スポット溶接プロセスの最適化

カイゼン、つまり継続的改善は、無駄のない製造の基本理念です。 つまり、最適とは言えないものは決して受け入れられない、ということになります。 このコンセプトは、抵抗スポット溶接を含むあらゆる主要な組み立てプロセスに適用できます。

スポット溶接では、設定された時間と圧力で部品に電流を流すことにより、接合する部品の界面で熱を発生させます。 エンジニアは、時間、力、電流の最適な組み合わせを慎重に決定することで、強力な溶接を実現します。

この技術は、自動車、航空宇宙、白物家電、電気自動車のバッテリー業界で広く使用されています。 高速かつコスト効率が高く、アルミニウムとアルミニウム、および鋼と鋼の両方の接合に使用できる十分な柔軟性を備えています。

「抵抗スポット溶接は板金を接合する最速の方法であり、このタイプの金属で最も強力な接合を生成するにもかかわらず、課題があります」と TJ Snow Co 取締役会長の Tom Snow 氏は説明します。溶接が行われている場合、機械のオペレーターは、単に部品を見ただけでは、溶接接合部が良好であるかどうかを確認することはできません。一見問題がないように見えますが、適切な量の熱、力、持続時間を使用して接合部をテストすることによってのみ、溶接接合部を適切に溶接できるようになります。エンドユーザーは溶接部に必要な強度があることを確認してください。」

TJ Snow は 1963 年以来、標準およびカスタムの抵抗スポット溶接機の製造と修理を行っています。同社のペデスタル タイプの SlimLine 機械にはホーン スタイルとプラテン スタイルがあり、1 つまたは複数の溶接ヘッドを使用します。 標準機能には、剛性の高い頑丈なフレーム、固定具タイプの変圧器、および簡単に調整できる電極ギャップが含まれます。

昨年、TJ Snow は、ジェット エンジンの排気コンポーネントをスポット溶接するためのカスタム SlimLine マシンをティア 1 航空宇宙メーカーに供給しました。 部品は耐熱合金で作られています。 ロボットが各部品を持ち上げて機械のスロート内に配置し、部品は 1 秒以内に溶接されます。 この後、ロボットはアセンブリをコンベア上に置きます。

実際、スポット溶接は一種のルネッサンス期を迎えています。 1885 年にエンジニアのエリフ・トムソンによって偶然発明されて以来、スポット溶接は 20 世紀後半までゆっくりと使用量が増加しました。 その後、レーザー溶接、摩擦撹拌溶接、高度なアーク溶接などの技術が将来の技術であると考えられました。 しかし現在では、高度な機械制御により、プロセスを完全に最適化することで、スポット溶接が主要な種類の溶接の地位を取り戻すのに役立っています。

スポット溶接は、組み立てに使用される最も一般的なタイプの抵抗溶接です。 その他のタイプには、突合せ溶接、プロジェクション溶接、シーム溶接、パーカッション溶接、アプセット溶接などがあります。 これらの方法は主に、圧力を加えて電流を流す電極の種類と形状によって異なります。

一般的な抵抗スポット溶接のセットアップは、電源 (溶接コントローラとも呼ばれる)、変圧器、1 つ以上の溶接ヘッド、正電極と負電極、およびオプションで外部モニタで構成されます。 Amada Weld Tech Inc. のセールス エンジニアリング マネージャー、Marty Mewborne 氏によると、この電源には閉ループまたは開ループのテクノロジーが使用されています。

閉ループ技術には、リニア DC および高周波 (HF) インバーターが含まれます。 どちらのタイプも、10 ～ 250 マイクロ秒ごとの抵抗値の変化によく反応するため、プログラムされたパラメータ (電流、電圧、または電力) が一定に保たれ、より安定した溶接が可能になります。

ミュウボーン氏によると、オープンループ技術は以前から存在しており、コンデンサ放電（CD）や直接エネルギー（AC）などが含まれているという。 これらはフィードバックをほとんどまたはまったく提供しないため、電極の磨耗や部品の位置決めの問題の影響を受けやすくなります。

「数年前、AC タイプの変圧器は非常に人気がありました」と、RoMan Manufacturing Inc. の抵抗溶接製品担当バイスプレジデントである Don DeCorte 氏は述べています。「しかし現在、電力ははるかに高価であるため、メーカーはより効率的な MFDC に対するニーズを高めています (中周波直流）変圧器。」

デコルテ氏によると、RoMan は抵抗溶接機用の標準およびカスタム変圧器の世界最大のメーカーです。 同氏は、米国のそのような溶接工の 85% が RoMan 変圧器を使用して作業していると推定しています。 変圧器の重さは、溶接機によって異なりますが、最小 12 キログラムから最大 5 トンまであります。

「少し前に、芝生トラクター、芝刈り機、その他の芝生・庭園機器を製造している長年の顧客から、抵抗スポット溶接システムを単相 AC 変圧器を使用したものから当社の MFDC モデルに変更することについて連絡がありました。」デコルテさんは言います。 「会社の工場では最近、いくつかの古い交流溶接機にいくつかの新しい交流機器を追加しました。」

残念ながら、プラントのエンジニアは追加の負荷を考慮していなかったので、現在、プラントと隣接するプラントの両方の電力システムに過負荷がかかっていました。 地元の電力会社が関与し、電力需要を分散するために RoMan の顧客に第 2 シフトと第 3 シフトの間のみ稼働するよう強制した。 これにより、いくつかの製造上の問題が発生しました。

「私たちは、MFDC プロセスに変更すると全体の消費電力が従来の約 70% に低下することを会社に示しました」と DeCorte 氏は言います。 「これにより、彼らは日勤帯の操業を開始することができ、将来の成長の余地もまだ残されています。また、工場の屋根にある高価な一次変圧器、ワイヤ送給装置、およびその他の関連電力機器をアップグレードする必要もなくなりました。」

スポット溶接溶接ヘッドのタイプには、手動、空気圧、電動サーボ、電磁などがあります。 溶接ヘッドのダイナミクスとは、スポット溶接の各段階でヘッドがどのように動き、部品と相互作用するかを指します。つまり、アプローチ、衝撃力、圧迫、点火（溶接のための電源のトリガー）、フォローアップ、および凝固のための保持です。

電極は、直接的、間接的、並列または直列に構成されます。 ティップの材質には、銅クロム合金、酸化アルミニウム、銅コバルトベリリウム合金、モリブデン、タングステン、銅タングステン合金などがあります。

スポット溶接プロセスは、半自動、完全自動、また​​は組立ラインに統合することができます。 半自動ワークステーションのセットアップでは、オペレータは部品を治具にロードし、デュアル ボタンを押すかフット スイッチを使用して溶接を起動し、完成した部品をアンロードします。

完全に自動化されたステーションには、通常、6 軸ロボットが部品をピックアップし、コンベア上に配置する前に溶接のための機械に移動させます。 インラインアプローチでは、各部品を専用ワークステーションの機械に自動的に配置し、溶接をアクティブにしてから部品を取り外します。

理想的には、スポット溶接の最適化は機械の選択から始まります。 スノー氏は、メーカーは選択プロセス中にいくつかの重要な要素に焦点を当てる必要があると述べています。

1 つ目は、利用可能なアンペア数と力の範囲の約 25 パーセントを予備として残して、最適な強度の溶接を行うことができる機械を見つけることです。 また、エンジニアは、マシンが大きすぎると、小さすぎるマシンと同じくらい多くの問題が発生する可能性があることを認識する必要があります。

これは、エア シリンダの直径が大きすぎて、所望の溶接力を達成するために 40 ポンド未満のエア ライン圧力で動作させる必要がある場合に特に重要です。 許容できない溶接強度は、板金が溶融状態に達した瞬間、つまり金属を適切に鍛造する必要がある時点でのエアシリンダーのフォローアップが不十分であることが原因で発生する可能性があります。

「すべてのスポット溶接装置は、電極の後ろからサイズを決めて指定する必要がありますが、エンドユーザーは作業の内容、溶接内容を正確に理解した後でのみこれを適切に行うことができます」とデコルテ氏は説明します。 「安全マージンがあるのは良いことですが、大きすぎると無駄が生じ、最適化ができなくなるため、サイズを大きくしすぎないでください。また、KVA (キロボルトアンペア) 定格に厳密に基づいて機器を購入しないでください。」

すでにスポット溶接を使用しているメーカーに対して、スノーは、抵抗溶接電流計と直読式力計をまだ所有していない場合は、すぐに購入することをお勧めします。 このメーターは、電極先端に供給される二次二乗平均平方根 (RMS) 溶接電流を正確に測定します。 そしてゲージはチップ間の実際の溶接力を測定します。

「スポット溶接のテストは、溶接部品を床に落とすよりも科学的であるべきです」とスノー氏は指摘します。 「最良の品質保証ツールは、小さな溶接サンプルクーポンを引っ張って破壊するように設計された引張試験機です。良好なスポット溶接のせん断強度は、母材のせん断強度を超える必要があります。」

次に、用途の溶接ウィンドウ (またはローブ) を慎重に決定します。 このウィンドウ内には、許容可能な溶接結果を生み出す電流、力、時間設定のすべての組み合わせが含まれます。

Snow 氏によると、ギザギザの端ではなく、この範囲の中央から開始すると、スポット溶接プロセスが最も安定して信頼性が高くなります。 オペレータは最適な溶接レシピを確認し、それらのパラメータを生産実行の開始点として使用する必要があります。

導電性の高い材料には、通常、高抵抗の電極が必要です。 同様に、硬い材料にはより柔らかい銅ベースの電極が必要です。 蓄えられたエネルギーまたはハーフサイクル装置を使用して異種材料を溶接する場合は、より抵抗の高い材料を負極に対して配置します。 同様に、厚さの比率が 4 対 1 を超える同様の材料を溶接する場合は、より薄い材料を負極に当てて配置します。

自動車のマフラーはスポット溶接されることが多いです。 この 6 ガンラジアルマシンは、マフラーを溶接するために特注で製作されました。 写真提供：TJ Snow Co.

デコルテ氏はまた、スポット溶接プロセスに関連するすべての入力要素と変数をより深く理解するために、エンジニアがジュールの法則を学ぶことを推奨しています。 この法則は、溶接に必要な熱は、ワークの抵抗、電流の印加時間、および印加される溶接電流の 2 乗に比例すると述べています。 デコルテ氏は、この法則に関して完全に理解する必要がある最も重要な要素として、溶接時間、作業抵抗、二次電流を挙げています。

製造中、部品間の適切な位置に溶接ナゲットを形成するには、熱バランスが必要です。 Amada Weld Tech Inc. の製品マネージャーであるマーク L. ボイル博士は、これを達成するのは困難な場合があると述べています。材料の導電率や厚さが異なる可能性があり、ヒートシンクが熱を奪い、溶接が発生する可能性があるためです。ナゲットが間違った場所にある。

推奨される解決策には、接触領域から熱を逃がすための電極力またはアップスロープ時間を増やすことが含まれます。 メーカーは、電極面のサイズを大きくして熱を電極から遠ざけたり、より抵抗の高い電極を使用して熱を電極に引き寄せたりすることもできます。

「スポット溶接のトラブルシューティングは、常にプロセス監査ワークシート (PAW) を参照して、電源スケジュール、メニュー、ヘッド力、速度などのすべてのプロセス設定を確認することから始める必要があります」とボイル氏は言います。 「溶接される材料も PAW の材料と一致する必要があります。」

ミュウボーン氏は、最適とは言えないスポット溶接の最も一般的な症状として、弱い溶接、不十分なナゲット、スパークを挙げています。 後者の問題は、力が不足していたり​​、締め付けがなかったり、フォローアップが不十分だったりした結果として発生する可能性があります。

ミュウボーン氏によると、さらなるトラブルシューティングには、材料、機械、オペレーターに関連する項目のチェックが含まれる可能性があるという。 たとえば、新しいロットの材料が問題を引き起こしている場合は、以前のロットの部品を探して、それらが引き続き正常に溶接されるかどうかを確認します。

「電源をチェックして、正しい電源電圧に接続されていること、およびすべての電気コネクタがしっかりと固定されていることを確認してください」と Mewborne 氏は提案します。 「また、部品を電極と位置合わせして保持する工具もチェックして、改造や損傷がないか確認してください。」

ベテランのオペレーターについては、電極のメンテナンス、部品の取り扱い、開始手順など、何か違うことをしているかどうかを確認します。 新しいオペレーターが装置を使用する場合は、スポット溶接の完全な操作について適切なトレーニングを受けていることを確認してください。

「抵抗スポット溶接の問題の 90% はビジネス側で発生します」とボイル氏は言います。 「これには、材料制御、部品間の位置決め、電極間の位置決めが含まれます。」

「溶接品質は常にエンドユーザーの特定のアプリケーション要件を満たさなければなりません」と DeCorte 氏は付け加えます。 「これを行うための最良の方法は、すべての機器の溶接検証プロセスと、機器の予防保守のための詳細なプロセスを作成して実装することです。」

また、設備の要件を満たすために、プラントの給水のサイズを適切に設定するようにしてください。 デコルテ氏は、これがスポット溶接の失敗の主な原因の 1 つであると述べています。 同じリスクが工場の電力供給と空気供給にも当てはまります。

最後に、デコルテ氏は、各オペレーターが抵抗スポット溶接に関する高品質で完全かつ継続的なトレーニングを受ける必要性を強調しています。 彼は、このレベルのトレーニングの優れた情報源として Resistance Welding Manufacturing Alliance を推奨しています。

「スポット溶接は、扱う変数が最も少なく、オペレータの入力も最小限であるため、すべての溶接プロセスの中で最も堅牢です」と DeCorte 氏は結論づけています。 「プロセスを理解していないと、時間とお金の無駄につながる可能性があります。適切なトレーニングは、成功を確実にする低コストの方法です。」

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前は、PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。