JP5083930B2 - スポット溶接用電極 - Google Patents

Description

本発明は、Ｚｎめっき又はＺｎ合金めっきを施しためっき鋼板をスポット溶接にする際に用いる電極に関する。

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としては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。

また一方で、耐久性向上のために自動車や家電製品等の素材として、ＺｎめっきまたはＺｎ合金めっきが施されためっき鋼板が多く使用されるようになっている。これらのめっき鋼板をスポット溶接する際には、冷延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ため、電極先端部がさらに過酷な条件下におかれることになる。溶接中の電極先端では、めっき層の成分であるＺｎやＡｌ、或いはめっき鋼板の母材成分であるＦｅと電極の主成分であるＣｕとが合金化反応を起こし、Ｃｕ−ＺｎやＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ−Ｆｅ等の金属間化合物を形成してしまう。これらの金属間化合物は非常に脆いため、溶接時の加圧で剥離してしまい、結果として電極先端径が拡大して電流密度が低下することになる。このように、めっき鋼板の溶接では、普通鋼やステンレス鋼などの冷延鋼板を溶接する場合と比較すると、電極寿命が短いという欠点がある。
そこで、電極の高寿命化を狙って、電極先端中央部に埋め込んだ材料とその周囲の材料とが異なる多重構造の電極が各種提案されている。

例えば、特許文献１には、高強度高導電性の銅合金からなる電極本体の被溶接材に当接する当接面に、その２０〜７０％の面積領域を占めるように、前記被溶接材と合金化し難い、或いは溶着し難い、例えばＡｌ₂Ｏ₃分散銅合金等の金属を埋設したものが提案されている。
また、特許文献２には、高電気伝導材であるＣｕもしくはＣｕ−Ｃｒ合金によって形成された外周部と、セラミックス等の非電気伝導材によって形成された中央部とからなる二重構造のものが提案されている。
さらに、特許文献３には、電極本体が被溶接材に当接する面に、電気伝導度及び熱伝導度に優れ、しかも銅若しくは銅合金からなる電極本体よりも高強度の、例えばタングステンやモリブデンからなる芯材を、当接面の５〜２０％の面積を占めるように埋設したものが提案されている。
さらにまた、特許文献４には、タングステン，モリブデン又はこれらの合金の焼結体からなるチップ主体を、保持リングに嵌着した電極チップを備えたものが提案されている。
特公昭６３−３３９４９号公報 特開昭６４−６２２８７号公報 特開平４−４９８４号公報 特公昭５９−４１８３８号公報

しかしながら、特許文献１，３で提案された電極のように、芯材の当接面に占める割合が比較的小さいと、芯材周囲の銅ないし銅合金がめっき金属と接触・合金化しやすく、電極先端径が拡大しやすくなる。特に特許文献１のように、芯材にも銅合金を用いたものにあっては、芯材の当接面に占める割合を大きくしようとしても、めっき金属との合金化は避け難い。特許文献３のように、芯材としてめっき金属との濡れ性が良くないタングステンやモリブデンを用いても芯材周囲の銅合金の当接面が広いと、電極全体としては、先端径は広くなりやすくなる。
また、特許文献２で提案された電極のように脆いセラミックスを芯材として用いたものは、電極加圧時の割れにより剥離しやすくなり、ナゲット形成が不安定となる。

さらに、特許文献４で提案された電極では、保持リングに、強度と靭性の高い例えば析出硬化型のステンレス鋼が用いられており、保持リング部の電気伝導性が良くない。しかも電極そのものの製造コストが高くなっている。
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、ＺｎめっきまたはＺｎ合金めっきを施しためっき鋼板を大電流下でスポット溶接にする際にあっても、めっき金属との溶着・合金化を抑え、亀裂の発生を防止して長寿命化を可能とした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Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっきが施されためっき鋼板用のスポット溶接用電極は、その目的を達成するため、銅又は銅合金からなる電極本体の被溶接材に当接する当接面に、タングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金からなる芯材を、芯材／当接面の面積比率が７０〜３００％になるように埋設したことを特徴とする。
芯材となるタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金としては、２ａ族元素，４ａ族元素又は希土類元素の酸化物，窒化物，炭化物及び硼化物から選ばれる少なくとも一種以上の微粒子を分散させたものが好ましい。
微粒子としては、０．５〜１０体積％の割合で分散させたものが好ましい。

本発明においては、銅又は銅合金からなる電極本体の被溶接材に当接する当接面に埋め込んだタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金からなる芯材の、芯材／当接面の面積比率を７０〜３００％に設定することにより、めっき金属と合金化しやすい電極本体の銅又は銅合金の被溶接材との当接面積を少なくし、電極とめっき金属との溶着・合金化を抑え、かつ溶接時の加圧・発熱による亀裂発生を抑制して電極の長寿命化が可能となり、Ｚｎめっき又はＺｎ合金めっきを施しためっき鋼板を生産性良くスポット溶接することができる。しかも、本発明電極は、構造が比較的簡素であるため、製造コストも低い。

本発明者等は、前述した従来技術の有する欠点を解消するために、めっき鋼板をスポット溶接する際の電極の材質・形状について、種々の実験・検討を重ねてきた。
本発明者等は、まず、前記特許文献３で提案されている、銅又は銅合金からなる電極本体が被溶接材に当接する面に、電気伝導度及び熱伝導度に優れ、高強度のタングステンやモリブデンからなる芯材を埋設した二重構造の電極に着目し、その電極を構成する各材質及び芯材と周囲材との大小関係を種々に変更して、めっき鋼板のスポット溶接を実施して、電極寿命を調査した。
その結果、電極本体に銅又は銅合金を用い、芯材にタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金を用いた場合、電極を長寿命化する上では、被溶接材に当接する当接面に埋め込んだ芯材の、芯材／当接面の面積比率を７０〜３００％に設定することが有効であることを確認した。

従来から、二重構造の埋め込み型電極は電極寿命が長いとされているが、その理由は、溶接打点を重ねても埋め込んだ芯材により一定面積の通電路が確保され、それによって安定したナゲットの形成ができる点にある。そのため、芯材の材質としては、タングステンやモリブデンのように硬質で、めっき金属と合金化反応し難いものが好ましいことになっている。
そこで、芯材としてタングステンを用い、電極本体である周囲材を純銅としたとき、芯材の径を種々変更して、純銅からなる周囲材の被溶接材への当接状況の違い、すなわち、芯材／当接面の面積比率と電極寿命の関係を調査した。モリブデンもタングステンとほとんど同じ挙動を示す金属であるから、タングステンで得られた結果は、モリブデン或いはタングステンとモリブデンの合金にも当てはまると予測できる。
なお、連続打点溶接する場合の初期ナゲット径、すなわち１打点目のナゲット径が何れの電極でも同一になるような溶接条件とした。

詳細は、後記の実施例に記載するが、結果としては芯材／当接面の面積比率、すなわち、図１に示すような二重構造の電極１にあって、周囲材２に埋め込んだ芯材３の直径ｂで示す面積の、直径ａで示す被溶接材との当接面２ａに対する面積比率を７０〜３００％にする必要がある。１００％を超えるということは、当接面２ａの直径ａよりも太い直径ｂの芯材３を用い、芯材３を含めて電極先端を研削し、当接面が芯材３のみからなるように先端形状に整えること意味している。
タングステンやモリブデン、或いはそれらを基とする合金は、銅と比較してめっき金属に対する合金化反応性は低い。したがって、芯材径ｂが当接面の径ａよりも大きいと、周囲材である銅材がめっき金属と接触することはなく、銅とめっき金属との間で合金化反応を起こすことはない。当接面の面積よりも３０％程度までに小さい芯材面積であれば、周囲材はめっき金属と接触するが、接触面積が少ないために、周囲材とめっき金属との合金化による変形が拡径を起こすまでには到らず、電極全体としてその先端部形状を変形させることにはならない。

この点、タングステン等は酸化物等を分散させた銅材よりも、めっき金属と合金化反応しにくく、常温・高温での強度が高いために、当接面との面積比率が７０％であっても、電極寿命が延びるものと予測される。ただし、３００％を超えるような面積比率にすると、周囲材による芯材の冷却作用が非常に小さくなり、芯材表面にめっき金属が多く堆積して電極と被溶接材との電気抵抗が高くなりすぎてナゲットが形成しにくくなる。なお、好ましい範囲は、１００〜２００％である。
なお、タングステンの通電焼結体からなる電極にあっては、１０〜２００ｐｐｍ程度のＫ（カリウム）を、酸化物，窒化物，金属Ｋ，炭化物或いは硼化物の形態でドープされたものが多用されている。本明細書中では、タングステンは上記ドープタングステンをも包含していることを付言しておく。

ところで、芯材として用いるタングステンやモリブデンも、銅合金と比べるとめっき金属との合金化反応性は低いが、皆無ではない。また、タングステンやモリブデンは硬質であるが故に、加圧時の衝撃でクラックの発生等、破損しやすい欠点も有している。
そこで、芯材として用いるタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金も、めっき金属との合金化反応性を低く、かつ耐衝撃性に優れるように改良すると寿命が延びることが予測される。
改良手段としては、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｙ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｔｈ等の２ａ族元素，４ａ族元素又は希土類元素の酸化物，窒化物，炭化物及び硼化物から選ばれる少なくとも一種以上の微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させることが好ましい。これらの微粒子は、Ａｌ或いはＺｎとの反応性に乏しいため、スポット溶接時に芯材であるタングステン又はモリブデンとめっき金属との濡れ性を阻害する作用を発揮し、タングステン又はモリブデンとめっき金属との合金化反応を抑制する。
なかでも、Ｌａ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，Ｃｅ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｙ₂Ｏ₃，ＴｉＣ，ＺｒＢ₂，ＺｒＮが、融点が高くしかもめっき金属との反応性が特に低いために、タングステンやモリブデン中に分散させても焼結体の強度が維持でき、電極寿命の延長には好適である。

さらに、タングステン又はモリブデン若しくはそれらを基とする合金中に分散させた非金属微粒子は、芯材が衝撃を受けた際の転位の伝播をピン止めする作用を発揮し、結果的に耐衝撃性に優れ、クラックの発生等を抑制することができる。
上記微粒子の配合割合は０．５〜１０体積％にすることが好ましい。上記作用を効果的に発揮させるためには０．５体積％以上分散させることが好ましい。また１０体積％を超えて多量に含有させると、タングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金の電気伝導度が低くなりすぎ、抵抗溶接中に電極先端の温度が高くなりすぎて、却って合金化反応を起こしやすくなる。また、非金属微粒子を多量に含有させると、焼結体が脆くなり、後述のスエージング加工等、所望形状への加工が困難になる。好ましい配合割合は、０．８〜３体積％である。
また、ＣｅＯ₂等、含有させる非金属微粒子の粒径は、０．５〜１０μｍ程度が好ましい。１０μｍを超えるほどに大きな粒子を分散させると、熱膨張率の差によって破壊の起点になりやすい。

芯材として使用されるタングステンやモリブデンは、それぞれの金属単独で用いられてもよいし、例えば互いに５〜９５質量％の割合の合金として用いられても良い。
一般に、タングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金は焼結法により製造される。本発明で芯材として用いられるタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金も通常通り焼結法で製造される。
必要に応じて２ａ族元素，４ａ族元素又は希土類元素の酸化物，窒化物，炭化物，硼化物からなる微粒子を加えたタングステン及び／又はモリブデンからなる酸化物粉末を還元雰囲気で熱処理し、得られた粉末を適宜形状に成形した後、仮焼結と通電焼結を施し、その後、得られた焼結体にスエージング加工とセンターレス研磨を施して所望の径の棒体を得る。原料として、酸化物粉末に代えて金属タングステン及び／又は金属モリブデンの粉末を用い、必要に応じて微粒子を加えてそのまま成形してもよい。

電極本体である周囲材の銅又は銅合金にも、通常のものが使用される。市販の純銅、或いはＣｕ−Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金等が使用される。
芯材を銅材からなる周囲材に埋め込む態様も、従来法をそのまま適用できる。穿った孔に芯材を圧入しても良いし、ロウ材を介して挿し込んでも良い。或いは焼き嵌めを行なっても良いし、芯材を銅材で鋳包んだ後冷間鍛造を施しても良い。芯材と周囲材が密に接合されていれば、電気伝導，熱伝導の点で問題になることはない。
二重構造の電極構造体を形成した後、先端に研削加工を施して、Ｒ形，ＤＲ形，ＣＦ形等、所望の先端部形状に整える。

実施例１：
Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっきを片面当り３０ｇ／ｍ²で施した板厚０．７ｍｍの２枚のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板を、先端直径が６ｍｍ，全体直径が１６ｍｍのＤＲ型で、先端直径６ｍｍの部分に曲率半径４０ｍｍの円弧と他の部分に曲率半径８ｍｍの円弧を付与した電極であって、芯材には純度９９．９５％の粉末を通電焼結した後にスエージング加工とセンターレス研磨を行ったＷを，周囲材には純Ｃｕを用い、芯材の径を種々に変えた周囲材に埋め込んだ電極を上下に用い、表１に示す条件で連続打点の溶接を行った。そして、形成されたナゲット径を測定し、ナゲット径が４√ｔ＝３．３５（ｔは板厚）を下回るものを溶接不良として、電極寿命を求めた。
その結果を表２に示す。

表２に示す結果からもわかるように、Ｃｕ材電極本体にＷからなる芯材を、芯材／当接面の面積比率が７０〜３００％になるように埋設した試験番号３〜７の電極では、スポット溶接を行なっても電極先端形状の形状変化が少なく、一体型の１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極と比べて、長い電極寿命を得ることができている。
これに対して、芯材／当接面の面積比率が７０％に満たない試験番号１，２の電極では、電極寿命を延ばす効果は認められなかった。周囲材の純Ｃｕがめっき金属と合金化反応を起こして変形し、先端面が拡大したためである。そして、先端面を観察してみると、周囲材にめっき金属が付着しており、先端断面を観察してみると、周囲材の広い範囲でめっき金属との合金層が見られた。
また、芯材／当接面の面積比率が３００％を超えた試験番号８，９の電極でも、電極寿命を延ばす効果は認められなかった。周囲材による芯材の冷却が小さくなり、芯材部分が高温になり過ぎるためと思われる。先端面を観察してみると、多量のめっき金属が堆積している状態であった。

実施例２：
芯材として、Ｗに種々の配合割合で粒径０．５μｍのＣｅＯ₂粉末を分散させた焼結・鍛造品を用い、芯材の径を種々に変えた全体直径が１６ｍｍの電極を上下に用いる点以外は実施例１と全く同じ条件で、同じめっき鋼板を連続打点溶接した。
そして、実施例１と同じ評価方法で電極寿命を求めた。
その結果を表３に示す。

表３に示す結果からもわかるように、Ｃｕ材電極本体にＣｅＯ₂を０．５〜１０体積％分散させたＷからなる芯材を芯材／当接面の面積比率が７０〜３００％になるように埋設した試験Ｎｏ．１３〜１７及び２０〜２２の電極では、１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極と比べて、スポット溶接を行っても電極先端形状の変化が少なく、電極断面を観察してもめっき金属の堆積が非常に少ない状態で、１００００打点以上の長い電極寿命を得ることができた。
また、Ｃｕ材電極本体にＣｅＯ₂を０．５体積％未満分散させたＷからなる芯材を芯材／当接面の面積比率が１００％になるように埋設した試験Ｎｏ．２３，２４の電極でも、芯材／当接面の面積比率の効果が有効に働いたために１００００打点以上の電極寿命となったが、電極断面を観察するとめっき金属の堆積量は上記の試験Ｎｏ．１３〜１７及び２０〜２２の電極と比べると多い状態であった。逆に試験Ｎｏ．２５の電極のように芯材／当接面の面積比率が１００％であっても、ＣｅＯ₂の分散量を多くしすぎると芯材／当接面の面積比率の効果よりも分散量を多くしたことによる電気伝導度の低下の方がより大きく作用し、電極先端に堆積するめっき金属量が１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極よりも多くなり、ナゲット形成が十分に行われないために短い電極寿命となった。
さらに、ＣｅＯ₂を１体積％分散させたＷからなる芯材を、芯材／当接面の面積比率が７０〜３００％以外の寸法で埋設した試験Ｎｏ．１１〜１２及び１８〜１９の電極では、１％Ｃｒ−Ｃｕ合金電極よりも短い電極寿命であったが、ＣｅＯ₂を分散させていないＷを芯材とした電極（実施例１）と比べて電極寿命が若干延びる結果となった。

本発明のスポット溶接用電極の構造を模式的に説明する図 実施例１における、芯材／当接面の面積比率と電極寿命の関係を示すグラフ

Claims (3)

1. 銅又は銅合金からなる電極本体の被溶接材に当接する当接面に、タングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金からなる芯材を、芯材／当接面の面積比率が７０〜３００％になるように埋設したことを特徴とするＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっきが施されためっき鋼板用のスポット溶接用電極。
2. 芯材となるタングステン又はモリブデン若しくはそれらを基材とする合金が、２ａ族元素，４ａ族元素又は希土類元素の酸化物，窒化物，炭化物及び硼化物から選ばれる少なくとも一種以上の微粒子を分散させたものである請求項１記載のスポット溶接用電極。
3. 微粒子が０．５〜１０体積％の割合で分散されている請求項２記載のスポット溶接用電極。

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