JP2014159044A - シーム溶接方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電極ローラと被溶接物との接触部が発熱過多の状態になることを防止可能なシーム溶接方法を提供する。
【解決手段】円板状に形成された一対の電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔを求め（ＳＴＥＰ１）、合計半径Ｒｔが減少するに伴い、溶接電流値Ｉを減少させる（ＳＴＥＰ２）。電極ローラ１５，１６の間に複数のワークＷを挟み込んだ状態で、電極ローラ１５，１６間を通電させる溶接電流を供給させてシーム溶接を行う（ＳＴＥＰ３）。
【選択図】図５

Description

本発明は、シーム溶接方法及びシステムに関する。

従来から、一対の電極ローラの間に被溶接物（ワーク）を挟み込み、加圧通電しながら電極ローラを回転させて被溶接物を連続的に溶接するシーム溶接が知られている。

電極ローラの外周面は被溶接物に加圧当接されて摩耗するので、シーム溶接の実施回数が増えるほど、電極ローラの外径は小さくなる。さらに、電極ローラの外周面が摩耗すると凹凸（メクレ）が生じて溶接電流が不安定となり、被溶接物の溶接結果に悪影響を及ぼす。そのため、電極ローラの外周面を定期的に研磨（ドレッシング）する必要があり、これによっても、電極ローラの外径は小さくなる。

なお、特許文献１には、被溶接物の始端部溶接条件区間、定常部溶接条件区間及び終端部溶接条件区間にそれぞれ応じて、溶接電流の設定を変更してシーム溶接する技術が記載されている。

特開平１１−３３３５７０号公報

しかしながら、例えば、電極ローラに同じ加圧を与えてシーム溶接を行う場合、電極ローラの外径が減少する程、電極ローラの外周面の曲率半径が小さくなり、電極ローラと被溶接物との接触面積が小さくなる。これにより、通電電流の密度が高くなり、発熱量が増加する。そして、発熱過多の状態に達すると、散りが発生するという不具合が生じる。

特許文献１には、電極ローラの磨耗に応じて溶接条件を変更することは開示されていない。

本発明は、以上の点に鑑み、電極ローラと被溶接物との接触部が発熱過多の状態になることを防止可能なシーム溶接方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明のシーム溶接方法は、円板状に形成された一対の電極ローラの間に複数の被溶接物を挟み込んだ状態で、前記電極ローラ間を通電させる溶接電流を供給することによってシーム溶接を行うシーム溶接方法であって、前記一対の電極ローラの外径を求める工程と、前記工程で求めた前記電極ローラの外径が減少するに伴い、前記溶接電流の電流値を減少させる工程とを備えることを特徴とする。

本発明のシーム溶接方法によれば、電極ローラの外径が減少するに伴い、電極ローラ間に通電される溶接電流の電流値は減少させている。これにより、電極ローラの外径が減少して電極ローラと被溶接物との接触面積が小さくなっても、発熱量が増加することが抑制される。よって、発熱過多の状態に達して散りが発生するという不具合を解消することができる。

本発明のシーム溶接システムは、円板状に形成された一対の電極ローラの間に複数の被溶接物を挟み込んだ状態で、前記電極ローラ間を通電させることによってシーム溶接を行うシーム溶接システムであって、前記一対の電極ローラの外径を求めるローラ径求出手段と、前記電極ローラ間を通電させる溶接電流を供給する溶接電流供給手段と、ローラ径求出手段で求めた前記電極ローラの外径が減少するに伴い、前記溶接電流供給手段が供給する溶接電流の電流値を減少させる制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明のシーム溶接システムによれば、制御手段は、電極ローラの外径が減少するに伴い、電極ローラ間に通電される溶接電流の電流値を減少させる。これにより、電極ローラの外径が減少して電極ローラと被溶接物との接触面積が小さくなっても、発熱量が増加することが抑制される。よって、発熱過多の状態に達して散りが発生するという不具合を解消することができる。

本発明の実施形態に係るシーム溶接システムの全体構成を示す概略図。 シーム溶接システムの全体構成を示すブロック図。 溶接電流値を変更を説明するグラフ。 電極ローラの合計半径を説明する概念図。 本発明の実施形態に係るシーム溶接方法を説明するフローチャート。

本発明の実施形態に係るシーム溶接システム１００について図面を参照して説明する。シーム溶接システム１００は、シーム溶接装置１０によって金属薄板からなる複数の被溶接物（ワーク）Ｗを接合して、自動車の窓枠や燃料タンクなどを製造する際に用いられる。

図１に示すように、ワークＷは、図示しないワーク固定台によって予め定められた位置に固定され、ロボット２０により予め定められた軌跡に沿って移動されるシーム溶接装置１０によって、シーム溶接される。図２を参照して、シーム溶接システム１００は、シーム溶接装置１０及びロボット２０を制御し、本発明の制御手段に相当する制御装置３０を備えている。

ロボット２０は、複数のアームが関節で連結された、６軸ロボットなどの多関節型ロボットであり、ベース２１に固定されている。ロボット２０は、図示しないが、各関節には、サーボモータなどの駆動手段と、サーボモータの軸角度を検出するエンコーダなどの検出手段とを備え、制御装置３０によってフィードバック制御可能に構成されている。

ロボット２０の先端に位置するアームの先端部には、イコライズ機構２２が設けられている。シーム溶接装置１０は、イコライズ機構２２によって、ロボット２０のアームの先端部に弾性的に支持されている。これにより、溶接対象部位に微小な変動があっても、その変動にシーム溶接装置１０を追従させることができる。

シーム溶接装置１０は、イコライズ機構２２を介してロボット２０に取り付けられる基台１１を備えている。基台１１には、上下方向に沿って延びるガイドレール１２が設けられており、ガイドレール１２には、当該ガイドレール１２に沿って駆動手段１３により上下方向に移動可能な可動台１４が設けられている。ここでは、駆動手段１３は、エアシリンダ１３であり、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａの先端部に可動台１４が連結されている。なお、駆動手段は、油圧シリンダ、ボールねじ機構を備えた回転モータ、リニアモータなどであってもよい。

可動台１４には上部電極１５が軸支され、基台１１には下部電極１６が軸支されている。これにより、下部電極１６は所定の高さ位置に設けられ、上部電極１５は下部電極１６に対して上下動可能に配置される。なお、上部電極１５及び下部電極１６は、円板状の電極であり、合せて電極ローラ１５，１６ともいう。

電極ローラ１５，１６には、それぞれ当該電極ローラ１５，１６を予め設定された回転方向に設定された回転速度で回転駆動させるための回転駆動手段１７，１８が接続されている。ここでは、回転駆動手段１７，１８は、サーボモータであるが、パルスモータ、ロータリエンコーダを備えた通常のモータであってもよい。

さらに、上部電極１５には、溶接に必要な電流（溶接電流）を供給し、本発明の溶接電流供給手段に相当する溶接電源１９に接続されている。ここでは、溶接電源１９は、直流のパルス電流を供給するものであるが、交流電流を供給するものであってもよい。

このように、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａを伸長させて上部電極１５を下降させて、両電極１５，１６間にワークＷを挟み込んだ状態で、溶接電源１９から上部電極１５に溶接電流を供給する。これにより、上部電極１５から、両電極ローラ１５，１６間に挟み込んだワークＷを介して、下部電極１６（アース電極）へ溶接電流が流れ、シーム溶接を行うことができる。

エアシリンダ１３は、上述したように、上部電極１５を下部電極１６に向けて加圧して、両電極ローラ１５，１６の間に挟まれたワークＷを加圧する加圧手段として機能する。

さらに、エアシリンダ１３は、図示しないが、ピストンロッド１３ａの位置を検出するためのストロークセンサを備えている。これにより、図３を参照して、エアシリンダ１３は、上部電極１５を下部電極１６に対して直接押し当て、二つの電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔ＝Ｒ１＋Ｒ２を計測する計測手段としても機能する。

下部電極１６の上下方向の高さは一定であるので、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａを伸長させて上部電極１５を下降させて下部電極１６に当接させたとき、二つの電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔは、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａのストローク量、又は基台１１と可動台１４との相対的な上下方向の距離から求めることができる。

なお、基台１１又は可動台１４に、基台１１と可動台１４との相対的な上下方向の距離を検出する測距センサを設けて、この測距センサを計測手段としてもよい。測距センサとして、例えば、非接触式のレーザー距離計、接触式のリニアスケールセンサ、マグネットスケールセンサを用いることができる。また、ラインセンサなどの画像センサを用いて、基台１１と可動台１４との相対的な上下方向の距離を求めてもよい。

制御装置３０は、図示しないＣＰＵ等により構成された電子回路ユニットである。図２に示すように、制御装置３０は、メモリ３１に保持された制御プログラムを、ＣＰＵで実行することによって、エアシリンダ１３を制御するシリンダ制御部３２、回転駆動手段１７，１８を制御する回転駆動制御部３３、溶接電源１９を制御する電源制御部３４、及びロボット２０を制御するロボット制御部３５として機能し、シーム溶接装置１０及びロボット２０の作動を制御する。

メモリ３１には、ロボット２０のティーチングデータが記憶されると共に、溶接条件に応じた、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａの移動量、回転駆動手段１７，１８の回転速度、溶接電源１９から供給する溶接電流の値などの溶接制御データが記憶されている。また、メモリ３１には、溶接電源１９から供給する溶接電流の値Ｉを算出する溶接電流値算出プログラムが記憶されている。ＣＰＵが溶接電流値算出プログラムを実行することにより、制御装置３０は溶接電流値算出手段として機能する。

制御装置３０は、溶接条件に応じてメモリ３１に記憶された溶接制御データを読み出して作成した制御信号を、エアシリンダ１３、回転駆動手段１７，１８、溶接電源１９及びロボット２０にそれぞれ送信する。

ここで、電極ローラ１５，１６は、シーム溶接を行うことによって徐々に消耗し、さらにドレッシングによって整形される。そのため、電極ローラ１５，１６は、径が減少する。

そこで、同じワークＷをシーム溶接する場合であっても、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔの減少に応じて、溶接条件を変更する必要がある。例えば、合計半径Ｒｔが減少すると、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａを同じストローク量だけ伸長させても、加圧力が減少する。よって、合計半径Ｒｔの減少に応じて、ピストンロッド１３ａを伸長させるストローク量を増加させる必要がある。また、合計半径Ｒｔが減少すると、回転駆動手段１７，１８の回転速度と、ワークＷに対する電極ローラ１５，１６の移動速度との同期が取れなくなる。よって、合計半径Ｒｔの減少に応じて、ワークＷに対する電極ローラ１５，１６の移動速度を遅くさせる必要がある。

このようにして、加圧力などの溶接条件を一定にするように制御しても、電極ローラ１５，１６の径が減少すると、電極ローラ１５，１６とワークＷとの接触面積が減少して、単位接触面積当りの電流密度が増加する一方、ヒートマスとしての電極ローラは小さくなるため、発熱量が増大する。発熱量が過大になると、ワークＷが溶融して飛び散って散りが発生するなど、溶接不良が生じる。

そこで、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔが小さくなった場合に、電極ローラ１５，１６とワークＷとの接触部における電流密度を略一定に保つために、溶接電源１９から供給する溶接電流の値Ｉを小さくするように溶接電流値算出プログラムが設定されている。これにより、シーム溶接によって発生するナゲットを一定に近い状態に保つことができ、散りなどの溶接不良が発生するおそれを解消することができる。

例えば、新品時の電極ローラ１５，１６の半径が５０ｍｍであり、使用限界時の電極ローラ１５，１６の半径が４０ｍｍであるとき、半径の差は１０ｍｍとなる。電極ローラ１５，１６の半径はワークＷと接触する部分の曲率半径に等しいので、押圧力が一定であれば、電極ローラ１５，１６の径減少に比例して、電極ローラ１５，１６とワークＷとの接触面積は小さくなる。

そこで、図４を参照して、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔに基いて、例えば、次式（１）によって、電極ローラ１５，１６に通電させる溶接電流値Ｉを求める。

Ｉ＝Ｉ０−Ｉ０×（Ｒｔ／Ｒｔ０）×α ・・・ （１）

ここで、Ｉ０は新品時の電極ローラ１５，１６における溶接電流値であり、Ｒｔ０は新品時の電極ローラ１５，１６の合計半径である。そして、αは予め定められた比率であり、電極ローラ１５，１６とワークＷとの接触面積の変化、すなわち電流密度の変化を考慮して実験などによって決定される。例えば、次式（２）によって、比率αを求めることができる。

α＝（Ｉ０−Ｉｗ）／（Ｒｔ０−Ｒｔｗ） ・・・ （２）

ここで、Ｉｗは使用限界時の電極ローラ１５，１６に通電させる溶接電流値であり、Ｒｔｗは使用限界時の電極ローラ１５，１６の合計半径である。予め、メモリ３１に、新品時の電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔ０、使用限界時の電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔｗ、新品時の電極ローラ１５，１６に通電させる溶接電流値Ｉ０、使用限界時の電極ローラ１５，１６に通電させる溶接電流値Ｉｗを記憶させておけばよい。

溶接電流値Ｉは、式（１）、式（２）によって求めた値に対して、溶接電源１９における設定単位、例えばｍＡ単位に四捨五入した値を用いればよい。また、溶接電流値Ｉは、式（１）、式（２）によって求めた値が、現在の設定値から予め設定された範囲、例えば２ｍＡの範囲を超えて変化したときに、設定値を変更させてもよい。また、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔと溶接電流値Ｉとを対応させたマップをメモリ３１に記憶させておき、このマップから溶接電流値Ｉを求めてもよい。

さらに、上部電極１５と下部電極１６との半径をそれぞれ検出することが可能な場合には、上部電極１５と下部電極１６のそれぞれの半径と溶接電流値Ｉとを対応させたマップをメモリ３１に記憶させておき、このマップから溶接電流値Ｉを求めてもよい。

次に、上述したシーム溶接システム１００を用いた、本発明の実施形態に係るシーム溶接方法について図面を参照して説明する。

図５のフローチャートに示すように、まず、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔを求める工程を行う（ＳＴＥＰ１）。この工程では、具体的には、エアシリンダ１３のピストンロッド１３ａを伸長させて上部電極１５を下降させて下部電極１６に当接させたときのピストンロッド１３ａのストローク量から、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔを求める、又は基台１１と可動台１４との相対的な上下方向の距離から求めることができる。

次に、最適な溶接電流値Ｉを求める工程を行う（ＳＴＥＰ２）。この工程では、具体的には、制御装置３０のＣＰＵが溶接電流値算出プログラムを実行することにより、式（１）及び式（２）を用いて、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔに応じた最適な溶接電流値Ｉを求める。

次に、ワークＷに対してシーム溶接する工程を行う（ＳＴＥＰ３）。この工程では、ＳＴＥＰ２で求めた最適な溶接電流値Ｉを溶接電源１９から上部電極１５に供給させる。

そして、ドレッシングなどを行うことによって電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔに大きな変化があった場合（ＳＴＥＰ４：ＹＥＳ）、ＳＴＥＰ１に移行して電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔを求め、ここで求めた合計半径Ｒｔに基づいて、ＳＴＥＰ２で最適な溶接電流値Ｉを求める工程を行う。

電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔに大きな変化がない場合（ＳＴＥＰ４：ＮＯ）、シーム溶接する終了するまで（ＳＴＥＰ５：ＹＥＳ）、ワークＷに対してシーム溶接する工程を続行する（ＳＴＥＰ３）。

以上のように、本実施形態では、電極ローラ１５，１６の合計半径Ｒｔに応じた最適な溶接電流値Ｉを求めている（ＳＴＥＰ２）。そのため、電極ローラ１５，１６の径減少に伴って、電極ローラ１５，１６間に通電させる溶接電流値Ｉを減少させるので、電極ローラ１５，１６とワークＷとの接触部における発熱量が過大にならず、散りなどの溶接不良が発生するおそれを解消することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上部電極１５が上下動可能で下部電極１６が固定された場合について説明した。しかし、これに限定されず、上部電極１５が固定され下部電極１６が上下動可能であっても、上部電極１５及び下部電極１６が共に上下動可能であってもよい。

また、上部電極１５と下部電極１６とが垂直に配置させる場合について説明した。しかし、これに限定されず、上部電極１５と下部電極１６とを水平に又は傾斜させて配置させてもよい。

１０…シーム溶接装置、 １１…基台、 １２…ガイドレール、 １３…駆動手段、エアシリンダ、 １３ａ…ピストンロッド、 １４…可動台、 １５…上部電極（電極ローラ）、 １６…下部電極（電極ローラ）、 １７，１８…回転駆動手段、 １９…溶接電源（溶接電流供給手段）、 ２０…ロボット、 ２１…ベース、 ２２…イコライズ機構、 ３０…制御装置（制御手段）、 ３１…メモリ、 ３２…シリンダ制御部、 ３３…回転駆動制御部、 ３４…電源制御部、 ３５…ロボット制御部、 １００…シーム溶接システム、 Ｗ…ワーク（被溶接物）。

Claims (2)

1. 円板状に形成された一対の電極ローラの間に複数の被溶接物を挟み込んだ状態で、前記電極ローラ間を通電させる溶接電流を供給することによってシーム溶接を行うシーム溶接方法であって、
   前記一対の電極ローラの外径を求める工程と、
   前記工程で求めた前記電極ローラの外径が減少するに伴い、前記溶接電流の電流値を減少させる工程とを備えることを特徴とするシーム溶接方法。
2. 円板状に形成された一対の電極ローラの間に複数の被溶接物を挟み込んだ状態で、前記電極ローラ間を通電させることによってシーム溶接を行うシーム溶接システムであって、
   前記一対の電極ローラの外径を求めるローラ径求出手段と、
   前記電極ローラ間を通電させる溶接電流を供給する溶接電流供給手段と、
   ローラ径求出手段で求めた前記電極ローラの外径が減少するに伴い、前記溶接電流供給手段が供給する溶接電流の電流値を減少させる制御手段とを備えることを特徴とするシーム溶接システム。

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