抵抗溶接 (RW) には、熱と圧力の組み合わせによって融合を実現するさまざまな溶融溶接技術が含まれます。 熱は、電流の流れに対する電気抵抗によって溶接される接合部で発生します。抵抗溶接の主な要素は、グループ内で最も一般的な方法である抵抗スポット溶接操作について、下の図に示されています。溶接されるワークパーツ (多くの場合、板金パーツ)、2 つの対向電極、電極間でパーツをプレスする方法、および制御された電流を流すことができる AC 電源がコンポーネントです。スポット溶接では、プロセスによって 2 つのコンポーネント間に溶接ナゲットと呼ばれる溶融ゾーンが作成されます。
抵抗溶接では、アーク溶接のようにシールドガス、フラックス、またはフィラーメタルを必要とせず、電力を運ぶ電極は消耗しません。RW は、熱を加えると接合面がほぼ必ず溶けるため、溶融溶接に分類されます。ただし、例外もあります。溶融を防ぐために、抵抗加熱ベースの特定の溶接技術では、ベース金属の融点よりも低い温度を使用します。
抵抗溶接プロセスには、電極の特性、溶接電流、電極力、電流持続時間など、いくつかの重要な変数が関係します。抵抗溶接は、実際の溶接時間は通常 1 秒未満ですが、アーク溶接の 10 ～ 100 倍の電流を必要とするため、効果的で迅速な溶接プロセスです。
RWにおける電源と発熱
抵抗溶接 (RW) では、回路抵抗、電流の流れ、電流の適用期間がすべて、溶接に必要な熱エネルギーに影響します。次の数式はこの関係を表しています。
H = 私2 Rt
ここで、�� は発生した熱量（ジュール）（Btu に変換するには 1055 で割ります）、�� は電流（アンペア）、�� は電気抵抗（オーム）、�� は時間（秒）です。
抵抗溶接プロセスでは、非常に高い電流 (5000 ～ 20,000 A) と比較的低い電圧 (通常は 10 V 未満) が頻繁に使用されます。ほとんどの手順では、電流の持続時間 (t) は短く、たとえば、標準的なスポット溶接操作では、0.1 ～ 0.4 秒です。RW の抵抗は非常に低く (約 0.0001 V)、上記の式の XNUMX 乗部分は電流の影響を拡大するため、大きな電流が使用されます。ワークピース、電極、電極とワークピース間の接触抵抗、および給電面の接触抵抗の組み合わさり、溶接回路の抵抗になります。したがって、これらの各電気抵抗ゾーンで熱が発生します。溶接の好ましい場所は接合面であるため、それらの抵抗の合計が最大になるようにするのが最適です。抵抗率が非常に低い銅などの金属を使用すると、電極の抵抗が低減します。発生した熱を分散させるために、電極は水で冷却されることがよくあります。ワーク部品の抵抗は、部品の厚さとベース金属の抵抗率によって決まります。電極のサイズ、形状、接触面積、および表面状態 (電極のスケールやワーク表面の清潔さなど) によって、電極と部品間の接触抵抗が決まります。
最終的には、表面仕上げ、衛生状態、接触面積、圧力のすべてが接合面の抵抗に影響します。塗料、油、汚れなど、接触面を分離させる不純物があってはなりません。
抵抗溶接の成功には、熱と同様に圧力も重要です。抵抗溶接 (RW) では、圧力の主な目的は、適切な溶接温度に達したら接合面を一緒に押し付けて融合させ、電流を流す前に 2 つの作業面と電極を強制的に接触させることです。
抵抗溶接の利点と欠点
抵抗溶接は、多くの利点があるため、工業用途では一般的な選択肢です。効率と速度により、生産速度を上げることができ、これが主な 2 つの利点です。このプロセスではフィラー メタルは不要で、熱が局所的であるため、隣接するコンポーネントが曲がる可能性が低くなります。抵抗溶接は自動化にも優れているため、大規模製造に最適です。熱を正確に制御できるため、溶接は堅牢で正確かつ精密です。この方法は、他の方法よりも仕上げ作業が少なく、エネルギーも少ないためコスト効率が高く、煙や火花が出ないため、他の方法よりも安全です。
ただし、抵抗溶接にはいくつかの欠点があります。抵抗溶接は高価で特殊なことが多いため、必要な機器の入手が難しい場合があります。電気抵抗の高い材料のみを扱うため、溶接できる金属の種類が制限されます。熱が閉じ込められるため、大きな部品の溶接は難しく、接合部の弱化を防ぐには部品の正確な位置合わせが不可欠です。熱による材料の不均一な膨張や収縮は歪みにつながる可能性があり、これが問題となる可能性があります。これらの困難にもかかわらず、抵抗溶接は多くの製造現場で依然として有用な技術です。
主な抵抗溶接プロセス
商業的に重要な 3 つの主要な抵抗溶接プロセスは、抵抗スポット溶接 (RSW)、抵抗シーム溶接 (RSEW)、およびプロジェクション溶接 (RPW) です。
抵抗スポット溶接(RSW)
抵抗スポット溶接 (RSW) は、このクラスで最も一般的な方法であり、家電製品、自動車、金属製家具、その他の板金製品の大量生産に広く使用されています。平均的な車体には約 10,000 個のスポット溶接があり、自動車の年間生産台数が世界中で数千万台に達することを考慮すると、抵抗スポット溶接の経済的重要性は明らかです。
抵抗スポット溶接 (RSW) は、対向する電極が 3 箇所で重ね継ぎ目の接合面を溶接する RW の方法です。この方法は、気密アセンブリが不要な場合に、厚さ 0.125 mm (XNUMX インチ) 以下の板金部品に適用されます。部品を接合するには、スポット溶接のシーケンスを使用します。最も一般的な電極の形状は円形ですが、四角形、六角形、その他の形状も使用できます。電極の先端によって、溶接スポットのサイズと形状が決まります。
結果として得られる溶接ナゲットの直径は通常 5 ～ 10 mm (0.2 ～ 0.4 インチ) で、母材はナゲットからわずかに外れた部分で熱影響部が広がります。溶接が適切に行われた場合、溶接の強度は周囲の金属と同等になるはずです。次の図は、スポット溶接サイクルに含まれる手順を示しています。
RSW 電極の製造には、銅をベースとした合金と、銅やタングステンなどの高融点金属の組成物という 2 つの主なカテゴリの材料が使用されます。2 番目のグループの耐摩耗性が高いことはよく知られています。ほとんどの製造プロセスと同様に、スポット溶接では、ツールは使用すると徐々に劣化します。電極は、可能であれば内部に水冷通路を備えて製造されます。スポット溶接は、産業用途が広いため、さまざまなツールと技術を使用して行うことができます。この装置は、ポータブルスポット溶接ガンと、プレスおよびロッカーアームスタイルのスポット溶接機で構成されています。ロッカーアームスポット溶接機には、移動可能で、積み込みおよび積み下ろし作業を容易にするために上げ下げできる上部電極が含まれています。下部電極は固定されています。上部電極は、名前の通りロッカーアームに固定されており、その動きは作業者のフットペダルによって制御されます。
溶接サイクル全体にわたる力と電流は、最新の機器のプログラミングによって制御できます。プレス付きのスポット溶接機は、より重い作業用です。油圧または空気圧で駆動する垂直プレスは、上部電極の直線運動を生み出します。プレス動作により、より大きな力を使用でき、複雑な溶接サイクルは通常、コントロールを使用してプログラミングできます。このタスクは、前述の 2 つのマシン タイプ (どちらも固定式スポット溶接機) に持ち込まれます。固定式機械に部品を移動して配置し、大規模で重い作業を行うのは困難です。ポータブル スポット溶接ガンには、これらの状況に合わせてさまざまなサイズと組み合わせがあります。ピンサー機構内に保持された 2 つの対向電極がこれらのデバイスを構成します。各アイテムは軽量であるため、産業用ロボットまたは人間の作業者がつかんで操作できます。柔軟な電気ケーブルとエア ホースを使用して、キャノンを独自の電源と制御ソースに接続します。必要に応じて、水ホースを使用して電極に水を冷却することもできます。自動車のボディのスポット溶接は、自動車組み立て工場でモバイル スポット溶接ガンが一般的に行うタスクです。これらの銃の一部は今でも人間が操作していますが、現在では産業用ロボットが主流の技術となっています。
抵抗シーム溶接（RSEW）
抵抗シーム溶接 (RSEW) は、スポット溶接のような棒状の電極ではなく回転ホイールを使用して、重ね継ぎ目に沿って一連の重なり合うスポット溶接を生成する技術です。下の図に示すこの手順は、気密接合部を生成するため、板金容器、自動車のマフラー、ガソリン タンクの製造で頻繁に使用されます。スポット溶接と RSEW は本質的に同じですが、ホイール電極と操作の連続性のために、RSEW はより複雑になります。
RSEW の連続操作では、鋭角や不連続部分が問題となる可能性があるため、継ぎ目は直線または均一な曲線に沿っていなければなりません。さらに、部品の歪みが大きな懸念事項となるため、ワークピースを所定の位置に保持して歪みを最小限に抑える固定具が必要になります。
RSEW における溶接電流の適用と電極ホイールの動きによって、溶接ナゲット間の距離が決まります。最も一般的な技術である連続動作溶接では、ホイールが一定速度で回転しながら電流を定期的にパルス化することで、スポット溶接間の適切な間隔が確保されます。この構成により、通常、溶接領域が重なり合います。一方、ロール スポット溶接と呼ばれるプロセスでは、電流周波数を下げると、溶接スポット間に隙間が生じます。また、一定の溶接電流を維持することで、連続した溶接シームを実現できます。次の図は、これらのバリエーションを示しています。
RSEW のもう 1 つのバリエーションは、間欠動作溶接です。この溶接では、各スポット溶接は電極ホイールが定期的に停止することによって行われます。溶接領域間の間隔は、ホイールの停止間の動きによって決まり、上の図 (a) および (b) に似たパターンになります。
棒状電極の代わりに電極ホイールが使用されるシーム溶接機は、プレス型スポット溶接機に似ています。RSEW 中は、ワークピースと電極ホイールの冷却が頻繁に必要になります。通常、この冷却を行うために、電極ホイール付近のワークピース表面の上部と下部に水が向けられます。
抵抗プロジェクション溶接（RPW）
抵抗プロジェクション溶接 (RPW) は、接合する部品の小さな所定の接触点で融合が起こる抵抗溶接プロセスです。これらの接触点は、部品自体に組み込まれた突起、エンボス、または局所的な接合部です。たとえば、2 つの板金部品を接合する場合、下の図に示すように、上部の部品は、下部の部品と最初に接触する凹んだエッジで構築される場合があります。部品のコストが上昇しているように見えますが、溶接によるコスト削減は、エンボス加工手順とバランスをとることができます。
抵抗プロジェクション溶接には 2 つのバリエーションがあり、下の図に示されています。1 つのバリエーションでは、RPW によって、成形または機械加工された突起を持つ留め具をシートまたはプレートに永久的にリンクできるため、将来の組み立て手順が簡単になります。ショッピング カート、コンロのグリル、金網フェンスなどの溶接ワイヤ製品の製造には、クロスワイヤ溶接と呼ばれる別のバージョンが使用されます。このプロセスでは、丸いワイヤの接触面が突起として機能し、溶接に必要な抵抗熱を局所化するのに役立ちます。
その他の抵抗溶接作業
これまでに説明した主な抵抗溶接手順に加えて、フラッシュ溶接 (FW)、アプセット溶接 (UW)、パーカッション溶接 (PEW)、高周波抵抗溶接 (HFRW) などの代替方法もこのカテゴリに含まれ、認識しておく必要があります。
フラッシュ溶接（FW）
フラッシュ溶接 (FW) は主に突合せ継手に使用されます。このプロセスでは、溶接する必要がある表面を近づけ、電流を使用して溶融点まで加熱します。表面の接触の程度に応じて、このプロセスではアーク (フラッシュと呼ばれることもあります) が発生します。そのため、FW はアーク溶接グループに含まれることもあります。加熱後に表面を押し付けて溶接部を生成し、一貫した接合寸法を保証するために追加の機械加工が必要になることがよくあります。FW は、線引きにおけるワイヤ端の接続や、圧延機での鋼帯の突合せ溶接など、高速で経済的なプロセスで使用されます。
アプセット溶接（UW）
FW と同様に、アップセット溶接 (UW) は加熱段階と加圧段階を 1 つのプロセス サイクルに組み合わせます。FW とは対照的に、UW は接触面の電気抵抗のみによって加熱され、アークは発生しません。融点以下の温度に達すると、接合面は圧力の増加によって融合し、接触領域の材料が乱されます。UW は、ワイヤ、パイプ、チューブの接合など、FW といくつかの用途を共有していますが、前述の他のいくつかの溶接法のように、厳密には融合溶接法ではありません。
打撃溶接（PEW）
FW と同様に、パーカッション溶接 (PEW) では、1 ～ 10 ミリ秒という非常に短い溶接サイクルで動作します。接合する表面間で電気エネルギーが突然放出されると、急速な加熱が起こります。次に、パーカッション力を適用してコンポーネントを融合します。コンパクトなサイズと熱に敏感な隣接コンポーネントが不可欠な電子アプリケーションには、PEW の局所加熱が最適です。
高周波抵抗溶接（HFRW）
高周波抵抗溶接 (HFRW) では、溶接を仕上げるために加圧力を加える前に、高周波交流電流を使用して金属表面を加熱します。この技術は 10 ～ 500 kHz の周波数で動作し、高周波電流の表皮効果によって溶接接合部に熱が集中することを保証します。高周波誘導溶接 (HFIW) と呼ばれる類似の手順では、直接電気接触させる代わりに誘導コイルを使用して電流を生成します。金属パイプやチューブの縦方向の継ぎ目を接合するなどの連続溶接作業には、HFRW と HFIW が適しています。これらの技術は、高速製造の状況で一貫した高品質の溶接を生成できるため、さまざまな産業プロセスに役立ちます。
参考情報
Groover 議員、2010 年。現代製造の基礎: 材料、プロセス、およびシステム。第4版ニュージャージー州ホーボーケン: John Wiley & Sons, Inc.
