抵抗溶接ブログ

　抵抗溶接の現場では、同じ設備、同じ材料、同じ設定値で作業しているつもりでも、結果が安定しないことがあります。昨日は問題なく接合できていたのに、今日は飛散（チリ）が出る。外観上は問題なさそうなのに、破壊試験をすると一部だけ界面ではがれる。電流値も通電時間も変えていないのに、ナゲット径が小さくなる。こうした現象は、抵抗溶接の条件出しが単なる設定作業ではなく、品質を左右する工程設計であることを示しています。
　本記事では、現場でよく使われる略称をできるだけ避け、公的文書や品質管理記録で使いやすいように「スポット溶接」という正式な表現を基本にします。また、従来現場でさまざまに呼ばれてきた溶融金属の火花状の発生現象は、原則として「飛散（チリ）」と表記します。現場呼称を残しながら、品質記録で意味がぶれにくい表現にするためです。
　抵抗スポット溶接は、上下の電極でワークを加圧し、板と板の間に流れる電流によって局所的に発熱させ、ナゲットを形成する接合法です。接合している本体は、外から見える打痕ではなく、板間に形成されたナゲットです。したがって、打痕がある、焼け跡がある、機械が正常に動いた、というだけでは品質保証として不十分です。実際に必要なナゲット径が得られているか、破断状態が適切か、内部欠陥がないかを確認する必要があります。

　抵抗溶接の基本条件は、電流、通電時間、加圧力です。この3つは現場で最も頻繁に調整される条件であり、同時に最も誤解されやすい条件でもあります。
　電流は発熱量を大きく左右します。電流が不足すれば、板と板の間に十分な熱が生まれず、ナゲット径不足になります。外観上はきれいに見えても、破壊試験では界面破断になりやすく、要求強度に届かない場合があります。一方で、電流が大きすぎると、溶融金属が過剰になり、加圧力で保持しきれずに飛散（チリ）が発生します。飛散（チリ）は、強く接合できている証拠ではありません。本来ナゲットとして残るべき溶融金属が外へ出ている状態です。
　通電時間は、熱を与える時間です。短すぎればナゲットが育たず、長すぎれば過熱、へこみ、内部ブロー、割れ、飛散（チリ）の原因になります。ここで重要なのは、現代のインバータ制御では、電源周波数に依存しないミリ秒（ms）単位での管理が重要になることです。従来の現場では「サイクル」で時間を表すこともありますが、条件の再現性や設備間比較を考えると、ms で記録する方が管理しやすくなります。

　加圧力は、単にワークを押さえる力ではありません。　加圧力は板間の接触抵抗を変え、発熱位置と発熱量に影響します。加圧力が低いと接触抵抗は大きくなりやすく、熱は入りやすくなりますが、ばらつきも大きくなります。加圧力が高いと接触状態は安定しやすくなりますが、接触抵抗が下がるため、同じ電流では熱が入りにくくなる場合があります。

抵抗溶接の発熱は、基本的にジュール熱の考え方で整理できます。発熱量は次の式で表されます。

　Q は発熱量、I は溶接電流、R は抵抗、t は通電時間です。この式から分かるように、電流I は2乗で効きます。つまり、電流のわずかな変動が発熱量に大きく影響します。たとえば電流が10%上がると、他条件が同じなら発熱量は単純比例ではなく約21%増える方向になります。逆に電流が少し不足するだけでも、ナゲット形成に必要な熱量を下回ることがあります。
　ただし、この式だけで条件を決めることはできません。R には材料が持つ固有抵抗だけでなく、加圧や表面状態で変化する接触抵抗が含まれます。油分、酸化膜、メッキ層、電極の汚れ、板間の隙間によって、実際のR は変わります。したがって、同じ電流、同じ通電時間でも、表面状態や加圧状態が変われば発熱量は変化します。
　このため、抵抗溶接の条件出しでは、設定値だけでなく、接触抵抗がどこで発生しているかを考える必要があります。理想は、板と板の接合界面で適切に発熱し、そこにナゲットが形成されることです。電極と板の接触部で発熱しすぎれば表面焼けや打痕不良になり、板間に十分な熱が入らなければナゲット径不足になります。

　スポット溶接部の品質を判断するうえで、ナゲット径は重要な指標です。「ナゲットが小さい」「溶け込みが弱い」といった表現だけでは、判断が作業者の経験に依存してしまいます。品質管理では、できるだけ数値で確認する必要があります。
　代表的な目安として、最小ナゲット径は次の式で整理されます。

　ここで、d は最小ナゲット径、t は板厚です。たとえば板厚t が1.0mm であれば、目安となる最小ナゲット径は5.0mm です。板厚t が1.2mm であれば、5√1.2 ≒ 5.48mmとなります。なお、実際の合否基準は適用するJIS、客先規格、材料、板組、要求強度によって確認が必要です。ブログ上では、現場判断を主観から数値へ移行するための考え方として示します。
　この数値基準を入れるだけで、条件出しの会話は大きく変わります。「なんとなく小さい」ではなく、「要求値に対して何mm 不足しているのか」を確認できるからです。破壊試験、ピールテスト、断面マクロ確認を行い、ナゲット径と破断状態をセットで見ることが重要です。

　ナゲット径を安定させるうえで、電極先端径は非常に重要です。電極先端径が小さすぎると、同じ電流でも電流密度が高くなり、熱が局所的に集中します。その結果、飛散（チリ）、深い打痕、表面焼けが発生しやすくなります。逆に電極先端径が大きすぎると、電流密度が下がり、熱が分散してナゲット径不足になります。
　特に板厚違いの組み合わせでは、ヒートバランスの考え方が必要です。薄板と厚板を同じ電極径で挟むと、熱容量の差によってナゲットが狙った位置に形成されないことがあります。厚板側は熱を吸収しやすく、薄板側は過熱しやすい。条件を単純に強くすると薄板側がへこみ、飛散（チリ）や破れが出る場合があります。
　このような場合は、薄板側と厚板側で電極径を変える、キャップチップの先端形状を変える、熱伝導の違う電極材質を検討する、通電を多段化する、加圧プロファイルを見直すといった補正が必要になります。ナゲットを厚板側に寄せたいのか、接合界面中央に安定させたいのかによって、電極設計は変わります。
　図解で考えるなら、薄板側は熱が入りすぎて溶けやすく、厚板側は熱を奪いやすい状態です。電極径や材質は、この熱の偏りを補正するための道具です。抵抗溶接の条件出しでは、電流値だけでなく、熱の逃げ方と集中のさせ方を設計する視点が必要です。

　飛散（チリ）は、単に電流が高すぎるときだけに発生するものではありません。溶融金属の膨張、板間の変形、突起のつぶれ、ナゲット形成時の体積変化に対して、電極が適切に追従できない場合にも発生します。
　ここで重要になるのが、加圧系統の追従性です。追従性とは、溶接中にワークの接触状態が変化したとき、電極がその変化に遅れずついていける能力です。溶接中には、板間の接触抵抗が変わり、金属が軟化し、突起がつぶれ、溶融部が形成されます。このとき加圧系統の応答が遅いと、瞬間的に保持力が不足し、溶融金属が外へ飛び出すことがあります。
　したがって、飛散（チリ）の原因を考えるときは、電流、通電時間、加圧力だけでなく、加圧の立ち上がり、保持、追従性、機械剛性、電極の面直も確認する必要があります。特に低加圧溶接、プロジェクション溶接、片面スポット溶接では、追従性の不足が品質ばらつきにつながりやすくなります。

　スポット溶接では、外観だけで合否を判断することはできません。打痕が丸く、焼けが少なく、飛散（チリ）が出ていない場合でも、内部のナゲット径が不足していることがあります。逆に、多少の焼けがあっても、要求されるナゲット径と強度を満たしている場合もあります。
　条件出しでは、外観、破壊試験、断面確認を組み合わせます。外観では打痕、焼け、飛散（チリ）、へこみ、表面割れを見ます。破壊試験では、界面破断かプラグ破断か、ナゲット径がどの程度かを見ます。
　断面確認では、ナゲットの位置、溶け込み、内部ブロー、中散り、割れを確認します。
特に初期条件出しでは、見た目が良いから量産条件にするのではなく、数値と破断状態で確認します。
良い条件とは、1点だけ良品ができる条件ではなく、複数点で安定して要求品質を満たす条件です。

　条件出しの目的は、試験片を1枚だけうまく接合することではありません。量産ラインで、材料ロット、電極摩耗、作業間隔、冷却状態、治具のばらつきがあっても、安定して品質を維持できる条件範囲を見つけることです。
　そのためには、強度が出る下限と、飛散（チリ）や過熱が出る上限を確認します。下限に近すぎる条件は、少し電流が落ちただけでナゲット径不足になります。上限に近すぎる条件は、電極が少し汚れたり材料表面が変わっただけで飛散（チリ）が出ます。量産条件は、下限と上限の間にある安定領域から選ぶ必要があります。
　条件出しでは記録も重要です。電流、通電時間、加圧力、電極先端径、材料、板厚、表面処理、破壊試験結果、ナゲット径、飛散（チリ）の有無、電極使用打点数、チップドレス周期を残します。記録が残れば、条件は個人の勘ではなく、会社の技術資産になります。

　現場内の会話では、略称や通称が便利です。しかし、品質管理記録、作業標準書、客先提出資料、監査対応資料では、用語の意味がぶれないことが重要です。たとえば「スポット」とだけ書くと、作業者には通じても、文書上は接合法なのか打点位置なのかが曖昧になる場合があります。そのため本記事では「スポット溶接」という表現を使います。
　同じように、火花状に溶融金属が出る現象も、現場では短く呼ばれることがあります。しかし不具合記録では「飛散（チリ）」と書くことで、現象を明確にできます。これは単なる言葉の置き換えではありません。不具合を正しく分類できると、原因分析の精度が上がります。飛散（チリ）が表面側に出たのか、板間内部で起きたのか、発生タイミングは初期なのか後半なのか。こうした記録が残れば、電流過多、加圧不足、電極面直不良、追従性不足などを切り分けやすくなります。
　条件出しを「経験」から「技術標準」に変えるには、用語、数値、試験結果をそろえる必要があります。正式な表現で記録し、ナゲット径や通電時間を数値で残すことで、担当者が変わっても同じ判断に近づけることができます。
　さらに、時間表記も標準化しておくと、後で設備を比較しやすくなります。50Hz 地域と60Hz 地域では、同じ1 サイクルでも時間が異なります。したがって、古い条件表のサイクル表記を使う場合でも、社内標準書ではミリ秒（ms）へ換算して併記することを推奨します。これにより、インバータ電源、交流機、別拠点の設備を横並びで確認しやすくなります。監査時にも、どの設備で何ms 通電したのかを明確に説明できます。これは標準化の第一歩です。極めて重要です。監査時にも、どの設備で何ms 通電したのかを明確に説明できます。

　抵抗溶接、とくにスポット溶接の品質は、電流、通電時間、加圧力の三大条件を中心に決まります。しかし、この3つは単独では考えられません。ジュール熱の式で示されるように電流は2乗で効き、抵抗は加圧や表面状態で変わり、通電時間はミリ秒（ms）単位で管理する時代になっています。
　さらに、ナゲット径を数値で確認すること、飛散（チリ）を正式な不具合現象として扱うこと、加圧系統の追従性を見ること、板厚違いではヒートバランスを考えることが重要です。
　次回は、三大条件の中でも最も注目されやすい「溶接電流」を取り上げます。電流は強度を左右する重要条件ですが、大きければ良いわけではありません。第2話では、電流が2乗で効くという物理的根拠を踏まえながら、溶接電流の正しい考え方を整理します。