JP2002172467A - コンデンサ放電型のスタッド溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スタッド材や母材に対応して溶接条件を適正
に変えることが可能で、しかも溶接後に、後熱処理も可
能なコンデンサ放電型のスタッド溶接方法を提供する。 【解決手段】 複数のコンデンサ１１〜１３に充電され
た電荷の一部をスイッチング素子１６〜１８を介して、
母材３１に当接させたスタッド材３０に放電してスタッ
ド材３０を母材３１に溶接し、次に、溶接部が凝固した
後、直ちにコンデンサ１１〜１３に充電された残りの電
荷を溶接部に放電させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の大容量のコ
ンデンサに充電し、これを溶接部分を通じて短時間で放
電し、発生する熱を利用して溶接を行うコンデンサ放電
型のスタッド溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボルトやピン等をワーク（母材、被溶接
対象物）に溶接する方法としてアーク放電型のスタッド
溶接方法とコンデンサ放電型のスタッド溶接方法とがあ
るが、コンデンサ放電型のスタッド溶接方法は大容量の
電源を必要としないこと、短時間かつ簡便に溶接可能で
あること等の理由から広く使用されている。このコンデ
ンサ放電型のスタッド溶接方法の概略を図４（Ａ）に示
すが、大容量のコンデンサ５０に充電回路５１を通じて
充電しておき、直列に接続されたサイリスタ等のスイッ
チング素子５２及びリアクトル５３を通じて、コンデン
サ５０に溜まった電荷を、スタッド溶接用ガン５４に固
定されたスタッド材５５と対象物（母材）５６との間で
放電させて溶接が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来例に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法におい
ては、コンデンサの容量は一定であるので、その放電電
流波形はリアクトル５３の大きさ、回路の抵抗及びスタ
ッド溶接用ガン５４のスタッド材５５の対象物５６への
押しつけ力等によって図４（Ｂ）のように決定され、例
えば、スタッド材５５や対象物５６の種類によって、そ
の溶接条件を変えることは困難であった。また、スタッ
ド材５５の直径が大きい場合には、放電時に発生させる
アークの時間を長くし、より広い範囲で溶け込みを発生
させるのが溶接強度を向上する上で好ましいと考えられ
るが、図４に示すように従来法においてはリアクトル５
３のインダクタンスを大きくするしか方法がなく、リア
クトル５３のインダクタンスを大きくすると、溶接開始
時の電流が小さくなってアークの発生が不十分となると
いう問題点があった。更には、コンデンサ放電型のスタ
ッド溶接方法においては、溶接時間が極めて短いので、
溶接部が硬化し、使用中に破損する等の問題が生じるの
で、母材全体を熱処理することも行われているが、対象
物の種類によってできない場合もある。なお、コンデン
サを複数の群に分割して順次放電させる方法としては、
例えば特開昭６２−２４８５７３号公報記載のコンデン
サー放電型スタッド溶接方法が提案されているが、この
方法を使用しても、溶接部の材質硬化を改善できるもの
ではない。本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、スタッド材や母材に対応して溶接条件を適正に変え
ることが可能で、しかも溶接後に、後熱処理も可能なコ
ンデンサ放電型のスタッド溶接方法を提供することを目
的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う第１の発
明に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法は、複数
のコンデンサに充電された電荷の一部をスイッチング素
子を介して、母材に当接させたスタッド材に放電して該
スタッド材を前記母材に溶接し、次に、溶接部が凝固し
た後、直ちに前記コンデンサに充電された残りの電荷を
前記溶接部に放電させている。ここで、第２の発明に係
るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法は、第１の発明
に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法において、
前記スタッド材を前記母材に溶接するための電荷は、前
記複数のコンデンサにそれぞれ充電された電荷の一部を
使用し、溶接後に前記溶接部に通電する電荷は前記複数
のコンデンサに残った電荷を使用している。また、第３
の発明に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法は、
第１の発明に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法
において、前記複数のコンデンサは、第１群と第２群に
分割され、前記第１群に充電された電荷が前記スタッド
材の溶接に使用され、前記第２群に充電された電荷が溶
接後に前記溶接部に通電する電荷に使用されている。そ
して、第４の発明に係るコンデンサ放電型のスタッド溶
接方法は、第１〜第３の発明に係るコンデンサ放電型の
スタッド溶接方法において、前記スタッド材は前記複数
のコンデンサに充電された電荷の一部の最初の放電が完
了した後に、直ちに、前記母材に向けて押しつけられて
溶接される。更に、第５の発明に係るコンデンサ放電型
のスタッド溶接方法は、第１〜第４の発明に係るコンデ
ンサ放電型のスタッド溶接方法において、前記複数のコ
ンデンサの最初の放電と次の放電との間には、電流休止
期間が設けられている。

【０００５】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の第１の実施
の形態に係るコンデンサ放電型のスタッド溶接方法を適
用した溶接装置の回路図、図２は溶接時の溶接電流の時
間的変化とスタッド材の動きを記載したグラフ、図３は
スタッド溶接用ガンの断面図である。

【０００６】まず、本発明の第１の実施の形態に係るコ
ンデンサ放電型のスタッド溶接方法を適用した溶接装置
１０について説明する。図１に示すように、溶接装置１
０はそれぞれ大容量のコンデンサ１１〜１４と、コンデ
ンサ１１〜１４への充電回路１５と、コンデンサ１１〜
１４にそれぞれ直列に接続されたスイッチング素子の一
例であるサイリスタ１６〜１９及びダイオード２０〜２
３と、スタッド溶接用ガン２４とを有している。なお、
各サイリスタ１６〜１９の放電回路は省略している。

【０００７】コンデンサ１１〜１３はそれぞれ大容量の
コンデンサ（例えば、１０万μＦ）からなり、最後に点
孤するコンデンサ１４は、コンデンサ１１〜１３より容
量の小さいコンデンサ（例えば３万μＦ）程度からなっ
ている。この最後のコンデンサ１４はその前に点孤され
たコンデンサ１３に接続されるサイリスタ１８の点孤を
止めるためのもので、サイリスタ１９を点孤することに
よって、コンデンサ１４の電荷によってサイリスタ１８
を流れる電流を瞬時に止めて、コンデンサ１１〜１３か
らの放電を止めるようにしている。これらのコンデンサ
１１〜１４には商用電源を整流して所定電圧の直流にす
る充電回路１５が接続され、溶接開始前にそれぞれのコ
ンデンサ１１〜１４は予め所定の電圧に充電されてい
る。なお、２５〜２８は逆電流防止用のダイオードを示
す。

【０００８】各サイリスタ１６〜１９には逆電流防止用
のダイドオード２０〜２３がそれぞれ直列に設けられ、
極めてインダクタンスの小さいリアクトル２９を介して
スタッド溶接用ガン２４に接続されている。リアクトル
２９は有鉄心リアクトルからなって、所定以上の電流が
流れると鉄心が飽和し、インダクタンスが急速に落ちる
ようになっている。なお、このリアクトル２９は省略す
ることも可能である。この理由は、スタッド溶接用ガン
２４へのケーブルが長い場合には、このケーブルがリア
クトルの役目を果たすからである。

【０００９】前記サイリスタ１６〜１９のゲートの点孤
回路について以下に説明する。最初のコンデンサ１１に
接続されるサイリスタ１６のゲートに信号を与えてサイ
リスタ１６が点孤した後、コンデンサ１１の放電が完了
しないうちに次のコンデンサ１２が点孤する。これによ
って、コンデンサ１２が放電される電荷によって、コン
デンサ１１を点孤するサイリスタ１６の通電が停止し、
コンデンサ１１に最初に充電されていた電荷の２／５〜
１／４程度が残るようになっている。また、サイリスタ
１７が通電してコンデンサ１２の電荷が減少すると、次
のサイリスタ１８が点孤し、コンデンサ１３に溜まって
いる電荷によって、サイリスタ１７の通電を止めてい
る。そして、コンデンサ１３の放電が完了しないうちに
サイリスタ１９を点孤させるとコンデンサ１３に電荷が
残った状態でサイリスタ１８の通電が止まる。これによ
って、最後に点孤するサイリスタ１９を除くサイリスタ
１６〜１８に接続されるコンデンサ１１〜１３には、最
初に充電された電荷の２／５〜１／４程度が残っている
ことになる。そして、最後に点孤するサイリスタ１９に
よってコンデンサ１４の電荷は実質的に全部放電され、
以上の最初の放電によってコンデンサ１１〜１４に蓄積
されていた電荷が、スタッド溶接用ガン２４に取付けら
れているスタッド材３０の母材３１（図３参照）に対す
る溶接エネルギーとなる。

【００１０】そして、スタッド材３０の溶接が完了した
後は、僅少の電流休止期間をおいてサイリスタ１６〜１
８のゲートに信号を与え、コンデンサ１１〜１３の電荷
を全部放電する。コンデンサ１１〜１３に残った電荷の
放電（次の放電）は、スタッド材３０と母材３１との溶
接部が凝固したとき、即ち、液相から固相に変わった
後、直ちに行うようにする。スタッド材３０の直径や材
質によって変わるが、通常は０．１〜２秒の間（場合に
よっては、０．０５〜１０秒の間）に行うのが好まし
い。従って、点孤回路からは、サイリスタ１６〜１９を
順次点孤させ、所定の時間をおいて、サイリスタ１６〜
１８を同時に点孤させるような連続出力を発することに
なる。

【００１１】続いて、スタッド溶接用ガン２４について
説明する。図３に示すように、スタッド溶接用ガン２４
は、絶縁性材質からなる筒状のケーシング３３とその上
半分の片側に取付けられている取っ手３４と、ケーンシ
グ３３内にスライド軸受３５を介して上下動可能に設け
られている導体ロッド３６と、導体ロッド３６の基部に
カップリング３７によって連結されているリニアモータ
３８とを有している。導体ロッド３６の先部には導体材
料からなるアタッチメント（チップ）３９を介してスタ
ッド材３０が設けられ、導体ロッド３６の中間部には、
前記リアクトル２９に接続される導体ケーブル４０が屈
曲可能に固定されている。ケーシング３３の外側にはサ
ポート材４１が上下動可能に取付けられ、母材３１に対
するケーシング３３の高さを決めている。また、取っ手
３４内には溶接開始スイッチ４２が設けられ、溶接開始
スイッチ４２には信号ケーブル４３が接続されている。
なお、４４は導体ロッド３６を下方に付勢するスプリン
グであるが、リニアモータ３８の推進トルクより十分小
さな付勢力となって、リニアモータ３８の動作に障害と
ならないようになっている。リニアモータ３８は、この
実施の形態ではパルス駆動型のリニアモータを使用し、
パルス信号の数によってその位置が制御できるようにな
っているが、リニアモータ３８がパルス駆動型でない場
合には、リニアモータ３８の上下動の距離を測定するリ
ニアセンサーを設けておき、その位置を制御しながらリ
ニアモータ３８の制御を行うことになる。

【００１２】次に、本発明の第１の実施の形態に係るコ
ンデンサ放電型のスタッド溶接方法について説明する。
図３に示すように、アッタチメント３９にスタッド材３
０を取付け、その先端を母材３１に当接させた状態で、
溶接開始スイッチ４２をオンにする。この状態で、各コ
ンデンサ１１〜１４には所定電圧まで電荷が蓄積されて
いるものとする。溶接開始スイッチ４２のオンにより、
サイリスタ１６のゲートに信号が加わってサイリスタ１
６が通電し、コンデンサ１１の電荷が溶接材３０を通じ
て母材３１に放電される。そして、コンデンサ１１の電
荷の放電が完了しないうちに、サイリスタ１７を通電さ
せてコンデンサ１２の電荷を放電すると、これによって
サイリスタ１６の通電が停止する。次に、コンデンサ１
２の放電が完了しないうちにサイリスタ１８を点孤させ
ると、コンデンサ１３の放電によってサイリスタ１７の
通電が停止する。そして、コンデンサ１３の放電が完了
しないうちに、サイリスタ１９を通電するとサイリスタ
１８の通電が停止する。サイリスタ１９の通電状態は止
めないので、コンデンサ１４に溜まっている電荷の放電
が完了するまで続くが、コンデンサ１１〜１３に比較し
て小容量であるので比較的短時間のうちに放電が完了す
ることになる。

【００１３】以上の動作における溶接電流の変化を図２
に示すが、Ａ〜Ｄ点がそれぞれサイリスタ１６〜１９の
点孤時期を示す。この場合、リニアモータ３８は、スタ
ッド材３０と母材３１との間に隙間を形成し、その間に
アークが発生し、コンデンサ１１〜１３が放電している
間はアークの発生が保てるようになっている。そして、
コンデンサ１４の放電が完了した後又は完了する前に、
リニアモータ３８を急速に作動させて（Ｆ部）、スタッ
ド材３０を母材３１に押し当てる。この場合はスプリン
グ４４の力も付勢してより強固にスタッド材３０が母材
３１に押し当てられることになる。この後、溶接部は周
囲から熱を奪われて液相から固相に変わるが、このとき
サイリスタ１６〜１８のゲートに通電信号（Ｅ点）を与
えて、コンデンサ１１〜１３に残っている電荷を全部放
電させる。この時は溶接部は凝固しているが、温度が高
いので、電気抵抗が高く、効率的にジュール熱が発生
し、溶接部の金属の調質を行うことになる。これによっ
て、溶接部の後熱処理が溶接作業に併用して行え、効率
的な作業が可能となる。この後、サイリスタ１６〜１９
の通電状態が確実に停止しているのを電流センサー等で
確認し、再度、充電回路１５を作動させてコンデンサ１
１〜１４を所定電圧まで充電する。

【００１４】次に、本発明の第２の実施の形態に係るコ
ンデンサ放電型のスタッド溶接方法について説明する。
第２の実施の形態に使用する溶接装置の回路図は、基本
的には第１の実施の形態に使用する溶接装置１０の回路
図と同一構成となるが、コンデンサ１１〜１４の容量、
役目及びサイリスタ１６〜１９の点孤方法は異なるの
で、以下、図１、図３に示している各構成部品の符号を
用いて、その内容を説明する。コンデンサ１１〜１３
（第１群のコンデンサ）はスタッド材３０と母材３１と
の間に発生するアークを形成するのに使用し、コンデン
サ１４（第２群のコンデンサ）は、溶接部に通電して溶
接部の後熱処理を行うのに使用する。第１の実施の形態
に係る方法においては、サイリスタ１６〜１９のゲート
に加える信号はパルス的で、それぞれのパルス信号が重
複しないようにするが、第２の実施の形態に係る方法に
おいては、サイリスタ１６〜１８のゲートにかかる信号
は順次、短い時間間隔を設けて各ゲートに加わるが、サ
イリスタ１６〜１８の各ゲート信号はコンデンサ１１〜
１３の放電が完了するまでは連続信号とし、遅れて放電
するコンデンサによって前に点孤してサイリスタの通電
が止まらないようにしておく。サイリスタ１９はコンデ
ンサ１４の電荷を放電するのみであるので、パルス信号
であってもよい。

【００１５】第２の実施の形態に係るコンデンサ放電型
のスタッド溶接方法においては、コンデンサ１１〜１３
を放電させ、このときスタッド材３０と母材３１との間
に距離を持たせてアークの発生を促進してより多くの熱
を発生させ、コンデンサ１１〜１３の放電（最初の放
電）が完了した後は、リニアモータ３８によって直ちに
スタッド材３０を母材３１に押しつけて接合し、凝固が
終わると共にサイリスタ１９を放電（次の放電）させて
コンデンサ１４により後熱処理を行う。この場合、コン
デンサ１４の容量は十分大きな容量とし、必要な場合に
は複数の群に分けてそれぞれ接続されたサイリスタを順
次点孤して時間を長くすることもできるし、場合によっ
ては最後に放電するコンデンサ１４のみが流れるリアク
トルを設けて放電時間を延長してもよい。

【００１６】前記それぞれの実施の形態においては、コ
ンデンサは４群であったが、これより少なく又は多くす
ることも可能である。また、前記実施の形態は、例えば
中、高炭素鋼等のように、コンデンサ放電型のスタッド
溶接を用いると、溶接部が硬化しやすい材料の溶接に適
しているが、通常の溶接であれば、アークの発生時間が
短すぎて十分な溶接部分の溶け込みが得られない対象物
の溶接にも適用できる。なお、リニアモータ３８は実際
に溶接を行っているアークの発生と共に微小の範囲でス
タッド材３０を母材３１に対して上昇（図２の破線）又
は下降（図２の一点鎖線）させることもできる。前記実
施の形態は、スタッド材３０即ち導体ロッド３６の上下
方向の動作を、リニアモータを用いて行ったが、従来か
らあるスタッド溶接用ガンと同じく、スプリング、電磁
石等によって制御することもできる。

【００１７】

【発明の効果】請求項１〜５記載のコンデンサ放電型の
スタッド溶接方法は、以上の説明からも明らかなよう
に、複数のコンデンサに充電された電荷の一部をスイッ
チング素子を介して、母材に当接させたスタッド材に放
電してスタッド材を母材に溶接し、次に、溶接部が凝固
した後、直ちにコンデンサに充電された残りの電荷を溶
接部に放電させているので、溶接部の後熱処理を行うこ
とができ、これによって、溶接部の材質を向上させ、よ
り強度のある欠陥の少ないスタッド材の溶接が可能とな
る。特に、請求項２のコンデンサ放電型のスタッド溶接
方法においては、スタッド材を母材に溶接するための電
荷は、複数のコンデンサにそれぞれ充電された電荷の一
部を使用し、溶接後に溶接部に通電する電荷は複数のコ
ンデンサに残った電荷を使用するので、コンデンサに蓄
積されている電荷をより有効に利用できると共に、各コ
ンデンサの放電のタイミングを調節することによって、
溶接に使用するための電荷の配分と後熱処理に使用する
コンデンサの電荷の配分を変更でき、より最適な溶接条
件を形成することができる。請求項３記載のコンデンサ
放電型のスタッド溶接方法においては、回路構成が簡単
となる。また、請求項４記載のコンデンサ放電型のスタ
ッド溶接方法においては、スタッド材は複数のコンデン
サに充電された電荷の一部の最初の放電が完了した後
に、直ちに、母材に向けて押しつけられて溶接されるの
で、アークエネルギーを最大限に利用して効率のよい溶
接が可能となる。そして、請求項５記載のコンデンサ放
電型のスタッド溶接方法においては、複数のコンデンサ
の最初の放電と次の放電との間には、電流休止期間が設
けられているので、コンデンサの電荷を無駄にすること
なく有効に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサ放
電型のスタッド溶接方法を適用した溶接装置の回路図で
ある。

【図２】溶接時の溶接電流の時間的変化とスタッド材の
動きを記載したグラフである。

【図３】スタッド溶接用ガンの断面図である。

【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は従来例に係るコンデンサ放
電型のスタッド溶接方法の説明図である。

【符号の説明】

１０：溶接装置、１１〜１４：コンデンサ、１５：充電
回路、１６〜１９：サイリスタ、２０〜２３：ダイオー
ド、２４：スタッド溶接用ガン、２５〜２８：ダイオー
ド、２９：リアクトル、３０：スタッド材、３１：母
材、３３：ケーシング、３４：取っ手、３５：スライド
軸受、３６：導体ロッド、３７：カップリング、３８：
リニアモータ、３９：アタッチメント、４０：導体ケー
ブル、４１：サポート材、４２：溶接開始スイッチ、４
３：信号ケーブル、４４：スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000196598 西尾 一政 福岡県北九州市八幡西区鷹の巣２丁目４− 38−703 (72)発明者 溝口 純一 福岡県北九州市小倉北区末広２−３−26 有限会社アジア技研内 (72)発明者 山口 武和 福岡県北九州市八幡西区紅梅２−５−１ 有限会社九州複合材料研究所内 (72)発明者 与田 靖之 福岡県北九州市小倉南区新曽根８番21号 株式会社戸畑製作所内 (72)発明者 西尾 一政 福岡県北九州市八幡西区鷹の巣２丁目４− 38−703 Ｆターム(参考） 4E082 AA13 BA01 DA03 DA10 5H790 BA03 BB11 CC01 DD06 EA01 EA03 EA11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のコンデンサに充電された電荷の一
   部をスイッチング素子を介して、母材に当接させたスタ
   ッド材に放電して該スタッド材を前記母材に溶接し、次
   に、溶接部が凝固した後、直ちに前記コンデンサに充電
   された残りの電荷を前記溶接部に放電させることを特徴
   とするコンデンサ放電型のスタッド溶接方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコンデンサ放電型のスタ
   ッド溶接方法において、前記スタッド材を前記母材に溶
   接するための電荷は、前記複数のコンデンサにそれぞれ
   充電された電荷の一部を使用し、溶接後に前記溶接部に
   通電する電荷は前記複数のコンデンサに残った電荷を使
   用することを特徴とするコンデンサ放電型のスタッド溶
   接方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載のコンデンサ放電型のスタ
   ッド溶接方法において、前記複数のコンデンサは、第１
   群と第２群に分割され、前記第１群に充電された電荷が
   前記スタッド材の溶接に使用され、前記第２群に充電さ
   れた電荷が溶接後に前記溶接部に通電する電荷に使用さ
   れることを特徴とするコンデンサ放電型のスタッド溶接
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載のコ
   ンデンサ放電型のスタッド溶接方法において、前記スタ
   ッド材は前記複数のコンデンサに充電された電荷の一部
   の最初の放電が完了した後に、直ちに、前記母材に向け
   て押しつけられて溶接されることを特徴とするコンデン
   サ放電型のスタッド溶接方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のコ
   ンデンサ放電型のスタッド溶接方法において、前記複数
   のコンデンサの最初の放電と次の放電との間には、電流
   休止期間が設けられていることを特徴とするコンデンサ
   放電型のスタッド溶接方法。