JP6004346B2 - 電気抵抗溶接用電極およびその冷却方法 - Google Patents

Description

この発明は、電極の中心部に配置されたガイドピンの先端が電極の端面から突出している形式の電極において、溶接熱で加圧された電極各部を効果的に冷却する電気抵抗溶接用電極およびその冷却方法に関している。

特許第３８３８５６５号公報および特許第４０２３７０２号公報には、水冷と空冷によって電極各部を冷却することが記載されている。また、特許第４９８４２９５号公報には、ガイドピンを包囲する環状の冷却水通路が記載されている。

特許第３８３８５６５号公報 特許第４０２３７０２号公報 特許第４９８４２９５号公報

上記特許文献１および特許文献２に記載されている冷却構造は、空冷用の空気通路と水冷用の冷却水通路が細長い形態で電極の軸線方向に配置されている。このため、溶接熱によって加熱された電極各部は、細長い領域が局部的に冷却されることとなり、均一で効果的な冷却状態ではない。また、特許文献３に記載されている水冷式の冷却構造は、空気冷却構造との効果的な複合構造ではないので、冷却性能の点で不十分である。

本発明は、上記の問題点を解決するために提供されたもので、電極の中心部に配置されたガイドピンやその外側の外筒部材に対する冷却を、空冷と水冷によって効果的に行うことができる電気抵抗溶接用電極およびその冷却方法の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、電気抵抗溶接用電極についての発明であり、電極の中心部に配置されたガイドピンの先端が電極の端面から突出している形式の電極において、ガイドピンを包囲する状態で環状の冷却水通路が電極の外筒部材に形成され、冷却水通路の内側に形成された薄肉部とガイドピンの間にガイドピンを包囲する状態で環状の通気空隙が形成され、前記冷却水通路は外筒部材に挿入された環状部材に溝状の状態で形成され、前記薄肉部は環状部材の内側に円筒状の状態で形成され、空気供給源から通気空隙へ供給される冷却空気の流入孔が外筒部材に開けてあり、冷却水通 路へ冷却水を流入させ冷却水通路に開口している入口孔と冷却水通路から冷却水を流出させる出口孔が外筒部材に設けられ、冷却水通路と通気空隙において水冷と空冷が複合した状態で遂行されることにより、冷却水通路の冷却水は主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気は主にガイドピンを冷却するように構成したことを特徴としている。

ガイドピンを包囲する状態で環状の冷却水通路が電極の外筒部材に形成され、冷却水通路の内側に形成された薄肉部とガイドピンの間にガイドピンを包囲する状態で環状の通気空隙が形成されている。したがって、溶着時に発生した溶接熱の内、外筒部材側に伝わった熱は、主に冷却水通路の冷却水で奪われる。つまり、冷却水通路における冷却作用は、主に溶着部から外筒部材側を流れる熱を奪う役割を果たしている。一方、溶着時に発生した溶接熱の内、ガイドピンに伝わった熱は、主に通気空隙を通過する冷却空気で奪われる。つまり、通気空隙を通過する冷却空気は、主に溶着部からガイドピン側を流れる熱を奪う役割を果たしている。

冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却水の温度低下にも貢献しており、間接的に外筒部材が冷却されている。一方、冷却水の温度が冷却空気の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却空気の温度低下にも貢献しており、間接的にガイドピンが冷却されている。

このような熱の授受にともない、冷却空気によって冷却水が冷却されているのか、あるいは冷却水によって冷却空気が冷却されているのかは、冷却水と冷却空気のいずれの温度が低いかによって熱流の方向は変化する。例えば、生産量が増大して、連続的溶接により外筒部材側が著しく高温になっていると、冷却水の温度が高くなり冷却水が冷却空気によって冷却される。また、長時間溶接が行われないで溶接が開始されたときの、立ち上がり当初の溶接回数が少数のときには、外筒部材の方がガイドピンよりも熱容量が大きいので、外筒部材側よりもガイドピン側の方が早く高温となる。このようなときには、冷却空気が冷却水で冷やされる関係となる。

上述のような冷却過程により、冷却水通路の冷却水は主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気は主にガイドピンを冷却する。同時に、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、冷却水が冷却空気で冷却されて外筒部材が間接的に冷却される。一方、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも高いときには、冷却空気が冷却水によって冷却されてガイドピンが間接的に冷却される。上記のような相互的な冷却作用は、薄肉部の厚さが薄くなっているので、熱の透過が良好になされることが効いている。つまり、水冷域と空冷域との間に薄肉部が介在しているので、上述のような良好な冷却がなされる。

請求項２記載の発明は、前記ガイドピンの先端とガイドピンの揺動を少なくするための軸受筒の間に、前記冷却水通路と前記薄肉部と前記通気空隙が配置されている請求項１記載の電気抵抗溶接用電極である。

ガイドピンが揺動すると、ガイドピンの上端部が近隣部材に接触する虞がある。そこで、上記のように軸受筒が採用される。同時に、冷却水通路は、熱発生源である溶着部にできるだけ近づけて配置してある。そして、軸受筒は溶着用突起の溶融部からできるだけ遠ざけて配置してある。そのため、各部材の配置順序は、溶融部側から冷却水通路、軸受筒の順番で配置してある。換言すると、熱源と軸受筒の間に冷却水通路や通気空隙が配置してある。このような配置とすることによって、軸受筒に達する溶融熱は、冷却水通路や通気空隙において積極的に奪われる。このため、軸受筒の加熱状態が軽減されるので、精度良く維持されるべき軸受筒の摺動間隙の過少化が最小限にとどめられる。上記冷却過程において、薄肉部における良好な熱の透過性が効果的に効いている。

請求項３記載の発明は、電気抵抗溶接用電極の冷却方法についての発明であり、電極の中心部に配置されたガイドピンの先端が電極の端面から突出している形式の電極において、ガイドピンを包囲する状態で環状の冷却水通路が電極の外筒部材に形成され、冷却水通路の内側に形成された薄肉部とガイドピンの間にガイドピンを包囲する状態で環状の通気空隙が形成され、冷却水通路の冷却水によって主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気によって主にガイドピンを冷却し、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却水の温度低下を行って間接的に外筒部材を冷却し、冷却水の温度が冷却空気の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却空気の温度低下を行って間接的にガイドピンを冷却することを特徴としている。

この冷却方法の発明の作用効果は、上記電極の発明の上記作用効果と同じである。

なお、電気抵抗溶接用電極には、静止した固定電極と進退動作をする可動電極があるが、本発明はいずれの電極に対しても適用することが可能である。

装置全体および各部の断面図である。 軸状部品が溶接される動作過程を示す断面図である。 鋼板部品の異常形態を示す断面図である。 冷却水通路の変型例を示す断面図である。 異なったガイドピンの場合を示す断面図である。 装置全体を動作させる制御系統図である。

つぎに、本発明の電気抵抗溶接用電極およびその冷却方法を実施するための形態を説明する。

図１〜図６は、本発明の実施例１を示す。

本発明の電極で保持される部品は、プロジェクションボルトのようにボルト軸を備えた軸状部品や、プロジェクションナットのような孔あき部品などがある。

最初に、軸状部品について説明する。

軸状部品１は、鉄製のプロジェクションボルトであり、その形状を図２（Ａ）にしたがって説明すると、軸状のボルト２と同心の状態で円形のフランジ３がボルト２と一体的に設けてある。フランジ３の下面に溶着用突起４が同一円周上に複数個設けてある。通常は、１２０度間隔で３個形成されている。

プロジェクションボルト１の各部の寸法は、ボルト２の長さと直径がそれぞれ２８ｍｍと８ｍｍ、フランジ３の直径と厚さがそれぞれ１８ｍｍと２ｍｍである。

つぎに、溶接装置の全体構成について説明する。

円筒状の固定電極１００は、機枠などの静止部材６に、固定ブラケット７を介して取り付けられている。固定電極１００の中心軸線Ｏ−Ｏが鉛直方向となるように、固定電極１００の向きが設定されている。固定電極１００と対をなす可動電極８が進退可能な状態で配置してある。固定電極１００の下部に後述のガイドピンを進退させる駆動手段９が結合してある。駆動手段９としては進退出力式の電動モータやエアシリンダなど種々なものが採用できる。ここでは、エアシリンダ９である。

固定電極１００の端面１１に鋼板部品１２が密着した状態で載置される。鋼板部品１２は、その一部である端部が搬入搬出機構１３によって掴まれている。搬入搬出機構１３としては、供給ロッドの先端部に鋼板部品１２をチャック機構などで掴んで水平方向や鉛直方向に進退させるものや、多関節式のロボット装置等が採用できる。ここでは、後者の多関節式のロボット装置１３である。ロボット装置１３は６軸タイプであり、その先端部分に鋼板部品１２の端部を掴むチャック１４が設けられ、ここが掴み箇所である。このような６軸タイプのロボット装置により、後述の図２に示す動作を容易に行わせることができる。

つぎに、固定電極の内部構造を説明する。

固定電極１００は円筒型であり、円筒状の第１部材１５と円筒状の第２部材１６と円筒状の第３部材１７が１本の筒状部材を形成するように結合されて、１本の外筒部材１８が形成されている。符号１９、２０はねじ部であり、第１部材１５、第２部材１６および第３部材１８の一体化結合を行っている。第１部材１５の上側に、円形の支持部材２２がねじ部２３を介して結合してある。この支持部材２２の上面が前述の端面１１である。第１部材１５、第２部材１６および第３部材１７、支持部材２２は銅合金で作られており、ここではクロム銅が採用されている。

外筒部材１８は、上記の支持部材２２、第１部材１５、第２部材１６および第３部材１８の一体化結合によって形成されているものであるが、１本の円筒部材に機械加工などを施して構成してもよく、構成部品の個数や形状に特別な要件はない。

ポリアミド樹脂のような絶縁材料で作られた円筒型の接続部材２４を介して、第３部材１７とエアシリンダ９が結合してある。ねじ部２５と２６が結合部とされている。

エアシリンダ９のピストンロッド２７と作動軸２８が接手部材２９を介して結合され、作動軸２８にねじ部３０を介してガイドピン３１が結合してある。第３部材１７には接手部材２９が進退できるようにするための大径孔３２が設けられ、支持部材２２と第１部材１５と第２部材１６には、作動軸２８とガイドピン３１が貫通する貫通孔３３が形成してある。

つぎに、冷却水通路について説明する。

第１部材１５、すなわち外筒部材１８内に冷却水通路３４が形成してある。冷却水通路３４を形成するために、第１部材１５内に環状部材３５が挿入してあり、その外側に環状の溝が形成されて冷却水通路３４が形成されている。冷却水の入口孔３６と出口孔３７が第１部材１５に形成され、流入した冷却水は図１（Ｂ）から明らかなように、左右に円周方向に分流して流出してゆく。なお、符号３８は水密用のＯリングである。この環状部材３５は、ポリアミド樹脂やポリエチレン樹脂のような合成樹脂、あるいはアルミニウムや銅合金などで作られている。なお、図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面が同図の（Ｂ）図であり、同様にＣ−Ｃ断面が同図の（Ｃ）図、Ｄ−Ｄ断面が同図の（Ｄ）図とされている。

環状部材３５に環状の冷却水通路３４を溝状に形成することにより、環状部材３５の内側に円筒状の薄肉部３９が形成される。そして、この薄肉部３９の内側に前述の貫通孔３３が形成されている。

支持部材２２の貫通孔３３の内側には、筒状の絶縁体４０が圧入や接着などによって固定され、実際にはこの絶縁体４０の内面が貫通孔３３を形成している。また、上記のように環状部材３５の内面が貫通孔３３を形成している。このようにして貫通孔３３は、支持部材２２の箇所、第１部材１５の箇所、環状部材３５の箇所、第２部材１６の箇所にわたって一貫した同径の孔として形成されている。そして、作動軸２８やガイドピン３１と貫通孔３３の間の空隙が通気空隙４１とされている。なお、作動軸２８とガイドピン３１はねじ部３０で結合してあるが、このねじ部３０を止めて１本のガイドピン３１を接手部材２９と一体化することも可能である。

作動軸２８またはガイドピン３１の進退動作において、作動軸２８またはガイドピン３１がその中心軸線からずれる量をできるだけ少なくするために、第２部材１６、すなわち外筒部材１８の貫通孔３３に軸受筒４２が嵌め込まれ、作動軸２８またはガイドピン３１と軸受筒４２の内面との間に摺動間隙４３が形成されている。この摺動間隙４３は微少な隙間なので、図１（Ｅ）と（Ｆ）にだけ拡大して図示されている。上記軸受筒４２は、耐摩耗性や耐熱性のすぐれた材料で作られており、合成樹脂材料や軸受金属材料などが適している。ここでは、ポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）である。

作動軸２８またはガイドピン３１が揺動すると、ガイドピン３１の上端部が絶縁体４０に接触する虞がある。そこで、上記のように軸受筒４２が採用されるのであるが、ガイドピン３１、作動軸２８、ピストンロッド２７の全体的な軸系を２点支持することが望ましい。ここでは、１点が軸受筒４２であり、２点目がエアシリンダ９のピストンであり、このような２点支持でガイドピン３１の正確な進退動作が確保されている。

作動軸２８およびガイドピン３１の直径は９．５ｍｍ、貫通孔３３の内径は１１．９ｍｍであり、環状の通気空隙４１は１．２ｍｍである。また、軸受筒４２の内径は９．８ｍｍ、作動軸２８の直径は９．５ｍｍであり、軸受筒４２の箇所における環状の摺動間隙４３は０．１５ｍｍである。

冷却水通路３４は、熱発生源である溶着用突起４の溶融部にできるだけ近づけて配置してある。したがって、冷却水通路３４は支持部材２２に接近した箇所に配置されている。そのために、第１部材１５にねじ部２３が形成された端部材２１が設けられ、その下面に環状部材３５が密接させてある。そして、軸受筒４２は溶着用突起４の溶融部からできるだけ遠ざけて配置してある。そのため、各部材の配置順序は、鋼板部品１２側から支持部材２２、冷却水通路３４、軸受筒４２の順番で配置してある。換言すると、熱源である鋼板部品１２に密着している支持部材２２と軸受筒４２の間に冷却水通路３４配置してある。

このような配置とすることによって、支持部材２２から第１部材１５を経て軸受筒４２に達する溶融熱は、冷却水通路３４において積極的に奪われる。このため、軸受筒４２の加熱状態が軽減されるので、精度良く維持されるべき摺動間隙４３の過少化が最小限にとどめられる。もし、軸受筒４２が異常に加熱されると、軸受筒４２の膨張量が過大になるため摺動間隙４３が異常に過少となり、摺動抵抗が高くなりすぎたり後述の空気流が阻害されたりする、という弊害が生じる。なお、軸受筒４２が加熱されるとその内径が小さくなるのは、軸受筒４２が軸受筒４２よりも熱膨張量の少ない第２部材１６によって包囲されているためである。

つぎに、ガイドピンについて説明する。

固定電極１００が待機状態にあるときには、エアシリンダ９の動作によりガイドピン３１の先端が支持部材２２の端面１１から突き出た位置に停止している。鋼板部品１２には予め下孔１０が開けられ、鋼板部品１２が搬入されてきて下孔１０とガイドピン３１が同軸になった状態で鋼板部品１２を端面１１側へ移行させると、ガイドピン３１の先端部が相対的に下孔１０を貫通し、鋼板部品１２が端面１１に密着する。この密着した状態では、図１（Ａ）や図２（Ａ）に示すように、ガイドピン３１の先端部は鋼板部品１２からわずかに突き出ている。下孔１０の内径とガイドピン３１の外径との差はできるだけ小さく設定されており、例えば、上記差寸法は０．４ｍｍであり、片側の隙間としては０．２ｍｍである。

ガイドピン３１には端部に開口する受入孔４５が設けてある。図１（Ａ）では符号の引き出し線が輻輳して見にくいので、図２（Ｅ）にしたがって説明する。受入孔４５は断面円形の孔であり、ガイドピン３１と同軸状態で形成してあり、底面４６が形成された有底構造である。受入孔４５にボルト２が挿入され、ボルト２の下端が図２（Ａ）に示すように、底面４６で受止められる。なお、図１（Ａ）と図２（Ａ）は同じ作動状態を示している。この受入孔４５の中心軸線Ｏ−Ｏは、ボルト２の軸線、作動軸２８の軸線、固定電極１００の軸線などと同軸とされ、鉛直方向に向けて配置されている。

受入孔４５の深さ方向の長さは、そこに挿入されるボルト２の長さよりも短く設定してある。このような長さ関係とすることにより、受入孔４５にボルト２を挿入すると、図１（Ａ）や図２（Ａ）に示すように、溶着用突起４と鋼板部品１２の表面との間に浮上空間Ｌ１が形成される。

つぎに、空気通路について説明する。

第３部材１７に冷却空気の流入孔４７が開けられ、空気供給源（図示していない）から送られてきた冷却空気が外筒部材１８内に流入し、通過する。流入孔４７から第３部材１７内に流入した冷却空気は、接手部材２９と第３部材１７内面との隙間を通過して貫通孔３３へ送られる。貫通孔３３は、第２部材１６における通気空隙４１、軸受筒４２における摺動間隙４３、環状部材３５における通気空隙４１、第１部材１５における通気空隙４１および絶縁体４０における通気空隙４１を経て、溶着用突起４と鋼板部品１２の溶着部に供給される。

上述の空気流は、図１（Ｆ）に示すように、摺動間隙４３において流路面積が大幅に減少するので、ここで空気流が絞られた状態になる。この状態から再び流路面積の大きな通気空隙４１に流れるので、冷却空気はここで急膨張をする。この膨張はいわゆる断熱膨張であり、そのために冷却空気の温度が低下する。このような温度低下によって、環状部材３５自体や環状部材３５で包囲されているガイドピン３１の箇所を積極的に冷却する効果がある。

貫通孔３３を通過する冷却空気は、溶着時に発生するスパッタがボルト２にこびり付かないようにすることや、貫通孔３３内にスパッタが侵入しないようにすることや、後述の冷却作用を果たしている。

上述の冷却水通路３４の形成、ガイドピン３１の形成、空気通路、すなわち通気空隙４１の形成によって、ガイドピン３１を包囲する状態で環状の冷却水通路３４が電極の外筒部材１８に形成され、冷却水通路３４の内側に形成された円筒状の薄肉部３９とガイドピン３１の間にガイドピン３１を包囲する状態で環状の通気空隙４１が形成されている。なお、薄肉部３９の厚さは１ｍｍから３ｍｍの間に設定されている。厚さが１ｍｍ未満であると、熱伸縮によって割れが発生する虞があり、３ｍｍを超えると熱伝達が不十分になる。ここでの厚さは、１．６５ｍｍである。

つぎに、冷却過程について説明する。

溶着時の熱は、支持部材２２から第１部材１５を経て冷却水通路３４の方へ伝熱されて冷却水に奪われ、第２部材１６や軸受筒４２への伝達熱量が少量化される。冷却水通路３４における冷却作用は、主に溶着部から外筒部材１８側を流れる熱を奪う役割を果たしている。

一方、溶着部からフランジ３、ボルト２の下端部、底面４６を経てガイドピン３１に伝わった熱は、主に冷却空気が環状部材３５における貫通孔３３を通過するときに奪われることになる。また、この通過空気は前述の断熱膨張で低温化されているので、ガイドピン３１をより効果的に冷却している。冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部３９を介して冷却水の温度低下にも貢献している。また、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも高いときには、冷却水通路３４の冷却水によって薄肉部３９を介して冷却空気が冷却され、間接的に環状部材３５の部分のガイドピン３１が冷却されている。

このような熱の授受にともない、冷却空気によって冷却水が冷却されているのか、あるいは冷却水によって冷却空気が冷却されているのかは、冷却水と冷却空気のいずれの温度が低いかによって熱流の方向は変化する。例えば、生産量が増大して、連続的溶接により外筒部材１８側が著しく高温になっていると、冷却水の温度が高くなり冷却水が冷却空気によって冷却される。ボルト２の下端部は、プロジェクションボルト溶接後の鋼板部品１２が取り出されるまで底面４６に接触しているので、この接触箇所からガイドピン３１への伝達熱量が多くなる。

上述のような冷却過程により、冷却水通路の冷却水は主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気は主にガイドピンを冷却する。同時に、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、冷却水が冷却空気で冷却されて外筒部材１８が間接的に冷却される。一方、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも高いときには、冷却空気が冷却水によって冷却されてガイドピン３１が間接的に冷却される。上記のような相互的な冷却作用は、薄肉部３９の厚さが薄くなっているので、熱の透過が良好になされることが効いている。

上述のように、環状部材３５における貫通孔３３の箇所では、冷却水による冷却と空気流による空冷とが複合した状態になっている。このような複合した冷却箇所に隣接させた状態で受入孔４５が形成されている。つまり、受入孔４５が形成されている部分は中空構造であるから、放熱性が良好である。しかし、ボルト２の下端部は、プロジェクションボルト溶接後の鋼板部品１２が取り出されるまで底面４６に接触しているので、この接触箇所からガイドピン３１への伝達熱量が多くなる。同時に、受入孔４５に隣接している中実構造の部分は熱容量が大きいので、中空構造部に近い中実な箇所を積極的に冷却することが望ましい。したがって、軸線方向で見て環状部材３５を受入孔４５の底面４６の近くに隣接させて配置し、冷却水通路３４が形成されている。

図２（Ｃ）に示すように、プロジェクションボルト１が押し下げられてボルト２がガイドピン３１を下降させているときは、ボルト２の下端部が受入孔４５の底面４６に密着して、ガイドピン３１への伝達熱量が多くなっている時期である。このような状態において、底面４６の位置を環状部材３５の近傍に位置させることにより、冷却空気流の冷却に加えて冷却水による冷却を複合させることができて、ガイドピン３１の冷却をより促進することができる。

底面４６を上述のように環状部材３５の近傍に位置させることの具体例として、例えば、環状部材３５の軸線方向で見て、環状部材３５の部分の貫通孔３３の内側に位置させることが最適である。または、底面４６を上記内側に位置させるのは、プロジェクションボルト１が押し下げられていない時期において、環状部材３５における貫通孔３３の内側に位置させるようにすることも可能である。この場合は、受入孔４５の深さが十分に長いときに、可能となる。

上述のようにして、外筒部材１８やガイドピン３１は、冷却水や冷却空気によって２重冷却的に冷却されている。

つぎに、溶接の動作過程を説明する。

図２（Ａ）や図１（Ａ）においては、可動電極８と固定電極１００の端面１１との間隔が紙面の都合で狭く図示されているが、実際には可動電極８がもっと上方に待機して、鋼板部品１２の出し入れに支障がない程度に間隔が大きく設定されている。

図２（Ａ）や図１（Ａ）に示すように、エアシリンダ９の動作でガイドピン３１はその先端部が端面１１から突き出た状態で待機している。ロボット装置１３のチャック１４で端部が掴まれた鋼板部品１２が両電極８と１００の間に水平方向に挿入され、鋼板部品１２の下孔１０がガイドピン３１と同軸になった位置、すなわち下孔１０が中心軸線Ｏ−Ｏと同軸になった位置で停止し、ついでロボット装置１３の動作で鋼板部品１２が中心軸線Ｏ−Ｏに沿って鉛直方向に端面１１の方へ移動する。これらの動作によって、ガイドピン３１が相対的に下孔１０を貫通して鋼板部品１２が端面１１に密着する。

鋼板部品１２が上記のように搬入されると、今度は、ボルト２が受入孔に挿入され、ボルト２の下端が底面４６に受止められる。ボルト２がこのように受入孔４５内に挿入されていることにより、ボルト２と下孔１０の相対位置が正確に設定される。つまり、ガイドピン３１が基準ピンのような役割を果たし、ガイドピン３１を介して上記相対位置が決定づけられている。受入孔４５にボルト２を挿入する方法は、作業者がプロジェクションボルト１を手で持って挿入したり、一般的に知られている進退式の供給ロッドでプロジェクションボルト１を保持して挿入したりすることができる。

その後、図２（Ｂ）に示すように、可動電極８が下降してきて可動電極８の端面がフランジ３の表面を押し下げることにより、その押し下げ変位がボルト２の下端から底面４６を経てガイドピン３に伝えられて、エアシリンダ９が後退させられる。このような動作で、溶着用突起４が鋼板部品１２の表面に加圧される。このときに前記浮上空間Ｌ１が縮まり、逆にガイドピン３１の先端部と鋼板部品１２の裏面との間に沈下空隙Ｌ２が形成される。上記押し下げ変位でエアシリンダ９が押し下げられるときには、エアシリンダの圧縮空気を大気中に放出するようにすることが望ましい。あるいは、上記押し下げ時に、エアシリンダ９に後退動作を行わせてガイドピン３１を後退させるようにしてもよい。

上述のように、溶着用突起４が鋼板部品１２の表面に加圧されていることにより、溶着用突起４が鋼板部品１２の表面上をずれ動くことがない。したがって、ボルト２と受入孔４５の相対位置が正確に設定され、ボルト２と下孔１０の相対位置も正確に維持される。なお、鋼板部品１２はロボット装置１３により静止状態におかれているので、ボルト２の下降時にガイドピン３１の先端部が下孔１０から抜け出たときから溶着用突起４が鋼板部品１２に圧着されるまでの間に、下孔１０が直径方向にずれることはない。

ついで、図２（Ｃ）に示すように、溶接電流の通電がなされることにより、溶着用突起４が鋼板部品１２に溶着される。図中、黒く塗りつぶした箇所が溶着部である。このときのガイドピン３１は沈下空隙Ｌ２を保ったままとなるように、エアシリンダ９の停止位置が維持されている。

図２（Ｃ）の状態から可動電極８が後退すると、今度は、同図（Ｄ）に示すように、ロボット装置１３の動作でボルト２と鋼板部品１２が一体になったまま受入孔４５から抜き取られる。この抜き取り動作は、鋼板部品１２が支持部材２２の端面１１に密着している状態から開始され、ボルト２は中心軸線Ｏ−Ｏと同軸状態のままで抜き取られる。そして、ボルト２の下端が貫通孔３３から脱出すると、ロボット装置１３の動作で鋼板部品１２は部品収容箱などの目的箇所へ搬送される。

抜き取り動作は、鋼板部品１２が支持部材２２の端面１１に密着している状態から開始される。このような事を実現するために、沈下位置にあるガイドピン３１が沈下空隙Ｌ２を維持したままで、ロボット装置１３による抜き取り動作が開始されるように、エアシリンダ９の停止位置の維持動作やロボット装置１３の動作開始などが設定されている。換言すると、抜き取り動作が開始されるまでにエアシリンダ９の復帰動作が開始されると、ボルト２が一体になった鋼板部品１２が強制的にガイドピン３１の底面４６を経て突き上げられることとなり、図３に示したような異常形態が発生するのである。

図２（Ｄ）に示す抜き取り動作が完了すると、今度は、エアシリンダ９の動作でガイドピン３１が復帰して図２（Ｅ）に示すように、端面１１から突出して、つぎの溶接工程に備えることとなる。

上記の一連の動作において、冷却空気は少なくとも、図２（Ｂ）に示した溶着用突起４が鋼板部品１２の表面に接触して空気通過の空隙がフランジ３と鋼板部品表面との間に存在しているときから、図２（Ｃ）に示す溶着用突起４が鋼板部品１２に溶着するまでの期間にわたって送給される。この送給期間の間に空冷機能に加えてスパッタ除去などがなされる。そして、溶接完了後に可動電極が後退するときには、空気送給を中止して空気圧で鋼板部品１２が端面１１から離れることを防止することが望ましい。

もし、溶接完了後の鋼板部品１２に空気圧が作用すると、図３に示した異常形態になる虞がある。また、空冷作用をより効果的に効かせるために、プロジェクションボルト１の抜き取り後に、再度、冷却空気を追加的に送給することも可能である。いわゆる２段吹きである。例えば、生産数量が増加して連続的な溶接がなされるときには、ガイドピン側の冷却に不足を来す虞がある。しかし、このような追加的な空気供給によって電極１００全体の温度分布を良好に維持することができる。このような空気供給のオン・オフ制御は、後述の制御手法で実施することができる。たとえば、図２（Ｅ）に示すガイドピン３１の突出信号で、２段目の空気噴射を行うことができる。

図３は、抜き取り動作が開始されるまでにエアシリンダ９の復帰動作が開始されるために、ボルト２が一体になった鋼板部品１２が強制的にガイドピン３１の底面４６で突き上げられている状態である。この突き上げ変位は、受入孔４５の底面４６からボルト２の下端や溶着部を経て鋼板部品１２に伝わっている。したがって、鋼板部品１２は図示のように撓み箇所４８において曲げられている。そのために、ボルト２の外周面が受入孔４５の開口部近傍の内面や底面４６近傍の内面に対して、圧接した状態になり、受入孔４５の内面を損傷させてガイドピン３１の耐久性を低下させている。あるいは、鋼板部品１２の撓み箇所４８に塑性変形が発生することもあり、鋼板部品１２に異常変形が発生する。

つぎに、溶接の動作制御について説明する。

図２にしたがって説明した溶接過程を実行する動作制御は、一般的に採用されている制御手法で容易に行うことが可能である。制御装置またはシーケンス回路からの信号で動作するタイマーや空気切換弁、あるいはエアシリンダの所定位置で信号を発して前記制御装置に送信するセンサー等を組み合わせることによって、所定の動作を確保することができる。このような動作制御を実行する制御系統の一例が、図６に示されている。

図６において符号４９は、可動電極８を進退させるためのエアシリンダである。図６において、矢線は制御信号の通信線、実線は空気の給排管、鎖線は電力供給線を示している。

起動スイッチ５０によってタイマーなどを内蔵した制御装置５１を動作させると、空気切換弁５２からエアシリンダ９と４９に作動空気が送られて、ガイドピン３１が突き出るとともに、可動電極８が後退位置におかれる。それに引き続く信号が制御装置５１からロボット装置１３の制御装置５３へ送られて、鋼板部品１２を掴んだロボット装置１３が動作して、鋼板部品１２の下孔１０にガイドピン３１が貫通し、しかも鋼板部品１２が端面１１に密着する。

この密着完了状態を示す信号が制御装置５３から制御装置５１に送られる。そこで制御装置５１からの信号でエアシリンダ４９が動作してプロジェクションボルト１を加圧し、ガイドピン３１が貫通孔３３内に入り込んで停止する。ここで前記沈下空隙Ｌ２が形成される。これに引き続いて溶接電流の通電がなされる。溶接電流の通電後、制御装置５１内のタイマーが作動して空気切換弁５２から作動空気をエアシリンダ９に送り続けることにより、ガイドピン３１が沈下空隙Ｌ２を維持した状態となる。上記タイマーによって沈下空隙Ｌ２が維持されている間に、制御装置５３からロボット装置１３への動作信号が送られてプロジェクションボルト１が受入孔４５から抜き取られる。

この抜き取りが完了すると、タイマーからの信号で空気切換弁５２から作動空気がエアシリンダ９に送られて、ガイドピン３１が突出位置に復帰してつぎの溶接動作に備えるようになる。なお、鋼板部品１２の抜き取り後におけるガイドピン３１の復帰突出を、ロボット装置１３の抜き取り完了信号を制御装置５３から制御装置５１で受領して、実行するようにしてもよい。

つぎに、冷却水通路やガイドピンの変型例を説明する。

図４は、冷却水通路形成の変型例である。これは、第１部材１５の外周に円周方向の溝を形成して冷却水通路３４を形成したもので、円周方向の溝を封鎖するために、円筒状の封鎖部材５５がＯリング３８を介して取り付けられたものである。また、円周方向の溝の形成によって、円筒状の薄肉部３９が設けられる。それ以外の構成や作用動作は、図示されていない部分も含めて先の例と同じであり、同様な機能の部材には同一の符号が記載してある。

上述の実施例ではプロジェクションボルト１がガイドピン３１の受入孔４５挿入されるものであるが、図５に示した例は、ガイドピン３１の形態が異なり、プロジェクションナット５６を鋼板部品１２に溶接する場合である。同図は、可動電極８と支持部材２２の端面１１の間でプロジェクションナット５６と鋼板部品１２が加圧されて溶着した状態を示している。冷却水通路３４や通気空隙４１の形成や冷却状態などは先の各例と同じである。それ以外の構成や作用動作は、図示されていない部分も含めて先の各例と同じであり、同様な機能の部材には同一の符号が記載してある。

なお、上記各種のエアシリンダに換えて、進退出力をする電動モータを採用することもできる。

以上に説明した実施例１の作用効果は、つぎのとおりである。

ガイドピン３１を包囲する状態で環状の冷却水通路３４が電極１００の外筒部材１８に形成され、冷却水通路３４の内側に形成された薄肉部３９とガイドピン３１の間にガイドピン３１を包囲する状態で環状の通気空隙４１が形成されている。したがって、溶着時に発生した溶接熱の内、外筒部材１８側に伝わった熱は、主に冷却水通路３４の冷却水で奪われる。つまり、冷却水通路３４における冷却作用は、主に溶着部から外筒部材１８側を流れる熱を奪う役割を果たしている。一方、溶着時に発生した溶接熱の内、ガイドピン３１に伝わった熱は、主に通気空隙４１を通過する冷却空気で奪われる。つまり、通気空隙４１を通過する冷却空気は、主に溶着部からガイドピン３１側を流れる熱を奪う役割を果たしている。

冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部３９を介して冷却水の温度低下にも貢献しており、間接的に外筒部材１８が冷却されている。一方、冷却水の温度が冷却空気の温度よりも低いときには、薄肉部３９を介して冷却空気の温度低下にも貢献しており、間接的にガイドピン３１が冷却されている。

このような熱の授受にともない、冷却空気によって冷却水が冷却されているのか、あるいは冷却水によって冷却空気が冷却されているのかは、冷却水と冷却空気のいずれの温度が低いかによって熱流の方向は変化する。例えば、生産量が増大して、連続的溶接により外筒部材１８側が著しく高温になっていると、冷却水の温度が高くなり冷却水が冷却空気によって冷却される。また、長時間溶接が行われないで溶接が開始されたときの、立ち上がり当初の溶接回数が少数のときには、外筒部材１８の方がガイドピン３１よりも熱容量が大きいので、外筒部材１８側よりもガイドピン３１側の方が早く高温となる。このようなときには、冷却空気が冷却水で冷やされる関係となる。

上述のような冷却過程により、冷却水通路３４の冷却水は主に外筒部材１８を冷却し、通気空隙４１を通過する冷却空気は主にガイドピン３１を冷却する。同時に、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、冷却水が冷却空気で冷却されて外筒部材１８が間接的に冷却される。一方、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも高いときには、冷却空気が冷却水によって冷却されてガイドピン３１が間接的に冷却される。上記のような相互的な冷却作用は、薄肉部３９の厚さが薄くなっているので、熱の透過が良好になされることが効いている。

ガイドピン３１の先端とガイドピン３１の揺動を少なくするための軸受筒４２の間に、冷却水通路３４と薄肉部３９と通気空隙４１が配置されている。

ガイドピン３１が揺動すると、ガイドピン３１の上端部が近隣部材に接触する虞がある。そこで、上記のように軸受筒４２が採用される。同時に、冷却水通路３４は、熱発生源である溶着部にできるだけ近づけて配置してある。そして、軸受筒４２は溶着用突起４の溶融部からできるだけ遠ざけて配置してある。そのため、各部材の配置順序は、溶融部側から冷却水通路３４、軸受筒４２の順番で配置してある。換言すると、熱源と軸受筒４２の間に冷却水通路３４や通気空隙４１が配置してある。このような配置とすることによって、軸受筒４２に達する溶融熱は、冷却水通路３９や通気空隙４１において積極的に奪われる。このため、軸受筒４２の加熱状態が軽減されるので、精度良く維持されるべき軸受筒４２の摺動間隙４３の過少化が最小限にとどめられる。上記冷却過程において、薄肉部３９における良好な熱の透過性が効果的に効いている。

冷却水通路３４の冷却水によって主に外筒部材１８を冷却し、通気空隙４１を通過する冷却空気によって主にガイドピン３１を冷却し、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部３９を介して冷却水の温度低下を行って間接的に外筒部材１８を冷却し、冷却水の温度が冷却空気の温度よりも低いときには、薄肉部３９を介して冷却空気の温度低下を行って間接的にガイドピン３１を冷却するという、冷却方法についての作用効果は、上記電極の発明の上記作用効果と同じである。

上述のように、本発明は、電極の中心部に配置されたガイドピンやその外側の外筒部材に対する冷却を、空冷と水冷によって効果的に行うことができる電気抵抗溶接用電極およびその冷却方法である。したがって、自動車の車体溶接工程や、家庭電化製品の板金溶接工程などの広い産業分野で利用できる。

１ 軸状部品、プロジェクションボルト
２ 軸部、ボルト
３ フランジ
４ 溶着用突起
８ 可動電極
１０ 下孔
１１ 端面
１２ 鋼板部品
１３ 搬入搬出機構、ロボット装置
１４ 掴み箇所、チャック
１５ 第１部材
１６ 第２部材
１７ 第３部材
１８ 外筒部材
２２ 支持部材
２８ 作動軸
３１ ガイドピン
３３ 貫通孔
３４ 冷却水通路
３５ 環状部材
３９ 薄肉部
４０ 絶縁体
４１ 通気空隙
４２ 軸受筒
４３ 摺動間隙
４５ 受入孔
４６ 底面
４８ 掴み箇所、チャック
５６ 孔あき部品、プロジェクションナット
１００ 固定電極
Ｌ１ 浮上空間
Ｌ２ 沈下空隙

Claims (3)

1. 電極の中心部に配置されたガイドピンの先端が電極の端面から突出している形式の電極において、ガイドピンを包囲する状態で環状の冷却水通路が電極の外筒部材に形成され、冷却水通路の内側に形成された薄肉部とガイドピンの間にガイドピンを包囲する状態で環状の通気空隙が形成され、前記冷却水通路は外筒部材に挿入された環状部材に溝状の状態で形成され、前記薄肉部は環状部材の内側に円筒状の状態で形成され、空気供給源から通気空隙へ供給される冷却空気の流入孔が外筒部材に開けてあり、冷却水通路へ冷却水を流入させ冷却水通路に開口している入口孔と冷却水通路から冷却水を流出させる出口孔が外筒部材に設けられ、冷却水通路と通気空隙において水冷と空冷が複合した状態で遂行されることにより、冷却水通路の冷却水は主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気は主にガイドピンを冷却するように構成したことを特徴とする電気抵抗溶接用電極。
2. 前記ガイドピンの先端とガイドピンの揺動を少なくするための軸受筒の間に、前記冷却水通路と前記薄肉部と前記通気空隙が配置されている請求項１記載の電気抵抗溶接用電極。
3. 電極の中心部に配置されたガイドピンの先端が電極の端面から突出している形式の電極において、ガイドピンを包囲する状態で環状の冷却水通路が電極の外筒部材に形成され、冷却水通路の内側に形成された薄肉部とガイドピンの間にガイドピンを包囲する状態で環状の通気空隙が形成され、冷却水通路の冷却水によって主に外筒部材を冷却し、通気空隙を通過する冷却空気によって主にガイドピンを冷却し、冷却空気の温度が冷却水の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却水の温度低下を行って間接的に外筒部材を冷却し、冷却水の温度が冷却空気の温度よりも低いときには、薄肉部を介して冷却空気の温度低下を行って間接的にガイドピンを冷却することを特徴とする電気抵抗溶接用電極の冷却方法。

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