JPS63299863A - 電気ア−クコンデンサ−放電パ−カッションスタッド溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気アーク溶接に関し、更に詳しくはＶａｎ
ｇ溶接法とも呼ばれている電気アークコンデンサー放電
パーカッションスタッド溶接方法に関する。

本発明の電気アークコンデンサー放電パーカッションス
タッド溶接方法は、工学一般、造船、機器製作および土
木工学における溶接構造物の製造に適用できる。

〔従来の技術〕

スタッドを金属シート、プレートその他の部材に溶接す
る広く知られた電気アークコンデンサー放電パーカッシ
ョン溶接（Ａｖｔｏａ＋ａｔｉｃｈｅｓｋａｙａｓｖａ
ｒｋａ’Ｍａｇａｚｉｎｅ、Ｎａ　９　＋１９７３．”
Ｎａｕｋｏｖａ　Ｄｕ＋＋＋ｋａ”　　／Ｋｉｅｖ／、
Ｎ、Ａ、Ｃｈｖｅｒｔｋｏ、”Ｕｄａｒｎａｙａ　Ｋｏ
ｎｄｅｕｓａｔｏｒｎａｙａｓｖａｒｋａ　５ｈｐｉｌ
ｅｋ　ｉ　５ｈｔｉｆｔｏｖ”、ｐｐ、　５ｌ−５３）
によると、スタッドの端部と部材との間で高い信頼性で
電気アークの発生を確保するために、冷間アップセット
加工によってスタッドの端部に隆起部分を形成する。こ
の隆起部分の長さと直径はスタッドの主直径と溶接され
る各部分の材質とによって決定される。溶接されるスタ
ッドの端部の隆起部分の形状はくさび形、円錐形等であ
る。ばね機構の作用によってスタッドの隆起部分が部材
表面上に配置される。予め必要電圧にまで充電されてい
るコンデンサー（キャパシター）のバンクをスタッドお
よび部材に電気的に接続すると、溶接電流がスタッドの
隆起部分と部材とを通って流れ始める。コンデンサーバ
ンクの放電電流の値が最高値に達すると、隆起部分内の
高電流密度（１０’Ａ／ｃａｌに達する）によって隆起
部分が爆発的に蒸発する。金属蒸気が高温であるため、
スタッドから部材までの間隙がイオン化され、電気アー
クが点弧され、溶接されつつあるスタッドおよび部材の
蒸気の中でアークが形成される。を気アークの長さおよ
びアーク時間はスタッドの隆起部分の長さおよび直径に
依存する。スタッドの端部とその下にある部材表面とが
融解する。ばね機構の動作が、電気アークの長さを徐々
に消滅させるようにスタッドの端部を部材に近ずけ、そ
してスタッドの端部が部材の溶融金属中に導入されたと
きに、電気アークが消弧される。溶融金属が完全に固化
したときに溶接サイクルは完了する。

良好な品質を有する溶接継手を作る作業を適切に繰返す
ために、隆起部分の長さおよび直径の精度を比較的高く
する必要があるので、スタッドの端部の隆起部分の形成
は比較的煩雑な作業である。

やはり広く知られた方法として、消耗電極を使う、幅が
変化するＶ開先の曲線状の突合せ継手の自動アーク溶接
方法がある−　（Ｓ　Ｕ　、　Ａ　、　９４１０５２）
。

この方法はガスシールド直流溶接法である。まず最初に
、電極と溶接構造物との間に電気アークを点弧する。ア
ークを点弧状態にしながら、電極を溶接線を横切って振
動させながら溶接線に沿って移動させる。溶接の進行中
に溶接アークの電圧を測定し、電極が溶接される構造物
の縁部に近すいてアーク間隙の長さが変動することによ
って、測定した値が所定値の１０〜２０％の低下をし且
つこの変動が０．０２５〜０．１ｓの間＃１続したとき
に、電極の移動を反転させる。その結果、電極が十分な
精度で溶接線に沿って案内され、溶接構造物の変化する
幅の開先がその幅全体に均一に金属を充填される。個々
のビードが盛られるときには（溶接作業が数回繰返され
る）、溶接の速度は自動的に変化させられる。

電気アークの電圧変動に従がって電極の移動を反転する
ことができるのは、変動が１０％〜２０％の範囲にある
ときだけである。それは、電気アークの電圧がこれより
大きく低下すると溶接作業に悪影響があるからである。

電極の移動を反転する命令を送るのに０．０２５〜０．
１９の遅れがあるために工程が遅らされる。

更に広く知られた電気アークコンデンサー放電パーカッ
ションスタッド溶接方法（ＴｈｙｓｓｅｎＴｅｃｈｎｉ
ｓｃｈｅ　Ｂｅｒｉｃｈｔｅ、ｍ　２　＋１９８２．　
Ａ、Ｆｒｉｎｇｓ　ｅｔａｌ、、　”　Ｌｉｃｈｔｂｏ
ｇｅｎｂｏｌｚｅｎｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ　ｕｎｄＫａ
ｌＬｇｅｗａｌｚＬｅｎ　５ｔａｈｌｆｅｉｎｂｌｅｃ
ｈｅｎ”、ｐｐ、１６１〜１７０）は、スタッドを部材
上に予備配置する工程、溶接するスタッドを部材から引
込め（後退させ）且つこれらの間に補助電気アークを点
弧する工程、および溶接ヘッドのばね機構によってスタ
ッドを部材に向かって移動させる工程を含む。補助アー
クを所定時間持続させた後、キャパシターあるいはコン
デンサーバンクの放電を開始して溶接電流をスタッドと
部材を通して流し、スタッドの端部表面およびその下に
ある部材表面を融解する。溶接電気アークの所定アーク
時間の経過時に、スタッドを部材の溶融金属中に導入す
る。次に、溶接するスタッドと部材とを一緒に保持ある
いは突合せて溶接継手を形成する。この過程において、
コンデンサーバンクの放電の時期は部材に対するスタッ
ドの移動の時刻によって決定するので、スタッドを最も
引込めた（後退させた）位置に配置するために、特別に
設計された高精度のゲージが必要である。

しかしこの方法では、溶接ヘッドのばね機構の動作が十
分に安定な状態で行なわれないので、スタッドと部材と
を突き合わせる操作を十分に繰返えさせることができな
い。スタッドの直径が変動するとばね機構の質量が変動
するので、溶接ヘッドのばね機構の弾力性を調節する必
要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、コンデンサーの放電開始時期を予め設
定することによって、溶接作業の効率要因を高め且つ溶
接できるスタッド直径の範囲を拡大する電気アークコン
デンサー放電パーカッションスタッド溶接方法を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、スタッドを部材上に予備配置する工程、
該スタッドを該部材から引込め（後退させ）且つ該スタ
ッドの端部と該部材との間に補助電気アークを点弧する
工程、該スタッドを該部材に向かって移動させる工程、
コンデンサーを該スタッドの該端部と該部材との間で放
電させる工程、該スタッドを該部材の熔融金属中に導入
する工程、および該スタッドの該端部と該部材（４）と
を突合わせて結合させ溶接部を形成する工程を含む電気
アークコンデンサー放電パーカッション溶接方法におい
て、該スタッドが該部材に向かって移動しているときに
該補助電気アークでの電圧降下が測定され、測定された
値から該スタッドの該端部および該部材における電極結
合電圧降下の総和が差引かれ、得られた電圧降下値が初
めに得られた電圧降下値の１０％〜９０％の変動をした
ときにコンデンサーの放電が開始することを特徴とする
本発明の電気アークコンデンサー放電パーカッションス
タッド溶接方法によって達成される。

本発明の電気アークコンデンサー放電パーカッシッンス
タッド溶接方法は、溶接電気アークのアーク時間を延長
することによって溶接作業の効率要因を高めることがで
き、それによって溶接できるスタッドの範囲を拡大する
ことができる。

〔実施例〕

以下に本発明を、電気アークコンデンサー放電パーカッ
ションスタッド溶接における実施例について、添付図面
を参照して更に説明する。

本発明の電気アークコンデンサー放電パーカッションス
タッド溶接方法は以下のように実施される。

第１図において、溶接ヘッド（図示せず）のつかみ装置
２によって保持されたスタッド１を、その端部３によっ
て部材４の上に予備配置する。補助電気アークを点弧さ
せるために、直列接続されたサイリスタースイッチ５と
電流源６とを通して電流が供給される。溶接アークを点
弧させるための電流を供給するために、直列接続された
サイリスタースイッチ７、コンデンサー（キャパシター
）バンク８、および電流源９が存在する。スタッドｌの
端部３と部材４との間隙の間に並列に接続された電圧測
定回路ｌＯがサイリスタースイッチ５および７と接続さ
れている。

電流源６に接続されているサイリスタースイッチ５を入
れる。溶接ヘッドの電磁石１１によってスタッド１１が
部材４から引き込まれ（後退させられ）、補助電気アー
クがスタッドｌの端部３と部材４との間に点弧される。

スタッドｌの端部３と部材４との間のアーク間隙は補助
電気アークによってイオン化される。スタッドｌが部材
４から最も引き込まれた（後退させられた）ときに、電
磁石１１が除勢され、補助電気アークは点弧状態のまま
で溶接ヘッドのばね機構（図示せず）がスタッド１を部
材４（第１図、第２ａ図）の方向へ移動させる。

スタレドｌが時刻ｔ、から部材４に向かって移動してい
るときに、補助電気アークでの電圧降下が測定され、こ
の測定値からスタッドｌの端部３および部材４での電極
結合電圧降下の総和を差し引いて補助電気アーク柱の電
圧降下Ｕ　ｔ　（第２図）に相当する値を得る。この値
は補助アークの長さすなわちスタッド１の端部３と部材
４との間の距離に等しい長さＬ　＋　（第２ａ図）に直
接に比例しており、この値がスタッド１の端部３と部材
４との間の距離Ｌ２に相当する所定電圧降下Ｕ２に達し
たときにコンデンサーバンク８　（第１図）の放電が開
始する。

所定電圧降下Ｕｔは、コンデンサーバンク８の充電電圧
、溶接するスタッドｌの直径、および溶接電流の電流源
９をコンデンサーバンク８を通して溶接ヘッド（図示せ
ず）に接続する電源ケーブル（図示せず）のインダクタ
ンスに応じて選定される。

距離Ｌ１は、電圧測定回路１０によって測定される補助
電気アーク柱での電圧降下Ｕ、（第２ｂ図）の減少の相
対値によって決定される。電圧Ｕ１の減少が長さＬ２に
比例する値Ｕ２に達したとき（時刻１＋）、電圧測定回
路１０は、コンデンサーバンク８に接続されたサイリス
タースイッチ７を入れるための信号を送る。電流源９に
よって予め充電されたコンデンサーバンク８は、先に補
助電気アーク（第２Ｃ図）によってイオン化された、ス
タッドｌの端部３と部材４との間の間隙で放電する。こ
のようにコンデンサーバンク８（ｍ２ｄ図）の放電の電
流によって溶接電気アークが維持される。溶接されるス
タッド１の端部３および部材４のそれぞれの表面はこの
電流によって融解し、アーク間隙内の金属蒸気の圧力が
溶接ヘッドのばね機構（図示せず）のばね（図示せず）
の作用力より小さくなった時刻１ｚに、スタッド１が部
材４の溶融金属中に入り、そしてこのようにして溶接さ
れるべきスタッド１と部材４とが突合わせられる。溶接
アークが消されて、スタッドｌの端部３と部材４との間
に溶接部が形成される。スタッドｌの端部３と部材４と
の溶接継手を流れるコンデンサーバンク８の放電電流は
指数関数的に減少する。溶接部の金属が固化したときに
溶接サイクルは終了する。

本発明の方法を行なう際゛に、スタッド１の端部３から
部材４までの距離を、補助電気アーク柱での電圧降下の
相対的な減少から測定する。すなわち、上記のアークを
独立した測定媒体として利用する。

アーク電圧は下記のｒｒｅｔｏｎの公式から決定される
。

Ｕｓ　＝ａ　＋　ｂ　Ｌ　　　　　　　　　　　（１）
ここで、ｒａＪは電極結合電圧降下の総和、すなわちス
タッド１の端部３と部材４での陽極および陰掻の電圧降
下の総和であり、この値は特に電気アークの長さとは独
立である（電極結合電圧降下の絶対値は１０〜１７Ｖで
ある）。

ｒｂＪは外的条件、溶接電流値および電気アークの長さ
に依存する比例係数である（Ｎ、Ａ、Ｋａｐｔｓｏν。

“Ｅｌｅｋｔｒｉｃｈｅｓｋｉｅ　ｙａｖｌｅｎｉｙａ
　　ｖ　ｇａｚａｋｈ　　ｉ　　ｖｖａｋｕｕｍｅ”、
１９５０．ＧｏｓｕｄａｒｓＬｖｅｎｎｏｅ　　Ｉｚｄ
ａｔｅｌ’　　ｓｔｖ。

Ｔｅｋｈｎｉｃｌ＋ｅｓｋｏｉ　　ｉ　　Ｔｅｏｒｅｔ
ｉｃｈｅｓｋｏｉ　　１．１Ｌｅｒａｔｕｒｙ　　／Ｍ
’ｏｓｃｏｗ−Ｌｅｎｉｎｇｒａｄ　／、ｐ、５２４）
。

補助電気アークの電圧が所定値Ｕ４に達した時刻に溶接
電流が流れ始めると、アーク間隙の長さ、すなわちスタ
ッドｌの端部３から部材４までの距離は下式のＬ２に等
しくなる。

Ｕ４　＝ｋＵ０　　　　　　　　　　　　　　　　（３
）とおけば、 ここで、Ｕｏは最も引込まれたときのスタッド１の部材
４からの距離に対応する電気アークでの電圧降下である
。

式（１）を式（３）に代入すると、 Ｕｓ　＝ｋ　（ｂＬ０＋　ａ）　　　　　　　（５）こ
こでＬｏはスタッドｌが部材４から最大距離にあるとき
の電気アークの長さである。

式（５）を式（２）に代入すると下式が得られる。

補助電気アーク柱での電圧降下の値は、Ｕ、＝Ｕ、−ａ
＝ｂ［。

であり、したがって、 Ｌｌ　　＝ｋＬ６　　（７） ここでＵｌは、最も引込まれた位置でのスタッド１の部
材４からの最大距離に対応した、電気アーク柱での電圧
降下であり、 Ｕ２は、コンデンサー放電の溶接電流をか流れ始めると
きの電気アーク中での電圧降下である。

式（７）から明らかに判るように、スタッドｌが部材４
に向かって移動しているときに電気アークでの電圧降下
が測定され、このようにして測定された値から電極結合
電圧降下が差し引かれ、そして得られた値が所定の電圧
降下値と比較されれば、これらの値の外的要因に対する
依存性は相殺される。

コンデンサーバンク８の放電によって供給される溶接電
流を流し始める時刻は、スタッドｌの端部３と部材４と
の接触時に各々の表面が完全に融解するような時刻とな
るように設定されるべきである。もしもコンデンサーバ
ンク８の放電開始が遅れると、溶接部分が完全に融解す
るのに十分な時間が与えられず、溶接継手の品質が低下
する。

その上、この場合には、スタッドｌの端部３と部材４と
の接触の際の短絡の発生によって５コンデンサーバンク
８に貯えられていたエネルギーが浪費される。これとは
反対に、コンデンサーバンク８の放電開始が早過ぎると
、スタッドｌの端部３と部材４の表面とを流れる電流が
これら両者を融解状態に維持するのに不十分な時刻にこ
れら両者が接触することになって、やはり溶接継手品質
は低い。

コンデンサーバンク８の放電によって供給される溶接電
流が流れ始めるべきときの補助電気アーク柱での電圧降
下の水準は、初めに測定しておいたスタッド１が部材４
から最も引込まれたときの初期電圧の１０％〜９０％の
範囲内にあり、実際上このことによって、部材４に向か
うスタッドｌの運動のどの時刻において°も、スタッ゛
ドｌと部材４とのいずれの距離においても溶接電流を流
し始めることができる。直流供給される補助電気アーク
での電圧降下は１６〜４０Ｖである。このように下限値
１６Ｖは、各電極すなわちスタッドｌの端部３および部
材４における１Ｏ−１７Ｖの電圧降下の総和値に近い。

溶接電流が流れ始めるときの補助電気アーク柱での電圧
降下の変動は上記初期電圧の１０％未満であってはなら
ない。１０％未満となると、溶接アークが発生せずにス
タッド１の端部３と部材４との間の間隙で短絡が発生す
る危険がある。これとは反対に、溶接電流が流れ始める
ときの補助電気アークの電圧降下の変動の上限を初期電
圧値の９０％に設定したのは、溶接アークが高い信頼性
で発生し且つ安定して高い信頼性で持続する溶接アーク
最大長に依存するアーク時間の最大推奨値によって規定
したからである。実際上は、補助電気アークの最大長は
３〜５龍である。

溶接電流の最大アーク時間は電源供給ケーブルを含めた
溶接回路のインダクタンスに依存しており、６〜Ｂｍｓ
である。

第１表に、電気アークコンデンサー放電パーカッション
スタッド溶接の施工例を示す。

〔発明の効果〕

本発明の電気アークコンデンサー放電パーカッションス
タッド溶接方法によって、溶接作業に投入する総労働力
の低減、溶接生産性の格段の向上、電源ケーブル長の増
加による作業領域の拡大、および電力の節約ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施態様である電気アークコンデン
サー放電パーカッションスタッド溶接方法を実施するこ
とができる装置のブロック−ユニット回路図である。 第２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄ図は本発明の実施態様
である方法においてそれぞれ、部材に対するスタッドの
移動、補助電気アーク柱の電圧、コンデンサー電圧、お
よび溶接アーク電流を時間に対して示す線図である。 ｌ・・・スタッド、 ２・・・溶接ヘッドのつかみ装置、 ３・・・スタッドｌの端部、 ４・・・部材、 ５．７・・・サイリスタースイッチ、 ６．９・・・電流源、 ８・・・コンデンサー（キャパシター）バンク、ｌＯ・
・・電圧測定回路、 １１・・・溶接ヘッドの電磁石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、スタッド（１）を部材（４）上に予備配置する工程
   、該スタッド（１）を該部材（４）から引込め且つ該ス
   タッド（１）の端部（３）と該部材（４）との間に補助
   電気アークを点弧する工程、該スタッド（１）を該部材
   （４）に向かって移動させる工程、コンデンサー（８）
   を該スタッド（１）の該端部（３）と該部材（４）との
   間で放電させる工程、該スタッド（１）を該部材（４）
   の溶融金属中に導入する工程、および該スタッド（１）
   の該端部（３）と該部材（４）とを突合わせて結合させ
   溶接部を形成する工程を含む電気アークコンデンサー放
   電パーカッション溶接方法において、該スタッド（１）
   が該部材（４）に向かって移動しているときに該補助電
   気アークでの電圧降下が測定され、測定された値から該
   スタッド（１）の該端部（３）および該部材（４）にお
   ける電極結合電圧降下の総和が差引かれ、得られた電圧
   降下値が初めに得られた電圧降下値の１０％〜９０％の
   変動をしたときにコンデンサー（８）の放電が開始する
   ことを特徴とする電気アークコンデンサー放電パーカッ
   ションスタッド溶接方法。