スポット溶接:原理、プロセスおよび鋼接合における応用

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定義と基本概念

スポット溶接は、主に鋼鉄業界で使用される抵抗溶接プロセスで、特定のポイントで局所的な熱と圧力を加えることによって、2枚以上の金属板を接合します。これは、板の接触面を通して電流を流し、電気抵抗によって熱を生成し、界面で金属を溶かし、冷却時に溶接ナゲットを形成します。この技術は、迅速なサイクルタイム、最小限の熱歪み、高容量生産に適していることが特徴です。

基本的に、スポット溶接は、接合される材料の接触界面で電気エネルギーが熱に変換される抵抗加熱の原理に基づいています。このプロセスは、鋼板の電気抵抗と、親密な接触を促進するために加えられる圧力に依存しており、金属的結合を可能にします。金属的基盤は、鋼の表面層の局所的な溶融を含み、その後の固化によって強力で導電性のある接合部を形成します。

鋼の接合方法の広範な分類の中で、スポット溶接は抵抗溶接プロセスとして分類され、アーク溶接、レーザー溶接、摩擦溶接などの他の技術とは異なり、電気抵抗と局所的な熱生成を使用することによって区別されます。これは、薄い板金の組み立てに特に適しており、速度、自動化、最小限の後処理の利点を提供します。

プロセスの基本とメカニズム

作業原理

スポット溶接の核心的な物理メカニズムは、圧力の下で一緒に保持された2枚の鋼板の接触面を通して高電流を流すことです。界面での電気抵抗が局所的な加熱を引き起こし、鋼の融点まで急速に温度を上昇させます。生成される熱は、電流の二乗に抵抗を掛けたものに比例し(ジュールの法則)、電流の流れる時間が生成される熱の量を決定します。

金属学的には、このプロセスは局所的な融解ゾーン、または溶接ナゲットを誘発し、鋼が溶けて固化し、金属的結合を形成します。このプロセスは通常、初期接触と抵抗加熱、界面の溶融、溶接ナゲットの冷却と固化の3つの段階を含みます。熱の分布は非常に局所的であり、周囲の材料への熱影響を最小限に抑えます。

スポット溶接のエネルギー源は、高電流パルスを供給できる電源で、通常は数千アンペアの範囲で、パルスの持続時間を正確に制御します。熱は主に接触抵抗によって界面で生成され、これは表面の清浄度、接触圧力、材料特性に依存します。このプロセスは迅速で、通常は数分の一秒以内に完了し、高スループットを可能にします。

接合形成のダイナミクス

微細構造レベルでは、接合は界面での急速な局所的溶融を通じて形成され、溶融プールが生成され、溶接ナゲットに固化します。初期接触面は、製造プロセスによって清掃されることが多く、電流の流れのための導電パスを提供します。電流が流れると、界面が加熱され、溶融温度に達すると、小さな溶融ゾーンが形成されます。

溶接ナゲットの固化パターンは、熱勾配、冷却速度、材料組成によって影響を受けます。通常、溶接ゾーンは急速な冷却により微細な結晶構造を示し、機械的特性を向上させます。金属的結合は、溶融した鋼が固化する際に発生し、プロセスパラメータが適切に制御されていれば、空隙や不純物のない金属的融合を作成します。

熱力学的には、このプロセスは溶融ゾーンから周囲の基材への熱の移動を含み、これが溶接ナゲットのサイズと形状に影響を与えます。運動学的には、加熱と冷却の速度が接合部の微細構造と機械的特性を決定します。電流、圧力、時間の適切な制御は、最適な融合を確保し、亀裂や多孔性などの欠陥を最小限に抑えます。

プロセスのバリエーション

スポット溶接の主要なバリエーションには以下が含まれます:

  • プロジェクションスポット溶接: 一方の板に突起やエンボスを使用して、特定のポイントで熱を集中させ、溶接を促進します。異種材料や厚い板を接合するのに役立ちます。

  • キャップスポット溶接: 平らな電極面を使用して、より大きな面積にわたって均一な溶接を生成し、標準的な板金アセンブリに適しています。

  • パルススポット溶接: 制御されたパルス電流を利用して、熱入力を最適化し、熱歪みを減少させ、溶接品質を向上させます。

  • シームまたは連続スポット溶接: シームに沿ってプロセスを延長し、連続的な溶接を生成します。自動車のボディパネルでよく使用されます。

技術の進化は、手動の低電流システムから完全自動化された高電流のコンピュータ制御装置へと移行しました。電極設計、電源技術、プロセス監視の進歩により、溶接の一貫性、品質、生産性が向上しました。

設備とプロセスパラメータ

主要な設備コンポーネント

スポット溶接の主な設備には以下が含まれます:

  • 溶接機: 高電流パルスを正確なタイミングと制御で供給できる電源。現代のシステムは、エネルギー効率のためにインバータ技術を備えていることが多いです。

  • 電極: 通常、銅または銅合金で作られ、圧力を加え、電流を導通します。接合部の形状に合わせた特定の形状(平坦、凸、またはプロファイル)で設計されています。

  • 電極ホルダーとアーマチュア: 電極を保持し、位置決めする機械的な固定具で、溶接中の接触と圧力を一貫して確保します。

  • 制御システム: 電流、圧力、タイミングパラメータを管理するプログラム可能なロジックコントローラー(PLC)またはマイクロプロセッサベースのインターフェースで、自動化とプロセスの最適化を可能にします。

  • 冷却システム:

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