(57)【要約】【課題】抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法において、被溶接材の材質及び板厚の種々の組合せに応じて最適な温度変化目標パターンＴｐを自動生成すること。【解決手段】被溶接材の材質及び板厚を入力して最高温度到達時間Ｔｍ、最高温度Ｔｐｍ、溶接終了時間Ｔｅ及び溶接終了時温度Ｔｐｅを算出し、前記温度変化目標パターンＴｐが、溶接開始時点ｔ合え０の周温に相当する予め定めた初期温度Ｔｐｓから前記最高温度到達時間Ｔｍに前記最高温度Ｔｐｍまで上昇し、その後前記溶接終了時間Ｔｅに前記溶接終了時温度Ｔｐｅまで下降するように自動生成される抵抗溶接制御方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法において、
被溶接材の材質及び板厚を入力して最高温度到達時間、最高温度、溶接終了時間及び溶接終了時温度を算出し、前記温度変化目標パターンが溶接開始時点の周温に相当する予め定めた初期温度から前記最高温度到達時間に前記最高温度まで上昇しその後前記溶接終了時間に前記溶接終了時温度まで下降するように自動生成されることを特徴とする抵抗溶接制御方法。
【請求項２】
抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法において、
被溶接材の材質及び板厚を入力して溶接終了時間及び最高温度を算出し、前記温度変化目標パターンが溶接開始時点の周温に相当する予め定めた初期温度から前記溶接終了時間に前記最高温度まで上昇するように自動生成されることを特徴とする抵抗溶接制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポット溶接に使用される抵抗溶接に関し、特に、抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数枚重ねた被溶接材を１対の電極によって加圧・通電して溶接する抵抗スポット溶接において、溶接部の良好な品質を得るためには、ナゲット径が適正範囲内で形成されること及び溶接中に散りが発生しないことが重要である。特に、最近多く使用されている亜鉛メッキ鋼板及び高張力鋼板の抵抗溶接では、ナゲット径が変動しやすくかつ散りも発生しやすいために、これらの発生を抑制する制御方法が種々提案されている。
【０００３】
ナゲット径の適正化及び散りの発生の防止のためには、抵抗溶接中の溶接部の温度変化を被溶接材の材質及び板厚等に応じて適正化する必要がある。すなわち、溶接開始時点から溶接終了時点までの溶接部の温度変化を、上記の溶接条件に応じて予め定めた温度変化目標パターンに沿うように溶接電流を制御することによって、ナゲット径の適正な散りも発生しない良好な溶接品質を得ることができる。このような温度パターン追従電流制御では、抵抗溶接中の溶接部の温度変化を計測する必要があるが、溶接部は外部から見えないために直接その温度変化を計測することは困難である。このために、溶接部の温度変化を熱伝導計算によってリアルタイムに演算して溶接部温度推定値を求める方法が多く提案されている。
【０００４】
上記の熱伝導計算方法には、微分方程式及び有限要素分析法を用いる方法、溶接部のエネルギーバランスモデルに基づく平均温度推定値を計算する方法等がある。これらの熱伝導計算方法では、溶接電流値、溶接電圧値並びに電極及び被溶接材の物理的定数を入力として、溶接部温度推定値を演算する。
【０００５】
図６は、上述した温度パターン追従電流制御の一例を示す溶接部温度推定値Ｔｃの時間変化図である。同図において、横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔを慣例により商用電源の１周期（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの逆数）＝１サイクル（ｃｙｃ）として表わしている。また、左の縦軸は溶接部温度推定値Ｔｃ［℃］及び温度変化目標パターンＴｐ［℃］を表わし、右の縦軸は制御操作量である溶接電流の実効値Ｉｒｍ［Ａ］を表わしたものである。温度パターン追従電流制御では、各経過時間における溶接部温度推定値Ｔｃを演算し、温度変化目標パターンＴｐとの温度偏差ΔＴ＝Ｇａｉｎ・（Ｔｐ−Ｔｃ）を算出し、この産出値に応じて溶接電流の実効値Ｉｒｍを増減させて、溶接部温度推定値Ｔｃを温度変化目標パターンＴｐに沿わせる。これにって、溶接部の温度変化が適正化されて、ナゲット径の適正な散りの発生しない良好な溶接品質を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３２２１２９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した温度パターン追従電流制御では、複数枚の被溶接材の材質及び板厚の組合せに応じて温度変化目標パターンを予め設定しておく必要がある。このために、上記の溶接条件ごとに実験を繰り返して、温度変化目標パターンを作成しなければならない。しかし、被溶接材の材質として軟鋼、亜鉛メッキ鋼、高張力鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金等と多数あり、また、板厚として０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍ等と多数ある。さらに、被溶接材を重ねる枚数も２枚、３枚等がある。このため、これらを組合せた溶接条件は膨大な数になる。この膨大な数の溶接条件ごとに実験を行い温度変化目標パターンを作成することは、事実上困難である。このために、標準的な溶接条件を数種類選択し、これら標準溶接条件における温度変化目標パターンを実験により作成している。そして、実際の溶接条件が標準溶接条件から外れる場合には、近い標準溶接条件の温度変化目標パターンをそのまま使用するか又は現場で微調整して使用するかであった。したがって、実際の溶接条件にとって最適ではない温度変化目標パターンによって制御されることになり、溶接品質にバラツキが生じるという問題がある。上述したように、特に亜鉛メッキ鋼又は高張力鋼の抵抗溶接では、溶接品質の変動が大きいためにより一層溶接品質がバラツクことになる。
【０００８】
そこで、本発明では、被溶接材の材質及び板厚の種々の組合せに対応して、最適な温度変化目標パターンを自動生成することができる抵抗溶接制御方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法において、
被溶接材の材質及び板厚を入力して最高温度到達時間、最高温度、溶接終了時間及び溶接終了時温度を算出し、前記温度変化目標パターンが溶接開始時点の周温に相当する予め定めた初期温度から前記最高温度到達時間に前記最高温度まで上昇しその後前記溶接終了時間に前記溶接終了時温度まで下降するように自動生成されることを特徴とする抵抗溶接制御方法である。
【００１０】
さらに、請求項２の発明は、抵抗溶接中の溶接部の温度を熱伝導計算によって推定し、この溶接部温度推定値が予め定めた温度変化目標パターンと略等しくなるように溶接電流値を増減させる抵抗溶接制御方法において、
被溶接材の材質及び板厚を入力して溶接終了時間及び最高温度を算出し、前記温度変化目標パターンが溶接開始時点の周温に相当する予め定めた初期温度から前記溶接終了時間に前記最高温度まで上昇するように自動生成されることを特徴とする抵抗溶接制御方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る温度変化目標パターン生成方法を示す図である。同図の横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔ［ｃｙｃ］を示し、縦軸は目標温度［℃］を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
まず、溶接開始時点ｔ＝０のときの目標温度Ｔｐ＝Ｔｐｓとする。初期温度Ｔｐｓは、周温に相当する予め定めた値（例えば、２０℃）に設定する。次に、最高温度Ｔｐｍは、被溶接材の材質によって定まる定数である。例えば、鉄鋼の場合にはＴｐｍ＝１５００℃とする。溶接終了時間Ｔｅは、下式で算出される。
Ｔｅ＝Ａ×Ｂ＋Ｃ
ここで、Ａは重ねた被溶接材の板厚の合計値［ｍｍ］であり、Ｂは被溶接材の材質によって定まる係数であり、Ｃは被溶接材がメッキ処理されているときの補正値である。例えば、鉄鋼の場合Ｂ＝５とし、亜鉛メッキ処理の場合Ｃ＝２とする。したがって、例えば、板厚１．２ｍｍの亜鉛メッキ処理なしの軟鋼の２枚重ねの場合、溶接終了時間Ｔｅ＝（１．２＋１．２）×５＋０＝１２［ｃｙｃ］となる。同様に、板厚１．２ｍｍの亜鉛メッキ鋼板の２枚重ねの場合、溶接終了時間Ｔｅ＝（１．２＋１．２）×５＋２＝１４［ｃｙｃ］となる。
【００１４】
上記の最高温度Ｔｐｍに到達する時間Ｔｍは、下式で算出する。
Ｔｍ＝Ｔｅ×Ｄ
ここで、Ｄは温度パターン追従電流制御系における制御安定性から定まる定数であり、０．５〜１．０程度の範囲で設定する。また、溶接終了時温度Ｔｐｅは、下式で算出される。
Ｔｐｅ＝Ｔｐｍ−Ｅ
ここで、Ｅも上記の制御安定性から定まる定数であり、例えば、Ｅ＝１００［℃］とする。
【００１５】
したがって、被溶接材の材質及び板厚が入力されると、最高温度Ｔｐｍ及び溶接終了時間Ｔｅがまず算出される。続いて、これらから最高温度到達時間Ｔｍ及び溶接終了時温度Ｔｐｅが算出される。そして、温度変化目標パターンＴｐは、溶接開始時点ｔ＝０の上記の初期温度Ｔｐｓから上記の最高温度到達時間Ｔｍに上記の最高温度Ｔｐｅまで上昇し、その後上記の溶接終了時間Ｔｅに上記の溶接終了時温度Ｔｐｅまで下降するように近似式によって自動生成される。この場合に、１〜４次程度の近似式を使用する。上昇カーブ及び下降カーブの軌跡は、上記の制御安定性に影響を与えるので、近似式の次数は制御安定性との関係で設定される。溶接品質は、あまりこれらのカーブには影響を受けず、最高温度Ｔｐｍとその到達時間Ｔｍが重要である。
【００１６】
図２は、上述した温度変化目標パターン生成方法によって生成された特性の例を示す図である。特性Ｌ１は、板厚１．２ｍｍの亜鉛メッキ処理なしの軟鋼を２枚重ねた場合である。特性Ｌ２は、板厚１．０ｍｍの亜鉛メッキ処理なしの軟鋼を２枚重ねた場合である。また、特性Ｌ３は、板厚１．０ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を３枚重ねた場合である。このように、実施の形態１の温度変化目標パターン生成方法によって種々の溶接条件に応じて最適な特性を自動生成することができる。
【００１７】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る温度変化目標パターン生成方法を示す図である。同図の横軸は溶接開始時点からの経過時間ｔ［ｃｙｃ］を示し、縦軸は目標温度［℃］を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１８】
同図において、最高温度Ｔｐｍ及び溶接終了時間Ｔｅの算出方法は、上述した実施の形態１と同様である。したがって、被溶接材の材質及び板厚が入力されると、最高温度Ｔｐｍ及び溶接終了時間Ｔｅが算出される。そして、温度変化目標パターンＴｐは、溶接開始時点ｔ＝０の初期温度Ｔｐｓから上記の溶接終了時間Ｔｅに上記の最高温度Ｔｐｍまで上昇するように近似式によって自動生成される。この場合に、１〜４次程度の近似式を使用する。上昇カーブの軌跡は、制御安定性に影響を与えるので、近似式の次数は制御安定性との関係で設定される。溶接品質は、あまりこのカーブには影響を受けず、最高温度Ｔｐｍとその到達時間である溶接終了時間Ｔｅが重要である。
【００１９】
図４は、上述した温度変化目標パターン生成方法によって生成された特性の例を示す図である。特性Ｌ４は、板厚１．２ｍｍの亜鉛メッキ処理なしの軟鋼を２枚重ねた場合である。特性Ｌ５は、板厚１．０ｍｍの亜鉛メッキ処理なしの軟鋼を２枚重ねた場合である。また、特性Ｌ６は、板厚１．０ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を３枚重ねた場合である。このように、実施の形態２の温度変化目標パターン生成方法によって種々の溶接条件に応じて最適な特性を自動生成することができる。
【００２０】
実施の形態２は、実施の形態１において、Ｄ＝１．０及びＥ＝０℃とした場合に相当する。この実施の形態１と実施の形態２との使い分けは、上述したように、制御安定性との関係で選択されることになる。抵抗溶接装置全体としての制御安定性を考慮して選択することになる。
【００２１】
図５は、実施の形態１及び２を実施するための溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【００２２】
サイリスタＳＣＲは、商用交流電源ＡＣを入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従って溶接電流Ｉｗの実効値Ｉｒｍが所定値になるように位相制御する。変圧器ＴＲは、抵抗溶接に適した電圧値に降圧する。１対の電極１ａ、１ｂは、複数枚の被溶接材２を加圧し、電極を介して溶接電流Ｉｗが通電し溶接電圧Ｖｗが印加する。
【００２３】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接部温度推定値演算回路ＴＣは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び電圧検出信号Ｖｄを入力として、予め定めた被溶接材及び電極の物理定数を使用して熱伝導計算によって演算して、溶接部温度推定信号Ｔｃを出力する。
【００２４】
溶接条件設定回路ＷＣは、重ねる各被溶接材の材質及び板厚を設定して溶接条件設定信号Ｗｃを出力する。温度変化目標パターン生成回路ＴＰは、この溶接条件設定信号Ｗｃ（材質及び板厚）を入力として、上述した温度変化目標パターン生成方法によって温度変化目標パターンを生成し、溶接開始時点からの経過時間に対応した目標温度信号Ｔｐを出力する。温度誤差増幅回路ＥＴは、上記の目標温度信号Ｔｐと上記の溶接部温度推定信号Ｔｃとの誤差を増幅して、温度誤差増幅信号ΔＴ＝Ｇａｉｎ・（Ｔｐ−Ｔｃ）を出力する。
【００２５】
温度誤差積分回路ＳＤＴは、上記の温度誤差増幅信号ΔＴを積分して電流設定修正信号ΔＩｓを出力する。初期電流設定回路ＩＳは、予め定めた初期電流設定信号Ｉｓを出力する。加算回路ＡＤは、上記の初期電流設定信号Ｉｓと上記の電流設定修正信号ΔＩｓとを加算して、電流制御設定信号Ｉｓｃ＝Ｉｓ＋ΔＩｓ＝Ｉｓ＋ΣΔＴを出力する。したがって、この電流制御設定信号Ｉｓｃは、フィードバック制御によって増減する。
【００２６】
電流実効値演算回路ＩＲＭは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力としてその実効値を演算して、電流実効値信号Ｉｒｍを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉｓｃと上記の電流実効値信号Ｉｒｍとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉに従って上記のサイリスタＳＣＲを位相制御するための駆動信号Ｄｖを出力する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の抵抗溶接制御方法によれば、被溶接材の材質及び板厚の種々の組合せに応じて最適な温度変化目標パターンを自動生成することができるので、温度変化目標パターンの設定が容易となり、かつ、常に良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る温度変化目標パターン生成方法を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１によって生成された温度変化目標パターンの例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る温度変化目標パターン生成方法を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２によって生成された温度変化目標パターンの例を示す図である。
【図５】本発明に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図６】従来技術の温度パターン追従制御を行ったときの溶接部温度推定値Ｔｃ、温度変化目標パターンＴｐ及び溶接電流実効値Ｉｒｍの時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ        電極
２            被溶接材
ＡＣ            商用交流電源
ＡＤ            加算回路
ＤＶ            駆動回路
Ｄｖ            駆動信号
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＴ            温度誤差増幅回路
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
ＩＲＭ            電流実効値演算回路
Ｉｒｍ            溶接電流実効値、電流実効値信号
ＩＳ            初期電流設定回路
Ｉｓ            初期電流設定信号
Ｉｓｃ            電流制御設定信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｌ１〜Ｌ６        特性
ＳＣＲ            サイリスタ
ＳＤＴ            温度誤差積分回路
ｔ            経過時間
ＴＣ            溶接部温度推定値演算回路
Ｔｃ            溶接部温度推定（値／信号）
Ｔｅ            溶接終了時間
Ｔｍ            最高温度到達時間
ＴＰ            温度変化目標パターン生成回路
Ｔｐ            温度変化目標パターン、目標温度（信号）
Ｔｐｅ            溶接終了時温度
Ｔｐｍ            最高温度
Ｔｐｓ            初期温度
ＴＲ            変圧器
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＣ            溶接条件設定回路
Ｗｃ            溶接条件設定信号
ΔＩｓ            電流設定修正信号
ΔＴ            温度偏差、温度誤差増幅信号
【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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