JP2005313221A - スポット溶接用溶接電極 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の溶接電極の間にはさんで抵抗溶接する際に溶接電極をドレシング処理することなく溶接できる溶接電極を提案する。
【解決手段】少なくとも２つの被溶接材の重合部分をはさんで抵抗スポット溶接する溶接電極１００、１００において、その少なくとも先端部を包囲しそれに整合する電極キャップ１２０、１２０とが設けられ、この電極キャップ１２０、１２０において両側からはさむ被溶接材に当接する部分に他の電極キャップの部分に較べて高い硬さをもつ硬質部１２１を設け、この硬質部の裏面に冷却水を送りつつ水冷する。
【選択図】図１

Description

本発明はスポット溶接用溶接電極に係り、詳しくは、銅又はその合金などの導電性材料からなって鋼板、その他の金属材などの被溶接材をはさんで加圧、通電してスポット溶接する溶接電極に関するものである。

例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板などの金属板の接合、なかでも薄い金属板の接合にはスポット溶接が用いられている。スポット溶接は溶接すべき金属板（以下、被溶接材という）を重ね合わせ、この重ね合わせ部分を一対の溶接電極の間にはさみ加圧通電し、この通電時に生じる抵抗熱を熱源として被溶接材の溶接部を加熱溶融させて接合する溶接である。また、スポット溶接は抵抗溶接法のうちでも溶接部がスポット又は点として形成されるものであって、とくに、熱源としての抵抗熱を大きくするために、被溶接材をはさんで加圧通電する一対の溶接電極の断面積を絞って電流密度を高め、短時間で大電流を流し、このようにして被溶接材の接合部分を局部的に加熱して溶融し、ご石状のナゲットを形成して溶接するところに特徴があって、自動車、家電製品その他板金製品に広く適用されている。

すなわち、スポット溶接は、熱源が被溶接材の接触面に発生するジュ−ル熱である。このため、被溶接材の物理的性質に左右され、熱源の温度が適格に制御できないという、欠点がある。それにも拘らず、スポット溶接は、ア−ク溶接などのように溶接棒やフラックスを必要とせずに接合できる長所をもっているため、広く用いられている。

このため、スポット溶接機としては用途に応じてきわめて多岐にわたるものが提案されているが、これらスポット溶接機の中で最も普及しているものが定置型といわれる溶接機であって、スポット溶接機というと、直ちに定置型のものが連想されている。

更にくわしく説明すると、定置型スポット溶接機は、重ね合わせ被溶接材をはさんで溶接するために、一対の溶接電極が上下に対向して配置され、それぞれの溶接電極の先端は断面を絞って構成され、各溶接電極を加圧する加圧装置が強固な機械的な保持装置で支持され、この保持装置や加圧装置とともに上下の溶接電極が一定の場所に据付けられて構成されている。

このため、定置型のスポット溶接機を用いると、高い加圧力がかけられるため、高い強度の溶接継手が得られるという、大きな利点があって、溶接の都度被溶接材を溶接機のところまで移動させなければならないが、小ロッドの金属枠や金属箱などの製造から大型の構造物の溶接にいたるまで適用されている。

しかし、この定置型スポット溶接機において上下の電極として使用される溶接電極の使用頻度が高まると、被溶接材の金属成分が溶接電極先端のチップの銅成分と合金化して溶接電極先端のチップに付着し、溶接性が損なわれるとともにこの付着物が次の被溶接材の表面に付着して汚染することになって、これの除去に非常に手間がかかる。とくに、最近は、被溶接材として各種化成処理鋼板、ちなみに、ボンド処理鋼板やパ−カライジング鋼板が用いられ、さらに、鋼板に較べて導電率や熱伝導率が高いアルミニウム材が用いられるようになって、この点の改善が求められている。

このところから、特開平４−３２２８０号明細書に記載されるような抵抗溶接方法やその装置が提案されている。しかしながら、この溶接方法や装置は溶接電極と被溶接材との間に連続的に送られる銅などの導電性テ−プを介在させて溶接する技術であって、導電性テ−プを介在させることによって装置の構造が複雑になって好ましくない。

すなわち、この方法は、電極と被溶接材との間に銅などから成る導電性テ−プを連続的に供給し、この導電性テ−プを介して溶接する抵抗溶接方法である。また、この方法を実施する装置は送りロ−ル、支持ロ−ル、巻取ロ−ルおよび電極を具え、この送りロ−ルより送出された導電性テ−プを支持ロ−ルにより支持し、電極と被溶接材料との間に連続的に供給するものである。

この溶接装置は、銅などの導電性テ−プの送りロ−ル、支持ロ−ルが設けられ、電極間に導電性材料が供給されるものである。このような構造であるため、構造が複雑化し、経済的な意味からして好ましくない。さらに、溶接時に硬化された導電性テ−プは連続かつ円滑に巻取るのに支障がある。
特開平４−３２２８０号

本発明は上記のところの欠点を解決することを目的とし、なかでも、溶接時に既存の溶接機の溶接電極に取付けるだけで、種別、材質などにかかわらず、いずれの被溶接材をスポット溶接でき、取扱いが簡単な電極キャップを提案する。

すなわち、本発明は、少なくとも２つの被溶接材の重合部分をはさんで抵抗溶接する溶接電極であって、この溶接電極の少なくとも先端部に整合するよう包囲する電極キャップを設け、この電極キャップにおける被溶接材との当接部分に硬い硬質部を設ける。

この電極キャップに設けた硬質部をその裏面から水冷するように構成する。

この電極キャップは無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅から構成し、被溶接材との当接部分を鍛造加工により加工硬化させた加工硬化部として構成する。

また、被溶接材との当接部分の硬質部を、例えばクロム、ベリウムなどの析出硬化成分を含む銅合金から構成し、この硬質部を鍛造加工、熱処理などにより硬化させて構成する。

以上のとおり、本発明は、少なくとも２つの被溶接材の重合部分をはさんで抵抗溶接する溶接電極の少なくとも先端部を電極キャップで包囲し、この包囲する電極キャップの被溶接材の当接部分に硬い硬質部を設けている。したがって、溶接時に被溶接材に当接して高い加圧力をかけるのが電極キャップであり、この電極キャップを換えるのみで種別を問わず広く多種の被溶接材が溶接できる。

また、溶接電極の先端はドレシングなどにより研摩、切断する必要がないため、溶接電極にドレシング代をとる必要がなく、冷却水の冷却通路を溶接電極の先端面まで形成でき、冷却効果を向上させることができる。

さらに、電極キャップを無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅から構成し、その被溶接材との当接部分を鍛造加工により加工硬化させて硬質部を構成してもその裏面からほぼ直接に近く水冷できるため、硬化の程度がほとんど戻ることがない。

さらに、溶接電極は必ずしも高価な析出硬化銅合金から構成する必要がなく、価格の安い無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅から構成することができ、その上、これら純銅に近い銅板は導電性および熱伝導性もすぐれるため、電流ロスを大巾に軽減できる。

なお、図１は本発明の一つの実施例に係るスポット溶接用溶接電極の説明図である。

図２は図１に示す溶接電極におけるその本体のチップ本体の一部を断面で示す正面図である。

図３は図１に示す溶接電極における電極キャップの一例の縦断面図である。

まず、図１において符号１００は本発明の一つの実施例に係る溶接電極であって、この溶接電極１００は一般的に上下一対を成し、これら溶接電極１００の間に被溶接材（図示せず）がはさまれて加圧通電することによってスポット溶接される。これら一対を成す溶接電極１００は略々同じ構造であって、所謂定置式といわれるものに取付けられる溶接電極としても構成できる。

すなわち、図１に示すとおり、溶接電極１００は、溶接チップ１０１がシャンク１０２に冷却水がもれないようにテ−パ１０３を介して結合され、シャンク１０２はテ−パ１０４を介してシャンクホルダ１０５に接続され、溶接時の使用頻度が増加したときに研摩、切断するために、溶接チップ１０１がテ−パ面１０３を介して結合できるように構成されている。しかし、本発明は後記のように切断や研摩などのドレシング処理の必要がないため、これらは一体に構成することもできる。

また、スポット溶接するに当って、上下に配置された溶接電極１００の間に鋼板やその他の金属板を重ね合わせた被溶接材（図示せず）をはさみ、重合部分を上下の溶接電極１００、１００によって両側から加圧通電してスポット溶接する。

次に、以上の通りに上下に配置された溶接電極１００、１００は通常同じ構造に構成され、各溶接電極１００にはチップ本体１１０が設けられ、このチップ本体１１０の先端部はそれに整合するよう包囲する電極キャップ１２０がはめ合わされている。すなわち、上下の各溶接電極１００は従来例の定置型スポット溶接機であっても、その溶接電極の先端部に電極キャップ１２０をはめ合わせ、これらが組み合わされて溶接電極１００が構成されている。

換言すると、チップ本体１１０として従来例のスポット溶接機、なかでも定置式といわれるスポット溶接機の溶接電極をそのまま用いることができる。

更にくわしく説明すると、スポット溶接すべき被溶接材には、上下の溶接電極１００、１００により必要な加圧力と溶接電流が伝達される。しかし、図１に示す溶接電極１００、１００は従来例のものと相違してチップ本体１１０に電極キャップ１２０を組み合わせて構成される。とくに、電極キャップ１２０を直接被溶接材に当接させて加圧通電させて溶接するもので、被溶接材や電極キャップ１２０との境界面に発生する熱を速やかににがしかつ高い加圧力に充分に耐えるよう構成する必要がある。

このため、溶接電極１００は、従来例のものと同様に、析出硬化型成分としてクロム１％程度含むクロム銅合金から構成することもできるが、このクロム銅合金より導電性や熱伝導性にすぐれる純銅に近い無酸素銅、タフピッチ銅、又はりん脱酸銅から構成できるところに特徴の一つがある。このようにチップ本体１１０そのものを純銅に近いものから構成すると、熱伝導性が全く損なわれることなくチップ本体１１０からの熱放散が促進され、冷却効果が十分に発揮できる。このため、後に示すとおり、電極キャップ１２０の底部を加工硬化することによって硬質部を設けて強化をはかっても、溶接時の加熱によってこの硬質部における加工硬化がほとんど消失することがない。

また、チップ本体１１０は、内部冷却方式をとるように構成することができる。例えば、図１や図２に示すように、シャンク１０２やチップ本体１１０の軸方向に冷却パイプ１１１を配置し、このパイプ１１１の先端から冷却水を噴射し、内面からチップ本体１１０の先端部を内部から冷却する構造に構成することができる。

このようにチップ本体１１０の内部に冷却パイプ１１１を設け、この冷却パイプ１１１の先端から噴射される冷却水は冷却後チップ本体１１０内の冷却パイプ１１１の外周の環状通路を経て戻るように構成することができ、途中に冷却器などを介在させると、チップ本体１１０に整合する電極キャップ１２０を冷却することができ、寿命を大巾に向上させることができる。

すなわち、このようにチップ本体１１０の内部から冷却水によって先端部が冷却されるように構成されるが、従来例のとおり、チップ本体１１０の先端を直接被溶接材に押付けて溶接すると、どうしても、つぎのとおりの障害があり、これが被溶接材として表面処理鋼板、アルミニウム材などを用いるときには、溶接電極の寿命が短くなり、大きな問題となる。

すなわち、チップ本体１１０の先端と被溶接材との当接又は接触により銅成分とこれとなじむ成分が互いに合金し、この合金層が溶接電極側に移行する。このため、溶接電極の先端、つまりチップ本体の先端が摩耗や消耗する。一方、被溶接材においては溶接部のナゲット径は減少し、形成されるナゲットの剪断強度や引張り強度が低下して好ましくない。とくに、この先端部の摩耗や消耗は溶接電極先端の中心部で大きくなり、先端形状は凹形になる。このような形状の溶接電極で加圧されても所望のナゲット径は得ることができず、このナゲット径の低下は剪断や引張りなどの強度の低下を招来する。

このようなところを除去するため、すでにのべたとおり、従来例の溶接電極では先端形状を切断又は研摩して（要するに、ドレシングして）、再度正規の形状に戻して溶接することが行なわれている。

しかしながら、研摩やドレシングを行なうことは溶接能率が低下させる。とくに、最近用いられている表面処理鋼板や、アルミニウム材になると、この研摩やドレシングの頻度が高くなり、ドレシングによる切断や研摩を行なうことを見込んで溶接電極の先端部は、ドレシング代をとる必要があってどうしても厚くなる。このため、冷却水の温度や流速を調整しても先端部の冷却が不十分になり、溶接電極先端部の摩耗や消耗などの問題が解決できない。

そこで、本発明に係る溶接電極１００ではチップ本体１１０と電極キャップ１２０とを組み合わせて構成し、従来ではドレシング代として残した部分を薄くして冷却効果を高めることができる。

また、チップ本体１１０に組み合わされる電極キャップ１２０を被溶接材に直接接触させ、直接接触する当接部分に硬質部１２１を設ける。電極キャップ１２０の硬質部１２１によって被溶接材に十分な加圧力が加えられるように構成する。

このようにチップ本体１１０に電極キャップ１２０を組み合わせた溶接電極１００であると、チップ本体１１０は、通常のスポット溶接機の溶接電極と同様に、クロムを１％程度含むクロム銅合金から構成することもできるが、直接被溶接物に接触して加圧することがないため、純銅に近い無酸素銅やタフピッチ銅、りん脱酸銅からも構成でき、電極としての導電率や熱伝導性を高めることができる。ちなみに、これら純銅に近いものの導電率を１００％すると、クロム銅合金の導電率は８０％程度であり、電流ロスを少なくできる。

一方において、電極キャップ１２０も銅を１％程度含む析出硬化型の銅合金板を深絞りして構成することもできるが、その成形性にある程度支障がある。しかし、電極キャップ１２０はその底部に硬質部１２１を設けるため、電極キャップ１２０は無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅板などを容器状に深絞りして構成し、その一部を局部的に鍛造などにより加工硬化させて硬質部１２１を構成することができる。

このように構成すると、ほとんど他の合金成分を含むことなく純銅に近い金属的性質、つまり、面心立方格子系金属としての特性をいかして絞り加工できるほか、高い導電率や熱伝導率が利用でき、さらに、底部に鍛造をくり返し与えることによって銅の加工硬化性がいちぢるしく高いことを利用して底部に硬質部１２１を形成することができる。

一般に、銅は電気抵抗が低く電流をよく通し、熱伝導率が銀に次いで高く、面心立方格子系金属として延ばし易く加工性にすぐれることが知られている。銅は加工硬化性がきわめて高く古来よりこれを利用した鋭い刃をもつ刃物も知られている。しかし、このような性質は、合金元素や不純物を含まない銅において最も高くあらわれ、合金成分などが含まれるとそれに応じて低下する。例えば、電気抵抗に対応して導電率をみると、ほとんど純銅に近い無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅などの導電率に較べると、１％程度のクロムしか含まないクロム銅のそれは８０％程度となり、他の成分、例えばベリウムを含む銅合金の導電率はさらに低下する。一方、加工性からみても、クロム銅は焼入れ、焼戻しによる析出硬化型の合金のため、軟化温度が５００℃前後のように高く高温に耐えられるが、クロムの添加によって加工性がやや劣化するし、加工硬化の程度、つまり加工硬化性も低減する。

これらのところから、電極キャップ１２０はタフピッチ銅、無酸素銅などのほとんど銅から成る板材を深絞りしその底部をさらにプレス圧延をくり返して加工硬化させ、硬度をいちぢるしく高めて底部を硬質部として形成する。このように硬質部を形成すると、ほとんど銅から成る無酸素銅やタフピッチ銅であると、その加工硬化率は鉄や鋼よりははるかに高く、アルミニウム材や、さらにクロム銅そのほかの銅合金より高いため、導電率や熱伝導率を損なわずに硬質部１２１を形成できる。さらに、電極キャップ１２０はチップ本体１１０の形状に整合する筒状体として構成され、とくに、筒状の側壁部１２２は絞り代が集約され、ある程度の延性、弾性（スプリングハック）が保持できるため、これを利用してチップ本体１１０に整合させて保持できる。

なお、以上のとおり、電極キャップ１２０の底部を加工硬化させて硬質部１２１を形成する場合、溶接時に加熱されて軟化され、硬質部１２１の加工硬化が失われ易い。

この点について本発明者らは実際にスポット溶接を行なって検討したところ、スポット溶接においては通電時間がきわめて短かく、冷却水量の調整によって冷却能を高めると、電極キャップ１２０の硬質部１２１を銅の再結晶温度（約２００℃）以上に高めても、この温度に維持されるのはきわめて短かく、再結晶速度が加工硬化に十分に打ち勝つことができる時間になることがなく、加工硬化が十分に維持できることが確かめられた。

また、加工硬化に関連して溶接時に電極キャップ１２０は高温で荷重を支持し加工硬化と焼なましの両作用をうける可能もあり、このクリ−プ挙動（高温においてひずみが応力と時間とに依存する現象）を配慮する必要がある。この点を配慮して電極キャップ１２０の寿命の基準を予め定めておき、この基準に達したときに新しく交換すれば十分である。

この電極キャップ交換における一応の目安とする判定基準は、つぎのとおりである。
（１）ナゲット径又は剪断強さが規定の値以下になるまで連続打点数、
（２）電極キャップの底面に電極キャップと被溶接材との合金層ができ、それが被溶接材の溶接部に転写されて溶接部の外観が損なわれる、ピックアップ現象が発生するまでの連続打点数、
（３）電極キャップが被溶接材に溶着してとれなく現象が起る前までの連続打点数、
である。

以上のとおり、本発明に係る溶接電極は広くスポット溶接の分野に利用できるもので溶接機としても定置式といわれるものはもちろん、産業上でも、自動車、電気製品のほか、所謂板金作業と称される分野にも用いることができる。

本発明の一つの実施例に係るスポット溶接用溶接電極の説明図である。 図１に示す溶接電極におけるその本体のチップ本体の一部を断面で示す正面図である。 図１に示す溶接電極における電極キャップの一例の縦断面図である。

符号の説明

１００ 溶接電極
１１０ チップ本体
１１１ 冷却パイプ
１２１ 硬質部

Claims (8)

1. 少なくとも２つの被溶接材の重合部分をはさみ加圧通電してスポット溶接する溶接電極においてこの溶接電極の先端部に整合し包囲する電極キャップを設け、この電極キャップにおける前記被溶接材との当接部分に硬い硬質部を設けてなることを特徴とするスポット溶接用溶接電極。
2. 前記電極キャップにおける前記硬質部をその裏面から水冷することを特徴とする請求項１記載のスポット溶接用溶接電極。
3. 前記電極キャップを無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅から構成することを特徴とする請求項１又は２記載のスポット溶接用溶接電極。
4. 前記電極キャップにおける前記硬質部を鍛造加工により加工硬化させた加工硬化部として構成することを特徴とする請求項１および３記載のスポット溶接用溶接電極。
5. 前記電極キャップにおける前記硬質部を析出硬化銅合金から構成することを特徴とする請求項１記載のスポット溶接用溶接電極。
6. 前記溶接電極を析出硬化銅合金から構成するとともに、前記電極キャップの少なくとも前記硬質部を冷却する冷却水の流通通路を設けることを特徴とする請求項１、２、４又は５記載のスポット溶接用溶接電極。
7. 前記電極を析出硬化銅合金から構成する一方、前記電極キャップを無酸素銅板、タフピッチ銅板またはりん脱酸銅から構成することを特徴とする請求項１又は２記載のスポット溶接用溶接電極。
8. 前記電極キャップを、無酸素銅板、タフピッチ銅板又はりん脱酸銅板を深絞りして筒状容器に成型し、この筒状容器の底部を鍛造加工により加工硬化させて前記硬質部を構成することを特徴とする請求項１記載のスポット溶接用溶接電極。
   

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