JP7187993B2 - 抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗溶接装置及びそれを用いた抵抗溶接方法に関し、特に、電極に超音波を印加可能に構成された抵抗溶接装置に関する。

互いに重ね合わせられた金属板を溶接するにあたって、従来、抵抗溶接方法が広く行われている。この方法では、対向する電極間に溶接対象物（以下、ワークという）を挟んで、電極間に所定の電流を流すことでワークの所定の部位を加熱溶融させて、溶接を行う。また、一部が重ね合わせられた２つの金属板の同じ面側に所定の間隔をあけて一対の電極を配置し、２つの金属板間に通電して溶接を行う、いわゆるインダイレクト抵抗溶接方法も広く行われている。

しかし、上記のインダイレクト抵抗溶接においては、同じ面側に２つの電極を配置するため、電極間隔を所定値以上にあける必要があり、狭いスペースを溶接することは困難であった。また、電極間隔が大きくなるため、電流経路が長くなり、ワーク内での電流の分流が起こりやすく溶接効率を下げる要因となっていた。

そこで、特許文献１には、内側電極と、これと所定の間隔をあけて配置された外側電極とを有する電極を用いてワークをインダイレクト抵抗溶接する構成が記載されている。このような抵抗溶接装置では、ワーク内での電流の分流を小さくでき、溶接効率を向上させることができる。

特開２０１１－０３１２６９号公報

ところで、近年、抵抗溶接の対象となるワークの構造か多様化してきている。鋼板同士を重ね合わせた構造だけでなく、例えば、アルミ板材同士、あるいはアルミ板材とこれと異なる異種金属部材とを重ね合わせた構造のワークを抵抗溶接する場合が増えてきている。

しかし、アルミ板材では、常温大気中で表面に安定した酸化物が形成され、この酸化物がワーク内を流れる電流に対する抵抗となり、極端な場合には、ワークに所望の電流を通電できない場合があった。また、重ね合わせられた部材の界面に当該酸化物が介在することで、接合強度が低下するおそれがあるとともに、極端な場合は接合不良を引き起こすおそれがあった。

また、上記に限らず、重ね合わせられた金属部材間に異種材料が介在した状態でワークの抵抗溶接を行う場合も増えてきている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ワークの表面やワークを構成する部材間の界面の状態を改質可能な抵抗溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る抵抗溶接方法は、抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法であって、前記抵抗溶接装置は、先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、溶接対象物を挟み込んで通電可能に構成された第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に接続されて、前記第１電極及び前記第２電極の両方に超音波を発生させ、所定の溶接条件に応じて、前記溶接対象物に前記超音波を印加する超音波発生部と、前記第１電極と前記第２電極との間で流れる通電電流の電流量及び通電時間と、前記溶接対象物に印加される前記超音波の印加時間をそれぞれ制御する制御部と、を少なくとも備え、前記溶接対象物は、互いに重ね合わされた第１の薄板と第２の薄板とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間に溶接対象物を配置する溶接対象物配置ステップと、前記第１電極及び前記第２電極をそれぞれ前記溶接対象物に当接させて加圧した状態で、前記溶接対象物に超音波を印加する超音波印加ステップと、前記超音波印加ステップの後に、前記溶接対象物に所定の電流量の電流を所定時間通電させる通電ステップと、を備え、前記超音波印加ステップでは、前記第１の薄板と前記第２の薄板との界面が接合されて接合部が形成されるように、前記溶接対象物に前記超音波を印加することを特徴とする。

この方法によれば、互いに重ね合わされた第１の薄板と第２の薄板とを含む溶接対象物の表面及び第１の薄板と第２の薄板との界面に対して、超音波を印加した上で通電することにより、第１の薄板と第２の薄板との界面が接合された接合部を形成することができる。さらに、溶接対象物内での電流導通状態を改善し、接合部を確実に溶接することができる。また、当該接合部の接合強度を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

以上説明したように、本発明の抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法によれば、溶接対象物内での電流導通状態を改善し、所定の部位を確実に溶接することができる。また、溶接部位の接合強度を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

本発明の実施形態１に係る抵抗溶接装置の機能構成を示す模式図である。 ワークの抵抗溶接手順を示すフローチャートである。 ワークの表面及び界面の状態変化を示す模式図である。 抵抗溶接時にワークに加わる電磁力を説明するための模式図である。 本発明の実施形態２に係るワークの界面での状態変化及びワーク内での電流経路の変更過程を示す模式図である。 本発明の実施形態３に係るワークの界面の状態変化を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［抵抗溶接装置の構成］
図１は、本実施形態に係る抵抗溶接装置の機能構成の模式図を示す。なお、説明の便宜上、図１において、第１電極１０及び第２電極２０の要部以外の機械的構造は図示を省略している。また、第１内側電極１１，第１外側電極１２，第２内側電極２１及び第２外側電極２２の形状は簡略化して図示しており、実際の形状とは異なっている。また、抵抗溶接装置１００は、図１に示す以外にも多くの構成要素、例えば、第１電極１０及び第２電極２０の支持部である溶接ガン本体や第１～第４加圧部３１～３４を駆動させるためのエアチューブ等を備えているが、これらについても図示及びその詳細な説明を省略する。また、以降の説明において、第１電極１０の長手方向を「軸方向」と、半径方向を「径方向」と、外周方向を「周方向」とそれぞれ呼ぶことがある。また、軸方向において、第１電極１０の先端側、つまり、ワーク２００に当接する側を「下」または「下側」と、その反対側を「上」または「上側」とそれぞれ呼ぶことがある。

図１に示すように、抵抗溶接装置１００は、第１及び第２電極１０，２０と第１～第４加圧部３１～３４と溶接用電源（以下、単に電源という）５０と制御部６０と表示部７０と入力部８０と超音波発生部９０とを備えている。また、抵抗溶接装置１００は、電源５０に接続された電流経路切替部４０を備えている。

第１電極１０は、略円柱状の第１内側電極１１と、第１外側電極１２とで構成された電極である。第１内側電極１１の先端部１１ａの表面は、下に凸形状の曲面であり、その曲率等は、抵抗溶接装置１００の使用条件や先端部１１ａの材質や寿命等によって適宜決められる。また、先端部１１ａは着脱可能に構成されており、溶接条件に応じた所定の交換周期で交換される。

第１外側電極１２は、第１内側電極１１の外周側に所定の間隔をあけて配置されており、なお、第１外側電極１２の先端部１２ａも第１内側電極１１の先端部１１ａと同様に着脱可能に構成されている。

第２電極２０は、略円柱状の第２内側電極２１と、第２内側電極２１の外周側に所定の間隔をあけて配置された第２外側電極２２とで構成された電極である。第２電極２０における個々の部品の形状、材質及び機能は、第１電極１０における対応する部品の形状等と同様である。先端部２１ａ，２２ａが着脱可能に構成されていることも第１電極１０と同様である。

なお、図示しないが、第１内側電極１１、第１外側電極１２，第２内側電極２１，第２外側電極２２の内部にはそれぞれ水冷管が設けられており、図示しない冷却水循環機構に接続されて、内部に所定の温度の冷却水が流れるように構成されている。各電極をこのように構成することで、通電時の各電極の温度上昇、特に先端部１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ｂの温度上昇を抑制して、ワーク２００との溶着を防止している。また、先端部１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａの寿命低下を抑制している。なお、通電中または通電終了後、所定の時間を経過するまで各電極は水冷される。

第１電極１０と第２電極２０とは互いの先端が所定の間隔をあけて対向するように配置されている。また、第１電極１０と第２電極２０とは、それぞれ図示しない溶接ガン本体に支持され、当該溶接ガン本体のうち軸方向に延びる部分に沿って移動可能に設けられており、第１電極１０と第２電極２０と溶接ガン本体とで溶接ガン（図示せず）の要部を構成している。

第１～第４加圧部３１～３４は、第１内側電極１１、第１外側電極１２，第２内側電極２１，第２外側電極２２をそれぞれ軸方向に移動させ、各電極をワーク２００に当接させて加圧するための加圧機構である。本実施形態において、第１～第４加圧部３１～３４は、エアシリンダと図示しない圧縮ポンプ等で構成されているが、特にこれに限定されず、例えば、油圧シリンダやサーボモータ等を用いるようにしてもよい。

第１加圧部３１は第１内側電極１１を軸方向に加圧し、第２加圧部３２は第１外側電極１２を軸方向に加圧するように構成されている。また、第３加圧部３３は第２内側電極２１を軸方向に加圧し、第４加圧部３４は第２外側電極２２を軸方向に加圧するように構成されている。

第１～第４加圧部３１～３４はそれぞれ制御部６０に電気的に接続されている。なお、第１～第４加圧部３１～３４の加圧力は、それぞれ同じであっても、互いに異なっていてもよい。ただし、後述するように、ワーク２００に第１及び第２電極１０，２０を当接させる場合、ワーク２００を安定して保持するために、互いに対向する電極、例えば、第１内側電極１１と第２内側電極２１とは同じ加圧力でワーク２００を加圧するように、つまり、第１加圧部３１と第３加圧部３３との加圧力が同じになるように制御される。また、第１～第４加圧部３１～３４として、例えば、サーボモータを使用する場合は、それぞれの加圧力を可変とすることができる。

また、制御部６０は、第１～第４加圧部３１～３４を互いに独立して制御することも、第１～第４加圧部３１～３４を連動して駆動するように制御することも可能である。また、制御部６０は、第１～第４加圧部３１～３４のうち任意の２以上の加圧部を連動して駆動するように制御することも可能である。

電流経路切替部４０は、第１内側電極１１、第１外側電極１２，第２内側電極２１，第２外側電極２２のそれぞれに接続されるとともに、電源５０と制御部６０とに接続されている。電流経路切替部４０は、内部に図示しない複数の電気接点及びスイッチを有しており、所定の溶接条件に応じた制御部６０からの制御信号によって、対応するスイッチをオンまたはオフすることにより、電源５０と接続される電極の組合わせが切り替えられる。例えば、初期に、第１内側電極１１と第１外側電極１２とが電源５０に接続されていたのを、第１内側電極１１と第２内側電極２１とが電源５０に接続されるように切り替える。

電流経路切替部４０をこのように構成することで、後述するように、ワーク２００内を流れる電流経路を変更することができる。なお、制御部６０と電流経路切替部４０とによって選択される電極の組は、第１電極１０と第２電極２０とであってもよい。つまり、その場合は、第１内側電極１１と第１外側電極１２とが電気的に共通接続されて１つの電極として機能する。同様に、第２内側電極２１と第２外側電極２２とが電気的に共通接続されて１つの電極として機能する。

なお、電流経路切替部４０を設ける代わりに、例えば、電源５０を複数準備し、第１内側電極１１、第１外側電極１２，第２内側電極２１，第２外側電極２２の間の任意の１組の選択を複数の電源５０と各電極との接続を切り替えることで行って、ワーク２００内に流れる電流経路を切り替えるようにしてもよい。この場合、配置される電源５０の個数に応じて、選択される電流経路の個数が制限されることがある。

電源５０は、所定の溶接条件に応じた制御部６０からの制御信号によって、第１電極１０と第２電極２０との間に、具体的には、制御部６０と電流経路切替部４０によって選択された電極の組の間に所定の電流を所定時間流すように構成されている。つまり、電源５０は、第１内側電極１１と第１外側電極１２と第２内側電極２１と第２外側電極２２とにそれぞれ電気的に接続されている。なお、電流経路切替部４０は、電源５０の内部に組み込まれて両者が一体化していてもよい。このようにすることで、抵抗溶接装置１００の構成がコンパクトになる。

制御部６０は、第１～第４加圧部３１～３４，電流経路切替部４０，電源５０に対して、それぞれ所定の溶接条件に応じて制御信号を送るように構成されている。また、制御部６０は、表示部７０及び操作部８０にも電気的に接続されている。制御部６０は、通常、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と外部機器とのインターフェース等から構成される。

制御部６０には、ワーク２００の構造や材質等に応じて予め設定された溶接プログラムが格納されていてもよい。なお、当該溶接プログラムは、制御部６０と別に設けられた図示しない記憶部に格納されていてもよい。その場合は、制御部６０が溶接プログラムを記憶部から読み込んで、所定の溶接を実行するように抵抗溶接装置１００の各部に制御信号を送る。この溶接プログラムには、ワーク２００の構造や材質等に応じた、溶接電流、通電時間、加圧力、加圧時間、溶接期間中に選択される電極の組やその変更タイミング等の溶接条件が設定されている。また、溶接条件には、通電終了後に第１～第４加圧部３１～３４のいずれかでワーク２００を加圧する加圧力や加圧時間が含まれている。なお、記憶部は制御部６０の内部に組み込まれていてもよい。また、制御部６０の代わりに、図示しない教示装置を用いて溶接条件を設定するようにしてもよい。

表示部７０は、制御部６０に接続されており、例えば、これから実行しようとする溶接プログラムの内容を表示したり、溶接中の各種情報、例えば、通電電流値の時間変化等を表示したりするように構成されている。なお、表示部７０には、上記以外のデータを表示させてもよい。表示部７０は、通常、ブラウン管や液晶ディスプレイ等の表示デバイスを含んでいる。

入力部８０は、制御部６０に接続されており、例えば、溶接プログラムの修正内容等を直接、制御部６０に入力できるように構成されている。また、制御部６０等から，これから実行しようとする溶接プログラムを呼び出すための指令を入力できるように構成されている。入力部８０は、キーボードやタッチパネル等で構成される。また、タッチパネルを使用する場合には、表示部７０と入力部８０とが共通化されていてもよい。

超音波発生部９０は、所定の周波数及び出力を有する超音波を発生するように構成されており、内部に発振器と電源とを有する公知の構成である。また、超音波発生部９０から出力された超音波は、第１ホーン９１及び第２ホーン９２に伝搬される。なお、第１及び第２ホーン９１，９２として、公知の共振体を用いている。また、第１ホーン９１は第１電極１０に、第２ホーン９２は第２電極２０にそれぞれ接続されている。

超音波発生部９０は制御部６０にも接続されており、制御部６０からの所定の溶接条件に応じた制御信号によって、第１電極１０の第１内側電極１１及び第１外側電極１２に対し第１ホーン９１を介して超音波を印加可能に構成されている。同様に、第２電極２０の第２内側電極２１及び第２外側電極２２に対し第２ホーン９２を介して超音波を印加可能に構成されている。

［溶接対象物の抵抗溶接手順］
図２は、ワークの抵抗溶接手順のフローチャートを示す。

まず、ワーク２００を第１電極１０と第２電極２０との間に配置し（ステップＳ１：溶接対象物配置ステップ）、第１電極１０と第２電極２０をそれぞれワーク２００に当接させ、第１～第４加圧部３１～３４によって所定の加圧力で加圧した状態で、所定の出力の超音波を所定時間、第１及び第２電極１０，２０のそれぞれに印加する（ステップＳ２：超音波印加ステップ）。

次に、所定の溶接条件に応じて、第１内側電極１１、第１外側電極１２，第２内側電極２１，第２外側電極２２のうち、通電電流を流す一対の電極を選択する（ステップＳ３：電極選択ステップ）。なお、前述したように、第１電極１０自体と第２電極２０自体を選択するようにしてもよい。第１電極１０と第２電極２０とがワーク２００を加圧する加圧条件を設定し（ステップＳ４：加圧条件設定ステップ）、ステップＳ３で選択された一対の電極間を流れる通電電流量及び通電時間を含む通電条件を設定する（ステップＳ５：通電条件設定ステップ）。なお、ステップＳ３～Ｓ５は、この順で行われる必要はなく、実行される順番は逆でもよい。また、ステップＳ３～Ｓ５は、同時に実行されてもよい。ワーク２００の抵抗溶接が所定の溶接プログラムに則って行われる場合は、ステップＳ３～Ｓ５は、ワーク２００の構造や材質等を選択した時点で選択された溶接プログラムにおける実行手順の一部に相当する。また、ステップＳ２における超音波印加時間の設定も当該プログラムにおける実行手順の一部に相当する。

次に、第１電極１０及び第２電極２０によって、ステップＳ４で設定された加圧条件でワーク２００を加圧するとともに、ステップＳ３で選択された一対の電極間にステップＳ５で設定された通電条件でワーク２００に通電する（ステップＳ６：通電ステップ）。なお、ステップＳ６の実行中に第１～第４加圧部３１～３４のそれぞれの加圧力を変化させてもよく、通電電流量を変化させてもよい。また、通電を停止する期間を設けるようにしてもよい。なお、ステップＳ６における通電条件と加圧条件はそれぞれ連動して変化するようにしてもよいし、互いに独立して変化するようにしてもよい。

ステップＳ６の終了後に、所定の溶接条件に応じて、ワーク２００に通電するための一対の電極の組合わせを変更するか否かを判断する（ステップＳ７：電極変更ステップ）。なお、ステップＳ６は、制御部６０で実行される。所定の溶接プログラムにステップＳ７が実行手順として組み込まれていてもよい。

ステップＳ７での判断が肯定的であれば、ステップＳ３に戻って、ワーク２００に通電するための一対の電極を再選択する。再選択された一対の電極に対し、加圧条件と通電条件とを設定し（ステップＳ４，Ｓ５）、さらにワーク２００に再度通電する（ステップＳ６）。

ステップＳ７での判断が否定的、つまり、ワーク２００に通電するための一対の電極の組合わせを変更する必要が無ければ、ワーク２００の抵抗溶接を終了する。

図３は、上記の手順に則って実行された抵抗溶接時のワーク２００の表面及び界面の状態変化を模式図として示している。なお、本実施形態において、ワーク２００は、第１電極１０側にアルミ板２１０が、第２電極２０側にアルミ板２２０が、互いに重ね合わされた部材である。また、アルミ板２１０の厚さはアルミ板２２０の厚さと同程度である。但し、ワーク２００の構造は、特にこれに限定されない。また、薄板２１０，２２０の上面及び下面にはそれぞれアルミ酸化物からなる酸化皮膜２３０が形成されている。なお、説明の便宜上、図３において、抵抗溶接装置１００における第１電極１０と第２電極２０以外の構成部品等は図示を省略する。

第１電極１０と第２電極２０をともにワーク２００に当接させて所定の超音波をそれぞれの電極１０，２０に印加する（図３の（ａ）図）ことで、第１電極１０とアルミ板２１０との当接面、アルミ板２１０とアルミ板２２０との界面及び第２電極２０とアルミ板２２０との当接面にそれぞれ存在する酸化皮膜２３０が破壊または除去される。また、アルミ板２１０とアルミ板２２０との界面では母材であるアルミの新生面が形成され、この新生面同士が接合されて接合部２４０が形成される（図３の（ｂ）図）。

ワーク２００に通電するための電極の組として、第１内側電極１１と第２内側電極２１とを選択し、これらの電極間に通電してワーク２００を加熱する。図３の（ｃ）図に示すように、ワーク２００内での通電電流は、ワーク２００の厚み方向に直進し、第１内側電極１１から第２内側電極２１に到達する。

このようにワーク２００内に電流が流れることで、アルミ板２１０とアルミ板２２０との界面が発熱して接合部２５０が形成され、アルミ板２１０とアルミ板２２０とが強固に接合される。

なお、図３では、接合部２４０，２５０の形状や大きさを模式的に図示しており、実際の形状等とは異なっている。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る抵抗溶接装置１００は、先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、ワーク２００を挟み込んで通電可能に構成された第１電極１０及び第２電極２０と、第１及び第２電極１０，２０とに接続され、所定の溶接条件に応じてワーク２００に超音波を印加する超音波発生部９０と、を備えている。

また、抵抗溶接装置１００は、第１電極１０と第２電極との間で流れる通電電流の電流量及び通電時間と、ワーク２００に印加する超音波の印加時間をそれぞれ制御する制御部６０をさらに備えている。

抵抗溶接装置１００をこのように構成することで、ワーク２００の構造や材質等に応じて、超音波による表面／界面処理を行った上で連続的に抵抗溶接を行うことができる。つまり、ワーク２００の表面及び内部の界面での状態を改質し、ワーク２００内での電流導通状態を改善することができる。このことにより、ワーク２００内を流れる電流経路及び通電電流量を設定された所望の値として、ワーク２００における所定の部位を確実に溶接することができる。また、ワーク２００内の部材間の界面における接合を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

ところで、互いに重ね合わされたアルミ板２１０，２２０からなるワーク２００において、複数箇所に抵抗溶接を行う場合もあり得る。この場合には、少なくとも最初の溶接箇所は、上記の抵抗溶接方法を用いて抵抗溶接を行うことが好ましい。このことについて図４を用いてさらに説明する。

図４は、抵抗溶接時にワークに加わる電磁力を説明するための模式図を示し、（ａ）図は比較のための模式図を、（ｂ）図は本実施形態に係る模式図をそれぞれ示す。なお、図３と同様に、図４において、抵抗溶接装置１００における第１電極１０と第２電極２０以外の構成部品等は図示を省略する。また、説明の便宜上、酸化皮膜２３０の図示を省略している。

図４の（ａ）図に示すように、第１電極１０と第２電極２０との間に通電してワーク２００に電流を流すと、通電電流の回りには回転磁界が発生し、ワーク２００を径方向に移動させるように電磁力（ローレンツ力）が働く。

電流量が大きくなると、それに伴い電磁力も大きくなり、場合によっては、第１及び第２電極１０，２０によって軸方向にワーク２００が加圧されているにも関わらず、ワーク２００の一部、例えばアルミ板２１０が径方向に移動してしまうことがある。このようなことが起こると、ワーク２００の所定の箇所に対して適切に溶接が行えず、溶接不良が発生してしまうおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、第１電極１０と第２電極２０との間に通電して抵抗溶接を行う前に、第１電極１０と第２電極２０との間に超音波を印加して、アルミ板２１０とアルミ板２２０との間を接合するため、その後でワーク２００に電流を流すことで電磁力が発生したとしても、ワーク２００内の各部材が接合固定されているため、上記した径方向への移動を防止できる。このことにより、ワーク２００の所定の箇所に対して正確に溶接を行え、溶接不良等の発生を防止できる。

なお、ワーク２００に対して複数箇所に溶接を行う場合、初打点、つまり、最初の溶接箇所に、本実施形態の抵抗溶接方法を適用すると、初打点に関してワーク２００内の各部材が位置決め固定されるため、ワーク２００の種類や構造によっては、２点目以降の溶接において、超音波の印加を省略するようにしてもよい。

また、ワーク２００が、２枚以上の鋼板が互いに重ね合わされた積層体やアルミ板と鋼板とが互いに重ね合わされた積層体である場合にも、同様に、ワーク２００内の各部材が径方向へ移動するのを防止し、ワーク２００の所定の箇所に対して正確に溶接を行え、溶接不良等の発生を防止できる。

本実施形態に係る抵抗溶接方法は、抵抗溶接装置１００の第１電極１０と第２電極２０との間にワーク２００を配置するワーク配置ステップと、第１電極１０及び第２電極２０をそれぞれワーク２００に当接させて加圧した状態で、ワーク２００に超音波を印加する超音波印加ステップと、超音波印加ステップの後に、ワーク２００に所定量の電流を所定時間通電する通電ステップと、を備えている。

このようにすることで、ワーク２００の構造や材質等に応じて、超音波による表面／界面処理を行った上で連続的にワーク２００に通電することができる。つまり、ワーク２００の表面及び内部の界面での状態を改質し、ワーク２００内での電流導通状態を改善することができる。このことにより、ワーク２００内を流れる電流経路及び通電電流量を設定された所望の値として、ワーク２００における所定の部位を確実に溶接することができる。また、ワーク２００内の部材間の界面における接合強度を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

また、ワーク２００は、第１の厚さを有する第１金属部材であるアルミ板２１０と、第２の厚さを有する第２金属部材であるアルミ板２２０とが互いに重ね合わされた積層体であるが、これら以外の部材を含んでいてもよい。

また、従来、アルミ板２１０，２２０が積層されたワーク２００では、アルミ板２１０及び２２０の表面に形成された酸化皮膜２３０の影響でワーク２００内に所望の量の電流が流せなかったり、アルミ板２１０及び２２０の界面で接合部２５０が正常に形成されなくなったりするおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、前述したように、アルミ板２１０，２２０の表面にそれぞれ形成された酸化皮膜２３０及びアルミ板２１０とアルミ板２２０との界面に形成された酸化皮膜２３０をともに除去でき、ワーク２００の表面及びアルミ板２１０とアルミ板２２０との界面での電流導通状態を改善し、ワーク２００内を流れる電流経路及び通電電流量を設定された所望の値とすることができる。このことにより、当該界面での接合強度を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

（実施形態２）
図５は、本実施形態に係るワークの界面での状態変化及びワーク内での電流経路の変更過程を模式図として示している。なお、図５において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図３，４と同様に、図５において、抵抗溶接装置１００における第１電極１０と第２電極２０以外の構成部品等は図示を省略する。ここで、ワーク３００は第１の厚さを有する鋼板３１０と第２の厚さを有するアルミ板３２０とが積層された積層体である。なお、本実施形態では、鋼板３１０とアルミ板３２０との厚さは同じであるが、これらが互いに異なっていてもよい。

このようなワーク３００を抵抗溶接するにあたって、（ａ）図に示すように、第１電極１０と第２電極２０をともにワーク２００に当接させて所定の超音波をそれぞれの電極１０，２０に印加することで、鋼板３１０とアルミ板３１０との界面に存在する酸化皮膜３２１を除去し、接合部が形成されることは実施形態１に示すのと同様である。また、このとき、制御部６０は第１～第４加圧部３１～３４を連動して制御している。

また、このときに設定された第１～第４加圧部３１～３４の加圧力に応じて、第１電極１０及び第２電極２０とワーク３００との接触状態が定まる。さらに、鋼板３１０とアルミ板３２０との接触状態が定まる。例えば、高い加圧力で第１電極１０及び第２電極２０がワーク３００を加圧する場合は、第１電極１０及び第２電極２０とワーク３００との接触抵抗、また、鋼板３１０とアルミ板３２０との接触抵抗が低下する。逆に低い加圧力で第１電極１０及び第２電極２０がワーク２００を加圧する場合は、これらの接触抵抗が上昇する。このことを利用して、ワーク３００内での初期の電流経路を定めることができる。例えば、所望の部位で接触抵抗が低下するように第１～第４加圧部３１～３４を制御し、ワーク３００を加圧することで、接触抵抗の低い部分を電流が流れるようになる。

次に、（ｂ）図に示すように、第１内側電極１１と第１外側電極１２との間に所定量の電流を流して鋼板３１０に通電する。所定時間、鋼板３１０に通電することにより、（ｃ）図に示すように、鋼板３１０が発熱し、その温度が上昇する。また、鋼板３１０の主材料である鉄はアルミ等と比べて熱伝導率が低く、電流経路近傍の鋼板３１０（以下、発熱部３１２という）に熱がたまりやすい。このため、アルミ板３２０において、発熱部３１２との界面の温度も上昇する。また、アルミは鉄に比べて融点が低いため、発熱部３１１の温度が所定値以上に達すると、（ｄ）図に示すように、当該界面においてアルミが溶融し、溶融部３２１が形成される。また、（ｂ）図に示す状態から所定の時間経過後に、（ｃ）図に示すように、ワーク３００に通電する電極の組を切り替えてワーク３００に通電する。具体的には、第１外側電極１２と第２内側電極２１との間で通電するようにする。このようにワーク３００に電流を流すことで、溶融部３２１の近傍において、（ｂ）図に示す場合よりも電流密度が低くなり、鋼板３１０とアルミ板３２０との界面の温度は徐々に低下し、溶融部３２１が固化して接合部３２２が形成され、鋼板３１０とアルミ板３２０とが接合される。なお、（ｃ）図に示す電流経路の切替え時に、ワーク３００に流れる通電電流量を低下させるようにしてもよい。また、後述するブローホールの発生を抑制するために、ワーク２００への通電開始前から終了後の所定時間にかけて、第１電極１０及び第２電極２０によってワーク２００は加圧される（（ｅ）図）。なお、（ｃ）図から（ｅ）図に示す状態において、第１電極１０と第２電極２０とでワーク２００を加圧しつつ、第１内側電極１１と第２内側電極２１とでワーク２００を加圧する加圧力を低減するようにしてもよい。このようにすることで、第１内側電極１１及び第２内側電極２１を介してワーク２００から放熱される放熱量を小さくして、発熱部３１１及び溶融部３２１が急激に冷却されるのを防止できる。ただし、当該加圧力は、ブローホールが発生しない程度に維持される必要がある。

アルミ板３２０を含むワーク３００を溶接する場合、アルミの溶融後に急激に温度を低下させるとワーク３００内にブローホールが発生する場合がある。（ｃ）図に示すように、ワーク３００内の電流経路を切り替えて、鋼板３１０とアルミ板３２０との界面の温度を徐々に低下させることで、アルミの急激な固化を抑制し、ブローホールの発生及びこれに起因する欠陥の発生を抑制できる。また、（ｅ）図に示すように、通電終了後にさらにワーク３００を加圧することで、ワーク３００内での欠陥の発生や成長を抑制できる。また、通電終了後に所定時間、第１電極１０及び第２電極２０がワーク３００に当接することで、溶接箇所が急速に冷却され、溶接期間を短縮できる。

なお、本実施形態では、ブローホールの発生を抑制するために、溶接期間中を通じて第１電極１０と第２電極２０とをワーク３００に当接させていたが、例えば、ワーク３００が２枚の鋼板３１０の積層構造である場合、溶接箇所の冷却速度を調整するために通電終了後に、または通電切替え時の通電停止後に、第１内側電極１１と第２内側電極２１とをワーク３００から離しつつ、第１外側電極１２と第２外側電極１２とでワーク３００を加圧するようにしてもよい。また、第１外側電極１２と第２外側電極２２とをワーク３００から離しつつ、第１内側電極１１と第２内側電極２１とでワーク３００を加圧するようにしてもよい。

以上説明したように、抵抗溶接装置１００の第１電極１０は、第１内側電極１１と、第１内側電極１１の外周側に所定の間隔をあけて配置された第１外側電極１２を有している。第２電極２０は、第２内側電極２１と、第２内側電極２１の外周側に所定の間隔をあけて配置された第２外側電極２２を有している。

制御部６０は、所定の溶接条件に応じて第１電極１０と第２電極とでワーク２００を加圧する加圧状態を制御可能であるとともに、第１内側電極１１と第１外側電極１２と第２内側電極２１と第２外側電極２２のうち、ワーク２００に通電するための一対の電極を所定の溶接条件に応じて選択するように構成されている。

本実施形態の抵抗溶接装置１００によれば、種々の構造を有するワーク３００に対して、所定の溶接条件に応じて、第１及び第２電極１０，２０によるワーク３００の加圧状態を制御し、また、ワーク３００への通電電極を選択することで、ワーク３００内を流れる電流経路を変更することができる。このことにより、抵抗溶接時の発熱部位を可変に制御できる。

また、ワーク３００に通電することで電流経路上のワーク３００が抵抗加熱されて発熱する一方、第１内側電極１１及び第１外側電極１２の少なくとも一方と第２内側電極２１及び第２外側電極２２の少なくとも一方とがワーク３００を加圧しているため、ワーク３００に当接した電極を介してワーク３００から外部に熱を放散している。従って、ワーク３００への通電電流量及び通電時間とワーク３００の加圧状態、例えば、ワーク３００を加圧する電極の組合わせや、加圧時の各電極の加圧力やそのバランス等をそれぞれ適切に制御することにより、ワーク３００からの放熱量を制御することができる。また、通電によるワーク３００の発熱量と第１及び第２電極１０，２０によるワーク３００からの放熱量とをバランスさせて、ワーク３００における所望の部位を加熱溶融して接合強度が安定した高品質の抵抗溶接を行うことができる。

また、制御部６０は、所定の溶接条件に応じて一対の電極間の通電条件を設定するとともに、第１内側電極１１と第１外側電極１２と第２内側電極２１と第２外側電極２２とがそれぞれワーク３００を加圧する加圧条件を設定するように構成されている。

制御部６０をこのように構成することで、ワーク３００の所望の部位に対するトータルの入熱量及び放熱量を制御することができる。また、通電条件と加圧条件とは互いに独立して設定可能なので、例えば、図５の（ｂ）図や（ｅ）図に示すように、溶接箇所の加熱と冷却とを独立して行うことができる。

また、抵抗溶接装置１００は、第１内側電極１１を軸方向に加圧する第１加圧部３１と、第１外側電極１２を軸方向に加圧する第２加圧部３２と、第２内側電極２１を軸方向に加圧する第３加圧部３３と、第２外側電極２２を軸方向に加圧する第４加圧部３４と、をさらに備えている。また、制御部６０は、所定の溶接条件に応じて第１～第４加圧部３１～３４を互いに独立に制御するか、または連動して制御するかを選択可能に構成されている。

このようにすることで、抵抗溶接時の初期の電流経路を調整できるとともに、ワーク３００の溶接箇所での放熱量を所定の溶接条件に応じて制御することができる。

また、本実施形態によれば、ワーク３００を抵抗溶接する際の制御因子の数を多くして、つまり、第１及び第２電極１０，２０によってワーク３００を加圧する加圧力や加圧時間や内側電極と外側電極との加圧力バランス、また、ワーク３００に当接させて通電する電極の組合わせ、通電時間、通電電流量等をそれぞれ制御することで、きめ細かい溶接制御が可能となり、高品質の抵抗溶接を行うことができる。

また、本実施形態に係る抵抗溶接方法は、抵抗溶接装置１００の第１電極１０と第２電極２０との間にワーク２００を配置するワーク配置ステップと、第１電極１０及び第２電極２０をそれぞれワーク２００に当接させて加圧した状態で、ワーク２００に超音波を印加する超音波印加ステップと、超音波印加ステップの後に、所定の溶接条件に応じて、第１内側電極１１と第１外側電極１２と第２内側電極２１と第２外側電極２２のうち、ワーク３００に通電する一対の電極を選択する電極選択ステップと、第１内側電極１１及び第１外側電極１２の少なくとも一方と第２内側電極２１及び第２外側電極２２の少なくとも一方とでワーク３００を加圧する加圧条件を設定する加圧条件設定ステップと、一対の電極間の通電条件を設定する通電条件設定ステップと、ワーク３００に通電する通電ステップと、備えている。

通電ステップでは、加圧条件設定ステップで設定された加圧条件に従いワーク３００を加圧するとともに、通電条件設定ステップで設定された通電条件に従いワーク３００に通電する。

本実施形態の抵抗溶接方法によれば、実施形態１に示すのと同様の効果を奏するとともに、所定の溶接条件に応じて、第１電極１０及び第２電極２０の各電極１１，１２，２１，２２の中から一対の電極を選択し、所定の加圧条件及び通電条件でワーク３００に通電することで、種々の構造を有するワーク３００に対して、所定の部位に適切に入熱して抵抗溶接を行うことができる。

また、通電ステップの後に、所定の溶接条件に応じて、ワーク３００に当接させる一対の電極の組合わせを変更するか否かを判断する電極変更ステップをさらに備え、電極変更ステップでの判断結果が肯定的であれば、一対の電極の組合わせを変更し、変更された一対の電極に関して、加圧条件設定ステップと通電条件設定ステップと通電ステップとを再度実行する。

このようにすることで、ワーク３００内を流れる電流経路を変更できるため、抵抗溶接時の発熱部位を可変に制御できる。このことにより、ワーク３００における所望の部位を加熱して接合強度が安定した高品質の抵抗溶接を行うことができる。また、例えば、電流経路の切替え後にワーク３００を溶融するに到らない量の電流を流すことで、ワーク３００内の発熱部３１１や溶融部３２１の温度を徐々に低下させて接合部２３０を安定に形成することができる。

（実施形態３）
図６は、本実施形態に係るワークの界面の状態変化を模式図として示している。なお、図６において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図３～５と同様に、図６において、抵抗溶接装置１００における第１電極１０と第２電極２０以外の構成部品等は図示を省略する。

本実施形態に示す方法と実施形態１，２に示す方法とではワークの構造が異なり、具体的に、本実施形態のワーク４００は、鋼板からなる厚板４２０の上面及び下面に鋼板からなる薄板４１０，４３０がそれぞれ積層された構造となっている。また、薄板４１０と厚板４２０との間及び厚板４２０と薄板４３０との間には、それぞれ接着材５００が介在している。ここで、接着材５００は、例えば、樹脂からなる。ただし、特にこれに限定されない。

近年、ワーク４００の剛性を高めるために、溶接点以外の領域も補強する必要が生じており、図６に示すように、各鋼板４１０～４３０の間に接着材５００をそれぞれ介在させることで剛性に関する要求仕様を満足させることが多くなっている。このようなワーク４００は、例えば、車両の外装パネルに用いられる。

しかし、ワーク４００において、抵抗溶接後に接着材５００を介在させることは困難である。そこで、通常、予め各鋼板４１０～４３０の間に接着材５００を介在させておき、その後に所定の部位を抵抗溶接するようにしている。

しかし、接着材５００を介在させた状態で各鋼板４１０～４３０の間を溶接しようとすると、接着材５００が電流経路における抵抗となり、所定の電流を流すことが難しくなる。また、電源が大型化し、抵抗溶接装置１００のコストが増大することがあった。また、電流が流れることで、樹脂からなる接着材５００は炭化してしまう。このため、溶接不良を生じたり、あるいは、接着材５００に含まれる炭素が鋼板４１０～４３０に熱拡散して、当該部位の強度を低下させたりするおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、通電加熱による抵抗溶接の前に、ワーク４００に対して所定の超音波を印加することにより、上記の不具合を解消することができる。図６を用いてさらに説明する。

まず、第１電極１０と第２電極２０をともにワーク４００に当接させて所定の超音波をそれぞれの電極１０，２０に印加する（図６の（ａ）図）ことで、薄板４１０と厚板４２０との界面及び厚板４２０と薄板４３０との界面でそれぞれ摩擦を生じさせる。このことにより、厚板４２０の上面及び下面にそれぞれ設けられた接着材５００が第１電極１０と第２電極２０との間から外方に押し出されて一部が除去される。この状態で、薄板４１０と厚板４２０との界面に接合部４４０が形成される。同様に、厚板４２０と薄板４３０との界面で接着材５００が除去されて接合部４４１が形成される（図６の（ｂ）図）。

ワーク４００に当接される電極の組として、第１内側電極１１と第２内側電極２１とを選択し、これらの電極間に通電してワーク４００を加熱する。図６の（ｃ）図に示すように、ワーク３００内での通電電流は、ワーク３００の厚み方向に直進し、第１内側電極１１から第２内側電極２１に到達する。

このようにワーク４００内に電流が流れることで、薄板４１０と厚板４２０との界面及び厚板４２０と薄板４３０との界面に接合部４５０，４５１がそれぞれ形成され、ワーク４００内の各部材が強固に接合される。

このように、本実施形態によれば、ワーク４００が、接着材５００を介して互いに重ね合わされた複数の金属部材である場合にも、ワーク４００内部での電流導通状態を改善し、ワーク４００内を流れる電流経路及び通電電流量を設定された所望の値とすることができる。また、ワーク４００内の部材間の界面における接合を安定化させ、高品質の抵抗溶接を行うことができる。特に、接着材５００が予め設けられた状態でワーク４００を抵抗溶接できるため、溶接工程が簡素化される。

なお、図６の（ｂ）図に示すステップにおいて、確実に接着材５００が溶接部位から除去されるように、予め超音波の出力及び印加時間を実験等で求めて設定しておく必要がある。

また、本実施形態において、薄板４１０、４３０をそれぞれ軟鋼板とし、厚板４２０を高張力鋼板としてもよい。ただし、軟鋼板に比べて高張力鋼板は抵抗率が高いため、図７に示す電流経路以外の経路でワーク４００に通電してもよい。

また、本実施形態では、ワーク４００内の各部材をすべて鋼板としたが、例えば、薄板４１０，４３０を鋼板とし、厚板４２０をアルミまたはアルミ系合金からなる板材としてもよい。ワーク４００がこのような構造の場合、例えば、図５に示す方法を用いて、薄板４１０と厚板４２０との界面及び／または厚板４２０と薄板４３０との界面に存在する酸化皮膜を除去して、各部材を超音波接合するとともに、その後の通電加熱により各接合部を強化することができる。

（その他の実施形態）
なお、実施形態１，２において、第１及び第２電極１０，２０の両方に超音波が印加されるようにしたが、抵抗溶接装置１００で溶接されるワークの種類が固定されていれば、例えば、薄板と厚板とが重ね合わされた２層構造の場合等では、第１及び第２電極１０，２０のいずれか一方に超音波が印加されるようにしてもよい。その場合は、第１及び第２電極１０，２０のいずれか一方に超音波発生部９０が接続される。

また、実施形態１においてアルミ板２１０，２２０の材質をアルミ合金としてもよい。

本発明の抵抗溶接装置は、ワークの表面及び内部の界面での電流導通状態を改善し、高品質の溶接を行える抵抗溶接装置として産業上有用である。

１０ 第１電極
１１ 第１内側電極
１２ 第１外側電極
２０ 第２電極
２１ 第２内側電極
２２ 第２外側電極
３１～３４ 第１～第４加圧部
４０ 電流経路切替部
５０ 溶接用電源
６０ 制御部
７０ 表示部
８０ 入力部
９０ 超音波発生部
１００ 抵抗溶接装置
２００～４００ ワーク（溶接対象物）
５００ 接着材

Claims (6)

1. 抵抗溶接装置を用いた抵抗溶接方法であって、
   前記抵抗溶接装置は、
   先端同士が所定の間隔をあけて対向して配置され、溶接対象物を挟み込んで通電可能に構成された第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極に接続されて、前記第１電極及び前記第２電極の両方に超音波を発生させ、所定の溶接条件に応じて、前記溶接対象物に前記超音波を印加する超音波発生部と、
   前記第１電極と前記第２電極との間で流れる通電電流の電流量及び通電時間と、前記溶接対象物に印加される前記超音波の印加時間をそれぞれ制御する制御部と、を少なくとも備え、
   前記溶接対象物は、互いに重ね合わされた第１の薄板と第２の薄板とを含み、
   前記第１電極と前記第２電極との間に前記溶接対象物を配置する溶接対象物配置ステップと、
   前記第１電極及び前記第２電極をそれぞれ前記溶接対象物に当接させて加圧した状態で、前記溶接対象物に前記超音波を印加する超音波印加ステップと、
   前記超音波印加ステップの後に、前記溶接対象物に所定の電流量の電流を所定時間通電させる通電ステップと、を備え、
   前記超音波印加ステップでは、前記第１の薄板と前記第２の薄板との界面が接合されて接合部が形成されるように、前記溶接対象物に前記超音波を印加することを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 請求項１に記載の抵抗溶接方法であって、
   前記第１電極は、第１内側電極と、前記第１内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第１外側電極を有し、
   前記第２電極は、第２内側電極と、前記第２内側電極の外周側に所定の間隔をあけて配置された第２外側電極を有し、
   前記抵抗溶接装置は、
   前記第１内側電極を軸方向に加圧する第１加圧部と、前記第１外側電極を軸方向に加圧する第２加圧部と、前記第２内側電極を軸方向に加圧する第３加圧部と、前記第２外側電極を軸方向に加圧する第４加圧部と、をさらに備え、
   前記超音波印加ステップと前記通電ステップとの間に、所定の溶接条件に応じて、前記第１内側電極及び前記第１外側電極と前記第２内側電極及び前記第２外側電極の４つの電極から、前記溶接対象物に通電する一対の電極を選択する電極選択ステップと、
   前記第１内側電極及び前記第１外側電極の少なくとも一方と前記第２内側電極及び前記第２外側電極の少なくとも一方とで前記溶接対象物を加圧する加圧条件を設定する加圧条件設定ステップと、
   前記一対の電極間の通電条件を設定する通電条件設定ステップと、をさらに備え、
   前記通電ステップでは、前記加圧条件設定ステップで設定された加圧条件に従い前記溶接対象物を加圧するとともに、前記通電条件設定ステップで設定された通電条件に従い前記溶接対象物に通電することを特徴とする抵抗溶接方法。
3. 請求項１または２に記載の抵抗溶接方法において、
   前記通電ステップの実行中に前記溶接対象物が抵抗溶接されることを特徴とする抵抗溶接方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の抵抗溶接方法において、
   前記第１の薄板及び前記第２の薄板のうち少なくとも一方の材質はアルミまたはアルミ合金であることを特徴とする抵抗溶接方法。
5. 請求項４に記載の抵抗溶接方法において、
   前記第１の薄板及び前記第２の薄板の材質は、それぞれ、アルミまたはアルミ合金であり、
   前記超音波印加ステップでは、前記第１の薄板と前記第２の薄板との界面にアルミまたはアルミ合金の新生面が形成されるとともに、前記第１の薄板に形成された前記新生面と前記第２の薄板に形成された前記新生面とが接合されて、前記接合部が形成されることを特徴とする抵抗溶接方法。
6. 前記溶接対象物における複数箇所に抵抗溶接を行うにあたって、少なくとも最初の溶接箇所は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の抵抗溶接方法を用いて抵抗溶接を行うことを特徴とする抵抗溶接方法。

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