JP2002316293A - 金属接合用電極及びその製造方法、並びに金属接合用電極を備えた溶接設備及びそれにより溶接された製品 - Google Patents

金属接合用電極及びその製造方法、並びに金属接合用電極を備えた溶接設備及びそれにより溶接された製品

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JP2002316293A
JP2002316293A JP2001122019A JP2001122019A JP2002316293A JP 2002316293 A JP2002316293 A JP 2002316293A JP 2001122019 A JP2001122019 A JP 2001122019A JP 2001122019 A JP2001122019 A JP 2001122019A JP 2002316293 A JP2002316293 A JP 2002316293A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却効率と電気伝導に優れた金属接合用電極お
よび接合方法を提供する。 【解決手段】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
として前記導体部より電熱性の高い特性、或いは電気抵
抗が大きい特性、或いはまた熱伝導度が低い特性のうち
少なくとも一つの特性を持つ材料を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属接合用電極及
びその製造方法、並びに金属接合用電極を備えた溶接設
備及びそれにより溶接された製品に係り、特に抵抗溶
接,熱かしめ,TIG溶接及びプラズマ溶接に用いられる
好適な金属接合用電極及びその製造方法、並びに金属接
合用電極を備えた溶接設備及びそれにより溶接された製
品に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、様々な接合において、それぞれの
形状,材質に応じて電極が選定され使用されている。抵
抗溶接や熱かしめの場合、モリブデン,タングステン及
びタングステン合金の電極は高融点で耐熱性があり、通
電時の発熱性が大きいという特徴があるため、特に熱伝
導性の良いアルミや銅系の材料を溶接するには好適であ
る。また、TIG,プラズマ溶接においてはタングステ
ン又はタングステン合金が高温のアークに耐える電極と
して使用される。
【0003】このように、モリブデン,タングステン及
びタングステン合金は電極材料としての長所を有する
が、熱引きが悪いという欠点を有する。熱引きの悪さは
電極の寿命に悪影響を及ぼし、又、抵抗溶接や熱かしめ
の場合には各打点の時間間隔を長くしなければならない
という問題点があった。
【0004】この問題点を解決するために、例えば特開
平8−132255号公報には、タングステン電極のチ
ップを銅に埋め込んだ構造が開示されている。また、特
開平10−233135号公報には銅材の先端にタング
ステンを接着した構造が開示されている。更に、特開平
5−185247号公報には銅に鉄酸化物を分散し、ま
わりに芯材と同種の材料である銅を圧延にて被覆する電
極が提示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平8−132255号公報,特開平10−233135号公
報に記載されたものの場合、電極の先端部のみにタング
ステンを配置しており、先端に傷が発生したり摩耗した
場合には研磨等により再成形して使用することができ
ず、結果として電極の長寿命化が図れないという問題点
を有している。
【0006】一方、熱引きを良くするという観点におい
ては特開平5−185247号公報に記載のもののよう
な被覆構造が優れているが、タングステン電極の場合、
硬くてもろいことから特開平5−185247号公報に
開示されているような圧延で被覆しようとすると、割れ
てしまいうまく被覆できないという問題点があった。ま
た、被覆材が芯材と同種系の材料にしないと剥離等の問
題が起きるという問題点があった。
【0007】本発明は上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、高発熱電極の熱引きを向
上し、寿命の長い金属接合用電極及びその製造方法を提
供することにある。また、他の目的は、生産性の向上を
図れる金属接合用電極を備えた溶接設備及びその設備に
より溶接された接合品質の高い製品を提供することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、中心電極と該中心電極を被覆する導体部
により構成される金属接合用電極において、前記中心電
極として前記導体部より電熱性の高い特性,前記被覆導
材より電気抵抗が大きい特性、或いは熱伝導度が低い特
性を有する材料、或いはまた、これらの特性のうち少な
くとも一つの特性を持つ材料を用いる。
【0009】そして、好ましくは、前記中心電極とし
て、モリブデン,タングステン、或いはタングステン合
金のいずれかを用い、前記導体部として、銅,金,銀,
アルミニウムからなる導材、或いは少なくともそれらの
2つを組み合わせた合金を用いるものである。
【0010】つまり、本発明における金属接合用電極
は、高発熱材料、好ましくは、モリブデン,タングステ
ン及びタングステン合金電極材料の表面に熱伝導と電気
伝導の優れた材料を被覆するものである。高発熱材料
は、一般に硬く、もろい性質を有する。これを被覆する
熱伝導と電気伝導性に優れた材料、例えば、銅,金,
銀,アルミニウムからなる導材あるいは少なくともそれ
らの2つを組み合わせて構成した合金などは、延性が大
きく芯材である高発熱材料とは機械的な特性が大きく異
なる。従って、この特性の異なる二つの部材を欠陥なく
接合することは一般的には難しい。
【0011】本発明は種々の製法を試みた結果、安定し
て被覆できる製法を見出すことにより実現したものであ
る。パイプ状の被覆材に芯材を挿入して圧延,線引きを
すると被覆材と芯材の機械的特性が大きく異なるため、
芯材の割れや被覆材の剥離を生じる。
【0012】そこで、上記目的を達成するために本発明
では、上記した金属用接合電極の製造方法として、焼き
ばめ,鍛造,溶射,鋳込み,ろう付けで芯材の表面に被
覆材を装着することで、高発熱電極の熱引きを向上し、
寿命の長い金属接合用電極の製造方法を提供することが
できる。
【0013】また、上記他の目的を達成するために本発
明では、上記した金属接合用電極を溶接設備に備えるこ
とで達成できる。つまり、上記金属接合用電極は、鉛筆
を削るよう再製することができるので、電極ホルダーか
らの突出し量を一定にすることで安定した接合ができ、
また、連続して接合作業を行う場合の金属接合用電極全
体に発生する熱を少なくすることにより電極寿命を延ば
すことができ、更に、電極先端に発生する熱を急速に冷
却することができるのでタクトタイムが速くでき生産の
効率向上を図ることができる。
【0014】そして、上記した金属接合用電極を備えた
溶接設備に溶接することで、接合品質の高い製品を提供
することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面を用いて説明する。
【0016】図1は、本発明の一実施の形態である金属
接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図であ
る。同図に示す金属接合用電極100は、円形の断面形
状を有する棒状部材であって、中心電極2に熱伝導性と
電気伝導性に優れる導体部1が施されている部分と導体
部1が無い部分50から構成されている。
【0017】中心電極2としては、例えば、モリブデ
ン,タングステン、或いはタングステン合金のいずれか
で構成され、導体部1としては、例えば、銅,金,銀,
アルミニウムからなる導材、或いは少なくともそれらの
2つを組み合わせた合金で構成されている。
【0018】ここで、中心電極2に用いられる材料、及
び導体部1に用いられる材料の特性の一例を表1に示
す。
【0019】表 1
【0020】例えば、中心電極2にモリブデン、導体部
1に銀を用いた場合、中心電極2は導体部1に対して電
導度が30%ということになり、同様に、中心電極2に
アルミニウム、導体部に金を用いた場合、中心電極2は
導体部1に対して電導度が82%ということになる。
【0021】本発明に係る金属接合用電極100では、
中心電極2は導体部1に対して電導度が10乃至90%
の特性を用いるものである。
【0022】そして、導体部1の被覆は鋳込み,鍛造に
よって製作した。この導体部1が施されているために加
熱と冷却が急速にできる。また、この導体部1が無い部
分50は接合時の電極の発熱状態により長さは選定され
る。
【0023】なお、導体部の被覆については、鍛造の
他、焼きばめ,溶射,鋳込み,ろう付けによっても行う
ことができる。
【0024】焼きばめは、被覆材のパイプを加熱し、そ
の中に芯材となる高発熱材を挿入,冷却する工程で装着
をする製造方法である。
【0025】溶射は、被覆材の粉末をプラズマ中に供給
して溶解し芯材に吹き付けることで被覆をする製造方法
である。
【0026】鋳込みは、被覆材を型容器の中で溶解し、
それに芯材を侵漬して冷却することにより装着をする製
造方法である。
【0027】ろう付けは、被覆材のパイプと芯材の間に
ろう材を入れ加熱することによって被覆材を装着する製
造方法である。
【0028】なお、被覆材と芯材との密着性,接合界面
の欠陥をなくすには焼きばめ,溶射,鋳込み,ろう付け
により被覆材を装着した後、熱間鍛造を施すのが好適で
ある。鍛造の場合、圧延に比べて塑性変形量を小さく制
御することができ、適当な温度を選定すれば、鍛造時の
芯材の割れを防止することができる。
【0029】図2は、図1に示す金属接合用電極100
を抵抗溶接ヘッド200にセットした状態を示す図であ
る。
【0030】まず、上下の電極ホルダー20の切り欠き
部20aに金属接合用電極100を挿入しボルト21に
より締め付けられている。この電極ホルダー20が稼動
することにより金属接合用電極100でU字形接合用端
子30の内側に配置された接合用電線31を挟み込み加
圧後に抵抗溶接ヘッド200に通電することで接合され
る。
【0031】このように、金属接合用電極100を電極
ホルダー20の切り欠き部20aで締め付けることによ
り、接合時の通電により発生する中心電極2の電気抵抗
の熱を導体部1により効率良く電極ホルダー20に熱伝
達できる。つまり、中心電極2の表面に熱伝導性と電気
伝導性に優れた導体部1が被覆されている金属接合用電
極100を、熱伝導性と電気伝導性に優れた電極ホルダ
ー20により締め付けて金属接合用電極100と電極ホ
ルダー20を密着させる。このことにより金属接合用電
極100の先端に発生した熱は電極ホルダー20に熱伝
導するので、金属接合用電極100の先端は急速に冷却
することができる。
【0032】また、この熱を電極ホルダー20に付けら
れている冷却管22の内部を流れる冷却水で冷却するこ
とで、金属接合用電極の水冷効果が得られる。
【0033】更に、電極ホルダー20と接合用電極10
0の電気接触抵抗を小さくでき電極ホルダー20からの
電極突出し量を一定にすることにより通電時の発生熱を
少なくすることで生産効率が良く安定した接合が図れ
る。
【0034】ここで、図1,図2で説明した一実施の形
態の具体例を説明する。図1で示した金属接続用電極と
して、中心電極2の径が4mmで導体部1を1mm施し、全
長が40mmで導体部1が無い部分50を設け、図2で説
明した装置により、板圧が0.64mmのU字型端子に0.
6mmの導線を挿入して端子と導線が接合した。その結
果、本発明の金属接合用電極は電極の冷却速度が速い為
に、連続接合時の作業時間が1/2に短縮しても安定し
た接合ができるという効果がある。
【0035】また、接合時に電極に発生した熱が電極の
冷却速度が速い為に、端子が埋め込まれている樹脂や導
線の絶縁皮膜が熱によって劣化する範囲を少なくするこ
とができるという効果がある。更に、電極の熱影響部を
少なくできて電極寿命を長くできるという効果がある。
【0036】図3は、図1,図2で説明した本発明の金
属接合用電極と従来の金属接合用電極で接合した時の冷
却効率の関係を示したグラフである。本発明の金属接合
用電極は、接合のための通電が終了したときの電極先端
温度800℃から電極先端温度が100℃に下がるのに
3.5 秒で冷却できたが、従来の金属接合用電極は、電
極先端温度800℃から電極先端温度が100℃に下が
るのに6.5 秒と冷却時間がかかった。この結果、本発
明の金属接合用電極は冷却に優れた効果があることが明
らかとなった。このため安定した接合ができ、生産効率
向上と接合品質向上が図れる。
【0037】次に、図1で説明した金属接合用電極の他
の実施例を説明する。
【0038】図4(a),(b),(c)はそれぞれ、
本発明の他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形
状を示す傾斜図とその断面図である。図4(a)に示す
ように金属接合用電極110の先端まで導体部1がある
形状や、図4(b)に示すように金属接合用電極120
先端の導体部1が無い部分51を円錐の頭を切った形状
にしたり、図4(c)に示すように接合用電極130先
端の導体部1が無い部分52を円柱と円錐の頭を切った
形状を組み合わせた形状のようにしてもよい。
【0039】図5(a),(b),(c)はそれぞれ、
本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳
細形状を示す傾斜図とその断面図である。中心電極2断
面、或いは金属接合用電極の断面が円形形状以外に形成
されたものである。例えば、図5(a)に示すように金
属接合用電極140の導体部1が円形形状で中心電極2
が四角形状でもよい。また、図5(b)に示すように接
合用電極150の導体部1が四角形状で中心電極2が円
形形状でもよい。更に、図5(c)に示すように接合用
電極160の導体部1と中心電極2が四角形状でもよ
い。
【0040】図6(a),(b)はそれぞれ、本発明の
更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を
示す傾斜図とその断面図である。図6(a),(b)に
示すように金属接合用電極170,180の一面に導体
部1が無く中心電極2が露出していてもよい。
【0041】図7は、本発明の更に他の実施の形態であ
る金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図
である。図7に示すように金属接合用電極190の中心
電極2より一方向に大きい導体部1を設けた形状でもよ
い。
【0042】そして、接合部形状や接合材料により図
1、及び図4乃至図7で説明した金属接合用電極の形状
を選定することができる。つまり、金属接合用電極形状
は接合部材の形状や材質により選定され、接合部形状は
接合部の発熱状態や接合状態により電極形状と電極ホル
ダーからの突出し量および電極材料表面に施された材料
の剥離量は選定することができる。
【0043】次に、本発明の金属接合用電極をTIG溶
接やプラズマ溶接用電極として使用した場合について説
明する。
【0044】例えば、図8に示すように金属接合用電極
101先端の導体部1が無い部分53を円錐形状に形成
し、それをTIG溶接やプラズマ溶接用電極として使用
した例を図9,図10に示す。ここでは、図8に示した
金属接合用電極101をTIG溶接やプラズマ溶接用電
極として使用した例を示したが、図1、及び図4乃至図
7で説明した金属接合用電極を用いることもできること
は言うまでもない。
【0045】図9に示すTIG溶接では、溶接トーチ3
00に金属接合用電極101をコレット80でクランプ
してガスカップ60内を不活性ガスが流れて接合用電極
101と母材の間にアークを発生させ、アークの熱により
母材を溶接する。この時に発生するアークの熱により金
属接合用電極101も加熱されるが、本発明に係る金属
接合用電極では、導体部1が施されているため、金属接
合用電極101は冷却効率がよく、電極寿命が長く作業
効率がよいという優れた効果が得られる。また、金属接
合用電極101とコレット80の電気接触抵抗も低くで
きるので効率がよい。
【0046】また、図10に示すプラズマ溶接では、溶
接トーチ400に金属接合用電極101をコレット81
でクランプしてノズル70とガスカップ61内を不活性
ガスが流れてアークを発生させ、アークの熱により母材
を溶接する。プラズマ溶接においても、TIG溶接と同
様の優れた効果がえられる。
【0047】なお、本発明に係る金属接合用電極は、鉛
筆を削るよう再製することができるので、電極ホルダー
からの突出量を一定にすることで安定した接合ができる
という効果がある。また、連続して接合作業を行う場合
の金属接合用電極全体に発生する熱を少なくすることに
より電極寿命を延ばすことができるという効果がある。
更に、電極先端に発生する熱を急速に冷却することがで
きるのでタクトタイムが速くでき生産の効率向上を図る
ことができるという効果がある。
【0048】次に、本発明に係る金属接合用電極を用い
て溶接した製品の一例を説明する。
【0049】図11は、自動車部品である電子式燃料噴
射弁コイルを示す。端子500,絶縁被覆コイル50
1,モールドケース502より構成され、端子500を
発明の係る金属接合用電極を用いて溶接した溶接部50
3がある。
【0050】図12,図13は、同様に自動車部品であ
る点火系コイルを示し、端子505,絶縁被覆コイル5
06,モールドケース507より構成され、端子505
を発明の係る金属接合用電極を用いて溶接した溶接部5
08がある。
【0051】前述したように本発明に係る金属接合用電
極は、鉛筆を削るよう再製することができるので、電極
ホルダーからの突出量を一定にすることができるので、
接合部が安定した製品を得ることができる。また、本発
明に係る金属接合用電極は連続して接合作業を行うこと
ができ、製品の生産性向上が図れる。
【0052】なお、図11乃至図13では、自動車部品
の一例を説明したが、自動車部品の製造に限定されるも
のではなく、溶接による製造される製品に適用できるこ
とは言うまでもない。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
発熱電極の熱引きを向上し、寿命の長い金属接合用電極
及びその製造方法を提供することができる。また、本発
明によれば、生産性の向上を図れる金属接合用電極を備
えた溶接設備及びその設備により溶接された接合品質の
高い製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である金属接合用電極の
詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図2】図1に示す金属接合用電極100を抵抗溶接ヘ
ッド200にセットした状態を示す図である。
【図3】本発明の金属接合用電極と従来の金属接合用電
極で接合した時の冷却効率の関係を示したグラフであ
る。
【図4】(a),(b),(c)はそれぞれ、本発明の
他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す
傾斜図とその断面図である。
【図5】(a),(b),(c)はそれぞれ、本発明の
更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を
示す傾斜図とその断面図である。
【図6】(a),(b)はそれぞれ、本発明の更に他の
実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜
図とその断面図である。
【図7】本発明の更に他の実施の形態である金属接合用
電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図8】本発明に係る金属接合用電極の詳細形状を示す
傾斜図とその断面図である。
【図9】TIG溶接トーチの詳細形状を示す断面図であ
る。
【図10】プラズマ溶接トーチの詳細形状を示す断面図
である。
【図11】電子式燃料噴射弁コイルの概略図である。
【図12】点火系コイルの側面図である。
【図13】点火系コイルの正面図である。
【符号の説明】
1…導体部、2…中心電極、20…電極ホルダー、21
…ボルト、22…冷却管、30…U字形接合用端子、3
1…接合用電線、50,51,52,53…導体部が無
い部分、60,61…ガスカップ、70…ノズル、8
0,81…コレット、100,101,110,12
0,130,140,150,160,170,180,
190…金属接合用電極、200…抵抗溶接ヘッド、3
00,400…溶接トーチ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 文紀 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 加瀬 政道 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Fターム(参考) 4E001 LH05 LH09 ME04

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
    は前記導体部より電熱性が高い材料を用いたことを特徴
    とする金属接合用電極。
  2. 【請求項2】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
    は前記導体部より電気抵抗が大きい材料を用いたことを
    特徴とする金属接合用電極。
  3. 【請求項3】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
    は前記導体部より熱伝導度の低い材料を用いたことを特
    徴とする金属接合用電極。
  4. 【請求項4】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
    は前記導体部より電熱性の高い特性、或いは電気抵抗が
    大きい特性、或いはまた熱伝導度が低い特性のうち少な
    くとも一つの特性を持つ材料を用いたことを特徴とする
    金属接合用電極。
  5. 【請求項5】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極であって、前記中心電極
    は前記導体部に対して電導度が10乃至90%の特性を
    有する材料を用いたことを特徴とする金属接合用電極。
  6. 【請求項6】請求項1乃至請求項5のうちいずれか一つ
    において、前記中心電極は、モリブデン,タングステ
    ン、或いはタングステン合金のいずれかで構成されてい
    ることを特徴とする金属接合用電極。
  7. 【請求項7】請求項1乃至請求項5のうちいずれか一つ
    において、前記導体部は、銅,金,銀,アルミニウムか
    らなる導材、或いは少なくともそれらの2つを組み合わ
    せた合金で構成されていることを特徴とする金属接合用
    電極。
  8. 【請求項8】中心電極と該中心電極を被覆する導体部に
    より構成される金属接合用電極の製造方法であって、前
    記中心電極を棒状に形成した後、その表面に前記導体部
    を焼きばめ,鍛造,溶射,鋳込み,ろう付けのいずれか
    により被覆することを特徴とする金属接合用電極の製造
    方法。
  9. 【請求項9】請求項8に記載の金属接合用電極の製造方
    法において、前記中心電極として前記導体部より電熱性
    の高い特性,電気抵抗が大きい特性、或いは熱伝導度が
    低い特性のうち少なくとも一つの特性を持つ材料を用い
    たことを特徴とする金属接合用電極の製造方法。
  10. 【請求項10】請求項8又は請求項9のいずれかにおい
    て、前記中心電極は、モリブデン,タングステン、或い
    はタングステン合金のいずれかで構成されていることを
    特徴とする金属接合用電極の製造方法。
  11. 【請求項11】請求項8又は請求項9のうちいずれかに
    おいて、前記導体部は、銅,金,銀,アルミニウムから
    なる導材、或いは少なくともそれらの2つを組み合わせ
    た合金で構成されていることを特徴とする金属接合用電
    極の製造方法。
  12. 【請求項12】中心電極と該中心電極を被覆する導体部
    により構成される金属接合用電極を備えた溶接設備であ
    って、前記中心電極として前記導体部より電熱性の高い
    特性、或いは電気抵抗が大きい特性、或いはまた熱伝導
    度が低いという特性のうち少なくとも一つの特性を持つ
    材料を用いた金属接合用電極を備えた溶接設備。
  13. 【請求項13】請求項12において、前記中心電極は、
    モリブデン,タングステン、或いはタングステン合金の
    いずれかで構成されていることを特徴とする金属接合用
    電極により溶接された製品。
  14. 【請求項14】請求項12において、前記導体部は、
    銅,金,銀,アルミニウムからなる導材、或いは少なく
    ともそれらの2つを組み合わせた合金で構成されている
    ことを特徴とする金属接合用電極により溶接された製
    品。
  15. 【請求項15】中心電極と該中心電極を被覆する導体部
    により構成される金属接合用電極により溶接された溶接
    部をもつ製品であって、前記中心電極として前記導体部
    より電熱性の高い特性、或いは電気抵抗が大きい特性、
    或いはまた熱伝導度が低いという特性のうち少なくとも
    一つの特性を持つ材料を用いた金属接合用電極により溶
    接された製品。
  16. 【請求項16】請求項15において、前記中心電極は、
    モリブデン,タングステン、或いはタングステン合金の
    いずれかで構成されていることを特徴とする金属接合用
    電極により溶接された製品。
  17. 【請求項17】請求項15において、前記導体部は、
    銅,金,銀,アルミニウムからなる導材、或いは少なく
    ともそれらの2つを組み合わせた合金で構成されている
    ことを特徴とする金属接合用電極により溶接された製
    品。
  18. 【請求項18】請求項15乃至請求項17のうちいずれ
    か一つにおいて、金属接合用電極により溶接された製品
    は、自動車部品であることを特徴とする金属接合用電極
    により溶接された製品。
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