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スポット溶接（または抵抗スポット溶接[ 1 ] ）は、さまざまな板金製品を溶接するために使用される電気抵抗溶接の一種で、接触する金属表面の点が電流に対する抵抗から得られる熱によって接合されるプロセスです。
このプロセスでは、2 つの成形された銅合金電極を使用して溶接電流を小さな「スポット」に集中させ、同時にシートを締め付けます。ワークピースは、電極によって加えられる圧力によって一緒に保持されます。通常、シートの厚さは0.5 ～ 3 mm (0.020 ～ 0.118インチ)の範囲です。スポットに大電流を流すと、金属が溶けて溶接部が形成されます。スポット溶接の魅力的な特徴は、非常に短い時間 (約 10 ～ 100 ミリ秒) でスポットに大量のエネルギーを供給できることです。[ 2 ]これにより、シートの残りの部分が過度に加熱されることなく溶接を行うことができます。
スポットに供給される熱量（エネルギー）は、電極間の抵抗と電流の大きさおよび持続時間によって決まります。[ 3 ]エネルギー量は、シートの材料特性、厚さ、および電極の種類に合わせて選択されます。エネルギーが少なすぎると金属が溶けなかったり、溶接不良になったりします。エネルギーが多すぎると金属が溶けすぎ、溶融物が噴出し、溶接ではなく穴が開きます。[ 4 ]スポット溶接のもう 1 つの特徴は、スポットに供給されるエネルギーを制御して信頼性の高い溶接を生成できることです。
スポット溶接は3つの段階から成ります。最初の段階では、電極を金属表面に近づけ、わずかな圧力を加えます。次に、電極から電流を短時間流し、その後電流を遮断しますが、電極はそのままにして材料を冷却します。溶接時間は、金属の厚さ、電極の圧力、電極の直径によって0.01 秒から0.63秒まで変化します。
スポット溶接プロセスで使用される装置は、ツールホルダーと電極で構成されています。ツールホルダーは、電極をしっかりと固定する機構として機能するだけでなく、溶接中に電極を冷却するためのオプションのウォーターホースを支える役割も果たします。ツールホルダーの保持方法には、パドル型、軽荷重型、汎用型、標準オフセット型などがあります。電極は一般的に低抵抗合金（通常は銅）で作られており、用途に応じてさまざまな形状とサイズで設計されています。
溶接される2つの材料はワークピースと呼ばれ、電気を通す必要があります。ワークピースの幅は溶接装置の喉の長さによって制限され、通常は5～50インチ（13～130cm ）です。ワークピースの厚さは0.008～1.25インチ（0.20～32mm ）です。[ 5 ]
ワークピースから電流が遮断された後、電極中央の冷却孔を通して冷却される。スポット溶接機構では、冷却剤として水と塩水溶液の両方を使用することができる。
抵抗スポット溶接の場合、溶接工程全体に根本的に影響を与えるツーリングシステムの主要部分は2つあります。それは、溶接ガンとその種類、そして電極のサイズと形状です。高い印加力（例えば、厚板の溶接）のため、溶接ガンの配置をできるだけ剛性にする必要がある用途では、C型溶接ガンが広く使用されています。この配置は、高い剛性に加えて、電極の動きが一直線であるため、ツーリングの柔軟性も高くなります。C型とは異なり、いわゆるX型配置は剛性は低いものの、作業可能な作業スペースはC型よりもはるかに広いため、薄くて平らな物体（例えば、床板や屋根パネルの製造）の加工によく用いられます。しかし、移動する電極の経路が一直線ではない（ハサミの先端のように）ため、ツーリングの柔軟性は低くなります。そのため、ドーム型の電極先端を使用する必要があります。
スポット溶接で使用される電極は、用途によって大きく異なります。それぞれの電極の形状には異なる目的があります。半径型電極は高温用途に、先端が切り詰められた電極は高圧用途に、偏心電極は角部の溶接に、オフセット偏心電極は角部や狭い場所への溶接に、そしてオフセット切り詰め電極はワークピース内部への溶接に使用されます。
スポット溶接プロセスは材料を硬化させ、反りを引き起こす傾向があります。これにより材料の疲労強度が低下し、材料が伸びたり焼きなましされたりする可能性があります。スポット溶接の物理的影響には、内部亀裂、表面亀裂、外観の悪化などがあります。溶接ナゲット周辺の亀裂は、外部荷重または疲労によって拡大し、別の種類の破壊を引き起こします。[ 6 ] [ 7 ]影響を受ける化学的特性には、金属の内部抵抗と腐食特性が含まれます。
溶接時間は非常に短いことが多く、電極の動きが材料をしっかりと固定するのに十分な速さにならないため、電極に問題が生じる場合があります。溶接制御装置は、この問題を解決するために二重パルスを使用します。最初のパルスでは、電極の接触が良好に溶接できない場合があります。最初のパルスは金属を軟化させます。2つのパルスの間の休止時間中に、電極が接近し、より良好な接触が得られます。
スポット溶接中、大きな電流が大きな磁場を誘起し、電流と磁場が相互作用して大きな磁力場も生成され、溶融金属を最大 0.5 m/s の速度で非常に速く動かします。そのため、スポット溶接における熱エネルギー分布は、溶融金属の高速運動によって劇的に変化する可能性があります。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]スポット溶接における高速運動は、高速撮影で観察できます。[ 11 ]
スポット溶接機の基本構成は、電源、蓄電ユニット（コンデンサバンクなど）、スイッチ、溶接トランス、および溶接電極です。蓄電素子により、溶接機は瞬間的に高い電力レベルを供給できます。電力需要が高くない場合は、蓄電素子は不要です。スイッチは、蓄えられたエネルギーを溶接トランスに放出します。溶接トランスは電圧を降圧し、電流を昇圧します。トランスの重要な機能は、スイッチが処理しなければならない電流レベルを低減することです。溶接電極は、トランスの二次回路の一部です。また、スイッチを制御し、溶接電極の電圧や電流を監視する制御ボックスも備えています。
溶接機に作用する抵抗は複雑である。[ 12 ]二次巻線、ケーブル、溶接電極の抵抗がある。また、溶接電極とワークピース間の接触抵抗もある。さらに、ワークピースの抵抗とワークピース間の接触抵抗もある。
溶接開始時、接触抵抗は通常高いため、初期エネルギーの大部分はそこで消費されます。その熱とクランプ力によって、電極と材料の界面の材料が軟化して滑らかになり、接触が改善されます（つまり、接触抵抗が低下します）。その結果、より多くの電気エネルギーがワークピースと2つのワークピースの接合抵抗に流れ込みます。電気エネルギーが溶接部に供給されて温度が上昇すると、電極とワークピースはその熱を伝導します。目標は、スポット全体が溶融することなく、スポット内の材料の一部が溶融するのに十分なエネルギーを供給することです。スポットの周囲は多くの熱を伝導し、周囲を低温に保ちます。スポット内部は伝導される熱が少ないため、最初に溶融します。溶接電流を長時間流し続けると、スポット全体が溶融し、材料が流れ出たり、その他の不具合が生じ、「溶接」は穴になります。
溶接に必要な電圧は、溶接する材料の抵抗、板厚、およびナゲットの希望サイズによって決まります。1.0 + 1.0 mm の鋼板のような一般的な組み合わせを溶接する場合、電極間の電圧は 溶接開始時には約 1.5 V ですが、溶接終了時には 1 V まで低下することがあります 。この電圧の低下は、ワークピースの溶融による抵抗の減少が原因です。変圧器からの無負荷電圧はこれよりも高く、通常は 5 ～ 22 ボルトの範囲です。[ 13 ]
溶接箇所の抵抗は、溶融金属が流動・液化するにつれて変化します。最新の溶接装置は、溶接状態をリアルタイムで監視・調整することで、安定した溶接を実現します。この装置は、電流、電圧、電力、エネルギーなど、溶接中の様々な変数を制御しようとします。
溶接機のサイズは5～500kVAまであります 。[ 14 ]さまざまな産業で使用されているマイクロスポット溶接機は、 精密溶接のニーズに合わせて1.5kVA以下にまで下げることができます。
溶接工程中、溶融金属の液滴（火花）が溶接箇所から噴出するのはよくあることである。
抵抗スポット溶接では明るいアークが発生しないため、紫外線保護は必要ありません。OSHAは飛沫保護のために透明なフェイスシールドまたはゴーグルを要求していますが、フィルターレンズは要求していません。[ 15 ]
スポット溶接は、特定の種類の板金、溶接金網、または金網を溶接する際によく用いられます。厚みのある材料は、熱が周囲の金属に伝わりやすいため、スポット溶接が難しくなります。スポット溶接は、金属製のバケツなど、多くの板金製品で容易に確認できます。アルミニウム合金もスポット溶接が可能ですが、熱伝導率と電気伝導率が非常に高いため、より高い溶接電流が必要となります。そのため、より大型で高出力、かつ高価な溶接トランスが必要となります。
スポット溶接の最も一般的な用途はおそらく自動車製造業界でしょう。そこでは、板金を溶接して車を成形するためにほぼ普遍的にスポット溶接が用いられています。スポット溶接機は完全に自動化することも可能で、組立ラインで見られる産業用ロボットの多くはスポット溶接機です（ロボットのもう一つの主要な用途は塗装です）。
スポット溶接は、歯科矯正医の診療所でも使用されており、歯科矯正で使用される金属製の「臼歯バンド」のサイズ調整を行う際に、小型のスポット溶接装置が用いられる。
もう一つの用途は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池のセルにスポット溶接でストラップを取り付けて電池を製造することです。セルは、薄いニッケル製のストラップを電池端子にスポット溶接することで接合されます。スポット溶接を用いることで、従来のはんだ付けを行った場合のように電池が過熱するのを防ぐことができます。
優れた設計においては、常に十分なアクセス性を確保する必要があります。接合面は、スケール、油、汚れなどの汚染物質が付着していない状態にして、高品質な溶接を実現しなければなりません。金属の厚さは、一般的に良好な溶接の可否を判断する要因ではありません。
プロジェクション溶接はスポット溶接の改良版で、接合するワークピースの一方または両方に隆起部（突起）を設けることで溶接箇所を限定します。熱は突起部に集中するため、より厚い部材の溶接や、より狭い間隔での溶接が可能になります。突起部はワークピースの位置決めにも利用できます。プロジェクション溶接は、スタッド、ナット、その他のねじ付き機械部品を金属板に溶接する際によく用いられます。また、交差したワイヤーやバーの接合にも頻繁に用いられます。これは生産性の高いプロセスであり、適切な設計と治具を用いることで複数のプロジェクション溶接を行うことができます。[ 16 ]
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