JPH07290255A

JPH07290255A - アルミまたはアルミ合金のスポット溶接用電極材及びその製造方法並びにアルミまたはアルミ合金のスポット溶接方法

Info

Publication number: JPH07290255A
Application number: JP6091118A
Authority: JP
Inventors: Michio Miyauchi; 理夫宮内; Satoru Suzuki; 覚鈴木; Tomiharu Okita; 富晴沖田; Toshiya Okada; 俊哉岡田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-07

Abstract

(57)【要約】【構成】Ａｓ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｉの内の１種または２
種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、０．０５ｗｔ％
未満含有し、又はＭｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、
Ｂ、Ｇｅの内の１種または２種以上を合計で０．００１
ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％未満（ただし、Ｐを含有する
場合は、合計で０．０２ｗｔ％以下）含有し、或いはＩ
ｎ、Ｙ、希土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃａの内の１種また
は２種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、１．０ｗｔ
％未満含有し、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる
アルミまたはアルミ合金のスポット溶接用電極材。【効果】電極材の寿命を従来よりも飛躍的に向上させ
ることが出来、従来の亜鉛メッキ鋼板並みの電極寿命
（５千打点以上）が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、純アルミニウム又はア
ルミニウム合金（以下、単にアルミ又はアルミ合金と記
す）等のアルミ材を抵抗スポット溶接する際の電極寿命
を飛躍的に改善したスポット溶接用電極材およびその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業の組み立て工程において材料
を接合する方法として、従来から最も多く用いられてい
る方法は抵抗スポット溶接（以下、単にスポット溶接と
記す）である。従来は自動車用ボディシート用材料とし
ては圧延鋼板（主に、亜鉛メッキ鋼板）が多く用いられ
ていたが、最近は省エネルギー、環境問題等で自動車の
軽量化が叫ばれ、アルミおよびアルミ合金が使用される
ようになってきた。これらのスポット溶接用電極として
は比較的高温強度が高く、電気伝導度、熱伝導度が高
く、比較的低コストであるクロム銅合金が多く用いられ
ている。この電極に含有されているクロム量は約１ｗｔ
％程度である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの電極を用いて
スポット溶接を連続で行うと、電極の先端が被溶接材料
と反応、合金化し、それが、被溶接材料側に移着して消
耗していき、それに伴って電流密度が低下し、溶接ナゲ
ットが小さくなって所定の強度（引張せん断荷重）が得
られなくなる。このようにスポット溶接で連続打点を行
った時、所定の強度が得られなくなった時点での打点数
を電極寿命と称する。従来のクロム銅合金製の電極で亜
鉛メッキ鋼板をスポット溶接した場合の電極寿命は一般
に５千点以上（圧延鋼板の場合は１万点以上）といわれ
ている。それに対し、アルミ及びアルミ合金は千点程度
であり、これにＺｎ等の金属メッキを施したものは更に
短寿命である。自動車産業では、アルミ及びアルミ合
金並びにそれらに金属メッキした材料をスポット溶接す
る際の電極寿命を現在のメッキ鋼板並の５千点以上に改
善する事が重要な課題であり、それをかなえる電極材の
開発が強く望まれている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の点に鑑み
種々検討の結果、アルミ又はアルミ合金等のアルミ材を
スポット溶接する際の電極寿命を飛躍的に向上させたス
ポット溶接用電極材およびその製造方法並びに前記電極
材を用いたアルミ材のスポット溶接方法を開発したもの
である。

【０００５】即ち、本願請求項１の発明は、Ａｓ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｓｉの内の１種または２種以上を合計で０．
００１ｗｔ％以上、０．０５ｗｔ％未満含有し、残部が
Ｃｕと不可避的不純物とからなるアルミまたはアルミ合
金のスポット溶接用電極材である。又請求項２の発明
は、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｇｅの内
の１種または２種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、
０．１ｗｔ％未満（ただし、Ｐを含有する場合は、合計
で０．０２ｗｔ％以下）含有し、残部がＣｕと不可避的
不純物とからなるアルミまたはアルミ合金のスポット溶
接用電極材である。又請求項３の発明は、Ｉｎ、Ｙ、希
土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃａの内の１種または２種以上
を合計で０．００１ｗｔ％以上、１．０ｗｔ％未満含有
し、残部がＣｕと不可避的不純物とからなることを特徴
とするアルミまたはアルミ合金のスポット溶接用電極材
である。

【０００６】上記請求項１〜３の発明における合金元素
の添加は、無酸素銅をベースにして添加しても、或いは
タフピッチ銅をベースにして添加しても差支えなく、両
者間で特性に顕著な相違は生じない。上記請求項１〜３
の発明による電極材は、通常のビレットを鋳造し、これ
を熱間押出後、引抜加工する方法で製造出来る。しか
し、Ａｓ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｉｎ、Ｙ、希土類元素、Ａ
ｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｎ等を含有する銅合金においては、
ＳＣＲ法等の連続鋳造圧延法で製造したほうが添加元素
の固溶効果が大きく耐熱性が向上し、しかも大量に安価
に製造できる利点がある。即ち、請求項４の発明は、Ａ
ｓ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｓの内の１種または２種以上を合計で
０．００１ｗｔ％以上、０．０５ｗｔ％未満、或いはＩ
ｎ、Ｙ、希土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｎの内の１
種または２種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、１．
０ｗｔ％未満（ただし、Ｓｎを含有する場合は、０．０
０１ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％未満）含有し、残部がＣ
ｕと不可避的不純物とからなる銅合金を、連続鋳造後直
ちに、水冷を行いながら、熱間圧延する工程を含むこと
を特徴とするアルミまたはアルミ合金のスポット溶接用
電極材の製造方法である。又本発明に係わるアルミ合金
は、表面酸化皮膜（特に、ＭｇＯ）を除去した後、スポ
ット溶接することが望ましい。５０００系材料等のＭｇ
を含むアルミ合金の場合、表面酸化皮膜はＭｇＯとＡｌ
₂Ｏ₃から形成されるが、ＭｇＯ皮膜が表面に存在する
と、この皮膜が絶縁性であるために電極・被溶接材間の
熱伝導が悪く、温度が容易に上昇し、溶着が起こりやす
くなるためである（ただし、薄いＡｌ₂Ｏ₃皮膜は適度
な発熱を生じるので、これを完全に除去することは必要
ないし、また好ましくない）。即ち、本願請求項５の発
明は、Ｍｇを含有するアルミ合金からなる被溶接材の表
面酸化皮膜を除去した後、請求項１〜３記載の電極材を
用いて溶接することを特徴とするアルミ合金のスポット
溶接方法である。

【０００７】本願発明の電極材は、アルミ又はアルミ合
金材をスポット溶接するのに適した電極材であって、対
象となるアルミ合金は、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、
Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系、Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ−Ｃｕ系等である。又この電極材を用いてその効果
が発現されるスポット溶接機は、単相交流溶接機、単相
整流溶接機、三相低周波溶接機、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である。

【０００８】

【作用】本願発明は、前記電極の先端と被溶接材料との
反応を抑制するためには、電極材の温度上昇を出来るだ
け抑制することが重要であり、そのためには、電極材の
導電率を高くする必要がある（８５％ＩＡＣＳ以上であ
ることが望ましい）ことを見いだしてなされたものであ
る。又本願発明は、結晶粒を微細化し、且つ高温強度を
向上させる（即ち耐熱性を向上させる）ことにより、電
極先端と被溶接材料との反応層がピックアップによって
脱落することによる電極材の消耗を減少させようとする
ものである。

【０００９】本願請求項１の発明において、Ａｓ、Ｆ
ｅ、Ｃｏ、Ｓｉを添加したのは、導電率をあまり害する
事なく、耐熱性を向上させ、更に結晶粒を微細化させる
ためである。これらの元素は、転位との結合エネルギー
が非常に大きいため、銅中に強制固溶させることによっ
て、軟化温度を大幅に上昇させることができる。又その
添加量を０．００１ｗｔ％以上、０．０５ｗｔ％未満の
範囲内に限定したのは、０．００１ｗｔ％未満である
と、これらの元素の添加効果が認められないためであ
る。又０．０５ｗｔ％以上になると、電極材の導電率
（熱伝導率）が低下し、電極先端の温度が上昇して電極
寿命が短くなると共に、熱間加工性を阻害するためであ
る。

【００１０】本願請求項２の発明において、Ｍｎ、Ｍ
ｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、Ｂ、Ｇｅを添加したのは、
導電率をあまり害する事なく、耐熱性を向上させ、更に
結晶粒を微細化させるためである。これらの元素は、転
位との結合エネルギーが非常に大きいため、銅中に強制
固溶させることによって軟化温度を大幅に上昇させるこ
とができる。又、その添加量を０．００１ｗｔ％以上、
０．１ｗｔ％未満（ただし、Ｐを含有する場合は、合計
で０．０２ｗｔ％以下）の範囲内に限定したのは、０．
００１ｗｔ％未満であると、これらの元素の添加効果が
認められないためである。又その上限を超えると、電極
材の導電率（熱伝導率）が低下し、電極先端の温度が上
昇して電極寿命が短くなると共に、熱間加工性を阻害す
るためである。

【００１１】本願請求項３の発明において、Ｉｎ、Ｙ、
希土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃａを添加したのは、導電率
をあまり害する事なく、耐熱性を向上させ、更に結晶粒
を微細化させるためである。又、その添加量を０．００
１ｗｔ％以上、１．０ｗｔ％未満の範囲内に限定したの
は、０．００１ｗｔ％未満であると、これらの元素の添
加効果が認められないためである。又１．０ｗｔ％以上
になると、電極材の導電率（熱伝導率）が低下し、電極
先端の温度が上昇して電極寿命が短くなると共に、熱間
加工性を阻害するためである。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。

【実施例１】無酸素銅に種々の合金元素を添加して、表
１に示す組成に配合した原料、並びにタフピッチ銅に種
々の合金元素を添加して、表２に示す組成に配合した原
料を溶解後、金型に鋳造して４０ｍｍφのインゴットと
なした。次にこれを３０ｍｍφに外削後、１６ｍｍφに
冷間で伸線加工した。このようにして得られた棒材を所
定長さに切断し、被溶接材と接触する側を８０ｍｍＲに
加工して電極とした。

【００１３】得られた各々の電極を用いて、厚さ１ｍ
ｍ、幅３０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアルミ合金板（Ａｌ
ーＭｇ系、Ａ５１８２ＰーＯ材）を酸洗いによって表面
酸化皮膜を除去した後、２枚重ねて、スポット溶接し
た。スポット溶接機には、単相整流式抵抗溶接機を用い
た。溶接条件は、加圧力：３００ｋｇｆ、通電時間：５
サイクル、溶接電流：２５０００±１０００Ａ（各電極
での適正溶接電流値）、溶接ピッチ：３０ｍｍ、打点速
度：１点／２秒とした。

【００１４】電極寿命は次のようにして判定した。即
ち、スポット溶接されたアルミ合金板の溶接部をピール
試験治具で剥して、１０点毎にナゲットの長径と短径を
ノギスで測定し、その平均値ｐが、４ｔ^1/2未満（但
し、ｔは被溶接材の板厚（＝１ｍｍ）、従ってｐは４ｍ
ｍ未満）になった時点、又は電極の割れ、或いは電極の
溶着が発生してその後の溶接ができなくなった時点まで
の打点回数を電極寿命とした。結果を表１、表２に示し
た。表１、表２には、電極の合金組成、導電率、硬さ、
結晶粒径を併記した。導電率はケルビンダブルブリッジ
法により測定した。硬さはビッカース硬さ試験機により
測定した。耐熱性は１８０〜４００°Ｃの温度範囲で２
時間加熱した時の強度が、加熱前の強度の９０％以上を
示す最高加熱温度で示した。結晶粒径は平均値で示し
た。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】表１、表２より明らかなように、本発明例
品（Ｎｏ．１〜２０、４１〜５２）は、いずれも５千打
点以上であった。これに対して、比較例品（Ｎｏ．２１
〜３１、６１〜６７）は、いずれも４千打点を下回っ
た。

【００１８】

【実施例２】実施例１で作成した電極の内、表３に示す
合金組成の電極を用いて、溶接実験を行った。被溶接材
としては、実施例１と同じ材質、寸法のアルミ合金板
で、１）酸洗いによって表面酸化皮膜を除去したもの
（注１）、２）圧延のままのもの（注２）の２種類
を用意し、それぞれ２枚重ねて、実施例１と同じ条件で
スポット溶接した。実施例１と同じ方法で電極寿命を評
価した結果を表３に併記する。（注１）厚さ５０ÅのＡｌ₂Ｏ₃皮膜が表面に残存。（注２）表面の酸化皮膜はＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃とで形成
され、厚さ２００Åであった。

【００１９】

【表３】表３より明らかなように、請求項５に記載した本願発明
の方法によりスポット溶接した場合（本発明例）は、い
ずれも５千打点以上の寿命が得られた。これに対して、
圧延のままの場合（比較例）は、１／１０以下の寿命し
か得られなかった。

【００２０】

【実施例３】タフピッチ銅に種々の合金元素を添加し
て、表４に示す組成に配合した原料を溶解後、８０×８
０ｍｍの寸法に連続鋳造し、その後直ちに９００°Ｃか
ら水溶性潤滑剤で冷却（水冷）しながら直径２１ｍｍま
で熱間圧延し、これを１６ｍｍφ迄冷間で伸線加工し
た。このようにして得られた棒材を所定長さに切断し、
被溶接材と接触する側を８０ｍｍＲに加工して電極とし
た。被溶接材としては、実施例１と同じ材質、寸法のア
ルミ合金板で、酸洗いによって表面酸化皮膜を除去した
ものを用意し、それぞれ２枚重ねて、実施例１と同じ条
件でスポット溶接した。実施例１と同じ方法で電極寿
命、導電率、硬さ、結晶粒径を評価し、その結果を表４
に併記した。

【００２１】

【表４】

【００２２】表４より明らかなように、本発明例は、い
ずれも５千打点以上であった。これに対して、比較例
は、いずれも４千打点を大幅に下回った。

【実施例４】表５に示す合金組成の本発明電極を、実施
例３と同様の方法で作成した。被溶接材としては、実施
例３と同じ材質、寸法のアルミ合金板で、１）酸洗いに
よって表面酸化皮膜を除去したもの（注１）、２）圧
延のままのもの（注２）の２種類を用意し、それぞれ
２枚重ねて、実施例３と同じ条件でスポット溶接した。
実施例３と同じ方法で電極寿命を評価した結果を表５に
併記する。（注１）厚さ５０ÅのＡｌ₂Ｏ₃皮膜が表面に残存。（注２）表面の酸化皮膜はＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃とで形成
され、厚さ２００Åであった。

【００２３】

【表５】表５より明らかなように、請求項５に記載した本願発明
の方法によりスポット溶接した場合（本発明例）は、い
ずれも５千打点以上の寿命が得られた。これに対して、
圧延のままの場合（比較例）は、１／１０以下の寿命し
か得られなかった。

【００２４】以上、ＡｌーＭｇ系合金材を、単相整流式
抵抗溶接機を用いてスポット溶接する場合について説明
したが、本発明の電極材は、アルミ材、他のアルミ合金
材、亜鉛メッキアルミ合金材等を、他の抵抗溶接機を用
いてスポット溶接する場合に適用しても同様の効果が得
られる。

【００２５】

【効果】以上に述べたように、本願請求項１〜３記載の
電極材を用いて、請求項５記載の方法によりアルミ材の
スポット溶接を行えば、電極材の寿命を従来よりも飛躍
的に向上させることが出来、従来の亜鉛メッキ鋼板並み
の電極寿命（５千打点以上）が得られ、工業上顕著な効
果を奏する。

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号古河電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｓ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｉの内の１種また
は２種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、０．０５ｗ
ｔ％未満含有し、残部がＣｕと不可避的不純物とからな
ることを特徴とするアルミまたはアルミ合金のスポット
溶接用電極材。
【請求項２】Ｍｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐ、
Ｂ、Ｇｅの内の１種または２種以上を合計で０．００１
ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％未満（ただし、Ｐを含有する
場合は、合計で０．０２ｗｔ％以下）含有し、残部がＣ
ｕと不可避的不純物とからなることを特徴とするアルミ
またはアルミ合金のスポット溶接用電極材。
【請求項３】Ｉｎ、Ｙ、希土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃ
ａの内の１種または２種以上を合計で０．００１ｗｔ％
以上、１．０ｗｔ％未満含有し、残部がＣｕと不可避的
不純物とからなることを特徴とするアルミまたはアルミ
合金のスポット溶接用電極材。
【請求項４】Ａｓ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｓの内の１種または
２種以上を合計で０．００１ｗｔ％以上、０．０５ｗｔ
％未満、或いはＩｎ、Ｙ、希土類元素、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃ
ａ、Ｓｎの内の１種または２種以上を合計で０．００１
ｗｔ％以上、１．０ｗｔ％未満（ただし、Ｓｎを含有す
る場合は、０．００１ｗｔ％以上、０．１ｗｔ％未満）
含有し、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金
を、連続鋳造後直ちに、水冷を行いながら、熱間圧延す
る工程を含むことを特徴とするアルミまたはアルミ合金
のスポット溶接用電極材の製造方法。
【請求項５】Ｍｇを含有するアルミ合金からなる被溶接
材の表面酸化皮膜を除去した後、請求項１〜３記載の電
極材を用いて溶接することを特徴とするアルミ合金のス
ポット溶接方法。