JP6852443B2 - ポータブルスポット溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブルスポット溶接装置に関する。

自動車の車体の組立や部品の取付け等において、重ねられた複数枚の金属板同士の接合では、主として、スポット溶接が使用されている。このスポット溶接では、スポット溶接ガンに装着されたホルダーと、ホルダーに組みつけられたシャンクと、シャンクに取り付けられた電極チップを有する電極体が用いられる。

スポット溶接では、重ね合わされ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、断面楕円形状の溶融凝固部（ナゲット）を形成する。

スポット溶接は、定置式のスポット溶接装置や、ロボット型のスポット溶接装置を用いて行われることが多い。一方、溶接装置のコスト的な観点から、溶接ガンを人間が手に持って溶接打点位置を挟み付け加圧溶接する、ポータブルタイプのスポット溶接装置を用いて溶接作業が行われる場合もある。

ポータブルスポット溶接装置としては、たとえば引用文献１、２に記載されたものが知られている。

実公昭５６−２６９４６号公報 実公昭５７−１５０２８号公報

ロボット型のスポット溶接装置の場合、あらかじめ電極体や溶接される金属板が配置される位置がプログラムにより設定されるため、繰り返し溶接を行っても、電極体と金属板の位置は一定の位置を保つことが可能である。その結果、電極体は、常に、金属板に対してほぼ垂直に当たり、スポット溶接が行われる。

しかしながら、ポータブルタイプのスポット溶接装置の場合、作業者依存等の理由で、電極体が常に金属板に垂直に当たるとは限らない。電極体が鋼板に当たる角度が垂直からずれると、金属板に対する加圧力が小さくなり、その結果、ナゲット径が小さくなる。ナゲット径が小さくなると、継手強度が低下する。すなわち、スポット溶接の際の電極体と金属板の角度のばらつきは、継手強度のばらつきとなる。この問題は、引張強度９８０ＭＰａ以上の鋼板のスポット溶接において、特に顕著である。

本発明は、上記の問題に鑑み、高いロバスト性を有するポータブルスポット溶接装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、電極体の周囲に剛体を配置し、剛体をスポット溶接が行われる前に金属板に押付けることにより、電極体を金属板に垂直に当てることを着想し、本発明を完成させた。その要旨は以下のとおりである。

（１）積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う、対向して配置された一対の複合電極を備えたポータブルスポット溶接装置であって、上記各複合電極は、抵抗スポット溶接の際に、先端面が上記板組に接触して押し付けられる電極体と、前記電極体の周囲に配置され、抵抗スポット溶接が行われる前に先端面が上記板組に接触して押し付けられる１つ以上の剛体と、上記剛体の後端に連結され、上記板組への上記電極体及び上記剛体の押付けにともなって、上記剛体に押付け圧力を加える手段と、
上記電極体が上記板組に接触した後に上記剛体を後退位置まで移動させることが可能な駆動装置と、を備えることを特徴とするポータブルスポット溶接装置。

（２）前記剛体に押付け圧力を加える手段は弾性体であることを特徴とする前記（１）に記載のポータブルスポット溶接装置。

（３）前記弾性体は圧縮コイルバネであることを特徴とする前記（２）に記載のポータブルスポット溶接装置。

（４）前記剛体に押付け圧力を加える手段は空気圧シリンダ、油圧シリンダ、又は電動シリンダであることを特徴とする前記（１）のポータブルスポット溶接装置。
（５）前記複合電極を金属板方向から平面視した際に、対向して配置された複合電極の少なくとも一方において、前記電極体の接線であって、該接線から外側１ｍｍを超える領域に前記剛体が存在しないような接線が１本以上存在することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかのポータブルスポット溶接装置。
（６）前記複合電極を金属板方向から平面視した際に、対向して配置された複合電極の少なくとも一方において、前記剛体が存在しない部分が２箇所以上存在することを特徴とする前記（５）のポータブルスポット溶接装置。

（７）前記剛体の前記板組に平行な方向の厚さをｄ（ｍｍ）、前記剛体の先端面を前記板組に押し付けた際に、前記板組に接触する前記剛体の径方向の長さをＬ（ｍｍ）としたときに、ｄ＜３．０、かつ、０．２≦Ｌ／ｄであることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかのポータブルスポット溶接装置。
（８）前記剛体の前記板組に平行な方向の厚さをｄ（ｍｍ）、前記剛体の先端面を前記板組に押し付けた際に、前記板組に接触する前記剛体の径方向の長さをＬ（ｍｍ）としたときに、ｄ≧３．０、かつ、０．２≦Ｌ／ｄ≦０．５であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかのポータブルスポット溶接装置。

本発明によれば、高いロバスト性を有するポータブルスポット溶接装置を提供することができ、本発明のポータブルスポット溶接装置を用いれば、繰り返しスポット溶接を行った場合の継手強度のばらつきを小さくすることができる。

一般的なポータブルスポット溶接装置の一例の概形を示す図である。 電極体が金属板に垂直に当たらない場合の概略を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置の電極体の周辺の概略を示す図である。 圧縮コイルバネを用いた本発明のポータブルスポット溶接装置の電極体の周辺の概略を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置の複合電極の一例を金属板方向から平面視した概形を示す図である。 ハット型部材同士をスポット溶接する場合の概略を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置の複合電極の他の例を金属板方向から平面視した概形を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置の複合電極の他の例を金属板方向から平面視した概形を示す図である。 ハット型部材と平板部材をスポット溶接する場合の概略を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置の剛体の先端の形状の一例を示す図である。 本発明のポータブルスポット溶接装置を用いたスポット溶接の概要を説明する図である。

図１に一般的なポータブルスポット溶接装置の一例の概形を示す。スポット溶接を行う際には、金属板を電極体１１の間に配置し、ハンドル部１２を握り、ハンドル部周辺に設けられた操作スイッチ（図示せず）により、電極体１１を作動させ、電流を流すことにより溶接を行う。電極体１１の動作機構は、一般的なポータブルスポット溶接装置で用いられる機構でよい。

金属板と電極体１１の位置関係は固定されておらず、作業者によって、あるいは、繰り返し溶接を行うことによって、金属板と電極体１１の角度はばらつき、図２に示すように、電極体２１が金属板に垂直に当たらない場合もある。電極体２１が金属板２２に垂直に当たらないと、金属板２２に対する加圧力が小さくなり、ナゲット径が小さくなり、継手強度が低下する。

本発明のポータブルスポット溶接装置は、図３に示すように、電極体３１とその周囲に配置された剛体３２を有する。剛体３２は、スポット溶接が行われる前にその先端が金属板に接触して押付けられる。

本発明のポータブルスポット溶接装置は、さらに、剛体３２の後端に連結された、剛体に押付け圧力を加える手段を備えている。剛体に押付け圧力を加える手段は、たとえば、図４に示すような、圧縮コイルバネ４３のような弾性体であり、剛体４２の先端を、電極体４１の先端の前後の間を移動させ、かつ、金属板を加圧する際に付勢力を与える。

電極体は特に限定されるものではなく、公知のものを用いることができる。電極体は、たとえば、Ｃｕ−Ｃｒ合金製等で内部に冷却用パイプを備えるアームに接続される。電極体としては、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｒ合金、アルミナ分散Ｃｕ製等で、２〜１６ｍｍの円柱形状で、ＤＲ型、ＣＦ型、Ｄ型の先端形状のものが例示される。

電極体の周囲に配置される剛体は、一方の端部を被溶接材である金属板に接触させて加圧することができる。剛体の形状は、たとえば、１つの円筒状の筒状体である。あるいは、２つの半円筒形の剛体等を電極体を囲むように配置してもよい。３つ以上の円弧の筒状の剛体等を電極体を囲むように配置してもよい。

図５に、電極体５１と剛体５２を含む複合電極を金属板方向から平面視した図を示す。（ａ）は剛体５２の形状が１つの円筒状の筒状体の例であり、（ｂ）は２つの半円筒形の剛体５２が電極体５１を囲むように配置された例である。（c）は、３つの円弧筒状の剛体５２が電極体５１を囲むように配置された例である。

たとえば、図６に示すようなハット型部材６１のフランジ部６２をスポット溶接する場合、フランジ部は一般的に軽量化のため小さく作られるので、電極体の全周を剛体が取り囲むような複合電極を使用すると、ハット型部材の縦壁に複合電極が当たり、うまく溶接できないことが考えられる。

そのような場合は、図７に示すように、剛体７２が電極体７１の周囲の一部を空けるように取り囲む形状としてもよい。（ａ）の場合、電極体７１の接線７３の外側には剛体７２がないので、その方向に壁等がある部材を溶接する場合でも、剛体７２が障害となることはない。通常、スポット溶接部が壁に接することはないので、（ｂ）のように、接線７３の外側１ｍｍ以下の範囲に剛体７２が存在しても、問題はない。（ｃ）のように、さらに剛体７２を２つ以上に分割してもよい。

両側に壁等がある位置をスポット溶接する場合には、図８に示すように、電極体８１の周囲の向かい合う２箇所を空ける構成としてもよい。（ａ）の場合、電極体８１の接線８３ａ、８３ｂの外側には剛体８２がない。（ｂ）のように、接線８３ａ、８３ｂの外側１ｍｍ以下の範囲であれば、剛体８２が存在しても問題はない。（ｃ）のように、さらに剛体８２を２つ以上に分割してもよい。

対向する複合電極は同じ形状とする必要はない。たとえば、図９に示すように、ハット型部材９１と平板部材９２をスポット溶接する場合、ハット型部材９１側の電極はハット型部材９１の縦壁により移動が制限されるが、平板部材９２側の電極は移動が制限されない。このような場合、ハット型部材９１側の複合電極の剛体は電極体の周囲の一部を空けるように取り囲み、平板部材９２側の複合電極の剛体は電極体の全周を取り囲むようにしてもよい。

剛体の大きさは、たとえば、電極体の直径の１．１〜２．０倍の直径を有し、１〜５ｍｍの厚みを有する円筒が例示できる。剛体の材質は、耐熱性を有し、金属板を加圧することができる所定の機械的特性を有していれば、特に限定されない。たとえば、エンジニアリングプラスチック、芳香族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂を用いることができる。電極体との間を絶縁すれば、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｒ合金、めっきしたＦｅ等を用いてもよい。

本発明のポータブルスポット溶接装置が、鋼板表面に対し、打角をもって当たる場合があることを考慮し、剛体の先端部の外径側に、図１０のようにＲ（曲率部）を設けてもよい。

本発明者らは、図１０に示すように、剛体の厚みをｄ、剛体の先端面を金属板に接触して押し付けた際に接触する部分の径方向の長さをＬとしたときに、Ｌとｄの関係についても実験的に検討した。具体的には、引張強さ１１８０ＭＰａの鋼板を２枚重ね、ポータブル（ハンディタイプ）スポット溶接装置で、打角２度で、多数打点試験を実施した。打角は、ビデオ撮影して、写真判定で測定した。

その結果、剛体の機械的強度の観点から、Ｌ／ｄ≧０．２とするのが、剛体の耐久性を上げるのに好ましいことが分かった。

また、剛体の厚みｄが厚い場合、具体的には、ｄ≧３．０ｍｍの場合には、Ｌ／ｄ≦０．５であることが好ましいことがわかった。剛体の厚みｄが厚いと、溶接時に剛体に伝わった熱が放熱しにくくなるが、Ｌ／ｄ≦０．５とし、外周部にＲ（曲率部）を設けることで、剛体の厚みが厚い場合であっても、溶接時に剛体に熱が伝わるのを抑え、剛体の耐久性を上げることができる。

剛体に押付け圧力を加える手段は、剛体の先端を電極体の先端の前後に移動させることができるとともに、それぞれの位置で停止させ、かつ、金属板を加圧する際に付勢力を与えることができるものであれば、特に限定されない。たとえば、前述のとおり、圧縮コイルバネのような弾性体を用いることができる。

剛体に押付け圧力を加える手段には、その他、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、電動シリンダ等を用いることもできる。シリンダを用いた場合は、電極体が金属板に接触した際に直ちに剛体を後退させ、熱の影響を避けることができる。空気圧シリンダは、空気が漏れても他を汚すことがなく、メンテナンス等が容易である。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。

次に、本発明のポータブルスポット溶接装置を用いたスポット溶接方法の流れを説明する。

まず、被溶接部材として、溶接箇所が重ね合わせられた複数枚の金属板の板組を準備する。金属板の種類は、特に限定されるものでなく、種々の成分組成の鋼板や、鋼板以外のアルミニウム、ステンレス等の金属板を採用することができる。

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、０．５〜３．２ｍｍが例示される。また、金属板の全体の板厚も、特に限定されるものでなく、１．０〜７．０ｍｍとすることができる。

また、金属板は、両面又は片面にめっき等の表面処理皮膜を形成したものとしても、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、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、全体が板でなくともよい。例えば、形鋼等でもよい。また、鋼板は、別々の鋼板から構成されるものに限定されず、１枚の鋼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。

このような金属板として、引張強度が５９０ＭＰａ以上、板厚０．５〜３．２ｍｍの鋼板が例示される。

次に、複数枚の金属板へのスポット溶接について説明する。図１１に、本発明の電極体を用いてスポット溶接する概要を示す。図１１（ａ）は、電極体で金属板を挟み込む前の状態を示し、図１１（ｂ）は、電極体で金属板を挟み込んだ後の状態を示す。

スポット溶接では、電極体で両側から２枚の金属板１１３を挟み込む。図１１（ａ）に示すように、電極体１１１の先端は、剛体１１２の一方の端部より、内側（上側）に約１ｍｍの位置にある。そのため、本発明の電極体で金属板１１３を挟み込むと、まず、剛体１１２が金属板１１３に接触する。そして、金属板１１３を挟み込む力を上げ、剛体１１２が電極体１１１に対して相対的に移動し、図１１（ｂ）に示すように、電極体１１１が金属板１１３と接触する。

剛体１１２には、図示しない剛体に押付け圧力を加える手段により付勢力が付与されており、それにより溶接部の外周を加圧する。このように付勢力を付与するには、図１１（ａ）に示す状態において、剛体１１２の端部に対して電極体１１１の先端の位置を、内側（上側）にするのが好ましく、たとえば、１ｍｍ以上内側とする。上限は、特に限定されるものでないが、たとえば、５ｍｍ内側とする。

この状態において、対向する電極体１１１の間で通電して、金属板１１３の重ね合わせ面に溶融金属を形成する。このように、溶接前に、剛体１１２が、金属板１１３を押圧し、電極体１１１が金属板１１３に垂直に当たるようにするので、電極体１１１が金属板１１３に当たる際の傾きのばらつきを抑え、その結果、継手強度のばらつきを抑えることができる。

スポット溶接の条件は、特に限定されるものでなく、たとえば、電極体として、ドームラジアス型の先端直径６〜８ｍｍのものを用い、電極体による金属板への加圧力は１．５〜６.０ｋＮとし、通電時間５〜５０サイクル（電源周波数５０Ｈｚ）で、通電電流４〜１５ｋＡとすることができる。加圧部材による金属板への加圧力は、たとえば、１．５〜６.０ｋＮとすることができる。

適切なスポット溶接が行われたか否かは、形成されたナゲット径で判断できる。具体的には、板組の総板厚をｔとすると、ナゲット径が４√ｔ以上あれば、適切なスポット溶接がされたと判断できる。

［実施例１］
本発明のポータブルスポット溶接装置と、従来技術によるポータブルスポット溶接装置を用い、板厚１．６ｍｍのＧＡ１１８０ＤＰ材を２枚重ね、溶接した。ポータブルスポット溶接装置はエアー駆動式ポータブルタイプのスポット溶接ガンとし、溶接条件は、通電時間１８サイクル（電源周波数５０Ｈｚ）、初期加圧５０サイクル、保持１５サイクル、加圧力３５０ｋｇｆ、電流値８．２ｋＡ、電極ＤＲ６φ−４０Ｒ（Ｃｕ−Ｃｒ合金製、電極の装置側の直径１６φ）として、図２に示す角度θを０から１０°まで１°刻みで変化させた。

本発明例の剛体は、Ｃｕ−Ｃｒ合金製で、内径１６．３φ、ｄ：３ｍｍ、Ｌ：２ｍｍ、Ｌ／ｄ＝０．６７とし、剛体に押付け圧力を加える手段は圧縮コイルバネとした。ポータブルスポット溶接装置の電極と重ね合わせた鋼板表面との角度（打角）は、０度から１０度の範囲で変化させた。打角は、ビデオ撮影して、写真判定で測定した。スポット溶接後、ナゲットの中心を通るように鋼板を切断し、断面を観察して、ナゲット径を測定した。

結果を表１に示す。表１に示すとおり、本発明のポータブルスポット溶接装置を使用した発明例では、θが０〜１０の間で変化させても、初期加圧直前で打角θは０（被溶接材に対して面直）となり、ナゲット径は５．３ｍ±０．１ｍｍの範囲に収まり、安定した溶接品質を確保できた。従来のポータブルスポット溶接装置を使用した比較例では、θが増加するにしたがって、電極による接触径の減少に伴い、ナゲット径も減少した。

［実施例２］
本発明例の剛体は、MＣナイロン製で、内径１６．３φ、ｄ：３．５ｍｍ、Ｌ：１．９ｍｍ、Ｌ／ｄ＝０．５４とし、剛体に押付け圧力を加える手段は圧縮コイルバネとした。スポット溶接後、ナゲットの中心を通るように鋼板を切断し、断面を観察して、ナゲット径を測定した。溶接条件は実施例１と同様とし、打角を０度から１０度の範囲でランダムに変化させて１００打点に溶接を行った。

本発明のポータブルスポット溶接装置を用いた場合は、１００打点すべてで、ナゲット径が５．３±０．１ｍｍの範囲に収まった。従来のポータブルスポット溶接装置を用いた場合は、ナゲット径が５．３±０．１ｍｍの範囲に収まったのは、１００打点中１０打点であった。

［実施例３］
実施例１と同様の溶接条件下で、剛体の形状の異なる本発明のポータブルスポット溶接装置を用いて、剛体の耐久性を評価した。剛体は、芳香族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）性とした。剛体に押付け圧力を加える手段は空気圧シリンダー（エアシリンダー）とした。

剛体の形状は、内径を１６．２φとし、鋼板に平行な方向の厚さｄ、剛体の先端面を鋼板に接触して押し付けた際に接触する鋼板に平行な方向の長さＬを変えて実験した。１水準１０００打点スポット、治具を使って、打角を１度に固定し、打点間隔５秒／点で、スポット溶接し、剛体の先端形状を観察した。

いずれの剛体を使用した場合も、１０００打点のナゲット径は５．３±０．１ｍｍの範囲に収まった。ｄ＜３．０ｍｍの剛体を使用した場合、いずれも、打点間隔５秒／点で、１０００打点の使用に耐えた。

ｄ≧３．０ｍｍの剛体を使用した場合、Ｌ／ｄ＝０．２から０．５の剛体を使用した場合、打点間隔５秒／点で、１０００打点の使用に耐えた。表２に示すように、０．２未満及び０．５超の場合は、耐久打点数が１０００打点になる前に剛体の先端形状が変形し、電極に接触し、使用が不可能となった。

本発明によれば、安価で、かつ、スポット溶接の際に電極体と被溶接部材である金属板の角度を安定させることができる、高いロバスト性を有するポータブルスポット溶接装置を提供することができる。その結果、安価な装置で、継手強度のばらつきの小さいより後退した後退位置まで移動させるとともに、その位置で停止させる駆動機構を接続したので、電極体のドレッシング及び交換等の作業性が向上し、電極体を実際の生産ラインで使用することができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

１１ 電極体
１２ ハンドル部
２１ 電極体
２２ 金属板
３１ 電極体
３２ 剛体
４１ 電極体
４２ 剛体
４３ 圧縮コイルバネ
５１ 電極体
５２ 剛体
６１ ハット型部材
６２ フランジ
７１ 電極体
７２ 剛体
７３ 電極体の接線
８１ 電極体
８２ 剛体
８３ａ、８３ｂ 電極体の接線
９１ ハット型部材
９２ 平板部材
１１１ 電極体
１１２ 剛体
１１３ 金属板

Claims (8)

1. 積み重ねられた複数の金属板を含む板組に抵抗スポット溶接を行う、対向して配置された一対の複合電極を備えたポータブルスポット溶接装置であって、
   上記各複合電極は、
   抵抗スポット溶接の際に、先端面が上記板組に接触して押し付けられる電極体と、
   前記電極体の周囲に配置され、抵抗スポット溶接が行われる前に先端面が上記板組に接触して押し付けられる１つ以上の剛体と、
   上記剛体の後端に連結され、上記板組への上記電極体及び上記剛体の押付けにともなって、上記剛体に押付け圧力を加える手段と、
   上記電極体が上記板組に接触した後に上記剛体を後退位置まで移動させることが可能な駆動装置と、
   を備えることを特徴とするポータブルスポット溶接装置。
2. 前記剛体に押付け圧力を加える手段は弾性体であることを特徴とする請求項１に記載のポータブルスポット溶接装置。
3. 前記弾性体は圧縮コイルバネであることを特徴とする請求項２に記載のポータブルスポット溶接装置。
4. 前記剛体に押付け圧力を加える手段は空気圧シリンダ、油圧シリンダ、又は電動シリンダであることを特徴とする請求項１に記載のポータブルスポット溶接装置。
5. 前記複合電極を金属板方向から平面視した際に、対向して配置された複合電極の少なくとも一方において、前記電極体の接線であって、該接線から外側１ｍｍを超える領域に前記剛体が存在しないような接線が１本以上存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のポータブルスポット溶接装置。
6. 前記複合電極を金属板方向から平面視した際に、対向して配置された複合電極の少なくとも一方において、前記剛体が存在しない部分が２箇所以上存在することを特徴とする請求項５に記載のポータブルスポット溶接装置。
7. 前記剛体の前記板組に平行な方向の厚さをｄ（ｍｍ）、前記剛体の先端面を前記板組に押し付けた際に、前記板組に接触する前記剛体の径方向の長さをＬ（ｍｍ）としたときに、
   ｄ＜３．０、かつ、０．２≦Ｌ／ｄ
   であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のポータブルスポット溶接装置。
8. 前記剛体の前記板組に平行な方向の厚さをｄ（ｍｍ）、前記剛体の先端面を前記板組に押し付けた際に、前記板組に接触する前記剛体の径方向の長さをＬ（ｍｍ）としたときに、
   ｄ≧３．０、かつ、０．２≦Ｌ／ｄ≦０．５
   であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のポータブルスポット溶接装置。

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