JP7635754B2

JP7635754B2 - ナゲット径の推定方法

Info

Publication number: JP7635754B2
Application number: JP2022085782A
Authority: JP
Inventors: 修平小倉; 智彦関口; 亨輔泉野; 知子小笠原; 優樹松木; 翔太江島; 瑞希兒玉; 泰明沖田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2025-02-26
Anticipated expiration: 2042-05-26
Also published as: JP2023173489A

Description

本開示は、ナゲット径の推定方法に関する。

抵抗溶接では、溶接対象となる２つの被溶接物（金属母材）を重ね合わせ、重ね合わせた被溶接物を、電極として機能する一対のチップにより挟んで電流を流し、被溶接物間にナゲットを形成して互いを接合させる。チップが摩耗することにより、チップと被溶接物との間の接触面積が大きくなる。これにより、接触抵抗が低下して発熱量が低下し、また、生じた熱の冷却（伝導）が進行する。特許文献１は、発熱量や冷却能力の差異に起因して被溶接物の膨張量が異なることを利用して、チップの摩耗状態を判断する技術を開示している。

特開２０２１－０４９５５９号公報

本願発明者らは、ナゲット径と、一対のチップを含む抵抗溶接に用いられる回路の電気抵抗値と、は相関があり、かかる電気抵抗値を利用してナゲット径を推定できることを見出した。しかし、回路の電気抵抗値は、特許文献１に開示されているようにチップの摩耗により減少する場合だけでなく、チップが欠けるなどして局所的に損傷が発生し、これによりチップと被溶接物との接触面積が小さくなることで増大する場合もある。このように様々な要因で回路の電気抵抗が変動し得るため、ナゲット径の推定精度が低下するおそれがある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法が提供される。この方法は、一対のチップを含む溶接回路に空通電を行い、第１回路抵抗値を測定する工程と、前記溶接回路の抵抗の基準値と、測定された前記第１回路抵抗値と、の比較を実行する工程と、被溶接物を前記一対のチップで挟んで通電を行い、第２回路抵抗値を測定する工程と、前記比較の結果と、測定された前記第２回路抵抗値と、を用いて、前記ナゲット径を推定する工程と、を備える。
この形態によれば、空通電を行って測定された第１回路抵抗値と抵抗の基準値との比較の結果を、第２回路抵抗値と共に用いてナゲット径が推定される。したがって、チップが局所的に損傷し回路抵抗値が上昇した場合であっても、ナゲット径の推定精度の低下を抑制することができる。これは、チップの局所的損傷による回路抵抗値の上昇が、比較の結果に反映されるためである。
本開示は、ナゲット径の推定方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ナゲット径の推定方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本実施形態における抵抗溶接装置の概略構成を示す図である。第１実施形態におけるナゲット径の推定方法を示す工程図である。未摩耗状態のチップと、摩耗状態のチップと、摩耗に加えて局所的に損傷したチップと、の一例を示す図である。チップの損傷径と第１回路抵抗値との関係を示すグラフである。第２回路抵抗値の補正の一例を示すグラフである。比較例によりナゲット径の推定を行った場合のナゲット径の推定値と実測値とを示すグラフである。実施形態の方法によりナゲット径の推定を行った場合の推定値と実測値とを示すグラフである。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１：装置構成：
図１は、本実施形態における抵抗溶接装置１００の概略構成を示す図である。抵抗溶接装置１００は、重ね合わせた複数の被溶接物Ｗ１，Ｗ２に電流を流すことでジュール熱を発生させ、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を接合させる装置である。抵抗溶接装置１００は、溶接ガン１０と、ロボット２０と、抵抗測定装置３０と、制御部４０と、を備える。

被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、例えばアルミまたは鋼などの金属材である。被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ同じ種類の金属材でもよいし、異なる種類の金属材でもよい。また、被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、２枚に限らず、３枚以上であってもよい。

溶接ガン１０は、ガン本体１と、一対の電極である上部電極２および下部電極３と、アクチュエータ４と、を備える。

上部電極２および下部電極３は、シャンク５ａ，５ｂと、チップ６ａ，６ｂと、ひずみセンサ７ａ，７ｂと、を備える。上部電極２は、ガン本体１の上部１ａにアクチュエータ４を介して装着されている。下部電極３は、ガン本体１の下部１ｂに配置されている。本実施形態において、上部電極２は、移動電極であり、下部電極３は、固定電極である。チップ６ａ，６ｂは、それぞれシャンク５ａ，５ｂの先端に取り付けられている。チップ６ａ，６ｂは、抵抗溶接を行う際に、被溶接物Ｗ１，Ｗ２と接触する。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、それぞれシャンク５ａ，５ｂの側面に取り付けられている。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、抵抗溶接時の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量および収縮量を計測する。ひずみセンサ７ａ，７ｂは、例えば被溶接物Ｗ１，Ｗ２の変位量を光学的に検知することができるセンサである。計測された膨張量および収縮量は、制御部４０に伝達される。

アクチュエータ４は、ガン本体１の上部１ａに取り付けられており、上部電極２を下部電極３に対して接触させる方向、または下部電極３から離間させる方向に移動させる。これにより、被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、抵抗溶接を行う際に、上部電極２および下部電極３に加圧されて挟持される。アクチュエータ４は、例えば、電動式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、または空圧式アクチュエータである。

ロボット２０は、例えば多関節ロボット等である。ロボット２０は、溶接ガン１０を水平方向及び鉛直方向に移動させ、溶接ガン１０を任意の回転軸を中心に回転させるように作動し、溶接ガン１０の位置および角度を変更する。

抵抗測定装置３０は、抵抗溶接装置１００における回路抵抗値を測定する。本実施形態において回路抵抗値とは、溶接ガン１０とロボット２０と抵抗測定装置３０と制御部４０とを含む系全体の抵抗値である。抵抗測定装置３０で測定された回路抵抗値は、制御部４０に伝達される。

制御部４０は、溶接ガン１０およびロボット２０の動作を制御する。具体的には、制御部４０は、上部電極２および下部電極３に流す電流値の調整と、アクチュエータ４の動作により被溶接物Ｗ１，Ｗ２に加えられる圧力の調整と、被溶接物Ｗ１，Ｗ２における上部電極２および下部電極３の打点位置の調整と、を実行する。制御部４０は、例えば、プロセッサおよびメモリを有するコンピュータによって実現される。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）によって構成され、メモリは、例えばＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）と、ストレージと、によって構成される。

上述した抵抗溶接装置１００により被溶接物Ｗ１，Ｗ２を溶接する場合、上部電極２および下部電極３に挟持された被溶接物Ｗ１，Ｗ２は、加圧されながら通電される。通電による抵抗発熱により被溶接物Ｗ１，Ｗ２が溶融し、その後凝固することで、被溶接物Ｗ１，Ｗ２が接合される。接合された被溶接物Ｗ１，Ｗ２の接合界面には、ナゲットが形成される。ナゲットは、被溶接物Ｗ１，Ｗ２の溶融部が冷却凝固した部分である。ナゲットの形状は、接合界面を中心面とする碁石状の形状である。

Ａ２．ナゲット径の推定方法：
図２は、第１実施形態におけるナゲット径の推定方法を示す工程図である。ナゲット径の推定方法は、抵抗溶接の信頼度を評価するために実行される。例えば、かかる推定方法により推定されるナゲット径が正常範囲内の値であれば、抵抗溶接の信頼度は高いと評価される。他方、正常範囲から外れた値であれば、抵抗溶接の信頼度は低いと評価される。

一対のチップ６ａ，６ｂを含む溶接回路に空通電を行い、第１回路抵抗値を測定する（ステップＳ１０５）。本実施形態において、溶接回路とは、一対のチップ６ａ，６ｂを含む抵抗溶接装置１００の系全体の回路のことをいう。また、本実施形態において、空通電とは、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を介さずに、上部電極２および下部電極３を接触させて、抵抗溶接装置１００に通電することをいう。

測定される第１回路抵抗値は、チップ６ａ，６ｂの状態によって変化する。図３は、未摩耗状態のチップ６ａ，６ｂと、摩耗状態のチップ６ａ，６ｂと、摩耗に加えて局所的に損傷したチップ６ａ，６ｂと、の一例を示す図である。チップ６ａ，６ｂは、抵抗溶接時に加圧され、通電により発生する熱が加えられる。加圧と加熱が繰り返し行われることで、被溶接物Ｗ１，Ｗ２との接触部が摩耗により略平面状になり、図３中央および右に示すように、摩耗部６２１，６３１が形成される。チップ６ａ，６ｂは、摩耗により被溶接物Ｗ１，Ｗ２との接触面積が大きくなるため、回路抵抗値が小さくなる。更に、チップ６ａ，６ｂは、摩耗に加えて、欠けなどの局所的な損傷が発生することで、摩耗部６３１に凹部６３２が形成される場合がある。図３右に示す凹部６３２は、平面視したときに略円形状であり、この直径を損傷径ｒｄと呼ぶ。図４は、チップ６ａ，６ｂの損傷径ｒｄと第１回路抵抗値との関係を示すグラフである。横軸は、損傷径ｒｄを示し、縦軸は、第１回路抵抗値を示す。チップ６ａ，６ｂは、摩耗に加えて局所的な損傷が発生することで、被溶接物Ｗ１，Ｗ２との接触面積が小さくなり、第１回路抵抗値が大きくなる。損傷径ｒｄが大きければ大きいほど、第１回路抵抗値も大きくなる。

溶接回路の抵抗の基準値と、測定された第１回路抵抗値と、の比較を実行する（ステップＳ１１０）。本実施形態において、溶接回路の基準値とは、摩耗のない一対のチップ６ａ，６ｂを用いて、溶接回路に空通電を行ったときの回路抵抗値である。第１回路抵抗値と基準値とを比較することで、チップ６ａ，６ｂの局所的な損傷による抵抗値の変化を調べることができる。ステップＳ１１０では、第１回路抵抗値を基準値で除算することで、基準値に対する第１回路抵抗値の比率（第１回路抵抗値／基準値）が計算される。

被溶接物Ｗ１，Ｗ２を一対のチップ６ａ，６ｂで挟んで通電を行い、第２回路抵抗値を測定する（ステップＳ１１５）。即ち、第２回路抵抗値とは、被溶接物Ｗ１，Ｗ２を抵抗溶接する際に計測される回路抵抗値のことをいう。

比較の結果と、測定された第２回路抵抗値と、を用いて、ナゲット径を推定する（ステップＳ１２０）。ナゲット径の推定は、ナゲット径を目的変数とし、抵抗溶接時の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の膨張量と、収縮量と、回路抵抗値と、を説明変数とする重回帰式により計算される。ここで、膨張量と収縮量が大きいほどナゲット径は大きく推定され、抵抗値が大きいほどナゲット径は小さく推定される。かかる重回帰式は、抵抗溶接を行った際の膨張量と、収縮量と、回路抵抗値とを実験データとして集計し、重回帰分析を行うことで得られる。かかる重回帰式を用いてナゲット径の推定を行う場合、チップ６ａ，６ｂの局所的な損傷による抵抗値の変化が考慮されていないため、ナゲット径の推定精度が低下するおそれがある。そこで、ステップＳ１１０の比較の結果を用いて、第２回路抵抗値の補正を行う。具体的には、ステップＳ１１０で得られた基準値に対する第１回路抵抗値の比率の逆数（基準値／第１回路抵抗値）を、第２回路抵抗値に乗算することで補正を行う。図５は、第２回路抵抗値の補正の一例を示すグラフである。横軸は、抵抗溶接を開始してからの時間を示し、縦軸は回路抵抗値を示す。図５では、抵抗溶接開始から２５０ｍｓ～３００ｍｓの抵抗値の平均値を、重回帰式の説明変数として用いる場合の補正の一例を示している。このように補正した第２回路抵抗値を説明変数として用いて、ナゲット径の推定を行う。

以上に説明した実施形態によるナゲット径の推定方法によれば、チップ６ａ，６ｂの損傷による抵抗値の変化分を補正した第２回路抵抗値を用いて、ナゲット径の推定を行っている。このため、チップ６ａ，６ｂの損傷による回路抵抗値の変動に起因するナゲット径の推定精度の低下を抑制することができる。

図６は、比較例によりナゲット径の推定を行った場合のナゲット径の推定値と実測値とを示すグラフである。比較例では、第２回路抵抗値を補正しないでナゲット径の推定の重回帰式に用いた。図７は、実施形態の方法によりナゲット径の推定を行った場合の推定値と実測値とを示すグラフである。図６および図７において、横軸は、ナゲット径の推定値を示し、縦軸は、ナゲット径の実測値を示す。また、図６および図７において、実線Ｌ１は、推定値と実測値とが一致する直線、即ち推定精度が１００％であることを示す直線である。破線Ｌ２は、推定値が実測値に対して１０％不足していることを示す直線である。破線Ｌ３は、推定値が実測値に対して１０％超過していることを示す直線である。ここで、推定精度は、実測値を基準とした推定値の割合をいう。推定精度は、－１０％～＋１０％の範囲内であることが望ましい。図６に示すように、比較例の場合、推定精度は－２１％～＋１６％の範囲内であった。推定値が実測値に対して不足しているデータが多い理由は、チップ６ａ，６ｂの局所的な損傷により抵抗値が大きくなることで、推定値が実際よりも小さく見積もられるためである。図７に示すように、実施形態の方法によれば、チップ６ａ，６ｂの損傷による抵抗値の上昇分を補正してからナゲット径の推定を行うので、推定精度が－９％～＋８％の範囲内である。これは、実施形態のナゲット径の推定方法により、チップ６ａ，６ｂが局所的に損傷した場合であっても、推定精度の低下が抑制されていることを示している。

また、本実施形態の方法によれば、ナゲット径の推定精度の低下を抑制することができるため、一定の水準を保ちながら溶接の信頼度を算出することができる。このため、従来行われている検査員による溶接後の超音波検査の工程を省略することができ、製造コストの低下を実現することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）第１実施形態において、回路抵抗値の基準値は、未摩耗状態の一対のチップ６ａ，６ｂを用いて空通電を行った際の回路抵抗値であったが、摩耗状態または局所的に損傷している一対のチップ６ａ，６ｂを用いて空通電を行った際の回路抵抗値であってもよい。例えば、１組の被溶接物Ｗ１，Ｗ２の溶接を終える毎に空通電を行い、その際に測定された回路抵抗値を次回推定時の基準値として用いてもよい。基準値は、溶接を終える毎に更新されてもよい。

（Ｂ２）各実施形態において、ナゲット径の推定は、制御部４０により行われてもよい。かかる場合、制御部４０は、メモリに記録されたプログラムを実行することで、ナゲット径の推定を行ってもよい。

（Ｂ３）各実施形態において、上部電極２が移動電極、下部電極３が固定電極である抵抗溶接装置１００について説明したが、この構成に代えて、上部電極２が固定電極、下部電極３が移動電極であってもよい。また、上部電極２および下部電極３の両方が移動電極であってもよい。

（Ｂ４）各実施形態において、ナゲット径の推定に用いる回路抵抗値（即ち第２回路抵抗値）は、抵抗溶接開始から２５０ｍ～３００ｍｓの時間の抵抗値の平均値を用いていたが、抵抗溶接開始から終了までの全範囲の時間の抵抗値の平均値を用いてもよい。また、任意の時間範囲の回路抵抗値の平均値を用いてもよい。また、平均値に代えて積分値を用いてもよい。

（Ｂ５）各実施形態において、膨張量および収縮量は、ひずみセンサ７ａ，７ｂにより計測されるが、これに代えて、移動電極の変位量を用いて膨張量および収縮量の計測を行ってもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…ガン本体、１ａ…上部、１ｂ…下部、２…上部電極、３…下部電極、４…アクチュエータ、５ａ，５ｂ…シャンク、６ａ，６ｂ…チップ、７ａ，７ｂ…ひずみセンサ、１０…溶接ガン、２０…ロボット、３０…抵抗測定装置、４０…制御部、１００…抵抗溶接装置、６２１…摩耗部、６３１…摩耗部、６３２…凹部、Ｗ１，Ｗ２…被溶接物、ｒｄ…損傷径

Claims

抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法であって、
一対のチップを含む溶接回路に空通電を行い、第１回路抵抗値を測定する工程と、
前記溶接回路の抵抗の基準値と、測定された前記第１回路抵抗値と、の比較を実行する工程と、
被溶接物を前記一対のチップで挟んで通電を行い、第２回路抵抗値を測定する工程と、
前記比較の結果と、測定された前記第２回路抵抗値と、を用いて、前記ナゲット径を推定する工程と、
を備える、ナゲット径の推定方法。