(57)【要約】【課題】高電流で溶接することにより使用温度が５００℃以上の高温になっても強度を維持しつつ摩耗及び溶着を抑制できる溶接用電極及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る溶接用電極２は、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる電極材料によって形成されていることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる電極材料によって形成されていることを特徴とする溶接用電極。
【請求項２】
請求項１において、前記電極材料には、Ｚｎ、Ｓｎ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素がさらに含有されており、前記Ｚｎの上限含有量は０．９重量％であり、前記Ｓｎの上限含有量は０．１４重量％であり、前記Ｐの上限含有量は０．０２重量％であることを特徴とする溶接用電極。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記電極材料からなる粉末が成形され、焼結によって作製されていることを特徴とする溶接用電極。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記電極材料を含む混練物が射出成形され、焼結によって作製されていることを特徴とする溶接用電極。
【請求項５】
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる溶接用電極の製造方法であって、
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子粉末とＣｕ粉末を混合する工程と、
前記混合粉末を圧粉成形する工程と、
前記圧粉末成形した成形体を９００℃〜１１００℃の温度で焼結する工程と、
を具備することを特徴とする溶接用電極の製造方法。
【請求項６】
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる溶接用電極の製造方法であって、
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子粉末とＣｕ粉末とバインダを混合する工程と、
前記混練した混練物を射出成形する工程と、
前記射出成形した成形体を９００℃〜１１００℃の温度で焼結する工程と、
を具備することを特徴とする溶接用電極の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記溶接用電極にはＺｎ、Ｓｎ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素がされに含有されており、前記混合する工程ではＺｎ、Ｓｎ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素を含む粉末をさらに混合することを特徴とする溶接用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接用電極及びその製造方法に係わり、特に、高電流で溶接することにより使用温度が５００℃以上の高温になっても強度を維持しつつ摩耗及び溶着を抑制できる溶接用電極及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の溶接用電極について説明する。
溶接用電極（例えばコンタクトチップ、電極チップ等）の材料の要求特性としては下記の（１）〜（４）が挙げられる。
（１）チップが発熱するのを抑制するために導電率が高い材料であること。
（２）耐摩耗性、耐焼きつき性を向上させるため、またコンタクトチップから供給されるワイヤが供給停止に陥るのを防止するために、高温強度が高い材料であること。
（３）スパッタが付着しにくい材料であること。
（４）酸化しにくい材料であること。
【０００３】
特に、上記（２）の高温強度を高くする対応として、従来の電極材料には、通電性、熱伝導性を得るために銅を基軸とする合金が用いられ、その合金には、高温硬度を維持するためにクロムやジルコニウムなどの金属元素が含有されている。この金属元素を含有させるのは、析出効果により高硬度を得るためである。
【０００４】
従来の電極チップの具体例としては、析出効果により硬化させたクロム銅が最も汎用的に使用されている。このクロム銅は、Ｃｕ中にＣｒを０．３〜１．２質量％含有させている。このＣｒは、熱処理により析出物を作り、電極の銅の硬度を上昇させるものである（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１１４８３号公報（０００８段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、最近の溶接においては、大電流化の方向に進んでおり、それに伴い、溶接時における溶接用電極の温度が上昇する傾向にある。例えば４００アンペアを超える高電流では、溶接用電極の温度が５００℃を超えることがある。上述したクロム銅からなる溶接用電極では、使用温度が５００℃程度までは必要な硬度を保つが、使用温度が５００℃を超えるとクロム銅が軟化し始める。一度軟化したクロム銅は再び硬度を取り戻すことがない。従って、溶接用電極を繰り返し使用することにより加えられる繰り返し熱に弱い。このため、溶接用電極が早期に摩耗、溶着し、それにより、溶接用電極の交換頻度が多くなり、全体として設備稼働率が低下するという問題が生じていた。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高電流で溶接することにより使用温度が５００℃以上の高温になっても強度を維持しつつ摩耗及び溶着を抑制できる溶接用電極及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る溶接用電極は、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる電極材料によって形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る溶接用電極において、前記電極材料には、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素がさらに含有されており、前記Ｚｎの上限含有量は０．９重量％であり、前記Ｓｎの上限含有量は０．１４重量％であり、前記Ｍｎの上限含有量は０．１重量％であり、前記Ａｌの上限含有量は０．１重量％であり、前記Ｐの上限含有量は０．０２重量％であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る溶接用電極において、前記電極材料からなる粉末が成形され、焼結によって作製されていることも可能である。
また、本発明に係る溶接用電極において、前記電極材料を含む混練物が射出成形され、焼結によって作製されていることも可能である。
【００１１】
本発明に係る溶接用電極の製造方法は、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる溶接用電極の製造方法であって、
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子粉末とＣｕ粉末を混合する工程と、
前記混合粉末を圧粉成形する工程と、
前記圧粉末成形した成形体を９００℃〜１１００℃の温度で焼結する工程と、
を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る溶接用電極の製造方法は、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させ、残部がＣｕからなる溶接用電極の製造方法であって、
ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子粉末とＣｕ粉末とバインダを混合する工程と、
前記混練した混練物を射出成形する工程と、
前記射出成形した成形体を９００℃〜１１００℃の温度で焼結する工程と、
を具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る溶接用電極の製造方法において、前記溶接用電極にはＺｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素がされに含有されており、前記混合する工程ではＺｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ及びＰからなる群から選択される少なくとも一の元素を含む粉末をさらに混合することも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、高電流で溶接することにより使用温度が５００℃以上の高温になっても強度を維持しつつ摩耗及び溶着を抑制できる溶接用電極及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による溶接用電極の一例であるコンタクトチップを用いて溶接する様子を模式的に示す図である。
【００１６】
溶接機のノズル１にはコンタクトチップ２が取り付けられており、このコンタクトチップ２には溶接ワイヤ３を繰り出すための穴（図示せず）が設けられている。コンタクトチップ２によって溶接電流を溶接ワイヤ３に供給し、溶接ワイヤ３を狙い位置へ正確に供給することにより溶接対象物４に溶接を行う。この際、コンタクトチップ２には大電流が流されるため、コンタクトチップ２の温度が高温になる。
【００１７】
コンタクトチップ２の材料として好ましい特性としては下記の（１）〜（５）が挙げられる。
（１）チップの発熱を抑制するために導電率が高い材料であること。
（２）高温で使用されたり、また温度が変動することで繰り返し熱が加えられても、コンタクトチップ２の硬度又は強度が低下しないこと。即ち、溶接ワイヤ３を狙い位置へ正確に供給するというターゲット性を確保するには、高温での耐摩耗性を高くしてコンタクトチップ２の穴が広がらないこと。
（３）溶接ワイヤ３の供給停止を抑制するには、焼付き難く、融着し難いこと。
（４）スパッタが付着し難いこと。
（５）酸化しにくいこと。
【００１８】
１．コンタクトチップの材料
コンタクトチップ２の材料は、電気伝導率に優れたＣｕを母材として用い、この母材に１重量％以下の焼結緻密化材を含有させ、且つ０．１〜２重量％の硬質粒子を分散させたものである。この硬質粒子は、６００℃から８００℃の温度域においても硬度が低下せず、熱衝撃に強く、従来のクロム銅よりも耐摩耗性に優れている。硬質粒子を分散させることにより耐摩耗性、耐焼付き性を確保することができる。尚、コンタクトチップ２の材料中に母材が含有する下限量は９７重量％である。
【００１９】
前記硬質粒子としては、ＳｉＯ２、Ｍｏ２Ｃ及びＴｉＣが挙げられる。これらの硬質粒子は１種を１重量％以下含有させても良いし、複数種を合計で１重量％以下含有させても良い。硬質粒子としてＳｉＯ２を挙げたのは、Ｃｕ−１０重量％Ｓｎ−１０重量％ＰにＳｉＯ２を０．５重量％含有させた摺動材料は耐摩耗性が向上することが確認されているからである。また、硬質粒子としてのＭｏ２Ｃは、Ｍｏよりも耐摩耗性及び耐焼付き性に優れており、非油潤滑特性が良好である。また、ＴｉＣは高温耐焼付き性及び耐摩耗性に大変優れている。
【００２０】
Ｃｕに不純物を含有させると電気伝導度が下がるが、コンタクトチップ２の電気伝導度は３５ｍ／Ｏｈｍ・ｍｍ２以上とすることが好ましい。ここで、Ｃｕ母材の電気伝導度は５０ｍ／Ｏｈｍ・ｍｍ２程度である。このため、コンタクトチップ２を３５ｍ／Ｏｈｍ・ｍｍ２以上の電気伝導度とするには、焼結緻密化材として機能する各元素のＣｕ母材への最大添加量は表１に示すとおりであり、母材の組成例は表２に示すとおりである。尚、焼結緻密化材の一例としてはＣｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐがある。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
２．コンタクトチップの製造方法
２−１．プレス成形−焼結
図２は、本発明の実施の形態１による第１の製造方法（プレス成形−焼結）を示す図である。
【００２４】
まず、硬質粒子の粉末が０．５〜１重量％、Ｃｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐの粉末が１重量％、残部がＣｕ粉末（日鉱金属株式会社製＃５１）となるように秤量し、混合する。
【００２５】
次に、１００ｔアムスラーで４ｔ／ｃｍ２の圧粉成形を行う。これにより、１０ｍｍ×１２ｍｍ×８０ｍｍの成形体が形成される。
【００２６】
次に、前記成形体を９００℃〜１１００℃（好ましくは１０５０℃）の温度で真空焼結する。焼結緻密化材の融点より高い温度で且つＣｕの融点直下で焼結することにより焼結緻密化材を液相化させて焼結密度を上げることができる。
【００２７】
次に、前記真空焼結した焼結体に１５％の圧延を行う。これにより、酸化膜を破壊して密度を上げることができる。
【００２８】
次に、前記圧延を行った圧延体に４００℃以上の温度（好ましくは４００℃）で真空焼鈍を行う。温度を４００℃としたのは、銅系材料で最も導電率が回復する温度であること、加工歪を完全に除くために再結晶温度以上とするためである。
【００２９】
次に、外径加工及び内径加工を機械加工によって行う。これにより、コンタクトチップ２が製造される。
【００３０】
２−２．押出し成形−脱脂−焼結（金属射出成形法）
図３は、本発明の実施の形態１による第２の製造方法（金属射出成形法）を示す図である。
【００３１】
まず、硬質粒子の粉末が０．５〜１重量％、Ｃｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐの粉末が１重量％、残部がＣｕ粉末（日鉱金属株式会社製＃５１）となるように秤量する。これらの金属粉末とアミド化合物のバインダを混練する。
【００３２】
次に、前記混練した混練物を射出成形する。
次に、この射出成形した成形体を４００℃±１０℃の温度で４０時間保持することにより、成形体の脱脂を行う。次に、脱脂後の成形体を９００℃〜１１００℃（好ましくは１０５０℃）の温度で真空焼結する。焼結緻密化材の融点より高い温度で且つＣｕの融点直下で焼結することにより焼結緻密化材を液相化させて焼結密度を上げることができる。
【００３３】
次に、外径加工及び内径加工を機械加工によって行う。これにより、コンタクトチップ２が製造される。
【００３４】
尚、本実施の形態では、コンタクトチップ２の製造方法として２−１．プレス成形−焼結、２−２．金属射出成形法を説明しているが、これに限定されるものではなく、コンタクトチップ２を鋳込みによって製造することも可能である。
【００３５】
３．溶接試験及びその結果
３−１．試験
試験用コンタクトチップの材料としては、Ｃｕに焼結緻密化材としてＣｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐを１重量％含有させるとともに硬質粒子としてＳｉＯ２を０．５重量％添加した材料（０．５ＳｉＯ2）、Ｃｕに焼結緻密化材としてＣｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐを１重量％含有させるとともに硬質粒子としてＭｏ２Ｃを１重量％添加した材料（1Ｍｏ2Ｃ）、Ｃｕに焼結緻密化材としてＣｕ−１０重量％Ｓｎ−０．２重量％Ｐを１重量％含有させるとともに硬質粒子としてＴｉＣを１重量％添加した材料（1ＴｉＣ）を用いた。これらの材料を用いて前述した第１の製造方法（プレス成形−焼結）によりコンタクトチップを製造した。
【００３６】
前記コンタクトチップそれぞれによって３０分間連続して溶接長１１ｍを溶接した際の溶接性と耐久性の評価を行った。具体的には下記の（１）〜（３）の評価を行った。
（１）コンタクトチップが溶着して溶接ワイヤの送給が停止しないかを評価した。
（２）溶接の電圧、電流の安定性を評価した。
（３）コンタクトチップの穴先端の消耗量を溶接前後の真円度の変化で評価した。
【００３７】
尚、真円度はチップ穴径を４点測定し、そのうちの最大値と最小値の差によって求めた。また、溶接条件は下記のとおりである。
・ビードオンプレート
・電源  松下ＡＥII−５００
・電流４００アンペア
・電圧３６Ｖ
・送り３７ｃｍ／ｍｉｎ
・溶接線径φ１．４
・突出量２５ｍｍ
・Ａｒ８０％、ＣＯ２２０％の混合ガス使用
【００３８】
３−２．結果
上記評価に対する結果を表３に示している。表３に示すように、耐摩耗性は従来のコンタクトチップより良好であり、硬質粒子による耐摩耗性の向上効果が確認できた。また、溶接ワイヤの送給が停止することはなく、溶接ワイヤの詰まりや焼付きは発生しなかった。また、０．５重量％ＳｉＯ２を添加したコンタクトチップは、電流、電圧の安定度が従来材よりも高く、溶接中のスパッタの飛散量も少なかった。また、溶接前後の真円度の結果からターゲット性は良好であることが予想される。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
上記実施の形態１によれば、硬質粒子を分散させることにより耐熱性を向上させているため、従来の析出効果型のクロム銅のように再固溶することがない。従って、溶接用電極に高電流が流れることで５００℃を超える温度で溶接用電極を使用しても、軟化しにくく、耐摩耗性及び耐焼付き性を高く維持することができ、強度及び導電率が低下することが少なく、繰り返し加熱などの熱衝撃に強い。このため、溶接用電極の寿命を延ばすことができ、溶接用電極の交換頻度を少なくでき、全体として設備稼働率を高くすることができる。また、より過酷な溶接条件になるほど従来の溶接用電極材料であるクロム銅よりも高寿命とすることができる。
【００４１】
また、従来のクロム銅からなる溶接用電極では、鉄分が電極内に拡散しやすく、鉄分が異常に溶け込むことによって導電率が低下し、溶接ワイヤと溶接用電極との間の接触抵抗が異常に高まることによって溶着が発生する。これに対し、本実施の形態による溶接用電極では、硬質粒子によって鉄分の拡散を抑制し、母材の歪を抑えることができ、高温下でも高強度を維持できると考えられる。
【００４２】
また、上記実施の形態１では、粉体焼結によって溶接用電極を製造するため、形状の自由度を大きくすることができ、ニアネットシェイプで作製でき、製造コストを低減することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図４（Ａ）は、本発明の実施の形態２による溶接用電極の一例であるスポット溶接電極を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すスポット溶接電極を用いてワークを溶接する様子を模式的に示す図である。
【００４４】
溶接対象物であるワーク４をスポット溶接電極５，６で圧着しつつ＋電極から−電極に通電し、抵抗熱で金属を溶かして溶接接合する。
【００４５】
スポット溶接電極５，６の材料としては、実施の形態１のコンタクトチップと同様の材料を用いる。また、スポット溶接電極の製造方法は、実施の形態１と同様の製造方法、即ち、第１の製造方法（プレス成形−焼結）及び第２の製造方法（金属射出成形法）を用いることができる。
【００４６】
上記実施の形態２においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
尚、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１，２では、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のいずれか１種の硬質粒子を０．１重量％〜２重量％分散させた溶接用電極を用いているが、これに限定されるものではなく、ＳｉＯ２硬質粒子、Ｍｏ２Ｃ硬質粒子及びＴｉＣ硬質粒子のうち少なくとも１種の硬質粒子を合計で０．１重量％〜２重量％分散させた溶接用電極を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１による溶接用電極の一例であるコンタクトチップを用いて溶接する様子を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１による第１の製造方法（プレス成形−焼結）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による第２の製造方法（金属射出成形法）を示す図である。
【図４】（Ａ）は実施の形態２による溶接用電極の一例であるスポット溶接電極を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すスポット溶接電極を用いてワークを溶接する様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…ノズル
２…コンタクトチップ
３…溶接ワイヤ
４…溶接対象物（ワーク）
５，６…スポット溶接電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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