(57)【要約】【課題】  スパッタの発生を抑え、良好なナゲットを形成すること【解決手段】  本発明に係るスポット溶接の通電制御方法は、通電時間の初期に電流値を所定時間低く維持してスパッタの発生を抑えた状態で金属体の表面を軟化させ、その後に電流値を所定時間高く維持してスパッタの発生を抑えつつナゲットを成長させるものである。斯かるスポット溶接の通電制御方法によれば、高張力鋼板のスポット溶接に適用した場合でも、溶接の初期の電流値が低く抑えられ、また電流密度が低くいので、溶接初期のナゲットの急成長及びスパッタの発生を抑制することができる。また、板材間にゴミが挟まれているなどの外乱がある場合やシール材を挟んで溶接する場合などにおいても、溶接初期の電流値が低いので、スパッタの発生を抑えることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の相対向する電極で被溶接物を挟み、加圧した状態で前記電極間に溶接電流を流して前記被溶接物をスポット溶接するスポット溶接装置において、
通電時間の初期にスパッタの発生を抑え得る程度の電流値に所定時間維持して被溶接物の表面を軟化させ、その後に電流値を所定時間高く維持してスパッタの発生を抑えつつナゲットを成長させるスポット溶接の通電制御方法。
【請求項２】
前記電流値を所定時間高く維持した後、電流値を所定時間低く維持することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接の通電制御方法。
【請求項３】
前記通電時間の初期に電流値を低く維持するときの電流値が２ｋＡ〜４ｋＡの電流値であることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接の通電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスポット溶接の通電制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、一対の相対向する電極で被溶接物を挟み、加圧した状態で前記電極間に溶接電流を流して前記被溶接物を溶接するものである。スポット溶接は溶接電流、通電時間、電極加圧力の３つのパラメータを制御しながら行なわれ、溶接時に被溶接物内部に形成されるナゲットの良否により評価される。スポット溶接は、金属板を重ねた部位などの溶接に用いられる。
【０００３】
従来、多く用いられていた軟鋼板は、溶接の初期段階で高い溶接電流を付与してもスパッタが発生し難いことが経験的に知られていた。そこで、生産ラインでは、図５に通電パターンを示すように、短時間に効率良くスポット溶接を行なうため、軟鋼板を重ねた金属体に電極を圧接させた後、溶接の初期段階（図５の通電パターンでは０〜３cycle）で高い溶接電流を付与して一気にナゲットを生成し、厚さ方向に成長させ、その後、（図５の通電パターンでは３〜１８cycle）スパッタが発生しない程度に溶接電流を低くして所定時間通電し、金属体内部に生成されたナゲットを成長させていた。また、軟化した金属体表面に電極がなじむと発熱量が落ちるので、溶接の終わり（図５の通電パターンでは１８〜２１cycle）に再び溶接電流を高くする方法を取っていた。この通電制御方法は、軟鋼板の溶接では、低スパッタであり、作業性もよく、良好なナゲットを形成することができていた。
【０００４】
なお、他の溶接制御方法としては、例えば、特開平７−８８６６０号公報に記載されているように、両電極間に溶接には不十分な低い値から溶接電流を流し始め、時間の経過とともに徐々に溶接電流の値を増加していき、金属体がジュール熱によって膨張し始めた際の溶接電流値を基準としてその後の溶接電流値を決定する方法が知られている。また、制御装置には、例えば、特開平９−１６８８６７号公報に記載されているように、設定ナゲット入力手段と、現在ナゲット推算手段と、現在時刻以後のナゲットの成長曲線と所要通電時間を予測するナゲット成長予測手段と、この予測した所要通電時間が推奨通電時間と等しくなるように溶接電流を制御する制御信号を発生する電流制御判断手段と、溶接電流を制御する制御手段とを備えたものが知られている。
【０００５】
また、近年、自動車車体の軽量化が進むにつれて、軟鋼板に代わって高張力鋼板が多量に使用されはじめているが、高張力鋼板は軟鋼板に比べて溶接不良が発生し易いという問題がある。斯かる高張力鋼板のスポット溶接の通電制御方法には、例えば特開２００３−２３６６７６号公報に記載されたものなどが知られている。
【特許文献１】特開平７−８８６６０号公報
【特許文献２】特開平９−１６８８６７号公報
【特許文献３】特開２００３−２３６６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高張力鋼板を溶接する場合に、軟鋼板を溶接する場合と同様に、溶接の初期段階で高い溶接電流を付与すると、ナゲットが急激に生成され、いきなりスパッタが発生したり、バリが発生したりする。スパッタの発生は溶接強度を低下させたり、作業環境を悪くさせたりするなどの問題となり、バリの発生は後工程でこれを除去する手間が必要になる。
【０００７】
さらに、外側に薄板を重ねて溶接するような部位では、ナゲットが所定のナゲット径で外側の薄板まで貫通している必要があるが、このためにはナゲットを大きくする必要があり、スパッタやバリが発生し易くなる。また、スパッタやバリの発生を抑えるため、通電時間を短縮したり、電流値を低くすると、ナゲット径が不足し、最外側の薄板の接合強度が不足する不具合が生じ易くなる。
【０００８】
具体的には、ＳＰＣ２７０の０．６５ｍｍの板材と、ＳＰＣ４４０の１．２ｍｍの板材と、ＳＨＧＡ４４０（高張力鋼板）の１．６ｍｍの板材を順に重ねたものを、電極間の加圧力を３５０ｋｇｆ（約３．４３ｋN）とし、例えば、図５に示すように、通電時間の０〜１cycleを徐々に電流値を上げ、１〜３cycleを９．５ｋＡとし、３〜１８cycleを７．８ｋＡとし、１８〜２１cycleを９．１ｋＡとした通電パターンで溶接した。なお、この実施形態では、周波数６０Hzの交流でスポット溶接を行なっており、cycleは通電時間を設定する単位であり、１cycleは１/６０secである。
【０００９】
この場合、通電時間の初期にスパッタが発生する場合があった。また、この通電パターンによれば、図６に示すように、最外側に重ねた薄肉の板材２１にナゲット２２が到達するが、ナゲット２２が大きく成り過ぎた。また、図示するように、溶接位置が縁２３に近いような場合には、縁２３にバリ２４が飛び出すなどの不具合が生じる場合があった。
【００１０】
そこで、図７に示すように、通電時間を全体的に短縮するように通電パターンをチューニングし、１〜３cycleを９．５ｋＡとし、３〜１０cycleを７．８ｋＡとし、１０〜１３cycleを９．１ｋＡとした通電パターンで溶接すると、図８に示すように、ナゲット２２は、厚さ方向に貫通したが、ナゲット径ｎが不足するというような不具合が生じる場合があった。また、図９に示すように電流値を低くチューニングし、１〜３cycleを８．５ｋＡとし、３〜１８cycleを７ｋＡとし、１８〜２１cycleを７．７ｋＡとした通電パターンで溶接すると、図１０に示すように、ナゲット２２の厚さ方向の成長が足りず、最外側に接合されるべき薄板２１の接合強度が不足する不具合が生じる場合があった。
【００１１】
このように従来の通電パターンでは、チューニングを施した場合でも、高張力鋼板の溶接や、さらに最外側に薄板を接合するような用途に適用する際には、不具合が生じる場合があった。
【００１２】
また、重ね合わせた金属板間に小さなごみが挟まっていたり、金属板の表面に凹凸があったりして金属板同士の接触面積が小さい場合や、シール材を挟んでいるような場合などにも、通電初期において金属板の接触面積が小さく、電流密度が高くなり、スパッタやバリが発生する不具合が生じ易くなっていた。
【００１３】
また、実際に、生産ラインのスポット溶接に応用するには、良好な溶接品質を確保することができ、作業性が良好であり、スポット溶接の省エネルギ化の点でも有利なものが望ましい。この点、特開２００３−２３６６７６号公報に記載された方法は、溶接途中で電流値が変化する３段以上の多段通電とし、各通電間に異なる冷却時間を設けるなど制御が複雑であり、実際の生産ラインに応用するには作業性が良くないものであった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、高張力鋼板は硬いために電極を金属体に押し当てた際、電極と金属体に十分な接触面積が得られず、通常通り、溶接の初期に比較的高い電流を流すと、電流密度が高くなり、溶接の初期からナゲットが急成長したり、スパッタが発生したりし易い状況になるとの知見を得た。そして、高張力鋼板の溶接や最外側に薄肉を溶接する場合における上述した不具合の発生を抑えることができ、またゴミ等の外乱の問題や作業性の問題などが生じない全く新しい通電パターンによるスポット溶接の通電制御方法を考えた。
【００１５】
すなわち、本発明に係るスポット溶接の通電制御方法は、通電時間の初期に電流値を所定時間低く維持してスパッタの発生を抑えた状態で被溶接物の表面を軟化させ、その後に電流値を所定時間高く維持してスパッタの発生を抑えつつナゲットを成長させたものである。さらに、電流値を所定時間高く維持した後、電流値を所定時間低く維持するとよい。
【発明の効果】
【００１６】
斯かるスポット溶接の通電制御方法によれば、通電時間の初期に電流値を所定時間低く維持してスパッタの発生を抑えた状態で金属体の表面を軟化させるので、高張力鋼板のスポット溶接に適用した場合でも、溶接の初期の電流値が低く抑えられ、また電流密度が低くいので、溶接初期のナゲットの急成長及びスパッタの発生を抑制することができる。また、板材間にゴミが挟まれているなどの外乱がある場合やシール材を挟んで溶接する場合などにおいても、溶接初期の電流値が低いので、スパッタの発生を抑えることができる。
【００１７】
そして、金属体が軟化し、電極が金属体に馴染んだ後で、電流値を所定時間高くするので、電流密度がそれほど高くならずスパッタの発生を抑えつつ、良好な形状にナゲットを成長させることができる。
【００１８】
さらに、電流値を所定時間高く維持した後、電流値を所定時間低く維持することにより、スパッタの発生を抑えつつ、ナゲットを所要のナゲット径に成長させることができる。また、これにより、最外側に薄板を接合する場合でも、最外側の薄板にも良好な形状のナゲットを形成することができ、最外側に薄板の十分な接合強度を付与することができる。
【００１９】
このスポット溶接の通電制御方法は、スパッタの発生が抑えられており、省エネルギ化を図ることができる。また、溶接の作業性も良い。また、理想的な略矩形形状のナゲットを形成することができるので、その後にスパッタの発生を抑制しつつ所望の厚さ、所望のナゲット径のナゲットを形成する適応制御を行なう際の初期通電方法として最適である。
【００２０】
このように、本発明に斯かるスポット溶接の通電制御方法は、良好な溶接品質を確保することができ、作業性が良好であり、スポット溶接の省エネルギ化の点でも有利であるから、高張力鋼板の溶接だけでなく、軟鋼板のスポット溶接など種々のスポット溶接に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係るスポット溶接の通電制御方法を図面に基づいて説明する。
【００２２】
スポット溶接の通電制御方法を実施するスポット溶接装置１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、スポット溶接を行なう一対の電極２、３と、一対の電極２、３に電流を流す電源４と、電極２、３が複数枚の金属板を重ねた金属体Ｗを挟む加圧力を付与するアクチュエータ８と、電源４及びアクチュエータ８を制御する制御部９とを備えている。そして、所定の溶接位置に金属体Ｗを置き、アクチュエータ８を作動させ、一対の電極２、３により金属体Ｗを所定の加圧力で挟み、電極２、３に通電して溶接を行なうものである。電極２、３の加圧力や、通電パターンは、制御部９において予め設定されており、制御部９は予め設定されたプログラムに沿って電源４及びアクチュエータ８に制御信号を送り溶接を実行させる。また、この実施形態で用いた電極２、３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、直径が１６ｍｍの電極であり、先端に掛けて曲率半径８ｍｍの曲面で細くし、さらに直径８ｍｍの先端部分は曲率半径１５ｍｍの曲面で形成したものである。
【００２３】
第１実施例では、図１（ｂ）に示すように、ＳＰＣ２７０の０．６５ｍｍの板材５と、ＳＰＣ４４０の１．２ｍｍの板材６と、ＳＨＧＡ４４０の１．６ｍｍの板材７を順に重ねたものを溶接する。最外側に積層されるＳＰＣ２７０の０．６５ｍｍの板材５はフランジ部１０を備えており、この実施例では、そのフランジ部１０を溶接する。溶接は、加圧力を３５０ｋｇｆとし、図３に示すように、通電時間の０〜２cycleは徐々に電流値を上げ、２〜４cycleを３ｋＡとし、４〜１０cycleを８．９ｋＡとし、１０〜１９cycleを７．７ｋＡとした通電パターンにより行なった。なお、この実施形態では、周波数６０Hzの交流でスポット溶接を行なっており、cycleは通電時間を設定する単位であり、１cycleは１/６０secである。
【００２４】
この際、通電パターンの初期（０〜４cycle）に３ｋＡという低い電流値を所定時間維持しているので、通電初期にスパッタが発生するという不具合が生じるのを抑えることができる。そして、その後、表面が軟化した金属体に電極が押圧され、金属体と電極との接触面積を広くしてから電流値を高くする。この実施形態では、電流値を３ｋＡに維持する４cycle目において、電極の圧痕が直径３ｍｍ程度になり、その後に電流値を８．９ｋＡにした。この場合でも、金属体と電極との接触面積を広くなっているので、電流値が高くなってもスパッタが発生するのを抑えることができる。
【００２５】
この実施形態では、電流値を高くすることにより、３枚の板材を貫通するようにナゲットを厚さ方向に成長させ、その後に、ナゲットの厚さ方向の成長を抑えつつ、ナゲット径を大きく成長させるべく、電流値を低くした。この結果、図４に示すように、３枚の板材５〜７を貫通し、適切な厚さとナゲット径を備えた略矩形の良好なナゲット１１を生成することができた。このとき、比較的厚肉の板材６、７の溶接はもちろんのこと、最外側の薄板５にも十分なナゲット径でナゲット１１が形成されており、十分な溶接強度を確保することができた。
【００２６】
このスポット溶接の通電制御方法によれば、上述したように、溶接の初期にスパッタの発生を抑えているので、高張力鋼板の溶接に特に有効である。また、スパッタの発生が抑制されているので、投入熱量を有効に活用できることで、省エネルギ化を図ることができる。
【００２７】
また、通電の初期（この実施例では０〜４cycle）において電流値が低く、電流密度も高くないので、ごみが挟まっていたり、金属板の表面に凹凸があったりして金属板同士の接触面積が小さい場合や、シール材を挟んでいるような場合でもスパッタが発生することがない。そして、電流値を低く維持する通電初期の間に金属体Ｗが発熱し軟化することによりこれらは解消され、その後は金属板と電極との接触面積が十分に確保されるので、電流値を高くする段階（この実施形態では４〜１９cycle）ではスパッタの発生要因とはならない。
【００２８】
このように、この通電制御方法によれば、通電時間初期のナゲットの急成長及びスパッタの発生を抑制することができる。また、ごみが挟まっているなどの外乱がある場合でも、適切なスポット溶接を行なうことができる。さらに、電流値を所定時間高く維持した後、電流値を所定時間低く維持することにより、スパッタの発生を抑えつつ、ナゲットを所要のナゲット径に成長させることができ、これにより、最外側に薄板を接合する場合でも、最外側の薄板にも良好な形状のナゲットを形成することができ、最外側に薄板の十分な接合強度を付与することができる。また、スパッタの発生が抑えられており、省エネルギ化を図ることができる。また、各段間に冷却時間を設ける必要もないので、溶接の作業性も良い。また、理想的な略矩形形状のナゲットを形成することができるので、その後にスパッタの発生を抑制しつつ所望の厚さ、所望のナゲット径のナゲットを形成する適応制御を行なう際の初期通電方法として最適である。
【００２９】
次に、本発明の第２実施例を説明する。
【００３０】
第２実施例では、図示は省略するが、ＳＰＣ２７０の０．６５ｍｍの板材と、ＳＰＣ５９０の１．４ｍｍの板材と、ＳＨＧＡ４４０の１．６ｍｍの板材を順に重ねたものを溶接する。溶接は、加圧力を３５０ｋｇｆとし、通電時間の０〜２cycleは徐々に電流値を上げ、２〜４cycleを３ｋＡとし、４〜１０cycleを８．９ｋＡとし、１０〜１９cycleを７．７ｋＡとした通電パターンにより行なった。
【００３１】
この場合も、０〜４cycleの通電時間の初期において、電流値を所定時間低く維持してスパッタの発生を抑えた状態で金属体の表面を軟化させているので、溶接初期のナゲットの急成長及びスパッタの発生を抑制することができた。そして、４〜１０cycleにおいて、金属体が軟化し、電極が金属体に馴染んだ後で、電流値を所定時間高くしたので、電流密度がそれほど高くならずスパッタの発生を抑えつつ、良好な形状にナゲットを成長させることができた。さらに、１０〜１９cycleにおいて、電流値を所定時間高く維持した後、電流値を所定時間低く維持することにより、スパッタの発生を抑えつつ、ナゲットを所要のナゲット径に成長させることができた。
【００３２】
このように、このスポット溶接の通電制御方法は、高張力鋼板の溶接に適用してもスパッタやバリの発生を抑制することができる。そして、省エネルギ化を図ることができ、溶接の作業性も良い。また、理想的な略矩形のナゲットを形成することができるので、最外側に薄肉鋼板を溶接するような用途にも対応できる。また、その後にスパッタの発生を抑制しつつ所望の厚さ、所望のナゲット径のナゲットを形成する適応制御を行なう際の初期通電方法として最適である。また、消費エネルギが少なくて済み、スパッタの発生が少なく、良好な溶接強度を確保できるので、高張力鋼板だけでなく、軟鋼板の溶接にも有用である。また、フランジの幅が狭く、溶接位置に制約があるような場合でも、適切なナゲットの形状に調整し易く、その後に適応制御を組み合わせることにより、バリの発生を抑えることができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態に係るスポット溶接の通電制御方法を説明したが、本発明に係るスポット溶接の通電制御方法は上記の実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
本発明者らは、上記以外にも種々の厚さの板材を積層し、これらに対し、従来の軟鋼板に用いていた通電制御方法、すなわち通電の初期に電力値を高くし、中間で電力値を低くし、最後に電力値を高くする方法と、本発明に係る通電制御方法、すなわち通電の初期に電力値を低くし、中間で電力値を高くし、最後に電力値を低くする方法で溶接を行ない、形成されるナゲットや投入されたエネルギを比較した。なお、この際、具体的な通電時間や電流値は、溶接する板材の材質などに合わせて種々の変更をした。
【００３５】
この結果、本発明に斯かるスポット溶接の通電制御方法によれば、鋼板の材質が軟鋼板であるか高張力鋼板であるかを問わず、何れも通電初期のスパッタの発生を抑えることができ、良好な溶接品質を確保することができ、スポット溶接の省エネルギ化の点でも有利であった。
【００３６】
また、通電初期にスパッタの発生を抑えるためには、通電初期の電流値の上限を４ｋＡ以下とし、また、適切な作業時間で金属体を発熱させ軟化させるには通電初期の電流値の下限を２ｋＡ以上としておくのが望ましいということも解った。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）はスポット溶接装置の構成を示す図であり、（ｂ）は溶接部の拡大図である。
【図２】（ａ）本発明の一実施形態に係るスポット溶接の通電制御方法で用いた電極形状を示す正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスポット溶接の通電制御方法の通電パターンを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスポット溶接の通電制御方法により形成されるナゲットを示す断面図である。
【図５】従来のスポット溶接の通電制御方法の通電パターンを示す図である。
【図６】従来のスポット溶接の通電制御方法により形成されるナゲットを示す断面図である。
【図７】通電時間を短くチューニングした通電パターンを示す図である。
【図８】図７に示す通電パターンにより形成されるナゲットを示す断面図である。
【図９】電流値を低くチューニングした通電パターンを示す図である。
【図１０】図７に示す通電パターンにより形成されるナゲットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１     スポット溶接装置
２、３ 電極
４     電源
５〜７ 板材
８     アクチュエータ
９     制御部
１０   フランジ部
１１   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】
2006043731.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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