JP3110267B2

JP3110267B2 - 溶接機の電極の表面処理方法

Info

Publication number: JP3110267B2
Application number: JP06291498A
Authority: JP
Inventors: 四志男宮坂
Original assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Current assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH08150483A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スポット溶接やシーム
溶接、ロールスポット溶接等の抵抗溶接で使用される電
極チップ、あるいは、炭酸ガスアーク溶接やイナートガ
スアーク溶接のミグ溶接において使用される溶接トーチ
の先端に装着する電極チップ（ノズルチップとも称され
る）等の電極、そして、ローラ電極等の電極（本明細書
においてこれらを総称して「電極」という）の表面にシ
ョットピーニング装置でショットを噴射して、ショット
の衝突時発生する熱エネルギで電極の表面温度を上昇さ
せて電極の表面部の組織を微細化し、表面硬さや耐摩耗
性等の機械的特性、電気的特性を改善する表面処理方法
に関する。ちなみに、溶接は２つ以上の金属部品を容易
に接合できる金属接合法として優れ、造船、車両、自動
車、航空機、電気製品、橋梁、建築、圧力容器、パイ
プ、機械、原子炉、家庭用品及び他のあらゆる金属工業
に広く利用され、抵抗溶接機やアーク溶接機は上記の各
製品の部品を生産する生産ラインに溶接ロボットとして
多数設けられている。

【０００２】

【従来の技術】抵抗溶接は、被溶接部材である金属板を
重ね合わせてその両面から電極で挾んで加圧し電極間に
通電することにより、被溶接部材間の表面接触抵抗と電
流で発熱し、この熱により被溶接部材間で各被溶接部材
が溶融して冷却され互いに溶着するものである。抵抗溶
接の代表的なものとしてはスポット溶接とシーム溶接が
あり、スポット溶接は前述した電極として電極チップを
使用する。スポット溶接機の一例を述べると、図８に示
すように、上部電極アーム５３ａと下部電極アーム５３
ｂをそれぞれ、スポット溶接機本体に水平方向に片持ち
に設け、下部電極アーム５３ｂをスポット溶接機本体の
下部に位置して固定し、この下部電極アーム５３ｂの上
方に上部電極アーム５３ａを上下動自在に設けている。
前記二の電極アーム５３ａ、５３ｂの先端にそれぞれ、
電極ホルダ５２、５２をその軸線方向を上下方向に向け
且つ各電極ホルダ５２、５２の先端が互いに向き合うよ
う装着し、各電極ホルダ５２、５２の先端に電極チップ
５１、５１をそれぞれ着脱自在に装着する。前記上部電
極アーム５３ａの上下動の動作に伴って各電極チップ５
１、５１の先端が互いに当接離反する。電極チップ５１
を電極ホルダ５２の先端に装着する方法としては、例え
ば、電極チップ５１の後端部の外周を電極チップ５１の
後端方向に狭くなるテーパに形成し、電極ホルダ５２の
先端部には電極チップ５１の後端部を挿入するテーパ孔
を形成する。

【０００３】電流によって二の被溶接部材間の溶接部に
発生した熱は、極く一部が被溶接部材を溶融するために
使用されるだけで、残りの大部分は被溶接部材や電極チ
ップを伝わって逃げる。単位時間当りの溶接点数は電極
チップ温度に大きな影響を及ぼし、放散熱量が発生熱量
より少ないと、徐々に電極チップ温度が上昇し変形し易
くなるので、電極チップ材の塑性変形を避けるために水
冷を行なうのであるが、被溶接部材間の溶接部の熱は電
極チップの温度を上昇させる。また、被溶接部材に加え
る加圧力は溶接条件によって異なるが、電極チップの表
面にはおよそ４〜１０ｋｇ／mm²の圧力がかかる。以上
のように、電極チップの温度が上昇した状態で大きな圧
力を受けるので、電極チップは繰り返し溶接するに伴っ
て徐々に変形し摩耗する。

【０００４】機械的な電極損耗の原因としては、(1)溶
接経過中の摩耗、圧潰などによる、(2)酸化物、塵など
の電極材中への付着、(3)加圧力と高温度による材料の
塑性変形，(4)電極チップ、電極アーム、電極ホルダな
どの偏心による滑りがあげられる。また電気的なものと
しては局部的加熱による損耗があげられる。

【０００５】以上のことから、電極チップの材質として
は熱伝導性及び電気伝導度の良いもので且つ、硬さの比
較的高いものが望ましい。しかし、これらの性質は矛盾
するものであり、被溶接部材の材質によって適当な電極
材料が選定される。

【０００６】一般的には、クロム銅の電極チップが多く
使用されている。また、電極チップの寿命を延長するた
めに、アルミナ分散銅、ジルコニア分散銅、セラミック
分散銅等の各種分散銅が使用されている。これらの分散
銅の寿命はクロム銅に比して１．５〜２．０倍ほどであ
る。

【０００７】また、超硬銅（銅タン；銅と超鋼の燒結
体）、超硬銀（銀タン；銀と超鋼の燒結体）等のスポッ
ト溶接の電極チップは、硬度が高く、寿命が長い、耐熱
性が高い等の優れた性質を有しており、非常に高価では
あるが、一部使用されている。

【０００８】電極チップの先端形状は、図９（Ａ）〜図
９（Ｆ）に示すように、一般的に使用されるＲ形（ラジ
アス形）〔図９（Ａ）〕，Ｃ形（切頭円錐形）〔図９
（Ｂ）〕，Ｐ形（ポイント形）〔図９（Ｃ）〕，Ｆ形
（平面形）〔図９（Ｄ）〕あるいはドーム形（Ｄ形）
〔図９（Ｅ）〕やストレート・オフセット形（Ｅ形）
〔図９（Ｆ）〕などの変形チップ等の種々のものがあ
る。電極チップの先端形状は電流分布、加圧分布や冷却
効果に密接な関係があるので、溶接条件として重要なも
のであり、溶接する被溶接部材の形状や板厚の組合せに
応じて適切な形状の電極チップを決定する必要がある。
しかし、たとえ電極チップの適切な形状を決定しても、
上述したように電極チップは使用すれば次第に変形する
ので、適時清浄、研摩、整形する必要がある。

【０００９】従来、電極チップを成形する最も良い方法
は、電極チップを多く用意しておき、新しい電極チップ
と交換し、変形した電極はまとめて旋盤加工することで
あった。その他、電極チップを整形する方法としては、
電極チップの先端形状に合った断面形状に成形した工具
にエメリペーパーを巻いて、この工具の両面をスポット
溶接機に装着した電極チップで挾んで軽く加圧し、前記
工具を水平に回転させて電極チップの変形した部分を磨
く。また、時には被溶接部材の表面の一部が電極チップ
の先端に局部的に溶着した場合（この現象をピックアッ
プという）、この溶着した部分をヤスリで削り取ること
も行なっていた。

【００１０】シーム溶接の電極としては、円盤状のロー
ラ電極を使用する。シーム溶接機は基本的にはスポット
溶接機とほぼ同様の構造をしており、上述したスポット
溶接機の上部電極アーム５３ａおよび下部電極アーム５
３ｂの先端に設けた電極ホルダ５２，５２及び電極チッ
プ５１，５１の代わりに、図１０に示すように、ローラ
電極５４、５４を回転自在に設け且つローラ電極５４、
５４の外周面を互いに圧接離自在に設けたものである。
被溶接部材である金属板を重ね合わせてその両面をロー
ラ電極５４、５４の外周面で圧接し、一方のローラ電極
５４をモータ等の回転駆動手段で断続的に回転させ、ロ
ーラ電極５４の回転停止時、被溶接部材を加圧、通電し
て溶接する。ローラ電極５４を再び回転して前記被溶接
部材を所定の距離だけ前進させた後、停止して溶接し、
この工程を繰返して溶接するものである。各溶接部のナ
ゲット（スポット溶接或いはシーム溶接の溶接部の溶け
込み部分をいう）の一部が係るように連続的に溶接した
ものがいわゆるシーム溶接であり、各溶接部のナゲット
が所望の間隔を介して断続的に溶接したものがロールス
ポット溶接である。

【００１１】ローラ電極５４の材質や外周面の形状は、
上述した電極チップの場合とほぼ同様であるが、ローラ
電極５４の場合は、電極チップの先端を整形するための
前述したようなエメリペーパーを巻いた工具を使用する
ことができないのでローラ電極５４の外周面をエメリペ
ーパーで手作業で軽く磨く程度であった。ローラ電極５
４の外周面の変形がひどくなると、旋盤加工で成形して
いた。

【００１２】なお、後述するアーク溶接ではアーク熱を
利用し、その電圧は約３０Ｖ、電流は数十Ａ〜数百Ａで
あるが、上述した抵抗溶接では電極チップ間に発生する
電圧は約１Ｖと非常に低いが、その代わりに電流は数千
Ａ〜数万Ａという高電流が流れる。したがって、抵抗溶
接機の使用電気量は多大である。アルミニウム板等のよ
うに電気伝導度が良い材料をスポット溶接あるいはシー
ム溶接する場合は、特に多大な電気量を必要とする。
アーク溶接には、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶
接、炭酸ガスアーク溶接やイナートガスアーク溶接など
があり、前記炭酸ガスアーク溶接やイナートガスアーク
溶接のミグ溶接においては、直径１．０〜２．４mmの裸
の溶加材ワイヤ（電極線、心線ともいう）を一定速度で
トーチのノズルから送給して、前記溶加材ワイヤの先端
と被溶接部材との間にメタルアークを発生させてその熱
で溶加材ワイヤが溶着される。イナートガスアーク溶接
の場合は、アーク及び溶融金属はイナートガスの流れの
中にあって空気から遮断保護される。炭酸ガスアーク溶
接の場合は、前記ミグ溶接のイナートガスの代わりに、
炭酸ガスを用いる溶極方式アーク溶接である。ミグ溶接
の溶加材ワイヤの溶融速度は毎分溶融する溶加材ワイヤ
の長さもしくは重量で表され、溶融した金属の一部はス
パッタ、蒸発などで失われて残りが被溶接部材に溶着さ
れるが、イナートガスアーク溶接では溶着効率がほとん
ど９８％以上であるから、溶融速度がそのまま溶着速度
に殆ど一致する。なお、ミグ溶接及び炭酸ガスアーク溶
接の溶接装置はほとんど同一である。

【００１３】ミグ溶接には半自動式と全自動式があり、
半自動式ではトーチの操作を手で行ない、溶加材ワイヤ
のみを自動送りにする。全自動式ではトーチの操作も自
動的に行なわれる。トーチは図１１に示すように、トー
チ６１の後端をゴム製のガスホース６４で図示せざるイ
ナートガスのタンクに連通し、このガスホース６４内に
イナートガスの流路を介して可換調製ホース６５を挿通
しており、この可換調製ホース６５内を図示せざるワイ
ヤリールに巻かれた溶加材ワイヤ６８が可変速モータで
駆動される一対のローラに挾まれて低速で送給される。
可換調製ホース６５はトーチ６１内を挿通し可換調製ホ
ース６５の先端にノズルチップとも称される電極チップ
を成す導電銅パイプから成るコンタクトチューブ（本明
細書では「電極チップ」という）を装着し、前記溶加材
ワイヤ６８は前記電極を成す電極チップ６２の内周面を
摺動して送り出される。電極チップ６２の外周にはイナ
ートガスが流出する流路を介して水冷の金属筒でなるガ
スノズル６３をトーチ６１の先端に螺着している。トー
チ６１は電流ケーブル６６を介して図示せざる直流溶接
機に導通し、ノズルチップ６２は前記可換調製ホース６
５、引き金６７のスイッチ及び電流ケーブル６６を介し
て直流溶接機に接続されている。一方、被溶接部材も図
示せざる電流ケーブルを介して前記直流溶接機に導通し
ている。トーチ６１の引き金６７を引いてスイッチを入
れると直流溶接機が電極チップ６２の内周面を摺動する
溶加材ワイヤ６８に導通し、溶加材ワイヤ６８の先端で
被溶接部材を軽くこすってアークの発生とともに溶加材
ワイヤ６８の送給が始まり被溶接部材を溶接する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の電極チップ及び
ローラ電極において、一般に使用されるクロム銅の電極
チップ及びローラ電極は、硬度が低いため変形しやすく
寿命が短いので、以下のような問題点があった。

【００１５】（１）クロム銅の電極チップはスポット溶
接機で使用するに際し、先端の形状が変形しやすいの
で、電極チップ先端の研磨作業、あるいは電極チップの
交換を頻繁に行なう必要があった。

【００１６】（２）クロム銅のローラ電極は、上記のク
ロム銅の電極チップと同様に外周面の形状が変形しやす
く、また電極チップのように成形するための簡易的な工
具を使用できずローラ電極の外周面をエメリペーパーで
手作業で軽く磨く程度にしかできないので、新たなロー
ラ電極に頻繁に交換しなければならなかった。また、ロ
ーラ電極は電極チップに比して旋盤加工に多くの時間を
要するものであった。

【００１７】（３）したがって、スポット溶接機やシー
ム溶接機等の抵抗溶接機を生産ラインに設けている場合
（通常１ラインに多数連続加工が可能に設置されてい
る）、電極チップ先端やローラ電極の外周面の研磨作
業、あるいは電極チップやローラ電極の交換時、生産ラ
インを停止しなければならず、生産ラインの生産効率、
したがって、ラインにおける生産コストを向上するには
限界があった。かように、電極の寿命が生産効率に多大
の影響を及ぼすものであった。

【００１８】（４）電極チップの先端及びローラ電極の
外周面が変形したり、汚れたりすると、それぞれの電極
の電気抵抗の増加と被溶接部材間の表面接触抵抗によ
り、電極と被溶接部材間に多大な熱が発生し、この熱に
より被溶接部材の表面が溶融して溶融金属が外部へ飛び
出すいわゆる表面フラッシュ、さらには被溶接部材の表
面が電極チップやローラ電極に溶着するいわゆるピック
アップなどの外部欠陥が著しく生じるという問題点があ
った。

【００１９】さらに、電極チップの先端及びローラ電極
の外周面が変形したり、汚れたりすると溶接条件が変化
するので、溶接部のナゲットの形状にナゲット径が小さ
すぎることやナゲットの深さが大きすぎたり或いは小さ
すぎるなどの、内部欠陥が生じるという問題点があっ
た。

【００２０】（５）電極チップ及びローラ電極の電気抵
抗を減少し、電気伝導度を高めれば電気使用量が低下す
るのであるが、上述したように電極チップの先端及びロ
ーラ電極の外周面が変形したり、汚れたりして表面フラ
ッシュ、ピックアップ等の外部欠陥やナゲット形状の内
部欠陥が生じるため通電効率が悪くなるので電力消費量
が高くなるという問題点があった。

【００２１】（６）また、電極チップ及びローラ電極の
材料としては、純金属材料は電気伝導度が高いが硬さが
低く、硬さを上げるために他元素を添加すると電気伝導
度が低下するという問題点があった。

【００２２】ちなみに、クロム銅(0.6%Cr)は、ビッカー
ス硬さ１５５Hv，電気伝導度８０%I.A.C.S.であり、硬
銅は、ビッカース硬さ１０５Hv，電気伝導度９７% I.A.
C.S.であり、高銀銅(6%Ag)は、ビッカース硬さ１４０H
v，電気伝導度８５% I.A.C.S.であり、ニッケル燐銅(1%
Ni,0.21%P)は、ビッカース硬さ１５５Hv，電気伝導度８
０% I.A.C.S.であり、高ベリリウム銅(2.3%Be,0.5%Co)
は、ビッカース硬さ３６０Hv，電気伝導度２５% I.A.C.
S.である。

【００２３】また、アルミナ分散銅、ジルコニア分散
銅、セラミック分散銅等の各種分散銅の価格は、一般の
クロム銅に比して１．５〜２．０倍ほどで、高価であ
る。

【００２４】さらに、超硬銅（銅タン）、超硬銀（銀タ
ン）等の電極チップも高価であるので一般的には使用さ
れていない。

【００２５】また、イナートガスアーク溶接や炭酸ガス
アーク溶接においては、溶加材ワイヤ６８と電極チップ
６２とは常時導通しなければならないので、溶加材ワイ
ヤ６８は電極チップ６２の内周面を常時摺接しながら高
速で送給される。したがって、電極チップ６２の内径と
溶加材ワイヤ６８の直径との差が僅かであるので、溶加
材ワイヤ６８が電極チップ６２内でつまるという問題点
があった。

【００２６】さらに、電極チップ６８は銅合金製である
ので表面硬度が低いため、前記溶加材ワイヤ６８の摺動
により電極チップ６２の内周面の摩耗が著しいという問
題点があった。

【００２７】本発明は叙上の問題点を解決するために開
発されたもので、非鉄系金属で成る電極の表面にショッ
トピーニング処理を施し、電極の表面部の金属組織を微
細化し、電気伝導度を向上し、電極の表面の硬度を高く
して耐久性を向上することを目的とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の溶接機の電極の表面処理方法においては、
非鉄系金属で成る電極の表面に、硬度約１０００Hv、粒
径７５〜３００μのショットを噴射速度１８０m/sec以
上で、５〜１５秒間噴射し、電極の表面付近の温度を再
結晶温度以上に上昇および常温への冷却を反復し、電極
の表面部に回復、再結晶を生じさせて金属組織を微細化
し、電気抵抗を減少させたことを特徴とする。さらに前
記電極をスポット溶接機における電極チップあるいはシ
ーム溶接機におけるローラ電極とし、この電極チップの
先端面に、あるいは、ローラ電極の外周面に前記ショッ
トを噴射し、電極チップ先端の表面付近の温度を再結晶
温度以上に上昇させる。また、前記電極をアーク溶接機
の溶接トーチに装着される電極チップとし、溶加材ワイ
ヤが摺動する前記電極チップの内周面に粒径４０〜１５
０μのショットを噴射し、電極チップの内周面付近の温
度を再結晶温度以上に上昇させて同様の処理を行うこと
もできる。また、前記電極は、クロム銅あるいは、アル
ミナ分散銅のものに適用すれば好適である。さらに、前
記ショットを噴射速度１８０m/sec以上で噴射し、前記
電極の表面付近の温度を再結晶温度以上の溶体化処理温
度以上に上昇させ、電極の表面部の金属組織を微細化
し、電気抵抗を減少させ且つ表面硬度を向上させる。

【００２９】

【作用】上記のように構成された本発明の溶接機の電極
の表面処理方法においては、ショット硬度約１０００H
v、ショット径を７５〜３００μとしているのは、各種
の処理対象に対応して処理対象表面を再結晶温度以上に
加熱し、且つ常温への冷却を反復するに適した硬度及び
粒径であることと、また、処理対象に応じて、噴射速度
を高速にするにはショット径を小さくする必要があるこ
と、そして、加工面の表面粗さを均一且つ、電気抵抗を
大きくしない程度の接触面が得られ、ピックアップの発
生しない適正なものにするためであり、また、噴射速度
が１８０m/sec以上であるのは、上記のショット径にお
いて、放熱性の高い銅合金である成品の表面付近の温度
を再結晶温度以上に上昇させるために必要である。

【００３０】

【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。な
お、実施例で使用する装置としては、ショットピーニン
グ処理に適用されるエア式の重力式ブラスト加工装置で
も、直圧式ブラスト加工装置を用いてもよく、エア式の
ショットピーニング装置であれば特に限定されない。

【００３１】〔実施例１〕実施例１では、被加工物は、
図１に示すように、スポット溶接用のクロム銅で成る電
極チップ１１で、電極チップの外径は１５mm、先端形状
はＲ形（ラジアス形）で、この電極チップの先端の表面
に、図７に示すような重力式ブラスト加工装置３０（以
下、「重力式装置」という）を用いてショットピーニン
グ処理を施した。

【００３２】ショットピーニング装置及び該装置で実施
したショットピーニング処理条件をまとめると下表のよ
うになる。

【００３３】

【表１−１】

【００３４】重力式装置３０は、被加工物を出し入れす
る出入口３５を備えたキャビネット３１内にショット等
の研磨材３６を噴出するノズル３２が設けられ、このノ
ズル３２には管４４を連結し、この管４４は図示せざる
圧縮機に連通しており、この圧縮機から圧縮空気が供給
される。キャビネット３１の下部にはホッパ３８が設け
られ、ホッパ３８の最下端は導管４３を介してキャビネ
ット３１の上方に設置された回収タンク３３の上方側面
に連通し、回収タンク３３の下端は管４１を介して前記
ノズル３２へ連通される。回収タンク３３内の研磨材は
重力あるいは所定の圧力を受けて回収タンク３３から落
下し、前記管４４を介してノズル３２へ供給された圧縮
空気と共にキャビネット３１内へ噴射される。

【００３５】回収タンク３３内には、前表のショットを
投入する。

【００３６】被加工物たる電極チップを出入口３５から
キャビネット３１内へ投入し、前記ショットはノズル３
２より前表の加工条件で、電極チップの先端の表面へ噴
射される。

【００３７】噴射された研磨材３６およびこのとき発生
した粉塵３７は、キャビネット３１の下部のホッパ３８
に落下し、導管４３内に生じている上昇気流によって上
昇して回収タンク内に送られ、この回収タンク内に研磨
材３６が回収される。回収タンク３３内の粉塵３７は回
収タンク３３内の気流によって回収タンク３３の上端か
ら管４２を介してダストコレクタ３４へ導かれ、ダスト
コレクタ３４の底部に集積され、正常な空気がダストコ
レクタ３４の上部に設けられた排風機３９から放出され
る。

【００３８】上記の条件でブラストされた電極チップの
先端の表面付近の温度は上昇し、電極チップの先端の表
面層の組織に変化が生じ、より一層耐久性及び耐摩耗性
に富み電気抵抗を極度に減少し、導電度が高い表面層を
有する電極チップを得る結果に至ったのである。

【００３９】実施例１においては、後述する〔表１−
２〕実施例１の比較例１に示すような良好な結果を得ら
れたが、その理由を以下に説明する。先ず、被加工物で
ある電極チップ１１の表面に前記ショットを噴射したと
きの温度上昇について説明する。

【００４０】ショットの衝突前と衝突後の速度の変化
は、電極チップ１１及びショットの硬度により異なる
が、衝突後の速度は低下する。この速度の変化はエネル
ギー不変の法則により、音以外にその大部分は熱エネル
ギーに変換される。熱エネルギーは衝突時に衝突部が変
形することによる内部摩擦と考えられるが、ショットの
衝突した変形部分のみで熱交換が行なわれるので部分的
には高温になる。

【００４１】すなわち、ショットにより変形して温度上
昇する部分の重量は、ショットの衝突前の速度に比例し
て大きくなるが、電極チップ１１の全体重量に対する比
率は小さいものであるので、温度上昇は電極チップ１１
の表面付近に局部的に生ずる。

【００４２】なお、ショット及び電極チップ１１の表面
硬度が共に高い場合の衝突においては反発係数ｅは１に
近いが、この場合は変形部分が小さいため局部的にはよ
り高温になる。

【００４３】また、温度上昇はショットの衝突前の速度
に比例するので、ショットの噴射速度を高速にする必要
があり、ショット径を７５μ〜３００μと小さい方が１
８０m/sec以上の高速で噴射でき、しかも電極チップ１
１の表面の温度上昇を均一にできると共に均一でピック
アップの発生しない適正な表面粗さとすることができ
る。

【００４４】上記条件でクロム銅で成る電極チップ１１
の表面にショットピーニング処理を行うと、ショットの
衝撃力によってクロム銅の表面層の温度が上昇してクロ
ム銅のショット被噴射面が著しく軟化する温度すなわち
再結晶温度以上の約１，０００℃（この場合、溶体化温
度以上となる）に達し、この過程においてクロム銅の表
面層の金属組織が変化する。

【００４５】一般に、加工硬化を受けた材料は温度が上
昇し拡散が容易になると、回復、再結晶の過程を経て、
格子欠陥が消滅してゆき、機械的性質及び電気的性質が
変化する。回復過程では光学顕微鏡での変化がほとんど
認められないが、転位密度や内部応力、電気抵抗は激減
し、強さや硬さもかなり低下する。そして再結晶過程で
は加工方向に変形した結晶中に転位密度の非常に低い、
ひずみをもたない新結晶が生じて成長しついに全体が新
結晶粒になり金属組織が微細化することが光学顕微鏡組
織からはっきり認められている。

【００４６】本実施例の電極チップの素材であるクロム
銅の材料はすでに鍛造などの塑性加工を受け、加工硬化
によって多くの格子欠陥を含みエネルギの高い状態にな
っている。しかし、ショットの衝撃力によって電極チッ
プのショット被噴射面の表面層の局部的な被噴射面の温
度が再結晶温度以上の溶体化温度にまで達し、被噴射面
の変化で常温で冷却されることが反復し、表面硬度はシ
ョットピーニング処理における加工硬化と、再結晶温度
から溶体化温度と常温への冷却の反復による金属表面の
結晶粒の微細化により高くなり、上述したように表面層
の金属組織が微細化すると考えられる。このことは、特
に後述する〔実施例２〕の本願の処理品の縦断面の金属
組織を示す４００倍の拡大図〔図４（Ｂ）〕からはっき
りと認められる。すなわち、図４（Ｂ）では拡大図の上
部に位置している電極チップ先端の表面付近の金属組織
が下部の金属組織の大きさとは異なっており金属組織が
微細化していることが認められる。ちなみに、〔実施例
１〕の本願の処理品の縦断面の金属組織を示す拡大図で
ある図２（Ｂ）では、４００倍の拡大倍率では金属組織
が微細化していることがはっきりしないが、図の上部に
位置している電極チップ先端の表面付近の金属組織が下
部の金属組織の配列とは異なっており組織変化を生じて
いることを確認できる。

【００４７】したがって、上述したように電極チップの
表面層は、回復、再結晶の過程で電気抵抗が激減し、電
気伝導度が高く変化している。

【００４８】また、本願の実施例の結果を表す〔表１−
２〕及び〔表２−２〕のデータが示すように、本願の処
理品の電極チップの表面の硬度が従来品に比して高くな
っていることから推測すると、電極チップの先端の表面
は回復、再結晶過程を経たのち、この間継続して噴射す
るショットの衝撃力によるショットピーニング処理によ
り硬度を増すものと考えられる。

【００４９】なお、一般に、クロム銅などの銅合金や他
の非鉄系金属の合金は、時効性合金においては溶体化処
理温度以上に上昇させ急冷することにより、合金の表面
を焼入れし、さらに焼きもどしの熱処理を施して表面硬
度を高くできる。そこで、本願の電極チップの表面に、
電極チップの硬度と同等以上の硬度を有する粒径７５〜
３００μのショットを噴射速度１８０m/sec以上で噴射
し、電極チップの表面付近の温度を溶体化処理温度以上
に上昇させることにより、電極チップの表面に対して溶
体化処理温度以上の加熱、常温による冷却の反復がショ
ットピーニング処理とともに繰返し行なわれ、電極チッ
プの表面を硬化できるものと考えられる。なお、溶体化
処理温度は再結晶温度より高いので、電極チップの表面
付近の温度が再結晶温度から溶体化処理温度へと上昇
し、常温による冷却が反復される過程において前述した
ように回復、再結晶の過程を経て金属組織が微細化し電
気伝導度が向上するものと推測される。

【００５０】本実施例の処理が非常に効果的であること
は、同材質で同一形状の従来品と処理品とを比較するこ
とにより明確である。その比較例を以下に示す。

【００５１】

【表１−２】

【００５２】なお、表面硬度のデータは、〔表１−３〕
に示すように、１個の電極チップに付き任意４又は５箇
所の硬度を測定し、これを５個の電極チップに対して行
ない、合計２０又は２５の測定値の平均値を示すもので
ある。

【００５３】

【表１−３】

【００５４】耐久性（寿命）は、各電極チップを用いて
同一の溶接条件でスポット溶接を行なったときの所望の
溶接品質を満たすスポット溶接可能な打点数である。

【００５５】ナゲットの状態は、各電極チップを用いて
同一の溶接条件でスポット溶接を行なったときの０．８
mm厚、ボンデ鋼板（亜鉛皮膜；ＳＰＣＣ）から成る試験
片の溶接部の断面をエッチング処理してマクロ的に目視
検査したものである。

【００５６】ナゲットの生成状態は、従来のものより大
きく、電気抵抗がきわめて減少し、電気伝導度が良好で
あることを示しており、後述するように従来品に比較し
て４〜５倍の寿命延長が見られ、また、従来品におい
て、１１，０００Ａの電流をかけていたが、従来のナゲ
ットを得るのであれば、電流値を１０％低下でき、この
ため、電気消費量を節減できると共に、さらに電極寿命
を１０倍程度延長できた。したがって、溶接ラインにお
いて、３〜４時間毎にラインのロボットを停止し、電極
を交換する作業のサイクルを１０倍の時間間隔に延長す
ることができ、生産コストの大幅な低下を達成できた。

【００５７】以上の〔表１−２〕のデータが示すよう
に、本願の電極チップの表面硬度は、従来の電極チップ
の８．５％向上し、これに伴って本願の電極チップの耐
久性（寿命）は４倍である。さらに、本願の電極チップ
でスポット溶接を行なった場合、従来品に比してスポッ
ト溶接部のナゲットの状態が良好であることは、電極チ
ップの表面組織の電気伝導度が向上し、電極チップの先
端面と被溶接部材（スポット溶接の試験片）との表面接
触抵抗が低く、通電状態が良好であるためと推測でき
る。

【００５８】実際、図２（Ａ），図２（Ｂ）および図３
（Ａ），図３（Ｂ）を参照して本実施例の処理品と従来
品の電極チップの表面層の組織の状態を比較すると、以
下の違いがみられる。

【００５９】図３（Ａ）は電極チップの先端を旋盤加工
でＲ形（ラジアル形）に成形したもので旋盤のバイト刃
先の軌跡をはっきり認められるが、図２（Ａ）は旋盤の
バイト刃先の軌跡を認められず、電極チップの先端面に
満遍なく本願の処理を施していることがわかる。図２
（Ｂ）は本願の電極チップの先端部分の縦断面組織を４
００倍に拡大した金属組織図で、従来品の電極チップの
図３（Ｂ）と比較すると、図３（Ｂ）では電極チップ先
端の表面付近の金属組織と下部の金属組織の配列はほと
んど異なっていないが、図２（Ｂ）では図の上部に位置
している電極チップ先端の表面付近の金属組織（４００
倍の拡大図では電極チップの表面から約１０ないし２０
mmまでの範囲で、実際には表面から２５〜５０μの深
さ）が下部の金属組織の結晶粒の配列とは異なることが
はっきり認められ組織変化を生じている。この拡大倍率
では金属組織が微細化していることがはっきりしない
が、前述したように〔表１−２〕のデータにおいて処理
品と従来品の電極チップを用いてスポット溶接した試験
片の溶接部のナゲットの状態に明らかな違いがあること
は、処理品の電極チップの先端の通電状態が良好である
と考えられ、金属組織が微細化していることを推測でき
る。ちなみに、後述する実施例２の本願の電極チップの
処理品の縦断面組織を示す図４（Ｂ）と従来品の縦断面
組織を示す図５（Ｂ）とを比較すると、表面組織の違い
がはっきりと認められ、図４（Ｂ）では図の上部に位置
している電極チップ先端の表面付近の金属組織が下部の
金属組織の結晶粒の大きさとは異なっており微細化して
いる。

【００６０】〔実施例２〕実施例２では、被加工物は、
図１に示すように、スポット溶接用のアルミナ分散銅で
成る電極チップ１１で、電極チップの形状は図１に示す
ように、外径１５mm、先端形状はＲ形（ラジアス形）
で、この電極チップの先端の表面にショットピーニング
処理を施した。以下に、ショットピーニング装置及び該
装置で実施したショットピーニング処理条件、並びにそ
の結果の比較例を示す。

【００６１】

【表２−１】

【００６２】

【表２−２】

【００６３】なお、表面硬度のデータは、〔表２−３〕
に示すように、１個の電極チップに付き任意５箇所の硬
度を測定し、これを４又は５個の電極チップに対して行
ない、合計２０又は２５の測定値の平均値を示すもので
ある。

【００６４】

【表２−３】

【００６５】耐久性（寿命）は、各電極チップを用いて
同一の溶接条件でスポット溶接を行なったときの所望の
溶接品質を満たすスポット溶接可能な打点数である。

【００６６】ナゲットの状態は、各電極チップを用いて
同一の溶接条件でスポット溶接を行なったときの試験片
の溶接部の断面をエッチング処理してマクロ的に目視検
査したものである。

【００６７】以上の〔表２−２〕のデータが示すよう
に、本願の電極チップの表面硬度は、従来の電極チップ
の２１．３％向上し、これに伴って本願の電極チップの
耐久性（寿命）は５倍である。さらに、本願の電極チッ
プでスポット溶接を行なった場合、従来品に比してスポ
ット溶接部のナゲットの状態が良好であることは、電極
チップの表面組織の電気伝導度が向上し、電極チップの
先端面と被溶接部材（スポット溶接の試験片）との表面
接触抵抗が低く、通電状態が良好であるためと推測でき
る。

【００６８】図４（Ａ），図４（Ｂ）および図５
（Ａ），図５（Ｂ）を参照して本実施例の処理品と従来
品の電極チップの表面層の組織の状態を比較すると、以
下の違いがみられる。

【００６９】図５（Ａ）は電極チップの先端を旋盤加工
でＲ形（ラジアル形）に成形したもので旋盤のバイト刃
先の軌跡をはっきり認められるが、図４（Ａ）は旋盤の
バイト刃先の軌跡を認められず、電極チップの先端面に
満遍なく本願の処理を施していることがわかる。図４
（Ｂ）は本願の電極チップの先端部分の縦断面組織を４
００倍に拡大した金属組織図で、従来品の電極チップの
図５（Ｂ）と比較すると、図４（Ｂ）では図の上部に位
置している電極チップ先端の表面付近の金属組織（４０
０倍の拡大図では電極チップの表面から約４０ないし５
０mmまでの範囲で、実際には表面から１００〜１２５μ
の深さ）の結晶粒が下部の金属組織の結晶粒の大きさと
は異なっており金属組織が微細化している。図５（Ｂ）
では電極チップ先端の表面付近の金属組織と下部の金属
組織の結晶粒の大きさ及び配列はほとんど異なっていな
い。

【００７０】〔実施例３〕実施例３では、被加工物は、図６に示すように、炭酸ガ
スアーク溶接の電極チップ１５で、電極チップ１５の材
質はクロム銅、電極チップの全長は４５mmで、この電極
チップの外周面に、図７に示すような重力式ブラスト加
工装置３０を用いてショットピーニング処理を施した。

【００７１】ショットピーニング装置及び該装置で実施
したショットピーニング処理条件をまとめると下表のよ
うになる。

【００７２】

【００７３】次いで、上記の電極チップの内周面に、直
圧式ブラスト加工装置を用いてショットピーニング処理
を施した。ショットピーニング装置及び該装置で実施し
たショットピーニング処理条件をまとめると下表のよう
になる。

【００７４】ショットピーニング装置及び該装置で実施
したショットピーニング処理条件をまとめると下表のよ
うになる。

【００７５】

【００７６】電極チップの内径寸法は１mm、ノズル端縁
開口から噴射した。

【００７７】本実施例の処理が非常に効果的であること
は、同材質で同一形状の従来品と処理品とを比較するこ
とにより明確である。その比較例を以下に示す。

【００７８】

【００７９】なお、耐久性（寿命）および溶加材ワイヤ
の滑り状態は、各電極チップを用いて同一の溶接条件で
炭酸ガスアーク溶接を行なったときのノズル内へのカー
ボンスケールの付着によりノズル内が小径となり、溶加
材ワイヤがつまり、あるいは、切断されるに到る状態、
時間を比較したものである。

【００８０】以上の〔表３−３〕のデータが示すよう
に、本願の電極チップの表面硬度は、従来の電極チップ
の９．３％向上し、これに伴って本願の電極チップの耐
久性（寿命）は３倍である。さらに、本願の処理品の溶
加材ワイヤの滑り状態は、従来品より良好である。

【００８１】したがって、実施例１で述べたように本発
明の処理により電極チップの表面が改質され、特に表面
組織が微細化することにより表面が電気抵抗の少ない適
度な面粗さの平滑面になりカーボンスケールなどが付着
しにくくなり、また、溶加材ワイヤの滑りが向上したも
のと考えられる。しかも、電気伝導度の向上と、表面硬
度が向上したので、耐久性（寿命）が大幅に向上したも
のと考えられる。

【００８２】〔実施例４〕実施例４では、被加工物は炭酸ガスアーク溶接の電極チ
ップで、前述した実施例３と同一の形状で、電極チップ
の材質はアルミナ分散銅である。この電極チップの外周
面及び内周面にそれぞれ、実施例３と同一のショットピ
ーニング装置を用いて、同一のショットピーニング処理
条件で、ショットピーニング処理を施した。

【００８３】本実施例の処理が非常に効果的であること
は、同材質で同一形状の従来品と処理品とを比較するこ
とにより明確である。その比較例を以下に示す。

【００８４】

【００８５】以上の〔表４−１〕のデータが示すよう
に、本願の電極チップの表面硬度は、従来の電極チップ
の２１．３％向上し、これに伴って本願の電極チップの
耐久性（寿命）は３倍である。さらに、本願の処理品の
溶加材ワイヤの滑り状態は従来品より良好である。

【００８６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００８７】（１）電極チップ及びローラ電極等の電極
の表面組織が改質され表面硬度が高くなるので、電極チ
ップの先端及びローラ電極の外周面の耐久性が向上し、
寿命の延長を図ることができた。

【００８８】（２）電極チップ及びローラ電極等の電極
の表面組織が改質され表面硬度が高くなるが、他の元素
を添加して硬度を高くしたのではないので、電極チップ
及びローラ電極自体の電気伝導度は低下しない。したが
って、本来、電極チップ及びローラ電極の材料の電気伝
導度を良くし且つ硬さを高くすることは矛盾する性質で
あったが、これを克服する優れた表面処理方法を提供で
きた。

【００８９】（３）電極チップ及びローラ電極等の電極
の表面組織の微細化を図ることができたので、表面組織
の電気伝導度が向上し、電極チップの先端及びローラ電
極の外周面と、被溶接部材間の表面接触抵抗を減少させ
ることができた。

【００９０】したがって、溶接条件は安定するので溶接
部のナゲットの内部欠陥の発生を減少させ、また表面フ
ラッシュやピックアップ等による外部欠陥の発生を減少
させることができた。

【００９１】（４）上記の（１）項及び（３）項の理由
で電極チップの先端及びローラ電極の外周面が変形した
り、汚れたりすることが減少するので、表面フラッシ
ュ、ピックアップ等の外部欠陥やナゲット形状の内部欠
陥の発生を減少し、また上記の（２）項及び（３）項の
理由で電極チップ及びローラ電極の表面組織の電気伝導
度が向上し、その結果、電極チップ及びローラ電極の通
電効率が良くなり電気使用量を低下することができた。

【００９２】（５）スポット溶接機やシーム溶接機等の
抵抗溶接機を生産ラインに設けている場合、上記の
（１）及び（３）項の理由で電極チップ先端やローラ電
極の外周面の研磨作業、あるいは電極チップやローラ電
極の交換の頻度を減少したので、生産ラインを停止する
頻度が減少し、生産ラインの生産効率を向上することが
できた。

【００９３】（６）イナートガスアーク溶接や炭酸ガス
アーク溶接においては、電極チップの内周面の表面組織
が微細化し、電極チップの内周面が平滑面となるため、
電極チップ内を通過する溶加材ワイヤの滑りが向上する
ので、電極チップ内での溶加材ワイヤのつまりを減少で
きた。

【００９４】（７）さらに、電極チップは銅合金製であ
るが、電極チップの内周面の表面組織が改質され表面硬
度が高くなったので、溶加材ワイヤの摺動に対する電極
チップ内周面の耐摩耗性を向上でき、電極チップの著し
い寿命延長を図ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の被加工物である電極チップを
示す正面図である。

【図２】（Ａ）は本発明のショットピーニング処理後の
電極チップ（クロム銅）の先端の表面の顕微鏡写真（×
１００）である。（Ｂ）は本発明のショットピーニング処理後の電極チッ
プ（クロム銅）の先端の縦断面の金属組織の顕微鏡写真
（×４００）である。

【図３】（Ａ）は従来（本発明のショットピーニング処
理前）の電極チップ（クロム銅）の先端の表面の顕微鏡
写真（×１００）である。（Ｂ）は従来（本発明のショットピーニング処理前）の
電極チップ（クロム銅）の先端の縦断面の金属組織の顕
微鏡写真（×４００）である。

【図４】（Ａ）は本発明のショットピーニング処理後の
電極チップ（アルミナ分散銅）の先端の表面の顕微鏡写
真（×１００）である。（Ｂ）は本発明のショットピーニング処理後の電極チッ
プ（アルミナ分散銅）の先端の縦断面の金属組織の顕微
鏡写真（×４００）である。

【図５】（Ａ）は従来（本発明のショットピーニング処
理前）の電極チップ（アルミナ分散銅）の先端の表面の
顕微鏡写真（×１００）である。（Ｂ）は従来（本発明のショットピーニング処理前）の
電極チップ（アルミナ分散銅）の先端の縦断面の金属組
織の顕微鏡写真（×４００）である。

【図６】本発明の実施例の被加工物である電極チップを
示す縦断面図である。

【図７】本発明の実施例における重力式ブラスト加工装
置の全体図を示すものである。

【図８】スポット溶接機の要部概略図である。

【図９】（Ａ）〜（Ｆ）は各種電極チップの先端形状を
示す正面図である。

【図１０】シーム溶接機の要部概略図である。

【図１１】アーク溶接機のトーチの要部断面を示す全体
正面図である。

【符号の説明】

１１電極チップ１５電極チップ３０重力式ブラスト加工装置３１キャビネット３２ノズル３３回収タンク３４ダストコレクタ３５出入口３６研磨材３８ホッパ３９排風機４１管４２管４３導管４４管５１電極チップ５２電極ホルダ５３ａ上部電極アーム５３ｂ下部電極アーム５４ローラ電極

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/26 B23K 11/30 B23K 35/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非鉄系金属で成る電極の表面に、硬度約
１０００Hv、粒径７５〜３００μのショットを噴射速度
１８０m/sec以上で５〜１５秒間噴射し、電極の表面付
近の温度を再結晶温度以上に上昇および常温への冷却を
反復し、電極の表面部に回復、再結晶を生じさせて金属
組織を微細化し、電気抵抗を減少させたことを特徴とす
る溶接機の電極の表面処理方法。
【請求項２】前記電極がスポット溶接機における電極
チップで、この電極チップの先端面に前記ショットを噴
射し、電極チップ先端の表面付近の温度を再結晶温度以
上に上昇させた請求項１記載の溶接機の電極の表面処理
方法。
【請求項３】前記電極がシーム溶接機におけるローラ
電極で、このローラ電極の外周面に前記ショットを噴射
し、ローラ電極の外周面の表面付近の温度を再結晶温度
以上に上昇させた請求項１記載の溶接機の電極の表面処
理方法。
【請求項４】前記電極がミグ溶接機又は炭酸ガスアー
ク溶接機のトーチに装着される電極チップで、溶加材ワ
イヤが摺動する前記電極チップの内周面に粒径４０〜１
５０μのショットを噴射し、電極チップの内周面付近の
温度を再結晶温度以上に上昇させた請求項１記載の溶接
機の電極の表面処理方法。
【請求項５】前記電極がクロム銅又はアルミナ分散銅
で成る請求項１〜４いずれかに記載の溶接機の電極の表
面処理方法。
【請求項６】前記ショットを噴射速度１８０m/sec以
上で噴射し、前記電極の表面付近の温度を溶体化処理温
度以上に上昇させ、電極の表面部の金属組織を微細化
し、電気抵抗を減少させ且つ表面硬度を向上させた請求
項１〜５いずれかに記載の溶接機の電極の表面処理方
法。