(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象物の溶接のための通電の前後において、加圧力を変化させて抵抗溶接を行う方法であって、
通電の開始が溶接前の加圧段階から通電のための加圧段階へ加圧力が変化した情報の取得に対応して行い、
通電のための加圧段階から通電後の加圧段階への変化が、通電の終了又は一定の通電量に達した情報の取得に対応して行われ、
溶接前の加圧段階において、溶接強度のばらつき又は剥がれを防止するため、溶接の通電の前に、事前通電を行い、電流値又は電流変化が一定の設定値を超えると、事前通電を終了させることを特徴とする重ね抵抗溶接方法。
【請求項２】
通電のための加圧段階の加圧力が、溶接前の加圧段階及び通電後の加圧段階よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の重ね抵抗溶接方法。
【請求項３】
通電のための加圧段階の加圧力及び通電が、さらに複数の加圧及び通電段階に変化する請求項１又は２に記載の重ね抵抗溶接方法であって、
各通電の開始が、対応する加圧段階へ加圧力が変化した情報の取得に対応して行われ、
次の通電のための加圧段階への変化が、その前の通電の終了又は一定の通電量に達したことの情報の取得に対応して行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね抵抗溶接方法。
【請求項４】
正転・逆転により加圧力を変更可能なサーボモータを備えた重ね抵抗スポット溶接装置であって、
溶接前の加圧段階において事前通電を行う手段と、溶接前の加圧段階から通電のための加圧段階へ加圧力を変化させた後に通電を開始する手段と、通電の終了の後又は一定の通電量に達した後に通電のための加圧段階から通電後の加圧段階へ加圧力を変化させる手段とを備えた請求項１ないし３のいずれかに記載の方法を実施するための重ね抵抗スポット溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね抵抗溶接方法及びその装置に関する。具体的には、加圧と通電を実質的に同期させて、加圧力を可変させて溶接を行う重ね抵抗溶接の方法および当該方法を備えた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗溶接は、溶接部に大電流を流し、これによって生ずる抵抗熱（ジュール熱）で接合部を加熱し、同時に大きな加圧を与えてワークを溶接する方法である。抵抗溶接は、一般に重ね抵抗溶接と突合せ抵抗溶接とに大別される。
【０００３】
重ね抵抗溶接は、重ね合わせた継手の両側から加圧し行う抵抗溶接のことであり、代表的なものとしてスポット溶接（点溶接）がある。スポット溶接は、二枚の金属板を重ね合わせ、これを丸棒状の電極で加圧し通電し、抵抗熱により金属を加熱して溶融状態にし、圧力を加えて点状に圧接するものであり、１ヶ所あたりの溶接時間が非常に短くて済むため、作業効率が良く、特に自動車ボディなどの溶接方法として多用されている。
【０００４】
したがって、重ね抵抗溶接においては、加圧力、溶接電流及び通電時間が三大要素である。これまで電気的要素である溶接電流及び通電時間については種々研究が重ねられてきたが、機械的要素である加圧力については、あまり検討されてきていなかった。即ち、重ね抵抗スポット溶接においては、初期に設定された一定加圧力のもとで、一定の溶接電流を一定時間通電することによって溶接が行われ（図１参照）、通常加圧と電流は互いに独立して設定・制御されている。
【０００５】
この状況下においては、効率化を進めた技術が開示されている。例えば、特許文献１に記載の技術は、絶縁物などを破壊したあとに本通電を開始し、溶接強度のばらつきや剥がれを生じさせないようにする技術を開示している。
【０００６】
しかしながら、近年においては自動車産業などにおける産業構造の変化及び経済状況の悪化により、これまで以上に厳しく効率化・省エネ化・低価格性・高品質化を同時に達成することが求められており、さらなる改良が必要となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３７９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、重ね抵抗溶接において、新たな発想で効率化・省エネ化・低価格性・高品質化を達成できる重ね抵抗溶接およびその装置を提供することを目的とし、またこれまでに重ね抵抗溶接には不適であると考えられていた溶接物も溶接可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明者は、加圧力と電流の制御について着目した。すなわち、前述のように、重ね抵抗溶接中の加圧力については、詳細な研究や検討は行われていなかったが、溶接前・溶接中及び溶接後における加圧力の役割を考慮し、これを変化させることによって、最も適切な加圧力を与えたり、従来とは異なる溶接部の特性を得ることが可能ではないかと考えた。さらに、単に加圧変化を行うだけでなく、加圧と電流とを関連・同期させて変化させることにより、最適な溶接を可能とすることを考え、本発明を完成させたものである。
【００１０】
すなわち、前記目的を達成するため、本発明の重ね抵抗溶接方法は、
溶接対象物の溶接のための通電の前後において、加圧力を変化させて抵抗溶接を行う方法であって、
通電の開始が溶接前の加圧段階から通電のための加圧段階へ加圧力が変化した情報の取得に対応して行い、
通電のための加圧段階から通電後の加圧段階への変化が、通電の終了又は一定の通電量に達した情報の取得に対応して行われることからなる。
また、通電のための加圧段階の加圧力が、溶接前の加圧段階及び通電後の加圧段階よりも低いことからなる。
【００１１】
また、溶接前の加圧段階において、溶接強度のばらつき又は剥がれを防止するため、溶接の通電の前に、事前通電を行い、電流値又は電流変化が一定の設定値を超えると、事前通電を終了させることからなる。
【００１２】
また、通電のための加圧段階の加圧力及び通電が、さらに複数の加圧及び通電段階に変化する上記の重ね抵抗溶接方法であって、
各通電の開始が対応する加圧段階へ加圧力が変化した情報の取得に対応して行われ、
次の通電のための加圧段階への変化が、その前の通電の終了又は一定の通電量に達したことの情報の取得に対応して行われることからなる。
【００１３】
また、正転・逆転により加圧力を変更可能なサーボモータを備えた前記方法を実施するための重ね抵抗スポット溶接装置であって、溶接前の加圧段階から通電のための加圧段階へ加圧力が変化した情報を検知して通電を開始する手段と、通電の終了又は一定の通電量に達した情報を検知して通電のための加圧段階から通電後の加圧段階へ加圧力を変化させる手段とを備えていることからなる。
【００１４】
本発明は、前述のように、溶接前・溶接中及び溶接後における加圧力の役割を考慮して完成されたものである。具体的には、まず、溶接前に一定の加圧力を与える必要があるが、この加圧力は、溶接物のひずみ、間げき及び抵抗値を整える働きをするものであり、溶接不良を防ぐために必要となるものである。一方、溶接前に一定の加圧力が一定時間加われば、鋼板など溶接対象物はその剛性により溶接物のひずみ、間げき及び抵抗値を整えられる。従来は、このまま加圧を一定に保持して溶接が行われていた（図１参照）。
【００１５】
しかしながら、溶接前の加圧段階が十分に行われれば、通電時の加圧力は必ずしも溶接前の加圧段階でなくても良いということになる。そのため、溶接中の加圧力を溶接前の加圧段階の加圧力とは変化させるものである。さらに、これまでのように加圧と電流を別々に制御するのではなく、実質的に同期させるべく、通電の開始が溶接前の加圧段階から通電のための加圧段階へ加圧力が変化した情報の取得に対応して行うものとしたものである。これにより、電流制御を加圧変化と独立させて制御した場合に現実的に生じ得る、必要な加圧と通電のバランスがずれてしまい、溶接不良を起こすという危険性を除去することがきるものである。
また、通電中の加圧力を研究した結果、通電の開始から終了までの間に、溶接部は加熱され膨張・溶融・凝固により複雑に変化することになるが、これに伴い現実の加圧力も複雑に変化することが分かった。具体的には、溶接部の膨張により、内部からの圧力が高まり結果的に加圧力が増大する。したがって、板厚が厚い場合（例えば1.5mm以上）や、大きなナゲットを形成したい場合などは、通電中に加圧力を下げていくことが、良好な溶接部を形成するのに有効であることが分かった。逆に、溶接部が収縮していく場合などには、加圧力を上げていくことが好ましい。しかしながら、従来のように加圧と電流を別々に制御すると、加圧・電流が増大・低下を繰り返して複雑に変化するため、それぞれの開始のタイミングがずれてしまう可能性が特に高く、現実的には良好な溶接部を得ることができない。そのため、溶接のための通電にあたり、上記方法により、加圧と通電変化を実質的に同期させつつ、複数段階にわたり加圧力及び電流値を変えていくことで、従来にはできなかった高品質の溶接が可能となったものである。なお、この方法は複数枚を一度に溶接する場合に応用可能である。
【００１６】
溶接後は、冷却もしくは成型などのため、一定の加圧を加えておく必要があり、この加圧力も溶接中の加圧力と同じである必要はない。そこで、溶接後の加圧力を溶接中の加圧力に変化させるものであり、通電のための加圧段階から通電後の加圧段階への変化を、通電の終了又は一定の通電量に達した情報の取得に対応して行い、加圧と電流の制御を実質的に同期させたものである。なお、通電量は通常、電流値及び／又は通電時間により把握されるものであり、加圧変化は数ms（ミリ秒）の短時間で行われるため、実質的に加圧変化と電流変化は同期することになる。
例えば、溶接中の加圧力が溶接前後の加圧力より低くて済む場合（ステンレスその他一般の鋼板など）には、従来に比べ低い電流値で溶接が可能となり、入熱が低く済み従来に比べ省エネを達成できるものである。
逆に、高張力鋼（ハイテン）など溶接中の加圧力をより高くする必要がある場合がある。この場合であっても、通電前後の加圧力が低く済むために省エネを達することができる。さらに、溶接中の熱膨張に対応すべく通電中の加圧力を低くすることができるため、その結果入熱が低く済み従来に比べ省エネを達成できるものである、また、加圧と電流の制御が実質的に同期させられているため、加圧と通電の時期・バランスが崩れることがなく、溶接品質を向上させることが可能である。
【００１７】
一方、溶接対象物に関して、アルミニウム同士の重ね溶接は、ステンレスやニッケルに比べ、電気を流しやすい素材であり、電流を流しても発熱が少なく熱も逃げやすいために、加熱と放熱のバランス上スポット溶接に不適であり、銀ロウ棒溶接や他の溶接方法を用いるか、特別な装置を必要としていた。
【００１８】
しかしながら、本発明者は、溶接中の加圧力を溶接前の加圧力より低くして溶接を行い、溶接後に加圧を増大させ一気に冷却した場合に、これまでスポット溶接には不適とされている、アルミニウムの重ね抵抗スポット溶接を容易にできることも発見したものである（後述の実施例参照）。これにより、例えば航空産業で使用されるアルミ角棒のスポット溶接が容易に達成できる。さらに、ステンレスなどは従来の溶接方法では溶接変色をおこしていたが、入熱温度が低く冷却がすぐに行える本発明の方法によれば、溶接変色が少なくて済む。このように、加圧変化と加圧と電流を同期して制御することにより、これまでに不適であると考えられていた溶接物も重ね抵抗溶接を可能とし、溶接品質の向上も可能としたものである。
【００１９】
また、溶接中の加圧力を溶接前の加圧力より低くした場合、結果的に入熱量が少なくて済むため、溶接に必要なスペース（縁）部分が少なくて済み、またスプラッシュ現象などを抑えることも可能となる。したがって、溶接費用だけでなく自動車部品の材料コストを下げることにもなり、自動車産業等競争力の向上に資するものである。
【００２０】
さらに、本発明は、前述の特許文献１に記載した、絶縁物などを破壊したあとに本通電を開始し、溶接強度のばらつきや剥がれを生じさせないようにする技術と併用可能である。即ち、溶接対象物には、さび・ペンキ・コーティングその他の絶縁物が存在することがある。この場合、通電開始指令から不特定の時間（任意の時間）、絶縁物によって予定した電流の量が流れず、ひとたび破壊されれば一気に電流が流れ始め、その後に絶縁物がない状態と同様の量の電流が流れることになる。そのため、全体としては予定していた通電量に達せず、溶接強度のばらつきや剥がれの原因となる。そこで、絶縁物が破壊された後に初めて通る電流値又は電流変化（単位時間あたり電流増加値）が設定値を超えるまで事前通電を行い、絶縁物等を排除し、溶接のための通電が適切に行われるようにすることができるものである。この際、事前通電が終了するまで、加圧が通電のための加圧段階へ変化することはないよう設定し、事前通電の終了の情報の取得に対応して通電のための加圧段階へ変化させるなど、適宜加圧と電流の制御を同期させることができる。
【００２１】
さらに、本発明は、前述通電中に加圧変化を複数回持たせることが可能である。これにより、溶接対象物の各状況によって、きめ細やかに良好な溶接を行うことや、３枚以上の溶接対象物を溶接することにも応用可能である。それぞれの溶接段階に応じて、加圧力と電流を同期させて変化させることにより、それぞれの素材及び厚さに応じて最適な溶接を行うことが可能である。
【００２２】
加圧変化は、サーボモータ（フィードバック制御を行う検出器付モータ）を正転・逆転させることによって、加圧力・電流量・通電の終了等の検知をしながら数msの短時間で加圧力を変化させることによって行う。本発明の特徴から、できるだけ短時間に加圧力を変化できるものが望ましい。具体的なサーボモータの装置特性は、例えば以下のようなものである。
0005559624.tif 000002
【００２３】
したがって、基本的な抵抗溶接機の構成自体は従来と異なるところはないものであり、様々な重ね抵抗溶接装置に適用が可能である。また、必要な加圧力・加圧時間・電流値・通電時間などは、従来の溶接と同様に、溶接対象物の素材・厚さ等によって適宜変化するものであって、特に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の以上の構成により、新たな発想で効率化・省エネ化・低価格性・高品質化を達成できる重ね抵抗溶接およびその装置を提供すること、またこれまでに不適であると考えられていた溶接物も重ね抵抗溶接をすることが可能となったものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
【図２】本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
【図３】事前通電を行った場合の、本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
【図４】通電中の加圧段階が複数段階にわたる場合の、本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
【図５】従来の重ね抵抗溶接により行った、溶接物の断面を示す写真である。
【図６】本発明の重ね抵抗溶接により行った、溶接物の断面を示す写真である。
【図７】本発明の重ね抵抗溶接方法により、アルミニウム角棒を溶接しようとしている写真である。
【図８】本発明の重ね抵抗溶接方法により溶接されたアルミニウム角棒を示す写真である。
【図９】本発明の重ね抵抗溶接を行う装置の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態の例を図面にしたがって説明する。
図１〜図９は、重ね抵抗溶接（重ね抵抗スポット溶接）に関する図である。
【００２７】
図１は、従来の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
図に示すように、加圧の制御は、加圧を開始して一定の加圧力（例えば３kN）に達した後に、一定時間そのまま保持され、減圧される。そして、電流は、一定の加圧下で、通常一定の電流値で一定の時間の間通電され、この間に溶接が行われるものである。
【００２８】
図２は、本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である（1mm程度の鋼板の重ね溶接の場合）。図に示すように、まず加圧を開始して一定の加圧力（例えば３kN）に達し（溶接前の加圧段階）、一定時間経過（例えば5ms〜数秒）した後、溶接のための加圧力（例えば1.2kN）まで低下させる。加圧力が目標値まで低下したことが検知されると、通電（例えば6kA）が即座に開始され,所定の時間（例えば160ms（ミリ秒））通電し、抵抗溶接が行われる（通電のための加圧段階）。所定の時間の終了により通電が終了すると同時に、加圧力を増大させる（例えば４．２kN，例えば5ms〜数秒）（通電後の加圧段階）。これにより冷却・割れの防止・成形などの効果を奏させるものである。このように、加圧と電流を同期させて制御し、通電が加圧のタイミングとずれをなくすことで、本発明の効果を達成できる。
【００２９】
図３は、事前通電を行った場合の、本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。加圧が一定値に達すると（溶接前の加圧段階）、事前通電を開始する。溶接対象物の表面にさびなどの絶縁物がある場合、しばらく低い電流値しか流れず、絶縁物が破壊されたあと一気に予定量の通電値まで増大する。この値を検知すると、一度通電を終了し、少なくともそれまでは溶接前の加圧段階の加圧力が維持される。その後の加圧段階の変化及び通電変化に関しては図２の実施例と同様である。
【００３０】
図４は、通電中の加圧段階が複数段階にわたる場合の、本発明の重ね抵抗溶接の加圧・電流変化を示す図である。
例えば通電前の加圧段階の加圧力と通電後の加圧力を3kNとし、通電中は2.0kN(7kA, 80ms)，1.5kN(6.5kA, 80ms)，1.0kN(6kA, 80ms)と段階的に下げてゆく。このような方法により、従来は困難であった、板厚が厚い場合や大きなナゲットを形成したい場合の溶接についても、容易に良好な溶接部を得ることが出来るものである。なお、加圧力は段階的に下げるだけでなく、段階的に上げたり、上げ下げを組み合わせて構成することができることは言うまでもない。
他の例として、例えば３枚の鋼板（２枚の鋼板（2mm，1.8mm）に、さらに薄い鋼板（0.65mm）を重ねたもの）を溶接する場合には、このように、最初の薄板の溶接（8.5kA, 160ms）を低加圧下（1.5kN）で行ったあと、電流と同期して制御しつつ高加圧（4.5kN）にして通電（9kA, 180ms）を行い、全体を好適に溶接することもできる。このように、溶接対象物・状況や枚数によって、加圧段階及び通電は適宜変化させることができるものである。
【００３１】
図５は、従来の重ね抵抗溶接により行った、溶接物の断面を示す写真である（板厚1mmの鋼板）。加圧は3kN、通電時間は160msである。写真に見られるように、6.0kA（ａ）や、6.5kA（ｂ）では、溶接しきれていない。7.0kAの場合には溶接が可能であったが、9.0kAとなると、入熱が大きすぎ板厚が減少してしまった。これに対し、図６は、従来の重ね抵抗溶接により行った、図５と同じ溶接物の断面を示す写真である（板厚1mmの鋼板）。溶接前の加圧は3kN、溶接中（通電中）は1.2kA、溶接後は3kNとし、通電時間を160msとしたものである。この設定下では、6.0kA（ａ）、6.5kA（ｂ）、7.0kA（ｃ）いずれの場合も良好な溶接部を得ることができていることが明らかである。このように、これまでより明らかに少ない電気量で良好な溶接部を得ることが可能となっているものである。
【００３２】
図７は、本発明の重ね抵抗溶接方法により、アルミニウム角棒（7mm角）を溶接しようとしている写真であり、図８は溶接されたアルミニウム角棒を示す写真である。溶接前の加圧は250kg、溶接中の加圧は150kg、溶接後は250Kgであり、溶接電流は25000A、通電時間は100msである。写真から明らかなように、これまで不適であるとされた素材でも問題なくスポット溶接を行うことができた。
【００３３】
図９は、本発明の重ね抵抗溶接を行う装置の一例を示す概念図である。重ね抵抗溶接装置１（スポット溶接装置）の上側の電極２には、サーボモータ３が取り付けられ、サーボモータ３の正転・逆転，スライド機構４，制御装置５等を使用して、検知された加圧力・電流値などにより溶接対象物６に対する加圧力が変化させるものである。トランス７や下側の電極８その他の装置・制御器は他のスポット溶接装置と変わるところはなく、大型・小型，固定型・ロボット型など、様々な装置に応用が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  重ね抵抗溶接装置
２  上側の電極
３  サーボモータ
４  スライド機構
５  制御装置
６  溶接対象物
７  トランス
８  下側の電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図９】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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