JP5871787B2 - 抵抗溶接検査方法及び抵抗溶接装置 - Google Patents
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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。)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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、IR2(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。
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。
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
・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。
○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
・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。
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。
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。
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。
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。
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 (3)
- 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。
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