JP2023173492A - ナゲット径の推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗溶接において、電極の打点位置が設計図面で規定されている位置からずれた場合であっても、推定精度の低下を抑制することができるナゲット径の推定方法を提供する。
【解決手段】抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法は、抵抗溶接時における被溶接物の収縮量および膨張量を特定する工程と、特定された収縮量を利用して、被溶接物において電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離を推定する工程と、推定された距離から、被溶接物の膨張量を推定する工程と、推定された膨張量と膨張量の基準値とを比較する工程と、比較の結果を用いて、抵抗溶接時において特定された膨張量を補正する工程と、補正された膨張量を用いて、ナゲット径を推定する工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、ナゲット径の推定方法に関する。

抵抗溶接において、溶接の信頼度を評価するために、溶接により形成されるナゲット径の推定が行われている。例えば、特許文献１は、溶接前に行われる予備通電の抵抗値を用いてナゲット径の推定を行う技術を開示している。

特開２０２０－１７１９４２号公報

本願発明者らは、ナゲット径と溶接時の被溶接物の膨張量とは相関があり、かかる膨張量を利用してナゲット径を推定できることを見出した。溶接時の膨張量は、被溶接物と電極との打点位置と相関がある。しかし、打点位置は、設計図面で規定されている位置からずれる場合がある。打点位置がずれると、膨張量が設計時の想定から変動するため、かかる膨張量を用いてナゲット径の推定を行うと、推定精度が低下するという問題がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法が提供される。この方法は、前記抵抗溶接時における被溶接物の収縮量および膨張量を特定する工程と、特定された前記収縮量を利用して、前記被溶接物において電極と接触する接触面の縁端から、前記電極の打点位置までの前記接触面に沿った距離を推定する工程と、推定された前記距離から、前記被溶接物の膨張量を推定する工程と、推定された前記膨張量と膨張量の基準値とを比較する工程と、前記比較の結果を用いて、前記抵抗溶接時において特定された膨張量を補正する工程と、補正された前記膨張量を用いて、前記ナゲット径を推定する工程と、を備える。
この形態によれば、被溶接物の電極と接触する接触面の縁端から電極の打点位置までの距離を推定し、推定された距離から被溶接物の膨張量を推定する。そして、推定された膨張量と膨張量の基準値とを比較し、比較の結果を用いて抵抗溶接時の膨張量を補正している。したがって、電極の打点位置が設計図面で規定されている位置からずれた場合であっても、打点位置のずれに起因する膨張量の変動分の少なくとも一部を補正してからナゲット径の推定を行うため、推定精度の低下を抑制することができる。
本開示は、ナゲット径の推定方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ナゲット径の推定方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本実施形態における抵抗溶接装置の概略構成を示す図である。 第１実施形態におけるナゲット径の推定方法を示す工程図である。 抵抗溶接時における被溶接物の収縮量の平均値と、被溶接物の電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離と、の対応関係を示すグラフである。 抵抗溶接時の時間と膨張量・収縮量とを示すグラフである。 抵抗溶接時の被溶接物の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離と、被溶接物の膨張量の積分値と、の対応関係を示すグラフである。 比較例によりナゲット径の推定を行った場合のナゲット径の推定値と実測値とを示すグラフである。 実施形態の方法によりナゲット径の推定を行った場合の推定値と実測値とを示すグラフである。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１：装置構成：
図１は、本実施形態における抵抗溶接装置１００の概略構成を示す図である。抵抗溶接装置１００は、重ね合わせた複数の被溶接物Ｗ１，Ｗ２に電流を流すことでジュール熱を発生させ、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を接合させる装置である。抵抗溶接装置１００は、溶接ガン１０と、ロボット２０と、抵抗測定装置３０と、制御部４０と、を備える。

被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、例えばアルミまたは鋼などの金属材である。被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ同じ種類の金属材でもよいし、異なる種類の金属材でもよい。また、被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、２枚に限らず、３枚以上であってもよい。

溶接ガン１０は、ガン本体１と、一対の電極である上部電極２および下部電極３と、アクチュエータ４と、を備える。

上部電極２および下部電極３は、シャンク５ａ，５ｂと、チップ６ａ，６ｂと、ひずみセンサ７ａ，７ｂと、を備える。上部電極２は、ガン本体１の上部１ａにアクチュエータ４を介して装着されている。下部電極３は、ガン本体１の下部１ｂに配置されている。本実施形態において、上部電極２は、移動電極であり、下部電極３は、固定電極である。チップ６ａ，６ｂは、それぞれシャンク５ａ，５ｂの先端に取り付けられている。チップ６ａ，６ｂは、抵抗溶接を行う際に、被溶接物Ｗ１，Ｗ２と接触する。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、それぞれシャンク５ａ，５ｂの側面に取り付けられている。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、抵抗溶接時の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量および収縮量を計測する。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、例えば被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量を光学的に検知することができるセンサである。計測された膨張量および収縮量は、制御部４０に伝達される。

アクチュエータ４は、ガン本体１の上部１ａに取り付けられており、上部電極２を下部電極３に対して接触させる方向、または下部電極３から離間させる方向に移動させる。これにより、被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、抵抗溶接を行う際に、上部電極２および下部電極３に加圧されて挟持される。アクチュエータ４は、例えば、電動式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、または空圧式アクチュエータである。

ロボット２０は、例えば多関節ロボット等である。ロボット２０は、溶接ガン１０を水平方向および鉛直方向に移動させ、溶接ガン１０を任意の回転軸を中心に回転させるように作動し、溶接ガン１０の位置および角度を変更する。

抵抗測定装置３０は、抵抗溶接装置１００における回路抵抗値を測定する。本実施形態において回路抵抗値とは、溶接ガン１０とロボット２０と抵抗測定装置３０と制御部４０とを含む系全体の抵抗値である。抵抗測定装置３０で測定された回路抵抗値は、制御部４０に伝達される。

制御部４０は、溶接ガン１０およびロボット２０の動作を制御する。具体的には、制御部４０は、上部電極２および下部電極３に流す電流値の調整と、アクチュエータ４の動作により被溶接物Ｗ１，Ｗ２に加えられる圧力の調整と、被溶接物Ｗ１，Ｗ２における上部電極２および下部電極３の打点位置の調整と、を実行する。制御部４０は、例えば、プロセッサおよびメモリを有するコンピュータによって実現される。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって構成され、メモリは、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ストレージと、によって構成される。

上述した抵抗溶接装置１００により被溶接物Ｗ１，Ｗ２を溶接する場合、上部電極２および下部電極３は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を挟持し、加圧しながら通電する。通電による抵抗発熱により被溶接物Ｗ１，Ｗ２が溶融し、その後凝固することで、被溶接物Ｗ１，Ｗ２が接合される。接合された被溶接物Ｗ１，Ｗ２の接合界面には、ナゲットが形成される。ナゲットは、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の溶融部が冷却凝固した部分である。ナゲットの形状は、接合界面を中心面とする碁石状の形状である。

Ａ２．ナゲット径の推定方法：
図２は、第１実施形態におけるナゲット径の推定方法を示す工程図である。ナゲット径の推定方法は、抵抗溶接の信頼度を評価するために実行される。例えば、かかる推定方法によるナゲット径が正常範囲内の値であれば、抵抗溶接の信頼度は、高いと評価される。他方、ナゲット径が正常範囲から外れた値であれば、抵抗溶接の信頼度は、低いと評価される。

抵抗溶接時における被溶接物Ｗ１，Ｗ２の収縮量および膨張量を特定する（ステップＳ１０５）。本実施形態において、収縮量とは、電極から被溶接物Ｗ１，Ｗ２への通電終了後の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量である。他方、膨張量とは、電極から被溶接物Ｗ１，Ｗ２への通電開始から通電終了までの被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量である。収縮量および膨張量は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を抵抗溶接する際にひずみセンサ７ａ，７ｂを用いて計測することで、特定できる。

ステップＳ１０５で特定された収縮量を利用して、被溶接物Ｗ１，Ｗ２において電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離を推定する（ステップＳ１１０）。図３は、抵抗溶接時における被溶接物Ｗ１，Ｗ２の収縮量の平均値と、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離と、の対応関係を示すグラフである。横軸は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の収縮量の平均値を示し、縦軸は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離を示す。図３に示すように、図面で規定されている打点位置、即ち公称位置よりも、縁端に近い打点位置で電極を接触させて抵抗溶接を行った場合、即ち端打ちで溶接を行った場合、収縮量は小さくなる。これは、電極の打点位置が縁端に近い場合、被溶接物Ｗ１，Ｗ２が電極により加圧されるときにつぶれやすく、収縮量が小さくなるためである。他方、電極の打点位置が、縁端より離れていればいるほど収縮量は大きくなる。これは、電極の打点位置が縁端に近い場合と比較して、被溶接物Ｗ１，Ｗ２が電極による加圧でつぶれにくいためである。

このような収縮量と打点位置との対応関係は、縁端から電極の打点位置までの距離を目的変数とし、収縮量の平均値を説明変数とする単回帰分析を行うことで得られる。具体的には、様々な打点位置で被溶接物Ｗ１，Ｗ２の抵抗溶接を行い、電極の打点位置までの接触面に沿った距離と収縮量とのデータを蓄積する。次いで、蓄積されたデータをプロットし、最小二乗法を実行することで、回帰式が得られる。このような対応関係と、ステップＳ１０５において特定された収縮量と、を用いて、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離を推定する。

なお、本実施形態において収縮量の平均値とは、通電開始から６００ｍｓ～７００ｍｓの被溶接物Ｗ１，Ｗ２の収縮量の平均値をいう。図４は、抵抗溶接時の時間と膨張量・収縮量とを示すグラフである。横軸は、時間を示し、通電を開始した時刻が０である。縦軸は、膨張量・収縮量を示す。時刻ｔ_１は、通電を終了した時刻である。即ち、即ち時刻０から時刻ｔ１までの被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量は、膨張量を示し、時刻ｔ１以後の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量は、収縮量を示す。

ステップＳ１１０で推定された距離から、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量を推定する（ステップＳ１１５）。図５は、抵抗溶接時の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の電極と接触する接触面の縁端から、電極の打点位置までの接触面に沿った距離と、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量の積分値と、の対応関係を示すグラフである。横軸は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の縁端から電極の打点位置までの接触面に沿った距離を示し、縦軸は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量の積分値を示す。図５中の「公称」は、公称図面で規定された打点位置の縁端からの距離に対応する膨張量を示す。「端打ち」は、打点位置が公称図面で規定された位置よりも縁端に近い位置で溶接した場合における膨張量の一例を示す。図５に示すように、打点位置までの距離が縁端から遠いほど、膨張量も大きくなる。この理由は、ステップＳ１１０で打点位置までの距離と収縮量との対応関係で説明した理由と同様である。

このような打点位置までの距離と膨張量との対応関係は、膨張量の積分値を目的変数とし、打点位置までの距離を説明変数とする単回帰分析を行うことで得られる。具体的には、様々な打点位置で被溶接物Ｗ１，Ｗ２の抵抗溶接を行い、縁端から電極の打点位置までの距離と膨張量のデータを蓄積する。次いで、蓄積されたデータをプロットし、最小二乗法を実行することで、回帰式が得られる。このような対応関係と、ステップＳ１１０で推定された縁端から電極の打点位置までの距離と、を用いて、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量を推定する。

ステップＳ１１５で推定された膨張量と膨張量の基準値とを比較する（ステップＳ１２０）。本実施形態において、膨張量の基準値とは、設計図面で規定されている打点位置で、電極を被溶接物Ｗ１，Ｗ２に接触させ、抵抗溶接を行った際に計測される膨張量のことをいう。基準値は、図５に示した対応関係と、設計図面で規定されている被溶接物Ｗ１，Ｗ２の縁端から電極の打点位置までの距離と、から取得することができる。ステップＳ１２０では、推定された膨張量を基準値で除算することで、基準値に対する推定された膨張量の比率（推定された膨張量／基準値）が計算される。

ステップＳ１２０の比較の結果を用いて、抵抗溶接時において特定された膨張量を補正する（ステップＳ１２５）。ステップＳ１２５では、ステップＳ１０５において特定された膨張量の補正を行う。具体的には、特定された膨張量に、ステップＳ１１５で計算された基準値に対する推定された膨張量の比率の逆数（基準値／推定された膨張量）を乗算する。

ステップＳ１２５で補正された膨張量を用いて、ナゲット径を推定する（ステップＳ１３０）。ナゲット径の推定は、ナゲット径を目的変数とし、抵抗溶接時の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量と、収縮量と、回路抵抗値と、を説明変数とする重回帰式により算出される。ここで、膨張量および収縮量が大きいほどナゲット径は大きく推定され、抵抗値が大きいほどナゲット径は小さく推定される。かかる重回帰式は、抵抗溶接を行った際の膨張量と収縮量と回路抵抗値とを実験データとして蓄積し、重回帰分析を行うことで得られる。かかる重回帰式を用いてナゲット径の推定を行う場合、ひずみセンサ７ａ，７ｂにより計測された膨張量をそのまま使用すると、電極の打点位置の変動に起因する膨張量の変動が考慮されていないため、ナゲット径の推定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ１２５で説明したように膨張量を補正し、補正された膨張量を用いてナゲット径の推定を行う。

以上に説明した実施形態によるナゲット径の推定方法によれば、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の電極の打点位置が設計図面で規定されている位置からずれた場合であっても、電極の打点位置の変動に起因する膨張量の変動分を補正してナゲット径の推定を行っている。このため、電極の打点位置が設計図面で規定されている位置からずれた場合であっても、ナゲット径の推定精度の低下を抑制することができる。

図６は、比較例によるナゲット径の推定を行った場合のナゲット径の推定値と実測値とを示すグラフである。比較例では、膨張量を補正せずにナゲット径の推定の重回帰式に用いた。図７は、実施形態の方法によりナゲット径の推定を行った場合の推定値と実測値とを示すグラフである。図６および図７において、横軸は、ナゲット径の推定値を示し、縦軸は、ナゲット径の実測値を示す。また、図６および図７において、実線Ｌ１は、推定値と実測値とが一致する直線、即ち推定精度が１００％であることを示す直線である。破線Ｌ２は、推定値が実測値に対して１０％不足していることを示す直線である。破線Ｌ３は、推定値が実測値に対して１０％超過していることを示す直線である。ここで、推定精度は、実測値を基準とした推定値の割合をいう。図６に示すように、比較例の場合、推定精度は－２５％～９％の範囲内であった。推定値が実測値よりも小さいデータが多い理由は、次の理由による。電極の打点位置が設計図面で規定されている位置よりも縁端に近い場合、電極により加圧される被溶接物Ｗ１，Ｗ２は潰れやすくなる。このため、膨張量は小さくなり、推定値が実際よりも小さく見積もられる。したがって、推定値が実測値よりも小さいデータが多くなる。図７に示すように、実施形態の方法によれば、電極の打点位置のずれによる膨張量の変動分を補正してからナゲット径の推定を行うので、推定精度は、－１４％～＋１１％の範囲内であった。これは、実施形態のナゲット径の推定方法により、推定精度の低下が抑制されていることを示している。

また、本実施形態の方法によれば、ナゲット径の推定精度の低下を抑制することができるため、一定の水準を保ちながら溶接の信頼度を算出することができる。このため、溶接の信頼度を確認するために行われている、検査員による超音波検査の工程を省略することができるので、製造コストの低下を実現することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）第１実施形態のステップＳ１１０において、通電開始から６００ｍｓ～７００ｍｓの収縮量の平均値を用いたが、任意の時間範囲の収縮量の平均値を用いてもよい。また、収縮量の平均値に代えて、収縮量の最大値または積分値を用いてもよい。

（Ｂ２）各実施形態のステップＳ１２０において、膨張量の基準値は、設計図面で規定されている打点位置で、電極を被溶接物Ｗ１，Ｗ２に接触させて抵抗溶接を行った際に計測される膨張量であった。これに代えて、任意の打点位置で電極を被溶接物Ｗ１，Ｗ２に接触させ、抵抗溶接を行った際に計測される膨張量であってもよい。

（Ｂ３）各実施形態において、ナゲット径の推定は、制御部４０により行われてもよい。かかる場合、制御部４０は、メモリに記録されたプログラムを実行することで、ナゲット径の推定を行ってもよい。また、ステップＳ１１０における収縮量および打点位置までの距離の対応関係と、ステップＳ１１５における打点位置までの距離および膨張量の対応関係と、は制御部４０のメモリに記録されていてもよい。

（Ｂ４）各実施形態において、上部電極２が移動電極、下部電極３が固定電極である抵抗溶接装置１００について説明したが、この構成に代えて、上部電極２が固定電極、下部電極３が移動電極であってもよい。また、上部電極２および下部電極３の両方が移動電極であってもよい。

（Ｂ５）各実施形態において、膨張量および収縮量は、ひずみセンサ７ａ，７ｂにより計測されるが、これに代えて、移動電極の変位量を用いて膨張量および収縮量の計測を行ってもよい。

（Ｂ６）各実施形態において、ナゲット径の推定に用いる膨張量は、通電開始から通電終了までの時間範囲における被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位の最大値または平均値を用いてもよい。また、通電開始から通電終了までの時間範囲に代えて、任意の時間範囲であってもよい。

（Ｂ７）各実施形態において、ステップＳ１１０で推定された縁端から電極の打点位置までの距離が、設計図面で規定されている縁端から打点位置までの距離からずれた場合、制御部４０は、電極の打点位置を設計図面で規定されている位置に修正するように通知をしてもよい。また、制御部４０は、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の位置を修正するように溶接ガン１０およびロボット２０を制御してもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

Ｗ１，Ｗ２…被溶接物、１…ガン本体、１ａ…上部、１ｂ…下部、２…上部電極、３…下部電極、４…アクチュエータ、５ａ，５ｂ…シャンク、６ａ，６ｂ…チップ、７ａ，７ｂ…ひずみセンサ、１０…溶接ガン、２０…ロボット、３０…抵抗測定装置、４０…制御部、１００…抵抗溶接装置

Claims (1)

1. 抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法であって、
   前記抵抗溶接時における被溶接物の収縮量および膨張量を特定する工程と、
   特定された前記収縮量を利用して、前記被溶接物において電極と接触する接触面の縁端から、前記電極の打点位置までの前記接触面に沿った距離を推定する工程と、
   推定された前記距離から、前記被溶接物の膨張量を推定する工程と、
   推定された前記膨張量と膨張量の基準値とを比較する工程と、
   前記比較の結果を用いて、前記抵抗溶接時において特定された膨張量を補正する工程と、
   補正された前記膨張量を用いて、前記ナゲット径を推定する工程と、
   を備える、ナゲット径の推定方法。

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