JP2010149143A - 抵抗溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３枚重ねの被溶接材を抵抗溶接するときに、チリの発生しない状態ですべての被溶接材のナゲット径を適正範囲内で形成すること。
【解決手段】溶接中の瞬時電力値が電力設定値Ｐｒと等しくなるように定電力制御しながら溶接する抵抗溶接制御方法において、上記の電力設定値Ｐｒを、予め定めた電力目標パターンに従って溶接経過時間ｔに伴って変化する値とする。この電力目標パターンは、溶接開始時点で初期値Ｐｓとなり、その後は次第に大きくなり第１溶接経過時間Ｔ１で第１ピーク値Ｐｐ１となり、その後は次第に小さくなり第２溶接経過時間Ｔ２でベース値Ｐｂとなり、その後は次第に大きくなり溶接終了時点Ｔｅで第２ピーク値Ｐｐ２となるパターンである。第１ピーク値Ｐｐ１によって各ナゲット径を略等しくすることができ、ベース値Ｐｂによって過剰な入熱を抑制してチリの発生を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、溶接中に定電力制御を行うことによってチリの発生を抑制しながら適正ナゲット径を形成することができる抵抗溶接制御方法に関するものである。

複数枚重ねた被溶接材を一対の電極によって加圧・通電して溶接する抵抗溶接において、溶接部の良好な品質を得るためには、チリの発生を抑制しながらナゲット径が適正範囲内で形成されることが重要である。一般的に、抵抗溶接には定電流の交流又は直流の溶接電流が使用される。すなわち、少なくとも１回の溶接中の溶接電流値は一定値である。溶接電流が交流であるときは実効値が一定であることを意味している。ナゲット径は、溶接電流値、溶接時間、電極形状、加圧力等の溶接条件によって定まる。したがって、適正なナゲット径を形成するためには、被溶接材の材質、板厚、重ね枚数等の被溶接材条件に応じて上記の溶接条件を適正値に設定する必要がある。

［従来技術１（例えば、特許文献１参照）］
抵抗溶接では、自動車ボディのように１つのワークに数多くの溶接個所があり、そして次々と流れてくるワークを溶接するケースが多い。このときに、各溶接個所の被溶接材の材質、板厚、重ね枚数等の被溶接材条件が同一であれば、溶接電流値、溶接時間、電極形状、加圧力等の溶接条件も同一になる。そして、この状態で数百〜数千個所の溶接を行うことが多い。連続した溶接中において、電極の被溶接材接触面が次第に磨耗して接触面積が初期状態よりも広くなる。接触面積が広くなった状態で同一値の溶接電流を通電すると、被溶接材を通電する電流密度が低くなり溶接部の温度上昇が低くなるために、ナゲット径が小さくなる。このために、電極の磨耗が著しく進行した場合には、電極の研磨又は交換を行う必要がある。この研磨又は交換を行う間隔は、溶接条件等によって異なるが数百〜数千回の溶接ごとである。この研磨又は交換後の溶接の繰り返しに伴って電極の磨耗は徐々に進行する。このために、予め定めた回数の溶接を行うと溶接電流値を増加させて、電極磨耗による電流密度の低下を補償する機能（ステッパー機能）を装備した抵抗溶接装置が従来から使用されている。このステッパー機能は、溶接回数が増加するのに伴い、溶接電流値を階段状又は直線状に増加させるものである。この溶接電流値の増加パターンは、被溶接材条件に応じて予め試験によって設定しておく。

［従来技術２（例えば、特許文献２参照）］
上述した電極磨耗の進行に伴うナゲット径の減少を保証する方法として、溶接中を定電力制御する方法が慣用されている。この定電力制御は、溶接中の溶接電流及び溶接電圧（電極間電圧）を検出し、両値を乗算して瞬時電力値を算出し、この瞬時電力値が予め定めた電力設定値と等しくなるように抵抗溶接装置の出力を制御するものである。定電流制御では、電極磨耗が進行して接触面積が広くなると、電極間抵抗値が小さくなり発熱量が減少してナゲット径が小さくなる。これに対して、定電力制御では、電極磨耗が進行して接触面積が広くなり電極間抵抗値が小さくなっても、被溶接材への入熱量は瞬時電力値が一定であるので一定となり、ナゲット径が小さくなることを抑制することができる。

［従来技術３（例えば、特許文献３参照）］
被溶接材が３枚重ねである場合には、上述した従来技術１及び２の方法では、チリの発生を抑制しながら適正なナゲット径を形成することが難しい場合がある。以下の説明においては、３枚以上重ねたワークについて、最も上側の被溶接材を上板と呼び、間に挟まれた被溶接材を中板と呼び、最も下側の被溶接材を下板と呼ぶことにする。従来技術１及び２によって良好な溶接品質を得ることが難しい場合とは、上板及び／又は下板が中板よりも薄い鋼板である場合である。このような３枚重ねの被溶接材を抵抗溶接すると、形成されるナゲットは、重ねの中心部（上板の板厚＋中板の板厚＋下板の板厚／２）で最もそのナゲット径が大きくなり、上板及びした板の表面に近づくほどそのナゲット径は小さくなる。特に、上板又は下板が中板よりも薄い鋼板であるときはこの傾向が顕著になる。これは、上板及び下板は薄い鋼板であり、かつ、外側に配置されているために熱が外部に逃げやすいが、重ね中心部では、中板は厚い鋼板であり、かつ、上板と下板に挟まれて熱が周辺に逃げにくいためである。このために、上板、重ね中心部及び下板のナゲット径を全て適正範囲に形成するためには、定電流制御では溶接電流値を定電力制御では瞬時電力値を増大させる必要がある。しかし、このようにすると、ナゲット径は適正範囲内に形成されるが、重ね中心部への入熱が過剰となるために重ね中心部からチリが発生することになる。

図４は、上述した問題を解決するための方法を示す電流通電パターン図である。同図の横軸は１回の溶接における経過時間ｔ（cyc）を示し、縦軸は溶接電流値Ｉｗ（kA）を示す。溶接経過時間ｔは、慣習により商用電源の１周期（１／５０又は１／６０）を１サイクル（cyc）として表している。同図に示すように、溶接開始時点から予め定めた初期期間Ｔｓまでは、定常値Ｉｃよりも大きな値の初期電流Ｉｓを通電し、それ以降は定常溶接電流Ｉｃを通電する。このような階段状の溶接電流Ｉｗを通電することによって、３枚重ねの被溶接材に対しても、チリの発生を抑制しながら全てのナゲット径を適正範囲内に形成することができる。この理由は、以下のとおりである。すなわち、定常値よりも大きな値の初期電流Ｉｓを通電することによって、上板及び下板のナゲット径が小さくなるのを防止し、かつ、初期電流Ｉｓよりも小さな定常電流Ｉｃを通電することによって重ね中心部への過剰な入熱を抑制してチリの発生を抑制しているためである。同図において、初期期間Ｔｓ及び初期電流値Ｉｓの設定は、被溶接材条件に応じて適正化することになる。

特開昭５４−１５０３３８号公報 特開平１１−１０４８４７号公報 特開２００６−１８１６２１号公報

上板及び／又は下板が中板よりも薄い鋼板である３枚の被溶接材を重ねて抵抗溶接を行う場合には、上述した従来技術３の方法によって、チリの発生を抑制しながら全ての被溶接材のナゲット径を適正範囲内に形成することができる。しかし、図４の電流通電パターンで溶接を繰り返した場合、電極磨耗の進行に伴い接触面積が広くなりナゲット径が次第に小さくなってくる。これを解決するためには、上述した従来技術１のように、初期電流Ｉｓ及び定常電流Ｉｃの両値を、溶接回数に応じて増大させる必要が生じる。しかしながら、電極磨耗の進行状態は一様ではなくバラツキを伴うために、予め定めた電流増加パターンが常に適正であるとは限らない。このために、電極磨耗の進行状態のバラツキに影響されずに適正範囲のナゲット径を形成するために、上記の電流増加パターンを電流値が大きくなる方向に裕度を持たせることになる。この結果、重ね中心部への入熱が過剰になり、チリの発生を招くことになる。さらには、被溶接材条件に応じて、初期期間Ｔｓ、初期電流値Ｉｓ及び定常電流値Ｉｃを試験によって設定する必要があるのに加えて、溶接回数に対して初期電流値Ｉｓ及び定常電流値Ｉｃの電流増加パターンを試験によって設定する必要もあり、試験に多くの工数が必要になる。

そこで、本発明では、上板及び／又は下板が中板よりも薄い鋼板である３枚重ねの被溶接材を抵抗溶接する場合において、電極磨耗の進行状態に影響されずに、チリの発生を抑制しながら適正範囲のナゲット径を形成することができる抵抗溶接制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、
上板、中板及び下板から成る３枚重ねの被溶接材を一対の電極によって加圧し、前記上板及び／又は前記下板が中板よりも薄い鋼板であり、溶接中の瞬時電力値が予め定めた電力設定値と等しくなるように定電力制御しながら溶接する抵抗溶接制御方法において、
前記電力設定値は、予め定めた電力目標パターンに従って溶接経過時間に伴って変化する値であり、
前記電力目標パターンが、溶接開始時点で予め定めた初期値となり、その後は次第に大きくなり予め定めた第１溶接経過時間で予め定めた第１ピーク値となり、その後は次第に小さくなり予め定めた第２溶接経過時間で予め定めたベース値となり、その後は次第に大きくなり溶接終了時点で予め定めた第２ピーク値となるパターンである、
ことを特徴とする抵抗溶接制御方法である。

上記第１の発明によれば、上板及び／又は下板が中板よりも薄い鋼板である３枚重ねの被溶接材を抵抗溶接する場合において以下のような効果を奏する。上記の第１ピーク値によって初期的に大きな電力（入熱）を供給して、重ね中心部に比べて小さくなる傾向のある上板及び下板のナゲット径を大きくすることができる。これによって、被溶接材全てのナゲット径を適正範囲内で形成することができる。また、その後は電力設定値を一旦小さくした上で、再び大きくすることによって重ね中心部への過剰な入熱を抑制して、チリの発生を抑制し、ナゲットの厚み方向への成長を促している。さらに、第１の発明は電力目標パターンに従った定電力制御であるために、電極の磨耗が進行しても被溶接材へ供給される電力値が一定であるので、入熱量が一定となり、各ナゲット径は適正なままでほとんど変化しない。この結果、高い溶接品質を維持することができる。また、電極の磨耗によって電力目標パターンを変化させる必要がないので、生産準備の工数を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る抵抗溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は、インバータ制御方式の抵抗溶接装置の場合であり、溶接電流Ｉｗは直流となる。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、商用交流電源ＡＣを入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。このインバータ回路ＩＮＶは、図示は省略するが、商用交流電源ＡＣを整流する１次整流回路、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する複数のスイッチング素子から成るブリッジ回路から構成される。高周波変圧器ＴＲは、高周波交流を抵抗溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流回路ＤＲは、降圧された高周波交流を直流に整流する。１対の電極１ａ、１ｂは、複数枚の被溶接材２を加圧し、電極を介して溶接電流Ｉｗが通電し溶接電圧Ｖｗが印加する。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。瞬時電力値算出回路ＰＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、両値を乗算し、瞬時電力値信号Ｐｄを出力する。電力設定回路ＰＲは、後述する起動信号Ｏｎを入力として、この起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点からの経過時間（溶接経過時間）を計数し、予め定めた電力目標パターンから上記の溶接経過時間に対応した電力設定信号Ｐｒを出力する。予め記憶されている電力目標パターンについては、図２〜図３で詳述する。電力誤差増幅回路ＥＰは、上記の電力設定信号Ｐｒと上記の瞬時電力値信号Ｐｄとの誤差を増幅して、電力誤差増幅信号Ｅｐを出力する。電流設定回路ＩＲは、上記の電力誤差増幅信号Ｅｐを入力として溶接中は積分を行い、電流設定信号Ｉｒとして出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

溶接時間設定回路ＴＷＲは、１回当たりの溶接時間を設定するための溶接時間設定信号Ｔwrを出力する。溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルになる溶接開始信号Ｓｔを出力する。起動回路ＯＮは、上記の溶接時間設定信号Ｔwr及び上記の溶接開始信号Ｓｔを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接時間設定信号Ｔwrによって定まる時間だけＨｉｇｈレベルになる起動信号Ｏｎを出力する。駆動回路ＤＶは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルの間は、電流誤差増幅信号Ｅｉに基づいてパルス幅変調制御を行い、上記のインバータ回路ＩＮＶを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。上述した回路構成によって、瞬時電力値信号Ｐｄと溶接経過時間に伴い変化する電力設定信号Ｐｒとが等しくなるように定電力制御が行われる。

図２は、後述する本発明の説明のために参考となる、上述した電力目標パターンの基本となるパターンを示す図である。同図の横軸は溶接経過時間ｔ（cyc）を示し、縦軸は電力設定信号Ｐｒ（Ｗ）の値を示す。同図の被溶接材条件は、被溶接材が軟鋼１．６mmと軟鋼１．６mmとの２枚重ねの場合である。同図に示す電力目標パターンは、溶接開始時点ｔ＝０のとき予め定めた初期値Ｐｓとなり、その後は次第に大きくなり予め定めた溶接終了時間ｔ＝Ｔｅのとき予め定めたピーク値Ｐｐとなる。この溶接終了時間Ｔｅと図１の溶接時間設定信号Ｔwrの値とは等しい値である。

同図に示す電力目標パターンは基本パターンであり、２枚の被溶接材を重ねて抵抗溶接する場合に使用される。同図に示すように、電力設定信号Ｐｒの値を次第に大きくしてピーク値Ｐｐに到達させることによって、過剰な入熱を抑制することができるので、チリの発生を抑制しながらナゲット径を適正範囲内に形成することができる。さらに、本実施の形態は電力目標パターンに従った定電力制御であるために、電極の磨耗が進行しても被溶接材へ供給される電力値が一定であるので、入熱量が一定となり、各ナゲット径は適正なままでほとんど変化しない。この結果、高い溶接品質を維持することができる。また、電極の磨耗によって電力目標パターンを変化させる必要がないので、生産準備の工数を低減することができる。上記の初期値Ｐｓは０であっても良い。溶接終了時間ｔ＝Ｔｅ及びピーク値Ｐｐは、チリの発生しない状態で適正ナゲット径が形成されるように、予め試験によって設定される。

図３は、図２とは異なる本発明に係る電力目標パターンの一例を示す図である。同図の横軸は溶接経過時間ｔ（cyc）を示し、縦軸は電力設定信号Ｐｒ（Ｗ）の値を示す。同図の被溶接材条件は、被溶接材が軟鋼0.7mm、軟鋼1.6mm、軟鋼1.6mmの３枚重ねの場合である。したがって、上板が中板よりも薄い鋼板である場合である。同図に示す電力目標パターンは、溶接開始時点ｔ＝０のとき予め定めた初期値Ｐｓとなり、その後は次第に大きくなり予め定めた第１溶接経過時間ｔ＝Ｔ１のとき予め定めた第１ピーク値Ｐp1となり、その後は次第に小さくなり予め定めた第２溶接経過時間ｔ＝Ｔ２のとき予め定めたベース値Ｐｂとなり、その後は次第に大きくなり溶接終了時点ｔ＝Ｔｅのとき予め定めた第２ピーク値Ｐp2となる。同図の電力目標パターンは、上述した図２の基本パターンに、第１ピーク値Ｐp1となる山を重畳したものである。

同図に示す電力目標パターンは、上板及び／又は下板が中板よりも薄い鋼板である３枚重ねの被溶接材を抵抗溶接する場合に使用される。この理由は、以下のとおりである。上記の第１ピーク値Ｐp1からなる山を重畳して上板及び下板へ初期的に大きな電力（入熱）を供給することによって、重ね中心部に比べて小さくなる傾向のある上板及び下板のナゲット径を大きくすることができる。これによって、被溶接材全てのナゲット径を適正範囲内で形成することができる。また、その後は電力設定値Ｐｒを一旦小さくした上で、再び大きくすることによって重ね中心部への過剰な入熱を抑制して、チリの発生を抑制し、ナゲットの厚み方向への成長を促している。さらに、本実施の形態は電力目標パターンに従った定電力制御であるために、電極の磨耗が進行しても被溶接材へ供給される電力値が一定であるので、入熱量が一定となり、各ナゲット径は適正なままでほとんど変化しない。この結果、高い溶接品質を維持することができる。また、電極の磨耗によって電力目標パターンを変化させる必要がないので、生産準備の工数を低減することができる。

同図において、パターンの各パラメータは、以下のようにして決定される。まず、初期値Ｐｓは０であっても良い。溶接終了時間Ｔｅ及び第２ピーク値Ｐp2は、重ね中心部のナゲット径が適正範囲になるように設定される。第１溶接経過時間Ｔ１、第１ピーク値Ｐp1、第２溶接経過時間Ｔ２及びベース値Ｐｂは、上板及び下板のナゲット径が適正範囲になり、重ね中心部のナゲット径と略等しくなるように設定される。そのときに、重ね中心部への入熱が過剰になりチリが発生することがないように設定する。

上述した実施の形態では、抵抗溶接装置がインバータ制御方式の直流抵抗溶接装置である場合を説明したが、サイリスタを使用した位相制御方式の交流抵抗溶接装置の場合も同様である。

本発明の実施の形態に係る抵抗溶接制御方法を実施するための抵抗溶接装置のブロック図である。 図１の電力設定回路ＰＲに内蔵されている電力目標パターンの基本的なパターンを示す、本発明の参考のための図である。 図２とは異なる本発明に係る電力目標パターンを示す図である。 従来技術において、被溶接材を３枚重ねにしたときのナゲット形成状態を改善するための電流通電パターン図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 電極
２ 被溶接材
ＡＣ 商用交流電源
ＤＲ ２次整流回路
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＰ 電力誤差増幅回路
Ｅｐ 電力誤差増幅信号
Ｉｃ 定常電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｒ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｓ 初期電流値
Ｉｗ 溶接電流
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
Ｐｂ ベース値
ＰＤ 瞬時電力値算出回路
Ｐｄ 瞬時電力値信号
Ｐｐ ピーク値
Ｐp1 第１ピーク値
Ｐp2 第２ピーク値
ＰＲ 電力設定回路
Ｐｒ 電力設定信号
Ｐｓ 初期値
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ｔ 溶接経過時間
Ｔ１ 第１溶接経過時間
Ｔ２ 第２溶接経過時間
Ｔｅ 溶接終了時間
ＴＲ 高周波変圧器
Ｔｓ 初期期間
ＴＷＲ 溶接時間設定回路
Ｔwr 溶接時間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (1)

1. 上板、中板及び下板から成る３枚重ねの被溶接材を一対の電極によって加圧し、前記上板及び／又は前記下板が中板よりも薄い鋼板であり、溶接中の瞬時電力値が予め定めた電力設定値と等しくなるように定電力制御しながら溶接する抵抗溶接制御方法において、
   前記電力設定値は、予め定めた電力目標パターンに従って溶接経過時間に伴って変化する値であり、
   前記電力目標パターンが、溶接開始時点で予め定めた初期値となり、その後は次第に大きくなり予め定めた第１溶接経過時間で予め定めた第１ピーク値となり、その後は次第に小さくなり予め定めた第２溶接経過時間で予め定めたベース値となり、その後は次第に大きくなり溶接終了時点で予め定めた第２ピーク値となるパターンである、
   ことを特徴とする抵抗溶接制御方法。
   
   

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