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電気接点関連抵抗溶接用電極 (EV・PHV用電装品などの抵抗溶接に最適)

抵抗溶接用電極 (EV・PHV用電装品などの抵抗溶接に最適)
 抵抗溶接とは、被溶接物を電極で加圧しながら電流を流し、被溶接物の自己抵抗発熱により局所的に接合する工法です。用途としては自動車、電装部品、家電など様々な業界で使用されており、被溶接物の形態も鋼板のスポット溶接から銅線のヒュージングまで多種多様です。
 中でも電装部品の生産工程に多くみられる銅などの非鉄金属の溶接については、銅が低抵抗かつ高熱伝導であることから溶接に必要な抵抗発熱が得られにくく、溶接条件は大電流が必要となります。
 このような厳しい条件下で溶接する場合の電極について、銅合金電極では高温硬さが足りず、タングステン(W)やモリブデン(Mo)など高温特性に優れた電極が必要です。
 私たち日本タングステンは、このような非鉄金属の抵抗溶接に対して優れた性能を発揮する電極を提供いたします。

抵抗溶接におけるタングステン、モリブデン電極のポジション

タングステン、モリブデンの特徴と溶接時のメリットを下記表に示します。
タングステン、モリブデンの特徴溶接時のメリット
・高温硬さに優れる
・他の金属成分との反応が少ない
・高抵抗、低熱伝導
・形状安定
・溶着、張り付きにくい
・電極の発熱を利用した接合が可能
抵抗溶接電極全体では、鋼板用のクロム銅など銅合金電極の需要が大きく、高温硬さに優れるタングステン系電極は、銅などの非鉄金属用に用いられます。当社電極材料の需要と高温硬さ、対象ワークの関係を下図に示します。

当社電極材ラインナップとその特徴

 抵抗溶接においては、プロジェクション溶接、シーム溶接、バット溶接などの溶接方法により、電極への入熱、被溶接材との接触、加圧状態が異なります。また、同一溶接法でも電極材質、電極形状、溶接条件、電極の冷却条件等は大きく異なります。
 下記表に電極材ラインナップを紹介します。当社の電極材、C10B2,C30A2,HAC2,S35A2は、銅CuとタングステンWもしくは銀AgとタングステンW及び微量の添加物からなる複合焼結材料で、高温での特性に優れ、抵抗溶接用電極として高い性能を発揮します。
 材質名組成比重硬さHv導電率IACS%電気抵抗率×10-8Ωm切削加工性NDB可否耐クラック
当社材質タングステン(W)W99.9%以上19.2450315.5××
モリブデン(Mo)Mo99.9%以上10.2250305.7
銅タングステン(C10B2)11%Cu-W16.8330305.7
銅タングステン(C30A2)30%Cu-W14.2225483.5
銅タングステン(C50A2)50%Cu-W12.1160632.7
銀タングステン(S35A2)35%Ag-W14.8210533.2×
ヘビーアロイ(HAC2)94%W-Ni-2%Cu17.9280198.8×
比較材クロム銅Cu-1%Cr8.9150802.1
アルミナ分散銅Cu-0.5%Al2O38.7150802.1

電極材と台金の接合について

 W、Mo系材料は冷却性能を補うために銅などのシャンク(台金)と接合させて使用します。シャンクとの接合方法は圧入やろう付けが一般的ですが、当社では摩擦圧接法NDB法と呼ばれる独自の直接接合法により、冷却性能に優れた電極を提供しています。

 NDB法とは非酸化雰囲気中で銅を溶融、凝固させ、タングステンW、モリブデンMo、銅タングステンCuWに直接接合させることによりシャンクを形成する接合方法です。抵抗溶接におけるろう付けとの接合品質の違いを下記に示します。
 直接接合による熱引きの比較として、NDB電極、ろう付け電極、W無垢材電極において1000℃から300℃まで冷却される時間を放射温度計にて測定しました(下図参照)。結果を下記に示します。
NDB電極はシャンクへの熱伝導性が高いため、通電休止時に素早く冷却され、電極への熱ダメージ(酸化消耗)が少なく、電極の長寿命化へつながります。
 下記写真は、ろう付けとNDB法による接合部の断面です。電極がろう付け品の場合、電極がろう材の融点以上(600〜700℃程度)になるとろう材が溶融し、Wが脱落するなどの不具合が起こります。NDB法はろう材を使用しない直接接合ですので、接合部の耐熱温度は銅の融点(1083℃)であり、通常のろう付け品よりも遥かに高温な条件での使用が可能です。

タングステン、モリブデン系電極の用途例

タングステン、モリブデン系電極は、主にEV・PHV自動車用電装部品の溶接工程に用いられています。
主な用途例電極材について
各種モーター
ハーネス類
その他電装部品
ワークは銅線や端子など銅系材料です。溶接条件は高電流で通電時間も長く電極への負担が大きいため、銅合金電極での溶接は困難です。高温硬さに優れるW、Moが使用されています。
二次電池関係リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素電池などの生産工程、電池タブの溶接などにW、Mo、銅タングステンや銀タングステンが使用されています。銅合金電極も多用されていますが、電極寿命の面で高温硬さに優れるW、Mo系材料が最適です。
めっき品銅合金電極では銅成分とめっき成分が合金化して溶着や短寿命などの不具合が起こります。これら不具合にはめっき成分と合金化しにくいW、Mo系材料が有効です。

その他の用途例

【ヒーターチップの裂けクラック対策】
 タングステン製ヒーターチップにて使用面が裂けるようなクラックによる短寿命でお困りの場合は、当社タングステン合金『ヘビーアロイ』が有効です。ヘビーアロイは等方性の組織であることから裂けるようなクラックが発生しません。
ヒーターチップ用電極 物性値比較
材質組成比重ヤング率(GPa)
ヘビーアロイHAF293W-5Ni-2Fe17.6350
HAC294W-4Ni-2Cu17.9300
従来材WW99.9%以上19.3345
MoMo99.9%以上10.2276
【アルミニウム溶接用電極の開発】
 近年、自動車の軽量化の要求が高まっていることから、銅材料をアルミへ置き換えるケースが増えています。しかし、アルミニウムは融点が低く、接合を阻害する安定な酸化被膜を形成することから抵抗溶接が非常に困難な材料でもあります。
 このような要求から弊社では、アルミ溶接に特化した電極材料の開発に取り組んでいます。今回、まだ開発段階ではありますが、開発材料をご紹介致します。
 開発のコンセプトとしては、アルミとの濡れ性が悪い(濡れ角が大きい)材料を用いて、アルミ溶接時の耐溶着性、耐合金化性を高めることとしました。アルミとの濡れ性が悪い材料として『TiN』を選定し、Wとの合金材料を製作いたしております。
アルミ溶接用電極 各材種の物性値
材料電気伝導度
(IACS%)
硬度
(Hv)
W-25TiN20680
W-50TiN13810
W-75TiN81150
W(参考)30450
CrCu(参考)80120
アルミ溶接用電極材の詳細に関しては、下記の抵抗溶接ガイドブックに掲載しております。

抵抗溶接電極ガイドブック第2版、無料送付いたします。

ご好評頂きました抵抗溶接電極ガイドブックの第2版を発行しました。
昨年7月に初版発行後お客様からの感想をお聞きし、ご要望を反映し初版内容に下記青字で示します内容を追加しました。  

1.銅など非鉄金属の抵抗溶接について  
2.抵抗溶接におけるW、Mo系電極のポジション
3.推奨電極材及びトラブルシューティング   
 3-1ワーク材質と推奨電極材質   
 3-2お困りマップ   
 3-3溶接不具合特性要因図  
4.タングステン、モリブデン系電極の用途例  
5.当社電極ラインナップとその特徴  
6.お客様のご要望対応    
 @電極の長寿命化(NDB法)    
 A高温での使用環境に適した電極材料『セリタン』    
 Bクラック除去時の再研磨しろ削減    
 Cヒーターチップの裂けクラック対策    
 Dめっき鋼板用キャップチップ電極の長寿命化    
 Eアルミ溶接用電極の開発    
 FNiと反応しにくい電極材料    
 G電極先端の突出し寸法と発熱量の関係
 
7.参考データ集  
8.海外に生産拠点をお持ちのお客様へ

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