JP5099582B2 - 抵抗溶接用カラー、抵抗溶接用電極および抵抗溶接方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子、受光素子、発光素子、それらを用いたモジュールのパッケージ、キャップ、ステムなど金属部材を抵抗溶接する場合に用いる電極と、電極の一部に用いるカラー治具、その製造方法、カラー治具を用いた抵抗溶接用電極、抵抗溶接方法に関する。

例えば受光素子のステムと窓付きキャップを結合するのに溶接法が用いられる。いずれも小さい部材であり、気密性を保持できるようにキャップをステムに固定する必要がある。そのような小さい部材に対する溶接法はＹＡＧ溶接、抵抗溶接などがある。ＹＡＧ溶接は、ＹＡＧのパワーの大きい光を対象物に当てて光パワーで一部を溶融し、冷却固化して部材を結合するものである。

抵抗溶接は、溶接すべき２つの部材を接触させて電極で挟み、電極間に大電流を流して抵抗の大きい接触部分で強く発熱させ、接触部分を一部融かし、その後急冷固化することによって両部材を結合するものである。対象物の部材を押さえて電流を流すための治具が、抵抗溶接用電極である。

半導体素子や受光素子、発光素子は円筒形のキャップで円板状のステムを被蓋している。キャップとステムを溶接する抵抗溶接電極は、キャップの形状に合わせた内面と、先端の細くなった先割片を持つ円錐台形状をしている。先割片となっているのは、対象物を挟み撓むことによって対象物外面に一様に強く接触し、接触抵抗を減らすためである。袋ナットを締め付けて先割片を内側へ押し、電極の内面が対象物に均一に接触するようになっている。

ところが４つ或いは３つなど先端部が複数の割片になっていて、対象物を穴に挿入して袋ナットを締めて割片を内側へ彎曲させるので、必ずしも一様に曲がらないこともある。電極内面と対象物との間に隙間ができることもある。隙間があると放電が起こり、対象物の表面が荒れ黒ずむ、電極内面が劣化する、等の問題が発生する。

特許文献１は、下部電極ホルダと、上部テーパーコレット電極を鉛直線上に設け、上部テーパーコレット電極を昇降自在とし、下部電極ホルダにステムを把持させ、上部テーパーコレット電極にはレンズ付きキャップを把持し、上部電極移動台を操作して上部電極を動かし位置決めをして、上部テーパーコレット電極を下げてステムにキャップを押しつけ、上部電極・キャップ・ステム・下部電極に電流を流してキャップ、ステムの接触部分を溶解し、両者を固定するようにしている。これは上下の電極同士の位置を正しく決めて電極を移動し、上部電極を昇降するもので、昇降機構に工夫がある。それは抵抗溶接用コレット電極自体の発明ではない。

特開２００３−１５４４６３「抵抗溶接装置」

図１、図２に半導体素子用の抵抗溶接用コレット電極の一例を示す。図１は縦断面図、図２は横断面図である。抵抗溶接用コレット電極は上下２つある。いずれも銅を主体とする合金製の円錐形の電極である。抵抗溶接電極は例えばベリリウム（Ｂｅ）とニッケル（Ｎｉ）を少量含む銅（Ｃｕ）で作ることができる（例えば０．３％Ｂｅ、１．５％Ｎｉ残りは銅）。或いはクロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）を少量含む銅（Ｃｕ）で作る（例えば０．６％Ｃｒ、０．２％Ｚｒ残りは銅）。電極には電気伝導度、熱伝導度が良いことが必要であるので、銅が主体となる。

純粋の銅では強度が弱く、劣化が速いし撓み過ぎになるので、微量の他種金属を含ませる。ほんの僅かな他種金属の混合によって強度は著しく増加し、剛性も増える。しかし他種金属をあまり大量に含ませると硬くなり過ぎ、抵抗も大きくなるので望ましくない。Ｃｕ−Ｂｅ−Ｎｉは硬度が高く、シーム溶接に向いている。Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒは電気伝導度が高く、スポット溶接に好適である。

ここでは下部の抵抗溶接用コレット電極２を問題にする。下方では一体化しているが、上方先端が４つに割れた先割片３となる。先割片３の外面は傾斜面５となり、先割片３の内面は中心角が９０度の内円筒面４の集合となっている。先割片３の間には４つの切り溝２０がある。切り溝２０のために先割片３は内側へ撓むことができる。先割片３は撓み易いように先細りの形状となっている。

４つ割り先割片３の先端内側は軸方向の穴となっていて、そこへ第１被溶接部材７の円筒頭部６を挿入する。これは半導体素子のキャップや金属スリーブなど円筒部材である。第２被溶接部材８を上側の抵抗溶接用コレット電極９で保持し、第１被溶接部材７に接触させる。第１被溶接部材７の上面には突状７０が形成してあり、これが第２被溶接部材８に接触する。第１被溶接部材７と第２被溶接部材８の抵抗溶接用コレット電極２、９の間に大電流を流すと、抵抗の大きい接触部分が強く加熱され、突状７０が融けすぐに固まるので、２つの部材７、８が融着する。抵抗溶接用コレット電極２の内円筒面４と、被溶接部材の円筒頭部６の間には放射状に電流が流れる。もしも横方向の接触が一様であれば、横方向（放射方向）の電流密度が均一になるはずである。

このような抵抗溶接用コレット電極２は広く用いられている。しかし、なお問題がある。このような先細り割れ片を持つ抵抗溶接用コレット電極は、被溶接部材の形状寸法によるから、多種類のものが必要で大量生産できず、ひとつひとつ手作りされる。円柱形の銅合金の塊に軸方向に穴を穿ち円筒の内面４を研磨し、円筒の外面を先細りに形成し表面を滑らかに研磨する。その後切り溝２０を切る。熟練の作業者が時間を掛けて作製する。

しかし円筒の内面４になかなか真円度が出ないということがある。図２のように、４つ割りの先割片３のうち２つが円筒頭部６にうまく密着したとしても、他の２つが円筒頭部６から少し離れるということもある。密着面２２の部分からは電極・円筒頭部６の間で電流が流れる。しかし離隔面２３においては電流がうまく流れない。電流分布が面内で不均一になる。そのため接触面での溶接が均一にならないことがある。ある部分は溶接されないということもある。更に離隔面２３では、電極先割片３と被溶接部材の円筒頭部６との間で放電２４が起こることもある。

図３に放電の様子を示す。放電２４が起こると被溶接部材７の頭部６の一部が黒ずんで汚れる。電極３も劣化する。密着面２２を形成する先割片３は、被溶接部材７の円筒面６との間に働く応力が過大になるので、強く疲労する。

そのような不都合は、先割片３を締めた時に内円筒面４が厳密に真円を形成していないことから発生する。真円度が低い場合、先割片と被処理物の間に隙間が空き、溶接部にムラが生じて放電が起こり、製品の品質が低下し電極寿命が短くなる。抵抗溶接用コレット電極の真円度を高めるには、難しい加工や調整が必要である。それがこの治具の製造コストを押し上げる。より真円度の優れた実効的に長寿命の抵抗溶接電極を提供することが、本発明の第１の目的である。それによって放電を防ぎ電極寿命を長くし、製品の品質を向上させるというのが、本発明の第２の目的である。

本発明の抵抗溶接用カラーは銅合金で一部にスリットを有し円環状であって、抵抗溶接コレット電極の先割片の内側に形成した窪みに挿入され、内挿された被溶接物の周囲に密着して保持することを特徴とする。

本発明の抵抗溶接用コレット電極は、先割片の内側に凹部（窪み）を設けた抵抗溶接用コレット電極では、スリットを有するリング状の前記カラーを先割片の凹部に挿入し、先割片がこの円形のカラーを介することで被溶接部材を内向き均一に押さえるようにする。こうすると円筒形の被溶接部材との間に不規則な隙間ができず、放射方向に電流が均一に流れる。よって溶接が安定化する。

また本発明の抵抗溶接用カラーはＮｉが１．５重量％、Ｂｅが０．３重量％で残りが銅であることを特徴とする。これにより適切な硬度と電気伝導度を有する。また本発明の抵抗溶接用電極は銅合金で一部にスリットを有する円環状の抵抗溶接用カラーと、銅合金で複数の切り込みによって分離された先割片と先割片に続く基体で構成され、カラーが入り込むべき窪みを先割片の内面に形成した抵抗溶接用コレット電極とよりなることを特徴とする。

本発明の抵抗溶接用コレット電極は、先割片の内側に凹部（窪み）を設け、スリットを有するリング状のカラーを先割片の凹部に挿入し、先割片がこの円形のカラーを介することで被溶接部材を内向き均一に押さえるようにする。こうすると円筒形の被溶接部材との間に不規則な隙間ができず、放射方向に電流が均一に流れる。被溶接部材の表面が４つ割りの先割片に直接接触せず、円形のカラーに接触するので、接触面が一様になり、放射状の電流密度も平均化され一様になる。カラーと先割片の間の接触に不均一があっても、製品の品質を落とすことはない。被溶接部材と接触するのはカラーであるから、電極本体よりも先にカラーが劣化する。そうなっても小さい部材であるカラーだけ交換すればよい。抵抗溶接用コレット電極の全体を取り替える必要がなくなる。

また本発明の抵抗溶接方法は銅合金で一部にスリットを有する円環状の抵抗溶接用カラーと、銅合金で複数の切り込みによって分離された先割片と先割片に続く基体で構成され、抵抗溶接用カラーが入り込むべき窪みを先割片の内面に形成した抵抗溶接用コレット電極とよりなる抵抗溶接電極を用い、第１被溶接物の溶接部近傍外周部を円環状の抵抗溶接用カラーによって挟み、他の抵抗溶接用コレット電極によって把持した第２被溶接物を第１被溶接物に接触させ、抵抗溶接用コレット電極・抵抗溶接用カラー・第１、第２被溶接物・抵抗溶接コレット電極間に電流を流して被溶接物を溶接するようにしたことを特徴とする。こうすれば安定した溶接が得られるとともに放電を防ぎ電極寿命を長くすることができる。

図４は本発明の抵抗溶接用コレット電極の平面図、図５は縦断面図である。先が４つに割れた先割片３となっており、基体２１において一体化している。４つの切り溝２０によって先割片３が分離している。中心角９０度に分割しているのは内外に撓むようにするためである。

分割された先割片３の内側は内円筒面４となり、外側は傾斜面５となっている。傾斜面であるのは袋ナットで傾斜面を押さえ、先割片を内側へ撓ませるためである。先割片３の内円筒面４の上方は更に削られて窪み４０が形成される。窪み４０は円段４２で区切られる。窪み４０に別部材である円環状のカラー３０が嵌め込んである。カラー３０の下端は円段４２に接触する。カラー３０の外周は先割片３の窪み４０に接触する。カラー３０は完全な円環ではなく、途中にスリット３２があり、その範囲で縮むことができる。カラー３０は、抵抗溶接用コレット電極３の上方においてその一部となる。

図８はカラーの平面図、図９はカラーの正面図、図１０はカラーの斜視図である。カラー３０は、電気伝導度、熱伝導率が高く、ある程度硬度があり、撓み易いということが必要である。これは例えば銅を主体として、ベリリウム（Ｂｅ）、ニッケル（Ｎｉ）を微量含む銅合金である。あるいはクロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）を微量含む銅合金である。カラー３０は抵抗溶接用コレット電極３と同じ材料で作るのがよい。

スリット３２があるのはカラー３０が内側に撓む余地を与えるためである。スリット３２の隙間をＳとすると、先割片３で外側から押さえる際、Ｓ／πだけ直径が減少する余地がある。実際の直径方向の撓みＷは、これより小さくなるようにし、最終の状態でも隙間が残るようにする。つまりＷ＜Ｓ／πであるようにする。押さえた状態でもスリットの隙間がＳ−πＷだけ残っている。

本発明の抵抗溶接電極は、抵抗溶接用コレット電極の先端部の先割片の内側に窪みを作り、そこへ円環状のカラーを嵌め込んで被溶接部材の表面をカラーで把持するようにしているから、被溶接部材と電極側の接触状態が円環部に沿って均一になる。だから放射状に流れる電流の密度も全角度方向で一様になる。電流密度が均一であるから加熱の状況も円環に沿って均一になる。ゆえに溶接の状態も円環に沿って一様になる。溶接ムラが発生せず、電極と被溶接部材の間に放電が起こらない。電極が劣化しにくく電極寿命が延びる。従って製品の品質が向上する。

４つ割り先端部の真円度を出す加工は難しいが、円環状のカラーを使い、カラーが被溶接部材に接触するので、コレット電極の先端部は真円から多少ずれていても良い。加工精度の要求（先端傾斜面、螺子切り）が緩和されるので、抵抗溶接用コレット電極の加工がより容易になり製作コストを下げることができる。

図６に本発明の実施例にかかる抵抗溶接用コレット電極２の縦断面図を、図７に底面図を示す。図５のものとほぼ同じであるが、螺子部が実際に図示してある。基体２１の上に４つ割りになった先割片３がある。実際には円錐形状に切削加工してからメタルソーで切り、溝２０を十字に切って４つ割り構造とする。もともと先割片３と基体２１は一体である。電極素材の成分はＢｅ（重量）が０．３％、Ｎｉ（重量）が１．５％、銅（重量）が９８．２％である。電気伝導、熱伝導が良く撓み易いという必要があり、そのため銅が主体になる。銅だけでは柔らか過ぎて剛性や強度が足りないので、僅かな他種金属を入れ強度剛性を増加させている。その他に、Ｃｒ、Ｚｒを含む銅合金を用いることもできる。

先端の穴部には３段階の異なる直径の穴が設けられる。最も大きい内径の窪み４０に先述の円環状カラー３０を挿入する。カラー３０は、図８〜１０によって既に説明したが、円環状で一部にスリット３２を持つ金属である。カラー材質も銅合金とする。例えばＢｅ（重量）が０．３％、Ｎｉ（重量）が１．５％、銅（重量）が９８．２％である銅合金によって作製することができる。カラー３０を窪み４０に入れると、円段４２にカラー３０の下端が接触して止まる。カラー３０によって被溶接物を囲むようにして固定する。先割片３の外傾斜面５を内側へ押すと、窪み４０、カラー３０が内側へ撓みカラー３０と被溶接物が密着する。

抵抗溶接用コレット電極２の基体２１の外上方に雄螺子部２５が切ってある。これは袋ナット（図示しない）と螺合し、袋ナットを締めると先端の先割片３の傾斜面５が内側へ押されるようにする。基体２１の底面には軸方向に雌螺穴２７が形成してある。これによって抵抗溶接用コレット電極２を台に固定する。

この例では、傾斜面５の軸方向の長さは８ｍｍ、先割片の軸方向の長さ（先端から基台；切り溝の長さ）は２０ｍｍ、雄螺子部２５の軸方向の長さは５ｍｍである。先端から基台の棚２９までは３０ｍｍである。先端面から底面２８までの全長は４４ｍｍである。

基体穴２６の内径は８ｍｍ、窪み４０の内径は８ｍｍ、内円筒面４の内径は６．５ｍｍ、細い通し穴の内径は４ｍｍである。だから円段４２の半径方向の幅は０．７５ｍｍである。カラーの厚みは０．７５ｍｍより大きい。雌螺穴２７の内径はＭ５で深さは８ｍｍである。雌螺穴２７の中心は、基体の中心から９ｍｍの位置にある。

傾斜面５の円錐頂角は３０度である。だから傾斜面の軸線との交差角は１５度である。先割片３の先端部の外径は１０ｍｍ、先割片の円胴部の外径は１３ｍｍ、雄螺子部の外径はＭ２０ｍｍ、基体の外径は１８ｍｍである。基体の棚２９より下の太い部分の外径は２７ｍｍである。

図１１、図１２に、本発明の抵抗溶接用コレット電極２の窪み４０にあるカラー３０の内部へ、被溶接物の円筒部６を入れた状態の横断面図と縦断面図を示す。カラー３０と被溶接物はいずれも円環状であるからぴったりと密着する。被溶接物の円筒頭部６は、図では一様にハッチンを入れているが、実際には内部が実体であることも空洞であることもある。被溶接物はカラーが押さえ、カラー３０を外側から先割片３が押さえる。電極間に電圧を加えると、先割片３・カラー３０・被溶接物６がぴったり密着しているから、電流は均一に殆ど抵抗なく流れる。受光素子のステムとキャップを溶接する場合は、例えば電流５ｋＡ〜１０ｋＡで１ミリ秒〜１０ミリ秒で溶接することができる。カラーは円形だからカラーと被溶接物の間に隙間が生じない。だから空間に放電が発生することもない。

被溶接物が極めて硬質の材料で、銅合金であるカラーを塑性変形させるとしても、抵抗溶接用コレット電極本体は変形しない。カラーによって抵抗溶接用コレット電極本体が保護される。カラーが劣化すればカラーだけを取り替えれば良い。だから電極本体は寿命が延びる。

カラーと抵抗溶接用コレット電極本体の間に空隙ができるという可能性はある。図１３に示すように４つに分離した先割片３の幾つかとカラー３０の間に僅かな隙間３３が発生することもある。そのような場合、電流は接触している先割片からカラー３０に流れ、カラー３０で広がるから被溶接部材にはほぼ一様な放射状の電流が流れる。放電が起こるにしてもカラー３０と抵抗溶接用コレット電極本体の窪み４０の間で起こる。カラーが損傷したり黒ずんだりしてもカラーを交換すればよいことである。

本発明の抵抗溶接用コレット電極は、本体とカラーを組み合わせたものであるが、カラーがあるので一部が膨出した異形の被溶接部材に適合して利用できる。図１４はそのような異形のものに適用した例を示す。大円筒部６３と小円筒部６２と基台を持つ第１被溶接部材７と、第２被溶接部材８を接触面で溶接するものである。円筒部分が直径の異なる２段の円筒部になり、基台に近い方が直径が狭くなっている。そのような場合、通常の円筒内面を持つ抵抗溶接用コレット電極では被溶接部材を巧く把持できない。

しかし別部材のカラーを用いると、そのような段付きの円筒部を持つ被溶接部材を巧妙に挟み込むことができる。その段の深さに応じてカラーを作るようにすればよい。この場合、１つのスリットを持つカラーでは段部を越えて小円筒部６２に嵌入できないから、スリットを２つ或いはそれ以上にする必要がある。２つのスリットがあっても、被溶接部材を周りから均等に押さえることができ、電流分布を均一にすることができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

従来例にかかる４つ割り先割片を持つ抵抗溶接用コレット電極に第１被溶接部材の円筒頭部を挿入し、先割片を内部へ押し込んで円筒部をきつく保持し、第２抵抗溶接用コレット電極で第２被溶接部材を第１被溶接部材に押しつけて抵抗溶接用コレット電極間に電流を流し、抵抗の高い部分で発熱させ、発熱部を溶融し冷却して２つの部材を溶接することを説明する断面図。

従来例にかかる抵抗溶接用コレット電極で被溶接部材の円筒部を挟むと、先割片の幾つかは円筒部に密着し幾つかでは空隙が発生するということもあることを説明するための横断面図。

従来例にかかる抵抗溶接用コレット電極で被溶接部材の円筒部を挟むと、先割片と被溶接部の空隙において放電が発生する様子を示す断面図。

先割片内部に窪みを形成しカラーを挿入した本発明の抵抗溶接用コレット電極の平面図。

先割片内部に窪みを形成しカラーを挿入した本発明の抵抗溶接用コレット電極の縦断面図。

基体に雄螺子部を持ち底部に雌螺穴を有し、先割片内部に窪みを形成しカラーを挿入した本発明の実施例にかかる抵抗溶接用コレット電極の縦断面図。

基体に雄螺子部を持ち底部に雌螺穴を有し、先割片内部に窪みを形成しカラーを挿入した本発明の実施例にかかる抵抗溶接用コレット電極の底面図。

先割片の窪みに挿入すべきカラーの平面図。

先割片の窪みに挿入すべきカラーの正面図。

先割片の窪みに挿入すべきカラーの斜視図。

カラーを有する本発明の抵抗溶接用コレット電極によって被溶接物を把持した状態の横断面図。

カラーを有する本発明の抵抗溶接用コレット電極によって被溶接物を把持した状態の縦断面図。

カラーを有する本発明の抵抗溶接用コレット電極によって被溶接物を把持した状態の横断面図。抵抗溶接用コレット電極の先割片とカラーとの間に隙間が発生している。

直径の異なる２段の円筒部を有し、細径部が基体に近く大径部が基体に遠い円筒頭部を持つ被溶接物であって、細径部をカラーで把持しているので大径部が先割片に接触しないようにできることを示す本発明の実施例を示す縦断面図。

符号の説明

２ 抵抗溶接用コレット電極
３ 先割片
４ 内円筒面
５ 傾斜面
６ 円筒頭部
７ 第１被溶接部材
８ 第２被溶接部材
９ 抵抗溶接用コレット電極
２０ 切り溝
２１ 基体
２２ 密着面
２３ 離隔面
２４ 放電
２５ 雄螺子部
２６ 基体穴
２７ 雌螺穴
３０ カラー
３２ スリット
４０ 窪み
４２ 円段
４４ 接触部
６２ 細径部
６３ 大径部
７０ 突状

Claims (4)

1. 銅合金で一部にスリットを有し円環状であって、抵抗溶接コレット電極の先割片の内側に形成した窪みに挿入され、内挿された被溶接物の周囲に密着して保持することを特徴とする抵抗溶接用カラー。
2. Ｎｉが１．５重量％、Ｂｅが０．３重量％で残りが銅であることを特徴とする請求項１に記載の抵抗溶接用カラー。
3. 銅合金で一部にスリットを有する円環状の抵抗溶接用カラーと、銅合金で複数の切り込みによって分離された先割片と先割片に続く基体で構成されカラーが入り込むべき窪みを先割片の内面に形成した抵抗溶接用コレット電極とよりなることを特徴とする抵抗溶接用電極。
4. 銅合金で一部にスリットを有する円環状の抵抗溶接用カラーと、銅合金で複数の切り込みによって分離された先割片と先割片に続く基体で構成され抵抗溶接用カラーが入り込むべき窪みを先割片の内面に形成した抵抗溶接用コレット電極とよりなる抵抗溶接電極を用い、円筒部を持つ第１被溶接物の外周部の円筒部を円環状の抵抗溶接用カラーによって挟み、他の抵抗溶接用コレット電極によって把持した第２被溶接物を第１被溶接物に接触させ抵抗溶接用コレット電極・抵抗溶接用カラー・第１、第２被溶接物・抵抗溶接コレット電極間に電流を流して被溶接物を溶接するようにしたことを特徴とする抵抗溶接方法。
   
   

Images