JP2019042786A

JP2019042786A - 片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法

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Publication number: JP2019042786A
Application number: JP2017170893A
Authority: JP
Inventors: 圭吾木村; Keigo Kimura; 圭司香月; Keiji Kozuki
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: JP6971724B2

Abstract

【課題】量産工程において溶接品質を確保して製造コストを低減することができる片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法を提供すること。【解決手段】第１の金属板５１に溶接電極１３を当接し、前記第１の金属板５１に重ねられた第２の金属板５２にアース電極１５を当接して、溶接電極１３及びアース電極１５の間を通電することで第１の金属板５１と第２の金属板５２とを溶接する片側スポット溶接装置１０。片側スポット溶接装置１０は、溶接電極１３の近傍に配置された押圧手段１４又は溶接電極１３により第１の金属板５１を所定の加圧力で第２の金属板５２側に押圧した際に、検出手段１７により溶接位置における第１の金属板５１と第２の金属板５２との間の隙間ｄの状態を検出し、検出した隙間ｄの状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法に関する。

従来、積層された複数の金属板からなるワークを溶接打点位置において一対の電極で挟持し、一方の電極から他方の電極へ電流を流して積層された金属板の接合を行うダイレクトスポット溶接が知られている。また、自動車等の車両の製造工程では、ワークを両側から電極で挟持できない場合に、溶接電極を溶接打点位置に押し当てるとともにアース電極を溶接打点位置の対面とは異なる位置に押し当てて、これらの電極間を通電することにより溶接を行う片側スポット溶接が用いられている。

片側スポット溶接では、ワークの溶接打点位置の片面にのみ溶接電極により加圧力を付与した状態で通電を行うため、ワークを溶接電極により両面から挟持するダイレクトスポット溶接に比べて、溶接打点位置においてワークを構成している金属板間の接触面が不安定な状態になりやすい。特に、溶接を行う際に溶接打点位置において金属板間に隙間が生じている場合には、溶接部に穴が開いて溶接不良となったり、スパッタが発生したりしてしまう。溶接不良が発生した場合には、その後の手直し作業が発生することから、工数が増えて生産効率の低下に繋がってしまう。

一方、このような金属板間の隙間をなくすために、片側スポット溶接において溶接電極による加圧力を大きくすると、ワークが変形したりして、板間の接触面積が増大し発熱量が減少しナゲットが形成し難くなる等、溶接品質や組立精度に影響を及ぼすことになる。

片側スポット溶接において、溶接電極の加圧力を増大させることなく、金属板間の隙間の形成を抑制する方法として、特許文献１には、溶接電極の周囲に、該溶接電極を囲む筒状の押圧ガイドを設けた片側スポット溶接装置が記載されている。この片側スポット溶接装置では、溶接電極を押し当てる前に、押圧ガイドによって溶接打点位置の周囲のワークに加圧力を付与して金属板間の隙間をなくし、この状態で溶接電極とアース電極とをワークに当接して通電を行っている。

特開平８−１６８８８６号公報

しかしながら、押圧ガイドにより加圧力を付与した状態であっても、金属板間にゴミが挟まれている等により、隙間が十分に解消されないことがある。従来の片側スポット溶接装置では、このような状態であっても溶接が実行されるため、品質の低下や、手直し作業の発生等による製造コストの増加に繋がっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、量産工程において溶接品質を確保して製造コストを低減することができる片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の片側スポット溶接装置は、第１の金属板とこれに重ねられた第２の金属板とを有するワークに対し、前記第１の金属板に当接する溶接電極と、前記第２の金属板に当接するアース電極と、前記溶接電極の近傍に配置されて前記第１の金属板を前記第２の金属板側に押圧する押圧手段と、を備え、前記溶接電極及び前記アース電極の間を通電して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する片側スポット溶接装置において、溶接位置における前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出する検出手段と、前記押圧手段又は前記溶接電極により所定の加圧力を付与した際に前記検出手段が検出した隙間の状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する制御部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、押圧手段又は溶接電極により所定の加圧力を付与した際に検出手段が検出した第１の金属板と第２の金属板との間の隙間の状態に基づいてスポット溶接を実行するか否かを判定するので、加圧力が付与された状態で第１の金属板と第２の金属板との間の隙間の状態から溶接不良を発生する可能性がある場合に、スポット溶接の実行を禁止することができる。これにより、溶接不良に伴う手直し作業を低減し、製造コストを低減することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の片側スポット溶接装置において、前記検出手段は、前記押圧手段又は前記溶接電極が前記ワークから受ける反力に基づいて前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出することを特徴とする。

この構成によれば、押圧手段又は溶接電極による加圧力付与の過程で、押圧手段又は溶接電極がワークから受ける反力が変化することを利用して第１の金属板及び第２の金属板の隙間の状態を検出することができるので、例えば、反力を計測可能なロードセル等、既存の比較的安価な機器を用いて隙間の状態を検出することができ、製造コストを抑えることができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の片側スポット溶接装置において、前記制御部は、前記検出手段の検出結果に基づき、前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が無いと判定した場合に、前記押圧手段を前記第１の金属板から離した状態でスポット溶接を実行し、前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が有り、さらに、前記押圧手段又は前記溶接電極が当接して前記ワークに前記所定の加圧力を付与した際に該隙間の状態が予め設定した規定範囲内であると判定した場合に、前記押圧手段によって前記第１の金属板に加圧力を付与した状態でスポット溶接を実行し、前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が有り、さらに、前記押圧手段又は前記溶接電極が当接して前記ワークに前記所定の加圧力を付与した際に該隙間の状態が前記規定範囲外であると判定した場合に、スポット溶接の実行を禁止することを特徴とする。

この構成によれば、押圧手段及び溶接電極により加圧力が付与されていない状態で、第１の金属板と第２の金属板との間に隙間が無い場合に、押圧手段による加圧力を解放して、金属板間の接触面積が大きくなりすぎるのを防止しながらスポット溶接を実行することができる。また、隙間が有る場合に、所定の加圧力を付与することで隙間の状態が規定範囲内となった場合に、押圧手段によって加圧力を付与した状態でスポット溶接を実行することで、金属板間に隙間があるワークに対して良好なスポット溶接を施すことができる。また、隙間が有る場合に、所定の加圧力を付与しても隙間の状態が規定範囲外である場合に、スポット溶接の実行を禁止することで溶接不良が発生することを防止することができる。

また、上記目的を達成するために、請求項４に記載の片側スポット溶接方法は、第１の金属板とこれに重ねられた第２の金属板とを有するワークに対し、溶接電極を前記第１の金属板に当接するとともに、アース電極を前記第２の金属板に当接し、前記溶接電極及び前記アース電極の間を通電して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する片側スポット溶接方法において、前記溶接電極の近傍に配置されて前記第１の金属板を前記第２の金属板側に押圧する押圧手段又は前記溶接電極により、前記ワークに所定の加圧力を付与して、検出手段により溶接位置における前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出する隙間検出工程と、前記検出手段にて検出した隙間の状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する判定工程と、を含むことを特徴とする。

この構成によれば、押圧手段又は溶接電極により所定の加圧力を付与した際の第１の金属板と第２の金属板との間の隙間の状態に基づいてスポット溶接を実行するか否かを判定するので、加圧力を付与した際の第１の金属板と第２の金属板との間の隙間の状態から溶接不良を発生する可能性がある場合に、スポット溶接の実行を禁止することができる。これにより、溶接不良に伴う手直し作業を低減し、製造コストを低減することができる。

本発明に係る片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法によれば、量産工程において溶接品質を確保して製造コストを低減することができる。

本発明の実施の形態である片側スポット溶接装置の構成図。片側スポット溶接の第１のパターンの概要を説明する模式図。片側スポット溶接の第２のパターンの概要を説明する模式図。片側スポット溶接の第４のパターンの概要を説明する模式図。押圧部材がワークから受ける反力の時間変化を示すグラフであり、（ａ）は第１のパターンを説明するグラフ、（ｂ）は第２のパターン及び第３のパターンを説明するグラフ、（ｃ）は第４のパターンを説明するグラフ。制御部の動作を示すフローチャート図スポット溶接の電流値を変化させた際のナゲット径の変化を示す表。片側スポット溶接装置の変形例を示す要部拡大斜視図。片側スポット溶接装置の他の変形例を示す要部拡大斜視図。

図１は、本発明の実施の形態である片側スポット溶接装置１０を示す側面図である。片側スポット溶接装置１０は、例えば、自動車等の車両の製造工程（例えば、アウタパネルとリンフォースの接合など）において用いられ、少なくとも一部が重ねられた複数の金属板５１，５２からなるワーク（被溶接部材）５０に溶接電極１３とアース電極１５とを当接し、これらの間を通電することで金属板５１，５２間を接合する。

本実施の形態ではワーク５０の一例として、２枚の金属板５１，５２を積層したものを記載しているが、金属板の枚数は２枚に限られず、３枚以上であってもよい。以下の説明では、片側スポット溶接装置１０に対してワーク５０をセットした状態において、溶接電極１３が当接する金属板を第１の金属板５１とし、アース電極１５が当接する金属板を第２の金属板としている。本実施の形態では、第１の金属板５１の板厚が、第２の金属板５２よりも薄くなっている。なお、第１の金属板５１と第２の金属板５２とは、それぞれ、溶接された複数枚の金属板で構成されていてもよい。

片側スポット溶接装置１０は、溶接ロボットのロボットアーム２に取付けられた支持ブラケット３を有しており、支持ブラケット３に固定された第１加圧機構１１及び第２加圧機構１２と、第１加圧機構１１に接続された溶接電極１３と、第２加圧機構１２に接続された押圧部材（押圧手段）１４と、アース電極１５と、溶接トランス１６と、検出手段１７と、制御部１８と、アラーム装置１９とを備える。

第１加圧機構１１は、第１アクチュエータ２１と、第１アクチュエータ２１に連結されて上下方向に延びるロッド２２とを備える。第２加圧機構１２は、第２アクチュエータ２５と、第２アクチュエータ２５に連結されて上下方向に延びるロッド２６とを備える。

第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２５は、それぞれ、支持ブラケット３の下部に位置するベース部３ａの下面に固定されており、例えば、エアシリンダ、サーボシリンダ、又はサーボモータ等によりそれぞれ構成することができる。ロッド２２及び２６は互いに平行に延びており、それぞれ、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２５のそれぞれの駆動力により軸方向である上下方向に進退移動する。

第１加圧機構１１のロッド２２の先端部には、シャンク２３を介して溶接電極１３が設けられる。溶接電極１３は、第１加圧機構１１の作動により、上方側へ移動した退避位置と、下方側へ移動してワーク５０の第１の金属板５１の表面に当接し、第１の金属板５１に加圧力を付与する加圧溶接位置との間を移動する。

第２加圧機構１２のロッド２６の先端部には、押圧部材１４が設けられる。押圧部材１４は、上面がロッド２６に連結されて溶接電極１３側へ延びる平板状の基部３１と、基部３１の下面から下方へ突出する加圧部３２を有する。押圧部材１４は、加圧部３２ａ，３２ｂと検出手段１７との間が絶縁されるように、少なくとも一部が絶縁性の材料で形成される。なお、図１に示すように押圧部材１４の絶縁性を確保するために検出手段１７と押圧部材１４との間に絶縁性部材３４を介在させるものであってもよく、この場合、前記加圧部３２ａ，３２ｂの材質をワーク加圧時における当該加圧部３２ａ，３２ｂの摩耗・耐熱性を考慮して任意の材質のものが選定可能になる。

加圧部３２は、ワーク５０の第１の金属板５１に当接して、第１の金属板５１を第２の金属板５２側に押圧する部位であり、本実施の形態では、図３に示すように溶接電極１３の近傍位置に一対の加圧部３２ａ，３２ｂが、溶接電極１３を挟んでその両側で第１の金属板５１を押圧可能となるように、溶接電極１３の近傍に配置されている。

押圧部材１４は、第２加圧機構１２の作動により、上方側へ移動した退避位置と、下方側へ移動してワーク５０の第１の金属板５１の表面に当接し、第１の金属板５１に加圧力を付与する加圧位置との間を移動する。

溶接トランス１６は、溶接電極１３とアース電極１５との間に電流を流すための溶接電源であり、溶接電極１３は、シャンク２３及びケーブル４１を介して溶接トランス１６の出力端子に電気的に接続され、アース電極１５は、ケーブル４２を介して溶接トランス１６のアース端子に電気的に接続される。なお、図示例のアース電極１５は、アクチュエータを備えた第３加圧機構４３のロッド４４の先端部に取付けられており、ロッド４４が進退移動することで、セットされたワーク５０の第２の金属板５２に当接・離間可能に構成されている。

検出手段１７は、溶接位置における第１の金属板５１と第２の金属板５２との間の隙間の状態を検出するものである。ここで、溶接位置とは、溶接電極１３が当接する溶接打点位置及び又はその近傍位置をいう。また、隙間の状態とは、隙間の有無や隙間の大きさ、また、これらを推定可能な隙間に関する情報等を含む意味である。本実施の形態では検出手段１７の一例としてロードセルを用いており、このロードセルは、押圧部材１４の上面に取付けられ、押圧部材１４の加圧部３２ａ，３２ｂが第１の金属板５１に当接して所定の加圧力を付与した際に、第１の金属板５１から受ける反力を検出し、この検出結果に基づいて、金属板５１及び５２の間の隙間の有無及び隙間の大きさ等の隙間の状態を推定し検出する。なお、本実施形態では検出手段１７としてロードセルを用いることで、ワーク５０からの反力を測定するものであるため、ワーク形状が段違い、切欠きなどで第１の金属板５１と第２の金属板５２がずれて配置されている場合などに左右されず測定可能となる。また、検出手段１７はロードセルに限られず、前述したようなワーク形状が段違い、切欠き等で第１の金属板５１と第２の金属板５２がずれて配置されている場合などは、例えば、ダイヤルゲージやレーザーセンサやカメラ等を適宜設置して隙間の有無及び隙間の大きさを検出してもよい。

制御部１８は、例えばＣＰＵ等の情報処理部、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶部、入出力インターフェイス等を有して構成され、第１加圧機構１１、第２加圧機構１２、溶接トランス１６、検出手段１７及びアラーム装置１９と接続されている。制御部１８は、記憶部に記憶されたプログラム（例えば、各タイミングにおける溶接電極１３及び押圧部材１４の上下位置及び加圧力、各タイミングにおける溶接電極１３の通電電流など）に基づいて、第１加圧機構１１及び第２加圧機構１２による溶接電極１３及び押圧部材１４の進退移動やワーク５０に対する加圧力、溶接トランス１６により溶接電極１３に供給される溶接電流の電流値などを制御する。また、記憶部には、スポット溶接を実行するか否かの判定に用いられる、第１の金属板５１と第２の金属板５２との間の隙間の状態を判定するための一つ以上の閾値（所定値）が設定されている。なお、本実施形態では、閾値として事前に対象ワークを用いた場合における溶接処理が適正に行える反力値Ｎ_ｔｈ（所定範囲を持つものでもよい）を設定しておく。

また、制御部１８は、押圧部材１４により所定の加圧力が付与された状態において、検出手段１７により検出された第１及び第２の金属板５１，５２間の隙間の状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する判定部を有する。本実施の形態では、ワーク５０を片側スポット溶接装置１０にセットして溶接電極１３をワーク５０から離間させた状態で、押圧部材１４を退避位置から加圧位置まで所定の速度で移動させてワーク５０に所定の押圧力を付与し、この際に押圧部材１４が第１の金属板５１や第２の金属板５２から受ける反力を検出手段１７により測定する。制御部１８は、例えば、押圧部材１４による所定の加圧力と検出された反力との関係や、記憶部に予め記憶された基準となる反力の波形データと検出された反力の波形データとの比較などにより、第１及び第２の金属板５１、５２間の隙間の状態を第１〜第４のパターンに区分する。

具体的には、図２（ａ），（ｂ）に示すように、溶接電極１３及び押圧部材１４がワーク５０から離れた状態及び押圧部材１４によりワーク５０に所定の押圧力を付与した状態において、第１の金属板５１と第２の金属板５２との間に隙間が無いと判定した場合に、第１のパターンに区分する。なお、図２〜図４において、一点鎖線Ｂは、ワーク５０をセットした状態（ワーク５０に加圧力が付与されていない状態）における、ワーク５０の上下方向の基準位置を示している。本実施の形態では、ワーク５０の溶接位置において、第２の金属板５２の下面側にこれを支持する設置台を配置しておらず、ワーク５０は加圧力を付与することで基準位置Ｂから下方に僅かに沈み込む。

また、判定部は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、溶接電極１３及び押圧手段１４がワーク５０から離れた状態で第１の金属板５１と前記第２の金属板５２との間に隙間ｄが有ると判定し、さらに、押圧手段１４が当接してワーク５０に所定の加圧力を付与した際に、所定条件で検出されたワーク５０からの反力が閾値ｎ_ｔｈ以下であると判定した場合に、第２のパターンに区分する。第２のパターンでは、加圧力付与により、隙間ｄが所定範囲内まで潰れた状態となり、隙間ｄの状態が予め設定した規定範囲内と判定される。

また、判定部は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、溶接電極１３及び押圧手段１４がワーク５０から離れた状態で隙間ｄが有ると判定し、さらに、押圧手段１４が当接してワーク５０に所定の加圧力を付与した際に、所定条件下で検出された反力が閾値ｎ_ｔｈを超える、又は、加圧力を付与しても隙間ｄが所定範囲内まで潰れないと判定した場合に、第３又は第４のパターンに区分する。第３及び第４のパターンでは、隙間ｄの状態が予め設定した規定範囲外と判定される。

図５は、押圧部材１４がワーク５０から受ける反力の時間変化を示すグラフである。第１のパターンでは、図５（ａ）に示すように、押圧部材１４を退避位置から加圧位置まで移動させると、時間閾値Ｔ_ｔｈまでの間、押圧部材１４がワーク５０に接触せず、反力値（単位：Ｎ）は零（又は零に近い値）となる。ここで、閾値Ｔ_ｔｈは所定範囲を持つものでもよい。時間閾値Ｔ_ｔｈでは、第１及び第２の金属板５１，５２による反力を受けてほぼ一定の傾斜角度θ１で直線的に反力が増加する。なお、ここで「直線的」とは、例えば、図５の点Ｘ_２、点Ｘ_４などのように時間軸に対して反力値の傾向が大きく変化する変化点が発生しないという意味であり、図５（ａ）〜（ｃ）では便宜的に変化点Ｘ_２，Ｘ_４，Ｘ_５，Ｘ_７，Ｘ_８の前後を直線的に図示しているが、実際の計測値では必ずしも直線的になるとは限らない。ワーク５０が下方へ沈み込んで押圧部材１４の加圧力が所定の値に達すると（図５（ａ）の点Ｘ_２）、これと同等のほぼ一定の反力を受ける。

第２のパターンでは、図５（ｂ）に示すように、時間閾値Ｔ_ｔｈまでの間に、押圧部材１４が第１の金属板５１に接触して、第１の金属板５１の反力を受ける。時間閾値Ｔ_ｔｈまでの間、反力はほぼ一定の傾斜角度θ２で直線的に増加する。ここで傾斜角度の大きさは、θ１＞θ２である。時間閾値Ｔ_ｔｈでは、第１及び第２の金属板５１，５２の反力を受けて、傾斜角度θ３が大きくなる。押圧部材１４の加圧力が所定値に達すると（図５（ｂ）の点Ｘ_５）、ほぼ一定の反力を受ける。特に、第２のパターンでは、傾斜角度がθ２からθ３に変化する変化点Ｘ_４において、反力値が反力閾値ｎ_ｔｈ以下となる。このような反力データを有するワーク５０は、押圧部材１４により予め設定した加圧力（すなわち、閾値ｎ_ｔｈと等しい加圧力ｎ_ｔｈ）が付与されることで、隙間ｄが所定範囲内（すなわち、隙間ｄ≦閾値ｄ_ｔｈ）になることが推定され、隙間ｄの状態が予め設定した規定範囲内と判定される。

一方、変化点Ｘ_４における反力値が閾値ｎ_ｔｈを超える場合（図５（ｂ）の第３のパターンの範囲にある場合）、押圧部材１４により加圧力ｎ_ｔｈを付与しても隙間ｄが所定範囲外（すなわち、隙間ｄ＞閾値ｄ_ｔｈ）であったり、隙間ｄ≦閾値ｄ_ｔｈであっても溶接時の接触面積が不足したりすることが推定される。このような反力データを有するワーク５０は、隙間ｄを所定範囲内とするのに要する加圧力が加圧力ｎ_ｔｈを超えることから、隙間ｄの状態が予め設定した規定範囲外と判定され、第３のパターンに区分される。

第４のパターンでは、図５（ｃ）に示すように、まず、押圧部材１４が第１の金属板５１の反力を受けて、反力がほぼ一定の傾斜角度θ４（θ４＜θ１）で直線的に増加し、時間閾値Ｔ_ｔｈに達する前に（変化点Ｘ_７）、第１及び第２の金属板５１，５２の反力を受けて傾斜角度θ５（θ５＞θ４）で直線的に反力が増加する。押圧部材１４の加圧力が所定値に達すると（点Ｘ_８）、ほぼ一定の反力を受ける。このような反力データを有するワーク５０は、金属板５１，５２間に異物が存在することにより、所定の加圧力を付与しても隙間ｄが潰せない状態（すなわち、隙間ｄ＞閾値ｄ_ｔｈ）となり、隙間ｄの状態が予め設定した規定範囲外と判定される。

このように、反力の波形データから、第１の金属板５１が当接するタイミング、傾斜角度θ、傾斜角度θが変化する変化点が発生するタイミング及び変化点における反力値などを検出することで、隙間ｄの状態を検出し、ワーク５０を第１〜第４のパターンに区分することができる。なお、本実施の形態では、第３のパターンと第４のパターンとを予め設定した規定範囲外としているが、第４のパターンのみを予め設定した規定範囲外としてもよい。

制御部１８は、第１のパターンの場合、図２（ｃ）に示すように押圧部材１４による加圧力を解放してスポット溶接を実行する制御を行う。また、第２のパターンの場合、図３（ｃ）に示すように押圧部材１４によって所定の加圧力を付与した状態でスポット溶接を実行する制御を行う。また、第３及び第４のパターンの場合、スポット溶接の実行を禁止する制御を行う。

アラーム装置１９は、制御部１８からの指示信号に基づいて作動し、視覚的なアラーム（例えば、ランプの点灯等）及び又は聴覚的なアラーム（例えば、ブザー音等）を発生させる。

片側スポット溶接装置１０のロボットアーム２は、図示しないロボット制御部の作動制御により作動して三次元方向に移動可能であり、ロボットアーム２の移動に伴って、溶接電極１３及び押圧部材１４が次元方向に移動する。ロボット制御部には、ワーク５０の溶接打点位置を順次スポット溶接するための作動プログラム等のデータが格納されている。

次に、片側スポット溶接装置１０を用いた溶接方法について説明する。

まず、図１に示すように、片側スポット溶接装置１０のロボットアーム２を溶接位置まで移動させ、ワーク５０を図示していない設置台にセットし、アース電極１４を第２の金属板５２に当接させる（ワーク設置工程）。ワーク設置工程において、溶接電極１３及び押圧部材１４は退避位置にある。

次に、第２加圧機構１２を作動させて、押圧部材１４を退避位置から加圧位置へ移動させる。この際、検出手段１７は、押圧部材１４がワーク５０から受ける反力を検出し、この検出結果に基づき、制御部１８は第１の金属板５１と第２の金属板５２との間の隙間ｄの状態を検出する（隙間検出工程）。本実施の形態では、押圧部材１４による加圧力付与の前後の隙間の状態から、ワーク５０を第１〜第４のパターンのいずれかに区分けする。

制御部１８は、検出手段１７にて検出した隙間の反力による波形データ（図５参照）に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定し（判定工程）、判定結果に基づいてスポット溶接を実行又は禁止する（溶接工程）。

図６は、上述した隙間検出工程、判定工程及び溶接工程において、制御部１８がワーク５０を第１〜第４のパターンに区分してスポット溶接を実行又は禁止する際の動作を示したフローチャート図である。

制御部１８は、ワーク５０がセットされると、押圧部材１４を加圧位置に移動させて、ワーク５０に所定の加圧力を付与し（ステップＳ１）、検出手段１７から検出結果を取得する（ステップＳ２）。取得した検出結果（すなわち、ワーク５０から受ける反力）に基づき、制御部１８の判定部は、ワーク５０に加圧力を付与する前の状態で、溶接位置において第１及び第２の金属板５１，５２の間に隙間ｄが有るか否かを判定する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、検出手段１７による押圧時の反力の波形データに基づいて隙間ｄが無い（すなわち、隙間ｄが略０）と判定した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、ワーク５０を第１のパターンに区分する（図２（ａ），（ｂ）参照）。第１のパターンに区分されると、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、制御部１８は、押圧部材１４を加圧位置から退避位置に移動させて加圧力を解放する（ステップＳ４）。その後、溶接電極１３を加圧溶接位置に移動させ、溶接電極１３とアース電極１５との間を通電し、スポット溶接を行う（ステップＳ５）。

ステップＳ３において、隙間ｄが有る（すわなち、隙間ｄが略０より大きい値）と判定した場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部１８の判定部は、検出手段１７から取得した検出結果に基づき、押圧部材１４により所定の加圧力を付与した際に隙間ｄが潰せるか否かを判定する（ステップＳ６）。隙間ｄが潰せる（すなわち、図５（ｃ）の波形データから外れる）場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、時間閾値Ｔ_ｔｈで生じる変化点Ｘ_４において、ワーク５０から受ける反力値ｎが閾値ｎ_ｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。

ステップＳ７において、反力値ｎが閾値ｎ_ｔｈ以下であると判定した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、ワーク５０を第２のパターンに区分する（図３（ａ），（ｂ）参照）。第２のパターンに区分されると、制御部１８は、図３（ｃ）に示すように、押圧部材１４を加圧位置に維持してワーク５０に所定の加圧力を付与したまま、溶接電極１３を加圧溶接位置に移動させ、溶接電極１３とアース電極１５との間を通電し、スポット溶接を行う（ステップＳ５）。

ステップＳ７において、反力値ｎが閾値ｎ_ｔｈを超えると判定した場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、ワーク５０を第３のパターンに区分する。第３のパターンに区分されると、制御部１８は、スポット溶接の実行を禁止する制御を行う。本実施の形態では、押圧部材１４をワーク５０から離間させて溶接電極１３及び押圧部材１４を退避位置とし、アラーム装置１９を作動させてアラームを発生させる（ステップＳ８）。

また、ステップＳ６において、隙間ｄが潰れないと判定した場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、ワーク５０を第４のパターンに区分し（図４（ａ），（ｂ）参照）、その後、ステップＳ８へ移行してスポット溶接の実行を禁止する制御を行う。

なお、上述した片側スポット溶接方法において、アース電極１５は、スポット溶接を実行する判定が行われた後に、ワーク５０に当接させてもよい。また、反力を検出する際の所定の加圧力と、第２のパターンでスポット溶接を実行する際に押圧部材１４が付与する所定の加圧力とは、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

上述した片側スポット溶接装置１０を用いた片側スポット溶接方法によれば、第１及び第２の金属板５１，５２の間に隙間ｄが有る場合に、押圧部材１４によって加圧力を付与して隙間ｄを所定範囲内に潰した状態で、溶接電極１３により加圧してスポット溶接を実行することができるので、量産で発生する板間の隙間の影響を考慮して溶接することで品質の安定化を図ることができる。また、加圧力を付与した状態で隙間ｄが異物介在などにより潰れない場合には、溶接不良が発生する確率が高いためスポット溶接を禁止することで溶接不良時の手直し作業を低減し、製造コストを低減することができる。さらに、ステップＳ７で反力値ｎが閾値ｎ_ｔｈを超える場合には、押圧部材１４により加圧力を付与しても溶接品質が安定しない可能性があるとしてスポット溶接を禁止することで、より確実に溶接不良の発生を抑制することができる。

また、加圧力が付与されていない状態で隙間ｄが実質的に無い場合に、押圧部材１４による加圧力を解放してスポット溶接を実行することで、溶接位置において第１及び第２の金属板５１，５２の間の接触面積を増加させることなく、スポット溶接を実行することができる。接触面積が大きいと発熱の起点がなくなり、溶接打点位置にナゲットが形成され難くなるが、押圧部材１４を解放して過度な接触面積にならないようにすることで良好なスポット溶接部を得ることができる。

さらに、隙間ｄの有無によって押圧部材１４を使用又は不使用とすることで、量産工程において片側スポット溶接装置１０の電流値範囲を広く確保することができる。図７は、スポット溶接の電流値を変化させた際のナゲット径の変化を示す表であって、第１のパターンに区分される「隙なし」のワーク５０と、第１の金属板５１と第２の金属板５２が接触するのに必要な押し付け力（すなわち、閾値ｎ_ｔｈ）を６０Ｎに設定した、第２のパターンに区分される「隙あり」のワーク５０とを比較して示したものである。図７（ａ）は、押圧部材１４を使用しない場合を示し、図７（ｂ）は、押圧部材１４により６０Ｎの加圧力を付与した場合を示し、図７（ｃ）は、（ａ）の「隙間なし」と（ｂ）の「隙間あり」を並べたものである。スポット溶接は、規定のナゲット径を満たしチリが発生しない状態（すなわち、図７のドットで示した、規定のナゲット径を確保し、且つチリが発生する手前の範囲）であることが好ましい。

図７（ａ）の押圧部材１４を使用しない場合、「隙間なし」及び「隙間あり」の両方のワーク５０に対して、溶接品質を確保できる適切な電流値範囲がなく、図７（ｂ）の６０Ｎの加圧力を付与した場合、８．５〜９．５ｋＡが適切な電流値範囲となる。本実施の形態のように「隙間なし」の第１のパターンと、「隙間あり」の第２のパターンとで押圧部材１４の使用と不使用とを組み合わせた場合には、図７（ｃ）に示すように適切な電流値範囲は８〜９．５ｋＡとなり、電流値範囲を広く確保して品質安定性を向上することができる。

（変形例）
図８は、片側スポット溶接装置１０の変形例を示す要部拡大斜視図である。なお、図８及び図９では、押圧部材１４の加圧部３２ａ，３２ｂが第１の金属板５１に当接する位置をドットで示している。片側スポット溶接装置１０は、溶接電極１３とアース電極１５とをワーク５０の上面側に配置してスポット溶接を行うものであってもよく、溶接電極１３とアース電極１５とが一つのガンに取付けられ、個々に進退移動（上下移動）可能なツインガン方式であってもよい。

図９は、片側スポット溶接装置１０の他の変形例を示す要部拡大斜視図である。本変形例では、ワーク５０の第２の金属板５２が溶接された２枚の金属板５２ａ，５２ｂにより構成されている。２枚の金属板５２ａ，５２ｂは閉断面を構成しており、アース電極１５は、実線で示すように第１の金属板５１の下面に接触する金属板５２ａに上方から当接する。なお、アース電極１５はこの配置に代えて、仮想線で示すように、金属板５２ａと金属板５２ｂとの積層部分や、金属板５２ｂに当接してもよい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施の形態では、押圧部材１４の一対の加圧部３２ａ，３２ｂにより溶接電極１３の周囲の２点を加圧しているが、押圧部材１４は、溶接電極１３の近傍を複数点もしくは少なくとも１点を加圧する構成であればよく、押圧部材１４の加圧部を筒状に形成して溶接電極１３の全周囲を加圧する構成としてもよい。

また、本発明は、前記押圧部材１４側に検出手段１７を設けた実施形態に限らず、例えば、溶接電極１３側に検出手段１７を設け、溶接電極１３により所定の加圧力を付与し、溶接電極１３が受ける反力から隙間の状態を検出するものであってもよい。

１０片側スポット溶接装置
１１第１加圧機構
１２第２加圧機構
１３溶接電極
１４押圧部材
１５アース電極
１６溶接トランス
１７検出手段
１８制御部
１９アラーム装置

Claims

第１の金属板とこれに重ねられた第２の金属板とを有するワークに対し、前記第１の金属板に当接する溶接電極と、前記第２の金属板に当接するアース電極と、前記溶接電極の近傍に配置されて前記第１の金属板を前記第２の金属板側に押圧する押圧手段と、を備え、前記溶接電極及び前記アース電極の間を通電して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する片側スポット溶接装置において、
溶接位置における前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出する検出手段と、
前記押圧手段又は前記溶接電極により所定の加圧力を前記ワークに付与した際に前記検出手段が検出した隙間の状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する制御部と、を備えたことを特徴とする片側スポット溶接装置。
前記検出手段は、前記押圧手段又は前記溶接電極が前記ワークから受ける反力に基づいて前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の片側スポット溶接装置。
前記制御部は、前記検出手段の検出結果に基づき、
前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が無いと判定した場合に、前記押圧手段を前記第１の金属板から離した状態でスポット溶接を実行し、
前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が有り、さらに、前記押圧手段又は前記溶接電極が当接して前記ワークに前記所定の加圧力を付与した際に該隙間の状態が予め設定した規定範囲内であると判定した場合に、前記押圧手段によって前記第１の金属板に加圧力を付与した状態でスポット溶接を実行し、
前記押圧手段及び前記溶接電極が前記ワークから離れた状態で前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に隙間が有り、さらに、前記押圧手段又は前記溶接電極が当接して前記ワークに前記所定の加圧力を付与した際に該隙間の状態が前記規定範囲外であると判定した場合に、スポット溶接の実行を禁止することを特徴とする請求項１又は２に記載の片側スポット溶接装置。
第１の金属板とこれに重ねられた第２の金属板とを有するワークに対し、溶接電極を前記第１の金属板に当接するとともに、アース電極を前記第２の金属板に当接し、前記溶接電極及び前記アース電極の間を通電して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する片側スポット溶接方法において、
前記溶接電極の近傍に配置されて前記第１の金属板を前記第２の金属板側に押圧する押圧手段又は前記溶接電極により、前記ワークに所定の加圧力を付与して、検出手段により溶接位置における前記第１の金属板と前記第２の金属板との間の隙間の状態を検出する隙間検出工程と、
前記検出手段にて検出した隙間の状態に基づいて、スポット溶接を実行するか否かを判定する判定工程と、を含むことを特徴とする片側スポット溶接方法。