(57)【要約】【課題】諸条件の変化に応じて溶接条件を演算し、演算した溶接条件でスポット溶接を実施することができる溶接方法を提供することを課題とする。【解決手段】溶接条件に影響する因子を変数とすることでスパッタ出易さ係数の式を定める。実験データから変数に乗じる係数を重回帰分析法で定める。得られた式を変形して電流を求める式を定め、スポット溶接中に、この式に基づいて電流を修正しつつ溶接を実施する。結果、スパッタが発生しやすい時間帯は、電流が低く抑えられていた。スパッタが発生せず、ナゲットの品質が良好になった。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接条件を制御しつつスポット溶接を実施するスポット溶接方法であって、
電流と抵抗と加圧力を測定する機構を備えたスポット溶接装置を準備する準備工程と、
前記スポット溶接装置で、電流を段階的に変えながら試験的にスポット溶接を実施し且つスパッタが発生する前及びスパッタが発生するときの前記電流と前記抵抗と前記加圧力を各々記録する記録工程と、
少なくとも前記電流と前記抵抗と前記加圧力に係る変数に係数を乗してなる項の和をスパッタ出易さ係数とする式作成工程と、
作成した式の変数に、前記記録工程で記録した値を代入すると共に前記スパッタ出易さ係数に、スパッタが発生する直前の時期であれば１、それ以外の時期であれば０を代入し、少なくとも１００行の式から重回帰分析を行って前記係数を決めることで少なくとも電流を求める式を作成する工程と、
前記スポット溶接装置により、量産のための溶接対象物のスポット溶接を開始し、抵抗及び加圧力を取得して前記電流を求める式に代入することで電流を計算し、計算された電流に基づいて電流を修正するようにして量産のスポット溶接中に少なくとも電流を修正しつつ溶接を実施する量産工程と、からなることを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項２】
前記少なくとも電流を求める式を作成する工程と前記量産工程との間に、前記スポット溶接装置により、前記溶接対象物のスポット溶接を試験的に実施し、得られたナゲットの品質を検査し、この検査に基づいて前記スパッタ出易さ係数を修正することで、少なくとも前記電流を求める式を修正する電流を求める式の修正工程を、加えることを特徴とする請求項１記載のスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接条件を制御しつつスポット溶接を実施する溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は重ね抵抗溶接とも呼ばれ、車体などの製造などに使われる。スポット溶接では、薄い金属板同士がナゲットと呼ばれる溶着金属で接合される。このナゲットが大きいほど接合強度が増すと考えられるため、ナゲットの大きさを検出し、大きさが十分であるか否かを調べることは必要なことである。
【０００３】
試作品を切断してナゲットの大きさ（断面積）を計測することが広く行われるが、破壊検査であるため製造ライン中では採用できない。
そこで、破壊検査に代わる非破壊検査が各種提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。
【０００４】
特許文献１の図１において、（Ｓ１）（括弧付き英数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）でスポット溶接が開始され、（Ｓ２）で抵抗値が測定され、抵抗値の波形パターンが判定基準を満たしていれば合格（Ｓ５）というものである。
【０００５】
ところで、スポット溶接における溶接条件は、電流値、加圧力、通電時間などの因子であることが知られている。特許文献１では、これらの溶接因子が定まっていることを前提として、溶接結果の良否を判定する。
【０００６】
特許文献１には、予め定められる溶接条件の決め方については説明がない。一般に、製品と同じ厚さで材質の２枚の金属板を準備し、電流値、加圧力及び通電時間を変えながら、試作品を大量に造り、これらの試作品に破壊試験を施した上で、溶接条件を定める。
【０００７】
しかし、試作時と製品溶接時とで、温度や湿度などの条件が変わることが多い。そこで特許文献１では、予め定めた溶接条件でも、不良品がでる可能性があることを想定し、製品に対して抵抗値を検出し、合否を判定するようにしている。
多くの場合、予想より不良品の出現率が高いときには、溶接条件を見直す。具体的には、試作及び破壊試験を繰り返す。この手法はトライ・アンド・エラー法（試行錯誤法）と呼ばれる。ところが、このようにして改訂した溶接条件であっても、また見直す必要がでる。条件設定時と実溶接時の環境などが変わるからである。
【０００８】
このようなトライ・アンド・エラー法に代わる溶接条件設定法が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−２４０３６８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、トライ・アンド・エラー法に代わる溶接条件設定法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明は、溶接条件を制御しつつスポット溶接を実施するスポット溶接方法であって、
電流と抵抗と加圧力を測定する機構を備えたスポット溶接装置を準備する準備工程と、
前記スポット溶接装置で、電流を段階的に変えながら試験的にスポット溶接を実施し且つスパッタが発生する前及びスパッタが発生するときの前記電流と前記抵抗と前記加圧力を各々記録する記録工程と、
少なくとも前記電流と前記抵抗と前記加圧力に係る変数に係数を乗してなる項の和をスパッタ出易さ係数とする式作成工程と、
作成した式の変数に、前記記録工程で記録した値を代入すると共に前記スパッタ出易さ係数に、スパッタが発生する直前の時期であれば１、それ以外の時期であれば０を代入し、少なくとも１００行の式から重回帰分析を行って前記係数を決めることで少なくとも電流を求める式を作成する工程と、
前記スポット溶接装置により、量産のための溶接対象物のスポット溶接を開始し、抵抗及び加圧力を取得して前記電流を求める式に代入することで電流を計算し、計算された電流に基づいて電流を修正するようにして量産のスポット溶接中に少なくとも電流を修正しつつ溶接を実施する量産工程と、からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、少なくとも電流を求める式を作成する工程と量産工程との間に、スポット溶接装置により、溶接対象物のスポット溶接を試験的に実施し、得られたナゲットの品質を検査し、この検査に基づいてスパッタ出易さ係数を修正することで、少なくとも電流を求める式を修正する電流を求める式の修正工程を、加えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明では、スポット溶接装置により、量産のための溶接対象物のスポット溶接を開始し、抵抗及び加圧力を取得して電流を求める式に代入することで電流を計算し、計算された電流に基づいて電流を修正するようにして量産のスポット溶接中に少なくとも電流を修正しつつ溶接を実施する。
【００１４】
すなわち、スポット溶接は、少なくとも電流（溶接電流）を逐一修正しながら実施する。この修正により、スパッタが発生しやすい時間帯では電流が下げられ、その他の時間帯では電流が高められる。
したがって、スパッタが発生しない上に、ナゲットの大きさが確保される。
【００１５】
請求項２に係る発明では、スパッタ出易さ係数が修正される。結果、電流を求める式の完成度がより高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明方法を実施するためのスポット溶接装置の原理図である。
【図２】スパッタが発生しないときに電流、抵抗、加圧力を記録したグラフである。
【図３】図２の３部拡大図である。
【図４】スパッタが発生したときに電流、抵抗、加圧力を記録したグラフである。
【図５】図４の５部拡大図である。
【図６】図４の６部拡大図である。
【図７】量産時での溶接電流を記録したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【実施例】
【００１８】
図１に示すように、スポット溶接装置１０は、２枚の金属板１１、１２を挟む一対の電極ロッド１３、１４と、これらの電極ロッド１３、１４を支えるＣ型アーム１５と、一方の電極ロッド１３を他方の電極ロッド１４に向かって押圧する加圧シリンダ１６と、この加圧シリンダ１６及びＣ型アーム１５を支持するブラケット１７と、このブラケット１７を移動させるロボット１８と、一対の電極ロッド１３、１４に給電する溶接機１９とを基本要素とする設備である。
【００１９】
本発明ではさらに、加圧力を計測する加圧力センサ２１と、溶接時の抵抗値を計測する抵抗計２２と、加圧センサ２１からの加圧力Ｆ情報及び抵抗計２２からの抵抗値Ｒ情報を取得すると共に溶接機１９に標準装備される電流計２３からの電流値Ｉ情報を取得し後述する演算を行う演算部２４と、この演算部２４での演算結果を受けて溶接機１９を制御する制御部２５を備える。
【００２０】
抵抗溶接は、２枚の金属板１１、１２間に通電することで実施する。金属板１１、１２の電気抵抗Ｒ、電流をＩとすれば、ＩＲ２で計算されるジュール熱が発生し、このジュール熱で金属板１１、１２が局部的に溶融する。通電を停止すると凝固し、ナゲット２６が生成される。
【００２１】
ジュール熱はＩＲ２によって定まるため、電流Ｉが小さすぎると投入熱量が不足し溶融が小規模になりナゲット２６が所定のサイズに達しない。
また、電流Ｉが大きすぎるとナゲット２６の成長速度よりも投入熱量の供給速度が上回り、ナゲット２６が破裂する。この破裂は、「スパッタが発生する」と表現される。スパッタが発生すると溶融金属の量が減少するため、ナゲット２６は実質的にサイズが小さくなる。
よって、電流Ｉは、過小、過大の何れにもならないような適正値又は適正範囲に決定される必要がある。
【００２２】
本発明方法は、電流Ｉを適正値又は適正範囲に決定することで、スパッタの発生を防止することができるものである。
スポット溶接装置１０を用いて実施する本発明方法を次に説明する。なお、本発明方法は、（１）電流を求める式の作成工程と、（２）電流を求める式の修正工程と、（３）量産工程とからなる。
【００２３】
（１）「電流を求める式」の作成工程：
先ず、図１において、２枚の金属板１１、１２にスポット溶接を施す。このときに、経験上、スパッタが飛ばないように、低めの電流で溶接する。そのときに計測した電流Ｉ、抵抗Ｒ及び加圧力Ｆを次図に示す。
図２はスパッタが発生しないときに電流Ｉ、抵抗Ｒ及び加圧力Ｆを記録したグラフであり、横軸は時間軸である。このグラフをＧ１とする。
【００２４】
金属板１１、１２及び加圧力Ｆを変えないで、電流Ｉを増加側に変更して、スポット溶接を実施する。得られた電流Ｉ、抵抗Ｒ及び加圧力Ｆを示すグラフを、Ｇ２とする。さらに、電流Ｉを増加したものをＧ３とする。・・・で示すように多数のグラフを蓄積する。
【００２５】
図３は図２の３部拡大図（模式図）であり、時間ｔ１１での電流がＩ１１、抵抗がＲ１１、加圧力がＦ１１であった。次の時間Ｔ１２では電流がＩ１２、抵抗がＲ１２、加圧力がＦ１２であった。図３では便宜上、ｔ１６までの６セットのデータが示されている。
ｔ１１とｔ１２の間隔を３ｍｓとすれば、図２のＧ１から２００セット（６００ｍｓ／３ｍｓ＝２００の計算による。）のデータが得られる。Ｇ２、Ｇ３・・・も同様である。
【００２６】
電流Ｉを増加していくと、何時かはスパッタが発生する。始めてスパッタが発生したときの電流Ｉ、抵抗Ｒ及び加圧力Ｆを図４に示す。
図４はスパッタが発生したときに電流、抵抗、加圧力を記録したグラフであり、ナゲットが破裂したために、瞬間的に加圧力が減少し、その後、時間と共に加圧力は復帰する。
【００２７】
図４において、スパッタが発生したときの直前の時間帯と、その他の時間帯とに注目する。
図５は図４の５部拡大図（模式図）、すなわち、スパッタが発生したときの直前の時間帯の拡大図であり、時間ｔ２１での電流がＩ２１、抵抗がＲ２１、加圧力がＦ２１であった。次の時間Ｔ２２では電流がＩ２２、抵抗がＲ２２、加圧力がＦ２２であった。図５では便宜上、ｔ２６までの６セットのデータが示されているが、約２倍の十数セットのデータを、図から抽出することにする。
【００２８】
また、図６は図４の６部拡大図（模式図）、すなわち、スパッタが発生したときの直前以外の時間帯の拡大図であり、時間ｔ３１での電流がＩ３１、抵抗がＲ３１、加圧力がＦ３１であった。次の時間Ｔ３２では電流がＩ３２、抵抗がＲ３２、加圧力がＦ３２であった。図５では便宜上、ｔ２６までの６セットのデータが示されているが、数百セットのデータを、図から抽出することにする。
【００２９】
次に、本発明者らは、溶接条件に影響する因子を検討した。従来、電流Ｉ、抵抗Ｒ及び加圧力Ｆが変動因子と考えられてきたが、加圧力Ｆは変化率と変化量に変えることにした。
加圧力Ｆの変化率は、ｄＦ／ｄｔで定義される。すなわち、図４で加圧力が急減する時間帯とスパッタの発生とが相関しているため、加圧力Ｆの変化率を因子に加える。
また、加圧力Ｆの変化量は、（その時間の加圧力Ｆ−初期値Ｆ０）で定義されるが、加圧力の変化量が大きいとスパッタが発生しやすくなると想定されるため、因子に加える。
【００３０】
また、抵抗Ｒについても、変化率がマイナスになるとスパッタが発生しやすくなると想定される。同様に、変化量は、（その時間の抵抗Ｒ−初期値Ｒ０）が大きいとスパッタが発生しやすくなると想定されるため、因子に加える。
【００３１】
以上をまとめると、因子は次のようになる。
【００３２】
【表１】
2014180699.tif 000003
【００３３】
ただし、この表は有力な一例を示したものであって、因子の数を増加又は減少させることや、入れ替えることは差し支えない。
【００３４】
因子の数が６個であるため、これらの各々に係数ｂ１〜ｂ６を乗じ、さらに定数ａを加えてなる一般式を次に示す。
【００３５】
【数１】
2014180699.tif 000004
【００３６】
式の左辺に示すｙは、スパッタ出易さ係数と定義する。出易さの最大値を「１」、最小値を「０」とすると、次の表２のようになる。
【００３７】
【表２】
2014180699.tif 000005
【００３８】
仮に、ｙ及びｘ１〜ｘ６に代入する値が信頼おける値であれば、ａ及びｂ１〜ｂ６を未知数とする７元連立方程式により、ａ及びｂ１〜ｂ６を決めることができる。しかし、ｙは０又は１の値とし、ｘ１〜ｘ６は実験から得た値を直接又は間接的に使用するため、何れも信頼できる値とは言えない。
そこで、重回帰式分析を行うことする。重回帰式分析では、式の数が多いほど常数ａ及び係数（ｂ１〜ｂ６）の信頼性が高まる。
【００３９】
図３にて、時間ｔ１１から直接得られる値及び計算によって得られる値は、次の表の第２行に示す通りである。なお、変化率（ｄＲ１１／ｄｔ）は、Ｒ’１１と略記し、変化率（ｄＦ１１／ｄｔ）は、Ｆ’１１と略記した。
【００４０】
【表３】
2014180699.tif 000006
【００４１】
同様に、図３の時間ｔ１２、ｔ１３・・・についても値が得られる。
【００４２】
同様に、図５の時間ｔ２１から直接得られる値及び計算によって得られる値は、次の表の第２行に示す通りである。時間ｔ２２、ｔ２３・・・についても値が得られる。
【００４３】
【表４】
2014180699.tif 000007
【００４４】
同様に、図６の時間ｔ３１から直接得られる値及び計算によって得られる値は、次の表の第２行に示す通りである。時間ｔ３２、ｔ３３・・・についても値が得られる。
【００４５】
【表５】
2014180699.tif 000008
【００４６】
以上の表の値を一般式に代入する。すなわち、表の１行が１行の式になる。
【００４７】
【数２】
2014180699.tif 000009
【００４８】
なお、大きな片括弧で括ったｐは、数百行の式からなる。片括弧ｑは十数行の式からなる。片括弧ｒは数百行の式からなる。
【００４９】
片括弧ｐ、ｑ及びｒを重回帰分析することで、常数ａ及び係数（ｂ１〜ｂ６）を求めることができる。
【００５０】
【表６】
2014180699.tif 000010
【００５１】
区別するために、求められた常数をＹ、Ａ、係数をＢ１〜Ｂ６と呼ぶ。これらを一般式に代入する。
【００５２】
【数３】
2014180699.tif 000011
【００５３】
この式をｘ１の式に変形する。ｘ１の式は、電流を求める式に相当する。ここまでの演算、計算は、図１の演算部２４で行う。
【００５４】
【数４】
2014180699.tif 000012
【００５５】
（２）電流を求める式の修正工程：
電流を求める式は、ｙに０又は１を与えた。ｙはスパッタ出易さ係数であり、０〜１の間に適正値がある。
そこで、Ｙに閾値を付与し、それを超えないようにｘ１を制御することを条件にして、制御部２５に、ｘ１の式を与えられる。
【００５６】
図１にて、量産する車体をモデルとしてスポット溶接を行う。
スポット溶接が開始されると同時に、抵抗Ｒ、加圧力Ｆが制御部２５に読み込まれる。制御部２５は、ｘ１の式により、ｘ１を求め、電流Ｉがｘ１になるように制御する。このｘ１の電流に基づいて実施される溶接における抵抗Ｒ、加圧力Ｆを読み込み、制御部２５はｘ１を求め、電流Ｉを修正する。
この計算及び修正は、数ｍｓ毎に行う。
【００５７】
今まで実施しなかったが、スポット溶接後に、車体を切断し、ナゲットの大きさなど品質を検査する。この検査結果に応じて、Ｙを修正し、次のモデルにスポット溶接を施し、ナゲットの品質を検査する。以上により、Ｙの値が修正される。
修正された値を、Ｙｆとする。電流を求める式は次のようになる。
【００５８】
【数５】
2014180699.tif 000013
【００５９】
（３）量産工程：
量産では、図１に示す演算部２４は電流Ｉ信号を中継するだけで演算は行わない。
この状態で、量産車体に対してスポット溶接がなされる。制御部２５は数ｍｓ毎に電流ｘ１を制御する。結果、スパッタが発生せず、ナゲットの品質が良好な車体が得られる。
【００６０】
スポット溶接中の電流ｘ１を測定したところ、次のようであった。
図７に示すように、スパッタが発生しやすい時間帯は、電流が低く抑えられていた。結果、スパッタが発生せず、ナゲットの品質が良好になったことが確認できた。
【００６１】
以上に述べた本発明方法は、次のように纏めることができる。
図１に示すように、電流と抵抗と加圧力を測定する機構を備えたスポット溶接装置１０を準備する（準備工程）。
このスポット溶接装置１０で、電流を段階的に変えながら試験的にスポット溶接を実施し且つスパッタが発生する前の電流と抵抗と加圧力を各々記録し（図２）、スパッタが発生するときの電流と抵抗と加圧力を各々記録する（図４、記録工程）。
【００６２】
［数１］に示すように、少なくとも電流と抵抗と加圧力に係る変数ｘ１〜ｘ６に係数ｂ１〜ｂ６を乗してなる項の和をスパッタ出易さ係数ｙとする式を作成する（式作成工程）。
［数２］に示すように、作成した式の変数ｘ１〜ｘ６に、記録工程で記録した値を代入すると共にスパッタ出易さ係数ｙに、スパッタが発生する直前の時期であれば１、それ以外の時期であれば０を代入し、少なくとも１００行の式を作成する。
【００６３】
そして、これらの式に重回帰分析を施して、係数ｂ１〜ｂ６を決めることで、［数４］に示すような電流を求める式を作成する（電流を求める式を作成する工程）。
続いて、スポット溶接装置により、量産のための溶接対象物のスポット溶接を開始し、抵抗及び加圧力を取得して電流を求める式（［数４］）に代入することで電流ｘ１を計算し、計算された電流に基づいて電流Ｉを修正するようにして量産のスポット溶接中に少なくとも電流Ｉを修正しつつ溶接を実施する（量産工程）。
【００６４】
好ましくは、少なくとも電流を求める式を作成する工程と量産工程との間に、スポット溶接装置により、溶接対象物のスポット溶接を試験的に実施し、得られたナゲットの品質を検査し、この検査に基づいてスパッタ出易さ係数をＹからＹｆに修正することで、少なくとも電流を求める式を［数５］に修正する（電流を求める式の修正工程）を加える。
【００６５】
尚、金属板は、普通炭素鋼板、高張力鋼板、ステンレス鋼板、その他の合金鋼板の何れであってもよい。ただし、車体に好んで採用される普通炭素鋼板及び高張力鋼板が、需要が多いため、これらに本発明方法を適用することは好ましいことである。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、車体を構成する鋼板のスポット溶接に好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１０…スポット溶接装置、１１、１２…金属板、１３、１４…電極ロッド、１９…溶接機、２１…加圧センサ、２２…抵抗計、２３…電流計、２４…演算部、２５…制御部、２６…ナゲット。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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