JP5871787B2

JP5871787B2 - 抵抗溶接検査方法及び抵抗溶接装置

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Publication number: JP5871787B2
Application number: JP2012269417A
Authority: JP
Inventors: 純友渡邉; 栄作長谷川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014113618A

Description

本発明は、少なくとも２枚の鋼板を接合するスポット溶接技術に関する。

薄い鋼板同士を接合する車体製造ラインでは、スポット（点）溶接が採用される。スポット溶接ではナゲットと呼ばれる溶着部の大きさが接合強度に影響するため、溶着部の大きさを確かめることが求められる。
サンプルを切断し、切断面に現れる溶着部を観察する破壊検査方法の他、ワークを傷めない非破壊検査方法も各種提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１の図１（ｃ）に示されるように、一対の電極（１ａ、１ｂ）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）で被溶接材（Ｓ１、Ｓ２）間にナゲット（Ｎ）を生成した後、溶接跡を赤外線カメラ（２）で撮影することで、ナゲット（Ｎ）の大きさを求めるというものである。

非破壊検査であるため全数検査が可能となる。
赤外線カメラ（２）で撮影するため、ナゲット（Ｎ）の面積（平面積）が求まるだけである。
一方、破壊検査では、切断面を観察する。この観察で、被溶接材（Ｓ１）と被溶接材（Ｓ２）に跨る（板厚さ方向の）ナゲット（Ｎ）の面積（縦面積）を求める。平面面積と共に縦面積も接合強度に大きく影響する。

すなわち、ナゲット（Ｎ）による接合強度は、ナゲット（Ｎ）の体積に強く相関があり、特許文献１のように平面積を求めるだけでは検査結果の信頼性が低下する。
そこで、ナゲット（溶着部）の体積を、予測し評価することができる技術が求められる。

特開平７−６３６９４号公報

本発明は、溶着部の体積を予測することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、少なくとも２枚の鋼板を積層し、一方の鋼板に主電極及びアース電極を当て、前記主電極から前記鋼板を介して前記アース電極へ通電することで、前記主電極の近傍に溶着部を生成させ、前記主電極及びアース電極を前記一方の鋼板から離す抵抗溶接作業において、前記溶着部の生成状態を検査する抵抗溶接検査方法であって、
前記主電極が前記一方の鋼板から離れる前から離れた後まで、前記主電極が当たっている若しくは当たっていた部位での前記一方の鋼板の温度を連続して測定する温度測定工程と、
この温度測定工程で得た温度曲線において、前記主電極が前記一方の鋼板から離れた後に、温度が上昇するか否か及び温度上昇の大きさに基づいて前記溶着部の生成状態を判定する判定工程とからなる。

請求項２に係る発明は、積層した少なくとも２枚の鋼板からなるワークに対して相対移動自在に保持される装置フレームと、この装置フレームに主移動手段を介して移動自在に保持される主電極と、前記装置フレームにサブ移動手段を介して移動自在に保持されるアース電極と、前記主電極及び前記アース電極に結線される溶接電源とからなり、一方の鋼板に前記主電極及び前記アース電極を当て、前記主電極から前記鋼板を介して前記アース電極へ通電することで、前記主電極の近傍に溶着部を生成させる抵抗溶接装置において、
この抵抗溶接装置は、前記溶着部近傍にて前記一方の鋼板の表面温度を計測する温度計測手段と、この温度計測手段から温度情報を入力すると共に前記ワークに対応するしきい値を予め取得しておき、前記主電極を前記一方の鋼板から離した直後に温度が前記しきい値以上に上昇するか否かを判定する判定部とを備えていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、温度計測手段は、一方の鋼板から放射される放射エネルギーの強さを測定し温度に変換する非接触式の放射温度計であることを特徴とする。

請求項１に係る方法では、溶融金属が凝固熱を放出した後に溶着部になることに着目したものであって、溶接不良の１つとして溶融金属ができない、若しくは僅かである場合は、主電極が鋼板から離れた後における温度上昇はゼロ又は僅かとなる。一方、溶着部の生成量が大きいほど、多くの凝固熱が放出されるため、主電極が鋼板から離れた後における温度上昇は大きくなる。
すなわち、本発明によれば、溶着部の体積を予測することができる。

請求項２に係る装置では、請求項１と同様に、溶着部の体積を予測することができる。加えて、通常のスポット溶接装置に、温度計測手段と判定部とを付加するだけであるから、本発明の係る抵抗溶接装置は、安価である。

請求項３に係る発明では、温度計測手段は、非接触式の放射温度計であるため、接触式温度計測手段のように測定対象物に当てる必要がなく、測定が簡単になると共に測定の迅速を図ることができる。

本発明に係る抵抗溶接装置を保持する装置移動手段の斜視図である。本発明に係る抵抗溶接装置の原理図である。図２の３−３線断面図である。抵抗溶接装置の作用図である。抵抗溶接に係る主電極及び電流を示す図である。溶着部の生成過程を説明する図である。一方の鋼板の温度を示す図である。電流と溶着部の大きさの相関を調べた図である。溶着部の判定フロー図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、抵抗溶接装置１０は、ロボットに代表される装置移動手段１１により保持され、適宜移動される。抵抗溶接装置１０の詳細を次図で説明する。

図２に示すように、抵抗溶接装置１０は、ワーク１２の上方に保持される装置フレーム１５と、この装置フレーム１５の中央に設けられる主移動手段１６と、この主移動手段１６から下へ延びるロッド１７に取付けられる主電極１８と、この主電極１８を挟むようにして両側方に配置されるアース電極１９、１９と、装置フレーム１５に設けられアース電極１９、１９を移動させるサブ移動手段２１、２１と、主電極１８及びアース電極１９、１９に結線される溶接電源２２とからなる。

主移動手段１６はサーボモータを駆動源とするシリンダユニットが好適である。サブ移動手段２１も同様である。
また、溶接電源２２は装置フレーム１５に載せることが望ましいが、設置位置は任意である。

最も一般的なスポット溶接装置では、一対の電極が、一直線上に上下に配置される。
本例の抵抗溶接装置１０では、主電極１８、アース電極１９、１９共にワーク１２の一方の側に配置されるため、片側スポット溶接装置とも呼ばれ、特殊なスポット溶接装置の範疇に入る。すなわち、ワーク１２の裏側（実施例では下側）にアースを配置する必要がなく、溶接施工の自由度が高まる。

図３に示すように、主電極１８の中心線２３とワーク１２の上面とが交差する点２４に、視野中心がくるようにして、温度計測手段としての放射温度計２５が配置される。この放射温度計２５を支えるスタンド２６の設置位置は任意である。
放射温度計２５から温度情報が送られ、この温度情報はディスプレイ２７で表示されると共に判定部２８に送られる。判定部２８は後述する判定を実施する。

温度計測手段２５は、放射温度計の他、抵抗体を一方の鋼板に接触させて抵抗の変化で温度を測定する接触式温度計、光の波長を温度に変換する光温度計、赤外線の熱線を温度に変換する赤外線温度計など種々の手段を採用することができる。

以上に説明した抵抗溶接装置１０の作用を次に述べる。
図４（ａ）に示すように、ワーク１２は、他方の鋼板３１に一方の鋼板３２を積層してなり、一方の鋼板３２へ主電極１８を押圧すると共にアース電極１９、１９を当てる。アース電極１９、１９の押力は主電極１８の押力より小さく設定する。

図４（ｂ）は、（ａ）のｂ部拡大図であり、他方の鋼板３１及び一方の鋼板３２は下へ凸になるように変形する。一方の鋼板３２の変曲点３３、３３より、中心寄り範囲Ａでは、他方の鋼板３１は一方の鋼板３２に密着し、電気抵抗は小さくなる。変曲点３３、３３より、外側の範囲Ｃ、Ｃでは、他方の鋼板３１と一方の鋼板３２との間に隙間ができるなどして、通電性が期待できない。
変曲点３３、３３付近の範囲Ｂ、Ｂは、範囲Ａと範囲Ｃの中間の性質を有し、通電性は確保されるものの電気抵抗は範囲Ａより格段に大きくなる。

すなわち、図５（ａ）において、点Ｐ１〜点Ｐ２にかけて主電極１８の押力を、所定値まで増加する。点Ｐ２での形態が、上述した図４（ａ）、（ｂ）となる。
この状態を維持しつつ、図５（ｂ）に示す点Ｐ３で給電を開始する。
すると、図４（ｃ）に示すように、主電極１８からワーク１２を通ってアース電極１９、１９へ電流が流れる。

この電流は、図４（ｂ）において、範囲Ｃ、Ｃでは殆ど流れない。電流は、範囲Ａと、範囲Ｂ、Ｂに流れる。電流により、ＩＲ^２（Ｉ：電流値、Ｒ：抵抗値）に相当するジュール熱が発生する。範囲Ａに比較して範囲Ｂ、Ｂが抵抗値が格段に大きいため、範囲Ｂ、Ｂにおいて大きなジュール熱が発生する。

このジュール熱がワークの溶融熱を超えると、超えた部位で溶融現象が発生する。すなわち、図６（ａ）に示すように、他方の鋼板３１と一方の鋼板３２との境界に、溶融池と呼ばれる溶融部３４、３４が出現する。この際に、他方の鋼板３１が熱軟化し、主電極１８の下の部位が押されて水平に流動し、一部が主電極１８に沿って上へ盛り上がる。

通電を停止すると、通電によるエネルギー供給が無くなるため、図６（ｂ）に示すように、ワーク１２から主電極１８へ熱の移動が起こる。この現象は、主電極１８がワーク１２より低温であることと、ワーク１２に比較して主電極１８の熱容量が大きいことによって発生する。この熱の移動は、一方の鋼板３２から主電極１８を離すと止まる。

図６（ｃ）に示すように、主電極１８が一方の鋼板３２から離れると、熱移動の形態が変化する。すなわち、最も高温の溶融部３４、３４から、より低温の周囲（一方の鋼板３２及び他方の鋼板３１）へ熱が移動する。この熱は液体が固体に変態するときに放出される凝固熱（又は凝集熱）に相当し、十分に大きい。溶融部３４、３４は凝固すると溶着部３６、３６になるが、溶着部３６、３６の近傍が凝固熱により温度上昇する。

この温度上昇の形態を次図で説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）と同じグラフであるが、図７（ｃ）の温度グラフの説明のために、再掲する。
図７（ｂ）の点Ｐ３で通電が開始されると、（ｃ）に示すように、ジュール熱により主電極近傍における一方の鋼板の温度が急増する。点Ｐ４で通電を停止すると、主電極へ熱が移動するため（図６（ｂ）参照）、温度が下がる。この温度降下は、図７（ａ）に示す点Ｐ５まで続く。点Ｐ５で、押力がゼロとなり、主電極が一方の鋼板から離れる。

点Ｐ５以降は、図６（ｃ）で説明したように、凝固熱に起因して温度がδだけ上昇する。このδの大きさを確認するために、実験を行った。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

○供試材：
・一方の鋼板：厚さ０．７ｍｍ、２７０ＭＰａ級亜鉛めっき鋼板
・他方の鋼板：厚さ２．０ｍｍ、９８０ＭＰａ級高張力鋼板

○抵抗溶接装置：図２による。
○温度測定：図３による。

○抵抗溶接条件：
・主電極の押力：６０ｋｇ
・アース電極の押力：４０ｋｇ
・電力値：５．５ｋＡ、６．５ｋＡ又は７．５ｋＡ
・通電時間：０．５秒
・通電サイクル：２５回／秒

○実験結果：
図８（ａ）に示すように、温度曲線ｂ、ｃ、ｄを得た。ただし、曲線ｂは電流値を７．５ｋＡに設定し、曲線ｃは電流値を６．５ｋＡに設定し、曲線ｄは電流値を５．５ｋＡに設定した。
曲線ｂでは、δｂの温度上昇が認められた。また、曲線ｃでは、δｃの温度上昇が認められた。δｃはδｂの約１／３であった。また、曲線ｄでは温度上昇は認められなかった。

得られた３種の供試材を切断し、切断面を観察した。
図８（ｂ）は、曲線ｂに対応し、大きな溶着部３６、３６が認められた。
図８（ｃ）は、曲線ｃに対応し、図８（ｂ）より小さな溶着部３６、３６が認められた。
図８（ｄ）は、曲線ｄに対応し、溶着部３６、３６は、極く小さかった。

以上の知見から、図８（ａ）の温度曲線ｂ、ｃ、ｄを取得し、主電極を一方の鋼板から離した直後に発生する温度上昇の有無を調べる。
曲線ｄでは温度上昇が認められないので、溶着部３６、３６は、必要な大きさに到達していないと判断できる。

また、曲線ｂでは、十分に大きな温度上昇δｂが認められたので、溶着部３６、３６は、必要以上の大きさに到達したと判断できる。
また、曲線ｃでは、大きな温度上昇δｃが認められたので、溶着部３６、３６は、必要な大きさに到達したと判断できる。

以上の知見から、主電極が一方の鋼板から離れる前から離れた後まで、主電極が当たっている若しくは当たっていた部位での一方の鋼板の温度を連続して測定する温度測定工程と、この温度測定工程で得た温度曲線ｂ、ｃ、ｄにおいて、主電極が一方の鋼板から離れた後に、温度が上昇するか否か及び温度上昇の大きさに基づいて溶着部の生成状態を判定する判定工程とからなる抵抗溶接検査方法が提供される。

判定工程は、図３に示す判定部２８で実施させるが、この判定部２８に次のステップを行わせることが推奨される。
判定に先立ち、一方の鋼板及び他方の鋼板を重ね、溶接を施し、切断し、溶着部の大きさを測定し、そのときの温度差δとの相関を調べる。そして、強度的に必要な大きさの溶着部が得られたときの温度差から、しきい値Ｔｓを定める。
このＴｓは、一方の鋼板と他方の鋼板の厚さの組み合わせ毎に定める。必要であれば、鋼種をパラメータに加えてＴｓを定める。

図９に示すように、先ず、判定部に、合格判定基準値であるしきい値Ｔｓを入力する（ＳＴ０１）。このＴｓは、例えば図８（ａ）でのδｃとする。このＳＴ０１は、板厚条件及び鋼種条件が変わるときにのみ実施し、変化がないときにはパスすることができる。

一方の鋼板及び他方の鋼板を重ね、溶接を施し、一方の鋼板の温度を測定するが、図７（ｃ）における点Ｐ５の温度（この温度をＴ１と定める。）を特定する。温度曲線を検討する時間を省く必要がある場合には、主電極上昇開始時の温度を適用してもよい（ＳＴ０２）。

次に、ｎ秒（例えば３秒）後までの温度曲線における最大温度Ｔ２を特定する（ＳＴ０３）。ＳＴ０４で、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１の演算を行う。

ＳＴ０５で、ΔＴが正であるか否かを調べる。ゼロ又は負であれば、温度上昇が認められない。よって、溶着部なし又は微小と見なし（ＳＴ０６）、不合格の判定を下す（ＳＴ０７）。

ΔＴが正である場合、ΔＴがしきい値Ｔｓ以上であるか否かを調べる。否であれば、温度上昇が認められ、溶着部の生成が予測されるが、この溶着部は小さいと見なし（ＳＴ０９）、不合格の判定を下す（ＳＴ０７）。

ΔＴが正で、且つＴｓより大きければ、十分に大きな溶着部が生成されたと予測し（ＳＴ１０）、合格の判定を下す（ＳＴ１１）。

以上のフローを適用すると、一方の鋼板の温度を測定するだけで、溶着部の大きさを予測することができる。非破壊検査であるから、溶接製品の全数を検査することができる。

尚、実施例では、２枚の鋼板を積層させたが、３枚以上の鋼板を積層させてもよい。

また、実施例では他方の鋼板３１に、一方の鋼板３２を載せたが、一方の鋼板３２に他方の鋼板３１を載せてもよい。また、板３１、３２を水平に配置するほか、縦向きや斜めに配置することは差し支えない。板３１、３２の向きに合わせて、一方の電極１８及び他方の電極１９、１９を、上から若しくは下から又は横から一方の鋼板３２へ接離させればよく、構成要素の向きは任意である。

本発明は、２枚の薄い鋼板を、片側スポット溶接法で接合する技術に好適である。

１０…抵抗溶接装置、１１…装置移動手段、１２…ワーク、１５…装置フレーム、１６…主移動手段、１８…主電極、１９…アース電極、２１…サブ移動手段、２２…溶接電源、２５…温度計測手段（放射温度計）、２８…判定部、３１…鋼板（他方の鋼板）、３２…鋼板（一方の鋼板）、３６…溶着部。

Claims

少なくとも２枚の鋼板を積層し、一方の鋼板に主電極及びアース電極を当て、前記主電極から前記鋼板を介して前記アース電極へ通電することで、前記主電極の近傍に溶着部を生成させ、前記主電極及びアース電極を前記一方の鋼板から離す抵抗溶接作業において、前記溶着部の生成状態を検査する抵抗溶接検査方法であって、
前記主電極が前記一方の鋼板から離れる前から離れた後まで、前記主電極が当たっている若しくは当たっていた部位での前記一方の鋼板の温度を連続して測定する温度測定工程と、
この温度測定工程で得た温度曲線において、前記主電極が前記一方の鋼板から離れた後に、温度が上昇するか否か及び温度上昇の大きさに基づいて前記溶着部の生成状態を判定する判定工程とからなる抵抗溶接検査方法。
積層した少なくとも２枚の鋼板からなるワークに対して相対移動自在に保持される装置フレームと、この装置フレームに主移動手段を介して移動自在に保持される主電極と、前記装置フレームにサブ移動手段を介して移動自在に保持されるアース電極と、前記主電極及び前記アース電極に結線される溶接電源とからなり、
一方の鋼板に前記主電極及び前記アース電極を当て、前記主電極から前記鋼板を介して前記アース電極へ通電することで、前記主電極の近傍に溶着部を生成させる抵抗溶接装置において、
この抵抗溶接装置は、前記溶着部近傍にて前記一方の鋼板の表面温度を計測する温度計測手段と、この温度計測手段から温度情報を入力すると共に前記ワークに対応するしきい値を予め取得しておき、前記主電極を前記一方の鋼板から離した直後に温度が前記しきい値以上に上昇するか否かを判定する判定部とを備えていることを特徴とする抵抗溶接装置。
前記温度計測手段は、前記一方の鋼板から放射される放射エネルギーの強さを測定し温度に変換する非接触式の放射温度計であることを特徴とする請求項２記載の抵抗溶接装置。