JP4234053B2 - アークスタッド溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、スタッドやナット、管状部材等の溶接部材と車体や金属製パネル等の被溶接部材との間に電力を与えて溶接部材と被溶接部材との間にアークを発生させ、溶接部材と被溶接部材とを溶融し、溶接部材を被溶接部材に溶着させる、アーク放電を用いたアークスタッド溶接装置に関する。

スタッド等の溶接部材と車体等の被溶接部材との間に電力を与えて離間した溶接部材と被溶接部材との間に小電流のパイロットアークに続いて大電流のメインアークを発生させて、溶接部材を被溶接部材に溶着させるアーク放電式のスタッド溶接は、いわゆるドローンアーク式スタッド溶接としてよく知られている。特開平７−００９１４６号公報（特許文献１）には、かかるアークスタッド溶接装置の１つが開示されている。特許文献１の装置では、溶接ツールにはリニアモータが用いられ、スタッドを保持する溶接ツールの構成を簡単にして被溶接部材に位置決めし易くする工夫がなされている。なお、この特許文献１の段落番号００２５〜００２６において、リニアモータを溶接部材が被溶接部材の基準面から所定の引上げ高さ上がるように動作させて両部材間にアークを発生させ、溶融した溶接部材先端が被溶接部材の溶融部分に所定の押し込み深さだけ押し込むようにリニアモータを動作させことが記載されている。

特開平７−１３６７６６号公報（特許文献２）には、溶接スタートを確実にするため、スタッドと被溶接部材との接触を検出する回路が設けられ、溶接開始時のスタッドと被溶接部材との接触を監視している。特開平１１−０７７３１０号公報（特許文献３）には、スタッドの被溶接部材からの引上げ距離及び引上げ後のスタッドの被溶接部材への押し込み距離をプリセットでき、引上げ距離及び押し込み距離がそれらのプリセット値の許容範囲にあるかどうかを監視して、溶接の品質の合否をチェックする技術が開示されている。特開平５０００３７６号公報（特許文献４）には、スタッドを複数種類の形状の異なる被溶接部材に溶接できるスタッド溶接装置が示されている。溶接ツールのスタッドを被溶接部材の所定位置に位置決めするのに、移動量をフィードバックすることにより、補正制御する。

特開平７−００９１４６号公報 特開平７−１３６７６６号公報 特開平１１−０７７３１０号公報 特開平５−０００３７６号公報

アークスタッド溶接においては、被溶接部材の溶接部分を押圧して接触したスタッド等の溶接部材と被溶接部材とに電源から電力が与えられ、溶接部材を被溶接部材から引き上げるようにリニアモータを作動させ、その後アークを発生させて溶接部材先端及び被溶接部材の溶接部分を溶融し、十分に溶融したタイミングでリニアモータを作動させて溶接部材を被溶接部材の溶融部分に押圧して、溶接部材を被溶接部材の所定位置に溶着させる。アークスタッド溶接では、溶接作業の開始時に溶接部材を被溶接部材に圧接するが、この圧接によって、剛性がそれ程高くない被溶接部材の場合には、押圧された被溶接部材部分が凹むように撓められ、溶接部材が他の被溶接部材面より沈み込むことがある。通常、アークの発生のための引上げは、溶接部材が被溶接部材を圧接した位置から所定の高さ引上げることによって行われる。ところが、前記のように、溶接部材の圧接で被溶接部材部分が凹んでしまうと、その被溶接部材部分は圧接力がなくなると、元の高さの面まで復帰するので、凹んだ位置から所定高さ引上げれらた溶接部材の引上げ高さは、アークの発生には不足する。そのため、溶接不良となる虞れがある。更に、溶接部材の圧接による沈み込みが溶接部材の予定の引上げ高さより大きいと、溶接部材を引上げても被溶接部材の復帰によって溶接部材が被溶接部材から離れなくなり、アークを発生することさえできなくなる。特許文献１〜４は、このような、引上げ不足の問題について何ら意識していない。

また、アークによって溶融後の溶接部材を被溶接部材の所定位置に溶接するには、溶接部材を被溶接部材に押圧によって当接するが、この場合にも、剛性がそれ程高くない被溶接部材の場合には、押圧された被溶接部材部分が凹むように撓められ、溶接部材が他の被溶接部材面より沈み込むことがある。この沈み込みによって、溶接部材は所定の押し込深さまで被溶接部材に押圧されなくなり、溶接不良となる虞れがある。かかる押し込み不足についても、特許文献１〜４は意識していない。

引上げ距離と押し込距離を一定にするため、フラッシュシールドと呼ばれる筒状の包囲部材を溶接ツールのヘッドを包囲するように設けたものがある。これは、溶接ツールのヘッド回りを大きくしてしまい、溶接すべき部分に一定の大きさのフラッシュシールドが接触するスペースを必要とする。従って、フラッシュシールドが配置できるスペースがない被溶接部材の個所や配置できる形状でない場合には、溶接ができない不具合があった。

従って、本発明の目的は、フラッシュシールドを必要とすることなく、溶接部材の圧接によって被溶接部材が凹んでもアーク発生のために溶接部材を適正な所定高さに引上げるとともに、溶融後において溶接部材を被溶接部材に適正な押し込み深さまで押圧するのを確保する、アークスタッド溶接装置を提供することにある。

かかる目的を達成するため、スタッド等の溶接部材をパネル等の被溶接部材にアーク放電によって溶接する、本発明によるスタッド溶接装置は、スタッド等の溶接部材を保持するヘッドを有する溶接ツールを包含し、溶接ツールには、ヘッドに保持した溶接部材を被溶接部材へ当接させたり離したりするリニアモータと、ヘッドに保持した溶接部材と被溶接部材との相対位置を検出するための位置センサとが設けられ、溶接ツールには、ヘッドの先端に保持された溶接部材と被溶接部材とに電力を供給するための電源と、電源及びリニアモータを制御するコントローラとが接続され、コントローラは、リニアモータを未溶融の溶接部材を被溶接部材の溶接位置に第１の押圧力で当接させるように動作させて溶接部材が被溶接部材に接触するのを検出する接触検出手段を包含する。コントローラは、溶接部材が被溶接部材に接触したのを検出すると両部材に電源から電力を供給し、次に、電力の供給を維持しつつリニアモータを溶接部材が被溶接部材の基準面から所定の引上げ高さ上がるように動作させて両部材間にアークを発生させ溶接部材先端及び被溶接部材の溶接部分を溶融し、次に、溶融した溶接部材先端が被溶接部材の溶融部分に基準面から所定の押し込み深さだけ押し込むように前記リニアモータを動作させて、溶接部材を被溶接部材に当接させて溶着するように構成される。更に、コントローラは、第１の押圧力で被溶接部材に当接した溶接部材が被溶接部材部分の基準面から沈んだ沈み込み深さを、前記接触検出手段によって該溶接部材が被溶接部材に当接したことを検出したときの前記位置センサからの位置信号と前記被溶接部材の溶接部分が沈み込んだときの前記位置センサからの信号とによって測定し、溶接部材を被溶接部材から引上げるとき、リニアモータによって沈み込み深さに所定の引上げ高さを加えた長さに相当する高さだけ溶接部材を引上げ、溶融後の溶接部材を被溶接部材に当接するとき、リニアモータによって引上げ高さと沈み込み深さと押し込み深さとを加えた長さだけ溶接部材を被溶接部材に対して押し込む構成である。

上記のように、溶接部材を被溶接部材から引上げるとき、リニアモータによって沈み込み深さに所定の引上げ高さを加えた長さに相当する高さだけ溶接部材を引上げ、溶融後の溶接部材を被溶接部材に当接するとき、リニアモータによって引上げ高さと沈み込み深さと押し込み深さとを加えた長さだけ溶接部材を被溶接部材に対して押し込むので、溶接部材の圧接によって被溶接部材が凹んでも、アーク発生のために溶接部材を適正な所定高さに引上げることができ、また、溶融後において溶接部材を被溶接部材に適正な押し込み深さまで押圧するのを確保している。従って、フラッシュシールドの必要なしに、適正な引上げ距離と押し込み距離を維持でき、溶接不良の虞れを最少にする

上記アークスタッド溶接装置において、コントローラは、被溶接部材の沈み込み深さを測定するため、溶融後の溶接部材を被溶接部材に当接するときと同じ大きさの第１の押圧力で、溶接部材が被溶接部材に押し込まれるようにリニアモータを動作させる構成であるのが好ましい。これによって、押し込み深さを適正に維持できる。また、沈み込み深さの位置を溶接ツールのツール基準位置と定めるのが好ましく、これによって、コントローラにおけるヘッドの引上げ及び押圧の基準位置が定まる。更に、コントローラには、システム制御部の外に、リニアモータ制御部が含まれ、このリニアモータ制御部は、溶接ツールの内部又は溶接ツールに隣接配置される溶接部材給送装置内に設けられているのが好ましい。溶接部材を保持した溶接ツールヘッドの動作をフィードバック制御で行うのに、溶接ツールに近い位置にあり、制御回路等が容易に且つスペースも少なくて済む。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１において、本発明に係るアークスタッド溶接装置１は、溶接ツール２と、溶接ツール２とは別のハウジングに収容されたコントローラ３とから構成される。なお、コントローラ３は、溶接ツール２と同じハウジングに収容されて、アークスタッド溶接装置１が１つのユニットとして形成されていてもよい。また、別の形態としては、溶接ツール２はロボットアーム等のマニピュレータ等によって操作される構成であってもよい。アークスタッド溶接装置１は、溶接部材としてのスタッド５を車体等の被溶接部材７の所定位置に溶接する。なお、溶接部材としてのスタッド５は説明のための例示であり、スタッド５の外に、ナットやボルト、管状部材等であってもよい。

溶接ツール２には、先端に溶接部材としてのスタッド５を保持するヘッド６と、ヘッド６に保持されたスタッド５を被溶接部材７に対して接触させたり、離したりするように軸方向に移動させるリニアモータ９が設けられている。更に、溶接ツール２には、保持したスタッド５と被溶接部材７との間の距離すなわち被溶接部材７に対するスタッド５の相対位置を検出するための位置センサ１０が設けられている。位置センサ１０は、被溶接部材７に対するスタッド５の位置を検出して、その位置信号を出力するものであれば、任意のものでよい。例えば、位置センサ１０は、リニアモータ９で移動させられるスタッド５のヘッド６に固定され、且つ移動方向である軸方向に延び一定の間隔で目盛り穴が形成されたスケールと、被溶接部材７に対して不動に固定できる溶接ツール２のハウジングに固定された発光素子（ＬＥＤ）及び受光素子の対とを包含し、発光素子と受光素子の間を前記のスケールが移動することで、受光素子がスケールの目盛り穴の検出に応じてパルス信号を出力する構成で形成することができる。また、スケールへの穴を高さに応じて形状の異なるパターンに形成することによって、光学位置エンコーダとすることもできる。その場合には、位置センサからの出力は、位置に応じたコード信号を出力できる。光学位置センサを用いると、溶接電流に伴うノイズ等の悪影響を減少できる利点がある。

コントローラ３には、溶接ツール２のヘッド６に保持されたスタッド５と被溶接部材７との間にアーク放電を生じさせるための電力を供給する溶接電源部１１が設けられて、溶接ツール２のヘッド６と被溶接部材７とに接続されている。コントローラ３には、また、システム制御部１３が設けられている。システム制御部１３は、コントローラ３の主制御部となるもので、スタッド５を被溶接部材７に溶接するため、スタッド５を被溶接部材７に押圧して接触させ、スタッド５と被溶接部材７とに溶接電源部１１から電力を与え、スタッドを被溶接部材から引き上げるようにリニアモータ９を作動させてパイロットアークを発生させ、更に引上げた後、大電流のメインアークを発生させてスタッド先端及び被溶接部材の溶接部分を溶融し、溶融後リニアモータを作動させてスタッドを被溶接部材の溶融部分に押圧して溶着させるという、いわゆるドローンアーク方式の一連のアーク溶接作業を制御する。この制御のため、システム制御部１３は、マイクロプロセッサ等の演算処理装置、プログラムやデータを記憶するＲＡＭ及びＲＯＭ、ハードディスク等の記憶装置、キーボードやモニタディスプレイ等のユーザインタフェース、その他の装置を包含し、所定のプログラムによって上記の動作を行う。

コントローラ３には、システム制御部１３からの制御信号をスタッド溶接ツール２のリニアモータ９に動作制御信号を送るリニアモータ動作制御部１４が設けられる。リニアモータ動作制御部１４には、溶接ツール２の位置センサ１０からの位置信号が入力され、その位置信号を用いて、システム制御部１３から指令信号を受けるとフィードバック制御を行って、リニアモータ９の駆動を高い精度で行う。リニアモータ動作制御部１４は、図示の例では、コントローラ３のボックスに収容されているが、溶接ツール２の中に収容されていてもよく、あるいは、スタッド５をヘッド６に自動給送するスタッド給送装置（図示せず）の中に収容されていてもよい。溶接ツール２又はスタッド給送装置の中にリニアモータ動作制御部１４が収容されている場合、制御すべきリニアモータ９に近い位置にあるので、リニアモータ９の移動動作をフィードバック制御するのが便利になり、また、制御回路構成等が簡単になり且つスペースも少なくて済む利点がある。

コントローラ３には、スタッド５が被溶接部材７に接触したことを検出する、接触検出手段としての、ＳＯＷ検出回路１５が設けられ、溶接ツール２のヘッド６に接続されている。ＳＯＷ検出回路１５は、溶接の開始時に、被溶接部材７にスタッド５が当接したこと（スタッドオンワークピース(Stud On Workpiece)）を検出する回路であり、例えば、スタッド５を保持したヘッド６と被溶接部材７との間に電流が流れることを検出してスタッド５が被溶接部材７に当接したことを検出する。別の例では、スタッド５が被溶接部材７から離れているときにはスタッド５と被溶接部材７の間に溶接電源部１１からの供給電圧が現れるが、スタッド５が被溶接部材７に当接して電気的に接触するとスタッド５と被溶接部材７とには電流が流れてスタッド５被溶接部材７の間の電圧は殆ど０Ｖになるのを利用して、接触の検出を行うようにもできる。ＳＯＷ検出回路１５の信号は、システム制御部１３に送られるとともに、リニアモータ動作制御部１４にも送られる。ＳＯＷ検出回路１５の信号によって、スタッド５が被溶接部材７に接触したことを検出できるとともに、スタッド５が被溶接部材７から離間したことも検出できる。

上記構成のアークスタッド溶接装置１を用いてスタッド５を被溶接部材７の所定位置に溶接する操作について、図２（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。図２（ａ）において、溶接ツール２のヘッド６にスタッド５は保持されて、被溶接部材７の所定の位置に位置決めされる。図２（ａ）の被溶接部材７の上下方向の位置は、被溶接部材７の基準面を示す基準位置となる。スタッド５の位置決め後、コントローラ３のシステム制御部１３からリニアモータ動作制御部１４にリニアモータ駆動指令が送られる。溶接ツール２のリニアモータ９が駆動されて、図２（ｂ）に図示のように、ヘッド６が下動してスタッド５を被溶接部材７に第１の押圧力Ｆ１で押圧して、スタッド５が被溶接部材７に当接させられる。この当接は、ＳＯＷ検出回路１５によって検出される。被溶接部材７の剛性が高い場合には、押圧力Ｆ１でスタッド５が押圧しても被溶接部材７は殆ど撓まない。しかし、被溶接部材７の剛性が低い場合には、図２（ｃ）に図示のように、被溶接部材７が撓んで、溶接部分が沈み込み深さ１７をもって沈み込むことがある。なお、沈み込み深さ１７は被溶接部材７を塑性変形させるほど大きなものではない。沈み込み深さ１７まで沈み込んだ被溶接部材７の部分の上下方向の位置は、溶接ツール２のヘッド６のツール基準位置１８となる。

沈み込み深さ１７の測定方法としては、ヘッド６が下動してスタッド５を被溶接部材７に第１の押圧力Ｆ１で押圧して、ＳＯＷ検出回路１５によってスタッド５が被溶接部材７に当接した瞬間の位置センサ１０からの位置信号と被溶接部材７の溶接部分が沈み込んだ時の位置センサ１０からの位置信号とにより計算される。この沈み込み深さ１７を測定するタイミングは、溶接作業の開始時にスタッド５が被溶接部材７に圧接されたときにできる。あるいは、溶接作業を実施する前に予め各溶接位置において、上記の測定方法を実施することにより、沈み込み深さ１７を測定してシステム制御部１３に記憶しておくこともできる。また、沈み込み深さ１７を測定するため、溶融後のスタッド５を被溶接部材７に当接するときの押圧力Ｆ(p)（図２（ｅ）参照）と同じ大きさの第１の押圧力Ｆ１で、スタッド５が被溶接部材に押し込まれるようにリニアモータを動作させる。

スタッド５を被溶接部材７へ圧接してスタッド５が被溶接部材７へ電気的に確実に接触すると、溶接起動信号がコントローラ３のシステム制御部１３からリニアモータ動作制御部１４に送られ、リニアモータ動作制御部１４からリニアモータ９にスタッド５を引上げる駆動信号が送られる。リニアモータ９はヘッド６を引上げるので、スタッド５が被溶接部材７から引上げられるとともに、位置センサ１０からは位置信号がコントローラ３のシステム制御部１３に送られる。スタッド５の引上げによって被溶接部材７への押圧力Ｆ１が解除され、図２（ｄ）に図示のように、被溶接部材７の溶接部分はツール基準位置１８から元の被溶接部材基準位置の平坦な姿勢に復帰する。被溶接部材７が元の姿勢に戻るまでの間は、スタッド５は被溶接部材７に接触した状態にあるので、スタッド５と被溶接部材７とは電気的に接触した状態にある。他方、溶接起動信号を受けたシステム制御部１３は、パイロットアークを生成することができるように、溶接電源部１１から低い電力をスタッド５及び被溶接部材７に供給する。また、システム制御部１３は、リニアモータ動作制御部１４を通してリニアモータ９にツール基準位置１８から沈み込み深さ１７と引上げ高さ１９に相当する位置信号を位置センサ１０から受けるまで、スタッド引上げ動作を行わせる。その結果、スタッド５は、リニアモータ９によって被溶接部材から所定の引上げ高さ１９だけ引上げられることができる。

スタッド５の引上げの途中からパイロットアークが生成され始める。その後、システム制御部１３は、溶接電源部１１からの電力を増大してスタッド５と被溶接部材７の間にメインアークを生成させる。図２（ｄ）は、スタッド５と被溶接部材７の間にメインアーク２１が生成されている様子を示している。スタッド５と被溶接部材７の間の引上げ高さ１９は、パイロットアークの発生及びその後のメインアークは適正に形成され、スタッドの引上げ不足による溶接不良を生じることがなくなる。

メインアークを一定時間生成し続けることによって、スタッド５のフランジ形状の溶接部及び被溶接部材７の所定位置の部分が十分に溶融されると、システム制御部１３から、リニアモータ動作制御部１４を介してリニアモータ９にスタッド５を下降させる信号が出される。図２（ｅ）に図示のように、スタッド５の溶接部が被溶接部材７の溶融部分に向けて下降させられ、スタッド５を被溶接部材７に確実に押圧力ｆ(p)で当接するように突入（この突入はプランジとも呼ばれる）させて両部材の溶着を行う。この当接時の突入において、スタッド５の先端の溶接部は溶融しており、被溶接部材７の溶融部分は溶融池となっているので、確実で強力な溶接を得るため、被溶接部材が平坦であってもその基準面から所定の押し込み深さだけ押し込んでいる。本願においては、図２（ｃ）に図示のように、被溶接部材７が沈み込む場合にも適正な溶接を得ることができる。そのため、リニアモータ９によって、スタッド５を、引上げ高さ１９と沈み込み深さ１７に加えて、更に、押し込み深さ２２を加えた距離だけ被溶接部材７に対して押し込んで当接させる。このように、スタッド５を引上げ高さ１９と沈み込み深さ１７と押し込み深さ２２とを加えた距離だけ被溶接部材７に対して突入させて当接することにより、図２（ｆ）のように、適正な溶接を得ることができ、溶接が完了する。

本発明の１実施形態に係るアークスタッド溶接装置のブロック図である。 （ａ）〜（ｆ）は、アークスタッド溶接装置の溶接動作を示す図であり、（ａ）は溶接ツールのヘッドにスタッドを保持した状態を示す図、（ｂ）はスタッドを被溶接部材に接触させた状態を示す図、（ｃ）はスタッドを被溶接部材に圧接させて被溶接部材を凹ませた状態を示す図、（ｄ）は圧接したスタッドを被溶接部材から引上げてスタッドと被溶接部材の間にアークを生成した状態を示す図、（ｅ）は溶融した被溶接部材部分にスタッドを突入して圧接した状態を示す図、（ｆ）は被溶接部材に溶着したスタッドをスタッドツールヘッドから離した状態を示す図である。

符号の説明

１ アークスタッド溶接装置
２ 溶接ツール
３ コントローラ
５ スタッド
６ ヘッド
７ 被溶接部材
９ リニアモータ
１０ 位置センサ
１１ 溶接電源部
１３ シーケンス制御部
１４ リニアモータ動作制御部
１５ ＳＯＷ検出回路
１７ 沈み込み深さ
１８ ツール基準位置
１９ 引上げ高さ
２１ メインアーク
２２ 押し込み深さ

Claims (4)

1. スタッド等の溶接部材をパネル等の被溶接部材にアーク放電によって溶接するスタッド溶接装置において、
   スタッド等の溶接部材を保持するヘッドを有する溶接ツールを包含し、該溶接ツールには、前記ヘッドに保持した溶接部材を被溶接部材へ当接させたり離したりするリニアモータと、前記ヘッドに保持した溶接部材と被溶接部材との相対位置を検出するための位置センサとが設けられ、前記溶接ツールには、前記ヘッドの先端に保持された溶接部材と被溶接部材とに電力を供給するための電源と、該電源及び前記リニアモータを制御するコントローラとが接続され、前記コントローラは、前記リニアモータを未溶融の溶接部材を被溶接部材の溶接位置に第１の押圧力で当接させるように動作させて溶接部材が被溶接部材に接触するのを検出する接触検出手段を包含し、更に、該コントローラは、溶接部材が被溶接部材に接触したのを検出すると両部材に前記電源から電力を供給し、次に、該電力の供給を維持しつつ前記リニアモータを溶接部材が被溶接部材の基準面から所定の引上げ高さ上がるように動作させて両部材間にアークを発生させ溶接部材先端及び被溶接部材の溶接部分を溶融し、次に、溶融した溶接部材先端が被溶接部材の溶融部分に前記基準面から所定の押し込み深さだけ押し込むように前記リニアモータを動作させて、溶接部材を被溶接部材に当接させて溶着するように構成され、
   更に、前記コントローラは、前記第１の押圧力で被溶接部材に当接した溶接部材が被溶接部材部分の前記基準面から沈んだ沈み込み深さを、前記接触検出手段によって該溶接部材が被溶接部材に当接したことを検出したときの前記位置センサからの位置信号と前記被溶接部材の溶接部分が沈み込んだときの前記位置センサからの信号とによって測定し、前記溶接部材を被溶接部材から引上げるとき、前記リニアモータによって前記沈み込み深さに前記所定の引上げ高さを加えた長さに相当する高さだけ溶接部材を引上げ、前記溶融後の溶接部材を被溶接部材に当接するとき、前記リニアモータによって前記引上げ高さと前記沈み込み深さと前記押し込み深さとを加えた長さだけ溶接部材を被溶接部材に対して押し込む構成である、
   ことを特徴とするアークスタッド溶接装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記コントローラは、前記溶融後の溶接部材を被溶接部材に当接するとき、溶接部材が前記第１の押圧力と同じ大きさの押圧力で被溶接部材に押し込まれるように前記リニアモータを動作させる構成であることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、前記沈み込み深さの位置を溶接ツールのツール基準位置と定めることを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、前記コントローラは、システム制御部とリニアモータ制御部とを含んでおり、該リニアモータ制御部は、溶接ツール又は溶接ツールに隣接配置される溶接部材給送装置内に設けられていることを特徴とする装置。

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