JP3245412B2

JP3245412B2 - 車体のプラズマアークスポット溶接

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Publication number: JP3245412B2
Application number: JP2000503955A
Authority: JP
Inventors: 義博山口; オロス、アルビン; チェンナット、ジェイ、シー
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2002-01-15
Anticipated expiration: 2018-07-13
Also published as: DE69801444D1; ES2159956T3; EP0998368A1; US5938948A; JP2001510736A; TW418144B; EP0998368B1; WO1999004925A1; DE69801444T2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、車体構造体の溶接技術に関する
もので、特に亜鉛メッキプレート等のように蒸発性成分
を含むスチールの完全強固な溶接を実現し、トーチ寿命
が短くなることを回避した車体構造体の片側からの溶接
に関する。

【０００２】車体構造体には抵抗スポット溶接が最も多
く使われ、１台の車体の抵抗スポット溶接部の数は、一
般に４０００箇所以上である（図１Ａ参照）。抵抗スポ
ット溶接は接合部の両側からのアクセスを必要とするの
でデザイン選択の自由が限定され、溶接完了には溶接接
合アクセスホール５０を必要とすることが多い（図１Ｂ
および図１Ｃ参照）。その結果、部品のサイズや重量を
増大することで、アクセスホールにより生じた材料の損
失や剛性低下を補償する必要がある。片側車体溶接はこ
うした欠点を克服できるものである。片側溶接はレーザ
やプラズマを使用して行われ、どちらの場合も溶接する
最近接プレートに金属の溶融池を生じ、この溶融池が次
の隣接プレートに熱を伝導して僅かに小さいスポットを
溶接することで、同化した溶融スポットの固化によりそ
の間に溶接接合を生じる。片側プラズマアーク溶接は、
資本投資や運転費用が少なく運転や保守が容易で、安全
枠を必要としないのでより好ましいものである。

【０００３】電気亜鉛メッキした亜鉛メッキスチールや
溶融メッキした亜鉛メッキスチール等、蒸発性成分を含
む材料の片側からの強固で効果的なスポット溶接を考案
することは困難である。亜鉛はスチールの融点により相
当に低い温度で沸騰する（スチールの溶融の１５０００
Ｗに対して９００Ｗ）。亜鉛蒸気は、プレートと境界面
との間にギャップが無い場合、溶接中に溶融池の境界面
を介して逃がす必要がある。また、こうしたギャップは
普通存在しないものであって、ギャップが存在した場合
には、達成は困難であるが製造中に注意深い制御を必要
とする。したがって、亜鉛蒸気には普通は好都合な逃げ
道が無く、急に破裂して溶融池からの出口を生じる。溶
融スチールは表面張力が非常に強く流動性とぬれ性が低
いので、蒸発亜鉛が逃げるための好都合なアクセスはな
く、こうした特徴が蒸気の移動を妨げている。スチール
の溶融池の破裂は、溶接接合部内に重大な欠点であるボ
イドを残す。また、亜鉛蒸気の破裂によって溶接ガンノ
ズルに汚れを生じ、その運転寿命を短くしている。

【０００４】本発明は、蒸発性の被覆や成分を有するス
チールに対する片側スポット溶接の改良した方法を提供
するものであり、プラズマアークを使用して溶接を行う
ものである。

【０００５】本発明によれば、鋼板の融点よりも低い沸
点をもつ皮膜で覆われた鋼板製車体構造体の片側スポッ
ト溶接の方法を提供するもので、この構造体は多重鋼板
層を有し、その方法は以下のステップから成る。（ａ）所定の電路により得られる電気アークに所定の流
量でプラズマガスを通すことで得られるプラズマコラム
を構造体の片側の選択スポットに当て、（ｂ）少なくとも５〜３０容量％の酸素を含有する不活
性ガスでプラズマコラムをシールドし、このシールドプ
ラズマコラムがそのスポットの少なくとも１つの層の鋼
板を溶融し、酸素が溶融鋼板の流動性とぬれ性とを増大
してその表面張力を下げることで蒸発した皮膜成分を溶
融鋼板から静かに逃がし、（ｃ）プラズマアークを当てることを停止することで溶
融鋼板を固化してスポット溶接を完了する。

【０００６】有利な点としては、溶融池を放射状に外側
へそして最近接の第一層を通してプラズマコラムが作用
する間、当初はアーク電流を低く制御できる。その後の
溶接サイクルについては電流を増大させ、プラズマ流量
を低減する。さらに、溶接サイクルの最終段階中にアー
ク電流を下げることで溶接接合部内の残留蒸発成分を除
去することが好ましい。プラズマコラムの停止後、溶接
サイクルの完了に続いてシールドガスを含有する酸素の
代わりに還元ガスを使用するのが好ましい。

【０００７】図２Ａないし図２Ｂに示した如く、ロボッ
ト１０は、プラズマ溶接ヘッド１１を多重のプレート、
パネルまたは層１４、１５から成る構造体１３のスポッ
ト溶接対象部から約１０mmの位置へ移動させるようにプ
ログラムされている。ヘッド１１が前進して最近接層１
４に接触し、層のアッセンブリ１３を相互に接触すべく
十分な力（５０〜２００ポンド）を加える。必要とする
溶接シーケンスは、溶接コンソール１８のインタフェー
スユニット１６に記憶されたロボット制御プログラムに
より選択される。このユニット１６は、異なる溶接条件
に合わせて、溶接電流と溶接時間の少なくとも９通りの
異なる組み合わせを選択する性能を有することができ
る。「溶接終了」信号を受信すると、ヘッド１１が後退
しロボット１０が次のスポット溶接対象部へ進む。溶接
ヘッド１１用の電源１７は、入力ＡＣ電源を制御ＤＣ溶
接電源に変換する。周波数インバータ原理を利用して、
スムーズで制御された溶接アークのための高速制御応答
が提供される。溶接コンソール１８の機能には、プラズ
マおよびシールドガス流の調節および監視と、パイロッ
トアーク開始と、プラズマインタフェースと電源との間
の電流制御分析と、冷却剤の監視とがある。このコンソ
ール１８はさらに、溶接操作における変動の正確な制御
のためのソリッドステート制御モジュールを持った溶接
シーケンサ２０を備える。

【０００８】インタフェースユニット１６の特徴には、
チャネルおよびパルサー機能のロボット選択と、キーパ
ッドによるチャネルバルブのマニュアルプログラミング
と、選択チャネルおよび実際の圧力の表示と、ロボット
とラインコントローラとのプラズマ装置制御のインタフ
ェースと、状態表示ランプとがある。パルサー機能は制
御パルスを出力電流に加えるもので、亜鉛メッキ材料の
溶接時に特に使用される。溶接シーケンサは、プラズマ
スポット溶接プログラムの順序およびタイミング機能を
制御する。シーケンサ２０のマイクロプロセッサ系ユニ
ットはメニュー選択をユーザに提供し、その機能はすべ
ての溶接順序操作を含み、より高い柔軟性を提供するも
のであり、溶接プログラムおよび実際の溶接結果を記憶
するディスクドライブを備えている。

【０００９】溶接ヘッド１１は、図４に示すように特別
に設計した空気圧シリンダアッセンブリと一体にしたト
ーチで構成しても良い。シリンダアッセンブリの作動に
よって、シールドカップ２３と呼ぶプラズマヘッドの端
部を上層またはパネル１４に接触（接近）させる。さら
に、ヘッド１１は、シリンダアッセンブリの動作の検出
用近接スイッチと、シリンダ作動用空気圧弁と、制御信
号用端子ボックスとを有する。溶接ヘッド１１はガン交
換プレートに取り付けられているので、ガンの交換は所
定のサイクル時間内に行える。エアーおよび電気制御処
理は交換プレートにより行う。プラズマ処理は、吸水と
排水と電力とシールドガスとプラズマガスとを含み、全
部がガンに恒久接続されている。プラズマトーチノズル
の交換は、プラズマシステムを停止し、水を排出してロ
ボットを適当な場所に移動する押しボタンにより行う。

【００１０】溶接システムは、自蔵冷却剤再循環器３１
を使用する。プラズマヘッド内の電気分解の発生を防止
するために純水を使用する必要がある。溶接コンソール
１８からプラズマヘッドへの溶接処理の供給は、ロボッ
ト１０の上方に配置したユニットにより容易になる。こ
うした溶接処理は高速交換システムを経由出来ないの
で、ブームトラッキングシステムがコンソール１８とロ
ボットヘッドとの間の処理を管理する。プラズマガスや
シールドガスは、マニホールドシステムローカルからラ
インへ供給される。シフト手順の自動開始および終了
は、ガスと水とパイロットアークと主アークを制御する
適切な順序のためにプログラムラインコントローラで制
御される。プラズマガスとシールドガスと水の流れを常
時監視し、規定値が検出されると自動的に電源が切断さ
れる。主アークを開始できないまたは溶接信号の終了が
与えられない場合は、システムは同じ場所での別の溶接
の実行を試みる。再実行に失敗した場合は故障のフラグ
が立てられ、不良溶接が防止される。

【００１１】本発明のプラズマアーク溶接システムで
は、溶接の実施に必要なのは片側からのアクセスのみで
ある。これは非常に有利なことであって、より容易およ
び迅速にロボットを再配置するのみならず、ビームやチ
ャネルが接合箇所のある構造体にアクセスホールを必要
としない（図２Ｂ）ので、アクセスホールのために生じ
た材料損失や剛性低下を補償するために構造体のサイズ
や重量を増やす必要がない。

【００１２】図２Ｃに略図で示すように、プラズマトー
チノズルは、溶接するアッセンブリ（陰極として接続）
の表面に対して垂直になるようにした中央電極（陽極）
３２を有する。アークは電極３２と加工物またはアッセ
ンブリ３３との間に生じる。プラズマアークは、電極３
２の周囲を下へ延び、電極３２の先端３４よりもさらに
若干長く延びたノズルアッセンブリによって絞られる。
プラズマは、プラズマガス３５を電極３２と絞りノズル
３６の内側との間を下へ通すことで生じるもので、ガス
が電極３２から生じた電気アークを通過すると、このガ
スが十分にイオン化されて電流を通しプラズマになる。
絞りノズル３６を使用することで、高強度円柱プラズマ
ビーム３７を生じる。その結果、安定した制御可能な高
温プラズマが得られる。さらにガンまたはトーチは、絞
りノズル３６の外面から離れ、また溶接サイクル中にア
ッセンブリ３３に接触することが好ましい端子部を有す
るシールドカップ３８を持っている。このシールドカッ
プ３８と絞りノズル３６との間のスペースが、シールド
ガスまたはシュラウドガス４０が通過して金属の溶融池
（溶接サイクルによって生じる）を酸化から保護するチ
ャネル３９となる。

【００１３】電極３２はタングステン製が好ましく、ノ
ズル開口部の後部のトーチ内に固定され、電極の非常に
高い温度表面を侵す外部不純物から保護される。この配
置は他のアーク溶接プロセスに比べると、電極寿命を非
常に延ばすものである。ＴＩＧやＭＩＧ溶接プロセスと
違って、プラズマアーク溶接は高周波アーク点火の使用
を必要としない。プラズマアークの点火は、常時点火し
ているパイロットアークによって行われる。高周波を必
要とするのは、最初のパイロットアーク着火時のみであ
る。高周波は各シフト毎にのみ使用されるので、溶接シ
ステムのロボットやその他の局面を制御する電子ハード
ウエアとの高周波インタフェースに起こる可能性のある
問題を回避している。

【００１４】シールドカップ３８は、熱と押し込みの組
合せに耐えるように造られている。このカップ３８は消
耗品としての交換が簡単である。ガンまたはトーチの水
冷はチャネル４２（図４に示す）により行われる。溶接
ガンまたはヘッド１１は小さいサイズになっている。車
体構造体用のほとんどのロボットは、溶接ガン（または
トーチ）については１００kg超過してはならないとの重
量制限がある。しかし車体構造体の多くの部品が箱形チ
ャネルまたは形状であるので、抵抗溶接ガンがこのロボ
ット重量制限を超過しなければならないサイズとなって
しまう。

【００１５】蒸発性材料は被覆として存在するかまたは
鋼板自体内に存在し、加工物材料の融点よりも低い融点
で沸騰することで破裂を起こす。例えば、（図２Ｃに示
すように）亜鉛は９００℃で沸騰し、一方溶接されるス
チールは１５００℃の温度で溶融する。したがって、溶
融池４３が上層またはプレート１４に生じると（スポッ
ト溶接中）、亜鉛が蒸発し、境界面または溶融池から何
とかして逃げようとする。亜鉛蒸気の圧力は大きいポケ
ットやバブル４４内に溜まり、やがて破裂して溶融池を
吹き飛ばす。この破裂により溶接接合部にボイドを生じ
て、重大な欠陥や破裂した溶融金属４５のプラズマトー
チのノズルや電極への付着によりトーチやノズルの寿命
を著しく縮めることになる。

【００１６】本発明の重要な特徴は、所定箇所でまたは
溶接サイクル全体を通して酸素を添加することで溶接中
の溶融スチールまたは材料の表面張力を低減し、溶融材
料の流動性やぬれ性を増大するものである。図３Ａ〜図
３Ｃに示すように、プラズマアーク溶接は、上部プレー
トまたは層１４を通して焼くことでアッセンブリの片側
から溶接物４６のたまりを生じることで達成される。こ
うすることで、接合関係に対する正確なトーチを必要と
する他の溶接工程の制限を不要としている。トーチはア
ッセンブリに接触するが、ロボットはアッセンブリに接
触する必要がないので、厚さのばらつきを防止し、これ
は抵抗溶接で非常に必要なことである。本発明のシステ
ムは、多重層または厚みを、最高４枚のパネルまで溶接
できるが、これは抵抗溶接では不可能なものである。し
たがって、図３Ａに示すように、上層はプラズマコラム
３７により加熱されて溶融池４６を生じる。溶融池４６
は大きくなり、プラズマガスまたはジェット３５により
下方へ押され、下層１５のプレートに接触する。亜鉛蒸
気が溶融池４６を通って移動するように、シールドガス
４０には適量の酸素を含み、溶融池４６の表面張力を低
減しその流動性とぬれ性を増大する必要がある（溶融池
がパネルまたはプレートに付着している間に亜鉛蒸気を
逃がす特徴）。亜鉛蒸気バルブは成長しないので、破裂
する条件がない。その代わりに多数の非常に小さいバブ
ルが溶融池４６に生じて、溶融池４６を離れる溶接材料
の細かいスプレー４７となって外側へと移動できる。

【００１７】図３Ａおよび図３Ｂに示す如く、下プレー
ト１５は、押し進んできて接触した溶融池４６からの伝
導（４８の部分）により加熱される。下プレート１５内
の小さいスポットの熱が上昇して溶融する。溶接池４６
は上プレート１４の方が若干大きくなり、一方、下プレ
ート１５は４９の部分で溶融が進行する。図３Ｃに示す
ように、十分なナゲット５０が下プレート１５で溶融す
ると、プラズマアークおよびコラムが停止し、溶融金属
が冷えて堅固な溶接接合部５１を形成する。

【００１８】酸素は溶融池４６の表面張力を低減してい
るが、非常に細かいバブルにより小さなスパッタが長時
間にわたってノズルに若干蓄積し、ノズルの性能に悪影
響を及ぼすことがある。図５および図６を参照すると、
この問題の解決にガスと電流制御を使用している。細か
いバブルスパッタを最小限にするためには、溶接サイク
ルの開始時またはその前のプレフロー時に所定のパラメ
ータを順守する。これらのパラメータには、シールドガ
スチャネル並びにプラズマチャネルでの約０．５秒の短
時間のプラズマガスの強い流れ（約２０リットル／分）
の利用を含んでいる。同時に、この０．５秒の短時間に
小さいアーク電流（約１０アンペア）を利用する。溶接
サイクルを開始すると、プラズマガス流は２０リットル
／分に維持され、アーク電流は０．５秒間に２０アンペ
アに増大される。プラズマガスの強い流れによって溶融
池４６の溶融金属を外側へ押し流し、スパッタをノズル
から外側へ運び去り、さらに、小さいアーク電流が小さ
いバブルスパッタの量を低減する。溶接サイクルの最初
の０．２秒間は、酸化シールドガスはノズルに入らな
い。

【００１９】溶接サイクルの０．２秒の経過後、Ａｒ＋
Ｈ２シールドガスの流量を下げ、次の０．５秒で溶接
サイクルとし、プラズマガス流量を更に下げて、その後
は約１．５リットル／分とする。同時に、酸化シールド
ガスが流量約１０リットル／分でシールドガスチャネル
から導入される。同時にアーク電流が３５アンペアに増
大される。こうして、溶融池が吹き飛ばされることを防
止している。アーク電流の増大により溶融池が適切なサ
イズになる。溶接接合部に小さい亜鉛蒸気バブルの一部
が残ることを防止するために、アーク電流を急に停止せ
ずに、溶接サイクルの完了前の約０．２５秒の間に、２
０アンペアのレベルにまで下げる。これにより、ブロー
ホールのない優れた溶接外観が得られる。異なる組成と
流量および異なる電流でプラズマガスとシールドガスの
上記の定時動作制御機能を実施するために、図５はこう
した機能の実施に使用する電磁弁を示している。さら
に、図６はこうした異なる機能的な要素を実施するため
に１つのプログラムをどのように使用するかについての
例を示している。

【００２０】プラズマスポット溶接は抵抗溶接よりも時
間が長く掛かり、ナゲットの直径は一般に抵抗スポット
溶接の４ｍｍに比較して７ｍｍである。しかし、プラズ
マアークの溶接の全体の溶接サイクル時間は対応する抵
抗スポット溶接よりも長く、抵抗溶接の１．１秒に比較
して約２．２５秒（時間が２倍に増加）である。若干長
目の溶接時間の影響は、必要な操作が少なくガンの後退
が不要なのでトーチの迅速な配置により相殺される。

【００２１】溶融金属の一部は本発明のプラズマアーク
溶接手順中に酸化されることがあるが、この点は溶接サ
イクル中のシールドガスを使用する時間を制御すること
で許容レベルにまで制御される。水素を含有する還元シ
ールドガスをシールドガスチャネルに流して、溶接サイ
クルの最初の約０．２秒間に使用して、溶接サイクルの
完了後に再度使用する。

【００２２】溶接の重要期間での酸化シールドガスの使
用により、消耗品の電極ランプの寿命を延ばし、アーク
の開始を確実なものとし、制御下の溶け込みおよび高溶
接速度とし、自動溶接において反復性の高いものとして
いる。

【００２３】本発明の実施により得られる優れた溶接箇
所が図７に示してある。これは電気亜鉛メッキ鋼のプラ
ズマスポット溶接箇所の断面マイクロ写真である。スポ
ット溶接箇所の上層には薄い酸化物層６０があり、境界
面部分６１には酸化物がない。溶接の完全性が３０４ｋ
ｇｆ（２９９０Ｎ）を超える引張強さにより維持されて
いる。２秒を超えた溶接時間を設定すると、プラズマス
ポット溶接強度がスポット溶接と同等またはそれ以上と
なる。［図面の簡単な説明］

【図１Ａ】溶接する必要のある接合部の数を示す一般的
な先行技術の車体構造体の斜視図。

【図１Ｂ】溶接を完全なものにするためにアクセスホー
ルの必要性を示す図１Ａの構造体の内側部分の拡大図。

【図１Ｃ】アクセスホールを利用した先行技術による抵
抗溶接実施の様子の略図。

【図２Ａ】本発明による片側プラズマアークスポット溶
接中の車体構造体の斜視図。

【図２Ｂ】溶接を容易にするためのアクセスホールを切
り抜く必要のない構造体の多重プレートに対するプラズ
マアークガンの関係を示す図２Ａの車体構造体の一部分
の拡大略斜視図。

【図２Ｃ】本発明の所定の特徴を利用しない場合の亜鉛
の沸騰破裂の影響を示す、亜鉛メッキスチールの加熱工
程で使用される模式プラズマアークガンの断面正面図。

【図３Ａ】本発明によるプラズマアーク溶接が、蒸発し
た成分による破裂を起こすことなくどのように溶接する
かを示す断面正面線図。

【図３Ｂ】本発明によるプラズマアーク溶接が、蒸発し
た成分による破裂を起こすことなくどのように溶接する
かを示す断面正面線図。

【図３Ｃ】本発明によるプラズマアーク溶接が、蒸発し
た成分による破裂を起こすことなくどのように溶接する
かを示す断面正面線図。

【図４】プラズマアーク溶接に使用するノズルの拡大中
央断面図。

【図５】選択法におけるプラズマガスやシールドガスの
調節および管理を行う本発明の溶接トーチの制御につい
ての略図。

【図６】前溶接、溶接、後溶接の各段階において異なる
条件を提供するため、プラズマガスやシールドガスを電
磁弁により制御し、アーク電流の変動に対して定期的関
係で作動する方法の一例を示すタイムチャート。

【図７】本発明によるスポット溶接接合部の断面のマイ
クロ写真（１００倍）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者オロス、アルビンアメリカ合衆国、ミシガン州48018、ファーミントンヒルズ、エリザベスウェイ 25383 (72)発明者チェンナット、ジェイ、シーアメリカ合衆国、ミシガン州48107、アンアーバー、リッチモンドコート3470 (56)参考文献特開平６−328260（ＪＰ，Ａ) 特開平９−327776（ＪＰ，Ａ) 特開平11−156552（ＪＰ，Ａ) 特開平７−185824（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−34672（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−142456（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−30542（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板の融点よりも低い沸点をもつ皮膜で
覆われた鋼板製車体構造体の片側スポット溶接の方法で
あって、前記構造体が多重鋼板層を有し、前記方法の特
徴は、（ａ）所定の電路により得られる電気アークに所定の流
量でプラズマガスを通すことで得られるプラズマコラム
を前記構造体の片側の選択スポットに当て、（ｂ）最低５〜３０容量％の酸素を含有する不活性ガス
で前記プラズマコラムをシールドし、前記シールドプラ
ズマコラムが前記スポットの少なくとも１つの層の鋼板
を溶融し、その間に酸素が溶融鋼板の流動性とぬれ性と
を増大し、またその表面張力を低減して、前記皮膜成分
を蒸発させて溶融鋼板から静かに逃がし、（ｃ）プラズマアークを当てることを停止することで溶
融鋼板を固化させスポット溶接を完了することを特徴と
する。
【請求項２】前記プラズマアーク電流を最初の約０．
５秒間低くし、その後、プラズマ溶接サイクルに移行し
て前記プラズマアーク電流を増大させ、前記構造体の第
１層を介してプラズマアークコラムで溶融池を放射状に
外側へ押し流し、その後、前記プラズマ溶接サイクルの
残りの期間でプラズマ流量を低減することを特徴とする
請求項１記載の方法。
【請求項３】前記アーク電流は、プラズマコラムを当
てる最後の０．２５秒間は低減することを特徴とする請
求項２記載の方法。
【請求項４】前記プラズマアークコラムの停止後に、
還元シールドガスを前記酸素の代用とすることを特徴と
する請求項１記載の方法。
【請求項５】前記シールドガスはアルゴンやヘリウム
から選択することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】容量２５〜３５％の酸素含有の主シール
ドガスとしてアルゴンを選択することを特徴とする請求
項１記載の方法。
【請求項７】容量１０〜２５％の酸素含有シールドガ
スとしてヘリウムを選択することを特徴とする請求項１
記載の方法。