スポット溶接装置
【課題】複数個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し得るスポット溶接装置を提供する。
【解決手段】スポット溶接装置を構成する溶接ガン１４は、例えば、溶接チップとしての下チップ２０及び上チップ２２と、上チップ２２を変位させる変位軸にブラケットを介して設けられた補助電極３４ａ、３４ｂとを具備する。これら補助電極３４ａ、３４ｂは、アクチュエータの作用下に、下チップ２０に対して接近又は離間する方向に変位する。補助電極３４ａ、３４ｂは、下チップ２０と上チップ２２が積層体４０ａを挟持するとき、積層体４０ａの最外に配置された金属板４６ａに当接する。上チップ２２から下チップ２０へ向かう電流ｉ１が流れる際、上チップ２２から補助電極３４ａ、３４ｂへ向かう分岐電流ｉ２が流れる。
【解決手段】スポット溶接装置を構成する溶接ガン１４は、例えば、溶接チップとしての下チップ２０及び上チップ２２と、上チップ２２を変位させる変位軸にブラケットを介して設けられた補助電極３４ａ、３４ｂとを具備する。これら補助電極３４ａ、３４ｂは、アクチュエータの作用下に、下チップ２０に対して接近又は離間する方向に変位する。補助電極３４ａ、３４ｂは、下チップ２０と上チップ２２が積層体４０ａを挟持するとき、積層体４０ａの最外に配置された金属板４６ａに当接する。上チップ２２から下チップ２０へ向かう電流ｉ１が流れる際、上チップ２２から補助電極３４ａ、３４ｂへ向かう分岐電流ｉ２が流れる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個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ためのスポット溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、いわゆるハイテン鋼からなり且つ厚みが大きく、このために電気抵抗が大きな高抵抗ワーク１、２同士をスポット溶接にて接合する場合を模式的に示した要部正面図である。この場合、２枚の高抵抗ワーク１、２が積層されることによって積層体３が形成された後、該積層体３が、第１溶接チップ４と第２溶接チップ５に挟持・加圧される。さらに、第１溶接チップ４と第２溶接チップ５の間に通電がなされ、これに伴って高抵抗ワーク１、２同士の接触面近傍の部位が発熱して溶融部６となる。その後、溶融部６は凝固し、ナゲットと呼称される固相となる。
【０００３】
ここで、高抵抗ワーク１、２は電気抵抗が大きいので、通電の際に前記接触面近傍に発生するジュール熱が大きい。このため、図２３に示すように、溶融部６が比較的短時間に大きく成長し、その結果、溶融部６が飛散し易く（スパッタが発生し易く）なる。従って、高抵抗ワーク１、２同士をスポット溶接にて接合する場合、スパッタが発生することを回避するべく溶接電流を高精度に制御する必要があるが、このような制御は容易ではない。なお、この点は、厚みが小さいハイテン鋼の場合においても同様である。
【０００４】
また、３枚以上のワークを接合する場合、ワークの材質及び厚みは同一であるとは限らず、例えば、図２４に示すように、最外に位置するワーク（低抵抗ワーク７）の厚みが最小である場合もある。なお、この図２４における積層体８は、図２２及び図２３に示される高抵抗ワーク１、２上に、軟鋼からなり電気抵抗が小さい低抵抗ワーク７をさらに積層して形成されたものである。
【０００５】
この積層体８に対してスポット溶接を行うと、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面近傍に発生するジュール熱よりも、高抵抗ワーク１、２同士の接触面近傍に発生するジュール熱の方が大きくなる。後者の接触面近傍の方が、接触抵抗が大きいからである。
【０００６】
従って、この積層体８は、先ず、高抵抗ワーク１、２同士の接触面に溶融部９が形成される。場合によっては、図２５に示すように、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面に溶融部が形成される前に、溶融部９が大きく成長することがある。このような状態で低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２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１、２同士の接触面からスパッタが発生する懸念がある。
【０００７】
しかしながら、通電を停止すると、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面に十分な大きさの溶融部、ひいてはナゲットが形成されないので、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２との接合強度を確保することが困難となる。
【０００８】
そこで、本出願人は、特許文献１において、このような積層体に対してスポット溶接を行う際、低抵抗ワークに当接する第１溶接チップの加圧力を、第２溶接チップに比して小さく設定することを提案している。この場合、高抵抗ワークに対する低抵抗ワークの接触圧力が小さくなり、その結果、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面の接触抵抗が大きくなる。これにより、該接触面に十分なジュール熱が発生する。従って、低抵抗ワークと高抵抗ワークの間のナゲットを、高抵抗ワーク同士の間に形成されるナゲットと略同等の大きさに成長させることが可能となり、結局、接合強度が優れた積層体を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３８９４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は特許文献１記載の技術に関連してなされたもので、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、複数個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第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップの少なくともいずれかを変位させるための第１変位機構と、
前記積層体の最外に位置する最外ワークにおける前記第１溶接チップが当接した部位とは別の部位に当接し、前記積層体を前記最外ワーク側から加圧するための加圧部材と、
前記加圧部材を前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップとは別個に変位させるための第２変位機構と、
前記加圧部材に加圧力を発生させるための加圧機構と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
この場合、第１溶接チップと加圧部材との合計加圧力が第２溶接チップの加圧力と均衡するので、第１溶接チップの加圧力が、第２溶接チップに比して小さくなる。従って、第１溶接チップ側と、該第１溶接チップに略対向する第２溶接チップとの間では、加圧力は、第１溶接チップ側から第２溶接チップに向かうにつれて作用範囲が広がるように分布する。このため、第１溶接チップが当接した最外のワークと、それに隣接するワークとの接触面に作用する力が、残余のワーク同士の接触面に作用する力に比して小さくなる。
【００１３】
このような分布が生じる結果、最外のワークと、それに隣接するワークとの接触面積が、残余のワーク同士の接触面積に比して小さくなる。従って、最外のワークとそれに隣接するワークとの接触面の接触抵抗を大きくすることができ、これにより、ジュール熱に基づく発熱量を大きくすることができる。従って、該接触面に生成するナゲットを大きく成長させることが可能となり、結局、最外のワークとこれに隣接するワークとの接合強度を確保することができる。
【００１４】
しかも、加圧部材によって金属板が押圧されるので、最外のワークがこれに隣接するワークから離間することが抑制される。従って、軟化した溶融部が最外のワークとこれに隣接するワークとの離間箇所からスパッタとして飛散することを防止することができる。
【００１５】
その上、第１溶接チップを変位させる第１変位機構と、加圧部材を変位させる第２変位機構とが別個に設けられているので、第１溶接チップと加圧部材を積層体に対して個別に当接又は離間させることが容易である。すなわち、加圧部材による積層体に対する加圧力を容易に制御することが可能である。
【００１６】
なお、加圧部材を、第１溶接チップとは逆の極性である補助電極で構成し、前記通電を行う際、第１溶接チップから補助電極に向かう分岐電流、又は、補助電極から第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを生じさせるようにしてもよい。
【００１７】
この場合、第１溶接チップから補助電極に向かう電流、又はその逆方向に流れる電流が最外のワークの内部を流れるので、該電流によって、最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面が十分に加熱される。その結果、前記接触面に十分な大きさのナゲットが成長するので、接合強度に一層優れた接合部が得られる。
【００１８】
しかも、第１溶接チップと加圧部材（補助電極）を積層体に対して個別に当接又は離間させることが容易であるので、第１溶接チップから補助電極に向かう電流、又はその逆方向に流れる電流の発生、及び消失のタイミングを制御することも容易である。
【００１９】
また、第２溶接チップ側に、該第２溶接チップとは逆の極性である別の補助電極を設け、前記第１溶接チップから前記補助電極（第１溶接チップ側の補助電極）に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを消失させた後に、前記別の補助電極（第２溶接チップ側の補助電極）から第２溶接チップに向かう分岐電流、又は、第２溶接チップから前記別の補助電極に向かう分岐電流のいずれかを流すようにしてもよい。
【００２０】
この場合、第２溶接チップが当接する最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面に、ナゲットを十分に成長させることができるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、第１溶接チップと第２溶接チップで積層体を挟持することに加え、前記積層体の最外に配置されたワークを加圧部材で加圧し、この状態でスポット溶接を行うようにしている。このため、積層体に対する加圧力が、第１溶接チップから第２溶接チップに向かうにつれて作用範囲が大きくなるように分布する。
【００２２】
このように加圧力が分布する結果、前記最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面の接触面積が小さくなり、それに伴って該接触面の接触抵抗が大きくなる。従って、該接触面を十分に加熱し得るジュール熱が発生するようになるので、この接触面に十分な大きさのナゲットを成長させることができる。これにより、最外のワークと、これに隣接するワークとが十分な接合強度で接合する。換言すれば、最外のワークと、これに隣接するワークとの間に十分な接合強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るスポット溶接装置の要部側面図である。
【図２】図１のスポット溶接装置の要部拡大正面図である。
【図３】溶接対象である積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持した状態を示す要部概略正面図である。
【図４】積層体の最上に位置するワークと、その直下のワークとの間に適切な面圧の分布が形成された状態の一例を示す正面模式図とグラフである。
【図５】前記積層体を下チップ及び上チップのみで挟持した状態を示す正面模式図である。
【図６】図３から通電を開始し、上チップから下チップ、及び補助電極に向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図７】図６から通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図８】補助電極のみを積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図９】図８に続いて上チップを積層体から離間させ、通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１０】図３とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１１】図１０から補助電極のみを積層体から離間させる一方、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図１２】通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１３】図３及び図１０とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１４】通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１５】図３、図１０及び図１３とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１６】補助電極を下チップ（第２溶接チップ）側に設けた溶接ガンの要部側面図である。
【図１７】上チップ側の補助電極を積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行しながら、下チップ側の補助電極を積層体に当接させた状態を示す縦断面模式図である。
【図１８】下チップ側の前記補助電極を積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図１９】図３とは逆に、下チップ及び補助電極から上チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２０】積層体の最上に位置するワークと、その直下のワークとに、上チップから補助電極に向かう電流が流れる状態を示す縦断面模式図である。
【図２１】補助電極を変位させるための変位機構がガン本体に設けられた溶接ガンの要部側面図である。
【図２２】積層体を下チップ及び上チップのみで挟持する一般的なスポット溶接において、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２３】図２２から溶融部が成長した状態を示す縦断面模式図である。
【図２４】図２２とは別の積層体を下チップ及び上チップのみで挟持するとともに、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２５】図２４から溶融部が成長した状態を示す縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係るスポット溶接装置につき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。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係るスポット溶接装置１０の要部側面図であり、図２は、その要部拡大正面図である。このスポット溶接装置１０は、アームを有するロボット（ともに図示せず）と、前記アームを構成する手首部１２に支持された溶接ガン１４とを有する。
【００２６】
この場合、溶接ガン１４は、ガン本体１６の下方に配設された略Ｃ字形状の固定アーム１８を具備する、いわゆるＣ型のものである。この固定アーム１８の下方先端には、ガン本体１６を臨むようにして、第２溶接チップとしての下チップ２０が設けられ、該下チップ２０は、ガン本体１６に向かって延在している。
【００２７】
ガン本体１６には、第１溶接チップとしての上チップ２２が設けられたホルダ２４を図１及び図２における上下方向（矢印Ｙ２方向又は矢印Ｙ１方向）に変位させるためのボールねじ機構（図示せず）が収容されている。具体的には、ホルダ２４は、ガン本体１６から突出し且つ前記下チップ２０に向かって延在する変位軸２６の先端に取り付けられている。前記ボールねじ機構のボールねじは、この変位軸２６を図１における上下方向に変位させ、これにより、ホルダ２４を介して上チップ２２を変位させる。
【００２８】
すなわち、このボールねじ機構は、上チップ２２を変位させるための第１変位機構である。なお、前記ボールねじは、前記ボールねじ機構を構成する図示しないサーボモータの作用下に回転動作する。
【００２９】
上チップ２２の胴部には、略平板形状のブラケット２８が装着される。すなわち、該ブラケット２８には、その直径が上チップ２２の胴部の直径と略同等である貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０に上チップ２２の胴部が通されて嵌合されている。
【００３０】
図２に詳細に示すように、ブラケット２８には、２個のアクチュエータ３０ａ、３０ｂが設けられ、これらアクチュエータ３０ａ、３０ｂを構成するチューブ３２ａ、３２ｂからは、加圧部材として機能する補助電極３４ａ、３４ｂが上チップ２２と平行に延在するようにして突出している。これら補助電極３４ａ、３４ｂは、前記アクチュエータ３０ａ、３０ｂの作用下に、下チップ２０に対して接近又は離間する方向（矢印Ｙ１方向又はＹ２方向）に変位する。すなわち、アクチュエータ３０ａ、３０ｂは、補助電極３４ａ、３４ｂを変位させるための第２変位機構であり、且つ補助電極３４ａ、３４ｂの加圧力を発生させて制御する加圧力発生／制御機構である。
【００３１】
溶接対象である積層体４０ａにつき若干説明すると、この場合、積層体４０ａは、３枚の金属板４２ａ、４４ａ、４６ａ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４２ａ、４４ａの厚みはＤ１（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）に設定され、金属板４６ａ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。すなわち、金属板４２ａ、４４ａの厚みは同一であり、金属板４６ａはこれら金属板４２ａ、４４ａに比して薄肉である。すなわち、金属板４６ａの肉厚は、積層体４０ａを構成する３枚の金属板４２ａ、４４ａ、４６ａ中で最小である。
【００３２】
金属板４２ａ、４４ａ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４６ａ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４２ａ、４４ａ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。
【００３３】
前記下チップ２０及び前記上チップ２２は、これら下チップ２０及び上チップ２２の間に溶接対象である積層体４０ａを挟持し、且つ該積層体４０ａに対して通電を行うものである。なお、下チップ２０及び補助電極３４ａ、３４ｂは電源５０の負極に電気的に接続されており、一方、上チップ２２は前記電源５０の正極に電気的に接続されている。このため、本実施の形態では、上チップ２２から下チップ２０、及び補助電極３４ａ、３４ｂに向かって電流が流れる。このことから諒解される通り、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂはともに、積層体４０ａ中の最上に位置する金属板４６ａに当接するものの、その極性は互いに逆である。
【００３４】
後述するように、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂの離間距離Ｚ１、Ｚ２（図３参照）は、金属板４６ａと、その直下の金属板４４ａとの間に適切な面圧の分布が得られるように設定される。
【００３５】
以上の構成において、前記ボールねじ機構を構成する前記サーボモータ、及び電源５０は、制御手段としてのガンコントローラ５２に電気的に接続されている。すなわち、これらサーボモータ、及び電源５０の動作ないし付勢・滅勢は、ガンコントローラ５２によって制御される。
【００３６】
本実施の形態に係るスポット溶接装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、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。
【００３７】
積層体４０ａに対してスポット溶接を行う際、換言すれば、金属板４２ａ、４４ａ同士を接合するとともに金属板４４ａ、４６ａ同士を接合する際には、先ず、前記ロボットが、下チップ２０と上チップ２２の間に積層体４０ａが配置されるように前記手首部１２、すなわち、溶接ガン１４を移動させる。
【００３８】
ガン本体１６が所定の位置まで降下した後、ガンコントローラ５２の作用下に前記ボールねじ機構を構成する前記サーボモータが付勢され、これに伴って前記ボールねじが回転動作を開始する。これにより、上チップ２２及び補助電極３４ａ、３４ｂが積層体４０ａに対してさらに接近するように、変位軸２６が矢印Ｙ１方向に向かって降下する。その結果、下チップ２０と上チップ２２の間に積層体４０ａが挟持される。
【００３９】
その一方で、ガンコントローラ５２がアクチュエータ３０ａ、３０ｂに制御信号を送る。この制御信号を受けたアクチュエータ３０ａ、３０ｂは、下降するように付勢される。その結果、補助電極３４ａ、３４ｂが積層体４０ａに接近するように、矢印Ｙ１方向に向かって下降する。
【００４０】
従って、該補助電極３４ａ、３４ｂが、下チップ２０と上チップ２２によって積層体４０ａが挟持されるのと同時、又はその前後に金属板４６ａに当接する。図３には、このときの模式的な縦断面図が示されている。
【００４１】
ここで、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂの離間距離Ｚ１、Ｚ２は、図４に示すように、金属板４６ａと金属板４４ａとの間の接触面に、上チップ２２で押圧される箇所で面圧が最大となり、且つ補助電極３４ａ、３４ｂで押圧される箇所で、次に大きい面圧が得られるように設定される。なお、好適にはＺ１＝Ｚ２である。
【００４２】
換言すれば、前記接触面には、上チップ２２の加圧による面圧、及び補助電極３４ａ、３４ｂの加圧による面圧に比して面圧が小さくなる箇所が形成される。これにより、図４に示すような加圧力の分布が形成される。以下、この分布につき詳述する。
【００４３】
ガンコントローラ５２は、金属板４６ａに対する上チップ２２及び補助電極３４ａ、３４ｂの合計加圧力（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）が、金属板４２ａに対する下チップ２０の加圧力（Ｆ４）と均衡するように、前記ボールねじ機構のボールねじを回転動作させるサーボモータの回転付勢力、及びアクチュエータ３０ａ、３０ｂの推進力を制御する。この制御により、積層体４０ａに対する矢印Ｙ１方向に沿って作用する加圧力（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）と、矢印Ｙ２方向に沿って作用する加圧力（Ｆ４）とが略同等となる。なお、Ｆ２＝Ｆ３であることが好適である。
【００４４】
すなわち、このとき、Ｆ１＜Ｆ４が成り立つ。従って、積層体４０ａが下チップ２０と上チップ２２から受ける力は、図３に模式的に示すように、上チップ２２から下チップ２０に向かうにつれて作用範囲が広くなる（大きくなる）ように分布する。このため、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力は、金属板４２ａ、４４ａの接触面に作用する力に比して小さくなる。なお、離間距離Ｚ１、Ｚ２が過度に小さいために上チップ２２の加圧による面圧、及び補助電極３４ａ、３４ｂの加圧による面圧に比して面圧が小さくなる箇所が形成されない場合、このような分布が形成され難くなる。
【００４５】
図５は、補助電極３４ａ、３４ｂを用いずにＦ１＝Ｆ４とした場合における積層体４０ａが下チップ２０と上チップ２２から受ける力の分布を模式的に示したものである。図５から諒解されるように、この場合、力は、上チップ２２から下チップ２０にわたって均等である。換言すれば、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力と、金属板４２ａ、４４ａの接触面に作用する力とが等しくなる。
【００４６】
図３及び図５には、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力の範囲を太実線で示している。図３及び図５を対比して諒解される通り、力が作用する範囲は、Ｆ１＜Ｆ４であるときの方がＦ１＝Ｆ４であるときに比して狭い。このことは、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、Ｆ１＝Ｆ４であるときに比して金属板４６ａが金属板４４ａに対して押圧される範囲が狭いこと、換言すれば、接触面積が小さいことを意味する。
【００４７】
ここで、このように上チップ２２から下チップ２０に至るまでの加圧力を分布させ、金属板４４ａに対する金属板４６ａの接触面積を小さくしたことに伴い、積層体４０ａから上チップ２２に向かう反力が生じる。第１実施形態では、この反力を補助電極３４ａ、３４ｂで受けている。
【００４８】
上記したように、補助電極３４ａ、３４ｂを支持するブラケット２８は、ガン本体１６に収容されるボールねじ機構に連結された変位軸２６に支持されている。このため、補助電極３４ａ、３４ｂで受けた前記反力は、結局、ガン本体１６（溶接ガン１４）に吸収される。
【００４９】
従って、この場合、積層体４０ａからの反力がロボットに作用することが回避される。このため、ロボットとして剛性が大きいものを採用する必要がない。換言すれば、ロボットとして小型のものを採用することができ、その結果、設備投資を低廉化することができる。
【００５０】
次に、ガンコントローラ５２は、電源５０に通電開始の制御信号を発する。上チップ２２、下チップ２０の各々が電源５０の正極、負極に接続されているため、図６に示すように、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１が流れる。上記したように、上チップ２２、下チップ２０の各々が電源５０の正極、負極に接続されているからである。そして、電流ｉに基づくジュール熱により、金属板４２ａ、４４ａの間、及び金属板４４ａ、４６ａの間がそれぞれ加熱され、加熱領域６０、６２が形成される。
【００５１】
上記したように、図３に示される金属板４６ａと金属板４４ａとの接触面積は、図５に示される金属板４６ａと金属板４４ａとの接触面積に比して小さい。このため、金属板４４ａ、４６ａの接触面における接触抵抗及び電流密度は、図３に示される場合の方が図５に示される場合に比して、換言すれば、Ｆ１＜Ｆ４であるときの方がＦ１＝Ｆ４であるときに比して大きくなる。すなわち、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、Ｆ１＝Ｆ４であるときに比してジュール熱の発生量、換言すれば、発熱量が大きくなる。従って、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、図６に示すように、金属板４２ａ、４４ａの接触面に生成する加熱領域６０と、金属板４４ａ、４６ａの接触面に生成する加熱領域６２とが略同等の大きさに成長する。
【００５２】
ここで、金属板４６ａには補助電極３４ａ、３４ｂも当接しており、この補助電極３４ａ、３４ｂの極性は負である。従って、上チップ２２からは、上記した電流ｉ１と同時に、補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２が出発する。
【００５３】
このように、本実施の形態においては、金属板４２ａ、４４ａには流れず金属板４６ａにのみ流れる分岐電流ｉ２が発生する。この結果、上チップ２２及び下チップ２０のみを使用する一般的なスポット溶接に比して金属板４６ａの内部を通過する電流値が大きくなる。
【００５４】
従って、この場合、図７に示すように、金属板４６ａの内部に、前記加熱領域６２とは別の加熱領域６４が形成される。加熱領域６４は、時間の経過とともに拡大し、図１２に示すように、加熱領域６２と一体化する。金属板４４ａ、４６ａの接触面には、このようにして一体化した加熱領域６２、６４の双方から熱が伝達される。なお、以降の図面においては、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂとが電気的に接続されて分岐電流ｉ２が発生しているときには補助電極３４ａ、３４ｂの極性を図中に示し、逆に、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂが電気的に絶縁された状態にあるために分岐電流ｉ２が発生していないときには補助電極３４ａ、３４ｂの極性を示さないものとする。
【００５５】
金属板４２ａ、４４ａの接触面、金属板４４ａ、４６ａの接触面は、前記加熱領域６０、６２、６４によって加熱され、十分に温度上昇して溶融し始める。これにより形成された溶融部が冷却固化する結果、金属板４２ａ、４４ａの間、金属板４４ａ、４６ａの間にナゲット７０、７２がそれぞれ形成される。なお、図７においては、理解を容易にするためにナゲット７０、７２として示しているが、通電中は、液相である溶融部として存在する。以降の図面も同様である。
【００５６】
補助電極３４ａ、３４ｂによる加圧力Ｆ２、Ｆ３を大きくするほど金属板４４ａ、４６ａ間のナゲット７２を大きくすることができるが、加圧力Ｆ２、Ｆ３がある程度大きくなると、ナゲット７２の大きさが飽和する傾向がある。換言すれば、加圧力Ｆ２、Ｆ３を過度に大きくしても、ナゲット７２を一定の大きさ以上に成長させることは困難である。また、加圧力Ｆ２、Ｆ３を過度に大きくすると、加圧力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の総和で加圧力Ｆ４と均衡させる関係上、加圧力Ｆ１を過度に小さくする必要がある。このため、金属板４２ａ、４４ａ間のナゲット７０が小さくなる。
【００５７】
従って、上チップ２２による加圧力Ｆ１と、補助電極３４ａ、３４ｂによる加圧力Ｆ２、Ｆ３との差は、ナゲット７０、７２を可及的に大きくし得るように設定することが好ましい。
【００５８】
また、分岐電流ｉ２の割合を大きくするほど加熱領域６４を大きくすることが可能であるが、分岐電流ｉ２の割合を過度に大きくした場合、電流ｉ１の電流値が小さくなるので、加熱領域６０、６２が小さくなる。このため、ナゲット７２の大きさが飽和する一方、ナゲット７０が小さくなる傾向がある。従って、分岐電流ｉ２の割合は、ナゲット７０が十分に成長する程度の電流ｉ１が流れるように設定することが好ましい。
【００５９】
なお、電流ｉ１と分岐電流ｉ２の割合は、例えば、上記したように上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂとの離間距離Ｚ１、Ｚ２（図３参照）を変更することで調節することが可能である。電流ｉ１と分岐電流ｉ２の好適な割合は、例えば、７０：３０である。
【００６０】
溶融部が形成される間、金属板４６ａは、補助電極３４ａ、３４ｂで金属板４４ａ側に押圧されている。この押圧により、低剛性の金属板４６ａが通電（加熱）に伴って反ること、すなわち、金属板４４ａから離間することが抑制される。このため、軟化した溶融部が金属板４６ａと金属板４４ａとの離間箇所からスパッタとして飛散することを防止することができる。
【００６１】
溶融部、ひいてはナゲット７２は、通電が継続される限り、時間の経過とともに成長する。従って、通電を所定の時間継続することにより、ナゲット７２を十分に成長させることができる。
【００６２】
この場合、金属板４２ａ、４４ａに流れる電流ｉ１の電流値は、一般的なスポット溶接に比して小さい。このため、金属板４４ａ、４６ａの間の溶融部（ナゲット７２）が大きく成長している間に金属板４２ａ、４４ａの発熱量が過度に大きくなることが回避される。従って、スパッタが発生する懸念が払拭される。
【００６３】
この間、電流ｉ１によって金属板４２ａ、４４ａの間にもナゲット７０となる溶融部が形成される。分岐電流ｉ２が継続して流れるようにすると、分岐電流ｉ２を停止した場合に比して電流ｉ１の全通電量が少なくなるので、加熱領域６０、ひいてはナゲット７０が若干小さくなる傾向がある。
【００６４】
従って、ナゲット７０をさらに成長させる場合には、図８に示すように、補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板４６ａから離間させて上チップ２２から下チップ２０への通電を続行することが好ましい。補助電極３４ａ、３４ｂが金属板４６ａから離間することに伴って電流ｉ１の電流値が大きくなるので、通電終了までの電流ｉ１の全通電量が多くなるからである。
【００６５】
補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板４６ａから離間させるには、アクチュエータ３０ａ、３０ｂを上昇するように付勢し、これにより補助電極３４ａ、３４ｂを下チップ２０から離間する方向（矢印Ｙ２方向）に変位させればよい。
【００６６】
この離間に伴い、分岐電流ｉ２が消失する。このため、金属板４６ａには、上チップ２２から下チップ２０へ向かう電流ｉ１のみが流れるようになる。これに伴って、加熱領域６４（図７参照）が消失する。
【００６７】
その一方で、金属板４２ａ、４４ａにおいては、通常のスポット溶接時と同様の状態が形成される。すなわち、厚みが大きい金属板４２ａ、４４ａではジュール熱による発熱量が増加し、その結果、加熱領域６０が広がるとともにその温度が一層上昇する。金属板４２ａ、４４ａの接触面は、この温度上昇した加熱領域６０に加熱され、これにより、該接触面近傍の温度が十分に上昇して溶融し、溶融部（ナゲット７０）の成長が促進される。
【００６８】
以降は、溶融部（ナゲット７０）が十分に成長するまで、例えば、図９に示すように、ナゲット７２となる溶融部と一体化するまで通電を継続すればよい。通電継続時間に対するナゲット７０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。
【００６９】
ここで、金属板４２ａ、４４ａの接触面は、金属板４４ａ、４６ａ同士の間にナゲット７２を成長させる際に電流ｉ１が通過することに伴って形成された加熱領域６０によって予め加熱されている。このため、金属板４２ａ、４４ａ同士は、ナゲット７０となる溶融部が成長する前になじみが向上している。従って、スパッタが発生し難い。
【００７０】
以上のように、本実施の形態によれば、金属板４４ａ、４６ａの間のナゲット７２を成長させる際、金属板４２ａ、４４ａの間のナゲット７０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。
【００７１】
所定時間が経過して前記溶融部が十分成長した後、通電を停止するとともに、図９に示すように、変位軸２６を上昇させることで上チップ２２を金属板４６ａから離間させる。又は、変位軸２６を上昇させて上チップ２２を金属板４６ａから離間させることによって、上チップ２２と下チップ２０を電気的に絶縁するようにしてもよい。
【００７２】
なお、スポット溶接の開始から終了するに至るまでの上記した動作は全て、ガンコントローラ５２の制御作用下に営まれる。
【００７３】
このようにして通電が停止されることに伴い、金属板４２ａ、４４ａの発熱も終了する。時間の経過とともに溶融部が冷却固化し、これにより、ナゲット７０を介して金属板４２ａ、４４ａが互いに接合される。
【００７４】
以上のようにして、積層体４０ａを構成する金属板４２ａ、４４ａ同士、金属板４４ａ、４６ａ同士が接合され、製品としての接合品が得られるに至る。
【００７５】
この接合品においては、金属板４２ａ、４４ａ同士の接合強度と同様に、金属板４４ａ、４６ａ同士の接合強度も優れる。上記したように金属板４６ａに分岐電流ｉ２が流されたことに伴って、金属板４４ａ、４６ａの間のナゲット７０が十分に成長しているからである。
【００７６】
以上のように、本実施の形態によれば、スパッタが生成することを回避しつつ、金属板４４ａ、４６ａの間に、金属板４２ａ、４４ａの間のナゲット７０と略同程度の大きさのナゲット７２を成長させることができ、これにより、金属板４４ａ、４６ａ同士の接合強度が優れた成形品を得ることができる。
【００７７】
しかも、スポット溶接装置１０は、既存のスポット溶接装置における変位軸２６に対し、アクチュエータ３０ａ、３０ｂが設けられたブラケット２８を装着することで構成することが可能である。従って、補助電極３４ａ、３４ｂを設けることに伴ってスポット溶接装置の構成が複雑化したり、大型化したりすることを回避することができる。このため、溶接対象が複雑な形状のものであったとしても、補助電極３４ａ、３４ｂ及び上チップ２２を溶接対象に干渉させることなく所定の溶接箇所に配置させることができる。
【００７８】
なお、溶接対象は積層体４０ａに特に限定されるものではなく、金属板の個数、素材、厚みが種々相違する様々な積層体を溶接することが可能である。以下、この点につき具体例を挙げて説明する。
【００７９】
図１０に示す積層体４０ｂは、厚みが最小である金属板４４ｂを、金属板４２ｂ、４６ｂで挟むようにして形成される。例えば、金属板４２ｂは、ハイテン鋼からなる高抵抗ワークであり、金属板４４ｂ、４６ｂは、軟鋼からなる低抵抗ワークである。
【００８０】
上チップ２２と下チップ２０のみで積層体４０ｂに対してスポット溶接を行う場合、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面が優先的に溶融する。金属板４２ｂが高抵抗ワークであるために、金属板４２ｂ、４４ｂの接触抵抗が金属板４４ｂ、４６ｂの接触抵抗よりも大きいからである。従って、金属板４４ｂ、４６ｂの接触面にナゲットを十分に成長させるべく上チップ２２から下チップ２０への通電を継続すると、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面からスパッタが発生する懸念がある。
【００８１】
これに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いる第２実施形態によれば、図１０に示すように、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面、及び金属板４４ｂ、４６ｂの接触面の双方に加熱領域７４、７６が形成される。上記の積層体４０ａにおける場合と同様に、分岐電流ｉ２が金属板４６ｂ内を流れることにより、金属板４４ｂ、４６ｂの接触面が十分に加熱されるからである。
【００８２】
これにより、図１１に示すナゲット７８、８０が形成される。分岐電流ｉ２を消失させた後に電流ｉ１を継続して流すことにより、例えば、図１２に示すように、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面、及び金属板４４ｂ、４６ｂの接触面の双方に跨るようにして十分に成長したナゲット８２を形成することができる。
【００８３】
積層体４０ａ、４０ｂに対するスポット溶接に関する以上の説明から諒解されるように、補助電極３４ａ、３４ｂを用いることにより、加熱領域、ひいてはナゲットを、該補助電極３４ａ、３４ｂを当接させた側に近接するように移動させることができる。
【００８４】
なお、金属板４２ｂがハイテン鋼、金属板４４ｂ、４６ｂが軟鋼である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。
【００８５】
次に、図１３に、ハイテン鋼からなる金属板４２ｃに対してハイテン鋼からなる金属板４４ｃが積層された積層体４０ｃに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いてスポット溶接を行う場合を示す。補助電極３４ａ、３４ｂを用いない場合、図２２及び図２３に示すように、金属板４２ｃ、４４ｃ（高抵抗ワーク１、２）の接触面において、溶融部６が比較的短時間で大きく成長する。このため、スパッタが発生し易くなる。
【００８６】
これに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いる本実施の形態によれば、図１３に示すように、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面に加熱領域８４が形成されるとともに、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面よりも上方、換言すれば、金属板４４ｃにおける補助電極３４ａ、３４ｂに近接する側に加熱領域８６が形成される。分岐電流ｉ２が金属板４４ｃ内を流れることにより、該金属板４４ｃ内が十分に加熱されるからである。すなわち、この場合においても、加熱領域、ひいてはナゲット（図１４参照）を、該補助電極３４ａ、３４ｂを当接させた側に近接するように移動させることができる。
【００８７】
そして、その結果、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面が軟化してシール性が向上する。従って、図１４に示すように十分に成長したナゲット８８を形成するべく電流ｉ１を継続して流しても、スパッタが発生し難くなる。
【００８８】
次に、図１５に示す積層体４０ｄに対してスポット溶接を行う場合につき説明する。なお、積層体４０ｄは、軟鋼からなり低抵抗な金属板４２ｄ、ハイテン鋼からなり高抵抗な金属板４４ｄ、４６ｄ、軟鋼からなり低抵抗な金属板９０ｄを下方からこの順序で積層して構成される。また、金属板４２ｄ、９０ｄの厚みは、金属板４４ｄ、４６ｄに比して小さく設定されている。
【００８９】
この場合、上チップ２２側に補助電極３４ａ、３４ｂを設けるとともに、下チップ２０側に補助電極３４ｃ、３４ｄを設ける。これら補助電極３４ｃ、３４ｄは、電源５０の正極に対して電気的に接続されており、従って、その極性は下チップ２０と逆である。なお、このような補助電極３４ｃ、３４ｄを得るためには、図１６に参考として示すように、上チップ２２に設けたブラケット２８及びアクチュエータ３０ａ、３０ｂと同様に構成されたブラケット９２及びアクチュエータ３０ｃ、３０ｄを下チップ２０側に設ける構成を採用すればよい。この場合、下チップ２０にブラケット２８を装着すればよい。
【００９０】
そして、先ず、図１５に示すように、上チップ２２と下チップ２０で積層体４０ｄを挟持すると同時に、又はその前後に補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板９０ｄに当接させる。その後、通電を開始し、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１と、上チップ２２から補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２とを流す。これにより、上記と同様に、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面と、金属板４６ｄ、９０ｄの接触面とにナゲット９４、９６がそれぞれ形成される。
【００９１】
次に、図１７に示すように、アクチュエータ３０ａ、３０ｂの作用下に補助電極３４ａ、３４ｂを上昇させ、これにより上チップ２２との電気的接続を切断することで分岐電流ｉ２を消失させると同時に、又はその前後に補助電極３４ｃ、３４ｄを金属板４２ｄに当接させる。これにより、最下の金属板４２ｄの内部に、補助電極３４ｃ、３４ｄから下チップ２０に向かう分岐電流ｉ３が流れる。
【００９２】
分岐電流ｉ２の消失に伴って、ナゲット９６の成長が停止する。その一方で、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１が継続して流れているので、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面におけるナゲット９６が成長するとともに、分岐電流ｉ３によって、金属板４２ｄ、４４ｄの接触面にナゲット９８が新たに形成される。
【００９３】
次に、図１８に示すように、補助電極３４ｃ、３４ｄを金属板４２ｄから離間させて分岐電流ｉ３を消失させ、これによりナゲット９８の成長を停止させる。この後も電流ｉ１を継続して流すことにより、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面におけるナゲット９６のみを成長させて、例えば、ナゲット９４、９８と一体化することもできる。
【００９４】
また、５枚以上の金属板で積層体を構成するようにしてもよいことは勿論である。
【００９５】
以上とは別に、図１９に示すように、金属板４２ａに当接した下チップ２０から、金属板４６ａに当接した上チップ２２に向かう電流を流すようにしてもよい。この場合にも、金属板４６ａに当接した補助電極３４ａ、３４ｂの極性を上チップ２２と逆にする。すなわち、下チップ２０及び補助電極３４ａ、３４ｂを電源５０の正極に電気的に接続する一方、上チップ２２を電源５０の負極に電気的に接続する。これにより、下チップ２０から上チップ２２に向かう電流ｉ１と、補助電極３４ａ、３４ｂから上チップ２２に向かう分岐電流ｉ２とが発生する。
【００９６】
また、図１６に示すように、正の極性の下チップ２０を第１溶接チップ、負の極性の上チップ２２を第２溶接チップとするとともに、負の極性の補助電極３４ｃ、３４ｄを下チップ２０側に設けるようにしてもよい。
【００９７】
さらに、図２０に示すように、分岐電流ｉ２を、上チップ２２が接触した金属板４６ａのみならず、該金属板４６ａの直下に位置する金属板４４ａにも流れるようにしてもよい。
【００９８】
さらにまた、アクチュエータ３０ａ、３０ｂを、ブラケット２８ではなく、図２１に示すように、ガン本体１６に設けるようにしてもよい。
【００９９】
いずれの場合においても、補助電極は、上記した２本の長尺棒状の補助電極３４ａ、３４ｂに特に限定されるものではない。例えば、１本又は３本以上の長尺棒状体であってもよい。３本以上を用いる場合は、上記の２本の場合と同様に、複数本の補助電極を最外の金属板に対して同時に当接又は離間させるようにしてもよい。また、補助電極は、下チップ２０又は上チップ２２を囲繞する円環形状体のものであってもよい。
【０１００】
なお、上記した実施の形態においては、上チップ２２（又は下チップ２０）から補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２を流すようにしているが、補助電極３４ａ、３４ｂと電源５０とを電気的に絶縁し、分岐電流ｉ２を発生させることなくスポット溶接を行うようにしてもよい。この場合、補助電極３４ａ、３４ｂは、単なる加圧用部材として機能する。
【０１０１】
この場合にも、上チップ２２から下チップ２０に至るまでの加圧力が図３に示すように分布するので、補助電極３４ａ、３４ｂによる押圧を行わない場合（図４参照）に比して、金属板４２ａと金属板４４ａとの接触面積が大きくなる。このため、金属板４２ａ、４４ａの接触面における接触抵抗及び電流密度が大きくなるので、ジュール熱の発生量、換言すれば、発熱量が大きくなる。従って、金属板４２ａ、４４ａの接触面において、十分な大きさの加熱領域、ひいてはナゲットが成長する。
【０１０２】
さらに、上記した実施の形態では、Ｃ型の溶接ガンを例示して説明したが、溶接ガンはいわゆるＸ型のものであってもよい。この場合、下チップ２０及び上チップ２２を、開閉自在な１組のチャック爪の各々に設け、該１組のチャック爪を開動作又は閉動作することによって、下チップ２０と上チップ２２とを互いに離間又は接近させればよい。
【符号の説明】
【０１０３】
３、８、４０ａ〜４０ｄ…積層体 ６、９…溶融部
１０…スポット溶接装置 １４…溶接ガン
１６…ガン本体 １８…固定アーム
２０…下チップ ２２…上チップ
２６…変位軸 ３０ａ〜３０ｄ…アクチュエータ
３４ａ〜３４ｄ…補助電極 ３６…トランス
４２ａ〜４２ｄ、４４ａ〜４４ｄ、４６ａ〜４６ｄ、９０ｄ…金属板
５０…電源 ５２…ガンコントローラ
６０、６２、６４、７４、７６、８４、８６…加熱領域
７０、７２、７８、８０、８２、８８、９４、９６、９８…ナゲット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個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ためのスポット溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、いわゆるハイテン鋼からなり且つ厚みが大きく、このために電気抵抗が大きな高抵抗ワーク１、２同士をスポット溶接にて接合する場合を模式的に示した要部正面図である。この場合、２枚の高抵抗ワーク１、２が積層されることによって積層体３が形成された後、該積層体３が、第１溶接チップ４と第２溶接チップ５に挟持・加圧される。さらに、第１溶接チップ４と第２溶接チップ５の間に通電がなされ、これに伴って高抵抗ワーク１、２同士の接触面近傍の部位が発熱して溶融部６となる。その後、溶融部６は凝固し、ナゲットと呼称される固相となる。
【０００３】
ここで、高抵抗ワーク１、２は電気抵抗が大きいので、通電の際に前記接触面近傍に発生するジュール熱が大きい。このため、図２３に示すように、溶融部６が比較的短時間に大きく成長し、その結果、溶融部６が飛散し易く（スパッタが発生し易く）なる。従って、高抵抗ワーク１、２同士をスポット溶接にて接合する場合、スパッタが発生することを回避するべく溶接電流を高精度に制御する必要があるが、このような制御は容易ではない。なお、この点は、厚みが小さいハイテン鋼の場合においても同様である。
【０００４】
また、３枚以上のワークを接合する場合、ワークの材質及び厚みは同一であるとは限らず、例えば、図２４に示すように、最外に位置するワーク（低抵抗ワーク７）の厚みが最小である場合もある。なお、この図２４における積層体８は、図２２及び図２３に示される高抵抗ワーク１、２上に、軟鋼からなり電気抵抗が小さい低抵抗ワーク７をさらに積層して形成されたものである。
【０００５】
この積層体８に対してスポット溶接を行うと、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面近傍に発生するジュール熱よりも、高抵抗ワーク１、２同士の接触面近傍に発生するジュール熱の方が大きくなる。後者の接触面近傍の方が、接触抵抗が大きいからである。
【０００６】
従って、この積層体８は、先ず、高抵抗ワーク１、２同士の接触面に溶融部９が形成される。場合によっては、図２５に示すように、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面に溶融部が形成される前に、溶融部９が大きく成長することがある。このような状態で低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２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１、２同士の接触面からスパッタが発生する懸念がある。
【０００７】
しかしながら、通電を停止すると、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２の接触面に十分な大きさの溶融部、ひいてはナゲットが形成されないので、低抵抗ワーク７と高抵抗ワーク２との接合強度を確保することが困難となる。
【０００８】
そこで、本出願人は、特許文献１において、このような積層体に対してスポット溶接を行う際、低抵抗ワークに当接する第１溶接チップの加圧力を、第２溶接チップに比して小さく設定することを提案している。この場合、高抵抗ワークに対する低抵抗ワークの接触圧力が小さくなり、その結果、低抵抗ワークと高抵抗ワークの接触面の接触抵抗が大きくなる。これにより、該接触面に十分なジュール熱が発生する。従って、低抵抗ワークと高抵抗ワークの間のナゲットを、高抵抗ワーク同士の間に形成されるナゲットと略同等の大きさに成長させることが可能となり、結局、接合強度が優れた積層体を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３８９４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は特許文献１記載の技術に関連してなされたもので、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、複数個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第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップの少なくともいずれかを変位させるための第１変位機構と、
前記積層体の最外に位置する最外ワークにおける前記第１溶接チップが当接した部位とは別の部位に当接し、前記積層体を前記最外ワーク側から加圧するための加圧部材と、
前記加圧部材を前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップとは別個に変位させるための第２変位機構と、
前記加圧部材に加圧力を発生させるための加圧機構と、
を有することを特徴とする。
【００１２】
この場合、第１溶接チップと加圧部材との合計加圧力が第２溶接チップの加圧力と均衡するので、第１溶接チップの加圧力が、第２溶接チップに比して小さくなる。従って、第１溶接チップ側と、該第１溶接チップに略対向する第２溶接チップとの間では、加圧力は、第１溶接チップ側から第２溶接チップに向かうにつれて作用範囲が広がるように分布する。このため、第１溶接チップが当接した最外のワークと、それに隣接するワークとの接触面に作用する力が、残余のワーク同士の接触面に作用する力に比して小さくなる。
【００１３】
このような分布が生じる結果、最外のワークと、それに隣接するワークとの接触面積が、残余のワーク同士の接触面積に比して小さくなる。従って、最外のワークとそれに隣接するワークとの接触面の接触抵抗を大きくすることができ、これにより、ジュール熱に基づく発熱量を大きくすることができる。従って、該接触面に生成するナゲットを大きく成長させることが可能となり、結局、最外のワークとこれに隣接するワークとの接合強度を確保することができる。
【００１４】
しかも、加圧部材によって金属板が押圧されるので、最外のワークがこれに隣接するワークから離間することが抑制される。従って、軟化した溶融部が最外のワークとこれに隣接するワークとの離間箇所からスパッタとして飛散することを防止することができる。
【００１５】
その上、第１溶接チップを変位させる第１変位機構と、加圧部材を変位させる第２変位機構とが別個に設けられているので、第１溶接チップと加圧部材を積層体に対して個別に当接又は離間させることが容易である。すなわち、加圧部材による積層体に対する加圧力を容易に制御することが可能である。
【００１６】
なお、加圧部材を、第１溶接チップとは逆の極性である補助電極で構成し、前記通電を行う際、第１溶接チップから補助電極に向かう分岐電流、又は、補助電極から第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを生じさせるようにしてもよい。
【００１７】
この場合、第１溶接チップから補助電極に向かう電流、又はその逆方向に流れる電流が最外のワークの内部を流れるので、該電流によって、最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面が十分に加熱される。その結果、前記接触面に十分な大きさのナゲットが成長するので、接合強度に一層優れた接合部が得られる。
【００１８】
しかも、第１溶接チップと加圧部材（補助電極）を積層体に対して個別に当接又は離間させることが容易であるので、第１溶接チップから補助電極に向かう電流、又はその逆方向に流れる電流の発生、及び消失のタイミングを制御することも容易である。
【００１９】
また、第２溶接チップ側に、該第２溶接チップとは逆の極性である別の補助電極を設け、前記第１溶接チップから前記補助電極（第１溶接チップ側の補助電極）に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを消失させた後に、前記別の補助電極（第２溶接チップ側の補助電極）から第２溶接チップに向かう分岐電流、又は、第２溶接チップから前記別の補助電極に向かう分岐電流のいずれかを流すようにしてもよい。
【００２０】
この場合、第２溶接チップが当接する最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面に、ナゲットを十分に成長させることができるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、第１溶接チップと第２溶接チップで積層体を挟持することに加え、前記積層体の最外に配置されたワークを加圧部材で加圧し、この状態でスポット溶接を行うようにしている。このため、積層体に対する加圧力が、第１溶接チップから第２溶接チップに向かうにつれて作用範囲が大きくなるように分布する。
【００２２】
このように加圧力が分布する結果、前記最外のワークと、これに隣接するワークとの接触面の接触面積が小さくなり、それに伴って該接触面の接触抵抗が大きくなる。従って、該接触面を十分に加熱し得るジュール熱が発生するようになるので、この接触面に十分な大きさのナゲットを成長させることができる。これにより、最外のワークと、これに隣接するワークとが十分な接合強度で接合する。換言すれば、最外のワークと、これに隣接するワークとの間に十分な接合強度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るスポット溶接装置の要部側面図である。
【図２】図１のスポット溶接装置の要部拡大正面図である。
【図３】溶接対象である積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持した状態を示す要部概略正面図である。
【図４】積層体の最上に位置するワークと、その直下のワークとの間に適切な面圧の分布が形成された状態の一例を示す正面模式図とグラフである。
【図５】前記積層体を下チップ及び上チップのみで挟持した状態を示す正面模式図である。
【図６】図３から通電を開始し、上チップから下チップ、及び補助電極に向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図７】図６から通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図８】補助電極のみを積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図９】図８に続いて上チップを積層体から離間させ、通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１０】図３とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１１】図１０から補助電極のみを積層体から離間させる一方、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図１２】通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１３】図３及び図１０とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１４】通電（スポット溶接）を終了した状態を示す縦断面模式図である。
【図１５】図３、図１０及び図１３とは別の積層体を下チップ、上チップ及び補助電極で挟持し、通電を開始した状態を示す縦断面模式図である。
【図１６】補助電極を下チップ（第２溶接チップ）側に設けた溶接ガンの要部側面図である。
【図１７】上チップ側の補助電極を積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行しながら、下チップ側の補助電極を積層体に当接させた状態を示す縦断面模式図である。
【図１８】下チップ側の前記補助電極を積層体から離間させる一方、上チップから下チップへの通電を続行した状態を示す縦断面模式図である。
【図１９】図３とは逆に、下チップ及び補助電極から上チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２０】積層体の最上に位置するワークと、その直下のワークとに、上チップから補助電極に向かう電流が流れる状態を示す縦断面模式図である。
【図２１】補助電極を変位させるための変位機構がガン本体に設けられた溶接ガンの要部側面図である。
【図２２】積層体を下チップ及び上チップのみで挟持する一般的なスポット溶接において、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２３】図２２から溶融部が成長した状態を示す縦断面模式図である。
【図２４】図２２とは別の積層体を下チップ及び上チップのみで挟持するとともに、上チップから下チップに向かう電流を流した状態を示す縦断面模式図である。
【図２５】図２４から溶融部が成長した状態を示す縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係るスポット溶接装置につき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。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係るスポット溶接装置１０の要部側面図であり、図２は、その要部拡大正面図である。このスポット溶接装置１０は、アームを有するロボット（ともに図示せず）と、前記アームを構成する手首部１２に支持された溶接ガン１４とを有する。
【００２６】
この場合、溶接ガン１４は、ガン本体１６の下方に配設された略Ｃ字形状の固定アーム１８を具備する、いわゆるＣ型のものである。この固定アーム１８の下方先端には、ガン本体１６を臨むようにして、第２溶接チップとしての下チップ２０が設けられ、該下チップ２０は、ガン本体１６に向かって延在している。
【００２７】
ガン本体１６には、第１溶接チップとしての上チップ２２が設けられたホルダ２４を図１及び図２における上下方向（矢印Ｙ２方向又は矢印Ｙ１方向）に変位させるためのボールねじ機構（図示せず）が収容されている。具体的には、ホルダ２４は、ガン本体１６から突出し且つ前記下チップ２０に向かって延在する変位軸２６の先端に取り付けられている。前記ボールねじ機構のボールねじは、この変位軸２６を図１における上下方向に変位させ、これにより、ホルダ２４を介して上チップ２２を変位させる。
【００２８】
すなわち、このボールねじ機構は、上チップ２２を変位させるための第１変位機構である。なお、前記ボールねじは、前記ボールねじ機構を構成する図示しないサーボモータの作用下に回転動作する。
【００２９】
上チップ２２の胴部には、略平板形状のブラケット２８が装着される。すなわち、該ブラケット２８には、その直径が上チップ２２の胴部の直径と略同等である貫通孔３０が形成されており、この貫通孔３０に上チップ２２の胴部が通されて嵌合されている。
【００３０】
図２に詳細に示すように、ブラケット２８には、２個のアクチュエータ３０ａ、３０ｂが設けられ、これらアクチュエータ３０ａ、３０ｂを構成するチューブ３２ａ、３２ｂからは、加圧部材として機能する補助電極３４ａ、３４ｂが上チップ２２と平行に延在するようにして突出している。これら補助電極３４ａ、３４ｂは、前記アクチュエータ３０ａ、３０ｂの作用下に、下チップ２０に対して接近又は離間する方向（矢印Ｙ１方向又はＹ２方向）に変位する。すなわち、アクチュエータ３０ａ、３０ｂは、補助電極３４ａ、３４ｂを変位させるための第２変位機構であり、且つ補助電極３４ａ、３４ｂの加圧力を発生させて制御する加圧力発生／制御機構である。
【００３１】
溶接対象である積層体４０ａにつき若干説明すると、この場合、積層体４０ａは、３枚の金属板４２ａ、４４ａ、４６ａ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４２ａ、４４ａの厚みはＤ１（例えば、約１ｍｍ〜約２ｍｍ）に設定され、金属板４６ａ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。すなわち、金属板４２ａ、４４ａの厚みは同一であり、金属板４６ａはこれら金属板４２ａ、４４ａに比して薄肉である。すなわち、金属板４６ａの肉厚は、積層体４０ａを構成する３枚の金属板４２ａ、４４ａ、４６ａ中で最小である。
【００３２】
金属板４２ａ、４４ａ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４６ａ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４２ａ、４４ａ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。
【００３３】
前記下チップ２０及び前記上チップ２２は、これら下チップ２０及び上チップ２２の間に溶接対象である積層体４０ａを挟持し、且つ該積層体４０ａに対して通電を行うものである。なお、下チップ２０及び補助電極３４ａ、３４ｂは電源５０の負極に電気的に接続されており、一方、上チップ２２は前記電源５０の正極に電気的に接続されている。このため、本実施の形態では、上チップ２２から下チップ２０、及び補助電極３４ａ、３４ｂに向かって電流が流れる。このことから諒解される通り、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂはともに、積層体４０ａ中の最上に位置する金属板４６ａに当接するものの、その極性は互いに逆である。
【００３４】
後述するように、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂの離間距離Ｚ１、Ｚ２（図３参照）は、金属板４６ａと、その直下の金属板４４ａとの間に適切な面圧の分布が得られるように設定される。
【００３５】
以上の構成において、前記ボールねじ機構を構成する前記サーボモータ、及び電源５０は、制御手段としてのガンコントローラ５２に電気的に接続されている。すなわち、これらサーボモータ、及び電源５０の動作ないし付勢・滅勢は、ガンコントローラ５２によって制御される。
【００３６】
本実施の形態に係るスポット溶接装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、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。
【００３７】
積層体４０ａに対してスポット溶接を行う際、換言すれば、金属板４２ａ、４４ａ同士を接合するとともに金属板４４ａ、４６ａ同士を接合する際には、先ず、前記ロボットが、下チップ２０と上チップ２２の間に積層体４０ａが配置されるように前記手首部１２、すなわち、溶接ガン１４を移動させる。
【００３８】
ガン本体１６が所定の位置まで降下した後、ガンコントローラ５２の作用下に前記ボールねじ機構を構成する前記サーボモータが付勢され、これに伴って前記ボールねじが回転動作を開始する。これにより、上チップ２２及び補助電極３４ａ、３４ｂが積層体４０ａに対してさらに接近するように、変位軸２６が矢印Ｙ１方向に向かって降下する。その結果、下チップ２０と上チップ２２の間に積層体４０ａが挟持される。
【００３９】
その一方で、ガンコントローラ５２がアクチュエータ３０ａ、３０ｂに制御信号を送る。この制御信号を受けたアクチュエータ３０ａ、３０ｂは、下降するように付勢される。その結果、補助電極３４ａ、３４ｂが積層体４０ａに接近するように、矢印Ｙ１方向に向かって下降する。
【００４０】
従って、該補助電極３４ａ、３４ｂが、下チップ２０と上チップ２２によって積層体４０ａが挟持されるのと同時、又はその前後に金属板４６ａに当接する。図３には、このときの模式的な縦断面図が示されている。
【００４１】
ここで、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂの離間距離Ｚ１、Ｚ２は、図４に示すように、金属板４６ａと金属板４４ａとの間の接触面に、上チップ２２で押圧される箇所で面圧が最大となり、且つ補助電極３４ａ、３４ｂで押圧される箇所で、次に大きい面圧が得られるように設定される。なお、好適にはＺ１＝Ｚ２である。
【００４２】
換言すれば、前記接触面には、上チップ２２の加圧による面圧、及び補助電極３４ａ、３４ｂの加圧による面圧に比して面圧が小さくなる箇所が形成される。これにより、図４に示すような加圧力の分布が形成される。以下、この分布につき詳述する。
【００４３】
ガンコントローラ５２は、金属板４６ａに対する上チップ２２及び補助電極３４ａ、３４ｂの合計加圧力（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）が、金属板４２ａに対する下チップ２０の加圧力（Ｆ４）と均衡するように、前記ボールねじ機構のボールねじを回転動作させるサーボモータの回転付勢力、及びアクチュエータ３０ａ、３０ｂの推進力を制御する。この制御により、積層体４０ａに対する矢印Ｙ１方向に沿って作用する加圧力（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）と、矢印Ｙ２方向に沿って作用する加圧力（Ｆ４）とが略同等となる。なお、Ｆ２＝Ｆ３であることが好適である。
【００４４】
すなわち、このとき、Ｆ１＜Ｆ４が成り立つ。従って、積層体４０ａが下チップ２０と上チップ２２から受ける力は、図３に模式的に示すように、上チップ２２から下チップ２０に向かうにつれて作用範囲が広くなる（大きくなる）ように分布する。このため、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力は、金属板４２ａ、４４ａの接触面に作用する力に比して小さくなる。なお、離間距離Ｚ１、Ｚ２が過度に小さいために上チップ２２の加圧による面圧、及び補助電極３４ａ、３４ｂの加圧による面圧に比して面圧が小さくなる箇所が形成されない場合、このような分布が形成され難くなる。
【００４５】
図５は、補助電極３４ａ、３４ｂを用いずにＦ１＝Ｆ４とした場合における積層体４０ａが下チップ２０と上チップ２２から受ける力の分布を模式的に示したものである。図５から諒解されるように、この場合、力は、上チップ２２から下チップ２０にわたって均等である。換言すれば、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力と、金属板４２ａ、４４ａの接触面に作用する力とが等しくなる。
【００４６】
図３及び図５には、金属板４４ａ、４６ａの接触面に作用する力の範囲を太実線で示している。図３及び図５を対比して諒解される通り、力が作用する範囲は、Ｆ１＜Ｆ４であるときの方がＦ１＝Ｆ４であるときに比して狭い。このことは、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、Ｆ１＝Ｆ４であるときに比して金属板４６ａが金属板４４ａに対して押圧される範囲が狭いこと、換言すれば、接触面積が小さいことを意味する。
【００４７】
ここで、このように上チップ２２から下チップ２０に至るまでの加圧力を分布させ、金属板４４ａに対する金属板４６ａの接触面積を小さくしたことに伴い、積層体４０ａから上チップ２２に向かう反力が生じる。第１実施形態では、この反力を補助電極３４ａ、３４ｂで受けている。
【００４８】
上記したように、補助電極３４ａ、３４ｂを支持するブラケット２８は、ガン本体１６に収容されるボールねじ機構に連結された変位軸２６に支持されている。このため、補助電極３４ａ、３４ｂで受けた前記反力は、結局、ガン本体１６（溶接ガン１４）に吸収される。
【００４９】
従って、この場合、積層体４０ａからの反力がロボットに作用することが回避される。このため、ロボットとして剛性が大きいものを採用する必要がない。換言すれば、ロボットとして小型のものを採用することができ、その結果、設備投資を低廉化することができる。
【００５０】
次に、ガンコントローラ５２は、電源５０に通電開始の制御信号を発する。上チップ２２、下チップ２０の各々が電源５０の正極、負極に接続されているため、図６に示すように、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１が流れる。上記したように、上チップ２２、下チップ２０の各々が電源５０の正極、負極に接続されているからである。そして、電流ｉに基づくジュール熱により、金属板４２ａ、４４ａの間、及び金属板４４ａ、４６ａの間がそれぞれ加熱され、加熱領域６０、６２が形成される。
【００５１】
上記したように、図３に示される金属板４６ａと金属板４４ａとの接触面積は、図５に示される金属板４６ａと金属板４４ａとの接触面積に比して小さい。このため、金属板４４ａ、４６ａの接触面における接触抵抗及び電流密度は、図３に示される場合の方が図５に示される場合に比して、換言すれば、Ｆ１＜Ｆ４であるときの方がＦ１＝Ｆ４であるときに比して大きくなる。すなわち、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、Ｆ１＝Ｆ４であるときに比してジュール熱の発生量、換言すれば、発熱量が大きくなる。従って、Ｆ１＜Ｆ４であるときには、図６に示すように、金属板４２ａ、４４ａの接触面に生成する加熱領域６０と、金属板４４ａ、４６ａの接触面に生成する加熱領域６２とが略同等の大きさに成長する。
【００５２】
ここで、金属板４６ａには補助電極３４ａ、３４ｂも当接しており、この補助電極３４ａ、３４ｂの極性は負である。従って、上チップ２２からは、上記した電流ｉ１と同時に、補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２が出発する。
【００５３】
このように、本実施の形態においては、金属板４２ａ、４４ａには流れず金属板４６ａにのみ流れる分岐電流ｉ２が発生する。この結果、上チップ２２及び下チップ２０のみを使用する一般的なスポット溶接に比して金属板４６ａの内部を通過する電流値が大きくなる。
【００５４】
従って、この場合、図７に示すように、金属板４６ａの内部に、前記加熱領域６２とは別の加熱領域６４が形成される。加熱領域６４は、時間の経過とともに拡大し、図１２に示すように、加熱領域６２と一体化する。金属板４４ａ、４６ａの接触面には、このようにして一体化した加熱領域６２、６４の双方から熱が伝達される。なお、以降の図面においては、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂとが電気的に接続されて分岐電流ｉ２が発生しているときには補助電極３４ａ、３４ｂの極性を図中に示し、逆に、上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂが電気的に絶縁された状態にあるために分岐電流ｉ２が発生していないときには補助電極３４ａ、３４ｂの極性を示さないものとする。
【００５５】
金属板４２ａ、４４ａの接触面、金属板４４ａ、４６ａの接触面は、前記加熱領域６０、６２、６４によって加熱され、十分に温度上昇して溶融し始める。これにより形成された溶融部が冷却固化する結果、金属板４２ａ、４４ａの間、金属板４４ａ、４６ａの間にナゲット７０、７２がそれぞれ形成される。なお、図７においては、理解を容易にするためにナゲット７０、７２として示しているが、通電中は、液相である溶融部として存在する。以降の図面も同様である。
【００５６】
補助電極３４ａ、３４ｂによる加圧力Ｆ２、Ｆ３を大きくするほど金属板４４ａ、４６ａ間のナゲット７２を大きくすることができるが、加圧力Ｆ２、Ｆ３がある程度大きくなると、ナゲット７２の大きさが飽和する傾向がある。換言すれば、加圧力Ｆ２、Ｆ３を過度に大きくしても、ナゲット７２を一定の大きさ以上に成長させることは困難である。また、加圧力Ｆ２、Ｆ３を過度に大きくすると、加圧力Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の総和で加圧力Ｆ４と均衡させる関係上、加圧力Ｆ１を過度に小さくする必要がある。このため、金属板４２ａ、４４ａ間のナゲット７０が小さくなる。
【００５７】
従って、上チップ２２による加圧力Ｆ１と、補助電極３４ａ、３４ｂによる加圧力Ｆ２、Ｆ３との差は、ナゲット７０、７２を可及的に大きくし得るように設定することが好ましい。
【００５８】
また、分岐電流ｉ２の割合を大きくするほど加熱領域６４を大きくすることが可能であるが、分岐電流ｉ２の割合を過度に大きくした場合、電流ｉ１の電流値が小さくなるので、加熱領域６０、６２が小さくなる。このため、ナゲット７２の大きさが飽和する一方、ナゲット７０が小さくなる傾向がある。従って、分岐電流ｉ２の割合は、ナゲット７０が十分に成長する程度の電流ｉ１が流れるように設定することが好ましい。
【００５９】
なお、電流ｉ１と分岐電流ｉ２の割合は、例えば、上記したように上チップ２２と補助電極３４ａ、３４ｂとの離間距離Ｚ１、Ｚ２（図３参照）を変更することで調節することが可能である。電流ｉ１と分岐電流ｉ２の好適な割合は、例えば、７０：３０である。
【００６０】
溶融部が形成される間、金属板４６ａは、補助電極３４ａ、３４ｂで金属板４４ａ側に押圧されている。この押圧により、低剛性の金属板４６ａが通電（加熱）に伴って反ること、すなわち、金属板４４ａから離間することが抑制される。このため、軟化した溶融部が金属板４６ａと金属板４４ａとの離間箇所からスパッタとして飛散することを防止することができる。
【００６１】
溶融部、ひいてはナゲット７２は、通電が継続される限り、時間の経過とともに成長する。従って、通電を所定の時間継続することにより、ナゲット７２を十分に成長させることができる。
【００６２】
この場合、金属板４２ａ、４４ａに流れる電流ｉ１の電流値は、一般的なスポット溶接に比して小さい。このため、金属板４４ａ、４６ａの間の溶融部（ナゲット７２）が大きく成長している間に金属板４２ａ、４４ａの発熱量が過度に大きくなることが回避される。従って、スパッタが発生する懸念が払拭される。
【００６３】
この間、電流ｉ１によって金属板４２ａ、４４ａの間にもナゲット７０となる溶融部が形成される。分岐電流ｉ２が継続して流れるようにすると、分岐電流ｉ２を停止した場合に比して電流ｉ１の全通電量が少なくなるので、加熱領域６０、ひいてはナゲット７０が若干小さくなる傾向がある。
【００６４】
従って、ナゲット７０をさらに成長させる場合には、図８に示すように、補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板４６ａから離間させて上チップ２２から下チップ２０への通電を続行することが好ましい。補助電極３４ａ、３４ｂが金属板４６ａから離間することに伴って電流ｉ１の電流値が大きくなるので、通電終了までの電流ｉ１の全通電量が多くなるからである。
【００６５】
補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板４６ａから離間させるには、アクチュエータ３０ａ、３０ｂを上昇するように付勢し、これにより補助電極３４ａ、３４ｂを下チップ２０から離間する方向（矢印Ｙ２方向）に変位させればよい。
【００６６】
この離間に伴い、分岐電流ｉ２が消失する。このため、金属板４６ａには、上チップ２２から下チップ２０へ向かう電流ｉ１のみが流れるようになる。これに伴って、加熱領域６４（図７参照）が消失する。
【００６７】
その一方で、金属板４２ａ、４４ａにおいては、通常のスポット溶接時と同様の状態が形成される。すなわち、厚みが大きい金属板４２ａ、４４ａではジュール熱による発熱量が増加し、その結果、加熱領域６０が広がるとともにその温度が一層上昇する。金属板４２ａ、４４ａの接触面は、この温度上昇した加熱領域６０に加熱され、これにより、該接触面近傍の温度が十分に上昇して溶融し、溶融部（ナゲット７０）の成長が促進される。
【００６８】
以降は、溶融部（ナゲット７０）が十分に成長するまで、例えば、図９に示すように、ナゲット７２となる溶融部と一体化するまで通電を継続すればよい。通電継続時間に対するナゲット７０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。
【００６９】
ここで、金属板４２ａ、４４ａの接触面は、金属板４４ａ、４６ａ同士の間にナゲット７２を成長させる際に電流ｉ１が通過することに伴って形成された加熱領域６０によって予め加熱されている。このため、金属板４２ａ、４４ａ同士は、ナゲット７０となる溶融部が成長する前になじみが向上している。従って、スパッタが発生し難い。
【００７０】
以上のように、本実施の形態によれば、金属板４４ａ、４６ａの間のナゲット７２を成長させる際、金属板４２ａ、４４ａの間のナゲット７０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。
【００７１】
所定時間が経過して前記溶融部が十分成長した後、通電を停止するとともに、図９に示すように、変位軸２６を上昇させることで上チップ２２を金属板４６ａから離間させる。又は、変位軸２６を上昇させて上チップ２２を金属板４６ａから離間させることによって、上チップ２２と下チップ２０を電気的に絶縁するようにしてもよい。
【００７２】
なお、スポット溶接の開始から終了するに至るまでの上記した動作は全て、ガンコントローラ５２の制御作用下に営まれる。
【００７３】
このようにして通電が停止されることに伴い、金属板４２ａ、４４ａの発熱も終了する。時間の経過とともに溶融部が冷却固化し、これにより、ナゲット７０を介して金属板４２ａ、４４ａが互いに接合される。
【００７４】
以上のようにして、積層体４０ａを構成する金属板４２ａ、４４ａ同士、金属板４４ａ、４６ａ同士が接合され、製品としての接合品が得られるに至る。
【００７５】
この接合品においては、金属板４２ａ、４４ａ同士の接合強度と同様に、金属板４４ａ、４６ａ同士の接合強度も優れる。上記したように金属板４６ａに分岐電流ｉ２が流されたことに伴って、金属板４４ａ、４６ａの間のナゲット７０が十分に成長しているからである。
【００７６】
以上のように、本実施の形態によれば、スパッタが生成することを回避しつつ、金属板４４ａ、４６ａの間に、金属板４２ａ、４４ａの間のナゲット７０と略同程度の大きさのナゲット７２を成長させることができ、これにより、金属板４４ａ、４６ａ同士の接合強度が優れた成形品を得ることができる。
【００７７】
しかも、スポット溶接装置１０は、既存のスポット溶接装置における変位軸２６に対し、アクチュエータ３０ａ、３０ｂが設けられたブラケット２８を装着することで構成することが可能である。従って、補助電極３４ａ、３４ｂを設けることに伴ってスポット溶接装置の構成が複雑化したり、大型化したりすることを回避することができる。このため、溶接対象が複雑な形状のものであったとしても、補助電極３４ａ、３４ｂ及び上チップ２２を溶接対象に干渉させることなく所定の溶接箇所に配置させることができる。
【００７８】
なお、溶接対象は積層体４０ａに特に限定されるものではなく、金属板の個数、素材、厚みが種々相違する様々な積層体を溶接することが可能である。以下、この点につき具体例を挙げて説明する。
【００７９】
図１０に示す積層体４０ｂは、厚みが最小である金属板４４ｂを、金属板４２ｂ、４６ｂで挟むようにして形成される。例えば、金属板４２ｂは、ハイテン鋼からなる高抵抗ワークであり、金属板４４ｂ、４６ｂは、軟鋼からなる低抵抗ワークである。
【００８０】
上チップ２２と下チップ２０のみで積層体４０ｂに対してスポット溶接を行う場合、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面が優先的に溶融する。金属板４２ｂが高抵抗ワークであるために、金属板４２ｂ、４４ｂの接触抵抗が金属板４４ｂ、４６ｂの接触抵抗よりも大きいからである。従って、金属板４４ｂ、４６ｂの接触面にナゲットを十分に成長させるべく上チップ２２から下チップ２０への通電を継続すると、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面からスパッタが発生する懸念がある。
【００８１】
これに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いる第２実施形態によれば、図１０に示すように、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面、及び金属板４４ｂ、４６ｂの接触面の双方に加熱領域７４、７６が形成される。上記の積層体４０ａにおける場合と同様に、分岐電流ｉ２が金属板４６ｂ内を流れることにより、金属板４４ｂ、４６ｂの接触面が十分に加熱されるからである。
【００８２】
これにより、図１１に示すナゲット７８、８０が形成される。分岐電流ｉ２を消失させた後に電流ｉ１を継続して流すことにより、例えば、図１２に示すように、金属板４２ｂ、４４ｂの接触面、及び金属板４４ｂ、４６ｂの接触面の双方に跨るようにして十分に成長したナゲット８２を形成することができる。
【００８３】
積層体４０ａ、４０ｂに対するスポット溶接に関する以上の説明から諒解されるように、補助電極３４ａ、３４ｂを用いることにより、加熱領域、ひいてはナゲットを、該補助電極３４ａ、３４ｂを当接させた側に近接するように移動させることができる。
【００８４】
なお、金属板４２ｂがハイテン鋼、金属板４４ｂ、４６ｂが軟鋼である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。
【００８５】
次に、図１３に、ハイテン鋼からなる金属板４２ｃに対してハイテン鋼からなる金属板４４ｃが積層された積層体４０ｃに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いてスポット溶接を行う場合を示す。補助電極３４ａ、３４ｂを用いない場合、図２２及び図２３に示すように、金属板４２ｃ、４４ｃ（高抵抗ワーク１、２）の接触面において、溶融部６が比較的短時間で大きく成長する。このため、スパッタが発生し易くなる。
【００８６】
これに対し、補助電極３４ａ、３４ｂを用いる本実施の形態によれば、図１３に示すように、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面に加熱領域８４が形成されるとともに、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面よりも上方、換言すれば、金属板４４ｃにおける補助電極３４ａ、３４ｂに近接する側に加熱領域８６が形成される。分岐電流ｉ２が金属板４４ｃ内を流れることにより、該金属板４４ｃ内が十分に加熱されるからである。すなわち、この場合においても、加熱領域、ひいてはナゲット（図１４参照）を、該補助電極３４ａ、３４ｂを当接させた側に近接するように移動させることができる。
【００８７】
そして、その結果、金属板４２ｃ、４４ｃの接触面が軟化してシール性が向上する。従って、図１４に示すように十分に成長したナゲット８８を形成するべく電流ｉ１を継続して流しても、スパッタが発生し難くなる。
【００８８】
次に、図１５に示す積層体４０ｄに対してスポット溶接を行う場合につき説明する。なお、積層体４０ｄは、軟鋼からなり低抵抗な金属板４２ｄ、ハイテン鋼からなり高抵抗な金属板４４ｄ、４６ｄ、軟鋼からなり低抵抗な金属板９０ｄを下方からこの順序で積層して構成される。また、金属板４２ｄ、９０ｄの厚みは、金属板４４ｄ、４６ｄに比して小さく設定されている。
【００８９】
この場合、上チップ２２側に補助電極３４ａ、３４ｂを設けるとともに、下チップ２０側に補助電極３４ｃ、３４ｄを設ける。これら補助電極３４ｃ、３４ｄは、電源５０の正極に対して電気的に接続されており、従って、その極性は下チップ２０と逆である。なお、このような補助電極３４ｃ、３４ｄを得るためには、図１６に参考として示すように、上チップ２２に設けたブラケット２８及びアクチュエータ３０ａ、３０ｂと同様に構成されたブラケット９２及びアクチュエータ３０ｃ、３０ｄを下チップ２０側に設ける構成を採用すればよい。この場合、下チップ２０にブラケット２８を装着すればよい。
【００９０】
そして、先ず、図１５に示すように、上チップ２２と下チップ２０で積層体４０ｄを挟持すると同時に、又はその前後に補助電極３４ａ、３４ｂのみを金属板９０ｄに当接させる。その後、通電を開始し、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１と、上チップ２２から補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２とを流す。これにより、上記と同様に、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面と、金属板４６ｄ、９０ｄの接触面とにナゲット９４、９６がそれぞれ形成される。
【００９１】
次に、図１７に示すように、アクチュエータ３０ａ、３０ｂの作用下に補助電極３４ａ、３４ｂを上昇させ、これにより上チップ２２との電気的接続を切断することで分岐電流ｉ２を消失させると同時に、又はその前後に補助電極３４ｃ、３４ｄを金属板４２ｄに当接させる。これにより、最下の金属板４２ｄの内部に、補助電極３４ｃ、３４ｄから下チップ２０に向かう分岐電流ｉ３が流れる。
【００９２】
分岐電流ｉ２の消失に伴って、ナゲット９６の成長が停止する。その一方で、上チップ２２から下チップ２０に向かう電流ｉ１が継続して流れているので、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面におけるナゲット９６が成長するとともに、分岐電流ｉ３によって、金属板４２ｄ、４４ｄの接触面にナゲット９８が新たに形成される。
【００９３】
次に、図１８に示すように、補助電極３４ｃ、３４ｄを金属板４２ｄから離間させて分岐電流ｉ３を消失させ、これによりナゲット９８の成長を停止させる。この後も電流ｉ１を継続して流すことにより、金属板４４ｄ、４６ｄの接触面におけるナゲット９６のみを成長させて、例えば、ナゲット９４、９８と一体化することもできる。
【００９４】
また、５枚以上の金属板で積層体を構成するようにしてもよいことは勿論である。
【００９５】
以上とは別に、図１９に示すように、金属板４２ａに当接した下チップ２０から、金属板４６ａに当接した上チップ２２に向かう電流を流すようにしてもよい。この場合にも、金属板４６ａに当接した補助電極３４ａ、３４ｂの極性を上チップ２２と逆にする。すなわち、下チップ２０及び補助電極３４ａ、３４ｂを電源５０の正極に電気的に接続する一方、上チップ２２を電源５０の負極に電気的に接続する。これにより、下チップ２０から上チップ２２に向かう電流ｉ１と、補助電極３４ａ、３４ｂから上チップ２２に向かう分岐電流ｉ２とが発生する。
【００９６】
また、図１６に示すように、正の極性の下チップ２０を第１溶接チップ、負の極性の上チップ２２を第２溶接チップとするとともに、負の極性の補助電極３４ｃ、３４ｄを下チップ２０側に設けるようにしてもよい。
【００９７】
さらに、図２０に示すように、分岐電流ｉ２を、上チップ２２が接触した金属板４６ａのみならず、該金属板４６ａの直下に位置する金属板４４ａにも流れるようにしてもよい。
【００９８】
さらにまた、アクチュエータ３０ａ、３０ｂを、ブラケット２８ではなく、図２１に示すように、ガン本体１６に設けるようにしてもよい。
【００９９】
いずれの場合においても、補助電極は、上記した２本の長尺棒状の補助電極３４ａ、３４ｂに特に限定されるものではない。例えば、１本又は３本以上の長尺棒状体であってもよい。３本以上を用いる場合は、上記の２本の場合と同様に、複数本の補助電極を最外の金属板に対して同時に当接又は離間させるようにしてもよい。また、補助電極は、下チップ２０又は上チップ２２を囲繞する円環形状体のものであってもよい。
【０１００】
なお、上記した実施の形態においては、上チップ２２（又は下チップ２０）から補助電極３４ａ、３４ｂに向かう分岐電流ｉ２を流すようにしているが、補助電極３４ａ、３４ｂと電源５０とを電気的に絶縁し、分岐電流ｉ２を発生させることなくスポット溶接を行うようにしてもよい。この場合、補助電極３４ａ、３４ｂは、単なる加圧用部材として機能する。
【０１０１】
この場合にも、上チップ２２から下チップ２０に至るまでの加圧力が図３に示すように分布するので、補助電極３４ａ、３４ｂによる押圧を行わない場合（図４参照）に比して、金属板４２ａと金属板４４ａとの接触面積が大きくなる。このため、金属板４２ａ、４４ａの接触面における接触抵抗及び電流密度が大きくなるので、ジュール熱の発生量、換言すれば、発熱量が大きくなる。従って、金属板４２ａ、４４ａの接触面において、十分な大きさの加熱領域、ひいてはナゲットが成長する。
【０１０２】
さらに、上記した実施の形態では、Ｃ型の溶接ガンを例示して説明したが、溶接ガンはいわゆるＸ型のものであってもよい。この場合、下チップ２０及び上チップ２２を、開閉自在な１組のチャック爪の各々に設け、該１組のチャック爪を開動作又は閉動作することによって、下チップ２０と上チップ２２とを互いに離間又は接近させればよい。
【符号の説明】
【０１０３】
３、８、４０ａ〜４０ｄ…積層体 ６、９…溶融部
１０…スポット溶接装置 １４…溶接ガン
１６…ガン本体 １８…固定アーム
２０…下チップ ２２…上チップ
２６…変位軸 ３０ａ〜３０ｄ…アクチュエータ
３４ａ〜３４ｄ…補助電極 ３６…トランス
４２ａ〜４２ｄ、４４ａ〜４４ｄ、４６ａ〜４６ｄ、９０ｄ…金属板
５０…電源 ５２…ガンコントローラ
６０、６２、６４、７４、７６、８４、８６…加熱領域
７０、７２、７８、８０、８２、８８、９４、９６、９８…ナゲット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個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第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップの少なくともいずれかを変位させるための第１変位機構と、
前記積層体の最外に位置する最外ワークにおける前記第１溶接チップが当接した部位とは別の部位に当接し、前記積層体を前記最外ワーク側から加圧するための加圧部材と、
前記加圧部材を前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップとは別個に変位させるための第２変位機構と、
前記加圧部材に加圧力を発生させるための加圧機構と、
を有することを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載のスポット溶接装置において、前記加圧部材が、前記第１溶接チップとは逆の極性である補助電極であり、前記第１溶接チップ及び前記第２溶接チップの間で通電を行う際、前記第１溶接チップから前記補助電極に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを生じさせることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項３】
請求項２記載のスポット溶接装置において、前記第２溶接チップ側に設けられて該第２溶接チップとは逆の極性である別の補助電極をさらに有し、前記第１溶接チップから前記補助電極に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを消失させた後、前記別の補助電極から前記第２溶接チップに向かう分岐電流、又は、前記第２溶接チップから前記別の補助電極に向かう分岐電流のいずれかを生じさせることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項１】
複数個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第１溶接チップ及び第２溶接チップと、
前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップの少なくともいずれかを変位させるための第１変位機構と、
前記積層体の最外に位置する最外ワークにおける前記第１溶接チップが当接した部位とは別の部位に当接し、前記積層体を前記最外ワーク側から加圧するための加圧部材と、
前記加圧部材を前記第１溶接チップ又は前記第２溶接チップとは別個に変位させるための第２変位機構と、
前記加圧部材に加圧力を発生させるための加圧機構と、
を有することを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載のスポット溶接装置において、前記加圧部材が、前記第１溶接チップとは逆の極性である補助電極であり、前記第１溶接チップ及び前記第２溶接チップの間で通電を行う際、前記第１溶接チップから前記補助電極に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを生じさせることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項３】
請求項２記載のスポット溶接装置において、前記第２溶接チップ側に設けられて該第２溶接チップとは逆の極性である別の補助電極をさらに有し、前記第１溶接チップから前記補助電極に向かう分岐電流、又は、前記補助電極から前記第１溶接チップに向かう分岐電流のいずれかを消失させた後、前記別の補助電極から前記第２溶接チップに向かう分岐電流、又は、前記第２溶接チップから前記別の補助電極に向かう分岐電流のいずれかを生じさせ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７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−７６１２５（Ｐ２０１２−７６１２５Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２４３０３（Ｐ２０１０−２２４３０３）
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【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１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１日（２０１０．１０．１）
【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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