JP5129460B2 - スタッド、フェルールおよびこれらを用いた溶接方法 - Google Patents

Description

本願発明は、スタッド溶接に用いるスタッドおよびフェルール、並びにこれらを用いたスタッド溶接方法に関する。

スタッド溶接を行うためのスタッド溶接装置の構成は、たとえば、特許文献１に開示されているが、このようなスタッド溶接装置を用いた溶接は、大略、次のようにして行われる。

溶接装置の先端チャックに所定のスタッドがその基端において保持される。本体ハウジングを把持した作業者は、本体ハウジングに付設されているフェルール押しつけガイドによって、スタッドの先端に外嵌させたフェルールを母材に押しつけるようにする。フェルールは、スタッドに対して軸方向相対移動可能に外嵌されているので、このとき、スタッドは、駆動主軸を押し出し方向に付勢するばねの弾力により、先端が母材に押しつけられた格好となる。この状態を保持したまま本体ハウジングの適部に配置された起動スイッチを押すと、駆動主軸ないしスタッドは、電磁力によって所定距離引き上げられ、スタッドの先端と母材との間には所定のすきまができる。次いで、給電ケーブルから溶接電流が給電される。スタッドの先端と母材との間にアーク放電が起こり、この放電エネルギによってスタッド先端が溶融する。上記の電磁力は適時オフされ、上記のばねにより、スタッドには母材に向けた押しつけ力が作用させられる。そして、溶融金属がフェルールの内部空間を満たすとともにやがて固化し、母材に対するスタッド先端の溶接が完了する。溶接完了後、フェルールは、破砕除去される。

特開２００２−３０７１６７号公報

このようなスタッド溶接は、母材に対して鉄筋を突き当て溶接する場合によく用いられる。スタッドとしては、一様円形断面をもつ丸棒鋼のほか、鉄筋としてコンクリートに対する付着力を高めるために、図９に示すように、円柱の表面に軸線方向のリブおよび周方向の節とからなる突起ｂを形成した、いわゆる異形スタッドａが用いられる場合がある。

この場合、フェルールｃの上部開口ｄとこれを通るスタッドａとの間にできるだけすきまが生じないように、上記スタッドａには、図９に表れているように、その先端から、上記フェルールｃの上部開口ｄを通過する可能性のある部位までの範囲において、上記の突起ｂを除去して使用するのが通例であった。その理由は、外部空気がフェルール内に侵入し、アーク放電による熱によって溶融している金属に空気が混入して生じるブローホールと呼ばれる溶接欠陥を防止するためである。

しかしながら、上記のような従来の異形スタッドを用いた溶接方法においては、異形棒鋼の所定範囲の突起を切除するという前工程が必要であるために、コスト上昇が避けられないという問題があった。また、異形棒鋼は、その一部のリブが除去された状態で母材に溶接されているため、鉄筋としての強度が長手方向について不均一となり、溶接部位において応力が集中してしまう溶接強度上の問題も潜在する。

本願発明は、上記の事情のもとで考え出されたものであり、棒鋼の外周に突起を有する異形スタッドに対して突起を切除するといった前加工を必要とすることなしに、この異形スタッドを適正にスタッド溶接することがきるようにすることを課題とし、より具体的には、改良したフェルール、ならびにこの改良したフェルールを用いたスタッド溶接方法を提供し、あわせて、この方法に用いると好適な異形スタッドをも提供しようとするものである。

上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を採用している。

本願発明の第１の側面に係るスタッド溶接用フェルールは、全体として軸方向両端が開口する筒状を呈するとともに、軸方向一端側にスタッド挿通孔を有し、軸方向他端側に上記スタッド挿通孔と連続する内部空間を備えるフェルール本体と、上記スタッド挿通孔の内方に向けてフランジ状に延出し、かつ外力によって変形可能な不燃性のシールド部を備え、上記シールド部は、全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材を上記フェルール本体の軸方向一端側の端面に貼着することにより形成されていることを特徴としている。

本発明の第１の側面に係るスタッド溶接用フェルールはまた、全体として軸方向両端が開口する筒状を呈するとともに、軸方向一端側にスタッド挿通孔を有し、軸方向他端側に上記スタッド挿通孔と連続する内部空間を備えるフェルール本体と、上記スタッド挿通孔の内方に向けてフランジ状に延出し、かつ外力によって変形可能な不燃性のシールド部を備え、上記フェルール本体は、上記スタッド挿通孔とこれより大径とした上記内部空間との境界に段部が形成されており、上記シールド部は、全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材を上記段部に貼着することにより形成されていることをも特徴としている。

このような構成のスタッド溶接用フェルールによれば、表面に縦方向のリブと横方向の節が形成されるなどの凹凸を有するスタッドを上記スタッド挿通孔に挿通した状態においても、上記シールド部が変形しつつ、スタッド挿通孔の内面とスタッドの表面との間のすきまを適度にシールドした状態を作り出すことができる。また、このシールド部は、不燃性を有しているので、スタッドと母材との間にアーク放電が起こり、スタッドの先端が溶融している高温状態においても、依然として上記のシールド状態を維持することができる。したがって、溶接操作中に上記スタッド挿通孔とスタッドとのすきまから外部空気がフェルール本体の内部に侵入することを好適に防止し、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を防止することができる。

また、スタッドとして、表面に凹凸を残したままのものを使用することができるので、従来のように凹凸を除去するといった前加工が不要となり、コスト的にも有利となる。加えて、溶接後のスタッドの鉄筋としての強度低下を防止することもできる。

好ましい実施の形態においてはまた、上記全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材は、周方向について複数に分割されている。

このような構成によれば、スタッド挿通孔に挿通されたスタッドの凹凸表面に対して上記シールド部材の先端がよりなじみやすく付着し、シールド効果を高めることができるほか、溶接操作終了後に行うフェルール本体の分割破砕の障害となることもない。

好ましい実施の形態においてはまた、上記フェルール本体の上記内部空間には、溶剤保持部材が嵌着されている。

このような構成によれば、確実なアーク放電を惹起させることができる。

本願発明の第２の側面に係るスタッド溶接方法は、上記本願発明の第１の側面に係るスタッド溶接用フェルールを用い、表面に凹凸を有するスタッドの先端を上記スタッド溶接用フェルールの上記スタッド挿通孔に挿通した状態で行うことを特徴としている。

このような構成によれば、本願発明の第１の側面について上述したのと同様の利点を享受することができる。

本願発明の第３の側面に係るスタッドは、上記本願発明の第２の側面に係るスタッド溶接方法に用いるスタッドであって、棒状金属部材の表面に凹凸を有し、かつ、先端に溶剤が付着させられていることを特徴としている。

このようなスタッドを用いることにより、表面に凹凸を有するスタッドであっても、その先端に溶剤を付着させて用いるだけで、本願発明の第１の側面に係るスタッド溶接用フェルールと組み合わせて溶接操作することにより、ブローホールなどの溶接欠陥のない、適正な溶接を行うことができる。また、表面の凹凸を部分的に除去するといった前工程が不要となることも、前述したのと同様である。

本願発明のその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に行う詳細な説明から、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１ないし図４は、本願発明に係るスタッド溶接用フェルール（以下、単にフェルールという。）の第１の実施形態を示している。

このフェルール１０Ａは、全体として軸方向に貫通する筒状を呈しており、たとえば、MgO-Al2O3-SiO2系素地で形成されたセラミック成形物からなるフェルール本体２０を備えている。このフェルール本体２０は、その軸方向一端側の外径が軸方向他端側の外径よりも小となっている。軸方向一端側には、所定内径のスタッド挿通孔２１が形成されており、軸方向他端側には、上記スタッド挿通孔２１と連続する内部空間２２が形成されている。この内部空間２２の内径は、上記スタッド挿通孔２１の内径より大であり、したがって、上記スタッド挿通孔２１と上記内部空間２２との境界には、段部２３が形成されている。また、フェルール本体２０の軸方向他端側の端面には、図３に良く表れているように、放射状に延びる複数の凹溝２５が形成されている。

上記フェルール本体２０の軸方向の一端側の端面には、ドーナツ円板状をしたシールド部材３０が適当な接着部材を用いるなどして貼着されている。このシールド部材３０は、たとえば炭素繊維などの不燃性繊維でできたクロスを複数枚重ねるなどして形成され、不燃性を有するとともに、外力によって容易に変形可能な部材である。実施形態では、このシールド部材３０は、外径がほぼ上記フェルール本体２０の軸方向一端側の外径と一致しており、内径は上記スタッド挿通孔２１の内径より小となっている。そのため、このシールド部材３０は、その内周側が上記スタッド挿通孔２１の内面から内向フランジ状に延出させられる。

図に示す実施形態では、上記シールド部材３０は、図２および図４に良く表れているように、内周側から複数のスリット３１をいれるなどして、外力により、容易に複数に分離できるようにしてある。また、あらかじめ複数に分割したセグメントをフェルール本体２０の端面に貼着してもよい。

図１において、符号５０は、上記構成のフェルール１０Ａと組み合わせて使用して溶接を行うスタッドを示す。このスタッド５０は、丸棒ではなく、円柱の外周に軸方向に延びる膨出状のリブ５１ａと、周方向に延びる膨出状の節５１ｂとを組み合わせた突起５１を形成することにより、表面に凹凸が形成されたものである。このスタッド５０は、上記のような突起５１が形成された鉄筋部材を所定長さに切断したものであるが、母材６０に対して溶接接続するべき先端部には、アルミニウムなどからなる溶剤５５を付着させてある。

図１に表れているように、上記フェルール本体２０のスタッド挿通孔２１の内径は、上記スタッド５０の最大外径、すなわち、上記突起５１の頂部における外径と対応させ、突起５１の頂部とスタッド挿通孔２１の内面との間のすきまが必要最小限となるように設定される。また、上記ドーナツ円板状のシールド部材３０の内径は、上記スタッド５０の最小外径、すなわち、上記突起５１が形成されていない部位の外径と対応させ、上記シールド部材３０の半径方向内方の先端が上記スタッド５０における突起５１が形成されていない部位に対してわずかに離れるか、あるいはわずかに接触しうる程度に設定される。

上記構成のフェルール１０Ａおよびスタッド５０を用いたスタッド溶接は、次のようにして行われる。

図１に示すように、上記フェルール１０Ａは、そのスタッド挿通孔２１に上記スタッド５０の先端が挿通されるようにして、スタッド５０の先端に装着される。こうして上記フェルール１０Ａが装着されたスタッド５０は、図示しないスタッド溶接機のチャックに装着される。スタッド溶接機を操作して上記スタッド５０の先端を母材６０に対して押し付けるようにし、スタッド溶接機を操作する。上記シールド部材３０は、容易に変形可能であるから、スタッド５０の先端に対する図１に示すようなフェルール１０Ａの装着状態を得ることができる。

上記フェルール１０Ａは、スタッド溶接機側の図示しないフェルール押し付けガイドによって、母材６０に対して押し付けられた状態となる。この状態において、スタッド５０はいったん所定距離母材６０に対して引き上げられ、次いで、スタッド５０と母材６０との間に溶接電流が給電されると、スタッド５０の先端と母材６０との間にアーク放電が起こる。このアーク放電は、スタッド５０の先端に溶剤５５が付着させられていることにより、容易に起こる。この放電エネルギによってスタッド５０の先端が溶融する。次いで、スタッド５０に対する引き上げ力が解除され、スタッド溶接機側のばね弾力により、スタッド５０には母材６０に向けた押しつけ力が作用させられる。

やがて、溶融金属がフェルール１０Ａの内部空間２２を満たすとともにやがて固化してゆくが、その過程では、アーク放電によって生じた高温ガスがフェルール１０Ａの内部を充満させる状態、あるいは、このような高温ガスと溶融金属が混じり合った状態が現出するが、このとき、上記したように、スタッド挿通孔２１とスタッド５０との間のすきまは、不燃性のシールド部材３０によって適度にシールドされた状態が維持される。したがって、フェルール１０Ａのスタッド挿通孔２１から外部空気がフェルール１０Ａの内部に侵入することが適正に防止され、母材６０に対するスタッド５０の溶接部位にブローホールなどの溶接欠陥が生じることを効果的に防止することができる。

上記のように溶融金属がフェルール１０Ａ内で固化した後、上記フェルール１０Ａはハンマで打ち砕くなどして破砕され、除去されるが、上記したようにシールド部材３０にはスリット３１を入れるなどして容易に分離可能となっているので、フェルール１０Ａの破砕と同時に分離する。したがって、このシールド部材３０がフェルール１０Ａの破砕除去の障害となるということはない。

また、スタッド５０は、表面に凹凸を有しているが、従来のように先端部位の凹凸を切除する前工程が不要であるため、コスト的に有利となる。

さらに、スタッド５０は、表面の凹凸をその全長にわたって残したまま適正に母材６０に対して突き当て溶接されるので、溶接部位に応力が集中するといったことを緩和することができ、鉄筋としての強度保持にも有効となる。

図５は、本願発明に係るフェルールの第２の実施形態を示している。このフェルール１０Ｂは、ドーナツ円板状のシールド部材３０がフェルール本体２０における上記段部２３に貼着されている点を除き、第１の実施形態に係るフェルール１０Ａと同様であるので、同一の部位に第１の実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態に係るフェルール１０Ｂにおいても、フェルール本体２０の内部に、上記シールド部材３０の内周側の部位が内向フランジ状に延出することになるので、溶接時、外部空気がフェルール本体２０内部に侵入することを有効に防止することができることのほか、第１の実施形態について上述したのと同様の利点を享受することができる。

図６は、本願発明に係るフェルールの第３の実施形態を示している。このフェルール１０Ｃにおいては、図１ないし図４に示した第１の実施形態に係るフェルール１０Ａに、鉄系金属の薄板部材の一面側膨出部の中央にアルミニウムなどの溶剤を付着してなる溶剤保持部材４０を付加した構成を備えている。その余の構成については、第１の実施形態に係るフェルール１０Ａと同一であるので、該当個所に同一の符号を付して説明を省略する。

上記溶剤保持部材４０は、図７に良く表れているように、全体として略矩形の薄板部材
４１の中央部をドーム状に膨出させ、この膨出部４３の頂部付近に溶剤４５を付着させたものである。薄板部材４１の４つの角部４２は、ばね性をもって折り立てられており、この折り立て部にフェルール本体２０の内部空間２２の内壁が弾力をもって外接するように構成されている。

上記溶剤保持部材４０は、図６に示すように、膨出側が外部に臨むようにして、フェルール本体２０の内部空間２２に装着する。そうすると、この溶剤保持部材４０は、上記のように４つの角部４２が内部空間２２の内壁に弾接することによってフェルール本体２０の内部に保持される。

この第３の実施形態に係るフェルール１０Ｃを用いてスタッド溶接をする場合、図６に表れているように、スタッド５０としては、表面に凹凸を有する棒鋼を切断したものがそのまま用いられる。すなわち、図１に示した場合のように、先端に溶剤５５を付着させておく必要はない。

この第３の実施形態に係るフェルール１０Ｃを用いてスタッド溶接をするには、図６に示すように、スタッド５０の先端に上記フェルール１０Ｃを嵌着した状態において、第１の実施形態について上述したのと同様の操作により、スタッド溶接機による溶接操作をする。アーク放電は、上記した溶剤保持部材４０の溶剤４５によって確実に誘起させられ、これによって溶剤保持部材４０の金属薄板部材ないしスタッド５０の先端部分が溶融する。このような溶接過程において、外部空気のフェルール内への流入がシールド部材３０によって防止される点は、第１の実施形態について上述したのと同様である。また、この第３の実施形態に係るフェルール１０Ｃについても、第１の実施形態について上述したのと同様の利点を享受できることは、詳細な説明を繰り返すまでもなく、明らかであろう。

なお、この第３の実施形態に係るフェルール１０Ｃによれば、スタッド５０の先端に溶剤５５を付着させておく工程が不要となるという利点がある。

図８は、本願発明に係るフェルールの第４の実施形態を示している。このフェルール１０Ｄは、第２の実施形態に係るフェルール１０Ｂ（図５）に、第３の実施形態について上述したのと同様の溶剤保持部材４０を付加したものである。このフェルール１０Ｄを用いたスタッド溶接は、第３の実施形態について上述したのと同様に行うことができる。そうして、この第４の実施形態についても、第３の実施形態と同様の利点を享受することができる。

もちろん、この発明の範囲は上述した各実施形態の構成に限定されることはなく、各請求項に記載した事項の範囲内でのあらゆる変更は、すべて本願発明の範囲に含まれる。

フェルール本体２０の具体的な形状、大きさは、使用するスタッド５０の径に応じて適宜変更すればよいのである。また、シールド部材３０についても、不燃性を有していて、容易に変形可能な材質であれば、どのようなものを採用しても差し支えない。要は、フェルール本体２０におけるスタッド挿通孔２１と、表面に凹凸を有するいわゆる異形スタッド５０の表面とのすきまを、凹凸に応じて封鎖することができればよいのである。

本願発明に係るスタッド溶接用フェルールの第１の実施形態を示す断面図である。 図１に示されるフェルールの平面図である。 図１に示されるフェルールの底面図である。 図１に示されるフェルールの全体斜視図である。 本願発明に係るスタッド溶接用フェルールの第２の実施形態を示す断面図である。 本願発明に係るスタッド溶接用フェルールの第３の実施形態を示す断面図である。 図６に示される溶剤保持部材の底面斜視図である。 本願発明に係るスタッド溶接用フェルールの第４の実施形態を示す断面図である。 従来例の説明図である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ フェルール
２０ フェルール本体
２１ スタッド挿通孔
２２ 内部空間
２３ 段部
２５ 凹溝
３０ シールド部材
３１ スリット
４０ 溶剤保持部材
４１ 板材
４２ 角部
４３ 膨出部
４５ 溶剤
５０ スタッド
５１ 突起
５５ 溶剤
６０ 母材

Claims (7)

1. 全体として軸方向両端が開口する筒状を呈するとともに、軸方向一端側にスタッド挿通孔を有し、軸方向他端側に上記スタッド挿通孔と連続する内部空間を備えるフェルール本体と、
   上記スタッド挿通孔の内方に向けてフランジ状に延出し、かつ外力によって変形可能な不燃性のシールド部を備え、
   上記シールド部は、全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材を上記フェルール本体の軸方向一端側の端面に貼着することにより形成されていることを特徴とする、スタッド溶接用フェルール。
2. 全体として軸方向両端が開口する筒状を呈するとともに、軸方向一端側にスタッド挿通孔を有し、軸方向他端側に上記スタッド挿通孔と連続する内部空間を備えるフェルール本体と、
   上記スタッド挿通孔の内方に向けてフランジ状に延出し、かつ外力によって変形可能な不燃性のシールド部を備え、
   上記フェルール本体は、上記スタッド挿通孔とこれより大径とした上記内部空間との境界に段部が形成されており、上記シールド部は、全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材を上記段部に貼着することにより形成されていることを特徴とする、スタッド溶接用フェルール。
3. 上記全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材は、周方向について複数に分割されている、請求項１または２に記載のスタッド溶接用フェルール。
4. 上記全体としてドーナツ円板状をしたシールド部材は、外力により、周方向について複数に分割可能である、請求項１または２に記載のスタッド溶接用フェルール。
5. 上記フェルール本体の上記内部空間には、溶剤保持部材が嵌着されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のスタッド溶接用フェルール。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載のスタッド溶接用フェルールを用い、表面に凹凸を有するスタッドの先端を上記スタッド溶接用フェルールの上記スタッド挿通孔に挿通した状態で行うことを特徴とする、スタッド溶接方法。
7. 請求項６に記載のスタッド溶接方法に用いるスタッドであって、棒状金属部材の表面に凹凸を有し、かつ、先端に溶剤が付着させられていることを特徴とする、スタッド。

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