JP6125250B2 - シーム溶接装置およびシーム溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対のローラ電極で少なくとも２枚以上の母材を積層したワークを挟持し、該一対のローラ電極を回転させながら加圧・通電することで抵抗溶接を行うシーム溶接装置およびシーム溶接方法に関する。

従来、シーム溶接で発生する亀裂を防止する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、薄板の溶接すべき縁をその溶接に先立ち、収束したレーザ光線で予熱する。この技術により、所定の溶接速度で予期される温度勾配を減少させ、ワークに対する溶接最大速度を上昇させ、電気抵抗値が低い材料のワークに対して通常の溶接速度で質的に十分な溶接を可能にしていた。

特開平８−２２９６８９号公報

従来、少なくとも２枚以上の母材を積層したワークをシーム溶接する場合には、ワークが小型であったため、小型のワークを固定配置された一対のローラ電極に移動させてシーム溶接を実施していた。
しかし、近年、大型のワークをシーム溶接するために、一対のローラ電極が設けられた溶接装置本体をロボットに搭載し、ロボットによって溶接装置本体をワークに対して移動させてシーム溶接を実施する。

このようなシーム溶接では、ワーク内に形成されたナゲットが急冷し、ワークのナゲット近傍に急激な収縮が生じ、ワークに割れが発生する。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、ワークの割れを防止し、シーム溶接の品質を向上するシーム溶接装置およびシーム溶接方法を提供することにある。

（１） 溶接装置本体（例えば、後述の溶接装置本体２０）と、前記溶接装置本体に設けられ、少なくとも２枚以上の母材（例えば、後述の母材Ｗ１，Ｗ２）を積層したワーク（例えば、後述のワークＷ）を挟み込んで転動する一対のローラ電極（例えば、後述の一対のローラ電極２１）と、前記溶接装置本体の前記一対のローラ電極よりも進行方向（例えば、後述の進行方向Ａ）後方に設けられ、前記ワークを加熱する第１熱源（例えば、後述の一対の徐冷用熱源２３）と、を備えたことを特徴とするシーム溶接装置。

（１）の発明によると、一対のローラ電極でワークを加圧・通電することで、ワーク内に溶融したナゲットを形成し、第１熱源で一対のローラ電極が通過したワークを加熱する。これにより、冷却され易いワークの表面近傍が加熱され、溶融したナゲットを一様に緩やかに冷却させる。そのため、ワークの割れの発生を防止することができ、シーム溶接の品質を向上することができる。

（２） 前記溶接装置本体の前記一対のローラ電極よりも進行方向前方に設けられ、前記ワークを加熱する第２熱源（例えば、後述の一対の予熱用熱源２２）を更に備えたことを特徴とする（１）に記載のシーム溶接装置。

（２）の発明によると、一対のローラ電極でワークを加圧・通電する前に、第２熱源でワークを加熱する。これにより、一対のローラ電極でワークを加圧・通電する前に、ワークの温度を上昇させ、ワークの電気抵抗を上昇させる。そのため、一対のローラ電極でワークを加圧・通電するときに、ワークの各母材の電流密度が高くなる接触部で発熱量が上昇し、ナゲットが成長し易くなる。

（３） 一対のローラ電極（例えば、後述の一対のローラ電極）で少なくとも２枚以上の母材（例えば、後述の母材）を積層したワーク（例えば、後述のワーク）を挟持し、該一対のローラ電極を回転させながら加圧・通電することで抵抗溶接を行うシーム溶接方法であって、前記一対のローラ電極の挟持位置よりも進行方向（例えば、後述の進行方向）後方で、前記ワークを加熱し、前記ワークの急冷を抑制する徐冷工程（例えば、後述のステップＳ５３）と、を含むことを特徴とするシーム溶接方法。

（３）の発明によると、（１）の発明と同様な作用・効果を奏することができる。

（４） 前記一対のローラ電極の挟持位置よりも進行方向前方で、前記ワークを加熱し、前記ワークの電気抵抗を上昇させる予熱工程（例えば、後述のステップＳ５１）を更に含むことを特徴とする（３）に記載のシーム溶接方法。

（４）の発明によると、（２）の発明と同様な作用・効果を奏することができる。

本発明によれば、ワークの割れを防止し、シーム溶接の品質を向上するシーム溶接装置およびシーム溶接方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るシーム溶接装置を示す概略構成図である。 上記実施形態に係る溶接装置本体およびその周辺を示す斜視図である。 上記実施形態に係るシーム溶接装置を用いたシーム溶接を実施する手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るシーム溶接の詳細な手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るシーム溶接の原理を示す図であり、図５（ａ）は、上記実施形態での原理を説明する図であり、図５（ｂ）は、従来の場合の原理を説明する図である。

以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

先ず、図１、図２を参照して、本実施形態に係るシーム溶接装置１の構成について説明する。
図１は、シーム溶接装置１を示す概略構成図である。図２は、溶接装置本体２０およびその周辺を示す斜視図である。

シーム溶接装置１は、ロボット１０と、溶接装置本体２０と、制御装置３０と、を備える。

ロボット１０は、多関節型のアーム１１を有する産業用ロボットであり、アーム１１の基端側に接続された基部１２を工場などの床面に設置し、プログラム動作によって任意の姿勢に切り替わるとともにアーム１１を任意の状態に変化させることができる。
ロボット１０の基部１２は、回転可能であり、ロボット１０は、基部１２の回転角度に対応した信号を出力する回転角度検出部１３を有する
ロボットのアーム１１は、６軸の関節を有し、ロボット１０は、アーム１１の各関節の軸角度に対応した信号を出力する軸角度検出部１４を有する。

溶接装置本体２０は、ロボット１０のアーム１１の先端に取り付けられる。
溶接装置本体２０は、一対のローラ電極２１と、一対の予熱用熱源２２と、一対の徐冷用熱源２３と、を有する。

一対のローラ電極２１は、上方に配置された第１ローラ電極２１ａおよび下方に配置された第２ローラ電極２１ｂから構成され、少なくとも２枚以上の母材Ｗ１，Ｗ２を積層したワークＷを挟み込んで転動する。

一対の予熱用熱源２２は、溶接装置本体２０の一対のローラ電極２１よりも溶接装置本体２０の進行方向Ａ前方に配置される。一対の予熱用熱源２２は、上方に配置された第１予熱用熱源２２ａおよび下方に配置された第２予熱用熱源２２ｂから構成され、第１予熱用熱源２２ａがワークＷの上面Ｗａを加熱し、第２予熱用熱源２２ｂがワークＷの下面Ｗｂを加熱する。一対の予熱用熱源２２は、例えば、誘導加熱装置やコイルヒータなどの通電によって発熱する発熱体を用いる。
なお、一対の予熱用熱源２２は、母材Ｗ１，Ｗ２の板厚が異なる場合には、各母材Ｗ１，Ｗ２のそれぞれの板厚に応じて第１予熱用熱源２２ａと第２予熱用熱源２２ｂとの発熱量を調整してもよい。

一対の徐冷用熱源２３は、溶接装置本体２０の一対のローラ電極２１よりも溶接装置本体２０の進行方向Ａ後方に配置される。一対の徐冷用熱源２３は、上方に配置された第１徐冷用熱源２３ａおよび下方に配置された第２徐冷用熱源２３ｂから構成され、第１徐冷用熱源２３ａがワークＷの上面Ｗａを加熱し、第２徐冷用熱源２３ｂがワークＷの下面Ｗｂを加熱する。一対の徐冷用熱源２３は、一対の予熱用熱源２２と同様に、例えば、誘導加熱装置やコイルヒータなどの通電によって発熱する発熱体を用いる。
なお、一対の徐冷用熱源２３は、母材Ｗ１，Ｗ２の板厚が異なる場合には、各母材Ｗ１，Ｗ２のそれぞれの板厚に応じて第１徐冷用熱源２３ａと第２徐冷用熱源２３ｂとの発熱量を調整してもよい。

図２に示すように、溶接装置本体２０は、基部４０と、第１支持ユニット５０と、第２支持ユニット６０と、移動機構７０と、箱部８０と、を更に有する。

基部４０は、ロボット１０のアーム１１の先端に保持され、一対の予熱用熱源２２を支持する。
第１支持ユニット５０は、基部４０に対して移動可能に構成され、第１ローラ電極２１ａを支持する。
第２支持ユニット６０は、基部４０に固定され、第２ローラ電極２１ｂを支持する。
移動機構７０は、第１支持ユニット５０を移動させる。
箱部８０は、基部４０に接続され、一対の徐冷用熱源２３を支持する。

基部４０は、溶接装置本体２０の待機時の垂直方向（Ｘ方向）に延びて直方体状に形成された支柱４１と、支柱４１の上端部４１ａに設けられた保持板４２と、保持板４２の上面に固定された状態でロボット１０のアーム１１の先端に回転可能に取り付けられたマウント部４３と、支柱４１の一方の側面４１ｂに設けられた溶接電源４４と、を有する。

保持板４２は、上方にマウント部４３が配置される平坦部４２ａと、支柱４１の溶接電源４４が設けられた側面４１ｂと反対側の側面４１ｃに沿って下方に屈曲する屈曲部４２ｂと、屈曲部４２ｂの下端から外方に向けて張り出した張出部４２ｃと、を有する。

支柱４１は、保持板４２の張出部４２ｃが張り出した側面４１ｃにおいて張出部４２ｃの下方で第１支持ユニット５０を移動可能に有するとともに、第２支持ユニット６０を第１支持ユニット５０の更に下方に固定して有する。第１支持ユニット５０および第２支持ユニット６０は、支柱４１の当該側面４１ｃにおいてＸ方向に並列して配置される。

溶接電源４４は、一対のローラ電極２１に溶接電流を供給したり、一対の予熱用熱源２２および一対の徐冷用熱源２３に電流を供給したりするなど、溶接装置本体２０で使用される電流を出力する。

移動機構７０は、支柱４１の溶接電源４４が設けられた側面４１ｂと反対側の側面４１ｃにおいて保持板４２の屈曲部４２ｂの下方でＸ方向に延びる一対のガイドレール７１と、第１支持ユニット５０に固定されたロッド部７２と、張出部４２ｃに設けられてロッド部７２をＸ方向に駆動するシリンダ７３と、を有する。

第１支持ユニット５０は、ロッド部７２が固定された筐体５１と、第１ローラ電極２１ａに設けられて溶接装置本体２０の待機時の水平方向（Ｙ方向）に延びる支軸部材５２と、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向（Ｚ方向）に第１ローラ電極２１ａを回動する支軸回動機構５３と、第１ローラ電極２１ａを回転駆動する電極回転用モータ５４と、を有する。

筐体５１は、一対のガイドレール７１に係合する一対のガイド溝５１ａを有する。第１支持ユニット５０は、筐体５１の一対のガイド溝５１ａが一対のガイドレール７１に係合することで、シリンダ７３によるＸ方向の駆動に応じてＸ方向に円滑に移動することができる。

支軸部材５２は、図示しない、第１ローラ電極２１ａに固定された第１軸部と、電極回転用モータ５４に接続する第２軸部と、第１軸部と第２軸部とを連結する自在継手と、を有する。自在継手は、例えば、等速ジョイントを用いることができる。

支軸回動機構５３は、筐体５１内に位置する図示しない支軸支持部材と、支軸支持部材を回転駆動する支軸回動用モータ５３ａと、支軸回動用モータ５３ａの動力を支軸支持部材に伝達する図示しない動力伝達機構と、を有する。

第２支持ユニット６０は、基本的に第１支持ユニット５０と同様な構成である。このため、第２支持ユニット６０は、第１支持ユニット５０と共通する構成に同一の参照符号を付して説明を省略する。

第２支持ユニット６０は、第１支持ユニット５０をＸ方向に反転させた状態で支柱４１に固定される。このため、第２支持ユニット６０は、筐体５１のガイド溝５１ａを有しない。
第１支持ユニット５０および第２支持ユニット６０は、第１ローラ電極２１ａと第２ローラ電極２１ｂとのＸ方向の位置を揃えて配置される。

箱部８０は、保持板４２の張出部４２ｃおよび第２支持ユニット６０の筐体５１に連結される。

制御装置３０は、ロボット制御部３１と、予熱用熱源制御部３２と、溶接電源制御部３３と、徐冷用熱源制御部３４と、電極回転用モータ制御部３５と、支軸回動用モータ制御部３６と、シリンダ制御部３７と、記憶部３８と、を有する。

ロボット制御部３１は、ロボット１０の姿勢およびアーム１１を変化させるようにロボット１０を制御する。
予熱用熱源制御部３２は、一対の予熱用熱源２２に供給する通電量を調整することで一対の予熱用熱源２２を制御する。
溶接電源制御部３３は、溶接電源４４を制御する。
徐冷用熱源制御部３４は、一対の徐冷用熱源２３に供給する通電量を調整することで一対の徐冷用熱源２３を制御する。
電極回転用モータ制御部３５は、電極回転用モータ５４を制御する。
支軸回動用モータ制御部３６は、支軸回動用モータ５３ａを制御する。
シリンダ制御部３７は、シリンダ７３を制御する。

記憶部３８は、ロボット１０のティーチングデータおよび溶接制御データを記憶している。溶接制御データは、ロボット１０のアーム１１の先端に固定された溶接装置本体２０の移動速度に関する移動速度データと、一対のローラ電極２１の回転速度に関する回転速度データと、を含む。

次に、図３、図４を参照して、シーム溶接装置１を用いてシーム溶接を行う手順を説明する。
図３は、シーム溶接装置１を用いたシーム溶接を実施する手順を示すフローチャートである。図４は、シーム溶接の実行時の詳細な手順を示すフローチャートである。

図３に示すように、先ず、ワークＷを所定位置にセットする（ステップＳ１）。ワークＷとしては、例えば自動車のボディなど、少なくとも２枚以上の母材Ｗ１，Ｗ２を積層した大型のワークを用いることができる。ワークＷ内の各母材Ｗ１，Ｗ２は、プレス成形などによって個別に形成され、母材Ｗ１，Ｗ２間の隙間の大きさが一定ではない。

続いて、制御装置３０は、ロボット１０のティーチングデータを作成し（ステップＳ２）、その作成されたティーチングデータを記憶部３８に記憶する。

次に、ロボット制御部３１は、ロボット１０を制御し、ロボット１０の姿勢およびアーム１１を変化させて溶接装置本体２０を溶接ポイントに移動させる（ステップＳ３）。具体的には、ロボット制御部３１は、ワークＷの溶接対象部位の溶接ポイントが一対のローラ電極２１の間に位置するように溶接装置本体２０を移動させる。
溶接ポイントに移動した溶接装置本体２０は、下側の第２ローラ電極２１ｂをワークＷの下面Ｗｂに接触させる。

次に、シリンダ制御部３７は、シリンダ７３を制御し、第１支持ユニット５０を下方の第２支持ユニット６０側へ移動させ、一対のローラ電極２１でワークＷを挟持して加圧する（ステップＳ４）。

続いて、制御装置３０は、溶接ポイントに対してシーム溶接を実施する（ステップＳ５）。具体的には、制御装置３０は、図４に示す後述するステップＳ５０〜Ｓ５４の処理を行ってシーム溶接を実施する。

すなわち、電極回転用モータ制御部３５は、電極回転用モータ５４を駆動して一対のローラ電極２１を回動させ、一対のローラ電極２１を溶接ポイント内における一対のローラ電極２１で通電する通電ポイントに移動させる（ステップＳ５０）。

続いて、予熱用熱源制御部３２は、一対の予熱用熱源２２に通電して発熱させ、一対の予熱用熱源２２でワークＷの上面Ｗａおよび下面Ｗｂをそれぞれ加熱する（ステップＳ５１）。一対の予熱用熱源２２で加熱されたワークＷの温度は、例えば５００℃程度になる。

続いて、溶接電源制御部３３は、一対のローラ電極２１に溶接電流を通電する（ステップＳ５２）。これにより、一対のローラ電極２１の挟持位置におけるワークＷ内でナゲットを成長させ、一定の溶接強度が得られる抵抗溶接が実施される。

続いて、徐冷用熱源制御部３４は、一対の徐冷用熱源２３に通電して発熱させ、一対の徐冷用熱源２３でワークＷの上面Ｗａおよび下面Ｗｂをそれぞれ加熱する（ステップＳ５３）。一対の徐冷用熱源２３で加熱されたワークＷの温度は、例えば７００℃程度になる。

そして、制御装置３０は、溶接ポイントの全てについてシーム溶接が終了したか否かを判定する（ステップＳ５４）。シーム溶接が終了していないと判定された場合（ステップＳ５４→ＮＯ）には、ステップＳ５０に進み、ステップＳ５０以降の処理を実施する。

一方、シーム溶接が終了したと判定された場合（ステップＳ５４→ＹＥＳ）には、シリンダ制御部３７は、シリンダ７３を制御し、第１支持ユニット５０を第２支持ユニット６０から離れるように上方へ移動させ、一対のローラ電極２１によるワークＷの加圧を解除する（ステップＳ６）。

次に、ロボット制御部３１は、ロボット１０を制御し、ロボット１０の姿勢およびアーム１１を変化させて溶接装置本体２０を待機位置に移動させる（ステップＳ７）。
以上により、シーム溶接を行う手順が終了する。

以上の本実施形態に係るシーム溶接装置１によれば、以下の効果を奏する。

（１）一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電することで、ワークＷ内に溶融したナゲットを形成し、一対の徐冷用熱源２３で一対のローラ電極２１が通過したワークＷを加熱する。これにより、冷却され易いワークの表面近傍が加熱され、溶融したナゲットを一様に緩やかに冷却させる。そのため、ワークＷの割れの発生を防止することができ、シーム溶接の品質を向上することができる。

図５は、本実施形態に係るシーム溶接の原理を示す図であり、図５（ａ）は、本実施形態での原理を説明する図であり、図５（ｂ）は、従来の場合の原理を説明する図である。
一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電し、一対の徐冷用熱源２３で一対のローラ電極２１が通過したワークＷを加熱する本実施形態での原理を説明する。
一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電すると、母材Ｗ１，Ｗ２間および一対のローラ電極２１とワークＷ間の接触面積の小さい部分の電気抵抗が高くなる。このため、一対のローラ電極２１への通電時にその高い電気抵抗を有する部分の電流密度が高くなり、その高い電気抵抗を有する部分が発熱して溶融し易く、ナゲットＮができ易い状態となる。すなわち、ナゲットＮは、一対のローラ電極２１に挟持された母材Ｗ１，Ｗ２間の接触部と、第１ローラ電極２１ａとワークＷの上面Ｗａおよび第２ローラ電極２１ｂとワークＷの下面Ｗｂとの接触境界部と、から成長し始め、最終的に左図のナゲットＮのように断面で接触境界部の４方向に延びる角Ｎａが生えた形状に成長し易い（（ａ）左図参照）。
そして、従来の場合では、上記の形状に成長したナゲットＮは、ワークＷの上面Ｗａおよび下面ＷｂがワークＷの内部よりも冷却され易いため、上面Ｗａおよび下面Ｗｂに近い角Ｎａ部分の溶融金属と非溶融部との境界部から最も早く冷却収縮し、角Ｎａ部分の溶融金属が非溶融部側へ図示矢印のように引っ張られる（（ｂ）中図参照）。その結果、角Ｎａ近傍に割れＳが生じ易くなる（（ｂ）右図参照）。
一方、本実施形態では、上記のような従来の現象に対し、一対の徐冷用熱源２３で一対のローラ電極２１が通過したワークＷを加熱することで、冷却され易い上面Ｗａおよび下面Ｗｂを高温に維持し、ナゲットＮの角Ｎａ近傍がナゲットＮの中心部と一様に緩やかに冷却され、角Ｎａ部分の溶融金属が非溶融部へ図示矢印のように引っ張られ難くなる（（ａ）中図参照）。その結果、シーム溶接されたワークＷに割れが生じない（右図参照）。

（２）一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電する前に、一対の徐冷用熱源２３でワークＷを加熱する。これにより、一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電する前に、ワークＷの温度を上昇させ、ワークＷの電気抵抗を上昇させる。そのため、一対のローラ電極２１でワークＷを加圧・通電するときに、ワークＷの各母材Ｗ１，Ｗ２の電流密度が高くなる接触部で発熱量が上昇し、ナゲットＮが成長し易くなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で変形、改良などを行っても、本発明の範囲に包含される。
本実施形態では、一対の予熱用熱源２２および一対の徐冷用熱源２３を固定して配置していた。しかしながら、例えば、第１予熱用熱源２２ａおよび第１徐冷用熱源２３ａを第１支持ユニット５０に搭載し、第１ローラ電極２１ａと同様に上下動させるものでもよい。

１…シーム溶接装置
２０…溶接装置本体
２１…一対のローラ電極
２２…一対の予熱用熱源
２３…一対の徐冷用熱源
３０…制御装置
Ｗ…ワーク
Ｗ１，Ｗ２…母材
Ａ…進行方向

Claims (9)

1. 溶接装置本体と、
   前記溶接装置本体に設けられ、少なくとも２枚以上の母材を積層したワークを挟み込んで転動する第１ローラ電極及び第２ローラ電極の一対のローラ電極と、
   前記溶接装置本体の前記一対のローラ電極よりも進行方向後方に設けられ、前記ワークの上面と下面を加熱する第１熱源と、を備えたことを特徴とするシーム溶接装置。
2. 前記第１熱源は、前記ワーク上面を加熱する第１徐冷用熱源と、前記ワーク下面を加熱する第２徐冷用熱源を有し、前記第１徐冷用熱源の発熱量と、前記第２徐冷用熱源の発熱量とを調整できることを特徴とする請求項１に記載のシーム溶接装置。
3. 前記溶接装置本体の前記一対のローラ電極よりも進行方向前方に設けられ、前記ワークを加熱する第２熱源と、を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のシーム溶接装置。
4. 前記第２熱源は、前記ワーク上面を加熱する第１予熱用熱源と、前記ワーク下面を加熱する第２予熱用熱源を有し、前記第１予熱用熱源の発熱量と、前記第２予熱用熱源の発熱量とを調整できることを特徴とする請求項３に記載のシーム溶接装置。
5. 前記溶接装置本体は、ロボットに保持され、且つ、
   前記第１ローラ電極を支持する第１支持ユニットと、
   前記第２ローラ電極を支持する第２支持ユニットと、
   前記第１支持ユニットを前記第２支持ユニットへ移動させる移動機構と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のシーム溶接装置。
6. 前記第１支持ユニットと前記第２支持ユニットは、前記溶接装置本体の待機時の水平方向および垂直方向に直交する方向に、前記第１ローラ電極と前記第２ローラ電極とを回動する機構を有することを特徴とする請求項５に記載のシーム溶接装置。
7. 前記一対のローラ電極よりも進行方向前方に設けられ前記ワークを加熱する第２熱源のうち前記ワーク上面を加熱する第１予熱用熱源、および、前記一対のローラ電極よりも進行方向後方に設けられ前記ワークを加熱する第１熱源のうち前記ワーク上面を加熱する第１徐冷用熱源を、前記第１支持ユニットに搭載し、前記第１ローラ電極と同様に上下動させることを特徴とする請求項５に記載のシーム溶接装置。
8. 一対のローラ電極で少なくとも２枚以上の母材を積層したワークを挟持し、該一対のローラ電極を回転させながら加圧・通電することで抵抗溶接を行うシーム溶接方法であって、
   前記一対のローラ電極の挟持位置よりも進行方向後方で、前記ワークの上面と下面を加熱し、前記ワークの急冷を抑制する徐冷工程と、を含むことを特徴とするシーム溶接方法。
9. 前記一対のローラ電極の挟持位置よりも進行方向前方で、前記ワークを加熱し、前記ワークの電気抵抗を上昇させる予熱工程と、を更に含むことを特徴とする請求項８に記載のシーム溶接方法。
   

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