WO2020050011A1 - スポット溶接方法 - Google Patents

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WO2020050011A1
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current
welding
peak
range
control device
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斉藤 仁
信也 渡邉
錫昊 譚
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本田技研工業株式会社
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    • B23K11/00Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/10Spot welding; Stitch welding
    • B23K11/11Spot welding
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/18Sheet panels

Definitions

  • the present invention relates to a spot welding method.
  • spot welding using a spot welding device is performed.
  • spot welding when a plurality of metal plates are sandwiched between a pair of electrode tips, a current is applied between the pair of electrode tips to generate a nugget between the plurality of metal plates and weld the plurality of metal plates. .
  • a plurality of metal plates are welded by applying a plurality of DC micropulses to the plurality of metal plates in a state where the plurality of metal plates are sandwiched between a pair of electrodes.
  • the nugget In spot welding, if the current supply time between the pair of electrode tips is short, the nugget may not grow to the size required for welding and welding may not be possible. On the other hand, if the energization time between the pair of electrode tips is lengthened, the nugget grows too much and protrudes from the corona bond formed between the plurality of metal plates (unmelted pressure-bonded portion formed outside the nugget). As a result, the nugget may be exposed and spatter may occur. Under such circumstances, in spot welding, reliable welding is required while suppressing generation of spatter.
  • the contact resistance between the thick plate and the thick plate is larger than the contact resistance between the thin plate and the thick plate, the nugget formed between the thick plate and the thick plate is different from the nugget formed between the thin plate and the thick plate. Grow faster compared to. For this reason, if energization is continued until the nugget between the thin plate and the thick plate is sufficiently grown, the nugget between the thick plate and the thick plate may grow too much and spatter may occur.
  • An object of the present invention is to provide a spot welding method capable of securely joining works while suppressing generation of spatter.
  • the spot welding method according to the present invention is a method for joining a work (for example, a work W described later) by supplying a welding current, and the welding current reaches within a set peak current range. Or a pulsed waveform in which a maintained peak state and a non-peak state after falling from the peak current range to the bottom current and then rising again to the peak current range are alternately realized, In the non-peak state, current control for increasing the welding current toward the peak current range when the effective value (Irms) of the welding current reaches a predetermined target range (for example, an effective value target range described later). Is started.
  • a predetermined target range for example, an effective value target range described later
  • the work is a laminate formed by stacking three or more metal plates (for example, metal plates W1, W2, and W3 described later), and at least one of the three or more metal plates is used.
  • the metal plate is preferably formed so as to have a different thickness from other metal plates.
  • the workpieces are joined by supplying a welding current having a pulse-like waveform realized alternately.
  • the current control for increasing the welding current toward the peak current range is started. In other words, in the present invention, the start of the current control for the next cycle is waited until the effective value of the welding current reaches the target range.
  • a work is a laminate formed by stacking three or more metal plates, at least one of which has a different thickness from the other.
  • the contact resistance between the thick plate and the thick plate is larger than that between the thin plate and the thick plate, and the growth of the nugget is faster, but the heat removal between the thick plate and the thick plate is larger than that between the thin plate and the thick plate. Therefore, in the present invention, such a laminated body of metal plates is used as a work, and in a non-peak state, the start of current control is waited until the effective value of the welding current reaches a target range, so that the thickness between the thin plate and the thick plate and the thickness are reduced.
  • the thickness between the thick plate and the thick plate is controlled so as to suppress the generation of spatter between the thick plate and the thick plate.
  • the time for cooling the nugget can be secured.
  • FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an AC voltage input to a transformer from an inverter circuit and a welding current applied to an electrode tip pair in a welding power supply circuit. It is a figure which shows the cross section of the workpiece
  • FIG. 6 is a diagram showing a state in which a welding current is applied to the work while the work is being sandwiched and pressed between the upper electrode tip and the lower electrode tip. It is a flowchart which shows the specific procedure of welding current control in a control apparatus.
  • FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a welding current realized by the welding current control of FIG. 5. It is a flowchart which shows the specific procedure of a current control process. It is a flowchart which shows the specific procedure of an effective value control process.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a welding system S to which a spot welding method according to the present embodiment is applied.
  • the welding system S includes a spot welding device 1 as a welding gun, a work W as a laminate of metal plates joined by the spot welding device 1, and a robot 6 supporting the spot welding device 1.
  • the work W is a laminate formed by stacking a plurality of metal plates.
  • the work W is a laminate formed by stacking three metal plates, that is, a first metal plate W1, a second metal plate W2, and a third metal plate W3 in order from top to bottom.
  • the case will be described, but the present invention is not limited to this.
  • the number of metal plates constituting the work W may be two or four or more.
  • the thickness of the first metal plate W1 is smaller than the thicknesses of the second metal plate W2 and the third metal plate W3 will be described, but the present invention is not limited to this.
  • At least one of the metal plates W1 to W3 may have a different thickness from the other metal plates.
  • the robot 6 includes a robot main body 60 attached to the floor, an articulated arm 61 pivotally supported by the robot main body 60, and a robot control device 62 for controlling the robot 6.
  • the articulated arm 61 has a first arm portion 611 whose base end is pivotally supported by the robot body 60, a second arm portion 612 whose base end is pivotally supported by the first arm portion 611, and a base end side thereof.
  • a third arm portion 613 pivotally supported by the second arm portion 612, a fourth arm portion 614 having a base end side pivotally supported by the third arm portion 613 and having the spot welding device 1 attached to a distal end side thereof. , Is provided.
  • the robot controller 62 drives each of the arm units 611 to 614 by driving a plurality of motors provided on the robot main body 60 and the articulated arm 61, and drives the spot welding apparatus 1 attached to the fourth arm unit 614. , And the electrode tips 21 and 26 provided in the spot welding apparatus 1 described below are moved to the joint of the workpiece W.
  • the spot welding apparatus 1 includes a welding power supply circuit 3 serving as a welding current supply source, a gun main body 2 on which a part of an upper electrode tip moving mechanism 4 and a welding power supply circuit 3 described later are mounted, and a pair of electrodes. It includes an electrode chip 21 and a lower electrode chip 26, an upper electrode chip support 22, an upper adapter body 23, a gun arm 25, a lower electrode chip support 27, and a lower adapter body 28.
  • the upper electrode chip supporting portion 22 has a rod shape extending in the vertical direction, and the upper electrode chip 21 is attached to the tip thereof.
  • the upper adapter main body 23 has a columnar shape and connects the gun main body 2 and the upper electrode chip supporting portion 22.
  • the upper adapter main body 23 is provided slidably with respect to the gun main body 2 along a sliding direction parallel to the axis of the upper electrode chip support 22.
  • the gun arm 25 extends from the gun body 2 to the lower side in the vertical direction of the upper electrode tip 21 in a curved manner.
  • the lower electrode chip support portion 27 has a rod shape coaxial with the upper electrode chip support portion 22, and the lower electrode chip 26 is attached to a tip portion thereof.
  • the lower adapter main body 28 has a columnar shape, and connects the distal end of the gun arm 25 to the lower electrode chip support 27. As shown in FIG. 1, the lower electrode chip 26 is supported by the lower electrode chip support 27 so as to face the upper electrode chip 21 at a predetermined interval along the axis of the chip supports 22 and 27. Have been.
  • the upper electrode tip moving mechanism 4 includes a cylinder and its control device, and moves the upper adapter body 23 along with the upper electrode chip support portion 22 and the upper electrode chip 21 in the sliding direction. Thereby, the upper electrode chip 21 is brought into contact with the upper surface of the work W in a state where the lower electrode chip 26 is brought into contact with the lower surface of the work W, or the work W is sandwiched between the electrode chips 21 and 26 to be added. You can also press.
  • FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the welding power supply circuit 3.
  • the welding power supply circuit 3 includes a welding control circuit 3a, a DC welding transformer 3b, a power supply cable 3c, and a current sensor 3d.
  • the welding power supply circuit 3 is connected to the upper electrode chip 21 and the lower electrode chip 26 via power lines L1 and L2.
  • the DC welding transformer 3 b and the current sensor 3 d of the welding power supply circuit 3 configured as described above are mounted on the gun body 2.
  • the welding control circuit 3a of the welding power supply circuit 3 is mounted on a base separate from the gun body 2, and is connected to the DC welding transformer 3b via a power cable 3c. As a result, the weight of the gun body 2 can be reduced.
  • the welding control circuit 3a includes a converter circuit 31, an inverter circuit 32, and a control device 33.
  • the DC welding transformer 3b includes a transformer 34 and a rectifier circuit 35.
  • the converter circuit 31 converts the three-phase power input from the three-phase power supply 30 into DC power by performing full-wave rectification, and supplies the DC power to the inverter circuit 32.
  • the inverter circuit 32 converts DC power input from the converter circuit 32 into single-phase AC power, and outputs it to the transformer 34 via the power cable 3c. More specifically, the inverter circuit 32 includes four bridge-connected switching elements. The inverter circuit 32 converts DC power into single-phase AC power by turning on or off these switching elements according to a gate drive signal transmitted from a gate drive circuit mounted on the control device 33.
  • the transformer 34 transforms the AC power input from the inverter circuit 32 and outputs it to the rectifier circuit 35.
  • Rectifier circuit 35 rectifies AC power input from transformer 34 and outputs DC power between electrode chips 21 and 26 connected to power lines L1 and L2, respectively.
  • the rectifier circuit 35 for example, a known full-wave rectifier circuit configured by combining two rectifier diodes 351 and 352 and a center tap 353 is used.
  • the current sensor 3d detects a welding current supplied from the welding power supply circuit 3 to the chips 21 and 26.
  • the current sensor 3d is provided on, for example, a power line L1 that connects the rectifier circuit 35 and the upper electrode chip 21, and transmits a current detection signal corresponding to the magnitude of a welding current flowing through the power line L1 to the control device 33.
  • the control device 33 uses a current detection signal transmitted from the current sensor 3d to execute a welding current control, which will be described later, and generates a gate drive signal in accordance with the operation result of the microcomputer and transmits the gate drive signal to the inverter circuit 32. And a gate drive circuit.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the AC voltage Vt input from the inverter circuit 32 to the transformer 34 and the welding current Iw applied to the electrode tips 21 and 26 in the welding power supply circuit 3 described above.
  • the inverter circuit 32 When the inverter circuit 32 is driven, the inverter circuit 32 outputs a rectangular-wave AC voltage Vt as shown in FIG.
  • the AC voltage output from the inverter circuit 32 is transformed in the transformer 34 and rectified in the rectifier circuit 35, and the DC welding current Iw is applied to the work W via the electrode tips 21 and 26.
  • the welding current Iw increases as the duty ratio, which is the ratio of the pulse width PW, which is the period during which the AC voltage Vt becomes Hi or Lo, to the predetermined carrier cycle T, increases.
  • the control device 33 performs PI control or the like such that the output current of the welding power supply circuit 3 detected by the current sensor 3d becomes a target current determined by a process (not shown).
  • the pulse width PW is determined in accordance with the known feedback control law, and a plurality of switching elements in the inverter circuit 32 are turned on / off by PWM control under a duty ratio determined by the pulse width PW.
  • the robot control device 62 drives the robot main body 60 and the articulated arm 61 so that the workpiece W is arranged between the upper electrode chip 21 and the lower electrode chip 26. , The position and attitude of the spot welding apparatus 1 are controlled. At this time, the robot control device 62 controls the position and the posture of the spot welding device 1 such that the lower electrode tip 26 comes into contact with the lower surface of the third metal plate W3 of the work W.
  • the upper adapter main body 23 is slid by using the upper electrode tip moving mechanism 4 so that the upper electrode tip 21 approaches the lower electrode tip 26.
  • the upper electrode chip 21 approaches the lower electrode chip 26 and comes into contact with the upper surface of the first metal plate W1
  • the work W is sandwiched and pressed by the upper electrode chip 21 and the lower electrode chip 26.
  • the control device 33 of the welding power supply circuit 3 executes the welding current control according to the procedure described with reference to FIG. 5 while maintaining the state where the work W is pressed from both sides by the electrode tips 21 and 26, A pulsed welding current flows between the upper electrode tip 21 and the lower electrode tip 26.
  • the first nugget N1 is formed between the first metal plate W1 and the second metal plate W2
  • the second nugget N1 is formed between the second metal plate W2 and the third metal plate W3.
  • a nugget N2 is formed, and the first to third metal plates W1 to W3 are welded.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a specific procedure of welding current control in the control device 33.
  • FIG. 6 is a diagram showing a waveform of a welding current realized by the welding current control of FIG.
  • the welding current generated by performing the welding current control of FIG. 5 includes a peak state that reaches or is maintained within a set peak current range, and a bottom current (for example, , 0) and then a non-peak state alternately rising again toward the peak current range.
  • the control device 33 executes a current control process, and proceeds to S2.
  • the control device 33 increases the welding current from the bottom current toward the peak current range, and thereafter maintains the peak state for a predetermined time.
  • the control device 33 determines whether or not a predetermined slope time has elapsed.
  • the slope time is, as shown in FIG. 5, a current rise time, which is a time from when the welding current reaches the upper limit of the peak current range, to a welding current, and a time when the welding current is maintained within the peak current range. This time is a sum of a certain peak maintaining time and is set in advance.
  • the control device 33 executes an effective value control process, and proceeds to S4.
  • the control device 33 waits for the execution of the current control process for a waiting time (see FIG. 6) determined based on the effective value of the welding current. I do.
  • the control device 33 determines whether or not the set energization time has elapsed since the start of the welding current control in FIG. The energization time corresponds to the time required for joining one point of the work W by the spot welding apparatus 1 and is set in advance. If the determination result in S4 is NO, the control device 33 returns to S1 and executes the current control process again. When the determination result of S4 is YES, the control device 33 ends the process of FIG. 5 to start the joining of the next point of the workpiece W.
  • the control device 33 repeatedly executes the current control process (see S1) and the effective value control process (see S3) over the energizing time, so that the pulse shown in FIG. A welding current having a waveform is applied between the electrode tips 21 and 26.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a specific procedure of the current control process.
  • the control device 33 acquires the current current value Ipv, which is the current value of the welding current, by using the current detection signal transmitted from the current sensor 3d, and proceeds to S12.
  • the control device 33 sets the target current value Isp corresponding to the target value for the welding current, and proceeds to S13.
  • the target current value Isp is set between predetermined current rising slopes or between the upper limit and the lower limit of the peak current range.
  • the control device 33 calculates the effective value Irms of the welding current by using the current current value Ipv acquired in S11, and proceeds to S14. More specifically, the control device 33 calculates the square root of the root mean square value of the current current value Ipv over the time elapsed from the start of the welding current control of FIG. Is calculated.
  • control device 33 calculates the current deviation Idev by subtracting the current current value Ipv acquired in S11 from the target current value Isp set in S12, and proceeds to S15.
  • the control device 33 calculates the pulse width PW according to the feedback control law (specifically, for example, the PI control law) based on the current deviation Idev calculated in S14 so that the current deviation Idev becomes 0, and S16. Move on to More specifically, the control device 33 sums up a value obtained by multiplying the current deviation Idev by a predetermined proportional gain Kp and a value obtained by multiplying the integrated value of the current deviation Idev by a predetermined integration gain Ki to obtain a pulse. The width PW is calculated.
  • the feedback control law specifically, for example, the PI control law
  • the control device 33 starts the PW counter, and proceeds to S17.
  • the control device 33 turns on the switching element provided in the inverter circuit 32, and proceeds to S18.
  • the control device 33 determines whether or not the value of the PW counter has become 0, that is, whether or not the time corresponding to the pulse width PW has elapsed since the start of the PW counter in S16.
  • the determination result in S18 is NO, the control device 33 returns to S17 and keeps the switching element ON, and when the determination result in S18 is YES, the control device 33 proceeds to S19.
  • control device 33 turns off the switching element provided in the inverter circuit 32, and proceeds to S20.
  • control device 33 determines whether or not the set carrier cycle has elapsed since the switching element was turned ON in S17. When the determination result of S20 is NO, the control device 33 returns to S19 and keeps the switching element OFF, and when the determination result of S20 is YES, the control device 33 proceeds to S2 in FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a specific procedure of the effective value control process.
  • the control device 33 starts a standby time counter to measure an energization standby time (see FIG. 6) corresponding to the execution time of the effective value control process, and proceeds to S32.
  • the control device 33 acquires the current current value Ipv by using the current detection signal transmitted from the current sensor 3d, and proceeds to S33.
  • the control device 33 calculates the effective value Irms of the welding current in the same procedure as in S13 by using the current current value Ipv acquired in S32, and proceeds to S34.
  • the control device 33 determines whether or not the effective value Irms calculated in S33 has reached an effective value target range defined between a predetermined lower limit Itrg_min and a predetermined upper limit Itrg_max (Itrg_min ⁇ Irms). ⁇ Itrg_max). If the determination result in S34 is YES, the control device 33 starts the current control process in the next cycle, and proceeds to S4 in FIG. 5 to increase the welding current again toward the peak current range.
  • the control device 33 proceeds to S35 and determines whether or not the value of the standby time counter started in S31 is 0, in other words, the power supply standby time exceeds the predetermined time. Is determined. If the determination result in S35 is NO, the control device 33 returns to S32, and waits for the start of the current control process in the next cycle until the effective value Irms decreases and reaches the effective value target range. If the determination result in S35 is YES, that is, if the effective value Irms has not reached the effective value target range within the predetermined time, the control device 33 proceeds to S36, and turns on a warning light, for example. Is notified to the operator that some abnormality has occurred, and the welding current control is terminated.
  • the control device 33 repeatedly executes the current control process shown in FIG. 7 until a preset slope time elapses.
  • the target current value Isp is set, and the PI control is performed so that the current current value Ipv obtained via the current sensor 3d becomes the target current value Isp.
  • the pulse width PW To determine the pulse width PW, and drive the inverter circuit 32 by PWM control under the pulse width PW.
  • the welding current increases from the bottom current toward the peak current range, and reaches the upper limit of the peak current range at time t2.
  • the welding current is maintained within the peak current range by the PI control in the control device 33.
  • the control device 33 ends the current control process (see S1) and executes the effective value control process. (Refer to S3).
  • the welding current maintained within the peak current range is applied to the work W.
  • the growth of nuggets N1 and N2 is promoted between the first metal plate W1 and the second metal plate W2 and between the second metal plate W2 and the third metal plate W3, respectively.
  • the thickness of the first metal plate W1 is smaller than the thicknesses of the second metal plate W2 and the third metal plate W3. Therefore, the contact resistance between the first metal plate W1 and the second metal plate W2 is smaller than the contact resistance between the second metal plate W2 and the third metal plate W3.
  • the Joule heat generated by the contact resistance due to the flow of the welding current is larger between the second metal plate W2 and the third metal plate W3 than between the first metal plate W1 and the second metal plate W2.
  • the growth rate of the nugget N2 generated between the second metal plate W2 and the third metal plate W3 is equal to the growth speed of the nugget N1 generated between the first metal plate W1 and the second metal plate W2. Faster than speed.
  • the control device 33 executes the effective value control process described with reference to FIG.
  • the control device 33 calculates the effective value Irms of the welding current (see S33), and stops driving the inverter circuit 32 until the effective value Irms reaches the effective value target range. .
  • the control device 33 ends the effective value control process and starts the current control process of the next cycle in response to the fact that the effective value Irms decreases and reaches the execution value target range.
  • the welding current increases again from the bottom current toward the peak current range.
  • the drive of the inverter circuit 32 is stopped over the energization standby time until the effective value Irms of the welding current reaches the effective value target range. For this reason, while performing the effective value control process, the welding current is maintained in a state where the welding current is limited to the lower limit value of the peak current range or less, so that the nuggets N1 and N2 generated between the metal plates are cooled by heat removal. You.
  • the thickness of the first metal plate W1 is smaller than the thicknesses of the second metal plate W2 and the third metal plate W3.
  • the heat reduction between the second metal plate W2 and the third metal plate W3 is smaller than the heat reduction between the first metal plate W1 and the second metal plate W2.
  • the cooling amount of the nugget N2 due to heat removal is larger than the cooling amount of the nugget N1 due to heat removal.
  • the growth rate of the nugget N2 in the peak state is faster than the growth rate of the nugget N1, and thus the welding current is maintained in a state where the welding current is limited to the peak current range or less over the energization standby time. By promoting the cooling, it is possible to suppress the occurrence of spatter between the second metal plate W2 and the third metal plate W3.
  • the current control process of the next cycle is started in response to the effective value Irms of the welding current having reached the effective value target range, and the welding current is increased again, whereby each metal plate W1 is increased. Since the energy required to grow the nuggets N1 and N2 can be controlled between W3 and W3, it is possible to reliably join the workpieces while suppressing the occurrence of spatter as described above.
  • welding system W work W1: first metal plate W2: second metal plate W3: third metal plate 1: spot welding device (welding device) 2: Gun body 21: Upper electrode tip (electrode) 26 ... Lower electrode tip (electrode) 3: welding power supply circuit 3a: welding control circuit 3b: DC welding transformer 3d: current sensor 31: converter circuit 32: inverter circuit 33: control device 34: transformer 35: rectifier circuit L1, L2: power line

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Resistance Welding (AREA)

Abstract

スポット溶接方法は、溶接電流を供給することによって3枚以上の金属板の積層体であるワークを接合する方法である。溶接電流は、設定されたピーク電流範囲内に達する又は維持されるピーク状態と、ピーク電流範囲から設定されたボトム電流へ向けて下降した後、再びピーク電流範囲へ向けて上昇する非ピーク状態とが交互に実現されるパルス状波形を有する。非ピーク状態では、溶接電流の実効値Irmsが低下し、所定の実効値目標範囲内に到達した場合に、溶接電流をピーク電流範囲へ向けて上昇させる電流制御処理を開始する。

Description

スポット溶接方法
 本発明は、スポット溶接方法に関する。
 複数の金属板を溶接する場合は、スポット溶接装置を用いたスポット溶接が行われている。スポット溶接は、一対の電極チップの間で複数の金属板を挟持した状態で、一対の電極チップ間に通電することで、複数の金属板間にナゲットを発生させて複数の金属板を溶接する。
 特許文献1に示された発明では、一対の電極により複数の金属板を挟持した状態で、複数の直流マイクロパルスを複数の金属板に印加することで、複数の金属板を溶接している。
 スポット溶接においては、一対の電極チップ間への通電時間が短い場合には、ナゲットが溶接に必要な大きさに成長できず、溶接できない場合がある。一方で、一対の電極チップ間への通電時間を長くすると、ナゲットが成長し過ぎてしまい、複数の金属板間に形成したコロナボンド(ナゲットの外側に形成された未溶融圧接部)から突出することがあり、その結果、ナゲットが露出し、スパッタが発生することがある。このような事情から、スポット溶接においては、スパッタの発生を抑制しながら確実に溶接することが求められている。
特表2013-501628号公報
 ところで自動車の車体を製造する工程では、厚みの異なる3枚以上の金属板の溶接が求められる場合がある。この場合、厚板-厚板間の接触抵抗は薄板-厚板間の接触抵抗よりも大きいことから、厚板-厚板間に形成されるナゲットは、薄板-厚板間に形成されるナゲットと比較して速く成長する。このため、薄板-厚板間のナゲットが十分に成長するまで通電を継続すると、厚板-厚板間のナゲットが成長しすぎてしまい、スパッタが発生してしまう場合がある。
 本発明は、スパッタの発生を抑制しつつ確実にワークを接合できるスポット溶接方法を提供することを目的とする。
 (1)本発明に係るスポット溶接方法は、溶接電流を供給することによってワーク(例えば、後述のワークW)を接合する方法であって、前記溶接電流は、設定されたピーク電流範囲内に達する又は維持されるピーク状態と、前記ピーク電流範囲からボトム電流へ向けて下降した後、再び前記ピーク電流範囲へ向けて上昇する非ピーク状態とが交互に実現されるパルス状波形を有し、前記非ピーク状態では、前記溶接電流の実効値(Irms)が所定の目標範囲(例えば、後述の実効値目標範囲)内に達した場合に前記溶接電流を前記ピーク電流範囲へ向けて上昇させる電流制御を開始することを特徴とする。
 (2)この場合、所定時間内に前記電流制御が開始しない場合には、前記溶接電流の供給を停止するとともに異常が生じたことを報知することが好ましい。
 (3)この場合、前記ワークは、3枚以上の金属板(例えば、後述の金属板W1,W2,W3)を重ねて構成さる積層体であり、前記3枚以上の金属板の少なくとも1枚の金属板は他の金属板と厚みが異なるように形成されることが好ましい。
 (1)本発明のスポット溶接方法では、ピーク電流範囲内に達する又は維持されるピーク状態と、ピーク電流範囲からボトム電流へ向けて下降した後、再びピーク電流範囲へ向けて上昇する非ピーク状態とが交互に実現されるパルス状波形の溶接電流を供給することによってワークを接合する。ここで本発明では、非ピーク状態において、溶接電流の実効値が所定の目標範囲内に達した場合に、溶接電流をピーク電流範囲へ向けて上昇させる電流制御を開始する。換言すれば、本発明では、溶接電流の実効値が目標範囲内に達するまで、次周期へ向けた電流制御の開始を待機する。これにより、溶接電流によって適切な大きさのナゲットが形成されるようなエネルギをワークに供給しつつ、スパッタの発生が抑制されるような適切なタイミングで電流制御を開始することができる。したがって本発明によれば、スパッタの発生を抑制しつつ確実にワークを接合できる。
 (2)本発明では、所定時間内に、溶接電流をピーク電流範囲へ向けて上昇させる電流制御が開始しない場合には、溶接電流の供給を停止するとともに異常が生じたことを報知する。これにより、何らかの異常が生じた場合に溶接が継続されてしまい、品質の低い製品が製造されるのを防止することができる。
 (3)本発明のスポット溶接方法では、少なくとも1枚が他のものと厚みが異なる3枚以上の金属板を重ねて構成される積層体をワークとする。ところでピーク状態では溶接電流がピーク電流範囲内に達する又は維持されるため、各金属板の間ではナゲットの成長が促進されるが、上述のように非ピーク状態において溶接電流の実効値が目標範囲内に達するまで次周期へ向けた電流制御の開始を待機している間、熱引きによってナゲットが冷却される。上述のように厚板-厚板間は薄板-厚板間よりも接触抵抗が大きくナゲットの成長が速いものの、厚板-厚板間は薄板-厚板間よりも熱引きも大きい。よって本発明では、このような金属板の積層体をワークとし、非ピーク状態において溶接電流の実効値が目標範囲内に達するまで電流制御の開始を待機することにより、薄板-厚板間及び厚板-厚板間の両方においてナゲットが十分に成長するように適切な大きさのエネルギを供給しつつ、厚板-厚板間ではスパッタの発生が抑制されるように厚板-厚板間のナゲットを冷却するための時間を確保することができる。
本発明の一実施形態に係るスポット溶接方法が適用された溶接システムの構成を示す図である。 溶接電源回路の回路構成を示す図である。 溶接電源回路において、インバータ回路からトランスに入力される交流電圧と電極チップ対に印加される溶接電流との関係を示す図である。 溶接中におけるワークの断面を模式的に示す図である。 上電極チップと下電極チップとでワークを挟持し加圧しながら、ワークに溶接電流を印加した状態を示す図である。 制御装置における溶接電流制御の具体的な手順を示すフローチャートである。 図5の溶接電流制御によって実現される溶接電流の波形を示す図である。 電流制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 実効値制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
 以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
 図1は、本実施形態に係るスポット溶接方法が適用された溶接システムSの構成を示す図である。
 溶接システムSは、溶接ガンであるスポット溶接装置1と、このスポット溶接装置1によって接合される金属板の積層体であるワークWと、スポット溶接装置1を支持するロボット6と、を備える。
 ワークWは、複数の金属板を重ねて構成される積層体である。本実施形態では、ワークWとして、3枚の金属板である第1金属板W1と第2金属板W2と第3金属板W3とを、上方から下方へ順に重ねて構成される積層体とした場合について説明するが、本発明はこれに限らない。ワークWを構成する金属板の枚数は、2枚でもよいし、4枚以上であってもよい。また以下では、第1金属板W1の厚みは第2金属板W2及び第3金属板W3の厚みよりも薄い場合について説明するが、本発明はこれに限らない。これら金属板W1~W3のうち少なくとも1枚の金属板は、他の金属板と厚みが異なればよい。
 ロボット6は、床面に取り付けられたロボット本体60と、このロボット本体60に軸支された多関節アーム61と、このロボット6を制御するロボット制御装置62と、を備える。多関節アーム61は、その基端側がロボット本体60によって軸支された第1アーム部611と、その基端側が第1アーム部611によって軸支された第2アーム部612と、その基端側が第2アーム部612によって軸支された第3アーム部613と、その基端側が第3アーム部613によって軸支されるとともにその先端側にスポット溶接装置1が取り付けられた第4アーム部614と、を備える。
 ロボット制御装置62は、ロボット本体60及び多関節アーム61に設けられた複数のモータを駆動することによって各アーム部611~614を駆動して、第4アーム部614に取り付けられたスポット溶接装置1の位置及び向きを制御し、スポット溶接装置1に設けられた後述の電極チップ21,26を、ワークWの接合部に移動させる。
 スポット溶接装置1は、溶接電流の供給源である溶接電源回路3と、後述の上電極チップ移動機構4及び溶接電源回路3の一部が搭載されたガン本体2と、一対の電極である上電極チップ21及び下電極チップ26と、上電極チップ支持部22と、上アダプタ本体23と、ガンアーム25と、下電極チップ支持部27と、下アダプタ本体28と、を備える。
 上電極チップ支持部22は鉛直方向に沿って延びる棒状であり、その先端部に上電極チップ21が取り付けられている。上アダプタ本体23は、柱状であり、ガン本体2と上電極チップ支持部22とを接続する。上アダプタ本体23は、ガン本体2に対し上電極チップ支持部22の軸線と平行な摺動方向に沿って摺動自在に設けられている。
 ガンアーム25は、ガン本体2から上電極チップ21の鉛直方向下方側へ湾曲して延びる。下電極チップ支持部27は、上電極チップ支持部22と同軸の棒状であり、その先端部に下電極チップ26が取り付けられている。下アダプタ本体28は、柱状であり、ガンアーム25の先端部と下電極チップ支持部27とを接続する。図1に示すように、下電極チップ26は、上電極チップ21に対し、チップ支持部22,27の軸線に沿って所定の間隔を空けて対向するように、下電極チップ支持部27によって支持されている。
 上電極チップ移動機構4は、シリンダ及びその制御装置等を備え、上アダプタ本体23を、上電極チップ支持部22及び上電極チップ21とともに摺動方向に沿って進退させる。これにより、下電極チップ26をワークWの下面に当接させた状態で上電極チップ21をワークWの上面に当接させたり、さらにはこれら電極チップ21,26によってワークWを挟持し、加圧したりすることもできる。
 図2は、溶接電源回路3の回路構成を示す図である。溶接電源回路3は、溶接制御回路3aと、DC溶接トランス3bと、電源ケーブル3cと、電流センサ3dと、を備える。溶接電源回路3は、電力線L1,L2を介して上電極チップ21及び下電極チップ26に接続されている。また図1に示すように、ガン本体2には、以上のように構成された溶接電源回路3のうち、DC溶接トランス3b及び電流センサ3dが搭載される。また溶接電源回路3のうち溶接制御回路3aは、ガン本体2と別体の基台に搭載されており、DC溶接トランス3bと電源ケーブル3cを介して接続されている。これによりガン本体2の重量を軽くすることができる。
 溶接制御回路3aは、コンバータ回路31と、インバータ回路32と、制御装置33と、を備える。またDC溶接トランス3bは、トランス34と、整流回路35と、を備える。
 コンバータ回路31は、3相電源30から入力される3相電力を全波整流することによって直流電力に変換し、この直流電力をインバータ回路32に供給する。
 インバータ回路32は、コンバータ回路32から入力される直流電力を単相交流電力に変換し、電源ケーブル3cを介してトランス34へ出力する。より具体的には、インバータ回路32は、ブリッジ接続された4つのスイッチング素子を備える。インバータ回路32は、制御装置33に搭載されるゲートドライブ回路から送信されるゲート駆動信号に応じてこれらスイッチング素子をON又はOFFにすることにより、直流電力を単相交流電力に変換する。
 トランス34は、インバータ回路32から入力される交流電力を変圧して整流回路35へ出力する。整流回路35は、トランス34から入力される交流電力を整流し、直流電力を電力線L1,L2にそれぞれ接続された電極チップ21,26間に出力する。この整流回路35には、例えば2つの整流ダイオード351,352とセンタータップ353とを組み合わせて構成される既知の全波整流回路が用いられる。
 電流センサ3dは、溶接電源回路3からチップ21,26に供給される溶接電流を検出する。電流センサ3dは、例えば整流回路35と上電極チップ21とを接続する電力線L1に設けられ、この電力線L1を流れる溶接電流の大きさに応じた電流検出信号を制御装置33へ送信する。
 制御装置33は、電流センサ3dから送信される電流検出信号を用いて後述の溶接電流制御を実行するマイクロコンピュータや、このマイクロコンピュータの演算結果に応じてゲート駆動信号を生成しインバータ回路32へ送信するゲートドライブ回路等を備える。
 図3は、以上のような溶接電源回路3において、インバータ回路32からトランス34に入力される交流電圧Vtと電極チップ21,26に印加される溶接電流Iwとの関係を示す図である。
 インバータ回路32を駆動すると、インバータ回路32からは図3に示すよう矩形波状の交流電圧Vtが出力される。インバータ回路32から出力される交流電圧は、トランス34において変圧され、さらに整流回路35において整流され、直流の溶接電流Iwが電極チップ21,26を介してワークWに印加される。
 ここで図3に示すように、溶接電流Iwは、所定のキャリア周期Tに対し交流電圧VtがHi又はLoとなる期間であるパルス幅PWの比であるデューティ比を大きくするほど増加する。制御装置33は、後に図5及び図6を参照して説明するように、電流センサ3dによって検出される溶接電源回路3の出力電流が図示しない処理によって定められる目標電流になるようにPI制御等の既知のフィードバック制御則に従ってパルス幅PWを決定するとともに、このパルス幅PWによって定められるデューティ比の下でPWM制御によってインバータ回路32における複数のスイッチング素子をON/OFF駆動する。
 次に、以上のような溶接システムSによってワークWを接合するスポット溶接方法の手順について説明する。
 先ず、図1に示すように、ロボット制御装置62は、ロボット本体60及び多関節アーム61を駆動することによって、上電極チップ21と下電極チップ26との間にワークWが配置されるように、スポット溶接装置1の位置及び姿勢を制御する。このとき、ロボット制御装置62は、下電極チップ26がワークWの第3金属板W3の下面に当接するように、スポット溶接装置1の位置及び姿勢を制御する。
 次に、図4に示すように、上電極チップ移動機構4を用いることによって上アダプタ本体23を摺動させ、上電極チップ21を下電極チップ26に接近させる。上電極チップ21が下電極チップ26に接近し、第1金属板W1の上面に当接すると、上電極チップ21と下電極チップ26とによって、ワークWが挟持され、加圧される。
 次に、溶接電源回路3の制御装置33は、電極チップ21,26によってワークWを両面から加圧した状態を維持したまま、図5を参照して説明する手順によって溶接電流制御を実行し、上電極チップ21と下電極チップ26との間にパルス状の溶接電流を流す。これにより、図4に示すように、第1金属板W1と第2金属板W2との間に第1ナゲットN1が形成され、第2金属板W2と第3金属板W3との間に第2ナゲットN2が形成され、第1~第3金属板W1~W3が溶接される。
 図5は、制御装置33における溶接電流制御の具体的な手順を示すフローチャートである。図6は、図5の溶接電流制御によって実現される溶接電流の波形を示す図である。図6に示すように、図5の溶接電流制御を行うことによって生成される溶接電流は、設定されたピーク電流範囲内に達する又は維持されるピーク状態と、ピーク電流範囲内からボトム電流(例えば、0)へ向けて下降した後、再びピーク電流範囲へ向けて上昇する非ピーク状態とが交互に実現されるパルス状波形を有する。
 始めにS1では、制御装置33は、電流制御処理を実行し、S2に移る。後に図7を参照して詳述するように、この電流制御処理では、制御装置33は、溶接電流をボトム電流からピーク電流範囲へ向けて上昇させた後、所定時間にわたりピーク状態を維持する。
 S2では、制御装置33は、所定のスロープ時間が経過したか否かを判定する。このスロープ時間は、図5に示すように、溶接電流がボトム電流からピーク電流範囲の上限値に到達するまでの時間である電流立ち上がり時間と、溶接電流がピーク電流範囲内で維持される時間であるピーク維持時間とを合わせた時間であり、予め設定される。制御装置33は、S2の判定結果がNOである場合には、S1に戻り電流制御処理を継続して実行し、S2の判定結果がYESである場合には、S3に移る。
 S3では、制御装置33は、実効値制御処理を実行し、S4に移る。後に図8を参照して詳述するように、この実効値制御処理では、制御装置33は、溶接電流の実効値に基づいて定められる待ち時間(図6参照)にわたり電流制御処理の実行を待機する。S4では、制御装置33は、図5の溶接電流制御を開始してから設定された通電時間が経過したか否かを判定する。この通電時間は、スポット溶接装置1によってワークWの一点を接合するのにかかる時間に相当し、予め設定される。制御装置33は、S4の判定結果がNOである場合には、S1に戻り再び電流制御処理を実行する。また制御装置33は、S4の判定結果がYESである場合には、ワークWの次点の接合を開始するべく図5の処理を終了する。
 以上のように溶接電流制御では、制御装置33は、電流制御処理(S1参照)と、実効値制御処理(S3参照)とを、通電時間にわたり繰り返し実行することにより、図6に示すようなパルス状波形の溶接電流を電極チップ21,26間に印加する。
 図7は、電流制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
 始めにS11では、制御装置33は、電流センサ3dから送信される電流検出信号を用いることによって、溶接電流の現在値である電流現在値Ipvを取得し、S12に移る。S12では、制御装置33は、溶接電流に対する目標値に相当する目標電流値Ispを設定し、S13に移る。図6に示すように、目標電流値Ispは、所定の電流立ち上げスロープ間又はピーク電流範囲の上限値と下限値との間に設定される。
 S13では、制御装置33は、S11で取得した電流現在値Ipvを用いることによって、溶接電流の実効値Irmsを算出し、S14に移る。より具体的には、制御装置33は、図5の溶接電流制御を開始してから現時点までの間に経過した時間にわたる電流現在値Ipvの二乗平均値の平方根を算出することにより、実効値Irmsを算出する。
 S14では、制御装置33は、S12で設定した目標電流値IspからS11で取得した電流現在値Ipvを減算することによって、電流偏差Idevを算出し、S15に移る。
 S15では、制御装置33は、S14で算出した電流偏差Idevに基づくフィードバック制御則(具体的には、例えばPI制御則)に従い、電流偏差Idevが0になるようにパルス幅PWを算出し、S16に移る。より具体的には、制御装置33は、電流偏差Idevに所定の比例ゲインKpを乗算したものと、電流偏差Idevの積分値に所定の積分ゲインKiを乗算したものとを合算することにより、パルス幅PWを算出する。
 S16では、制御装置33は、PWカウンタをスタートし、S17に移る。S17では、制御装置33は、インバータ回路32に設けられるスイッチング素子をONにし、S18に移る。S18では、制御装置33は、PWカウンタの値が0になったか否か、すなわちS16においてPWカウンタをスタートしてから、パルス幅PWに相当する時間が経過したか否かを判定する。制御装置33は、S18の判定結果がNOである場合には、S17に戻りスイッチング素子をONにし続け、S18の判定結果がYESである場合には、S19に移る。
 S19では、制御装置33は、インバータ回路32に設けられるスイッチング素子をOFFにし、S20に移る。S20では、制御装置33は、S17においてスイッチング素子をONにしてから設定されたキャリア周期が経過したか否かを判定する。制御装置33は、S20の判定結果がNOである場合にはS19に戻りスイッチング素子をOFFにし続け、S20の判定結果がYESである場合には図5のS2に移る。
 図8は、実効値制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
 S31では、制御装置33は、実効値制御処理の実行時間に相当する通電待機時間(図6参照)を計測するべく待機時間カウンタをスタートし、S32に移る。S32では、制御装置33は、電流センサ3dから送信される電流検出信号を用いることによって電流現在値Ipvを取得し、S33に移る。S33では、制御装置33は、S32で取得した電流現在値Ipvを用いることによって、S13と同じ手順によって溶接電流の実効値Irmsを算出し、S34に移る。
 S34では、制御装置33は、S33で算出された実効値Irmsが、所定の下限値Itrg_minと所定の上限値Itrg_maxとの間に定められる実効値目標範囲内に到達したか否か(Itrg_min≦Irms≦Itrg_max)を判定する。またS34の判定結果がYESである場合には、制御装置33は、次周期の電流制御処理を開始し、溶接電流をピーク電流範囲へ向けて再び上昇させるべく図5のS4に移る。
 またS34の判定結果がNOである場合には、制御装置33は、S35に移り、S31でスタートした待機時間カウンタの値が0であるか否か、換言すれば通電待機時間が所定時間を超えたか否かを判定する。S35の判定結果がNOである場合には、制御装置33は、S32に戻り、実効値Irmsが低下し、実効値目標範囲内に到達するまで次周期の電流制御処理の開始を待機する。またS35の判定結果がYESである場合、すなわち所定時間内に実効値Irmsが実効値目標範囲内に到達しなかった場合には、制御装置33は、S36に移り、例えば警告灯を点灯することによって何らかの異常が生じたことを作業者に報知するとともに、溶接電流制御を終了する。
 次に、以上のような溶接電流制御を実行することによって生成される溶接電流の波形について、図6を参照しながら詳細に説明する。
 始めに時刻t1~t3の間では、制御装置33は、予め設定されたスロープ時間が経過するまで、図7に示す電流制御処理を繰り返し実行する。図7を参照して説明したように、この電流制御処理では、目標電流値Ispを設定するとともに、電流センサ3dを介して取得される電流現在値Ipvが目標電流値IspになるようにPI制御によってパルス幅PWを決定し、このパルス幅PWの下でPWM制御によってインバータ回路32を駆動する。これにより図6に示すように、時刻t1以降では、溶接電流はボトム電流からピーク電流範囲へ向けて上昇し、時刻t2においてピーク電流範囲の上限値に到達する。その後時刻t2以降では、溶接電流は制御装置33におけるPI制御によってピーク電流範囲内に維持される。その後時刻t3では、時刻t1において電流制御処理を開始してからスロープ時間が経過したことに応じて(S2参照)、制御装置33は、電流制御処理(S1参照)を終了し、実効値制御処理(S3参照)を開始する。
 以上のような電流制御処理を実行することにより、ピーク電流範囲内に維持された溶接電流がワークWに印加される。これにより、図4に示すように、第1金属板W1-第2金属板W2間及び第2金属板W2-第3金属板W3間においてそれぞれナゲットN1,N2の成長が促進される。ここで図4に示すように、第1金属板W1の厚みは、第2金属板W2及び第3金属板W3の厚みよりも薄い。このため第1金属板W1-第2金属板W2間の接触抵抗は、第2金属板W2-第3金属板W3間の接触抵抗よりも小さい。したがって溶接電流が流れることによって接触抵抗で発生するジュール熱は第1金属板W1-第2金属板W2間よりも第2金属板W2-第3金属板W3間の方が大きい。このため、ピーク状態では、第2金属板W2-第3金属板W3間において生成されるナゲットN2の成長速度は、第1金属板W1-第2金属板W2間に生成されるナゲットN1の成長速度よりも速い。
 図6に戻り、時刻t3~t5の間では、制御装置33は、図8を参照して説明した実効値制御処理を実行する。この実効値制御処理では、制御装置33は、溶接電流の実効値Irmsを算出するとともに(S33参照)、この実効値Irmsが実効値目標範囲内に到達するまで、インバータ回路32の駆動を停止する。これにより時刻t3以降では、溶接電流は、ボトム電流へ向けて速やかに下降し、時刻t4においてボトム電流に到達する。その後時刻t5では、実効値Irmsが低下し、実行値目標範囲内に到達したことに応じて、制御装置33は、実効値制御処理を終了し、次周期の電流制御処理を開始する。これにより、時刻t5以降では、溶接電流がボトム電流からピーク電流範囲へ向けて再び上昇する。
 以上のような実効値制御処理を実行することにより、溶接電流の実効値Irmsが実効値目標範囲内に到達するまでの通電待機時間にわたり、インバータ回路32の駆動が停止される。このため実効値制御処理を行っている間、溶接電流はピーク電流範囲の下限値以下に制限された状態が維持されるため、各金属板の間に生成されたナゲットN1,N2は熱引きによって冷却される。ここで上述のように第1金属板W1の厚みは、第2金属板W2及び第3金属板W3の厚みよりも薄い。このため第2金属板W2-第3金属板W3間の熱引きは、第1金属板W1-第2金属板W2間の熱引きよりも小さい。溶接電流をピーク電流範囲以下で制限した状態を維持している間、ナゲットN2の熱引きによる冷却量はナゲットN1の熱引きによる冷却量よりも大きい。上述のようにピーク状態におけるナゲットN2の成長速度はナゲットN1の成長速度よりも速いことから、このように通電待機時間にわたり溶接電流がピーク電流範囲以下に制限された状態を維持し、ナゲットN2の冷却を促進することにより、第2金属板W2-第3金属板W3間においてスパッタが発生するのを抑制できる。またこの実効値制御処理では、溶接電流の実効値Irmsが実効値目標範囲内に到達したことに応じて次周期の電流制御処理を開始し、溶接電流を再び上昇させることにより、各金属板W1~W3の間でナゲットN1,N2を成長させるために必要なエネルギを制御できるので、上述のようにスパッタの発生を抑制しつつ確実にワークを接合できる。
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
 S…溶接システム
 W…ワーク
 W1…第1金属板
 W2…第2金属板
 W3…第3金属板
 1…スポット溶接装置(溶接装置)
 2…ガン本体
 21…上電極チップ(電極)
 26…下電極チップ(電極)
 3…溶接電源回路
 3a…溶接制御回路
 3b…DC溶接トランス
 3d…電流センサ
 31…コンバータ回路
 32…インバータ回路
 33…制御装置
 34…トランス
 35…整流回路
 L1,L2…電力線

Claims (3)

  1.  溶接電流を供給することによってワークを接合するスポット溶接方法であって、
     前記溶接電流は、設定されたピーク電流範囲内に達する又は維持されるピーク状態と、前記ピーク電流範囲からボトム電流へ向けて下降した後、再び前記ピーク電流範囲へ向けて上昇する非ピーク状態とが交互に実現されるパルス状波形を有し、
     前記非ピーク状態では、前記溶接電流の実効値が設定された目標範囲内に達した場合に前記溶接電流を前記ピーク電流範囲へ向けて上昇させる電流制御を開始することを特徴とするスポット溶接方法。
  2.  所定時間内に前記電流制御が開始しない場合には、前記溶接電流の供給を停止するとともに異常が生じたことを報知することを特徴とする請求項1に記載のスポット溶接方法。
  3.  前記ワークは、3枚以上の金属板を重ねて構成さる積層体であり、
     前記3枚以上の金属板の少なくとも1枚の金属板は他の金属板と厚みが異なるように形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスポット溶接方法。
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