JP5127788B2 - 抵抗溶接方法、抵抗溶接部材、抵抗溶接機、抵抗溶接機の制御方法とその制御プログラムおよびその制御装置並びに抵抗溶接の評価方法とその評価プログラムおよびその評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗溶接に関する方法、装置およびプログラム並びに抵抗溶接された部材に関する。

多くの部材は複数の素材を接合して製造されることが多く、強度を要する接合には溶接が用いられる。特に自動車のボディまたは車体など、重ね合わせた鋼板（被溶接物を複数）を複数の点（スポット）で効率よく溶接するには、抵抗溶接の一つであるスポット溶接が用いられる。このスポット溶接は一般的に、被溶接物の両外側を挟持した電極から、被溶接物へ大電流を短時間流して、被溶接物の内側にある接合部分（溶接部）を溶融凝固させてなされる。

ところでスポット溶接はアーク溶接などと異なり、溶接部が被溶接物の内側に位置するため、溶接箇所を直接に観察することは困難である。また、量産過程において、作業者が治具などによりスポット溶接の状況を逐一検査することも現実的ではない。

そこでスポット溶接の良否を非破壊状態で効率的にかつ高精度に評価できる方法が従来から探求されてきた。それに関する提案が例えば下記の特許文献１〜４にある。これらはいずれも、被溶接物または溶接部近傍の電気抵抗に基づいたスポット溶接の評価方法に関するものである。

特開昭５１−６６８８５号公報 特開平２−２１７１７９号公報 特開平８−３１８３７７号公報 特開平７−１３０２９３号公報 特開２００８−２５４００５号公報

（１）特許文献１は陰極線管用テンションバンドの溶接方法に関するものであり、ナゲットについて測定した通電初期と通電終期の電気抵抗差に基づいてスポット溶接の良否を判断することを提案している。また特許文献２はその電気抵抗差に基づいて被溶接物に供給する最適な電流値と通電時間を制御して効率的に溶接を行うことを提案している。

これら方法はいずれも、単に電気抵抗差のみに着目しているが、その物理的根拠が不十分であり信頼性の高い評価手法とはいえない。何故なら、電気抵抗値は、測定対象の（体積）固有抵抗と、その温度および形状（長さと断面積）とにより定まる。一般的に、測定対象である被溶接物の温度は、溶接時間に沿って上昇するし、被溶接物の形状も軟化によって変形していく。そうすると、単に電気抵抗値の差を求めても、その差を生じさせた主要因がいずれの因子に起因しているのか非常に不確定である。このため、電気抵抗値差とナゲット形状との間に、上記の特許文献が示すような明確な相関関係が必ずしもあるとはいえず、そのような方法は信頼性の高い評価方法とはいえない。

しかも自動車などの生産ラインでスポット溶接がなされる場合、外乱（被溶接物間の隙間、電極の損耗等々）が多く、通電初期の電気抵抗値（Ｒ_０）の大きさはその外乱に左右され易い。このため、ナゲットの評価因子にそのＲ_０をそのまま用いることは好ましくない。
さらに特許文献３では、通電時間中の抵抗値と通電終了時の抵抗値との差分に基づいて求まる値などを入力値として、学習型の特定の相関式に基づいて求まる出力値から、散りの発生の有無を判定する抵抗スポット溶接方法が提案されている。この場合でも、抵抗値の差分を用いている点で、上述した問題点を有することに変わりない。

（２）特許文献４は定電流４端子法を用いて求めた抵抗値に基づいてスポット溶接の良否を判断することを提案している。特許文献５は、その定電流４端子法を用いてスポット溶接後の溶接領域と非溶接領域との電気抵抗値を求め、その電気抵抗比に基づいてスポット溶接の良否を判断することを提案している。しかしこれらの方法は、溶接後の電気抵抗値を測定するものであり、その測定結果を適時に生産ラインへフィードバックさせることが困難である。

さらに特許文献５では、測定箇所の異なる電気抵抗値から求めた抵抗比により、ナゲット径を評価している。しかし、そのような方法は、特許文献１または特許文献２の場合と同様に不確定要素が多く、物理的根拠も不十分であり、信頼性の高い評価方法とはいえない。このように従来から提案されている方法は、必ずしもスポット溶接の良否を高精度で評価し得るものではない。

（３）本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、スポット溶接の評価方法の信頼性を高め、スポット溶接を安定化させることができるスポット溶接方法およびそれにより得られるスポット溶接部材を提供することを目的とする。また、そのようなスポット溶接方法の実施に適したスポット溶接機、その制御方法、その制御装置およびその制御プログラムを提供することを目的とする。さらにスポット溶接自体の評価方法、その評価装置およびその評価プログラムを提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、スポット溶接する被溶接物のジュール加熱終了直前の電気抵抗値とその加熱終了後間もない余熱状態にある電気抵抗値との抵抗比が、被溶接物の溶接部が溶融凝固して形成されるナゲットの大きさ（ナゲット径）に相関することを新たに見出した。そしてこの成果を発展させることにより以降に述べるような抵抗溶接に関する本発明を完成させるに至った。

《抵抗溶接方法１》
（１）本発明の抵抗溶接方法は、被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱工程と、該加熱工程の終了前に加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定工程と、該加熱工程の終了後に該加熱用電流の供給を所定時間休止する休止工程と、該休止工程後に余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定工程と、該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出工程と、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定工程と、該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記ジュール加熱を再度行う再加熱工程とを備え、該溶接部のすくなくとも一部が溶融凝固したナゲットを形成させることを特徴とする。

（２）本発明によれば、被溶接物のジュール加熱前後の電気抵抗値から求まる上述の抵抗比によって抵抗溶接の状況が的確に指標されるから、その抵抗比またはその抵抗比から派生した指標値に基づき、必要に応じて再加熱を行うことで抵抗溶接の品質安定化を図れる。

ところで、本発明に係る抵抗比に基づき溶接部の溶接状況を的確に把握できる理由は次のように考えられる。
先ず、電気抵抗値（Ｒ）は、測定対象物の固有抵抗（ρ）と、その長さ（Ｌ）と、その断面積（Ｓ）とにより定まり、Ｒ＝ρ（Ｌ／Ｓ）と表される。ここで（Ｌ／Ｓ）は測定対象物の形状に依存する形状因子（Ｋ＝Ｌ／Ｓ）であるから、Ｒ＝ρ・Ｋと表現できる。なお、抵抗溶接する被溶接物が測定対象物の場合、上記の長さは被溶接物の厚さ、上記の断面積は電極の接触面積として、ほぼ表現される。

本発明に係るＲ１およびＲ２は、ジュール加熱の終了前後の被溶接物の電気抵抗値であって、両電気抵抗値が測定される時間間隔は非常に短い。その短時間に、被溶接物の形状はほとんど変化することはない。そうすると、上述した形状因子も、その短時間にほとんど変化せず、結局、抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）は固有抵抗比（ρ２／ρ１またはρ１／ρ２）にほぼ等しくなる。
ここで固有抵抗は温度に依存する。同一材質の場合、その比（固有抵抗比）も、結局、Ｒ１の測定時の被溶接物の第１温度（Ｔ１）とＲ２の測定時の被溶接物の第２温度（Ｔ２）とによって定まることになる。その結果、第１温度と第２温度との温度差（ΔＴ）が小さいほど抵抗比は１に近く、その温度差が大きいほど抵抗比は１から外れることになる。

抵抗溶接が良好な場合、ジュール加熱によって被溶接物の少なくとも一部が一時的に溶融する。その溶融部分は、凝固する際に熱量の大きな凝固潜熱を放出する。そうすると、ジュール加熱の終了後の短時間では、放出される潜熱によって、被溶接物の温度は急激に変化することはない。この傾向は、当然、溶接部の溶融量が大きいほど顕著である。その溶融部分が凝固して形成されるのがナゲットであるから、結局、ナゲットの大きさが大きい場合ほど、抵抗比が１に近づくことを意味する。逆にいえば、ナゲットが小さいかまたはその形成が不十分なとき、ジュール加熱の終了前後の短時間であっても、被溶接物の温度は急激に低下し、上記の温度差（ΔＴ）が大きくなって、抵抗比も１から遠ざかることになる。
このようなメカニズムにより、被溶接物の材質や所望するナゲットの大きさなどに応じてＲ１とＲ２の測定間隔（休止時間）を適切に設定することで、抵抗比が溶接部の溶接状況を的確に指標するものになったと考えられる。
なお、本明細書でいう「休止」または「休止工程」は、Ｒ１の測定時とＲ２の測定時に適切な時間差が形成されるものであれば足る。このため、例えば、加熱用電流の供給が離散的であって、その通電サイクルがＲ１およびＲ２の測定間隔に適しているような場合であれば、わざわざ積極的に休止工程を設けるまでもない。このような場合であっても、本発明の概念に当然に含まれる。
また、本明細書でいう「抵抗比」は、その算出方法を問わず、直接的に算出されても間接的に算出されてもよい。例えば、抵抗値（Ｒ１やＲ２）自体が直接求められなくても、電流値や電圧値の測定値からオームの法則を介して「抵抗比」が間接的に求められてもよい。さらに本発明では、「抵抗比」の具体的な値自体は重要ではない。このため、抵抗比に関する上述の説明が実質的に該当し、溶接状況の的確な判断に有効なものである限り、「抵抗比」には電流比や電圧比なども当然に含まれる。

《抵抗溶接方法２》
さらに本発明は、上記のように被溶接物を再加熱する場合に限らず、抵抗比または指標値に応じて、最初の加熱工程の加熱条件を改善し、少なくとも次の溶接スポットまたは溶接部材の溶接品質を向上させる抵抗溶接方法としても把握できる。

すなわち本発明は、上述した加熱工程と、第１抵抗測定工程と、休止工程と、第２抵抗測定工程と、算出工程に加えて、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値の変化に応じて前記加熱工程の加熱条件を変更する再設定工程とを備え、該溶接部のすくなくとも一部が溶融凝固したナゲットを安定的に形成させることを特徴とする抵抗溶接方法であってもよい。

なお、この再設定工程は、上述の再加熱工程に替えてもよいし、再加熱工程と併存させてもよい。溶接不良に至らない段階から抵抗比の変化に応じて加熱工程の加熱条件を最適化していくことで、再加熱を不要とすることも可能である。また、再加熱工程と再設定工程を併存させれば、抵抗比の変化量にかかわらず、すべての溶接スポットで良好なナゲットの形成が可能となる。

《抵抗溶接部材》
上記の抵抗溶接方法を用いると、単に抵抗溶接不良を抑止できるのみならず、各ナゲットの大きさが均質化した製品を得ることができる。従って本発明は、単に抵抗溶接方法としてのみならず、従来になく各ナゲット形状が安定した抵抗溶接部材としても把握できる。

《抵抗溶接機》
また本発明は、上記の抵抗溶接方法を実現する装置としても把握できる。
すなわち本発明は、被溶接物に外接する電極と、該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置と、前記加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある前記被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）と該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定部、および該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記電極へ該加熱用電流を再供給する再加熱部を有する制御装置と、を備えることを特徴とする抵抗溶接機でもよい。

《抵抗溶接機の制御装置、制御方法およびその制御プログラム》
さらに本発明は、上記の抵抗溶接機の制御装置、その制御方法またはその制御プログラムとしても把握できる。
（１）すなわち本発明、被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御装置であって、前記加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある前記被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）と該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部と、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定部と、該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記電極へ該加熱用電流を再供給する再加熱部と、を有することを特徴とする抵抗溶接機の制御装置でもよい。

（２）また本発明は、被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御方法であって、前記電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱ステップと、該加熱ステップの終了前に加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定ステップと、該加熱ステップの終了後に該加熱用電流の供給を所定時間休止する休止ステップと、該休止ステップ後に余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定ステップと、該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出ステップと、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定ステップと、該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記ジュール加熱を再度行う再加熱ステップと、を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御方法でもよい。

（３）そして本発明は、その抵抗溶接機の制御方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接機の制御プログラムでもよい。

（４）本発明の抵抗溶接機の制御装置等も、抵抗溶接方法で説明した再設定工程を「再設定部」または「再設定ステップ」と表現した構成を、上述の再加熱部または再加熱ステップに替えて、またはそれらと併せて備えるものでもよい。

（５）さらに本発明の抵抗溶接機の制御装置等は、上述した加熱部（ステップ）と、第１抵抗測定部（ステップ）と、休止部（ステップ）と、第２抵抗測定部（ステップ）と、算出部（ステップ）に加えて、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値に応じて行う次のような構成の少なくとも一つを備えるものでもよい。例えば、溶接不良または電極損耗を予告または警告する通知部（ステップ）、溶接不良または電極損耗と判定したときに抵抗溶接を停止する停止部（ステップ）、溶接不良または電極損耗と判定したときに電極の交換または清浄化（ドレッシングを含む）する電極正常化部（ステップ）などである。

なお、これらの構成は、上述の再加熱部（ステップ）または再設定部（ステップ）に替えても、またはそれらの少なくとも一つと併存させてもよい。いずれにしても、抵抗溶接方法の場合と同様に、良好なナゲットの形成または溶接部材の品質向上に有効である。

《抵抗溶接の評価方法》
加えて本発明は、抵抗溶接の評価方法、その評価装置またはその評価プログラムとしても把握できる。
（１）すなわち本発明は、被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物をジュール加熱し、該加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定ステップと、該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定ステップと、該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出ステップと、該算出された抵抗比に基づき該溶接部の溶接状況を予測する予測ステップと、を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価方法でもよい。

（２）また本発明は、その抵抗溶接の評価方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接の評価プログラムでもよい。

（３）そして本発明は、被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物をジュール加熱し、該加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある該該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定部と、該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定部と、該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部と、該算出された抵抗比に基づき該溶接部の溶接状況を予測する予測部と、を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価装置でもよい。

（４）さらに上記の予測ステップ（予測部）は、前記算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かにより前記溶接状況の良否を評価する評価ステップとしてもよい。
また上記の予測ステップ（予測部）は、前記抵抗比から前記溶接部が溶融凝固してできたナゲットの大きさを、予め用意した相関関係に基づいて推定するナゲット推定ステップとしてもよい。

スポット溶接機の概略図である。 被溶接物の溶接部周辺の説明図である。 本発明の実施例に係るスポット溶接方法のフローチャートである。 その際に供給した電流のタイムチャートである。 本発明の実施例に係る抵抗比Ｘ（Ｒ２／Ｒ１）とナゲット径Ｄとの相関図である。

１１ 電極
２０ 溶接ロボット
３０ 制御装置
４０ 電源装置
１００ スポット溶接機
Ｗ ワーク（被溶接物）
Ｒ１ 第１電気抵抗値
Ｒ２ 第２電気抵抗値
Ｘ 抵抗比

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。以下では主に本発明の抵抗溶接方法を取り上げて説明するが、その内容は抵抗溶接方法のみならず、抵抗溶接部材、抵抗溶接機、抵抗溶接機の制御装置、抵抗溶接機の制御方法、抵抗溶接機の制御プログラム、抵抗溶接の評価方法、抵抗溶接の評価プログラムおよび抵抗溶接の評価装置のいずれにも適宜適用される。そして以降に列挙する構成中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成が上述した構成に付加されたものも本発明である。付加する構成の選択は、カテゴリーを越えて重畳的または任意的に選択可能である。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《電気抵抗値》
（１）第１電気抵抗値（Ｒ１）または第２電気抵抗値（Ｒ２）（以下単に「電気抵抗値」という。）は、抵抗溶接に本来必要な機器とは別に設けた測定機器により測定されてもよい。もっとも、電極を介して電気抵抗値を測定すると、抵抗溶接時の電気抵抗値を安定的に測定できる。そして第１電気抵抗値が加熱用電流の電流値に基づき算出されると効率的である。電極を通じて供給した測定用電流の電流値に基づき第２電気抵抗値を算出する場合も同様である。なお、電気抵抗値の測定または算出は、上記の電源装置が交流電源の場合は実効電流値、実効電圧値またはピーク電流値、ピーク電圧値に基づいて求めればよい。

（２）加熱用電流の印加により加熱されると、被溶接物の溶接部には温度分布が生じる。この温度分布に応じて溶接部に固有抵抗の分布が生じる。従って測定される電気抵抗値は、被溶接物の内側部分から外側部分にわたる分布平均的な値となる。
もっとも、電極に接していて冷却され易い外側部分よりも内側部分の方が高温で固有抵抗が遙かに大きい。この高温状態にある内側部分がある程度の広がりをもっているとすると、結局、その内側部分の電気抵抗値が全体の電気抵抗値を律する。このように考えると、事実上、測定された電気抵抗値Ｒ１、Ｒ２によって、被溶接物の溶接部の内部温度がほぼ的確に指標され得る。その結果、本発明の抵抗比によって被溶接物の溶接状況も的確に把握されたと考えられる。

（３）Ｒ１を測定するタイミングである加熱終了前は、加熱用電流の休止直前であるほど、溶接状況（ナゲット径）を的確に把握できる。もっとも所望するナゲットの大きさにも依るが、通常、Ｒ１を測定するタイミングは、加熱用電流の休止前１〜４０ｍｓｅｃであればよい。
Ｒ２を測定するタイミングは、加熱用電流の休止後の所定時間（休止時間）の経過後である。好ましい休止時間は、所望するナゲットの大きさや電極からの抜熱量などに応じて異なるが、ナゲット形成時の凝固潜熱による被溶接物の冷却の遅れ時間を考慮して決定されるとよい。通常、休止時間は１０〜１００ｍｓｅｃである。この範囲であれば、被溶接物は比較的高温域の余熱状態にあり好ましい。その余熱状態の被溶接物の温度が過小になると、抵抗比が１から遠ざかり、測定幅が狭くなって的確な溶接状況の評価が困難となる。

《抵抗比または指標値》
（１）Ｒ１、Ｒ２の抵抗比を考えることで、抵抗溶接時の被溶接物の形状因子がほぼキャンセルされる。その結果、抵抗比は、ほぼ温度のみに依存する固有抵抗の比に還元される。この観点から本発明の抵抗比は、Ｒ２／Ｒ１に限らずＲ１／Ｒ２でもよい。この抵抗比の存在範囲は０＜（Ｒ２／Ｒ１）＜１または１＜（Ｒ１／Ｒ２）であり、いずれにしても１からの遠近により溶接状況の判断が可能となる。

（２）抵抗溶接の溶接状況は抵抗比を直接用いて行うことも可能であるが、その抵抗比から求まる溶接部の溶接状況を指標する指標値を用いてもよい。代表的な指標値はナゲットの大きさ（ナゲット径）である。本発明では抵抗比とナゲット径との間に相関があることから、いずれを用いても抵抗溶接の溶接状況を予測、評価または推定できる。

《被溶接物》
（１）被溶接物の形状、材質などは問わない。代表的な被溶接物は積層した鋼板である。例えば、厚さ０．５〜３ｍｍ程度、含有炭素量（Ｃ）が０．０５〜０．２質量％の軟鋼板が抵抗溶接に用いられる。その他、ステンレス鋼、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ合金、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金などの素材を被溶接物にしてもよい。さらには被溶接物は異種材の組み合わせでもよい。

（２）物質の固有抵抗は温度に依存して変化するが、その変化率が温度域によって異なる材質がある。例えば、軟鋼板は、高温域（例えば、８００℃以上）で固有抵抗の温度変化が緩やかで、低温域で固有抵抗の温度変化が急激である。いいかえると、軟鋼板の固有抵抗比は、高温域で１に近く、低温域で１から遠ざかる。
ここで前述したように、本発明に係る抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）はほぼ固有抵抗比（ρ２／ρ１またはρ１／ρ２）に帰着するから、結局、軟鋼板の場合、抵抗比が高温域で１に近く、低温域で１から遠ざかる傾向を示すことにある。

これに加えて、抵抗溶接が良好ならば、凝固潜熱の放出によって本発明の第１電気抵抗値Ｒ１および第２電気抵抗値Ｒ２は、近接した高温域で測定される。従って、被溶接物が軟鋼板の場合、Ｒ１、Ｒ２の測定温度が近接していることと、高温域における固有抵抗の変化が小さいことが相乗的に作用して、被溶接物の抵抗比は二重の意味で１に近づく傾向を示す。そうするとこの場合、抵抗溶接の溶接状況がより高精度に指標されることとなる。

逆に、抵抗溶接が不良なら、Ｒ１、Ｒ２の測定温度が乖離していることと、低温域での固有抵抗の変化が大きいことが相乗的に作用して、被溶接物の抵抗比は二重の意味で１から遠ざかる傾向を示す。そうするとこの場合もやはり、抵抗溶接の溶接状況がより高精度に指標されることになる。
このような理由により、被溶接物は、固有抵抗の温度変化が高温域で緩やかで低温域で急激な材質であると好ましい。このような材質として、前述の軟鋼板を含む鉄合金（炭素鋼）、ＡｌまたはＡｌ合金などがある。

《電極》
電極の形状、材質などは問わない。電極は通常、円柱状または円筒状の銅製である。円筒状の電極の場合、その内部に冷却水が供給されて電極が強制冷却されていると、電極の損耗が抑制されて好ましい。

被溶接物に外接する電極の端面は、円形または緩やかな円錐形であることが多い。抵抗溶接が良好ならば、溶接部に形成されるナゲット形状も電極端面の形状にならうので、ほぼ円形になることが多い。この場合、ナゲットの大きさはその直径（ナゲット径）で示される。以下では便宜上、適宜、ナゲットの大きさをナゲット径という。

《電源装置》
電源装置は、交流電源でも直流電源でもよい。交流電源には単相電源または三相電源などがある。また電源装置は、定電流電源でも定電圧電源でもよい。定電流電源であると、被溶接物が加熱されて高温になるほど発生するジュール熱量も多くなり、被溶接物が溶融凝固したナゲットが確実に形成されるので好ましい。なお、電極から被溶接物に供給する好ましい電流値などは、被溶接物の材質、所望するナゲット径、通電時間等によって異なる。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《スポット溶接機》
（１）本発明の抵抗溶接機に係る一実施例であるスポット溶接機１００を図１に示す。スポット溶接機１００は、多関節型の溶接ロボット２０と、この溶接ロボット２０を制御する制御装置３０と、電源装置４０とを備える。

溶接ロボット２０は、６軸垂直多関節型ロボットであり、鉛直方向の第１軸回りで回転可能に床に固定されているベース２１と、このベース２１に続く上腕２２と、上腕２２に続く前腕２３と、この前腕２３の前端部に回転自在に連結されている手首要素２４と、この手首要素２４の端部に装着されたスポット溶接ガン１０とを有する。上腕２２は、水平方向の第２軸回りで回転可能にベース２１に連結されている。前腕２３は、水平方向の第３軸回りで回転可能に上腕２２の上端部に連結されている。手首要素２４は、前腕２３の軸線に平行な第４軸回りで回転可能に前腕２３の先端部に連結されている。スポット溶接ガン１０は、手首要素２４の先端部に、前腕２３の軸線に垂直な第５軸回りに回転可能な別の手首要素（図略）を介し、その第５軸に垂直な第６軸回りで回転可能に装着されている。

スポット溶接ガン１０は、逆Ｌの字状のガンアーム１２と、サーボモータ１３とからなる。ガンアーム１２には一対の電極１１（可動電極１１ａおよび対向電極１１ｂ）が配設される。

可動電極１１ａは、サーボモータ１３により、被溶接物であるワークＷに対して接離自在に駆動され、ワークＷの板厚方向の同軸上に配置された対向電極１１ｂと協調して、ワークＷを所望の圧力で挟持する。
また可動電極１１ａおよび対向電極１１ｂは有底円筒状の銅合金製であり、それらの内部は循環する冷却水により強制冷却されている。

制御装置３０は、ロボット駆動回路（図略）を備え、溶接ロボット２０およびスポット溶接ガン１０の駆動を制御する。また、電力回路（図略）を備え、電極１１を介してワークＷへ供給する電力（電圧または電流の少なくとも一方）を制御する。これらの回路により、ワークＷに加える電流値、通電時間、通電タイミング、ワークＷの電極１１による挟持力（加圧力）などが制御される。その制御に必要な条件は、操作盤３１から入力される。

電源装置４０は、単相電源または三相電源を昇圧して、大きな定電流を安定して供給できる交流定電流装置である。電源装置４０は、制御装置３０により制御される。

（２）このようなスポット溶接機１００の動作は次の通りである。
スポット溶接したいワークＷを保持台（図略）に設置する。ワークＷの溶接スポットをスポット溶接機１００の制御装置３０へセットする。所望のナゲット径が得られるように、電極１１によるワークＷの挟持力、電極１１へ供給する電流値、その通電時間などの溶接条件を設定する。

その後にスポット溶接機１００を稼働させると、制御装置３０により制御された溶接ロボット２０がスポット溶接ガン１０をそれぞれの溶接スポットへ順次移動させる。そしてスポット溶接ガン１０に備えられた電極１１は、制御装置３０により制御されたサーボモータ１３により駆動されて、設定圧力でワークＷを挟持する。この状態で、電源装置４０からワークＷへ所定の定電流が所定時間供給される。これをセットした複数点で繰り返すことにより、スポット溶接されたワークＷ（溶接部材）が完成する。

（３）スポット溶接された溶接スポットの模式図を図２に示した。スポット溶接が良好であれば、軟鋼板からなるワークＷ（ワークＷａおよびワークＷｂ）が接する内部で、ワークＷが溶融凝固したナゲットＮが得られる。なお、電極１１によって加圧されつつ加熱される部分が溶接部Ｙであり、通常、ナゲットＮは溶接部Ｙに内包される。

《スポット溶接機の制御装置および制御方法》
（１）本発明に係る実施例である制御装置３０は、さらに、溶接スポットの溶接状況を検査する保障回路（図略）を備える。この保障回路は、スポット溶接のためにワークＷへ供給した電流（加熱用電流）の供給終了前後に、電極１１を通じて測定した第１電気抵抗値Ｒ１と第２電気抵抗値Ｒ２との比である抵抗比Ｘ（＝Ｒ２／Ｒ１）を算出する算出部と、抵抗比Ｘが所定の閾値Ｘｎより大きいかを判定する判定部と、抵抗比Ｘが閾値Ｘｎ未満のときに電極１１への加熱用電流の再供給を指示する再加熱部とからなる。

（２）制御装置３０によるスポット溶接機１００の制御方法を図３のフローチャートに示す。なお、この図３に示す制御方法を実行することで、本発明に係るスポット溶接方法の各工程が実現され、スポット溶接されたワークＷ（溶接部材）が製造されることになる。
先ずステップＳ１１で、種々の溶接条件が入力設定される。具体的には、ワークＷａ、Ｗｂの材質や板厚、溶接スポットの数やそれらの位置、電極１１ａ、１１ｂのチップ形状、電極１１によるワークＷへの加圧力、スポット溶接する初期の加熱用電流値Ｉ１、加熱用電流値Ｉ１の通電時間ｔ１、Ｒ２測定のための測定用電流値ｉ、測定用電流値ｉの通電時間ｔｍ、加熱用電流値Ｉ１（Ｉ２等の場合も同様）の供給終了から測定用電流値ｉを供給するまでの時間ｔｒ（休止時間）、所望のナゲット径に対応した抵抗比Ｘの閾値Ｘｎ、再加熱する場合に再度供給する加熱用電流値Ｉ２（ｎ回以上繰り返すときはＩｎで表す）、加熱用電流値Ｉ２の通電時間ｔ２（ｎ回以上繰り返すときはｔｎで表す）などである。

ステップＳ１２で、溶接ロボット２０およびスポット溶接ガン１０が作動して、電極１１ａ、１１ｂの電極端面部（電極チップ）をワークＷの両外側へ当接（外接）させる。この際、ステップＳ１１の設定値に基づいて、電極１１がワークＷを加圧する。
ステップＳ１３で、スポット溶接するための最初の加熱通電がなされる。つまり、加熱用電流値Ｉ１が通電時間ｔ１の間、電極へ供給される（加熱工程）。

ステップＳ１４で、ワークＷの第１電気抵抗値Ｒ１が測定される（第１抵抗測定工程）。このＲ１は、ステップＳ１３の加熱通電を終了する直前の電流値Ｉ１（Ｉｎ）および電圧値Ｖ１（Ｖｎ）に基づき算出される。具体的には加熱用電流が交流である場合、加熱通電の最終のサイクルタイム（Ｃｔ）において、電極１１を通じて供給している実効電流値およびその実効電圧値に基づいて算出される。なお、１Ｃｔは供給する交流の１周期であり、例えば、６０サイクルの交流であれば、１Ｃｔ＝１／６０ｓｅｃである。

ステップＳ１５で、加熱用電流値Ｉ１（Ｉｎ）が終了した後、ステップＳ１１で設定した休止時間ｔｒだけ無通電状態となる（休止工程）。このｔｒは、スポット溶接が良好であれば、加熱用電流値Ｉ１（Ｉｎ）により加熱されたワークＷが電極１１により冷却されつつも高温の余熱状態が維持される時間に設定されている。前述のＣｔでいえば、加熱用電流値Ｉｎの通電時間にも依るが、１〜５Ｃｔ程度の極短時間である。

ステップＳ１６で、加熱通電を休止した後、余熱状態にあるワークＷの第２電気抵抗値Ｒ２が測定される（第２抵抗測定工程）。このＲ２は、別途、電極１１を通じて供給した測定用電流値ｉに基づいて算出される。具体的には、加熱用電流値Ｉ１と同様に交流である場合、実効電流値および実効電圧値から算出される。この測定用電流値ｉの通電時間は、Ｒ１の測定と同様に１Ｃｔ程度でよい。
ステップＳ１７で、ステップＳ１４およびステップＳ１６で求めたＲ１およびＲ２に基づき、抵抗比Ｘ（Ｒ２／Ｒ１）が算出される（算出工程）。

ステップＳ１８で、その抵抗比ＸとステップＳ１１で設定した閾値Ｘｎとの大小関係が判定される（判定工程）。このときＸがＸｎ未満であれば、溶接部に所望のナゲットが形成されていないと判定されて、ステップＳ１９に進み再加熱通電がなされる（再加熱工程）。このとき電極１１へ供給される加熱用電流値Ｉ２（Ｉｎ）および通電時間ｔ２（ｔｎ）は、Ｉ１、ｔ１に同じでもよいが、スポット溶接が不十分な場合であるから、Ｉ１、ｔ１よりも大きくてもよい。逆に、被溶接物は少なくとも一度加熱されて余熱状態にあるから、Ｉ１またはｔ１よりも小さくしてもよい場合もある。さらにＩｎ、ｔｎは再加熱の回数に応じて変化してもよい。

もっとも、再加熱が何度も繰り返される状況では、電極１１、特にその端面部のチップが摩耗または劣化していることが考えられる。そこで電極１１を交換したり、電極１１の端面部をドレッシングなどして、ワークＷと電極１１との間を正常な通電状態に回復させた後に、再加熱通電を行ってもよい。

また、あるスポットで再加熱を必要とした場合、次のスポットで供給される最初の加熱用電流Ｉｎ（または加熱通電の電力量）を増加させてもよい。生産効率の点で、通電時間ｔ１の増加よりは加熱用電流値Ｉ１の増加が好ましい。

次にＸがＸｎ以上であれば、溶接部に所望のナゲットが形成されたと判断できるので、ステップＳ２０に進み、電極１１をワークＷから離間させて、そのスポットでの溶接を終える。

《スポット溶接の評価装置および評価方法》
スポット溶接の溶接状況を評価するには、図３に示したステップＳ１４〜１８により行うことができる。ここで第１電気抵抗値Ｒ１および第２電気抵抗値Ｒ２の測定は、電極１１を介して行う場合に限らず、別途設けた測定探針などを利用して行ってもよい。溶接状況の良否を評価するのみであれば、ステップＳ１８のような抵抗比Ｘと閾値Ｘｎとの大小関係から評価可能である（予測ステップ、評価ステップ）。また、抵抗比Ｘとナゲット径Ｄとを対応づけたデータベースを予め用意しておき、それらの対応関係に基づき抵抗比Ｘから溶接部のナゲット径Ｄを推定するステップでステップＳ１８を代替してもよい（ナゲット推定ステップ）。

《抵抗比Ｘとナゲット径Ｄの相関》
実際にスポット溶接を行うことにより、抵抗比Ｘとナゲット径Ｄとの相関を次のようにして求めた。

（１）厚さ２ｍｍの冷延軟鋼板（ＪＩＳ：ＳＰＣ２７０）を２枚重ねたワークに、両外側から電極を外接させてスポット溶接を行った。用いた電極の端面部は曲率半径４０ｍｍの曲面を端面とする円形（φ６ｍｍ）である。この電極をワークに３４３０Ｎの加圧力で押し当て、実効電流値１１ｋＡの加熱用電流をｔ１＝２０Ｃｔ（２０／６０秒）供給した。用いた電源は６０サイクルの単相交流である。この加熱用電流を供給する最後のＣｔで、前述した方法で第１電気抵抗値Ｒ１を測定した。

加熱用電流の通電を終了してから所定時間（ここではｔｒ＝１Ｃｔ、２Ｃｔまたは４Ｃｔ）休止した後、溶接部の加熱には寄与しない実効電流値５ｋＡの測定用電流をｔ２＝１Ｃｔ（１／６０秒）供給した。これにより前述した方法で第２電気抵抗値Ｒ２を測定した。各抵抗値を測定する際に、電極を通じてワークへ供給した電流のタイムチャートを図４に模式的に示した。

（２）加熱時間と休止時間を種々変更して複数のスポット溶接を行った。そのスポット溶接後のワークを溶接部で切断して、各スポットについてナゲット径Ｄを測定した。それぞれの溶接スポットの抵抗比Ｘとナゲット径Ｄとの相関を図５にまとめた。

（３）図５からわかるように、Ｄ＞０の範囲で抵抗比Ｘとナゲット径Ｄとは１対１対応することが確認された。休止時間ｔｒが大きくなるほどＸ−Ｄ相関線が抵抗比Ｘの小さい方へ移行する。しかし、パラメータである休止時間ｔｒが変化しても、抵抗比Ｘとナゲット径Ｄとの相関関係に大きな変化はなく、非常に類似した傾向を示すことが確認された。

また、ナゲット径Ｄの大きい領域（スポット溶接の溶接状況が良好な領域）では、抵抗比Ｘの変化に対するナゲット径Ｄの変化が緩やかになることも確認された。逆にナゲット径Ｄの小さい領域（スポット溶接が不十分な領域）では、抵抗比Ｘの変化に対するナゲット径Ｄの変化が急激になることも確認された。特に抵抗比Ｘが特定値以下になると、ナゲット径Ｄは実質的に０に収束してしまい、ワークの溶融凝固が生じないことも明らかとなった。

（４）図５に示す結果から、休止時間ｔｒに応じた適切な閾値Ｘｎを設定して、上述したスポット溶接方法を採用すれば、各溶接スポットのナゲット径Ｄを所望の大きさに確保した高品質なスポット溶接が可能になる。

同様に図５の結果を利用することで、スポット溶接の溶接状況の判定や評価も容易である。例えば、算出した抵抗比Ｘからそれに対応するナゲット径Ｄを求め、スポット溶接の溶接状況を直感的に評価することも可能である。

Claims (14)

1. 被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱工程と、
   該加熱工程の終了前に加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定工程と、
   該加熱工程の終了後に該加熱用電流の供給を所定時間休止する休止工程と、
   該休止工程後に余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定工程と、
   該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出工程と、
   該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定工程と、
   該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記ジュール加熱を再度行う再加熱工程とを備え、
   該溶接部のすくなくとも一部が溶融凝固したナゲットを形成させることを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 第１抵抗測定工程は、前記加熱用電流の電流値に基づき前記第１電気抵抗値を求める工程である請求項１に記載の抵抗溶接方法。
3. 第２抵抗測定工程は、前記電極を通じて供給した測定用電流の電流値に基づき前記第２電気抵抗値を求める工程である請求項１または２に記載の抵抗溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の抵抗溶接方法により溶接されたことを特徴とする抵抗溶接部材。
5. 被溶接物に外接する電極と、
   該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置と、
   前記加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある前記被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）と該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部、該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定部、および該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記電極へ該加熱用電流を再供給する再加熱部を有する制御装置と、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接機。
6. 被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御装置であって、
   前記加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある前記被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）と該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部と、
   該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定部と、
   該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記電極へ該加熱用電流を再供給する再加熱部と、
   を有することを特徴とする抵抗溶接機の制御装置。
7. 被溶接物に外接する電極と該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱用電流を該電極へ供給する電源装置とを備える抵抗溶接機の制御方法であって、
   前記電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱ステップと、
   該加熱ステップの終了前に加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定ステップと、
   該加熱ステップの終了後に該加熱用電流の供給を所定時間休止する休止ステップと、
   該休止ステップ後に余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定ステップと、
   該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出ステップと、
   該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かを判定する判定ステップと、
   該抵抗比または該指標値が所定範囲内であるときに前記ジュール加熱を再度行う再加熱ステップと、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御方法。
8. 請求項７に記載の抵抗溶接機の制御方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接機の制御プログラム。
9. 被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物をジュール加熱し、該加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定ステップと、
   該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定ステップと、
   該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出ステップと、
   該算出された抵抗比に基づき該溶接部の溶接状況を予測する予測ステップと、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価方法。
10. 前記予測ステップは、前記算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値が所定範囲内か否かにより前記溶接状況の良否を評価する評価ステップである請求項９に記載の抵抗溶接の評価方法。
11. 前記予測ステップは、前記抵抗比から前記溶接部が溶融凝固してできたナゲットの大きさを、予め用意した相関関係に基づいて推定するナゲット推定ステップである請求項９に記載の抵抗溶接の評価方法。
12. 請求項９〜１１のいずれかに記載の抵抗溶接の評価方法を、コンピュータを機能させて実行することを特徴とする抵抗溶接の評価プログラム。
13. 被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物をジュール加熱し、該加熱用電流の供給終了前の加熱状態にある該該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定部と、
    該加熱用電流の供給終了後の余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定部と、
    該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出部と、
    該算出された抵抗比に基づき該溶接部の溶接状況を予測する予測部と、
    を備えることを特徴とする抵抗溶接の評価装置。
14. 被溶接物に外接する電極へ加熱用電流を供給して該被溶接物の溶接部をジュール加熱する加熱工程と、
    該加熱工程の終了前に加熱状態にある該被溶接物の第１電気抵抗値（Ｒ１）を測定する第１抵抗測定工程と、
    該加熱工程の終了後に該加熱用電流の供給を所定時間休止する休止工程と、
    該休止工程後に余熱状態にある該被溶接物の第２電気抵抗値（Ｒ２）を測定する第２抵抗測定工程と、
    該第１電気抵抗値と該第２電気抵抗値との比である抵抗比（Ｒ２／Ｒ１またはＲ１／Ｒ２）を算出する算出工程と、
    該算出された抵抗比または該抵抗比から求まる該溶接部の溶接状況を指標する指標値の変化に応じて前記加熱工程の加熱条件を変更する再設定工程とを備え、
    該溶接部のすくなくとも一部が溶融凝固したナゲットを安定的に形成させることを特徴とする抵抗溶接方法。

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