電気抵抗溶接

電気抵抗溶接（ERW）は、接触している金属部品を電流で加熱し、接合部の金属を溶融することで、永久的に接合する溶接プロセスです。 ^[1]電気抵抗溶接は、たとえば鋼管の製造や自動車の車体の組み立てに広く使用されています。^[2]電流は、締め付け圧力も加える電極に供給するか、外部磁場によって誘導することができます。電気抵抗溶接プロセスは、溶接部の形状と接合部に圧力を加える方法によってさらに分類できます。たとえば、スポット溶接、シーム溶接、フラッシュ溶接、プロジェクション溶接などです。熱または溶接温度に影響を与える要因には、ワークピースの比率、金属コーティングの有無、電極材料、電極の形状、電極の押圧力、電流、溶接時間などがあります。電流（100～100,000 A）が金属に流れると、電気抵抗が最も大きいポイント（接続面または「接合」面）に小さな溶融金属のプールが形成されます。一般的に、抵抗溶接法は効率的で汚染もほとんど発生しませんが、その適用範囲は比較的薄い材料に限られます。

スポット溶接は、2 枚以上の重なり合った金属板、スタッド、突起、電気配線ハンガー、一部の熱交換器フィン、および一部のチューブを接合するために使用される抵抗溶接方法です。通常、電源と溶接装置は、溶接される特定の厚さと材料に合わせてサイズが決められます。厚さは溶接電源の出力によって制限されるため、各アプリケーションに必要な電流により装置の範囲も制限されます。接合面間の汚染物質を除去するよう注意します。通常、2 つの銅 電極を同時に使用して金属板を固定し、金属板に電流を流します。電流が電極から金属板に流れると、表面が接触する部分の電気抵抗が高くなるため熱が発生します。材料の電気抵抗により銅電極間のワークピースに熱が蓄積されるため、温度の上昇によって抵抗が上昇し、電極間にはほとんどの時間溶融池が形成されます。熱が 1 秒未満でワークピース全体に放散すると (抵抗溶接時間は通常、AC サイクルまたはミリ秒単位でプログラムされます)、溶融状態または塑性状態が溶接チップに達するまで成長します。電流が停止すると、銅のチップがスポット溶接部を冷却し、圧力を受けて金属が凝固します。銅は優れた導体であるため、水冷銅電極は表面熱をすばやく除去し、金属の凝固を加速します。抵抗スポット溶接では、通常、直流、交流、中周波半波直流、または高周波半波直流の形で電力を使用します。

過度の熱が加えられたり、加えられるのが速すぎたり、ベース材料間の力が弱すぎたり、コーティングが厚すぎたり、導電性が高すぎたりすると、溶融領域がワークピースの外側に広がり、電極の封じ込め力 (多くの場合、最大 30,000 psi) から逃れることがあります。この溶融金属の破裂は放出と呼ばれ、これが発生すると、金属は放出のない溶接よりも薄くなり、強度が低下します。溶接の品質を確認する一般的な方法は、剥離テストです。代替テストは拘束引張テストですが、これは実行がはるかに難しく、較正された機器が必要です。両方のテストは本質的に破壊的であるため (販売可能な材料の損失につながる)、超音波評価などの非破壊方法は、多くの OEM によってさまざまな段階で早期に採用されています。

この方法の利点には、効率的なエネルギー使用、ワークピースの変形の制限、高い生産率、容易な自動化、充填材が不要などがある。せん断強度が必要な場合、リベットなどのより高価な機械的締結よりもスポット溶接を使用する。各溶接のせん断強度は高いが、溶接スポットが連続した継ぎ目を形成しないという事実は、全体的な強度が他の溶接方法よりも大幅に低い場合が多く、このプロセスの有用性が制限されることを意味する。自動車産業では広く使用されており、車には数千のスポット溶接がある場合があります。ショット溶接と 呼ばれる特殊なプロセスを使用して、ステンレス鋼をスポット溶接することができます。

抵抗溶接接合には、固体接合、フュージョン接合、リフローろう付けの 3 つの基本的なタイプがあります。固体接合は熱圧縮接合とも呼ばれ、異なる結晶粒構造を持つ異種材料 (モリブデンとタングステンなど) が、非常に短い加熱時間、高い溶接エネルギー、および高い力を使用して接合されます。溶融はほとんどなく、結晶粒の成長も最小限ですが、接合と結晶粒の境界面は明確です。したがって、材料は実際にはまだ固体状態のまま接合されます。接合された材料は通常、優れたせん断強度と引張強度を示しますが、剥離強度は劣ります。フュージョン接合では、同様の結晶粒構造を持つ類似または異種の材料が、両方の融点 (液体状態) まで加熱されます。その後、材料を冷却して組み合わせると、2 つの材料の「ナゲット」合金が形成され、結晶粒が大きく成長します。通常、フュージョン接合を生成するには、物理​​的特性に応じて、短い溶接時間または長い溶接時間で高い溶接エネルギーが使用されます。接合された材料は通常、優れた引張強度、剥離強度、およびせん断強度を示します。リフローろう付け接合では、金やはんだなどの低温ろう付け材料の抵抗加熱を使用して、異種材料またはさまざまな厚い/薄い材料の組み合わせを接合します。ろう付け材料は各部品に「濡れる」必要があり、2 つのワークピースよりも低い融点を持っている必要があります。結果として得られる接合には、結晶粒の成長が最小限に抑えられた明確な界面があります。通常、このプロセスでは、低い溶接エネルギーでより長い (2 ～ 100 ミリ秒) 加熱時間が必要です。結果として得られる接合は、優れた引張強度を示しますが、剥離強度とせん断強度は低くなります。

抵抗シーム溶接は、2 つの類似金属の接合面に溶接部を作るプロセスです。シームは突合せ接合または重ね合わせ接合で、通常は自動化されたプロセスです。フラッシュ溶接との違いは、フラッシュ溶接では通常接合部全体を一度に溶接するのに対し、シーム溶接では一方の端から始めて徐々に溶接部を形成することです。スポット溶接と同様に、シーム溶接では圧力と電流を加えるために、通常は銅製の 2 つの電極を使用します。電極は多くの場合円盤型で、材料がその間を通過すると回転します。これにより、電極が材料と常に接触し、長く連続した溶接を行うことができます。電極は材料を動かしたり、材料の動きを補助したりすることもできます。

変圧器は、低電圧、高電流の交流電力の形で溶接ジョイントにエネルギーを供給します。ワークピースのジョイントは、回路の他の部分に比べて電気抵抗が高く、電流によって融点まで加熱されます。半溶融表面は溶接圧力によって押し付けられ、融合結合を形成し、均一な溶接構造になります。ほとんどのシーム溶接機は、発生した熱のために、電極、変圧器、およびコントローラ アセンブリを通して水冷を使用します。

シーム溶接では、熱と圧力が加わることで接合部が鍛造されるため、非常に耐久性の高い溶接部が作られます。抵抗溶接によって適切に形成された溶接部は、その接合部を形成する材料よりも簡単に強度が増します。

シーム溶接は、円形または長方形の鋼管の製造時によく使用されます。シーム溶接は鋼製飲料缶の製造に使用されていましたが、現代の飲料缶は継ぎ目のないアルミニウム製であるため、この用途には使用されなくなりました。

シーム溶接には、断続モードと連続モードの 2 つのモードがあります。断続シーム溶接では、ホイールが目的の位置まで進み、各溶接を行うたびに停止します。このプロセスは、溶接の目的の長さに達するまで継続されます。連続シーム溶接では、ホイールは各溶接が行われるたびに回転し続けます。

低周波電気抵抗溶接（LF-ERW）は、石油・ガスパイプラインの継ぎ目を溶接する時代遅れの方法です。1970年代に段階的に廃止されましたが、2015年現在でもこの方法で建設されたパイプラインの一部は使用されています。^[3]

電気抵抗溶接 (ERW) パイプは、鋼板を冷間成形して円筒形にすることで製造されます。次に、鋼の 2 つの端の間に電流を流して鋼を加熱し、溶接充填材を使用せずに端同士が結合するまで加熱します。当初、この製造プロセスでは、端を加熱するために低周波の AC 電流が使用されていました。この低周波プロセスは、1920 年代から 1970 年まで使用されていました。1970 年には、低周波プロセスは、より高品質の溶接を生産する高周波 ERW プロセスに置き換えられました。

時間が経つにつれて、低周波ERWパイプの溶接部は選択的な継ぎ目の腐食、フッククラック、継ぎ目の不十分な接着の影響を受けやすいことが判明したため、低周波ERWはパイプの製造に使用されなくなりました。高周波プロセスは、新しいパイプライン建設に使用するパイプの製造に今でも使用されています。^[4]

その他のERW法としては、フラッシュ溶接、抵抗投影溶接、アプセット溶接などがある。^[5]

フラッシュ溶接は、フィラー金属を使用しない抵抗溶接の一種です。溶接する金属片は、材料の厚さ、材料の組成、および完成した溶接の望ましい特性に基づいて、所定の距離で離して配置されます。電流が金属に印加され、2つの金属片間の隙間が抵抗を生み出し、金属を溶かすために必要なアークを発生させます。金属片が適切な温度に達すると、それらは一緒に押し付けられ、効果的に鍛造溶接されます。^[6]

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突起部を設けて溶接を局所化します。突起部には熱が集中するため、より重い部分を溶接したり、溶接間隔を狭くしたりできます。突起部はワークピースの位置決めにも役立ちます。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のによく使用されます。また、交差したワイヤーやバーを接合するのにもよく使用されます。これも生産性の高いプロセスで、適切な設計とジグによって複数のプロジェクション溶接を配置できます。^[7]

• 溶接工程一覧
• ショット溶接

• ウェマン、クラス（2003）、溶接プロセスハンドブック、CRC Press、ISBN 0-8493-1773-8。

• O'Brien, RL (編) (1991)。溶接ハンドブック第2巻 (第8版)。マイアミ: アメリカ溶接協会。ISBN 0-87171-354-3 

ウィキメディア・コモンズには、抵抗溶接に関連するメディアがあります。

• 抵抗溶接製造アライアンス
• 「抵抗スポット溶接をより安全にする」溶接ジャーナルより
• 「高周波電気抵抗溶接：概要」、The Fabricator より
• アメリカ溶接協会によるYouTubeのビデオ