JP7393369B2

JP7393369B2 - 抵抗スポット溶接装置

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Publication number: JP7393369B2
Application number: JP2021007122A
Authority: JP
Inventors: 圭吾安田
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2023-12-06
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: CN114799443A; JP2022111591A; US20220226924A1; DE102022100703A1

Description

本開示は、抵抗スポット溶接装置に関する。

鋼板等の金属板を重ねたワークを抵抗スポット溶接する装置において、エアシリンダによる空気圧によって溶接中の電極を金属板に押し付けるように加圧する構成が公知である（特許文献１参照）。

このように電極を金属板に向けて加圧することで、溶接完了後の電極と金属板との接触面積が増大する。その結果、金属板の冷却速度が向上し、溶接後における金属板の割れを抑制できる。

また、加圧機構としてエアシリンダを用いることで、サーボモータを用いる場合に比して溶接装置のコストを低減できる。

特開２００２－５９２６９号公報

空気圧により電極を加圧する抵抗スポット溶接では、溶接中に金属板が軟化することに伴い電極が金属板内部へ押し込まれる。このとき、エアシリンダ内の圧力が低下するため、電極の金属板に対する圧力が低下し、加圧が不安定となる。その結果、スパッタが発生し、溶接不良となるおそれがある。

本開示の一局面は、空気圧にて電極を加圧しつつ溶接不良が抑制できる抵抗スポット溶接装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、複数の金属板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置である。抵抗スポット溶接装置は、複数の金属板のうち第１金属板に接触するように構成された第１電極と、複数の金属板のうち第２金属板に接触し、第１電極と共にワークを挟むように構成された第２電極と、空気圧によって第１電極を第１金属板に向けて加圧するように構成された加圧機構と、を備える。

加圧機構は、第１電極に連結されたピストンと、ピストンが収容された内部空間を有するシリンダと、第１電極を加圧するための空気を内部空間へ供給するように構成された第１通気部と、第１電極の加圧に伴い内部空間から空気を排出するように構成された第２通気部と、を備える。第１通気部及び第２通気部の少なくとも一方は、内部空間に連通する２つ以上の空気路で構成される。

このような構成によれば、加圧機構のシリンダにおいて、２つ以上の空気路によって第１電極を加圧する際の空気の供給量又は排出量が大きくなるため、第１電極の加圧時間が短縮される。

つまり、軟化した第１金属板に第１電極が押し込まれた後における第１電極の第１金属板に対する圧力の回復時間が短縮される。そのため、スパッタの発生による溶接不良を抑制できる。

本開示の一態様では、第１金属板及び第２金属板の少なくとも一方は、引張強さが１８００ＭＰａ以上であってもよい。このような構成によれば、溶接時に高い圧力で電極を押し付ける必要があるために圧力低下によるスパッタが発生しやすい高張力金属板に対して、スパッタの発生による溶接不良を的確に抑制できる。

本開示の一態様では、第１通気部は、内部空間に連通する２つ以上の空気路を有してもよい。このような構成によれば、的確に第１電極の加圧時間を短縮できる。

図１は、実施形態における抵抗スポット溶接装置の模式図である。図２は、図１の抵抗スポット溶接装置の電極及び加圧機構の模式的な断面図である。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ、溶接中の電極及び金属板の模式的な断面図であり、図３Ｅは、溶接における第１電極の圧力の変化の一例を示すグラフである。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、図２とは異なる実施形態における加圧機構の模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す抵抗スポット溶接装置１は、第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２とが重ね合わされたワークＷを溶接するように構成されている。

本実施形態では、第１金属板Ｐ１が第２金属板Ｐ２の上に重ね合わされている。第１金属板Ｐ１及び第２金属板Ｐ２の材質は特に限定されず、例えば、ステンレスアルミメッキ鋼板等の鋼板が使用される。第１金属板Ｐ１及び第２金属板Ｐ２の少なくとも一方は、引張強さが１８００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下である。

抵抗スポット溶接装置１は、ワークＷとして配置された第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２とを厚み方向に抵抗スポット溶接する。抵抗スポット溶接装置１は、第１電極２と、第２電極３と、加圧機構４と、本体５とを備える。

＜電極＞
第１電極２は、ワークＷの上方に配置され、第１金属板Ｐ１の表面に接触するように構成されている。

第２電極３は、ワークＷの下方に配置され、第２金属板Ｐ２の表面に接触するように構成されている。また、第２電極３は、第１電極２と共にワークＷを厚み方向に挟んで加圧するように構成されている。

第１電極２は、第２電極３に対し、相対的に鉛直方向に移動可能である。本実施形態では、第１電極２及び第２電極３がワークＷを挟む方向（つまり第１電極２及び／又は第２電極３の移動方向）は鉛直方向と平行である。

ワークＷを挟んだ第１電極２と第２電極３との間には、溶接電流がワークＷを介して流れる。第１電極２と第２電極３とは、ワークＷを厚み方向に加圧した状態で第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２とを溶接する。

＜加圧機構＞
加圧機構４は、空気圧によって第１電極２を第１金属板Ｐ１に向けて加圧するように構成されている。加圧機構４は、図２に示すように、ピストン４１と、ロッド４２と、シリンダ４３と、第１通気部４４と、第２通気部４５とを有する。

ピストン４１は、ロッド４２を介して第１電極２に連結されている。ピストン４１は、シリンダ４３の軸方向に往復移動可能なように、シリンダ４３の内部空間に収容されている。

ロッド４２は、ピストン４１に連結され、ピストン４１と共にシリンダ４３の軸方向に往復移動する。ロッド４２のピストン４１とは反対側の端部は、シリンダ４３の下端部に設けられた底壁を貫通し、第１電極２と連結されている。

シリンダ４３は、ピストン４１が収容された内部空間を有する。シリンダ４３の軸方向は、鉛直方向（つまりワークＷの厚み方向）と平行である。シリンダ４３は、内部空間とシリンダ４３の外部とを連通する第１開口４３Ａ、第２開口４３Ｂ、及び第３開口４３Ｃを有する。

シリンダ４３の内部空間は、ピストン４１によって第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とに分割されている。第１開口４３Ａ及び第２開口４３Ｂは、シリンダ４３の上端部近傍に配置され、第１領域Ａ１に連通している。第３開口４３Ｃは、シリンダ４３の下端部近傍に配置され、第２領域Ａ２に連通している。

第１領域Ａ１は、ピストン４１よりも上方に位置する。第１開口４３Ａ及び第２開口４３Ｂから第１領域Ａ１に空気が供給されると、第１領域Ａ１の膨張に伴ってピストン４１がシリンダ４３の下端部に近づくように動き、ロッド４２のシリンダ４３からの突出量が大きくなる。その結果、第１電極２が加圧される。

第２領域Ａ２は、ピストン４１よりも下方に位置する。第３開口４３Ｃから第２領域Ａ２に空気が供給されると、第２領域Ａ２の膨張に伴ってピストン４１がシリンダ４３の下端部から離れるように動き、ロッド４２のシリンダ４３からの突出量が小さくなる。その結果、第１電極２が減圧される。

第１領域Ａ１が膨張する際には、第２領域Ａ２から空気が排出されて第２領域Ａ２が収縮し、ピストン４１が下方に移動する。逆に、第２領域Ａ２が膨張する際には、第１領域Ａ１から空気が排出されて第２領域Ａ２が膨張し、ピストン４１が上方に移動する。

第１開口４３Ａ及び第２開口４３Ｂは、ピストン４１の最上位置よりも上方に位置している。第３開口４３Ｃは、ピストン４１の最下位置よりも下方に位置している。

第１通気部４４は、第１電極２を加圧するための空気をシリンダ４３の内部空間へ供給するように構成されている。第１通気部４４は、第１空気路４４Ａと、第２空気路４４Ｂとで構成される。

第１空気路４４Ａは、シリンダ４３の第１開口４３Ａに連結されている。第２空気路４４Ｂは、シリンダ４３の第２開口４３Ｂに連結されている。第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂはそれぞれ、空気の供給系統及び排出系統と接続されている。第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂは、第１開口４３Ａ又は第２開口４３Ｂを介してシリンダ４３の内部空間の第１領域Ａ１に対し、空気の供給及び排出を行う。

なお、本実施形態では、第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂそれぞれにおける空気の供給方向は、シリンダ４３の径方向において対向するように配置されている。つまり、第１開口４３Ａ及び第２開口４３Ｂは、互いに対向する位置に配置されている。

ただし、第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂそれぞれにおける空気の供給方向は、必ずしも対向しなくてもよい。また、シリンダ４３の軸方向において、第１空気路４４Ａと第２空気路４４Ｂとがずれて配置されてもよい。

第２通気部４５は、第１電極２の加圧（つまり第１領域Ａ１への空気の供給）に伴いシリンダ４３の内部空間から空気を排出するように構成されている。第２通気部４５は、第３空気路４５Ａで構成される。

第３空気路４５Ａは、シリンダ４３の第３開口４３Ｃに連結されている。第３空気路４５Ａは、空気の供給系統及び排出系統と接続されている。第３空気路４５Ａは、第３開口４３Ｃを介してシリンダ４３の内部空間の第２領域Ａ２に対し、空気の供給及び排出を行う。

＜本体＞
本体５は、第１電極２及び第２電極３への溶接電流の供給、加圧機構４による第１電極２と第２電極３との間の圧力調整等の機能を有する。

［１－２．製造方法］
次に、図１の抵抗スポット溶接装置１を用いた抵抗スポット溶接方法について説明する。抵抗スポット溶接方法は、配置工程と、溶接工程とを備える。

＜配置工程＞
本工程では、第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２とを厚み方向に重ね合わせたワークＷを抵抗スポット溶接装置１の第１電極２と第２電極３との間に配置する。

＜溶接工程＞
本工程では、重ね合わされた第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２とを抵抗スポット溶接装置１により溶接する。本工程では、溶接中に、加圧機構４によって第１電極２を第１金属板Ｐ１に向けて（つまり第２電極３に向けて）加圧する。

図３Ａに示すように、溶接の開始直後では、金属板が軟化していないため、第１電極２は第１金属板Ｐ１の表面に接触している。図３Ｂに示すように、溶接が進むと、第１金属板Ｐ１と第２金属板Ｐ２との界面にナゲットＮが生成される。

図３Ｃに示すように、さらに溶接が進むと、ナゲットＮが成長すると共に、第１金属板Ｐ１が軟化する。これに伴い、加圧機構４によって加圧されている第１電極２の先端が第１金属板Ｐ１内にめり込む。図３Ｄに示すように、ナゲットＮが十分に成長した時点で溶接が完了する。第１電極２の加圧は、溶接の完了まで継続される。

図３Ｅに、溶接開始から溶接完了までにおける、第１電極２の圧力の変化の一例を示す。図３Ｅのグラフの横軸は時間Ｔ、縦軸は圧力Ｐである。図中の時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、それぞれ、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの状態となるタイミングを示している。

ワークＷの溶接は、圧力が設定圧力Ｐ１まで上昇した時刻Ｔ０で開始される。その後、時刻Ｔ３以降では第１電極２の第１金属板Ｐ１へのめり込みに伴い、シリンダ４３内のピストン４１が下方に移動する。これにより、シリンダ４３の内部空間の圧力が低下するため、第１電極２の圧力も低下する。

一方で、シリンダ４３の内部空間の圧力低下を受けて第１通気部４４の第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂから空気が第１領域Ａ１に供給される。その結果、第１領域Ａ１の圧力が設定圧力Ｐ１まで速やかに回復する。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）加圧機構４のシリンダ４３において、第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂによって第１電極２を加圧する際の空気の供給量又は排出量が大きくなるため、第１電極２の加圧時間が短縮される。

つまり、軟化した第１金属板Ｐ１に第１電極２が押し込まれた後における第１電極２の第１金属板Ｐ１に対する圧力の回復時間が短縮される。そのため、スパッタの発生による溶接不良を抑制できる。

（１ｂ）溶接時に高い圧力で電極を押し付ける必要があるために圧力低下によるスパッタが発生しやすい高張力金属板に対して、スパッタの発生による溶接不良を的確に抑制できる。

（１ｃ）第１通気部４４がシリンダ４３の内部空間に連通する第１空気路４４Ａ及び第２空気路４４Ｂで構成されることで、的確に第１電極２の加圧時間を短縮できる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置において、第１通気部は３以上の空気路を有してもよい。また、第２通気部が複数の空気路を有してもよい。例えば、図４Ａに示すように、シリンダ４３が第４開口４３Ｄをさらに有し、第２通気部４５が第４開口４３Ｄに連結された第４空気路４５Ｂをさらに有してもよい。

さらに、第２通気部が複数の空気路で構成される場合、第１通気部は必ずしも複数の空気路を有しなくてもよい。例えば、図４Ｂに示すように、第２通気部４５が第３空気路４５Ａ及び第４空気路４５Ｂで構成される一方で、第１通気部４４が第１空気路４４Ａのみで構成されてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置において、第１電極及び第２電極の双方が空気圧によって加圧されてもよい。つまり、抵抗スポット溶接装置は、第２電極を第２金属板に向けて加圧する加圧機構をさらに備えてもよい。

（２ｃ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置において、３枚以上の金属板が重ね合わされたワークが用いられてもよい。つまり、第１金属板と第２金属板との間に１枚以上の金属板が配置されてもよい。

（２ｄ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置において、第１電極及び第２電極によってワークを挟む方向は必ずしも鉛直方向でなくてもよい。ワークが挟まれる方向は、水平方向であってもよいし、鉛直方向及び水平方向の双方に交差する方向であってもよい。

（２ｅ）上記実施形態の抵抗スポット溶接装置において、第１金属板及び第２金属板の双方の引張強さが１８００ＭＰａ未満であってもよい。

（２ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…抵抗スポット溶接装置、２…第１電極、３…第２電極、４…加圧機構、５…本体、
４１…ピストン、４２…ロッド、４３…シリンダ、４３Ａ…第１開口、
４３Ｂ…第２開口、４３Ｃ…第３開口、４３Ｄ…第４開口、４４…第１通気部、
４４Ａ…第１空気路、４４Ｂ…第２空気路、４５…第２通気部、４５Ａ…第３空気路、
４５Ｂ…第４空気路。

Claims

複数の金属板が重ね合わされたワークを溶接するように構成された抵抗スポット溶接装置であって、
前記複数の金属板のうち第１金属板に接触するように構成された第１電極と、
前記複数の金属板のうち第２金属板に接触し、前記第１電極と共に前記ワークを挟むように構成された第２電極と、
空気圧によって前記第１電極を前記第１金属板に向けて加圧するように構成された加圧機構と、
を備え、
前記加圧機構は、
前記第１電極に連結されたピストンと、
前記ピストンが収容された内部空間を有するシリンダと、
前記第１電極を加圧するための空気を前記内部空間へ供給するように構成された第１通気部と、
前記第１電極の加圧に伴い前記内部空間から空気を排出するように構成された第２通気部と、
を備え、
前記第１通気部及び前記第２通気部はそれぞれ、前記内部空間に連通する２つ以上の空気路で構成され、
前記第１通気部の前記２つ以上の空気路の口径の総計と、前記第２通気部の前記２つ以上の空気路の口径の総計とは等しく、
前記第１通気部の前記２つ以上の空気路は、前記シリンダの径方向において互いに対向する開口にそれぞれ接続され、
前記第２通気部の前記２つ以上の空気路は、前記シリンダの径方向において互いに対向する開口にそれぞれ接続される、抵抗スポット溶接装置。
請求項１に記載の抵抗スポット溶接装置であって、
前記第１金属板及び前記第２金属板の少なくとも一方は、引張強さが１８００ＭＰａ以上である、抵抗スポット溶接装置。