抵抗溶接の最前線探訪

特集

タングステン系材料の抵抗溶接電極への展開
向江信悟

日本タングステン㈱1 はじめに2 タングステン系電極について

抵抗溶接とは電極により被溶接物（ワーク）を加圧通

抵抗溶接電極におけるタングステン系電極の主なメ電し，ワークの固有抵抗によりジュール熱を発生させ局リットとしては，優れた高温硬さ，他の金属成分と反応所的に溶融させて接合する方法である。この接合方法しにくいという２点が挙げられる。溶接時の電極温度領は，様々な溶接手法の中で最も広く用いられている手法域において，銅合金と比べて高温硬さに優れるタングスの１つであり，その用途も自動車関連部品や家電製品な

テン系電極は打点数を重ねても電極形状の変形が少など幅広く利用されている。

く，電流密度が維持される。また，タングステンは他のワークが鋼板などの鉄系材料の場合，鉄は比較的固有金属と合金化しにくいことから，ワークとの溶着や合金抵抗が高く自己発熱も大きく，抵抗溶接が容易であるこ層形成が抑えられる。これら特性から，タングステン系とから電極としてクロム銅などの銅合金材料が使用され電極はワークが低抵抗で高熱伝導な銅系材料など溶接条る。一方，固有抵抗が低く，熱伝導率が高い銅系材料の件が厳しくなる場合に最適な電極材料となる。当社でラ抵抗溶接ではワークの自己発熱が小さいので電極の発熱インナップしている主なタングステン系電極材料を以下も必要であり，固有抵抗が高く高温特性に優れるタングに示す。

ステン系電極が使用される場合が多い。とくに自動車産

2.1 タングステン（W）

業においてワイヤハーネスやモータの生産工程には銅系材料の抵抗溶接（ヒュージング）工程が多く，タングステン電極の需要が大きい。

タングステンは高温硬さに優れ他の金属成分と合金化しにくいことから，ワークの自己発熱だけでなく電極材また近年はZnめっき鋼板においてもめっきの合金化の発熱も利用する銅系材料の熱かしめ（ヒュージング）やクロムフリー化など多様化し，電極へ掛かる負荷も大などに用いられる。ただし，高硬度であるが機械的，熱きく，電極の変形やめっき成分との合金化により従来よ的な衝撃に弱く，クラックなどの消耗を生ずる。

りも電極が短寿命となるケースが増えている。こういっ

2.2 モリブデン（Mo）たケースでもタングステン系材料が電極の長寿命化に貢献している。

電気特性や他の金属成分との合金化しにくいといった繰り返し加圧，通電を行う抵抗溶接において電極は消特性はタングステンと同様であるが，硬さや加工性，酸耗品であることから，安価でかつ寿命が長いことが求め化消耗性に違いがある。モリブデンはタングステンよりられ，当社は様々なワークに応じて最適な電極材を選定も低硬度であるが，機械的，熱的な衝撃にはタングステし，独自の製法によりコストパフォーマンスに優れる電ンよりも強く，タングステン電極のクラック対策として極を提供している。

使用される場合がある。また，難削材であるタングステンと比べ加工性にも優れるため，複雑形状の場合は加工コストを考慮し，モリブデンが選定される場合もある。

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特集
ただし，耐酸化性についてはタングステンの方が優れてた，タングステン系電極はクロム銅などの銅合金と比べいる。これらを考慮し，電極の消耗形態や加工コストかてコスト高であることから，ワークと接触する部分にのら電極材質の選定を行う。

みタングステン系材料を用いる。これらの観点から，タ2.3 銅タングステン（CuW）ングステン電極は，安価で熱伝導性に優れる銅台金と接合して使用する場合が多い。その接合法としてはろう付銅とタングステンの複合材料であり，タングステンとや圧入といった方法が一般的であるが，当社ではNDB銅合金との中間的な特性を持つ。適度な高温硬さと電気法という独自の直接接合法を用いて冷却性能に優れた電伝導率を有した材料であり，切削加工も可能である。組極を提供している。

成30wt％ Cu-70wt％ Wの銅タングステンが一般的であNDB法とはタングステン，モリブデン，銅タングスる が， 当 社 で は10wt％ Cu-90wt％ Wか ら50wt％ Cu-テン電極に銅台金を直接溶融，凝固させ鋳込みのように50wt％ Wまでの材料ラインナップをそろえており，求直接接合させる方法である。NDB法はその製法から，められる特性に応じて材料を選定することが可能であ

従来のろう付品や圧入品と比べ接合面積率が高く冷却性る。

能に優れており，電極の長寿命化に寄与する。NDB法

2.4 銀タングステン（AgW）とろう付の接合品質の違いを表１に示す。ろう付品にはろう材の接合層とろう隙が確認されるがNDB品は直接銅タングステンと同様に，銀とタングステンの複合材接合であることから接合層自体が介在せず，接合隙も見料であるが，銀が鉄，ニッケルと合金化しにくいため，られない。この優れた接合品質により溶接時に発熱した鉄，ニッケル系のワークに対して有効な電極材料であタングステン部分の熱を素早く台金側に逃がし，タングる。

ステン部分の負荷を減らすことにより電極の長寿命化を2.5 ヘビーアロイ実現する。
ユーザーでのNDB法による電極長寿命化事例を図１

ヘビーアロイとはタングステンを主成分に少量のニッに示す。電極サイズが大きくなるほど溶接条件も厳しケルや銅，鉄で構成したタングステン基の焼結合金であく，電極への負担も大きくなることから，NDB法の優る。ヘビーアロイはタングステンを主成分としながら切削加工が可能な材料であり，ウェイト材，遮蔽材といった用途が一般的である。抵抗溶接電極の材料としてはタングステンや銅タングステンほど一般的ではないが，その電気抵抗の高さから特に電極の発熱が求められるような溶接案件で用いられる材料である。

3 台金との接合繰り返して加圧と通電を繰り返す抵抗溶接電極は，積極的に冷却することが電極の長寿命化につながる。ま表１

図１

接合品質比較

ろう付特徴

電極寿命比較

・熱伝導性が低い
・ろう隙により接合品質が不安定

NDB 法
・熱伝導性が高い・接合品質が安定している

接合面積率60 ～ 80％

ほぼ 100％接合強度

98MPa 以上

127MPa 以上

接合断面66

溶接技術

れた冷却性能は比較的大きなサイズの電極で発揮されW-TiN）を製作し，その電気伝導度（IACS％）と硬度る。今回，ろう付品との比較では最大５倍，無垢材との（HV）を表２に示す。既存の電極材料であるタングステ

比較では約10倍の長寿命化が確認された。

ンやクロム銅と比べると硬度は高いが，電気伝導度は低4 新材料開発への取り組み（アルミいことが分かる。

溶接用電極）

今回，このW-TiNを用いてアルミ溶接試験を行った。
ワークは厚み0.8mmのアルミニウム合金A5052を用い，近年，自動車の軽量化の要求が高まっていることか電極はW-TiNと比較材としてクロム銅でも試験を実施

ら，銅材料をアルミへ置き換えるケースが増えている。

した。W-TiNの電極仕様を図２に示す。銅との接合品

アルミは融点が低く，接合を阻害する安定な酸化被膜をとし先端にW-TiNが埋設した構造とした。クロム銅電形成することから抵抗溶接が非常に困難な材料である

極は同サイズで一体物を使用し，溶接機は単相交流式のが，市場では既存の抵抗溶接機を用いてアルミ材の接合スポット溶接機を使用した。
表３に示す溶接条件でのワークの引張せん断試験およ工程を確立したいという声が多く聞かれる。
そこで当社ではアルミ材の抵抗溶接に特化した電極材

び断面観察（ナゲット径，接合状態）を行った。クロム料の開発に取り組んでおり，今回，現在開発中の新材料

銅電極では電極表面にアルミとの合金を形成するもののをご紹介する。

溶接自体は可能であった。W-TiN電極では電極表面で一般的なクロム銅電極ではアルミとの合金化による消アルミとの合金化は見られないものの，溶接電流の増加耗が課題となっていることから，開発のコンセプトとしに伴い電極とアルミニウムの間で溶着が見られた。てはアルミとの濡れ性が悪い材料を用いて，アルミ溶接

4.1 せん断試験およびナゲット径測定時の耐合金化性を高めることに重点を置いた。アルミとの濡れ性が悪い材料として「窒化チタン（TiN）」を選結果定し，ある程度の導電性を維持するためタングステンせん断引張試験結果を図３に示す。JIS Z 3140では，（W）との合金材料を検討した。試作品として体積比で板厚0.8mmのA5052の場合，1.6kN以上の引張せん断力

75％ のTiNを 含 有 す る25vol％ W-75vol％ TiN（ 以 下各電極材質の物性値材料電気伝導率（IACS％）

硬度（HV）

W-75TiN

81150

タングステン

30450

クロム銅

80120

2.01.5

1.6 kN

1.0（a）Cu-Cr alloy

0.5（b）W-75TiN

1.625

Tensile shear load（kN）

表２2.5150.045°

SR7505101520
Welding current（kA）

（8）

Cu

図２

W-75TiNの電極仕様
表３

溶接条件

クロム銅

W-75TiN

電流値（kA）

18, 19, 20, 21, 227, 8, 9, 10

加圧力（kN）

2.0

1.5

通電時間（cyc）

88

2018年3月号（φ14）

W-75TiN

せん断引張試験結果

5Nugget diameter（mm）

1/10 テーパー

φ120
φ14 −0.05

φ19

図３2544√t32（a）Cu-Cr alloy

10（b）W-75TiN
5101520Welding current（kA）

図４25

ナゲット径測定結果

67特集

1mm

図５ナゲット部断面写真（W-TiN，10kA）「抵抗溶接電極ガイドブック」
1mm

図６ナゲット部断面写真（クロム銅，22kA）期待できる。しかし，高い電流域では電極とアルミとの合金化は見られないもののアルミ溶融による溶着が課題をJIS A級の平均値として規定されている。クロム銅電であり，今後は電極材料の抵抗と熱伝導性のバランス改極では19kA以上，W-TiN電極では９kA以上の溶接電流善をテーマとして材料開発を継続する。

で1.6kN以上の引張せん断力が得られた。

5 おわりにナゲット径の測定結果を図４に示す。ナゲット径の基準としては主に 4 √t（ t：板厚）が用いられており，W-TiN

タングステン系の抵抗溶接電極はすべてのワーク材質

電極では10kA，クロム銅電極では22kAの溶接電流におに有効というわけではなく，銅など低抵抗で高熱伝導材いて，この値を上回ることができた。

がワークの場合に最適である。さらに適切な電極材質選4.2 ワーク断面観察

定 や台 金と の直 接接 合（NDB法 ）によ り 接合 品質 や

W-TiN電極による10kA，クロム銅電極による22kAでショットサイクルの向上，電極の長寿命化が期待できる。

溶接を行ったワークのナゲット断面組織をそれぞれ図

当社ではこれらタングステン系抵抗溶接電極に関する５，６に示す。クロム銅電極で溶接を行った場合は，スノウハウを多数網羅した「抵抗溶接電極ガイドブック」

ポット溶接のナゲット形状として一般的な楕円状のナを発行した。初版発行以来，顧客からいただいた意見，ゲットが形成されている。一方，W-TiN電極で溶接し要望を反映した第２版を昨年発行しており，下記に内容た場合は，ワークの溶融領域が広く，表面まで溶融しての一部を紹介する。

いる。このことから，溶接の際にアルミニウムとW-TiN電極の間で生じた溶着は，アルミニウムの表面が溶融することによって生じたものと考えられる。W-TiN電極はクロム銅電極と比較して，高抵抗，低熱伝導であることから溶接後の溶接点での冷却性が悪く，アルミニウム表面での溶融に至ったと考えられる。

4.3 まとめ
W-TiN電極およびクロム銅電極を用いて，板厚0.8mm◆各タングステン系材料のラインアップとその特徴，用途例◆推奨電極材料及びトラブルシューティング（お困りマップ，不具合特性要因図）◆当社独自の接合方法（NDB法）による電極の長寿命化やその他メリット◆電池生産ライン向け：Niと反応しにくい電極材料◆電極設計の参考データ：電極寸法と発熱量の関係のアルミニウム合金A5052のスポット溶接を行い，各電◆その他参考データ：電極材料の常温硬さと電気伝導度極の溶接性を比較した。W-TiN電極ではクロム銅電極（IACS％）の関係，高温硬さなどより低い溶接電流で同等の引張せん断力およびナゲット＊このガイドブックは無料でお届けします。当社HPよ径が得られ，定格電流の小さい溶接機でのアルミ溶接も68

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