JPH04113181U - スポツト溶接用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム、アルミニウム合金等の電気伝
導度、熱伝導度の大きな金属板のスポット溶接に通した
電極を供する点にある。 【構成】 アルミニウム合金の如き電気伝導度および熱
伝導度の大きい図示されない金属製被溶接材を重合せ、
これを上下１対の電極１で挟み、この電極１は、Ｃu −
Ｃr 合金製電極本体２の先端のネジ部３に、チタン製コ
ップ形キャップ４を一体に螺嵌し、キャップ４の頭頂壁
５の頭頂面６を球面の一部として形成し、頭頂面６の中
央部に丸穴形状の凹み８を形成している。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は電気伝導度、熱伝導度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。

【０００２】

【従来技術および解決しようとする課題】

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、熱伝導度の大きなアルミ 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、溶接機のポータブル化は難しかった 。

【０００３】 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。

【０００４】 このような不具合を解消するために発明されたものとして、特開昭57-56175号 公報がある。 該公報に記載された発明では、電極の先端と被溶接材との間に、該被溶接材よ り熱伝導度および電気伝導度が低く融点温度の高い金属材料からなる当て金を介 在させていた。

【０００５】 前記公報の発明では、被溶接材より熱伝導度および電気伝導度が低い金属材料 製当て金にジュール熱を集中して発生させ、この当て金を高温に加熱させること により、熱伝導度および電気伝導度の高い被溶接材にナゲットを形成してスポッ ト溶接を行うようになっているが、この当て金は均一な厚みになっているため、 両電極間を通電して加圧したスポット溶接状態では、当て金周縁部直下の被溶接 材部分はその外方に向い流れてその部分の接触面圧が低下し、当て金中央部の接 触面圧が最も大きくなって、電流が集中し、この当て金中央部に接した被溶接材 部分が過熱状態となり、ナゲットの径が小さくなって溶接強度が低下し、また被 溶接材部分の過熱によってピックアップ現象（被溶接材が電極に付着する現象） が生じ、当て金の連続打点性が低下する。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用効果】

本考案はこのような難点を克服したスポット溶接用電極の改良に係り、被溶接 材より熱伝導度および電気伝導度が低くかつ融点温度の高い材料よりなるコップ 形のキャップを電極本体の先端に被嵌させてなり、該キャップは、その頭頂面が 球面に近い形状に形成されるとともに、頭頂壁の肉厚が中央部で大きく、周辺部 で小さく形成され、かつ前記キャップの頭頂面中央に丸穴凹みが形成されたこと を特徴とするものである。

【０００７】 本考案は前記したように被溶接材より熱伝導度および電気伝導度が低くかつ融 点温度の高い材料よりなるコップ形のキャップを電極本体の先端に被嵌したため 、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の材質の比較的薄い２枚の重合せ被溶 接材に１対の電極本体を先端のキャップを挟み、該１対の電極を介して２枚の被 溶接材に通電を行うと、電気抵抗の大きな前記キャップの抵抗発熱と、該キャッ プと被溶接材との接触抵抗発熱とで、前記被溶接材における両キャップで挟まれ た部分が高温に加熱されて、該挟持部分の電気抵抗が大きくなり、該被溶接材部 分に高温のナゲットが生じ、所要のスポット溶接が遂行される。

【０００８】 また本考案では、前記キャップの頭頂面を球面に近い形状に形成するとともに 、頭頂壁の肉厚を中央部で大きく周辺部で小さく形成したため、被溶接材との接 触面圧が大きなキャップ頭頂面中央部において電流が集中して加熱状態になると ころを、このキャップ頭頂面中央部の厚肉化によって、前記被溶接材における両 キャップで挟まれた部分の電流密度を均等化し、局部過熱のない状態のナゲット を得ることができる。

【０００９】 このように本考案を用いてスポット溶接を行えば、局部過熱のない高温のナゲ ットを被溶接材における両キャップで挟まれた部分に発生させることができ、し かも、被溶接材よりも融点温度の高い材料よりなるコップ形のキャップを電極本 体の先端に被嵌させたため、被溶接材が電極に付着するピックアップや、電極に 付着した被溶接材が電極内部に拡散し浸透するエロージョンを抑制し、良好な溶 接部分を得ることができる。

【００１０】

【実 施 例】

以下第１図ないし第３図に図示された本考案の一実施例について説明する。 図１、図２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12，13を重合せ、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、第３図に図示されるように、汎 用電極材（例、Ｃu −Ｃr 合金）で形成された電極本体２の先端部に形成された ネジ３部に、被溶接材12，13に比して電気伝導度および熱伝導率が小さく、融点 温度の高いチタン（Ｔi ）で形成されたコップ形のキャップ４を螺嵌することに よって構成されている。

【００１１】 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）、 その結果頭頂壁５の肉厚は中央部７で大きく周辺部９で小さくなっており、かつ 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８が形成されて いる（電極本体２の先端はＦ形電極形状になされている）。

【００１２】 図１ないし図３に図示された実施例は前記したように構成されているので、軟 鋼板の溶接と同程度の電流条件（小電流）で被溶接材12，13に通電を行うと、被 溶接材12，13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 の大きなチタンで形成されたキャップ４，４と被溶接材12，13トの接触界面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12，13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の近傍にナゲット（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12，13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Ａで生じる 発生熱のみではナゲットが生ずることはなく、接触界面Ｂ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12，13（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12，13が円柱状に溶融 し、第２図に示すようなナゲット14が生ずる。このとき、被溶接材12，13に比し てチタン製キャップ４の融点温度が十分高いため、キャップ４の溶融が生じるこ とはない。

【００１３】 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12，13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（Ｔi ）等 を上げ得るが（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、靱性を有しており、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）を抑制し、良好な連続 打点性を確保することができる。

【００１４】

【表１】

【００１５】 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12，13 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12，13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、該中央部が過熱状 態になり、小さな面積範囲で集中的に被溶接材12，13に熱が投入される結果、ナ ゲット14の径が小さくなるとともにナゲット14も過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傾向があるが、本実施 例では、チタン製キャップ４の頭頂壁肉厚を中央部で大きく、周辺部で小さく形 成することによってこの問題を解決した。

【００１６】 本実施例は、通電抵抗が肉厚の大きさに比例することを利用したものであり、 頭頂壁５の肉厚が均一である場合に比して頭頂壁５の中央部７における電流密度 が低下し、周辺部９における電流密度が増大する。その結果、頭頂壁中央部７に 集中しがちな電流が頭頂壁５全体に分散され、頭頂面６と被溶接材12，13との接 触界面全体に均等な接触抵抗熱が生じ、被溶接材12，13への入熱が大きな面積範 囲で均等に行われ、局部過熱のない状態で図２に図示の如き大きなナゲット径を 得ることができる。

【００１７】 また、頭頂面６における電流密度が中央部７から周辺部９に亘って均等化する ことにより、被溶接材12，13の局部過熱が防止され、鋼に比して熱膨張係数の大 きなアルミニウム合金、マグネシウム合金等で形成された被溶接材12，13が溶融 熱膨張してキャップ４の頭頂面６との間で増大する接触面圧が頭頂壁中央部７に おいて過度に大きくなる現象を避けることができ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良好な連続打点性が保証される。 さらに、小電流の通電を行なってキャップ４と被溶接材12，13との接触界面Ｂ で発生した接触抵抗熱を被溶接材12，13に投入してナゲッ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。

【００１８】 そして、頭頂壁５の中央部７に凹み８を形成したため、周辺部９に比して中央 部７の肉厚が大きいことともあいまって、通電時に電流が周囲に効果的に分散さ れて頭頂面６と被溶接材12，13との接触界面で均等に接触抵抗熱が発生し、頭頂 壁５および被溶接材12，13の局部過熱が起らず、十分大きな径のナゲット14（図 ２参照）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が 抑制され、連続打点性が向上する。 さらにまた、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の 熱膨張率は大きく（アルミニウム合金の熱膨張係数は鋼の約３倍である）、通電 時に大きく熱膨張した被溶接材12，13の高温の溶融部が頭頂面６を押して頭頂面 ６と被溶接材12，13との間の面圧が過大になるところ、頭頂面６の中央部７には 凹み８が形成されているため、該凹み８内に熱膨張した高温の溶融部（中央に位 置する部分が最も高温である）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。

【００１９】 しかも電極１，１を被溶接材12，13に接触させて加圧、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（Ｌ）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11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12，13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。

【００２０】 そして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12 ，13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12，13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ットを得るこ とができる。

【００２１】 図４に示された本考案の別実施例の電極１Ａでは、チタン製キャップ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ッキ処理を施し、電 極本体２Ａと頭頂壁５Ａとの間に銀製介挿板15に挟み込んだ点で電極１の構造と 相違している。

【００２２】 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Hv200 程度、窒化処理後のチタン材の硬度はHv 1000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。

【００２３】 キャップ４Ａの剛性が大きければ、被溶接材12，13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50μΩ・cmであるのに対し 、Ｔi Ｎの電気比抵抗が最大130 μΩ・cmであり、窒化処理によってキャップ４ Ａ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12，13間の接触 抵抗が増大し、発熱促進を計ることができ、ナゲットの生成が更に容易になる。

【００２４】 銅メッキ処理…銅メッ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７にジュール熱が集中し、中央部７と周辺部９との温 度差が大きい。（図５(a）温度分布曲線参照）のに対し、図４の実施例のように キャップ４Ａの内面に銅メッキ処理を施したものでは、中央部７へのジュール熱 の集中が緩和され、中央部７と周辺部９の温度差が小さい（図５(b) 温度分布曲 線参照）。したがって、銅メッキ処理を施すことによって被溶接材12，13の局部 過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。

【００２５】 また、キャップ４Ａは被溶接材12，13に対する熱源として機能する部材である から或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。この意味では、キャップ４Ａの内面に 熱伝導性の良好な銅メッ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。

【００２６】 銀製介挿板15の使用…介挿板15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。 そして銀製介挿板15を電極本体２Ａと頭頂壁５Ａとの間に介装した作用効果は 、銅メッキ処理の場合と類似しており、介挿板15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５Ａの中央部に集中しがちなジュー ル熱が介挿板15を通じて頭頂壁５Ａの周辺部９に拡散され、中央部７と周辺部９ との温度差が小さくなることから、被溶接材12，13の局部過熱防止によるナゲッ 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15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。

【００２７】 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頭頂壁キャップ４Ａに生じる応 力を緩和させる上で、頭頂壁５Ａと電極本体２Ａとの間に介挿板15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15が緩衝体として機能し、熱衝撃に対しては、水冷された電極本体２に 対する良好な熱伝達媒体として介挿板15が機能することにより頭頂壁５Ａ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。

【００２８】 ＜溶接試験＞ 斯かる作用効果が得られる電極１Ａを本考案例とし、鋼板溶接用単相交流式ポ ータブル溶接機を用いて二枚のアルミニウム合金板（板厚1.0mm ）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ブル溶接機（比較例Ｉ）、単相交流式定置溶接機（比 較例II）、アルミニウム溶接用単相整流式ポータブル溶接機（比較例III ）に て二枚のアルミニウム合金板（板厚1.0mm ）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（ナゲット径、引張りせん断強さ（平均値））を表２に示 した。

【００２９】

【表２】

【００３０】 ＜試験結果の評価＞ 本考案例と比較例Ｉの対比から、チタン製キャップ４Ａ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。 本考案例と比較例III 、IVとの対比から、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 以上のナゲット径、引張りせん断強度が得られることが判る。

【００３１】 また、本考案例にあっては、連続100 打点の溶接を行い得ることが確認され た。

【００３２】 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III 、IVでは５打点溶接毎に除去作業が必要であったの に対し、本考案例では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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のスポット溶接用電極の一実施例を用い
てスポット溶接を行なう状態を図示した概略図である。

【図２】前記実施例において、ナゲットができた状態の
概略図である。

【図３】前記実施例の要部拡大縦断正面図である。

【図４】本考案の他の実施例の要部拡大縦断正面図であ
る。

【図５】図１ないし図３に図示の実施例と図４に図示の
実施例の溶接通電時のキャップ頭頂面の温度分布の違い
を示す図で、(a) は第１実施例、(b) は第２実施例を示
している。

【符号の説明】

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…中央部、８…凹み、９…周
辺部、10…周壁、11…ネジ、12，13…被溶接材、14…ナ
ゲット、15…介挿板。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接材より熱伝導度および電気伝導度
   が低くかつ融点温度の高い材料よりなるコップ形のキャ
   ップを電極本体の先端に被嵌させてなり、該キャップ
   は、その頭頂面が球面に近い形状に形成されるととも
   に、頭頂壁の肉厚が中央部で大きく、周辺部で小さく形
   成され、かつ前記キャップの頭頂面中央に丸穴凹みが形
   成されたことを特徴とするスポット溶接用電極。
2. 【請求項２】 前記コップ形のキャップの全外表面に窒
   化処理層を形成したことを特徴とする前記請求項１記載
   のスポット溶接用電極。