JP2005246395A - アークスタッド溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スタッドの圧接によってへこんだ母材部分が元の平面レベルに復帰してもスタッドを適正な所定高さに引上げる、アークスタッド溶接装置を提供する。
【解決手段】 スタッド５を保持する溶接ガン１と、スタッドを母材７へ当接させたり離したりするリニアモータ９と、スタッドと母材の相対位置を検出する位置センサ１０と、電源１１と、スタッドと母材との間にアーク放電を形成するコントローラとを包含し、コントローラは、リニアモータを作動させてパイロットアーク及びメインアークを発生させてスタッド先端及び母材の溶接部分を溶融し、リニアモータを逆転させてスタッドを母材の溶融部分に押圧して溶着させる。コントローラ３は、スタッド５が接触した母材７からリニアモータによって引上げられるとき、母材からスタッドが離れる際の位置センサ１０からの信号を受けて離隔位置を検出し、離隔位置から更に所定の位置まで引上げるようにリニアモータを動作させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スタッド及び母材間に電力を与えてスタッドと母材との間に小電流のパイロットアークを発生させ、次に大電流のメインアークを発生させて、スタッドを母材に溶着させる、アーク放電を用いたアークスタッド溶接装置に関する。

スタッド及び母材間に電力を与えてスタッドと母材との間に小電流のパイロットアークを発生させ、次に大電流のメインアークを発生させて、スタッドを母材に溶着させるアーク放電式のスタッド溶接は、いわゆるドローンアーク式スタッド溶接としてよく知られている。特開平４−２７９２８０号公報（特許文献１：特許第２９８４３９２号）には、かかるアークスタッド溶接装置の１つが開示されている。この特許文献１の装置では、メインアークによって溶融したスタッド先端が溶融した母材部分へ圧接されるタイミング及び圧接力を、ばねを用いることなく得るように構成されている。

実開平５−４９１７２号公報（特許文献２）には、供給する電力の電圧と電流を検出してパイロットアーク電流を制御して適正なパイロットアークを生成する、アークスタッド溶接装置が開示されている。更に、特表２００２−５１４９７２号公報（特許文献３：国際公開ＷＯ９６／１１７６７号）には、溶接ガン先端のスタッド保持部を移動させる磁気コイル式リニアモータの質量を軽減させるアークスタッド溶接装置が開示されている。特許文献３には、スタッドの引上げの高さと時間を示すパターンが示されている。

特開平４−２７９２８０号公報 実開平５−４９１７２号公報 特表２００２−５１４９７２号公報

アークスタッド溶接においては、母材の溶接部分を圧接するように接触したスタッドと母材とに電源から電力が与えられ、スタッドを母材から引き上げるようにリニアモータを作動させて小電流のパイロットアークを発生させ、そのパイロットアークに続いて更に引上げて大電流のメインアークを発生させてスタッド先端及び母材の溶接部分を溶融し、十分に溶融したタイミングでリニアモータを作動させてスタッドを母材の溶融部分に押圧して、スタッドを母材の所定位置に溶着させる。アークスタッド溶接では、溶接作業の開始時にスタッドを母材に圧接するが、この圧接によって、剛性がそれ程高くない母材の場合には押圧された母材部分がへこむように撓められ、スタッドが他の母材面より沈み込むことがある。通常、アークの発生のための引上げは、スタッドが母材を圧接した位置から所定の高さ引上げることによって行われる。ところが、前記のように、スタッドの圧接で母材部分がへこんでしまうと、その母材部分は圧接力がなくなると、元の高さの面まで復帰するので、スタッドの引上げ高さが不足する。引上げ高さが不足すると、発生したアークの長さが不足して溶接不良となる虞れがある。更に、スタッドの圧接による沈み込みがスタッドの予定の引上げ高さより大きいと、スタッドを引上げても母材の復帰によってスタッドが母材から離れなくなり、アークを発生することができなくなる。

従って、本発明の目的は、スタッドの圧接によってへこんだ母材部分が元の平面レベルに復帰してもスタッドを適正な所定高さに引上げる、アークスタッド溶接装置を提供することにある。

かかる目的を達成するため、本発明によれば、先端にスタッドを保持するための溶接ガンと、溶接ガン内に設けられ、保持したスタッドを母材へ当接させたり離したりするためのリニアモータと、溶接ガン内に設けられ、保持したスタッドと母材との相対位置を検出するための位置センサと、溶接ガンの先端に保持されたスタッドと母材とに電力を供給する電源と、スタッドを母材に溶接するため、スタッドと母材との間にアーク放電を形成するのを制御するコントローラとを包含し、コントローラは、母材と該母材に接触したスタッドとに電源から電力を与え、スタッドを母材から引き上げるようにリニアモータを作動させてパイロットアークを発生させた後、大電流のメインアークを発生させてスタッド先端及び母材の溶接部分を溶融し、リニアモータを作動させてスタッドを母材の溶融部分に押圧して溶着させるアークスタッド溶接装置が提供され、本発明においては、コントローラは、スタッドが接触した母材からリニアモータによって引上げられるとき、該母材からスタッドが離れる際の位置センサからの信号を受けて離隔位置を検出し、該離隔位置から更に所定の位置まで引上げるようにリニアモータを動作させる構成であることを特徴とする。

上記のように、スタッドが母材から離れる離隔位置を確実に検出してから、所定高さ位置までスタッドが引上げられるので、スタッドの圧接によってへこんだ母材部分が元の平面レベルに復帰しても、その復帰後の母材面から、スタッドが適正に引上げられる。従って、パイロットアークの発生及びその後のメインアークは適正に形成され、スタッドの引上げ不足による溶接不良を生じることがなくなる。

上記アークスタッド溶接装置において、コントローラには、電源からスタッド及び母材へ通して流れる電流を検出する検出器が設けられるのが好ましく、コントローラは、スタッドが母材から離れたことによって変化する電流を検出器から得ることによって離隔位置を検出できる。また、位置センサは、スタッドが溶接ガン先端に対して移動する長さを示す位置信号を出力するものである場合、コントローラは、離隔位置の検出のとき位置センサからの位置信号をスタッド及び母材間距離が０である基準位置として認識し、コントローラは、リニアモータに、基準位置から所定の引上げ長さに相当する位置信号を位置センサから受けるまで、スタッド引上げ動作を行わせるものであるのが好ましい。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１において、本発明に係るアークスタッド溶接装置１は、スタッド溶接ガン２と、スタッド溶接ガン２とは別のハウジングに収容されたコントローラ３とから構成される。なお、コントローラ３は、スタッド溶接ガン２と同じハウジングに収容されて、アークスタッド溶接装置１が１つのユニットとして形成されていてもよい。

スタッド溶接ガン２には、先端にスタッド５を保持するスタッド保持部６と、スタッド保持部６に保持されたスタッド５を母材７に対して接触させたり、離したりするように軸方向に移動させるリニアモータ９が設けられている。更に、スタッド溶接ガン２には、保持したスタッド５と母材７との間の長さすなわち母材に対するスタッド５の相対位置を検出するための位置センサ１０が設けられている。位置センサ１０は、母材７に対するスタッド５の位置を検出して、その位置信号を出力するものであれば、任意のものでよい。例えば、位置センサ１０は、リニアモータ９で移動させられるスタッド５のスタッド保持部６に固定され、且つ移動方向である軸方向に延び一定の間隔で目盛り穴が形成されたスケールと、母材７に対して不動に固定できるスタッド溶接ガン２のハウジングに固定された発光素子（ＬＥＤ）及び受光素子の対とを包含し、発光素子と受光素子の間を前記のスケールが移動することで、受光素子がスケールの目盛り穴の検出に応じてパルス信号を出力する構成で形成することができる。また、スケールへの穴を高さに応じて形状の異なるパターンに形成することによって、光学位置エンコーダとすることもできる。その場合には、位置センサからの出力は、位置に応じたコード信号を出力できる。光学位置センサを用いると、溶接電流に伴うノイズ等の悪影響を減少できる利点がある。

コントローラ３には、スタッド溶接ガン２のスタッド保持部６に保持されたスタッド５と母材７とのアーク放電を生じさせるための電力を供給する溶接電源部１１が設けられている。コントローラ３には、また、シーケンス制御部１３が設けられている。このシーケンス制御部１３は、スタッド５を母材７に溶接するため、スタッド５を母材に押圧して接触させ、母材とスタッドとに溶接電源部１１から電力を与え、スタッドを母材から引き上げるようにリニアモータ９を作動させてパイロットアークを発生させ、更に引上げた後、大電流のメインアークを発生させてスタッド先端及び母材の溶接部分を溶融し、溶融後リニアモータを作動させてスタッドを母材の溶融部分に押圧して溶着させるという、一連の溶接作業を制御する。この制御のため、シーケンス制御部１３は、マイクロプロセッサ等の演算処理装置、プログラムやデータを記憶するＲＡＭ及びＲＯＭ、ハードディスク等の記憶装置、キーボードやモニタディスプレイ等のユーザインタフェース、その他の装置を包含し、所定のプログラムによって上記の動作を行う。コントローラ３には、シーケンス制御部１３からの制御信号をスタッド溶融ガン２のリニアモータ９に駆動信号として供給するガン制御部１４が設けられる。コントローラ３には、また、位置センサ１０からの位置信号が入力されてシーケンス制御部１３に送られている。

コントローラ３には、シーケンス制御部１３に、溶接電源部１１からスタッド５及び母材７へ通して流れる電流を検出する検出器（図示せず）が設けられる。図示の例では、溶接電源部１１のスタッド５へ接続される端子１４と母材７へ接続される端子１５の２つの端子からシーケンス制御部１３へ電圧信号が入力されている。スタッド５が母材７に接触しているときスタッド５と母材７とには電流が流れて電圧が殆ど０Ｖであるが、パイロットアークの発生のためにスタッド５が引上げられると、スタッド５が母材７から離れてスタッド５から流れる電流が殆ど無くなり、スタッド５と母材７の間に溶接電源部１１からの供給電圧が現れる。シーケンス制御部１３の検出器は、その電流変化による電圧変化を検出して、シーケンス制御部１３は、スタッド５が母材７から離れる離隔位置を知ることができる。図示の例とは別に、例えば、溶接電源部１１の端子１４とスタッド５の間又は端子１５と母材７の間に直列になるように電流を検出する検出器をコントローラ３（シーケンス制御部１３の中でもよい）に設け、溶接電源部１１からスタッド５及び母材７を流れる電流を検出して、前記のスタッド接触時とスタッド離隔時の電流変化によってスタッドの離隔位置を知る構成とすることもできる。なお、コントローラ３の入力端子１７にはシーケンス制御部１３へ溶接起動信号が送られるようになっている。

上記構成のアークスタッド溶接装置１を用いて、スタッド５を母材７の所定位置に溶接する操作について、図２（ａ）〜（ｇ）を参照して説明する。図２（ａ）において、スタッド溶接ガン２のスタッド保持部６にスタッド５は保持されて、母材７の所定の位置に位置決めされる。位置決め後、図２（ｂ）に図示のように、スタッド溶接ガン２のリニアモータが作動させられて、スタッド保持部６が下動してスタッド５を母材７に接触させられる。更に、図２（ｃ）に図示のように、スタッド５は母材７に向けて押圧されて母材７への接触が確実にされる。スタッド５の押圧によって、母材７の剛性が高くない場合には、図２（ｃ）に図示のように、溶接部分が深さ１８をもって沈み込み、母材７が撓むことがある。なお、この沈み込みは母材７を塑性変形させるほど大きなものではないが、アークの発生には影響を及ぼす深さであることが多い。

スタッド５を母材７へ圧接してスタッド５が母材７へ電気的に確実に接触した後、溶接起動信号がコントローラ３の入力端子１７に送られる。溶接起動信号を受けたシーケンス制御部１３からガン制御部１４にスタッド引上げ信号が送られ、リニアモータ９にガン制御部１４からスタッドを引上げる駆動信号が送られる。リニアモータ９はスタッド保持部６を引上げるので、スタッド５が母材７から引上げられるとともに、位置センサ１０からは位置信号がコントローラ３のシーケンス制御部１３に送られる。スタッド５の引上げによって母材７への押圧力が解除され、図２（ｄ）に図示のように、母材７は元の平坦な姿勢に復帰する。母材７が元の姿勢に戻るまでの間は、スタッド５は母材７に接触した状態にあるのでスタッド５と母材７とは電気的に接触した状態にある。他方、溶接起動信号を受けたシーケンス制御部１３からは溶接電源部１１に低い電力をスタッド５及び母材７に供給し始めるが、スタッド５と母材７とが電気的に接触している図２（ｄ）の状態では、スタッド５から母材７へは電流が流れるので端子１４及び端子１５の間はほぼ０ボルトである。引上げが進んで、スタッド５が母材７から離れると、スタッド５から母材７への電流が減少するように大きく変化し、端子１４及び端子１５の間の電圧が大きくなる。シーケンス制御部１３は、そこに設けられた検出器によって、スタッド５及び母材７を流れる電流の変化（に伴う電圧の変化）を検出して、スタッド５が母材７から離れる瞬間を検出する。他方、シーケンス制御部１３にはスタッド溶接ガン２の位置センサ１０から位置信号が送られており、スタッド５が母材７から離れる瞬間の位置すなわち離隔位置を検出することができる。

離隔位置を検出すると、シーケンス制御部１３は、スタッド５及び母材７へパイロットアークを生成することができるように、溶接電源部１１からスタッド５及び母材７へやや大きな電力を供給する。また、シーケンス制御部１３は、離隔位置を検出すると、そのときの位置センサ１０からの位置信号をスタッド及び母材間距離が０である基準位置として認識する。そして、シーケンス制御部１３は、ガン制御部１４を通して、リニアモータ９に、その基準位置から所定の引上げ長さに相当する位置信号を位置センサ１０から受けるまで、スタッド引上げ動作を行わせる。スタッド５の引上げの途中からパイロットアークが生成され始める。その後、シーケンス制御部１３は、溶接電源部１１からの電力を増大してスタッド５と母材７の間にメインアークを生成させる。図２（ｅ）は、スタッド５と母材７の間にメインアーク１９が生成されている様子を示している。スタッド５と母材７の間の長さ２１は、メインアークのアーク長さを示している。このアーク長さ２１は、スタッド５が母材７から離れる離隔位置を確実に検出してから、所定高さ位置（すなわち適正なアーク長さ２１に相当する位置）までスタッド５が母材７から引上げられるので、スタッド５の圧接によって凹むように撓んだ母材部分が元の平面レベルに復帰しても、その復帰後の母材の平面レベルからスタッド５が適正に所定高さ（適正なアーク長さ２１）引上げられるのを保証する。従って、パイロットアークの発生及びその後のメインアークは適正に形成され、スタッドの引上げ不足による溶接不良を生じることがなくなる。

メインアークを一定時間生成し続けることによって、スタッド５のフランジ形状の溶接部及び母材７の所定位置の部分が十分に溶融されると、シーケンス制御部１３から、ガン制御部１４を介してリニアモータ９にスタッド５を下降させる信号が出されて、スタッド５の溶接部が母材７の溶融部分に押圧される。この押圧状態が、図２（ｆ）に示されている。スタッド５の先端が母材７の溶融部分に押圧されると、スタッド５が母材７に溶着されてそこに固着される。シーケンス制御部１３は、スタッド保持部６にスタッド５の保持を解除する信号を送って、スタッド溶接ガン２の全体を矢印２２のように引上げると、スタッド５は母材７に固着された状態で残っている。これによって、スタッドの溶接が完了する。

本発明の１実施形態に係るアークスタッド溶接装置のブロック図である。 （ａ）〜（ｇ）は、アークスタッド溶接装置の溶接動作を示す図であり、（ａ）はスタッド溶接ガンにスタッドを保持した状態を示す図、（ｂ）はスタッドを母材に接触させた状態を示す図、（ｃ）はスタッドを母材に圧接させた状態を示す図、（ｄ）は圧接したスタッドを母材から引上げて母材から離れようとする状態を示す図、（ｅ）はスタッドと母材の間にメインアークが生成されている状態を示す図、（ｆ）は溶融した母材部分にスタッドを圧接した状態を示す図、（ｇ）は母材に溶着したスタッドをスタッド溶接ガンから離した状態を示す図である。

符号の説明

１ アークスタッド溶接装置
２ スタッド溶接ガン
３ コントローラ
５ スタッド
６ スタッド保持部
７ 母材
９ リニアモータ
１０ 位置センサ
１１ 溶接電源部
１３ シーケンス制御部
１４ ガン制御部
１５、１６ 溶接電源部の端子
１７ シーケンス制御部の入力端子
１８ 沈み込み深さ
１９ メインアーク
２１ アーク長さ

Claims (3)

1. 先端にスタッドを保持するための溶接ガンと、前記溶接ガン内に設けられ、保持したスタッドを母材へ当接させたり離したりするリニアモータと、前記溶接ガン内に設けられ、保持したスタッドと母材との相対位置を検出するための位置センサと、前記溶接ガンの先端に保持されたスタッドと母材とに電力を供給するための電源と、スタッドを母材に溶接するため、スタッドと母材との間にアーク放電を形成するのを制御するコントローラとを包含し、該コントローラは、母材と該母材に接触したスタッドとに前記電源から電力を与え、前記スタッドを母材から引き上げるように前記リニアモータを作動させてパイロットアークを発生させた後、大電流のメインアークを発生させてスタッド先端及び母材の溶接部分を溶融し、前記リニアモータを作動させてスタッドを母材の溶融部分に押圧して溶着させるアークスタッド溶接装置において、
   前記コントローラは、前記スタッドが接触した母材から前記リニアモータによって引上げられるとき、該母材からスタッドが離れる際の離隔位置を検出し、前記位置センサからの信号を受けて該離隔位置から更に所定の位置まで引上げるように前記リニアモータを動作させる構成であることを特徴とするアークスタッド溶接装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記コントローラには、前記電源からスタッド及び母材へ通して流れる電流を検出する検出器が設けられ、前記コントローラは、スタッドが母材から離れたことによって変化する前記電流を前記検出器から得ることによって前記離隔位置を検出することを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記位置センサは、スタッドが溶接ガン先端に対して移動する長さを示す位置信号を出力しており、前記コントローラは、前記離隔位置の検出のとき前記位置センサからの位置信号をスタッド及び母材間距離が０である基準位置として認識し、該コントローラは、前記リニアモータに、前記基準位置から前記所定の引上げ長さに相当する位置信号を前記位置センサから受けるまで、スタッド引上げ動作を行わせることを特徴とする装置。

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