JP3648092B2

JP3648092B2 - コンデンサ式抵抗溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP3648092B2
Application number: JP14267299A
Authority: JP
Inventors: 広治佐々木
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP2000326076A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，コンデンサ式抵抗溶接、特に焼き戻しのための電力供給方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンデンサ式抵抗溶接は、コンデンサに蓄えた電気エネルギーを極く短い期間に被溶接物間に放出し、パルス状溶接電流として流すことにより良好な溶接を行えることで広く知られている。このような溶接にあっては、交流電流を幾サイクルにもわたって流す交流溶接とは違って、通常、極く短い時間に溶接部及びその周りの小さい領域だけが急激に加熱され、また自然状態で急冷される。このような急熱、急冷の場合、これら被溶接物が炭素を２％以上含有する高炭素鋼、あるいは表面を浸炭処理した鋼などからなると、その溶接部の硬度が増大し、脆弱となって機械的強度が大幅に低下することが知られている。
【０００３】
したがって、従来では図５に示すように、図示していない溶接電極間に曲線Ｐで示すような加圧力を加えた状態で、パルス状溶接電流Ｉを被溶接物間に流した後に、数十サイクル、例えば２０〜３０サイクルにもわたって交流電流ｉを流して後熱処理を行い、溶接部の焼き戻しを行ってその硬度を許容値以下まで戻して強度の低下を抑制している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、交流電流を流して後熱処理を行った場合には、発熱時間が長くなるために被溶接物の広い範囲で高温になり、このことが被溶接物の変色、熱歪み、溶接電極の損耗などを招来し、溶接品質を低下させていた。また、コンデンサ式溶接装置に別途後熱機能を行う装置を追加する必要があり、経済的にも負担が大きかった。
【０００５】
この発明では、前記パルス状溶接電流を流した後に、単極性のパルス状後熱用電流を流すことにより、被溶接物の変色、熱歪み、溶接電極の損耗などを実質的に発生せずに、焼き戻しを行う溶接方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、第１の発明は、コンデンサに蓄えた電荷を放電して被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行った後に、単極性のパルス状後熱用電流を流して焼き戻しを行うコンデンサ式抵抗溶接方法であって、前記単極性のパルス後熱用電流は、単一のパルス電流であって、前記パルス状溶接電流よりもピーク値が大きいことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法を提供するものである。
【０００７】
前述の課題を解決するために、第２の発明は、請求項１において、前記単極性のパルス後熱用電流は、前記溶接電流よりもピーク値が大きく、かつ前記溶接電流と同等以上の電気エネルギーをもつことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法を提供するものである。
【０００８】
前述の課題を解決するために、第３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記単極性のパルス後熱用電流は、前記パルス状溶接電流の１００％ないし１３０％の範囲内の大きさで、かつ前記パルス状溶接電流とほぼ相似の電流波形を有することを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法を提供するものである。
【０００９】
前述の課題を解決するために、第４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記単極性のパルス後熱用電流は、前記パルス状溶接電流の極性と逆の極性であることを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法を提供するものである。
【００１０】
前述の課題を解決するために、第５の発明はコンデンサの充電電圧を制御する充電回路と、前記コンデンサに蓄えた電荷をトランスの１次巻線を介して放電するためのスイッチを備えて、前記トランスの２次巻線間に接続された第１の被溶接物と第２の被溶接物との間にパルス状溶接電流を流して前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との抵抗溶接を行うコンデンサ式抵抗溶接装置において、前記充電回路が前記コンデンサを第１の設定電圧まで充電した後、前記スイッチがオンして前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に前記パルス状溶接電流を流し、次に前記スイッチがオフし、前記充電回路が前記コンデンサを第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧まで充電した後、再び前記スイッチがオンすることにより、前記パルス状溶接電流よりも大きなピーク値をもつ単一のパルス後熱用電流を流して溶接された前記第１の被溶接物と第２の被溶接物の焼き戻しを行うことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置を提供するものである。
【００１１】
前述の課題を解決するために、第６の発明は、コンデンサに蓄えた電荷を放電して被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行うコンデンサ式抵抗溶接装置において、互いに並列になるように交流電源に接続された第１の充電器と第２の充電器、該第１の充電器と第２の充電器にそれぞれ接続されて並行して充電される第１のコンデンサと第２のコンデンサ、該第１のコンデンサに充電された電荷を放電して前記被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行うための第１のスイッチ、該第１のスイッチがオフした後にオンして前記第２のコンデンサに充電された電荷を放電することにより、前記パルス状溶接電流よりも大きなピーク値を有する単一のパルス後熱用電流を前記被溶接物間に流して焼き戻しを行うための第２のスイッチを備えたことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置。
【００１２】
前述の課題を解決するために、第７の発明は、請求項６において、前記第１のコンデンサ及び第２のコンデンサは、前記第１のスイッチ、第２のスイッチを介してトランスの同一磁心に巻回された第１の１次巻線、第２の１次巻線にそれぞれ接続され、これら第１と第２の１次巻線の極性が逆であることを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置を提供するものである。
【００１４】
【発明を実施するための形態】
図面により本発明の実施例を説明する前に、この発明の基本について述べると、単一のパルス状溶接電流を流した後、その溶接電流が終了した時点から任意の時点で再度、パルス状後熱用電流を流して極く短時間で焼き戻しを行う、つまり単一パルス状電流の２回通電を行うところに特徴がある。
【００１５】
先ず、図１により本発明の一実施例について説明する。図示しない溶接電極間に炭素を２％以上含有する高炭素鋼からなる被溶接物を挟み、図示のような曲線で示される加圧力Ｐ１を加えた状態で単一のパルス状溶接電流Ｉを通電して抵抗溶接を行う。そのパルス状溶接電流Ｉは、例えば数万から数十万アンペアの電流ピーク値を有し、パルス幅は１０ミリ秒〜１００ミリ秒である。このパルス状溶接電流Ｉ及び溶接電極間加圧力Ｐは、溶接電極の応答速度の比較的速いコンデンサ式抵抗溶接で採用されているものなので、特に説明を行わないが、被溶接物間の接合を確実に行う。
【００１６】
このようなコンデンサ式抵抗溶接は極く短時間に大電流を被溶接物に流して溶接する方法なので、他の溶接方法と同様に溶接と一緒に焼き入れが行われてしまうが、交流抵抗溶接に比べて溶接部とその周りの狭い範囲が高温になるだけであり、焼き入れにより硬度が高くなる範囲は大幅に狭くなる。
【００１７】
パルス状溶接電流Ｉの通電終了後に加圧力Ｐ１を開放する。そして、パルス状溶接電流Ｉの通電後、クーリングタイムＴｃの経過後に、単一のパルス状後熱用電流ｉを流して焼き戻しを行う。このクーリングタイムＴｃは、パルス状溶接電流Ｉがほぼゼロまで低下した時点からパルス状後熱用電流ｉが流れ始めるまでの時間である。溶接部の溶融金属が溶融状態から凝固するまでに要する時間がクーリングタイムＴｃとして最低限必要であるが、パルス状後熱用電流ｉをできるだけ小さくするには、溶接部の硬化直後がその温度が十分に高いので最も有利である。
【００１８】
しかしながら、パルス状溶接電流Ｉを流すコンデンサを利用してパルス状後熱用電流ｉを通電する場合には、パルス状溶接電流Ｉを流した後、コンデンサを所定値まで充電した後にパルス状後熱用電流ｉを流さなければならないので、コンデンサを２度目の充電を行う時間が必要であり、実際上ではあまりクーリングタイムＴｃを短くできない。後述するが、溶接サイクルタイムの比較的長くても良い場合にはコンデンサを兼用でき、パルス状後熱用電流ｉを供給するための特別な回路は不要であるので、装置面からみると有利である。また、溶接サイクルタイムの短いものの場合には、後述する本発明の溶接装置を用いれば良い。
【００１９】
クーリングタイムＴｃの経過後に、図示のような加圧力Ｐ２をかけた状態で単一のパルス状後熱用電流ｉを流す。このパルス状後熱用電流ｉはパルス状溶接電流Ｉのピーク値よりも大きなピーク値を有する。前述のように、溶接部の硬化直後から時間が経過するのに伴いパルス状後熱用電流ｉのピーク値を大きくする必要があるという傾向はあるが、種々の実験の結果、パルス状後熱用電流ｉのピーク値はパルス状溶接電流Ｉのピーク値のほぼ１００％から１３０％の範囲が良いという結果が得られた。パルス状後熱用電流ｉのピーク値がパルス状溶接電流Ｉのピーク値のほぼ１００％よりも小さい場合には焼き戻しが足りず、硬度が所望値まで下がらない。
【００２０】
そして、パルス状後熱用電流ｉのピーク値を上げて行くと、硬度が低下して所望の焼き戻し効果が得られる。さらに、パルス状後熱用電流ｉのピーク値を上げて行くと、ある値で再び硬度が増加の傾向を示し、パルス状後熱用電流ｉのピーク値がパルス状溶接電流Ｉのピーク値のほぼ１３０％よりも大きくなると、硬度が炭素鋼の一般的な使用範囲の所望値よりも大きくなってしまうことが分かった。
【００２１】
このようなパルス状後熱用電流ｉの通電による溶接物の発熱は、パルス状溶接電流Ｉによる発熱に比べて小さい。これは接合部が溶接されているため接触抵抗がほぼゼロ又は非常に小さくなっており、実質的に材質の抵抗による発熱だけになるので、パルス状溶接電流Ｉよりも大きなパルス状後熱用電流ｉを流しても発熱は小さくなることが原因と考えられる。しかも、その発熱は溶接部及びその周りの狭い範囲だけで生じるので、従来のように熱のために広い範囲で変色したり、熱ひずみにより変形することがない。この点、交流電流による焼き戻しは交流電流を幾サイクルにもわたって流し、徐々に温度を上げて行くので、相当に広い範囲が高温になり、変色や変形することが知られている。
【００２２】
以上述べた実施例においては、電極間加圧力Ｐ１を一旦開放した後、パルス状後熱用電流ｉの通電前に再び電極間加圧力Ｐ２を加えたが、図２に示すように、中断することなく連続して電極間加圧力Ｐを加えた方が熱ひずみによる変形などの面からは好ましい。図２の場合にもパルス状溶接電流Ｉやパルス状後熱用電流ｉについては前述と同様であるので、説明を省略する。
【００２３】
次に、前述の溶接方法を実現するための回路例を図３により説明する。図示の回路構成は従来のものと同じである。図３（Ａ）において、１は商用交流電源、２はダイオードブリッジ型整流器とサイリスタのような制御型スイッチとの組み合わせ、又はＩＧＢＴのような制御型スイッチを含むブリッジ型整流器などからなる充電回路、３は複数の電解コンデンサを直並列に接続してなるコンデンサ、４は１次巻線Ｎと２次巻線Ｓを有する通常の溶接トランス、５は溶接トランス４の１次巻線Ｎに直列接続されたサイリスタ、ＩＧＢＴ又はトランジスタのようなスイッチ、６はスイッチ５の駆動回路、７、８はそれぞれ溶接電極、９は溶接される二つの被溶接物である。
【００２４】
次に溶接動作について説明する。先ず、充電回路２は商用電力を整流して直流電力に変換し、コンデンサ３を第１の設定電圧まで充電する。この第１の設定電圧は、例えば４００Ｖである。コンデンサ３の充電電圧が第１の設定電圧に達すると、スイッチ５が駆動回路６からの駆動信号によりオンし、コンデンサ３の充電電荷を放電してトランス４の１次巻線Ｎにパルス状電流を流す。これに伴い、パルス状溶接電流Ｉがトランス４の２次巻線Ｓから溶接電極７と８間に加圧保持された被溶接物９に流れ、抵抗溶接を行う。
【００２５】
次に、スイッチ５がオフし、充電回路２によりコンデンサ３が第２の設定電圧、例えば４２０Ｖまで充電されると、再びスイッチ５は駆動回路６からの駆動信号によりオンし、コンデンサ３の充電電荷を放電してトランス４の１次巻線Ｎにパルス状電流を流す。このパルス状電流より２次側には、パルス状溶接電流Ｉよりもピーク値の大きなパルス状後熱用電流ｉが流れ、前述のように溶接された被溶接物９の焼き戻しを行う。コンデンサ３の充電電圧の値を制御することにより、パルス状電流のピーク値を調整することができる。ここで、パルス状後熱用電流ｉはパルス状溶接電流Ｉよりも電気エネルギーが大きく、かつそれと電流波形が相似である。
【００２６】
なお、図３（Ａ）の回路は、パルス状溶接電流Ｉとパルス状後熱用電流ｉをトランス４の１次巻線Ｎに同極性で流したが、トランスの磁心が一方向に強く励磁されてしまう偏磁を緩和するために、図３（Ｂ）に示すように極性転換回路と同様なスイッチ５Ａ〜５Ｄからなるスイッチ回路を設け、スイッチ５Ａと５Ｂ、スイッチ５Ｃと５Ｄそれぞれを対でオンさせることにより、トランス４の１次巻線Ｎに交互の方向のパルス状電流を流すことができる。さらに、スイッチ５Ａと５Ｂ、スイッチ５Ｃと５Ｄが２回交代で交互にオンするシーケンスを採用することにより、トランスの偏磁を無くすことができ、また１サイクル毎にトランスの磁心の磁束をほぼゼロ、あるいは固定値まで低減するリセット回路が不要になる。
【００２７】
次に、短いクーリングタイムＴｃでパルス状後熱用電流ｉを流すことのできる溶接回路の実施例について図４により説明する。この回路では、互いに並列配置となる一対の充電回路２Ａと２Ｂ、コンデンサ３Ａと３Ｂ、スイッチ５Ｘと５Ｙ、が商用電源１とトランス４の１次巻線Ｎ１，Ｎ２との間に接続される。第１の１次巻線Ｎ１，第２の１次巻線Ｎ２は図の黒点で示すように巻き方向が逆、つまり極性が逆になるように巻回されている。
【００２８】
この回路では、充電回路２Ａ、２Ｂそれぞれがコンデンサ３Ａ、３Ｂをそれぞれの設定電圧まで充電する。コンデンサ３Ａがパルス状溶接電流Ｉを、またコンデンサ３Ｂがパルス状後熱用電流ｉを供給する役割をそれぞれ果たすものとすれば、コンデンサ３Ａが先ず第１の設定電圧に達し、スイッチ５Ｘをターンオンさせることにより、パルス状溶接電流Ｉがトランス４の２次巻線Ｓを通して被溶接物９に流れ、溶接が行われる。コンデンサ３Ａの放電中にもコンデンサ３Ｂの充電は行われ、コンデンサ３Ｂの充電電圧が第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧に達した後で、かつスイッチ５Ｘのターンオフ後の所定時点でスイッチ５Ｙがターンオンし、パルス状溶接電流Ｉよりもピーク値の大きなパルス状後熱用電流ｉがトランス４の２次巻線Ｓを通して溶接された被溶接物９に流れ、焼き戻しを行う。このとき、トランス４の１次巻線Ｎ１，Ｎ２は逆極性であるので、Ｉとパルス状後熱用電流ｉは逆の方向に流れる。この実施例による場合にも、パルス状後熱用電流ｉはパルス状溶接電流Ｉの波形とほぼ相似となる。
【００２９】
この回路によれば、並行してコンデンサ３Ａとコンデンサ３Ｂは充電されるので、クーリングタイムＴｃを短くでき、溶接サイクルタイムを小さくできる。また、１サイクル毎にトランスの磁心の磁束をほぼゼロ、あるいは固定値まで低減するリセット回路を省略、あるいは簡便化することができる。
【００３０】
なお、図３及び図４の溶接回路ではコンデンサ３をトランス４の１次巻線と並列に接続したが、直列に接続し、スイッチ５をトランス４の１次巻線と並列に接続しても良い。つまり、コンデンサ３とスイッチ５の接続位置を逆にしても良い。この場合には、コンデンサの充電電流と放電電流が逆向きにながれるので、トランスの偏磁を考慮しなくとも良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば，パルス状溶接電流Ｉの通電後に単極性のパルス状後熱用電流を流すことにより、炭素を含有する被溶接物の変色、熱歪み、溶接電極の損耗などを実質的に発生せずに、焼き戻しを行うことが可能であり、その溶接物の材質の硬度を所定値以下に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る抵抗溶接方法を説明するための図である。
【図２】本発明に係る別の抵抗溶接方法を説明するための図である。
【図３】本発明に係る抵抗溶接方法を実現するための溶接装置を示すための図である。
【図４】本発明に係る抵抗溶接方法を実現するための別の溶接装置を示すための図である。
【図５】従来の抵抗溶接方法を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｉ・・・パルス状溶接電流
ｉ・・・パルス状後熱用電流
Ｔｃ・・クーリングタイム
１・・・商用交流電源
２・・・充電回路
３・・・コンデンサ
４・・・トランス
５・・・スイッチ
６・・・スイッチ５の駆動回路
７、８・・・溶接電極
９・・・被溶接物

Claims

コンデンサに蓄えた電荷を放電して被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行った後に、単極性のパルス状後熱用電流を流して焼き戻しを行うコンデンサ式抵抗溶接方法であって、
前記単極性のパルス後熱用電流は、単一のパルス電流であって、前記パルス状溶接電流よりもピーク値が大きいことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法。
請求項１において、
前記単極性のパルス後熱用電流は、前記溶接電流と同等以上の電気エネルギーをもつことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法。
請求項１又は請求項２において、
前記単極性のパルス後熱用電流は、前記パルス状溶接電流の１００％ないし１３０％の範囲内の大きさで、かつ前記パルス状溶接電流とほぼ相似の電流波形を有することを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記単極性のパルス後熱用電流は、前記パルス状溶接電流の極性と逆の極性であることを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接方法。
コンデンサの充電電圧を制御する充電回路と、前記コンデンサに蓄えた電荷をトランスの１次巻線を介して放電するためのスイッチを備えて、前記トランスの２次巻線間に接続された第１の被溶接物と第２の被溶接物との間にパルス状溶接電流を流して前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との抵抗溶接を行うコンデンサ式抵抗溶接装置において、
前記充電回路が前記コンデンサを第１の設定電圧まで充電した後、前記スイッチがオンして前記第１の被溶接物と第２の被溶接物との間に前記パルス状溶接電流を流し、次に前記スイッチがオフし、前記充電回路が前記コンデンサを第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧まで充電した後、再び前記スイッチがオンすることにより、前記パルス状溶接電流よりも大きなピーク値をもつ単一のパルス後熱用電流を流して溶接された前記第１の被溶接物と第２の被溶接物の焼き戻しを行うことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置。
コンデンサに蓄えた電荷を放電して被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行うコンデンサ式抵抗溶接装置において、
互いに並列になるように交流電源に接続された第１の充電器と第２の充電器、該第１の充電器と第２の充電器にそれぞれ接続されて並行して充電される第１のコンデンサと第２のコンデンサ、該第１のコンデンサに充電された電荷を放電して前記被溶接物間にパルス状溶接電流として流して前記被溶接物の抵抗溶接を行うための第１のスイッチ、該第１のスイッチがオフした後にオンして前記第２のコンデンサに充電された電荷を放電することにより、前記パルス状溶接電流よりも大きなピーク値を有する単一のパルス後熱用電流を前記被溶接物間に流して焼き戻しを行うための第２のスイッチを備えたことを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置。
請求項６において、
前記第１のコンデンサ及び第２のコンデンサは、前記第１のスイッチ、第２のスイッチを介してトランスの同一磁心に巻回された第１の１次巻線、第２の１次巻線にそれぞれ接続され、これら第１と第２の１次巻線の極性が逆であることを特徴とするコンデンサ式抵抗溶接装置。