抵抗溶接機
【課題】 超音波を利用して、現に実施中の抵抗溶接を正しく監視することができる技術を提供する。
【解決手段】 抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備えている。通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えている。送信手段は、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする。
【解決手段】 抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備えている。通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えている。送信手段は、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して、現に実施中の抵抗溶接現象を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗溶接は、重畳配置した複数のワーク（被溶接材）に溶接電流を通電し、ワーク間に生じる抵抗発熱によってワークを溶融し、ワーク同士を接合するものである。
抵抗溶接を実施する抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段を備えている。通電手段は、溶接電流を増減調節可能に構成されている。
超音波を利用して、現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視する技術が開発されている。例えば特許文献１には、溶接中のワークの溶接部に向けて超音波を送信し、溶接部を経由した超音波を受信して、受信波の強度変化に基づいて抵抗溶接現象の進行状態を監視する技術が開示されている。
【特許文献１】特開昭５２−１５０７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視する場合、溶接電流の通電に起因するノイズが超音波の受信波形に重畳してしまい、超音波の受信波形を正しく検出できないことがある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、溶接電流の通電に起因するノイズの影響を極力避けながら、超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によって具現化される抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備えている。通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えている。そして、送信手段は、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする。
スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して超音波を送信するとは、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングと、超音波を送信するタイミングとが、所定の関係に維持されることをいう。
【０００５】
溶接電流の通電に起因するノイズが発生するタイミングは、通電手段が備えるスイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致する。従って、受信手段によって超音波が受信されるタイミングが、スイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致することを禁止することによって、超音波の受信波形を正しく検出することが可能となる。
受信手段によって超音波が受信されるタイミングは、送信手段から超音波が送信されるタイミングと、超音波が送信手段から受信手段まで伝播するのに要する伝播時間から決まる。従って、超音波の伝播時間を考慮して、送信手段が超音波を送信するタイミングとスイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングを同期させておけば、受信手段によって超音波が受信されるタイミングが、スイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致することを禁止することができる。
本発明を具現化した抵抗溶接機では、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、送信手段が超音波を送信する。受信手段によって超音波が受信されるタイミングとスイッチング素子がオン／オフするタイミングとが一致することが禁止される。溶接電流の通電に起因するノイズの影響を極力受けることなく、超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接を監視することができる。
【０００６】
送信手段は、スイッチング素子がオン又はオフするタイミングから所定時間だけ前後させたタイミングに同期して、超音波を送信することが好ましい。
超音波が送信手段と受信手段の間を伝播するのに要する伝播時間は、計算や実験によって予め推定しておくことができる。超音波の伝播時間が推定できれば、スイッチング素子がオン又はオフするタイミングと、送信手段が超音波を送信するタイミングとの間に設けるべき時間差を定めることができる。
この抵抗溶接機によると、スイッチング素子がオン／オフするタイミングと、受信手段が超音波を受信するタイミングとを、安定的にずらすことができる。
【０００７】
上記の抵抗溶接機では、溶接電流を通電するに先立って、送信手段が超音波を送信したタイミングから受信手段が超音波を受信したタイミングまでの時間を計時する計時手段が付加されていることが好ましい。この場合、送信手段は、計時手段によって計時された計時時間に基づいて、前記した所定時間を長短調節することが好ましい。
この抵抗溶接機によると、種々の溶接条件において、スイッチング素子がオン／オフするタイミングと、受信手段が超音波を受信するタイミングとを、確実にずらすことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、現に実施中の抵抗溶接現象をより正確に監視することが可能となり、その後の溶接条件を調整することができる。例えば、ワークの加熱速度が速すぎれば、溶接電流を低下させて、ワークの加熱速度を適正化することができる。ワークの加熱速度が遅すぎれば、溶接電流を増大させて、ワークの加熱速度を適正化することができる。製造品質を向上させることができ、不良品の発生を減少できることから、製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 抵抗溶接機は、第１溶接電極に設けられている第１超音波振動子と、第２溶接電極に設けられて第２超音波振動子を備えている。第１超音波振動子は、ワークの溶接箇所に向けて超音波を送信する。第２超音波振動子は、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する。
（形態２） 抵抗溶接機は、第２超音波振動子の出力信号から、超音波の受信波形を検出する回路を備えている。
（形態３） 抵抗溶接機は、超音波が第１超音波振動子からワークを透過して第２超音波振動子まで伝播するのに要する時間を計時する回路を備えている。
（形態４） 抵抗溶接機は、超音波が第１超音波振動子からワークを透過して第２超音波振動子まで伝播するのに要する時間に基づいて、ワークの温度を推定する。
【実施例】
【００１０】
（実施例１）
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の技術を実施した実施例１の抵抗溶接機２の構成を模式的に示している。図１に示すように、抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０を備えている。第１溶接電極１０と第２溶接電極２０は、互いに対向している。図示省略するが、溶接電極１０、２０は、例えばロボットアーム等のような移動装置に設けられている。第１溶接電極１０と第２溶接電極２０は、移動装置によって溶接箇所へと移動し、重畳して配置されているワークＷ１、Ｗ２を加圧挟持する。
【００１１】
抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０に接続されている電源回路５０と、電源回路５０の動作を制御するコントローラ３０を備えている。電源回路５０は、ワークＷ１、Ｗ２を通じて、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０の間に溶接電流を通電する。
図２は、電源回路５０の構成を模式的に示している。図２に示すように、電源回路５０は、電源電力入力部５２と、整流平滑回路５４と、インバータ回路５６と、トランス回路５８等を備えている。電源回路５０は、外部の三相交流電源に電源電力入力部５２を接続し、電源電力入力部５２から三相交流電力を入力する。電源電力入力部５２から入力された三相交流電力は、整流平滑回路５４によって直流化され、インバータ回路５６へと入力される。
インバータ回路５６は、第１スイッチング素子５６ａと、第２スイッチング素子５６ｂと、第３スイッチング素子５６ｃと、第４スイッチング素子５６ｄを備えている。インバータ回路５６では、各スイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄがオン／オフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続されたり遮断されたりする。例えば、第１スイッチング素子５６ａと第４スイッチング素子５６ｄがオンするとともに、第２スイッチング素子５６ｂと第３スイッチング素子５６ｃがオフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続される状態となる。この状態を第１オン状態という。また、第１スイッチング素子５６ａと第４スイッチング素子５６ｄがオフするとともに、第２スイッチング素子５６ｂと第３スイッチング素子５６ｃがオンすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続される状態となる。この状態を第２オン状態という。第１オン状態と第２オン状態では、トランス回路５８側へ通電される電力の極性が反対向きとなっている。また、すべてのスイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄがオフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に遮断される状態となる。この状態をオフ状態という。
【００１２】
コントローラ３０は、インバータ回路５６の各スイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのスイッチング動作を制御することによって、インバータ回路５６を断続的にオン状態（第１オン状態と第２オン状態の一方）にする。
図３は、インバータ回路５６のオン／オフ状態の経時的変化を示している。図３に示すように、コントローラ３０は、周期Ｔ毎に、インバータ回路５６をオン状態（第１オン状態と第２オン状態の一方）に切り換え、所定の期間Ｔｐに亘ってオン状態を維持し、インバータ回路５６をオフ状態に切り換える。それにより、整流平滑回路５４側からトランス回路５８側へ、電源電力が断続的に通電される。コントローラ３０は、インバータ回路５６をオン状態とする期間Ｔｐの比率Ｔｐ／Ｔ（いわゆるデューティ比）を調節することによって、トランス回路５８へ通電する電力を調節する。コントローラ３０は、インバータ回路５６の動作周期Ｔを、例えば１ミリ秒（１０００ヘルツ）に設定することができる。
図２に示すように、トランス回路５８の二次側には第１溶接電極１０と第２溶接電極２０が接続されている。トランス回路５８に電力が通電されると、第１溶接電極１０と第２溶接電極１０を介してワークＷ１、Ｗ２に溶接電流が流れる。ワークＷ１、Ｗ２に流れる溶接電流の大きさは、インバータ回路５６が通電する電力に応じて変化する。
溶接電流の大きさは、抵抗溶接における施工条件の１つであり、ワークＷ１、Ｗ２の寸法（板厚）や、ワークＷ１、Ｗ２の材質や、必要とする接合強度等に基づいて予め設定されている。コントローラ３０は、溶接電流の設定値に基づいて、インバータ回路５６のデューティ比を調節する。
ワークＷ１、Ｗ２に溶接電流が通電されると、ワークＷ１、Ｗ２（特にワークＷ１、Ｗ２の接触面）において電気抵抗に起因する発熱が生じる。その結果、ワークＷ１、Ｗ２に亘って溶融部（いわゆるナゲット）Ｎが形成され（図１参照）、ワークＷ１、Ｗ２が溶接される。ワークＷ１、Ｗ２を溶接したときの接合強度は、形成されたナゲットＮの大きさによって変化する。
【００１３】
図１に示すように、抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０側に設けられている第１超音波振動子１２と、第２溶接電極２０側に設けられている第２超音波振動子２２を備えている。第１超音波振動子１２と第２超音波振動子２２は、ワークＷ１、Ｗ２の溶融部（ナゲットＮの形成部）を挟んで対向している。
超音波振動子１２、２２は、圧電素子を用いて構成されている。超音波振動子１２、２２は、超音波の送信波形電圧を入力することによって超音波を送信する。また、超音波振動子１２、２２は、超音波を受信することによって受信波形電圧を出力する。
図１に示す第１超音波振動子１２や第２超音波振動子２２の取付位置は、その一例を示すものであって、これに限定されない。第１超音波振動子１２や第２超音波振動子２２は、各溶接電極１０、２０が備える電極チップや、電極チップを固定するシャンク等に取付けてもよいし、ブラケット等を用いて各溶接電極１０、２０の近傍に配置してもよい。
【００１４】
抵抗溶接機２は、送信回路１４と、受信回路１６と、透過時間計時回路１８と、判定回路２６を備えている。
送信回路１４は、第１超音波振動子１２に接続されている。送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、第１超音波振動子１２に超音波の送信波形電圧を出力する。送信回路１４が超音波の送信波形電圧を出力すると、第１超音波振動子１２から溶融部（ナゲットＮの形成位置）に向けて超音波が送信される。第１超音波振動子１２から送信された超音波の一部は、第１溶接電極１０とワークＷ１、Ｗ２と第２溶接電極２０を順に伝播し、第２超音波振動子２２によって受信される。第２超音波振動子２２は、超音波を受信したときに、超音波の受信波形電圧を出力する。
受信回路１６は、第２超音波振動子２２に接続されている。受信回路１６は、第２超音波振動子２２の出力電圧から、超音波の受信波形電圧を検出する。
【００１５】
図４は、送信回路１４が第１超音波振動子１２へ出力する電圧（以下、送信電圧ということがある）と、第２超音波振動子２２が受信回路１６へ出力する電圧（以下、受信電圧ということがある）の一例を示している。図４に示すように、送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、超音波の送信波形電圧Ｖｔをパルス状に出力する。その結果、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、送信波形電圧Ｖｔの出力時点から時間Ｐだけ遅れて、超音波の受信波形電圧Ｖｍが現れる。この遅れ時間Ｐは、第１超音波振動子１２から送信された超音波が、ワークＷ１、Ｗ２を透過して、第２超音波振動子２２まで到るのに要した透過時間を示している。
送信回路１４が送信波形電圧Ｖｔを出力するタイミングは、コントローラ３０によって制御される。送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、パルス状の送信波形電圧Ｖｔを様々な時間間隔で出力することができる。例えば図４に示すように、送信回路１４は、インバータ回路５６の動作周期Ｔと等しい周期で、送信波形電圧Ｖｔを出力することもできる。
【００１６】
上記したように、コントローラ３０は、インバータ回路５６と送信回路１４の両者の動作を制御する。このときコントローラ３０は、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、インバータ回路５６をオン状態からオフ状態に切換えるタイミングや、インバータ回路５６をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミングに同期させることができる。本実施例では、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングと、インバータ回路５６をオン状態からオフ状態に切換えるタイミングが同期するように設定されている。
図５は、インバータ回路５６の通電状態（オン状態／オフ状態）と、送信回路１４が第１超音波素子１２へ出力する送信電圧と、第２２超音波素子１２が受信回路１６へ出力する受信電圧を合せて示している。図５に示すように、コントローラ３０は、インバータ回路５６の通電状態をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミング（時刻ｔ１）を基準とし、そこから所定の送信遅延時間Ｄだけ遅れて、送信回路１４に送信波形信号Ｖｔを出力させる（時刻ｔ２）。第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、時刻ｔ２から超音波の透過時間Ｐだけ遅れて、受信波形電圧Ｖｍが現れる（時刻ｔ３）。一方において、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、インバータ回路５６の通電状態が切り換わるタイミング（時刻ｔ１、ｔ４）において、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる。ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる期間Ｎに受信波形電圧Ｖｍが出力されてしまうと、受信回路１６は受信波形電圧Ｖｍを正しく検出することができない。受信波形電圧Ｖｍは、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れない期間Ｓに出力されることが好ましい。コントローラ３０では、受信波形電圧Ｖｍが期間Ｓ中に出力されるように、予定される透過時間Ｐが加味されて、前記した送信遅延時間Ｄが設定されている。後述するように透過時間Ｐは溶接期間中に変動し、インバータ回路５６がオン状態となる期間Ｔｐも溶接期間中に変動するが、それらの変動幅は期間Ｓに比較して十分に小さい。
図５は、送信回路１４が超音波を送信するタイミングの一例を示すものである。送信回路１４が超音波を送信するタイミングは、インバータ回路５６の通電状態がオン状態からオフ状態に切り換わるタイミング（時刻ｔ４）を基準にして定めることもできる。
【００１７】
コントローラ３０は、インバータ回路５６の通電状態を切り換えるタイミングを、受信回路１６にも教示する。受信回路１６は、教示されたタイミングに基づいて、図５に示す期間Ｎや期間Ｓを特定することができる。受信回路１６は、期間Ｓに対応する期間を解析期間とし、解析期間の間だけ受信波形電圧Ｖｍの検出を行う。それにより、ノイズ波形電圧Ｖｎによる誤検出が防止される。
【００１８】
図１に示すように、送信回路１４と受信回路１６は、透過時間計時回路１８に接続されている。送信回路１４は、第１超音波振動子１２に送信信号を出力すると同時に、送信タイミング信号を透過時間計時回路１８へと出力する。一方、受信回路１６は、第１超音波振動子１２の受信信号から超音波の受信波形を検出すると同時に、受信タイミング信号を透過時間計時回路１８へと出力する。
透過時間計時回路１８は、送信回路１４から送信タイミング信号を入力した時点から、受信回路１６から受信タイミング信号を入力した時点までを計時する回路である。透過時間計時回路１８は、それらの両タイミング信号の時間差を計時することで、第１超音波振動子１２から送信された超音波が、ワークＷ１、Ｗ２を透過して、第２超音波振動子２２に到るのに要した透過時間Ｐ（図４参照）を計時する。
【００１９】
判定回路２６は、透過時間計時回路１８に接続されており、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐを入力する。判定回路２６は、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐに基づいて、ワークＷ１、Ｗ２に実施されている抵抗溶接現象の進行状態を判定する。
ここで、図１０、図１１を参照しながら、超音波の透過時間に基づいて、ワークＷ１、Ｗ２に施工されている溶接の状態を判定する原理について説明する。図１０は、ワークＷ１、Ｗ２の温度と、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度の関係を示すグラフである。図１１は、溶接時におけるワークＷ１、Ｗ２の温度と、形成されるナゲットの大きさ（いわゆるナゲット径）の関係を示している。ここで、ワークＷ１、Ｗ２のそれぞれは、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ材）であって、それらの板厚は１．２ｍｍである。
【００２０】
図１０に示すように、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。詳しくは、ワークＷ１、Ｗ２の温度が高いときほど、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度は遅くなる。そのことから、ワークＷ１、Ｗ２の板厚が同じであれば、超音波の透過時間は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。超音波がワークＷ１、Ｗ２を透過するのに要した透過時間に基づいて、ワークＷ１、Ｗ２の温度を推定することができる。
図１１に示すように、溶接時に形成されるナゲット径は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。詳しくは、ワークＷ１、Ｗ２の温度が融点を越えた時にナゲットの形成が始まり、ワークＷ１、Ｗ２の到達温度が高くなるにつれて、ナゲット径は大きくなる。先に説明したように、ワークＷ１、Ｗ２の温度に応じて、超音波の透過時間は変化する。従って、超音波の透過時間に基づいて、形成されているナゲット径を推定することができる。例えば、所望するナゲット径に対応する透過時間の基準値を定めておき、計時した超音波の透過時間をその基準値と比較することによって、溶接が完了したのか否かを判定することができる。この基準値を完了判定値という。完了判定値は、判定回路２６に記憶されている。
判定回路２６は、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐに基づいてワークＷ１、Ｗ２の温度を推定する。このとき、透過時間Ｐが完了判定値を超えていれば、ワークＷ１、Ｗ２の温度が十分に上昇しており、予定された抵抗溶接が完了したと判定する。
【００２１】
図６は、抵抗溶接機２の動作の流れを示すフローチャートである。図６に示す動作フローに沿って、抵抗溶接機２がワークＷ１、Ｗ２に抵抗溶接を施工する際の動作の流れについて説明する。
ステップＳ２では、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０によって、重畳配置されているワークＷ１とワークＷ２を加圧挟持する。先に説明したように、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０の位置は、ロボットアーム等の移動装置によって調節される。
ステップＳ４では、溶接電流を通電するに先立って、通電前における超音波の透過時間Ｐを計時する。計時された透過時間Ｐは、判定回路２６を介してコントローラ３０に入力される。
通電前における超音波の透過時間は、ワークＷ１、Ｗ２が加熱される前であることから、主に超音波振動子１２、２２間の距離によって変動する。従って、ワークＷ１、Ｗ２の板厚に製造誤差が生じていたり、溶接電極１０、２０に摩耗が生じていたりすると、通電前における超音波の透過時間は変動することとなる。また、溶接電流の通電前であることから、インバータ回路５６のスイッチング素子５６ａ〜５６ｄ等が発生するノイズの影響を受けることもない。
【００２２】
ステップＳ６では、コントローラ３０が、ステップＳ４で計時された通電前における透過時間Ｐに基づいて、送信遅延時間Ｄ（図５参照）を修正する。
図７を参照して、コントローラ３０が送信遅延時間Ｄを修正する処理について説明する。コントローラ３０は、通電前における透過時間Ｐに関する基準値を記憶している。この基準値をＰｘとする。コントローラ３０は、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐと基準値Ｐｘとの差分αを計算し、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを長短調整する。例えば図７（Ａ）に示すように、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐが基準値Ｐｘよりも短い場合は、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを延長する。あるいは図７（Ｂ）に示すように、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐが基準値Ｐｘよりも長い場合は、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを短縮する。修正後の送信遅延時間Ｄ−αが負の値となる場合は、インバータの通電状態が切換えられるタイミング（時刻ｔ１）に先立って、送信波形電圧Ｖｔが出力される。ステップＳ６における修正により、ワークＷ１、Ｗ２の板厚や、溶接電極１０、２０に生じている摩耗等による影響を受けることなく、受信波形電圧Ｖｍが現れるタイミングが、予定されていたタイミング（時刻ｔ３）に維持される。
【００２３】
図６のステップＳ８では、溶接電流の通電が開始される。コントローラ３０は、インバータ回路５６のオン／オフ制御を開始し、一対の溶接電極１０、２０間に溶接電流を通電する。ワークＷ１、Ｗ２は、溶接電流が通電されることによって、急速に加熱されていく。
ステップＳ１０では、溶接電流の通電中における超音波の透過時間Ｐを計時する。このときコントローラ３０は、ステップＳ４で修正した送信遅延時間Ｄ±αを用いて、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、インバータ回路５６をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミングに同期させる。
ステップＳ１２では、判定回路２６が、ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐを、予め記憶している完了判定値と比較する。ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐが完了判定値を超えていれば、ワークＷ１、Ｗ２の温度が十分に上昇しており、必要な接合強度が得られるナゲットＮが形成されたと判断できる。この場合、ステップＳ１４へ進み、溶接電流の通電を終了する。一方、ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐが完了判定値を超えていなければ、ステップＳ１０へと戻り、溶接電流の通電を継続する。このとき、超音波の透過時間Ｐから推定されるワークＷ１、Ｗ２の温度に応じて、溶接電流を増減調節するのも有効である。それにより、ワークＷ１、Ｗ２の加熱速度を適正化することができる。以上の動作フローによって、必要な接合強度を発揮する抵抗溶接が確実に施工される。
【００２４】
抵抗溶接機２は、溶接電流の通電に起因するノイズの影響を受けることなく、現に実施中の抵抗溶接の進行状態を正しく把握することができる。それにより、抵抗溶接現象の進行状態に応じて、例えば溶接電流を増減調節することや溶接電流の通電時間を長短調節すること等が可能となる。抵抗溶接機２は、予定された抵抗溶接を確実に実施することができることから、不良品の発生を減少させて、製品の製造コストを削減することにも寄与することができる。
【００２５】
本実施例の抵抗溶接機２は、図２に示した電源回路５０に代えて、図８に示す電源回路１５０を用いることもできる。図８に示すように、電源回路１５０は、単相交流用の電源回路である。電源電力入力部１５２と、サイリスタ回路１５６と、トランス回路１５８等を備えている。電源回路１５０は、外部の単相交流電源から単相交流電力を入力する。電源電力入力部１５２から入力された単相交流電力は、サイリスタ回路１５６を介して、トランス回路１５８に入力される。サイリスタ回路１５６は、第１サイリスタ１５６ａと、第２サイリスタ１５６ｂを備えている。各サイリスタ１５６ａ、１５６ｂの点弧タイミングは、コントローラ３０によって調節される。コントローラ３０は、各サイリスタ１５６ａ、１５６ｂの点弧タイミングを調節することによって、トランス回路１５８の二次側に流れる溶接電流を調節する。
図９に示すように、電源回路１５０を用いる場合では、サイリスタ回路１５６の通電状態が切換わるタイミングにおいて、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧にノイズ波形電圧Ｖｎが現れる。そのことから、超音波の受信波形電圧Ｖｍは、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる期間Ｎを避け、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れない期間Ｓに出力されることが好ましい。そのためには、例えばサイリスタ回路１５６に点弧信号を出力するタイミングと、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、同期させればよい。例えばサイリスタ回路１５６に点弧信号を出力するタイミングを基準とし、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、超音波の透過時間Ｐを加味して設定した所定の送信遅延時間Ｄだけ遅らせればよい。
図８に示す電源回路１５０を利用する場合でも、サイリスタ１５６ａ、１５６ｂのオン／オフに伴うノイズの影響を受けることなく、超音波の受信波形電圧Ｖｎを正確に検出することができる。超音波を利用して、現に実施中の溶接の進行状態等を正しく監視することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】抵抗溶接機の構成を模式的に示す図。
【図２】電源回路の構成を模式的に示す図。
【図３】インバータ回路のオン／オフ状態を経時的に示す図。
【図４】超音波の送信波形電圧と受信波形電圧を示す図。
【図５】インバータ回路の通電状態と超音波の送受信タイミングを示す図。
【図６】抵抗溶接機の動作の流れを示すフローチャート。
【図７】送信遅延時間の修正処理を説明する図。
【図８】電源回路の変形例を示す図。
【図９】変形例の電源回路を用いる場合の超音波の送受信タイミングを示す図。
【図１０】ワークの温度とワーク内における超音波の伝播速度の関係を示す図。
【図１１】ワークの温度と形成されるナゲットの大きさの関係を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
２・・抵抗溶接機
１０・・第１溶接電極
１２・・第１超音波振動子
１４・・送信回路
１６・・受信回路
１８・・透過時間計時回路第２超音波振動子
２０・・第２溶接電極
２２・・第１超音波振動子
２６・・判定回路
３０・・コントローラ
５０・・電源回路
５６・・インバータ回路
１５０・・電源回路の変形例
１５６・・サイリスタ回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して、現に実施中の抵抗溶接現象を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗溶接は、重畳配置した複数のワーク（被溶接材）に溶接電流を通電し、ワーク間に生じる抵抗発熱によってワークを溶融し、ワーク同士を接合するものである。
抵抗溶接を実施する抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段を備えている。通電手段は、溶接電流を増減調節可能に構成されている。
超音波を利用して、現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視する技術が開発されている。例えば特許文献１には、溶接中のワークの溶接部に向けて超音波を送信し、溶接部を経由した超音波を受信して、受信波の強度変化に基づいて抵抗溶接現象の進行状態を監視する技術が開示されている。
【特許文献１】特開昭５２−１５０７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視する場合、溶接電流の通電に起因するノイズが超音波の受信波形に重畳してしまい、超音波の受信波形を正しく検出できないことがある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、溶接電流の通電に起因するノイズの影響を極力避けながら、超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接現象の進行を監視できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によって具現化される抵抗溶接機は、一対の溶接電極と、ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備えている。通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えている。そして、送信手段は、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする。
スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して超音波を送信するとは、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングと、超音波を送信するタイミングとが、所定の関係に維持されることをいう。
【０００５】
溶接電流の通電に起因するノイズが発生するタイミングは、通電手段が備えるスイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致する。従って、受信手段によって超音波が受信されるタイミングが、スイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致することを禁止することによって、超音波の受信波形を正しく検出することが可能となる。
受信手段によって超音波が受信されるタイミングは、送信手段から超音波が送信されるタイミングと、超音波が送信手段から受信手段まで伝播するのに要する伝播時間から決まる。従って、超音波の伝播時間を考慮して、送信手段が超音波を送信するタイミングとスイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングを同期させておけば、受信手段によって超音波が受信されるタイミングが、スイッチング素子がオン／オフするタイミングに一致することを禁止することができる。
本発明を具現化した抵抗溶接機では、スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、送信手段が超音波を送信する。受信手段によって超音波が受信されるタイミングとスイッチング素子がオン／オフするタイミングとが一致することが禁止される。溶接電流の通電に起因するノイズの影響を極力受けることなく、超音波を利用して現に実施中の抵抗溶接を監視することができる。
【０００６】
送信手段は、スイッチング素子がオン又はオフするタイミングから所定時間だけ前後させたタイミングに同期して、超音波を送信することが好ましい。
超音波が送信手段と受信手段の間を伝播するのに要する伝播時間は、計算や実験によって予め推定しておくことができる。超音波の伝播時間が推定できれば、スイッチング素子がオン又はオフするタイミングと、送信手段が超音波を送信するタイミングとの間に設けるべき時間差を定めることができる。
この抵抗溶接機によると、スイッチング素子がオン／オフするタイミングと、受信手段が超音波を受信するタイミングとを、安定的にずらすことができる。
【０００７】
上記の抵抗溶接機では、溶接電流を通電するに先立って、送信手段が超音波を送信したタイミングから受信手段が超音波を受信したタイミングまでの時間を計時する計時手段が付加されていることが好ましい。この場合、送信手段は、計時手段によって計時された計時時間に基づいて、前記した所定時間を長短調節することが好ましい。
この抵抗溶接機によると、種々の溶接条件において、スイッチング素子がオン／オフするタイミングと、受信手段が超音波を受信するタイミングとを、確実にずらすことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、現に実施中の抵抗溶接現象をより正確に監視することが可能となり、その後の溶接条件を調整することができる。例えば、ワークの加熱速度が速すぎれば、溶接電流を低下させて、ワークの加熱速度を適正化することができる。ワークの加熱速度が遅すぎれば、溶接電流を増大させて、ワークの加熱速度を適正化することができる。製造品質を向上させることができ、不良品の発生を減少できることから、製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 抵抗溶接機は、第１溶接電極に設けられている第１超音波振動子と、第２溶接電極に設けられて第２超音波振動子を備えている。第１超音波振動子は、ワークの溶接箇所に向けて超音波を送信する。第２超音波振動子は、ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する。
（形態２） 抵抗溶接機は、第２超音波振動子の出力信号から、超音波の受信波形を検出する回路を備えている。
（形態３） 抵抗溶接機は、超音波が第１超音波振動子からワークを透過して第２超音波振動子まで伝播するのに要する時間を計時する回路を備えている。
（形態４） 抵抗溶接機は、超音波が第１超音波振動子からワークを透過して第２超音波振動子まで伝播するのに要する時間に基づいて、ワークの温度を推定する。
【実施例】
【００１０】
（実施例１）
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の技術を実施した実施例１の抵抗溶接機２の構成を模式的に示している。図１に示すように、抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０を備えている。第１溶接電極１０と第２溶接電極２０は、互いに対向している。図示省略するが、溶接電極１０、２０は、例えばロボットアーム等のような移動装置に設けられている。第１溶接電極１０と第２溶接電極２０は、移動装置によって溶接箇所へと移動し、重畳して配置されているワークＷ１、Ｗ２を加圧挟持する。
【００１１】
抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０に接続されている電源回路５０と、電源回路５０の動作を制御するコントローラ３０を備えている。電源回路５０は、ワークＷ１、Ｗ２を通じて、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０の間に溶接電流を通電する。
図２は、電源回路５０の構成を模式的に示している。図２に示すように、電源回路５０は、電源電力入力部５２と、整流平滑回路５４と、インバータ回路５６と、トランス回路５８等を備えている。電源回路５０は、外部の三相交流電源に電源電力入力部５２を接続し、電源電力入力部５２から三相交流電力を入力する。電源電力入力部５２から入力された三相交流電力は、整流平滑回路５４によって直流化され、インバータ回路５６へと入力される。
インバータ回路５６は、第１スイッチング素子５６ａと、第２スイッチング素子５６ｂと、第３スイッチング素子５６ｃと、第４スイッチング素子５６ｄを備えている。インバータ回路５６では、各スイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄがオン／オフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続されたり遮断されたりする。例えば、第１スイッチング素子５６ａと第４スイッチング素子５６ｄがオンするとともに、第２スイッチング素子５６ｂと第３スイッチング素子５６ｃがオフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続される状態となる。この状態を第１オン状態という。また、第１スイッチング素子５６ａと第４スイッチング素子５６ｄがオフするとともに、第２スイッチング素子５６ｂと第３スイッチング素子５６ｃがオンすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に接続される状態となる。この状態を第２オン状態という。第１オン状態と第２オン状態では、トランス回路５８側へ通電される電力の極性が反対向きとなっている。また、すべてのスイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄがオフすることによって、整流平滑回路５４側とトランス回路５８側が電気的に遮断される状態となる。この状態をオフ状態という。
【００１２】
コントローラ３０は、インバータ回路５６の各スイッチング素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのスイッチング動作を制御することによって、インバータ回路５６を断続的にオン状態（第１オン状態と第２オン状態の一方）にする。
図３は、インバータ回路５６のオン／オフ状態の経時的変化を示している。図３に示すように、コントローラ３０は、周期Ｔ毎に、インバータ回路５６をオン状態（第１オン状態と第２オン状態の一方）に切り換え、所定の期間Ｔｐに亘ってオン状態を維持し、インバータ回路５６をオフ状態に切り換える。それにより、整流平滑回路５４側からトランス回路５８側へ、電源電力が断続的に通電される。コントローラ３０は、インバータ回路５６をオン状態とする期間Ｔｐの比率Ｔｐ／Ｔ（いわゆるデューティ比）を調節することによって、トランス回路５８へ通電する電力を調節する。コントローラ３０は、インバータ回路５６の動作周期Ｔを、例えば１ミリ秒（１０００ヘルツ）に設定することができる。
図２に示すように、トランス回路５８の二次側には第１溶接電極１０と第２溶接電極２０が接続されている。トランス回路５８に電力が通電されると、第１溶接電極１０と第２溶接電極１０を介してワークＷ１、Ｗ２に溶接電流が流れる。ワークＷ１、Ｗ２に流れる溶接電流の大きさは、インバータ回路５６が通電する電力に応じて変化する。
溶接電流の大きさは、抵抗溶接における施工条件の１つであり、ワークＷ１、Ｗ２の寸法（板厚）や、ワークＷ１、Ｗ２の材質や、必要とする接合強度等に基づいて予め設定されている。コントローラ３０は、溶接電流の設定値に基づいて、インバータ回路５６のデューティ比を調節する。
ワークＷ１、Ｗ２に溶接電流が通電されると、ワークＷ１、Ｗ２（特にワークＷ１、Ｗ２の接触面）において電気抵抗に起因する発熱が生じる。その結果、ワークＷ１、Ｗ２に亘って溶融部（いわゆるナゲット）Ｎが形成され（図１参照）、ワークＷ１、Ｗ２が溶接される。ワークＷ１、Ｗ２を溶接したときの接合強度は、形成されたナゲットＮの大きさによって変化する。
【００１３】
図１に示すように、抵抗溶接機２は、第１溶接電極１０側に設けられている第１超音波振動子１２と、第２溶接電極２０側に設けられている第２超音波振動子２２を備えている。第１超音波振動子１２と第２超音波振動子２２は、ワークＷ１、Ｗ２の溶融部（ナゲットＮの形成部）を挟んで対向している。
超音波振動子１２、２２は、圧電素子を用いて構成されている。超音波振動子１２、２２は、超音波の送信波形電圧を入力することによって超音波を送信する。また、超音波振動子１２、２２は、超音波を受信することによって受信波形電圧を出力する。
図１に示す第１超音波振動子１２や第２超音波振動子２２の取付位置は、その一例を示すものであって、これに限定されない。第１超音波振動子１２や第２超音波振動子２２は、各溶接電極１０、２０が備える電極チップや、電極チップを固定するシャンク等に取付けてもよいし、ブラケット等を用いて各溶接電極１０、２０の近傍に配置してもよい。
【００１４】
抵抗溶接機２は、送信回路１４と、受信回路１６と、透過時間計時回路１８と、判定回路２６を備えている。
送信回路１４は、第１超音波振動子１２に接続されている。送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、第１超音波振動子１２に超音波の送信波形電圧を出力する。送信回路１４が超音波の送信波形電圧を出力すると、第１超音波振動子１２から溶融部（ナゲットＮの形成位置）に向けて超音波が送信される。第１超音波振動子１２から送信された超音波の一部は、第１溶接電極１０とワークＷ１、Ｗ２と第２溶接電極２０を順に伝播し、第２超音波振動子２２によって受信される。第２超音波振動子２２は、超音波を受信したときに、超音波の受信波形電圧を出力する。
受信回路１６は、第２超音波振動子２２に接続されている。受信回路１６は、第２超音波振動子２２の出力電圧から、超音波の受信波形電圧を検出する。
【００１５】
図４は、送信回路１４が第１超音波振動子１２へ出力する電圧（以下、送信電圧ということがある）と、第２超音波振動子２２が受信回路１６へ出力する電圧（以下、受信電圧ということがある）の一例を示している。図４に示すように、送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、超音波の送信波形電圧Ｖｔをパルス状に出力する。その結果、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、送信波形電圧Ｖｔの出力時点から時間Ｐだけ遅れて、超音波の受信波形電圧Ｖｍが現れる。この遅れ時間Ｐは、第１超音波振動子１２から送信された超音波が、ワークＷ１、Ｗ２を透過して、第２超音波振動子２２まで到るのに要した透過時間を示している。
送信回路１４が送信波形電圧Ｖｔを出力するタイミングは、コントローラ３０によって制御される。送信回路１４は、コントローラ３０の指令を受けて、パルス状の送信波形電圧Ｖｔを様々な時間間隔で出力することができる。例えば図４に示すように、送信回路１４は、インバータ回路５６の動作周期Ｔと等しい周期で、送信波形電圧Ｖｔを出力することもできる。
【００１６】
上記したように、コントローラ３０は、インバータ回路５６と送信回路１４の両者の動作を制御する。このときコントローラ３０は、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、インバータ回路５６をオン状態からオフ状態に切換えるタイミングや、インバータ回路５６をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミングに同期させることができる。本実施例では、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングと、インバータ回路５６をオン状態からオフ状態に切換えるタイミングが同期するように設定されている。
図５は、インバータ回路５６の通電状態（オン状態／オフ状態）と、送信回路１４が第１超音波素子１２へ出力する送信電圧と、第２２超音波素子１２が受信回路１６へ出力する受信電圧を合せて示している。図５に示すように、コントローラ３０は、インバータ回路５６の通電状態をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミング（時刻ｔ１）を基準とし、そこから所定の送信遅延時間Ｄだけ遅れて、送信回路１４に送信波形信号Ｖｔを出力させる（時刻ｔ２）。第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、時刻ｔ２から超音波の透過時間Ｐだけ遅れて、受信波形電圧Ｖｍが現れる（時刻ｔ３）。一方において、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧には、インバータ回路５６の通電状態が切り換わるタイミング（時刻ｔ１、ｔ４）において、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる。ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる期間Ｎに受信波形電圧Ｖｍが出力されてしまうと、受信回路１６は受信波形電圧Ｖｍを正しく検出することができない。受信波形電圧Ｖｍは、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れない期間Ｓに出力されることが好ましい。コントローラ３０では、受信波形電圧Ｖｍが期間Ｓ中に出力されるように、予定される透過時間Ｐが加味されて、前記した送信遅延時間Ｄが設定されている。後述するように透過時間Ｐは溶接期間中に変動し、インバータ回路５６がオン状態となる期間Ｔｐも溶接期間中に変動するが、それらの変動幅は期間Ｓに比較して十分に小さい。
図５は、送信回路１４が超音波を送信するタイミングの一例を示すものである。送信回路１４が超音波を送信するタイミングは、インバータ回路５６の通電状態がオン状態からオフ状態に切り換わるタイミング（時刻ｔ４）を基準にして定めることもできる。
【００１７】
コントローラ３０は、インバータ回路５６の通電状態を切り換えるタイミングを、受信回路１６にも教示する。受信回路１６は、教示されたタイミングに基づいて、図５に示す期間Ｎや期間Ｓを特定することができる。受信回路１６は、期間Ｓに対応する期間を解析期間とし、解析期間の間だけ受信波形電圧Ｖｍの検出を行う。それにより、ノイズ波形電圧Ｖｎによる誤検出が防止される。
【００１８】
図１に示すように、送信回路１４と受信回路１６は、透過時間計時回路１８に接続されている。送信回路１４は、第１超音波振動子１２に送信信号を出力すると同時に、送信タイミング信号を透過時間計時回路１８へと出力する。一方、受信回路１６は、第１超音波振動子１２の受信信号から超音波の受信波形を検出すると同時に、受信タイミング信号を透過時間計時回路１８へと出力する。
透過時間計時回路１８は、送信回路１４から送信タイミング信号を入力した時点から、受信回路１６から受信タイミング信号を入力した時点までを計時する回路である。透過時間計時回路１８は、それらの両タイミング信号の時間差を計時することで、第１超音波振動子１２から送信された超音波が、ワークＷ１、Ｗ２を透過して、第２超音波振動子２２に到るのに要した透過時間Ｐ（図４参照）を計時する。
【００１９】
判定回路２６は、透過時間計時回路１８に接続されており、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐを入力する。判定回路２６は、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐに基づいて、ワークＷ１、Ｗ２に実施されている抵抗溶接現象の進行状態を判定する。
ここで、図１０、図１１を参照しながら、超音波の透過時間に基づいて、ワークＷ１、Ｗ２に施工されている溶接の状態を判定する原理について説明する。図１０は、ワークＷ１、Ｗ２の温度と、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度の関係を示すグラフである。図１１は、溶接時におけるワークＷ１、Ｗ２の温度と、形成されるナゲットの大きさ（いわゆるナゲット径）の関係を示している。ここで、ワークＷ１、Ｗ２のそれぞれは、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ材）であって、それらの板厚は１．２ｍｍである。
【００２０】
図１０に示すように、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。詳しくは、ワークＷ１、Ｗ２の温度が高いときほど、ワークＷ１、Ｗ２における超音波の伝播速度は遅くなる。そのことから、ワークＷ１、Ｗ２の板厚が同じであれば、超音波の透過時間は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。超音波がワークＷ１、Ｗ２を透過するのに要した透過時間に基づいて、ワークＷ１、Ｗ２の温度を推定することができる。
図１１に示すように、溶接時に形成されるナゲット径は、ワークＷ１、Ｗ２の温度によって変化する。詳しくは、ワークＷ１、Ｗ２の温度が融点を越えた時にナゲットの形成が始まり、ワークＷ１、Ｗ２の到達温度が高くなるにつれて、ナゲット径は大きくなる。先に説明したように、ワークＷ１、Ｗ２の温度に応じて、超音波の透過時間は変化する。従って、超音波の透過時間に基づいて、形成されているナゲット径を推定することができる。例えば、所望するナゲット径に対応する透過時間の基準値を定めておき、計時した超音波の透過時間をその基準値と比較することによって、溶接が完了したのか否かを判定することができる。この基準値を完了判定値という。完了判定値は、判定回路２６に記憶されている。
判定回路２６は、透過時間計時回路１８によって計時された透過時間Ｐに基づいてワークＷ１、Ｗ２の温度を推定する。このとき、透過時間Ｐが完了判定値を超えていれば、ワークＷ１、Ｗ２の温度が十分に上昇しており、予定された抵抗溶接が完了したと判定する。
【００２１】
図６は、抵抗溶接機２の動作の流れを示すフローチャートである。図６に示す動作フローに沿って、抵抗溶接機２がワークＷ１、Ｗ２に抵抗溶接を施工する際の動作の流れについて説明する。
ステップＳ２では、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０によって、重畳配置されているワークＷ１とワークＷ２を加圧挟持する。先に説明したように、第１溶接電極１０と第２溶接電極２０の位置は、ロボットアーム等の移動装置によって調節される。
ステップＳ４では、溶接電流を通電するに先立って、通電前における超音波の透過時間Ｐを計時する。計時された透過時間Ｐは、判定回路２６を介してコントローラ３０に入力される。
通電前における超音波の透過時間は、ワークＷ１、Ｗ２が加熱される前であることから、主に超音波振動子１２、２２間の距離によって変動する。従って、ワークＷ１、Ｗ２の板厚に製造誤差が生じていたり、溶接電極１０、２０に摩耗が生じていたりすると、通電前における超音波の透過時間は変動することとなる。また、溶接電流の通電前であることから、インバータ回路５６のスイッチング素子５６ａ〜５６ｄ等が発生するノイズの影響を受けることもない。
【００２２】
ステップＳ６では、コントローラ３０が、ステップＳ４で計時された通電前における透過時間Ｐに基づいて、送信遅延時間Ｄ（図５参照）を修正する。
図７を参照して、コントローラ３０が送信遅延時間Ｄを修正する処理について説明する。コントローラ３０は、通電前における透過時間Ｐに関する基準値を記憶している。この基準値をＰｘとする。コントローラ３０は、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐと基準値Ｐｘとの差分αを計算し、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを長短調整する。例えば図７（Ａ）に示すように、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐが基準値Ｐｘよりも短い場合は、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを延長する。あるいは図７（Ｂ）に示すように、ステップＳ４で計時された透過時間Ｐが基準値Ｐｘよりも長い場合は、その差分αだけ送信遅延時間Ｄを短縮する。修正後の送信遅延時間Ｄ−αが負の値となる場合は、インバータの通電状態が切換えられるタイミング（時刻ｔ１）に先立って、送信波形電圧Ｖｔが出力される。ステップＳ６における修正により、ワークＷ１、Ｗ２の板厚や、溶接電極１０、２０に生じている摩耗等による影響を受けることなく、受信波形電圧Ｖｍが現れるタイミングが、予定されていたタイミング（時刻ｔ３）に維持される。
【００２３】
図６のステップＳ８では、溶接電流の通電が開始される。コントローラ３０は、インバータ回路５６のオン／オフ制御を開始し、一対の溶接電極１０、２０間に溶接電流を通電する。ワークＷ１、Ｗ２は、溶接電流が通電されることによって、急速に加熱されていく。
ステップＳ１０では、溶接電流の通電中における超音波の透過時間Ｐを計時する。このときコントローラ３０は、ステップＳ４で修正した送信遅延時間Ｄ±αを用いて、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、インバータ回路５６をオフ状態からオン状態に切り換えるタイミングに同期させる。
ステップＳ１２では、判定回路２６が、ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐを、予め記憶している完了判定値と比較する。ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐが完了判定値を超えていれば、ワークＷ１、Ｗ２の温度が十分に上昇しており、必要な接合強度が得られるナゲットＮが形成されたと判断できる。この場合、ステップＳ１４へ進み、溶接電流の通電を終了する。一方、ステップＳ１０で計時された透過時間Ｐが完了判定値を超えていなければ、ステップＳ１０へと戻り、溶接電流の通電を継続する。このとき、超音波の透過時間Ｐから推定されるワークＷ１、Ｗ２の温度に応じて、溶接電流を増減調節するのも有効である。それにより、ワークＷ１、Ｗ２の加熱速度を適正化することができる。以上の動作フローによって、必要な接合強度を発揮する抵抗溶接が確実に施工される。
【００２４】
抵抗溶接機２は、溶接電流の通電に起因するノイズの影響を受けることなく、現に実施中の抵抗溶接の進行状態を正しく把握することができる。それにより、抵抗溶接現象の進行状態に応じて、例えば溶接電流を増減調節することや溶接電流の通電時間を長短調節すること等が可能となる。抵抗溶接機２は、予定された抵抗溶接を確実に実施することができることから、不良品の発生を減少させて、製品の製造コストを削減することにも寄与することができる。
【００２５】
本実施例の抵抗溶接機２は、図２に示した電源回路５０に代えて、図８に示す電源回路１５０を用いることもできる。図８に示すように、電源回路１５０は、単相交流用の電源回路である。電源電力入力部１５２と、サイリスタ回路１５６と、トランス回路１５８等を備えている。電源回路１５０は、外部の単相交流電源から単相交流電力を入力する。電源電力入力部１５２から入力された単相交流電力は、サイリスタ回路１５６を介して、トランス回路１５８に入力される。サイリスタ回路１５６は、第１サイリスタ１５６ａと、第２サイリスタ１５６ｂを備えている。各サイリスタ１５６ａ、１５６ｂの点弧タイミングは、コントローラ３０によって調節される。コントローラ３０は、各サイリスタ１５６ａ、１５６ｂの点弧タイミングを調節することによって、トランス回路１５８の二次側に流れる溶接電流を調節する。
図９に示すように、電源回路１５０を用いる場合では、サイリスタ回路１５６の通電状態が切換わるタイミングにおいて、第２超音波振動子２２が出力する受信電圧にノイズ波形電圧Ｖｎが現れる。そのことから、超音波の受信波形電圧Ｖｍは、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れる期間Ｎを避け、ノイズ波形電圧Ｖｎが現れない期間Ｓに出力されることが好ましい。そのためには、例えばサイリスタ回路１５６に点弧信号を出力するタイミングと、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、同期させればよい。例えばサイリスタ回路１５６に点弧信号を出力するタイミングを基準とし、送信回路１４に送信波形電圧Ｖｔを出力させるタイミングを、超音波の透過時間Ｐを加味して設定した所定の送信遅延時間Ｄだけ遅らせればよい。
図８に示す電源回路１５０を利用する場合でも、サイリスタ１５６ａ、１５６ｂのオン／オフに伴うノイズの影響を受けることなく、超音波の受信波形電圧Ｖｎを正確に検出することができる。超音波を利用して、現に実施中の溶接の進行状態等を正しく監視することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】抵抗溶接機の構成を模式的に示す図。
【図２】電源回路の構成を模式的に示す図。
【図３】インバータ回路のオン／オフ状態を経時的に示す図。
【図４】超音波の送信波形電圧と受信波形電圧を示す図。
【図５】インバータ回路の通電状態と超音波の送受信タイミングを示す図。
【図６】抵抗溶接機の動作の流れを示すフローチャート。
【図７】送信遅延時間の修正処理を説明する図。
【図８】電源回路の変形例を示す図。
【図９】変形例の電源回路を用いる場合の超音波の送受信タイミングを示す図。
【図１０】ワークの温度とワーク内における超音波の伝播速度の関係を示す図。
【図１１】ワークの温度と形成されるナゲットの大きさの関係を示す図。
【符号の説明】
【００２８】
２・・抵抗溶接機
１０・・第１溶接電極
１２・・第１超音波振動子
１４・・送信回路
１６・・受信回路
１８・・透過時間計時回路第２超音波振動子
２０・・第２溶接電極
２２・・第１超音波振動子
２６・・判定回路
３０・・コントローラ
５０・・電源回路
５６・・インバータ回路
１５０・・電源回路の変形例
１５６・・サイリスタ回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の溶接電極と、
ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、
ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、
ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備え、
前記通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えており、
前記送信手段は、前記スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする抵抗溶接機。
【請求項２】
前記送信手段は、前記スイッチング素子がオン又はオフするタイミングから所定時間だけ前後させたタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする請求項１の抵抗溶接機。
【請求項３】
溶接電流を通電するに先立って、前記送信手段が超音波を送信したタイミングから前記受信手段が超音波を受信したタイミングまでを計時する計時手段が付加されており、
前記送信手段は、計時手段によって計時された計時時間に基づいて、前記所定時間を長短調節することを特徴とする請求項２の抵抗溶接機。
【請求項１】
一対の溶接電極と、
ワークを通じて一対の溶接電極間に溶接電流を通電する通電手段と、
ワークの溶接箇所に向けて超音波を断続的に送信する送信手段と、
ワークの溶接箇所を経由した超音波を受信する受信手段を備え、
前記通電手段は、断続的にオン／オフすることによって溶接電流を増減調節するスイッチング素子を備えており、
前記送信手段は、前記スイッチング素子がオンおよび／又はオフするタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする抵抗溶接機。
【請求項２】
前記送信手段は、前記スイッチング素子がオン又はオフするタイミングから所定時間だけ前後させたタイミングに同期して、超音波を送信することを特徴とする請求項１の抵抗溶接機。
【請求項３】
溶接電流を通電するに先立って、前記送信手段が超音波を送信したタイミングから前記受信手段が超音波を受信したタイミングまでを計時する計時手段が付加されており、
前記送信手段は、計時手段によって計時された計時時間に基づいて、前記所定時間を長短調節することを特徴とする請求項２の抵抗溶接機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−６１８２４（Ｐ２００７−６１８２４Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４７１９３（Ｐ２００５−２４７１９３）
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（３９１００９８３３）株式会社ナ・デックス (8)
【出願人】（５０５３２５１７６）ジーイー インスペクション テクノロジーズ システムズ ゲーエムベーハー (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｒｏｂｅｒｔ−Ｂｏｓｃｈ−Ｓｔｒａｓｓｅ ３， ５０３５４ Ｈｕｅｒｔｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【出願人】（５０５３２５００６）ジーイー インディア テクノロジイ センター プライベート リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｉｎｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｖｔ． Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２２， Ｅｘｐｏｒｔ Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐａｒｋ Ｐｈａｓｅ−２， Ｈｏｏｄｉ Ｖｉｌｌａｇｅ， Ｗｈｉｔｅｆｉｅｌｄ Ｒｏａｄ， ＢＡＮＧＡＬＯＲＥ ５６００６６， ＩＮＤＩＡ
【出願人】（５０５３２４８６９）ジーイー グローバル リサーチ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｇｌｏｂａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ， Ｎｉｓｋａｙｕｎａ， ＮＹ １２３０９， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（３９１００９８３３）株式会社ナ・デックス (8)
【出願人】（５０５３２５１７６）ジーイー インスペクション テクノロジーズ システムズ ゲーエムベーハー (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｒｏｂｅｒｔ−Ｂｏｓｃｈ−Ｓｔｒａｓｓｅ ３， ５０３５４ Ｈｕｅｒｔｈ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【出願人】（５０５３２５００６）ジーイー インディア テクノロジイ センター プライベート リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｉｎｄｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｖｔ． Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２２， Ｅｘｐｏｒｔ Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐａｒｋ Ｐｈａｓｅ−２， Ｈｏｏｄｉ Ｖｉｌｌａｇｅ， Ｗｈｉｔｅｆｉｅｌｄ Ｒｏａｄ， ＢＡＮＧＡＬＯＲＥ ５６００６６， ＩＮＤＩＡ
【出願人】（５０５３２４８６９）ジーイー グローバル リサーチ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｇｌｏｂａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ， Ｎｉｓｋａｙｕｎａ， ＮＹ １２３０９， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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