JP5202801B2 - ショートサイクルアーク溶接のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、スタッドを被加工物、特に１枚の板金に溶接するドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接のための方法に関する。

この方法は、スタッド溶接の呼称でも公知である。
スタッド溶接においては、ドローンアーク点火による方法とチップ点火による方法とが区別される。
ドローンアーク点火によるスタッド溶接においては、スタッドが被加工物上に置かれ、パイロット電流が通電される。次に、スタッドが被加工物から持ち上げられてアークを生じる。
チップ点火法においては、スタッドは、一般的に被加工物からある一定の距離を置いて保持され、バネ力により被加工物まで移動させられ、スタッドと被加工物とが接触した瞬間に高電圧によりアークが点火される（一般的にコンデンサ放電）。

ドローンアーク点火によるスタッド溶接は、自動車の分野において一般的に受け入れられている。その主な理由は、チップ点火によるスタッド溶接は、突然のアーク点火のために比較的騒音が大きいからである。更に、チップ点火によるスタッド溶接は、清浄でない自動車車体構成要素上で満足な溶接品質を可能にしない。この関連における「清浄でない」とは、例えば、先行の深絞り工程からの潤滑剤が車体構成要素から除去されていないことを意味する。

鋼板に対する金属スタッドの溶接は、自動車の分野で長年に亘って公知である。近年になって、アルミニウムが材料としての重要性を増し、自動車車体製造において広く使用されている。従って、アルミニウム板にアルミニウムスタッドを溶接するための適切な方法も開発されている。
「スタッド」という用語は、本明細書の関連においては広義に理解されるものとする。これに関連して、それは、ネジ付きスタッド、ネジなしスタッド、フランジ付きスタッド、Ｔスタッド、タップ付きスタッドなどを含むことができる。しかし、本明細書の事例においては、「スタッド」という用語はまた、スタッド溶接法を用いて板金上に溶接されるナットなどのような他の被加工物を含むものである。

ドローンアーク点火によるスタッド溶接は、ドイツ溶接協会の指導要綱ＤＶＳ０９０２に説明されている。チップ点火法は、指導要綱ＤＶＳ０９０３に説明されている。
欧州標準規格「ｐｒＥＮ ＩＳＯ １３９１８」には、様々な形式のスタッドが説明されている。
チップ点火法においては、被加工物に面するスタッドの端面上にいわゆる点火チップが設けられる。点火チップは、アークの点火を助けるものである。工程中に、非常に急速に上昇するコンデンサ放電電流（〜１０ｋＡ／ｍｓ）が点火チップを流れる。この高電流は、電気ヒューズにおいて生じるものと同様の点火チップの爆発的蒸発を引き起こし、従ってアークを点火する。アークの点火時間及び燃焼時間が常に再現可能であることを保証するために、点火チップの直径及び長さには非常に厳格な寸法精度の要件が課せられる（一般的に、それぞれ±０．０５ｍｍ及び±０．０８ｍｍ）。

ドローンアーク点火によるスタッド溶接においては、被加工物に面するスタッドの端面は、一般的に平坦であるか又は僅かに円錐状である。アークは、被加工物からのスタッドの制御された持ち上げにより、例えば２０Ａのパイロット電流によって短絡溶接回路内で点火される。従って、アークの開始は静かであり、かつ絶対的に再現可能である。この理由により、この方法は、一般的にスタッド上の点火チップを必要としない。
しかし、比較的大きな直径（＞１０ｍｍ）の鋼スタッドの場合には、打ち込まれたアルミニウム球又はスプレーされたアルミニウムコーティングをスタッドチップに設けることができる（円錐状の端面が使用される場合）。アルミニウムは、この場合は溶剤として働くものである（上述の標準規格「ｐｒＥＮ ＩＳＯ １３９１８」も参照されたい）。

更に、鋼スタッドへのこのアルミニウム添加物は、アークの点火を容易にし、上述の指導要綱ＤＶＳ０９０２（１９８８年７月付け）に説明されているように溶融池から酸素を除く（酸素を束ねる）働きをするものである。
チップ点火によるスタッド溶接のためのスタッドは、特許文書ＤＥ１９６２２９５８Ｃ１に説明されている。そこでは、スタッドの端面は、内方に円錐状ドーム形を成している。点火チップは、そこではかなり長く作られるべきである。この手段の目的は、発生するブロー効果を最小にすることである。高い駆動電圧及び存在する溶接電流の大きさ（約１０ｋＡ）のために、そこで使用されるコンデンサ放電溶接は、電子に対する最小出口仕事を要する場所に逃げるのに妥当な機会をアークに提供する。これは、それ自体、表面状態が均一でない場合にブロー効果が大きいことを表すものである。

更に、ＤＥ−ＯＳ２，２２７，３８４により、端面の縁部に向けて平坦になる対称的かつ放射状に配置された星形突出部上に設けられた点火チップを有するチップ点火法のための溶接スタッドが公知である。
この関連において、アークが点火される時に接触チップが被加工物に押し付けられるチップ点火法の変形が開示されている。ここでは、接触チップはまた、スタッドと被加工物の間の空間がアークの点火及び接触チップの蒸発後に増大しないので、一種のスペーサとして働いている。その代わりに、部分的に溶融したスタッドは、この「接触チップ高さ」から開始して部分的に溶融した被加工物内に注ぎ込まれる。

ＤＥ−ＯＳ２，７３９，８６７により、第１の導電部分が第２の導電部分に固定される付加的なチップ点火法が公知である。
特許文書ＤＥ８，０１７，９２０Ｕ１もまた、チップ点火法によるスタッド溶接のための円筒形点火チップを備えたスタッドを開示している。ここでの基本的な考えは、点火チップをスタッドの両端面に適用することができ、これらの端面の設計が円錐状ではなく平坦であるということである。

ＤＥ９，３２０，７１０Ｕ１は、ドローンアーク点火によるスタッド溶接のための、溶接スタッドが釘状の装置を開示している。針先端は、スタッドの接合区域を表している。それは、外部に対して電気的に分離されて不釣合いに大きな釘頭部で終端する長いスタッドシャンクへフランジなしに直接移行するものである。この頭部は円板状であり、スタッドシャンクに面する側で電気的に分離することができる。これらのスタッドは、制振又は断熱マットを薄い板金構成要素に固定するために使用することができる。

実用新案特許明細書ＤＥ８，２２０，８２０Ｕ１は、＞１秒という長い溶接時間のドローンアーク点火によるスタッド溶接を使用して鉄筋コンクリート複合構造体に突合せ溶接されるいわゆる頭付きスタッドについて説明している。この頭付きスタッドのシャンク端部は、従来材料の点火チップを備えた鈍い円錐点を有し、これは、アーク開始を容易にし、それを固定するためにチップ内に圧入することができるものである。この点で、この実用新案特許明細書はまた、指導要綱ＤＶＳ０９０２を参照しており、従って、特にアルミニウム球が溶融鋼材料に対して脱酸素効果を有するという利点と共に、同様にアルミニウム球を鋼スタッド内に圧入することを開示するものである。

出願公報ＤＥ１９９２２６７９Ａ１は、点火チップを備えたスタッドを使用するショートサイクルアーク溶接のための２段階方法について説明している。第１段階においては、チップ点火によるスタッド溶接の方式で工程が進められるが、スタッドを定位置に溶接する目的ではない。その代わりに、この段階は、深絞り剤の接合区域の影響を受けた構成要素の表面を清掃し、表面コーティングを蒸発させることを意図している。この工程においては、構成要素の表面は、部分的に僅かな程度だけ溶融される。実際の溶接工程は、次に、この工程の第２段階において約１秒後に起こり、この第２段階は、ドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接の方式で行われる。ここでもまた、第１の工程段階で生じるかなりの騒音は不利である。

ＤＥ１９５２４４９０Ａ１により、スタッドを被加工物に溶接するための付加的な多段階方法が公知である。しかし、この方法は、通常の溶接スタッドを使用するものである。
ＤＥ１９９２５６２８Ａ１により、清掃段階を有する別のドローンアーク点火溶接法が公知であり、スタッドによる溶接が後に行われる場所からアルミニウム表面上のコーティングが除去されるように、磁気アーク偏向を使用してアークとその形状に影響を及ぼすものである。
被加工物に部材を溶接するための別の方法は、ドローンアーク点火による方法とチップ点火による方法とを開示するＤＥ１９９２７３７１Ｃ２に開示されている。この文書は、様々に設計された端面を有するいくつかのスタッドを更に開示しているが、どの形式のスタッドがどの方法に対して特に有用であるかを詳細に示していない。

ＤＥ−ＯＳ２，２２７，３８４ ＤＥ−ＯＳ２，７３９，８６７ ＤＥ８，０１７，９２０Ｕ１ ＤＥ９，３２０，７１０Ｕ１ ＤＥ８，２２０，８２０Ｕ１ ＤＥ１９９２２６７９Ａ１ ＤＥ１９５２４４９０Ａ１ ＤＥ１９９２５６２８Ａ１ ＤＥ１９９２７３７１Ｃ２ ドイツ溶接協会指導要綱ＤＶＳ０９０２ ドイツ溶接協会指導要綱ＤＶＳ０９０３ 欧州標準規格「ｐｒＥＮ ＩＳＯ １３９１８」

上述の背景技術に鑑みて、本発明の目的は、鋼スタッドを鋼板に溶接することができ、特にアルミニウムスタッドをアルミニウム板に溶接することもでき、同時にまた、適用可能な場合には、接合面の効率的な清掃を行うことも可能にするスタッド溶接の方法を明確にすることである。
本発明の更に別の目的は、このような方法のためのスタッド、このようなスタッドを製造する方法、また、スタッド溶接工程に対するこのようなスタッドの使用を明確にすることである。

この目的は、スタッドが被加工物、より具体的には１枚の板金に溶接されるドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接の方法によって達成され、本方法は、
ａ）被加工物の溶接面に溶接される端面を有し、端面の中央に明確な突起が形成されたスタッドを準備する段階と、
ｂ）溶接面上に突起を配置してパイロット電流を給電する段階と、
ｃ）溶接面からスタッドを持ち上げ、それによってアークを引き出す段階と、
ｄ）端面と溶接面とが溶融し始める方法で、アークを通って流れる溶接電流を確立する段階と、
ｅ）溶接スタッドを溶接面上に降下させて、端面及び溶接面における溶融物を混合させる段階と、
ｆ）溶融物全体が固化してスタッドが被加工物に一体化する方法で接合するように溶接電流を切る段階と、
を含むものである。

上述の目的は、更に、スタッドが被加工物、より具体的には１枚の板金に溶接されるドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接のためのスタッドによって達成され、スタッドは、該スタッドが被加工物の溶接面に溶接される端面を有し、明確な突起が端面の中央に形成され、この突起は、スタッドとの一体成形（単体）として設計される。
更に、上述の目的は、そのようなスタッドを製造する方法によって達成され、突起は、スタッドの一体部分として形成され、突起寸法に対する許容範囲は、±０．１ｍｍよりも大きい。
最後に、上述の目的は、本発明によるドローンアーク点火を用いるショートサイクルアーク溶接のためのこのようなスタッドの使用によって達成される。

本発明の方法においては、簡潔に説明すると、接触チップの方式の明確な突起を有するスタッドと組合せてドローンアーク点火によるスタッド溶接が使用される。本方法は、特に、端面及び／又は溶接面が工程中に清掃される場合に、アークの発生において決定的な利点を達成する。
従って、本発明の方法は、自動車産業における使用に特に適するものである。
本発明によるドローンアーク点火スタッドは、その明確な一体的突起において従来のドローンアーク点火スタッドとは異なっている。この突起は、従って、酸化特性を改善するための異なる材料の圧入集合体ではない。

本発明による製造方法においては、許容範囲を非常に穏やかにすることができる点が特に有利である。スタッド上の明確な突起は一体部分として形成され、それに対する許容範囲は、特にチップ点火スタッドが正確かつ再現可能なアーク点火を達成するのに必要とされる許容範囲と比べて比較的大きいものである。
更に、ドローンアーク点火スタッド上の接触点又は突起を使用することの利点は、同様な突起がチップ点火スタッド上に存在するという事実にも関わらず、これまで決して認識されることがなかったので、本発明による使用は特に重要である。
実際の溶接段階ｄ）は、ここでは用途に応じて直流電流又は交流電流で行うことができる。
すなわち、目的は完全に達成される。

溶接スタッドを持ち上げた後かつ溶接電流の確立の前に、潤滑剤、ワックス、又は亜鉛などのような汚染物質及び／又はコーティングを溶接面及び／又は端面から清掃するように意図された清掃段階において清掃電流が最初に確立される場合には、それは特に有利である。
本発明によるドローンアーク点火によるスタッド溶接工程の一部として清掃段階を行う際に、明確な突起の結果として、スタッドが平坦又は一般的に僅かに円錐状の端面を有する場合と比較して、清掃段階において使用されるアークが接合軸線に対してかなりより同心的に生じることは特に有利である。
更に、アークに対して磁気的に影響を及ぼすためのコイルの使用は不要である。その結果、溶接ヘッドを遥かに細く作ることができる。付加的な干渉エッジが回避され、溶接工具のアクセス性も損なわれることはない。
全体として、非磁性的原因によるアークブローの防止に大きく貢献するものである。

明確な突起を設けることは、冷間成形による溶接スタッドの製造中に端面のすぐ近傍から明確な突起の近傍内に潤滑剤を移動させることを可能にする。点火チップを備えたスタッドの場合とは異なり、ここでの潤滑剤は、接触チップの幾何学形状に何ら悪影響を及ぼさない。その結果、これは、スタッドの製造コストを増大せず、また、溶接スタッドの端面の清浄かつ妥当な形成に役立つものである。
従来のスタッドにおいては、スタッド製造中の冷間成形工程における潤滑に対して必要とされる最少量のオイルは、冷間成形工具の端面領域に集まり、従って、結果として円錐形よりもドーム状になりがちなスタッド端面が形成される。これは、アークをスタッド軸線から外れた位置で点火させてそこに維持させ、従って、磁気が原因ではないアークに対するブロー効果を引き起こす可能性がある。

本発明の方法の清掃段階中に、端面上の突起は、清掃電流が溶接電流よりもかなり小さい場合でさえも一般的に完全に溶融される。これは、突起が実際の溶接段階後に被加工物の背面上に痕跡を残さないという結果を達成する。
一般的に、清掃電流は、溶接電流よりも小さいか、等しいか、又は大きいとすることができる。
明確な突起により、清掃段階中のアークは、常にスタッド端面の中央で発生し、端面と、被加工物上の隣接区域ではなく関連する溶接面とが清掃されることを保証する。このようにして、清掃アークが非対称的になって不都合な溶接結果、特に、一方向への曲げ強度がブロー効果によって鋭く低減する場合の結果が生じるという状況を全体的に回避することができる。

清掃段階を有する本発明による方法は、清掃されていない被加工物表面上にスタッドを溶接する必要がある場合が一般的な自動車産業における使用に特に適している。更に、清掃段階は、アルミニウム構成要素を用いたスタッド溶接に対して特に重要である。今日の自動車産業においては、ボディー・イン・ホワイトにおける工程の前に、先行する深絞り段階からの残留物がアルミニウム構成要素から取り除かれる。これは、一般的に酸洗い及び表面不活性化工程の組合せである洗浄工程において行われる。洗浄工程の目的は、いくつかの次の工程に対する適切かつ一定の境界条件を提供することである。これらの工程には、ショートサイクルドローンアークスタッド溶接が含まれる。洗浄工程は、非常にコスト集約的である。この理由のために、板金が「生産ライン上」で自動的に表面処理されて乾燥潤滑剤又はワックスの非常に薄い均等な層（＜１μｍ厚）で湿潤されるアルミニウム板製造にこの洗浄工程を適用するための努力が行われている。これらの乾燥潤滑剤は、自動車車体製造における冷間成形後に使用される大部分の工程に悪影響を及ぼさない。従来技術によるショートサイクルアーク溶接に対しては、この前処理は、最終的には増大した多孔質の形態で識別可能な接合品質の低下をもたらすものである。

被加工物及びスタッドの表面から望ましくない湿潤剤及びコーティングを清掃するために清掃段階が実行される。この段階は、スタッドに明確な突起を設ける段階と共に、従来技術で常には可能ではなかった接合区域周りの同心的清掃が常に達成されるという結果をもたらすものである。
ここで、これらの全てが高周波電圧（コンデンサ放電時に電圧のピークがある）又は高電圧なしに行うことができることに注意すべきである。一般的に、ドローンアーク点火による本発明のスタッド溶接における溶接電流は、＜２０００アンペアの範囲である。
更に、公称では円錐形端面のむしろドーム状の成形は、清掃段階において不均一なアーク形成の原因をもたらす可能性があるが、それが回避される。

特に好ましい実施形態によれば、清掃段階は、パイロット電流でのアーク電圧が第１の所定の閾値を超えた状態で実行される。
簡潔に説明すると、一般的に電気的に絶縁性である汚染物質又はコーティングが大きいか又は厚いほど、アーク電圧は大きい。その理由は、所定の溶接電流に対して、電圧は電気抵抗に比例するからである。
その結果、汚染物質／コーティングの厚さがある一定の閾値を超えた場合に、清掃段階が実行される。これに反して、何の汚染物質も存在しない場合には、これは低いアーク電圧として現れるが、清掃段階は省略することができる。

別の好ましい実施形態によれば、清掃段階は、選択された清掃電流でのアーク電圧が第２の所定の閾値よりも低下した時に終了される。
これは、清掃段階を実際に必要な長さの時間に亘ってのみ実行すればよいという利点を有する。
しかし、代替的に、好ましくは事前に選択することができる固定された期間内に清掃段階を実行することも可能である。
更に、清掃電流は、交流電流として選択されることが好ましい。

この関連において、高周波干渉が発生しないように、低周波数（＜２００Ｈｚ）の交流電流が選択される。しかし、清掃電流の交番する極性は、清掃効果が清掃される両表面（端面及び溶接面）に対して等しく向けられるという利点を有する。清掃段階は、極性に応じて端面又は溶接面により大きな程度で作用すると判断されている。交流電流により、両表面は最適に清掃される。
この関連において、清掃段階中に清掃電流の極性が２回から１０回までの範囲で反転される場合に、それは特に有利である。
これは、制御技術の点で実施が容易であり、総じて非常に良好な清掃結果をもたらすものである。

別の好ましい実施形態によれば、清掃段階中の負荷サイクルは、端面及び溶接面が清掃される程度に応じて調節される。
例えば溶接面が一般的に端面よりも多くの清掃を必要とするある一定の用途で見出される事例においては、負荷サイクルは、清掃電流がより多くの清掃を必要とする表面に対してより有効である極性により長く維持されるように設定することができる。

別の実施形態によれば、交流電流の対称性は、端面及び溶接面が清掃される程度に応じて清掃段階中にゼロ線に対して設定される。
このようにして、特に表面の一方の清掃の強調という上述の実施形態と同様な効果を達成することができる。２つの手段を互いに組み合わせてもよいことは言うまでもない。
既に上述のように、被加工物及びスタッドがアルミニウム合金で作られることは特に有利である。

本発明の利点は、特にアルミニウムを用いたスタッド溶接において特に明白である。また、溶接結果が悪化する危険性なしに特に薄い被加工物を使用することも可能である。
しかし、本発明による方法は、被加工物及びスタッドが鋼で作られている場合にも有利に使用することができる。
本発明によるスタッドに関しては、突起が端面を超えて０．１から１ｍｍだけ、より具体的には０．３から０．６ｍｍだけ突出することが特に有利である。
この寸法は、典型的に使用される清掃電流を用いる場合に、清掃段階及び／又は溶接段階中に突起が完全に溶融することを保証することが可能であるという点で有利である。

この目的のためには、突起が０．１から２ｍｍの直径、より具体的には０．３から１．２ｍｍの範囲の直径を有することが更に好ましい。
これに関連して、突起にその自由端に向けてテーパが付けられることも有利である。
これは、アークが点火される時にスタッド軸線の中心への更に強い集中を促進するものである。

これに関連して、突起が、端面の領域において０．１から２ｍｍの範囲、より具体的には０．３から１．５ｍｍの範囲、特に好ましくは０．８から１．２ｍｍの範囲の直径を有することが有利である。
これに関連して、突起が、その自由端の領域において０．１から２ｍｍの範囲、より具体的には０．２から１．２ｍｍの範囲、特に好ましくは０．３から０．６ｍｍの範囲の直径を有することも有利である。
上述の特徴及び以下に説明する特徴は、説明する特定の組合せにおいてのみ使用される必要はなく、本発明の範囲から逸脱することなく他の組合せ又は単独で使用してもよいことは言うまでもない。
本発明の例示的実施形態を図面に示し、以下の説明において詳しく説明する。

図１には、本発明によるスタッド溶接法を実行するためのスタッド溶接システムが全体的に１０としてラベル付けされている。
スタッド溶接システム１０は、ロボット（多関節ロボット）１６上のキャリッジ１４によって担持されたそれ自体公知の設計の溶接ヘッド１２を有する。
キャリッジ１４上の溶接ヘッド１２の移動方向は、１８としてラベル付けされている。
移動方向１８は、アルミニウムスタッドが溶接されるアルミニウム板の形態を有する被加工物２０の表面に対して垂直に延びる。

制御／供給ユニット２２が、被加工物２０と溶接ヘッド１２に接続される。制御／供給ユニット２２は、直流モード又は代替的実施形態では同じく交流モードで最高２０００アンペアまでの溶接電流を給電することができる電源２４（例えば、スイッチング電源）を有する。
電源２４は、第１の線２５ａにより溶接ヘッド１２と、図１には詳細に示されていないが溶接ヘッド１２上に保持されたスタッドとに接続される。
電源の第２の線２６ｂ（例えば、直流の場合は接地線）は、被加工物２０に接続される。
スタッドは、線２６を通じて溶接ヘッド１２に自動的に供給される。
更に、制御／供給ユニット２２は、不活性ガス線２８を通じて不活性ガスを付加的に供給する。

溶接工程の電気的パラメータ、例えばアーク電圧を測定するために測定線３０が設けられる。
スタッド溶接システム１０は、一般的に、ドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接の方法に従って作動する。
スタッド溶接システム１０においては、図２に示すようなスタッド４０が被加工物２０に溶接される。

図２に示すスタッド４０は、アルミニウムスタッド（又は、アルミニウム合金で作られたスタッド）であり、それ自体従来的な円筒形シャンク４２と周囲フランジ４４の方式である。
スタッド４０は、端面４６において被加工物２０に溶接される。端面４６は、一般的に円錐状にテーパが付けられ、その円錐角度αは、１８０°よりも小さく１６５°よりも大きい（指導要綱ＤＶＳ０９０２も参照されたい）。

端面４６の中央には、円錐状にテーパを付した明確な突起４８が形成される。
直径約８ｍｍのシャンク４２の場合、突起４８は、約０．６ｍｍの長さＬを有する。
端面４６近くにおける突起４８の直径Ｄ１は約０．６ｍｍである。その自由端近くにおける突起４８の直径Ｄ２は約０．３ｍｍである。
本発明によるスタッド４０においては、突起４８は、回転対称に設計される。
しかし、突起４８の横断面は多角形とすることができ、従って、例えば、三角形、四角形、又は更に放物形から円錐形とすることができる。

図３は、全体的に６０としてラベル付けされている本発明によるスタッド溶接法の好ましい実施形態の流れ図を示している。
スタッド溶接法６０は、開始段階６２に続いて、被加工物２０の溶接面に溶接される時に用いる端面４６を有するスタッド４０を供給する第１の段階６４を有し、端面４６の中央には、明確な突起４８が形成されている。
この段階において、スタッド４０は、例えばそれ自体公知の方法で溶接ヘッド１２のホルダ内に収容される。更に、段階６４において、ロボット１６とキャリッジ１４は、溶接ヘッド１２が、その移動軸線１８が被加工物２０に対してほぼ垂直である開始位置に置かれるように移動される。

次の段階６６において、スタッド４０の突起４８は、キャリッジ１４又は溶接ヘッド１２内に設けられたストローク装置（例えば、リニアモータ）により、表面上つまり被加工物２０の溶接面上に置かれる。これに加えて、段階６６においては、次にパイロット電流が給電される。
次の段階６８において、スタッド４０が被加工物２０から持ち上げられ（例えばリニアモータにより）、この工程で、流れているパイロット電流の結果としてドローンアーク法に従いアークが引き出される。

段階６４、６６、及び６８は、図４の線図８０にも示されている。図４は、スタッド４０と被加工物２０の間に流れる電流Ｉ、アーク電圧Ｖ、及び被加工物２０に対するスタッド４０の移動Ｓを時間の関数として示している。
パイロット電流相Ｐの開始時に、電流Ｉはパイロット電流値まで上昇され、その後スタッドが最初に第１のレベルまで持ち上げられる。図４の図においては、第１の閾値Ｔ₁よりも大きいアーク電圧Ｖがこの時点で確立される。

図３の段階７０において、アーク電圧Ｖが測定され、それが閾値Ｔ₁よりも大きい場合には、パイロット電流が給電されて清掃段階７６が実行される。清掃段階は、図４において「Ｃ」（クリーンフラッシュ法を表す）としてラベル付けされている。
アーク電圧Ｖが第１の閾値Ｔ₁を超えた場合、これは、端面４６及び／又は被加工物２０の溶接面上の汚染が実際の溶接段階の前に清掃段階７６を実行する必要があるほど大きいことを表している。
清掃段階７６において、電流Ｉは、清掃電流まで上昇される。これに加えて、スタッド４０は、被加工物２０の表面から更に持ち上げられる。

パイロット電流の結果パイロット相Ｐで引き出されたアークは、明確な突起４８のためにスタッド４０の軸線と同心的に整列する。アークは、清掃相Ｃの間も同心的に保たれ、この清掃相Ｃ中の電流は、明確な突起４８が部分的又は完全に溶融されるのに十分なほど大きい。しかし、構成要素の表面（すなわち、端面４６及び被加工物２０の溶接面）は、この工程では溶融されないか又は僅かに溶融されるに過ぎない。その代わり、相Ｃにおける清掃電流により、端面４６及び溶接面上の汚染物質又はコーティングが除去され、その後の溶接工程のために理想的な条件を作り出している。明確な突起のために、アークは、この工程においては常に軸線と同心的であり続ける。

清掃相Ｃ中に、アーク電圧Ｖは徐々に低下する。図３の段階７８において、アーク電圧Ｖが第２の閾値Ｔ₂よりも低下したか否かが判断される。第２の閾値Ｔ₂は、一般的に第１の閾値Ｔ₁よりも大きい。
清掃相Ｃ中にアーク電圧Ｖが第２の閾値Ｔ₂よりも低下した場合は（図３の段階７８におけるＪ（イエスを表す））、清掃相Ｃが終了する。次に、従来の溶接段階Ｗが実行される（図３の段階７２）。この工程において、電流Ｉは、最初に溶接電流までかなり大きく増大される。これによって端面４６及び溶接面が溶融し始める。しかし、代替的に、清掃電流が実際の溶接電流よりも大きいこともあり、その場合、電流は溶接電流まで低下される。事前に溶接相Ｗの開始時に、スタッド４０と被加工物２０の間の距離Ｓが再び低減される。
次に、溶接スタッド４０は、溶接スタッド４０のフランジ部分４４が基本的に被加工物２０の表面上に載るように、溶接相Ｗ（Ｗは溶接を表す）中に降下される。その結果、図４の図におけるスタッドの移動Ｓもゼロ点と交差する（スタッドは、言わば被加工物内に沈み込む）。次に、工程は終了する（段階７４）。

図５の線図８２は、パイロット相Ｐ中にパイロット電流Ｉが給電されている状態でアーク電圧Ｖが第１の閾値Ｔ₁よりも低い場合を示している。この場合（図３の段階７０におけるＮ）は、清掃相は実行されず、パイロット相Ｐが溶接相Ｗへと直ちに移行する（図３の段階７２）。
図６は、本発明による溶接方法の代替的実施形態を図式８４に示している。
本発明による溶接方法の変形では、清掃相Ｃ’において清掃電流Ｉが交流電流として印加され、清掃電流Ｉの極性は、この相の間に約４回変わる。

線図８４に示すように、溶接電流Ｉのゼロ線Ｎに対する対称性Ｓｙは、負の清掃電流よりもかなり大きな正の清掃電流が印加されるように上方へ変位される。この対称性Ｓｙは、好ましくは調節可能であり、すなわち、特定の溶接用途に対する所定の境界条件に応じて調節可能である。
これに加えて（又は代替的に）、清掃相Ｃ’中における交流電流Ｉの負荷サイクルＴもこれらの境界条件に応じて調節することができる。
溶接相中に直流電流の代わりに交流電流を印加することができることは勿論であり、これによってより良い溶接結果がもたらされる。

図７は、実際の溶接工程の前に清掃工程Ｃが実行されたいくつかの溶接スタッド４０の写真９０を示している。
清掃段階Ｃの結果、同心的な清掃効果が得られたことが分る。恐らくは不均一なコーティングにも関わらず、スタッド４０が明確な突起４８を備えているという事実により、ここでは全てのブロー効果が抑制されている。全体的に、これは、スタッド軸線と同心の円形清掃区域のより均一な形成をもたらしている。
その結果、溶接区域の適切な同心的清掃が存在する時には、最適な溶接結果を達成することができる。

図８は、そのような明確な突起を備えていない溶接スタッドのいくつかの端面１０２を図７と同様な図１００に示すものである。ここでは、恐らくは表面がドーム状である結果、アークは、常にはスタッド軸線と同心的に形成されていない。その結果、清掃結果は、スタッド軸線と常に同心的であるとは限らない。
写真１００のスタッドを清掃する際に下記の清掃パラメータが使用された。
ｉ．２００アンペアの負電流の５ミリ秒間の印加。次に、２００アンペアの正電流の３０ミリ秒間の印加があり、工程全体は、端面と溶接面の間の３ｍｍの距離で行われた。

このような偏心清掃作用が後続の溶接工程の品質に与える影響は明瞭である。
これに反して、これらの欠点は、本発明による方法と本発明によるスタッド４０が使用される場合には完全に回避することができる。
これに関連して、アークをスタッド軸線周りに対称にするために、溶接ヘッド１２上に磁気的アーク偏向の手段を設ける必要はない。その結果、溶接ヘッド１２の前方端部は、干渉形状がほとんどなく細く作ることができる。

本発明による方法を実行するためのスタッド溶接システムの概略図である。 本発明による溶接工程で使用するための本発明によるスタッドの概略側面図である。 本発明による方法の実施形態の流れ図である。 本発明による溶接方法の好ましい実施形態を示すための時間によるアーク電流、アーク電圧、及びスタッド移動の図である。 清掃段階を省略した図４と同様の図である。 清掃段階中に交流電流が印加された、時間によるスタッド移動及び溶接電流を示す図４と同様の図である。 本発明の方法によって清掃されたアルミニウムスタッドの端面の図である。 従来技術により製造されて清掃されたアルミニウムスタッドの図７と同様の図である。

符号の説明

１０ スタッド溶接システム
１２ 溶接ヘッド
１４ キャリッジ
１６ 多関節ロボット
１８ 移動方向
２０ 被加工物
２２ 制御／供給ユニット
２４ 電源

Claims (5)

1. スタッド（４０）が被加工物（２０）に溶接されるドローンアーク点火によるショートサイクルアーク溶接のための方法（６０）であって、
   ａ）被加工物（２０）の溶接面に溶接される時に用いる端面（４６）を有し、端面（４６）の中央に明確な突起（４８）が形成されたスタッド（４０）を準備する段階（６４）と、
   ｂ）前記溶接面上に突起（４８）を配置して（６６）、パイロット電流（Ｉ_P）を給電する段階と、
   ｃ）前記溶接面からスタッド（４０）を持ち上げ（６８）、それによってアークを引き出す段階と、
   ｄ）前記スタッド（４０）と前記加工物（２０）との間に印加される電圧（Ｖ）を測定し、該電圧（Ｖ）が、該スタッドの端面（４６）及び前記加工物の溶接面の少なくとも一方が清掃を必要とする程度に汚染されていることを示す第１の所定の閾値（Ｔ ₁ ）を超えたとき（７０）、溶接スタッド（４０）を持ち上げた後の清掃相（Ｃ）である清掃段階（７６）において清掃電流（Ｉｃ）を生成する段階と、
   ｅ）前記電圧（Ｖ）が、前記第１の所定の閾値（Ｔ ₁ ）とは異なる第２の所定の閾値（Ｔ ₂ ）以下に低下したとき（７８）、前記清掃相を終了する段階と、
   ｆ）前記清掃相を終了した後に、前記端面（４６）と前記溶接面とが溶融し始めるように、前記アークを通って流れる溶接電流（Ｉ_W）を確立する段階（７２）と、
   ｇ）溶接スタッド（４０）を前記溶接面上に降下させて（７２）、前記端面（４６）及び該溶接面における溶融物を混合させる段階と、
   ｈ）前記溶融物全体が固化してスタッド（４０）が前記被加工物（２０）に接合するように、溶接電流（Ｉ_W）を切る段階（７２）と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記清掃電流（Ｉ_C）が、汚染物質を前記溶接面及び／又は端面（４６）から取り除くことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 清掃電流（Ｉ_C）は、交流電流として選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 清掃電流（Ｉ_C）の極性は、清掃段階（７６）中に２回から１０回の範囲で反転されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 被加工物（２０）及びスタッド（４０）は、アルミニウム合金で作られることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。

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