JPH05318140A - 抵抗スポット溶接用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 アルミニウムもしくはアルミニウム合金板、
これらの表面に金属めっきを施した材料、またはめっき
鋼板の抵抗スポット溶接にあたり、被溶接板の板厚をｔ
とした際に導電率が７５（ＩＡＣＳ％）以上でその直径
が２．５×ｔ^1/2（mm）以上の金属を芯材とし、その周
囲に芯材よりも導電率が４０（ＩＡＣＳ％）以上低く、
かつ融点が前記アルミニウムもしくはアルミニウム合
金、または前記めっき金属より高い金属を被覆した抵抗
スポット溶接用電極。 【効果】 アルミニウムもしくはアルミニウム合金板、
その表面に金属めっきを施した板、又はめっき鋼板を抵
抗スポット溶接する際、電極寿命を飛躍的に向上するこ
とができるため、自動車等の大量生産における軽量化が
生産効率を損なうことなく実施できる等の顕著な効果を
奏する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、めっき鋼板、アルミニ
ウムもしくはアルミニウム合金板又はその金属めっき材
を被溶接材料として抵抗スポット溶接する場合に、溶接
機の電極寿命を飛躍的に改善する抵抗スポット溶接用電
極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
らめっき鋼板、アルミニウムもしくはアルミニウム合金
板又はその金属めっき材料の抵抗スポット溶接に用いら
れている溶接機の電極用材料としては、比較的高温強度
が高く、電気伝導度、熱伝導が良好で、比較的低コスト
であるクロム銅、クロム−ジルコニウム銅、及びアルミ
ナ分散銅等がある。又、スポット溶接用の電極形状とし
ては、Ｒ形、ＤＲ形、ＣＦ形、ピンプル形等が多く使用
されている。

【０００３】これらの電極を用いて適正溶接条件で２枚
の板を重ねて抵抗スポット溶接した模様を図４に示す。
即ち上側被溶接材（３）と下側被溶接材（４）を重ね合
わせて、上電極（１）と下電極（２）で挟んで加圧し、
同時に通電することにより２枚の板材（３）（４）の接
触面を溶融させてナゲット（５）を形成させて接合する
ものである。このようなスポット溶接において溶接初期
の頃はナゲット（２枚の板が抵抗発熱で溶融し、加圧に
より接合した部分）（５）は図４のように碁石状で、電
極径の大きさの範囲内で形成し、チリの発生がなく、継
手の強度も高いが、長時間使用すると電極と被溶接材料
が合金化して電極先端の消耗が偏ってくる。これが著し
くなると図５の様にナゲット（５）は偏ってきて、電極
径の外まで溶けて、中チリ（８）、外チリ（７）が発生
して、さらに著しい場合は、ナゲット内の溶融金属がほ
とんどチリとなって飛散し、空洞（９）になってしま
い、継手の強度が低下して、電極寿命に至るようにな
る。

【０００４】この現象は以下のように説明されている。
即ち溶接初期の場合は、電極の消耗が無いため、加圧は
電極の中心に集中し、通電もそこで行われてナゲットが
形成されるので、溶けたナゲットは２枚の板の間の電極
外周部近傍に形成されるリング状のコロナボンド域（拡
散接合されていて溶融金属を外に出るのを防ぐと言われ
ている）（６）で囲まれているため飛びださず良好なナ
ゲットを形成する。しかしながら電極が消耗して電極の
外周部で通電が起こると、コロナボンド域（６）外でナ
ゲットが形成するため、コロナボンド域（６）で溶融金
属を覆っておく機能が無くなるのでチリが発生し、ナゲ
ットが空洞化して強度が低下してくるものである。

【０００５】ところで従来の電極では電極寿命は、めっ
き鋼板の場合はスポット溶接打点数で連続３０００〜５
０００点、アルミニウムもしくはアルミニウム合金の場
合は同じく３０〜１０００点程度、又その表面に金属め
っきした材料はそれ以下であると言われている。一方自
動車産業では、従来より圧延鋼板を用いてスポット溶接
を行っているが、その電極寿命は１００００点以上であ
る。これに比較すると、上記のように従来のめっき鋼板
の電極寿命は３０００〜５０００点、アルミニウム及び
アルミニウム合金は３０〜１０００点、その金属めっき
材料はそれ以下であり、著しく劣っていることがわか
る。

【０００６】この電極寿命（連続打点性）の改善方法と
しては、従来から多く検討されているが、中でも多くの
研究者によって提唱されているものは、芯材が融点及び
硬度が高い材料からなり、その外側が導電性が良好な材
料や比較的高い強度と靭性のある材料からなる複合電極
を用いる方法である。例えば、特開昭４７−２３４２６
号公報、特開昭４９−１０６４５６号公報、特公昭５２
−３０１３４号公報、特公昭５９−４１８３８号公報、
特開昭６１−９９２０５号公報、特公昭６２−３２０３
７号公報、特開昭６３−２９５０７５号公報、特公昭６
２−３８８６号公報、特開昭６４−６２２８７号公報、
特開平１−１１３１８２号公報、特開平１−２５８８７
５号公報がある。

【０００７】しかし、これらで提案された電極を用いて
スポット溶接を行っても、芯材の溶接時の発熱が大き
く、被溶接材料と合金化し、溶着を起こしてしまい、又
電極の外周部の導電性が良好な所で通電するためコロナ
ボンド外でナゲットが形成されるためチリが発生してし
まい実際には寿命改善効果は少なかった。

【０００８】上記方法とは逆に、芯材として導電性の良
好な材料を用い、外側に非導電性又は耐摩耗性の材料を
用いた複合電極で安定した溶接部を得る方法も考えられ
ている。例えば特公昭４５−３０５８０号公報、特公昭
４６−９００号公報、特公昭４９−１３７７９号公報、
実開昭５０−９６６２５号公報、実開昭５３−３９５３
２号公報、実開昭６２−１６５０８０号公報、実開昭６
２−１６５０８１号公報等である。

【０００９】これらの場合は、芯材の所で通電し、外周
部の非導電性又は耐摩耗性材料で加圧してコロナボンド
を形成し、ナゲットの溶融金属を覆う効果が得られると
考えられるが、実際には、非導電性のセラミックや耐摩
耗性の超硬合金が加圧時に割れてしまい寿命を改善する
効果が少なかった。このために加圧時に割れず、芯材よ
り導電性が悪い材料を使用する必要がある。なお外周の
被覆材として芯材より導電性が悪く、靭性も高い絶縁性
の耐熱合成樹脂を用いた場合は、溶接時の熱によって変
質し、使用に耐えなかった。

【００１０】ところで現在自動車産業では、省エネルギ
ーや地球環境の観点から、自動車の軽量化が望まれてお
り、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはそ
れらに金属めっきを施した材料が自動車用材料として注
目されているが、前述したようにそれらの材料を用いた
際の電極寿命は圧延鋼板に比べて著しく劣るため、これ
がネックになって自動車のアルミニウム化が遅れてい
た。従って上記アルミニウム又はアルミニウム合金の場
合少なくとも現在のめっき鋼板の電極寿命程度の４００
０〜５０００点以上の電極寿命が望まれている。

【００１１】また自動車の耐食性向上、高級化指向によ
り、外板にめっき鋼板が使われているが、やはり圧延鋼
板に比べて電極寿命が劣るため、圧延鋼板並の１０００
０点以上の電極寿命が望まれていた。しかし、従来の電
極では、それらの電極寿命を前述のごとく改善すること
は困難であった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題に
ついての検討の結果なされたもので、めっき鋼板、アル
ミニウムもしくはアルミニウム合金又はそれらの表面に
金属めっきを施した材料の抵抗スポット溶接にあたり、
電極寿命を飛躍的に向上させる電極を開発したものであ
る。

【００１３】即ち本発明電極は、アルミニウムもしくは
アルミニウム合金板、これらの表面に金属めっきを施し
た材料又はめっき鋼板の抵抗スポット溶接にあたり、被
溶接材の板厚をｔとした際に導電率が７５（ＩＡＣＳ
％）以上で、その直径が２．５×ｔ^1/2 （mm）以上の金
属を芯材とし、その周囲に芯材よりも導電率が４０（Ｉ
ＡＣＳ％）以上低く、かつ融点が上記アルミニウム又は
アルミニウム合金または上記めっき金属より高い金属を
被覆したことを特徴とするものである。

【００１４】本発明電極による溶接の対象となるアルミ
ニウム又はアルミニウム合金としては、例えばアルミニ
ウム合金として、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−
Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍ
ｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−
Ｃｕ系等の合金材料があり、またこれらアルミニウムも
しくはアルミニウム合金の表面にめっきを施した材料と
はアルミニウムもしくはアルミニウム合金の表面にＺ
ｎ、Ｚｎ−Ｆｅ、Ｚｎ−Ｎｉ、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｚｎ、Ｆｅ
−Ｎｉ等の金属めっきを施した材料であり、さらにめっ
き鋼板とは鋼板の表面にＺｎ、Ｚｎ−Ｆｅ、Ｚｎ−Ｎ
ｉ、Ｆｅ−Ｐ等のめっきを施したものである。

【００１５】尚、この抵抗スポット溶接に用いる溶接機
は、従来用いられている単相交流溶接機、単相整流溶接
機、三相低周波式溶接機、三相整流式溶接機、インバー
タ溶接機、コンデンサー式溶接機等のいずれでも良い。
又、電極形状もＲ形、ＤＲ形、ＣＦ形、ピンプル形等い
ずれでも良い。

【００１６】

【作用】アルミニウム又はアルミニウム合金の抵抗スポ
ット溶接にあたり、芯材の導電率を７５（ＩＡＣＳ％）
以上に定めた理由は、それ未満では電極が加熱して合金
化し易く電極寿命の改善効果が少ないことによる。

【００１７】又、その周囲の被覆材の導電率を芯材より
４０（ＩＡＣＳ％）以上低くしなければならない理由
は、その値より導電率が高い場合は、溶接時に被覆材の
外周部で通電してナゲットが電極接触部より外側に形成
し、電極の加圧力でナゲット内部の溶融している金属を
押さえておくコロナボンド域が破れて、そこから溶融金
属が飛びだしてチリとなり、ナゲットの空洞化を起し強
度低下を招き電極寿命を短くするからである。

【００１８】又、被覆材の融点をアルミニウム又はアル
ミニウム合金より高いことに規定した理由は、融点がそ
れらより低いと溶けて合金化し易いためである。

【００１９】芯材の先端径を２．５×ｔ^1/2 （但しｔ＝
被溶接材料の板厚mm）以上とした理由は、それ未満で
は、それに適した溶接条件で溶接するとナゲット径が小
さくて、電極寿命が短くなり、ナゲット径を大きくする
ような溶接条件で溶接するとチリが発生し、いずれにし
ても電極寿命が短くなるからである。なお上記被溶接材
料の板厚ｔとは板厚の異なる２枚以上の板材をスポット
溶接する際には最小板厚のものを指す。

【００２０】また本発明でアルミニウム又はアルミニウ
ム合金の表面に金属めっきを施した材料の抵抗スポット
溶接にあたり、導電率が７５（ＩＡＣＳ％）以上の金属
を芯材とし、被覆材の導電率を芯材より４０（ＩＡＣＳ
％）以上低くした理由は前述のごとくであり、被覆材の
融点が前記めっき金属より高い金属を被覆する理由も融
点がそれらより低いと溶けて合金化し易いためである。
又、芯材の径を２．５×ｔ^1/2 （但ｔ＝被溶接材料の板
厚mm）以上とした理由も前記理由と同じである。

【００２１】さらにめっき鋼板の抵抗スポット溶接にあ
たり、導電率が７５（ＩＡＣＳ％）以上の金属を芯材と
し、その周囲の被覆材の導電率を芯材より４０（ＩＡＣ
Ｓ％）以上低くした理由は前述のごとくであり、被覆材
の融点が前記めっき鋼板のめっき金属より高い金属を被
覆する理由も融点がそれらより低いと溶けて合金化し易
いためである。又、芯材の径を２．５×ｔ^1/2 （但しｔ
＝被溶接材料の板厚mm）以上とした理由も前記理由と同
じである。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２３】（実施例１）図１実施例１で用いた電極形
状を示す。即ち、電極Ｒ形で外径１６mm、電極先端面の
曲率Ｒ＝８０mmのものを用い、その構成としては上電極
芯材（１２）、下電極芯材（１３）並びにこれらの外側
に周設した上電極被覆材（１０）と下電極被覆材（１
１）を表１のように組合わせたものを用いた。そして被
溶接材料として板厚（ｔ）１mmで融点５８０℃のＡ５１
８２Ｐ−Ｏ材（Ａｌ−４．５wt％Ｍｇ−０．３５wt％Ｍ
ｎ）を用い、試験片の寸法は幅３０mm、長さ２００mmと
し、それを２枚重ねて用いた。なお表中被覆材のＡ７０
７５の組成はＡｌ−１．６wt％Ｃｕ−２．５wt％Ｍｇ−
５．６wt％Ｚｎ−０．２３wt％Ｃｒである。

【００２４】なお溶接条件は次のごとくである。 ・溶接装置 ：単相交流溶接機 ・加圧力 ：２７０kgｆ ・通電時間 ：５サイクル ・溶接電流 ：各電極での適正溶接電流値（２５０００
±１０００Ａ） ・溶接ピッチ：３０mm ・打点速度：１点／２秒

【００２５】電極寿命の評価は、ナゲット径＝４×ｔ
^1/2 ×９０％＝４×１^1/2 ×０．９＝３．６mmを確保で
きなくなるまでの最大溶接点数とし、途中、電極割れ、
あるいは電極溶着が発生した時は、その時点で試験を終
了した。表１に電極寿命試験結果を示す。

【００２６】表１から明らかなように本発明電極は、全
て５０００点以上の電極寿命であった。それに対して従
来電極、比較電極の電極寿命は１０００点未満であっ
た。

【００２７】

【表１】

【００２８】（実施例２）図２は実施例２で用いた電極
形状を示す。即ち、電極はＤＲ形で外径１６mmであって
先端部は曲率Ｒ＝８mmの半球状であり、さらに最先端の
直径６mmの円領域は曲率Ｒ＝４０mmである。そして被溶
接材料として板厚（ｔ）１．２mmのＡ５０８３Ｐ−Ｏ材
（Ａｌ−４．５wt％Ｍｇ−０．７wt％Ｍｎ−０．２wt％
Ｃｒ）の両面に表２に示すようにＺｎ、Ｚｎ−１５％Ｆ
ｅ、Ｚｎ−１０％Ｎｉのめっきを２０ｇ／ｍ² 施した材
料を用いた。試験片の寸法は幅３０mm、長さ２００mmと
し、それを２枚重ねて用いた。

【００２９】なお溶接条件は次のごとくである。 ・溶接装置 ：単相整流溶接機 ・加圧力 ：３００kgｆ ・通電時間 ：５サイクル ・溶接電流 ：各電極での適正溶接電流値（２５０００
±１０００Ａ） ・溶接ピッチ：３０mm ・打点速度 ：１点／２秒

【００３０】電極寿命の評価は、ナゲット径＝４×ｔ
^1/2 ×９０％＝４×１．２^1/2 ×０．９＝３．９mmを確
保できなくなるまでの最大溶接点数とし、途中、電極割
れ、あるいは電極溶着が発生した時は、その時点で試験
を終了した。表２に電極寿命試験結果を示す。

【００３１】表２から明らかなように本発明電極は、全
て４０００点以上の電極寿命であった。それに対して従
来電極、比較電極の電極寿命は１０００点未満であっ
た。

【００３２】

【表２】

【００３３】（実施例３）図３は実施例３で用いた電極
形状を示す。即ち、電極はＣＦ形で外径１６mm、先端平
坦面の径６mmとした。そして被溶接材料として板厚
（ｔ）０．８mmで、表３に示すようにＺｎ、Ｚｎ−１５
％Ｆｅ、Ｚｎ−１０％Ｎｉのめっきを２０ｇ／ｍ² 施し
ためっき鋼板を用いた。試験片の寸法は幅３０mm、長さ
２００mmとし、それを２枚重ねて用いた。

【００３４】なお溶接条件は次のごとくである。 ・溶接装置 ：インバータ溶接機 ・加圧力 ：２７０kgｆ ・通電時間 ：５サイクル ・溶接電流 ：各電極での適正溶接電流値（８０００±
１０００Ａ） ・溶接ピッチ：３０mm ・打点速度：１点／２秒

【００３５】電極寿命の評価は、ナゲット径＝４×ｔ
^1/2 ×９０％＝４×０．８^1/2 ×０．９＝３．２mmを確
保できなくなるまでの最大溶接点数とし、途中、電極割
れ、あるいは電極溶着が発生した時は、その時点で試験
を終了した。表３に電極寿命試験結果を示す。

【００３６】表３に示すように本発明電極のものは、全
て１００００点以上の電極寿命であった。それに対して
従来電極、比較電極の電極寿命は５０００点未満であっ
た。

【００３７】

【表３】

【００３８】

【発明の効果】本発明は上述の如く、アルミニウムもし
くはアルミニウム合金、その表面に金属めっきを施した
板材やめっき鋼板を抵抗スポット溶接する際、電極寿命
を飛躍的に向上することができる。そのため、特に自動
車等の大量生産におけるアルミ化の最大のネックになっ
ていた抵抗スポット溶接の改善やめっき鋼板の電極寿命
改善に大きく寄与するものである。尚、本発明電極はめ
っき鋼板と圧延鋼板（めっきなし鋼板）を重ねて行うス
ポット溶接やめっき鋼板と圧延鋼板を混合（交互）して
行うスポット溶接にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で用いた電極を示す側断面図
である。

【図２】本発明の実施例２で用いた電極を示す側断面図
である。

【図３】本発明の実施例３で用いた電極を示す側断面図
である。

【図４】従来電極を示す側断面図である。

【図５】従来電極の寿命状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 上電極 ２ 下電極 ３ 上側被溶接材 ４ 下側被溶接材 ５ ナゲット ６ コロナボンド域 ７ 外チリ ８ 中チリ ９ ナゲット内部の空洞 １０ 上電極被覆材 １１ 下電極被覆材 １２ 上電極芯材 １３ 下電極芯材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 俊哉 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河アルミニウム工業工業株式会社内 (72)発明者 広本 徳光 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河アルミニウム工業工業株式会社内 (72)発明者 楡木 健二 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河アルミニウム工業工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム又はアルミニウム合金板の
   抵抗スポット溶接にあたり、被溶接板の板厚をｔとした
   際に導電率が７５（ＩＡＣＳ％）以上で、その直径が
   ２．５×ｔ^1/2 （mm）以上の金属を芯材とし、その周囲
   に芯材よりも導電率が４０（ＩＡＣＳ％）以上低く、か
   つ融点が前記アルミニウム又はアルミニウム合金より高
   い金属を被覆したことを特徴とする抵抗スポット溶接用
   電極。
2. 【請求項２】 アルミニウム又はアルミニウム合金板の
   表面に金属めっきを施した材料の抵抗スポット溶接にあ
   たり、被溶接板の板厚をｔとした際に導電率が７５（Ｉ
   ＡＣＳ％）以上で、その直径が２．５×ｔ^1/2 （mm）以
   上の金属を芯材とし、その周囲に芯材よりも導電率が４
   ０（ＩＡＣＳ％）以上低く、かつ融点が前記めっき金属
   より高い金属を被覆したことを特徴とする抵抗スポット
   溶接用電極。
3. 【請求項３】 めっき鋼板の抵抗スポット溶接にあた
   り、被溶接板の板厚をｔとした際に導電率が７５（ＩＡ
   ＣＳ％）以上で、その直径が２．５×ｔ^1/2 （mm）以上
   の金属を芯材とし、その周囲に芯材よりも導電率が４０
   （ＩＡＣＳ％）以上低く、かつ融点が前記めっき鋼板の
   めっき金属より高い金属を被覆したことを特徴とする抵
   抗スポット溶接用電極。