抵抗溶接

抵抗溶接は、次の5大要素に大きく左右されます。

1. 1. 電流
2. 2. 通電時間
3. 3. 加圧力
4. 4. 電極(電流密度)
5. 5. ヒートバランス

抵抗溶接は電流によって熱を発生させて溶接を行うので、電流の大きさと通電時間、電流密度が重要な要素になります。また、加圧のかけ方も重要です。

発熱方式は、あくまで固有抵抗+接触抵抗利用の発熱です。しかし、被溶接物の材質により接合のメカニズムは3種類に分けて検討する必要があります。
鉄や鉄合金同士の溶接やアルミ同士の溶接では、通常の抵抗溶接と同様に、接合面に溶融物(ナゲット)が形成されます。ただし、被溶接物界面を中心とした浅く扁平なナゲットとなります。

｢溶融接合でのナゲット｣
(SUS304の80µm同士で、φ10µmのタングステンを包んでいます)

銅同士の場合は、溶融開始直前の結合が行われ、いわゆる拡散というかたちで接合されます。光学顕微鏡で断面を観察しても、ナゲットは一切確認できません。なお、溶融状態まで温度を上げた接合となります。

｢0.3mmの銅板と0.5mmのニッケルめっき鉄板の溶接｣
(接合界面に合金層は見えない、めっき層あり)

３番目としては、塑性流動的に金属同士がかみ合って接合強度を保つ場合があります。合金層となる以前に発熱を終了させる結果、各々の金属が互いの金属中へ飛び込んだ状態で冷却し、接合の強度を得られたものもあります｡合金とはなっていませんが、脆弱な合金をつくるよりも、より信頼性の高い接合強度を得られます。

｢ニッケル板0.1mmと鉄ニッケルめっき板0.22mm｣
(ニッケルが鉄板の中に巻き込まれた状態:塑性流動)

大きく分けて3つあります。

1. 1. 熱効率が良く、溶接時間を短くできるのできれいに溶接できます。
   単相交流式では電流の休止時間があるので熱供給は断続的になってしまいますが、インバーター方式では休止時間がないので連続的に熱供給できます。このため短時間で溶接が行え、ナゲット周辺への熱影響も少なく奇麗に溶接できます。
2. 2. スプラッシュを抑え安定した溶接を行えます。
   金属の材質や形状に合わせ通電時間や電流の立ち上がり時間を細かく調整できるので、スプラッシュが発生しない溶接条件を設定できます。
3. 3. トランスが小型・軽量で、自動機への搭載も容易です。
   ほかの方式の電源に比べトランスが小型になります。

プロジェクション溶接は板厚差の大きいワークを溶接するための方法で、厚い側の被溶接物に突起(プロジェクション)を出し、電流密度を上げて突起部に抵抗発熱を集中させて溶接します。

[ 長所 ]
(1) 1度に多点溶接が可能。(2)フラット電極が使え、電極寿命が長くなる。(3)板厚比が3倍以上のワークに対してもある程度溶接可能。(4) 2点以上を溶接すれば回転トルクに強い溶接ができる。(５)電極管理が容易。(6)短時間で溶接できる。(7)電流を集中するので省エネになる。

[ 短所 ]
(1)多点溶接すると溶接装置が大型になる。(電流容量、加圧力)(2)プロジェクションの高さを揃えなければならない。(3)電極の平行度をシビアに保たなければならない。

当社交流式電源MEA-100Aについて説明します。

[ 電源電圧変動補償制御 ]
工場では電源電圧が頻繁に変動し溶接に悪影響を及ぼす可能性があります。この制御は電源電圧が変動しても一定の電流を流すように制御します。最初の半波から電圧変動を補償した電流を流すため、半サイクル・1サイクルなど短時間通電の場合でも安定した溶接を行えます。

[ 2次定電流制御 ]
溶接トランスから出る2次電流をトロイダルコイルによってフィードバックし、一定の電流を流すように制御します。ワークの抵抗負荷が変わっても一定の電流を流せるのが特長です。電源電圧変動補償制御の場合、板金溶接などでワークがヘッドの懐に入るとその入った量により電流も変化してしまいますが、2次定電流制御ではこのような場合も一定の電流を流すように制御できます。

溶接トランスは電圧を低くし、その分大電流を作る200V×10A=2000VA、10V×200A=2000VA、2V×1000A=2000VAで、それぞれエネルギーは同じ)
この理論通りなら小さいタップ電圧の方が大きい電流を流せるはずですが、
電流はオームの法則
I(電流)=E(電圧)/R(抵抗)
に従って流れるためE(電圧)がある程度大きくなければ大きな電流を流すことはできません。そのため抵抗の高いワークではタップ電圧が大きい方が大きな電流を流せるということになります。

溶接材料や必要な強度により異なるのではっきりと決まった方法はありませんが、溶接は「通電時間」「溶接電流」「加圧力」、さらに「電極」も関係するので、この4つを適度に調整して条件を出す必要があります。
電極に関しては、被溶接物の材質や厚みでほぼ特定されます。電極の基本的な役割は、電流密度を一定に保ちながら、電流を溶接点に集中させ発熱をさせることと、一定の加圧力で溶融個所を保持しながら通電終了後の冷却凝固を促進することです。現在、マイクロ抵抗溶接では、被溶接物側に電流を集中させるための突起物(プロジェクション)が施され、プロジェクション溶接が多く採用されています。電極先端はフラットのままでも、電流の集中による発熱が可能で、放熱が容易となるため、被溶接物の表面の傷を抑えられます。また、電極の寿命がはるかに延びることに繋がります。
ついで溶接3条件の選定となります。電流および時間は溶接電源を操作することになります。また、加圧力は溶接ヘッドでの操作になります。加圧力の上げ下げは、接触抵抗の増減となり、これも発熱量の調整となります。
通常加圧力をベースとして、各加圧力ごとの電流・時間軸上に溶接強度などの数値を入れて、ウエルドローブを作成します。各加圧力ごとのウエルドローブを比較して、もっとも条件幅の広い条件を選定することになります。なお、この条件での量産試験検証が必要です。
毎回の溶接品質に電極先端の変化が影響を及ぼします。また、溶接電極は消耗品で、一定回数での再研磨、もしくは交換が必要です。ですからこの検証作業を通して、電極変化に伴う溶接品質の確認と、溶接電極交換時期の決定が行われます。

｢ウエルドローブ:電極加圧力 2.0kgf/2点｣
(被溶接物 Nit0.1mm とFet0.25のシリーズ溶接2点間隔=3mm 電極はアルミナ分散銅AL-60φ1.5mmトランジスタ制御溶接電源使用ウエルドケーブル=38sq-1000Lmm)

(溶接条件出しフローチャート)

実際に溶接条件を出す手順は、溶接ヘッドの加圧目盛を弱と強の中心付近にセットし、溶接電流と通電時間を低めに設定してから徐々に溶接しながら条件を上げていきます。インバーター式・交流式では通電時間を短めにし、電流のみを増やし、電流設定が最大でなお不十分であれば、通電時間を上げて電流はゼロ付近から再び上げていく手順となります。
全く溶接できない状態から開始し、少し溶接できる状態になった後、火花(スプラッシュ)が出るかどうかを観察しながらテストを続けます。火花を抑えるためには加圧力を上げることで対処します。
引っ張りテスト、剥離テストなどの結果十分な強度が得られ、かつ溶接強度が安定するようになれば、その溶接条件で溶接を続けてください。溶接電流、通電時間を最大にしても強度が不十分な場合は少し加圧力を弱めると強度が増すことがあります。それでも溶接状態が不十分な場合は溶接機の容量が不足しているので1クラス上の溶接機が必要です。
また、交流式の場合、溶接機能力に余裕のあるときはサイクル数を少なくし、ヒート目盛やタップ電圧を上げると変色が少ない溶接ができます。
詳しくはお問い合わせフォームを利用してください。

主な溶接不良とその対策

※追従性…ワークの膨張・収縮に素早く反応し安定した加圧をすること。