JP2011152574A - 抵抗溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタの発生を抑え、ナゲットの成長を促進させる抵抗溶接方法を提供する。
【解決手段】一対の電極チップで一組のワークを挟持して加圧するとともに、前記一対の電極チップから前記ワークに電流を供給することで、前記ワークを溶接する抵抗溶接方法は、前記電極チップによるワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出する変化量検出工程と、前記変化量が閾値より小さいか否かを判断する判断工程と、前記変化量が前記閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに流す溶接電流の値を徐々に増加させる溶接電流制御工程と、備える。これにより、スパッタの発生を抑え、ナゲットの成長を促進させることができるとともに、通電時間を短くすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ワークに加圧する溶接圧力及びワークに通電する溶接電流を制御して、効率よく抵抗溶接を行う抵抗溶接方法に関する。

抵抗溶接において、従来は、特許文献１に記載のように、電極チップに対して通電する際に、初期電流を高くし、ナゲット形成開始時期に電流値を低下させ、その後、抵抗溶接の中期以降に、次第に電流値を増加させることで、比較的散り（スパッタ）を発生させずに大体積のナゲットを形成することで、一組のワークを溶接する技術思想が用いられてきた。

特開平４−１７８２７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術思想では、どのタイミングで電流値を徐々に増加させるのか明確ではなく、電流値の増加開始タイミングによっては、スパッタが発生し、ナゲットの成長が遅れてしまうことがある。

そこで、本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、スパッタの発生を可及的に抑え、ナゲットの成長を促進させることが可能な抵抗溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、一対の電極チップで一組のワークを挟持して加圧するとともに、前記一対の電極チップから前記ワークに電流を供給することで、前記ワークを溶接する抵抗溶接方法であって、前記電極チップによるワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出する変化量検出工程と、前記変化量が閾値より小さいか否かを判断する判断工程と、前記変化量が前記閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに流す溶接電流の値を徐々に増加させる溶接電流制御工程と、を備えることを特徴とする。

前記溶接電流制御工程は、該変化量に応じて前記溶接電流の値を増加させてもよい。

前記変化量が前記閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに加圧する溶接圧力を下げる溶接圧力制御工程をさらに備えてもよい。

上記目的を達成するために、さらに、本発明は、一対の電極チップで一組のワークを挟持して加圧するとともに、前記一対の電極チップから前記ワークに電流を供給することで、前記ワークを溶接する抵抗溶接方法であって、前記電極チップによるワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出する変化量検出工程と、前記変化量が閾値より小さいか否かを判断する判断工程と、前記変化量が閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに加圧する溶接圧力を下げる溶接圧力制御工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、抵抗溶接において、一組のワーク間に発生する該ワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出し、該変化量が閾値より小さいと判断された後に、一組のワークに流す溶接電流の値を徐々に増加させるようにしたので、電極チップでワークを挟持する方向にナゲットが急成長している間は、溶接電流の値を小さくすることでスパッタの発生を抑制することができ、ナゲットが前記挟持方向に急成長していない間（放熱量が増加する間）に、溶接電流を増加させていくことで、ナゲットの成長を促進させ、スパッタを可及的に発生させることなく溶接時間を短くすることができる。

さらに、本発明によれば、抵抗溶接において、一組のワーク間に発生する該ワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出し、該変化量が閾値より小さいと判断された後に、一組のワークに加圧する溶接圧力を下げるようにしたので、ナゲットが前記挟持方向に急成長している間は、大きい加圧力で加圧することで、スパッタの発生を可及的に防止し、ナゲットが前記挟持方向に急成長していない間（放熱量が増加する間）に、加圧する溶接圧力を下げることで、結果的にワークと電極チップとの間の接触抵抗を増やすことができ、これにより、ナゲットの成長を促進させ、スパッタを可及的に発生させることなく溶接時間を短くすることができる。

本発明にかかる抵抗溶接方法を実施するための抵抗溶接装置の構成を示すブロック図である。 一対の電極チップによって溶接対象となる一組のワークが挟持され、ナゲットが生成されている状態の概略説明図である。 図１に示す抵抗溶接装置の動作を示すフローチャートである。 ナゲットの電極チップの挟持方向の膨張量、溶接圧力、溶接電流、及び電極チップの接触面積と時間との関係を示すグラフである。 ナゲットの縦方向の膨張の変化量と時間との関係を示すグラフである。

発明に係る抵抗溶接方法を、それを実施するための抵抗溶接装置との関係で好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、実施の形態である抵抗溶接装置１０の構成を示すブロック図である。抵抗溶接装置１０は、交流電源１２から出力される交流を直流に変換するコンバータ回路１４と、この直流を高周波交流に変換するインバータ回路１６と、前記高周波交流を変成し、且つ整流する溶接トランス回路１８と、一組のワークを挟持する溶接ガン部２０と、ワークに通電される溶接電流及びワークに加圧する溶接圧力を制御する制御部２２と、ワークに流れる溶接電流を検出する電流検出器２４とを備える。

溶接ガン部２０は、ワークを挟持するための可動ガンアーム３０及び固定ガンアーム３２と、この可動ガンアーム３０及び固定ガンアーム３２に固着される電極チップ３４、３６と、前記可動ガンアーム３０及び固定ガンアーム３２の挟持方向（矢印Ａ方向）に、該可動ガンアーム３０を変動させるためのサーボモータ３８と、溶接の際にワークに発生するナゲットの挟持方向の膨張量を検出するエンコーダ（膨張量検出部）４０とを有する。ナゲットとは、前記電極チップ３４、３６に溶接電流を通電することにより一組のワーク間にジュール熱を発生させ、該発熱した熱量によって生じる溶融凝固した部分のことをいう。図２において、一組のワークを参照符号６０、６２で示し、ナゲットを参照符号６４で示す。

可動ガンアーム３０には、図示しないボールスクリュー等の変位機構が接続されており、それをサーボモータ３８で回転させることで、可動ガンアーム３０が固定ガンアーム３２に対して接近する。これにより、可動ガンアーム３０と固定ガンアーム３２とによって、所望の溶接圧力でワーク６０、６２を加圧することができる。エンコーダ４０は、可動ガンアーム３０（電極チップ３４）の開閉動作を検出し、この検出された可動ガンアーム３０（電極チップ３４）の変位位置が、ナゲット６４の挟持方向の膨張量として検出される。

例えば、図２に示すように、ナゲット６４がジュール熱によって、二点鎖線で示すように膨張すれば、ナゲット６４の上部にあるワーク６０の一部分が若干上方に膨らみ、電極チップ３４もこれに伴って上昇する。その結果、可動ガンアーム３０が矢印Ａ方向に上昇し、この膨張量がエンコーダ４０で検出される。つまり、可動ガンアームの矢印Ａ方向への上昇に伴ってボールスクリューが上昇することでサーボモータ３８が回転し、エンコーダ４０がその回転を検出することで、ナゲット６４の挟持方向の膨張量が検出される。

制御部２２は、電極チップ３４、３６のワーク６０、６２に対する挟持方向の膨張の変化量を検出する変化量検出部５０と、前記検出された変化量に基づいて溶接圧力を制御する溶接圧力制御部５２と、前記検出された変化量に基づいて溶接電流を制御する溶接電流制御部５４とを備える。

変化量検出部５０は、検出された前記挟持方向におけるナゲット６４の膨張量を用いて該膨張の変化量（ナゲット６４の前記挟持方向の成長度合い）を周期的に検出する。例えば、変化量検出部５０は、今回検出されたナゲット６４の挟持方向の膨張量と、前回検出されたナゲット６４の挟持方向の膨張量とを用いて、変化量を周期的に検出する。

溶接圧力制御部５２は、サーボモータ３８を駆動制御することで、図示しないボールスクリューを変位させ一対の電極チップ３４、３６がワーク６０、６２を挟持する溶接圧力を制御する。溶接電流制御部５４は、インバータ回路１６をＰＷＭ制御することで溶接電流を制御する。なお、図示しないが、制御部２２はコンピュータによって構成される。したがって、コンピュータが所定のプログラムを読み込むことによって本実施の形態の制御部２２として機能する。本実施の形態では、制御部２２は、電流検出器２４によって検出された溶接電流の値を用いて、電極チップ３４、３６に通電する溶接電流をフィードバック制御する。

次に、抵抗溶接装置１０の動作を図３のフローチャート、及び、図４に示すグラフを用いて説明する。図４は、電極チップ３４、３６のワーク６０、６２に対する前記挟持方向（以下、便宜的にナゲット６４の縦方向と称する）におけるナゲット６４の膨張量、溶接圧力、溶接電流、及び電極チップのワーク６０、６２に対する接触面積と、時間との関係を示すグラフである。図４のグラフ（Ａ）の線７０はナゲット６４の縦方向の膨張量と時間との関係を示し、図４のグラフ（Ｂ）の線７２は溶接圧力と時間との関係を示し、図４のグラフ（Ｃ）の線７４は溶接電流と時間との関係を示し、図４のグラフ（Ｄ）の線７６は電極チップ３４、３６のワーク６０、６２に対する接触面積と時間との関係を示している。

まず、溶接圧力制御部５２は、所定の溶接圧力となるようにサーボモータ３８を駆動して、ワーク６０、６２を電極チップ３４、３６で加圧した後、所定の溶接電流を該電極チップ３４、３６を介してワーク６０、６２に通電する（ステップＳ１）。

図４に示すタイミングＡが通電開始時期を示す。通電初期は、ワーク６０、６２の内部に発生するナゲット６４は、縦方向（矢印Ａ方向）に急成長するので、ワーク６０、６２間の内圧が急上昇し、その内圧によってスパッタが出やすくなる。また、通電初期は、電極チップ３４、３６とワーク６０、６２との接触面積（加圧面積）が小さいため（図４のグラフ（Ｄ）の線７６参照）、ナゲット６４の押さえ込みが不十分となる。したがって、溶接圧力制御部５２は、比較的高い圧力である所定の溶接圧力でワーク６０、６２を加圧することで、スパッタが出るのを抑えている。

さらに、通電初期は、電極チップ３４、３６間の電気抵抗が大きいので、大電流を流すと、ナゲット６４の縦方向の成長が速くなり（ワーク６０、６２間の内圧が高くなり）、スパッタが発生しやすくなる。したがって、溶接圧力制御部５２は、スパッタが発生しない程度の電流である所定の溶接電流をワーク６０、６２に供給することでスパッタの発生を抑えている。なお、電極チップ３４、３６の接触面積は、抵抗溶接の時間が経過するにつれ、ワーク６０、６２との接触面積が大きくなっている（図４のグラフ（Ｄ）の線７６参照）。

図２に示すようにワーク６０、６２に溶接電流を通電すると、ワーク６０、６２との間にナゲット６４が発生する。

図３のフローチャートに戻り、ステップＳ１の処理を行うと、エンコーダ４０は、ナゲット６４の縦方向の膨張量を検出する（ステップＳ２）。上述したように、ナゲット６４がジュール熱によって、図２の二点鎖線で示すように縦方向に膨張すれば、ワーク６０が、同様に図２の一点鎖線で示すように、上方に膨張し、電極チップ３４もこれに伴って上昇する。その結果、可動ガンアーム３０が矢印Ａ方向に上昇し、この膨張量がエンコーダ４０で検出される。

次いで、変化量検出部５０は、ステップＳ２で検出されたナゲット６４の縦方向の膨張量を用いて、前記膨張の変化量を検出する（ステップＳ３）。変化量検出部５０は、今回検出されたナゲット６４の縦方向の膨張量と、前回検出されたナゲット６４の縦方向の膨張量とを用いて変化量を検出する。

次いで、溶接圧力制御部５２及び溶接電流制御部５４は、ステップＳ３で検出した変化量が閾値より小さいか否かを判断する（ステップＳ４）。上述したように、通電初期においては、ナゲット６４は縦方向に急成長するので、膨張の変化量は高くなるが、通電時間（溶接時間）の経過に伴い、ナゲット６４の成長は縦方向から横方向に移行するので、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量は小さくなってくる（図４のグラフ（Ａ）参照）。

図５は、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量と時間との関係を示すグラフであり、図４及び図５に、ステップＳ４で変化量が閾値より小さいと判断されるタイミングを、参照符号Ｂとして示す。

閾値は、検出された変化量のうち、最も大きい変化量から所定の割合だけ小さくなった値であってもよく、ワーク６０、６２の材質等によって変更してもよい。例えば、ワーク６０、６２が１．６ｍｍの高強度材の場合は、閾値は、変化量が一番大きいところから約３０％小さくなった値としてもよい。

ステップＳ４で、変化量が閾値より小さくないと判断された場合は、ステップＳ２に戻り、上記した動作を繰り返す。これにより、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量が閾値より小さいと判断されるまで、変化量検出部５０によって該変化量が周期的に検出されることになる。変化量検出部５０によって、周期的にそれぞれのタイミングで検出される変化量は、図４のグラフ（Ａ）のそれぞれのタイミングにおける傾きを示している。したがって、変化量検出部５０は、図４のグラフ（Ａ）に示す傾きを周期的に検出することになる。

一方、ステップＳ４で、変化量が閾値より小さいと判断されると、ステップＳ５に進み、溶接圧力制御部５２は溶接圧力を下げると共に、溶接電流制御部５４は、溶接電流を徐々に上げる（ステップＳ５）。図４のグラフ（Ｂ）の線７２から諒解されるように、参照符号Ｂに到達するまでは、前記所定の溶接圧力がワーク６０に加圧されているが、前記Ｂを経過すると、溶接圧力は、所定の圧力まで下がっていき、それ以後、同一の圧力を保持する状態となる。また、図４のグラフ（Ｃ）の線７４を見るとわかるように、参照符号Ｂで示すタイミング時に到達するまでは、前記所定の溶接電流がワーク６０、６２に供給されているが、前記Ｂを経過すると、溶接電流は徐々に増加する。

なお、溶接電流は、一定の電流まで増加すると、それ以上増加しないようにしてもよい。また、検出されたナゲット６４の膨張の変化量の大きさに応じて増加させる電流の値を変えてもよい。例えば、前記膨張の変化量が小さくなるほど増加させる電流の割合を大きくしてもよい。

次に、前記変化量が閾値より小さくなると、溶接圧力を下げる理由、及び溶接電流を増加させる理由について説明する。上述したように通電初期では、ナゲット６４は縦方向に成長していき、通電中期から後期になると、ナゲット６４は主に横方向に成長していく。つまり、ナゲット６４が横方向に成長する期間では、ナゲット６４は縦方向にあまり成長しないので、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量は小さくなるとともに、スパッタが出にくくなる。

また、通電中期から後期では、電極チップ３４、３６とワーク６０、６２との接触面積が大きくなるので、抵抗溶接によって発生した熱量は電極チップ３４、３６を介して放熱されてしまい、ワーク６０、６２間の発熱効率が下がってしまうと共に、ナゲット６４の成長が遅れてしまう。さらに、抵抗溶接によって発生した熱量は、ワーク６０、６２等も介して放熱されてしまうことになり、ナゲット６４の成長はより一層遅くなる。

そこで、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量が閾値より小さくなると、ワーク６０、６２に加圧する溶接圧力を下げることで、接触抵抗を大きくして、発熱量を大きくする。また、変化量が閾値より小さくなると、電流を上げることで、発熱量を大きくする。なお、通電中期から後期では、スパッタが出にくくなっているので、溶接圧力を下げて、溶接電流を増加してもスパッタが発生し難い状態である。

これにより、ナゲット６４の成長を促進させ、スパッタを発生させることなく通電時間を減らすことができる。また、通電時間を減らすことで、エネルギーのロス時間が短くなるので、省エネでの抵抗溶接が可能となる。また、通電初期では、溶接圧力を高くし、溶接電流を低くすることで、スパッタが発生しないように、ワーク６０、６２間の内圧を制御することができる。

上記実施の形態は、以下のような変形も可能である。

（１）上記実施の形態では、サーボモータ３８を用いて説明したが、シリンダ等のリニアアクチュエータを用いてサーボモータ３８以外の構成で、可動ガンアーム３０をワーク６０、６２の挟持方向に駆動させてもよい。また、可動ガンアーム３０のみを駆動させるようにしたが、上下のガンアーム３０、３２を共にワーク６０、６２の挟持方向に駆動させて、ワーク６０、６２に加圧する圧力を制御してもよい。また、エンコーダ４０を用いて、ナゲット６４の縦方向の膨張量を検出するようにしたが、レーザ変位計、加圧力計、超音波検出器等を用いて検出してもよい。

（２）上記実施の形態では、図３のステップＳ３でナゲット６４の変化量を検出し、ステップＳ４で該検出した検出した変化量と閾値とを比較して判断するようにしたが、ステップＳ２の動作を経ると、そのままステップＳ４に進んでもよい。この場合は、ステップＳ４で、ステップＳ２で検出された膨張量が閾値より大きいと判断されるとステップＳ５に進むようにしてもよい。この閾値は、ワーク６０、６２の材質等に応じて定められる。

（３）上記実施の形態では、溶接電流と、溶接圧力とを制御することで、ナゲット６４の成長を促進させ、スパッタを出さずに通電時間を減らすようにしたが、溶接電流及び溶接圧力の一方を制御して、ナゲット６４の成長を促進させ、スパッタを出さずに通電時間を短くするようにしてもよい。例えば、図３のステップＳ４で、ナゲット６４の膨張の変化量が閾値より小さいと判断された場合は、ステップＳ５で、加圧する溶接圧力のみを下げるようにしてもよいし、通電する溶接電流のみを徐々に増加させるようにしてもよい。

（４）上記実施の形態では、図３のステップＳ４で、ナゲット６４の縦方向の膨張の変化量が閾値より小さくなると、直ちにステップＳ５に進むようにしたが、ステップＳ４で、該膨張の変化量が閾値より小さいと所定回数検出されるまではステップＳ２に戻り、該膨張の変化量が閾値より小さいと所定回数検出されると始めてステップＳ５に進むようにしてもよい。これにより、変化量の誤検出によってステップＳ５の動作を行うことを防止することができ、より正確に、しかもより効率的に、ナゲット６４の成長を促進させ、スパッタを出さずに通電時間を短くすることができる。

（５）上記変形例（１）〜（４）を任意に組み合わせた態様であってもよい。

以上、本発明について好適な実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０…抵抗溶接装置 １２…交流電源
１４…コンバータ回路 １６…インバータ回路
１８…溶接トランス回路 ２０…溶接ガン部
２２…制御部 ２４…電流検出器
３０…可動ガンアーム ３２…固定ガンアーム
３４、３６…電極チップ ３８…サーボモータ
４０…エンコーダ ５０…変化量検出部
５２…溶接圧力制御部 ５４…溶接電流制御部
６０、６２…ワーク ６４…ナゲット

Claims (4)

1. 一対の電極チップで一組のワークを挟持して加圧するとともに、前記一対の電極チップから前記ワークに電流を供給することで、前記ワークを溶接する抵抗溶接方法であって、
   前記電極チップによるワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出する変化量検出工程と、
   前記変化量が閾値より小さいか否かを判断する判断工程と、
   前記変化量が前記閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに流す溶接電流の値を徐々に増加させる溶接電流制御工程と、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 請求項１に記載の抵抗溶接方法であって、
   前記溶接電流制御工程は、前記変化量に応じて前記溶接電流の値を増加させることを特徴とする抵抗溶接方法。
3. 請求項１又は２に記載の抵抗溶接方法であって、
   前記変化量が前記閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに加圧する溶接圧力を下げる溶接圧力制御工程をさらに備えることを特徴とする抵抗溶接方法。
4. 一対の電極チップで一組のワークを挟持して加圧するとともに、前記一対の電極チップから前記ワークに電流を供給することで、前記ワークを溶接する抵抗溶接方法であって、
   前記電極チップによるワークの挟持方向におけるナゲットの膨張の変化量を検出する変化量検出工程と、
   前記変化量が閾値より小さいか否かを判断する判断工程と、
   前記変化量が閾値より小さいと判断された後に、前記ワークに加圧する溶接圧力を下げる溶接圧力制御工程と、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接方法。

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