JP2011212749A - キャップ型抵抗溶接用複合電極 - Google Patents

Abstract

【課題】現用の抵抗溶接電極は銅合金（電極材）の塊に過ぎない。亜鉛メッキ鋼板の抵抗溶接では溶着摩耗に抗し切れない。
【解決手段】。溶着摩耗は亜鉛と銅の合金化による。電極の熱くなったところを速く冷やせば摩耗は減る。摩耗していくのは電極先端の表層部である。瞬時的に見れば電極の残り全部は冷やし金として機能する。冷やし金には銅が最適である。さりとて電極全体を銅にすることはできない。摩耗で消耗していくことになる部位（芯）を除いた残り全部を銅にするのは無理ではない。結果物は従来以上に電極でありうる。銅がくるべきところに冷却能に劣る電極材を充てたのが無垢電極である。わざわざ芯の摩耗を早める構造になっている。電極材の耐溶着性を高めれば概ね導電率が低下して電極材ではなくなる。電極材としての失格は必ずしも芯材としての失格を意味しない。芯にして回りを銅で囲めば難は消える。
【選択図】なし

Description

本発明はキャップ型抵抗溶接用複合電極の提供に関わる。

鋼板等の接合方法としてはいわゆるスポット溶接が一般的である。重ね合わせた鋼板の接合したい個所を一対の電極で挟み加圧下で抵抗加熱することを原理とする。本発明では新規なキャップ型電極を取り上げる。この型の電極は一端をキャップ状にした掴み部と反対端に初め電極半径のR（以下一次R)を次いでその先により大きなR（以下二次R）をつけた中実の作業部とからなる。これら二つのRの交わりで決まる円を交円とする。掴み部と作業部は同長である。これまで実用されて来たのは銅合金の塊りに過ぎない無垢電極である。この銅合金材を電極材と呼ぶことにする。
電極先端は溶接打数と共に摩耗で太る。実務は溶接痕が交円径近傍で最適になるべく電流密度を一定値に制御しているやに見受けられる。増大する先端径にあわせて電流密度を必要値に保つのはエネルギーの無駄遣いになる。先端径が上述の交円径からあまり離れないうちに研磨して交円径に戻せば事実上交円径に保ち続けたことになる。電極の研磨は予め研磨しておいた電極との交換になる。嫌われるのはこの為の溶接作業の中断である。研磨直後の電極を使用に馴染ませるに必要な二次のR付けで作業部の消耗が早まるのも嫌われる理由である。このため電極を溶接機から外さないで済む一次のR付けだけを目的としたその場研磨法が提案された（非特許文献１）。使用者が研磨の頃合と判断した先端径を限界径と呼ぶことにする。

電極の配置態様について補足する。重ね合わせた鋼板を電極で挟むとは上板と下板に電極を接触させることをいう。接合個所は一箇所になる。離して上板だけに接触させるやり方もある。接合個所は二箇所になる（以下シリーズ溶接）。バックアップ電極がないと電流は下板内を通りにくい。バックアップ電極の使用はそれなりに不便である。これ無しで済ませる巧妙な教示では上板をエンボス加工して軽く浮き出させた個所に電極を当てる（非特許文献１）。加熱の原理は突起溶接に似る。抵抗の元になるのは鋼板の体抵抗ではなく当初は電極と上板との爾後は沈み込んでいく上板と下板との接触抵抗になる。小さな押圧力で足る。挟み溶接に要する半分の電力で済み電極の摩耗も減ると云われている。以下では代表に挟み溶接用電極を想定する。

特開平4-247839 U.S. Patent 1,658,186 特許第3563311号 特開2008-223069

ＥＣＣＪＨｏｍｅ平成１５年度省エネルギー優秀事例全国大会"ボデー溶接ラインにおける新工法開発による省エネ（トヨタ車体株式会社）"

亜鉛メッキ鋼板の溶接に伴う電極の摩耗（以下溶着摩耗叉は単に溶着若しくは摩耗）を減らしたい。

キャップ型電極に於いて、作業部の芯部にはCr叉は/及びZrを必須の添加元素とする時効硬化させた銅合金材を残余部には純銅材を充てる。芯材は時効硬化させたCu-Ni-Si-Cr系四元合金でもありうる。なお芯径は限界径より少し大き目にする。

以下は上記手段の補完をも兼ねる。無垢電極内での溶接状況を想像してみる。溶着摩耗は亜鉛と銅の合金化に起因する。熱くなるところを速く冷やせば摩耗は減る。熱くなっていくのは先ず電極先端の表層部である。瞬時的に見れば電極の残り全部は冷やし金として機能する。冷やし金には銅が最適である。さりとで電極全体を銅にするのは無理である。研磨によるのではなく摩耗が原因で消耗していくことになるのは作業部の大約限界径で画される中心部（以下芯）である。残余部（以下スリーブ）を銅にするのは無理ではない。無垢電極の９０％を銅にしても結果物は電極として機能する。
銅がくるべきところに冷却能に劣る芯材を持ってきたのが無垢電極である。溶着摩耗を早める材料構造になっている。

そこでスリーブの材質を純銅にし芯材だけに耐溶着性をもたせれば電極目的には必要十分と考えた。
作業仮説として芯を耐溶着性にするのは芯材を銅合金としたとき合金元素になっているCr又は/及びZrの化学的な働きである。CrもZrも耐溶着性に寄与するのは銅に固溶した分である。Crは約０．５％しか溶けない。Zｒはもっと溶けない。だからこそ硬さと導電率を向上させる時効硬化処理が可能になる。問題の先取りになるかもしれないことを覚悟して言えば、これだけのCr量では十分な耐溶着性を付与するには至らない。

そのときにはIngerson合金（特許文献１）に援けを借りればよい。有望な芯材候補に思えるからである。因みに該合金は時効硬化型銅基Cu-Ni-Si-Cr系４元合金である。以下内容を略述する。

珪化物の形成と熱処理で銅の改質を図った試みとしてはCorson合金が最初である（特許文献２）。Corson 氏は珪化物形成金属Cr,Ni,Coのいずれかが単独で溶けている場合を扱った。対してIngerson 氏はCrとNi が共存している場合を扱った。単独か共存かで変わるのはCrの固溶限の決まり方である。珪化物形成金属がCr だけのときCrに対する溶媒はCuである。CrとNiが共存しているときはCu-Niになる。CrとNiは NiとCuと同様よく固溶しあう。このことから推してCrはCuよりもCu-Niに多く溶けやすい。因みにSiはCrの固溶限には影響しない（特許文献２）。固溶限以上のCrを銅中に取り込みたければNiを呼び水にすればよいことになる。

Ingerson合金の成分選びと量決め（以下組成）には順序がある。先ずNi 量を１０％前後に選ぶ。SiはNi/Si 重量比が３．４〜４．５の間に落ちるものに決める。Cr量は０．５〜２．０％の間にとる。Siの効能は先ずNi の珪化にある。Crのそれは余剰になったSiを自らの珪化で消尽することにある。溶製体を溶体化し時効して珪化Ni珪化Cr及び自由Crを析出粒子として銅中に分散させることは従来のCu−Cr合金の場合と変わらない。

Ingerson合金が芯材であるためには己自身の限定の他に芯材としての限定が必要である。次のように決めた。Ingerson 合金の限定は８．５〜１１．５％Ni且つ０．５〜２．０％Crである。Ingerson 合金の骨子はCorson 合金Cu-Ni-Siである。これまで呼び水と呼んできたものの正体でもある。Corson合金で微細有効な珪化物を形成する最多Ni量は７．５％である。それを超える分は無効有害な粗大粒になる（特許文献２）。Cu-１１．２％Ni-1.6％Cr−（２．５〜３．２９）％Siの実例（特許文献１）については斯様な指摘を欠く。Crが粗大化阻止元素として働くと考えられる。Ni の上限には上の１１．２に近い１５％を適切とみる。Crの保持能目的に８．５％Niの下限は不要である。下限は上限内での選択の問題として扱えば足る。特許文献3の特許発明に倣って１．５％とする。Ingerson 合金でのCrの役割は骨子のCorson 合金の修飾にあった。少量で済ませていた所以である。Cr増が目的である本芯材には上限を３．０％とする。芯材には自由Crよりもその珪化物が好ましい。Cr珪化物の増を図るという考えは元々Ingerson 合金にはなかった。Si 量をNi/Si比だけから決めているのがその証左である。Si量は検討に値する。当面は実施者のリスクで適正値を試行錯誤してみるしかない。Crの下限についてはNiの下限との整合性だけを問題にするだけでよい。元の侭で不都合はない。Ingerson 合金は元々プラスチックの成型鋳型材として限定された。芯材として限定されたものを同じ名で呼んでも混乱は生じない。

歓迎されているCrとは反対にこれまで嫌われきたものにSi がある。予想ではNiを道連れにしているSiにもCrと同様の働きがある。
吾人がIngerson合金へ傾斜したのは高Crだからではない。高Crにできるからである。高SiにもSiとCrの混成にもできるからである。何れが芯材としての是かは事実に訊くことにする。Ingerson合金は物質であると共に製法でもある。芯材はこの製法に限定された生産物である。
CrとSiの共存はCorson 合金Cu-Cr-Si を元祖とする。この系ではCr量が限られておりそれに見合うSi量にも制限があった。後半の制限はIngerson 合金にもある。前半のはない。

純粋の溶着摩耗はない。程度の差はあるが酸化摩耗を伴う。場合によってはこれが主になる。SiもCrも酸化摩耗の抑制に有効である。鉄合金からの類推に拠る。被溶接材の一部叉は全部が非メッキ鋼板でも本電極は有用である。

純Niと純Cuとの比較では純Niの方がZnに溶けやすい。溶接中にNi が溶出しては総てが徒労になる。純CoはZｎに溶けない。幸いにCoもCr の呼び水として機能する。万が一にはNiのCoによる置換で備える。置換はNiの一部たると全部たるとを問わない。

本発明の対象になる芯材を整理する。簡単なものにCr叉は/及びZrを必須の合金元素とする市販の銅合金がある。狭い固溶限内でのことであるから合金量は別に限定しない。慣習は固溶限が一杯になるように決めている。必須の合金元素とは合金の同一性をそれだけについてみるものをいう。他の元素（以下任意元素）との並存を禁じるものではない。ここでのSiは重要な任意元素のひとつである。Crと共にCorson 合金の一つを形成するからである。自由なSiは大幅に導電率を損なう。ZrとSiの反応は多分ない。あってもZr は少量しか固溶しないので影響はないとみてよい。
銅での固溶限以上のCrを望むときは芯材としてのIngerson 合金叉はそれのNiをCoで置換したものを使えばよい。このときZrは任意元素として扱う。

複合化で気になるのは銅の強さ叉は硬さである。溶接時に芯径６ｍｍの電極にかかる押圧力は２０００〜３０００Ｎである。これを受ける芯にとって左程苛酷な負担ではない。芯を支えるスリーブには肉薄の掴み部でみても芯ほどの硬さは要らない。HRF４０で足る。これは水素中で溶解した工業用純銅の硬さである。作業部のスリーブは肉厚であり表面まで熱くなるわけではない。H材でなくてもよい。硬さが必要なのは芯である。それもへたりに堪える以上の硬さは要らない。硬いからとて溶着摩耗が減るわけではない。こすり摩耗とは違う。

これまで本電極の製法に触れる機会がなかった。予定では芯とスリーブのかん合体を冷間鍛造接合する。Corson合金は激しく冷間加工すると軟化すると言われている（特許文献２）。鍛接が強加工に該当する虞がある。元のIngerson合金よりもNi量が少ないもの（特許文献３，４）について実際に調べた限りでは反対に若干硬化した。Corson合金とIngerson 合金との違いかも知れない。鍛造条件の設定が幸いしたのかもしれない。

最後に芯径について一言する。明らかに芯径は限界径を下回ってはならない。電極先端が限界径に達する前にスリーブが鋼板に接触してしまうことになるからである。このときの溶着は危険である。さりとて限界径よりも大きくし過ぎるのは本発明の理念に反する。無垢電極に近付けることに通じるからである。芯径は限界径に近くそれを下回る虞がないのが望ましい。因みに限界径は使用者の判断で決まる量であって芯材とは無関係である。芯材に関係するのは一研削で可能な溶接打数である（以下寿命）。累積寿命を作業部の寿命とする見方もある。

芯長は複数回の研磨を予定して決めるのが普通である。本電極では最初の研磨で見た寿命が一番短く最終の研磨で見た寿命が一番長くなる筈である。芯は小片化すればするほど冷却が容易になるからである。最初の研磨の寿命を長くしたいときがある。そのときは初めから芯を短くする。この理由で芯長は限定しない。芯とスリーブの接合は芯が短くなっても有効なものでければならない。

総括する。以下は本発明で想定されている電極のモデルである。芯とスリーブから成る電極は一つの装置である。電極の寿命は芯材とスリーブ材を入力とするこの装置の出力に対比できる。

吾人が知りたいのは大きな出力を産む入力の組である。ふたつを同時に動かしてみる必要はない。銅が最適なスリーブ材であることは判っている。スリーブ材をこれに固定して芯材だけを動かしてみれば十分である。

芯材は単なる入力である。任意でありうる。差し当たり導電率の高低は問わない。出力が問われるだけである。

芯材は摩耗試験で選別する。芯材だけの評価は無意味か時には不可能である。
芯材の尺度は本電極自身である。評価は出力で見なければならない。

電極材は一応の芯材たりうる。如何なる無垢電極といえども芯を同材にした本電極には敵わない。前文の逆は成立しない。それだけに新電極の誕生が期待できる。

自明である。

Claims (2)

1. キャップ型抵抗溶接用電極に於いて、作業部の芯部だけがCr叉は/及びZrを必須の添加元素とする析出硬化させた銅合金で残余部が純銅であることを特徴とする複合電極。但し芯径は限界径より少し大き目とする。
   
2. 芯材が時効硬化させた銅基四元合金Cu-Ni-Si-Crである請求項１の複合電極。但しNiは１．５〜１５、Crは０．５〜３．０％、SiはNi/Si重量比を３．４〜４．５にする。