(57)【要約】  本発明に係るドーナツ状のスポット溶接用電極は、電極先端部（１）と電極支持部（２）とを有し、前記電極先端部（１）が前記電極支持部（２）に対し可動に接触していることで、ドーナツ状電極の鋼板への追随性を飛躍的に高め、ドーナツ状の接触通電部（１４）の全面を鋼板（５０）に接触させることができるため、鋼板（５０）が傾斜していても高いスポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を確保する。
2015083835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーナツ状の接触通電部を有する電極先端部、および電極先端部を支持する電極支持部を有するスポット溶接用電極であって、前記電極先端部が前記電極支持部に対し可動に接触していることを特徴とするスポット溶接用電極。
【請求項２】
前記電極先端部が前記電極支持部に対し搖動可能に接触していることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接用電極。
【請求項３】
前記電極先端部と前記電極支持部との接触部を構成する電極先端部の尾部と電極支持部の頭部が球冠状であることを特徴とする請求項２に記載のスポット溶接用電極。
【請求項４】
前記電極先端部の尾部と前記電極支持部の頭部の曲率半径ｒが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であって、前記電極先端部の尾部の曲率半径は前記電極支持部頭部の曲率半径の−５％以上＋１０％以下であることを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接用電極。
【請求項５】
前記接触通電部のうち被溶接材と接触し通電する接触通電面の面積が１２ｍｍ２以上７０ｍｍ２以下であり、前記接触通電面の全てを包含する最小の円の直径Ｄが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項６】
前記接触通電部のうち被溶接材と接触し通電する接触通電面が０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の幅で円環、楕円環またはｎ角形（ｎ≧３）である閉曲線であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項７】
前記ドーナツ状の接触通電部の中央部に絶縁体を設置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項８】
前記電極先端部および前記電極支持部に使用される金属は、銅あるいは銅合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項９】
前記電極先端部および前記電極支持部を互いに保持する手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項１０】
前記先端部支持部を互いに保持する手段がバネ掛けであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極。
【請求項１１】
少なくとも２つの鋼板をスポット溶接するスポット溶接装置であって、スポット溶接用電極の少なくともいずれか一方を請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極を有することを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項１２】
少なくとも２つの鋼板をスポット溶接するスポット溶接方法であって、スポット溶接用電極の少なくともいずれか一方を請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスポット溶接用電極を使用することを特徴とするスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、スポット溶接装置に関するものであり、特に、抵抗スポット溶接において、安定した外径を有する溶接部を得るための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  スポット溶接とは、２枚の被溶接材を重ね合わせて、溶接箇所に上下から円柱状の電極を接触させて、圧力を加えながら電流を流すことにより、通電経路の抵抗により発生するジュール熱を利用して溶接部（以下、「ナゲット部」という。）を形成するものである。【０００３】  近年、車体の安全基準への対応と環境負荷低減という性能を実現するために１５００ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度鋼板が使用される。【０００４】  しかしながら、例えば、非特許文献１には、スポット溶接継手の引張剪断強さ（ＴＳＳ）は鋼板の強度に伴い増加傾向を示すが、スポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）は、鋼板の強度が７８０ＭＰａ以上となると低下することが報告されており、鋼板の強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板における、スポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させることが喫緊の課題である。  本発明にかかるスポット溶接用電極は、被溶接材としては鋼板に限定する必要はないが、本明細書においては、被溶接材を鋼板として説明する。【０００５】  スポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）は、ナゲット部の外周長が大きくなると向上することが知られており、ナゲットを大きくする研究開発がなされてきた。しかし、ナゲットを大きくしようとすると、スポット溶接に要する電流も大きくなり、結果として、スポット溶接装置を大きくしなければならないという問題に直面する。【０００６】  そこで、適正な大きさのスポット溶接装置を用いて、適正なスポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を実現するナゲット部を実現するための研究開発がなされている。【０００７】  特許文献１には、ナゲットをドーナツ状にし、面積は変えずに周長を増加させることでスポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させることを目的とした溶接電極が開示されている。具体的には、ドーナツ状（リング状）のナゲット部を構築できるように、電極形状をドーナツ状にし、その中央部が鋼板に接触しないように円筒状の中空部を設けたスポット溶接用電極を開示している。【０００８】  図１８には従来のスポット溶接用電極を有するスポット溶接装置の概念図が、図１９には従来のスポット溶接用電極の概念図が示されている。【０００９】  図１８において、１４０は従来のスポット溶接電極を有するスポット溶接装置であり、５０は鋼板、１００は従来のスポット溶接電極である。【００１０】  図１９において、鋼板と接触通電する接触通電部分１０４が有する接触通電面１０５は例えば、ドーナツ状（円環状）の突起が形成されており、当該突起が鋼板に接触することによりいわゆるドーナツ状のナゲットを形成する。本明細書ではドーナツ状の接触通電部を有する電極をドーナツ状電極とよぶ。【００１１】  特許文献２には、ナゲット部が適正に生成されていることを判定することで、スポット溶接の品質を管理する方法が開示されている。特許文献２には、スポット溶接を行う一対の溶接電極のうち、少なくとも一方の溶接電極に、電極面が略凸曲面で、かつ、電極面中心部に、スポット溶接により良好にナゲットが形成された場合に、金属体表面に形成される溶接痕が最深部に到達する所定深さに設定した窪みを形成した溶接電極を用いてスポット溶接を��い、溶接時の抵抗値が平衡状態になったことに基づいて、当該スポット溶接部にナゲットが適正に形成されたことを判定する、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−１３１６６６号公報
【特許文献２】特開２００７−２５３１６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４７１７６号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】古迫誠司  他  「自動車ボディの接合技術における最近の課題とその対策技術−前編」、新日鐵技報  ２０１２年  第３９３、６９頁〜７５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】  スポット溶接は、理想的には、対向する電極の軸（以下、電極軸という。）が鋼板に対して直交することが好ましい。これにより鋼板の両面に接触する電極の位置が一致し、理想的なナゲットが得られるからである。しかし、現実的には、電極の軸に対し鋼板が直交することは稀である。  電極形状が点状の場合は、鋼板と電極軸が直交しなくても、点接触した電極間に電気が流れるため、ナゲット形状は概ね安定して得られる。しかし、ドーナツ状電極の場合、電極自体が面積を有するため、鋼板と電極軸が直交しないと、いわゆる「片当たり」状態になる。この場合、鋼板両面の電極の接触状態が一定しないため、結果としてナゲット形状が安定しない。【００１５】  通常、鋼板はいろいろな形状や曲がりを有していることから、必ずしも電極軸と鋼板が直交するとは限らないため、ドーナツ状電極を用いると、このような「片当たり」状態は頻繁に発生する。そのため、ドーナツ状電極を用いても、適正なドーナツ状ナゲットが得られず、十分な十字引張強さ（ＣＴＳ）が得られないことが多い。  電極に対し鋼板が若干傾いている場合でも溶接性を高める技術として多点同時溶接用の電極ホルダーに首振り機構を付加したものが開示されている（特許文献３）。しかし、電極自体は点状電極であってドーナツ状電極ではない（特許文献３）。点状電極であれば、鋼板と点接触するので、点状電極間に導通しナゲットが不安定になることがない。【００１６】  一方、ドーナツ状電極では、電極自体が面状であるため被溶接材との接触状態が一定にならず、ナゲット形状が不安定になる。たとえ特許文献３にドーナツ状電極を適用したとしても、多点同時に「片当たり」を解消することはできない。  さらに、ドーナツ状電極の場合、スポット溶接時に鋼板が変形し、電極中央部の凹型窪み部分に接触する場合がある。この場合、ドーナツ状電極でありながら電極中央部からも通電する異常通電が発生し、ドーナツ状のナゲットは得られない。  すなわち、安定したドーナツ状のナゲットを得るには、鋼板と電極軸が直交しないことによる「片当たり」と、鋼板の変形による中央部の異常導通が問題点である。【００１７】  本発明は、上記の問題点を解消することを課題とする。  すなわち、ドーナツ状電極によるスポット溶接において、対向する一対のスポット電極の軸（電極軸）に対し鋼板が直交していない場合や、鋼板が平坦でなく若干の傾きや曲がりを有している場合でも、高いＣＴＳ値を示すナゲットを安定して得ることを課題とする。  さらに、スポット溶接時に鋼板が変形してもドーナツ状電極中央部での異常導通がなく、安定したナゲットを得ることができるスポット溶接用電極を得ることを課題とする。そして、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板のスポット溶接継手であっても、十分な強度の十字引張強さ（ＣＴＳ）を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  発明者らは、鋭意研究開発の結果、ドーナツ状電極自体に可動機構を付加することにより、鋼板への追随性を飛躍的に高め、ドーナツ状の接触通電部の全面を鋼板に接触させることができることを見出した。例えば、電極を電極先端部と電極支持部で構成し、電極先端部を電極支持部に対し搖動可能にすることにより、電極先端部が鋼板の傾きに倣いドーナツ電極の全面で鋼板に接触することができる。このとき、対向する２つの電極のそれぞれの接触通電部の中心線（通電中心線）は、必ずしも一致しないが（図７）、ある程度のずれであっても、良好なドーナツ状のナゲットが得られることを見出した。発明者らの実験では、電極軸に直交する基準面に対し鋼板が２０°程度傾斜していても安定してドーナツ状ナゲットを得ることができることを確認した。また、鋼板が２０°傾斜した場合の本発明電極でのＣＴＳ値は、鋼板が傾いていない場合の通常電極（点状電極）でのＣＴＳ値よりも高い値を確保できることを確認した。また、接触通電部はドーナツ状に限定されることなく閉曲線であってもよい。特に凸多角形、正多角形状の閉曲線であってもよい。以下、本明細書において、これらの閉曲線形状を総称してドーナツ状として説明する。  さらに本発明者らは、鋭意検討の結果、ドーナツ電極の中心部に絶縁材を配置することにより、鋼板の変形が生じても、電極中央部に被溶接材が接触せず異常通電を防止できることを見出した。【００１９】  本発明は、これら知見を基に成されたものであり、その要旨は以下の通りである。（１）  ドーナツ状の接触通電部を有する電極先端部、および電極先端部を支持する電極支持部を有するスポット溶接用電極であって、前記電極先端部が前記電極支持部に対し可動に接触していることを特徴とするスポット溶接用電極。（２）  前記電極先端部が前記電極支持部に対し搖動可能に接触していることを特徴とする前記（１）に記載のスポット溶接用電極。（３）  前記電極先端部と前記電極支持部との接触部を構成する電極先端部の尾部と電極支持部の頭部が球冠状であることを特徴とする前記（２）に記載のスポット溶接用電極。（４）  前記電極先端部の尾部と前記電極支持部の頭部の曲率半径ｒが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であって、前記電極先端部の尾部の曲率半径は前記電極支持部頭部の曲率半径の−５％以上＋１０％以下であることを特徴とする前記（３）に記載のスポット溶接用電極。（５）  前記接触通電部のうち被溶接材と接触し通電する接触通電面の面積が１２ｍｍ２以上７０ｍｍ２以下であり、前記接触通電面の全てを包含する最小の円の直径Ｄが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（６）  前記接触通電部のうち被溶接材と接触し通電する接触通電面が０．３ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の幅で円環、楕円環またはｎ角形（ｎ≧３）である閉曲線であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（７）  前記ドーナツ状の接触通電部の中央部に絶縁体を設置したことを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。  もしくは、前記先端部の頭部の接触通電面以外の部分に絶縁物を有することを特徴と���る（１）〜（６）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（８）  前記電極先端部および前記電極支持部に使用される金属は、銅あるいは銅合金であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（９）前記電極先端部および前記電極支持部を互いに保持する手段（以下、「先端部支持部相互保持手段」という。）を有することを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（１０）  前記先端部支持部相互保持手段がバネ掛けであることを特徴とする（１）ないし（９）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極。（１１）  少なくとも２つの鋼板をスポット溶接するスポット溶接装置であって、スポット溶接用電極の少なくともいずれか一方を（１）〜（１０）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極を有することを特徴とするスポット溶接装置。（１２）  少なくとも２つの鋼板をスポット溶接するスポット溶接方法であって、スポット溶接用電極の少なくともいずれか一方を（１）〜（１１）のいずれか１つに記載のスポット溶接用電極を使用することを特徴とするスポット溶接方法。
【発明の効果】
【００２０】  本発明のドーナツ状のスポット溶接用電極を使用することにより、上下一対のスポット電極の軸に対し鋼板が直交せず傾いている場合や、鋼板が平坦でなく若干の傾きや曲がりを有している場合でも、スポット溶接用電極と鋼板とが面接触し、安定してドーナツ状のナゲットを得ることができる。これにより、鋼板の強度が７８０ＭＰａ以上におけるいわゆる高強度鋼板におけるスポット溶接継手の十字引張強さ（ＣＴＳ）を向上させるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が分割円環状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図１（ａ−１）は電極先端部を接触通電部側から俯瞰した図である。図１（ａ−２）は電極先端部の電極軸に沿った断面図であり、図１（ａ−１）のＡ−Ａの断面図である。図１（ｂ）は電極支持部を示す図である。
【図２】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が弧状であり、電極先端部尾部が凸型の球冠である場合である。図２（ａ−１）は電極先端部を接触通電部側から俯瞰した図である。図２（ａ−２）は電極先端部の電極軸に沿った断面図であり、図２（ａ−１）のＢ−Ｂの断面図である。図２（ｂ）は電極支持部を示す図である。
【図３】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が弧状であり、電極先端部尾部が半球より大きい凹型の球冠である場合である。図３（ａ−１）、図３（ａ−２）、図３（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図４】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が弧状であり、電極先端部尾部が半球より大きい凸型の球冠である場合である。図４（ａ−１）、図４（ａ−２）、図４（ｂ）の説明は、図２に準ずる。
【図５】本発明に係るスポット溶接用電極であって、バネ保持機構を有するスポット溶接用電極の一態様を説明する図である。
【図６】本発明に係るスポット溶接用電極であって、バネ保持機構を有するスポット溶接用電極の一態様を説明する図である。
【図７】本発明に係るスポット溶接用電極で傾斜した鋼板を挟持した時の概念を示す図である。
【図８】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が円環状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図８（ａ−１）、図８（ａ−２）、図８（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図９】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が円環状であり、電極先端部尾部が凸型の球冠である場合である。図９（ａ−１）、図９（ａ−２）、図９（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図１０】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が六角形状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図１０（ａ−１）、図１０（ａ−２）、図１０（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図１１】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が六角形状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図１１（ａ−１）、図１１（ａ−２）、図１１（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図１２】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が分離円環状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図１２（ａ−１）、図１２（ａ−２）、図１２（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図１３】本発明に係るスポット溶接用電極の一態様を示す概念図である。接触通電部が分離円環状であり、電極先端部尾部が凹型の球冠である場合である。図１３（ａ−１）、図１３（ａ−２）、図１３（ｂ）の説明は、図１に準ずる。
【図１４】本発明に係るスポット溶接用電極を装備する装置の概念を説明する図である。図１４（ａ）には、図１に示すスポット溶接用電極を上下において装備する場合を記載し、図１４（ｂ）には、図１に示すスポット溶接用電極を片方において装備し、他方は従来のスポット溶接用電極を装備する場合を説明している。
【図１５】本発明に係るスポット溶接用電極を装備する装置の概念を説明する図である。図１５（ａ）には、図２に示すスポット溶接用電極を上下において装備する場合を記載し、図１５（ｂ）には、図２に示すスポット溶接用電極を片方において装備し、他方は従来のスポット溶接用電極を装備する場合を説明している。
【図１６】本発明に係るスポット溶接用電極を使用する例を説明する図である。図１６（ａ）には、図１に示すスポット溶接用電極を上下において使用する場合を記載し、図１６（ｂ）には、図１に示すスポット溶接用電極を片方において使用し、他方は従来のスポット溶接用電極を使用する場合を説明している。
【図１７】本発明に係るスポット溶接用電極を使用する例を説明する図である。図１７（ａ）には、図２に示すスポット溶接用電極を上下において使用する場合を記載し、図１７（ｂ）には、図２に示すスポット溶接用電極を片方において使用し、他方は従来のスポット溶接用電極を使用する場合を説明している。
【図１８】従来のスポット溶接用電極を用いたスポット溶接装置の概念を説明する図である。
【図１９】従来のスポット溶接用電極の概念を説明する図である。  図１９（ａ）には、従来のスポット溶接用電極を頭部から見たときの図を、図１９（ｂ）には、図１９（ａ）のＫ−Ｋ断面を記載したものである。
【図２０】鋼板の傾斜角とスポット溶接後のＣＴＳ値の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】  本発明の詳細について以下に説明する。前述したように、本明細書においては、被溶接材を鋼板として説明する。
【００２３】  本発明に係るスポット溶接用電極は、電極先端部とそれを支える電極支持部を有する。  電極先端部の一端には、鋼板に接触して電気を通電させるための接触通電部を有する。本発明に係る電極の接触通電部は、ドーナツ状ナゲットを得るためドーナツ状の形状をしている。ここでドーナツ状とは、０でない幅を有する連続な閉曲線、または閉曲線上に存在する複数の０でない幅を有する円弧や線分群を指す。もちろん、円弧が連続した円環状（全円周）、同一円上に存在する複数の円弧群（分離円環ともいう）、楕円形状および多角形（特に凸多角形が好ましい）を含む。ただし、閉曲線上に存在する複数の０でない幅を有する円弧や線分に分割されている場合は、分割数が多くないほうが望ましく、具体的には分割数は４以下が望ましい。
【００２４】  電極支持部は電極ホルダーに支持され、電極支持部の軸がスポット溶接電極の軸（電極軸）と一致する。スポット溶接電極は、鋼板を一対の電極が対向して挟み込み両電極間に通電して加熱するため、通常、一対の対向する電極軸は一致する。
【００２５】  電極先端部は、電極支持部の一端に支持されつつ、電極支持部に対し可動な構造となっている。電極先端部が可動とは、電極軸と直交する面（基準面）に対し鋼板が傾斜していても、電極先端部が鋼板に倣って追従できるように動くことをいう。これにより、接触通電部の全面が鋼板に接触できる。傾斜した鋼板に追従できる構造であれば、その構造は特に限定されない。  特に電極軸を中心に電極先端部が搖動できる構造であれば、電極先端部は電極軸を中心に回転可動することができ、基準面に対し傾斜した鋼板であっても追従することが可能となる。
【００２６】  例えば、電極先端部と電極支持部の接触部分である電極先端部の尾部と電極支持部の頭部が、相互に嵌合する球冠状であるとよい。例えば、図１に示すように、電極先端部の尾部が凹型の球冠状であり、電極支持部の頭部が凸型の球冠状であって、相互に嵌合し、摺動できる構造であるとよい。この構造であれば、電極先端部は、電極支持部の頭部を形成する球冠の曲率中心を中心に、あらゆる方向に搖動することが可能となり、基準面に対して傾斜した鋼板に追従することが可能となる。図２〜図４は、その応用例である。
【００２７】  図７に、図１で示したスポット溶接用電極を対向させ、基準面に対し傾斜した鋼板を電極で挟んだ状態を示す。電極先端部は、鋼板傾きθに追従して電極軸に対しθだけ搖動し、電極先端部の一端にある接触通電部前面が鋼板に接触している。この時、図７からも明らかなように、対向する電極の接触通電部の中心線（通電中心線）は一致しない。このため、鋼板の傾斜角θによりナゲット形成の安定性が変化する。本発明者らは鋼板の傾斜角とナゲット形成の安定性について実験により調査した。
【００２８】  図２０に、本発明に係るスポット溶接用電極、従来のドーナツ状電極、従来の点状電極を用いて鋼板の傾斜角とナゲット形成の安定性を調査した結果を示す。本発明に係る電極は表２のＮｏ．５を用いた。従来のドーナツ状電極は表２のＮｏ．２を用いた。従来の点電極は、一般的に市販されている電極である。ナゲット形成の安定性の指標は、スポット溶接後のＣＴＳ値とした。
【００２９】  図２０からも明らかなように、鋼板傾斜がない（θ＝０）場合ドーナツ状電極にすることにより、従来の点電極に対しＣＴＳ値は約１．８倍になり、ドーナツ状の効果が検証された。しかし、鋼板傾斜が増加するにつれ、ドーナツ状電極が片当たり状態となって点接触になるため、急激にＣＴＳ値は低下し、５°程度の傾斜で従来の点状電極と同等となった。
【００３０】  これに対し、本発明に係る電極は、５°程度では鋼板傾斜の影響はほとんどない。鋼板傾斜が増加するにつれ、通電中心のずれが増大するためＣＴＳ値は低下する。しかし、その低下はわずかであり、鋼板傾斜角が２０°（θ＝２０°）でも約１７％低下するにすぎず、点状電極や従来のドーナツ状電極に比べ約５倍のＣＴＳ値が得られた。
【００３１】  ここで本発明に係る電極の幾何学的な関係を検証する。  対向する接触通電部の中心線間距離（通電中心ずれ）をＬ、接触通電部（ドーナツ状）の半径をＡ、電極先端部の最少厚さ（球冠部の頂点と接触通電部の先端部分との距離）をｈ、鋼板板厚をｔ、電極支持部の頭部の球冠の曲率半径をａとする。スポット溶接する鋼板は同一厚であって２枚重ね溶接とする。この場合、幾何学的に以下の関係が成り立つ。  Ｌ＝（２ａ＋２ｈ＋２ｔ）ｔａｎθ鋼板に投影される表裏の接触通電部が少なくとも重ならないとナゲット形成が不安定になる。したがって、以下の関係が必要である。  ２Ａ＞Ｌすなわち、ナゲット形成させるためには以下の関係を満たす必要がある。  Ａ＞（ａ＋ｈ＋ｔ）ｔａｎθ例えば、実験で用いた表２Ｎｏ．５の電極は、ａ＝８ｍｍ、ｈ＝３ｍｍ、Ａ＝６ｍｍ、ｔ＝２．６ｍｍの場合、ｔａｎθ＜０．４４となる。すなわちθ＜２３．８°であれば、ナゲット形成は安定し、高いＣＴＳが得られることがわかる。  上記のように電極や鋼板厚などの形状的条件にもよるが、本発明に係るスポット溶接電極であれば、少なくとも鋼板傾斜角１０°程度までであれば、ナゲット形成が安定し、しかも広い周長のナゲットが得られるため高いＣＴＳ値が確保できることが分かった。
【００３２】  次にスポット溶接中の鋼板変形による異常通電の抑制策について説明する。  本発明に係る電極を用いたとしても、鋼板板厚が薄くなるにつれ、スポット溶接時の鋼板変形は避けられない。そのため、ドーナツ状の接触通電部の中央部（凹型窪み）に接触し易くなる。さらに、ドーナツ状接触通電部の径が増大するとなおさら接触し易くなる。ドーナツ状接触通電部の中央部で鋼板が接触し中央部でも通電してしまうと（異常通電）、ナゲット形成が安定せずＣＴＳ値の低下につながる。事実、薄鋼板のスポット溶接実験中も、数％の発生確率で上述した異常通電が発生した。この異常通電はスポット溶接の信頼性を低下させる。そこで、本発明者らは、ドーナツ状接触通電部の中央部（凹型窪み部分）に絶縁体を配置し、たとえ鋼板が変形したとしても通電が生じない構造とすることで、この問題を解決した。ここで、絶縁体とは内部低効率が１０５／Ωｍ以上の材料がよい。１０５／Ωｍ未満であれば、スポット溶接で用いる電圧では絶縁破壊が発生し導通する恐れがあるからである。絶縁体の厚みは０．１ｍｍ以上がよい。厚みが０．１ｍｍ未満では、溶接時の熱による損耗で絶縁物が消失する恐れがあるからである。
【００３３】  次に、本発明に係る電極について、実施形態の例を用いて説明する。［第１の実施形態］  本発明の第１の実施形態は、電極先端部と電極支持部を有する金属製の溶接用電極であって、電極先端部の尾部が凹型のものである。
【００３４】  図１および図３には、電極先端部の尾部が凹型のスポット溶接用電極が記載されている。  図１には電極先端部の尾部１３と電極支持部の頭部２３が機械的に接触し、摺動面が半球より小さい球冠状である電極先端部の尾部凹型のスポット溶接用電極が記載されている。図３には電極先端部の尾部１３と電極支持部の頭部２３が機械的に接触し摺動面が半球より大きい球冠状である電極先端部の尾部が凹型のスポット溶接用電極が記載されており、その相違点は電極先端部の尾部１３と電極支持部の頭部２３が機械的に接触する摺動面積のみである。  そこで、重複した説明を避けるために、以下では、図１にしたがって説明する。
【００３５】＜支持部＞  図１（ｂ）には、電極支持部が記載されており、２３が電極支持部の頭部、２２が支持部の尾部である。
【００３６】（ａ）形態および機能  電極支持部の頭部２３の機能は、電極先端部１を電極先端部の尾部１３から支持することである。  電極支持部２の形態は、いわゆる弾丸状の形態を有している。電極支持部の頭部は曲率半径が４〜２０ｍｍの凸形の球冠状（図では半球状）を有し、その他の部分は円筒状である。  電極支持部の頭部２３が電極先端部１の尾部１３に接触し、支持する。  電極支持部の頭部２３の曲率半径が４〜２０ｍｍの凸形状である理由は、曲率半径が４ｍｍ未満だと、１）電極支持部の頭部２３と電極先端部の尾部１３が電気的に接触する領域が狭くなり溶着するおそれがあり、２）電極支持部の頭部２３と電極先端部の尾部１３が電極押し付けによる荷重に耐えられないからである。また、曲率半径が２０ｍｍ超だと、電極先端部１の変位が大きくなり、電極先端部１の変位の制御が困難となるからである。  図示はしていないが、電極支持部の尾部２２は、外部電源に繋がれている。
【００３７】（ｂ）金属材質  電極支持部を構成する金属の材質は、電気伝導率が高く、かつ、高強度であることが求められるため、純ＣｕまたはＣｕ合金が好ましい。Ｃｕ―Ｃｒ合金も好ましい一態様である。
【００３８】＜先端部＞
【００３９】（ａ）形態および機能  電極先端部の頭部１１には、接触通電部１４を有し、ここから鋼板に電流を供給する。接触通電部１４のうち鋼板と接触し通電する部分を接触通電面１５という。  電極先端部の尾部１３は電極支持部の頭部２３により支持され、かつ、電極支持部２から電流を供給される。  電極先端部の尾部１３は支持部２の電極支持部の頭部２３が有する曲率半径の−５％から＋１０％の曲率半径の凹部を有している。曲率半径が１０％超だと電極先端部の尾部１３と電極支持部の頭部２３が電気的に接触する領域が小さくなり電流集中により溶着してしまうおそれがある。一方、−５％未満だと電極先端部の尾部１３と電極支持部の頭部２３がその中心において接触抵抗が大きくなり、電流が流れ難くなるからである。  対向するスポット電極の電極軸がずれている場合でも、電極先端部が電極支持部の頭部２３上を摺動することで、接触通電面が鋼板に対して万遍なくあたることができる。  このようにして、接触通電面１５から供給された電流により、鋼板には外周の長いナゲットが安定して形成される。
【００４０】（ｂ）金属材質  電極先端部１を構成する金属の材質は、電気伝導率が高く、かつ、高強度であることが求められるため、純Ｃｕであるか、Ｃｕ合金が好ましい。Ｃｕ−Ｃｒ合金は、好ましい一態様である。
【００４１】＜接触通電面等＞（ａ）形状  電極先端部の頭部１１に位置する接触通電部１４の接触通電面の面積の合計（以下接所通電面の面積という。）Ｓは１２ｍｍ２以上７０ｍｍ２以下であればよい。  接触通電面の面積が１２ｍｍ２未満だと接触通電部分の電流密度が高くなり発熱による電極の損耗が激しくなる。一方、７０ｍｍ２超になると、電流密度が低下して溶融に必要な発熱密度（鋼材単位体積あたりの発熱量）が得られなくなるからである。  接触通電面の面積は望ましくは、２０ｍｍ２以上６０ｍｍ２以下であり、さらに望ましくは、３０ｍｍ２以上４０ｍｍ２以下とするとよい。  接触通電面１５の形状は、図８に示すような円または楕円、あるいは、図１０に示すようなｎ角形（ｎ≧３）のような閉曲線であることが望ましい。
【００４２】（ｂ）最小包含円の直径  全ての接触通電面を包含する最小の円（以下、「最小包含円」という。）の直径Ｄが重要な要素である。  図１は、接触通電部１４が島状に点在するケースである。点線１６で描かれた円が最小包含円であり、最小包含円の直径Ｄが、８ｍｍ以上２０ｍｍ以下であればよい。  最小包含円の直径が８ｍｍ以下だと、十分な大きさのナゲットを構成できない。一方、２０ｍｍ超になると、鋼板の溶接面積が大きくなってしまい非効率になる。  最小包含円の直径は、望ましくは、１０ｍｍ以上１６ｍｍ以下、さらに望ましくは、１２ｍｍ以上１５ｍｍ以下とするとよい。
【００４３】（ｃ）絶縁物  接触通電面１５が閉曲線を描く場合には、閉曲線の内側に有する空間は、空気以外に、セラミックス等の耐熱性の高い絶縁体を有しているとよい。絶縁体を有することにより、スポット溶接時の鋼板の変形により、閉曲線内側（中央部ともいう。）の凹部に鋼板が接触し、異常通電が発生することを防止することができる。  さらに、中央部に絶縁体を有することで、接触通電面１５と中央部が面一となり、接触通電面１５が鋼板に接触する際の衝撃が緩和される。図８の電極を例として、接触通電部１４の内部に絶縁体３２を配置した例を示す。
【００４４】＜保持用バネ＞  図５は、保持用のバネを装備した本発明に係るスポット溶接用電極を説明する図である。  図５において、１９は電極先端部保持用バネ掛けであり、２９は電極支持部保持用バネ掛けであり、３９は保持用バネである。  図５に示すように、保持用バネ３９により、電極先端部１を電極支持部２に押し付けることができる。
【００４５】［第２の実施形態］  本発明の第２の実施形態は、電極先端部と電極支持部を有する金属製の溶接用電極であって、電極先端部の尾部凸型のものである。
【００４６】  図２および図４には、電極先端部の尾部凹型のスポット溶接用電極が記載されている。  図２の電極は、電極先端部の尾部が凹型になっていることが図１の電極とは異なるが、それ以外の要件や実質的な機能は、図１の電極と同じである。同様に図４の電極は、電極先端部の尾部が凹型になっていることが図３の電極とは異なるが、それ以外の要件や実質的機能は図４の電極と同じである。  ここでは、重複した説明を避けるが、第１の実施形態の電極と第２の実施形態の電極とは、実質的に同じ機能を有する。
【００４７】＜スポット溶接装置＞  図１４は第１の実施形態の電極を、図１５は第２の実施形態の電極を使用したスポット溶接装置の概念図である。  図１４（ａ）や図１５（ａ）のように、対向する電極の両方ともに本発明に係る電極を適用する場合と、図１４（ｂ）や図１５（ｂ）のように、片方にだけに適用する場合がある。  電極ホルダー自体が変形し、対向する２つの電極軸が斜交した場合でも、一方の電極に本発明に係る電極を適用することで、両電極が鋼板に適正に接触することができる。  図１４、図１５に示すように、本発明に係るスポット溶接用電極を対向する２つの電極の少なくとも１つに使用することにより、ドーナツ状電極であっても安定したナゲットを得ることができる。
【００４８】［スポット溶接方法］  図１６は第１の実施形態の電極を、図１７は第２の実施形態の電極を使用したスポット溶接方法の概念図である。  図１６（ａ）や図１７（ａ）のように、対向する電極の両方ともに本発明に係る電極を適用する場合と、図１６（ｂ）や図１７（ｂ）のように、片方にだけに適用する場合がある。  図１６、図１７に示すように、本発明に係るスポット溶接用電極を対向する２つの電極の少なくとも１つに使用することにより、ドーナツ状電極であっても安定したナゲットを得ることができる。
【実施例】
【００４９】  表１、表２に示す条件でスポット溶接を実施した。  比較にあたっては、鋼板傾斜角を０°、５°、１０°および２０°と変更し、ＣＴＳを計測した。ＣＴＳは、ＪＩＳ  Ｚ  ３１３７(１９９９年)にしたがって、試験した。【００５０】  鋼板傾斜角とは、本発明の電極を用いた場合には図７に示すように、電極軸（対向する電極の中心軸）に直交な平面と鋼板となす角度θをいう。【００５１】  接触通電部はドーナツ状（図８、図９に示す円環状）をベースとし、分離円環（図１２、図１３に示すように円環を分割した形状）、６角環（図１０、図１１に示す６角形状）とした。  Ｎｏ．１、Ｎｏ．２は比較例である。従来のスポット溶接用電極で、点状電極（接触通電部が円盤状）をＮｏ．１に、ドーナツ状（円環状）電極をＮｏ．２とした。【００５２】  Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９、Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３４、Ｎｏ．３５の本発明例ないし比較例として、図８に記載の接触通電面がドーナツ状（円環状）で電極先端部の尾部が凹型（第１の実施形態）である本発明のスポット溶接用電極を使用した。【００５３】  なお、Ｎｏ．３４、Ｎｏ．３５の本発明例においては、接触通電面１５を先端部１を真上からみたときの形状が閉曲面を描く場合であり、閉曲面の内側に有する空間に絶縁体を有することとした。  Ｎｏ．３４の本発明例の場合には、雲母を装備し、Ｎｏ．３５の本発明例の場合には窒化珪素を装備した。【００５４】  実施例に用いた鋼板、溶接条件を表１に示す。また、実施例に用いた電極の緒元を表２に示す。【００５５】  実施結果を表３に表す。  評価にあたり、Ｎｏ．１の通常使用される点状電極で鋼板傾斜角０°の時のＣＴＳ[ｋＮ]=７．１をＢａｓｅとし、これに対する増減をＢａｓｅ比[％]とした。また、各試験電極において、傾斜角０°の時のＣＴＳ値と傾斜角５°、１０°、２０°の時の各ＣＴＳ値との比を「ＣＴＳ比（％）」とした。ＣＴＳ比が６０％以上であれば合格（○）とし、それ以外は不合格（×）として評価した。【００５６】＜本発明例の場合＞  Ｎｏ．４〜８、１１、１２、１５〜１７、２０〜２４、２６〜３５は本発明例である。  表３によれば、本発明のスポット電極（電極先端部の尾部凹部型）を適用すれば、鋼板傾斜角が２０°程度あっても、ＣＴＳの劣化を防止できることが確認された。【００５７】＜比較例の場合＞  Ｎｏ．１、２、３、９、１０、１３、１４、１８、１９、２５は比較例である。【００５８】  表３によれば、Ｎｏ．１４および１８は摺動部が溶着して溶接できず、Ｎｏ．１９は接触部分が溶損して溶接できず、Ｎｏ．２５はナゲットを形成することができなかった。  また、溶接できた場合であっても、傾斜角が２０°程度となると、ＣＴＳがベースに対して大きく劣化することが確認された。【００５９】  さらに、これらの結果をグラフにしたものが図２０である。  前述したが、図２０からも明らかなように、鋼板傾斜がない（θ＝０）場合ドーナツ状電極にすることにより、従来の点電極に対しＣＴＳ値は約１．８倍になり、ドーナツ状の効果が検証された。しかし、鋼板傾斜が増加するにつれ、ドーナツ状電極が片当たり状態となって点接触になるため、急激にＣＴＳ値は低下し、５°程度の傾斜で従来の点状電極と同等とな���た。【００６０】  これに対し、本発明に係る電極は、５°程度では鋼板傾斜の影響はほとんどない。鋼板傾斜が増加するにつれ、通電中心ずれが増大するためＣＴＳ値は低下する。しかし、その低下はわずかであり、鋼板傾斜角が２０°（θ＝２０°）でも約１７％低下するにすぎず、点状電極や従来のドーナツ状電極に比べ約５倍のＣＴＳ値が得られた。  以上、本発明について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要件を満足すれば、その効果を得ることができる。【００６１】
【表１】
2015083835.tif 000003
【００６２】
【表２】
2015083835.tif 000004
【００６３】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００６４】  本発明は、従来から実施されているスポット溶接電極に利用することができる。そのため、多額の設備投資を必要とせず、従来装置に適用することでその効果を享受することができる。
【符号の説明】
【００６５】  １    電極先端部  ２    電極支持部  １１    電極先端部の頭部  １３    電極先端部の尾部  １４    接触通電部  １５    接触通電面  １６    最小包含円  １９    電極先端部保持用バネ掛け  ２２    電極支持部の尾部  ２３    電極支持部の頭部  ２９    支持部保持用バネ掛け  ３１    電極軸  ３２    絶縁体  ３９    保持用バネ  ５０    鋼板（被溶接材）  １００    従来のスポット溶接用電極  １０１    従来のスポット溶接用電極の頭部  １０２    従来のスポット溶接用電極の尾部  １０４    従来のスポット溶接用電極の接触通電部  １０５    従来のスポット溶接用電極の接触通電面  １３１    従来のスポット溶接用電極の中心軸  １４０    従来のスポット溶接装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015083835.tif 000020
【図１６】
2015083835.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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