、前記ダボ突起および前記凹部よりも大径の基部と、前記ダボ突起および前記凹部よりも小径の先端凸部と、前記基部と前記先端凸部との間の遷移部と、を有する態様では、小面積のダボ突起／凹部に効率良く大電流を集中させることができ有利である。

本発明において、前記先端凸部の端面が実質的に平坦面であれば、各電極チップの凸部とダボ突起／凹部の面との間の接触面積を最大限に確保でき、接触部における無駄な発熱とそれに伴う溶接チップの固着を防止するうえで有利である。

本発明において、前記金属板が鋼板または鋼板と同程度の電気伝導率を有する金属板であり、前記積層体とした状態での厚さが２〜９ｍｍである場合に、
電極チップ間に通電する電流値が５．５〜７．０ｋＡであること、
電極チップ間に通電する電流パルスが１０〜２０サイクルであること、
電極チップ間の加圧力が２．１〜３．０ｋＮであること、
が好適である。このような条件下で本発明方法を実施することにより、ブローホール（空洞）や溶込み不良などの溶接不良を回避でき、高い接合強度を確実に得ることができる。スポット溶接は短時間で完了するため、積層体と接している部品への熱影響やそれに伴う硬さの低下を防止できる。

本発明に係る金属板積層体の接合方法を示す模式的断面図である。 金属板積層体のスポット溶接工程を示す要部拡大断面図である。 金属板積層体のスポット溶接部を示す断面写真である。 本発明に係る接合方法を実施した金属板積層体部品を示す斜視図である。 加圧力を一定にして電流値と通電サイクル数を変化させた各場合における溶接の良／不良を示すグラフである。 電流値を一定にして通電サイクル数と加圧力を変化させた各場合における溶接の良／不良を示すグラフである。 通電サイクル数を一定にして電流値と加圧力を変化させた各場合における溶接の良／不良を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、本発明に係る金属板積層体の接合方法は、（ａ）複数枚の金属板をプレス加工するステップ、（ｂ）プレス加工した金属板を嵌合して積層体を形成するステップ、（ｃ）嵌合部をスポット溶接するステップとして実施される。

先ず、プレス加工するステップにおいては、図１（ａ）の下段に示されるように、１枚の第１の金属板１１を所定の部品形状にプレス型で打ち抜き加工するとともに所定位置にパンチ４１でダボ穴１２を穿設する。さらに、複数の第２の金属板２１を所定の部品形状にプレス型で打ち抜き加工するとともに所定位置にパンチ４２でダボ突起２３を加工する。ダボ突起２３は金属板２１の厚さの２５〜７５％（図示例では５０％）の深さで形成され、ダボ突起２３の反対側の面には凹部２２が形成される。

次に、積層体を形成するステップでは、図１（ｂ）に示されるように、第１の金属板１１のダボ穴１２に、第２の金属板２１のダボ突起２３を嵌合し、さらに、前記第２の金属板２１のダボ突起２３の反対側の凹部２２に、次の第２の金属板２１のダボ突起２３を嵌合し、この操作を繰り返して複数（図示例では４枚）の金属板１１，２１がダボ穴１２／ダボ突起２３／凹部２２を介して相互に嵌合された積層体３０を形成する。

次に、スポット溶接するステップでは、図１（ｃ）に示されるように、積層体３０の第１の金属板１１のダボ穴１２内に位置した第２の金属板２１のダボ突起２３に第１の電極チップ５１を当接させ、積層体３０の第１の金属板１１と反対側の最表面に位置した第２の金属板２１の凹部２２に第２の電極チップ５２を当接させ、第１、第２の電極チップ５１，５２間に加圧力を付加して挟持した状態で、第１、第２の電極チップ５１，５２間に所定の電流パルスを印加すると、第１、第２の電極チップ５１，５２間に位置した各金属板１１，２１を貫通する導電経路に沿って抵抗発熱（ジュール熱）を生じ、この抵抗発熱によって金属が加熱溶融されることでナゲット３１が形成され、このナゲット３１が冷却され固化することで溶接継手が形成される。

図２は、６枚の金属板１１，２１のダボ突起２３をダボ穴１２／凹部２２に嵌合してなる積層体のスポット溶接を示している。図において、ナゲット３１は、上下の最表面の金属板１１，２１と隣接する金属板２１，２１との接触面に沿って拡がり、最表面から中央に向かうにしたがって導電経路が狭まることで溶融領域も狭まり、全体として糸巻形状をなしている。ナゲット３１の周囲の個体熱伝導による熱影響部３２では各金属板１１，２１の接触面が固相溶接（コロナボンド）される。

ここで、本発明に係る接合方法では、ダボ穴１２／ダボ突起２３／凹部２２の嵌合部においてスポット溶接するので、各電極チップ５１，５２と金属板１１，２１との接触面（２３ａ，２２ａ）は、金属板１１，２１の外表面１１ａ，２１ａに対して凹陥しており、ナゲット３１はもちろん熱影響部３２も嵌合部内に収まっており、外表面１１ａ，２１ａには表れないので、金属板１１，２１の外表面１１ａ，２１ａの硬さが熱影響で低下することがない。また、各電極チップ５１，５２の加圧力も金属板１１，２１の外表面１１ａ，２１ａには及ばないので、加圧力による外表面１１ａ，２１ａの変形も生じない。

次に、本発明に係る接合方法におけるスポット溶接で使用する電極チップ５１，５２は、図１（ｃ）および図２に示されるように、プレス加工したダボ穴１２／凹部２２に進入可能な小径の先端凸部５１ａ，５２ａと、ダボ穴１２／凹部２２よりも大径の基部５１ｂ，５２ｂと、それらの間の遷移部５１ｃ，５２ｃとを有する先細形状に形成されている。

電極チップ５１，５２の基部５１ｂ，５２ｂから遷移部５１ｃ，５２ｃにかけての断面内には冷却水を流通させる空洞（図示せず）が形成されている。したがって、上記のような構成は、電極チップ５１，５２としての強度を維持しながら断面内に冷却用空洞を形成し、かつ、先端凸部５１ａ，５２ａに効率良く電流経路と加圧力を集中させるうえで有利である。なお、遷移部５１ｃ，５２ｃの形状としては、図１（ｃ）に示す円錐形状や、図２に示す部分球面形状とすることが好適である。電極チップの材質は特に限定されるものではないが、導電性と耐久性のバランスが良い銅合金、たとえば、クロム銅（ＣｒＣｕ）などが好適である。

次に、図２に示したのと同様、厚さ１ｍｍの鋼板６枚に直径２ｍｍのダボ突起／ダボ穴を形成して嵌合した嵌合部を、直径１ｍｍの先端凸部を有する電極チップを用いてスポット溶接する場合に、電極チップ間に通電する電流値、通電サイクル、電極チップ間に印加する加圧力を変更して溶接断面を観察する実験を行った。各溶接条件に対する結果を図５〜図７に示す。

図５は、加圧力を一定（２．１８ｋＮ）にして電流値（５〜７．８ｋＡ）と通電サイクル数（５〜２５回）を変化させた各場合における溶接断面を観察し、溶接の良／不良を判定した結果を示している。この場合、電流値が５ｋＡ以下、通電サイクルが５サイクル以下の低出力条件では、溶接時の発熱が不十分であり、良好な溶接継手が形成されなかった。具体的には、図２に示したナゲット３１が、上下各側に分離した状態となり、中間部分の溶融が不十分であることが確認された。逆に、電流値が７．５ｋＡ以上、通電サイクルが２５以上での高出力条件では、ナゲットの中心部分にブローホールが残留し、溶接継手の断面積が減少することにより、接合強度が低下することが確認された。

図６は、電流値を、上記実験で最も良好な結果が得られた６ｋＡにして、通電サイクル数（５〜２５回）と加圧力（２．１８〜３．１ｋＮ）を変化させた各場合、図７は、通電サイクル数を一定（１０回）にして、電流値（５〜７．８ｋＡ）と加圧力（２．１８〜３．５ｋＮ）を変化させた各場合における溶接断面を観察し、溶接の良／不良を判定した結果を示している。何れも、加圧力が小さすぎる場合には、接触面での抵抗が大きくなる分だけ抵抗発熱が不足する一方、加圧力が大きすぎる場合（３．１ｋＮ以上）には、電極の溶着が発生する傾向が見られた。

図３は、良好な結果が得られた例として、電流値６ｋＡ、通電サイクル数１５回、加圧力２．１８ｋＮにおける溶接継手の断面写真（図２のもとになった写真）を示しており、糸巻形状のナゲットとその周囲の熱影響部を確認でき、かつ、熱影響部における鋼板の接合面にコロナボンドの白い筋を確認できる。

図４は、本発明に係る接合方法を実施した金属板積層体部品として、自動二輪車のデコンプカム４３０を示している。デコンプカム４３０は、ハブ４３４と、その一側に突設されたカム４３５と、他側に突設されたウエイト部４３３から構成されており、図中下から３枚の鋼板４１１，４２１，４２１は、カム４３５、ハブ４３４、ウエイト部４３３の全体に一連に設けられ、ハブ４３４においてはさらに６枚の鋼板４２１が積層され、ウエイト部４３３においてはさらに３枚、計６枚の鋼板４１１，４２１が積層されており、それらが４か所の接合部４２２で、図１（ｂ）に示した嵌合と、図１（ｃ）に示したスポット溶接とにより接合されている。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、図１および図２では、ダボ突起２３／凹部２２の周側壁がストレートに図示されているが、パンチを受けるダイ（不図示）の穴の径を、パンチの径よりも大きくして、ダボ突起の周側壁に０〜３０°程度の抜き勾配が形成されるようにしてもよい。また、ダボ穴１２を形成した第１の金属板１１が積層体３０の中間部に挿入されてもよい。

１０，１１ 第１の金属板
１２ ダボ穴
２０，２１ 第２の金属板
２２ 凹部
２３ ダボ突起
３１ ナゲット
３２ 熱影響部
４１，４２ パンチ
５１，５２ 電極チップ
５１ａ，５２ａ 先端凸部
５１ｂ，５２ｂ 基部
５１ｃ，５２ｃ 遷移部

Claims (9)

1. 複数の金属板のうち１枚の第１の金属板の所定位置に貫通孔としてダボ穴が形成され、他の複数の第２の金属板のそれぞれの所定位置にダボ突起が形成されるように、前記複数枚の金属板をプレス加工するステップと、
   前記第１の金属板の前記ダボ穴に、前記第２の金属板の前記ダボ突起が嵌合され、そのダボ突起の反対側の面に形成された凹部に、他の前記第２の金属板のダボ突起が嵌合されるように、前記第１の金属板に前記複数の第２の金属板を順に重ねて積層体を形成するステップと、
   前記積層体の前記第１の金属板の前記ダボ穴内に位置した前記第２の金属板のダボ突起に第１の電極チップを当接させ、前記積層体の前記第１の金属板と反対側の最表面に位置した前記第２の金属板の前記凹部に第２の電極チップを当接させ、前記第１、第２の電極チップ間に加圧力を付加して挟持した状態で通電してスポット溶接するステップと、
   を含む、金属板積層体の接合方法。
2. 前記第１、第２の電極チップは、前記ダボ突起および前記凹部よりも大径の基部と、前記ダボ突起および前記凹部よりも小径の先端凸部と、前記基部と前記先端凸部との間の遷移部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の金属板積層体の接合方法。
3. 前記先端凸部の端面は実質的に平坦面であることを特徴とする請求項２に記載の金属板積層体の接合方法。
4. 前記金属板が鋼板または鋼板と同程度の電気伝導率を有する金属板であり、前記積層体とした状態での厚さが２〜９ｍｍであり、かつ、前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流値が５．５〜７．０ｋＡであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の金属板積層体の接合方法。
5. 前記金属板が鋼板または鋼板と同程度の電気伝導率を有する金属板であり、前記積層体とした状態での厚さが２〜９ｍｍであり、かつ、前記第１、第２の電極チップ間に通電する電流パルスの通電サイクルが１０〜２０サイクルであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の金属板積層体の接合方法。
6. 前記金属板が鋼板または鋼板と同程度の電気伝導率を有する金属板であり、前記積層体とした状態での厚さが２〜９ｍｍであり、かつ、前記加圧力が２．１〜３．０ｋＮであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の金属板積層体の接合方法。
7. 前記金属板は鋼板であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の金属板積層体の接合方法。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の方法による接合を含む金属板積層体。
9. 複数の金属板のうち１枚の第１の金属板の所定位置に貫通孔としてダボ穴が形成され、他の複数の第２の金属板のそれぞれの所定位置にダボ突起が形成された３枚以上の金属板の積層体であって、前記第１の金属板の前記ダボ穴に前記複数の第２の金属板のうち１枚のダボ突起が嵌合され、前記１枚の第２の金属板の前記ダボ突起の反対側の面に形成された凹部に他の前記第２の金属板のダボ突起が嵌合されるように積層され、かつ、外表面から凹陥した前記ダボ突起と前記ダボ穴および前記凹部との嵌合部においてスポット溶接され、前記嵌合部が溶融固化したナゲットおよび熱影響部が前記外表面間の厚さの範囲より内側にある、金属板積層体。