JP6460121B2 - 電源装置、接合システム、及び、通電加工方法 - Google Patents
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Description
本願は、2014年12月12日に日本国に出願された特願2014−252141号と、2014年12月12日に日本国に出願された特願2014−252151号とに基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
例えば、特許文献1には、電流値を制御して溶接部金属の温度履歴を制御することで、溶接金属の材質を制御する技術が開示されている。
また、特許文献2には、金属板の通電部における発熱分布を制御するために、周波数が50Hzの低周波電源から提供される電力と、周波数が30kHzの高周波電源から提供される電力とを2枚の鋼板に対して同時に印加することで、焼きもどし領域を制御することが開示されている。
また、特許文献3及び特許文献7には、磁気エネルギー回生スイッチ(Magnetic Energy Recovery Switch。以降、MERSと称する)が開示されている。
また、前記加圧力を制御する技術として、特許文献5には、溶接電極と圧力検出器とが非接触のときに圧力検出器が出力する信号を平均化することにより補償値を求め、抵抗スポット溶接の際に圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算することで、加圧力を制御する技術が開示されている。
また、特許文献6には、抵抗スポット溶接中に、加圧力と溶接電流とを同期させる技術が開示されている。
したがって、導体材料に対して短時間に大電流の通電加熱を行う際の電流制御性を従来の電源に比べて向上させて加熱部の特性を向上させることが求められている。
また、上記特許文献3及び上記特許文献7に記載のMERSは、スナバーエネルギーを回生する電流スイッチの構成を利用しているものの、短い通電加熱時間内に大電流の周波数制御を行うことについては検討されていない。
したがって、抵抗スポット溶接を行う際に、スパッタの発生を抑制することが求められている。
したがって、安定的にかつ確実にナゲット径を拡大することで、ナゲットの外周部の長さを確実に長くしてCTSを高めることが求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、被加工材に対して通電加工を行う際の電流の制御性を従来に比べて向上させることで、被加工材の特性を向上させることを可能とする電源装置と、この電源装置を用いた接合システムと、通電加工方法と、の提供を目的とする。
(1)本発明の一態様に係る電源装置は、被加工材を通電加工する通電加工装置に出力電流を供給する電源装置であって、第1電源と;前記第1電源から供給される電流を受けて前記出力電流に変換する磁気エネルギー回生スイッチと;前記通電加工装置による一回の通電加工時間内に、前記出力電流の通電周波数が相互に異なる1kHz以上且つ1周期以上の第1の通電周波数及び1kHz以上且つ1周期以上の第2の通電周波数を含むように前記磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御部と;前記磁気エネルギー回生スイッチにより出力された前記出力電流の電流値を、前記通電加工に必要な電流値に変換して、前記通電加工装置に出力する変流器と;を備え、前記制御部は、前記出力電流の極性が連続的に変化するように前記通電周波数を制御する。
上記(1)に記載の態様に係る電源装置によれば、一回の通電加工時間内に、制御部が、相互に異なる1kHz以上且つ1周期以上の第1の通電周波数及び1kHz以上且つ1周期以上の第2の通電周波数を含むように通電周波数を変化させる。その結果、被加工材の材質や形状に応じた適切な加工条件(例えば、溶接部の電流分布条件、熱分布条件など)を通電加工装置に行わせるように、付与する出力電流の通電周波数を制御することができる。しかも、磁気エネルギー回生スイッチにより通電周波数を切り替える構成を採用しているので、短時間における出力電流の制御性を従来よりも向上させることができる。
上記(2)に記載の場合、1秒以下という短時間内でも通電周波数を制御することができるので、例えば抵抗スポット溶接に好適に適用することができる。
上記(3)に記載の場合、通電周波数を共振周波数以下にすることにより、ソフトスイッチングを実現することができる。
上記(4)に記載の場合、磁気エネルギー回生スイッチにより通電周波数の切り替え、及び通電電流の制御を独立に可能とする構成を採用しているので、短時間における出力電流の制御性を従来よりも向上させることができる。
上記(5)に記載の態様に係る接合システムによれば、出力電流の周波数制御が可能な電源装置を接合装置と組み合わせることで、従来では実現不可能であった、一回の通電加工時間内における通電周波数変化の制御を実現させることができる。
上記(6)に記載の場合、通電加工中の被通電材に流れる出力電流の状態を、コイルで発生する起電力の変化として把握することができる。よって、この起電力の変化に基づいて、被通電材に与える出力電流が適正となるように、制御部が磁気エネルギー回生スイッチの動作をフィードバック制御することができる。単一のコイルを配置すれば、電極を流れる電流値は検出できて、電流値に基づいた制御は可能であるが、複数のコイルを用いるほうが電流の分布に関する情報を抽出できるため、高精度な制御が可能になる。
上記(7)に記載の場合、第1電極と第2電極との少なくとも一方の周囲における複数箇所において、コイルで発生する起電力の変化を捉えることができるので、被通電材に流れている出力電流の状態変化をより詳細に把握することができる。
上記(8)に記載の場合、複数のコイルで発生する起電力を予め設定された範囲と比較して、この予め設定された範囲からの外れ量に応じた値だけて出力電流を制御することができる。
上記(9)に記載の場合、前記第1電極及び前記第2電極を介して相互に対向し、前記複数の被通電材に巻回されている複数のコイルで発生する起電力の変化を捉えることができるので、被通電材に流れている出力電流の状態変化をより詳細に把握することができる。
上記(10)に記載の場合、圧力調節部によって挟持力を増すことにより、接触領域における溶融部の外径寸法が拡大するので、被通電材同士の融着面積を増大させることができる。
上記(11)に記載の態様に係る通電加工方法によれば、一回の通電加工時間内に、通電加工条件に従って、相互に異なる1kHz以上且つ1周期以上の第1の通電周波数及び1kHz以上且つ1周期以上の第2の通電周波数を含むように通電周波数を変化させる。その結果、被加工材の材質や形状に応じた適切な加工条件(例えば、溶接部の電流分布条件、熱分布条件など)での通電加工が行われる。
上記(12)に記載の場合、被加工材に流れる出力電流の状態を、磁束に基づく起電力の変化として把握することができる。よって、この起電力の変化に基づいて、被加工材に与える出力電流が適正となるように、適切なフィードバック制御を行うことができる。
上記(13)に記載の場合、必要に応じて挟持力を増すことにより、接触領域における溶融部の外径寸法を拡大できるので、被通電材同士の融着面積を増大させることができる。
[第1実施形態]
本実施形態では、磁気エネルギー回生スイッチ(Magnetic Energy Recovery Switch。以降、MERSと称する)を用いることで、被加工材(導電材料、被通電材)に与える電流の周波数(通電周波数)を、通電加工装置による一回の通電加工時間内で制御することが可能な電源装置を採用している。
図1は、第1実施形態における抵抗スポット溶接システム1の構成の一例を示す図である。
抵抗スポット溶接システム1は、接合システムの一例であり、交流電源100(第1電源)と、整流器200と、直流リアクトル300と、MERS400と、制御部500と、交流インダクタンス600と、変流器700と、抵抗スポット溶接機800(通電加工装置)と、を有する。本実施形態では、交流電源100と、整流器200と、直流リアクトル300と、MERS400と、制御部500と、交流インダクタンス600と、変流器700と、を用いることにより、電源装置が構成されている。この電源装置は、被加工材を通電加工する抵抗スポット溶接機800に対して出力電流を供給する。
整流器200の入力端と、交流電源100とが相互に接続される。整流器200の出力端の一つと、直流リアクトル300の一端とが相互に接続される。整流器200の出力端の他の一つと、MERS400の直流端子cとが相互に接続される。直流リアクトル300の他端と、MERS400の直流端子bとが相互に接続される。
MERS400の交流端子dと、交流インダクタンス600の一端とが相互に接続される。交流インダクタンス600の他端と、変流器700の入力端の一つとが相互に接続される。MERS400の交流端子aと、変流器700の入力端の他の一つとが相互に接続される。変流器700の出力端の一つと溶接電極E1(第1電極)とが相互に接続され、他の一つと溶接電極E2(第2電極)とが相互に接続される。
整流器200は、交流電源100から出力される交流電力を整流して直流電力にする。交流電源100が単相交流電源である場合、整流器200は単相整流回路を備える。一方、交流電源100が三相交流電源である場合、整流器200は三相整流回路を備える。
直流リアクトル300は、整流器200から出力された直流電力を平滑化する。
MERS400は、MERSの一例であり、整流器200から直流リアクトル300を介して入力された直流電力を交流電力として出力する。
制御部500は、MERS400の動作を制御する。
MERS400の動作の詳細については後述する。
抵抗スポット溶接機800は、板面が相互に重ね合わせられた複数枚の金属板M1及びM2の重ね合わせ部の表側及び裏側から、すなわち、図1のA方向及びB方向から、金属板M1及びM2を挟み込むように、溶接電極E1及びE2を加圧しながら、金属板M1及びM2の所望位置の接触領域を通電することにより、前記接触領域に発生するジュール熱によって、同接触領域を接合する。抵抗スポット溶接機800については、公知のものを利用することができる。抵抗スポット溶接の対象となる金属板M1及びM2の材質、板厚、及び枚数としては、抵抗スポット溶接に適用することが可能な種々のものを採用することができる。このように本実施形態では、通電加工装置が抵抗スポット溶接機800である場合を例に挙げて説明する。
次に、MERS400の構成の一例を説明する。
図1に示すように、MERS400は、ブリッジ回路と、コンデンサCとを含む。ブリッジ回路は、2つの経路にそれぞれ2つずつ配置された4つの逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYによって構成される。コンデンサCは、ブリッジ回路の2つの経路の間に配置される。
第1の経路には、交流端子dと直流端子bとの間に逆導通型半導体スイッチV(第4の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子bと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチU(第1の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。
第2の経路には、交流端子dと直流端子cとの間に逆導通型半導体スイッチY(第3の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子cと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチX(第2の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。コンデンサCは、直流端子bと直流端子cとの間に配置される。
以下の説明では、「各逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYがスイッチオフ時に電流を流す方向」を、必要に応じて「順方向」と称し、スイッチオフ時に電流を流さない方向を、必要に応じて「逆方向」と称する。また、以下の説明では、「順方向及び逆方向の、回路に対する接続方向」を、必要に応じて「スイッチ極性」と称する。
よって、逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチYは、順方向のスイッチ極性を有する。逆導通型半導体スイッチVと逆導通型半導体スイッチXも、順方向のスイッチ極性を有す。また、逆導通型半導体スイッチU及びYのスイッチ極性と、逆導通型半導体スイッチV及びXのスイッチ極性は、逆方向となる。
また、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYには、様々な構成が考えられるが、本実施形態では、半導体スイッチSU、SV、SX、及びSYとダイオードDU、DV、DX、及びDYとの並列接続によって構成されるものとする。すわなち、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのそれぞれは、ダイオードDU、DV、DX、及びDYの1つと、このダイオードに並列に接続された半導体スイッチSU、SV、SX、及びSYの1つとを有する。
MERS400では、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチのうち、一方の逆導通型半導体スイッチがオンすると他方の逆導通型半導体スイッチもオンする。同様に、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチの一方の逆導通型半導体スイッチがオフすると他方の逆導通型半導体スイッチもオフする。例えば、逆導通型半導体スイッチUがオンすると逆導通型半導体スイッチYもオンし、逆導通型半導体スイッチUがオフすると逆導通型半導体スイッチYもオフする。これらのことは、逆導通型半導体スイッチV及びXについても同じである。
また、ゲート端子GV及びGXにオン信号(ゲート信号)が入力され、逆導通型半導体スイッチV及びXがオンすることを、必要に応じて「V−Xゲートがオンする」と称する。一方、ゲート端子GV及びGXにオン信号(ゲート信号)が入力されず、逆導通型半導体スイッチV及びXがオフすることを、必要に応じて「V−Xゲートがオフする」と称する。
<図2に示す動作>
図2に示す例におけるスイッチングパターンは、ブリッジ回路における対角線のうち、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)のオン及びオフを1回行った後、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(V及びX、又は、U及びY)のオン及びオフを1回行うパターンである。
また、同一の周期T1、T2、及びT3における、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)のオン時間及びオフ時間と、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(V及びX、又は、U及びY)のオン時間及びオフ時間は、同じである。
[周波数f1(=共振周波数)の期間t1]
(1a)U−Yゲート:オン、V−Xゲート:オフ
V−Xゲートがオフし、U−Yゲートがオンすると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチU、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチYの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
周波数f1は前記共振周波数である。したがって、制御部500は、以上のようにコンデンサCの両端の電圧VCが0(ゼロ)になった時点で、U−Yゲートをオフすると共にV−Xゲートをオンする。そうすると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチV、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチXの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
以上のように、U−Yゲート及びV−Xゲートをオン・オフするタイミングでコンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)になるので、ソフトスイッチングが実現される。
(1b)U−Yゲート:オン、V−Xゲート:オフ
V−Xゲートがオフし、U−Yゲートがオンすると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチU、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチYの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
制御部500は、周波数f2の2倍の逆数の時間(周期T2の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオフすると共にV−Xゲートをオンする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
U−Yゲートがオフされると共にV−Xゲートがオンされると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチV、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチXの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
以上の前記(1b)及び前記(2b)の動作で、周期T2(1周期)の動作が終了する。続けて、前記(1b)の動作、前記(2b)の動作が交互に2回行われると、期間t2の動作が終了する。
期間t3では、MERS400の出力電流ILが還流する時間が、期間t2よりも長くなる。
(1c)U−Yゲート:オン、V−Xゲート:オフ
V−Xゲートがオフし、U−Yゲートがオンすると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチU、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチYの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
制御部500は、周波数f3の2倍の逆数の時間(周期T3の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオフすると共にV−Xゲートをオンする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
U−Yゲートがオフされると共にV−Xゲートがオンされると、そうすると、MERS400の出力電流ILは、変流器700、逆導通型半導体スイッチV、コンデンサC、及び逆導通型半導体スイッチXの順の経路を流れ、コンデンサCが充電される。したがって、MERS400の出力電流ILは減少し(0(ゼロ)に近づき)、コンデンサCの両端の電圧VCは上昇する。コンデンサCの充電が完了すると、MERS400の出力電流ILは0(ゼロ)になると共に、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
以上の前記(1c)及び前記(2c)の動作で、周期T3(1周期)の動作が終了する。続けて、前記(1c)の動作、前記(2c)の動作が交互に2回行われると、期間t3の動作が終了する。
以上により、制御部500は、抵抗スポット溶接機800(通電加工装置)による一回の通電加熱時間内(通電加工時間内)に、出力電流の通電周波数が相互に異なる第1の通電周波数及び第2の通電周波数を含むようにMERS400を制御することができる。また、制御部500は、上記の通電周波数の制御に加えて、抵抗スポット溶接機800(通電加工装置)による一回の通電加熱時間内(通電加工時間内)に、出力電流の実効値が相互に異なる第1の実効値及び第2の実効値を含むようにMERS400を制御することができる。
図3及び図4は、第1実施形態におけるスイッチングパターンのその他の例を示す図である。具体的に言うと、図3は、ゲート端子GU、GV、GX、及びGYに入力されるオン信号(ゲート信号)と、時間との関係を示す。
図3に示す例におけるスイッチングパターンは、逆導通型半導体スイッチU及びYのオン及びオフ、並びに、逆導通型半導体スイッチV及びXのオン及びオフを交互に1回ずつ行うことを、図2に示した周期T3、周期T2、及び周期T1の順で連続的に繰り返し行うパターンである。
図3に示すスイッチングパターンにおけるMERS400の動作は、例えば、<図2に示す動作>において、前記(1a)及び前記(2a)の繰り返し、前記(1b)及び前記(2b)の繰り返し、並びに前記(1c)及び前記(2c)の繰り返しを省略すると共に、動作の順番を、前記(1c)、前記(2c)、前記(1b)、前記(2b)、前記(1a)、前記(2a)にすることにより実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
また、逆導通型半導体スイッチV及びXのオン時間(逆導通型半導体スイッチU及びYのオフ時間)と、逆導通型半導体スイッチU及びYのオン時間(逆導通型半導体スイッチV及びXのオフ時間)との何れか一方を一定にしてもよいことは、図2についても同じである。同一の周期における、逆導通型半導体スイッチV及びXのオン時間(逆導通型半導体スイッチU及びYのオフ時間)と、逆導通型半導体スイッチU及びYのオン時間(逆導通型半導体スイッチV及びXのオフ時間)とを異ならせる動作は、例えば、<図2に示す動作>において、前記(2a)の動作と前記(1c)の動作を行うことにより実現できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
図4に示すスイッチングパターンにおけるMERS400の動作は、<図2に示す動作>における前記(1c)及び前記(2b)の動作を繰り返し行うことにより実現されるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
図4に示す例の更なる変形例として、例えば、図2及び図3において、一方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)のオン時間(オフ時間)と、他方の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(V及びX、又は、U及びY)のオン時間(オフ時間)とを異ならせてもよい。
例えば、図2に示す例では、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン及びオフを3回ずつ行ったのちに、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン時間及びオフ時間を変更した上で、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン及びオフを3回ずつ行い、さらにその後に、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン及びオフを3回ずつとしたまま逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン時間及びオフ時間を変更する。
しかしながら、各周期において、上記の逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン及びオフを行う回数(3回)を2回以上の任意の回数にすることができる。各周期において、上記の逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのオン及びオフを行う回数(3回)を1回にするスイッチングパターンが図3に示す例である。
前者について、図2に示す例では、周期T1、周期T2、周期T3の順になるように、対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)のオン時間及びオフ時間を変更している。後者について、図4に示す例では、対角線上に配置された一方の2つの逆導通型半導体スイッチU及びYの、1サイクル((T3+T2)/2の時間)におけるオン時間をT3/2にするのに対し、他方の2つの逆導通型半導 体スイッチV及びXの、1サイクル((T3+T2)/2の時間)におけるオン時間をT2/2にしている。
また、対角線上に配置された一方の2つの逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)と他方の2つの逆導通型半導体スイッチ(V及びX、又は、U及びY)の連続的に行うオン及びオフの回数を異ならせるようにしてもよい。ただし、このようにする場合であっても、一回の短時間の通電加熱時間内(1パルス通電内)に通電周波数が変更されるようにする。
抵抗スポット溶接を行うことにより形成される溶接継手の品質に影響を与える所定の1つ又は複数の因子により定まる溶接条件に応じた適切な通電パターンを、例えば模擬実験を行って特定し、特定した通電パターンを制御部500に記憶する。このようにして通電パターンを特定することを複数の溶接条件のそれぞれについて行い、複数の溶接条件のそれぞれについての通電パターンを制御部500に記憶する。前記因子としては、例えば、金属板の材質、溶接部の大きさ、材質、厚み、温度変化等が挙げられる。
図5は、一回の短時間の通電加熱時間内(1パルス通電内)に、通電周波数を変更する場合の通電パターンの一例を示す。図5に示す通電パターンでは、共振周波数f1以下の周波数であれば通電周波数は任意に設定できる。したがって、必要とする最大の通電周波数に対応した共振周波数を有する回路構成を用いれば、任意の通電周波数での通電が可能となる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。抵抗スポット溶接においてスパッタが発生する場合には、上側溶接電極、金属板(ワーク)及び下側溶接電極の間のインピーダンスが変化することから、このインピーダンスの変化を直接検出することができれば、スパッタの発生をより確実に抑制することができる。このインピーダンスの変化は、溶接電流(上側溶接電極、金属板(ワーク)及び下側溶接電極に流れる電流)の変化となって現れる。
また、スパッタが発生する際には、上側溶接電極や下側溶接電極における溶接電流の分布が大きく変化するから、この溶接電流の分布を検出することにより、スパッタの発生を抑制することができる。
以上のような、本発明者らが見出した着想の下、以下に説明する本発明の第2実施形態では、上側溶接電極及び下側溶接電極の少なくとも何れか一方の側方の複数の領域において、溶接電流が流れることにより発生する磁束量を検出し、検出した磁束量に応じて、溶接電流を制御する。
抵抗スポット溶接システム1Aは、交流電源110と、整流器210と、直流リアクトル310と、MERS410と、制御部510と、交流インダクタンス610と、変流器710と、抵抗スポット溶接機810と、電圧検出部910と、コイルC1〜C4と、を有する。
なお、図7A及び図7Bにおいて、コイルC4は、上側溶接電極E1に隠れて見えていない。また、表記の都合上、コイルC1及びC3の一部の領域の図示を省略するとともに、コイルC1〜C3の引き出し部分の図示を省略している。
整流器210の入力端と、交流電源110とが相互に接続される。整流器210の出力端の一つと、直流リアクトル310の一端とが相互に接続される。整流器210の出力端の他の一つと、MERS410の直流端子cとが相互に接続される。直流リアクトル310の他端と、MERS410の直流端子bとが相互に接続される。
MERS410の交流端子dと、交流インダクタンス610の一端が相互に接続される。交流インダクタンス610の他端と、変流器710の入力端の一つとが相互に接続される。MERS410の交流端子aと、変流器710の入力端の他の一つとが相互に接続される。変流器710の出力端の一つと上側溶接電極E10とが相互に接続され、他の一つと下側溶接電極E20とが相互に接続される。
整流器210は、交流電源110から出力される交流電力を整流して直流電力にする。交流電源110が単相交流電源である場合、整流器210は単相整流回路を備える。一方、交流電源110が三相交流電源である場合、整流器210は三相整流回路を備える。
直流リアクトル310は、整流器210を通った直流電力を平滑化する。
MERS410は、磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの一例であり、整流器210から直流リアクトル310を介して入力した直流電力を後述するようにして交流電力として出力する。
MERS410の動作の詳細については後述する。
抵抗スポット溶接機810は、板面が相互に重ね合わせられた複数枚の金属板M1及びM2の重ね合わせ部の表側及び裏側から、すなわち、図6のA方向及びB方向から、金属板M10及びM20を挟み込むように、上側溶接電極の一例である上側溶接電極E10及び下側溶接電極の一例である下側溶接電極E20を加圧しながら通電する。そして、この通電により金属板M10及びM20に発生するジュール熱によって、これら金属板M10及びM20間を接合する。抵抗スポット溶接機810については、公知のものを利用することができる。抵抗スポット溶接の対象となる金属板M10及びM20の材質、板厚、及び枚数としては、抵抗スポット溶接を適用することが可能な種々のものを採用することができる。
具体的に言うと、図7Aは、金属板M10、上側溶接電極E10、及びコイルC1〜C4を、上側溶接電極E10が配置されている側から、金属板M10の法線方向に沿って見た図である。図7Bは、金属板M10、金属板M20、上側溶接電極E10、下側溶接電極E20、及びコイルC1〜C4を、図7Aの矢印線Aに沿って見た図である。図7Bにおいては、コイルC4は、上側溶接電極E1に隠れて見えていない。
具体的に言うと、図7A及び図7Bに示す例では、コイルC1〜C4は、全て同一のものである。また、図7Aに示すように、コイルC1〜C4は、上側溶接電極E1の軸201を軸とする4回対称の関係となる位置に配置される。また、コイルC1〜C4は、コイルC1〜C4の軸(コイルC1〜C4のコイル面の中心を通る軸)の方向(破線の両矢印線の方向)が、上側溶接電極E10の軸201を中心とする円の接線の方向に一致する位置に配置される。ここで、コイルC1〜C4は、抵抗スポット溶接に支障をきたさない範囲で、上側溶接電極E10及び金属板M10に可及的に近い位置に配置されるのが好ましい。
磁束量分布導出部511は、電圧検出部910により検出された各コイルC1〜C4の誘導起電力と、各コイルC1〜C4の巻き数と、から、各コイルC1〜C4における磁束量φを導出する。
すなわち、溶接電流分布導出部512は、各コイルC1〜C4における磁束量φから磁束密度Bを導出し、磁束密度Bと空気の透磁率μairとから磁界Hを導出し、磁界Hからアンペールの法則により、上側溶接電極E10の各コイルC1〜C4と対応する領域の溶接電流を導出する。以下の説明では、上側溶接電極E10の領域のうち、各コイルC1〜C4に対応する領域の溶接電流を必要に応じて、各コイルC1〜C4に対応する領域の溶接電流と称する。
例えば、判定部513は、コイルC1〜C4に対応する領域の溶接電流の大きさの少なくとも1つが、上限溶接電流Iuと下限溶接電流Idとにより定まる範囲ΔIから外れているか否かを判定する。本実施形態では、このようにして、上側溶接電極E10の軸に垂直な領域(例えば、図7Aにおいて上側溶接電極E10を示す円形の領域)において溶接電流に(予め設定した範囲よりも大きな)分布が生じているか否かを判定する。下限溶接電流Idを用いずに、判定部513が、コイルC1〜C4に対応する領域の溶接電流の大きさの少なくとも1つが、上限溶接電流Iuを超えているか否かを判定するようにしてもよい。
その後、判定部513により、コイルC1〜C4に対応する溶接電流の大きさの少なくとも1つが、上限溶接電流Iuと下限溶接電流Idとにより定まる範囲ΔIから外れていると判定されると、回路制御部514は、この範囲ΔIからの外れ量に応じた値だけ、溶接電流の大きさが現在値よりも小さくなるように、MERS410の動作を制御する。
したがって、回路制御部514は、コイルC1に対応する領域の溶接電流(点301b)の上限溶接電流Iuからの外れ量の絶対値に応じた値だけ、現在の溶接電流の大きさが低減するよう、MERS410の動作周波数を高くする。
図9Aでは、MERS410の動作周波数(すなわち、溶接電流の周波数)が1kHzである場合を示し、図9Bでは、MERS410の動作周波数(すなわち、溶接電流の周波数)が1.7kHzである場合を示す。図9A及び図9Bに示すように、MERS410の動作周波数を1kHzから1.7kHzに変更することで、溶接電流の波高値が12kA弱から10.5kA程度まで減少する。
図6に示すように、MERS410は、磁気エネルギー回生双方向電流スイッチの一例であり、ブリッジ回路と、コンデンサCとを含む。
ブリッジ回路は、2つの経路にそれぞれ2つずつ配置された4つの逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYによって構成される。コンデンサCは、ブリッジ回路の2つの経路の間に配置される。
第1の経路には、交流端子dと直流端子bとの間に逆導通型半導体スイッチV(第4の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子bと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチU(第1の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。
第2の経路には、交流端子dと直流端子cとの間に逆導通型半導体スイッチY(第3の逆導通型半導体スイッチ)が配置され、直流端子cと交流端子aとの間に逆導通型半導体スイッチX(第2の逆導通型半導体スイッチ)が配置される。コンデンサCは、直流端子bと直流端子cとの間に配置される。
このように、交流端子aと交流端子dとの間において、逆導通型半導体スイッチU及びXは並列に接続され、逆導通型半導体スイッチV及びYは並列に接続される。また、交流端子aと交流端子dとの間において、逆導通型半導体スイッチU及びVは直列に接続され、逆導通型半導体スイッチX及びYは直列に接続される。
以下の説明では、「各逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYがスイッチオフ時に電流を流す方向」を、必要に応じて「順方向」と称し、スイッチオフ時に電流を流さない方向を、必要に応じて「逆方向」と称する。また、以下の説明では、「順方向及び逆方向の、回路に対する接続方向」を、必要に応じて「スイッチ極性」と称する。
また、交流端子aと交流端子dとの間において、直列に接続された逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチVは、互いに逆方向のスイッチ極性を有する。同様に、交流端子aと交流端子dとの間において、直列に接続された逆導通型半導体スイッチXと逆導通型半導体スイッチYも、互いに逆方向のスイッチ極性を有する。
よって、逆導通型半導体スイッチUと逆導通型半導体スイッチYは、互いに順方向のスイッチ極性を有し、逆導通型半導体スイッチVと逆導通型半導体スイッチXも、互いに順方向のスイッチ極性を有す。また、逆導通型半導体スイッチU及びYのスイッチ極性と、逆導通型半導体スイッチV及びXのスイッチ極性は、互いに逆方向となる。
また、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYには、様々な構成が考えられるが、本実施形態では、半導体スイッチSU、SV、SX、及びSYとダイオードDU、DV、DX、及びDYとの並列接続によって構成されるものとする。すわなち、逆導通型半導体スイッチU、V、X、及びYのそれぞれは、ダイオードDU、DV、DX、及びDYの1つと、このダイオードに並列に接続された半導体スイッチSU、SV、SX、及びSYの1つとを有する。
第1のペアと第2のペアとは、順方向が相互に逆向きになるように配置される。したがって、ブリッジ回路で対角線上に配置された逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)は、各順方向が同方向になるように配置される。
MERS410では、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチのうち、一方の逆導通型半導体スイッチがオンすると他方の逆導通型半導体スイッチもオンする。同様に、ブリッジ回路の対角線上に配置された2つの逆導通型半導体スイッチの一方の逆導通型半導体スイッチがオフすると他方の逆導通型半導体スイッチもオフする。例えば、逆導通型半導体スイッチUがオンすると逆導通型半導体スイッチYもオンし、逆導通型半導体スイッチUがオフすると逆導通型半導体スイッチYもオフする。これらのことは、逆導通型半導体スイッチV及びXについても同じである。
MERS410では、逆導通型半導体スイッチ(U及びY、又は、V及びX)のオン及びオフの制御により、溶接電流の周波数や波形を様々に変更することができるが、ここでは、図9A及び図9Bに示した溶接電流の波形を得るためのMERS410の動作の一例を説明する。
本実施形態では、MERS410の動作周波数f1(=1/T1)が、MERS410の出力端から負荷側を見たときのインダクタンスと、コンデンサCのキャパシタンス(容量)とに基づく共振周波数よりも低くなるようにする。これにより、ソフトスイッチングを実現することができる。また、大容量の電圧源コンデンサを用いる必要がなくなるので、コンデンサCのキャパシタンスを小さくすることができる。
また、ゲート端子GV及びGXにオン信号(ゲート信号)が入力され、逆導通型半導体スイッチV及びXがオンすることを必要に応じて「V−Xゲートがオンする」と称する。一方、ゲート端子GV及びGXにオン信号(ゲート信号)が入力されず、逆導通型半導体スイッチV及びXがオフすることを、必要に応じて「V−Xゲートがオフする」と称する。
(1)U−Yゲート:オン、V−Xゲートオフ
U−Yゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、V−XゲートもU−Yゲートもオフしているので、直流リアクトル310を介して入力した直流入力電流により、コンデンサCは充電されている。したがって、コンデンサCの両端の電圧VCは最大値を示す。
MERS410の動作周波数f1は前記共振周波数よりも低いので、コンデンサCの放電が完了しても、制御部510は、U−Yゲートをオフせず、U−Yゲートはオンされた状態のままである。したがって、MERS410の出力電流ILは、逆導通型半導体スイッチU、変流器710、及びダイオードDVの順の経路と、逆導通型半導体スイッチY、ダイオードDX、及び変流器710の順の経路に並列に流れ、還流する。このMERS410の出力電流ILは、負荷の抵抗とインダクタンスから定まる時定数に従って減少する(0(ゼロ)に近づく)。
制御部510は、MERS410の動作周波数f1の2倍の逆数の時間(周期T1の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオフする。このとき、コンデンサCの両端の電圧VCは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
また、U−Yゲートをオフしたタイミングで、前述した還流が終了していないと(MERS410の出力電流ILが0(ゼロ)になっていないと)、MERS410の出力電流ILは、ダイオードDV、コンデンサC、及びダイオードDxの順の経路を流れ、コンデンサCを充電するので急速に減少して0(ゼロ)になる。
制御部510は、MERS410の動作周波数f1の2倍の逆数の時間(周期T1の1/2倍の時間)が経過すると、U−Yゲートをオンする。このとき、MERS410の出力電流ILは0(ゼロ)であるから、ソフトスイッチングが実現される。
前記(1)及び前記(2)の動作で、周期T1(1周期)の動作が終了する。このような動作を繰り返し行うことによって、図9A及び図9Bに示す溶接電流の波形が得られる。
ei=−ni・dφi/dt (式1)
Ii=∫φi・dl/(μ・Si) (式2)
ei=−ni・dφi/dt (式3)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。上記第2実施形態では、金属板M10の上方(又は金属板M20の下方)にコイルC1〜C4を配置する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、金属板M10及びM20に2つのコイルを周回させる。このように本実施形態と上記第2実施形態とでは、コイルの数、構成、及び配置が主として異なる。したがって、本実施形態の説明において、上記第2実施形態と同一の部分については、図6〜図14に付した符号と同一の符号を付す等して、詳細な説明を省略する。
具体的に図15Aは、金属板M10、上側溶接電極E10、コイルC5、及びコイルC6を、上側溶接電極E10が配置されている側から、金属板M10の法線方向に沿って見た図である。図15Bは、金属板M10、金属板M20、上側溶接電極E10、下側溶接電極E20、コイルC5、及びコイルC6を、図15Aの矢印線Dに沿って見た図である。図15Bにおいては、コイルC6は、コイルC5と上側溶接電極E1に隠れて見えていない。
具体的に言うと、図15A及び図15Bに示す例では、コイルC5及びC6は、同じものである。また、図15Aに示すように、コイルC5及びC6は、上側溶接電極E10の軸201(この軸201は下側溶接電極E20の軸ともの一致する)を軸とする2回対称の関係となる位置に配置される。ここで、コイルC5及びC6は、可及的に上側溶接電極E10及び下側溶接電極E20に近い位置に配置されるのが好ましい。
以上のようにしても、前述した第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態においても、第2実施形態で説明した種々の変形例を採用することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。上記の第1実施形態と比較して、第4実施形態に係る抵抗スポット溶接システム1Bは、抵抗スポット溶接機800が、圧力調節部900を備えている点が異なる。このため、構成などについては上記第1実施形態で説明した図および関連する記載を援用して同じ符号を使用し、説明を省略する。
(1)本実施形態に係るスポット溶接方法は、重ね合せた鋼板のスポット溶接方法において、先端が凸状の形状をした電極を用いて、重ね合せた鋼板を加圧し、次いで、高周波電流を通電し、通電中に、鋼板と鋼板の接触領域を加圧し、該加圧力を、通電終了まで徐々に高めていき、通電を終了した後、加圧力をゼロとする。
100,110:交流電源
200,210:整流器
300,310:直流リアクトル
400,410:MERS
500,510:制御部
511:磁束量分布導出部
512:溶接電流分布導出部
513:判定部
514:回路制御部
600,610:交流インダクタンス
700,710:変流器
800、810:抵抗スポット溶接機
900:圧力調節部
910:電圧検出部
C1〜C6:コイル
E1,E2,E10,E20:溶接電極
M1,M2,M10,M20:金属板
1c:接触領域
2,2a,2b:溶融部
3:溶融凝固組織
Claims (13)
- 被加工材を通電加工する通電加工装置に出力電流を供給する電源装置であって、
第1電源と;
前記第1電源から供給される電流を受けて前記出力電流に変換する磁気エネルギー回生スイッチと;
前記通電加工装置による一回の通電加工時間内に、前記出力電流の通電周波数が相互に異なる1kHz以上且つ1周期以上の第1の通電周波数及び1kHz以上且つ1周期以上の第2の通電周波数を含むように前記磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御部と;
前記磁気エネルギー回生スイッチにより出力された前記出力電流の電流値を、前記通電加工に必要な電流値に変換して、前記通電加工装置に出力する変流器と;
を備え、
前記制御部は、前記出力電流の極性が連続的に変化するように前記通電周波数を制御する、ことを特徴とする電源装置。 - 前記一回の通電加工時間が1秒以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記通電加工中の前記通電周波数が、前記磁気エネルギー回生スイッチの出力端から見た前記通電加工装置側のインダクタンスと、前記磁気エネルギー回生スイッチが有するコンデンサのキャパシタンスとにより定まる共振周波数以下である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。 - 前記磁気エネルギー回生スイッチが、
第1の逆導通型半導体スイッチと第4の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第1の経路に直列に配置されると共に、第2の逆導通型半導体スイッチと第3の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第2の経路に直列に配置されてかつ、前記第1の逆導通型半導体スイッチと前記第3の逆導通型半導体スイッチのスイッチオフ時の導通方向が互いに同じであるブリッジ回路と、
前記第1の経路の領域のうち、前記第1の逆導通型半導体スイッチと前記第4の逆導通型半導体スイッチとの間の領域と、前記第2の経路の領域のうち、前記第2の逆導通型半導体スイッチと前記第3の逆導通型半導体スイッチとの間の領域との間に接続されたコンデンサとを有し、なおかつ、
前記第1電源と、前記通電加工装置との間に配置され;
前記制御部が、
前記第1の逆導通型半導体スイッチおよび前記第3の逆導通型半導体スイッチと、前記第2の逆導通型半導体スイッチおよび前記第4の逆導通型半導体スイッチと、の少なくとも何れか一方のオン時間とオフ時間とを制御することにより、前記通電周波数を、前記一回の通電加工時間内に制御する、あるいは、
前記第1の逆導通型半導体スイッチおよび前記第3の逆導通型半導体スイッチと、前記第2の逆導通型半導体スイッチおよび前記第4の逆導通型半導体スイッチと、の少なくとも何れか一方の、オン時間とオフ時間と前記第1電源から供給される電流とを制御することにより、前記通電周波数と前記出力電流の電流値とを、前記一回の通電加工時間内にそれぞれ制御する;
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電源装置。 - 請求項1から4の何れか1項に記載の電源装置と;
前記電源装置から出力された前記出力電流を、前記被加工材である複数の被通電材間の接触領域に通電し、前記接触領域を通電加熱することで前記複数の被通電材間を接合する、前記通電加工装置である接合装置と;
を備えることを特徴とする接合システム。 - 被加工材を通電加工する通電加工装置に出力電流を供給する電源装置であって、
第1電源と、
前記第1電源から供給される電流を受けて前記出力電流に変換する磁気エネルギー回生スイッチと、
前記通電加工装置による一回の通電加工時間内に、前記出力電流の通電周波数が相互に異なる第1の通電周波数及び第2の通電周波数を含むように前記磁気エネルギー回生スイッチを制御する制御部と、
を備える電源装置と;
前記電源装置から出力された前記出力電流を、前記被加工材である複数の被通電材間の接触領域に通電し、前記接触領域を通電加熱することで前記複数の被通電材間を接合する、前記通電加工装置である接合装置と;
を備え、
前記接合装置が、
第1電極と;
前記第1電極と対向して配置され、前記第1電極との間に前記複数の被通電材を挟持する第2電極と;
前記第1電極と、前記複数の被通電材と、前記第2電極とを流れる、前記電源装置から出力された前記出力電流によって発生する磁束が貫く複数のコイルと;
を備え、
前記制御部が、前記電源装置から出力される前記出力電流の前記通電周波数を、前記磁束により前記複数のコイルで発生する起電力に応じて変化させるように、前記磁気エネルギー回生スイッチを制御する、
ことを特徴とする接合システム。 - 前記複数のコイルが、前記第1電極と前記第2電極とのうちの少なくとも何れか一方に対し、これら第1電極及び第2電極間と同軸をなす中心軸線の周囲上の互いに異なる位置に、配置されている、
ことを特徴とする請求項6に記載の接合システム。 - 前記制御部が、前記複数のコイルで発生する起電力の少なくとも1つが、予め設定された範囲から外れていると判定すると、前記予め設定された範囲からの外れ量に応じた値だけ、前記出力電流が増減するように前記磁気エネルギー回生スイッチを制御する、
ことを特徴とする請求項6または7に記載の接合システム。 - 前記複数のコイルが、前記第1電極及び前記第2電極を介して相互に対向し、前記複数の被通電材に巻回されている、
ことを特徴とする請求項6記載の接合システム。 - 前記接合装置が、前記複数の被通電材間を挟持する挟持力を増減させる圧力調節部を備える、
ことを特徴とする請求項5から9の何れか一項に記載の接合システム。 - 被加工材に応じた通電加工条件を用意する準備工程と;
前記通電加工条件に応じて、前記被加工材の一回の通電加工時間内に、1kHz以上且つ1周期以上の第1の通電周波数を有する出力電流を前記被加工材に付与し、さらに、前記第1の通電周波数と異なる1kHz以上且つ1周期以上の第2の通電周波数を有する出力電流を前記被加工材に付与する通電加工工程と;
を有し、
前記通電加工工程は、前記出力電流の極性が連続的に変化するように前記第1及び第2の通電周波数を制御し、前記出力電流の電流値を変流器により前記通電加工に必要な電流値に変換して、前記被加工材に付与する、
ことを特徴とする通電加工方法。 - 前記通電加工工程が、前記被加工材に付与される前記出力電流により発生する磁束に基づく起電力の変化に応じて、前記出力電流を増減させる工程を有する、
ことを特徴とする請求項11に記載の通電加工方法。 - 前記通電加工工程が、
前記被加工材である複数の被通電材を挟持して接触領域を形成する工程と;
前記接触領域に前記出力電流を通電して通電加熱する工程と;
前記複数の被通電材に付与する挟持力を増減させる工程と;
を有する、
ことを特徴とする請求項11または12に記載の通電加工方法。
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