(57)【要約】【課題】微小領域溶接に適したＴＩＧ電極を提供する。【解決手段】ＴＩＧ電極を、棒状のタングステン材の外周面に銅材またはアルミニウム材のいずれかからなる被覆材が被覆した構造を有し、棒状のタングステン材の直径をＴＩＧ電極直径の４０％以下とした。タングステン材部分の太さが従来の電極よりも細く、アークが発散しにくいため微小領域の溶接に適している。また、付与電圧を安定させることができ、放熱性が高いためにＴＩＧ電極の寿命が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状のタングステン材の外周面を、銅材またはアルミニウム材のいずれかからなる被覆材が被覆した構造を有し、
前記棒状のタングステン材の直径φａと、前記被覆材の外径φｂの比が、（φａ／φｂ）≦０．４を満たし、かつ、前記棒状のタングステンの直径φａが３０μｍ以上である、
微小領域溶接用ＴＩＧ電極。
【請求項２】
前記ＴＩＧ溶接用タングステン電極の直径が、
φ１．０ｍｍ、φ１．２ｍｍ、φ１．６ｍｍ、φ２．０ｍｍ、φ２．４ｍｍ、
のうちいずれかである、請求項１に記載の微小領域溶接用ＴＩＧ電極。
【請求項３】
前記棒状のタングステン材が、タングステン中に酸化ランタンまたは酸化ネオジウムのうちいずれかまたは両方の粒子が分散した材料である、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の微小領域溶接用ＴＩＧ電極。
【請求項４】
パイプ状の銅材またはアルミニウム材のいずれかに、タングステン棒材を挿入した状態で伸線加工を行い接合する工程を含む、
棒状のタングステン材の外周面を、銅材またはアルミニウム材のいずれかからなる被覆材が被覆した構造を有し、前記棒状のタングステン材の直径φａと、前記被覆材の外径φｂの比が、（φａ／φｂ）≦０．４を満たし、かつ、前記棒状のタングステンの直径φａが３０μｍ以上である微小領域溶接用ＴＩＧ電極の製造方法。
【請求項５】
前記伸線加工を行い接合する工程を、還元雰囲気中で行う請求項４に記載の微小領域溶接用ＴＩＧ電極の製造方法。
【請求項６】
前記接合する工程以前に、前記タングステン棒材および前記パイプ状の銅材またはアルミニウム材を、有機溶剤またはアルカリにて表面処理する工程をさらに含む、請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の微小領域溶接用ＴＩＧ電極の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項３のいずれかの微細領域溶接用ＴＩＧ電極と、被溶接材間に１〜２０（Ａ）の電流を流し、不活性ガス中で行う溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小領域溶接に用いる、タングステン製のＴＩＧ電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＩＧ溶接に使用するタングステン製の電極には、現在まで様々な材質が用いられている。一例を挙げると、意図的に不純物を含まないタングステン（純タングステン）、Ｋ（カリウム）やＣａ（カルシウム）などアルカリ金属やアルカリ土類金属をドープしたタングステン（ドープタングステン）、ＴｈＯ２を添加したタングステン（トリウムタングステン）、Ｌａ２Ｏ３を添加したタングステン（ランタンタングステン）などが一般に用いられている。
【０００３】
タングステンは熱伝導率が１７０（Ｗ／ｍ・Ｋ）と金属の中でも比較的高いが、アークを発生するＴＩＧ電極においては、この熱伝導率でも十分とは言えず、アーク発生時の高熱により、ある程度の速度で消耗する。この現象は、電極の熱伝導率を高くし、使用時の電極温度を下げることにより、ある程度緩和できる。
【０００４】
そこで、電極を径方向に向かって２重構造とし、タングステン棒を、より熱伝導率の高いＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）などの金属で被覆することにより、消耗を押さえようとする提案が、例えば特許文献１、特許文献２などに記載されている（Ｃｕの熱伝導率は約４００（Ｗ／ｍ・Ｋ））。
【０００５】
特許文献１には、タングステンの芯材の周囲に、溶射にてＣｕの層を設けることが開示されている。特許文献２には、パイプ状のＣｕにタングステン棒を挿入し、ダイスによる伸線などの手段でＣｕをタングステン棒に倣わせる方法が開示されている。
【０００６】
一方、近年の新たな課題となっているのが、微小領域を過不足なく溶接することである。小さな領域の溶接には、小さい電流を電極と被溶接材間に流し、比較的小さなアークを発生させ、微小領域に対しての溶接を行うことが適している。微小領域とは一辺が１０μｍ〜１ｍｍ程度の領域、特に一辺が２００μｍ以下の領域をいう。この際に付与される電流値は、たとえば１〜２０（Ａ）である。
【０００７】
現在、微小領域の溶接ではその実現のために（１）ある程度の径を有するＴＩＧ電極を用いて頻繁に先端を尖らせる加工を行う（２）ＴＩＧ電極自体を細いタングステン線材とする  などの対応が取られている。ところが、（１）の手段ではＣｕやＡｌなどの金属よりも高価な、レアメタルであるタングステンの使用量が増え、そのほとんどが溶接に使用されずに削って捨てられるという問題がある。また、ＣｕやＡｌなどと比較してタングステンは難加工材であり、加工するのにも装置や工具などの費用がかさむ。また、（２）の方法では、タングステンの使用せずに捨てる量は減らすことができるが、ＴＩＧ電極の保持に課題があり、芯出し（溶接位置決め）に時間を要するという問題が生じる。また、微小な領域の溶接の際に、例えば３０μｍよりもタングステン線を細くすると、タングステン線の弾性変形にて使用中に電極位置がずれやすくなる。また、このようなタングステン線を用いる場合は、市販されている溶接電極用のコレットを用いることができず、特殊形状のコレットが別に必要となるために、溶接に要する費用がかさむという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５６−５３８８２号公報
【特許文献２】実全昭４９−３６１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は以上に述べた現行技術に関して、以下に記載のいずれかの課題を解決する。
（ａ）微小領域溶接に用いる、微小なアークを発生させるのに適したＴＩＧ電極を、必要十分なタングステンの使用量にて得ることにより、タングステン使用量を抑える
（ｂ）微小領域溶接に用いるＴＩＧ電極が消耗しにくいよう、電極の熱伝導率を向上させる
（ｃ）微小領域溶接に用いるＴＩＧ電極の製造費用、その加工（消耗に伴う研摩）費用、位置決めに掛かる工数などの費用を低減する
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ＴＩＧ電極を、棒状のタングステン材の外周面に銅材またはアルミニウム材のいずれかからなる被覆材が被覆した構造を有し、棒状のタングステン材の直径をＴＩＧ電極直径の４０％以下とすることで、微小なアークの発生を低温で行うことが可能となった。また、前記ＴＩＧ電極の被覆材の直径（外径）を、一般に用いられているコレットの内径と同様とすることで、汎用性のあるＴＩＧ電極とでき、余分な費用を要さない。
【００１１】
また、前記ＴＩＧ電極中のタングステン材中に、酸化ランタンまたは酸化ネオジウムのうちいずれか１種または両方を分散することで、より低温、低電流でのアーク発生が可能となり、寿命をさらに伸ばせる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、微小領域をＴＩＧ溶接にて溶接するのに適した、微小領域溶接用ＴＩＧ電極（以下、単に「ＴＩＧ電極」とも記載する）が得られた。本発明のＴＩＧ電極を使用することにより、微小領域溶接に従来のＴＩＧ電極を使用した場合と比較して、タングステンの使用量を押さえ、ＴＩＧ電極を長寿命化することによりＴＩＧ溶接に係る製造費用を抑えることができた。また、従来使用されているコレットなどがそのまま用いることが可能で、追加的な費用を要さなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の微小領域ＴＩＧ溶接用タングステン電極の模式図  （１）先端が平面形状（２）先端を尖らせた形状
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の微小領域の溶接に適したＴＩＧ電極は以下の構成を有する。
【００１５】
まず、本発明の微小領域ＴＩＧ溶接用タングステン電極は棒状のタングステンの外周面を、熱伝導率の高い金属であるＣｕ材またはＡｌ材が被覆した構造を有している。この構成とすることで、ＴＩＧ電極の熱伝導率を向上させ、使用時の消耗を押さえることができる。両者の接合は、密着可能であれば、例えば、カシメ、鍛造、Ｃｕ材またはＡｌ材を溶融させてからの固化など、どのような方法でも構わない。最も適した方法は、線引き加工である、「同時線引き法」である。同時線引き法は、パイプ状のＣｕ材またはＡｌ材に、タングステン棒材を挿入し、ダイスを通すことにより外径を徐々に細くし、Ｃｕ材またはＡｌ材をタングステン棒材に倣わせて接合する方法である。この方法により、両者は密着状態となり、高い熱伝導率（先端からの放熱に有利）、電気伝導率（給電に有利）を共に確保することができる。また、両者を接合する場合には、互いに接合面に酸化被膜を有さない方が、前記特性をより向上させることができる。また、強固に接合することで、熱膨張が起こった際にも両者がずれにくくなる。具体的な方法として、有機溶剤またはアルカリで接合面を処理した後に接合する方法が挙げられる。酸化被膜を取り除くには、有機溶剤またはアルカリによる処理で、タングステン材の接合面（外周部）の酸化膜や、Ｃｕ材またはＡｌ材の接合面（パイプ内面）の酸化膜を取り除く方法がある。また、別の方法として、前記接合工程を還元雰囲気中で行うことができる。還元雰囲気で接合を行うことにより、金属同士が酸化膜を介さずに接合するために、前記特性をより向上できる。還元雰囲気は、具体的には水素雰囲気や一酸化炭素雰囲気などを用いることができる。
【００１６】
また、本発明のＴＩＧ電極において、タングステン部分の直径はＴＩＧ電極に対して４０％以下である。タングステン部分の直径と電極の比について、下限は特に制限されるものではないが、ＴＩＧ電極の径に関わらず、タングステン部分の径がアークの発生に十分な３０μｍが目安となる。３０μｍより径が小さくなると、製造上でＴＩＧ電極の中心部にタングステン部分を位置させるのが困難となる。前記の比率を満たすことにより、タングステンの使用量を従来のＴＩＧ電極よりも大幅に低減することが可能となる。この場合、たとえば全体をタングステン棒材としたＴＩＧ電極に対して１６％以下の使用量で抑えることができる。より好ましくはタングステン部分の直径をＴＩＧ電極の３０％以下とすることである。この構成とすることにより、タングステン使用量を削減できるばかりでなく、ＴＩＧ電極を再研磨して尖らせる際も、タングステン部分の研削量が小さく、Ｃｕ材とほぼ同様に加工できる。これらの特徴は、先行技術文献１（図１）および先行技術文献２（図２）のように、薄いＣｕ材をタングステン材表面に設けたＴＩＧ電極では実現できなかった効果である。図１に模式図を示すが、本発明のＴＩＧ電極は、電極の直径φｂと、タングステン材部分の直径φａが、（φａ／φｂ）≦０．４  を満たす。
【００１７】
ＴＩＧ電極の直径は、特に制限されるものではないが、φ２．４ｍｍ以下が望ましく、また、安価に入手できる市販のホルダーに適合する直径のものが望ましい。これには、φ１．０ｍｍ、φ１．２ｍｍ、φ１．６ｍｍ、φ２．０ｍｍ、φ２．４ｍｍのいずれかの直径が該当する。これよりも大きな径でも使用できるが、アークが分散しやすくなったり、ＴＩＧ電極の価格が上がったりするために、微小領域の溶接には不適当となる場合がある。この点から、さらに望ましい径は、φ１．０〜１．２ｍｍであり、ホルダーが手に入るのであれば０．４〜１ｍｍ以下でもよい。
【００１８】
ＴＩＧ電極の先端部は、微小領域に対して面積が広すぎるとアーク発生が拡散する不具合が生じやすくなるために、図１（２）に示すように先端部を尖らせての使用が適している。本発明のＴＩＧ電極では、タングステンが電極の中心位置にあるために、先端部の尖った部分はタングステン材となる。
【００１９】
タングステン材としては、純タングステン材、ドープタングステン材、酸化トリウム分散タングステン材、酸化セリウム分散タングステン材、酸化ランタン分散タングステン材、酸化セリウム分散タングステン材、酸化ネオジウム分散タングステン材などが使用できる。分散する粒子は０．５〜１．５体積％程度が適している。前記の分散粒子のうち、特に適しているのは、放射性元素を含有せずに、かつ、仕事関数の低い粒子が分散している酸化ランタン分散タングステン材および酸化ネオジウム分散タングステン材である。仕事関数が低い粒子の働きにより、アークの発生がより容易となり、低電流で発生させられるために、電極の温度上昇が抑えられ、より長寿命化が可能である。また、タングステン部分の径が小さいことと合わせて、アーク発生の範囲を狭く制御することが可能となり、微小領域溶接用のＴＩＧ電極により適している。
【００２０】
（実施例１）
酸化ネオジウム粒子１体積％がタングステン中に分散した、酸化ネオジウム分散タングステン材で、直径が０．３ｍｍのタングステン棒材と、内径φ０．３５ｍｍ／外径φ１．５ｍｍである純銅のパイプ材を準備した。
タングステン棒材を純銅のパイプ材に挿入し、１００〜４００℃の範囲で加熱しながらダイスを通過させる、同時線引き法による伸線加工での接合を行った。接合直前に、タングステン棒材と純銅のパイプ材を、炭酸ソーダ水溶液でアルカリ洗浄を行った。また、接合時のダイスの周囲は水素気流中で密封した還元雰囲気とした。ダイスの内径は、外径がφ１．５ｍｍのものから徐々に小さい内径のものを複数準備し、最終的に内径φ１．２ｍｍのダイスで仕上げの線引き加工を行った。この間、内径φ１．４ｍｍのダイスを通す際にタングステン棒材と純銅のパイプ材は隙間なく、完全に接合されていた。線引き加工による加工では、純銅部分が塑性変形して、直径方向に小さくなり、長さ方向に延びた。タングステン棒材も、やや塑性変形し、径方向に約５％小さくなった。
【００２１】
得られた外径がφ１．２ｍｍのＴＩＧ電極は、その中心部に約φ０．２８５ｍｍのタングステン棒材を有し、その外周をタングステン棒材と強固に接合された純銅材が被覆した構造を有する棒状であった。
【００２２】
このＴＩＧ電極は、従来のφ１．２ｍｍのタングステン電極と同じく、市販のホルダーにて使用できる。ホルダーからの給電は、従来のタングステン電極と比較して安定していた。これは、コレットに密着する部分が、変形しにくいタングステン材ではなく、コレットに倣って変形しやすい純銅であるためと考えられる。この現象は、微小領域の溶接に適した条件である、数Ａ程度の電流を用いる際により顕著に表れた。
製造費用については、タングステンの使用量を５％程度にまで減らすことができたために、同径の従来電極のよりも約４０％低減できた。また、一定時間使用後の再研磨は、従来のタングステン電極よりも短時間で行えた。溶接中心の位置決め、芯出しについては従来の電極と同様に行えた。本発明のＴＩＧ電極は、不活性ガス雰囲気中で１〜２０（Ａ）と低い電流値で、問題なく溶接対象物の溶接が行えた。寿命については１．５〜２．２倍に長寿命化できた。これは、純銅で被覆することにより、電流が安定して流せることと、電極先端部からの放熱効率が良いために、温度による消耗が押さえられためと考察する。
【００２３】
（実施例２）
酸化ネオジウム粒子２．４体積％がタングステン中に分散した、酸化ネオジウム分散タングステン材で、直径がφ０．０４ｍｍのタングステン棒材と、内径φ０．１ｍｍ／外径φ１．２ｍｍである銅のパイプ材を準備した。
タングステン棒材を純銅のパイプ材に挿入し、１００〜４００℃の範囲で加熱しながら、ダイスを通過させる同時線引き法により両者を接合した。ダイスの内径は、外径がφ１．２ｍｍのものから徐々に小さい内径のものを複数準備し、最終的に内径１．０ｍｍのダイスで仕上げの線引き加工を行った。この間、内径φ１．１５ｍｍのダイスを通す際にタングステン棒材と純銅のパイプ材は隙間なく、完全に接合されていた。線引き加工による加工では、純銅部分が変形して、直径方向に小さくなり、長さ方向に延びた。タングステン材はほとんど変形しなかった。
【００２４】
得られた外径がφ１．０ｍｍのＴＩＧ電極は、その中心部に約φ０．０４ｍｍのタングステン棒材を有し、その外周をタングステン棒材と強固に接合された純銅材が取り囲んだ構造を有していた。
【００２５】
（実施例３）
酸化ランタン粒子２．４体積％がタングステン中に分散した、酸化ランタン分散タングステン材で、直径がφ０．８５ｍｍのタングステン棒材と、内径φ０．９ｍｍ／外径φ２．５ｍｍである銅のパイプ材を準備した。
タングステン棒材を純銅のパイプ材に挿入し、１００〜４００℃の範囲で加熱しながら、ダイスを通過させる同時線引き法により、両者を接合した。ダイスの内径は、外径がφ２．５ｍｍのものから徐々に小さい内径のものを複数準備し、最終的に内径φ２．０ｍｍのダイスで仕上げの線引き加工を行った。この間、内径φ２．３ｍｍのダイスを通す際にタングステン棒材と純銅のパイプ材は隙間なく、完全に接合されていた。同時線引き加工では、純銅部分が変形して、直径方向に小さくなり、長さ方向に延びた。タングステン材もやや変形して、直径方向に小さくなり、直径約φ０．８ｍｍとなった。
【００２６】
得られた外径がφ２．０ｍｍのＴＩＧ電極は、その中心部に約φ０．８ｍｍのタングステン棒材を有し、その外周をタングステン棒材と強固に接合された純銅材が取り囲んだ構造を有していた。
【００２７】
（実施例４）
酸化イットリウム粒子０．５体積％がタングステン中に分散した、酸化イットリウム分散タングステン材で、直径が０．２ｍｍのタングステン棒材と、内径φ０．２ｍｍ／外径φ４ｍｍである銅のパイプ材を準備した。
タングステン棒材を純銅のパイプ材に挿入し、外径側より鍛造加工を行い、円柱状に整形した。得られた外径がφ２．０ｍｍのＴＩＧ電極は、その中心部に約φ０．２ｍｍのタングステン棒材を有し、その外周をタングステン棒材と強固に接合された純銅材が取り囲んだ構造を有していた。
【００２８】
（実施例５）
酸化ランタン粒子０．８体積％がタングステン中に分散した、酸化ランタン分散タングステン材で、直径がφ０．５ｍｍのタングステン棒材を準備した。
前記タングステン棒の周方向に、厚さが均一となるようにアルミニウムの溶射膜を形成した。溶射膜形成後に、センタレス研削加工を行い、外径がφ２．０ｍｍのＴＩＧ電極とした。このＴＩＧ電極は、径方向の中心部が直径０．５ｍｍの酸化ランタン分散タングステン材で、その周囲をアルミニウムが取り囲んだ構造を有していた。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＴＩＧ電極
２  タングステン材
３  銅材またはアルミ材
【図１】
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