JP2020099937A - スポット溶接の溶接条件の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接の最適な溶接条件を容易に設定する。【解決手段】一対の電極３，４間を流れる電流値をＩ、一対の電極３，４間の電圧をＶ、複数の金属板１，２同士の接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄに基づいて通電パターン（電流値及び通電時間）を設定する。【選択図】図３

Description

本発明は、スポット溶接の溶接条件（電流値及び加圧力）の設定方法に関する。

例えば自動車の車体の組立工程では、複数の鋼板に一対の電極を当接させて通電することにより、鋼板同士の接触部を抵抗発熱により溶融させてナゲットを形成するスポット溶接が行われている。

スポット溶接では、複数の金属板の間に適切なナゲットを形成するための様々な手法が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、図４に示す通電パターンが示されている。この通電パターンでは、ナゲットを成長させる程度の高い電流値を維持する時間帯と、スパッタを発生させずに鋼板を軟化させる程度の低い電流値を維持する時間帯を交互に繰り返しながら、電流値を徐々に高くしている。これにより、ナゲットが急成長するのを抑え、スパッタの発生を抑えることができるので、溶接部位の品質を確保し、効率良くスポット抵抗溶接を行うことができる、と記載されている。

また、下記の特許文献２には、電流値及び加圧力を制御しながら行うインダイレクトスポット溶接方法が示されている。具体的には、図５に示すように、通電時間を２つの時間帯ｔ１、ｔ２に区分し、最初の時間帯ｔ１では高加圧力ｆ１で加圧しながら低電流値ｃ１で通電する。これにより、電極と金属板との間の接触面積を確保して電流密度を抑え、金属板表面の溶融飛散を防止する。次の時間帯ｔ２では、低加圧力ｆ２で加圧しながら高電流値ｃ２で通電する。これにより、電極先端の金属板への沈み込みを抑え、電流密度を十分に高めることができるため、ナゲットを成長させるに十分な発熱が得られ、ナゲットを安定して得ることができる、と記載されている。

また、本発明者らは、特願２０１８−１０２５４０において、図６に示すようなインダイレクトスポット溶接の加圧通電パターンを提案している。具体的には、第１のステップＳ１で、溶接電極により金属板の重合部を高加圧力Ｆ１で加圧しながら、溶接電極とアース電極との間に低電流値Ｃ１を通電する。続く第２のステップＳ２では、溶接電極による加圧力を高加圧力Ｆ１から低加圧力Ｆ２まで低下させながら、両電極間に、第１のステップＳ１の電流値Ｃ１よりも低い電流値Ｃ２を通電する。その後、低加圧力Ｆ２を維持しながら、第３、第４のステップＳ３、Ｓ４で電流値をＣ４、Ｃ５と段階的に上げ、第５のステップＳ５では低電流値Ｃ５を通電する。

特開２００６−１８１６２１号公報 特開２０１０−１９４６０９号公報

しかし、上記のような方法を採用した場合でも、金属板間に適切なナゲットが形成されないことがある。例えば、軟鋼板同士をスポット溶接で接合する場合、軟鋼板自体の固有抵抗値が低いため、軟鋼板同士の接触部が発熱しにくく、上記のような方法によっても軟鋼板同士の接触部を溶融させることは難しい。このような溶接しづらい板組みをスポット溶接で接合する際には、経験等に基づいてトライアンドエラーを繰り返すことにより電流値や加圧力を調整するしかないため、最適な溶接条件（例えば通電パターン）の設定に非常に手間がかかる。

そこで、本発明が解決すべき課題は、溶接しづらい板組みであっても、最適な溶接条件を容易に設定できるようにすることにある。

スポット溶接（抵抗溶接）とは、金属板同士の接触部における電流密度（電流値Ｉ／接触面積Ｓ）と抵抗値Ｒとの関係によって接触部を抵抗発熱させることで、接触部を溶融させてナゲットを形成する工法である。本発明者らは、金属板同士の接触部の発熱状態に影響を及ぼす複数の因子（具体的には、接触部を流れる電流値Ｉと、温度に依存して変化する接触部の抵抗値Ｒと、金属板の硬さや電極の加圧力に依存して変化する接触面積Ｓ）を一本化することを検討した。その結果、金属板同士の接触部に投入される発熱エネルギーＪ（＝Ｉ・Ｖ＝Ｉ^２・Ｒ）を、金属板同士の接触面積Ｓで割った値である発熱密度Ｄにより、接触部における発熱状態をモニタリングできることを見出した。

上記の知見によってなされた本発明は、重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより、前記複数の金属板を接合する際の溶接条件を設定するための方法であって、前記一対の電極間を流れる電流値をＩ、前記一対の電極間の電圧をＶ、前記複数の金属板同士の接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄに基づいて通電パターンを設定することを特徴とする。

具体的には、例えば、仮設定した通電パターンに従って溶接を行ったときの発熱密度Ｄを取得する工程と、前記発熱密度Ｄに基づいて前記仮設定した通電パターンを調整する工程とを経て、最適な通電パターンを設定することができる。

上記のように、発熱密度Ｄに基づいて通電パターンを設定することで、溶接しづらい板組みであっても、金属板同士の接触部を十分に発熱させる最適な溶接条件を容易に設定することができる。

ダイレクトスポット溶接装置の模式図である。 仮設定した加圧通電パターン及び発熱密度を示すグラフである。 調整後の加圧通電パターン及び発熱密度を示すグラフである。 特許文献１に記載された通電パターンである。 特許文献２に記載された加圧通電パターンである。 特願２０１８−１０２５４０に記載された加圧通電パターンである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、２枚の金属板１，２からなる板組みを一対の電極３，４で挟持した状態で通電するダイレクトスポット溶接装置を模式的に示す図である。本実施形態の金属板１,２は鋼板であり、例えば引張強度３００ＭＰａ以下、板厚１．２ｍｍ以下の軟鋼板である。電極３，４は電流供給部としてのトランス５に接続され、この通電経路上に電流測定器６が設けられる。電極３は加圧手段７（例えばシリンダ）に取り付けられる。加圧手段７で電極３を駆動して金属板１に押し付けることにより、金属板１，２に所定の加圧力が付与される。

本実施形態の溶接条件の設定方法は、以下の手順で行われる。
（１）仮設定した溶接条件で金属板１，２に溶接を施してサンプルを作成する。
（２）サンプルの断面から金属板１，２同士の接触面積を測定する。
（３）サンプルの発熱密度を算出する。
（４）サンプルの発熱密度に基づいて、溶接条件を調整する。
以下、各手順を詳しく説明する。

（１）サンプルの作成
図２に、仮設定した溶接条件（加圧通電パターン）を示す。この加圧通電パターンは、図６に示すものと概ね同様である。具体的には、まず、高加圧力Ｆ１で加圧しながら低電流値Ｃ１で通電する（ステップＳ１）。その後、加圧力をＦ１からＦ２まで低下させながら、電流値Ｃ１よりも低い電流値Ｃ２で通電する（ステップＳ２）。そして、加圧力をＦ２で維持しながら、電流値Ｃ１よりも高い電流値Ｃ３（ステップＳ３）、電流値Ｃ３よりも高い電流値Ｃ４（ステップＳ４）、電流値Ｃ４よりも低い電流値Ｃ５（ステップＳ５）で通電する。これらのステップのうち、低加圧力Ｆ２で加圧しながら相対的に高い電流値Ｃ３〜Ｃ５で通電するステップＳ３〜Ｓ５が、ナゲットを成長させるナゲット成長期となる。

この通電パターンで金属板１，２に溶接を施し、通電開始から複数の時刻で通電を止めた複数のサンプルを作成する。例えば、通電開始から１サイクル（＝１／６０秒）までで通電を止めた第１のサンプル、通電開始から２サイクルまでで通電を止めた第２のサンプル、・・・のように、通電時間を１サイクルごと長くした複数のサンプルを作成する。各サンプルの溶接を行っている間の電流値Ｉ及び電圧Ｖの時間変化を記録する。具体的に、電極３，４間に通電する電流値Ｉ、すなわち、金属板１，２の接触部を通る通電経路の電流値Ｉを電流測定器６で測定し、その時間変化を記録する。電圧Ｖは、トランス５の二次コイルの電圧である。この電圧Ｖは、トランス５と電極３，４とを接続するケーブル等の抵抗値（電圧降下）の影響も受けるが、これらのケーブル等の抵抗値は非常に小さいため、実質的に一対の電極３，４間の電圧とみなすことができる。

（２）接触面積の測定
上記の各サンプルを切断し、各サンプルにおいて、金属板１，２同士の接触面積を測定する。具体的には、各サンプルの断面から、金属板１，２同士の接触部の直径を測定し、この直径から当該接触部の面積を算出する。尚、このときの接触部とは、各サンプルの断面において金属板１，２同士が実際に接触している領域（例えばナゲット形成部）だけでなく、両電極３，４で加圧することで圧接していた痕跡のある領域を含む。この各サンプルにおける金属板１，２同士の接触面積が、図２に示す加圧通電パターンの複数の時刻における金属板１，２同士の接触面積となる。

（３）発熱密度Ｄの算出
上記（２）で測定した複数の時刻における金属板１，２同士の接触面積Ｓと、そのときの電流値Ｉ及び電圧Ｖとから、各時刻における接触部の発熱密度Ｄ（＝Ｉ・Ｖ／Ｓ＝Ｉ^２・Ｒ／Ｓ）を算出する。発熱密度Ｄは、抵抗溶接の原理原則を考慮して、金属板１，２同士の接触部の発熱状態に影響を及ぼす複数の動的な因子（具体的には、接触部を流れる電流値Ｉと、温度に依存して変化する接触部の抵抗値Ｒと、金属板の硬さや電極の加圧力に依存して変化する接触面積Ｓ）を一本化したパラメータである。

上記で算出した発熱密度Ｄの時間変化を、図２のグラフに点線で示す。このグラフから分かるように、ステップＳ３の初期は発熱密度Ｄが上昇しているが、時刻ｔ１以降は発熱密度Ｄが低下している。同様に、ステップＳ４の初期は発熱密度Ｄが上昇しているが、時刻ｔ２以降は発熱密度Ｄが低下している。さらに、ステップＳ５では、全期間において発熱密度Ｄが低下している。

（４）通電パターンの調整
上記（３）で取得した発熱密度Ｄに基づいて、図２に示す仮設定した通電パターン、特にナゲット成長期（ステップＳ３〜Ｓ５）における通電パターンを調整する。具体的には、ナゲット成長期において発熱密度Ｄがなるべく低下しないように、電流値及び通電時間を調整する。具体的には、ナゲットを成長させるのに必要となる発熱密度Ｄの基準値Ｄ１を設定し、発熱密度Ｄが早期に基準値Ｄ１を超え、その後基準値Ｄ１以下とならないように、通電パターンを調整する。

例えば、図２のステップＳ３では、発熱密度Ｄが基準値Ｄ１に達する前に低下している。また、ステップＳ４では、発熱密度Ｄが一旦基準値Ｄ１を超えているが、その後低下して基準値Ｄ１を下回っている。これらの結果から、本実施形態の板組みでは、ナゲット成長期において、各ステップ（一定の電流値で通電する時間）を短くして、発熱密度Ｄが低下し始める前に電流値を上昇させることが好ましいと考えられる。また、ステップＳ５では、発熱密度Ｄが基準値Ｄ１を下回ったまま低下し続けているため、このステップＳ５はナゲットの成長にほとんど寄与しておらず、省略可能と考えられる。

上記のような発熱密度Ｄに基づく検討に従って、図２に示す仮設定した通電パターンを調整し、図３に示す通電パターンを設定する。この通電パターンでは、ナゲット成長期（ステップＳ３’〜Ｓ６’）において、電流値をＣ３’からＣ６’まで短時間で段階的に上昇させている。これにより、発熱密度Ｄが、基準値Ｄ１以上まで上昇した後、基準値Ｄ１を下回ることなく高い値で維持される。このように、金属板１，２の接触部における発熱密度Ｄを高い値で維持することで、接触部が高温で維持されるため、ナゲットの成長を促進することができる。また、上記のように、発熱密度Ｄを低下させないために短時間に高電流値で通電することで、ナゲット成長期の通電時間が短縮され、スポット溶接のサイクルタイムが短縮される。

従来は、所定の溶接条件（通電パターン）で溶接してナゲットを形成し、このナゲットが所望の大きさ及び形状でない場合は、通電パターンの各ステップの電流値や通電時間（サイクル）を経験等に基づいて手探りで調整するのが通例であった。このような手法で、図２に示す通電パターンから図３に示す通電パターンに到達するには、膨大なトライアンドエラーが必要となる。そこで、上記のように、仮設定した通電パターンの複数の時刻における発熱密度Ｄを取得し、この発熱密度Ｄに基づいて電流値及び通電時間を調整することで、最適な通電パターンを得るための工数が大幅に少なくなる。

上記の実施形態では、サンプルの断面から金属板１，２同士の接触面積Ｓを求めた場合を示したが、これに限られない。例えば、予め、所定の板組みを溶接する際の、各時刻における金属板１，２同士の接触面積Ｓと、そのときの溶接電極３の基準位置からの変位量ｘとの相関関係を取得する。そして、上記と同じ板組みに溶接を施す際の通電パターンを設定する際に、上記の相関関係を用いて、溶接中の溶接電極３の変位量ｘから各時刻における接触面積Ｓを取得することができる。この場合、サンプルを切断して接触面積Ｓを測定する必要がないため、接触面積Ｓ、ひいては発熱密度Ｄを容易に取得することができる。

また、上記の実施形態では、発熱密度Ｄそのものの値に基づいて通電パターンを設定する場合を示したが、これに限らず、例えば、発熱密度Ｄに有効電流率Ｋを乗じた指標（実質発熱密度Ｄ’＝Ｋ・Ｄ）に基づいて通電パターンを設定してもよい。有効電流率Ｋは、電極３，４間を流れる全電流のうち、金属板１，２同士の接触部を通って溶接に寄与する有効電流の割合を表す指標である。具体的に、有効電流の通電経路の抵抗値をＲ_Ａ、無効電流の通電経路の抵抗値をＲ_Ｂとしたとき、有効電流率Ｋは、例えばＫ＝Ｒ_Ｂ／（Ｒ_Ａ＋Ｒ_Ｂ）で定義することができる。あるいは、有効電流率Ｋを、Ｋ＝Ｒ_Ｂ／Ｒ_Ａと定義してもよい。あるいは、有効電流の通電経路の抵抗値Ｒ_Ａと無効電流の通電経路の抵抗値Ｒ_Ｂの合成抵抗値をＲ_{ＴＯＴＡＬ}としたとき、有効電流率Ｋを、Ｋ＝Ｒ_Ｂ／Ｒ_{ＴＯＴＡＬ}と定義してもよい。

また、上記の実施形態では、サンプルに溶接を施す際の発熱密度Ｄに基づいて、通電パターン（電流値及び通電時間）を調整した場合を示したが、これに限らず、発熱密度Ｄに基づいて、加圧パターン（加圧力及び加圧時間）、あるいは、通電パターン及び加圧パターンの双方を調整してもよい。

また、上記の実施形態では、実際に溶接を行ったときの電流値Ｉ、電圧Ｖ、及び接触面積Ｓから発熱密度Ｄを取得する場合を示したが、これに限らず、例えばシミュレーションにより、仮設定した所定の通電パターンで溶接を行ったときの発熱密度Ｄを取得してもよい。

また、本発明に係る溶接条件の設定方法は、上記のようなダイレクトスポット溶接に限らず、インダイレクトスポット溶接やシリーズスポット溶接など、他のスポット溶接に適用することができる。また、溶接を施す板組みも上記に限らず、３枚以上の金属板からなる板組みや、高張力鋼板や超高張力鋼板を含む板組みのスポット溶接にも、本発明に係る溶接条件の設定方法を適用することができる。

１，２ 金属板
３，４ 電極
５ トランス
６ 電流測定器
７ 加圧手段

Claims (2)

1. 重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより、前記複数の金属板を接合する際の溶接条件を設定するための方法であって、
   前記一対の電極間を流れる電流値をＩ、前記一対の電極間の電圧をＶ、前記複数の金属板同士の接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄに基づいて通電パターンを設定するスポット溶接の溶接条件の設定方法。
2. 仮設定した通電パターンに従って溶接を行ったときの発熱密度Ｄを取得する工程と、前記発熱密度Ｄに基づいて前記仮設定した通電パターンを調整する工程とを有する請求項１に記載のスポット溶接の溶接条件の設定方法。

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