JP4262050B2 - 抵抗溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接に使用される抵抗溶接に関し、特に、抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる温度パターン追従電流制御を行う抵抗溶接制御方法の改善に関する。

複数枚重ねた被溶接材を１対の電極によって加圧・通電して溶接する抵抗スポット溶接において、溶接部の良好な品質を得るためには、ナゲット径が適正範囲内で形成されること及び溶接中に散りが発生しないことが重要である。特に、最近多く使用されている亜鉛メッキ鋼板、アルミニウムメッキ鋼板及び高張力鋼板の抵抗溶接では、ナゲット径が変動しやすくかつ散りも発生しやすいために、これらの発生を抑制する制御方法が提案されている。

ナゲット径の適正化及び散りの発生の防止のためには、抵抗溶接中の溶接部の温度変化を被溶接材の材質及び形状、電極の形状及び消耗度、被溶接材間及び被溶接材・電極間の接触状態等に応じて適正化する必要がある。すなわち、溶接開始時点から溶接終了時点までの溶接部の温度変化を、上記の種々の溶接条件に応じて予め定めた温度変化目標パターンに沿うように溶接電流を制御することによって、ナゲット径の適正な散りも発生しない良好な溶接品質を得ることができる。このような温度パターン追従電流制御では、抵抗溶接中の溶接部の温度変化を計測する必要があるが、溶接部は外部から見えないために直接その温度変化を計測することは困難である。このために、溶接部の温度変化を熱伝導計算によってリアルタイムに演算して溶接部温度推定値を求める方法が多く提案されている。

上記の熱伝導計算方法には、微分方程式及び有限要素分析法を用いる方法、溶接部のエネルギーバランスモデルに基づく平均温度推定値を計算する方法等がある。これらの熱伝導計算方法では、溶接電流値、溶接電圧値並びに電極及び被溶接材の物理的定数を入力として、溶接部温度推定値を演算する。

図５は、上述した温度パターン追従電流制御の一例を示す溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。同図は、後述する溶接開始直後に被溶接材・電極間等の接触状態に起因する初期変動がほとんど発生しなかった理想的な場合である。同図において、横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔを慣例により商用電源の１周期（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの逆数）＝１サイクル（cyc）として表わしている。また、左の縦軸は溶接部温度推定値Ｔｃ［℃］及び温度変化目標パターンＴｐ［℃］を表わし、右の縦軸は制御操作量である溶接電流Ｉｗ［Ａ］を実効値で表わしたものである。温度パターン追従電流制御では、各経過時間における溶接部温度推定値Ｔｃを演算し、温度変化目標パターンＴｐとの温度偏差ΔＴ＝Ｇain・（Ｔｐ−Ｔｃ）を算出し、この産出値に応じて溶接電流Ｉｗを増減させて、溶接部温度推定値Ｔｃを温度変化目標パターンＴｐに沿わせる。このことによって、溶接部の温度変化が適正化されて、ナゲット径の適正な散りの発生しない良好な溶接品質を得ることができる。

上記の温度変化目標パターンＴｐは、電極及び被溶接材の材質、形状等に応じて予め試験によって設定する。ただし、基準となる電極及び被溶接材の材質、形状等を定めて基準温度変化目標パターンを予め設定しておき、被溶接材の板厚が異なる場合にはこの基準温度変化目標パターンを基にして計算によって温度変化目標パターンＴｐを新たに生成することもある。（上記の従来技術としては、例えば特許文献１参照）

特許第３２２１２９６号公報

図６は、溶接開始直後の初期変動が生じたときの上述した図５に対応する溶接部温度推定値Ｔｃの温度変化図である。同図の横軸及び両縦軸は図５と同様である。溶接開始直後の初期状態においては、被溶接材の加圧状態、被溶接材の亜鉛メッキなどの表面状態等が大きく変動するために、被溶接材間及び被溶接材・電極間の接触状態が変動する。この初期変動が発生している初期時間中の溶接部温度推定値Ｔｃには接触抵抗の変動に起因するある程度の誤差が含まれることになる。さらにこの状態でフィードバック制御の操作量である溶接電流Ｉｗを増減させると、同図に示すように、ハンチング状態となる場合がある。ハンチング状態になると、溶接部温度推定値Ｔｃは温度変化目標パターンＴｐから大きく外れることになり、この結果、ナゲット径が変動し散りも発生することになる。

そこで、本発明は、上記の初期変動に起因する温度パターン追従電流制御の不安定状態を抑制することができる抵抗溶接制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる温度パターン追従電流制御を行う抵抗溶接制御方法において、
溶接開始時点から予め定めた初期時間中は予め定めた初期電流を通電し、その後は前記温度パターン追従電流制御によって溶接電流を通電し、
前記初期時間中の前記溶接部温度推定値と前記温度変化目標パターンとの温度偏差に応じて次の溶接個所における前記初期電流の値を修正する、
ことを特徴とする抵抗溶接制御方法である。

また、第２の発明は、メッキ鋼板の抵抗溶接に際し、溶接開始時点から前記初期時間に先立って予め定めたメッキ除去時間を設け、このメッキ除去時間の一部期間又は全期間中は溶接部のメッキを蒸発させて除去するための予め定めたメッキ除去電流を通電し、前記メッキ除去時間経過後に前記初期時間を開始することを特徴とする第１の発明記載の抵抗溶接制御方法である。

上記第１の発明によれば、抵抗溶接開始直後の初期変動に起因する温度パターン追従電流制御の不安定状態を抑制することができるので、電極の消耗度、被溶接材・電極間の接触状態、被溶接材の板厚等が変化しても常にナゲット径が適正な散りも発生しない良好な溶接品質を得ることができる。さらに、前回の初期時間中の温度偏差に応じて今回の初期電流値を修正することによって、上記の効果に加えて、初期時間中の温度偏差を小さくすることができるので、溶接品質がさらに安定化する。

上記第２の発明によれば、被溶接材がメッキ鋼板であるときに、メッキ除去時間中にメッキ除去電流を通電して溶接部のメッキを蒸発させて除去することによって、メッキの影響による溶接部温度推定値の演算誤差を小さくすることができる。このために、メッキ鋼板の抵抗溶接において良好な溶接品質を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１では、温度パターン追従電流制御を行う抵抗溶接制御方法において、溶接開始時点から予め定めた初期時間ｔｓ中は予め定めた初期電流Ｉｅを通電し、その後は温度パターン追従電流制御によって溶接電流Ｉｗを通電する。以下、図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態１に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値の変化図である。上述した図５と同様に、同図の横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔ［cyc］を表わし、左の縦軸は溶接部温度推定値Ｔｃ［℃］及び温度変化目標パターンＴｐ［℃］を表わし、右の縦軸は制御操作量である溶接電流Ｉｗ［Ａ］を実効値で表わしたものである。上述したように、溶接開始直後の初期変動が発生している初期時間ｔｓ中は、温度パターン追従電流制御を行わないで所定値の初期電流Ｉｅを通電し、初期変動がほぼ収束した初期時間ｔｓ経過後から温度パターン追従電流制御を開始して溶接電流Ｉｗを増減させる。これによって、初期変動が発生している初期時間ｔｓ中は溶接電流Ｉｗを増減させずに所定値の初期電流Ｉｅを通電するので、この時間中にフィードバック制御系がハンチングすることがない。そして、初期時間ｔｓ経過後は初期変動が収束して接触状態が安定状態に入るので、温度パターン追従電流制御を開始して溶接部温度推定値Ｔｃを温度変化目標パターンＴｐに沿わせる。この方法では、初期時間ｔｓ中の溶接部温度推定値Ｔｃと温度変化目標パターンＴｐとに温度偏差が生じることになるが、その後の温度パターン追従電流制御によってこの温度偏差は修正される。上記の初期電流Ｉｅの値は、温度変化目標パターンＴｐを予め設定するための試験時に同時に求めることができる。

図２は、実施の形態１を実施するための溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。

サイリスタＳＣＲは、商用交流電源ＡＣを入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従って溶接電流Ｉｗの実効値が所定値になるように位相制御する。変圧器ＴＲは、抵抗溶接に適した電圧値に降圧する。１対の電極１ａ、１ｂは、複数枚の被溶接材２を加圧し、電極を介して溶接電流Ｉｗが通電し溶接電圧Ｖｗが印加する。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接部温度推定値演算回路ＴＣは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び電圧検出信号Ｖｄを入力として、予め定めた被溶接材及び電極の物理定数を使用して熱伝導計算によって演算して溶接部温度推定信号Ｔｃを出力する。温度変化目標パターン設定回路ＴＰは、予め定めた温度変化目標パターン信号Ｔｐを出力する。温度誤差増幅回路ＥＴは、上記の温度変化目標パターン信号Ｔｐと上記の溶接部温度推定信号Ｔｃとの誤差を増幅して、温度誤差増幅信号ΔＴ＝Gain・（Ｔｐ−Ｔｃ）を出力する。

初期時間タイマ回路ＴＴＳは、外部から溶接開始信号Ｓｔが入力されると、予め定めた初期時間ｔｓ中Ｈｉｇｈレベルとなる初期時間信号Ｔtsを出力する。温度誤差積分回路ＳＤＴは、上記の初期時間信号ＴtsがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化した時点（初期時間ｔｓの経過時点）から上記の温度誤差増幅信号ΔＴを積分して電流設定修正信号ΔＩｓを出力する。初期電流設定回路ＩＥは、予め定めた初期電流設定信号Ｉｅを出力する。加算回路ＡＤは、上記の初期電流設定信号Ｉｅと上記の電流設定修正信号ΔＩｓとを加算して、電流制御設定信号Ｉsc＝Ｉｅ＋ΔＩｓ＝Ｉｅ＋ΣΔＴを出力する。したがって、この電流制御設定信号Ｉscは、初期時間ｔｓ中はＩsc＝Ｉｅとなり、その後はＩsc＝Ｉｅ＋ΔＩｓとなりフィードバック制御によって増減する。

電流実効値演算回路ＩＲＭは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力としてその実効値を演算して、電流実効値信号Ｉrmを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉscと上記の電流実効値信号Ｉrmとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。溶接時間タイマ回路ＴＴＡは、上記の溶接開始信号Ｓｔが入力されると、予め定めた溶接時間中Ｈｉｇｈレベルとなる溶接時間信号Ｔtaを出力する。駆動回路ＤＶは、上記の溶接時間信号ＴtaがＨｉｇｈレベルの間は上記の電流誤差増幅信号Ｅｉに従って上記のサイリスタＳＣＲを位相制御するための駆動信号Ｄｖを出力する。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２では、上述した実施の形態１において、初期時間ｔｓ中の溶接部温度推定値Ｔｃと温度変化目標パターンＴｐとの温度偏差ΔＴtsに応じて、次の溶接個所における初期電流Ｉｅの値を修正する。以下、図面を参照して説明する。

図３は、実施の形態２に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値の変化図である。同図の横軸及び両縦軸は、上述した図１と同様である。また、第ｎ回目の溶接個所の抵抗溶接時の溶接部温度推定値の変化図が図１であり、第ｎ＋１回目の溶接個所の抵抗溶接の溶接部温度推定値の変化図が同図である場合である。

上述した図１に示すように、第ｎ回目の溶接において、初期時間ｔｓが経過した時点における温度変化目標パターンＴｐと溶接部温度推定値Ｔｃとの温度偏差ΔＴts＝Ｔｐ−Ｔｃを記憶する。そして、同図に示すように、第ｎ＋１回目の溶接における初期電流をＩｅ(n+1)＝Ｉｅ(n)＋Gain2・ΔＴtsとして修正する。したがって、ΔＴts＞０のときはＴｐ＞Ｔｃのときであるから、Ｉｅ(n+1)＞Ｉｅ(n)となり初期電流値は増加する。逆に、ΔＴts＜０のときはＩｅ(n+1)＜Ｉｅ(n)となり減少する。この結果、同図に示すように、第ｎ回目の溶接における初期時間ｔｓ中の溶接部温度推定値Ｔｃと温度変化目標パターンＴｐとの温度偏差は、第ｎ＋１回目の溶接時には小さくなり、溶接品質がさらに安定する。

上記の第ｎ回目の初期電流Ｉｅ(n)の演算方法としては、過去複数回の温度偏差ΔＴtsを移動平均しても良い。また、温度偏差ΔＴtsを、初期時間ｔｓ中の温度偏差の平均値としても良い。さらに、第ｎ回目の溶接と第ｎ＋１回目の溶接とで被溶接材の板厚が異なる場合には、増幅率Gain2を板厚に応じて切り換えても良い。また、溶接電源装置の電源をオフにしたときは、最後の溶接の温度偏差ΔＴtsをフラッシュメモリ等に記憶しても良い。

［実施の形態３］
図４は、実施の形態３に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値の変化図である。上述した図１と同様に、同図の横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔ［cyc］を表わし、左の縦軸は溶接部温度推定値Ｔｃ［℃］及び温度変化目標パターンＴｐ［℃］を表わし、右の縦軸は制御操作量である溶接電流Ｉｗ［Ａ］を実効値で表わしたものである。実施の形態３は、被溶接材にアルミニウムメッキ、亜鉛メッキ等のメッキ鋼板を使用した場合である。

メッキ鋼板の抵抗溶接において、図１で上述したように温度パターン追従電流制御を行うと、初期時間ｔｓ中は電極が被溶接材にメッキを介して接触することになる。このために、初期時間ｔｓ中の溶接部の抵抗値の演算が不正確になるために、熱伝導計算に基づく溶接部温度推定値Ｔｃに誤差を含むことになる。そして、初期時間ｔｓ経過後はこの誤差を含んだ溶接部温度推定値Ｔｃに基づいて温度パターン追従電流制御を開始することになり、制御が不安定になる場合も生じる。通常は、メッキの影響による溶接部温度推定値Ｔｃの誤差は、初期時間ｔｓの終了時点ではそれほどは大きくはない。しかし、メッキの膜厚が厚い場合、重ねる被溶接材の枚数が多い場合等では、メッキに起因する上記の誤差は大きくなるために、初期時間ｔｓの終了時点でもまだ大きな誤差が残ることになる。このような場合には、初期時間ｔｓ経過後から開始される温度パターン追従電流制御が不安定になりやすくなる。

そこで、実施の形態３では、同図に示すように、溶接開始時点から上記の初期時間ｔｓに先立ってメッキ除去時間ｔａを設けている。このメッキ除去時間ｔａの一部期間又は全期間中は、溶接部のメッキを蒸発させて除去するためのメッキ除去電流Ｉａを通電する。メッキ除去時間ｔａ中の一部期間中にメッキ除去電流Ｉａを通電し、電流を通電しない期間を設ける理由は、メッキ除去電流Ｉａの通電によってメッキが蒸発するだけでなく被溶接材自体が溶融又は温度上昇することを抑制するためである。すなわち、このメッキ除去時間ｔａ中に被溶接材が溶融又はあまり温度上昇すると、初期時間ｔｓ以降の温度パターン追従電流制御によって形成されるナゲット径、散りの発生等に影響を及ぼして溶接品質が悪くなることがあるからである。したがって、メッキ除去時間ｔａ、メッキ除去電流Ｉａ及びメッキ除去電流通電時間は、溶接部のメッキが蒸発して除去される値であってかつ被溶接材が溶融又はあまり温度上昇しない値になるように予め試験等によって求める。通常、メッキ除去電流Ｉａの値は、初期電流Ｉｓよりも大きな値に設定する。これは、短時間でメッキを蒸発させるためである。

メッキ除去時間ｔａが経過すると溶接部のメッキはほぼ除去される。このメッキ除去時間ｔａが経過した後から、初期時間ｔｓを開始し、熱伝導計算による溶接部温度推定値Ｔｃの演算を開始する。これ以降の動作は上述した図１のときと同様である。したがって、メッキ除去時間ｔａ中は、上述したように、メッキの影響で溶接部温度推定値Ｔｃは不正確な値であるので、演算は行わない。このメッキ除去時間ｔａを設けることによって、メッキを除去することができるので、正確な温度パターン追従電流制御を行うことができ、良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。 本発明の実施の形態１を実施するための溶接電源装置のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。 本発明の実施の形態３に係る温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。 初期変動がほとんどない状態において従来技術の温度パターン追従電流制御を行ったときの溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。 従来技術の課題を説明するために、溶接開始直後の初期変動に起因して温度パターン追従電流制御の状態が不安定になったときの溶接部温度推定値Ｔｃの変化図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 電極
２ 被溶接材
ＡＤ 加算回路
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＴ 温度誤差増幅回路
Gain１、Gain2 増幅率
Ｉａ メッキ除去電流
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＥ 初期電流設定回路
Ｉｅ 初期電流（設定信号）
ＩＲＭ 電流実効値演算回路
Ｉrm 電流実効値信号
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＳＣＲ サイリスタ
ＳＤＴ 温度誤差積分回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ｔ 経過時間
ｔａ メッキ除去時間
ＴＣ 溶接部温度推定値演算回路
Ｔｃ 溶接部温度推定（値／信号）
ＴＰ 温度変化目標パターン設定回路
Ｔｐ 温度変化目標パターン（信号）
ＴＲ 変圧器
ｔｓ 初期時間
ＴＴＡ 溶接時間タイマ回路
Ｔta 溶接時間信号
ＴＴＳ 初期時間タイマ回路
Ｔts 初期時間信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＩｓ 電流設定修正信号
ΔＴ 温度誤差増幅信号
ΔＴts 温度偏差

Claims (2)

1. 抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる温度パターン追従電流制御を行う抵抗溶接制御方法において、
   溶接開始時点から予め定めた初期時間中は予め定めた初期電流を通電し、その後は前記温度パターン追従電流制御によって溶接電流を通電し、
   前記初期時間中の前記溶接部温度推定値と前記温度変化目標パターンとの温度偏差に応じて次の溶接個所における前記初期電流の値を修正する、
   ことを特徴とする抵抗溶接制御方法。
2. メッキ鋼板の抵抗溶接に際し、溶接開始時点から前記初期時間に先立って予め定めたメッキ除去時間を設け、このメッキ除去時間の一部期間又は全期間中は溶接部のメッキを蒸発させて除去するための予め定めたメッキ除去電流を通電し、前記メッキ除去時間経過後に前記初期時間を開始する、
   ことを特徴とする請求項１記載の抵抗溶接制御方法。

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