JP2014188584A

JP2014188584A - スポット溶接方法及びスポット溶接装置

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Publication number: JP2014188584A
Application number: JP2013069770A
Authority: JP
Inventors: Yasusuke Hiruma; 庸介比留間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: JP6104013B2

Abstract

【課題】スパッタの発生を抑制することができるスポット溶接方法及びスポット溶接装置を提供する。
【解決手段】
２枚以上の金属板Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４を重ね合わせるとともに少なくとも最表面が厚板Ｐ_１と薄板Ｐ_４とからなるワークＷをスポット溶接する。まず、最表面の厚板Ｐ_１に対向する第１の電極５と、最表面の薄板Ｐ_４に対向し第１の電極５の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極１０とでワークＷを加圧挟持した状態で、第１の電極５と第２の電極１０とに通電する。通電により生じるナゲットＮ_２の大きさがスパッタが発生し始める大きさを超える前に、通電を維持した状態で、第２の電極１０の外周に設けられ、スパッタが発生し始める大きさのナゲットＮ_２の外周側でワークＷを押圧可能な押圧部材１１によりワークＷを押圧する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スポット溶接方法及びスポット溶接装置に関する。

例えば、ハイテン鋼からなる２枚の厚板と軟鋼からなる２枚の薄板とを重ね合わせて一体化した積層板を、自動車のモヒカンルーフ、スティフナ、サイドパネルインナ、サイドパネルアウタ等に用いることが知られている。前記積層板は、前記２枚の厚板と前記２枚の薄板とを重ね合わせたワークをスポット溶接することにより形成される。前記スポット溶接は、最表面の厚板に対向する第１の電極と、最表面の薄板に対向し該第１の電極と同一の接触面積を備える第２の電極とで前記ワークを加圧挟持し、両電極に通電することにより行われる。

しかし、前記厚板は、前記薄板に比較して電気抵抗が大きいために、前記通電によって生じる発熱量が該薄板よりも大きくなる。このため、前記通電によって金属が溶融して形成されるナゲットは前記ワークの前記厚板側に偏って成長する。そして、前記ナゲットの成長が前記最表面の薄板に及ばない場合には、該最表面の薄板を溶着することができないという問題がある。

そこで、前記問題を解消するために、第１の電極と同一の接触面積を備える第２の電極に代えて、第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極を用いるスポット溶接方法が知られている。

前記スポット溶接方法によれば、前記第２の電極は前記第１の電極に比して接触面積が小さいことから、該第１の電極と該第２の電極との間の通電経路における電流密度は、該第１の電極に対向する前記最表面の厚板側から該第２の電極に対向する前記最表面の薄板側に向かって大きくなる。この結果、前記通電経路の前記最表面の薄板側においても発熱量を大きくすることができ、前記ワークの前記最表面の薄板側においてもナゲットを形成することができる。そして、前記通電に伴って、前記ワークの前記最表面の薄板側に形成したナゲットと前記最表面の厚板側に形成した他のナゲットとが結合して大きなナゲットに成長する。以上により、ナゲットが前記ワークの前記最表面の厚板側に偏って成長することを防ぎ、該ワークを溶着して一体化することができる（例えば、特許文献１参照）。

特許３８９４５４４号公報

しかしながら、前記スポット溶接方法では、前記薄板と隣接する金属板との間からスラグ又は金属粒子が飛散することがあるという不都合がある。尚、本願では、「スラグ又は金属粒子が飛散する」ことを「スパッタが発生する」ということがある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、スパッタの発生を抑制することができるスポット溶接方法及びスポット溶接装置を提供することを目的とする。

本発明者は、前記薄板と隣接する金属板との間からスパッタが発生する原因について鋭意検討した。そして、前記ワークの最表面の薄板側に形成したナゲットの成長に伴って、第１の電極及び第２の電極による押圧が小さい領域において、前記薄板と隣接する金属板との間にギャップが生じたり、該ナゲットが該薄板と該隣接する金属板との間に形成したコロナボンドから突出することを知見した。本発明者は、前記知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、前記ギャップの生成及び前記ナゲットの突出により、前記薄板と隣接する金属板との間から前記ナゲットが露出し、スパッタが発生することを知見した。

そこで、本発明は、前記知見に基づいてなされたものであり、前記目的を達成するために、２枚以上の金属板を重ね合わせるとともに少なくとも最表面の２枚の金属板が相互に厚さの異なる厚板と薄板とからなるワークをスポット溶接する際に、最表面の厚板に対向する第１の電極と、最表面の薄板に対向し該第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極とで該ワークを加圧挟持した状態で、該第１の電極と該第２の電極とに通電するスポット溶接方法において、該通電により生じるナゲットの大きさがスラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさを超える前に、該通電を維持した状態で、該第２の電極の外周に設けられ、該スラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさのナゲットの外周側で該ワークを押圧可能な押圧部材により該ワークを押圧する工程を備えることを特徴とする。

本発明のスポット溶接方法では、まず、前記ワークの最表面の厚板に対向する第１電極と最表面の薄板に対向する第２電極とで該ワークを加圧挟持した状態で、該第１の電極と該第２の電極とに通電する。

このとき、前記第２の電極は前記第１の電極に比して接触面積が小さいことから、該第１の電極と該第２の電極との間の通電経路における電流密度は、該第１の電極に対向する最表面の厚板側から該第２の電極に対向する最表面の薄板側に向かって大きくなる。この結果、前記通電経路の前記最表面の薄板側においても発熱量を大きくすることができ、前記ワークの前記最表面の薄板側においてもナゲットを形成することができる。

そして、前記通電に伴って、前記ワークの最表面の薄板側に形成したナゲットと前記最表面の厚板側に形成した他のナゲットとが結合して大きなナゲットに成長し、該ワークを溶着して一体化することができる。

しかし、前記ワークの最表面の薄板側に形成したナゲットの成長に伴って、前記第１の電極及び前記第２の電極による押圧が小さい領域において、前記薄板と隣接する金属板との間にギャップが生じたり、該ナゲットが該薄板と該隣接する金属板との間に形成したコロナボンドから突出することがある。この結果、前記薄板と隣接する金属板との間から前記ナゲットが露出し、スパッタが発生してしまう。

そこで、本発明のスポット溶接方法では、前記ワークの最表面の薄板側に形成したナゲットの大きさが、スパッタが発生し始める大きさを超える前に、前記通電を維持した状態で、前記第２の電極の外周に設けられた前記押圧部材により前記ワークを押圧する。前記押圧部材は、前記第２の電極の外周に設けられ、スパッタが発生し始める大きさのナゲットの外周側で前記ワークを押圧可能であるので、前記押圧により前記ギャップの生成及び前記ナゲットの突出を防ぐことができる。これにより、前記薄板と隣接する金属板との間から前記ナゲットが露出することを防ぎ、スパッタが発生することを抑制して優れた溶接品質を得ることができる。

前記押圧部材が、スパッタが発生し始める大きさのナゲットの外周側で前記ワークを押圧できない場合には、前記押圧が不十分となり、前記ギャップの生成及び前記ナゲットの突出を防ぐことができない。

また、本発明のスポット溶接方法は、２枚以上の金属板を重ね合わせるとともに少なくとも最表面の２枚の金属板が相互に厚さの異なる厚板と薄板とからなるワークをスポット溶接する際に、最表面の厚板に対向する第１の電極と、最表面の薄板に対向し該第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極とにより該ワークを挟持し加圧する加圧手段と、該第１の電極と該第２の電極とに通電する通電手段とを備え、該第１の電極と該第２の電極とで該ワークを加圧挟持した状態で該第１の電極と該第２の電極とに通電するスポット溶接装置において、該第２の電極の外周に設けられ、スラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさのナゲットの外周側で該ワークを押圧可能な押圧部材と、該押圧部材を該ワークに対して進退させるとともに該押圧部材により該ワークを押圧する押圧手段とを備えることを特徴とするスポット溶接装置により、有利に実施することができる。

本発明のスポット溶接方法の実施に用いられるスポット溶接装置を示す構成図。本発明のスポット溶接方法の初期状態を示す説明的断面図。本発明のスポット溶接方法によるワークの溶接状態を示す説明図。

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

本実施形態のスポット溶接装置は、図１に示す溶接ロボットＲであり、その動作端の手首部１にはスポット溶接ガンＧが搭載されている。溶接ロボットＲは、クランパーＣによって支持されたワークＷの各打点位置にスポット溶接ガンＧを移動し、複数の金属板を重ね合わせたワークＷのスポット溶接を行う。

スポット溶接ガンＧは、手首部１に取付けられたガン支持ブラケット２に上下動自在に支持されたガン本体３を備えている。ガン本体３には、下方に延びるＣ形ヨーク４が取付けられており、該Ｃ形ヨーク４の下部の先端に固定電極チップである下チップ５が取付けられている。

また、ガン本体３の上端には、それぞれサーボモータを駆動源とする加圧部６と押圧部７が搭載されている。ガン本体３の下方には、加圧部６によりガン本体３内の第１のボールねじ機構（図示せず）を介して上下動する第１のロッド８と、押圧部７によりガン本体３内の第２のボールねじ機構（図示せず）を介して上下動する第２のロッド９とが突出して設けられている。

第１のロッド８の下端には、下チップ５と対向させて可動電極である上チップ１０が取付けられている。下チップ５及び上チップ１０は、図２に示すように、いずれも先端がドーム状の球面形状であってその頂点に平坦部を備えるＤＲ型である。下チップ５及び上チップ１０では、前記平坦部の面積がワークＷに対する接触面積となり、上チップ１０は下チップ５よりも接触面積が小さくなっている。尚、下チップ５及び上チップ１０は、前記ＤＲ型であるので、損耗時の接触面積変化を抑制して長期間使用できる。

第２のロッド９の下端には、上チップ１０の外周に設けられ、スパッタが発生し始める大きさのナゲットの外周側でワークＷを押圧可能な絶縁部材１１が取付けられている。絶縁部材１１は、スポット溶接によってワークＷに発生する熱に耐え得る耐熱性を備えるとともに、その大きさが、前もって計測されたスパッタ発生開始時のナゲットの大きさよりも大きくなるように形成されている。

ガン本体３は、ガン支持ブラケット２に固定されたリニアガイド１２により上下方向に摺動自在に支持されていて、ガン支持ブラケット２の上端に搭載されたサーボモータ１３の回転により上下動される。

加圧部６、押圧部７及びサーボモータ１３の作動は、ガンコントローラ１４によって制御される。ロボットＲの位置制御によりスポット溶接ガンＧがワークＷの各打点位置に到達したときに、ガンコントローラ１４は、加圧部６とサーボモータ１３とを作動させて、下チップ５と上チップ１０との間にワークＷを挟んで加圧挟持し、この加圧挟持状態で下チップ５と上チップ１０間に通電してワークＷをスポット溶接する。また、ガンコントローラ１４は、必要に応じて押圧部７とサーボモータ１３とを作動させて、絶縁部材１１を降下させワークＷに対して押圧する。

ワークＷは、図２に示すように、例えば厚さ１．０〜１．４ｍｍのハイテン鋼からなる２枚の厚板Ｐ_１，Ｐ_２の上に、例えば厚さ０．６〜０．６５ｍｍの軟鋼からなる２枚の薄板Ｐ_３，Ｐ_４を重ね合わせたものであり、最表面には厚板Ｐ_１と薄板Ｐ_４とが配置されている。溶接ロボットＲによるワークＷのスポット溶接は、下チップ５にワークＷの最表面の厚板Ｐ_１を対向させるとともに上チップ１０にワークＷの最表面の薄板Ｐ_４を対向させて行う。

次に、図２及び図３を参照して、溶接ロボットＲによるワークＷのスポット溶接方法について説明する。

まず、ガンコントローラ１４により加圧部６とサーボモータ１３とを作動させて、図２に示すように下チップ５と上チップ１０との間にワークＷを加圧挟持する。このとき、下チップ５はワークＷの最表面の厚板Ｐ_１に対向し、上チップ１０はワークＷの最表面の薄板Ｐ_４に対向している。

次に、下チップ５と上チップ１０とでワークＷを加圧挟持した状態で、下チップ５と上チップ１０との間に通電してワークＷをスポット溶接する。

厚板Ｐ_１，Ｐ_２は薄板Ｐ_３，Ｐ_４に比較して電気抵抗が大きいために、前記通電によって厚板Ｐ_１，Ｐ_２側にナゲットＮ_１が形成される。

また、このとき、上チップ１０の最表面の薄板Ｐ_４に対する接触面積は下チップ５の最表面の厚板Ｐ_１に対する接触面積に比して小さいことから、下チップ５と上チップ１０との間の通電経路Ｘにおける電流密度は、下チップ５に対向する最表面の厚板Ｐ_１側から上チップ１０に対向する最表面の薄板Ｐ_４側に向かって次第に大きくなる。この結果、通電経路Ｘの最表面の薄板Ｐ_４側における発熱量を大きくすることができ、ワークＷの最表面の薄板Ｐ_４側においてもナゲットＮ_２を形成することができる。

しかし、前記通電をこのまま継続すると、ナゲットＮ_２の成長に伴って、下チップ５及び上チップ１０による押圧が小さい領域において、薄板Ｐ_４と隣接する金属板Ｐ_３との間にギャップが生じたり、ナゲットＮ_２が薄板Ｐ_４と隣接する金属板Ｐ_３の間に形成したコロナボンドから突出することがある。この結果、薄板Ｐ_４，Ｐ_３と隣接する薄板Ｐ_３及び厚板Ｐ_２との間からナゲットＮ_２が露出しスパッタが発生してしまう。

そこで、ナゲットＮ_２の大きさが、スパッタが発生し始める大きさを超える前に、前記通電を維持した状態で、ガンコントローラ１４により押圧部７とサーボモータ１３とを作動させて、図３に示すように、絶縁部材１１を降下させワークＷの最表面の薄板Ｐ_４に対して押圧する。押圧部７とサーボモータ１３を作動させるタイミングは、例えば、予め、スパッタ発生開始までの通電時間と、このときのナゲットＮ_２の大きさとを計測しておくことにより、決定することができる。

絶縁部材１１は、スパッタが発生し始める大きさのナゲットＮ_２の外周側でワークＷを押圧可能であるので、前記押圧により前記ギャップの生成及びナゲットＮ_２の突出を防ぐことができる。この結果、薄板Ｐ_４，Ｐ_３と隣接する薄板Ｐ_３及び厚板Ｐ_２との間からナゲットＮ_２が露出することを防ぎ、スパッタが発生することを抑制して優れた溶接品質を得ることができる。

そして、絶縁部材１１によるワークＷの押圧を維持した状態で前記通電を継続することにより、厚板Ｐ_１，Ｐ_２側に形成されたナゲットＮ_１と最表面の薄板Ｐ_４側に形成されたナゲットＮ_２とが結合して大きなナゲットＮ_３に成長し、ワークＷを溶着して一体化することができる。

したがって、本実施形態のスポット溶接方法によれば、スパッタの発生を抑制して優れた溶接品質を得ることができるとともに、ナゲットＮ_３がワークＷの最表面の厚板Ｐ_１側及び最表面の薄板Ｐ_４側のいずれにも偏ることなく、良好なスポット溶接を行うことができる。

本実施形態では、ハイテン鋼からなる２枚の厚板Ｐ_１，Ｐ_２の上に、軟鋼からなる２枚の薄板Ｐ_３，Ｐ_４を重ね合わせたワークＷをスポット溶接する方法について説明したが、本実施形態のスポット溶接方法は、２枚以上の金属板を重ね合わせるとともに少なくとも最表面の２枚の金属板が相互に厚さの異なる厚板と薄板とからなるワークであれば、金属板の枚数によらず適用可能である。

５…第１の電極、６… 加圧手段、７…押圧手段、１０…第２の電極、１１…押圧部材（絶縁部材）、１４…通電手段（ガンコントローラ）、Ｎ_２…ナゲット、Ｐ_１…金属板、最表面の厚板、Ｐ_２…金属板、厚板、Ｐ_３…金属板、薄板、Ｐ_４…金属板、最表面の薄板、Ｒ…スポット溶接装置、Ｗ…ワーク。

Claims

２枚以上の金属板を重ね合わせるとともに少なくとも最表面の２枚の金属板が相互に厚さの異なる厚板と薄板とからなるワークをスポット溶接する際に、最表面の厚板に対向する第１の電極と、最表面の薄板に対向し該第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極とで該ワークを加圧挟持した状態で、該第１の電極と該第２の電極とに通電するスポット溶接方法において、
該通電により生じるナゲットの大きさがスラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさを超える前に、該通電を維持した状態で、該第２の電極の外周に設けられ、該スラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさのナゲットの外周側で該ワークを押圧可能な押圧部材により該ワークを押圧する工程を備えることを特徴とするスポット溶接方法。
２枚以上の金属板を重ね合わせるとともに少なくとも最表面の２枚の金属板が相互に厚さの異なる厚板と薄板とからなるワークをスポット溶接する際に、最表面の厚板に対向する第１の電極と、最表面の薄板に対向し該第１の電極の接触面積よりも小さい接触面積を備える第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極とにより該ワークを挟持し加圧する加圧手段と、該第１の電極と該第２の電極とに通電する通電手段とを備え、該第１の電極と該第２の電極とで該ワークを加圧挟持した状態で該第１の電極と該第２の電極とに通電するスポット溶接装置において、
該第２の電極の外周に設けられ、スラグ又は金属粒子が飛散し始める大きさのナゲットの外周側で該ワークを押圧可能な押圧部材と、
該押圧部材を該ワークに対して進退させるとともに該押圧部材により該ワークを押圧する押圧手段とを備えることを特徴とするスポット溶接装置。