JPH01210180A - スポット溶接用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱延鋼板、冷延鋼板、表面処理鋼板、ステン
レス鋼板および各種非鉄金属薄板のスポット溶接におい
て、長時間の使用に耐える電極に関するものである。

［従来の技術］ 自動車、家電などで使用される薄板は、一般に、所定の
形状に成形された後、スポット溶接により組立てされる
が、この場合、電極としては、銅系の材料が用いられる
（特開昭６２−１０１３８８号公報）。このような電極
材料に関してＪＩＳは、Ｚ３２３４で、用途別にＣｄ−
Ｃｕ　、　０ｒ−Ｃｕ　、　Ｇｏ−Ｂｅ−Ｃｕ、Ｂｅ−
Ｃｕを規定している。いずれも、純銅の導電率を最大限
に保ちながら、強度、耐熱性を向上させるために、数％
以下の合金元素が添加された銅系の材料である。この他
に、微細なアルミナを鋼中に分散させたアルミナ分散強
化銅、クロム−ジルコニウム銅なども使用されている。

電極の形状は、ＪＩＳ　Ｃ９３０４に規定されており、
大別すると、一体型とキャップ型になり、さらに、非溶
接物と接触する部分、電極先端の形状によって、ラジア
ス形、ドームラジアス形、円錐台形など、９種類に分類
されている。

このような電極は、溶接熱で高温に加熱されるので、連
続的に繰り返しスポット溶接に供せられると、結晶粒成
長が生じて次第に軟化し、損耗して、健全な溶接品質を
得ることができなくなるので、一定の回数の連続打点の
後に、取り替えるか、ドレッシングして元の形状に戻し
て再使用することが必要である。近年、溶接品質要求の
厳格化と亜鉛めっき鋼板の自動車、家電部品への適用の
増加にともなって、これまで以上に頻繁な電極交換が必
要となっており、即ち、電極寿命が著しく低下しており
、コスト上昇、生産性低下の問題が深刻化している。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、連続長時間の使用に耐える、高寿命のスポッ
ト溶接用電極に関するものであり、電極交換周期を延ば
し、スポット溶接作業の生産性を向上させると共に、溶
接品質の安定に寄与させんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 連続的スポット溶接（連続打点）によって、電極が損耗
し、健全な溶接品質を得ることが出来なくなるのは、損
耗によって電極先端部の被溶接物と接触する部分の大き
さ（接触径）が拡大し、電流密度が低下するからである
とされている。亜鉛めっぎ鋼板を連続打点した時に、電
極寿命が冷延鋼板に比較して大きく低下する事が知られ
ているが、これは、めっき層のＺｎと電極のＣｕとが反
応して電極先端表面にＺｎ−Ｃｕ合金層が形成するため
であり、これが連続打点過程で脱着を繰り返すことが、
電極の損耗を早める原因と言われている。

本発明者らは、亜鉛めっき鋼板の連続打点性を改善する
ための一環として、溶接現象と電極先端の合金化現象を
詳細に検討した結果、Ｚｎ−Ｃｕ合金層の形成と電極の
接触径の拡大とは無関係であること、そして、接触径の
拡大は純然たる力学的問題に起因することを見出した。

即ち、スポット溶接は、上下一対の電極にて一定の加圧
力で被溶接物をはさみ、低電圧で大電流を極短時間通電
することによって、被溶接物内の抵抗発熱でそれらの接
触部を溶融して結合するものである。薄板の溶接の場合
、加圧力は２００〜３００　ｋｇ、　　１〜３■、６〜
１２ｋＡの大電流ヲ、０．２〜０．３秒間、通電するこ
とが普通である。溶接接合部分はナゲツトと呼ばれ、通
常、その直径が４ｔ（ここに、ｔは被溶接物の板厚）以
上であることを、溶接品質の健全性の基準としている。

このようなスポット溶接によって、電極自身も発熱し、
被溶接物からの熱を受けて、被溶接物との接触部分は、
７００〜ａＯＯ℃になるとも言われており、常温で４０
ｋｇｆ／＋ｎｍ２以上ある強度も、この温度では数ｋｇ
ｆ／ｍｍ’まで低下する。薄板のスポット溶接において
は、電極の接触径は、普通、新品で４〜６ｍｍであるの
で、２００〜３００　ｋｇの加圧力を受けると容易に塑
性変形して、電極先端部分はマツシュルーム状に径が拡
大する。初期の接触径を７ｍｍにしておくと、連続打点
をしても接触径の拡大は遅く、小さくなり、１０ｍｍ以
上なら数千回以上もの連続打点でも、接触径の拡大はほ
とんどみられない。しかし、このような初期接触径の電
極では、当初から電流密度が小さいので健全な溶接品質
を得ることが困難であり、必要な電流密度を維持するた
めには、より大電流を流さねばならず、溶接機の能力上
の制約が生じる。

一方、電極は、めっき金属と反応して、その表面に、Ｃ
ｕ−Ｚｎ合金層が形成されるが、この合金層は２層から
成り、下層はβ真鍮、上層はγ真鍮である。β真鍮層は
、溶接時の高温では、地のＣｕと同様に、軟質、且つ、
延性に冨むので、加圧力によって容易に圧縮され、マツ
シュルーム状に変形する。この結果、電極先端の外縁部
から、ひれ状金属片の形で脱落していくのであり、一般
に言われているように、Ｃｕ−Ｚｎ合金層が電極とのス
ティッキングで脱落していくのではない。冷延鋼板の溶
接においても、電極先端は、加圧力によフてマツシュル
ーム状に変形し、外縁部からのひれ状金属片の脱落が生
じている。しかし、亜鉛めっき鋼板の溶接では、Ｃｕ−
Ｚｎ合金層の存在のため、ひれ状金属片の厚みが大きく
なり、電極の連続打点による重量減少は、冷延鋼板の場
合より、はるかに大きい。

従って、電極のめっき金属との反応は、反応のない場合
、すなわち、冷延鋼板の溶接の場合に比較すると、ひれ
状金属片の脱落により電極の重量の減少を促進するが、
マツシュルーム状に変形するのは、加圧力と電極先端部
の高温強度とのバランスに基づく現象であり、Ｃｕ−Ｚ
ｎ合金層の存在は、その高温強度が、地のＣｕと同じか
大きいので、マツシュルーム状変形を促進することはな
い。

本発明者らは、このような電極の接触径の拡大に関する
新しい知見に基づいて、長時間の連続的スポット溶接に
おいて、接触径の拡大が有効に抑制され、特別の大電流
を通電しなくとも、常に、必要な電流密度を確保でき、
この結果、健全な溶接品質を安定して維持することの出
来るスポット溶接用電極を発明した。すなわち、中心部
分が銅系材料、外縁部分がセラミックス又はサーメット
からなることを特徴とする電極であり、溶接時の加圧力
は、外縁部分で受け、電流は中心部分を通すように導電
率の異なる二種の材料で構成した電極である。

構造としては、例えば、第１図のようなものであり、（
ａ）キャップ型、（ｂ）一体型であるが外縁部分１に大
きな電流を流すと発熱が著しく、赤熱さえするので、溶
接機のホルダー２、アダプタ一部分２°の通電部と電極
チップの中心部分３とが直接に接触させるような構造で
あることが重要である。第１図のように、外縁部分１の
長さは中心部分３の長さと同じである必要はなく、要は
、電極の根元側から加えられる加圧力の一部または全部
が、直接に、あるいは中心部分３を通じて間接的に外縁
部分１に負荷されるような構造であればよい。中心部分
３と外縁部分１との接合は、連続的スポット溶接作業で
外縁部分が抜は落ちない程度に両者が結合しておればよ
い。機械的にたたきこんだり、接合面にねじを切ったり
、接着剤で仮接合して溶接時の膨張で接合したり、或い
は、鋲どめするなど、種々の方法がある。中心部分３は
、通電を受は持つため、導電率の高い銅系材料でなけれ
ばならず、加圧力は外縁部分１が主として負担するので
、高温強度に難があり電極材料としては不適とされてい
る純銅でもよい。

その他、上記のようなＪＩＳで定められた各種の電極材
料、あるいは、市販の各種電極材料をはじめとする、導
電率が銅に準する各種の銅合金を用いることができる。

外縁部分１は、導電率が低く、加圧力を受は持つため、
融点が高く、高温強度が高いセラミックス又はサーメッ
トとする。例えば、セラミックスとしては、ＷＣｌＺｒ
Ｂ　、　ＴｉＯ２，ＡＬＯ３、ＺｒＯ２，Ｔｉｃ　、　
ＴｉＢ　、ＳｉＣ。

Ｓｉ３Ｎ４および、セメント、キャスタブル、または、
ムライトなどこれらの混合物や化合物を用いることがで
き、サーメットとしては、例えば、上記セラミックスに
Ｇｏ、Ｎｉ等を複合したものを用いることができる。

中心部分３の直径は、溶接機ホルダー２、アブブタ−２
寄りの部分は、電流をよく通すため大きい方がよいが、
第１図の例においてわかるように、最小径は、中心の冷
却孔４の水路の大きさで制約され、最大径は、一体型電
極の場合は溶接機ホルダーの径で制約される。非溶接物
と接触する側の部分の直径は、非溶接物を流れる電流の
電流密度を一定の値に制御するために重要であり、３〜
６．５＋ｎｍであることが望ましい。つまり、スポット
溶接に供せられる薄板の板厚は、一般に、０．５〜２．
３ｍｍであり、健全な溶接品質の基準である最小ナゲツ
ト径は、３〜６ｍｍであるから、電極先端の通電部分の
直径が、３ｍｍより小さいと、必要なナゲツト径を得る
ことが却ってむづかしくなるので、中心部分の非溶接物
と接触する部分の直径は、３ｍｍ以上であることが望ま
しい。また、６．５ｍｍより大きいと、電流密度が低く
なり過ぎて、健全な溶接品質を得難くなる。

外縁部分の直径のうち、中心部分と接する側、即ち、内
側の直径は、中心部分の形状によって自ずと決まるが、
外側の直径は、加圧力を有効に負担するとの観点から重
要である。

通常用いられている電極の外径は、１３〜２５ｍｍであ
り、先端部を除くと溶接時の温度の上昇はわずかである
ので、この直径で加圧力を受けても塑性変形することは
ない。従って、外縁部分の溶接機側ホルダー、アダプタ
ー寄りの部分の外側直径は、現状の電極の外径なみで問
題ない。非溶接物と接触する側の部分は、流れる電流が
少ないので自己発熱が小さく、通常電極はど温度上昇し
ないが、非溶接物からの伝熱もあり、溶接時にはある程
度の強度低下があるので、加圧力を負担して塑性変形し
ないためには、外側直径が、７ｍｍ以上である事が望ま
しい。先端部外側直径は、大きいほど、内部応力を減少
できるので有利であるが、溶接機側ホルダー、アダプタ
ーの外径より大きくてもあまり意味がなく、犬ぎ過ぎる
と作業性が悪くなるので、３０ｍｍ以下が望ましい。

［実施例］ 次に本発明の実施例を比較例とともに挙げる。

■電極二本発明は第２図（ａ）、比較例は第２図（ｂ）
であり、夫々の構成要件は表−１に示す。

■溶接条件 加圧カニ２５０ｋｇ 初期加圧時間：４０Ｈｚ 通電時間：１２）１ｚ 保持時間：５Ｈｚ 溶接電流：１１ｋＡ 寿命判定：溶接電流の８５％の電流でナゲツト径が３．
６ｍｍを確保できる打 点数 ■非溶接材料 合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＡＳ］ （板厚＝０．８のｍ、目付：　４５ｇ／ｍ’／４５ｇ／
ｍ”　）２層合金電気めっき鋼板［ＥＬ］ （板厚：　０．８ｍｍ、目付：　２３ｇ／ｍ２／２３ｇ
／ｍ”　）Ａ　Ｓ　：　Ｆｅ９％、ＥＬ：下層Ｚｎ８５
％、残Ｆｅ。

目付２０　ｇ／ｍ’、上層Ｆｅ８０％残Ｚｎ、目付３ｇ
／　ｍ２ｇ ■溶接板組み ２枚重ね ■連続的スポット溶接（連続打点）の結果［発明の効果
］ 本発明の電極を用いて連続打点を行った場合、電流の大
部分は銅系材料から成る中心部分を流れるので、高い電
流密度で非溶接物に通電することが出来、必要な大きさ
のナゲツトを容易に得ることができる。一方、外縁部分
は、電流はほとんど流れないので発熱も少なくて温度上
昇が抑制される上、高温強度の高いセラミックスから成
っており、さらに、直径を大きくしても電流密度の低下
につながらず、逆に、加圧力に起因する内部応力を減少
させるので、連続打点をおこなっても、直径の拡大が抑
制される。この結果、中心部分の直径の拡大も有効に抑
制できるので、連続打点を長時間繰り返しても、電流密
度は一定に維持することができ、健全な溶接品質を保つ
ことができる。つまり、本発明の電極を用いることによ
って、電極寿命は大幅に改善され、電極交換頻度が減少
して、スポット溶接作業のコストや生産性を画期的に改
善することができる。

なお、本発明の電極の、電流密度を常に高く保つことの
できる特徴を利用すると、溶接電流の低減が可能であり
、例えば、冷延鋼板に較べて大きな電流を必要とする亜
鉛めっき鋼板の溶接において、溶接機や電源の容量を増
強が不要となる等の経済上の大きな効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１分本発明の実施例を示す説明図、第２図（ａ）は本
発明の実施例、（ｂ）は比較例の夫夫の電極先端寸法を
示す説明図である。 １：外縁部　　　　２：ホルダー ２°ニアダブター　　３：中心部分 ４：冷却孔 １：外縁部分 ２：ホルダー ２°ニアダブター ３：中心部分 ４：冷却孔 第２ （Ｃ１） （ｂ） ６ψ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　中心部分が銅系材料、外縁部分がセラミックスから
   なることを特徴とするスポット溶接用電極。 ２　中心部分が銅系材料、外縁部分がサーメットからな
   ることを特徴とするスポット溶接用電極。 ３　極先端部の寸法が、中心部分直径３ｍｍ以上、６．
   ５ｍｍ以下、外縁部分の外側直径が７ｍｍ以上、３０ｍ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のス
   ポット溶接用電極。