JP2005296964A

JP2005296964A - フラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置

Info

Publication number: JP2005296964A
Application number: JP2004112850A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ueno; 俊昭上之
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】フラッシュ溶接中に発生するアークを適切に制御し、突合せ端面に形成されるクレータの発生を防止し、端面に一様な溶融層を形成することのできるフラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置を提供する。
【解決手段】溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物１とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、２つの被溶接物間を補償回路６を介して結合し、被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧Ｖ_Dとし、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの差の絶対値（差電圧ΔＶ）が予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときは、補償回路６を通して電流を流すことによって差電圧ΔＶを閾値電圧Ｖ_S以下とすることを特徴とするフラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置に関するものである。

フラッシュ溶接は、２つの被溶接物の突合せ端面を適切な速度で接近させ、局部的な接触部を生じさせることにより、高電流密度の短絡電流により抵抗発熱させ、接触短絡部の溶融破断に伴い発生するアークで局部的集中加熱をさせる。この短絡・アーク、主にアークによって端面の溶融金属が飛散するフラッシングが起こり、このフラッシングによって端面全体の温度を上昇させ（フラッシュ過程）、突合せ端面の全面にほぼ一様な溶融層を形成させた時点で、急速に加圧・変形を加えて溶接部を形成する（アプセット過程）溶接法である。フラッシュ溶接については、例えば非特許文献１に詳しく記載されている。

フラッシュ溶接において、溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合し、両者間に電圧を印加している。フラッシュ過程においては、被溶接物の突合せ端面の一点において被溶接物同士が接触すると、この接触部には高電流密度の短絡電流が流れる。この短絡電流による抵抗発熱で、接触短絡部は急速に加熱されて溶融にいたり、端面間には溶融ブリッジが形成される。次に、溶融ブリッジはそこを流れる短絡電流がもたらすピンチ力によって破断され、アークが発生する。このアーク点孤時に衝撃的な部分的圧力上昇を生じ、周辺のガスや金属蒸気を急膨張させ、付近の溶融金属は吹き飛ばされることになる。その結果、端面には溶融金属が残存するが、一部は金属粒子となって飛散する。これをフラッシングと呼ぶ。

フラッシュ過程において、突合せ端面に一様な溶融層を形成する上で、アーク発熱は主要な働きをしている。一方で、アークはそのアーク力により端面溶融金属を吹き飛ばすので、熱損失をもたらし、かつ溶融金属を過剰に吹き飛ばして端面にクレータを形成することとなる。端面にクレータが形成されると、いわゆるペネトレータと呼ばれる内部欠陥が生じやすいといわれいてる。フラッシュ過程においては、端面は比較的なめらかでかつ端面全面にほぼ均一に溶融層が見られる状態に近づけることが重要で、このようにするには、アークを適切に制御する必要がある。

フラッシュ過程において被溶接物端面接触部の短絡が破れてアークが発生するとき、アークの大きさは、溶接電源出力側と被溶接物との間に形成される二次側の無負荷電圧および電源回路の誘導リアクタンスの影響を受ける。誘導リアクタンスが大きいほど、アーク発生によって形成されるクレータは深くなり、継ぎ手破面で観察される欠陥（フラットスポットなど）の占める面積が増大する傾向にある。

溶接電源として交流電源を用いる場合、図２に示すように、電源回路の誘導リアクタンスは、電源変圧器の誘導リアクタンスＸ_T、および二次側導体の幾何学的配置によって定まる誘導リアクタンスＸ_Cに分けられるが、一般にフラッシュ溶接装置では、電源変圧器の誘導リアクタンスは大きい値であり、これを直接小さな値に改変することは困難である。そのため、二次側導体の幾何学的配置を工夫し、幾何学的配置によって定まる二次導体の誘導リアクタンスＸ_Cを低減することによってアークの適切化が図られているが限度があり、アークの適切化は十分には図られていない。

溶接学会編「溶接・接合便覧」第４２８〜４３４ページ

本発明は、フラッシュ溶接中に発生するアークを適切に制御し、突合せ端面に形成されるクレータの発生を防止し、端面に一様な溶融層を形成することのできるフラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物１とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、２つの被溶接物間を補償回路６を介して結合し、被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧Ｖ_Dとし、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの差の絶対値（以下「差電圧ΔＶ」という。）が予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときは、補償回路６を通して電流を流すことによって差電圧ΔＶを閾値電圧Ｖ_S以下とすることを特徴とするフラッシュ溶接方法。
（２）補償回路６は、差電圧ΔＶが閾値Ｖ_Sを超えたときに導通するスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ溶接方法。
（３）溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、出力側の各端子１６付近とその端子と結合した被溶接物１の溶接側端部付近との間を、補償回路６を介して結合し、補償回路６のスイッチング素子７は、スイッチング素子両端の電圧が予め定めた閾値を超えたときに導通することを特徴とするフラッシュ溶接方法。

（４）溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接装置において、２つの被溶接物間を結合する補償回路６を有し、被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧Ｖ_Dとし、補償回路６は、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの差の絶対値（差電圧ΔＶ）が予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときに電流を流し、これによって差電圧を閾値電圧以下とすることを特徴とするフラッシュ溶接装置。
（５）補償回路６は、差電圧ΔＶが閾値Ｖ_Sを超えたときに導通するスイッチング素子７を有することを特徴とする請求項４に記載のフラッシュ溶接装置。
（６）溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接装置において、前記出力側の各端子１６とその端子と結合した被溶接物１の溶接側端部付近との間を介して結合する補償回路６を有し、補償回路６のスイッチング素子７は、スイッチング素子両端の電圧が予め定めた閾値を超えたときに導通することを特徴とするフラッシュ溶接装置。

本発明のフラッシュ溶接方法及びフラッシュ溶接装置は、溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して形成される溶接回路に補償回路を挿入し、アーク発生時に余剰の電流をこの補償回路を経由して流すことによりアークを適切に制御し、突合せ端面に形成されるクレータの発生を防止し、端面に一様な溶融層を形成することを可能にする。

フラッシュ溶接電源としては交流電源と直流電源とがあり、本発明は交流・直流のいずれの場合にも適用することができる。以下、交流電源を用いた場合を例にとって説明を行う。

フラッシュ溶接装置は、図１に示すように被溶接物１を突合せ状態に設定する固定台１１と移動台１２、および移動台１２を前進させ、かつ被溶接物１に加圧力を加える移動台送り装置１３、電力を供給する溶接変圧器２と通電制御装置９から構成される。

溶接変圧器２の一次コイル３には４４０Ｖ程度の交流電圧が印加され、この結果として溶接変圧器の二次側（二次コイル４）に二次電圧として８Ｖ程度の交流電圧が生成される。被溶接物１を固定台１１と移動台１２にそれぞれ固着するためのクランプ１０が電極を兼ね、２個の被溶接物１をそれぞれ固定台１１と移動台１２に固着した後、被溶接物１に溶接変圧器２の二次電圧が印加される。

本発明の第１の実施の形態においては、図１に示すように、２つの被溶接物（１ａ、１ｂ）間を補償回路６を介して結合する。そして被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧Ｖ_Dとし、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの差の絶対値（差電圧ΔＶ）が予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときは、補償回路６を通して電流を流す。

ここで、上記基準電圧Ｖ_Dとは、無負荷時における二次電圧に等しい電圧である。一方、被溶接物間の短絡電流が破断されたときには、被溶接物間に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に基づいてアークが点孤される。誘導起電力が発生したとき、被溶接物間の電圧は基準電圧と誘導起電力とが足し合わされた電圧となる。即ち、上記差電圧ΔＶが、誘導起電力を意味することとなる。そこで、上記のように差電圧ΔＶが予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときに補償回路６を通して電流を流すようにしてやれば、誘導起電力に起因する電流の一部が補償回路６を通じて流れ、残りの電流が被溶接物間を流れてアークを形成することとなる。そして、これによって差電圧を閾値電圧以下とすれば、アークの強度を閾値電圧で規定される強度以下とすることができ、アークを適切に制御してクレータの生成を防止することができるのである。

基準電圧Ｖ_Dは、溶接変圧器２に一次電圧を供給している一次電源１５において電圧検出手段１７ａによって（無負荷の）一次電圧Ｖ₁を検出し、この一次電圧Ｖ₁に溶接変圧器２の二次電圧と一次電圧との比をかけることによって生成することができる。

次に被溶接物間の電圧Ｖ₂を検出し、基準電圧Ｖ_Dとの差の絶対値（差電圧ΔＶ）を算出する。差電圧ΔＶが予め定めた閾値Ｖ_Sを超えたときに、補償回路６に対して指令を発し、補償回路６を通じて被溶接物間に電流を流す。補償回路６における電流のオン・オフは、スイッチング素子７によることとすると好ましい。このとき補償回路６は、差電圧が閾値を超えたときに導通するスイッチング素子７を有することとなる。被溶接物間に流れる電流は、補償回路６においてスイッチング素子７と直列に接続する抵抗素子８の抵抗値によって調整することができる。抵抗素子８の抵抗値が低いほど、アーク発生時に補償回路６を流れる電流が多くなり、アークの強度が弱くなる。

補償回路内にスイッチング素子７と抵抗素子８との直列回路を２組並列に配置することができる。被溶接物間の電圧と基準電圧との差がプラスで閾値を超えたときに第１のスイッチング素子７ａを導通し、被溶接物間の電圧と基準電圧との差がマイナスでその絶対値が閾値を超えたときに第２のスイッチング素子７ｂを導通するようにすれば、結果として差電圧が閾値を超えたときに補償回路を通して電流を流すことが可能となる。

基準電圧Ｖ_Dの生成、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの対比および差電圧ΔＶの算出、補償回路６のスイッチング素子７への指令などは、フラッシュ溶接装置の通電制御装置９内において行うことができる。

本発明の第２の実施の形態においては、図３（ａ）に示すように、溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、出力側の各端子１６とその端子と結合した被溶接物１の溶接側端部付近との間を、補償回路６を介して結合し、補償回路６のスイッチング素子７は、スイッチング素子両端の電圧が予め定めた閾値を超えたときに導通することを特徴とする。

前述のとおり、溶接電源として交流電源を用いる場合、電源回路の誘導リアクタンスは、溶接変圧器の誘導リアクタンスＸ_T、および二次側導体の幾何学的配置によって定まる二次導体の誘導リアクタンスＸ_Cに分けられる。これら誘導リアクタンスの総合的な効果としてアークの強度および持続時間が定まる。ここにおいて、二次側導体の幾何学的配置によって定まる二次導体の誘導リアクタンスＸ_Cに起因する誘導起電力分のみを低減することによっても、アークを弱めることが可能である。

上記本発明の第２の実施の形態においては、図３（ｂ）に示すように、溶接電源出力側の端子１６ａと被溶接物１ａとの間の二次側導体５が有する誘導リアクタンスＸ_Cａに起因する誘導起電力を補償回路６ａで検出し、この起電力が予め定めた閾値を超えたときに導通するので、二次側導体５ａが有する誘導リアクタンスに起因する誘導起電力に基づく電流が補償回路内に流れ、結果として被溶接物間のアークを弱めることが可能となる。溶接電源出力側の端子１６ｂと被溶接物１ｂとの間の二次側導体５ｂが有する誘導リアクタンスＸ_Cｂに起因する誘導起電力に基づく電流も同様に補償回路６ｂに流れ、結果として被溶接物間のアークを弱めることが可能となる。

第２の実施の形態において、補償回路６のスイッチング素子７としてバリスタを用いることとすると好ましい。バリスタは電圧によって抵抗値が非直線的に変化する抵抗体であり、その特性を適正に選択することにより、バリスタ両端の電圧が上記閾値を超えたときに電流を流す制御を行わせることができる。バリスタの特性が対称性を有するときには各被溶接物毎の補償回路内に１個のバリスタを用いたスイッチング素子を有することとすればよい。バリスタの特性が非対称性である場合には、補償回路内に２個のバリスタを並列に配置することによって対称性を実現することができる。

本発明は、電圧波形が正弦波状の通常の交流電源を用いる場合の他、電源波形が矩形波その他の正弦波以外の波形であっても用いることができる。また、溶接電源として直流電源を用いる場合であっても適用することが可能である。

溶接変圧器の一次電圧が４４０Ｖ、二次電圧が１３Ｖの溶接変圧器を用いるフラッシュ溶接装置において、本発明を適用した。フラッシュ溶接装置は、被溶接物を突合せ状態に設定する固定台と移動台、および移動台を前進させ、かつ被溶接物に加圧力を加える移動台送り装置、電力を供給する溶接変圧器と通電制御装置から構成される。溶接変圧器の二次側端子とクランプとが結線されており、被溶接物をクランプで固着することによって２つの二次側端子と２個の被溶接物とがそれぞれ結線される。

（実施例１）
図１に示すように、２つの被溶接物１間を補償回路６を介して結合する本発明を実施した。

補償回路６は、スイッチング素子７と抵抗素子８との直列回路を２組並列に配置している。スイッチング素子７としてはＩＧＢＴ素子を用いた。抵抗素子８の抵抗値は、溶接後の被溶接部の曲げ試験結果が最良になる様に定める。補償回路６の両端を２つの被溶接物１にそれぞれ接続する。接続場所は被溶接物が溶接時に軟化する範囲の外側でできるだけ両端の接続点の距離が小さい所とした。

スイッチング素子７のオンオフは、通電制御装置９からの指令によってなされる。通電制御装置においては、まず基準電圧Ｖ_Dを生成する。基準電圧Ｖ_Dは、溶接変圧器２に一次電圧を供給している電源と同じ一次電源１５において無負荷状態における一次電圧Ｖ₁を電圧検出手段１７ａによって検出し、この一次電圧Ｖ₁に溶接変圧器の二次電圧と一次電圧との比をかけることによって生成する。一次電圧波形を溶接変圧器の巻き数比αを割ることによって基準電圧を定めることもできる。被溶接物間の電圧Ｖ₂を、被溶接物に接続した補償回路の両端電圧として電圧検出手段１７ｂによって検出する。次に、被溶接物間の電圧Ｖ₂と基準電圧Ｖ_Dとの差を検出し、差の値がプラスで閾値Ｖ_Sを超えたときに第１のスイッチング素子７ａを導通し、被溶接物間の電圧と基準電圧との差がマイナスでその絶対値が閾値を超えたときに第２のスイッチング素子７ｂを導通するように、通電制御装置９からスイッチング素子７にオン・オフ指令２０を発する。これにより、差電圧ΔＶ（被溶接物間の電圧と基準電圧との差の絶対値）が閾値Ｖ_Sを超えたときに補償回路６を通して電流を流すことができる。なお、閾値電圧Ｖ_Sを３Ｖとした。

これにより、差電圧が閾値電圧を超えるアーク発生時に、電流の一部を補償回路側に流すことにより、差電圧を閾値電圧以下とすることができる。結果を図４に示す。図４は、横軸が時間、縦軸が被溶接物間の電圧を示す。アークが生成された２ヶ所（図中○印）の時間において、被溶接物間のピーク電圧が基準電圧＋３Ｖ以下に収まっていることがわかる。

この結果、溶接中のフラッシュ過程において突合せ端面にクレータが形成されず、端面に一様な溶融層を形成することができた。

（実施例２）
図３（ａ）に示すように、出力側の各端子とその端子と結合した被溶接物の溶接側端部付近との間を、補償回路６を介して結合する本発明を実施した。

補償回路６はスイッチング素子７と抵抗素子８との直列回路とし、スイッチング素子７としてバリスタを使用した。バリスタの導通電圧が１．５Ｖのものを使用した。補償回路６は、溶接変圧器２の二次側端子１６と被溶接物１との間に接続し、２個の二次側端子と２個の被溶接物の双方にそれぞれ補償回路６を接続した。非溶接部側における接続場所は、被溶接物が溶接時に軟化する範囲の外側でできるだけ両端の接続点の距離が小さい所とした。

これにより、アーク発生時において、溶接変圧器の二次側端子１６と被溶接物１との間の二次導体５の部分で発生する１．５Ｖ以上の誘導起電力については、その誘導起電力に起因する電流は補償回路６を流れることとなり、非溶接物間で発生するアークを弱めることができた。結果を図５に示す。図５は、横軸が時間、縦軸が被溶接物間の電圧を示す。アークが生成された２ヶ所（図中○印）の時間において、被溶接物間のピーク電圧が基準電圧＋３Ｖ以下に収まっていることがわかる。

本発明の補償回路を有するフラッシュ溶接装置を示す概略図である。フラッシュ溶接装置の回路が有するリアクタンスを示す概略図である。本発明の補償回路を有するフラッシュ溶接装置を示す図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は回路図である。本発明適用時における被溶接物間の電圧の時間変化を示す図である。本発明適用時における被溶接物間の電圧の時間変化を示す図である。

符号の説明

１被溶接物
２溶接変圧器
３一次コイル
４二次コイル
５二次導体
６補償回路
７スイッチング素子
８抵抗素子
９通電制御装置
１０クランプ
１１固定台
１２移動台
１３移動台送り装置
１５一次電源
１６端子
１７電圧検出手段
２０オン・オフ指令
Ｖ_D 基準電圧
Ｖ₁ 一次電圧
Ｖ₂ 被溶接物間電圧
ΔＶ差電圧
Ｖ_S 閾値電圧
Ｘ_T 溶接変圧器の誘導リアクタンス
Ｒ_T 溶接変圧器の純抵抗
Ｘ_C 二次導体の誘導リアクタンス
Ｒ_C 二次導体の純抵抗
ＲＬ被溶接物の純抵抗

Claims

溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、２つの被溶接物間を補償回路を介して結合し、被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧とし、被溶接物間の電圧と基準電圧との差の絶対値（以下「差電圧」という。）が予め定めた閾値を超えたときは、補償回路を通して電流を流すことによって差電圧を閾値電圧以下とすることを特徴とするフラッシュ溶接方法。
前記補償回路は、前記差電圧が閾値を超えたときに導通するスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１に記載のフラッシュ溶接方法。
溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接方法において、前記出力側の各端子とその端子と結合した被溶接物の溶接側端部付近との間を、補償回路を介して結合し、該補償回路のスイッチング素子は、スイッチング素子両端の電圧が予め定めた閾値を超えたときに導通することを特徴とするフラッシュ溶接方法。
溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接装置において、２つの被溶接物間を結合する補償回路を有し、被溶接物間に印加する出力電圧と同じ位相を有し無負荷時と同じ電圧波形の電圧を基準電圧とし、前記補償回路は、被溶接物間の電圧と基準電圧との差の絶対値（差電圧）が予め定めた閾値を超えたときに電流を流し、これによって差電圧を閾値電圧以下とすることを特徴とするフラッシュ溶接装置。
前記補償回路は、前記差電圧が閾値を超えたときに導通するスイッチング素子を有することを特徴とする請求項４に記載のフラッシュ溶接装置。
溶接電源出力側の２端子を２つの被溶接物とそれぞれ結合して２つの被溶接物間をフラッシュ溶接するフラッシュ溶接装置において、前記出力側の各端子とその端子と結合した被溶接物の溶接側端部付近との間を介して結合する補償回路を有し、該補償回路のスイッチング素子は、スイッチング素子両端の電圧が予め定めた閾値を超えたときに導通することを特徴とするフラッシュ溶接装置。