(57)【要約】【課題】  異種金属部品同士また同種金属部品同士でも熱容量が小さな場合や熱容量が大きく異なる場合、溶融変形、熱変形、母材特性の劣化、強度低下を起こさせず、溶接の品質や信頼性を低下させない抵抗溶接装置および抵抗溶接方法を提供する。【解決手段】    本発明の抵抗溶接は、溶接面に熱を集中させるために、被溶接部品に印加する加圧力を接触抵抗がかなり大きい値を維持できる程度に保ちながら、表皮効果のある高周波成分を含む溶接電流を流すもので、この二つの相乗効果により溶接面の表面層を局部的に、瞬間的に、加熱、溶融、融着させ、溶接を行うものである。この局部的で瞬間的な加熱作用のため、異種金属部品や熱容量の小さな小形の同種金属部品や熱容量の大きく異なる同種金属部品の溶接において、高い品質や高い信頼性が得られることになる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する２個の電極で、該電極間に設置した被溶接部品を挟み、加圧力を印加しながら、前記両電極間に溶接電源を接続し、被溶接物に溶接電流を流して溶接する抵抗溶接方法において、溶接電流通電中に被溶接部品に印加する加圧力は、溶接電流通電終了後の冷却保持中に被溶接部品に印加する加圧力より小さいこと、かつ、溶接電源から供給される溶接電流は、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度以上であるものとすることを特徴とする抵抗溶接の方法。
【請求項２】
溶接電源から供給される溶接電流は、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が１０００Ｈｚ程度以上であるものとすることとした請求項１記載の抵抗溶接の方法。
【請求項３】
溶接電源から供給される溶接電流は、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数を溶接電流通電中に任意に変化させるものとすることとした請求項１記載の抵抗溶接の方法。
【請求項４】
対向する２個の電極で、該電極間に設置した被溶接部品を挟み、加圧力を印加しながら、前記両電極間に溶接電源を接続し、被溶接物に溶接電流を流して溶接する抵抗溶接機の抵抗溶接電源装置において、直流電源を交流電源に変換した後、変圧器の一次側に接続し、該変圧器の二次側電流を溶接電流とし、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度以上であることを特徴とする抵抗溶接電源装置。
【請求項５】
最も振幅が大きい交流成分の周波数を１０００Ｈｚ程度以上とした請求項４記載の抵抗溶接電源装置。
【請求項６】
最も振幅が大きい交流成分の周波数を溶接電流通電中に任意に変化可能であるものととした請求項４記載の抵抗溶接電源装置。
【請求項７】
上記変圧器の巻き線を二本以上の並列巻き線又は各巻き線をリッツ線とした請求項４、請求項５、又は請求項６記載の抵抗溶接電源装置。
【請求項８】
上記変圧器から抵抗溶接機の電極までの配線を二本以上の並列配線又は該配線をリッツ線とした請求項４、請求項５、請求項６、又は請求項７記載の抵抗溶接電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は異種金属部品同士または熱容量が大きく異なる同種金属部品同士または熱容量の小さな同種金属部品同士を抵抗溶接する抵抗溶接電源装置及び抵抗溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、抵抗溶接は次のように行われる。固定電極と電動機、空気圧シリンダー等で駆動される加圧軸に取り付けた可動電極の間に、被溶接部品を挟み、初期加圧力を加えながら、適当な時間保持する。次に、加熱のための加圧力を加えながら、固定電極と可動電極間に接続した溶接電源から、被溶接部品に溶接電流を通電する。該溶接電流は、各被溶接部品の固有抵抗と接合面の接触抵抗によるジュール熱を発生し、被溶接部品は溶融し溶着する。その後、溶接電流の通電を終了させ、冷却保持のための加圧力を加えながら、冷却、固化するの待つ。以上、一連の工程により溶接が完了する。
【０００３】
抵抗溶接の品質、信頼性は、前記した一連の溶接工程中に被溶接部品に印加する加圧力パターン、溶接電流通電パターン、およびそれらの相互関係、また、それぞれの実行精度に依存する。そこで、加圧力と溶接電流の制御に関して様々な方法が考案されている。例えば、特許文献１には、溶接電流通電開始時の加圧力を確実に設定加圧力に一致させるために、エアシリンダを電空比例弁により制御する装置が開示されている。また、特許文献２には異物の挟み込みを検出回避しながら加圧制御するため、電極間の導通状態を検出しながら加圧する抵抗溶接機が開示されている。また、特許文献３には、被溶接物相互間に隙間が生じた場合に、その隙間をゼロにした後、所定の加圧力により加圧する抵抗溶接機が開示されている。また、特許文献４には、溶接前に被溶接部品全体の導通抵抗を測定し、導通抵抗が大きいほど加圧力を大きく設定する抵抗溶接機が開示されている。また、特許文献５には、サーボモータの電機子電流を制御して、加圧力を連続的または断続的に増加させる加圧力制御法が開示されている。
【０００４】
抵抗溶接で使用する電源は、一般に、（１）コンデンサーに電荷を蓄えた直流電源、（２）５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用交流をサイリスタ素子やトライアック素子等の半導体素子で導通角制御し、それを変圧器で降圧した電源、（３）５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用交流を整流回路、平滑回路で直流とし、その直流をパワートランジスタ等の半導体スイチィング素子でスイッチングして交流に変換し、それを変圧器で降圧したインバータ交流式電源  等が用いられる。特許文献６には、溶接通電中の電流過剰変化を抑制することを目的に、被溶接部の板厚や材質などの溶接条件に応じて、溶接電流周波数を変化させるインバータ交流式抵抗溶接方法が開示されている。しかし、これらの何れの電源においても、溶接電流に含まれる最も振幅が大きい交流成分の周波数は、たかだか４００Ｈｚ程度であり、本発明の８００Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度以上のものは無い。また、通電中に溶接電流に含まれる最も振幅が大きい交流成分の周波数をある目的を持って任意に変更することはない。
【特許文献１】特開平９−２７７０６３号公報
【特許文献２】特開２００２−２０５１７４号公報
【特許文献３】特開２０００−２１８３７９号公報
【特許文献４】特開２００２−２８７９０号公報
【特許文献５】特開平９−８５４５６号公報
【特許文献６】特開２００１−１０５１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
異種金属部品同士を抵抗溶接する場合、各金属の電気抵抗率が異なるために、各被溶接部品の固有抵抗が異なり、溶接電流により発生するジュール熱量が異なる。また、たとえ発生するジュール熱量が同じでも、各金属の比熱と熱伝導率が異なるために、各被溶接部品が上昇する温度が異なる。また、たとえ各被溶接部品が同じ温度になって、各金属の融点が異なるために、その温度が融点の高い金属の融点程度でないと溶接が出来ない。このように、異種金属部品同士を溶接するには、電気抵抗率、比熱、熱伝導率の違いを乗り越えて、融点の高い金属の融点程度まで両被溶接部品の温度を上げる必要がある。
【０００６】
しかし、両被溶接部品の温度を融点の高い被溶接部品の融点程度まで上昇させた場合、融点の低い方の被溶接部品は過加熱となり、溶接面及びその近傍で溶融変形や熱変形が発生し、熱影響部が広範囲に拡大し、結晶粒の粗大化等による母材特性の劣化、強度低下が発生し、溶接の品質や信頼性が低下する。
【０００７】
熱容量が大きく異なる同種金属部品同士を抵抗溶接する場合、熱容量が大きい被溶接部品を適正な溶接温度まで加熱すると、熱容量が小さな被溶接部品は過加熱になり、前記した問題が発生する。
【０００８】
細い線材部品などの熱容量の小さな同種金属部品同士を溶接する場合、熱容量が小さいために、溶接面のみならず、部品全体が加熱され、溶融変形や熱変形が発生し、また、熱影響部が広範囲に拡大し、結晶粒の粗大化等による母材特性の劣化、強度低下が発生し、溶接の品質や信頼性が低下する。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題はこれらの問題点であり、異種金属部品同士また同種金属部品同士でも熱容量が小さな場合や熱容量が大きく異なる場合、溶融変形、熱変形、母材特性の劣化、強度低下を起こさせず、溶接の品質や信頼性を低下させない抵抗溶接装置および抵抗溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は異種金属部品同士また同種金属部品同士でも熱容量が小さな場合や熱容量が大きく異なる場合に、従来のような溶融変形、熱変形、母材特性劣化、強度低下を起こさせず、溶接の信頼性を低下させないで抵抗溶接する方法で、次のような技術的手段を講じてある。互いに対向する２個の電極で、該電極間に設置した被溶接部品を挟み、加圧力を印加しながら、前記両電極間に溶接電源を接続し、被溶接物に溶接電流を流して溶接する抵抗溶接方法において、溶接電流通電中に被溶接部品に印加する加圧力は、溶接電流通電終了後の冷却保持中に被溶接部品に印加する加圧力より小さいこと、かつ、溶接電源から供給される溶接電流は、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度以上であるものとすることを特徴とすることを主要な条件とする。
【発明の効果】
【００１１】
前記のような手段を講ずることで、（１）溶接面の接触抵抗を大きく保ちながら溶接電流を通電することになり、被溶接部品の溶接面の表面層にＩ２Ｒのジュール熱が集中する、（２）交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度以上である高周波成分を含む溶接電流の表皮効果により、被溶接部品及び溶接面の表面層の電流密度が大きくなり、表面層だけにＩ２Ｒのジュール熱が集中する、と言う二つの物理現象が同時に発生し、その相互作用により、溶接面の表面層だけを瞬間的に加熱、溶融、融着する。その結果、異種金属部品や熱容量の小さな小形の同種金属部品や熱容量の大きく異なる同種金属部品の溶接において、溶接部や部品全体に溶融変形や熱変形が発生したり、また、熱影響部が広範囲に拡大し、結晶粒の粗大化等による母材特性の劣化や強度低下が発生することはなくなり、品質や信頼性の高い溶接が可能となる。
【００１２】
すなわち、本発明の抵抗溶接は、溶接面に熱を集中させるために、被溶接部品に印加する加圧力を接触抵抗がかなり大きい値を維持できる程度に保ちながら、表皮効果のある高周波成分を含む溶接電流を流すもので、この二つの相乗効果により溶接面の表面層を局部的に、瞬間的に、加熱、溶融、融着させ、溶接を行うものである。この局部的で瞬間的な加熱作用のため、異種金属部品や熱容量の小さな小形の同種金属部品や熱容量の大きく異なる同種金属部品の溶接において、高い品質や高い信頼性が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、固定電極とサーボ電動機で駆動される加圧軸に取り付けた可動電極の間に、前記サーボ電動機を駆動して被溶接部品を挟み、加圧力を印加し、前記両電極間に溶接電源を接続し、前記被溶接物に溶接電流を流して溶接する抵抗溶接方法において実施する。また、溶接電源はインバータ交流電源を用いる。以下、本発明にかかる実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
本発明を実施する抵抗溶接装置の全体構成図を図１に示す。サーボ電動機１を直進運動ユニット２に接続し、そのユニット２に加圧軸３を取り付け、その加圧軸３に可動電極４を取り付ける。その可動電極４に対向する位置に固定電極５を設置する。サーボ電動機１は、サーボ電動機駆動回路７を経てサーボ電動機制御回路８に接続される。サーボ電動機１は、指定した速度で回転する速度制御モードと、指定した電機子電流を発生する、つまり指定したトルクを発生するトルク制御モードとを併せ持ち、サーボ電動機制御回路８からの信号により、動作モードの選択と速度の大きさとトルクの大きさが決定される。直進運動ユニット２には、原点位置に原点位置検出センサー９を、および可動電極４が被溶接部品６ｂに接触する位置に、速度制御モードとトルク制御モードを切り替えるモード切替位置検出センサー１０を設ける。両電極４，５間には、本発明の抵抗溶接電源装置１２の出力端子を接続する。抵抗溶接装置の全体制御指示装置１１は、溶接条件を受け付け、一連の溶接工程を制御管理するもので、サーボ電動機制御回路８と抵抗溶接電源装置１２に対して、動作指示信号、制御信号、または、溶接条件情報信号を出す。
【００１５】
本発明を実施する一連の溶接工程条件を図２のタイムチャートに示す。抵抗溶接装置の全体制御指示装置１１からの始動信号２６により可動電極下降工程２１が始まり、サーボ電動機１が速度制御モードで動作し、可動電極４は、原点位置から、指定された速度で、モード切替位置検出センサー１０の信号が検出されるまで下降する。次は初期加圧工程２２で、サーボ電動機１は、トルク制御モードに切り替わり、指定されたトルクを発生し、その結果、可動電極４は、指定された加圧力で被溶接部品６ａ，６ｂを加圧する。次は通電加熱工程２３で、この工程も同様に、指定された加圧力で被溶接部品６ａ，６ｂに加圧を加えながら、本発明の抵抗溶接電源装置１２から、両電極４，５を通して被溶接部品６ａ，６ｂに、指定された溶接電圧周波数パターン２８、指定された溶接電圧デューティ比パターン２９の溶接電圧を印加し、溶接電流を流し、被溶接部品６ａ，６ｂを加熱溶融する。次は冷却保持工程２４で、溶接電流通電を終了し、指定された加圧力を加えながら、冷却、固化するのを待つ。次は可動電極上昇復帰工程２５で、サーボ電動機１を速度制御モードに切り替え動作させ、可動電極４を指定された速度で上昇させ、原点位置検出センサー９の信号が検出されると停止させる。被溶接部品６ａ，６ｂの材質や大きさ等により、各工程で印加する加圧力印加パターン２７ａ，２７ｂ、２７ｃを使い分ける。溶接電圧周波数パターン２８は、被溶接部品６ａ，６ｂの大きさ、材質、または形状によって、周波数とそのパターンを設定する。以上、一連の工程により溶接が完了する。
【００１６】
本発明の抵抗溶接方法は、溶接面に熱を集中させ、瞬間的に溶接面表層を加熱溶融させるために、通電加熱工程中２３に、次の二つの方法を同時に行い、その相互作用による相乗効果を引き出すことを特徴とするものである。
【００１７】
一つ目の方法は、通電加熱工程中２３に被溶接部品６ａ，６ｂに印加する加圧力の大きさは、冷却保持工程２４に被溶接部品６ａ，６ｂに印加する加圧力より小さくすることである。その加圧力を印加することで、溶接面の接触抵抗が大きく保たれ、溶接面の表面層における局部的加熱が行われることになる。
【００１８】
二つ目の方法は、抵抗溶接電源１２から供給される溶接電流は、該溶接電流に含まれる交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度以上のものであるとすることである。このような高周波成分を含む溶接電流は、表皮効果により、被溶接部品６ａ，６ｂの表面層に集中して流れる。つまり、溶接面の表面層に電流が集中して流れる。
【００１９】
以上の二つの方法を同時に行うことで、溶接面の表面層の抵抗値を大きくし、かつ、そこに溶接電流を集中して流すことになり、ジュール熱が溶接面の表面層に局部的に発生し、瞬間的に、溶接面の表面層を加熱し、溶融、融着する。その結果、異種金属部品や熱容量の小さな小形の同種金属部品や熱容量の大きく異なる同種金属部品の溶接において、溶接部や部品全体の溶融変形や熱変形が発生したり、また、熱影響部が広範囲に拡大し、結晶粒の粗大化等による母材特性の劣化や強度低下が発生することはなくなり、高い品質で高い信頼性のある溶接が可能となる。
【００２０】
冷却保持工程２４では、接合面の密着度を向上させるため、通電加熱工程２３の加圧力以上の一定の加圧力を印加しながら、冷却、固化するのを待つ。
【００２１】
本発明の抵抗溶接電源装置１２を説明する前に従来の電源回路を説明するが、図３は従来の電源ブロック配線図を示している。この従来のインバータ電源は変圧器の二次側にダイオードを挿入し、片電圧方式で使用している。そして溶接電流は変圧器の二次側から溶接治具までの配線に含まれるインダクタンス成分により、なまってしまい、図３(ｂ)に示すごとく直流に近い電流となって高周波成分は含まれない。
【００２２】
図４も従来の電源ブロック配線図を示していて、変圧器の二次側にダイオードを挿入してないので両電圧で使用することが出来るが、しかしこの場合でもインバータ回路においてスイッチング毎に電圧極性を変化させないので、変圧器にかかる電圧極性はスイッチング毎には変化しない。その為に溶接電流は図４（ｂ）に示すように、リップルを含む低周波の交流となり、すなわち高周波成分を含まないために本発明は該電源装置を利用することは出来ない。リップル程度では高周波成分としてのパワーが小さい。
【００２３】
そこで、本発明の抵抗溶接電源装置１２は変圧器の二次側に、交流成分が直流成分に対して相対的に大きく、最も振幅が大きい交流成分の周波数が８００Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度以上である高周波成分を多く含む電流を流せる回路構成にしている。図５は本発明の抵抗溶接電源装置を示すブロック図であるが、特徴は次の４点にある。
(１)電源装置のインバータ回路において，スイッチング毎に電圧極性を変えて，変圧器にかかる電圧極性をスイッチング毎に変化させ，変圧器の二次側に流れる電流に含まれる高周波成分を大きくする。
(２)電源装置の変圧器のインダクタンスを出来るだけ小さくしている。すなわち、抵抗溶接電源用変圧器において、変圧器の巻き線を２本以上の並列巻き線あるいはリッツ線を巻き線として使用することで変圧器のインダクタンスを小さくして大電流が流れ易くしている。
(３)変圧器の二次側から抵抗溶接装置の電極までの配線を二本以上の並列配線またはリッツ線で構成している。
(４)インバータの波形はワンパルス幅変調が基本であるが、ツーパルス以上でもかまわないし、今回の実施例のように、正電圧−負電圧、又は逆に負電圧−正電圧の繰り返しでもよい。
【００２４】
従来は、高周波電流による抵抗溶接では、変圧器や配線のインダクタンスにより溶接に必要な大電流は流すことが出来ないと思われてきたが、本発明は上記(１)、(２)、(３) 、(４)の特徴にて構成することで高周波で大電流を流すことが出来る。
【００２５】
図５の抵抗溶接電源装置の動作を説明すると、三相交流５１を整流回路５２で整流し、平滑コンデンサー５３で平滑化して直流電源を作る。そして該直流電源をパワートランジスターで構成したインバータ回路５４で交流に変換し、変圧器５５の一次側に通電する。二次側では大電流となって溶接電流として利用出来る。ここで上記インバータ回路５４は、入力部５８で設定されて記憶部５９で記憶されているインバータのスイッチング周波数、デューティ比及び通電時間を、制御回路６０によって駆動回路６１を通して駆動される。
【００２６】
上記入力部５８はスイッチング周波数、デューティ比、通電時間等の溶接条件を設定する部分であり、全体制御指示装置１１からの溶接条件情報信号を受け付ける。記憶部５９は上記入力部５８に入力された溶接条件を記憶しておく部分である。又表示部は記憶された溶接条件を表示する部分である。そして制御回路６０はインバータの駆動回路６１へ信号を出す部分であり、入力して記憶されたスイッチング周波数、デューティ比、及び通電時間等に基づいて、インバータの駆動回路６１へ駆動信号を送る。
【００２７】
駆動回路６１は上記制御回路６０からの駆動信号を増幅して、インバータ回路５４のパワートランジスターを駆動し、変圧器５５の一次側へ通電される。同図に示す６２は電流検出回路であり、変圧器５５の一次側と二次側の各電流を検出して異常の有無を見極める。図６は変圧器５５へ入る一次側電圧波形６５と二次側電流波形６６を示している。この電源装置はインバータ回路５４で変圧器５５にかかる電圧極性をスイッチング毎に切り換え、二次側の溶接電流をプラスとマイナスにパルス状に大きく振ることが出来る。
【００２８】
本発明の抵抗溶接では周波数を一般に８００Ｈｚ程度から１０００Ｈｚ程度以上とし、従来使用されているシーム溶接機の周波数が４００Ｈｚ程度であるのに比較すれば、極端に高い周波数の電流が流れる。そして本発明では変圧器５５の巻き線、変圧器５５から電極端子５７ａ，５７ｂまでのリード線５６(配線)の長さを短くすると共に、該リード線５６を並列配線または細い線を束にしたリッツ線で構成することで、二次側に発生した高い周波数の大電流を電極端子５７ａ，５７ｂまで導いて抵抗溶接することが出来るようにしている。
【００２９】
以上述べたように、本発明の抵抗溶接電源装置及び抵抗溶接方法は高周波成分を含んだ大電流を流すことが出来るようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】抵抗溶接装置全体構成図。
【図２】抵抗溶接工程のタイムチャート。
【図３】従来の抵抗溶接装置の電源回路及び電圧波形と電流波形。
【図４】従来の抵抗溶接装置の電源回路及び電圧波形と電流波形。
【図５】本発明の抵抗溶接電源装置のブロック図。
【図６】変圧器の一次側電圧波形と二次側電流波形。
【符号の説明】
【００３１】
１  サーボ電動機
２  直進運動ユニット
３  加圧軸
４  可動電極
５  固定電極
６  被溶接部品
７  サーボ電動機駆動回路
８  サーボ電動機制御回路
９  原点位置検出センサー
１０  モード切替位置検出センサー
１１  全体制御指示装置
１２  抵抗溶接電源装置
２１  可動電極下降工程
２２  初期加圧工程
２３  通電加熱工程
２４  冷却保持工程
２５  可動電極上昇復帰工程
２６  始動信号
２７  加圧力印加パターン
２８  溶接電圧周波数パターン
２９  溶接電圧デューティ比パターン
５１  三相交流
５２  整流回路
５３  平滑コンデンサー
５４  インバータ回路
５５  変圧器
５６  リード線
５７  電極端子
５８  入力部
５９  記憶部
６０  制御回路
６１  駆動回路
６２  電流検出回路
６５  一次側電圧波形
６６  二次側電流波形
【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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