(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の板材を積層したワークを一対の電極により挟持した状態で電流を流して溶接する溶接方法であって、
前記一対の電極による前記ワークの加圧開始から所定の加圧力に達するまでの加圧立ち上がり時間を測定する工程と、
前記測定した前記加圧立ち上がり時間に基づいて、前記積層された板材間の加圧開始前のギャップ量を算出する工程と、
前記算出した前記ギャップ量が大きいほど前記ワークの加圧部分に流す溶接電流を低く設定する工程と、
を備えたことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
複数の板材を積層したワークを溶接する溶接装置であって、
互いに対向して配置され、進退機構により接近又は離隔する一対の電極と、
前記一対の電極間に電流を流す電流源と、
前記ワークを前記一対の電極で挟持して加圧したときの加圧力を検出する加圧力検出手段と、
前記加圧力検出手段が前記ワークの加圧力を検出し始めてから所定の加圧力を検出するまでの加圧立ち上がり時間を測定する加圧立ち上がり時間測定手段と、
前記加圧立ち上がり時間測定手段が測定した前記加圧立ち上がり時間に基づいて、前記積層された板材間の加圧開始前のギャップ量を算出するギャップ量算出手段と、
前記ギャップ量算出手段が算出した前記ギャップ量が大きいほど前記ワークの加圧部分に流す溶接電流を低く設定する電流設定選択手段と、
を備えたことを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法及びその装置に関する。詳しくは、積層された板材間のギャップ（隙間）量に基づいて溶接電流の設定を選択する溶接方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の板材を重ね合わせたワークの溶接にスポット溶接が用いられている。このスポット溶接では、ワークを一対の電極チップで挟んで加圧し、この状態で電極間に通電する。すると、通電により発生するジュール熱でワーク材が溶融し、電極間のワーク内部にワーク材の溶融物であるナゲットが生成する。その後、加圧状態を維持しつつ通電を停止することにより、ナゲットが冷却固化してワークが溶接される。
【０００３】
ところで、複数の板材を重ね合わせたワークをスポット溶接する際、各板材のプレス状況等の要因により、各板材間にギャップが発生している。また、そのギャップに関しては、各ワーク間でばらつきが発生している。このような状態で、ワークを一定条件で加圧した場合、接触条件（加圧力、板材同士の接触径）にばらつきが生じてくるため、電極間のワークに同じ電流を流しても、ナゲットの成長状態を一定に保つことができない。
【０００４】
そこで、ナゲットの成長状態を一定に保つために、電極間に流す溶接電流等の溶接条件を適切に設定する必要がある。そのために、各板材間のギャップを計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８５８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、測定すべきパラメータが多く、ワークを構成する各板材間のギャップを計測する処理が複雑になるという課題がある。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワークを構成する各板材間のギャップを容易に算出することにより、工数を増加させることなくギャップに応じた最適な溶接電流の設定を行う溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、複数の板材（例えば、後述の板材Ｗ１，Ｗ２）を積層したワーク（例えば、後述のワークＷ）を一対の電極（例えば、後述の可動電極２１及び固定電極２２）により挟持した状態で電流を流して溶接する溶接方法を提供する。
本発明に係る溶接方法は、前記一対の電極による前記ワークの加圧開始から所定の加圧力に達するまでの加圧立ち上がり時間（例えば、後述のｔ２−ｔ１）を測定する工程（例えば、後述の歪みゲージ１７が加圧立ち上がり時間を計測する工程）と、前記測定した前記加圧立ち上がり時間に基づいて、前記積層された板材間の加圧開始前のギャップ量を算出する工程（例えば、後述の制御装置１００がギャップ量を算出する工程）と、前記算出した前記ギャップ量が大きいほど前記ワークの加圧部分に流す溶接電流を低く設定する工程（例えば、後述の制御装置１００が溶接電流の設定を選択する工程）と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、ワークの加圧開始から所定の加圧力に達するまでの加圧立ち上がり時間を測定し、測定した加圧立ち上がり時間に基づいて、積層された板材間の加圧開始前のギャップ量を算出する。よって、加圧立ち上がり時間を測定することで板材間のギャップ量を容易に算出することができる。
また、本発明によれば、算出したギャップ量に基づいて、ワークの加圧部分に流す溶接電流の設定を選択する。よって、ギャップ量に応じて溶接電流の電流値が決まるので、溶接条件が適切に設定されてナゲットの成長状態を一定に保つことができる。
以上より、本発明によれば、１サイクル分の溶接作業途中でギャップ量を算出し、溶接電流の設定を選択することができるので、工数を増加させることなく、ギャップ量に見合った最適な溶接作業を行うことができる。
【００１０】
また、複数の板材（例えば、後述の板材Ｗ１，Ｗ２）を積層したワーク（例えば、後述のワークＷ）を溶接する溶接装置（例えば、後述のスポット溶接装置１）を提供する。
この溶接装置は、互いに対向して配置され、進退機構により接近又は離隔する一対の電極（例えば、後述の可動電極２１及び固定電極２２）と、前記一対の電極間に電流を流す電流源（例えば、後述の図示しない電流源）と、前記ワークを前記一対の電極で挟持して加圧したときの加圧力を検出する加圧力検出手段（例えば、後述の歪みゲージ１７）と、前記加圧力検出手段が前記ワークの加圧力を検出し始めてから所定の加圧力を検出するまでの加圧立ち上がり時間を測定する加圧立ち上がり時間測定手段（例えば、後述の歪みゲージ１７）と、前記加圧立ち上がり時間測定手段が測定した前記加圧立ち上がり時間に基づいて、前記積層された板材間の加圧開始前のギャップ量を算出するギャップ量算出手段（例えば、後述の制御装置１００）と、前記ギャップ量算出手段が算出した前記ギャップ量が大きいほど前記ワークの加圧部分に流す溶接電流を低く設定する電流設定選択手段（例えば、後述の制御装置１００）と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、上記の溶接方法の発明と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ワークを構成する各板材間のギャップを容易に算出することにより、工数を増加させることなくギャップに応じた最適な溶接電流の設定を行う溶接方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るスポット溶接装置の構成を示す側面図である。
【図２】上記実施形態に係るワークワークに流れる電流密度の様子と生成されるナゲットの形状を表す模式図である。
【図３】上記実施形態に係るワークに流れる電流密度の様子と生成されるナゲットの形状を表す模式図である。
【図４】上記実施形態に係るワークに流れる電流密度の様子と生成されるナゲットの形状を表す模式図である。
【図５】上記実施形態に係る溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
【図６】上記実施形態に係る溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
【図７】上記実施形態に係る溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
【図８】上記実施形態に係る溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
【図９】上記実施形態に係るギャップ量と加圧立ち上がり時間との関係を表すグラフである。
【図１０】上記実施形態に係る溶接電流とワークへの加圧力との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接装置の構成を示す側面図である。本実施形態に係るスポット溶接装置１は、ロボットアーム８０の先端に取り付けられた電動式のスポット溶接装置である。
スポット溶接装置１は、複数の板材Ｗ１及びＷ２を重ね合わせたワークＷを、後述する複数の電極で挟んで加圧し、この状態で電極間に通電することでワークＷを溶接するものである。
【００１５】
スポット溶接装置１は、ロボットアーム８０の先端に設けられた支持部９０により支持されたスポット溶接ガン１０と、このスポット溶接ガン１０を制御する制御装置１００と、を備える。
【００１６】
支持部９０は、支持ブラケット９１を含んで構成される。この支持ブラケット９１は、上板９１ａと、この上板９１ａに平行な下板９１ｂと、を備える。これら上板９１ａと下板９１ｂの間には、ガイドバー９２が橋架されている。
【００１７】
ガイドバー９２には、その軸方向に摺動自在な支持板９３が取り付けられている。支持板９３は、ロボットアーム８０側から上板９１ａ及び下板９１ｂに対して平行に延び、その先端側でスポット溶接ガン１０を支持する。支持板９３の基端側の上面には、筐体状の支持体９４が設けられている。上板９１ａと支持体９４の間には、ガイドバー９２に巻回された第１コイルスプリング９５が介装されている。同様に、下板９１ｂと支持板９３の間には、ガイドバー９２に巻回された第２コイルスプリング９６が介装されている。
【００１８】
スポット溶接ガン１０は、上記の支持板９３に支持されることで、支持部９０に対して相対的に昇降可能となっている。スポット溶接ガン１０は、溶接ガン本体１１と、溶接ガン本体１１の先端に設けられた電極部１５と、図示しない電流源と、を備える。
溶接ガン本体１１は、その上部に設けられたサーボモータ１６と、このサーボモータ１６に連結された図示しない送りねじ機構と、備える。
電極部１５は、可動電極２１と、固定電極２２と、を含んで構成される。
【００１９】
可動電極２１は、溶接ガン本体１１の先端から下方に突出し、送りねじ機構に連結されたロッド１２の先端に支持されている。可動電極２１は、サーボモータ１６により送りねじ機構を介してロッド１２が上下動（図１のＡ２方向又はＡ１方向に移動）することで、後述する固定電極２２に対して進退可能となっている。
固定電極２２は、溶接ガン本体１１の先端に連結された連結部１４から下方に延びるＣ形ヨーク１３の先端に支持されている。
これら可動電極２１と固定電極２２は、ワークＷを挟んで対向配置される。
【００２０】
Ｃ形ヨーク１３には、可動電極２１及び固定電極２２によるワークＷの加圧力を検出する歪みゲージ１７が取り付けられている。また、歪みゲージ１７は、加圧力を検出し始めてから所定の加圧力を検出するまでの加圧立ち上がり時間を計測する。なお、歪みゲージ１７は、図示しないケーブルを介して制御装置１００と電気的に接続されている。
【００２１】
制御装置１００は、ギャップ量算出部、電流設定選択部及び溶接電流通電部（いずれも図示せず）を備える。また、制御装置１００は、サーボモータ１６と、図示しない電流源と、を制御する。また、制御装置１００のギャップ量算出部は、歪みゲージ１７から加圧立ち上がり時間を受信して、板材Ｗ１，Ｗ２間のギャップ量を算出し、電流設定選択部は、算出したギャップ量に基づいて溶接電流の設定を選択し、溶接電流通電部は、図示しない電流源を制御することにより、ワークＷに溶接電流を通電させる。
詳細は図５〜図８を参照して後述するが、制御装置１００は、算出したギャップ量が大きいほど溶接電流を低く設定する。
【００２２】
次に、本実施形態に係るスポット溶接装置１の動作について説明する。
先ず、可動電極２１を固定電極２２に対して離間させた状態で、ロボットアーム８０及び支持部９０の動作により、ワークＷの溶接部位にスポット溶接ガン１０を移動させる。
このとき、ワークＷの下面が固定電極２２の先端面に当接する。
【００２３】
次いで、制御装置１００によりサーボモータ１６を制御して、送りねじ機構の作用で可動電極２１をワークＷに対して前進させる。すると、可動電極２１の先端面が、ワークＷの上面に当接する。
【００２４】
次いで、可動電極２１及び固定電極２２による加圧を維持しつつ、制御装置１００により図示しない電流源を制御して、溶接電流を供給する。これにより、ワークＷの可動電極２１及び固定電極２２間において、ワーク材の溶融が促進されてナゲット２３が生成する。
【００２５】
その後、制御装置１００により図示しない電流源を制御して、溶接電流の供給を停止する。次いで、制御装置１００によりサーボモータ１６を制御して、送りねじ機構の作用で可動電極２１をワークＷに対して後退させる。これにより、ナゲット２３が冷却固化し、ワークＷが溶接される。
【００２６】
次に、図２乃至図４を参照して、可動電極２１及び固定電極２２間においてワークＷに流れる電流密度と生成されるナゲット２３について説明する。
【００２７】
図２は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップが無い場合に、可動電極２１及び固定電極２２間においてワークＷに流れる電流密度の様子と生成されるナゲット２３の形状を表す模式図である。なお、図２（ａ）は、電流密度の様子を表しており、図２（ｂ）は、ナゲット２３の形状を表している。
【００２８】
図２によれば、板材Ｗ１と板材Ｗ２とは面全体で接触しているため、可動電極２１及び固定電極２２間においてワークＷに均等に電流が流れ、電流密度が略一定になる（図２（ａ））。よって、適切な接合強度が得られるような径を有するナゲット２３が生成される（図２（ｂ））。
【００２９】
図３は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップがある場合に、ワークＷに対する加圧が立ち上がってからの可動電極２１及び固定電極２２間においてワークＷに流れる電流密度の様子と生成されるナゲット２３の形状を表す模式図である。なお、図３（ａ）は、電流密度の様子を表しており、図３（ｂ）は、ナゲット２３の形状を表している。
【００３０】
図３によれば、ギャップを有する板材Ｗ１と板材Ｗ２とが可動電極２１及び固定電極２２により加圧されて、ワークＷの中央付近で接触している。したがって、接触部分に集中して電流が流れるため、ギャップが無い場合（図２参照）と比べて、電流密度に偏りが生じる（図３（ａ））。
そうすると、接触部分の発熱効率が上がり、ギャップが無い場合（図２参照）と比べて接触部分を中心としたナゲット２３が早く生成される。しかし、ナゲット２３の径は、ギャップが無い場合（図２参照）と比べて小さくなるため、適切な接合強度が得られなくなる。
【００３１】
そこで、ギャップがある場合であっても、ナゲット２３の径を大きくして適切な接合強度を得るためには、ワークＷを流れる電流密度の偏りをできるだけ少なくする必要がある。そのためには、ギャップが無い場合（図２参照）と比べて、可動電極２１及び固定電極２２間に流す電流を少なくする必要がある。この場合について、図４を参照して説明する。
【００３２】
図４は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップがある場合に、ワークＷに対する加圧が立ち上がってからの可動電極２１及び固定電極２２間においてワークＷに流れる電流密度の様子と生成されるナゲット２３の形状を表す模式図である。なお、図４（ａ）は、電流密度の様子を表しており、図４（ｂ）は、ナゲット２３の形状を表している。
【００３３】
図４によれば、図３と同様に、ギャップを有する板材Ｗ１と板材Ｗ２とが可動電極２１及び固定電極２２により加圧されて、ワークＷの中央付近で接触している。しかしながら、図３の場合と比べて、可動電極２１及び固定電極２２間に流す電流を少なくしたため、電流密度の偏りが少なくなる（図４（ａ））。したがって、図３の場合と比べて、接触部分の発熱効率が下がり、ナゲットの生成が均一化されるため、スパッタを出すことなく、ナゲット２３の径が大きくなる（図４（ｂ））。
【００３４】
次に、図５乃至図８を参照して、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量に応じて設定される溶接電流について説明する。
【００３５】
図５は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量が０ｍｍの場合に、可動電極２１及び固定電極２２間に流れる溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
図５によれば、本実施形態における板材Ｗ１と板材Ｗ２とが適切な接合強度を有するために必要なナゲット径（以下、「必要ナゲット径」とする）を超えた径を有するナゲットを生成するために必要な溶接電流の最小値は、８．５ＫＡである。したがって、ギャップ量が０ｍｍの場合の適正電流値は、８．５ＫＡである。
【００３６】
図６は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量が１ｍｍの場合に、可動電極２１及び固定電極２２間に流れる溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
図６によれば、必要ナゲット径を超えた径を有するナゲットを生成するために必要な溶接電流の最小値は、８．０ＫＡである。このとき、電流密度がギャップ無しの場合と同等になり、スパッタを出すことなく、ナゲットの径が必要ナゲット径より大きくなる。したがって、ギャップ量が１ｍｍの場合の適正電流値は、８．０ＫＡである。
【００３７】
図７は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量が２ｍｍの場合に、可動電極２１及び固定電極２２間に流れる溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
図７によれば、必要ナゲット径を超えた径を有するナゲットを生成するために必要な溶接電流の最小値は、７．５ＫＡである。このとき、電流密度がギャップ無しの場合と同等になり、スパッタを出すことなく、ナゲットの径が必要ナゲット径より大きくなる。したがって、ギャップ量が２ｍｍの場合の適正電流値は、７．５ＫＡである。
【００３８】
図８は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量が３ｍｍの場合に、可動電極２１及び固定電極２２間に流れる溶接電流とナゲット径との関係を表すグラフである。
図８によれば、必要ナゲット径を超えた径を有するナゲットを生成するために必要な溶接電流の最小値は、７．０ＫＡである。このとき、電流密度がギャップ無しの場合と同等になり、スパッタを出すことなく、ナゲットの径が必要ナゲット径より大きくなる。したがって、ギャップ量が３ｍｍの場合の適正電流値は、７．０ＫＡである。
【００３９】
上記図５乃至図８の説明によれば、ギャップ量が大きいほど溶接電流を低くすることによって、適正なナゲット径を有するナゲットを生成できる。
【００４０】
図９は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量と、可動電極２１及び固定電極２２によるワークＷの加圧が開始されてから所定の加圧力に達するまでの加圧立ち上がり時間との関係を表すグラフである。
【００４１】
図９によれば、ギャップ量が０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ及び３ｍｍの場合の加圧立ち上がり時間が示されている。また、ギャップ量と加圧立ち上がり時間とは略比例しており、ギャップ量が多いほど加圧立ち上がり時間が長い。これは、ギャップをつぶすための時間が、ギャップ量が多いほど長いからである。
【００４２】
図１０は、可動電極２１及び固定電極２２間に流れる溶接電流と、可動電極２１及び固定電極２２によるワークＷへの加圧力との関係を表す図である。
【００４３】
図１０を参照して、時刻の流れとともに加圧力及び溶接電流の変化を説明する。時刻ｔ０〜ｔ１の間は、ワークＷへの加圧開始前であり、加圧力及び溶接電流は共に０である。この間に、制御装置１００は、サーボモータ１６を制御して、可動電極２１の先端面をワークＷの上面に当接させる。
【００４４】
次に、時刻ｔ１から加圧が開始されｔ２で加圧が立ち上がる。加圧立ち上がり時間（ｔ２−ｔ１）は、歪みゲージ１７によって測定（歪みゲージ１７は、加圧力を検出し始めてから所定の加圧力を検出するまでの時間を測定する）されて、制御装置１００に送信される。この加圧立ち上がり時間は、板材Ｗ１と板材Ｗ２とのギャップ量に応じて変化する（図９参照）。制御装置１００は、図９の関係に基づいて、受信した加圧立ち上がり時間からギャップ量を算出する。
なお、加圧立ち上がり状態での加圧力は、ギャップ量にかかわらず一定である。
【００４５】
次に、時刻ｔ２からｔ３までの間は、加圧力を安定させるための時間（約１００ｍｓ）であり、この時間の経過後時刻ｔ３で溶接電流が変更される。溶接電流は、ギャップ量に応じて適正値が定まっており、図５〜図８を参照して説明したように、ギャップ量が０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ又は３ｍｍの場合の適正電流値は、それぞれ、８．５ＫＡ、８．０ＫＡ、７．５ＫＡ又は７．０ＫＡである。すなわち、ギャップ量が多いほど適正電流値は小さくなるという関係がある。制御装置１００は、この関係に基づいて、算出したギャップ量から溶接電流の設定を選択する。
【００４６】
次に、制御装置１００は、時刻ｔ３で図示しない電流源を制御して溶接電流を変化させ、時刻ｔ４までの間通電する。この通電により、ギャップ量に応じた適正なナゲット径を有するナゲット２３が生成される。なお、通電時間は、ギャップ量にかかわらず一定である。
時刻ｔ４で、制御装置１００は、溶接電流の供給を停止させて、時刻ｔ５で可動電極２１をワークＷに対して後退させる。これにより、ナゲット２３が冷却固化し、ワークＷが適切な接合強度で溶接される。
【００４７】
本実施形態によれば、ワークＷの加圧開始から所定の加圧力に達するまでの加圧立ち上がり時間を測定し、測定した加圧立ち上がり時間に基づいて、積層された板材Ｗ１及び板材Ｗ２間の加圧開始前のギャップ量を算出する。よって、加圧立ち上がり時間を測定することで板材Ｗ１及び板材Ｗ２間のギャップ量を容易に算出することができる。
また、本実施形態によれば、算出したギャップ量に基づいて、ワークＷの加圧部分に流す溶接電流の設定を選択する。よって、ギャップ量に応じて溶接電流の電流値が決まるので、溶接条件が適切に設定されてナゲット２３の成長状態を一定に保つことができる。
以上より、本実施形態によれば、１サイクル分の溶接作業途中でギャップ量を算出し、溶接電流の設定を選択することができるので、工数を増加させることなく、ギャップ量に見合った最適な溶接作業を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、溶接条件の加圧力及び通電時間はギャップ量にかかわらず同じ条件として、溶接電流をギャップ量に応じて小さくして板材Ｗ１及び板材Ｗ２間に流れる溶接電流密度の偏りを少なくして、ギャップ無しの場合と同等にした。よって、溶接電流が大きい場合と比べて、板材Ｗ１及び板材Ｗ２の接触部分の発熱効率が下がり、接触部分に集中してナゲット２３が生成されなくなるため、スパッタを出すことなく、ナゲット２３の径が大きくなり、適切な接合強度を有するナゲット２３を生成することができる。
また、本実施形態によれば、溶接電流をギャップ量に応じて変更するだけなので、通電時間は延びることがない。よって、生産効率が悪くなることがない。
【００４９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…スポット溶接装置
１０…スポット溶接ガン
２１…可動電極
２２…固定電極
２３…ナゲット
Ｗ…ワーク
Ｗ１，Ｗ２…板材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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