JP5709247B2 - 抵抗溶接方法および抵抗溶接装置 - Google Patents

Description

この発明は、スイッチング回路を用いて溶接トランスの一次側に正負電圧に変化する一次電圧を印加し、二次側を一対の溶接電極に接続した抵抗溶接方法と、この方法の実施に直接使用する抵抗溶接装置とに関するものである。

金属同士を加圧しながら熱を加え接合する圧接方法として、抵抗溶接が知られている。この抵抗溶接には、金属同士を重ねて電流を流した時の電気抵抗による発熱を利用する重ね抵抗溶接と、金属同士をつきあわせてこの突き合わせ部分に電流を流し発熱させる突き合わせ抵抗溶接とがある。

重ね抵抗溶接には、スポット溶接、シリーズ溶接、シーム溶接などがある。スポット溶接は、重ねた金属を２つの電極間に挟み、金属の厚さ方向に電流を流すものである。シリーズ溶接は平行な一対の電極を重ねた金属の一側面に平行に押圧し、金属の平面方向に電流を流すものである。シーム溶接は、２つの回転電極の間に二枚の金属板を挟み両電極間に断続電流を流し、点溶接が連続した形で溶接するものである。

またこれらの溶接に用いる電源としては、商用電源の交流をスイッチング素子（サイリスタなど）を介してトランスに導く交流式、コンデンサに充電した高電圧をトランスの一次側を介して放電させるコンデンサ式、コンデンサの一定充電電圧をスイッチング素子（ＰＯＷＥＲ ＭＯＳ ＦＥＴなど）で位相制御して溶接トランスを介することなく電極に導くトランジスタ式、整流回路と平滑コンデンサとで直流変換された電圧をインバータで商用電源周波数より高周波の交流に変換してトランスに導くインバータ式、が知られている。これらの従来技術については下記の特許文献１、２に詳細に説明されているので、ここではその説明は繰り返さない。

前記の交流式は、周波数が低く交流低電圧で大電流を流すために電極周辺を含めて被溶接材を加熱することになり、長時間通電により溶接部の「焼け」が発生し易いという問題がある。コンデンサ式は、コンデンサの放電に伴って電極に一時に大電流が流れるため、溶接部に「チリ」が発生するという問題がある。トランジスタ式は、直流出力であるため極性効果（ペルチェ効果による発熱・吸熱効果）の大きい材料（ニッケル電池タブと銅電極の接合など）では吸熱側の電極での温度が低くなり溶接性が悪く、電極の片側減りがおきる。インバータ式は，ＰＷＭ制御によりインバータ回路をスイッチングするためギザギザのスイッチング痕跡が残る。

なお交流式以外は全て二次電流（溶接電流）の極性が正負に変化せず実質的に直流出力であるため前記のペルチェ効果による極性効果が発生するのに対して、交流式ではこのようなことがないという特徴があるが、交流式では通電時間が長く「焼け」が発生するという問題があるのは前記したとおりである。

特開平１０−２４３７７ 特開２０００−２７１７６０

特許文献１は、インバータ部から商用交流電圧よりも高い周波数の交流を溶接トランスの一次側に供給し、このトランスの二次側に発生する低圧交流電圧を溶接電極に導くことにより溶接電流を大きくし、前記交流式の問題（周波数が低く、通電時間が長い。）を解消しようとするものである。特許文献２は、溶接トランスを用いることなく、インバータ回路を増幅動作とスイッチング動作を行うトランジスタを対とする二対の増幅スイッチング回路として作動させることにより、通電時間を長くし溶接エネルギーを大きくすると共に、４個のパワートランジスタを増幅動作とスイッチング動作を行う対として２対に分けて増幅スイッチング回路を構成することとして、溶接電流を交流とし極性効果の影響を受けなくするものである。

特許文献１のものではインバータ部で周波数を高くするので、例えばベース周波数を２ｋＨｚとしてＰＷＭ制御を行うとすると通電時間が０．２５ｍｓ（２ｋＨｚの１／２周期）より短い時間となるから、溶接トランスの一次側に急速な立ち上がりで電流を流せず、しかも通電時間も断続するので短時間で大電流を流すことができないという問題がある。

特許文献２のものでは、溶接トランスを用いないから溶接電流となる大電流を制御するためにはトランジスタを大量に並列接続する必要があり、例えば、本発明が実現しようとしている最大電流８０００Ａの溶接電流を制御するような場合には定格５０Ａの「ＰＯＷＥＲ ＭＯＳ ＦＥＴ」を用いることにすると１６０本並列接続しなければならない。しかもブリッジを組めばその４倍の６４０本必要となり、コスト高になるばかりでなく、信頼性が低下するという問題がある。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、溶接電流の極性を切り替えることにより極性効果の発生を防ぎ、溶接トランスの一次電流の早い立ち上がりと電流立ち上がり後の電流を所定時間継続して流すことにより溶接時間を短縮し、溶接電流を少なくして必要なスイッチング素子数を少なくして信頼性の低下を防止することを可能にし、溶接品質の向上を図ることができる抵抗溶接方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用する抵抗溶接装置を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、スイッチング回路を介して溶接トランスの一次側に一次電圧を印加し、前記トランスの二次側を整流せずに一対の溶接電極に接続した抵抗溶接方法において、１回の溶接に対して、前記一次電圧の正または負の直流とする極性及び印加時間によって設定される通電期とその後に続く一次電圧を零にした通電休止期とで構成される溶接相を複数組形成し、前記通電期および通電休止期ごとに前記スイッチング回路のスイッチング素子のオン・オフタイミングを個別に設定することによって別々に設定可能とし、連続する前記溶接相における前記通電期の極性を、前記通電休止期を挟んで、交互に正負に変化させることを特徴とする抵抗溶接方法、により達成される。すなわち交流式の極性効果を抑制できるという長所と、直流式の溶接エネルギーを大きくして通電時間を短くできるという長所と併せ持つようにしたものである。

また第２の目的は、スイッチング回路を介して溶接トランスの一次側に一次電圧を印加し、前記トランスの二次側を整流せずに一対の溶接電極に接続した抵抗溶接装置において、
１回の溶接に対して、前記一次電圧を正または負の直流とする極性及び印加時間によって設定される通電期とその後に続く一次電圧を零にした通電休止期とで構成される溶接相を複数組形成し、前記複数組の溶接相における通電期と通電休止期とを、通電期および通電休止期ごとに前記インバータ回路のスイッチング素子のオン・オフタイミングを個別に設定することによって別々に設定し連続する前記溶接相における前記通電期の極性を、前記通電休止期を挟んで、交互に正負に変化させる溶接条件設定部と；
前記溶接条件設定部で設定されたタイミングで前記スイッチング素子をオン・オフ制御する溶接タイミング信号生成部と；を備えることを特徴とする抵抗溶接装置、により達成される。

請求項１に記載された第１の発明によれば、スイッチング回路を介して溶接トランスの一次側に一次電圧を印加し、前記トランスの二次側を整流せずに一対の溶接電極に接続した抵抗溶接方法において、１回の溶接に対して、前記一次電圧を正または負の直流とする極性及び印加時間によって設定される通電期とその後に続く一次電圧を零にした通電休止期とで構成される複数の溶接相を、前記通電期および通電休止期ごとに前記スイッチング回路のスイッチング素子のオン・オフタイミングを個別に設定することによって別々に設定可能とし、連続する前記溶接相における前記通電期の極性を、前記通電休止期を挟んで、交互に正負に変化させるようにしたから、交流式と同様にペルチェ効果による極性効果が発生しない。

また各溶接相の通電期の極性は正または負に保持されているから一次電流は直流となり、その印加時間は個別に所定時間継続するから、電流の立ち上がりを急峻にして電流立ち上がり後の電流を所定時間継続して流すことになり溶接エネルギーを確保することができる。また、溶接トランスの一次側の電流を異なる溶接相ごとにスイッチングしているので、この電流は少ないからスイッチング素子数を減らし、信頼性の低下を防止でき、被溶接部の特性に応じて溶接相の時間設定を適切にすることにより溶接品質の向上を図ることができる。

請求項６に記載された第２の発明によれば、この方法の実施に使用する抵抗溶接装置が得られる。

本発明の実施例を示す抵抗溶接装置の外観図 同じく実施例の構成を示すブロック図 同じく回路構成を示す図 溶接トランスの一次側電圧の通電パターンの設定例を示す波形図 操作部の実施例を示す図

一回の溶接に対して一次電圧を正又は負電圧にする通電期（ウェルド期、ｗｅｌｄ ｔｉｍｅ）を正負同回数とすることができ、この場合は正負電圧による溶接回数が揃うことになり、ペルチェ効果による不都合（極性効果）を抑制するのに適する（請求項２）。この場合正電圧にする回数と負電圧にする回数を２回づつにすることができる（請求項３）。溶接相の数は、４以下でも４以上でも良いが、２であってもよいし、３であっても良い。

最初の溶接相における通電期の二次側電圧と二次側電流を用いて溶接物間の抵抗値を求め、被溶接部材の溶接の可否を判定することができる（請求項４）。例えば、被溶接部の汚れや異物の存在による接触不良があったりするとこの抵抗値が大きくなるので、この抵抗値を所定の設定値と比較することにより溶接を行って良いか、溶接を中止して警報を出すか、等の判定ができる。

最後の溶接相の二次側電圧と電流を用いて溶接物間の放電回路の抵抗値を求めれば、溶接状態の良否を判定することができる（請求項５）。良好な溶接が行われていれば、この抵抗値が十分小さくなるので、これを設定値と比較することによって溶接の良否が判定できる。なお二次側の電流値をその通電時間で積分し（電流と通電時間の総面積を求める）、この積分値が所定値を超えた時に通電を自動停止させ、溶接部に過大な溶接エネルギーが加わるのを防止するようにしても良い。

請求項６の抵抗溶接装置に用いるスイッチング回路（インバータ回路）は、ブリッジ接続されたスイッチング素子として複数のＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を用いるのが良い（請求項７）。溶接条件設定部は、互いに接続されたコンピュータを含む制御部と、操作部と、表示部とを備え、各溶接相における通電期の一次電圧の正負および印加時間を前記操作部と表示部とを用いて入力し、この入力情報を前記制御部が内蔵する記憶部にメモリし、溶接タイミング信号生成部はこの入力情報に基づいてスイッチング素子をオン・オフ制御するように構成することができる（請求項８）。

また、溶接トランスの二次側電圧と二次側電流とに基づいて、最初の溶接相における通電期から被溶接部材の溶接の可否を、また最後の溶接相における通電期から溶接結果の良否をそれぞれ判定するためのモニタ情報を溶接条件設定部に送出するための溶接情報モニタ部を設けておいてもよい（請求項９）。

溶接トランスの一次側には複数の中間タップを設け、スイッチング回路に接続される中間タップを切替可能にすれば、トランスの二次側出力電圧を変えることができる（請求項１０）

図１において符号１０は接合ヘッド装置、１２は溶接電源、１４は溶接トランスであり、本発明の抵抗溶接装置は、これらの組合せによって構成される。接合ヘッド装置１０は、２種の金属を重ねた被接合材に一対の電極１６、１６を上方から押圧し、両電極間で被接合材と平行に溶接電流を流すことによって溶接するシリーズ式のものである。ここに被接合材は、例えば図２、３に示すような電池の銅製の電極Ａに、ニッケル製の電池タブＢを重ねたものである。

接合ヘッド装置１０は、基台部１８と、その上面に固定された水平なワーク保持台２０と、このワーク保持台２０の後部から上方へ起立する支柱部２２とを備え、これらは一体化されている。この支柱部２２には駆動ユニット２４が上下にスライド自在に保持されている。駆動ユニット２４の前面には、コイルばねを内蔵する一対のシリンダ２６、２６が保持されている。これらのシリンダ２６、２６からは、下方にロッド２８、２８がそれぞれ突出している。これらのロッド２８、２８はシリンダ２６、２６内のコイルばねにより下向きに付勢され、この突出部に電極保持部３０、３０が固定されている。これらの電極保持部３０、３０に前記電極１６，１６が固定されている。

前記駆動ユニット２４は、内蔵するサーボモータによってその高さが可変であり、従ってこれと一体にシリンダ２６、２６、電極保持部３０、３０、電極１６、１６が上下動する。シリンダ２６、２６のコイルばねは、電極１６、１６を被接合材（ワーク）に当接させて押圧すると圧縮され、この押圧力がコイルばねの圧縮量によって検出される。コイルばねの圧縮量はセンサで検出される。そしてこの押圧力が一定値になると、すなわちコイルばねの圧縮量が設定値になると、駆動ユニット２４は下降を停止し、この状態で両電極１６、１６間に溶接電流を流して溶接を行う。溶接電流の通電が終わると所定時間（ホールド時間）この状態を保持した後、駆動ユニット２４を上昇させて一回の溶接動作が完了する。

溶接電源１２の主回路は、図２、３に示すように、所定交流電圧（例えば４００あるいは２００ボルト）の三相交流を整流する整流回路３２と、この整流回路３２の整流出力を充放電することで整流出力を平滑化する平滑コンデンサ３４と、ＩＧＢＴをブリッジ接続したスイッチング回路からなるパルス発生回路３６と、で構成される。パルス発生回路３６のスイッチング素子であるＩＧＢＴは、溶接タイミング信号生成部３８が所定のタイミングで生成するゲート信号によってオン・オフ制御される。溶接タイミング信号生成部３８は溶接条件設定部４０から送られる信号によって制御される。

溶接条件設定部４０はバスで接続されたコンピュータ（ＣＰＵ）からなる制御部４２、操作部４４、表示部４６を備え、表示部４６の表示を確認しながら操作部４４からＩＧＢＴのオン・オフタイミング等を設定し、このタイミングを制御部４２が本来備える記憶部（図示せず）にメモリする。すなわち、ＷＥＬＤ ＴＩＭＥ（通電期、例えば図４（Ａ）のａ〜ｄ）とＣＯＯＬ ＴＩＭＥ（通電休止期、例えば図４（Ａ）のｅ〜ｈ）とからなる溶接相ごとに通電期の正負と通電時間、そして通電休止期の通電休止時間を設定する。操作部４４と表示部４６は、溶接電源１２の前面に設けた操作キー群と表示パネルで構成される。なお図１には、溶接電源１２の前面に電源スイッチ４８が示されている。

溶接トランス１４は一次側の巻き線に４つの中間タップ５０を備える（図３）。前記パルス発生回路３６の交流出力電圧が、中間タップ５０のいずれかを介してトランス１４の一次側（一次コイル）に導かれる。トランス１４の二次側（二次コイル）は前記電極１６、１６に接続されている。この二次側に流れる電流は溶接電流である。

二次側の電流はＣＴ（カレントトランス）やホール素子などのセンサ５２で検出され、電極１６、１６間電圧（溶接電圧）と共に溶接情報モニタ部５４に入力される。この溶接情報モニタ部５４は、前記溶接電源１２に設けられ（図２、３）、溶接電流、溶接電圧を示す信号をデジタル信号に変換して、バスを介して溶接条件設定部４０に供給する。溶接トランス１４の筐体前面には、前記中間タップ５０の切替を行うための切替スイッチ５６が設けられている。

通電期ａ〜ｄの正負の極性とオン・オフタイミングの設定と、通電休止期ｅ〜ｇのタイミングの設定は、図２の操作部４４と表示部４６を用いて次のように行う。まず操作部４４の「パラメータ」キー５８を押して、これらの設定モードにする。すると表示部４６に設定可能な溶接相（ＷＥＬＤ ＰＨＡＳＥ）と、この溶接相ごとの通電期の「極性」、「通電時間」および通電休止期の「通電休止時間」の設定窓に初期値が表示され、同時に設定可能な位置にカーソルが表示される。

「極性」は「＋」、「−」に設定することができ、増減キー６２を操作することで交互に切り替えて設定する。また「通電時間」、「通電休止時間」は「０．１ｍｓ」単位で設定することができ、増減キー６２を操作することで増減して所望の値に設定する。また、設定する項目は選択キー６０を操作することで選択する。なお「通電時間」は、０．０〜１０ｍｓの範囲で、「通電休止時間」は１．０〜６０ｍｓの範囲で設定でき、「通電時間」の総計は６０ｍｓ以内になるように設定する。全ての設定が終わり溶接動作を開始する時には、「オペレイト」キー６４を押せばよい。

図４の（Ａ）〜（Ｃ）は、通電パターンの設定例を示したものである。この通電パターンは各溶接相の通電期の「通電時間」ａ〜ｄと「通電休止時間」ｅ〜ｈで設定されるもので、パルス発生回路３６の出力波形を溶接トランスの一次側のコイルの影響を無視した形で示している。

（Ａ）は４つの溶接相をプリ通電の溶接相と、本通電（溶接物を実際に溶かし接合するために電流を流すことを言う。）の溶接相に分けて設定したものである。初めの２つの溶接相はプリ通電を行うもので通電時間は後の２つの溶接相の本通電を行う通電時間より短くなっている。こうするのは、溶接トランス１４の出力エネルギーは通電時間が短ければ少なく、長ければ多くなるので、このように通電時間に差異を設けて予備的な溶接を行うのに必要な電力と本溶接を行うのに必要な電力とをそれぞれ適切に設定するためである。

この通電パターンによれば、初めのプリ通電ａ、ｂで本通電ｃ、ｄの前に溶接物表面の酸化膜を除去したり、接触面のなじみを良くすることにより安定した本通電を行うことができるようになる。また、プリ通電ａ、ｂ、本通電ｃ、ｄ共に極性切替を行うことでヒートバランスの取れた安定した溶接が可能になる。

（Ｂ）は４つの溶接相を順にプリ通電ａの溶接相、本通電ｂ、ｃの２つの溶接相とアフター通電ｄの溶接相に分けて設定したものである。プリ通電ａとアフター通電ｄの溶接相の通電時間は（Ａ）のプリ通電ａ、ｂの溶接相の通電時間より短い時間に設定している。この通電パターンでは、プリ通電ａとアフター通電ｄとでは、前記のような溶接物表面の酸化膜の除去や接触面のなじみの向上と言うことは考慮していないからである。

この通電パターンによれば、初めのプリ通電ａの溶接相の通電により本通電ｂ、ｃの可否、最後のアフター通電ｄの溶接相の通電により本通電ｂ、ｃによる接合の良否が判定できる。制御部４２は、プリ通電ａとアフター通電ｄの溶接相の通電による溶接電流と溶接電圧を溶接情報モニタ部５４を介して読み込み、これらから抵抗値を求めることで溶接物間の抵抗値を測定している。

なお、プリ通電時ａとアフター通電時ｄとで、それぞれ本通電ｂ、ｃに移行可能な溶接物間の抵抗値と接合状態を良好と判定できる接合物間の抵抗値とを予め設定しておく。こうしておいて、測定された抵抗値と設定された抵抗値とを比較するようにしている。また、プリ通電ａとアフター通電ｄとで、また本通電ｂ、ｃ同士で極性切替を行うことでヒートバランスの取れた安定した溶接が可能になる。

（Ｃ）は（Ａ）と同じように、４つの溶接相をプリ通電ａ、ｂの溶接相と本通電ｃ、ｄの溶接相に分けて設定したものである。ここでは本通電の溶接相の通電時間を良好な接合品質が得られる溶接エネルギー以上の溶接エネルギーとなるような長めの通電時間を誤って設定しているものとする。

この通電パターンによれば、設定通りであれば過分の溶接エネルギーが溶接物に加わるので接合部が溶けすぎることになるが、自動的に通電を停止することで溶けすぎを防止し、良好な溶接品質を得ることができる。

制御部４２は、プリ通電ａ、ｂと本通電ｃ、ｄの溶接相の通電による溶接電流を溶接情報モニタ部５４を介して読み込み、溶接電流を通電時間で積分して溶接エネルギーを算出することで溶接部に加わる溶接エネルギーを測定している。また、プリ通電（ａ、ｂ）時と本通電（ｃ、ｄ）時とを通じて良好な溶接品質を確保できる溶接エネルギーを予め設定しておく。こうしておいて、測定された溶接エネルギーと設定された溶接エネルギーとを比較し、測定された溶接エネルギーが設定された溶接エネルギーを超えた時点で通電を停止するようにしているからである。図４（Ｃ）の（１）、（２）は、設定された溶接エネルギーとなるタイミングを示している。

以上の設定例は、いずれも４つの溶接相を有するものであるが、本発明は４つ以上あるいは３つ以下の溶接相を有するものであっても良い。溶接相は２つであってもよく、３つ以上にしてプリ通電、アフタ通電の機能を付加したり、溶接エネルギーを増やすなど、溶接物の特性に合わせて最適な通電パターンを設定すれば、溶接部の変化に対する対応範囲が拡大し多様な溶接が可能になる。

１０ 接合ヘッド装置
１２ 溶接電源
１４ 溶接トランス
１６ 電極
３２ 整流部
３４ 平滑コンデンサ
３６ スイッチング回路（パルス発生回路）
３８ 溶接タイミング信号生成部
４０ 溶接条件設定部
４２ 制御部
４４ 操作部
４６ 表示部
５０ 中間タップ
５４ 溶接情報モニタ部

Claims (10)

1. スイッチング回路を介して溶接トランスの一次側に一次電圧を印加し、前記トランスの二次側を整流せずに一対の溶接電極に接続した抵抗溶接方法において、
   １回の溶接に対して、前記一次電圧を正または負の直流とする極性及び印加時間により設定される通電期とその後に続く一次電圧を零にした通電休止期とで構成される溶接相を複数組形成し、前記通電期および通電休止期ごとに前記スイッチング回路のスイッチング素子のオン・オフタイミングを個別に設定することによって別々に設定可能とし、連続する前記溶接相における前記通電期の極性を、前記通電休止期を挟んで、交互に正負に変化させることを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 一回の溶接に対して、一次電圧を正又は負電圧にする通電期が正負同回数である請求項１の抵抗溶接方法。
3. 一回の溶接に対して、一次電圧を正電圧にする回数と負電圧にする回数が２回ずつである請求項２の抵抗溶接方法。
4. 最初の溶接相における通電期の二次側電圧と電流を用いて抵抗を求め、被溶接部材の溶接の可否を判定する請求項１の抵抗溶接方法。
5. 最後の溶接相における通電期の二次側電圧と電流を用いて抵抗を算出し、溶接状態の良否を判定する請求項１の抵抗溶接方法。
6. スイッチング回路を介して溶接トランスの一次側に一次電圧を印加し、前記トランスの二次側を整流せずに一対の溶接電極に接続した抵抗溶接装置において、
   １回の溶接に対して、前記一次電圧を正または負の直流とする極性及び印加時間によって設定される通電期とその後に続く一次電圧を零にした通電休止期とで構成される溶接相を複数組形成し、前記複数組の溶接相における通電期と通電休止期とを、通電期および通電休止期ごとに前記インバータ回路のスイッチング素子のオン・オフタイミングを個別に設定することによって別々に設定し連続する前記溶接相における前記通電期の極性を、前記通電休止期を挟んで、交互に正負に変化させる溶接条件設定部と；
   前記溶接条件設定部で設定されたタイミングで前記スイッチング素子をオン・オフ制御する溶接タイミング信号生成部と；
   とを備えることを特徴とする抵抗溶接装置。
7. スイッチング回路は、ブリッジ接続されたスイッチング素子としての複数のＩＧＢＴを備える請求項６の抵抗溶接装置。
8. 溶接条件設定部は、互いに接続されたコンピュータを含む制御部と、操作部と、表示部とを備え、各通電期の一次電圧の正負および印加時間と各通電休止期とを前記操作部と表示部とを用いて入力可能とし、この入力情報が前記制御部にメモリされ、溶接タイミング信号生成部はこの入力情報に基づいてスイッチング素子をオン・オフ制御する請求項６の抵抗溶接装置。
9. 溶接トランスの二次側電圧と二次側電流とに基づいて、最初の溶接相における通電期から被溶接部材の溶接可否を、最後の溶接相における通電期から溶接の良否をそれぞれ判定するためのモニタ情報を溶接条件設定部に送出する溶接情報モニタ部を備える請求項６の抵抗溶接装置。
10. 溶接トランスの一次側には中間タップが設けられ、スイッチング回路に接続される中間タップを切り替え可能にした請求項６の抵抗溶接装置。

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