JP2020075264A - 抵抗溶接装置及びそれを用いた抵抗溶接方法、溶接装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワークにおける加熱部位及びワークへの入熱量を可変に制御する。【解決手段】抵抗溶接装置100は、ワーク200を挟み込んで通電可能に構成された第1電極10及び第2電極20を備えている。第1電極10は、第1内側電極11と、第1内側電極11の外周側に所定の間隔をあけて配置された第1外側電極12を有している。第2電極20は、第2内側電極21と、第2内側電極21の外周側に所定の間隔をあけて配置された第2外側電極22を有している。抵抗溶接装置100は、所定の溶接条件に応じて第1及び第2電極10,20でワーク200を加圧する加圧状態を制御可能であるとともに、第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22のうち、ワーク200に通電するための一対の電極を選択する制御部60を備えている。【選択図】図1

Description

本発明は、抵抗溶接装置及びそれを用いた抵抗溶接方法、溶接装置に関する。
互いに重ね合わせられた金属板を溶接するにあたって、従来、抵抗溶接方法が広く行われている。この方法では、対向する電極間に溶接対象物(以下、ワークという)を挟んで、電極間に所定の電流を流すことでワークの所定の部位を加熱溶融させて、溶接を行う。また、一部が重ね合わせられた2つの金属板の同じ面側に所定の間隔をあけて一対の電極を配置し、2つの金属板間に通電して溶接を行う、いわゆるインダイレクト抵抗溶接方法も広く行われている。
しかし、上記のインダイレクト抵抗溶接においては、同じ面側に2つの電極を配置するため、電極間隔を所定値以上にあける必要があり、狭いスペースを溶接することは困難であった。また、電極間隔が大きくなるため、電流経路が長くなり、ワーク内での電流の分流が起こりやすく溶接効率を下げる要因となっていた。
そこで、特許文献1には、内側電極と、これと所定の間隔をあけて配置された外側電極とを有する電極を用いてワークをインダイレクト抵抗溶接する構成が記載されている。このような抵抗溶接装置では、ワーク内での電流の分流を小さくでき、溶接効率を向上させることができる。
特開2011−031269号公報
しかし、特許文献1に開示された抵抗溶接装置では、電極間隔が近接しているため、ワーク内の電流経路をあまり深くすることができなかった。このため、例えば、厚板同士を重ね合わせたワークの溶接に用いると、接合すべき部位である厚板間の界面への入熱が不十分となるおそれがあった。また、例えば、対向した一対の電極を有する従来の抵抗溶接装置や特許文献1に開示された抵抗溶接装置では、電流経路が固定されているため、ワークの厚さ方向に対して発熱部位を可変に制御することができなかった。このため、所定の部位を優先して加熱溶融させることが難しく、溶接品質を低下させるおそれがあった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ワーク内での発熱部位を可変に制御可能な抵抗溶接装置及びそれを用いた抵抗溶接方法、溶接装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る抵抗溶接装置は、先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、溶接対象物を挟み込んで通電可能に構成された第1電極及び第2電極を備えた抵抗溶接装置であって、前記第1電極は、第1内側電極と、前記第1内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第1外側電極を有し、前記第2電極は、第2内側電極と、前記第2内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第2外側電極を有し、所定の溶接条件に応じて前記第1電極と前記第2電極とで前記溶接対象物を加圧する加圧状態を制御可能であるとともに、前記第1内側電極と前記第1外側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極のうち、前記溶接対象物に通電するための一対の電極を選択する制御部と、をさらに備えたことを特徴とする。
この構成によれば、第1電極及び第2電極の各電極の中から一対の電極を選択し、溶接対象物に通電するとともに、所定の溶接条件に応じて第1電極及び第2電極による溶接対象物の加圧状態と通電電極の組合わせをそれぞれ制御することで、種々の構造を有する溶接対象物に対して、その発熱部位を可変に制御することができる。
また、本発明に係る抵抗溶接方法は、上記の抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法であって、前記第1電極と前記第2電極との間に溶接対象物を配置する溶接対象物配置ステップと、所定の溶接条件に応じて、前記第1内側電極と前記第1外側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極のうち、前記溶接対象物に通電する一対の電極を選択する電極選択ステップと、前記第1内側電極及び前記第1外側電極の少なくとも一方と前記第2内側電極及び前記第2外側電極の少なくとも一方とで前記溶接対象物を加圧する加圧条件を設定する加圧条件設定ステップと、前記一対の電極間の通電条件を設定する通電条件設定ステップと、前記加圧条件設定ステップで設定された加圧条件に従い前記溶接対象物を加圧するとともに、前記通電条件設定ステップで設定された通電条件に従い前記溶接対象物に通電する通電ステップと、を備えたことを特徴とする。
この方法によれば、所定の溶接条件に応じて、第1電極及び第2電極によって溶接対象物を加圧するとともに、各電極の中から一対の電極を選択し、溶接対象物に通電することで、種々の構造を有する溶接対象物に対して、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。
本発明に係る溶接装置は、上記の抵抗溶接装置と、前記抵抗溶接装置を支持する支持体と、前記抵抗溶接装置と前記支持体との間に設けられたイコライズ機構と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、溶接対象物と抵抗溶接装置との位置誤差を吸収して、溶接対象物に無理な加圧力がかからないようにするとともに、溶接対象物の変形を抑制できる。また、種々の構造を有するワークに対して、加熱部位を可変に制御し、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。
以上説明したように、本発明の抵抗溶接装置及び溶接装置によれば、種々の構造を有する溶接対象物に対して、その発熱部位を可変に制御することができる。また、本発明の抵抗溶接方法によれば、種々の構造を有する溶接対象物に対して、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。
本発明の実施形態1に係る抵抗溶接装置の機能構成を示す模式図である。 ワークの抵抗溶接手順を示すフローチャートである。 実施形態1に係るワーク内での電流経路の変更過程を示す模式図である。 変形例1に係るワーク内での電流経路の変更過程を示す模式図である。 変形例2に係るワーク内での電流経路の変更過程を示す模式図である。 変形例3に係るワークの溶接状態を示す模式図である。 本発明の実施形態2に係る第1電極の構成を示す模式図である。 第1及び第2電極とワークとの配置関係を説明する模式図である。 本発明の実施形態3に係る溶接装置の構成を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
(実施形態1)
[抵抗溶接装置の構成]
図1は、本実施形態に係る抵抗溶接装置の機能構成の模式図を示す。なお、説明の便宜上、図1において、第1電極10及び第2電極20の要部以外の機械的構造は図示を省略している。また、第1内側電極11,第1外側電極12,第2内側電極21及び第2外側電極22の形状は簡略化して図示しており、実際の形状とは異なっている。また、抵抗溶接装置100は、図1に示す以外にも多くの構成要素、例えば、第1電極10及び第2電極20の支持部である溶接ガン本体や第1〜第4加圧部31〜34を駆動させるためのエアチューブ等を備えているが、これらについても図示及びその詳細な説明を省略する。また、以降の説明において、第1電極10の長手方向を「軸方向」と、半径方向を「径方向」と、外周方向を「周方向」とそれぞれ呼ぶことがある。また、軸方向において、第1電極10の先端側、つまり、ワーク200に当接する側を「下」または「下側」と、その反対側を「上」または「上側」とそれぞれ呼ぶことがある。
図1に示すように、抵抗溶接装置100は、第1及び第2電極10,20と第1〜第4加圧部31〜34と溶接用電源(以下、単に電源という)50と制御部60と表示部70と入力部80とを備えている。また、抵抗溶接装置100は、電源50に接続された電流経路切替部40を備えている。
第1電極10は、略円柱状の第1内側電極11と、第1外側電極12とで構成された電極である。第1内側電極11の先端部11aの表面は下に凸形状の曲面であり、その曲率等は、抵抗溶接装置100の使用条件や先端部11aの材質や寿命等によって適宜決められる。また、先端部11aは着脱可能に構成されており、溶接条件に応じた所定の交換周期で交換される。
第1外側電極12は、第1内側電極11の外周側に所定の間隔をあけて配置されている。なお、第1外側電極12の先端部12aも第1内側電極11の先端部11aと同様に着脱可能に構成されている。
第2電極20は、略円柱状の第2内側電極21と、第2内側電極21の外周側に所定の間隔をあけて配置された第2外側電極22とで構成された電極である。第2電極20における個々の部品の形状、材質及び機能は、第1電極10における対応する部品の形状等と同様である。先端部21a,22aが着脱可能に構成されていることも第1電極10と同様である。
なお、図示しないが、第1内側電極11、第1外側電極12,第2内側電極21,第2外側電極22の内部にはそれぞれ水冷管が設けられており、図示しない冷却水循環機構に接続されて、内部に所定の温度の冷却水が流れるように構成されている。各電極をこのように構成することで、通電時の各電極の温度上昇、特に先端部11a,12a,21a,22bの温度上昇を抑制して、ワーク200との溶着を防止している。また、先端部11a,12a,21a,22aの寿命低下を抑制している。なお、通電中または通電終了後、所定の時間を経過するまで各電極は水冷される。
第1電極10と第2電極20とは互いの先端が所定の間隔をあけて対向するように配置されている。また、第1電極10と第2電極20とは、それぞれ図示しない溶接ガン本体(図9参照)に支持され、当該溶接ガン本体のうち軸方向に延びる部分に沿って移動可能に設けられており、第1電極10と第2電極20と溶接ガン本体とで溶接ガン(図9参照)の要部を構成している。
第1〜第4加圧部31〜34は、第1内側電極11、第1外側電極12,第2内側電極21,第2外側電極22をそれぞれ軸方向に移動させ、各電極をワーク200に当接させて加圧するための加圧機構である。本実施形態において、第1〜第4加圧部31〜34は、エアシリンダと図示しない圧縮ポンプ等で構成されているが、特にこれに限定されず、例えば、油圧シリンダやサーボモータ等を用いるようにしてもよい。
第1加圧部31は第1内側電極11を軸方向に加圧し、第2加圧部32は第1外側電極12を軸方向に加圧するように構成されている。また、第3加圧部33は第2内側電極21を軸方向に加圧し、第4加圧部34は第2外側電極22を軸方向に加圧するように構成されている。第1〜第4加圧部31〜34はそれぞれ制御部60に電気的に接続されている。なお、第1〜第4加圧部31〜34の加圧力は、それぞれ同じであっても、互いに異なっていてもよい。ただし、後述するように、ワーク200に第1及び第2電極10,20を当接させる場合、ワーク200を安定して保持するために、互いに対向する電極、例えば、第1内側電極11と第2内側電極21とは同じ加圧力でワーク200を加圧するように、つまり、第1加圧部31と第3加圧部33との加圧力が同じになるように制御される。また、第1〜第4加圧部31〜34として、例えば、サーボモータを使用する場合は、それぞれの加圧力を可変とすることができる。
また、制御部60は、第1〜第4加圧部31〜34を互いに独立して制御することも、第1〜第4加圧部31〜34を連動して駆動するように制御することも可能である。また、制御部60は、第1〜第4加圧部31〜34のうち任意の2以上の加圧部を連動して駆動するように制御することも可能である。
電流経路切替部40は、第1内側電極11、第1外側電極12,第2内側電極21,第2外側電極22のそれぞれに接続されるとともに、電源50と制御部60とに接続されている。電流経路切替部40は、内部に図示しない複数の電気接点及びスイッチを有しており、所定の溶接条件に応じた制御部60からの制御信号によって、対応するスイッチをオンまたはオフすることにより、電源50と接続される電極の組合わせが切り替えられる。例えば、初期に、第1内側電極11と第1外側電極12とが電源50に接続されていたのを、第1内側電極11と第2内側電極21とが電源50に接続されるように切り替える。
電流経路切替部40をこのように構成することで、後述するように、ワーク200内を流れる電流経路を変更することができる。なお、制御部60と電流経路切替部40とによって選択される電極の組は、第1電極10と第2電極20とであってもよい。つまり、その場合は、第1内側電極11と第1外側電極12とが電気的に共通接続されて1つの電極として機能する。同様に、第2内側電極21と第2外側電極22とが電気的に共通接続されて1つの電極として機能する。
なお、電流経路切替部40を設ける代わりに、例えば、電源50を複数準備し、第1内側電極11、第1外側電極12,第2内側電極21,第2外側電極22の間の任意の1組の選択を複数の電源50と各電極との接続を切り替えることで行って、ワーク200内に流れる電流経路を切り替えるようにしてもよい。この場合、配置される電源50の個数に応じて、選択される電流経路の個数が制限されることがある。
電源50は、所定の溶接条件に応じた制御部60からの制御信号によって、第1電極10と第2電極20との間に、具体的には、制御部60と電流経路切替部40によって選択された電極の組の間に所定の量の電流を所定時間流すように構成されている。つまり、電源50は、第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22とにそれぞれ電気的に接続されている。なお、電流経路切替部40は、電源50の内部に組み込まれて両者が一体化していてもよい。このようにすることで、抵抗溶接装置100の構成がコンパクトになる。
制御部60は、第1〜第4加圧部31〜34,電流経路切替部40,電源50に対して、それぞれ所定の溶接条件に応じて制御信号を送るように構成されている。また、制御部60は、表示部70及び操作部80にも電気的に接続されている。制御部60は、通常、CPU(Central Processing Unit)と外部機器とのインターフェース等から構成される。
制御部60には、ワーク200の構造や材質等に応じて予め設定された溶接プログラムが格納されていてもよい。なお、当該溶接プログラムは、制御部60と別に設けられた図示しない記憶部に格納されていてもよい。その場合は、制御部60が溶接プログラムを記憶部から読み込んで、所定の溶接を実行するように抵抗溶接装置100の各部に制御信号を送る。この溶接プログラムには、ワーク200の構造や材質等に応じた、溶接電流、通電時間、加圧時間、加圧力、溶接期間中に選択される電極の組やその変更タイミング等の溶接条件が設定されている。また、溶接条件には、通電終了後に第1〜第4加圧部31〜34のいずれかでワーク200を加圧する加圧力や加圧時間が含まれている。なお、記憶部は制御部60の内部に組み込まれていてもよい。また、制御部60の代わりに、図示しない教示装置を用いて溶接条件を設定するようにしてもよい。
表示部70は、制御部60に接続されており、例えば、これから実行しようとする溶接プログラムの内容を表示したり、溶接中の各種情報、例えば、通電電流値の時間変化等を表示したりするように構成されている。なお、表示部70には、上記以外のデータを表示させてもよい。表示部70は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。
入力部80は、制御部60に接続されており、例えば、溶接プログラムの修正内容等を直接、制御部60に入力できるように構成されている。また、制御部60等から,これから実行しようとする溶接プログラムを呼び出すための指令を入力できるように構成されている。入力部80は、キーボードやタッチパネル等で構成される。また、タッチパネルを使用する場合には、表示部70と入力部80とが共通化されていてもよい。
[溶接対象物の抵抗溶接手順]
図2は、ワークの抵抗溶接手順のフローチャートを示し、図3は、ワーク内での電流経路の変更過程を示す。
まず、ワーク200を第1電極10と第2電極20との間に配置する(ステップS1:溶接対象物配置ステップ)。
次に、所定の溶接条件に応じて、第1内側電極11、第1外側電極12,第2内側電極21,第2外側電極22のうち、通電電流を流す一対の電極を選択する(ステップS2:電極選択ステップ)。なお、前述したように、第1電極10自体と第2電極20自体を選択するようにしてもよい。第1電極10と第2電極20とがワーク200を加圧する加圧条件を設定し(ステップS3:加圧条件設定ステップ)、ステップS2で選択された一対の電極間を流れる通電電流量及び通電時間を含む通電条件を設定する(ステップS4:通電条件設定ステップ)。なお、ステップS2〜S4は、この順で行われる必要はなく、実行される順番は逆でもよい。また、ステップS2〜S4は、同時に実行されてもよい。ワーク200の抵抗溶接が所定の溶接プログラムに則って行われる場合は、ステップS2〜S4は、ワーク200の構造や材質等を選択した時点で選択された溶接プログラムにおける実行手順の一部に相当する。なお、ステップS3においては、第1電極10及び第2電極20がワーク200を加圧する加圧時間と加圧力を設定するだけでなく、第1〜第4加圧部31〜34が互いに独立して制御されるか、あるいは連動して制御されるかについても設定される。
次に、第1電極10及び第2電極20によって、ステップS3で設定された加圧条件でワーク200を加圧するとともに、ステップS2で選択された一対の電極間にステップS4で設定された通電条件でワーク200に通電する(ステップS5:通電ステップ)。なお、ステップS5の実行中に第1〜第4加圧部31〜34のそれぞれの加圧力を変化させてもよく、通電電流量を変化させてもよい。また、通電を停止する期間を設けるようにしてもよい。なお、ステップS5における通電条件と加圧条件はそれぞれ連動して変化するようにしてもよいし、互いに独立して変化するようにしてもよい。
ステップS5の終了後に、所定の溶接条件に応じて、ワーク200に通電するための一対の電極の組合わせを変更するか否かを判断する(ステップS6:電極変更ステップ)。なお、ステップS6は、制御部60で実行される。所定の溶接プログラムにステップS6が実行手順として組み込まれていてもよい。
ステップS6での判断が肯定的であれば、ステップS2に戻って、ワーク200に通電するための一対の電極を再選択する。また、加圧条件と通電条件とを再度設定し(ステップS3,S4)、ワーク200に再度通電する(ステップS5)。
ステップS6での判断が否定的、つまり、ワーク200に通電する一対の電極の組合わせを変更する必要が無ければ、ワーク200の抵抗溶接を終了する。
図3は、上記の手順に則って実行された抵抗溶接時のワーク200内での電流経路の変更過程を模式図として示している。ここで、ワーク200は第1の厚さを有する鋼板210と第2の厚さを有するアルミ板220とが積層された積層体である。なお、本実施形態では、鋼板210とアルミ板210との厚さは同じであるが、これらが互いに異なっていてもよい。また、ワーク200の構造は、特にこれに限定されず、他の構造、例えば3枚以上が互いに積層された積層体であってもよい。なお、説明の便宜上、図3において、抵抗溶接装置100における第1電極10と第2電極20以外の構成部品等は図示を省略する。
このようなワーク200を抵抗溶接するにあたって、(a)図に示すように、第1電極10と第2電極20とでワーク200を挟み込んで加圧、保持する。このとき、制御部60は第1〜第4加圧部31〜34を連動して制御している。また、第1電極10は鋼板210に、第2電極20はアルミ板220にそれぞれ当接してワーク200を加圧している。また、このときに設定された第1〜第4加圧部31〜34の加圧力に応じて、第1電極10及び第2電極20とワーク200との接触状態が定まる。さらに、鋼板210とアルミ板220との接触状態が定まる。例えば、高い加圧力で第1電極10及び第2電極20がワーク200を加圧する場合は、第1電極10及び第2電極20とワーク200との接触抵抗、また、鋼板210とアルミ板220との接触抵抗が低下する。逆に低い加圧力で第1電極10及び第2電極20がワーク200を加圧する場合は、これらの接触抵抗が上昇する。このことを利用して、ワーク200内での初期の電流経路を定めることができる。例えば、所望の部位で接触抵抗が低下するように第1〜第4加圧部31〜34を制御し、ワーク200を加圧することで、接触抵抗の低い部分を電流が流れるようになる。
次に、(b)図に示すように、第1内側電極11と第1外側電極12との間に所定量の電流を流して鋼板210に通電する。所定時間、鋼板210に通電することにより、(c)図に示すように、鋼板210が発熱し、その温度が上昇する。また、鋼板210の主材料である鉄はアルミ等と比べて熱伝導率が低く、電流経路近傍の鋼板210(以下、発熱部211という)に熱がたまりやすい。このため、アルミ板220において、発熱部211との界面の温度も上昇する。また、アルミは鉄に比べて融点が低いため、発熱部211の温度が所定値以上に達すると、(d)図に示すように、当該界面においてアルミが溶融し、溶融部221が形成される。また、(b)図に示す状態から所定の時間経過後に、(c)図に示すように、ワーク200に通電する電極の組を切り替えてワーク200に通電する。具体的には、第1外側電極12と第2内側電極21との間で通電するようにする。このようにワーク200に電流を流すことで、溶融部221の近傍において、(b)図に示す場合よりも電流密度が低くなり、鋼板210とアルミ板220との界面の温度は徐々に低下し、溶融部221が固化して接合部230が形成され、鋼板210とアルミ板220とが接合される。なお、(c)図に示す電流経路の切替え時に、ワーク200に流れる通電電流量を低下させるようにしてもよい。また、後述するブローホールの発生を抑制するために、ワーク200への通電開始前から終了後の所定時間にかけて、第1電極10及び第2電極20によってワーク200は加圧される((e)図)。なお、(c)図から(e)図に示す状態において、第1電極10と第2電極20とでワーク200を加圧しつつ、第1内側電極11と第2内側電極21がワーク200を加圧する加圧力を低減するようにしてもよい。このようにすることで、第1内側電極11及び第2内側電極21を介してワーク200から放熱される放熱量を小さくして、発熱部211及び溶融部221が急激に冷却されるのを防止できる。ただし、当該加圧力は、ブローホールが発生しない程度に維持される必要がある。
アルミ板220を含むワーク200を溶接する場合、アルミの溶融後に急激に温度を低下させるとワーク200内にブローホールが発生する場合がある。(c)図に示すように、ワーク200内の電流経路を切り替えて、鋼板210とアルミ板220との界面の温度を徐々に低下させることで、アルミの急激な固化を抑制し、ブローホールの発生及びこれに起因する欠陥の発生を抑制できる。また、(e)図に示すように、通電終了後にさらにワーク200を加圧することで、ワーク200内での欠陥の発生や成長を抑制できる。また、通電終了後に所定時間、第1電極10及び第2電極20がワーク200に当接することで、溶接箇所が急速に冷却され、溶接期間を短縮できる。
なお、本実施形態では、ブローホールの発生を抑制するために、溶接期間中を通じて第1電極10と第2電極20とをワーク200に当接させていたが、例えば、ワーク200が2枚の鋼板210の積層構造である場合、溶接箇所の冷却速度を調整するために、通電終了後に、または通電切替え時の通電停止後に、第1内側電極11と第2内側電極21とをワーク200から離しつつ、第1外側電極12と第2外側電極12とでワーク200を加圧するようにしてもよい。また、第1外側電極12と第2外側電極22とをワーク200から離しつつ、第1内側電極11と第2内側電極21とでワーク200を加圧するようにしてもよい。
[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係る抵抗溶接装置100は、先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、ワーク200を挟み込んで通電可能に構成された第1電極10及び第2電極20を備えている。第1電極10は、第1内側電極11と、第1内側電極11の外周側に所定の間隔をあけて配置された第1外側電極12を有している。第2電極20は、第2内側電極21と、第2内側電極21の外周側に所定の間隔をあけて配置された第2外側電極22を有している。
また、抵抗溶接装置100は、制御部60を備えている。制御部60は、所定の溶接条件に応じて第1電極10と第2電極20とでワーク200を加圧する加圧状態を制御可能であるとともに、第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22のうち、ワーク200に通電するための一対の電極を選択するように構成されている。
本実施形態の抵抗溶接装置100によれば、種々の構造を有するワーク200に対して、所定の溶接条件に応じて、第1及び第2電極10,20によるワーク200の加圧状態を制御し、ワーク200への通電電極を選択することで、ワーク200内を流れる電流経路を変更することができる。このことにより、抵抗溶接時の発熱部位を可変に制御できる。
また、ワーク200に通電することで電流経路上のワーク200が抵抗加熱されて発熱する一方、第1内側電極11及び第1外側電極12の少なくとも一方と第2内側電極21及び第2外側電極22の少なくとも一方とがワーク200を加圧しているため、ワーク200に当接した電極を介してワーク200から外部に熱を放散している。従って、ワーク200への通電電流量及び通電時間とワーク200の加圧状態、例えば、ワーク200を加圧する電極の組合わせや、加圧時の各電極の加圧力やそのバランス等をそれぞれ適切に制御することにより、ワーク200からの放熱量を制御することができる。また、通電によるワーク200の発熱量と第1及び第2電極10,20によるワーク200からの放熱量とをバランスさせて、ワーク200における所望の部位を加熱溶融して接合強度が安定した高品質の抵抗溶接を行うことができる。
また、制御部60は、所定の溶接条件に応じて一対の電極間の通電条件を設定するとともに、第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22とがそれぞれワーク200を加圧する加圧条件を設定するように構成されている。
制御部60をこのように構成することで、ワーク200の所望の部位に対するトータルの入熱量及び放熱量を制御することができる。また、通電条件と加圧条件とは互いに独立して設定可能なので、例えば、図3の(b)図や(e)図に示すように、溶接箇所の加熱と冷却とを独立して行うことができる。
また、抵抗溶接装置100は、第1内側電極11を軸方向に加圧する第1加圧部31と、第1外側電極12を軸方向に加圧する第2加圧部32と、第2内側電極21を軸方向に加圧する第3加圧部33と、第2外側電極22を軸方向に加圧する第4加圧部34と、をさらに備えている。また、制御部60は、所定の溶接条件に応じて第1〜第4加圧部31〜34を互いに独立に制御するか、または連動して制御するかを選択可能に構成されている。
このようにすることで、抵抗溶接時の初期の電流経路を調整できるとともに、ワーク200の溶接箇所での放熱箇所や放熱量を所定の溶接条件に応じて制御することができる。
また、本実施形態によれば、ワーク200を抵抗溶接する際の制御因子の数を多くして、つまり、第1及び第2電極10,20によってワーク200を加圧する加圧力や加圧時間や内側電極と外側電極との加圧力バランス、また、ワーク200に当接させて通電する電極の組合わせ、通電時間、通電電流量等をそれぞれ制御することで、きめ細かい溶接制御が可能となり、高品質の抵抗溶接を行うことができる。
また、本実施形態に係る抵抗溶接方法は、第1電極10と第2電極20との間に溶接対象物であるワーク200を配置する溶接対象物配置ステップと、所定の溶接条件に応じて第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22のうち、ワーク200に通電する一対の電極を選択する電極選択ステップと、を備えている。
また、第1電極10と第2電極20とでワーク200を加圧する加圧条件を設定する加圧条件設定ステップと、一対の電極間の通電条件を設定する通電条件設定ステップと、を備えている。さらに、加圧条件ステップで設定された加圧時間でワーク200を加圧し、通電条件設定ステップで設定された通電条件でワーク200に通電する通電ステップと、を備えている。
本実施形態の抵抗溶接方法によれば、所定の溶接条件に応じて、第1電極10及び第2電極20の各電極11,12,21,22の中から一対の電極を選択し、所定の加圧条件及び通電条件でワーク200に通電することで、種々の構造を有するワーク200に対して、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。
通電ステップの後に、所定の溶接条件に応じて、ワーク200に当接させる一対の電極の組合わせを変更するか否かを判断する電極変更ステップをさらに備え、電極変更ステップでの判断結果が肯定的であれば、一対の電極の組合わせを変更し、変更された一対の電極に関して、加圧条件設定ステップと通電条件設定ステップと通電ステップとを再度実行する。
このようにすることで、ワーク200内を流れる電流経路を変更できるため、抵抗溶接時の発熱部位を可変に制御できる。このことにより、ワーク200における所望の部位を加熱溶融して接合強度が安定した高品質の抵抗溶接を行うことができる。また、例えば、電流経路の切替え後にワーク200を溶融するに到らない量の電流を流すことで、ワーク200内の発熱部211や溶融部221の温度を徐々に低下させて接合部230を安定に形成することができる。
<変形例1>
図4は、本変形例に係るワーク内での電流経路の変更過程を模式図として示している。なお、図4において、実施形態1と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、本変形例において、ワーク300は2枚の鋼板310,320が互いに重ね合わせられた積層体である。
ワーク300を抵抗溶接するにあたって、第1〜第4加圧部31〜34を制御して、第1内側電極11と第2内側電極21との間で電流経路が形成されるように第1電極10と第2電極20とでワーク200を挟み込んで加圧、保持する。また、(a)図に示すように、第1内側電極11と第2内側電極21との間で通電して鋼板310と鋼板320との界面に発熱部311が形成されるようにする。
次に、(b)図に示すように、ワーク300に通電する電極の組を切り替えてワーク300に通電する。具体的には、第2外側電極22と第1内側電極11との間で通電するようにする。このようにワーク300に電流を流すことで、発熱部311の近傍において、(a)図に示す場合よりも電流密度が低くなり、鋼板310と鋼板320との界面の温度は徐々に低下し、発熱部311が冷却されて接合部330が形成され、鋼板310と鋼板320とが接合される。また、ワーク300への通電終了後も、所定時間、第1電極10及び第2電極20によってワーク300は加圧される((c)図)。
本変形例によれば、実施形態1と同様の効果を奏することができる。すなわち、ワーク300における所望の部位を発熱させることができる。また、ワーク300内を流れる電流経路を変更し、所定量の電流を通電することで、発熱部311の温度を徐々に低下させて軟化領域を制御する、いわゆる焼きなましが行われる。さらに、通電終了後に、第1及び第2電極10,20によりワーク300を加圧することで接合部330の温度を速やかに低下させることができる。これらのことにより、強度が安定した接合部330を形成して溶接品質を高められる。
<変形例2>
図5は、本変形例に係るワーク内での電流経路の変更過程を模式図として示している。なお、図5において、実施形態1と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、本変形例において、ワーク400は3枚の鋼板410,420,430が互いに重ね合わせられた積層体である。また、鋼板410,430の厚さはそれぞれ同程度であり、かつ鋼板420の厚さよりも薄い。
ワーク400を抵抗溶接するにあたって、第1〜第4加圧部31〜34を制御して、第1内側電極11と第1外側電極12との間で電流経路が形成されるように、かつ第2内側電極21と第2外側電極22との間で電流経路が形成されるように第1電極10と第2電極20とでワーク200を挟み込んで加圧、保持する。また、(a)図に示すように、第1内側電極11と第1外側電極12との間で通電して鋼板410と鋼板420との界面に発熱部411が形成されるようにする。同様に、第2内側電極21と第2外側電極22との間で通電して鋼板430と鋼板420との界面に発熱部431が形成されるようにする。
次に、(b)図に示すように、ワーク300に通電する電極の組を切り替えてワーク300に通電する。具体的には、第1外側電極12と第2内側電極21との間で通電するようにする。また、この場合の通電電流量を(a)図に示す各電流経路での電流量よりも小さくなるようにする。このようにワーク400に電流を流すことで、発熱部411及び発熱部431の近傍において、(a)図に示す場合よりも電流密度が低くなり、鋼板410と鋼板420との界面の温度及び鋼板420と鋼板430との界面の温度はそれぞれ徐々に低下し、発熱部411が冷却されて接合部440が形成され、鋼板410と鋼板420とが接合される。同様に、発熱部431が冷却されて接合部441が形成され、鋼板420と鋼板430とが接合される。
本変形例によれば、実施形態1及び変形例1と同様の効果を奏することができる。すなわち、ワーク300における所望の部位を発熱させ、また、発熱部411、431の温度を徐々に低下させて焼きなましを行うことにより、強度が安定した接合部440,441を形成できる。また、(c)図に示すように、通電終了後に、第1及び第2電極10,20によりワーク300を加圧することで接合部440,441の温度を速やかに低下させることができる。これらのことにより、接合部440,441をより安定して形成でき、溶接品質を高められる。
<変形例3>
図6は、本変形例に係るワーク内での電流経路の変更過程を模式図として示している。なお、図6において、実施形態1と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図6において、金属部材510は金属部材520と離間して図示しているが、2つの部材のフランジ部が互いに重ね合わせられた状態であってもよい。
図6に示すように、2つの金属部材510,520をフランジ部で重ね合わせて中空形状としたワーク500のうち、金属部材510の外面にさらに別の金属部材530を溶接する場合は、例えば、第1内側電極11と第1外側電極12との間に通電して、金属部材510,530を互いに接合する。また、2つの金属部材510,520のフランジ部が重ね合わせられた状態で、金属部材510の外面に金属部材530を溶接する場合は、ワーク500が移動しないように、第2電極20を金属部材520に当接させて、第1電極10側に加圧してもよい。また、図示しないが、金属部材520の外面にさらに別の金属部材を溶接する場合は、例えば、第2内側電極21と第2外側電極22との間に通電して、金属部材520と別の金属部材とを互いに接合する。
このように、本実施形態によれば、ワーク500の片側のみに電極を当接させて抵抗溶接を行う場合にも、高品質の抵抗溶接を行うことができる。
(実施形態2)
図7は、本実施形態に係る第1電極の模式図を、図8は、第1及び第2電極とワークとの配置関係の模式図をそれぞれ示し、図7の(a),(b)図ともに第1電極10を軸方向下側から見た模式図を示している。なお、本実施形態において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。また、第1電極10と電流経路切替部40との結線や第1〜第4加圧部31〜34との接続関係は模式的に示したものであり、実際の接続態様等とは異なっている。
図7に示す本実施形態の第1電極10は、第1外側電極12が周方向に所定の間隔をあけて4つに分割されている点で図1に示す実施形態1の第1電極10と異なる。
また、第1外側電極12における複数の分割電極のうち対角位置にある1組の分割電極12b(以下、単に分割電極12bという)は、他の組の分割電極12c(以下、単に分割電極12cという)と独立に軸方向へ加圧可能に構成されている。具体的には、図7の(a)図に示すように、分割電極12bには第2加圧部32bが、分割電極12cには第2加圧部32cがそれぞれ接続されており、第2加圧部32bは、制御部60によって、第1加圧部31,第3加圧部33,第4加圧部34及び第2加圧部32cと互いに独立に、あるいは連動して制御され、分割電極12bを軸方向に加圧する。1組の分割電極12bは第2加圧部32bによって互いに連動して駆動される。同様に、第2加圧部32cは、制御部60によって、他の加圧部31,33,34,32bと互いに独立に、あるいは連動して制御され、分割電極12cを軸方向に加圧する。1組の分割電極12cは第2加圧部32cによって互いに連動して駆動される。
なお、図示しないが、第2外側電極22も同様に、分割電極22b,22c(図8参照)を有しており、これらの電極22b,22cは、図示しない2つの第4加圧部34によって他の電極11,12b,12c,21と互いに独立して、あるいは連動して駆動するように制御され、ワーク600(図8参照を)を軸方向に加圧可能に構成されている。
また、図7の(b)図に示すように、分割電極12bと分割電極12cとは、それぞれ電流経路切替部40の異なる端子に接続されている。図示しないが、同様に、分割電極22bと分割電極22cとは、それぞれ電流経路切替部40の異なる端子に接続されている。例えば、通電電流が流れる電極の組の一方を分割電極12bとする場合、制御部60からの制御信号によって、第1内側電極11,分割電極12c、第2内側電極21,分割電極22b,22cの中から、制御部60からの制御信号に応じて、当該電極の組の他方を選択可能に構成されている。各々、分割電極12c,22b,22cも、同様に、制御部60からの制御信号に応じて、通電電流が流れる電極の組の他方を、異なる別の電極から選択可能に構成されている。
抵抗溶接装置100の第1及び第2外側電極12,22をこのように構成することで、実施形態1に示す構成に対して、より幅の狭いワークを溶接することができる。図8を用いてさらに説明する。なお、図8において、第1外側電極12の分割電極12b,12cと、第2外側電極22の分割電極22b,22cの位置関係をわかりやすくするために、第1〜第4加圧部31〜34及び各部の結線の図示を省略している。
図8に示すワーク600は、各々フランジを有する2つの金属部材610,620がフランジ同士を互いに重ね合わせられてなる部材である。このようなワーク600では、重ね合わせ部分、つまり、両方のフランジ部分を第1電極10及び第2電極20で挟み込んで加圧し、電極間に通電することで溶接が行われる。
しかし、ワーク600の半径方向に関するフランジ部分の幅は通常狭く、寸法によっては、第1及び第2電極10,20をこの部分に当接させることが難しい場合がある。また、図8に示すように、フランジ部分の設計上の幅をW1とすると、金属部材610,620のフランジ同士が実際に重ね合わされる幅W2は、通常、幅W1よりも狭くなる。これは、金属部材610、620のそれぞれにおいて、フランジ部分を加工成形する際に、所定の曲率を有するコーナー部が形成されてしまうためであり、コーナー部の半径分だけ、幅W2は、幅W1よりも狭くなってしまう。また、実際のコーナー部の形状は、金属部材610,620のサイズやプレス機等の加工設備の仕様や幅W1の設計値等により変化する。このため、第1及び第2電極10,20を溶接部であるフランジの重ね合わせ部分に当接させることがより難しくなる。
一方、本実施形態によれば、第1及び第2外側電極12,22を偶数個の分割電極で構成し、かつ、対角関係にある1組の分割電極を互いに連動して駆動するとともに、当該1組の分割電極同士をワーク600に対して加圧可能かつ通電可能とすることで、第1及び第2外側電極12,22をワーク600に当接させる部分の実効的なサイズを小さくでき、実施形態1に示す抵抗溶接装置100よりも狭い幅の溶接部分に対して確実に溶接を行うことができる。なお、図8では、第1外側電極12における分割電極12bと第2外側電極22における分割電極22bとがワーク600にそれぞれ当接した例を示している。
また、第1内側電極11と第1外側電極12の分割電極12b,12cと第2内側電極21と第2外側電極22の分割電極22b,22cのうち、通電電流が流れる2つの電極を所定の溶接条件に応じて切替えることができる。このため、例えば、ワーク600のフランジ部分にさらに別の金属部材が重ね合わせられているような場合にも、実施形態1及び変形例に示したのと同様に、高品質でワーク600の抵抗溶接を行うことが可能となる。また、ワークの溶接部がさらに複雑な形状である場合も、例えば、溶接箇所に応じて、使用する分割電極を変更することにより、よりきめ細かい溶接を行うことができる。
また、ワーク600の形状等に応じて、電流経路を使い分ける、つまり、通電する分割電極を使い分けることにより、分割電極12b,12c及び分割電極22b,22cが溶接時に摩耗して寿命が低下するのを抑制できる。
なお、第1及び第2外側電極12,22における電極の分割個数は、抵抗溶接装置100での溶接対象となるワークの形状のバリエーションに応じて予め設定される。
このようにすることで、溶接領域の小さいワークに対しても、実施形態1に示すのと同様に高品質の抵抗溶接を行うことが可能となる。
なお、実施形態1に示すのと同様に、電流経路切替部40を設ける代わりに、例えば、電源50を複数準備し、第1内側電極11、分割電極12b,12c、第2内側電極21、分割電極22b,22cの間の任意の1組の選択を複数の電源50と各電極との接続を切り替えることで行って、ワーク600内に流れる電流経路を切り替えるようにしてもよい。
また、本実施形態において、第1外側電極12及び第2外側電極22はそれぞれ4個に分割されていたが、特にこれに限定されず、n個(nは偶数)に分割されていてもよい。また、第1外側電極12及び第2外側電極22のいずれか一方のみがn個に分割されていてもよい。
(実施形態3)
図9は、本実施形態に係る溶接装置の模式図を示す。なお、説明の便宜上、図9に示す構成のうち溶接ガン1100以外の構成の細部の図示とその詳細な説明を省略する。また、第1電極10及び第2電極20の構造の細部についても図示及び詳細な説明を省略する。
溶接装置1000は、溶接ガン1100と、溶接ガン1100の支持体であるロボットアーム1200と、イコライズ機構1400とを備えている。
溶接ガン1100は、溶接ガン本体1110と第1電極10と第2電極20とを有している。また、溶接ガン1100には、図1に示す第1〜第4加圧部31〜34(図示せず)も設けられている。第1電極10と第2電極20とは、溶接ガン本体1110に支持され、互いに独立して、または連動して軸方向に移動可能に構成されている。溶接ガン1100は実施形態1,2に示す抵抗溶接装置100の要部に相当する。
ロボットアーム1200は、複数の部分に分割されており、各部の連結部にはサーボモータ(図示せず)によって回転駆動される関節軸1300が設けられている。ロボットアーム1200をこのような構成とすることで、ロボットアーム1200の先端に取付けられた溶接ガン1100を所望の位置に移動させることができる。
イコライズ機構1400は、図示しないワークと第1及び第2電極10,20との位置関係で生じる誤差を吸収する機構である。また、イコライズ機構1400は、ワークに無理な加圧力がかからないように、溶接ガン1100本体の重量バランスをとるように構成されている。イコライズ機構1400は空気圧や油圧シリンダあるいはサーボモータ等により作動する。
本実施形態によれば、イコライズ機構1400を設けることにより、第1及び第2電極10,20にかかる力を同等にしてワークの変形を抑制するとともに、ワークに対して安定して溶接を行うことができる。また、ロボットアームのティーチング精度やワークのプレス精度が所定以下である場合も、ワークと第1及び第2電極10,20との位置誤差を吸収して、ワークに無理な加圧力がかからないようにすることができる。
また、イコライズ機構1400を介して溶接ガン1100をロボットアーム1200に取付けることにより、溶接ガン1100を所望の位置に移動させて複雑な形状のワークに対して抵抗溶接を行うことができる。また、第1電極10及び第2電極20の各電極、つまり、第1内側電極11と第1外側電極12と第2内側電極21と第2外側電極22とを互いに独立して、または互いに連動して加圧でき、かつこれらの電極間の通電電流が流れる電流経路を所定の溶接条件に応じて切り替えることができる。このことにより、種々の構造を有するワークに対して、加熱部位を可変に制御し、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。
なお、図示しないが、本実施形態において、第1外側電極12や第2外側電極22が実施形態2に示すのと同様に、周方向に所定の間隔をあけて偶数個に分割されていてもよい。このようにすることで、実施形態2に示すのと同様に、溶接領域の小さいワークに対して高品質の抵抗溶接を行うことができる。
本発明の抵抗溶接装置は、加熱部位を可変に制御し、また、所定の部位に適切に入熱できるため、種々の構造を有するワークに対して高品質の溶接を行える抵抗溶接装置として産業上有用である。
10 第1電極
11 第1内側電極
12 第1外側電極
12b 第1外側電極12における分割電極
12c 第1外側電極12における他の分割電極
20 第2電極
21 第2内側電極
22 第2外側電極
22b 第2外側電極22における分割電極
22c 第2外側電極22における他の分割電極
31〜34 第1〜第4加圧部
32b 分割電極12bに対する第2加圧部
32c 分割電極12cに対する第2加圧部
40 電流経路切替部
50 溶接用電源
60 制御部
70 表示部
80 入力部
100 抵抗溶接装置
200〜600 ワーク(溶接対象物)
1000 溶接装置
1100 溶接ガン
1200 ロボットアーム(支持体)
1300 関節軸
1400 イコライズ機構

Claims (10)

  1. 先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、溶接対象物を挟み込んで通電可能に構成された第1電極及び第2電極を備えた抵抗溶接装置であって、
    前記第1電極は、第1内側電極と、前記第1内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第1外側電極を有し、
    前記第2電極は、第2内側電極と、前記第2内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第2外側電極を有し、
    所定の溶接条件に応じて前記第1電極と前記第2電極とで前記溶接対象物を加圧する加圧状態を制御可能であるとともに、前記第1内側電極と前記第1外側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極のうち、前記溶接対象物に通電するための一対の電極を所定の溶接条件に応じて選択する制御部をさらに備えたことを特徴とする抵抗溶接装置。
  2. 請求項1に記載の抵抗溶接装置において、
    前記制御部は、所定の溶接条件に応じて前記一対の電極間の通電条件を設定するとともに、前記第1内側電極と前記第1外側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極とがそれぞれ前記溶接対象物を加圧する加圧条件を設定するように構成されていることを特徴とする抵抗溶接装置。
  3. 請求項1または2に記載の抵抗溶接装置において、
    前記第1内側電極を軸方向に加圧する第1加圧部と、前記第1外側電極を軸方向に加圧する第2加圧部と、前記第2内側電極を軸方向に加圧する第3加圧部と、前記第2外側電極を軸方向に加圧する第4加圧部と、をさらに備え、
    前記制御部は、所定の溶接条件に応じて前記第1〜第4加圧部を互いに独立に制御するか、または連動して制御するかを選択可能に構成されていることを特徴とする抵抗溶接装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の抵抗溶接装置において、
    前記第1外側電極及び前記第2外側電極のうち少なくとも一方は、周方向に所定の間隔をあけてn個(nは偶数)に分割された分割電極を有し、
    前記制御部は、前記第1外側電極における対角位置にある1組の分割電極と前記第1内側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極または前記第2外側電極における対角位置にある1組の分割電極のうち、前記溶接対象物に通電するための一対の電極を所定の溶接条件に応じて選択することを特徴とする抵抗溶接装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法であって、
    前記第1電極と前記第2電極との間に溶接対象物を配置する溶接対象物配置ステップと、
    所定の溶接条件に応じて、前記第1内側電極と前記第1外側電極と前記第2内側電極と前記第2外側電極のうち、前記溶接対象物に通電する一対の電極を選択する電極選択ステップと、
    前記第1内側電極及び前記第1外側電極の少なくとも一方と前記第2内側電極及び前記第2外側電極の少なくとも一方とで前記溶接対象物を加圧する加圧条件を設定する加圧条件設定ステップと、
    前記一対の電極間の通電条件を設定する通電条件設定ステップと、
    前記加圧条件設定ステップで設定された加圧条件に従い前記溶接対象物を加圧するとともに、前記通電条件設定ステップで設定された通電条件に従い前記溶接対象物に通電する通電ステップと、
    を備えたことを特徴とする抵抗溶接方法。
  6. 請求項5に記載の抵抗溶接方法において、
    前記通電ステップの後に、所定の溶接条件に応じて、前記溶接対象物に通電する一対の電極の組合わせを変更するか否かを判断する電極変更ステップをさらに備え、
    前記電極変更ステップでの判断結果が肯定的であれば、一対の電極の組合わせを変更し、前記加圧条件設定ステップと前記通電条件設定ステップと前記通電ステップとを再度実行することを特徴とする抵抗溶接方法。
  7. 請求項5または6に記載の抵抗溶接方法において、
    前記通電ステップの実行中に前記溶接対象物が抵抗溶接されることを特徴とする抵抗溶接方法。
  8. 請求項5ないし7のいずれか1項に記載の抵抗溶接方法において、
    前記溶接対象物は、第1の厚さを有する第1金属部材と、第2の厚さを有する第2金属部材とが互いに重ね合わされた積層体を少なくとも含むことを特徴とする抵抗溶接方法。
  9. 請求項8に記載の抵抗溶接方法において、
    前記第1金属部材と前記第2金属部材とは互いに材質が異なることを特徴とする抵抗溶接方法。
  10. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の抵抗溶接装置と、
    前記抵抗溶接装置を支持する支持体と、
    前記抵抗溶接装置と前記支持体との間に設けられたイコライズ機構と、を備えたことを特徴とする溶接装置。
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