JPS62156085A - 溶接電極の有効寿命延長方法 - 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】 アルミニウム抵抗溶接においては、圧カバ、同時に高電
流を銅電極間に通しながら該電極によシ２つまたはそれ
以上の接触アルミニウムに加えられる。電気加熱は、加
圧点のシート界面において溶融ナゲツトを生じさせる。

この技術は大量生産に適し、かつ単価を安（するのでア
ルミニウム部材を接合する最も有効で実用的な方法の１
つではある。熱処理、非熱処理両種の殆んどの加工アル
ミニウム合金は抵抗溶接ができる。

抵抗溶接の最も重要な事柄は、２つの対向する小さし・
電極使用を伴なうスポット溶接である。多極スポット溶
接（多数電極の同時使用）、プロジェクション溶接（加
工片上の隆起使用）、シーム溶接（電極は圧力下で加工
片を横断する車輪）のよ５なローラスポット溶接を含む
他の関連する技術も知られまだ用いられている。

本発明は、そればかりではないが、例えば自動車のボデ
ィの抵抗スポット溶接を行なう自動量産に関する。色々
な用途について、電極寿命は考慮すべき主な事柄である
。スポット溶接アルミニウムとその合金に用いられる電
極の寿命は鋼に用いられるものよりかなシ短かい。さら
に、溶接の品質の大きなばらつきが鋼の場合よりもアル
ミニウムの場合に見出される。これについては２つの大
きな理由がある。アルミニウムは良好な熱と電気の導体
（銅の体抵抗すなわち内部抵抗の約煽をもつ）である。

またアルミニウムの表面上の酸化皮膜は電極と加工片間
の高度の可変抵抗界面として作用する。従って典型的に
は軟鋼として、予期できる電極寿命は４０００スポット
溶接点のオーダーであり、アルミニウムについてば４０
０スポット溶接点のオーダーと低（なっている。抵抗ス
ポット溶接の重要な事柄は、電極と加工片（界面抵抗）
間および加工片（接触または密着抵抗）間の電気抵抗に
ある。ナゲツトは高アンＲア数の電流の短かいパルスに
よって生じた熱の結果として密着面に形成される。界面
の各種の抵抗は本方法における制御ファクターであシ、
高抵抗は密着面で必要とされ溶接を行なうが、高い外部
界面抵抗は電極チップ面の劣化を伴ないながら電極・加
工片界面に過熱を生じさせる。圧延仕上げ状態における
アルミニウム合金はこの問題に悩まされている。酸化皮
膜（特に、アルミニウム・アソシエーション・インコー
ホレイチット８・登録の５０００シリーズの合金の場合
）の性質上のばらつきの故に、界面抵抗は変化し、その
結果生じた溶接保質は定まらない。

示差表面抵抗すなわち低界面抵抗と高密着抵抗とをもっ
たアルミニウム合金を製造する提案がこれまでになされ
てきた。この提案は外表面を研磨し、外表面をアーク洗
浄（米国特許第３２７８７２０号）および界面と密着面
（欧州特許第１５３１４９号）上での異なった厚さの陽
極酸化被膜を生長させることからなっている。これらの
方法は電極の寿命を長くはさせるが、自動量産稼動には
実用的ではない。

電極寿命向上の他の提案は英国特許第１５５４２９７号
に記載されている。この提案は電極面を２つのやり方で
処理している。第１は、表面をショットピーニングして
比較的鋭い隆起によって隔てられた多くの細かし・凹み
を設ける。従って粗面にはニッケル、（リリウム、コバ
ルト、鉄またはこれらの高溶融合金からなるコーティン
グが形成される。

前述した英国特許は２つの処理には相乗作用があり、そ
れ自体によるショットピーニング処理は電極寿命を顕著
に向上させることはないことを示唆している。

溶接品質が悪くなり始めると、電極は溶接機器から取外
されて、別の場所で補修される。在来の銅基合金電極に
あっては、補修は単に適正な半径に輪郭づけられ、かつ
電極間におかれたカッターまたは研磨ディスクを用いる
ことによって行なわれる。英国特許第１５５４２９７号
に記載されているような被覆された電極にあっては補修
は時間ががかりまた高くつ（再被覆を必要としさらに初
期被覆電極もまた高くついてしまう。

英国特許第２１３９５４０号にはアルミニウムシートを
予処理して少なくとも５重世襲のクロムを含有している
表面層を形成し、予処理されたシートから部材を形成し
、接着剤を部材に塗布し、これらを所望の構造に形成し
、部材をスポット溶接して構造湿態強度を与え、接着剤
を硬化させる工程からなるアルミニウム部材の構造全組
立てる方法が開示されている。スポット溶接と接着剤接
合の組合わせ技術は溶接接合として知られている。予処
理の所期の目的は、接着接合耐久性を改良することにあ
る。スポット溶接の詳細は省略する。

本発明によれば、アルミニウム加工片の抵抗溶接におけ
る溶接電極の有効寿命は以下の工程の組合わせによって
向上される。すなわちｆａｌ所望の溶接位置でアルミニ
ウム加工片の表面に人為的に施される強力な接着コーテ
ィングを行ない、初期溶接設定のナゲツト直径を最小許
容ナゲツト直径より１５％以上にならないようにする工
程からなっている。

これらの特徴は相乗作用をもたらして、単に１つの特徴
によって達成されるものよりも長い電極寿命を享受でき
る。

「アルミニウム」なる語は、純金属のみならずＡｌｌ金
合金アルミニウム・アソシエーション・インコーホレイ
チット’　（Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏ
ｎ工ｎｃ、以下単にアルミニウム・アソシエーションと
云う）登録の２０００．５０００．６０００　　シリー
ズのような車輌構造に向けられるたぐいのものを意味す
るものとして用いられる。スポット溶接用金属はおおむ
ね０．６〜３２間の厚さ、最も一般的には０．９〜２゜
Ｏｗｍの厚さである。

電極の粗面化は凹凸を生じる。学理に拘束されるわけで
はないが凸部はアルミニウム卵工片の表面の絶縁層を破
壊するだけの鋭さがあり、それ故電極からアルミニウム
全体に流れる電流に対しより多（の接触点を形成するも
のと思われる。粗面化は砂吹きによって都合よく達成さ
れる。凹凸の尺度は重要で砂吹きに用いられる材料の粒
度および材料を表面に射出する圧力を適切に選定するこ
とによって調整される。パンメータで測定され、かつ平
均凹凸深さＲｚである平均最高・号低高さくＤ工Ｎ　４
７６８第２．３．３項）として規定された粗面ば望まし
くは少なくとも１０ミクロンで、より好ましくは１２〜
３０ミクロンである。この種の粗面を達成するのに必要
な条件は当該技術の熟練の範囲内にある。

在来の抵抗スポット溶接電極は大部分を銅が占めている
合金から作られる。本発明の利点は、粗面化後も、また
他の金属または合金のコーティングを必要とせずにこの
ような在来の電極を使用できることにある。

好結果のスポット溶接には最低許容ナゲツト直径があっ
て、かつこの直径は金属の厚みを増加させるために大き
くされる。設定条件下、在来の電極材によって形成され
たナゲツト直径は、直径があまりに小さくなって電極を
交換しなければならな（なるまで経時とともに減少する
。これを相補うために約２０％だけ太き（されたナゲツ
トを最初に形成する機器構成を行なうことがこれまでの
やり方である。例えばアルミニウム・アソシエーション
ＴＩＯ記録文書にはその１０頁に次のような数字が挙げ
られている。

０．８１　　　　　　　　３．５６　　　　　　　　　
　４．３２１．６０　　　　　　　　５，０８　　　　
　　　　　　６．１０２．５４　　　　　　　６，３５
　　　　　　　　　７．６２しかし、大きい電極直径は
増加溶接電流を必要とし、その結果短かい電極稼動寿命
になってしまう。

本発明に基づいて粗面電極を用いると、設定条件のもと
に電極対によって形成されたナゲツト直径は経時ととも
に太き（なり、最終的な電極破損に至る前に再び減小を
開始するのみという予期しない発見があった。この理由
は粗面化された電極チップは使用につれてだんだんと平
たくのびて拡がってしまうからである。理由が何であろ
うと、この予期しない発見によって溶接機器に顕著が経
済性がみられた。初期ナゲツト直径は最低許容直径よシ
も１５％以上ではな見・ように、またしばしば５〜１０
％までにされる。実施上のこの変化は溶接電流の要求を
減じ、かつまた電極稼動寿命を向上させる。

本発明の他の特徴によれば、アルミニウム加工片の表面
には人為的に強力に施されたコーティングがある。本発
明は等しく調和した均一な界面抵抗をもったアルミニウ
ム表面の使用を可能にする。

アルミニウム表面は中間界面抵抗を与える程度に前処理
される。前述したように、あまりに高い表面抵抗は電極
チップの急速な劣化を招く。他方、密着面での抵抗がす
って低くければ、典型的な溶接電流は低い熱を発生して
適切なナゲツトと強力な溶着部音生じさせる。

コーティングの重量は０．０１〜１．Ｏｊｉ／ｌｎ”、
望ましくは００３〜０．２ｇ／ｒｒ？がよ（・。コーテ
ィングは各種の前処理によって形成することができる０
１つの適当な前処理はボンダーライト７３５（Ｂｏｎｄ
ｅｒｉｔｅ登録商標）のもとにＲアリーン・ケミカル・
サービス・リミテッド’　（Ｐｙｒｅｎｅ　Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌＳｅｒｖｉｃｅ　Ｌｔａ、）　　から市販されて
いるものによって行なわれる。表面層はアルミニウム化
成被覆界面に近接して存在する小量の酸化クロムと弗化
アルミニウムをもった水和燐酸クロムから実質的になっ
ているものとされている。得策とされる工程順序は吹付
は酸洗浄、吹付水洗、化成被覆の吹付げ塗布、吹付は水
洗、熱風乾燥である。

他の前処理はアコメツ）　Ｃ（Ａｃｃｏｍｅｔ登録商標
）のもとにオールプライト・アントゝ・ウィルソン・リ
ミテッド″’　（Ａｌｂｒｉｇｈｔ　＆　Ｗｉｌｓｏｎ
　Ｌｉｍ１ｔｅｄ）によって市販されているものによっ
て行なわれる。これは非洗浄処理で反作用せず、かつ事
後洗浄のいらないクロム酸基コーティングのローラ塗布
を伴なうのでコイル被覆の目的には殊に向いてし・る。

これは、必要とする廃液処理を最小限にとどめ、制御す
るのに工程全比較的簡単なものとする。得策とされる工
程順序は吹付は酸洗浄、吹付は水洗、アクメットＣのロ
ーラ被覆による塗布および乾燥である。

別の適当な前処理には、アロゲイン（Ａｌｏｄｉｎｅ登
録商標）のもとにインペリアル・ケミカル・インダスト
リーズ（工Ｃ工ｐｌｃ）から市販されている　　　。

ような選択的クロム酸・燐酸コーティングがある・さら
に適当なものには陽極処理例えば熱硫酸（英国特許第１
２３５６６１　　号）中の交流陽陽酸化法や英国特許第
２１３９５４０号に述べられた各種の処理がある。

はンキやラッカーような有機コーティングは強力に接着
せず適当ではない。

後述する実施例には、本発明の多くの特徴が１００倍ま
たはそれ以上まで電極有効寿命を向上させるために組合
わせたものが示される。この実施例には広範囲の電極粗
面化と加工片の各種のコーティングによって電極寿命は
２０００溶接点以上に向上する。電ｈｔ変えることのな
いこの２０００とし・う好結果の溶接点の数は、典型的
な生産ラインでの一交代当たりに行なわれる溶接点の数
である。交代と交代の間における電極の変更、補修には
何ら費用を要しない。電極寿命は全抵抗溶接接合工程に
おける唯一のファクターであるので考えられる最高の電
極寿命の原因になる処理以外の表面処理は最低の要件で
ある２０００という好結果の溶接点を満たすものである
ならば他の理由でも好ましい。例えば溶接接合について
は、超接着接合耐久性を与える処理は例外的に高い電極
寿命を与えるものよシもましである。

実験例 実験を通じスポット溶接機は工Ｃ使用の電子制御装置付
きの７５　ＫＶＡ足踏式溶接機であった。

溶接順序はナゲツト直径がアルミニウム・アソシエーシ
ョンＴＩＯの記録文書（抵抗スポット溶接自動車用シー
トのガイドライン）により要求される最低の線を超える
ように設定された。溶接順序は次の通りであった。

スクイズ　　　　＝２０サイクル 初　　圧　　　　　＝４０サイクル 溶　　接　　　　＝　３サイクル 溶接加熱時間　　＝　３サイクル 鍛錬遅延　　　　＝１．５サイクル 急　　冷　　　　＝　３サイクル ホールビ　　　　−５サイクル オ　　　フ　　　　　＝２０サイクル 電　　　流　　　　　＝１９キロアンにア（ＲＭＳ）電
極接近速度　　＝２６ｍｍ／秒 溶接負荷　　　　−２，３５ＫＮ　（５２０１ｂＳ）鍛
錬負荷　　　　−４，０ＫＮ（８８０１ｂＳ）設定直径
　　　　−３，８Ｍナゲツト直径（０，８７５咽ゲージ
シートに ついて） 電　　極　　　　−７６頭半径の電極 （Ｃｕ−Ｃｒ合金） 片の寸法　　　　＝２５Ｘ１０００ｍｍ溶接間隔　　　
　＝２５間 溶接速度　　　　−３０溶接点／分 片送給　　−手動 電極寿命は設定溶接条件下で電極手入れや変更を必要と
することな（１組の電極で受入れ可能な数の溶接点によ
って決められた。スポット溶着部のおのおのにつ（・て
検査された。テストは下記の条件が満たされたとき完全
なものとみなされた。

１４０スポット溶着部を一単位として４つまたはそれ以
上の溶着部のはく離欠陥の有無。

２、平均底部直径がアルミニウム・アソシエー７ヨンＴ
ＩＯ記録文書に記載された最低型（すなわち３．６　ｍ
ｍ以下）より以下。

３、平均単一スポットせん断強度が、アルごニウム・ア
ソシエーンヨンＴ１０記録文書に記載された最低値以下
。

４、溶接中のシート穴の切開。

５、電極によるシートからの肉盛り弓１抜ぎ。

実施例１ ０テンパーと０．８７５　ｗｎゲージをもったＡＡ５２
５１合金が用いられた。ソートは前処理メットＣ（，４
係溶′ｔｉ、）と非水洗クロム酸基コーティングでコイ
ル前処理された。前処理材料の抵抗は、界面抵抗に対し
５９ミクロン、密着抵抗に対し２６ミリオームとして測
定された。同じ合金の他のシートを比較のために圧延条
件下で用℃・た。

５つの種類の電極粗面を検討し、これらはメーカーから
の新しい「製造まま」の電極で、かつ電極は４つの異な
った表面条件に対しショツトブラストされた。電極の表
面、電極寿命およびｒｉ１損数の関係は表１に示される
。比較のために圧延仕上げＡＡ５２５１　合金シートに
ついての値も示される。

前処理シートを用いることから向上した電極寿命はシー
トが最適粗面である場合に明らかに示される。稼動を通
じてのスポットの代表的なせん断強さは３２０１ｂｓ／
スポツト３６０１ｂｓ／スポツトの間にあった。これは
アルミニウム・アソシエーションＴＩＯ記録文書開示の
ものよシずつと高かった。溶接品質は中ちりが殆んどな
いか全（ないことで優れていた。

これらの実験例の重要な結論は、電極寿命テスト中、ナ
ゲツト直径が経時とともに増えるということである。電
極寿命テスト中、代表的に最小のものより大きいナゲツ
ト直径を選択し、テスト中もナゲツト直径は徐々に最小
値まで下がっていく。

しかしこのテスト前の同じスポット溶接条件を採用する
実験はナゲツト寸法の増加と同時に電極表面が先づ平た
（されることを示した。例えば前述のテストでは初期ナ
ゲツト直径は３８謳、３．６門の最低許容直径よりもわ
ずかに約５ヂ大きいものが選ばれた。これは徐々に４．
２岨まで上がって破損近くまで電極の残余寿命について
一定のままとされた。この効果は電極ピックアップのな
いことと相まって電極平坦化と協動するものとみなされ
る。

実施例２ 従前の調査では、ボンダーライト７３５（水和燐酸クロ
ムコーティング）はアコメットＣよりも長い電極寿命を
享受できることが示された。これは実施例１のものと同
じ０．１　ｇ／　ｍ’のボンダーライト７３５で被覆し
た５２５１合金で電極仕上げしたものを用（・た表２の
記載例に反映される。実験を通じてのスポット溶接の品
質はアコメノトＣについて述べたものと同じく俊れたも
のであった。

電極寿命に対する電極粗面の効果はアコメットＣにつし
・ての前実施例と同じである。最高の性能は、２０．２
９７の電極寿命が達成されたときの「粗」取１り全周い
た場合であった。破損数は５１５、すなわち２．５チで
あった。

０．２ｉ／ｒｒ？の高いコーティング重量をもったホン
グーライト７３５も「中間」仕上げの電極を用（・てテ
ストされた高い界面と密着抵抗の効果は低し゛コーティ
ング重量をもった１　３，７４８の電極寿命と比較して
１２ｏ８の電Ｔｈｅ命によって明らかに示された。

実施例３ ５５℃、６００　ｋ／ｒｒ？で５秒間、１０％の燐酸に
陽極酸化した２つのＡＡ２５２１合金シートがこの実験
に用いられた。シート１）については交流が用いられて
酸化陽極皮膜は４０ｒｒｒｒｎ厚さとした。シー）ｉｔ
）　については直流が用℃・られて酸化陽極皮膜は７０
ｍｍ厚さとした。２つのシートは実施例１に述べたよ５
な粗面仕上げの電極を用いてスポット溶接を行なった。

シート１）について電極寿命は１８００溶接点で破損率
は４％であった。

シート１１）について電極寿命は第１の破損前の２３０
０溶接点を含めて５３００溶接点で破損率は０．５％で
あった。

実施例４ この実験は電極寿命上での潤滑剤の効果を示すように行
なわれた。これは外来の潤滑剤が多くの状況、例えばス
ポット溶接が行なわれる自動車生産ラインに存在するの
で重要なことである・零鰺冬件は実施分１１１について
はおおす「ね述べたようなものであった。ＡＡ５２５１
合金シートが４係のアコメットＣでコイル前処理された
。ＭＡＩＱ潤滑剤が前処理されたコイルに塗布された。

種々の電極でスポット溶接すると下記の結果が得られた
。

これらの結果はスポット溶接が残存プレス潤滑剤の存在
下で行なわれたことを示して℃・る。

（外５名） 手続補正書 昭和６１年特許願第２７１６６１号 ２、発明の名称 溶接電極の有効スを命延長方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 名　称　　アルカン・インターナショナル・リミテッド
４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手
町ビル　２０６号室 ５、補正の対象 ターイブにより浄書した明ｍ書

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルミニウム加工片抵抗溶接における溶接電極の有
   効寿命延長方法であつて、電極チップ上に粗面を形成し
   、所望の溶接位置でアルミニウム加工片の表面に人為的
   に施される強力な接着コーティングを与えることにより
   有効寿命を延長する方法。 ２、抵抗溶接は抵抗スポット溶接である特許請求の範囲
   第１項記載の有効寿命延長方法。 ３、初期溶接開始時におけるナゲツト直径は、最小限許
   容ナゲツト直径よりも１５％以上にならないようにされ
   ている特許請求の範囲第２項記載の有効寿命延長方法。 ４、電極は少なくとも１０ミクロンの平均凹凸深さＲｚ
   をもつた銅基合金でできている特許請求の範囲第１項か
   ら第３項までいずれか１項に記載の有効寿命延長方法。 ５、平均凹凸深さが１２〜３０ミクロンである特許請求
   の範囲第４項記載の有効寿命延長方法。 ６、接着コーティングを０．０１〜１．０９／ｍ＾２ま
   での乾燥重量で施こす特許請求の範囲第１項から第５項
   までいずれか１項に記載の有効寿命延長方法。 ７、接着コーティングを０．０３〜０．２ｇ／ｍ＾２ま
   で乾燥重量で施こす特許請求の範囲第６項記載の有効寿
   命延長方法。 ８、接着コーテイングを両加工片の全表面に均一に施こ
   す特許請求の範囲第１項から第７項までいずれか１項に
   記載の有効寿命延長方法。 ９、接着コーティングは少なくとも５重量％のクローム
   を含有している特許請求の範囲第１項から第８項までい
   ずれか１項に記載の有効寿命延長方法。 １０、電極の有効寿命は少なくとも２０００溶接点であ
   る特許請求の範囲第１項から第９項までいずれか１項に
   記載の有効寿命延長方法。