JP6453653B2 - 抵抗溶接用電極 - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極間に挟まれた２以上の部材に通電することにより、２以上の部材の材料自体や界面の高い電気抵抗を利用して溶接を行なう「抵抗溶接」に用いる抵抗溶接用電極に関する。

抵抗溶接用の電極（以下、単に「電極」とも表現する）としては、現在までに様々な材質が提案されている。

抵抗溶接用電極として用いられる機会が多いのは、クロム銅、アルミナ分散銅、ベリリウム銅などの銅合金である。銅合金は、電気抵抗率が極めて低く、また熱伝導率が高く温度の上昇および下降が速いために生産性が高くでき、例えば鉄材やステンレス材などの接合される２以上の被溶接材（以下「ワーク」とも表現する）との反応が大きくはなく、抵抗溶接用電極として広く用いられている。また、タングステン製の電極も多く用いられている。

被溶接材がアルミニウム、マグネシウム、亜鉛などの場合は、鉄材と比べて低融点なために、短時間で大電流を流して溶接する必要がある。電極はどのような材質でも、使用していくうちに表面にクラックが入るが、さらに被溶接材がアルミニウムなどの場合には、被溶接材と電極との反応が激しく、溶接後に電極とワークとが一体化して、電極がワークを持ち上げる「ピックアップ」と呼ばれる現象も発生する。この現象は、電極の表面状態が荒くなるほど起き易く、使用中に発生し始めるために、製造ラインでは連続稼動の大きな弊害となり望ましくない。

これに対し、カーボン（グラファイト）材料からなる抵抗溶接用電極も使用されている。カーボンは電気抵抗率が適度に高く、耐熱性があり、アルミニウム等と空気中にて反応しにくく、安価であるために、やはり頻繁に用いられている。
そのために、被溶接材がアルミニウム等、銅と合金化しやすい場合にはカーボン（グラファイト）の抵抗溶接用電極とすることも多い。カーボンとアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛や真鍮などの金属は空気中で反応しにくい。たとえば空気中でアルミニウムの溶接温度である６５０℃程度では、ほとんどカーボンとアルミニウムは反応しない。

前述の銅やタングステンよりも安価であり、所望の形状に加工しやすいために、特に被溶接材との反応が気になる場合に用いられている。

一方で、カーボンは空気中の酸素とは高温で反応しやすい。カーボンは空気中の酸素と反応して、二酸化炭素を発生する。抵抗溶接の際の昇温により、カーボン表面から反応し、徐々にカーボン表面が消耗して後退する、「電極が痩せる」と表現される消耗現象を起こす。この消耗現象は、抵抗溶接温度が高い被溶接材で特に顕著である。

この消耗現象により、カーボン製の抵抗溶接用電極の寿命はほとんど決定される。消耗現象は抵抗溶接用電極の作用面（被溶接材と接する部分）のみならず、温度が上昇する部分は、その温度に応じて生じる。ところで、抵抗溶接時の温度分布は作用面からやや離れた部分が最も高くなる傾向がある。これは、作用面の温度は確かに上昇するが、一方で被溶接材に一部の熱が伝達するために若干温度低下が起こると考えられている。このために、図２（２）に示すように作用面からやや離れた部分が優先的に消耗する。この消耗がカーボン抵抗溶接用電極の寿命を左右している。

これらのカーボン抵抗溶接用電極の問題を解決するために、現在まで様々な提案がなされている。

特許文献１には、被覆炭素電極が記載されている。抵抗溶接用電極にも使用可能な旨の記載がある。基材となるカーボンの表面に、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｒの炭化物や窒化物などの高温で安定なセラミックスの保護層を設けることにより、消耗現象を抑える技術が開示されている。保護層の厚みは０．１〜１０μｍ程度との記載がある。

特許文献２には、抵抗溶接用電極に用いるカーボンの表面に、熱分解性炭素からなる被膜を設ける技術が開示されている。カーボンの表面を炭化水素雰囲気中で高温まで加熱し、高純度で高密度な表面層とし、気体浸透を少なくすることにより消耗現象を抑えることが記載されている。高密度な表面層の厚さについては３０μｍの例が記載されている。

特開昭６１−１２７８６４号公報 特開平２−２８０９７６号公報

前述の特許文献１および特許文献２に記載された技術にて、確かにカーボンを抵抗溶接用電極に使用する際の一つの大きな問題点は解決されている。

しかしながら、特許文献１および特許文献２の技術は、いずれも抵抗溶接用電極製造時および修正加工時に、コストおよび時間がかかるという問題を有している。

製造において、まずカーボンを準備し、それを抵抗溶接用電極形状に加工する工程は、特段のコストを要さない。その後、表面に被膜を形成する段階で大きなコストを有する。これは、被膜を作るための処理が化学蒸着法、物理蒸着法、炭化水素の熱分解のいずれかを行う必要があるためである。これらはいずれも高価な専用設備を必要とする。

また、被膜を作る際に生じる寸法の増加に対して対応が難しい。寸法を完成品の電極形状として加工しても、被膜形成後に寸法が変わることがあるためである。

さらに、カーボン電極の修正を、それを使用する事業者が行うことが難しいという欠点を有する。抵抗溶接用電極は一般に、ある事業者が電極を製造販売し、溶接に使用する別の事業者が購入して使用する。使用時に消耗がみられる場合や、形状を変更する場合には切削などの加工は溶接をする事業者が行うのが通常の使用形態である（たとえば、旋盤を用いた再研磨）。ところが、特許文献１および特許文献２の技術を使用すると、これらの加工については電極を製造販売する事業者に戻し、切削整形後に時間をかけて再度被膜を作る処理を行い、溶接をする事業者に返却するという一連の作業が必要となる。このために、電極の形状変更、一部消耗後の再使用などには、多くの時間とコストを有するという課題が残っている。

本発明は、前述の課題を解決するために、カーボン材からなる抵抗溶接用電極の表面のみに被膜を作る方法ではなく、カーボン材の抵抗溶接用電極全体を消耗現象が起こりにくい材質とした。

本発明は、カーボンを主成分としＳｉＣおよびＢ_４Ｃ成分を含むカーボン複合材を抵抗溶接用電極材料として用いた。

前記カーボン複合材は、カーボン複合材全体に対して１．５〜１０質量％のＢ_４Ｃ成分、および、３〜２０質量％のＳｉＣ成分を有することが好ましい。

この組成を有することで、カーボンの母相中に一定量のＳｉＣおよびＢ_４Ｃが分散した組織となり、抵抗溶接用電極表面が使用中に高温となった場合でも、電極表面に酸化が進みにくい層を形成する。この酸化が進みにくい層はＳｉＯ_２やＢ _２ Ｏ _３ などからなる、金属や酸素と反応しにくい層であり、この層が抵抗溶接用電極表面に形成されることにより、抵抗溶接用電極および空気中の酸素との反応がほとんど起こらなくなる。

本発明の抵抗溶接用電極は、従来のカーボン製の抵抗溶接用電極と比較して、空気中の酸素との反応が著しく小さい。そのために、カーボン製の抵抗溶接用電極と比較して、著しく寿命を延ばすことが可能となった。

また、機械的性質（強度、耐摩耗性）もカーボンと比較して高く、機械的な消耗や折損も起こりにくくなった。

さらに、電極の修正、研磨による再使用も容易となり、溶接を行う事業者が特殊な設備を持たずともこれらの作業が行えるようになった。このことで、コスト面、対応に要する時間を大幅に縮小できた。

代表的なスポット溶接装置の模式図 消耗現象による抵抗溶接用電極消耗の模式図 （１）使用前電極、（２）使用後電極 シーム溶接の模式図である

本発明では、抵抗溶接用電極としてカーボン（グラファイト）中にＳｉＣとＢ_４Ｃとを有するカーボン複合材を使用する。このカーボン複合材は、溶接時の高温でも空気中の酸素との反応が著しく小さいために、前述の徐々にカーボン材表面が消耗して後退する消耗現象を極めて小さくできる。そのために、抵抗溶接用電極の使用寿命をカーボンと比較して著しく伸ばすことが可能となる。

使用するカーボン−ＳｉＣ−Ｂ_４Ｃ複合材料について述べる。

ＳｉＣの量は３〜２０質量％とすることが望ましく、Ｂ_４Ｃの量は１．５〜１０質量％とすることが望ましい。両成分をこの範囲とすることにより、カーボン複合材に強度、硬さを十分に与えることができ、抵抗溶接用電極としての使用時にＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３が表面に形成されるために、前記消耗現象がきわめて起こりにくくなる。
ＳｉＣとＢ_４Ｃの量は、合計量を５質量％以上、残部カーボンとすることが望ましい。総量が４．５質量％未満であれば、昇温により前記酸化が進みにくい層が形成されにくくなり、カーボン複合材の消耗現象が進みやすくなる。また、総量で２５質量％を超えると、カーボン複合材の電気抵抗率が高くなりすぎるために、抵抗溶接用電極として使用が難しくなる。適当な電気抵抗率および消耗現象を抑えるためには、前記範囲が好ましい。また、各物性値を確保するために、気孔率は３％以下が好ましい。

ＳｉＣとＢ_４Ｃの質量比は、
１≦（ＳｉＣ質量／Ｂ_４Ｃ質量）≦５
程度とすると、前記ＳｉＯ_２やＢ_２Ｏ_３が生成しやすくなり、より好ましい。

カーボン複合材は、消耗現象が起こりにくいことの他に、抵抗溶接用電極として好ましい以下の特徴を有する。
１．カーボンと同様の機械加工性を有する
カーボンは一般的な旋盤などを用いて簡単に切削加工が可能である。前記カーボン複合材もほぼ同様の被加工性を有する。そのために、課題として挙げた「溶接を行う事業者」も、簡単に加工を行える。
２．電気抵抗率が抵抗溶接用電極に適している
前記カーボン複合材の電気抵抗率は５×１０^−４〜５×１０^−３（Ω・ｃｍ）程度と、カーボンと同程度である。また、熱伝導率もカーボンにはやや劣るが十分高いために、現在カーボンを抵抗溶接用電極として利用している工程に、ほとんどそのまま置き換えて用いることが可能である。
３．耐摩耗性が高い
ＳｉＣおよびＢ_４Ｃの存在により、カーボンと比較して硬さが大きい。そのために、被溶接材と接触、加圧が起こる抵抗溶接用電極として用いる際にも、機械的な摩耗が小さい。
４．圧縮強度、曲げ強度がカーボンよりも優れている
ＳｉＣおよびＢ_４Ｃを有しており、曲げ強さ及び圧縮強さがカーボンの２〜３倍程度高い。そのために、溶接中に折損などを起こすことが極めて少ない。
５．アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛や真鍮などの金属との濡れ性がカーボンよりも低い
ＳｉＣおよびＢ_４Ｃの働きにより、アルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛や真鍮などの金属との濡れ性が低く、反応も起こりにくい。そのために、前述のピックアップ減少など、溶接に有害な現象が極めて起こりにくい。

このカーボン複合材は、公知の方法で得ることができる。

一つの方法として、公開特許公報平１０−１５２３１２号に記載されている方法がある。まず、カーボン源となる生コークスにＳｉＣとＢ_４Ｃの粉末を加えて粉砕混合を行い、プレス成形し、不活性雰囲気中１２００℃程度で焼成してカーボン成形物を得る。この成形物を黒鉛炉にて不活性雰囲気中高温で熱処理してカーボン複合材が得られる。

前記の方法に限らず、同様の組成のカーボン複合材が得られれば手段は問わない。

得られたカーボン複合材を必要な形状に切り出し、または切削加工して、所望の抵抗溶接用電極形状とする。

以上の方法にて、本発明の抵抗溶接用電極が得られる。

以下実施例により、電極の性能について詳細に述べる。

（実施例１）スポット溶接用電極に使用した実施例
板厚０．７ｍｍの２枚のアルミニウム板を被溶接材３とし、丸棒状の本発明の抵抗溶接用電極を用いた溶接の例である。図１にスポット溶接機および電極の模式図を示す。丸棒の電極１の端面が直接被溶接材３と接する作用面１１となる。

試料１〜試料５および比較試料１１〜１３で同形状の電極１にて、表１に示す条件で連続打点のスポット溶接を行った。そして、形成されたナゲット径を測定し、ナゲット径が３．３ｍｍを下回るものを溶接不良として、電極寿命を求めた。また、電極１の最も細くなった部分が使用前の９０％を下回った段階で、その電極は寿命とした。また、折損が起こった場合、ピックアップ現象が起こった場合も寿命とした。寿命結果を表２にまとめた。

試料１：３質量％ＳｉＣ−２質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料２：３質量％ＳｉＣ−３質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料３：９質量％ＳｉＣ−５質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料４：１１質量％ＳｉＣ−７質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料５：１４質量％ＳｉＣ−３質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
比較試料２１：カーボン（ほぼ純粋なグラファイト）製の抵抗溶接用電極
比較試料２２：クロム銅の抵抗溶接用電極
比較試料２３：タングステンの抵抗溶接用電極

表２中の「*」の付く試料番号は、本発明の範囲外の比較試料である

試験の結果より以下のことが分かった。

まず、本発明の抵抗溶接用電極５試料は、作用面に消耗が生じ、ナゲット径を確保できなくなった時点で寿命とした。これは、繰り返しのスポット溶接に使用したため、被溶接材との接触、加圧により作用面が正常に摩耗および消耗したためである。寿命と判断した段階で、ピックアップ現象は見られなかった。また、使用後の試料１〜５を調査したところ、外径についてはほぼ変化が見られなかった。

そのために、使用後の電極作用面を０．５ｍｍ程度切削加工するだけで、試験前と同様に再使用可能であった。

一方、ほぼ純粋なグラファイト製である比較試料２１は、電極の作用面からやや離れた部分が細くなり、寿命とした。寿命時点で作用面には若干の消耗がみられ、側面の直径は使用前の９０％にまで減少し、細くなっていた。これは、溶接時の高温にてカーボンの表面が空気中の酸素と反応し、二酸化炭素として放出されたからである。一部が細くなることで折損の危険性が高まっていた。また、側面の直径が縮小しているために、作用面を研削しても同様の寸法は得られない。

また、クロム銅およびタングステンからなる比較試料２２および２３は、アルミニウムとの反応によるピックアップ現象が早期に発生したため、その時点で寿命とした。銅やタングステンは、溶接時の高温にて比較的アルミニウムと反応を起こしやすいために、この現象が起きたものと考える。

（実施例２）シーム溶接用電極に使用した実施例
角状の板厚０．８ｍｍの２枚のメッキ鋼板（メッキ層：亜鉛、マグネシウム合金）を被溶接材３とし、これを２枚重ね、重ねた面の一部に直線的にシーム溶接を行なった。溶接条件は表３に示したとおりである。

シーム溶接電極３０は先端幅が３．４ｍｍ、全体幅が２０ｍｍのＣＦ形（円錐台形）電極であり、外径が２００mmの電極２枚の外径平端部で、前記重ねた面を加圧しながら通電した。

電極試料は以下に記載の材質の本発明の試料１１〜１６、比較試料３１〜３３の各抵抗溶接用電極とした。

試料１１：３質量％ＳｉＣ−１．５質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料１２：７質量％ＳｉＣ−２質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料１３：７質量％ＳｉＣ−４質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料１４：１１質量％ＳｉＣ−６質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料１５：２０質量％ＳｉＣ−５質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
試料１６：１５質量％ＳｉＣ−１０質量％Ｂ_４Ｃ−残部カーボンの本発明の抵抗溶接用電極
比較試料３１：カーボン（ほぼ純粋なグラファイト）製の抵抗溶接用電極
比較試料３２：クロム銅の抵抗溶接用電極
比較試料３３：タングステンの抵抗溶接用電極

各電極にて、溶接距離５０ｍごとに溶接部の横断面観察を行って電極寿命を判断した。形成された電極幅方向のナゲット幅を測定し、形成されたナゲット径が２．４ｍｍを下回るものを溶接不良として、電極寿命を求めた。また、電極についても観察し、大きな割れやワークとの溶着が大きく、溶接面に荒れが生じる場合はそこで寿命とした。また、電極に割れや欠けが生じ、溶接面に凹凸が生じる場合もそこで寿命とした。同様に電極の幅２０ｍｍに設定してある部分が、一部でもその９５％である１９ｍｍに達した時点でも同様に寿命とした。

試料１１〜試料１６の本発明の電極は、いずれも２００ｍまで良好にシーム溶接を行なえることがわかった。この良好というのは、ナゲット幅が十分であり、電極に大きな欠けが無く、電極とワークとの溶着が小さく接合面が荒れていないことである。２００ｍ溶接後に、円盤部分の幅を測定したところ、使用前と変化はなく２０ｍｍだった。２００ｍ溶接後には、作用面に消耗がみられたが、旋盤による再研磨で作用面を切削することにより、再度使用が可能だった。

一方比較試料３１の電極は、４０ｍをシーム溶接した時点で電極の作用面からやや離れた円盤部分が消耗して幅１９ｍｍとなり、寿命と判断した。実施例１の比較試料２１と同様に、溶接時の高温にてカーボンの表面が空気中の酸素と反応し、二酸化炭素として放出されたからである。円盤部分の幅が縮小しているために、作用面を研削しても同様の寸法は得られない。

また、クロム銅およびタングステンからなる比較試料３２および３３は、メッキ成分である亜鉛やマグネシウムとの反応による溶着が５０ｍ溶接時に発生したため、その時点で寿命とした。銅やタングステンは、溶接時の高温にて比較的メッキに用いられる金属成分と反応を起こしやすいために、この現象が起きたものと考える。

以上にスポット溶接用電極およびシーム溶接用電極に用いた例を示したが、そのほかのプロジェクション溶接、熱カシメ、フラッシュバット溶接、アプセットバット溶接など、従来のカーボン抵抗溶接用電極が使用可能な用途に用いることが可能だった。

１ 抵抗溶接用電極
３ 被溶接材
５ 溶接装置用電源回路
１１ 作用面
１３ 消耗現象の起こった電極
３０ シーム溶接用電極

Claims (4)

1. グラファイト中にＳｉＣとＢ_４Ｃとが分散したカーボン複合材からなるアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛のいずれかの成分を有する被溶接材の溶接に用いる抵抗溶接用電極。
2. グラファイト中に１．５〜１０質量％のＢ_４Ｃと、３〜２０質量％のＳｉＣとが分散したカーボン複合材からなるアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛のいずれかの成分を有する被溶接材の溶接に用いる抵抗溶接用電極。
3. グラファイト中に分散するＢ_４Ｃの質量と、ＳｉＣの質量とが
   １≦（ＳｉＣの質量／Ｂ_４Ｃの質量）≦５
   の関係を有する請求項１または請求項２のうちいずれか１項に記載のアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛のいずれかの成分を有する被溶接材の溶接に用いる抵抗溶接用電極。
4. 抵抗溶接の種類が、スポット溶接、シーム溶接、プロジェクション溶接、熱カシメ、フラッシュバット溶接、アプセットバット溶接のいずれかである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアルミニウム、マグネシウム、チタン、亜鉛のいずれかの成分を有する被溶接材の溶接に用いる抵抗溶接用電極。

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