JP2015100795A

JP2015100795A - スタッド溶接のモニタリング方法

Info

Publication number: JP2015100795A
Application number: JP2013240728A
Authority: JP
Inventors: 高橋　忠夫; Tadao Takahashi; 忠夫高橋
Original assignee: OTANI KOGYO CO Ltd
Current assignee: OTANI KOGYO CO Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-06-04

Abstract

【課題】スタッド溶接の合否を判定するモニタリング方法の判定精度の向上を図る。
【解決手段】電圧検出回路２１はスタッド溶接時のアーク電圧を検出するステップを実行する。時間計測部２３は、まず検出されたアーク電圧について予め設定された電圧設定の下限値を下回った電圧降下の時間をカウントするステップを実行する。つぎにアーク電圧が、予め設定された電圧設定の範囲内の時間をカウントするステップを実行する。判定部２７は、時間計測部２３のカウントした各時間を、予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定するステップを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタッド溶接の溶接状況を測定して溶接の合否を判定するスタッド溶接のモニタリング方法に関する。

周知のようにスタッド溶接は、主に平板にボルトやピンなどの部品（スタッド）を溶接するのに用いられ、平板とボルト（スタッド）などの間に電流を流してアークを発生させて両者を溶融しつつ加圧して溶接する。

このスタッド溶接では、スタッドをスタッド溶接装置（専用ガン）に取り付けて母材に押し当てて専用ガンと溶接機（溶接電源装置）とによって短時間に自動的に溶接を行うことができる。このスタッド溶接のモニタリング方法としては特許文献１が公知となっている。

図７に基づき概略を説明すれば、スタッド溶接装置１がスタッド２を母材３に溶接するにあたって、スタッド溶接装置１の溶接機４をコントローラ５により制御する。このときスタッド溶接装置１を駆動させる溶接機４の消費電力・消費電流・消費電流の電圧を継続的に測定する。ここで計測された消費電流、即ち溶接作業中にスタッド溶接装置１に供給される溶接電流を、予め定めた変化と比較して溶接の合否を判定している。

特表２００５−５１８２８１

しかしながら、特許文献１のモニタリング方法は、溶接時のアーク電圧（アークの両端間の電圧）を判定基準としていないため、合否判定の精度に問題があった。

すなわち、スタッド２に含有された不純物などにより溶接短絡（アークが途中で途切れてしまう状態）などの電圧降下を生じる場合が少なくない。この場合には溶接に内部欠陥が生じるため、溶接の強度が弱く、溶接の品質が悪化するおそれがある。ところが、特許文献１のモニタリング方法は、溶接時のアーク電圧を判定基準としていないため、溶接短絡などの電圧降下が生じた場合も合格と判定し、合否判定の精度に問題があった。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、スタッド溶接の合否を判定するモニタリング方法の判定精度の向上を図ることを解決課題としている。

本発明のモニタリング方法の一態様は、スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、第１ステップで検出されたアーク電圧について、予め設定された電圧設定の下限値を下回った電圧降下の時間をカウントする第２ステップと、第２ステップでカウントされた時間を予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第３ステップと、を有する。この発明の態様によれば、溶接短絡などの電圧降下が生じた場合に不合格と判定することができる。

本発明のモニタリング方法の他の態様は、スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、第１ステップで検出されたアーク電圧が、予め設定された電圧設定の範囲内の時間をカウントする第２ステップと、第２ステップでカウントされた時間を予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第３ステップと、を有する。この発明の態様によれば、電圧設定の範囲内の実質的溶接時間が短ければ不合格と判定することができる。

本発明のモニタリング方法のさらに他の態様は、スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、第１ステップで検出されたアーク電圧について、予め設定された電圧設定の下限値を下回った電圧降下の時間をカウントする第２ステップと、第１ステップで検出されたアーク電圧が、予め設定された電圧設定の範囲内の時間をカウントする第３ステップと、第２ステップおよび第３ステップでカウントされた各時間を、予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第４ステップと、を有する。この発明の態様によれば、溶接短絡などの電圧降下が生じた場合や、電圧設定の範囲内の実質的溶接時間が短い場合に不合格と判定することできる。

本発明によれば、スタッド溶接の合否を判定するモニタリング方法の判定精度の向上に寄与できる。

本発明の実施形態に係るスタッド溶接のモニタリング方法を実現するモニタリングシステムの構成図。同スタッド溶接装置の電動シリンダ構成図。同電動シリンダの動作図電圧波形図。スタッド溶接の試験結果図。図５中のＮｏ．１の縦断面図。特許文献１のシステム構成図。

図１に基づき本発明に係るスタッド溶接のモニタリング方法を実行するモニタリングシステム１０を説明する。このモニタリングシステム１０によれば、溶接機（溶接電源装置）１１がスタッド溶接装置（専用ガン）１２側の溶接電極１３と母材１４，１４´との間に電圧を印加し、溶接電極１３と母材１４，１４´との間にアークを発生させてスタッド溶接を実行する。このときモニタリング装置２０によりアーク電圧（アークの両端間の電圧）や溶接電流など溶接状況のデータが測定され、溶接の合否が判定されている。

≪スタッド溶接装置１２≫
スタッド溶接装置１２は、ボールネジ駆動のロボットタイプのアクチュエータ構造からなり、図２に示すように駆動装置６ｄに駆動される溶接ロッド６ｂをアルミフレーム６ｆに内装した電動シリンダ６を備え、該電動シリンダ６はストローク点火溶接の処理を実行するのに適した溶接ヘッドとして一般的に知られている方法で実質的に実現されている。

駆動装置６ｄはサーボモータにより構成され、溶接ロッド６ｂを軸方向に駆動させている。すなわち、駆動装置６ｄのサーボモータが溶接機１１により通電されて一方向に回転駆動すれば、ポールネジ６ａが前進して溶接ロッド６ｂが押し出されるため、溶接部品が押し込まれる。一方、駆動装置６ｄのサーボモータが他方向に回転駆動すれば、ポールネジ６ａが後退し、溶接ロッド６ｂが引き上げられる。

この駆動装置６ｄによる溶接ロッド６ｂの駆動は、溶接機１１に内蔵されたコントローラにより「原点位置（溶接準備完了）→引き上げ（溶接開始）→押し込み（溶接終了）→戻し→原点位置」の位置制御が行われている。図３中の位置１は溶接準備完了時の溶接ロッド６ｄの原点位置を示し、位置２は溶接開始時に引き上げられた溶接ロッド６ｄの位置を示し、位置３は溶接完了時に溶接ロッド６ｄが溶接部品を押し込む位置を示し、位置４は溶接完了後に溶接ロッド６ｄが引き上げられて戻された位置を示している。

このとき駆動装置６ｄのサーボモータの回転駆動量は、エンコーダ６ｅで溶接ロッド６ｂの位置情報に変換され、モニタリング装置２０に送信されている。これによりモニタリング装置２０は、溶接時の押し込み量（位置２から位置５への移動量）および引上量（位置１から位置２への移動量）を得ることが可能となっている。

≪モニタリング装置２０≫
モニタリング装置２０には、コンピュータにより構成され、判定のための設定条件が入力されて記憶されている。ここでは「電圧設定（○○Ｖ±○○Ｖ）」，「電圧低下時間設定（○○ｍｓ以上で検出）」，「溶接時間設定（○ｓ）」が設定条件として記憶される。

具体的にはモニタリング装置２０は、溶接電流を検出するために溶接機１１と溶接電極１３とを接続する導体１６に電流センサ、例えば電流検出コイルが設けられ、該電流センサの出力端子に電流検出回路２２が接続されている。さらにエンコーダ１８から送信される位置情報を受信し、溶接時の押し込み量および引上量を算出する押込量取得部２６を有している。この両者２２，２６はそれぞれの検出・算出情報を出力部２８に送信している。

また、モニタリング装置２０は、アーク電圧を検出するために溶接機１１の溶接電極１３側と母材４（アース側）との間に電圧検出回路２１の一対の入力端子がそれぞれ接続されている。この電圧検出回路２１は、「溶接時間設定」の設定時間内のアーク電圧を検出する（電圧検出ステップ）。ここで電圧検出回路２１が検出したアーク電圧の情報は時間計測部２３に送信される。

時間計測部２３は、受信したアーク電圧の情報に基づき溶接短絡時間と実質的溶接時間とを計測する。（短絡時間計測ステップ，溶接時間計測ステップ）。この各時間は次のように定義されている。
・溶接短絡時間＝「電圧設定」の下限値を下回った電圧降下の時間（以下、時間Ａとする。）
・実質的溶接時間＝「電圧設定」の範囲内でアーク電圧が発生している時間（以下、時間Ｂとする。）
時間Ａ，Ｂの計測にはシーケンサーの内部クロック（カウンター）を用いることができ、溶接時に短絡が無ければ時間Ａはカウントされない。ここでカウントされた時間Ａ，Ｂの情報は、判定部２７に送信される。判定部２７は、時間計測部２３から送信された時間Ａ，Ｂの情報を、「溶接時間設定」および「電圧低下時間設定」の値と対比し、スタッド溶接装置１２によるスタッド溶接の合否を判定する（判定ステップ）。

すなわち、時間計測部２３からの送信情報に時間Ａが含まれていれば、短絡時間について１次判定を実施する。ここでは時間Ａと「電圧低下時間設定」の設定値とを対比し、時間Ａの長さが設定値以上であれば不合格と判定する一方、該設定値未満であれば１次判定を通過して溶接時間の２次判定に進む。

この２次判定では時間Ｂと「溶接時間設定」の設定値とを対比し、時間Ｂの長さが設定値未満であれば不合格と判定する一方、設定値以上であれば合格と判定する。この合否の結果および時間Ｂの情報（不合格判定の時間Ｂの情報も含む。）は出力部２８に送信される。なお、時間計測部２３からの送信情報に時間Ａが含まれていなければ、１次判定が省略されて２次判定が実施される。

出力部２８は、電流検出回路２２および前記両部２６，２７からの送信情報を図示省略のモニタに表示させる。このとき判定部２７の合否がモニタに表示されるため、ユーザは溶接の判定結果を目視で容易に認識することができる。

≪具体的な処理内容≫
図４〜図６に基づきモニタリング装置２０の具体的な処理内容を説明する。ここでは設定条件は、（１）電圧設定＝３８Ｖ±１０Ｖ、（２）電圧低下時間設定＝１５０ｍｓ以上で検出、（３）溶接時間設定＝１．２ｓと入力・記憶されているものとする。

（１）時間Ａについて
まず、図４に基づき溶接短絡時間計測ステップ（時間Ａのカウント）と、判定ステップの１次判定とを説明する。ここで図４（ａ）中、Ｔ１は電圧２８Ｖ〜４２Ｖ（ピーク値）間の溶接時間を示し、Ｔ３は４０Ｖ〜２８Ｖ間の溶接時間を示している。このＴ１・Ｔ３間のＴ２は、電圧２８Ｖ〜１８Ｖの溶接時間なため、図４（ａ）の電圧波形の谷間、即ち溶接短絡時間となっている。

また、Ｔ２の電圧は「電圧設定の下限値＝２８Ｖ」を下回っているため、Ｔ２は時間計測部１２により時間Ａ（０．２９ｓ＝２９０ｍｓ）としてカウントされる。ここでカウントされた時間Ａの情報は判定部２７にて電圧低下時間設定の設定値（１５０ｍｓ）と対比される。

このとき「Ｔ２＞電圧低下時間設定の設定値（１５０ｍｓ）」が成立するため、図４（ａ）の溶接は不合格と判定される。なお、図４（ｂ）（ｃ）は電圧波形に電圧の谷間が無く溶接短絡は発生していないため、時間Ａはカウントされず、１次判定を省略して２次判定が実施される。

（２）時間Ｂについて
つぎに溶接時間計測ステップ（時間Ｂのカウント）と、判定ステップの２次判定とを説明する。図４（ａ）の時間Ｂは、時間計測部１２にて「時間Ｂ＝Ｔ１（０．６ｓ）＋Ｔ３（０．３１ｓ）＝０．９１ｓ」とカウントされる。このときＴ２の電圧は「電圧設定の下限値＝２８Ｖ」を下回っているため、時間Ｂの溶接時間としてＴ２はカウントされない。

図４（ｂ）（ｃ）の時間Ｂは、時間計測部１２にて「時間Ｂ＝Ｔ１」としてカウントされる。ここでカウントされた図４（ｂ）（ｃ）の時間Ｂは、判定部２７にて溶接時間設定の設定値（１．２ｓ）と比較される。このとき図４（ｂ）は「Ｔ１＝１．２ｓ」とカウントされている一方、図４（ｃ）は「Ｔ１＝０．７３ｓ」とカウントされているものとする。

したがって、図４（ｂ）の溶接は「時間Ｂ≧溶接時間設定の設定値（１．２ｓ）」が成立し、判定部２７にて合格と判定される。一方、図４（ｃ）の溶接は「時間Ｂ≧溶接時間設定の設定値（１．２ｓ）」が成立しないため、実質的な溶接時間が不足し、判定部２７にて不合格と判定される。なお、図４（ａ）の溶接は、既に不合格と判定されているため、時間Ｂの判定（２次判定）は行われない。

（３）判定結果の表示例

表１は、出力部２８によりモニタ表示された表示例を示している。ここでは「溶接Ｎｏ」毎に「溶接機設定」および「モニタリング」が表示され、「Ｎｏ．１」は図４（ａ）の溶接を示し、「Ｎｏ２」は図４（ｂ）の溶接を示し、「Ｎｏ．３」は図４（ｃ）の溶接を示している。

表１中の「溶接機設定」は、溶接機１１に設定する項目として「電流（Ａ）」・「電圧（Ｖ）」・「溶接時間（ｓ）」・「引上量（ｍｍ）」・「押込量（ｍｍ）」を有している。また、「モニタリング」の「電流（Ａ）」は電流検出回路２２の検出電流（Ａ）を示し、「電圧（Ｖ）」は電圧検出回路２１の検出電圧（Ｖ）のピーク値を示し、「溶接時間（ｓ）」は前記時間Ｂを示し、「引上量」および「押込量」は押込量取得手段の取得した引上量および押込量を示している。

「モニタ判定」は、判定部２７による合否判定の結果を示し、各判定の「○」は合格を示し、「×」は不合格を示している。ここでは「Ｎｏ．１」は「×」と判定され、「Ｎｏ．２」は「○」と判定され、「Ｎｏ．３」は「×」と判定されている。

≪試験・検証≫
図５に基づきモニタ表示された「Ｎｏ．１〜３」、即ち図４（ａ）〜（ｃ）の溶接に対する試験結果を説明する。ここで図５中の３０は溶接する部材を示し、次の試験（Ａ）（Ｂ）を実施した。
（Ａ）目視による前記各溶接の外観が良好か否かの判定
（Ｂ）前記各溶接に対する角度１５°以上の曲げ強度試験
この結果、「Ｎｏ．１」の溶接は、試験（Ａ）の結果は良好であったものの、図５に示すように、試験（Ｂ）のときに折れ曲がってしまった。すなわち、「Ｎｏ．１」の溶接は、図６に示すように、ブローホールＰが発生していたため、外観は良好なものの、溶接部分の機械的強度が著しく低下していた。これは重大な溶接欠陥であり、溶接短絡（アークが途中で途切れてしまう状態）などの電圧降下が一つの原因となっている。

また、「Ｎｏ．３」の溶接は、試験（Ｂ）時の耐久性は有していたものの、外観が良好ではなかった。これは主に溶接時間の不足が原因となっている。なお、「Ｎｏ．２」の溶接は試験（Ａ）（Ｂ）共に良好であった。

このようにモニタリング装置２０の方法によれば、「時間Ａ＞電圧低下時間設定」が成立する場合には不合格と判定される。したがって、図４（ａ）のように外観上は良好であっても溶接短絡などの電圧降下により内部欠陥が生じている溶接を不合格と判定することができる。この点でスタッド溶接の合否を判定するモニタリング方法の判定精度の向上を図れる。

また、モニタリング装置２０の方法によれば、「時間Ｂ≧溶接時間設定」の不成立の場合も不合格と判定されるため、アーク電圧が「電圧設定」の下限値以上で発生している実質的な溶接時間が短い場合も不合格と判定される。これにより例えば図４（ｃ）のように耐久性は有するものの外観が不良な溶接を不合格と判定でき、この点で外観品質の判定精度の向上が図れる。

換言すれば、モニタリング装置１０の方法により合格判定された溶接、例えば図４（ｂ）の溶接は溶接強度および外観品質のいずれも良好なため、部材３０を強固に溶接でき、また見栄えの悪化を抑制することもできる。

１０…モニタリングシステム
１１…溶接電源装置
１２…スタッド溶接装置
１３…溶接電極
１４…母材
１６…導体
２０…電流検出回路
２１…電圧検出回路
２３…時間計測部
２６…押込量取得部
２７…判定部
２８…出力部

Claims

スタッド溶接装置によるスタッド溶接の状況を測定して溶接の品質を判定するスタッド溶接のモニタリング方法であって、
スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、
第１ステップで検出されたアーク電圧について、予め設定された電圧設定の下限値を下回った電圧降下の時間をカウントする第２ステップと、
第２ステップでカウントされた時間を予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第３ステップと、
を有することを特徴とするスタッド溶接のモニタリング方法。
スタッド溶接装置によるスタッド溶接の状況を測定して溶接の品質を判定するスタッド溶接のモニタリング方法であって、
スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、
第１ステップで検出されたアーク電圧が、予め設定された電圧設定の範囲内の時間をカウントする第２ステップと、
第２ステップでカウントされた時間を予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第３ステップと、
を有することを特徴とするスタッド溶接のモニタリング方法。
スタッド溶接装置によるスタッド溶接の状況を測定して溶接の品質を判定するスタッド溶接のモニタリング方法であって、
スタッド溶接時のアーク電圧を検出する第１ステップと、
第１ステップで検出されたアーク電圧について、予め設定された電圧設定の下限値を下回った電圧降下の時間をカウントする第２ステップと、
第１ステップで検出されたアーク電圧が、予め設定された電圧設定の範囲内の時間をカウントする第３ステップと、
第２ステップおよび第３ステップでカウントされた各時間を、予め設定された時間と対比して前記溶接の合否を判定する第４ステップと、
を有することを特徴とするスタッド溶接のモニタリング方法。