JP2007075843A - スポット溶接モニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 重ね合わせた板材の厚み、材質、枚数等によらず、ナゲット径を精度よく予測することができるスポット溶接モニタリング方法を提供する。
【解決手段】 溶接電流及び溶接電圧を含む溶接パラメータと各鋼板Ｘｎの材質ＴＳｎと板厚ｈｎとに基づいて鋼板Ｘｎ毎の通電路Ｙｎの通電径ｄｎ及び平均温度を算出し、これら鋼板Ｘｎ毎の通電路Ｙｎの通電径ｄｎ及び平均温度を用いて鋼板接触面の通電径ｄｎ，ｎ＋１及び平均温度を算出し、該板材接触面の平均温度及び通電径ｄｎ，ｎ＋１に基づいて各鋼板の溶接部のナゲット径を予測する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、スポット溶接により形成されるナゲット径のモニタリング方法に関し、スポット溶接技術の分野に属する。

スポット溶接の品質は、主として板材間に適切な径のナゲットが形成されたか否かにより判定され、その判定は従来たがね試験等により行われていたが、このたがね試験は物品の破壊を伴い、大きな労力を要するので、近年、スポット溶接時の種々のパラメータに基づいてナゲット径を予測する場合がある。例えば特許文献１には、溶接時における重ね合せた板材と一対の電極との接触面間の体積（目標体積）内の平均温度を算出し、この平均温度に基づいてナゲット径を予測するものが開示されている。これによれば、スポット溶接の品質判定のために物品破壊を伴うたがね試験を行う必要がなくなる。

特表２００４−５１０５８３号公報

ところで、特許文献１に記載のものは、前述したように、重ね合わせた板材の目標体積内の平均温度を算出するものであるが、板材内の板厚方向の実温度分布は表面側ほど低くなっているので、重ね合わせた板材の厚みの合計が同じでも、構成する板材の厚みおよび材質が異なると、板材同士の接触面の温度が異なることとなり、この結果、実際に形成されるナゲット径と予測したナゲット径とに乖離が生じやすい。また、スポット溶接の態様としては、異なる材質でなる板材の接合、３枚以上の板材の接合、これらの組合せ等、様々な溶接態様が想定されるが、このような場合、如何にナゲット径を予測すればよいかという課題がある。

そこで、本発明は、板材の厚み、材質、枚数等によらず、ナゲット径を精度よく予測することができるスポット溶接モニタリング方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、重ね合わせた板材に抵抗スポット溶接を施す際の溶接部のナゲット径のモニタリング方法であって、溶接電流及び溶接電圧を含む溶接パラメータと各板材の材質と板厚とに基づいて板材毎の通電路の通電径及び平均温度を算出し、これら板材毎の通電路の通電径及び平均温度を用いて板材接触面の通電径及び平均温度を算出し、該板材接触面の平均温度及び通電径に基づいて各板材の溶接部のナゲット径を予測することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、ナゲット径の予測は、前記板材接触面の平均温度及び通電径を所定の関数に代入して算出することにより行うことを特徴とする。

そして、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または請求項２に記載の発明において、予測したナゲット径と予め定められた基準ナゲット径とを比較することにより溶接の良否判定を行うことを特徴とする。

次に、本発明の効果について説明する。

まず、請求項１に記載の発明によれば、重ね合わせた板材に抵抗スポット溶接を施す際の溶接部のナゲット径の予測に際して、溶接電流及び溶接電圧を含む溶接パラメータと各板材の材質と板厚とに基づいて板材毎の通電路の通電径及び平均温度が算出され、これら板材毎の通電路の通電径及び平均温度を用いて板材接触面の通電径及び平均温度が算出され、該板材接触面の平均温度及び通電径に基づいて各板材の溶接部のナゲット径が予測される。したがって、材質、板厚比や板枚数等の条件が変った場合でも、それに応じたナゲット径が予測されることとなり、ナゲット径の予測精度が向上する。

また、請求項２に記載の発明によれば、、ナゲット径の予測は、前記板材接触面の平均温度及び通電径を所定の関数に代入して算出することにより行われるが、その場合に、その関数として簡易な関数を用いれば、例えばスーパコンピュータ等の高処理能力の計算機を用いることなくパソコン等により迅速かつ容易にナゲット径を予測できると共に、一次関数を用いる場合と比較して予測精度が向上する。

そして、請求項３に記載の発明によれば、予測したナゲット径と予め定められた基準ナゲット径とに基づいて溶接結果の良否判定を行うので、該良否判定結果に応じて、例えば良品と不良品との仕分け等の適切な対応を自動的に行うことができるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明に係るスポット溶接モニタリング方法を用いるスポット溶接システムの構成を示している。このスポット溶接システム１は、ロボットアーム２の先端部に一対の電極３ａ，３ｂを有する溶接ガン４と、電極３ａ，３ｂへの通電を制御する溶接制御盤５とを有し、重ねあわされた複数の鋼板Ｘ１…Ｘｎを電極３ａ，３ｂで圧接しつつ通電することによりスポット溶接を行うものである。溶接ガン４には、各電極３ａ，３ｂ間の電圧Ｖを検出する電圧センサが備えられており、溶接電流を検出する電流センサを備えた溶接制御盤５に接続されている。溶接制御盤５は、一溶接部位につき所定回数間欠的に通電すると共に、前記電流センサで検出された電流値に基づいて通電電流が所定電流Ｉとなるように制御する。また、本スポット溶接システム１には、溶接監視ＰＣ６が備えられており、ネットワーク７を介して溶接制御盤５に接続され、該制御盤５から前記電圧センサ及び電流センサで検出された電圧及び電流に関するデータを取り込んで溶接状態をモニタリング可能に構成されている。また、ネットワーク７を介して溶接ライン制御用のライン制御盤８に接続され、車種情報等のデータを取り込み可能に構成されている。また、溶接監視ＰＣ６は、板強度（材質）、板厚等のデータをキーボード等の入力手段を介して設定可能とされており、前記複数のデータに基づいて後述する溶接品質判定を実行可能に構成されている。

次に、溶接監視ＰＣ６によるスポット溶接状態のモニタリングについて、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１で、各鋼板Ｘｎの板強度ＴＳｎ、溶接部位における板厚ｈｎ、鋼板接触面におけるナゲット径基準値（判定基準値）を入力手段により溶接監視ＰＣ６に設定する。なお、各パラメータにおける添字ｎは、複数枚の鋼板Ｘ１…Ｘｎの表面側からｎ枚目の鋼板についてのものということを意味する。以後、新たに登場するパラメータについても同様である。

次いで、ステップＳ２で、溶接制御盤５より通電時間、溶接電流Ｉ（前記所定電流Ｉ）等のデータを受け取る。

次いで、ステップＳ３で、モニターされた電極３ａ，３ｂ間の電圧Ｖと前記溶接電流Ｉとに基づいて数式１により電極３ａ，３ｂ間の抵抗値Ｒを算出する。なお、このステップＳ３からステップＳ１０までは、ステップＳ１１で、前記所定回数の通電における最終の通電が行われたと判定されるまで繰り返し行われる。

次いで、ステップＳ４で、各鋼板Ｘｎについて、現在の比抵抗ρｎを数式２により算出する。なお、この数式２は、鋼板の材質が一般的な鉄の場合のものであり、温度毎に設定される。

なお、Ｔは、後述する各鋼板Ｘｎの平均温度Ｔｎで、第１通電サイクルにおいては初期値として６００℃が用いられ、第２通電サイクル以後においては前通電サイクルにおける平均温度Ｔｎが用いられる。

そして、該比抵抗ρｎを用いて数式３により各鋼板Ｘｎの抵抗値Ｒｎを算出する。

なお、ＴＳｎは各鋼板Ｘｎの板強度、ｈｎは、図３（３枚の鋼板を重ね合わせた場合について例示している）に示すように各鋼板Ｘｎの通電路の長さ（各鋼板の板厚）である。板強度ＴＳｎは、鋼板の材質に関連するものであり、鋼板の炭素当量をパラメータとする関数を用いて算出される。

次いで、ステップＳ５で、各鋼板Ｘｎの通電面積Ｓｎを数式４により算出すると共に、各鋼板Ｘｎの通電径ｄｎを数式５により算出する。すなわち、本実施の形態においては、前述の図３及び図４（鋼板が２枚の場合について例示）に示すように、各鋼板Ｘｎ毎に円柱状の通電路Ｙｎを定義して、それぞれ通電面積Ｓｎ及び通電径ｄｎを算出するようにしている。

次いで、ステップＳ６で、溶接中にチリが発生したか否かを判定する。なお、このチリ発生の有無は、今回算出した電極３ａ，３ｂ間の抵抗値Ｒが前通電サイクルにおいて算出した抵抗値Ｒよりも１５％以上減少したか否かにより判定する。そして、チリが発生した場合は、ステップＳ７で、数式６により各鋼板Ｘｎの板厚ｈｎを補正し、ステップＳ４以後を再度実行する。なお、この再度実行の際においては、ステップＳ６の判定はスルーし、次のステップＳ８を実行する。

なお、Ｒｎ，ｔ−１は、前通電サイクルにおいて算出された各鋼板Ｘｎの抵抗値である。

これに対し、チリが発生していない場合は、ステップＳ８で、各鋼板Ｘｎの平均温度Ｔｎを算出する。まず、その基本原理から説明すると、前記図３に示すように、鋼板Ｘｎに通電すると、各鋼板Ｘｎは通電路Ｙｎの電気抵抗により発熱（Ｑａ）すると共に、この熱は時間の経過と共に電極３ａ，３ｂ方向に放熱（Ｑｂ）し、かつ通電路Ｙｎから外周方向へ放熱（Ｑｃ）し、したがって、各鋼板Ｘｎの通電路Ｙｎには、通電時、Ｑｎ＝Ｑａｎ＋Ｑｂｎ＋Ｑｃｎの熱が蓄熱されることとなる。ここで、この抵抗発熱量Ｑａｎ、各鋼板から電極３ａ，３ｂ方向への放熱量Ｑｂｎ、及び各鋼板Ｘｎの通電路から外周方向への放熱量Ｑｃｎは、数式７，８，９により算出する。なお、電極３ａ，３ｂは、鋼板Ｘｎと比較して電気抵抗が非常に小さくかつ熱伝導率が非常に大きいので、通電による電極３ａ，３ｂ自体の発熱は無視する。また、鋼板Ｘｎ同士の接触抵抗は、通電初期にほとんど消失するので鋼板Ｘｎの抵抗Ｒｎに含めて考える。また、電極３ａ，３ｂと鋼板Ｘｎとの接触抵抗は、鋼板同士の接触抵抗と比較して非常に小さいので無視する。

なお、ｔは通電時間である。

なお、Ｋｆｎは各鋼板Ｘｎの熱伝導率、Ｋｅｎは電極３ａ，３ｂの熱伝導率である。

そして、これらの熱量Ｑａｎ，Ｑｂｎ，Ｑｃｎによる各鋼板Ｘｎの温度上昇量Ｔａｎ，Ｔｂｎ，Ｔｃｎを数式１０，１１，１２により算出し、さらにこれらの温度上昇量Ｔａｎ，Ｔｂｎ，Ｔｃｎを用いて数式１３により各鋼板Ｘｎの平均温度Ｔｎを算出する。なお、数式においては、Ｔａｎ，Ｔｂｎ，Ｔｃｎの上部に−がそれぞれ付されているが、文章中においては省略するものとする。以後、他のものについても同様とする。

なお、数式１０〜１２におけるＣｎは各鋼板Ｘｎの比熱、σｎは各鋼板Ｘｎの比重、Ｖｎは各鋼板Ｘｎの通電体積であり、数式１３におけるＴｎ，ｔ−１は前通電サイクルにおいてこの数式１２により算出された鋼板Ｘｎの平均温度、Ａは熱伝導外放熱率である。なお、この熱伝導外放熱率Ａは、例えば１０％に設定されている。

次いで、ステップＳ９で、各鋼板Ｘｎ同士の接触面における平均温度Ｔｎ，ｎ＋１を数式１４により算出すると共に、各鋼板Ｘｎ同士の接触面における通電径ｄｎ，ｎ＋１を数式１５により算出する。すなわち、ナゲット径の規定位置における平均温度及び通電径を算出するわけである。なお、最も外面側の鋼板Ｘｎと電極３ａ，３ｂとの接触面の平均温度は、この鋼板Ｘｎの平均温度の１／２とし、計算上１０００℃を超えた場合は１０００℃とする。なお、この１０００℃という値は、電極３ａ，３ｂの素材である銅の融点１０８４．５℃より若干低い値に設定している。

なお、Ｗは互いに接触する鋼板Ｘｎの平均温度Ｔｎのうち高い方の値、Ｘは低い方の値、Ｂは中立温度比率である。なお、この中立温度比率Ｂは０．５に設定しているが、実際の溶接環境や溶接結果等に基づいて適宜変更することが可能である。

なお、Ｙは互いに接触する鋼板Ｘｎの通電径ｄｎのうち大きい方の値、Ｚは小さい方の値、Ｅは位置比率である。なお、この位置比率Ｂは０．７５に設定しているが、実際の溶接環境や溶接結果等に基づいて適宜変更することが可能である。

次いで、ステップＳ１０で、各鋼板接触面における溶融径Ｄｎ，ｎ＋１を、前記鋼板接触面の通電径ｄｎ，ｎ＋１及び平均温度Ｔｎ，ｎ＋１を２次関数を用いた数式１６により算出する（図５の説明図を参照）。

なお、Ｔｍは鋼板Ｘｎの溶融温度であり、一般的な鉄の融点である１５３５℃を用いる。鋼板Ｘｎの材質が異なると、実際の溶融温度は異なることとなるが、ナゲット径算出上の影響は軽微であるため、材質にかかわらず上記数値を用いることとする。つまり、溶融温度Ｔｍ以上となっている部分を溶融している範囲とみなし、溶融径Ｄｎ，ｎ＋１とする。Ｆは、通電径外周温度比率であり、鋼板接触面の通電径位置（通電径ｄｎ，ｎ＋１の位置）における温度（Ｔｎ，ｎ＋１×Ｆ）を、鋼板接触面の平均温度Ｔｎ，ｎ＋１を基準として仮定するための係数である。なお、本実施の形態においては、この通電径外周温度比率Ｆは、１／２に設定されており、鋼板接触面の通電径位置（通電径ｄｎ，ｎ＋１の位置）における温度（Ｔｎ，ｎ＋１×Ｆ）は、鋼板接触面の平均温度Ｔｎ，ｎ＋１の１／２となる。なお、算出した溶融径Ｄｎ，ｎ＋１が通電径ｄｎ，ｎ＋１を超えている場合は、通電径ｄｎ，ｎ＋１を溶融径Ｄｎ，ｎ＋１とする。ここで、鋼板が３枚の場合の鋼板及び鋼板接触面の温度分布について図示すると、例えば、図６のようになる。

次いで、ステップＳ１１で、現通電サイクルが最終通電サイクルか否かを判定し、最終通電サイクルでないとき（ＮＯ）は、ステップＳ３以後を繰り返し、最終通電サイクルのとき（ＹＥＳ）は、ステップＳ１２で、各通電サイクルにおいて算出された溶融径Ｄｎ，ｎ＋１のうち最大の径を各鋼板接触面におけるナゲット径計算値ＮＤとし、前記各ステップにおいて考慮されていない外乱要素等を考慮するために、該計算値ＮＤを数式１７に示す関数式にあてはめることにより補正して最終補正予測値ＮＤｏｕｔを算出する。

なお、ａは調整係数、ｂは調整切片であり、ナゲット径の実測結果等に基づいて定められ、この式を図としてあらわすと図７に示すようになる。

次いで、ステップＳ１３で、予測ナゲット径ＮＤｏｕｔが予め定められた基準ナゲット径以上か否かを判定することにより、スポット溶接の品質の良否を判定する。そして、品質が良の場合は、ステップＳ１４で、判定結果及び前記各種データを溶接監視ＰＣ６の記憶装置に保存する。一方、品質が不良の場合は、ステップＳ１５で、溶接監視ＰＣ６のディスプレー上に異常である旨を表示すると共に、例えばプリンタ等に出力し、かつ溶接監視ＰＣ６の記憶装置に異常データとして保存する。

以上のように本実施の形態によれば、複数の鋼板Ｘｎのそれぞれについて板強度ＴＳｎと板厚ｈｎ等を考慮してスポット溶接時の平均温度Ｔｎを算出すると共に、該平均温度Ｔｎに基づいて鋼板接触面の平均温度Ｔｎ，ｎ＋１を算出し、これに基づいてナゲット径ＮＤｏｕｔを予測するので、材質、板厚比や板枚数等の条件が変った場合でもそれに応じたナゲット径ＮＤｏｕｔが予測されることとなり、予測精度が向上する。

また、ナゲット径ＮＤｏｕｔを、複雑な関数によらず、所定の簡易な関数（数式１６）により算出するので、例えばスーパコンピュータ等の高処理能力の計算機を用いることなくパソコン等により迅速かつ容易に予測できると共に、例えば一次関数を用いる場合と比較して予測精度が向上する。

そして、予測したナゲット径ＮＤｏｕｔと予め定められた基準ナゲット径とに基づいて溶接結果の良否判定を行うので、該良否判定結果に応じて、例えば良品と不良品との仕分け等の適切な対応を自動的に行うことができるようになる。

さらに、各鋼板Ｘｎの材質に応じて、各鋼板Ｘｎ毎の通電路Ｙｎの平均温度Ｔｎ、通電径ｄｎ、ナゲット径ＮＤｏｕｔをより精度よく予測することができる。

ここで、本実施の形態と特許請求の範囲との対応について説明する。まず、特許請求の範囲の請求項１における「溶接電流及び溶接電圧を含む溶接パラメータと各板材の材質と板厚とに基づいて板材毎の通電路の通電径及び平均温度を算出」はステップＳ３〜Ｓ８に対応し、「これら板材毎の通電路の通電径及び平均温度を用いて板材接触面の通電径及び平均温度を算出」はステップＳ９に対応し、「該板材接触面の平均温度及び通電径に基づいて各板材の溶接部のナゲット径を予測」はステップＳ１０〜Ｓ１２に対応する。また、請求項３に「予測したナゲット径と基準ナゲット径とに基づいて溶接の良否判定を行う」はステップＳ１３に対応する。

なお、本実施の形態においては、ステップＳ１３で品質不良と判定された場合、ステップＳ１５で異常表示出力を行うようにしたが、第１の他の例として、例えば、図８に示すように、ステップＳ１３′で品質不良と判定された場合、溶接監視ＰＣ６から溶接制御盤５に、溶接実施指令を送出すると共に、ステップＳ３以後の制御を再度実行するようにしてもよい。これによれば、ステップＳ１３′で品質良と判定されるまで、溶接作業が自動的に繰り返されることとなる。なお、この場合、無限ループとならないように、繰り返し回数を制限してもよい。

また、第２の他の例として、図示は省略するが、第１の他の例において、ステップＳ３以後を繰り返す際に、ステップＳ１１を省略して、１通電サイクル実行毎に、ステップＳ１３′で品質判定を行ってもよい。これによれば、鋼板の温度上昇過多によるチリの発生を抑制することができる。

本発明は、スポット溶接技術に広く適用することができる。

本発明に係るスポット溶接方法が適用されたスポット溶接装置の構成図である。 本スポット溶接方法によるナゲット径の予測フローを示すフローチャートの一例である。 本スポット溶接方法によるナゲット径予測の説明図である（その１）。 同ナゲット径予測の説明図である（その２）。 同ナゲット径予測の説明図である（その３）。 同ナゲット径予測の説明図である（その４）。 同ナゲット径予測の説明図である（その５）。 他の例に係るフローチャートである。

符号の説明

１ スポット溶接システム
３ａ，３ｂ 電極
４ 溶接ロボット
６ 溶接監視ＰＣ
Ｉ 溶接電流
Ｖ 溶接電圧
ｄｎ 鋼板の通電路の通電径
ｄｎ，ｎ＋１ 鋼板接触面の通電径
ｈｎ 通電路の長さ（板厚）
ＮＤｏｕｔ ナゲット径
Ｔｎ 鋼板の通電路の平均温度
Ｔｎ，ｎ＋１ 鋼板接触面の平均温度
ＴＳｎ 板材の材質のパラメータ
Ｘｎ 鋼板（板材）
ρｎ 比抵抗

Claims (3)

1. 重ね合わせた板材に抵抗スポット溶接を施す際の溶接部のナゲット径のモニタリング方法であって、
   溶接電流及び溶接電圧を含む溶接パラメータと各板材の材質と板厚とに基づいて板材毎の通電路の通電径及び平均温度を算出し、
   これら板材毎の通電路の通電径及び平均温度を用いて板材接触面の通電径及び平均温度を算出し、
   該板材接触面の平均温度及び通電径に基づいて各板材の溶接部のナゲット径を予測することを特徴とするスポット溶接モニタリング方法。
2. 請求項１に記載のスポット溶接モニタリング方法であって、
   ナゲット径の予測は、前記板材接触面の平均温度及び通電径を所定の関数に代入して算出することにより行うことを特徴とするスポット溶接モニタリング方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のスポット溶接モニタリング方法であって、
   予測したナゲット径と予め定められた基準ナゲット径とを比較することにより溶接の良否判定を行うことを特徴とするスポット溶接モニタリング方法。
   

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