JP7026532B2

JP7026532B2 - スポット溶接方法

Info

Publication number: JP7026532B2
Application number: JP2018034942A
Authority: JP
Inventors: 信浩古瀬
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2022-02-28
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP2019147187A

Description

本発明は、スポット溶接方法に関する。

スポット溶接は、２枚以上の金属板（鋼板）を一対の電極で挟んで加圧した状態で、一対の電極間に高電流を付与することで、金属板を抵抗発熱により部分的に溶融させ、電極内を流通する冷却水により、電極のダメージを緩和しつつ溶融部を凝固させる接合方法である。

昨今の自動車に対する衝突安全性や軽量化のニーズへの対応のため、外板の板厚の薄肉化、高強度鋼板やメッキ材接合への対応、より細かい打点ピッチの実現等の要求が高まっている。一般的に、スポット溶接は、２～３枚の鋼板の溶接には非常に有効であるが、４枚以上の鋼板を溶接する場合や、その板組みの板厚比（＝総板厚／最外薄板の板厚）が大きい場合、最外薄板への溶け込みが十分に得られず、溶接が困難になるとされている。

例えば、下記の特許文献１には、板厚比の大きい板組みを溶接する方法が示されている。具体的には、図７に示すように、まず、板組みを１．５ｋＮで加圧した状態で、所定の通電パターンで電流を流す（第１の工程）。このように加圧力を比較的小さい値とすることで、板同士（特に、最外薄板とこれに隣接する厚板）の接触面積が小さくなるため、接触部の抵抗が大きくなると共に電流密度が高められ、板同士の接触部が溶融してナゲットが形成される。その後、一旦通電を停止し、加圧力を３．０ｋＡまで上げた後、第１の工程よりも大きい電流値で再び通電する（第２の工程）。このように、高加圧力で高電流を流すことで、板組み全体の板厚方向中央部寄りのナゲットが成長する。以上により、全ての金属板が接合される。

特開２００４－３５８５００号公報

しかし、上記のように第１の工程の後に一旦通電を停止すると、板組みの被溶接部の温度が下がってしまうため、その後の第２の工程で再び加圧通電してもナゲットが成長しにくく、板厚比の大きい板組みを確実に接合できるとは言えない。また、一打点あたりの作業時間が延びるため、生産効率が良くない。

そこで、本発明は、板厚比の大きい板組みを確実に接合することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で前記一対の電極間に通電することにより接合するスポット溶接方法であって、板組みの被溶接部に第１の加圧力を付与しながら第１の電流値を通電するステップと、前記被溶接部に、前記第１の加圧力よりも大きい第２の加圧力を付与しながら、前記第１の電流値よりも大きい第２の電流値を通電するステップとを有し、前記第１の電流値から連続して前記第２の電流値に上昇させるタイミングに同期させて、前記第１の加圧力から前記第２の加圧力に上昇させるスポット溶接方法を提供する。

この方法によると、まず、板組みの被溶接部に比較的低い第１の加圧力を付与しながら第１の電流値を流すことで、薄板とこれに隣接する厚板との接触部の接触面積が抑制されて電流密度が高められ、この接触部にナゲットを優先的に形成することができる。その後、電流値を第１の電流値から第２の電流値まで上昇させると共に、加圧力を第１の加圧力から第２の加圧力まで上昇させることで、厚板同士の接触部のナゲットを成長させることができる。このとき、電流値を、第１の電流値から下げることなく連続して第２の電流値まで上昇させ、このタイミングに同期させて加圧力を上昇させることで、板組みの被溶接部にエネルギーが与え続けられるため、ナゲットが成長しやすくなり、全ての金属板を確実に接合することができる。

ところで、上記の特許文献１に記載のスポット溶接装置では、ロボットアームの動作や一対の電極による加圧力を制御するロボット制御装置と、一対の電極間の電流値を制御する溶接制御装置（タイマーコンタクタ）と、溶接条件を設定してロボット制御装置及び溶接制御装置に指令を出すシーケンサとが別個に設けられている。この場合、ロボット制御装置及び溶接制御装置が、それぞれ外部の通信手段を介してシーケンサに接続されるため、シーケンサと各制御装置との間の通信にタイムラグが生じ、且つ、そのタイムラグの長さは様々な要因により変化し得る。このため、シーケンサから、ロボット制御装置及び溶接制御装置に対して同時に指令を出した場合でも、ロボット制御装置における加圧力制御の時間軸と溶接制御装置における電流値制御の時間軸とがずれるため、電流値と加圧力とをタイミングを合わせながら変化させることは現実的に不可能であった。このため、上記の特許文献１では、加圧力の異なる２回の溶接工程を施しており、具体的には、図７に示すように、比較的低い加圧力を一定に付与した状態で通電する第１の工程の後、一旦通電を停止し、比較的高い加圧力を一定に付与した状態で通電する第２の工程を施している。

これに対し、電流値の指令を生成する電流値指令生成部と、加圧力の指令を生成する加圧力指令生成部とが、外部の通信手段を介することなくＣＰＵに直接接続された制御装置を用いれば、ＣＰＵと電流値指令生成部及び加圧力指令生成部との間の通信のタイムラグを実質的に０にすることができる。これにより、電流値指令生成部から指令される通電パターンの時間軸と、加圧力指令生成部から指令される加圧パターンの時間軸とを一致させることができるため、電流値を上昇させるタイミングに同期させて加圧力を上昇させることが可能となる。この場合、図７のように第１の工程の後に一旦通電を停止する必要が無くなるため、板組みの被溶接部に通電し続けながら電流値及び加圧力を同時に上昇させることで、ナゲットの成長を促進することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、板厚比の大きい板組みを確実に接合することができる。

スポット溶接装置を概念的に示す図である。（Ａ）～（Ｄ）は、板組みを溶接する様子を示す断面図である。加圧通電パターンの一例を示すグラフである。加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。従来の加圧通電パターンを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態に係るスポット溶接方法は、図１に示すスポット溶接装置を用いて行われる。このスポット溶接装置は、溶接ロボット１０と、制御装置２０とを備える。

溶接ロボット１０は、ロボットアーム１１と、ロボットアーム１１の先端に取り付けられた溶接ガン１２とを備える。ロボットアーム１１は、多関節アームであり、図示例では、回転軸１１ａ～１１ｆを有する６軸アームである。ロボットアーム１１を駆動することで、溶接ガン１２を、可動範囲内の任意の三次元位置に任意の姿勢で配置することができる。溶接ガン１２は、一対の電極１２ａ，１２ｂを有する。一対の電極１２ａ，１２ｂは、同軸上で、先端が互いに対向するように配置される。溶接ガン１２には、一方の電極１２ａを軸方向に駆動して加圧力を発生させる駆動部としてのサーボモータ１２ｃと、一対の電極１２ａ，１２ｂ間に高電流を発生させるためのトランス１２ｄとが設けられる。各電極１２ａ，１２ｂは、内部を流通する冷却水により常に冷却されている。

制御装置２０は、ロボットコントローラ２１と、タイマーコンタクタ２２とを備える。

ロボットコントローラ２１は、ＣＰＵ２１ａと、モーション制御部２１ｂとを備える。モーション制御部２１ｂは、所定の加圧パターン（加圧力の時間変化）に基づいてサーボモータ１２ｃに加圧指令を出す加圧力指令生成部として機能する。また、モーション制御部２１ｂは、予めロボットアーム１１を手動操作により教示したプログラムに従って、ロボットアーム１１の各回転軸１１ａ～１１ｆを駆動するモータに動作指令を出すアーム動作指令生成部としても機能する。

本実施形態のロボットコントローラ２１には、電流値を制御するタイマー基板２１ｃが内蔵される。タイマー基板２１ｃは、所定の通電パターン（電流値の時間変化）に基づいて、タイマーコンタクタ２２に設けられた強電部２２ａに通電指令を出す電流値指令生成部として機能する。

ロボットコントローラ２１のモーション制御部２１ｂ及びタイマー基板２１ｃは、外部の通信手段を介することなくバスを介して直接ＣＰＵ２１ａに接続される。これにより、モーション制御部２１ｂで生成される加圧力の指令と、タイマー基板２１ｃで生成される電流値の指令とを、実質的にタイムラグ０の同一時間軸上で実行することが可能となる。また、ロボットコントローラ２１のタイマー基板２１ｃからタイマーコンタクタ２２の強電部２２ａへは、単純な信号（ＰＷＭ制御スイッチングパルス）のみが直接伝達されるため、タイムラグはほとんど生じない。以上より、ＣＰＵ２１からの指令に基づいて、電流値及び加圧力を同一時間軸上で変化させることが可能となる。

以下、上記のスポット溶接装置を用いた溶接方法を説明する。

本実施形態では、図２（Ａ）に示すような板組み３０を溶接する場合を示す。この板組み３０は、薄板３１と、薄板３１よりも板厚が厚く、薄板３１の一方側（図中下方）に重ね合わされた複数の厚板とを有する。図示例の板組み３０は、薄板３１と、２枚の厚板３２，３３とからなる３枚の金属板（例えば鋼板）で構成される。薄板３１としては、例えば引張強度３００ＭＰａ以下の軟鋼板が使用され、具体的には溶融亜鉛メッキ鋼板が使用される。厚板３２，３３としては、例えば引張強度４９０ＭＰａ以上の高張力鋼板、特に引張強度９８０ＭＰａ以上の超高張力鋼板が使用される。本実施形態では、厚板３２，３３が何れも冷間圧延鋼板からなる超高張力鋼板である。上記の板組み３０の板厚比（板組み３０の総板厚Ｔ／薄板３１の板厚Ｔ１）は４以上である。

まず、板組み３０の各鋼板３１，３２，３３の板厚や材料強度、材質等の情報に基づいて、一対の電極１２ａ，１２ｂによる加圧パターンＰ（図３の実線参照）、及び、一対の電極１２ａ，１２ｂ間の通電パターンＩ（図３の鎖線参照）を計算し、これらの計算値を制御装置２０に入力する。尚、加圧パターンＰ及び通電パターンＩは、他のソフトで計算した値を制御装置２０に手入力してもよいし、制御装置２０で自動計算するようにしてもよい。

そして、予めロボットアーム１１を手動操作により教示したプログラムに従い、ＣＰＵ２１ａがモーション制御部２１ｂに動作指令を払い出してロボットアーム１１を駆動し、一対の電極１２ａ，１２ｂの間に板組み３０が配される位置に溶接ガン１２を移動させる。その後、ＣＰＵ２１ａからの指令により、ロボットアーム１１及び溶接ガン１２のサーボモータ１２ｃを駆動して、一対の電極１２ａ，１２ｂで板組み３０を加圧する。ＣＰＵ２１が、加圧力がＰ１に達したことを検知したら、そのときを開始点とし、その後、加圧パターンＰ（図３の実線参照）及び通電パターンＩ（図３の鎖線参照）に従って、溶接が行われる。以下、図３に示す各ステップを詳しく説明する。

［アップスロープ、ステップＷ１］
加圧力がＰ１に達したら、その加圧力Ｐ１で保持すると共に、既定の時間通りに電流値をＩ１に達するまで徐々に上昇させる（アップスロープ：ＵＰＳＬ）。そして、電流値がＩ１に達したら、その電流値Ｉ１で保持する。こうして、板組み３０の被溶接部に一定の加圧力Ｐ１及び電流値Ｉ１を付与した状態で、所定時間（例えば２～４サイクル）保持する。尚、１サイクル＝１／６０秒である。

ステップＷ１における加圧力Ｐ１及び電流値Ｉ１は、薄板３１と厚板３２とを接合するために適した値とされる。具体的に、加圧力Ｐ１はなるべく小さい値に設定され、例えば、サーボモータ１２ｃで安定的に発生させることができ、且つ、板組み３０の鋼板３１～３３のバラつきを抑えてこれらを確実に接触させることができる最小の圧力とされる。このように、加圧力Ｐ１を小さい値とすることで、鋼板同士の接触面積、特に、薄板３１と厚板３２との接触面積が小さくなる。これにより、薄板３１と厚板３２との接触部における電流密度が高くなり、この部分が優先的に発熱し、ナゲットＮ１が形成される｛図２（Ａ）参照｝。ステップＷ１の通電時間は、所定の径のナゲットＮ１が得られるように設定される。

［ステップＷ２］
その後、電流値をＩ１（第１の電流値）からＩ２（第２の電流値）に上昇させると共に、これに同期させて、加圧力をＰ１（第１の加圧力）からＰ２（第２の加圧力）に上昇させる（図３参照）。このとき、本実施形態のスポット溶接装置を用いれば、上記のように、ＣＰＵ２１からの指令に基づいて、電流値及び加圧力を同一の時間軸上で変化させることが可能であるため、電流値を上昇させるタイミングに同期させて加圧力を上昇させることができる。特に、タイマー基板２１ｃからの指令に基づいて強電部２２ａが電流値をＩ１からＩ２に上昇させる少し前（例えば１サイクル前）に、モーション制御部２１ｂからサーボモータ１２ｃに加圧力を上昇させる指令を先出しすることにより（図３の矢印Ｓ参照）、電流値を上昇させるタイミングと実効加圧力（一対の電極１２ａ，１２ｂによる実際の加圧力）を上昇させるタイミングとを略一致させることができる。こうして、ステップＷ２では、加圧力Ｐ２及び電流値Ｉ２で所定時間（例えば２～４サイクル）保持される。

このように、ステップＷ１で薄板３１と厚板３２との間にナゲットＮ１が形成された後、電流値及び加圧力を上昇させることで、厚板３２，３３同士の接触部を含む板組み３０全体の厚さ方向中央付近に、抵抗発熱による溶融部（ナゲットＮ２）が形成される｛図２（Ｂ）参照｝。このように、ステップＷ１で薄板３１と厚板３２との間にナゲットＮ１を形成した後、電流値をＩ１から下げることなく連続してＩ２まで上昇させることで、板組み３０の被溶接部にエネルギーが供給され続けるため、鋼板同士の接触抵抗や各鋼板の母材抵抗が急変せず、厚板３２，３３の接触部にナゲットＮ２が形成されやすく、且つ、このナゲットＮ２が成長しやすい。尚、電流値を上昇させるタイミングと加圧力を上昇させるタイミングとは、一致させる（重複させる）ことが好ましいが、必ずしも一致させる必要はなく、その前後の各ステップＷ１，Ｗ２において加圧力Ｐ１，Ｐ２で保持する時間が十分に確保できればよい。

［ステップＷ３］
その後、加圧力をＰ２で維持したまま、電流値をＩ２からＩ３に少し低下させ、この電流値Ｉ３及び加圧力Ｐ２で所定時間（例えば２～４サイクル）保持する。これにより、スパッタの発生を防止しながら、ナゲットＮ２をさらに成長させることができる。

［ステップＷ４～Ｗ７］
以降、電流値を上下させながら段階的に上昇させる。具体的に、ステップＷ４で、電流値をＩ３からＩ４まで上昇させて、所定時間保持する。電流値Ｉ４は、ステップＷ２の電流値Ｉ２よりも大きい。その後、ステップＷ５で、電流値をＩ４からＩ５に低下させて、所定時間保持する。電流値Ｉ５は、ステップＷ３における電流値Ｉ３よりも大きい。その後、ステップＷ６で、電流値をＩ５からＩ６まで上昇させて、所定時間保持する。電流値Ｉ６は、ステップＷ４の電流値Ｉ４よりも大きい。その後、ステップＷ７で、電流値をＩ６からＩ７に低下させ、所定時間保持する。電流値Ｉ７は、ステップＷ５における電流値Ｉ５よりも大きい。これらの各ステップＷ４～Ｗ７の保持時間は、例えば２～４サイクルとされる。

本実施形態では、ステップＷ３からステップＷ４に移行する際に、電流値をＩ３からＩ４に上昇させるタイミングに同期させて、加圧力をＰ２からＰ３に上昇させる。その後のステップでは、一定の加圧力Ｐ３で保持される。

以上のように、電流値を上下させながら段階的に上昇させることにより、スパッタの発生を抑制しながら、ナゲットＮ２の径（板厚と直交する方向の寸法、図２の左右方向寸法）を拡大すると共に、ナゲットＮ２を板厚方向（図２の上下方向）に成長させることができる。特に、本実施形態では、電流値をＩ３からＩ４に上昇させるときに、加圧力をＰ２からＰ３に上昇させているため、スパッタの発生を抑制しつつナゲットＮ２の成長がさらに促進される。図示例では、ナゲットＮ２が成長してナゲットＮ１と一体化している｛図２（Ｃ）参照｝。尚、ナゲットＮ１，Ｎ２は、必ずしも一体化する必要はなく、分離していてもよい。この状態で、加圧力をＰ３で維持したまま、通電を停止して冷却することで（図３の「ＨＯＬＤ」参照）、一体化したナゲットＮ（あるいは分離して設けられたナゲットＮ１，Ｎ２）が薄板３１及び厚板３２，３３に溶け込んだ状態で硬化し、板組み３０が接合される｛図２（Ｄ）参照｝。

本実施形態では、上記の溶接工程を施しながら、制御装置２０により、一対の電極１２ａ，１２ｂ間に流した電流値の時間変化や、一対の電極１２ａ，１２ｂによる実効加圧力の時間変化等の情報を記録している。このとき、上記のように、タイマー基板２１ｃとモーション制御部２１ｂが外部の通信手段を介することなくＣＰＵ２１ａに直接接続されていることで、電流値及び実効加圧力の時間変化、その他溶接管理上必要となる情報を、時間差無しで、同一の時間軸に沿って記録することができる。これにより、実際の溶接部に生じている現象が理解しやすくなるため、溶接条件の検証等を容易に行うことができる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、加圧パターンは上記の実施形態に限らず、例えば図４に示すように、ステップＷ１からステップＷ２に移行する際に加圧力をＰ１からＰ３まで上昇させ、その後のステップＷ２～Ｗ７及びＨＯＬＤにおいて加圧力を一定としてもよい。また、図５に示すように、ステップＷ５からＷ６に移行する際に、電流値をＩ５からＩ６に上昇させるのに同期させて、加圧力をＰ３からＰ４までさらに上昇させてもよい。

また、図６に示す実施形態では、図３に示す通電パターンのうち、電流値を低下させるステップＷ３，Ｗ５，Ｗ７を省略し、電流値を、ステップＷ１のＩ１から最大値Ｉ６まで途中で下げることなく段階的に上げ続けている。これにより、板組み３０の被溶接部に付与されるエネルギーが増大し続けるため、ナゲットの成長がより一層促進される。尚、図示例ではステップＷ２からステップＷ４に移行する際に、加圧力をＰ２からＰ３に上昇させているが、ステップＷ２以降の加圧力を一定としてもよい。あるいは、ステップＷ４からステップＷ６に移行する際に、さらに加圧力を上昇させてもよい。

１０溶接ロボット
１１ロボットアーム
１２溶接ガン
１２ａ，１２ｂ電極
１２ｃサーボモータ
１２ｄトランス
２０制御装置
２１ロボットコントローラ
２１ａＣＰＵ
２１ｂモーション制御部（加圧力指令生成部）
２１ｃタイマー基板（電流値指令生成部）
２２タイマーコンタクタ
３０板組み
３１薄板
３２，３３厚板
Ｎ，Ｎ１，Ｎ２ナゲット

Claims

薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で前記一対の電極間に通電することにより接合するスポット溶接方法であって、
板組みの被溶接部に第１の加圧力を付与しながら第１の電流値を通電するステップと、前記被溶接部に、前記第１の加圧力よりも大きい第２の加圧力を付与しながら、前記第１の電流値よりも大きい第２の電流値を通電するステップとを有し、
前記第１の電流値から連続して前記第２の電流値に上昇させるタイミングに同期させて、前記第１の加圧力から前記第２の加圧力に上昇させ、
前記第１の電流値から前記第２の電流値に上昇させる少し前に、前記第１の加圧力から前記第２の加圧力に上昇させる指令を出すスポット溶接方法。
ＣＰＵと、前記ＣＰＵからの指令に基づいて前記一対の電極間に流す電流値の指令を生成する電流値指令生成部と、前記ＣＰＵからの指令に基づいて前記一対の電極による加圧力の指令を生成する加圧力指令生成部とを備え、前記電流値指令生成部及び前記加圧力指令生成部が、外部の通信手段を介することなく前記ＣＰＵに接続された制御装置を用いて行う請求項１に記載のスポット溶接方法。