JP6903386B2

JP6903386B2 - インダイレクトスポット溶接方法

Info

Publication number: JP6903386B2
Application number: JP2019012247A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎木許; 知嗣加藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: JP2020116630A; MY197085A

Description

本発明は、インダイレクトスポット溶接方法に関する。

自動車の組立工程では、金属板からなる複数の部品をスポット溶接で接合することにより車体が組み立てられる。スポット溶接としては、複数の金属板を一対の電極で挟み込んで通電するダイレクトスポット溶接が多く用いられる。しかし、部品の形状によっては、複数の金属板を一対の電極で挟み込むことができず、ダイレクトスポット溶接を適用することができないことがある。この場合、複数の金属板の重合部を溶接電極で加圧すると共に、重合部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で両電極間に通電することにより溶接するインダイレクトスポット溶接が適用される。

しかし、インダイレクトスポット溶接では、溶接電極とアース電極とが離れて配置されることが多く、重合部以外の金属板同士の接触部（例えば、先に溶接された溶接点）を介して流れる電流（無効電流）が生じやすいため、良好なナゲットを形成することが困難であることが問題となっている。

例えば、下記の特許文献１には、金属板に予め座面を設け、この座面を溶接電極で押しつぶしながら加圧することにより、金属板同士の接触面積を小さくして電流密度を高めることで、ナゲットを形成しやすくする方法が示されている。

また、下記の特許文献２には、加圧力及び電流値を制御することにより、ナゲットを安定して得ることができるインダイレクトスポット溶接方法が示されている。

特開２００２−２３９７４２号公報特開２０１０−１９４６０９号公報

しかしながら、溶接点におけるナゲットのできやすさを定量的に評価する手法がなかったため、上記のような手法を試しながら試行錯誤を繰り返し、適切なナゲットが形成される溶接条件を探し出すしかなかった。

そこで、本発明者らは、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値と、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値とをそれぞれ個別に測定し、これらの抵抗値に基づいて設定される有効電流率に基づいて、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価することを試みた。

具体的には、図４（Ａ）に示すように、第１の金属板１と、断面ハット形状を成した第２の金属板２と、第１の金属板１と第２の金属板２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板３とによって構成される部品１００について、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐにインダイレクトスポット溶接を施す場合の評価方法について説明する。なお、各金属板の間には、既溶接点Ｑ１，Ｑ２が設けられている。

まず、溶接に寄与しない無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bを測定する。具体的には、抵抗測定器３０の一方の端子３１を、部品１００のうち、溶接時に溶接電極を当接させる部位である重合部Ｐに上方から当接させる。また、抵抗測定器３０の他方の端子３２を、部品１００のうち、溶接時にアース電極を当接させる部位である、一方の既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。この状態で、部品１００の重合部Ｐを加圧することなく、両端子３１、３２間の電流経路の抵抗値を測定する。重合部Ｐを加圧していないことで、両金属板１，３の重合部Ｐは実質的に接触しておらず、絶縁しなくても重合部Ｐにほとんど電流が流れない。従って、一方の端子３１→第１の金属板１→既溶接点Ｑ１→第２の金属板２→他方の端子３２という、重合部Ｐ（両金属板１，３の界面）を通らない電流経路Ｃ１が形成され、この電流経路Ｃ１を、溶接に寄与しない無効電流の電流経路とみなすことができる。

次に、溶接に寄与する有効電流経路の抵抗値Ｒ_Aを測定する。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、抵抗測定器３０の一方の端子３１を、第１の金属板１に設けられたスリットＳに挿入して、第３の金属板３の天板部３ｂの重合部Ｐ付近に上方から当接させる。また、抵抗測定器３０の他方の端子３２を、一方の既溶接点Ｑ２に下方から当接させる。これにより、一方の端子３１→第３の金属板３→既溶接点Ｑ２→第２の金属板２→他方の端子３２という電流経路Ｃ２が形成され、この電流経路Ｃ２の抵抗値を測定する。

以上のようにして測定された抵抗値Ｒ_B、Ｒ_Aに基づいて、溶接点におけるナゲットのできやすさを評価することができる。例えば、有効電流経路の抵抗値Ｒ_Aと無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bとの合成抵抗である全体抵抗Ｒ_T｛＝Ｒ_A・Ｒ_B／（Ｒ_A＋Ｒ_B）｝として求め、有効電流率Ｋを、全体抵抗Ｒ_Tに対する無効電流経路の抵抗値Ｒ_Bの比率として求める（Ｋ＝Ｒ_B／Ｒ_T）。有効電流率Ｋは、有効電流の流れやすさを表す指標であり、有効電流率Ｋの値に基づいて、重合部Ｐにおけるナゲットのできやすさを評価することができる。そして、この有効電流率Ｋを評価指標として溶接位置等の溶接条件を決定することで、良品の得られる理想的な溶接条件を設定することが可能になる。

しかし、実際の溶接時、例えば自動車の生産ライン等の大量生産の現場では、それぞれの溶接ごとに溶接位置や板同士の隙間等のばらつきが生じるため、有効電流率Ｋの値にも誤差が生じる。このため、試作段階で算出した有効電流率Ｋに基づいて理想的な溶接条件を設定したとしても、実際の溶接時には、個々の溶接ごとのばらつきにより、有効電流率Ｋが良品範囲を外れて溶接不良を生じるおそれがあった。従って、自動車の生産ライン等では、それぞれの溶接ごとに有効電流率Ｋを算出し、溶接の良否を判定して不良品の後工程への流出を防止することが必要であった。

しかし、上記の測定方法では、図４（Ａ）のように、無効電流経路Ｃ１にのみ電流が流れている条件での抵抗値Ｒ_Bの測定と、図４（Ｂ）のように、有効電流経路Ｃ２にのみ電流が流れている条件での抵抗値Ｒ_Aの測定、といったように、いずれか一方の経路にだけ電流が流れている条件で個々の抵抗値を測定する必要があった。しかし、実際の溶接時には、溶接電極が重合部Ｐを加圧し、第１の金属板１と天板部３ｂとが接触することで、無効電流経路Ｃ１と有効電流経路Ｃ２の両方に電流が流れている｛図３（Ｂ）参照｝ため、上記のような測定方法を採用することができず、一連の溶接プロセスの中で有効電流率Ｋを算出することが難しかった。このため、自動車の生産ラインの溶接工程のように、ライン上を絶えず流れる部品に順次溶接が行われるような環境では、その全数について有効電流率Ｋを算出することができず、溶接の良否の判定ができないという課題があった。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数のワークの重合部を溶接電極で加圧すると共に、前記重合部と異なる部位にアース電極を当接させて両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接方法であって、溶接の初期に、溶接に寄与しない無効電流経路にのみ電流が流れるように、前記溶接電極を前記重合部に当接させて両電極間に通電するステップを含むことを特徴とする。

本発明は、溶接の初期に、無効電流経路にのみ電流が流れた状態で通電するステップ、つまり、溶接電極による加圧をほとんど行わないステップを設けることで、重合部においてワーク同士がほとんど当接しない状態での測定を実施することができる。従って、無効電流経路の抵抗値（前述の抵抗値Ｒ_Bに相当）を測定することができる。これに加えて、その後のステップでの抵抗値の測定、つまり、溶接電極により重合部が相当の加圧力で加圧され、ワーク同士が十分に当接した状態での測定を行うことで、経路全体の抵抗値（前述の全体抵抗Ｒ_Tに相当）を測定することができる。これらの結果により、有効電流率Ｋを算出することができる。つまり、本発明によれば、一連の溶接プロセスの流れの中で、有効電流率Ｋを算出して溶接の良否を定量的に評価することが可能になる。従って、実際の生産ラインを流れる部品全数について、個々の溶接ごとに算出した有効電流率Ｋに基づいて、溶接の良否が判定でき、後工程への不良品の流出を防止したり、算出した有効電流率Ｋに基づいて、溶接条件を見直したりすることが可能になる。

本発明によれば、一連の溶接プロセスの中で、個々の溶接の良否を定量的に評価することができる。

インダイレクトスポット溶接を施す様子を示す断面図である。上記インダイレクトスポット溶接の溶接中の電流値、加圧力、抵抗値を示すグラフである。上記インダイレクトスポット溶接の溶接中に流れる電流の経路を示す図で、（Ａ）図が第１のステップにおける図、（Ｂ）図がそれ以降のステップにおける図である。プローブを用いた各経路の抵抗値の測定方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、自動車の車体の組立工程において行われるインダイレクトスポット溶接方法を示し、具体的には、図１に示すような車体の骨格部品１００を溶接する場合を示す。骨格部品１００は、紙面直交方向に延びるフレーム状の部品であり、略平板状を成した第１の金属板（ワーク）１と、断面ハット形状を成した第２の金属板２と、第１の金属板１と第２の金属板２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板（ワーク）３とで構成される。金属板１〜３としては、例えば鋼板が使用され、具体的には軟鋼板、高張力鋼板（引張強度４９０ＭＰａ以上）、超高張力鋼板（引張強度９８０ＭＰａ以上）等が使用される。

第１の金属板１と第２の金属板２のフランジ部２ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ１を介して接合されている。第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Ｑ２を介して接合されている。

そして、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐを、インダイレクトスポット溶接により接合する。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極１０及びアース電極２０と、溶接電極１０を軸線方向に駆動して金属板を加圧する加圧手段（エアシリンダや電動シリンダ等）と、加圧手段による溶接電極１０の加圧力及び両電極１０，２０間の電流値を制御する制御部（図示省略）とを備える。

重合部Ｐに対するインダイレクトスポット溶接は、以下の手順で行われる。まず、骨格部品１００のうち、重合部Ｐと異なる部位にアース電極２０を当接させる。図示例では、第２の金属板２の底部２ｂ、特に、第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとの既接合点Ｑ２に、アース電極２０を下方から当接させている。この状態で、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐを厚さ方向一方側（図中上側）から溶接電極１０で加圧しながら、両電極１０，２０間に通電することにより、重合部Ｐを溶接する。

本実施形態では、溶接電極１０による加圧力及び両電極１０，２０間の電流値の一方又は双方を変化させながら、溶接が行われる。具体的には、図２に示す加圧通電パターンに従って溶接が行われる。

図２に示すように、まずステップＳ１では、溶接電極１０で重合部Ｐを極めて小さい加圧力Ｆ１で加圧すると共に、電極１０，２０間に最も小さい電流値Ｉ１を通電する。このステップは、後述する有効電流率Ｋを算出するために設けられたステップであり、重合部Ｐの溶接には直接寄与しないステップである。

そして、溶接電極１０により高加圧力Ｆ２で重合部Ｐを加圧しながら、低電流値Ｉ２で通電する（ステップＳ２）。その後、加圧力をＦ２からＦ３まで低下させながら、電流値Ｉ２よりも低い電流値Ｉ３で通電する（ステップＳ３）。そして、加圧力をＦ３で維持しながら、段階的に電流値を上げていく。具体的には、電流値Ｉ４（ステップＳ４）、電流値Ｉ５（ステップＳ５）、電流値Ｉ６（ステップＳ６）、そして、電流値Ｉ７（ステップＳ７）と段階的に上げていく。

これらのステップのうち、低加圧力Ｆ３で加圧しながら相対的に高い電流値Ｉ４〜Ｉ７で通電するステップＳ４〜Ｓ７が、ナゲットを成長させるナゲット成長期となる。

以上のような通電パターンにより、重合部Ｐを高温で維持してナゲットの成長を促すことができ、金属板１と金属板３の天板部３ｂとの重合部Ｐに、所望の大きさ及び形状を有する接合点としてのナゲットを形成し、このナゲットを介して両金属板１，３を接合することができる。

次に、上記の溶接時に、各経路の抵抗値を測定し、有効電流率Ｋを算出する方法について、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を用いて説明する。

図３（Ａ）に示すように、溶接電極１０およびアース電極２０は、電流供給部としてのトランス４に接続され、この通電経路上に電流測定器５が設けられる。電流測定器５によって測定された電流値Ｉと、トランス４の二次コイルの電圧値Ｖにより、抵抗値を算出することができる。この電圧値Ｖは、トランス４と溶接電極１０およびアース電極２０とを接続するケーブル等の抵抗値（電圧降下）の影響も受けるが、これらのケーブル等の抵抗値は非常に小さいため、実質的に一対の電極１０，２０間の電圧値とみなすことができる。

まず、ステップＳ１で無効電流経路の抵抗値を測定する。ステップＳ１では、溶接電極１０の加圧力が小さいため、重合部Ｐにおいて、第１の金属板１と第３の金属板３とは実質的に接触していない。従って、重合部Ｐの溶接に寄与しない無効電流経路Ｃ１にのみ電流が流れた状態である。このため、上記電流値Ｉおよび電圧値Ｖにより、無効電流経路Ｃ１の抵抗値Ｒ_Bを算出することができる。

そして、その後のステップ（例えばステップＳ２）で、溶接電極１０が重合部Ｐを相対的に大きな加圧力で加圧することにより、前述のように第１の金属板１と第３の金属板３とが重合部Ｐにおいて接触する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、無効電流経路Ｃ１に加えて、重合部Ｐを介した有効電流経路Ｃ２にも電流が流れる。この状態で測定される上記電流値Ｉおよび電圧値Ｖにより、無効電流経路Ｃ１と有効電流経路Ｃ２の合成抵抗である全体抵抗値Ｒ_Tを算出することができる。

以上のようにして測定された各抵抗値に基づいて、有効電流率Ｋ（Ｋ＝Ｒ_B／Ｒ_T）を算出することができる。有効電流率Ｋは、回路全体を流れる電流のうち、重合部Ｐを流れる電流、つまり溶接に寄与する電流の割合を示す指標であり、この値が大きいほど、重合部Ｐに流れる電流の割合が大きくなる。

本実施形態の溶接方法では、溶接の開始時に、重合部Ｐをほとんど加圧しないステップＳ１をあえて設けることで、無効電流経路Ｃ１にのみ電流が流れた状態を作り出し、無効電流経路Ｃ１の抵抗値Ｒ_Bの測定が可能になる。また上記のように、十分に重合部Ｐが加圧された段階で電流Ｉおよび電圧Ｖを測定することで、全体抵抗Ｒ_Tを算出することができる（図２の抵抗値参照）。また、これらの抵抗値Ｒ_Bと全体抵抗Ｒ_Tとから、有効電流経路Ｃ２の抵抗値Ｒ_Aを算出することができる。このように、異なるステップで上記のように測定を行うことで、抵抗値Ｒ_T、Ｒ_A、Ｒ_Bの全ての抵抗値の算出が可能になる。

そしてこれらの抵抗値により、有効電流率Ｋを算出することができ、この有効電流率Ｋに基づいて、重合部Ｐの溶接の良否を判定することができる。つまり、有効電流率Ｋが小さすぎると、重合部Ｐに十分な電流が流れず、ナゲットが成長しないため溶接不良を生じてしまう。一方で、有効電流率Ｋが高すぎると、重合部Ｐに過剰な電流が流れて、重合部Ｐにおける第１の金属板１や第３の金属板３の溶け落ちや割れの原因となってしまう。従って、有効電流率Ｋが所定の範囲内にあるか否かにより、溶接の良否を定量的に評価することができる。

また以上の方法によれば、溶接の一連のプロセスの中で有効電流率Ｋを算出することが可能になり、例えば自動車の生産ラインの溶接工程において、その全数の有効電流率Ｋを算出して、個々の溶接の良否を定量的に評価することが可能になる。これにより、後工程への不良品の流出を防止したり、算出される有効電流率Ｋに基づいて、溶接条件の見直しを実施するといったことが可能になる。

ステップＳ１における加圧力Ｆ１は、その他のステップの加圧力Ｆ２，Ｆ３と比較してその大きさが特に小さく、ステップＳ１は、重合部Ｐをほとんど加圧しない状態で通電するステップである。このステップＳ１における重合部Ｐを「ほとんど加圧しない」状態とは、溶接電極１０を第３の金属板３に押し当てて、無効電流経路Ｃ１に電流を流せるだけの加圧力で加圧する状態であり、第１の金属板１が変形して第３の金属板３に接触するよりも低い加圧力で、重合部Ｐを加圧する状態でもある。一例として、本実施形態では、加圧力Ｆ１を５［ｋｇｆ］に設定している。このような加圧力で通電するステップを溶接の初期、つまり、両金属板１，３が溶接電極１０によって重合部Ｐを相当の加圧力で加圧する前の段階であって、両金属板１，３が重合部Ｐで実質的に接触していない段階で設けることで、無効電流経路Ｃ１の抵抗値の算出が可能になる。

また、以上のようにして算出される溶接時の有効電流率Ｋを用いて、溶接時の発熱密度Ｄを算出してもよい。発熱密度Ｄは、溶接時の重合部Ｐに流れる電流をＩ_P、電圧をＶ、重合部Ｐにおける第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積をＳとすると、Ｄ＝Ｖ・Ｉ_P／Ｓとして算出することができる。電圧Ｖは、前述したトランス４の二次コイルの電圧値を用いることができる。

重合部Ｐに流れる電流値Ｉ_Pは、全体抵抗Ｒ_Tから有効電流経路Ｃ２の抵抗値Ｒ_Aを算出することにより、Ｉ_P＝Ｖ／Ｒ_Aにより求めることができる。抵抗値Ｒ_Aは、Ｒ_A＝Ｒ_T・Ｒ_B／（Ｒ_B―Ｒ_T）により求めることができる。

接触面積Ｓは、溶接電極１０の基準位置からの変位量ｘとの相関関係を用いて算出することができる。つまり、予め上記の板組みを溶接する際の、各時刻における金属板１，３同士の接触面積Ｓと、そのときの溶接電極１０の基準位置からの変位量ｘとの相関関係を取得する。そして、実際の溶接時の溶接電極１０の各時刻における変位量ｘから、上記の相関関係を用いて、各時刻における接触面積Ｓを取得することができる。

以上のようにして算出された各値により、実際の溶接時における発熱密度Ｄを算出することができる。つまり、実際の溶接の一連のプロセスの中で、発熱密度Ｄを算出することが可能になる。発熱密度Ｄは、抵抗溶接の原理原則を考慮して、金属板１，３同士の接触部の発熱状態に影響を及ぼす複数の動的な因子（具体的には、重合部Ｐを流れる電流値Ｉ_pと、温度に依存して変化する抵抗値と、金属板の硬さや電極の加圧力に依存して変化する接触面積Ｓ）を一本化したパラメータである。発熱密度Ｄにより、重合部Ｐの単位面積当たり発熱エネルギーの大小を定量的に評価することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

以上の説明では、有効電流率を無効電流経路と有効電流経路との抵抗値に基づいて設定したが、電流値により設定してもよく、例えば、全体の抵抗値に対する有効電流経路を流れる電流値としてもよい。

１第１の金属板（ワーク）
２第２の金属板
３第３の金属板（ワーク）
１０溶接電極
２０アース電極
Ｃ１無効電流経路
Ｃ２有効電流経路
Ｐ重合部
Ｑ１，Ｑ２既接合点

Claims

複数のワークの重合部を溶接電極で加圧すると共に、前記重合部と異なる部位にアース電極を当接させて両電極間に通電するインダイレクトスポット溶接方法であって、
溶接の初期に、溶接に寄与しない無効電流経路にのみ電流が流れるように、前記溶接電極を前記重合部に当接させて両電極間に通電するステップを含むことを特徴とするインダイレクトスポット溶接方法。