スポット溶接方法及びその装置
【課題】３個以上のワークが積層されて形成された積層体に対してスポット溶接を施す際、ワーク同士の接触面にナゲットを十分に成長させる。
【解決手段】例えば、高抵抗な金属板１８、２０、低抵抗な金属板２２を下方からこの順序で積層した積層体１６ａに対してスポット溶接を行う場合、正の極性である第１溶接チップ１０、負の極性である第２溶接チップ１２で積層体１６ａを挟持する。同時に、負の極性である補助電極１４を、接触面近傍の接触抵抗が大きい金属板１８、２０の中、積層体１６ａの内方に臨む金属板２０に当接させる。溶接の初期段階では、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を比較的小さくし、その後、加圧力を上昇させて通電を続行する。
【解決手段】例えば、高抵抗な金属板１８、２０、低抵抗な金属板２２を下方からこの順序で積層した積層体１６ａに対してスポット溶接を行う場合、正の極性である第１溶接チップ１０、負の極性である第２溶接チップ１２で積層体１６ａを挟持する。同時に、負の極性である補助電極１４を、接触面近傍の接触抵抗が大きい金属板１８、２０の中、積層体１６ａの内方に臨む金属板２０に当接させる。溶接の初期段階では、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を比較的小さくし、その後、加圧力を上昇させて通電を続行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３個以上のワークを積層して形成される積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車車体を製造するに際しては、いわゆるハイテン鋼からなり且つ厚みが大きい高抵抗ワーク同士を積層し、さらに、軟鋼からなり且つ厚みが小さい低抵抗ワークを積層して形成される積層体に対してスポット溶接を行う場合がある。
【０００３】
特許文献１には、このような積層体に対するスポット溶接方法が提案されている。具体的には、第１溶接チップ及び第２溶接チップによる積層体に対する加圧力を、通電の初期段階では小さく、後期段階では大きくし、且つ第１溶接チップと第２溶接チップ間に流す電流を、通電の初期段階では大きく、後期段階では小さくするようにしている。すなわち、この場合、通電の初期段階では低加圧力・高電流値に設定され、後期段階では高加圧力・低電流値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した積層体の場合、最下及び中央の高抵抗ワークは電気抵抗が大きいので、該高抵抗ワーク同士の接触面近傍における接触抵抗も大きい。このため、前記の通電の際に、互いの接触面近傍に大きなジュール熱が発生する。一方、中央の高抵抗ワークと最上の低抵抗ワークとの接触面近傍における接触抵抗は、高抵抗ワーク同士の接触面近傍に比して小さい。低抵抗ワークの電気抵抗が小さいからである。
【０００６】
従って、積層体に対してスポット溶接を行うと、先ず、高抵抗ワーク同士の接触面近傍に溶融部が形成される。場合によっては、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面近傍に溶融部が形成される前に、高抵抗ワーク同士間の溶融部が大きく成長することがある。
【０００７】
ところで、特許文献１記載の従来技術では、上記したように、通電の初期段階では加圧力を小さくしている。従って、ワーク同士の間に微小なギャップが形成される懸念がある。このような状態で低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面に溶融部を形成するべく通電を続行すると、高抵抗ワーク同士間のギャップから、溶融部が飛散する（スパッタが発生する）懸念がある。
【０００８】
しかしながら、通電を停止すると、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面に十分な大きさの溶融部、ひいては該溶融部が凝固した固相としてのナゲットが形成されないので、低抵抗ワークと高抵抗ワークとの接合強度を確保することが困難となる。
【０００９】
このような不具合を回避するべく、通電の初期段階における加圧力を大きくした場合には、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面積が大きくなるので、接触面近傍の接触抵抗が小さくなる。このため、ジュール熱が小さくなるので、溶融部、ひいてはナゲットを十分な大きさに成長させることが容易でなくなる。
【００１０】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、３個以上のワークから形成される積層体中のワーク同士の接触面近傍にナゲットを十分に成長させることが可能であり、しかも、スパッタが発生する懸念を払拭し得るスポット溶接方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
前記積層体を第１溶接チップ及び第２溶接チップで挟持するとともに、前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークを、アース電極、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性の電極に対して電気的に接続する工程と、
前記第１電極チップから前記第２溶接チップに向かう電流を流すことで、前記第１電極チップから前記内方ワークを経由して前記電極に向かう電流を発生させるとともに、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップによって第１の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークを他のワークと接合する工程と、
前記第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークと前記外方ワークとを接合する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明においては、第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するのみでなく、接触面近傍の接触抵抗が積層体中で最大となる２個の高抵抗ワーク（内方ワークと外方ワーク）中、積層体の内方に位置する高抵抗ワーク（内方ワーク）に対して、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極を電気的に接続し、この状態で通電を行う。
【００１３】
通電初期には、積層体は、比較的小さな第１の加圧力をもって挟持されている。従って、積層体中の低抵抗ワークと他のワークとの接触面積が小さくなり、このため、該接触面近傍の接触抵抗が大きくなる。その結果、この接触面近傍において大きなジュール熱が発生するので、十分に成長した溶融部、ひいてはナゲットを容易に得ることができる。
【００１４】
一方、接触抵抗が最大である高抵抗ワーク同士の接触面積も小さくなるので、この接触面近傍における接触抵抗が大きくなる。従って、この接触面近傍に電流が流れることが困難となる。その結果、電流の大部分は、第２溶接チップには向かわず、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極に優先的に向かう。
【００１５】
このため、接触抵抗が最大である高抵抗ワーク同士の接触面近傍では、溶融部がさほど成長しない。従って、高抵抗ワーク同士にギャップが存在している場合であっても、上記のようにして低抵抗ワークと他のワークとの間に溶融部を成長させている間にスパッタが発生することが回避される。
【００１６】
その後、積層体に対する加圧力が上昇する。これに伴って高抵抗ワーク同士の接触面積が小さくなり、接触抵抗も小さくなる。すなわち、両者の接触面近傍に電流が容易に流れるようになり、電流の大部分が第２溶接チップには向かうようになる。これにより、この接触面近傍において大きなジュール熱が発生し、十分に成長した溶融部（ナゲット）を得ることができる。
【００１７】
この間、低抵抗ワークと他のワークとの間の接触抵抗が小さくなるので、両者の接触面近傍において過大なジュール熱が発生することが回避される。また、低抵抗ワークと他のワークとの間には既に電流が通過しているので、いわゆるなじみが向上している。従って、低抵抗ワークと他のワークとの間からスパッタが発生することは困難である。
【００１８】
以上のように、本発明によれば、スパッタが発生することを回避しながら、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることが可能となる。従って、接合強度に優れた接合品を得ることができる。
【００１９】
なお、第２溶接チップと同一極性の電極を得るには、例えば、第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続すればよい。
【００２０】
また、本発明は、３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うためのスポット溶接装置であって、
前記積層体を挟持するための第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークに対して電気的に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、アース電極であるか、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性であることを特徴とする。
【００２１】
このような構成とすることにより、上記したスポット溶接を実施することができる。このため、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットが形成されて接合強度に優れた接合品を得ることができる。
【００２２】
上記したように、例えば、第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続することにより、両者の極性を容易に一致させることができる。
【００２３】
前記電極がアース電極である場合には、積層体を把持するクランプ機構をさらに設けるとよい。この場合、クランプ機構とともにアース電極によって前記積層体をクランプすることにより、積層体を一層安定した姿勢とすることが可能となる。すなわち、スポット溶接を行うことが容易となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するのみでなく、接触面近傍の接触抵抗が積層体中で最大となる２個の高抵抗ワーク中、積層体の内方に位置する高抵抗ワークに対して、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極を電気的に接続し、且つ、初期には比較的小さな第１の加圧力をもって、その後は第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力をもって積層体を加圧しながら、通電を行うようにしている。
【００２５】
このように加圧力を設定することにより、積層体内を流れる電流の経路を制御することができる。この制御により、スパッタが発生することを回避しつつ、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることが可能となる。その結果、接合強度に優れた接合品が得られるに至る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。
【図２】図１に示す第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するとともに、補助電極を中央のワーク（金属板）に当接させた状態を模式的に示した縦断面図である。
【図３】図２から、第１の加圧力で積層体を挟持しつつ通電を開始した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図４】図３から、加圧力を上昇した第２の加圧力で積層体を挟持しつつ通電を開始した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図５】中央のワーク（金属板）に対し、補助電極に代替してアース電極を電気的に接続した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図６】第２実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るスポット溶接方法につき、これを実施するスポット溶接装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１は、第１実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。このスポット溶接装置は、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２及び補助電極１４を具備する図示しない溶接ガンを有し、この場合、該溶接ガンは、例えば、６軸ロボット等の多関節ロボットのアーム部先端に配設される。多関節ロボットのアームに溶接ガンが配設された構成は公知であることから、この構成についての詳細な説明は省略する。
【００２９】
長尺棒状に形成された第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２は、これら第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２の間に溶接対象である積層体１６ａを挟持し、且つ該積層体１６ａに対して通電を行うものである。これら第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２は、それぞれ、図示しない電源の正極又は負極に対して電気的に接続されている。すなわち、本実施の形態において、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２の極性は、それぞれ、正（＋）、負（−）であり、スポット溶接を行う際には、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう方向に電流が流れる。
【００３０】
略Ｌ字形状の補助電極１４は、この場合、第２溶接チップ１２に連結されることにより、該第２溶接チップ１２に対して電気的に接続されている。すなわち、補助電極１４の極性は、第２溶接チップ１２と同じく負（−）であり、正（＋）の極性である第１溶接チップ１０とは逆である。
【００３１】
前記溶接ガンがいわゆるＸ型のものである場合、第１溶接チップ１０は、開閉自在なチャック対を構成する一方のチャック爪に設けられ、第２溶接チップ１２及び補助電極１４は、前記チャック対の残余のチャック爪に設けられる。すなわち、チャック対が開動作又は閉動作することに伴い、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４とが互いに離間又は接近する。
【００３２】
前記溶接ガンは、いわゆるＣ型のものであってもよい。この場合、第２溶接チップ１２及び補助電極１４は固定アームの先端に配置され、一方、第１溶接チップ１０は、例えば、ボールネジに連結される。ボールネジが回転付勢されることに伴い、第１溶接チップ１０が第２溶接チップ１２及び補助電極１４に対して接近又は離間する。
【００３３】
以上の構成において、前記電源及び前記チャック対（又はボールネジ）は、制御手段としての図示しないガンコントローラに電気的に接続されている。すなわち、電源の付勢・滅勢、及び前記チャック対の開閉動作（又はボールネジの昇降動作）は、ガンコントローラによって制御される。
【００３４】
溶接対象である積層体１６ａにつき若干説明すると、この場合、積層体１６ａは、３枚の金属板１８、２０、２２が下方からこの順序で積層されることによって構成される。この中の金属板１８、２０の厚みはＤ１（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）に設定され、金属板２２の厚みはＤ１に比して小寸法のＤ２（例えば、約０．５ｍｍ〜約０．７ｍｍ）に設定される。要するに、金属板１８、２０の厚みは同一であり、金属板２２はこれら金属板１８、２０に比して薄肉である。換言すれば、金属板２２の厚みは、積層体１６ａを構成する３枚の金属板１８、２０、２２中で最小である。
【００３５】
金属板１８、２０は、例えば、いわゆるハイテン鋼であるＪＡＣ５９０、ＪＡＣ７８０又はＪＡＣ９８０（いずれも日本鉄鋼連盟規格に規定される高性能高張力鋼板）からなる高抵抗ワークであり、金属板２２は、例えば、いわゆる軟鋼であるＪＡＣ２７０（日本鉄鋼連盟規格に規定される高性能絞り加工用鋼板）からなる低抵抗ワークである。金属板１８、２０は同一金属種であってもよいし、異種金属種であってもよい。
【００３６】
以上から諒解されるように、積層体１６ａは、高抵抗ワーク（金属板１８）、高抵抗ワーク（金属板２０）、低抵抗ワーク（金属板２２）が第２溶接チップ１２側から第１溶接チップ１０に向かうに従ってこの順序となるように積層されることで構成されている。従って、ワーク同士の接触面近傍の接触抵抗は、高抵抗ワーク同士の組み合わせである金属板１８、２０の方が大きく、一方、高抵抗ワークと低抵抗ワークの組み合わせである金属板２０、２２の方が小さくなる。
【００３７】
すなわち、この場合、接触抵抗が最大となる２個のワークの組み合わせは、金属板１８、２０である。そして、この組み合わせの中、金属板２０が積層体１６ａの内方に臨む。すなわち、内方ワークとなる。その一方で、内方ワークである金属板２０に隣接する金属板１８は、積層体１６ａの外方に臨む外方ワークである。
【００３８】
金属板１８には、その一部を切り欠くことによって挿入窓２４が形成されている。従って、該挿入窓２４には金属板２０の下端面が露呈しており、補助電極１４は、この挿入窓２４に挿入されて金属板２０に当接している。これにより、補助電極１４と金属板２０とが電気的に接続されている。
【００３９】
上記したように、外方ワークである金属板１８には第２溶接チップ１２が当接する。すなわち、金属板１８（外方ワーク）に近接する第２溶接チップ１２と、内方ワークである金属板２０に電気的に接続された補助電極１４とは、同一の極性である。
【００４０】
第１実施形態に係るスポット溶接装置は、基本的には以上のように構成される要部を具備するものであり、次に、その作用効果につき、スポット溶接方法との関係で説明する。
【００４１】
積層体１６ａに対して抵抗溶接を行う際、換言すれば、金属板１８、２０同士を接合するとともに金属板２０、２２同士を接合する際には、先ず、前記ガンコントローラの制御作用下に、前記多関節ロボットが、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２の間に積層体１６ａが配置されるように前記溶接ガンを移動させる。その後、チャック爪同士が閉動作したり、又はボールネジ機構が付勢されたりすることにより、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４とが相対的に接近し、その結果、互いの間に積層体１６ａが挟持される。補助電極１４の先端部は、この挟持と同時に、金属板１８に形成された挿入窓２４に挿入されて金属板２０の下端面に当接する。
【００４２】
この状態を、模式的な縦断面図として図２に示す。なお、金属板２０と補助電極１４との電気的接続は、等価的な回路図に模して示している。
【００４３】
この時点での第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２による積層体１６ａへの各加圧力をｆ１、ｆ１’とすると、積層体１６ａには、ｆ１とｆ１’の和であるＦ１（第１の加圧力）が作用する。このＦ１は、積層体１６ａを十分に保持し得る程度であれば十分である。なお、金属板２０に対する補助電極１４の加圧力は、該補助電極１４が金属板２０に接触する程度に小さく設定して差し支えない。すなわち、補助電極１４による加圧力は、無視し得る程度である。
【００４４】
図１及び図２に示す状態が形成されたことを接触式センサ等によって認識した前記ガンコントローラは、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう電流を流すように制御を行う。これにより、図３に示すように、通電が開始される。
【００４５】
ここで、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力Ｆ１が十分に小さいため、金属板２０、２２同士の間に作用する接触圧力も小さい。その結果、これら金属板２０、２２同士の接触面積も小さくなっている。従って、金属板２０、２２同士の接触面近傍の接触抵抗が大きくなる。ただし、金属板２２は、電気抵抗及び厚みの双方が小さい低抵抗ワークであるので、第１溶接チップ１０を出発した電流ｉは、金属板２２を通過して金属板２０に到達することが可能である。
【００４６】
そして、この電流ｉに基づくジュール熱により、金属板２０、２２の間が加熱されて溶融し、溶融部２６が形成される。
【００４７】
その一方で、金属板１８、２０の間に作用する接触圧力も小さくなるので、これら金属板１８、２０同士の接触面積も小さくなる。このため、金属板１８、２０同士の接触面近傍の接触抵抗が一層大きくなり、金属板１８から金属板２０を経由して第２溶接チップ１２に向かう電流が流れることが困難となる。従って、電流の大部分は、図３に電流ｉとして示すように、高抵抗となった金属板１８、２０の接触面近傍には向かわず、補助電極１４に向かって流れる。
【００４８】
以上のように、スポット溶接を開始した初期段階では、金属板２０、２２の接触面近傍が優先的に発熱し、溶融部２６を形成する。一方、金属板１８、２０の接触面近傍の接触抵抗が大きく電流が流れ難いため、金属板１８、２０の接触面近傍に溶融部が成長することが抑制される。従って、金属板１８、２０の間にギャップが存在していたとしても、スパッタが発生することは困難である。
【００４９】
溶融部２６は、通電が継続される限り、時間の経過とともに成長する。還元すれば、通電を所定の時間継続することにより、溶融部２６、ひいてはナゲットを十分に成長させることができる。なお、通電継続時間に対する溶融部２６（ナゲット）の成長の度合いは、テストピース等を用いたスポット溶接試験で予め確認しておけばよい。
【００５０】
ガンコントローラに予め設定された所定の時間が到達すると、ガンコントローラは、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を上昇させる。すなわち、図４に示すように、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による各加圧力を、ｆ１、ｆ１’からｆ２、ｆ２’に増加し、Ｆ１よりも大きいＦ２（第２の加圧力）に設定する。
【００５１】
この加圧力上昇に伴い、金属板２０、２２の間、金属板１８、２０の間に作用する接触圧力が大きくなる。その結果、金属板２０、２２同士、金属板１８、２０同士の各接触面積が大きくなる。従って、金属板２０、２２同士、金属板１８、２０同士の接触面近傍の接触抵抗が低減される。
【００５２】
この接触抵抗の低減に伴い、図４に電流ｉとして示すように、金属板２０に到達した電流が金属板１８に向かうようになる。この電流ｉに基づくジュール熱により、金属板１８、２０の間が加熱されて溶融し、溶融部２８が形成される。
【００５３】
以降は、溶融部２８が十分に成長するまで通電を継続すればよい。通電継続時間に対する溶融部２８の成長の度合いも、テストピース等を用いたスポット溶接試験で予め確認しておけばよい。なお、金属板２０、２２の接触面近傍の接触抵抗が金属板１８、２０の接触面近傍に比して小さいので、溶融部２８を成長させるために通電を行っている間、溶融部２６はさほどは成長しない。
【００５４】
以上から諒解されるように、積層体１６ａに対する加圧力を上記のように制御することによって、高抵抗ワークである金属板２０と、低抵抗ワークである金属板２２との接触面近傍に十分な大きさの溶融部２６を得た後、高抵抗ワーク同士である金属板１８、２０同士の接触面近傍に十分な大きさの溶融部２８を成長させることができる。
【００５５】
ここで、金属板１８、２０の接触面近傍では、上記したように接触抵抗が小さいため、発生するジュール熱が小さい。しかも、この接触面には電流が既に通過しているので、これら金属板１８、２０の接触面のなじみが向上している。従って、金属板１８、２０の接触面からスパッタが発生することは困難である。
【００５６】
すなわち、本実施の形態によれば、金属板２０、２２の間の溶融部２６を成長させる際、金属板１８、２０の間の溶融部２８を成長させる際の双方で、スパッタが発生することを回避することができる。
【００５７】
前記ガンコントローラに予め設定された所定時間（溶融部２８が十分成長し得る時間）が経過すると、例えば、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが切断されることによって通電が停止され、その後、第１溶接チップ１０が第２溶接チップ１２及び補助電極１４に対して相対的に離間する。又は、第１溶接チップ１０を金属板２２から離間させることで第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４を電気的に絶縁し、これにより通電を停止するようにしてもよい。
【００５８】
このようにして通電（溶接）が停止されることに伴い、金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士の接触面近傍の発熱も終了する。時間の経過とともに溶融部２６、２８がともに冷却固化してナゲットとなり、このナゲットを介して金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士が互いに接合される。
【００５９】
以上のようにして、積層体１６ａを構成する金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士が接合され、その結果、接合品が得られるに至る。
【００６０】
この接合品においては、金属板１８、２０同士の接合強度と同様に、金属板２０、２２同士の接合強度も優れる。上記したように、低抵抗ワークである金属板２２と高抵抗ワークである金属板２０との接触面近傍に、ナゲットが十分に成長しているからである。
【００６１】
なお、上記した第１実施形態では、金属板２０を、第２溶接チップ１２と同一の極性である補助電極１４に電気的に接続する場合を例示して説明したが、図５に模式的に示すように、アース電極３０に接続するようにしてもよい。この場合においても、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を上記のように制御したときには、電流は、図３及び図４に電流ｉとして示す経路に優先的に流れる。
【００６２】
次に、第２実施形態に係るスポット溶接装置につき説明する。なお、図１〜図５に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
図６は、第２実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。このスポット溶接装置は、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２の他、クランプ機構４０を具備する。なお、この場合の溶接対象は、積層体１６ｂである。
【００６４】
クランプ機構４０は、支持基盤４２と、クランプ爪４４ａ、４４ｂとを有する。すなわち、支持基盤４２には、高さ方向寸法が比較的小さい第１柱状部材４６ａ〜４６ｄが立設され、第１柱状部材４６ａ〜４６ｄの各先端には、台座４８ａ〜４８ｄがそれぞれ設けられる。積層体１６ｂは、全ての台座４８ａ〜４８ｄ上に載置されることで支持される。
【００６５】
また、支持基盤４２には、高さ方向寸法が比較的大きい第２柱状部材５０ａ、５０ｂも複数個立設される。第２柱状部材５０ａの先端に設けられた長尺支持板５２には、クランプ爪４４ａ及びアース電極３０が回動機構５４ａを介して回動自在に支持される。一方、第２柱状部材５０ｂの先端に設けられた短尺支持板５６には、クランプ爪４４ｂが回動機構５４ｂを介して回動自在に支持される。クランプ爪４４ａ、４４ｂ及びアース電極３０の回動は、ガンコントローラの作用下に回動機構５４ａ、５４ｂが付勢されることによって行われる。
【００６６】
この場合、積層体１６ｂは、ハイテン鋼からなり高抵抗ワークである金属板１８、２０に対し、軟鋼からなる加工ワーク５８の平坦な溶接部６０が積層されることで形成されている。なお、加工ワーク５８は、断面略コ字状に折曲された一端から、前記溶接部６０が突出して延在するように成形された形状をなす。
【００６７】
加工ワーク５８の溶接部６０の厚みは、金属板１８、２０に比して小さい。このことと、加工ワーク５８が、電気抵抗が小さい軟鋼からなることとが相俟って、加工ワーク５８、ひいては溶接部６０の電気抵抗が、金属板１８、２０に比して小さくなる。換言すれば、加工ワーク５８は低抵抗ワークである。すなわち、この場合も、第２溶接チップ１２から第１溶接チップ１０に向かう方向に、高抵抗ワーク（金属板１８）、高抵抗ワーク（金属板２０）、低抵抗ワーク（加工ワーク５８の溶接部６０）がこの順序で配設される。
【００６８】
加工ワーク５８の溶接部６０の一部は切り欠かれ、これにより挿入窓２４が形成されている。アース電極３０は、この挿入窓２４を介して露呈した金属板２０の上端面に当接することが可能である。
【００６９】
第２実施形態では、先ず、積層体１６ｂが台座４８ａ〜４８ｄに載置される。勿論、この際には、挿入窓２４の位置がアース電極３０の位置に対応するように積層体１６ｂの位置が調整される。
【００７０】
次に、ガンコントローラの制御作用下に回動機構５４ａ、５４ｂが付勢され、これにより、クランプ爪４４ａ、４４ｂが回動して台座４８ｂ、４８ｃとともに金属板１８、２０及び溶接部６０（積層体１６ｂ）をクランプする。同時に、アース電極３０が挿入窓２４に挿入されて金属板２０の上端面に当接する。
【００７１】
次に、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２が積層体１６ｂを挟持し、上記と同様に加圧力Ｆ１をもって積層体１６ｂを加圧する。その後、ガンコントローラの制御作用下に、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう電流が出発する。以降、上記した理由から、電流は、第１溶接チップ１０からアース電極３０に向かう方向に優先的に流れる（図３の電流ｉ参照）。
【００７２】
所定時間が経過して溶接部６０と金属板２０との間に溶融部が十分に成長した後、ガンコントローラは、積層体１６ｂに対する第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２の加圧力を、Ｆ１からＦ２に上昇させる。これに伴い、上記と同様に、電流が第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう方向に優先的に流れるようになる（図４参照）。
【００７３】
すなわち、第２実施形態においても、高抵抗ワークである金属板２０と、低抵抗ワークである溶接部６０との接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることができるとともに、高抵抗ワーク同士である金属板１８、２０同士の接触面近傍にも、十分な大きさのナゲットを得ることができる。勿論、第１実施形態と同様に、金属板１８、２０の間、金属板２０、溶接部６０の間にスパッタが発生することを回避することもできる。
【００７４】
積層体１６ｂの複数箇所に対して溶接を行う場合、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２を変位させ、別部位に対して上記と同様の加圧力制御を行えばよい。図６中の参照符号６２ａ〜６２ｃは、そのようにして溶接がなされることで形成された接合箇所を示す。
【００７５】
なお、上記した第１実施形態及び第２実施形態では、３個のワークを積層することで積層体１６ａ、１６ｂを形成するようにしているが、ワークの個数は特にこれに限定されるものではなく、４個以上であってもよい。
【００７６】
また、積層体が、ハイテン鋼からなる金属板１８、２０、軟鋼からなる金属板２２（又は溶接部６０）の組み合わせに特に限定されるものではないことは勿論である。
【００７７】
さらに、スポット溶接の開始から終了まで電流値を一定とする必要は特になく、加圧力をＦ１とするときの電流値と、Ｆ２とするときの電流値とを相違させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…第１溶接チップ １２…第２溶接チップ
１４…補助電極 １６ａ、１６ｂ…積層体
１８、２０、２２…金属板 ２４…挿入窓
２６、２８…溶融部 ３０…アース電極
４０…クランプ機構 ４４ａ、４４ｂ…クランプ爪
５４ａ、５４ｂ…回動機構 ５８…加工ワーク
６０…溶接部 ６２ａ〜６２ｃ…接合箇所
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３個以上のワークを積層して形成される積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車車体を製造するに際しては、いわゆるハイテン鋼からなり且つ厚みが大きい高抵抗ワーク同士を積層し、さらに、軟鋼からなり且つ厚みが小さい低抵抗ワークを積層して形成される積層体に対してスポット溶接を行う場合がある。
【０００３】
特許文献１には、このような積層体に対するスポット溶接方法が提案されている。具体的には、第１溶接チップ及び第２溶接チップによる積層体に対する加圧力を、通電の初期段階では小さく、後期段階では大きくし、且つ第１溶接チップと第２溶接チップ間に流す電流を、通電の初期段階では大きく、後期段階では小さくするようにしている。すなわち、この場合、通電の初期段階では低加圧力・高電流値に設定され、後期段階では高加圧力・低電流値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した積層体の場合、最下及び中央の高抵抗ワークは電気抵抗が大きいので、該高抵抗ワーク同士の接触面近傍における接触抵抗も大きい。このため、前記の通電の際に、互いの接触面近傍に大きなジュール熱が発生する。一方、中央の高抵抗ワークと最上の低抵抗ワークとの接触面近傍における接触抵抗は、高抵抗ワーク同士の接触面近傍に比して小さい。低抵抗ワークの電気抵抗が小さいからである。
【０００６】
従って、積層体に対してスポット溶接を行うと、先ず、高抵抗ワーク同士の接触面近傍に溶融部が形成される。場合によっては、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面近傍に溶融部が形成される前に、高抵抗ワーク同士間の溶融部が大きく成長することがある。
【０００７】
ところで、特許文献１記載の従来技術では、上記したように、通電の初期段階では加圧力を小さくしている。従って、ワーク同士の間に微小なギャップが形成される懸念がある。このような状態で低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面に溶融部を形成するべく通電を続行すると、高抵抗ワーク同士間のギャップから、溶融部が飛散する（スパッタが発生する）懸念がある。
【０００８】
しかしながら、通電を停止すると、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面に十分な大きさの溶融部、ひいては該溶融部が凝固した固相としてのナゲットが形成されないので、低抵抗ワークと高抵抗ワークとの接合強度を確保することが困難となる。
【０００９】
このような不具合を回避するべく、通電の初期段階における加圧力を大きくした場合には、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面積が大きくなるので、接触面近傍の接触抵抗が小さくなる。このため、ジュール熱が小さくなるので、溶融部、ひいてはナゲットを十分な大きさに成長させることが容易でなくなる。
【００１０】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、３個以上のワークから形成される積層体中のワーク同士の接触面近傍にナゲットを十分に成長させることが可能であり、しかも、スパッタが発生する懸念を払拭し得るスポット溶接方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明は、３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
前記積層体を第１溶接チップ及び第２溶接チップで挟持するとともに、前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークを、アース電極、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性の電極に対して電気的に接続する工程と、
前記第１電極チップから前記第２溶接チップに向かう電流を流すことで、前記第１電極チップから前記内方ワークを経由して前記電極に向かう電流を発生させるとともに、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップによって第１の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークを他のワークと接合する工程と、
前記第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークと前記外方ワークとを接合する工程と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明においては、第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するのみでなく、接触面近傍の接触抵抗が積層体中で最大となる２個の高抵抗ワーク（内方ワークと外方ワーク）中、積層体の内方に位置する高抵抗ワーク（内方ワーク）に対して、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極を電気的に接続し、この状態で通電を行う。
【００１３】
通電初期には、積層体は、比較的小さな第１の加圧力をもって挟持されている。従って、積層体中の低抵抗ワークと他のワークとの接触面積が小さくなり、このため、該接触面近傍の接触抵抗が大きくなる。その結果、この接触面近傍において大きなジュール熱が発生するので、十分に成長した溶融部、ひいてはナゲットを容易に得ることができる。
【００１４】
一方、接触抵抗が最大である高抵抗ワーク同士の接触面積も小さくなるので、この接触面近傍における接触抵抗が大きくなる。従って、この接触面近傍に電流が流れることが困難となる。その結果、電流の大部分は、第２溶接チップには向かわず、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極に優先的に向かう。
【００１５】
このため、接触抵抗が最大である高抵抗ワーク同士の接触面近傍では、溶融部がさほど成長しない。従って、高抵抗ワーク同士にギャップが存在している場合であっても、上記のようにして低抵抗ワークと他のワークとの間に溶融部を成長させている間にスパッタが発生することが回避される。
【００１６】
その後、積層体に対する加圧力が上昇する。これに伴って高抵抗ワーク同士の接触面積が小さくなり、接触抵抗も小さくなる。すなわち、両者の接触面近傍に電流が容易に流れるようになり、電流の大部分が第２溶接チップには向かうようになる。これにより、この接触面近傍において大きなジュール熱が発生し、十分に成長した溶融部（ナゲット）を得ることができる。
【００１７】
この間、低抵抗ワークと他のワークとの間の接触抵抗が小さくなるので、両者の接触面近傍において過大なジュール熱が発生することが回避される。また、低抵抗ワークと他のワークとの間には既に電流が通過しているので、いわゆるなじみが向上している。従って、低抵抗ワークと他のワークとの間からスパッタが発生することは困難である。
【００１８】
以上のように、本発明によれば、スパッタが発生することを回避しながら、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることが可能となる。従って、接合強度に優れた接合品を得ることができる。
【００１９】
なお、第２溶接チップと同一極性の電極を得るには、例えば、第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続すればよい。
【００２０】
また、本発明は、３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うためのスポット溶接装置であって、
前記積層体を挟持するための第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークに対して電気的に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、アース電極であるか、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性であることを特徴とする。
【００２１】
このような構成とすることにより、上記したスポット溶接を実施することができる。このため、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットが形成されて接合強度に優れた接合品を得ることができる。
【００２２】
上記したように、例えば、第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続することにより、両者の極性を容易に一致させることができる。
【００２３】
前記電極がアース電極である場合には、積層体を把持するクランプ機構をさらに設けるとよい。この場合、クランプ機構とともにアース電極によって前記積層体をクランプすることにより、積層体を一層安定した姿勢とすることが可能となる。すなわち、スポット溶接を行うことが容易となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するのみでなく、接触面近傍の接触抵抗が積層体中で最大となる２個の高抵抗ワーク中、積層体の内方に位置する高抵抗ワークに対して、アース電極か、又は、第２溶接チップと同一極性である電極を電気的に接続し、且つ、初期には比較的小さな第１の加圧力をもって、その後は第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力をもって積層体を加圧しながら、通電を行うようにしている。
【００２５】
このように加圧力を設定することにより、積層体内を流れる電流の経路を制御することができる。この制御により、スパッタが発生することを回避しつつ、隣接するワーク同士の接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることが可能となる。その結果、接合強度に優れた接合品が得られるに至る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。
【図２】図１に示す第１溶接チップ及び第２溶接チップで積層体を挟持するとともに、補助電極を中央のワーク（金属板）に当接させた状態を模式的に示した縦断面図である。
【図３】図２から、第１の加圧力で積層体を挟持しつつ通電を開始した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図４】図３から、加圧力を上昇した第２の加圧力で積層体を挟持しつつ通電を開始した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図５】中央のワーク（金属板）に対し、補助電極に代替してアース電極を電気的に接続した状態を模式的に示した縦断面図である。
【図６】第２実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るスポット溶接方法につき、これを実施するスポット溶接装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１は、第１実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。このスポット溶接装置は、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２及び補助電極１４を具備する図示しない溶接ガンを有し、この場合、該溶接ガンは、例えば、６軸ロボット等の多関節ロボットのアーム部先端に配設される。多関節ロボットのアームに溶接ガンが配設された構成は公知であることから、この構成についての詳細な説明は省略する。
【００２９】
長尺棒状に形成された第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２は、これら第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２の間に溶接対象である積層体１６ａを挟持し、且つ該積層体１６ａに対して通電を行うものである。これら第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２は、それぞれ、図示しない電源の正極又は負極に対して電気的に接続されている。すなわち、本実施の形態において、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２の極性は、それぞれ、正（＋）、負（−）であり、スポット溶接を行う際には、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう方向に電流が流れる。
【００３０】
略Ｌ字形状の補助電極１４は、この場合、第２溶接チップ１２に連結されることにより、該第２溶接チップ１２に対して電気的に接続されている。すなわち、補助電極１４の極性は、第２溶接チップ１２と同じく負（−）であり、正（＋）の極性である第１溶接チップ１０とは逆である。
【００３１】
前記溶接ガンがいわゆるＸ型のものである場合、第１溶接チップ１０は、開閉自在なチャック対を構成する一方のチャック爪に設けられ、第２溶接チップ１２及び補助電極１４は、前記チャック対の残余のチャック爪に設けられる。すなわち、チャック対が開動作又は閉動作することに伴い、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４とが互いに離間又は接近する。
【００３２】
前記溶接ガンは、いわゆるＣ型のものであってもよい。この場合、第２溶接チップ１２及び補助電極１４は固定アームの先端に配置され、一方、第１溶接チップ１０は、例えば、ボールネジに連結される。ボールネジが回転付勢されることに伴い、第１溶接チップ１０が第２溶接チップ１２及び補助電極１４に対して接近又は離間する。
【００３３】
以上の構成において、前記電源及び前記チャック対（又はボールネジ）は、制御手段としての図示しないガンコントローラに電気的に接続されている。すなわち、電源の付勢・滅勢、及び前記チャック対の開閉動作（又はボールネジの昇降動作）は、ガンコントローラによって制御される。
【００３４】
溶接対象である積層体１６ａにつき若干説明すると、この場合、積層体１６ａは、３枚の金属板１８、２０、２２が下方からこの順序で積層されることによって構成される。この中の金属板１８、２０の厚みはＤ１（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）に設定され、金属板２２の厚みはＤ１に比して小寸法のＤ２（例えば、約０．５ｍｍ〜約０．７ｍｍ）に設定される。要するに、金属板１８、２０の厚みは同一であり、金属板２２はこれら金属板１８、２０に比して薄肉である。換言すれば、金属板２２の厚みは、積層体１６ａを構成する３枚の金属板１８、２０、２２中で最小である。
【００３５】
金属板１８、２０は、例えば、いわゆるハイテン鋼であるＪＡＣ５９０、ＪＡＣ７８０又はＪＡＣ９８０（いずれも日本鉄鋼連盟規格に規定される高性能高張力鋼板）からなる高抵抗ワークであり、金属板２２は、例えば、いわゆる軟鋼であるＪＡＣ２７０（日本鉄鋼連盟規格に規定される高性能絞り加工用鋼板）からなる低抵抗ワークである。金属板１８、２０は同一金属種であってもよいし、異種金属種であってもよい。
【００３６】
以上から諒解されるように、積層体１６ａは、高抵抗ワーク（金属板１８）、高抵抗ワーク（金属板２０）、低抵抗ワーク（金属板２２）が第２溶接チップ１２側から第１溶接チップ１０に向かうに従ってこの順序となるように積層されることで構成されている。従って、ワーク同士の接触面近傍の接触抵抗は、高抵抗ワーク同士の組み合わせである金属板１８、２０の方が大きく、一方、高抵抗ワークと低抵抗ワークの組み合わせである金属板２０、２２の方が小さくなる。
【００３７】
すなわち、この場合、接触抵抗が最大となる２個のワークの組み合わせは、金属板１８、２０である。そして、この組み合わせの中、金属板２０が積層体１６ａの内方に臨む。すなわち、内方ワークとなる。その一方で、内方ワークである金属板２０に隣接する金属板１８は、積層体１６ａの外方に臨む外方ワークである。
【００３８】
金属板１８には、その一部を切り欠くことによって挿入窓２４が形成されている。従って、該挿入窓２４には金属板２０の下端面が露呈しており、補助電極１４は、この挿入窓２４に挿入されて金属板２０に当接している。これにより、補助電極１４と金属板２０とが電気的に接続されている。
【００３９】
上記したように、外方ワークである金属板１８には第２溶接チップ１２が当接する。すなわち、金属板１８（外方ワーク）に近接する第２溶接チップ１２と、内方ワークである金属板２０に電気的に接続された補助電極１４とは、同一の極性である。
【００４０】
第１実施形態に係るスポット溶接装置は、基本的には以上のように構成される要部を具備するものであり、次に、その作用効果につき、スポット溶接方法との関係で説明する。
【００４１】
積層体１６ａに対して抵抗溶接を行う際、換言すれば、金属板１８、２０同士を接合するとともに金属板２０、２２同士を接合する際には、先ず、前記ガンコントローラの制御作用下に、前記多関節ロボットが、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２の間に積層体１６ａが配置されるように前記溶接ガンを移動させる。その後、チャック爪同士が閉動作したり、又はボールネジ機構が付勢されたりすることにより、第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４とが相対的に接近し、その結果、互いの間に積層体１６ａが挟持される。補助電極１４の先端部は、この挟持と同時に、金属板１８に形成された挿入窓２４に挿入されて金属板２０の下端面に当接する。
【００４２】
この状態を、模式的な縦断面図として図２に示す。なお、金属板２０と補助電極１４との電気的接続は、等価的な回路図に模して示している。
【００４３】
この時点での第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２による積層体１６ａへの各加圧力をｆ１、ｆ１’とすると、積層体１６ａには、ｆ１とｆ１’の和であるＦ１（第１の加圧力）が作用する。このＦ１は、積層体１６ａを十分に保持し得る程度であれば十分である。なお、金属板２０に対する補助電極１４の加圧力は、該補助電極１４が金属板２０に接触する程度に小さく設定して差し支えない。すなわち、補助電極１４による加圧力は、無視し得る程度である。
【００４４】
図１及び図２に示す状態が形成されたことを接触式センサ等によって認識した前記ガンコントローラは、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう電流を流すように制御を行う。これにより、図３に示すように、通電が開始される。
【００４５】
ここで、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力Ｆ１が十分に小さいため、金属板２０、２２同士の間に作用する接触圧力も小さい。その結果、これら金属板２０、２２同士の接触面積も小さくなっている。従って、金属板２０、２２同士の接触面近傍の接触抵抗が大きくなる。ただし、金属板２２は、電気抵抗及び厚みの双方が小さい低抵抗ワークであるので、第１溶接チップ１０を出発した電流ｉは、金属板２２を通過して金属板２０に到達することが可能である。
【００４６】
そして、この電流ｉに基づくジュール熱により、金属板２０、２２の間が加熱されて溶融し、溶融部２６が形成される。
【００４７】
その一方で、金属板１８、２０の間に作用する接触圧力も小さくなるので、これら金属板１８、２０同士の接触面積も小さくなる。このため、金属板１８、２０同士の接触面近傍の接触抵抗が一層大きくなり、金属板１８から金属板２０を経由して第２溶接チップ１２に向かう電流が流れることが困難となる。従って、電流の大部分は、図３に電流ｉとして示すように、高抵抗となった金属板１８、２０の接触面近傍には向かわず、補助電極１４に向かって流れる。
【００４８】
以上のように、スポット溶接を開始した初期段階では、金属板２０、２２の接触面近傍が優先的に発熱し、溶融部２６を形成する。一方、金属板１８、２０の接触面近傍の接触抵抗が大きく電流が流れ難いため、金属板１８、２０の接触面近傍に溶融部が成長することが抑制される。従って、金属板１８、２０の間にギャップが存在していたとしても、スパッタが発生することは困難である。
【００４９】
溶融部２６は、通電が継続される限り、時間の経過とともに成長する。還元すれば、通電を所定の時間継続することにより、溶融部２６、ひいてはナゲットを十分に成長させることができる。なお、通電継続時間に対する溶融部２６（ナゲット）の成長の度合いは、テストピース等を用いたスポット溶接試験で予め確認しておけばよい。
【００５０】
ガンコントローラに予め設定された所定の時間が到達すると、ガンコントローラは、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を上昇させる。すなわち、図４に示すように、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による各加圧力を、ｆ１、ｆ１’からｆ２、ｆ２’に増加し、Ｆ１よりも大きいＦ２（第２の加圧力）に設定する。
【００５１】
この加圧力上昇に伴い、金属板２０、２２の間、金属板１８、２０の間に作用する接触圧力が大きくなる。その結果、金属板２０、２２同士、金属板１８、２０同士の各接触面積が大きくなる。従って、金属板２０、２２同士、金属板１８、２０同士の接触面近傍の接触抵抗が低減される。
【００５２】
この接触抵抗の低減に伴い、図４に電流ｉとして示すように、金属板２０に到達した電流が金属板１８に向かうようになる。この電流ｉに基づくジュール熱により、金属板１８、２０の間が加熱されて溶融し、溶融部２８が形成される。
【００５３】
以降は、溶融部２８が十分に成長するまで通電を継続すればよい。通電継続時間に対する溶融部２８の成長の度合いも、テストピース等を用いたスポット溶接試験で予め確認しておけばよい。なお、金属板２０、２２の接触面近傍の接触抵抗が金属板１８、２０の接触面近傍に比して小さいので、溶融部２８を成長させるために通電を行っている間、溶融部２６はさほどは成長しない。
【００５４】
以上から諒解されるように、積層体１６ａに対する加圧力を上記のように制御することによって、高抵抗ワークである金属板２０と、低抵抗ワークである金属板２２との接触面近傍に十分な大きさの溶融部２６を得た後、高抵抗ワーク同士である金属板１８、２０同士の接触面近傍に十分な大きさの溶融部２８を成長させることができる。
【００５５】
ここで、金属板１８、２０の接触面近傍では、上記したように接触抵抗が小さいため、発生するジュール熱が小さい。しかも、この接触面には電流が既に通過しているので、これら金属板１８、２０の接触面のなじみが向上している。従って、金属板１８、２０の接触面からスパッタが発生することは困難である。
【００５６】
すなわち、本実施の形態によれば、金属板２０、２２の間の溶融部２６を成長させる際、金属板１８、２０の間の溶融部２８を成長させる際の双方で、スパッタが発生することを回避することができる。
【００５７】
前記ガンコントローラに予め設定された所定時間（溶融部２８が十分成長し得る時間）が経過すると、例えば、ＯＮ／ＯＦＦスイッチが切断されることによって通電が停止され、その後、第１溶接チップ１０が第２溶接チップ１２及び補助電極１４に対して相対的に離間する。又は、第１溶接チップ１０を金属板２２から離間させることで第１溶接チップ１０と第２溶接チップ１２及び補助電極１４を電気的に絶縁し、これにより通電を停止するようにしてもよい。
【００５８】
このようにして通電（溶接）が停止されることに伴い、金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士の接触面近傍の発熱も終了する。時間の経過とともに溶融部２６、２８がともに冷却固化してナゲットとなり、このナゲットを介して金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士が互いに接合される。
【００５９】
以上のようにして、積層体１６ａを構成する金属板１８、２０同士、金属板２０、２２同士が接合され、その結果、接合品が得られるに至る。
【００６０】
この接合品においては、金属板１８、２０同士の接合強度と同様に、金属板２０、２２同士の接合強度も優れる。上記したように、低抵抗ワークである金属板２２と高抵抗ワークである金属板２０との接触面近傍に、ナゲットが十分に成長しているからである。
【００６１】
なお、上記した第１実施形態では、金属板２０を、第２溶接チップ１２と同一の極性である補助電極１４に電気的に接続する場合を例示して説明したが、図５に模式的に示すように、アース電極３０に接続するようにしてもよい。この場合においても、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２による積層体１６ａに対する加圧力を上記のように制御したときには、電流は、図３及び図４に電流ｉとして示す経路に優先的に流れる。
【００６２】
次に、第２実施形態に係るスポット溶接装置につき説明する。なお、図１〜図５に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
図６は、第２実施形態に係るスポット溶接装置の要部拡大図である。このスポット溶接装置は、第１溶接チップ１０、第２溶接チップ１２の他、クランプ機構４０を具備する。なお、この場合の溶接対象は、積層体１６ｂである。
【００６４】
クランプ機構４０は、支持基盤４２と、クランプ爪４４ａ、４４ｂとを有する。すなわち、支持基盤４２には、高さ方向寸法が比較的小さい第１柱状部材４６ａ〜４６ｄが立設され、第１柱状部材４６ａ〜４６ｄの各先端には、台座４８ａ〜４８ｄがそれぞれ設けられる。積層体１６ｂは、全ての台座４８ａ〜４８ｄ上に載置されることで支持される。
【００６５】
また、支持基盤４２には、高さ方向寸法が比較的大きい第２柱状部材５０ａ、５０ｂも複数個立設される。第２柱状部材５０ａの先端に設けられた長尺支持板５２には、クランプ爪４４ａ及びアース電極３０が回動機構５４ａを介して回動自在に支持される。一方、第２柱状部材５０ｂの先端に設けられた短尺支持板５６には、クランプ爪４４ｂが回動機構５４ｂを介して回動自在に支持される。クランプ爪４４ａ、４４ｂ及びアース電極３０の回動は、ガンコントローラの作用下に回動機構５４ａ、５４ｂが付勢されることによって行われる。
【００６６】
この場合、積層体１６ｂは、ハイテン鋼からなり高抵抗ワークである金属板１８、２０に対し、軟鋼からなる加工ワーク５８の平坦な溶接部６０が積層されることで形成されている。なお、加工ワーク５８は、断面略コ字状に折曲された一端から、前記溶接部６０が突出して延在するように成形された形状をなす。
【００６７】
加工ワーク５８の溶接部６０の厚みは、金属板１８、２０に比して小さい。このことと、加工ワーク５８が、電気抵抗が小さい軟鋼からなることとが相俟って、加工ワーク５８、ひいては溶接部６０の電気抵抗が、金属板１８、２０に比して小さくなる。換言すれば、加工ワーク５８は低抵抗ワークである。すなわち、この場合も、第２溶接チップ１２から第１溶接チップ１０に向かう方向に、高抵抗ワーク（金属板１８）、高抵抗ワーク（金属板２０）、低抵抗ワーク（加工ワーク５８の溶接部６０）がこの順序で配設される。
【００６８】
加工ワーク５８の溶接部６０の一部は切り欠かれ、これにより挿入窓２４が形成されている。アース電極３０は、この挿入窓２４を介して露呈した金属板２０の上端面に当接することが可能である。
【００６９】
第２実施形態では、先ず、積層体１６ｂが台座４８ａ〜４８ｄに載置される。勿論、この際には、挿入窓２４の位置がアース電極３０の位置に対応するように積層体１６ｂの位置が調整される。
【００７０】
次に、ガンコントローラの制御作用下に回動機構５４ａ、５４ｂが付勢され、これにより、クランプ爪４４ａ、４４ｂが回動して台座４８ｂ、４８ｃとともに金属板１８、２０及び溶接部６０（積層体１６ｂ）をクランプする。同時に、アース電極３０が挿入窓２４に挿入されて金属板２０の上端面に当接する。
【００７１】
次に、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２が積層体１６ｂを挟持し、上記と同様に加圧力Ｆ１をもって積層体１６ｂを加圧する。その後、ガンコントローラの制御作用下に、第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう電流が出発する。以降、上記した理由から、電流は、第１溶接チップ１０からアース電極３０に向かう方向に優先的に流れる（図３の電流ｉ参照）。
【００７２】
所定時間が経過して溶接部６０と金属板２０との間に溶融部が十分に成長した後、ガンコントローラは、積層体１６ｂに対する第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２の加圧力を、Ｆ１からＦ２に上昇させる。これに伴い、上記と同様に、電流が第１溶接チップ１０から第２溶接チップ１２に向かう方向に優先的に流れるようになる（図４参照）。
【００７３】
すなわち、第２実施形態においても、高抵抗ワークである金属板２０と、低抵抗ワークである溶接部６０との接触面近傍に十分な大きさのナゲットを得ることができるとともに、高抵抗ワーク同士である金属板１８、２０同士の接触面近傍にも、十分な大きさのナゲットを得ることができる。勿論、第１実施形態と同様に、金属板１８、２０の間、金属板２０、溶接部６０の間にスパッタが発生することを回避することもできる。
【００７４】
積層体１６ｂの複数箇所に対して溶接を行う場合、第１溶接チップ１０及び第２溶接チップ１２を変位させ、別部位に対して上記と同様の加圧力制御を行えばよい。図６中の参照符号６２ａ〜６２ｃは、そのようにして溶接がなされることで形成された接合箇所を示す。
【００７５】
なお、上記した第１実施形態及び第２実施形態では、３個のワークを積層することで積層体１６ａ、１６ｂを形成するようにしているが、ワークの個数は特にこれに限定されるものではなく、４個以上であってもよい。
【００７６】
また、積層体が、ハイテン鋼からなる金属板１８、２０、軟鋼からなる金属板２２（又は溶接部６０）の組み合わせに特に限定されるものではないことは勿論である。
【００７７】
さらに、スポット溶接の開始から終了まで電流値を一定とする必要は特になく、加圧力をＦ１とするときの電流値と、Ｆ２とするときの電流値とを相違させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…第１溶接チップ １２…第２溶接チップ
１４…補助電極 １６ａ、１６ｂ…積層体
１８、２０、２２…金属板 ２４…挿入窓
２６、２８…溶融部 ３０…アース電極
４０…クランプ機構 ４４ａ、４４ｂ…クランプ爪
５４ａ、５４ｂ…回動機構 ５８…加工ワーク
６０…溶接部 ６２ａ〜６２ｃ…接合箇所
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
前記積層体を第１溶接チップ及び第２溶接チップで挟持するとともに、前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークを、アース電極、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性の電極に対して電気的に接続する工程と、
前記第１電極チップから前記第２溶接チップに向かう電流を流すことで、前記第１電極チップから前記内方ワークを経由して前記電極に向かう電流を発生させるとともに、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップによって第１の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークを他のワークと接合する工程と、
前記第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークと前記外方ワークとを接合する工程と、
を有することを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のスポット溶接方法において、前記第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続することを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項３】
３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うためのスポット溶接装置であって、
前記積層体を挟持するための第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークに対して電気的に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、アース電極であるか、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性であることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項４】
請求項３記載のスポット溶接装置において、前記電極が、前記第２溶接チップに対して電気的に接続されたことを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項５】
請求項３記載のスポット溶接装置において、前記電極がアース電極であり、且つ前記積層体を把持するクランプ機構をさらに有し、前記アース電極は、前記クランプ機構とともに前記積層体をクランプすることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項１】
３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うスポット溶接方法であって、
前記積層体を第１溶接チップ及び第２溶接チップで挟持するとともに、前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークを、アース電極、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性の電極に対して電気的に接続する工程と、
前記第１電極チップから前記第２溶接チップに向かう電流を流すことで、前記第１電極チップから前記内方ワークを経由して前記電極に向かう電流を発生させるとともに、前記第１溶接チップと前記第２溶接チップによって第１の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークを他のワークと接合する工程と、
前記第１の加圧力よりも大きな第２の加圧力で前記積層体を押圧し、前記内方ワークと前記外方ワークとを接合する工程と、
を有することを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のスポット溶接方法において、前記第２溶接チップに対して前記電極を電気的に接続することを特徴とするスポット溶接方法。
【請求項３】
３個以上のワークを積層することで形成した積層体に対してスポット溶接を行うためのスポット溶接装置であって、
前記積層体を挟持するための第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記積層体中で接触抵抗が最大となる２個のワークの中の前記積層体の内方に臨む内方ワークに対して電気的に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、アース電極であるか、又は、前記内方ワークに隣接して前記積層体の外方に臨む外方ワークに近接する前記第２溶接チップと同一の極性であることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項４】
請求項３記載のスポット溶接装置において、前記電極が、前記第２溶接チップに対して電気的に接続されたことを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項５】
請求項３記載のスポット溶接装置において、前記電極がアース電極であり、且つ前記積層体を把持するクランプ機構をさらに有し、前記アース電極は、前記クランプ機構とともに前記積層体をクランプすることを特徴とするスポット溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７１３３３（Ｐ２０１２−７１３３３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１８３７２（Ｐ２０１０−２１８３７２）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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