JP2744750B2

JP2744750B2 - アルミニウム及びアルミニウム合金材料の抵抗溶接用インサート材料

Info

Publication number: JP2744750B2
Application number: JP5160319A
Authority: JP
Inventors: 富晴沖田; 正則尾崎; 尚夫折茂
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; JFE Steel Corp
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; JFE Steel Corp
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: JPH06344149A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、抵抗溶接において圧延
鋼板と比べて電極寿命の劣るアルミニウム及びアルミニ
ウム合金を被溶接材料とする場合に、電極寿命を圧延鋼
板の場合と同等に改善すると共に電極の圧痕を目立たな
くするインサート材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧延鋼板を用いた自動車等の大量
生産における組立工程の接合方法として、抵抗スポット
溶接方法が多く用いられていたが、その理由としては、
非常に能率的な溶接方法で、大量生産に適しているこ
と、および一度溶接条件を設定すると全く素人の人で
も、またロボットでも容易に溶接でき、安定した溶接ナ
ゲットや継手強度が得られるからである。従来の抵抗ス
ポット溶接方法は、被溶接材料を重ねて、上電極、下電
極で加圧、通電してナゲットを形成して接合する。従来
の圧延鋼板のみに限らず、アルミニウム及びその合金や
複合材料を抵抗スポット溶接する場合においても、電極
材料としてＪＩＳＺ３２３４^-1977「抵抗溶接用銅
合金電極材料」の第１種、または第２種を用い、電極形
状は、ＪＩＳＣ９３０４^-1986「スポット溶接用電
極の形状及び寸法」で定める形状のものを用いることが
一般的である。電極材料としてこれらの材料が使用され
る理由としては、被溶接材料より熱電導や電導率が高い
ので接触部で電極と被溶接材料が接合しにくいので連続
して溶接できるためである。

【０００３】しかし実際には、被溶接材料の種類によっ
て、連続して所定の強度やナゲット径等の要求性能を確
保して溶接できる溶接点数（電極寿命）が異なってい
る。溶接する前に電極の先端を所定の形状に切削した
り、所定の表面粗度に磨いたりして整えるが、そのこと
をドレッシングと称する。１回のドレッシングで連続し
て所定の要求性能を有した溶接部が得られる打点数をそ
の電極の電極寿命と言うがその判定方法として次のよう
なものがある。ナゲット径、または引張せん断強さが規定の値以下に
なるまでの連続打点数。電極先端に、電極と被溶接材料との合金層ができて、
それが溶接部に転写されて外観が損なわれる現象をピッ
クアップと称するが、これが発生開始する前までの連続
打点数。電極が被溶接材料に溶着してとれなくなる現象が起こ
る前までの連続打点数等である。そして通常の電極寿命の判定は、上記の＋または
＋＋の判定方法が行われている。そこで＋＋
の判定方法により従来の圧延鋼板を用いた自動車の組み
立てラインにおける抵抗スポット溶接の電極寿命を示す
と、１００００点以上であると言われている。このよう
に、圧延鋼板の抵抗スポット溶接では非常に長い電極寿
命である。一方アルミニウム及びアルミニウム合金の抵
抗スポット溶接の電極寿命は３０〜１００点と言われて
いるが、の評価をしない＋の場合は２００〜１０
００点である。

【０００４】上記のごとくアルミニウム合金の抵抗スポ
ット溶接における電極寿命は圧延鋼板より非常に劣るた
め、その改善方法が従来から検討がなされている。例え
ば、特開昭６１−１５９２８８号には、アルミニウムま
たはアルミニウム合金同志を電気抵抗溶接するにあた
り、電極と被溶接材料間に電極より高電気伝導性のイン
サート材（箔状介在物、純銅使用）を介装して溶接する
方法がある。これは、かなり過剰な入熱で溶接しても、
溶込みが板の表面まで到らず、表面割れを発生すること
なくアルミニウム合金同士を溶接する方法であり、電極
寿命をある程度改善する効果も有ると考えられる。

【０００５】ところで、アルミニウムやアルミニウム合
金を抵抗溶接するにあたり、電極と被溶接材料の間に銅
及び銅合金（但し、Ｃｕ−Ｚｎ合金を除く）の箔を用い
た場合は、アルミニウムとの親和性が良く、加圧、溶接
する２００℃付近において拡散接合し易い。このため導
電性があり、かつアルミニウムより溶融点が高いのにも
かかわらず抵抗溶接のインサート材料（介在物）として
は不向きであることがわかった。一方、省エネルギーの
見地から自動車の軽量化が望まれ、軽く強度の高いアル
ミニウム及びアルミニウム合金が自動車用材料として注
目されてきた。しかし、前述したようにアルミニウム及
びアルミニウム合金の抵抗溶接は、従来の圧延鋼板に比
較して著しく電極寿命が短く、電極のドレッシングが頻
繁になり、自動車等の大量生産においてはこれがネック
になり問題であった。また、電極先端が消耗して凹凸が
発生すると電極の圧痕跡が被溶接物に醜く残り、外観が
重視される箇所では問題であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
について検討の結果なされたもので、アルミニウム及び
アルミニウム合金の抵抗溶接にあたり、電極寿命を著し
く向上させると共に、電極の圧痕跡も目立たないインサ
ート材料を開発したものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はＺｎ３〜６０
％、残部ＣｕからなるＣｕ−Ｚｎ合金を、厚さ０．０２
〜１ｍｍの箔状板としてなるアルミニウム及びアルミニ
ウム合金材料の抵抗溶接用インサート材料を請求項１と
し、Ｃｕ板の表面にＺｎ３〜６０重量のＣｕ−Ｚｎ合金
の拡散層を設け、厚さ０．０２〜１ｍｍの箔状板として
なるアルミニウム及びアルミニウム合金材料の抵抗溶接
用インサート用材料を請求項２とするものである。

【０００８】

【作用】すなわち本発明は、インサート材料について鋭
意研究した結果、Ｚｎ３〜６０重量％を含有し、残部Ｃ
ｕと不可避不純物からなる合金で、厚さ０．０２〜１ｍ
ｍの箔状板のもの、及びＺｎ３〜６０重量％のＣｕ−Ｚ
ｎ合金を板の表面に拡散させた銅板で、厚さ０．０２〜
１ｍｍの箔状板のインサート材料を、上下電極と被溶接
材料の接触する箇所に介在させて溶接を行うと、前記Ｃ
ｕ等のインサート材料より、電極やアルミニウム及びア
ルミニウム合金と親和性が無く、従って電極寿命が長
く、しかも電極、被溶接物への溶着が無く、テープ状に
して連続供給が可能であると共に、溶接部の外観、内部
品質も良好な溶接が可能なことを見出したものである。
しかして上記のＺｎは３重量％未満ではインサート材料
と被溶接物で溶着が発生し、６０重量％を越えると電極
と溶着し易くなる。そのためＺｎは３〜６０重量％とす
る。インサート材料の厚さは０．０２ｍｍ未満では溶接
時に溶着し易く、連続溶接を阻害し、１ｍｍを越えると
インサート材料による電流のロスや冷却効果が過大すぎ
て溶接ナゲットの形成を阻害して強度が低下すると共
に、テープ状にして連続供給をする場合に不具合が起こ
りやすい。故にインサート材料の厚さは０．０２〜１ｍ
ｍとする。また、本発明のインサート材料は、Ｃｕ−Ｚ
ｎ合金の拡散層として設けても同様の効果がある。Ｃｕ
−Ｚｎ合金の拡散層を設ける方法としては、Ｃｕ板の表
面にＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ合金を通常の電気メッキ、真
空蒸着等により行い、これを加熱し、拡散することによ
り容易に形成することができる。この拡散層の深さは、
インサート材料の厚さの１／２〜１／２００程度が好ま
しい。また、Ｚｎ拡散はＣｕ板の両面に行うことが電極
寿命や圧痕を目立たなくするために必要であるが、片面
に行ったものでも、被溶接材であるアルミニウム合金側
にＺｎ拡散した面が当たるように使用するとある程度は
効果が有る。

【０００９】インサートー材料は溶接前に適当な大きさ
に切断して被溶接物の溶接箇所に置いておくか、貼りつ
けておき、それを電極で、挟んで溶接し、溶接後取り除
くことによってナゲット径、圧こん表面が健全な溶接部
が得られる。この工程を繰り返すことによって、全ての
ナゲットおよび圧こん表面が健全な溶接部が連続して得
られると共に、電極の消耗が極めて少なく、電極寿命が
飛躍的に向上する。また、インサート材料をリボン状
（テープ状）にしておき、１点又は数点溶接毎に溶接部
に供給することにより、連続打点も可能になり、能率的
に溶接できる。尚、本発明は、アルミニウム及びアルミ
ニウム合金、例えばアルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓ
ｉ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ
−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系等の合金材料の抵
抗溶接に適用できる。そして、この溶接に用いる溶接機
は、従来用いられている単相交流式抵抗溶接機、単相整
流式抵抗溶接機、三相低周波抵抗溶接機、三相整流式抵
抗溶接機、コンデンサー式抵抗溶接機、インバータ抵抗
溶接機等のいずれでも良い。また、インサート材料は自
動的に連続供給することもできる。

【００１０】

【実施例】以下、添付の図面を参照して本発明の実施例
について具体的に説明する。（実施例１）図１は本発明の実施例１を示す模式図であ
る。上電極５および下電極６はＪＩＳＺ３２３４の２
種に相当するクロム銅の１６ｍｍφを使用し、電極先端
形状は、ＤＲ形で、先端６ｍｍφをＲ＝４０ｍｍとし
た。電極には、冷却用の９ｍｍφの穴７、８があけら
れ、導管９、１０を通って水１１、１２を４ｌ（リット
ル）／分の流量で流し、電極を冷却した。被溶接材料
３、４はＡｌ−Ｍｇ系合金である５１８２−０材、１ｍ
ｍ厚さの材料であり、上電極５と被溶接材料３の間、お
よび下電極６と被溶接材料４との間に、本発明請求項１
のインサート材料１、２、比較インサート材、及び従来
の銅箔のインサート材を挟み、単相交流溶接機溶接機を
用いて、溶接電流２３０００Ａ、電極加圧力２９４０
Ｎ、通電時間５サイクルの溶接条件で溶接した。なお、
被溶接材料は入荷したままの表面状態とし、試験片の寸
法は３０×２００ｍｍとし、これを２枚重ねて３０ｍｍ
ピッチで５点溶接した。インサート材料は被溶接材料と
同じ寸法に切断して電極と被溶接物の間に挟んで溶接し
た。各試験毎に新電極と交換して、連続１５０００点溶
接した。

【００１１】ナゲット径の大きさは、図３のピール試験
治具１８に被溶接材料３の一端を挟み、まるめながらひ
きはがして、ナゲット１３をノギスで長径および短径を
測定し、次の式で計算して求めた。ナゲット径＝（長径＋短径）／２（ｍｍ）電極寿命の限界ナゲット径は、ＪＩＳＺ３１４０
のＡ級の最小ナゲット径の４ｍｍとした。また、溶接の
評価方法としては下記のようにして行った。＊評価方法の方法：ナゲット径が４ｍｍφ未満の時の打点数の方法：電極、材料とインサート材が溶着、又は電極
とインサート又はインサートと被溶接材料が溶着の時の
打点数の方法：ピックアップが発生し、外観不良の時の打点
数＊＊総合判定（＋＋、又は＋の評価で） ◎ 電極寿命が１５０００点以上 ▲ 電極寿命が１００００点以上１５０００点未満 × 電極寿命が１００００点未満これらの結果を表１に示した。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１より明らかなように本発明例No.1〜N
o.9のものは、いずれのものも１５０００点溶接でき
て、インサート材料の被溶接物や電極への溶着がなくし
かも全てのナゲット径は４ｍｍ以上であった。即ち、電
極寿命は１５０００点（以上）であった。この時の電極
先端状態を感圧紙を用いて調べたが、溶接開始前と１５
０００点溶接後で、電極先端の形状はほとんど変わって
いなかった。これに対し、比較例のNo,10 、No12はイン
サート材料の厚さが薄く、No11、No,13 は厚く、Ｎo,1
4、No15はＺｎ量が少なく、No,16 、No17は多いため、
被溶接材料と溶着したり、ナゲット径が４ｍｍ以下にな
ったりして電極寿命は１００００点に至らなかった。
又、従来例のNo,18 、No19のＣｕ単体では２５００〜６
５００点であり、No,20 の箔状介在物を使用しないで溶
接したものの電極寿命は７８５点であった。（ナゲット
径が規格以下になった）また、その時の電極先端形状は３３点目ですでに上下電
極とも中心部が凹形になっており、外観的には不良であ
った。上記のごとく、本発明によれば、比較例、従来例
の２〜２０倍以上の電極寿命が得られた。

【００１４】（実施例２）図２は本発明の実施例２を示
す模式図である。上電極および下電極６はＪＩＳＺ３２
３４の２種に相当するクロム−ジルコニウム−銅合金の
１６ｍｍφを使用し、電極先端形状は、Ｒ形で、Ｒ＝２
０ｍｍとした。電極には、冷却用の９ｍｍφの穴７、８
があけられ、導管９、１０を通って水１１、１２を４ｌ
（リットル）／分の流量で流し、電極を冷却した。被溶
接材料３、４はＡｌ−Ｍｇ系合金である５０５２−０
材、１ｍｍ厚さの材料であり、上電極５と被溶接材料３
の間、および下電極６と被溶接材料４との間に本発明請
求項２のインサート材料用１、２を挟み単相整流式抵抗
溶接機を用いて、溶接電流２５０００Ａ、電極加圧力２
９４０Ｎ、通電時間５サイクルの溶接条件で溶接した。
なお、被溶接材料は入荷したままの表面状態とし、試験
片の寸法は３０×２００ｍｍとし、これを２枚重ねて３
０ｍｍピッチで５点溶接した。インサート材料は１６ｍ
ｍ幅のテープ状にし、送りリール１４、１５と巻き取り
リール１６、１７により電極と被溶接材料の間に自動供
給して溶接した。電極は各材料毎に溶接開始前に＃１０
００のエメリーペーパーでドレッシングした。そして連
続１５０００点溶接した。溶接した試験片の評価は実施
例１と同じである。比較例としては、本発明材料から外
れた成分や厚さのもの８種類を用いて上記と同様に溶接
した。また、従来方法として、Ｃｕ単体金属箔を用いた
場合と、箔状介在物を用いないで同一条件で溶接した場
合について電極寿命を調べた。この結果を表２に示す。

【００１５】

【表２】

【００１６】表２より明らかなように本発明例のNo,1〜
No,9は、いずれのものも１５０００点溶接できて、全て
のナゲット径は４ｍｍ以上であり、外観も良好であっ
た。即ち、電極寿命は１５０００点（以上）であった。
この時の電極先端状態を感圧紙を用いて調べたが、溶接
開始前と５２０００点溶接後で、電極先端の形状はほと
んど変わっていなかった。これに対し、比較例のNo,10
とNo,12 はインサート材料の拡散相の深さと厚さが小さ
く、No,11 とNo,13 は深さが小さく、厚さが大きいた
め、またNo,14 とNo,1はＺｎ量が少なく、深さが小さい
ため、さらにNo,16 とNo,17 はＺｎ量が多く、深さが小
さいため、いずれも電極寿命が１００００未満であっ
た。また、従来例のNo,18 とNo,19 のＣｕ単体のものは
１３００〜５２００点であった。さらにNo,20 の箔状介
在物を使用しないで溶接したものの電極寿命は５０１点
であった。（ナゲット径が規格以下になった。）その時の電極先端形状は１５点目ですでに上下電極とも
中心部が凹径になっており、圧痕の外観が不良であっ
た。

【００１７】

【発明の効果】以上に説明したように本発明のインサー
ト材料は、アルミニウム及びアルミニウム合金材料の抵
抗溶接する際に、十分なナゲット径と良好な圧こん表面
が、電極、被溶接材料への溶着なしに、連続して１５０
００点以上得られ、圧延鋼板の溶接と同等の電極が得ら
れるもので、特に自動車のアルミ化の最大のネックとさ
れていた抵抗溶接の改善に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係わる抵抗溶接状況を示す
模式図。

【図２】本発明の実施例２に係わる抵抗溶接状況を示す
模式図。

【図３】本発明の実施例におけるピール試験状況を示す
斜視図。

【符号の説明】

１上電極側インサート材料２下電極側インサート材料３上電極側被溶接材料４下電極側被溶接材料５上電極６下電極７上電極の冷却穴８下電極の冷却穴９上電極の冷却水の導管１０下電極の冷却水の導管１１上電極の冷却水１２下電極の冷却水１３ナゲット１４上電極側送りリール１５下電極側送りリール１６上電極側巻き取りリール１７下電極側巻き取りリール１８ピール試験治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者折茂尚夫東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (56)参考文献特開平５−228642（ＪＰ，Ａ) 特開平４−322886（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−42496（ＪＰ，Ａ) 特開平５−318136（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−159288（ＪＰ，Ａ) 特開平４−356371（ＪＰ，Ａ) 実開平５−53782（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｚｎ３〜６０重量％、残部Ｃｕからなる
Ｃｕ−Ｚｎ合金を、厚さ０．０２〜１ｍｍの箔状板とし
てなるアルミニウム及びアルミニウム合金材料の抵抗溶
接用インサート材料。
【請求項２】Ｃｕ板の表面にＺｎ３〜６０重量％のＣ
ｕ−Ｚｎ合金の拡散層を設け、厚さ０．０２〜１ｍｍの
箔状板としてなるアルミニウム及びアルミニウム合金材
料の抵抗溶接用インサート材料。