JP4683896B2 - スポット溶接用電極 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接に用いる電極に関する。

従来から、自動車や家電製品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。そして、大量生産ラインでは、連続的にスポット溶接が実施されている。このため、スポット溶接用の電極は、高熱，高負荷を繰り返し受ける状況下にあり変形しやすいので、その素材としては変形に耐え得るものでなければならない。しかも、抵抗溶接用電極の本来の必要条件である、高電気伝導度，高熱伝導性及び高強度，高耐摩耗性を備えていることが要求される。このような背景のもと、スポット溶接用電極としてはＣｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ等のＣｕ合金や、Ａｌ₂Ｏ₃等の硬質物質を分散させたＣｕ材が用いられている。熱伝導特性や強度、コスト等の総合的な観点から、Ｃｕ−Ｃｒ合金が用いられる場合が多い。

また一方で、耐久性向上のために自動車や家電製品等の素材として、ＺｎめっきまたはＺｎ合金めっきが施されためっき鋼板が多く使用されるようになっている。これらのめっき鋼板をスポット溶接する際には、冷延鋼板をスポット溶接する際と比較して、大電流を流すことになるため、電極先端部がさらに過酷な条件下におかれることになる。溶接中の電極先端では、めっき層の成分であるＺｎやＡｌ、或いはめっき鋼板の母材成分であるＦｅと電極の主成分であるＣｕとが合金化反応を起こし、Ｃｕ−ＺｎやＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ−Ｆｅ等の金属間化合物を形成してしまう。これらの金属間化合物は非常に脆いため、溶接時の加圧で剥離してしまい、結果として電極先端径が拡大して電流密度が低下することになる。このように、めっき鋼板の溶接では、普通鋼やステンレス鋼などの冷延鋼板を溶接する場合と比較すると、電極寿命が短いという欠点がある。
また、Ａｌ材は従来より難溶接材料として知られている。熱伝導性がよいために、溶融状態を保つことが難しいために、急激に温度を上げて溶融状態とし、一気に加圧してスポット溶接する必要がある。このために溶接電流を高くする必要があり、それに伴う温度上昇により、電極材料は被溶接材料と化学反応を起こして酸化物や合金を作り易くなって、電極とＡｌ板の溶着が起こり易くなる。
そこで、電極の高寿命化を狙って、電極本体をＷ−Ｍｏ合金、或いは各種ドープ剤を添加したＷ−Ｍｏ合金材料で構成したものや、電極先端中央部に埋め込んだ材料とその周囲の材料とが異なる二重構造の電極等が提案されている。

特許文献１に、酸化物，窒化物，金属単体，炭化物，ホウ化物の形態で、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｙの希土類元素を１０〜１００ｐｐｍ含有させたＷ−Ｍｏ合金を用いたものが提案されている。
二重構造の電極としては、例えば、特許文献２に、高強度高導電性の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、その２０〜７０％の面積領域を占めるように、前記被溶接材と合金化し難い、或いは溶着し難い、例えばＡｌ₂Ｏ₃分散Ｃｕ合金等の金属を埋設したものが提案されている。
また、特許文献３には、電極本体が被溶接材に当接する面に、電気伝導度及び熱伝導度に優れ、しかもＣｕ若しくはＣｕ合金からなる電極本体よりも高強度の、例えばＷやＭｏからなる芯材を、当接面の５〜２０％の面積を占めるように埋設したものが提案されている。
特開平１０−２９１０７８号公報 特開平１０−３１４９５７号公報 特開平４−４９８４号公報

前記特許文献で紹介されている電極は、スポット溶接用電極として使用する上で、以下に示すような問題点を有している。
すなわち、特許文献１に記載の電極は、Ｗ材料の周囲にＣｕのような比較的軟らかい高熱伝導性がないために、温度上昇時の熱が伝導され難く、当接面と外周部とで温度差が生じる。この温度差とスポット溶接時の加圧により、当接面付近からＷ材料にクラックが発生する。そして電極寿命は急激に低下する。

特許文献２に記載の電極は、Ｗ−Ｍｏ合金に希土類の酸化物，窒化物等を加えているが、熱膨張の点から同様の問題が生じる。
Ｃｕ若しくはＣｕ合金からなる電極本体の当接面にＷやＭｏを埋設した特許文献３に記載の電極では、前記のような当接面と外周部とに生じる温度差に起因したクラック発生はある程度は抑制することができる。しかしながら、当接面がＷやＭｏの単体で構成されていると、繰り返しの使用で熱及び衝撃によりクラックが発生しやすくなる。その結果、電極寿命は従来の、例えばアルミナ分散銅電極と比べて大きく延びない。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、例えばＺｎめっきを施した鋼板をスポット溶接するような大電流下で加圧を伴う過酷な溶接条件であっても、めっき金属との溶着，合金化を抑え、亀裂の発生を防止して長寿命化を可能としたスポット溶接用電極を安価に提供することを目的とする。
本発明のスポット溶接用電極は、一般的な鋼板には勿論好適であるが、その他にも、他の金属と合金化しやすく難溶接材とされる含アルミニウムめっき鋼板やアルミニウム部材の溶接等にも好適に用いられる。
また、特にＭｇ成分を含有するＺｎ−Ａｌ系合金めっきを施した鋼板やＺｎ系めっき鋼板のように、金属との溶着が激しく、溶接に大電流が必要な場合でも対応できる電極を得ることも目的の一つである。

本発明のスポット溶接用電極は、その目的を達成するため、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を基材とする焼結体が芯材として埋設された電極であって、前記芯材には、２ａ族元素，４ａ族元素，希土類元素の窒化物，炭化物，ホウ化物及び５ａ族元素，６ａ族元素の酸化物，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。

本発明のスポット溶接用電極は、まず、めっき金属との溶着性や溶接温度から、芯材を構成する高融点金属部分としてＷ（タングステン）の焼結体を、それを支持する電極本体の材質として熱伝導性に優れるＣｕを選択した二重構造とした。
スポット溶接時に当接面では発熱が起こり、当接面を中心として熱膨張が生じる。温度が急激に変化するとき、Ｗのように熱伝導率が低い材料であると当接面に近いところが膨張するのに対して、外径に近い部分は熱が伝わらないために膨張しない。その結果、電極の当接面近傍に割れや剥離が生じる。
熱膨張差に起因する弊害を回避するためには、当接面及びその周辺のみをＷのような高融点金属部分とし、電極本体はＣｕのような高熱伝導性金属とすればよいことになる。

本体をＣｕのような高熱伝導性金属にした二重構造の電極とすることにより、当接面と外周部の膨張率の違いによる高融点金属の割れや剥離は回避できるが、溶接時に当接面に加わる急激な熱変化と加圧による微細なクラックの発生やその成長を止めることはできない。このため、電極寿命を延ばすことは困難であった。
本発明のスポット溶接用電極は、Ｗの焼結体中に分散させた高融点物質微粒子の作用により、前記微細なクラックの発生やその成長を最小限に止めることができ、その結果、電極寿命を大幅に延ばすことができたものである。

前記分散微粒子としては、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る微粒子が用いられるが、融点が２４００℃以上のものとすることが必要である。例えば、ＢｅＯ，ＳｒＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ₂，ＷＣ，ＴａＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＺｒＢ₂，ＺｒＮ，ＴｉＮ等が挙げられる。これらの微粒子は、金属Ｗと比較して被溶接物のめっき成分等との濡れ性が低く、電極芯材のめっき成分に対する耐溶着性を向上させる。
融点が２４００℃に満たない微粒子を分散させた場合、芯材の製造工程での焼結時に２０００℃を超える温度まで加熱するため、微粒子が蒸発又は溶融或いは偏析して均一に分散されず、微粒子を分散させた効果が得られない。

また、微粒子は、平均粒子径が２μｍ以下のものを０．５〜１０体積％の割合で分散させる必要がある。分散微粒子がクラックの進展を止める働きをするとき、その効果は分散微粒子の数に左右される。同じ重量でも数が多いほど進展抑制効果は高い。そのためには、平均粒子径が２μｍ以下のものを０．５体積％以上の割合で分散させる必要がある。平均粒子径が２μｍより大きかったり、分散量が０．５体積％に満たなかったりすると、微粒子の数が少なくなり、クラックの進展を止める働きが弱まって寿命低下を招く。しかし、分散量が１０体積％を超えるほどに多くなると、硬度や熱伝導の点でＷ本来の特性が失われ、電極として期待される特性が発揮できなくなるばかりでなく、焼結体自体が脆くなるために製造が困難となる。

なお、Ｗは、故意に不純物等を添加していない、いわゆる純粋なＷだけでなく、通常のランプ電極等、フィラメント電極として用いられる１０〜２００ｐｐｍ程度のＫ（カリウム）を添加した、いわゆる「ドープタングステン」も包含していることも言うまでもない。また、強度や耐衝撃性を改善する目的で、少量のＲｅ等の金属とＷを合金化したＷ基合金も含まれる。

本発明のスポット溶接用電極は、溶接中の温度上昇による電極の割れや剥離がおきにくく、長寿命化が図れる。また、Ｗ単体と比較して、めっき成分等との濡れを抑えることができ、溶着も起こりにくいために、本発明のスポット溶接用電極を用いることによって高品位の溶接を長期間にわたって安定して行うことができる。

次に、本発明のスポット溶接用電極について、具体的に説明する。
本発明者等は前記特許文献３で提案されている、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる電極本体が被溶接材に当接する面に、電気伝導度及び熱伝導度に優れ高強度のＷ芯材を埋設した二重構造の電極に着目し、その電極を構成する各材質を種々に変更して鋼板のスポット溶接を実施して、電極寿命を調査した。
その結果、電極本体にＣｕ又はＣｕ合金を用い、芯材に平均粒子径が２μｍ以下であって、融点が２４００℃以上の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微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させたＷの焼結体を用いた場合、電極自体にＷ−Ｍｏ系合金を用いた場合以上に芯材の耐溶着性を向上させることができるばかりでなく、さらに、溶接時に電極の当接面近傍に生じやすいクラックの発生とその進展を抑制し、電極が長寿命化できることを確認した。

従来から、例えば図１に示すような、芯材３を周囲材２に埋め込んだ二重構造の埋め込み型電極１は電極寿命が長いとされているが、その理由は、溶接打点を重ねても埋め込んだ芯材により一定面積の通電路が確保され、それによって安定したナゲットの形成ができる点にある。そのため、芯材の材質としては、Ｗのように硬質で、Ｃｕ等の低融点金属よりもめっき金属と溶着し難いものが好ましいことになっている。なお、図中、２ａが当接面である。
そこで、芯材として、耐溶着性に優れる前記微粒子含有のＷ焼結体を用い、電極本体である周囲材を純Ｃｕとした電極を使用してスポット溶接するとき、従来の単なるＷ系やＭｏ系の合金を用いた電極を使用してスポット溶接したときよりも、電極先端部への被溶接金属の堆積が抑制され、長期間にわたっても安定したスポット溶接部が得られることを確認した。

ところで、一般的にＷを基材とする合金は焼結法により製造される。本発明で二重構造電極の芯材として用いられるＷを基材とする合金も通常通り焼結法で製造される。
一例として、Ｗと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が挙げられる。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所望のＷ焼結体を得ることができる。
別の例として、Ｗと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も挙げられる。
以上二例を示したが、良好なＷ焼結体を得ることができれば、その製造法は問わない。

二重構造を特徴とする本発明のスポット溶接用電極の場合、電極本体である周囲材のＣｕには、通常のものが使用される。市販の純Ｃｕ、或いはＣｕ−Ｃｒ合金，Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金等が使用される。さらには、Ａｌ₂Ｏ₃等の微粒子を分散させた分散強化Ｃｕ合金でも良い。
芯材をＣｕ材からなる周囲材に埋め込む態様も、従来法をそのまま適用できる。両者が強固、且つ電気や熱が充分に伝わるように密着されるような態様であれば、その方法は問わない。穿った孔に芯材を圧入しても良いし、ロウ材を介して挿し込んでも良い。或いは焼き嵌めを行っても良いし、Ｃｕを非酸化性雰囲気下で溶融してＷ材と接触した状態で冷却して一体化しても良い。熱伝導や接合強度を考慮すると、溶融法で一体化する方法が最も好ましい。

実施例１：
Ｚｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ合金めっきを片面当り３０ｇ／ｍ²で施した板厚０．７ｍｍの２枚のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板を、当接面の直径が６ｍｍ，全体直径が１６ｍｍのＤＲ型で、当接面直径６ｍｍの部分に曲率半径４０ｍｍの円弧と他の部分に曲率半径８ｍｍの円弧を付与した電極であって、純度９９．９５％のＷ粉末に粒径０．０５〜３μｍのＴａＣ粉末を種々の配合割合で分散させた混合粉末を仮成形後、通電焼結した後にスエージング加工とセンターレス研磨を行った径６ｍｍのＷ材を還元雰囲気中で溶融した純Ｃｕと一体化した電極を上下に用い、表１に示す条件で連続打点の溶接を行った。そして、形成されたナゲット径を測定し、ナゲット径が４√ｔ＝３．３５（ｔは板厚）を下回るものを溶接不良として、電極寿命を求めた。
その結果を表２に示す。

表２に示す結果からもわかるように、Ｗ材に平均粒子径が２μｍ以下のＴａＣの微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させた電極を用いた場合、大幅に長い電極寿命を得ることができている。また電極断面を観察してもＭｇＯの堆積が非常に少ない状態であった。ＭｇＯの堆積が比較的少ないために、ＭｇＯによる電極とめっき鋼板との間の抵抗の上昇を抑制することができ、めっき金属との溶着が発生し難い状態であったと思われる。さらに、Ｗ材中に分散させたＴａＣの微粒子がめっき金属との濡れを抑制したためと考えられる。さらにまた、分散させた微粒子が当接面近傍でのクラックの発生や進展を抑制する作用を発揮したものと思われる。このような複合的な作用・効果で、電極寿命を大幅に延ばすことができたと思われる。

一方、ＴａＣの微粒子を１２体積％の割合で分散させた試験Ｎｏ．９では、電極寿命が低下し、電極断面を観察するとＭｇＯが比較的多く堆積している状態であった。Ｗ材に分散させた微粒子が多すぎたために、Ｗ材自身の電気抵抗が上昇して電極とめっき鋼板間の発熱量が多くなり、微粒子の分散による濡れ抑制作用が低減したためと考えられる。
また微粒子の平均粒子径が３μｍであった試験Ｎｏ．４では、電極寿命が比較的短かった。分散させた微粒子が数的に少ないために、当接面近傍でのクラックの発生や進展を抑制する作用を充分に発揮することができず、寿命の改善にはつながらなかったものと思われる。しかも分散粒子が大きすぎたために、Ｗとの熱膨張差により分散粒子がクラックの起点にもなり得る。さらに、試験Ｎｏ．５では、電極寿命は延びたものの、Ｗ材に分散させた微粒子量が少ないために、めっき成分と電極との濡れが大きく、ＭｇＯの堆積が比較的多かった。このＭｇＯによって電極とめっき鋼板間の抵抗が上昇してめっき金属との溶着が起こりやすい状態であったと思われる。
このように、分散させる微粒子には、大きさと分散量を考慮する必要があることがわかる。すなわち、大きさ及び分散量が適切でないと、所期の目的が達成されない。

実施例２：
Ｗ材に分散させる微粒子としてＴａＣの代わりに各種微粒子を用い、実施例１で使用したものと同じ２枚のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板を、実施例１と同じ条件で連続打点溶接し、電極寿命を調査した。
そして、実施例１と同じ評価方法で電極寿命を求めた。
その結果を表３に示す。

表３に示された結果からもわかるように、Ｗ材に平均粒子径が２μｍ以下の微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させた電極を用いた場合、電極寿命を大幅に延ばすことができている。
２ａ族元素，４ａ族元素，５ａ族元素，６ａ族元素，希土類元素の化合物であれば、微粒子の種類に拘わらず、電極寿命の改善に有効であることがわかる。
いずれも実施例１で検討したと同様の機能を発揮していると思われる。

実施例３：
被溶接材としてＡｌめっきを片面当り３０ｇ／ｍ²で施した板厚０．８ｍｍの２枚のＡｌめっき鋼板を用い、表４に示す条件以外は実施例１で使用した電極と同じ電極を用いて連続打点溶接し、電極寿命を調査した。
そして、実施例１と同じ評価方法で電極寿命を求めた。
その結果を表５に示す。

表５に示す結果からもわかるように、Ｗ材に平均粒子径が２μｍ以下のＴａＣの微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させた電極を用いた場合、溶接し難いとされているＡｌめっき鋼板であっても、大幅に長い電極寿命を得ることができている。
ＴａＣ微粒子は、実施例１と検討したのと同様の機能を発揮していると思われる。

実施例４：
実施例１で用いたものと同じ電極を使用し、板厚１．０ｍｍの５０００系の自動車用アルミニウム板を次の表６に示す条件で連続打点溶接し、電極寿命を調査した。
そして、実施例１と同じ評価方法で電極寿命を求めた。
その結果、表７に示す評価結果が得られた。

上記結果は、Ｃｕからなる電極本体の被溶接材に当接する面に、電気伝導度及び熱伝導度に優れ高強度のＷ芯材を埋設した二重構造のスポット溶接用電極において、Ｗ芯材として、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、平均粒子径が２μｍ以下であり、融点が２４００℃以上の微粒子を０．５〜１０体積％の割合で分散させたＷを用いた場合、芯材の耐溶着性を向上させることができるばかりでなく、さらに、溶接時にＷ芯材のクラック発生・進展を抑制して電極が長寿命化できるという作用・効果が、特定種のめっき鋼板に限らず、アルミニウム板や各種の金属板，合金板を被溶接材とするときに同等に発揮されることを示している。

二重構造の埋め込み型電極の構造を模式的に説明する図

Claims (1)

1. 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を基材とする焼結体が芯材として埋設された電極であって、
   前記芯材には、２ａ族元素，４ａ族元素，希土類元素の窒化物，炭化物，ホウ化物及び５ａ族元素，６ａ族元素の酸化物，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。

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