JPH01210179A - スポット溶接用複合型電極 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、熱延鋼板、冷延鋼板、表面処理鋼板、ステン
レス鋼板および各種非鉄金属薄板のスポット溶接におい
て、長時間の使用に耐える電極に関するものである。

［従来の技術］ 自動車、家電なとで使用される薄板は、一般に、所定の
形状に成形された後、スポット溶接により組立てされる
が、この場合、電極としては、銅系の材料が用いられる
（特開昭６２−１０１３８８号公報）。このような電極
材料に関してＪＩＳは、Ｚ３２３４で、用途別にＣｄ−
Ｃｕ　、　Ｃｒ−Ｃｕ　、　Ｇ。

−Ｂｅ−Ｃｕ、Ｂｅ−Ｃｕを規定している。いずれも、
純銅の導電率を最大限に保ちながら、強度、耐熱性を向
上させるために、数％以下の合金元素が添加された銅系
の材料である。この他に、微細なアルミナを鋼中に分散
させたアルミナ分散強化銅、クロム−ジルコニウム銅な
ども使用されている。電極の形状は、ＪＩＳ　Ｃ９３０
４に規定されており、大別すると、一体型とキャップ型
になり、さらに、非溶接物と接触する部分、電極先端の
形状によって、ラジアス形、ドームラジアス形、円錐台
形など、９種類に分類されている。

このような電極は、溶接熱で高温に加熱されるので、連
続的に繰り返しスポット溶接に供せられると、結晶粒成
長が生じて次第に軟化し、損耗して、健全な溶接品質を
得ることができなくなるので、一定の回数の連続打点の
後に、取り替えるか、ドレッシングして元の形状に戻し
て再使用することが必要である。近年、溶接品質要求の
厳格化と亜鉛めっき鋼板の自動車、家電部品への適用の
増加にともなって、これまで以上に頻繁な電極交換が必
要となっており、即ち、電極寿命が著しく低下しており
、コスト上昇、生産性低下の問題が深刻化している。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、連続長時間の使用に耐える、高寿命のスポッ
ト溶接用電極に関するものであり、電極交換周期を延ば
し、スポット溶接作業の生産性を向上させると共に、溶
接品質の安定に寄与させんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 連続的スポット溶接（連続打点）によって、電極が損耗
し、健全な溶接品質を得ることが出来なくなるのは、損
耗によって電極先端部の被溶接物と接触する部分の大き
さ（接触径）が拡太し、電流密度が低下するからである
とされている。亜鉛めっき鋼板を連続打点した時に、電
極寿命が冷延鋼板に比較して大きく低下する事が知られ
ているが、これは、めっき層のＺｎと電極のＣｕとが反
応して電極先端表面にＺｎ−Ｃｕ合金層が形成するため
であり、これが連続打点過程で脱着を繰り返すことが、
電極の損耗を早める原因と言われている。

本発明者らは、亜鉛めっき鋼板の連続打点性を改善する
ための一環として、溶接現象と電極先端の合金化現象を
詳細に検討した結果、Ｚｎ−Ｃｕ合金層の形成と電極の
接触径の拡大とは無関係であること、そして、接触径の
拡大は純然たる力学的問題に起因することを見出した。

即ち、スポット溶接は、上下一対の電極にて一定の加圧
力で被溶接物をはさみ、低電圧で大電流を極短時間通電
することによって、被溶接物内の抵抗発熱でそれらの接
触部を溶融して結合するものである。薄板の溶接の場合
、加圧力は２００〜３００Ｋｇ　、　　１〜３　Ｖ、　
　６〜１２ｋＡノ大電流を、０．２〜０．３秒間、通電
することが普通である。溶接接合部分は、ナゲツトと呼
ばれ、通常、その直径が４　ｆ丁（ここに、ｔは被溶接
物の板厚）以上であることを、溶接品質の健全性の基準
としている。このようなスポット溶接によって、電極自
身も発熱し、被溶接物からの熱を受けて、被溶接物との
接触部分は、７００〜８００℃になるとも言われており
、常温で４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上ある強度も、この温度
では数ｋｇｆ／ｍｍ’まで低下する。薄板のスポット溶
接においては、電極の接触径は、普通、新品で４〜６ｍ
ｍであるので、２００〜３００　Ｋｇの加圧力を受ける
と容易に塑性変形して、電極先端部分はマツシュルーム
状に径が拡大する。初期の接触径を７ｍｍにしておくと
、連続打点をしても接触径の拡大は遅く、小さくなり、
１０ｍｍ以上なら数千回以上もの連続打点でも、接触径
の拡大はほとんどみられない。しかし、このような初期
接触径の電極では、当初から電流密度が小さいので健全
な溶接品質を得ることが困難であり、必要な電流密度を
維持するためには、より大電流を流さねばならず、溶接
機の能力上の制約が生じる。

一方、電極は、めっき金属と反応して、その表面に、Ｃ
ｕ−Ｚｎ合金層が形成されるが、この合金層は２層から
成り、下層はβ真鍮、上層はγ真鍮である。β真鍮層は
、溶接時の高温では、地のＣｕと同様に、軟質、且つ、
延性に富むので、加圧力によって容易に圧縮され、マツ
シュルーム状に変形する。この結果、電極先端の外縁部
から、ひれ状金属片の形で脱落していくのであり、一般
に言われているように、Ｃｕ−Ｚｎ合金層が電極とのス
ティッキングで脱落していくのではない。冷延鋼板の溶
接においても、電極先端は、加圧力によってマツシュル
ーム状に変形し、外縁部からのひれ状金属片の脱落が生
じている。しかし、亜鉛めっき鋼板の溶接では、Ｃｕ−
Ｚｎ合金層の存在のため、ひれ状金属片の厚みが大齢く
なり、電極の連続打点による重量減少は、冷延鋼板の場
合より、はるかに大きい。

従って、電極のめっき金属との反応は、反応のない場合
、すなわち、冷延鋼板の溶接の場合に比較すると、ひれ
状金属片の脱落により電極の重量の減少を促進するが、
マツシュルーム状に変形するのは、加圧力と電極先端部
の高温強度とのバランスに基づく現象であり、　Ｃｕ−
Ｚｎ合金層の存在は、その高温強度が、地のＣｕと同じ
か大きいので、マツシュルーム状変形を促進することは
ない。

本発明者らは、このような電極の接触径の拡大に関する
新しい知見に基づいて、長時間の連続的スポット溶接に
おいて、接触径の拡大が有効に抑制され、特別の大電流
を通電しなくとも、常に、必要な電流密度を確保でき、
この結果、健全な溶接品質を安定して維持することの出
来るスポット溶接用電極を発明した。すなわち、中心部
分が銅系材料、外縁部分が鉄系材料からなることを特徴
とする、複合型電極であり、溶接時の加圧力は、外縁部
分で受け、電流は中心部分を通すように導電率の異なる
二種の材料で構成した電極である。

構造としては、例えば、第１図のようなものであり、（
ａ）キャップ型、（ｂ）一体型であるが、外縁部分１に
大きな電流を流すと発熱が著しく、赤熱さえするので、
溶接機のホルダー２、アダプタ一部分２゛の通電部と電
極チップの中心部分３とが直接に接触させるような構造
であることが重要である。第１図のように、外縁部分１
の長さは中心部分３の長さと同じである必要はなく、要
は、電極の根元側から加えられる加圧力の一部または全
部が、直接に、あるいは、中心部分３を通じて間接的に
外縁部分１に負荷されるような構造であればよい。中心
部分３と外縁部分１との接合は、特に重要ではなく、連
続的スポット溶接作業で外縁部分１が抜は落ちない程度
に両者が結合しておればよい。

機械的にたたぎこんだり、接合面にねじを切ったり、接
着剤で仮接合して溶接時の膨張で接合したり、或いは、
鋲とめするなど、種々の方法がある。中心部分３と外線
部分１との接合面に非導電物室を介在させて絶縁すると
、第１図のようなタイプの電極の場合は、電流はすべて
中心部分を通るので、外縁部分１の温度上昇は最低に抑
制でき、電流密度も高くなり、好都合である。

中心部分３は、通電を受は持つため、導電率の高い銅系
材料でなければならず、加圧力は外縁部分１が主として
負担するので、高温強度に難があり電極材料としては不
適とされている、純銅でもよい。その他、上記のような
ＪＩＳで定められた各種の電極材料、あるいは、市販の
各種電極材料をはじめとする、導電率が銅に準する各種
の銅合金を用いることができる。外縁部分１は、加圧力
を受は持つため、融点が高く、高温強度が高い鉄系材料
が最適であり、例えば、低炭素鋼、中低炭素鋼、高炭素
鋼等の普通鋼の他、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等合金元素を１０％
以下添加した特殊鋼等鋼種や成分を選ばないが、高温酸
化性に優れたステンレス鋼を用いると、より効果的であ
る。鉄系材料とする、もうひとつの理由は、それが最も
安価な材料であることである。また、耐酸化性、非溶接
物との剥離性の改善、めっき金属との合金化抑制などの
ため、めっき、蒸着、溶射、その他の方法で、鉄系材料
からなる外縁部分の表面に、他種の金属やセラミックス
の被膜・層を形成させることも、本発明の効果をより大
きくすることに有効である。

中心部分の直径は、非溶接物と接触しない、溶接機ホル
ダー、アダプター寄りの部分は、電流をよく通すため大
きい方がよいが、第１図の例においてわかるように、最
小径は、中心の冷却孔４の水路の大きさで制約され、最
大径は、一体型電極の場合は溶接機ホルダーの径で制約
される。非溶接物と接触する側の部分の直径は、非溶接
物を流れる電流の電流密度を一定の値に制御するために
重要であり、３〜６．５１であることが望ましい。つま
り、スポット溶接に供せられる薄板の板厚は、一般に、
０，５〜２．３ｍｍであり、健全な溶接品質の基準であ
る最小ナゲツト径は、３〜６ｍｍであるから、電極先端
の通電部分の直径が、３ｍｍより小さいと、必要なナゲ
ツト径を得ることが却フてむづかしくなるので、中心部
分の非溶接物と接触する部分の直径は、３ｍｍ以上であ
ることが望ましい。また、８．５ｍｍより大きいと、電
流密度が低くなり過ぎて、健全な溶接品質を得難くなる
。

外縁部分の直径のうち、中心部分と接する側、即ち、内
側の直径は、中心部分の形状によって自ずと決まるが、
外側の直径は、加圧力を有効に負担するとの観点から重
要である。

通常用いられている電極の外径は、１３〜２５ｍｍであ
り、先端部を除くと溶接時の温度の上昇はわずかである
ので、この直径で加圧力を受けても塑性変形することは
ない。従って、外縁部分の溶接機側ホルダー、アダプタ
ー寄りの部分の外側直径は、現状の電極の外径なみて問
題ない。非溶接物と接触する側の部分は、流れる電流が
少ないので自己発熱が小さく、通常電極はど温度上昇し
ないが、非溶接物からの伝熱もあり、溶接時にはある程
度の強度低下があるので、加圧力を負担して塑性変形し
ないためには、外側直径が、７ｍｍ以上である事が望ま
しい。先端部外側直径は、大きいほど、内゛部応力を減
少でのるので有利であるが、溶接機側ホルダー、アダプ
ターの外径より大きくてもあまり意味がなく、大き過ぎ
ると作業性が悪くなるので、３０ｍｍ以下が望ましい。

［実施例］ 次に本発明の実施例を比較例とともに挙げる。

■電極：第２図（ａ）は本発明、（ｂ）は比較例であり
構成要件は表−１に示す。

■溶接条件 加圧力＝２５０にｇ 初期加圧時間：４０Ｈｚ ７通電時間：１２Ｈｚ 保持時間：５Ｈ２ 溶接電流：１１ｋＡ 点数 ■非溶接材料 合金化溶融亜鉛めっき鋼板［ＡＳ］ （板厚：　０．８ｍｍ、目付：　４５ｇ／ｍ２／４５ｇ
／ｍ２）２層合金電気めっき鋼板［Ｅ　Ｌ］ （板厚：　０．８ｍｍ、目付：　２３ｇ／ｍ２／２３ｇ
／ｍ２）ＡＳはＦｅ　９％、ＥＬは下層Ｚｎ　８５％残
Ｆｅ。

目付２０ｇ／＋ｕ２、上層Ｆｅ　８０％残Ｚｎ目付３ｇ
／ｍ２■溶接板組み ２枚重ね ■連続的スポット溶接（連続打点）の結果［本発明の効
果］ 本発明の電極を用いて連続打点を行った場合、電流の大
部分は銅系材料から成る中心部分を流れるので、高い電
流密度で非溶接物に通電することが出来、必要な大きさ
のナゲツトを容易に得ることができる。一方、外縁部分
は、電流はほとんど流れないので発熱も少なくて温度上
昇が抑制される上、高温強度の高い鉄系材料から成って
おり、さらに、直径を大きくしても電流密度の低下につ
ながらず、逆に、加圧力に起因する内部応力を減少させ
るので、連続打点をおこなっても、直径の拡大が抑制さ
れる。この結果、中心部分の直径の拡大も有効に抑制で
きるので、連続打点を長時間繰り返しても、電流密度は
一定に維持することができ、健全な溶接品質を保つこと
ができる。つまり、本発明の電極を用いることによって
、電極寿命は大幅に改善され、電極交換頻度が減少して
、スポット溶接作業のコストや生産性を画期的に改善す
ることができる。

なお、本発明の電極の、電流密度を常に高く保つことの
できる特徴を利用すると、溶接電流の低減が可能であり
、例えば、冷延鋼板に較べて大きな電流を必要とする亜
鉛めっき鋼板の溶接において、溶接機や電源の容量を増
強が不要となる等の経済上の大きな効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は、本発明の実施例を示す説
明図、第２図（ａ）は本発明の実施例、（ｂ）は比較例
の夫々の電極先端寸法を示す説明図である。 １：外縁部分　　　２：ホルダー ２゛ニアダブター　　３；中心部分 ４：冷却孔 第１図 （ｂ） ｌ：外縁部分 ２：ホルダー ２゛　ニアダブター ３：中心部分 ４：冷却孔 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　中心部分が銅系材料、外縁部分が鉄系材料からなる
   ことを特徴とするスポット溶接用複合型電極。 ２　電極先端部の寸法が、中心部分直径３ｍｍ以上、６
   ．５ｍｍ以下、外縁部分の外側直径が７ｍｍ以上、３０
   ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のスポッ
   ト溶接用複合型電極。