JP7256863B2 - 抵抗スポット溶接電極キャップ - Google Patents

Description

本発明は、抵抗スポット溶接分野に関し、より具体的には、２層または複数の層の金属ワークピースの間で抵抗スポット溶接を行う場合に使用される溶接電極キャップに関する。

地球温暖化やエネルギー枯渇の進展に伴い、自動車の排気ガスやエネルギー消費量はますます深刻化しており、実験によると、自動車の質量が半減すると、燃料消費量も半減することがわかった。環境保護と省エネの必要性から、自動車の軽量化は世界の自動車開発のトレンドとなっている。アルミニウム合金材料は、高強度、軽量、耐食性に優れ、さまざまな成形方法に適しているという利点があるため、鋼板溶接の代わりにアルミニウム合金を使用すると、構造重量を５０％以上削減でき、自動車の車体に広く使用されている。

現在、自動車製造におけるボディアルミニウム合金の連結方法は、主にリベッティングの機械的連結方法である。リベッティングは、コストが高く、プロセスが複雑であり、表面品質が低く、ボディの重量を増やす方法である。オールアルミニウムボディまたはハイブリッドボディには、通常、１５００本以上のリベットが必要である。抵抗スポット溶接は、ワークピース自体と抵抗熱を利用して材料を溶かし、連結を実現し、連結工程で充填材を必要としないため、生産効率が高く、自動化が容易であるため、前記方法は、エンジンフード、車のドアなどの部品のような車体製造に広く採用されている。自動車にアルミニウム合金を適用するに際し、自動車メーカーはアルミニウム合金を連結するために抵抗スポット溶接を引き続き使用することを期待している。

しかし、アルミニウム合金自体の物理的性質により、一般的なスポット溶接プロセスで溶接する場合、多くの問題がある。アルミニウム合金は電気伝導率と熱伝導率が高いため、スポット溶接では特に大きな電流と圧力が必要である。しかしながら、大電流と高い電極圧力を使用すると、アルミ合金の溶接には高い製造コストが必要となる。また、アルミ合金の成形温度範囲が狭いため、溶接時に申告なスパッタや内部欠陥、溶接変形の原因となる。表面に高抵抗の酸化皮膜が存在すると、スポット溶接プロセスでの溶接電極の摩耗が早くなり、電極寿命が短くなり、溶接点の強度が低下し、表面品質が低下する。

したがって、より高い溶接強度、より長い電極寿命、低コスト、およびより容易な促進を達成することができるアルミニウム合金の抵抗スポット溶接のための方法が必要とされる。

本発明は、アルミニウム合金抵抗スポット溶接が有する、大きな溶接電流、溶接スパッタや欠陥が深刻で、溶接強度が比較的低く、溶接品質が不安定で、電極寿命が短いといった問題を解決するために、溶接接触面の中心にへこみを有する電極キャップを提案する。

上記の問題を解決するために、本発明によって採用される一技術的解決策は、抵抗スポット溶接電極キャップであって、
円筒形をなす電極キャップ本体１と、
溶接面３１、円周３２、へこみ３３を有する接触面３と、ここでへこみ３３は接触面３の中央に位置し、その上部縁は溶接面３１に連結され、円周３２は溶接面３１の外径であり、
電極キャップ本体１から接触面３への遷移領域であり、その形状が弧面または錐面である側面２とを含み、
側面２の上部表面および下部表面はそれぞれ接触面３および電極キャップ本体１の他端に弧面または面取りの形態で連結される、前記抵抗スポット溶接電極キャップを提供する。

別の好ましい実施例では、へこみ３３の形状は全体として弧面であり、または底部は平坦面で、溶接面３１との連結部分は弧面または錐面で遷移し、または中央は弧状のボスで、溶接面３１との連結部分は弧面または錐面で遷移した。
別の好ましい実施例では、へこみの形状は球面であり、その外径は２～１５ｍｍであり、好ましくは２～１０ｍｍである。
別の好ましい実施例では、へこみ３３と溶接面３１は、円弧または面取りによって連結される。
別の好ましい実施例では、側面２と溶接面３１および電極キャップ本体１は円弧または面取りによって連結される。
別の好ましい実施例では、側面２が弧面である場合、弧面の曲率半径は、電極キャップ本体１の円周半径以上である。

別の好ましい実施例では、側面２が錐面である場合、錐面の傾斜角は０～９０°であり、好ましくは１０～８０°である。
別の好ましい実施例では、へこみ３３の深さｈは０.１～２ｍｍであり、またはより好ましくは、０.１～１.２ｍｍである。
別の好ましい実施例では、へこみ３３の弧面の曲率半径は１～５０ｍｍであり、へこみ底部が平坦面である場合、平坦面は半径が０.１～１０ｍｍの円である。
別の好ましい実施例では、溶接面３１は環状平坦面であり、または球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、または球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、または上向きに突出された環状弧面である。
別の好ましい実施例では、溶接面３１が環状平坦面である場合、その外径は２～３０ｍｍの範囲であり、好ましくは６～２０ｍｍである。
別の好ましい実施例では、溶接面３１が環状球面である場合、溶接面３１が位置される球の半径は１０～１００ｍｍである。

別の好ましい実施例では、溶接面３１が上向きに突出された環状弧面である場合、弧の曲率半径は１～１０ｍｍであり、弧面の最高点と最低点が位置される平坦面の垂直距離は０.１～５ｍｍである。
別の好ましい実施例では、抵抗スポット溶接電極キャップは、溶接面３１またはへこみ３３に位置される環状***４をさらに含み、環状***の断面形状は直線または曲線または直線と曲線の組み合わせである。
別の好ましい実施例では、抵抗スポット溶接電極キャップは、隣接する２つの環状***４の間に形成された溝４３をさらに含む。
別の好ましい実施例では、環状***４の突出高さＨは２０～５００ｕｍである。
別の好ましい実施例では、環状***４の数は０～５である。
別の好ましい実施例では、隣接する２つの環状***４の間の距離は５０～２０００ｕｍである。

本発明の範囲内で、本発明の上記の技術的特徴および以下（例えば、実施例）に具体的に説明する各技術的特徴を互いに組み合わせて、新規または好ましい技術的解決手段を形成することができることを理解されたい。スペースの制限のため、ここでは繰り返さない。

本発明のメカニズムは、以下のとおりである：２層の金属ワークピースの溶接を例として、中央にくぼみを有する溶接面の圧力および電流の作用下で、２層の金属ワークピース外側が最初に接触し、接触された環状電極の影響を受ける一部の領域は抵抗熱を発生し、環状溶融池を形成し、溶接時間の延長と中央領域の接触が緩やかになると、熱伝導作用により環状溶融池が中心に向かって成長する。へこみに対応する２つの金属ワークピースの中心領域の面積（溶接点の内側）が小さく、電極キャップと接触していないため、熱は外側に集中し、接触領域の金属材料が溶けて変形すると、電極中央のくぼみに向かって圧迫、膨張し、中央に新たな接触面が発生し、新たな接触面に抵抗熱が発生し、環状溶融池が環状中心に向かって成長し、へこみに対応する２つの金属材料の接触部分がナゲットを形成し、溶接が完了する。

へこみの存在により本発明の電極キャップと溶接する金属ワークピースの初期の接触面積が減少し、全体的な発熱が溶接点の外輪に集中し、熱放散が遅くなり、溶接が進むにつれて、接触面積が大きくなり、熱放散が速くなるので、普通の電極キャップと比較して、同じ大きさの溶接点を形成するために必要な溶接電流が減少し、電力コストが節約され、電極の寿命が向上される。なお、最初に環状溶融池が形成されるため、中央のへこみが存在すると、環状溶融池が外側から内側に向かって成長し、普通の電極キャップ溶融池が内側から外側に向かって成長するのとは逆に、可塑性となった金属材料は、圧力と電流の作用下で電極中央のへこみ領域に向かって圧迫され、溶接点の端での気孔、スパッタの発生、および溶接変形を回避するのに役立ち、それによってナゲットの直径を大きくし、溶接点の強度を向上させる。

環状***が存在すると、環状***は接触中にアルミニウム合金の表面の酸化膜を貫通することができ、それによって接触抵抗を減少し、接触面積を増大し、熱放散を高め、それによって電極溶接面とアルミニウム合金プレートの接触面の熱を減少することにより、電極の寿命を向上させる。

図１は、接触面の中央にへこみを有する１つの電極キャップの模式図を示す。 図２は、図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３は、溶接面が環状平坦面であり、へこみが球面である図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図４は、溶接面が環状平坦面であり、へこみ底部が平坦面で、溶接面とは弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図５は、溶接面が環状平坦面であり、へこみの中央が弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図６は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみが球面である図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。

図７は、溶接面は球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図８は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみの中央が弧状のボスで、溶接面との連結部分は弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図９は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみが球面である図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図１０は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみ底部が平坦面で、溶接面とは弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図１１は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみの中央が弧状のボスで、溶接面との連結部分は弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。

図１２は、溶接面が上向きに突出された環状弧面であり、へこみが球面である図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図１３は、溶接面が上向きに突出された環状弧面であり、へこみ底部が平坦面で、溶接面とは弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図１４は、溶接面が上向きに突出された環状弧面であり、へこみの中央が弧状のボスで、溶接面との連結部分は弧面で遷移した図１のＡ－Ａ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図１５は、接触面の中央にへこみを有し、溶接面に環状***を有する１つの電極キャップの模式図を示す。 図１６は、図１５の電極キャップの溶接面の領域拡大図を示す。 図１７は、図１５のＢ－Ｂ断面の部分断面図の１つの実施例を示す。 図１８は、図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の別の実施例を示す。 図１９は、両側は直線で、最上部は両側直線に接する円弧である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。

図２０は、両側は対称的な曲線で、最上部は両側曲線に接する円弧である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２１は、最上部と両側の両方が直線である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２２は、両側は直線で、最上部は両側直線と交差する円弧である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２３は、両側は異なる曲線で、最上部は両側曲線と連結された曲線である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２４は、両側は対称的な曲線で、最上部は直線である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２５は、一側は直線で、他側は曲線で、最上部は曲線または直線である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。

図２６は、横断面全体が弧状である環状***の横断面形状の１つの実施例を示す。 図２７は、溶接面３１が環状平坦面であり、へこみ３３が球面である場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図２８は、溶接面が環状平坦面であり、へこみが球面である場合、環状***が溶接面とへこみの両方に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図２９は、溶接面が環状平坦面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移する場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。

図３０は、溶接面が環状平坦面であり、へこみの中央は弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移する場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３１は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみが球面である場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３２は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移する場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。

図３３は、溶接面が球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみの中央は弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移する場合、環状***が溶接面に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３４は、溶接面が上向きに突出された環状弧面であり、へこみが球面である場合、環状***が溶接面とへこみの両方に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３５は、溶接面が上向きに突出された環状弧面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移する場合、環状***が溶接面とへこみの両方に位置する図１５のＢ－Ｂ断面の断面図の１つの実施例を示す。 図３６は、金属ワークピース抵抗スポット溶接で溶接する時の全体側面図を示す。

図３７は、本発明の電極キャップの溶接面に環状***設置されていない場合、本発明を使用して溶接した時の溶接初期の１つの横断面模式図を示す。 図３８は、本発明の電極キャップの溶接面に環状***が設置された場合、本発明を使用して溶接した時の溶接初期の１つの横断面模式図を示す。 図３９は、普通の電極キャップを使用して２つの２ｍｍの５１８２－Ｏアルミニウム合金に抵抗スポット溶接した後の溶接点の断面形状を示す。 図４０は、本発明の実施例１の電極キャップを使用して２つの２ｍｍの５１８２－Ｏアルミニウム合金に抵抗スポット溶接した後の溶接点の断面形状を示す。

１－電極キャップ本体、１１－電極取り付けチャネル、１２－電極キャップ本体円周、２－側面、３－接触面、３１－溶接面、３２－円周、４－環状***、４１－実施例２の１つの環状***、４２－実施例２の別の環状***、４３－溝、４４－環状***横断面、４５－環状***４１側面に位置する点、４６－環状***４２側面に位置する点、５－溶接ガン、５１－第１の溶接ガンアーム、５２－第２の溶接ガンアーム、５３－第１の溶接電極キャップ、５４－第２の溶接電極キャップ、６，７－溶接ワークピース、８－溶接ワークピース６および７溶接ナゲットゾーン、９－ナゲット、－円周１２の直径、－円周３２の直径、－へこみが球面である場合の外径サイズ、－隣接する２つの環状***の間の距離、－環状***の幅、ｈ－へこみの深さ、Ｈ－環状***突出の高さ。

広範囲にわたる綿密な調査の結果、本発明者らは、多数の実験を通じて、アルミニウム合金の抵抗スポット溶接のための大きな溶接電流を必要とし、溶接スパッタが深刻で溶接強度が比較的低い、電極寿命が短いなどの問題を解決することができる接触面の中央にへこみを有する電極キャップを発見し、本発明はこれに基づいて完成した。
本発明は、具体的な実施例と併せて以下でさらに説明される。これらの実施例は、本発明を説明するためにのみ使用され、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。また、図面は模式図であるため、本発明の装置及び設備は、前記模式図のサイズまたは比率によって制限されない。

この特許の特許請求の範囲および明細書において、第１および第２などの関係用語は、あるエンティティまたは操作を別のエンティティまたは操作から区別するためにのみ使用され、これらのエンティティまたは操作間のそのような実際の関係または順序を必ずしも必要としないことに留意されたい。なお、用語「含む」、「包含」またはその任意の他の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図しているので、一連の要素を含むプロセス、方法、物品、またはデバイスは、それらの要素だけでなく、明示的にリストされていない他の要素も含まれ、またはこのプロセス、方法、物品、またはデバイスに固有の要素も含まれる。これ以上の制限がない場合、「１つを含む」というフレーズで定義される要素は、その要素を含むプロセス、方法、物品、またはデバイス内に他の同じ要素が存在することを除外しない。

実施例１
図１～２に示されたように、本実施例の抵抗スポット溶接電極キャップは、おおよそ円筒形をなす電極キャップ本体１と、および電極と溶接金属材料の接触面３とを含む。本体１の一端には電極取り付けチャネル１１が備えられ、他端には円周１２が備えられる。接触面３は、溶接面３１、円周３２、へこみ３３を含む。前記へこみ３３は、接触面３の中央領域に位置する。前記電極キャップは、側面２をさらに含み、側面２は本体１の円周１２が接触面３の円周３２に遷移する遷移領域であり、側面２の形状は弧面であり、側面２は円錐であってもよいことに留意されたい。側面２が弧面である場合、弧面の曲率半径は電極キャップ本体１の円周半径以上であり、側面２が錐面である場合、錐面の傾斜角は０～９０°であり、好ましくは、１０～８０°である。側面２の上面はへこみと接触する部位であり、下面は本体１と接触する部位である。説明すべきのは、円周１２の直径と円周３２の直径が同じである場合、側面２は電極キャップ本体１の一部となる。ここで説明すべきのは、円周１２の直径は電極キャップ本体１の直径であり、円周１２の半径は電極キャップ本体１の半径である。側面２はまた、他の適切な形状を有することができる。

前記本体１の一端は、抵抗スポット溶接時に、抵抗スポット溶接機に連結される一端を指し、他端は、溶接ワークピース接触面に近い一端を指す。
別の好ましい実施例では、電極取り付けチャネル１１の形状は、切頭円錐形または円筒形であり、電極取り付けチャネル１１の形状はまたは、他の適切な形状であることができる。

前記円周３２と円周１２は平行であり、円周３２は、円周１２が本体１に垂直した軸線に沿って上向きに平行移動した後に直径のサイズが変化した円周であり、円周３２の円心と円周１２の円心の連結線は本体１の軸線を一致し、円周３２の直径は円周１２の直径以下であることを理解できる。

へこみ３３は、接触面３の中央に掘られた特定の形状の穴として理解することができ、前記へこみ３３の形状は弧面であり、または中央は平坦面で、環状溶接面３１との接触部分は弧面であり、または中央は弧状のボスであり、溶接面３１との接触部分は弧面である。へこみ３３の深さは０.１～２ｍｍであり、好ましくは、０.１～１.２ｍｍである。ここでのへこみ３３の深さは、へこみ３３上部が溶接面３１と接触する縁が位置する平坦面からへこみ３３最も底部が位置する平坦面の垂直距離である。

別の好ましい実施例では、へこみ３３の形状は球面であり、へこみ３３の形状が球面である場合、その外径は２～１５ｍｍであり、好ましくは、４～１２ｍｍである。
前記溶接面３１は環状平坦面であり、または球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、または球の中心と電極キャップが反対側である環状球面であり、または上向きに突出された環状弧面である。
前記球の中心と電極キャップ本体が同じ側、および球の中心と電極キャップ本体が反対側であるとは、溶接面３１を臨界面とし、球の中心が電極キャップ本体１に近づく方向が電極キャップ本体の同じ側の方向であり、球の中心が電極キャップ本体１から離れる方向が電極キャップ本体の反対側の方向を指す。

溶接面３１が環状平坦面である場合、その外径範囲、すなわち円周３２の直径は２～３０ｍｍであり、好ましくは５～２０ｍｍであり、溶接面３１が環状球面である場合、溶接面３１が位置する球の半径は１０～１００ｍｍであり、溶接面３１が上向きに突出された環状弧面である場合、弧の曲率半径は１～１０ｍｍであり、弧面の最高点と最低点が位置する平坦面の垂直距離は０.１～５ｍｍである。

図３～１４は、溶接面３１とへこみ３３の形状を組み合わせた場合の図１のＡ－Ａ断面の断面図の各実施例を示した。図１のＡ－Ａ断面の断面図は、以下のいずれの組み合わせでもよい。例えば、溶接面は環状平坦面であり、へこみは球面（図３）または溶接面は環状平坦面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移（図４）または溶接面は環状平坦面であり、へこみの中央は弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移（図５）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみは球面（図６）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移（図７）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、へこみの中央は弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移（図８）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみは球面（図９）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移（図１０）または溶接面は球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、へこみの中央は弧状のボス、溶接面との連結部分が弧面で遷移（図１１）または溶接面は上向きに突出された環状弧面であり、へこみは球面（図１２）または溶接面は上向きに突出された環状弧面であり、へこみ底部は平坦面で、溶接面とは弧面で遷移（図１３）または溶接面は上向きに突出された環状弧面であり、へこみの中央は弧状のボスで、溶接面との連結部分が弧面で遷移（図１４）の形状であることができる。

注意すべきのは、本発明の電極キャップは、任意の導電性および熱伝導性材料で作ることができ、例えば、銅クロム（ＣｕＣｒ）合金、銅クロムジルコニウム（ＣｕＣｒＺｒ）合金、アルミナ粒子を含む銅を含む銅合金、電極材料として使用できる他のさまざまな銅合金で作ることができ、前記アルミニウム合金は、変形アルミニウム合金または鋳造アルミニウム合金を含み、アルミニウム－マグネシウム合金、アルミニウム－シリコン合金、アルミニウム－マグネシウム－シリコン合金、アルミニウム－亜鉛合金、およびアルミニウム－銅合金などのアルミニウム合金のようなコーティングまたは非コーティング表面を有するアルミニウム合金基板を含む。また、その材料状態は、アニーリング、ひずみ強化、固液強化などのさまざまな焼き戻しを含む。アルミニウム基板の厚さは、一般に０.３ｍｍから６.０ｍｍの間、好ましくは０.５ｍｍから３.０ｍｍの間である。

実施例２
本実施例の抵抗スポット溶接電極キャップは実施例１と類似するが、異なるのは本実施例の溶接面３１またはへこみ３３は、図１５～１６に示したように、突出された環状***４を有し、隣接する２つの環状***の間では溝４３が形成される。前記環状***４は、横断面４４として特定の形状である平坦面を、電極キャップの中心軸を中心に１周回転して形成された環状構造として理解でき、ここで横断面４４の下部は溶接面３１と接触し、全体の横断面４４は溶接面３１と垂直する。前記電極キャップの中心軸は円周１２の円心を通過し、円周１２に垂直した直線である。注意すべきのは、前記環状***の数は２つに限定されず、必要に応じて１つまたは複数であり得る。

図１７～１８に示したように、前記突出した環状***４は溶接面３１で図１７および図１８に示されたような２つの突出方法があり、溶接面３１に対する前記環状***４の突出された高さＨは２０～５００ｕｍであり得る。ここでの突出された高さとは、溶接面３１またはへこみ表面に垂直した方向における環状***４下部から最上部までの垂直距離Ｈを指す。２つの隣接する環状***の間の間隔によって形成される溝４３の幅、すなわち２つの環状***の間の距離は５０～３０００ｕｍである。ここでの隣接する２つの環状***の間の溝４３の幅とは、環状***を有する電極キャップの部分断面図が図１７に示したように、２つの隣接する環状***４１、環状***４２にそれぞれ位置する２つの点４５と４点６との間の距離であり、点４５と点４６は環状***４１と環状***４２の隣接する２つの側面に位置し、２つの点の間の連結線は溶接面３１に平行する。環状***の幅は２００～３０００μｍであり得、またはより好ましくは５００～２０００μｍである。ここでの環状***の幅とは、同じ環状***の２つの側面の２つの点の間の距離を指し、前記２つの点は環状***の同じ横断面に位置する。説明すべきのは、環状***の数が３以上である場合、隣接する２つの環状***の間の溝幅は同じであっても異なっていてもよく、各環状***の幅は同じであっても異なっていてもよい。

図１９～２６に示したように、環状***横断面４４の可能な形状と構造（ａは横断面の下部、ｂは横断面の最上部、ｃは横断面の両側を表す）が示されており、横断面４４の形状は以下の構造であり得る：両側は直線で、最上部は両側直線と接する円弧（図１９）または両側は対称的な曲線で、最上部は両側曲線と接する円弧（図２０）または最上部および両側の両方は直線（図２１）または両側は直線で、最上部は両側直線と交差する円弧（図２２）または両側は異なる曲線で、最上部は両側曲線に連結する曲線（図２３）または両側は対称的な曲線で、最上部は直線（図２４）または一側は直線で、他側は曲線で、最上部は曲線または直線（図２５）または全体の横断面はが半円形（図２６）である。注意すべきことは、上記の環状***の横断面構造は、いくつかの好ましい構造にすぎず、環状***の断面形状に適した他の構造も使用できることである。

図２７～３５に示したように、溶接面３１とへこみ３３の形状が異なる場合、環状***が溶接面３１とへこみ３３に位置する状況を示し、説明すべきことは、図は、環状***が溶接面とへこみでのいくつかの好ましい位置のみを示し、環状***は溶接面３１のみ、またはへこみ３３のみ、または溶接面３１およびへこみ３３の両方に位置することができ、溶接面３１およびへこみ３３に位置される環状***の数は使用状況に応じてランダムに選択できるということである。

実施例３
本実施例は、本発明電極キャップ溶接アルミニウム合金ワークピースの装置およびプロセスを開示し、図３６に示したように、５は第１のアルミニウム合金ワークピース６および第２のアルミニウム合金ワークピース７を連結するための抵抗スポット溶接に使用できる溶接位置８の溶接ガンであり、溶接ガン５は、第１の溶接ガンアーム５１、第２の溶接ガンアーム５２、第１の溶接電極キャップ５３および第２の溶接電極キャップ５４を含む。第１のアルミニウム合金ワークピース６および第２のアルミニウム合金ワークピース７は、アルミニウム－マグネシウム合金、アルミニウム－シリコン合金、アルミニウム－マグネシウム－シリコン合金、またはアルミニウム－銅合金などのアルミニウム合金で構成され、アルミニウム合金ワークピースの厚さは０.５～３ｍｍである。より好ましくは、アルミニウム合金ワークピースは厚さ２.０ｍｍの５１８２－Ｏアルミニウム合金であり得る。溶接時に、アルミニウム合金ワークピースは、２つ（例えば、６と７のみ）であっても、２つ以上の組み合わせであってもよく、各アルミニウム合金ワークピースの厚さは同じであっても異なってもよい。説明すべきことは、本明細書で使用される用語「ワークピース」とは、金属シート層、突起部、鋳造物および抵抗スポット溶接できる他のアルミニウム合金部品または鋼およびマグネシウム合金ワークピースを指すということである。溶接ガンアーム５１、５２は通常、より大きな自動溶接操作の一部であり、一般にＣタイプ、Ｘタイプ、およびその他のタイプの構造形状を含み、通常、当技術分野でよく理解されているロボットまたは自動コンポーネントによって実現される。

第１の溶接ガンアーム５１および第２の溶接ガンアーム５２には、実施例１および実施例２に記載されたように取り付けられた第１の溶接電極キャップ５３および第２の溶接電極キャップ５４を備えている。スポット溶接時に、電極キャップ５３、５４がワークピース６、７に精密に張り付けるように、溶接ガンアームは操作され、溶接ガンアームおよび電極キャップを介してやつ力及び電流を伝導し、ワークピース６、７の張り合い部位８を溶融し、スポット溶接継手が形成されるようにする。２つの電極キャップ５３、５４は、実施例１および実施例２に記載の様々な構造を有し得、５３および５４の構造は、同じであっても異なってもよい。

図３７は、本発明の実施例１の電極キャップを使用して溶接する時の溶接初期の１つの横断面模式図を示す。電極５３、５４は、同じ構造サイズを有し、溶接時に溶接ガンは溶接面３１を介して圧力及び電流を伝導し、２層の金属材料６、７の接触部分が環状電極作用を受ける領域は抵抗熱を発生し、それによりナゲット９を形成し、次いで環状溶融池を形成する。２層の金属ワークピースの外側が最初に接触し、接触部分が環状電極作用を受ける領域は抵抗熱を発生し、それに環状溶融池を形成し、溶接時間の延長と中央領域の緩やかな接触により、環状溶融池は熱伝導の作用で中央に向かって成長し、へこみに対応する２つの金属ワークピースの中央領域の面積（溶接点の内側）が比較的に小さく、電極キャップに接触していないため、熱は外側に集中し、接触領域の金属材料の溶融と塑性変形により、電極中央のくぼみに向けて押して展開し、次に中央に新しい接触面が生成され、新しい接触面に抵抗熱が発生してリングになり、溶融池はリングの中心に向かって成長し、新しい接触面に抵抗熱が発生して、環状溶融池が環状中央に向かって成長し、次にへこみに対応する２つの金属材料の接触部分がナゲットを形成するようにし、溶接を完了した。へこみの存在により、本発明の電極キャップは金属ワークピースとの初期接触面積が減少し、全体の発熱が集中し、熱放散が遅くなり、溶接が進むにつれて、接触面積が大きくなり、熱放散が速くなる。したがって、普通の電極キャップと比較して、同じサイズの溶接点を形成するために必要な溶接電流が減少し、電力コストが節約され、電極の寿命が向上される。なお、最初に環状溶融池が形成されるため、中央のへこみが存在すると、環状溶融池が外側から内側に向かって成長し、普通の電極キャップ溶融池が内側から外側に向かって成長するのとは逆に、可塑性となった金属材料は、圧力と電流の作用下で電極中央のへこみ領域に向かって圧迫され、溶接点の端での気孔、スパッタの発生、および溶接変形を回避するのに役立ち、それによってナゲットの直径を大きくし、溶接点の強度を向上させる。

環状***が存在する場合、接触時に、環状***は可以刺破アルミニウム合金表面の酸化膜を貫通することができ、それによって接触抵抗を減少し、接触面積を増大し、熱放散を高め、それによって電極溶接面とアルミニウム合金プレートの接触面の熱を減少することにより、電極の寿命を向上させる。
図３８は、本発明の実施例２の電極キャップを使用して溶接した時の溶接初期の１つの横断面模式図を示す。溶接原理は、図３７の溶接原理と類する。

実施例４
図３９は、普通の電極キャップを使用して、２つの２ｍｍ颯佐の５１８２－Ｏアルミニウム合金に抵抗スポット溶接した後の溶接点の断面形状を示す。図から分かるように、ナゲットの直径はわずか６.０８ｍｍであり、内部に明らかな収縮欠陥が存在し、スパッタが深刻で、エッジ溶接変形が大きく、これにより、溶接点強度の低下をもたらした。

実施例５
図４０は、本発明の実施例１の電極キャップを使用し、かつ実施例３の溶接装置および溶接原理を採用して２つの２ｍｍ厚さの５１８２－Ｏアルミニウム合金に抵抗スポット溶接した後の２つのアルミニウム合金溶接点の断面形状を示す。図から分かるように、ナゲットの直径は８.２３ｍｍに達し、内部に明らかな溶接欠陥がなく、スパッタが発生せず、溶接点のエッジに明らかな変形がなく、これにより、溶接点の強度が大幅に向上した。

本発明は、好ましい実施例において上記のように開示されたが、本発明を限定することを意図するものではない。当技術分野の当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な同等の変更または置換を行うことができ、すべてが本発明の保護範囲に属する。したがって、本発明の保護範囲は、本出願の添付の特許請求の範囲によって定義される範囲に従うものとする。

Claims (6)

1. 溶接点の端での気孔、スパッタの発生、および溶接変形を回避するために用い、およびナゲットの直径を大きくし、溶接点の強度を向上させるための抵抗スポット溶接電極キャップであって、
   第１の抵抗スポット溶接電極キャップと第２の抵抗スポット溶接電極キャップとを含み、溶接のあいだ、第１の抵抗スポット溶接電極キャップの接触面と第２の抵抗スポット溶接電極キャップの接触面とがそれぞれ２層以上の金属ワークピースと接触し、２層以上の金属ワークピースはアルミニウム合金ワークピースであり、
   前記第１の抵抗スポット溶接電極キャップおよび前記第２の抵抗スポット溶接電極キャップは、いずれも
   円筒形をなす電極キャップ本体（１）と、
   溶接面（３１）、円周（３２）、へこみ（３３）を有する接触面（３）と、ここでへこみ（３３）は接触面（３）の中央に位置し、へこみ（３３）の上部縁は溶接面（３１）に連結され、円周（３２）は溶接面（３１）の外径であり、へこみ（３３）の深さｈは０.１～２ｍｍであり、へこみ（３３）が全体として弧面である場合、へこみ（３３）弧面の曲率半径は１～５０ｍｍであり、へこみ底部が平坦面である場合、平坦面は半径が０.１～１０ｍｍの円である、
   電極キャップ本体（１）から接触面（３）への遷移領域であり、その形状が弧面または錐面である側面（２）と、ここで側面（２）の上部表面および下部表面はそれぞれ接触面（３）および電極キャップ本体（１）のひとつの端部に弧面または面取りの形態で連結され、
   溶接面（３１）またはへこみ（３３）に位置された環状***（４）と、ここで環状***（４）の断面形状は直線または曲線または直線と曲線の組み合わせであり、環状***（４）の突出高さＨが２０～５００μｍであり、環状***の幅は５００～２０００μｍであり、環状***（４）の数が２－５であり、
   隣接する２つの環状***（４）の間に形成された溝（４３）であって溝（４３）の幅は５０～３０００μｍである前記溝と
   を含み、
   二層金属ワークを溶接する場合、溶接面（３１）の加圧力と電流の作用で、まず二層金属ワークの外側が接触して環状溶融池を形成し、接触部分の金属材料の溶融と塑性変形で、環状溶融池は抵抗スポット溶接電極キャップのへこみ（３３）まで拡大し、外側から内側に向けて環状溶融池が成長することを特徴とする、前記抵抗スポット溶接電極キャップ。
2. へこみ（３３）の形状は全体として弧面であり、または底部は平坦面で、溶接面（３１）との連結部分は弧面または錐面で遷移し、または中央は弧状のボスで、溶接面（３１）との連結部分は弧面または錐面で遷移していることを特徴とする
   請求項１に記載の抵抗スポット溶接電極キャップ。
3. 溶接面（３１）は環状平坦面であり、または球の中心と電極キャップ本体が同じ側である環状球面であり、または球の中心と電極キャップ本体が反対側である環状球面であり、または上向きに突出された環状弧面であることを特徴とする
   請求項１に記載の抵抗スポット溶接電極キャップ。
4. 請求項１に記載の抵抗スポット溶接電極キャップであって、２層の金属ワークピースの抵抗スポット溶接中に、電極キャップが外側から内側に向かって成長する環状溶融池を形成することによってナゲットを形成する前記抵抗スポット溶接電極キャップ
5. 抵抗スポット溶接方法であって、
   （ａ）第１のおよび第２のアルミニウム合金ワークピースを提供するステップと、
   （ｂ）第１の溶接電極キャップおよび第２の溶接電極キャップが、それぞれ第１のアルミニウム合金ワークピースおよび第２のアルミニウム合金に接触するようにそれぞれの溶接ガンアームを操作するステップと、
   （ｃ）第１のおよび第２のワークピースの接触箇所が溶融しスポット溶接継手を形成するように、溶接ガンアームおよび第１および第２の電極キャップを介して圧力および電流を加えるステップとを含み、
   第１の溶接電極キャップおよび／または第２の溶接電極キャップは請求項１に記載の抵抗スポット溶接電極キャップである、前記抵抗スポット溶接方法。
6. （ｃ）のステップにおいて、アルミニウム合金ワークピースの抵抗スポット溶接中に、電極キャップが外側から内側に向かって成長する環状溶融池を形成することによってナゲットを形成する、請求項５に記載の方法。

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