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技術 スポット溶接方法

出願人 ダイハツ工業株式会社
発明者 古瀬信浩
出願日 2018年2月28日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-034942
公開日 2019年9月5日 (8ヶ月経過) 公開番号 2019-147187
状態 未査定
技術分野 スポット溶接
主要キーワード 溶接管理 加圧パターン 打点ピッチ 板組み 電流値指令 アップスロープ 軸アーム 板厚比
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年9月5日)のものです。
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図面 (8)

課題

板厚比の大きい板組みを確実に接合する。

解決手段

スポット溶接方法は、板組み30の被溶接部に第1の加圧力P1を付与しながら第1の電流値I1を通電するステップW1と、被溶接部に第2の加圧力P2を付与しながら第2の電流値I2を通電するステップとを有する。このとき、第1の電流値I1から連続して第2の電流値I2に上昇させるタイミングに同期させて、第1の加圧力P1から第2の加圧力P2に上昇させる。

概要

背景

スポット溶接は、2枚以上の金属板鋼板)を一対の電極で挟んで加圧した状態で、一対の電極間に高電流を付与することで、金属板を抵抗発熱により部分的に溶融させ、電極内を流通する冷却水により、電極のダメージ緩和しつつ溶融部凝固させる接合方法である。

昨今の自動車に対する衝突安全性や軽量化のニーズへの対応のため、外板板厚薄肉化、高強度鋼板メッキ材接合への対応、より細かい打点ピッチの実現等の要求が高まっている。一般的に、スポット溶接は、2〜3枚の鋼板の溶接には非常に有効であるが、4枚以上の鋼板を溶接する場合や、その板組み板厚比(=総板厚/最外薄板の板厚)が大きい場合、最外薄板への溶け込みが十分に得られず、溶接が困難になるとされている。

例えば、下記の特許文献1には、板厚比の大きい板組みを溶接する方法が示されている。具体的には、図7に示すように、まず、板組みを1.5kNで加圧した状態で、所定の通電パターンで電流を流す(第1の工程)。このように加圧力を比較的小さい値とすることで、板同士(特に、最外薄板とこれに隣接する厚板)の接触面積が小さくなるため、接触部の抵抗が大きくなると共に電流密度が高められ、板同士の接触部が溶融してナゲットが形成される。その後、一旦通電を停止し、加圧力を3.0kAまで上げた後、第1の工程よりも大きい電流値で再び通電する(第2の工程)。このように、高加圧力で高電流を流すことで、板組み全体の板厚方向中央部寄りのナゲットが成長する。以上により、全ての金属板が接合される。

概要

板厚比の大きい板組みを確実に接合する。スポット溶接方法は、板組み30の被溶接部に第1の加圧力P1を付与しながら第1の電流値I1を通電するステップW1と、被溶接部に第2の加圧力P2を付与しながら第2の電流値I2を通電するステップとを有する。このとき、第1の電流値I1から連続して第2の電流値I2に上昇させるタイミングに同期させて、第1の加圧力P1から第2の加圧力P2に上昇させる。

目的

本発明は、板厚比の大きい板組みを確実に接合することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で前記一対の電極間通電することにより接合するスポット溶接方法であって、板組みの被溶接部に第1の加圧力を付与しながら第1の電流値を通電するステップと、前記被溶接部に、前記第1の加圧力よりも大きい第2の加圧力を付与しながら、前記第1の電流値よりも大きい第2の電流値を通電するステップとを有し、前記第1の電流値から連続して前記第2の電流値に上昇させるタイミングに同期させて、前記第1の加圧力から前記第2の加圧力に上昇させるスポット溶接方法。

請求項2

CPUと、前記CPUからの指令に基づいて前記一対の電極間に流す電流値の指令を生成する電流値指令生成部と、前記CPUからの指令に基づいて前記一対の電極による加圧力の指令を生成する加圧力指令生成部とを備え、前記電流値指令生成部及び前記加圧力指令生成部が、外部の通信手段を介することなく前記CPUに接続された制御装置を用いて行う請求項1に記載のスポット溶接方法。

技術分野

0001

本発明は、スポット溶接方法に関する。

背景技術

0002

スポット溶接は、2枚以上の金属板鋼板)を一対の電極で挟んで加圧した状態で、一対の電極間に高電流を付与することで、金属板を抵抗発熱により部分的に溶融させ、電極内を流通する冷却水により、電極のダメージ緩和しつつ溶融部凝固させる接合方法である。

0003

昨今の自動車に対する衝突安全性や軽量化のニーズへの対応のため、外板板厚薄肉化、高強度鋼板メッキ材接合への対応、より細かい打点ピッチの実現等の要求が高まっている。一般的に、スポット溶接は、2〜3枚の鋼板の溶接には非常に有効であるが、4枚以上の鋼板を溶接する場合や、その板組み板厚比(=総板厚/最外薄板の板厚)が大きい場合、最外薄板への溶け込みが十分に得られず、溶接が困難になるとされている。

0004

例えば、下記の特許文献1には、板厚比の大きい板組みを溶接する方法が示されている。具体的には、図7に示すように、まず、板組みを1.5kNで加圧した状態で、所定の通電パターンで電流を流す(第1の工程)。このように加圧力を比較的小さい値とすることで、板同士(特に、最外薄板とこれに隣接する厚板)の接触面積が小さくなるため、接触部の抵抗が大きくなると共に電流密度が高められ、板同士の接触部が溶融してナゲットが形成される。その後、一旦通電を停止し、加圧力を3.0kAまで上げた後、第1の工程よりも大きい電流値で再び通電する(第2の工程)。このように、高加圧力で高電流を流すことで、板組み全体の板厚方向中央部寄りのナゲットが成長する。以上により、全ての金属板が接合される。

先行技術

0005

特開2004−358500号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかし、上記のように第1の工程の後に一旦通電を停止すると、板組みの被溶接部の温度が下がってしまうため、その後の第2の工程で再び加圧通電してもナゲットが成長しにくく、板厚比の大きい板組みを確実に接合できるとは言えない。また、一打点あたりの作業時間が延びるため、生産効率が良くない。

0007

そこで、本発明は、板厚比の大きい板組みを確実に接合することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

前記課題を解決するために、本発明は、薄板とその一方側に重ね合わされた複数の厚板とからなる板組みを、一対の電極で挟んで加圧した状態で前記一対の電極間に通電することにより接合するスポット溶接方法であって、板組みの被溶接部に第1の加圧力を付与しながら第1の電流値を通電するステップと、前記被溶接部に、前記第1の加圧力よりも大きい第2の加圧力を付与しながら、前記第1の電流値よりも大きい第2の電流値を通電するステップとを有し、前記第1の電流値から連続して前記第2の電流値に上昇させるタイミングに同期させて、前記第1の加圧力から前記第2の加圧力に上昇させるスポット溶接方法を提供する。

0009

この方法によると、まず、板組みの被溶接部に比較的低い第1の加圧力を付与しながら第1の電流値を流すことで、薄板とこれに隣接する厚板との接触部の接触面積が抑制されて電流密度が高められ、この接触部にナゲットを優先的に形成することができる。その後、電流値を第1の電流値から第2の電流値まで上昇させると共に、加圧力を第1の加圧力から第2の加圧力まで上昇させることで、厚板同士の接触部のナゲットを成長させることができる。このとき、電流値を、第1の電流値から下げることなく連続して第2の電流値まで上昇させ、このタイミングに同期させて加圧力を上昇させることで、板組みの被溶接部にエネルギーが与え続けられるため、ナゲットが成長しやすくなり、全ての金属板を確実に接合することができる。

0010

ところで、上記の特許文献1に記載のスポット溶接装置では、ロボットアームの動作や一対の電極による加圧力を制御するロボット制御装置と、一対の電極間の電流値を制御する溶接制御装置タイマーコンタクタ)と、溶接条件を設定してロボット制御装置及び溶接制御装置に指令を出すシーケンサとが別個に設けられている。この場合、ロボット制御装置及び溶接制御装置が、それぞれ外部の通信手段を介してシーケンサに接続されるため、シーケンサと各制御装置との間の通信にタイムラグが生じ、且つ、そのタイムラグの長さは様々な要因により変化し得る。このため、シーケンサから、ロボット制御装置及び溶接制御装置に対して同時に指令を出した場合でも、ロボット制御装置における加圧力制御時間軸と溶接制御装置における電流値制御の時間軸とがずれるため、電流値と加圧力とをタイミングを合わせながら変化させることは現実的に不可能であった。このため、上記の特許文献1では、加圧力の異なる2回の溶接工程を施しており、具体的には、図7に示すように、比較的低い加圧力を一定に付与した状態で通電する第1の工程の後、一旦通電を停止し、比較的高い加圧力を一定に付与した状態で通電する第2の工程を施している。

0011

これに対し、電流値の指令を生成する電流値指令生成部と、加圧力の指令を生成する加圧力指令生成部とが、外部の通信手段を介することなくCPUに直接接続された制御装置を用いれば、CPUと電流値指令生成部及び加圧力指令生成部との間の通信のタイムラグを実質的に0にすることができる。これにより、電流値指令生成部から指令される通電パターンの時間軸と、加圧力指令生成部から指令される加圧パターンの時間軸とを一致させることができるため、電流値を上昇させるタイミングに同期させて加圧力を上昇させることが可能となる。この場合、図7のように第1の工程の後に一旦通電を停止する必要が無くなるため、板組みの被溶接部に通電し続けながら電流値及び加圧力を同時に上昇させることで、ナゲットの成長を促進することが可能となる。

発明の効果

0012

以上のように、本発明によれば、板厚比の大きい板組みを確実に接合することができる。

図面の簡単な説明

0013

スポット溶接装置を概念的に示す図である。
(A)〜(D)は、板組みを溶接する様子を示す断面図である。
加圧通電パターンの一例を示すグラフである。
加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。
加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。
加圧通電パターンの他の例を示すグラフである。
従来の加圧通電パターンを示すグラフである。

実施例

0014

以下、本発明の実施の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方法は、図1に示すスポット溶接装置を用いて行われる。このスポット溶接装置は、溶接ロボット10と、制御装置20とを備える。

0016

溶接ロボット10は、ロボットアーム11と、ロボットアーム11の先端に取り付けられた溶接ガン12とを備える。ロボットアーム11は、多関節アームであり、図示例では、回転軸11a〜11fを有する6軸アームである。ロボットアーム11を駆動することで、溶接ガン12を、可動範囲内の任意の三次元位置に任意の姿勢で配置することができる。溶接ガン12は、一対の電極12a,12bを有する。一対の電極12a,12bは、同軸上で、先端が互いに対向するように配置される。溶接ガン12には、一方の電極12aを軸方向に駆動して加圧力を発生させる駆動部としてのサーボモータ12cと、一対の電極12a,12b間に高電流を発生させるためのトランス12dとが設けられる。各電極12a,12bは、内部を流通する冷却水により常に冷却されている。

0017

制御装置20は、ロボットコントローラ21と、タイマーコンタクタ22とを備える。

0018

ロボットコントローラ21は、CPU21aと、モーション制御部21bとを備える。モーション制御部21bは、所定の加圧パターン(加圧力の時間変化)に基づいてサーボモータ12cに加圧指令を出す加圧力指令生成部として機能する。また、モーション制御部21bは、予めロボットアーム11を手動操作により教示したプログラムに従って、ロボットアーム11の各回転軸11a〜11fを駆動するモータ動作指令を出すアーム動作指令生成部としても機能する。

0019

本実施形態のロボットコントローラ21には、電流値を制御するタイマー基板21cが内蔵される。タイマー基板21cは、所定の通電パターン(電流値の時間変化)に基づいて、タイマーコンタクタ22に設けられた強電部22aに通電指令を出す電流値指令生成部として機能する。

0020

ロボットコントローラ21のモーション制御部21b及びタイマー基板21cは、外部の通信手段を介することなくバスを介して直接CPU21aに接続される。これにより、モーション制御部21bで生成される加圧力の指令と、タイマー基板21cで生成される電流値の指令とを、実質的にタイムラグ0の同一時間軸上で実行することが可能となる。また、ロボットコントローラ21のタイマー基板21cからタイマーコンタクタ22の強電部22aへは、単純な信号(PWM制御スイッチングパルス)のみが直接伝達されるため、タイムラグはほとんど生じない。以上より、CPU21からの指令に基づいて、電流値及び加圧力を同一時間軸上で変化させることが可能となる。

0021

以下、上記のスポット溶接装置を用いた溶接方法を説明する。

0022

本実施形態では、図2(A)に示すような板組み30を溶接する場合を示す。この板組み30は、薄板31と、薄板31よりも板厚が厚く、薄板31の一方側(図中下方)に重ね合わされた複数の厚板とを有する。図示例の板組み30は、薄板31と、2枚の厚板32,33とからなる3枚の金属板(例えば鋼板)で構成される。薄板31としては、例えば引張強度300MPa以下の軟鋼板が使用され、具体的には溶融亜鉛メッキ鋼板が使用される。厚板32,33としては、例えば引張強度490MPa以上の高張力鋼板、特に引張強度980MPa以上の超高張力鋼板が使用される。本実施形態では、厚板32,33が何れも冷間圧延鋼板からなる超高張力鋼板である。上記の板組み30の板厚比(板組み30の総板厚T/薄板31の板厚T1)は4以上である。

0023

まず、板組み30の各鋼板31,32,33の板厚や材料強度材質等の情報に基づいて、一対の電極12a,12bによる加圧パターンP(図3実線参照)、及び、一対の電極12a,12b間の通電パターンI(図3鎖線参照)を計算し、これらの計算値を制御装置20に入力する。尚、加圧パターンP及び通電パターンIは、他のソフトで計算した値を制御装置20に手入力してもよいし、制御装置20で自動計算するようにしてもよい。

0024

そして、予めロボットアーム11を手動操作により教示したプログラムに従い、CPU21aがモーション制御部21bに動作指令を払い出してロボットアーム11を駆動し、一対の電極12a,12bの間に板組み30が配される位置に溶接ガン12を移動させる。その後、CPU21aからの指令により、ロボットアーム11及び溶接ガン12のサーボモータ12cを駆動して、一対の電極12a,12bで板組み30を加圧する。CPU21が、加圧力がP1に達したことを検知したら、そのときを開始点とし、その後、加圧パターンP(図3の実線参照)及び通電パターンI(図3の鎖線参照)に従って、溶接が行われる。以下、図3に示す各ステップを詳しく説明する。

0025

アップスロープ、ステップW1]
加圧力がP1に達したら、その加圧力P1で保持すると共に、既定時間通りに電流値をI1に達するまで徐々に上昇させる(アップスロープ:UPSL)。そして、電流値がI1に達したら、その電流値I1で保持する。こうして、板組み30の被溶接部に一定の加圧力P1及び電流値I1を付与した状態で、所定時間(例えば2〜4サイクル)保持する。尚、1サイクル=1/60秒である。

0026

ステップW1における加圧力P1及び電流値I1は、薄板31と厚板32とを接合するために適した値とされる。具体的に、加圧力P1はなるべく小さい値に設定され、例えば、サーボモータ12cで安定的に発生させることができ、且つ、板組み30の鋼板31〜33のバラつきを抑えてこれらを確実に接触させることができる最小の圧力とされる。このように、加圧力P1を小さい値とすることで、鋼板同士の接触面積、特に、薄板31と厚板32との接触面積が小さくなる。これにより、薄板31と厚板32との接触部における電流密度が高くなり、この部分が優先的に発熱し、ナゲットN1が形成される{図2(A)参照}。ステップW1の通電時間は、所定の径のナゲットN1が得られるように設定される。

0027

[ステップW2]
その後、電流値をI1(第1の電流値)からI2(第2の電流値)に上昇させると共に、これに同期させて、加圧力をP1(第1の加圧力)からP2(第2の加圧力)に上昇させる(図3参照)。このとき、本実施形態のスポット溶接装置を用いれば、上記のように、CPU21からの指令に基づいて、電流値及び加圧力を同一の時間軸上で変化させることが可能であるため、電流値を上昇させるタイミングに同期させて加圧力を上昇させることができる。特に、タイマー基板21cからの指令に基づいて強電部22aが電流値をI1からI2に上昇させる少し前(例えば1サイクル前)に、モーション制御部21bからサーボモータ12cに加圧力を上昇させる指令を先出しすることにより(図3の矢印S参照)、電流値を上昇させるタイミングと実効加圧力(一対の電極12a,12bによる実際の加圧力)を上昇させるタイミングとを略一致させることができる。こうして、ステップW2では、加圧力P2及び電流値I2で所定時間(例えば2〜4サイクル)保持される。

0028

このように、ステップW1で薄板31と厚板32との間にナゲットN1が形成された後、電流値及び加圧力を上昇させることで、厚板32,33同士の接触部を含む板組み30全体の厚さ方向中央付近に、抵抗発熱による溶融部(ナゲットN2)が形成される{図2(B)参照}。このように、ステップW1で薄板31と厚板32との間にナゲットN1を形成した後、電流値をI1から下げることなく連続してI2まで上昇させることで、板組み30の被溶接部にエネルギーが供給され続けるため、鋼板同士の接触抵抗や各鋼板の母材抵抗が急変せず、厚板32,33の接触部にナゲットN2が形成されやすく、且つ、このナゲットN2が成長しやすい。尚、電流値を上昇させるタイミングと加圧力を上昇させるタイミングとは、一致させる(重複させる)ことが好ましいが、必ずしも一致させる必要はなく、その前後の各ステップW1,W2において加圧力P1,P2で保持する時間が十分に確保できればよい。

0029

[ステップW3]
その後、加圧力をP2で維持したまま、電流値をI2からI3に少し低下させ、この電流値I3及び加圧力P2で所定時間(例えば2〜4サイクル)保持する。これにより、スパッタの発生を防止しながら、ナゲットN2をさらに成長させることができる。

0030

[ステップW4〜W7]
以降、電流値を上下させながら段階的に上昇させる。具体的に、ステップW4で、電流値をI3からI4まで上昇させて、所定時間保持する。電流値I4は、ステップW2の電流値I2よりも大きい。その後、ステップW5で、電流値をI4からI5に低下させて、所定時間保持する。電流値I5は、ステップW3における電流値I3よりも大きい。その後、ステップW6で、電流値をI5からI6まで上昇させて、所定時間保持する。電流値I6は、ステップW4の電流値I4よりも大きい。その後、ステップW7で、電流値をI6からI7に低下させ、所定時間保持する。電流値I7は、ステップW5における電流値I5よりも大きい。これらの各ステップW4〜W7の保持時間は、例えば2〜4サイクルとされる。

0031

本実施形態では、ステップW3からステップW4に移行する際に、電流値をI3からI4に上昇させるタイミングに同期させて、加圧力をP2からP3に上昇させる。その後のステップでは、一定の加圧力P3で保持される。

0032

以上のように、電流値を上下させながら段階的に上昇させることにより、スパッタの発生を抑制しながら、ナゲットN2の径(板厚と直交する方向の寸法、図2左右方向寸法)を拡大すると共に、ナゲットN2を板厚方向(図2の上下方向)に成長させることができる。特に、本実施形態では、電流値をI3からI4に上昇させるときに、加圧力をP2からP3に上昇させているため、スパッタの発生を抑制しつつナゲットN2の成長がさらに促進される。図示例では、ナゲットN2が成長してナゲットN1と一体化している{図2(C)参照}。尚、ナゲットN1,N2は、必ずしも一体化する必要はなく、分離していてもよい。この状態で、加圧力をP3で維持したまま、通電を停止して冷却することで(図3の「HOLD」参照)、一体化したナゲットN(あるいは分離して設けられたナゲットN1,N2)が薄板31及び厚板32,33に溶け込んだ状態で硬化し、板組み30が接合される{図2(D)参照}。

0033

本実施形態では、上記の溶接工程を施しながら、制御装置20により、一対の電極12a,12b間に流した電流値の時間変化や、一対の電極12a,12bによる実効加圧力の時間変化等の情報を記録している。このとき、上記のように、タイマー基板21cとモーション制御部21bが外部の通信手段を介することなくCPU21aに直接接続されていることで、電流値及び実効加圧力の時間変化、その他溶接管理上必要となる情報を、時間差無しで、同一の時間軸に沿って記録することができる。これにより、実際の溶接部に生じている現象が理解しやすくなるため、溶接条件の検証等を容易に行うことができる。

0034

本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、加圧パターンは上記の実施形態に限らず、例えば図4に示すように、ステップW1からステップW2に移行する際に加圧力をP1からP3まで上昇させ、その後のステップW2〜W7及びHOLDにおいて加圧力を一定としてもよい。また、図5に示すように、ステップW5からW6に移行する際に、電流値をI5からI6に上昇させるのに同期させて、加圧力をP3からP4までさらに上昇させてもよい。

0035

また、図6に示す実施形態では、図3に示す通電パターンのうち、電流値を低下させるステップW3,W5,W7を省略し、電流値を、ステップW1のI1から最大値I6まで途中で下げることなく段階的に上げ続けている。これにより、板組み30の被溶接部に付与されるエネルギーが増大し続けるため、ナゲットの成長がより一層促進される。尚、図示例ではステップW2からステップW4に移行する際に、加圧力をP2からP3に上昇させているが、ステップW2以降の加圧力を一定としてもよい。あるいは、ステップW4からステップW6に移行する際に、さらに加圧力を上昇させてもよい。

0036

10溶接ロボット
11ロボットアーム
12溶接ガン
12a,12b電極
12cサーボモータ
12dトランス
20制御装置
21ロボットコントローラ
21a CPU
21bモーション制御部(加圧力指令生成部)
21cタイマー基板(電流値指令生成部)
22 タイマーコンタクタ
30板組み
31薄板
32,33厚板
N,N1,N2ナゲット

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