JPS6018275B2 - 抵抗溶接用電極とその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は抵抗溶接技術特に抵抗溶接装置に用いる電極の
改良に関するものである。

抵抗溶接法は金属部材を接合する迅速かつ効果的な方法
としてこれまで永らく用いられている。

溶接すべき被加工片は突合せ関係におかれこれらの間の
境界に一対の対向電極によって大電流を流してやるので
ある。この電流により被加工片の表面は十分に加熱され
て溶接ナゲットが形成される。電極は溶接中この被加工
片に十分な加圧を加えるのが普通である。これにより、
材料を一体化するように押圧すると溶接過程が実現し、
さらに電極先端と被加工材料との電気抵抗を減少させる
ことによって完了する。この溶接は彼漆着材料の抵抗加
熱によって達成されるので、電極もかなり加熱されるこ
とになる。

電極部における電力の損失を最小化し結果的に電極の加
熱を少なく・するために電極には電導度の大きい材料を
用いなければならない点が重要である。また、溶接過程
における昇温で相当の変形力が生ずるがこれに耐久し得
る電極であることも必要である。中空の電極にして内腔
に冷却用流体を流通せしめてこの電極の麹部の昇温をか
なり抑えることが抵抗溶接ではこれまで用いられていた
。しかし、この冷却方式には限界があり、さらにこのよ
うな技法では電極の先端部の冷却は有効に行なわれなか
った。従釆の電極は電極部における電力の損失を最小化
するために電導度の大きな鋼で形成されていた。

この種の電極は一方、比較的寿命が短か〈、これは高温
高圧下に反覆して溶接作業が行われた後に電極先端部が
殆んど変形させられることに基因していた。このように
変形した電極先端は再整形するか矯正することにより所
望の形状にするのが普通であった。しかるに、こうした
ことのできる時間には限りがあり、このため電極を廃棄
するかたちで処理されてきた。電極の廃棄は高価につく
だけでなく、矯正された電極を取替えるための熔接機の
停止時間の方がさらに大きな無駄になった。
・銅製電極のスクラップにするコストを最小
ならしめるために、電極先端を交換可能にした２つの電
極片とこれに対応する軸部を用いる方式が案出された。
米国特許第２４４０４６３号、同第２７８０７１８号、
同第２８２９２３８号同第２４０２６４６号等は電極の
軸部分に電極先端部を摩擦で結合するタイプのものを開
示している。また、同第２４３７７４び号、同第２４７
２１７３号は機械的ブラケットまたは止ねじを用いて取
替可能な溶接用電極先端部を保持するタイプのものを開
示している。上記のような取替可能な先端部（チップ）
はまた同第２７６１９７３号、同第２７９６５１４号、
同３３１００８７号に示されたごとくねじ込構造で軸部
分に取付けられてもよい。同第２２５７５６６号、同第
２４１１８５ｙ号‘ま軸部分と機械的に結着される電極
先端部またはチップ開示している。上記最後の特許にお
いては、硬化金属の強化用キャップがとり囲んでいるが
チップをカバーしていない。また同第２２５７５６６号
の電極にあっては、取替可能なチップが藤部分の結合す
る際押し鉄めされている。同第３４４６９３２号では、
スポット溶接用電極の取替自在なチップを硬化材料すな
わち引抜きをした銅製スラグで作っている。

このチップは次に融点がチップの燐なまし温度よりも低
い半田などの可溶材料で電極本体に接合された。同第２
１３８３８８号は鞠部に取替自在な電極先端を溶接する
ことを開示している。同第２７９５６８８号はステンレ
ス鋼製合金チップを銅製軸部にろう接するタイプの溶接
用電極を開示している。同第３９０９５８１号は安価で
比較的軟かく電導度および熱伝導度の高い金属でホルダ
ーを作り、チップを抵抗溶接温度で強度を付加させるよ
うにしたコンポジットタィプの溶接用電極について開示
している。

このチップは様々な銅合金など高価な材料で作られてい
る。チップはまた押し鉄めまたはろう酸によって軸部分
に結合される。押し鉄めは接合部の電気抵抗を高めるの
で一般に観迎されない。一方、チップを軸部にろう接し
た場合、軸部は幾分燐なまされ強度が低下する。従って
、こうした電極を使っても溶接回数の向上にはつながら
なかつた。最近開発された今後の抵抗溶接用電極として
注目される材料に低濃度鋼−アルミニウム合金の内部酸
化によって生成する分散強化形の銅金属がある。

この材料は溶接温度でも極めて硬度が高くまた電導性も
高い。米国特許第３７７９７１４号、同第３斑４６７６
号、同第３８９３８４１号は本発明に用いようとしてい
る分散強化形金属について開示している。１９７６王８
月版「メタルエンジニアリングクオータリ−」第１０−
１５頁ではこの分散強化形鋼合金材料がすぐれた溶接用
電極を生むことが紹介されている。

米国特許第４０４５６４４号は完全に分散強化形の銅材
料で作られた熔接用電極について開示している。

この電極は鞠線方向に加えた圧力に交差して素材を圧力
流動させることにより作られる。このようにして電極を
作製するときの一つの問題は、生成する粒界構造で電極
の強度が最大よりもかなり低いので比較的長目で細い電
極は作り出すことができない点である。もう一つの難点
は、むくの分散強化形鋼電極はかなり高価なものになる
点である。すなわち分散強化形銅合金材料の値段は普通
のクロム鋼合金の２倍よりも高い。米国特許第３９６９
１５６号は電極の一部を分散強化形鋼合金材料で作った
溶接用電極の製作方法について開示している。

この方法では、分散強化形銅のディスクを電導度の高い
スタックにとびとびに配置している。ディスクのスタッ
クは次で押出成形されて抵抗溶接用電極が作り出される
。この押出成形に次いで、電極を加熱処置して電極の高
電導度の銅部分を沈澱硬化する。米国特許第３１８４８
３５号のバイメタル型の熔接用電極では、内部酸化によ
り硬化した合銅製チップについて開示している。

このチップは電極軸部とチップとの形成後に藤部にろう
接される。この方式の難点は、前述したように、電極軸
部がろう嬢中に暁なまし状態になりこのため電極構造体
がそれほど強くならないことである。従って、分散強化
形銅で作ったチップとこれより低廉な電導度の高い銅で
樋部を作り、これが抵抗溶接中の応力に耐えて十分な強
度を発揮する２金属電極に対するニーズがあった。

本発明は上記ニーズに応えるものであって、本発明にお
ける２種の金属の構成された抵抗溶接用電極は、内部酸
化され冷間硬化された銅−アルミニウム合金で作られた
分散強化形の銅製チップ部分をそなえている。

このチップ部分は上面が電導度の高い銅の被覆がなされ
ている。電導度の高い銅の全体硬化された押出成形によ
る藤部はこれの押出成形に先立ってろう穣加工でチップ
部分の上面に取付けられる。本発明における２種の金属
で構成された抵抗溶接用電極は電極チップに所望量の分
散強化形材料の円筒状ロッドを切断することによって作
られる。

このロッドの周面には電導度の大きな銅の被覆が設けら
れる。この円筒状のロッドからは藤線方向にァプセット
されて円周面に電導度の大きな銅の被覆があるほぼ円筒
状のビレットが形成される。この円筒状ビレットは次い
で軸線と直交する向きにアプセットされて押出径の電極
チップ部材が形成され、この時チップ部材の一端の事実
上全体を高い電導度の銅が覆っている。むくの高電導度
で押出径の円筒状ビレットが形成される。この電極チッ
プ部村と高電導度の銅製円筒状ビレツトとは間にろう援
用コンパウンドを挟んで一体化される。電極チップ部村
、高電導度の円筒状銅製ビレットおよびろう援用コンパ
ウンド‘ま次いで加熱されて、チップ部分が分散強化形
の銅で作られ鞠部分が焼なましされた高電導度の銅で作
られた一体的な押出成形素材が、上記チップ部材と高電
導度の銅製円筒状ビレットをろう接することによって得
られる。この押出成形素材の軸部分は次にバックェクス
トルージョンによって高電導度の鞠部が加工硬化され、
一方押出成形素材のチップ部分のみが部分的にバックェ
クストルージョンされている。こうして全面が硬い２金
属電極が形成される。従って、本発明は分散強化形銅製
チップと高電導度の銅製軸部をもった２金属形の抵抗溶
接用電極、ならびに電極のチップ部分と軸部分とがろう
綾によって一体化された電極の製作方法を提供すること
を目的とする。

このような電極および方法を具体化するには、チップ部
分を引続く２つのアプセット工程にかけて表面全体に高
電導度の銅被覆をもったチップを作りこのチップを電極
の鰍部分にろう接する。さらに、電極の押出成形はチッ
プ部材と電極軸部の素材とのろう鞍の後で行われ、これ
によって全体的に硬化した電極が作り出されるのである
。本発明による２金属形の抵抗熔接用電極は第１図に示
されている。

この電極は内部酸化され冷間加工された銅−アルミニウ
ム合金で作られた分散強化形銅製チップ部分１５を含む
。さらにこの電極は電導度の大きな銅で作られた全体的
に硬い中空の押出成形軸部分１７を含む。ここで用いら
れる高電導度の銅という語はそれほど高価でなく溶接電
極の軸部分を適当に冷却すると十分な強度が発揮される
純酔な銅およびクロム鋼合金のような銅化合物を包括す
る。軸部分１７チップ部分１５の上面との間のろう綾部
１９は、さらに後刻詳述するように、チップ部分１５に
このろう接部１９に隣接して高電導度の銅（第１図には
示されていない）の被覆が設けられている。第２一８図
を見ると、本発明による２金属抵抗溶接用電極の成形方
法の各工程が示されている。第２図に示されたように、
先ず、電極チップ（先端）に所望量の分散強化形鋼材料
を有する円筒状のロッド２１が切断される。このロッド
は分散強化形銅材料の心材部２３とその円周面に張りめ
ぐらされた高電導性の銅からなる円筒状被覆２５を有し
てなる。ロッド２１が形成される銅合金は米国特許第３
７７９７１４号に開示された商標名ＧＬｍＣＯＰＰＥＲ
が有利である。この合金は昇温時に暁なまし‘こ抵抗
し極めて硬いだけでなく優れた電導体となる。こうした
特性はこの合金を冷間加工することによってさらに顕著
なものとなる。ＧＬＩＤＣＯＰＰＥＲ のロッド素材は
、粉末状の分散強化形鋼合金を高電導度の銅の容器に填
充してからラム式押出成形プレスの加圧下に填充粉末を
押出成形することによって形成される。この結果、図で
はわかりやすくするため誇張して描かれているが、極め
て薄い高電導性銅のクラツドまたは被覆をもった捨金学
的に結合したむくの分散強化された金属棒ができる。こ
の分散強化形鋼合金のロッド素材の用途をさらに拡大す
るためには、高電導度の銅をクラッドすることが最適で
ある。一方、本発明ではこのクラツドは後述するように
、電極の製作を成功に導びく大きな役割を果たす。ロッ
ド２１は軸線方向にアプセットされて第３図に示すよう
なほぼ円筒状のピレット２７にされる。

ビレット２７は分散強化形合金の心部２８とそのまわり
に周設された高電導度の銅の被覆２９とで構成されてい
る。第３図のビレツト２７を成形するアプセット加工は
分散強化形金属○部２８を加工硬化させる作用をもちこ
れによって極めて硬いビレットが作り出される。この袷
間加工はビレット２７の横断面積を少なくとも５０％増
大させるように十分にすることが望ましい。ビレット２
７は次に軸線に直交する方向にアプセットされて第４図
に示す電極チップ部材３１が形成される。

分散強化形の鋼材料３３でできた電極チップ部材３１は
一端３７のほぼ全面を高電導性の銅被覆３５で覆われて
いる。さらに、この高電導性の銅はチップ部村３１の他
方の端部３９をも被覆している。チップ部材３１面の被
覆３５の位置はビレット軸線に直交する向きにビレット
２７がアプセットされる交差成形作業で決められる。チ
ップ部村３１の端部３７には雌の位置決め用凹窪４１も
設けられる。第５図に示すごとく、押出成形時の直径を
もったむくの高電導性の銅製円筒状ビレツト４３には一
端４７の中央には雄の位置決め用突起４５が形成される
。

レット４３は完成した電極の藤部分に対する所望量の高
電導度の鋼材となる。チップ部村３１とビレット４３と
は銀ろう薮リング４９のようなるう嬢材料を挟んで突起
４５と凹建４１が舷め合うように一体化される。このよ
うな部材の紅付けの後、チップ部材３１と高電導性銅の
円筒状ピレット４３とが第６図のごとく１個の押出成形
素材５川ころう接されるように加熱される。この押出成
形素材５０はチップ部分５１と軸部分５３とを有する。
チップ部分５１は分散強化形鋼合金で作られまた軸部分
５３は全体的に燐なましされた高電導度の銅で構成され
ている。ろう鞍部５７に隣俵した高電導度の銅層５５も
事実上燐なましされることになる。上記のろう鞍加工を
行うためには部材を水素を４％以下含む雰囲気中で約８
７０℃（１６００ｏ Ｆ）に加熱するこが好適である。

これより水素濃度が高いとチップ部分５１の分散強化形
銅合金の水素腕化が生じて金属内部のアルミニウム酸化
物が減少することになる。チップ部分５１の分散強化形
銅は約９１０ｏｏ（１７００ｏ Ｆ）までの暁鎚に耐え
るので、押出成形素材５０のチップ部分は全体的に硬度
が維持される。押出成形素材５０はバックヱクストルー
ジョンにより第７図および第８図に示すような電極に成
形される。

予めろう接で一体化されてる軸部分５３とチップ部分５
１からなる押出成形素材５０は押出ダイス５９に置かれ
る。この素材５０は押出成形中ノックアウトピン６１に
支えられる。押出ポンチ６３はダイス５９に押し付けら
れて第８図に示すように押出素材５０の軸部分５３を事
実上バックェクストルージョンにかけ、一方素材５０の
チップ部分５１にはごく一部分にしかバックェクストル
ージョンを加えない。押出素材５０の軸部分５３の上記
のような実質的な加工で電極の高電導性軸部分１７は完
全に加工硬化されると同時に電極内に空洞６５が形成さ
れる。第８図に示すように、押出素材５０のチップ部分
５１の加工は押出工中にそれほど生じない。

しかし、チップ部分は素材５０の成形中のろう接加工中
焼なましされないので、このチップ部分を加工して再硬
化させる必要がない。一方、ろう接部１９は第９図に示
すような完成した電極の空洞６５に近接しており、この
結果高電導度の銅は全体として電極動作中空洞６５内の
流体により効果的に冷却されるといる注目すべき構成に
なる。この電極の軸部分１７は全体が冷却されないと、
燐なましされ軟化しやすいので電極の有効寿命が短かく
なる。順次的なアプセット加工により第４図に示すよう
にチップ部村を成形すると、押出成形素材として成形中
ろう鞍部の被断によるスクラップ損失が著減されるので
、最終的に電極形状にバックェクストルージョンした場
合有益である。

２段アプセット加工を用いないで第２図に示すロッド２
１を高電導度銅被覆を上面に施こすことなく直接にチッ
プ部材にアプセット加工すると、ろう接リングに接して
いる分散強化形銅合金は銭ろう鞍部を欠損しやすくなる
。

銀を追加した場合には、出釆上ったろう鞍部の強度が落
ちるう嬢部が押出成形中大きな変形を受け電導性の銅の
流動を抑えることができなくなる。従って、電極のチッ
プ部分の高電導性鋼層６７はろう援部から銀の欠損を防
ぐ傾向をもつ。

さらに、この銅被覆の流速は押出成形素材５０の軸部分
の高電導性銅の流速と実質的に同じである。この結果、
ろう接１９に加わる応力が相当程度低減され、こうして
ろう綾部が押出成形中破断するおそれが少なくなるので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による２金属形の溶接用電極の斜視図、
第２図は分散強化形鋼材料のロッド、第３図は第２図の
ロッドをほぼ円筒状ピレットにアプセット加工した状態
、第４図は第３図のビレットをアプセット加工すること
によって成形された電極チップ部材、第５図は押出径の
チップ部材、ろう薮コンパウンドおよびむくの高電導性
銅の円筒状ビレットの展開断面図、第６図は第５図の部
材どうしを組付けるう接した状態、第７図および第８図
は本発明による２金属形の抵抗溶接用電極を成形するバ
ックェクストルージョン加工工程を示し、さらに第９図
は本発明による２金属製抵抗溶接用電極の縦断面図を示
す。 １５，５１・・・・・・チップ部分、１７，５３…・・
・軸部分、１９，５７・…・・ろう鞍部、２１・・・・
・・ロッド、２３，２８…・・・心部、２５，２９・・
・・・・鋼被覆、２７・・・・・・ビレット、３１・・
・・・・チップ部材、３５・・・・・・鋼被覆、５０・
・・・・・押出成形素材、６５・・・・・・空洞。 ＦＩＧ‐ｌ ＦＩＧ‐２ ＦＩＧ‐３ ＦＩＧ‐４ ＦＩＧ‐５ ＦＩＧ‐６ ＦＩＧ‐７ ＦＩＧ‐８ ＦＩＧ‐９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分散強化形銅製チツプをその上面を高電導性の銅製
   被覆で覆い、内部が酸化されるとともに冷間加工された
   銅−アルミニウム合金で形成し、高電導性の銅で作られ
   全体が硬質で中空の押出成形された軸部分と、該軸部分
   と上記チツプ部分の上記上面との間のろう接部とを備え
   たことを特徴とする２種の金属で構成された抵抗溶接用
   電極。 ２ 冷却用液体が送入される中央空胴を画成した高電導
   性銅で作られ押出成形により加工硬化された環状軸部分
   、上面に高電導性銅被覆を施した銅−アルミニウム酸化
   物合金で作られた分散強化形チツプ部分、ならびに上記
   チツプ部分の上面を上記軸部分に対して接合せしめられ
   るためのろう接部から成り、上記軸部分の一部が、全体
   として加工硬化された上記ろう接部に隣り合うようにし
   たことを特徴とする大電流を流し得る抵抗溶接用電極。 ３ 上記ろう接部が上記中央空胴に隣接しており、これ
   によつて上記ろう接部と上記軸部分とが抵抗溶接中上記
   空洞内の冷却用液体により効果的に冷却せしめられるよ
   うにしたことを特徴とする請求の範囲２記載の溶接用電
   極。４ 大電流を流し得る抵抗溶接用電極であつて、中
   央に冷却用空洞を画成するほぼ円筒状の電極本体を有し
   、該電極本体は、加工硬化された高電導性銅で作られて
   なると共に上記空洞に連通する流体流入開口を画成する
   軸部分と、内部酸化され冷間加工された銅−アルミニウ
   ム合金で作られ端部に高電導性の銅製被覆が被覆され該
   被覆の領域で上記軸部分に対し上記空洞をとり囲んだろ
   う接部により結合されたチツプ部分とを備えてなり、更
   に、上記ろう接部と上記軸部分とが上記空洞に送給され
   る冷却用液体によつて冷却せしめられる如くしたことを
   特徴とする溶接用電極。 ５ 分散強化形銅製チツプ部分と高電導性銅製軸部分と
   を有する２種の金属で構成された抵抗溶接用電極の製作
   方法であつて、下記の要素から成ることを特徴とする製
   作方法。 （ａ） 電極チツプ部分のために、周面に高電導性銅の
   円筒状被覆を施した分散強化形銅材料の円筒状ロツドを
   所定量に切断すること、（ｂ） 上記円柱状ロツドをそ
   の軸線方向にアプセツト加工して高電導性銅被覆を周設
   したほぼ円柱状のビレツトを形成せしめること、（ｃ）
   上記ほぼ円柱状のビレツトを上記軸線に直交した方向
   にアプセツト加工して、一端に雌の位置決め用凹窪を有
   するとともに上記一端のほぼ全体が高電導性銅の被覆で
   覆われた押出直径の電極チツプ部材を形成すること、（
   ｄ） 一端の中央に雄の位置決め用突起を有し、上記電
   極の軸部として所定量の高電導性銅で作られてなる押出
   直径のむくの高電導性銅の円筒状ビレツトを成形するこ
   と、（ｅ） 上記電極チツプ部材と上記高電導性銅製の
   円柱状ビレツトとをろう接用コンパウンドを挟んで上記
   突起と上記凹窪とが嵌め合いになるごとくして一体化す
   ること、（ｆ） 上記電極チツプ部材、上記高電導性銅
   製円柱状ビレツトおよび上記ろう接用コンパウンドを加
   熱して、上記チツプ部材と上記高電導性銅製円柱状ビレ
   ツトとが単体の押出成形素材として一体的にろう接され
   て分散強化形銅製のチプ部分と焼なましされた高電導性
   銅製の軸部分とを備えた素材を形成すること、（ｇ）
   上記押出成形素材の上記軸部分をバツクエストルージヨ
   ンにより上記チツプ部分には極く部分的にバツクエクス
   トルージヨンを加えるにとどめながら高電導性軸部分を
   成形せしめこれによつて全体が硬化された２種の金属で
   構成された電極を成形すること。 ６ 分散強化形銅で作られたチツプ部分と高電導性の銅
   で作られた軸部分とを備えてなる２種の金属で構成され
   た抵抗溶接用電極の製作方法であつて、第１の端部に高
   電導性銅の被覆を施した分散強化形銅製のチツプ部分を
   形成する工程、高電導性銅製の円柱状ビレツトを成形す
   る工程、上記円柱状ビレツトを上記チツプ部材の上記第
   １の端部にろう接する工程、この場合のろう接温度を上
   記分散強化形銅を焼なまししない温度となして分散強化
   形銅製のチツプ部分と焼なましされた高電導性銅製の軸
   部分とを有する２種金属の押出成形素材を形成せしめる
   工程、ならびに、上記２種金属の押出成形素材の上記軸
   部分を、上記チツプ部分の押出成形を極く一部にとどめ
   ながら押出成形して加工硬化した電極軸部分になして全
   体的に硬度の高い２種金属の電極を形成する工程、を特
   徴とする上記製作方法。 ７ 上記２種金属の押出成形素材の上記軸部分が電極中
   央部に空洞を形成するようにバツクエクストルージヨン
   する工程を含む請求の範囲６記載の方法。 ８ 上記チツプ部材が周面に高電導性の銅被覆を有する
   長目の分散強化形銅製ロツドで形成され、分散強化形銅
   製のチツプ部材の成形工程が、上記ロツドの横断面積を
   少なくとも５０％増大せしめる冷間加工工程を含むこと
   からなる請求の範囲６記載の方法。 ９ 分散強化形銅製のチツプ部材を成形工程が、所定量
   の電極チツプ用分散強化形銅ロツドを切断すること、上
   記ロツドを長さ方向にアプセツト加工して周面に高電導
   性の銅被覆が施こされたほぼ円柱状の分散強化形銅ビレ
   ツトを成形すること、および上記円柱状の分散強化形銅
   ビレツトをその軸線に直交する方向にアプセツト加工し
   て上記チツプ部材を成形すること、からなることを特徴
   とする請求の範囲６記載の方法。 １０ 上記円柱状ビレツトを上記チツプ部材の上記第１
   の端部にろう接する工程が、上記ビレツトと上記チツプ
   部材との間に銀ろう接材料を置定すること、上記ビレツ
   ト、ろう接材料およびチツプ部材を４％以下の水素雰囲
   気中で約８７０℃（１６００°Ｆ）に加熱することを含
   む請求の範囲６記載の方法。