JP3888077B2

JP3888077B2 - 金属接合用電極及びその製造方法、並びに金属接合用電極を備えた溶接設備及びそれにより溶接された製品

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Publication number: JP3888077B2
Application number: JP2001122019A
Authority: JP
Inventors: 伸小野瀬; 一佳寺門; 文紀石川; 政道加瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2002316293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗溶接に用いられる金属接合用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、様々な接合において、それぞれの形状，材質に応じて電極が選定され使用されている。抵抗溶接や熱かしめの場合、モリブデン，タングステン及びタングステン合金の電極は高融点で耐熱性があり、通電時の発熱性が大きいという特徴があるため、特に熱伝導性の良いアルミや銅系の材料を溶接するには好適である。また、ＴＩＧ，プラズマ溶接においてはタングステン又はタングステン合金が高温のアークに耐える電極として使用される。
【０００３】
このように、モリブデン，タングステン及びタングステン合金は電極材料としての長所を有するが、熱引きが悪いという欠点を有する。熱引きの悪さは電極の寿命に悪影響を及ぼし、又、抵抗溶接や熱かしめの場合には各打点の時間間隔を長くしなければならないという問題点があった。
【０００４】
この問題点を解決するために、例えば特開平８−１３２２５５号公報には、タングステン電極のチップを銅に埋め込んだ構造が開示されている。また、特開平１０−２３３１３５号公報には銅材の先端にタングステンを接着した構造が開示されている。更に、特開平５−１８５２４７号公報には銅に鉄酸化物を分散し、まわりに芯材と同種の材料である銅を圧延にて被覆する電極が提示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−１３２２５５号公報，特開平１０−233135号公報に記載されたものの場合、電極の先端部のみにタングステンを配置しており、先端に傷が発生したり摩耗した場合には研磨等により再成形して使用することができず、結果として電極の長寿命化が図れないという問題点を有している。
【０００６】
一方、熱引きを良くするという観点においては特開平５−１８５２４７号公報に記載のもののような被覆構造が優れているが、タングステン電極の場合、硬くてもろいことから特開平５−１８５２４７号公報に開示されているような圧延で被覆しようとすると、割れてしまいうまく被覆できないという問題点があった。また、被覆材が芯材と同種系の材料にしないと剥離等の問題が起きるという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、高発熱電極の熱引きを向上し、寿命の長い金属接合用電極及びその製造方法を提供することにある。また、他の目的は、生産性の向上を図れる金属接合用電極を備えた溶接設備及びその設備により溶接された接合品質の高い製品を提供することにある。
【０００８】
【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では、中心電極と該中心電極を被覆する導体部により構成される金属接合用電極において、前記中心電極として前記導体部より電熱性の高い特性，前記被覆導材より電気抵抗が大きい特性、或いは熱伝導度が低い特性を有する材料、或いはまた、これらの特性のうち少なくとも一つの特性を持つ材料を用いる。
【０００９】
そして、好ましくは、前記中心電極として、モリブデン，タングステン、或いはタングステン合金のいずれかを用い、前記導体部として、銅，金，銀，アルミニウムからなる導材、或いは少なくともそれらの２つを組み合わせた合金を用いるものである。
【００１０】
つまり、本発明における金属接合用電極は、高発熱材料、好ましくは、モリブデン，タングステン及びタングステン合金電極材料の表面に熱伝導と電気伝導の優れた材料を被覆するものである。高発熱材料は、一般に硬く、もろい性質を有する。これを被覆する熱伝導と電気伝導性に優れた材料、例えば、銅，金，銀，アルミニウムからなる導材あるいは少なくともそれらの２つを組み合わせて構成した合金などは、延性が大きく芯材である高発熱材料とは機械的な特性が大きく異なる。従って、この特性の異なる二つの部材を欠陥なく接合することは一般的には難しい。
【００１１】
本発明は種々の製法を試みた結果、安定して被覆できる製法を見出すことにより実現したものである。パイプ状の被覆材に芯材を挿入して圧延，線引きをすると被覆材と芯材の機械的特性が大きく異なるため、芯材の割れや被覆材の剥離を生じる。
【００１２】
そこで、上記目的を達成するために本発明では、上記した金属用接合電極の製造方法として、焼きばめ，鍛造，溶射，鋳込み，ろう付けで芯材の表面に被覆材を装着することで、高発熱電極の熱引きを向上し、寿命の長い金属接合用電極の製造方法を提供することができる。
【００１３】
また、上記他の目的を達成するために本発明では、上記した金属接合用電極を溶接設備に備えることで達成できる。つまり、上記金属接合用電極は、鉛筆を削るよう再製することができるので、電極ホルダーからの突出し量を一定にすることで安定した接合ができ、また、連続して接合作業を行う場合の金属接合用電極全体に発生する熱を少なくすることにより電極寿命を延ばすことができ、更に、電極先端に発生する熱を急速に冷却することができるのでタクトタイムが速くでき生産の効率向上を図ることができる。
【００１４】
そして、上記した金属接合用電極を備えた溶接設備に溶接することで、接合品質の高い製品を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。同図に示す金属接合用電極１００は、円形の断面形状を有する棒状部材であって、中心電極２に熱伝導性と電気伝導性に優れる導体部１が施されている部分と導体部１が無い部分５０から構成されている。
【００１７】
中心電極２としては、例えば、モリブデン，タングステン、或いはタングステン合金のいずれかで構成され、導体部１としては、例えば、銅，金，銀，アルミニウムからなる導材、或いは少なくともそれらの２つを組み合わせた合金で構成されている。
【００１８】
ここで、中心電極２に用いられる材料、及び導体部１に用いられる材料の特性の一例を表１に示す。
【００１９】
表１

【００２０】
例えば、中心電極２にモリブデン、導体部１に銀を用いた場合、中心電極２は導体部１に対して電導度が３０％ということになり、同様に、中心電極２にアルミニウム、導体部に金を用いた場合、中心電極２は導体部１に対して電導度が８２％ということになる。
【００２１】
本発明に係る金属接合用電極１００では、中心電極２は導体部１に対して電導度が１０乃至９０％の特性を用いるものである。
【００２２】
そして、導体部１の被覆は鋳込み，鍛造によって製作した。この導体部１が施されているために加熱と冷却が急速にできる。また、この導体部１が無い部分５０は接合時の電極の発熱状態により長さは選定される。
【００２３】
なお、導体部の被覆については、鍛造の他、焼きばめ，溶射，鋳込み，ろう付けによっても行うことができる。
【００２４】
焼きばめは、被覆材のパイプを加熱し、その中に芯材となる高発熱材を挿入，冷却する工程で装着をする製造方法である。
【００２５】
溶射は、被覆材の粉末をプラズマ中に供給して溶解し芯材に吹き付けることで被覆をする製造方法である。
【００２６】
鋳込みは、被覆材を型容器の中で溶解し、それに芯材を侵漬して冷却することにより装着をする製造方法である。
【００２７】
ろう付けは、被覆材のパイプと芯材の間にろう材を入れ加熱することによって被覆材を装着する製造方法である。
【００２８】
なお、被覆材と芯材との密着性，接合界面の欠陥をなくすには焼きばめ，溶射，鋳込み，ろう付けにより被覆材を装着した後、熱間鍛造を施すのが好適である。鍛造の場合、圧延に比べて塑性変形量を小さく制御することができ、適当な温度を選定すれば、鍛造時の芯材の割れを防止することができる。
【００２９】
図２は、図１に示す金属接合用電極１００を抵抗溶接ヘッド２００にセットした状態を示す図である。
【００３０】
まず、上下の電極ホルダー２０の切り欠き部２０ａに金属接合用電極１００を挿入しボルト２１により締め付けられている。この電極ホルダー２０が稼動することにより金属接合用電極１００でＵ字形接合用端子３０の内側に配置された接合用電線３１を挟み込み加圧後に抵抗溶接ヘッド２００に通電することで接合される。
【００３１】
このように、金属接合用電極１００を電極ホルダー２０の切り欠き部２０ａで締め付けることにより、接合時の通電により発生する中心電極２の電気抵抗の熱を導体部１により効率良く電極ホルダー２０に熱伝達できる。つまり、中心電極２の表面に熱伝導性と電気伝導性に優れた導体部１が被覆されている金属接合用電極１００を、熱伝導性と電気伝導性に優れた電極ホルダー２０により締め付けて金属接合用電極１００と電極ホルダー２０を密着させる。このことにより金属接合用電極１００の先端に発生した熱は電極ホルダー２０に熱伝導するので、金属接合用電極１００の先端は急速に冷却することができる。
【００３２】
また、この熱を電極ホルダー２０に付けられている冷却管２２の内部を流れる冷却水で冷却することで、金属接合用電極の水冷効果が得られる。
【００３３】
更に、電極ホルダー２０と接合用電極１００の電気接触抵抗を小さくでき電極ホルダー２０からの電極突出し量を一定にすることにより通電時の発生熱を少なくすることで生産効率が良く安定した接合が図れる。
【００３４】
ここで、図１，図２で説明した一実施の形態の具体例を説明する。図１で示した金属接続用電極として、中心電極２の径が４mmで導体部１を１mm施し、全長が４０mmで導体部１が無い部分５０を設け、図２で説明した装置により、板圧が０.６４mmのＵ字型端子に０.６mmの導線を挿入して端子と導線が接合した。その結果、本発明の金属接合用電極は電極の冷却速度が速い為に、連続接合時の作業時間が１／２に短縮しても安定した接合ができるという効果がある。
【００３５】
また、接合時に電極に発生した熱が電極の冷却速度が速い為に、端子が埋め込まれている樹脂や導線の絶縁皮膜が熱によって劣化する範囲を少なくすることができるという効果がある。更に、電極の熱影響部を少なくできて電極寿命を長くできるという効果がある。
【００３６】
図３は、図１，図２で説明した本発明の金属接合用電極と従来の金属接合用電極で接合した時の冷却効率の関係を示したグラフである。本発明の金属接合用電極は、接合のための通電が終了したときの電極先端温度８００℃から電極先端温度が１００℃に下がるのに３.５秒で冷却できたが、従来の金属接合用電極は、電極先端温度８００℃から電極先端温度が１００℃に下がるのに６.５秒と冷却時間がかかった。この結果、本発明の金属接合用電極は冷却に優れた効果があることが明らかとなった。このため安定した接合ができ、生産効率向上と接合品質向上が図れる。
【００３７】
次に、図１で説明した金属接合用電極の他の実施例を説明する。
【００３８】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、本発明の他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。図４（ａ）に示すように金属接合用電極１１０の先端まで導体部１がある形状や、図４（ｂ）に示すように金属接合用電極１２０先端の導体部１が無い部分５１を円錐の頭を切った形状にしたり、図４（ｃ）に示すように接合用電極１３０先端の導体部１が無い部分５２を円柱と円錐の頭を切った形状を組み合わせた形状のようにしてもよい。
【００３９】
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。中心電極２断面、或いは金属接合用電極の断面が円形形状以外に形成されたものである。例えば、図５（ａ）に示すように金属接合用電極１４０の導体部１が円形形状で中心電極２が四角形状でもよい。また、図５（ｂ）に示すように接合用電極１５０の導体部１が四角形状で中心電極２が円形形状でもよい。更に、図５（ｃ）に示すように接合用電極１６０の導体部１と中心電極２が四角形状でもよい。
【００４０】
図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように金属接合用電極１７０，１８０の一面に導体部１が無く中心電極２が露出していてもよい。
【００４１】
図７は、本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。図７に示すように金属接合用電極１９０の中心電極２より一方向に大きい導体部１を設けた形状でもよい。
【００４２】
そして、接合部形状や接合材料により図１、及び図４乃至図７で説明した金属接合用電極の形状を選定することができる。つまり、金属接合用電極形状は接合部材の形状や材質により選定され、接合部形状は接合部の発熱状態や接合状態により電極形状と電極ホルダーからの突出し量および電極材料表面に施された材料の剥離量は選定することができる。
【００４３】
次に、本発明の金属接合用電極をＴＩＧ溶接やプラズマ溶接用電極として使用した場合について説明する。
【００４４】
例えば、図８に示すように金属接合用電極１０１先端の導体部１が無い部分５３を円錐形状に形成し、それをＴＩＧ溶接やプラズマ溶接用電極として使用した例を図９，図１０に示す。ここでは、図８に示した金属接合用電極１０１をＴＩＧ溶接やプラズマ溶接用電極として使用した例を示したが、図１、及び図４乃至図７で説明した金属接合用電極を用いることもできることは言うまでもない。
【００４５】
図９に示すＴＩＧ溶接では、溶接トーチ３００に金属接合用電極１０１をコレット８０でクランプしてガスカップ６０内を不活性ガスが流れて接合用電極101と母材の間にアークを発生させ、アークの熱により母材を溶接する。この時に発生するアークの熱により金属接合用電極１０１も加熱されるが、本発明に係る金属接合用電極では、導体部１が施されているため、金属接合用電極１０１は冷却効率がよく、電極寿命が長く作業効率がよいという優れた効果が得られる。また、金属接合用電極１０１とコレット８０の電気接触抵抗も低くできるので効率がよい。
【００４６】
また、図１０に示すプラズマ溶接では、溶接トーチ４００に金属接合用電極１０１をコレット８１でクランプしてノズル７０とガスカップ６１内を不活性ガスが流れてアークを発生させ、アークの熱により母材を溶接する。プラズマ溶接においても、ＴＩＧ溶接と同様の優れた効果がえられる。
【００４７】
なお、本発明に係る金属接合用電極は、鉛筆を削るよう再製することができるので、電極ホルダーからの突出量を一定にすることで安定した接合ができるという効果がある。また、連続して接合作業を行う場合の金属接合用電極全体に発生する熱を少なくすることにより電極寿命を延ばすことができるという効果がある。更に、電極先端に発生する熱を急速に冷却することができるのでタクトタイムが速くでき生産の効率向上を図ることができるという効果がある。
【００４８】
次に、本発明に係る金属接合用電極を用いて溶接した製品の一例を説明する。
【００４９】
図１１は、自動車部品である電子式燃料噴射弁コイルを示す。端子５００，絶縁被覆コイル５０１，モールドケース５０２より構成され、端子５００を発明の係る金属接合用電極を用いて溶接した溶接部５０３がある。
【００５０】
図１２，図１３は、同様に自動車部品である点火系コイルを示し、端子５０５，絶縁被覆コイル５０６，モールドケース５０７より構成され、端子５０５を発明の係る金属接合用電極を用いて溶接した溶接部５０８がある。
【００５１】
前述したように本発明に係る金属接合用電極は、鉛筆を削るよう再製することができるので、電極ホルダーからの突出量を一定にすることができるので、接合部が安定した製品を得ることができる。また、本発明に係る金属接合用電極は連続して接合作業を行うことができ、製品の生産性向上が図れる。
【００５２】
なお、図１１乃至図１３では、自動車部品の一例を説明したが、自動車部品の製造に限定されるものではなく、溶接による製造される製品に適用できることは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高発熱電極の熱引きを向上し、寿命の長い金属接合用電極及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、生産性の向上を図れる金属接合用電極を備えた溶接設備及びその設備により溶接された接合品質の高い製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図２】図１に示す金属接合用電極１００を抵抗溶接ヘッド２００にセットした状態を示す図である。
【図３】本発明の金属接合用電極と従来の金属接合用電極で接合した時の冷却効率の関係を示したグラフである。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、本発明の他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施の形態である金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図８】本発明に係る金属接合用電極の詳細形状を示す傾斜図とその断面図である。
【図９】ＴＩＧ溶接トーチの詳細形状を示す断面図である。
【図１０】プラズマ溶接トーチの詳細形状を示す断面図である。
【図１１】電子式燃料噴射弁コイルの概略図である。
【図１２】点火系コイルの側面図である。
【図１３】点火系コイルの正面図である。
【符号の説明】
１…導体部、２…中心電極、２０…電極ホルダー、２１…ボルト、２２…冷却管、３０…Ｕ字形接合用端子、３１…接合用電線、５０，５１，５２，５３…導体部が無い部分、６０，６１…ガスカップ、７０…ノズル、８０，８１…コレット、１００，１０１，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０,１６０,１７０，１８０，１９０…金属接合用電極、２００…抵抗溶接ヘッド、３００，４００…溶接トーチ。

Claims

中心電極と該中心電極を被覆する導体部により構成される抵抗溶接に用いられる金属接合用電極であって、該金属接合用電極は、前記中心電極に前記導体部が施されている部分と前記中心電極に前記導体部が無い部分だけで構成されており、前記中心電極は前記導体部より電熱性が高い抵抗溶接が可能な材料を用いたことを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。
中心電極と該中心電極を被覆する導体部により構成される抵抗溶接に用いられる金属接合用電極であって、該金属接合用電極は、前記中心電極に前記導体部が施されている部分と前記中心電極に前記導体部が無い部分だけで構成されており、前記中心電極は前記導体部より電気抵抗が大きい抵抗溶接が可能な材料を用いたことを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。
中心電極と該中心電極を被覆する導体部により構成される抵抗溶接に用いられる金属接合用電極であって、該金属接合用電極は、前記中心電極に前記導体部が施されている部分と前記中心電極に前記導体部が無い部分だけで構成されており、前記中心電極は前記導体部より熱伝導度の低い抵抗溶接が可能な材料を用いたことを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。
中心電極と該中心電極を被覆する導体部により構成される抵抗溶接に用いられる金属接合用電極であって、該金属接合用電極は、前記中心電極に前記導体部が施されている部分と前記中心電極に前記導体部が無い部分だけで構成されており、前記中心電極は前記導体部に対して電導度が１０乃至９０％の特性を有する抵抗溶接が可能な材料を用いたことを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。
請求項１乃至請求項４のうちいずれか一つにおいて、前記中心電極は、モリブデン，タングステン、或いはタングステン合金のいずれかで構成されていることを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。
請求項１乃至請求項４のうちいずれか一つにおいて、前記導体部は、銅，金，銀，アルミニウムからなる導材、或いは少なくともそれらの２つを組み合わせた合金で構成されていることを特徴とする抵抗溶接に用いられる金属接合用電極。