抵抗スポット溶接
融合:電流のパルスが、クランプした板のあいだにナゲットを溶かしてつくる
抵抗スポット溶接は、重なった 2 枚の金属板を銅の電極で挟んで押さえ、大きな電流を流して、小さな点で接合する工程です。1 点あたり 1 秒もかからず、溶加材もガスも要りません。自動車のボディはこうして組み立てられます。車のドアの開口部の内側を見ると、小さな丸いくぼみが並んでいるのがわかります。
しくみ
押しつぶす。 ロボットやプレスが、水冷式の銅合金の電極 2 本を、重なった板の上に閉じます。電極は数キロニュートンの力、およそ数百キログラム分の重さで押さえます。
溶接する。 約 5,000〜20,000 アンペアの電流が、わずか数ボルトで、10 分の 1 秒から数 10 分の 1 秒のあいだ流れます。抵抗(電流に逆らう材料の性質)が、トースターの電熱線のように、それを熱に変えます。2 枚の板の接触部が最も大きな抵抗を示すので、そこが最初に熱くなります。そこにレンズ状のナゲット(溶けた金属の小さな塊)ができ、大きさは通常 4〜8 mm です。
保持する。 電流は止まりますが、ナゲットが冷えて固まるあいだ、電極は押さえ続けます。電極の内部を流れる水が熱を奪うので、銅は冷たいままで、板に溶着しません。
取り出す。 電極が開き、両面に浅いくぼみが残ります。ロボットは次のスポットへ移ります。通常は、フランジ(重なった平らな縁)に沿って数センチ先です。
真ん中だけが溶ける理由。 銅は鋼よりも数倍よく電気と熱を通すので、電極はほとんど温まりません。板どうしの接触部が最も熱くなるので、ナゲットは内側から外側へ成長し、外からは見えません。
主なポイント
- 材料
- 低炭素鋼と亜鉛めっき鋼板、ステンレス鋼。特殊な大電流機ならアルミニウム。電池用のニッケルストリップ
- 代表的な部品
- 自動車のボディ、ドア、ボンネット、家電のキャビネット、スチール棚、バッテリーパック
- 部品サイズ
- 板は通常、各 0.5〜3 mm の厚さ。組立品は自動車のボディ全体ほどの大きさまで
- 精度
- スポットはロボットで約 ±1 mm 以内に配置。部品全体の精度は、固定用の治具で決まる
- 表面仕上げ
- 各面に小さな丸いくぼみ。たいていはフランジに隠れるか、塗装で隠れる
- 向いているロット数
- 大量生産。小型の卓上機は、修理工場やバッテリー製作者にも使われる
- 金型・設備コスト
- 小さな卓上機は数百ドル。溶接ガン付きのロボットは約 10 万ドル以上
- 速度
- 1 点あたり 1 秒をはるかに下回る。ロボットは移動を含めて、およそ 1〜3 秒に 1 点
強みと限界
強み
- 非常に速く、自動化しやすい
- 溶加材、ガス、フラックスは不要:溶接 1 点あたりのコストが非常に低い
- 熱は局所にとどまるので、部品はほとんど歪まない
- 電流、力、時間を調整すれば、再現性が高い
限界
- 薄板の重ね継手にしか使えない
- 接合は連続した継目ではなく点なので、漏れを防ぐ密閉はできない
- ナゲットは内部に隠れているので、破壊試験なしでは品質の確認が難しい
- 電極の先端は摩耗するので、ドレッシング(整形し直し)が必要。アルミニウムにははるかに大きな電流が必要
使われる場所
- 自動車ホワイトボディ(溶接されただけの素のボディシェル)、ドア、ボンネット、シートフレーム
- 家電洗濯機、オーブン、冷蔵庫のキャビネット
- 電池電動アシスト自転車や電動工具のパックで、セルをつなぐニッケルタブ
- 金属製の家具とエンクロージャースチール棚、ロッカー、電気キャビネット
- 鉄道ステンレス鋼の鉄道車両のボディパネル
見分け方
- フランジに沿って等間隔に並ぶ、直径約 5〜8 mm の小さな丸いくぼみの列。
- 同じくぼみが、接合部の両面に現れます。
- 素地のままの金属やステンレス鋼では、各スポットの周りにかすかな熱の色のリングが出ます。
- 車のドアやボンネットを開けてみてください:ボディシェルの縁に、それが並んでいます。
比較
動画を見る
Welding Fabrication World · 工程、強み、用途を、初心者向けに
The Weld Nugget · 電流、力、時間が、どのようにナゲットをつくるか
FANUC America Corporation · 自動車のボディサイドを溶接するロボット。各スポットで火花が散る
ABB Robotics · ボルボの実際の車体ライン
実写真を見る
- Wikipedia:Spot welding — スポット溶接ロボットと機械の写真、工程図付き
- Wikimedia Commons の写真検索
覚えておこう
- 電流、加圧力、時間は、すべてのスポット溶接の 3 つの設定です。
- 熱は板が接触している場所に生じます。その接触部が、電流に最も大きな抵抗を示すからです。
- 自動車のボディは、数千点のこうしたスポットで接合されており、そのほとんどはロボットがつくります。
接合のほかのレッスン
100 のプロセスすべて
7.1ショートアーク溶接(MIG/MAG、TIG、被覆アーク)溶融接合:電気アークで母材の縁と、たいていは溶加材を溶かすレッスンを開く
7.3ろう付けとはんだ付け溶加材だけが溶ける:融点の低い溶加材が、狭い隙間に流れ込むレッスンを開く
7.4レーザー溶接融合:集光したレーザーがキーホールをあけ、狭くて深い溶接をつくるレッスンを開く
7.5電子ビーム溶接溶融接合:真空中の電子ビームで、非常に厚い金属を溶接するレッスンを開く
7.6摩擦攪拌接合固相接合:回転する工具が、軟化した縁をかき混ぜて一つにするレッスンを開く
7.7超音波溶接固相接合：高速の振動で、小さな接合部を 1 秒足らずで結合するレッスンを開く
7.8爆発圧接(クラッディング)固相接合:爆発が一方の板をもう一方に叩きつけるレッスンを開く