JP2012061487A - 抵抗溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗溶接において、電極磨耗が進行しても、形成されるナゲット径が小さくなることを抑制して、適正範囲内に維持することができるようにすること。
【解決手段】複数枚の被溶接材２を一対の電極１ａ、１ｂによって加圧し、溶接部に供給する瞬時電力値Ｐｄが電力目標パターンＰｒに沿って変化するように電力制御して溶接する抵抗溶接制御方法において、本溶接の前に、定電流制御によって溶接電流Ｉｗを通電して適正なナゲットを形成するテスト溶接を行い、このテスト溶接中の瞬時電力値Ｐｄの時間変化を記憶して前記電力目標パターンＰｒを生成する。これにより、電力目標パターンＰｒを自動的に適正値に生成することができる。この電力制御では、電極磨耗が進行しても、被溶接材２への入熱量が一定になるので、ナゲット径を略一定に維持することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接部に供給する瞬時電力値が電力目標パターンに沿って変化するように電力制御して溶接する抵抗溶接制御方法の改良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、溶接部に供給する電力を制御する方法が慣用されている。この電力制御は、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目標パターンに沿って変化するように抵抗溶接装置の出力を制御するものである。図３は、この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（ｋＷ）の値を示す。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、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、その後は曲線状に予め定めたピーク値Ｐｍまで大きくなり、その後は小さくなり予め定めた溶接終了時間ｔ＝Ｔｅのとき予め定めた終了値Ｐｅとなる。溶接開始時点からの瞬時電力値が同図に示す電力目標パターンに沿って変化するように電力制御を行う。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、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。これは、電極磨耗が進行しても、瞬時電力値は常に同図に示す電力目標パターンと一致するように電力制御されるので、被溶接材への入熱量は一定になるためである。

特開昭５４−１５０３３８号公報 特開平１１−１０４８４７号公報

上述した電力制御では、電極の磨耗が進行しても、ナゲット径はほとんど変化しないために、高品質な溶接を行うことができる。しかしながら、現状としては、ほとんどの抵抗溶接工程において、定電流制御による溶接が行われている。このために、種々な被溶接材条件に対応した適正な溶接電流値のデータが永年にわたって蓄積されている。したがって、新しいワークを抵抗溶接する場合において、そのワークの被溶接材条件に対応した溶接電流値を過去の蓄積されたデータから容易に設定することができるので、生産準備は短時間で行える。

これに対して、上述した電力制御においては、過去の実績がほとんどないために、電力制御に必要な電力目標パターンを試験によって多くの時間を費やして作成しなければならない。この試験においても、電力制御による抵抗溶接は経験がほとんどないために、試行錯誤的にならざるを得ず必ずしも最適パターンが作成される保証はない。

そこで、本発明では、電力制御による抵抗溶接において、電力目標パターンを最適値に効率的に設定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、請求項１の発明は、複数枚の被溶接材を一対の電極によって加圧し、溶接部に供給する瞬時電力値が電力目標パターンに沿って変化するように電力制御して溶接する抵抗溶接制御方法において、
本溶接の前に、定電流制御によって溶接電流を通電して適正なナゲットを形成するテスト溶接を行い、このテスト溶接中の前記瞬時電力値の時間変化を１ms以下のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換して記憶し、この記憶されたデータ列に基づいて前記電力目標パターンを生成する、
ことを特徴とする抵抗溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記テスト溶接を複数回行い、これら複数回のテスト溶接における前記データ列に基づいて前記電力目標パターンを生成する、
ことを特徴とする請求項１記載の抵抗溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記データ列から回帰式を算出して前記電力目標パターンを生成する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の抵抗溶接制御方法である。

請求項４の発明は、前記被溶接材の条件毎に、前記テスト溶接を行って前記電力目標パターンを生成する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の抵抗溶接制御方法である。

本発明によれば、本溶接の前に、定電流制御によって溶接電流を通電して適正なナゲットを形成するテスト溶接を行い、このテスト溶接中の瞬時電力値の時間変化を記憶して電力目標パターンを生成する。定電流制御による抵抗溶接は、慣用されている方法であるために、永年の経験及び蓄積データを有効に活用することができる。このために、テスト溶接において、適正なナゲットを形成するための溶接電流値、溶接時間、加圧力等の溶接条件の適正値を短時間で設定することができる。そして、この適正化された溶接条件でテスト溶接を行うだけで、電力目標パターンの適正値を効率的に生成することができる。したがって、生産準備に多くの時間を費やすことなく、電力制御を行うことができるので、高品質な溶接結果を得ることができる。

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溶接装置のブロック図である。 図１の電力設定回路ＰＲに記憶されている電力目標パターンＰｐの一例を示す図である。 従来技術の電力制御における電力目標パターンの一例を示す図である。

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。

溶接モード選択回路ＭＳは、テスト溶接モード及び本溶接モードの２つの溶接モードから１つを選択することができ、テスト溶接モードが選択されたときは溶接モード選択信号ＭｓをＨｉｇｈレベルにして出力し、本溶接モードが選択されたときは溶接モード選択信号ＭｓをＬｏｗレベルにして出力する。この溶接モード選択回路ＭＳは、スイッチ、押しボタン等が相当する。また、ロボットを使用した溶接装置においては、上記の溶接モード選択信号Ｍｓをロボット制御装置から設定するようにしても良い。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。

電力設定回路ＰＲは、上記の瞬時電力値信号Ｐｄ、上記の溶接モード選択信号Ｍｓ及び上記の起動信号Ｏｎを入力として、以下の動作を行い、電力設定信号Ｐｒを出力する。
（１）上記の溶接モード選択信号ＭｓがＨｉｇｈレベル（テスト溶接モード）のときは、上記の起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（通電中）の間、上記の瞬時電力値信号Ｐｄの値を１ms以下の所定サンプリング周期ごとにＡ／Ｄ変換して電力目標パターンＰｐとして記憶する。
（２）上記の溶接モード選択信号ＭｓがＬｏｗレベル（本溶接モード）のときは、上記の起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（通電中）に変化すると、上記（１）によって記憶された電力目標パターンＰｐから上記のサンプリング周期ごとにデータを順番に読み出してＤ／Ａ変換し、電力設定信号Ｐｒとして出力する。

上記（１）項において、電力値信号Ｐｄを１ms以下でサンプリングする理由は以下のとおりである。すなわち、サンプリング周期が１msよりも遅くなると、テスト溶接中の瞬時電力値信号Ｐｄの値の時間変化を正確に再現することができなくなり、電力制御による溶接品質が悪くなるからである。この動作を、より具体的に説明する。ここで、上記の溶接時間設定信号Ｔwrの値が１４cycであり、１cycが１／５０＝２０msである場合とすると、溶接時間は２０×１４＝２８０msとなる。また、上記のサンプリング周期は、１ms以下に設定されるために、ここではサンプリング周期が０．５msの場合とする。溶接モード選択信号ＭｓがＨｉｇｈレベル（テスト溶接モード）のときは、溶接時間２８０ms中を０．５msごとに瞬時電力値信号ＰｄをＡ／Ｄ変換するので、５６０個のデータが記憶されることになる。このデータ列｛Ｐｄ(1)，Ｐｄ(2)…Ｐｄ(560)｝が、電力目標パターンＰｐとなる。溶接モード選択信号ＭｓがＬｏｗレベル（本溶接モード）になると、この電力目標パターンＰｐから０．５msごとに１つずつデータが読み出されてＤ／Ａ変換され、電力設定信号Ｐｒとして出力される。

溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の溶接電流設定信号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。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。制御切換回路ＳＷは、上記の溶接モード選択信号Ｍｓ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の電力誤差増幅信号Ｅｐを入力として、溶接モード選択信号ＭｓがＨｉｇｈレベル（テスト溶接モード）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、溶接モード選択信号ＭｓがＬｏｗレベル（本溶接モード）のときは電力誤差増幅信号Ｅｐを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。

駆動回路ＤＶは、上記の誤差増幅信号Ｅａ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、誤差増幅信号Ｅａ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、テスト溶接モードでは、溶接電流Ｉｗが溶接電流設定信号Ｉｒの値と等しくなるように定電流制御される。また、本溶接モードでは、瞬時電力値信号Ｐｄと電力目標パターンＰｐに従って変化する電力設定信号Ｐｒとが等しくなるように電力制御が行われる。

図２は、上述した電力目標パターンＰｐ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、縦軸は瞬時電力値Ｐｄ（ｋＷ）及び電力設定信号Ｐｒ（ｋＷ）の値を示す。同図の被溶接材条件は、被溶接材が軟鋼１．２mmの２枚重ねの場合である。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。

同図に示すように、溶接終了時間Ｔｅ＝１４cycであるので、１cyc＝１／５０＝２０msの場合とすると、溶接終了時間Ｔｅ＝２８０msとなる。この溶接時間２８０msを０．５msのサンプリング周期で瞬時電力値信号Ｐｄの値をＡ／Ｄ変換する。この結果が、データ列｛Ｐｄ(1)，Ｐｄ(2)…Ｐｄ(n)…Ｐｄ(560)｝となり、これらのデータ列が電力目標パターンＰｐとなる。同図において、電力目標パターンＰｐの曲線上にある小さな黒丸が、１つ１つのデータを示す。同図では、黒丸の数は本来560個表示する必要があるが、その数を省略して表示している。溶接経過時間ｔが０直後のときのデータがＰｄ(1)＝3ｋＷとなっており、ｎ番目のデータがＰｄ(n)となっており、溶接経過時間ｔ＝ＴｅのときのデータがＰｄ(560)＝8.8ｋＷとなっている。

本溶接モードになると、溶接が開始された時点からこの電力目標パターンＰｐを形成するデータ列が、上記と同一値のサンプリング周期ごとに順次電力設定信号Ｐｒとして出力される。したがって、Ｐｒ(1)＝Ｐｄ(１)、Ｐｒ(2)＝Ｐｄ(2)、Ｐｒ(n)＝Ｐｄ(n)、Ｐｒ(560)＝Ｐｄ(560)となる。

同図においては、テスト溶接モード時に電力目標パターンＰｐとして記憶したデータ列を、本溶接モードでは、そのまま電力設定信号Ｐｒとして出力する場合を説明した。この方法以外にも以下のようにして電力目標パターンＰｐを生成する方法がある。
（１）テスト溶接モードにおいて、テスト溶接を複数回行い、複数のデータ列を記憶する。１回目のテスト溶接のデータ列をＰｄ(1,n)とし、２回目のテスト溶接のデータ列をＰｄ(2,n)とし、３回目のテスト溶接のデータ列をＰｄ(3,n)とする。電力目標パターンＰｐを生成するときは、これらの平均値を算出することによって行う。すなわち、電力目標パターンＰｐを形成するデータ列Ｐｄ(n)＝（Ｐｄ(1,ｎ)＋Ｐｄ(2,n)＋Ｐｄ(3,n)）／３となる。同図では、ｎは１〜560までの数となるので、560回の平均値を算出することになる。このようにして算出された電力目標パターンＰｐのデータ列を、本溶接モードでは直接出力しても良い。また、下記（２）項のように、回帰式を算出するようにしても良い。この方法では、複数回のテスト溶接時のデータ列から電力目標パターンＰｐを生成するので、バラツキ、ノイズ等の変動要因を除去することができ、安定した電力制御が可能となる。
（２）１回又は複数回のテスト溶接モード時に記憶したデータ列に基づいて、回帰式を算出し、この回帰式を電力目標パターンＰｐとする。このようにすれば、本溶接モード時において、任意のサンプリング周期でＤ／Ａ変換を行って、電力設定信号Ｐｒを出力できる。さらには、回帰式を算出することで、データ列に含まれているバラツキ、ノイズ等の変動要因を除去することができるので、安定した電力制御が可能となる。回帰式は、最小２乗法によって２次、３次等の非線形回帰分析によって算出される。

電力目標パターンＰｐは、被溶接材の条件に応じて最適化する必要がある。このために、被溶接材条件ごとにテスト溶接を行い、電力目標パターンＰｐを生成することになる。このようにすることによって、被溶接材条件に応じて最適な電力制御が行われることになり、良好な溶接品質を得ることができる。

以下、図１の溶接装置を用いて、実施の形態に係る抵抗溶接制御方法を実施する場合の手順について説明する。
（１）テスト溶接のための溶接条件の設定
図１の溶接装置において、溶接モード選択回路ＭＳによってテスト溶接モードを選択する。このテスト溶接モードが選択されると、制御切換回路ＳＷは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力するようになるので、溶接装置は定電流制御されることになる。すなわち、溶接電流設定回路ＩＲで設定された溶接電流設定信号Ｉｒの値に溶接電流Ｉｗが制御されることになり、一般的な溶接装置と同様の動作となる。この状態で、溶接対象となる被溶接材に対して、溶接電流値、溶接時間、電極の加圧力等を適正化して、適正なナゲットが形成されるようにする。このような溶接条件の設定は、定電流制御の溶接装置を用いて行われるために、これまでに蓄積された経験、データ等を再利用することができるので、適正条件を効率的に設定することができる。

（２）テスト溶接による電力目標パターンＰｐの生成
テスト溶接モードにおいて、上記（１）項で設定した溶接条件で、対象となる被溶接材をテスト溶接する。このテスト溶接中に、瞬時電力値をサンプリングしたデータ列が記憶される。この記憶されたデータ列が、電力目標パターンＰｐとなる。この電力目標パターンＰｐの生成方法については、上述したように種々の方法がある。

（３）本溶接の実施
溶接モード選択回路ＭＳにおいて本溶接モードを選択する。本溶接モードが選択されると、制御切換回路ＳＷは、電力誤差増幅信号Ｅｐを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。また、電力設定回路ＰＲから電力目標パターンＰｐに従って順次電力設定信号Ｐｒが出力される。この結果、瞬時電力値が電力目標パターンＰｐに沿って変化する電力制御が行われる。この電力制御によって、電極磨耗が進行しても常に被溶接材に供給される入熱量が一定になるために、適正なナゲット径を維持することができる。

上述した実施の形態によれば、本溶接の前に、定電流制御によって溶接電流を通電して適正なナゲットを形成するテスト溶接を行い、このテスト溶接中の瞬時電力値の時間変化を記憶して前記電力目標パターンを生成する。定電流制御による抵抗溶接は、慣用されている方法であるために、永年の経験及び蓄積データを有効に活用することができる。このために、テスト溶接において、適正なナゲットを形成するための溶接電流値、溶接時間、加圧力等の溶接条件の適正値を短時間で設定することができる。そして、この適正化された溶接条件でテスト溶接を行うだけで、電力目標パターンの適正値を効率的に生成することができる。したがって、生産準備に多くの時間を費やすことなく、電力制御を行うことができるので、高品質な溶接結果を得ることができる。

上述した実施の形態では、インバータ制御の直流抵抗溶接装置について説明したが、サイリスタ制御の交流抵抗溶接装置の場合も同様である。

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
Ｅａ 誤差増幅信号
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
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＳ 溶接モード選択回路
Ｍｓ 溶接モード選択信号
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＤ 瞬時電力値算出回路
Ｐｄ 瞬時電力値信号
Ｐｅ 終了値
Ｐｍ ピーク値
Ｐｐ 電力目標パターン
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
ＳＷ 制御切換回路
ｔ 溶接経過時間
Ｔｅ 溶接終了時間
ＴＲ 高周波変圧器
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 (4)

1. 複数枚の被溶接材を一対の電極によって加圧し、溶接部に供給する瞬時電力値が電力目標パターンに沿って変化するように電力制御して溶接する抵抗溶接制御方法において、
   本溶接の前に、定電流制御によって溶接電流を通電して適正なナゲットを形成するテスト溶接を行い、このテスト溶接中の前記瞬時電力値の時間変化を１ms以下のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換して記憶し、この記憶されたデータ列に基づいて前記電力目標パターンを生成する、
   ことを特徴とする抵抗溶接制御方法。
2. 前記テスト溶接を複数回行い、これら複数回のテスト溶接における前記データ列に基づいて前記電力目標パターンを生成する、
   ことを特徴とする請求項１記載の抵抗溶接制御方法。
3. 前記データ列から回帰式を算出して前記電力目標パターンを生成する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の抵抗溶接制御方法。
4. 前記被溶接材の条件毎に、前記テスト溶接を行って前記電力目標パターンを生成する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の抵抗溶接制御方法。

Images