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技術 スポット溶接の溶接条件の設定方法

出願人 ダイハツ工業株式会社
発明者 木許圭一郎加藤知嗣岡村麻人
出願日 2018年12月25日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-241067
公開日 2020年7月2日 (7ヶ月経過) 公開番号 2020-099937
状態 未査定
技術分野 スポット溶接
主要キーワード 高電流値 加圧パターン 低加圧力 板組み 低電流値 溶融飛散 インダイレクトスポット溶接 ダイレクトスポット溶接
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(2020年7月2日)のものです。
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図面 (7)

課題

スポット溶接の最適な溶接条件を容易に設定する。

解決手段

一対の電極3,4間を流れる電流値をI、一対の電極3,4間の電圧をV、複数の金属板1,2同士の接触面積をSとしたとき、D=I・V/Sで表される発熱密度Dに基づいて通電パターン(電流値及び通電時間)を設定する。

概要

背景

例えば自動車の車体の組立工程では、複数の鋼板に一対の電極を当接させて通電することにより、鋼板同士の接触部を抵抗発熱により溶融させてナゲットを形成するスポット溶接が行われている。

スポット溶接では、複数の金属板の間に適切なナゲットを形成するための様々な手法が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、図4に示す通電パターンが示されている。この通電パターンでは、ナゲットを成長させる程度の高い電流値を維持する時間帯と、スパッタを発生させずに鋼板を軟化させる程度の低い電流値を維持する時間帯を交互に繰り返しながら、電流値を徐々に高くしている。これにより、ナゲットが急成長するのを抑え、スパッタの発生を抑えることができるので、溶接部位品質を確保し、効率良くスポット抵抗溶接を行うことができる、と記載されている。

また、下記の特許文献2には、電流値及び加圧力を制御しながら行うインダイレクトスポット溶接方法が示されている。具体的には、図5に示すように、通電時間を2つの時間帯t1、t2に区分し、最初の時間帯t1では高加圧力f1で加圧しながら低電流値c1で通電する。これにより、電極と金属板との間の接触面積を確保して電流密度を抑え、金属板表面溶融飛散を防止する。次の時間帯t2では、低加圧力f2で加圧しながら高電流値c2で通電する。これにより、電極先端の金属板への沈み込みを抑え、電流密度を十分に高めることができるため、ナゲットを成長させるに十分な発熱が得られ、ナゲットを安定して得ることができる、と記載されている。

また、本発明者らは、特願2018−102540において、図6に示すようなインダイレクトスポット溶接加圧通電パターンを提案している。具体的には、第1のステップS1で、溶接電極により金属板の重合部を高加圧力F1で加圧しながら、溶接電極とアース電極との間に低電流値C1を通電する。続く第2のステップS2では、溶接電極による加圧力を高加圧力F1から低加圧力F2まで低下させながら、両電極間に、第1のステップS1の電流値C1よりも低い電流値C2を通電する。その後、低加圧力F2を維持しながら、第3、第4のステップS3、S4で電流値をC4、C5と段階的に上げ、第5のステップS5では低電流値C5を通電する。

概要

スポット溶接の最適な溶接条件を容易に設定する。一対の電極3,4間を流れる電流値をI、一対の電極3,4間の電圧をV、複数の金属板1,2同士の接触面積をSとしたとき、D=I・V/Sで表される発熱密度Dに基づいて通電パターン(電流値及び通電時間)を設定する。

目的

本発明が解決すべき課題は、溶接しづらい板組みであっても、最適な溶接条件を容易に設定できるようにすることにある

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間通電することにより、前記複数の金属板を接合する際の溶接条件を設定するための方法であって、前記一対の電極間を流れる電流値をI、前記一対の電極間の電圧をV、前記複数の金属板同士接触面積をSとしたとき、D=I・V/Sで表される発熱密度Dに基づいて通電パターンを設定するスポット溶接の溶接条件の設定方法

請求項2

仮設定した通電パターンに従って溶接を行ったときの発熱密度Dを取得する工程と、前記発熱密度Dに基づいて前記仮設定した通電パターンを調整する工程とを有する請求項1に記載のスポット溶接の溶接条件の設定方法。

技術分野

0001

本発明は、スポット溶接溶接条件電流値及び加圧力)の設定方法に関する。

背景技術

0002

例えば自動車の車体の組立工程では、複数の鋼板に一対の電極を当接させて通電することにより、鋼板同士の接触部を抵抗発熱により溶融させてナゲットを形成するスポット溶接が行われている。

0003

スポット溶接では、複数の金属板の間に適切なナゲットを形成するための様々な手法が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、図4に示す通電パターンが示されている。この通電パターンでは、ナゲットを成長させる程度の高い電流値を維持する時間帯と、スパッタを発生させずに鋼板を軟化させる程度の低い電流値を維持する時間帯を交互に繰り返しながら、電流値を徐々に高くしている。これにより、ナゲットが急成長するのを抑え、スパッタの発生を抑えることができるので、溶接部位品質を確保し、効率良くスポット抵抗溶接を行うことができる、と記載されている。

0004

また、下記の特許文献2には、電流値及び加圧力を制御しながら行うインダイレクトスポット溶接方法が示されている。具体的には、図5に示すように、通電時間を2つの時間帯t1、t2に区分し、最初の時間帯t1では高加圧力f1で加圧しながら低電流値c1で通電する。これにより、電極と金属板との間の接触面積を確保して電流密度を抑え、金属板表面溶融飛散を防止する。次の時間帯t2では、低加圧力f2で加圧しながら高電流値c2で通電する。これにより、電極先端の金属板への沈み込みを抑え、電流密度を十分に高めることができるため、ナゲットを成長させるに十分な発熱が得られ、ナゲットを安定して得ることができる、と記載されている。

0005

また、本発明者らは、特願2018−102540において、図6に示すようなインダイレクトスポット溶接加圧通電パターンを提案している。具体的には、第1のステップS1で、溶接電極により金属板の重合部を高加圧力F1で加圧しながら、溶接電極とアース電極との間に低電流値C1を通電する。続く第2のステップS2では、溶接電極による加圧力を高加圧力F1から低加圧力F2まで低下させながら、両電極間に、第1のステップS1の電流値C1よりも低い電流値C2を通電する。その後、低加圧力F2を維持しながら、第3、第4のステップS3、S4で電流値をC4、C5と段階的に上げ、第5のステップS5では低電流値C5を通電する。

先行技術

0006

特開2006−181621号公報
特開2010−194609号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、上記のような方法を採用した場合でも、金属板間に適切なナゲットが形成されないことがある。例えば、軟鋼板同士をスポット溶接で接合する場合、軟鋼板自体の固有抵抗値が低いため、軟鋼板同士の接触部が発熱しにくく、上記のような方法によっても軟鋼板同士の接触部を溶融させることは難しい。このような溶接しづらい板組みをスポット溶接で接合する際には、経験等に基づいてトライアンドエラーを繰り返すことにより電流値や加圧力を調整するしかないため、最適な溶接条件(例えば通電パターン)の設定に非常に手間がかかる。

0008

そこで、本発明が解決すべき課題は、溶接しづらい板組みであっても、最適な溶接条件を容易に設定できるようにすることにある。

課題を解決するための手段

0009

スポット溶接(抵抗溶接)とは、金属板同士の接触部における電流密度(電流値I/接触面積S)と抵抗値Rとの関係によって接触部を抵抗発熱させることで、接触部を溶融させてナゲットを形成する工法である。本発明者らは、金属板同士の接触部の発熱状態に影響を及ぼす複数の因子(具体的には、接触部を流れる電流値Iと、温度に依存して変化する接触部の抵抗値Rと、金属板の硬さや電極の加圧力に依存して変化する接触面積S)を一本化することを検討した。その結果、金属板同士の接触部に投入される発熱エネルギーJ(=I・V=I2・R)を、金属板同士の接触面積Sで割った値である発熱密度Dにより、接触部における発熱状態をモニタリングできることを見出した。

0010

上記の知見によってなされた本発明は、重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより、前記複数の金属板を接合する際の溶接条件を設定するための方法であって、前記一対の電極間を流れる電流値をI、前記一対の電極間の電圧をV、前記複数の金属板同士の接触面積をSとしたとき、D=I・V/Sで表される発熱密度Dに基づいて通電パターンを設定することを特徴とする。

0011

具体的には、例えば、仮設定した通電パターンに従って溶接を行ったときの発熱密度Dを取得する工程と、前記発熱密度Dに基づいて前記仮設定した通電パターンを調整する工程とを経て、最適な通電パターンを設定することができる。

発明の効果

0012

上記のように、発熱密度Dに基づいて通電パターンを設定することで、溶接しづらい板組みであっても、金属板同士の接触部を十分に発熱させる最適な溶接条件を容易に設定することができる。

図面の簡単な説明

0013

ダイレクトスポット溶接装置の模式図である。
仮設定した加圧通電パターン及び発熱密度を示すグラフである。
調整後の加圧通電パターン及び発熱密度を示すグラフである。
特許文献1に記載された通電パターンである。
特許文献2に記載された加圧通電パターンである。
特願2018−102540に記載された加圧通電パターンである。

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

図1は、2枚の金属板1,2からなる板組みを一対の電極3,4で挟持した状態で通電するダイレクトスポット溶接装置を模式的に示す図である。本実施形態の金属板1,2は鋼板であり、例えば引張強度300MPa以下、板厚1.2mm以下の軟鋼板である。電極3,4は電流供給部としてのトランス5に接続され、この通電経路上に電流測定器6が設けられる。電極3は加圧手段7(例えばシリンダ)に取り付けられる。加圧手段7で電極3を駆動して金属板1に押し付けることにより、金属板1,2に所定の加圧力が付与される。

0016

本実施形態の溶接条件の設定方法は、以下の手順で行われる。
(1)仮設定した溶接条件で金属板1,2に溶接を施してサンプルを作成する。
(2)サンプルの断面から金属板1,2同士の接触面積を測定する。
(3)サンプルの発熱密度を算出する。
(4)サンプルの発熱密度に基づいて、溶接条件を調整する。
以下、各手順を詳しく説明する。

0017

(1)サンプルの作成
図2に、仮設定した溶接条件(加圧通電パターン)を示す。この加圧通電パターンは、図6に示すものと概ね同様である。具体的には、まず、高加圧力F1で加圧しながら低電流値C1で通電する(ステップS1)。その後、加圧力をF1からF2まで低下させながら、電流値C1よりも低い電流値C2で通電する(ステップS2)。そして、加圧力をF2で維持しながら、電流値C1よりも高い電流値C3(ステップS3)、電流値C3よりも高い電流値C4(ステップS4)、電流値C4よりも低い電流値C5(ステップS5)で通電する。これらのステップのうち、低加圧力F2で加圧しながら相対的に高い電流値C3〜C5で通電するステップS3〜S5が、ナゲットを成長させるナゲット成長期となる。

0018

この通電パターンで金属板1,2に溶接を施し、通電開始から複数の時刻で通電を止めた複数のサンプルを作成する。例えば、通電開始から1サイクル(=1/60秒)までで通電を止めた第1のサンプル、通電開始から2サイクルまでで通電を止めた第2のサンプル、・・・のように、通電時間を1サイクルごと長くした複数のサンプルを作成する。各サンプルの溶接を行っている間の電流値I及び電圧Vの時間変化を記録する。具体的に、電極3,4間に通電する電流値I、すなわち、金属板1,2の接触部を通る通電経路の電流値Iを電流測定器6で測定し、その時間変化を記録する。電圧Vは、トランス5の二次コイルの電圧である。この電圧Vは、トランス5と電極3,4とを接続するケーブル等の抵抗値(電圧降下)の影響も受けるが、これらのケーブル等の抵抗値は非常に小さいため、実質的に一対の電極3,4間の電圧とみなすことができる。

0019

(2)接触面積の測定
上記の各サンプルを切断し、各サンプルにおいて、金属板1,2同士の接触面積を測定する。具体的には、各サンプルの断面から、金属板1,2同士の接触部の直径を測定し、この直径から当該接触部の面積を算出する。尚、このときの接触部とは、各サンプルの断面において金属板1,2同士が実際に接触している領域(例えばナゲット形成部)だけでなく、両電極3,4で加圧することで圧接していた痕跡のある領域を含む。この各サンプルにおける金属板1,2同士の接触面積が、図2に示す加圧通電パターンの複数の時刻における金属板1,2同士の接触面積となる。

0020

(3)発熱密度Dの算出
上記(2)で測定した複数の時刻における金属板1,2同士の接触面積Sと、そのときの電流値I及び電圧Vとから、各時刻における接触部の発熱密度D(=I・V/S=I2・R/S)を算出する。発熱密度Dは、抵抗溶接の原理原則を考慮して、金属板1,2同士の接触部の発熱状態に影響を及ぼす複数の動的な因子(具体的には、接触部を流れる電流値Iと、温度に依存して変化する接触部の抵抗値Rと、金属板の硬さや電極の加圧力に依存して変化する接触面積S)を一本化したパラメータである。

0021

上記で算出した発熱密度Dの時間変化を、図2のグラフに点線で示す。このグラフから分かるように、ステップS3の初期は発熱密度Dが上昇しているが、時刻t1以降は発熱密度Dが低下している。同様に、ステップS4の初期は発熱密度Dが上昇しているが、時刻t2以降は発熱密度Dが低下している。さらに、ステップS5では、全期間において発熱密度Dが低下している。

0022

(4)通電パターンの調整
上記(3)で取得した発熱密度Dに基づいて、図2に示す仮設定した通電パターン、特にナゲット成長期(ステップS3〜S5)における通電パターンを調整する。具体的には、ナゲット成長期において発熱密度Dがなるべく低下しないように、電流値及び通電時間を調整する。具体的には、ナゲットを成長させるのに必要となる発熱密度Dの基準値D1を設定し、発熱密度Dが早期に基準値D1を超え、その後基準値D1以下とならないように、通電パターンを調整する。

0023

例えば、図2のステップS3では、発熱密度Dが基準値D1に達する前に低下している。また、ステップS4では、発熱密度Dが一旦基準値D1を超えているが、その後低下して基準値D1を下回っている。これらの結果から、本実施形態の板組みでは、ナゲット成長期において、各ステップ(一定の電流値で通電する時間)を短くして、発熱密度Dが低下し始める前に電流値を上昇させることが好ましいと考えられる。また、ステップS5では、発熱密度Dが基準値D1を下回ったまま低下し続けているため、このステップS5はナゲットの成長にほとんど寄与しておらず、省略可能と考えられる。

0024

上記のような発熱密度Dに基づく検討に従って、図2に示す仮設定した通電パターンを調整し、図3に示す通電パターンを設定する。この通電パターンでは、ナゲット成長期(ステップS3’〜S6’)において、電流値をC3’からC6’まで短時間で段階的に上昇させている。これにより、発熱密度Dが、基準値D1以上まで上昇した後、基準値D1を下回ることなく高い値で維持される。このように、金属板1,2の接触部における発熱密度Dを高い値で維持することで、接触部が高温で維持されるため、ナゲットの成長を促進することができる。また、上記のように、発熱密度Dを低下させないために短時間に高電流値で通電することで、ナゲット成長期の通電時間が短縮され、スポット溶接のサイクルタイムが短縮される。

0025

従来は、所定の溶接条件(通電パターン)で溶接してナゲットを形成し、このナゲットが所望の大きさ及び形状でない場合は、通電パターンの各ステップの電流値や通電時間(サイクル)を経験等に基づいて手探りで調整するのが通例であった。このような手法で、図2に示す通電パターンから図3に示す通電パターンに到達するには、膨大なトライアンドエラーが必要となる。そこで、上記のように、仮設定した通電パターンの複数の時刻における発熱密度Dを取得し、この発熱密度Dに基づいて電流値及び通電時間を調整することで、最適な通電パターンを得るための工数が大幅に少なくなる。

0026

上記の実施形態では、サンプルの断面から金属板1,2同士の接触面積Sを求めた場合を示したが、これに限られない。例えば、予め、所定の板組みを溶接する際の、各時刻における金属板1,2同士の接触面積Sと、そのときの溶接電極3の基準位置からの変位量xとの相関関係を取得する。そして、上記と同じ板組みに溶接を施す際の通電パターンを設定する際に、上記の相関関係を用いて、溶接中の溶接電極3の変位量xから各時刻における接触面積Sを取得することができる。この場合、サンプルを切断して接触面積Sを測定する必要がないため、接触面積S、ひいては発熱密度Dを容易に取得することができる。

0027

また、上記の実施形態では、発熱密度Dそのものの値に基づいて通電パターンを設定する場合を示したが、これに限らず、例えば、発熱密度Dに有効電流率Kを乗じた指標(実質発熱密度D’=K・D)に基づいて通電パターンを設定してもよい。有効電流率Kは、電極3,4間を流れる全電流のうち、金属板1,2同士の接触部を通って溶接に寄与する有効電流の割合を表す指標である。具体的に、有効電流の通電経路の抵抗値をRA、無効電流の通電経路の抵抗値をRBとしたとき、有効電流率Kは、例えばK=RB/(RA+RB)で定義することができる。あるいは、有効電流率Kを、K=RB/RAと定義してもよい。あるいは、有効電流の通電経路の抵抗値RAと無効電流の通電経路の抵抗値RBの合成抵抗値RTOTALとしたとき、有効電流率Kを、K=RB/RTOTALと定義してもよい。

0028

また、上記の実施形態では、サンプルに溶接を施す際の発熱密度Dに基づいて、通電パターン(電流値及び通電時間)を調整した場合を示したが、これに限らず、発熱密度Dに基づいて、加圧パターン(加圧力及び加圧時間)、あるいは、通電パターン及び加圧パターンの双方を調整してもよい。

0029

また、上記の実施形態では、実際に溶接を行ったときの電流値I、電圧V、及び接触面積Sから発熱密度Dを取得する場合を示したが、これに限らず、例えばシミュレーションにより、仮設定した所定の通電パターンで溶接を行ったときの発熱密度Dを取得してもよい。

0030

また、本発明に係る溶接条件の設定方法は、上記のようなダイレクトスポット溶接に限らず、インダイレクトスポット溶接やシリーズスポット溶接など、他のスポット溶接に適用することができる。また、溶接を施す板組みも上記に限らず、3枚以上の金属板からなる板組みや、高張力鋼板超高張力鋼板を含む板組みのスポット溶接にも、本発明に係る溶接条件の設定方法を適用することができる。

0031

1,2金属板
3,4電極
5トランス
6電流測定器
7加圧手段

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