JP2015155103A - 抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接電流の影響を受けることなく、溶接電極に対して加わる荷重を高い精度で検出しうる抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接対象物を挟むように配置される下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６と、上部溶接電極１６に取り付けられ、上部溶接電極１６の歪みを非電気的に検出する歪みゲージ１８と、歪みゲージ１８からの信号を基に、溶接対象物の溶接中における上部溶接電極１６に対する荷重を検出する制御部２４とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法に関する。

抵抗溶接は、加圧しつつ接触させた溶接対象物間に溶接電流を流すことにより発生するジュール熱を利用して溶接対象物を接合するものである。抵抗溶接における加圧に際して溶接対象物に加えられる荷重ないし加圧力は、溶接の品質を左右する要因の一つとなっている。そこで、抵抗溶接における荷重を計測することを可能にした抵抗溶接装置や、荷重検出のためのセンサが提案されている（例えば特許文献１、２参照）。

特許文献１には、押圧機構における加圧力伝達シャフトの上方に設けられたロードセルにより溶接対象物に対する加圧力を測定し、加圧力を管理して溶接を施す抵抗溶接装置が記載されている。特許文献１には、ロードセルにより測定される加圧力を一定に保持して溶接を施すことが記載されている。

また、特許文献２には、上部溶接電極と下部溶接電極との間に挿入して両電極間の通電時の加圧力を測定することを可能にした通電加圧センサが記載されている。この通電加圧センサでは、溶接電極から加圧力を受けるコの字状又はＵ状の導電性ブロックの最も電流が流れやすいルートから外れた傍らの位置に歪みゲージが貼り付けられている。特許文献２には、このような歪みゲージの配置により、通電時の加圧力の測定において電流による影響が低減されることが記載されている。

特開平１１−２９１０６０号公報 特開２００６−３１５０６８号公報

特許文献２記載の通電加圧センサは、上部溶接電極と下部溶接電極とを受ける導電性ブロック等を必要するため、構造が複雑なものとなっている。また、複数方向の歪みを検出するために複数の歪みゲージが設けられているが、これら歪みゲージは、抵抗値の変化により歪みを検出するものとなっている。このような歪みゲージによる歪みの測定は、少なからず溶接電流により発生する電磁界の影響を受けるため、高い精度での測定は困難であると考えられる。さらに、特許文献２記載の通電加圧センサは、上部溶接電極と下部溶接電極との間に挟まれるため、これら溶接電極の可動範囲が制約され、その結果、実際の溶接対象物の溶接時に用いることは困難であると考えられる。

本発明の目的は、溶接電流の影響を受けることなく、溶接電極に対して加わる荷重を高い精度で検出しうる抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、溶接対象物を挟むように配置される第１及び第２の溶接電極と、前記第１の溶接電極に取り付けられ、前記第１の溶接電極の歪みを非電気的に検出する歪みゲージと、前記歪みゲージからの信号を基に、前記溶接対象物の溶接中における前記第１の溶接電極に対する荷重を検出する制御部と、を備える抵抗溶接装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、第１の溶接電極と第２の溶接電極との間に溶接対象物を挟むように配置して、前記溶接対象物の溶接を行う抵抗溶接方法であって、前記溶接対象物の溶接中に、前記第１の溶接電極に取り付けられた歪みゲージにより前記第１の溶接電極の歪みを非電気的に検出する工程と、前記歪みゲージからの信号を基に、前記溶接対象物の溶接中における前記第１の溶接電極に対する荷重を検出する工程とを有する抵抗溶接方法が提供される。

本発明によれは、溶接電流の影響を受けることなく、溶接電極に対して加わる荷重を高い精度で検出することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による抵抗溶接装置の全体構成を示す概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す概略図である。 図３は、本発明の第１実施形態による抵抗溶接方法を示すフローチャートである。 図４は、本発明の第１実施形態による抵抗溶接方法を示す側面図（その１）である。 図５は、本発明の第１実施形態による抵抗溶接方法を示す側面図（その２）である。 図６は、本発明の第２実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す側面図である。 図７は、本発明の第２実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極のジョイント部材を含む構造の一例を示す概略図である。 図８は、本発明の第３実施形態において上部溶接電極を片持ち梁とみなした場合を模式的に示した概略図である。 図９は、本発明の第４実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す断面図である。 図１０は、抵抗溶接の正常過程を示す側面図である。 図１１は、抵抗溶接時に上部溶接電極と下部溶接電極との間に流される電流と溶接開始からの時間との関係を模式的に示すグラフである。 図１２は、抵抗溶接の正常過程において上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。 図１３は、抵抗溶接の異常過程を示す側面図（その１）である。 図１４は、抵抗溶接の異常過程を示す側面図（その２）である。 図１５は、抵抗溶接の異常過程において上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。

本発明の実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を説明する前に、抵抗溶接の過程について説明する。

まず、上部溶接電極が溶接対象物に対して均一に当たり、荷重が適切に加わった抵抗溶接の正常過程について図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は、抵抗溶接の正常過程を示す側面図である。図１１は、抵抗溶接時に上部溶接電極と下部溶接電極との間に流される電流と溶接開始からの時間との関係を模式的に示すグラフである。図１２は、抵抗溶接の正常過程において上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。

まず、図１０に示すように、下部溶接電極１００とその上方に配置された上部溶接電極１０２との間に、溶接対象物であるリード線１０４、１０６を重ねて配置する。下部溶接電極１００側のリード線１０４には、上側に湾曲した凸状部１０４ａが存在している。この凸状部１０４と、リード線１０６とが接触する部分が溶接されることになる。こうしてリード線１０４、１０６が下部溶接電極１００と上部溶接電極１０２との間に配置された状態で、上部溶接電極１０２により所定の荷重で下方に加圧する。これにより、リード線１０４、１０６が電極１００、１０２間に挟まれる。このとき、上部溶接電極１０２には、図１０に示される矢印の方向に荷重が加わる。なお、図１０において、紙面上下方向をｚ方向、紙面横方向をｘ方向とし、これらｚ方向及びｘ方向と直交する紙面垂直方向をｙ方向とする。

次いで、下部溶接電極１００と上部溶接電極１０２との間に電圧を印加して溶接電流を流す。溶接電流は、例えば、図１１に示すように、通電開始から立ち上がり期間を経て一定の電流値で流され、その後立ち下がり期間を経て通電が終了される。通電開始から通電終了までの溶接時間は、例えば２０ミリ秒である。溶接電流が流れると、上部溶接電極１０２とリード線１０６との間、リード線１０６とリード線１０４との間、及びリード線１０４と下部溶接電極１００との間で接触抵抗によりジュール熱が発生する。また、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との接触部が最も通電経路（面積）が小さいため、他の接触部より高温となる。この結果、一般的に、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との接触部にナゲットが形成され、この接触部で接合される。

さらに、溶接電流の通電を継続することで、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との溶接が進行する。

次いで、溶接電流の通電を終了して、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との溶接を完了する。

図１２は、図１０に示す抵抗溶接の正常過程において上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。グラフの横軸は、溶接開始からの時間を示している。グラフの縦軸は、上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分（ｘ方向成分）を示し、正側は図１０中の右向きの荷重成分を示し、負側は図１０中の左向きの荷重成分を示している。

図１２に示すように、正常過程の場合、上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分（ｘ方向成分）は、横軸付近でわずかに正負に揺らぐにすぎず、荷重の横方向成分が大きくなることはない。つまり、このような抵抗溶接の正常過程においては、上部溶接電極１０２には、図１０に示される矢印の方向の荷重が加わり続ける。なお、ここでは、簡単のため荷重のｘ方向成分のみについて考えたが、荷重のｙ方向成分もｘ方向成分と同様の挙動を示す。

一方、溶接電極が傾斜していたり、溶接対象物が傾斜していたりすると、上部溶接電極が溶接対象物に対して片当たりの状態で接触することがある。このような場合、溶接に際して、上部溶接電極に対して上下方向と交差する傾斜方向に荷重が加わり、荷重の横方向成分が大きくなることがある。

以下、上部溶接電極に対して傾斜方向に荷重が加わる抵抗溶接の異常過程について図１３乃至図１５を用いて説明する。図１３及び図１４は、抵抗溶接の異常過程を示す側面図である。図１５は、抵抗溶接の異常過程における荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。なお、図１３及び図１４の各図には、上部溶接電極に加わる荷重を矢印で示している。また、図１３及び図１４の各図では、紙面上下方向をｚ方向、紙面横方向をｘ方向とし、これらｚ方向及びｘ方向と直交する紙面垂直方向をｙ方向とする。

図１３（ａ）に示すように、下部溶接電極１００と上部溶接電極１０２との間にリード線１０４、１０６を配置した際に、例えばリード線１０６が傾斜することがある。このような場合、上部溶接電極１０２とリード線１０６とが片当たりの状態で部分的に接触し、その結果、上部溶接電極１０２に対して、上部溶接電極１０２の加圧方向である上下方向と交差する傾斜方向に荷重が加わり、荷重の横方向成分が大きくなることがある。なお、このような場合、荷重のｘ方向成分及びｙ方向成分が発生しうるが、ここでは簡単のため、荷重のｘ方向成分のみについて考える。

上記図１３（ａ）に示す状態で溶接電流の通電を開始すると、上部溶接電極１０２とリード線１０６とが接触する部分でジュール熱が発生する。この結果、図１３（ｂ）に示すように、この部分で局所的にリード線１０６上部が溶融し始め、溶融部１０６ｂが生じる。部分的に溶融部１０６ｂが生じると、上部溶接電極１０２が本来の位置に復帰する方向に動き、荷重の横方向成分が緩和されていく。

さらに、溶接電流の通電を継続すると、図１４（ａ）に示すように、溶融部１０６ｂの溶融が偏って進行する。

このような状態でさらに溶接電流の通電を継続すると、リード線１０６が部分的に偏って過剰に加熱されることになる。このような異常発熱の結果、十分な接合強度が得られない等の溶接不良が発生するおそれがある。さらには、図１４（ｂ）に示すように、リード線１０６の材料が気化して気化材料１０６ｃが飛散する爆飛につながるおそれがある。

図１５は、上記図１３及び図１４に示す抵抗溶接の異常過程において上部溶接電極に加わる荷重の横方向成分を模式的に示すグラフである。グラフの横軸は、溶接開始からの時間を示している。グラフの縦軸は、荷重の横方向成分（ｘ方向成分）を示し、正側は図１３及び図１４中の右向きの荷重成分を示し、負側は図１３及び図１４中の左向きの荷重成分を示している。

図１５に示すように、異常過程の場合、例えば、上部溶接電極に対して右向きに大きな荷重成分が加わる。その後、溶接の進行とともに右向きの荷重成分は減少していくが、偏った溶融により、左向きの荷重成分が発生することになる。このように荷重の横方向成分が生じていると、上記のように溶接不良が発生し、さらには溶接対象物材料の爆飛につながるおそれがある。

しかしながら、例えば特許文献１記載の従来の抵抗溶接装置では、上部溶接電極と下部溶接電極とが配置された上下方向という一方向の荷重を測定し、この荷重が所定の値となるように制御する。このため、上述のように、溶接電極や溶接対象物の傾斜、位置ずれ等に起因して上下方向以外の傾斜方向に荷重が発生しても、このような荷重を検出することができない。

本発明の抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法は、溶接電流の影響を受けることなく、溶接電極に対して加わる荷重を高い精度で検出することを可能とするものである。さらに、本発明の抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法は、溶接電極の加圧方向と交差する傾斜方向に溶接電極に加わる荷重を検出することをも可能とするものである。以下、本発明の実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法について詳述する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法について図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態による抵抗溶接装置の全体構成を示す概略図である。図２は、本実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す概略図である。図３は、実施形態による抵抗溶接方法を示すフローチャートである。図４及び図５は、本実施形態による抵抗溶接方法を示す側面図である。

まず、本実施形態による抵抗溶接装置の構成について図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態による抵抗溶接装置１０は、電極保持体１２と、電極保持体１２に保持された下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６と、上部溶接電極１６に取り付けられた複数の歪みゲージ１８と、複数の歪みゲージ１８により検出される歪みを計測する計測部２２と、抵抗溶接装置１０全体の動作を制御する制御部２４と、溶接電流を流すための電源部２６とを備えている。

電極保持体１２の下部には、電極保持具２８を介して、棒状の下部溶接電極１４が長手方向を上下にして保持されている。また、電極保持体１２の上部には、電極保持具３０を介して、棒状の上部溶接電極１６が長手方向を上下にして保持されている。下部溶接電極１４の上端面と上部溶接電極１６の下端面とは、互いに対向するように配置されている。上部溶接電極１６を保持する電極保持具３０には、上部溶接電極１６を下降させて、下部溶接電極１４と上部溶接電極１６との間に挟持される溶接対象物を加圧する加圧機構（図示せず）が設けられている。

また、下部溶接電極１４と上部溶接電極１６とには、それぞれ電源ケーブル２５ａ、２５ｂを介して電源部２６が接続されている。電源部２６は、溶接時において、上部溶接電極１６と下部溶接電極１４との間に溶接電流を流すため、これら電極１４、１６間に電圧を印加するものである。電源部２６は、制御部２４に制御可能に接続されている。制御部２４は、電源部２６による電圧の印加を開始又は停止したり、電源部２６による電圧を制御することで溶接電流の大きさを制御したりすることが可能になっている。

下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６の形状は、特に限定されるものではない。下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６として、例えば横断面形状が四角形状の角棒型のものを用いることができる。また、下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６として、例えば横断面形状が円形状の丸棒型のものを用いることができる。また、下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６の材料も特に限定されるものではないが、例えば、タングステンや、アルミナ分散銅、クロム銅等の銅系合金を用いることができる。また、下部溶接電極１４及び上部溶接電極１６の径も特に限定されるものではないが、丸棒型の場合、直径は例えば３〜１５ｍｍである。

図２には、角棒型の上部溶接電極１６を示している。図２（ａ）は上部溶接電極１６を示す側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、図２では、上部溶接電極１６の長手方向をｚ方向とし、一方の幅方向をｘ方向、一方の幅方向と直交する他方の幅方向をｙ方向とする。

上部溶接電極１６の下部には、４つの歪みゲージ１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）が取り付けられている。なお、以下の説明では、各歪みゲージ１８に個別に言及する場合に、符号１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを適宜用いる。具体的には、上部溶接電極１６の下部における４側面の中央部に、それぞれ歪みゲージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが取り付けられている。上部溶接電極１６への歪みゲージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの取り付け方法は特に限定されるものではないが、例えば、接着剤等により歪みゲージ１８が側面に取り付けられている。図２（ｂ）には、接着剤１９により歪みゲージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが上部溶接電極１６の側面に固定された状態を示している。

４つの歪みゲージ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、２つ１組で対を構成している。上部溶接電極１６のｘ方向に対向する２側面には、対の歪みゲージ１８ａ、１８ｃが、上部溶接電極１６を挟んで対向するようにそれぞれ取り付けられている。また、上部溶接電極１６のｙ方向に対向する２側面には、対の歪みゲージ１８ｂ、１８ｄが、上部溶接電極１６を挟んで対向するようにそれぞれ取り付けられている。

各歪みゲージ１８は、上部溶接電極１６の各歪みゲージ１８が取り付けられた部分の長手方向における歪みを非電気的に検出するものである。このような歪みゲージ１８を用いて非電気的に上部溶接電極１６の歪みを検出することにより、溶接電流等による電磁界の影響を受けることなく、上部溶接電極１６の歪みを高い精度で検出することが可能となる。これにより、後述する上部溶接電極１６に加わる荷重も高い精度で検出することができる。

歪みゲージ１８としては、具体的には、光ファイバセンサの一つであるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）センサが用いられている。ＦＢＧセンサの計測系には、例えば、ＦＢＧセンサのブラッグ波長を含む広帯域光源と、広帯域光源とＦＢＧセンサとの間に配置される光サーキュレータと、光計測器とが用いられる。広帯域光源からの光は、光サーキュレータを介してＦＢＧセンサに入射される。ＦＢＧセンサからの反射光は、光サーキュレータを介して光計測器に導入され、光計測器にてブラッグ波長の変化が読み取られる。歪みは、ブラッグ波長の変化に基づき求められる。このように、ＦＢＧセンサは、ブラッグ波長の変化に基づき光学的に歪みを検出するため、溶接電流等による電磁界の影響を受けることなく歪みを高い精度で検出することができる。

なお、各歪みゲージ１８は、その下端が、上部溶接電極１６の下端よりも例えば５〜１０ｍｍ程度上側に位置するように上部溶接電極１６に取り付けられている。これにより、歪みゲージ１８が溶接時の熱の影響を受けないようになっている。

ＦＢＧセンサよりなる歪みゲージ１８には、導光用光ファイバ３２を介して、計測部２２が接続されている。計測部２２は、導光用光ファイバ３２を介して、上述のように、各歪みゲージ１８におけるブラッグ波長の変化を読み取る。計測部２２は、ブラッグ波長の変化の読み取り結果に基づき、各歪みゲージ１８で検出された歪みを計測する。なお、図１では、ＦＢＧセンサよりなる歪みゲージ１８に光を入射するためのＦＢＧセンサのブラッグ波長を含む広帯域光源は省略している。また、計測部２２は、各歪みゲージ１８により検出された歪みに相当する歪み信号を生成し、生成した歪み信号を制御部２４に送信する。

計測部２２には、制御部２４が接続されている。制御部２４は、種々の演算、制御、判別等の処理を実行するＣＰＵ（図示せず）を有している。また、制御部２４は、ＣＰＵによって実行される様々な制御プログラム、ＣＰＵが参照するデータベース等を格納するＲＯＭ（図示せず）を有している。また、制御部２４は、ＣＰＵが処理中のデータや入力データ等を一時的に格納するＲＡＭ（図示せず）を有している。

制御部２４は、計測部２２から送信される、各歪みゲージ１８により検出された歪みに相当する歪み信号に基づき、溶接時に上部溶接電極１６に対して加わる荷重を検出する。

溶接時において、上部溶接電極１６に対して上下方向のみの荷重が加わった場合、各歪みゲージ１８では、平均して互いに均等な歪みが検出される。制御部２４のＲＯＭには、各歪みゲージ１８による歪み信号の平均値と上下方向の荷重の大きさとの関係を示す検量線等のデータベースが記憶されている。制御装置２４は、このデータベースを参照し、各歪みゲージ１８による歪み信号の平均値に基づき、上部溶接電極１６に対して上下方向に加わる荷重の大きさを求めることができる。

一方、溶接時において、上部溶接電極１６に対して上下方向と交差する傾斜方向に荷重が加わった場合、各歪みゲージ１８では、互いに不均一な歪みが検出される。制御部２４のＲＯＭには、各歪みゲージ１８による歪み信号間の差、比等と、傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさとの関係を示す検量線等のデータベースが記憶されている。制御部２４は、このデータベースを参照し、各歪みゲージ１８による歪み信号に基づき、溶接時に上部溶接電極１６に加わる傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求めることができる。

制御部２４は、上記のようにして求められた傾斜方向の荷重の大きさに基づき、抵抗溶接装置１０の動作を制御することができる。例えば、制御部２４は、傾斜方向の荷重の横方向成分の大きさをさらに求め、求められた荷重の横方向成分の大きさに基づき、抵抗溶接装置１０の動作を制御することができる。

より具体的には、制御部２４のＲＯＭには、対向配置された対の歪みゲージ１８、１８ごとに、対の歪みゲージ１８、１８による歪み信号間の差、比等と、荷重の具体的方向及び大きさとの関係を示す検量線等のデータベースが記憶されている。制御部２４は、このようなデータベースを参照し、対の歪みゲージ１８、１８による歪み信号に基づき、溶接時に上部溶接電極１６に加わる傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求めることができる。なお、この場合、対の歪みゲージ１８、１８の対向方向において上部溶接電極１６を曲げるように作用する成分を有する傾斜方向の荷重を求めることができる。

例えば、図２において、ｘ方向に対向配置された対の歪みゲージ１８ａ、１８ｃによる歪み信号に基づき、ｘ方向において上部溶接電極１６を曲げるように作用する成分を有する傾斜方向の荷重を求めることができる。また、ｙ方向に対向配置された対の歪みゲージ１８ｂ、１８ｄによる歪み信号に基づき、ｙ方向において上部溶接電極１６を曲げるように作用する成分を有する傾斜方向の荷重を求めることができる。このようにｘ方向及びｙ方向について荷重を求めた結果に基づき、溶接時に上部溶接電極１６に加わる傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求めることができる。さらに、荷重のｘ方向成分、ｙ方向成分の大きさを求めることができ、ｘ方向成分とｙ方向成分とを合成した横方向成分の大きさを求めることができる。

なお、少なくとも１組の対の歪みゲージ１８、１８を用いれば、対の歪みゲージ１８、１８の対向方向において上部溶接電極１６を曲げるように作用する成分を有する傾斜方向の荷重を求めることができる。

次に、本実施形態による抵抗溶接方法について図３乃至５を用いて説明する。

まず、下部溶接電極１４と上部溶接電極１６との間に、溶接対象物として、例えば、リード線１０４、１０６を重ねて配置する（ステップＳ１０）。リード線１０４、１０６については、上記抵抗溶接の過程の説明において述べたとおりである。また、溶接対象物はリード線に限定されるものではなく、種々の金属材を溶接対象物とすることができる。

続いて、加圧機構により上部溶接電極１６を下降させて、上下方向において所定の荷重でリード線１０４、１０６を加圧する（ステップＳ１１）。こうして、下部溶接電極１４と上部溶接電極１６との間に、リード線１０４、１０６を挟み込む。このとき、例えばリード線１０６の傾斜等が生じていると、図４（ａ）に示すように、上部溶接電極１６がリード線１０６に片当たりの状態で部分的に接触する。なお、図４及び図５の各図には、上部溶接電極１６に対して加わる荷重を矢印で示している。図４及び図５の各図では、紙面上下方向をｚ方向、紙面横方向をｘ方向とし、これらｚ方向及びｘ方向と直交する紙面垂直方向をｙ方向とする。上記図２に示すように、ｘ方向には１組の対の歪みゲージ１８ａ、１８ｃが対向配置され、ｙ方向にはもう１組の対の歪みゲージ１８ｂ、１８ｄが対向配置されている。

次いで、加圧機構による上下方向の荷重を一定としつつ、制御部２４により電源部２６を制御して、電源部２６により上部溶接電極１６と下部溶接電極１４との間に電圧を印加する。こうして、上部溶接電極１６と下部溶接電極１４との間に溶接電流を流し、溶接電流の通電を開始する（ステップＳ１２）。電源部２６により印加する電圧は、例えば１〜２Ｖである。また、溶接電流は、例えば１ｋ〜１０ｋＡであり、具体的には例えば５ｋＡである。また、電流を流す溶接時間は、例えば１０〜１００ミリ秒であり、具体的には例えば２０ミリ秒である。

上部溶接電極１６と下部溶接電極１４との間に溶接電流の通電が開始されて溶接電流が流れると、上部溶接電極１６とリード線１０６との間、リード線１０６とリード線１０４との間、及びリード線１０４と下部溶接電極１４との間で接触抵抗によりジュール熱が発生する。また、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との接触部が最も通電経路（面積）が小さいため、他の接触部より高温となる。この結果、一般的に、リード線１０４の凸状部１０４ａとリード線１０６との接触部にナゲットが形成され、この接触部で接合される。このとき、上部溶接電極１６がリード線１０６に片当たりの状態で部分的に接触していると、上部溶接電極１６とリード線１０６とが接触する部分でジュール熱が発生する。この結果、図４（ｂ）に示すように、この部分で局所的にリード線１０６上部が溶融し始め、溶融部１０６ｂが生じる。

上記のようにして溶接電流が通電されて溶接が進行する間、計測部２２は、各歪みゲージ１８により検出される上部溶接電極１６の歪みを計測する（ステップＳ１３）。また、計測部２２は、各歪みゲージ１８により検出された歪みに相当する歪み信号を制御部２４に送信する。

歪み信号の送信を受けた制御部２４は、各歪みゲージ１８による歪み信号間の差、比等と、荷重の具体的方向及び大きさとの関係を示す検量線等のデータベースを参照する。参照したデータベースに基づき、制御部２４は、計測部２２から送信される各歪み信号から、上部溶接電極１６に加わる上下方向又は傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求める（ステップＳ１４）。さらに、制御部２４は、荷重の横方向成分の大きさを求める。例えば、制御部２４は、上記のように、ｘ方向に対向配置された対の歪みゲージ１８ａ、１８ｃによる歪み信号、及びｙ方向に対向配置された対の歪みゲージ１８ｂ、１８ｄによる歪み信号に基づき、荷重の具体的方向及び大きさ、並びに荷重の横方向成分の大きさを求めることができる。

次いで、制御部２４は、求められた荷重の横方向成分の大きさについて、所定の閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１５）。荷重の横方向成分の大きさがこの閾値を超えると、溶接不良が発生し、さらには溶接対象物材料が爆飛するおそれがある。この閾値は、予め試験等により求められており、制御部２４のＲＯＭに格納されている。

なお、加圧機構による上下方向の荷重のみならず、上部溶接電極１６に加わる傾斜方向の荷重を検出することにより、次のような情報を推定することもできる。まず、溶接電流により発生するジュール熱で軟化、溶融した溶接対象物の状態を推定することができる。また、溶接対象物の軟化、溶融に起因する溶接電極の溶接対象物との位置関係の変化を推定することもできる。さらに、溶接電極の溶接対象物との位置関係の変化に伴い、溶接電極と溶接対象物との接触状態が変化することに起因するジュール熱の発生場所の変化を推定することができる。

制御部２４は、上部溶接電極１６に加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えていないと判定すると（ステップＳ１５のＮＯ）、そのまま溶接を継続する。

一方、制御部２４は、上部溶接電極１６に加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えたと判定すると（ステップＳ１５のＹＥＳ）、電源部２６により上部溶接電極１６と下部溶接電極１４との間に印加する電圧を低減する。これにより溶接電流を低減して（ステップＳ１６）、溶接を継続する。溶接電流が低減されると、ジュール熱による発熱が低減される。この結果、図５（ａ）に示すように、上部溶接電極１６とリード線１０６とが接触する部分の異常発熱による軟化や溶融を抑え、上部溶接電極１６に対して加わる荷重の横方向成分が低減される。なお、溶接電流が低減されると、溶接の完了に要する時間は長くなるため、溶接完了までの溶接時間が延長される。

このように、本実施形態では、上部溶接電極１６に対する荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えた場合に、溶接電流を低減する制御を行う。これにより、溶接電極や溶接対象物の傾斜による片当たり等を起因とする異常発熱を回避し、溶接不良の発生を低減し、さらには、溶接対象物材料が爆飛するのを回避することができる。

溶接を継続する間、制御部２４は、溶接が完了したか否かを判定する（ステップＳ１７）。溶接が完了したか否かは、設定された溶接時間が経過したか否か、上部溶接電極１６の下方への変位量が設定値を超えたか否か等により判定することができる。制御部２４は、溶接が完了していないと判定すると（ステップＳ１７のＮＯ）、ステップＳ１３に戻り、溶接を継続する。

一方、制御部２４は、溶接が完了したと判定すると（ステップＳ１７のＹＥＳ）、電源部２６による電圧の印加を停止して溶接電流の通電を終了する（ステップＳ１８）。こうして、図５（ｂ）に示すように、リード線１０４、１０６の溶接を完了する。

このように、本実施形態によれば、ＦＢＧセンサよりなる複数の歪みゲージにより非電気的に検出される歪みに基づき、上部溶接電極に対して加わる傾斜方向の荷重を検出する。したがって、本実施形態によれば、溶接電流の影響を受けることなく、上部溶接電極の加圧方向と交差する傾斜方向に上部溶接電極に加わる荷重を高い精度で検出することができる。これにより、溶接電極や溶接対象物の傾斜等による溶接電極と溶接対象物との片当たりに起因する異常発熱を回避し、溶接不良の発生を低減することができる。さらには、溶接対象物材料が爆飛するのを回避することができる。

（変形例１）
上記において、制御部２４は、上部溶接電極１６に対して加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えたと判定すると、電源部２６により印加する電圧を低減し、溶接電流を低減する制御を行っていた。このような溶接電流を低減する制御に代えて、溶接を中止する制御を行ってもよい。

溶接を中止する制御を行う場合、制御部２４は、上記と同様に、上部溶接電極１６に対して加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えたか否かを判定する。制御部２４は、所定の閾値を超えたと判定すると、電源部２６による電圧の印加を停止する。こうして、溶接電流の通電を停止して溶接を中止する。

このように、溶接を中止する制御を行うことにより、溶接不良の発生を確実に低減し、溶接対象物材料の爆飛を確実に回避することができる。特に、溶接対象物が傾斜して下部溶接電極と上部溶接電極との間に配置された場合には、溶接開始直後に荷重の横方向成分が大きくなることがある。このような場合には、溶接を中止する制御を行うことができる。

（変形例２）
また、溶接電流を低減する制御に代えて又は溶接電流を低減する制御とともに、溶接対象物を加圧する上下方向の荷重を増加する制御を行うこともできる。

上下方向の荷重を増加する制御を行う場合、制御部２４は、上記と同様に、上部溶接電極１６に対して加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えたか否かを判定する。制御部２４は、所定の閾値を超えたと判定すると、加圧機構を制御する。すなわち、制御部は、加圧機構により上部溶接電極１６を下降させて、下部溶接電極１４と上部溶接電極１６との間に挟持される溶接対象物を加圧する上下方向の荷重を増加する。このように上下方向の荷重を増加することにより、溶接対象物に対する溶接電極の片当たりを是正することができる。この結果、溶接対象物の異常発熱を回避して、溶接不良の発生を低減し、さらには、溶接対象物材料の爆飛を回避することができる。

（変形例３）
また、溶接電流を低減する制御に代えて又は溶接電流を低減する制御とともに、上部溶接電極１６の横方向における位置を変更する制御を行うこともできる。

位置関係を変更する制御を行う場合、上部溶接電極１６には、上部溶接電極１６の横方向における位置を変更する移動機構が設けられる。制御部２４は、上記と同様に、上部溶接電極１６に対して加わる荷重の横方向成分の大きさが所定の閾値を超えたか否かを判定する。制御部２４は、所定の閾値を超えたと判定すると、移動機構を制御する。すなわち、制御部２４は、移動機構により上部溶接電極１６を横方向に移動させて、上部溶接電極１６の横方向の位置を変更する。このように上部溶接電極１６の横方向の位置を変更することによっても、溶接対象物に対する溶接電極の片当たりを是正することができる。この結果、溶接対象物の異常発熱を回避して、溶接不良の発生を低減し、さらには、溶接対象物材料の爆飛を回避することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法について図６及び図７を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法と同様の構成要素については説明を省略し又は簡潔にする。図６は、本実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す側面図である。図７は、本実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極のジョイント部材を含む構造の一例を示す概略図である。

本実施形態による抵抗溶接装置の基本的構成は、上記第１実施形態による抵抗溶接装置の基本的構成とほぼ同様である。本実施形態による抵抗溶接装置では、上記第１実施形態における上部溶接電極１６に代えて、先端部３４ｂが交換可能な上部溶接電極３４が用いられている。

図６に示すように、上部溶接電極３４は、本体部３４ａと、本体部３４ａの下端にジョイント部材３６を介して着脱可能に取り付けられた先端部３４ｂとを有している。本体部３４ａ及び先端部３４ｂの形状及び材質は、上記第１実施形態における上部溶接電極１６と同様である。

上部溶接電極３４の本体部３４ａには、上記第１実施形態と同様に、ＦＢＧセンサよりなる歪みゲージ１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）が取り付けられている。

図７には、上部溶接電極３４のジョイント部材３６を含む構造の一例を示している。図７（ａ）は、ジョイント部材３６を含む構造の側面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図７（ｃ）は、図７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

図７に示すように、ジョイント部材３６は、その上部側に、上部溶接電極３４の本体部３４ａの下端部分が挿入される取付穴３６ａを有している。本体部３４ａの下端部分は、取付穴３６ａ内に挿入され、取付穴３６ａの内壁にネジ３８により押しつけられて固定されている。また、ジョイント部材３６は、その下部側に、本体部３４ａと同軸に先端部３４ｂの上端部分が挿入される取付穴３６ｂを有している。先端部３４ｂの上端部分は、取付穴３６ｂ内に挿入され、取付穴３６ｂの内壁にネジ４０により押しつけられて固定されている。また、先端部３４ｂの上端面は、本体部３４ａの下端面に接触している。こうして、上部溶接電極３４の本体部３４ａ及び先端部３４ｂが、それぞれジョイント部材３６にネジ止めにより着脱可能に取り付けられている。

上部溶接電極３４の本体部３４ａと先端部３４ｂとは、上記のように直接接触しているため通電可能になっている。さらに、ジョイント部材３６の材料には、例えば上部溶接電極３４と同様の金属等の導電性材料が用いられている。このため、上部溶接電極３４の本体部３４ａと先端部３４ｂとは、ジョイント部材３６を介して通電可能になっている。したがって、上部溶接電極３４を用いて溶接電流を通電することが可能である。なお、本体部３４ａと先端部３４ｂとが直接接触して通電可能になっているのであれば、ジョイント部材３６の材料には必ずしも導電性材料が用いられる必要はない。他方、ジョイント部材３６の材料に導電性材料が用いられているならば、本体部３４ａと先端部３４ｂとは必ずしも直接接触している必要はない。

溶接電極は、溶接を繰り返して実施することにより、溶接対象物に接触する先端部分が汚れたり消耗したりする。このため、溶接電極を交換する必要が生じることがある。本実施形態では、上述のように、上部溶接電極３４の先端部３４ｂが本体部３４ａに着脱可能に取り付けられている。したがって、本実施形態によれば、上部溶接電極３４の先端部分が汚れたり消耗したりした場合、先端部３４ｂのみを取り外して交換することができる。このため、歪みゲージ１８が取り付けられた本体部３４ａを含む上部溶接電極３４ごと交換する必要はない。

このように、本実施形態によれば、歪みゲージ１８が取り付けられた上部溶接電極３４の本体部３４ａを継続的に使用することができる。したがって、本実施形態によれば、高い経済性で溶接を繰り返して実施することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法について図８を用いて説明する。図８は、上部溶接電極を片持ち梁とみなした場合を模式的に示した概略図である。上記第１及び第２実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

上記第１及び第２実施形態では、複数の歪みゲージを上部溶接電極に取り付ける場合について説明したが、必ずしも複数の歪みゲージを取り付ける必要はなく、１つの歪みゲージを取り付けてもよい。この場合においては、歪みゲージにより検出される歪み等から、上部溶接電極に対して加わる横方向の荷重を検出することができる。

図８に示すように、一端が固定され他端に荷重Ｗが加えられる片持ち梁として上部溶接電極１６を考える。歪みゲージ１８は、荷重Ｗが加えられる他端から歪みゲージ１８の中心までの距離がＬとなるように上部溶接電極１６に取り付けられているとする。

この場合、歪みゲージ１８の取り付け箇所の表面応力σは、歪みゲージ１８により検出される歪みをε、上部溶接電極１６の材料のヤング率をＥとして、下記式で表される。
σ＝ε・Ｅ

そして、曲げモーメントをＭ、上部溶接電極１６の断面係数をＺとすると、歪みεは、下記式で表される。
ε＝Ｍ／（Ｚ・Ｅ）＝Ｗ・Ｌ／（Ｚ・Ｅ）

角棒型の上部溶接電極の場合、片持ち梁とみなした上部溶接電極の幅をｂ、厚さをｈとすると、断面係数Ｚは、Ｚ＝（１／６）ｂｈ^２である。したがって、角棒型の上部溶接電極の場合における荷重Ｗは、上記歪みεを表す式を変形して得られる下記式により求めることができる。

他方、丸棒型の上部溶接電極の場合、片持ち梁とみなした上部溶接電極の断面直径をｄとすると、断面係数Ｚは、Ｚ＝（π／３２）ｄ^３である。したがって、丸棒型の上部溶接電極の場合における荷重Ｗは、上記歪みεを表す式を変形して得られる下記式により求めることができる。

上記のように、取り付けられた歪みゲージ１８が１つであっても、歪みゲージ１８により検出される歪みに基づき、上部溶接電極１６を片持ち梁とみなした場合の荷重Ｗ、すなわち溶接時において上部溶接電極１６に対して加わる横方向の荷重を求めることができる。

また、取り付けられた歪みゲージが１つの場合であっても、溶接時の状況の変化を検知することができる。この場合、前回溶接した同種の溶接対象物の溶接時において歪みゲージにより検出された歪みと、今回の溶接時において歪みゲージにより検出された歪みを比較する。これにより、溶接時の状況の変化を検知することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法について図９を用いて説明する。図９は、本実施形態による抵抗溶接装置における上部溶接電極を示す断面図である。なお、上記第１乃至第３実施形態による抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。

上記第１乃至第３実施形態では、４つ又は１つの歪みゲージを用いた場合を例に説明したが、歪みゲージの数は、これらに限定されるものではない。本実施形態では、丸棒型の上部溶接電極に３つの歪みゲージを設けた場合について説明する。

図９に示すように、丸棒型の上部溶接電極１６の外周面には、複数の歪みゲージ１８として、３つの歪みゲージ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇが、周方向に１２０°の等角度間隔で取り付けられている。このように、３つの歪みゲージ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇにより検出される歪みに基づき、上部溶接電極１６に対して加わる傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求めることもできる。

制御部２４のＲＯＭには、上記３つの歪みゲージ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇによる歪み信号間の差、比等と、傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさとの関係を示す検量線等のデータベースが記憶されている。制御部２４は、このデータベースを参照し、各歪みゲージ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇによる歪み信号に基づき、溶接時に上部溶接電極１６に加わる傾斜方向の荷重の具体的方向及び大きさを求めることができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、溶接電極の歪みを非電気的に検出する歪みゲージとして、ＦＢＧセンサを例に説明したが、歪みゲージは、ＦＢＧセンサに限定されるものではない。歪みゲージは、例えば光学的に歪みを検出するもの等、非電気的に歪みを検出することができるものであればよい。

例えば、溶接電極に設けられたスリット等のマークの変位をレーザ変位計等により計測し、計測されたマークの変位に基づき、溶接電極の歪みを検出することもできる。

また、上記実施形態では、上部溶接電極に歪みゲージを取り付けた場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。歪みゲージは、上部溶接電極に取り付けることに代えて、下部溶接電極に取り付けてもよい。また、歪みゲージは、上部溶接電極及び下部溶接電極の両電極に取り付けてもよい。

また、上記実施形態では、上下方向に配置された下部溶接電極と上部溶接電極とを用いた場合を例に説明したが、２つの溶接電極の配置方向はこれに限定されるものではない。溶接対象物を挟むように配置することができれば、あらゆる方向に溶接電極を配置することができる。

１０…抵抗溶接装置
１４…下部溶接電極
１６…上部溶接電極
１８…歪みゲージ
２２…計測部
２４…制御部
２６…電源部
３４…上部溶接電極
３４ａ…本体部
３４ｂ…先端部
３６…ジョイント部材
１０４…リード線
１０６…リード線

Claims (12)

1. 溶接対象物を挟むように配置される第１及び第２の溶接電極と、
   前記第１の溶接電極に取り付けられ、前記第１の溶接電極の歪みを非電気的に検出する歪みゲージと、
   前記歪みゲージからの信号を基に、前記溶接対象物の溶接中における前記第１の溶接電極に対する荷重を検出する制御部と、を備える抵抗溶接装置。
2. 前記歪みゲージは、前記第１の溶接電極に複数取り付けられており、
   前記制御部は、前記複数の歪みゲージからの信号を基に、前記荷重を検出する請求項１記載の抵抗溶接装置。
3. 前記複数の歪みゲージは、前記第１の溶接電極を挟んで対向するように取り付けられた少なくとも１組の対の歪みゲージを含み、
   前記制御部は、前記対の歪みゲージからの信号を基に、前記荷重を検出する請求項２記載の抵抗溶接装置。
4. 前記制御部は、検出した前記荷重に基づき、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間に流す溶接電流を制御する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の抵抗溶接装置。
5. 前記制御部は、前記荷重が所定の閾値を超えると、前記溶接電流を低減する請求項４記載の抵抗溶接装置。
6. 前記制御部は、前記荷重が所定の閾値を超えると、前記溶接電流の通電を停止する請求項４記載の抵抗溶接装置。
7. 前記第１の溶接電極は、前記歪みゲージが取り付けられた本体部と、前記本体部に着脱可能に取り付けられた先端部とを有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の抵抗溶接装置。
8. 第１の溶接電極と第２の溶接電極との間に溶接対象物を挟むように配置して、前記溶接対象物の溶接を行う抵抗溶接方法であって、
   前記溶接対象物の溶接中に、前記第１の溶接電極に取り付けられた歪みゲージにより前記第１の溶接電極の歪みを非電気的に検出する工程と、
   前記歪みゲージからの信号を基に、前記溶接対象物の溶接中における前記第１の溶接電極に対する荷重を検出する工程とを有する抵抗溶接方法。
9. 前記歪みゲージは、前記第１の溶接電極に複数取り付けられており、
   前記荷重を検出する工程では、前記複数の歪みゲージからの信号を基に、前記荷重を検出する請求項８記載の抵抗溶接方法。
10. 検出した前記荷重に基づき、前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極との間に流す溶接電流を制御する工程をさらに有する請求項８又は９記載の抵抗溶接方法。
11. 前記溶接電流を制御する工程では、前記荷重が所定の閾値を超えると、前記溶接電流を低減する請求項１０記載の抵抗溶接方法。
12. 前記溶接電流を制御する工程では、前記荷重が所定の閾値を超えると、前記溶接電流の通電を停止する請求項１０記載の抵抗溶接方法。

Images