JP2016078036A

JP2016078036A - スポット溶接用電極

Info

Publication number: JP2016078036A
Application number: JP2014209076A
Authority: JP
Inventors: 修平小倉; Shuhei Ogura; 和幸尾楠; Kazuyuki Okusu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2016-05-16
Also published as: DE102015116665A1; CN105499778A; US20160101487A1; KR20160042787A

Abstract

【課題】本発明は、溶接の低電流化を可能にし、電極寿命が向上したスポット溶接用電極を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、銅合金及びタングステン焼結合金を含むスポット溶接用電極であって、被溶接物と接触する先端部分にタングステン焼結合金を有し、銅合金及びタングステン焼結合金が１つの平面のみで接合されており、電極の熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ〜１２０Ｗ／ｍＫであるスポット溶接用電極に関する。【選択図】図１

Description

本発明はスポット溶接用電極に関する。

自動車、航空機や鉄道等の組立てラインにおいては、抵抗溶接法の中でも作業効率の高いスポット溶接法が多用されている。スポット溶接法に用いられる電極は、高導電性、高熱伝導性、高強度及び高耐摩耗性を有する必要があり、また、連続的なスポット溶接に耐えるために、変形に耐え得る素材でなければならない。スポット溶接用電極としては、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ等の銅合金や、Ａｌ_２Ｏ_３等の硬質物質を分散させた銅材が用いられている。

また、２種以上の金属材料を組み合わせた複合材を用いたスポット溶接用電極も知られている。複合材を用いたスポット溶接用電極として、例えば、特許文献１には、銅系の金属によって構成された溶接電極の被溶接物と当接する部分に電気抵抗の高い金属を接合したことを特徴とする溶接電極が記載されている。特許文献１には、用いる金属の比率を調整することについては記載されていない。

また、特許文献２には、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる電極本体の被溶接材に当接する当接面に、Ｗを基材とする芯材を埋設した電極であって、前記芯材には、２ａ族元素、４ａ族元素、５ａ族元素、６ａ族元素、希土類元素の酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物から選ばれる少なくとも一種以上の化合物からなり融点が２４００℃以上で、平均粒子径が２μｍ以下の微粒子が、合計で０．５〜１０体積％分散されていることを特徴とするスポット溶接用電極が記載されている。

近年、自動車等を軽量化するために、アルミニウム材が用いられているが、アルミニウム材は鋼板に比べて導電率及び熱伝導率が高く、溶接に必要な電流が大きい。そのため、アルミニウム材をスポット溶接する場合、鋼板用の設備と異なる専用の設備が必要となるので、コスト面で不利であり、また、省エネルギーの観点からも不利であり、さらに、電極先端部の消耗が早いという問題があった。

また、特許文献２に記載される、電極本体に芯材が埋設されたスポット溶接用電極では、埋設された芯材が電極本体に３つの平面で接合されているため、溶接後の冷却過程において、埋設された芯材に引張り応力が加わりやすく、電極に疲労割れが生じ易いという問題があった。

特開平４−１７９８２号公報特開２００６−１０２７７５号公報

上記のように、従来のスポット溶接用電極では、アルミニウム材をスポット溶接する場合、溶接電流が高いためにコスト及びエネルギーの面で不利であり、また、溶接電極の消耗についても問題となっていた。また、従来のスポット溶接用電極では、その構造によっては、電極の耐久性に問題があり、電極を長寿命化することが望まれている。

それ故、本発明は、溶接の低電流化を可能にし、電極寿命が向上したスポット溶接用電極を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するための手段を種々検討した結果、銅合金及びタングステン焼結合金を含むスポット溶接用電極において、銅合金及びタングステン焼結合金を１つの平面のみで接合し、電極の熱伝導率を特定することにより、溶接の低電流化が可能となり、さらに、電極寿命が向上することを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）銅合金及びタングステン焼結合金を含むスポット溶接用電極であって、被溶接物と接触する先端部分にタングステン焼結合金を有し、銅合金及びタングステン焼結合金が１つの平面のみで接合されており、電極の熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ〜１２０Ｗ／ｍＫであるスポット溶接用電極。
（２）タングステン焼結合金の平均粒子径が３μｍ以下である（１）のスポット溶接用電極。

本発明により、溶接の低電流化を可能にし、電極寿命が向上したスポット溶接用電極を提供することが可能となる。

図１は本発明のスポット溶接用電極の断面図である。図２は比較例のスポット溶接用電極の断面図である。図３は実施例及び比較例のスポット溶接用電極の溶接評価の結果を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

本発明は、銅合金及びタングステン焼結合金を含むスポット溶接用電極に関する。

本発明のスポット溶接用電極に用いられる銅合金は、銅（Ｃｕ）を主成分として含む合金である。銅合金が含む銅以外の元素としては、特に限定されずに、例えば、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）及びベリリウム（Ｂｅ）等が挙げられるが、電極の変形を防止する観点から、銅合金は、好ましくはクロム及び／又はベリリウムを含む。銅合金は、銅以外の元素として、２種以上の上記の元素を含んでいてもよい。

本発明のスポット溶接用電極に用いられるタングステン焼結合金は、焼結法により製造されたタングステン（Ｗ）を主成分として含む合金である。タングステン焼結合金が含むタングステン以外の元素としては、特に限定されずに、例えば、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、トリウム（Ｔｈ）、炭素（Ｃ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ネオジム（Ｎｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、リチウム（Ｌｉ）、スカンジウム（Ｓｃ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びルテチウム（Ｌｕ）等が挙げられるが、タングステン焼結合金は、好ましくは炭素を含む。タングステン焼結合金は、タングステン以外の元素として、２種以上の上記の元素を含んでいてもよい。

タングステン焼結合金は、特に限定されずに、通常の焼結法によって得ることができ、例えば、タングステン及びタングステン以外の元素と、必要に応じて添加物の粉末を混合し、円柱状に冷間静水圧プレスした後、両端に電極を取り付けて水素ガス中で通電焼結を行う方法によって得ることができる。その後、得られた焼結体に熱間回転鍛造を施し、長さ方向に伸ばしつつ密度を高める。所望の径になった時点で回転鍛造を終了し、切断及び加工することによりタングステン焼結合金体を得ることができる。又は、別の例として、タングステン及びタングステン以外の元素と、必要に応じて添加物の粉末を混合後に柔軟性を有する密封容器に充填し、冷間静水圧プレスを行った後に、水素雰囲気中にて焼結を行い、その後に熱間静水圧プレスを行って焼結体を得る方法によっても得ることができる。

タングステン焼結合金の平均粒子径は、電極を長寿命化する観点から、好ましくは３μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以下であり、特に好ましくは０．５μｍ以下である。平均粒子径は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。

図１は本発明のスポット溶接用電極の断面図である。図１に示す通り、本発明のスポット溶接用電極１は、被溶接物と接触する先端部分にタングステン焼結合金２を有し、銅合金３とタングステン焼結合金２は１つの平面４のみで接合されている。本発明のスポット溶接用電極は、高温硬さが非常に高く、熱伝導率が低いタングステン焼結合金を電極の先端部分に有することにより、溶接されるアルミニウム材等の金属材を低電流かつチップ損耗が非常に少ない状態で溶接することができる。また、本発明のスポット溶接用電極は、銅合金とタングステン焼結合金が１つの平面のみで接合されていることにより、２つ以上の平面でこれらが接合されている電極において生じ易い割れが電極に発生しないため、電極寿命が長くなる。

本発明のスポット溶接用電極の熱伝導率は６０Ｗ／ｍＫ〜１２０Ｗ／ｍＫであり、好ましくは７０Ｗ／ｍＫ〜１００Ｗ／ｍＫである。本発明のスポット溶接用電極の熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上であると、電極が被溶接物と溶着することがなく、また、１２０Ｗ／ｍＫ以下であると溶接に必要な電流を低下させることができる。熱伝導率は、温度傾斜法、レーザーフラッシュ法又は熱線法等の測定方法によって特定することができる。

本発明のスポット溶接用電極の熱伝導率は、銅合金及びタングステン焼結合金の体積比を変更することにより、調整することができる。

本発明のスポット溶接用電極は、好ましくは、先端部分の被溶接物と接触する部位が角の無い連続曲面形状である。これにより、微小クラックが電極に生じることによって、電極が割れることを抑制することができる。

本発明のスポット溶接用電極は、例えば、シャンクを介して電極ホルダに取り付けて用いることができる。

本発明のスポット溶接用電極は、通常の方法によって製造することができ、例えば、銅合金の粉末を電極の先端部分の所定の型内に配置し、タングステン焼結合金の粉末を電極本体部分の所定の型内に配置し、加圧及び加熱下にて焼成することによって得ることができる。

本発明は、上記のスポット溶接用電極を用いて被溶接物を溶接する方法も含む。本発明の溶接方法では、上記のスポット溶接用電極を対向配置し、加圧通電することにより、抵抗発熱溶融させて重ねた被溶接物を接合する。

本発明の溶接方法に用いられる被溶接物としては、特に限定されずに、例えば、鋼板、アルミニウム合金材、銅合金材、ニッケル合金材等を挙げることができるが、好ましくは、亜鉛メッキ鋼板及びアルミニウム合金材が用いられる。被溶接物として、２種の異なる材料を用いてもよい。本発明のスポット溶接用電極をアルミニウム合金材の溶接に用いると、鋼板と同一の設備にて、低電流で溶接することができるため、コスト及びエネルギーの面で優れる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例）
図１のような構成でスポット溶接用電極１を作製した。銅合金としてクロム銅を用い、タングステン焼結合金として焼結炭化タングステン（平均粒子径３μｍ）を用いた。

得られたスポット溶接用電極の熱伝導率を温度傾斜法にて測定した。熱伝導率は７０Ｗ／ｍＫであった。

（比較例）
銅合金としてクロム銅を用い、図２のような構成でスポット溶接用電極５を作製した。得られたスポット溶接用電極の熱伝導率は３２０Ｗ／ｍＫであった。

（溶接評価）
実施例及び比較例のスポット溶接用電極を対向配置し、加圧力１００ｋｇｆ、通電時間６サイクルの条件にて、溶接電流値を変更して加圧通電してスポット溶接を行った。被溶接物として板厚１．２ｍｍのアルミニウム合金材を用いた。形成されたナゲット（被溶接物の溶融凝固部）径を測定することにより溶接強度を評価した。ナゲット径が大きいほど、溶接強度が大きい。結果を図３に示す。

図３より、実施例のスポット溶接用電極は、比較例のものと比べて、同一のナゲット径を得るために必要な溶接電流が、最大で約５０％低かったことが示された。また、実施例のスポット溶接用電極は、炭化タングステンに割れは発生していなかった。

本発明のスポット溶接用電極は、自動車、航空機、鉄道車両に用いる材料の溶接に用いることができる。

１：本発明のスポット溶接用電極
２：タングステン焼結合金
３：銅合金
４：接合平面
５：比較例のスポット溶接用電極

Claims

銅合金及びタングステン焼結合金を含むスポット溶接用電極であって、被溶接物と接触する先端部分にタングステン焼結合金を有し、銅合金及びタングステン焼結合金が１つの平面のみで接合されており、電極の熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ〜１２０Ｗ／ｍＫであるスポット溶接用電極。
タングステン焼結合金の平均粒子径が３μｍ以下である請求項１のスポット溶接用電極。