JP2024007153A - スタッド溶接機及びスタッド溶接機における溶接不良防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタッドと母材との間の距離の不良に起因する溶接不良を防止することができるスタッド溶接技術を提供する。【解決手段】本発明のスタッド溶接機１は、母材ＷにスタッドＳを溶接するための溶接ガン２と溶接ガン２を制御する制御部とを備えるものであって、溶接ガン２をＺ軸方向下方に移動させ溶接ガン２の先端に配備されたスタッドＳを母材Ｗに押し付けた際に、溶接ガン２に対するスタッドＳの上方への移動量を計測する変位計２６が設けられており、変位計２６が計測した移動量を基に、制御部は溶接ガン２の動作を制御するように構成されている。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 販売した場所：株式会社千勝金属（大阪府大阪市平野区加美東４丁目２－１８） 販売日：令和４年３月１日

本発明は、スタッド溶接機において溶接不良を防止する技術に関する。

従来より、スタッドを母材に溶接する方法としてスタッド溶接がある。特に、ＣＤ方式スタッド溶接機（Capacitor Discharge Stud Welding）は広く使用されるものとなっている。ＣＤ方式スタッド溶接は、交流電源をもとに大容量のコンデンサを充電し、このコンデンサからの放電を利用してスタッドと母材を溶接する方式であり、スタッドの下端と母材の間にアークを形成し、スタッドの下端と母材を溶融した後、溶融部分同士を圧接して、スタッドを母材に溶着するものとなっている。

スタッド溶接に関する公知文献としては、例えば、特許文献１や特許文献２がある。
特許文献１は、スタッド部材である溶接チップを保持するチャックと、前記チャックを連結するとともに正極側電気コードに接続されるチップホルダーと、前記チップホルダーを付勢する加圧スプリングと、接地側電気コードが接続されるアース元パイプと、前記チップホルダーと前記アース元パイプを絶縁する絶縁パイプと、前記アース元パイプに接続される円筒状金属のアースパイプと、溶接指示信号を出すためのスイッチとを具備するスタッド溶接ガンを開示する。

特許文献２は、スタッドを保持するスタッド保持手段とスタッドを母材に圧接したり母材から離したりするように前記保持手段を移動させる駆動手段とを有する溶接ガンと、スタッドと母材の間に所定の電力を供給するように溶接ガンに接続された電源と、母材から離したスタッドと母材の間にアークを形成するように電源及び前記駆動手段を制御するとともに、前記アークの継続によってスタッド先端部分と母材部分を溶融した後、溶融後のスタッド部分を溶融後の母材部分に圧接するように前記駆動手段を制御するコントローラとを備えたスタッド溶接機において、前記溶接ガンには、前記駆動手段と前記スタッド保持手段との間に、溶融後のスタッド部分を溶融後の母材部分に圧接する際の反動を緩衝する緩衝手段が設けられているスタッド溶接機を開示する。

特開２００６－３４６７１０号公報 特開２０００－３０１３４２号公報

特許文献１に開示されたスタッド溶接技術では、作業員が手で把持可能な溶接ガンを使用するものとなっている。このような装置とは別に、ＸＹＺ方向に移動可能なキャリッジ（移動機構）や多関節ロボットに溶接ガンを搭載した自動型スタッド溶接機も市場に多く出回っている。
このようなスタッド溶接機はキャリッジ等を制御する制御部（ＮＣ装置）を備える。作業者は制御部にスタッド溶接機を動作させるためのデータを入力する。また、スタッド溶接機には、溶接される多種類のスタッドが配備されたマガジンが設けられており、このマガジンには、各種スタッドがその向きが一定となるように装填される。

キャリッジに取り付けられた溶接ガンには、制御部によりマガジンから所定のスタッドが取り付けられ、母材の所定位置まで移動しその位置にスタッドを溶接する。
ところが、実際の現場では、マガジンにスタッドを装填するに際し、人為的なミスが発生することが否めない。スタッドの上下向きが逆になったまま装填されていたり、異なったスタッドがマガジンに装填されている可能性もある。

その場合、図２（ｂ）～図２（ｅ）に示すように、スタッドの下端（フランジと突起が設けられた部位）から母材までの距離が、制御部のプログラムの値とは異なり、制御部の司令どおりにキャリッジが移動し溶接ガンが作動したとしても、溶接不良が発生する原因となっていた。
特許文献１は、作業員が溶接ガンを手で把持して溶接を行うものであるため、上記の問題を解決するものとはなっていない。特許文献２の技術は、スタッドを母材に圧接させるときの圧接力を調整する技術であり、図２（ｂ）～図２（ｅ）に示すような、スタッド～母材間の距離不良に伴う溶接不具合を防止できる技術とは異なるものである。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、スタッド溶接機において、スタッド～母材間の距離の不良に起因する溶接不良を防止することのできるスタッド溶接技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明にかかるスタッド溶接機は、母材にスタッドを溶接するための溶接ガンと前記溶接ガンを制御する制御部とを備えるスタッド溶接機であって、前記溶接ガンをＺ軸方向に移動させ前記溶接ガンの先端に配備された前記スタッドを前記母材に押し付けた際に、前記溶接ガンに対する前記スタッドの上方への移動量を計測する変位計が設けられており、前記変位計が計測した移動量を基に、前記制御部は前記溶接ガンの動作を制御するように構成されていることを特徴とする。

好ましくは、前記溶接ガンは、中空状となっている長尺の筒体と、前記筒体の中空部分を貫通する貫通棒体を有し、前記貫通棒体の下端には、前記スタッドを掴むためのチャックが取り付けられ、前記貫通棒体の上端は前記筒体の上方から突出しており、前記貫通棒体の上方突出部位にはキャップ部材が嵌め込まれていて、前記キャップ部材と前記筒体の上端との間には付勢部材が配備されており、前記貫通棒体の上端には、前記筒体からの前記貫通棒体の上昇量を検出するための変位計が配設されているとよい。

本発明にかかるスタッド溶接機における溶接不良防止方法は、上記したスタッド溶接機において、前記制御部は、前記変位計の値が基準範囲内であれば正常なスタッド溶接が可能であると判断して前記溶接ガンによる溶接を行い、前記変位計の値が基準範囲外であれば前記溶接ガンによる溶接を行わないことを特徴とする。

本発明にかかる技術によれば、スタッド溶接機において、スタッドから母材までの距離の不良に起因する溶接不良を確実に防止することができる。

溶接ガン（特にガンヘッド）及びそれを支持するＺ軸キャリッジの模式図である。 スタッドと母材との関係を示した模式図である。 溶接不良防止を実施するためのフローチャートである。

以下、本発明にかかるスタッド溶接機１、このスタッド溶接機１における溶接不良防止方法の実施形態を、図を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。例えば、以降の説明においては、スタッド溶接を自動で行うＣＤ式自動溶接機を念頭に置きながら説明を進めるが、スタッド溶接機１の構成はこれに限定はされない。

スタッド溶接機１は、母材Ｗを設置するテーブル、母材Ｗに溶接されるスタッドＳが装填されるマガジン（スタッドフィーダ）、溶接ガン２、溶接ガン２をＸ軸方向（左右方向）に移動させるＸ軸キャリッジ、溶接ガン２をＹ軸方向（前後方向）に移動させるＹ軸キャリッジ、溶接ガン２をＺ軸方向（上下方向、又は母材に遠近する方向）に移動させるＺ軸キャリッジ３、溶接電源部、これらを制御する制御部を備えるものとなっている。キャリッジは多関節ロボットで構成されていてもよい。

まず、テーブルには、スタッドＳが溶接される母材Ｗが載置される。図示はしないが、母材Ｗが設置されるテーブルには、このテーブル上に載置された母材Ｗを位置決めする位置決め機構を備えることが好ましいが、単なる設置台であってもよい。テーブルに配置された母材Ｗには、アースケーブルが接続され、アースケーブルは溶接電源部へとつながっている。

溶接ガン２はＸ軸キャリッジやＹ軸キャリッジによってＸ軸方向やＹ軸方向に移動自在である。図１に示す如く、Ｚ軸キャリッジ３によってＺ軸方向にも移動可能である。
図１のように、溶接ガン２は中空状となっている長尺の筒体２１を有している。
筒体２１は上下方向を向くように配備され、Ｚ軸キャリッジ３に連結されている。筒体２１内に上下を向くように形成された中空部には、この中空部を貫通するように貫通棒体２２が配備されている。貫通棒体２２の下端には、スタッドＳを掴むためのチャック２３が取り付けられている。チャック２３内には、スタッドＳが必要以上にチャック２３内に入り込むことを防ぐストッパー棒体２８が上方から挿入されている。

貫通棒体２２の上端は筒体２１から上方へ突出しており、その突出部分（筒体２１から突出した貫通棒体２２）の中央部には、キャップ部材２４が嵌め込まれている。キャップ部材２４と筒体２１の上端との間には付勢部材２５である弦巻バネが配備されている。
この付勢部材２５により、Ｚ軸キャリッジ３で筒体２１を下方に下げ、チャック２３に差し込まれたスタッドＳの下端に形成された突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置まで、溶接ガン２を移動させることができる。突起部ＳＴを母材Ｗに接触させた後、更に筒体２１を下に下げる（再降下させる）ことで、筒体２１よりも貫通棒体２２が上方に突出するようになり弦巻バネが伸長される。この伸長による付勢力（スタッドＳを母材Ｗに押し付ける力）により、溶接開始後の溶融状態で、スタッドＳを母材Ｗ側に押し付けて溶接を確実なものとする。

詳細は後述するが、本発明の特徴的な構成として、貫通棒体２２の上端には、変位計２６（リニアゲージ）が取り付けられている。この変位計２６は、再降下時における貫通棒体２２の上昇量（上昇距離）を計測することができるものである。計測精度は１ミクロン程度が好ましい。この変位計２６の測定値は、デジタル信号として、制御部へ取り込まれ、後に述べる処理を施された上で溶接不良防止の判定に用いられる。制御部としては、ＰＬＣやパソコンが採用される。

本実施形態で述べるスタッド溶接機１は、複数の種類のスタッドＳを溶接可能となっている。そのため、スタッド溶接機１の所定位置には、複数のスタッドＳを格納しておくことができるマガジンが配置されており、このマガジンに縦置きの状態でスタッドＳが積み重なるように配備される。
スタッドＳは、その径が様々であり長さも様々である。また、図２に示す如く、スタッドＳの先端部はフランジ状のフランジ部ＳＦとなっており。その中央には突起部ＳＴが形成されている。この突起部ＳＴが母材Ｗと接し、更には所定の圧力で押し付けられた状態となるように、Ｚ軸キャリッジ３で筒体２１は降下される。

以上述べたスタッド溶接機１の作動態様について述べる。
まず、スタッド溶接機１に備えられた制御部には、スタッドＳごとに当該スタッドＳを溶接するときの溶接条件、溶接位置などが格納されている。この格納されたデータに従い、各キャリッジは溶接ガン２を移動させる。まず、溶接対象のスタッドＳを把持可能なチャック２３を取り付けに行き、その後、マガジンに装填されたスタッドＳをチャック２３に取り付ける。その後、各キャリッジは溶接ガン２を母材Ｗ上の所定の位置（特にＸＹ位置）に持ってゆき、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を下降させて母材ＷにスタッドＳを溶接する（図２（ａ）参照）。

詳しくは、Ｚ軸キャリッジ３によりスタッドＳの先端にある突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置まで移動させる。さらに、その位置より数ミリ下方に再降下させる。これによりスタッドＳに押圧力を加えるようにしている。スタッドＳが母材Ｗに接触し、その後、Ｚ軸キャリッジ３が再降下すると、貫通棒体２２は変位計２６の測定子２７を押し上げて、変位計２６が計測を開始し、計測値は制御部へと送信される。

その後、後述する「溶接不良判定ロジック」にて正常と判定された場合、制御部は溶接電源部を通じて、スタッドＳに規定された電流を流し溶接を開始する。溶接終了後は、Ｚ軸キャリッジ３は上昇し溶接ガン２は上方へ移動して、次のスタッドＳを把持すべくマガジンへと移動する。
従来、上記した溶接過程において、次のような問題が起こることがまれにあった。すなわち、マガジンにスタッドＳを装填するのは作業員であり、人為的なミスが発生することが否めなかった。

例えば、マガジンにスタッドＳを上下逆に装填することが考えられる。その場合、図２（ｂ）に示すように、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を下げて、スタッドＳの突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置（プログラムに則った位置）まで移動させたとしても、スタッドＳと母材Ｗとの間に隙間が空いた状態となる。
マガジンに誤ったスタッドＳ（例えば、規定より長尺のスタッドＳ）を装填することが考えられる。その場合、図２（ｃ）に示すように、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を下げて、スタッドＳの突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置（プログラムに則った位置）まで移動させた際には、スタッドＳの先端が必要以上に降下した位置に達する不都合が生じる。マガジンに誤ったスタッドＳ（例えば、規定より短尺のスタッドＳ）を装填することが考えられる。その場合、図２（ｄ）に示すように、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を下げて、スタッドＳの突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置（プログラムに則った位置）まで移動させたとしても、スタッドＳと母材Ｗとの間に大きな隙間が空いた状態となる。
スタッド溶接では、スタッドＳの突起部ＳＴを母材Ｗに押し付け溶接を行う。突起部ＳＴが存在しない方を母材Ｗに押し付けたり、スタッドＳと母材Ｗとの間に大きな隙間が空いた状態のまま、溶接電流を流しても（溶接信号をＯＮにしても）高強度の溶接はできず溶接不良となる。

また、図２（ｄ）に示すように、先端にある突起部ＳＴの潰れたスタッドＳが装填された場合、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を下げて、スタッドＳの突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置（プログラムでの位置）まで移動させたとしても、スタッドＳと母材Ｗとの間に隙間が空いた状態となる。なお、スタッドＳの突起部ＳＴが潰れる原因としては、製造過程などでの不具合が考えられる。

いずれの状況であっても、予定された「スタッドＳ～母材Ｗ間の距離」ではないので、正しい条件で溶接がなされず、強度不足などの溶接不良を起すことになる。
次に、変位計２６が読み取った値をもとに、溶接不良を起こしかねない状況を検出し、溶接不良を防止する考え方（溶接不良防止ロジック）について説明する。
このロジックは、図３のフローチャートで示されるものであって、制御部で実施され、各構成部材（例えば、Ｚ軸キャリッジ３など）へ制御司令が発せられる。

まず、溶接作業を開始すると、溶接ガン２は各キャッリッジで移動しチャックステーションでチャック２３を先端に取り付ける（Ｓ１，Ｓ２）。
その後、溶接ガン２は各キャッリッジによりマガジンへ移動し、マガジンでチャック２３にスタッドＳが挿入されて取り付いた状態となる。（Ｓ３，Ｓ４）。
その後、溶接ガン２はキャッリッジで移動し、溶接位置へ移動する（Ｓ５）。

続いて、Ｚ軸キャリッジ３によりスタッドＳの下端にある突起部ＳＴが母材Ｗに接する位置（ブログラムでの設定値）まで降下及び再降下する（Ｓ５、Ｓ６）。この際、付勢部材２５により、スタッドＳに押圧力が加わるようになる。スタッドＳが母材Ｗに接触し更にＺ軸キャリッジ３が降下すると、貫通棒体２２は変位計２６の測定子２７を押し上げる。測定子２７の押し上げ量を変位計２６自体が測定し、その測定値を制御部へ送信する（Ｓ７）。

制御部では「変位計２６の計測値が３ｍｍ±０．３ｍｍの範囲内か？（基準範囲内と呼ぶこともある）」が判定される。基準範囲内であれば（Ｓ８でＹｅｓ）、溶接ガン２の先端部分の状況、言い換えれば、スタッドＳと母材Ｗとの距離は図２（ａ）の如く適正なものであり、この状態で溶接電流を流し溶接を行うと最適な溶接が行われる（Ｓ９）。なお、基準範囲の幅（公差）は０．３ｍｍとしているがこの値に限定はされない。

一方、制御部では「変位計２６の値が３ｍｍ±０．３ｍｍの範囲内か？」が判定され、基準範囲外となったとする（Ｓ８でＮｏ）。基準範囲外であれば、溶接ガン２の先端部分の状況、言い換えれば、スタッドＳの下端から母材Ｗまでの距離は、図２（ｂ）～図２（ｅ）のような状況であると判定する。すなわち、スタッドＳがチャック２３に逆さに取り付けられていたり、長尺又は短尺のスタッドＳが取り付いていたり、突起部ＳＴが潰れているスタッドＳが取り付いていると判定する。

このような状況（図２（ｂ）～図２（ｅ））で溶接を行うと適正な溶接が行われないため、この状態で溶接電流を流すことはしない。溶接を行わず、Ｚ軸キャリッジ３により溶接ガン２を上昇させ作業を停止する（Ｓ１０）。作業員に警告を出すなどした上で、チャック２３から不良スタッドＳを抜き取り、正しいスタッドＳに交換したりスタッドＳの向きを変更する（Ｓ１１）。かかる操作により溶接不良を未然に防ぐことが可能となる。

すなわち、図３のフローチャートに則れば、スタッド溶接機１において、スタッドＳから母材Ｗまでの距離の不良に起因する溶接不良を防止することができる。
以上、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
例えば、変位計２６で計測されるスタッドＳの押し込み量は３ｍｍに限定されない。溶接ガン２の形態やスタッドＳの大きさなどにより適宜変更してもよい。同様に公差も０．３ｍｍに限定されるものではなく、適切な値を選択すればよい。

また、実施の形態では、キャリッジを用いて溶接ガン２を移動させていたが、多関節ロボットの先端に溶接ガン２を取り付けてもよい。作業員が溶接ガン２を把持するようにしてもよい。
特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、作動条件や操作条件、構成物の寸法、重量などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ スタッド溶接機
２ 溶接ガン
３ Ｚ軸キャリッジ
２１ 筒体
２２ 貫通棒体
２３ チャック
２４ キャップ部材
２５ 付勢部材
２６ 変位計
２７ 測定子
２８ ストッパー棒体
Ｓ スタッド
ＳＦ フランジ部
ＳＴ 突起部
Ｗ 母材

Claims (3)

1. 母材にスタッドを溶接するための溶接ガンと前記溶接ガンを制御する制御部とを備えるスタッド溶接機であって、
   前記溶接ガンをＺ軸方向に移動させ、前記溶接ガンの先端に配備された前記スタッドを前記母材に押し付けた際に、前記溶接ガンに対する前記スタッドの上方への移動量を計測する変位計が設けられており、
   前記変位計が計測した移動量を基に、前記制御部は前記溶接ガンの動作を制御するように構成されている
   ことを特徴とするスタッド溶接機。
2. 前記溶接ガンは、中空状となっている長尺の筒体と、前記筒体の中空部分を貫通する貫通棒体を有し、
   前記貫通棒体の下端には、前記スタッドを掴むためのチャックが取り付けられ、前記貫通棒体の上端は前記筒体の上方から突出しており、前記貫通棒体の上方突出部位にはキャップ部材が嵌め込まれていて、前記キャップ部材と前記筒体の上端との間には付勢部材が配備されており、
   前記貫通棒体の上端には、前記筒体からの前記貫通棒体の上昇量を検出するための変位計が配設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスタッド溶接機。
3. 請求項１又は２に記載したスタッド溶接機において、前記制御部は、前記変位計の値が基準範囲内であれば正常なスタッド溶接が可能であると判断して前記溶接ガンによる溶接を行い、前記変位計の値が基準範囲外であれば前記溶接ガンによる溶接を行わない
   ことを特徴とするスタッド溶接機における溶接不良防止方法。

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