JP7152895B2 - Evaluation method of joint point of spot welding - Google Patents
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Description
本発明は、スポット溶接により形成された接合点の品質を評価するための方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the quality of joints produced by spot welding.
スポット溶接により形成された接合点(ナゲット)の品質を評価する方法として、たがね試験が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A chisel test is known as a method for evaluating the quality of joints (nuggets) formed by spot welding (see, for example, Patent Document 1).
例えば、断面ハット形状の金属板で覆われた袋構造(図1参照)に溶接を施す場合、たがねを挿入することが不可能な場所にナゲットが形成されることがある。このような場所に形成されたナゲットには、たがね試験を適用することができないため、他の評価方法として、例えば超音波検査が適用される(例えば、特許文献2参照)。超音波検査は、ナゲットに向けて超音波を発振し、その反射波を受信することにより、ナゲットの大きさを測定するものである。 For example, when welding a bag structure covered with a hat-shaped metal plate (see FIG. 1), a nugget may be formed in a place where a chisel cannot be inserted. Since a chisel test cannot be applied to a nugget formed in such a place, another evaluation method such as ultrasonic inspection is applied (see, for example, Patent Document 2). Ultrasonic inspection measures the size of a nugget by oscillating ultrasonic waves toward the nugget and receiving the reflected waves.
スポット溶接では、金属板が電極で加圧されるため、金属板に凹状の打痕が形成される。特に、インダイレクトスポット溶接では、電極で加圧する金属板が反対側から支持されていないため、打痕が深くなる。このような深い凹状の打痕に超音波を発振すると、超音波が打痕の表面を通過する際に分散してしまい、反射した超音波を正常に受信することができず、ナゲットの大きさの正確な測定ができない恐れがある。 In spot welding, since the metal plate is pressed by the electrode, a concave dent is formed in the metal plate. In particular, in indirect spot welding, the metal plate pressed by the electrode is not supported from the opposite side, resulting in deep dents. When an ultrasonic wave is oscillated in such a deep concave dent, the ultrasonic wave scatters when passing through the surface of the dent, and the reflected ultrasonic wave cannot be received normally. may not be able to measure accurately.
本発明者らは、スポット溶接を行いながら、接合点の品質に寄与するパラメータを取得し、このパラメータに基づいて接合点の品質を評価することを試みた。具体的に、このようなパラメータとして、一対の電極間を流れる電流値をI、両電極間の電圧をV、接合する複数の金属板同士の接触面積をSとしたとき、D=I・V/Sで表される発熱密度Dを用いた。そして、多数のサンプルに対し、発熱密度Dを取得しながらインダイレクトスポット溶接を施し、形成された接合点(ナゲット)の状態を確認し、良好なナゲットが形成される発熱密度Dの範囲を設定した。これを用いて、実際の製品のインダイレクトスポット溶接の接合点の品質を評価したが、評価の精度はそれほど高くなかった。 The inventors of the present invention acquired parameters that contribute to the quality of joints while performing spot welding, and attempted to evaluate the quality of joints based on these parameters. Specifically, as such parameters, when the current value flowing between a pair of electrodes is I, the voltage between both electrodes is V, and the contact area between a plurality of metal plates to be joined is S, D=IV. A heat generation density D expressed as /S was used. Then, indirect spot welding is performed on a large number of samples while obtaining the heat density D, the state of the formed joint (nugget) is confirmed, and the range of heat density D that allows good nuggets to be formed is set. did. This was used to evaluate the quality of joints of indirect spot welding of actual products, but the accuracy of the evaluation was not so high.
そこで、本発明は、スポット溶接の接合点の評価の精度を高めることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to improve the accuracy of evaluation of joint points of spot welding.
前記課題を解決するために、本発明は、重ね合わせた複数の金属板に一対の電極を当接させた状態で、前記一対の電極間に通電することにより前記複数の金属板を接合するスポット溶接において、接合点の品質を評価するための方法であって、前記一対の電極間に通電しながら、接合点の品質に寄与するパラメータを取得する工程と、前記一対の電極間に通電する期間を複数の区間に分け、各区間の前記パラメータの接合点の品質への寄与度を考慮して、各区間の前記パラメータを用いた評価式を作成する工程と、前記評価式を用いて接合点の品質を評価する工程とを有するスポット溶接の接合点の評価方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a spot for joining a plurality of metal plates by energizing between the pair of electrodes in a state in which a pair of electrodes are in contact with the plurality of superimposed metal plates. A method for evaluating the quality of a joint in welding, comprising the steps of obtaining a parameter contributing to the quality of the joint while passing an electric current between the pair of electrodes, and a period during which the pair of electrodes is energized. is divided into a plurality of sections, and considering the contribution of the parameters of each section to the quality of the junction point, creating an evaluation formula using the parameters of each section; and a step of evaluating the quality of spot welded joints.
上記のように、一対の電極間に通電しながら、接合点の品質に寄与するパラメータを取得した場合、通電期間の全体では、接合点が良好な場合と不良の場合とでパラメータの値に明確な差が見られない場合でも、通電期間の一部では、接合点が良好な場合と不良の場合とでパラメータの値に明確な差が現れることがある。そこで、本発明では、上記のように、一対の電極間に通電する期間を複数の区間に分け、各区間の前記パラメータの接合点の品質への寄与度を考慮して、各区間の前記パラメータを用いた評価式を作成した。この評価式を用いることで、接合点の品質を正確に評価することができる。 As described above, when the parameters that contribute to the quality of the junction are obtained while energizing between the pair of electrodes, the values of the parameters are clearly defined depending on whether the junction is good or bad during the entire energization period. Even if no significant difference is observed, there may be a clear difference in parameter values between good and bad junctions during part of the energization period. Therefore, in the present invention, as described above, the period in which the pair of electrodes is energized is divided into a plurality of sections, and the contribution of the parameter of each section to the quality of the junction point is considered. We created an evaluation formula using By using this evaluation formula, the quality of the junction can be accurately evaluated.
以上のように、本発明によれば、スポット溶接の接合点を正確に評価することができる。 As described above, according to the present invention, the joint points of spot welding can be accurately evaluated.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態では、自動車の車体の組立工程において行われるインダイレクトスポット溶接方法を示し、具体的には、図1に示すようなワーク100(車体の骨格部品)を溶接する場合を示す。ワーク100は、紙面直交方向に延びるフレーム状の部品であり、略平板状を成した第1の金属板1と、断面ハット形状を成した第2の金属板2と、第1の金属板1と第2の金属板2とで構成される中空部に配された断面ハット形状を成した第3の金属板3とで構成される。金属板1~3としては、例えば鋼板が使用され、具体的には軟鋼板、高張力鋼板(引張強度490MPa以上)、超高張力鋼板(引張強度980MPa以上)等が使用される。
In this embodiment, an indirect spot welding method performed in the assembly process of an automobile body is shown, and more specifically, a case of welding a workpiece 100 (body frame part) as shown in FIG. 1 is shown. The
第1の金属板1と第2の金属板2のフランジ部2aとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Q1を介して接合されている。第2の金属板2の底部2bと第3の金属板3のフランジ部3aとは、ダイレクトスポット溶接により予め溶接された既接合点Q2を介して接合されている。
The
そして、第1の金属板1と第3の金属板3の天板部3bとの接合予定部Pを、インダイレクトスポット溶接により接合する。インダイレクトスポット溶接装置は、溶接電極10及びアース電極20と、溶接電極10を軸線方向に駆動して金属板を加圧する加圧手段(エアシリンダや電動シリンダ等)と、加圧手段による溶接電極10の加圧力及び両電極10,20間の電流値を制御する制御部(図示省略)とを備える。
Then, the portion to be joined P between the
接合予定部Pに対するインダイレクトスポット溶接は、以下の手順で行われる。まず、ワーク100のうち、接合予定部Pと異なる部位にアース電極20を当接させる。図示例では、第2の金属板2の底部2b、特に、第2の金属板2の底部2bと第3の金属板3のフランジ部3aとの既接合点Q2に、アース電極20を下方から当接させている。この状態で、第1の金属板1と第3の金属板3の天板部3bとの接合予定部Pを厚さ方向一方側(図中上側)から溶接電極10で加圧しながら、両電極10,20間に通電することにより、接合予定部Pを溶接する。
Indirect spot welding to the part to be joined P is performed in the following procedure. First, the
本実施形態では、溶接電極10による加圧力及び両電極10,20間の電流値の一方又は双方を変化させながら、溶接が行われる。具体的には、図2に示す加圧通電パターンに従って溶接が行われる。以下、この加圧通電パターンを詳しく説明する。
In this embodiment, welding is performed while changing one or both of the pressure applied by the
[第1のステップS1]
第1のステップS1では、溶接電極10で接合予定部Pを、相対的に高い第1の加圧力F1で加圧する。これにより、金属板1,3間の隙間を詰めて両金属板1,3を確実に接触させると共に、溶接電極10と第1の金属板1との接触面積、及び、第1の金属板1と第3の金属板3との接触面積を確保することができる。この状態で、電極10,20間に、相対的に低い第1の電流値I1を通電することにより、電流密度を抑えて金属板1,3表面の溶融飛散を防止しながら、金属板1を軟化させて、溶接電極10と第1の金属板1との接触面積、及び、第1の金属板1と第3の金属板3との接触面積を拡大することができる{図3(A)参照}。尚、図3に散点で示す領域は、熱影響部である。
[First step S1]
In the first step S1, the
[第2のステップS2]
第2のステップS2では、始めに、溶接電極10に加圧力を付与する加圧手段に対して加圧力低下の指令を出す(図2参照)。このとき、加圧手段の構造上、指令を受けると同時に実際の加圧力がF1からF2まで瞬時に降下するのではなく、F1からF2まで徐々に低下する移行期間が必然的に設けられる。こうして加圧力をF1からF2まで徐々に降下させながら、第1のステップの電流値I1よりも低い電流値I2で通電する。このように、加圧力が不安定な状態での投入熱量を抑えることで、溶接電極10及び金属板1,3を適度に冷却あるいは保温してヒートバランスを調整することができる。この第2のステップS2では、金属板1,3の接合予定部P周辺の状態はほとんど変化しない{図3(B)参照}。
[Second step S2]
In the second step S2, first, a command to decrease the pressure is issued to the pressure means that applies pressure to the welding electrode 10 (see FIG. 2). At this time, due to the structure of the pressurizing means, a transition period is inevitably provided in which the actual pressurizing force does not drop instantaneously from F1 to F2 upon receipt of the command, but gradually drops from F1 to F2. In this way, while the pressing force is gradually decreased from F1 to F2, the current value I2 lower than the current value I1 of the first step is applied. In this way, by suppressing the amount of heat input when the pressure is unstable, the
[第3のステップS3]
その後、加圧手段の加圧力を検知する加圧力検知部(図示省略)が、加圧力がF2まで降下したことを検知したら、電流値を上昇させる。本実施形態では、加圧力がF2まで降下すると同時に、電流値を上昇させる(図2参照)。このとき、第2のステップS2の低電流値I2から、ナゲットを形成する本通電の電流値(次の第4のステップS4の電流値I4)まで一気に高めると、スパッタが発生する恐れがある。そこで、第3のステップS3において、低加圧力F2で加圧しながら、まずは本通電の電流値I4よりも低い電流値I3で通電することにより、金属板1,3を軟化させてこれらの接触面積を拡大することができる{図3(C)参照}。
[Third step S3]
After that, when the pressure detection unit (not shown) that detects the pressure of the pressure means detects that the pressure has fallen to F2, the current value is increased. In this embodiment, the current value is increased at the same time as the applied force drops to F2 (see FIG. 2). At this time, if the current value for main energization for forming a nugget (the current value I4 in the next fourth step S4) is suddenly increased from the low current value I2 in the second step S2, spatter may occur. Therefore, in the third step S3, while applying pressure with a low pressure F2, the
[第4のステップS4]
こうして金属板1,3同士の接触面積を確保した状態で、続く第4のステップS4で本通電の電流値I4まで上昇させて通電する(図2参照)。これにより、スパッタを発生させることなくナゲットの種(所望の大きさには至らないナゲット)を確実に形成することができる{図3(D)参照}。図示例では、第4のステップS4で、両金属板1,3の接合予定部Pに環状のナゲットNが形成される。
[Fourth step S4]
With the contact area between the
[第5のステップS5]
上記のステップS4でナゲットの種を形成した後、第5のステップS5で、溶接電極10により第2の加圧力F2で加圧しながら、両電極10,20間に、第4の電流値I4よりも低い第5の電流値I5を通電する(図2参照)。これにより、金属板1,3への投入熱量を抑えながら、第4のステップS4で加熱した金属板1,3の予熱を利用して、ナゲットの状態を安定化させることができる{図3(E)参照}。図示例では、第4のステップS4で形成された環状のナゲットNが第5のステップS5で内径側に成長し、中空部が埋められて略円盤状となる。
[Fifth step S5]
After the nugget seeds are formed in the above step S4, in the fifth step S5, while applying the second pressure force F2 from the
以上により、金属板1と金属板3の天板部3bとの接合予定部Pに、所望の大きさ及び形状を有する接合点としてのナゲットNが形成され、このナゲットNを介して両金属板1,3が接合される。
As described above, a nugget N as a joint point having a desired size and shape is formed at the joint planned portion P between the
上記のインダイレクトスポット溶接により形成された接合点の品質を、溶接中の発熱密度Dを用いて評価する。具体的には、両電極10,20間に通電を開始してから終了するまでの間、両電極10,20間を流れる電流値Iと、両電極10,20間の電圧Vと、金属板1,3同士の接触面積Sとを測定する。
The quality of the joint formed by the above indirect spot welding is evaluated using the heat generation density D during welding. Specifically, the current value I flowing between the
このとき、金属板1,3同士の接触面積Sを直接測定することは困難であるため、溶接電極10の変位量xで代替する。本実施形態では、通電開始時における溶接電極10の位置を基準とし、ここからの溶接電極10の軸方向(加圧方向)移動量を変位量xとする。溶接中の接触面積Sの具体的な取得方法は以下の通りである。まず、予め、溶接電極10の変位量xと金属板1,3の接触面積Sとの相関関係を取得する。例えば、上記のワーク100と同様のサンプルの接合予定部にインダイレクトスポット溶接を施し、通電を途中の複数段階で止めた複数のサンプルを作製する。そして、各サンプルの切断面から金属板1,3の接触面積Sを測定すると共に、そのときの溶接電極10の変位量xを記録し、グラフ上に(x,S)をプロットする(図4参照)。このグラフから、変位量xと接触面積Sとの相関関係を算出する。図示例では、接触面積Sと変位量xとがおおよそ比例関係にあり、S=a・x+bで表される(a,bは定数)。この関係式を用いることにより、実際の製品にインダイレクトスポット溶接を施す際に、測定が容易な溶接電極10の変位量xから、直接測定することが困難な金属板1,3同士の接触面積Sを取得することができる。
At this time, since it is difficult to directly measure the contact area S between the
これらの電流値I、電圧V、及び接触面積S(溶接電極10の変位量x)から、D=V・I/S=V・I/(a・x+b)で表される発熱密度Dを算出する(図2の鎖線参照)。この発熱密度Dを用いて、ナゲットNの品質を評価する。以下、発熱密度Dを用いたナゲットNの評価方法の具体的手順の一例を説明する。 From these current value I, voltage V, and contact area S (displacement amount x of welding electrode 10), heat generation density D expressed by D=VI/S=VI/(ax+b) is calculated. (see dashed line in FIG. 2). Using this heat generation density D, the quality of the nugget N is evaluated. An example of a specific procedure for evaluating the nugget N using the heat generation density D will be described below.
まず、通電開始から終了までの期間を複数の区間に分ける。本実施形態では、電流値が一定の各ステップS1~S5の少なくとも一つを複数の区間に分け、具体的には、図2に示すように、第1~第5のステップS5をそれぞれ2つの区間に等分して区間C1~C10を形成する。そして、予め、様々な条件でインダイレクトスポット溶接を行った多数のサンプルを作成し、このときの各区間C1~C10の発熱密度の値(例えば、各区間の発熱密度の平均値や積分値等)を取得すると共に、各サンプルの切断面から接合点の不良の有無を確認する。そして、発熱密度と接合点の品質との相関が高い区間、すなわち、接合点が良好である場合と不良である場合とで発熱密度の値に明確な差が生じている一又は複数の区間を選択し、選択した区間において発熱密度の値の許容範囲を設定する。 First, the period from the start to end of energization is divided into a plurality of sections. In this embodiment, at least one of steps S1 to S5 with a constant current value is divided into a plurality of sections. Specifically, as shown in FIG. It is equally divided into sections to form sections C1 to C10. Then, a large number of samples were prepared in advance by performing indirect spot welding under various conditions, and the values of the heat generation density of each section C1 to C10 at this time (for example, the average value and integral value of the heat generation density of each section) ) is obtained, and the presence or absence of defective joint points is checked from the cut surface of each sample. Then, the section where the heat generation density and the quality of the joint point are highly correlated, that is, one or more sections where there is a clear difference in the heat generation density value between the case where the joint point is good and the case where the joint point is defective is selected. Select to set the allowable range of heat generation density values in the selected interval.
そして、実際の製品において、インダイレクトスポット溶接を施した接合点の品質を評価する。すなわち、選択した区間の発熱密度の値が許容範囲内であれば、金属板1,3の接合予定部Pに良好なナゲットNが形成されていると判定し、選択した区間の発熱密度の値が許容範囲外であれば、ナゲットNに何らかの不良(ナゲット径不足、金属板の割れ、ブローホール等)が生じていると判定する。
Then, in an actual product, the quality of joints subjected to indirect spot welding is evaluated. That is, if the value of the heat generation density of the selected section is within the allowable range, it is determined that a good nugget N is formed in the joint planned portion P of the
尚、接合点を評価するにあたり、上記で選択した区間の発熱密度の値(平均値、積分値等)をそのまま用いるのではなく、これらの区間の発熱密度から統計的手法(例えば判別分析法)により作成した評価式を用いてもよい。例えば、各区間C1~C10の発熱密度の値をc1~c10としたとき、F=k1・c1+k2・c2+・・・+k10・c10で表される評価式Fを用いてもよい。k1~k10は、各項の寄与率を踏まえた係数である。このような評価式を用いることで、接合点の品質をより正確に評価することが可能となる。この評価式には、上記のような各区間の発熱密度の値の項の他、何れかの区間の発熱密度の値の累乗(例えばc12等)の項や、複数の区間の発熱密度の値の積(例えばc1・c2等)や比(例えばc1/c2等)の項を加えてもよい。 In evaluating the junction point, instead of using the heat generation density values (average value, integral value, etc.) of the sections selected above as they are, statistical methods (e.g., discriminant analysis method) are used from the heat generation densities of these sections. You may use the evaluation formula created by. For example, an evaluation formula F expressed by F=k1·c1+k2·c2+ . k1 to k10 are coefficients based on the contribution rate of each term. By using such an evaluation formula, it becomes possible to more accurately evaluate the quality of the junction. In this evaluation formula, in addition to the term of the value of the heat generation density of each section as described above, the term of the power of the value of the heat generation density of any section (for example, c1 2 etc.) and the term of the heat generation density of a plurality of sections A product of values (eg, c1·c2, etc.) or a ratio (eg, c1/c2, etc.) terms may be added.
上記のように、溶接中の電流値I、電圧V、及び金属板1,3同士の接触面積S(溶接電極10の変位量x)の関係を表す発熱密度Dを用いてナゲットNの品質を評価することで、たがね試験や超音波検査を適用できないナゲットNの品質であっても評価できる。
As described above, the quality of the nugget N is determined using the current value I during welding, the voltage V, and the heat density D that represents the relationship between the contact area S between the
また、発熱密度D(=I・V/S=I2・R/S)は、電流密度(=I/S)だけでなく、金属板1,3の温度や接触面積Sに伴って時々刻々と変化する抵抗値Rを考慮したパラメータである。この発熱密度Dを用いることで、金属板1,3の接触部における抵抗発熱による発熱状態をモニタリングできるため、ナゲットNの品質を正確に評価することができる。
In addition, the heat generation density D (=I·V/S=I 2 ·R/S) varies not only with the current density (=I/S) but also with the temperatures of the
尚、上記のようなナゲットNの品質評価は、インダイレクトスポット溶接工程とは別に設けた検査工程で行ってもよいし、インダイレクトスポット溶接工程内で行ってもよい。後者の場合、例えば、インダイレクトスポット溶接の完了と同時に、発熱密度Dの算出及びナゲットNの良否判定を自動で行うことができる。この場合、サイクルタイムの短縮が図られ、製造コストを低減できる。 The quality evaluation of the nugget N as described above may be performed in an inspection process provided separately from the indirect spot welding process, or may be performed in the indirect spot welding process. In the latter case, for example, calculation of the heat generation density D and determination of the quality of the nugget N can be automatically performed simultaneously with the completion of the indirect spot welding. In this case, the cycle time can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、接合点の品質に寄与するパラメータが発熱密度Dである場合を示したが、これに限られない。例えば、このようなパラメータとして、金属板同士の接触面積S、両電極10,20間の電圧V、両電極10,20間の通電経路の抵抗値R、あるいは金属板同士の接触部における電流密度(=I/S)等を使用することができる。
The invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the parameter that contributes to the quality of the junction is the heat density D, but the present invention is not limited to this. For example, such parameters include the contact area S between the metal plates, the voltage V between the
また、本発明に係る評価方法は、インダイレクトスポット溶接の接合点に限らず、ダイレクトスポット溶接やシリーズ溶接等の他のスポット溶接の接合点の評価に適用することができる。 In addition, the evaluation method according to the present invention can be applied not only to the joint points of indirect spot welding, but also to the evaluation of joint points of other spot welding such as direct spot welding and series welding.
1-3 金属板
10 溶接電極
20 アース電極
100 ワーク
N ナゲット(接合点)
P 接合予定部
Q1,Q2 既接合点
1-3
P Parts to be welded Q1, Q2 Already welded points
Claims (1)
前記一対の電極間に通電しながら、両電極間の電流値I、電圧V、及び金属板同士の接触面積Sを測定し、これらから発熱密度D=V・I/Sを算出する工程と、
前記一対の電極間に通電する期間を複数の区間に分け、各区間の前記発熱密度Dと接合点の品質との相関を調べる工程と、
各区間の前記発熱密度Dと接合点の品質との相関を考慮して、各区間の前記発熱密度Dを用いた評価式を作成する工程と、
前記評価式を用いて接合点の品質を評価する工程とを有するスポット溶接の接合点の評価方法。 In spot welding that joins the plurality of metal plates by energizing between the pair of electrodes with a pair of electrodes in contact with the plurality of overlapping metal plates, to evaluate the quality of the joint point. a method,
A step of measuring the current value I between the electrodes, the voltage V, and the contact area S between the metal plates while passing current between the pair of electrodes, and calculating the heat generation density D = V I / S from these ;
a step of dividing the period in which the pair of electrodes is energized into a plurality of sections and examining the correlation between the heat generation density D and the quality of the junction in each section;
A step of creating an evaluation formula using the heat generation density D of each section in consideration of the correlation between the heat generation density D of each section and the quality of the junction ;
and evaluating the quality of the joint using the evaluation formula.
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