JP5052586B2 - 抵抗溶接方法、抵抗溶接部材、抵抗溶接機とその制御装置、抵抗溶接機の制御方法とその制御プログラム、抵抗溶接の評価方法とその評価プログラムおよび抵抗溶接の溶融開始時の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接などの抵抗溶接に関する方法、装置、プログラム並びに抵抗溶接された部材に関する。

複数の素材を接合する場合、低コストで強度の確保が容易な溶接が用いられることが多い。特に自動車のボディまたは車体など、重ね合わせた鋼板（被溶接物を複数）を複数の点（スポット）で効率的に溶接する場合、抵抗溶接の一つであるスポット溶接が多用されている。このスポット溶接は一般的に、被溶接物の両外側を挟持した電極から、被溶接物へ大電流を短時間流し、被溶接物の内側にある接合部分（溶接部）を溶融凝固させて被溶接物を接合する溶接方法である。

ところでスポット溶接はアーク溶接などと異なり、溶接部が被溶接物の内側に位置するため、溶接箇所を直接に観察することは困難である。また、量産過程において、作業者が治具などによりスポット溶接の状況を逐一検査することも現実的ではない。
そこで、スポット溶接を行いつつ、形成されるナゲット（被溶接物の溶融凝固部）の大きさを均一化させ、溶接品質を安定化させる方法が種々提案されている。例えば、それに関連した開示が下記の特許文献１にある。

特開昭６２−６４４８３号公報

（１）特許文献１には、実際に供給する実際値エネルギーが目標値全エネルギーと一致するまで溶接電流を流して抵抗溶接を行う旨の開示がある。
しかし、実際の溶接現場では、想定とは異なる様々な状況（外乱）の下で溶接がなされる。例えば、被溶接物である２枚の鋼板を抵抗溶接する場合を考えると、溶接により接合される鋼板間に隙間が存在したり、鋼板が傾斜したり、鋼板に圧接される電極の先端部が摩耗したりし得る。このような外乱が存在すると、鋼板間の接触状況（特に接触面積）が変化する。このため、溶接部に生じるジュール熱量や放熱量も外乱により変化し、溶接に有効活用される熱量もばらつく。このため上記の特許文献１のように、外乱を考慮せず単に、通電開始から被溶接物へ投入される全エネルギー（全電力量）に着目していても、溶接品質の安定化を図ることは現実には困難であった。

（２）本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、被溶接物を現実に溶接する際に、溶接部（被溶接物の継手間）の状況や被溶接物と電極の接触状況などに乱れがある場合でも、抵抗溶接の品質安定化を図れる抵抗溶接方法およびそれにより得られる抵抗溶接部材を提供することを目的とする。また、そのようなスポット溶接方法の実施に適したスポット溶接機、その制御方法、その制御装置およびその制御プログラムを提供することを目的とする。さらにスポット溶接の評価方法およびその評価プログラムを提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、溶接現場で様々な外乱が存在する場合でも、ジュール加熱された被溶接物が溶融を開始した時以降は、その外乱の影響が殆どなく、投入エネルギー（投入電力量）に応じて抵抗溶接が進行し、その投入エネルギー（投入電力量）を調整することで所望のナゲットを形成することが可能であることを新たに見出した。この成果を発展させることにより以降に述べるような抵抗溶接に関する様々な発明を完成させるに至った。

《抵抗溶接方法》
（１）本発明の抵抗溶接方法は、圧接された電極から投入される電力により被溶接物の溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出工程と、前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出工程と、前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定工程と、前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも前記第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱工程とを備え、前記溶接部が溶融凝固したナゲットの形成を安定化させ得ることを特徴とする。

（２）本発明によれば、被溶接物の抵抗溶接を開始した後、つまりは被溶接物のジュール加熱のために電極へ通電した後、先ず、被溶接物の溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時（溶融開始時）を検出する。この溶融開始時を起点として、被溶接物へ投入したエネルギー（投入電力量）を算出する。
この溶融開始時以降の投入電力量である第１電力量に着目すれば、理由やメカニズムは必ずしも定かではないが、様々な外乱の存在する状況下でも、被溶接物の溶接部に形成されるナゲットの大きさを適切に制御できる。具体的には、溶融開始時以降の投入電力量を積算して得られた第１電力量またはその第１電力量をナゲットの大きさ（ナゲット径）などに換算した溶接指標値が、所定の設定値（第１設定値）に少なくとも到達するまでジュール加熱を行うことで、様々な外乱の存在する溶接現場でも、溶接品質の安定化を図れる。

なお、本明細書で「少なくとも設定値に到達する」という場合、対象値が特定の範囲に収まる場合も含む。そしてその設定値は上限値（最終目標値）でも最低限の到達値（下限値）でもよい。本発明の場合でいえば、算出された第１電力量またはその溶接指標値が、第１設定値に到達した時点で加熱工程が止められてもよいし、第１設定値を超えてある範囲内で加熱工程が継続されてもよい。
また「溶接指標値」は、抵抗溶接の状況が的確に指標されるものであればよく、代表例としてナゲット径がある。
さらに本明細書でいう「電力量」はその算出方法を問わない。本明細書でいう各電力量は、具体的な数値自体が重要なわけではなく、被溶接物の溶融開始時や形成されるナゲット径の大きさなどと相関する明確な指標となるものであれば足る。

（３）本発明の抵抗溶接方法では、溶融開始時から算出した第１電力量に基づいて被溶接物の溶接品質の安定化を図るため、溶融開始時の検出または特定（推定）も重要となる。
そもそも溶融開始時は、被溶接物の溶接部が固相から液相へ変化する時であるから、溶融部の温度や体積変化など、被溶接物の物性値変化に着目して溶融開始時を検出することが考えられる。
もっとも、本発明者は、被溶接物と電極の近傍で種々の外乱が存在する場合でも、その外乱の種類に拘わらず、溶融開始時を高精度に、かつ簡易に検出できる方法を新たに見出した。すなわち、本発明者は、前記溶接部のジュール加熱のために前記電極への通電が開始された時である通電開始時からの経過時間に応じて、被溶接物へ投入された電力の積算値である第２電力量を算出する第２電力量算出工程と、前記通電開始時からの経過時間に対応して予め定められ前記溶接部の少なくとも一部が現実に溶融を開始するまでに投入された電力量である溶融開始電力量または該溶融開始電力量に基づき設定された第２設定値に、前記第２電力量が少なくとも到達した時を前記溶融開始時と判定する第２判定工程とにより、溶融開始時の検出（つまり前述した溶融開始時検出工程の構成）が可能であることを見出した。この理由は次の通りである。

溶接する被溶接物の配置状況や被溶接物と電極の接触状況などが、想定した本来の状態（標準状態）からずれる「外乱」が存在すると、実際に溶融開始時がばらつく。このことは、電極への通電開始から積算した投入電力量と形成されたナゲット径を調べた試験結果からも裏付けられている（図２参照）。このため一見すると、不特定な外乱が存在する状況下では、溶融開始時を高精度に検出することが困難なように思われる。
しかし、種々の外乱の下で被溶接物の溶融開始時を調べたところ、溶融開始時に至るまでの通電時間と溶融開始時に至るまでに投入された電力量（溶融開始電力量）との間には相関関係があることが明らかとなった。つまり、被溶接物の溶融開始に必要な累積した電力量（溶融開始電力量）は、通電開始後の経過時間（初期通電時間）の関数で表現されることが明らかとなった。
より具体的には、通電後の短時間で被溶接物が溶融を開始する場合は投入電力量が少なく、通電後の長時間で被溶接物が溶融を開始する場合は投入電力量が多くなる。つまり、溶融開始電力量は初期通電時間に関して単調増加な関係にあることがわかった。
従って、外乱の種類を特定されなくても、通電開始後の経過時間（初期通電時間）に応じて算出される電力量（第２電力量）が、同じく通電開始後の経過時間（初期通電時間）に応じて定まる溶融開始電力量に少なくとも到達したときを検出すれば、その時に被溶接物の溶融が開始され、その時が溶融開始時と判断することができる。

ちなみに、初期通電時間と溶融開始電力量が上述のような関係になるのは、簡単にいえば次のようである。外乱が存在すると、溶接部の接触抵抗や電流密度が変化し、それに応じて溶接部における単位時間の発熱量（発熱速度）も変化する。このため例えば、接触抵抗や電流密度が大きく溶接部の発熱速度も大きい場合、溶接部の昇温・溶融が短時間になされる。逆に接触抵抗や電流密度が小さく発熱速度も小さい場合、溶接部の昇温、溶融に長時間を要することになる。

（４）本発明では、抵抗溶接を行うために被溶接物に接する電極へ通電する際の電流値や電圧値は、必ずしも一定である必要はない。第１電力量が、所望のナゲット径などに対応して設定した第１設定値へ到達する途中、さらには溶接スポット毎に、被溶接物へ印加する電流値や電圧値を適宜変更してもよい。そこで、本発明に係る加熱工程は、前記第１判定工程の判定結果に基づいて被溶接物の加熱条件を変更する加熱変更工程を含むものでもよい。
同様のことは、被溶接物の溶融開始時の検出に関してもいえる。溶融開始時の検出は、被溶接物が溶融を開始するまでの通電時間と、その通電時間に対応して算出される第２電力量と、通電時間に対応して求まる溶融開始電力量との対比が重要である。従って、第２電力量を算出する途中、さらには溶接スポット毎に、被溶接物へ印加する電流値や電圧値は適宜変更されてもよい。

なお、ここで説明した内容は、以降で説明する抵抗溶接機やその制御装置、抵抗溶接機の制御方法やその制御プログラムおよび抵抗溶接の評価方法や評価プログラムなどに関しても適宜適用される。その場合、前述した発明構成中の「工程」を「ステップ」や「部」として適宜読み替えればよい。

《抵抗溶接部材》
上記の抵抗溶接方法を用いると、溶接不良の抑止や溶接品質の安定化が図られた製品を得ることができる。従って本発明は、単に抵抗溶接方法としてのみならず、従来になく各ナゲット形状などの安定した抵抗溶接部材としても把握され得る。

《抵抗溶接機およびその制御装置》
また本発明は、上記の抵抗溶接方法を実現する抵抗溶接機およびその制御装置としても把握できる。
（１）すなわち本発明は、被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御装置であって、
前記電極から前記被溶接物へ投入される電力により前記溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出部と、前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出部と、前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定部と、前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも該第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱部と、を有することを特徴とする抵抗溶接機の制御装置でもよい。

（２）また本発明は、被溶接物に圧接される電極と、該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置と、前記電源装置から前記被溶接物へ投入される電力量を制御する上述の制御装置と、を備えることを特徴とする抵抗溶接機でもよい。

《抵抗溶接機の制御方法およびその制御プログラム》
さらに本発明は、上記の抵抗溶接機の制御方法またはその制御プログラムとしても把握できる。
（１）すなわち本発明は、被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御方法であって、
前記電極から前記被溶接物へ投入される電力により前記溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出ステップと、前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出ステップと、前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定ステップと、前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも該第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱ステップと、を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御方法でもよい。

（２）そして本発明は、その抵抗溶接機の制御方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接機の制御プログラムでもよい。

《抵抗溶接の評価方法》
加えて本発明は、抵抗溶接の評価方法およびその評価プログラムとしても把握できる。
（１）すなわち本発明は、圧接された電極から投入される電力により被溶接物の溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出ステップと、前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出ステップと、前記第１電力量に基づき前記溶接部の溶接状況を推定する推定ステップと、を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価方法でもよい。

（２）また本発明は、上記の抵抗溶接の評価方法とは別に、圧接された電極から投入される電力により被溶接物の溶接部をジュール加熱するために前記電極への通電が開始された時である通電開始時からの経過時間に応じて該被溶接物へ投入された電力の積算値である第２電力量を算出する第２電力量算出ステップと、前記通電開始時からの経過時間に対応して予め定められ前記溶接部の少なくとも一部が現実に溶融を開始するまでに投入された電力量である溶融開始電力量または該溶融開始電力量に基づき設定された第２設定値に、前記第２電力量が少なくとも到達した時を前記溶融開始時と判定する第２判定ステップとを備え、抵抗溶接される被溶接物の少なくとも一部が溶融を開始する溶融開始時を検出し得ることを特徴とする抵抗溶接の溶融開始時の検出方法でもよい。もっとも、前者の抵抗溶接の評価方法の「溶融開始時検出ステップ」へ後者の抵抗溶接の溶融開始時の検出方法を組み入れてもよい。

（３）さらに本発明は、それらの抵抗溶接の評価方法をコンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接の評価プログラムでもよい。

（４）なお、前記推定ステップは、前記算出された第１電力量または該第１電力量から求まる該溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が所定範囲内か否かにより前記溶接状況の良否を評価する評価ステップでもよい。そしてその推定ステップは、前記第１電力量に基づいて前記溶接部が溶融凝固して形成されたナゲットの大きさを推定するナゲット推定ステップであるとより好適である。

抵抗溶接の際に生じ得る種々の外乱を説明する説明図である。 種々の外乱の存在下における被溶接物への通電開始時からの投入電力量と形成されるナゲット径との相関を示すグラフである。 種々の外乱の存在下における被溶接物への通電時間と投入電力量との相関を示すグラフである。 被溶接物の溶融開始時以降における被溶接物への投入電力量と形成されるナゲット径との相関を示すグラフである。 スポット溶接機の概要図である。 被溶接物の溶接部付近の概要図である。 本発明の実施例に係るスポット溶接方法のフローチャートである。

１１ 電極
２０ 溶接ロボット
３０ 制御装置
４０ 電源装置
１００ スポット溶接機
Ｗ ワーク（被溶接物）
Ｒ１ 第１電気抵抗値
Ｒ２ 第２電気抵抗値
Ｘ 電力量

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。以下では主に本発明の抵抗溶接方法を取り上げて説明するが、その内容は抵抗溶接方法のみならず、抵抗溶接部材、抵抗溶接機、抵抗溶接機の制御装置、抵抗溶接機の制御方法、抵抗溶接機の制御プログラム、抵抗溶接の評価方法および抵抗溶接の評価プログラムのいずれにも適宜適用される。そして以降に列挙する構成中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成が上述した構成に付加されたものも本発明となり得る。付加する構成の選択は、カテゴリーを越えて重畳的または任意的に選択可能である。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《抵抗溶接と外乱》
本発明を理解する際に重要な前提となる抵抗溶接および外乱について、先ず説明しておく。
（１）抵抗溶接は、被溶接物に圧接された電極へ通電した際に、その溶接部に存在する種々の抵抗により生じる抵抗発熱量（ジュール発熱量）から、その一部が被溶接物自体や電極などへ放熱する放熱量を差し引いた熱量差によって、被溶接物の溶接部が温度上昇し、溶融した後に、冷却されて凝固することによりなされる接合である。
一例として、複数枚からなる一組の金属製板材を抵抗溶接する場合を考える。被溶接物である一組の板材は、先ず、電極などで加圧されて密接状態にされる。そして電極へ通電がなされ、隣接する板材の接触面間（継手間）に大きなジュール発熱が生じて、その接触面近傍が優先的に溶融する。そして通電終了後の冷却により、その溶融部分が凝固してナゲットが形成され、その抵抗溶接が終了する。

ところで、この抵抗溶接の際に、接合する２以上の被溶接物の接触面近傍で溶融が優先的に生じるのは、その領域の接触抵抗が他の部分の抵抗よりも大きいためである。しかし、その接触抵抗は被溶接物間の接触状況に大きく左右され、しかも、実際の溶接現場では当初想定した接触状態（標準状態）からのズレ（外乱）を生じることが多い。このため、通電する電流値や時間などの条件を同じにしても、形成される溶接部の形態が変化し得る。
もちろん、外乱が存在する場合でも、放熱量などを正確に算出して、接触部分へ溶接に必要十分な熱量を臨機に投入できれば安定した溶接を行い得るが、そのような通電加熱は現実には困難である。このため従来の抵抗溶接では、溶接部の形態にバラツキを生じたり、電力量が過剰に投入されたりして、安定した溶接を効率的に行うことは困難であった。

（２）しかし前述したように、外乱による影響は被溶接物の接触部分が溶融を開始する時までに留まり、理由は定かではないが、溶融開始時以降における外乱の影響は小さいか、殆どない。
従って本発明のように、被溶接物の溶融開始時以降に着目すれば、所望する溶接状況（例えばナゲットの大きさ）に応じて被溶接物へ投入する電力量を最適化することが可能となり、溶接品質の安定化を効率的に図れるようになる。
しかし、その前提となる被溶接物の溶融開始時や溶融開始時までに投入される電力量は、外乱の種類によって異なり、単に通電開始時からの被溶接物への投入電力量のみでは、被溶接物の溶融開始時を精度良く判定または特定することが難しい。

例えば図１に示すパターンIIIの外乱が存在する場合と、パターンIVの外乱が存在する場合とを比較すると、前者の方が接触部分の接触面積が小さくその接触抵抗が大きくなる。両者で電極を流れる全体の電流値が同じでも、前者の場合、接触部分における抵抗が大きく、その接触部分を流れる電流密度も大きいので、接触部分が急激に発熱して（つまり発熱速度が大きくなって）、その接触部分の温度が急上昇する。さらにこの温度上昇により、温度依存性をもつ固有抵抗値も急上昇する。その結果、前者の方が後者よりも、相当短時間で溶融を開始するに至り、無駄な放熱が少なく、溶融開始までの投入電力量も少なくなる。

《電力量算出工程》
本発明の電力量算出工程は、被溶接物に圧接された電極を流れる電流などに基づいて算出される。電力量は電流と電圧と時間の積分値として求まるが、その変形式から求めてもよい。電極への通電は直流でも交流でもよく、交流の場合なら実効値に基づいて電力量が算出されてもよい。

《判定工程》
本発明の判定工程は、電力量算出工程で算出された電力量またはその電力量に対応する指標値と、設定値との対比によりなされる。比較対象が電力量であるか指標値であるかに応じて、適切な設定値が選択される。代表的な指標値は、被溶接物の溶接部が溶融凝固して形成されたナゲットの大きさ（ナゲット径）である。
もっとも、被溶接物の溶融開始前にはナゲットが形成されないので、通電時間に応じて随時算出される投入電力量と、その通電時間に応じて定まる溶融開始電力量またはそれに基づく設定値とを端的に対比する方が好ましい。

《被溶接物》
被溶接物の形状、材質などは問わない。代表的な被溶接物は積層した鋼板である。例えば、厚さ０．５〜３ｍｍ程度、含有炭素量（Ｃ）が０．０５〜０．２質量％の軟鋼板が抵抗溶接に用いられる。その他、高強度鋼（ハイテン）、亜鉛メッキ鋼、ステンレス鋼、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ合金、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金などの素材を被溶接物にしてもよい。さらには被溶接物は異種材の組み合わせでもよい。
被溶接物の材質により、所望形態の溶接部を得るために必要な電力量などは変化する。従って、抵抗溶接中に算出された電力量と対比される設定値、溶融開始電力量などは、被溶接物の材質や形態、被溶接物の積層状態、電極による加圧力などによって異なる。

《電極》
電極の形状、材質などは問わない。電極は通常、円柱状または円筒状の銅製である。円筒状の電極の場合、その内部に冷却水が供給されて電極が強制冷却されていると、電極の損耗が抑制されて好ましい。
被溶接物に外接する電極の端面は、円形または緩やかな円錐形であることが多い。抵抗溶接が良好ならば、溶接部に形成されるナゲット形状も電極端面の形状に倣い、ほぼ円形になることが多い。この場合、ナゲットの大きさはその直径（ナゲット径）で示される。本明細書では、便宜的にナゲットの大きさをナゲット径ともいう。

《電源装置》
電源装置は、交流電源でも直流電源でもよい。交流電源には単相電源または三相電源などがある。また電源装置は、定電流電源でも定電圧電源でもよい。定電流電源であると、被溶接物が加熱されて高温になるほど発生するジュール熱量も多くなり、被溶接物が溶融凝固したナゲットが確実に形成されるので好ましい。なお、電極から被溶接物に供給する好ましい電流値などは、被溶接物の材質、所望するナゲット径、通電時間等によって異なる。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《投入電力量とナゲットの形成》
本発明者は、重ねた２枚の鋼板からなるワーク（被溶接物）のカットモデルに様々な外乱の下で抵抗溶接（スポット溶接）を行い、その様子を高速度カメラで撮影した。これによりスポット溶接にできるナゲットの形成過程を観察した。
（１）具体的には、図１に示すような代表的な５つのパターンＩ〜Vを設定してスポット溶接を行った。
図１に示したパターンＩの「外乱無し」は、重ねた２枚の鋼板が電極により押圧されて密接しており、電極の中心軸がワークの溶接部を通る法線となっている場合である。パターンIIの「面直崩れ」は、パターン１の標準状態に対してワークを水平方向から３°傾斜させた場合である。パターンIIIの「板隙」は、溶接部の周囲に隙間を形成させた場合である。具体的には重ねた鋼板の溶接中心から両側１５ｍｍ（φ３０ｍｍ）の位置に、厚さ１ｍｍのスペーサーを介在させた。パターンIVの「電極摩耗」は、電極の先端面（ワークとの接触面）の円形をｄｅ＝φ６ｍｍからｄｅ＝φ７ｍｍに拡張した場合である。ちなみにその電極の先端面は、曲率半径４０ｍｍの湾曲面により電極の周側面と接続されている。パターンVの「分流」は、電極から供給された電流が、現在の溶接スポット以外に前工程で溶接を終えた別のスポット（既溶接点）にも流れる場合である

（２）ワークおよび電極を上述の各パターンに設定してスポット溶接した。この際、ワークへ投入した電力の積算値である投入電力量Ｑを算出した。また、投入電力量Ｑに応じてワークに形成されたナゲット径Ｄも測定した。これらの投入電力量Ｑとナゲット径Ｄの相関を図２に示した。
なお、スポット溶接に供したワークは、厚さ２ｍｍの冷延軟鋼板（ＪＩＳ：ＳＰＣ２７０）を２枚重ねたものである。用いた電極は円筒状であり、内部を水冷しつつスポット溶接した。電極の先端部の形状は前述した通りである。また電極はワークの両外側へ圧接しつつスポット溶接を行った。電極によるワークの加圧力は３４３０Ｎとした。電源には６０サイクルの単相交流を用いた。このときの実効電流値は１１ｋＡとした。この加熱用電流の通電時間は、サイクルタイムＣｔ（１／６０秒）単位で制御した。

（３）ここで算出した投入電力量Ｑは、電極へ印加した電流ｘ電極間（ワーク両端間）の電圧ｘ時間の積分値である。従って投入電力量Ｑは、時間の関数でもある。そこで前述の各パターンについて求めた、通電開始からの経過時間（通電時間）と投入電力量Ｑとの関係を図３に示した。なお図３では、通電サイクル数（１サイクルタイムＣｔ：１／６０秒）により通電時間を示した。
さらに、前述した各パターンのワークが溶融を開始した点（溶融開始点）を図２を参考に見積もり、図３上に重ねて示した。この溶融開始点は、カットモデルの断面上で溶融による流動が確認できたタイミングにより特定した。

各パターン毎に得られた５つの溶融開始点を結ぶことにより溶融開始曲線が得られる（図３の太実線分）。逆にいえば、実際にスポット溶接したときの通電時間と投入電力量との関係を示す曲線（通電時間−投入電力量曲線）とその溶融開始曲線との交点が溶融開始点となる。従って、外乱の有無や外乱パターンの特定をせずに、スポット溶接を実際行ったときに描かれる通電時間−投入電力量曲線と溶融開始曲線との交点として溶融開始点が与えられ、そのときの通電時間が溶融開始時となり、そのときの投入電力量が溶融開始電力量となる。
より現実的には、外乱パターンを気にすることなく、通電時間（通電サイクル数）毎に、算出された投入電力量と、その通電時間に対応して記憶されている溶融開始電力量とを対比する。そして、投入電力量が溶融開始電力量に到達したかまたは溶融開始電力量を超えた時が溶融開始時と判断される。

（４）各ワークをスポット溶接した際の投入電力量Ｑ（通電開始時より算出した電力量）から溶融開始電力量Ｑｍを引いた第１電力量Ｑ１（＝Ｑ−Ｑｍ）と、ナゲット径Ｄとの関係を図４に示した。要するに図４は、図２に示したそれぞれの曲線を溶融開始電力量Ｑｍの相当分だけ平行移動させたものである。
この図４から明らかなように、溶融開始後の第１電力量Ｑ１と形成されるナゲット径Ｄとの関係は、外乱パターンに拘わらずほぼ一致することがわかる。つまり、ワークの溶融開始後に着目すれば、形成されるナゲット径Ｄは、外乱の影響を殆ど受けることなく第１電力量Ｑ１によってほぼ決定される。

《スポット溶接機》
（１）本発明の抵抗溶接機に係る一実施例であるスポット溶接機１００を図５に示す。スポット溶接機１００は、多関節型の溶接ロボット２０と、この溶接ロボット２０を制御する制御装置３０と、電源装置４０とを備える。

溶接ロボット２０は、６軸垂直多関節型ロボットであり、鉛直方向の第１軸回りで回転可能に床に固定されているベース２１と、このベース２１に続く上腕２２と、上腕２２に続く前腕２３と、この前腕２３の前端部に回転自在に連結されている手首要素２４と、この手首要素２４の端部に装着されたスポット溶接ガン１０とを有する。上腕２２は、水平方向の第２軸回りで回転可能にベース２１に連結されている。前腕２３は、水平方向の第３軸回りで回転可能に上腕２２の上端部に連結されている。手首要素２４は、前腕２３の軸線に平行な第４軸回りで回転可能に前腕２３の先端部に連結されている。スポット溶接ガン１０は、手首要素２４の先端部に、前腕２３の軸線に垂直な第５軸回りに回転可能な別の手首要素（図略）を介し、その第５軸に垂直な第６軸回りで回転可能に装着されている。

スポット溶接ガン１０は、逆Ｌの字状のガンアーム１２と、サーボモータ１３とからなる。ガンアーム１２には一対の電極１１（可動電極１１ａおよび対向電極１１ｂ）が配設される。

可動電極１１ａは、サーボモータ１３により、被溶接物であるワークＷに対して接離自在に駆動され、ワークＷの板厚方向の同軸上に配置された対向電極１１ｂと協調して、ワークＷを所望の圧力で挟持する。
また可動電極１１ａおよび対向電極１１ｂは有底円筒状の銅合金製であり、それらの内部は循環する冷却水により強制冷却されている。

制御装置３０は、ロボット駆動回路（図略）を備え、溶接ロボット２０およびスポット溶接ガン１０の駆動を制御する。また制御装置３０は、電力回路（図略）を備え、電極１１を介してワークＷへ供給する電力（電圧または電流の少なくとも一方）を制御する。これらの回路により、ワークＷに加える電流値、通電時間、通電タイミング、ワークＷの電極１１による挟持力（加圧力）などが制御される。その制御に必要な条件は、操作盤３１から入力される。

電源装置４０は、単相電源または三相電源を昇圧して、大きな定電流を安定して供給できる交流定電流装置である。電源装置４０は、制御装置３０により制御される。

（２）スポット溶接機１００は次のように操作され、作動する。
スポット溶接したいワークＷを保持台（図略）に設置する。ワークＷの溶接スポット、ワークＷの物性値、電極１１によるワークＷの挟持力、電極１１へ供給する電流値、通電時間、所望のナゲット径に対応した目標値（第１設定値）などの溶接条件を制御装置３０へ入力設定する。

その後にスポット溶接機１００を稼働させると、制御装置３０により制御された溶接ロボット２０がスポット溶接ガン１０をそれぞれの溶接スポットへ順次移動させる。そしてスポット溶接ガン１０に備えられた電極１１は、制御装置３０により制御されたサーボモータ１３により駆動され、設定圧力でワークＷを挟持する。この状態で電源装置４０からワークＷへ所定の定電流が供給される。この作業が設定した複数のスポットで繰り返されることにより、スポット溶接されたワークＷ（溶接部材）が完成する。

（３）スポット溶接された溶接スポットの模式図を図６に示した。スポット溶接が良好であれば、軟鋼板からなるワークＷ（ワークＷａおよびワークＷｂ）が接する内部で、ワークＷが溶融凝固したナゲットＮが得られる。なお、電極１１によって加圧されつつ加熱される部分が溶接部Ｙであり、通常、ナゲットＮは溶接部Ｙに内包され、そのナゲットＮの最大径をナゲット径としている。

《スポット溶接機の制御装置および制御方法》
（１）本発明に係る実施例である制御装置３０は、さらに、溶接スポットの溶接状況を監視する監視回路（図略）を備える。
この監視回路は、電極１１から投入された電力によりワークＷの少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出部と、電極１１を介してワークＷへ投入された第１電力量Ｑ１を算出する第１電力量算出部と、積算された第１電力量Ｑ１が第１設定値Ｘ１に到達したか否か（つまりＱ１≧Ｘ１か）を判定する第１判定部とを備える。さらに監視回路は、第１電力量Ｑ１が第１設定値Ｘ１に到達するまで、前述した電力回路を介してワークＷへ電力を供給し、ワークＷをジュール加熱する（加熱部）。

監視回路の溶融開始時検出部は、さらに、電極１１からワークＷへの通電開始時からの通電時間である初期通電時間ｔに対し電極１１を介してワークＷへ投入された第２電力量Ｑ２（ｔ）を算出する第２電力量算出部と、ワークＷが実際に溶融を開始するときの電力量であって初期通電時間ｔに対応して定まる溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）（第２設定値）に第２電力量Ｑ２（ｔ）が到達したか否か（つまりＱ２≧Ｘ２か）を判定する第２判定部とを備える。

（２）この制御装置３０によるスポット溶接機１００の具体的な制御方法を図７のフローチャートに示す。なお、この図７に示す制御方法を実行することで、本発明の抵抗溶接方法の各工程が実現され、抵抗溶接されたワークＷ（溶接部材）が製造されることになる。
先ずステップＳ１１で、種々の溶接条件が入力設定される（設定ステップ）。具体的には、ワークＷａ、Ｗｂの材質や板厚、溶接スポットの数やそれらの位置、電極１１ａ、１１ｂのチップ形状、電極１１によるワークＷへの加圧力、スポット溶接する加熱用電流値Ｉ１、サイクルタイムＣｔ、所望のナゲット径に対応した第１設定値Ｘ１、初期通電時間ｔの関数である溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）などがある。ちなみに溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）は、図３に示した溶融開始曲線から導出されるものであれば足り、実験式の形式でもよいし、初期通電時間ｔと相関させた溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）の数値データ（配列データ）でもよい。

ステップＳ１２で、溶接ロボット２０およびスポット溶接ガン１０が作動して、電極１１ａ、１１ｂの電極端面部（電極チップ）がワークＷの両外側に当接（外接）し、ステップＳ１１の設定に基づいて電極１１がワークＷを加圧する（加圧ステップ）。
ステップＳ１３で、スポット溶接するための加熱通電がなされる。つまり、加熱用電流値Ｉ１が電極へ供給されてスポット溶接が開始される（加熱ステップ、加熱工程）。

ステップＳ１４で、通電開始からの通電時間（初期通電時間）ｔに応じて、ワークＷへ投入した第２電力量Ｑ２（ｔ）が算出される（第２電力量算出ステップ、第２電力量算出工程）。具体的には加熱用電流が交流である場合、加熱通電の各サイクルタイムＣｔ毎に、電極１１を通じて供給している実効電流値およびその実効電圧値に基づいて、第２電力量Ｑ２（ｔ）が算出される。なお、１Ｃｔは供給する交流の１周期であり、例えば、６０サイクルの交流であれば、１Ｃｔ＝１／６０ｓｅｃである。

ステップＳ１５で、第２電力量Ｑ２（ｔ）の算出されたサイクルタイムＣｔに対応する溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）とステップＳ１４で算出された第２電力量Ｑ２（ｔ）とを比較する（第２判定ステップ、第２判定工程）。第２電力量Ｑ２（ｔ）が溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）よりも小さければ、すなわち、第２電力量Ｑ２（ｔ）が溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）に到達していなければ、ステップＳ１３の加熱通電を継続する。一方、第２電力量Ｑ２（ｔ）が溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）に到達していれば次のステップＳ１６に進み、溶融開始時ｔ０が特定される（溶融開始時検出ステップ、溶融開始時検出工程）。

ステップＳ１７で、ステップＳ１４の場合と同様に、溶融開始時ｔ０からの通電時間（溶融通電時間：ｔ−ｔ０）に応じて、ワークＷへ投入した第１電力量Ｑ１が算出される（第１電力量算出ステップ、第１電力量算出工程）。
ステップＳ１８で、溶融開始時ｔ０以降に算出された第１電力量Ｑ１と所望のナゲット径に対応した第１設定値Ｘ１とを比較する（第１判定ステップ、第１判定工程）。

第１電力量Ｑ１が第１設定値Ｘ１よりも小さければ、ワークＷへの加熱通電が継続される。逆に、第１電力量Ｑ１が第１設定値Ｘ１に到達していれば、ステップＳ１９に進み、ワークＷへの加熱通電を終了した後、電極１１をワークＷから離間させて、その位置でのスポット溶接を終える（加熱ステップ、加熱工程）。

なお、図７のフローチャートには示していないが、ステップＳ１７およびステップＳ１８が所定の回数または時間（サイクルタイム数）以上繰り返されるときは、加熱通電の条件を修正、変更するようにしてもよい（加熱変更ステップ、加熱変更工程）。

《スポット溶接の評価方法》
スポット溶接の溶接状況を評価するには、図７に示したステップＳ１４〜１８により行うことができる。溶接状況の良否を評価するのみであれば、ステップＳ１８のような第１電力量Ｑ１と第１設定値Ｘ１との大小関係から評価可能である（推定ステップ、評価ステップ）。勿論、図４に示すような第１電力量Ｑ１とナゲット径Ｄとを対応づけたデータベースを予め用意しておけば、実際に積算した第１電力量Ｑ１から、溶接部に形成されるナゲット径Ｄを推定することができる（ナゲット推定ステップ）。

また、溶融開始時の検出であれば、図７に示したステップＳ１３〜１６により行うことができる。つまり、ステップＳ１５のような第２電力量Ｑ２（ｔ）と溶融開始電力量Ｘ２（ｔ）との大小関係を、通電時間毎に比較することで、溶融開始時を判定可能である（推定ステップ、評価ステップ）。

Claims (12)

1. 圧接された電極から投入される電力により被溶接物の溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出工程と、
   前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出工程と、
   前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定工程と、
   前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも前記第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱工程とを備え、
   前記溶接部が溶融凝固したナゲットの形成を安定化させ得ることを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 前記溶融開始時検出工程は、
   前記溶接部のジュール加熱のために前記電極への通電が開始された時である通電開始時からの経過時間に応じて該被溶接物へ投入された電力の積算値である第２電力量を算出する第２電力量算出工程と、
   前記通電開始時からの経過時間に対応して予め定められ前記溶接部の少なくとも一部が現実に溶融を開始するまでに投入された電力量である溶融開始電力量または該溶融開始電力量に基づき設定された第２設定値に、前記第２電力量が少なくとも到達した時を前記溶融開始時と判定する第２判定工程と、からなる請求項１に記載の抵抗溶接方法。
3. 前記加熱工程は、前記第１判定工程の判定結果に基づき前記被溶接物の加熱条件を変更する加熱変更工程を含む請求項１または２に記載の抵抗溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の抵抗溶接方法により溶接されたことを特徴とする抵抗溶接部材。
5. 被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御装置であって、
   前記電極から前記被溶接物へ投入される電力により前記溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出部と、
   前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出部と、
   前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定部と、
   前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも該第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱部と、
   を有することを特徴とする抵抗溶接機の制御装置。
6. 被溶接物に圧接される電極と、
   該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置と、
   請求項５に記載の制御装置と、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接機。
7. 被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御方法であって、
   前記電極から前記被溶接物へ投入される電力により前記溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出ステップと、
   前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出ステップと、
   前記第１電力量または該第１電力量に対応した前記溶接部の溶接状況を指標する溶接指標値が少なくとも第１設定値に到達したか否かを判定する第１判定ステップと、
   前記溶融開始時から前記第１電力量または前記溶接指標値が少なくとも該第１設定値に到達するまで前記ジュール加熱を行う加熱ステップと、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御方法。
8. 請求項７に記載の抵抗溶接機の制御方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接機の制御プログラム。
9. 圧接された電極から投入される電力により被溶接物の溶接部の少なくとも一部がジュール加熱されて溶融を開始する時である溶融開始時を検出する溶融開始時検出ステップと、
   前記溶融開始時から前記電極を介して前記被溶接物へ投入された電力の積算値である第１電力量を算出する第１電力量算出ステップと、
   前記第１電力量に基づき前記溶接部の溶接状況を推定する推定ステップと、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価方法。
10. 前記推定ステップは、前記第１電力量に基づいて前記溶接部が溶融凝固して形成されたナゲットの大きさを推定するナゲット推定ステップである請求項９に記載の抵抗溶接の評価方法。
11. 前記溶融開始時検出ステップは、
    前記溶接部のジュール加熱のために前記電極への通電が開始された時である通電開始時からの経過時間に応じて該被溶接物へ投入された電力の積算値である第２電力量を算出する第２電力量算出ステップと、
    前記通電開始時からの経過時間に対応して予め定められ前記溶接部の少なくとも一部が現実に溶融を開始するまでに投入された電力量である溶融開始電力量または該溶融開始電力量に基づき設定された第２設定値に、前記第２電力量が少なくとも到達した時を前記溶融開始時と判定する第２判定ステップと、
    からなる請求項９または１０に記載の抵抗溶接の評価方法。
12. 請求項９〜１１のいずれかに記載の抵抗溶接の評価方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接の評価プログラム。

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