JP2020069496A

JP2020069496A - インダイレクトスポット溶接の溶接点の評価方法

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Publication number: JP2020069496A
Application number: JP2018204355A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎木許; Keiichiro Kimoto
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: JP7139218B2

Abstract

【課題】本発明では、溶接点のナゲットのできやすさを正確に評価することを課題とする。【解決手段】ＰＰメンバ１とブラケット２の重合部Ｐを溶接電極で加圧すると共に、重合部Ｐと異なる部位に第一アース電極５を当接させて両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接によって形成される溶接点を評価するための方法であって、インダイレクトスポット溶接時に、ブラケット２の被測定部２ｂを流れる電流によって形成される磁界の強度に基づいて、有効電流値ＩAまたは無効電流値ＩBあるいはその双方の電流値を測定する工程と、測定した電流値に基づいて、有効電流値ＩAと無効電流値ＩBとによって表される有効電流率Ｋを算出する工程と、有効電流率Ｋに基づいて、溶接点を評価する工程とを含むものである。【選択図】図１

Description

本発明は、インダイレクトスポット溶接により形成される溶接点の評価方法に関する。

自動車の組立工程では、金属板からなる複数の部品をスポット溶接で接合することにより車体が組み立てられる。スポット溶接としては、複数の金属板を一対の電極で挟み込んで通電するダイレクトスポット溶接が多く用いられる。しかし、部品の形状によっては、複数の金属板を一対の電極で挟み込むことができず、ダイレクトスポット溶接を適用することができないことがある。この場合、複数の金属板の重合部を溶接電極で加圧すると共に、重合部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で両電極間に通電することにより溶接するインダイレクトスポット溶接が適用される。

しかし、インダイレクトスポット溶接では、溶接電極とアース電極とが離れて配置されることが多く、重合部以外の金属板同士の接触部（例えば、先に溶接された溶接点）を介して流れる電流（無効電流）が生じやすいため、良好なナゲットを形成することが困難であることが問題となっている。

例えば、下記の特許文献１には、金属板に予め座面を設け、この座面を溶接電極で押しつぶしながら加圧することにより、金属板同士の接触面積を小さくして電流密度を高めることで、ナゲットを形成しやすくする方法が示されている。

また、下記の特許文献２には、加圧力及び電流値を制御することにより、ナゲットを安定して得ることができるインダイレクトスポット溶接方法が示されている。

特開２００２−２３９７４２号公報特開２０１０−１９４６０９号公報

しかしながら、溶接点におけるナゲットのできやすさを定量的に評価する手法がなかったため、上記のような手法を試しながら試行錯誤を繰り返し、適切なナゲットが形成される溶接条件を探し出すしかなかった。

そこで、本発明者らは、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値と、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値とをそれぞれ個別に測定し、これらの抵抗値に基づいて設定される有効電流率に基づいて、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価することを試みた。

具体的には、図４（Ａ）に示すように、第１の金属板１０１と、断面ハット形状を成した第２の金属板１０２と、第１の金属板１０１と第２の金属板１０２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板１０３とによって構成されるワーク１００について、第１の金属板１０１と第３の金属板１０３の天板部１０３ｂとの重合部Ｐにインダイレクトスポット溶接を施す場合の評価方法について説明する。なお、各金属板の間には、既溶接点Ｑ１，Ｑ２が設けられている。

まず、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bを測定する。具体的には、抵抗測定器１３０の一方の端子１３１を、ワーク１００のうち、溶接時に溶接電極を当接させる部位である重合部Ｐに上方から当接させる。また、抵抗測定器１３０の他方の端子１３２を、ワーク１００のうち、溶接時にアース電極を当接させる部位である、一方の既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。この状態で、ワーク１００の重合部Ｐを加圧することなく、両端子１３１、１３２間の電流経路の抵抗値を測定する。重合部Ｐを加圧していないことで、両金属板１，３の重合部Ｐは実質的に接触しておらず、絶縁しなくても重合部Ｐにほとんど電流が流れない。従って、一方の端子１３１→第１の金属板１０１→既溶接点Ｑ１→第２の金属板１０２→他方の端子１３２という、重合部Ｐ（両金属板１０１，１０３の界面）を通らない電流経路Ｃ１が形成され、この電流経路Ｃ１を、溶接に寄与しない無効電流の電流経路とみなすことができる。

次に、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値Ｒ_Aを測定する。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、抵抗測定器１３０の一方の端子１３１を、第１の金属板１０１に設けられたスリットＳに挿入して、第３の金属板１０３の天板部１０３ｂの重合部Ｐ付近に上方から当接させる。また、抵抗測定器１３０の他方の端子１３２を、一方の既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。これにより、一方の端子１３１→第３の金属板１０３→既溶接点Ｑ２→第２の金属板１０２→他方の端子１３２という電流経路Ｃ２が形成され、この電流経路Ｃ２の抵抗値を測定する。

以上のようにして測定された抵抗値Ｒ_B、Ｒ_Aに基づいて、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価することができる。例えば、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Aと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bとの和を全体抵抗Ｒ_T（＝Ｒ_A＋Ｒ_B）とし、有効電流率Ｋ’を、全体抵抗Ｒ_Tに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bの比率として求める（Ｋ’＝Ｒ_B／Ｒ_T）。有効電流率Ｋ’は、有効電流の流れやすさを表す指標であり、有効電流率Ｋ’の値に基づいて、重合部Ｐにおけるナゲットのできやすさを評価することができる。

しかし、上記の測定方法では、両端子１３１，１３２間の抵抗値しか測定できないため、図４（Ａ）あるいは図４（Ｂ）のように、両端子１３１，１３２間に、無効電流経路Ｃ１、あるいは、有効電流経路Ｃ２のいずれか一方の経路にだけ電流が流れている場合に各経路の抵抗値を測定できても、実際の溶接時のように、溶接電極が重合部Ｐを加圧し、第１の金属板１０１と天板部１０３ｂとが接触することで、無効電流経路Ｃ１と有効電流経路Ｃ２の両方に電流が流れ、その経路が一部共通しているような状況では、各経路の抵抗値を切り分けて測定することができず、有効電流率を算出することもできなかった。

ところが、金属板は電流が流れて発熱することにより、その抵抗値も変化するため、重合部Ｐが加圧されて電流の流れ方が変わると、各経路の抵抗値も変化してしまう。つまり、上記の測定方法で測定された抵抗値Ｒ_B、Ｒ_Aと、実際の溶接時の抵抗値との間には乖離があり、上記の評価方法では、溶接点のナゲットのできやすさを正確に評価できているとは言えなかった。

このような事情から、本発明では、溶接点のナゲットのできやすさを正確に評価することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数のワークの重合部を溶接電極で加圧すると共に、前記重合部と異なる部位にアース電極を当接させて両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接によって形成される溶接点を評価するための方法であって、前記ワークの被測定部に電流検出手段を設け、前記電流検出手段を用いて、前記インダイレクトスポット溶接時に、前記被測定部を流れる電流によって形成される磁界の強度に基づいて、有効電流値または無効電流値あるいはその双方の電流値を測定する工程と、前記電流値に基づいて、有効電流値と無効電流値とによって表される有効電流率を算出する工程と、前記有効電流率に基づいて、溶接点を評価する工程とを含むことを特徴とする。

本発明では、ワークの被測定部に電流検出手段を設け、この被測定部を流れる電流によって形成される磁界の強度に基づいて電流値を測定する方法により、ワークの特定箇所を流れる電流値を個別に測定することができる。つまり、有効電流経路と無効電流経路のそれぞれに電流が流れ、両者の経路が一部共通しているような場合であっても、有効電流経路と無効電流経路のそれぞれの経路を流れる電流値を測定あるいは算出することができ、その電流値に基づいて、有効電流率を算出することができる。従って、実際の溶接時の電流値に基づいて有効電流率を算出でき、溶接点のナゲットのできやすさを正確に評価することができる。

本発明によれば、溶接点のナゲットのできやすさを正確に評価することができる。

本発明の一実施形態に係る電流検出手段を用いて、溶接時に流れる各電流値を測定する様子を示す概略図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。トロイダルコイルを示す断面図である。抵抗測定器を用いたワークの各電流経路の抵抗値を測定する様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、自動車の車体の組立工程において行われるインダイレクトスポット溶接方法を示す。具体的には、例えば図１に示すように、第一ワークとしてのピラーツーピラーメンバ１（以下、ＰＰメンバ１という）に、第二ワークとしてのブラケット２を溶接する場合について説明する。

ＰＰメンバ１は、車体のピラー間に配設される鋼材製の筒状部材で、本実施形態では円筒状をなす。ＰＰメンバ１の外周面側の長手方向の複数箇所には、ブラケット２を始めとした複数のブラケットが溶接され、各ブラケットに各種車載部品（例えば、ステアリング関連の部品や助手席用のエアバック等）が取り付けられる。

ブラケット２は、ＰＰメンバ１に溶接されるフランジ部２ａを有する。フランジ部２ａは、ＰＰメンバ１の長手方向に延在する。

溶接電極３、保持部４、第一アース電極５、保持部４を支持する多軸ロボット６等を備えたインダイレクトスポット溶接装置１０と、インダイレクトスポット溶接装置１０に接続され、溶接電極３の加圧力及び溶接電極３と各アース電極との電流値を制御する制御装置（図示省略）とを備えた設備により、ＰＰメンバ１とフランジ部２ａの重合部Ｐが溶接される。インダイレクトスポット溶接装置１０は、溶接電極３を軸線方向に駆動して重合部を加圧する加圧手段（エアシリンダや電動シリンダ等）を備える。

第一アース電極５は、筒状をなし、その内周面側にＰＰメンバ１が挿入される。第一アース電極５には、第一アース電極５をその外周面側から把持する図示しない把持機構が設けられており、この把持機構により、第一アース電極５をＰＰメンバ１の外周面に当接させている。

図２に示すように、第一アース電極５は、編成体５１と、板状部材５２とからなる。編成体５１は、外周面側の第一層５１ａと、内周面側の第二層５１ｂとの二層構造をしており、第一層５１ａと第二層５１ｂとの間に、銅製の板状部材５２が介挿される。編成体５１は、市販の平編み銅線を手でほぐして軟化させ、筒状にすることで形成できる。板状部材５２は、第一アース電極５の長手方向（図１の左右方向）に亘って設けられる。

筒状に形成された第一アース電極５は、第二層５１ｂを構成する銅線が、ＰＰメンバ１の外周面に倣うようにしてＰＰメンバ１に接触する。これにより、第二層５１ｂを構成する銅線とＰＰメンバ１との接触面積を大きくすることができ、第一アース電極５に流れる電流の電流密度が過大になることを防止し、第一アース電極の破損を防止したり、ＰＰメンバ１表面の焼き付きや変形を抑制することができる。本実施形態では、第一アース電極５を、ＰＰメンバ１の外周面全周を覆う筒状としたが、その一部を覆う円弧状であってもよい。また、第一層５１ａと第二層５１ｂとの間に板状部材５２を設けることで、第一層５１ａと第二層５１ｂとを構成する銅線同士を直接接触させる場合と比較すると、各層を構成する銅線と板状部材５２との接触箇所を増やし、第一アース電極５の熱伝導性を高めることができる。

図１に示すように、保持部４は、ブラケット２の一端部を把持して、ブラケット２をＰＰメンバ１に溶接可能な位置、つまり、フランジ部２ａをＰＰメンバ１の外周面に対向させた位置に保持している。

保持部４は、ブラケット２の一端部を把持するための把持アーム４１，４２を備えている。把持アーム４２は、第二アース電極としての導電部４２ａ（図1のクロスハッチング部参照）と絶縁性の基部４２ｂからなる。また、把持アーム４１は絶縁性の部材によって構成される。

保持部４は、多軸ロボット６の先端部に取り付けられている。多軸ロボット６の駆動、および、把持アーム４１の支軸を中心にした回転動作（図１の矢印参照）により、ブラケット２等の、ＰＰメンバ１に溶接する部材を把持して溶接可能な位置まで移動させ、その位置で保持固定することができる。

溶接時には、溶接電極３がブラケット２のフランジ部２ａを加圧することで、フランジ部２ａとＰＰメンバ１との間に重合部Ｐを形成し、溶接電極３→ブラケット２→重合部Ｐ→ＰＰメンバ１→第一アース電極５までの経路Ｒ１に電流を流すことで、重合部Ｐを溶接する。また、把持アーム４２の一部である導電部４２ａが第二アース電極として機能し、溶接電極３→ブラケット２→導電部４２ａまでの経路Ｒ２にも電流が流れる。さらに、ブラケット２は、重合部Ｐと異なる部分である端部２ｃでもＰＰメンバ１に接触しているため、溶接電極３→ブラケット２→端部２ｃ→ＰＰメンバ１→第一アース電極５までの経路Ｒ３にも電流が流れている。経路Ｒ３は、経路Ｒ２から途中で分流し、経路Ｒ１に合流する経路であり、経路Ｒ１，Ｒ２とその経路の一部が共通している。経路Ｒ１に流れる電流が、重合部Ｐの溶接に寄与する有効電流であり、経路Ｒ２、Ｒ３に流れる電流は、溶接に直接寄与しない無効電流である。

次に、溶接時にＰＰメンバ１やブラケット２を流れる電流値を測定し、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価する方法について説明する。

溶接電極３、第一アース電極５、導電部４２ａは、電気的に接続されており、トランス７１を介して、溶接電極３に電力が供給される。溶接時に流れる全電流値を測定できる箇所、例えば、溶接電極３に接続された電線等に、第一のトロイダルコイル７２が巻回されている。

ブラケット２の縦壁部の所定の位置である被測定部２ｂに、第二のトロイダルコイル（電流検出手段）７３が巻回されている。被測定部２ｂは、有効電流経路Ｒ１が通らず、かつ、全ての無効電流経路Ｒ２、Ｒ３が通る部分である。

図３に示すように、第二のトロイダルコイル７３は、一対の止め金具７３１を連結することにより、環状をなし、被測定部２ｂの全周を覆うように、被測定部２ｂに巻回される。

図１に示すように、第二のトロイダルコイル７３は、例えば把持アーム４１に設けることができる。具体的には、第二のトロイダルコイル７３に図示しない基部を設け、この基部を介して、把持アーム４１に第二のトロイダルコイル７３を保持させる。そして、把持アーム４１が回転して、ブラケット２の一端部を把持する動作により、第二のトロイダルコイル７３がブラケット２の被測定部２ｂに巻回される構成としてもよい。

トロイダルコイル７２、７３は、電流測定器７４に接続されている。電流測定器７４は、各トロイダルコイルが巻回された導体（溶接電極３に接続された電線、あるいは、被測定部２ｂ）が発生させる磁界の強度に基づいて、各導体を流れる電流を測定する。具体的には、各トロイダルコイルが巻回された導体を通過する電流により磁界が発生し、電流測定器７４が、この磁界によって各トロイダルコイルの両端に誘起される電圧を積分することにより、各導体を流れる電流の値を測定する。

本実施形態の電流値の測定方法では、溶接電極３によりフランジ部２ａを加圧すると共に、溶接電極３と各アース電極間（第一アース電極５、導電部４２ａ）、つまり、経路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に電流を流した状態で、電流測定器７４により各電流値を測定する。具体的には、トロイダルコイル７２によって検出される磁気強度により、電流測定器７４が、溶接電極３から各アース電極間に流れる全電流値Ｉ_Tを測定する。また、トロイダルコイル７３によって検出される磁界の強さにより、電流測定器７４が、被測定部２ｂを流れる電流を測定する。前述のように、被測定部２ｂは、全ての無効電流経路である経路Ｒ２，Ｒ３が共通して通過する部分であり、この部分を流れる電流値を全無効電流値Ｉ_Bとして測定することができる。

また、全電流値Ｉ_Tは、全有効電流値Ｉ_Aと全無効電流値Ｉ_Bとの和であるから、全電流値Ｉ_Tから全無効電流値Ｉ_Bを差し引いて、全有効電流値Ｉ_Aを求めることができる（Ｉ_A＝Ｉ_T−Ｉ_B）。このように、本実施形態では、全有効電流値Ｉ_Aを直接測定することができなくても、全電流値Ｉ_Tと全無効電流値Ｉ_Bから全有効電流値Ｉ_Aを算出することができる。

そして、例えば、溶接時の有効電流率Ｋ（＝Ｉ_A／Ｉ_T）として求めることができ、この有効電流率Ｋの大きさにより、重合部Ｐにおけるナゲットのできやすさを評価することができる。

以上のように、本実施形態の電流の測定方法によれば、経路Ｒ１と経路Ｒ３のように、有効電流経路と無効電流経路の一部が共通しているような場合であっても、溶接時の全有効電流値Ｉ_Aと全無効電流値Ｉ_Bとをそれぞれ測定あるいは算出することができ、溶接時の条件での有効電流率Ｋを算出することができる。従って、任意の溶接点におけるナゲットのできやすさを定量的に正確に評価することができる。従って、溶接条件（加圧力及び／又は電流値）や各ワークの設計及び組立工程（溶接点の位置・数・溶接順序、金属板の形状等）を調整して、溶接品質を向上させることができる。

また、上記のように、無効電流経路が経路Ｒ３に分流し、有効電流経路に合流している場合であっても、有効電流率Ｋの算出が可能であるため、図１の端部２ｃがＰＰメンバ１に接触しているか否かを問わず、各電流値の測定および有効電流率Ｋの算出が可能である。このように、ＰＰメンバ１とブラケット２との接触状態にかからず、有効電流率Ｋの算出が可能である。なお、被測定部２ｂは、本実施形態の位置に限らず、経路Ｒ２と経路Ｒ３が分流するまでの適宜の位置に設定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

また、上記の実施形態では、有効電流率Ｋを、全電流値Ｉ_Tに対する全有効電流値Ｉ_Aの比率とした場合を示したが、これに限られない。例えば、有効電流率Ｋを、全無効電流値Ｉ_Bに対する有効電流値Ｉ_Aの比率（Ｉ_A／Ｉ_B）としてもよい。また、有効電流率Ｋを各電流値の比として求めたが、各電流値から算出される各経路の抵抗値の比として求めてもよい。

以上の実施形態では、全電流値Ｉ_Tと全無効電流値Ｉ_Bを測定し、その差分により、全有効電流値Ｉ_Aを算出するものとした。しかし、本発明はこれに限らない。例えば、複数のトロイダルコイルを用いて、経路Ｒ１と経路Ｒ３に共通する部分の電流値と、経路Ｒ３を流れる電流値を測定し、その差分により、有効電流値Ｉ_Aを算出してもよい。このように、本発明では、溶接されるワークの電流経路に応じて、適宜、必要測定箇所に電流検出手段を設け、その測定結果により、全無効電流値Ｉ_Bや全有効電流値Ｉ_Aを測定あるいは算出することができる。

１ＰＰメンバ（第一ワーク）
２ブラケット（第二ワーク）
２ａフランジ部
２ｂ被測定部
３溶接電極
４保持部
５第一アース電極
６多軸ロボット
１０インダイレクトスポット溶接装置
４１把持アーム
４２把持アーム
４２ａ導電部（第二アース電極）
４２ｂ基部
７１トランス
７２第一のトロイダルコイル（電流検出手段）
７３第二のトロイダルコイル
７４電流測定器
Ｐ重合部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３経路

Claims

複数のワークの重合部を溶接電極で加圧すると共に、前記重合部と異なる部位にアース電極を当接させて両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接によって形成される溶接点を評価するための方法であって、
前記ワークの被測定部に電流検出手段を設け、
前記電流検出手段を用いて、前記インダイレクトスポット溶接時に、前記被測定部を流れる電流によって形成される磁界の強度に基づいて、有効電流値または無効電流値あるいはその双方の電流値を測定する工程と、
前記電流値に基づいて、有効電流値と無効電流値とによって表される有効電流率を算出する工程と、
前記有効電流率に基づいて、溶接点を評価する工程とを含むことを特徴とするインダイレクトスポット溶接の溶接点の評価方法。