JPH0515424Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本考案は電気伝導度、熱伝導率の大きな金属材
料のスポツ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。 〔従来技術および解決しようとする課題〕 スポツト溶接とは、２枚の金属板を重ね合せ、
これを１対の丸棒状の電極で挟持加圧して通電
し、発生したジユ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。このスポツト溶接法
によつて電気伝導度、熱伝導率の大きなアルミニ
ウム合金またはマグネシウム合金製金属板の溶接
を行う場合には、ジユ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。したがつて、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
ツト・ガンを採用しなけれがならず、溶接機のポ
ータブル化は難しかつた。 さらに、大電流を用いるにしても、多点スポツ
ト溶接を行うに当つては、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
という不具合もあつた。 〔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不具合を解消したスポツト
溶接用電極の改良に係り、アルミニウム合金また
はマグネシウム合金製金属板のスポツト溶接に用
いられるスポツト溶接用電極において、電極本体
の先端に電気伝導度の小さなコツプ形のチタン製
厚肉キヤツプを被嵌させてなり、該厚肉キヤツプ
の頭頂面は、該頭頂面の中央部より周辺部に向つ
て該中央部より緩やかに後退した弯曲凸面に形成
されるとともに、該厚肉キヤツプの頭頂壁の肉厚
は中央部から周辺部に向つて漸減したことを特徴
とするものである。 本考案は前記したように電気伝導度の小さなコ
ツプ形のチタン製厚肉キヤツプを電極本体の先端
に被嵌したため、２枚のアルミニウム合金または
マグネシウム合金製金属板に１対の電極本体の先
端のキヤツプを挟み、該１対の電極を介して前記
２枚の金属板に通電を行うと、電気抵抗の大きな
前記コツプ形チタン製厚肉キヤツプの抵抗発熱と
該キヤツプと金属板との接触抵抗発熱とで、該金
属板における両キヤツプで挟まれた部分が高温に
加熱されて、該金属板挟持部分の電気抵抗がさら
に大きくなり、該金属板挟持部分に高温ナゲツト
が生じ、所要のスポツト溶接が遂行される。 また本考案では、前記キヤツプの頭頂面中央部
より周辺部に向つて該中央部より緩やかに後退し
た弯曲凸面に形成するとともに該厚肉キヤツプの
頭頂壁の肉厚を中央部から周辺部に向つて漸減し
たため、金属板との接触面圧が大きなキヤツプ頭
頂面中央部において電流が集中して過熱状態にな
るところを、このキヤツプ頭頂面中央部の厚肉化
によつて、前記被溶接材における両キヤツプで挟
まれた部分の電流密度を均等化し、小電流で局部
過熱のない状態のナゲツトを得ることができる。 このように本考案を用いてスポツト溶接を行え
ば、局部過熱のない高温のナゲツトを金属板にお
ける両キヤツプで挟まれた比較的広い部分に発生
させることができ、しかも、金属板よりも融点温
度の高いチタン製コツプ形キヤツプを電極本体の
先端に嵌合させたため、金属板が電極に付着する
ピツクアツプや、電極に付着した金属板が電極内
部に拡散し浸透するエロージヨンを抑制し、良好
な溶接部分を得ることができるともに消費電力を
節減できる。 〔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。第１図および第２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１２，１３を重合せ、これを上、下の電
極１を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Ｆ型形状の電極本体
２の先端部に形成されたネジ部３に、被溶接材１
２，１３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
たコツプ形のキヤツプ螺合させることによつて構
成されている。 図１において、軟鋼板の溶接と同程度の電流ア
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、汎
用電極材（例、Cu・Cr合金）で形成された電極
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
チタン（Ti）で形成されたコツプ形のキヤツプ
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ヤツプ４，４と被溶接
材１２，１３との接触界面Ｂ，Ｂで大きな接触抵
抗発熱が生じ、キヤツプ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
によつて該界面Ａの近傍にナゲツト（溶融部）が
生ずるはずである。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
ゲツ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）によつてキヤツプ４，４間に
挟まれた部分が温度上昇し、それに伴つて該部分
の電気抵抗が大きくなり、被溶接材１２，１３
（キヤツプ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つて、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
ツト１４が生じる。このとき、被溶接材１２，１
３に比してチタン製キヤツプ４の融点温度が十分
高いため、キヤツプ４の溶融が生じることはな
い。 ところで、スポツト溶接用電極に要求される重
要な条件は連結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ヤツプ４用材料
として炭素鋼、ステンレス鋼、チタン（Ti）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、靱性を有して
おり、チタン製キヤツプ４を用いることによつて
ピツクアツプ（被溶接材が電極に付着する現象）、
エロージヨン（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。

【表】 また、キヤツプ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。キヤツプ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、通電によつてキヤツプ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、キヤツプ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１２，１３に熱が投入される結
果、ナゲツト１４の径が小さくなるとともにナゲ
ツト１４も過熱状態になつてピツクアツプ現象が
生じ、結果的にキヤツプ４の連続打点性が低下す
る傾向があるが、本実施例では、チタン製キヤツ
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つてこの問題を解決した。
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面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
い状態で第２図に図示の如き大きなナゲツト径を
得ることができる。 また、頭頂壁６における電流密度が中央部７か
ら周辺部９に亘つ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またはマ
グネシウム合金で形成された被溶接材１２，１３
が溶融熱膨張してキヤツプ４の頭頂面６との間で
増大する接触面圧が頭頂面中央部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ツクアツ
プおよびそれに伴うエロージヨンが抑制され良好
な連続打点性が保証される。 さらに、小電流の通電を行なつてキヤツプ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。 さらに、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
いことともあいまつて、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ツト１４（第２図参照）
が形成されるとともに、ピツクアツプおよびそれ
に伴うエロージヨンが抑制され、連続打点性が向
上する。 さらにまた、アルミニウム合金またはマグネシ
ウム合金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１
２，１３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と
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ツ
クアツプおよびそれに伴うエロージヨンの発生が
防止される。 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
荷重がキヤツプ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ヤツプ４に生じる。荷
重の作用および熱衝撃によつてキヤツプ４に生じ
る応力を緩和させる上でキヤツプ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
積の増大によつ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ヤツプ４の緩みを防
止てきる。また、キヤツプ４の緩みが生じるとキ
ヤツプ４の頭頂壁５が電極本体２の先端面から離
れ、加圧力によつて頭頂壁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、キヤツプ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。 そしてスポツト溶接を行うに当つて、キヤツプ
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、ピツクアツプおよびそれに伴うエロ
ージヨンが抑制され、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℃）、キヤツ
プ４と被溶接材１２，１３との接触界面で生じる
接触抵抗熱によつ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。この被膜はキヤツプ４の頭頂面６を保護し、
ピツクアツプ、エロージヨンを抑制し、常に安定
した品質のナゲツトを得ることができる。 第４図に示された本考案の別実施例の電極１Ａ
では、チタン製キヤツプ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１５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…窒化処理によつてキヤツプ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Hv1000程度であり硬度の上昇
は著しい。キヤツプ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、したがつ
てピツクアツプ、エロージヨンが効果的に抑制
され、耐摩耗性が良好であることもあいまつ
て、連続打点性の向上を企図し得る。 キヤツプ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、Ｔ Ｎの電
気比抵抗が最大130μΩ・cmであり、窒化処理に
よつてキヤツプ４Ａの電気抵抗が増大する。し
たがつて、キヤツプ４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、通電時にキヤツプ４Ａにおける頭頂壁５
Ａの中央部７にジユール熱が集中し、中央部７
と周辺部９との温度差が大きい（第５図ａ温度
分布曲線参照）のに対し、第４図に図示の実施
例のようにキヤツプ４Ａの内面に銅メツキ処理
を施したものでは、中央部７へのジユール熱の
集中が緩和され、中央部７と周辺部９の温度差
が小さい（第５図ｂ温度分布曲線参照）。した
がつて、銅メツキ処理を施すことによつて被溶
接材１２，１３の局部過熱を防ぐことができ、
ピツクアツプ、エロージヨンの発生を抑え、連
続打点性の向上を企図し得る。 また、キヤツプ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、キヤツプ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、キヤツ
プ４Ａの過熱が防止される。 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、キヤツプ４Ａよりも熱伝導性良好、キヤツ
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
銅メツキ処理の場合と類似しており、介挿板１
５が電極本体２Ａおよびキヤツプ４Ａに対して
よく密着し、電極本体２Ａ−キヤツプ４Ａ間の
接触抵抗の低減化によつ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
ジユール熱が介挿板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ツト径の拡大、
およびピツクアツプ、エロージヨンの抑制によ
る連続打点性の向上を企図し得る。また、介挿
板１５はキヤツプ４Ａから電極本体２Ａへの熱
伝達を良好ならしめ、キヤツプ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
荷重がキヤツプ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ヤツプ４Ａに生
じることは前述の通りである。この荷重の作用
および熱衝撃によつて頭頂壁キヤツプ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、加圧力によつて頭頂壁
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。 〈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）
のスポツト溶接を行つた。また、比較のためにチ
タン製キヤツ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）、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ブル溶接機（比較例
）にて二枚のアルミニウム合金板（板厚1.0mm）
のスポツト溶接を行なつた。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】 〈試験結果の評価〉 本考案例と比較例の対比から、チタン製キ
ヤツプ４Ａを用いることにより、従来不可能で
あつた小電流、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，との対比から、チタ
ン製キヤツ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、本考案例にあつては、連続100打点の
溶接を行い得ることが確認された。 電極にピツクアツプ、エロージヨンが生じた
ときにはその部分を除去しなければならない
が、比較例，では５打点溶接毎に除去作業
が必要であつたのに対し、本考案例では10打点
溶接毎に除去作業が必要であつた。このことか
ら、チタン製キヤツプ４Ａではピツクアツプ、
エロージヨンが生じ難く、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】

第１図、第２図は本考案電極を用いたスポツト
溶接方法を示す概略図、第３図は本考案の一実施
例に係るスポツ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ツト溶接用電極を
示す要部欠截図、第５図はチタン製キヤツプ内面
の銅メツキ皮膜の有無による溶接通電時のキヤツ
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
……キヤツプ、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……ナゲツト、１５……介挿板。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 アルミニウム合金またはマグネシウム合金製
   金属板のスポツト溶接に用いられるスポツト溶
   接用電極において、電極本体の先端に電気伝導
   度の小さなコツプ形のチタン製厚肉キヤツプを
   被嵌させてなり、該厚肉キヤツプの頭頂面は、
   該頭頂面の中央部より周辺部に向つて該中央部
   より緩やかに後退した弯曲凸面に形成されると
   ともに、該厚肉キヤツプの頭頂壁の肉厚は中央
   部から周辺部に向つて漸減したことを特徴とす
   るスポツト溶接用電極。 (2) 前記コツプ形のチタン製厚肉キヤツプの全外
   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記載のスポツト溶接電極。