JP4575924B2 - 抵抗溶接用電極及び溶接抵抗電極製造方法、並びに抵抗溶接装置、抵抗溶接ライン - Google Patents

Description

本発明は、ワーク表面に電極材料或いは電極材料が放電エネルギにより反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理を利用した抵抗溶接用の電極、及びその電極を使用した抵抗溶接装置、並びにその抵抗溶接装置を使用した部品製造ラインに関するものである。

スポット溶接やシーム溶接など抵抗溶接の際に使用されるスポットチップ、キャップチップ、円盤状電極などの電極に関する発明として、特開平１０−１２８５５４号公報、特開平１０−３４３５１号公報、特開平８−８１７２３号公報等が開示されている。

溶接用電極などは、Ｃｕ（銅）を主成分とした材料で作られるのが一般的であるが、熱と溶融した材料のスパッタに曝された過酷な条件化で使用されるため寿命が短く、そのため交換作業が頻繁に必要であり、通常数日、短いものでは数時間での交換が必要であった。

上記特許文献に記載された発明は、いずれも、電極の寿命を延ばすことが目的の発明であり、特開平１０−１２８５５４号公報、特開平１０−３４３５１号公報は電極の冷却により、寿命の延長を目的とし、特開平８−８１７２３号公報は電極の材質により寿命の延長を目的とした発明である。しかしながら、何れの特許文献も寿命を延長するためになされたものであるが、十分な効果が上がっているとは言いがたい。
特開平１０−１２８５５４号公報 特開平１０−３４３５１号公報 特開平８−８１７２３号公報

本発明は、このような抵抗溶接用の電極の短寿命を大きく改善し、電極の交換の少ない溶接装置を供給し、さらには、そのような溶接装置を導入することで電極交換のためにラインを停止する頻度が少なくすむような部品製造ラインを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、抵抗溶接用電極は、炭化しやすい金属の粉末、金属化合物の粉末を主成分とした粉末を成形した粉末成形体、或いは該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで、該抵抗溶接用電極の表面に該電極材料が付着或いは炭化して形成される金属炭化物の被膜を形成した第１の層と、この第１の層上に、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ等の何れかを主成分とする被膜を形成した第２の層と、を有する。

本発明に係わる抵抗溶接用の電極あるいは抵抗溶接装置は、寿命の極めて長いものであり、長時間にわたって連続して使用することができ、大幅な作業の削減、コストの削減を実現することができるものである。
また、この抵抗溶接装置を組み込んだ部品の製造ラインは、消耗品の交換のためにラインを停止する時間を短くできるため、部品製造の生産性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１である溶接装置概要を示す図である。 鋼材にTiC被膜を形成した場合の断面写真である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図１は、本実施の形態における抵抗溶接用の電極及びその周辺の概略図である。
本実施の形態におけるスポット溶接用のチップ１には、例えばTiC（炭化チタン）といった金属炭化物の被膜２が形成され、その被膜２上にめっきによりニッケルクロムの被膜３が形成されている。
ここで、金属炭化物の被膜２は、炭化しやすい金属の粉末或いは金属化合物の粉末を主成分とした粉末を圧縮成形した粉末成形体を加熱処理して製造した表面処理用電極を用いて、スポット溶接用のチップ１の間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで形成する。
なお、４はスポット溶接により接合しようとしている金属板、５はトランスであり、トランスから先の電気回路については周知の電気回路であり、図示しない。

金属炭化物の被膜を形成するための表面処理用電極は、TiC、あるいはTiなど加工液中での放電に伴い炭化してTiC（炭化チタン）になるチタン系の材質の電極を用いることでTiCの被膜を形成している。
なお、電極の成形としては、圧縮成形のほかに、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射、ナノ粉末をジェット気流に同伴させ成形させる方法等がある。

本実施の形態における抵抗溶接用電極は、上述の如く、表面に硬質セラミックスであるTiCの被膜２、さらにその上に形成されたニッケルクロムメッキ層３から構成されている。
硬質セラミックスは、他の材料である、例えば窒化チタン、TiCN、炭化珪素（SiC）、炭化ホウ素（B_４C）、炭化クロム（Cr_３C_２など）、炭化バナジウム（VC）、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化モリブデン、炭化タングステン（WC）などでもよいが、実験の結果では、TiCの結果が良好であった。
また、硬質セラミックスの上の被膜も、他の材料である、例えばCr（クロム）、Ni（ニッケル）、Fe（鉄）、W（タングステン）、Mo（モリブデン）などを主成分とする金属材料の被膜であれば同様の効果がある。なお、硬質セラミックスの上の被膜は、いずれも融点が千数百℃以上と比較的高い材料であることが共通している。
ここで、最表面の金属被膜（本実施の形態では、ニッケルクロムメッキ層）の形成方法は、メッキ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、或いは、金属を主成分とした粉末を成形した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させる方法等、処理方法が異なっても大きな差はなかったが、中間層である硬質セラミックス層は、以下に述べる放電表面処理による方法が最も寿命延長の効果があった。

放電表面処理とは、国際公開ＷＯ９９/５８７４４号公報、国際公開ＷＯ０１/０５５４５号公報、国際公開ＷＯ０１/２３６４０号公報などに開示された方法であり、炭化しやすい金属の粉末或いは金属炭化物の粉末を主成分とした粉末を圧縮成形した圧粉体、あるいは、該圧粉体を加熱処理した圧粉体と、ワークとの間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで、ワークの表面に電極材料が炭化して形成される金属炭化物の被膜を形成する方法である。
被膜形成には、パルス幅te＝4〜30μｓ程度、ピーク電流値ie＝5〜30Ａ程度の条件がよく、より望ましくは、パルス幅te＝10〜20μｓ程度、ピーク電流値ie＝15〜20Ａ程度の条件がよいことがわかった。
この放電表面処理により形成された硬質炭化物被膜は、密着性に優れ剥離し難いという特徴を持つ。
これは、被膜表面は硬質炭化物が多く、内部にいくにしたがい母材の割合が多くなる傾斜性を持っているためと考えられている。
図２は、鋼材にTiC被膜を形成した場合の断面写真であるが、表面ほどTiCが多く、徐々に母材が増えてくることがわかる。

本実施の形態における抵抗溶接用電極は、上述した放電表面処理によりTiC被膜を形成した後、さらに、ニッケルクロムメッキを施したものであり、銅製の抵抗溶接用電極の寿命の評価試験を行なった結果を以下に説明する。
比較は、
１） 銅製の抵抗溶接用電極（従来品）
２） 銅製の抵抗溶接用電極の表面にニッケルクロムメッキを施こす。
３） 銅製の抵抗溶接用電極に放電表面処理によりTiC被膜を形成する。
４） 銅製の抵抗溶接用電極に放電表面処理によりTiC被膜を形成した後ニッケルクロムメッキを施こす。
の４種類で行なった。
評価内容及び寿命（従来品を１としたときの比較）を表１に示す。

表１の示す如く、2)銅製の抵抗溶接用電極の表面にニッケルクロムメッキを施したもの、3)銅製の抵抗溶接用電極に放電表面処理によりTiC被膜を形成したもの、でも多少の寿命の延びは得られたが、4)銅製の抵抗溶接用電極に放電表面処理によりTiC被膜を形成した後ニッケルクロムメッキを施したものは、それらの結果よりも大きな効果が得られた。

4)の銅製の抵抗溶接用電極に放電表面処理によりTiC被膜を形成した後ニッケルクロムメッキを施したものの寿命が極端に長くなった原因は以下のように推察できる
銅は熱伝導がよい材質であるが融点が高く、逆にTiCは熱伝導が悪いが融点は高い。
熱伝導が悪いと局部的に温度が上がりやすいため、スパッタが付着し、被膜の破損の原因になりやすいが、TiC被膜の放電表面処理は前述のように傾斜性を持った被膜であり、硬いTiCの被膜はすぐに熱伝導のよい銅の成分と融合した被膜となっており、溶融は融点の高い表面のTiCで防ぎ、熱は直下の銅の成分ですぐに発散できる理想的な被膜となっていると考えられる。

このように、TiC被膜を施した銅製の抵抗溶接用電極は、従来の銅製の溶接用電極に比べて、約２倍の寿命を達成したが、放電表面処理の被膜は、面粗さが１０μｍ程度と粗く、被膜の厚みにばらつきが大きいため、それだけでは寿命の延長の効果が限られると考えられる。それを補うために、表面を比較的融点の高い材料で覆うことで補ったのが、本発明の趣旨である。

スポット溶接などの抵抗溶接は、部品加工の生産ラインに組み込まれて使用されることが多く、例えば、自動車のボディーの組み立てなどに多く使用されているのは周知である。
これらの生産ラインはロボットの使用など自動化が進んでいるが、自動化がなかなかできていないのが溶接回数が多くなるに従い消耗する抵抗溶接用の電極の交換である。
部品の製造ラインを稼動させる上で重要になるのは、ラインの消耗品の交換などでラインを停止させる時間がいかに少なくできるかである。
その点では、抵抗溶接用の電極の交換は、数日に１度ラインを止めて交換する必要があるため、問題のある作業であるが、本実施の形態の抵抗溶接用電極を用いれば、電極自体の寿命を大きく伸ばすことが出来るため、抵抗溶接の消耗品の交換頻度が少なくなり、ラインを止める時間が減らし、生産性を大きく伸ばすことができる。

本発明に係わる抵抗溶接用の電極あるいは抵抗溶接装置は、寿命の極めて長いものであり、長時間にわたって連続して使用することができ、大幅な作業の削減、コストの削減を実現することができるものである。
また、この抵抗溶接装置を組み込んだ部品の製造ラインは、消耗品の交換のためにラインを停止する時間を短くできるため、部品製造の生産性を向上させることができる。

本発明にかかる抵抗溶接用の電極は、部品製造ラインに用いられる抵抗溶接装置に適している。

Claims (7)

1. 炭化しやすい金属の粉末、金属化合物の粉末を主成分とした粉末を成形した粉末成形体、或いは該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで、該抵抗溶接用電極の表面に前記粉末成形体の材料が付着或いは炭化して形成される金属炭化物の被膜を形成した第１の層と、
   この第１の層上に、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ等の何れかを主成分とする被膜を形成した第２の層と、
   を有する抵抗溶接用電極。
2. 抵抗溶接用電極は、銅或いは鉄を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の抵抗溶接用電極。
3. 第２の層は、メッキ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、或いは、金属を主成分とした粉末を成形した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させる方法、により、第１の層上に形成したことを特徴とする請求項１、２に記載の抵抗溶接用電極。
4. 抵抗溶接用電極を加工液中に配置し、炭化しやすい金属の粉末、金属化合物の粉末を主成分とした粉末を成形した粉末成形体、或いは該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体を放電表面処理用電極として対抗配置し、所定の電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで、該抵抗溶接用電極の表面に前記表面処理用電極の電極材料が付着或いは炭化して形成される金属炭化物の第１の被膜を形成させる工程と、
   この第１の被膜上に、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ等の何れかを主成分とする第２の被膜を形成させる工程と、
   を有する抵抗溶接用電極製造方法。
5. 第２の被膜は、メッキ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、或いは、金属を主成分とした粉末を成形した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させる放電表面処理方法、を用いて第１の被膜層上に形成することを特徴とする請求項４に記載の抵抗溶接用電極製造方法。
6. 炭化しやすい金属の粉末、金属化合物の粉末を主成分とした粉末を成形した粉末成形体、或いは該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体と、該抵抗溶接用電極との間に加工液中において電圧を印加してパルス状の放電を発生させることで、該抵抗溶接用電極の表面に前記粉末成形体の材料が付着或いは炭化して形成される金属炭化物の被膜を形成した第１の層と、この第１の層上に、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ等の何れかを主成分とする被膜を形成した第２の層と、を有する抵抗溶接用電極と、
   この抵抗溶接用電極に電極を供給する電力供給部と、を備えた抵抗溶接装置。
7. 請求項６記載の抵抗溶接装置を使用することにより部品溶接を行うことを特徴とする部品製造ライン。

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