JP2018023984A5

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Publication number: JP2018023984A5
Application number: JP2016156272A
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Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2036-08-09

Description

スポット溶接用電極及びテーブルスポット溶接機

本発明は、片持ちの多関節アーム構造のテーブルスポット溶接機に用いて好適なスポット溶接用電極に関する。

上述したテーブルスポット溶接機は、被溶接物を載置する所謂テーブル電極と呼ばれる平坦な板状電極と、溶接ガンを板状電極面と平行となる横向き姿勢での移動を可能に保持する片持ちの多関節アームと、を備える。溶接ガンは、スポット溶接用電極と、該スポット溶接用電極を保持するシャンクホルダとを備え、スポット溶接用電極は、キャップチップと、該キャップチップを保持するシャンクとを備える。キャップチップは、シャンクの先端部に取り付けられ、シャンクは、シャンクホルダの先端部に取り付けられる。シャンクとシャンクホルダのそれぞれの内部には冷却水を通流させる流路が形成されている。

ところで、テーブルスポット溶接機は、片持ちの多関節アーム構造上、スポット溶接用電極の先端を被溶接物に対して直角に当てることが難しい。このため、図１６に示すように、キャップチップ５００の先端を球状にして、直角に対するずれを吸収するようにしている。例えば特許文献１、２に、そのような形態のキャップチップが記載されている。

特開２０１１−１７３１５２号公報特開平７−０７５８８１号公報

しかしながら、先端を球状としたキャップチップは、被溶接物に対する接触面積が小さいことから、溶融ナゲットの生成面積を大きくできず、溶接強度を十分に保つことが難しいという課題がある。
また、スポット溶接では、被溶接物の表面における焼けや圧痕を最小限に抑えるために通電時間を短くする手法が用いられることがあるが、先端を球状としたスポット溶接用電極を使用していて溶融ナゲットの生成面積を大きくとれない状況下で通電時間の短縮化を図ると、溶融ナゲットの成長が抑制されることから、溶接強度の更なる低下が生じてしまう。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、キャップチップの被溶接物に対する接触面積を大きくとることができるスポット溶接用電極及びテーブルスポット溶接機を提供することを提供することを目的とする。

本発明のスポット溶接用電極は、先端部分が略球状に形成されたシャンクと、前記シャンクの先端部分に対して回動自在に嵌合する略半球状空間を有するとともに、該略半球状空間の開口部内側に周方向に沿った溝部を有し、更に先端の一部分に平坦面を有するキャップチップと、前記キャップチップの前記略半球状空間の開口部内側に形成された前記溝部に内挿される弾性を有するリング状の係止部材と、を備える。

上記構成によれば、キャップチップがシャンクの先端部分に対して回動自在に嵌合するので、キャップチップの先端を被溶接物に接触させたときに、キャップチップの先端の平坦面を被溶接物の面に密接させることができる。したがって、キャップチップの被溶接物との接触面積を大きくとれるので、従来よりも大きな溶融ナゲットの生成が可能となり、被溶接物の表面における焼けや圧痕を最小限に抑える目的で通電時間の短縮化を図っても、高い溶接強度を得ることができる。

また、係止部材がキャップチップをシャンクに係止するので、キャップチップのシャンクからの落下を防止できる。また、係止部材が弾性を有するので、キャップチップのシャンクに対する着脱を容易に行うことができ、製品組立て時やメンテナンス時における作業性の向上が図れる。

本発明のテーブルスポット溶接機は、１次コイルに高周波交流が供給されることで２次コイルに生起する電流を直流化する溶接トランスと、被溶接物を載置する平坦形状の板状電極と、前記溶接トランスの２次コイルに生起し直流化された電流が供給される溶接ガンと、前記溶接ガンを前記板状電極の面と直角となる縦向き方向及び平行となる横向き方向のそれぞれの方向に移動可能に保持する片持ちの多関節アームと、前記溶接トランスの１次コイルに高周波交流を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路の動作を制御する溶接制御回路と、を備えるテーブルスポット溶接機であって、前記溶接トランスは、平行部と両端のＵ字状の湾曲部により構成される環状磁心と、前記環状磁心の前記平行部に、複数の部分に分けて間隙を空けて分割巻きされる１次コイルと、前記１次コイルと共に前記環状磁心の前記平行部に巻回され、前記１次コイルに設けられた前記各間隙に１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイルと複数の負側コイルとを交互に配列した２次コイルと、前記複数の正側コイルは全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記複数の負側コイルは全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記接続された複数の正側コイルと前記複数の負側コイルとが互いに直列接続されるように、前記正側コイルと負側コイルの端子間を電気接続する導体群を有し、かつ、前記導体群により、前記全ての正側コイルと負側コイルとを一方の面上に支持固定する接続基板を備え、前記複数の正側コイルの一方の端子は、前記接続基板の他方の面上で、前記環状磁心の前記平行部に平行な方向に伸びた第１連結極板に電気接続され、前記複数の負側コイルの一方の端子は、前記接続基板の他方の面側で、前記環状磁心の前記平行部に平行な方向に伸びた第２連結極板に電気接続され、前記正側コイルの他方の端子と負側コイルの他方の端子は、共に、前記接続基板の他方の面側で、前記環状磁心の前記平行部に平行な方向に伸びた第３連結極板に電気接続され、前記第１連結極板には、正側導体が連結され、前記第２連結極板には、負側導体が連結され、前記正側導体と前記負側導体は、前記接続基板の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層を介して重ね合わされた一対の導体板であり、前記正側導体とプラス電極が接続された第１極板との間に挟まれ、前記正側導体に正極が接触し、前記第１極板に負極が接触する第１整流素子と、前記負側導体とマイナス電極が接続された第２極板との間に挟まれ、前記負側導体に正極が接触し前記第２極板に負極が接触する第２整流素子と、前記第１極板と前記第２極板を支持し、両者を電気接続する第３極板と、を備え、前記溶接ガンは、前記スポット溶接用電極と、前記溶接トランスの前記プラス電極を前記スポット溶接用電極と接続するためのシャンクホルダと、を備え、前記板状電極には、前記溶接トランスの前記マイナス電極が接続される。

上記構成によれば、上記発明のスポット溶接用電極を備えるので、被溶接物の表面における焼けや圧痕を最小限に抑える目的で通電時間の短縮化を図っても、高い溶接強度でスポット溶接を行うことができる。

本発明によれば、キャップチップがシャンクの先端部分に対して回動自在に嵌合するので、キャップチップの先端を被溶接物に接触させたときに、該先端の平坦部分を被溶接物の面に密接させることができる。したがって、キャップチップの被溶接物との接触面積を大きくとれるので、従来よりも大きな溶融ナゲットの生成が可能となり、被溶接物の表面における焼けや圧痕を最小限に抑える目的で通電時間の短縮化を図っても、高い溶接強度を得ることができる。
また、係止部材がキャップチップをシャンクに係止するので、キャップチップのシャンクからの落下を防止できる。また、係止部材が弾性を有することから、キャップチップのシャンクに対する着脱を容易に行うことができ、製品組立て時やメンテナンス時における作業性の向上が図れる。

本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の外観を示す側面図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の外観を示す平面図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の垂直アームの一部分と溶接ガンの外観を示す側面図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接ガンのシャンクホルダの先端部分及びスポット溶接用電極の外観を示す図並びにスポット溶接用電極の縦方向の断面を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接ガンのスポット溶接用電極の先端部分を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接ガンのスポット溶接用電極の変形例を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接ガンのスポット溶接用電極の他の変形例を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の電源ユニットの概略構成を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスと溶接ガン及びテーブル電極との結線を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスの動作を説明するための図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスの動作を説明するための図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスの１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、１次電流及び整流後の溶接電流を示す図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスの外観を示す斜視図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機の溶接トランスの組み立て状態を示す斜視図本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機において、溶接トランスから溶接ガンに供給される溶接電流を示す波形図従来のテーブルスポット溶接機の溶接ガンのキャップチップを示す縦断面図

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るテーブルスポット溶接機１の外観を示す側面図である。また、図２は、本実施形態に係るテーブルスポット溶接機１の外観を示す平面図である。また、図３は、本実施形態に係るテーブルスポット溶接機１の溶接ガン６の外観を示す側面図である。

図１及び図２において、本実施形態に係るテーブルスポット溶接機１は、冷却ユニット２と、電源ユニット３と、支持ポスト４と、支持アーム(片持ちの多関節アーム)５と、溶接ガン６と、導電ケーブル７Ａ，７Ｂと、板状電極（以下、テーブル電極と呼ぶ）８と、溶接条件設定器９と、溶接トランス１０と、テーブル駆動部１００と、を備える。

冷却ユニット２は、溶接時に溶接ガン６から発生する熱を冷却するための冷却水を供給する。冷却ユニット２は、電源が投入されている間は常時動作して溶接ガン６との間で冷却水を循環させる。電源ユニット３は、受電設備４５０（図８参照）から供給される三相の交流電力を整流素子にて直流に変換し、更に変換後の直流から高周波交流を生成して出力する。電源ユニット３の詳細については後述する。導電ケーブル７Ａ，７Ｂは、溶接ガン６への電流供給に用いられる。導電ケーブル７Ａは、一端がテーブル駆動部１００の前面部に内蔵された溶接トランス１０の２次側出力端のプラス電極に接続され、他端が溶接ガン６に接続される。導電ケーブル７Ｂは、一端が溶接トランス１０の２次側出力端のマイナス電極に接続され、他端がテーブル電極８に接続される。

なお、溶接トランス１０のプラス電極とマイナス電極の両電極の接続にブスバーが用いられる場合、溶接トランス１０のマイナス電極とテーブル電極８が直接ブスバーで接続され、溶接トランス１０のプラス電極と溶接ガン６がブスバーを介して導電ケーブル７Ａで接続される。図１では導電ケーブル７Ｂをブスバーとして描いている。

溶接トランス１０は、本願発明者等が先に特開２０１２−２１０６５４号、特開２０１３−１７９２０５号で提案した抵抗溶接用の溶接トランスである。溶接トランス１０の詳細については後述する。

支持ポスト４は、冷却ユニット２と電源ユニット３の近傍にて垂直方向に立設され、支持アーム５を水平方向に回動可能に支持する。支持アーム５は、溶接ガン６を保持するものであり、支持ポスト４に対して水平方向に延びた水平アーム部５Ａと、水平アーム部５Ａの先端部分から垂直方向下向きに延設された垂直アーム部５Ｂとを備えた略Ｌ字形状を成している。支持アーム５の水平アーム部５Ａの基端部５ａ及び中間部５ｂには、それぞれ回動軸５Ａａが設けられており、これらの回動軸５Ａａによって溶接ガン６の水平方向への移動が可能になっている。

テーブル電極８は、略正方形の平坦な板状に形成されており、製品である被溶接物（例えば２枚の鋼板等の金属板、図示略）を載置する。テーブル電極８には、銅材等の導電性及び熱伝導性に優れた金属材が用いられる。テーブル電極８は、テーブル駆動部１００によって上下動する。テーブル電極８を上下動させることで、溶接ガン６とテーブル電極８との間の距離調整を行うことができる。なお、テーブル電極８を上下動させる操作は作業者が行う。溶接条件設定器９は、被溶接物（図示略）の材料、板厚、加圧力等の溶接条件の設定を行う。溶接条件設定器９で設定された溶接条件に見合った溶接電流が決定される。なお、溶接条件を設定する操作も作業者が行う。

図３において、溶接ガン６は、基端部側にレバー式の起動スイッチ（図示略）を内蔵したハンドル６Ａを備える。ハンドル６Ａの起動スイッチは溶接指令を出力するものであり、ハンドル６Ａが握られることでスイッチオンとなって溶接指令が出力される。ハンドル６Ａの起動スイッチ操作によって溶接指令が出力されると、該溶接指令が電源ユニット３に取り込まれる。電源ユニット３は、溶接指令を取り込むことで動作を開始して高周波交流を出力する。電源ユニット３から出力された高周波交流は、溶接トランス１０の１次コイル１２（例えば図９を参照）に供給される。

溶接ガン６は、支持アーム５の垂直アーム部５Ｂの先端部分５Ｂａにて上下方向に揺動自在に保持される。この場合、溶接ガン６は、略中央部分を支点Ｐｓとして垂直アーム部５Ｂに支持されるので、溶接ガン６の先端の上下軌跡が円弧状となる。
また、溶接ガン６は、基端部側が上方に持ち上がるように、該基端部と垂直アーム部５Ｂとの間に張設されたスプリングコイル５Ｃによって付勢される。スプリングコイル５Ｃにより、溶接ガン６を容易に上下動させることができる。

次に、溶接ガン６について詳細に説明する。
図４は、溶接ガン６のシャンクホルダ３００の先端部分３００ａ及びスポット溶接用電極４００の外観を示す図並びにスポット溶接用電極４００の縦方向の断面を示す図である。この場合、図４の（ａ）は、シャンクホルダ３００の先端部分３００ａ及びスポット溶接用電極４００の外観を示し、図４の（ｂ）は、スポット溶接用電極４００の縦方向の断面を示す。シャンクホルダ３００は、先端部分３００ａが本体部に対して略直角に曲がっている。この先端部分３００ａにスポット溶接用電極４００が装着される。シャンクホルダ３００の内部には冷却水を通流させるための流路３０１が形成されている。シャンクホルダ３００の流路３０１は、開口端３００ｂで最大径となるようにテーパー状に形成されている。

スポット溶接用電極４００は、シャンク４０１と、シャンク４０１の先端部分に対して回動自在に装着されるキャップチップ４０２と、このキャップチップ４０２をシャンク４０１に係止させる係止部材４０３とを備える。シャンク４０１及びキャップチップ４０２を構成する材料には、例えばクローム銅（ＣｒＣｕ）の機械的強度、導電性及び熱伝導性を加味した金属材が好適である。

シャンク４０１は、先端部分が略球状に形成され、中央部分が略Ｚ字状に折曲がった棒状に形成されている。シャンク４０１の内部には冷却水を通流させるための流路４０１ａが形成されている。シャンク４０１に形成された流路４０１ａは、スポット溶接用電極４００の基端側が開口し、スポット溶接用電極４００の先端側が閉口している。スポット溶接用電極４００は、シャンクホルダ３００の先端部分３００ａに装着可能なように、基端側部分がテーパー状に形成されている。

図５は、スポット溶接用電極４００の先端部分を示す図である。この場合、図５の（ａ）はシャンク４０１の先端部分の断面を示し、図５の（ｂ）はキャップチップ４０２の断面を示し、図５の（ｃ）は係止部材４０３の装着位置を示している。図５の（ａ）に示すように、シャンク４０１は、その先端部分４０１ｂが略球状に形成されている。また、図５の（ｂ）に示すように、キャップチップ４０２は、シャンク４０１の先端部分４０１ｂに対して回動自在に嵌合する略半球状空間４０２ａを有するとともに、先端の中央部分に平坦面４０２ｂを有し、更に略半球状空間４０２ａの開口部内側に周方向に沿う溝部４０２ｃを有する。キャップチップ４０２の平坦面４０２ｂの面積は、溶接トランス１０が短時間に流せる電流の大きさに応じて決定される。即ち、溶接トランス１０が短時間に流せる電流が大きければ大きいほどキャップチップ４０２の平坦面４０２ｂの面積を大きくすることができる。

係止部材４０３は、耐熱性を有するＯリングゴムで構成され、キャップチップ４０２の溝部４０２ｃに内挿される。係止部材４０３を構成する材料には、例えばニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムが好適である。係止部材４０３は、キャップチップ４０２をシャンク４０１の先端部分４０１ｂに係止するために用いられるものである。なお、キャップチップ４０２をシャンク４０１の先端部分４０１ｂに係止する作用が得られれば、必ずしもＯリングゴムで構成する必要はなく、例えば角リングゴムやＤリングゴムでもあっても構わない。

スポット溶接用電極４００は、キャップチップ４０２がシャンク４０１に対して回動自在であるため、キャップチップ４０２を被溶接物に接触させたときに、キャップチップ４０２の先端の平坦面４０２ｂを被溶接物に密接させることができる。特に、溶接ガン６をその略中央部分で支持するようにした関係上、溶接ガン６の先端の上下軌跡が円弧状となるが、このような円弧状の動きになってもキャップチップ４０２がシャンク４０１に対して回動するので、キャップチップ４０２の先端の平坦面４０２ｂを被溶接物に対して直角に当てることができる。このように、キャップチップ４０２の先端の一部分に平坦面４０２ｂを設けるとともに、キャップチップ４０２をシャンク４０１の先端部分４０１ｂに対して回動自在としたことにより、キャップチップ４０２の被溶接物に対する接触面積を大きくとることができる。そして、キャップチップ４０２の被溶接物に対する接触面積を大きくとることができることで、溶融ナゲットの生成面積を大きくでき、高い溶接強度を得ることが可能となる。

なお、キャップチップ４０２は、その先端の一部分に平坦面を有していれば、先端の形状がどのようなものであっても構わない。図６は、スポット溶接用電極４００の変形例を示す図である。図６の（ａ）に示すスポット溶接用電極４００Ｂは、先端の中央部分に軸心方向に突出する突起部４０２Ｂａを有するキャップチップ４０２Ｂを備えたものである。このキャップチップ４０２Ｂの突起部４０２Ｂａの先端面の形状は丸型が好ましいが、角型（例えば正方形）であっても構わない。他方、図６の（ｂ）に示すスポット溶接用電極４００Ｃは、突起部４０２Ｃａを上述したスポット溶接用電極４００Ｂの突起部４０２Ｂａよりも大型にしたものである。なお、この場合も突起部４０２Ｃａの先端面の形状は丸型が好ましいが、角型（例えば正方形）であっても構わない。

また、上述したスポット溶接用電極４００は、シャンク４０１の中央部分を略Ｚ字状に折り曲げたものであったが、シャンク４０１を部分的に曲げることなく直線状としても構わない。図７は、直線状のシャンク４０１を備えるスポット溶接用電極４００Ｄを示す図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）が縦断面図である。

次に、電源ユニット３について説明する。
図８は、電源ユニット３の概略構成を示す図である。同図において、電源ユニット３は、整流器８０と、平滑用コンデンサ８１と、溶接制御回路８２と、インバータ回路８３と、を備える。整流器８０は、単相全波整流式を採用したものであり、受電設備４５０からの三相の交流を整流して直流に変換する。溶接制御回路８２は、溶接電流の大きさと通電時間を制御する。溶接制御回路８２は、例えばマイコンを用いて構成される。この場合、マイコンは溶接制御用のプログラムを保持し、該プログラムに従って動作する。溶接制御回路８２は、溶接ガン６に備えられた起動スイッチ６Ａからの溶接指令を検知することで、溶接条件設定器９にて設定された被溶接物の材質と厚さに応じたタイミング信号を生成し、インバータ回路８３へ出力する。溶接制御回路８２は、溶接電流が通電開始時から１５ミリ秒以内で最大値となり、かつ５０ミリ秒以下の通電時間で溶接を完了するように、タイミング信号を生成する。

インバータ回路８３は、インバータ制御部８３１と、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用した４つのスイッチＳ１〜Ｓ４と、例えばＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を使用した電流センサ８３２と、を備える。インバータ制御部８３１は、溶接制御回路８２で生成されたタイミング信号と電流センサ８３２で検出された１次電流とに基づいてスイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれをオン・オフ制御し、高周波交流を発生する。インバータ制御部８３１が発生する高周波交流の大きさは、スイッチＳ１〜Ｓ４それぞれのオン・オフのデューティによって変化する。スイッチＳ１〜Ｓ４それぞれのオン・オフのデューティを変化させることで、後述する図１２の（ａ）に示すようにスイッチング波形のＷの幅が変化する。

図９は、溶接トランス１０と溶接ガン６及びテーブル電極８との結線を示す図である。同図において、溶接トランス１０の１次コイル１２は、電源ユニット３のインバータ回路８３（図８参照）の出力端に接続される。インバータ回路８３から高周波交流が出力されることで、溶接トランス１０の１次コイル１２に１次電流が流れる。溶接トランス１０の２次コイル１５は、それ自体に極性を考慮する必要はないが、便宜上、溶接トランス１０の２次コイル１５を、正側コイル１４と負側コイル１６とを直列接続したものと呼ぶことにする。正側コイル１４の一端には第１整流素子１８のアノード（正極）が接続され、負側コイル１６の一端には第２整流素子２０のアノード（正極）が接続される。第１整流素子１８のカソード（負極）と第２整流素子２０のカソード（負極）がプラス電極２２に共通接続される。正側コイル１４の他端と負側コイル１６の他端とがマイナス電極２４に共通接続される。プラス電極２２には、導電ケーブル７Ａを介して溶接ガン６が接続される。マイナス電極２４には、導電ケーブル７Ｂを介してテーブル電極８が接続される。

図１０は、第１整流素子１８に順方向電流が流れたときの回路動作を示す図である。また、図１１は、第２整流素子２０に順方向電流が流れたときの回路動作を示す図である。図１０及び図１１では、図９に示す回路に、回路動作上問題になる等価的なインダクタンス成分を書き加えている。即ち、正側コイル１４と第１整流素子１８を接続する正側導体３０のインダクタンスと、負側コイル１６と第２整流素子２０を接続する負側導体３２のインダクタンスと、導電ケーブル７Ａ，７Ｂを含む溶接ガン６及びテーブル電極８における導体のインダクタンスとが、テーブルスポット溶接機１の性能に影響を及ぼすと考えられる。

溶接トランス１０、導電ケーブル７Ａ，７Ｂ及び溶接ガン６のそれぞれで発生する大量の熱を抑制することができれば、テーブルスポット溶接機１の省エネルギー化が図れ、大きな節電効果が期待できる。これは、従来よりも大きな電流を短時間だけ溶接ガン６に供給するように制御できれば実現可能である。一方、溶接される材料や構造等に最適な溶接電流を供給するためには、溶接電流の供給時間を極めて高精度に制御する必要がある。これは、溶接電流を供給する溶接トランス１０の１次側にインバータ回路８３を接続して、ＰＷＭ制御により溶接電流の大きさと供給時間とを制御することで実現可能である。

図１２は、溶接トランス１０の１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、１次電流及び整流後の溶接電流を示す図である。同図において、インバータ回路８３により制御された幅Ｗのパルス（スイッチングパルス）が、一定時間Ｈ内に一定回数、ここでは正方向のパルスと負方向のパルスとで合計１０回、溶接トランス１０の１次コイル１２に供給される。これにより、溶接トランス１０の１次コイル１２には、図１２の（ｂ）に示すような１次電流が流れる。溶接トランス１０の１次コイル１２に１次電流が流れることで溶接トランス１０の２次側に発生した２次電流が整流素子１８，２０で全波整流されて、図１２の（ｃ）に示すような溶接電流となって溶接ガン６へ流れる。

図１２の（ａ）に示すパルスの幅Ｗを増減することで溶接電流の大きさを調整することができる。また、パルスの供給回数を増減すれば溶接時間を調整することができる。即ち、パルスの繰り返し周波数を高くすると溶接時間をより細かく微調整できる。また、溶接トランス１０の１次コイル１２に供給する電力を増やせば、２次コイル１５からより大きな溶接電流を取り出すことができる。

ここで、従来のテーブルスポット溶接機は、例えば１万アンペアで２００ｍ秒〜７００ｍ秒の溶接電流を供給するようにしているが、溶接電流をその２倍の２万アンペアにしてみると、溶接ガン６以外の場所で熱エネルギーになって消費される電力損失が極めて大きくなり、実用上問題となる。そこで、溶接電流を２倍にしても溶接時間を１０分の１に短縮すれば、消費電力を５分の１にすることができ、実用上問題とはならない。

一方、溶接電流を供給するためのインバータ回路の制御パルスは、従来、繰り返し周波数が１ｋＨｚ程度のものを使用していたが、大電流を短時間供給するには、もっと分解能の高い制御パルスが必要になる。本実施形態のテーブルスポット溶接機１のインバータ回路８３では、繰り返し周波数が５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度のパルスを出力するようにしている。従来の数倍から数十倍の高い繰り返し周波数のパルスを従来の溶接トランスに供給した場合、予定した溶接電流が得られないが、本実施形態のテーブルスポット溶接機１で使用する溶接トランス１０は、従来の数倍から数十倍の高い繰り返し周波数のパルスでも予定した溶接電流を得ることができる構造を有している。以下、本実施形態のテーブルスポット溶接機１で使用する溶接トランス１０の構造を説明する。

図１３は、本実施形態のテーブルスポット溶接機１の溶接トランス１０の外観を示す斜視図である。また、図１４は、溶接トランス１０の組み立て状態を示す斜視図である。図１３及び図１４において、溶接トランス１０は、平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状磁心２５と、環状磁心２５の平行部２５ａに、複数の部分に分けて間隙１２ａを空けて分割巻きされる１次コイル１２と、１次コイル１２と共に環状磁心２５の平行部２５ａに巻回され、１次コイル１２に設けられた各間隙１２ａに１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とを交互に配列した２次コイル１５と、複数の正側コイル１４は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、複数の負側コイル１６は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、接続された複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とが互いに直列接続されるように、正側コイル１４と負側コイル１６の端子間を電気接続する導体群を有し、かつ、該導体群により、全ての正側コイル１４と負側コイル１６とを一方の面上に支持固定する接続基板６２を備え、複数の正側コイル１４の一方の端子は、接続基板６２の他方の面上で、環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第１連結極板４４に電気接続され、複数の負側コイル１６の一方の端子は、接続基板６２の他方の面側で、環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第２連結極板４６に電気接続され、正側コイル１４の他方の端子と負側コイル１６の他方の端子は、共に、接続基板６２の他方の面側で、環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第３連結極板４８に電気接続され、第１連結極板４４には、正側導体３０が連結され、第２連結極板４６には、負側導体３２が連結され、正側導体３０と負側導体３２は、接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層３１を介して重ね合わされた一対の導体板であり、正側導体３０とプラス電極２２（図９参照）が接続された第１極板３４との間に挟まれ、正側導体３０にアノード（正極）が接触し、第１極板３４にカソード（負極）が接触する第１整流素子１８と、負側導体３２とマイナス電極２４が接続された第２極板３６との間に挟まれ、負側導体３２にアノード（正極）が接触し第２極板３６にカソード（負極）が接触する第２整流素子２０と、第１極板３４と第２極板３６を支持し、両者を電気接続する第３極板３８と、を備える。

溶接トランス１０は、このような構造を有したことで、インバータ回路８３からの高い周波数（５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度）のパルスでも、予定した溶接電流を得ることができる。

ところで、図９に示すような２個の整流素子１８、２０を使用した全波整流型の２次回路は、ブリッジを使用した回路に比べて整流素子数が少なく、小型化できて電力損失も少ないため、溶接装置に適することが知られている。しかしながら、この２次回路では、１次コイル１２に流れる電流の極性反転によって、２次コイル１５に誘起される電圧が極性反転したときに、一方の整流素子を通じて供給されていた負荷電流が他方の整流素子側に流れを変える転流が生じる。

溶接電流が大電流になると、回路各部のインダクタンスに蓄積された電流エネルギーは非常に大きくなる。この電流エネルギーが一方の整流素子から他方の整流素子の側に移る転流時間は、図１０や図１１に示す２次コイル１５の各部のインダクタンスが大きいほど長くなる。図１２に示す１次コイル１２の電流の立ち下がり開始から反対極性の電流の立ち上がり終了までの時間Ｍの間に２次回路の転流が完了しないと、２次電流の立ち上がりが遅れて、図１２の破線に示すように、予定した溶接電流が得られなくなる。

図１３、図１４に示す溶接トランス１０は、前述したように、特開２０１３−１７９２０５号公報に記載された溶接トランスと同等のものであり、高速で精密な大電流の溶接制御に追随できる。また、図１５は、溶接トランス１０から溶接ガン６に供給される溶接電流を示す波形図である。同図において、溶接電流供給開始時刻ｔ０からその後の時刻ｔ１までの、電流増加率が最大の部分を立ち上げ制御期間Ｔ１と呼び、これに続く時刻ｔ１から時刻ｔ２までの、ピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼び、その後の時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶとき、溶接電流ｉｗは、立ち上げ制御期間Ｔ１が１０ミリ秒以下、立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１＋Ｔ２）時間が１５ミリ秒以下、立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２と温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）時間が５０ミリ秒以下となるように制御される。このように、溶接電流ｉｗの通電時間は５０ｍ秒以下に抑えられる。これは従来の通電時間の５分の１程度である。なお、図１５中において符号Ｃ２は、溶接電流ｉｗの終了値を示す。

本実施形態のテーブルスポット溶接機１で使用している溶接トランス１０は、正側導体３０と負側導体３２が絶縁層３１を介して密着し、また２次コイル１５の正側コイル１４と負側コイル１６の間に１次コイル１２が挟まるようにこれらのコイルを配置しているので、溶接トランス１０の２次側回路の転流時におけるインダクタンスが低減し、該２次側回路における転流時間が短くなる。したがって、溶接トランス１０を使用することで、より高い周波数のインバータ制御が可能となる。

また、溶接トランス１０は、１次コイル１２と２次コイル１５の配置によって、溶接トランス全体の熱分布を均一化できる。

また、溶接トランス１０は、１次コイル１２と２次コイル１５の正側コイル１４及び負側コイル１６をそれぞれ分割巻きして１次コイル１２と２次コイル１５の結合を図っているので、１次コイル１２と２次コイル１５における結合を強くでき、２次側の大電流による磁気飽和を防止できる。

また、溶接トランス１０は、１次コイル１２と２次コイル１５の正側コイル１４と負側コイル１６との関係がどの場所でも均等になるようにしていので、互いに密着した配置が可能となり、溶接トランス１０の小型化が図れる。

このように、本実施形態に係るテーブルスポット溶接機１のスポット溶接用電極４００によれば、キャップチップ４０２がシャンク４０１の先端部分４０１ｂに対して回動自在に嵌合するので、キャップチップ４０２の先端を被溶接物に接触させたときに、キャップチップ４０２の先端の平坦面４０２ｂを被溶接物の面に密接させることができる。したがって、キャップチップ４０２の被溶接物との接触面積を大きくとれるので、従来よりも大きな溶融ナゲットの生成が可能となり、被溶接物の表面における焼けや圧痕を最小限に抑える目的で通電時間の短縮化を図っても、高い溶接強度を得ることができる。

また、係止部材４０３がキャップチップ４０２をシャンク４０１に係止するので、キャップチップ４０２のシャンク４０１からの落下を防止できる。また、キャップチップ４０２のシャンク４０１に対する着脱を容易に行うことができるので、製品組立て時やメンテナンス時における作業性の向上が図れる。

なお、本発明を特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本発明は、キャップチップの被溶接物に対する接触面積を大きくとることができるといった効果を有し、片持ちの多関節アームの構造を採ったテーブルスポット溶接機に好適である。

１テーブルスポット溶接機
２冷却ユニット
３電源ユニット
４支持ポスト
５支持アーム
５Ａ水平アーム部
５ａ基端部
５ｂ中間部
５Ａａ回転軸
５Ｂ垂直アーム部
５Ｃスプリングコイル
６溶接ガン
６Ａ溶接ガンのハンドル
７Ａ，７Ｂ導電ケーブル
８テーブル電極
９溶接条件設定器
１０溶接トランス
１２溶接トランスの１次コイル
１４溶接トランスの２次コイルの正側コイル
１５溶接トランスの２次コイル
１６溶接トランスの２次コイルの負側コイル
１８第１整流素子
２０第２整流素子
２２溶接トランスのプラス電極
２４溶接トランスのマイナス電極
３０正側導体
３２負側導体
８０整流器
８１平滑用コンデンサ
８２溶接制御回路
８３インバータ回路
１００テーブル駆動部
３００シャンクホルダ
３００ａシャンクホルダの先端部分
３０１シャンクホルダの流路
４００，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄスポット溶接用電極
４０１シャンク
４０１ａシャンクの流路
４０１ｂシャンクの先端部分
４０２，４０２Ｂ，４０２Ｃキャップチップ
４０２ａキャップチップの略半球状空間
４０２ｂキャップチップの平坦面
４０２ｃキャップチップの溝部
４０２Ｂａ，４０２Ｃａキャップチップの突起部
４０３係止部材
４５０受電設備
８３１インバータ制御部
８３２電流センサ
Ｓ１〜Ｓ４スイッチ

Claims

先端部分が略球状に形成されたシャンクと、
前記シャンクの先端部分に対して回動自在に嵌合する略半球状空間を有するとともに、該略半球状空間の開口部内側に周方向に沿った溝部を有し、更に先端の一部分に平坦面を有するキャップチップと、
前記キャップチップの前記略半球状空間の開口部内側に形成された前記溝部に内挿される弾性を有するリング状の係止部材と、
を備えるスポット溶接用電極。