JP5461399B2 - 第２の加工片の方向に第１の加工片を複数段階前進させてアークを発生させる短時間スタッド接合法 - Google Patents

Description

本発明は、
ａ）端面と接合表面との間にアークを発生させて、端面及び／又は接合表面を溶融させ始めるステップと、
ｂ）第１の加工片を第２の加工片上に降下させ、接合電流を切り、その結果、溶融物が冷め、堅固に接合された接続が第１の加工片と第２の加工片との間に得られるステップと
により、例えばスタッドのような第１の加工片が例えば金属板のような第２の加工片の接合表面上にその端面で接合される熱的短時間スタッド接合法に関する。

短時間スタッド溶接法は、一般的には、例えば、ＤＥ １０ ２００４ ０６２ ３７６ Ａ１により知られている。
加工片上、特に金属板上へのスタッドの溶接は、スタッド溶接と言われている。持ち上げ点火による方法と、先端点火による方法との間には区別が付けられている。

図５に示される、持ち上げ点火によるスタッド溶接において、第１の加工片１０は、第２の加工片１２上に置かれる。次いで、溶接前電流時間ｔ_vの間、パイロット電流Ｉ_pが通される。次いで、第１の加工片１０が、第２の加工片１２から引き上げられ、パイロット・アーク１８が、第１の加工片の端面１４と第２の加工片１２の接合表面１６との間に生成される。パイロット・アークの発生が、第１の加工片１０と第２の加工片１２との間にパイロット・アーク電圧Ｕ_pを生成する。
その後、溶接時間ｔ_sにおいて、パイロット電流Ｉ_pより遥かに高い溶接電流Ｉ_sが通される。端面１４及び接合表面１６が溶融し始め、正確に言えば、溶接アーク２０のために溶融し始める。

次いで、第１の加工片１０が、第２の加工片１２の方向に前進させられ、正確に言えば、規定された力及び／又は変位制御によって前進させられ、その結果、アークが消される。溶接電圧Ｕ_sがゼロになり、溶接電流Ｉ_sが切られる。第１の加工片と第２の加工片との間の溶融物全体が凝固し、その結果、第１の加工片１０は、第２の加工片１２に堅固に接続される。
図５では、最終ステップにおいて、第１の加工片が初期のゼロ位置より下に降下させられて、（Ｓ_dによって示される）良好な接合効果を実現することが分かる。

持ち上げ点火又は生成されるアークによるこのタイプのスタッド溶接は、例えば、自動車業界における自動生産設備において大規模に世界中で用いられている。このようにして、溶接させられたスタッド（又は他の第１の加工片）は、締結部分、ケーブル等のための車体上のアンカーとして機能する。
この短時間スタッド溶接法は、持続時間が６ミリ秒から１００ミリ秒までの範囲内の短い溶接時間により特徴付けられる。さらに、溶接電流は、２００Ａから１８００Ａまでの範囲内にあるようにすることができる。他方、パイロット電流は、一般的には、一般的に２０Ａあたりである。
２つの加工片間の堅固に接合された接続を実現するこの溶接法は、持続時間が短かいので、この方法を極めて高いサイクル速度で動作させることを可能にする。

説明されたスタッド溶接法は大規模に極めて信頼性をもって用いられるが、改善の必要性があり、特に極めて薄い金属板が用いられるとき、及び／又は異なる材料又は合金が加工片に用いられるときは、改善の必要性がある。
したがって、総括すると、融通性があり、正確に言えば、特に異なる材料、コーティング及び／又は合金が用いられるときも、高いサイクル時間で実現することができる短時間スタッド溶接法に対する必要性がある。

上記の目的は、初めに述べられた短時間スタッド接合法の場合は、ステップａ）とステップｂ）との間において第１の加工片を第２の加工片の方向に少なくとも一度前進させて、アークの中間的短絡を実現し、次いで再度引き上げて、もう一度アークを引き出すことによって実現される。
初めに述べられたように、短時間スタッド接合の溶接動作は、非常に短時間であることが意図されているのであるが、本発明においては、中間の時間に、少なくとも接合アークが短絡される程度まで、第１の加工片を第２の加工片の方向に前進させることが提案される。

この手段は、有利なことに、多くの点で、例えば、接合部内への熱の導入に関して、スタッド接合法を最適化するのに用いることができる。
このスタッドという用語は、本出願においては、「第１の加工片」という用語と同等なものとして用いられ、広義で理解されるべきである。それは、ねじ付きボルト、ピン、ヘッド・ボルト、Ｔボルト、雌ねじを有するピン等を含むことができる。しかしながら、スタッドという用語はまた、スタッド溶接法の方式で金属板のような他の加工片に溶接できる別の形態の加工片、例えば、ナット、端部が溶接された保持プレート等のようなもの、言い換えれば、例えば、円形、楕円形、正方形、矩形、多角形又は管状形態の端面を有する一般的な加工片のようなものを含む、ことも意図されている。好ましくは、電子が離れるのを助長するために、角のある構造を、第１の加工片（スタッド）の端面上に形成する。

「熱的短時間スタッド接合」は、本出願においては、スタッド溶接法、スタッド蝋付け法及びスタッドはんだ付け法の全形態及びそれら組み合わせを意味するものと理解されるように意図されている。はんだ付け又は蝋付けの場合は、はんだ付け剤及び／又は溶剤が、例えば、端面上及び／又は接合表面上といった、加工片の少なくとも１つの上に、またコーティング（亜鉛めっき等）の形態ですでに存在していることが意図されており、その結果、工程中に少なくともはんだ付け剤を供給する必要はない。端面及び／又は接合表面の初期溶融は、その結果として、端面及び／又は接合表面上のはんだ付け剤の初期溶融のことをいうものとなる。
より明瞭な全体像を提示する理由で、以下においては、常に溶接について言及する。しかしながら、この「溶接」という用語もまた、以下の説明では、一般的に接合についての上記の意味で理解されるべきである。

そこで、中間ステップにおいて、溶接電流の量が、この中間ステップより前に用いられた溶接電流より小さい短絡電流に減少させられることは、特に有利である。
このことが、中間段階において溶融浴に冷める可能性を与える。さらに、蒸発金属は逃げることができる。中間段階は、この場合、溶融物が凝固しないくらい短く維持されなければならない。

溶接電流は、アークが依然として生成している間に、すでに減少した状態になることが好ましい。
中間短絡における溶接電流の大きさは、好ましくは、アーク点火のための溶接動作の初めに用いられるパイロット電流より大きい。それにより、信頼性のあるアーク再形成を実現することができる。

中間段階の後で、好ましくは、中間段階の終わりに又はその直後に（＜１ｍｓ）、溶接電流を、アークの発生により再度増加させることができる。
導入される熱が少ないので、接合ゾーン内の溶融浴の温度を比較的低く、例えば、加工片のはんだ付け又は蝋付けも可能なくらい低く維持することが可能になる。

特に異なる材料又はコーティング若しくは合金を有する加工片が用いられるときは、このことが、溶融スパッタを大幅に減少させることを可能にする。
この例としては、腐食防止のためにアルミニウム又は亜鉛でコーティングされた鋼の加工片、また、例えば、合金要素としてマグネシウム及び／又は亜鉛を含有するアルミニウムの加工片がある。

本発明による手法によれば、従来は１８００Ａが用いられていた適用例についても、例えば、７００Ａから１２００Ａまでの値に、溶接電流のレベルを大幅に減少させることが可能である。
このような溶接法は、全体として時間が従来よりも長くかかるが、実現することができるサイクル時間は、これによって影響を受けないか又は大幅には影響を受けないことが見出された。

さらに、この方法の場合には、従来よりさらに薄い加工片、特にさらに薄い金属板上のスタッド溶接接続を実行することが可能である。
さらに好ましい実施形態によれば、溶接電流は、直流として与えられる。

この実施形態の場合には、溶接電流は、中間段階の後も、前と同じ極性を有する。
特に、例えば、厚さが０．４ｍｍから０．７ｍｍまでの鋼板といった、比較的薄い第２の加工片が用いられるときは常に、このような直流の使用が好ましい。これは、第２の加工片に点状の溶接穴が形成されるのを、この方法により確実に防止することができるからである。この場合には、第１の加工片（スタッド）が負極性を有するように極性を選択することが好ましい。

代替的な実施形態の場合には、溶接電流は、交番極性の交流として与えられる。
特に（例えば、０．７ｍｍの壁厚以上の）比較的厚い第２の加工片の場合には、第２の加工片は、結果として、単にヒートシンクとしてだけではないものとして扱うことができる。むしろ、それは、溶融物の凝固を回避するために、積極的に加熱されるようにすることもできる。同様な状況は、アルミニウムのより厚い加工片に当てはまる。

この場合には、溶接電流の極性の変化が中間段階中に行われるようにすることが、特に好ましい。
このような短絡段階が、信頼性をもって極性の変化を実行する最良の時点をもたらす。

従来の方法では、加工片が互いに離れている状態で、極性の変化の場合のアークの再点火を、いわばアイドル中であるような状態で行わなければならなかったが、上述の方法では、要求される電圧を、従来の方法の場合より遥かに低くすることができる。
全体的にみて、溶接電流の量は、溶接動作の終わり近くより溶接動作の初めにおいて高く設定することが、同様に好ましい。

このようにすると、特に溶接動作の初めにおいて、溶融物の凝固を防止でき、接合部内への熱の導入を減少させることができる。
さらに好ましい実施形態によれば、溶接動作の初めにおけるアーク発生持続時間は、溶接動作の終わり近くより長く設定される。

このようにすると、溶接動作の終わり近くより溶接動作の初期段階において導入される熱が比較的大きくなり、溶接動作の初めに、特により迅速な初期溶融を可能にするか、又は溶融物の凝固を防止するという効果を実現することも可能である。
接合電流が接合動作の少なくとも第１の接合段階中には少なくとも２つのパルスからなるようにすることは、さらに好ましい。

接合動作の第１の接合段階中には、接合電流は、次に続く接合段階と比較して最大のエネルギーを供給する必要がある。第１の接合段階中の接合電流は、加工片の溶融温度まで溶接ゾーン内部の表面を加熱する必要がある。さらに、接合電流は、かなりの量までこれらの表面を溶融させる必要がある。過熱を生じるスパッタの危険性を回避するためにも、接合段階中の接合電流を少なくとも２つのパルスに分けることによって、熱の発生を遅くすることが好ましい。
これらの少なくとも２つのパルスは、各々の接合段階内で、同じ極性を有する。２つのパルスの供給は、それぞれの接合段階中に少なくとも一度は接合電流を減少させるものと理解されるべきである。

第１の接合段階において少なくとも２つのパルスからなる接合電流を供給することは、特に好ましいが、次に続く接合段階の少なくとも１つにおける接合電流を、少なくとも２つのパルスの形態で供給することも可能である。
さらに好ましい実施形態では、第１の加工片が、ステップａ）とステップｂ）との間において第２の加工片の方向に少なくとも二度前進させられて、いずれの場合にも、アークの中間短絡を実現し、次いで、いずれの場合にも、再度引き上げられて、もう一度アークを生成するようにしている。

この実施形態の場合には、熱の導入は、一層目的に叶った形で制御し、低く維持することができる。このことは、結果として、第１の加工片（スタッド）が振動運動を行うスタッド溶接法を提供することになる。
この場合には、中間短絡の時間が溶接動作の終わりの方より溶接動作の初めに短く設定されることが特に有利である。

このようにして、溶接動作の初めにおける溶融物の凝固が防止されるという効果を実現することも、また可能である。
溶接動作が時間制御された形で少なくとも特定の段階において進行するようにすることも有利である。

このことは、一方では、比較的単純な制御をもたらし、かつ他方では、工程変動に対する影響が比較的小さいものとなる、という効果を達成する。
代替案として、又はこれに加えて、溶接動作がイベント制御された方式で少なくとも特定の段階において進行するようにすることが、有利である。

このことは、例えば、中間ステップの終わりにおける、閉ループ制御法に似た形でのアークの発生といった、イベントへの即時反応を可能にし、そのことが、より信頼性のある行程のシーケンスをもたらす。ここでは、例えば、スタッド溶接プロセスの個々の段階中に特定の値又は変動に電流強度及び／又はスタッド位置を制御することができることは勿論である。
この場合には、アーク電圧の生成及び／又は短絡が溶接動作を制御するためのイベントとして用いられるようにすることが、特に有利である。

２つの加工片の間に生成されたアーク電圧は、比較的容易に測定することができる。さらに、アークの消去又は発生の各々は、溶接動作の特定のサブプロセスの開始であり、したがって、これは、最適に制御することができる。
さらに好ましい実施形態によれば、溶接動作は、シーケンス制御方式で少なくとも特定の段階において進行する。

このことは、他のステップが完了したときにのみ、溶接の特定の段階が開始されることを意味する。
例えば、溶接電流が十分に降下されたときにのみ、中間段階の終わりにおけるスタッドの引き上げが実行されることになる。

本発明によるスタッド溶接法は、好ましくは、時間、イベント及びシーケンス制御された方法として進行し、このようにして、全体として溶接プロセスの最適化を可能にすることは勿論である。
溶接電流が通電されてから所定の時間の後に、第１の加工片を第２の加工片の方向に前進させることによって、中間ステップが開始されるようにすることが特に好ましい。

このことは、それぞれの溶接電流段階が一時的に規定される形態で行われることを可能にする。
さらに好ましい実施形態によれば、溶接電流が通電されてから所定の時間の後に、溶接電流を減少させることによって、中間段階が開始される。

第１の加工片を前進させることと溶接電流を減少させることとが、互いに連携されるか又は同調された形で実行されることが好ましい。それらは、同時に行われる必要はなく、互いに特定の一時的な関係で行われれば良いことは勿論である。
アークの短絡から特定の時間の後に、第１の加工片を再度引き上げることによって、中間段階が終了させられるようにすることも有利である。

溶接電流が所定値に減少させられた後、或いは、溶接電流がの所定値に減少させられてから所定時間の後に、中間段階において再度第１の加工片を引き上げるようにすることも有利である。
１つの実施形態において、溶接電流は、中間段階において、ゼロより大きい値に減少させられる。

しかしながら、好ましい実施形態によれば、アークの中間短絡が実現される前に、接合電流がゼロに減少させられる。
この実施形態によれば、他の加工片の溶融物内に第１の加工片上に形成された接合溶滴を容易に付着させることは可能であり、ここで、この段階中の大きなエネルギー伝達が回避される。従って、接合領域内へのエネルギー伝達は、より効率的な方法で制御することができる。

この実施形態において、第１の加工片が再度引き上げられる前に、接合電流が再度中間電流に高められるようにすることが好ましい。
これにより、中間電流が接合領域を通って流れる状態になり、その後、第１の加工片を引き上げ、これにより再度アークを生成させることが可能になる。

中間電流の絶対値が、接合プロセスが始まるときに確立されるパイロット電流の絶対値と本質的に同一であるようにすることが特に好ましい。
これによって、この電流の絶対値は、接合領域内に過度のエネルギーを伝達することなくアークを生成するのに適したものとなる。

この実施形態において、パイロット電流に基づいてアークが再確立された後に、最大の接合電流が再度通電されるようにすることも好ましい。
アークが再度生成される前に、接合電流が中間段階において特定の最大値より下の値に減少させられるようにすることも好ましい。

このようにすると、スタッドが接合ゾーンから引き上げられるときに新たに生成されるアークに糸状収束部の形態での過剰電流を生じて、収束部の領域内で爆発的な蒸発をもたらすことになる可能性を防止することができる。
（例えば、溶接回路に大きなインダクタンスが存在するため）溶接電流が中間段階中に十分降下していない状態で、制御が再度スタッドを持ち上げる場合には、以下の実施形態を用いることができる。

具体的に言えば、それは、アークがもう一度生成されると直ぐに、その時点で最大値に達していない状態で、溶接段階における接合電流を特定の最大値より下の値に減少させるための適切な手段を用いることを含む。
このことは、極めて短時間でかつ極めて短時間に行うことが好ましい。

この場合には、中間段階において、アークを発生させる電流源が短時間切られることによって、接合電流が最大値より下の値に減少させられるようにすることが、特に好ましい。
結果として、（それがすでに設定されている場合には）インダクタンスによって維持される電流もまた、アークにおける電圧を発生させるために用いられ、その結果、電圧降下の時定数は、（例えば、１０の倍率で）大きく減少させられる。その結果として、アーク電流は、最大値より下の値に急に減少させることができる。

ここでは、電流源は、例えば１ｍｓより小さい、極めて短時間切られているに過ぎないことは勿論である。この時間は、最大値より下の値に溶接電流を減少させるのに十分である。
接合電流の最大値は、好ましくは１５０Ａであり、好ましくは１５０Ａより小さい。

電流が高ければ、上述の収束部における高い電流密度のために、爆発的な蒸発を生じる危険性があり、このことは、大量のスパッタ形成につながる。
第１の加工片が引き上げられることによって中間段階が終了させられ、アーク電圧が特定の閾値より大きくなると何時でも、溶接電流が増加させられるようにすることは、同様に有利である。

従って、再溶接段階のための溶接電流の増加は、アークが再度生成されたときにのみ行われる。
この場合には、溶接電流がアークの発生から所定の時間（例えば、１ｍｓより小さい）後にのみ、再度増加させられるようにすることが好ましい。このことが、接合ゾーン内の過熱を防止することを可能にする。

総体的にみると、第１の加工片上に形成された溶滴を中間段階において第２の加工片の溶融物内に付着させ、第１の加工片が引き上げられるときに、そこに実質的に維持されるように、中間段階を制御することも有利である。
このことは、第１の加工片が第２の加工片から離れている状態のときに、溶滴が該第１の加工片から離れるのを防止することを可能にする。上述の収束部は、過度の加熱に特に敏感であり、結果として、溶接スパッタがここで容易に生じるのであるが、溶接スパッタの発生は、この好ましい実施形態によって大幅に減少する。

この場合には、加工片の相対位置（及び場合によっては、溶接電流の極性）に応じて、溶滴は、第１の加工片から第２の加工片上に、又は逆に、付着させることになる。
好ましい実施形態の場合には、このような溶滴が短絡段階中に加工片から分離されるため、短絡電流は、収束部（フィラメント）における過熱及び爆発的な蒸発を回避するために、できるだけ小さく設定されるべきである。このことは、上記の実施形態により実現することができ、ここで、溶接電流が中間段階において最大値より下の値に降下することを確実にするように注意する。

本発明によるこの方法は、一般的にはより低い溶接電流による溶接を可能にするため、遥かに小さくかつ費用のかからないエネルギー源の使用が可能である。
さらに、本発明による溶接法にクリーンフラッシュ段階として知られているものを組み込むことが可能であることは勿論である。このことは、パイロット・アークを発生させた後でかつ溶接電流を入れる前にクリーニング電流を通電することを含み、蒸発によるこうしたクリーニング又はクリーンフラッシュ・アークの助けを借りて、さび止めコーティングを除去する目的を果たす。加工片間の距離は、多くの場合、ここでは遥かに大きく、例えば３ｍｍまでの値に設定され、クリーニング電流は、一般的には３００Ａより小さい。

さらに、第２の加工片の方向への第１の加工片の前進は、実際の溶接段階中より遥かに小さい電流値が中間段階における短絡の前に行き渡るように、溶接電流の減少と連携されるか又は相関させられるようにすることが、全体的に有利である。
上述した特徴及び以下にさらに記載されることになる特徴は、それぞれ特定の組み合わせばかりでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせにおいて、又はそれら自体においても用いることができることは勿論である。
本発明の例示的な実施形態は、以下の説明においてより詳細に説明され、図面に示される。

本発明による短時間スタッド溶接法の実施形態の概略的なシーケンスを有する図を示す。 本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態の、図１に対応する図を示す。 本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態における種々のイベント及び時間シーケンスを表す、図１に対応する図を示す。 ２つのクリーニング段階が溶接動作に組み込まれる、本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態を表す図を示す。 従来技術による短時間スタッド溶接法の概略的な図を示す。 本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態の、図１に対応する図を示す。 本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態の、図１に対応する図を示す。 本発明による短時間スタッド溶接法の更なる実施形態の、図１に対応する図を示す。

図１は、本発明による短時間スタッド溶接法の実施形態を概略的な形態で示し、２つの加工片間に流れる電流Ｉと、第２の加工片に対する第１の加工片の変位を表す（溶接電流Ｉ及びスタッド変位ｓ）。このシーケンスは、図５に表される方法に基づく。
この方法は、第１の加工片が第２の加工片上に配置された状態に基づく。次いで、パイロット段階Ｐにおいて、例えばおよそ２０Ａといった、比較的小さいパイロット電流Ｉ_pをまず通電する。次いで、第１の加工片を第２の加工片から持ち上げ、その結果として、パイロット・アークを生成する。

パイロット段階の終わりの後に、第１の溶接段階Ｓ１が続き、ここで、アークを通って流れる電流を、例えば約８００Ａの値といった、比較的高い溶接電流Ｉ_sに上昇させる。
従来技術においては、より長い時間、遥かに高い溶接電流を用いたが、本発明によれば、短絡段階Ｋ１は、第２の溶接段階Ｓ２の前の中間段階において行われる。この中間段階において、溶接電流Ｉ_sを減少させ、加工片が接触するか又はアークが短絡されるまで、第１の加工片を第２の加工片の方向に再度降下させる。短絡段階Ｋ１において、遥かに低い溶接電流（短絡電流である）が流れる。従って、第１の加工片上の溶滴は、滴下することなく分離し、第２の加工片の溶融物と結合することができる。接合部内への熱の導入は、大幅に減少させることができる。しかしながら、溶融物が凝固するのを防止しなければならず、その結果、短絡段階Ｋ１は比較的短い。短絡段階Ｋ１は、第１の加工片をより大きな変位まで再度引き上げることによって終了させられる。従って、短絡電流のためにアークが生成されると、電流は、溶接電流Ｉ_sに再度増加させられる。第２の溶接段階Ｓ２は、第１の溶接電解Ｓ１より多少短くすることができる。さらに、溶接電流Ｉ_sは、第２の溶接電流Ｓ２においてある程度小さくすることができる。

第２の溶接段階Ｓ２の後に、第２の短絡段階Ｋ２が続く。第２の短絡段階Ｋ２の後に、第３の溶接段階Ｓ３が続き、この後に、第３の短絡段階Ｋ３が続く。第３の短絡段階Ｋ３の後に、第４かつ最終の溶接段階Ｓ４が続く。
第４の溶接段階Ｓ４の終わりに、第１の加工片は、正確に言えば、力によって及び／又は変位によって制御される方式で、第２の加工片上のゼロ線より下に移動するように戻される。アークが消された状態で、溶接電流Ｉ_sが切られる。従って、接合ゾーン内への熱の導入が終了させられ、溶融物が凝固し、その結果、第１の加工片が、第２の加工片に堅固に締結される。

溶接段階Ｓ及び短絡段階Ｋの長さは、接合ゾーン内への熱の導入が最小にされるように選択されるべきであるが、溶融物の凝固は防止されなければならない。従って、溶接動作の初めにおける熱の導入は、一般的には、（長い方の第１の溶接段階Ｓ１又は短い方の第１の短絡段階Ｋ１の結果として、及び／又は第１の溶接段階Ｓ１における高い方の溶接電流Ｉ_sの結果として）ある程度大きくなる。
短絡段階において溶接電流を減少させることなく本発明によるこの方法を実行することは、一般的には考えられるが、短絡段階における溶接電流の減少は、接合ゾーン内への熱の導入を減少させ、かつ少ないスパッタによって又は少しのスパッタもなしにアークを再点火させることを可能にする重要な特徴である。

図２は、本発明によるスタッド溶接法の代替的な実施形態を示す。全体的なシーケンスは、第１の実施形態におけるものと同一である。しかしながら、図２の実施形態の事例は、溶接電流について直流の代わりに交流が与えられる。
パイロット段階Ｐの後に、第１の溶接段階Ｓ１が続く。第１の溶接段階Ｓ１の後に、第１の短絡段階Ｋ１が続く。第１の短絡段階Ｋ１の間に、極性が変化させられ、その結果、反対の極性を有する第２の溶接段階Ｓ２が行われる。この後に、第２の短絡段階Ｋ２、その後、第３の溶接段階Ｓ３が続き、これは、次には、第１の溶接段階Ｓ１の場合と同じ極性で行われる。

図３は、図１に対応するスタッド溶接法を示し、特定の時間シーケンス及びイベントが、それに加えられている。さらに、これに加えて、アーク電圧が、図３には加えられている。
図３に用いられる表記は、次のように理解されるべきであり、すなわち、変位は往復移動、溶接部電流は溶接電流、アーク電圧はアークの電圧、持ち上げは引き上げ、降下は前進のことである。

図１の実施形態におけるように、パイロット段階Ｐの後に、第１の溶接段階Ｓ１が続く。この場合、溶接電流Ｉ_sは、パイロット段階の終わりの後で、すなわち時間ｔ_pの経過後に、通電されるか又は増加させられ、ここで、ｔ_pの間に、パイロット・アーク電圧の形成、すなわち、パイロット・パルスＰにおけるアークの増大が生じる。溶接電流Ｉ_sに到達すると、時間制御が行われる。特定の時間の後に、第１の加工片を第２の加工片の方向に前進させて、このようにして、第１の短絡段階Ｋ１が開始される。さらに、溶接電流Ｉ_sも減少する。アークが切れる（イベント：短絡）と、短絡段階Ｋ１が始まる。次に、第１の加工片の引き上げが、好ましくは、所定の時間後に行われるが、一般的には、溶接電流（短絡電流）が特定の低い閾値に達するときにのみ行われる。このことが、過剰な電流強度におけるアークの新たな発生を防止することを可能にする。

第１の加工片が再度引き上げられるときに、アークは、特定の時点で点火される（イベント：Ｖ_arc）。溶接電流（短絡電流）は、ここでは依然として比較的低い。しかしながら、その後、溶接電流は、再度増加させられる。第２の溶接段階Ｓ２において、溶接電流Ｉ_sは、第１の溶接段階Ｓ１より値δＩ_sより小さくすることができる。
第２の溶接段階Ｓ２の後に、第２の短絡段階が続く。表されるように、第２の短絡段階は、第１の短絡段階より長くすることができる。さらに、第２の溶接段階Ｓ２は、第１の溶接段階Ｓ１より短くすることができる。

これらのパラメータの変化は、比較的大きい量の熱が溶接動作の初めに接合ゾーン内に導入され、熱の導入が溶接動作の終わりに向かって減少するという効果を実現することができる。
第２の短絡段階Ｓ２の後に、第３の溶接段階Ｓ３が続く（次には、減少した溶接電流Ｉ_sと、場合によっては、さらに短い持続時間で）。第３の溶接段階Ｓ３の終わりに、アーク（イベント：短絡）を消すことによって溶接電流がゼロに減少するまで低下する。さらに、この段階において、第１の加工片が第２の加工片の溶融物に過度に迅速に入り込むのを回避するため、前進速度が減少させられる。

図３において、第１の加工片は、第２の短絡段階Ｋ２において、第１の短絡段階Ｋ１におけるよりも、第２の加工片からある程度より大きな距離を置いて位置決めされることも分かる。この方法の最適化を実現するために、この距離は、溶接段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において徐々に増加させることができる。
図４は、具体的に言えば、交流源を用いる、一般的には図２の実施形態に対応する、本発明によるスタッド溶接法の更なる実施形態を示す。

この場合には、加工片間に比較的大きな距離がある状態で行われるクリーニング段階（クリーンフラッシュ）Ｃ１が、パイロット段階Ｐと第１の溶接段階Ｓ１との間に組み込まれ、このクリーニング段階では、パイロット電流と溶接電流との間の大きさのクリーニング電流が通電される。
このことは、実際の溶接電流が通電される前に、表面コーティング及び汚染が除去されることを可能にする。

幾つかの実施形態の場合は、溶接動作は、極性に依存する。
従って、この方法を最適化するために、第２のクリーニング段階Ｃ２を、第１の短絡段階後の溶接動作に組み込んで、これによって、この方法の最適化を実現することもできる。

図６は、本発明によるこの方法の更なる代替的な実施形態を有する図を示す。溶接段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、上述の溶接段階と実質的に同一である。しかしながら、短絡段階は異なっており、これは、異なる溶接動作内で、或いは１つの溶接動作内においても生じることがある。
第１の短絡段階Ｋ１において、溶接電流Ｉ_sは、スタッドが引き上げられるときにスタッドが爆発的に蒸発する危険を生じる高い電流密度が収束部内に形成されるのを回避するのに十分なほど（例えば、１５０Ａ、特に１２０Ａの最大値Ｉ_Mより下の値に）減少させられていないことが分かる。従って、アークの発生の直前又はアークの生成とともに、溶接電流を生成するための電流を切り、その結果、溶接電流は、急激に（最大値Ｉ_Mより下に）降下することができる。スイッチの切断は、（例えば１ｍｓより小さい）短時間行われるに過ぎない。

図７は、本発明による方法の更なる代替的な実施形態を有する図を示す。溶接段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、上述の溶接段階と実質的に同一である。しかしながら、後述されるように、短絡段階は異なる。
図７の実施形態において、スタッドは、時間ｔ₁において第２の加工片の方向に変位させられる。このことは、典型的には、全溶接電流のもとで行われる。その直後、時間ｔ₂において、溶接電流Ｉは、ゼロに減少させられる。これは、（ｔ₃において）スタッドが第２の加工片に到達し、アークを短絡する前に行われる。

スタッドが再度引き上げられる前に、中間電流が、時間ｔ₄において通電される。中間電流は、（図５に関して説明された）行程の初めに確立されるパイロット電流と同じか、又は同様な絶対値を有する。
中間電流が確立されると、スタッドは、（時間ｔ₅において）再度引き上げられる。アークが（ｔ₆において）再度引き出された後に、電流は、次の溶接段階Ｓを開始するように、全溶接電流に再度切り換えられる。

溶接電流Ｉの極性は、全溶接段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３について同じくすることができる。しかしながら、図７において破線で示されるように、極性は、図２に関して基本的に説明されたとおり切り換えることができる。
図８は、本発明による方法の更なる代替的な実施形態を有する図を示す。この図は、２つの溶接段階Ｓ１、Ｓ２及び図７の短絡段階と本質的に同一の短絡段階Ｋ１を示す。

図８の実施形態において、溶接電流Ｉ_Sは、溶接動作の第１の溶接段階Ｓ１中は、２つのパルスからなる。
換言すれば、溶接電流Ｉ_Sは、第１の溶接段階Ｓ１中一度は減少させられた電流Ｉ_Rに減少させられる。減少させられた電流Ｉ_Rは、溶接電流Ｉ_Sより実質的に小さいが、典型的にはパイロット電流Ｉ_Pより大きい。

電流を減少させられた電流Ｉ_Rにまで減少させ、このようにして、溶接段階Ｓ１中に２つのパルスの溶接電流を形成することによって、熱の発生を遅らせて、スパッタの危険性を減少させる。
第１の溶接段階中に溶接電流を２つ又はそれ以上のパルスから形成することができることを理解するべきである。さらに、溶接電流は、次の溶接段階の１つ又はそれ以上の段階中に２つ又はそれ以上のパルスによって形成することもできる。

本発明の範囲内で用いられる電流源は、オン及びオフ時間のそれぞれのデューティ比（例えば、いずれの場合にも、オフ時間がオン時間より遥かに長い数マイクロ秒、例えば、衝撃係数は、１：１０から１：１００までの範囲内）によって、（例えば、２０ｋＨｚの周波数で）クロック制御された電流源とすることが好ましい。ここで、電流源の切断というときは常に、この時点でオフ時間にある電流源の場合には、次のオン時間のために再度オン切り換えされるべきではないという意味、すなわち、電流源を切られたままにしておくべきであるという意味であることが意図されている。
第２の短絡段階Ｋ２においては、中間段階で溶接電流Ｉ_Sを（依然として短絡段階にありながら、最大値Ｉ_Mより下の値に）十分に減少させることが可能であった。それにもかかわらず、接合ゾーンの過熱を回避するために、溶接電流Ｉ_Sは、アークの発生から所定の時間の後に、通常値に再度増加させられるに過ぎない（例えば、１ｍｓより小さい所定の時間だけ、特におよそ１００μｓ遅らされる）。

１０：第１の加工片
１２：第２の加工片
１４：端面
１６：接合表面
２０：アーク

Claims (28)

1. ａ）端面（１４）で接合されるように構成された第１の加工片（１０）の前記端面（１４）と、前記第１の加工片（１０）が接合される接合表面（１６）を有する第２の加工片（１２）の前記接合表面（１６）との間に接合電流（Ｉ _s ）によるアーク（２０）を発生させて、該端面（１４）及び該接合表面（１６）の一方又は両方を溶融させ始めるステップと、
   ｂ）前記第１の加工片（１０）を前記第２の加工片（１２）上に降下させ、接合電流（Ｉ_s）を切り、その結果、溶融物が冷め、堅固に接合された接続が該第１の加工片と該第２の加工片（１２）との間に得られるようにするステップと、
   を含む、
   第１の加工片（１０）をその端面（１４）において第２の加工片（１２）の接合表面（１６）上に熱的短時間スタッド接合する方法であって、
   ｃ）前記第１の加工片（１０）が、前記ステップａ）と前記ステップｂ）との間の中間段階において前記第２の加工片（１２）の方向に前進させられて、前記アーク（２０）の中間短絡を実現し、次いで再度引き上げられて、再び接合電流（Ｉ _s ）によるアーク（２０）が生成されるようにするステップを少なくとも１つ含み、
   ｄ）前記接合電流（Ｉ _s ）は、前記ステップａ）において前記アーク（２０）により前記第１及び第２の加工片に与えられる熱量が、前記ステップｃ）において与えられる熱量より大きくなるように制御される
   ことを特徴とする方法。
2. 前記接合電流（Ｉ_s）の量が、前記中間段階において減少させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記接合電流（Ｉ_s）は、直流として与えられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記接合電流（Ｉ_s）は、交番極性の交流として与えられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
5. 前記接合電流（Ｉ_s）の極性の変化は、前記中間段階中に行われることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記接合電流（Ｉ_s）の量は、接合動作の初めにおける方が、接合動作の終わりに向かってよりも高く設定されることを特徴とする請求項１−５のうちの１項に記載の方法。
7. 前記アーク（２０）の発生持続時間は、接合動作の初めにおける方が、接合動作の終わりに向かってより長く設定されることを特徴とする請求項１−６のうちの１項に記載の方法。
8. 前記接合電流（Ｉ_s）は、接合動作の少なくとも第１の接合段階（Ｓ１）中は少なくとも２つのパルスからなることを特徴とする請求項１−７のうちの１項に記載の方法。
9. 前記第１の加工片（１０）は、ステップａ）とステップｂ）との間に、前記第２の加工片（１２）の方向に少なくとも二度前進させられ、いずれの場合にも、前記アーク（２０）の中間短絡を実現し、かつ、いずれの場合にも、続いて再度引き上げて、アーク（２０）をもう一度生成させることを特徴とする請求項１−８のうちの１項に記載の方法。
10. 中間短絡の持続時間は、接合動作の初めにおける方が、接合動作の終わりに向かってよりも短く設定されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 接合動作は、時間制御された形態で少なくとも特定の段階において進行することを特徴とする請求項１−１０のうちの１項に記載の方法。
12. 接合動作は、イベント制御された方式で少なくとも特定の段階において進行することを特徴とする請求項１−１１のうちの１項に記載の方法。
13. アーク電圧（Ｕ）の生成及び／又は短絡は、溶接動作を制御するためのイベントとして用いられることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 接合動作は、シーケンス制御方式で少なくとも特定の段階において進行することを特徴とする請求項１−１３のうちの１項に記載の方法。
15. 前記中間段階は、前記第１の加工片（１０）が、前記接合電流（Ｉ_s）の通電から所定の時間の後に、前記第２の加工片の方向に前進させられることによって開始されることを特徴とする請求項１−１４のうちの１項に記載の方法。
16. 前記中間段階は、前記接合電流（Ｉ_s）が、該接合電流（Ｉ_s）の通電から所定の時間の後に、減少させられることによって開始されることを特徴とする請求項１−１５のうちの１項に記載の方法。
17. 前記中間段階は、前記第１の加工片（１０）が、前記アークの短絡から所定の時間の後に、再度引き上げられることによって終了させられることを特徴とする請求項１−１６のうちの１項に記載の方法。
18. 前記接合電流（Ｉ_s）を所定の値に減少させた後、前記第１の加工片（１０）が、前記中間段階において再度引き上げられることを特徴とする請求項１−１７のうちの１項に記載の方法。
19. 前記接合電流（Ｉ_s）は、前記アーク（２０）の中間短絡が実現される前に、ゼロに減少させられることを特徴とする請求項１−１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記接合電流は、前記第１の加工片（１０）が再度引き上げられる前に、中間電流に再度制御されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記中間電流の絶対値は、接合行程が始まるときに確立されるパイロット電流のものと本質的に同一であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記接合電流は、前記中間段階において、前記アーク（２０）がもう一度生成される前に、特定の最大値より下の値に減少させられることを特徴とする請求項１−１８のうちの１項に記載の方法。
23. 前記接合電流は、前記中間段階において、前記アーク（２０）がもう一度生成され、かつ該接合電流がこの時点で特定の最大値より下にまだ下がっていないときに、前記特定の最大値より下の値に減少させられることを特徴とする請求項１−１８のうちの１項に記載の方法。
24. 前記接合電流は、前記中間段階において、短時間切られる前記アークを発生させるための電流源によって前記最大値より下の値に減少させられることを特徴とする請求項２２又は請求項２３に記載の方法。
25. 前記接合電流の前記最大値は、１５０Ａであることを特徴とする請求項２２−２４のうちの１項に記載の方法。
26. 前記中間段階は、前記第１の加工片（１０）が引き上げられることによって終了させられ、前記接合電流（Ｉ_s）は、特定の閾値より大きいアーク電圧（Ｕ）が検知されるときに再度増加させられることを特徴とする請求項１−２５のうちの１項に記載の方法。
27. 前記接合電流は、前記アークの発生から所定の時間の後にのみ、再度増加させられることを特徴とする請求項１−２６のうちの１項に記載の方法。
28. 前記中間段階は、前記第１の加工片（１０）上に形成された接合溶滴が該中間段階において前記他の加工片（１２）の溶融物内に付着させられ、該第１の加工片（１０）が引き上げられるときに、そこに実質的に維持されるように制御されることを特徴とする請求項１−２７のうちの１項に記載の方法。

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