JP6696509B2 - 可動加圧部材を有するスポット溶接電極、及びそれを用いたスポット溶接方法 - Google Patents

Description

本開示は、重ね合わせた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接装置に関するものである。

自動車の車体の組立や部品の取付け等において、重ね合わせた複数枚の金属板同士の接合では、主として、抵抗スポット溶接が使用されている。このスポット溶接では、先端部が板組に押し付けられる一対の電極チップが用いられる。

スポット溶接では、重ね合わせた複数枚の金属板の両側から、金属板を挟み込むように、電極チップを押し付けつつ通電して、溶融金属を形成し、通電の終了後に電極チップによる抜熱や金属板自体への熱伝導によって、溶融金属を冷却凝固させ、金属板の間に、断面が楕円形状の溶融凝固部（ナゲット）を形成する。

また、溶接電極において、電極チップ及び金属板を加圧するための加圧ロッドを設ける技術が知られている（特許文献１）。これにより、溶接中、溶接部の周囲を押圧し、チリの発生を抑制等することができる。更に、加圧部材を補助電極とし、金属板を介して電極チップと補助電極の間に電流を流すことで、ナゲット径を大きくすることができる。

このような加圧部材を有する溶接電極として、円筒状の剛体を加圧部材とし、剛体内に電極チップを挿入するものが知られている（特許文献２）。溶接中、溶接部の周囲を押圧し、チリの発生を更に抑制等するとともに、金属板同士の接触領域を広げ、ナゲット径を大きくすることができる。

特開２０１２−０６６２８４号公報 国際公開第２０１５／０４５３５１号

しかしながら、金属板の強度や厚みが変わると適正電流範囲が変わるため、特許文献１及び２等の従来技術においても、チリの発生を抑制しつつ、所望のナゲット径を安定して形成することが難しかった。

例えば、同じ板厚の場合、金属板の強度が増加するにしたがって、適正電流範囲が狭くなる傾向がある。同等の適正電流範囲を確保するためには、電極チップの加圧力を増加させる必要がある。しかしながら、実際に量産で使われるロボットガン等には、ガン剛性やサーボモータートルク値制限により加圧力の制約がある。例えば自動車量産ラインで用いられるロボットガンの場合、４００ｋｇｆ程度が最大許容加圧力になる。

ところが、特許文献２等の従来技術で用いられるバネ式に基づく電極チップと加圧部材とを備える溶接電極では、加圧部材の加圧力を増加させるためにバネ係数の高いバネに交換すると、反力により中心の電極チップの加圧力がその分減少してしまう。また、金属板の強度や厚みに応じて、その都度バネを交換することは、コストがかかり現実的ではなかった。

そのため、金属板の強度や厚みが変わっても、チリの発生を抑制しつつ、所望のナゲット径を形成して、スポット溶接を行うことができるスポット溶接装置が望まれている。

本発明者らは、上記課題を解決する方法について鋭意検討を行い、電極チップの押付け圧力と加圧部材の押付け圧力とを別個に制御するスポット溶接を見出した。

本開示の要旨とするところは以下の通りである。
（１）重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接装置であって、
先端部が前記板組に押し付けられる一対の電極チップ、
前記電極チップの周囲に配置され、先端部が前記板組に押し付けられる一対の加圧部材、
第１の電源、
第１の駆動機構及び第２の駆動機構、並びに
加圧力制御部
を備え、
前記一対の電極チップは、前記板組を間に挟むことができるように、対向して配置され、
前記一対の加圧部材は、前記板組を間に挟むことができるように、対向して配置され、
前記一対の電極チップは、前記第１の電源及び前記第１の駆動機構に接続されており、前記第１の駆動機構は、前記一対の電極チップを前記電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ前記一対の電極チップを前記板組に押し付ける加圧力を与えるものであり、
前記一対の加圧部材は、前記第２の駆動機構に接続されており、前記第２の駆動機構は、前記一対の加圧部材を前記電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ前記一対の加圧部材を前記板組に押し付ける加圧力を与えるものであり、
前記加圧力制御部は、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構に接続され、前記第１の駆動機構によって与えられる加圧力及び前記第２の駆動機構によって与えられる加圧力を、独立して制御する、
スポット溶接装置。
（２）前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構が、独立して、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、または電動シリンダである、前記（１）に記載のスポット溶接装置。
（３）前記加圧部材が、導電体で構成され且つ前記第１の電源に接続されている、前記（１）または（２）に記載のスポット溶接装置。
（４）前記スポット溶接装置が第２の電源をさらに備え、
前記加圧部材が、導電体で構成され且つ前記第２の電源に接続されている、
前記（１）または（２）に記載のスポット溶接装置。
（５）重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
前記板組を準備すること、
第１の電極チップ及び第２の電極チップを、前記板組を間に挟んで対向して配置すること、
第１の加圧部材を第１の電極チップの周囲に配置し、第２の加圧部材を前記第２の電極チップの周囲に、前記板組を間に挟んで前記第１の加圧部材と対向して配置すること、
前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、
前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップから加えられる前記加圧力とは独立した加圧力を加えること、
前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップ並びに前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材を前記板組に押し付けて加圧力を加えながら、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流して、前記板組の溶接を行うこと、
を含む、スポット溶接方法。
（６）前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材が導電体で構成され、
前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間にも電流を流すこと、
を含む、前記（５）に記載のスポット溶接方法。
（７）前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加え、次いで前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、を含む、前記（５）または（６）に記載のスポット溶接方法。
（８）前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材が導電体で構成され、
前記板組の溶接を行った後に、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流さず、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流すこと、
を含む、前記（５）〜（７）のいずれか一項に記載のスポット溶接方法。
（９）前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材が導電体で構成され、
前記板組の溶接を行う前に、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流さず、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流すこと、
を含む、前記（５）〜（８）のいずれか一項に記載のスポット溶接方法。

本開示のスポット溶接装置またはスポット溶接方法によれば、電極チップの押付け圧力と加圧部材の押付け圧力とをそれぞれ独立して制御することができるので、金属板の強度や厚みが変わっても、チリの発生を抑制しつつ、所望のナゲット径を形成して、スポット溶接を行うことが可能となる。

図１は、本開示の溶接装置を用いて、複数枚の金属板を含む板組にスポット溶接を行う態様の一例を表す断面模式図である。 図２は、加圧部材の先端部を板組に押し付け、電極チップの先端部を板組から離した位置に配置したときの、態様を表す断面模式図である。 図３は、電極チップの先端部及び加圧部材の先端部を板組に押し付けたときの態様を表す断面模式図である。 図４は、電極チップ及び加圧部材でそれぞれ通電加熱を行った場合に形成されるナゲットの断面模式図である。 図５は、電極チップのみ通電し、加圧部材で通電加熱を行わなかった場合に形成されるナゲットの断面模式図である。 図６は、第２の駆動装置として空気圧シリンダを用いた場合の本開示の溶接装置の一例の断面模式図である。 図７は、図６の溶接装置の加圧部材を移動させたときの断面模式図である。

本開示は、重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接装置であって、先端部が前記板組に押し付けられる一対の電極チップ、前記電極チップの周囲に配置され、先端部が前記板組に押し付けられる一対の加圧部材、第１の電源、第１の駆動機構及び第２の駆動機構、並びに加圧力制御部を備え、前記一対の電極チップは、前記板組を間に挟むことができるように、対向して配置され、前記一対の加圧部材は、前記板組を間に挟むことができるように、対向して配置され、前記一対の電極チップは、前記第１の電源及び前記第１の駆動機構に接続されており、前記第１の駆動機構は、前記一対の電極チップを前記電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ前記一対の電極チップを前記板組に押し付ける加圧力を与えるものであり、前記一対の加圧部材は、前記第２の駆動機構に接続されており、前記第２の駆動機構は、前記一対の加圧部材を前記電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ前記一対の加圧部材を前記板組に押し付ける加圧力を与えるものであり、前記加圧力制御部は、前記第１の駆動機構及び前記第２の駆動機構に接続され、前記第１の駆動機構によって与えられる加圧力及び前記第２の駆動機構によって与えられる加圧力を、独立して制御する、スポット溶接装置を対象とする。

本開示のスポット溶接装置によれば、電極チップの押付け圧力と加圧部材の押付け圧力とを別個に制御することができるので、金属板の強度や厚みが変わっても、チリの発生を抑制しつつ、所望のナゲット径を形成する適正電流範囲を広く確保することが可能となる。

適正電流範囲とは、基準直径のナゲットが形成される最小の電流値から、チリの発生を伴わずに基準直径以上のナゲットが形成される最大の電流値までの電流値範囲をいう。適正電流範囲は、好ましくは１．０ｋＡ以上、より好ましくは１．５ｋＡ以上、さらに好ましくは１．８ｋＡ以上、さらにより好ましくは１．９ｋＡ以上である。基準直径とは４√ｔ（ｔは板厚）に等しい。

本開示のスポット溶接装置は一対の電極チップを備える。一対の電極チップは、重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組を間に挟むことができるように、対向して配置される。一対の電極チップは、先端部が板組に押し付けられて、板組を間に挟むことができる。

一対の電極チップは、第１の電源及び第１の駆動機構に接続されている。

第１の駆動機構は、一対の電極チップを電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ一対の電極チップを板組に押し付ける加圧力を与える。

第１の電源は、電極チップに、所定の電流値及びサイクル数で電流を流すことができる。電極チップによる板組への通電は、板組に含まれる金属板の強度及び厚みに応じて変えることができ、例えば通電時間５〜５０サイクル（電源周波数５０Ｈｚ）で４〜１５ｋＡの電流を流すことができる。

電極チップは、特に限定されるものでなく、公知のものを用いることができるが、好ましくはＣｕ、Ｃｕ−Ｃｒ合金、またはアルミナ分散Ｃｕ製である。電極チップは、例えば２〜１６ｍｍの円柱形状であり、先端直径が６〜８ｍｍのＤＲ型（ドームラジアス型）、ＣＦ型（円錐・平面形）、ＣＲ型（円錐・ラジアス形）、ＤＦ型（ドーム・平面形）、またはＤ型の先端形状を有してもよい。

本開示のスポット溶接装置は一対の加圧部材を備える。一対の加圧部材は、重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組を間に挟むことができるように、対向して配置される。一対の加圧部材は、先端部が板組に押し付けられて、板組を間に挟むことができる。一対の加圧部材は、先端部を板組に押し付けることができるように電極チップの周囲に配置される。

電極チップの周囲に配置される加圧部材の材質は、耐熱性を有し、板組を加圧することができる所定の機械的特性を合わせ持つものであれば、特に限定されるものでないが、好ましくは芳香樹脂族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂、またはＣｕ、Ｃｕ−Ｃｒ合金、若しくはアルミナ分散Ｃｕ等の導電体である。

加圧部材の形状は、電極チップの周囲に配置可能であり、板組を加圧することができる形状であれば、特に限定されるものでないが、円筒形状、円筒状の一部が欠けた部分円形状、または多角形形状であることができる。円筒形状の断面は真円または楕円であってもよい。

加圧部材の内径は、電極チップの直径の１．１〜２.０倍であることができる。加圧部材の厚み（肉厚）は、例えば１〜５ｍｍであることができる。加圧部材は、直径１５〜２５ｍｍの円筒体であってもよい。

加圧部材は、第２の駆動機構に接続されている。第２の駆動機構は、一対の加圧部材を電極チップの軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ一対の加圧部材を板組に押し付ける加圧力を与える。

加圧力制御部は、第１の駆動機構及び第２の駆動機構に接続され、第１の駆動機構によって与えられる加圧力及び第２の駆動機構によって与えられる加圧力を、独立して制御する。

ナゲット直径は、最も薄い鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）とすると、３．５√ｔ〜８．０√ｔとすることができる。

（第１の駆動機構）
電極チップに接続される第１の駆動機構は、一対の電極チップを電極チップの軸方向に移動させること、任意の位置に停止させること、及び一対の電極チップを板組に押し付ける加圧力を与えることができるものであれば、特に限定されるものでない。電極チップは、加圧部材に対して相対的に移動され得る。

電極チップから板組に加えられる加圧力は、板組に含まれる金属板の強度及び厚みに応じて変えることができ、例えば０．０〜６．０ｋＮ、または１．５〜４．５ｋＮであることができる。

（第２の駆動機構）
加圧部材に接続される第２の駆動機構は、加圧部材を電極チップの軸方向に移動させること、任意の位置で停止させること、及び加圧部材を、重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に押し付ける加圧力を与えることができるものであれば、特に限定されるものでない。加圧部材は、電極チップに対して相対的に移動され得る。

加圧部材から板組に加えられる加圧力は、板組に含まれる金属板の強度及び厚みに応じて変えることができ、例えば０．０〜６．０ｋＮ、または１．５〜４．５ｋＮであることができる。

第１の駆動機構及び第２の駆動機構は独立して、好ましくは空気圧シリンダ、油圧シリンダ、電動シリンダ、アクチュエータ、ギア駆動、またはラックピニオンであり、より好ましくは空気圧シリンダ、油圧シリンダ、または電動シリンダである。実際の施工環境等に応じて、上記駆動機構から選択すればよい。

空気圧シリンダは、空気が漏れても他を汚すことがなく、メンテナンスが容易である。油圧シリンダは、熱に強く、大きなパワーを得ることができる。電動シリンダは、配管が不要で、高精度な制御が可能である。

加圧部材は、好ましくは、導電体で構成され且つ第１の電源に接続される。これにより、加圧部材からも板組を通電加熱することができる。電極チップに加えて加圧部材からも板組を通電加熱することによって、ナゲット径を大きくすることができる。そのため、１１８０ＭＰａ以上の高張力鋼板を含む板組をスポット溶接する場合も、チリを発生させずに、所望のナゲット径を形成することができる。加圧部材による板組への通電は、板組に含まれる金属板の強度及び厚みに応じて変えることができ、例えば通電時間５〜５０サイクル（電源周波数５０Ｈｚ）で４〜１５ｋＡの電流を流すことができる。

加圧部材を導電体で構成する場合、好ましくは電極チップと加圧部材とは絶縁されている。加圧部材と電極チップとの間の絶縁は、所望の方法で行えばよく、例えば加圧部材と電極チップとを離して配置すること、電極チップと加圧部材との間であって電極チップの周囲に絶縁スリーブを配置すること等が挙げられる。電極チップがシャンクで保持される場合は、電極チップ及びシャンクの周囲に絶縁スリーブを配置することができる。

本開示のスポット溶接装置は、第２の電源をさらに備え、加圧部材が、導電体で構成され且つ第２の電源に接続されていてもよい。この場合、電極チップに流す電流と加圧部材に流す電流とを独立して制御することができるので、より精度よく所望のナゲット径を形成することができる。

本開示のスポット溶接装置を用いて複数枚の金属板を含む板組をスポット溶接することができる。複数枚の金属板は、２枚の金属板に限定されず、接合する構造部品の形態に応じて、３枚以上の金属板とすることができる。金属板の板厚は、特に限定されるものでなく、例えば０．５〜３．２ｍｍであることができる。複数枚の金属板を含む板組全体の厚みも、特に限定されるものでなく、例えば１．０〜７．０ｍｍとすることができる。

金属板は、両面または片面にめっき等の表面処理皮膜を形成したものであっても、表面処理皮膜を形成していないものであってもよい。金属板は、少なくとも一部に板状部を有し、当該板状部が互いに積み重ね合わされる部分を有するものであればよく、全体が板状でなくてもよく、例えば形鋼等であってもよい。複数枚の金属板は、別々の金属板から構成されるものに限定されず、１枚の金属板を管状等の所定の形状に成形したものを重ね合わせたものでもよい。

本開示のスポット溶接装置の構成について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本開示の溶接装置を用いて、複数枚の金属板を含む板組にスポット溶接を行う態様の一例を表す断面模式図を示す。

図１に記載の溶接装置は、先端部が板組１６に押し付けられる一対の電極チップ２、電極チップ２の周囲に配置され、先端部が板組１６に押し付けられる一対の加圧部材３、一対の電極チップ２に接続された第１の電源１７、一対の電極チップ２に接続された第１の駆動機構１８、一対の加圧部材３に接続された第２の駆動機構１９、並びに第１の駆動機構１８及び第２の駆動機構１９に接続された加圧力制御部２０を備える。

第１の駆動機構１８は、一対の電極チップ２を電極チップ２の軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ一対の電極チップ２を板組１６に押し付ける加圧力を与えることができる。第２の駆動機構１９は、一対の加圧部材３を電極チップ２の軸方向に駆動及び任意の位置に停止させ、且つ一対の加圧部材３を板組１６に押し付ける加圧力を与えることができる。

加圧力制御部２０は、第１の駆動機構１８によって与えられる加圧力及び第２の駆動機構１９によって与えられる加圧力を、独立して制御する。

一対の電極チップ２に接続された第１の駆動機構１８は、一対で別個に構成されてもよく、一体で構成されてもよい。一対の加圧部材３に接続された第２の駆動機構１９も同様に、一対で別個に構成されてもよく、一体で構成されてもよい。

一対の電極チップ２及び一対の加圧部材３で、両側から複数枚の金属板を含む板組１６を挟み込む。図１では、２枚の金属板１５の板組１６を挟み込む態様を例示している。

スポット溶接を行う際、電極チップ２の先端部を板組１６に押し付ける。その際、電極チップ２の先端部及び加圧部材３の先端部を同時に板組１６に押し付けてもよく、加圧部材３の先端部を板組１６に押し付け、次いで電極チップ２の先端部を板組１６に押し付けてもよく、または電極チップ２の先端部を板組１６に押し付け、次いで加圧部材３の先端部を板組１６に押し付けてもよい。

好ましくは、図２に示すように、スポット溶接を行う前においては、加圧部材３の先端部を板組１６に押し付け、電極チップ２の先端部を、板組１６から離した位置に配置する。図２は、加圧部材３の先端部を板組１６に押し付け、電極チップ２の先端部を、板組１６から離した位置に配置したときの態様を表す断面模式図である。加圧部材３の先端部を板組１６に押し付け、電極チップ２の先端部を、板組１６から離した位置に配置する際、電極チップ２の先端部を、例えば０〜５ｍｍ、または１〜３ｍｍ、板組から離した位置に配置してもよい。

図２に示すように、加圧部材３の先端部を板組１６に押し付け、電極チップ２の先端部を、板組１６から離した位置に配置してから、次いで電極チップ２を加圧部材３に対して相対的に移動させて、図３に示すように、電極チップ２を金属板１５に接触させることができる。図３は、電極チップ２の先端部及び加圧部材３の先端部を板組１６に押し付けたときの態様を表す断面模式図である。

図２において、電極チップ２を板組１６に接触させる前に加圧部材３で板組１６を所望の加圧力で加圧しておくことができるので、図３において、電極チップ２を板組１６に接触させると同時に電流を流すことができ、スポット溶接のタクトタイムを短縮することができる。図２及び図３においても、スポット溶接装置は、第１の電源１７及び加圧力制御部２０を備えるが、図示していない。

図３に示すように、電極チップ２及び加圧部材３を板組１６に押し付けた状態で、対向する電極チップ２の間で通電して、金属板１５の重ね合わせ面に溶融金属を形成することができる。溶接部の周囲を加圧部材で押圧しながらスポット溶接を行うため、チリの発生を抑制することができる。加圧部材の加圧力は、板組に含まれる金属板の強度や厚みに応じて電極チップの加圧力よりも大きくしてもよく、電極チップの加圧力と同程度にしてもよく、またはゼロにしてもよい。

図３に実線矢印で示すように、対向する電極チップ２の間で通電して、金属板１５の重ね合わせ面に溶融金属を形成することができる。加圧部材３が導電体で構成され且つ第１の電源に接続されている場合、点線矢印で示すように、対向する加圧部材３の間で通電して、金属板１５の重ね合わせ面に溶融金属を形成することができる。

通電終了後に、電極チップ２を冷却することによる抜熱や、金属板１５自体への熱伝導によって、溶融金属を急速に冷却して凝固させ、金属板１５の間に、断面が楕円形状のナゲットを形成することができる。ナゲット形成後、電極チップ及び加圧部材を金属板から離して、溶接装置を溶接待機時の状態に戻すことができる。

図４及び５に、加圧部材による通電加熱を行った場合及び行わなかった場合に形成されるナゲットの断面模式図を示す。図４は、加圧部材で通電加熱したときの態様を示し、図５は、加圧部材で通電加熱しなかったときの態様を示す。

図４に示す加圧部材３で金属板１５を通電加熱したときの溶融金属２１は、図５に示す加圧部材３で金属板１５を通電加熱しなかったときの溶融金属２１と比べて、直径（金属板の重ね合わせ面に平行方向の長さ）が長くなる。これは、図４に破線矢印で示すように、加圧部材３間を通電することで、金属板の溶融金属の外周が十分加熱され、溶融金属１６の直径が大きくなり、その結果、ナゲット径が大きくなるためである。

次に、加圧部材の有無及び通電加熱の有無によって形成されるナゲット径及び適正電流範囲について、一例を示す。

（例１）
板厚１．６ｍｍで、引張強さ５９０ＭＰａの冷延材（非めっき）を重ね合わせて２枚の板組を形成し、ＤＲ型先端４０Ｒ、先端径６ｍｍのＣｕ−Ｃｒ合金の電極チップ及びＣｕ−Ｃｒ合金の加圧部材を用いて、電極チップ及び加圧部材ともに、加圧力を３．９２ｋＮ、通電時間を１８ｃｙｃ（６０Ｈｚ）として、スポット溶接を行った。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、３．２ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．５ｍｍであった。

（例２）
絶縁体である芳香樹脂族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の加圧部材を用いたことを除いて、例１と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、２．８ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は６．６ｍｍであった。

（例３）
加圧部材を用いないことを除いて、例１と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．８ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は６．６ｍｍであった。

次に、例１〜３とは板厚及び引張強さが異なる金属板について溶接したときのナゲット径及び適正電流範囲について、一例を示す。

（例４）
板厚２．０ｍｍで、引張強さ１１８０ＭＰａの冷延材（非めっき）と、板厚２．０ｍｍで、引張強さ１１８０ＭＰａの冷延材（非めっき）とを重ね合わせて２枚の板組を形成し、ＤＲ型先端４０Ｒ、先端径６ｍｍのＣｕ−Ｃｒ合金の電極チップ及びＣｕ−Ｃｒ合金の加圧部材を用いて、電極チップ及び加圧部材ともに、加圧力を３．９２ｋＮ、通電時間を１８ｃｙｃ（５０Ｈｚ）として、スポット溶接を行った。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝２．０ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．０ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は６．６ｍｍであった。

（例５）
電極チップの加圧力を３．９２ｋＮ、加圧部材の加圧力を４．９１ｋＮにしたことを除いて、例４と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝２．０ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．９ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．８ｍｍであった。
（例５）
電極チップの加圧力を３．９２ｋＮ、加圧部材の加圧力を４．９１ｋＮにしたことを除いて、例４と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝２．０ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．９ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．８ｍｍであった。

（例６）
絶縁体である芳香樹脂族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の加圧部材を用いたことを除いて、例５と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝２．０ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．５ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．０ｍｍであった。

（例７）
加圧部材を用いないことを除いて、例４と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝２．０ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、０．０ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は６．０ｍｍであった。

（例８）
板厚１．６ｍｍで、引張強さ５９０ＭＰａの冷延材（非めっき）と板厚２．０ｍｍで、引張強さ１１８０ＭＰａの冷延材（非めっき）とを重ね合わせて２枚の板組を形成し、ＤＲ型先端４０Ｒ、先端径６ｍｍのＣｕ−Ｃｒ合金の電極チップ及びＣｕ−Ｃｒ合金の加圧部材を用いて、電極チップ及び加圧部材ともに、加圧力を３．９２ｋＮ、通電時間を１８ｃｙｃ（５０Ｈｚ）として、スポット溶接を行った。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、１．５ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は６．６ｍｍであった。

（例９）
電極チップの加圧力を３．９２ｋＮ、加圧部材の加圧力を４．９１ｋＮにしたことを除いて、例８と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、２．８ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．８ｍｍであった。

（例１０）
絶縁体である芳香樹脂族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の加圧部材を用いたことを除いて、例９と同様の条件で溶接した。その結果、ナゲット径が４√ｔ（ｔ＝１．６ｍｍ）となる電流値とチリ発生直前の電流値との幅（適正電流範囲）は、２．０ｋＡとなった。また、最大ナゲット径は７．０ｍｍであった。

このように、電極チップの押付け圧力と加圧部材の押付け圧力とをそれぞれ独立して制御して溶接部の周囲を押圧しながらスポット溶接を行うことによって、大きな適正電流範囲が得られ、チリの発生を抑制しつつ、ナゲット径を拡大することができる。

電極チップ２の冷却は、任意の方法で行うことができる。例えばシャンクに電極チップを保持させている場合、シャンクを冷却することにより電極チップを冷却することができる。シャンクの内部には、冷却用パイプが配置されていてもよい。

所定回数、スポット溶接を繰り返し実行した後、ドレッシング又は電極チップの交換を行ってもよい。本開示の溶接装置によれば、電極チップ及び加圧部材を独立して移動し、所望の位置で停止することができるため、ドレッシング及び電極チップの交換を容易に行うことができる。

電極チップのドレッシング方法は、特に限定されるものでなく、例えば、電極チップの先端の表面を０．１〜１．０ｍｍの厚さ研削すればよい。電極チップ２の交換は、ロボット等により電極チップを取り外し、新品の電極チップを取り付ければよく、特に限定されるものでない。

本開示はまた、重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接方法であって、前記板組を準備すること、第１の電極チップ及び第２の電極チップを、前記板組を間に挟んで対向して配置すること、第１の加圧部材を第１の電極チップの周囲に配置し、第２の加圧部材を前記第２の電極チップの周囲に、前記板組を間に挟んで前記第１の加圧部材と対向して配置すること、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップから加えられる前記加圧力とは独立した加圧力を加えること、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップ並びに前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材を前記板組に押し付けて加圧力を加えながら、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流して、前記板組の溶接を行うこと、を含む、スポット溶接方法を対象とする。

本開示のスポット溶接方法では、被溶接部材として、溶接箇所を重ね合わせる複数枚の金属板の板組を準備する。金属板は、特に限定されるものでなく、種々の成分組成の鋼板でもよく、または鋼板以外のアルミニウム、ステンレス等の金属部材であってもよい。

本開示のスポット溶接方法によれば、金属板の厚みや強度によらず良好にスポット溶接を行うことができる。例えば、引張強度が２７０ＭＰａ程度の軟鋼、または５９０ＭＰａ以上、９８０ＭＰａ以上、１１８０ＭＰａ以上、若しくは１４８０Ｍｐａ以上の高張力鋼板を含む場合であっても、良好にスポット溶接を行うことができる。金属板の板厚は、板厚０．５〜３．２ｍｍの鋼板が例示される。

好ましくは、第１の加圧部材及び第２の加圧部材が導電体で構成され、第１の加圧部材及び第２の加圧部材の間にも電流を流す。これにより、ナゲット径をより大きくすることができる。

好ましくは、第１の加圧部材及び第２の加圧部材の各先端部を板組に押し付けて加圧力を加え、次いで第１の電極チップ及び第２の電極チップの各先端部を板組に押し付けて加圧力を加える。これにより、スポット溶接のタクトタイムを低減することができる。

好ましくは、第１の加圧部材及び第２の加圧部材が導電体で構成され、板組の溶接を行った後に、第１の電極チップ及び第２の電極チップの間に電流を流さず、第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流す。加圧部材から後通電して、ナゲットの端部に通電して焼き戻しを行うことができるので、ＣＴＳ（十字引張強度）を向上することができる。

好ましくは、第１の加圧部材及び第２の加圧部材が導電体で構成され、板組の溶接を行う前に、第１の電極チップ及び第２の電極チップの間に電流を流さず、第１の加圧部材及び第２の加圧部材の間に電流を流す。加圧部材から前通電することにより、チリ発生をさらに安定して防止することができる。

スポット溶接装置の構成に関する上記の説明は、スポット溶接方法の構成にも適用される。

図６に、第２の駆動装置として空気圧シリンダを用いた場合の本開示の溶接装置の一例の断面模式図を示す。第１の駆動機構は好ましくは空気圧シリンダであるが、油圧シリンダ、電動シリンダ等であってもよい。図６では、第１の駆動機構は省略するが、第１の駆動機構が空気圧シリンダである場合、図６に例示する第２の駆動機構の空気圧シリンダと同様の構成を有してもよい。

電極チップ２は棒状のシャンク１に取り付けられている。シャンク１は、スポット溶接ガンに装着されたホルダー（図示せず）に組みつけられている。加圧部材３は、電極チップ２の周囲に配置されている。第１の電源及び加圧力制御部は図示していない。

溶接装置は一対の電極チップ及び一対の加圧部材を備え、重ね合わせた複数枚の金属板を挟んで対向配置させて使用するものであるが、対向配置される２つの溶接装置の基本構成は同じであるため、以下、一方の溶接装置について説明する。

シャンク１及び電極チップ２は、空気圧シリンダ４に対して相対的に移動することができる。シャンク１は、Ｃｕ−１質量％Ｃｒ製のネジアダプタ１２と、ナット１３によって、空気圧シリンダ４に固定されており、シャンク１の外周には、ナイロン製の絶縁スリーブ１４が配置されている。絶縁スリーブ１４は、電極チップの先端近傍まで延在してもよい。

第２の駆動機構である空気圧シリンダ４は、シャンク１が挿入される略円筒状のシリンダハウジング５と、シリンダハウジング５を塞ぐ円形状のロッドカバー６と、シリンダハウジング５内をシャンク１の軸線方向に移動するピストンロッド７とを有する。ピストンロッド７は、円筒状でシャンク１が挿入されるロッド部７ａと、該ロット部７ａの外周に形成されたリング部７ｂとを有し、ＳＵＳ３０４等で形成されている。

シリンダハウジング５は、ピストンロッド７のリング部７ｂに対して、ピストンロッド７に加圧部材３が取り付けられた側（以下、「内側」という）と、ロッドカバー６側（以下、「外側」という）に、ピストンロッド７を移動させるための空気の供給・排出するポート８、９ａを有する。シリンダハウジング５は、ＳＵＳ３０４等で形成されている。

ロッドカバー６は、ピストンロッド７の移動範囲を制限する下側カバー６ａと、ピストンロッド７のロッド部７ａの外側の空気を供給・排出するポート９ｂを有する上側カバー６ｂとを有し、ＳＵＳ３０４等で形成されている。下側カバー６ａと上側カバー６ｂは、袋ナット１０により固定されている。

シリンダハウジング５、ピストンロッド７、下側カバー６ａには、それぞれ、Ｏリング１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられており、ピストンロッド７のリング部７ｂに対して内側と外側との間の圧縮空気の移動を抑え、ポート８と、ポート９ａ、９ｂとを介して、圧縮空気を供給・排出することによって、ピストンロッド７及びその先端に接続された加圧部材３を移動及び停止させることができる。

スポット溶接時の電流の流れについて、図６を用いて説明する。電極チップ２には、スポット溶接する際に、シャンク１を介して実線矢印で示すように電流が流れる。これにより、金属板の溶接箇所が加熱され、ナゲットが形成される。また、加圧部材３を導電体で構成する場合、電極チップ２に加えて加圧部材３によっても金属板を通電加熱することができる。加圧部材３には、スポット溶接する際に、ロッドカバー６及びピストンロッド７を介して（シリンダハウジング５を介することもある）、破線矢印で示すように電流が流れる。これにより、金属板が十分に加熱され、ナゲット径を拡大することができる。

電流の向き（矢印の向き）は、特に限定されるものでなく、逆向きであってもよい。

図７に、図６の溶接装置の加圧部材３を外側に移動させたときの断面模式図を示す。

加圧部材３は、ポート８と、ポート９ａ、９ｂとを介して、圧縮空気を供給・排出することによって、ピストンロッド７を介して移動する。図７に示すように、ピストンロッド７は、内側カバー６ａによって制限される位置まで、圧縮空気により移動させられ、停止している。

シャンクの材質は電極チップを保持し、電極チップから板組に加圧力を加えることができるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｃｕ−Ｃｒ合金製等で、その内部に冷却用パイプを備えることができる。ホルダーは、シャンク１を組み付けることができるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｃｕ−Ｃｒ合金製等で、その内部に冷却用パイプを備えることができる。

１ シャンク
２ 電極チップ
３ 加圧部材
４ 空気圧シリンダ
５ シリンダハウジング
６ ロッドカバー
６ａ 下側カバー
６ｂ 上側カバー
７ ピストンロッド
７ａ ロッド部
７ｂ リング部
８ ポート
９ａ、９ｂ ポート
１０ 袋ナット
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ Ｏリング
１２ ネジアダプタ
１３ ナット
１４ 絶縁スリーブ
１５ 金属板
１６ 板組
１７ 第１の電源
１８ 第１の駆動機構
１９ 第２の駆動機構
２０ 加圧力制御部
２１ 溶融金属

Claims (5)

1. 重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
   前記板組を準備すること、
   第１の電極チップ及び第２の電極チップを、前記板組を間に挟んで対向して配置すること、
   第１の加圧部材を第１の電極チップの周囲に配置し、第２の加圧部材を前記第２の電極チップの周囲に、前記板組を間に挟んで前記第１の加圧部材と対向して配置すること、
   前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、
   前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップから加えられる前記加圧力とは独立した加圧力を加えること、
   前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップ並びに前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材を前記板組に押し付けて加圧力を加えながら、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流して、前記板組の溶接を行うこと、
   を含み、
   前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材が導電体で構成され、
   前記板組の溶接を行った後に、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流さず、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流すこと
   を含む、スポット溶接方法。
2. 重ね合わせた複数枚の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
   前記板組を準備すること、
   第１の電極チップ及び第２の電極チップを、前記板組を間に挟んで対向して配置すること、
   第１の加圧部材を第１の電極チップの周囲に配置し、第２の加圧部材を前記第２の電極チップの周囲に、前記板組を間に挟んで前記第１の加圧部材と対向して配置すること、
   前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、
   前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップから加えられる前記加圧力とは独立した加圧力を加えること、
   前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップ並びに前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材を前記板組に押し付けて加圧力を加えながら、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流して、前記板組の溶接を行うこと、
   を含み、
   前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材が導電体で構成され、
   前記板組の溶接を行う前に、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流さず、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流すこと
   を含む、スポット溶接方法。
3. 前記板組の溶接を行う前に、前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの間に電流を流さず、前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間に電流を流すこと、
   を含む、請求項１に記載のスポット溶接方法。
4. 前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の間にも電流を流すこと、
   を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスポット溶接方法。
5. 前記第１の加圧部材及び前記第２の加圧部材の各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加え、次いで前記第１の電極チップ及び前記第２の電極チップの各先端部を前記板組に押し付けて加圧力を加えること、
   を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスポット溶接方法。

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