JP5717006B2 - スタッド溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗溶接機にて溶接用スタッドを鋼板などの金属板に抵抗溶接する溶接方法に関する。

鋼板などの金属板に溶接される溶接用のスタッドとして一般的に用いられているのはアーク溶接で接合するスタッド（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）と抵抗溶接で接合するプロジェクションスタッド（特許文献４、図１２参照）がある。
これらは、プロジェクション溶接用としてＪＩＳＢ１１９５で制定された溶接ボルトと異なり、鋼板に挿入用の孔を必要としていない。そのため、ＪＩＳ制定の溶接ボルトの溶接状態に比較して、余分な孔がなく、見映えも良い。
アーク溶接での接合では、薄い鋼板へ溶接する場合は、外観面や変形などの優位性から、コンデンサを用いて瞬間的な放電で溶接するＣＤ方式（Ｃａｐａｃｉｔoｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）と呼ばれる工法が多く用いられている。しかし、その溶接での結合は充分な強度とは言い難く、高い強度を要する機能には適していない。
一方、抵抗溶接での従来の工法では、溶接スタッドの先端にプロジェクションを必要とし、溶接した鋼板の裏面に圧痕や溶融熱による焼けが生じ、外観面での難点がある。

特開２００７−１６７９２１号公報 特開２００９−１０８９０４号公報 特開２００７−１４９６７号公報 特開２００７−１５５１１５号公報 特許第４６８７９３０号 特願２０１２−４２８７３号 特願２０１２−６４７１５号

本発明は、本願の発明者等が先に特許文献５、特許文献６、特許文献７で提案した抵抗溶接用の溶接トランス、溶接方法、溶接装置を活用し、所定の形状を有する溶接スタッドの溶接方法である。具体的には、高い周波数の１次電流制御や磁気飽和の抑制により、精密で高速な溶接制御ができ、大電流の供給を可能にし、同時に消費電力も大幅に抑制できる溶接トランスとこれらを備えた溶接装置を使用して、所定の形状の溶接スタッドを高品質で効率よく溶接し、更に、消費電力を節減する溶接方法を提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状磁心２５と、前記環状磁心２５の平行部２５ａに、複数の部分に分けて間隙１２ａを空けて分割巻きされる１次コイル１２と、前記１次コイル１２と共に環状磁心２５の平行部２５ａに巻回され、前記１次コイル１２に設けられた前記各間隙１２ａに１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とを交互に配列した２次コイルと、前記複数の正側コイル１４は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記複数の負側コイル１６は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記接続された複数の正側コイル１４と前記複数の負側コイル１６とが互いに直列接続されるように、前記正側コイル１４と負側コイル１６の端子間を電気接続をする導体群を有し、かつ、前記導体群により、前記全ての正側コイル１４と負側コイル１６とを一方の面上に支持固定する接続基板６２を備え、前記複数の正側コイル１４の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面上で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第１連結極板４４に電気接続され、前記複数の負側コイル１６の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第２連結極板４６に電気接続され、前記正側コイル１４と負側コイル１６の他端は、共に、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第３連結極板４８に電気接続され、前記第１連結極板４４には、正側導体３０が連結され、前記第２連結極板４６には、負側導体３２が連結され、前記正側導体３０と負側導体３２とは、前記接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層３１を介して重ね合わされた一対の導体板であって、前記正側導体３０と第１極板３４に挟まれて、前記正側導体３０に負極を接触させ前記第１極板３４に正極を接触させた整流素子１８と、前記負側導体３２と第２極板３６に挟まれて、前記負側導体３２に負極を接触させ前記第２極板３６に正極を接触させた整流素子２０と、前記第１極板３４と前記第２極板３６を支持し、両者を電気接続する第３極板３８とを備えていることを特徴とする溶接トランスと、
高周波交流を溶接トランスの１次コイルに供給し２次コイルに生起する電流を直流化して電極に供給する方式の溶接装置に適用される抵抗溶接方法であって、
溶接電流供給開始時刻ｔ０からその後の時刻ｔ１までの、電流増加率が最大の部分を立ち上げ制御期間Ｔ１と呼び、これに続く時刻ｔ１から時刻ｔ２までの、ピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼び、その後の時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を、温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶとき、
前記立ち上げ制御期間Ｔ１は１０ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１と前記ピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１＋Ｔ２）時間は１５ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１と前記ピークレベル制御期間Ｔ２と前記温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）時間は、５０ミリ秒以下としたことを特徴とする制御方法の溶接制御電源装置と、
これらの装置を使い、フランジ部を有し、その下端面は平らな面を持つ溶接スタッドを前記フランジ部から上電極で給電し、抵抗溶接することを特徴とするスタッド溶接方法。

〈構成２〉
前記溶接スタッドのフランジ部をなくし、更に、上端面および下端面は平らな面を形成し、上電極のチャック部材で前記溶接スタッドを保持し、前記上端面から上電極で給電し、抵抗溶接することを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接方法。

〈構成１の効果〉
（１）正側導体３０と負側導体３２とを絶縁層を介して密着させ、正側コイル１４と負側コイル１６との間に１次コイル１２を挟むように配置したので、２次回路の転流時のインダクタンスを低減して、転流時間を短くし、高い周波数のインバータ制御が可能になる。
（２）複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６との間に分割巻きされた１次コイル１２の各部を挟むように配置したので、トランス全体の熱分布が均一になる。
（３）１次コイルと２次側の正側コイルと負側コイルとを分割巻きして、１次２次コイル間の結合を良くし、２次側の大電流による磁気飽和を防止できる。
（４）１次コイル１２と正側コイル１４と負側コイル１６との関係がどの場所でも均等で互いに密接して配置させることができる。
（５）この結果として高速で大電流の図８に示すような溶接制御に追随できる溶接トランスが、得られ、これらを有する溶接装置を使用することと、ツバ付きスタッド形状により、スタッドの直角度と接合強度とも高品質となる。また、通電時間が極めて短いことと、溶接用スタッドの接合面は突起がなく平らなため、溶接部裏面の焼けや圧痕のない外観が得られ、かつ、消費電力を低減するスタッド溶接方法が得られる。
〈構成２の効果〉
スタッド形状は至って単純な形状とすることができ、構成１と同様にスタッドの接合強度は高品質となる。また、通電時間が極めて短いことと、溶接用スタッドの接合面は突起がなく平らなため、溶接部裏面の焼けや圧痕のない外観が得られ、かつ、消費電力を低減するスタッド溶接方法が得られる。

本発明で採用する溶接装置の電源回路の結線図である。 整流素子１８に順方向電流が流れたときの回路動作を示す結線図である。 整流素子２０に順方向電流が流れたときの回路動作を示す結線図である。 （ａ）はトランスの１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、（ｂ）は１次電流、（ｃ）は整流後の溶接電流を示す。 本発明に係る溶接トランスの実施例を示す分解斜視図である。 ほぼ組み立てを完了した溶接トランスの斜視図である。 本発明に係る溶接装置のブロック図である。 本発明に係る溶接電流制御方法の説明図である。 本発明に係る溶接用スタッドの三つの事例である。 本発明に係る溶接スタッド図９（ａ）、（ｃ）に通電する上電極の事例である。 本発明係る溶接スタッド図９（ｂ）に通電する上電極の事例である。 従来のプロジェクション溶接用スタッドの事例である。 従来のプロジェクション溶接用スタッドに通電する上電極の事例である。 本発明に係る溶接方法による溶接スタッドと鋼板の溶接強度の一例である。 本発明に係る溶接方法と従来の溶接方法での溶融部の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図６は、本発明で採用する溶接装置の溶接トランス１０である。更に図８は溶接制御方法を示したものである。図７はこれらを有する溶接装置を示すブロック図である。本発明はこれらの装置を使用して実施している。

図１は、本発明で採用する溶接装置の電源回路の結線図である。
溶接トランス１０の１次コイル１２には、後で図４を用いて説明する１次電流が供給される。整流回路は、単相全波整流式を採用する。この回路自体は良く知られている。２次コイル自体に極性を考慮する必要はないが、便宜上、２次コイルを、正側コイル１４と負側コイル１６とを直列接続したものと呼ぶことにする。正側コイル１４の一端に整流素子１８の一端を接続し、負側コイル１６の一端に整流素子２０の一端を接続し、整流素子１８の他端と整流素子２０の他端をまとめてプラス電極２２に接続する。正側コイルの他端と負側コイルの他端は接続点を介して連結しているが、この接続点をマイナス電極２４に接続する。プラス電極２２とマイナス電極２４が溶接機２８に接続されている。

図２は、整流素子１８に順方向電流が流れたときの回路動作を示す。図３は整流素子２０に順方向電流が流れたときの回路動作を示す。
回路動作上問題になる等価的なインダクタンス成分を図２と３に書き加えた。即ち、正側コイル１４と整流素子１８を接続する正側導体３０と、負側コイル１６と整流素子２０を接続する負側導体３２、及び溶接機２８内部の導体のインダクタンスが、溶接装置の性能に影響を及ぼすと考えられる。その詳細は後で説明する。

溶接トランス１０や溶接機２８に発生する大量の熱の発生を抑制することができれば、溶接装置の省エネルギー化を図ることができる。従来よりも大電流を短時間溶接部に供給するように制御して、溶接時間を短縮すれば、大きな節電効果が期待できる。
一方、溶接される材料や構造等に最適な溶接電流を供給するためには、溶接電流の供給時間をきわめて高精度に制御しなければならない。
このために、溶接電流を供給するトランスの１次側にインバータを接続して、ＰＷＭ制御により溶接電流の大きさと供給時間とを制御することが行われている。

図４の（ａ）はトランスの１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、（ｂ）は１次電流、（ｃ）は整流後の溶接電流を示す。
図示しないインバータにより制御された幅Ｗのパルスが、一定時間Ｈ内に一定回数、ここでは正方向のパルスと負方向のパルスとで合計１０回、１次コイルに供給される。その結果、トランスの１次コイル１２（図１）には、図４（ｂ）に示すような電流が流れる。トランスの２次側で全波整流をして、（ｃ）に示すような溶接電流を発生させる。

（ａ）に示したパルスの幅Ｗを増減すると溶接電流を調整できる。バルスの供給回数を増減すれば溶接時間を調整できる。このパルスの繰り返し周波数を高くすると、溶接時間をより細かく微調整できる。１次コイルに供給する電力を増やせば、２次コイルからより大きな溶接電流を取り出せる。

従来の溶接装置は、例えば、１万アンペアで２００ｍ秒〜７００ｍ秒の溶接電流を供給するようにしていたが、溶接電流をその２倍の２万アンペアにしてみる。溶接装置は、溶接部以外の場所で熱エネルギになって消費される電力損失がきわめて大きい。従って、溶接電流を２倍にして、溶接時間を１０分の１に短縮すると、消費電力を５分の１にすることができる。これで、従来の１万アンペアでの溶接と同等の溶接品質が可能になる。

一方、溶接電流を供給するためのインバータの制御パルスは、従来、繰り返し周波数が１ｋＨｚ程度のものを使用していた。しかしながら、大電流を短時間供給するには、もっと分解能の高い制御パルスが必要になる。望ましくは、繰り返し周波数が５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度のパルスを使用することが望ましい。

このように、従来の数倍から数十倍の高い繰り返し周波数のパルスを１次コイルに供給した場合に、従来構造の溶接トランスでは、予定した溶接電流が得られないことがわかった。即ち、このような制御で２次コイルから大電流を出力するためには、トランスの構造に様々な改善が要求される。

図１に示すような２個の整流素子１８、２０を使用した全波整流型の２次回路は、ブリッジを使用した回路に比べて整流素子数が少なく、小型化できて電力損失も少ないため、溶接装置に適することが知られている。

しかしながら、この回路では、１次コイル１２に流れる電流の極性反転によって、２次コイルに誘起される電圧が極性反転したとき、一方の整流素子を通じて供給されていた負荷電流が他方の整流素子側に流れを変える転流が生じる。

溶接電流が大電流になると、回路各部のインダクタンスに蓄積された電流エネルギは非常に大きくなる。この電流エネルギが一方の整流素子から他方の整流素子の側に移る転流時間は、図２や図３に示した２次コイルの各部のインダクタンスが大きいほど長くなる。

図４に示した１次コイルの電流の立ち下がり開始から反対極性の電流の立ち上がり終了までの時間Ｍの間に２次回路の転流が完了しないと、２次電流の立ち上がりが遅れて、図４の破線に示すように、予定した溶接電流が得られなくなる。

図５、図６に示した溶接トランス１０は特許文献６で提案した溶接トランスの事例と同等のものであり、高速で精密な大電流の溶接制御に追随可能なものである。また、図８には溶接電流制御方法の一例を示し、大電流を極く短い時間通電し、通電時間は５０ｍ秒以下に抑えることができる。これは従来の通電時間の５分の１程度である。

図７の溶接装置には図５、図６に示した溶接トランス１０や、図８に示した制御方法の溶接制御電源装置１１、および、溶接条件データベースに蓄積した記憶装置１３などを具備している。この装置を用いて、図９に示す本発明に係る各溶接スタッドを抵抗溶接すると図１４の強度が得られる。また、溶融部は図１５に示すように、従来のプロジェクション溶接とは異なっており、溶融面積が従来品に比べ、大きいので、高い溶接強度が得られる。

本発明での一例目の溶接スタッド４の図９（ａ）は下端面が平らな面を持ち、フランジ部を有する形状であり、フランジの代替として図９（ｃ）の面取り形状で代用できる。この二つのスタッドを上電極２で鋼板５に溶接する状態を示したのが図１０（ａ）、（ｂ）である。溶接スタッド４の下端面を鋼板５に接合するが、下端面は図１２に示す従来のプロジェクション溶接スタッド７のように突起物がなく平らな面で面積も広く、また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように接合部に極めて近い部分を押圧通電するので、溶接後の直角度精度が良い。通常、溶接スタッド４の保持は小さなマグネットを埋め込み、磁力で保持する手段が多く用いられる。

さらに、本発明での二例目の溶接スタッド８の図９（ｂ）は、上下端面共平らな面を持ち、図１１（ａ）に示すようにチャック部材９で溶接スタッド８を保持し、溶接スタッド８の上端面から上電極２で給電する。この形状だと、フランジ部が必要ないので、溶接スタッド８は単純形状となり、製作が簡単で廉価になる。図１１（ｂ）は同形状のめねじ溶接スタッドの例である。

図１２は従来用いられているプロジェクション溶接スタッド７の図示例であり、図１３は上電極２によるプロジェクション溶接スタッド７の保持と給電態様を示した説明図である。ここでも、おねじとめねじの事例を図示している。図１３に示すように、図１０（ｂ）と同様に、フランジ部の代替である面取り部から給電している。

図１４は本発明で図９（ａ）に示すＭ４、Ｍ５、Ｍ６溶接スタッドを、本発明の溶接トランス並びに溶接制御部を有する装置で板厚１．６の鋼板に図１０（ａ）の方式の上電極で、溶接したときの溶接強度を示すグラフである。日本工業規格（ＪＩＳＢ１１０５）の溶接ボルトとＣＤ方式の溶接スタッドの強度も併せて表示した。
本発明での溶接条件はいずれも１万５千アンペア以上の溶接電流で通電時間は１５ｍ秒以下である。

図１５は各形状の溶接スタッドのナゲットの状態を示す断面図である。
（ａ）、（ｂ）は本発明で溶接した状態を示し、（ａ）は図１０（ａ）、（ｂ）は図１１（ａ）の各溶接スタッド、各上電極を用いて溶接した結果を示す。Ｍ５溶接スタッドの本発明の溶接方法の事例では溶接電流は１万５千アンペアで通電時間は１５ｍ秒としている。
（ｃ）は従来のプロジェクション溶接を示した図１３（ａ）の溶接スタッド７、上電極を用いて溶接した結果のナゲットを示している。この従来の方式での溶接電流は８千アンペアで通電時間は２００ｍ秒（１０サイクル）としている。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のナゲットの形態に違いが見られ、本発明は高電流を極めて短い時間の通電方式のため、ナゲットは（ａ）、（ｂ）が（ｃ）に比べ、厚みは薄いが面積が大きくなっている。

本発明では所定の形状の溶接スタッドを高電流で短時間通電する制御方法であり、それに追随可能な溶接トランスを使用している、その効果として、前述の溶接強度、溶接後の直角度精度の向上とともに、通電時間が極めて短いため、溶接した鋼板の裏面に圧痕や熱による焼けがなく外観面での利点もある。その上、従来の抵抗溶接と比較し、消費電力の低減が可能である。

抵抗溶接する薄い板状の鋼板および溶接スタッドの抵抗溶接作業が効率良くでき、また、溶接品質を向上させ、かつ消費電力の節減に寄与できる。

１ 抵抗溶接機
２ 上電極
３ 下電極
４ 溶接用スタッド
５ 鋼板
６ 溶着面
７ プロジェクション溶接スタッド
８ 溶接用スタッド
９ チャック部材
１０ 溶接トランス
１１ 溶接制御電源装置
１２ １次コイル
１３ 記憶装置
１４ 正側コイル
１６ 負側コイル
１８ 整流素子
２０ 整流素子
２２ プラス電極
２４ マイナス電極
２５ 磁心
２８ 溶接機
３０ 正側導体
３１ 絶縁層
３２ 負側導体
３４ 第１極板
３６ 第２極板
３８ 第３極板
４４ 第１連結極板
４６ 第２連結極板
４８ 第３連結極板
５８ 入力端子
６２ 接続基体
７０ ナゲット

Claims (2)

1. 平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状磁心２５と、前記環状磁心２５の平行部２５ａに、複数の部分に分けて間隙１２ａを空けて分割巻きされる１次コイル１２と、前記１次コイル１２と共に環状磁心２５の平行部２５ａに巻回され、前記１次コイル１２に設けられた前記各間隙１２ａに１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とを交互に配列した２次コイルと、前記複数の正側コイル１４は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記複数の負側コイル１６は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記接続された複数の正側コイル１４と前記複数の負側コイル１６とが互いに直列接続されるように、前記正側コイル１４と負側コイル１６の端子間を電気接続をする導体群を有し、かつ、前記導体群により、前記全ての正側コイル１４と負側コイル１６とを一方の面上に支持固定する接続基板６２を備え、前記複数の正側コイル１４の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面上で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第１連結極板４４に電気接続され、前記複数の負側コイル１６の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第２連結極板４６に電気接続され、前記正側コイル１４と負側コイル１６の他端は、共に、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第３連結極板４８に電気接続され、前記第１連結極板４４には、正側導体３０が連結され、前記第２連結極板４６には、負側導体３２が連結され、前記正側導体３０と負側導体３２とは、前記接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層３１を介して重ね合わされた一対の導体板であって、前記正側導体３０と第１極板３４に挟まれて、前記正側導体３０に負極を接触させ前記第１極板３４に正極を接触させた整流素子１８と、前記負側導体３２と第２極板３６に挟まれて、前記負側導体３２に負極を接触させ前記第２極板３６に正極を接触させた整流素子２０と、前記第１極板３４と前記第２極板３６を支持し、両者を電気接続する第３極板３８とを備えていることを特徴とする溶接トランスと、
   高周波交流を溶接トランスの１次コイルに供給し２次コイルに生起する電流を直流化して電極に供給する方式の溶接装置に適用される抵抗溶接方法であって、
   溶接電流供給開始時刻ｔ０からその後の時刻ｔ１までの、電流増加率が最大の部分を立ち上げ制御期間Ｔ１と呼び、これに続く時刻ｔ１から時刻ｔ２までの、ピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼び、その後の時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を、温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶとき、
   前記立ち上げ制御期間Ｔ１は１０ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１と前記ピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１＋Ｔ２）時間は１５ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１と前記ピークレベル制御期間Ｔ２と前記温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）時間は、５０ミリ秒以下としたことを特徴とする制御方法の溶接制御電源装置と、
   これらの装置を使い、フランジ部を有し、その下端面は平らな面を持つ溶接スタッドを前記フランジ部から上電極で給電し、抵抗溶接することを特徴とするスタッド溶接方法。
2. 前記溶接スタッドのフランジ部をなくし、更に、上端面および下端面は平らな面を形成し、上電極のチャック部材で前記溶接スタッドを保持し、前記上端面から上電極で給電し、抵抗溶接することを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接方法。