JPH04178275A - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は抵抗スポット溶接方法に関するものである。

（従来の技術及びその問題点） 抵抗スポット溶接用に開発された従来のモニタリングシ
ステムや適応制御システムは、被溶接材　゛の材質を亜
鉛めっき鋼板にするとほとんど役に立っていない。また
溶接電流と電極加圧力、及び通電時間の３大パラメータ
を直接的に制御する方式を採っているため、板厚が変化
すると基準となる標準溶接条件が大幅に変化してしまう
。このため溶接機の条件設定ダイヤルを一定にしたまま
で種々の材料を高品質に溶接し続けるという汎用性に冨
んだ溶接機システムも未だ実現されていない。

もちろん電極消耗に対応して溶接条件を自動的に補正す
る溶接システムは既にいくつか提案・実用されてはいる
が、このシステムでも被溶接材が混ざったり、板の合い
にばらつきが存在する場合には、充分な対応ができてい
ないのが実情である。

しかもこの従来の溶接品質保証・制御システムを利用す
るためには、それぞれの被溶接材料ごとに生産現場で予
備実験を行い、溶接品質とモニタリング量との関係を予
め求めておくという作業が不可欠となる。これは従来の
品質制御システムが基礎イメージと実験式だけを基にし
て制御アルゴリズムを作成していたために現れた欠点で
ある。

本発明は、このような「汎用性がない」　［制御則を被
溶接材料毎に実験で決めねばならない−１という従来シ
ステムの欠点を除くために理論式を基にして開発された
もので、物理モデルに基づいた制御則の決め方と、この
アルゴリズムを組込んで溶接品質を自動的に汎用性をも
ってリアルタイム制御することのできる新しいタイプの
抵抗スポット溶接方法を提供することを目的としている
。

（問題点を解決するための手段） そこでこの発明の抵抗スポット溶接方法は、溶接電流と
チップ間電圧を検出し、両投出値から熱伝導モデルに基
づいて母材温度分布を算出すると共に、この温度分布か
らナゲツト寸法特性値を推算し、推算結果を当該時点で
の基準値と比較して上記推算結果が基準値に近づくよう
に溶接電流及び／又は電極加圧力を制御し、また上記推
算されたナゲツト特性値が要求特性値に達したときに溶
接を終了すべく構成して成る抵抗スポット熔接方法であ
って、さらに溶接開始後の電極移動量を検出すると共に
、この電極移動量から把握される母材平均温度に基づい
て、当該時点での上記算出された母材温度分布を修正す
ることを特徴としている。

（作用） 上記抵抗スポット溶接方法においては、まず最初に被溶
接材の板厚は既知上して、室温の固有抵抗値と通電開始
時のチップ間抵抗値とからフリンジングの修正係数を考
慮して最初の通電径を決め、発熱密度を計算して一次元
熱伝導差分方程弐を解いて板厚方向の温度分布を決める
。また推算された溶接部平均温度を電極移動量から確認
し、誤差があれば修正する。そして次のステップのチン
プ間抵抗と、この温度分布で決まる平均固有抵抗から、
次ステツプの計算に使用する通電径を決め、温度分布を
計算するという作業を繰り返すことによって溶接部の状
態を高速に推測できるようになる。

（実施例） 次にこの発明の抵抗スポット熔接方法の具体的な実施例
について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

第１図において、１は抵抗溶接電源、２は溶接電源の制
御部、３は溶接電流検出部、４は二次導体、５は下部ア
ーム、６は被溶接材料、７は電極、８は加圧シリンダ、
９は上部アーム、１０は電空比例弁、１１は圧力センサ
、】２は電空比例弁の制御部、１３はチップ間電圧の検
出ケーブル、１４は電極移動量の検出器、１５は電圧加
圧力と電極移動量、チップ間電圧、溶接電流のハード的
な信号処理部、１６は通電径とナゲツト径、及び入熱密
度の推算部、１７は溶接電流値と電極加圧力の制御信号
の作成部である。

第２図に本発明の制御システムに組み込まれた数値計算
シミユレータ部の動作過程を表す流れ図を示す。被溶接
材の板厚又は重ね枚数がＣＡＤデータなどから入力され
た後、通電を開始し、この時検出されたチップ間電圧と
溶接電流、及び電極移動量とから溶接部の平均温度、通
電径とを順に同定し、この通電径とこれから求まる発熱
密度とを予め定めである標準通電径増大パターン及び標
準発熱密度パターンとに対比し、この結果を用いて溶接
電流と電極加圧力をリアルタイムに適応制御することを
繰り返して常に適正なナゲツト成長状況を確保し、同時
に行っているナゲツト寸法の予測結果によって通電の終
了時期を決定するという手順をこのシステムでは採って
いる。以下にその内容について詳述する。

まず最初に、使用部材の公称板厚と重ね枚数及び材質（
鋼とかアルミニウム合金という程度の区分）をＣＡＤデ
ータなどから入力する。板厚のデータが必要なのは、第
３図にみるように、抵抗スポット溶接では被溶接材中で
電流が広がり、この修正を行わないと正しい溶接部の発
熱密度が推定できなくなるためである。この修正比率は
、第４図に示すように、板厚と通電径の比率によって変
化する。材質は、本システムで採用する数値計算シミュ
レーションによるナゲツト形成状況同定プログラムのた
めに必要となる。また重ね枚数は溶接開始後求める総板
厚検出量と合わせてプレス加工などによる板厚変化と溶
接部がずれていないかの確認ムこ利用する。

次に溶接を開始し、予め決めた板厚と一致するかどうか
を確認すると共に、実加圧力と電極の移動量との関係を
計測して、板の合いが充分確保できる電極加圧力値を設
定する。これは現実の溶接部ではプレス精度の関係で被
溶接材の択一板間がうまく密着しない場合を避けるため
である。

そして次にこの確認された板厚と重ね枚数をもとに、予
め数値計算と実験によって決められている、第５図に示
すような好ましい標準通電径増大パターンと標準入熱密
度パターンを選定する。この通電径増大パターンと入熱
密度パターンとを選定しているのは、このような態様に
両者を制御すれば、溶接中にできるだけ散りが飛ばずに
、しかも第６図に示すようなナゲツト径の単調増加を示
す状況を作り出すことが可能であるためである。

例えばこの形の入熱密度制御を行うだけで、裸媚板に比
べて溶接性がかなり劣るとされている亜鉛めっき鋼板を
被溶接材に採用した場合にでも、第７図にみるように、
溶接可能電流域を従来の定電流電源を用いた場合（１）
に対して２倍にも拡大できている（ＩＩ）。

これだけの準備作業の終わった後に溶接部への通電を開
始する。そして本システムでは時々刻々のナゲツト径を
数値計算シミュレータ中でモニタリングし、推定ナゲツ
ト径が要求ナゲツト径より大きくなったとき、通電を終
了することによって良好な溶接部を信頼性をもって実現
できるようにしている。

しかしこのためには数値計算シミュレータによってナゲ
ツト径だけでなく、時々刻々の通電径や入熱密度も高精
度に推定することが要求される。

本システムではこの推定のために、チップ間電圧と溶接
電流値及び電極移動量とを検出し、これらの個数値計算
シミュレータに代入し、必要な情報を同定する作業を行
っている。

具体的に説明すると、溶接部の平均固有抵抗ｉが既知で
あるとすると代表通電径ｄｃは、但し、Ｒｏ　：電極の
抵抗分 Σｈｉ：総板厚 Ａ：第４図で示した電流法がりの修正係数 ＲＬｉｐ’チップ間抵抗（＝Ｖｔｉ、／Ｉ）Ｖ　ｔｉｐ
　　’チップ間電圧 １：溶接電流 から求まる。

通電開始時（ｔ＝０）にはνは室温の固有抵抗値で代用
できるので、Ｖ　ｔ　ｒ　ｐとＩだけで通電開始時の通
電径ｄｃが求まることになる。この通電径値は微小時間
ａｔ（０，０１秒程度）の間は一定と考えでもよいので
、このｄｃとＩだけを使ってΔを秒後の温度分布を数値
計算だけから求めることができることになる。

ここではこのΔを秒後の温度分布を（２）式に示す一次
元熱伝導方程式を差分化した差分式から求めている。な
おこの−次元化に 十ρδ２・・・（２） 但し、Ｃ：比熱、σ：密度、Ｋ：熱伝導率、ｔ：時間、
Ｘ：板厚方向の距離 θ：偏微分記号 よって計算の飛躍的な高速化が図れている。

このようにしてΔを秒後の溶接部温度分布が求まると、
この温度分布から各部の固有抵抗が定まり、βが計算さ
れる。そしてこのときのチップ間電圧と溶接電流値を検
出し、（１）式からｄｃを求め、（２）式の差分式から
さらにΔを秒後の１分布を求めるということを繰り返す
と、通電開始から任意の時刻までの通電径や溶接部温度
分布、入熱密度パターンが時々刻々同定できることにな
る。また各半径位置での加熱開始遅れ時間を考慮すると
正確なナゲツト径が推定できる。そしてここで求まった
通電径の値と入熱密度の値を、上で述べた標準通電径増
大パターンと標準入熱パターンに一致するように溶接電
流や電極加圧力を適応制御すると、第６図に示すような
ナゲツト成長パターンが実現でき、要求ナゲツト径と推
定ナゲツト径との対比から通電の終了時刻を決定できる
ことになる。

しかし現実の材料を溶接した場合には、板表面に残存す
る微小な凹凸や、裸鋼板と亜鉛めっき鋼板の混合打点６
二伴う電極先端表面の凹凸に起因して、いわゆる界面抵
抗が通電の初期の段階に出現し、チップ間抵抗による通
電径推定結果の信較性を下げる。そこで本発明では、こ
の通電初期での通電径推定結果の信顛性を上げるために
電極移動量の検出結果も合わせて利用している。

これはナゲツトが形成されていないような通電の極初期
の段階に限れば、電極移動量に代表通電面積を掛けた値
は電極も含めた溶接部全体の熱膨張量と密接に関連して
いるという原理に基づいている。全溶接に伴う電極移動
量をΔＰとすると、溶接部の周囲が拘束されている事実
を考えて熱膨張理論より ΔＥＯＣ３Ｅ　Ｓ　Ｔｄｘ　・・・（３）但し、冴は線
膨張率の平均値 という関係が得られる。

ここで溶接部の平均温度を〒とすると（３）式は、と書
き換えられ、第８図に示す関係が得られる。

この関係の比例定数を予め実験等で求めておくと、第９
図に示すような電極の移動量から溶接部の平均温度が同
定できることになる。差分式から推定される〒がこの（
４）弐から推算される値とほぼ一致すれば、もちろん推
定は正しいことになる。

しかし通電初期に限れば、この（４）式から推算した〒
の方が原理的に正しいので、両者が異なる場合には差分
式から推算した温度分布を通電の初期の段階だけこの（
４）式の〒に一致するように修正する。

このようにすれば界面抵抗の無視できない場合にも信輔
性をもって対応できる高性能な品質保証システムが確立
できることになる。

なお最初に板のなじみを確保したのはこの電極移動量の
検出によって通電初期の〒を正しく推定するためである
。

第１０図はこの入熱密度制御機能に加えて、ナゲツト径
推定機能を同時に働かせた場合の設定ナゲツト径と、こ
の溶接部の断面試験から求めたナゲツト径とを対比した
図である。○印は裸鋼板の場合、Δ印は亜鉛めっき鋼板
の場合をそれぞれ表している。被溶接材の種類によらず
設定ナゲツト径（＝通電終了時の推定ナゲツト径に等し
い）と断面試験から求めたナゲツト径とはよく一致し、
その誤差はほぼ０．５　ｔｔｍ程度以内であった。もち
ろんこの結果は、ナゲツト径のモニタリング部の精度評
価としてみても同様に当てはまる。

（発明の効果） 以上のようにこの発明の抵抗スポット溶接方法によれば
、タガネ試験や断面試験のような溶接部の破壊検査なし
に、しかもリアルタイムにナゲツト径を推測できる。ま
た溶接電流や電極加圧力を指定しなくても必要なナゲツ
ト径を指定するだけで適正な溶接条件を自動的に選んで
目的の溶接部を確保することができるようになる。これ
は従来に比べて多数のモニタリング量を検出し、これら
を数値計算シミュレータに代入してナゲツト径と通電径
をリアルタイムに同定するシステムとそのアルゴリズム
が通電径可変型の一次元熱伝導モデルから開発された結
果実現されたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溶接品質保証型抵抗スポット溶接
機の一例の構成図、第２図は本発明の制御部の制御アル
ゴリズムを示す流れ図、第３図は液中での電流通路の広
がりを示す説明図、第４図は実効電流密度推定のための
説明図、第５図は制御に用いる標準入熱密度パターンと
標ｍ１ｌｌ電径増大パターンの代表例、第６図はナゲツ
ト成長パターンの説明図、第７図は上記パターンの採用
による効果の説明図、第８図は電極移動量と平均温度と
の関係を示す説明図、第９図は電極移動量を経時的に示
す説明図、第１０図は本発明方法の効果の一例を示す説
明図である。 ３・・・溶接電流検出部、１３・・・チップ間電圧の検
出ケーブル、１４・・・電極移動量の検出器、１５・・
・電極加圧力と電極移動量、チップ間電圧、溶接電流の
信号処理部、１６・・・通電径とナゲツト径、及び入熱
密度の推算部、１７・・・溶接電流値と電極加圧力の制
御信号の作成部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、溶接電流とチップ間電圧を検出し、両検出値から熱
   伝導モデルに基づいて母材温度分布を算出すると共に、
   この温度分布からナゲット寸法特性値を推算し、推算結
   果を当該時点での基準値と比較して上記推算結果が基準
   値に近づくように溶接電流及び／又は電極加圧力を制御
   し、また上記推算されたナゲット特性値が要求特性値に
   達したときに溶接を終了すべく構成して成る抵抗スポッ
   ト溶接方法であって、さらに溶接開始後の電極移動量を
   検出すると共に、この電極移動量から把握される母材平
   均温度に基づいて、当該時点での上記算出された母材温
   度分布を修正することを特徴とする抵抗スポット溶接方
   法。