JP4521756B2

JP4521756B2 - スポット溶接用電極

Info

Publication number: JP4521756B2
Application number: JP2004319434A
Authority: JP
Inventors: 努東; 淳黒部; 博朝田
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP2006130514A

Description

本発明は、板厚が比較的薄い鋼板をスポット溶接にする際に、ドーナツ状ナゲットの生成を抑制することが可能な形状を有するスポット溶接用電極に関する。

従来から、自動車や家電製品等の組立てラインにおいては、抵抗溶接法の中でも作業効率の高いスポット溶接法が多用されている。そして、大量生産ラインでは、連続的にスポット溶接が実施されている。このため、スポット溶接用の電極は、高熱，高負荷を繰り返し受ける状況下にあり変形しやすいので、その素材としては変形に耐え得るものでなければならない。しかも、抵抗溶接用電極の本来の必要条件である、高電気伝導度，高熱伝導性及び高強度，高耐摩耗性を備えていることが要求される。このような背景のもと、スポット溶接用電極Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ等の銅合金や、Ａｌ₂Ｏ₃等の硬質物質を分散させた銅材が用いられている。熱伝導特性や強度、コスト等の総合的な観点から、Ｃｕ−Ｃｒ合金が用いられる場合が多い。
そして、形状的には、先端に湾曲面を形成したＲ型，ＤＲ型や、先端を平坦にしたＣＦ型等に加工され、使用されている。

また一方で、耐久性向上と軽量化を図るために自動車や家電製品等の素材として、板厚が比較的薄い高強度のめっき鋼板が多く使用されるようになっている。このような高強度めっき鋼板をスポット溶接する際には、普通鋼板をスポット溶接する際と比較して、大電流を流すことになる。殊に、高強度鋼板等の板厚が薄い鋼板は、板厚の厚い鋼板を溶接する場合と比較して電極からの冷却効果を大きく受けることからナゲットの成長が抑えられ、ナゲットの形状も図４（ａ）に示したような通常の楕円形に形成されるのではなく、図４（ｂ）に示したような外周部のみにナゲットが形成される、いわゆるドーナツ状ナゲットになることが多い。

このため、自動車等、高い接合強度を必要とする分野では、基準ナゲット径を確保し難いために品質不良となる場合が多く、このドーナツ状ナゲットの生成を防止するためにチリ発生以上の高い溶接電流値で溶接する方法が取られている。また、このようなドーナツ状ナゲットは、電極先端の中央部分のみが大きく摩耗した場合、つまり電極寿命に達した電極で抵抗スポット溶接を実施した場合でも発生することがあるので、特許文献１で、抵抗スポット溶接の際の電極が材料に衝突するエネルギーを０．４Ｊ以上にすることが提案されている。
特開平４−３７１３７１号公報

しかしながら、ドーナツ状ナゲットの発生を防止するために高い溶接電流で抵抗スポット溶接した場合、溶接部の板厚が極端に薄くなって溶接部の板厚基準を満足できなかったり、チリが発生するために作業環境が劣悪化したりするといった問題点がある。特許文献１で提案されたスポット溶接法では、電極からの冷却を制御することができないので、板厚が薄い高強度鋼板の溶接でドーナツ状ナゲットの発生を抑えることができない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、高強度鋼板等、板厚が比較的薄い鋼板をスポット溶接にする際に、ドーナツ状ナゲットを発生させることなく、効率良く溶接可能なスポット溶接用電極を提供することを目的とする。

本発明のスポット溶接用電極は、その目的を達成するため、スポット溶接を行う一対の上下電極において、前記上下電極ともに、被溶接材料に当接する電極先端の当接面中央に、該当接面の径の１／２を超える径を有する球状凹部を設けたことを特徴とする。
球状凹部の深さは、被溶接材の厚さよりも浅くすることが好ましい。

本発明においては、スポット溶接を行う一対の上下電極において、上下電極ともに、被溶接材料に当接する電極先端の当接面中央に球状凹部を設けたために、形成されるナゲットがドーナツ状になることなく良好なものが得られ、所望の溶接強度を達成できるスポット溶接を、効率良く行うことが可能になる。
電極先端形状がＲ型やＤＲ型の湾曲形状であれ、ＣＦ型の平坦形状であれ、単純な球状凹部を設けることにより、安定したナゲットの形成が可能となって、溶接部の肉厚減少を抑え、効果的に、板厚の薄い鋼板を生産性良くスポット溶接することができる。

本発明者等は、比較的板厚の薄い鋼板をスポット溶接する際に、溶接不良であるドーナツ状ナゲットが形成される現象について検討を重ねてきた。
その結果、Ｒ型，ＤＲ型或いはＣＦ型等の通常の先端形状を有する電極を用いて、特に板厚の薄い高強度鋼板をスポット溶接する場合、上下電極の芯ずれや電極ロッドのたわみ、溶接機アームのたわみ等により、ナゲットが形成される起点となる位置は変動する。ナゲットの起点は溶接部中央に形成されるのではなく、溶接部中央より外れた位置に形成されやすい。ナゲットの成長はその起点部より楕円状に成長するため、溶接部中央より外れた位置に起点が形成されたナゲットは、成長してもその中心部に相当する部分に溶融部が形成されないドーナツ状ナゲットになることがあると推測した。

また、鋼板を形状が対称な上下電極によりスポット溶接を行った場合、上下鋼板が接する板間部では鋼板自体の発熱による加熱とほぼ同時に電極から放射状に冷却作用を受ける。この際、通電により発生する発熱量は通電経路の範囲内で均一に発生するが、電極から受ける冷却量の大きさは電極からの距離により変化する。そして、板厚が薄い鋼板では電極からの冷却作用が大きいためにナゲットは成長し難い。このため、通常のＲ型，ＤＲ型或いはＣＦ型の電極を用いて板厚が薄い鋼板をスポット溶接した場合、溶接部中央から外れた位置に起点が形成された初期ナゲットは溶接部中央方向へ成長し難くなってドーナツ状ナゲットが発生しやすくなると考えられる。

上記ナゲット起点位置の変動、及び電極の冷却効果によるナゲット成長の阻害のいずれもドーナツ状ナゲットの発生原因となり得るが、特に板厚の薄い鋼板をスポット溶接する際には、後者、すなわち電極による冷却効果の影響が大きいと考えられる。また、ドーナツ状ナゲットの発生を抑制するために、溶接機アームのたわみをなくしたり、上下電極の芯ずれを解消させたりすることはコスト的にも嵩むことになる。
そこで、本発明者等は、板厚の薄い鋼板をスポット溶接する際のドーナツ状ナゲットの発生を防止するために、冷却効果の影響が少ない電極先端形状について検討し、本発明に到達したものである。

ナゲットの形成態様を、板厚が薄い鋼板をスポット溶接する際の状況を示す図１に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すようにＲ型電極の場合、上下電極のずれ等により初期のナゲットは図２（ａ）に見られるように溶接部の中央から外れた位置で形成される。また、溶接部中央付近の板厚が減少し、なおかつ材料の板厚が薄いために溶接部中央付近の冷却作用が最も大きくなる。このため、初期に形成されたナゲットは溶接部中央方向へ成長し難くなり、結果としてドーナツ状ナゲットが発生しやすい傾向となる。
また、図１（ｂ）に示すようなＣＦ型電極の場合では、溶接部全体の板厚が減少し、材料の板厚が薄いために電極冷却効果は溶接部全体で大きくなる。このため、初期のナゲットはいずれの場所でも形成される可能性があり、しかも形成されたナゲットは成長し難くなる。この場合、ナゲットの形成は不安定で、結果としてドーナツ状ナゲットが発生しやすくなる。

これに対して、図１（ｃ）のように被溶接材料に当接する電極先端の当接面中央に球状凹部を設けると、電極からの冷却効果を考慮しても、同図に示すように当接面の中心部の温度が最も高くなる。そのため、図２（ｃ）に見られるように電極軸芯部に溶融の起点が形成され、その後周方向に成長して行く。この結果、ドーナツ状ナゲットは形成されることなく良好なスポット溶接が行える。

次に実際のスポット溶接用電極の材質・構造、及びその製造方法について説明する。
電極材質としては、通常のＣｕ系材料が用いられる。純Ｃｕでも良いし、１質量％程度のＣｒを含有させたものや、さらにＺｒをも含有させたものでも良い。或いはＡｌ₂Ｏ₃等の硬質物質を分散させたＣｕ材を用いても良い。
また使用する電極は、図３の（ａ），（ｂ）に見られるような、市販されているＲ型，ＤＲ型，ＣＦ型の電極チップに切削加工を施したり、上記Ｃｕ材を鋳造或いは鍛造する際に先端部に球状凹型を形成したりしてもよい。いずれにしても先端部形状を図３（ｃ），（ｄ）に見られるような形状に整えればよい。

球状凹型の凹部寸法は、その径（φｄ）を電極先端径（φＤ）の１／２を超える径とする必要がある。
電極先端に球状凹部を設けたことにより、ナゲットは凹部直下の板間中央部より形成されるが、凹部の径を大きくした方が板間での電極冷却がより広範囲で軽減され、その結果ナゲットの成長が促進されて安定したナゲット径を得ることができる。しかしながら、凹部の径（φｄ）を電極先端径（φＤ）の１／２以下にした場合、ナゲットは十分に成長できず規定のナゲット径を得ることが難しくなる。
また、球状凹部の深さは被溶接材の板厚よりも浅くする必要がある。この理由は、球状凹部の深さを深くした場合、この窪み部への材料流入が大きくなるために、溶接後にナゲット上に凸部が発生して外観を損なうおそれがあるためである。また、溶接中に電極凹部と被溶接材の接合面に隙間が生じるために通電経路が分断されて凹部への通電が行われ難くなり、その結果としてドーナツ状ナゲットの発生を促進するおそれがあるためである。

Ｚｎ−５５％Ａｌ合金めっきを片面当り６０ｇ／ｍ²で施した板厚０．４ｍｍの２枚のＺｎ−Ａｌめっき鋼板を、先端直径が６ｍｍ，全体直径が１６ｍｍの電極であって、先端形状を種々に変えた電極を上下に用い、スポット溶接を行った。
なお、電極には純Ｃｕの鍛造材を用いた。また、従来電極形状として、先端直径が６ｍｍのＤＲ型（φ６ＤＲ）と先端直径が６ｍｍのＣＦ型（φ６ＣＦ）を採用し（図３の（ａ），（ｂ）参照）、本発明電極形状として、先端直径が６ｍｍのＤＲ型の先端部全域にＲ４０の球状凹部を形成したもの（φ６凹型）と先端直径が６ｍｍのＣＦ型の先端中央部にＲ２０の球状凹部を直径３．２ｍｍにわたって形成したもの（φ６−φ３.２凹型）を採用した（図３の（ｃ），（ｄ）参照）。

そして、φ６ＤＲ電極とφ６凹型電極を用いた場合には、種々の溶接電流で加圧力１５０ｋｇｆを加えて通電１０サイクルで溶接した。また、φ６ＣＦ電極とφ６−φ３.２凹型電極を用いた場合にも、種々の溶接電流で加圧力１５０ｋｇｆを加えて通電１０サイクルでスポット溶接した。
いずれのスポット溶接したものにおいても、図４に示す測定基準で、すなわち、正常なナゲットが形成されたものでは全体の直径（図４（ａ））を、ドーナツ状ナゲットが形成されたものでは最小部の径（図４（ｂ））を測定し、ナゲット径とした。そして、ナゲット径が４√ｔ＝２．５３（ｔは板厚で０．４）を上回るものを良好な溶接部と評価した。
各電極形状によるドーナツ状ナゲットの発生状況結果を図５，６に示す。
なお、図５中、黒塗りしたプロットがドーナツ状ナゲットの発生を意味している。

図５に示す結果からもわかるように、通常のＤＲ型，ＣＦ型の電極形状でチリが発生する溶接電流値までスポット溶接をした場合には、いずれの条件でもドーナツ状ナゲットが発生している。
これに対して、図６に示す結果からわかるように、先端に球状凹部を形成した一対の上下電極を用いた場合、いずれの条件においてもドーナツ状ナゲットは発生しておらず、得られたナゲット径も基準値を大きく上回っていた。
このように、いずれの電極形状においても上下電極の電極先端部に球状凹部を設けることによりドーナツ状ナゲットの発生を防止することができる。そして、電極形状は使用目的に合わせてＲ型，ＤＲ型，ＣＦ型等を選択することができ、その先端部に所定サイズの球状凹部を形成すれば、初期の目的を達成できるスポット溶接が可能になる。

電極形状と板間での温度分布を説明する図、（ａ）がＲ型電極，（ｂ）がＣＦ型電極，（ｃ）が本発明の球状凹型電極各種電極を用いた際のナゲットの起点を説明する図、（ａ）がＲ型電極，（ｂ）がＣＦ型電極，（ｃ）が本発明の球状凹型電極電極形状を説明する図、（ａ）がＲ型，ＤＲ型電極，（ｂ）がＣＦ型電極，（ｃ），（ｄ）が本発明の球状凹型電極ナゲットの評価方法を説明する図，（ａ）が正常なナゲット，（ｂ）がドーナツ状ナゲットＲ型電極，ＣＦ型電極を用いて溶接した際のチリが発生するまでの溶接電流とナゲット径の関係を示した実験結果球状凹型電極を用いて溶接した際のチリが発生するまでの溶接電流とナゲット径の関係を示した実験結果

Claims

スポット溶接を行う一対の上下電極において、前記上下電極ともに、被溶接材料に当接する電極先端の当接面中央に、該当接面の径の１／２を超える径を有する球状凹部を設けたことを特徴とするスポット溶接用電極。
被溶接材の厚さよりも浅い球状凹部を設けた請求項１に記載のスポット溶接用電極。