JP4560524B2 - 溶接異常検出方法、シーム溶接異常検出装置、シーム溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、シーム溶接において溶接品質を高めるためのシーム溶接異常検出方法等に関する。

従来のシーム溶接装置に用いられる電源回路を図８に示す。この電源回路８０は、ＡＣ電源が供給される電源部８２と、この電源部８２から供給される電力を制御する電力制御部８４を備える。電力制御部８４は、電源部８２から供給される電力を溶接パルスに変換して一対の溶接ローラ８６に供給する。一対の溶接ローラ８６は、所定の荷重によって電子部品パッケージ及びリッドに押し付けられる。この結果、電子部品パッケージとリッドに溶接パルス電流が流れ、両者がシーム溶接される。

この電源回路８０は、更に、溶接ローラ８６に検出される電流を計測する電流計測部８８と、この電流計測された電流をデジタル変換して、その信号を電力制御部８４に出力するフィードバック部９０を備えている。また、電力制御部８４には更に、所定の溶接条件を設定する条件設定部９２が接続されている。電力制御部８４は、条件設定部９２の指示に基づいて溶接パルスを適宜制御し、更にフィードバック部９０から送信される信号に基づいて、この溶接パルスをフィードバック制御する。このフィードバック制御は、条件設定部９２で予め設定された溶接電流と、実際に計測された実電流を比較して、その差分を無くすことを目的としている。
特許３６１９７００号公報

図９に、溶接電流の設定を一定にして、フィードバック制御を行わないでシーム溶接を行った際の溶接パルスの電流値分布（Ａ）と、正規確率分布（Ｂ）を示す。図９から明らかなように、溶接されるワーク（電子部品パッケージ及びリッド）に構造的な異常が無い場合、シーム溶接時の溶接電流のバラツキは極めて小さいことが分かる。

一方、溶接電流が分布外（異常）となる場合が稀に発生する。この電流異常は、電子部品パッケージ又はリッドに残留しているプレス時のバリや、これらをメッキした際のメッキ延びなどが要因となっている。また他にも、電子部品パッケージとリッドの隙間に進入するごみ、埃などの異物によって電流異常が発生する場合がある。

しかし、従来の電源回路８０では、電流を測定して溶接電力をフィードバック制御する構造になっているため、電子部品パッケージやリッドの部材そのものや、異物の進入によって溶接電流が変化すると、その異常電流値を利用して供給電力をフィードバック制御してしまう。この結果、その後に正常な電子部品パッケージ及びリッドが供給された際に、フィードバック制御によって不適切な電力が供給されてしまい、溶接不良が発生するという問題があった。即ち、図９で示したように、正常時は溶接電流が極めて安定しており、極稀に溶接電流に異常が生じるような作業環境では、フィードバック制御がかえって溶接品質を悪化させてしまうという問題があった。

また、従来の電源回路８０では、溶接状態自体を検出する構造になっていないため、溶接不良を生産ラインから排出することが出来ないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、溶接異常を的確に検出可能とし、生産効率を高めることが可能な溶接異常検出方法等を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明のシーム溶接の溶接異常検出方法は、シーム溶接時の電流値を溶接パルス単位で検出するパルス検出ステップと、複数の溶接パルス単位又は複数の溶接パルス群を対象に独立設定される閾値に対して、前記パルス検出ステップで検出された前記溶接パルスの電流値を比較し、前記シーム溶接の溶接異常を判定する異常判定ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、一つの溶接パルス又は複数の溶接パルスから構成される溶接パルス群を基準として、溶接異常判定用の閾値が個別に設定されているので、シーム溶接の異常を高精度に検出することが可能となっている。この結果、溶接不良の電子部品を製造ラインから自動排出することも可能になるので、後工程における電子部品の判別作業負担を軽減させることができる。

また、上記溶接異常検出方法では、シーム溶接に用いられる全ての前記溶接パルスに対して、前記異常判定ステップを実行することが好ましい。このようにすると、印加される全ての溶接パルスに対して個別に溶接異常を判定することができ、判定漏れが少なくなり、検査精度を一層高めることが可能となっている。

更に、上記溶接異常検出方法では、前記異常判定ステップにおける前記閾値として上限値及び下限値が設定されており、前記電流値が前記上限値を上回る場合又は前記下限値を下回る場合に異常判定することが好ましい。この構成によれば、溶接パルスの電流値が、想定している電流値に対してプラス側とマイナス側のいずれかに変動した場合であっても、異常を検出することが可能となる。

また更に、上記溶接異常検出方法では、前記異常判定ステップにおける前記閾値が、シーム溶接に用いられる全ての前記溶接パルス毎に独立設定されることが望ましい。このように、全ての溶接パルスの印加条件に対応させて、閾値を個別に設定すると、きわめて高精度な異常検出が可能となる。

更に、上記溶接異常検出方法の前記異常判定ステップでは、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が増大する初期判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が減少する中間判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記中間判定領域よりも急峻に前記閾値が減少する後期判定領域と、を有することが好ましい。

例えば、立方体の電子部品パッケージに対して矩形のリッドを溶接する場合、対抗する２辺をシーム溶接する第１工程と、対抗する他の２辺をシーム溶接する第２工程によって周縁の溶接が完了する。従って、リッドの角近傍は、第１工程と第２工程の双方の熱が加わるので、電流値を低く設定しておく。また、リッドの各辺の中央近傍では、溶接時の熱が次第に電子部品パッケージに蓄積されるので、その蓄積分を考慮して電流値を次第に小さくする。従って、上記構成によれば、溶接異常を検出するための閾値に関して、シーム溶接部位の両隅領域と中間領域に対応させることができる。この結果、溶接自体の高品質化に加えて、その溶接異常の判定についても高精度に行われるので、シーム溶接プロセスの信頼性を大幅に高めることが可能となっている。

上記目的を達成する本発明のシーム溶接異常検出装置は、シーム溶接時における溶接ローラに供給される溶接パルスの電流値を前記溶接パルス単位で検出するパルス検出部と、複数の前記溶接パルス単位又は複数の前記溶接パルス群を対象に閾値が独立設定される判定条件設定部と、前記閾値に対して前記パルス検出部で検出された前記溶接パルスの電流値を比較し、前記シーム溶接の溶接異常を判定する異常判定部と、を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成する本発明のシーム溶接装置は、一対の溶接ローラと、前記溶接ローラを移動自在に保持する保持機構と、交流電流を直流に変換すると共に、前記直流の電流及び電圧を安定化して出力する安定化電源部と、前記安定化電源部から供給される直流電流を溶接パルスに変換して、前記溶接ローラに供給するパルス制御部と、上記溶接異常検出装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、シーム溶接における溶接異常の検出を高精度に行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。

図１には、本発明の実施形態に係るシーム溶接装置１の全体構成が示されている。このシーム溶接装置１は、本体側保持機構１０と、この本体側保持機構１０に着脱自在に保持されるシーム溶接ローラユニット３０と、本体保持部１０を介して前記シーム溶接ローラユニット３０に溶接電流を供給する電源ユニット６０と、ワークとなる電子部品パッケージが搭載される溶接テーブル７０と、電子部品パッケージの溶接異常を検出する溶接異常検出装置８０を備える。なお、シーム溶接ローラユニット３０は、回転自在の溶接ローラ３２を有している。

本体保持機構１０は、一対のシーム溶接ローラユニット３０を上下方向に移動自在に案内する垂直スライダ１４と、左右の垂直スライダ１６の上端に設置される水平スライダ１６と、この水平スライダ１６を上下動させる基礎スライダ１８を備える。

一対の垂直スライダ１４は相互に独立しており、特に図示しないバネ等の付勢手段が搭載されている。従って垂直スライダ１４は、電子部品パッケージ等に対して溶接ローラ３２を所定加重で押し付けると共に、各溶接ローラ３２を独立して上下動させる。例えば、電子部品パッケージが変形していたり、電子部品パッケージの固定状態に誤差が生じたりする場合に、各溶接ローラ３２が個別に上下動してその誤差を吸収する。

水平スライダ１６は、左右のシーム溶接ローラユニット３０の相対距離を自在に調整する。従って、多様な幅の電子部品パッケージに対して、溶接ローラ３２の間隔を合わせることができる。

図２は、電源ユニット６０及び溶接異常検出装置８０の構成を示すブロック図である。

電源ユニット６０は、外部から供給される交流電流を安定化する安定化電源部６２と、この安定化電源部６２で安定化された直流電流を、溶接パルスに変換するパルス制御部６４を備える。安定化電源部６２は、詳細に、ダイオードの組み合わせによって交流電流を直流に整流する整流手段６２Ａと、この直流電流を所定の電圧値及び電流値に安定制御するＤＣ−ＤＣコンバータ６２Ｂを備える。この結果、安定化電源部６２から出力される直流電圧が常に安定している。

パルス制御部６４は、各溶接パルスの電圧レベル及びパルス幅を設定するパルス設定部６４Ａと、このパルス設定部６４Ａで設定された条件に従って、安定化電源部６２から供給される直流電流を溶接パルスに変換するパルス発生部６４Ｂを備える。このパルス発生部６４Ａで生成される溶接パルスは所定の導電経路Ｆを経て一対の溶接ローラ３２供給される。

溶接異常検出装置８０は、パルス検出部８２、判定条件設定部８４、異常判定部８６を備える。パルス検出部８２は、導電経路Ｆに配置される電流計測センサ８２Ａを利用して、シーム溶接時における溶接ローラ３２に供給される溶接パルスの電流値を溶接パルス単位で検出する。ここでいう「溶接パルス単位の検出」とは、１つの溶接パルスの個々の電流値を明らかにする意義である。具体的にパルス検出部８２は、電流計測センサ８２Ａの出力の絶対値を増幅する絶対値増幅部８２Ｂと、この絶対値増幅部８２Ｂの出力から各パルスのピーク値を抽出するピーク固定部８２Ｃと、このピーク固定部８２Ｃで得られた各パルスの最大電流値をデジタル値に変換して、異常判定部８６に出力するＡ／Ｄコンバータ８２Ｄと、を備える。

判定条件設定部８４は、複数の溶接パルス単位又は複数の溶接パルス群を対象として、閾値を独立して設定する。具体的に図３に示されるように、一つの溶接パルスＰに対して閾値Ｓを独立して（他の溶接パルスに依存しないで）設定できる状態となっている。この溶接パルスは複数（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・）存在していることから、結果として複数の閾値（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・）が存在し得る。また他の例として、図４に示されるように、複数の溶接パルスの集合である一つの溶接パルス群Ｇに対して閾値Ｓを独立して設定できる状態となっている。この溶接パルス群は複数（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３・・・）存在していることから、結果として複数の閾値（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・）が存在し得る。いずれにしろ、一回のシーム溶接工程において、値が互い異なる複数の閾値を設定できることになる。なお、本実施形態では、図３で示したように、溶接パルス単位Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・を対象として閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・を個別に設定する場合を示す。

図５に示されるように、閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・には、詳細に、上限値ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３・・・及び下限値ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３・・・が設定されている。特に本実施形態の判定条件設定部８４では、この閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が、シーム溶接に用いられる全ての溶接パルス単位Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・を対象に独立して設定される。更に、この閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・は、溶接パルスの印加（進展）に伴って、閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・の値が増大する初期判定領域ＨＳと、この初期判定領域ＨＳに連続し、溶接パルスの印加に伴って閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が次第に減少する中間判定領域ＨＭと、この中間判定領域ＨＭに連続し、溶接パルスの印加に伴ってこの中間判定領域ＨＭよりも急峻に閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が減少する後期判定領域ＨＥと、を有している。詳細は後述するが、このように閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・を設定しておくことで、溶接不良を低減することが可能になる。

異常判定部８６は、判定条件設定部８４で予め設定された閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・と、パルス検出部で検出された実際の溶接パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３・・・の電流値を比較して、シーム溶接の溶接異常を判定する。従って、図５に示されるように、実際の溶接パルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３・・・の電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３・・・が、閾値における上限値ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３・・・を上回る場合、または下限値ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３・・・を下回る場合は、溶接異常が生じていると判定する。ここでは、溶接パルスＰ７の実電流値Ｉ７が、閾値Ｓ７の上限値ＳＵ７を超えているので、溶接異常が生じていることになる。また、本実施形態では、判定条件設定部８４において全ての溶接パルス毎に閾値が設定されていることから、この異常判定部８６でも全ての溶接パルスについて溶接異常を判定することが可能となっている。

次に、このシーム溶接装置１の動作及びその作用について図６のフローチャート等を参照しながら説明する。

このシーム溶接装置１は、まず、溶接条件設定ステップ１００において、シーム溶接の際に印加する溶接パルスの条件設定を行う。具体的に図５で示したように、一回の溶接プロセスで印加される溶接パルスの回数、各溶接パルスの幅（印加時間条件）Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３・・・、各溶接パルスの電流値条件Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・等を設定する。この溶接パルスの条件設定は各溶接パルスで独立して設定可能となっている。なお、初期設定値には、溶接パルスの印加に伴って電流値Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・が増大する初期印加領域ＤＳと、この初期印加領域ＤＳに連続し、溶接パルスの印加に伴って電流値Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・が次第に減少する中間印加領域ＤＭと、この中間印加領域ＤＭに連続し、溶接パルスの印加に伴ってこの中間判定領域ＤＭよりも急峻に電流値Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・が減少する後期印加領域ＤＥと、を含むようになっている。

次に、判定条件設定ステップ１０２において、溶接異常を検出するための閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・の設定を行う。この閾値は、上記電流値条件Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・を基準として、所定の電流量を加算した上限値ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３・・・と、同電流値条件Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・を基準として、所定の電流量を減算した下限値ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＢ３・・・が自動的に設定されるようになっている。この結果、閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が、全ての溶接パルス毎に対応して独立して設定できるようになっており、且つ、溶接パルスの印加（進展）に伴って、閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・の値が増大する初期判定領域ＨＳと、この初期判定領域ＨＳに連続し、溶接パルスの印加に伴って閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が次第に減少する中間判定領域ＨＭと、この中間判定領域ＨＭに連続し、溶接パルスの印加に伴ってこの中間判定領域ＨＭよりも急峻に閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・が減少する後期判定領域ＨＥが自動的に設定されることになる。この閾値を変更したい場合は、個別に」調整することも可能である。

次に、溶接ステップ１０４において、実際の溶接を行う。具体的には、電子部品パッケージに対して溶接パルスを印加して、その電流による発熱によってシーム溶接を行う。

この溶接ステップ１０４の実行と同時に、パルス検出ステップ１０６を行う。パルス検出ステップ１０６では、シーム溶接時の溶接パルスの実際の電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３・・・を溶接パルス単位で検出する。

次に、異常判定ステップ１０８において、溶接パルス単位を対象に独立設定されている閾値Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対して、パルス検出ステップ１０６で検出された溶接パルスの電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を比較し、シーム溶接の溶接異常を判定する。この判定結果は、特に図示しない選別処理装置に送信され、溶接異常と判定された電子部品パッケージを製造ラインから自動的に排出するようになっている。

本実施形態のシーム溶接装置１では、溶接パルスを単位として、溶接異常判定用の閾値が個別に設定されているので、シーム溶接の異常を高精度に検出することが可能となっている。この結果、溶接不良の電子部品を製造ラインから自動排出することが可能になるので、後工程における電子部品の判別作業負担を軽減させることができる。

特に本実施形態では、電子部品パッケージに印加される全ての溶接パルスに対して、個別に溶接異常を判定するようになっているので、判定漏れが少なくなり、検査精度を一層高めることが可能となっている。

更に閾値に上限値と下限値が設定されているので、溶接パルスの電流値が、想定している電流に対してプラス側とマイナス側のいずれかに変動した場合であっても、異常を検出することが可能となる。

本シーム溶接装置１は、シーム溶接に用いられる溶接パルスの印加条件として、急激に増大する初期印加領域ＤＳ、次第に電流値が減少する中間印加領域ＤＭ、急峻に電流値が減少する後期印加領域ＤＥが設定されている。これは、図７に示されるように、立方体の電子部品パッケージＭに対して矩形のリッドＬを溶接する場合、対抗する２辺Ａ１、Ｂ１をシーム溶接する第１工程と、対抗する他の２辺Ａ２、Ｂ２をシーム溶接する第２工程によって溶接が完了する。従って、リッドＬの角Ｋの近傍は、第１工程と第２工程の双方の熱が加わるので、各工程では予め電流値を低く設定しておくことが好ましい。そこで、本実施形態では、リッドＬの角近傍に近い初期印加領域ＤＳと後期印加領域ＤＥは、電流値を小さくするようになっている。また、リッドＬの各辺の中央近傍に対応する中間領域ＤＭに関しては、溶接時の熱が次第に電子部品パッケージＭ及びリッドＬに蓄積されるので、その蓄積分を考慮して電流値を次第に小さくする。この結果、電子部品の溶接品質が高められることになる。

また、この初期、中間、後期印加領域を備える溶接条件の思想に連動して、溶接異常を検出するための閾値についても、初期判定領域ＨＳ、中間判定領域ＨＭ、後期判定領域ＨＥを備えるようになっている。この結果、溶接自体の高品質化に加えて、その溶接異常の判定についても高精度に行われるので、シーム溶接プロセスの信頼性を大幅に高めることが可能となっている。

更に、このシーム溶接装置１では、安定化電源６２を採用することで、予め電圧を安定化しておき、その電圧を用いて溶接パルスを生成するので、原則として、条件通りの溶接パルスをワークに印加することが可能となっている。この結果、電流・電圧等についてフィードバック制御を行う必要がなくなる。一方で、この安定化された溶接パルスをワークに印加したにも拘らず、その実際の電流値が条件と異なる場合は、ワーク側に異常が発生したことになる。これを溶接異常検出装置８０によって高精度に判定すれば、ほぼリアルタイムで溶接の不具合を検出することが可能になる。

なお、本実施形態では、全ての溶接パルスに対して溶接異常を検査する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、一定の間隔を空けた複数の溶接パルスについて溶接異常を検出するようにしてもよい。

更に本実施形態では、一つの溶接パルス毎に、互いに異なる閾値を設定できる場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、連続する３つの溶接パルスを、溶接パルス群として、この溶接パルス群内では共通の閾値を設定するようにし、複数の溶接パルス群同士では、異なる閾値が設定されるようにすることも好ましい。

本発明は、シーム溶接を行う各種目的に適用することが可能である。

本発明の実施形態に係るシーム溶接装置を示す全体構成図 同シーム溶接装置の電源ユニット及び溶接異常検出装置の回路構成を示すブロック図 同電源ユニット及び溶接異常検出装置における条件設定状態を示す図 同電源ユニット及び溶接異常検出装置における他の条件設定状態を示す図 同電源ユニット及び溶接異常検出装置における条件設定状態を示す図 同シーム溶接装置の溶接行程を示すフローチャート 同シーム溶接装置で溶接される電子部品パッケージ及びリッドを示す斜視図 従来のシーム溶接装置の電源回路を示すブロック図 従来のシーム溶接装置の電流特性を示すグラフ図

符号の説明

１ シーム溶接装置
６０ 電源ユニット
６２ 安定化電源部
６４ パルス制御部
８０ 溶接異常検出装置
８２ パルス検出部
８４ 判定条件設定部
８６ 異常判定部

Claims (6)

1. シーム溶接時の電流値を溶接パルス単位で検出するパルス検出ステップと、
   複数の溶接パルス単位又は複数の溶接パルス群を対象に独立設定される閾値に対して、前記パルス検出ステップで検出された前記溶接パルスの電流値を比較し、前記シーム溶接の溶接異常を判定する異常判定ステップと、を備え、
   前記異常判定ステップでは、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が増大する初期判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が減少する中間判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記中間判定領域よりも急峻に前記閾値が減少する後期判定領域と、を有することを特徴とするシーム溶接の溶接異常検出方法。
2. シーム溶接に用いられる全ての前記溶接パルスに対して、前記異常判定ステップを実行することを特徴とする請求項１記載のシーム溶接の溶接異常検出方法。
3. 前記異常判定ステップにおける前記閾値として上限値及び下限値が設定されており、前記電流値が前記上限値を上回る場合又は前記下限値を下回る場合に異常判定することを特徴とする請求項１又は２記載のシーム溶接の溶接異常検出方法。
4. 前記異常判定ステップにおける前記閾値が、シーム溶接に用いられる全ての前記溶接パルス毎に独立設定されることを特徴とする請求項１、２又は３記載のシーム溶接の溶接異常検出方法。
5. シーム溶接時における溶接ローラに供給される溶接パルスの電流値を前記溶接パルス単位で検出するパルス検出部と、
   複数の前記溶接パルス単位又は複数の前記溶接パルス群を対象に閾値が独立設定される判定条件設定部と、
   前記閾値に対して前記パルス検出部で検出された前記溶接パルスの電流値を比較し、前記シーム溶接の溶接異常を判定する異常判定部と、
   を備え、
   前記異常判定部における複数の前記閾値は、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が増大する初期判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記閾値が減少する中間判定領域と、前記溶接パルスの印加に伴って前記中間判定領域よりも急峻に前記閾値が減少する後期判定領域を有することを特徴とするシーム溶接異常検出装置。
6. 一対の溶接ローラと、
   前記溶接ローラを移動自在に保持する保持機構と、
   交流電流を直流に変換すると共に、前記直流の電流及び電圧を安定化して出力する安定化電源部と、
   前記安定化電源部から供給される直流電流を溶接パルスに変換して、前記溶接ローラに供給するパルス制御部と、
   請求項５記載の溶接異常検出装置と、
   を備えることを特徴とするシーム溶接装置。

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