JP2022137453A

JP2022137453A - 抵抗溶接電源

Info

Publication number: JP2022137453A
Application number: JP2021036963A
Authority: JP
Inventors: 忠宏岩月; Tadahiro Iwatsuki
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-09-22

Abstract

【課題】電力制御方式の抵抗溶接において安定した品質の高い溶接を実現する。【解決手段】抵抗溶接電源は、電極８０ａ，８０ｂ間に電流を供給する電源回路２２と、電極８０ａ，８０ｂに供給される電力を検出する電力検出部１２と、電極８０ａ，８０ｂ間に印加される電圧を取り出すための検出端子１９ａ，１９ｂの温度を検出する温度検出部１４と、被接合物８１がない状態で電極８０ａ，８０ｂを接触させたときの温度と電力との関係を示すデータを記憶する記憶部１７と、溶接中に検出された温度に対応する電力の値を記憶部１７に記憶されたデータの中から取得し、溶接中に電力検出部１２によって検出された電力と記憶部１７から取得した電力との差を算出し、算出した電力が溶接条件情報で規定された電力と一致するように電源回路２２を制御する制御部１５を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、抵抗溶接に使用される抵抗溶接電源に関するものである。

抵抗溶接では、電極を流れる溶接電流、電極間の溶接電圧、電極に供給する溶接電力などが設定した波形どおりになるようにフィードバック制御することが一般的である（特許文献１参照）。

従来の抵抗溶接では、電流制御が主流である。ただし、電流制御では、ワークの抵抗値を無視しているため、ワークの抵抗値が高い場合には発熱が大きくなって過溶接となり、ワークの抵抗値が小さい場合には発熱が不足して溶接不良となることがあった。電力制御では、このようなワークの抵抗値のバラツキを吸収することができる。

また、電流制御では、電極とワークとの間にチリやワークのバリが挟まってしまうと、その周辺部が異常に発熱し、火花（スパーク）が発生し、ワークや電極を破損することがあった。電力制御では、このような場合、電気抵抗値が上昇し、電極間の電圧が高くなるため、電流が小さく制御されることにより、ワークや電極の破損を低減できる。

以上のように電力制御には優れた利点がある。しかしながら、電力制御では、電流と電圧の計測値の積を制御するために電極間の電圧を取り出す必要があるが、ピックアップ端子を取り付ける場所の問題から、ワーク周囲の給電部も含めた電圧の計測しかできない。溶接を繰り返すと電流により給電部の温度が上昇し、給電部の電気抵抗値が上昇する。給電部の電気抵抗値が高くなると、計測される電圧が高くなり、設定どおりの電力に制御するために電流を小さくするので、溶接が不十分になってしまうという課題があった。

特開２０１３－１０１０５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電力制御方式の抵抗溶接において安定した品質の高い溶接を実現することができる抵抗溶接電源を提供することを目的とする。

本発明の抵抗溶接電源は、被接合物と当接する第１、第２の電極と、前記第１、第２の電極間に電流を供給するように構成された電源回路と、前記第１、第２の電極に供給される電力を検出するように構成された電力検出部と、前記第１、第２の電極間に印加される電圧を取り出すための第１、第２の検出端子の温度、または前記第１、第２の検出端子と前記第１、第２の電極とを接続する給電部の温度を検出するように構成された温度検出部と、前記被接合物がない状態で前記第１、第２の電極を接触させたときの前記温度と前記電力との関係を示すデータと、溶接中に前記第１、第２の電極に供給される電力の望ましい値を規定する溶接条件情報とを予め記憶するように構成された記憶部と、溶接中に前記温度検出部によって検出された温度に対応する電力の値を前記記憶部に記憶された前記データの中から取得し、溶接中に前記電力検出部によって検出された電力と前記記憶部から取得した電力との差を算出するように構成された減算部と、溶接中に前記減算部によって算出される電力が前記溶接条件情報で規定された電力と一致するように前記電源回路を制御するように構成されたフィードバック制御部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の抵抗溶接電源の１構成例は、前記第１、第２の電極を流れる電流を検出するように構成された電流検出部と、前記第１、第２の検出端子間に印加される電圧を検出するように構成された電圧検出部とをさらに備え、前記電力検出部は、前記電流検出部が検出した電流の値と前記電圧検出部が検出した電圧の値とを乗算することにより、前記第１、第２の電極に供給される電力を検出することを特徴とするものである。
また、本発明の抵抗溶接電源の１構成例は、溶接前に前記被接合物がない状態で前記第１、第２の電極を接触させた状態で行われるデータ取得時に、前記温度検出部によって検出された温度のデータと前記電力検出部によって検出された電力のデータとを対応付けて前記記憶部に格納するように構成されたデータ取得部をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、溶接中に検出した温度に対応する電力の値を記憶部に記憶されたデータの中から取得し、溶接中に電力検出部によって検出された電力と記憶部から取得した電力との差を算出して、算出した電力が溶接条件情報で規定された電力と一致するように電源回路を制御することにより、電力制御方式の抵抗溶接において安定した品質の高い溶接を実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る抵抗溶接電源の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施例に係るデータ取得時の抵抗溶接電源の動作を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施例に係る抵抗溶接電源の制御部の構成を示すブロック図である。図４は、本発明の実施例に係る溶接時の抵抗溶接電源の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る抵抗溶接電源の構成を示すブロック図である。本実施例の抵抗溶接電源は、スタートスイッチ２と、整流回路３と、コンデンサ４と、インバータ５と、溶接トランス６と、ダイオード７と、ホール素子９と、電流検出部１０と、電圧検出部１１と、電力検出部１２と、荷重検出部１３と、温度検出部１４と、制御部１５と、操作部１６と、記憶部１７と、表示部１８と、電圧検出および溶接ヘッド８への給電のための検出端子１９ａ，１９ｂに取り付けられた熱電対２０ａ，２０ｂとを有する。スタートスイッチ２と整流回路３とコンデンサ４とインバータ５と溶接トランス６とダイオード７とは、溶接ヘッド８に電流を供給する電源回路２２を構成している。

溶接ヘッド８は、例えば銅合金、モリブデン、タングステン等からなる電極８０ａ，８０ｂと、電極８０ａ，８０ｂを上下させて被接合物８１（ワーク）を挟み込み加圧する加圧機構（不図示）とを備えている。加圧機構には、ロードセルが設けられており、被接合物８１に加わる荷重の大きさを電気信号に変換できるようになっている。
電極８０ａ，８０ｂと検出端子１９ａ，１９ｂとの間は、例えば銅製の給電ケーブルからなる給電部２１ａ，２１ｂによって接続されている。なお、一般的には検出端子１９ａ，１９ｂと給電部２１ａ，２１ｂとは溶接ヘッド８側に設けられる。

次に、溶接前に予め行われるデータ取得の動作について説明する。図２はデータ取得時の抵抗溶接電源の動作を示すフローチャート、図３は制御部１５の構成を示すブロック図である。制御部１５は、データ取得部１５０と、減算部１５１と、フィードバック制御部１５２とを備えている。

溶接前のデータ取得時には、被接合物８１がない状態で電極８０ａと８０ｂとを接触させる。そして、例えばユーザが操作部１６を操作してデータ取得開始を指示すると、操作部１６からスタート信号が出力され、スタートスイッチ２がオンになる。スタートスイッチ２がオンになると、整流回路３は、交流２００Ｖの商用３相交流電源１の交流出力を全波整流し、整流回路３の出力端間に並列接続されたコンデンサ４を充電する。この整流回路３は、６個のダイオード３０を用いた３相全波混合ブリッジで構成される。

インバータ５は、コンデンサ４の充電電圧を交流電圧に変換して、溶接トランス６の１次側に供給する。インバータ５は、４個のトランジスタ５０からなるブリッジで構成される。溶接トランス６の２次側出力は、整流器（ダイオード）７で全波整流されて電極８０ａ，８０ｂに導かれる。電極８０ａ，８０ｂ間に電流を流すことでジュール熱が発生する。

電流検出部１０は、溶接トランス６の２次側に設けられたホール素子９の出力から、溶接トランス６の２次側を流れる電流Ｉ（電極８０ａ，８０ｂを流れる電流）を検出する。電圧検出部１１は、検出端子１９ａ，１９ｂ間に印加される電圧Ｖを検出する。電力検出部１２は、電流検出部１０が検出した電流Ｉの値と電圧検出部１１が検出した電圧Ｖの値とを乗算することにより、電極８０ａ，８０ｂに供給される電力Ｗ_Tを検出する。温度検出部１４は、熱電対２０ａ，２０ｂからの電圧に基づいて検出端子１９ａ，１９ｂの温度Ｔを検出する（図２ステップＳ１００）。

記憶部１７には、データ取得条件情報として、データ取得時に検出される物理量の望ましい基準波形（つまり、データ取得開始時からの経過時間毎の物理量の値）が予め設定されている。本実施例では、データ取得時の制御モードを電流制御とする。

制御部１５のデータ取得部１５０は、データ取得動作中に検出される電流Ｉに基づくフィードバック制御を行う（図２ステップＳ１０１）。具体的には、データ取得部１５０は、データ取得開始時からの経過時間がｔである現時点で検出された電流Ｉが、データ取得条件情報で規定された電流Ｉの基準波形上の経過時間ｔにおける値と一致するように、インバータ５のトランジスタ５０のオン／オフを制御して、電極８０ａ，８０ｂへの通電量を制御する。

そして、データ取得部１５０は、温度検出部１４によって検出された検出端子１９ａ，１９ｂの温度Ｔと電力検出部１２によって検出された電力Ｗ_Tとを対応付けて記憶部１７に格納する（図２ステップＳ１０２）。

データ取得部１５０は、データ取得条件情報で規定された通電停止タイミングに達すると（図２ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、インバータ５の動作を停止させて、電極８０ａ，８０ｂへの通電を終了させる（図２ステップＳ１０４）。こうして、通電停止タイミングに達するまで、ステップＳ１００～Ｓ１０２の処理が一定時間毎に行われ、温度Ｔと電力Ｗ_Tのデータの組が得られる。

なお、データ取得時に温度検出部１４によって検出される検出端子１９ａ，１９ｂの温度Ｔは、溶接時に検出される温度と同じかそれ以上である必要がある。したがって、このような温度上昇が得られるようにデータ取得条件情報を設定しておくことが望ましい。

次に、溶接時の動作を図４を参照して説明する。制御部１５は、電極８０ａ，８０ｂ間に被接合物８１が配置された状態で、溶接ヘッド８の加圧機構（不図示）を制御して、電極８０ａ，８０ｂによって被接合物８１を上下方向から挟み込み加圧する。荷重検出部１３は、加圧機構に設けられたロードセルの出力に基づいて、被接合物８１に印加される荷重を検出する。そして、加圧機構は、被接合物８１に印加される荷重が所定の荷重設定値と一致するように電極８０ａ，８０ｂに加える力を調整する。こうして、溶接の準備が完了する。

例えばユーザが操作部１６を操作して溶接開始を指示すると、操作部１６からスタート信号が出力され、スタートスイッチ２がオンになる。データ取得時と同様に、制御部１５は、電極８０ａ，８０ｂ間に電流を流す。これにより、被接合物８１に電流が流れ、発生するジュール熱で被接合物８１を溶融させて接合を行う。

ステップＳ１００と同様に、電流検出部１０は、電極８０ａ，８０ｂを流れる電流Ｉを検出する。電圧検出部１１は、検出端子１９ａ，１９ｂ間に印加される電圧Ｖを検出する。電力検出部１２は、電極８０ａ，８０ｂに供給される電力Ｗを検出する。温度検出部１４は、検出端子１９ａ，１９ｂの温度Ｔを検出する（図４ステップＳ２００）。

記憶部１７には、溶接条件情報として、溶接時に検出される物理量の望ましい基準波形（つまり、溶接開始時からの経過時間毎の物理量の値）が予め設定されている。本実施例では、溶接時の制御モードを電力制御とする。

制御部１５の減算部１５１は、温度検出部１４によって検出された検出端子１９ａ，１９ｂの温度Ｔに対応する電力Ｗ_Tの値を記憶部１７から取得し、電力検出部１２によって検出された電力Ｗと記憶部１７から取得した電力Ｗ_Tとの差を算出する（図４ステップＳ２０１）。

制御部１５のフィードバック制御部１５２は、減算部１５１によって算出された電力Ｗ－Ｗ_Tに基づくフィードバック制御を行う（図４ステップＳ２０２）。具体的には、フィードバック制御部１５２は、溶接開始時からの経過時間がｔである現時点で算出された電力Ｗ－Ｗ_Tが、溶接条件情報で規定された電力Ｗの基準波形上の経過時間ｔにおける値と一致するように、インバータ５のトランジスタ５０のオン／オフを制御して、電極８０ａ，８０ｂへの通電量を制御する。

ステップＳ２００～Ｓ２０２の処理を所定の制御周期毎に繰り返し実行することにより、溶接中に算出される電力Ｗ－Ｗ_Tの波形が予め設定された基準波形と一致するようにフィードバック制御される。

フィードバック制御部１５２は、溶接条件情報で規定された通電停止タイミングに達すると（図４ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、インバータ５の動作を停止させて、電極８０ａ，８０ｂへの通電を終了させる（図４ステップＳ２０４）。

以上のように、本実施例では、溶接中に検出した温度Ｔに対応する電力Ｗ_Tの値を記憶部１７に記憶されたデータの中から取得し、溶接中に電力検出部１２によって検出された電力Ｗと記憶部１７から取得した電力Ｗ_Tとの差を算出して、算出した電力Ｗ－Ｗ_Tが溶接条件情報で規定された電力と一致するように電極８０ａ，８０ｂへの通電量を制御することにより、検出端子１９ａ，１９ｂと電極８０ａ，８０ｂとの間が離れている場合でも、温度上昇による悪影響（検出端子１９ａ，１９ｂと給電部２１ａ，２１ｂで消費される電力の影響）を相殺することができる。その結果、本実施例では、電力制御方式の抵抗溶接において安定した品質の高い溶接を実現することができる。

本実施例では、電力制御を採用することにより、電流制御で問題となっていた被接合物８１の抵抗値のバラツキの影響をなくすことができ、また被接合物８１や電極８０ａ，８０ｂの破損を低減できる。

なお、本実施例では、２つの検出端子１９ａ，１９ｂの温度を検出しているが、最低１箇所の温度を検出できればよいので、２つの検出端子１９ａ，１９ｂのうちどちらか一方の温度を検出すればよい。２つの検出端子１９ａ，１９ｂの温度を検出する場合には、データ取得部１５０と減算部１５１とは、２つの検出端子１９ａ，１９ｂの温度のうち高い方の温度を採用すればよい。

また、検出端子１９ａ，１９ｂの温度の代わりに、給電部２１ａ，２１ｂの温度を検出するようにしてもよい。上記と同様に、最低１箇所の温度を検出できればよいので、２つの給電部２１ａ，２１ｂのうちどちらか一方の温度を検出すればよい。２つの給電部２１ａ，２１ｂの温度を検出する場合には、データ取得部１５０と減算部１５１とは、２つの給電部２１ａ，２１ｂの温度のうち高い方の温度を採用すればよい。

本実施例の制御部１５、操作部１６、記憶部１７および表示部１８の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、抵抗溶接方式の接合装置に適用することができる。

１…３相交流電源、２…スタートスイッチ、３…整流回路、４…コンデンサ、５…インバータ、６…溶接トランス、７…ダイオード、８…溶接ヘッド、９…ホール素子、１０…電流検出部、１１…電圧検出部、１２…電力検出部、１３…荷重検出部、１４…温度検出部、１５…制御部、１６…操作部、１７…記憶部、１８…表示部、１９ａ，１９ｂ…検出端子、２０ａ，２０ｂ…熱電対、２１ａ，２１ｂ…給電部、２２…電源回路、８０ａ，８０ｂ…電極、８１…被接合物、１５０…データ取得部、１５１…減算部、１５２…フィードバック制御部。

Claims

被接合物と当接する第１、第２の電極と、
前記第１、第２の電極間に電流を供給するように構成された電源回路と、
前記第１、第２の電極に供給される電力を検出するように構成された電力検出部と、
前記第１、第２の電極間に印加される電圧を取り出すための第１、第２の検出端子の温度、または前記第１、第２の検出端子と前記第１、第２の電極とを接続する給電部の温度を検出するように構成された温度検出部と、
前記被接合物がない状態で前記第１、第２の電極を接触させたときの前記温度と前記電力との関係を示すデータと、溶接中に前記第１、第２の電極に供給される電力の望ましい値を規定する溶接条件情報とを予め記憶するように構成された記憶部と、
溶接中に前記温度検出部によって検出された温度に対応する電力の値を前記記憶部に記憶された前記データの中から取得し、溶接中に前記電力検出部によって検出された電力と前記記憶部から取得した電力との差を算出するように構成された減算部と、
溶接中に前記減算部によって算出される電力が前記溶接条件情報で規定された電力と一致するように前記電源回路を制御するように構成されたフィードバック制御部とを備えることを特徴とする抵抗溶接電源。
請求項１記載の抵抗溶接電源において、
前記第１、第２の電極を流れる電流を検出するように構成された電流検出部と、
前記第１、第２の検出端子間に印加される電圧を検出するように構成された電圧検出部とをさらに備え、
前記電力検出部は、前記電流検出部が検出した電流の値と前記電圧検出部が検出した電圧の値とを乗算することにより、前記第１、第２の電極に供給される電力を検出することを特徴とする抵抗溶接電源。
請求項１または２記載の抵抗溶接電源において、
溶接前に前記被接合物がない状態で前記第１、第２の電極を接触させた状態で行われるデータ取得時に、前記温度検出部によって検出された温度のデータと前記電力検出部によって検出された電力のデータとを対応付けて前記記憶部に格納するように構成されたデータ取得部をさらに備えることを特徴とする抵抗溶接電源。