解説

新型抵抗スポット溶接機の開発
Development of Advanced Equipment of Resistance Spot Welding
渥美健太郎 Kentaro ATSUMI
阿 部 千 明 Chiaki ABE

河 田 直 樹 Naoki KAWADA
寿 Hisashi OKADA岡田

ステンレス鋼製車両構体の接合では主に抵抗スポット溶接が適用されている．抵抗スポット溶接における要求事
項には接合部の継手強度はもちろんのこと，近年では低コスト化および高品質化も重要になってきている．そこで当社では，新型抵抗スポット溶接機を開発し，それらの要求事項に答えていくための研究開発を行うこととなった．
本稿では，今回導入した新型抵抗スポット溶接機についての解説と課題について述べる．

１ はじめに

２

新型抵抗スポット溶接機

ステンレス鋼製車両の構体製作では，その接合方法と２．１

概要して抵抗スポット溶接が多用されている．一般的な製造

今回導入した新型抵抗スポット溶接機のブロック図を物の要求事項として低コスト化および高品質化が叫ばれ

図1，仕様を表1に示す．設備の基本構成は一般的な定置て久しいが，それは鉄道車両の製造に多用されている抵式スポット溶接機をベースにしており，想定される試験抗スポット溶接も同様である．これらの要求事項の対応の実施内容に対応するため，以下に示す4つの機能を付には溶接条件だけでなく設備の構成まで立ち戻る必要が加した．

あると考えられる．
Ⅰ．電源切換機能

そこで，今後のステンレス鋼製車両に適用するスポット溶接機の最適解を模索するため，新型抵抗スポット溶

Ⅱ．モニタリング機能接機を試験的に導入した．本稿では，この新型抵抗スポⅢ．可変加圧機能

ット溶接機の概要と，今後取り組むべき課題について解Ⅳ．通電方式切換機能

説する．
これら4つの機能を組み合わせることで，抵抗スポット溶接に関する様々な試験に対応することを可能とした．その詳細について次節以降で解説する．

図1 新型抵抗スポット溶接機ブロック図
総合車両製作所技報第2号

68新型抵抗スポット溶接機の開発

２．２．２

表1 新型抵抗スポット溶接機仕様

検討課題

現在，当社では直流電源が採用されているが，電源方式が溶接性などに与える影響についてはあまり分かっていない．そこで，交流電源および直流電源の差が溶接性，経済性，品質などに与える影響について検討する．

図2 直流インバータ回路（例）２．２

電源切換機能（Ⅰ）

２．２．１

新型機の構成新型機では直流インバータ方式と交流インバータ方式の電源を設置し，切換スイッチで選択可能な構造を採用した．直流インバータ方式の一般的な回路を図2，交流インバータ方式の一般的な回路を図3に示す．
一般的に直流インバータ方式は，インバータ装置を利用して溶接変圧器に供給される電源の周波数を600Hz～10kHz程度に高め，溶接変圧器の鉄芯（コア）寸法を大幅に小さくして変圧器の外形寸法の小型化を実現した電図3 交流インバータ回路（例）

源方式である（図2参照）．整流後の二次側回路には直流電流が流れるため，単相整流式や三相整流式と同様，フ２．３

モニタリング機能（Ⅱ）

トコロ寸法の大きな溶接機（腕の長い溶接ガン）と組み

２．３．１

新型機の構成新型機では電極加圧力および電流値，通電時間の測定合わせても溶接電流の低下が少なく，省エネルギの観点機能を付加した．まず，電極加圧力は加圧ガイドにローから効果がある．
一方の交流インバータ方式は，直流インバータ方式でドセルを組み込むことでスポット溶接中の加圧力を測定開発されたインバータ装置を，通常の単相交流用変圧器することが可能な構成とした．また，電流値の測定機能に接続して動作させる方式である（図3参照）．溶接変圧を付加したことによりスポット溶接中の電流値と通電時器の二次側には整流器を挿入せず，インバータの動作を間を把握できるようになった．

制御することで二次側に流れる溶接電流波形を自由に設２．３．２定できる利点を持つ．また，出力波形を商用周波数の矩検討課題形波電流を出力するように設定すると，手持ちの単相交電極加圧力および電流波形の測定機能により，スポッ流溶接システムの制御装置の交換だけで直流電源と同様ト溶接中の各パラメータの変動をモニタリングすることの温度脈動の小さな溶接過程が実現できる ．

が可能となった．これによりスポット溶接中の現象把握（1）をすることができ，その結果を溶接条件選定にフィード

69

2013 年12月バックさせることで，高精度なスポット溶接条件設計がこの技術は「sustina」1号車でも採用されている．今回可能となることが期待される．の新型機では「SmartRSW」での実績をもとに，圧痕外観向上のさらなる深度化を進めていく．

２．４

可変加圧機能（Ⅲ）

２．４．１

新型機の構成従来機における溶接シーケンスの例を図 4 ，新型機の溶接シーケンスの例を図6に示す．従来機の加圧力は加圧のためにシリンダに送り込まれるエアーの系統の制御を，電磁弁のON/OFFによって制御する仕組みであった（図 4 上段）．そのため，ワークを挟み込む加圧力は，溶接シーケンスの間一定の設定しか出来なかった（図4中段）．一方，新型機の加圧力は，エアー系統の制御に電磁弁ではなく電空比例弁を採用した（図6上段）．電空比
例弁とは，加圧用エアー流路の開度を，制御信号の電流値に比例して無段階に制御することが出来る電磁弁で，これにより，電極先端での加圧力を溶接シーケンス中に新型機（可変加圧）

10mm
図5 可変加圧力による圧痕外観改善例（現車相当）

任意に変化させることが出来る（図6中段）．
２．４．２

従来機（一定加圧）

検討課題

この可変加圧機能によってスポット溶接施工箇所（圧痕という）の外観の向上について検討する．当社では2013年に可変加圧機能を搭載したスポット溶接機（「SmartRSW」）を開発し，圧痕外観の向上を念頭に試験を実施した．その結果の一例を図5に示す．可変加圧機
能を用いることで圧痕外観の向上，具体的には焼焦げの軽減や歪の減少などを達成した ．
（2）

図6 溶接シーケンス（新型機）

図4 溶接シーケンス（従来機）

総合車両製作所技報第2号

70

新型抵抗スポット溶接機の開発

２．５

通電方式切換機能（Ⅳ）

２．５．１

新型機の構成通電方式切換機能の模式図を図7に示す．新型機では上部電極が2本あり，下部電極は電極1本または銅板電極を選択可能な構造を採用した．これにより，1台のスポット溶接機で2種類の通電方式（ダイレクト通電方式とシリーズ通電方式）で試験が可能となった．
２．５．２

検討課題

この通電方式切換機能でシリーズ通電方式の側−台枠結合への適用を検討する．シリーズ通電方式を採用した
場合のメリットおよびデメリットを表2に示す．当該施工箇所の接合は現状，インダイレクト通電方式（図8左側）を採用しているが，この通電方式では側ハリ下部に

図8 側－台枠結合（検討事項）電極を接触させる必要があり，その接触点で焼焦げる現象が発生している（図9参照）．シリーズ通電方式では側ハリ下部には焼焦げが発生しないため，耐食性向上および外観向上の効果が期待できる（図8右側）．また，1回の通電で2ヵ所を接合する工数低減の効果も期待できる．
一方，シリーズ通電方式では上下段個別の溶接条件設定ができないなどのデメリットもあるため，これらも鑑みながら検討を進めていく．

図7 通電方式切換機能（新型機）
表2 通電方式の差によるメリット・デメリット

図9 側－台枠結合部外観（現車相当）

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2013 年12月

３ 設備性能
３．１

加圧力
25.0

電極加圧力の測定結果を図10および図11に示す．新型機で実施する試験では，ワークの材質はステンレス鋼を想定している．そのため，設備の最大加圧力を10kN程度とし，設定値0%から100%の間で安定的に加圧力を得20.0

測定値［ｋA］られるよう設定した．

10.0

加圧力［ｋＮ］

8.015.0

10.0

6.0
5.04.02.00.00.00204060800.0

100

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

設定値［kA］

設定値［％］

図12 電流測定値（交流インバータ）

図10 電極加圧力測定値（L側）

10.025.0

加圧力［ｋＮ］

8.0
6.0

20.0

4.0

測定値［ｋA］

2.00.0020406080100

設定値［％］

図11 電極加圧力測定値（R側）３．２

電流値

15.0

10.0

5.0

電流値の測定結果を図12および図13に示す．新型機では最大25.0kA程度とし，3.0kAから25.0kAの間で安定的に電流値が出力されるよう設定した．

0.00.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

設定値［kA］

図13 電流測定値（直流インバータ）
総合車両製作所技報第2号

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新型抵抗スポット溶接機の開発

参考文献

４ まとめ

（1）松山欽一，他：「抵抗溶接の基礎と実際」，60，（2011），

ステンレス鋼製車両におけるスポット溶接には，様々産報出版な要求事項がある．以下にその一例を示す．

（2）渥美健太郎，他：「抵抗スポット溶接システム

・工数低減（溶接時間の短縮，不具合事象の低減など）
・圧痕外観品質向上

SmartRSW®を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究」，総合車両製作所技報 1号，2-9，（2013），（株）総合車両製作所

・省エネルギ化
これらの要求事項を解決していくためには，溶接条件著者紹介（加圧力，電流値，通電時間，電極形状など）だけではなく，設備（電源，通電方式，加圧力制御機構など）も渥美健太郎

含めての検討が重要であると考える．
そして，これらの検討段階においてはインプット（溶接条件など）とアウトプット（圧痕外観，ナゲット径，生産本部
技術部（接合技術センター）溶込みなど）だけでなく，溶接中の現象（加圧力，電流値の時間変化など）も把握したうえで進めることは，コ

阿部千明

スト低減および品質向上を進めていく中で非常に大きな生産本部
技術部（接合技術センター）主査

意味をもつ（図14参照）．
今回導入した新型機において抵抗スポット溶接の品質向上およびコスト低減を主眼に研究を進め，そこで得ら

河田直樹

れた結果を，順次製品に適用しステンレス鋼製車両の品博士（工学）
生産本部
技術部（接合技術センター）主査

質向上を進める．

岡田寿

生産本部技術部（接合技術センター）課長

図14 検討課題

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