JP4642215B2 - コンデンサ放電型のスタッド溶接方法 - Google Patents

Description

【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５３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】
前記目的に沿う本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、それぞれの前記コンデンサに接続されたサイリスタを介して、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、該溶接部の後熱処理を行うコンデンサ放電型のスタッド溶接方法であって、
前記複数のコンデンサにそれぞれ接続される前記サイリスタのゲート信号を重複しないパルス信号として、前記複数のコンデンサのうち遅れて放電するコンデンサによって直前に点弧した前記サイリスタの通電を止め、該サイリスタの点弧が止められたコンデンサに残った電荷を、前記溶接部の後熱処理を行う電流として使用する。
即ち、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。
更に、本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、電流休止期間を設けることもできる。
【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１０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２０〜２３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、最後に点弧するコンデンサ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はその前に点弧されたコンデンサ１３に接続されるサイリスタ１８の点弧を止めるためのもので、サイリスタ１９を点弧することによって、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のゲートの点弧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が点弧した後、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が点弧する。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を点弧するサイリスタ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が点弧し、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を点弧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、最後に点弧するサイリスタ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、最後に点弧するサイリスタ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１６〜１８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、点弧回路からは、サイリスタ１６〜１９を順次点弧させ、所定の時間をおいて、サイリスタ１６〜１８を同時に点弧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３０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１６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１２の放電が完了しないうちにサイリスタ１８を点弧させると、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の点弧時期を示す。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１１〜１４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の点弧方法は異なるので、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弧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弧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１〜３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サイリスタを介して、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、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。
そして、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、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、４３：信号ケーブル、４４：スプリング

Claims (3)

1. 複数のコンデンサに充電された電荷の一部を、それぞれの前記コンデンサに接続されたサイリスタを介して、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、該溶接部の後熱処理を行うコンデンサ放電型のスタッド溶接方法であって、
   前記複数のコンデンサにそれぞれ接続される前記サイリスタのゲート信号を重複しないパルス信号として、前記複数のコンデンサのうち遅れて放電するコンデンサによって直前に点弧した前記サイリスタの通電を止め、該サイリスタの点弧が止められたコンデンサに残った電荷を、前記溶接部の後熱処理を行う電流として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。
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、前記遅れて放電するコンデンサによって前記サイリスタの点弧が止められたコンデンサに残った電荷は、該コンデンサに最初に充電されていた電荷の１／４〜２／５の範囲にあ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の前記スタッド材の溶接に用いる最初の放電と、前記後熱処理に用いる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。

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