JP2004330253A - スポット溶接方法およびスポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な制御装置などの特別な装置を用いることなく、汎用のスポット溶接装置を用いるだけで容易かつ良好に、溶接接合部の接合強度を向上させることができるスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】一対の電極で鋼板２１を挟みながら溶接電流を流すスポット溶接方法で、電極中心線ｗが鋼板の垂直線ｖに対して角度θ傾斜するように上記一対の電極を保持した状態にて１回目の通電を行い、引き続き鋼板２１を挟んだまま、一対の電極を上記垂直線ｖに対して反対側に角度θ’傾斜させて２回目の通電を行う。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被溶接体を対向する一対の電極で挟みながら溶接電流を流し、溶接するスポット溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば自動車のボディなどに多用される鋼板材の接合方法として、スポット溶接が広く用いられている。スポット溶接の一つとして、鋼板同士を重ね合わせ、上下方向に対向する一対の電極の間に鋼板を挟みながら加圧し、板厚方向に溶接電流を流した際に発生する抵抗発熱によって鋼板同士の接触部を溶融させ、その後溶融部を凝固させてナゲットを形成させる溶接方法がある。
【０００３】
自動車製造において、被溶接体であるワークの使用部位あるいは使用目的などに応じ、被溶接体の溶接部に求められる接合強度は異なる。一方、スポット溶接によって生成されるナゲットの大きさは、溶接部の接合強度を左右する重要な因子であるが、加圧力、溶接電流、通電時間の少なくとも一つ以上を制御して、ナゲット径を適正にできることは、一般的に知られている。
【０００４】
溶接部の接合強度を十分に確保したい場合は、ナゲット径を拡大させることでその目的は達成される。ナゲット径を拡大させる方法として、加圧力及び溶接電流値を増加させる方法がある。加圧力を増やすことで電極は被溶接体に深くめり込み、電極と被溶接体の接触部面積は増加する。このとき溶接電流値が一定であれば、電極と被溶接体の接触部を流れる溶接電流の電流密度は、接触部面積の増加量に応じて低下するが、加圧力を増やすのと同時に溶接電流値を増加させると、電流密度を低下させずに維持したまま、電極と被溶接体の接触部面積を大きく確保できる。その結果、通常よりも広い領域の被溶接体が溶融し、大きなナゲット径を得ることができる。
【０００５】
しかし、上述のような方法を採用する溶接装置は、加圧力の増加に伴いシリンダや溶接ガンを大型にする必要があり、シリンダ駆動力や溶接通電による消費電力も増大するため、設備投資額がかさみ、製造コストの高騰も招き不利である。更に、溶接ガンの大型化を図ると、溶接ガンがワークと干渉することもある。このような場合はワークの形状変更も必要となり、更なる経済的損失が生じる。
【０００６】
一方、スポット溶接においては、通常ロボットティーチングが行われる。このティーチング調整は種々の制御機構を有している。例えばスポット溶接装置のティーチング方法としてワークと電極の位置関係を素早く検出し、プログラミングを行う制御方法が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２９４５３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されているスポット溶接方法では、ティーチング調整作業を正確かつ迅速に行えるため、歩留まりを向上させながら作業効率の改善も図れる一方で、溶接部の接合強度を向上させたい場合は、設備投資や溶接装置駆動に伴う消費電力の増大による製造コストの高騰を抑えるには至らず、従来と同様の問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、既存のスポット溶接装置を用いながら製造コストの高騰を抑制するとともに、溶接部の接合強度を向上させるスポット溶接方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、一対の電極で被溶接体を挟みながら溶接電流を流すスポット溶接方法であって、電極中心線が被溶接体の垂直線に対して一方に第１傾斜角度傾斜するように一対の電極を保持した状態にて、溶接電流を流す第１の工程と、被溶接体を挟んだまま、電極中心線が上記垂直線に対して反対側に第２傾斜角度傾斜するように一対の電極を保持した状態にて、溶接電流を流す第２の工程とを有することを特徴とする、スポット溶接方法が提供される。
【００１１】
このようなスポット溶接方法を用いると、通常の溶接作業工程において行うティーチングなどの調整方法を改善するだけで、溶接部の接合強度を十分に確保することができる。具体的には、支持装置により挟持固定された被溶接体を、電極中心線が被溶接体の垂直線に対して一方に第１傾斜角度傾斜するように一対の電極を保持した状態において、被溶接体を加圧手段により一対の電極で挟む。このとき、電極と接触する被溶接体の接触部は、被溶接体の垂直線に対して一方に変位している。溶接電流を流した際に生成するナゲットは、一対の電極と接触する一対の接触部の中間位置に生成されるので、第１の工程においてナゲットの生成箇所は、被溶接体の垂直線に対して一方に変位する。次に、被溶接体を挟んだまま一対の電極を移動させると、電極と接触する被溶接体の接触部は、一方に第１傾斜角度傾斜した電極中心線が被溶接体の垂直線に対して反対側に第２傾斜角度傾斜する位置へ移動するのに対応して、変位する。この状態にて溶接電流を流すと、ナゲットの生成箇所は、第１の工程で被溶接体の垂直線に対して変位して生成したナゲットに対し、被溶接体の垂直線を挟んで反対側へ変位する。そして、第２の工程を終えて生成するナゲットは、変位した二つのナゲットが一部重なり合うように一体生成され、ナゲット径方向に大きい複合ナゲットが生成される。このようにナゲット径を効率よく拡大することができて、その結果、溶接部の接合強度は向上する。
【００１２】
また、本発明の第１の側面にかかるスポット溶接方法は、第１傾斜角度と第２傾斜角度が略同一であることが好ましい。
【００１３】
このようなスポット溶接方法を用いると、スポット溶接後に形成されるナゲットを適正に拡大することができる。具体的には、傾斜角度を略同一とすることで、上記第１の工程で生成するナゲットと上記第２の工程で生成するナゲットは被溶接体の垂直線に対して略対称な位置に順次生成するので、その結果、生成する上記複合ナゲットを適正に拡大することができる。
【００１４】
更に、本発明の第１の側面にかかるスポット溶接方法は、第１傾斜角度および第２傾斜角度が、５〜１０度の範囲に設定されていることが好ましい。
【００１５】
このようなスポット溶接方法を用いると、スポット溶接後に形成されるナゲットを適正に拡大することができる。具体的には、傾斜角度が５度未満の場合は、ナゲット形成位置の変位の程度が小さく、上記複合ナゲットのナゲット径の拡大の効果が充分には現れない。一方、傾斜角度が１０度を越える場合は、２つのナゲットの重なりが小さ過ぎて適正な複合ナゲットを形成できないばかりでなく、電極の加圧力が被溶接体に対して十分に発揮されず、一対の電極は適当な位置で被溶接体を押さえることができない。すなわち、傾斜角度が５〜１０度の範囲にある時、ナゲットを適正に拡大することが可能となり、溶接部の接合強度は向上する。
【００１６】
更に、本発明の第１の側面にかかるスポット溶接方法は、電極の先端形状が、球形外面をなしていることが好ましい。
【００１７】
このようなスポット溶接方法を用いると、電極にて被溶接体を圧接する際に、被溶接体の接触部が略円形となり、先端が平面をなす電極を用いた場合におこる電流密度の集中を効果的に抑制することができる。その結果、形成されたナゲットは適正な状態となり、溶接部の接合強度は向上する。
【００１８】
更に、本発明の第１の側面にかかるスポット溶接方法は、球形外面の曲率半径が、８〜１５ｍｍであることが好ましい。
【００１９】
このようなスポット溶接方法を用いると、電極にて被溶接体を圧接する際に、被溶接体の接触部は適正な大きさとなり、溶接電流を流した際に形成されるナゲット径を適正とすることができる。その結果、溶接部の接合強度は向上する。
【００２０】
このように、本発明の第１の側面によると、既存のスポット溶接装置を用いて、ティーチングなどの調整方法を改善するだけで容易かつ良好に、スポット溶接による溶接部の接合強度を向上させることができる。
【００２１】
本発明の第２の側面によると、本発明の第１の側面によって提供されるスポット溶接方法を行うように構成されたスポット溶接装置が提供される。
【００２２】
このような構成のスポット溶接装置を用いると、溶接部の接合強度を十分に確保することができる。上述の第１の側面によって得られた拡大されたナゲットにより、溶接部の接合強度は向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２４】
図１は、本発明にかかるスポット溶接方法に用いられるスポット溶接機を溶接ロボットに適用した例を示し、図１において、１はスポット溶接機、２はスポット溶接される被溶接体、３はスポット溶接機１を支持する溶接ロボットである。
【００２５】
スポット溶接機１は、溶接トランス１０と、溶接ガン１１と、加圧手段１２と、一対の電極１７Ａ，１７Ｂとを備えている。溶接ガン１１は溶接トランス１０の一方の側壁に対し、支持ブラケットを介して連結固定され、上部アーム１１１と下部アーム１１２とを含んでいる。加圧手段１２は、例えばサーボモータなどからなる駆動装置１３と加圧シリンダ１４とを含み、上部アーム１１１に連結固定されている。加圧シリンダ１４は駆動装置１３の駆動力により垂直方向へ進退するピストンロッド１５を備えている。ピストンロッド１５の先端側及び下部アーム１１２の先端部には、各々、シャンクが互いに同軸状に配設されており、これらの一対のシャンク１６Ａ，１６Ｂの各先端部には、一対の電極１７Ａ，１７Ｂが連結固定されている。電極１７Ａは、加圧手段１２により上部アーム１１１に対する相対位置が変化する可動側電極を構成し、電極１７Ｂは、下部アーム１１２に対して固定された固定側電極を構成している。電極１７Ａ，１７Ｂは円柱形状であり、それぞれ先端部には電極チップ１８Ａ，１８Ｂが形成されている。電極チップ１８Ａ，１８Ｂは、被溶接体２と当接する部位の形状が球形外面をなしており、球形外面の曲率半径は８ｍｍに形成されている（図２参照）。
【００２６】
被溶接体２は、一対の鋼板２１が重ね合わされた状態で支持装置（図示せず）に支持されており、鋼板２１の所定個所に予め設定された被溶接部においてスポット溶接されるようになっている。
【００２７】
溶接ロボット３は、床面に対し作動軸Ｔの回りに旋回可能に配設された基体部３１と、この基体部３１に対し水平軸Ｕの回りに回転作動可能に配設された第１アーム３２と、この第１アーム３２の先端部に対し水平軸Ｖの回りに回転作動可能に配設された第２アーム３３と、この第２アーム３３の先端部に対し水平軸Ｗの回りに回転作動可能に配設された第３アーム３４とを備え、第３アーム３４の先端部にはスポット溶接機１が連設固定されている。そして、コントローラ（図示せず）の作動制御により、上記基体部３１が旋回作動するとともに、上記第１アーム３２，第２アーム３３並びに第３アーム３４がそれぞれ回転軸Ｕ，Ｖ並びにＷの回りに回転作動されることにより、スポット溶接機１を三次元方向に移動可能に構成されている。
【００２８】
以下に、スポット溶接機１を用いた溶接方法について、図２〜図５に基づいて具体的に説明する。被溶接体２は、板厚が略均等である二枚の重なり合う鋼板２１より構成され、水平面上に複数の支持点を持つ支持装置によって挟持固定されている。図２は、ティーチング調整により、電極中心線ｗが鋼板の垂直線ｖに対して左側に角度θ傾斜するように一対の電極を保持した状態を表す。本実施形態では、角度θは１０度とする。鋼板の垂直線ｖは、鋼板の支持平面に対して直角をなす仮想線である。電極中心線ｗは、当該垂直線ｖに沿う状態から、固定側電極１７Ｂの電極チップ１８Ｂの球形外面の中心を支点として、左側に傾斜している。このとき駆動装置の作動制御により、ピストンロッド１５を進出させ、可動側電極１７Ａで鋼板２１を押圧して、加圧力を付与している。次に一対の電極１７Ａ，１７Ｂで挟まれた鋼板２１に溶接電流を通電する。これを１回目の通電とする。このときナゲット２７は、鋼板２１の境界面において対向する一対の接触部の中間位置に成長していく。ここに「中間位置」とは、板厚方向においても板厚に直交する方向（ナゲット径方向）においても対向する一対の接触部の中間であることをいう。本実施形態では、当該中間位置は鋼板の垂直線ｖに対して左側に変位している。通電後は鋼板の温度上昇に伴い、加圧状態で保持されている一対の電極は、徐々に鋼板２１に深くめり込んでいく。そして１回目の通電が完了したとき、ナゲット２７の生成箇所は図３に表すように鋼板の垂直線ｖに対して左側に変位している。
【００２９】
引き続き、ピストンロッド１５を若干退避させ、加圧シリンダ１４による加圧力を低下させる。ピストンロッドの退避に伴い、ピストンロッド先端側に連結固定された可動側電極１７Ａは若干退避するものの、鋼板２１は一対の電極１７Ａ，１７Ｂで挟まれた状態である。次に溶接ロボットの回転作動制御により、電極中心線が鋼板の垂直線ｖに対して反対側となる位置へ一対の電極１７Ａ，１７Ｂを移動させる。本実施形態では、鋼板の垂直線ｖと電極中心線ｗの交点を中心として、電極中心線ｗが回転移動するように一対の電極１７Ａ，１７Ｂは移動する。このとき、固定側電極１７Ｂの電極チップ１８Ｂは鋼板２１の接触部に対して揺動回転しているため、固定側電極１７Ｂと接触する鋼板２１の接触部は変位しない。可動側電極１７Ａは回転移動するするため、可動側電極１７Ａと接触する鋼板２１の接触部は変位する。図４は、電極１７Ａ，１７Ｂを移動させた後の鋼板２１と電極１７Ａ，１７Ｂの状態を表す。移動後の電極中心線ｗ’は鋼板の垂直線ｖに対して右側に１０度傾斜しており、この電極中心線ｗ’は移動前の電極中心線ｗに対し、鋼板の垂直線ｖを挟んで対称となる位置関係にある。この状態で溶接電流を流す。これを２回目の通電とする。ナゲット２８は対向する一対の接触部の中間位置に成長していく。本実施形態では、当該中間位置は鋼板の垂直線ｖに対して右側に変位している。図５は、２回目の通電が完了したときの鋼板２１、電極１７Ａ，１７Ｂ並びにナゲットの状態を表す。２回目の通電で生成されるナゲット２８は、１回目の通電で生成されるナゲット２７に一部重なり合うように生成され、ナゲット径方向に大きい複合ナゲット２９が生成される。
【００３０】
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々な変更が可能である。例えば、１回目の通電の後に一対の電極を移動させるときの回動中心は、複合ナゲットのナゲット径を適正に拡大できる範囲内で適宜変更できる。また、１回目の通電の後に一対の電極を移動させる際に、一旦可動側電極を十分退避させ、鋼板を開放した状態で電極を移動させ、その後に再び鋼板を一対の電極で挟んで加圧力を付与してもよい。更に製品の美感の観点より、溶接後に鋼板の屈曲部位を支持平面上に戻す平坦化作業を加えてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、スポット溶接機を用いたスポット溶接方法において、ナゲット径を簡単に拡大させることができる。これにより、通常よりも高い接合強度を求められる場合であっても、容易かつ良好に、溶接部の接合強度を向上させることができる。更に本発明は、既存のスポット溶接機をそのまま流用できるので、コスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスポット溶接方法に用いられるスポット溶接機を溶接ロボットに適用した例を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るティーチング調整後の被溶接体の要部を表す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る１回目の通電完了後における被溶接体の要部を表す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る一対の電極を移動させた後における被溶接体の要部を表す断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る２回目の通電完了後における被溶接体の要部を表す断面図である。
【符号の説明】
１ スポット溶接機
２ 被溶接体
３ 溶接ロボット
１７Ａ 電極（可動側電極）
１７Ｂ 電極（固定側電極）
２１ 鋼板
２７ ナゲット
２８ ナゲット
２９ 複合ナゲット
ｖ 鋼板の垂直線
ｗ 電極中心線
ｗ’ 電極中心線
θ 角度
θ’ 角度

Claims (6)

1. 一対の電極で被溶接体を挟みながら溶接電流を流すスポット溶接方法であって、電極中心線が被溶接体の垂直線に対して一方に第１傾斜角度傾斜するように上記一対の電極を保持した状態にて、溶接電流を流す第１の工程と、被溶接体を挟んだまま、上記電極中心線が上記垂直線に対して反対側に第２傾斜角度傾斜するように上記一対の電極を保持した状態にて、溶接電流を流す第２の工程とを有することを特徴とする、スポット溶接方法。
2. 上記第１傾斜角度と上記第２傾斜角度が略同一である、請求項１に記載のスポット溶接方法。
3. 上記第１傾斜角度および上記第２傾斜角度が、５〜１０度の範囲に設定されている、請求項１または２に記載のスポット溶接方法。
4. 上記電極の先端形状が、球形外面をなしている、請求項１〜３のいずれか１つに記載のスポット溶接方法。
5. 上記球形外面の曲率半径が、８〜１５ｍｍである、請求項４に記載のスポット溶接方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のスポット溶接方法を行うように構成されたスポット溶接装置。

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