JP7496173B2 - 溶接電極およびスポット溶接装置 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接電極およびスポット溶接装置に関する。
アルミニウム合金板の比重は、鋼板の比重の約３分の１であり、自動車車体などの軽量化材料として注目されている。一方、スポット溶接は、溶接部分に大電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用した溶接方法であり、自動車車体などの組み立てにおいて多く用いられている。しかし、アルミニウム合金板は表面酸化膜を有するため、アルミニウム合金板をスポット溶接する際には電流が表面酸化膜により部分的に遮断され、ナゲット生成が不安定になる。この結果、溶接品質が不安定になる。
アルミニウム合金板をスポット溶接する際に、溶接電極（チップ）をアルミニウム合金板に押し付け電極表面の凸部をアルミニウム合金板の表面酸化膜を貫通させることにより、合金板と溶接電極との境界部における電気抵抗を低減する溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、溶接電極は、スポット溶接を繰り返している間にその端面が焼けて汚れてくる。汚れがひどくなれば溶接電極とワークピースとの間の電気抵抗が増え、ワークピースを溶融するのに充分な電流が流れなくなる。このため、チップドレッサーを用いて溶接電極の端面を削り表面の汚れを除去する処理（ドレッシング）を行う必要がある。このドレッシングは、溶接特性を変化させないために、溶接電極の端面の形状が初期形状となるように行う必要がある。
アルミニウム合金板をスポット溶接する際に、溶接電極（チップ）をアルミニウム合金板に押し付け電極表面の凸部をアルミニウム合金板の表面酸化膜を貫通させることにより、合金板と溶接電極との境界部における電気抵抗を低減する溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、溶接電極は、スポット溶接を繰り返している間にその端面が焼けて汚れてくる。汚れがひどくなれば溶接電極とワークピースとの間の電気抵抗が増え、ワークピースを溶融するのに充分な電流が流れなくなる。このため、チップドレッサーを用いて溶接電極の端面を削り表面の汚れを除去する処理（ドレッシング）を行う必要がある。このドレッシングは、溶接特性を変化させないために、溶接電極の端面の形状が初期形状となるように行う必要がある。
しかし、端面に凸部を設けた溶接電極についてドレッシングを行う場合、凸部形状を変化させないで端面を削る必要があり、特殊なチップドレッサーを用いる必要があり一般的なチップドレッサーを用いることができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面酸化膜を有するワークピースを安定した溶接品質でスポット溶接することができ、かつ、一般的なチップドレッサーを用いることができる溶接電極を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面酸化膜を有するワークピースを安定した溶接品質でスポット溶接することができ、かつ、一般的なチップドレッサーを用いることができる溶接電極を提供する。
本発明は、ワークピースのスポット溶接に用いる溶接電極を提供する。前記溶接電極は、前記ワークピースに接触するように設けられた端面と、前記端面に設けられた少なくとも１つの細長い溝又は前記端面に設けられた複数の非貫通孔とを有し、前記溝の深さ又は前記非貫通孔の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上である。
本発明の溶接電極は、端面に少なくとも１つの細長い溝又は複数の非貫通孔を有するため、表面酸化膜を有するワークピースに溶接電極の端面を押圧することにより、ワークピースの一部が溝内又は孔内に入り込むようにワークピースを変形させることができる。この変形により、ワークピースの表面酸化膜の一部が切断され、ワークピースの金属と溶接電極とが表面酸化膜を介さず直接接触する部分を形成することができる。このことにより、溶接電極とワークピースとの境界部分の電気抵抗を低減することができ、ワークピースに安定して大きな電流を流すことができる。この結果、大きなサイズのナゲットを安定して形成することができ、表面酸化膜を有するワークピースを安定した溶接品質でスポット溶接することができる。また、ワークピースに流れる電流の電流密度を効率よく高くすることができ、大きなナゲットを形成することができる。また、溶接電極とワークピースとの境界部分における発熱を抑制することができ、溶接電極とワークピースとがくっつくことを抑制することができる。
前記溝の深さ又は前記非貫通孔の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。溝が十分深い深さを有することにより、チップドレッサーを用いて溶接電極の端面を削った場合でも、溝がなくなることはない。従って、ドレッシングを行った後にスポット溶接を行う場合でも溝によりワークピースの表面酸化膜の一部を切断することができ、ワークピースの金属と溶接電極とが表面酸化膜を介さず直接接触する部分を形成することができる。この結果、ドレッシングを行った後でも表面酸化膜を有するワークピースを安定した溶接品質でスポット溶接することができる。
前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であることが好ましい。このことにより、ワークピースと溶接電極との接触面積を広くすることができ、ワークピースの表面部から溶接電極への放熱量を大きくすることができる。この結果、表面散りが生じることを抑制することができる。
前記溝の深さ又は前記非貫通孔の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。溝が十分深い深さを有することにより、チップドレッサーを用いて溶接電極の端面を削った場合でも、溝がなくなることはない。従って、ドレッシングを行った後にスポット溶接を行う場合でも溝によりワークピースの表面酸化膜の一部を切断することができ、ワークピースの金属と溶接電極とが表面酸化膜を介さず直接接触する部分を形成することができる。この結果、ドレッシングを行った後でも表面酸化膜を有するワークピースを安定した溶接品質でスポット溶接することができる。
前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であることが好ましい。このことにより、ワークピースと溶接電極との接触面積を広くすることができ、ワークピースの表面部から溶接電極への放熱量を大きくすることができる。この結果、表面散りが生じることを抑制することができる。
本発明の溶接電極は、ワークピースのスポット溶接に用いる溶接電極である。前記溶接電極は、前記ワークピースに接触するように設けられた端面と、前記端面に設けられた少なくとも１つの細長い溝又は前記端面に設けられた複数の非貫通孔とを有し、前記溝の深さ又は前記非貫通孔の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上である。
前記溶接電極は、複数の前記溝を有し、複数の溝は、格子状に設けられることが好ましい。このことにより、スポット溶接時にワークピースの表面酸化膜を格子状に切断することができ、安定した形状のナゲットを形成することができる。
前記溝の幅又は前記非貫通孔の大きさは、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。このことにより、ワークピースと溶接電極との接触面積を広くすることができ、ワークピースの表面部から溶接電極への放熱量を大きくすることができる。この結果、表面散りが生じることを抑制することができる。
複数の溝又は複数の前記非貫通孔は、前記端面の中心部における前記溝の密度又は前記非貫通孔の密度が大きくなるように設けられることが好ましい。このことにより、ワークピースと溶接電極との境界部分の電気抵抗を小さくすることができ、大きな直径を有するナゲットを形成することが可能になる。
前記溝の幅又は前記非貫通孔の大きさは、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。このことにより、ワークピースと溶接電極との接触面積を広くすることができ、ワークピースの表面部から溶接電極への放熱量を大きくすることができる。この結果、表面散りが生じることを抑制することができる。
複数の溝又は複数の前記非貫通孔は、前記端面の中心部における前記溝の密度又は前記非貫通孔の密度が大きくなるように設けられることが好ましい。このことにより、ワークピースと溶接電極との境界部分の電気抵抗を小さくすることができ、大きな直径を有するナゲットを形成することが可能になる。
前記端面は、曲率半径が１５ｍｍ以上６０ｍｍ以下であるドーム形状を有することが好ましい。
また、本願発明は、本願発明の溶接電極と、前記溶接電極と電気的に接続した電源装置とを備えた溶接装置も提供する。前記溶接電極及び前記電源装置は、前記電源装置の出力電流が前記溶接電極を介して前記ワークピースに流れるように設けられる。
また、本願発明は、本願発明の溶接電極と、前記溶接電極と電気的に接続した電源装置とを備えた溶接装置も提供する。前記溶接電極及び前記電源装置は、前記電源装置の出力電流が前記溶接電極を介して前記ワークピースに流れるように設けられる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図１～図５は本実施形態の溶接電極の概略図などであり、図６～図８は溶接装置の概略図などである。
本実施形態の溶接電極２は、ワークピース５のスポット溶接に用いる溶接電極である。溶接電極２は、ワークピース５に接触するように設けられた端面３と、端面３に設けられた少なくとも１つの細長い溝４又は端面３に設けられた複数の非貫通孔１１とを有し、溝４の深さ又は非貫通孔１１の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、溝４の幅ｗに対する溝４の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は非貫通孔１１の大きさｓに対する非貫通孔１１の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であることを特徴とする。
また、本実施形態の溶接装置２０は、少なくとも１つの溶接電極２と、溶接電極２と電気的に接続した電源装置１０とを備え、溶接電極２及び電源装置１０は、電源装置１０の出力電流が溶接電極２を介してワークピース５に流れるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の溶接電極２は、ワークピース５のスポット溶接に用いる溶接電極である。溶接電極２は、ワークピース５に接触するように設けられた端面３と、端面３に設けられた少なくとも１つの細長い溝４又は端面３に設けられた複数の非貫通孔１１とを有し、溝４の深さ又は非貫通孔１１の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、溝４の幅ｗに対する溝４の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は非貫通孔１１の大きさｓに対する非貫通孔１１の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であることを特徴とする。
また、本実施形態の溶接装置２０は、少なくとも１つの溶接電極２と、溶接電極２と電気的に接続した電源装置１０とを備え、溶接電極２及び電源装置１０は、電源装置１０の出力電流が溶接電極２を介してワークピース５に流れるように設けられたことを特徴とする。
溶接装置２０は、抵抗スポット溶接を行う装置である。溶接装置２０は、ロボットガンであってもよく、ポータブルガンであってもよく、定置式スポット溶接機であってもよい。また、溶接装置２０は、Ｃタイプであってもよく、Ｘタイプであってもよい（図６に例示する溶接装置２０はＣタイプである）。また、溶接装置２０は、両面スポット溶接を行う装置であってもよく、片面スポット溶接を行う装置であってもよい。
ワークピース５ａ、５ｂは、金属板である。また、本実施形態おいて、ワークピース５ａ、５ｂは、アルミニウム合金板などの表面酸化膜を有する金属板である。
ワークピース５ａ、５ｂは、金属板である。また、本実施形態おいて、ワークピース５ａ、５ｂは、アルミニウム合金板などの表面酸化膜を有する金属板である。
溶接装置２０が図６に例示するような、両面スポット溶接を行う装置である場合、２つの溶接電極２ａ、２ｂで２つのワークピース５ａ、５ｂの積層体を圧力を加えて挟持しながら溶接電極２ａと溶接電極２ｂとの間のワークピース５ａ、５ｂに電流を流すように設けられる。溶接装置２０を用いてワークピース５ａ、５ｂに電流が流れると、ワークピース５ａとワークピース５ｂとの接触面（この部分が最も電気抵抗が大きい）にジュール熱が発生し、接触面付近の温度が急上昇し、この領域のワークピース５ａ、５ｂが溶融し溶融領域が形成される。通電を停止すると、溶融領域は冷却され固まり図７に示したようなナゲット６となる。このナゲット６により、ワークピース５ａとワークピース５ｂは接合される。従って、大きなナゲット６を安定して形成できると溶接品質を安定化することができる。なお、ワークピース５がアルミニウム合金板である場合、アルミニウム合金は熱伝導係数が高いためにワークピース５ａ、５ｂ間で発生した熱が熱拡散しやすく、ナゲット６が大きくなりにくい。
溶接装置２０によるスポット溶接は、ワークピース５の溶接電極２と接触する表面は溶融しないように行うことができる。このことにより、溶融領域がワークピース５の表面に達することを防止することができ、表散りが生じることを抑制することができる。ワークピース５と溶接電極２との接触面では、ワークピース５の熱が溶接電極２へと放熱されワークピース５の表面の温度上昇が抑制されるため、ワークピース５の表面が溶融することを抑制することができる。
溶接装置２０が片面スポット溶接を行う装置である場合、溶接装置２０は、２つのワークピース５ａ、５ｂのうち一方をアース接続し、他方のワークピース５に溶接電極２を押し付けながらワークピース５ａ、５ｂに電流を流すように設けられる。この場合、溶接装置２０は１つの溶接電極２を有する。この場合も両面スポット溶接と同様に、ワークピース５ａとワークピース５ｂとの間に溶融領域が形成され、この溶融領域が冷却されてナゲット６が形成される。
溶接電極２（チップ）は、ワークピース５ａ、５ｂに接触、押圧しワークピース５ａ、５ｂに電流を流すための電極である。また、溶接電極２は、溶接装置２０に交換可能に取り付けることができるように設けられる。溶接電極２は、ワークピース５に接触するように設けられた端面３を有する。また、溶接電極２は円柱形状を有することができる。また、円柱形状の上面と下面のうち一方が端面３であり、他方が溶接装置２０に接続される面である。端面３は、平面であってもよく、曲面であってもよく、平面と曲面を組み合わせた面であってもよく、曲率半径の異なる２つ以上の曲面を組み合わせた面であってもよい。
溶接電極２は、端面３（接触面）の形状により分類される。溶接電極２は、フラットタイプ（Ｆ）であってもよく、ラジアスタイプ（Ｒ）であってもよく、ドームタイプ（Ｄ）であってもよく、ドームラジアスタイプ（ＤＲ）であってもよく、コーンフラットタイプ（ＣＦ）であってもよく、コーンラジアスタイプ（ＣＲ）であってもよい。また、端面３は、曲率半径が１５ｍｍ以上６０ｍｍ以下であるドーム形状を有することが好ましい。
溶接電極２の材料は、ワークピース５ａ、５ｂに電流を流すことができる材料であれば、特に限定されないが、例えば、銅、銅合金（銅に０．４ｗｔ％～１．２ｗｔ％のクロムを添加した銅合金、銅に０．０２ｗｔ％～０．２ｗｔ％のジルコニウムを添加した銅合金、銅に０．７ｗｔ％～１．２ｗｔ％クロム及び０．０６ｗｔ％以上０．１５ｗｔ％以下のジルコニウムを添加した銅合金、アルミナ分散強化銅など）、タングステン、タングステン合金、ハフニウム、ハフニウム合金、炭化タングステンなどである。また、溶接電極２は、溶接電極２をワークピース５ａ、５ｂに押し付けてもほとんど変形しない強度を有することができる。
溶接電極２の材料は、ワークピース５ａ、５ｂに電流を流すことができる材料であれば、特に限定されないが、例えば、銅、銅合金（銅に０．４ｗｔ％～１．２ｗｔ％のクロムを添加した銅合金、銅に０．０２ｗｔ％～０．２ｗｔ％のジルコニウムを添加した銅合金、銅に０．７ｗｔ％～１．２ｗｔ％クロム及び０．０６ｗｔ％以上０．１５ｗｔ％以下のジルコニウムを添加した銅合金、アルミナ分散強化銅など）、タングステン、タングステン合金、ハフニウム、ハフニウム合金、炭化タングステンなどである。また、溶接電極２は、溶接電極２をワークピース５ａ、５ｂに押し付けてもほとんど変形しない強度を有することができる。
溶接電極２は、端面３に設けられた少なくとも１つの細長い溝４又は端面３に設けられた複数の非貫通孔１１を有する。例えば、図１、図２に示した溶接電極２の端面３には複数の細長い溝４が形成されている。また、例えば、図３、図４に示した溶接電極２の端面３には複数の非貫通孔１１が形成されている。また、端面３に細長い溝４と非貫通孔１１の両方が形成されていてもよい。
このような端面３で表面酸化膜７を有するワークピース５を押圧することにより、ワークピース５の一部が溝４内又は非貫通孔１１内に入り込むようにワークピース５が変形する。例えば、図８のように、ワークピース５ａが変形する。この変形により、ワークピース５の表面酸化膜７の一部が切断され、ワークピース５の金属と溶接電極２とが表面酸化膜７を介さず直接接触する部分を形成することができる。このことにより、溶接電極２とワークピース５との境界部分の電気抵抗を低減することができ、ワークピース５に安定して大きな電流を流すことができる。この結果、大きなサイズのナゲット６を安定して形成することができ、表面酸化膜７を有するワークピース５を安定した溶接品質でスポット溶接することができる。また、ワークピース５に流れる電流の電流密度を効率よく高くすることができ、大きなナゲット６を形成することができる。また、溶接電極２とワークピース５との境界部分における発熱を抑制することができ、溶接電極２とワークピース５とがくっつくことを抑制することができる。
このような端面３で表面酸化膜７を有するワークピース５を押圧することにより、ワークピース５の一部が溝４内又は非貫通孔１１内に入り込むようにワークピース５が変形する。例えば、図８のように、ワークピース５ａが変形する。この変形により、ワークピース５の表面酸化膜７の一部が切断され、ワークピース５の金属と溶接電極２とが表面酸化膜７を介さず直接接触する部分を形成することができる。このことにより、溶接電極２とワークピース５との境界部分の電気抵抗を低減することができ、ワークピース５に安定して大きな電流を流すことができる。この結果、大きなサイズのナゲット６を安定して形成することができ、表面酸化膜７を有するワークピース５を安定した溶接品質でスポット溶接することができる。また、ワークピース５に流れる電流の電流密度を効率よく高くすることができ、大きなナゲット６を形成することができる。また、溶接電極２とワークピース５との境界部分における発熱を抑制することができ、溶接電極２とワークピース５とがくっつくことを抑制することができる。
溝４の幅ｗは、例えば、０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上３ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下又は０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。溝４の幅ｗは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、非貫通孔１１の大きさは、例えば、０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上３ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下又は０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。非貫通孔１１の大きさは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。このことにより、ワークピース５と溶接電極２との接触面積を広くすることができ、ワークピース５の表面部から溶接電極２への放熱量を大きくすることができる。この結果、ワークピース５ａとワークピース５ｂとの間に形成される溶融領域がワークピース５ａ、５ｂの表面に達することを抑制することができ、表面散りが生じることを抑制することができる。
非貫通孔１１が円い形状である場合、非貫通孔１１の大きさは非貫通孔１１の直径である。非貫通孔１１が四角形状又は三角形状である場合、非貫通孔１１の大きさは非貫通孔１１の一辺の長さである。非貫通孔１１がその他の形状を有している場合、非貫通孔１１の大きさは、非貫通孔１１の形状の外接円の直径とすることができる。
非貫通孔１１が円い形状である場合、非貫通孔１１の大きさは非貫通孔１１の直径である。非貫通孔１１が四角形状又は三角形状である場合、非貫通孔１１の大きさは非貫通孔１１の一辺の長さである。非貫通孔１１がその他の形状を有している場合、非貫通孔１１の大きさは、非貫通孔１１の形状の外接円の直径とすることができる。
溶接電極２は、スポット溶接を繰り返している間にその先端が焼けて汚れてくる。汚れがひどくなれば、溶接電極２とワークピース５との境界部分における電気抵抗が大きくなり、ワークピース５を溶融するのに充分な電流が流れなくなる。このため、チップドレッサーを用いて溶接電極２の端面３を削り表面の汚れを除去する処理（ドレッシング）を行う必要がある。
図９は、チップドレッサー１５により溶接電極２の端面３を削る際のチップドレッサー１５及び溶接電極２の概略断面図である。図９に示したチップドレッサー１５は溶接電極２ａ、２ｂの端面３を同時に削るタイプのチップドレッサーである。チップドレッサー１５は、溶接電極２の形状に合致する形状を有する回転カッター１２を有する。
溶接電極２ａ、２ｂの端面３を回転カッター１２に押し付けた状態で回転カッター１２を回転させることにより、溶接電極２ａ、２ｂの端面３が削られ、溶接電極２ａ、２ｂの端面３の汚れを除去することができる。また、スポット溶接により溶接電極２ａ又は２ｂの端面３が変形したとしても回転カッター１２で端面３を削ることにより、端面３の形状を初期形状に戻すことができる。
図９は、チップドレッサー１５により溶接電極２の端面３を削る際のチップドレッサー１５及び溶接電極２の概略断面図である。図９に示したチップドレッサー１５は溶接電極２ａ、２ｂの端面３を同時に削るタイプのチップドレッサーである。チップドレッサー１５は、溶接電極２の形状に合致する形状を有する回転カッター１２を有する。
溶接電極２ａ、２ｂの端面３を回転カッター１２に押し付けた状態で回転カッター１２を回転させることにより、溶接電極２ａ、２ｂの端面３が削られ、溶接電極２ａ、２ｂの端面３の汚れを除去することができる。また、スポット溶接により溶接電極２ａ又は２ｂの端面３が変形したとしても回転カッター１２で端面３を削ることにより、端面３の形状を初期形状に戻すことができる。
端面３に形成された溝４の深さｄ又は端面３に形成された非貫通孔１１の深さｄは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、好ましくは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。このように溝４又は非貫通孔１１が十分深い深さを有することにより、チップドレッサー１５を用いて溶接電極２の端面３を削った場合でも、溝４又は非貫通孔１１がなくなることはない。従って、ドレッシングを行った後にスポット溶接を行う場合でも溝４によりワークピース５の表面酸化膜７の一部を切断することができ、ワークピース５の金属と溶接電極２とが表面酸化膜７を介さず直接接触する部分を形成することができる。この結果、ドレッシングを行った後でも表面酸化膜７を有するワークピース５を安定した溶接品質でスポット溶接することができる。
また、溶接電極２の端面３は、チップドレッサー１５により削られる面に凸部を有さない。このことにより、ドレッシングにより端面３の形状が変化することを抑制することができる。
また、溶接電極２の端面３は、チップドレッサー１５により削られる面に凸部を有さない。このことにより、ドレッシングにより端面３の形状が変化することを抑制することができる。
溝４の幅ｗに対する溝４の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は非貫通孔１１の大きさｓに対する非貫通孔１１の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であることが好ましく、４以上であることがより好ましく、１０以上であることがさらに好ましい。このことにより、溝４又は非貫通孔１１が十分深い深さを有することができ、ドレッシングにより溝４がなくなることを防止することができる。また、ワークピース５と溶接電極２との接触面積を広くすることができる。
端面３に形成された溝４の長さは、例えば、２ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることができる。また、溝４は、直線であってもよく、曲線であってもよい。
端面３の溝４のパターンは、特に限定されないが、例えば、縦方向の複数の溝４と横方向の複数の溝４とが交差する格子パターンとすることができる。このことにより、スポット溶接時にワークピース５の表面酸化膜７を格子状に切断することができ、安定した形状のナゲット６を形成することができる。例えば、図１に例示した溶接電極２の端面３では、縦方向の溝４ａ～４ｇと、横方向の溝４ｈ～４ｎとが交差する格子パターンが形成されている。
端面３に形成された溝４の長さは、例えば、２ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることができる。また、溝４は、直線であってもよく、曲線であってもよい。
端面３の溝４のパターンは、特に限定されないが、例えば、縦方向の複数の溝４と横方向の複数の溝４とが交差する格子パターンとすることができる。このことにより、スポット溶接時にワークピース５の表面酸化膜７を格子状に切断することができ、安定した形状のナゲット６を形成することができる。例えば、図１に例示した溶接電極２の端面３では、縦方向の溝４ａ～４ｇと、横方向の溝４ｈ～４ｎとが交差する格子パターンが形成されている。
端面３の溝４のパターンは、図５（ａ）に示したような、複数の溝４が平行に設けられたストライプ形状とすることもでき、図５（ｂ）に示したような四角く溝４を巡らせた形状とすることもでき、図５（ｃ）に示したようにアルファベット形状であってもよい。また、図５（ｄ）に示したように、溶接電極２が複数の凸部１６を有し、複数の凸部１６の上面が端面３を形成している場合、隣接する２つの凸部１６の間に溝１４を配置してもよい。また、溝４又は非貫通孔１１を用いて端面３に商標、標章などのマークを描いてもよい。溝４又は非貫通孔１１のパターンは、ワークピース５に残るため加工品の出所を示すマークを残すことが可能になる。
また、端面３の溝４のパターン又は端面３の非貫通孔１１のパターンは、端面３の中心部における溝４又は非貫通孔１１の密度が大きくなるように設けることができる。また、端面３の溝４のパターン又は端面３の非貫通孔１１のパターンは、端面３の中心付近の溝４又は非貫通孔１１の間隔を狭くし、端面３の中心から遠い溝４又は非貫通孔１１の間隔を狭くなるように設けることができる。このことにより、直径の大きいナゲット６を形成することができ、かつ、ワークピース５の表面温度が高くなりすぎることを抑制することができる。
溶接電極２は、例えば、銅又は銅合金の丸棒を加工切断することにより製造することができる。また、端面３の溝４又は非貫通孔１１は、例えば、マイクロカッター、ワイヤーカット、レーザー加工、ドリル加工、放電加工、プラズマ加工、電解加工などにより端面３を削ることにより形成することができる。また、端面３の溝４又は非貫通孔１１を有する溶接電極２は、熱間プレス成形、鋳造などにより製造することもできる。
３次元スポット溶接解析
理想化陽解法ＦＥＭを用いてアルミニウム合金のスポット溶接の三次元解析を行った。
解析では、溶接電極のモデルとして、図１０（ａ）～（ｄ）に示したようなモデルを用い、全体としては図１１のようなモデルを用いた。解析モデルの節点数は約250000であり、要素数は約260000である。
溶接電極の材質は銅とし、溶接電極の直径を１２ｍｍとし、溶接電極の端面の曲率半径を２５ｍｍとし、端面の溝の幅を０．１ｍｍとした。図１０（ａ）の溶接電極は、従来の溶接電極であり端面に溝は形成されていない。図１０（ｂ）～図１０（ｄ）の溶接電極は、本発明の溶接電極であり、それぞれ溝パターンが異なる。図１０（ｂ）（ｃ）に示した溶接電極では、端面の中心部における溝の密度が他の領域よりも高くなるように格子状の溝を形成しており、図１０（ｂ）の解析モデルのほうが図１０（ｃ）の解析モデルよりも溝の本数が多い。また、図１０（ｂ）に示した解析モデルでは、端面の中心付近の溝の間隔を狭くし、端面の中心から遠い溝の間隔を広くしている。また、図１０（ｄ）の解析モデルでは、等間隔の溝の格子が形成されている。
理想化陽解法ＦＥＭを用いてアルミニウム合金のスポット溶接の三次元解析を行った。
解析では、溶接電極のモデルとして、図１０（ａ）～（ｄ）に示したようなモデルを用い、全体としては図１１のようなモデルを用いた。解析モデルの節点数は約250000であり、要素数は約260000である。
溶接電極の材質は銅とし、溶接電極の直径を１２ｍｍとし、溶接電極の端面の曲率半径を２５ｍｍとし、端面の溝の幅を０．１ｍｍとした。図１０（ａ）の溶接電極は、従来の溶接電極であり端面に溝は形成されていない。図１０（ｂ）～図１０（ｄ）の溶接電極は、本発明の溶接電極であり、それぞれ溝パターンが異なる。図１０（ｂ）（ｃ）に示した溶接電極では、端面の中心部における溝の密度が他の領域よりも高くなるように格子状の溝を形成しており、図１０（ｂ）の解析モデルのほうが図１０（ｃ）の解析モデルよりも溝の本数が多い。また、図１０（ｂ）に示した解析モデルでは、端面の中心付近の溝の間隔を狭くし、端面の中心から遠い溝の間隔を広くしている。また、図１０（ｄ）の解析モデルでは、等間隔の溝の格子が形成されている。
ワークピースは、板厚２．３ｍｍの５０００系アルミニウム合金板を２枚重ねたモデルを用いた。アルミニウム合金の融点は６００℃とした。２つの溶接電極でワークピースを挟み込む圧力（加圧力）は、３ｋＮとした。通電を始めてから０ｍ秒～１００ｍ秒ではワークピースに流す電流を４ｋＡとし、通電を始めてから１００ｍ秒～４００ｍ秒ではワークピースに流す電流を１５ｋＡとした。
図１２（ａ）は、図１０（ａ）に示した溶接電極（溝なし）を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１３のステップライン（ａ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１５の曲線（ａ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。なお、図１５、図１６のグラフの横軸（図１１のｘ軸、ｙ＝０、ｚ＝０）は、溶接電極の端面の中心点を“０”としている。
図１２（ｂ）は、図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１３に示したグラフのステップライン（ｂ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１５の曲線（ｂ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。
図１２（ｂ）は、図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１３に示したグラフのステップライン（ｂ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１５の曲線（ｂ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。
図１２（ｃ）は、図１０（ｃ）に示した溶接電極を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１４のステップライン（ｃ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１６の曲線（ｃ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。
図１２（ｄ）は、図１０（ｄ）に示した溶接電極を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１４のステップライン（ｄ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１６の曲線（ｄ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。
図１２（ｄ）は、図１０（ｄ）に示した溶接電極を用いた解析における通電中の溶融領域を含む断面の最高到達温度分布であり、図１４のステップライン（ｄ）はこの解析における溶融領域の直径の変化を示し、図１６の曲線（ｄ）はこの解析におけるアルミニウム合金板（ワークピース５ａ）の表面（溶接電極と接触する面）における最高到達温度分布である。
図１０（ａ）に示した従来の溶接電極（溝なし）を用いた解析では、図１３のステップライン（ａ）のように、ワークピースに流す電流を４ｋＡとした時間帯では溶融領域は形成されず、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約５．４ｍｍに達した。
図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析では、図１３のステップライン（ｂ）のように、ワークピースに４ｋＡの電流を流すとすぐに直径が約３．３ｍｍである溶融領域が形成され、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約６．５ｍｍに達した。
図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析では、図１３のステップライン（ｂ）のように、ワークピースに４ｋＡの電流を流すとすぐに直径が約３．３ｍｍである溶融領域が形成され、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約６．５ｍｍに達した。
図１０（ｃ）に示した溶接電極を用いた解析では、図１４のステップライン（ｃ）のように、ワークピースに４ｋＡの電流を流すとすぐに直径が約２．３ｍｍである溶融領域が形成され、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約６．３ｍｍに達した。
図１０（ｄ）に示した溶接電極を用いた解析では、図１４のステップライン（ｄ）のように、ワークピースに４ｋＡの電流を流すとすぐに直径が約２．１ｍｍである溶融領域が形成され、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約６．５ｍｍに達した。
図１０（ｄ）に示した溶接電極を用いた解析では、図１４のステップライン（ｄ）のように、ワークピースに４ｋＡの電流を流すとすぐに直径が約２．１ｍｍである溶融領域が形成され、電流を１５ｋＡにすると溶融領域の直径が徐々に大きくなり、溶融領域の直径が約６．５ｍｍに達した。
これらの解析結果から、溝を形成していない従来の溶接電極（図１０（ａ））を用いた解析では、ワークピースに流す電流が４ｋＡであるときには溶融領域が形成されないのに対し、端面に溝を形成した溶接電極（図１０（ｂ）～（ｄ））を用いた解析では、ワークピースに流す電流が４ｋＡであっても溶融領域が形成されることがわかった。特に、端面の中心部における溝の密度を高くした図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析では、ワークピースに流す電流が４ｋＡであっても、直径が約３．３ｍｍである溶融領域が形成された。
また、従来の溶接電極を用いた解析では溶融領域の最大直径が約５．４ｍｍであったのに対し、端面に溝を形成した溶接電極を用いた解析では６．３ｍｍを越える直径の溶融領域が形成された。
また、従来の溶接電極を用いた解析では溶融領域の最大直径が約５．４ｍｍであったのに対し、端面に溝を形成した溶接電極を用いた解析では６．３ｍｍを越える直径の溶融領域が形成された。
図１５、図１６に示すグラフのように、端面に溝を形成した溶接電極（図１０（ｂ）～（ｄ））を用いた解析では、従来の溶接電極（図１０（ａ））を用いた解析に比べアルミニウム合金板の表面の最高到達温度が高くなったが、中心部で４５０℃～５００℃であり合金板の表面がアルミニウム合金の融点に達することはなかった。
図１７は、図１０（ｂ）に示した溶接電極を用いた解析の通電初期におけるアルミニウム合金板の表面形状の解析モデルである。端面に格子状の溝を有する溶接電極でアルミニウム合金板を押圧し通電すると、図１７の解析モデルのように、アルミニウム合金板の一部が溝の中に入り込むように合金板の表面が変形した。このことにより、アルミニウム合金板の表面酸化膜が溝の縁で切断され、アルミニウム合金板の金属と溶接電極とが表面酸化膜を介さず接触することがわかった。
２ａ、２ｂ、２：溶接電極 ３：端面 ４ａ～４ｎ、４：溝 ５ａ、５ｂ、５：ワークピース ６：ナゲット ７：表面酸化膜 ８：加圧アクチュエータ ９：アーム １０：電源装置 １１：非貫通孔 １２：回転カッター １３：筐体 １５：チップドレッサー １６：凸部 ２０：溶接装置
Claims (6)
- ワークピースのスポット溶接に用いる溶接電極であって、
前記溶接電極は、前記ワークピースに接触するように設けられた端面と、前記端面に設けられた少なくとも１つの細長い溝又は前記端面に設けられた複数の非貫通孔とを有し、
前記溝の深さ又は前記非貫通孔の深さは、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、
前記溝の幅又は前記非貫通孔の大きさは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、２以上であり、
前記溝の幅は、深さ方向において実質的に一定であり、
前記非貫通孔の大きさは、深さ方向において実質的に一定であることを特徴とする溶接電極。 - 前記溝の幅ｗに対する前記溝の深さｄの比率（ｄ／ｗ）又は前記非貫通孔の大きさｓに対する前記非貫通孔の深さｄの比率（ｄ／ｓ）は、４以上である請求項１に記載の溶接電極。
- 前記溶接電極は、複数の前記溝を有し、
複数の溝は、格子状に設けられた請求項１又は２に記載の溶接電極。 - 前記溶接電極は、複数の前記溝を有し、
複数の前記溝又は複数の前記非貫通孔は、前記端面の中心部における前記溝の密度又は前記非貫通孔の密度が大きくなるように設けられた請求項１～３のいずれか１つに記載の溶接電極。 - 前記端面は、曲率半径が１５ｍｍ以上６０ｍｍ以下であるドーム形状を有する請求項１～４のいずれか１つに記載の溶接電極。
- 請求項１～５のいずれか１つに記載の少なくとも１つの溶接電極と、前記溶接電極と電気的に接続した電源装置とを備え、
前記溶接電極及び前記電源装置は、前記電源装置の出力電流が前記溶接電極を介して前記ワークピースに流れるように設けられた溶接装置。
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