JP4272672B2 - 溶接電極を保護するためのデバイス - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、ワークピース（workpiece）を抵抗溶接する際に電極を保護するためのデバイスに関する。本発明は、特に、好ましくは、同じものに対して移動可能な（displaceable）ように、電極上に配置されたストリップ(strip)を含む金属板の抵抗溶接の間に電極を保護するためのデバイスに関する。そして、当該デバイスは、ストリップのキャリア材料が導電性コーティングを備えていることを特徴としている。

現時点では、亜鉛メッキした鋼板（部分的に高強度品質）と同様に、アルミニウム合金およびマグネシウムからなる金属板または他のワークピースは、増大する範囲（increasing extent）、例えばボディメイキング（body-making）の中で用いられる。軽量化および良好な耐食性のような利点とは別に、それらの材料またはそれらのコーティングは、抵抗スポット溶接によって連結するときに問題を引き起こす。とりわけ、使用されたスポット溶接電極の工具寿命は、それはブランクの鋼板のそれに対して強く低減されるが、負の効果を有している。電極の激しい摩耗（wear）は、特に電極の再加工プロセスまたは電極交換に先立って、溶接品質の低下と同様に、電極接触面を頻繁に再加工すること及びそこからもたらされる頻繁な電極の交換を必要として、コストが高い。

汚染または溶接される材料による電極ピックアップ（pickup）からスポット溶接電極を保護するために、ストリップの形で（in strip-form）電極とワークピースとの間に金属膜を挿入することが知られている。安全なストリップ供給を保証するために、ストリップが電極接触面に付着することを防止する必要がある。

この点で、スポット溶接中の電極を保護するためのデバイスは、欧州特許EP 0 830 915 B1号から知られている。当該欧州特許において、保護される電極に関する巻き戻し（unwinding）メカニズムの助けを借りてストリップは引かれる。ストリップは、銅ニッケル合金又は純粋なニッケルから本質的に成り、厚さは0.02乃至0.05mmである。延ばされた工具寿命を保証するために、電極および特に電極キャップは、銀または銀の金属酸化膜でコーティングされているか、または適切なインサートを備えている。

更に、抵抗溶接プロセスで電極を保護するためのストリップは、米国特許出願5 552 573 A号から分かる。そのストリップは、いずれか一方の側にコーティングされた基材で構成されている。層は同じ材料または異なった材料で構成されてもよい。基材の厚さは0.02乃至1mmである。また、その基材は、鉄、鋼、銅または銅合金で構成される。塗布層は、1乃至100μmの厚さであり、ニッケル、チタン、ニオブ、モリブデン、タングステン、クロム、コバルトまたはそれらの合金で構成されてもよい。かかるストリップは、コーティング又は合金にすることにより非常に高い製造要求、従って非常に高いコストを含む不都合を有している。他の非常に重要な不都合は、ユーザーが異なった組み合わせを独力で構成することができないので、最も異なった用途のためのかかる組み合わせストリップの要求と高価な貯蔵とが必要であるように、最も異なった材料の複数の組み合わせが想定されてもよいことにある。

スポット溶接方法での電極を保護するためのストリップの適用は、さらに、独国特許発明明細書DE 197 54 546 C1号、日本国特許公開公報JP 10-029071 A号、日本国特許公開公報JP 08-118037 A号、日本国特許公開公報JP 04-322886 A号または日本国特許公開公報JP 05-192774 A号から分かる。巻き（winding）メカニズムを介して供給されて放出される（discharged）ストリップが、スポット溶接ツールにおける電極の上に、位置決めされている。ストリップは、スポット溶接プロセスの間にワークピースの上にあるようになり、また、電極はワークピースとの接触から保護されるだろう。

独国特許発明明細書DE 197 54，546 C1号および日本国特許公開公報JP 04322886 A号による方法では、保護用ストリップが運搬の間に電極上に引かれる（drawn）ことは不利であり、それにより、電極とストリップとの間で発生する摩擦のために電極の激しい摩耗をもたらす。

日本国特許公開公報JP 10029071 A号および日本国特許公開公報JP 08118037 A号による方法は、ストリップの運搬および特にその供給および放出（discharge）するための非常に複雑な構造を必要とするという不都合を含んでおり、その結果、この種のスポット溶接ツールは実際上ほとんど使用可能ではない。かかるデバイスによって、単純な金属板を一緒に溶接することだけが実際に実現可能である。小さくてコンパクトなスポット溶接ツールを必要とするから、ロボット用のスポット溶接トング（tongs）、特に自動車産業におけるそれらの適用は、可能ではない。日本国特許公開公報JP 07051865 A号は、ワークピースの抵抗溶接における電極用保護ストリップを開示している。そのストリップは、いずれか一方の側に配置された導電性コーティングを有するキャリア材料で構成される。導電性コーティングがグラファイト粒子で作られているが、キャリア材料は銅から成る。グラファイト粒子を備えた銅箔のコーティングは、ワークピース及び電極と、ワークピース及び電極保護層との間での合金化反応をより困難にさせる役目を果たしている。しかしながら、かかるストリップの製造は比較的要求が厳しい。

本発明の目的は、電極を保護するためのデバイスを提供することである。当該デバイスによって、溶接品質が実質的に改善される。

本発明の目的は、前記コーティングが、電極から離間して面するストリップ側に配置され、ストリップのキャリア材料よりも低硬度の材料で構成されるということで達成される。このことには、柔軟なコーティング材料のために、溶接プロセスに先立って電極および溶接トングによって印加された圧力により、溶接されるワークピースの裂かれた酸化被膜へストリップのキャリア材料が押圧され、それによって増大した電流の移転および低減された電気抵抗が保証されるという長所がある。ワークピースへのストリップの接触面上の熱作用は、スポット溶接の初期に実質的に低減されて、溶接スパッタリングが回避されるだろう。保護ストリップの柔軟なコーティングは、そもそもアルミニウム材料に有益な効果があるが、これらは他の材料でも類似している。さらなる利点は、溶接プロセスの安全性が非常に増加するとともに、実質的に増大した電流の移転により、溶接の欠陥が大きく低減されることである。多大なコストのかかる再加工操作が回避されて低減される。

ストリップまたはキャリア材料のコーティングは、例えば、錫または亜鉛、あるいは錫または亜鉛の合金で構成される。

好ましくは、ストリップは、ブリキと呼ばれるもので構成され、キャリア材料が鋼で作られて、コーティングが錫から成る。

少なくとも２つの重ね合わせたストリップを設けることは実現可能である。ワークピース(特に金属板)と接触することになるストリップは、ワークピース(特に金属板)に面する側に、前記ストリップのキャリア材料よりも高さの低いコーティングを有している。２つの重ね合わせたストリップに加えて、いくつかの重ね合わせたストリップを適用することも実現可能である。

本発明の他の特有の特徴によれば、電極に面するストリップの前記キャリア材料の材料が、鉄金属のグループ、鉄金属のグループのその主成分を有する合金、銅または銅合金から選ばれることが提供される。比較的低い融解温度により、溶接の間に材料を完全に蒸発させて、それにより、ワークピースの表面に対する影響を及ぼさない。

本発明の他の特有の特徴によれば、ワークピース(特に金属板)に面するストリップ・コーティングが1000℃以下の融解温度を有している材料で構成されることが提供される。

以下において、本発明は、典型的な実施態様としてより詳細に説明される。

図１及び２は、抵抗溶接の間に電極2を保護するためのストリップ1を示している。

電極2を保護するためのストリップ1（好ましくは銅または銅合金で作られている）は、実際上、図１に模式的に示されるように電極2に対して移動可能なように、電極2（特に電極キャップ3）と、溶接されるワークピース(特に金属板4，5)の表面との間に配置される。図１は、金属板4，5または構造の要素の抵抗溶接に用いられたスポット溶接ツール6を示す。好ましくは、スポット溶接ツール6は、電極2と横方向に（transversely）接触するストリップ1の巻回・巻き戻しを行うメカニズム(不図示)と組み合わせて用いられる。しかしながら、電極2を保護するために、合金化された（alloyed-on）層を任意に含む２個構成のまたは複数構成のストリップ1を用いることができる。

更に、圧力要素7は、電極キャップ3の領域にある電極2の周りに、または金属板4，5を備えた電極2の接触面の周りに、移動可能にそれぞれ配置されてもよい。かかる圧力要素7は、ワークピース特に金属板4，5に対してさらなる圧力を印加するだろう。ストリップ1を備えたスポット溶接ツール6を用いるときに、圧力要素7は、ストリップ1を案内するための案内部を、好ましくは特にその端面に備える。ストリップ1は、溶接トング8または同じ機能を持った装置を開いている間に、または開いた後に電極2または電極キャップ3の表面からリフトオフ（lift off）されるように、圧力要素7は電極2からストリップ1を持ち上げるように構成されてもよい。圧力要素7に設けられた案内部は、ストリップ1が圧力要素7の端面のレベルを終了するように設計されている。もちろん、圧力要素7内のストリップ1に設けられた案内部も、ストリップ1が圧力要素7の端面を越えて突出するように構成されてもよい。開放された状態において、つまり、溶接トング8が開いた状態において、圧力要素7は、電極2を越えて突出し、従って、電極2から少し離間しながらストリップ1を保持する。

更に、ストリップ1を受け取るための案内チャネル10を備える支持要素9は、電極2上に配置されてもよい。圧力要素7に力を印加するための手段11特にばね要素は、支持要素9と圧力要素7との間に配置され、それにより、電極2に沿ってストリップ1を移動させる（displace）ために圧力要素7に適切な圧力が印加される。

図示した実施例において、圧力要素7(すなわちストリップ案内部)は、エラストマーばね12によって前方に押圧されている。もちろん、圧力要素7は、いかなる他の方法によっても駆動され、例えば、空気的に、油圧的に（hydraulically）または電気的に駆動される。圧力要素7は、溶接トング8の動作の際に、ワークピース(特に金属板4，5)に抗して押圧されるならば、ワークピース(特に金属板4，5)に高圧又は大きな力を印加するであろう。溶接トング8が閉じているときに、圧力要素7は、電極2(すなわち電極キャップ3)がストリップ1によって金属板4，5の金属板表面13と接触するまで、ワークピース(特に金属板4，5)に触れた後に後方に押圧される。溶接トング8が開いたときに、圧力要素7は、力の印加手段11および特にエラストマーばね12または他の動作手段によって前方に押圧される。ストリップ1の意識的に（deliberately）生成された引張応力および避けられないスチフネスのために、ストリップ1は、電極2および特に電極キャップ3の表面に対して離間した（spaced-apart）関係に強制的に配置される。

溶接プロセスにおける圧力要素7は、このように、溶接ゾーンの近くに存するシートメタル表面13上を部分的に押圧し、その結果、２つのワークピース(特に金属板4，5)が開くことを防止する。それは、電極2に圧力をさらに印加することにより、スポット溶接の間に通常起こるだろう。

ストリップ1、またはストリップ1のキャリア材料14は、電極2から離れた側にある良導電性で柔軟な材料によってコーティングされている。コーティング15の材料は、ストリップ1のキャリア材料より低い硬度を有している。ストリップ1のコーティング15は、錫または亜鉛、または錫または亜鉛合金で構成されており、好ましくは、1000℃以下の融解温度を有している。好ましくは、ストリップ1は、ブリキ(つまり錫めっきされた鋼)で作られている。

少なくとも２つの部分または層(つまり２つの重ね合わせたストリップ1)で構成されたストリップ1と共にコーティング15が同様に用いられてもよいことは言うまでもない。２つの部分のストリップ1の場合には、ワークピースまたは金属板の4，5と接触するストリップ1または層は、良導電性で柔軟な材料(つまりコーティング15)を備えている。また、そのコーティング15はワークピースまたは金属板4，5と接触する。電極2に面するストリップ層の材料は、鉄金属（ferrous metals）、鉄金属（ferrous metals）のグループからその主成分を有する合金、銅または銅合金、または鋼又は鋼合金のグループから選ばれる。

例えば、アルミニウム要素またはアルミニウム板4，5を抵抗溶接する間に、アルミニウム要素またはアルミニウム板4，5の絶縁酸化被膜のために問題が生じるだろう。実際、酸化被膜は非常に脆く、電気的に絶縁する効果がある。しかしながら、ストリップ1の完全に導電性で柔軟なコーティング15を設けることによって、溶接トング8で印加された圧力により、金属板4，5の酸化被膜が壊されるか裂かれて、柔軟な層15(すなわち層15の材料)は酸化被膜のギャップに押圧され、それにより、完全な電流の伝達つまり、小さな抵抗および大きな電流入口（entry）表面を提供することは確実であろう。

金属板4，5の基材との改善された接触により、実質的に低減された熱量導入は、溶接の初期に、つまりエネルギーを供給している間に、小さくなった電気抵抗および大きくなった電流の入口表面のために金属板4，5を備えたストリップ1の接触面にもたらされる。それにより、表面スパッタリングが回避されるだろう。

原理的に、ストリップ1のコーティング15として良好な導電性で柔軟な材料を用いることによって、接合スパッタリングの防止によって実質的に改善された溶接品質を達成するために圧力印加の下で金属板4，5の材料とコーティング15の材料が混合することが保証されると言うことができる。各コーティング15を備えた当該ストリップ1の使用は、アルミニウムで作られた金属板4，5の溶接の場合のみにおいて有利というわけではない。

図３は、電極保護デバイスの実施態様の断面を示している。２つのストリップ1，1'が上下に配置されている。ワークピース(特に金属板4，5)と接触するストリップ1は、コーティング15を有している。ワークピース(特に金属板4，5)に面する側で、コーティング15は、ストリップ1のキャリア材料14よりも低い硬度である。さらに、コーティング15の高さは、ストリップ1のキャリア材料14より低い。第２のストリップ1'は、コーティングの無いキャリア材料14'を単に備える。もちろん、上下に、異なった厚さのいくつかのストリップを配置することは実現可能である。

スポット溶接ツールの実施態様の模式側面図である。 電極を保護するためのストリップの断面を単純化し模式的に示す。 ２つの重ね合わせたストリップを備える電極保護デバイスの他の実施態様の断面を示す。

Claims (5)

1. 電極(2)に対して移動可能なように電極(2)上に配置されたストリップ(1)を含み、ストリップ(1)のキャリア材料(14)は導電性コーティング(15)を備えており、
   前記コーティング(15)は、電極(2)とは反対側のストリップ表面上に配置されているとともに、ストリップ(1)のキャリア材料(14)より低い硬度と、1000℃以下の融解温度とを有する材料で構成されることを特徴とする、ワークピースを抵抗溶接する際に電極(2)を保護するための保護デバイス。
2. 前記コーティング(15)は、錫または亜鉛、あるいは錫または亜鉛の合金で作られていることを特徴とする、請求項１記載の保護デバイス。
3. ストリップ(1)のキャリア材料が鋼で作られており、コーティング(15)が錫で作られていることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の保護デバイス。
4. 少なくとも２つの重ね合わせたストリップ(1，1')が設けられていて、ワークピースと接触するストリップ(1)は、ワークピースに面する側に、前記ストリップのキャリア材料(14)よりも高さの低いコーティング(15)を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の保護デバイス。
5. 電極(2)に面するストリップ(1)の前記キャリア材料(14)の材料は、鉄金属、鉄金属のグループからその主成分を有する合金、あるいは銅または銅合金のグループから選ばれることを特徴とする、請求項４記載の保護デバイス。

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