JP2000102880A - 抵抗溶接機の溶接条件制御方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 抵抗溶接用の各電極間に配置された磁性体材
料からなる被溶接材と電極間に並列接続したコンデンサ
とで電気的共振回路を形成し、ナゲット生成に伴う被溶
接材の透磁率分布の変化を電気的共振回路の共振周波数
の変化として検出し、共振周波数の変化に基づいて溶接
条件をフィードバック制御することで、高品質の溶接を
行なう。 【解決手段】 抵抗溶接用の各電極間７にコンデンサ９
を並列に接続して、共振回路を形成する。ナゲット生成
に伴う被溶接材の透磁率分布の変化によって共振回路の
共振周波数が変化する。周波数−電圧変換部２は、共振
周波数に対応した周波数電圧Ｖｎを比較演算部４へ供給
する。比較演算部４は、周波数電圧と予め設定した溶接
完了を示す目標基準電圧とを比較して溶接電流指令値Ｉ
ｎ＊を出力し、溶接電源制御部５を介して溶接電源部６
から被溶接材８の溶接部へ供給する溶接電流をフィード
バック制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗溶接機の溶接
条件制御方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置に係
り、詳しくは、電極間に配置された磁性体材料からなる
被溶接材と電極間に並列接続したコンデンサとで電気的
共振回路を形成し、ナゲット生成に伴う被溶接材の透磁
率分布の変化を電気的共振回路の共振周波数の変化とし
て検出し、共振周波数の変化に基づいて溶接条件をフィ
ードバック制御することで、高品質の溶接を行なえるよ
うにした抵抗溶接機の溶接条件制御方法および抵抗溶接
機の溶接条件制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】抵抗溶接、特にスポット溶接は強磁性体
材料である鋼板を使用する種々の製品に数多く用いられ
ている。近年では、従来の軟鋼板に代わり亜鉛メッキ鋼
板や高張力鋼板が多量に使用されており、その溶接不良
の発生が増大する傾向がある。例えば、亜鉛メッキ鋼板
をスポットする場合、電流通電路にある低融点の亜鉛メ
ッキ層は通電初期の段階で溶融し、加圧力により電流通
路の周囲に押し出される。この溶融亜鉛が電流通路周囲
の板間を短絡してしまうために、通電路の面積が増加
し、電流密度が小さくなる。この結果、ナゲットを作る
のに大きな溶接電流が必要となる。又、亜鉛メッキ層が
厚い箇所があれば、それだけ溶融亜鉛の量も多くなっ
て、それだけ通電路面積が増大し、電流密度は減少し
て、結果として得られるナゲット径は小さくなる。この
ような背景から、溶接品質を精度よくするための溶接条
件の制御方法及び装置が望まれている。

【０００３】この課題に対して、溶接品質を制御するた
めの方式として、以下に示すように種々の方式が開発さ
れ、実用化されている。（１）電極変位を利用する方
式、（２）電極間電圧または電極間抵抗による方式、
（３）超音波による方式、（４）エネルギによる方式、
（５）アコーステイック・エミッションによる方式、
（６）温度による方式。

【０００４】このように溶接状態等を検出する因子によ
って各種の方式が知られているが、いずれの方式も一長
一短があって、全ての材質や板厚などに適用できるもの
ではない。また、従来の溶接品質制御方式では、環境の
種々の変化に対応して、高品質な溶接が実現できるよう
に制御動作を修正する必要がある。以下、主な方式につ
いてその問題点を説明する。

【０００５】（１）電極変位を利用する方式は、溶接電
流の大小によって変化する電極変位の最大値や変化率を
検出して、溶接電流等の溶接条件を制御しようとするも
のである。この方式は、各種の材料の溶接に利用でき、
すでに溶接した点への分流による誤差を生じない等のメ
リットがある。しかしながら電極変位を利用する方式
は、溶接機のアームの鋼性の弱いものや、加圧系の摩擦
抵抗の大きなものには利用できないこと、板の端部に溶
接点がある場合や加圧力が変動した場合には正確なモニ
タリングが出来ないことなどの欠点がある。

【０００６】（２）電極間電圧または電極間抵抗による
方式は、現在一般に採用されている溶接品質制御システ
ムの多くを占めている。軟鋼の場合、溶接中の電極間電
圧の変化はナゲット生成時とナゲット生成完了時の電圧
の変化率として検出されるので、これを利用して溶接条
件の制御が行なわれる。また、電極間電圧の積分値を利
用するものもある。電極間抵抗方式は、電極間電圧と溶
接電流を同時に計測して、そのインピーダンス（抵抗）
を、Ｒ＝Ｖ／Ｉの関係式から演算し、抵抗の最大値と通
電終了時の抵抗値との差を利用するか、変形率を利用し
て溶接条件を制御するものである。この電極間電圧方式
および電極間抵抗方式はリード線を電極チップに取り付
けるだけで検出が行なわれるので簡便である。しかし、
亜鉛メッキ鋼板やアルミニウム合金，ステンレス鋼など
の材料では、通電中に電極間電圧または抵抗が最大値を
示さないため、電極間電圧方式および電極間抵抗方式は
利用できない。さらに、既に溶接した点が近くにある場
合、その点への分流によって誤差を生じるなどの欠点が
ある。

【０００７】（３）超音波による方法は、上下の電極チ
ップの内部に超音波振動を組み込み、溶接中に一方の電
極から超音波を発振して、接合部を通った超音波信号を
他方の電極の振動子で受信するか、または一方の電極の
みに振動子を組み込んで、他方の電極に反射面を設け
て、反射面から返ってくる超音波を受信するようにした
ものである。この溶接条件の制御は、溶接部のナゲット
の生成開始点での超音波の透過量と通電終了時の透過量
との差を検出することによってナゲットの大きさをモニ
ターしつつ行うもので、接合部の溶融状態を超音波で直
接検出するので、測定精度は非常に高いが、板の表面に
ゴミ等が付着している場合や、板の密着度合いが悪い場
合には信頼性が低下してしまう。また、消耗品である電
極チップに超音波素子を実装するために電極チップが高
値になる事も欠点である。

【０００８】（４）エネルギによる方式、（５）アコー
ステイック・エミッションによる方式、（６）温度によ
る方式は、現在では殆ど実用化されていないために説明
を省略する。

【０００９】また、近年コンピューターの急速な発展に
伴い、有限要素法を基礎とした熱伝導シュミレーターを
用いた溶接条件制御方法も種々提案され開発が行なわれ
ている。その一例として、特開平１０−９４８８３号公
報に記載された抵抗溶接機の溶接条件制御方法が知られ
ている。これは溶接部に関する熱伝導シュミレーターの
入力として、溶接電流とチップ間電圧の２つを用いる事
を前提として、溶接部に於けるナゲットの形成状況を表
わす種々の状態量をシュミレートする。そして、シュミ
レートされた状態量と、センサーにより検出された状態
量（例えば（イ）溶接材料の透磁率の変化時期を電極間
電圧と溶接電流の瞬時値の比、インピーダンスの変化と
して捕らえる。（ロ）電極加圧力及び電極移動量、
（ハ）散り発生の時期、（ニ）溶接部溶接者の変化時
期、（ホ）溶接部周辺の表面温度変化、（ヘ）検査用磁
束による磁気変態点温度に達した時期、（ト）超音波で
検知した溶接部の発生状態）との比較結果で次の２つの
修正の相方、又は片方を行い、次回の制御ステップに於
ける状態量の一致を計るものである。２つの修正内容と
は（ａ）溶接条件（具体的には溶接電流値の値）の修
正、（ｂ）溶接状況を表わす状態量のモニター値によっ
て、熱伝導シュミレーターの構成（モデル）の修正を行
う（具体的には界面抵抗を挿入する）ものである。

【００１０】特開平１０−９４８８３号公報に記載され
た抵抗溶接機の溶接条件制御方法の要点は、溶接電流と
電極チップ間電圧の２つを入力として持つ熱伝導（モデ
ル）シュミレーターの存在と、状態量（上述の（イ）〜
（ト）の７種）とその検出したフィードバック量による
溶接条件の変更、シュミレーターモデルの変更機能を持
つ溶接条件の制御方法である。特に、溶接部の温度分布
を推定する上で大きな影響を与える電極損耗によって発
生する電極と板間の界面抵抗の値をモニター値のフィー
ドバックにより修正してゆく点に特長がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来の方式に
おいては、前述したように、溶接が行なわれる環境や材
質の条件等によっては溶接結果が強度的に確実かつ高品
質であることが充分に保証されない場合もあった。ま
た、熱伝導シュミレーターを用いて有限要素法を高速に
実行して、溶接条件制御とモデル修正を界面抵抗の補正
等で行う方法においても、状態量の規範値の選択と設
定、種々の溶接要素の入力、溶接条件の設定等（例え
ば、板厚，溶接材等）が各々の場面に対して必要であ
り、装置としても高値になる虞れがある。例えば、透磁
率変化の検出原理を見ると、それは溶接電流とチップ間
電圧の２つの入力の瞬時値を溶接電流がピーク値となる
タイミングで検出し、そのインピーダンス値を演算し、
かつ前の時点で得たインピーダンス値に対する変化率を
演算し、こうして得た変化率が零となった時点を被溶接
材の透磁率変化の時期とするプログラミングであって、
極めて多量の演算処理が必要となっている。また、他の
状態量の検出にはそれぞれの物理量に応じたセンサが必
要となり、溶接機として使い勝手に不便を生じる虞れも
ある。

【００１２】

【発明の目的】本発明はこのような課題を解決するため
なされたもので、被溶接材が磁性体である場合に汎用性
を有し、低価格で、シュミレーションモデル等を用いず
に溶接部に於けるナゲットの生成状態を推定して、高品
質な溶接結果を確実に得ることのできる抵抗溶接機の溶
接条件制御方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置を
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御方法は、磁性
体材料からなる被溶接材を抵抗溶接するための１対の電
極間に並列にコンデンサを接続して電気的共振回路を形
成し、この電気的共振回路の共振周波数に基づいてナゲ
ットの生成状況を検出して、溶接条件をフィードバック
制御することを特徴とする。

【００１４】なお、電気的共振回路の共振周波数と予め
設定した溶接完了を示す目標周波数とを比較して、溶接
条件をフィードバック制御するようにしてもよい。ここ
で、溶接完了を示す目標周波数は、被溶接材を挿入して
いない無付加状態で電極間を短絡した状態における電気
的共振回路の共振周波数とするのが望ましい。

【００１５】また、電気的共振回路の共振周波数を周波
数−電圧変換部を介して共振周波数に対応した電圧とし
て検出し、検出した共振周波数に対応した電圧と予め設
定した溶接完了を示す目標基準電圧とを比較して、溶接
条件をフィードバック制御するようにしてもよい。ここ
で、溶接完了を示す目標基準電圧は、被溶接材を挿入し
ていない無付加状態で電極間を短絡した状態における電
気的共振回路の共振周波数に対応した電圧とするのが望
ましい。

【００１６】この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御
装置は、磁性体材料からなる被溶接材を抵抗溶接するた
めの１対の電極間に並列にコンデンサを接続して形成し
た電気的共振回路と、電気的共振回路の共振周波数を共
振周波数に対応する電圧に変換する周波数−電圧変換部
と、共振周波数に対応する電圧に基づいてナゲットの生
成状況を検出して溶接条件をフィードバック制御する溶
接条件フィードバック制御部とを備えたことを特徴とす
る。

【００１７】なお、溶接条件フィードバック制御部は、
周波数−電圧変換部から出力される共振周波数に対応す
る電圧と予め設定した溶接完了を示す目標基準電圧とを
比較して、溶接条件をフィードバック制御する構成とし
てもよい。ここで、溶接完了を示す目標基準電圧は、被
溶接材を挿入していない無付加状態で電極間を短絡した
状態における電気的共振回路の共振周波数に対応した電
圧とするのが望ましい。

【００１８】この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御
方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置は、溶接の進
行に伴う溶接部の温度上昇によって被溶接材である磁性
体材料の透磁率の分布状態の変化（インダクタンスの変
化）を、電気的共振回路の共振周波数の変化として検出
し、共振周波数（インダクタンス）の変化に基づいてナ
ゲットの成長過程をモニタすることができる。そして、
この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御方法および抵
抗溶接機の溶接条件制御装置は、電気的共振回路の共振
周波数と予め設定した溶接完了を示す目標共振周波数と
を比較して、溶接条件をフィードバック制御する。これ
により、高精度で高品質の溶接を行なうことができる。

【００１９】被溶接材を挿入しないで電極間を短絡した
状態での共振周波数を溶接完了を示す目標共振周波数と
し、この目標共振周波数と溶接開始時点からの共振周波
数の変化とに基づいて、溶接条件である溶接電流値や溶
接電流の位相をフィードバック制御することで、予め設
定した溶接サイクル時間内で高精度で高品質の溶接を行
なうことができる。

【００２０】共振周波数を周波数−電圧変換部によって
直流電圧へ変換して取り込む構成にすることで、溶接条
件フィードバック制御部におけるデータ処理を簡略化す
ることができる。

【００２１】このように本発明に係る抵抗溶接機の溶接
条件制御方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置は、
被溶接材である磁性体の溶接部に於ける温度上昇に起因
する溶接中の透磁率値の分布の変化を、各電極と各電極
に並列に接続したコンデンサーとで形成される共振回路
の共振周波数の変化として検出し、さらにこの共振周波
数値をＦ−Ｖコンバーター等の周波数−電圧変換部にて
直流電圧値Ｖｎ（例えば１〜５ボルト）へ変換して、溶
接開始時の共振周波数電圧値Ｖｓ、溶接完了共振周波数
電圧値Ｖ＊とを用いてフィードバック演算を行なって、
例えば、予め定めた溶接サイクル時間Ｔで、共振周波数
に対応した直流電圧値Ｖｎが溶接完了共振周波数電圧値
Ｖ＊となるように、或る制御インターバルで現在の電流
Ｉｎを検出し、制御演算により次回に出力すべき最適な
電流値Ｉｎ＊を定め、この電流値Ｉｎ＊を制御インター
バル毎に出力していくことを繰り返すことで、種々の溶
接環境の変化（例えば板厚，電極損耗，亜鉛メッキ層の
分布状況，加圧力の差異等）があっても、確実に高品質
な溶接結果を得る事をができる。すなわち、実際の溶接
部の状態変化を磁性体材料の透磁率分布の変化として
（共振回路の共振周波数の変化情報として）として検出
して、溶接条件（溶接電流や溶接電流の位相）に反映さ
せて、高精度で高品質の溶接を行なうことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る抵抗溶
接機の溶接条件制御装置のブロック構成図、図２はこの
発明に係る抵抗溶接機の溶接制御方法を示すフローチャ
ート、図３は抵抗溶接中における被溶接材の透磁率の分
布を示す説明図、図４は自己インダクタンス計算に用い
た電極電流が作る磁場の説明図、図５は電流源を持つ共
振回路の説明図、図６は被溶接材の内部の一点の温度の
時間経過（温度推移特性）、ならびに、被溶接材の内部
の一点の温度上昇に伴う透磁率の時間経過（透磁率推移
特性）を示すグラフ、図７は被溶接材の温度上昇に伴う
共振周波数の変化を示すグラフ、図８は被溶接材の板厚
方向で強磁性体である部分と常磁性体となった部分とを
示す説明図、図９は式３に基づく共振周波数の変化特性
を示すグラフ、図１０は周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコ
ンバータ）の一具体例を示す回路構成図、図１１は図１
０に示した周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコンバータ）の
周波数−電圧変換特性を示すグラフである。

【００２３】図１において、１は溶接部の諸元を予め設
定する条件設定部であり、溶接サイクル時間Ｔ、被溶接
材の厚み等に基づく標準的な初期溶接電流値Ｉｓ、なら
びに、無負荷試験から得られた共振周波数電圧（目標基
準電圧）Ｖ＊（被溶接材を挿入していない無付加状態で
電極間を短絡した状態における電気的共振回路の共振周
波数に対応した直流電圧）が条件設定部１内のメモリ等
に設定される。無負荷試験から得られた共振周波数電圧
Ｖ＊は、溶接完了を示す目標基準電圧に相当するもので
ある。

【００２４】２はＦ−Ｖコンバータ等からなる周波数−
電圧変換部であり、共振周波数ｆを対応する直流電圧
（共振周波数電圧）Ｖｎへ変換する。３は溶接電流値Ｉ
ｎを検出する電流センサー等の電流検出部である。４は
溶接サイクル時間Ｔ，初期電流値Ｉｓ，溶接電流検出値
Ｉｎ，溶接状態で検出した共振周波数電圧Ｖｎ，無負荷
試験から得られた共振周波数電圧（溶接完了を示す目標
基準電圧）Ｖ＊の諸値に基づいて、溶接サイクル時間Ｔ
内に溶接を完了させるために必要な溶接電流値Ｉｎ＊の
値を予め設定した制御インターバル時間ｔ毎に順次演算
して求め、求めた溶接電流値（指令値）Ｉｎ＊を順次出
力する比較演算部である。

【００２５】５は溶接電源制御部であり、この溶接電源
制御部５は、溶接電源部６に電圧の切り出しタイミング
を指示する位相指令値φｎ＊を出力する。７は溶接用の
一対の電極、８は磁性体材料からなる被溶接材、９は電
気的共振回路を構成するためのコンデンサ、１０は共振
回路導線（配線）である。

【００２６】図１に示した抵抗溶接機の溶接条件制御装
置では、比較演算部４によってナゲットの生成状況を検
出して溶接条件をフィードバック制御する溶接条件フィ
ードバック制御部を構成している。各電極７間に挿入さ
れた被溶接材８と各電極７間に並列に接続されたコンデ
ンサ９とで電気的共振回路を構成している。周波数−電
圧変換部２は、その入力インピーダンスが共振回路のイ
ンピーダンスよりも充分高くなるよう構成している。

【００２７】次に溶接条件の制御過程を図２に示すのフ
ローチャートに沿って説明する。まずステップＳ１で、
溶接条件を定める溶接サイクル時間Ｔ、及び板厚に応じ
た標準的な溶接電流の初期値Ｉｓが入力される。なお、
溶接完了時の共振周波数換算電圧Ｖ＊は、溶接開始前の
試運転モードで無負荷試験によって測定され、その測定
結果（周波数−電圧変換部２の出力電圧）は条件設定部
１内のメモリ等に格納される。

【００２８】そして、溶接の開始時点（ステップＳ２に
示すｔ＝０）で、溶接電流の初期値Ｉｓに対応した位相
指令値φｓが溶接電源部６に入力され、電極７に電流が
流れる（ステップＳ３）。次にステップＳで、共振周波
数の初期値ｆｓに相当する共振周波数電圧値初期値Ｖｓ
が計測されて比較演算部４にメモリーされ（ステップＳ
４）、電流センサー３のフィードバック量である電流Ｉ
ｎの値が入力されれば（ステップＳ５）、次回出力すべ
き溶接電流値（指令値）Ｉｎ＊が制御アルゴリズムによ
って決定され、溶接電源制御部５へ供給される（ステッ
プＳ６）。溶接電源制御部５は、溶接電流値（指令値）
Ｉｎ＊に基づいて位相指令値φｎ＊を生成し、生成した
位相指令値φｎ＊を溶接電源部６へ供給する（ステップ
Ｓ７）。これにより、溶接電源部６から溶接電流値（指
令値）Ｉｎ＊に応じた溶接電流が各電極７間に挿入され
た被溶接材８の溶接部へ供給される。

【００２９】比較演算部４は、ステップＳ８で溶接を開
始してからの経過時間（ｔ＝ｔ＋Δｔ）を計時しなが
ら、ステップＳ９で経過時間（ｔ＝ｔ＋Δｔ）が溶接サ
イクル時間Ｔに達するまで、所定の制御インターバル時
間間隔ｔで、ステップＳ４〜ステップＳ７の処理を繰り
返す。すなわち、ステップＳ９で経過時間（ｔ＝ｔ＋Δ
ｔ）が溶接サイクル時間Ｔに達するまで、被溶接材料の
溶接部のナゲット生成状態を透磁率分布の変化として共
振周波数回路ならびに周波数−電圧変換部２を介してモ
ニターし、その時の電流検出部３の溶接電流検出値（溶
接電流フィードバック値）Ｉｎを用いて制御演算で溶接
部の温度上昇を間接的にモニターしながら最適な制御電
流Ｉｎ＊の値を比較修正して定めていくので、精度の良
い溶接制御が行なわれ、所定の時期に溶融部を発生さ
せ、かつ十分な径のナゲットを得るという溶接条件の制
御が可能となる。

【００３０】なお、本実施の形態では、数１に示す電流
制御式を用いて溶接電流値（指令値）Ｉｎ＊を求めてい
る。

【００３１】

【数１】

【００３２】図３は抵抗溶接中における被溶接材の透磁
率分布の変化を示す説明図である。被溶接材の温度がキ
ューリー点θｃ以下である場合、被溶接材の透磁率μＦ
は５００以上であるが（μＦ＞５００）、溶接が進行し
ていく途中で被溶接材中の溶接部の温度がキューリー点
θｃ（鋼材のキューリー点θｃは約７５０℃）を越える
と、キューリー点θｃを越えた部分（図中のハッチング
で示した範囲）の透磁率μｃは１程度（μｃ＝１）と極
めて小さな値となる。このようにキューリー点θｃを越
えた部分（図中のハッチングで示した範囲）では、透磁
率が大きく変化して（５００から１）、透磁率の分布に
変化が生ずる。

【００３３】図４は電極棒（チップ）と溶接部を流れる
溶接電流Ｉによって生じる磁場Ｈを示したものであり、
これにより自己インダクタンスが計算、計測できる原理
を示している。

【００３４】図５は高周波電流源Ｉ（ω）を持つ共振回
路の図であり、ω＝２πｆの共振状態にある事を示して
いる。

【００３５】図６（ａ）は溶接部内の任意の一点の温度
推移を、図６（ｂ）は溶接部内の任意の一点の透磁率推
移を示している。

【００３６】図７は共振回路の共振周波数ｆが、式２に
示す特性で時間の経過と共に上昇してゆく様子を示して
いる。図３に示したように、溶接部の温度上昇に伴っ
て、キューリー温度以上の領域が時間と共に拡大してゆ
くことで透磁率分布が変化して、その結果としてインダ
クタンスＬとキャパシタンスＣとで決定される共振周波
数が時間の経過と共に上昇してゆく。

【００３７】

【数２】

【００３８】図７において、周波数の変化量（ｄｆ／ｄ
ｔ）がほぼ０になる点ｔＡは、被溶接材表面の温度がキ
ューリー温度（θｃ＝７５０℃）に達する寸前を示して
いる。

【００３９】スポット溶接における被溶接材内部の温度
分布の解析には、無次元化した基底を２つ持つ偏微分方
程式を解く必要がある。無次元化温度をθ、各無次元化
方向をτ，ξとすれば、温度分布は式３で表わすことが
できる。

【００４０】

【数３】

【００４１】式３は、境界条件が式４に示すように定め
れば解くことができる。

【００４２】

【数４】

【００４３】式３に示した温度分布を正確に求めるに
は、寸法の関係，冷却水温度の制限，容量，電流密度等
の具体的な数値モデルが必要となる。そこでここでは、
状況を極めて単純化した仮定を用いて、電極チップ間の
被溶接材中の温度上昇（分布の進行）について考察し
た。仮定は次のとおりである。（１）熱伝導は板厚方向
にみであり、（２）電極と被溶接材との接触面の温度は
初期値のままで変化せず、（３）板内の電流密度は均一
であって、（４）溶接中において被溶接材の抵抗値は一
定であるとした。このような仮定のもとでは、被溶接材
の内部の一点の温度θは、式５で表わすことができると
推測される。そして、被溶接材の内部の一点の温度θ
は、図６（ａ）に示した温度推移特性となる。

【００４４】

【数５】

【００４５】図８は被溶接材の板厚方向で強磁性体であ
る部分と常磁性体となった部分とを示す説明図である。
板厚δのうち透磁率が強磁性体である部分をδＦ、常磁
性体となった部分をδｃとすれば、δＦ＋δｃ＋δであ
り、δｃは式６で表わされるので、δＦは式７で表わさ
れることができる。

【００４６】

【数６】

【００４７】

【数７】

【００４８】このとき、自己インダクタンスＬは式８で
表わされるので、共振周波数ｆｒ（Ｈｚ：ヘルツ）は式
９で表わすことができ、共振周波数ｆｒは図９に示すよ
うに変化する。

【００４９】

【数８】

【００５０】

【数９】

【００５１】よって、共振周波数ｆｒ［Ｈｚ］を検出す
ることで、強磁性体である被溶接材の温度推移を追跡で
き、この情報に基づいて溶接電流，溶接電圧，溶接時間
等の各種溶接条件を制御することで、良好な溶接を行な
うことができる。すなわち、所定のサンプリング周期に
おける共振周波数の変化量Δｆの値をフィードバックす
ることで、電流、電圧、時間をシミレーションモデルを
使わずに（熱伝導方程式の有限要素法シミレーションを
使用せずに）、温度分布の指数関数表現にのみ基づいて
簡易な構成で、溶接条件の制御が可能となる。

【００５２】図１０に周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコン
バータ）の一具体例を示す。図１０では３個のＮＰＮ型
トランジスタＱ１〜Ｑ３とその周辺回路部品とからなる
ディスクリート回路構成の例を示した。ＦＩＮは共振周
波数の入力端子、ＶＯＵＴは直流出電圧の出力端子、Ｖ
ＣＣおよびＶＢＢは直流電源供給端子、Ｒ１〜Ｒ７は抵
抗、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサ、Ｄはダイオードである。

【００５３】図１１に周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコン
バータ）の周波数−電圧変換特性を示す。共振周波数ｆ
に比例した出力電圧ＶＯを得ている。図１に示したよう
に、共振周波数ｆを直流電圧に変換して比較演算部４へ
供給する構成にすることで、比較演算部４内で周波数測
定や周波数解析等の処理を行なう必要がなくなり、回路
構成が簡易化できるとともに、比較演算部４内でのソフ
ト処理が簡単になるというメリットがある。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る抵抗
溶接機の溶接条件制御方法および抵抗溶接機の溶接条件
制御装置は、被溶接材である磁性体の溶接部に於ける温
度上昇に起因する溶接中の透磁率値の分布の変化を、各
電極と各電極に並列に接続したコンデンサーとで形成さ
れる共振回路の共振周波数の変化として検出し、さらに
この共振周波数値をＦ−Ｖコンバーター等の周波数−電
圧変換部にて直流電圧値へ変換して、溶接開始時の共振
周波数電圧値、溶接完了共振周波数電圧値とを用いて溶
接電流等の溶接条件をフィードバック制御する構成とし
たので、種々の溶接環境の変化（例えば板厚，電極損
耗，亜鉛メッキ層の分布状況，加圧力の差異等）があっ
ても、確実に高品質な溶接結果を得る事をができる。す
なわち、実際の溶接部の状態変化を磁性体材料の透磁率
分布の変化として（共振回路の共振周波数の変化情報と
して）として検出して、溶接条件（溶接電流や溶接電流
の位相）に反映させて、高精度で高品質の溶接を行なう
ことができる。

【００５５】この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御
方法および抵抗溶接機の溶接条件制御装置は、被溶接材
が磁性体である場合に、溶接中のナゲットの生成状況を
熱伝導シュミレーター等を用いないで、汎用性を持った
手段で監視する事ができ、溶接環境の変化に対応して自
動的に溶接条件を制御変更して確実に所定の高品質なナ
ゲットを生成する事ができる。さらに、溶接電極の消耗
等によって外部要因に変化が生じた場合でも、それは共
振周波数（または周波数−電圧変換部の変換出力ある直
流電圧）の推移する速度として検出されるから、外部要
因を生じさせた原因そのものは不明であっても、その状
況に応じた制御出力値で最適なナゲットの生成状態を制
御していくことができるので、確実かつ高品質な溶接結
果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る抵抗溶接機の溶接条件制御装置
のブロック構成図である。

【図２】この発明に係る抵抗溶接機の溶接制御方法を示
すフローチャートである。

【図３】抵抗溶接中における被溶接材の透磁率の分布を
示す説明図である。

【図４】自己インダクタンス計算に用いた電極電流が作
る磁場の説明図であり、図４（a）は斜視図、図４（b）
はグラフである。

【図５】電流源を持つ共振回路の説明図である。

【図６】図６（ａ）は被溶接材の内部の一点の温度の時
間経過（温度推移特性）を示すグラフ、図６（ｂ）は被
溶接材の内部の一点の温度上昇に伴う透磁率の時間経過
（透磁率推移特性）を示すグラフである。

【図７】被溶接材の温度上昇に伴う共振周波数の変化を
示すグラフである。

【図８】被溶接材の板厚方向で強磁性体である部分と常
磁性体となった部分とを示す説明図である。

【図９】式３に基づく共振周波数の変化特性を示すグラ
フである。

【図１０】周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコンバータ）の
一具体例を示す回路構成図である。

【図１１】図１０に示した周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖ
コンバータ）の周波数−電圧変換特性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 溶接条件設定部 ２ 周波数−電圧変換部（Ｆ−Ｖコンバータ） ３ 電流検出部 ４ 比較演算部 ５ 溶接電源制御部 ６ 溶接電源部 ７ 電極 ８ 被溶接材 ９ コンデンサ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性体材料からなる被溶接材を抵抗溶接
   するための１対の電極間に並列にコンデンサを接続して
   電気的共振回路を形成し、この電気的共振回路の共振周
   波数に基づいてナゲットの生成状況を検出して、溶接条
   件をフィードバック制御することを特徴とする抵抗溶接
   機の溶接条件制御方法。
2. 【請求項２】 前記電気的共振回路の共振周波数と予め
   設定した溶接完了を示す目標周波数とを比較して、溶接
   条件をフィードバック制御することを特徴とする請求項
   １記載の抵抗溶接機の溶接条件制御方法。
3. 【請求項３】 前記溶接完了を示す目標周波数は、被溶
   接材を挿入していない無付加状態で前記電極間を短絡し
   た状態における前記電気的共振回路の共振周波数である
   ことを特徴とする請求項２記載の抵抗溶接機の溶接条件
   制御方法。
4. 【請求項４】 前記電気的共振回路の共振周波数を周波
   数−電圧変換部を介して共振周波数に対応した電圧とし
   て検出し、検出した共振周波数に対応した電圧と予め設
   定した溶接完了を示す目標基準電圧とを比較して、溶接
   条件をフィードバック制御することを特徴とする請求項
   １記載の抵抗溶接機の溶接条件制御方法。
5. 【請求項５】 前記溶接完了を示す目標基準電圧は、被
   溶接材を挿入していない無付加状態で前記電極間を短絡
   した状態における前記電気的共振回路の共振周波数に対
   応した電圧であることを特徴とする請求項４記載の抵抗
   溶接機の溶接条件制御方法。
6. 【請求項６】 磁性体材料からなる被溶接材を抵抗溶接
   するための１対の電極間に並列にコンデンサを接続して
   形成した電気的共振回路と、 前記電気的共振回路の共振周波数を共振周波数に対応す
   る電圧に変換する周波数−電圧変換部と、 前記共振周波数に対応する電圧に基づいてナゲットの生
   成状況を検出して溶接条件をフィードバック制御する溶
   接条件フィードバック制御部とを備えたことを特徴とす
   る抵抗溶接機の溶接条件制御装置。
7. 【請求項７】 前記溶接条件フィードバック制御部は、
   前記周波数−電圧変換部から出力される共振周波数に対
   応する電圧と予め設定した溶接完了を示す目標基準電圧
   とを比較して、溶接条件をフィードバック制御すること
   を特徴とする請求項６記載の抵抗溶接機の溶接条件制御
   装置。
8. 【請求項８】 前記溶接完了を示す目標基準電圧は、被
   溶接材を挿入していない無付加状態で前記電極間を短絡
   した状態における前記電気的共振回路の共振周波数に対
   応した電圧であることを特徴とする請求項７記載の抵抗
   溶接機の溶接条件制御装置。