JPH04284982A - スポット溶接用複合材料製電極 - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、スポット溶接用の電極
に係り、更に詳細には複合材料製の電極に係る。 【０００２】 【従来の技術】スポット溶接用電極の一つとして、例え
ば実開昭６０−２８９８８号公報に記載されている如く
、電極の長手方向に沿って一方向に配向された金属繊維
にて複合強化された銅又は銅合金よりなる電極が既に知
られている。かかる電極によれば、銅又は銅合金のみよ
りなる電極の場合に比して電極の高温強度を向上させる
ことができる。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしかかる電極が使
用される場合に於ても、特に被溶接材がアルミ板である
場合には、アルミ板の熱伝導性が高くアルミ板を高温に
加熱するためには電極に大電流を通電する必要があるた
め、電極自身が高温になってへたりを生じ易く、また電
極先端の表面にアルミニウムとの化合物が形成され易く
、そのため上述の如き従来の複合材料製の電極に於ても
十分な連続打点性を確保することが困難である。 【０００４】また電極の一部のみが強化繊維にて複合強
化される場合には、繊維強化部と非繊維強化部との間の
界面に於て種々の性質が急激に変化するため、使用され
る強化繊維の種類によってはかかる界面に於ける層間剪
断強度が低くなり、そのため界面に比較的早期に割れの
如き欠陥が生じることがある。 【０００５】本発明は、上記公報に記載された従来の複
合材料製の電極に於ける上述の如き問題に鑑み、耐へた
り性に優れ電極先端の表面にアルミニウムとの化合物が
生成しにくく、十分な連続打点性及び耐久性を備えたス
ポット溶接用複合材料製電極を提供することを目的とし
ている。 【０００６】 【課題を解決するための手段】上述の如き目的は、本発
明によれば、実質的に軸線に沿って一方向に配向された
ヤング率５０トン／ｍｍ２　以上の炭素繊維と、前記炭
素繊維の周りにて実質的に周方向に配向されたアルミナ
繊維とにより複合強化された銅又は銅合金よりなるスポ
ット溶接用複合材料製電極によって達成される。 【０００７】 【作用】炭素繊維はヤング率が高いほど、即ち黒鉛化度
が高いほど熱伝導性が高くなり、特にヤング率が７０ト
ン／ｍｍ２　以上になるとその熱伝導性は純銅以上にな
る。 また炭素繊維の熱伝導性には異方性があり、繊維の長さ
に沿う方向の熱伝導性は他の方向に比して非常に高い。 更に炭素繊維は耐熱性及び耐クリープ性に優れ、アルミ
ニウム合金に対する融着性も非常に低い。即ち炭素繊維
はスポット溶接用電極の熱伝導性及び耐圧性を向上させ
る作用を有している。 【０００８】従って上述の如き構成によれば、電極先端
の熱が炭素繊維によって水冷部へ効率的に伝達されるこ
とにより電極先端の昇温が効果的に抑制され、耐熱性及
び耐クリープ性に優れた炭素繊維により電極の軸線方向
の高温強度が向上され、更にはアルミニウム合金に対す
る融着性の低い炭素繊維により電極を構成する銅又は銅
合金がアルミニウムと化合することが抑制されるので、
電極の耐へたり性が向上されると共に電極の先端にアル
ミニウムとの化合物が生成することが回避される。 【０００９】また炭素繊維は一般にマトリックス金属と
の密着性が悪く複合強化部と非複合強化部との間の界面
に於ける層間剪断強度が低いという欠点を有しているの
に対し、アルミナ繊維は銅及び銅合金との接合性に優れ
ている。 【００１０】従って上述の如き構成によれば、炭素繊維
の周りにて実質的に周方向に配向されたアルミナ繊維に
より炭素繊維による複合強化部と非複合強化部との間の
層間剪断強度が向上され、これにより電極の耐久性が向
上される。 【００１１】 【課題を解決するための手段の補足説明】上述の如く炭
素繊維の熱伝導性はヤング率が高いほど高くなる。本願
発明者が行った実験的研究の結果によれば、ヤング率が
５０トン／ｍｍ２　未満の場合には電極の連続打点性を
十分に向上させることができず、従って本発明に於ては
炭素繊維のヤング率は５０トン／ｍｍ２　以上に設定さ
れる。 【００１２】また本願発明者が行った実験的研究の結果
によれば、炭素繊維の体積率が３０％未満の場合には電
極の連続打点性を十分に向上させることができず、逆に
炭素繊維の体積率が６５％を越えると電極に早期に割れ
が生じ易くなる。従って本発明の電極に於ては、炭素繊
維の体積率は３０〜６５％に設定されることが好ましい
。 【００１３】また本願発明者が行った実験的研究の結果
によれば、アルミナ繊維のアルミナ含有率が８０％未満
の場合には炭素繊維による複合強化部と非複合強化部と
の間の界面強度を十分に向上させることが困難である。 従ってアルミナ繊維のアルミナ含有率は８０％以上に設
定されることが好ましい。またアルミナ含有率が８０％
以上のアルミナ繊維が使用される場合であっても、アル
ミナ繊維の体積率が１０％未満の場合には界面強度を十
分に向上させることが困難であり、逆にアルミナ繊維の
体積率が５０％を越えるとアルミナ繊維による複合強化
部と非複合強化部との間の界面に於ける機械的性質等の
変化が急激になりすぎる。従って本発明の電極に於ては
、アルミナ繊維の体積率は１０〜５０％に設定されるこ
とが好ましい。 【００１４】またアルミナ繊維はその最表層がマトリッ
クス金属である銅と反応し薄い化合物被膜を形成してい
る場合に銅との密着性が良好になる。従って本発明の電
極に於ては、アルミナ繊維の最表層には銅との反応によ
る薄い化合物被膜が形成されていることが好ましい。 【００１５】更に炭素繊維は複合材料の製造に一般に使
用されているセラミック繊維に比して導電性に優れては
いるが、銅や銅合金に比して導電性が低いので、複合強
化部の軸線に沿う中央部の軸線に垂直な断面で見て複合
強化部の面積比は１０〜５０％程度であることが好まし
い。 【００１６】 【実施例】以下に添付の図を参照しつつ本発明を実施例
について詳細に説明する。 【００１７】実施例１ 　　ヤング率が７０トン／ｍｍ２　である炭素繊維（東
亜燃料株式会社製、繊維径１０μｍ　、１ヤーンの炭素
繊維数１０００本）を２４００ヤーン束ねて切断するこ
とにより、図２に示されている如く一方向に配向された
体積率４０％の炭素繊維１０よりなり、直径５ｍｍ、長
さ８ｍｍの円柱状の炭素繊維束１２を形成した。 【００１８】次いで炭素繊維束１２の円筒状の外周面に
アルミナ繊維（住友化学株式会社製、繊維径１５μｍ　
、８５％Ａｌ２　Ｏ３　、残部実質的にＳｉＯ２　）を
周方向に巻付け、その端部をアルミナセメントにて固定
するにより、図３に示されている如く、炭素繊維束１２
と、該繊維束の周りに体積率３０％にて周方向に配向さ
れたアルミナ繊維１４よりなる或る厚さ１ｍｍのアルミ
ナ繊維の層とよりなる成形体１６を形成した。 【００１９】次いで図には示されていないがスポット溶
接用の電極を鋳造する遠心鋳造装置の鋳型内に形成体１
６を配置し、該鋳型内に真空溶解された１２００℃の純
銅の溶湯を注ぎ、鋳型を２００ｒｐｍ　にて回転させる
ことにより遠心鋳造を行った。この場合成形体に対する
溶湯の含浸圧力は３０〜５０ｋｇ／ｃｍ２　であるもの
と推測される。鋳造が完了した後鋳型より電極粗材を取
出し、該粗材に対し所定の機械加工を施し、これにより
図１に示されている如く直径１５ｍｍのスポット溶接用
の電極１８を形成した。 【００２０】尚図１に於て、符号２０は軸線を示してお
り、符号２２は軸線２０に沿って延在しその一部にて冷
却水通路を郭定する窪みを示しており、符号２４は純銅
のみよりなる部分を示している。 【００２１】また比較の目的で、Ｃｒ含有量が０．９％
であるＣｒ銅よりなり繊維にて複合強化されていない単
を除き実施例の電極と同一の寸法及び形状の電極を用意
し、電流３００００Ａ、加圧力２８０ｋｇ／ｍｍ２　、
通電時間８／６０秒にて上述の実施例及び比較例の電極
について連続打点性能試験を行った。この試験の結果を
図４に示す。 【００２２】図４より、従来のＣｒ銅製の電極に於ては
打点数が約４００の近傍に於てナゲット径が限界を越え
てしまうのに対し、本発明の電極は打点数が１５００以
上に亘り良好な性能を示すことが解る。 【００２３】実施例２ 　　炭素繊維のヤング率が如何なる値であることが適切
であるかの検討を行うべく、下記の表１に示された種々
の炭素繊維が使用された点を除き、上述の実施例１の場
合と同一の要領及び条件にて電極を形成し、実施例１の
場合と同一の要領及び条件にて連続打点性能試験を行っ
た。その結果を同じく下記の表１に示す。 【００２４】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表　　１　　　　　　　　　　名称
　　　　　　　　メーカ　　　　　　ヤング率　　　　
　　　　連続打点数　　　　　　　　Ｍ４０　　　　　
　東レ　　　　　　　　４０トン／ｍｍ２　　　　　　
　２５０　　　　　　　　Ｍ５０　　　　　　　　〃　
　　　　　　　５０トン／ｍｍ２　　　　　　　４００
　　　　　　　　　　−　　　　　　　　鹿島石油　　
　　５５トン／ｍｍ２　　　　　　　６００　　　　　
　　　　　−　　　　　　　　　　〃　　　　　　　　
６０トン／ｍｍ２　　　　　１０００表１より、炭素繊
維のヤング率は５０トン／ｍｍ２　以上であることが好
ましいことが解る。 【００２５】実施例３ 　　炭素繊維束の周りに配向されるアルミナ系繊維とし
て如何なる繊維が適切であるかの検討を行うべく、下記
の表２に示された繊維が使用された点を除き、上述の実
施例１の場合と同一の要領及び条件にて電極を形成し、
実施例１の場合と同一の要領及び条件にて連続打点性能
試験を行った。 【００２６】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表　　２　　Ｎｏ．　　　　　　名
称　　　　　　　　メーカ　　　　アルミナ含有率　　
　　　　　　残部　　　　　　　　　　１　　　　アル
ミナ繊維　　　　三井鉱山　　　　９９．５％　　　　
　　　　ＳｉＯ２　　　　　２　　　　　　　　〃　　
　　　　　　　　住友化学　　　　８５％　　　　　　
　　　　　　ＳｉＯ２　　　　　３　　　　アルセン　
　　　　　　　デンカ　　　　　　８０％　　　　　　
　　　　　　ＳｉＯ２　　　　　４　　　　ネクステル
　　　　　　３Ｍ　　　　　　　　６２％　　　　　　
　　ＳｉＯ２　、Ｂ２　Ｏ３　　　　　５　　　　　　
　　−　　　　　　　　　　　　−　　　　　　　　　
　−　　　　　　　　　　　　　　　　−　　　　　　
　　【００２７】その結果Ｎｏ．４の繊維が使用された
場合には２００打点後に、またＮｏ．５の炭素繊維束の
周りにアルミナ繊維が配向されなかった電極の場合には
５０打点後にそれぞれ電極に割れが発生した。この試験
の結果より、炭素繊維束の周りに配向されるアルミナ繊
維のアルミナ含有率は８０％以上であることが好ましい
ことが解る。 【００２８】尚Ｎｏ．４の繊維が使用された場合に上述
の如く比較的早期に電極に割れが生じたのは、繊維中の
ＳｉＯ２　がＣｕと反応して脆化し、そのため炭素繊維
による複合強化部と非複合強化部との間の層間剪断強度
を十分に向上させることができなかったことによるもの
と推測される。 【００２９】実施例４ 　　炭素繊維の体積率が種々の値に設定された点を除き
、上述の実施例１の場合と同一の要領及び条件にて電極
を形成し、各電極について実施例１の場合と同一の要領
及び条件にて連続打点性能試験を行った。 【００３０】その結果炭素繊維の体積率が３０％未満の
場合には電極の連続打点性を十分に向上させることが困
難であり、逆に炭素繊維の体積率が６０％を越える場合
には電極に早期に割れが生じ易くなることが判明した。 従って炭素繊維の体積率は３０〜６５％であることが好
ましいことが解る。 【００３１】以上に於ては本発明を特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定さ
るものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例
が可能であることは当業者にとって明らかであろう。 【００３２】 【発明の効果】以上の説明より、本発明によれば、電極
先端の熱が熱伝導性に優れた炭素繊維によって水冷部へ
効率的に伝達されることにより電極先端の昇温が効果的
に抑制され、耐熱性及び耐クリープ性に優れた炭素繊維
により電極の軸線方向の高温強度が向上され、更にはア
ルミニウム合金に対する融着性の低い炭素繊維により電
極を構成する銅又は銅合金がアルミニウムと化合するこ
とが抑制されるので、電極の耐へたり性を向上させるこ
とができると共に電極の先端にアルミニウムとの化合物
が生成することを回避することができる。 【００３３】また炭素繊維の周りにて実質的に周方向に
配向されたアルミナ繊維により炭素繊維による複合強化
部と非複合強化部との間の層間剪断強度が向上されるの
で、電極の耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスポット溶接用複合材料製電極の
一つの実施例を示す縦断面図である。

【図２】一方向に配向された炭素繊維よりなる繊維束を
示す斜視図である。

【図３】炭素繊維束とその周りに周方向に配向されたア
ルミナ繊維とよりなる成形体を示す斜視図である。

【図４】実施例及び比較例の電極についてスポット溶接
の打点数とナゲット径との間の関係を示すグラフである
。

【符号の説明】

１０…炭素繊維 １２…炭素繊維束 １４…アルミナ繊維 １６…成形体 １８…電極 ２４…純銅のみよりなる部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 実質的に軸線に沿って一方向に配向されたヤング率５０
   トン／ｍｍ２　以上の炭素繊維と、前記炭素繊維の周り
   にて実質的に周方向に配向されたアルミナ繊維とにより
   複合強化された銅又は銅合金よりなるスポット溶接用複
   合材料製電極。