JPH04339575A - 抵抗溶接用電極の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被溶接体に加圧力を加え
つつ、通電を行う抵抗溶接技術において使用される抵抗
溶接用電極の製造方法に関し、特にアルミニウム材の溶
接に好適の抵抗溶接用電極の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スポット溶接又はシーム溶接等
の抵抗溶接に使用される電極には、短時間とはいえ大電
流が流れる。そして、この電極には抵抗発熱が生じると
共に、溶接部に投入した熱量の多くは電極に逃げるため
、電極先端部の温度は　４００乃至７００℃にも達する
。従って、抵抗溶接用電極材料としては、耐熱性、高温
強度、及び高導電性等が要求されており、このため、抵
抗溶接用電極は通常Ｃｕ−Ｃｒ合金により形成されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、車両
等の軽量化を目的として、アルミニウム板が使用される
ことが多くなってきた。しかし、アルミニウムは熱伝導
率が高いため、電極には短時間で大電流を流す必要があ
る。このため、電極の損傷が極めて大きくなる。而して
、Ｃｕ−Ｃｒ合金は他の従来の電極材に比して導電性が
優れているものの、アルミニウム板の抵抗溶接のような
苛酷な使用状況下においては、必ずしも必要な特性を十
分に満足しているとはいえない。即ち、このＣｕ−Ｃｒ
合金は、アルミニウムの溶接に際し、耐熱性及び高温強
度が十分とはいえず、電極先端部の変形が生じることが
ある。また、Ｃｕ−Ｃｒ合金は溶融Ａｌに対して濡れ性
が良いため、その表面で脆い合金層が生成しやすい。 このため、従来のＣｕ−Ｃｒ合金製電極はアルミニウム
の溶接に際して寿命が短いという欠点がある。そして、
電極の寿命が短ければ電極材のコストが高くなるだけで
なく、電極の取り替え及びドレッシングのために、多大
の時間と労力とを費やすことになる。

【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、耐熱性、高温強度及び導電性が優れ、電極
先端部が変形し難いと共に、溶融Ａｌに対する耐濡れ性
が優れていて、脆い合金層の生成が少なく、優れた寿命
を持つ抵抗溶接用電極の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る抵抗溶接用
電極の製造方法は、筒状に成形された無酸素銅からなる
外層に筒状に成形された溶製金属材からなる筒状の中間
層を嵌合し、更にこの中間層内に、所定の銅合金組成の
粉末を封入し前記中間層内を真空脱気してビレットを得
る工程と、このビレットに対し　８５０乃至１０００℃
の温度で１時間以上均質化処理を施す工程と、前記ビレ
ットに対し　７００乃至９５０　℃の温度で押出比が１
０以上の条件で押出加工を施す工程と、これにより得た
押出材を２℃／秒以上の冷却速度で　３００℃以下の温
度まで冷却する工程と、前記押出材に対し２０％以上の
加工率で冷間加工を施す工程と、これにより得た加工材
を　４５０乃至５５０　℃の温度で３０分間以上加熱し
その後２℃／分以下の冷却速度で　３００℃以下の温度
まで冷却することにより時効焼鈍処理を施す工程とを有
することを特徴とする。

【０００６】

【作用】本願発明者等は、導電性が優れていると共に寿
命が長い抵抗溶接用電極を開発すべく、種々実験研究を
行なった。その結果、アルミニウム材の溶接に使用する
電極としては、中心部に時効析出型の銅合金を配置し、
外周部に導電特性が優れた純銅を配置し、両者の間に比
較的強度が高い溶製金属材を配置した複合材が好適であ
ることを見い出した。そして、本願発明者等は、このよ
うな構造の電極を工業的に生産する方法についても実験
研究を繰り返し、その結果、電極製造工程の種々の条件
を制御することにより、導電性が優れ、高強度の抵抗溶
接用電極を得ることができるとの知見を得た。本発明は
このような実験結果に基づいてなされたものである。

【０００７】本発明においては、先ず、無酸素銅からな
る筒状の外層に銅合金等の溶製金属材からなる筒状の中
間層を嵌合し、この中間層の内側に所定の銅合金組成の
粉末を装入する。そして、中間層内を脱気し、封入する
ことによりビレットを得る。この銅合金粉末は、例えば
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃｏ−Ａｇ混合粉末に硼化物粉末を
混合したものであり、後述する押出加工により粉末焼成
材となる。

【０００８】次に、このビレットに対し、８５０　乃至
１０００℃の温度で均質化処理を施す。この均質化処理
により、芯部においてＣｕ中にＮｉ、Ｓｉ及びＣｏが拡
散し、未固溶のＮｉ、Ｓｉ、Ｃｏ粉末が低減する。均質
化処理温度が８５０　℃未満の場合、又は均質化処理時
間が１時間未満の場合は、未固溶Ｎｉ及びＣｏ粉末等が
残留し、最終製品における引張強さ、伸び及び導電率等
の特性が劣化してしまう。また、均質化処理温度が１０
００℃を超える場合は、均質化処理後の外層の表面に所
謂肌荒れが発生し、表面研削等の処理が必要になる。従
って、均質化処理時の温度は８５０乃至１０００℃とし
、均質化処理時間は１時間以上とすることが必要である
。

【０００９】次に、均質化処理を施したビレットに対し
、　７００乃至９５０　℃の温度で押出加工を施す。こ
の場合の押出比は１０とする。この押出加工は、例えば
熱間静水圧押出し、合わせ抽伸又は潤滑押出し等の方法
により実施する。押出加工時の温度が７００　℃未満の
場合は、金属粉末の充填率が低くなり、伸びが劣化する
。また、押出加工時の温度が　９５０℃を超えると、結
晶粒度が大きくなり、電極としたときに電極先端にクラ
ックが入りやすくなる。従って、押出加工時の温度は　
７００乃至　９５０℃とする。

【００１０】また、押出加工時の加工率が１０未満の場
合は、充填率及び伸びが低くなり、所望の特性の電極を
得ることができない。従って、押出加工時の加工率は１
０以上とすることが必要である。

【００１１】次に、押出材を、２℃／秒以上の冷却速度
で　３００℃以下の温度まで冷却する。これにより、Ｎ
ｉ、Ｓｎ及びＣｏの成分元素をＣｕ中へ強制固溶させ、
後述する時効焼鈍処理工程において引張強さ及び導電率
の向上を促進させる。なお、押出材の温度が低い場合は
、６５０　乃至８５０　℃に再加熱した後、上記冷却速
度で冷却することが好ましい。

【００１２】次に、冷却後の押出材に対し、２０％以上
の加工率で冷間加工を施す。これにより、歪エネルギー
が蓄積され、後述する時効焼鈍工程においてＮｉ２　Ｓ
ｉ及びＣｏ２　Ｓｉが析出して、強度及び導電率が向上
する。

【００１３】次いで、この冷間加工材に対して４５０　
乃至５５０　℃の温度で３０分間以上時効焼鈍処理を施
す。時効処理時の温度が４５０　℃未満の場合及び処理
時間が３０分間未満の場合は、導電率の向上効果が少な
い。また、時効処理時の温度が５５０　℃を超えると、
強度が低下する。従って、時効処理時の温度は４５０　
乃至５５０　℃であることが必要であり、時効処理時間
は３０分間以上であることが必要である。

【００１４】上述の温度に加熱した複合材は、２℃／分
以下の冷却速度で　３００℃以下の温度まで除冷する。 この冷却速度が２℃／分を超える場合は、導電率の向上
効果が少ない。このため、時効焼鈍処理工程における加
熱後の複合材は、２℃／分以下の冷却速度で除冷するこ
とが必要である。

【００１５】このようにして製造された電極は、被溶接
材料と接触する部分に強度、耐熱性及び溶融Ａｌに対す
る耐濡れ性が優れた粉末焼結体が配置され、この芯部の
周囲に比較的強度が高い銅合金溶製材からなる中間層が
配置され、この中間層の周囲に導電率が優れた無酸素銅
からなる外層が配置される。このため、本発明方法によ
り製造された抵抗溶接用電極は、電極先端部の変形が抑
制されて、電極寿命が長い。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００１７】図１乃至図３は本発明の実施例に係る抵抗
溶接用電極の製造方法を工程順に示す模式図である。

【００１８】先ず、図１に示すように無酸素銅（ＯＦＣ
）からなる筒状の外層１に、銅合金等の溶製金属材から
なる筒状の中間層２を嵌合する。なお、外層１を構成す
る無酸素銅中に、Ｚｒ、Ｓｎ又はＡｇ等の元素を添加し
てもよい。これらの元素は、無酸素銅の導電性を殆ど低
下させることなく、耐熱性及び強度を向上させる作用が
ある。また、中間層２は、例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｃ
ｏ系溶製金属材料からなる。

【００１９】次に、図２に示すように、中間層２の内側
に銅合金粉末３を装入する。この場合に、外層１及び中
間層２を加振することにより、銅合金粉末３の充填率を
向上させる。銅合金粉末３の充填率は、４５乃至６０％
であることが好ましい。また、銅合金粉末３は、例えば
、Ｎｉ粉末；１．１　乃至２．１　重量％、Ｓｉ粉末；
０．２５乃至０．４５重量％、Ｃｏ粉末；０．３　乃至
０．５　重量％、Ａｇ粉末；０．０１乃至０．１重量％
、Ｃｕ粉末；残部の混合粉末に、硼化物粉末を０．１　
乃至５．０　重量％混合したものである。また、この銅
合金粉末３の平均粒径は、例えば２０μｍである。

【００２０】次に、図３に示すように、中間層２の内部
を脱気した後、外層１の一方の端部に円錐状部材４を配
置して円錐状部材と外層とをシール溶接することにより
、ビレットを得る。

【００２１】次に、このビレットを８５０　乃至１００
０℃の温度で１時間以上加熱することにより、均質化処
理を施す。この均質化処理工程においては、Ｃｕ中にＮ
ｉ、Ｓｉ及びＣｏが拡散する。その後、前記ビレットを
　７００乃至９５０　℃の温度で押出加工を施こす。こ
の場合の押出比は１０以上とする。これにより、各層の
元素が相互に拡散して、各層間の接合強度が向上する。 また、粉末焼結体の充填率が向上して、伸び特性が向上
する。更に、押出温度を制御することにより、押出し後
の結晶粒度を制御することができる。

【００２２】次に、押出加工後の複合材を、２℃／秒以
上の冷却速度で３００℃以下の温度に冷却する。その後
、冷間加工を施すことにより、所望の直径の複合材とす
る。この場合の加工率は２０％以上であることが必要で
ある。

【００２３】次に、この複合材を　４５０乃至５５０　
℃の温度で３０分間以上加熱し、その後２℃／分以下の
冷却速度で　３００℃以下の温度まで除冷する。

【００２４】次に、この複合材を所定の長さに切断し、
電極形状に加工する。

【００２５】図４乃至図６は、夫々複合材を電極形状に
成形する金型及びポンチを示す断面図である。

【００２６】先ず、所定の長さに切断した前記複合材を
、図４に示す金型１０内に配置した後、金型１０の端部
にカウンタポンチ１１を配置する。次に、金型１０の上
方より図５に示す予備成形ポンチ１２を下降させて、複
合材の端部に円錐形の比較的浅い溝を形成する。次いで
、ポンチ１２に替えて図６に成形ポンチ１３を下降させ
、複合材の端部に比較的深い溝を形成する。これにより
、図７に示す形状の、芯材１４、中間層１５及び外層１
６の３層からなる抵抗溶接用電極１７が完成する。

【００２７】この抵抗溶接溶電極１７は、図８に示すよ
うに、シャンク１８に接続され、このシャンク１８から
電流が供給されると共に、シャンク１８内を流れる液体
により冷却される。

【００２８】本実施例方法により製造された電極は、芯
部に強度が高く、Ａｌに対する耐濡れ性が優れ、高温強
度が高い粉末焼結体が配置され、外層が高導電性の無酸
素銅からなるため、電極の変形が抑制されると共に、電
極寿命が従来に比して極めて長い。また、シャンクに接
触する部分が銅合金の中間層からなるため、シャンクと
の間の接触抵抗が少ないと共に、シャンクと接触した部
分の変形を抑制することができる。

【００２９】なお、本実施例に係る電極は、外層が無酸
素銅からなるため、電極形状に成形する工程において、
図９に示すように、外層１６が電極１７の先端部に廻り
込むことがある。

【００３０】図１０乃至図１２はこのような外層の廻り
込みを回避できる電極の成形方法を示す模式図である。

【００３１】先ず、図１０に示すように、前述した方法
により製造し所定の長さに切断した複合材２０の両端の
縁部を面取りする。この面取り加工により、例えば複合
材２０の先端（下端）側の縁部においては外層１６及び
中間層１５が部分的に除去され、上端側の縁部において
は外層１６のみが部分的に除去される。この複合材を図
４に示す金型内に装入する。

【００３２】次に、図１１に示すように、図５に示すポ
ンチを使用して複合材２０を予備成形する。これにより
、複合材２０の下端側は所定の曲率を有する曲面に成形
され、上端側には比較的浅い溝２１が形成される。

【００３３】次いで、図１２に示すように、図６に示す
ポンチを使用して、複合材２０を所定の形状に成形する
。

【００３４】このようにして成形した電極は、図１３に
示すように、外層１６の電極先端部への廻り込みが回避
される。

【００３５】次に、本発明の実施例方法により実際に電
極を製造し、その特性を調べた結果について説明する。

【００３６】先ず、外層として、純銅（１００　％−Ｏ
ＦＣ）の筒を用意した。また、中間層として、１．６　
重量％のＮｉ、０．３５重量％のＳｉ、０．４　重量％
のＣｏ、０．００５　重量％のＭｇ及び０．００５　重
量％のＣｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物か
らなる銅合金の筒を用意した。

【００３７】芯材は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ａｇ及
びＺｒの各純金属粉末を混合したプレミックスタイプと
した。即ち、中間層内に装入する芯材原料として、１．
６　重量％のＮｉ粉末、０．３５重量％のＳｉ粉末、０
．４　重量％のＣｏ粉末、０．０３重量％のＡｇ粉末及
び０．１　重量％のＺｒ粉末を含有し、残部がＣｕ粉末
からなる混合粉末に、１．６　重量％のＺｒＢ２　粉末
を混合した。

【００３８】次に、これらの外層、中間層及び金属粉末
によりビレットを製造し、下記表１に示す条件で電極を
製造した。

【００３９】

【表１】

【００４０】次に、このような条件で製造した電極に対
し、各処理条件が異なる実施例及び比較例方法により電
極を製造して、各処理条件による特性の変化を調べた。

【００４１】均質化処理条件 下記表２に示す温度及び時間で均質化処理を施した以外
は表１に示す条件で電極を製造した。そして、各電極の
引張強さ、伸び及び導電率を調べた。その結果も表２に
併せてに示した。

【００４２】

【表２】

【００４３】この表２から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例１乃至４は、処理条件温度が低
い比較例１及び処理条件温度が低いと共に処理時間が短
い比較例２に比して、引張強さ、伸び及び導電率がいず
れも優れていた。また、処理温度が高い比較例３は、外
層に大きな肌荒れが発生し、好ましくないものであった
。なお、実施例４においては外層に若干の肌荒れが発生
したが、使用上差し支えない程度であった。

【００４４】押出温度 下記表３に示す温度で押出加工を施した以外は表１に示
す条件で電極を製造した。そして、熱処理後における芯
部の充填率、伸び及び芯部の結晶粒度を調べた。その結
果も表３に併せてに示した。

【００４５】

【表３】

【００４６】この表３から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例５乃至７は、充填率が高いため
良好な伸び特性を有しており、また結晶粒度も小さい。 一方、押出温度が低い比較例４は、充填率が低いため伸
びも低く、冷間加工中に界面剥離が発生した。また、押
出温度が高い比較例５は、結晶粒が大きく、溶接時にク
ラックが発生しやすいものであった。

【００４７】押出比 下記表４に示す押出比で押出加工を施した以外は表１に
示す条件で電極を製造した。そして、熱処理後における
芯部の充填率及び伸びを調べた。その結果も表４に併せ
て示した。

【００４８】

【表４】

【００４９】この表４から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例８乃至１０は、充填率が高いた
め良好な伸び特性を有している。一方、押出比が低い比
較例６は、充填率が低いため伸びも低く、冷間加工中に
界面剥離が発生した。

【００５０】押出後の冷却速度 押出加工後の冷却速度を下記表５に示す速度とした以外
は表１に示す条件で電極を製造した。そして、熱処理後
における引張強さ及び伸びを調べた。なお、実施例１１
，１２はシャワーによる水冷方式により冷却したもので
あり、実施例１３は水中に浸漬して冷却したものである
。また、比較例７は、空冷により冷却したものである。

【００５１】

【表５】

【００５２】この表５から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例１１乃至１３は、いずれも冷却
速度が遅い比較例７に比して、引張強さ及び伸びのいず
れの特性も優れている。

【００５３】冷間加工率 下記表６に示す冷間加工率とした以外は表１に示す条件
で電極を製造した。そして、熱処理後における引張強さ
及び導電率を調べた。その結果も、表６に併せて示した
。

【００５４】

【表６】

【００５５】この表６から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例１４乃至１６は、いずれも冷間
加工を施さない比較例８に比して、引張強さ及び導電率
のいずれの特性も優れている。

【００５６】時効焼鈍 下記表７に示す処理条件で時効処理を施した以外は表１
に示す条件で電極を製造した。そして、熱処理後におけ
る引張強さ及び導電率を調べた。その結果も、表７に併
せて示した。

【００５７】

【表７】

【００５８】この表７から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例１７乃至２２は、いずれも引張
強さが　６２０Ｎ／ｍｍ２　以上とが高く、導電率も４
４％ＩＡＣＳ以上と良好であった。一方、時効焼鈍温度
が低い比較例９は、導電率が十分でなく、焼鈍時間が短
い比較例１０は、引張強さ及び導電率のいずれも満足で
きるものではなかった。また、焼鈍温度が高い比較例１
１は、導電率は良好であるものの、引張強さが著しく劣
るものであった。

【００５９】時効焼鈍時の冷却速度 時効焼鈍時の冷却速度を下記表９に示す速度とした以外
は表１に示す条件で電極を製造した。そして、熱処理後
における引張強さ及び導電率を調べた。その結果も、表
８に併せて示した。

【００６０】

【表８】

【００６１】この表８から明らかなように、本発明方法
により製造された実施例２３，２４は、冷却速度が大き
い比較例１２，１３に比して、導電率が優れている。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
抵抗溶接用電極の製造工程における条件を所定の範囲に
制御するから、強度が高く、導電性が良好であると共に
結晶粒度が小さくて電極寿命が長い抵抗溶接用電極を製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る抵抗溶接用電極の製造方
法を示す模式図である。

【図２】同じくその一工程を示す模式図である。

【図３】同じくその一工程を示す模式図である。

【図４】電極の製造に使用する金型を示す断面図である
。

【図５】電極の製造に使用する予備成形ポンチを示す断
面図である。

【図６】電極の製造に使用する成形ポンチを示す断面図
である。

【図７】本発明方法により製造された電極を示す断面図
である。

【図８】シャンクに接続された電極を示す断面図である
。

【図９】電極先端部に外層が廻り込んだ電極を示す断面
図である。

【図１０】電極の成形方法の一例を示す模式図である。

【図１１】同じくその一工程を示す模式図である。

【図１２】同じくその一工程を示す模式図である。

【図１３】本発明の実施例方法により製造された電極を
示す断面図である。

【符号の説明】

１，１６；外層 ２，１５；中間層 ３；銅合金粉末 ４；円錐状部材 １０；金型 １１，１２，１３；ポンチ １４；芯材 １７，２０；電極 １８；シャンク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　筒状に成形された無酸素銅からなる外
   層に筒状に成形された溶製金属材からなる筒状の中間層
   を嵌合し、更にこの中間層内に、所定の銅合金組成の粉
   末を封入し前記中間層内を真空脱気してビレットを得る
   工程と、このビレットに対し　８５０乃至１０００℃の
   温度で１時間以上均質化処理を施す工程と、前記ビレッ
   トに対し　７００乃至９５０　℃の温度で押出比が１０
   以上の条件で押出加工を施す工程と、これにより得た押
   出材を２℃／秒以上の冷却速度で　３００℃以下の温度
   まで冷却する工程と、前記押出材に対し２０％以上の加
   工率で冷間加工を施す工程と、これにより得た加工材を
   　４５０乃至５５０　℃の温度で３０分間以上加熱しそ
   の後２℃／分以下の冷却速度で　３００℃以下の温度ま
   で冷却することにより時効焼鈍処理を施す工程とを有す
   ることを特徴とする抵抗溶接用電極の製造方法。