KR20170129268A - 저항 스폿 용접 방법 - Google Patents

Abstract

테스트 용접에서 목표값으로서 기억시킨 스텝마다의 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량을 기준으로서 용접을 실행하고, 어느 하나의 스텝에 있어서 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선에서 어긋난 경우에는 그 어긋남량을 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하기 위해, 본 용접에서의 단위 체적당 누적 발열량이 테스트 용접에서 미리 구한 단위 체적당 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하고, 또한 어느 하나의 스텝에 있어서 흩어짐의 발생을 검출한 경우에는 그 이후에 있어서의 상기 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감하고, 이에 따라, 통전량을 제어한다.

Description

저항 스폿 용접 방법

본 발명은 적응 제어 용접 기술에 의해, 흩어짐이 발생했다고 해도 적정한 너깃 직경의 확보를 가능하게 한 저항 스폿 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 중첩한 강판끼리의 접합에는 중첩 저항 용접법의 일종인 저항 스폿 용접법이 이용되고 있다.

이 용접법은 중첩한 2개 이상의 강판을 사이에 둠으로써 그 상하로부터 한쌍의 전극으로 가압하면서, 상하 전극간에 고전류의 용접 전류를 단시간 통전해서 접합하는 방법으로서, 고전류의 용접 전류를 흘림으로써 발생하는 저항 발열을 이용하여 점형상의 용접부가 얻어진다. 이 점형상의 용접부는 너깃이라고 불리며, 중첩된 강판에 전류를 흘렸을 때에 강판의 접촉 개소에서 양 강판이 용융되고, 응고한 부분이다. 이 너깃에 의해, 강판끼리가 점형상으로 접합된다.

양호한 용접부 품질을 얻기 위해서는 너깃 직경이 적정한 범위에서 형성되는 것이 중요하다. 너깃 직경은 용접 전류, 통전 시간, 전극 형상 및 가압력 등의 용접 조건에 의해서 정해진다. 따라서, 적절한 너깃 직경을 형성하기 위해서는 피용접재의 재질, 판 두께 및 중첩 개수 등의 피용접재 조건에 따라, 상기의 용접 조건을 적정하게 설정할 필요가 있다.

예를 들면, 자동차의 제조시에는 1대당 수천점의 스폿 용접이 실시되어 있고, 또 순차 흘러오는 피처리재(워크)를 용접할 필요가 있다. 이 때, 각 용접 개소에 있어서의 피용접재의 재질, 판 두께 및 중첩 개수 등의 피용접재 조건이 동일하면, 용접 전류, 통전 시간 및 가압력 등의 용접 조건도 동일한 조건에서 동일한 너깃 직경을 얻을 수 있다. 그러나, 연속된 용접에서는 전극의 피용접재 접촉면이 점차 마모되어 접촉 면적이 초기 상태보다 점차 넓어진다. 이와 같이 접촉 면적이 넓어진 상태에서, 초기 상태와 동일한 값의 용접 전류를 흘리면, 피용접재 중의 전류 밀도가 저하하고, 용접부의 온도 상승이 낮아지기 때문에, 너깃 직경은 작아진다. 이 때문에, 수백∼수천점의 용접마다 전극의 연마 또는 교환을 실행하고, 전극의 선단 직경이 너무 확대되지 않도록 하고 있다.

그 밖에, 미리 정한 회수의 용접을 실행하면 용접 전류값을 증가시켜, 전극의 마모에 수반하는 전류 밀도의 저하를 보상하는 기능(스테퍼 기능)을 구비한 저항 용접 장치가 종래부터 사용되고 있다. 이 스테퍼 기능을 사용하기 위해서는 상술한 용접 전류 변화 패턴을 미리 적정하게 설정해 둘 필요가 있다. 그러나, 이 때문에, 수많은 피용접재 조건 및 용접 조건에 대응한 용접 전류 변화 패턴을 시험 등에 의해서 도출하기 위해서는 많은 시간과 코스트가 필요하게 된다. 또, 실제의 시공에 있어서는 전극 마모의 진행 상태에는 편차가 있기 때문에, 미리 정한 용접 전류 변화 패턴이 항상 적정하다고는 할 수 없다.

또한, 용접시에 외란이 존재하는 경우, 예를 들면 용접하는 점의 부근에 이미 용접한 점(기용접점)이 있거나, 피용접재의 표면 요철이 크게 용접하는 점의 부근에 피용접재의 접촉점이 존재하는 등의 경우에는 용접시에 기용접점이나 접촉점에 전류가 분류한다. 이러한 상태에서는 소정의 조건에서 용접해도, 전극 바로 아래의 용접하고자 하는 위치에 있어서의 전류 밀도는 저하하기 때문에, 역시 필요한 직경의 너깃은 얻어지지 않게 된다. 이 발열량 부족을 보상하고, 필요한 직경의 너깃을 얻기 위해서는 미리 높은 용접 전류를 설정하는 것이 필요하게 된다.

또, 표면 요철이나 부재의 형상 등에 의해 용접하는 점의 주위가 강하게 구속되어 있는 경우에는 강판간의 판 간극이 커짐으로써 강판끼리의 접촉 직경이 좁아지고, 필요한 직경의 너깃 직경이 얻어지지 않거나, 흩어짐이 발생하기 쉬워지는 경우도 있다.

상기의 문제를 해결하는 것으로서, 이하에 기술하는 바와 같은 기술이 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 추산한 용접부의 온도 분포와 목표 너깃을 비교하여 용접기의 출력을 제어하는 것에 의해서, 설정한 너깃을 얻고자 하는 저항 용접기의 제어장치가 기재되어 있다.

또, 특허문헌 2에는 용접 전류와 칩간 전압을 검출하고, 열전도 계산에 의해 용접부의 시뮬레이션을 실행하고, 너깃의 형성 상태를 추정하는 것에 의해서, 양호한 용접을 실행하고자 하는 저항 용접기의 용접 조건 제어 방법이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는 피용접물의 판 두께와 통전 시간으로부터, 그 피용접 물을 양호하게 용접할 수 있는 단위 체적당 누적 발열량을 계산하고, 계산된 단위 체적·단위 시간당 발열량을 발생시키는 용접 전류 또는 전압으로 조정하는 처리를 실행하는 용접 시스템을 이용하는 것에 의해, 피용접물의 종류나 전극의 마모 상태에 관계없이 양호한 용접을 실행하고자 하는 저항 용접 시스템이 기재되어 있다.

특허문헌 4에는 통전 중의 반 사이클마다 전력과 전류 혹은 전류의 2승값을 취하는 곡선을 연산해서 구하고, 그 추이에 따라 너깃의 형성 상태를 판정하여, 이후의 사이클의 전류값 또는 가압력을 조정하거나, 혹은 그 시점에서 전류를 중단하는 용접 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 평성9-216071호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 평성10-94883호 특허문헌 3: 일본국 특허공개공보 평성11-33743호 특허문헌 4: 일본국 특허공개공보 제2004-58153호

그러나, 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서는 열전도 모델(열전도 시뮬레이션) 등에 의거하여 너깃의 온도를 추정하기 때문에, 복잡한 계산 처리가 필요하고, 용접 제어 장치의 구성이 복잡하게 될 뿐만 아니라, 용접 제어 장치 자체가 고가로 된다는 문제가 있었다.

또, 특허문헌 3에 기재된 저항 스폿 용접 방법에서는 누적 발열량을 목표값으로 제어하는 것에 의해서, 전극이 일정량 마모되어 있었다고 해도 비교적 양호한 용접을 실행할 수 있는 것으로 고려된다. 그러나, 설정한 피용접재 조건과 실제의 피용접재 조건이 크게 다른 경우, 예를 들면 부근에 전술한 기용접점이나 강판 사이의 판 간극 등의 외란이 존재하고, 그 영향이 큰 경우에는 최종적인 누적 발열량을 목표값에 맞출 수 있다고 해도, 발열이나 통전의 형태, 즉 용접부의 온도 분포나 전류 밀도 분포의 시간 변화가 목표로 하는 양호한 용접부가 얻어지는 패턴에서 크게 어긋나, 필요로 하는 너깃 직경이 얻어지지 않거나, 흩어짐이 발생한다는 문제가 있다.

예를 들면, 용접하는 점의 부근에 피용접재의 접촉점이 있고, 또한 피용접재 간의 판 간극이 클 때에는 전극간 저항값이 증대하기 때문에, 전류값이 저하하여 너깃 직경을 확보할 수 없다고 하는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 4에서는 반사이클마다의 전류의 증가, 감소 과정의 곡선 형상의 변화를 감시하고 있기 때문에, 교류 전원에서의 용접을 전제로 하고 있어, 직류 전원에서는 사용할 수 없다. 또, 흩어짐의 발생을 억제하는 수단은 전류값, 가압력, 통전 시간의 조정 중의 어느 하나로 하고 있지만, 각각을 조정하는 필연성은 기재되어 있지 않다.

또한, 특허문헌 1∼4에 개시된 기술은 모두, 전극 선단이 마모된 경우의 변화에 대해서는 어느 정도 유효하지만, 기용접점과의 거리가 짧거나 혹은 강판간의 요철에 의해 접촉점이 존재하는 등의 원인으로 분류나 판 간극의 영향이 큰 경우에 대해서는 하등 검토가 이루어져 있지 않고, 실제로 적응 제어가 작용하지 않는 경우가 있었다.

또, 적정한 용접 조건 범위가 매우 좁은 판 조합, 예를 들면 외측에 판 두께가 얇은 아우터(박판)를 배치하고, 내측에 판 두께가 두꺼운 이너, 보강(후판)을 조합한 판 조합의 용접에서는 외란의 영향에 의해, 용접 중, 특히 흩어짐이 발생하기 쉽고, 일단 흩어짐이 발생해 버리면, 그 후는 적정한 제어를 실행할 수 없었다.

본 발명은 상기의 문제를 유리하게 해결하는 것으로서, 판 간극이나 분류 등의 외란의 영향이 크고, 이러한 외란에 의해서 용접 중에 흩어짐이 발생했다고 해도, 가일층의 흩어짐의 발생을 방지하여, 적절한 직경의 너깃을 얻을 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자는 상기의 목적을 달성하기 위해, 예의 검토를 거듭한 결과, 발명자들은 이하의 지견을 얻었다.

(1) 적정한 너깃 직경을 얻는 조건 범위가 외란에 의해서 변동하는 경우, 피용접재의 판 두께와 통전 시간으로부터 그 피용접재를 양호하게 용접할 수 있는 단위 체적·단위 시간당 발열량을 테스트 용접에 의해 계산하고, 계속되는 본 용접에 있어서 계산된 단위 체적·단위 시간당 발열량을 발생시키는 통전량으로 조정하는 적응 제어 용접을 실행하는 것이 유효하다.

(2) 그러나, 저항 스폿 용접 전 및 용접 초기에 있어서, 용접하는 점의 금속판 사이는 저항이 높고, 통전 직경이 확보되어 있지 않은 상태이다. 그 때문에, 예를 들면 용접하는 점의 부근에 기용접점 등과 같은 피용접재의 접촉점이 있고, 또 피용접재간의 판 간극이 클 때에는 접촉점에의 분류가 생기고, 용접하는 점의 피용접재끼리의 접촉 직경이 좁아지기 때문에, 판 조합에 따라서는 전극간 저항값이 증대하는 경우가 있다. 이것이 원인으로, 용접하는 점에 있어서의 누적 발열량이 과대이면 장치가 오인식해 버리는 결과, 적응 제어 중의 전류값이 감소하고, 테스트 용접과 발열 형태가 다른 것으로 되어, 필요 너깃 직경이 미달로 된다. 혹은 접촉점에의 분류량이 크기 때문에 전극간 저항값이 저하하는 경우, 피용접재끼리의 접촉 직경이 작은 상태에서 전류값이 증대하게 되기 때문에, 테스트 용접과 발열 형태가 다른 것으로 되어, 흩어짐 발생의 리스크가 높아진다.

(3) 한편, 금속판간의 판 간극이 작았다고 해도, 분류의 영향이 큰 경우에, 누적 발열량을 테스트 용접의 누적 발열량에 맞추려고 하면, 금속판간의 통전 직경이 확보되어 있지 않은 상태에서 전류값이 크게 증가한다. 이 때문에, 금속판-금속판간이 아닌 전극-금속판간 근방에서의 발열이 현저하게 되고, 역시 테스트 용접과 발열 형태가 크게 다르게 되어 버린다.

(4) 상기한 판 간극이나 분류 등의 외란의 영향에 의해, 용접 중에 일단 흩어짐이 발생하면, 용융된 금속이 주위에 비산함으로써, 용접부의 판 두께가 감소하고, 전극간의 전압이 급격히 저하한다. 그 때문에, 상기의 적응 제어 용접에서는 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당 순시 발열량이 크게 저하하고, 이것을 보충하기 위해 용접 전류 또는 전압을 과잉으로 증대시키는 제어를 실행해 버린다. 그 결과, 가일층의 흩어짐의 발생을 조장하는 것으로 된다.

(5) 그래서, 발명자들은 용접 중에 일단 흩어짐이 발생한 경우에 있어서의 가일층의 흩어짐의 발생을 방지하기 위해, 또한 검토를 거듭하였다.

그 결과, 통전 패턴을 2단 이상의 스텝으로 분할하여 적응 제어 용접을 실행하는 동시에, 흩어짐의 발생 검출 수단을 마련하고, 이 검출 수단에 의해 용접 중에 흩어짐의 발생을 검출한 경우에는 그 이후의 목표 발열량을 저감시키고, 이 저감 후의 목표 발열량에 의거하여, 통전량, 구체적으로는 용접 전류 및 전극간 전압을 조정함으로써 가일층의 흩어짐의 발생을 방지하여, 적절한 직경의 너깃을 얻을 수 있다는 지견을 얻었다.

(6) 또, 흩어짐 발생 후의 목표 발열량을 재설정하기 위해서는 통상, 흩어짐 발생시에 감소한 판 두께를 고려하여 발열량을 재계산하는 것이 필요하게 된다. 그러나, 판 두께의 감소량을 용접 중에 정확하게 모니터링하는 것은 극히 곤란하다.

그래서, 발명자들은 이에 대신하는 흩어짐 발생 후의 목표 발열량의 재설정 방법에 대해 또한 검토를 거듭한 결과, 흩어짐의 발생의 검출시의 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하의 정도에 따라, 그 이후의 목표 발열량을 저감시키는 것이 유효하다는 지견을 얻었다.

본 발명은 상기의 지견에 의거하여, 또한 검토를 가하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

１．복수개의 금속판을 중첩한 피용접재를, 한쌍의 전극에 의해서 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법에 있어서, 본 용접과, 해당 본 용접에 앞서는 테스트 용접을 실행하고, 그 때, 해당 본 용접 및 테스트 용접의 통전 패턴을 2단 이상의 스텝으로 분할하고, 또, 상기 테스트 용접에서는 스텝마다 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키고, 상기 본 용접에서는 상기 테스트 용접에서 목표값으로서 기억시킨 스텝마다의 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량을 기준으로 해서 용접을 실행하고, 어느 하나의 스텝에 있어서 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선에서 어긋난 경우에는 그 어긋남량을 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하기 위해, 본 용접에서의 단위 체적당 누적 발열량이 테스트 용접에서 미리 구한 단위 체적당 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하고, 또한 어느 하나의 스텝에 있어서 흩어짐의 발생을 검출한 경우에는 그 이후에 있어서의 상기 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감하고, 이에 따라, 통전량을 조정하는 적응 제어 용접을 실행하는 저항 스폿 용접 방법.

２．상기 흩어짐의 발생의 검출 후에 설정하는 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Qs[T](J)로 하고, 상기 테스트 용접에 의해 설정한 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Q0[T](J), 흩어짐 발생 시점까지의 단위 체적당 누적 발열량을 Qf(J), 흩어짐의 발생의 검출시에 있어서의 1사이클(50Hz)당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하율을 R(%)로 했을 때, Qs[T]를, Q0[T], Qf 및 R과의 관계에서 다음식

Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(5R/100))≤Qs[T]≤Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(0.1R/100))

의 범위로 설정하는 상기 1에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

３．상기 흩어짐의 발생의 검출이 전극간 전압, 전극간 저항, 전극간 거리, 용접 건의 서보 토크 및 용접 건의 왜곡 중의 어느 하나의 변화에 의한 것인 상기 1 또는 2에 기재된 저항 스폿 용접 방법.

본 발명에 따르면, 분류나 판 간극 등의 외란에 의해, 용접 중에 흩어짐이 발생했다고 해도, 가일층의 흩어짐의 발생을 방지하여, 적절한 직경의 너깃을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 저항 스폿 용접 방법의 1실시형태에 따르는 (a) 통전 시간과 전극간 전압의 관계의 일예,(b) 통전 시간과 용접 전류의 관계의 일예, (c) 통전 시간과 누적 발열량의 관계의 일예를 각각 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 저항 스폿 용접 장치의 일예를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 저항 스폿 용접 방법의 1실시형태에 있어서, (a) 판 간극이 있는 3개 중첩의 판 조합에 대해, (b) 판 간극이 있는 2개 중첩의 판 조합에 대해, 각각 용접을 실행하는 경우의 모식도이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 복수개의 금속판을 중첩한 피용접재를, 한쌍의 전극에 의해서 사이에 배치하고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법으로서, 특히, 외란의 영향을 강하게 받고, 흩어짐이 발생하기 쉬운 적정한 용접 조건 범위가 매우 좁은 판 조합, 예를 들면 중첩한 2개 이상의 후판의 적어도 한쪽에 박판을 중첩한 판 두께 비(판 조합의 전체 두께/판 조합을 구성하는 가장 얇은 금속판의 판 두께)가 3.0초과, 더 나아가서는 5.0이상으로 한 판 조합을 용접하는 경우에 바람직한 저항 스폿 용접 방법이다. 또한, 판 두께 비의 상한은 특히 한정되는 것은 아니지만, 통상 12.0이다.

또한, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서 사용 가능한 용접 장치로서는 상하 한쌍의 전극을 구비하고, 용접 중에 가압력 및 용접 전류를 각각 임의로 제어 가능하면 좋고, 가압 기구(에어 실린더나 서보 모터 등), 형식(정치식, 로봇 건 등), 전극 형상은 특히 한정되지 않는다.

또, 박판은 피용접재에 이용되는 금속판 중, 판 두께가 상대적으로 작은 금속판을 의미하고, 후판은 판 두께가 상대적으로 큰 금속판을 의미한다. 또한, 통상, 박판의 판 두께는 가장 판 두께가 큰 금속판(후판)의 3/4이하의 판 두께로 된다.

또, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서는 본 용접의 통전 패턴을 2단 이상의 스텝으로 분할하여, 용접을 실시한다.

여기서, 통전 패턴의 스텝 분할을 실행하는 타이밍으로서는 피용접재로 되는 금속판의 재질, 판 두께, 중첩 개수 등에 따라 적절히 설정하면 좋다.

예를 들면, 중첩한 2개 이상의 후판의 적어도 한쪽에 박판을 중첩한 판 두께비가 3.0초과, 더 나아가서는 5.0이상으로 한 판 조합을 용접하는 경우, 제 1 스텝에서 후판-후판간, 박판-후판간의 어느 하나에 너깃 형성을 실행하고, 제 2 스텝에서 나머지의 판 사이에 너깃 형성을 실행하도록 설정할 수 있다.

또, 2개의 금속판으로 이루어지는 피용접재를 용접하는 경우, 용접 중의 현상의 변화에 응답성 좋게 적응 제어 용접을 실행하기 위해, 금속판 사이에 안정된 통전 경로(용융부)가 형성될 때까지의 단계와, 그 이후의 너깃 성장 과정으로 분할하는 것이 고려된다. 또한, 피용접재가 도금 강판의 경우, 도금이 용융되어 급격하게 통전 면적이 확대되는 단계와, 그 후의 통전에 의해 전극간에 안정된 통전 경로(용융부)가 형성될 때까지의 단계 및, 그 후의 너깃 성장 과정의 3단계로 용접 프로세스를 분할해도 좋다.

또, 각 스텝의 용접 전류의 대소 관계는 불문이며, 스텝간에 냉각 시간을 마련해도 문제없다.

또한, 본 용접에 앞서, 본 용접과 마찬가지의 타이밍에서 스텝 분할을 한 테스트 용접을 실행한다. 테스트 용접에서는 스텝마다 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킨다.

또, 이 테스트 용접에서는 피용접재와 동일한 강종, 두께의 용접 시험을 기용접점으로의 분류나 판 간극이 없는 상태에서, 정전류 제어로 각종 조건에서 실행하고, 테스트 용접에 있어서의 최적 조건을 찾아낸다. 그리고, 각 스텝에 대해, 상기의 조건에서 용접을 실행했을 때의 용접 중에 있어서의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로서 기억시킨다. 여기서, 전극간의 전기 특성은 전극간 저항 혹은 전극간 전압을 의미한다.

상기의 테스트 용접 후, 본 용접을 실행한다. 본 용접은 상기의 테스트 용접에서 얻어진 스텝마다의 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 용접을 개시하고, 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선을 따르고 있는 경우에는 그대로 용접을 실행하여 용접을 종료한다. 단, 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선에서 어긋난 경우에는 그 때의 어긋남량에 따라 통전량을 제어하는 적응 제어 용접을 실행하여, 본 용접에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량이 테스트 용접에서 미리 구한 단위 체적당 누적 발열량과 일치하도록, 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상한다.

이것에 의해, 전극 선단이 마모되거나, 분류나 판 간극 등의 외란의 영향이 큰 상태라도, 필요한 누적 발열량을 확보하여, 적정한 너깃 직경을 얻을 수 있다.

또한, 여기서 말하는 외란은 용접점의 부근에 기용접점이 있는 경우나 피용접재의 접촉점이 존재하는 경우 이외에, 전극의 손모 등을 들 수 있다.

또, 단위 체적당 누적 발열량의 산출 방법에 대해서는 특히 제한은 없지만, 특허문헌 3에 그 일예가 개시되어 있고, 본 발명에서도 이 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에 의한 단위 체적당 누적 발열량 Q의 산출 요령은 다음과 같다.

피용접재의 합계 두께를 t, 피용접재의 전기 저항율을 r, 전극간 전압을 V, 용접 전류를 I로 하고, 전극과 피용접재가 접촉하는 면적을 S로 한다. 이 경우에, 용접 전류는 횡단 면적이 S이고, 두께 t의 기둥형상 부분을 통과하여 저항 발열을 발생시킨다. 이 기둥형상 부분에 있어서의 단위 체적·단위 시간당 발열량 q는 다음식 (1)로 구해진다.

q =(V·I)/(S·t)…(1)

또, 이 기둥형상 부분의 전기 저항 R'는 다음식 (2)로 구해진다.

R'=(r·t)/S…(2)

(2)식을 S에 대해 풀고 이것을 (1)식에 대입하면 발열량 q는 다음식 (3)

q =(V·I·R')/(r·t²)

=(V²)/(r·t²)…(3)

으로 된다.

상기 식(3)으로부터 명백한 바와 같이, 단위 체적·단위 시간당 발열량 q는 전극간 전압 V와 피용접물의 합계 두께 t와 피용접물의 전기 저항율 r로부터 산출할 수 있고, 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, (3)식은 전극간 전압 V로부터 발열량을 계산하고 있지만, 전극간 전류 I로부터 발열량 q를 계산할 수 있으며, 이 때에도 전극과 피용접물이 접촉하는 면적 S를 이용할 필요가 없다. 그리고, 단위 체적·단위 시간당 발열량 q를 통전 기간에 걸쳐 누적하면, 용접에 가해지는 단위 체적당 누적 발열량 Q가 얻어진다. (3)식으로부터 명백한 바와 같이, 이 단위 체적당 누적 발열량 Q도 또한 전극과 피용접재가 접촉하는 면적 S를 이용하지 않고 산출할 수 있다.

이상, 특허문헌 3에 기재된 방법에 의해서, 누적 발열량 Q를 산출하는 경우에 대해 설명했지만, 그 밖의 산출식을 이용해도 좋은 것은 물론이다.

또, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 어느 하나의 스텝에 있어서 흩어짐의 발생을 검출한 경우, 그 이후, 상기 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감시키고, 이것에 따라, 통전량, 결국은 용접 전류 및 전극간 전압을 조정하는 것이 극히 중요하다.

즉, 용접 중에 일단 흩어짐이 발생하면, 용융된 금속이 주위에 비산함으로써, 용접부의 판 두께가 감소하고, 전극간의 전압이 급격히 저하한다. 그 때문에, 테스트 용접에서 기억시킨 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로 해서 그대로 용접을 계속하면, 용접 전류 또는 전극간 전압을 과잉으로 증대시키는 제어를 실행해 버리게 되고, 가일층의 흩어짐의 발생을 조장하는 것으로 된다.

이 때문에, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에서는 어느 하나의 스텝에 있어서 흩어짐의 발생을 검출한 경우, 그 이후, 상기 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감하고, 이에 따라, 통전량, 결국은 용접 전류 및 전극간 전압을 조정하는 것으로 한 것이다.

또한, 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감해도 원하는 너깃 직경이 얻어지는 것은 흩어짐의 발생에 의해 용접부의 판 두께가 감소하고, 이것에 의해 원하는 너깃 직경을 얻기 위해 필요한 발열량도 감소하기 때문으로 발명자들은 생각하고 있다.

또, 흩어짐 발생 후에 새로이 설정하는 단위 체적당 누적 발열량의 목표값의 설정 방법으로서는 예를 들면, 흩어짐의 발생의 검출 후에 새로이 설정하는 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Qs[T](J)로 하고, 테스트 용접에 의해 설정한 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Q0[T](J), 흩어짐 발생 시점까지의 단위 체적당 누적 발열량을 Qf(J), 흩어짐 발생시에 있어서의 1cycle(50Hz(이후, 시간의 단위는 모두 50Hz에 있어서의 cycle수로 함))당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하율을 R(%)로 했을 때, Qs[T]를 Q0[T], Qf 및 R과의 관계에서 다음식

Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(5R/100))≤Qs[T]≤Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(0.1R/100))

의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

이 범위로 누적 발열량의 목표값을 설정하면, 용접 중에 흩어짐의 발생을 검출한 경우에도, 가일층의 흩어짐의 발생을 발생시키는 일 없이, 흩어짐 발생 후의 용접부의 판 두께에 따른 원하는 직경의 너깃이 얻어진다. 또한, 여기서 말하는 통전 시간 T는 통전을 개시한 시점으로부터의 경과시간이다.

더욱 바람직하게는 Qs[T]를 Q0[T], Qf 및 R과의 관계로 다음 식

Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(4R/100))≤Qs[T]≤Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(0.3R/100))

의 범위로 설정한다.

더욱 바람직하게는 Qs[T]를 Q0[T], Qf 및 R의 관계로 다음식

Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(3R/100))≤Qs[T]≤Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(0.5R/100))

의 범위로 설정한다.

또한, 각 상기 식에 있어서, 식의 좌변이 Qf이하로 되는 경우는 각각

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))

로 한다.

또한, 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선은 상기한 단위 체적당 누적 발열량의 목표값의 수정에 맞추어, 누적 발열량의 수정과 동일한 비율로 되도록 수정된다.

또, 흩어짐 발생의 검출 수단으로서는 이하의 방법을 이용할 수 있다.

흩어짐이 발생했을 때에는 용접부의 판 두께 감소에 의해서 전극간 전압 및 전극간 저항이 감소한다. 이 때문에, 예를 들면, 1cycle(50Hz)당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 감소율 R이 일정한 임계값을 초과했을 때에 흩어짐 발생으로 인식한다는 방법을 이용할 수 있다. 이 임계값으로서는 통상의 적응 제어에 있어서의 전극간 전압 또는 전극간 저항의 변화와 구별되는 관점에서, 10∼30%로 하는 것이 바람직하다.

또한, 흩어짐이 발생한 경우에도 1사이클(50Hz)당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하율:R의 최대값은 통상 50%이다.

또, 흩어짐 발생에 의한 판 두께 감소로, 전극간의 거리도 급격히 감소하기 때문에, 이것을 흩어짐 발생의 검출 수단으로 할 수도 있다.

또한, 흩어짐 발생시에는 전극의 가압력에 대한 강판의 반력이 급격히 감소하기 때문에, 설정 가압력을 유지하고자 하면, 가압력 제어 장치의 응답이 추종하지 못하여 일시적으로 가압력이 크게 증감하게 된다. 따라서, 이것도 흩어짐 발생의 검출 수단으로 할 수 있다. 또한, 가압력을 계측하는 방법은 특히 제한되지 않으며, 용접 건의 서보 모터의 토크나 용접 건의 왜곡 등에 의해서 계측할 수 있다.

또, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법을 실시함에 있어서, 바람직한 저항 스폿 용접 장치로서는 도 2에 나타내는 바와 같은 구성으로 이루어지는 장치를 들 수 있다.

도면 중, '1'은 저항 스폿 용접 전원, '2'는 저항 스폿 용접 전원(1)에 제어 신호를 주는 제어부, '3'은 용접 전류의 검출부이며, 검출한 신호를 제어부(2)에 넣고 있다. '4'는 저항 스폿 용접 전원(1)의 출력에 접속된 이차 도체이고, 전극(7)에 통전하기 위해 전극(7)에 접속되어 있다. '5'는 하부 암, '6'은 가압 실린더이며, 각각에 전극(7)이 부착되고, 전극(7)에 의해서 '8'의 피용접재가 협지된다. '9'는 전극(7)에 부착된 전극간 전압 검출선이며, '2'의 제어부에 넣어 있다. '2'의 제어부에 있어서는 테스트 용접을 실행하는 모드와 본 용접을 실행하는 모드를 전환할 수 있다.

여기서, 테스트 용접 모드에 있어서는 용접 전류 검출부(3)로부터 입력된 전류와, 전극간 전압 검출선(9)으로부터 입력된 전압으로부터 순시 발열량이 계산되고, 그 시간 변화가 기억된다.

또, 본 용접을 실행하는 모드에 있어서는 테스트 용접의 용접 조건으로 통전을 개시하는 동시에, 제어부(2)에 있어서, 용접 전류 검출부(3)로부터 입력된 전류와, 전극간 전압 검출선(9)으로부터 입력된 전압으로부터 순시 발열량이 샘플링 시간마다 계산된다. 그리고, 각 시간에 있어서의 순시 발열량과 목표값을 비교하고, 그 2개의 값에 차가 생긴 시점에서, 그 어긋남량에 따라 용접 전류를 제어하는 적응 제어 용접을 실행한다. 즉, 본 용접에 있어서의 누적 발열량이 목표값으로서 기억된 누적 발열량과 일치하도록, 제어부(2)에서 적응 제어된 용접 전류가 피용접재(8)에 통전되도록 구성되어 있다.

그리고, 전극간 전압 검출선(9)으로부터 입력된 전압의 급격한 저하 등에 의해, 흩어짐의 발생을 검출한 경우에는 제어부(2)에서, 테스트 용접으로 목표값으로 한 누적 발열량을 재설정하고, 이 재설정 후의 누적 발열량에 의거하여, 통전량, 즉 용접 전류 및 전극간 전압을 조정한다.

또한, 각 스텝에 있어서의 가압력이나 용접 시간과 같은 조건의 대소 관계는 특히 한정되지 않으며, 피용접재로 되는 금속판의 재질, 판 두께, 중첩 개수 등에 따라 적절히 설정하면 된다.

예를 들면, 중첩된 2개 이상의 후판의 적어도 한쪽에 박판을 중첩한 판 두께 비가 3.0초과, 더 나아가서는 5.0이상으로 한 판 조합을 용접함에 있어서, 제 1 스텝에 있어서 후판-후판간을 제 2 스텝에 있어서 박판-후판간을 용융시켜 용접을 실행하는 경우에는 제 1 스텝의 가압력 F1(kN)과 제 2 스텝의 가압력 F2(kN)에 대해, F1>F2의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 또, 제 1 스텝 및 제 2 스텝의 통전 시간 T1, T2는 각각, 5∼50cycles, 1∼20cycles로 하면 더욱 좋다. 또한, 이 경우, 제 2 스텝에서의 흩어짐의 발생을 방지하는 관점에서, 제 1 스텝과 제 2 스텝의 통전의 사이에, 1cycle이상 100cycles이하의 냉각 시간을 마련하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 저항 스폿 용접 방법에 있어서 피용접재로 되는 금속판은 특히 제한되지 않으며, 연강에서 초고장력 강판까지의 각종 강도를 갖는 강판 및 도금 강판, 알루미늄 합금 등의 경금속판의 용접에도 적용할 수 있으며, 4개 이상의 강판을 중첩한 판 조합에도 적용할 수 있다.

실시예

표 1 및 도 3의 (a), (b)에 나타내는 바와 같은 3개 중첩 또는 2개 중첩의 금속판의 판 조합에 대해, 표 2에 나타내는 조건으로 저항 스폿 용접을 실행하고, 이음매를 제작하였다. 도면 중, '11'이 금속판(박판), '12 및 13'이 금속판(후판), '14'가 전극, '15'가 스페이서이다.

여기서, 표 2의 제어 모드가 「적응 제어(흩어짐 보정 없음)」에서는 표에 나타낸 용접 조건으로 판 간극 등의 외란이 없는 상태에서 테스트 용접을 실행하고, 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화를 기억시킨 후, 테스트 용접에서 얻어진 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선을 기준으로 해서 전류값을 추종시키는 적응 제어 스폿 용접을 흩어짐 발생의 유무에 관게없이 실행했을 때의 결과를 나타내고 있다. 또, 제어 모드가 「적응 제어(흩어짐 보정 있음)」에서는 단위 시간당 전극간 전압의 감소율이 임계값(20%)을 상회한 경우에, 흩어짐 발생으로 판단하고, 그 이후에서는 흩어짐의 발생의 검출시에 있어서의 1사이클당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하율에 의거하여, 표 2에 나타내는 바와 같이 해서 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 감소시키고, 이에 따라, 통전량을 조정했을 때의 결과를 나타내고 있다. 또한, 통전 시간이나 가압력 등과 같은 조건은 테스트 용접과 본 용접에서 동일하다.

또, 도 3의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 후판(12)-후판(13)간에 스페이서(15)(스페이서간 거리 60mm)를 삽입하고, 상하로부터 클램프함으로써(도시하지 않음), 각종 판 간극 두께로 되는 판 간극을 마련하였다.

또한, 용접기에는 인버터 직류 저항 스폿 용접기를 이용하고, 전극에는 DR 형 선단 직경 6mm의 크롬 동 전극을 이용하였다.

얻어진 각 이음매에 대해, 용접부를 절단하고 단면을 에칭 후, 광학 현미경에 의해 관찰하고, 박판-후판간의 너깃 직경 d1(mm) 및 후판-후판간의 너깃 직경 d2(mm)를 각각 계측하고, 너깃 직경 d1, d2가 모두 4 √ t'이상(t': 인접하는 2개의 금속판 중 얇은 쪽의 금속판의 판 두께(mm))이며, 또한 용접부의 최소 두께가 용접 전의 판 조합의 합계 두께의 40%이상의 경우를 ○로 평가하였다. 또, 너깃 직경 d1, d2가 4 √ t'미만 혹은 용접부의 최소 두께가 용접 전의 판 조합의 합계 두께의 40% 미만의 경우를 ×로 평가하였다.

[표 1]

[표 2]

발명예에서는 충분한 용접부의 최소 두께가 얻어지는 동시에, 4 √ t'이상의 직경을 갖는 너깃이 박판-후판간 및 후판-후판간에서 얻어졌다. 또한, 판 간극 두께가 작은 참고예에서는 도중에 흩어짐의 발생을 검출하는 일 없이, 4 √ t'이상의 직경을 갖는 너깃이 박판-후판간 및 후판-후판간에서 얻어졌다.

한편, 비교예에서는 모두, 충분한 용접부의 최소 두께가 얻어지지 않았다.

1; 저항 스폿 용접 전원
2; 저항 스폿 용접 전원에 제어 신호를 주는 제어부
3; 용접 전류의 검출부
4; 저항 스폿 용접 전원의 출력에 접속된 이차 도체
5; 하부 암
6; 가압 실린더
7; 전극
8; 피용접재
9; 전극간 전압 검출선
11; 금속판(박판)
12, 13; 금속판(후판)
14; 전극
15; 스페이서

Claims (3)

1. 복수개의 금속판을 중첩한 피용접재를, 한쌍의 전극에 의해서 사이에 두고, 가압하면서 통전하여 접합하는 저항 스폿 용접 방법에 있어서,
   본 용접과, 해당 본 용접에 앞서는 테스트 용접을 실행하고, 그 때, 해당 본 용접 및 테스트 용접의 통전 패턴을 2단 이상의 스텝으로 분할하고,
   또, 상기 테스트 용접에서는 스텝마다 정전류 제어에 의해 통전하여 적정한 너깃을 형성하는 경우의 전극간의 전기 특성으로부터 산출되는 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 단위 체적당 누적 발열량을 목표값으로서 기억시키고,
   상기 본 용접에서는 상기 테스트 용접에서 목표값으로서 기억시킨 스텝마다의 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화 곡선 및 누적 발열량을 기준으로 해서 용접을 실행하고, 어느 하나의 스텝에 있어서 단위 체적당 순시 발열량의 시간 변화량이 기준인 시간 변화 곡선에서 어긋난 경우에는 그 어긋남량을 해당 스텝의 나머지의 통전 시간내에서 보상하기 위해, 본 용접에서의 단위 체적당 누적 발열량이 테스트 용접에서 미리 구한 단위 체적당 누적 발열량과 일치하도록 통전량을 제어하고, 또한 어느 하나의 스텝에 있어서 흩어짐의 발생을 검출한 경우에는 그 이후에 있어서의 상기 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 저감하고, 이에 따라, 통전량을 조정하는 적응 제어 용접을 실행하는 저항 스폿 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 흩어짐의 발생의 검출 후에 설정하는 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Qs[T](J)로 하고, 상기 테스트 용접에 의해 설정한 통전 시간 T에 있어서의 단위 체적당 누적 발열량의 목표값을 Q0[T](J), 흩어짐 발생 시점까지의 단위 체적당 누적 발열량을 Qf(J), 흩어짐의 발생의 검출시에 있어서의 1사이클(50Hz)당 전극간 전압 또는 전극간 저항의 저하율을 R(%)로 했을 때, Qs[T]를, Q0[T], Qf 및 R과의 관계에서 다음식
   Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(5R/100))≤Qs[T]≤Qf+(Q0[T]-Qf)×(1-(0.1R/100))
   의 범위로 설정하는 저항 스폿 용접 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 흩어짐의 발생의 검출이 전극간 전압, 전극간 저항, 전극간 거리, 용접 건의 서보 토크 및 용접 건의 왜곡 중의 어느 하나의 변화에 의한 것인 저항 스폿 용접 방법.

Images