JPS6316882A - 電気抵抗溶接用電極 - 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］ 本発明は熱伝導性および電気伝導性が高く、しかも優れ
た硬度並びに耐熱性を兼ね備えた電気抵抗溶接用電極に
関するものである。

［従来の技術］ 自動車工業をはじめとする各種工業の組立てラインが自
動化されるに伴ない、比較的生産性に優れた電気抵抗溶
接法、特にスポット溶接法の使用が増加しており、電気
抵抗溶接用電極（以下単に溶接電極と言う）についても
苛酷な条件下で長時間使用することができる高品位で且
つ高寿命の電極が要望されつつある。即ち溶接用電極は
熱伝導性及び電気伝導性が要求されることは勿論である
が、これらに加えて高温に加熱された状態で加圧される
ものである為高温硬度並びに高温下における軟化抵抗が
必要とされるが、現状の溶接用電極では要求特性が十分
満足されている訳ではない。

即ち現在上記溶接電極を製造するに当たっては、例えば
Ｃｕ中に約１％程度のＣｒを含有せしめ、このＣｒの析
出硬化を利用して硬度等を高めなＣｕ−Ｃｒ合金あるい
はＣｕ中にＡｌ２Ｏ３やＴｉＯ２等の酸化物粒子を約１
％程度添加し分散させた粒子分散型Ｃｕ合金が使用され
ているが、いずれも上記要請を十分に満足するまでには
至っていない。即ち上記Ｃｕ−Ｃｒ合金製電極において
はＣｕに対するＣｒ固溶限界量が高温下で０．８％以下
とかなり低いレベルにある為、硬度や耐熱性を向上させ
る目的でＣｒを多量に添加してもその大半は凝固時に粗
大Ｃｒ相として晶出するばかりであり、これら粗大Ｃｒ
結晶は硬度等の特性向上に殆んど寄与しない。従ワて上
記析出硬化型Ｃｕ−Ｃｒ合金においてはＣｒは高々１％
（上限）程度しか添加されておらず性能頭打ちの状態に
ある。父上記析出硬化型Ｃｕ−Ｃｒ合金においては時効
温度より高温に加熱される様な使用環境下ではＣｒが再
び固溶して硬度が低下することがあり、高温における軟
化抵抗に問題があった。

一方Ａｌ２Ｏ３等を分散した粒子分散型Ｃｕ合金は内部
酸化法によって製造されるものであるが、この方法では
多量の酸化物粒子を分散させることが難しく、その為酸
化物分散量はおよそ１％が上限となっており、硬度およ
び耐熱性の改善度合もわずかでしかない。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、溶接用電極としての要求熱伝導特性及び電気伝導性特
性が良好である他、高温強度や高温軟化抵抗性において
も優れた高品位且つ高寿命の電気抵抗溶接用電極を提供
することを目的とするものである。

［問題点を解決する為の手段］ しかして上記目的を達成した本発明のＣｕ合金は少なく
とも被溶接材との接触面に、Ｃｒ：４〜３５％（重量％
の意味、以下同じ）、残部がＣｕ及び不可避不純物から
なり、Ｃｒがマトリックス中に微細分散されてなる接点
を構成したものである点に要旨があり、さらに所望によ
りＺｒ：０．１〜５％がＣｕとＺｒの金属間化合物とし
てマトリックス中に微細分散されたものも本発明に含ま
れる。

［作用］ 本発明は、前記構成に示される様に、Ｃｒ：４〜３５％
を含むＣｕ基合金であって、ＣｒがＣｕマトリックス中
に微細分散されたＣｕ合金であれば熱伝導性および電気
伝導性をそれ程低下させることなく高い硬度と優れた高
温軟化抵抗性を与えることが可能であることを見出し、
さらに研究を重ねた結果完成するに至ったものである。

即ち従来は、前述した様にＣｒはＣｕに殆んど固溶しな
い元素である（固溶限界量１％以下）為多量に添加して
も析出硬化には寄与しないものと考えられてきたが、本
発明者等の研究によるとＣｒをＣｕ中に多量に加え、且
つＣｕマトリックス中にＣｒを微細分散させたものにお
いてはこの微細分散されたＣｒが高温に加熱されても殆
んど粗大化しない為、析出硬化型Ｃｕ−Ｃｒ合金におけ
る析出Ｃｒの様に作用して常温および高温においてＣｕ
合金に高い硬度を与え、且つ高温下における軟化抵抗を
著しく上昇させることが分かった。尚Ｃｒは単に配合し
たというだけでは上記作用効果が発揮されず、微細分散
されていることが不可欠である。そして微細分散Ｃｒは
多量であればある程硬度等の特性は向上させる上で有意
義であるが、３５％を超えて添加するとＣｕ本来の熱伝
導率および電気伝導率を低下させるので３５％以下とす
る必要があり、特に熱伝導率等の低下を防ぎたい場合に
は３０％以下とすることが望ましい。

一方Ｏｒ添加量が４％未満ではＣｒ添加の効果が不十分
であり、高温硬度及び高温軟化抵抗性の低下をまねく。

尚高温軟化抵抗性をより確実に発揮させる為にはＣｒを
１０％以上添加することが望まれる。

次にＣｒの他Ｚ　ｒ　：　０．１〜５％を必須成分とし
て含むＣｕ合金であってＣｕとＺｒの金属間化合物及び
ＣｒがＣｕマトリックス中に微細分散されたＣｕ合金に
おいてはＣｒ添加による前記効果に加えて、Ｚｒ添加に
よりＣｕ合金の硬度はさらに上昇する。尚Ｃｒと同様に
ＺｒもＣｕとＺｒの金属間化合物の形で微細分散されて
いなければ上記効果は発揮されない。この様なＺｒ添加
の効果は添加量が０．１％未満では有意に発揮されず、
一方５％を超えて添加すると熱伝導率及び電気伝導率が
低下するので添加量は０．１〜５％とする必要がある。

また亜鉛めっき鋼板の電気抵抗溶接においては、該溶接
特有の問題として溶融亜鉛による電極の侵食が指摘され
ているが、Ｚｒにはこの侵食を抑制する効果があり、亜
鉛めっき鋼板溶接用電極に使うときにはＺｒを含むＣｕ
−Ｃｒ合金の使用が適している。

本発明に係る溶接電極は、上記Ｃｕ−Ｃｒ合金又はＣｕ
−Ｃｒ−Ｚｒ合金を素材として構成されるものであるが
、溶接電極全体を該合金で形成する必要はなく、少なく
とも被溶接材との接触面にＣｒ又はＣｕとＺｒの金属間
化合物及びＣｒが微細分散されてなる上記Ｃｕ−Ｃｒ合
金又はＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金を配置すればよい。即ち電
気抵抗溶接においては溶接電流の印加により被溶接材同
士の接触面が最も高温に加熱され、溶接電極においては
ここからの伝熱によって被溶接材との接触面が最も高い
温度に到達する。その結果溶接電極は被溶接材との接触
面において高温強度並びに高温軟化抵抗性が最も大きく
問題とされる。そこで本発明においてはかかる溶接電極
の被溶接材との接触面には少なくとも前記合金部ちＣｒ
又はＣｕとＺｒの金属間化合物及びＣｒが微細分散され
たＣｕ−Ｃｒ合金又はＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金を配置し、
当該接触面の強度低下、高温軟化を防止している。尚溶
接電極自体にも溶接電極によるジュール熱発生があり、
電極温度が上昇するので電気伝導度はできるだけ高いこ
とが望ましく、又熱放散性を考えると熱伝導度も高いこ
とが望まれる。しかして上記の如く溶接電極の一部だけ
をＣｕ合金で構成した場合（他の部分は純Ｃｕ若しくは
従来の電極用Ｃｕ合金）には全体をＣｕ合金で構成した
場合に比べ溶接電極としての熱伝導性及び電気伝導性を
高めることができるので溶接電極自体の発熱を抑える意
味からも本発明の構成は支持される。

Ｃｕマトリックス中にＣｒやＣｕとＺｒの金属間化合物
を微細分散させる方法については特に制限を設けるもの
ではないが、代表的な方法としては、前記組成のＣｕ合
金な液相まて加熱した後、急冷凝固させる方法が例示さ
れる。即ち液相状態においてはＣｒ及びＺｒはＣｕマト
リックス中に均一に混合分散されており、この状態から
当該溶融Ｃｕ合金を好ましくは５００℃／秒以上の冷却
速度で急冷凝固すると、Ｃｒ及びＺｒが均一分散された
ままＣｕ合金の凝固が進行し、微細なＣｒ及びＺｒの結
晶が分散・晶出した金属組織を得ることができる。こう
して得られたＣｕ合金はＣｒ及びＣｕとＺｒの金属間化
合物の微細結晶が分散晶出することにより前述の如く優
れた高＠強度並びに高温軟化抵抗性を示す。尚ＣｒやＺ
ｒの一部はＣｕマトリックス中に固溶されていても良く
、本発明における含有率の数値的条件は固溶量を含むも
のと解釈されるべきである。

尚５００℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固する手段とし
ては種々の手段があり特に制限はないが、例えば水中や
水冷回転ロール面に合金融液を滴下する方法や融液に高
圧ガスや高圧水等を噴射して飛散凝固させる方法が挙げ
られる。しかるにこれらの方法によって得られる上記Ｃ
ｕ合金の形態は、細線状、粉末状、箔状等に限定される
ので、これを溶接電極に成形するに当たっては、急冷凝
固させた粉末状等の形態を有するＣｕ合金を″所定の形
状に加圧成形した後焼結する手法を採用することができ
る。尚焼結に当たって焼結温度が４００℃未満では十分
に焼結することができず、一方１０５０℃を超えると硬
度等が劣化する傾向が現れるので焼結は４００〜１０５
０℃の範囲で行なうことが望ましい。

一方溶接電極を急冷凝固並びに加圧成形・焼結の２工程
をかけて製造するのではなく、より簡略に製造する方法
としては、レーザや電子ビーム等の高エネルギー密度を
有する熱源を電極表面に走査して瞬間的に表面のみを溶
融し、次いで内部への放熱（自己冷却）によって急冷凝
固させる方法が挙げられ、特にこの方法を用いると表面
部に所定の特性（優れた高温強度並びに高温軟化抵抗性
）を持った急冷凝固層を有する溶接電極を容易に製造す
ることができる。尚レーザ等による局部溶融法を用いる
場合、（ａ）本発明の組成を満足するＣｕ合金から電極
を加工した後、被溶接材との接触面の全面又は一部なレ
ーザ等により局部的に溶融し急冷凝固層を形成する方法
や（ｂ）現在使用されているＣｕ合金又は純Ｃｕからな
る電極の被溶接材との接触面にくぼみを設け、このくぼ
みにＣｒを５％以上（母材による希釈を考慮してＣｒ量
を高めている。）含有するＣｕ合金又は純Ｃｒを充填し
、レーザ等を照射して溶融し基地と一体化させる方法等
があり、前者（ａ）の場合レーザ等照射前の合金として
は特に凝固されたものを用いる必要はないが、一旦急冷
凝固したもの（例えば急冷凝固粉末を焼結したもの）の
方がより優れた特性を持つ溶接電極を得ることができる
。

［実施例］ 下記の方法でスポット溶接用電極を製作し、亜鉛めっき
鋼板（０，８ｍｍ厚）の連続スポット溶接を行ない、そ
の寿命を現用のＣｕ−１％Ｃｒ製溶接用電極と比較した
ところ第１表に示す結果が得られた。

（製作方法） 電極Ａ：体外形　０ｎ＋ｍや、内径１０ｍｍすのＣｕ−
１％Ｃｒ合金製中空管に、ガスアトマイ ズ法により製造した急冷Ｃｕ−Ｃｒ合 金粉末（Ｃｕ−２０％Ｃｒ）を充填 し、８ＱＯ℃でＨＩＰ成形した後圧延 を施して１６ｍｍφの複合棒材を作製 した。この複合材から接触面径４．５ ｍｍφ、外径１５ｍｍφ、高さ１’４＋ｎ＋ｎの先端円
錐型電極を製作した（接触面は全 て急冷凝固合金：第１図参照）。

電極Ｂ：外径３０ｍｍす、内径５ｍｍφのＣｕ−１％Ｃ
ｒ合金製中空管に上記急冷Ｃｕ　−Ｃｒ合金粉末を充填
し、８００℃で ＨＩＰ成形した後圧延により１６ｍｍφの複合棒材を作
製し、これから上記と 同じ形状の電極を製作した（接触面の 中心に２．５　ｍｍφの急冷凝固部を有する電極：第２
図参照）。

電極Ｃ：電極Ａの電極の接触面中央部にレーザを照射し
、直径２＋ｎｍす、深さ２ｍｍの再急冷凝固部を形成し
た（第３図番 照）。

１ル −ザ照射条件　出力　５ＫＷ スポット径　０．５　ｍｍ 照射時間０．２秒 電極Ｄ＝接触面径４．５　ｍｍφ、外径１５ｍｍφ、高
さ１４ｍｍのＣｕ−１％Ｃｒ合金製電極の接触面中央に
直径１．５１１１１Ｑ　、深さ１．５ｍ＋ｎのくぼみを
設け、このくぼみに該くぼみ形状に対応する形状のＣｕ
− ３０％Ｃｒ合金を装填して電極Ｃと同 条件でレーザを照射して、直径２．３ ｍｍ、深さ２ｍｍの急冷凝固部を有する電極とした（第
４図参照）。

電極Ｅ：充填粉末としてＣｕ−３０％Ｃｒ合金粉末を使
用する以外は電極Ａと同様に して電極Ｅを製作した。

電極Ｆ：充填粉末としてＣｕ−２０％Ｃｒ−１％Ｚｒ合
金粉末を使用する以外は電極 Ａと同様にして電極Ｆを製作した。

電極Ｇ：従来のＣｕ−１％Ｃｒ析出硬化型合金電極。

（溶接条件） 溶接電流　１２６００Ａ 加圧力　　　　２００ｋｇ 打点速度　　１点／秒（２０打点後４０秒休止の繰返し
） 寿命判゛定法　５００打点毎にボタン破断限界電流を求
め、この電流値が溶接 電流値（１２６００Ａ）になっ たときの打点数を寿命とした。

試験個数　　各５点 第　　　１　　　表 比較例電極Ｇの寿命が１５００〜１６５０打点であるの
に対し、本発明電極Ａ−Ｆはいずれも２０００打点を超
えており高い寿命を示すことが確認された。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、高温硬度並びに高
温軟化抵抗性の優れた溶接電極を提供することができ、
電極の寿命を飛躍的に向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明に係る電極を示す断面説明図である
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも被溶接材との接触面に、Ｃｒ：４〜３
   ５％（重量％の意味、以下同じ）、残部がＣｕ及び不可
   避不純物からなり、Ｃｒがマトリックス中に微細分散さ
   れてなる接点を構成したものであることを特徴とする電
   気抵抗溶接用電極。
2. （２）少なくとも被溶接材との接触面に、Ｃｒ：４〜３
   ５％、Ｚｒ：０．１〜５％、残部がＣｕ及び不可避不純
   物からなり、ＣｕとＺｒの金属間化合物及びＣｒがマト
   リックス中に微細分散されてなる接点を構成したもので
   あることを特徴とする電気抵抗溶接用電極。