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ニッタン技報抵抗溶接におけるタングステン系電極材料の性能

1. はじめに

抵抗溶接に用いられる電極には、以下に示す性能が要求されている。
@高温、高圧力で変形しにくいこと
A熱伝導と電気伝導が良い事
B被溶接材及びめっき材と合金化しにくいこと
C大気中で酸化しにくいこと
D安価であること
写真1 クロム銅の断面組織 線状に見えるのがCu粒界 黒点は析出したCr粒子
写真1 クロム銅の断面組織 線状に見えるのがCu粒界 黒点は析出したCr粒子
「JIS Z3234 抵抗溶接用銅合金電極材料」の中で、表1の2〜4種で規定されている「クロム銅(Cu-Cr)」「クロムジルコニウム銅 (Cu-Cr-Zr)」「ベリリウム銅(Cu-Be)」などの析出強化型合金が一般的に用いられている。これらはCuにCrやZr、Beなどを添加し熱処理によってCuマトリクス中に添加物を粒子として析出させ、硬さと電気伝導率(IACS%)を向上させているものである(写真1)。しかし、抵抗溶接では繰り返される加熱によって、Cu中に析出物が再び固溶して硬さと電気伝導率が低下し寿命に至っている。
熱処理による固溶析出強化ではなく、Cu中に硬質粒子を分散させ、硬さと電気伝導率の特性を引き出しているものに「アルミナ分散強 化銅」がある。これはJISでは5種に規定されているもので、0.5%〜1%程度のアルミナ(Al2O3)をCuマトリックスに分散させたもので、分散強化型合金と呼ばれている(写真2)。析出強化型とは違い、繰り返される加熱による性能低下は少ないので、電極寿命を延ばしたい場合に多用されている。
写真2 アルミナ分散銅の断面組織 押出材なのでCu粒界が縦長のファイバー状黒点のAl2O3が分散している
写真2 アルミナ分散銅の断面組織 押出材なのでCu粒界が縦長のファイバー状黒点のAl2O3が分散している

2. タングステン/モリブデンの特徴1)

@ タングステン(W)
・溶融点が金属中、最も高い(3387℃)
・常温での硬さ、また高温での硬さも高い
・常温ではかなり安定であるが、表面の光沢を失う程度に酸化する。
・400℃程度から酸化を始め、W3O,WO2,W20O58などを経て、700℃程度からWO3を形成し
急激に酸化する。
・電気抵抗率が高い(5.5×10-8Ωm IACS%で31)

A モリブデン(Mo)
・高い融点を持つ(約2600℃)
・高温での機械的強度が高い
・空気中、常温ですでに酸化が始まり、暗赤色温度では、かなり酸化が進む。
・乾燥した酸素と常温では作用しないが、500℃以上では急速に酸化する。
また650℃以上では揮発して白鼠色のMoO3となる。
・電気抵抗率が高い(5.7×10-8Ωm IACS%で30)

このように、WまたはMo は、その高温強度の優位性から、通電電流が大きい、ショットサイクルが早いなど、電極への熱的負担が大きい溶接条件において多用され、電極の変形による溶接品質のばらつきや寿命が短いといった不具合に対し優れた性能を発揮している。
ただし、熱伝導率が低いことから、電極の発熱は比較的大きくなる。W やMo と合金化しやすいワーク材質やめっき皮膜であると、溶着、スパッタなどがひどくなる場合がある。
加えて酸化しやすいといった面もあるので、酸化消耗(スケールアウト)が進まないように電極を積極的に冷却する必要がある。
電極の温度上昇と酸化の防止には、後述する当社のNDB法がある。

3. タングステン系/モリブデン系電極材料の利用分野と使い分け

WやMoは高温強度に優れているほか、ワークピースやそのめっき成分と銅が反応してしまう場合にも効果がある。特にヒュージングなど、電極の発熱を利用しワークを加熱し、高圧力でかしめる用途にはよく用いられている。
WとMoは以下の項目の優位差により使い分けられている。
・熱衝撃によって割れはWが発生しやすい。頻繁にクラックや折れが発生する条件ではMo が多用される。
・酸化消耗はMoのほうが大きい。寿命優先の条件ではWが多用される。
・高温強度はWの方が高い。高温、高圧力条件ではWが多用される。
表1 当社の精密プレス順送金型
表1 当社の精密プレス順送金型
また、Moに1%の酸化セリウム(CeO2)を分散させたセリモリ(商品名:SC-Mo)がある。Moの高温再結晶温度は約1200℃であるが、CeO2 の分散により約1800℃まで再結晶を抑制するため、電極の変形が小さくなり、電極寿命が延びた実績がある。純MoとSC-Moの熱処理後再結晶組織を写真4に示す。2)
WとCu、Wと銀(Ag)を複合合金化させた銅タングステン合金(Cu-W)や銀タングステン合金(Ag-W)は、高温強度と電気伝導率を兼ね備えた電極材料である。
写真5 30Cu-70W(C30A2)の断面組織W粒のスケルトンにCuを溶浸したもの
写真5 30Cu-70W(C30A2)の断面組織
W粒のスケルトンにCuを溶浸したもの
写真6 35Ag-65W(S35A2)の断面組織W粒のスケルトンにAgを溶浸したもの
写真6 35Ag-65W(S35A2)の断面組織
W粒のスケルトンにAgを溶浸したもの
表1にJIS Z3234 表2の抜粋を示すが、これは国外規格であるISOに準拠しているため、Bグループに示されている25Cu-Wや23Cu-W合金組成は国内ではあまり流通していない。国内で市販されている標準組成は30Cu-70W(当社商品名:エメ−C30A2 写真5)である。Ag-W合金の標準は35Ag-65W(同:エメ−S35A2 写真6)であるが、当社では10〜70Cu-残WのCu-W、20〜70Ag-残WのAg-W をラインナップしており、溶接条件に応じた適切な材料を選択できる。
Wを炭素(C)と反応させ、炭化タングステン(WC)にすると耐酸化性が向上し、スケールアウト防止に威力を発揮する。ただし、電気抵抗率が19.2×10-8Ωm、IACS%で8.9 と悪くなる。そこで、WC にAgや銅Cuとの複合合金(Ag-WC 合金、Cu-WC 合金)にして抵抗率、熱伝導を改善して実用化されている。当社の40Ag-60WC(商品名:エメ−HS01 写真7)や50Ag-50WC(エメ−HS1)は高温硬さ、耐酸化性を兼ね備えた電極として好評を得ている。 Wを主成分にニッケル(Ni)やCu、を焼結助剤とした合金にヘビーアロイがある。Wを94%含んだW-Ni-Cu 合金(商品名:エメ−HAC2 写真8)などは、抵抗体、コンデンサなど、はんだめっきされたφ1 前後のワイヤーを溶接するチャック電極に用いられてきた。純W より耐酸化性が優れていること、切削加工ができ低コスト化できるメリットがある。またWがはんだとの反応が少ないことも選定された理由である。
表1 JIS Z3234の表2(抜粋)
表1 JIS Z3234の表2(抜粋)
写真7 60Ag-40WC(HS01)の断面組織WC粒のスケルトンにAgを溶浸したもの
写真7 60Ag-40WC(HS01)の断面組織
WC粒のスケルトンにAgを溶浸したもの
写真8 94W-Ni-2Cu(HAC2)の断面組織W粒をNi-Cuによって活性化焼結したもの
写真8 94W-Ni-2Cu(HAC2)の断面組織
W粒をNi-Cuによって活性化焼結したもの
これら電極を選定するにあたり、コストも重視せねばならない。レアメタルに属するW、Mo や貴金属であるAgが少ないほうが材料単価は下がるのはもちろん、電極形状に仕上げる加工方法として、簡便な切削ができるか、手間のかかる研削しかできないか、によってコストに大きく影響する。また、客先での再研磨、追加工ができるかどうかも選定基準になろう。WまたはWC成分が多くなるほど切削加工が困難になり、研削加工に頼らざるを得ない。各材種の切削または研削可能かを表2に示した。
  商品名 組成 比重 硬さHv IACS% *切削加工 研削加工 NDB



TR W99.9%以上 19.3 450 31
MR Mo99.9%以上 10.2 250 30
C10B2 10%Cu-W 16.8 330 30 快削
C20A2 20%Cu-W 15.6 280 40 快削
C30A2 30%Cu-W 14.2 225 48 快削
S35A2 35%Ag-W 14.8 210 53 快削 不可
HS01 40%Ag-WC 12.8 250 37 不可
HAC2 94W-Ni-2%Cu 17.9 280 19 快削 不可

クロム銅 Cu-1%Cr 8.9 150 80 可(軟) 不可
アルミナ分散銅 Cu-0.5%Al2O3 8.7 150 80 可(軟) 不可
*切削加工性:快削>良>可>難
表2 各種電極材料の諸元表

4. 電極の冷却効果が絶大なNDB接合製品

抵抗溶接電極にW,Moおよびこれらの合金を用いる場合、電極先端にこれら材質を適用し、ホルダーや冷却穴部分であるシャンクには銅、およびクロム銅などが用いられている。電極材とシャンクの接合には、一般的には「銀ろう付」もしくは「圧入」が多用されているが、接合品質がばらつきやすく、電極材の脱落、熱伝導の低下、接合部分での発熱などにより、溶接品質がばらついたり、電極寿命の低下を招いている。
当社では、これら従来の接合方法を改良したNDB法で、お客様に供給している。NDB法は銅タングステン合金(Cu-W)、ならびにタングステン(W)やモリブデン(Mo)に、銅を直接接合する方法として当社が開発したもので、Non Defective Bonding(無欠陥接合)の略称である。NDBの工法を図1に示すが、治具にW、MoまたはCu-W合金をセットし、Cu片を乗せ、非酸化雰囲気電気炉中でCuを溶解し、その後冷却してCuを凝固させ、シャンクを形成させる。
図1 NDBの工法
図1 NDBの工法
表3にろう付品とNDB品の接合部の品質比較を、写真9にろう付品の接合部断面を、写真10にNDB 品の接合部断面を示す。3)
NDB品にはろう材や欠陥など存在しないため、シャンクへの熱伝導がよく、通電休止時の電極冷却が早いのが特徴である。電極寿命を短くするスケールアウトや熱変形を防止するばかりでなく、ショットサイクルを上げ、生産性の向上へ寄与でき、ろう付や圧入では不可能な領域の溶接サイクルを実現できている。ただし、電極材質によってはNDB化できないものもあり、表2に可、不可を示した。
写真9 ろう村品の接合部断
写真9 ろう村品の接合部断
写真10 NDB品の接合部断
写真10 NDB品の接合部断
  接合面積 接合強度 熱伝導率
W/mk
ろう付品 60〜80% 98MPa以上 170
NDB品 ほぼ100% 127MPa以上 210
表3 NDB品の接合部品質

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