KR20150121262A - 저항 스폿 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

저항 스폿 용접 시스템에 있어서, 테스트 용접시에, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 용접 중의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 순시 발열량의 시간 변화를 계산하고, 기억시키는 수단과, 상기 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화에 의거하여, 테스트 용접 후의 외부로부터의 입력에 의해, 통전 패턴을 복수의 스텝으로 구획하고, 각 스텝마다의 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키는 수단과, 본 용접시에, 목표값으로서 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 용접을 개시하고, 어느 하나의 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 목표의 시간 변화 곡선으로부터 어긋난 경우에, 그 차를 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하고, 해당 스텝의 목표 누적 발열량과 일치하도록 순시 발열량 및 누적 발열량을 발생시키도록 용접 중에 용접 전류 또는 전압을 조정하는 적응 제어 수단을 마련하고, 전극 선단의 마모나 외란의 존재에도 유효하게 대응하여, 양호한 너깃을 얻는다.

Description

저항 스폿 용접 시스템{RESISTANCE SPOT WELDING SYSTEM}

본 발명은 통전 패턴이 2단 이상의 다단 스텝 통전을 실행하는 저항 스폿 용접 시스템에 관한 것으로서, 특히 각 스텝에 있어서 적응 제어 용접을 활용하는 것에 의해 적정한 너깃(nugget)의 형성을 가능하게 하도록 하는 것이다.

중첩한 강판끼리의 접합에는 일반적으로 중첩 저항 용접법의 일종인 저항 스폿 용접법이 이용되고 있다.

이 용접법은 중첩한 2개 이상의 강판을 사이에 두고, 그 상하로부터 한쌍의 전극으로 가압하면서 상하 전극간에 고전류의 용접 전류를 단시간 통전하여 접합하는 방법이며, 고전류의 용접 전류를 흘림으로써 발생하는 저항 발열을 이용해서 점형상의 용접부가 얻어진다. 이 점형상의 용접부는 너깃이라 불리며, 중첩한 강판에 전류를 흘렸을 때에 강판의 접촉 개소에서 양 강판이 용융하고, 응고한 부분이며, 이것에 의해 강판끼리가 점형상으로 접합된다.

양호한 용접부 품질을 얻기 위해서는 너깃 직경이 적정한 범위에서 형성되는 것이 중요하다. 너깃 직경은 용접 전류, 통전 시간, 전극 형상 및 가압력 등의 용접 조건에 따라 정해진다. 따라서, 적절한 너깃 직경을 형성하기 위해서는 피용접재의 재질, 판 두께 및 중첩 개수 등의 피용접재 조건에 따라, 상기의 용접 조건을 적정하게 설정할 필요가 있다.

예를 들면, 자동차의 제조시에는 1대당 수 천점이나 하는 스폿 용접이 실시되고 있으며, 또 차례차례로 흘러 오는 피처리재(워크)를 용접할 필요가 있다. 이 때, 각 용접 개소에 있어서의 피용접재의 재질, 판 두께 및 중첩 개수 등의 피용접재 조건이 동일하면, 용접 전류, 통전 시간, 전극 형상 및 가압력 등의 용접 조건도 동일하게 된다. 그러나, 연속된 용접에서는 전극의 피용접재 접촉면이 점차 마모되어 접촉 면적이 초기 상태보다 점차 넓어진다. 이와 같이 접촉 면적이 넓어진 상태에서, 초기 상태와 동일한 값의 용접 전류를 흘리면, 피용접재 중의 전류 밀도가 저하되고, 용접부의 온도 상승이 낮아지기 때문에, 너깃 직경은 작아진다. 이 때문에, 수백∼수천점의 용접마다 전극의 연마 또는 교환을 실행하며, 전극의 선단 직경이 너무 확대하지 않도록 하고 있다.

그 밖에, 미리 정한 회수의 용접을 실행하면 용접 전류값을 증가시켜, 전극의 마모에 수반하는 전류 밀도의 저하를 보상하는 기능(스테퍼 기능)을 구비한 저항 용접 장치가 종래부터 사용되고 있다. 이 스테퍼 기능을 사용하기 위해서는 상술한 용접 전류 변화 패턴을 미리 적정하게 설정해 둘 필요가 있다. 그러나, 이 때문에, 수많은 용접 조건 및 피용접재 조건에 대응한 용접 전류 변화 패턴을 시험 등에 의해서 도출하기 위해서는 많은 시간과 코스트가 필요하게 된다.

또, 실제의 시공에 있어서는 전극 마모의 진행 상태에는 편차가 있기 때문에, 미리 정한 용접 전류 변화 패턴이 항상 적정하다고는 할 수 없다.

또한, 용접시에 외란이 존재하는 경우, 예를 들면, 용접하는 점의 근방에 이미 용접한 점(기 용접점)이 있거나, 피용접재의 표면 요철이 크고 용접하는 점의 근방에 피용접재의 접촉점이 존재하는 경우에는 용접시에 기 용접점이나 접촉점으로 전류가 분류한다. 이러한 상태에서는 소정의 조건으로 용접해도, 전극 바로 아래의 용접하고자 하는 위치에 있어서의 전류 밀도는 저하하기 때문에, 역시 필요한 직경의 너깃은 얻어지지 않게 된다.

이 발열량 부족을 보상하고, 필요한 직경의 너깃을 얻기 위해서는 미리 높은 용접 전류를 설정하는 것이 필요하게 된다.

상기의 문제를 해결하는 것으로서, 이하에 설명하는 바와 같은 기술이 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 추산한 용접부의 온도 분포와 목표 너깃을 비교하여 용접기의 출력을 제어하는 것에 의해서, 설정된 너깃이 얻어지도록 한 저항 용접기의 제어 장치가 기재되어 있다.

또, 특허문헌 2에는 용접 전류와 칩간 전압을 검출하고, 열전도 계산에 의해 용접부의 시뮬레이션을 실행하며, 너깃의 형성 상태를 추정하는 것에 의해서, 양호한 용접을 실행하도록 한 저항 용접기의 용접 조건 제어 방법이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는 피용접물의 판 두께와 통전 시간으로부터, 그 피용접물을 양호하게 용접할 수 있는 단위 체적당 누적 발열량을 계산하고, 계산된 단위 체적·단위 시간당 발열량을 발생시키는 용접 전류 또는 전압으로 조정하는 처리를 실행하는 용접 시스템을 이용하는 것에 의해, 피용접물의 종류나 전극의 마모 상태에 관계없이 양호한 용접을 할 수 있는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 평성9-216071호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 평성10-94883호 특허문헌 3: 일본국 특허공개공보 평성11-33743호

그러나, 특허문헌 1 및 2에 기재된 저항 스폿 용접 방법에서는 열전도 모델(열전도 시뮬레이션) 등에 의거하여 너깃의 온도를 추정하기 때문에, 복잡한 계산 처리가 필요하고, 용접 제어 장치의 구성이 복잡하게 될 뿐만 아니라, 용접 제어 장치 자체가 고가로 된다고 하는 문제가 있었다.

또, 특허문헌 3에 기재된 저항 스폿 용접 시스템에서는 누적 발열량을 목표값으로 제어함으로써, 전극의 마모 상태의 여하에 관계없이 항상 양호한 용접이 가능하게 된다. 그러나, 설정한 피용접재 조건과 실제의 피용접재 조건이 크게 다른 경우, 예를 들면 근방에 전술한 기 용접점 등의 외란이 존재하는 경우나, 발열량의 시간 변화 패턴이 단시간에 크게 변화하는 경우, 더 나아가서는 평량이 많은 용융 아연도금 강판의 용접의 경우 등에는 적응 제어를 추종할 수 없고, 필요로 하는 너깃 직경이 얻어지지 않거나, 과잉한 입열에 의해 흩어짐이 발생하는 경우가 있었다.

또한, 특허문헌 1∼3의 기술은 모두, 전극 선단이 마모된 경우의 변화에 대해서는 유효하기는 하지만, 기 용접점과의 거리가 짧은 경우 등, 분류의 영향이 큰 경우에는 어떠한 검토가 이루어져 있지 않으며, 실제로 적응 제어가 작동하는 않는 경우가 염려된다.

본 발명은 상기의 현상을 감안해서 개발된 것으로써, 다단 통전의 저항 스폿 용접에 적용할 수 있고, 또한 전극 선단의 마모나 외란의 존재에도 유효하게 대응하여, 양호한 너깃을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1．복수개의 금속판을 중첩한 피용접재를, 한쌍의 전극에 의해서 사이에 두고 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 시스템으로서, 본 용접에 앞서는 테스트 용접시에, 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 용접 중의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 순시 발열량의 시간 변화를 계산하고, 기억시키는 수단과, 상기 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화에 의거하여, 테스트 용접 후의 외부로부터의 입력에 의해, 통전 패턴을 복수의 스텝으로 구획하고, 각 스텝마다의 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키는 수단과, 계속되는 본 용접시에, 목표값으로서 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 용접을 개시하고, 어느 하나의 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 목표의 시간 변화 곡선으로부터 어긋난 경우에, 그 차를 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하고, 해당 스텝의 목표 누적 발열량과 일치하도록 순시 발열량 및 누적 발열량을 발생시키도록 용접 중에 용접 전류 또는 전압을 조정하는 적응 제어 수단을 구비하는 저항 스폿 용접 시스템.

2．상기 저항 스폿 용접 시스템은 용접 개시 후의 가압력 변화 상태를 검지하는 가압력 변화 상태 검지 수단을 더 구비하고, 이 가압력 변화 상태 검지 수단에 의해, 상기 테스트 용접에 있어서의 용접 중의 가압력이 미리 지정된 값으로 되는 타이밍을 구하고, 구해진 타이밍을, 상기 통전 패턴을 복수의 스텝으로 구획하는 시간으로서 입력하는 상기 1에 기재된 저항 스폿 용접 시스템.

본 발명에 따르면, 본 용접에 앞서, 이상적인 상태(판 간극이나 전극의 심 어긋남 등이 없는 상태)에서의 피용접재의 정전류 제어에 의한 용접을 실행하고, 적정한 너깃을 형성하는 조건을 발견하는 용접을 실행하는 공정을 밟고, 그것을 테스트 용접으로 해서, 용접 중의 순시 발열량의 시간 변화를 계산, 기억시키기 때문에, 통상의 저항 스폿 용접이 가능한 재료이면, 다음으로부터의 적응 제어형 저항 스폿 용접을 어떠한 강판에도 적용할 수 있다.

또, 기억된 순시 발열량의 시간 변화는 2단 이상의 복수의 스텝으로 분할되고, 각 스텝마다 순시 발열량의 시간 변화, 누적 발열량이 목표값으로서 새로이 기억되지만, 이 복수의 스텝으로의 분할하는 타이밍의 지정이 외부로부터의 입력에 의해 가능하기 때문에, 용접 중의 전류, 전극간 전압, 전극간 저항, 전극간 거리, 가압력 등의 파라미터를 모니터링하는 것에 의해, 모니터링의 결과로부터 작업자가 원하는 적절한 타이밍에서 테스트 용접을 복수의 스텝으로 용이하게 분할할 수 있다.

또한, 상기와 같이 분할된 각 스텝에 있어서, 각각의 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킴으로써, 본 용접에 있어서, 스텝마다의 누적 발열량이 보증된 다단 적응 제어 용접을 가능하게 했기 때문에, 전극 선단의 마모나 외란의 존재에도 유효하게 대응하여, 양호한 너깃을 얻을 수 있고, 또 다단 통전이 필요하게 되는 다단 저항 스폿 용접으로의 적응 제어 용접의 적용이 가능하게 된다.

또, 본 발명에 따라, 또한 용접 개시 후의 가압력 변화 상태를 검지하는 가압력 변화 상태 검지 수단을 구비한 경우, 이 가압력 변화 상태 검지 수단에 의해, 상기 테스트 용접에 있어서의 용접 중의 가압력이 미리 지정된 값으로 되는 타이밍을 측정한다. 그리고, 얻어진 타이밍을, 상기 테스트 용접에서 기억된 순시 발열량의 시간 변화를 복수의 스텝으로 구획하는 시간으로서 상기 저항 스폿 제어 장치에 입력되는 기구를 마련하는 것에 의해, 기 용접점과의 타점 간격이 좁은 경우와 같은 외란의 영향이 큰 워크에 대해서도, 필요한 너깃 직경을 안정하게 확보할 수 있는 다단 적응 제어형의 저항 스폿 용접을 실행함에 있어서, 적절한 다단 스텝 분할 타이밍을 자동적으로 얻는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따르는 저항 스폿 용접 시스템의 바람직한 형태를 나타내는 구성도이다.
도 2의 (a)는 테스트 용접을 실행했을 때의 용접부 단면이고, (b)는 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값, 누적 발열량 및 가압력의 추이를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따르는 2단 적응 제어 용접을 실행했을 때의 용접부 단면이고, (b)는 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 종래의 정전류 제어 용접을 실행했을 때의 용접부 단면이고, (b)는 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는 종래의 1단 적응 제어 용접을 실행했을 때의 용접부 단면이고, (b)는 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 저항 스폿 용접 시스템에서는 본 용접에 앞서, 테스트 용접을 실시하여, 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 기억시킨다. 그리고, 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화에 의거하여, 외부로부터의 입력에 의해, 통전 패턴을 복수의 스텝으로 분할하고, 각 스텝마다의 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킨다. 계속되는 본 용접에 있어서, 어느 하나의 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량에 목표값로부터의 차가 생겼다고 해도, 적응 제어 용접을 활용해서, 그 차를 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하고, 본 용접의 누적 발열량을 테스트 용접에서 구한 누적 발열량과 일치시킨다. 이렇게 해서, 전극 선단의 마모나 외란의 존재에도 유효하게 대응하여, 양호한 너깃을 얻는 점에 특징이 있다.

우선, 본 발명의 저항 스폿 용접 시스템을 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따르는 저항 스폿 용접 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

도면 중, '1'은 저항 스폿 용접 전원, '2'는 저항 스폿 용접 전원(1)에 제어 신호를 부여하는 제어부, '3'은 용접 전류의 검출부로서, 검출한 신호를 제어부(2)에 넣고 있다. '4'는 저항 스폿 용접 전원(1)의 출력에 접속된 2차 도체이며, 전극(7)에 통전하기 위해 전극(7)에 접속되어 있다.

'5'는 하부 암, '6'은 가압 실린더이며, 각각에 전극(7)이 부착되고, 전극(7)에 의해서 피용접재(8)가 협지된다. 하부 암(5)에는 왜곡 센서(9)가 부착되어 있다. '10'은 왜곡 센서(9)에 접속된 가압력 변화 상태 검지 수단으로 되는 가압력 입력 처리부로서, 이 가압력 입력 처리부(10)에서는 왜곡 센서(9)에서 검출한 왜곡을 A/D 컨버터를 통해 데이터화하고 있으며, 가압이 걸렸을 때의 암의 왜곡량으로부터 가압력을 산출하고, 용접 중의 가압력의 변화를 측정할 수 있는 구조로 되어 있다.

'11'은 전극(7)에 부착된 전극간 전압 검출선이며, 제어부(2)에 넣어져 있다. 제어부(2)에 있어서는 테스트 용접을 실행하는 모드와 본 용접을 실행하는 모드를 전환할 수 있다.

테스트 용접 모드에 있어서는 용접 전류 검출부(3)로부터 입력된 전류와, 전극간 전압 검출선(11)으로부터 입력된 전압으로부터 순시 발열량이 계산되고, 그 시간 변화가 기억된다.

기억된 순시 발열량의 시간 변화는 외부 입력 처리부(12)로부터 입력된 타이밍에서 복수의 스텝으로 분할되고, 각 스텝마다 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량이 목표값으로서 별도로 기억된다. 또한, 외부 입력 처리부(12)에의 입력은 사용자에 의한 분할 타이밍의 수치 입력 이외에, 가압력 입력 처리부(10)에서 용접 중의 가압력이 미리 지정된 값으로 되는 타이밍을 수집 데이터로부터 자동적으로 구하고, 그 수치를 자동적으로 입력하도록 구성되어 있어도 좋다.

지정하는 가압력은 1점에 한정되지 않으며, 필요에 따라 2점, 3점, 그 이상으로 복수 지정할 수 있다. 또, 여기서 모니터링하는 것은 가압력에 한정되지 않으며, 전극간 거리의 변화, 가압에 이용하고 있는 서보 모터의 엔코더로부터의 값, 저항값, 혹은 전류, 전압 등으로부터 어떠한 식으로 계산된 열량 등, 용접 중의 현상의 변화를 파악할 수 있는 것이면, 어느 것이라도 상관없다. 또한, 그들을 조합해서 복수의 파라미터를 모니터링하고, 많은 분할 타이밍을 마련하는 것은 용접 중의 현상의 변화에 응답성 좋게 적응 제어해 가게 되므로, 더욱 유효하다.

본 용접을 실행하는 모드에 있어서는 테스트 용접의 용접 조건에서 통전을 개시한다. 그 때, 제어부(2)에 있어서, 용접 전류 검출부(3)으로부터 입력된 전류와, 전극간 전압 검출선(11)으로부터 입력된 전압으로부터 순시 발열량을 샘플링 시간마다 계산하고, 각 시간에 있어서의 순시 발열량과 목표값을 비교한다. 그리고, 그 2개의 값에 차가 생긴 시점에서, 그 차에 따라 용접 전류를 제어하는 적응 제어 용접을 실행한다. 즉, 본 용접에 있어서의 각 스텝의 누적 발열량이 목표값으로서 기억된 각 스텝의 누적 발열량과 일치하도록, 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하도록 제어부(2)에서 적응 제어된 용접 전류가 피용접재(8)에 통전되도록 구성되어 있다.

다음에, 본 예의 동작에 대해 설명한다.

우선, 본 발명에 따르는 테스트 용접에 대해 설명한다.

피용접재와 동일한 강종, 두께의 시험을 갭이나 기 용접점으로의 분류가 없는 상태에서, 정전류 제어로 각종 조건에서 용접을 실행하고, 필요로 하는 너깃 직경이 얻어지는 용접 조건, 즉 적정한 가압력 F, 통전 시간 T 및 용접 전류 I를 찾아낸다.

또한, 용접기로서는 인버터 직류 저항 스폿 용접기가 바람직하며, 또 전극으로서는 DR형 선단의 크롬 동 전극이 유리하며 적합하다. 또한, 너깃 직경은 필(peel) 시험이나 너깃 중앙의 단면 관찰(피크르산 포화 수용액으로 에칭)에 의해 구할 수 있다.

이상의 실험 결과로부터, 테스트 용접 모드에서, 가압력 F, 통전 시간 T, 용접 전류 I로서 용접을 실행하고, 용접 중에 있어서의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 순시 발열량의 시간 변화를 기억시켜, 테스트 용접으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 전극간의 전기 특성은 전극간 저항 혹은 전극간 전압을 의미한다.

다음에, 본 발명에서는 통전 패턴을 2단 이상의 다단 스텝으로 분할한다. 또한, 4단, 5단, 혹은 그 이상으로 분할하는 것에 의해, 용접 중의 현상의 변화에 응답성좋게 적응 제어를 실행할 수 있지만, 2단, 3단 정도에서 원하는 효과를 얻는 것이 가능하다. 그래서, 여기서는 실용성을 고려하여, 2단 분할 및 3단 분할의 경우에 대해 설명한다.

·2단 분할의 경우

강판간에 용융부가 형성되기 시작할 때까지와, 그 이후의 너깃 성장 과정의 분기점인 강판간에 용융부가 형성되는 시점으로 하는 것이 바람직하다.

그 이유는 기 용접점으로의 분류는 전극 바로 아래에 안정된 통전 경로(용융부)가 형성될 때까지가 그 영향이 크기 때문에, 용융부가 형성될 때까지 단위 체적당 누적 발열량을 보증하도록 적응 제어 용접을 실행함으로써, 근방에 기 용접점이 존재해도 안정하게 통전 경로가 형성되고, 그 후의 제 2 스텝에서 안정된 너깃의 성장이 가능하게 되기 때문이다.

또한, 강판간에 용융부가 형성되기 시작하는 타이밍은 통전 시간을 변화시킨 용접을 실행하고, 그 필 시험에 의한 관찰이나, 용융부의 단면 관찰에 의해 판단할 수 있다.

·3단 분할의 경우

또, 피용접재가 도금 강판인 경우, 도금의 용융을 고려한 3단 분할로 하는 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 도금이 존재하는 경우, 분류의 영향이 크고, 그 결과, 전극 바로 아래에 안정된 통전 경로가 형성될 때까지의 현상이 크게 변화하기 때문이다. 도금의 융점은 강판보다 낮기 때문에, 통전을 개시하면 비로소 강판간의 도금이 용융에 이르고, 용융된 도금은 가압력에 의해 강판 사이로부터 일부가 토출된다. 이 때, 토출된 도금이 통전 면적을 넓히게 되기 때문에, 용접 중의 전극간 저항이 크게 감소한다. 한편, 피용접재의 고유 저항은 온도 상승과 함께 증가하기 때문에, 통전 시간과 함께 고유 저항값도 상승하며, 통전 면적 확대에 의한 전극간 저항의 감소로부터, 피용접재의 온도의 상승에 의한 전극간 저항의 상승이 생기게 되고, 그 후, 용융부가 형성되게 된다. 따라서, 도금이 용융되어 급격하게 통전 면적이 확대하는 단계와, 그 후의 통전에 의해 전극간에 안정된 통전 경로(용융부)가 형성될 때까지의 단계 및, 그 후의 너깃 성장 과정의 3단으로 용접 프로세스를 분할하여, 각각의 단계에서, 단위 체적당 누적 발열량을 보증하도록 적응 제어 용접을 실행함으로써, 도금 강판의 저항 스폿 용접으로 근방에 기 용접점이 존재해도, 안정하게 통전 경로가 형성되며, 그 후의 제 3 스텝에서 안정된 너깃의 성장이 가능하게 되기 때문이다.

상기와 같이 용접 상태의 변화에 대응하도록 다단 스텝으로 분할한 다단 적응 제어를 실행함으로써, 외란의 영향이 큰 워크에 있어서도 필요한 직경의 너깃을 안정하게 얻을 수 있게 된다. 테스트 용접에서 기억한 순시 발열량의 시간 변화는 외부 입력 처리부(10)로부터 입력된 타이밍에서 분할되고, 각 스텝마다 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량이 목표값으로서 기억되지만, 다단 스텝으로의 분할의 타이밍은 테스트 용접과 동일한 가압력 F 및 용접 전류 I 하에서 통전 시간을 변화시키면서 용접하고, 단면 관찰이나, 필 시험에 의해 용접 상태의 변화하는 타이밍을 찾아내면 좋다. 또, 용접 중의 전극간 저항, 전극간 전압, 전극간 거리, 가압력 등을 모니터링하고, 그 변화로부터 결정하는 방법도 유효하다.

일예로서, 용접 중의 가압력의 변화를 다단 스텝으로의 분할의 타이밍의 지표로 하는 경우에 대해 설명한다. 용접 중의 가압력의 변화는 하부 암(5)에 부착된 왜곡 센서(9)로부터 측정할 수 있다. 일반적인 저항 스폿 용접에서는 통전을 개시하면, 용접부의 온도 상승에 의해 용접부 부근이 열팽창하고, 그 결과, 협지해서 누르고 있는 전극부의 간극이 밀어 확대되며 실질의 가압력은 증가한다. 이윽고 파형의 피크를 나타내며, 용융부의 형성 및 피용접재의 연화에 의한 전극의 판재에의 함몰에 의한 가압력의 감소에 이르는 패턴을 나타내기 때문에, 피크를 나타낸 시점을 안정된 통전 경로의 형성 타이밍으로 고려할 수 있다. 여기서, 테스트 용접 모드에서의 용접시에, 가압력 입력 처리부(10)에서 용접 중의 가압력의 최대값이 얻어지는 타이밍이 수집 데이터로부터 자동적으로 구해지고, 그 수치가 외부 입력 처리부(12)에 자동적으로 입력되도록 용접 시스템을 구성하는 것에 의해, 효율적으로 다단 스텝으로 분할된 순시 발열량 및 누적 발열량의 목표값을 얻을 수 있다.

다음에, 본 용접을 실행한다.

본 용접은 상기의 테스트 용접에서 얻어진 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 용접을 개시하고, 어느 스텝에 있어서도, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선을 따르고 있는 경우에는 그대로 용접을 실행하고 용접을 종료한다.

단, 어느 하나의 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선으로부터 어긋난 경우에는 그 차에 따라 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실행하여, 본 용접에 있어서의 누적 발열량이 테스트 용접에서 미리 구한 누적 발열량과 일치하도록, 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하는 것이다.

이것에 의해, 전극 선단이 마모되거나, 외란의 존재하에 있어서도 필요한 누적 발열량을 확보하여, 적정한 너깃 직경을 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 발열량의 산출 방법에 대해서는 특히 제한은 없지만, 특허문헌 3에 그 일예가 개시되어 있으며, 본 발명에서도 이 방법을 채용하고, 단위 체적당 발열량 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로 할 수 있다.

이 방법에 의한 단위 체적당 누적 발열량 Q의 산출 요령은 다음과 같다.

2개의 피용접재의 합계 두께를 t, 피용접재의 전기 저항률을 r, 전극간 전압을 V, 용접 전류를 I로 하고, 전극과 피용접재가 접촉하는 면적을 S로 한다. 이 경우, 용접 전류는 횡단면적이 S이고, 두께 t의 기둥형상 부분을 통과하여 저항 발열을 발생시킨다. 이 기둥형상 부분에 있어서의 단위 체적·단위 시간당 발열량 q는 다음 식(1)에서 구할 수 있다.

q=(V·I)/(S·t)…(1)

또, 이 기둥형상 부분의 전기 저항 R은 다음 식(2)에서 구할 수 있다.

R=(r·t)/S…(2)

(2)식을 S에 대해 풀고 이것을 (1)식에 대입하면, 발열량 q는 다음 식(3)

q=(V·I·R)/(r·t²)

＝(V²)/(r·t²)…(3)

으로 된다.

상기 식(3)으로부터 명백한 바와 같이, 단위 체적·단위 시간당 발열량 q는 전극간 전압 V와 피용접물의 합계 두께 t와 피용접물의 전기 저항률 r로부터 산출할 수 있으며, 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S에 의한 영향을 받지 않는다.

또한, (3)식은 전극간 전압 V로부터 발열량을 계산하고 있지만, 전극간 전류 I로부터 발열량 q를 계산할 수도 있으며, 이 때에도 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S를 이용할 필요가 없다.

그리고, 단위 체적·단위 시간당 발열량 q를 통전 기간에 걸쳐서 누적하면, 용접에 가해지는 단위 체적당 누적 발열량 Q가 얻어진다. (3)식으로부터 명백한 바와 같이, 이 단위 체적당 누적 발열량 Q도 또 전극과 피용접재가 접촉하는 면적 S를 이용하지 않고 산출할 수 있다.

이상, 특허문헌 3에 기재된 방법에 의해서, 누적 발열량 Q를 산출하는 경우에 대해 설명했지만, 그 밖의 산출식을 이용해도 좋은 것은 물론이다.

또한, 본 발명에 있어서 외란은 전술한 용접점의 근방에 기 용접점이 있는 경우나 피용접재의 접촉점이 존재하는 경우 이외에, 전극의 손모 등을 들 수 있다.

또, 본 발명에 있어서의 테스트 용접에 관해서는 기 용접점 등의 외란이 없는 상태에서 실행하는 경우에 대해 설명했지만, 기 용접점이 있는 상태에서 실행해도, 테스트 용접과 본 용접의 상태의 차가 작아지고 적응 제어가 효과적으로 작동하기 쉬워질 뿐, 어떠한 문제는 없다.

<실시예>

<실시예 1>

피용접재로서, 연강(두께：1.6mm)을 준비하였다. 또, 용접 전류는 2단 통전 방식으로 실행하는 것으로 하였다.

이 피용접재를 2개 중첩으로 하고, 갭이나 기 용접점으로의 분류가 없는 상태에서 정전류 제어로 용접을 실행하고, 적절한 너깃 직경이 얻어지는 용접 조건을 구하였다. 용접기에는 인버터 직류 저항 스폿 용접기를 이용하고, 전극에는 DR형 선단 직경 6mm의 크롬 동 전극을 이용하였다. 또한, 용접 조건은 가압력은 3.43kN(350kgf), 통전 시간은 16cyc(50Hz(이후, 시간의 단위는 모두 50Hz에 있어서의 cycle 수로 함))의 일정으로 하고, 용접 전류를 각종 변경하여, 너깃 직경：4√t(t：판 두께)가 얻어지는 전류값을 구하였다. 이 예에서, 적정한 너깃 직경은 4√t=5.1mm로 된다.

그 결과, 6.2kA의 용접 전류에서 약 5.1mm의 너깃 직경이 얻어지는 것이 판명되고, 테스트 용접을 가압력 3.43kN, 통전 시간 16cyc, 용접 전류 6.2kA에서 실행하고, 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화를 기억시켰다.

이 테스트 용접을 실행했을 때의 용접부 단면을 도 2의 (a)에, 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값, 누적 발열량 및 가압력의 추이를 도 2의 (b)에 나타낸다.

다음에, 테스트 용접시의 가압력, 전류, 전압의 모니터링 결과로부터, 용접 중의 가압력이 피크값을 나타내는 4cyc를 용접 프로세스를 2단으로 분할하는 타이밍으로 해서, 외부 입력 처리부(12)로부터 제어부(2)에 입력하고, 4cyc까지를 제 1 스텝, 4cyc∼16cyc까지를 제 2 스텝으로 해서, 각각에 있어서 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로서 기억시켰다.

여기에, 이 테스트 용접에서 얻어진 제 1 스텝에서의 목표 누적 발열량은 138J, 제 2 스텝에서의 목표 누적 발열량은 167J이었다. 따라서, 최종적인 목표 누적 발열량은 305J로 된다.

다음에, 이하의 조건에서 본 용접을 실시하였다.

용접점의 근방에 미리 기 용접점(용접점 중앙 간격：7.5mm)이 존재하고, 분류의 영향이 큰 조건에서, 상기한 테스트 용접을 기준으로 해서 본 발명에 따르는 다단 적응 제어 저항 스폿 용접을 실행하였다. 즉, 테스트 용접에서 얻어진 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 저항 스폿 용접을 실행하였다.

도 3의 (a)에 그 때의 용접부 단면을, 또 도 3의 (b)에 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸다.

또, 비교를 위해, 용접점의 근방에 미리 기 용접점(용접점 중앙 간격：7.5mm)이 존재하는 동일한 조건에서, 정전류 제어의 저항 스폿 용접(비교예 1) 및 종래의 1단 통전에 의한 적응 제어 용접을 실행하였다. 정전류 제어 용접은 가압력：3.43kN(350kgf), 통전 시간：16cyc, 용접 전류：6.2kA의 조건에서 실행하였다. 또, 종래의 1단 통전에 의한 적응 제어 용접은 가압력：3.43kN(350kgf), 통전 시간：16cyc, 용접 전류：6.2kA의 조건에서 기 용접점이 없는 상태에서 실행한 1단 통전에 의한 테스트 용접을 기준으로 하고, 기 용접점이 있는 상태에서 1단 통전에 의한 적응 제어 용접을 실행하였다.

도 4의 (a)에 정전류 제어 용접을 실행했을 때의 용접부 단면을, 또 도 4의 (b)에 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸다.

또, 도 5의 (a)에 종래의 1단 통전에 의한 적응 제어 용접을 실행했을 때의 용접부 단면을, 또 도 5의 (b)에 그 때의 용접 전류값, 전기 저항값 및 누적 발열량의 추이를 나타낸다.

도 3의 (a)로부터 명백한 바와 같이, 본 발명예의 경우에는 누적 발열량이 테스트 용접의 경우와 동등하게 되도록 전류가 크게 변화해 있고, 그 결과, 너깃 직경도 5.0mm로 대략 목표와 같은 너깃을 얻을 수 있었다.

본 발명예에서는 특히 제 1 스텝의 전단에 있어서, 기 용접점에 기인한 분류의 영향을 받아 발열량의 부족이 보였지만, 제 1 스텝의 후단에서는 이 부족분을 보충하도록 용접 전류를 증가시켜 목표로 하는 발열량을 확보하고 있는 것을 알 수 있다.

여기에, 본 용접에 있어서의 제 1 스텝에서의 누적 발열량은 135J, 제 2 스에서의 누적 발열량은 172J이며, 테스트 용접과 대략 마찬가지의 누적 발열량 307J가 얻어지고 있다.

한편, 비교예 1의 정전류 제어 용접에서는 분류에 의해 총 입열이 부족하고, 4.0mm라고 하는 직경이 작은 너깃밖에 얻을 수 없었다.

또, 종래의 1단 통전에 의한 적응 제어 용접에서는 전류의 제어가 용접 현상의 변화에 대응할 수 없어, 누적 발열량이 테스트 용접보다 많아지고, 5.6mm로 너깃 직경이 과대하게 되어 있으며, 흩어짐이 발생하기 쉬운 상태로 되어 있었다.

다음에, 표 1에, 테스트 용접, 본 발명에 따르는 2단 적응 제어 용접, 종래의 정전류 제어 용접 및 종래의 1단 적응 제어 용접을 실시했을 때의 제 1 스텝(4 cyc째까지)의 누적 발열량을 각각 비교해서 나타낸다.

[표 1]

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명예에서는 4cyc째까지 테스트 용접의 누적 발열량과 동등한 누적 발열량을 부여할 수 있게 되어 있지만, 비교예 1의 정전류 제어 용접에서는 분류에 의한 발열량의 저하가 보였다. 또, 종래의 1단 적응 제어 용접에서는 적응 제어를 가하고 있음에도 불구하고, 정전류 제어 용접과 동등한 발열량밖에 주어져 있지 않은 것을 알 수 있다.

1; 저항 스폿 용접 전원
2; 저항 스폿 용접 전원에 제어 신호를 부여하는 제어부
3; 용접 전류의 검출부
4; 저항 스폿 용접 전원의 출력에 접속된 2차 도체
5; 하부 암 6; 가압 실린더
7; 전극 8; 피용접재
9; 왜곡 센서 10; 가압력 입력 처리부
11; 전극간 전압 검출선 12; 외부 입력 처리부

Claims (2)

1. 복수개의 금속판을 중첩한 피용접재를. 한쌍의 전극에 의해서 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 시스템으로서,
   본 용접에 앞서는 테스트 용접시에, 정전류 제어에 의해 통전해서 적정한 너깃을 형성하는 경우의 용접 중의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 순시 발열량의 시간 변화를 계산하고, 기억시키는 수단과,
   상기 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화에 의거하여, 테스트 용접 후의 외부로부터의 입력에 의해, 통전 패턴을 복수의 스텝으로 구획하고, 각 스텝마다의 순시 발열량의 시간 변화 및 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키는 수단과,
   계속되는 본 용접시에, 목표값으로서 기억시킨 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 용접을 개시하고, 어느 하나의 스텝에 있어서, 순시 발열량의 시간 변화량이 목표의 시간 변화 곡선으로부터 어긋난 경우에, 그 차를 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하고, 해당 스텝의 목표 누적 발열량과 일치하도록 순시 발열량 및 누적 발열량을 발생시키도록 용접 중에 용접 전류 또는 전압을 조정하는 적응 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 저항 스폿 용접 시스템은 용접 개시 후의 가압력 변화 상태를 검지하는 가압력 변화 상태 검지 수단을 더 구비하고,
   상기 가압력 변화 상태 검지 수단에 의해, 상기 테스트 용접에 있어서의 용접 중의 가압력이 미리 지정된 값으로 되는 타이밍을 구하고, 구해진 타이밍을, 상기 통전 패턴을 복수의 스텝으로 구획하는 시간으로서 입력하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 시스템.

Images