JP5988015B1 - 抵抗スポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

テスト溶接で目標値として記憶させたステップ毎の単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、いずれかのステップにおいて単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を当該ステップの残りの通電時間内で補償すべく、本溶接での単位体積当たりの累積発熱量がテスト溶接で予め求めた単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御し、さらに、いずれかのステップにおいて散りの発生を検出した場合には、それ以降における前記単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減し、これに応じて、通電量を制御する。

Description

本発明は、適応制御溶接技術により、散りが発生したとしても適正なナゲット径の確保を可能ならしめた抵抗スポット溶接方法に関するものである。

一般に、重ね合わせた鋼板同士の接合には、重ね抵抗溶接法の一種である抵抗スポット溶接法が用いられている。
この溶接法は、重ね合わせた２枚以上の鋼板を挟んでその上下から一対の電極で加圧しつつ、上下電極間に高電流の溶接電流を短時間通電して接合する方法であり、高電流の溶接電流を流すことで発生する抵抗発熱を利用して、点状の溶接部が得られる。この点状の溶接部はナゲットと呼ばれ、重ね合わせた鋼板に電流を流した際に鋼板の接触箇所で両鋼板が溶融し、凝固した部分である。このナゲットにより、鋼板同士が点状に接合される。

良好な溶接部品質を得るためには、ナゲット径が適正な範囲で形成されることが重要である。ナゲット径は、溶接電流、通電時間、電極形状および加圧力等の溶接条件によって定まる。従って、適切なナゲット径を形成するためには、被溶接材の材質、板厚および重ね枚数等の被溶接材条件に応じて、上記の溶接条件を適正に設定する必要がある。

例えば、自動車の製造に際しては、一台当たり数千点ものスポット溶接が施されており、また次々と流れてくる被処理材（ワーク）を溶接する必要がある。この時、各溶接箇所における被溶接材の材質、板厚および重ね枚数等の被溶接材条件が同一であれば、溶接電流、通電時間および加圧力等の溶接条件も同一の条件で同一のナゲット径を得ることができる。しかしながら、連続した溶接では、電極の被溶接材接触面が次第に摩耗して接触面積が初期状態よりも次第に広くなる。このように接触面積が広くなった状態で、初期状態と同じ値の溶接電流を流すと、被溶接材中の電流密度が低下し、溶接部の温度上昇が低くなるために、ナゲット径は小さくなる。このため、数百〜数千点の溶接毎に、電極の研磨または交換を行い、電極の先端径が拡大しすぎないようにしている。

その他、予め定めた回数の溶接を行うと溶接電流値を増加させて、電極の摩耗に伴う電流密度の低下を補償する機能（ステッパー機能）を備えた抵抗溶接装置が、従来から使用されている。このステッパー機能を使用するには、上述した溶接電流変化パターンを予め適正に設定しておく必要がある。しかしながら、このために、数多くの被溶接材条件および溶接条件に対応した溶接電流変化パターンを、試験等によって導き出すには、多くの時間とコストが必要になる。また、実際の施工においては、電極摩耗の進行状態にはバラツキがあるため、予め定めた溶接電流変化パターンが常に適正であるとはいえない。

さらに、溶接に際して外乱が存在する場合、例えば、溶接する点の近くにすでに溶接した点（既溶接点）があるとか、被溶接材の表面凹凸が大きく溶接する点の近くに被溶接材の接触点が存在するなどの場合には、溶接時に既溶接点や接触点に電流が分流する。このような状態では、所定の条件で溶接しても、電極直下の溶接したい位置における電流密度は低下するため、やはり必要な径のナゲットは得られなくなる。この発熱量不足を補償し、必要な径のナゲットを得るには、予め高い溶接電流を設定することが必要となる。

また、表面凹凸や部材の形状などにより溶接する点の周囲が強く拘束されている場合には、鋼板間の板隙が大きくなることで鋼板同士の接触径が狭まり、必要な径のナゲット径が得られなかったり、散りが発生しやすくなることもある。

上記の問題を解決するものとして、以下に述べるような技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、推算した溶接部の温度分布と目標ナゲットを比較して溶接機の出力を制御することによって、設定したナゲットを得ようとする抵抗溶接機の制御装置が記載されている。

また、特許文献２には、溶接電流とチップ間電圧を検出し、熱伝導計算により溶接部のシミュレーションを行い、ナゲットの形成状態を推定することによって、良好な溶接を行おうとする抵抗溶接機の溶接条件制御方法が記載されている。

さらに、特許文献３には、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ことができる単位体積当たりの累積発熱量を計算し、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溶接電流または電圧に調整する処理を行う溶接システムを用いることにより、被溶接物の種類や電極の摩耗状態によらず良好な溶接を行おうとする抵抗溶接システムが記載されている。

特許文献４には、通電中の半サイクル毎に電力と電流あるいは電流の２乗値を取る曲線を演算して求め、その推移によってナゲットの形成状態を判定して、以降のサイクルの電流値または加圧力を調整するか、あるいはその時点で電流を打ち切る溶接方法が記載されている。

特開平９−２１６０７１号公報 特開平１０−９４８８３号公報 特開平１１−３３７４３号公報 特開２００４−５８１５３号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の技術では、熱伝導モデル（熱伝導シミュレーション）等に基づいてナゲットの温度を推定するため、複雑な計算処理が必要であり、溶接制御装置の構成が複雑になるだけでなく、溶接制御装置自体が高価になるという問題があった。

また、特許文献３に記載の抵抗スポット溶接方法では、累積発熱量を目標値に制御することによって、電極が一定量摩耗していたとしても比較的良好な溶接を行うことができるものと考えられる。しかしながら、設定した被溶接材条件と実際の被溶接材条件が大きく異なる場合、例えば近くに前述した既溶接点や鋼板間の板隙などの外乱が存在し、その影響が大きい場合には、最終的な累積発熱量を目標値に合わせることができても、発熱や通電の形態、つまり溶接部の温度分布や電流密度分布の時間変化が目標とする良好な溶接部が得られるパターンから大きく外れ、必要とするナゲット径が得られなかったり、散りが発生したりするという問題がある。
例えば、溶接する点の近くに被溶接材の接触点があり、かつ被溶接材間の板隙が大きいときは、電極間抵抗値が増大するため、電流値が低下してナゲット径が確保できないという問題がある。

なお、特許文献４では、半サイクル毎の電流の増加、減少過程の曲線形状の変化を監視しているため、交流電源での溶接を前提としており、直流電源では使用できない。また、散りの発生を抑制する手段は電流値、加圧力、通電時間の調整のいずれかとしているが、それぞれを調整する必然性は記載されていない。

さらに、特許文献１〜４に開示の技術は全て、電極先端が摩耗した場合の変化に対してはある程度有効であるが、既溶接点との距離が短い、あるいは鋼板間の凹凸により接触点が存在するなどが原因で分流や板隙の影響が大きい場合については何ら検討がなされておらず、実際に適応制御が働かない場合があった。
また、適正な溶接条件範囲が非常に狭い板組み、例えば、外側に板厚の薄いアウター（薄板）を配置し、内側に板厚の厚いインナー、リインフォースメント（厚板）を組み合わせた板組みの溶接では、外乱の影響により、溶接中、特に散りが発生しやすく、一旦散りが発生してしまうと、その後は、適正な制御を行うことができなかった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、板隙や分流などの外乱の影響が大きく、このような外乱によって、溶接中に散りが発生したとしても、さらなる散りの発生を防止して、適切な径のナゲットを得ることができる抵抗スポット溶接方法を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、発明者らは以下の知見を得た。
（１）適正なナゲット径を得る条件範囲が外乱によって変動する場合、被溶接材の板厚と通電時間からその被溶接材を良好に溶接することができる単位体積・単位時間当たりの発熱量をテスト溶接により計算し、続く本溶接において、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通電量に調整する適応制御溶接を行うことが有効である。

（２）しかし、抵抗スポット溶接前および溶接初期において、溶接する点の金属板間は抵抗が高く、通電径が確保されていない状態である。そのため、例えば溶接する点の近くに既溶接点などといった被溶接材の接触点があり、また被溶接材間の板隙が大きいときは、接触点への分流が生じ、溶接する点の被溶接材同士の接触径が狭まるため、板組みによっては電極間抵抗値が増大することがある。これが原因で、溶接する点における累積発熱量が過大であると装置が誤認識してしまう結果、適応制御中の電流値が減少し、テスト溶接と発熱形態が異なるものとなって、必要ナゲット径が未達となる。あるいは、接触点への分流量が大きいために電極間抵抗値が低下する場合、被溶接材同士の接触径が小さい状態で電流値が増大することになるため、テスト溶接と発熱形態が異なるものとなって、散り発生のリスクが高まる。

（３）一方、金属板間の板隙が小さかったとしても、分流の影響が大きな場合に、累積発熱量をテスト溶接の累積発熱量に合わせようとすると、金属板間の通電径が確保されていない状態で電流値が大きく増加する。このため、金属板−金属板間ではなく電極−金属板間近傍での発熱が著しくなり、やはりテスト溶接と発熱形態が大きく異なってしまう。

（４）上記した板隙や分流などの外乱の影響により、溶接中に一旦散りが発生すると、溶融した金属が周囲に飛散することで、溶接部の板厚が減少し、電極間の電圧が急激に低下する。そのため、上記の適応制御溶接では、電極間の電気特性から算出される単位体積当たりの瞬時発熱量が大きく低下し、これを補うために溶接電流又は電圧を過剰に増大させる制御を行ってしまう。その結果、さらなる散りの発生を助長するものとなる。

（５）そこで、発明者らは、溶接中に一旦散りが発生した場合におけるさらなる散りの発生を防止すべく、さらに検討を重ねた。
その結果、通電パターンを２段以上のステップに分割して適応制御溶接を行うとともに、散りの発生検出手段を設け、この検出手段により溶接中に散りの発生を検出した場合には、それ以降の目標発熱量を低減させ、この低減後の目標発熱量に基づき、通電量、具体的には溶接電流および電極間電圧を調整することで、さらなる散りの発生を防止して、適切な径のナゲットを得られるとの知見を得た。

（６）また、散り発生後の目標発熱量を再設定するには、通常、散り発生時に減少した板厚を考慮して発熱量を再計算することが必要となる。しかし、板厚の減少量を溶接中に正確にモニタリングすることは極めて困難である。
そこで、発明者らは、これに代わる散り発生後の目標発熱量の再設定方法についてさらに検討を重ねたところ、散りの発生の検出時の電極間電圧または電極間抵抗の低下の度合いに応じて、それ以降の目標発熱量を低減させることが有効であるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法において、
本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行い、その際、該本溶接およびテスト溶接の通電パターンを２段以上のステップに分割し、
また、前記テスト溶接では、ステップ毎に、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値として記憶させ、
前記本溶接では、前記テスト溶接で目標値として記憶させたステップ毎の単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、いずれかのステップにおいて単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を当該ステップの残りの通電時間内で補償すべく、本溶接での単位体積当たりの累積発熱量がテスト溶接で予め求めた単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御し、さらに、いずれかのステップにおいて散りの発生を検出した場合には、それ以降における前記単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減し、これに応じて、通電量を調整する適応制御溶接を行う、抵抗スポット溶接方法。

２．前記散りの発生の検出後に設定する通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱｓ［Ｔ］（Ｊ）とし、前記テスト溶接により設定した通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱ０［Ｔ］（Ｊ）、散り発生時点までの単位体積当たりの累積発熱量をＱｆ（Ｊ）、散りの発生の検出時における１サイクル（５０Ｈｚ）あたりの電極間電圧または電極間抵抗の低下率をＲ（％）としたとき、Ｑｓ［Ｔ］を、Ｑ０［Ｔ］、ＱｆおよびＲとの関係で次式
Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（５Ｒ／１００））≦Ｑｓ［Ｔ］
≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．１Ｒ／１００））
の範囲に設定する、前記１に記載の抵抗スポット溶接方法。

３．前記散りの発生の検出が、電極間電圧、電極間抵抗、電極間距離、溶接ガンのサーボトルクおよび溶接ガンのひずみのいずれかの変化によるものである、前記１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。

本発明によれば、分流や板隙などの外乱により、溶接中に散りが発生したとしても、さらなる散りの発生を防止して、適切な径のナゲットを得ることができる。

本発明の抵抗スポット溶接方法の一実施形態に従う、（ａ）通電時間と電極間電圧との関係の一例、（ｂ）通電時間と溶接電流との関係の一例、（ｃ）通電時間と累積発熱量の関係の一例を、それぞれ模式的に示す図である。 抵抗スポット溶接装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の抵抗スポット溶接方法の一実施形態において、（ａ）板隙のある３枚重ねの板組み対して、（ｂ）板隙のある２枚重ねの板組みに対して、それぞれ溶接を行う場合の模式図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明は、複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法であり、特に、外乱の影響を強く受け、散りが発生しやすい適正な溶接条件範囲が非常に狭い板組み、例えば、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた板厚比（板組みの全体厚み／板組みを構成する最も薄い金属板の板厚）が３．０超、さらには５．０以上とした板組みを溶接する場合に、好適な抵抗スポット溶接方法である。なお、板厚比の上限は特に限定されるものではないが、通常１２．０である。

なお、本発明の抵抗スポット溶接方法で使用可能な溶接装置としては、上下一対の電極を備え、溶接中に加圧力および溶接電流をそれぞれ任意に制御可能であればよく、加圧機構（エアシリンダやサーボモータ等）、形式（定置式、ロボットガン等）、電極形状等はとくに限定されない。
また、薄板とは、被溶接材に用いられる金属板のうち、板厚が相対的に小さい金属板を意味し、厚板とは、板厚が相対的に大きい金属板を意味する。なお、通常、薄板の板厚は、最も板厚の大きい金属板（厚板）の３／４以下の板厚となる。

また、本発明の抵抗スポット溶接方法では、本溶接の通電パターンを２段以上のステップに分割して、溶接を実施する。
ここで、通電パターンのステップ分けを行うタイミングとしては、被溶接材となる金属板の材質、板厚、重ね枚数などに応じて適宜設定すればよい。
例えば、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた板厚比が３．０超、さらには５．０以上とした板組みを溶接する場合、第１ステップで厚板−厚板間、薄板−厚板間のいずれかにナゲット形成を行い、第２ステップで残りの板間にナゲット形成を行うように設定することができる。
また、２枚の金属板からなる被溶接材を溶接する場合、溶接中の現象の変化に応答性良く適応制御溶接を行うため、金属板間に安定した通電経路（溶融部）が形成されるまでの段階と、それ以降のナゲット成長過程に分割することが考えられる。なお、被溶接材がめっき鋼板の場合、めっきが溶融して急激に通電面積が拡大する段階と、その後の通電により電極間に安定した通電経路（溶融部）が形成されるまでの段階、および、その後のナゲット成長過程の３段階に溶接プロセスを分割してもよい。
また、各ステップの溶接電流の大小関係は問わないし、ステップ間に冷却時間を設けても問題無い。

さらに、本溶接に先立ち、本溶接と同様のタイミングでステップ分けをした、テスト溶接を行う。テスト溶接では、ステップ毎に、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化および単位体積当たりの累積発熱量を目標値として記憶させる。

また、このテスト溶接では、被溶接材と同じ鋼種、厚みの溶接試験を、既溶接点への分流や板隙のない状態で、定電流制御にて種々の条件で行い、テスト溶接における最適条件を見つける。そして、各ステップについて、上記の条件で溶接を行ったときの溶接中における、電極間の電気特性から算出される単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化および単位体積当たりの累積発熱量を目標値として記憶させる。ここで、電極間の電気特性とは、電極間抵抗あるいは電極間電圧を意味する。

上記のテスト溶接後、本溶接を行う。本溶接は、上記のテスト溶接で得られたステップ毎の単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線を基準として溶接を開始し、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線に沿っている場合には、そのまま溶接を行って溶接を終了する。ただし、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その時の外れ量に応じて通電量を制御する適応制御溶接を行って、本溶接における単位体積当たりの累積発熱量がテスト溶接で予め求めた単位体積当たりの累積発熱量と一致するように、当該ステップの残りの通電時間内で補償する。
これにより、電極先端が摩耗したり、分流や板隙などの外乱の影響が大きい状態であっても、必要な累積発熱量を確保して、適正なナゲット径を得ることができる。
なお、ここでいう外乱とは、溶接点の近くに既溶接点がある場合や被溶接材の接触点が存在する場合の他、電極の損耗などが挙げられる。

また、単位体積当たりの累積発熱量の算出方法については特に制限はないが、特許文献３にその一例が開示されており、本発明でもこの方法を採用することができる。この方法による単位体積当たりの累積発熱量Ｑの算出要領は次のとおりである。
被溶接材の合計厚みをｔ、被溶接材の電気抵抗率をｒ、電極間電圧をＶ、溶接電流をＩとし、電極と被溶接材が接触する面積を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（１）で求められる。
ｑ＝（Ｖ・Ｉ）／（Ｓ・ｔ） --- （１）
また、この柱状部分の電気抵抗Ｒ´は、次式（２）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、発熱量ｑは次式（３）
ｑ＝（Ｖ・Ｉ・Ｒ´）／（ｒ・ｔ^２）
＝（Ｖ^２）／（ｒ・ｔ^２） --- （３）
となる。

上掲式（３）から明らかなように、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から算出でき、電極と被溶接物が接触する面積Ｓによる影響を受けない。なお、（３）式は電極間電圧Ｖから発熱量を計算しているが、電極間電流Ｉから発熱量ｑを計算することもでき、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。そして、単位体積・単位時間当たりの発熱量ｑを通電期間にわたって累積すれば、溶接に加えられる単位体積当たりの累積発熱量Ｑが得られる。（３）式から明らかなように、この単位体積当たりの累積発熱量Ｑもまた電極と被溶接材が接触する面積Ｓを用いないで算出することができる。
以上、特許文献３に記載の方法によって、累積発熱量Ｑを算出する場合について説明したが、その他の算出式を用いても良いのは言うまでもない。

また、本発明の抵抗スポット溶接方法では、図１に示すように、いずれかのステップにおいて散りの発生を検出した場合、それ以降、前記単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減させ、これに応じて、通電量、つまりは溶接電流および電極間電圧を調整することが極めて重要である。
すなわち、溶接中に一旦散りが発生すると、溶融した金属が周囲に飛散することで、溶接部の板厚が減少し、電極間の電圧が急激に低下する。そのため、テスト溶接で記憶させた単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化および単位体積当たりの累積発熱量を目標値としてそのまま溶接を続けると、溶接電流又は電極間電圧を過剰に増大させる制御を行ってしまうこととなり、さらなる散りの発生を助長するものとなる。
このため、本発明の抵抗スポット溶接方法では、いずれかのステップにおいて散りの発生を検出した場合、それ以降、前記単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減し、これに応じて、通電量、つまりは溶接電流および電極間電圧を調整することとしたのである。
なお、単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減しても所望のナゲット径が得られるのは、散りの発生により溶接部の板厚が減少し、これにより、所望のナゲット径を得るために必要な発熱量も減少するためと、発明者らは考えている。

また、散り発生後に新たに設定する単位体積当たりの累積発熱量の目標値の設定方法としては、例えば、散りの発生の検出後に新たに設定する通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱｓ［Ｔ］（Ｊ）とし、テスト溶接により設定した通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱ０［Ｔ］（Ｊ）、散り発生時点までの単位体積当たりの累積発熱量をＱｆ（Ｊ）、散り発生時における１cycle（５０Ｈｚ（以降、時間の単位は全て５０Ｈｚにおけるcycle数とする）））あたりの電極間電圧または電極間抵抗の低下率をＲ（％）としたとき、Ｑｓ［Ｔ］を、Ｑ０［Ｔ］、ＱｆおよびＲとの関係で次式
Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（５Ｒ／１００））≦Ｑｓ［Ｔ］
≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．１Ｒ／１００））
の範囲に設定することが好ましい。
この範囲に累積発熱量の目標値を設定すれば、溶接中に散りの発生を検出した場合であっても、さらなる散りの発生を生じさせることなく、散り発生後の溶接部の板厚に応じた所望の径のナゲットが得られる。なお、ここでいう通電時間Ｔは、通電を開始した時点からの経過時間である。
より好ましくは、Ｑｓ［Ｔ］を、Ｑ０［Ｔ］、ＱｆおよびＲとの関係で次式
Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（４Ｒ／１００））≦Ｑｓ［Ｔ］
≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．３Ｒ／１００））
の範囲に設定する。
さらに好ましくは、Ｑｓ［Ｔ］を、Ｑ０［Ｔ］、ＱｆおよびＲとの関係で次式
Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（３Ｒ／１００））≦Ｑｓ［Ｔ］
≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．５Ｒ／１００））
の範囲に設定する。
なお、各上掲式において、式の左辺がＱｆ以下となる場合は、それぞれ
Ｑｆ＜Ｑｓ［Ｔ］≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．１Ｒ／１００））
Ｑｆ＜Ｑｓ［Ｔ］≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．３Ｒ／１００））
Ｑｆ＜Ｑｓ［Ｔ］≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．５Ｒ／１００））
とする。

なお、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線は、上記した単位体積当たりの累積発熱量の目標値の修正に合わせて、累積発熱量の修正と同じ割合となるように修正される。

また、散り発生の検出手段としては、以下の手法を用いることができる。
散りが発生した際には、溶接部の板厚減少によって電極間電圧および電極間抵抗が減少する。このため、例えば、１cycle（５０Ｈｚ）あたりの電極間電圧または電極間抵抗の減少率Ｒが一定の閾値を超えたときに散り発生と認識する、といった手法を用いることができる。この閾値としては、通常の適応制御における電極間電圧または電極間抵抗の変化と区別する観点から、１０〜３０％とすることが好ましい。
なお、散りが発生した場合であっても、１サイクル（５０Ｈｚ）あたりの電極間電圧または電極間抵抗の低下率：Ｒの最大値は、通常５０％である。

また、散り発生による板厚減少で、電極間の距離も急激に減少するため、これを散り発生の検出手段とすることもできる。
さらに、散り発生の際には電極の加圧力に対する鋼板の反力が急激に減少するため、設定加圧力を維持しようとすると、加圧力制御装置の応答が追いつかず一時的に加圧力が大きく増減することとなる。よって、これも散り発生の検出手段とすることができる。なお、加圧力を計測する方法は特に制限はされず、溶接ガンのサーボモータのトルクや、溶接ガンのひずみなどによって計測することができる。

また、本発明の抵抗スポット溶接方法を実施するにあたり、好適な抵抗スポット溶接装置としては、図２に示すような構成からなる装置が挙げられる。
図中、符号１は抵抗スポット溶接電源、２は抵抗スポット溶接電源１へ制御信号を与える制御部、３は溶接電流の検出部で、検出した信号を制御部２に入れている。４は抵抗スポット溶接電源１の出力に接続された二次導体で、電極７に通電するために電極７に接続されている。５は下部アーム、６は加圧シリンダであり、それぞれに電極７が取り付けられ、電極７によって８の被溶接材が挟持される。９は電極７に取り付けられた電極間電圧検出線であり、２の制御部に入れている。２の制御部においては、テスト溶接を行うモードと本溶接を行うモードとを切り替えることができる。

ここで、テスト溶接モードにおいては、溶接電流検出部３から入力された電流と、電極間電圧検出線９から入力された電圧から瞬時発熱量が計算され、その時間変化が記憶される。
また、本溶接を行うモードにおいては、テスト溶接の溶接条件で通電を開始すると共に、制御部２において、溶接電流検出部３から入力された電流と、電極間電圧検出線９から入力された電圧から瞬時発熱量がサンプリング時間毎に計算される。そして、各時間における瞬時発熱量と目標値を比較し、その２つの値に差が生じた時点で、その外れ量に応じて溶接電流を制御する適応制御溶接を行う。すなわち、本溶接における累積発熱量が目標値として記憶された累積発熱量と一致するように、制御部２にて適応制御された溶接電流が被溶接材８に通電されるように構成されている。
そして、電極間電圧検出線９から入力された電圧の急激な低下などにより、散りの発生を検出した場合には、制御部２にて、テスト溶接で目標値とした累積発熱量を再設定し、この再設定後の累積発熱量に基づき、通電量、つまり溶接電流および電極間電圧を調整する。

なお、各ステップのおける加圧力や溶接時間といった条件の大小関係は特に限定されず、被溶接材となる金属板の材質、板厚、重ね枚数などに応じて適宜設定すればよい。
例えば、重ね合わせた２枚以上の厚板の少なくとも一方に薄板を重ね合わせた板厚比が３．０超、さらには５．０以上とした板組みを溶接するにあたり、第１ステップにおいて厚板−厚板間を、第２ステップにおいて薄板−厚板間を溶融させて溶接を行う場合には、第１ステップの加圧力Ｆ１（kN）と第２ステップの加圧力Ｆ２（kN）について、Ｆ１＞Ｆ２の関係を満足させることが好ましい。また、第１ステップおよび第２ステップの通電時間Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ、５〜５０cycles、１〜２０cyclesとすればさらによい。さらに、この場合、第２ステップでの散りの発生を防止する観点から、第１ステップと第２ステップの通電の間に、１cycle以上１００cycles以下の冷却時間を設けることが好ましい。

また、本発明の抵抗スポット溶接方法において被溶接材となる金属板は特に制限されず、軟鋼から超高張力鋼板までの各種強度を有する鋼板およびめっき鋼板、アルミ合金などの軽金属板の溶接にも適用でき、４枚以上の鋼板を重ねた板組みにも適用できる。

表１および図３（ａ）、（ｂ）に示すような３枚重ねまたは２枚重ねの金属板の板組みについて、表２に示す条件で抵抗スポット溶接を行い、継手を作製した。図中、符号１１が金属板（薄板）、１２および１３が金属板（厚板）、１４が電極、１５がスペーサである。
ここで、表２の制御モードが「適応制御（散り補正無し）」では、表に示した溶接条件で板隙などの外乱が無い状態でテスト溶接を行い、単位体積当たりの瞬間発熱量の時間変化を記憶させた後、テスト溶接で得られた単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線を基準として電流値を追従させる適応制御スポット溶接を散り発生の有無に関わらず行った際の結果を示している。また、制御モードが「適応制御（散り補正有り）」では、単位時間あたりの電極間電圧の減少率が閾値（２０％）を上回った場合に、散り発生と判断し、それ以降では、散りの発生の検出時における１サイクルあたりの電極間電圧または電極間抵抗の低下率に基づき、表２に示すようにして単位体積当たりの累積発熱量の目標値を減少させ、これに応じて、通電量を調整した際の結果を示している。なお、通電時間や加圧力などといった条件は、テスト溶接と本溶接で同じである。
また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、厚板１２−厚板１３間にスペーサ１５（スペーサ間距離60mm）を挿入し、上下からクランプすることで（図示せず）、種々の板隙厚さとなる板隙を設けた。
さらに、溶接機にはインバータ直流抵抗スポット溶接機を用い、電極にはＤＲ形先端径6mmのクロム銅電極を用いた。

得られた各継手について、溶接部を切断し断面をエッチング後、光学顕微鏡により観察し、薄板−厚板間のナゲット径ｄ１（mm）および厚板−厚板間のナゲット径ｄ２（mm）をそれぞれ計測し、ナゲット径ｄ１、ｄ２がいずれも４√ｔ´以上（ｔ´：隣り合う２枚の金属板のうち薄い方の金属板の板厚（mm））であり、かつ溶接部の最小厚みが溶接前の板組みの合計厚みの４０％以上の場合を○と評価した。また、ナゲット径ｄ１、ｄ２が４√ｔ´未満あるいは溶接部の最小厚みが溶接前の板組みの合計厚みの４０％未満の場合を×と評価した。

発明例では十分な溶接部の最小厚みが得られるとともに、4√ｔ´以上の径を有するナゲットが薄板−厚板間および厚板−厚板間で得られた。なお、板隙厚さが小さい参考例では、途中で散りの発生を検出することなく、4√ｔ´以上の径を有するナゲットが薄板−厚板間および厚板−厚板間で得られた。
一方、比較例ではいずれも、十分な溶接部の最小厚みが得られなかった。

１ 抵抗スポット溶接電源
２ 抵抗スポット溶接電源へ制御信号を与える制御部
３ 溶接電流の検出部
４ 抵抗スポット溶接電源の出力に接続された二次導体
５ 下部アーム
６ 加圧シリンダ
７ 電極
８ 被溶接材
９ 電極間電圧検出線
１１ 金属板（薄板）
１２，１３ 金属板（厚板）
１４ 電極
１５ スペーサ

Claims (3)

1. 複数枚の金属板を重ね合わせた被溶接材を、一対の電極によって挟み、加圧しながら通電して接合する抵抗スポット溶接方法において、
   本溶接と、該本溶接に先立つテスト溶接とを行い、その際、該本溶接およびテスト溶接の通電パターンを２段以上のステップに分割し、
   また、前記テスト溶接では、ステップ毎に、定電流制御により通電して適正なナゲットを形成する場合の電極間の電気特性から算出される、単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および単位体積当たりの累積発熱量を目標値として記憶させ、
   前記本溶接では、前記テスト溶接で目標値として記憶させたステップ毎の単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化曲線および累積発熱量を基準として溶接を行い、いずれかのステップにおいて単位体積当たりの瞬時発熱量の時間変化量が基準である時間変化曲線から外れた場合には、その外れ量を当該ステップの残りの通電時間内で補償すべく、本溶接での単位体積当たりの累積発熱量がテスト溶接で予め求めた単位体積当たりの累積発熱量と一致するように通電量を制御し、さらに、いずれかのステップにおいて散りの発生を検出した場合には、それ以降における前記単位体積当たりの累積発熱量の目標値を低減し、これに応じて、通電量を調整する適応制御溶接を行う、抵抗スポット溶接方法。
2. 前記散りの発生の検出後に設定する通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱｓ［Ｔ］（Ｊ）とし、前記テスト溶接により設定した通電時間Ｔにおける単位体積当たりの累積発熱量の目標値をＱ０［Ｔ］（Ｊ）、散り発生時点までの単位体積当たりの累積発熱量をＱｆ（Ｊ）、散りの発生の検出時における１サイクル（５０Ｈｚ）あたりの電極間電圧または電極間抵抗の低下率をＲ（％）としたとき、Ｑｓ［Ｔ］を、Ｑ０［Ｔ］、ＱｆおよびＲとの関係で次式
   Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（５Ｒ／１００））≦Ｑｓ［Ｔ］≦Ｑｆ＋（Ｑ０［Ｔ］−Ｑｆ）×（１−（０．１Ｒ／１００））
   の範囲に設定する、請求項１に記載の抵抗スポット溶接方法。
3. 前記散りの発生の検出が、電極間電圧、電極間抵抗、電極間距離、溶接ガンのサーボトルクおよび溶接ガンのひずみのいずれかの変化によるものである、請求項１または２に記載の抵抗スポット溶接方法。

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