JP5209749B2 - 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および抵抗溶接の評価方法とその評価プログラム - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接等の抵抗溶接に関する。

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。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）を溶接する場合には、複数の点（スポット）で溶接す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抵抗溶接の一つである。

ところで、スポット溶接はアーク溶接等と異なり、溶接部が被溶接物の内部に位置するため、その溶接状況を目視等により直接的に観察することは困難であり、量産過程を考慮すると、膨大な数の溶接スポットを作業者が逐一検査すること自体難しい。このような状況のもと、スポット溶接の品質安定化を図る溶接方法やスポット溶接時に形成されるナゲット（被溶接物の溶融凝固部）の検査方法等が提案されてきた。これらに関連した記載が下記の特許文献等にある。

特開昭６２−６４４８３号公報 特公昭５５−２５８２号公報 ＷＯ１９９４／００３７９９（特許３６４４９５８号公報） 特開２００７−２４８４５７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記載がある。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、スポット溶接がなされている。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ていることが考えられる。このような外乱は、鋼板間の接触状況（特に接触面積）を変化させ、本来の溶接へ有効に活用される熱量もばらつかせる。このため外乱を考慮せず、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る。

（２）また特許文献２〜４には、超音波を利用して、スポット溶接された溶接部（ナゲット）の大きさを検査または評価する方法が記載されている。これらはいずれも、溶接過程に応じて変化する超音波の或る２点間における変化量（例えば、尖頭値差や強度変化が生じるまでの時間差）に基づいて、スポット溶接された溶接部の大きさ（ナゲット径）を推定または評価しているに過ぎない。このような方法が仮に有効であるとしても、単にナゲット径が推定される程度であり、スポット溶接の品質安定化が実現される訳ではない。また、それを示唆するような記載等も、上記の特許文献にはない。

（３）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、そのような溶接の実施に適した抵抗溶接機、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、その抵抗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。そして、その投入電力量の起点となる被溶接物の溶融開始時を、超音波を用いて検出することを思いつき、その判定が可能であることを実際に確認した。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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定工程と、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てできるナゲットを安定形成させ得ることを特徴とする。

（２）本発明の抵抗溶接方法では、先ず、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に、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、溶接部へ発信した超音波の変化により的確に検出する。

次に、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。これにより、様々な外乱の存在する溶接現場でも、投入電力量の過少による溶接不良や投入電力量の過多によるチリ発生などを防止でき、効率的に溶接品質の安定化を図れる。

なお、本明細書でいう「超音波の変化」として、エネルギー（強度）変化、透過度変化、反射率変化、スペクトル強度変化等もあるが、振幅変化が代表的である。この超音波の種類は問わず、また縦波でも横波でもよい。

「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。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。「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、被溶接物に形成されるナゲット径の大きさ等と相関する明確な指標となるものであれば足る。さらに「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。

本明細書でいう「時」（例えば、溶融開始「時」や急減「時」）は、正にその一時点のみならずその近傍を含み、抵抗溶接の実現に必要な時間幅をもつことは当然である。

（３）ところで、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、その溶融開始時を的確に特定することが必要となる。ここで、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、溶融開始時までの時間は変動する。このことは実際の試験結果からも裏付けられている。このため一見すると、溶融開始時を高精度に特定することが困難なように思われる。

もっとも、溶融開始時は、被溶接物の溶接部が固相から液相へ変化を始める時であり、この時に溶融部の物性値（温度や体積変化など）が変化する。そこで、溶接部の物性値の変化に着目して、溶融開始時を特定することが考えられる。ただ、その変化を、抵抗溶接を行う極短時間に直接的にかつ的確に検出することは容易ではない。そこで本発明では、超音波を利用して、溶接部の状態変化（相変化）を間接的に検出することにより、溶融開始時を的確に特定することに成功している。具体的には次の通りである。

被溶接物へ向けて発信された超音波は、その被溶接物を透過する透過波と、その被溶接物の表面近傍で反射する反射波に別れるが、透過波であれ反射波であれ、被溶接物に状態変化（相変化）が生じると、少なくとも振幅（または強度）が急変する。これは、超音波の当たる部分が固相から液相または液相から固相へ変化すると、その部分の密度および音速が変化し、音響インピーダンスが急変するためである。

従って、超音波（透過波または反射波）の振幅が急変するタイミングを検出すれば、その時が正に溶融開始時（固相から液相への相変化を生じ始める時）となり、外乱や溶接条件（例えば、電流密度）等に左右されることなく、溶融開始時の高精度な特定が可能となる。

（４）ところで本発明者が鋭意研究したところ、溶接部が小さいときでも、溶融開始時をより的確に特定するには透過波の変化を利用すると好適である。この理由は次のように考えられる。反射波は、超音波の発信源から溶融箇所（溶接部）へ至る途中にある電極と被溶接物（鋼板等）との界面で生じ易く、溶融箇所（溶接部）の状態変化が反射波の変化に及ぼす影響は小さい。つまり、溶接部の状態変化は、反射波の変化にあまり反映されない。一方、透過波は、必ず溶接部（溶融箇所）を通過するため、その状態変化が透過波に大きく反映される。このため、透過波の変化を利用すれば、溶接部の溶融開始時を的確に把握することが比較的容易となる。

そこで上述した本発明の溶融開始時特定工程は、前記溶接部を透過した超音波の振幅である透過波振幅を検出する透過波振幅検出工程と、該透過波振幅が第２設定値以下に減少する急減時を判定する急減時判定工程と、を含むと好適である。

（５）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。所望のナゲット径などに対応して設定した第１設定値へ第１電力量が到達する途中、また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、電極への通電開始時から被溶接物の溶融開始時までの間についてもいえる。

なお、ここで説明した内容は、以降に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、各ナゲット形状が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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定部と、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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定ステップと、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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定ステップと、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。

上述したように、上記の溶融開始時特定ステップは、前記溶接部を透過した超音波の振幅である透過波振幅を検出する透過波振幅検出ステップと、該透過波振幅が第２設定値以下に減少する急減時を判定する急減時判定ステップとからなると好適である。

（２）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。

（３）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。 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。 被溶接物を両側から挟持し得る両電極の軸部へ斜方向に、超音波の斜角型発信素子と斜角型受信素子をそれぞれ取り付けた様子を示す概要図である。 被溶接物を両側から挟持し得る両電極の軸部へ垂直方向に、超音波の発信素子と受信素子をそれぞれ取り付けた様子を示す概要図である。 その斜角型発信素子を電極の軸部に取り付けた様子を詳細に示す正面図である。 その斜角型発信素子を電極の軸部に取り付けた様子を詳細に示す平面図である。 溶接部を透過する超音波（透過波）の振幅が溶融開始時近傍で変化する様子を示すグラフである。 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。

１ スポット溶接機
１１ 電極
２０ 溶接ロボット
３０ 制御装置
４０ 電源装置
５１ 斜角型発信素子
５２ 斜角型受信素子
５１４ 超音波減衰材
Ｗ ワーク（被溶接物）
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。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》
抵抗溶接は、被溶接物に圧接された電極を介して通電された溶接部が、その有する種々の抵抗によって抵抗発熱（ジュール発熱）して溶融した後、その部分が冷却凝固することによりなされる接合である。

代表例であ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。

ここで、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。

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。

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難しい。このため従来の抵抗溶接では、溶接部の形態（ナゲットの大きさ）にバラツキを生じたり、電力量が過剰に投入されてチリ（溶接部で溶融して金属の一部が飛び散る現象）を生じたりして、安定した溶接を効率的に行うことは困難であった。

ところが、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であり、溶融開始時以降における外乱の影響は殆どない。そこで本発明では、被溶接物の溶融開始時以降に、所望する溶接状況（例えばナゲットの大きさ）に応じてた電力量（第１電力量）を被溶接物へ投入して、溶接品質の安定化を図ることとした。

《第１電力量算出工程》
本発明に係る第１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の時間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。

《第１判定工程》
本発明に係る第１判定工程は、第１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、第１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、適切な第１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。

《溶融開始時特定工程》
（１）溶融開始時特定工程
溶融開始時特定工程は、溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより、その溶融開始時を特定する工程である。この溶融開始時特定工程は、前述したように、透過波振幅を検出する透過波振幅検出工程と、この透過波振幅の急減時を判定する急減時判定工程とを含むと好適である。

（２）透過波振幅検出工程
透過波振幅検出工程は、例えば、超音波センサ（発信素子）から発信されて溶接部を通過した超音波（透過波）が、別の超音波センサ（受信素子）で受信され、その波形（振幅）が検出されることになされる。これら超音波センサの構造、配置、取付角度、取付方法などは、抵抗溶接機の構造、被溶接物の種類や配置、溶融開始時の検出精度等を考慮して、適宜選択または調整されればよい。

例えば、被溶接物を略同軸上の両側から第１電極と第２電極とによってそれぞれ圧接する場合、超音波を発信する発信素子（超音波センサ）が第１電極の軸部に装着され、発信素子から発信された超音波を受信する受信素子（超音波センサ）が第２電極の軸部に装着されると好適である。ここで電極（特にチップ）は摩耗等により適宜交換されるので、上記の発信素子や受信素子は、交換対象ではない部分に取り付けるか、交換対象である部分に取り付ける場合は、その都度、脱着可能な構造にしておくとよい。

また電極に対する発信素子や受信素子の取付角度も適宜選択される。例えば、超音波の発信または受信を行う振動子（超音波センサ）は、電極の軸部に対して、溶接部に向けて斜方向に取り付けられると好ましい。言い換えるなら、発信素子は、第１電極の軸部の斜方向から前記被溶接物の向きへ超音波を発信する斜角型発信素子であり、受信素子は、斜角型発信素子から発信された超音波を、第２電極の軸部の斜方向から被溶接物の向きで受信する斜角型受信素子であると好適である。

この理由は次の通りである。電極の軸部に対して垂直（９０°）に発信素子を取り付けた場合、電極の軸部を伝搬する超音波は、その軸部（シャンク）の上下両方向にほぼ均等に分散する。このため、発信した超音波の相当量が、溶接部の相変化の検出に寄与しないことになる。この事情は受信素子についても同様である（図６参照）。

ここで上述した斜角型発信素子や斜角型受信素子を用いると、溶接部と逆側への超音波の伝搬が抑制され、溶接部の相変化の検出に超音波の大部分を有効活用できるようになる（図５参照）。

また、電極や被溶接物を伝搬する超音波には、音速の異なる多数モードが生じ得るが、斜角型発信素子や斜角型受信素子の取付角度を適切に調整することにより、特定モード（単一モード）の超音波のみを励振したり受信することが可能となる。これにより、溶接部の相変化（透過波振幅の急減）を精度よく検出できる。

なお、発信素子や受信素子の振動子は、平面状でもよいが、電極の軸部を囲繞する円筒面状または円錐面状（特に電極の軸部と同心状）であると好ましい。これにより、送受信される超音波エネルギの増大や超音波の非軸対称モードの抑制が図られる。その結果、受信された透過波形の解析が容易となり、溶融開始時近傍における超音波の変化を高精度に検出可能となる。

さらに、電極の軸部を伝搬する超音波は、電極の先端（電極チップの先端）等で反射する。このため、電極の軸部内には超音波の多重反射波が生じ得る。多重反射波が強いと、超音波の変化の的確な検出が困難となる。そこで、このような多重反射波を減衰または吸収する超音波減衰材を電極の軸部等に設けるとよい。その場所は、発信素子や受信素子に対して被溶接物の反対側が好適である。これにより、受信素子は、発信素子から発信された超音波であって溶接部の状況を反映した特定モードの透過波を的確に検出可能となる。

超音波減衰材の一例としてゴムやスポンジなどの吸音材などがある。なお、超音波減衰材は、超音波センサの後方（被溶接物の反対側））にある電極の軸部を一周するように取付けると好ましい。

（３）急減時判定工程
急減時判定工程で、透過波振幅の急減時が判定される。この判定方法（アルゴリズム）は問わない。例えば、検出される透過波の振幅値（Ｖｃ）が、それ以前に検出された最大の振幅値（Ｖｐ）の所定割合以下に低下したときを急減時と判定してもよい（図９参照）。振幅値との比較対象は、最大振幅値には限らず、ある期間の振幅値の平均値（Ｖａｖｅ）等でもよい。なお、振幅値が不安定となり易い通電中の区間は、振幅値の検出や判定を行わないようにしてもよい。

《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、通常、円形または緩やかな円錐形である。このとき、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）で示されることが多いので、本明細書でも便宜的、ナゲットの大きさをナゲット径という。

《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。

《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、電極による加圧力等によっても異なる。

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》
重ねた２枚の鋼板からなるワーク（被溶接物）のカットモデルを用いて、様々な外乱が存在する状況下でそれら鋼板を抵抗溶接（スポット溶接）し、その溶接スポット（溶接部）の様子を高速度カメラで撮影した。こうしてスポット溶接時におけるナゲットの形成過程を観察した。

（１）具体的には、図１に示す代表的な５つのパターンＩ〜Ｖを設定し、それぞれの状況下で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に重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の湾曲面を介して、電極の周側面（円筒面）へ連なる。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、それぞれをスポット溶接した。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、各投入電力量Ｑに応じてワークに形成されるナゲット径Ｄも測定した。こうして求めた投入電力量Ｑとそれに対応して形成されるナゲット径Ｄとの相関を図２Ａ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（電極チップ）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）の電圧の時間積分値であるから、投入電力量Ｑは時間の関数でもある。このため、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（溶融開始時）を特定すると、溶融開始時の投入電力量（溶融開始電力量Ｑｍ）を求めることができる。

この溶融開始電力量Ｑｍ分だけ、図２Ａに示す各曲線を平行移動させたものを図２Ｂに示した。この図２Ｂから明らかなように、通電開始時から算出した投入電力量Ｑから溶融開始電力量Ｑｍを引いた第１電力量Ｑ１（＝Ｑ−Ｑｍ）と、形成されるナゲット径Ｄとの間には、外乱パターンに拘わらず、ほぼ共通した相関があることがわかる。つまり、その溶融開始時以降に着目すれば、形成されるナゲット径Ｄは、外乱の有無や種類を問わず、第１電力量Ｑ１により、ほぼ決定されることがわかった。

《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１を図３に示す。スポット溶接機１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１１１および対向電極１１２）が配設されている。

可動電極１１１（第１電極）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る。そして可動電極１１１は、ワークＷの板厚方向の同軸上に配置された対向電極１１２（第２電極）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１１１および対向電極１１２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。

図５に示すように、可動電極１１１と対向電極１１２には、それぞれ、超音波を発信する斜角型発信素子５１と、超音波を受信する斜角型受信素子５２が取り付けられている。図５に示した矢印は、超音波の進行を模式的に示したものである。そのうち、実線の矢印は発信側の超音波またはその反射波を示し、破線の矢印は受信側の超音波（透過波）またはその反射波を示す。

なお、図５に示すような斜角型発信素子５１および斜角型受信素子５２に替えて、図６に示すような発信素子６１および受信素子６２を用いることもできる。但し、斜角型発信素子５１および斜角型受信素子５２を用いる方が、超音波の振幅をより的確に検出し易い。

図７Ａおよび図７Ｂに、可動電極１１１の先端に取付けたチップ１１１ｃを支持すシャンク１１１ｓ（電極の軸部）に脱着可能に取付けられる斜角型発信素子５１を詳細に示した。この斜角型発信素子５１は、平面状の超音波センサからなる振動子５１１と、振動子５１１を可動電極１１１のシャンク１１１ｓに対して斜方向からワークＷに向けて固定するウェッジ５１２と、ウェッジ５１２をシャンク１１１ｓに固定する固定具５１３と、シャンク１１１ｓ内の多重反射波を吸収する超音波減衰材５１４とからなる。

本実施例のウェッジ５１２は、アクリル樹脂からなり、振動子５１１の取付角度をシャンク１１１ｓの軸線に対して４５°とした。なお、この取付角度は、超音波がシャンク１１１ｓを伝搬する速度とウェッジ５１２を伝搬する速度とを考慮して最適な角度にすればよい。

本実施例の超音波減衰材５１４は、ゴム製バンドからなり、これを固定具５１３の内周面とシャンク１１１ｓの外周面との間で挟持した。この超音波減衰材５１４は、振動子５１１に関してワークＷの反対側（図７Ａの上側）に巻き付けてもよい。なお、上述した斜角型発信素子５１の構造等は、斜角型受信素子５２にも同様に当てはまる。

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。これら制御に必要な条件やデータは操作盤３１から入力され、取込まれる。

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の電力回路により制御される。

（２）スポット溶接機１は次のように操作されて作動する。
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、スポット溶接機１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４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Ｗ１およびワークＷ２）が接する内部に、ワークＷが溶融凝固してできたナゲットＮが得られる。なお、電極１１により加圧および加熱される部分が溶接部Ｙである。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特定する溶融開始時特定部と、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特定部は、斜角型発信素子５１から発信され溶接部Ｙを透過した超音波である透過波を、斜角型受信素子５２で受信して、その透過波の振幅値（Ｖｃ）を検出する透過波振幅検出部と、このＶｃが第２設定値（Ｘ２）以下となったとき（Ｖｃ≦Ｘ２）を透過波振幅の急減時と判断する急減時判定部とを備え、その急減時を溶融開始時（ｔ＝ｔｍ）と特定する。

（２）この制御装置３０によるスポット溶接機１の具体的な制御方法を図９のフローチャートに示す。なお、この図９に示す制御方法を実行することにより、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。

先ずステップＳ１１で、種々の溶接条件やデータが入力設定される（設定ステップ）。具体的には、ワークＷ１、Ｗ２の材質や板厚、溶接スポットの数やそれらの位置、電極１１１、１１２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、透過波の振幅値Ｖｃの検出に必要な種々のパラメータ、振幅値Ｖｃの急減時の判断に必要な第２設定値Ｘ２（算出式）等である。

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１１１、１１２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、斜角型発信素子５１から発信されて斜角型受信素子５２で受信された透過波の振幅値Ｖｃを検出する。この際、Ｖｃを安定的に検出するために、通電当初の微小時間（ｔｎ）は無効時間としてＶｃの検出を行わなかった。つまり、無効時間後の区間（ｔ≧ｔｎ）で透過波の振幅値Ｖｃを検出した（透過波振幅検出ステップ、透過波振幅検出工程）。なお、検出するステップ時間幅（Δｔ）は、第１電力量Ｑ１の算出と同様に、供給する交流の１周期（１Ｃｔ）とした。

ステップＳ１５で、ステップＳ１４の開始以降（ｔ≧ｔｎ）に検出された振幅値Ｖｃの最大値（最大振幅値Ｖｐ）を記憶する。その最大振幅値Ｖｐよりも大きい振幅値Ｖｃ（Ｖｃ＞Ｖｐ）が検出されるごとに、ＶｐをそのＶｃで更新する。

ステップＳ１６で、ステップＳ１４で検出された振幅値Ｖｃと、それ以前に検出された最大振幅値Ｖｐから求まる第２設定値Ｘ２とを比較する（急減時判定ステップ、急減時判定工程）。ここで第２設定値Ｘ２は、Ｘ２＝Ｖｐ×Ｔｈとして、その都度算出する。Ｔｈは、斜角型発信素子５１、斜角型受信素子５２、電極１１、ワークＷ等の特性に応じて適宜設定されるパラメータであり、例えば０．２〜０．６内の一定値である。

このステップＳ１６で、透過波の振幅値Ｖｃが第２設定値Ｘ２より大きいとステップＳ１４に戻り、振幅値Ｖｃの検出を継続する。一方、振幅値Ｖｃが第２設定値Ｘ２以下になると（Ｖｃ≦Ｘ２）、透過波振幅が急減したと判断して次のステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７で、Ｖｃ≦Ｘ２となった時（ｔ）を溶融開始時（ｔ＝ｔｍ）と特定する（溶融開始時特定ステップ、溶融開始時特定工程）。

ステップＳ１８で、溶融開始時ｔｍからの通電時間（溶融通電時間：ｔ−ｔｍ）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Ｓ１９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、ステップＳ１８に戻りワークＷへの加熱通電が継続される。

ステップＳ１９で、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Ｓ２０に進み、ワークＷへの加熱通電を終了する。そして、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９のフローチャートには示していないが、ステップＳ１８およびステップＳ１９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）。さらに、所定時間経過後もステップＳ１６で振幅値Ｖｃの急減が検出されない場合などの異常時には、処理を強制終了してもよい。

《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９に示したステップＳ１４〜１９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Ｓ１９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２Ｂ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、推定ステップ、評価ステップ）。

Claims (14)

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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定工程と、
   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てできるナゲットを安定形成させ得ることを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 前記溶融開始時特定工程は、
   前記溶接部を透過した超音波の振幅である透過波振幅を検出する透過波振幅検出工程と、
   該透過波振幅が第２設定値以下に減少する急減時を判定する急減時判定工程と、を含む請求項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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定部と、
   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. 前記電極は、前記被溶接物を略同軸上の両側からそれぞれ圧接する第１電極と第２電極とからなり、
   前記第１電極の軸部に装着され前記超音波を発信する発信素子と、
   前記第２電極の軸部に装着され該発信素子から発信された超音波を受信する受信素子と、
   をさらに備える請求項６に記載の抵抗溶接機。
8. 前記発信素子は、前記第１電極の軸部の斜方向から前記被溶接物の向きへ前記超音波を発信する斜角型発信素子であり、
   前記受信素子は、該斜角型発信素子から発信された超音波を、前記第２電極の軸部の斜方向から前記被溶接物の向きで受信する斜角型受信素子である請求項７に記載の抵抗溶接機。
9. さらに、前記第１電極の軸部または前記第２電極の軸部には、前記発信素子または前記受信素子に対して前記被溶接物の反対側に、超音波を減衰させる超音波減衰材が設けられている請求項７または８に記載の抵抗溶接機。
10. 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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定ステップと、
    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。
11. 請求項１０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。
12. 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、該溶接部へ発信された超音波の変化を検出することにより特定する溶融開始時特定ステップと、
    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。
13. 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１２に記載の抵抗溶接の評価方法。
14. 請求項１２または１３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。

Images