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染谷 ひとみ
Mitsuri Media管理人
精密板金加工工場のインサイドセールスとして加工と寸法の提案をしてきた経験を経て、製造業の知見と楽しさを提供している。 幼少期からモノの構造を理解するのが好き。JAPAN MENSA会員。
溶接には様々な種類がありますが、スタッド溶接にはどんな特徴があるのでしょうか。
スタッド溶接は、金属の平板に専用のボルトやナットを溶接する技術で、建築現場から精密板金加工の工場での作業まで幅広く使用されています。
この記事では、スタッド溶接についてまずその特徴を説明した後、溶接方法について図を用いて詳しく解説します。ぜひスタッド溶接について理解を深める参考にしてくださいね。
スタッド溶接とは、略してスタッドとも呼ばれるスタッドボルトやスタッドナットを金属板に溶接する方法です。
金属板にねじを取り付ける方法には様々な方法があり、めねじはバーリング、おねじはクリンチングファスナーなどが挙げられます。これらの方法と比較して、スタッド溶接はより高強度での接合が可能で、かつ量産に向いています。そのため、スタッド溶接は幅広い分野で使用されており、自動車産業、建築、土木・橋梁関係、また板金加工にも欠かせない技術となっています。
それでは、スタッド溶接の特徴についてもう少し詳しく見ていきましょう。
スタッド溶接の特徴は下記の通りです。
1本当たりの溶接時間が、1秒以内と非常に短いため
溶接機の条件設定さえすれば、特に難しい操作などが必要ないため
類似するアーク溶接と比較すると、溶接時間が短く溶接痕が残りにくいため
スタッド溶接の最大の特徴は、溶接に要する時間が非常に短く、接合部の強度が高い点です。しかし、溶接後ねじを締め付ける時に接合部が取れてしまう事故が発生することもあり、スタッド溶接は信頼性が低いともいわれています。
他にも、金属部品の中にはスタッド溶接ができない位置が存在するので、設計時には注意が必要です。このように、スタッド溶接にはデメリットもありますが、近年それらを解消する新たな技術も開発されており、スタッド溶接のさらなる普及が期待されています。
スタッド溶接には、主に次の3つの方式があります。
＜スタッド溶接の方式＞
それでは、早速それぞれの方式について詳しく見てみましょう。
この方式は、直流電源を使用する方法で、厚板の母材に最大でM25の太いスタッド径を持つボルトやナットを溶接することが可能です。そのため、主に土木・建築現場などで使用されます。
あなたの住んでいるマンションや勤務先のビルの建設の基礎となる重要な部分にもスタッド溶接の技術が使用されています。私たちの生活に欠かせない技術だということが分かりますね。
この方式では、先ほど紹介した電力アーク方式を短時間で制御してスタッド溶接を行う方法です。自動車産業では、防錆の目的で外板に亜鉛メッキが施された材料が用いられますが、その亜鉛メッキを溶融させ、スタッドの溶接を可能にしたのがショートサイクル方式です。
主に車体パネルに使用されます。一般的に車には約3万個の部品が使用されていますが、それらの部品の装着、固定にもスタッド溶接が必須です。
この方式では、これまでに紹介した2つの方式とは異なり、交流電源から充電したコンデンサーを用います。溶接に要する時間が0.001～0.003秒と非常に短いため、母材が薄板の場合でも裏面に溶接痕が残りにくいという特徴があります。また、非鉄材料にも対応が可能で主に精密部品の板金加工に使用されます。
制御盤製造では、薄板が多く使用されるため、変形やひずみ、裏やけなどが発生しにくいCD方式が広く用いられています。また制御盤の他にも、自動販売機や自動改札機、給油スタンドの器具にも使用されている技術です。
Mitsuriはスタッド溶接を用いた板金加工を依頼できる多数のメーカーと提携しています。お気軽にお問い合わせください。
スタッド溶接には、主に3つの方式があることがわかりました。ここからは、溶接方法について詳しく解説していきます。
スタッド溶接には手動溶接と自動溶接があります。
溶接機を正しい位置に設置し、火花が発生すると瞬時に作業が終わります。
ロボットにより自働化されることで、さらに効率良く必要な位置に溶接が可能となります。生産性が高く、量産に向いている溶接方法です。
スタッド溶接は作業現場を見ても、一瞬で作業が終わってしまいますのでどのような原理で溶接しているのかわかりにくいですよね。ここでは、一瞬の間に母材とスタッド間に何が起きているのか図を使って簡単に説明します。
基本的に、スタッド溶接は次の4つのステップで行われます。
引用元：漢陽スタッド溶接（株）
スタッド溶接の流れ
①スタッドを専用のスタッド溶接用ガンの電極部分に挟み電流を流し、
②金属板とスタッドの間に火花（アーク）を発生させることで、
③そのボルトと板の接触部分を溶融させ、
④圧力を加えて溶接させます。
ここまで、スタッド溶接の方法について簡単に説明してきました。次からは、スタッド溶接の3つの各方式の溶接方法を一つずつ詳しく見ていきましょう。
①スタッド溶接用ガンを溶接したい位置に押し付け、フェルールといわれる耐熱性の磁器で溶接部分を囲む。
②溶接用ガンのスイッチを押すと、母材とスタッドの間に電流が流れ、同時に溶接用ガン内のソレノイドコイルが励磁（電磁石のコイルに電流を通じて磁束を発生させること）され、スタッドが引上げられて弱いアークが発生する。
③さらに電流を強めて強力なアークが発生し、スタッド先端と母材の一部を溶融させる。
④あらかじめ設定された時間、アークの発生を続ける。
⑤直流電流を遮断することで、ソレノイドコイルの励磁が切れ、溶接用ガン内部のスプリングの反発が起こり、スタッドが自動的に母材の溶融した箇所に向かって押し戻される。溶接した箇所は、フェルールの内部でゆっくりと冷却され溶接が完了する。
⑥冷却後にフェルールを割って除去し、作業終了。
ショートサイクル方式は、電力アーク方式と原理は同じですが、フェルールは必要ないため、冷却後のフェルールを取り除く工程はありません。フェルールはスタッド径が大きい時でも安定したアークを発生させ、かつ冷却速度を緩やかにするために用いられますが、ショートサイクル方式では電力アーク方式ほど大きなスタッド径を持つボルトやナットを溶接しないため、フェルールは使用しません。
なお、ショートサイクル方式では径の大きいスタッド（一般的にM6以上）の溶接を行う場合、アークを安定して発生させるために不活性ガスを用いる必要があります。
CD方式スタッド溶接は、大容量のコンデンサーを交流電源から充電し、スタッドと母材の間で瞬間的に放電を行い溶接する方式です。
原理としては、電力アーク方式と同様アークを発生させ、接触面を溶解しスタッドを母材に押し付け溶接を行います。
本記事では、スタッド溶接の特徴から方法まで詳しく解説しました。
幅広い分野で欠かせない技術となっているスタッド溶接。特に、板金加工ではメーカーによって独自のノウハウもあり、スタッド溶接の品質・精度、特にひずみや溶接痕の影響に差が出る場合もあります。
スタッド溶接についてお悩みの時には、ぜひMitsuriにご相談ください。日本全国のメーカーと提携しているため、きっとご希望に沿うメーカーが見つかるでしょう。ぜひお気軽にお問い合わせください。
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