JP7000579B2 - スタッド溶接ガン及びスタッド溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、スタッドを基板に固定するための装置及び方法並びにまたそのようなスタッドに関する。

異なる用途において、様々なスタッドを基板に固定するための多くの既知の装置及び方法がある。例えば、スタッドを基板に接触させ、そこに電流が加えられる。この目的のために、スタッドは、導電性スタッドホルダによって保持される。

スタッドと基板との間を電流が流れると直ちに、スタッドは、基板からリフトオフされてアークを形成する。放出されるエネルギーにより、スタッド及び基板の材料が部分的に液化される。次いで、電流がオフに切り替えられ、スタッドが液化した材料に浸漬され、更にこの材料が冷却されて固体になる。その後、スタッドは、一体的に接合された方法で基板に接続される。

スタッド及び基板の材料を十分短い時間で液化するのに必要なエネルギーを提供するために、非常に高い強度の電流を生成し、対応する定格の電気ケーブルを使用して電流をスタッドに供給する装置が知られている。液化された材料の酸化を避けるため、スタッドと基板との間の接触領域を不活性ガスで取り囲むことが知られている。

例えば、建造物又は造船における用途の場合、アイテムを基板に固定するために、アイテムがねじ込まれる様々なサイズのねじ付きスタッドが使用される。例えば、電流の持続時間及び電力などの固定方法のいくつかのパラメータは、ユーザが装置上に設定するべきであり、使用されるスタッドに適合させるべきである。ユーザは、最終的に、目視検査によってスタッドと基板との間の接続品質を評価する。その結果、接続品質もユーザの経験及び能力に依存する。

本発明の目的は、スタッドの基板への固定がより容易にされ、且つ／又は改善される装置及び／又は方法を提供することである。

この目的は、溶接スタッドを基板に溶接方向において溶接するための溶接ガンであって、溶接作業中に溶接スタッドを保持するための保持装置であって、溶接スタッドは、溶接作業前及び／又は溶接作業中に基板に接触することを意図される接触面を有する、保持装置を含み、保持装置を溶接方向に対して浸漬開始位置まで搬送するためのスタッドリフト装置を更に含み、保持装置を浸漬開始位置から溶接方向に搬送するためのスタッド浸漬装置を更に含み、溶接ガンを基板上に支持するための支持面を有する支持要素を更に含み、且つ支持面に対して浸漬開始位置を溶接方向に好ましくは自動的に適合させるための装置を更に含む、溶接ガンで達成される。浸漬開始位置は、既知の溶接ガンの場合のように、溶接方向の支持要素の位置に依存せず、接触面の位置に依存する。その結果、例えば湾曲、くぼみ、汚れ又は以前に除去された表面層を有する基板である非平面基板に対しても、所望の浸漬開始位置が確保される。この装置は、スタッドリフト装置を支持面に対して溶接方向に移動させるために浸漬開始位置を自動的に適合させるため、すなわちスタッドリフト装置と支持面との間の溶接方向の距離を自動的に適合させるために設けられることが好ましい。

本発明の有利な態様は、溶接ガンが、支持面に対して２つ以上の異なる位置でスタッドリフト装置をロックするためのロック要素を含むことを特徴とする。

有利な態様は、溶接ガンが、駆動位置と解放位置との間で移動可能な駆動要素を含むことを特徴とし、駆動位置における駆動要素は、溶接方向に対する保持装置の移動をスタッドリフト装置に伝達し、解放位置における駆動要素は、スタッドリフト装置に対して溶接方向に対する保持装置の移動を可能にする。

有利な態様は、溶接ガンが、スタッドリフト装置に対して保持装置を溶接方向に付勢する保持ばねを含むことを特徴とする。更に有利な態様は、溶接ガンが、支持要素に対してスタッドリフト装置を溶接方向に付勢する駆動ばねを含むことを特徴とする。駆動ばねのばね定数は、保持ばねのばね定数よりも大きいことが好ましい。

有利な態様は、スタッドリフト装置が、保持装置が浸漬開始位置に搬送されるとき、駆動要素を駆動位置から解放位置に移動させるのに適していることを特徴とする。

この目的は、そのような溶接ガンを使用するための方法であって、溶接スタッドは、保持装置に保持され、溶接スタッドを有する溶接ガンは、接触面が基板に接触するまで基板上に配置され、保持ばねが、ここで、好ましくは張力をかけられた状態で、溶接ガンは、保持装置が駆動要素に当接するまで基板に押し付けられ、駆動ばねが、ここで、好ましくは張力をかけられた状態で、溶接ガンは、支持面が基板に当接するまで基板に更に押し付けられ、スタッドリフト装置は、ロックされ、駆動要素は、好ましくは、スタッドリフト装置によって解放位置に移動され、及び保持装置は、溶接方向に対して浸漬開始位置まで且つ浸漬開始位置から溶接方向に搬送される、方法でも達成される。

以下では、図面を参照して、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

溶接装置を概略的に示す図である。 溶接ガンを部分縦断面図で示す図である。 図２の溶接ガンを部分縦断面図で示す図である。 図２～図３の溶接ガンを部分縦断面図で示す図である。 図２～図４の溶接ガンを部分縦断面図で示す図である。

図１では、溶接スタッド２０を基板３０に溶接するための溶接装置１０が概略的に表されている。溶接スタッド２０の材料及び基板３０の材料は、導電性であり、特に金属である。溶接装置１０は、押しボタンスイッチとして形成されたトリガスイッチ４１を有する溶接ガン４０、溶接ユニット５０、第１の電気ケーブル６１、接続端子６３を有する第２の電気ケーブル６２、例えば電力ケーブルとして形成された電気供給ケーブル６４、電気通信ライン６５、ガスシリンダーとして形成されたガス貯蔵器７０、管状ガス供給ライン７１及びガスホース７２を含む。

第１のケーブル６１は、溶接ユニット５０を介して溶接スタッド２０に電流を供給するのに役立つ。第２のケーブル６２は、接続端子６３が基板３０にクランプされたとき、基板３０を溶接ユニット５０に電気的に接続するのに役立つ。溶接スタッド２０が基板３０と接触すると、回路が閉じ、それにより、例えば直流又は交流の形態の溶接電流が溶接ユニット５０により溶接スタッド２０に印加され得る。この目的のため、溶接ガン４０は、図１に示されていない溶接電流接点要素を含む。溶接ユニット５０は、所望の電圧及び電流強度で溶接電流を提供するために、例えば電気コンデンサ、サイリスタ、絶縁ゲート電極を有するバイポーラトランジスタ又はパワーエレクトロニクスからの他の構成要素及びマイクロプロセッサを有する関連する制御ユニットも含む、供給ケーブル６４からの電流を溶接電流に変換するための図示されていない装置を含む。

ガス供給ライン７１及びガスホース７２は、溶接作業中に周囲領域からの酸素による酸化から接触領域を保護するために、溶接スタッド２０と基板３０との間の接触領域にガス貯蔵器７０からの不活性ガスを供給するのに役立つ。接触領域へのガスの流れを制御するために、ガス貯蔵器７０、ガス供給ライン７１、溶接ユニット５０、ガスホース７２又は溶接ガン４０は、図示されていないバルブ、特に制御可能バルブを含む。

溶接ユニット５０は、作動要素５２を有する入力装置５１と、また視覚表示要素５４及び無線送信ユニットを有する出力装置５３とを有する。入力装置５１は、例えば、電圧、電流強度、溶接電流の電力及び持続時間、スタッドの位置及び速度など、溶接装置１０のユーザにより、溶接装置１０で実行される溶接方法のパラメータを入力するのに役立つ。出力装置５３は、例えば、溶接方法のパラメータに関する情報、溶接方法又は他の変数の検出された放出に関する情報、溶接作業の品質に関する情報、溶接作業を改善するための手段に関する情報、溶接スタッドの検出された特性に関する情報若しくは前述の変数から導出される情報並びに／又は溶接装置１０、特に溶接ガン４０を洗浄及び／若しくは維持するための推奨事項若しくは指示などの情報をユーザに出力するのに役立つ。

通信ライン６５は、溶接ガン４０、特に図１に示されていない溶接ガン４０の制御装置と、溶接ユニット５０、特に制御装置並びに／又は入力装置５１及び／若しくは出力装置５３との間の通信に役立つ。例えば、この通信により、例えば溶接電流の溶接スタッド２０の移動との同期を達成又は促進するために、溶接作業のパラメータに関する情報の交換が達成される。図示されていない実施例の場合、溶接ガンと溶接ユニットとの間の通信は、無線で、無線通信により、又は溶接電流を搬送する第１の電気ケーブルにより行われる。

溶接ガン４０は、開口部４６を有する筐体４２を有し、その筐体からトリガスイッチ４１を有するハンドル４３が突出している。溶接ガン４０は、スタッドホルダ４４も有し、その上で溶接スタッド２０が溶接作業中に保持される。この目的のため、スタッドホルダは、例えば、詳細に示されていない２つ、３つ、４つ又はそれを超える弾性アームを含み、それらの間に溶接スタッド２０がクランプ嵌合によって挿入及び保持される。溶接ガン４０は、溶接電流を溶接スタッド２０に印加するための、例えば１つ以上の弾性アームの形態でスタッドホルダ４４に組み込まれた溶接電流接点要素も有する。

溶接ガン４０は、溶接ガン及び溶接ユニット５０の様々な構成要素及び装置を制御するための制御装置９９も有する。制御装置９９は、溶接作業の１つ以上のパラメータを制御することを意図されている。この目的のため、制御装置９９は、例えば、１つ以上のマイクロプロセッサ、１つ以上の一時的又は恒久的なデータメモリなどの様々な電子構成要素を含む。

溶接ガン４０は、第１のリフト磁石として形成されたスタッドリフト装置も有し、スタッドリフト装置が作動すると、開口部４６から後方への（図１では上向きの）力でスタッドホルダ４４上において動作する。制御装置９９は、スタッドリフト装置を制御し、特にそれを作動及び非作動させるために、図示されていない信号線を介してスタッドリフト装置と通信する。

溶接ガン４０は、ばね要素又は第２のリフト磁石として形成されたスタッド浸漬装置も有し、スタッド浸漬装置が作動すると、開口部４６に向かう（図１では下向きの）力でスタッドホルダ４４上において前方に動作する。制御装置９９は、スタッド浸漬装置を制御し、特にそれを作動及び非作動させるために、図示されていない信号線を介してスタッド浸漬装置と通信する。スタッド浸漬装置がばね要素の形態をとる場合、スタッドホルダがスタッドリフト装置によって後方に移動すると、好ましくは、このばね要素は、張力をかけられ、その結果、スタッドリフト装置が非作動すると直ちに、ばね要素がスタッドホルダを前方に移動させる。

溶接装置１０を用いた溶接方法では、最初に、基板３０及びスタッド２０が提供される。更なるステップでは、例えば、後に続く溶接作業の所望のパラメータに関する情報が入力装置を介してユーザによって入力される。更なるステップでは、溶接スタッド２０と基板３０との間の溶接電流は、第１のケーブル６１及び第２のケーブル６２を用いて、溶接ユニット５０によって溶接スタッド２０に印加される。更なるステップでは、溶接スタッド２０は、溶接スタッド２０と基板３０との間に流れる溶接電流を維持しながら、スタッドリフト装置によって基板からリフトオフされ、溶接スタッド２０と基板３０との間にアークを形成する。特にアークによって生成される熱のため、溶接スタッド２０及び／又は基板３０の材料は、次いで、部分的に液化される。更なるステップでは、溶接スタッド２０は、スタッド浸漬装置により、溶接スタッド２０又は基板３０の液化された材料に浸漬される。次に、溶接スタッド２０又は基板３０の液化された材料は、溶接スタッド２０が一体的に接合された方法で基板３０に接続されるように固化する。

図２～図５は、縦断面において、接触面１２５を有する溶接スタッド１２０を溶接方向１１０において基板１３０に溶接するための溶接ガン１４０を示す。溶接ガン１４０は、溶接作業中に溶接スタッド１２０を保持するための、スタッドホルダの形態の保持装置１４４を含む。この目的のため、保持装置１４４は、スタッドレセプタクル１４６を有する。溶接ガンは、溶接方向１１０に対して保持装置１４４を浸漬開始位置まで搬送するためのスタッドリフト装置１５０を更に含み、スタッドリフト装置１５０は、リフト磁石１５５及びキャリア１５６を含み、リフト磁石１５５は、キャリア１５６に固定される。

溶接ガン１４０は、保持装置１４４を浸漬開始位置から溶接方向１１０に搬送するためのスタッド浸漬装置１６０を含む。スタッド浸漬装置１６０は、スタッドリフト装置１５０に対して保持装置１４４を溶接方向１１０に付勢する保持ばね１４５と、保持装置１４４とを含む。溶接ガン１４０は、基板１３０上に溶接ガン１４０を支持するための支持面１７５を有する支持要素１７０を更に含む。溶接ガン１４０は、支持要素１７０に対してスタッドリフト装置１５０を溶接方向１１０に付勢し、そのばね定数が保持ばね１４５のばね定数よりも大きい、駆動ばね１８０も含む。

溶接ガン１４０は、支持面１７５に対する浸漬開始位置を溶接方向１１０に自動的に適合させるための、参照符号が提供されていない装置を更に含む。この適合装置は、保持装置１４４、キャリア１５６、駆動ばね１８０、支持面１７５に対して２つ以上の異なる位置でスタッドリフト装置１５０をロックするためのロック要素１９０及び駆動要素２００を含む。駆動要素２００は、図２～図４に示される駆動位置と、図５による解放位置との間で移動可能である。

溶接ガン１４０は、以下のように使用される。最初に、溶接スタッド１２０は、例えば、プラグインされることにより、スタッドレセプタクル１４６に収容されることによって保持装置１４４に保持される（図２）。次いで、溶接スタッド１２０を有する溶接ガン１４０は、接触面１２５が基板に接触するように基板１３０上に配置される。その後、溶接ガン１４０は、保持装置１４４が駆動要素２００に当接するまで、溶接方向１１０に基板１３０上に押し付けられる（図３）。ここで、保持ばね１４５は、張力をかけられている。次に、溶接ガン１４０は、支持面１７５が基板１３０に当接するまで、基板１３０上に更に押し付けられる（図４）。ここで、駆動ばね２００は、張力をかけられており、キャリア１５６を有するスタッドリフト装置１５０は、駆動位置における駆動要素２００が溶接方向１１０に対する保持装置１４４の移動をスタッドリフト装置１５０に伝達することにより、溶接方向１１０に対して支持要素１７０に関して変位する。次いで、キャリア１５６を有するスタッドリフト装置１５０は、ロック要素１９０によってロックされ、駆動要素２００は、図５では見えないような描画面の外側にそれが配置される解放位置（図５）に移動される。ここで、ロック要素１９０は、摩擦係合によってキャリア１５６をロックする。図示されていない実施例では、ロック要素は、形状嵌合によってスタッドリフト装置をロックし、この目的のため、直線的に変位し、且つ／又は旋回する。

このとき、溶接ガン１４０は、保持装置１４４がスタッドリフト装置１５０によって溶接方向１１０に対して浸漬開始位置まで搬送され、スタッド浸漬装置１６０によって溶接開始位置から溶接方向１１０に搬送される間に溶接作業の準備ができている。この目的のため、解放位置における駆動要素２００は、スタッドリフト装置１５０に対して保持装置１４４の溶接方向１１０に対する移動を可能にする。駆動要素２００は、スタッドリフト装置１５０、好ましくはリフト磁石１５５により、保持装置１４４を作動中の浸漬開始位置に搬送するために、リフト磁石１５５によって駆動位置から解放位置まで移動されることが好ましい。次いで、駆動要素２００は、駆動位置に向かってばね荷重されることが好ましい。駆動要素２００は、駆動位置から解放位置まで直線的に移動される。図示されていない実施例では、駆動要素は、駆動位置から解放位置まで旋回される。図示されていない更なる実施例では、駆動要素及びロック要素は、共通のアクチュエータによって移動される。図示されていない更なる実施例では、駆動要素、ロック要素及び保持装置は、共通のアクチュエータ又は３つの相互に独立したアクチュエータによって移動される。

ここで、浸漬開始位置は、接触面１２５の位置に依存し、リフト磁石１５５のリフトによってのみ事前決定される。これにより、たとえ非平面基板の場合でも所望の浸漬開始位置が確保され、溶接方向１１０における支持面１７５と接触面１２５との間の位置の違いの影響を受けない。

溶接ガン１４０の保持装置１４４は、好ましくは、安定した溶接電流が確保されるように溶接電流接点要素としても役立つ。加えて、特定の状況下では、保持装置１４４の摩耗が低減する。

本発明は、溶接ガン及びその使用方法の例に基づいて説明されてきた。記載された実施例の特徴は、単一の溶接ガン又は単一の溶接方法内において必要に応じて互いに組み合わせることもできる。本発明による装置及び本発明による方法は、他の目的に適していることも指摘される。

Claims (6)

1. 溶接スタッドを基板に溶接方向において溶接するための溶接ガンであって、溶接作業中に前記溶接スタッドを保持するための保持装置であって、前記溶接スタッドは、前記溶接作業前及び／又は前記溶接作業中に前記基板に接触することを意図される接触面を有する、保持装置を含み、前記保持装置を前記溶接方向に対して浸漬開始位置まで搬送するためのスタッドリフト装置を更に含み、前記保持装置を前記浸漬開始位置から前記溶接方向に搬送するためのスタッド浸漬装置を更に含み、前記溶接ガンを前記基板上に支持するための支持面を有する支持要素を更に含み、且つ、前記スタッドリフト装置を前記支持面に対して前記溶接方向に移動させ、前記支持面に対して前記浸漬開始位置を前記溶接方向に自動的に適合させるための装置であって、前記支持面に対して２つ以上の異なる位置で前記スタッドリフト装置をロックするためのロック要素と駆動位置と解放位置との間で移動可能な駆動要素とを含み、前記駆動位置における前記駆動要素は、前記溶接方向に対する前記保持装置の移動を前記スタッドリフト装置に伝達し、前記解放位置における前記駆動要素は、前記スタッドリフト装置に対して前記溶接方向に対する前記保持装置の移動を可能にする、装置を更に含む溶接ガン。
2. 前記保持装置が前記駆動要素に当接するまで、前記溶接ガンを前記基板に押し付ける際、前記スタッドリフト装置に対して前記保持装置を前記溶接方向に付勢する保持ばねを含む、請求項１に記載の溶接ガン。
3. 前記支持面が前記基板に当接するまで、前記溶接ガンを前記基材に更に押し付ける際、前記支持要素に対して前記スタッドリフト装置を前記溶接方向に付勢する駆動ばねを含む、請求項２に記載の溶接ガン。
4. 前記駆動ばねのばね定数は、前記保持ばねのばね定数よりも大きい、請求項３に記載の溶接ガン。
5. 前記スタッドリフト装置は、前記保持装置が前記浸漬開始位置に搬送されるとき、前記駆動要素を前記駆動位置から前記解放位置に移動させる、請求項１に記載の溶接ガン。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の溶接ガンを使用するための方法であって、
   ａ）前記保持装置上に前記溶接スタッドを保持するステップと、
   ｂ）前記接触面が前記基板に接触するまで、前記溶接スタッドを有する前記溶接ガンを前記基板上に配置するステップと、
   ｃ）前記保持装置が前記駆動要素に当接するまで、前記溶接ガンを前記基板に押し付けるステップと、
   ｄ）前記支持面が前記基板に当接するまで、前記溶接ガンを前記基材に更に押し付けるステップと、
   ｅ）前記スタッドリフト装置をロックするステップと、
   ｆ）前記駆動要素を前記解放位置に移動させるステップと、
   ｇ）前記保持装置を前記溶接方向に対して前記浸漬開始位置まで搬送するステップと、
   ｈ）前記保持装置を前記浸漬開始位置から前記溶接方向に搬送するステップと
   を含む方法。

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