JP4780901B2 - スタッド溶接工程における溶接作業のモニタリング方法及び、その方法を実行するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１と４の前提部分に記載された特徴を用いて、スタッド溶接工程における溶接作業をモニタリングする方法と、その方法を実行するための装置に関する。

スタッド溶接工程を実行する際、溶接の品質を可能な限り高めるためには、適切な溶接パラメータの数値群を正確に測定することが必要である。
本願発明が関連するストローク（stroke）点火方法とそれに類似する方法では、溶接電流と、溶接時間と、突起の長さと、アークを発生させる際のストローク又は引き離し間隔（引き上げ距離）、特に押し込み時（突き込み時）の制動（dampening during immersion） の各パラメータは、スタッドと母材間の溶接の品質に関して決定的な要素となる。

電気的パラメータすなわち溶接電流と溶接電圧を、測定及びモニタリングすることは、かなり以前から知られており一般的に行われている。
しかし、とりわけストローク（stroke）点火方法の場合、機械的なパラメータの観測、例えば突起の長さと、引き離し間隔と、押し込み時の制動（dampening during immersion）との観測は、スタッド溶接装置または溶接ヘッドのこれらのパラメータを予め調整することによって、可能となっているだけだった。

問題点は、溶接ヘッドに挿入されている既知のスタッド溶接装置内におけるスタッドの動作はモニタリングできないことである。したがって、スタッドの動作が予め設定した数値から逸脱した場合も発見することはできない。
これは、所定の長さ、又は引き離し間隔が観測されない、又は押し込み時の制動（dampening during immersion）の設定値からのずれが検出されないことが、溶接の品質へ悪影響を与えていることを意味する。

先端点火（チップイグニッション；tip ignition）溶接方法におけるこの問題を解決するために、特許文献１は、母材の溶接位置に作られる溶融池（融液のプール）へ溶接スタッドを押し込む速さの実測値を、経験的に得られた設定値と比較することを提案している。
設定値と実測値との差が、予め設定した許容範囲から逸脱する場合、既に完成した溶接部分は、不適当な品質であることが明らかとなる。
先端点火（tip ignition）溶接方法において、スタッドを押し込む速さは、決定的なパラメータであるため、特許文献１は、溶接スタッドが母材の溶融池に押し込まれる直前の短い距離ΔSをカバー（通過）するために、溶接スタッドが必要とする時間を計測することにより、この速さを定めることを提案している。

しかし、ストローク点火（stroke ignition）方法において、接合部分の品質は、押し込む速さだけに影響されるわけではなく、押し込み時の制動（dampening during immersion）にも影響される。
これは、溶融池に押し込まれた時点からのスタッドの動きの時間変化または、スタッドの速度の時間変化が、溶接部分の品質に関して、決定的な要素であることを意味する。
その上、パラメータである、突起の長さや引き離し間隔をモニタリングすることが望ましい。なぜなら、これらは、スタッドを溶融池に押し込む作業の間、スタッドの速さとアークの動作との両方に影響を及ぼすからである。

特許文献２と特許文献３に開示されたスタッド溶接装置は、それぞれ、可動部の集合体或いはスタッド保持装置動きをできるだけ正確にかつ予め設定したコースと一致させるように制御することを目的とする。
可動部の集合体は、スタッド保持装置、チャージングヘッド、フィードシリンダ、フィードピストン等、実際の溶接動作を共同して実行する全ての可動部を含む。

特許文献２の装置において、制御磁石のアマチャの調整距離の実際の数値を求め、実際の数値と基準値とを比較し、そして、可動部の集合体が接続されている電機子の動作の調整を達成するため、制御磁石は、軌道測定装置と電気的制御部とに接続されている。

特許文献３の装置では、可動部の集合体、又は溶接ガンにおけるスタッド保持装置はリフティング磁石の力を借りて動く。リフティング磁石は制御されたブレーキとして機能するため、他に制動ユニット、又は制動装置を追加する必要はない。
しかし、これらの装置は、仮に溶接のコースが理想的な又は、予め設定したコースから外れた場合、それがどんな理由から生じたとしても溶接の品質が不十分であることを判別できない点が不都合である。

以上の理由により、特許文献４において、母材に対するスタッドの動作の時間変化を、少なくともスタッドを母材の溶融池に押し込んだ時点から、全ての段階を通して継続して測定することが提案されている。
これによって、動作を測定した得られたコース、又は動作スピードの時間変化が、それぞれ予め設定した数値から逸脱していることを検出可能となる。

この確かな方法があるにも関わらず、実際は特にアルミニウムの溶接分野において、溶接の品質に関して正確で詳細な情報が求められている。
独国特許発明第ＤＥ４１ ２４ ５１１Ｃ１号明細書 独国特許出願公開第ＤＥ３９ ２９ ６６９Ａ１号明細書 独国特許出願公開第ＤＥ４３ ０７ ３２５Ａ１号明細書 独国特許発明第ＤＥ４３ １４ ５２８Ｃ２号明細書

以上のように本発明の目的は、スタッド溶接工程において、完成した接合部分の品質の制御を改善し、そして品質の制御の感度と正確性を向上させる溶接作業のモニタリング方法を提供する点にある。
加えて、本発明の目的は、上記方法を実現する装置を提供する点にある。

本発明はこの目的を、請求項１から６に記載の特徴によって、達成する。

少なくとも、溶接される部品、又はスタッドが溶融池に押し込まれている間、可動部（例えば、溶接銃の可動部の集合体または、溶接ヘッドの溶接軸）が必要とする力（または、明らかに数学的に定まる物理量）を、アナログ式、又はデジタル式で、検出もしくは測定を行うことにより、押し込み（immersion）処理を、より詳細な方法でモニタリングすることが可能となる。
ここでは、溶融池の粘度等のパラメータも、溶接の品質に関する情報に含まれている。なぜなら、粘度が下がれば、必要な力が増えるからである。
溶接の品質を判断するため、必要となる力の変化を測定し、その変化を予め設定した変化と比較する。この方法では、軌道が少し変化した場合であっても実際の曲線は定まる。この方法では、軌道が若干変化した場合であっても、軌道を測定する場合（時間に対して軌道をプロットした曲線）と比較して、溶接作業の重要な工程に関する非常に繊細であり、より詳細、又はより正確な情報を提供する実測の曲線を定めることができる。
特に、得られた曲線と、起こりうる誤差とを比較することによって溶接の品質を判断することが可能となる。

望ましくは、必要な力は、消費電力、すなわち可動部又は可動部分の集合体（溶接軸）の電気的駆動装置の消費電力又はその入力によって定まる信号を用いて検出される。
もちろん、この信号を通じて得られる必要な力は、他のセンサ（例えば、機械的、光学的、電気的センサ）を用いて、又は相当する解析によって得ることも可能である。

好都合なことに、電気的駆動装置を備える溶接装置、特にサーボエレクトリック駆動装置を備える溶接装置には、センサを付け加える必要がない。
なぜなら、信号、すなわち装置の消費電力は既に存在していて、この信号は、相当する評価・制御部に対して必ず送信されるからである。
ここで、既に存在しているスタッド溶接装置は、簡単な方法で改良することができる。
なぜなら、電気的駆動装置の電流、電圧の両方を、もしくはいずれか一方を分岐して取り出すことは複雑なことではないし、古い測定・評価ユニットを交換すること、または改良することもできるし、新しい測定・評価ユニットを付け加えることもできるからである。

もちろん、必要な力が明確に従属する一つのシグナルまたはパラメータのみを設定し、モニタリングするだけでも十分である。
例えば、電圧が一定であると仮定すると、電気的駆動装置の消費電力を定めること、又は測定するだけで十分である。なぜなら電圧が一定の場合、必要な力は消費電力から直接定まり、消費電力は、電流の消費量或いは電流入力に依存するからである。

本発明の好適な実施例において、もし、予め設定した許容範囲を超える場合、失敗の信号が生成され、失敗が光学的或いは音響的に指示することができる。
例えば、手持工具(tool）の場合、失敗したことは、中央表示が可能な場合であっても、指示ユニットを用いて、溶接ヘッドまたは溶接ガン上で、または溶接装置内の他の任意の場所で示される。

他の実施例では、変化及び／又は予め設定した許容範囲は、溶接作業中に供給されるエネルギー、特に溶接電流と、厚さ、母材の素材、スタッドの種類（厚さ、材質、長さ、形、断面）などのパラメータとに依存する。
この種の変化は、試運転で数学的、又は経験的に定められる。
得られた情報は、特に計測・表示ユニット内のデータ保管媒体に保存されうる。
こうして、変化をデータ保存媒体から選択し、取り出すことができる。

本発明のさらなる実施例では、計測された力の時間変化のログを取る、及び／又は時間変化を保管する。
結果として、溶接の品質に関する情報は、それを参照して、個々の溶接作業又は全ての溶接作業の命令を作成できるよう、溶接作業中または溶接作業後短時間で利用可能（例えばテンポラリファイルストレージメディアを用いて）であるだけではなく、抜き取り検査方式（spot-checking-way）形式又はデータ全体のセットとして保管される。
例えば、とりわけ安全性が重要となる溶接の場合、後で、溶接のプロトコルを利用し、溶接の品質を調査し、証明することができる。

加えて、可動部分、とりわけ可動部分の集合体又は、溶接軸（例えば特許文献４に示されている）の動作を軌道測定ユニットを用いて定め、溶接の品質に関し、更なるパラメータ（押し込む深さ、引き離し間隔等）として評価し、動作の制御に用いることが考えられる。

もちろん、上述したパラメータに追加し又は代わりに、溶接の品質の査定・評価を改善するためのパラメータとして、特にスタッドを押し込んでいる間、可動部の加速度（負の方向も含む）を利用することは可能である。
負又は、正の加速度曲線は、軌道測定ユニットによって一定期間測定された軌道を微分することによって計算される。
または、動作中、特にスタッドを押し込む作業中、加速度センサを用いて簡単で早い方法で、負又は、正の加速度曲線を直接求めることもできる。

さらに、溶接作業、特にスタッドを押し込む作業中のパラメータ曲線（軌道の時間変化の曲線、溶接電流曲線、アーク電圧曲線、加速度曲線等）、そしてパラメータ（離す間隔、母材の種類、スタッドの種類等）とともに、変化を分類することも考えられる。
このような分類を用いて、溶接作業を制御するために用いられる処理制御の曲線群を定めることが可能となる。
この目的のために測定・評価装置は、付加的に、制御装置として構成されることができる。又は、評価された信号は、独立した制御装置へ送られることができる。
この制御装置は、評価されたシグナル（オープンループ制御）に従って、溶接軸または可動部の駆動装置、又は／かつロボットのアームを制御する。
そして、この制御装置は、予め設定可能な数値及び曲線（それぞれに実際に検出された数値と比較して）に従って、制御（クローズループ制御）を行う。

本発明の方法、本発明の装置の他の実施例はサブクレームから明らかとなる。

図１は、スタッド溶接装置１を示している。
スタッド溶接装置１は、溶接軸５と電気的駆動装置７とを含むスタッド溶接ヘッド３を備えている。電気的駆動装置７は、特に、例えばリニアモータのようなサーボ構造の電気的駆動装置であり、軸方向へ溶接軸を動かしている。

スタッド溶接ヘッド３全体は、図１に示したように、ロボットのアーム９に配置され、溶接ヘッドは、ストローク点火溶接処理を実行するのに適した溶接ヘッドとして一般的に知られている方法で実質的に実現されている。
溶接ヘッド３は、アーム９によって３次元のどの方向へも動かすことができる。

溶接軸５用の駆動装置７と、ロボットのアーム９用の駆動装置１１は、評価・制御部１３によって制御されている。

評価・制御部１３は、溶接電流の制御のために、溶接ヘッド３の制御を実行することができる。
本発明は、実質的に溶接ヘッド３の動作、又は溶接軸５のスタッド保持装置１５の動作と関連しているため、スタッド溶接装置に含まれる他の部品の説明は、省略されている。

図１は、母材１７を示している。スタッド保持装置１５に支えられている部品（スタッド）１９が、母材１７上に溶接される。
母材１７は、電気的に、評価・制御装置１３と接続されている。
これは、溶接作業中に溶接電流を流すと共に、スタッド保持装置１５と母材１７間の電気的接続３２、もしくは部品１９と母材１７間の電気的接続３２を監視するために必要である。

図１は、さらに、溶接される部品１９が、スタッド自動供給装置（図示せず）によって、スタッド溶接ヘッド３内の溶接軸５に供給される様子を示している。
これは、スタッド溶接ヘッド３の先端部分に位置する供給通路２１を通じて実行される。供給通路２１は、スタッド自動供給装置に、チューブ（図示せず）を用いて一般的に知られている方法で接続されている。

溶接される部品１９は、ブラストエアーを用いて供給される。溶接される部品１９は、供給通路２１を経由して、スタッド溶接ヘッド３の先端部分に送られる。
この場所で、溶接される部品１９は、すでに溶接軸５の軸上、またはスタッド保持装置１５の軸上に位置している。
次に、溶接される部品１９は、スタッド保持装置１５を通って、チャージングピン２３によって、部品１９を溶接することが可能な軸上の位置を仮定（assume）するために先端部分に運ばれる。
この目的のため、溶接される部品１９は、当然、スタッド保持装置１５の表面から、予め設定した長さｄだけ、突き出ていなくてはならない。
チャージングピン２３は、図１のみで示されている駆動装置２５によって動かされている。駆動装置２５は、通常、空気式の駆動装置が用いられる。
駆動装置２５は、チャージングピン２３を前進位置と後退位置（withdrawn position）との間で動作させることができる。前進位置では、チャージングピン２３の表面は溶接される部品１９の後端に作用可能である。後退位置(withdrawn position)では、チャージングピン２３の前方は、溶接される部品１９を供給する供給通路２１が開口する程度に、引っ込んでいる。
駆動装置２５は、評価・制御装置１３によって同様に制御されている。

以下の記述で、本発明によるスタッド溶接方法は、図１に示された装置を参照して、より詳細に説明されている。

図２には、溶接作業全体の典型的な曲線が開示されている。図には以下の情報が示されている。
曲線１：サーボ構造の電気的駆動装置７における、平滑化されていない電流の変化
曲線２：アーク電圧の変化
曲線３：サーボ構造の電気的駆動装置７における、平滑化された電流の変化
曲線４：軌道（course of path travelled）

曲線４は、ストローク点火方法でスタッドを溶接する作業において、軌道を時間に対してプロットした典型的な曲線を示している。

ここで溶接軸５は、開始位置（第１象限）から、図２の接触位置（touching point）３０（第２象限から第４象限の中心）と同じ長さだけ、母材１７の位置に向けて動かされる。
ここで、引き離し（引き戻し）間隔３２と押し込み深さ３４は、計算されて、又は設定されている。
スタッド１９の先端が母材１７から引き離されると、アーク電圧（曲線２）はゼロから増加し（予備電流をオンする）、引き離し間隔３２を調節している間に最高点に達する。
加えて、溶接軸５は、スタッド１９とともに再び母材１７に対して動かされる。そして、スタッド１９の先端は、アークによって生じた溶融池に押し込まれる。
望ましくは予め設定可能である押し込み深さ３４に達するまで、溶接軸５は動かされる。

オーバーシュート、バウンシング（bouncing）、そしてそれらと似たものといった、押し込む（immersion）作業とは関係ない詳細な部分は、ここでは議論しない。なぜなら、それらは本発明の方法にとって重要性が低いからである。
測定のミスは別にして、本発明にとって重要でない効果又は、ずれは、軌道制御（引き離し間隔、押し込み深さ）の潜在的過渡応答(potential transient response)と同様にサーボ構造の電気的駆動装置７のPWM（パルス幅変調方式）コントロールに基づく。
制御（停止）からの影響に加えて、駆動装置７の電流変化におけるオーバーシュートやアンダーシュートも、可動部集合体（基本的には溶接軸５、スタッド１９、保持装置１５）の質量の慣性によって引き起こされる。場合に応じては、重力（頭上に溶接するように、溶接の位置が水平でない場合）によっても引き起こされる。
こうして、質量の慣性の影響を受けて（電流が増加し、オーバーシュートが起こる）、その後、可動部又は溶接軸５は、さらに自動的に動き、そして、ある種の「ジェネレータ効果」（アンダーシュートに至るまで電流が減少する）を引き起こす場合がある。

図３は、図２の横軸（時間軸）方向に広がる第５、第６象限（縦軸の左右の象限）を抜粋したものである。これらは、以下に詳しく論じる。

図において曲線４付近のガイドラインとして描かれている点線（軌道を時間に対してプロットしたもの）は、スタッドの先端が、Ｔ_Ｅ１で溶融池（融液のプール）に押し込まれていることを示している。
曲線３、特に曲線１によって明らかになるように、この時点からサーボ構造の電気的駆動装置７の消費電力は増加している。
制御作業の一つの例では、予め設定可能なスピード（セット値）に到達した後は、電流を特定の強さ（最大電流量の５０％または、７０％というように）に制限することができる。そして、溶融池に押し込まれる時、停止又は減速の効果から、電流消費量は増加し、スピードの既定値（セット値）に再び到達する。

スタッドの先端が、溶融池にさらに押し込まれると、Ｔ_Ｅ２ から、電流消費量は再び上昇する。なぜなら、溶融池の粘度が低下することにより、抵抗が増えるからである。スタッドは、押し込み深さ３４に到達し駆動装置７の電流が切られるまで押し込まれる。

実際は、この曲線は、特にＴ _Ｅ１ ・Ｔ _Ｅ２ 間における最初の上昇と、押し込み後の電圧降下の部分において、溶接の品質に関する情報を示すことが観測される。なぜなら、溶融池の状態、特に粘度は、溶接の品質に関する決定的なパラメータとして曲線１に影響を与えているからである。
こうして、本発明によれば、計算または複数の試行によって、潜在的な許容誤差を有する曲線を作成することができる。例えば、母材、スタッドの種類、溶接電流、溶接位置によって定まる平均値または標準値を得ることによって曲線は作成される。また、平均値または標準値には、溶接の実際の変化が含まれている。

ここで、さらに駆動装置電流について閾値を定めることも可能である。
この閾値に達すると（場合によっては、予め数値に余裕を持たせた設定も可能である）即座に、駆動電流は切られる。
これによって、母材及び／又は溶接装置の、破損（ダメージ）や位置ずれといった位置の変更は、避けられる。

説明されている曲線群は、例を構成しているだけであり、変化は、パラメータ（例えばスタッドの種類、母材、溶接の種類など）に大きく依存していることを示している。 しかしながら、試行は、異なる条件下で、それぞれ特徴のある曲線が得られること、そして、その曲線によって溶接の品質を明確に評価することができることを示している。

本発明の更なる実施例では、「押し込みＴ_Ｅ１」の様な異なるイベント（事象）は、付加的な軌道測定装置によってではなく、曲線３または、好ましくは曲線１を計算することによって検出されてもよい。これは、引き上げ距離（lifting-off-distance）に達した後或いは継続する電流消費（引き上げ距離とドロップの間の）の後の第１の正の傾きなどの簡単なイベント、或いは、対応するカーブセグメントなどの変化と期間などにより検出される。

加えて、結果として、誤差を含んでいる予め設定した数値群または曲線群を定めることができ、かつ本発明の方法で溶接の品質を評価できるように、好ましくはデジタル制御を用いて、駆動装置７を制御する（オープンループ、クローズループ）ための計算結果を使うことも考えられる。

例えば大量の溶接が行われた場合、これによって付加的な作業で溶接の品質を調べることが可能となる。
溶接の品質は、失敗を直接表示する仕組み、又はプロトコルを利用して、欠陥があると発見される。すなわち、曲線群の許容範囲を逸脱している場合、十分な耐久性を備えていないと判断される。
特にアルミニウムの溶接分野において、製造時間とコストは、大幅に削減することが可能である。なぜなら、これまでは例えばスクリュードライバーを使って手動で、全ての溶接部分について、耐久性の検査をする必要があったからである。

さらに、溶接の品質を決定する特性と関連する、溶接作業、とくにスタッドを押し込む作業中に検出された変化を、パラメータ曲線とともに調査し、分類することが考えられる。
曲線は、例えば、時間に対して軌道をプロットした曲線と、溶接電流に関する曲線と、アーク電圧に関する曲線とがある。パラメータには、引き離し間隔と、母材の種類、スタッドの種類などがある。
そのような分類を利用し、溶接作業を制御する、処理制御のための曲線群（set curves）を定めることが可能となる。
この目的のため、測定・計算ユニットは、付加的に制御ユニットとして構成されることができる。又は、評価されたシグナルは、独立した制御部に送信される。
制御部は、溶接軸、又は可動部の集合体、及び／又は評価されたシグナルに依存するロボットのアーム（オープンループ制御）における駆動装置の制御に影響を与える。
そして、（検出された実際の数値と比較して）設定することが可能な数値群または曲線群に従う（クローズループ制御）制御にも影響を与える。

もちろん、本発明に関する方法及び装置は、実施例として示されたものに限られず、任意のスタッド溶接装置（自動的な機械、又はロボットのアームの溶接ヘッド、溶接銃等）を用い、任意のスタッド溶接方法（ストローク点火方法、先端点火方法、等）を利用することが可能である。
ここで、本発明に関するスタッドという単語は、狭い意味ではなく広い意味で解釈されるべきである。これは、部品の端、又は面が母材に対して溶接される全ての部品は、この単語に含まれていることを意味する。

本発明におけるスタッド溶接装置の概要を示す図である。 図１のスタッド溶接装置を用いた溶接作業中に発生した異なるシグナルを示す図である。 図２を部分的に拡大した図である。

Claims (6)

1. スタッド溶接工程の、溶接作業をモニタリングする方法であって、
   溶接対象部品（１９）を支持する部材（５）を動かすことによって、前記溶接対象部品を母材（１７）に形成された融液に押し込み、
   前記部材（５）で必要となる力に依存する物理量として、前記部材（５）を動かす電気的駆動装置（７）の消費電力と、消費電流と、消費電流の電圧と、の少なくともいずれか１つを、少なくとも前記溶接対象部品（１９）を前記融液に押し込む間、継続して測定し、
   測定された前記物理量の変化を時間に対してプロットし、予め定めた変化と比較する方法であって、
   前記予め定めた変化は、溶接作業中に供給される溶接電流に依存する、ことを特徴とする方法。
2. 前記予め定めた変化には、所望の質の溶接が得られる許容範囲が予め含まれており、
   前記物理量の変化が、予め設定した前記許容範囲を超えた場合、失敗信号が作成され、そして、失敗信号は好ましくは光学的、音響的に示されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記物理量の変化は、記録され及び／または記憶されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. スタッド溶接工程の、溶接作業をモニタリングするための装置（１）であって、
   溶接対象部品（１９）を受け止めるスタッド保持装置（１５）が配置されている制御可能な部材（５）を備える溶接ヘッド（３）を有し、
   前記スタッド溶接装置（１）は、前記制御可能な部材（５）で必要とされる力を検出するために、前記必要とされる力に依存する信号が供給される測定・評価ユニット（１３）を有し、
   前記溶接ヘッド（３）は、前記部材（５）用の電気的駆動装置（７）を有し、前記電気的駆動装置（７）の消費電力を、前記必要とされる力に依存する信号として使用し、
   完成した溶接の接合部分の品質を評価するため、前記測定・評価ユニット（１３）は、少なくともスタッドが融液に押し込まれる作業全体を通して、信号の時間変化を検出し、時間変化（曲線１）と予め設定された変化とを比較する装置であって、
   前記予め設定された変化は、溶接作業中に供給される溶接電流に依存する、ことを特徴とする装置。
5. 前記電気的駆動装置（７）で必要とされる力に依存する物理量は、測定ユニットを用いて測定され、予め設定することが可能な曲線と比較されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 溶接作業中に溶接電流と、前記部材の加速度と、前記部材の軌跡と、の少なくともいずれか１つを更に測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。

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