JP2022536384A - 溶接電極および該溶接電極の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板金間において多数の抵抗溶接継手や長いシーム長を可能にする汎用的な溶接電極を提供する。【解決手段】抵抗溶接用の溶接電極は、少なくとも一部が第１の金属からなる溶接用ツールで構成されている。同溶接用ツールは、溶接対象のワーク９と接触する接触面１を有する。接触面１は、ホウ素および／またはリンがドープされたダイヤモンドで形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載されているとおり、抵抗溶接用の溶接電極に関する。本発明は、さらに、このような溶接電極の使用方法に関する。

例えば、J.F. Key, T.H. Courtney: Refractory Metal Composite Tips for Resistance-Spot Welding of Galvanized Steel, Welding Research Supplement, 261-266, 1974（非特許文献１）から、抵抗溶接用、特には抵抗スポット溶接用の、溶接電極が知られている。

抵抗スポット溶接用の溶接電極は、通常、抵抗スポット溶接装置の電極ホルダに差し込まれることが可能なキャップを、溶接用ツールとして具備している。ロールシーム溶接には、溶接用ツールとしてディスクが使用される。鋼板間に溶接継手を作製する場合、このような溶接電極は、例えば、焼結ＣｕＡｌ_２Ｏ_３系合金、焼結ＣｕＣｒ系合金、焼結ＣｕＣｒＺｒ系合金等から構成される。

近年、アルミニウム板間に溶接継手を作製したいという需要が、特に自動車産業において存在する。従来の溶接電極では、特にスポット溶接継手の作製において、溶接対象のアルミニウム板に溶着（スティック）してしまう。

J.F. Key, T.H. Courtney: Refractory Metal Composite Tips for Resistance-Spot Welding of Galvanized Steel, Welding Research Supplement, 261-266, 1974

本発明の目的は、従来技術の不都合な点を解消することである。特には、板金間において多数の抵抗溶接継手や長いシーム長を可能にする汎用的な溶接電極を提供する。本発明の他の目的では、該溶接電極の使用方法を提示する。

この課題は、請求項１および請求項１４の構成によって解決される。従属請求項に、本発明の実用的な実施形態を示す。

本発明では、ホウ素および／またはリンがドープされたダイヤモンドで接触面が形成された抵抗溶接用の溶接電極を提案する。本提案の溶接電極を用いることにより、驚くべきことに、溶着を起こすことなく板金間、特にはアルミニウム板間に１，４００箇所を超える溶接継手、特にはスポット溶接継手を作製することが可能である。具体的に述べると、現時点で分かっている範囲では、２枚のアルミニウム板間にスポット溶接継手を作製する場合、本発明にかかるダイヤモンド層により、当該アルミニウム板の表面に形成されたＡｌ_２Ｏ_３のパッシベーション層の少なくとも一部を機械的に突き破ることで、同ダイヤモンド層が金属アルミニウムに直に接触するようになると考えられる。結果として、前記溶接電極と前記アルミニウム板との接触抵抗を大幅に低減させることが可能になる。これにより、前記溶接電極の前記接触面側の領域で前記アルミニウム板が溶融しなくなるので、前記溶接電極との溶着が阻止される。

有利な一実施形態において、前記ダイヤモンドは、５００～２０，０００ｐｐｍのホウ素、好ましくは２，０００～１０，０００ｐｐｍのホウ素がドープされている。これに加えて又はこれに代えて、前記ダイヤモンドは、５００～２０，０００ｐｐｍのリンがドープされていてもよい。これにより、抵抗溶接工程を３０ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で実施することが可能になる。これは、板金溶接の従来の抵抗溶接方法と比べて約３０倍の電流密度に相当する（従来の方法で用いられる電流密度は、通常、１ｋＡ／ｃｍ^２である）。用いる電流密度を極めて高くできるので、抵抗溶接継手を高速で実現することが可能になる。特に、溶接対象のワークが広い領域にわたって不所望に加熱されてしまうことがなくなる。

さらなる有利な実施形態において、前記ダイヤモンドは、ＣＶＤ工程でダイヤモンド層として作製されている。ＣＶＤ工程では、前記溶接電極に対して、前記ダイヤモンド層を気相からｉｎ－ｓｉｔｕで堆積させる。このようにして作製されたダイヤモンド層は、抵抗溶接の極限条件下でも驚くほど良好な耐久性を示すということが分かっている。

有利には、前記ダイヤモンド層の厚さは、０．５～５０μｍであり、好ましくは１～１０μｍである。有利には、前記ダイヤモンド層の表面粗さは、平均粗さ深さＲｚ＞１μｍである。これらのパラメータを有するダイヤモンド被膜の特徴として、前記溶接電極の寿命の向上が挙げられる。

さらなる有利な実施形態において、前記接触面の５０％超が、ダイヤモンド結晶、好ましくは共に成長したダイヤモンド単結晶の、（１１１）面または（００１）面を形成するファセットで構成されている。好適には、前記ダイヤモンド層のうちの、前記接触面とは反対側の成長領域が、キャップ側の中間層と接している。特には、前記ダイヤモンド単結晶が、前記中間層から前記接触面へと主に［１１１］または［１１０］方向に延在しているものとされる。すなわち、前記ダイヤモンド単結晶は、前記中間層から前記接触面へと、結晶粒界が主に前記接触面と略直交するようにして延在している。本提案の構造のダイヤモンド層の特徴として、優れた電気伝導率及び熱伝導率が挙げられる。

さらなる有利な実施形態において、前記中間層は、前記第１の金属の炭化金属化合物および／もしくは窒化金属化合物および／もしくはホウ化金属化合物、または前記第１の金属とは異なる第２の金属の炭化金属化合物および／もしくは窒化金属化合物および／もしくはホウ化金属化合物で形成されている。特には、前記第１の金属および／または第２の金属が、８００℃の温度まで安定な炭化化合物および／または窒化化合物および／またはホウ化化合物を形成している。前記第１の金属および／または第２の金属は、特には、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷおよびＴａの少なくとも１種で構成されていてもよい。前記中間層は、ＣＶＤ工程においてｉｎ－ｓｉｔｕで直に形成されたものであってもよいし、あるいは、６００℃～１，０５０℃の温度で別途形成されたものであってもよい。

例えば、前記第１の金属は、合金成分としてＣｕを含有するＷであり得る。このとき、前記中間層は、前記ダイヤモンド層を堆積させるＣＶＤ工程で直に形成されてもよい。この場合、ＷＣが前記中間層として形成される。また、例えば、前記第１の金属は、合金成分としてＦｅを含有するＷで構成されていてもよい。このとき、第１のＣＶＤ工程において、前記第１の金属上に中間層としてＴｉＮ層が堆積される。この層には、Ｂがドープされていてもよい。次に、第２のＣＶＤ工程において、前記中間層上に前記ダイヤモンド層が堆積される。

好ましくは、前記第１の金属は、合金成分としてＣｕまたはＦｅを含んでいてもよく、あるいは、Ａｇを含んでいてもよい。

前記溶接用ツールは、前記第１の金属のほかに、一部が第３の金属で形成されていてもよい。前記第３の金属は、主成分としてＣｕを含有し得る。すなわち、前記溶接用ツールは、前記接触面を形成する少なくとも一部が、例えばＷ系合金、Ｍｏ系合金等で形成されていてもよい。他にも、該溶接用ツールは、例えばＣｕ系合金等の別の金属によって構成されていてもよい。このような溶接用ツールは、比較的安価に製造することができる。

前記溶接用ツールは、抵抗スポット溶接装置の電極ホルダに嵌装されるキャップであり得る。しかしながら、前記溶接用ツールは、ローラーシーム溶接装置のディスクとすることも可能である。

本発明のさらなる態様では、本発明にかかる溶接電極の使用方法であって、金属酸化物のパッシベーション層を有する第４の金属からなるワーク間に溶接継手を作製するための使用方法を提案する。

本発明の意味での「金属」という用語は、一般的な解釈がなされるべきである。すなわち、「金属」は、合金も指し得る。

「第４の金属」は、空気と接触することで表面上に酸化物層を自発的に形成する金属であると解釈されたい。好ましくは、前記第４の金属は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｕからなる群から選択される。具体的に述べると、アルミニウムは、表面上にＡｌ_２Ｏ_３のパッシベーション層を自発的に形成する。Ａｌ_２Ｏ_３は、電気絶縁性を示すと共に、高い硬度（ビッカース硬さ：約２，０００）を有する。本発明にかかる溶接電極に設けられたダイヤモンド層は、それよりも高い硬度、すなわち、７，０００～１０，０００のビッカース硬さを有する。その結果、本発明にかかる溶接電極は、例えばアルミニウム板等に形成するパッシベーション層を突き破ることができるので、前記ダイヤモンド層と同パッシベーション層の下にある金属的導電部分との直接的な電気的接触が確立されることになる。結果として、本発明にかかる溶接電極は、溶接対象の板金に溶着することなく溶接継手を作製することができる。この効果は、金属酸化物のパッシベーション層を形成する他の第４の金属（例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｕ等）にも当てはまる。

好都合には、前記溶接継手は、抵抗スポット溶接によって作製される。しかしながら、本発明にかかる溶接電極の設計を対応させることにより、例えば、直線状の溶接継手を作製することも想定され得る。

以下では、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

溶接キャップの上面図である。 図１の切断線Ａ－Ａ’による前記溶接キャップの断面図である。 図１の底面図である。 溶接キャップの表面と溶接対象の板金とについての概略断面図である。

図１から図３に、キャップ又は溶接キャップの形態の溶接電極を示す。同溶接電極は、ダイヤモンド層２の自由表面を形成している接触面１を有する。参照符号３は、例えばＷ、Ｍｏ、又はＭｏもしくはＷを主成分として含有する合金等で形成された部位を示す。参照符号４は、中間層を示す。本具体例において、中間層４は、実質的にＷＣ又はＭｏＣで形成されている。中間層４は、ダイヤモンド層２の作製時にＣＶＤ工程によりｉｎ－ｓｉｔｕで形成することが可能である。

参照符号５は、前記溶接キャップの基部を示す。基部５は、部位３を形成する第１の金属とは異なる第３の金属で形成してもよい。基部５を作製するための第３の金属としては、部位３の作製に用いられる前記第１の金属よりも安価な金属が選択されてもよい。例えば、基部５は、純銅または銅系合金（特には、ＣｕＡｌ_２Ｏ_３系合金、ＣｕＣｒ系合金もしくはＣｕＣｒＺｒ系合金）で形成されてもよい。当然ながら、基部５を省略し、前記キャップを、部位３を形成する前記第１の金属からなるものとしてもよい。

図示しないさらなる実施形態では、部位３を省略することも可能である。この場合の前記溶接キャップは、例えば、従来どおり銅系合金からなる。この場合、中間層４を別途付与する必要がある。前記中間層は、炭化物形成金属で形成され得る。例えば、前記中間層は、Ｔｉを含有し得る。その場合、ＣＶＤ工程により、そのような中間層４上にダイヤモンド層２が堆積され得る。

図４に、Ｗ系またはＭｏ系合金で形成された部位３を概略的に示す。同合金は、結晶粒界に粒界相６を有し得る（同図には、結晶粒界の一部のみを例示している）。粒界相６は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはＣｕ等で構成されている。ｉｎ－ｓｉｔｕ成膜の場合、エッチングおよび／または粒子ブラストにより粒界相６を表面的に除去するのが好都合である。これにより、ダイヤモンド層２と中間層４との結合強度が向上する。

中間層４から延出するダイヤモンド結晶７は、５０％超がダイヤモンド単結晶である。参照符号８で示すダイヤモンド結晶７のファセットは、（１１１）面または（００１）面で構成されている。参照符号Ｐは、ダイヤモンド層２内の電流方向を表す矢印を指している。同電流は、ダイヤモンド結晶７の［１１１］方向と平行に、また［１１０］方向と平行に流れる。

ダイヤモンド層２の接触面１は、ファセット８全体によって形成されている。接触面１は、例えばアルミニウム系合金からなる溶接対象のワーク９に対向して設けられている。ワーク９は、その表面に金属酸化物層１０を有する。

図示しないが、前記溶接用ツールは、キャップではなくディスクからなるものとされてもよい。このようなディスクは、ローラーシーム溶接装置に使用される。この場合の接触面１は、同ディスクの周縁部に形成されることになる。同ディスクでは、部位３および場合によっては基部５も、図１～図３に図示した前記キャップと同様の順序で内径側位置に設けられる。

ワーク９と別のワーク（図示せず）との間に溶接継手を作製するために、ダイヤモンド層２が金属酸化物層１０に押し付けられる。５～６０ｋＡ／ｃｍ^２の範囲内、好ましくは１０～２０ｋＡ／ｃｍ^２の範囲内の電流密度が生じることになる。この工程では、ワーク９が、対向して設けられた別のワーク（図示せず）であって、本発明にかかる追加の溶接電極（図示せず）により当該ワーク９に押し付けられた別のワークに溶接される。

本提案の溶接電極により、特にアルミニウム板に対し、同溶接電極と当該アルミニウム板との間に溶着を生じさせることなく１，０００箇所を超えるスポット溶接を実施することが可能となる。

１ 接触面
２ ダイヤモンド層
３ 部位
４ 中間層
５ 基部
６ 粒界相
７ ダイヤモンド結晶
８ ファセット
９ ワーク
１０ 金属酸化物層
Ｐ 矢印

Claims (16)

1. 少なくとも一部が第１の金属からなる溶接用ツールで構成された抵抗溶接用の溶接電極であって、前記溶接用ツールが、溶接対象のワーク（９）と接触する接触面（１）を有する、溶接電極において、
   前記接触面（１）は、ホウ素および／またはリンがドープされたダイヤモンドで形成されていることを特徴とする、溶接電極。
2. 請求項１に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンドは、５００～２０，０００ｐｐｍのホウ素がドープされている、溶接電極。
3. 請求項１または２に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンドが、ＣＶＤ工程でダイヤモンド層（２）として作製されている、溶接電極。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンド層（２）の厚さが、０．５～５０μｍであり、好ましくは１～１０μｍである、溶接電極。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンド層（２）の表面粗さが、平均粗さ深さＲｚ＞１μｍである、溶接電極。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記接触面（１）の５０％超が、ダイヤモンド結晶、好ましくはダイヤモンド単結晶の、（１１１）面または（００１）面を形成するファセットで構成されている、溶接電極。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンド層（２）のうちの、前記接触面（１）とは反対側の成長領域が、中間層（４）と接している、溶接電極。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記ダイヤモンド結晶（７）が、前記中間層（４）から前記接触面（１）へと［１１１］または［１１０］方向に延在している、溶接電極。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記中間層（４）が、前記第１の金属の炭化化合物および／もしくは窒化化合物および／もしくはホウ化化合物、または前記第１の金属とは異なる第２の金属の炭化化合物および／もしくは窒化化合物および／もしくはホウ化化合物で形成されている、溶接電極。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記第１の金属および／または第２の金属が、８００℃の温度まで安定な炭化化合物および／または窒化化合物および／またはホウ化化合物を形成している、溶接電極。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記第１の金属および／または第２の金属が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷおよびＴａの少なくとも１種の元素で構成されている、溶接電極。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記溶接用ツールの一部が、第３の金属で形成されている、溶接電極。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の溶接電極において、前記第３の金属が、主成分としてＣｕを含有している、溶接電極。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の溶接電極の使用方法であって、金属酸化物のパッシベーション層（１０）を有する第４の金属からなるワーク（９）間に抵抗溶接継手を作製するための使用方法。
15. 請求項１４に記載の使用方法において、前記抵抗溶接継手が、抵抗スポット溶接、抵抗プロジェクション溶接、または抵抗シーム溶接によって作製される、使用方法。
16. 請求項１４または１５に記載の使用方法において、前記第４の金属が、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｕからなる群から選択される、使用方法。

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