JP3886603B2 - 単位体積当たりの累積発熱量を指標とする抵抗溶接システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被溶接物に通電し、その通電によって発生する抵抗発熱を利用して被溶接物を溶接する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の溶接システムは、被溶接物を挟む一対の電極と、その一対の電極間に溶接電流を流す電源装置と、その電源装置を制御する制御装置とを備えている。良好な溶接を実現するためには溶接電力が適正に調整されなければならない。大きすぎれば被溶接物からいわゆるスパッタが飛び散って良好に溶接できず、小さすぎれば充分に加熱されないで溶接不良となる。溶接電流又は溶接電圧を調整することで溶接電力が調整される。
【０００３】
溶接電力が過大か過小かを評価するための指標が各種提案されており、最も一般的には、溶接電流を指標とし、検出された電流値が小さすぎば増大させ、大きすぎれば減少させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
被溶接物には様々なものがあり、材質やメッキの有無等によって指標の適正値ないし基準値が変化する。例えば、従来一般的である電流値を指標とする場合、同じ電流値であっても、被溶接物の種類によっては、大きすぎたり小さすぎたりする。このために、被溶接物の種類毎に指標に関する基準値を予め実験によって決定しておかなければならない。これは実際の場合、大変な工数を必要とする。
【０００５】
更に、一旦、指標に関する基準値を決定しても、溶接の進行と共に基準値を補正していく必要がある。通常、何度も溶接を繰り返しているうちに電極が磨耗する。電極が磨耗してくると、磨耗しない場合の基準値に基づいて制御しても良好な溶接がなされない。磨耗に対応する基準値の補正方法を決定するのにもまた大変な工数が必要とされる。
【０００６】
本発明の目的は、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によって影響を受けることのない指標を見つけだし、これを指標にすれば、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によらないで、同一の基準値を補正することなく使用できるようにすることにある。これが実現できれば、一つの基準を決定するだけで、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によらないで常時良好な溶接が実施できるようになる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明では、溶接電力を制御する制御装置に、その被溶接物を良好に溶接する単位体積当たりの予め求められた累積発熱量から通電時間を基に単位体積・単位時間当たりの発熱量を計算する。
そして、前記計算された単位体積・単位時間当たりの発熱量を発生させる電極間電圧、又は溶接電流に調整する処理手順を付加した。
【０００８】
本発明者が種々の研究をしたところ、単位体積当たりの発熱量（溶接電流通電中の累積発熱量）を指標にして溶接電力を調整すると、被溶接物の種類や電極の磨耗具合にかかわらず、常時安定的に溶接できることを確認した。即ち、単位体積当たりの累積発熱量を様々に変えて実験してみると、それが一定範囲内にあるとき、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によらず、安定的に溶接できることが確認された。換言すれば、安定的に良好な溶接結果をもたらす単位体積当たりの累積発熱量は、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によって影響を受けないことを見出したのである。
【０００９】
また電極の磨耗具合によって電極と被溶接物が接触する面積が変化するので単位体積当たりの発熱量を計算するのが困難であると予想されるところ、実際に計算すると、電極と被溶接物が接触する面積が変化して通電範囲が変化する現象と、それに伴って通電電力も変化する現象が打ち消しあって、電極と被溶接物が接触する面積を考慮しなくとも、単位体積当たりの発熱量が計算できることを見出した。
【００１０】
本発明によると、被溶接物の種類や電極の磨耗具合に係わらず、常に良好な溶接を可能とする単位体積当たりの累積発熱量を指標とし、それに基づいて溶接電力が調節されることから、常に良好な溶接が得られる。
この発明の好ましい一態様では、被溶接物の板厚と通電時間とから単位体積当たりの累積発熱量を算出する。多くの場合に、良好な溶接結果をもたらす単位体積当たりの累積発熱量は、板厚と通電時間から算出されることが確認されており、多くの場合にこの方式で良好に溶接される。
【００１１】
この発明の好ましい一態様では、時間当たりの発熱量を計算するにあたって、通電時間中の前半で発熱量が高く後半で発熱量が低いパターンに従って通電時間中の単位体積・単位時間当たりの発熱量を計算する。
通電期間中の前半部で発熱量を大きくすると、被溶接物は短時間に昇温され、短時間で溶接できる。通電期間中の後半部で発熱量を小さくすると、被溶接物が過熱されることを防止できる。このために、短時間に必要な累積発熱量を与えることができる。
【００１２】
この発明で利用する知見は、溶接が良好に行われた否かを判別する際にも用いることができる。この態様では、被溶接物を挟む一対の電極と、その一対の電極間に溶接電流を流す電源装置と、その電源装置を制御する制御装置とを備えた抵抗溶接システムにおいて、その被溶接物の板厚と通電時間とからその被溶接物を良好に溶接できる単位体積当たりの累積発熱量を算出し、その一方において、通電時間中の単位体積当たりの累積発熱量を計測し、計測された累積発熱量と算出された累積発熱量を比較する手段が付加される。
【００１３】
この態様によると、被溶接物の種類や電極の磨耗具合に影響を受けることなく常に安定的な判別が可能となり、溶接不良の判別を簡単に実施して確実に判別することができる。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によると、単位体積当たりの累積発熱量を基準として溶接電力を制御することで、被溶接物の種類や電極の磨耗具合によらないで常時良好な溶接ができるようになる。また、単位体積当たりの発熱量を基準として判別することで、溶接の適否について常に安定した判別をすることが可能となる。
【００１５】
【発明を実施する形態】
この発明による単位体積当たりの発熱量Ｑの計算の一例を説明する。２枚の被溶接物の合計厚みをｔとする。被溶接物の電気抵抗率をｒとする。電極間電圧をＶとし、溶接電流をＩとする。電極と被溶接物が接触する面積をＳとする。この場合、溶接電流は横断面積がＳで、厚みｔの柱状部分を通過して抵抗発熱を発生させる。この柱状部分における単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑは次式で求められる。
【００１６】
ｑ＝（Ｖ・Ｉ）／（Ｓ・ｔ） （１）
またこの柱状部分の電気抵抗Ｒは、次式で求められる。
Ｒ＝（ｒ・ｔ）／Ｓ （２）
（２）式をＳについて解いてこれを（１）式に代入すると、
ｑ＝（Ｖ・Ｉ・Ｒ）／（ｒ・ｔ²）
＝（Ｖ²）／（ｒ・ｔ²） （３）となる。
【００１７】
ここで明らかに、単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑは、電極間電圧Ｖと被溶接物の合計厚みｔと被溶接物の電気抵抗率ｒから計算でき、電極と被溶接物が接触する面積Ｓによって影響を受けない。なお、（３）式は電極間電圧Ｖから発熱量を計算するが、電極間電流Ｉから発熱量ｑを計算する事もでき、このときにも電極と被溶接物が接触する面積Ｓを用いる必要がない。
【００１８】
単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑを通電期間中累積すれば、溶接に加えられる単位体積当たりの累積発熱量Ｑとなる。（３）式から明らかに、この単位体積当たりの発熱量Ｑもまた電極と被溶接物が接触する面積Ｓを用いないで算出できる。
本発明では、通電期間期間中に累積される単位体積当たりの発熱量の累積値Ｑを指標とし、これを基準に溶接電力を調整する。
【００１９】
次にこの発明の実施形態の一例を説明する。図１は抵抗溶接システムの全体構成を示し、商用電源１０に接続されて使用される。図中２６はサイリスタを示し、点弧角を調整することで溶接電流を調整する。サイリスタ２６で電流値が調整された溶接電流は溶接トランス３０で低電圧大電流に変圧されて一対の電極５１，５２間に通電される。一対の電極５１，５２間には被溶接物６０が挟持されている。
一対の電極５１，５２間の挟持圧力は図示しないシリンダで調節される。一対の電極５１，５２間に挟持される被溶接物６０には大電流が通電されて被溶接物自体が抵抗発熱する。この抵抗発熱によって被溶接物６０は溶接される。
【００２０】
一対の電極５１，５２間の電圧は電圧計４０で測定され、測定値はＡ／Ｄ変換器２４で変換された後ＣＰＵ２３に入力される。ＣＰＵ２３はＲＯＭ２１に記憶されている制御プログラムに従って作動し、サイリスタの点弧角を制御して単位時間（この場合サイクル毎）・単位体積当たりの発熱量を調整する。図示２５はＣＰＵ２３から出力される点弧信号によってサイリスタ２６を点弧させるインターフェイスである。またＲＡＭ２２は各種データの一時的記憶に用いられる。ＲＯＭ２１には図２に示される処理手順を実行する制御プログラムが記憶されている。溶接の実行時に図２の処理手順が実行される。
【００２１】
まずステップＳ１で被溶接物の合計板厚ｔと通電サイクル数ｃとから、この板厚ｔの被溶接物を良好に溶接するために必要な単位体積当たりの累積発熱量Ｑを計算する。被溶接物の種類を変え、板厚を変えて様々に実験してみた結果、良好な溶接をするのに必要な単位体積当たりの累積発熱量Ｑは、被溶接物の材質、メッキ層の有無やその種類、電極５１、５２の磨耗具合、電極５１、５２間の挟圧力の程度によらず、合計板厚ｔと通電時間（通電サイクル数ｃ）によってのみ決まることが見出された。即ち、良好な溶接結果をもたらす単位体積当たりの累積発熱量Ｑは次式から求められる。
【００２２】
Ｑ＝定数（Ｑ０）＋係数（ｋ）・通電サイクル数（ｃ）／合計板厚（ｔ）
単位体積当たりの累積発熱量Ｑを上式に従って求められる値に調整すると、被溶接物の材質、メッキ層の有無やその種類、電極５１、５２の磨耗具合、電極５１、５２間の挟圧力の程度によらず、常に安定的に良好な溶接がおこなわれることが確認された。 これは本発明によって確認された事象であり、従来は例えば溶接電流を指標とするなど、単位時間当たりの現象に着目して溶接電力を調整していた。本発明では単位時間当たりの現象でなく、累積発熱量を指標とするために、被溶接物の種類や電極の磨耗具合等に係わらず、常に安定的な溶接が行われるようになった。なお、上記式は適値を求める近似式の一つであり、他の近似式を用いても良い。また、板厚と通電時間で検索されるＱのマップを用意しておき、このマップからＱの適値を算出するようにしても良い。
【００２３】
図２のステップＳ２では、ステップＳ１で計算された累積発熱量Ｑを実現するサイクル毎の発熱量ｑを計算する。図３はサイクル数と各サイクル毎の発熱量の関係を例示している。通電サイクル数は通常板厚に関係し、板厚が薄ければ短時間が指定され、厚ければ長時間が指定される。図中Ｃ３は板厚が３mmの場合の通電サイクル数を示し、Ｃ５は板厚５mmの場合の通電サイクル数を例示している。図中Ｐ３は板厚３mmの場合の累積発熱量Ｑ３を実現するサイクル毎の発熱量を例示している。最初のサイクルではｑ３の発熱量が加えられ、通電の最後では初期値の８５％の発熱量が加えられる。サイクル毎の発熱量をＣ３回に亘って累積したものがＱ３である。図中Ｐ５は板厚５mmの場合の累積発熱量Ｑ５を実現するサイクル毎の発熱量を例示している。最初のサイクルではｑ５の発熱量が加えられ、通電の最後では初期値の８５％の発熱量が加えられる。サイクル毎の発熱量をＣ５回に亘って累積したものがＱ５である。
【００２４】
各サイクル毎の発熱量ｑをサイクル数と無関係に一定に維持しても良いが、初期値を大きく取ってその後に徐々に減じていくことが好ましい。この実施例では終値を初期値の８５％としている。最初に大発熱させる被溶接物は短時間に加熱されて溶接を短時間で済ませられる。大発熱を維持するとスパッタが出やすいので、徐々に発熱量を低減させる。それでも８５％程度は確保する。このような傾向（パターン）に従って、通電中の累積発熱量Ｑを実現する各サイクル毎の発熱量ｑを計算すると、良好な溶接が短時間で得られる。
【００２５】
図２のステップＳ３では、通電の終了タイミングか否かを判別する。具体的には通電のサイクル数をカウントし、これが図３で例示したＣ３ないしＣ５の終了サイクル数になったか否かを判別する。溶接中はＮＯであって、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４では、式（３）を用いて、ステップＳ２で計算された各サイクル（単位時間）・単位体積当たりの発熱量ｑをもたらす電極間電圧Ｖを計算する。このとき、式（３）では単位時間を１秒としており、図３の縦軸ではサイクル毎の発熱量を示しているために、単位時間をそろえて計算する。ステップＳ５では、ステップＳ４で計算された電極間電圧Ｖをもたらす溶接電流Ｉを計算する。次にその溶接電流値Ｉを実現する点弧角を計算し、サイリスタ２６をその点弧角で点弧して通電する（Ｓ６）。通電したら電極間電圧を測定し（Ｓ７）、測定された電圧とステップＳ５で計算した電流値とから電極間抵抗とモニタ用発熱量を計算する（Ｓ８）。ステップＳ７で計算された電極間抵抗は、次回の処理の際にステップＳ５で電圧Ｖから電流Ｉを計算する際に使用される。
【００２６】
ステップＳ４〜Ｓ８を各サイクル毎に繰り返し、図３に示したＣ３ないしＣ５回が終了すると、ステップＳ３がＹＥＳとなる。この時点以降、ステップＳ６が実行されず、溶接電流の通電が終了する。溶接電流の通電が終了すると、ステップＳ９が実行され、ステップＳ８で計算されたモニタ用発熱量が累積される。
ステップＳ１０以降は溶接結果の判別処理であり、ステップＳ１０では、ステップＳ９で計算されたモニタ発熱量の累積値をステップＳ１で計算された指標とする累積発熱量で除する。これが１．０よりもやや低い下限値以上であれば、予定どうりの発熱量が得られており、ＯＫ処理をし、溶接が終了する。一致度Ｘが下限値以下であれば、必要な発熱量が得られなかったため、ＮＧ処理をして一体処理を終了する。
【００２７】
この実施例では、単位体積当たりの累積発熱量（図３のグラフＰ３ないしＰ４を積分したＱ３ないしＱ５が相当する）を指標として溶接電力を調整するために、被溶接物の種類や溶接電極の磨耗の程度と無関係に基準値を設定することができ、常に安定した溶接を成しえる。
また、各サイクル毎に徐々に発熱量を減らしていくために、溶接の初期に被溶接物が急激に昇温するとともに溶接中の後半で昇温しすぎることを防止でき、短時間に良好に溶接できる。
【００２８】
更に、単位体積当たりの累積発熱量を基準に溶接の適否を判別するために、被溶接物の種類や溶接電極の磨耗の程度と無関係に、安定的な判別が可能となる。この実施例の装置を用いたところ、電極の磨耗の程度、メッキ層の有無、被溶接物の材質、電極間の挟圧力、被溶接物間のギャップ、溶接箇所（被溶接物の中心位置か端部か）、隣接する位置に溶接済み箇所があるか否かといった要素と無関係に常に安定的に良好に溶接が行われた。
【図面の簡単な説明】
【図１】１実施例の装置構成を示すブロック図である。
【図２】その実施例で実行する処理手順図である。
【図３】その処理手順によって調整される累積発熱量とサイクル毎の発熱量の一例を示すグラフである。
【主要な符号の説明】
２３；ＣＰＵ
２６；サイリスタ
５１、５１；電極
４０；電圧計
Ｓ１；被溶接物の板厚と通電時間とからその被溶接物を良好に溶接する単位体積当たりの累積発熱量を計算する処理

Claims (3)

1. 被溶接物を挟む一対の電極と、その一対の電極間に溶接電流を流す電源装置と、その電源装置を制御する制御装置とを備えた抵抗溶接システムにおいて、
   その被溶接物を良好に溶接する単位体積当たりの予め求められた累積発熱量から通電時間を基に単位体積・単位時間当たりの発熱量を計算し、
   前記計算された単位体積・単位時間当たりの発熱量を発生させる電極間電圧、又は溶接電流に調整する処理手順を付加したことを特徴とする抵抗溶接システム。
2. 請求項１に記載の抵抗溶接システムにおいて、
   その被溶接物の板厚と通電時間をパラメータとした近似式から、その被溶接物を良好に溶接する単位体積当たりの累積発熱量を求めることを特徴とする抵抗溶接システム。
3. 単位体積・単位時間当たりの発熱量を、通電時間中の前半で高く後半で低くすることを特徴とする請求項２の抵抗溶接システム。

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