JP6000061B2 - スポット溶接装置 - Google Patents

Description

本発明はスポット溶接装置に関する。

スポット溶接工法は、生産性が高く、製造コストが安価であることから、例えば自動車車体の生産に多用されている。一般的なスポット溶接工法では、対向配置された一対の電極を有するＣ型形状のガンヨークを備えた溶接ガンを用いて行われる。具体的には、ロボットアーム等に取り付けられた溶接ガンを、一対の電極の間にワークが配される位置まで移動させた後、一対の電極でワークをクランプし、所定の加圧力で加圧しながら一対の電極間に通電することで溶接が行われる。

しかし、例えば図１に示すように、溶接予定部の一方側が断面ハット形状の金属板Ｗ３で覆われている場合、一対の電極で溶接予定部とハット部の頂面（図中下面）とを溶接ガンでクランプすると、ハット部の頂面が変形してしまう恐れがある。そのため、溶接ガンによりクランプできない場合がある。

このような不具合を回避するために、例えば下記の特許文献１に示されているようなスポット溶接装置が提案されている。この溶接装置は、ハット部の一方側に設けられた導電部材と、導電部材からワークへ向けて突出した一対の当接部材とで構成された導通手段を備えている。一対の当接部材を、ハット部を避けた位置でワークに一方側から当接させた状態で、第１電極をワークに他方側から当接させる。さらに、第２電極を導電部材に一方側から当接させることによって、ワークがクランプされる。この状態で、一対の電極間に通電することによって溶接が施される。この溶接装置によれば、一対の電極でハット部を直接クランプすることがないため、ハット部の変形を回避することができる。

特開２００８−２４６５５４号公報

上記特許文献１のスポット溶接装置では、第１電極と第２電極とによるワークのクランプに先立って、一対の当接部材を備えた導通手段（導電部材及び当接部材）を第２電極とワークの間に介入させている。当接部材の先端をワークに当接させ、第１電極をワークの溶接対象位置に当接させると共に導通手段の導電部材に第２電極を当接させる。これにより、ワークの溶接対象位置が導通手段を介して第１電極と第２電極とでクランプされた状態となる。

しかしながら、導電手段を介して溶接を行う場合、電極同士をワークに直接対向配置できないため、大きな加圧力を付与することができない。従って、ワークをクランプする際の加圧力をワークが変形しない程度に設定せざるを得ず、加圧力不足によってワークの間に隙間が生じてしまう恐れがある。これにより、ワークが溶融して飛散することに起因して、スパッタが生じてしまうという課題がある。また、ワークの他方側を第１電極のみで押え付けているため、溶接位置を変更する際に、第１電極が離反してワークの押え付けが解かれると、ワークの位置が変わってしまう恐れもある。

本発明は、導電部材を用いたＣ型溶接装置であっても、スパッタが生じない良好な溶接部を得ることができるスポット溶接装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するためになされた本発明は、同軸上に対向して配置され、互いに接近離反可能な第１電極及び第２電極と、ワークの一方側に配置される導電部材と、導電部材と通電可能に接続された当接部材と、当接部材を、ワークに当接する当接位置とワークに当接しない退避位置との間で駆動する駆動部と、ワークをクランプするクランプ手段とを備え、当接部材をワークに一方側から当接させると共に、第２電極を導電部材に当接させ、さらに、第１電極をワークの溶接予定部に他方側から当接させ、この状態で第１電極と第２電極の間に通電することにより溶接予定部に溶接を施すスポット溶接装置であって、ワークのうち、クランプ手段でクランプされた被クランプ部によって囲まれた領域に、溶接予定部を配置したことを特徴とする。

上記の構成とすることにより、クランプ手段によってワークをクランプした際、ワークがクランプされる位置、すなわち被クランプ部が溶接予定部を囲むように配置されるので、クランプされている位置に囲まれた領域では、ワーク同士が密着した状態が形成される。従って、電極同士をワークに直接対向配置できない場合であっても、溶接予定部のワーク間の隙間を埋めることができる。また、複数箇所を溶接する際に、第１電極及び第２電極を離反させても、クランプ手段によって、ワークを所定の位置で保持できるため、第１電極及び第２電極を離反させてもワークの位置が変わることはなく、所定の位置に正確に溶接することができる。

また上記のスポット溶接装置において、１つのクランプ駆動部でワークの複数箇所をクランプすることが可能なクランパ部を設けておけば、クランプ手段の数を減じることができるため、溶接装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。

以上のように、本発明のスポット溶接装置によれば、導電部材を用いたＣ型溶接装置であっても、良好な溶接部を得ることができる。

ワークＷの断面斜視図である。 本発明の実施形態に係るスポット溶接装置の平面図である。 上記スポット溶接装置の側面図である。 当接部材の断面図である。 上記スポット溶接装置の側面図である（ワークセット時）。 上記スポット溶接装置の側面図である（溶接実行時）。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の実施形態に係るスポット溶接装置１は、例えば図１に示すワークＷの溶接予定部Ｐに溶接を施すものである。このワークＷは、長尺のフレーム部材であり、２枚の略平板状の金属板Ｗ１、Ｗ２と、これらの一方側（図中下方）に重ねられた断面ハット形状の金属板Ｗ３とを有する。金属板Ｗ３のハット部Ｈと金属板Ｗ１、Ｗ２とで中空の筒状部が形成され、この筒状部の両側に突出して、３枚の金属板Ｗ１〜Ｗ３を重ねたフランジ部Ｆが設けられる。ワークＷは、予めフランジ部Ｆの複数箇所に溶接が施されて一体化されている。溶接予定部Ｐは、一方側から金属板Ｗ３のハット部Ｈで覆われている。

スポット溶接装置１は、図２及び図３に示すように、ワークセット台２と、導電部材３と、当接部材４と、駆動部５と、連結部６と、溶接ガン（図示省略）とを備えている。またワークセット台２には、ワークをクランプするクランプ手段２０を備えている。

ワークセット台２は、例えば複数の金属フレームが組み合わされて形成され、床面上に設置される。ワークセット台２には、ワークＷをクランプするクランプ手段２０が一体に設けられている。クランプ手段２０は、ワークＷをクランプするためのクランパ部２１を備えたクランプ部材２２と、クランプ部材２２を回転可能に支持するピン２ｃと、クランプ手段２０を駆動させるクランパ駆動部（図示省略）とで構成されている。クランプ手段２０は、載置部２ａと協働してワークＷをクランプすることで、ワークＷを載置部２ａに固定するものであり、本実施形態では、ワークＷを安定して固定するため、図２に示すように、載置部２ａおよびクランパ部２１によってワークＷがクランプされる位置、すなわち、被クランプ部Ｗａを３箇所以上（図示例では４箇所）としている。また、被クランプ部Ｗａで囲まれた領域Ｒ内には、少なくとも一つ（図示例では３つ）の溶接予定部Ｐが配置されている（図２参照）。具体的には、図２に示すように、ワークの長手方向に離隔した複数箇所（図示例では２箇所）にクランプ手段２０が設けられ、各クランプ手段２０のクランプ部材２２にはそれぞれ複数（図示例では２個）のクランパ部２１が設けられている。ワークＷのハット部Ｈの両側のフランジ部Ｆを一度にクランプすることができる。また、各クランプ手段２０には、それぞれクランプ駆動部が設けられている（図示省略）。これにより、１個のクランプ駆動部を駆動することによって、クランプ部材２２に設けられた複数のクランパ部２１を同時に駆動できるので、装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。また、１個のクランプ部材２２で、両フランジ部Ｆを一度にクランプできるので、確実にワークを固定することができる。

導電部材３は、ワークセット台２に固定される。導電部材３は、平坦な金属板からなる水平部３ａおよび傾斜部３ｂを有する。水平部３ａは平面視で略Ｌ字形状を成し、傾斜部３ｂは平面視で略コの字形状を成す（図２参照）。水平部３ａおよび傾斜部３ｂは、通電可能な状態で固定される。傾斜部３ｂは、ワークセット台２に保持されたワークＷの溶接予定部Ｐと平行とされる。図示例では、ワークＷの金属板Ｗ１、Ｗ２のうち、ハット部Ｈの開口部を覆う部分と、導電部材３の傾斜部３ｂとが平行としている。

導電部材３には、当接部材４が挿通可能な挿通部が形成される。本実施形態では、図２に示すように、導電部材３の複数箇所（図示例では２箇所）に挿通部３ｃ、３ｄ形成される。図示例では、挿通部３ｃ、３ｄが、それぞれ導電部材３を上下方向（すなわち当接部材４の移動方向）に貫通し、且つ、水平方向（すなわち当接部材４の移動方向と直交する方向）に開口している。一方の挿通部３ｃは、略コの字形状の傾斜部３ｂに形成された凹部で構成される。他方の挿通部３ｄは、略Ｌ字形状の水平部３ａと傾斜部３ｂとで形成された凹部で構成される。このように、導電部材３に設けた挿通部３ｃ、３ｄの内周に当接部材４を配置することで、例えば導電部材３と当接部材４とを水平方向に並べて配置する場合と比べて、これらの部材を配置するためのスペースを縮小して、スポット溶接装置１の小型化を図ることができる。

当接部材４は、ワークＷのフランジ部Ｆに下方から当接可能な位置に配置される。本実施形態では、当接部材４が複数箇所に設けられ、図示例では、一方のフランジ部Ｆに沿って並べられた２つの当接部材４と、他方のフランジ部Ｆの下方に設けられた１つの当接部材４とが設けられている。当接部材４は、ワークＷに当接する当接位置（図３の点線参照）と、ワークＷから離反した退避位置（図３の実線参照）との間で移動可能とされ、図示例では鉛直方向に昇降可能とされる。当接部材４は、鉛直方向に延びる軸状の本体部４ａと、本体部４ａの先端（図中上端）に設けられたチップ４ｂとを有する。本体部４ａ及びチップ４ｂは共に金属で形成される。図４に示すように、本体部４ａの先端に設けられたテーパ状のシャンク４ａ１と、チップ４ｂに設けられたテーパ状の嵌合穴４ｂ１とをテーパ嵌合させることで、両者が固定される。

本実施形態では、上述のように、導電部材３及び当接部材４の配置スペースの縮小を図るべく、導電部材３の挿通部３ｃ、３ｄの内周に当接部材４を配している。例えば、導電部材３に挿通部として貫通穴を設け、その内周に当接部材４を挿通した場合、両部材の配置スペースの縮小を図ることができる。しかし、この場合、チップ４ｂのメンテナンス時に、導電部材３が邪魔になって当接部材４にアクセスし難くなり、チップ４ｂの確認や交換の作業効率が低下する恐れがある。そこで、図２及び図３に示すように、導電部材３の挿通部３ｃ、３ｄを水平方向に開口させれば、この挿通部３ｃ、３ｄの開口側から当接部材４にアクセスできるため、メンテナンスの作業効率が高められる。特に、図示のように複数の挿通部３ｃ、３ｄが設けられる場合、この挿通部３ｃ、３ｄの開口方向を統一すれば、複数の挿通部３ｃ、３ｄの内周に配された当接部材４に同一方向からアクセスすることができる。これにより、作業者は、挿通部３ｃ、３ｄの開口側（図１の上側）から全ての当接部材４にアクセスすることができるため、作業効率がさらに高められる。

本体部４ａの内部には冷却水路が設けられる。具体的には、図４に示すように、本体部４ａの軸心に、シャンク４ａ１の先端に開口した軸方向穴４ａ２が形成されると共に、軸方向穴４ａ２の内周にパイプ４ｃが配される。本体部４ａには、側面に開口した供給口４ａ３及び排出口４ａ４が設けられ、それぞれ供給管４ｄ及び排出管４ｅに接続される（図３参照）。供給管４ｄから供給された冷却水は、供給口４ａ３及びパイプ４ｃの内部を通って、本体部４ａのシャンク４ａ１の先端とチップ４ｂの嵌合穴４ｂ１との間の隙間Ａに供給される。この隙間Ａにおいて、冷却水とチップ４ｂとが熱交換することにより、チップ４ｂが冷却される。その後、冷却水は、本体部４ａの軸方向穴４ａ２とパイプ４ｃとの間の隙間Ｂを通って、本体部４ａに設けられた排出口４ａ４を介して排出管４ｅに排出される。

駆動部５は、当接部材４を当接位置と退避位置との間で駆動するものである。本実施形態では、各当接部材４の下端にそれぞれ駆動部５が接続され、各当接部材４が個別に昇降駆動される。駆動部５は、例えばシリンダ（エアシリンダあるいは油圧シリンダ）で構成される。このほか、駆動部５をサーボモータやボールネジ等で構成してもよい。駆動部５は、ワークセット台２に固定される。各当接部材４と各駆動部５との間には絶縁部材（図示省略）が設けられ、これにより両者が絶縁される。

導電部材３と各当接部材４とは、連結部６により通電可能に接続される。連結部６は、導電部材３と当接部材４との通電を維持しながら、当接部材４の昇降を許容する。本実施形態では、連結部６が略Ｕ字形状の弾性部材（例えば積層金属板）で構成され、連結部６が湾曲することで当接部材４の昇降が許容される（図３の点線参照）。

図示しない溶接ガンは、第１電極７ａ及び第２電極７ｂ（図６参照）を有する。両電極７ａ、７ｂは、同軸上に対向して配置され、互いに接近離反可能とされる。両電極７ａ、７ｂは、ガンヨークを介してロボットアームに連結される（図示省略）。各電極７ａ、７ｂは、図３に示す当接部材４とおおよそ同様の構成を成し、軸状の本体部７ａ１、７ｂ１及びその先端に設けられたチップ７ａ２、７ｂ２を有する。

上記のスポット溶接装置１には、クランプ手段２０の動作、当接部材４の昇降、溶接ガンの移動、第１電極７ａ及び第２電極７ｂの駆動及び通電を制御する制御部が設けられる（図示省略）。

以下、上記のスポット溶接装置１を用いてワークＷに溶接を施す手順について説明する。

先ず、図５に示すように、クランプ手段２０に設けられたクランプ駆動部（図示省略）を駆動させ、クランプ部材２２の先端を上方に退避させ、クランパ部２１を載置部２ａから離反させた状態で、ワークセット台２の載置部２ａにワークＷを載置する（矢印Ｃ参照）。金属板Ｗ３のハット部Ｈを下向きに突出させた状態で、ワークＷのフランジ部Ｆを載置部２ａに載置することにより、ハット部Ｈが複数の当接部材４の間に配される。この状態で、ワークセット台２のクランプ手段２０を閉じ（矢印Ｄ参照）、クランパ部２１と載置部２ａとでワークＷのフランジ部Ｆを上下方向からクランプすることにより、ワークＷがワークセット台２にセットされる。なお、本実施形態では、１個のクランプ駆動部（図示省略）で、複数のクランパ部材２１（図示例では２個）を備えたクランプ部材２２を駆動させ、ワークＷのハット部Ｈの両側のフランジ部Ｆを一度にクランプしている。

次に、駆動部５で当接部材４を上昇させ、ワークＷのフランジ部Ｆに下方から当接させる（図３点線参照）。本実施形態では、当接部材４を、ワークＷのフランジ部Ｆのうち、予め溶接された溶接部に当接させる。このとき、各当接部材４を個別の駆動部５で駆動しているため、各当接部材４をそれぞれ上昇させてワークＷに確実に当接させることができる。また、各当接部材毎に加圧力を個別に設定することが可能であるため、例えば一方（図２の左側）のフランジ部Ｆに当接する２個の当接部材４と、他方（図２の右側）のフランジ部に当接する１個の当接部材４とで、加圧力を異ならせることができる。勿論、全ての当接部材４の加圧力を等しくしても良い。

ところで、当接部材４を、予めワークＷと当接する位置に固定しておけば、ワークＷをワークセット台２にセットすると同時に、当接部材４をワークＷに当接させることができるように思われる。しかし、当接部材４の先端の位置（高さ）は、シャンク部４ａ１とチップ４ｂとの嵌合状態やチップ４ｂの磨耗量によって変わってしまうため、溶接を繰り返すうちに当接部材４がワークＷに当接しなくなったり、加圧力が小さくなったりする恐れがある。そこで、上記のように各当接部材４を個別に駆動してワークＷに当接させればシャンク４ａ１とチップ４ｂとの嵌合状態やチップ４ｂの磨耗量に関わらず、常に各当接部材４を所定の加圧力でワークＷに確実に当接させることができる。

その後、ロボットアームで溶接ガンを移動させ、図６に示すように、第１電極７ａと第２電極７ｂとの間にワークＷのハット部Ｈ及び導電部材３を配置させる。そして、第１電極７ａをワークＷの溶接予定部Ｐに上方から当接させると共に、第２電極７ｂを導電部材３に下方から当接させる。この状態で、両電極７ａ,７ｂ間に通電することにより、第１電極７ａ→ワークＷ→当接部材４→連結部６→導電部材３→第２電極７ｂという通電経路が形成され、ワークＷの溶接予定部Ｐに溶接が施される。

このとき、両電極７ａ,７ｂによる加圧力は、金属板Ｗ１、Ｗ２の隙間を詰めて溶接品質を確保するために、比較的大きい加圧力が必要となる。しかし、本実施形態では、導電部材３をワークセット台２に固定しているため、第２電極７ｂが導電部材３に加える加圧力を大きくした場合でも当接部材４の加圧力には影響せず、当接部材４の加圧力が過大となってワークＷを変形させる事態を回避できる。

また、上記のように溶接予定部ＰがワークＷのハット部Ｈを覆う部分に設けられている場合、溶接予定部Ｐを両電極７ａ,７ｂでクランプすることができず、ワークＷの溶接予定部Ｐに第１電極７ａのみを上方から当接させて加圧する必要がある。このとき、溶接予定部Ｐは下方からは支持されていないため、第１電極７ａの加圧力は、ワークＷが変形しない程度に設定せざるを得ない。従って、溶接予定部Ｐを一対の電極で挟持加圧する通常のダイレクトスポット溶接におけるワークの加圧力（２００ｋｇ〜３００ｋｇ程度）と比べて、本実施形態の第１電極７ａによるワークＷへの加圧力は小さくなる。（例えば４０ｋｇ〜１００ｋｇ程度）そのため、金属板Ｗ１、Ｗ２の間の隙間を詰めきれず、ワークＷが溶融して飛散することによりスパッタが生じてしまい、溶接品質が悪化する恐れがある。

そこで本実施形態では、ワークＷが載置部２ａ及びクランパ部２１によってクランプされる位置、すなわち、被クランプ部Ｗａで囲まれた領域Ｒ内に、溶接予定部Ｐを配置している。これにより、領域Ｒ内では、ワークＷ同士が密着した状態が形成されるため、第１電極７ａの加圧力が比較的小さくても、溶接予定部Ｐにおいて、金属板Ｗ１、Ｗ２を確実に密着できるため、スパッタの発生が抑制され、溶接品質を高めることができる。

また、本実施形態では、導電部材３の傾斜部３ｂが、ワークＷの溶接予定部Ｐを含む面と平行に配置されている。このため、図６に示すように、傾斜部３ｂ及びワークＷの溶接予定部Ｐに対して垂直な方向から両電極７ａ、７ｂを当接させることにより、両電極７ａ、７ｂによる加圧力をワークＷに効率良く伝えることができるため、溶接品質をさらに高めることができる。

一方、当接部材４は、ワークＷのフランジ部Ｆのうち、予め溶接が施された溶接部に当接され、ワークＷと第２電極７ｂとを通電するためのアース電極として機能する。従って、当接部材４の加圧力不足による当接不良は、アース電極としての機能に影響するため、溶接部の品質悪化にも繋がる。そのため、当接部材４とワークＷのフランジ部Ｆとの当接が確実に行われる必要がある。しかし、ワークＷのうち、当接部材４とワークＷとの当接部、すなわち被当接部Ｗｂは上方からは支持されていないため、当接部材４の加圧力が大きすぎるとワークＷが変形してしまう恐れがある。本実施形態では、被クランプ部Ｗａに囲まれた領域Ｒ内に被当接部Ｗｂを配置している。これにより当接不良を防止でき、良好な溶接部を得ることができる。

一箇所の溶接予定部Ｐへの溶接が完了したら、両電極７ａ、７ｂを離反させてワークＷ及び導電部材３への加圧力を解除する。そして、ロボットアームで溶接ヘッドを次の溶接予定部Ｐへ移動させ、上記と同様の手順で溶接を施す。このとき、ワークＷは被クランプ部Ｗａで固定されたままなので、第１電極７ａ及び第２電極７ｂを離反させてもワークＷの位置が変わることが無いため、所定の位置に正確に溶接することができる。全ての溶接予定部Ｐへの溶接が完了したら、駆動部５で当接部材４を退避位置まで下降させると共に、クランプ手段２０を回転させてワークＷのクランプを解除した後、ワークＷをスポット溶接装置１から搬出する。

本発明は、上記の実施形態に限らない。例えば、上記の実施形態では、３つの当接部材４にそれぞれ駆動部５を設けた場合を示したが、これに限らず、これらのうち少なくとも２つを個別に駆動するようにすればよい。例えば、一方側のフランジ部Ｆに沿って配された２個の当接部材４を同一の駆動部５で駆動してもよい。この場合、一方側のフランジ部Ｆに沿って配された２個の当接部材４を駆動する一方の駆動部５と、他方側のフランジ部Ｆの下方に配された１個の当接部材４を駆動する他方の駆動部５とが設けられる。

また、上記の実施形態では、３個の駆動部５の全てをワークＷに当接させる場合を示したが、ワークＷの形状によっては、駆動する必要のない当接部材４がある場合もある。従って、制御部で、複数の当接部材４のうち、ワークＷの種類に応じて必要なものだけを駆動するように、複数の駆動部５を制御するようにしてもよい。これにより、様々な形状のワークに対応することができるため、スポット溶接装置１の汎用性が高められると共に、不要な当接部材４を駆動するエネルギーを削減することができる。また、ワークＷに当接させない当接部材４は、ワークＷから大きく退避させることができ、例えば導電部材３よりも下方まで下降させることができる。この場合、当接部材４とワークＷとの間の隙間が大きく確保されるため、溶接ガン（特に第２電極７ｂ）のアクセスが容易化される。

また、上記の実施形態では、１個のクランプ部材２２に対して２個のクランパ部２１を備えたものを示しているが、これに限らず、載置部２ａの数に合わせてクランパ部２１の数を適宜変更してもよい。また、クランプ手段２０を配置する位置も、ワークＷを安定して固定でき、かつ、溶接予定部Ｐや被当接部Ｗｂを囲うように配置できれば適宜変更してもよい。

また、上記の実施形態では、３個の当接部材４を設けた場合を示したが、これに限らず、当接部材４を２個以下、あるいは４個以上設けてもよい。

また、上記の実施形態では、ハット部Ｈを有するワークＷを溶接する場合を示したが、これに限らず、溶接予定部Ｐの一方側から電極を当接できないワークであれば、上記のスポット溶接１を好適に適用することができる。

１ スポット溶接装置
２ ワークセット台
２０ クランプ手段
２１ クランパ部
２２ クランプ部材
３ 導電部材
３ａ 水平部
３ｂ 傾斜部
３ｃ、３ｄ 挿通部
４ 当接部材
５ 駆動部
６ 連結部
７ａ 第１電極
７ｂ 第２電極
Ｗ ワーク
Ｗａ 被クランプ部
Ｗｂ 被当接部
Ｈ ハット部
Ｆ フランジ部
Ｐ 溶接予定部
Ｒ 領域

Claims (2)

1. 同軸上に対向して配置され、互いに接近離反可能な第１電極及び第２電極と、ワークの一方側に配置される導電部材と、前記導電部材と通電可能に接続された当接部材と、前記当接部材を、ワークに当接する当接位置とワークに当接しない退避位置との間で駆動する駆動部と、ワークをクランプするクランプ手段とを備え、該クランプ手段によってワークをクランプし、前記当接部材をワークに一方側から当接させると共に、前記第２電極を前記導電部材に当接させ、さらに、前記第１電極をワークの溶接予定部に他方側から当接させ、この状態で前記第１電極と前記第２電極の間に通電することにより前記溶接予定部に溶接を施すスポット溶接装置であって、
   ワークのうち、前記クランプ手段でクランプされた被クランプ部によって囲まれた領域に、前記溶接予定部を配置したことを特徴とするスポット溶接装置。
2. 前記クランプ手段には、１つのクランプ駆動部で複数の前記被クランプ部をクランプ可能なクランパ部を設けていることを特徴とする請求項１記載のスポット溶接装置。

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