JP2016049562A

JP2016049562A - 抵抗溶接用タングステン電極材料

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Publication number: JP2016049562A
Application number: JP2014178252A
Authority: JP
Inventors: アフマディ・エコ・ワルドヨ; Eko Wardoyo Akhmadi; 直樹力田; Naoki Rikita; 昭吾稲田; Shogo Inada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-04-11

Abstract

【課題】大電流で溶接を行った場合でも、電極の長寿命化を図ることができる抵抗溶接用タングステン電極材料を提供する。【解決手段】純度９９．９０質量％以上、かつ、平均粒径０．２５〜５０μｍの純タングステン粒子粉末を、例えば、１ＧＰａ以上で加圧し、１０００℃以上の温度で１０ｍｉｎ以上焼結した焼結体からなる抵抗溶接用タングステン電極材料であって、該焼結体の相対密度が９８．５％以上であり、大電流（例えば、１００００Ａ以上の溶接電流）が流れる抵抗溶接用電極材料として好適である。【選択図】なし

Description

この発明は、抵抗溶接に用いられるタングステン電極材料、特に、大電流で溶接を行った場合でも、電極の長寿命化を図ることができる抵抗溶接用タングステン電極材料に関するものである。

抵抗溶接は、金属材料からなる被溶接材を重ね合わせ、その重ね合わせた部分を一対の抵抗溶接用電極で挾んで強く加圧しながら電流を流すことで、重ね合わせた被溶接材に発生する電気抵抗熱を熱源として利用し溶接する方法である。この抵抗溶接における発熱量は、主として、電流値、通電時間と材料の比抵抗によって支配される。
抵抗溶接用電極としては、電極間に電流を流し、被溶接材を高温下で加圧することから、高温・高圧で変形しにくいこと、熱伝導性・電気伝導性にすぐれること、熱塑性変形を生じにくいこと、被溶接材料（あるいはこれを被覆するめっき材）と合金化しにくいこと、耐酸化性にすぐれること等の特性が求められている。
そして、これらの要求を満足させるべく、今まで、数多くの抵抗溶接用電極材料が開発されている。

例えば、特許文献１には、熱伝導性と比抵抗にすぐれ、また、亜鉛めっき等との反応性にも優れるが、その反面、脆くて割れを発生し易いというタングステン電極の問題点を解決すべく、タングステン、モリブデンまたはこれらの合金からなるチップ主体を、常温からその最高上昇温度までの温度範囲で比較的高い強度と靭性を有する金属（例えば、析出硬化型ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０鋼）からなる保持リングに嵌着した電極チップを備えた抵抗溶接用電極が提案されている。

また、特許文献２には、強度を備えた寿命の長い抵抗溶接用電極材料を提供することを目的として、重量比でＷ５〜９５％を有し，残部が実質的にＭｏからなるＷ−Ｍｏ合金材料によって構成した抵抗溶接用電極において、Ｗ−Ｍｏ合金材料にカリウムを１０〜１００ｐｐｍ含有させることが提案されている。

また、特許文献３には、電極の耐久性を高め、かつ、電極の耐衝撃性、耐破壊性を向上させるために、圧延により繊維状組織を形成したタングステンとモリブデンの何れかの焼結合金で抵抗溶接用電極材料を構成し、この電極材料の繊維状組織の端面を、ワークを挟圧する溶接面とした抵抗溶接用電極が提案されている。

また、特許文献４には、耐久性にすぐれ、かつ、高強度、高靭性、高再結晶温度の抵抗溶接用電極材料を提供することを目的として、カリウムを１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下含有させ残部が実質的にタングステンであるタングステン合金によって抵抗溶接用電極を構成することが提案されている。

また、特許文献５に示されるものはヒュージング溶接用の電極ではあるが、加熱・加圧が繰返し加えられるヒュージング溶接用の電極として、先端部での脱粒損耗，欠損を抑制し、耐久性を安定的に高めるために、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる電極本体の先端部に、Ｗ又はＭｏ若しくはそれらを基材とする合金を基材とする電極芯材を装着した二重構造電極の前記電極芯材として、焼結とスエージング加工、並びに焼きなましの熱処理が施され、横断面平均粒子径が５０μｍ以上であり、かつアスペクト比が１.５以上になるように軸方向に伸びた繊維状組織を有するＷ又はＭｏ若しくはそれらを基材とする合金をヒュージング溶接用電極材料として用いることが提案されている。

特開昭５５−１０９５８３号公報特開平１０−２９１０７８号公報特開２０００−１５８１７８号公報特開２００４−２７７８１０号公報特開２００８−７３７１２号公報

抵抗溶接用電極材料としては、高温・高圧で変形しにくいこと、熱伝導性・電気伝導性にすぐれること、熱塑性変形を生じにくいこと、耐熱衝撃性にすぐれること、被溶接材料あるいはこれを被覆するめっき材と合金化しにくいこと、耐酸化性にすぐれること等の特性が求められているが、近年では、これに加えて、溶接作業の高効率化、生産性向上等のために、大電流を使用した抵抗溶接において、長時間の使用に耐えられる電極材料が求められてきている。
従来から、抵抗溶接用電極材料としてタングステン系材料が好適に用いられているが、従来のタングステン系材料を用いて、例えば、１００００Ａ以上（例えば、１００００〜５５０００Ａ）の大電流を流し、被溶接材料に対して長時間の抵抗溶接を行った場合には、加圧条件下での高熱発生による電極材料の変形、熱衝撃による電極材料の割損・欠損、被溶接材料と電極間での溶着現象等のため、電極寿命が非常に短くなり、長時間に亘る継続的な抵抗溶接の実施は困難であった。
そこで、大電流を使用した抵抗溶接においても、電極寿命の長い抵抗溶接用電極材料が求められている。

本発明者らは、大電流を使用した抵抗溶接において、電極寿命の長い抵抗溶接用電極材料を提供すべく、鋭意研究を行ったところ、驚くべきことに、焼結で製造した純タングステンからなる抵抗溶接用電極材料において、その焼結体構造を適切に調整することにより、熱伝導性・電気伝導性を低下させることなく、耐熱衝撃、耐熱塑性変形にすぐれ、被溶接材料との溶着発生もなく、さらに、１００００〜５５０００Ａという大電流条件下であっても長時間に亘って継続的に使用可能である抵抗溶接用タングステン電極材料を得られることを見出したのである。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）純度９９．９０質量％以上、かつ、平均粒径０．２５〜５０μｍの純タングステン粒子粉末を焼結した焼結体からなる抵抗溶接用タングステン電極材料であって、該焼結体の相対密度が９８．５％以上であることを特徴とする抵抗溶接用タングステン電極材料。
（２）前記抵抗溶接用タングステン電極材料は、１００００Ａ以上の溶接電流が使用される抵抗溶接用電極材料として用いられることを特徴とする前記（１）に記載の抵抗溶接用タングステン電極材料。」
に特徴を有するものである。
なお、本発明における「平均粒径」とは、焼結前の粉末についてレーザー回折・散乱法(マイクロトラック法)によって求められた粒度分布における積算値５０％での粒径(累積中位径)を意味する。
また、本発明でいう「相対密度」とは、アルキメデス法により測定されたタングステン焼結体の密度の、理論密度１９．３ｇ／ｃｍ^３に対する比率である。

本発明について、以下に詳細に説明する。

本発明では、タングステン粒子粉末を焼結してタングステン焼結体を作製するが、タングステンの純度が９９．９０質量％未満である場合には、高温焼結温度下におけるタングステン中に含有される不純物成分により、タングステン焼結体の焼結性にバラツキが生じ、また、タングステン焼結体の材質が不均質となるため、これが抵抗溶接用電極材料として使用した際に割損、欠損、被溶接材料の溶着等の不都合を招くことから、タングステンの純度は９９．９０質量％以上とすることが必要である。
例えば、ＪＩＳ・Ｈ２１１６に示されるような１種のタングステンのうちで、純度９９．９０質量％以上のものを使用することが望ましい。
しかし、仮に、酸素等の不純物元素がある程度存在したとしても、例えば、後記する真空、もしくは不活性ガス雰囲気中の熱処理によって除去・清浄化することにより、タングステンの純度を９９．９０質量％以上にまで高めることができる。

本発明では、上記純度のタングステン粒子粉末を焼結して、９８．５％以上の相対密度を備えたタングステン焼結体からなる抵抗溶接用タングステン電極材料を製造する。
本発明では上記所定の相対密度を備えた抵抗溶接用タングステン電極材料を製造するためには、原料粉末であるタングステン粒子粉末の平均粒径を０．２５〜５０μｍとすることが必要である。

平均粒径が０．２５〜５０μｍのタングステン粒子粉末を、或いは、粉末から予め成形した圧粉成形体を、所定の高圧を付加した状態で所定の温度範囲で焼結した場合には、タングステン粒子粉末相互の接触面での加圧による変形を伴う圧着が生じて焼結体の高密度化が図られて、この発明で規定する相対密度のタングステン焼結体が得られる。
タングステン粒子の平均粒径が０．２５μｍ未満である場合には、焼結時の焼結性を高めることができないため、焼結体の相対密度を９８．５％以上にすることができなくなる。反対に平均粒径が５０μｍを超える場合も粒子間隙が大きくなるため焼結性を高めることができない。その結果、電極材料として要求される熱伝導性・導電性、耐熱衝撃性、耐熱塑性変形性が十分でなくなることから、本発明では、抵抗溶接用タングステン電極材料の製造用原料粉末であるタングステン粒子の平均粒径を０．２５〜５０μｍと定めた。

上記所定の相対密度を有するタングステン焼結体からなる本発明の抵抗溶接用タングステン電極材料は、例えば、以下の製造方法によって製造することができる。
前記のとおり、純度は９９．９０質量％以上で、かつ、平均粒径０．２５〜５０μｍに整粒したタングステン粒子粉末を加圧焼結装置に装入し、該粉末に１ＧＰａ以上の加圧力を付加した状態で、１０００℃以上の温度範囲で１０ｍｉｎ以上焼結することによって、本発明で規定する相対密度を有するタングステン焼結体からなる抵抗溶接用タングステン電極材料を製造することができる。
なお、タングステン粒子粉末は、焼結に先立って、予め圧粉成形体として作製しておくこともできる。
また、比表面積が大きい微粒タングステン粒子粉末（例えば、平均粒径４μｍ以下程度）を原料粉末として使用する場合には、これを圧粉成形体とし、焼結に先立って、例えば、１０^−１Ｐａ以下の真空雰囲気中、もしくは熱処理容器を窒素ガスやアルゴンガス等で置換した雰囲気中で、到達温度４５０〜１２００℃で３０ｍｉｎ以上の熱処理を行うことによって、タングステン粒子表面を清浄化すると、焼結反応が進行しやすくなるために、相対的に低圧条件、低温度領域であっても、短時間で焼結体の高密度化を図ることが可能である。
また、タングステン粒子粉末の平均粒径は、全体として０．２５〜５０μｍの範囲内であることは必要であるが、粒径分布度数のピークが一つである(単峰ピークの粒度分布を示す)必要はなく、複数の粒径分布度数ピーク(多峰性の頻度粒度分布)を備えたタングステン粒子粉末を用いることもできる。この場合、粒径の大きな粒子間隙に粒径の小さい粒子が入り込むことによって、空隙を少なくすることができるため、相対的に低圧条件、低温度領域であっても焼結反応が進行し、焼結体のより一層の高密度化が図られるとともに、熱衝撃に耐性を有する焼結体が得られる。
いずれにしても、上記のような条件で焼結し、十分な焼結時間を与えることで、高温・高圧下のタングステン粒子を塑性変形させ、また、再配列させることで、高密度のタングステン焼結体を得ることができる。
なお、焼結圧力、焼結温度の上限値は特に定めるものでないが、実操業の観点からは、焼結圧力は１〜１０ＧＰａ、また、焼結温度は１０００〜２０００℃の範囲内であれば、本発明で規定する特性を備えた焼結体を得ることができる。

本発明による抵抗溶接用タングステン電極材料は、相対密度が９８．５％以上という焼結体構造を有することにより、熱伝導性・電気伝導性を低下させることなく、耐熱衝撃、耐熱塑性変形にすぐれ、被溶接材料との溶着発生もなく、例えば、リチウムイオン電池の電極として利用される多数枚の銅箔やアルミ箔の積層体の抵抗溶接に用いた場合、銅箔またはアルミ箔の積層枚数６０〜１２０枚、積層厚さ４２０〜８４０μｍ、電極の加圧力３５０ｋｇ/ｃｍ^２、電流１５０００Ａ以上の厳しい溶接条件下でも、特段の溶接不良を生じることなく、連続して１１０回以上の打点回数（ショット）の溶接が可能である。

本発明の抵抗溶接用タングステン電極材料は、従来に比して大電流条件下で抵抗溶接を行った場合であっても、被溶接材料との溶着およびこれによる割損を生じることなく、また、熱伝導性・電気伝導性を低下させることなく、耐熱衝撃、耐熱塑性変形にすぐれ、特段の溶接不良を生じることなく長時間に亘っての連続した溶接が可能となり、抵抗溶接用タングステン電極材料の大幅な長寿命化を図ることができた。

抵抗溶接用電極の性能評価のために実施した抵抗溶接の概略説明図である。

以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。

原料として、表１に示す平均粒径を有する純度：９９．９０質量％以上のタングステン粒子粉末を用意し、これを、同じく表１に示す焼結条件で加圧焼結することにより、同じく表１に示す相対密度を有する本発明のタングステン焼結体１〜２１を作製した。
なお、本発明タングステン焼結体１９〜２１の作製に当たっては、原料粉末として、表１に示す複数の粒径分布度数ピーク(多峰性の頻度粒度分布)を備えたタングステン粒子粉末を用いた。
また、本発明のタングステン焼結体１２，１３，１８〜２１については、タングステン粒子粉末から圧粉成形体を作製した後、焼結に先立って、１０^−１Ｐａの真空雰囲気中で到達温度５８０〜６２０℃で３０〜４０ｍｉｎの真空熱処理を施した。
ついで、これらの焼結体を加工し直径８（ｍｍ）×長さ５０（ｍｍ）の抵抗溶接用タングステン電極１〜２１（以下、「本発明電極１〜２１」という）を作製した。

また、比較のために、表２に示す平均粒径及び純度のタングステン粒子粉末を用意し、これを、同じく表２に示す焼結条件で加圧焼結することにより、同じく表２に示す相対密度を有する比較例のタングステン焼結体１〜１１を作製し、さらに、これらの焼結体を加工し、直径８（ｍｍ）×長さ５０（ｍｍ）の抵抗溶接用タングステン電極（以下、「比較例電極１〜１１」という）を作製した。
なお、比較例タングステン焼結体１１については、原料粉末として、表２に示す複数の粒径分布度数ピーク(多峰性の頻度粒度分布)を備えたタングステン粒子粉末を用いた。
また、比較例のタングステン焼結体１０，１１については、実施例の場合と同様に、タングステン粒子粉末から圧粉成形体を作製した後、焼結に先立って、１０^−１Ｐａの真空雰囲気中で到達温度５８０〜６２０℃で３０〜４０ｍｉｎの真空熱処理を施した。

さらに参考のために、表２に示す平均粒径及び純度のタングステン粒子粉末を用意し、これを、焼結して、同じく表２に示す相対密度を有する従来例のタングステン焼結体１、２（以下、「従来例焼結体１、２」という）を作製し、さらに、これらの焼結体を加工し、直径８（ｍｍ）×長さ５０（ｍｍ）の抵抗溶接用タングステン電極（以下、「従来例電極１、２」という）を作製した。
ここで、従来例電極１は、特許文献３に記載の製法（つまり、タングステン焼結合金を、熱間圧延、焼鈍、温間圧延することによって、繊維状の加工組織を形成）によって得た電極であり、また、従来例電極２は、タングステン粉末をホットプレス後にＨＩＰ処理を実施することによって得た電極である。

上記本発明電極１〜２１、比較例電極１〜１１および従来例電極１、２の性能を調査するため、銅箔（厚さ：７μｍ）やアルミ箔（厚さ：７μｍ）をそれぞれ６０〜１２０枚重ね合わせた全体厚み４２０〜８４０μｍの銅やアルミの積層被溶接材に対して、図１に概略を示す溶接装置で、溶接電流は銅箔の場合１８０００〜５５０００Ａ，アルミ箔の場合８０００〜２００００Ａ、加圧力：３５０ｋｇ／ｃｍ^２の条件で、電気抵抗溶接を行い、電極とワークとの溶着が発生してナゲットが形成されなくなるまで、あるいは、電極の割損、変形等により電極が使用不能となるまでの抵抗溶接打点（ショット）回数を測定し、その結果を表３および表４に示した。
また、抵抗溶接打点（ショット）回数を測定した際の電極の状態、損傷の形態等を備考欄に記した。

表３に示される結果によれば、本発明電極１〜２１は、クラックの発生、溶着発生によって電極寿命に至るものの、本発明電極１〜２１の抵抗溶接打点（ショット）回数は、少なくとも、１１０回以上を示している。
これに対して、表４に示される結果によれば、タングステンの純度、焼結体の密度の双方が、本発明で定めた値を外れる比較例電極１、２については、割損発生のために抵抗溶接打点（ショット）回数は２回以下であり、また、タングステンの純度、焼結体の密度のいずれか一方が、本発明で定めた値を外れる比較例電極３〜１１、従来電極１、２においても、クラック発生、溶着発生、割損により、抵抗溶接打点（ショット）回数はせいぜい１５回までであった。
つまり、本発明で規定する要件を備える本発明のタングステン焼結体からなる抵抗溶接用電極は、大電流条件下で使用した場合であっても、優れた特性を発揮し、長寿命を有するものであることが分かる。

この発明の抵抗溶接用タングステン電極材料は、被溶接材が銅とアルミの積層体である場合に限られず、亜鉛めっき鋼板、銅線等のあらゆる被溶接材料の抵抗溶接用タングステン電極として用いることができるばかりか、長時間に亘り連続的な使用が可能であり、電極寿命の長寿命化が図られる。

Claims

純度９９．９０質量％以上、かつ、平均粒径０．２５〜５０μｍの純タングステン粒子粉末を焼結した焼結体からなる抵抗溶接用タングステン電極材料であって、該焼結体の相対密度が９８．５％以上であることを特徴とする抵抗溶接用タングステン電極材料。
前記抵抗溶接用タングステン電極材料は、１００００Ａ以上の溶接電流が流れる抵抗溶接用電極材料として用いられることを特徴とする請求項１に記載の抵抗溶接用タングステン電極材料。