スポット溶接が、電極の先端形状によって電流集中を図るのに対し、プロジェクション溶接は、部品自身に設けられた突起がその役割を担います。この原理的な違いが、プロジェクション溶接に、スポット溶接にはない多くの利点をもたらします。

溶接の原理：突起による電流と圧力の集中

プロジェクション溶接の物理的な原理も、スポット溶接と同様に、ジュール熱（Q = I² × R × t）による抵抗発熱に基づいています。しかし、その熱が発生する場所が、部品に設けられた突起によって、極めて精密にコントロールされます。

1. 初期接触と加圧: まず、突起が設けられた部品と、相手側の部品を重ね合わせ、上下から平面状の電極で加圧します。この時点では、部品同士の接触は、突起の先端部という、非常に小さな面積でのみ起こっています。
2. 電流集中と発熱: 次に、電極間に大電流を流します。電流は、この狭い接触面積を通らざるを得ないため、突起部分の電流密度は極めて高くなります。また、接触面積が小さいため、接触抵抗も非常に高くなります。ジュール熱の法則（Q = I²Rt）に従い、電流の二乗と抵抗に比例して、突起部分には瞬時に、かつ集中的に、莫大な熱が発生します。
3. 突起の圧潰とナゲット形成: 発生した熱によって、突起は急速に加熱され、軟化・溶融します。同時に、外部から加えられている圧力によって、突起は押し潰され（圧潰し）、相手側の部品にくい込みます。この過程で、両部品の界面には、スポット溶接と同様のナゲットと呼ばれる溶融金属塊が形成されます。
4. 凝固と接合完了: 通電を停止した後も、加圧はしばらく維持されます。この間にナゲットが冷却・凝固し、強固な接合部が形成されます。突起は完全に押し潰され、接合後の表面には、スポット溶接のような大きなくぼみ（圧痕）はほとんど残りません。

工学的な特徴と長所

この突起を利用した原理は、多くの優れた工学的利点をもたらします。

• 複数点同時溶接: 部品に複数の突起を設けておけば、一回の加圧・通電サイクルで、同時に多数の箇所を溶接することが可能です。これにより、生産性は飛躍的に向上します。ナット溶接などがこの典型例です。
• 電極寿命の向上: スポット溶接では、電極の先端という狭い面積に電流と圧力が集中するため、電極の摩耗が激しく、頻繁なメンテナンスが必要です。一方、プロジェクション溶接では、電流集中は部品側の突起が担うため、電極は比較的広い面積で部品に接触します。これにより、電極にかかる負担が大幅に軽減され、電極の寿命が格段に長くなります。
• 異種板厚の溶接: 厚さの異なる板同士を溶接する場合、スポット溶接では熱バランスを取るのが困難ですが、プロジェクション溶接では、厚い方の板に突起を設けることで、熱の発生を厚板側に集中させ、良好な溶接を容易に行うことができます。
• 精密な溶接位置: 溶接される位置は、突起が設けられた位置によって正確に決まるため、高い位置精度での接合が可能です。
• 美しい仕上がり: 突起が押し潰されることで接合が行われるため、電極による表面の圧痕が小さく、外観品質に優れます。

突起の設計と種類

プロジェクション溶接の品質は、突起の形状と寸法の適切な設計に大きく依存します。突起が高すぎたり低すぎたり、あるいは形状が不均一だったりすると、安定した溶接品質を得ることはできません。

突起は、プレス加工によって、部品の製造と同時に形成されることが一般的です。その形状には、以下のような種類があります。

• エンボスプロジェクション: 板材の一部を、円形や角形に、浅く絞り出すようにして形成する、最も一般的な突起です。
• ダボプロジェクション: 比較的小さな部品で、突起そのものが位置決めの役割も兼ねる場合などに用いられます。
• リングプロジェクション: 円周状に連続した突起を設け、気密性が必要な箇所などの線状接合に用いられます。

応用分野

プロジェクション溶接は、その高い生産性と信頼性から、特に大量生産される工業製品の組み立てに広く利用されています。

• ナット・ボルトの溶接: 板金部品に、ねじ止め用のナットやボルトを固定する、最も代表的な用途です。ナットには、溶接用に特殊な形状の突起があらかじめ設けられています。🔩
• 電気・電子部品: センサーの端子や、リレーの接点、モーターの整流子とコイルの接続など、小型部品の精密な接合。
• その他: 自動車部品（クロスメンバー、ブレーキ部品）、ワイヤーメッシュの交点、熱交換器のフィンとチューブの接合など。

まとめ

プロジェクション溶接は、部品自身に設けられた突起という「仕掛け」を利用して、抵抗溶接のエネルギーを、狙った場所に、精密かつ効率的に集中させる、巧妙な接合技術です。

その本質は、スポット溶接の原理を応用しながら、複数点同時溶接による生産性の向上と、電極寿命の延長によるコスト削減、そして美しい仕上がりという、多くの実用的な利点を実現した点にあります。自動車の組み立てラインで、火花を散らしながら次々とナットを固定していくロボットアームの姿は、まさにこのプロジェクション溶接技術が、現代の大量生産を力強く支えている象徴と言えるでしょう。

自動車の燃料タンクやマフラー、ドラム缶、石油ストーブのタンク、そして缶詰の缶など、気密性や水密性が求められる容器状の製品製造において、この技術は不可欠な役割を果たしています。

基本原理とジュール熱の制御

シーム溶接の物理的な基礎は、スポット溶接と同様にジュールの法則に基づいています。

接触抵抗と発熱

金属板同士を重ね合わせ、上下から銅合金製の円盤電極、すなわち電極輪で挟み込みます。ここに大電流を流すと、電気抵抗が最も高い部分、つまり金属板同士の接触面で集中的に発熱が起こります。この熱によって金属が溶融し、ナゲットと呼ばれる碁石状の溶融凝固部が形成されます。 シーム溶接の最大の特徴は、電極が回転しながら移動することにあります。これにより、発生したナゲットが冷え固まる前に次のナゲットがその一部に重なるように形成されます。このナゲットの重なり合いを連続させることで、気体や液体が通過できない完全なシール状態を作り出します。

分流現象 シャント効果

技術的な観点から、シーム溶接がスポット溶接と決定的に異なる点は、分流現象への考慮が必要なことです。 スポット溶接では単独の点を溶接しますが、シーム溶接では直前に溶接した箇所がすでに金属的に結合しており、電気の良導体となっています。そのため、次に流そうとする電流の一部が、溶接しようとしている箇所ではなく、すでに溶接された後方の部分へ漏れて流れてしまいます。これを無効分流あるいはシャント電流と呼びます。

この分流によって、実際に溶接に寄与する有効電流が減少してしまいます。したがって、シーム溶接ではスポット溶接に比べて、およそ1.5倍から2倍程度の大きな電流を投入する必要があります。このエネルギー効率と発熱制御のバランスが、プロセス設計における重要な課題となります。

通電方式とナゲット形成の制御

連続的に移動する電極に対して、どのように電流を流すかによって、溶接の品質と特性が変化します。

断続通電方式

最も一般的に用いられるのが断続通電です。電極輪は一定速度で回転し続けますが、電流はずっと流しっぱなしではありません。電流を流す通電時間（ヒートタイム）と、電流を止める休止時間（クールタイム）を交互に繰り返します。 このオンとオフのサイクルにより、個々のナゲットが形成されます。休止時間は、電極や被溶接材の過熱を防ぎ、加圧力を維持したまま冷却して凝固を促進する役割を果たします。 ナゲット同士の重なり具合は、電極の回転速度と通電サイクルの同期によって決定されます。気密性を確保するためには、通常、ナゲット径の30パーセント以上の重なりが必要とされます。逆に、重なりをなくして間隔を空ければ、連続的な点溶接であるロールスポット溶接となり、仮止めや歪みを抑えたい場合に利用されます。

連続通電方式

電流を遮断せずに連続的に流し続ける方式です。連続的なビードが形成されるため、高速溶接が可能ですが、熱が蓄積しやすく、板表面が過熱して焼けや歪みが発生しやすくなります。そのため、薄板の高速溶接など、限られた用途で採用されます。近年では、インバータ制御電源の進化により、極めて短い周期での制御が可能となり、断続通電でも連続通電に近い滑らかな溶接が可能になっています。

マッシュシーム溶接と特殊プロセス

通常のシーム溶接は、板を重ね合わせたラップシーム溶接と呼ばれますが、これには接合部に板厚の2倍の段差ができるという欠点があります。これを解消する高度な技術がマッシュシーム溶接です。

塑性流動による段差解消

マッシュシーム溶接では、板の重ね代を板厚の1.5倍程度と極めて小さく設定します。溶接時には、通常のシーム溶接よりも高い加圧力と電流を加えながら、幅の広い平坦な電極輪でこの重ね合わせ部を押し潰します。 「マッシュ」とは「すり潰す」という意味であり、溶融に近い状態の金属を塑性流動させ、段差を押し均しながら接合します。結果として、接合部の板厚は母材の1.2倍から1.5倍程度まで薄くなり、段差の少ないフラットな仕上がりとなります。

この技術は、家電製品の外板や自動車のボディパネルなど、溶接後の美観が求められる箇所や、他の部品との干渉を避けたい箇所で多用されます。また、鉄鋼業界の連続コイル処理ラインにおいて、コイルの尾端と次のコイルの先端を繋ぐ際にも、次工程のロールを傷めない平滑な継ぎ手として利用されます。

バットシーム溶接

板の端面同士を突き合わせて溶接する方式です。主に鋼管製造、いわゆる電縫管（ERW管）の製造プロセスで用いられます。帯状の鋼板をロール成形して円筒状にし、その合わせ目に高周波電流を流して加熱、加圧ローラーで圧接します。原理的にはシーム溶接の親戚にあたりますが、電極輪を使わずに誘導加熱や接触通電を用いる点で設備構成が異なります。

電極輪の材料と管理技術

シーム溶接機において、電極輪は電流を供給するコンタクトチップであり、圧力を伝えるプレス治具であり、そして熱を奪うヒートシンクでもあります。この過酷な役割を担う電極の管理が、品質安定の鍵を握ります。

電極材料の選定

電極輪には、高い電気伝導度と熱伝導度、そして高温下でも変形しにくい強度が求められます。一般的には、クロム銅やジルコニウム銅などの析出硬化型銅合金が使用されます。被溶接材がステンレス鋼や耐熱鋼のように強度が高く電気抵抗も高い場合は、より硬度の高いベリリウム銅などが選定されることもあります。

冷却システム

連続的な大電流による発熱から電極と機械を守るため、強力な冷却が不可欠です。 最も一般的なのは外部注水冷却で、溶接点と電極に直接冷却水をかけます。冷却効率は高いですが、ワークが濡れるため、錆や汚れの問題があります。 一方、内部水冷方式は、電極輪の内部や軸受部分に冷却水を通す構造です。ワークを濡らさずに済みますが、構造が複雑になり、溶接点への直接的な冷却効果は劣ります。用途に応じてこれらを使い分け、あるいは併用します。

電極の摩耗とドレッシング

数千メートルもの溶接を行うと、電極輪の表面は摩耗し、変形し、汚れが付着します。電極の接触幅が広がると、電流密度が低下して溶接不良を引き起こします。 これを防ぐため、多くのシーム溶接機には、溶接中に常に電極輪の側面や外周をバイトで切削し、形状を整える整形機構、いわゆるナール駆動方式やフリクション駆動方式が備わっています。これにより、常に清浄で一定の形状を持った電極面で溶接を行うことが可能となります。

被溶接材による挙動の違い

シーム溶接の難易度は、材料の物理的特性によって劇的に変化します。

軟鋼

最も溶接しやすい材料です。適度な電気抵抗と広い塑性温度域を持つため、条件設定の許容範囲が広く、安定した気密溶接が可能です。

亜鉛めっき鋼板

自動車の燃料タンクなどで多用されますが、難易度は高い材料です。表面の亜鉛は融点が低く（約420度）、溶接熱で瞬時に蒸発したり、電極輪に付着して銅と合金化し、黄銅層を形成したりします。 電極表面が汚染されると接触抵抗が変化し、異常発熱や表面割れの原因となります。そのため、断続通電の休止時間を長めに取って冷却を強化したり、電極のドレッシングを頻繁に行ったりする対策が必要です。

ステンレス鋼

電気抵抗が高く熱伝導率が低いため、発熱効率は非常に良い材料です。しかし、熱膨張係数が大きいため、溶接熱による歪みが大きくなる傾向があります。また、溶融部の冷却過程で収縮巣（ブローホール）が発生しやすく、これがリークの原因となることがあります。加圧力を高めに設定し、凝固時の収縮を抑え込む技術が必要です。

アルミニウム合金

最もシーム溶接が困難な材料の一つです。電気抵抗が極めて低く熱伝導率が高いため、熱がすぐに逃げてしまい、ナゲットを作るために莫大な電流が必要です。さらに、表面の強固な酸化被膜が絶縁体として作用し、不安定な発熱の原因となります。電極へのアルミニウム凝着も激しいため、特殊な研磨機構や電源制御が不可欠です。

品質保証と欠陥のメカニズム

シーム溶接の目的は「漏れないこと」であるため、品質評価は厳格に行われます。

一般的な欠陥

• 溶け込み不足: 電流不足や速度過多により、ナゲットが十分に成長せず、接合界面が繋がっていない状態です。
• 散り（スパッタ）: 電流過大や加圧不足により、溶融金属が極間から外部へ飛び出す現象です。内部に空洞ができたり、表面が汚れたりします。
• 表面割れ: 過度な入熱や冷却不足、あるいは低融点金属の粒界侵入によって、ビード表面や熱影響部に亀裂が入る現象です。

検査方法

全数検査としては、製品内部に空気を加圧注入して水没させ、気泡の有無を確認する気密試験や、ヘリウムガスを用いたリークテストが行われます。 抜き取り検査では、溶接部を切断して断面のマクロ組織観察を行い、ナゲットの重なり具合や内部欠陥の有無を確認します。また、タガネを打ち込んで母材が破断するかどうかを確認する破壊試験も行われます。

シーム溶接の機械構造的特徴

シーム溶接機は、その構造においても高い剛性と精度が求められます。

加圧機構

電極輪を通じて数千ニュートンから数万ニュートンの力を安定して加える必要があります。エアシリンダーや油圧シリンダーが用いられますが、近年ではサーボモーターを用いた電動加圧方式が増えています。電動式は、溶接中の電極の沈み込みに合わせて追従制御ができるため、散りの発生を抑え、安定したナゲット形成に寄与します。

通電軸受

回転する電極輪へ、数千アンペアから数万アンペアの大電流を供給するための特殊な機構です。銀ブラシや水銀接点、あるいは特殊な導電性グリースを用いたすべり軸受構造が採用されます。ここの接触抵抗が増大すると、発熱による焼き付きや電力損失が発生するため、定期的なメンテナンスが必須となる重要保安部品です。

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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。