JP5872319B2 - 片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法 - Google Patents

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及び片側スポット溶接方法に関する。

複数の金属製の被溶接部材が重ねられてなるワークを接合する方法として、ワークに所定の加圧力で電極を当接させながら通電し、通電によ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。スポット溶接は、ワークを溶接電極及びアース電極で挟む両側スポット溶接と、ワークの片側のみに溶接電極及びアース電極を当接させる片側スポット溶接と、に大別される（特許文献１参照）。

このようなスポット溶接における溶接品質（溶接強度等）は、複数の被溶接部材の境界部分に形成されるナゲット（接合部）の形状・位置等に関係する。例えば、片側スポット溶接では、溶接電極の略真下に、側断視において楕円状で平面視において円形のナゲットが形成されることが好ましい。

特開２０１１−３１２７１号公報

ところで、片側スポット溶接による溶接部位として、例えば、車両のボディを構成するパネル（アウタパネル、インナパネル等）同士を溶接するための溶接部位や、パネルとピラー（センタピラー、フロントピラー等）とを溶接するための溶接部位がある。具体的には、パネルの外周縁に形成されたフランジ部と、相手部材（他のパネルのフランジ部等）とが重ねられることで溶接部位が構成される。

一方、車両の軽量化や低コスト化を進める一手段として、前記したフランジ部が短くなる傾向、つまり、フランジ部の幅が小さくなる傾向にある。これにより、短いフランジ部を含んでなる溶接部位に溶接電極等を当接させるケースが増加している。

そうすると、図５に示すように、溶接電極１１を当接する溶接部位Ｐの近傍に、フランジ部１１１から立ち上がるパネル本体１１２が存在することになるから、溶接部位Ｐの面方向（溶接電極１１と垂直な方向）において、その反力（撓み性）が異なることになる。これにより、溶接電極１１と溶接部位Ｐとの接触圧は、フランジ部１１１の内側（図５の後側）では高く、フランジ部１１１の外側（図５の前側）では低くなる分布となる。すなわち、フランジ部１１１の内側はパネル本体１１２が存在するため剛性が高く撓み難いので接触圧が高くなることに対し、フランジ部１１１の外側は撓み易いので接触圧が低くなる。

そして、このように溶接電極１１を中心とした接触圧に偏りが生じた状態で、溶接電極１１の両側にフランジ部１１１の端面と平行でアース電極１２、１２を配置し、通常に通電すると、接触圧の高い側の溶融が進み、平面視（溶接電極１１の軸方向視）において、ナゲットＱが円形とならず、接触圧の高い側に寄った形状となってしまい、溶接品質（溶接強度等）が低下する虞がある（図５（ｂ）参照）。

そこで、本発明は、ワークと溶接電極との接触圧に偏りが生じていても、ワークを良好に溶接可能な片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の被溶接部材が重ねられてなるワークの溶接部位に、前記ワークの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、前記ワークに片側から当接する溶接電極と、前記ワークに片側から当接するアース電極と、前記溶接電極と前記アース電極との間に形成される通電経路が、前記溶接電極を中心として、前記溶接部位と前記溶接電極との接触圧が低い側に偏心するように、前記アース電極の位置を調整するアース電極位置調整手段と、を備えることを特徴とする片側スポット溶接装置である。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の被溶接部材が重ねられてなるワークの溶接部位に、前記ワークの片側からのみ溶接電極及びアース電極を当接させて溶接する片側スポット溶接方法であって、前記溶接電極と前記アース電極との間に形成される通電経路が前記溶接部位と前記溶接電極との接触圧が低い側に偏心するように、前記アース電極の位置を調整することを特徴とする片側スポット溶接方法である。

このような構成によれば、アース電極位置調整手段によって、溶接電極とアース電極との間に形成される通電経路が、溶接電極を中心として、溶接部位と溶接電極との接触圧が低い側に偏心するように、アース電極の位置を調整する。そして、このように調整した状態で、通電すると、溶接電極とアース電極との間に形成される通電経路が、溶接電極を中心として、溶接部位と溶接電極との接触圧が低い側に偏心し、接触圧が低い側に通電し易くなる。

そうすると、（１）接触圧の高いことに主に起因する接触圧の高い側の発熱量と、（２）通電経路が偏心したことに主に起因する接触圧の低い側の発熱量と、が等しくなり易くなり、溶接部位に平面視で円形のナゲットが形成され易くなる。これにより、ワークを良好に溶接できる。

本発明によれば、ワークと溶接電極との接触圧に偏りが生じていても、ワークを良好に溶接可能な片側スポット溶接装置及び片側スポット溶接方法を提供できる。

本実施形態に係る片側スポット溶接装置の正面図である。 本実施形態に係るアース電極の側面図である。 本実施形態に係る溶接電極及びアース電極の斜視図である。 本実施形態に係る片側スポット溶接方法を説明する平面図であり、（ａ）は通電中（溶接中）、（ｂ）は溶接後を示す。 比較例に係る片側スポット溶接方法を説明する平面図であり、（ａ）は通電中（溶接中）、（ｂ）は溶接後を示す。 変形例に係る片側スポット溶接方法を説明する平面図である。

本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示すように、片側スポット溶接装置１は、車両のボディを構成するインナパネル等のパネル１１０（被溶接部材）のフランジ部１１１（図３参照）と、板状のパネル１２０（被溶接部材）とが重ねられてなるワークＷの溶接部位Ｐに、ワークＷの上面側（片側）のみから溶接電極１１を当接させてスポット溶接する装置である。

≪片側スポット溶接装置の構成≫
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、＋（プラス）極側の溶接電極１１と、−（マイナス）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Ｐ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、初期状態では、溶接電極１１と平行であって、溶接電極１１の左右両側に距離Ｌを隔て、溶接電極１１を対称中心として配置されている。

アース電極１２の基端部１２ａは、図２に示すように、ボルト１７ａ及びナット１７ｂによって、アダプタ１４に着脱自在に取り付けられている。具体的には、基端部１２ａには、ボルト１７ａが挿通されると共に、前後方向に延びる長孔１２ｂが形成されている。これにより、アース電極１２は、前後方向において、アダプタ１４に対してスライド可能であり、アダプタ１４に対するアース電極１２の相対位置が調整可能となっている。

すなわち、溶接電極１１とアース電極１２との間に形成される通電経路Ａ１（図４（ａ）参照）が、平面視において、溶接電極１１を中心として、溶接部位Ｐと溶接電極１１との接触圧が低い側（前側）に偏心するように（偏るように）、アース電極１２の位置を調整するアース電極位置調整手段は、長孔１２ｂと、ボルト１７ａ及びナット１７ｂとを備えて構成されている。

アダプタ１４はその上部にシャフト１４ａを有しており、シャフト１４ａは溶接電極保持部１３の挿通孔１３ａに挿通され、シャフト１４ａ（アース電極１２）は溶接電極保持部１３に対して上下自在となっている。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、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、溶接電極１１がワーク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。

＜サーボモータ＞
サーボモータ２１は、制御装置５０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Ｐ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、制御装置５０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、制御装置５０が溶接電極１１の当接時を検知するようになっている。また、サーボモータ２１の回転量により、溶接電極１１の沈み込み量（ワークＷに当接後の変位量）が検出されるようになっている。ただし、変位センサを取り付けて、溶接電極１１の変位量（沈み込み量）を検出する構成としてもよい。

＜電源回路＞
電源回路３１は、制御装置５０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、溶接電極１１の当接圧力、溶接電流値、溶接時間（通電時間）、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、入力された情報を制御装置５０に出力するようになっている。

＜制御装置＞
制御装置５０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。

≪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２〜図４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。

＜溶接部位＞
ここで、溶接部位Ｐについて説明する。
溶接部位Ｐは、フランジ部１１１とパネル１２０とを接合するナゲットＱを形成させるべき部位であって、平面視で円形を呈している。そして、溶接部位Ｐの上面に、溶接電極１１が当接され、溶接後、平面視において円形で側面視において楕円形のナゲットＱが形成される。

また、溶接部位Ｐを構成するフランジ部１１１の幅（図３の前後方向長さ）は、小さく、溶接部位Ｐの後方には、フランジ部１１１の後端部から上方に立ち上がるパネル本体１１２が形成されている。これにより、フランジ部１１１の幅方向（前後方向）において、溶接部位Ｐの反力（剛性）は、後側のパネル本体１１２に向かうにつれて大きくなり、前側のフランジ部１１１の前端面）に向かうにつれて小さくなる。つまり、溶接部位Ｐは、パネル本体１１２に向かうにつれて撓み難くなり、フランジ部１１１の前端面に向かうにつれて撓み易くなる。

したがって、溶接電極１１の軸線方向を溶接部位Ｐ（フランジ部１１１）と垂直とした場合において、溶接電極１１を溶接部位Ｐに所定圧力にて当接したときにおける溶接電極１１と溶接部位Ｐとの接触圧は、平面視において、溶接電極１１の中心からパネル本体１１２（後方）に向かうにつれて高くなり、フランジ部１１１の前端面（前方）に向かうにつれて低くなる。

片側スポット溶接方法は、溶接電極１１とアース電極１２との間に形成される通電経路Ａ１が、溶接電極１１を回転中心として、溶接部位Ｐと溶接電極１１との接触圧が低い前側に偏心するように（図４（ａ）参照）、アース電極１２の位置を調整、つまり、アース電極１２を溶接電極１１に対して前側（フランジ部１１１の端面側）にスライドさせる。
なお、接触圧に偏りがない場合、つまり、例えば２枚の平板を溶接する場合、１本の溶接電極１１と２本のアース電極１２とは直線上の一列で配列される。

ここで、通電経路Ａ１を偏心させる程度、つまり、アース電極１２をスライドさせる程度は、例えば、溶接電極１１と溶接部位Ｐ（フランジ部１１１）とによって通電時（溶接時）の加圧力で感圧紙を挟み、前後方向における接触圧の差（接触圧の分布）が大きくなるにつれて、偏心量（アース電極１２のスライド量）が大きくなる構成とすればよい。そして、このようにして算出したスライド量に従って、アース電極１２を前側（接触圧の低い側）にスライドさせる（図２参照）。

その他、（１）ワークＷ（特に溶接電極１１側のフランジ部１１１）が厚くなるにつれて、（２）ワークＷ（特に溶接電極１１側のフランジ部１１１）の融点が高くなるにつれて、偏心量が大きくなるように補正する構成としてもよい。

また、溶接条件（溶接電極１１の外径、溶接電流値、加圧力等）と、溶接部位Ｐの仕様（ワークＷの材質・厚さ、溶接部位Ｐの位置（パネル本体１１２からの距離等））と、偏心量とが関連付けられたデータベースを予め制御装置５０に記憶しておき、制御装置５０が、オペレータが入力装置４１で入力した今回の溶接条件・溶接部位Ｐの仕様と、記憶されているデータベースとに基づいて、偏心量を算出する構成としてもよい。そして、アース電極１２を前後方向にスライドさせるアクチュエータを備え、制御装置５０が算出した偏心量に基づいてアクチュエータを駆動させる構成としてもよい。

次いで、制御装置５０は、サーボモータ２１を駆動して溶接電極１１及びアース電極１２を下降させる。

そして、制御装置５０は、電圧センサ２２を介して検出される電圧の上昇により、溶接電極１１がフランジ部１１１に当接したことを検知した後、所定の加圧力となるように、サーボモータ２１への印加電圧を制御しながら、電源回路３１を制御し、溶接電流を通電させる。

そうすると、図４（ａ）に示すように、アース電極１２を前側にスライドさせたことにより、溶接電極１１とアース電極１２との間に形成される通電経路Ａ１が、溶接電極１１を中心として、前側に偏心した状態となる。

これにより、前後方向において、（１）接触圧の高いことに主に起因する接触圧の高い側（後側）の発熱量と、（２）通電経路Ａ１が偏心したことに主に起因する接触圧の低い側（前側）の発熱量と、が等しくなり易くなり、溶接部位Ｐ中に平面視で円形のナゲットＱが形成され易くなる（図４（ｂ）参照）。つまり、溶接電極１１の直下における加圧力の偏りに起因する発熱量の偏りが、通電経路Ａ１の偏りに起因する発熱量の偏りで緩和されることになる。

そして、例えば、所定時間の経過後、制御装置５０は、電源回路３１を制御して、溶接電流をＯＦＦ（０Ａ）とした後、サーボモータ２１を制御して、溶接ガン１０（溶接電極１１、アース電極１２）を上昇させ、片側スポット溶接を終了させる。

≪片側スポット溶接装置（溶接方法）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。
溶接電極１１の接触圧の低い前側に、溶接電極１１とアース電極１２との間に形成される通電経路Ａ１を偏心させることで、（１）接触圧の高いことに主に起因する接触圧の高い側（後側）の発熱量と、（２）通電経路Ａ１が偏心したことに主に起因する接触圧の低い側（前側）の発熱量と、が等しくなり易くなり、溶接部位Ｐ中に平面視で円形のナゲットＱが形成され易くなる（図４（ｂ）参照）。これにより、フランジ部１１１とパネル１２０とを良好に溶接できる。

≪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が前後方向にスライドする構成を例示したが、その他に例えば、アース電極１２が溶接電極１１との距離Ｌを変えずに円弧状で回動する構成としてもよい。
その他に例えば、図６に示すように、アース電極１２を前側に移動させつつ、溶接電極１１から遠ざける構成、つまり、アース電極１２と溶接電極１１との距離Ｌを可変する構成としてもよい。このように遠ざける構成とすれば、基準線と溶接電極１１及びアース電極１２を通る仮想線とのなす角度θは、アース電極１２を前側のみにスライドさせる構成（図４参照）に対して、小さくなる。なお、基準線は、直線上の一列で配列した溶接電極１１及びアース電極１２、１２を通る仮想線である（図５（ａ）参照）。

前記した実施形態では、図３に示すように、溶接電極１１等が、反力の異なるフランジ部１１１の上面に直接当接する構成を例示したが、その他に例えば、溶接電極１１等が板状のパネル１２０の下面に当接する構成でもよい。

前記した実施形態では、フランジ部１１１の近傍から立ち上がったパネル本体１１２によって、フランジ部１１１（溶接部位Ｐ）の反力が異なる形態を例示したが、その他の形態でもよい。例えば、大・中・小と厚さが段階的に異なる平板の中厚部の溶接部位を溶接する形態でもよい。

１ 片側スポット溶接装置
１１ 溶接電極
１２ アース電極
１２ｂ 長孔（アース電極位置調整手段）
１３ 溶接電極保持部
１３ａ 挿通孔
５０ 制御装置
１１０、１２０ パネル
１１１ フランジ部
Ａ１ 通電経路
Ｐ 溶接部位
Ｑ ナゲット

Claims (2)

1. 複数の被溶接部材が重ねられてなるワークの溶接部位に、前記ワークの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、
   前記ワークに片側から当接する溶接電極と、
   前記ワークに片側から当接するアース電極と、
   前記溶接電極と前記アース電極との間に形成される通電経路が、前記溶接電極を中心として、前記溶接部位と前記溶接電極との接触圧が低い側に偏心するように、前記アース電極の位置を調整するアース電極位置調整手段と、
   を備える
   ことを特徴とする片側スポット溶接装置。
2. 複数の被溶接部材が重ねられてなるワークの溶接部位に、前記ワークの片側からのみ溶接電極及びアース電極を当接させて溶接する片側スポット溶接方法であって、
   前記溶接電極と前記アース電極との間に形成される通電経路が、前記溶接電極を中心として、前記溶接部位と前記溶接電極との接触圧が低い側に偏心するように、前記アース電極の位置を調整する
   ことを特徴とする片側スポット溶接方法。

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