JP2020510747A - 抵抗溶接用電極コーティング方法および抵抗溶接用電極 - Google Patents
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Abstract
Description
一般に使用されている抵抗溶接電極は、優れた電気伝導度と強度向上のために銅系合金(Cu−Cr、Cu−Be、Cu−Cr−Ni系など)で作られた電極を使用しているが多数回溶接を行うと溶接時に発生するアーク熱により銅系合金でなる電極は摩耗および劣化が起こり、そのため、溶接品質が急激に劣るようになり、電極を交換したり電極表面を研磨して再使用しなければならない。
このため、電極寿命低下(電極交換、電極表面研磨および再設置時間を含む)による生産性の低下が発生する。特に、低融点合金を含むZn系メッキ鋼板やAl系メッキ鋼板溶接時は低融点メッキ素材が熱発生部位である電極と反応してメッキ層が電極にくっつく現像により電極寿命が短縮され、特に自動車用鋼板として広く使用されるZn系合金を利用したメッキ鋼板溶接時には電極寿命が一般鋼板の使用時に比べ10%以下に急激に低下する問題がある。これにより、頻繁に溶接を中止して電極を研磨する必要があり、生産性が低下し、電極使用費用も増大する。
前記炭化タングステン(WC)を設定された平均粒度を有する粉末として形成する炭化タングステン粉末形成段階、および
前記炭化タングステン(WC)粉末を前記電極表面に粉末溶融なしに常温でコーティングが可能な低温噴射(cold spray)コーティング工程により高速で噴射して設定されたコーティング厚さにコーティングする炭化タングステン粉末コーティング段階を含み、
前記炭化タングステン粉末形成段階で形成された炭化タングステン(WC)粉末は炭化タングステン(WC)を95重量%以上、且つ100重量%未満含み、残部としてCo、Ni、Cu、Crからなる群より選択されるいずれか一つ以上の物質またはこれらの合金、およびその他不可避な不純物を含むことを特徴とする。
前記コーティング厚さは10〜100μmの大きさを有するものであることができる。
前記抵抗溶接用電極コーティング方法により得られた抵抗溶接用電極を利用してスポット溶接時、400打点以上で6kN以上の溶接強度を有するものであることが好ましい。
前記低温噴射コーティング工程は、噴射ガスを設定された加熱温度および圧力条件で加速させて炭化タングステン粉末を電極表面に衝突させて積層させるものであることができる。
前記噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなるものであることが好ましい。
前記噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であるものであることができる。
前記コーティング層で前記炭化タングステン(WC)粉末粒子が前記電極表面に埋め込まれる深さは5μm以上、且つ50μm以下であるものであることがよい。
前記電極表面にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)粉末を前記電極表面に粉末溶融なしに常温でコーティングが可能な低温噴射(cold spray)コーティング工程により噴射ガスと共に設定された加熱温度および圧力条件で高速に噴射して設定されたコーティング厚さに形成されるコーティング層を含み、
前記炭化タングステン(WC)粉末は、炭化タングステン(WC)を95重量%以上、且つ100重量%未満含み、残部としてCo、Ni、Cu、Crからなる群より選択されるいずれか一つ以上の物質またはこれらの合金、およびその他不可避な不純物を含み、
前記コーティング層は、前記炭化タングステン(WC)粉末粒子が前記電極表面に深さ方向に埋め込まれて積層されて形成されるものであることを特徴とする。
前記コーティング厚さは10〜100μmの大きさを有するものであることができる。
前記噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなるものであることができる。
前記噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であるものであることができる。
本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に理解できるように、後述する実施形態は本発明の概念と範囲を逸脱しない限度内で多様な形態に変形可能である。できる限り同一または類似の部分は図面で同一の図面符号を用いて示す。
以下で使用される専門用語は単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数の形態は、文句がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数の形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および/または群の存在や付加を除外させるものではない。
以下で使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有するものに追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味に解釈されない。
図1に示したとおり、本発明の一実施形態に係る抵抗溶接用電極コーティング方法は、薄板の抵抗溶接、特にZn、Alなどメッキ鋼板の抵抗溶接時に電極の寿命を増大するための電極表面コーティング方法であって、電極表面にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)を準備する炭化タングステン準備段階(S10)、炭化タングステン(WC)を設定された平均粒度を有する炭化タングステン(WC)粉末として形成する炭化タングステン粉末形成段階(S20)、および炭化タングステン(WC)粉末を電極表面に高速に噴射して設定されたコーティング厚さにコーティングする炭化タングステン粉末コーティング段階(S30)を含む。
また、炭化タングステン粉末コーティング段階(S30)で電極表面にコーティングを行った後、コーティング表面を研磨するコーティング表面研磨段階(S40)を含むことができる。
このコーティング表面研磨段階(S40)は、研磨紙または研摩機などでコーティング表面を設定された表面粗さを有するように研磨を行う。
炭化タングステン粉末準備段階(S20)は、炭化タングステンを粉砕機などにより粉砕して設定された平均粒度を有する炭化タングステン粉末として形成する。
積層効率を上げるために炭化タングステン(WC)粉末に金属粉末(Cu、Niなど)を混合して使用することができるが、下記の比較例1、比較例2の結果から分かるように金属と亜鉛(Zn)など低融点メッキ層との反応が増大してメッキ層が電極に付着、溶接不良により電極寿命増大効果を得ることができないため、炭化タングステン(WC)を95重量%以上、且つ100重量%未満で含む炭化タングステン(WC)粉末を使用する。
炭化タングステン粉末の平均粒度を上記のように限定する臨界的意義は、一般に低温噴射コーティング素材の場合、1μm以下の粉末は過度に軽くてコーティング層が形成されず、50μm以上である場合には同一の工程条件下で十分な速度に加速されず、積層効率が低下するためである。
したがって、一般に低温噴射コーティングに使用される炭化タングステン粉末(素材)の平均粒度は1〜50μmの大きさを有することがコーティング層形成と積層効率の観点から最適である。
電極のコーティング厚さは10〜100μmの大きさを有することができる。
コーティングの厚さを上記のとおりに設定する理由は、コーティングの厚さが10μm以下ではコーティングの効果を得ることが難しく、コーティングの厚さが100μm以上では電気抵抗増大による溶接不良およびコーティング剥離の可能性が増大するためである。
したがって、電極のコーティング厚さは10〜100μmの厚さにすることがコーティング効果、および電気抵抗増大による溶接不良およびコーティング剥離防止の観点から最適である。
このように、コーティング工程が既存の溶射(thermal spray)コーティング工程に比べて、本発明では粉末溶融なしに低温噴射コーティング工程のみで実行されるため、炭化タングステン(WC)粉末粒子が母材(電極)表面に深さ方向に埋め込まれてコーティング層を形成することができる。
ここで、母材(電極表面)の深さ方向は母材の表面から垂直内部への方向をいう。
つまり、既存の溶射(Thermal spray)コーティング工程とは異なり、本発明の低温噴射(Cold spray)コーティング工程はコーティング素材(粉末)を高温の火炎に露出、溶融させずに常温でコーティング素材を超高速に加速させ、加速されたコーティング素材を素材(電極表面)に衝突させて母材(電極)表面と粉末粒子、粉末粒子と粉末粒子間の界面で物理的に接合させて固相状態でコーティング層を形成する工程である。
(1)相対的に硬質(Hard)の炭化タングステン(WC)粉末粒子が、軟質(Soft)の母材(Cu系電極)に衝突することにより母材(電極)表面に埋め込まれる現像が発生する。
工程条件と粒子大きさにより母材(電極)表面に炭化タングステン(WC)粉末粒子が深さ方向に埋め込まれる深さは5μm以上、且つ50μm以下であることが好ましい。
これに対し、既存の溶射コーティング工程では溶融された粒子が母材(電極)に衝突して凝固するため、本発明のように粒子が埋め込まれる現像が発生しない。
(2)高速に衝突させてコーティングする工程であることから、結合力が強力でコーティング前に追加的に母材(電極)表面を粗く整える作業(グリットブラスティング:grit blasting)を行う必要がない。
これに対し、既存の溶射コーティング工程では溶融された粒子が衝突、凝固して機械的に結合をしなければならず、コーティング前に母材(電極)表面を粗くして最大限に接触面積を広げて結合力を向上させる必要があるため、5〜20マイクロの表面粗さ(Ra)が形成された抵抗溶接用電極を使用する。
ここで、工程ガスの温度と圧力を上げる目的はコーティング素材を溶かす目的でなく、単に速度を付与するためである。
ここで、噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなることができる。
また、噴射ガスの加熱温度は200〜1100℃の範囲内であってよい。
また、噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であることができる。
噴射ガスの設定圧力をこのように設定する理由は、噴射ガスの設定圧力が15bar以下の条件では粒子速度が低くて積層が起こらないためであり、また、噴射ガスの設定圧力が75bar以上の条件では粒子速度が過度に速くて母材に亀裂を発生させる虞があるためである。
電極表面にコーティングするためのコーティング素材として、金属粉末が混合されていない炭化タングステン(WC)のみからなる炭化タングステン(WC)を準備し(S10)、炭化タングステンの設定された平均粒度は、例えば1〜50μmの大きさを有する粉末として形成する(S20)。
ここで、コーティング素材としては亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)などの低融点メッキ素材との反応を最小化でき、電気伝導性および耐摩耗性に優れた炭化タングステン(WC)を使用する。
その後、炭化タングステン粉末コーティング段階(S30)で電極表面にコーティングを行った後、コーティング表面を研磨紙または研摩機などにより設定された表面粗さを有するように研磨する(S40)。
[表1]にスポット溶接のための電極種類を示した。従来例は無コーティング電極として銅(Cu)系合金電極をそのまま使用した。各コーティングに使用した素材は粉末の形態で使用され、金属粉末の大きさは5〜50μmの粉末を使用し、炭化タングステン(WC)粉末は5〜10μmの大きさの粉末を使用した。電極にコーティング後、コーティング表面は600番研磨紙で表面を研磨後、溶接試験を実施した。溶接に使用した鋼板は厚さ1.2mmの亜鉛(Zn)合金メッキ鋼板である。
[表2]には使用されたスポット溶接条件を示した。
[表3]には同一の溶接条件で溶接時、100打点間隔で引張試片を溶接して引張強度を測定した溶接強度の結果を示した。
溶接強度で比較例1は従来例と比較して溶接強度の側面からほぼ類似の強度を示し、また同様に300打点あるいは400打点以降過度に多いスパッタの発生で溶接試験を中止した。
比較例2は従来例と比較して溶接強度が顕著に落ち、メッキ層との反応により溶接電極がメッキ鋼板とくっついて中止した。反面、発明例1の電極は従来例と比較して500打点までも高い強度を維持することが分かり、メッキ層との反応もほとんど発生しなかった。
低温噴射コーティング工程の特性上、炭化タングステン(WC)粉末に銅(Cu)、ニッケル(Ni)金属粉末が混合されたコーティング層は、金属基材内に炭化タングステン(WC)粉末が均一に分布しており、炭化タングステン(WC)粉末を用いた場合は銅(Cu)母材より相対的に硬質(Hard)の炭化タングステン(WC)粒子が母材に埋め込まれる形態にコーティングが形成されることが分かる。
本発明の一実施例による抵抗溶接用電極コーティング装置は、下記で特に説明する事項以外は本発明の一実施例による抵抗溶接用電極コーティング方法で説明した事項と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
図5に示したとおり、本発明の一実施例による抵抗溶接用電極コーティング装置は、電極10の表面11にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)を設定された平均粒度を有する粉末に粉砕するための粉砕機100、粉砕機100で粉砕された炭化タングステン(WC)粉末を常温で噴射ガスと共に設定された加熱温度および圧力条件で加速させる加速器200、および電極表面11の上部に配置され、加速器200で加速された噴射ガスを炭化タングステン(WC)粉末と共に電極表面10に高速に噴射して設定されたコーティング厚さのコーティング層20を形成する低温噴射(cold spray)コーティング機300を含む。
このような抵抗溶接用電極は、電極10の外側面をなす電極表面11と、電極表面11にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)粉末を電極表面11に粉末溶融なしに常温でコーティングが可能な低温噴射(cold spray)コーティング工程により噴射ガスと共に設定された加熱温度および圧力条件で高速に噴射して設定されたコーティング厚さに形成されるコーティング層20と、を含む。
また、コーティング層20は、炭化タングステン(WC)粉末粒子が電極表面11に深さ方向に埋め込まれて積層されて形成されるものであることがよい。
炭化タングステン粉末の平均粒度は1〜50μmの大きさを有することが好ましい。
コーティング厚さは10〜100μmの大きさを有することができる。
ここで、電極表面11の深さ方向とは図5に示したとおり、電極10の上下方向、つまり、電極表面11から電極10内部方向を指す。
電極表面10のコーティング層20は研摩機(図示せず)により設定された表面粗さを有するように練磨され得る。
噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなることができる。
噴射ガスの加熱温度は200〜1100℃の範囲内であることがよい。
噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であることができる。
11:(電極)表面
20:コーティング層
100:粉砕機
200:加速器
300:コーティング機
Claims (18)
- 電極表面にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)を準備する炭化タングステン準備段階、
前記炭化タングステン(WC)を設定された平均粒度を有する粉末として形成する炭化タングステン粉末形成段階、および
前記炭化タングステン(WC)粉末を前記電極表面に粉末溶融なしに常温でコーティングが可能な低温噴射(cold spray)コーティング工程により高速で噴射して設定されたコーティング厚さのコーティングにコーティングする炭化タングステン粉末コーティング段階を含み、
前記炭化タングステン粉末形成段階で形成された炭化タングステン(WC)粉末は、炭化タングステン(WC)を95重量%以上、且つ100重量%未満含み、残部としてCo、Ni、Cu、Crからなる群より選択されるいずれか一つ以上の物質またはこれらの合金、およびその他不可避な不純物を含むことを特徴とする抵抗溶接用電極コーティング方法。 - 前記炭化タングステン粉末形成段階で炭化タングステン粉末の平均粒度は1〜50μmの大きさを有するものであることを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記コーティング厚さは10〜100μmの大きさを有するものであることを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記抵抗溶接用コーティング方法により得られた抵抗溶接用電極を利用してスポット溶接時、400打点以上で6kN以上の溶接強度を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記炭化タングステン粉末コーティング段階で電極表面にコーティングを行った後、前記コーティング表面を研磨するコーティング表面研磨段階を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記低温噴射コーティング工程は、噴射ガスを設定された加熱温度および圧力条件で加速させて炭化タングステン粉末を電極表面に衝突させて積層させるものであることを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなるものであることを特徴とする請求項6に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記噴射ガスの加熱温度は200〜1100℃の範囲内であるものであることを特徴とする請求項7に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であるものであることを特徴とする請求項8に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記炭化タングステン粉末コーティング段階で炭化タングステン(WC)粉末粒子が電極表面に深さ方向に埋め込まれてコーティング層を形成するものであることを特徴とする請求項9に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 前記コーティング層で前記炭化タングステン(WC)粉末粒子が前記電極表面に埋め込まれる深さは5μm以上、且つ50μm以下であるものであることを特徴とする請求項10に記載の抵抗溶接用電極コーティング方法。
- 電極の外側面をなす電極表面、および
前記電極表面にコーティングするためのコーティング素材として、炭化タングステン(WC)粉末を前記電極表面に粉末溶融なしに常温でコーティングが可能な低温噴射(cold spray)コーティング工程により噴射ガスと共に設定された加熱温度および圧力条件で高速に噴射して設定されたコーティング厚さに形成されるコーティング層を含み、
前記炭化タングステン(WC)粉末は、炭化タングステン(WC)を95重量%以上、且つ100重量%未満含み、残部としてCo、Ni、Cu、Crからなる群より選択されるいずれか一つ以上の物質またはこれらの合金、およびその他不可避な不純物を含み、
前記コーティング層は、前記炭化タングステン(WC)粉末粒子が前記電極表面に深さ方向に埋め込まれて積層されて形成されるものであることを特徴とする抵抗溶接用電極。 - 前記炭化タングステン粉末の平均粒度は1〜50μmの大きさを有するものであることを特徴とする請求項12に記載の抵抗溶接用電極。
- 前記コーティング層のコーティング厚さは10〜100μmの大きさを有するものであることを特徴とする請求項12に記載の抵抗溶接用電極。
- 前記コーティング層で前記炭化タングステン(WC)粉末粒子が前記電極表面に埋め込まれる深さは5μm以上、且つ50μm以下であるものであることを特徴とする請求項12乃至請求項14のいずれか1項に記載の抵抗溶接用電極。
- 前記噴射ガスは、窒素およびヘリウムのうちのいずれか一つのガス、またはこれらの混合ガスからなるものであることを特徴とする請求項12に記載の抵抗溶接用電極。
- 前記噴射ガスの加熱温度は200〜1100℃の範囲内であるものであることを特徴とする請求項16に記載の抵抗溶接用電極。
- 前記噴射ガスの設定圧力は15〜75bar範囲内であるものであることを特徴とする請求項17に記載の抵抗溶接用電極。
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