JP5801169B2

JP5801169B2 - 片側スポット溶接装置

Info

Publication number: JP5801169B2
Application number: JP2011261689A
Authority: JP
Inventors: 栄作長谷川; 純友渡邉; 優仁武藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP2013111633A

Description

本発明は、ワークの片側からのみ電極を当てて溶接する片側スポット溶接装置に関する。

厚さ方向において重ねられた複数の金属製のワーク（板状を呈する板金等）を接合する方法として、ワークを加圧しつつ電流を流し、それにより発生する抵抗熱で金属を溶融させて接合するスポット溶接が知られている。

このスポット溶接は、電流の流し方の違い等により、様々な種類に分類されているが、ワークの両側から加圧しつつ電流を流す両側スポット溶接と、ワークの片側のみから加圧しつつ電流を流す片側スポット溶接の２つに大別される。

ここで、ワークには様々な形状のものが存在することから、複雑な形状を呈するワークが溶接対象となることにより、電極（溶接ガン）をワークの両側から当接させるのが物理的に不可能な場合がある。このような場合は、必然的に片側スポット溶接が用いられることになる。

また、このようなスポット溶接の接合強度は、溶接により形成されるナゲット（接合部）の大きさに関係し、平面視におけるナゲットの直径（ナゲット径）が大きくなると、接合強度が高くなる。そこで、溶接品質を管理する一方法として、溶接後のワークのナゲットに超音波を照射し、ナゲット径を推定する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０００−１４６９２８号公報

しかしながら、特許文献１では、超音波の送信機及び受信機が必要となるため、溶接装置が高価となるうえ、溶接の冷却後の別工程において、超音波を送信／受信するので、工程数が多くなり、量産ラインで使用することは困難である。

そこで、本発明は、簡易な構成で溶接品質を容易に管理しつつ良好に溶接可能な片側スポット溶接装置を提供することを課題とする。

ここで、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、溶接電極の変位量（沈み込み量）とナゲット径（ナゲット大きさ）とが高い相関関係を有するという知見を得た。

この知見に基づいて、前記課題を解決するための手段として、本発明は、第１ワーク及び第２ワークが重ねられてなるワークに、前記第１ワーク側である片側からのみ電極を当接させて溶接する片側スポット溶接装置であって、前記第１ワークに片側から当接する溶接電極と、前記第１ワークに片側から当接するアース電極と、前記溶接電極を所定位置で保持すると共に、前記アース電極を軸方向の相対位置が可変自在で保持する溶接電極保持部と、前記溶接電極保持部を前記ワークに向かって変位させることで前記溶接電極を前記ワークに向かって加圧する加圧機構と、前記アース電極と前記溶接電極保持部との間に介装され、前記アース電極を前記ワークに向けて付勢すると共に、前記アース電極の前記ワークへの当接後に縮退することで前記アース電極を前記ワークに対して変位させない圧縮コイルばねと、前記溶接電極及び前記アース電極を経由するように通電させる電源回路と、前記溶接電極保持部と前記アース電極との相対位置を検出することで、前記ワークに対する前記溶接電極の沈み込み量である変位量を検出する変位量検出手段と、制御手段と、前記溶接電極の変位量と溶接後のワークに形成されるナゲット大きさとが、予め関連付けられたデータベースと、を備え、前記制御手段は、目標ナゲット大きさと前記データベースとに基づいて、目標変位量を算出し、前記変位量検出手段の検出する実測変位量が前記目標変位量となるように、前記加圧機構及び前記電源回路を制御することを特徴とする片側スポット溶接装置である。

このような構成によれば、制御手段が、目標ナゲット大きさ（目標ナゲット径、目標溶接強度）とデータベースとに基づいて、目標変位量を算出する。次いで、制御手段が、変位量検出手段の検出する溶接電極の実測変位量（ワークに対する溶接電極の沈み込み量）が目標変位量となるように、加圧機構及び電源回路を制御する。このように溶接電極の実測変位量を目標変位量とすることでワークを良好に溶接できる。また、高価な超音波の送信機及び受信機は不要で、溶接電極の変位量を検出する変位量検出手段等を付加した簡易な構成で、溶接品質を容易に管理できる。

このような構成によれば、変位量検出手段が溶接電極とワークに当接後変位しないアース電極との相対位置を検出することで、溶接電極の変位量を検出できる。

このような構成によれば、変位量検出手段が溶接電極保持部とシャフトとの相対位置を検出することで、溶接電極の変位量を検出できる。

本発明によれば、簡易な構成で溶接品質を容易に管理しつつ良好に溶接可能な片側スポット溶接装置を提供できる。

本実施形態に係る片側スポット溶接装置の構成を示す図であり、溶接電極及びアース電極のワークへの当接時を示している。溶接電極の変位量（ワークに対する溶接電極の沈み込み量）と溶接後のナゲット径との関係を示すマップ（データベース）である。本実施形態に係る片側スポット溶接装置の動作を示すフローチャートである。本実施形態に係る片側スポット溶接装置の動作を示す図であり、（ａ）は溶接前（溶接電極及びアース電極の当接前）、（ｂ）は溶接終了時を示している。本実施形態に係る片側スポット溶接装置の一動作例を示すタイムチャートである。

本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

≪片側スポット溶接装置の構成≫
図１に示すように、片側スポット溶接装置１は、板状を呈する金属製の第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが重ねられてなるワークＷの上面側（片側）のみから、ワークＷの溶接部位Ｑに溶接電極１１等を当接させてスポット溶接する装置である。
なお、溶接後、溶接部位Ｑにおける第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との境界面には、縦断面視で楕円形のナゲットＰ（接合部）が形成される。また、図１は、溶接電極１１等の当接時を示すが、便宜的にナゲットＰを記載している。

片側スポット溶接装置１は、溶接ガン１０と、サーボモータ２１（加圧機構）と、電源回路３１と、入力装置４１と、制御装置５０と、を備えている。このような片側スポット溶接装置１は、例えば、溶接ロボットのアームの先端に組み込まれる。

＜溶接ガン＞
溶接ガン１０は、＋極側の溶接電極１１と、−極側の２本のアース電極１２と、溶接電極１１を保持する溶接電極保持部１３と、を備えている。

＜溶接ガン−溶接電極＞
溶接電極１１は、丸棒状を呈し、その先端（図１の下端）が、ワークＷの溶接部位Ｑの上面に当接されるものである。溶接電極１１の基端部（図１の上端部）は、溶接電極保持部１３に挿通され固定されている。すなわち、溶接電極保持部１３は溶接電極１１を保持すると共に、溶接電極１１と溶接電極保持部１３とは一体である。

＜溶接ガン−アース電極＞
アース電極１２は、溶接電極１１と平行であって、溶接電極１１の左右に距離Ｌを隔て、溶接電極１１を対称中心として配置されている。ただし、アース電極１２の数はこれに限定されず、３本、４本等に変更してよい。このように変更する場合、複数本のアース電極１２を、溶接電極１１を中心とする円周上に等間隔で配置すればよい。

アース電極１２の基端部は、アダプタ１４に着脱自在取り付けられており、アダプタ１４は、その上部にシャフト１４ａを有している。よって、アース電極１２はシャフト１４ａと一体である。

シャフト１４ａの上部は、溶接電極保持部１３の貫通孔１３ａに挿通されている。これにより、アース電極１２は、溶接電極１１の軸方向（図１の上下方向）において、溶接電極保持部１３（溶接電極１１）と相対位置を可変自在となっている。また、シャフト１４ａの上端には、シャフト１４ａが溶接電極保持部１３からの脱落を防止するためのフランジ１４ｂが形成されている。

溶接電極保持部１３とアダプタ１４との間には、圧縮コイルばね１５が介装されている。圧縮コイルばね１５は、アース電極１２をワークＷに向けて付勢し（図４（ａ）参照）、溶接中（通電中）、アース電極１２をワークＷに良好に接触させるものである。ただし、圧縮コイルばね１５のばね力は、溶接電極１１のワークＷへの当接後、溶接が進み溶接電極１１がワークＷに対して沈んだ、つまり、ワークＷに対して下方に変位したとしても、圧縮コイルばね１５が縮退し、アース電極１２がワークＷに対して変位しない弱いばね力に設定されている。

＜溶接ガン−変位量センサ＞
溶接ガン１０は、２つの変位量センサ１６を備えている。変位量センサ１６は、溶接電極保持部１３（溶接電極１１）と、シャフト１４ａ（アース電極１２）との軸方向における相対位置（距離）を検出するセンサである。変位量センサ１６は、ブラケット１６ａを介して溶接電極保持部１３に固定されると共に、そのロッド１６ｂが貫通孔１３ａ内を延び、ロッド１６ｂの下端がフランジ１４ｂの上面に当接している。

ロッド１６ｂは、シャフト１４ａに連動して、軸方向においてスライドし、変位量センサ１６が、溶接電極保持部１３とシャフト１４ａ（アース電極１２）との相対位置を検出し、制御部５１に出力するようになっている。

ここで、溶接電極１１と溶接電極保持部１３とは一体であり、前記したように、アース電極１２はワークＷへの当接後、ワークＷに対して変位しないから、ワークＷへの当接後において、変位量センサ１６の検出する変位量は溶接電極１１の変位量（ワークＷに対する溶接電極１１の沈み込み量）と等しくなる。

＜サーボモータ＞
サーボモータ２１は、制御部５１からの指令に従って、溶接ガン１０（溶接電極保持部１３）を図１の上下方向に移動させると共に、溶接電極１１でワークＷの溶接部位Ｑを加圧する加圧機構である。そして、電圧センサ２２が、サーボモータ２１の印加電圧を検出し、制御部５１に出力するようになっている。したがって、溶接電極１１がワークＷに当接すると、電圧センサ２２の検出する電圧が上昇するので、制御部５１が溶接電極１１の当接時を検知するようになっている。

＜電源回路＞
電源回路３１は、制御部５１からの指令に従って、溶接電極１１及びアース電極１２を経由するように、スポット溶接用の電流を通電させる回路である。電源回路３１の＋端子は溶接電極１１に接続されており、電源回路３１の−端子はアース電極１２に接続されている。このような電源回路３１は、交流電源、インバータ、スイッチング回路等を備えて構成されている。

＜入力装置＞
入力装置４１は、オペレータが、目標ナゲット径（目標ナゲット大きさ、目標溶接強度）、ワークＷの材質、ワークＷの厚さ、溶接部位Ｑの情報（角部、中央部等）、等を入力する装置であり、キーボード等を備えている。そして、入力装置４１は、目標ナゲット径等の入力された情報を制御部５１に出力するようになっている。

＜制御装置＞
制御装置５０は、制御部５１と、記憶部５２（データベース）と、を備えている。

＜制御装置−制御部＞
制御部５１は、片側スポット溶接装置１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

制御部５１は、入力装置４１から入力された目標ナゲット径等と、後記する図２のマップとに基づいて、溶接電極１１の目標変位量を算出する機能を備えている。

＜制御装置−記憶部＞
記憶部５２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置で構成されている。そして、記憶部５２には、図２のマップ（データベース）が記憶されている。図２のマップは、種々の事前試験によって取得されたものであり、溶接電極１１の変位量とナゲット径Ｄ（溶接強度、図１参照）とが相関性を有している。すなわち、溶接電極１１の変位量とナゲット径（溶接強度）とは、相関式Ｆの関係を有しており、溶接電極１１の変位量が大きくなるにつれて、ナゲット径（溶接強度）が大きくなる関係となっている。

なお、図２のマップは、ワークＷの材質、ワークＷの厚さ、溶接部位Ｑの情報（角部、中央部等）、溶接電極１１の形状（大きさ、材質等）、加圧力、通電電流、通電時間、溶接時間、毎に記憶されている。

≪片側スポット溶接装置の動作、片側スポット溶接方法≫
次に、図３〜図５を参照して、片側スポット溶接装置１の動作と、片側スポット溶接方法について説明する。片側スポット溶接方法は、溶接電極１１の目標変位量を算出する目標変位量算出ステップと、溶接ステップと、を含んでいる。

ステップＳ１０１において、制御部５１は、目標変位量算出処理を実行する。
具体的には、制御部５１は、入力装置４１から入力される目標ナゲット径（目標ナゲット大きさ、目標溶接強度）、溶接部位Ｑの情報（角部、中央部等）、溶接電極１１の形状（大きさ、材質等）と、図２のマップ（相関式Ｆ）とに基づいて、溶接電極１１の目標変位量を算出する（図２参照）。

また、制御部５１は、目標ナゲット径に基づいて、ブローホールやクラックが形成されないように、加圧力、通電電流、通電時間、溶接時間を算出する。なお、目標ナゲット径が大きくなると、加圧力、通電電流、通電時間、溶接時間が大きく（長く）なる関係となっている。

ステップＳ１０２において、制御部５１は、サーボモータ２１を制御して、ステップＳ１０１で算出した加圧力Ｆ１（図５参照）で、溶接電極１１をワークＷに当接させる。また、制御部５１は、溶接電極１１のワークＷへの当接後、変位量センサ１６を介して、溶接電極１１の変位量（沈み込み量）の計測を開始する（図５参照）。なお、溶接電極１１のワークＷへの当接時は、電圧センサ２２を介して検出される電圧の上昇によって検出される（図５参照）。

ステップＳ１０３において、制御部５１は、予備通電処理（溶接ステップ）を実行する。
具体的には、制御部５１は、電源回路３１を制御し、ステップＳ１０１で算出したナゲット形成用の電流値Ａ２よりも小さい予備通電用の電流値Ａ１で通電を開始する（図５参照）。

そうすると、溶接電極１１、アース電極１２が発熱すると共に、ワークＷも発熱し軟化する。そして、溶接電極１１により第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２が加圧されることで、溶接電極１１と第１ワークＷ１とが良好に接触し密着すると共に、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とも良好に接触し密着する。
なお、このような予備通電は、事前試験等により求められた所定時間にて実行される。

ステップＳ１０４において、制御部５１は、ナゲット形成処理（溶接ステップ）を実行する。
具体的には、制御部５１は、加圧力Ｆ１を維持しつつ、電流値をステップＳ１０１で算出したナゲット形成用の電流値Ａ２に上昇させる（図５参照）。そうすると、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２がさらに発熱し、特に、溶接電極１１の下方の溶接部位Ｑにおける温度が非常に高くなる。その結果、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の間において金属原子の拡散が起こり、当該箇所にナゲットＰが形成し始める（図１参照）。

これに並行して、加圧力Ｆ１で加圧される溶接電極１１は、ワークＷに対して変位、つまり、ワークＷに対して沈み込む。これにより、溶接電極１１の変位量が大きくなる（図５参照）。なお、アース電極１２は、圧縮コイルばね１５が縮退するので、ワークＷに対して変位しない。

ステップＳ１０５において、制御部５１は、変位量センサ１６を介して検出される溶接電極１１の実測変位量が、ステップＳ１０１で算出した目標変位量以上であるか否か判定する。

実測変位量が目標変位量以上であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、制御部５１の処理はステップＳ１０６に進む。一方、実測変位量が目標変位量以上でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、制御部５１はステップＳ１０５の判定を繰り返す。

ステップＳ１０６において、制御部５１は、徐冷処理（溶接ステップ）を実行する。
具体的には、制御部５１は、予備通電処理の電流値Ａ１よりも大きく、かつ、ナゲット形成処理の電流値Ａ２よりも小さい電流値Ａ３（Ａ１＜Ａ３＜Ａ２）で通電させると共に、加圧力Ｆ１よりも小さい加圧力Ｆ２で加圧する。これにより、ナゲットＰの近傍における気孔の発生を抑制し、ブローホールの形成を抑制できる。なお、徐冷処理は、事前試験等によって求められた所定時間にて実行される。

また、徐冷処理において、溶接電極１１の実測変位量の増加を防止するため、つまり、溶接電極１１の沈み込みを防止するため、ロック機構（図示しない）で溶接電極保持部１３を軸方向においてロックする。ロック機構は、例えば、溶接電極保持部１３に対して進退するロック片と、ロック片を進退させるアクチュエータとを備えて構成される。

≪片側スポット溶接装置の効果≫
このような片側スポット溶接装置１によれば次の効果を得る。
目標ナゲット径（目標溶接強度）に基づいて、溶接電極１１の目標変位量を算出し、実測変位量が目標変位量となるように、サーボモータ２１等を制御するので、溶接品質を容易に管理しつつ、ワークＷを良好に溶接できる。また、主に変位量センサ１６のみを追加する簡易な構成であるので、片側スポット溶接装置１を低コストで構成でき、量産ラインにも適用容易である。

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、アース電極１２と一体であるシャフト１４ａの変位量を検出する構成としたが、その他に例えば、溶接電極１１の変位量を直接検出する構成としてもよい。

前記した実施形態では、サーボモータ２１が溶接ガン１０を上下に移動させる構成を例示したが、その他に例えば、制御部５１からの指令に従って駆動する油圧機構によって、溶接ガン１０を移動させる構成としてもよい。この場合、油圧機構は、例えば、上下方向に延びるピストンを上下させる油圧シリンダと、油圧シリンダに対して油を給排する油圧ポンプとを備えて構成される。そして、油圧センサが前記油圧シリンダに封入された油圧を検出し、この油圧に基づいて、制御部５１は溶接電極１１の当接時を検知するように構成される。また、エアシリンダ（空圧）によって移動させる構成としてもよい。

１片側スポット溶接装置
１２アース電極
１３溶接電極保持部
１４ａシャフト
１６変位量センサ（変位量検出手段）
２１サーボモータ（加圧機構）
３１電源回路
５１制御部（制御手段）
５２記憶部（データベース）
Ｄナゲット径（ナゲット大きさ）
Ｐナゲット

Claims

第１ワーク及び第２ワークが重ねられてなるワークに、前記第１ワーク側である片側からのみ電極を当接させて溶接する片側スポット溶接装置であって、
前記第１ワークに片側から当接する溶接電極と、
前記第１ワークに片側から当接するアース電極と、
前記溶接電極を所定位置で保持すると共に、前記アース電極を軸方向の相対位置が可変自在で保持する溶接電極保持部と、
前記溶接電極保持部を前記ワークに向かって変位させることで前記溶接電極を前記ワークに向かって加圧する加圧機構と、
前記アース電極と前記溶接電極保持部との間に介装され、前記アース電極を前記ワークに向けて付勢すると共に、前記アース電極の前記ワークへの当接後に縮退することで前記アース電極を前記ワークに対して変位させない圧縮コイルばねと、
前記溶接電極及び前記アース電極を経由するように通電させる電源回路と、
前記溶接電極保持部と前記アース電極との相対位置を検出することで、前記ワークに対する前記溶接電極の沈み込み量である変位量を検出する変位量検出手段と、
制御手段と、
前記溶接電極の変位量と溶接後のワークに形成されるナゲット大きさとが、予め関連付けられたデータベースと、
を備え、
前記制御手段は、
目標ナゲット大きさと前記データベースとに基づいて、目標変位量を算出し、
前記変位量検出手段の検出する実測変位量が前記目標変位量となるように、前記加圧機構及び前記電源回路を制御する
ことを特徴とする片側スポット溶接装置。
前記アース電極と一体であるシャフトと、
を備え、
前記変位量検出手段は、前記溶接電極保持部と前記シャフトとの相対位置を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の片側スポット溶接装置。