(57)【要約】【課題】本発明では、安価な方法により、溶接電極の先端部の摩耗の進行度を定量的に評価することを課題とする。【解決手段】第１の金属板１および第３の金属板３に対する加圧方向における、溶接電極１０の先端部の、図７（ａ）の基準位置からの変位量を変位量Ｘとし、この変位量Ｘにより、溶接電極１０の先端部の摩耗の進行度を評価する、インダイレクトスポット溶接用の溶接電極の先端形状の評価方法である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電極の被溶接部材に対する加圧通電時における、前記溶接電極の先端部の、前記被溶接部材に対する加圧方向の変位量により、前記溶接電極の先端部の凸形状を評価することを特徴とする、インダイレクトスポット溶接用の溶接電極の先端形状の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダイレクトスポット溶接用の溶接電極の先端形状の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車体を構成するパネルなどの金属板同士を接合するためのスポット溶接の一つとして、インダイレクトスポット溶接が用いられる。インダイレクトスポット溶接では、溶接電極を、金属板同士の接合予定部の片側から押し当てて加圧すると共に、接合予定部と異なる部位にアース電極を当接させた状態で、両電極間に通電することによって溶接を施す。
【０００３】
上記の溶接時において、溶接電極は、通電され、かつ、高温高圧下の状態に置かれるため、繰り返しの溶接により、電極の先端部が摩耗して扁平化したり、電極の先端部に金属片等が付着したりする。そして、このような状態の電極を使用し続けると、溶接不良の原因となるため、電極の先端を、切削や研磨等により定期的に整形する必要がある。
【０００４】
例えば特許文献1では、公知のチップドレッサーにより、スポット溶接に用いる電極の先端部を定期的に研磨することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３―０７１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車両の種類によって、溶接する金属板同士の板合わせの状態や板の材質等には違いがあり、溶接時に流れる電流の電流密度等の溶接条件にも大きな違いがある。このため、溶接電極の先端部の摩耗の早さも、生産される車両の種類に応じて変化する。例えば、溶接時に流れる電流の電流密度が相対的に大きい車種が、連続して生産された場合には、電極の先端部の摩耗も早くなる。
【０００７】
このため、決められた台数毎に研磨を行う等、定期的に溶接電極の研磨を行う方法では、溶接電極の先端部の摩耗の進行に合わせて、適切なタイミングで研磨を行うことができなかった。従って、研磨が遅れて溶接不良を生じたり、これとは反対に、溶接不良を確実に防ぐために過剰に研磨を行うことで、製造コストの増加につながってしまうという問題があった。
【０００８】
特にインダイレクトスポット溶接では、溶接電極の先端部の形状が溶接品質に与える影響が大きく、溶接不良を防止するために、頻繁に先端部を研磨する必要があった。これに対して、画像センサーによって溶接電極の先端部を撮影することにより、先端部の形状を評価し、研磨のタイミングを適切に評価することもできる。しかしこの場合、画像の撮影のための設備コストが大きくなってしまうという別の問題があった。
【０００９】
以上のように、適切なタイミングで溶接電極の研磨等の整形を行うために、安価な方法により、溶接電極の先端部の摩耗の進行度を定量的に評価することが課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、溶接電極の被溶接部材に対する加圧通電時における、前記溶接電極の先端部の、前記被溶接部材に対する加圧方向の変位量により、前記溶接電極の先端部の凸形状を評価するインダイレクトスポット溶接用の溶接電極の先端形状の評価方法であることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、インダイレクトスポット溶接において、溶接電極の被溶接部材に対する食い込み量が特に大きいこと、および、溶接電極の摩耗が進行してその先端部が扁平化するほど、溶接電極の被溶接部材に対する圧力が小さくなり、上記食い込み量が小さくなることの２点に着目し、溶接電極の溶接時の変位量を測定することにより、溶接電極の先端形状の変化を評価できる、という着想に至ったものである。
【００１２】
つまり、インダイレクトスポット溶接では、被溶接部材を一対の電極で挟み込んで溶接するダイレクトスポット溶接と比較すると、片側から溶接電極を押し当てて加圧するため、溶接電極の被溶接部材に対する食い込み量、つまり、溶接電極の溶接時における変位量の絶対値が大きい。このように、元々の絶対値が大きいため、溶接電極の摩耗が進行するに伴って、その変位量が顕著に減少することになる。
【００１３】
以上のことから、溶接電極の被溶接部材に対する加圧通電時の加圧方向の変位量と溶接電極の先端部の摩耗の進行度との間には、顕著な相関関係が得られる。従って、この変位量を測定することにより、溶接電極の先端部の凸形状の評価、つまり、凸形状の摩耗の進行度を定量的に評価することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安価な方法により、溶接電極の先端形状の変化を定量的に評価することができ、適切なタイミングで溶接電極を整形し、溶接品質の向上や製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】複数の金属板からなる部品に対してインダイレクトスポット溶接を施す様子を示す断面図である。
【図２】溶接電極の側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るインダイレクトスポット溶接方法の加圧通電パターンを示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ図３のＡ〜Ｅで示す時刻における接合予定部周辺の断面図である。
【図５】溶接電極の先端部が摩耗する様子を示す図である。
【図６】本実施形態の溶接電極により、溶接を施した様子を示す断面図であり、（ａ）図は図５（ａ）の溶接電極、（ｂ）図は図５（ｂ）の溶接電極を用いた場合をそれぞれ示す。
【図７】溶接電極の変位量を示す図である。
【図８】各溶接電極の時間経過による変位量の変遷を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
本実施形態では、自動車の車体の組立工程において行われるインダイレクトスポット溶接方法を示す。具体的には、例えば図１に示すような車体の骨格部品（被溶接部材）１００を溶接する場合を示す。この骨格部品１００は、図１の紙面直交方向に延びるフレーム状の部品である。骨格部品１００は、略平板状を成した第１の金属板１と、断面ハット形状を成した第２の金属板２と、第１の金属板１と第２の金属板２とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第３の金属板３とで構成される。
【００１８】
第１の金属板１と第２の金属板２のフランジ部２ａとは、ダイレクトスポット溶接によって予め溶接された既溶接点Ｑ１を介して、接合されている。第２の金属板２の底部２ｂと第３の金属板３のフランジ部３ａとは、ダイレクトスポット溶接によって予め溶接された既溶接点Ｑ２を介して、接合されている。
【００１９】
被溶接部材としての第３の金属板３の天板部３ｂと第１の金属板１とが、本発明の一実施形態に係るインダイレクトスポット溶接方法により接合される。具体的には、第１の金属板１と第３の金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐを、厚さ方向一方側（図中上側）から溶接電極１０で加圧すると共に、骨格部品１００の接合予定部Ｐと異なる部位である被当接部位Ｒに、アース電極２０を当接させた状態で、両電極１０，２０間に通電することにより、接合予定部Ｐを溶接する。図示例では、第２の金属板２の底部２ｂに下方からアース電極２０を当接させている。
【００２０】
このインダイレクトスポット溶接方法は、上記の溶接電極１０及びアース電極２０を有するインダイレクトスポット溶接装置と、インダイレクトスポット溶接装置に接続され、溶接電極１０の加圧力及び両電極１０，２０間の電流値を制御する制御装置とを備えた設備で行われる。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極１０を軸線方向に駆動して金属板を加圧する加圧手段を備える。加圧手段としては、エアシリンダや電動シリンダを使用することができ、本実施形態ではエアシリンダが使用される。
【００２１】
溶接電極１０の先端には、図２に示すように、平坦面１１と、平坦面１１の外周側に連続して設けられたテーパ面１２とを有し、先端が先細りする凸形状をしている。溶接電極１０の先端の形状はこれに限らず、例えば曲面によって構成される先細りの凸形状を有していてもよい。
【００２２】
本実施形態では、制御装置からの指令により、図３に示す加圧通電パターンに従って溶接が行われる。以下、この加圧通電パターンを詳しく説明する。
【００２３】
［第１のステップＳ１］
第１のステップＳ１では、溶接電極１０で接合予定部Ｐを、相対的に高い第１の加圧力Ｆ１で加圧する。これにより、金属板１，３間の隙間を詰めて両金属板１，３を確実に接触させると共に、溶接電極１０と第１の金属板１との接触面積、及び、第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積を確保することができる。この状態で、電極１０，２０間に、相対的に低い第１の電流値Ｃ１を通電することにより、電流密度を抑えて金属板１，３表面の溶融飛散を防止しながら、金属板１を軟化させて、溶接電極１０と第１の金属板１との接触面積、及び、第１の金属板１と第３の金属板３との接触面積を拡大することができる｛図４（ａ）参照｝。尚、図４に散点で示す領域は、熱影響部である。
【００２４】
［第２のステップＳ２］
第２のステップＳ２では、始めに、溶接電極１０に加圧力を付与する加圧手段に対して加圧力低下の指令を出す（図３参照）。このとき、加圧手段の構造上、指令を受けると同時に実際の加圧力がＦ１からＦ２まで瞬時に降下するのではなく、Ｆ１からＦ２まで徐々に低下する移行期間が必然的に設けられる。特に、本実施形態のように、溶接電極１０の加圧手段としてエアシリンダを用いた場合、例えば電動シリンダを用いた場合と比べて加圧力変化のレスポンスが悪く、加圧力の降下に時間がかかり、且つ、加圧力の値が不安定になる。このように加圧力が不安定な状態で高電流値を通電すると、通電状態（電流密度）が不安定となり、溶接状態にバラつきが生じる恐れがある。
【００２５】
そこで、第２のステップＳ２では、加圧力をＦ１からＦ２まで降下させながら、第１のステップの電流値Ｃ１よりもさらに低い電流値Ｃ２で通電する。このように、加圧力が不安定な状態での投入熱量を抑えることで、溶接電極１０及び金属板１，３を適度に冷却あるいは保温してヒートバランスを調整することができる。このとき、加圧力が降下している全期間で電流値を抑える（Ｃ２にする）ことが好ましく、図示例では、加圧力が降下している期間と電流値Ｃ２で通電する期間とが一致している。この第２のステップＳ２では、金属板１，３の接合予定部Ｐ周辺の状態はほとんど変化しない｛図４（ｂ）参照｝。
【００２６】
［第３のステップＳ３］
その後、加圧手段の加圧力を検知する加圧力検知部（図示省略）が、加圧力がＦ２まで降下したことを検知したら、電流値を上昇させる。本実施形態では、加圧力がＦ２まで降下すると同時に、電流値を上昇させる（図３参照）。このとき、第２のステップＳ２の低電流値Ｃ２から、ナゲットを形成する本通電の電流値（次の第４のステップＳ４の電流値Ｃ４）まで一気に高めると、スパッタが発生する恐れがある。そこで、第３のステップＳ３において、低加圧力Ｆ２で加圧しながら、まずは本通電の電流値Ｃ４よりも低い電流値Ｃ３で通電することにより、金属板１，３を軟化させてこれらの接触面積を拡大することができる｛図４（ｃ）参照｝。
【００２７】
［第４のステップＳ４］
こうして金属板１，３同士の接触面積を確保した状態で、続く第４のステップＳ４で本通電の電流値Ｃ４まで上昇させて通電する（図３参照）。これにより、スパッタを発生させることなくナゲットの種（所望の大きさには至らないナゲット）を確実に形成することができる｛図４（ｄ）参照｝。図示例では、第４のステップＳ４で、両金属板１，３の接合予定部Ｐに環状のナゲットＮが形成される。
【００２８】
［第５のステップＳ５］
上記のステップＳ４でナゲットの種を形成した後、第５のステップＳ５で、溶接電極１０により第２の加圧力Ｆ２で加圧しながら、両電極１０，２０間に、第４の電流値Ｃ４よりも低い第５の電流値Ｃ５を通電する（図３参照）。図示例では、第５の電流値Ｃ５が、第３の電流値Ｃ３よりも低く、さらには第１の電流値Ｃ１よりも低い。また、第５の電流値Ｃ５は、第２の電流値Ｃ２よりも高い。この第５のステップＳ５により、金属板１，３への投入熱量を抑えながら、第４のステップＳ４で加熱した金属板１，３の予熱を利用して、ナゲットの状態を安定化させることができる｛図４（ｅ）参照｝。図示例では、第４のステップＳ４で形成された環状のナゲットＮが第５のステップＳ５で内径側に成長し、中空部が埋められて略円盤状となる。
【００２９】
以上により、金属板１と金属板３の天板部３ｂとの接合予定部Ｐに、所望の大きさ及び形状（特に、金属板３への厚さ方向の溶け込み量）を有するナゲットＮが形成され、このナゲットＮを介して両金属板１，３が接合される。
【００３０】
ところで、溶接電極１０の先端部は、上記の溶接時に、通電された状態で高温高圧下に置かれるため、繰り返しの使用によって摩耗する。例えば、図２→図５（ａ）→図５（ｂ）のように、先端部が摩耗していく。そして、溶接電極１０の先端部の摩耗が進むほど、溶接電極１０の先端部に設けられた平坦面が、平坦面１１→１１’→１１’’のように、その幅が大きくなり、溶接電極１０の先端部が扁平化していく。
【００３１】
図６は、上記の摩耗した溶接電極を使用して、図３で示した加圧通電パターンに従って溶接を行った後の、溶接断面を示している。
図６（ａ）の場合（図５ａの溶接電極を使用した場合）、および、図６（ｂ）の場合（図５ｂの溶接電極を使用した場合）で共に、溶接電極１０の第１の金属板１および天板部３ｂに対する食い込み量が小さくなっている。つまり、図２→図５（ａ）→図５（ｂ）と、使用する溶接電極の摩耗が進んでその先端部が扁平化するほど、溶接電極１０が被溶接部材に与える圧力が小さくなり、図４（ｅ）→図６（ａ）→図６（ｂ）のように、溶接電極１０の第１の金属板１および天板部３ｂに対する食い込み量が小さくなる。なお、本実施形態の溶接電極１０は、設定される加圧力（図３参照）が同じであれば、エアシリンダによって一定の加圧力を付与されるため、溶接電極１０の先端部が扁平化するほど、溶接電極１０が被溶接部材に与える圧力は小さくなる。
【００３２】
このように、溶接電極１０の圧力が小さくなると、溶接時に第１の金属板１と天板部３ｂとが十分に接触しなくなる等、第１の金属板１と天板部３ｂとの接触状態が安定しなくなる。そして、金属板１と天板部３ｂとの接触面積が小さくなると、溶接時に両者の間に流れる電流密度が過大になって、溶接の品質が安定しなくなってしまう。例えば、図６（ａ）および図６（ｂ）では、電流密度が過大になって、主に図の左下側部分で金属の溶融範囲が拡大しており、特に、図６（ｂ）では、図の左下部分に金属板の溶け落ちが生じてしまっている。
【００３３】
以上のように、溶接電極１０の先端部の摩耗が進行するほど、溶接電極１０の第１の金属板１および天板部３ｂに対する食い込み量は小さくなり、溶接品質が不安定になってしまう。そこで、本実施形態では、溶接電極の変位量を図示しない変位センサーにより測定し、その変位量に基づいて、溶接電極の先端部の形状、つまり、摩耗の進行度を評価している。なお、変位センサーとしては、公知の変位センサーを適宜用いることができ、例えば、接触式の変位センサーを溶接電極や、溶接電極の保持部などの溶接電極に連動する部分に設けたり、非接触式の変位センサーを、溶接電極や溶接電極の保持部に対向して設けることができる。
【００３４】
溶接電極１０によりインダイレクトスポット溶接を行う際には、図７（ａ）に示すように、まず、溶接電極１０の先端部（平坦面１１）が第１の金属板１に当接する位置まで、溶接電極１０を移動させる。そして、溶接電極１０が、エアシリンダによって図の下方へ加圧され、その後、通電されることにより、図７（ｂ）に示すように、溶接電極１０が第１の金属板１に食い込んでいき、第１の金属板１と第３の金属板３との溶接が進行する。
【００３５】
本実施形態では、図７（ａ）に示す、溶接電極１０の平坦面１１が第１の金属板１に当接した位置を基準位置とし、図７（ｂ）に示すように、そこからの加圧方向（図の下方向）への変位量Ｘを、変位センサーにより測定する。なお、本実施形態では、図７（ａ）のように、溶接電極１０の先端部が第１の金属板１に当接した状態のうち、特にスクイズ時間後、通電開始時の位置を基準位置として、そこからの変位量Ｘを測定している。
【００３６】
図８は、図２、図５（ａ）、図５（ｂ）のそれぞれの溶接電極により、インダイレクトスポット溶接を行った場合の、時間経過による溶接電極の変位量を示したもので、図の横軸が時間ｔ〔ｓｅｃ〕、縦軸が変位量Ｘ〔ｍｍ〕を示し、図の線Ｌ１が図２の溶接電極、線Ｌ２が図５（ａ）の溶接電極、線Ｌ３が図５（ｂ）の溶接電極を用いた場合をそれぞれ示している。また、各線Ｌ１〜Ｌ３の左端は、スクイズ時間後の溶接電極への通電開始時を示している。
【００３７】
図８に示すように、それぞれの溶接電極は、加圧力の大きい区間である、時間Ａまでの区間（図３の時間Ａまでの加圧力Ｆ１参照）に大きく変位する。その後、溶接電極は、金属板に与える
圧力が低下することで、金属板からの反発を受けて押し戻され、その変位量Ｘが一時的に小さくなる。その後、溶接が十分に進行することで、溶接電極が再び金属板の側へ食い込み、変位量Ｘが安定する。
【００３８】
線Ｌ１〜Ｌ３を比較して分かるように、線Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３と、溶接電極の摩耗が進むほど、溶接電極の変位量Ｘ、つまり、溶接電極の第１の金属板１および第３の金属板３に対する食い込み量も小さくなっている。このように、それぞれの溶接電極ごとに、変位量の違いが顕著に表れており、溶接電極の変位量を測定することで、溶接電極の先端部の摩耗の進行度を評価することができる。つまり、変位量Ｘの測定により、溶接電極の研磨等の整形を行う、適切なタイミングを知ることができる。
【００３９】
例えば、図５（ｂ）の状態まで溶接電極の摩耗が進行すると、図６（ｂ）のように溶け落ちが生じてしまうため、言い換えると、線Ｌ３まで溶接電極１０の変位量が減少すると、溶接不良が生じてしまうため、その前段階、例えば、線Ｌ２の変位量を、溶接電極を研磨する閾値として定めることができる。本実施形態では、通電開始後少ししてから、時間Ｅに至るまで、いずれの時点においても顕著な変位量の差が見られたため、いずれの時点での変位量を用いても、溶接電極の先端部の形状を評価することができる。ただし、特定の区間でのみ差が見られる場合には、その区間のいずれかの時点で評価してもよい。また、特定の時点における変位量が溶接の品質に大きく影響を与えている場合には、その時点での変位量を用いて判断してもよいし、複数の時点における変位量を用いて、研磨のタイミングを判断してもよい。
【００４０】
以上のように、本実施形態では、溶接中に変位センサーから得られる変位量Ｘの値により、溶接電極の先端部の摩耗の進行度を評価することができる。従って、例えば、溶接電極の先端部を撮影してその画像から先端部の状態を判断したり、被溶接部材の溶接品質から先端部の状態を判断したりする方法と比較すると、より簡単に、そして、より早い段階で溶接電極の先端部の評価が可能である。このため、溶接不良品の後工程への流出を極力抑え、製造コストの低減を図ることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４２】
以上の実施形態では、上記の変位量を測定することにより、溶接電極の先端部の摩耗の進行度を評価し、溶接電極の先端部の研磨のタイミングを決定するものとした。しかし、本発明の利用方法はこれに限らない。例えば、溶接電極の先端部の形状は、溶接品質に大きな影響を与えるため、溶接電極の先端部の摩耗の進行度と溶接品質との間には一定の相関がある。つまり、上記の溶接電極の変位量を測定することにより、該当する変位量で溶接された被溶接部材の溶接品質を、間接的に評価してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１        第１の金属板（被溶接部材）
２        第２の金属板
３        第３の金属板（被溶接部材）
３ａ      フランジ部
３ｂ      天板部
１０      溶接電極
１１      平坦面
１２      テーパ面
２０      アース電極
Ｐ        接合予定部
Ｎ        ナゲット
【図１】
2020019027.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020019027.tif 000008
【図７】
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【図８】
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