JP4355657B2 - スポット溶接の品質のモニタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポット溶接の品質のモニタリング方法に関し、さらに詳しくはクレーム１に節を設けて記載したように、ロボット用途に関する。

スポット溶接の品質評価のための非常に異なるシステムは既に知られており、EP0830914B1に記載されている。

US3940624Aには、溶接箇所を赤外線源で照射し、必要により反射光又は透過光を光学的に検出する、溶接のモニタリングの方法と装置の記載がある。記載された方法の変形例によれば、液晶を備えたマイラーフィルムで溶接箇所を覆い、溶接箇所から放射される熱により誘起される液晶の変化を光学的に検出する。その場合、安定していない、溶接スポット自身又は液晶表示を評価するため、場所を変えたり、時間をかけて測定する必要があるという問題がある。

本発明は、スポット溶接の品質をモニタリングする方法を提供すること、特にロボット向けの方法を提供することを目的とするものであり、簡単な方法で容易に溶接スポットの検出を行うことができ、溶接される金属シートの表面に直接影響を受けることがない。金属シートという言葉は、スポット溶接により接合されるあらゆる工作物又は構造部材を意味するものであり、例えば、車体を意味する。溶接スポットには、技術分野で汎用されている溶接ナゲット（nugget）も含まれる。

本発明の目的は、電極又は電極キャップと工作物、特に金属シート又は構造部材、との間に条片（strip）又は箔を挿入することにより達成されるものであり、条片又は箔は溶接プロセスの後に移動され、鏡映逆転した（mirror-inverted）、工作物の上に作製された溶接ナゲット又は溶接スポットの比例映像（proportional image）又は複写物（reproduction）が、条片又は箔の上に溶接プロセスの間に形成され、条片又は箔の上に形成された鏡映逆転した映像又は複写物が評価手段により検出かつ評価され、溶接スポット又は溶接ナゲットの大きさ、形状そして位置が、上記評価手段を用いてその映像又は複写物から決定される。溶接プロセスの後で条片又は箔を移動させることにより、溶接スポットの単一の複写物のみを所定の条片領域に常に形成することを可能とする。その場合、評価はいつでも可能である。条片の上に形成された、鏡映逆転した複写物に基づいて、工作物又は金属シートの表面の各溶接スポットに関して結論を出すのが容易であるからである。別の重要な利点は、溶接トング（tong）の上で直接評価を行うことができることにあり、これにより自動製造時における停止時間を抑制することができる。その場合、評価するのは工作物又は金属シート自身の上の溶接スポットではなく、溶接スポットの鏡映逆転した複写物であるので、場所に制約されない方法を用いるあらゆる評価を行うことができるという利点を有する。本発明の方法は、溶接スポット又は溶接ナゲットの複写物又は映像の大きさ、形状そして位置を検出するものであるので、従来の品質モニタリングシステムでは不可避の、電極の摩耗、金属シートの厚さや層の厚さのバラツキ、ロットによる材料のバラツキを考慮する必要がないという利点を有する。別の利点は、溶接プロセスから離れた場所で溶接トングの表面で評価を行うことができるので、市販の溶接トングを必ずしも近づける必要がない点にある。これ対し、市販のシステム、例えば超音波システムでは、評価を溶接プロセスの領域で行う必要があるので、電極のピックアップ装置における構造体の大きさを大きくする必要があり、そのためシステムの取扱性と実施容易性を低下させる。別の非常に重要な利点として、条片が同時に電極の保護手段としても働くので、電極の寿命を実質的に向上させる。結果として、溶接スポットに損傷を与える（消耗電極）大きな原因の一つを除くことができる。

さらに、長さ方向と幅方向の強度の間の関係を決定するため。溶接スポット又は溶接ナゲットの形状と位置を決定するのが容易かつ便利である。

請求項２から５のいずれか一つに記載の方法も利点を有しており、できるだけ完全に条片の上に複写物できるように、材料を相互に最適に適用することができる。

請求項６に記載の方法も利点を有している。要求された優先度又は必要度に応じて実行すべき最適な一連の操作を可能とすることができるからである。溶接終了後、特定の溶接スポットを評価することや、実行すべき溶接操作がすべて終了した後に他の溶接スポットを評価することもできる。

請求項７又は８に記載の方法は、公知のシステム、特にソフトウェアプログラムを、大きさ、形状そして位置を決定するための撮像又はデータの検出と測定に用いることができるという利点を提供する。

請求項９又は１０も利点を有しており、全ての各適用ケースについてデポジットされた比較対象を用いることができる。その比較対象は、基準となる溶接のデポジット撮像、又は基準となる溶接の大きさ、形状又は位置等のデポジットパラメータからなる。

さらに、請求項１１に記載の方法は、さらなる処理又はデータの随時呼び出しを可能とするという利点を有している。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１と２は、スポット溶接装置１を示しており、特に金属シート３，４又は構造部材の抵抗溶接に用いる溶接トング２を示している。そのスポット溶接装置はロボット用途に好適に使用される。好ましくは、スポット溶接装置１は、スポット溶接ツール５と、電極６を横切って係合する条片７又は箔をその巻回装置は溶接トング２の上に直接あるいはそれの外側に配置されている。

電極６の周囲に条片７を案内するには非常に異なった方法を用いる。その理由を一実施例を用いて以下に簡単に説明する。ここでは、その一実施例はスポット溶接ツール５を必要とせず、電極６が存在すれば良く、条片７を案内し、かつ巻き付けたり又は解いたりする部材は別体の装置として構成され、そして配置されている。図に示すように、スペーサ９は、電極キャップ８内において、あるいは電極６と金属シート３，４又は構造部材との接触面において電極６の周囲に配置されている。例えば、スペーサ９は、スペーサ９を介して工作物又は金属シート３，４をさらに押圧可能なように、電極６に着脱可能に取着されている。さらに、スペーサ９に移動可能な取り付け部材を設けることにより、溶接終了後にはテープ７を電極６から離間するように引き上げることができる。すなわち、スペーサ９は、溶接トング２の開口時又は開口後に電極表面又は電極キャップ８から離間するように条片７を自動的に引き上げることができる。一方、スペーサ９は、溶接トング２を閉じる際、電極６に対して変位することができる。これにより、条片７は電極６の接合点（abutment）の中に入って行くことができる。

図に示すように、スポット溶接ツール５は、溶接トング２に挿入される環状部材から構成されている。スペーサ９は低電導性の金属リングから形成され、円筒状の電極６の軸方向に変位可能である。休止状態では、スペーサ９は電極６から突出している。支持部材１０は、電極６の上に配置され、条片７を支持する案内溝１１を備えている。調整手段１２は、好ましくはバネ部材であり、支持部材１０とスペーサ９との間に配置されており、適当な圧力を加えることにより調整手段１２が変形又は変位するので、電極６に沿ってスペーサ９が変位することが可能となる。

部材、特に金属シート３，４は、スポット溶接の全プロセスにおいて、電極６を介して溶接トング２により互いに機械的に押圧されている。スポット溶接では、電極６間に流れる電流により誘起されるオーミック抵抗発熱により短時間で急速に金属が溶融して接合される。その後、溶融した領域は再度急冷され、熱伝導により固化する。このようにして、溶接スポット１３又は溶接ナゲットにより接合された部材同士又は金属シート３，４を、図２の模式図に示す。

生成する熱量、さらには溶融した材料の体積は、金属シート３，４の材料の導電性、溶接時間、溶接電流、より正確には目的の溶接スポット１３又は溶接ナゲットを流れる電流密度、そして溶接出力回路の個々の抵抗に依存する。このようなタイプの溶接プロセスでは、以下のパラメータ又は条件を考慮する必要があり、通常はかなりな程度自動制御された工学手段のみによりバランスさせることができ、そうしないとモニターや操作は一切できないものである。導電性や熱伝導性は材料に特徴的なものであり、ほとんど決まっている。溶接時間は、比較的低コストであると考えられる。溶接電流は自動制御により一定に保つことができる。しかし、接触面積が大きくなりすぎると、電流密度が小さくなりすぎ、変形した電極、特に摩耗した電極６では小さくなりすぎる。さらに、先の溶接スポット１３又は金属シート３，４の変形により、目的の溶接スポット１３に電流が流れても材料が溶融しない場合がある。溶接出力回路の抵抗は、特に接触抵抗が大きく、例えば、汚染された金属シート３，４又は汚染された電極６に起因する予測困難かつ制御困難なバラツキの影響を受ける。さらに、溶接トング２又は金属シート３，４の不完全な位置決めや、金属シート３，４の変形により溶接スポット１３の強度が不十分となり、要求される、金属シート３，４と電極６との接触あるいは金属シート３，４同士の接触が阻害される。以上の理由により、溶接スポットのモニタリング、特に溶接終了後の溶接スポット１３の検査の必要性が緊急の問題となっている。

本発明に係るスポット溶接の品質のモニタリング方法は、金属シートの表面における、すなわち溶接スポット１３における幾何学的膨張を与える最高温度を検出するという原則に基づくものである。本発明では、溶接プロセス終了後直ぐに金属の表面の温度分布を測定する、例えば、工作物又は金属シート３，４の表面を直接、熱線カメラにより又は光学的評価により測定する、という公知の方法とは異なるものである。その代わり、高導電性の箔又は条片７を、溶接時、電極６と金属シート３，４との間に配置する。その箔又は条片７は、各サイトで支配的な最高温度に依存してその特性を変化させる。これは、例えば、薄膜を用いることにより行うことができ、その薄膜には、視覚で確認できるもの、あるいは特性の変化を検出できるもの、あるいは溶接すべき金属シート３，４の材料の溶融温度以下又は溶融温度の範囲内で自身が溶融するものを用いることができる。溶接終了後の視覚で確認可能な変化又は測定可能な変化は、溶接スポットの大きさの測定手段となり、また妥当なコストの自動評価手段となる。

存在する薄膜のみならず用いる箔及び条片７のいずれも、高い導電性を有している必要があり、それにより、溶接電流により直接でなく、好ましくは金属シート３，４からの熱伝導により条片７の大部分が加熱される。

前述したように、条片７又は箔は、電極６又は電極キャップ８と工作物、特に金属シート３，４又は構造部材との間に挿入される。条片７又は箔は、鏡による逆像、特に工作物又は金属シート３，４の上に形成された溶接ナゲット又は溶接スポット１３の、図２に示す比例映像又は複写物１４が、それぞれ条片７又は箔の上に形成されるように配置されている。条片７又は箔の上の鏡映逆転した映像又は複写物１４は、評価手段（不図示）により検出及び評価される。これにより、溶接スポット１３又は溶接ナゲットの大きさ、形状そして位置が、その評価手段又は溶接装置の制御及び／又は評価装置（不図示）によって上記の映像又は複写物（１４）に基づいて決定される。評価手段を溶接トング２の上に直接配置し、条片７を移動させて通り過ぎるようにすると、評価も行うことができる。評価手段を外側に配置しても良いことは言うまでもない。

条片７又は箔の材料、又はその上に適用する被膜の材料は、溶接する金属シート３，４の材料に合わせるべきである。そうすると、溶接プロセスの際の金属シート上の温度の効果により映像又は複写物１４が条片７の上に形成される。それは、条件の検出可能な変化により、特に、条片７又は箔、あるいはその上の被膜の色変化、反応又は凝集状態の変化により形成されるものである。このタイプの方法は、ほとんど全ての材料に適用可能である。なぜなら、条片７を適切に適用するならば、簡単な形で評価可能な複写物１４を形成することができるからである。また、条片７又は箔にラッカーの被膜を形成することも出来る。ラッカーの被膜は溶接時に発生する熱により溶融又は蒸発し、鏡映逆転した比例映像又は複写物１４をまた形成する。例えば、アルミシート３，４を溶接する時は、スズ板の条片７又はスズ被膜を有する条片７を用いるのが好ましく、亜鉛被膜を有するシート３，４を溶接する時は、銅の条片７又は銅被膜を有する条片７を用いるのが好ましい。

重要な点は、条片７をすべての溶接プロセスの終了後に移動させることである。これにより、条片の一の領域に単一の溶接スポット１３を形成することができるので、条片７の上に形成された複写物１４を、金属シート３，４上の特定の溶接スポット１３に割り当てることができる。条片７の評価は、例えば、すべての各溶接スポット１３又は所定数の溶接スポット１３の後で行われる。

複写物１４の評価は、非常に異なった方法で行うことができる。溶接スポット１３を評価又は検査するため、本発明において重要なことは、従来のように溶接スポット１３自身を用いるのではなく、条片７又は箔の上に鏡により逆転した複写物１４を形成し、次いでそれを評価することにある。溶接ナゲット又は溶接スポット１３の大きさ、形状そして位置を決定するため、例えば、評価手段、特にカメラにより光学撮像を形成し、複写物１４又は映像の撮像の大きさを、適切なソフトウェアプログラムを用いて自動的に、あるいはマニュアルで測定する。また、普及したデジタル技術、例えばデジタルカメラを考慮すると、評価手段によりデジタル信号が放射され、溶接ナゲット又は溶接スポット１３の大きさ、形状又は位置の評価又は決定に用いられる。

映像又は複写物１３の決定された大きさにデポジット係数を掛けることが好ましく、これにより溶接スポット１３又は溶接ナゲットの実際の大きさを算出する。条片７の上に形成された映像又は複写物１４をデポジットした比較対象と比較して溶接ナゲット又は溶接ポイント１３を評価することもできる。この後、溶接ナゲット又は溶接スポット１３の決定した大きさを溶接プロトコル又はデータベースの中に記録することもできる。複写物１４の大きさ、形状そして位置を決定することにより、さらに適切なデータ処理を行うと、形成された溶接スポット１３が規則的であるか否かを容易に見出すことができる。その評価は、適切なソフトウェアプログラムを用いて評価手段又は溶接装置により自動的に実行することができる。条片７又は箔を溶接トング２又はスポット溶接装置から、特に評価するために巻回装置から取り外すこと、そして溶接プロセスの終了時に別体の評価ユニットに同じものを保管することも容易に行うことができる。ここで、条片７又は箔は、複数の溶接スポット１３を含んでいる。条片７上の個々の複写物１４を金属シート３，４又は工作物上の各溶接スポットへ割り当てることは、ロボット用途では非常に容易である。なぜなら、どこに、そしてどの順番で溶接スポット１３が形成されるかは、ロボットの中では明確に規定されているからである。

最後に、個々の状態又は図面が前述の実施例において不相応に説明されているのは、本発明による解決手段の理解を容易にするためであることは理解されたい。さらに、本発明の独自の解決手段は、個々の実施例の特徴と他の実施例から得られる他の一の特徴との前述の組み合わせについての個々の状態又は図面によっても形成されるものである。

本発明のスポット溶接の品質のモニタリング方法に用いるスポット溶接装置の一例を示す簡略化した模式図である。 溶接終了後の溶接スポットの断面の一例を示す簡略化した模式図である。

Claims (15)

1. 互いに対向する少なくとも２つの電極の間に配置された金属シートを、該電極により押圧し、電力を供給してスポット溶接ツールにより互いに溶接し、溶接スポットの評価を評価手段を用いて行う、ロボット用途を目的としたスポット溶接の品質のモニタリング方法において、
   条片（７）又は箔が上記電極（６）又は電極キャップ（８）と金属シート（３，４）の間に挿入され、該条片（７）は溶接後に移送され、
   さらに該条片（７）又は箔は、鏡映逆転した工作物の上に形成された溶接スポット（１３）の比例映像又は複写物（１４）が、溶接時に条片（７）又は箔の上に形成されるように配置されており、
   該条片（７）又は箔の上に形成された上記の鏡映逆転した映像又は複写物（１４）を上記評価手段により検出及び評価して、上記評価手段により溶接スポット（１３）の大きさ、形状そして位置を決定することを特徴とするスポット溶接の品質のモニタリング方法。
2. 上記条片（７）又は箔の材料、又はその上に適用された被膜に、溶接される金属シート（３，４）と同じ材料を選定し、溶接時の温度により映像又は複写物（１４）を形成させ、該映像又は複写物（１４）は、条片（７）又は箔、又はその上に適用された被膜の検出可能な条件変化により形成されるものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 溶接時に、アルミシート（３，４）、スズ板の条片（７）又はスズの被膜を有する条片（７）を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 溶接時に、亜鉛の被膜を有するシート（３，４）、銅の条片（７）又は銅の被膜を有する条片（７）を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 上記条片（７）又は箔にラッカーの被膜を適用し、該ラッカーの被膜は、溶接時に発生する熱で溶融又は蒸発し、鏡映逆転した比例映像又は複写物（１４）を再度形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の方法。
6. 上記条片（７）の評価を、各溶接スポットを形成した後に、又は所定数の溶接スポットを形成した後に行う請求項１から５のいずれか一つに記載の方法。
7. 上記溶接スポット（１３）の大きさ、形状そして位置の評価又は決定に際し、光学像を評価手段を用いて作製し、複写物（１４）又は映像の撮像の大きさを測定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の方法。
8. 上記溶接スポット（１３）の大きさ、形状そして位置の評価又は決定に際し、デジタル信号が評価手段により放射され、その信号を評価することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の方法。
9. 上記溶接スポット（１３）の実際の大きさを算出するために、上記の映像又は複写物（１４）の決定された大きさにデポジット係数を掛けることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の方法。
10. 上記条片（７）上の映像又は複写物（１４）を、溶接点（１３）の評価のために比較用デポジットと比較することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の方法。
11. 上記溶接スポット（１３）の決定された大きさが溶接プロトコル又はデータベースに記録されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法。
12. 上記条片（７）又は箔が、溶接トング（２）又はスポット溶接装置から取り外されて溶接プロセスの最後で別体の評価ユニットにより評価され、複数の溶接スポット１３を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の方法。
13. 上記溶接スポットの評価を光学的視覚化手段を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 上記映像又は複写物が、色変化、反応又は凝集状態の変化により形成されるものであることを特徴とする請求項２記載の方法。
15. 上記評価手段がカメラであることを特徴とする請求項７記載の方法。

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