JP2013215748A - スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極チップの金属製板材に対する接触又は金属製板材同士の接触の状態によらず、優れた品質のナゲットを形成することができるスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明のスポット溶接方法は、金属製板材１ａ，１ｂを１対の電極チップ２ａ，２ｂで挟持し、通電することにより金属製板材１ａ，１ｂの接触界面にナゲット３を形成する。電極チップ２ａに超音波送受信器３を設け、金属製板材１ａ，１ｂに超音波を発振し、反射波から電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積又は金属製板材１ａ，１ｂ同士の接触面積を検出し、接触面積に応じて電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スポット溶接方法に関する。

従来、積層された複数枚の金属製板材を１対の電極チップで挟持し、該１対の電極チップ間に通電して該金属製板材の接触界面に抵抗発熱を発生させることにより、該接触界面にナゲットを形成させるスポット溶接が知られている。前記ナゲットは、前記抵抗発熱により前記接触界面近傍の該金属製板材を溶融させることにより形成される。

前記スポット溶接では、前記金属製板材を溶融させる際に、前記電極チップの加圧力が大きいとスパッタやスパークが発生することがある。そこで、前記スパッタやスパークの発生を回避するために、前記電極チップに超音波送受信器を設け、前記接触界面に向けて超音波を発振することにより、前記金属製板材の溶融状態を監視することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようにするときには、前記金属製板材の溶融状態に応じて前記電極チップの加圧力を制御することにより、前記スパッタやスパークの発生を回避することができる。

特開２０１１−２００８６８号公報

しかしながら、スポット溶接では、電流密度が過大になったときにもスパッタが発生するという不都合がある。前記電流密度が過大になる例としては、電極チップの金属製板材に対する接触面積よりも金属製板材同士の接触面積が小さい場合、電極チップが金属製板材に対し斜めに接触している場合、電極チップが金属製板材に対し片当たりしている場合等が考えられる。

また、スポット溶接では、前記電極チップが磨耗するなどして、金属製板材に対する接触面積が大きくなると、電流密度が低くなり、優れた品質のナゲットを形成することができないことがあるという不都合がある。

そこで、本発明は、前記不都合を解消して、電極チップの金属製板材に対する接触又は金属製板材同士の接触の状態によらず、優れた品質のナゲットを形成することができるスポット溶接方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明のスポット溶接方法は、積層された複数枚の金属製板材を１対の電極チップで挟持し、該１対の電極チップ間に通電することにより、該複数枚の金属製板材の接触界面にナゲットを形成するスポット溶接方法において、該電極チップに超音波送受信器を設け、該超音波送受信器から該複数枚の金属製板材に超音波を発振し、受信された反射波から該電極チップの該金属製板材に対する接触面積又は該金属製板材同士の接触面積を検出し、該接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することを特徴とする。

本発明のスポット溶接方法では、前記電極チップに設けられた超音波送受信器から前記複数枚の金属製板材に超音波を発振し、反射波を受信することにより、該電極チップの該金属製板材に対する接触面積又は該金属製板材同士の接触面積を検出する。そして、検出された接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することにより、前記接触面積の大小に拘わらず電流密度を一定としてスポット溶接を安定して行うことができ、優れた品質のナゲットを形成することができる。

また、本発明のスポット溶接方法では、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積と、該金属製板材同士の接触面積とを比較し、小さい方の接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することが好ましい。前記１対の電極チップ間に通電する場合、電流密度は、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積と、該金属製板材同士の接触面積との小さい方の面積により決定される。従って、前記いずれかの接触面積のうち、小さい方の接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することにより、電流密度を一定としてスポット溶接をさらに安定して行うことができ、さらに優れた品質のナゲットを形成することができる。

ここで、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積が、該金属製板材同士の接触面積より小さいときには、前記１対の電極チップ間に溶接のための電流を印加する前に、予め該電流より弱い電流を印加することが好ましい。前記金属製板材は、通電することにより軟化するので、前記溶接のための電流を印加する前に、予め該電流より弱い電流を印加することにより、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積を増大させて、該金属製板材同士の接触面積に近づけることができる。

この結果、前記電極チップと前記金属製板材との接触界面における電流密度を、該金属製板材同士の接触界面における電流密度に近づけることができ、電流密度を一定としてスポット溶接をより一層安定して行うことができ、より一層優れた品質のナゲットを形成することができる。

また、前記金属製板材同士の接触面積が、前記電極チップの該金属製板材に対する接触面積より小さいときには、該１対の電極チップの加圧力を増加することが好ましい。前記金属製板材は、前記１対の電極チップの加圧力を増加することにより、該金属製板材同士の接触面積を増大させて、該電極チップの該金属製板材に対する接触面積に近づけることができる。

この結果、前記金属製板材同士の接触界面における電流密度を、前記電極チップと該金属製板材との接触界面における電流密度に近づけることができ、電流密度を一定としてスポット溶接をより一層安定して行うことができ、より一層優れた品質のナゲットを形成することができる。

本実施形態の第１の態様のスポット溶接方法を示す説明的断面図。 本実施形態のスポット溶接方法の第１の態様において、超音波送受信器により受信される超音波の波形を示すグラフ。 本実施形態の第２の態様のスポット溶接方法を示す説明的断面図。 本実施形態のスポット溶接方法の第２の態様において、超音波送受信器により受信される超音波の波形を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

まず、本実施形態の第１の態様について説明する。

本実施形態のスポット溶接方法は、図１に示す装置により実施することができる。図１に示すスポット溶接装置は、積層された２枚の金属製板材１ａ，１ｂに当接される電極チップ２ａ，２ｂを備え、電極チップ２ａには超音波送受信器３が内蔵されている。超音波送受信器３は、主制御装置４に接続されている。

主制御装置４は、超音波送受信器３を制御し、超音波送受信器３が受信した超音波の解析を行う。また、主制御装置４は、通電制御装置５を介して電極チップ２ａ，２ｂに通電される電流を制御すると共に、加圧制御装置６を介して電極チップ２ａ，２ｂに対する加圧力を制御する。

本実施形態のスポット溶接方法は、まず、積層された２枚の金属製板材１ａ，１ｂを１対の電極チップ２ａ，２ｂで挟持する。ここで、第１の態様では、金属製板材１ａ，１ｂは、両者の接触界面に間隙ができないように積層され、電極チップ２ａ，２ｂはその軸が金属製板材１ａ，１ｂに対して垂直になるようにされており、加圧制御装置６により金属製板材１ａ，１ｂに圧接されている。

次に、通電制御装置５により電極チップ２ａ，２ｂ間に通電することにより、金属製板材１ａ，１ｂの接触界面にナゲット７を形成する。ここで、図１に示すように、金属製板材１ａ，１ｂが、両者の接触界面に間隙ができないように積層されているときには、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触界面における電流密度がそのまま金属製板材１ａ，１ｂ間の接触界面における電流密度となる。従って、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積に対して通電される電流により、ナゲット７の品質が決定される。

そこで、本態様では、主制御装置４が、超音波送受信器３から金属製板材１ａ，１ｂの接触界面に向けて超音波を発振し、受信された反射波を解析することにより、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積を検出する。そして、前記接触面積に応じて、通電制御装置５により電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御する。前記電流値の制御は、具体的には、前記接触面積に対し、単位面積当たりの電流値（電流密度）が一定になるようにする。

次に、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積を検出する方法について説明する。まず、電極チップ２ａが金属製板材１ａに接触していない場合には、超音波送受信器３から発振された超音波は、電極チップ２ａの先端部において全反射される。前記全反射は、金属からなる電極チップ２ａを伝達媒体としていた超音波が、電極チップ２ａの先端部で空気に接触したときに、伝達媒体の密度が急激に変化することによる。このとき、超音波送受信器３により受信される超音波の波形を図２（ａ）に示す。図２（ａ）において、Ａは、前記全反射したときの超音波の振幅である。

次に、電極チップ２ａが金属製板材１ａに接触しているときには、超音波送受信器３から発振された超音波は、電極チップ２ａと金属製板材１ａとの接触界面において、その一部が金属製板材１ａに伝達され、残部が反射する。前記超音波の一部が金属製板材１ａに伝達されるのは、電極チップ２ａと金属製板材１ａとが共に金属からなり、両者の接触界面における伝達媒体の密度の変化が少ないことによる。このとき、超音波送受信器３により受信される超音波の波形を図２（ｂ）に示す。

図２（ｂ）における超音波の振幅Ｘ_１は、図２（ａ）における全反射した超音波の振幅Ａよりも小さくなっており、このとき主制御装置４は、前記超音波が金属製板材１ａに伝達される割合を示す超音波透過率を、次式（１）で求めることができる。

超音波透過率＝（１−Ｘ_１／Ａ） ・・・（１）
また、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積は、前記超音波透過率と、電極チップ２ａの先端面積との積で表すことができる。そこで、電極チップ２ａの半径をｒ、円周率をπとすると、前記接触面積は、次式（２）で求めることができる。

接触面積＝（１−Ｘ_１／Ａ）×πｒ^２ ・・・（２）
そこで、本実施形態のスポット溶接方法では、前述のようにして、主制御装置４が電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積を検出し、該接触面積に対し単位面積当たりの電流値が一定になるように、通電制御装置５により電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御する。この結果、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積の大小に拘わらず、電流密度を一定にすることができ、前記スポット溶接を安定して行うことができ、優れた品質のナゲット７を形成することができる。

次に、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積が小さいと、超音波送受信器３から発振された超音波は、金属製板材１ａに伝達される部分が小さくなり、反射する部分が大きくなる。この結果、超音波送受信器３により受信される超音波の波形は、図２（ｃ）に示すように、振幅Ｘ_２がＸ_１よりも大きくなる。

このとき、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積は、（２）式の場合と同様にして、次式（３）で求めることができる。

接触面積＝（１−Ｘ_２／Ａ）×πｒ^２ ・・・（３）
この場合、超音波送受信器３により受信される超音波の波形の振幅がＸ_１の場合と同様に、接触面積に対し単位面積当たりの電流値が一定になるように、通電制御装置５により電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御してもよい。しかし、この場合には、予め通電制御装置５により、スポット溶接のために電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する前記電流値より弱い電流を印加することが好ましい。

このようにすると、前記弱い電流により金属製板材１ａが軟化し、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積が増加する。そこで、前記接触面積の増加を主制御装置４により監視し、該接触面積が所要の大きさとなったところで、通電制御装置５により、電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流を、スポット溶接のための電流値に切り替えることにより、優れた品質のナゲット７を形成することができる。

次に、本実施形態の第２の態様について説明する。第２の態様では、図３に示すように、積層された２枚の金属製板材１ａ，１ｂの間に間隙８がある。このときには、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積に対し、金属製板材１ａ，１ｂの接触面積の方が小さくなる。

そこで、本態様では、主制御装置４が、超音波送受信器３から金属製板材１ａ，１ｂの接触界面に向けて超音波を発振し、受信された反射波を解析することにより、金属製板材１ａ，１ｂの接触面積を検出する。そして、前記接触面積に対し、単位面積当たりの電流値（電流密度）が一定になるように、通電制御装置５により、電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御する。

次に、金属製板材１ａ，１ｂの接触面積を検出する方法について説明する。

図３に示す態様では、超音波送受信器３から発振された超音波は、電極チップ２ａと金属製板材１ａとの接触界面において、その一部が金属製板材１ａに伝達され、残部が反射するとともに、間隙８においても反射波が発生する。このとき、超音波送受信器３により受信される超音波の波形を図４に示す。

図４における超音波の振幅Ｘ_１は、電極チップ２ａと金属製板材１ａとの接触界面における反射波の振幅であり、振幅Ｙ_１は間隙８における反射波の振幅である。そこで、主制御装置４は、このとき前記超音波が金属製板材１ａに伝達される割合を示す超音波透過率を、次式（４）で求めることができる。Ａは式（１）〜（３）の場合と同義であり、全反射した超音波の振幅である。

超音波透過率＝（１−（Ｘ_１＋Ｙ_１）／Ａ） ・・・（４）
また、金属製板材１ａ，１ｂの接触面積は、前記超音波透過率と、電極チップ２ａの先端面積との積で表すことができる。そこで、電極チップ２ａの半径をｒ、円周率をπとすると、前記接触面積は、次式（５）で求めることができる。

接触面積＝（１−（Ｘ_１＋Ｙ_１）／Ａ）×πｒ^２ ・・・（５）
そこで、本実施形態のスポット溶接方法では、前述のようにして、主制御装置４が金属製板材１ａ，１ｂの接触面積を検出し、該接触面積に対し単位面積当たりの電流値が一定になるように、通電制御装置５により、電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流値を制御する。この結果、金属製板材１ａ，１ｂの接触面積の大小に拘わらず、電流密度を一定にすることができ、前記スポット溶接を安定して行うことができ、優れた品質のナゲット７を形成することができる。

また、この場合には、加圧制御装置６により、電極チップ２ａ，２ｂによる加圧力を増加することが好ましい。このようにすると、前記加圧力の増加により、電極チップ２ａの金属製板材１ａに対する接触面積が増加する。そこで、前記接触面積の増加を主制御装置４により監視し、該接触面積が所要の大きさとなったところで、通電制御装置５により、電極チップ２ａ，２ｂ間に通電する電流を、スポット溶接のための電流値に切り替えることにより、優れた品質のナゲット７を形成することができる。

１ａ，１ｂ…金属製板材、 ２ａ，２ｂ…電極チップ、 ３…超音波送受信器、 ７…ナゲット、 ８…間隙。

Claims (4)

1. 積層された複数枚の金属製板材を１対の電極チップで挟持し、該１対の電極チップ間に通電することにより、該複数枚の金属製板材の接触界面にナゲットを形成するスポット溶接方法において、
   該電極チップに超音波送受信器を設け、該超音波送受信器から該複数枚の金属製板材に超音波を発振し、受信された反射波から該電極チップの該金属製板材に対する接触面積又は該金属製板材同士の接触面積を検出し、該接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することを特徴とするスポット溶接方法。
2. 請求項１記載のスポット溶接方法において、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積と、該金属製板材同士の接触面積とを比較し、小さい方の接触面積に応じて該１対の電極チップ間に通電する電流値を制御することを特徴とするスポット溶接方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のスポット溶接方法において、前記電極チップの前記金属製板材に対する接触面積が、該金属製板材同士の接触面積より小さいときに、該１対の電極チップ間に溶接のための電流を印加する前に、予め該電流より弱い電流を印加することを特徴とするスポット溶接方法。
4. 請求項１又は請求項２記載のスポット溶接方法において、前記金属製板材同士の接触面積が、前記電極チップの該金属製板材に対する接触面積より小さいときに、該１対の電極チップの加圧力を増加することを特徴とするスポット溶接方法。

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