电阻点焊装置和电阻点焊方法与流程

本发明涉及一种通过适应控制焊接技术能够形成适宜的熔核的电阻点焊装置。

另外，本发明还涉及使用上述的电阻点焊装置进行焊接的电阻点焊方法。

背景技术：

一般而言，在叠合的钢板彼此的接合中，使用作为搭接电阻焊接法的一种的电阻点焊法。

该焊接法是下述方法：用一对电极对叠合的2张以上的钢板从其上下进行夹持，一边加压，一边在上下电极间短时间通过高的焊接电流，从而进行接合；利用通过流通高的焊接电流而产生的电阻放热，而得到点状的焊接部。该点状的焊接部被称为熔核，是在叠合的钢板中流过电流时在钢板的接触处两钢板发生熔融并凝固的部分，利用该熔核，钢板彼此以点状接合。

为了得到良好的焊接部品质，重要的是以适当的范围形成熔核径。熔核径根据焊接电流、通电时间、电极形状和加压等焊接条件而确定。因此，为了形成适当的熔核径，需要根据被焊接材料的材质、板厚和叠合张数等被焊接材料条件来适当地设定上述焊接条件。

例如，在制造汽车时，需要对每一台实施数千点的点焊，而且需要对依次传递过来的被处理材(工件)进行焊接。此时，若各焊接处的被焊接材料的材质、板厚和叠合张数等被焊接材料条件相同，则焊接电流、通电时间和加压等焊接条件也可以在相同的条件下得到相同的熔核径。但是，在连续的焊接中，随着进行2次以上的焊接，电极的被焊接材料接触面逐渐磨耗，从而电极与被焊接材料的接触面积逐渐变宽。如此在接触面积变宽的状态下流通与初次焊接时相同的值的焊接电流时，被焊接材料中的电流密度降低、焊接部的温度升高变低，因此熔核径变小。因此，每进行数百～数千点的焊接就进行电极的研磨或更换，以使电极的前端径不会过于变大。

此外，一直以来使用了具备下述功能的电阻焊接装置：在进行了预先设定的次数的焊接后通过增加焊接电流值来补偿伴随电极的磨耗所导致的电流密度的降低(步进功能)。在使用该步进功能时，需要预先适当地设定上述的焊接电流变化图案。但是，为此需要通过试验等来导出与大量的被焊接材料条件和焊接条件相对应的焊接电流变化图案，这需要大量的时间和成本。并且，在实际施工中，电极磨耗的进行状态存在偏差，因此，可以认为预先设定的焊接电流变化图案时常是不适合的。

进而，在焊接时存在干扰时，例如在要焊接的点的附近已经存在进行了焊接的点(既焊接点)的情况中、被焊接材料的表面凹凸大且在要焊接的点的附近存在被焊接材料彼此的接触点的情况等中，焊接时电流在既焊接点和接触点发生分流。这样的状态下，即便以规定的条件进行焊接，电极正下方的欲焊接的位置的电流密度降低，因此，仍然得不到所需直径的熔核。为了补偿该放热量不足以得到所需直径的熔核，需要预先设定高的焊接电流。

另外，由于表面凹凸和部件形状等而使焊接的点的周围被强烈地束缚的情况下，钢板间的板隙变大，从而钢板彼此的接触面积小，不能得到所需直径的熔核径，或者还有时会容易发生飞溅。

为了解决上述的问题，提出了以下所述的技术方案。

例如在专利文献1中记载了一种电阻焊接机的控制装置，其通过将推算的焊接部的温度分布与目标熔核进行比较来控制焊接机的输出功率，从而来得到设定的熔核。

另外，专利文献2中记载了一种电阻焊接机的焊接条件控制方法，其对焊接电流和芯片间电压进行检测，通过热传导计算来模拟焊接部，推定熔核的形成状态，从而进行良好的焊接。

此外，专利文献3中记载了一种进行下述处理的焊接系统：根据被焊接物的板厚和通电时间，计算出能够良好地对该被焊接物进行焊接的每单位体积的累积放热量，调整为可产生计算出的每单位体积·单位时间的放热量的焊接电流或电压。此处记载了，通过利用该焊接系统，不依赖于被焊接物的种类和电极的磨耗状态就能够进行良好的焊接。

专利文献4中记载了下述焊接方法：通电中每半循环通过演算求出电力与电流或电流的平方值的曲线，根据其推移来判定熔核的形成状态，调整以后的循环的电流值或加压，或者在该时刻切断电流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-216071号公报

专利文献2：日本特开平10-94883号公报

专利文献3：日本特开平11-33743号公报

专利文献4：日本特开2004-58153号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

但是，在利用专利文献1记载的电阻焊接机的控制装置和专利文献2记载的电阻焊接机的焊接条件控制方法进行的电阻点焊中，基于热传导模型(热传导模拟)等推定熔核的温度，因此需要复杂的计算处理，从而具有下述问题：不仅焊接控制装置的构成变得复杂，而且焊接控制装置本身变得昂贵。

另外，在利用专利文献3记载的焊接系统进行的电阻点焊中，将累积放热量控制为目标值，从而不管电极的磨耗情况如何，均可常常进行良好的焊接。但是，设定的被焊接材料条件与实际的被焊接材料条件有较大不同的情况下，例如附近存在上述的既焊接点或钢板间的板隙等干扰且其影响大时，即便能够使最终的累积放热量与目标值一致，也会产生下述情况：放热及通电的形态、即焊接部的温度分布和电流密度分布的时间变化较大偏离可得到良好的焊接部的目标图案。这样的情况下，得不到所需的熔核径，或者发生飞溅。

例如，在要焊接的点的附近存在被焊接材料的接触点、且被焊接材料间的板隙大时，由于电极间电阻值增大，因而电流值降低，存在不能确保所需熔核径的问题。

需要说明的是，在专利文献4的焊接方法中，对每半循环的电流的增加、减少过程的曲线形状的变化进行监视，因此，以交流电源下的焊接为前提，不能使用直流电源。此外，抑制飞溅发生的手段是调整电流值、加压、通电时间的任一种，但没有记载对各自进行调整的必然性。

此外，针对电极前端发生磨耗的情况的变化，专利文献1～4中公开的技术全部是有效的，但是，关于与既焊接点的距离短、或者因为钢板间的凹凸而存在接触点等导致电流发生分流或板隙的影响大的情况，也没有任何研究，有时无法精确地进行上述的适应控制焊接。

本发明的目的是提供一种电阻点焊装置的同时提供一种利用该焊接装置的电阻点焊方法，其可有利地解决上述问题，即便在焊接条件为上述条件那样的特殊情况下，也可得到无飞溅发生的适当直径的熔核。

用于解决课题的手段

本发明人为了实现上述目的反复进行了深入研究，结果得到了以下所述的技术思想。

在利用适应控制焊接进行电阻点焊时，放热和通电的形态、即焊接部的温度分布和电流密度分布的时间变化有时较大偏离可得到良好的焊接部的目标图案，该情况下，得不到所需的熔核径，或发生飞溅。

电阻点焊前和焊接初期，要焊接的点的钢板间的电阻高，处于不能确保通电径的状态。因此，例如在要焊接的点的附近存在被焊接材料的接触点、且被焊接材料间的板隙大时，产生向接触点的分流，要焊接的点的被焊接材料彼此的接触直径缩窄，因此，通过板的组合，有时电极间电阻值增大。由于该原因，导致装置被如下错误地认知：在要焊接的点的累积放热量过大。其结果，适应控制中的电流值减少，达不到所需的熔核径。或者，向接触点的分流量变大而电极间电阻值降低的情况下，在被焊接材料彼此的接触直径小的状态下电流值增大，飞溅发生的风险提高。

此外，被焊接材料间的板隙即便小，在分流的影响大的情况下，若使正式焊接的累积放热量与试验焊接的累积放热量一致，则由于处于不能确保被焊接材料间的通电径的状态，因此电流值也会有较大增加。其结果，不是钢板-钢板间附近的放热显著，而是电极-钢板间附近的放热变得显著，在正式焊接与试验焊接中放热形态有较大不同。

本发明人根据上述方面进行了研究，结果得到了下述见解：不仅对通电中的电流和电压进行控制是有效的，而且根据需要控制对通电中的被焊接材料的加压也是有效的。具体地说，发现了：在通过控制对被焊接材料的加压而确保一定的通电径的状态下进行熔核的形成和生长，从而可在不受电极损耗和干扰的限制下有利地实现所期望的目的。

本发明立足于上述见解。

即，本发明的要点构成如下。

1.一种电阻点焊装置，

该电阻点焊装置用于通过一对电极夹持由多张金属板叠合而成的被焊接材料，并一边加压一边通电，从而将所述被焊接材料接合起来，其中，

所述电阻点焊装置具备：

存储部，其存储每单位体积的瞬时放热量的时间变化和每单位体积的累积放热量作为目标值，所述每单位体积的瞬时放热量的时间变化和每单位体积的累积放热量根据在正式焊接之前的试验焊接时的、通过恒流控制进行通电而形成适宜的熔核的情况下的电极间的电学特性而算出，以及

适应控制部和加压控制部，在上述正式焊接时，将作为上述目标值而被存储的每单位体积的瞬时放热量的时间变化曲线作为基准开始焊接，在上述正式焊接的每单位体积的瞬时放热量的时间变化量偏离作为基准的上述时间变化曲线的情况下，所述适应控制部控制通电中的电流值或电压值，使得其差异在剩余的通电时间内得到补偿，从而使上述正式焊接中的每单位体积的累积放热量与作为上述目标值而存储的每单位体积的累积放热量一致；所述加压控制部控制对上述被焊接材料的加压。

2.如上述1所述的电阻点焊装置，其中，

在上述正式焊接中，上述加压控制部根据在从通电开始起经过了一定时间的时刻的上述正式焊接的每单位体积的累积放热量与上述试验焊接的每单位体积的累积放热量的差异而增减其后的加压。

3.如上述2所述的电阻点焊装置，其中，上述加压控制部将上述正式焊接中从开始通电到开始加压控制为止的时间控制在0.1～10循环的范围。

4.如上述2或3所述的电阻点焊装置，其中，上述加压控制部将上述正式焊接中从开始加压控制到加压控制结束为止的时间控制在1～30循环的范围。

5.一种电阻点焊方法，其利用上述1～4的任一项所述的装置进行焊接。

发明效果

根据本发明，在电极磨耗的状态下、分流或板隙等的干扰的影响大的焊接条件下，也能够得到无飞溅发生的良好的熔核。

附图说明

图1是基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置的示意性构成图。

图2是示出利用基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置进行试验焊接时的焊接电流值、加压和累积放热量的推移的图。

图3是示出在被焊接材料间存在板隙的状态下的电阻点焊方法的一例的示意图。

图4是示出利用基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置、一边控制加压一边进行适应控制焊接时的焊接电流值、加压和累积放热量的推移的图。

具体实施方式

下面具体说明本发明。

图1是示出基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置的示意性构成图。

图中，符号1为电阻点焊电源，2为向电阻点焊电源1提供控制信号的适应控制部，3为焊接电流的检测部，将检测到的信号输入适应控制部2。4为与电阻点焊电源1的输出连接的二次导体，与电极7连接从而向电极7通电。

5为下部臂，6为加压气缸，各自上安装有电极7，利用电极7夹持被焊接材料8。9为安装于电极7的电极间电压检测线，并导入适应控制部2。适应控制部2中，可将进行试验焊接的模式和进行正式焊接的模式进行切换。

10为加压控制部，根据基于适应控制部2的电流值或电压值的调整，向加压气缸6发送信号，改变对被焊接材料的加压。

另外，基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置具备存储部(未图示)，在试验焊接时，根据通过恒流控制进行通电而形成适宜的熔核的情况下的电极间的电学特性而算出的、每单位体积的瞬时放热量的时间变化和每单位体积的累积放热量作为目标值而进行存储。

并且，在试验焊接模式中，根据焊接电流的由检测部3输入的电流以及由电极间电压检测线9输入的电压来算出每单位体积的瞬时放热量，其时间变化、进而每单位体积的累积放热量作为目标值而被存储于存储部。

此外，在进行正式焊接的模式中，以试验焊接的焊接条件开始通电的同时，在适应控制部2，根据由焊接电流检测部3输入的电流和由电极间电压检测线9输入的电压，对于每个采样时间算出瞬时放热量，将各时间的瞬时放热量与作为目标值而进行存储的瞬时放热量进行比较，在这些值产生差异的时刻，根据其差异来控制电流值或电压值、进而控制加压。换言之，正式焊接的模式如下构成：按照正式焊接中的累积放热量与作为目标值存储的累积放热量一致的方式，利用适应控制部2进行了适应控制的焊接电流或电压被通入被焊接材料8，利用加压控制部10对被焊接材料8实施加压。

接着，对利用基于本发明的一个实施方式的电阻点焊装置的电阻点焊方法的控制要领进行说明。

首先说明试验焊接。

利用与在正式焊接中使用的被焊接材料相同的钢种、厚度的被焊接材料，在不存在向既焊接点的分流和板隙的状态下，通过恒流控制以各种条件进行预焊接，发现试验焊接中的最佳条件(电流值、电压值、通电时间和加压)。需要说明的是，作为焊接机，优选逆变直流电阻点焊机，作为电极，铬铜电极或者氧化铝分散铜制电极是有利的，合适的。

并且，以上述的最佳条件进行试验焊接，将该试验焊接中的由电极间的电学特性算出的每单位体积的瞬时放热量的时间变化和每单位体积的累积放热量作为目标值存储。此处，本发明中，电极间的电学特性是指电极间电阻或者电极间电压。

需要说明的是，试验焊接中的通电图案可以分割为2段以上的多段步骤。例如，将在作为被焊接材料的钢板间开始形成熔融部的时刻(电极正下方开始形成通电通路的时刻)作为划分步骤的时机，将通电图案分割为2段步骤。

在上述的试验焊接后进行正式焊接。正式焊接中，将上述的试验焊接中得到的每单位体积的瞬时放热量的时间变化曲线作为基准开始焊接，在瞬时放热量的时间变化量沿着作为基准的时间变化曲线的情况下，就继续进行焊接，结束焊接。但是，在正式焊接中的瞬时放热量的时间变化量偏离作为基准的时间变化曲线的情况下，根据其差异，进行控制通电量即电流值或电压值的适应控制焊接，在该步骤的剩余通电时间内补偿该差异，从而使正式焊接中的每单位体积的累积放热量(下文也仅称为“正式焊接中的累积放热量”)与在试验焊接中作为目标值存储的每单位体积的累积放热量(下文也仅称为“试验焊接中的累积放热量”)一致。

另外，该焊接方法的特征在于，在进行上述的通电量的控制的同时，按照正式焊接中的累积放热量与试验焊接中的累积放热量一致的方式也一并控制对被焊接材料的加压。

由此，在电极前端发生磨耗、或者分流或板隙等的干扰的影响大的状态下，也可确保必要的累积放热量，能够得到适宜的熔核径。

需要说明的是，关于每单位体积的放热量的计算方法没有特别限制，专利文献3中公开了其一例，本发明也可采用该方法。基于该方法的每单位体积的累积放热量Q的计算要点如下。

将两张被焊接材料的总厚度设为t，将被焊接材料的电阻率设为r，将电极间电压设为V，将焊接电流设为I，将电极与被焊接材料接触的面积设为S。这种情况下，焊接电流通过横截面积为S、厚度t的柱状部分，产生电阻放热。在该柱状部分中的每单位体积单位时间的放热量q由下式(1)求出。

q＝(V·I)/(S·t) ---(1)

另外，该柱状部分的电阻R由下式(2)求出。

R＝(r·t)/S ---(2)

由(2)式解出S并将其代入(1)式中，则放热量q为下式(3)。

q＝(V·I·R)/(r·t²)

＝(V²)/(r·t²) ---(3)

由上式(3)可知，每单位体积单位时间的放热量q可由电极间电压V、被焊接物的总厚度t和被焊接物的电阻率r算出，不受电极与被焊接物接触的面积S的影响。

需要说明的是，(3)式是由电极间电压V算出放热量的，但也可由电极间电流I算出放热量q，此时也不必使用电极与被焊接物接触的面积S。

并且，若在通电期间累积每单位体积单位时间的放热量q，则可得到施加于焊接的每单位体积的累积放热量Q。另外，由(3)式可知，该每单位体积的累积放热量Q也可以不使用电极与被焊接材料接触的面积S而算出。

以上利用专利文献3记载的方法，对计算累积放热量Q的情况进行了说明，当然也可以使用其他的计算式。

如上所述，该焊接方法的特征在于，在正式焊接的每单位体积的瞬时放热量的时间变化量偏离作为基准的时间变化曲线的情况下，按照在剩余的通电时间内补偿该差异以使正式焊接中的累积放热量与试验焊接中的累积放热量一致的方式，来控制电流值或电压值且控制通电中的加压。由此，能够不受干扰的限制以确保了一定的通电径的状态进行熔核的形成和生长，能够抑制上述的基于板隙的放热量的错误认知以及分流所致的放热形态的变化。

另外，控制加压的准则是正式焊接与试验焊接的放热量的差异、特别是在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量的差异。例如，正式焊接中的在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量大于试验焊接中的在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量的情况下，根据其差异，增大之后的加压。

这是因为，通过电流值控制来改变通电径虽然有效，但改变接触直径的效果不充分。通过控制加压，可校正由干扰所致的通电中的接触径的减少量，因此，能够使基于电流值控制的熔核形成过程与试验焊接一致。

需要说明的是，正式焊接中的在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量小于试验焊接中的在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量的情况下，根据其差异来减少之后的加压。

另外，试验焊接中的在从通电开始起经过了一定时间的时刻的每单位体积的累积放热量可通过累积试验焊接中的从通电开始至该时刻为止的每单位体积的瞬时放热量来求出。

此处，从通电后至开始控制加压为止的时间、即从作为控制加压的准则的累积放热量的通电开始起经过的时间优选为0.1～10循环的范围。由此，可有效实现上述效果。这是因为，控制熔核径时重要的是使熔核形成时的通电径接近试验焊接的通电径。从通电开始起不足0.1循环时，即使是同样的板组合、施工状态，电阻值的偏差也大，因此难以补偿到此为止的时刻的正式焊接与试验焊接中的每单位体积的瞬时放热量的差异，从而难以使正式焊接中的累积放热量与试验焊接中的累积放热量一致。另一方面，从通电开始起超过10循环时，改变加压前熔核开始形成、生长，因此得不到上述效果。需要说明的是，在电阻值偏差大的板组合或干扰的影响大的情况下，优选为0.3～5循环的范围。

另外，根据上述的正式焊接与试验焊接中的累积放热量的差异而改变加压的时间为1～30循环的范围，从而可有效地获得上述效果。在不足1循环时，不能确保由增大加压而带来的通电径，另一方面，超过30循环时，在熔核生长中有时加压增大，放热效率降低。需要说明的是，在电阻值偏差大的板组合或干扰的影响大的情况下，优选为2～20循环的范围。

关于加压的改变量，即使从开始控制加压到结束为止的期间，该改变量为恒定值，也可得到相应的效果，但在通电径对通电中的熔核形成的影响特别大的板组合或施工状态(例如，高板厚比的3张以上的板组合、钢板间的板隙非常大的状态等)的情况下，通过控制电流值的同时依次控制通电中的加压，可进一步有效地得到上述效果。

需要说明的是，本发明中的被焊接材料没有特别限制，以软钢至超高张力钢板等具有各种强度的钢板为代表，还可以在各种镀覆钢板、铝合金等的轻金属板的焊接中适用，也可以在叠合3张以上的板组合中适用。另外，在用于形成熔核的通电后，即使施加用于焊接部的热处理的后通电也没有任何问题。

实施例

本发明的实施例如下所示。

作为被焊接材料，使用了590MPa级、980MPa级的冷轧钢板(板厚：1.6mm)。叠合2张该被焊接材料，在不存在间隙和向既焊接点的分流的状态下通过恒流控制进行预焊接，求出可得到适当的熔核径的焊接条件。焊接机使用逆变直流电阻点焊机，电极使用DR形前端直径6mm的铬铜电极。需要说明的是，焊接条件如下，加压：3.5kN、焊接电流：6.0kA、通电时间：16循环(50Hz(下文中，时间的单位均为50Hz下的循环(cycle)数))。并且，使用图1所示的电阻点焊装置，在上述的焊接条件下进行试验焊接，存储每单位体积的瞬间放热量的时间变化和每单位体积的累积放热量。此时得到的熔核径约为5.0mm(＝4√t，t：板厚)。将此时的焊接电流值、加压、累积放热量的推移示于图2。

接着，在以下的条件下实施正式焊接。

如图3所示，在被焊接材料11、12(板厚1.6mm)之间插入间隔物用的钢板13(板厚1.5mm、间隔物间距离30mm)，以上述的试验焊接为基准，使用图1所示的电阻点焊装置，进行电阻点焊。即，以试验焊接中得到的每单位体积的瞬间放热量的时间变化曲线为基准，进行电阻点焊。需要说明的是，进行了加压控制的区间为通电后1循环至6循环的5循环间。图3中的符号14为电极。

得到的熔核径为5.2mm，确保了大致与试验焊接相同程度的熔核径。另外，没有产生飞溅。

将此时的焊接电流值、加压、累积放热量的推移示于图4。

在该焊接条件下，因板隙而通电初期的电阻值增大，因此在加压控制区间，加压约增大至5kN左右。

进一步，将在各种的板组合、施工条件下进行焊接时的结果列于表1。

需要说明的是，条件No.1、2、5、7均使用图1所示的电阻点焊装置进行电流值和加压的控制，进行电阻点焊。另外，No.3、4、6均不进行加压的控制来进行电阻点焊。需要说明的是，条件No.7中，将试验焊接的通电图案分割为第1步骤和第2步骤的2段，在步骤间设置冷却时间。此外，条件No.7的试验焊接中的加压在第1步骤和第2步骤中相同。

在任一条件下试验焊接中的目标熔核径为将熔核径为以上且没有产生飞溅的情况评价为“○”，将熔核径小于或者产生了飞溅的情况评价为“×”。

如表1所示，在使用本发明的电阻点焊装置进行了电阻点焊的情况下，即使在任一的板组合、施工条件下均可得到“○”的评价。

符号说明

1 电阻点焊电源

2 向电阻点焊电源提供控制信号的适应控制部

3 焊接电流的检测部

4 与电阻点焊电源的输出连接的二次导体

5 下部臂

6 加压气缸

7 电极

8 被焊接材料

9 电极间电压检测线

10 加压控制部

11、12 被焊接材料

13 间隔物

14 电极