機械加工の基礎：スポット溶接

スポット溶接は、接合したい二枚の金属板を重ね合わせ、一対の電極で加圧しながら、極めて大きな電流を短時間流すことで、その接触部に発生する抵抗熱を利用して、金属を局部的に溶融させ、点状に接合する抵抗溶接の一種です。

その最大の応用分野は自動車のボディ生産であり、一台の自動車を組み立てるために、数千点ものスポット溶接が、ロボットによって猛烈なスピードで打たれています。この技術なくして、現代の自動車の大量生産は成り立ちません。

溶接の原理：ジュール熱による抵抗発熱

スポット溶接の物理的な原理は、ジュール熱という、極めて単純な法則に基づいています。導体に電流を流すと、その導体の電気抵抗によって熱が発生するという現象です。この発生する熱量（Q）は、以下の式で表されます。

Q = I² × R × t

ここで、Iは電流、Rは電気抵抗、そしてtは通電時間を示します。この式から分かる通り、発生する熱量は、特に電流の二乗に比例して、爆発的に増大します。スポット溶接は、この原理を巧みに利用し、数千アンペアから一万アンペアを超えるような大電流を、一秒以下のごく短い時間だけ流すことで、接合に必要な熱エネルギーを、目的の場所にだけ、集中的に発生させるのです。

熱が集中するメカニズム

では、なぜ重ね合わせた鋼板の、ちょうど接合したい部分だけに熱が集中するのでしょうか。その秘密は、電気抵抗Rの内訳にあります。電流が流れる経路全体で、電気抵抗が最も高くなる場所が、最も激しく発熱します。

電流は、「電極 → 鋼板A → 鋼板Aと鋼板Bの接触部 → 鋼板B → 電極」という経路をたどります。この中で、電気抵抗が最も高くなるのが、二枚の鋼板が接触している界面、すなわち母材間接触抵抗です。表面の微細な凹凸により、実際に金属同士が接触している面積は非常に小さいため、この部分の抵抗値は、鋼板内部の抵抗や、電極と鋼板の接触抵抗に比べて、桁違いに大きくなります。

結果として、ジュール熱の大部分が、この二枚の鋼板の界面に集中して発生し、その部分の金属だけが、内側から溶融を始めるのです。一方で、電極自身は、電気抵抗が非常に低い銅合金で作られ、多くの場合、内部を水で冷却されているため、自身が溶融することはありません。

ナゲットの形成

鋼板の界面で発生した熱によって、金属は溶けてナゲットと呼ばれる、溶融金属の塊を形成します。このとき、外部からは電極によって強い圧力が加えられているため、溶けた金属は飛散することなく、その場に留まります。

通電が終了すると、溶融したナゲットは、周囲の冷たい母材と、水冷された電極によって、圧力を受けたままの状態で急速に冷却・凝固します。この加圧下での凝固は、鋳造と鍛造を同時に行うようなものであり、緻密で強固な溶接部を形成します。

溶接プロセスと三大要素

高品質なスポット溶接を行うためには、溶接電流、通電時間、加圧力という、三つの基本要素を、溶接する材料や板厚に応じて、精密に制御する必要があります。

典型的な溶接サイクルは、以下の四つの工程で構成されます。

加圧工程: まず、電極で鋼板を挟み込み、適切な圧力をかけます。これにより、鋼板同士が密着し、安定した通電が可能になります。
通電工程: 加圧を維持したまま、設定された大電流を、設定された時間だけ流します。この間に、前述の原理でナゲットが形成・成長します。
保持工程: 通電を停止しますが、電極による加圧は、すぐには解除しません。この保持時間中に、ナゲットが加圧下で完全に凝固し、強固な組織が形成されます。
休止工程: 電極を開放し、一つの点の溶接が完了します。

この全工程は、通常、一秒にも満たない、ごくわずかな時間で完了します。

装置と電極

スポット溶接を行うための装置は、主に以下の要素で構成されます。

溶接トランス: 工場の電源から供給される高電圧・低電流の電気を、溶接に必要な低電圧・大電流の電気に変換する変圧器です。
制御装置: 上記の溶接電流、通電時間、加圧力を、ミリ秒単位の精度で制御する、溶接の頭脳です。
加圧機構: 空気圧や、近年ではサーボモーターを利用して、電極に正確な圧力をかける機構です。
電極チップ: 実際に鋼板に接触する、極めて重要な部品です。電極には、大電流を流すための高い導電性と、強い力で加圧するための高い硬度、そして高温に耐える耐熱性という、相反する特性が同時に要求されます。このため、材料には、クロムやジルコニウムを添加した銅合金や、アルミナを分散させた分散強化銅などが用いられます。電極の先端は、使用するうちに摩耗・変形するため、定期的に先端形状を整える「チップドレッシング」というメンテナンスが不可欠です。

まとめ

スポット溶接は、ジュール熱の原理に基づき、大電流、短時間、高圧力という三つの要素を精密に制御することで、重ね合わせた鋼板の内部に、溶融・凝固した接合部（ナゲット）を形成する、高能率な接合技術です。

その本質は、電気エネルギーを、目的の場所だけに、瞬時に熱エネルギーとして集中させる、物理現象の巧みな応用です。溶加材もガスも不要で、ロボットによる完全自動化が容易であるという、その圧倒的な生産性は、特に自動車のボディ生産という巨大な産業を成立させるための、まさに核心的な技術となっています。スポット溶接は、現代の大量生産時代を象徴する、最も重要で、最も広く使われている接合方法の一つなのです。