(57)【要約】【課題】細型電極を用いた場合でも、電極を十分に冷却して溶接不良を防止することで、細型電極の実用化を図る。【解決手段】電極１０，１０’の内部に冷却水を流通させると共に、電極１０，１０’の外面に冷却水を噴霧することにより電極１０，１０’を冷却する。電極１０，１０’の外面に付着した冷却水が全て気化するように、冷却水の噴霧条件を設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット溶接を行うにあたり電極を冷却するための方法であって、
前記電極の内部に冷却水を流通させると共に、前記電極の外面に冷却水を噴霧し、
前記電極の外面に付着した冷却水が全て気化するように、冷却水の噴霧条件を設定するスポット溶接用電極の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接を行う際に電極を冷却するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、複数の金属板を加圧密着させた状態で通電し、このときの抵抗発熱により複数の金属板を溶接するものである。例えば自動車用鋼鈑をスポット溶接する場合には、一対の電極でワークを高加圧力で挟持した状態で、一対の電極間に７０００Ａ以上、場合によっては１００００Ａを超えるような大電流が流されるため、ワークの溶接部は非常に高温となる。このとき、溶接部の熱が電極に伝わることにより電極自体の温度が上昇し、電極が軟化して破損したり、電極が溶融してワークと接合されたりする恐れがある。このような事態を回避するためには電極を冷却する必要があり、例えば、電極の内部に冷却水を循環させて冷却を行う方法が周知となっている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３４３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、溶接電極のワークへのアクセスを容易化し、作業性及び設計自由度の向上を図るべく、電極の細型化が検討されている。しかし、電極を細型化すると、電極内部の冷却水の経路面積が小さくなるため、内部を循環させる冷却水の流量が減り、冷却能力が低下する。特に、強度確保のために電極の肉厚を大きくすると、ますます冷却水の経路面積が小さくなる。また、電極を細型化すると、単位体積あたりに加わる熱量が大きくなるため、電極の温度が上昇しやすくなる。特に、細型電極を用いて複数の打点に連続して溶接を行う場合、一箇所の打点を溶接した後、すぐに次の打点の溶接が行われるため、電極の温度がさらに上昇しやすい。以上より、細型電極の場合、上記のような内部冷却のみでは冷却能力が不足して電極が高温化する傾向があり、電極の破損や電極とワークとの接合が生じる恐れがある。
【０００５】
本発明が解決すべき課題は、電極を十分に冷却することにより、電極の破損や電極とワークとの接合を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するためになされた本発明は、スポット溶接を行うにあたり電極を冷却するための方法であって、電極の内部に冷却水を流通させると共に、電極の外面に冷却水を噴霧することにより電極を冷却し、電極の外面に付着した冷却水が全て気化するように、冷却水の噴霧条件を設定するものである。
【０００７】
このように、電極の外面に冷却水を噴霧することで、電極の外面に付着した水分の気化熱により電極が冷却される。これにより、電極が、内部からだけでなく、外部からも冷却されるため、細型電極（例えば外径１２ｍｍ以下）を用いた場合でも十分に冷却を行うことができる。
【０００８】
このとき、冷却能力を高めるために電極の外面に多量の冷却水を噴霧すると、電極の外面に付着した冷却水が水滴化し、この水滴がワークの上方に位置する電極から落下してワークや周辺設備に付着し、錆の原因となる恐れがある。また、例えば図８に示すように、滴下した冷却水が付着したワークＷを電極１０１，１０２で挟持すると、上側の電極１０１とワークＷのとの間に冷却水Ｐが入り込んだ状態となる。この状態で電極１０１，１０２間に通電すると、電極１０１とワークＷとの接触部を介した通電経路Ｌ１だけでなく、冷却水Ｐを介した通電経路Ｌ２にも分流するため、エネルギーロスが生じる。また、電極から落下する水滴の量や場所によって分流量が変化するため、溶接部に流れる電流値が変化し、溶接品質が不安定になる。
【０００９】
そこで、本発明では、電極の外面に付着した冷却水が電極自体の熱により全て気化するように、冷却水の噴霧条件（噴霧量や噴霧時間など）を設定する。これにより、電極から水滴が落下することがないため、上記の不具合を回避できる。
【００１０】
複数の打点に連続して溶接を行う場合は、電極の温度が特に上昇しやすいため、上記のような冷却方法が有効となる。このとき、電極に通電しながら冷却水を噴霧すると、冷却水が電極とワークとの接触部に入り込んで分流が生じる恐れがある。従って、電極に通電している間を除いて、冷却水を間欠的に噴霧することが好ましい。
【００１１】
噴霧器は、電極の先端側に向けて斜め方向に冷却水を噴霧するように構成することが好ましい。これにより、噴霧器を、電極の先端から後退させた位置（すなわちワークから離れた位置）に配置することができるため、電極をワークの凹部に挿入して溶接を行う場合でも、噴霧器とワークとの干渉を回避できる（図３参照）。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係るスポット溶接電極の冷却方法によれば、電極を十分に冷却することができるため、電極を細型化した場合でも、電極の破損や電極とワークとの接合を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】スポット溶接装置の溶接ガンユニットの側面図である。
【図２】上記溶接ガンユニットに設けられた一対の電極の断面図である。
【図３】上記一対の電極でワークを挟持した状態を示す断面図である。
【図４】電極の外面に冷却水を噴霧するタイミングを示す図である。
【図５】電極の他の例を示す断面図である。
【図６】電極の外面に冷却水を噴霧するタイミングの他の例を示す図である。
【図７】電極の外面に冷却水を噴霧するタイミングの他の例を示す図である。
【図８】電極とワークとの間に水滴が入り込んだ様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
本実施形態に係るスポット溶接装置は、例えば自動車鋼板の溶接を行うものであり、具体的には、ボデーのドアオープニング部やロッカー部の複数の打点に連続して溶接を行うものである。スポット溶接装置は、図１に示すように、溶接ガンユニット１と、溶接ガンユニット１を先端に取り付けたロボットアーム２と、溶接ガンユニット１及びロボットアーム２を制御する制御部（図示省略）とを備える。尚、以下では、便宜上、図１の上下方向を用いて説明を行うが、溶接ガンユニット１はロボットアーム２により任意の姿勢をとり得る。
【００１６】
溶接ガンユニット１は、ロボットアーム２の先端に固定された支持アーム１ａと、互いに接近離反可能な状態で支持アーム１ａに取り付けられた一対の電極１０，１０’と、各電極１０，１０’に向けて冷却水を噴霧する噴霧器２０，２０’とを備える。図示例では、上側の電極１０が駆動シリンダ３０を介して支持アーム１ａに取り付けられると共に、下側の電極１０’が支持アーム１ａの下端に直接固定される。駆動シリンダ３０のピン３１を進退させることにより、上側の電極１０が下側の電極１０’に対して昇降する。
【００１７】
一対の電極１０，１０’は同様の構成を有する。以下、上側の電極１０の構造を説明するが、下側の電極１０’の構造については、上側の電極１０に対応する箇所の符号に「’」を付して詳細な説明を省略する。
【００１８】
上側の電極１０は、図２に示すように、シャンク１１と、シャンク１１の先端に固定されたチップ１２とからなる。電極１０の外径（少なくともチップ１２の外径）は、１２ｍｍ以下、好ましくは１１ｍｍ以下、例えば１０ｍｍに設定される。シャンク１１及びチップ１２は、何れも導電性の高い金属で形成され、例えばＣｕ系金属で形成される。
【００１９】
シャンク１１は、先端に設けられたテーパ面１１ａと、上下方向の貫通穴１１ｂとを有する。シャンク１１の貫通穴１１ｂには冷却水パイプ１１ｃが挿通される。チップ１２は、先端に設けられた球面部１２ａと、基端側の端面に設けられたテーパ状の凹部１２ｂとを有する。シャンク１１のテーパ面１１ａとチップ１２の凹部１２ｂとがテーパ嵌合することで、両者が固定される。
【００２０】
噴霧器２０，２０’は、各電極１０，１０’の外周の円周方向一箇所にそれぞれ設けられる。各噴霧器２０，２０’は先端にノズル２１，２１’を有する。本実施形態では、上側の噴霧器２０は上側の電極１０と一体に昇降可能とされ、下側の噴霧器２０’は下側の電極１０’と共に支持アーム１ａの下端に固定される。ノズル２１，２１’は、チップ１２，１２’の先端側に向けて斜め方向に冷却水を噴霧するように構成される。これにより、ノズル２１，２１’を、チップ１２の先端から後退させた位置（すなわちワークから離れた位置）に配置することができるため、例えば図３に示すように上側の電極１０をワークＷの凹部に挿入して溶接を行う場合でも、噴霧器２０とワークＷとの干渉を回避できる。図示例では、ノズル２１，２１’が、チップ１２，１２’の上下方向中央部よりも後退させた位置に配置されている。尚、ノズル２１，２１’の位置はこれに限らず、例えばチップ１２，１２’の基端よりも後退させた位置にノズル２１，２１’を配置してもよい。
【００２１】
上記のスポット溶接装置を用いたスポット溶接は、以下のようにして行われる。まず、ロボットアーム２を駆動することにより、複数の金属板からなるワークを一対の電極１０，１０’の間に配置する。そして、駆動シリンダ３０により上側の電極１０を下降させ、一対の電極１０，１０’でワークを挟持する。この状態で、一対の電極１０，１０’の間に、所定の溶接電流を通電してワークを溶接する。その後、駆動シリンダ３０で上側の電極１０を上昇させてワークの挟持を解除し、ロボットアーム２で溶接ガンユニット１を次に溶接すべき打点に移動させた後、再び駆動シリンダ３０で上側の電極１０を下降させてワークを挟持する。以上を繰り返すことで、複数の打点に連続して溶接が行われる。
【００２２】
溶接を行うにあたり、電極１０，１０’は、本発明の一実施形態に係る冷却方法により、内部及び外部の双方から冷却される。以下、上側の電極１０の冷却方法を説明するが、下側の電極１０’の冷却方法も同様であるため、重複説明を省略する。
【００２３】
電極１０の内部冷却は、電極１０の内部で冷却水を循環させることにより行われる。具体的には、シャンク１１の貫通穴１１ｂに挿通した冷却水パイプ１１ｃの先端から冷却水を吐出し、この冷却水をチップ１２の凹部１２ｂと接触させた後、貫通穴１１ｂと冷却水パイプ１１ｃとの間の隙間を通って排出する。こうして電極１０の内部で、冷却水をチップ１２に接触させながら循環させることで、チップ１２が冷却される。このような冷却水の循環による電極１０の内部冷却は、溶接作業を開始してから、複数の打点への溶接が全て完了するまで常に行われる。
【００２４】
電極１０の外部冷却は、噴霧器２０から電極１０の外面、特にチップ１２の外面に向けて冷却水を噴霧することにより行われる。図示例では、電極１０の外周の円周方向一箇所に設けられた噴霧器２０から冷却水が噴霧される。電極１０の外面に付着した冷却水はすぐに蒸発し、このときの気化熱により電極１０が冷却される。このように、電極１０を内部からだけでなく外部からも冷却することで、本実施形態のように電極１０が外径１２ｍｍ以下の細型であっても十分に冷却することができ、電極１０の軟化による破損や、電極１０の溶融によるワークとの接合を防止できる。尚、本実施形態では、噴霧器２０が、電極１０の外周の円周方向一箇所のみに設けられているため、チップ１２の外面の一部に冷却水が噴霧されることになるが、チップ１２は熱伝導率の高い金属（Ｃｕ系金属）で形成されているため、チップ１２の一部が冷却されることで全体の温度を低下させることができる。
【００２５】
このとき、電極１０の外面に付着した冷却水が全て気化するように、冷却水の噴霧条件（例えば、噴霧量及び噴霧時間）が設定される。具体的には、通電により発熱したワークの溶接部から電極１０に入り込む熱量Ｑ１と、電極１０の内部冷却で奪われる熱量Ｑ２との差から、電極１０の残留熱量Ｑ３（＝Ｑ１−Ｑ２）を求め、この残留熱量Ｑ３により気化し得る量の冷却水を噴霧する。これにより、特に上側の電極１０に付着した冷却水が全て気化するため、ワークへの冷却水の滴下を防止し、冷却水による錆の発生や溶接電流の分流を回避できる。尚、上記のように冷却水の噴霧条件を設定した場合でも上側の電極１０から冷却水が僅かに滴下する場合もあるが、このような僅かな量の水滴は溶接部の熱により一瞬で蒸発するため問題とはならない。
【００２６】
上記のような電極１０の外部冷却は、図４に示すように、一対の電極１０間に通電して溶接を行っている間を除いて、間欠的に行われる。具体的には、制御部（図示省略）が一対の電極１０に対して通電終了の指令を与えると同時に、制御部が噴霧器２０に噴霧開始の指令を与える。その後、電極１０が次の打点に移動し、制御部が一対の電極１０に対して通電開始の指令を与えると同時に、制御部が噴霧器２０に噴霧終了の指令を与える。このように、通電中に冷却水の噴霧を行わないようにすることで、噴霧した冷却水が溶接部に付着する事態を回避できる。
【００２７】
本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、図５に示すように、チップ１２の外面（あるいはチップ１２’の外面、以下同様）に凹凸１２ｃを設ければ、チップ１２の外面の表面積が拡大するため、冷却水の気化による冷却効率が高められる。尚、上記の実施形態のように、噴霧器２０が電極１０の外周の円周方向一箇所に設けられる場合、チップ１２の外面の凹凸１２ｃを、噴霧器２０の円周方向位置にのみ設けてもよい。しかし、この場合、チップ１２をシャンク１１に装着する際に、チップ１２の凹凸１２ｃと噴霧器２０の円周方向位置を合わせる作業が必要となる。従って、凹凸１２ｃは、チップ１２の全周に設けることが好ましい。
【００２８】
また、上記の実施形態では、噴霧器２０，２０’が電極１０，１０’の外周の円周方向一箇所に設けられる場合を示したが、これに限らず、噴霧器２０，２０’を電極１０，１０’の外周の円周方向複数箇所に設け、電極１０，１０’の外面の全周に冷却水を噴霧してもよい。
【００２９】
また、上記の実施形態では、図４に示すように、電極１０，１０’による溶接（通電）と噴霧器２０，２０’による冷却水の噴霧とが途切れなく交互に行われているが、これに限らず、例えば図６に示すように、電極１０，１０’を移動させている間だけ、噴霧器２０から冷却水を噴霧してもよい。あるいは、図７に示すように、駆動シリンダ３０で上側の電極１０をワークＷから離反させた後、ロボットアーム２で溶接ガンユニット１を移動させている間のみ、噴霧器２０から冷却水を噴霧してもよい。
【００３０】
また、上記の実施形態では、電極１０，１０’への冷却水の噴霧条件を同様にした場合を示したが、これに限らず、上側の電極１０と下側の電極１０’とで冷却水の噴霧条件を異ならせてもよい。例えば、下側の電極１０’がワークの下方に配されている限り、下側の電極１０’からワークに冷却水が滴下することはないため、噴霧器２０’から下側の電極１０’への冷却水の噴霧を途切れなく連続的に行ってもよい。
【００３１】
また、上記の実施形態では、上側の噴霧器２０が上側の電極１０と一体に移動可能である場合を示したが、これに限らず、噴霧器２０を支持アーム１ａに固定してもよい。この場合、溶接が完了した後、駆動シリンダ３０により上側の電極１０を上昇させて所定の高さで停止させた後、噴霧器２０のノズル２１からチップ１２の外面に冷却水を噴霧する。この場合、上側の電極１０は、一箇所の溶接が完了する度に、駆動シリンダ３０で所定の高さまで上昇される。
【符号の説明】
【００３２】
１     溶接ガンユニット
２     ロボットアーム
１０，１０’  電極
１１，１１’  シャンク
１２，１２’  チップ
２０，２０’  噴霧器
２１，２１’  ノズル
３０   駆動シリンダ
【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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