JPH11285848A - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 限界のある現状の散り検出手法の欠点を除く
ため，温度変化に伴う溶接材料の物性変化に注目して理
論的な検討を行い，溶接中の動抵抗を連続計測すれば散
り発生の予兆が検出できることを見出し，散りの発生が
ほぼ完全に抑制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する。 【構成】 Ａ／Ｄコンバータを介して溶接電流とチップ
間電圧を高速に検出し，これを数値計算を利用した誘導
電圧分除去アルゴリズムと組み合わせてリアルタイムに
真のチップ間の動抵抗の連続計測を行い，この連続的に
計測された溶接現象に対応した動抵抗変化パターンの特
徴を抽出・分類することによって散り発生の予兆を検出
し，散りの発生前に散り発生の可能性を予測して制御信
号を出力し，これによって散り発生を抑制することを特
徴とする。この溶接方法によれば，溶接中の散りの予兆
をリアルタイムに検出でき，それにより溶接電流，また
は加えて加圧力を制御した結果，抵抗スポット溶接中の
散りの発生をほぼ完全に抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する利用分野】本発明は，抵抗スポット溶接
方法に関するもので，とくに生産工場での作業環境の大
幅な改善に役立つだけでなく，使用電力の低減にも役立
つスポット溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び問題点】抵抗スポット溶接用に開発さ
れた従来の散り検出方法では，計測値に含まれる誘導電
圧分を簡単な手段で除去する目的で溶接電流の各半サイ
クル毎の電流ピーク時期のごく一瞬のチップ間電圧やチ
ップホルダ間電圧をまず計測，この離散化された電圧値
をそのまま利用したり，この電圧値を各ピーク電流値で
除して抵抗値を求め，この半サイクル毎に離散化された
瞬時抵抗（電圧）値の時間的な変化（低下の程度）をみ
て散り発生が有ったかどうかを判断してきた。

【０００３】しかし，抵抗スポット溶接の散りは，通
常，この電流ピーク時期ではなく，情報としてこれまで
捨ててきた時期，すなわち，ピーク時期を少し過ぎた時
期に発生する。それで，この従来の方法では既に散りが
発生してしまってから半サイクル遅れた時点にならない
と散り発生が有ったかどうかの判断ができない。

【０００４】この関係で，現在市販されている従来技術
を元にした散り発生の検出方法を組み込んだ溶接制御機
器では，数溶接打点をグループと見なし，溶接打点全体
を平均的に見た散り発生の抑制しか出来ず，また，溶接
電流の過不足を実際の散りの発生率で推定する仕組みに
なっているため，散りの発生率を５０％以上抑制するこ
とが原理的に見て難しいのが実情である。

【０００５】しかし，生産現場の作業環境を改善すると
いう目的でこの散り発生率の抑制程度を見ると，散り発
生の伴う金属粉の絶対量から見れば５０％低減ではあま
り効果があったとは云えず，９９％以上のほぼ完全な散
り抑制策の開発が必要と判断される。

【０００６】本発明は，このように原理的にみて限界の
ある現状の散り検出手法の欠点を除くため，温度変化に
伴う溶接材料の物性変化に注目して理論的な検討を行
い，溶接中の動抵抗を連続計測すれば散り発生の予兆が
検出できることを見出し，これを実験的に確認して開発
されたもので，散りの発生がほぼ完全に抑制できる新し
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため次の技術的手段を講じてある。すなわち，Ａ
／Ｄコンバータを介して溶接電流とチップ間電圧を高速
に検出し，これを数値計算を利用した誘導電圧分除去ア
ルゴリズムと組み合わせてリアルタイムに真のチップ間
の動抵抗の連続計測を行い，この連続的に計測された溶
接現象に対応した動抵抗変化パターンの特徴を抽出・分
類することによって散り発生の予兆を検出し，散りの発
生前に散り発生の可能性を予測して制御信号を出力し，
これによって散り発生を抑制することを特徴とする。

【０００８】

【新手法の原理と問題解決の手順】抵抗スポット溶接の
散りには３種類あり，通電のごく初期に発生する表面散
りと中期に発生する表散り及び中散りがある。初期散り
とも呼ばれる表面散りは板（被溶接材）の表面状況や合
いが悪いことで発生するもので，通電初期の１ー２サイ
クルの溶接電流値を多少下げることによって溶接結果に
影響を与えずに抑制できる。

【０００９】また，中期の表散りはシリーズスポット溶
接特有のもので，トランス側電極の先端径を裏当て側電
極先端径に比べて大きくすることで解消できる。

【００１０】それで，ここでは３番目の接合界面から溶
接金属が飛び出すことによって発生する中散りの抑制を
対象とした。

【００１１】この中散りは，溶接部を押さえる電極の加
圧力が大きすぎて溶融金属が飛び出すというように従来
は一部で誤って理解されてきたが，数値計算を用いたシ
ミュレーションを行ってみると実は溶接ナゲット周辺部
の圧接部（コロナボンド部）が局所的に急速溶融して，
その内部のナゲット部の溶融金属が流出した結果として
生じる現象と理解・説明できる。

【００１２】この考えが妥当なことは，実際の散り限界
曲線の挙動が上記の原理に基づいて整理できるとした発
明者の以前の研究報告から確かめている。すなわち，溶
接部の温度脈動の程度によって中散り（以下 散りと呼
ぶ）発生の限界コロナボンド幅は変化するが，いずれに
せよこの幅がある程度以上狭くなると，図１に示すコロ
ナボンド部近傍での電流集中の程度が大きくなってコロ
ナボンド部での温度上昇が急速となり，このコロナボン
ド部が溶け，散りが発生することになる。

【００１３】このときチップ間抵抗を連続的に測れると
すると，数値計算から，図２に示すような動抵抗変化
が，散り発生の直前に認められた。この時間変化の程度
は，使用材料の物性値によって変わるが，金属では固有
抵抗が正の温度係数を持つ関係で，定性的には同様の傾
向を示す。

【００１４】そこで，動抵抗の連続計測を行い，この動
抵抗の連続的な変化パターンを観測して散りの発生を予
測することにした。このためには，ニューロ・ファジー
の手法を用いたパターン分類の方法を用いることにし
た。

【００１５】また推定精度の向上を目的として，数値計
算シミュレータを利用したコロナボンド部での温度上昇
程度の推測手法も併用することにした。この２つの判断
方法を併用すると，散り発生前にこの中散りの発生をほ
ぼ正確に予測できるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に，この発明の抵抗スポット溶
接方法の具体的な実施例について，図面を参照しつつそ
の詳細を説明する。

【００１７】図３は本発明方法を実施するための溶接シ
ステムの一例を示す電気ブロック図である。同図におい
て，１は溶接電源すなわちサイリスタ・コンタクタ，２
はタイマすなわち溶接制御装置，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，７は電
極，８は加圧アクチュェータ部，９は上部アーム，１０
は溶接電流とチップ間電圧のハード的な信号処理部，１
１はナゲットの形成状況と散りの発生をリアルタイムに
予測し，溶接電流と電極加圧力の制御信号を出すための
信号処理部である。

【００１８】図４は本発明の制御システムに組み込まれ
たリアルタイムに散り発生を予測するプログラムの動作
過程を表す流れ図を示す。また，図５はこの流れ図内の
「数値計算モデルを用いた溶接状態の推定」部の処理過
程を示す。

【００１９】被溶接材の材質や板厚，重ね枚数などの情
報がオンラインデータとして入力された後，通電を開始
し，溶接電流とチップ間電圧を検出する。まず同時刻の
溶接電流ｉとチップ間電圧ｖ（電極ホルダ電圧や，トラ
ンスの二次電圧でもよいがここではこれらを含めて，こ
の呼び方とする）を計測する。

【００２０】２個のＡ／Ｄコンバータを使用する場合は
電圧と電流を時々刻々に検出する。順次サンプルのＡ／
Ｄコンバータを利用する場合は，電圧，電流を一定の時
間間隔で繰り返し検出して，電圧値については電流計測
の前後の電圧値を平均して，電流計測時刻と同時刻の電
圧値ｖとして代表させる。

【００２１】次に，予備実験で定めておいた溶接機二次
回路の代表インダクタンス値（Ｌ＋Ｍ）を代入して，次
の（１）式を計算する。 ここで，ｄは微分演算子，ｔは計測時間

【００２２】次に，この動抵抗ｒの時間変化率を求め，
得られたパターンを分類し，その後，電流脈動に対する
温度脈動の遅れ時間から決まる所定の時間以内に散り発
生の可能性があるかどうかを推測する。このとき，推定
精度向上のために数値計算を用いた温度上昇程度の予測
結果も同時に利用する。

【００２３】そして散り発生の可能性がある場合は，溶
接電流を瞬時に減少させ，または加えて，電極加圧力を
少し増す。一方，散り発生の可能性が無い場合はそのま
ま計測を続ける。ただし，予め決めた一定打点数の予測
が外れた場合はそのデータを学習し，判定規則の修正を
行う。

【００２４】このような処理を通電期間中高速に繰り返
すことによってリアルタイムに散り発生が予測でき，ほ
ぼ確実に散りの発生を抑制できる溶接システムが実現で
きることになる。

【００２５】図６は散り発生限界電流直下の溶接条件
で，この散りが発生しない場合のチップ間動抵抗の測定
結果を示す。

【００２６】図７は散りの発生した場合のチップ間動抵
抗の計測結果の代表例を対比して示す。図７中の○で囲
んだ部分が散りの発生した時期を表している。

【００２７】図８は通電中の各半サイクルごとのチップ
間の動抵抗波形を模式的に示したものである。縦軸はチ
ップ間抵抗値，横軸は半サイクル中の時間である。散り
発生限界電流ぎりぎりの散りが出ない溶接条件の場合
は，各半サイクルごとのチップ間の動抵抗波形は図８の
示すパターン１-->パターン２-->パターン３-->パター
ン４の経過をたどり，通電中これを繰り返す。

【００２８】これに対し，散り発生限界電流を越えた溶
接条件で散りが発生した場合には，パターン１-->パタ
ーン３-->パターン２という過程をたどり，散り発生時
点ではパターン５となる（また，ナゲット寸法が不足な
場合はパターン１の出現時期が遅れる）。

【００２９】この半サイクル毎のチップ間抵抗の時間変
化パターンをリアルタイム分類し，このパターンの出現
順序を基本パターンと比較すると，各半サイクル毎の動
抵抗のパターン変化順序から散りが発生する条件かどう
かが判断できることになる。具体的には，このパターン
分類をファジー手法を用いて行い，このファジー分類を
行うためのメンバーシップ関数の形は予備実験結果を利
用したニューラルネットワーク学習の手法で決定した。

【００３０】また，数値計算モデルを用いた抵抗溶接状
態の推定は，本発明者が本発明出願日以前に特許出願
し，すでに公告された特公平７―１６７９１号公報「抵
抗スポット溶接方法」に記載したシミュレーション手法
のフロチャートにコロナボンド部の温度上昇を予測する
過程を追加して利用した。

【００３１】散りの発生が予測され，これを防止するた
めの溶接電流の低下程度，または加えてと電極加圧力の
増加を行う場合はその増加程度の決定は，散り発生時の
推定ナゲット寸法と要求ナゲット寸法の差異の大きさと
散り発生時期を入力情報にしてファジー制御の手法で行
った。

【００３２】また，電極消耗に伴う電流密度低下に対す
る補償は上記公報に開示されたナゲットシミュレータの
出力結果を利用した。結果として，新品電極やドレッシ
ング後の電極を取付けて，通電初期の電流通路が狭くな
っている場合には，通電初期の電流密度が過大となり，
通電開始が１〜２サイクル以内に散りの発生する溶接条
件に合わせておいても，自動的に溶接電流が調整され，
ほぼ散りの発生しない溶接が実現できる。

【００３３】図９に，制御を全くしない場合，溶接後に
散り発生の有無を判断して溶接電流をグループ制御して
平均的な散り発生率を抑える従来技術を利用した結果，
及び，本発明による結果を対比して示す。顕著な効果の
あることが分かった。

【００３４】なお，電極交換直後のこの１サイクル程度
以内の通電時間に発生した散りは電極交換直後の溶接電
流を多少低めに設定することによって完全に抑制できる
ので，実用上は問題とならない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように，本発明の抵抗スポット溶
接方法を用いれば，溶接中の散りの予兆をリアルタイム
に検出でき，それにより溶接電流，または加えて加圧力
を制御した結果，抵抗スポット溶接中の散りの発生をほ
ぼ完全に抑制することができるようになった。しかも，
リアルタイムに溶接状態を検出，制御動作が行なえるた
め，材料の合いの問題など現場的な不確定要因に対して
も安定に対応できる性能を有しており，このシステムは
実験室だけでなく現場にも十分対応できる性能を持って
いるといえる。これは，抵抗スポット溶接現象の詳細な
観察と正しい現象の理解の賜として実現されたものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】接合部の用語の定義とこの接合界面での電流密
度分布の半径方向分布パターンを示す。

【図２】シミュレーション結果によって求めた散り発生
時のチップ間動抵抗変化の状態を示す。

【図３】本発明の溶接システムの実施例の一例を示す。

【図４】本発明の情報処理部の過程を表す流れ図を示
す。

【図５】この図４の中の数値計算モデルを用いた溶接状
態の推定を行う部分の詳細を表す流れ図を示す。

【図６】散りの発生限界電流直下で散りの発生が見られ
ないときのナゲット形成過程のモニタリング結果とその
ときの動抵抗波形の変化を溶接電流波形とともに表して
いる。

【図７】散りの発生したときの同じ関係を示す。

【図８】各半サイクル毎に見られる動抵抗波形の変化パ
ターンの特徴を分類して模式的に示したものを示す。

【図９】本発明のシステムを利用して得られた散り抑制
効果の評価結果の例を表している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａ／Ｄコンバータを介して溶接電流とチ
   ップ間電圧を高速に検出し，これを数値計算を利用した
   誘導電圧分除去アルゴリズムと組み合わせてリアルタイ
   ムに真のチップ間の動抵抗の連続計測を行い，この連続
   的に計測された溶接現象に対応した動抵抗変化パターン
   の特徴を抽出・分類することによって散り発生の予兆を
   検出し，散りの発生前に散り発生の可能性を予測して制
   御信号を出力し，これによって散り発生を抑制すること
   を特徴とする抵抗スポット溶接方法。