ホイールリムのアプセット溶接方法
【課題】 ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を良好に接合できるアプセット溶接方法を提供する。
【解決手段】 突き合わせ端面間を第１加圧力Ｐ１で加圧した状態で第１電流Ｉ１を通電して、突き合わせ端面を軟化させて端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程Ｓ１と、通電を停止するとともに加圧力を第２加圧力Ｐ２にまで低減して、熱伝導により突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程Ｓ２と、加圧力を第３加圧力Ｐ３にまで増加させた状態で第１電流より小さな第２電流Ｉ２を流して、突き合わせ端面を軟化させる加熱工程Ｓ３と、通電量を減らしながら加圧力を第４加圧力Ｐ４にまで増加させて、端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程Ｓ４を実行する。
【解決手段】 突き合わせ端面間を第１加圧力Ｐ１で加圧した状態で第１電流Ｉ１を通電して、突き合わせ端面を軟化させて端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程Ｓ１と、通電を停止するとともに加圧力を第２加圧力Ｐ２にまで低減して、熱伝導により突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程Ｓ２と、加圧力を第３加圧力Ｐ３にまで増加させた状態で第１電流より小さな第２電流Ｉ２を流して、突き合わせ端面を軟化させる加熱工程Ｓ３と、通電量を減らしながら加圧力を第４加圧力Ｐ４にまで増加させて、端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程Ｓ４を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で端面間に電流を流して高張力鋼板の端面同士を溶接するホイールリムのアプセット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の鋼板製ディスクホイールのリムを製造する工程においては、従来から行われていたフラッシュバット溶接に代わって、アプセット溶接が採用されるようになってきている。このアプセット溶接においては、リム素材となる鋼板を円筒状に丸め、その端部をそれぞれ電極でクランプして端部同士を突き合わせ、突き合わせ方向に加圧した状態で電極間に電流を流す。これにより、突き合わせ端面の接触抵抗および板材の固有抵抗によるジュール熱が発生して、突き合わせ端面が加熱軟化して接合される。
【０００３】
図１１は、従来のアプセット溶接における加圧力と電流との推移を表すグラフである。このアプセット溶接は、第１工程Ｓa1（加熱工程）と第２工程Ｓa2（アプセット工程）とにより実施される。第１工程Ｓa1においては、第１加圧力Ｐa1で加圧した状態から第１電流Ｉa1を流し、第２工程Ｓa2においては、通電を停止した状態で第１加圧力Ｐa1よりも大きな第２加圧力Ｐa2で加圧する。
【０００４】
また、アプセット溶接は、特許文献１に示されるように、アルミ合金製のディスクホイールのリム素材の溶接にも採用できることが知られている。この特許文献１に示されるアプセット溶接は、図１２に示すように、３つの工程からなり、アプセット工程である第３工程Ｓb3の前に行われる加熱工程が２つの工程（第１工程Ｓb1と第２工程Ｓb2）に分けられている。第１工程Ｓb1においては、第１加圧力Ｐb1で加圧した状態から第１電流Ｉb1を流し、第２工程Ｓb2においては、加圧力を第２加圧力Ｐb2にまで低下させるとともに電流を第２電流Ｉb2にまで低下させる。そして、第３工程Ｓb3においては、通電を停止した状態で第１加圧力Ｐb1よりも大きな第３加圧力Ｐb3で加圧してアプセット変形させる。
【０００５】
また、２つの加熱工程を行うアプセット溶接としては、特許文献２に示されるように、ワイヤの端面同士の溶接に適用したものが知られている。この溶接方法は、加熱工程の前段として、加熱工程で流す電流よりも小さな電流を流す予備通電工程を組み込むことにより、ワイヤの突き合わせ端面の状態の影響を低減しようとするものである。
【０００６】
また、特許文献３に示されるように、アプセット溶接が完了した後に、再度、溶接部を通電加熱させる後加熱工程を組み込んだ銅バスバーの溶接方法も知られている。この溶接方法は、後加熱工程により焼き戻し効果を得て、引張強度を確保した状態で所望の靱性を得ようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３４３３９４号公報
【特許文献２】特開昭６２−３８８２号公報
【特許文献３】特開平７−２９９５７０号公報
【発明の概要】
【０００８】
ところで、最近においては、車両の軽量化のために、各種の部材に高張力鋼（ハイテンとも呼ばれる）が使用されるようになってきている。高張力鋼は、引張り強度が高く、一般鋼材を用いる場合に比べて薄肉化を図ることができ、軽量化に貢献できる。ディスクホイールにおいても例外ではなく、軽量化が望まれている。しかし、ディスクホイールのリム素材に高張力鋼板（例えば、引張り強度４９０ＭＰａ以上）を採用して超薄板化（例えば、２．０ｍｍ以下）を図った場合、特に、走行安全性のためにリム幅の拡大化を図った場合には、従来のアプセット溶接では、溶接後の加工成形時において、リムの接合部に割れが発生し、歩留まりが低下してしまうという課題が生じる。
【０００９】
そこで、発明者らは、特許文献１に提案された溶接方法を、高張力鋼板を用いたリムの溶接への適用を試みたが、アルミ合金のように発熱しにくい材料には有効ではあるものの、熱容量の少ない高張力鋼板の場合には、許容入熱量が少ないため、接合端面のヒートバランスを確保できず上記の課題を解決できなかった。
【００１０】
また、特許文献２に提案された溶接方法を適用して、加熱工程で流す電流よりも小さな電流を流す予備通電工程を組み込んでも、ワイヤ端面のように円形ではなく細長い長方形の端面形状を有するホイールリム素材の接合においては、やはり接合端面のヒートバランスを確保できず、上記課題を解決することができなかった。
【００１１】
また、特許文献３に提案された溶接方法の場合には、溶接が完了した後の通電加熱であるため、溶接前の接合端面のヒートバランスを確保できず、上記課題を解決することができない。
【００１２】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を良好に接合できるアプセット溶接方法を提供することを目的とする。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で突き合わせ端面間に所定の電流を流して、前記高張力鋼板の端面同士をアプセット溶接するホイールリムのアプセット溶接方法において、
前記突き合わせ端面を突き合わせ方向に第１加圧力（Ｐ１）で加圧した状態で前記突き合わせ端面間に第１電流（Ｉ１）を通電して、前記突き合わせ端面を軟化させて前記端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程（Ｓ１）と、前記予加熱工程の後に、通電を停止するとともに前記加圧力を前記第１加圧力から第２加圧力（Ｐ２）にまで低減して、熱伝導により前記突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程（Ｓ２）と、前記クールダウン工程の後に、前記加圧力を前記第２加圧力から第３加圧力（Ｐ３）にまで増加させた状態で前記突き合わせ端面間に前記第１電流より小さな第２電流（Ｉ２）を流して、前記突き合わせ端面を軟化させる加熱工程と、前記加熱工程の後に、通電量を前記第２電流から減らしながら前記加圧力を第３加圧力から第４加圧力（Ｐ４）にまで増加させて、前記突き合わせ端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程（Ｓ４）とを含むことにある。
【００１４】
本発明においては、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士が突き合わされる。高張力鋼板は、建築、橋、船舶、車両その他の構造用及び圧力容器用として、引張り強さ４９０ＭＰａ〜１２８０ＭＰａの範囲で溶接性、切欠きじん性及び加工性も重視して製造された鋼板をいう。予加熱工程では、端面同士が突き合わせ方向に第１加圧力で加圧された状態で突き合わせ端面間に第１電流が流される。これにより、高張力鋼板の突き合わせ端面が発熱して軟化し、突き合わせ端面の面積が増加するように突き合わせ端部が変形して外側に膨らむ。これにより、端面同士の接触面積が増加し、突き合わせ端部の熱容量が増加する。また、端面同士の突き合わせ精度が悪い場合であっても、端面の変形により突き合わせ精度が補正され、端面同士の突き合わせが均一化される。
【００１５】
予加熱工程の後にクールダウン工程が実行される。クールダウン工程においては、通電が停止されるとともに加圧力が第２加圧力にまで低減される。これにより、突き合わせ端面の変形が止まり、熱伝導により突き合わせ端面における入熱量が均一化される。つまり、突き合わせ端面の板厚方向および幅方向のヒートバランスが均一化される。この場合、予加熱工程により突き合わせ部の断面積が増加して突き合わせ部の熱容量が増加しているため、良好なヒートバランスを維持することができる。
【００１６】
クールダウン工程の後に加熱工程が実行される。加熱工程においては、加圧力を第２加圧力から第３加圧力にまで増加させた状態で突き合わせ端面間に第１電流より小さな第２電流が流される。これにより、突き合わせ端面が軟化する。この場合、突き合わせ端面は、軟化により更に変形してもよい。この加熱工程においては、予加熱工程により突き合わせ端面の面積が増加しているため、接合端面の真の電流密度が低下し、接触抵抗によるジュール発熱による温度上昇が遅くなる。また、予加熱工程による変形によって突き合わせ部の熱容量が増加している。また、予加熱工程により突き合わせ端面が予加熱されていることから必要熱量が減少して第２電流を第１電流より小さくすることができる。こうした要因により、アプセット工程までの通電時間を長くすることができ、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するのに必要な時間を確保することができる。
【００１７】
また、例えば、端面同士の突き合わせ精度が悪く、予加熱工程において、端面の変形が幅方向において不均一になった場合であっても、変形（外側への膨らみ）が大きい側は小さい側に比べて、断面積が大きいため電流密度が低く温度上昇が遅くなり、逆に、変形が小さい側は大きい側に比べて、断面積が小さいため電流密度が大きく温度上昇が速くなる。従って、変形量のアンバランスにより、結果として、ヒートアンバランスが改善される。
【００１８】
加熱工程の後にアプセット工程が実行される。アプセット工程においては、通電量が第２電流から減らされながら加圧力が第４加圧力にまで増加される。通電量は、第２電流から通電停止状態にまで漸減させるようにすればよい。このアプセット工程においては、加熱工程により突き合わせ端面が加熱溶融したところで、端面間に大きな第４加圧力が働いて突き合わせ端面がアプセット変形する。このアプセット変形により接合界面の酸化物が外へ排出される。これにより、高張力鋼板の端面同士が溶接される。この場合、アプセット工程が開始されるときの突き合わせ端面のヒートバランスが良好となっているために、良好なアプセット変形が得られる。
【００１９】
このように、本発明によれば、アプセット工程を実行する前に、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化することができるため、良好にアプセット溶接を行うことができる。従って、ディスクホイールのリム素材に高張力鋼板を採用して超薄板化を図った場合であっても、溶接後の加工成形時においてリムの接合部の割れの発生を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００２０】
本発明の他の特徴は、前記第１加圧力をＰ１、前記第２加圧力をＰ２、前記第３加圧力をＰ３、前記第４加圧力をＰ４とすると、各工程における加圧力は、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係に設定されていることにある。
【００２１】
第４加圧力Ｐ４は、アプセット変形を行うための加圧力であるため最大に設定される。また、第２加圧力Ｐ２は、突き合わせ端部を変形させずにヒートバランスを均一化する工程での加圧力であるため最小に設定される。また、第１加圧力Ｐ１は、突き合わせ端面の面積を大きくするように変形させる工程での加圧力であるため、加熱工程での第３加圧力Ｐ３以上となる大きさに設定される。これにより、本発明によれば、各工程における加圧力を適切にでき、さらに良好なアプセット溶接が可能となる。
【００２２】
本発明の他の特徴は、前記予加熱工程において前記第１電流を流す時間は、前記加熱工程において前記第２電流を流す時間に比べて短いことにある。
【００２３】
予加熱工程において、低電流、かつ、長時間通電により突き合わせ端面を変形させると、突き合わせ端面だけでなく母材の変形が始まり、その後の加熱工程、アプセット工程における突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができなくなる。そこで、本発明においては、第１電流を第２電流に比べて大きく、かつ、第１電流の通電時間を第２電流の通電時間よりも短く設定している。これにより突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができる。また、第２電流の通電時間が長くなるため、ヒートバランスを均一化するのに必要な時間を確保することができる。これらの結果、本発明によれば、一層良好なアプセット溶接が可能となる。
【００２４】
本発明の他の特徴は、前記予加熱工程において流す第１電流と前記加熱工程において流す第２電流の少なくとも一方は、断続的に通電されることにある。
【００２５】
本発明においては、第１電流と第２電流との少なくとも一方が断続的に通電される。つまり、電流波形がパルス列状となるように通電される。これにより、ピーク値の高い電流を断続的に通電することができるため、入熱速度を遅くすることが可能となり、許容熱容量の小さい高張力鋼板であっても、一層安定したヒートバランスを得ることができる。この結果、良好なアプセット溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アプセット溶接機の概略構成図である。
【図２】アプセット溶接の工程を表すフローチャートである。
【図３】アプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量の推移を表すグラフである。
【図４】突き合わせ端部の変形状態を表す図である。
【図５】リム素材Ｗの両端部がハの字状に突き合わされた場合の変形状態を表す図である。
【図６】変形量と電流密度との関係を説明する図である。
【図７】第１電流と第２電流とを変化させた評価試験結果を表す表である。
【図８】各工程における加圧力を変化させた評価試験結果を表す表である。
【図９】クールダウン時間を変化させた評価試験結果を表す表である。
【図１０】変形例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量の推移を表すグラフである。
【図１１】従来例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）の推移を表すグラフである。
【図１２】他の従来例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）の推移を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態のアプセット溶接方法（アプセットバット溶接とも呼ばれている）について図面を用いて説明する。図１は、実施形態としてのアプセット溶接方法を実施するアプセット溶接機を表す。アプセット溶接機は、帯状のリム素材Ｗを円筒状に丸めてその両端面を向かい合わせてクランプする２つの電極１０，１１と、電極１０，１１間に電圧を印加してリム素材Ｗに電流を流す溶接電源１２と、電極１０，１１間に流す電流（リム素材Ｗに流す電流）を制御する電流制御装置１３と、２つの電極１０，１１間の間隔を可変する油圧シリンダ１４と、油圧シリンダ１４に油圧を供給する油圧源１５と、油圧源１５から油圧シリンダ１４へ供給する油圧を制御する加圧力制御装置１６とを備える。電極１０は、一対の電極１０ａ，１０ｂからなり、電極１１は、一対の電極１１ａ，１１ｂからなり、それぞれ、リム素材Ｗの端部を、板面を直交する方向に挟圧してクランプする。
【００２８】
本実施形態のアプセット溶接の対象となるリム素材Ｗは、幅が２１１ｍｍ、板厚が１．８ｍｍの高張力鋼板（引張り強度７８０ＭＰａ）である。リム素材Ｗは、円筒状に丸められて両端部が電極１０，１１でクランプされ、油圧シリンダ１４により電極１０，１１間の距離を縮めることにより、その端面同士が突き合わされる。この突き合わされたリム素材Ｗの端面Ｗendを、突き合わせ端面と呼ぶ。尚、リム素材Ｗの両端部（クランプされる部分）は、端曲げ工程により平坦に加工されている。
【００２９】
次に、アプセット溶接について説明する。アプセット溶接は、図２に示すように、予加熱工程Ｓ１、クールダウン工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３、アプセット工程Ｓ４を順番に実行することにより完了する。
【００３０】
予加熱工程Ｓ１においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を制御して、リム素材Ｗの端面同士を突き合わせ、その突き合わせる力（以下、加圧力と呼ぶ）を第１加圧力Ｐ１にまで増加させて維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による加圧開始から所定時間（予加熱ディレイ時間Ｔ1dと呼ぶ）だけ遅れて電極１０，１１間に電圧を印加して第１電流Ｉ１を流す。
【００３１】
図３は、このアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量（電極間距離の変化量）の推移を表す。図中において、上段の波形が加圧力の推移を表し、中段の波形が電流の推移を表し、下段の波形が変位量の推移を表す。尚、変位量は、リム素材Ｗの端面同士を突き合わせた初期位置ＩＤを基準（ＩＤ＝０）とした電極間距離の変化量を表す。
【００３２】
この予加熱工程Ｓ１においては、通電によりリム素材Ｗの突き合わせ端面が発熱して軟化し始めるとともに熱膨張する。このとき、リム素材Ｗの端面同士が突き合わせ方向に加圧されているため、電極間距離が縮まり、図４（ａ）に示すように、突き合わせ端部が外側（リム径方向）に拡がる。これにより、突き合わせ端面の接触面積が増加し、突き合わせ端部の熱容量が増加する。また、突き合わせ端面同士の接触状態が均一化される。尚、図４は、リム素材Ｗの板厚を表す。
【００３３】
また、リム素材Ｗの端面同士の突き合わせ精度がばらついても、端面の変形により突き合わせ精度が補正され、端面同士の突き合わせが均一化される。例えば、図５に示すように、リム素材Ｗの一方の端面と他方の端面とが幅方向で非平行の状態で突き合わされた場合、つまり、リム素材Ｗの両端部がハの字状にクランプされて突き合わされた場合であっても、ギャップ量の大きい側はギャップが縮小され、ギャップ量の小さい側は外側に拡がるように変形することにより、端面同士が面接触状態で突き合わされる。尚、この場合、幅方向において変形量のアンバランスが生じているが、後述するようにこの変形量のアンバランスがヒートアンバランスを改善する。
【００３４】
加圧開始から第１時間Ｔ１が経過すると、予加熱工程Ｓ１からクールダウン工程Ｓ２に移行する。予加熱工程Ｓ１が終了する時点においては、図３に示すように、変位量がＤ１となっている。クールダウン工程Ｓ２においては、電流制御装置１３が電極間の通電を停止させるとともに、加圧力制御装置１６が加圧力を第２加圧力Ｐ２にまで低下させる。ここで、通電時間については、通電開始指令から通電遮断指令までの期間として定義する。従って、予加熱工程Ｓ１における第１電流Ｉ１の通電時間は、通電を開始した時点から、電流を減らし始めた時点（クールダウン工程Ｓ２の開始時点）までの期間（Ｔ１−Ｔ1d）となる。
【００３５】
クールダウン工程Ｓ２においては、入熱が遮断された状態で、突き合わせ端面同士が第２加圧力Ｐ２で加圧される。これにより、リム素材Ｗの突き合わせ端面の発熱および変形が止まる。このクールダウン工程Ｓ２においては、予加熱工程Ｓ１で発生した熱の熱伝導により突き合わせ端面における入熱量が均一化される。つまり、突き合わせ端面の板厚方向および幅方向のヒートバランスが均一化される。この場合、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ部の断面積が増加して突き合わせ部の熱容量が増加しているため、良好なヒートバランスを維持することができる。また、クールダウン工程Ｓ２においては、突き合わせ端面の温度が下がっていくため端面間の接触抵抗値が低減されるとともに、温度の均一化によって板厚方向および幅方向における接触抵抗値の均一化を図ることができる。
【００３６】
クールダウン工程Ｓ２が開始されてから第２時間Ｔ２が経過すると、加熱工程Ｓ３に移行する。加熱工程Ｓ３においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を増加させて加圧力を第３加圧力Ｐ３に維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による油圧増加開始から所定時間（加熱ディレイ時間Ｔ3dと呼ぶ）だけ遅れて電極１０，１１間に電圧を印加して第２電流Ｉ２を流す。この第２電流Ｉ２は、第１電流Ｉ１に比べて小さくなるように設定されている。また、第３加圧力Ｐ３は、第１加圧力Ｐ１以下であって、第２加圧力Ｐ２よりも大きな値に設定されている。
【００３７】
この加熱工程Ｓ３は、アプセット変形を効率的に行うために実行される工程である。加熱工程Ｓ３においては、リム素材Ｗの突き合わせ端面が加圧された状態で再通電されることにより、突き合わせ端面が発熱して軟化する。この加熱工程Ｓ３が第３時間Ｔ３だけ継続されると、変位量（電極間距離の変化量）がＤ１からＤ２にまで増加して、最終工程となるアプセット工程Ｓ４に移行する。加熱工程Ｓ３においては、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ端面の面積が増加しているため、接合端面の真の電流密度が低下し、接触抵抗によるジュール発熱による温度上昇が遅くなる。また、予加熱工程Ｓ１による変形によって突き合わせ部の熱容量が増加している。また、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ端面が予加熱されていることから必要熱量が減少して第２電流Ｉ２を第１電流Ｉ１より小さくすることができる。こうした要因により、アプセット工程Ｓ４までの通電時間（Ｔ３−Ｔ3d）を長くすることができ、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するために必要な時間を確保することができる。
【００３８】
また、加熱工程Ｓ３においては、リム素材Ｗの端面同士の突き合わせ精度が悪く、予加熱工程Ｓ１において、端面の変形が幅方向において不均一になった場合であっても、図６に示すように、変形（外側への膨らみ）が大きい側は小さい側に比べて、断面積が大きいため電流密度が低く温度上昇が遅くなり、逆に、変形が小さい側は大きい側に比べて、断面積が小さいため電流密度が高く温度上昇が速くなる。従って、変形量のアンバランスにより、結果として、ヒートアンバランスが改善される。
【００３９】
尚、加熱工程Ｓ３において供給する電気エネルギー（電流値と通電時間の積：つまり、電流の時間積分値であって、図３の電流波形の面積に相当する）は、予加熱工程Ｓ１で供給する電気エネルギーよりも大きくすることが望ましい。
【００４０】
加熱工程Ｓ３により突き合わせ端面が加熱溶融したところでアプセット工程Ｓ４に移行する。アプセット工程Ｓ４においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を増加させて加圧力を第４加圧力Ｐ４に維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による油圧増加開始と同期して電圧を漸減し、電極間に流す電流をゼロにまで低下させていく。アプセット工程Ｓ４は、第４時間Ｔ４のあいだ行われる。これにより、突き合わせ端面間に大きな第４加圧力Ｐ４が働いて突き合わせ端面がアプセット変形する。図３中において、ＥＤが最終の変位量を表す。このアプセット変形により接合界面の酸化物が外へ排出される。これにより、高張力鋼板の端面同士が溶接される。この場合、アプセット工程Ｓ４が開始されるときの突き合わせ端面のヒートバランスが良好となっているために、良好なアプセット変形が得られる。
【００４１】
ここで、上記４つの工程によるアプセット溶接の評価試験結果について説明する。評価試験対象となるリム素材Ｗは、幅が２１１ｍｍ、板厚が１．８ｍｍの高張力鋼板（引張り強度７８０ＭＰａ）である。図７に示す表１は、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２とを変化させたときの溶接品質の評価結果を表す。この評価結果は、上記アプセット溶接を行った後に、フレアー加工、ロール加工、エキスパンド加工を行って成形されたリム成型完了品についての割れ不良率による評価である。○は不良率が０％、△は不良率２％以下、×は不良率２％超過を表す。尚、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２の大きさは、電流密度を表している。
【００４２】
この表１の評価試験においては、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２とし、クールダウン時間Ｔ２（第２時間Ｔ２）を１０サイクル（１０／６０秒）とした場合における、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２とについて大きさを変更したものである。尚、この加圧力Ｐ１〜Ｐ４、クールダウン時間Ｔ２は、後述する加圧力に関する試験で良好として評価された値である。また、第２電流Ｉ２の通電時間は、ヒートバランスを確保するために、第１電流Ｉ１の通電時間よりも長く設定されている。この評価試験においては第１電流の通電時間を４サイクル（４／６０秒）とし、第２電流の通電時間を１５サイクル（１５／６０秒）としている。
【００４３】
この試験結果からわかるように、第１電流Ｉ１が第２電流Ｉ２より大きい場合には、良好な評価結果が得られ、逆に、第１電流Ｉ１が第２電流Ｉ２より小さい場合には、良好な評価結果が得られていない。この理由は、予加熱工程Ｓ１において低電流で通電した場合には、突き合わせ端面を変形させるのに必要な通電時間が長くなって、突き合わせ端面だけでなく母材の変形が始まってしまうため、その後の加熱工程、アプセット工程における突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができなくなるからと考えられる。従って、予加熱工程Ｓ１においては、大きな電流を短時間流すようにするとよい。一方、加熱工程Ｓ３においては、ヒートバランスを均一化するための時間を確保するためにあまり大きな電流を流さない方がよい。そこで、本実施形態のアプセット溶接方法においては、評価試験結果によっても裏付けられているように、第２電流Ｉ２を第１電流Ｉ１よりも小さく設定している。
【００４４】
次に、第１電流Ｉ１を１８０Ａ／ｍｍ２、第２電流Ｉ２を１４０Ａ／ｍｍ２として、４つの工程における加圧力の大きさを変更した場合の評価試験結果について説明する。図８に示す表２は、その評価試験結果を表すもので、実験番号１〜５については、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第１加圧力Ｐ１の大きさを変更したものであり、実験番号６〜９については、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第２加圧力Ｐ２の大きさを変更したものであり、実験番号１０〜１３は、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第３加圧力Ｐ３の大きさを変更したものであり、実験番号１４〜１７は、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２に固定して、第４加圧力Ｐ４の大きさを変更したものである。尚、第１電流、第２電流の通電時間条件は、表１での評価試験と同一である。
【００４５】
この表２から各工程における加圧力の関係を分析すると、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係が維持されている場合に、良好な評価結果が得られることがわかる。従って、本実施形態のアプセット溶接方法においては、各工程における加圧力を、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係が満足する値に設定している。
【００４６】
次に、クールダウン時間（第２時間Ｔ２）を変更した場合の評価試験結果について説明する。図９に示す表３は、その評価試験結果を表すもので、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２とし、第１電流Ｉ１を１８０Ａ／ｍｍ２、第２電流Ｉ２を１４０Ａ／ｍｍ２とした条件において、クールダウン時間を２サイクル（２／６０秒）から８０サイクル（８０／６０秒）まで変更したものである。尚、第１電流、第２電流の通電時間条件は、表１，２での評価試験と同一である。
【００４７】
この表からわかるように、クールダウン時間Ｔ２は、３サイクル（３／６０秒）以上でかつ２０サイクル（２０／６０秒）以下であるとよい。
【００４８】
以上説明した本実施形態のアプセット溶接方法によれば、アプセット工程Ｓ４を実行する前に、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化することができるため、良好にアプセット溶接を行うことができる。従って、ディスクホイールのリム素材Ｗに高張力鋼板を採用して超薄板化を図った場合であっても、溶接後の加工成形時においてリムの接合部の割れの発生を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００４９】
以上、本実施形態のアプセット溶接方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００５０】
例えば、図１０に示すように、予加熱工程Ｓ１における通電を断続的な通電としてもよい。つまり、第１電流Ｉ１の通電をパルス列状に通電するようにしてもよい。また、加熱工程Ｓ３における通電についても一点鎖線にて示すように断続的な通電としてもよい。つまり、第２電流Ｉ２の通電をパルス列状に通電するようにしてもよい。このように断続的に通電する場合には、第１電流Ｉ１、第２電流Ｉ２のピーク値を１回の通電方式（図３の実施形態）に比べて大きく設定すればよい。この場合においても、第１電流Ｉ１の平均値が第２電流Ｉ２の平均値よりも大きくなるように設定するとよい。また、通電時間に関しては、予加熱工程Ｓ１については（Ｔ１−Ｔ1d）、加熱工程Ｓ３については（Ｔ３−Ｔ3d）として考え、予加熱工程Ｓ１における通電時間を、加熱工程Ｓ３における通電時間よりも短く設定するとよい。この変形例によれば、ピーク値の高い電流をパルス列状に通電するため、入熱速度を遅くすることが可能となり、許容熱容量の小さい高張力鋼板であっても、一層安定したヒートバランスを得ることができ、良好なアプセット溶接が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１０，１１…電極、１２…溶接電源、１３…電流制御装置、１４…油圧シリンダ、１５…油圧源、１６…加圧制御装置、Ｗ…リム素材、Ｓ１…予加熱工程、Ｓ２…クールダウン工程、Ｓ３…加熱工程、Ｓ４…アプセット工程。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で端面間に電流を流して高張力鋼板の端面同士を溶接するホイールリムのアプセット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の鋼板製ディスクホイールのリムを製造する工程においては、従来から行われていたフラッシュバット溶接に代わって、アプセット溶接が採用されるようになってきている。このアプセット溶接においては、リム素材となる鋼板を円筒状に丸め、その端部をそれぞれ電極でクランプして端部同士を突き合わせ、突き合わせ方向に加圧した状態で電極間に電流を流す。これにより、突き合わせ端面の接触抵抗および板材の固有抵抗によるジュール熱が発生して、突き合わせ端面が加熱軟化して接合される。
【０００３】
図１１は、従来のアプセット溶接における加圧力と電流との推移を表すグラフである。このアプセット溶接は、第１工程Ｓa1（加熱工程）と第２工程Ｓa2（アプセット工程）とにより実施される。第１工程Ｓa1においては、第１加圧力Ｐa1で加圧した状態から第１電流Ｉa1を流し、第２工程Ｓa2においては、通電を停止した状態で第１加圧力Ｐa1よりも大きな第２加圧力Ｐa2で加圧する。
【０００４】
また、アプセット溶接は、特許文献１に示されるように、アルミ合金製のディスクホイールのリム素材の溶接にも採用できることが知られている。この特許文献１に示されるアプセット溶接は、図１２に示すように、３つの工程からなり、アプセット工程である第３工程Ｓb3の前に行われる加熱工程が２つの工程（第１工程Ｓb1と第２工程Ｓb2）に分けられている。第１工程Ｓb1においては、第１加圧力Ｐb1で加圧した状態から第１電流Ｉb1を流し、第２工程Ｓb2においては、加圧力を第２加圧力Ｐb2にまで低下させるとともに電流を第２電流Ｉb2にまで低下させる。そして、第３工程Ｓb3においては、通電を停止した状態で第１加圧力Ｐb1よりも大きな第３加圧力Ｐb3で加圧してアプセット変形させる。
【０００５】
また、２つの加熱工程を行うアプセット溶接としては、特許文献２に示されるように、ワイヤの端面同士の溶接に適用したものが知られている。この溶接方法は、加熱工程の前段として、加熱工程で流す電流よりも小さな電流を流す予備通電工程を組み込むことにより、ワイヤの突き合わせ端面の状態の影響を低減しようとするものである。
【０００６】
また、特許文献３に示されるように、アプセット溶接が完了した後に、再度、溶接部を通電加熱させる後加熱工程を組み込んだ銅バスバーの溶接方法も知られている。この溶接方法は、後加熱工程により焼き戻し効果を得て、引張強度を確保した状態で所望の靱性を得ようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３３４３３９４号公報
【特許文献２】特開昭６２−３８８２号公報
【特許文献３】特開平７−２９９５７０号公報
【発明の概要】
【０００８】
ところで、最近においては、車両の軽量化のために、各種の部材に高張力鋼（ハイテンとも呼ばれる）が使用されるようになってきている。高張力鋼は、引張り強度が高く、一般鋼材を用いる場合に比べて薄肉化を図ることができ、軽量化に貢献できる。ディスクホイールにおいても例外ではなく、軽量化が望まれている。しかし、ディスクホイールのリム素材に高張力鋼板（例えば、引張り強度４９０ＭＰａ以上）を採用して超薄板化（例えば、２．０ｍｍ以下）を図った場合、特に、走行安全性のためにリム幅の拡大化を図った場合には、従来のアプセット溶接では、溶接後の加工成形時において、リムの接合部に割れが発生し、歩留まりが低下してしまうという課題が生じる。
【０００９】
そこで、発明者らは、特許文献１に提案された溶接方法を、高張力鋼板を用いたリムの溶接への適用を試みたが、アルミ合金のように発熱しにくい材料には有効ではあるものの、熱容量の少ない高張力鋼板の場合には、許容入熱量が少ないため、接合端面のヒートバランスを確保できず上記の課題を解決できなかった。
【００１０】
また、特許文献２に提案された溶接方法を適用して、加熱工程で流す電流よりも小さな電流を流す予備通電工程を組み込んでも、ワイヤ端面のように円形ではなく細長い長方形の端面形状を有するホイールリム素材の接合においては、やはり接合端面のヒートバランスを確保できず、上記課題を解決することができなかった。
【００１１】
また、特許文献３に提案された溶接方法の場合には、溶接が完了した後の通電加熱であるため、溶接前の接合端面のヒートバランスを確保できず、上記課題を解決することができない。
【００１２】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を良好に接合できるアプセット溶接方法を提供することを目的とする。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で突き合わせ端面間に所定の電流を流して、前記高張力鋼板の端面同士をアプセット溶接するホイールリムのアプセット溶接方法において、
前記突き合わせ端面を突き合わせ方向に第１加圧力（Ｐ１）で加圧した状態で前記突き合わせ端面間に第１電流（Ｉ１）を通電して、前記突き合わせ端面を軟化させて前記端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程（Ｓ１）と、前記予加熱工程の後に、通電を停止するとともに前記加圧力を前記第１加圧力から第２加圧力（Ｐ２）にまで低減して、熱伝導により前記突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程（Ｓ２）と、前記クールダウン工程の後に、前記加圧力を前記第２加圧力から第３加圧力（Ｐ３）にまで増加させた状態で前記突き合わせ端面間に前記第１電流より小さな第２電流（Ｉ２）を流して、前記突き合わせ端面を軟化させる加熱工程と、前記加熱工程の後に、通電量を前記第２電流から減らしながら前記加圧力を第３加圧力から第４加圧力（Ｐ４）にまで増加させて、前記突き合わせ端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程（Ｓ４）とを含むことにある。
【００１４】
本発明においては、ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士が突き合わされる。高張力鋼板は、建築、橋、船舶、車両その他の構造用及び圧力容器用として、引張り強さ４９０ＭＰａ〜１２８０ＭＰａの範囲で溶接性、切欠きじん性及び加工性も重視して製造された鋼板をいう。予加熱工程では、端面同士が突き合わせ方向に第１加圧力で加圧された状態で突き合わせ端面間に第１電流が流される。これにより、高張力鋼板の突き合わせ端面が発熱して軟化し、突き合わせ端面の面積が増加するように突き合わせ端部が変形して外側に膨らむ。これにより、端面同士の接触面積が増加し、突き合わせ端部の熱容量が増加する。また、端面同士の突き合わせ精度が悪い場合であっても、端面の変形により突き合わせ精度が補正され、端面同士の突き合わせが均一化される。
【００１５】
予加熱工程の後にクールダウン工程が実行される。クールダウン工程においては、通電が停止されるとともに加圧力が第２加圧力にまで低減される。これにより、突き合わせ端面の変形が止まり、熱伝導により突き合わせ端面における入熱量が均一化される。つまり、突き合わせ端面の板厚方向および幅方向のヒートバランスが均一化される。この場合、予加熱工程により突き合わせ部の断面積が増加して突き合わせ部の熱容量が増加しているため、良好なヒートバランスを維持することができる。
【００１６】
クールダウン工程の後に加熱工程が実行される。加熱工程においては、加圧力を第２加圧力から第３加圧力にまで増加させた状態で突き合わせ端面間に第１電流より小さな第２電流が流される。これにより、突き合わせ端面が軟化する。この場合、突き合わせ端面は、軟化により更に変形してもよい。この加熱工程においては、予加熱工程により突き合わせ端面の面積が増加しているため、接合端面の真の電流密度が低下し、接触抵抗によるジュール発熱による温度上昇が遅くなる。また、予加熱工程による変形によって突き合わせ部の熱容量が増加している。また、予加熱工程により突き合わせ端面が予加熱されていることから必要熱量が減少して第２電流を第１電流より小さくすることができる。こうした要因により、アプセット工程までの通電時間を長くすることができ、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するのに必要な時間を確保することができる。
【００１７】
また、例えば、端面同士の突き合わせ精度が悪く、予加熱工程において、端面の変形が幅方向において不均一になった場合であっても、変形（外側への膨らみ）が大きい側は小さい側に比べて、断面積が大きいため電流密度が低く温度上昇が遅くなり、逆に、変形が小さい側は大きい側に比べて、断面積が小さいため電流密度が大きく温度上昇が速くなる。従って、変形量のアンバランスにより、結果として、ヒートアンバランスが改善される。
【００１８】
加熱工程の後にアプセット工程が実行される。アプセット工程においては、通電量が第２電流から減らされながら加圧力が第４加圧力にまで増加される。通電量は、第２電流から通電停止状態にまで漸減させるようにすればよい。このアプセット工程においては、加熱工程により突き合わせ端面が加熱溶融したところで、端面間に大きな第４加圧力が働いて突き合わせ端面がアプセット変形する。このアプセット変形により接合界面の酸化物が外へ排出される。これにより、高張力鋼板の端面同士が溶接される。この場合、アプセット工程が開始されるときの突き合わせ端面のヒートバランスが良好となっているために、良好なアプセット変形が得られる。
【００１９】
このように、本発明によれば、アプセット工程を実行する前に、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化することができるため、良好にアプセット溶接を行うことができる。従って、ディスクホイールのリム素材に高張力鋼板を採用して超薄板化を図った場合であっても、溶接後の加工成形時においてリムの接合部の割れの発生を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００２０】
本発明の他の特徴は、前記第１加圧力をＰ１、前記第２加圧力をＰ２、前記第３加圧力をＰ３、前記第４加圧力をＰ４とすると、各工程における加圧力は、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係に設定されていることにある。
【００２１】
第４加圧力Ｐ４は、アプセット変形を行うための加圧力であるため最大に設定される。また、第２加圧力Ｐ２は、突き合わせ端部を変形させずにヒートバランスを均一化する工程での加圧力であるため最小に設定される。また、第１加圧力Ｐ１は、突き合わせ端面の面積を大きくするように変形させる工程での加圧力であるため、加熱工程での第３加圧力Ｐ３以上となる大きさに設定される。これにより、本発明によれば、各工程における加圧力を適切にでき、さらに良好なアプセット溶接が可能となる。
【００２２】
本発明の他の特徴は、前記予加熱工程において前記第１電流を流す時間は、前記加熱工程において前記第２電流を流す時間に比べて短いことにある。
【００２３】
予加熱工程において、低電流、かつ、長時間通電により突き合わせ端面を変形させると、突き合わせ端面だけでなく母材の変形が始まり、その後の加熱工程、アプセット工程における突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができなくなる。そこで、本発明においては、第１電流を第２電流に比べて大きく、かつ、第１電流の通電時間を第２電流の通電時間よりも短く設定している。これにより突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができる。また、第２電流の通電時間が長くなるため、ヒートバランスを均一化するのに必要な時間を確保することができる。これらの結果、本発明によれば、一層良好なアプセット溶接が可能となる。
【００２４】
本発明の他の特徴は、前記予加熱工程において流す第１電流と前記加熱工程において流す第２電流の少なくとも一方は、断続的に通電されることにある。
【００２５】
本発明においては、第１電流と第２電流との少なくとも一方が断続的に通電される。つまり、電流波形がパルス列状となるように通電される。これにより、ピーク値の高い電流を断続的に通電することができるため、入熱速度を遅くすることが可能となり、許容熱容量の小さい高張力鋼板であっても、一層安定したヒートバランスを得ることができる。この結果、良好なアプセット溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アプセット溶接機の概略構成図である。
【図２】アプセット溶接の工程を表すフローチャートである。
【図３】アプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量の推移を表すグラフである。
【図４】突き合わせ端部の変形状態を表す図である。
【図５】リム素材Ｗの両端部がハの字状に突き合わされた場合の変形状態を表す図である。
【図６】変形量と電流密度との関係を説明する図である。
【図７】第１電流と第２電流とを変化させた評価試験結果を表す表である。
【図８】各工程における加圧力を変化させた評価試験結果を表す表である。
【図９】クールダウン時間を変化させた評価試験結果を表す表である。
【図１０】変形例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量の推移を表すグラフである。
【図１１】従来例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）の推移を表すグラフである。
【図１２】他の従来例としてのアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）の推移を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態のアプセット溶接方法（アプセットバット溶接とも呼ばれている）について図面を用いて説明する。図１は、実施形態としてのアプセット溶接方法を実施するアプセット溶接機を表す。アプセット溶接機は、帯状のリム素材Ｗを円筒状に丸めてその両端面を向かい合わせてクランプする２つの電極１０，１１と、電極１０，１１間に電圧を印加してリム素材Ｗに電流を流す溶接電源１２と、電極１０，１１間に流す電流（リム素材Ｗに流す電流）を制御する電流制御装置１３と、２つの電極１０，１１間の間隔を可変する油圧シリンダ１４と、油圧シリンダ１４に油圧を供給する油圧源１５と、油圧源１５から油圧シリンダ１４へ供給する油圧を制御する加圧力制御装置１６とを備える。電極１０は、一対の電極１０ａ，１０ｂからなり、電極１１は、一対の電極１１ａ，１１ｂからなり、それぞれ、リム素材Ｗの端部を、板面を直交する方向に挟圧してクランプする。
【００２８】
本実施形態のアプセット溶接の対象となるリム素材Ｗは、幅が２１１ｍｍ、板厚が１．８ｍｍの高張力鋼板（引張り強度７８０ＭＰａ）である。リム素材Ｗは、円筒状に丸められて両端部が電極１０，１１でクランプされ、油圧シリンダ１４により電極１０，１１間の距離を縮めることにより、その端面同士が突き合わされる。この突き合わされたリム素材Ｗの端面Ｗendを、突き合わせ端面と呼ぶ。尚、リム素材Ｗの両端部（クランプされる部分）は、端曲げ工程により平坦に加工されている。
【００２９】
次に、アプセット溶接について説明する。アプセット溶接は、図２に示すように、予加熱工程Ｓ１、クールダウン工程Ｓ２、加熱工程Ｓ３、アプセット工程Ｓ４を順番に実行することにより完了する。
【００３０】
予加熱工程Ｓ１においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を制御して、リム素材Ｗの端面同士を突き合わせ、その突き合わせる力（以下、加圧力と呼ぶ）を第１加圧力Ｐ１にまで増加させて維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による加圧開始から所定時間（予加熱ディレイ時間Ｔ1dと呼ぶ）だけ遅れて電極１０，１１間に電圧を印加して第１電流Ｉ１を流す。
【００３１】
図３は、このアプセット溶接時における加圧力、電流（電流密度）、変位量（電極間距離の変化量）の推移を表す。図中において、上段の波形が加圧力の推移を表し、中段の波形が電流の推移を表し、下段の波形が変位量の推移を表す。尚、変位量は、リム素材Ｗの端面同士を突き合わせた初期位置ＩＤを基準（ＩＤ＝０）とした電極間距離の変化量を表す。
【００３２】
この予加熱工程Ｓ１においては、通電によりリム素材Ｗの突き合わせ端面が発熱して軟化し始めるとともに熱膨張する。このとき、リム素材Ｗの端面同士が突き合わせ方向に加圧されているため、電極間距離が縮まり、図４（ａ）に示すように、突き合わせ端部が外側（リム径方向）に拡がる。これにより、突き合わせ端面の接触面積が増加し、突き合わせ端部の熱容量が増加する。また、突き合わせ端面同士の接触状態が均一化される。尚、図４は、リム素材Ｗの板厚を表す。
【００３３】
また、リム素材Ｗの端面同士の突き合わせ精度がばらついても、端面の変形により突き合わせ精度が補正され、端面同士の突き合わせが均一化される。例えば、図５に示すように、リム素材Ｗの一方の端面と他方の端面とが幅方向で非平行の状態で突き合わされた場合、つまり、リム素材Ｗの両端部がハの字状にクランプされて突き合わされた場合であっても、ギャップ量の大きい側はギャップが縮小され、ギャップ量の小さい側は外側に拡がるように変形することにより、端面同士が面接触状態で突き合わされる。尚、この場合、幅方向において変形量のアンバランスが生じているが、後述するようにこの変形量のアンバランスがヒートアンバランスを改善する。
【００３４】
加圧開始から第１時間Ｔ１が経過すると、予加熱工程Ｓ１からクールダウン工程Ｓ２に移行する。予加熱工程Ｓ１が終了する時点においては、図３に示すように、変位量がＤ１となっている。クールダウン工程Ｓ２においては、電流制御装置１３が電極間の通電を停止させるとともに、加圧力制御装置１６が加圧力を第２加圧力Ｐ２にまで低下させる。ここで、通電時間については、通電開始指令から通電遮断指令までの期間として定義する。従って、予加熱工程Ｓ１における第１電流Ｉ１の通電時間は、通電を開始した時点から、電流を減らし始めた時点（クールダウン工程Ｓ２の開始時点）までの期間（Ｔ１−Ｔ1d）となる。
【００３５】
クールダウン工程Ｓ２においては、入熱が遮断された状態で、突き合わせ端面同士が第２加圧力Ｐ２で加圧される。これにより、リム素材Ｗの突き合わせ端面の発熱および変形が止まる。このクールダウン工程Ｓ２においては、予加熱工程Ｓ１で発生した熱の熱伝導により突き合わせ端面における入熱量が均一化される。つまり、突き合わせ端面の板厚方向および幅方向のヒートバランスが均一化される。この場合、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ部の断面積が増加して突き合わせ部の熱容量が増加しているため、良好なヒートバランスを維持することができる。また、クールダウン工程Ｓ２においては、突き合わせ端面の温度が下がっていくため端面間の接触抵抗値が低減されるとともに、温度の均一化によって板厚方向および幅方向における接触抵抗値の均一化を図ることができる。
【００３６】
クールダウン工程Ｓ２が開始されてから第２時間Ｔ２が経過すると、加熱工程Ｓ３に移行する。加熱工程Ｓ３においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を増加させて加圧力を第３加圧力Ｐ３に維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による油圧増加開始から所定時間（加熱ディレイ時間Ｔ3dと呼ぶ）だけ遅れて電極１０，１１間に電圧を印加して第２電流Ｉ２を流す。この第２電流Ｉ２は、第１電流Ｉ１に比べて小さくなるように設定されている。また、第３加圧力Ｐ３は、第１加圧力Ｐ１以下であって、第２加圧力Ｐ２よりも大きな値に設定されている。
【００３７】
この加熱工程Ｓ３は、アプセット変形を効率的に行うために実行される工程である。加熱工程Ｓ３においては、リム素材Ｗの突き合わせ端面が加圧された状態で再通電されることにより、突き合わせ端面が発熱して軟化する。この加熱工程Ｓ３が第３時間Ｔ３だけ継続されると、変位量（電極間距離の変化量）がＤ１からＤ２にまで増加して、最終工程となるアプセット工程Ｓ４に移行する。加熱工程Ｓ３においては、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ端面の面積が増加しているため、接合端面の真の電流密度が低下し、接触抵抗によるジュール発熱による温度上昇が遅くなる。また、予加熱工程Ｓ１による変形によって突き合わせ部の熱容量が増加している。また、予加熱工程Ｓ１により突き合わせ端面が予加熱されていることから必要熱量が減少して第２電流Ｉ２を第１電流Ｉ１より小さくすることができる。こうした要因により、アプセット工程Ｓ４までの通電時間（Ｔ３−Ｔ3d）を長くすることができ、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するために必要な時間を確保することができる。
【００３８】
また、加熱工程Ｓ３においては、リム素材Ｗの端面同士の突き合わせ精度が悪く、予加熱工程Ｓ１において、端面の変形が幅方向において不均一になった場合であっても、図６に示すように、変形（外側への膨らみ）が大きい側は小さい側に比べて、断面積が大きいため電流密度が低く温度上昇が遅くなり、逆に、変形が小さい側は大きい側に比べて、断面積が小さいため電流密度が高く温度上昇が速くなる。従って、変形量のアンバランスにより、結果として、ヒートアンバランスが改善される。
【００３９】
尚、加熱工程Ｓ３において供給する電気エネルギー（電流値と通電時間の積：つまり、電流の時間積分値であって、図３の電流波形の面積に相当する）は、予加熱工程Ｓ１で供給する電気エネルギーよりも大きくすることが望ましい。
【００４０】
加熱工程Ｓ３により突き合わせ端面が加熱溶融したところでアプセット工程Ｓ４に移行する。アプセット工程Ｓ４においては、加圧力制御装置１６が、油圧シリンダ１４へ供給する油圧を増加させて加圧力を第４加圧力Ｐ４に維持する。また、電流制御装置１３が、加圧力制御装置１６による油圧増加開始と同期して電圧を漸減し、電極間に流す電流をゼロにまで低下させていく。アプセット工程Ｓ４は、第４時間Ｔ４のあいだ行われる。これにより、突き合わせ端面間に大きな第４加圧力Ｐ４が働いて突き合わせ端面がアプセット変形する。図３中において、ＥＤが最終の変位量を表す。このアプセット変形により接合界面の酸化物が外へ排出される。これにより、高張力鋼板の端面同士が溶接される。この場合、アプセット工程Ｓ４が開始されるときの突き合わせ端面のヒートバランスが良好となっているために、良好なアプセット変形が得られる。
【００４１】
ここで、上記４つの工程によるアプセット溶接の評価試験結果について説明する。評価試験対象となるリム素材Ｗは、幅が２１１ｍｍ、板厚が１．８ｍｍの高張力鋼板（引張り強度７８０ＭＰａ）である。図７に示す表１は、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２とを変化させたときの溶接品質の評価結果を表す。この評価結果は、上記アプセット溶接を行った後に、フレアー加工、ロール加工、エキスパンド加工を行って成形されたリム成型完了品についての割れ不良率による評価である。○は不良率が０％、△は不良率２％以下、×は不良率２％超過を表す。尚、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２の大きさは、電流密度を表している。
【００４２】
この表１の評価試験においては、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２とし、クールダウン時間Ｔ２（第２時間Ｔ２）を１０サイクル（１０／６０秒）とした場合における、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２とについて大きさを変更したものである。尚、この加圧力Ｐ１〜Ｐ４、クールダウン時間Ｔ２は、後述する加圧力に関する試験で良好として評価された値である。また、第２電流Ｉ２の通電時間は、ヒートバランスを確保するために、第１電流Ｉ１の通電時間よりも長く設定されている。この評価試験においては第１電流の通電時間を４サイクル（４／６０秒）とし、第２電流の通電時間を１５サイクル（１５／６０秒）としている。
【００４３】
この試験結果からわかるように、第１電流Ｉ１が第２電流Ｉ２より大きい場合には、良好な評価結果が得られ、逆に、第１電流Ｉ１が第２電流Ｉ２より小さい場合には、良好な評価結果が得られていない。この理由は、予加熱工程Ｓ１において低電流で通電した場合には、突き合わせ端面を変形させるのに必要な通電時間が長くなって、突き合わせ端面だけでなく母材の変形が始まってしまうため、その後の加熱工程、アプセット工程における突き合わせ端面の変形を効率よく行うことができなくなるからと考えられる。従って、予加熱工程Ｓ１においては、大きな電流を短時間流すようにするとよい。一方、加熱工程Ｓ３においては、ヒートバランスを均一化するための時間を確保するためにあまり大きな電流を流さない方がよい。そこで、本実施形態のアプセット溶接方法においては、評価試験結果によっても裏付けられているように、第２電流Ｉ２を第１電流Ｉ１よりも小さく設定している。
【００４４】
次に、第１電流Ｉ１を１８０Ａ／ｍｍ２、第２電流Ｉ２を１４０Ａ／ｍｍ２として、４つの工程における加圧力の大きさを変更した場合の評価試験結果について説明する。図８に示す表２は、その評価試験結果を表すもので、実験番号１〜５については、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第１加圧力Ｐ１の大きさを変更したものであり、実験番号６〜９については、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第２加圧力Ｐ２の大きさを変更したものであり、実験番号１０〜１３は、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２に固定して、第３加圧力Ｐ３の大きさを変更したものであり、実験番号１４〜１７は、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２に固定して、第４加圧力Ｐ４の大きさを変更したものである。尚、第１電流、第２電流の通電時間条件は、表１での評価試験と同一である。
【００４５】
この表２から各工程における加圧力の関係を分析すると、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係が維持されている場合に、良好な評価結果が得られることがわかる。従って、本実施形態のアプセット溶接方法においては、各工程における加圧力を、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係が満足する値に設定している。
【００４６】
次に、クールダウン時間（第２時間Ｔ２）を変更した場合の評価試験結果について説明する。図９に示す表３は、その評価試験結果を表すもので、第１加圧力Ｐ１を１２７Ｎ／ｍｍ２、第２加圧力Ｐ２を４９Ｎ／ｍｍ２、第３加圧力Ｐ３を９８Ｎ／ｍｍ２、第４加圧力Ｐ４を１４７Ｎ／ｍｍ２とし、第１電流Ｉ１を１８０Ａ／ｍｍ２、第２電流Ｉ２を１４０Ａ／ｍｍ２とした条件において、クールダウン時間を２サイクル（２／６０秒）から８０サイクル（８０／６０秒）まで変更したものである。尚、第１電流、第２電流の通電時間条件は、表１，２での評価試験と同一である。
【００４７】
この表からわかるように、クールダウン時間Ｔ２は、３サイクル（３／６０秒）以上でかつ２０サイクル（２０／６０秒）以下であるとよい。
【００４８】
以上説明した本実施形態のアプセット溶接方法によれば、アプセット工程Ｓ４を実行する前に、突き合わせ端面のヒートバランスを均一化することができるため、良好にアプセット溶接を行うことができる。従って、ディスクホイールのリム素材Ｗに高張力鋼板を採用して超薄板化を図った場合であっても、溶接後の加工成形時においてリムの接合部の割れの発生を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００４９】
以上、本実施形態のアプセット溶接方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００５０】
例えば、図１０に示すように、予加熱工程Ｓ１における通電を断続的な通電としてもよい。つまり、第１電流Ｉ１の通電をパルス列状に通電するようにしてもよい。また、加熱工程Ｓ３における通電についても一点鎖線にて示すように断続的な通電としてもよい。つまり、第２電流Ｉ２の通電をパルス列状に通電するようにしてもよい。このように断続的に通電する場合には、第１電流Ｉ１、第２電流Ｉ２のピーク値を１回の通電方式（図３の実施形態）に比べて大きく設定すればよい。この場合においても、第１電流Ｉ１の平均値が第２電流Ｉ２の平均値よりも大きくなるように設定するとよい。また、通電時間に関しては、予加熱工程Ｓ１については（Ｔ１−Ｔ1d）、加熱工程Ｓ３については（Ｔ３−Ｔ3d）として考え、予加熱工程Ｓ１における通電時間を、加熱工程Ｓ３における通電時間よりも短く設定するとよい。この変形例によれば、ピーク値の高い電流をパルス列状に通電するため、入熱速度を遅くすることが可能となり、許容熱容量の小さい高張力鋼板であっても、一層安定したヒートバランスを得ることができ、良好なアプセット溶接が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１０，１１…電極、１２…溶接電源、１３…電流制御装置、１４…油圧シリンダ、１５…油圧源、１６…加圧制御装置、Ｗ…リム素材、Ｓ１…予加熱工程、Ｓ２…クールダウン工程、Ｓ３…加熱工程、Ｓ４…アプセット工程。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で突き合わせ端面間に所定の電流を流して、前記高張力鋼板の端面同士をアプセット溶接するホイールリムのアプセット溶接方法において、
前記突き合わせ端面を突き合わせ方向に第１加圧力で加圧した状態で前記突き合わせ端面間に第１電流を通電して、前記突き合わせ端面を軟化させて前記端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程と、
前記予加熱工程の後に、通電を停止するとともに前記加圧力を前記第１加圧力から第２加圧力にまで低減して、熱伝導により前記突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程と、
前記クールダウン工程の後に、前記加圧力を前記第２加圧力から第３加圧力にまで増加させた状態で前記突き合わせ端面間に前記第１電流より小さな第２電流を流して、前記突き合わせ端面を軟化させる加熱工程と、
前記加熱工程の後に、通電量を前記第２電流から減らしながら前記加圧力を第３加圧力から第４加圧力にまで増加させて、前記突き合わせ端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程と
を含むことを特徴とするホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項２】
前記第１加圧力をＰ１、前記第２加圧力をＰ２、前記第３加圧力をＰ３、前記第４加圧力をＰ４とすると、各工程における加圧力は、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係に設定されていることを特徴とする請求項１記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項３】
前記予加熱工程において前記第１電流を流す時間は、前記加熱工程において前記第２電流を流す時間に比べて短いことを特徴とする請求項１または２記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項４】
前記予加熱工程において流す第１電流と前記加熱工程において流す第２電流の少なくとも一方は、断続的に通電されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項１】
ホイールリム素材となる高張力鋼板の端面同士を突き合わせて、突き合わせ方向に所定の加圧力で加圧した状態で突き合わせ端面間に所定の電流を流して、前記高張力鋼板の端面同士をアプセット溶接するホイールリムのアプセット溶接方法において、
前記突き合わせ端面を突き合わせ方向に第１加圧力で加圧した状態で前記突き合わせ端面間に第１電流を通電して、前記突き合わせ端面を軟化させて前記端面の面積が増加するように変形させる予加熱工程と、
前記予加熱工程の後に、通電を停止するとともに前記加圧力を前記第１加圧力から第２加圧力にまで低減して、熱伝導により前記突き合わせ端面のヒートバランスを均一化するクールダウン工程と、
前記クールダウン工程の後に、前記加圧力を前記第２加圧力から第３加圧力にまで増加させた状態で前記突き合わせ端面間に前記第１電流より小さな第２電流を流して、前記突き合わせ端面を軟化させる加熱工程と、
前記加熱工程の後に、通電量を前記第２電流から減らしながら前記加圧力を第３加圧力から第４加圧力にまで増加させて、前記突き合わせ端面同士をアプセット変形させて溶接するアプセット工程と
を含むことを特徴とするホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項２】
前記第１加圧力をＰ１、前記第２加圧力をＰ２、前記第３加圧力をＰ３、前記第４加圧力をＰ４とすると、各工程における加圧力は、Ｐ４＞Ｐ１≧Ｐ３＞Ｐ２の関係に設定されていることを特徴とする請求項１記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項３】
前記予加熱工程において前記第１電流を流す時間は、前記加熱工程において前記第２電流を流す時間に比べて短いことを特徴とする請求項１または２記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【請求項４】
前記予加熱工程において流す第１電流と前記加熱工程において流す第２電流の少なくとも一方は、断続的に通電されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項記載のホイールリムのアプセット溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８６１５８（Ｐ２０１３−８６１５８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１２２１（Ｐ２０１１−２３１２２１）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３９１００６４３０）中央精機株式会社 (128)
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（３９１００６４３０）中央精機株式会社 (128)
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