JP2020116629A

JP2020116629A - インダイレクトスポット溶接方法

Info

Publication number: JP2020116629A
Application number: JP2019012242A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎木許; Keiichiro Kimoto
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: JP7245591B2

Abstract

【課題】本発明では、個々の溶接ごとの溶接環境のばらつきによって生じる溶接不良を防止することを課題とする。【解決手段】第1の金属板１と第３の金属板３との重合部Ｐを溶接電極１０で加圧すると共に、重合部Ｐと異なる部位にアース電極２０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方法であって、溶接中に、溶接に寄与する有効電流経路Ｃ２の抵抗値ＲAと溶接に寄与しない無効電流経路Ｃ１の抵抗値ＲBとに基づいて設定された有効電流率Ｋを算出し、当該有効電流率Ｋに基づいて、その後のステップにおける電流値Ｉ４〜Ｉ７を変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、インダイレクトスポット溶接方法に関する。

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、特願２０１８−１２２１２４において、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に基づいて設定される有効電流率を算出し、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ことを可能にした。また、本発明者らは、電極間の電圧Ｖ、溶接部分を流れる電流Ｉ_p、溶接部分における金属板同士の接触面積Ｓとして、Ｄ＝Ｉ_p・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄを算出し、重合部Ｐにおける両金属板の接触部分の単位面積当たりの発熱エネルギーの大小を定量的に評価することを可能にした。そして、この有効電流率および発熱密度を評価指標として用いることで、溶接位置や通電パターン等の溶接条件を、金属板同士を良好に溶接できる理想的な条件に設定することが可能になった。

ところが実際の溶接時には、個々の溶接ごとに、溶接位置や隣接する既接合点の位置の誤差、溶接する金属板同士の隙間の違い等が生じる。従って、テストピースなどを用いて、良品範囲の有効電流率や発熱密度が得られる理想的な溶接条件を予め設定したとしても、実際の溶接時には有効電流率や発熱密度が良品範囲から外れることがあり、溶接不良を生じてしまうという課題があった。

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方法であって、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に基づいて設定された有効電流率を、前記重合部を溶接中に測定あるいは算出されるこれらの抵抗値に基づいて算出し、当該算出された有効電流率に基づいて、当該重合部を溶接時における、その後の溶接条件を変更することを特徴とする。

本発明の溶接方法では、溶接時に測定される実際の抵抗値に基づいて有効電流率を算出し、この有効電流率に基づいて、その溶接サイクル内におけるその後の溶接条件を変更する。これにより、溶接位置の誤差等によって、溶接条件を設定した際の溶接環境（例えば、溶接位置等）と実際の溶接時の溶接環境との間に乖離が生じた場合でも、その溶接サイクル内で実際の溶接環境に合わせて溶接条件を修正することができる。従って、個々の溶接環境に応じた溶接条件の適用が可能になり、溶接品質をより向上させ、溶接不良を防止することができる。

さらに上記のインダイレクトスポット溶接方法では、有効電流率に加えて、溶接時に測定される溶接電極の加圧方向の変位量に基づいて、その後の溶接条件を変更することができる。溶接電極の変位量により、重合部におけるワーク同士の接触状態を加味してその後の溶接条件を変更することができ、溶接品質をより向上させることができる。

さらに上記のインダイレクトスポット溶接方法では、重合部を流れる電流値をＩ_p、一対の電極間の電圧をＶ、複数のワーク同士の接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ_p・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄが所定の範囲内になるように、溶接条件を変更することができる。これにより、電流値などの溶接条件を適切に変更することができ、溶接品質をより向上させることができる。

本発明によれば、溶接品質を向上させ、溶接不良を防止することができる。

インダイレクトスポット溶接を施す様子を示す断面図である。上記インダイレクトスポット溶接の溶接中の電流値、加圧力、抵抗値を示すグラフである。上記インダイレクトスポット溶接の溶接中に流れる電流の経路を示す図で、（Ａ）図が第１のステップにおける図、（Ｂ）図がそれ以降のステップにおける図である。溶接途中に算出される有効電流率により、その後の電流値を変更する例を説明した図である。

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し、具体的には、図１に示すような車体の骨格部品１００を溶接する場合を示す。骨格部品１００は、紙面直交方向に延びるフレーム状の部品であり、略平板状を成した第１の金属板（ワーク）１と、断面ハット形状を成した第２の金属板２と、第１の金属板１と第２の金属板２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（ワーク）３とで構成される。金属板１〜３としては、例えば鋼板が使用され、具体的には軟鋼板、高張力鋼板（引張強度４９０ＭＰａ以上）、超高張力鋼板（引張強度９８０ＭＰａ以上）等が使用される。

第１の金属板１と第２の金属板２のフランジ部２ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ１を介して接合されている。第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ２を介して接合されている。

そして、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐを、インダイレクトスポット溶接により接合する。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極１０及びアース電極２０と、溶接電極１０を軸線方向に駆動して金属板を加圧する加圧手段（エアシリンダや電動シリンダ等）と、加圧手段による溶接電極１０の加圧力及び両電極１０，２０間の電流値を制御する制御部（図示省略）とを備える。

重合部Ｐに対するインダイレクトスポット溶接は、以下の手順で行われる。まず、骨格部品１００のうち、重合部Ｐと異なる部位にアース電極２０を当接させる。図示例では、第２の金属板２の底部２ｂ、特に、第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとの既接合点Ｑ２に、アース電極２０を下方から当接させている。この状態で、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐを厚さ方向一方側（図中上側）から溶接電極１０で加圧しながら、両電極１０，２０間に通電することにより、重合部Ｐを溶接する。

本実施形態では、溶接電極１０による加圧力及び両電極１０，２０間の電流値の一方又は双方を変化させながら、溶接が行われる。具体的には、図２に示す加圧通電パターンに従って溶接が行われる。

図２に示すように、まずステップＳ１では、溶接電極１０で重合部Ｐを極めて小さい加圧力Ｆ１で加圧すると共に、電極１０，２０間に最も小さい電流値Ｉ１を通電する。このステップは、後述する有効電流率Ｋを算出するために設けられたステップであり、重合部Ｐの溶接に直接寄与しないステップである。

そして、溶接電極１０により、高加圧力Ｆ２で重合部Ｐを加圧しながら、低電流値Ｉ２で通電する（ステップＳ２）。その後、加圧力をＦ２からＦ３まで低下させながら、電流値Ｉ２よりも低い電流値Ｉ３で通電する（ステップＳ３）。そして、加圧力をＦ３で維持しながら、段階的に電流値を上げていく。具体的には、電流値Ｉ４（ステップＳ４）、電流値Ｉ５（ステップＳ５）、電流値Ｉ６（ステップＳ６）、そして、電流値Ｉ７（ステップＳ７）と段階的に上げていく。

これらのステップのうち、低加圧力Ｆ３で加圧しながら相対的に高い電流値Ｉ４〜Ｉ７で通電するステップＳ４〜Ｓ７が、ナゲットを成長させるナゲット成長期となる。

このような通電パターンにより、重合部Ｐを高温で維持してナゲットの成長を促すことができ、金属板１と金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐに、所望の大きさ及び形状を有する接合点としてのナゲットを形成し、このナゲットを介して両金属板１，３を接合することができる。

次に、このような通電パターンや加圧のパターンを決定するための、溶接の良否を判定する指標となる有効電流率Ｋや発熱密度Ｄについて説明する。

両電極１０，２０間の通電により流れる電流のうち、溶接に寄与しない電流経路｛図３（Ａ）の点線Ｃ１参照｝の抵抗値をＲ_B、溶接に寄与する電流経路｛図３（Ｂ）の点線Ｃ２参照｝の抵抗値をＲ_A、両経路の合成抵抗値を全体抵抗Ｒ_Tとすると、有効電流率Ｋは、Ｋ＝Ｒ_B／Ｒ_Tとして表すことができる。有効電流率Ｋは、回路全体を流れる電流のうち、重合部Ｐを流れる電流、つまり溶接に寄与する電流の割合がどれだけかを示す指標であり、この値が大きいほど、重合部Ｐに流れる電流の割合が大きくなる。

次に、溶接の際中に測定した電流値Ｉなどにより、各経路の抵抗値を算出して有効電流率Ｋを算出する方法について、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を用いて説明する。

図３（Ａ）に示すように、溶接電極１０およびアース電極２０は、電流供給部としてのトランス４に接続され、この通電経路上に電流測定器５が設けられる。電流測定器５によって測定された電流値Ｉと、トランス４の二次コイルの電圧値Ｖにより、抵抗値を算出することができる。この電圧値Ｖは、トランス４と溶接電極１０およびアース電極２０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１０，２０間の電圧値とみなすことができる。

まず、ステップＳ１で無効電流経路Ｃ１の抵抗値を測定する。ステップＳ１では、溶接電極１０の加圧力が小さいため、重合部Ｐにおいて、第１の金属板１と第３の金属板３とは実質的に接触していない。従って、重合部Ｐの溶接に寄与しない無効電流経路Ｃ１（溶接電極１０→第１の金属板１→既溶接点Ｑ１→第２の金属板２→アース電極２０という経路）にのみ電流が流れた状態である。このため、上記電流値Ｉおよび電圧値Ｖにより、無効電流経路Ｃ１の抵抗値Ｒ_Bを算出することができる。

そして、その後のステップＳ２で、溶接電極１０が重合部Ｐを相対的に大きな加圧力で加圧することにより、第１の金属板１と第３の金属板３とが重合部Ｐにおいて接触する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、無効電流経路Ｃ１に加えて、重合部Ｐを介した有効電流経路Ｃ２（溶接電極１０→第３の金属板３→既溶接点Ｑ２→第２の金属板２→アース電極２０という経路）にも電流が流れる。この状態で測定される上記電流値Ｉおよび電圧値Ｖにより、無効電流経路Ｃ１と有効電流経路Ｃ２の合成抵抗である全体抵抗値Ｒ_Tを算出することができる。

以上のようにして算出された各抵抗値に基づいて、有効電流率Ｋ（Ｋ＝Ｒ_B／Ｒ_T）を算出することができる。

ステップＳ１における加圧力Ｆ１は、その他のステップの加圧力Ｆ２，Ｆ３と比較してその大きさが特に小さく、ステップＳ１は、重合部Ｐをほとんど加圧しない状態で通電するステップである。このステップＳ１における重合部Ｐを「ほとんど加圧しない」状態とは、溶接電極１０を第３の金属板３に押し当てて、無効電流経路Ｃ１に電流を流せるだけの加圧力で加圧する状態であり、第１の金属板１が変形して第３の金属板３に接触するよりも低い加圧力で、重合部Ｐを加圧する状態でもある。一例として、本実施形態では、加圧力Ｆ１を５［ｋｇｆ］に設定している。このような加圧力で通電するステップを溶接の初期、つまり、両金属板１，３が溶接電極１０によって重合部Ｐを相当の加圧力で加圧する前の段階であって、両金属板１，３が重合部Ｐで実質的に接触していない段階で設けることで、無効電流経路Ｃ１の抵抗値の算出が可能になる。

また、以上のようにして算出される溶接時の有効電流率Ｋを用いて、溶接時の発熱密度Ｄを算出することができる。発熱密度Ｄは、抵抗溶接の原理原則を考慮して、金属板１，３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、重合部Ｐを流れる電流値Ｉ_pと、温度に依存して変化する抵抗値と、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。発熱密度Ｄにより、重合部Ｐにおける両金属板１，３の接触部分の単位面積当たりの発熱エネルギーの大小を定量的に評価することができる。

発熱密度Ｄは、溶接時の重合部Ｐに流れる電流をＩ_P、電圧をＶ、重合部Ｐにおける第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積をＳとすると、Ｄ＝Ｖ・Ｉ_P／Ｓとして算出することができる。なお、電圧Ｖは、前述したトランス４の二次コイルの電圧値を用いることができる。

重合部Ｐに流れる電流値Ｉ_Pは、抵抗Ｒ_B、Ｒ_Tから有効電流経路Ｃ２の抵抗値Ｒ_Aを算出することにより、Ｉ_P＝Ｖ／Ｒ_Aにより求めることができる。なお、抵抗値Ｒ_Aは、Ｒ_A＝Ｒ_T・Ｒ_B／（Ｒ_B―Ｒ_T）により求めることができる。

接触面積Ｓは、溶接電極１０の基準位置からの変位量ｘとの相関関係を用いて算出することができる。つまり、予め上記の板組みを溶接する際の、各時刻における金属板１，３同士の接触面積Ｓと、そのときの溶接電極１０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、実際の溶接時の溶接電極１０の各時刻における変位量ｘから、上記の相関関係を用いて、各時刻における接触面積Ｓを取得することができる。

このようにして算出された各値により、実際の溶接時における発熱密度Ｄを算出することができる。

以上で算出した有効電流率Ｋおよび発熱密度Ｄは、溶接の良否を判定するための重要な指標となる。つまり、有効電流率Ｋが小さすぎると、重合部Ｐに十分な電流が流れず、ナゲットが成長しないため、溶接不良を生じてしまう。一方で、有効電流率Ｋが高すぎると、重合部Ｐに過剰な電流が流れて、重合部Ｐにおける第１の金属板１や第３の金属板３の溶け落ちや割れの原因となってしまう。また、ナゲット成長期において発熱密度Ｄが小さすぎると、溶接の後半でナゲットが十分に成長せずに、溶接不良を生じてしまう。一方で、ナゲット成長期において発熱密度Ｄが大きすぎると、重合部Ｐに投入されるエネルギーが過大になって、溶け落ちなどの溶接不良を生じてしまう。従って、有効電流率Ｋおよび発熱密度Ｄが良品範囲になるように、溶接位置や電流値などの溶接条件を調整することで、良品が得られる理想的な溶接条件を設定することができる。例えば、本実施形態では、図２に示す各ステップにおける電流値や加圧力が、このようにして設定された溶接条件である。

しかし、良品範囲の有効電流率Ｋや発熱密度Ｄが得られるように各溶接条件を設定したとしても、溶接条件の設定時と実際の個々の溶接時とでは、溶接位置の誤差等によって溶接環境が変化するため、上記の有効電流率Ｋや発熱密度Ｄにも誤差が生じ、溶接不良を生じてしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、上記の測定方法により溶接時の電流Ｉや溶接電極１０の変位量ｘ等の各パラメータを測定し、その溶接時における有効電流率Ｋや、ナゲット成長期における発熱密度Ｄの予測値を溶接途中に算出する。そして、溶接途中に測定される変位量ｘや算出される有効電流率Ｋに基づいて、以降の溶接条件（具体的には電流値）を変更する。以下、この溶接条件の具体的な変更方法について図４を用いて説明する。

まず、図２に示す溶接条件が設定された際に、各ステップにおける、有効電流率Ｋと変位量ｘの許容範囲が設定されている。例えば、ステップＳ２とステップＳ３における、それぞれの有効電流率Ｋや変位量ｘの許容範囲が設定されている。そして、実際の溶接時に、ステップＳ２、Ｓ３で測定あるいは算出された変位量ｘや有効電流率Ｋが許容範囲を超えた場合には、ステップＳ４〜Ｓ７における電流値を変更する。

例えば、図４（Ａ）は、溶接の途中で算出される有効電流率Ｋが想定よりも大きい場合である。図４（Ａ）の例では、図２の場合と比較すると、ステップＳ１で算出される抵抗値（すなわち、抵抗値Ｒ_B）が大きく、ステップＳ２で算出される抵抗値（すなわち、抵抗値Ｒ_T）にはほとんど変化がない。つまり、想定されたよりも無効電流経路Ｃ１の抵抗値Ｒ_Bが大きく、有効電流経路Ｃ２に過大な電流が流れることになる。この場合、図２のようにナゲット成長期における各電流値Ｉ４〜Ｉ７を設定すると、重合部Ｐに流れる電流が過大になり、金属板の溶け落ちなどの溶接不良を生じてしまうことが予想される。

そこで、ステップＳ２で有効電流率Ｋが算出され、その値が許容範囲を超えていることを溶接装置の制御部が認識すると、図４（Ｂ）に示すように、算出された有効電流率Ｋに基づいて、以降の電流値、より具体的には、ナゲット成長期の電流値Ｉ４〜Ｉ７（図２参照）を小さくして、電流値Ｉ４’〜Ｉ７’に変更する。これにより、重合部Ｐに流れる電流値を修正して過大な電流が流れることを防止し、金属板の溶け落ちを防止することができる。

上記のようにして変更する電流値は、発熱密度Ｄにより決定することができる。例えば、ステップＳ２の時点までで算出される各抵抗値や変位量ｘ等に基づいて、ステップＳ４〜Ｓ７において想定される発熱密度Ｄを算出する。この算出された発熱密度Ｄが、当初設定された各ステップにおける発熱密度Ｄの許容範囲に収まるように、電流値Ｉ４’〜Ｉ７’を決定することができる。

以上のように、本実施形態では、溶接の際中に算出される有効電流率Ｋに基づいて、その後の溶接条件、特にナゲット成長期における溶接条件を変更することができる。従って、個々の溶接環境に応じたより適切な電流値などの溶接条件を設定することができ、溶接品質を向上させることができる。また、電流値Ｉ４〜Ｉ７を電流値Ｉ４’〜Ｉ７’のように小さくして、過大な電流が流れることを防止することで、無駄なエネルギー消費を削減し、製造コストを低減することもできる。

上記の例では、有効電流率Ｋが大きくなる場合を示したが、これとは逆に小さくなる場合には、電流値Ｉ４〜Ｉ７を大きくすることで溶接不良を防止することができる。また、電流値を変更するだけでなく、各ステップＳ４〜Ｓ７の溶接時間を変更してもよい。

また上記の例では、溶接途中に算出される有効電流率Ｋに基づいて、その後の溶接条件を変更する場合を示したが、本実施形態では、溶接電極１０の変位量ｘに基づいて、その後の溶接条件を変更してもよい。例えば、ステップＳ２やＳ３における変位量ｘが小さい場合には、ナゲット成長期において重合部Ｐにおける両金属板１，３の接触面積が小さくなり、発熱密度Ｄが過大になることが予想される。このため、ステップＳ４〜Ｓ７における電流値Ｉ４〜Ｉ７を小さくしてナゲット成長期における発熱密度Ｄを適正化することで、溶け落ちなどの溶接不良を防止することができる。

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。

以上の実施形態では、有効電流率を無効電流経路と有効電流経路との抵抗値に基づいて設定したが、電流値により設定してもよく、例えば、全体の抵抗値に対する有効電流経路を流れる電流値としてもよい。

以上の実施形態では、溶接途中に測定される変位量ｘや算出される有効電流率Ｋに基づいて、電流値や各ステップの時間を変更する場合を示したが、本発明が変更する溶接条件はこれに限らない。例えば、有効電流率Ｋが極端に少なく、後半の電流値Ｉ４〜Ｉ７を上げても十分な溶接ができないと判断される場合には、溶接のプロセス自体を停止することもできる。

１第１の金属板（ワーク）
２第２の金属板
３第３の金属板（ワーク）
１０溶接電極
２０アース電極
Ｃ１無効電流経路
Ｃ２有効電流経路
Ｐ重合部
Ｑ１，Ｑ２既接合点

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方法であって、
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に基づいて設定された有効電流率を、前記重合部を溶接中に測定あるいは算出されるこれらの抵抗値に基づいて算出し、当該算出された有効電流率に基づいて、当該重合部を溶接時における、その後の溶接条件を変更することを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。
前記有効電流率に加えて、溶接時に測定される前記溶接電極の加圧方向の変位量に基づいて、その後の溶接条件を変更する請求項１記載のインダイレクトスポット溶接方法。
前記重合部を流れる電流値をＩ_p、前記両電極間の電圧をＶ、前記複数のワーク同士の接触面積をＳとしたとき、Ｄ＝Ｉ_p・Ｖ／Ｓで表される発熱密度Ｄが所定の範囲内になるように、前記溶接条件を変更する請求項１または２記載のインダイレクトスポット溶接方法。