JP3479550B2 - アークスタッド溶接方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アークスタッド溶接方
法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アークスタッド溶接は、一般に、母材か
らスタッドの先端を引き離しながらまずパイロット電流
を流してパイロットアークを発生させ、続いて母材とス
タッドとの間に予め設定した値の溶接電流を予定の通電
時間にわたつて流して主アークを発生させてスタッドの
端面と母材表面を溶融し、溶接電流の通電の終了時にス
タッドを母材表面の溶融部に突っ込むことにより行われ
る。このアークスタッド溶接を実施する方法及び装置に
ついては従来種々のものが提案され、使用に供されてい
る。例えば従来の代表的なアークスタッド溶接装置は、
スタッドを装着する溶接ガンと、溶接ガンのトリガーの
作動に応じてパイロット電流及び溶接電流を供給する電
源装置と、パイロット電流及び溶接電流の大きさ及び通
電時間や溶接ガンの動作等を制御する制御装置とから成
っており、溶接ガンはスタッドを機械的なばね機構によ
り前方すなわち母材へ向かって強制できるように構成さ
れており、溶接時には制御装置の制御の元で電磁機構す
なわちソレノイドの励磁により機械的なばね機構のばね
力に抗してスタッドを母材表面から予定の距離引き離
し、溶接電流の通電後ソレノイドの消磁と同時にスタッ
ドをばね力で溶融した母材表面に突っ込むように構成さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のアークスタッド溶接では、溶接ガンは溶接時にス
タッド先端と母材表面との間にアーク発生用の隙間を開
けるためスタッドをばね機構のばね力に抗して引き上げ
る構造であるので溶接ガンを母材表面の溶接部位にある
程度の力を加えて押し当てる必要があり、そのため母材
表面に対してスタッドの軸線方向姿勢を制御するための
通常三本の脚部がスタッドを囲む位置に設けられてい
る。これらの位置及び姿勢決め脚部は通常の溶接では邪
魔にはならないが、母材表面の段部に隣接した位置にス
タッドを溶接したい場合には邪魔となり、実質的に溶接
ができなくなる。また溶接ガンを母材表面の溶接部位に
ある程度の力を加えて押し当てる必要があるため特に建
築現場や土木現場のように母材表面が垂直面であったり
天井面である場合には作業者には相当な肉体的に負担と
なっている。しかも使用するスタッドの寸法（径や長
さ）が長くなるとスタッドの自重が大きくためそれを天
井等の母材表面に重力に抗して打ち込む際には所要の打
ち込み力が得られず、満足な溶接が行われない恐れもあ
る。また、従来のアークスタッド溶接は比較的大きな電
流が必要とされ、溶接作業の簡便さを考慮しても消費エ
ネルギの量は相当なものとなっており、コスト上も問題
がある。さらに、アークスタッド溶接で溶接可能なスタ
ッドの径も精々22mm程度であり、30mm以上の径をもつス
タッドについては従来の技術では実質的に溶接強度を保
障することは実質的に不可能である。これは、従来のも
のでは溶接電流の値を幾ら高めても溶接電流の通電とス
タッドの母材へ突っ込みとの相対的な制御が実質的にな
されていないためであると考えられる。

【０００４】さらに、従来のアークスタッド溶接におい
ては溶接時おける母材表面へのスタッドの突っ込みは溶
接ガンに組み込まれた機械的なばね機構のばね力により
一義的に決まるため、母材表面の溶融池に一気にスタッ
ドが突っ込まれ、その際にアークシールドの隙間から溶
融金属が周囲に飛散し、作業者を危険に晒したり周囲を
火災の危険に巻き込むだけでなく、溶接部の余盛りの形
成が十分になされず、要求された溶接強度が得られない
という問題もある。この問題を解決するため、最近では
スタッドの引上げ及び突っ込みを機械的なばね機構に代
えてモータ装置により行なうようにしたものが提案され
てきているが、このようなモータ装置を利用したもので
も溶接電流の消費量の問題や大きな径のスタッドの溶接
可能化等の問題は解決されていない。さらにまた、従来
のアークスタッド溶接では、溶接するスタッドの寸法に
合わせて溶接銃及電源装置を用意する必要があり、スタ
ッドの径の違いに対する装置の融通性がなく、作業性が
悪かった。

【０００５】そこで、本発明は、上記の問題点を解決し
て、消費エネルギを低く抑えることができ、安全かつ容
易に作業でき、従来可能でなかった太径のスタッドも溶
接でき、しかも十分な溶接強度を保障できるアークスタ
ッド溶接方法及び装置を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１の発明によれば、互いに当接した状
態から予定の間隔離間させた後母材と溶接すべきスタッ
ドとの間に溶接電流を流してアークを発生させ、母材及
びスタッドの対向面を溶融させた状態で母材に対してス
タッドを押し込み、スタッドを母材に溶接するアークス
タッド溶接方法において、溶接電流の通電開始から所要
の溶接電流値に達した後予定の時間経過してからスタッ
ドを母材へ向かって制御された速度で押し進め、スタッ
ドが母材に対して予定の位置に達した時、溶接電流の通
電を遮断すると同時にスタッドを減速させながら母材内
の予定のレベル位置まで押し込むことによりスタッドを
母材に溶接することを特徴としている。本発明によるア
ークスタッド溶接方法においては、溶接電流の遮断はス
タッドの直径及び（または）材質に応じて制御され得
る。好ましくは、溶接電流の通電の遮断はスタッドの予
定の最上方引上げ位置から母材内の予定の最下方押し込
み位置へ至るスタッドの母材への制御された速度での押
し込む行程のほぼ中間の定速押し込み中に行われ得る。

【０００７】また、本発明の第２の発明によれば、スタ
ッドを制御された速度で母材に対して引き離し及び押し
込みできる溶接銃と、溶接銃の動作及び溶接電流の大き
さ及び通電時間を制御する動作制御装置とを有し、母材
及び溶接すべきスタッドを互いに当接した状態から予定
の間隔離間させた後母材と溶接すべきスタッドとの間に
溶接電流を流してアークを発生させ、母材及びスタッド
の対向面を溶融させた状態で母材に対してスタッドを押
し込み、スタッドを母材に溶接するように構成したアー
クスタッド溶接装置において、動作制御装置が、スタッ
ドの径及び（または）材質に応じて溶接電流の遮断とス
タッドの母材への制御された速度での押し込みとを相対
的に制御する制御手段を備えたコンピュータ制御装置か
ら成ることを特徴としている。

【０００８】

【作用】このように構成された本発明の第１の発明によ
るアークスタッド溶接方法においては、溶接電流の通電
開始から所要の溶接電流値に達した後予定の時間経過し
てからスタッドを母材へ向かって制御された速度で押し
進め、母材に対して予定の位置に達した時、溶接電流の
通電を遮断すると同時にスタッドを減速させながら母材
内の予定のレベル位置まで押し込むように構成したこと
により、比較的小さな溶接電流でも比較的径の太いスタ
ッドを確実に溶接することができるようになると共に溶
接時の溶融金属の飛散を実質的になくして溶接部の余盛
りを十分に形成するこどできるようになる。またスタッ
ドの先端は母材表面より内部の予定のレベル位置に位置
しているので、実質的な溶接部が母材内部に位置し、十
分な溶接強度を得ることができるようになる。本発明の
第２の発明によるアークスタッド溶接装置においては、
スタッドの径や材質に応じて溶接条件を適宜最適に設定
することができるようになり、また溶接電流とスタッド
の母材への押し込みとを相関的に制御しているので、比
較的小さな溶接電流で、エネルギ消費量が少なく、しか
もスタッド径に関係なく最適条件のもとでスタッド溶接
を実施できるようになる。

【０００９】

【実施例】以下添付図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図１には本発明によるアークスタッド溶
接方法を実施している装置の一実施例が示されている。
図示装置は溶接電源１と、スタッド溶接銃２と、溶接制
御装置３とから成り、溶接制御装置３は図示したように
溶接すべきスタッドの径、材質等のスタッドに関するデ
ータを設定するスタッドデータ設定部４と、パイロット
電流及び溶接電流の値、通電時間、遮断時点等を設定す
る電流データ設定部５と、溶接すべきスタッドの引上
げ、押し込みに関する位置及び速度等を設定するスタッ
ド駆動データ設定部６と、これら各設定部からの入力デ
ータに基づき予めプログラムされたデータを用いてその
溶接に最適な溶接条件を計算するマイクロプロセッサ７
と、溶接電源１から溶接銃２に供給されるパイロット電
流及び主電流すなわち溶接電流をマイクロプロセッサ７
からの制御信号に応じて給電電流を制御する電流出力部
８と、マイクロプロセッサ７で算定された溶接条件の表
示信号出力部９と、マイクロプロセッサ７からの制御信
号に応じて溶接銃２のスタッド駆動部（例えばリニアモ
ータ、サーボモータ等の適当なモータ装置から成り得
る）2aの動作を制御するスタッド駆動制御出力部10と、
溶接電流の値、使用スタッドの径、材質等の溶接条件、
溶接データ等を表示する設定条件表示部11とを備えてい
る。またスタッド溶接銃２にはスタッド駆動部2aに加え
て溶接条件の表示信号出力部９からのデータ及び溶接結
果の合否を表示する表示部（例えば液晶パネルから成り
得る）2bが設けられている。なお図１において12はスタ
ッド、13は母材、14はアークシールドを表している。ま
た図１には示してないが、スタッド12の母材13との接
触、引上げ位置及び押し込み位置等を検出するセンサー
が組み込まれ、各センサーからの出力はマイクロプロセ
ッサ７へ送られ、溶接動作のフィードバック制御が行わ
れ得る。

【００１０】このように構成した図示装置を利用して本
発明の方法について図２及び図３を参照して説明する。
図２のイには溶接銃２に装着した溶接すべきスタッド12
を母材13上に位置決めした状態を示す。この状態からロ
に示すようにスタッド溶接銃２のスタッド駆動部2aを駆
動させてスタッド12を下げさせ、その先端チップを母材
表面に接触させる。スタッド12と母材13との接触（すな
わち図３に０で示すゼロ位置）が溶接制御装置３で確認
されると、図２のハに示すように、スタッド12の引上げ
が開始され、スタッド12が図３に示すように第１引上げ
位置１にくるとパイロット電流がスタッド12と母材13と
の間に流され、パイロットアークが発生される。引き続
きスタッド12が引き上げられて第２引上げ位置２に到達
すると主電流すなわち溶接電流が供給され、スタッド12
と母材13との間に主アークが発生して図２のニに示すよ
うにスタッド12の端面及び母材13の表面は溶融する。こ
の間、溶接電流は間欠的（数ミリ秒毎）または連続して
モニタされ、溶接電流が設定値から大きく変動すると、
マイクロプロセッサ７からの命令で直ちに修正される。
こうして溶接電流は予め設定された許容範囲（図３の
Ａ、Ｂ間）に維持される。一定の時間経過後、スタッド
12の押し下げが開始され、図３の第２引上げ位置２から
母材13の内の押し込み位置３までのほぼ1/4 の位置に達
するまで加速され、その後、ほぼ3/4 の位置に達するま
でスタッド12の押し下げ速度は一定に保たれる。こうし
て3/4 の位置を通過した後スタッド12の押し下げ速度は
減速され、スタッド12は設定した押し下げ位置３で停止
される。この間、溶接電流は、図３に示すようにスタッ
ド12の押し下げ行程のほぼ3/4 の位置に達するまでに遮
断され、図３において曲線イは、第２引上げ位置２から
の押し下げが開始されるとほぼ同時に溶接電流は遮断さ
れ、また曲線ロではほぼ1/4 の位置、曲線ハではほぼ1/
2 の位置、曲線ニではほぼ3/4 の位置で溶接電流の遮断
が行われている。この溶接電流の遮断時点は、使用した
スタッドの径や材質等のスタッドの条件に応じてスタッ
ドの押し下げ行程と関連して決められる。しかしほとん
ど場合曲線ハで示すようにスタッド12の押し下げ行程の
ほぼ1/2 の位置で溶接電流を遮断するのが好ましい。

【００１１】このようにして溶接した溶接部は図４に示
すように余盛りがスタッドの周囲にほぼ均一に形成され
しかもスタッドと母材とが母材内部で接合されているの
が認められ、また母材表面における金属粒の固着は実質
的になかった。このことは、溶接時に溶融金属の飛散が
ほとんどないことを意味しており、安全な溶接作業が保
障されることになる。これに対して、従来のアークスタ
ッド溶接では図５に示すように余盛りは偏って形成さ
れ、飛散金属の固着も多く、溶接部の仕上がりが見苦し
いだけでなく接合位置も母材のほぼ表面であり溶接強度
も劣ることが認められる。

【００１２】以下の表１及び表２には本発明による装置
と従来の装置を用いて実際に溶接した際の溶接条件の比
較データを示し、実験に使用したスタッド材料はJIS B
1198頭付きスタッドに規定のアルミキルド鋼であり、ま
た母材はJIS G 3106溶接構造圧延鋼材SM490A、厚さ16mm
を使用した。 表 １ 表 ２ これらの表を比較することにより本発明の装置による溶
接では溶接電流は約１割以上低減できることが認められ
る。

【００１３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の第１
の発明によるアークスタッド溶接方法においては、溶接
電流の通電開始から所要の溶接電流値に達した後予定の
時間経過してからスタッドを母材へ向かって制御された
速度で押し進め、母材に対して予定の位置に達した時、
溶接電流の通電を遮断すると同時にスタッドを減速させ
ながら母材内の予定のレベル位置まで押し込むように構
成したことにより、比較的小さな溶接電流で比較的径の
太いスタッドを確実に溶接することができるようにな
り、実際には従来不可能であった36mm程度の径のスタッ
ドでも十分溶接できるようになる。また溶接時の溶融金
属の飛散は実質的になく、そのため溶接部の余盛りを十
分に形成するこどできると共に作業者や周囲への危険を
伴わずに安全に溶接作業を行なうことができる。さらに
スタッドの先端の接合部位は母材表面より内部の予定の
レベル位置に位置させることができるので、実質的な溶
接部が母材内部に位置し、十分な溶接強度を保障するこ
とができるようになる。また本発明の第２の発明による
アークスタッド溶接装置においては、スタッドの径や材
質に応じて溶接条件を適宜最適に設定することができる
ようになり、また溶接電流とスタッドの母材への押し込
みとを相関的に制御しているので、比較的小さな溶接電
流で、エネルギ消費量が少なく、しかもスタッド径に関
係なく最適条件のもとでスタッド溶接を実施できる作業
性、融通性に優れた装置を提供することができるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施しているアークスタッド溶接装置
の一実施例を示すブロック線図。

【図２】本発明のアークスタッド溶接方法の各工程を示
す概略部分断面図。

【図３】本発明のアークスタッド溶接の動作を示すグラ
フ。

【図４】本発明によるアークスタッド溶接で得られた溶
接部の状態を示す切断斜視図。

【図５】従来のアークスタッド溶接によって得られた溶
接部の状態を示す切断斜視図。

【符号の説明】

１：溶接用電源 ２：スタッド溶接銃 ３：溶接制御装置

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに当接した状態から予定の間隔離間
   させた後母材と溶接すべきスタッドとの間に溶接電流を
   流してアークを発生させ、母材及びスタッドの対向面を
   溶融させた状態で母材に対してスタッドを押し込み、ス
   タッドを母材に溶接するアークスタッド溶接方法におい
   て、溶接電流の通電開始から所要の溶接電流値に達した
   後予定の時間経過してからスタッドを母材へ向かって制
   御された速度で押し進め、スタッドが母材に対して予定
   の位置に達した時、溶接電流の通電を遮断すると同時に
   スタッドを減速させながら母材内の予定のレベル位置ま
   で押し込むことによりスタッドを母材に溶接することを
   特徴とするアークスタッド溶接方法。
2. 【請求項２】 スタッドの直径及び（または）材質に応
   じて溶接電流の遮断を制御するようにした請求項１に記
   載のアークスタッド溶接方法。
3. 【請求項３】 スタッドの予定の最上方引上げ位置から
   母材内の予定の最下方押し込み位置へ至るスタッドの母
   材への制御された速度での押し込む行程のほぼ中間の定
   速押し込み中に溶接電流の通電を遮断する請求項１に記
   載のアークスタッド溶接方法。
4. 【請求項４】 スタッドを制御された速度で母材に対し
   て引き離し及び押し込みできる溶接銃と、溶接銃の動作
   及び溶接電流の大きさ及び通電時間を制御する動作制御
   装置とを有し、母材及び溶接すべきスタッドを互いに当
   接した状態から予定の間隔離間させた後母材と溶接すべ
   きスタッドとの間に溶接電流を流してアークを発生さ
   せ、母材及びスタッドの対向面を溶融させた状態で母材
   に対してスタッドを押し込み、スタッドを母材に溶接す
   るように構成したアークスタッド溶接装置において、動
   作制御装置が、スタッドの径及び（または）材質に応じ
   て溶接電流の遮断とスタッドの母材への制御された速度
   での押し込みとを相対的に制御する制御手段を備えたコ
   ンピュータ制御装置から成ることを特徴とするアークス
   タッド溶接装置。