JPH01170586A - スポット溶接用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【１上皮且ユ方１ 本発明は、電気伝導度、熱伝導率の大きな金属材料のス
ポット溶接を行うために用いられる電極に係り、特に小
電流溶接に好適な電極構造に関するものである。 およびその。 スポット溶接とは、二枚の金属板を重ね合せ、これを一
対の丸棒状の電極で挟持加圧して通電し、発生したジュ
ール熱により金属板を加熱溶融させて圧接する方法であ
る。このスポット溶接法によって電気伝導度、熱伝導率
の大きなアルミニウム。 アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属板の溶接
を行う場合には、ジュール熱の発生量が少なく、しかも
発生した熱が熱伝導性の良好な被溶接材を通じて逸散し
てしまうため、鋼板等の溶接に比して大電流、大きな加
圧力（電極による）を必要とし、しかも短時間で溶接を
完了しなければならない。したがって、大型トランスが
必要であり、また大きな加圧力に対応して作業性を損う
大型スポット・ガンを採用しなければならず、溶接機の
ポータプル化は難しかった。 さらに、大電流を用いるにしても、多点スポット溶接を
行うに当っては、被溶接材の良好なる電気伝導度に起因
して、既溶接完了点を経由する分流が生じ、現溶接箇所
の溶接が健全に行われないという不具合もあった。 口　　　　゛するための　　および 本発明は斯かる技術的背景の下に８１案されたものであ
り、その目的は電気伝導度および熱伝導率が大きな金属
材料を小電流でスポット溶接することができ、したがっ
て単相交流式スポット溶接機の小型化（ポータプル化）
を計り得るスポット溶接用電極を提供することである。 この目的は、電極本体の先端に、被溶接材に比して電気
伝導度および熱伝導率が小さく、融点温度の高い金属材
料で形成されたコツプ形のキャップを被嵌させて成り、
該キャップは、その頭頂面が球面に近い形状になされる
とともに、頭頂面の中央部に凹みが形成されていること
を特徴とするスポット溶接用電極を提供することによっ
て達成される。 本発明の電極によって小電流スポット溶接が可能な理由
を第１図、第２図により説明する。図は、アルミニウム
合金の如き電気伝導度および熱伝導率の大きい金属材料
で形成された板材である被溶接材１０．１１を重ね合せ
、これを上、下の電極１゜１で挟みつけた状態を示して
いる。電極１は、汎用電極材（例、Ｃｕ−Ｃｒ合金）で
形成された電極本体２の先端に、被溶接材１０．１１に
比して電気伝導度および熱伝導率が小さく、融点温度の
高い金属材料で形成されたコツプ形のキャップ４を被嵌
させたものである。 第１図において、軟鋼板の溶接と同程度の電流条件（小
電流）で被溶接材１０．１１に通電を行うと、被溶接材
１０．１１の接触界面Ａで接触抵抗発熱が生じるのは勿
論であるが、電気抵抗の大きな材料で形成されたキャッ
プ４．４と被溶接材１０．１１との接触界面Ｂ、Ｂで大
きな接触抵抗発熱が生じ、キャップ４自体も抵抗発熱す
ることにより、接触界面Ｂ、Ｂで発生した熱が矢印Ｃで
示すように良好な熱伝導体である被溶接材１０．１１に
効率良く伝えられる。被溶接材が軟鋼板であれば、接触
界面Ａで生ずる接触抵抗発熱によって該界面Ａの近傍に
ナゲツト（溶融部）が生じるはずである。しかしながら
、この例では被溶接材１０．１１がアルミニウム合金の
如き電気伝導度および熱伝導率の大きな材料で形成され
ているため、接触界面へで生じる発生熱のみではナゲツ
トが生ずることはなく、高温に温度上昇するキャップ４
．４から伝えられる熱（矢印Ｃ）によってキャップ４．
４間に挟まれた部分が温度上昇し、それに伴って該部分
の電気抵抗が大きくなり、被溶接材１０．１１　（キャ
ップ４゜４に挟まれた部分）の抵抗発熱量が増大するこ
とともあいまって、被溶接材１０．１１が円柱状に溶融
し、第２図に示すようなナゲツト１２が生じる。このと
き、被溶接材１０．１１に比してキャップ４の融点温度
が十分高ければキャップ４の溶融が生じることはない。 ところで、スポット溶接用電極に要求される重要な条件
は連続打点性の良好なることである。アルミニウム合金
等の被溶接材１０．１１に比して電気伝導度、熱伝導率
の小さなキャップ４用材料として炭素鋼、ステンレス鋼
、チタン（ＴＬ）等を挙げ得るが（表１参照）、連続打
点性を考慮すればチタンが最も適している。チタンは、
融点が高い。 熱膨張係数が小さい、熱伝導率が低いという特性の他に
、適当に大きな強度、靭性を有しており、チタン製キャ
ップ４を用いることによって、ピックアップ（被溶接材
が電極に付着する現象）、エロージョン（電極に付着し
た被溶接材が電極内部に拡散浸透し合金化する現象）を
防ぎ、良好な連続打点性を確保することができる。 また、キャップ４の形状はその連続打点性を向上させる
上で重要である。キャップ４の頭頂面は球面に近い形状
、すなわちＲ型になされるが、被溶接材１０．　ｉｔと
の接触面圧は頭頂面中央部において最も大きく、通電に
よってキャップ４．被溶接材１０．１１が温度上昇して
それ等が熱膨張すると、その傾向がますます顕著になる
。そのため、キャップ４の頭頂面中央部に電流が集中し
、該中央部が加熱状態になり、小さな面積範囲で集中的
に被溶接材１０．１１に熱が投入される結果、ナゲツト
１２の径が小さくなるとともにナゲツト１２も加熱状態
になってピックアップ現象が生じ、結果的にキャップ４
の連続打点性が低下する。 本発明にあっては、キャップ４の頭頂面中央部に凹み（
第３図符号７参照）を形成することによってこの問題を
解決した。頭頂面中央部に凹みを有するキャップ４では
、電流が周囲に分散されてキャップ４と被溶接材１０．
１１との接触界面Ｂで均等に接触抵抗熱が発生し、キャ
ップ４および被溶接材１０．１１の局部加熱が起らず、
十分大きな径のナゲツト１２が形成されるとともに、ピ
ックアップおよびそれに伴うエロージョンの発生を避け
ることができる。また、アルミニウム合金、マグネシウ
ム合金等で形成された被溶接材１０．１１の熱膨張率は
大きく、キャップ４の頭頂面中央部に最も大きく熱膨張
した被溶接材１０．１１の高温の溶融部が接触してその
部分の面圧が過大になるところ、キャップ４の頭頂面中
央部には凹みが形成されているため、該凹み内に熱膨張
した高温の溶融部が一部進入し、面圧の上昇が緩和され
てピックアップおよびそれに伴うエロージョンの発生が
防止される。 さらに、本発明の電極では、小電流の通電を行なってキ
ャップ４と被溶接材１０．１１との接触界面Ｂで発生し
た接触抵抗熱を被溶接材１０．１１に投入してナゲツト
を生成させるのであるから、既溶接点を経由する分流は
問題にならない。 友ｊ」引ユ 第３図は一実施例に係る電極１を示している。 電極１は、電極本体２の先端部に形成されたネジ３部に
コツプ形のチタン製キャップ４を螺嵌することによって
構成されている。キャップ４は頭頂壁５と周壁８から成
り、頭頂壁５の外表面、すなわち頭頂面６の中央部に丸
穴形状の凹み７が形成され、周壁８の内周面にネジ３と
螺合するネジ９が形成されている。また、キャップ４の
頭頂面６は球面の一部として形成され（Ｒ形と称する）
、その半径は周壁８の外径りに比して十分大きい。 斯かる形状になされたキャップ４によれば、その頭頂面
６の中央部に凹み７が形成されているが故に、前述のよ
うに被溶接材との接触界面で局部加熱が起らず、かつ中
央部における面圧の過大な上昇を避けることができ、ピ
ックアップおよびそれに伴うキャップ４のエロージョン
が防止され、良好な連続打点性が保証される。 また、電極１を被溶接材に接触させて加圧９通電を行う
とき、加圧による大きな荷重がキャップ４に作用すると
ともに急激な温度上昇による熱衝撃応力がキャップ４に
生じる。荷重の作用および熱衝撃によってキャップ４に
生じる応力を緩和させる上でキャップ４の丈長（［）を
大きくするのは有効であり、熱容量が増すとともに、螺
合部における電極本体２との接触面積の増大によって水
冷された電極本体２への熱伝達が良好に行われ、かつ電
極本体２との結合面積が増して反復使用する間のキャッ
プ４の緩みを防止できる。また、キャップ４の緩みが生
じるとキャップ４の頭頂壁５が電極本体２の先端面から
離れ、加圧力によって頭頂壁５が後退変形し、被溶接材
との接触が正しく行われなくなることを考慮するならば
、キャップ４の緩みを防ぐことはその耐久性を向上させ
得ることを意味している。 さらに、スポット溶接を行うに当って、キャップ４の頭
頂面６または被溶接材の電極当接面に予めシリコーンオ
イルを塗布しておくのは有効であり、ピックアップおよ
びそれに伴うエロージョンが抑制され、連続打点性が向
上する。シリコーンオイルの引火点は低く　（１７２℃
）、キャップ４と被溶接材との接触界面で生じる接触抵
抗熱によって大きな圧力下で気化、燃焼、炭化して高温
強度の大きな硬い薄被膜が形成される。この被膜はキャ
ップ４の頭頂面６を保護し、ピックアップ、エロージョ
ンを抑制し、常に安定した品質のナゲツトを得ることが
できる。 夫】口１１ 第４図に示された電極１Ａでは、チタン製キャツブ４Ａ
の全表面に窒化処理を施すとともに、全内面に窒化処理
後の銅メツキ処理を施し電極本体２Ａと頭頂壁５Ａとの
間に銀製介挿板１３を挟み込んだ点で電極１の構造と相
違している。 電極１と異なる構造を採用したことによる作用効果は以
下の通りである。 ■窒化処理・・・窒化処理によってキャップ４Ａの表面
硬度、剛性が向上する。窒化処理されないチタン材の硬
度はｆｌｙ２００程度、窒化処理後のチタン材の硬度は
Ｈｖ１０００程度であり硬度の上昇は著しい。 キャップ４Ａの表面硬度が大きければ、溶融した被溶接
材が付着し難く、したがってピックアップ。 エロージョンが効果的に抑制され、耐摩耗性が良好であ
ることともあいまって、連続打点性の向上を企図し得る
。 キャップ４Ａの剛性が大きければ、被溶接材との加圧接
触による歪発生、および通電時の急激な温度上昇に伴う
熱衝撃応力発生による歪発生が少なく、変形防止効果が
大きい。 また、窒化処理されないチタンの電気比抵抗が最大５０
μΩ・ｃｎ＋であるのに対し、ＴλＮの電気比抵抗が最
大１３０μΩ・ｃｍであり、窒化処理によってキャップ
４Ａの電気抵抗が増大する。したがって、キャップ４Ａ
と被溶接材間の接触抵抗が増大し、発熱促進を計ること
ができ、ナゲツトの生成が更に容易になる。 ■銅メツキ処理・・・銅メツキ処理を施さない場合には
、通電時にキャップ４Ａにおける頭頂壁５Ａの中央部に
ジュール熱が集中し、中央部と周辺部との温度差が大き
い（第５図（ａ）温度分布曲線参照）のに対し、銅メツ
キ処理を施したものでは、中央部へのジュール熱の集中
が緩和され、中央部と周辺部の温度差が小さい（第５図
（ｂ）温度分布曲線参照）。したがって、銅メツキ処理
を施すことによって被溶接材の局部加熱を防ぐことがで
き、ピックアップ、エロージョンの発生を抑え、連続打
点性の向上を企図し得る。 また、キャップ４Ａは被溶接材に対する熱源として機能
する部材であるから成る程度温度上昇するのは好ましい
ことであるが、過度の温度上昇はその劣化を促進するた
め避けなければならない。 この意味で、キャップ４Ａの内面に熱伝導性の良好な銅
メツキ皮膜を付すのは有効であり、通水冷却された電極
本体２Ａへの熱伝達が円滑に行われることから、キャッ
プ４Ａの過熱が防止される。 ■銀製介挿板１３の使用・・・介挿板１３は、銀に限定
されず、電極本体２Ａよりも電気伝導性良好、キャップ
４Ａよりも熱伝導性良好、キャップ４Ａよりも硬度小な
る金属で形成したものであればよい。 その作用効果は銅メツキ処理の場合と類似しており、介
挿板１３が電極本体２Ａおよびキャップ４Ａに対してよ
く密着し、電極本体２Ａ−キャップ４Ａ間の接触抵抗の
低減化によって電流効率が向上するとともに、頭頂壁５
Ａの中央部に集中しがちなジュール熱が頭頂壁５Ａの周
辺部に拡散され、中央部と周辺部との温度差が小さくな
ることから、被溶接材の局部過熱防止によるナゲツト径
の拡大、およびピックアップ、エロージョンの抑制によ
る連続打点性の向上を企図し得る。また、介挿板１３は
キャップ４Ａから電極本体２Ａへの熱伝達を良好ならし
め、キャップ４Ａの過熱が防止される。 さらに、加圧通電する際、加圧による大きな荷重がキャ
ップ４Ａに作用するとともに急激な温度上昇による熱衝
撃応力がキャップ４Ａに生じることは前述の通りである
。この荷重の作用および熱衝撃によってキャップ４Ａに
生じる応力を緩和させる上で、頭頂壁５Ａと電極本体２
Ａとの間に介挿板１３を介在させるのは有効である。す
なわち、加圧力によって頭頂壁５Ａに作用する荷重に対
しては介挿板１３が緩衝体として機能し、熱′ｆＪ撃に
対しては、水冷された電極本体２Ａに対する良好な熱伝
達媒体として介挿板１３が機能することにより頭頂壁５
Ａの急激な温度上昇が防止され、頭頂壁５Ａの劣化が抑
制される。 〈溶接試験〉 斯かる作用効果が得られる電極１Ａを本発明例とし、鋼
板溶接用単相交流式ポータプル溶接機を用いて二枚のア
ルミニウム合金板（板厚１．０．）のスポット溶接を行
なった。また、比較のためにチタン製キャップを用いる
ことなく、■鋼板溶接用単相交流式ポータプル溶接機（
比較例■）、■単相交流式定置溶接機（比較例■）、■
アルミニウム溶接用単相整流式ポータプル溶接機（比較
例■）にて二枚のアルミニウム合金板（板厚１．０ｍ）
のスポット溶接を行なった。その溶接条件および溶接結
果（ナゲツト径、引張りせん断強さ（平均値））を表２
に示した。 表２ く試験結果の評価〉 ■本発明例と比較例■の対比から、チタン製キャップ４
Ａを用いることにより、従来不可能であった小電流、短
い溶接時間での溶接が可能になることが判る。 ■本発明例と比較例■、■どの対比から、チタン製キャ
ップを用いることにより、小電流、小さな加圧力で溶接
しても大電流、大加圧で溶接したものと同等以上のナゲ
ツト径、引張りせん断強度が得られることが判る。 ■また、本発明例にあっては、連続１００打点の溶接を
行い得ることが確認された。 ■電極にピックアップ、エロージョンが生じたときには
その部分を除去しなければならないが、比較例１［［、
ｒＶでは５打点溶接毎に除去作業が必要であったのに対
し、本発明例では１０打点溶接毎に除去作業が必要であ
った。このことから、チタン製キャップ４Ａではピック
アップ、エロージョンが生じ難く、連続打点性が向上し
、結果的に生産性の向上を計り得ることが判る。 λ更匹皿］ 以上の説明から明らかなように、電極本体の先端に、被
溶接材に比して電気伝導度および熱伝導率が小さく、融
点温度の高い金属材料で形成されたコツプ形のキャップ
を被嵌させて成り、該キャップは、その頭頂面が球面に
近い形状になされるとともに、頭頂面の中央部に凹みが
形成されていることを特徴とするスポット溶接用電極が
提案された。 この電極を用いて電気伝導度、熱伝導率の大きな被溶接
材のスポット溶接を行うときには、電気抵抗の大きなキ
ャップと被溶接材との接触界面で大きな接触抵抗発熱が
生じ、該発生熱が熱伝導性良好なる被溶接材に効率良く
伝達され、被溶接材同志の接触界面で発生する接触抵抗
熱を補ってナゲツトの生成に寄与する。そのため、従来
に比して小電流でのスポット溶接が可能であり、単相交
流式スポット溶接機のポータプル化を計ることかできる
。また、キャップと被溶接材との接触界面から被溶接材
に対して入熱を行なってナゲツトを生成させる手法では
二つの電極で挟まれた部分に円柱状のナゲツトが生じる
ため、被溶接材が溶融して熱膨張した部分が電極を後退
させるように作用し、特にキャップの頭頂面中央部に大
きな圧力が作用するが、該中央部に凹みが形成されてい
ることにより圧力の集中を避けることができ、ピックア
ップ、エロージョンが生じ難く、良好な連続打点性が保
証される。さらに、キャップの頭頂面中央部に凹みを形
成することにより、該中央部に集中しがちな電流を周囲
に分散させることができ、キャップ頭頂面の温度分布が
均等化され、被溶接材の局部加熱が防止されるため、こ
の意味でもピックアップ、エロージョンが生じ難く、良
好な連続打点性が保証され、加えて大きなナゲツト径を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図は本発明電極を用いたスポット溶接方法
を示す概略図、第３図は本発明の一実施例に係るスポッ
ト溶接用電極を示す要部欠截図、第４図は他の実施例に
係るスポット溶接用電極を示す要部欠截図、第５図はチ
タン製キャップ内面の銅メツキ皮膜の有無による溶接通
電時のキャツプ頭頂面の温度分布の違いを示すグラフ（
（ａ）は皮膜なし、（ｂ）は皮膜有り）である。 １・・・電極、２・・・電極本体、３・・・ネジ、４・
・・キャップ、５・・・頭頂壁、６・・・頭頂面、７・
・・凹み、８・・・周壁、９・・・ネジ、１０．１１・
・・被溶接材、１２・・・ナゲツト、１３・・・介挿板
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電極本体の先端に、被溶接材に比して電気伝導度および
   熱伝導率が小さく、融点温度の高い金属材料で形成され
   たコップ形のキャップを被嵌させて成り、該キャップは
   、その頭頂面が球面に近い形状になされるとともに、頭
   頂面の中央部に凹みが形成されていることを特徴とする
   スポット溶接用電極。