WO2014010606A1

WO2014010606A1 - スポット溶接用電極チップ

Info

Publication number: WO2014010606A1
Application number: PCT/JP2013/068785
Authority: WO
Inventors: 村上　俊夫
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-16

Abstract

　本発明に係るスポット溶接用電極チップは、銅系材料から形成された中心部分と、電気抵抗率１Ω・ｍ以上で且つ熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ－ＢｅＯなど）から形成された外縁部分と、を備える。

Description

スポット溶接用電極チップ

　本発明は、２枚以上重ねた金属板の両面を一対の電極で挟み込んで通電することにより金属板を接合するスポット溶接に用いられる電極チップに関する。

　スポット溶接は、一般に２枚以上の金属板を重ねたのち、その重ね合わせ部の両面から一対の電極で挟み込み、電流を流して抵抗発熱により金属板の接合界面を溶融させて接合するものである。

　スポット溶接で主要な３つの制御因子は、電極を金属板に押し付ける加圧力、電流値、通電時間である。

　このうち、電流値は特に重要な因子である。電流値が低すぎると、溶融して形成されるナゲットの径が小さく、接合強度が不足する。一方、電流値が高すぎると、チリ（splash）が発生しナゲット径は大きくなるが、継手強度がばらつくため好ましくない。このため、ナゲット径が確保できる電流値から、チリが発生し始める電流値までが、スポット溶接の適正電流範囲（ウェルドローブ（weldability lobe））となる。この適正電流範囲（ウェルドローブ）を広げることができるとスポット溶接が容易となる。

　スポット溶接の適正電流範囲（ウェルドローブ）を広げることができる電極チップ（電極）として、従来種々の提案がなされている。

　例えば、特許文献１には、中心部分が銅系材料、外縁部分が鉄系材料からなるスポット溶接用複合型電極が開示されている。

　特許文献１に記載の複合型電極は、溶接時の加圧力を外縁部分で受け、電流を中心部分で通すように、導電率の異なる二種の材料で構成されている。これにより、高い電流密度で被溶接物に通電することができ、必要な大きさのナゲットを容易に得ることができると記載されている。また、連続打点を長時間繰り返しても中心部分の直径の拡大が有効に抑制され、健全な溶接品質を保つことができ、電極寿命が大幅に改善されると記載されている。

　また、特許文献２には、中心部分が銅系材料、外縁部分がセラミックスまたはサーメットからなるスポット溶接用電極が開示されている。

　特許文献２に記載の電極も、上記特許文献１と同様、溶接時の加圧力を外縁部分で受け、電流を中心部分で通すように、導電率の異なる二種の材料で構成されている。これにより、連続打点を長時間繰り返しても中心部分の直径の拡大が有効に抑制されるので、特別の大電流を通電しなくとも、常に、必要な電流密度を確保できる結果、健全な溶接品質を安定して維持することができると記載されている。

　また、特許文献３には、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、またはめっき鋼板の抵抗スポット溶接に用いられる抵抗スポット溶接用電極が開示されている。ここで、被溶接板の板厚をｔとした際、スポット溶接用電極は、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する。この芯材の周囲は、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により被覆される。実施例には、芯材として銅系材料、被覆材として鉄、ステンレス、チタン、ニッケル、ニッケル合金、モリブデン、タングステンが例示されている。

　特許文献３に記載の電極も、上記特許文献１および２と同様、溶接時の加圧力を外縁部分で受け、電流を中心部分で通すように、導電率の異なる二種の材料で構成されている。チリの発生を防止することで、電極寿命を飛躍的に向上することができると記載されている。

　上記特許文献１～３のスポット溶接用電極は、溶接時の加圧力は外縁部分で受け、電流は中心部分を通すように構成された点で共通している。

日本国特開平１－２１０１７９号公報日本国特開平１－２１０１８０号公報日本国特開平５－３１８１４０号公報

　しかしながら、特許文献１および３に開示されたスポット溶接用電極は、外縁部に金属材料を用いていることから、熱伝導率が十分高い。そのため、このようなスポット溶接用電極は、外縁部からの冷却作用により、表チリの発生を防止する機能は有する。しかしながら、絶縁性は不足するため、ナゲット領域が拡大し、溶融金属の飛び出しが阻止できなくなり、中チリの発生を効果的に防止することができない。

　一方、特許文献２に開示されたスポット溶接用電極は、外縁部にセラミックスまたはサーメットを用いていることから、絶縁性が十分高い。そのため、このようなスポット溶接用電極は、ナゲット領域の溶融金属が被溶接部材の間から飛び出すのを阻止することにより、中チリの発生を防止する機能を有する。しかしながら、熱伝導率が低いため、外縁部からの冷却作用が不足し、表チリの発生を効果的に防止することができない。

　したがって、従来のスポット溶接用電極には、いまだ改善の余地がある。スポット溶接の適正電流範囲（ウェルドローブ）をさらに拡大しうるスポット溶接用電極チップの提供が強く要請されていた。

　本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、スポット溶接の適正電流範囲（ウェルドローブ）をさらに拡大しうるスポット溶接用電極チップを提供することにある。

　本願第１発明に係る発明は、銅系材料から形成された中心部分と、電気抵抗率１Ω・ｍ以上で且つ熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料から形成された外縁部分と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップである。

　前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を有し、前記外縁部分の内周部が、前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記中心部分のフランジ部に接続されていることが好ましい。

　また、本願第２発明に係る発明は、いずれも銅系材料から形成された中心部分と外縁部分と、前記中心部分と前記外縁部分との接合面に介在する、電気抵抗率が１Ω・ｍ以上の非導電性膜と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップである。

　前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を有し、前記外縁部分の内周部が、前記非導電性膜を介して前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記フランジ部に接続されていることが好ましい。

　また、本願第３発明に係る発明は、銅系材料から形成されたチップ本体と、前記チップ本体の先端部の外縁側表面を被覆する、電気抵抗率１Ω・ｍ以上の非導電性皮膜と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップである。

　前記チップ本体が、別体に形成された中心部分と外縁部分とを有し、前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を含み、前記外縁部分の先端部表面が、前記非導電性皮膜で覆われており、前記外縁部分の内周部が、前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記フランジ部に接続されていることが好ましい。

　本発明（本願第１～第３発明）に係るスポット溶接用電極チップによれば、ナゲット領域の溶融金属が被溶接部材の間から飛び出すのを阻止することにより中チリの発生を防止することができる。また、電極外縁部から効率的に冷却することにより表チリの発生をも防止することが可能となる。これにより、スポット溶接の適正電流範囲（ウェルドローブ）をさらに拡大できるようになった。

本願第１発明の第１実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ線矢視図である。本願第１発明の第２実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢＢ線矢視図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は本願第１発明に係る実施例で用いた電極チップの概略構成を示す縦断面図である。本願第２発明の第１実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣＣ線矢視図である。本願第２発明の第２実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＤＤ線矢視図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は本願第２発明に係る実施例で用いた電極チップの概略構成を示す縦断面図である。本願第３発明の第１実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＥＥ線矢視図である。本願第３発明の第２実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＦＦ線矢視図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は本願第３発明に係る実施例で用いた電極チップの概略構成を示す縦断面図である。

　上記課題を解決するため、本発明者らは、まず、チリ発生のメカニズムについて検討を行った。チリの種類には、重ね合わせた板間から発生する「中チリ（expulsion at edge）」と、金属板の表面から発生する「表チリ（surface flash）」とがある。２枚以上重ねた金属板の重ね合わせ部を表裏から一対の電極チップで押さえ込んで通電した際に、溶融領域（ナゲット領域）が大きくなりすぎるとその体積膨張により重ね合わせ部の板同士の間隔（以下、「板間」という。）が広がる。「中チリ」は、溶融物の一部がその板間から外に飛び出すことで発生する。一方、「表チリ」は、金属板の表面（重ね合わせ面でない面）まで溶融領域が広がることで発生する。

　したがって、本発明者らは、電極チップで加圧しつつ通電することで形成される溶融領域の周囲を加圧することで、溶融物の一部が板間から飛び出すのを阻止することにより中チリの発生を防止することができると考えた。また、本発明者らは、電極チップの周囲から冷却することで、電極チップ周囲の金属板表面まで溶融領域が広がることを阻止することで、表チリの発生を防止することができるのではないかと考えた。

　そして、本発明者らは、板間からの溶融物の飛び出し阻止および金属板表面までの溶融領域の拡大阻止という２種類の相異なる作用を同時に奏させるための方法を検討した。その結果、本発明者らは、電極チップを中心部分と外縁部分とに分け、その中心部分は銅系材料、その外縁部分は絶縁性と熱伝導性を兼ね備えた材料で構成することを考えた。本発明者らは、このような構成によれば、中心部分により金属板の重ね合わせ部を加圧しつつ通電する際に、外縁部分で電極チップ周縁の重ね合わせ部を加圧することで上記２種類の相異なる作用を実現できると考えた。

　また、本発明者らは、電極チップを中心部分と外縁部分とに分け、それらの接合面に非導電性膜を介在させて絶縁するように構成することを考えた。本発明者らは、このような構成によれば、中心部分により金属板の重ね合わせ部を加圧しつつ通電する際に、外縁部分で電極チップ周縁の重ね合わせ部を加圧することで上記２種類の相異なる作用を実現できると考えた。

　また更には、本発明者らは、電極チップの先端部の外縁側表面を絶縁皮膜で被覆するように構成することを考えた。本発明者らは、このような構成によれば、絶縁皮膜で被覆されていない中心側により金属板の重ね合わせ部を加圧しつつ通電する際に、絶縁皮膜で被覆された外縁側で電極チップ周縁の重ね合わせ部を加圧することで上記２種類の相異なる作用を実現できると考えた。

　そこで、本発明者らは、後記実施例にて説明する実証試験を行った結果、確証が得られたので、さらに検討を加え、本発明（本願第１～第３発明）を完成するに至った。以下、本願第１～第３発明を、それぞれ図面を参照しつつ詳細に説明する。

［第１発明］
　本願第１発明に係るスポット溶接用電極チップは、銅系材料から形成された中心部分と、電気抵抗率１Ω・ｍ以上で且つ熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料から形成された外縁部分と、を備えることを特徴とする。

［本願第１発明に係る第１実施形態］
　図１は、本願第１発明の一実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す。ここで、符号１は中心部分、符号２は外縁部分を示している。

　電極チップの構造としては、一体型とキャップ型のいずれでもよい。しかしながら、中心部分１は、通電を受け持つため、図示しない溶接機のアダプタまたはホルダの通電部と直接接触するような構造とする。

　一方、外縁部分２は、電極チップの根元側から加えられる加圧力の一部もしくは全部が、直接、または中心部分１を介して間接的に外縁部分２に伝えられるような構造とすればよい。中心部分１と外縁部分２とは、連続的なスポット溶接作業で外縁部分２が脱落しない程度に結合していればよく、機械的叩き込みによる嵌合、接合面へのねじ切りによる螺合、焼き嵌め、鋲止めなど、種々の手段が採用できる。なお、電極チップ先端の形状としては、本例では円錐台型を例示したが、ラジアス型、ドームラジアス型など、いずれの形状のものを採用してもよい。

　次に、中心部分１には、スポット溶接の際に大電流をロスなく通電させるために、電気抵抗の小さい、すなわち、導電率の高い銅系材料を用いる必要がある。銅系材料としては、具体的には、純銅の他、導電率を保ちながら強度・耐熱性を高めた、銅－クロム合金、アルミナ分散銅などが使用できる。なお、高強度鋼板などをスポット溶接する際には接合面を十分に接触させるために加圧力を高める必要があるので、強度・耐熱性が高いものを選択するのが推奨される。

　一方、外縁部分は、電気抵抗率１Ω・ｍ以上でかつ熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料とする。そのような材料としては、具体的には、ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ－ＢｅＯなどが挙げられる。

　スポット溶接の際に電極チップの中心部分１で加圧しつつ通電している領域の外側にまでも電流が流れてその外側領域が溶融または軟化すると、ナゲット領域が溶融する際の熱膨張の圧力で被溶接金属板が変形する。これにより生じる板間から溶融金属が外部に噴出することで、中チリが発生する。したがって、中チリを抑制するためには、スポット溶接部の外周部を通電することなく加圧して、ナゲット領域の溶融金属が板間から外部に噴出することを阻止すればよい。そのため、電極チップの外縁部分２に、絶縁性の高い、すなわち、電気抵抗率の高い材料を配置すればよい。ここで、中心部分の材料（例えば、純銅もしくは銅－クロム合金）の電気抵抗率は、およそ１×１０^－７Ω・ｍである。したがって、外縁部分２の材料としては、それより電気抵抗率が大幅に高い１Ω・ｍ以上、好ましくは１×１０^３Ω・ｍ以上、さらに好ましくは１×１０^６Ω・ｍ以上の材料を用いる。

　一方、中チリを加圧により抑制できたとしても、電流値を高めた際に溶融領域が被溶接金属板の表面（接合面でない方の面）にまで広がると、表チリが発生する。この表チリを抑制するためには、溶融領域が被溶接金属板の表面にまで広がらないように、電極チップの外縁部分２から被溶接金属板の表面近傍を冷却する必要がある。効率的に抜熱するためには、電極チップの外縁部分２に熱伝導率の高い材料を用いることが有効である。具体的には、外縁部分２の材料としては、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、好ましくは１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、さらに好ましくは１２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料を用いる。

［本願第１発明に係る第２実施形態］
　前記第１実施形態では、電極チップの中心部分１と外縁部分２とを接合（固着）して一体化させた例を示した。しかしながら、第２実施形態では、図２に示すように、中心部分１が、先端側の円柱部１ａと後端側のフランジ部１ｂとからなる。さらに、外縁部分２は、その内周部２ａが、前記中心部分１の円柱部１ａに摺動可能に嵌挿されているとともに、その後端部２ｂが、弾性体からなる加圧力調整部材３を介して中心部分１のフランジ部１ｂに接続されている。尚、加圧力調整部材３については、八チングを省略している。

　このような構成によれば、弾性体の種類や構造を変更することにより外縁部分２による加圧力が調整可能となり、中チリの発生をさらに確実に防止することができるようになる。これにより、スポット溶接の適正電流範囲をより拡大することが可能となる。

　加圧力調整部材３を構成する弾性体としては、コイルばね、板ばね、ゴム、シリコンゴム等を例示できる。しかしながら、スポット溶接の連続打点の長時間繰り返しに耐えるだけの十分な強度を有し、かつ、電極チップの中心部分１と外縁部分２とで加圧力の差異を付与できるものであれば、弾性体の材質および形態は問わない。

［第２発明］
　本願第２発明に係るスポット溶接用電極チップは、いずれも銅系材料から形成された中心部分と外縁部分と、前記中心部分と前記外縁部分との接合面に介在する、電気抵抗率が１Ω・ｍ以上の非導電性膜と、を備えることを特徴とする。

［本願第２発明に係る第１実施形態］
　図４は、本願第２発明の一実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す。ここで、符号１’は中心部分、符号２’は外縁部分、符号４は非導電性膜を示している。

　電極チップの構造としては、一体型とキャップ型のいずれでもよいが、中心部分１’は、通電を受け持つため、図示しない溶接機のアダプタまたはホルダの通電部と直接接触するような構造とする。

　一方、外縁部分２’は、電極チップの根元側から加えられる加圧力の一部もしくは全部が、直接、または中心部分１’および非導電性膜４を介して間接的に外縁部分２’に伝えられるような構造とすればよい。中心部分１’と外縁部分２’との接合面に介在させる非導電性膜４は、あらかじめ前記接合面の中心部分１’側または外縁部分２’側に被覆しておき、その後、中心部分１’と外縁部分２’とを接合すればよい。中心部分１’と外縁部分２’とは、連続的なスポット溶接作業で外縁部分２’が脱落しない程度に結合していればよく、機械的叩き込みによる嵌合、接合面へのねじ切りによる螺合、焼き嵌め、鋲止めなど、種々の手段が採用できる。なお、電極チップ先端の形状としては、本例では円錐台型を例示したが、ラジアス型、ドームラジアス型など、いずれの形状のものを採用してもよい。

　次に、中心部分１’には、スポット溶接の際に大電流をロスなく通電させるために、電気抵抗の小さい、すなわち、導電率の高い銅系材料を用いる必要がある。銅系材料としては、具体的には、純銅の他、導電率を保ちながら強度・耐熱性を高めた、銅－クロム合金、アルミナ分散銅などが使用できる。なお、高強度鋼板などをスポット溶接する際には接合面を十分に接触させるために加圧力を高める必要があるので、強度・耐熱性が高いものを選択するのが推奨される。

　また、外縁部分２’は、通電はしないものの、ナゲット領域の周囲を加圧するとともに効率的に冷却する。そのため、外縁部分２’には、熱伝導性に優れた銅系材料を用いる。銅系材料としては、中心部分１’と同じく、純銅の他、強度・耐熱性を高めた、銅－クロム合金、アルミナ分散銅などが使用できる。なお、中心部分１’と外縁部分２’とでは、必ずしも同じ銅系材料を用いる必要はない。例えば、中心部分１’には導電性に優れた純銅を用い、外縁部分２’には強度・耐熱性に優れた銅－クロム合金あるいはアルミナ分散銅を用いることもできる。

　スポット溶接の際に電極チップの中心部分１’で加圧しつつ通電している領域の外側にまでも電流が流れてその外側領域が溶融または軟化すると、ナゲット領域が溶融する際の熱膨張の圧力で被溶接金属板が変形する。これにより生じる板間から溶融金属が外部に噴出することで、中チリが発生する。したがって、中チリを抑制するためには、スポット溶接部の外周部を通電することなく加圧して、ナゲット領域の溶融金属が板間から外部に噴出することを阻止すればよい。そのため、中心部分１’と外縁部分２’の接合面に絶縁性の高い、すなわち、電気抵抗率の高い非導電性膜４を配置すればよい。中心部分１’および外縁部分２’の材料（例えば、純銅もしくは銅－クロム合金）の電気抵抗率がおよそ１×１０^－７Ω・ｍであることから、非導電性膜３’の材料としては、それより電気抵抗率が大幅に高い１Ω・ｍ以上、好ましくは１×１０^３Ω・ｍ以上、さらに好ましくは１×１０^６Ω・ｍ以上の材料を用いる。そのような材料としては、セラミックス、合成樹脂などが挙げられるが、より具体的には、セラミックスとしては、ＡｌＮ、ＺｒＯ_３、ＢｅＯ、ＳｉＣ－ＢｅＯなど、合成樹脂としては、ポリエチレン、テフロン（登録商標）などが例示できる。また、非導電性膜４の厚みは、中心部分１’から外縁部分２’への通電を確実に阻止するため、０．００１ｍｍ以上とすればよい。しかしながら、非導電性膜４の厚みが大きすぎると外縁部分２’による冷却作用が減殺されるので、１．０ｍｍ以下とするのが好ましい。なお、非導電性膜４は、その使用する材料に応じて、周知の方法を適宜選択して用いることにより容易に形成することができる。例えば、中心部分１’と外縁部分２’の接合面に皮膜材料を蒸着した後に熱処理する方法、前記接合面に皮膜材料をメッキする方法、板状の皮膜材料を前記接合面の形状に合わせて加工したものを貼り付ける方法などを用いることができる。

　このように、本発明に係る電極チップは、その先端の形状が、非導電性膜４の厚みの部分を除いて、銅系材料のみで形成される。これにより、チップ先端が長時間のスポット溶接によりダメージを受けた場合でも、チップ先端の形状をブラッシングで容易に再生させることができるという効果が得られる。

［本願第２発明に係る第２実施形態］
　前記第１実施形態では、電極チップの中心部分１’と外縁部分２’との接合面に非導電性膜４を介在させて接合（固着）し一体化した例を示した。しかしながら、第２実施形態では、図５に示すように、中心部分１’が、先端側の円柱部１ａ’と後端側のフランジ部１ｂ’とからなるものとする。また、外縁部分２’は、その内周部２ａ’が、前記非導電性膜４を介して前記中心部分１’の円柱部１ａ’に摺動可能に嵌挿されているとともに、その後端部２ｂ’が、弾性体からなる加圧力調整部材３’を介して中心部分１’のフランジ部１ｂ’に接続されているものとする。

　このような構成を採用することで、弾性体の種類や構造を変更することにより、外縁部分２’による加圧力が調整可能となり、中チリの発生をさらに確実に防止することができるようになる。これにより、スポット溶接の適正電流範囲をより拡大することが可能となる。

　加圧力調整部材３’を構成する弾性体としては、コイルばね、板ばね、ゴム、シリコンゴム等を例示できる。しかしながら、スポット溶接の連続打点の長時間繰り返しに耐えるだけの十分な強度を有し、かつ、電極チップの中心部分１’と外縁部分２’とで加圧力の差異を付与できるものであれば、弾性体の材質および形態は問わない。

　なお、本実施形態では、図５に示すように、非導電性膜４を中心部分１’側に被覆して絶縁する例を示したが、これに代えて、外縁部分２’側に被覆しても同様の絶縁作用が得られる。また、本実施形態では、図５に示すように、中心部分１’のフランジ部１ｂ’と加圧力調整部材としてのコイルばね３’との間に非導電性膜４を介在させて絶縁する例を示した。しかしながら、加圧力調整部材３’としてゴムあるいはシリコンゴムを用いる場合は、これらの材料はもともと絶縁性を有しているので、中心部分１’のフランジ部１ｂ’と加圧力調整部材３’との間の非導電性膜４を省略することができる。

［第３発明］
　本願第３発明に係るスポット溶接用電極チップは、銅系材料から形成されたチップ本体と、前記チップ本体の先端部の外縁側表面を被覆する、電気抵抗率１Ω・ｍ以上の非導電性皮膜と、を備えることを特徴とする。

［本願第３発明に係る第１実施形態］
　図７は、本願第３発明の一実施形態に係るスポット溶接用電極チップの概略構成を示す。ここで、符号１”はチップ本体、符号２”は非導電性皮膜を示している。

　電極チップの構造としては、一体型とキャップ型のいずれでもよい。また、電極チップ先端の形状としては、本例では円錐台型を例示したが、ラジアス型、ドームラジアス型など、いずれの形状のものを採用してもよい。

　次に、チップ本体１”には、スポット溶接の際に大電流をロスなく通電させるために、電気抵抗の小さい、すなわち、導電率の高い銅系材料を用いる必要がある。銅系材料としては、具体的には、純銅の他、導電率を保ちながら強度・耐熱性を高めた、銅－クロム合金、アルミナ分散銅などが使用できる。なお、高強度鋼板などをスポット溶接する際には接合面を十分に接触させるために加圧力を高める必要があるので、強度・耐熱性が高いものを選択するのが推奨される。

　一方、非導電性皮膜２”には、電気抵抗率１Ω・ｍ以上の材料を用いる。そのような材料としては、具体的には、ＡｌＮ、ＺｒＯ_３、ＢｅＯ、ＳｉＣ－ＢｅＯなどのセラミックスや、ポリエチレン、テフロン（登録商標）などの耐熱性樹脂などが挙げられる。非導電性皮膜２”の電気抵抗率を１Ω・ｍ以上とするのは以下の理由による。

　スポット溶接の際に電極チップの中心部分１”で加圧しつつ通電している領域の外側にまでも電流が流れてその外側領域が溶融または軟化すると、ナゲット領域が溶融する際の熱膨張の圧力で被溶接金属板が変形する。これにより生じる板間から溶融金属が外部に噴出することで、中チリが発生する。したがって、中チリを抑制するためには、スポット溶接部の外周部を通電することなく加圧して、ナゲット領域の溶融金属が板間から外部に噴出することを阻止すればよい。そのため、電極チップ本体１”の外縁側表面を絶縁性の高い、すなわち、電気抵抗率の高い材料で被覆すればよい。チップ本体１”の材料（例えば、純銅もしくは銅－クロム合金）の電気抵抗率はおよそ１×１０^－７Ω・ｍである。このことから、非導電性皮膜２”の材料としては、それより電気抵抗率が大幅に高い１Ω・ｍ以上、好ましくは１×１０^３Ω・ｍ以上、さらに好ましくは１×１０^６Ω・ｍ以上の材料を用いる。

　一方、中チリを加圧により抑制できたとしても、電流値を高めた際に溶融領域が被溶接金属板の表面（接合面でない方の面）にまで広がると表チリが発生する。この表チリを抑制するためには、溶融領域が被溶接金属板の表面にまで広がらないように電極チップ先端部の外縁側から被溶接金属板の表面近傍を冷却する必要がある。しかしながら、電極チップの外縁側は、その本体部分は銅系材料で形成されているものの、その先端部表面が非導電性皮膜２”で被覆されている。このように、電極チップの外縁側先端部表面が非導電性皮膜２”により電気的に絶縁されているので、スポット溶接時においても電極チップの外縁側には電流が流れず、抵抗発熱が発生しない。このため、電極チップの外縁側からは、熱伝導性の良好な銅系材料による冷却作用が発揮され、表チリの発生が抑制される。

　なお、非導電性皮膜２”の厚みは、絶縁性を確保するためには厚い方が好ましい。しかしながら、非導電性皮膜２”の厚みをあまり厚くしすぎると銅系材料による冷却作用が減殺されるので、非導電性皮膜２”の厚みは０．００１～１．０ｍｍの範囲内で、使用する材料に応じて適宜決定するとよい。また、非導電性皮膜２”は、その使用する材料に応じて、周知の方法を適宜選択して用いることにより容易に形成することができる。例えば、電極チップ先端部表面の所要部位に皮膜材料を蒸着した後に熱処理する方法、前記所要部位に皮膜材料をメッキする方法、板状の皮膜材料を前記所要部位の形状に合わせて加工したものを貼り付ける方法などを用いることができる。

［本願第３発明に係る第２実施形態］
　前記第１実施形態では、チップ本体１”が一体のものを例示した。しかしながら、第２実施形態では、図８に示すように、チップ本体１”が、中心部分１１と外縁部分１２とに分けて別体で形成される。そして、中心部分１１は、先端側の円柱部１１ａと後端側のフランジ部１１ｂとからなるものとする。一方、外縁部分１２は、その先端部表面１２ｃが非導電性皮膜２”で覆われている。外縁部分１２の内周部１２ａは、中心部分１１の円柱部１１ａに摺動可能に嵌挿されており、外縁部分１２の後端部１２ｂは、弾性体からなる加圧力調整部材３”を介して中心部分１１のフランジ部１１ｂに接続されているものとする。

　このような構成を採用することで、加圧力調整部材３”を構成する弾性体の種類や構造を変更することにより、外縁部分１２による加圧力が調整可能となる。これにより、中チリの発生をさらに確実に防止することができるようになり、スポット溶接の適正電流範囲をより拡大することが可能となる。

　加圧力調整部材３”を構成する弾性体としては、コイルばね、板ばね、ゴム、シリコンゴム等を例示できる。しかしながら、スポット溶接の連続打点の長時間繰り返しに耐えるだけの十分な強度を有し、かつ、電極チップの中心部分１１と外縁部分１２とで加圧力の差異を付与できるものであれば、弾性体の材質および形態は問わない。

　本発明（本願第１～第３発明）に係るスポット溶接用電極チップの適用性について実証するため、スポット溶接機にて、種々の電極チップを用いて溶接試験を行った。

[本願第１発明に係る実施例１]
　本実施例では、電極チップの形態として、ドームラジアス形状のキャップ型チップを用いた。

　図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例１で用いた電極チップの概略構成を示す。図３（ａ）では、チップ全体が純銅（銅系材料）で形成されている。図３（ｂ）では、中心部分１が銅系材料、外縁部分２が銅系材料以外の材料で形成されている。また、図３（ｃ）では、中心部分１が銅系材料、外縁部分２が銅系材料以外の材料で形成され、外縁部分２が中心部分１とコイルばね（弾性体）３で結合されている。

　そして、電極チップとして、図３（ｂ）の形状を使用した場合は、外縁部分２の材料を種々変化させた。また、電極チップとして、図３（ｃ）の形状を使用した場合は、外縁部分２の材料を種々変化させるとともに、コイルばね３のばね定数を変更した。これにより、中心部分１と外縁部分２との加圧力の比率を変化させて溶接実験を行った。なお、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）における電極チップの各部の寸法に関し、ｄ１＝６ｍｍ、ｄ２＝１６ｍｍ、Ｌ１＝２０ｍｍ、Ｌ２＝１０ｍｍ、Ｌ３＝８ｍｍである。

　溶接条件は以下のとおりである。
　・全加圧力：４００ｋＮ
　・電極ホルダ：銅－クロム合金
　・初期加圧時間：０．９０秒
　・通電時間：０．２５秒
　・電流値：４～１２ｋＡ
　・被溶接鋼板：鋼種…ＪＳＣ９８０Ｙ（一般社団法人　日本鉄鋼連盟規格）
　　　　　　　　組成…０．２０Ｃ－１．０Ｓｉ－２．０Ｍｎ
　　　　　　　　板厚…１．２ｍｍ
　　　　　　　　引張強度…１０２０ＭＰａ

　そして、上記被溶接鋼板を２枚重ねしたものに対して、各電極チップを用いて、溶接電流を低電流側から順次増加させてスポット溶接を行った。そして、ナゲット径（単位：ｍｍ）が４√ｔ（ただし、ｔ：板厚［単位：ｍｍ］）となる最低電流値と、チリが発生し始める限界電流値とをそれぞれ求めた。また、そのチリが発生した試験で得られた継手を断面観察してチリの種類を特定した。そして、最低電流値から限界電流値までの幅（適正電流範囲）が３．５ｋＡ以上の場合を、良好な溶接方法と判断した。

　表１は、試験条件および測定結果を示す。

　表１において、試験Ｎｏ．１は、従来の、チップ全体が同一材料からなる電極チップを用いたスポット溶接に相当する参考例である。この参考例のチリ限界電流は６．５ｋＡであった。

　試験Ｎｏ．２，５，８～１５は、本願第１発明の要件を全て満たす発明例である。いずれの発明例も、チリ限界電流が大きく上昇した結果、適正電流範囲は３．５ｋＡ以上に達しており、上記参考例の適正電流範囲よりも大幅に広くなっていることがわかる。

　これに対して、試験Ｎｏ．３，４，６，７は、本願第１発明の要件のいずれかを満たさない比較例である。これらの比較例の適正電流範囲は２．０～３．０ｋＡであり、上記参考例の適正電流範囲とほぼ同等か少し広い程度である。したがって、十分な改善効果が得られていないことがわかる。

　以上の結果より明らかなように、本願第１発明に係るスポット溶接用電極チップを用いることで、より確実にチリの発生を防止することができるようになる。その結果、チリ限界電流が大きく上昇し、スポット溶接の適正電流範囲(ウェルドローブ)を大幅に拡大できる。

［本願第２発明に係る実施例２］
　本実施例では、電極チップの形態として、ドームラジアス形状のキャップ型チップを用いた。
　図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例２で用いた電極チップの概略構成を示す。図６（ａ）では、チップ全体が純銅で一体に形成されている。図６（ｂ）では、中心部分１’と外縁部分２’とが非導電性膜４で隔絶されて形成されている。図６（ｃ）では、中心部分１’と外縁部分２’とが非導電性膜４で隔絶されるとともに、外縁部分２’が中心部分１’とコイルばね（弾性体）３’で結合されている。

　そして、電極チップとして、図６（ｂ）の形状を使用した場合は、中心部分１’および外縁部分２’の材料と非導電性膜４の材料とを種々変化させた。また電極チップとして、図６（ｂ）の形状を使用した場合は、中心部分１’および外縁部分２’の材料と非導電性膜４の材料とを種々変化させるとともに、コイルばね３’のばね定数を変更した。これにより、中心部分１’と外縁部分２’との加圧力の比率を変化させて溶接実験を行った。なお、図６（ｂ）（ｃ）では、中心部分１’と外縁部分２’の材料は同一である。また、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）における電極チップの各部の寸法に関し、ｄ１＝６ｍｍ、ｄ２＝１６ｍｍ、Ｌ１＝２０ｍｍ、Ｌ２＝８ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍである。

　そして、上記被溶接鋼板を２枚重ねしたものに対して、各電極チップを用いて、溶接電流を低電流側から順次増加させてスポット溶接を行った。そして、ナゲット径（単位：ｍｍ）が４√ｔ（ただし、ｔ：板厚［単位：ｍｍ］）となる最低電流値と、チリが発生し始める限界電・BR>ャ値とをそれぞれ求めた。また、そのチリが発生した試験で得られた継手を断面観察してチリの種類を特定した。そして、最低電流値から限界電流値までの幅（適正電流範囲）が３．０ｋＡ以上の場合を、良好な溶接方法と判断した。

　表２は、実施例２の試験条件および測定結果を示す。

　表２において、試験Ｎｏ．１０１は、従来の、チップ全体が一体に形成された電極チップを用いたスポット溶接に相当する参考例である。この参考例のチリ限界電流は７．０ｋＡ、適正電流範囲は２．０ｋＡであった。

　試験Ｎｏ．１０２～１０５，１０８～１１６は、本願第２発明の要件を全て満たす発明例である。いずれの発明例も、チリ限界電流が大きく上昇した結果、適正電流範囲は３．０ｋＡ以上に達しており、上記参考例の適正電流範囲よりも大幅に広くなっていることがわかる。

　これに対して、試験Ｎｏ．１０６，１０７は、本願第２発明の要件のいずれかを満たさない比較例である。これらの比較例の適正電流範囲は２．０～２．５ｋＡであり、上記参考例の適正電流範囲とほぼ同等か少し広い程度であり、十分な改善効果が得られていないことがわかる。

　以上の結果より明らかなように、本願第２発明に係るスポット溶接用電極チップを用いることで、より確実にチリの発生を防止することができるようになる。その結果、チリ限界電流が大きく上昇し、スポット溶接の適正電流範囲(ウェルドローブ)を大幅に拡大できる。

［本願第３発明に係る実施例３］
　本実施例では、電極チップの形態として、ドームラジアス形状のキャップ型チップを用いた。

　図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例３で用いた電極チップの概略構成を示す。図９（ａ）では、チップ全体が純銅（銅系材料）で形成されている。また図９（ｂ）では、チップ本体１”が銅系材料で形成され、チップ本体１”の外縁側表面が銅系材料以外の材料からなる非導電性皮膜２”で被覆されている。また、図９（ｃ）では、チップ本体１”が、いずれも銅系材料で別体に形成された中心部分１１および外縁部分１２からなる。外縁部分１２の先端部表面１２ｃは、銅系材料以外の材料からなる非導電性皮膜２”で被覆される。さらに、外縁部分１２が、中心部分１１とコイルばね（弾性体）３”で結合されている。

　そして、電極チップとして、図９（ｂ）の形状を使用した場合は、非導電性皮膜２”の材料を種々変化させた。また、電極チップとして、図９（ｃ）の形状を使用した場合は、非導電性皮膜２”の材料を種々変化させるとともに、コイルばね３”のばね定数を変更することで中心部分１１と外縁部分１２との加圧力の比率を変化させて溶接実験を行った。なお、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）における電極チップの各部の寸法に関し、ｄ１＝６ｍｍ、ｄ２＝１６ｍｍ、Ｌ１＝２０ｍｍ、Ｌ２＝１０ｍｍ、Ｌ３＝８ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ

　そして、上記被溶接鋼板を２枚重ねしたものに対して、各電極チップを用いて、溶接電流を低電流側から順次増加させてスポット溶接を行った。そして、ナゲット径（単位：ｍｍ）が４√ｔ（ただし、ｔ：板厚［単位：ｍｍ］）となる最低電流値と、チリが発生し始める限界電流値とをそれぞれ求めた。また、そのチリが発生した試験で得られた継手を断面観察してチリの種類を特定した。そして、最低電流値から限界電流値までの幅（適正電流範囲）が３．０ｋＡ以上の場合を、良好な溶接方法と判断した。

　表３は、実施例３の試験条件および測定結果を示す。

　表３において、試験Ｎｏ．２０１は、従来の、チップ全体が同一材料からなる電極チップを用いたスポット溶接に相当する参考例である。この参考例のチリ限界電流は６．５ｋＡ、適正電流範囲は２．０ｋＡであった。

　試験Ｎｏ．２０２～２０５，２０８～２１５は、本願第３発明の要件を全て満たす発明例である。いずれの発明例も、チリ限界電流が大きく上昇した結果、適正電流範囲は３．０ｋＡ以上に達しており、上記参考例の適正電流範囲よりも大幅に広くなっていることがわかる。

　これに対して、試験Ｎｏ．２０６，２０７は、本願第３発明の要件のいずれかを満たさない比較例である。これらの比較例の適正電流範囲は２．０～２．５ｋＡであり、上記参考例の適正電流範囲とほぼ同等か少し広い程度であり、十分な改善効果が得られていないことがわかる。

　以上の結果より明らかなように、本願第３発明に係るスポット溶接用電極チップを用いることで、より確実にチリの発生を防止することができるようになる。その結果、チリ限界電流が大きく上昇し、スポット溶接の適正電流範囲(ウェルドローブ)を大幅に拡大できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。本出願は２０１２年７月１１日出願の日本特許出願（特願２０１２－１５５４９８）、２０１２年７月１１日出願の日本特許出願（特願２０１２－１５５４９９）、および２０１２年７月１１日出願の日本特許出願（特願２０１２－１５５５００）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１，１’，１１…中心部分
１”…チップ本体
  １ａ，１ａ’，１１ａ…円柱部
  １ｂ，１ｂ’，１１ｂ…フランジ部
２，２’，１２…外縁部分
  ２ａ，２ａ’，１２ａ…内周部
  ２ｂ，２ｂ’，１２ｂ…後端部
  １２ｃ…先端部表面
２”…非導電性皮膜
３，３’，３”…加圧力調整部材（弾性体）
４…非導電性膜

Claims

　銅系材料から形成された中心部分と、電気抵抗率１Ω・ｍ以上で且つ熱伝導率８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料から形成された外縁部分と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップ。
　前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を有し、
　前記外縁部分の内周部が、前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、
　前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記中心部分のフランジ部に接続されている請求項１に記載のスポット溶接用電極チップ。
　いずれも銅系材料から形成された中心部分と外縁部分と、前記中心部分と前記外縁部分との接合面に介在する、電気抵抗率が１Ω・ｍ以上の非導電性膜と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップ。
　前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を有し、
　前記外縁部分の内周部が、前記非導電性膜を介して前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、
　前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記フランジ部に接続されている請求項３に記載のスポット溶接用電極チップ。
　銅系材料から形成されたチップ本体と、前記チップ本体の先端部の外縁側表面を被覆する、電気抵抗率１Ω・ｍ以上の非導電性皮膜と、を備えることを特徴とするスポット溶接用電極チップ。
　前記チップ本体が、別体に形成された中心部分と外縁部分とを有し、
　前記中心部分は、先端側の円柱部と、後端側のフランジ部と、を含み、
　前記外縁部分の先端部表面が、前記非導電性皮膜で覆われており、
　前記外縁部分の内周部が、前記円柱部に摺動可能に嵌挿されており、
　前記外縁部分の後端部が、弾性体から形成された加圧力調整部材を介して前記フランジ部に接続されている請求項５に記載のスポット溶接用電極チップ。