JP2015186809A - 工業製品の製造方法、スポット溶接システム - Google Patents
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Abstract
Description
図1〜図7を用いて、本発明の第1実施形態について説明する。
まず、図4に示す母材Wを用意する。本実施形態では母材Wは、第1部材W1および第2部材W2を含む。第1部材W1および第2部材W2は、互いに重ねられている。本実施形態では、第1部材W1の厚さおよび第2部材W2の厚さは、それぞれ、たとえば、1.0〜4.0mmである。なお、本実施形態とは異なり、第1部材W1および第2部材W2の厚さは、1.0mm以下であってもよい。第1部材W1は、トーチ12の位置する側を向く第1主面W11を有する。第2部材W2は、第1主面W11の向く側とは反対側を向く第2主面W21を有する。また、プラズマノズル122の開口を、母材Wの平面視において、スポット溶接すべき箇所と重なる位置に位置させておく。
時刻t1において、パイロットアーク電源回路31にパイロットアーク電流通電開始信号(図示略)が送られることにより、非消耗電極121とプラズマノズル122との間に、パイロットアークa1が発生する。これにより、同図(a)に示すように、パイロットアーク電流Ipの通電が開始する。時刻t1から流れるパイロットアーク電流Ipの電流値は、たとえば1〜20Aであり、好ましくは5〜20Aである。なお、パイロットアークa1の発生(すなわちパイロットアーク電流Ipの通電の開始)は、非消耗電極121とプラズマノズル122との間に、高周波であり且つ非常に高い電圧を印加することにより行う。パイロットアークa1を発生させるための当該電圧の周波数は、たとえば1〜10MHzである。パイロットアークa1を発生させるための当該電圧の電圧値は、たとえば1〜10kVである。また、図3には示していないが、時刻t1において、プラズマガスPGが流れ始める。本実施形態とは異なり、時刻t1以前に、プラズマガスPGが流れ始めてもよい。
図3(c)に示すように、時刻t2において、制御部5は、第1工程指示信号Ss1をプラズマアーク電源回路41に送る。第1工程指示信号Ss1を受けると、プラズマアーク電源回路41は、非消耗電極121と母材Wとの間にプラズマアーク電圧Vmを印加する。このプラズマアーク電圧Vmの電圧値は、たとえば、20〜40Vである。非消耗電極121の先端近傍の空間には、パイロットアークa1によってプラズマ雰囲気が形成されている。そのため、図5に示すように、パイロットアークa1に誘発されて、プラズマアークa2が非消耗電極121と母材Wとの間に発生する。これにより、図3(b)に示すように、時刻t2において、プラズマアーク電流Imの通電が開始する。プラズマアーク電流Imの電流値は、たとえば、150〜250Aである。プラズマアークa2の熱により母材Wが溶融し、母材Wには、第1主面W11から凹む穴71が形成される。穴71の深さD1は徐々に深くなる。このように、時刻t2〜時刻t3においては、プラズマアークa2によって、母材Wにおける第1主面W11から凹む穴71(本実施形態ではキーホール)が形成される。時刻t2〜時刻t3は、たとえば、0.3〜5Secである。
時刻t3において、穴71が母材Wを貫通する。これにより、母材Wにおける第2主面W21に、穴71に通じる開口712が形成される。穴71が母材Wを貫通したことは、貫通検出回路46が検出する。貫通検出回路46は、たとえば、プラズマアーク電圧Vmの電圧値が急激に上昇した場合に、穴71が母材Wを貫通したと判断する。貫通検出回路46が穴71の貫通を検出すると、図3(d)に示すように、貫通検出信号Stをプラズマアーク電源回路41と制御部5とに送る。なお、時刻t2〜時刻t3は、穴71が母材Wを貫通するのに要する時間T11である。
図3(g)に示すように、時刻t4において、制御部5は第2工程指示信号Ss2を、溶接アーク電源回路61と、送給制御回路68と、に送る。
時刻t5において、消耗電極15の先端が母材Wに接触した後、消耗電極15をリトラクトすることによって(図3(k)では図示は省略)、消耗電極15と母材Wとの間に溶接アークa3が発生する。消耗電極15と母材Wとの間に溶接アークa3が発生すると、同図(f)に示すように、消耗電極15と母材Wとの間に、溶接アーク電流Iaが流れ始める。これにより、消耗電極15および母材Wの間に発生した溶接アークa3によって形成された、消耗電極15に由来する溶融金属869が、穴71に充填される。時刻t6まで溶接アークa3が発生している状態を継続することにより、図7に示す溶接部86が形成される。本実施形態では、時刻t3にてプラズマアークa2を消弧している。そのため、溶接部86を形成する期間(時刻t5〜時刻t6)においては、プラズマアークa2を消弧させている。時刻t5〜時刻t6は、たとえば、0.3〜5Secである。
時刻t6において、溶接アーク電源回路61は出力を停止する。これにより、図3(e),(f)に示すように、溶接アーク電流Iaの通電は停止し、溶接アーク電圧Vaは0となる。その結果、溶接アークa3が消弧する。また、図3(k)に示すように、時刻t6において送給速度Fwは0となる。
時刻t7以降は、時刻t2〜時刻t7にて行った工程と同様の工程を1または複数回繰り返す。以上のように、母材Wにおける複数の箇所に対し、スポット溶接を行う。
図8〜図14を用いて、本発明の第2実施形態について説明する。
まず、図9に示す母材Wを用意する。そして、プラズマノズル122の開口を、母材Wの平面視において、スポット溶接すべき箇所と重なる位置に位置させておく。母材Wについては、第1実施形態の説明を適用できるため、本実施形態では説明を省略する。図9に示す場合、プラズマノズル122の開口と第1主面W11との距離は、たとえば、3〜5mmである。
時刻t11〜時刻t13における工程は、第1実施形態の時刻t1〜時刻t3における工程と同様であるから、説明を省略する。本実施形態においても、図12に示すように、プラズマアークa2の熱により母材Wが溶融し、母材Wには、第1主面W11から凹む穴71が形成される。穴71の深さD1は徐々に深くなる。このように、時刻t12〜時刻t13において、プラズマアークa2によって、母材Wにおける第1主面W11から凹む穴71(本実施形態ではキーホール)が形成される。
時刻t13において、穴71が母材Wを貫通する。これにより、母材Wにおける第2主面W21に、穴71に通じる開口712が形成される。穴71が母材Wを貫通したことは、貫通検出回路46が検出する。貫通検出回路46は、たとえば、プラズマアーク電圧Vmの電圧値が急激に上昇した場合に、穴71が母材Wを貫通したと判断する。貫通検出回路46が穴71の貫通を検出すると、図10(d)に示すように、貫通検出信号Stをプラズマアーク電源回路41と制御部5とに送る。なお、時刻t12〜時刻t13は、穴71が母材Wを貫通するのに要する時間T11である。
消耗電極15の送給が開始した後、消耗電極15の先端がプラズマアークa2に接触する。プラズマアークa2の電気抵抗は空気よりも小さい。そのため、図10(f)、図13に示すように、時刻t14において、プラズマアークa2を介して、消耗電極15および母材Wの間に溶接アーク電流Iaが流れ始める。これにより、消耗電極15および母材Wの間に溶接アークa3が発生する。
時刻t15において、プラズマアーク電源回路41は、出力を停止する。これにより、図10(b)に示すようにプラズマアーク電流Imの通電が停止し、プラズマアーク電圧Vmが0となる。その結果、プラズマアークa2が消弧する。時刻t14〜時刻t15は、たとえば、0.1〜0.3Secである。時刻t14〜時刻t15は、溶接アークa3を安定させるための時間である。なお、プラズマアーク電源回路41は、溶接アーク点弧検出信号Saを受けた時刻に基づき、プラズマアーク電流Imの通電を停止する時刻を決定するとよい。
時刻t16において、溶接アーク電源回路61は出力を停止する。これにより、図10(e)、(f)に示すように、溶接アーク電流Iaの通電は停止し、溶接アーク電圧Vaは0となる。その結果、溶接アークa3が消弧する。また、図10(k)に示すように、時刻t16において送給速度Fwは0となる。
時刻t17以降は、時刻t12〜時刻t17にて行った工程と同様の工程を1または複数回繰り返す。以上のように、母材Wにおける複数の箇所に対し、スポット溶接を行う。
図15、図16を用いて、本発明の第3実施形態について説明する。
図17、図18を用いて、本発明の第3実施形態の第1変形例について説明する。
11 マニピュレータ
12 トーチ
121 非消耗電極
122 プラズマノズル
126 保持部材
129 外側ノズル
15 消耗電極
16 送給装置
2 動作制御回路
31 パイロットアーク電源回路
41 プラズマアーク電源回路
46 貫通検出回路
5 制御部
56 溶接アーク点弧検出回路
61 溶接アーク電源回路
68 送給制御回路
71 穴
712 開口
86 溶接部
861,862 ビード
869 溶融金属
A1,A2,A3 スポット溶接システム
a1 パイロットアーク
a2 プラズマアーク
a3 溶接アーク
C1 交点
C2 点
D1 深さ
D2,D5 直径
Fc 送給速度制御信号
Fw 送給速度
Ia 溶接アーク電流
Im プラズマアーク電流
im1 プラズマアーク維持電流値
Ip パイロットアーク電流
L1 第1仮想線
L2 第2仮想線
Ms 動作制御信号
PG プラズマガス
Sa 溶接アーク点弧検出信号
SG シールドガス
Sm1 第1移動指示信号
Sm2 第2移動指示信号
Sm11 動作指示信号
Sm12 移動指示信号
Ss1 第1工程指示信号
Ss2 第2工程指示信号
St 貫通検出信号
T1 厚さ
t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t11,t12,t13,t14,t15,t16,t17 時刻
Va 溶接アーク電圧
Vm プラズマアーク電圧
Vp パイロットアーク電圧
Vr ロボット移動速度
W 母材
W1 第1部材
W11 第1主面
W2 第2部材
W21 第2主面
44 電圧検出回路
52 母材情報算出回路
54 溶接部形成情報算出回路
Inf1 母材情報
Inf2 溶接部形成情報
ia11,ia12,ia21,ia22,ia23 電流値
R11,R12,R13 範囲
T11 時間
T12 通電時間
Vd 電圧検出信号
Claims (36)
- 非消耗電極および母材の間に発生したプラズマアークによって、前記母材における第1主面から凹む穴を形成する工程と、
消耗電極および前記母材の間に発生した溶接アークによって形成された、前記消耗電極に由来する溶融金属を、前記穴に充填し、溶接部を形成する工程と、を備える、工業製品の製造方法。 - 前記溶接部を形成する工程の前に、前記消耗電極および前記母材の間に前記溶接アークを発生させる工程を更に備え、
前記溶接アークを発生させる工程においては、前記穴の深さが前記母材全体の厚さの80%以上となっている時点で、前記溶接アークを発生させる、請求項1に記載の工業製品の製造方法。 - 前記溶接アークを発生させる工程においては、前記穴が前記母材全体を貫通している状態で、前記溶接アークを発生させる、請求項2に記載の工業製品の製造方法。
- 前記穴を形成する工程においては、前記母材における、前記第1主面とは反対側の第2主面に、前記穴に通じる開口を形成し、
前記溶接アークを発生させる工程においては、前記開口の直径が前記消耗電極の直径よりも小さい状態で、前記溶接アークを発生させる、請求項3に記載の工業製品の製造方法。 - 前記溶接アークを発生させる工程は、前記消耗電極を前記母材に接触させることにより、開始する、請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接部を形成する工程においては、前記プラズマアークを消弧させておく、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 前記穴を形成する工程が終了した後に、前記消耗電極の先端を、前記穴の深さ方向視において前記穴と重なる位置に位置させる工程を更に備える、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- アークスポット溶接として行われる、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の工業製品の製造方法に用いるスポット溶接システムであって、
非消耗電極および母材の間にプラズマアーク電流を流すプラズマアーク電源回路と、
消耗電極および前記母材の間に溶接アーク電流を流す溶接アーク電源回路と、を備え、
前記溶接アーク電源回路は、前記プラズマアーク電流の通電を開始した後に、前記溶接アーク電流の通電を開始する、スポット溶接システム。 - トーチを更に備え、前記トーチは、前記非消耗電極を囲むプラズマノズルと、前記消耗電極を保持する保持部材と、を含む、請求項9に記載のスポット溶接システム。
- 前記トーチは、前記プラズマノズルと前記保持部材とを囲む外側ノズルを含む、請求項10に記載のスポット溶接システム。
- 前記トーチを前記母材に対して移動させるマニピュレータを更に備える、請求項10または請求項11に記載のスポット溶接システム。
- 前記消耗電極および前記母材の間に前記溶接アークを発生させる工程を更に備え、
前記溶接アークを発生させる工程は、前記プラズマアークを介して、前記消耗電極および前記母材の間に溶接アーク電流を流し始めることにより、開始する、請求項1または請求項2に記載の工業製品の製造方法。 - 前記溶接アークを発生させる工程は、前記消耗電極および前記母材の間に無負荷電圧を印加しつつ、前記消耗電極を前記プラズマアークに接触させる工程を含む、請求項13に記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接アークを発生させる工程の前に、前記非消耗電極および前記母材の間に流れるプラズマアーク電流の電流値を、前記穴を形成する工程における値よりも小さいプラズマアーク維持電流値に減少させる工程を更に備える、請求項13または請求項14に記載の工業製品の製造方法。
- 前記プラズマアーク維持電流値は、20〜50Aである、請求項15に記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接アークを発生させる工程は、前記母材から前記非消耗電極を離間させる工程を含む、請求項13ないし請求項16のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 前記母材から前記非消耗電極を離間させる工程を終えた時点において、第1仮想線と第2仮想線との交点が、前記第1主面に対して、前記第1主面の向く方向とは反対側に位置しており、
前記第1仮想線は、前記非消耗電極の軸線に沿って延びる線であり、前記第2仮想線は、前記消耗電極の軸線に沿って延びる線である、請求項17に記載の工業製品の製造方法。 - 前記溶接アークを発生させる工程は、前記非消耗電極を離間させる工程と並行して、前記母材から、前記消耗電極を保持する保持部材を離間させる工程を含む、請求項17に記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接アークを発生させる工程の後に、前記プラズマアークを消弧させる工程を更に備える、請求項13ないし請求項19のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 前記プラズマアークを消弧させる工程においては、前記溶接アークが発生した時刻よりも、0.1〜0.3Sec後の時刻にて、前記プラズマアークを消弧させる、請求項20に記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接アークを発生させる工程の後に、前記母材に対し、前記消耗電極を保持する保持部材を接近させる工程を更に備える、請求項13ないし請求項21のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- アークスポット溶接として行われる、請求項13ないし請求項22のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 請求項13ないし請求項23のいずれかに記載の工業製品の製造方法に用いるスポット溶接システムであって、
非消耗電極および母材の間にプラズマアーク電流を流すプラズマアーク電源回路と、
消耗電極および前記母材の間に溶接アーク電流を流す溶接アーク電源回路と、を備え、
前記溶接アーク電源回路は、前記プラズマアーク電流の通電を開始した後に、前記溶接アーク電流の通電を開始する、スポット溶接システム。 - 母材情報に基づき溶接部形成情報を算出する工程を更に備え、
溶接部を形成する工程においては、前記消耗電極および前記母材の間に溶接アーク電流を流し、
前記母材情報は、前記母材に関する情報であり、前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程において流す前記溶接アーク電流に関する情報であり、
前記溶接部を形成する工程においては、前記溶接部形成情報に基づいて前記溶接アーク電流を流す、請求項1に記載の工業製品の製造方法。 - 前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程において、前記溶接アーク電流を流す通電時間の情報を含む、請求項25に記載の工業製品の製造方法。
- 前記非消耗電極および前記母材の間の電圧値に基づき、前記母材情報を算出する工程を更に備え、
前記溶接部形成情報を算出する工程においては、前記母材情報を算出する工程にて算出された母材情報に基づき、前記溶接部形成情報を算出する、請求項26に記載の工業製品の製造方法。 - 前記母材情報は、前記穴が前記母材を貫通するのに要した時間の情報を含む、請求項25ないし請求項27のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接部形成情報を算出する工程においては、前記母材全体の厚さと前記通電時間とが正の相関を有するように、前記通電時間の情報を算出する、請求項26に記載の工業製品の製造方法。
- 前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程における、前記溶接アーク電流の電流値の情報を含む、請求項25ないし請求項29のいずれかに記載の工業製品の製造方法。
- 請求項1に記載の工業製品の製造方法に用いるスポット溶接システムであって、
非消耗電極および母材の間にプラズマアーク電流を流すプラズマアーク電源回路と、
消耗電極および前記母材の間に溶接アーク電流を流す溶接アーク電源回路と、
母材情報に基づき溶接部形成情報を算出する溶接部形成情報算出回路と、を備え、
前記母材情報は、前記母材に関する情報であり、前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程において流す前記溶接アーク電流に関する情報であり、
前記溶接アーク電源回路は、前記溶接部形成情報に基づいて前記溶接アーク電流を流す、スポット溶接システム。 - 前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程において、前記溶接アーク電流を流す通電時間の情報を含む、請求項31に記載のスポット溶接システム。
- 前記非消耗電極および前記母材の間の電圧値に基づき、前記母材情報を算出する母材情報算出回路を更に備え、
前記溶接部形成情報算出回路は、前記母材情報算出回路に算出された母材情報に基づき、前記溶接部形成情報を算出する、請求項32に記載のスポット溶接システム。 - 前記母材情報は、前記穴が前記母材を貫通するのに要した時間の情報を含む、請求項31ないし請求項33のいずれかに記載のスポット溶接システム。
- 前記溶接部形成情報算出回路は、前記母材全体の厚さと前記通電時間とが正の相関を有するように、前記通電時間の情報を算出する、請求項32に記載のスポット溶接システム。
- 前記溶接部形成情報は、前記溶接部を形成する工程における、前記溶接アーク電流の電流値の情報を含む、請求項31ないし請求項35のいずれかに記載のスポット溶接システム。
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