JP3136866B2 - 抵抗溶接用電極の品質監視方法およびその装置 - Google Patents

抵抗溶接用電極の品質監視方法およびその装置

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JP3136866B2 JP05270424A JP27042493A JP3136866B2 JP 3136866 B2 JP3136866 B2 JP 3136866B2 JP 05270424 A JP05270424 A JP 05270424A JP 27042493 A JP27042493 A JP 27042493A JP 3136866 B2 JP3136866 B2 JP 3136866B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、抵抗溶接、特にスポッ
ト溶接用電極の品質監視方法およびその装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】抵抗溶接、特にスポット溶接は鋼板を使
用する種々の製品に用いられているが、近年その溶接不
良が増大する傾向にある。すなわち、亜鉛メッキ鋼板を
はじめとする表面処理鋼板が多量に使用されはじめ、特
に溶接電極表面の損耗が原因の溶接不良の発生が増大し
ている。電極表面への溶融金属の溶着によって通電路が
広がり、被溶接材中の電流密度が低下することが主な溶
接不良の原因であることが知られているが、その電極表
面状態を直接、間接的に監視する方法・装置はない。現
場においては電極品質と判別基準の関係を実験的に求
め、一定の時間、打点数に応じて電極のドレッシング、
交換を行ってきた。あるいは既存の溶接品質監視装置を
併用して溶接条件を含め電極品質を実験的・経験的に管
理してきた。溶接品質としての監視装置としては、 1)溶接電流と溶接電圧から電極間抵抗を求め、その変
化パターンから溶接結果の良否を判定するもので、その
一例として特開昭56−158286号公報に開示され
たもの、 2)電極間電圧と、あらかじめ設定した基準電圧の時間
的変化とを比較し、その差が許容範囲か否かにより良否
を判定するもので、その一例として特公昭59−143
12号公報に開示されたもの、さらに電極間電圧より溶
接部の発熱に有効に寄与する有効成分を抽出し、有効成
分の時間積分値から溶接結果の良否を判定するもので、
その一例として特開昭59−40550号公報および特
開昭59−61580号公報に開示されたもの、 3)溶接電流を検出し、その上下限値を監視し溶接結果
を一定にしようとするもの、等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】これらの方式におい
て、1)は電極先端部の圧潰や分流を生じた場合や被溶
接材の材質がZnメッキの場合には抵抗の変化パターン
が一様でなく、溶接結果の判定が困難となる。2)は電
極の圧潰、板厚の変化など、溶接状態が変化する度に溶
接結果の判定基準を再設定しなければならず、実用上良
否判定を行うことは困難である。3)はコスト的には安
価で、容易に実現でき、電源の故障、二次導体の断線な
どの発見には有効であるが、電極先端の圧潰や分流な
ど、電流密度の低下による品質劣化は判別できない。
【0004】上記方式はいずれも連続打点時の電極表面
状態の劣化に対して、溶接結果の良否判定が困難とな
り、電極の品質管理に関しては溶接現場で予備実験を行
い、電極品質と判別基準の関係ををあらかじめ求めてお
くという作業が不可欠である。
【0005】本発明は、上記の課題を解決するもので、
電極の表面状態を汎用性を持って監視でき、連続打点時
の溶接品質の改善も可能とすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本目的を達成するため、
請求項1は抵抗モデルと熱伝導モデルに基づいたシミュ
レータを用いて通電径曲線を数値解析し、設定された通
電径モデル曲線と比較するものである。請求項2は粘弾
塑性モデルと熱伝導モデルに基づいたシミュレータを用
いて通電径曲線を数値解析し、設定された通電径モデル
曲線と比較するものである。請求項3は請求項1に記載
した電極品質監視方法を実施する電極監視装置である。
請求項4は請求項2に記載した電極品質監視方法を実施
する電極監視装置である。
【0007】
【作用】本発明は前記の構成により、あらかじめ入力さ
れた被溶接材または電極の形状と材質から通電開始時に
おける固有抵抗値、比熱を求め、さらに測定された検出
値を用いて請求項1においては抵抗モデルから、請求項
2においては粘弾塑性モデルから被溶接材と電極との電
流通路と電位・電流密度分布を求める。得られた電流密
度分布から、被溶接材または電極における熱伝導モデル
の発熱、熱伝導計算を行い温度分布を求める。さらにこ
こで決定された温度分布を用いて次のステップにおける
固有抵抗値、比熱を決定し、次のステップで測定される
検出値を用いて請求項1では抵抗モデルから、請求項2
では粘弾塑性モデルから電流通路の計算を行い、続いて
熱伝導モデルの発熱、熱伝導計算を行うという作業を繰
り返し、各ステップ毎の被溶接材または電極の通電路と
電位・電流密度分布を推測する。この推測過程で被溶接
材と電極との接触部における電流通路が通電径となり、
各ステップ毎の通電径変化、すなわち通電径の時間変化
を通電径曲線とする。
【0008】このように汎用性のある手法で求めた通電
径曲線は、溶接過程において発生する電極の圧潰、被溶
接材メッキ金属の付着など溶接条件変化に対しても良好
な精度が得られる。さらに、良好に溶接されたときの通
電径モデル曲線と任意の打点時の通電径曲線を比較する
ことで電極表面状態が明確に監視できる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の抵抗溶接用電極の品質監視方
法について図1を参照しながら説明する。
【0010】図1は通電径モデル曲線と電極寿命時の通
電径曲線の比較実験結果を示す。溶接電流11500
A、加圧力350kgf、溶接時間10cycle、R
電極(先端R25)の溶接条件で溶融亜鉛メッキ鋼板
(板厚1.2mm)の2枚重ねスポット溶接したもので
ある。また、電極品質判定方法は請求項1に記載した溶
接電流と電極間の電圧を検出し、抵抗モデルと熱伝導モ
デルに基づいたシミュレータを用いて通電径曲線を推定
し通電径モデル曲線と比較する方法を採用している。通
電径曲線Iは電極表面状態が良好な場合(打点数10)
の通電径曲線を示しており、同時にそのときの2枚の被
溶接材の溶融部径曲線IIを示すと通電直後より溶融部が
生成され、通電時間中に十分成長していることが示され
ている。すなわち、良好な溶接品質が得られているとき
の通電径曲線Iが通電径モデル曲線となる。通電径曲線
IIIは電極表面が劣化し電極寿命時期(打点数750)
における通電径曲線を示しており、同時にそのときの2
枚の被溶接材の溶融部径曲線IVを示すと溶融部生成時間
が非常に遅く、加えて溶融部径曲線IIのように十分な溶
融部径は成長せず良好な溶接品質は得られない。これは
連続打点数の増加に従い電極先端表面にメッキ金属をピ
ッキングし、電極先端面積が次第に増加することによ
る、すなわち通電径が大きくなることによる板中電流密
度低下による現象である。通電径モデル曲線(通電径曲
線I)と通電径曲線IIIを比較した場合、明らかに通電
径曲線IIIの時間変化に対する通電径の増加は通電径モ
デル曲線に比べ大きく、両者を比較することによって電
極の先端表面状態を監視することができる。図1は請求
項1に記載した電極品質判定方法によるものであるが、
請求項2に記載した電極間の加圧力、電極間電圧を検出
し、検出された物理量から粘弾塑性モデルと熱伝導モデ
ルに基づいたシミュレータを用いて通電径曲線を数値解
析し、設定された通電径モデル曲線と比較することによ
っても同じ結果が得られる。
【0011】つぎに本発明の品質監視方法を実施する電
極監視装置について図2を参照しながら説明する。図2
は請求項3記載の電極監視装置の構成を示したものであ
る。図2において、前記した通電径の推定に必要な溶接
電流は電流検出部1によって検出され、電極間電圧は電
圧検出部2によって検出され演算部3に出力される。記
憶部4はあらかじめ入力された通電径推定の数値解析の
際用いられる電極あるいは被溶接材の形状と材質が記憶
されており、これらと前記電流検出部1および電圧検出
部2によって測定された物理量とを併せて抵抗モデルと
熱伝導モデルに基づく数値解析によって通電径を推定す
る。記憶部5より通電径モデル曲線を読みだし、演算部
3より出力される通電径推定結果と比較部6において両
者の一部または全部を比較する。そして比較部6からの
出力は出力部7によって電極の表面状態として表され、
前記出力部7からの出力によって電極を監視する。ま
た、良好に溶接されたときの通電径推定結果を前記演算
部3から出力し、通電径モデル曲線として前記記憶部5
に記憶することもできる。
【0012】図3は請求項4記載の電極監視装置の構成
を示したものである。図2と異なるところは電流検出部
が電極間加圧力を検出する加圧検出部1aになっている
ことでその他の構成は図2と同じであり、加圧検出部1
aと演算部3における数値解析方法を除く電極品質監視
装置の動作は前述と同様である。
【0013】このように本実施例の抵抗溶接用電極の品
質監視方法およびその装置は、数値解析を用いて各打点
毎の通電径変化を推算するので従来の品質管理方法のよ
うに、電極品質と判別基準を現場での実験あるいは経験
によって求めることなく、溶接過程で発生する電極表面
への溶融金属の溶着、塑性変形によるへたりなど通電径
の変化パターンとして的確に捉えることができる。
【0014】なお、本実施例では被溶接材を溶融亜鉛メ
ッキ鋼板とした場合を示したが、軟鋼板溶接時における
電極先端表面の塑性変形による通電径の増加に対しても
同じ結果が得られ、また、ステンレス鋼、高張力鋼、ア
ルミニウムに対しても数値解析に必要な材料定数を与え
ることで前記と同じく電極の品質が監視可能となる。加
えて、本実施例ではR型電極を用いたが他のスポット溶
接用電極に対しても同じ結果が得られ、汎用的に電極品
質を監視することができる。
【0015】
【発明の効果】以上のように、本発明の抵抗溶接用電極
の品質監視方法およびその装置は、数値解析に基づいて
通電路を算出するため電極と被溶接材間の接触状態を示
す通電径変化を推定できる、良好な溶接が行われたとき
の通電径変化パターンをモデル曲線とし、打点毎に随時
推定される通電径パターンをモデル曲線と比較すること
で電極表面状態の監視を明確に行うことができる優れた
効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の抵抗溶接用電極の品質監視方法の説明
【図2】本発明の品質監視方法を実施する品質監視装置
の構成を示す説明図
【図3】本発明の品質監視装置の他の構成を示す説明図
【符号の説明】
1 電流検出部 1a 加圧検出部 2 電圧検出部 3 演算部 4 記憶部 5 記憶部 6 比較部 7 出力部 I 通電径曲線(通電径モデル曲線) II 溶融部径曲線 III 通電径曲線 IV 溶融部径曲線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 11/24 B23K 11/25 G01M 19/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 あらかじめ入力された被溶接材または電
    極の形状と材質から通電開始時における固有抵抗値、比
    熱を求めるステップの後、(1)被溶接材を挟む電極間
    の溶接電流、電極間電圧を検出するステップと、(2)
    これら測定された検出値と被溶接材または電極の形状と
    材質から特定される抵抗モデルを用いて被溶接材と電極
    の電流通路と電位・電流密度分布を求めるステップと、
    (3)得られた電流密度分布から、被溶接材または電極
    における熱伝導モデルの発熱、熱伝導計算を行い温度分
    布を求めるステップと、(4)さらにここで決定された
    温度分布を用いて次のステップにおける固有抵抗値、比
    熱を決定するステップを有し、上記(2)〜(4)の各
    ステップを繰り返して各ステップ毎の被溶接材または電
    極の通電路と電位・電流密度分布を推測し、この推測過
    程で被溶接材と電極との接触部における電流通路を通電
    径と見なして、各ステップ毎の通電径変化を通電径曲線
    とし、推測された通電径曲線と設定された通電径モデル
    曲線を比較することによって電極表面状態を推測する抵
    抗溶接用電極の品質監視方法。
  2. 【請求項2】 あらかじめ入力された被溶接材または電
    極の形状と材質から通電開始時における固有抵抗値、比
    熱を求めるステップの後、(1)被溶接材を挟む電極間
    の電圧と電極間の加圧力を検出するステップと、(2)
    これら測定された検出値と被溶接材または電極の形状と
    材質から特定される粘弾塑性モデルを用いて被溶接材と
    電極の電流通路と電位・電流密度分布を求めるステップ
    と、(3)得られた電流密度分布から、被溶接材または
    電極における熱伝導モデルの発熱、熱伝導計算を行い温
    度分布を求めるステップと、(4)さらにここで決定さ
    れた温度分布を用いて次のステップにおける固有抵抗
    値、比熱を決定するステップを有し、上記(2)〜
    (4)の各ステップを繰り返して各ステップ毎の被溶接
    材または電極の通電路と電位・電流密度分布を推測し、
    この推測過程で被溶接材と電極との接触部における電流
    通路を通電径と見なして、各ステップ毎の通電径変化を
    通電径曲線とし、推測された通電径曲線と設定された通
    電径モデル曲線を比較することによって電極表面状態を
    推測する抵抗溶接用電極の品質監視方法。
  3. 【請求項3】 被溶接材または電極の形状と材質に応じ
    た固有抵抗値、比熱を記憶した記憶部と、前記被溶接材
    を挟む電極間の溶接電流、電極間電圧を直接または間接
    的に測定する手段を備えた検出部と、前記検出部と記憶
    部の信号にもとづき、抵抗モデルを用いて被溶接材と電
    極の電流通路と電位・電流密度分布を求め、得られた電
    流密度分布から被溶接材または電極における熱伝導モデ
    ルの発熱、熱伝導計算を行い温度分布を求める演算部を
    備え、前記演算部で被溶接材と電極との接触部における
    電流通路を通電径と推測し、この通電径の時時の変化を
    通電径曲線として前記演算部で推測された通電径曲線と
    記憶部に記憶された通電径モデル曲線を比較する比較部
    を設けた抵抗溶接用電極の品質監視装置
  4. 【請求項4】 被溶接材または電極の形状と材質に応じ
    た固有抵抗値、比熱を記憶した記憶部と、前記被溶接材
    を挟む電極間の電圧と電極間の加圧力を直接または間接
    的に測定する手段を備えた検出部と、前記検出部と記憶
    部の信号にもとづき、粘弾塑性モデルを用いて被溶接材
    と電極の電流通路と電位・電流密度分布を求め、得られ
    た電流密度分布から被溶接材または電極における熱伝導
    モデルの発熱、熱伝導計算を行い温度分布を求める演算
    部を備え、前記演算部で被溶接材と電極との接触部にお
    ける電流通路を通電径と推測し、この通電径の時時の変
    化を通電径曲線として前記演算部で推測された通電径曲
    線と記憶部に記憶された通電径モデル曲線を比較する比
    較部を設けた抵抗溶接用電極の品質監視装置
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