JP6748576B2 - 第２電気回路を用いてサンドイッチシートを抵抗溶接する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、サンドイッチシートを少なくとも１つの更なる金属部品に抵抗溶接する方法に関する。このサンドイッチシートは、２つの金属被覆層とその金属被覆層の間に配置された熱可塑性プラスチック層を具える。この方法は、溶接する金属シートの少なくともその領域を加熱することで熱可塑性プラスチック層を柔らかくして、被覆層を加圧することでそのプラスチック層を溶接領域から変位させる。第１溶接電極及び金属部品に接触している第２溶接電極を通る電流によって被覆層と更なる部品を第１電気回路に相互連結する方法に関する。さらに、本発明は、溶接連結を作り出す少なくとも１つの第１及び少なくとも１つの第２溶接電極と、少なくとも第１及び第２溶接電極を通して溶接電流を向かわせる第１電気回路を提供する機構と、サンドイッチシートのプラスチック層をサンドイッチシートが溶接される領域から取り除く機構とを有する、サンドイッチシートを更なる部品に抵抗溶接する装置に関する。

自動車工学における軽量工法概念の需要の増加にともない、２つの薄い金属被覆層間に熱可塑性プラスチック層を有するサンドイッチシートを使用して、サンドイッチシートを使用することで自動車工学における軽量化の見込みが更に拡がってきている。サンドイッチシートは、軽量化のための新しい可能性を切り開く、様々な互いに排他的な特性を有している。サンドイッチシートは、プラスチック層のおかげで、固体金属シートよりもかなり軽量であり、同時に強度値が高い。さらに、サンドイッチシートは、吸音性があり、高い剛性を提供する。しかし、サンドイッチシートは、電気的に絶縁されたプラスチック層を有し、完璧な溶接連結という意味では溶着方法に問題があるという欠点がある。例えば、他の金属部品に抵抗溶接する場合、溶接するサンドイッチシートの適合性が不適当であり、サンドイッチシートは接着剤で貼り付けるか、又は、機械的に連結する。

接続領域内の中間層を溶かして接続領域から除去し、次いで部品とサンドイッチシートの被覆層との間に電気的接触をつくることで溶接連結するといった、サンドイッチシートと更なる金属部品とを連結する方法は、独国公開公報ＤＥ１０２０１１１０９７０８Ａ１に開示されている。接続領域の加熱は、温度制御が可能な電極又は押圧要素によって行うことが提案されている。それゆえに、溶接電極又は押圧要素は、例えば加熱要素と共に提供される。従って、溶接電極の構造は比較的複雑になる。さらに、熱可塑性プラスチック層の加熱速度は更に速くすることができ、これによってより短いサイクル時間が達成できる。

さらに、実際の溶接を始める前に２つの加熱した電極を用いて、被覆層間に置かれたプラスチック層を加熱して除去する２つの複合シートの抵抗溶接方法が、米国特許文書ＵＳ４６５０９５１に開示されている。

既存技術から先に進んで、本発明は、サンドイッチシートと更なる部品との間の連結が短いサイクル時間で提供できる方法により、サンドイッチシートと装置を抵抗溶接する簡単な方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の教示によれば、第２溶接電極を具える第２電気回路と、サンドイッチシートに溶接される金属部品と、その部品へと誘導する電流ブリッジが設けられ、第２溶接電極が、サンドイッチシートの外方を向く側であって第１溶接電極に対向する部品の側に設けられ、第２溶接電極中の溶接するサンドイッチシートの少なくともその領域を、第２電気回路内の電流によって加熱することで、前述の目的が達成できる。

溶接領域の加熱は、予熱電流の定格電流によって可変的に更に設定できて、溶接領域内の第２溶接電極によって、部品を通して電流を方向づけるものとして第２電気回路を用いた場合に、簡単な方法で達成できることが証明されている。第２電気回路を用いることでサイクル時間を短くすることができて、全体としてより経済的な方法が提供できる。さらに、例えば、抵抗溶接装置又は抵抗溶接トングそれぞれに、従来の溶接電極を用いることができる。

本発明の方法の第１の実施形態によれば、サンドイッチシートの被覆層を、第１及び第２溶接電極の衝突力で押圧する。従って、溶接電極を強く衝突させるように構成された手段を有する溶接ロボットによって、本発明による方法を簡単に実行できる。例えば、溶接電極は、例えばスポット溶接トングといった、溶接トングの一部であってもよい。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、第２電気回路は、溶接工程の間、遮断される。これによって、部品とサンドイッチシートを通る第１及び第２電気回路の電流源間の２次電流のリスクが回避できる。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、抵抗測定を、溶接中に行うことが好ましい。ここで、抵抗測定とは、サンドイッチシートの２つの金属被覆層間の電気抵抗の測定である、軽量シートの金属被覆層間の抵抗を測定することで、例えば、金属被覆層間の金属接触がいつ起こったのか、及び電気抵抗がいつ急激に下がったのかを判定することができる。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、第１及び／又は第２電気回路内の電流が、抵抗測定に応じて調節される。例えば、第２電気回路内の抵抗がほぼゼロにまで下がるように、２つの電気回路の電流を調節する。すなわち、２つの金属被覆層間に接触が生じた時に、予熱用の第２電気回路の電流が遮断され、抵抗溶接箇所の形成に用いる第１電気回路が閉じるようにする。溶接電流又は予熱電流の経時的プロフィールは、それぞれ抵抗測定に応じて同様に調節できる。従って、サイクル時間をなるべく短くするという観点で、抵抗測定によってこの方法の最適化が行われる。

本発明の第２の教示によれば、サンドイッチシートを更なる少なくとも１つの第２電気回路が設けられている金属部品に抵抗溶接する装置によって本発明の目的が達成される。ここでは、電気回路が少なくとも、部品に接触している第２溶接電極と、少なくとも部分的に、部品と、その部品への電気ブリッジを具え、第２溶接電極と部品との間の接触領域が、第２電気回路内の電流によって加熱されるように構成されている。

前述したように、第２電気回路を使用することで、溶接領域を単純な手段で極めて短時間で加熱することができ、サンドイッチシートのプラスチック層を柔らかくして溶接領域から除去できる。第２溶接電極と部品との間の接触領域は接触面積が極めて小さいために、例えば、第２溶接電極と部品との接触領域内が局所的に電流密度が高くなり、それぞれサンドイッチシートのプラスチック層を含む接触領域又は溶接領域が速く温まる。

第１溶接電極はサンドイッチシートのプラスチック層を除去する手段として設けられており、サンドイッチシートのプラスチック層を除去する第１溶接電極は強く衝突することが好ましい。

本装置は、溶接トングとして構成することが好ましく、例えば、サンドイッチシートを自動的に連結する溶接ロボットに用いることができる。

サンドイッチシートの金属被覆層間の電気抵抗を測定する手段が設けられている場合、２つの金属被覆層にすでに相互金属接触が生じているかどうかを簡単に判定することができる。

本発明の更なる実施形態によれば、金属被覆層間の接触を、第１電気回路内及び／又は第２電気回路内の電流を少なくとも金属被覆層間の電気抵抗の測定に応じるように制御するコントローラーが設けられている、一連の溶接方法の制御に用いることができる。これによって、サンドイッチシートの抵抗溶接の更なる自動化及び最適化が達成できる。

第１及び／又は第２電気回路内の定電流を少なくとも時折発生させるコントローラーを設けることが好ましい。予熱工程と抵抗溶接自体のいずれも、最大定電流を設定することで、特に容易に制御できて、再現性のあるように実行できる。

本発明の装置の更なる実施形態による電気ブリッジを、金属部品と接触する接触電極として構成する場合、例えば装置を金属部品に対して押圧するといった簡単な方法によって、装置と金属部品の間を接触させて、予熱電流用の電気回路を提供することができる。

処理システムと、ガントリーシステムと、又は、位置決め用ロボットとを、電気ブリッジの位置決め用に設けて、金属部品上の電気ブリッジの任意の位置、特に所定の溶接位置を利用して、予熱電流用の電流路を可能な限り短くすることが好ましい。

本発明の装置の更なる実施形態によれば、金属部品に接触している溶接電極に近い位置決めは、接触電極として構成された電気ブリッジが、第２電極から間をあけて固定して、好ましくはその第２電極に機械的に固定するといった、特に簡単な方法で行われる。例えば、接触電極は、溶接電極が部品上に位置決めされると、部品上に自動的に位置決めされる。

本発明について典型的な実施形態と共に図面を用いて更に説明する。
図１は、サンドイッチシートを金属部品に抵抗溶接する装置の第１の例示的実施形態の概略断面図を示している。 図２ａ乃至２ｃは、本発明による方法の異なる３つの時間における、本装置の更なる例示的実施形態の概略断面図を示している。 図３は、本発明による方法の更なる例示的実施形態における電流の時間的プロファイルの概略的なダイアグラムを示している。 図４は、サンドイッチシートを金属部品に抵抗溶接する装置の２つの更なる例示的実施形態の概略断面図を示している。 図５は、サンドイッチシートを金属部品に抵抗溶接する装置の２つの更なる例示的実施形態の概略断面図を示している。

始めに、図１は、サンドイッチシート２を更なる金属部品３に抵抗溶接する本発明による装置１の例示的実施形態を示しており、ここで部品は固形材料でできている。さらに、装置１は、電極６及び７を通る溶接電流を方向付ける第１電気回路を提供する手段４、５を具える。例えば、この手段は、それぞれ電圧源又は電流源４と、関連する電線４ａと、第１電気回路を遮断するスイッチ５を具える。さらに、溶接する軽量シートの領域から軽量シートのプラスチック層を除去する手段が、電極６の形で提供されている。図１に矢印で示した接続パートナー３の方向に働く力で溶接電極６を衝突させる手段は、図１に示されていないが、２つの溶接電極６、７の間のプラスチック層が柔らかくなると、２つの溶接電極６、７の間の溶接領域からプラスチック層が除去される。さらに、すくなくとも１つの第２電気回路、すなわち、電圧源又は電流源８であり、関連する電流方向付けライン８ａとスイッチ９を有する回路を提供する手段が存在する。これによって、第２溶接電極７を通る第２電気回路と部品３を通る電気ブリッジ１０の形の電気接触とを閉じることができる。

図１を参照すると、２つの電気回路は、予熱電気回路Ｉｖと溶接電気回路Ｉｓと同じである。予熱電気回路Ｉｖを用いることで、溶接電極と部品３の間の接触領域内の電流によって溶接領域１２を強く加熱して、サンドイッチシート２の金属被覆層２ｂの間に配置されたプラスチック層２ａを加熱して柔らかくする。溶接領域１２上の溶接電極６、７を介して力を加えることで、プラスチックを溶接領域１２から除去する。これによって、金属被覆層２ｂ及び２ｃの間に、ほぼ金属だけの接触ができる。

金属接触ができると直ぐに、溶接電流用の電気回路Ｉｓが閉じられて、電流源又は電圧源４を通して溶接電流が供給される。金属被覆層２ｂ、２ｃは、その溶接電流によって部品３に抵抗溶接される。溶接電流のスイッチを一度オンにしたら、予熱電気回路は再度遮断してもよい。さらに、溶接電流Ｉｓ又は予熱電流Ｉｖを調節する、金属被覆層２ｂ、２ｃ間の抵抗を測定する手段１３を設けることが好ましい。例えば、電気抵抗が下がると、予熱電流Ｉｖのスイッチがオフになり、溶接電流Ｉｓのスイッチがオンになる。これによって、極めて短いサイクル時間と溶接電流のスイッチをオンにする最適な時間を保証できる。

図２ａ、２ｂ、及び２ｃは、この装置は、溶接トング１４として構成された本発明による装置の例示的実施形態を概略的に示しており、本発明による方法の１つを実行する間の異なる３つの時間における装置を示す。図２ａは溶接トング１４を示しており、溶接トング１４の電極６、７、及び電気ブリッジ１５は、それぞれサンドイッチシート２に対して又は部品３に対して押圧されている。図２ａに示すように、電気ブリッジ１５と溶接電極７の間に流れる予熱電流Ｉｖのスイッチのみを、初めにオンにする。予熱電流Ｉｖは、溶接領域を加熱して、溶接電極６に力を加えることで、プラスチックを溶接領域から除去することができる。図２ｂに、このことが示されている。次の段階では、第１電気回路を閉じて溶接工程を開始し、予熱用の第２電気回路を遮断する。溶接電流Ｉｓは、図２ｂに示すように流れる。その後、軽量シート２が金属部品３に一度溶接されると、溶接トング１４が開いて、例えばロボット（図示せず）によって、次の溶接位置に案内される。

例示的実施形態によれば、図３は、予熱電流Ｉｖ及び溶接電流Ｉｓの温度プロファイルの、時間−電流ダイアグラムを示している。さらに、抵抗測定手段１３によるサンドイッチシートの金属被覆層間で決定される抵抗の測定値が定性的に示されている。溶接方法の開始時間点ｔ_０において、高抵抗Ｗが金属被覆シート間で測定されて、予熱電流Ｉｖが設定される。さらに、時間点ｔ_０からｔ_１において、溶接電極６及び７に力が加わり、溶接領域１２内のプラスチックが柔らかくなったら、溶接電極６が対向する金属被覆層の方向にサンドイッチシートの金属被覆層を押圧して、プラスチックを溶接領域から除去する。金属被覆層２ｂが金属被覆層２ｃと接触する時点で、抵抗Ｗは急激に下がる。

このことは、溶接電流Ｉｓをスイッチオンするスイッチング信号として使用できる。同時に、予熱電気回路Ｉｖを遮断できる。続いて、ｔ_１からｔ_２の十分な時間溶接電流を一定に保持して、制御された態様で溶接を行うことができる。本発明による方法を用いることで、サンドイッチシートを更なる金属部品に簡単に溶接できる。部品は、金属シート、好ましくは固形シートメタル、或いは更なるサンドイッチシートなどの、平らな又は既に成形された部品であってもよい。さらに、この方法を、溶接トングとして構成した、本発明による装置によって実行して、処理システムとロボットがサンドイッチシートの抵抗溶接を自動的に行うようにしてもよい。

図４は、サンドイッチシート２を抵抗溶接する装置１’の更なる例示的実施形態の概略的な断面図であって、その例示的実施形態は、例えば溶接トングの一部として構成できる電極６、７を、第１処理システムと、ガントリーシステム、又はロボット１６とによって、それぞれ溶接位置へと移動させて、同様に接触電極として構成されている電気ブリッジ１５を、第２処理システムと、ガントリーシステムと、又は第２ロボット１７によって案内することを示している。第２電気ブリッジ１５は、電線１９を介してそれぞれ電圧源又は電流源４に連結されていて、予熱電流が金属部品３の定められた範囲の空間領域を通ってのみ流れることを保証する。このようにして、金属部品３のこれらの領域の連結を予想できない不測の加熱を防ぐことができる。図５は、更に単純化した例示的実施形態の概略断面図を示している。電気ブリッジ１５は、シャント電極として構成され、硬質で電気的に絶縁されたマウント１８によって溶接電極７から間隔をあけて取り付けられるように配置されており、それによってシャント電極１５と溶接電極７の間に短い間隔ができて、対応する予熱電流が金属部品３を流れる。シャント電極１５は、電線１９によってそれぞれ電圧源又は電流源４にも連結されている。溶接電極６、７及びシャント電極１５のいずれも、例えば、処理システムと、ガントリーシステムと、又はロボット１６によって溶接位置に案内され得る。厳密な間隔があれば、予熱電流用の短い電流路を保証するための更なる処理システム又はロボットは、なくても済まされる。図４及び５の例示的実施形態では、電極がそれぞれ金属部品３又はサンドイッチシート２と接触することによって、抵抗測定を行うことができることが示されている。しかし、２つの図に抵抗測定用の機構は示されていない。

Claims (15)

1. サンドイッチシートを少なくとも１つの他の金属部品に抵抗溶接する方法であって、前記サンドイッチシートが２つの金属被覆層と、この金属被覆層の間から除去される熱可塑性プラスチック層とを有し、前記方法において、少なくとも溶接すべきサンドイッチシートの領域を加熱して前記熱可塑性プラスチック層を柔らかくして、前記被覆層に圧力をかけることで当該プラスチック層を前記溶接領域から除去して、前記被覆層と前記更なる部品が第１電気回路内の第１及び第２溶接電極を通る電流によって相互連結されて、前記第２溶接電極が前記金属部品と接触している方法において、
   前記第２溶接電極と、前記サンドイッチシートに溶接される前記金属部品と、前記金属部品への電流ブリッジと、を具える第２電気回路が設けられており；前記電流ブリッジが、前記金属部品に接して前記サンドイッチシートには接しておらず；前記第２溶接電極が、前記第１溶接電極に対向して、前記金属部品における前記サンドイッチシートと面していない側に配置されており；前記第２電気回路が前記サンドイッチシートの金属被覆層を含まず；少なくとも前記第２溶接電極及び前記金属部品の間の接触領域が、前記第２電気回路内の電流によって、加熱され、
   前記第２電気回路が、前記熱可塑性プラスチック層を柔らかくするために用いられ、
   前記第１電気回路が、前記サンドイッチシートと前記金属部品との溶接に用いられることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記サンドイッチシートの前記被覆層が、前記第１及び第２溶接電極の衝突力によって押圧されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記第２電気回路が、溶接工程間に遮断されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法において、溶接中に抵抗測定が行われ、当該測定が、前記サンドイッチシートの前記２つの金属被覆層間の電気抵抗について行われることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記第１電気回路及び／又は前記第２電気回路内の電流を、少なくとも抵抗測定に応じて調節することを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法において、前記第１電気回路及び／又は前記第２電気回路の電流が、少なくとも時折一定に保たれることを特徴とする方法。
7. サンドイッチシート（２）を他の金属部品（３）に抵抗溶接する装置（１、１４）であって、溶接連結を作る少なくとも１つの第１溶接電極（６）及び少なくとも１つの第２溶接電極（７）と、少なくとも前記第１及び第２溶接電極（６、７）を通る溶接電流を方向付ける第１電気回路を提供する手段（４、４ａ）と、溶接される前記サンドイッチシートの領域から当該サンドイッチシートのプラスチック層を除去する手段（６）と、を具える装置において、
   少なくとも１つの第２電気回路を提供する手段（８、８ａ）が提供されており、前記第２電気回路が、少なくとも、前記金属部品（３）に接触する前記第２溶接電極（７）と、前記金属部品（３）の少なくとも一部分と、前記金属部品への電気ブリッジ（１０、１５）とを具え、前記電流ブリッジが前記金属部品に接して前記サンドイッチシートには接しておらず、前記第２電気回路が前記サンドイッチシートの金属被覆層を含まず、前記第２溶接電極（７）と前記金属部品（３）の間の接触領域が、前記第２電気回路内の電流によって加熱できるように構成され、
   前記第２電気回路が、前記プラスチック層を柔らかくするために用いられ、
   前記第１電気回路が、前記サンドイッチシートと前記金属部品との溶接に用いられることを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置において、前記第１溶接電極（６）が、前記サンドイッチシートのプラスチック層を除去する手段として提供されており、前記サンドイッチシート（２）の前記プラスチック層（２ａ）を除去する前記第１溶接電極（６）が強く衝突できることを特徴とする装置。
9. 請求項７又は８に記載の装置において、前記装置が溶接トング（１４）として構成されていることを特徴とする装置。
10. 請求項７乃至９のいずれか一項に記載の装置において、前記サンドイッチシート（２）の前記金属被覆層（２ｂ、２ｃ）の間の電気抵抗を測定する手段（１３）が設けられていることを特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、前記第１電気回路内の電流を少なくとも電気抵抗の前記測定に応じて制御するコントローラーが設けられていることを特徴とする組立品。
12. 請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の装置において、前記第１及び／又は第２電気回路内に定電流を、少なくとも時折発生させるコントローラーが設けられていることを特徴とする装置。
13. 請求項７乃至１２のいずれか一項に記載の装置において、前記電気ブリッジが、前記金属部品に接触している接触電極（１５）として構成されていることを特徴とする装置。
14. 請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の装置において、処理システムと、ガントリーシステムと、又はロボットを設けて、前記電気ブリッジ（１０、１５）の位置決めを行うことを特徴とする装置。
15. 請求項７乃至１３のいずれか一項に記載の装置において、接触電極として構成されている前記電気ブリッジ（１５）を、前記第２溶接電極から間を空けて固定配置したことを特徴とする装置。

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