(57)【要約】【課題】難溶性の素材を使用した時の連続打点性に優れたスポット用電極を提供する。【解決手段】電極を500℃で30分加熱した後の金属組織が電極軸芯と平行な線に沿って繊維状となっていることを特徴とするスポット溶接用電極。あるいは質量％でCr:0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、その金属組織中に電極軸芯と平行な線に沿って長径が延伸したCr系析出物を含有し、かつアスペクト比5以上のものが1個／100μm平方以上あることを特徴とするスポット溶接用電極。更にZr,Si,Snを含有することも可能である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を500℃で30分加熱した後の金属組織が電極軸芯と平行な線に沿って繊維状となっていることを特徴とするスポット溶接用電極。
【請求項２】
質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物であ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】
質量％でAl：0.05〜2％、残部がCuおよび不可避的不純物からな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４】
質量％で更にZr：0.01〜0.4％、Si：0.05〜0.8％、Sn：0.05〜0.8％の1種または2種以上を含有す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５】
質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、その金属組織中に電極軸芯と平行な線に沿って長径が延伸したCr系析出物を含有し、該析出物の中の長径7μm以上かつアスペクト比5以上のものが1個／100μm平方以上あることを特徴とするスポット溶接用電極。
【請求項６】
質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、電極を500℃で30分加熱した後の金属組織が電極軸芯と平行な線に沿って長径が延伸したCr系析出物を含有し、該析出物の中の長径7μm以上かつアスペクト比5以上のものが1個／100μm平方以上あることを特徴とするスポット溶接用電極。
【請求項７】
質量％で更にZr：0.01〜0.4％、Si：0.05〜0.8％、Sn：0.05〜0.8％の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のスポット溶接用電極。
【請求項８】
硬度がビッカース硬度として140〜180であることを特徴とする請求項乃至請求項７に記載のスポット溶接用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接機用の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に産業用のスポット溶接機では、その電極チップに銅合金、例えば、クロム銅を使用したものが多い。クロム銅を電極に用いているのは、耐摩耗性等を考慮したためであるが、一つの電極チップによりスポット溶接が可能な打点数は冷延鋼板を使用した場合には5000打点程度である。
しかし、実際にはこのようなスポット溶接の品質を維持するため、上記の限界打点数に達しないうちに電極チップの交換やドレッサーをしているのが現状である。これは同じ電極チップによってスポット溶接を繰返し実行していると、電極チップ先端部が溶損等によって徐々に摩耗し、スポット溶接の品質低下が生じるので、これを回避するためである。
また、自動車メーカのボデー組立工程等で使用されるロボット式のスポット溶接機は、例えば、一時間に200〜400打点程度のスポット溶接を実行するため、その電極チップの交換も頻繁に行う必要があるが、省力化の観点からこの交換作業をロボット等により自動交換するようにしている。
しかしながら、電極チップ交換中にはラインを停止しなければならないことになるため、これが自動組立工程上のネックとなっている。スポット溶接機を同じ場所に2台設置し、交替でいずれか一方の溶接機を使用すれば、電極交換によるラインの停止は回避できるが、設備コストは単純にいえば2倍になるという難点がある。
【０００３】
従来技術として、スポット溶接用の電極に関する技術を開示したものとして、特開平2−263956号公報、特開平5−77061号公報、特開平7−314153号公報等がある。最初の開示はCr−Cu製電極の製造方法に関するもの、次の開示はアルミナ分散銅電極のアルミナの分布を規定したもの、最後の開示は電極の組成を規定したものである。後者2つの開示はAl板を溶接する際に良好な特性を示す旨が記述されているが、Al板の溶融温度が600℃程度であるのに対してSn系めっき鋼板、Al系めっき鋼板を溶接する際の鋼板の溶融温度は1500℃以上で、電極の熱負荷という意味ではめっき鋼板の方が遥かに大きい。従って従来の開示技術からはSn系やAl系めっき鋼板のような難溶接性材料の溶接は極めて困難であった。
【特許文献１】特開平2−263956号公報
【特許文献２】特開平5−77061号公報
【特許文献３】特開平7−314153号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に表面処理鋼板を使用した際の一つの電極チップによる打点数は冷延鋼板のそれに比べると低いことが多く、表面処理鋼板が多用されると上記のチップの交換頻度はより高くなる。特に近年自動車燃料タンク用の素材として使用され始めているSn−Znめっき鋼板はそのめっき層の主成分がSnで、電極チップの銅と極めて反応しやすいために電極チップで溶接できる打点数が低いという問題点がある。また自動車の排気系用、あるいは自動車燃料タンク用の素材として使用されている溶融Alめっき鋼板もめっき層の主成分がAlでやはり電極チップの銅と反応しやすいために同じ問題を抱えている。これらの表面処理鋼板を使用した場合の電極チップによる打点数は200〜500点程度であり、上記の冷延鋼板と比較すると1／10あるいはそれ以下に低下するために、電極チップのドレッシングあるいは交換の手間は大きくなっている。
そこで本発明は、難溶性の素材を使用した時の連続打点性に優れたスポット用電極を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。本発明者らはスポット溶接における電極チップの寿命に影響する鋼板側の因子、電極側の因子、溶接条件の因子について詳細に検討した結果、電極側の因子を最適化することで電極チップの寿命を向上させることに成功した。すなわち電極の金属組織、特にCr系析出物の析出形態、並びに銅結晶組織の電極チップの寿命に及ぼす影響が大きいという知見を得て本発明はなされたものである。本発明による電極チップを使用することで前述したSn−Znめっき鋼板や溶融Alめっき鋼板といった難溶接性の材料を使用した時にも安定した電極チップの寿命を得ることができる。
本発明において、電極内部のCrの析出状態、電極の金属組織を規定することによりSnあるいはAlと電極チップとの反応を抑制するものであるが、現在のところその明確な理由は明らかとなっていない。電極と鋼板の間の反応性を支配する電極側の因子として、電極先端の変形抵抗、電極の電気伝導度、熱伝導度等が考えられ、一般に電極の変形抵抗（硬度）と電気伝導度とは二律背反の関係にある。しかしスポット溶接において電気、熱の流れは電極先端と水冷端、電気の供給端の間で、つまり電極の軸芯に平行な方向で流れる。このために析出物、あるいは金属組織が軸芯と平行な線上に分布していると、電気や熱の流れを妨げ難いことが考えられる。
【０００６】
かかる知見を基に完成された本発明は、次の通りである。
（1）電極を500℃で30分加熱した後の金属組織が電極軸芯と平行な線に沿って繊維状となっていることを特徴とするスポット溶接用電極。
（2）質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物であることを特徴とする（1）に記載のスポット溶接用電極。
（3）質量％でAl：0.05〜2％、残部がCuおよび不可避的不純物からなることを特徴とする（1）に記載のスポット溶接用電極。
（4）質量％で更にZr：0.01〜0.4％、Si：0.05〜0.8％、Sn：0.05〜0.8％の1種または2種以上を含有することを特徴とする（2）に記載のスポット溶接用電極。
（5）質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、その金属組織中に電極軸芯と平行な線に沿って長径が延伸したCr系析出物を含有し、該析出物の中の長径7μm以上、かつアスペクト比5以上のものが1個／100μm平方以上あることを特徴とするスポット溶接用電極。
（6）質量％でCr：0.3〜1.2％を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなり、電極を500℃で30分加熱した後の金属組織が電極軸芯と平行な線に沿って長径が延伸したCr系析出物を含有し、該析出物の中の長径7μm以上、かつアスペクト比5以上のものが1個／100μm平方以上あることを特徴とするスポット溶接用電極。
（7）質量％で更にZr：0.01〜0.4％、Si：0.05〜0.8％、Sn：0.05〜0.8％の1種または2種以上を含有することを特徴とする（5）〜（6）に記載のスポット溶接用電極。
（8）硬度がビッカース硬度として140〜180であることを特徴とする（1）〜（7）に記載のスポット溶接用電極。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明してきたように、本発明はSn−Znめっき鋼板やAlめっき鋼板といった難溶接性材料を使用する際に従来よりも寿命の長いスポット溶接用の電極チップを提供することができる。本発明により、自動車組立て工程におけるライン停止を少なくすることが可能で、今後のより効率的な自動車生産に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明において上述のように限定する理由について詳述する。
なお、本明細書において鋼組成およびめっき組成を規定する「％」は「質量％」である。
まず電極の成分に関する限定理由について述べる。
Cr：最も汎用的に使用される電極チップはクロム銅と呼ばれる成分系で、Cu中にCrを0.3〜1.2％含有している。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。本発明においても同様にCrの析出物を形成させることが望ましく、Crを析出させるためには0.3％以上が望ましい。
一方Crの溶解度が1000℃で1％程度であり、1.2％以上添加しても熱処理により溶体化せず、析出処理が困難となるために添加する場合は1.2％を上限とする。
【０００９】
Zr、Si、Sn：これらの元素はCrと共存してCrの析出に影響して、硬度、導電率に影響する。これらの効果を得るためにはZrとして0.01％、Siとして0.05％、Snとして0.05％以上が望ましく、必要以上の添加はコストの上昇、製造性の低下となるため、上限をZrとして0.4％、Si、Snとして0.8％とする。
Al：Alは酸化物として、いわゆるアルミナ分散銅という形で添加される。アルミナ分散銅は高温での硬度の低下が少なく、表面処理鋼板に適していると言われている。このときアルミナをAlとして0.05％以上添加することで硬度を上昇させることができるため、下限をこの量とする。必要以上の添加により伝導度が低下するために添加する場合は、上限を2％とするのが望ましい。
【００１０】
次に電極の組織について述べる。前述したように、軸芯と平行な方向への熱、電気伝導度を上げるという点から組織が軸芯と平行な線に沿った組織になることが望ましい。金属組織として繊維状の組織、あるいはクロム銅系の材質である時にはCr系の析出物が軸芯と平行な線に沿って分布することでこのような効果が得られる。Cr系の析出物は軸芯と平行な線に沿って延伸し、そのアスペクト比が5以上、また長径が7μm以上の析出形態となることが好ましい。このような析出物が100μm平方中に1個以上あることで、電極チップの寿命が向上する。これらの金属組織は軸芯を含む面で電極を2分割し、断面組織を観察することで判断することができる。観察は光学顕微鏡により可能で、エッチング液は10％過硫酸アンモニウム水溶液にアンモニア水を少量混ぜた液が適当である。アンモニア水中のアンモニアは揮発しやすいために、アンモニア水の正確な量を規定することは困難であるが、アンモニアの量で組織が変わることは無く、観察可能である。しかし析出物を観察するためにはエッチング時間は短めに、金属組織を観察するためにはエッチング時間は長め日にする必要がある。
【００１１】
Cr系析出物のアスペクト比は5以上とする。上限は特に設けないが、20以下であることが多い。また長径を7μm以上とする。これも上限は設けないが30μm以下であることが多い。これらの析出物の形態は断面光学顧微鏡から判断するものとする。実際には析出物のどこが研磨面になるかにより、真の析出物の大きさは変わり得るが、正確に測定することは困難なため、比較的簡便に観察できる断面組織で判断する。析出物の密度は100μm平方中に上記の析出物が1個以上とする。測定に当たっては、ランダムに3視野程度を観察して個数をそれぞれ求めて、平均値を算出することが望ましい。これも上限は設けないが、Cr量の上限を1.2％とすると、20個以下であることが多い。
【００１２】
電極チップの硬度はと〜ッヵース硬度で140〜180の範囲であることが望ましい。
硬度を測定する際の荷重は5kgfとする。電極の硬度が高いとその分、電極の変形が少なく、電極寿命としては有利に働くが、その一方で硬度が高いと電気伝導度が低くなるために電極の発熱が大きくなり電極寿命としては不利となる。これらのバランスする硬度範囲が、上記の範囲である。
電極硬度は成分と製造時の熱履歴により定まり、特に溶体化と時効処理条件の影響が大きい。
これらの条件は電極の組識、析出物形態にも影響するため、組識、析出物形態を制御するように製造することで、硬度を上記範囲内とすることができる。
【００１３】
次にこのような組織を有する電極の製造方法について述べる。電極の製造は成分を調整して鋳造された銅合金を熱押し等の加工で棒状に成形し、これを950℃程度で溶体化処理する。その後焼入れ、冷間加工、475℃程度の時効処理を経て製造される。これらの工程の中で金属組織、析出物の形態に影響を持つのは、溶体化処理、冷間加工、時効処理の工程で、時効温度が低いと繊維状の組織となりやすい。また冷問加工の加工度が大きいほど当然繊維状の冷間加工組織が残りやすくなる。溶体化処理温度が低いとCr系の析出物のアスペクト比が大きくなりやすくなる。これらの工程条件を調整することで本発明の電極を得ることができる。しかし本発明は製造方法を特にこれらに規定するものではなく、これら以外の方法で本発明の電極を製造することも可能である。
【実施例】
【００１４】
次に本発明を実施例によりより詳細に説明する。高周波溶解炉を使用して、Cr量が0.85％に成分調整したクロム銅合金を溶解させ、均一に撹拝してから黒鉛鋳型に鋳造し、表1の組成を有する120mm径、250mm長さの鋳塊を作製した。鋳塊から92mm径、200mm長さの押出用ビレットを成形し、900℃の温度で20〜32mm径の棒材に押出加工した後、850〜950℃の温度で溶体化処理を行い、水冷して焼入れした後に16mm径まで冷間引抜加工を行った。更に400〜500℃で時効処理した。
【００１５】
溶体化処理の時間は30分、時効処理の時間は4hrとした。
上記引抜棒材を、先端径6mm（40R）の先端部と冷却孔を有するスポット溶接用電極に成形し、スポット溶接機にセットした。被溶接材として、Sn−8％Znめっき鋼板（商品名：エココート−T、材質：極低炭素鋼、板厚：0.8mm、めっき付着量：片面40g／m２、後処理皮膜量：片面100mg／ｍ２、塗油）、溶融
Alめっき鋼板（商品名：アルシート、材質：極低炭素鋼、板厚：0.8mm、めっき付着量：片面30g／m２、後処理皮膜量：片面100mg／m２、塗油）を使用した。溶接条件は、加圧力は予圧力200kgf、溶接電流9〜9.5kA、連続溶接速度3s／回とし、溶接前の上下電極の間隔は30mmとした。
電極寿命は、25点毎にピール法で溶接部を剥離してボタン径を測定し、ボタン径が4√t（t：板厚mm）を切った時点でNGとした。
また電極を500℃で1時間更に焼鈍した後に組織観察をした。観察に当たっては10％過硫酸アンモニウム水溶液に少量のアンモニア水を添加した液でエッチングし、光学顕微鏡で400倍に拡大して写真を撮影した。  
【表１】
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【００１６】
表１に電極チップの製造条件、組織とSn−Znめっき鋼板（商品名：エココート−T）を使用した時の連続打点数の関係を示した。組織はいずれも電極の軸芯に平行な線に沿った繊維状組織あるいは延伸Cr系析出物が認められた。この表より電極組織と連続打点数に顕著な相関が認められることが分かる。なお、これらの電極の硬度はビッカース硬度として140〜170であったが、硬度と連続打点数とに大きな相関は認められなかった。この中のNo.1、3の電極を使用して溶融Alめっき鋼板も同様に試験したところ、No.1の電極を使用した時には1500点、No.3を使用した時には400点という結果が得られ、溶融Alめっき鋼板を使用した時にも顕著な効果が認められた。No.2、3の電極組織の一例を図１、図２に示す。図１はエッチングをやや弱くしてCr系析出物を観察したもの、図２はエッチングを強くして金属組織を見たものである。図１で色の濃いコントラストを有するものがCr系析出物である。なお図２の中央の黒い痕跡は硬度を測定した圧痕であり、組織とは関係ない。
【００１７】
一方、アルミナ分散銅製の電極（Alとして1％）、あるいはCr−Zr系（Cr：0.7％、Zr：0.2％）、Cr−Si系（Cr：0.7％、Si：0.1％）の電極でも同様の試験を行った。基本的な製造条件は表１のNo.1とした。但しアルミナ分散銅については析出硬化型ではないため、溶体化処理、焼入れ処理は行っていない。
こうして製造した電極を使用して、Sn−Znめっき鋼板を使用して上記の条件でスポット溶接試験をしたところ、アルミナ分散銅で900点、Cr−Zr系で850点、Cr−Si系で800点という連続打点が得られた。
このときの電極の組織を上述した方法で観察したところ、いずれも繊維状組織を呈していた。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明例と比較例の電極の断面組識のCr系析出物を示す図である。
【図２】本発明例と比較例の電極の断面組識の金属組識を示す図である。
【図１】
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【図２】
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